第九章 气电式传感器 根据气动测量原理，根据气动测量原理， 将被测量的变化转换成将被测量的变化转换成 气压变化或气体流量变化信号气压变化或气体流量变化信号 第一节第一节 气动测量的原理气动测量的原理 第二节第二节 气动侧头气动侧头 第三节第三节 压力式气电传感器压力式气电传感器自学第一节 气动测量的原理一、气动测量原理分类 1、压力式气动测量原理 2、流量式气动测量原理二、压力式气动测量原理pgpc1、管道2、进气喷嘴3、压力表4、气室5、测量喷嘴6、工件ZPg工作压力；Pc测量压力；a流量系数；d测量喷嘴直径；d1进气喷嘴直径；特性曲线：PgZ线性度取决于进气喷嘴直径的大小第十章 其他传感器一、振弦式传感器-弦乐器和乐鼓改变弦的粗细和长度，或改弦乐器和乐鼓改变弦的粗细和长度，或改变鼓皮的张紧度和厚度，就可改变它们的变鼓皮的张紧度和厚度，就可改变它们的发声频率。发声频率。谐振式传感器顾名思义，传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为顾名思义，传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。在电激励下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的振弦。在电激励下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的张力张力F F，可以得到不同的振动频率，可以得到不同的振动频率f f，即，即张力与谐振频率成张力与谐振频率成单值函数关系单值函数关系。对已定传感器：对已定传感器：（一）、工作原理（一）、工作原理（二）、振弦式传感器的应用 振弦式混凝土表面应变振弦式混凝土表面应变计计 运用运用：测量混凝土表面的：测量混凝土表面的应变，主要设计用于安装应变，主要设计用于安装到混凝土结构上，如到混凝土结构上，如:混凝混凝土结构、桩；梁；桥；锚土结构、桩；梁；桥；锚筋；隧洞衬砌；吊索。在筋；隧洞衬砌；吊索。在混凝土结构上以及使用区混凝土结构上以及使用区间有限的部位仅需一个小间有限的部位仅需一个小截面即可安装。截面即可安装。2、振弦式沉降仪运用：用于测量和控制纵向运动，水坝和河堤沉降；建筑地基和储油罐的沉降和隆起；海填埋的施工控制；桥墩和桥拱座的沉降；掩埋场的监测；二、超声波式传感器(一)、超声波物理基础频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象。1、超声波的波型分类超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。振动方向和波振动方向和波的传播方向一的传播方向一致。致。能在固体、能在固体、液体和气体中液体和气体中传播。传播。振动方向和波振动方向和波的传播方向垂的传播方向垂直。直。只能在固只能在固体中传播。体中传播。表面波质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面传播。2、 超声波的反射和折射在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定律在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定律和折射定律。和折射定律。 超声波的频率越高，特性越与光波相似超声波的频率越高，特性越与光波相似. .(二)、超声波发生器原理压电晶体：压电效应、逆压电效应电致伸缩效应电致伸缩效应_y逆压电效应逆压电效应在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。振动，而产生超声波，如图所示。当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。产生共振，这时产生的超声波最强。共振共振压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。赫兹的高频超声波。压电材料的压电材料的固有频率：固有频率：(三)、超声波接收器原理在超声波技术中，除了需要能产生超声波的发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途。压压电电晶晶体体测测量量电电路路超声波超声波为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。1、超声波测距原理：超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再反回到接收探头。超声波探头超声波探头2 2、超声波探头材料、超声波探头材料常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。工作原理：利用压电材料的压电效应。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可做为发射探头。利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可作为接收探头。超声波探头中的压电陶瓷芯片将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。压。空气超声探头以空气为传导介质的超声探头。锥形共振盘：提高发生效率；阻抗匹配器：提高接受效率。a）超声发射器 b）超声接收器 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束 (四) 应用1、超声波流量计F F1 1发射的超声波先到达发射的超声波先到达 T T1 1测量流量原理 时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。 在在t1、t2时间内，分别对频率为时间内，分别对频率为f0的脉冲进行计数，的脉冲进行计数，记得脉冲数为记得脉冲数为N1、N2：超声波流量计现场使用超声波流量计现场使用同学们是否注意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶而过时，喇叭的音调会由高变低，好像汽车驶来的时候唱着音符“1”，离开的时候就唱音符“ 7”了。2、超声波多普勒测量车速、超声波多普勒测量车速1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就注意到了类似的年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就注意到了类似的现象，他经过认真的研究，发现波源和观察者互相靠近或者互相远离时，观察现象，他经过认真的研究，发现波源和观察者互相靠近或者互相远离时，观察到的波的频率都会发生变化，并且做出了解释，人们把这种现象叫做多普勒效到的波的频率都会发生变化，并且做出了解释，人们把这种现象叫做多普勒效应。应。 交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波，交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度。多少就能知道车辆的速度。 在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。