传感器在无损检测中的应用
学 号：160808520338
学生所在学院：测试与光电工程学院
学 生 姓 名 ：余方林
任 课 教 师 ：吴伟老师
教师所在学院：测试与光电工程学院
20016年12月
2016
传感器在无损检测中的应用
余方林
南昌航空大学研究生学院
摘要： 随着科学技术的发展，传感器技术被广泛地应用于生产和生活的各个领域。在工业
控制、航空、通讯等各个高科技领域以及日常生活中，人们对传感器测试系统的测量精度提出了越来越高的要求。 尤其是在无损检测中的应用很广。传感器测试系统应用技术的关键，就在于能使这一传感器尽可能准确地测量出被测量来。论文首先介绍传感器的研究状况，从常见几种传感器原理模型入手，接着介绍传感器前置信号处理方法和电路设计以及模拟滤波器设计。下面介绍智能化传感器研究现状，最后着重介绍了传感器在无损检测中的应用实例及发展发向。
关键词： 传感器 信号处理 模拟滤波器 智能化传感器 无损检测
目 录
1.绪论 ............................................................................................................................................... 1
1.1传感器研究现状 ................................................................................................................ 1 1.2无损检测中的传感器 ........................................................................................................ 1 2.传感器基本原理 ............................................................................................................................ 1 3.传感器前置信号处理方法 ............................................................................................................ 2
3.1 信号调理电路的组成 ....................................................................................................... 2 3.2 传感器信号调理电路 ....................................................................................................... 3 3.3传感器数控阻抗信号调理电桥 ........................................................................................ 5 3.4压力传感器信号调理模块 ................................................................................................ 8 4.开关电容低通滤波器
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的设计原理分析 .................................................................................. 12
4.1开关电容技术的原理 ...................................................................................................... 13 4.2低通滤波器的总体设计 .................................................................................................. 14 4.3 电路中电容值的计算 ..................................................................................................... 16 4.4 仿真结果 .......................................................................................................................... 17 4.5 结论 ................................................................................................................................. 18 5.智能传感器 .................................................................................................................................. 18 6.传感器在无损检测中的应用 ...................................................................................................... 18
6.1超声波传感器在无损探伤中的应用 .............................................................................. 18 6.2奥氏体钢焊缝
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无损检测专用超声传感器 .................................................................. 21
6.3超声传感器在点焊中的应用 .......................................................................................... 22 6.4霍尔传感器在无损检测中的应用 .................................................................................. 22 6.5 电涡流传感器无损探伤 ................................................................................................. 25 6.6 基于先进传感器技术的航空材料无损检测 ................................................................. 30 6.7 传感器在其他无损检测中的应用 ................................................................................. 31 7. 总结与展望 ................................................................................................................................ 32
1.绪论
1.1传感器研究现状
传感器是将外界参量如物理、化学、机械等参量转化为电学量或光学量的一种装置。它像人的五官一样, 是获取信息的重要工具, 在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着巨大作用。随着工业现代化的飞速发展, 以及测控系统自动化、智能化的技术进步, 要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好, 而且具备一定的数据处理能力, 并能自检、自校、自补偿。传统的传感器(国外称为Dumb Sensor) 已不能满足要求。现代材料工艺及技术, 特别是计算机技术使传感器技术产生了巨大的飞跃, 微处理器(Microprocessor)和传感器相结合, 产生了功能强大的智能传感器(国外称为Smart Sensor) 。智能传感器是美国宇航局(NASA) 在开发宇宙飞船的过程中产生的。宇宙飞船需要速度、加速度、位置和姿态等传感器, 宇航的生活环境需要温度、气压、空气成份和微量气体传感器,科学观测也要用大量的各种传感器。宇宙飞船观测到的各种数据是很庞大的, 处理这些数据需要用超大型计算机。要不丢失数据, 并降低成本, 必须有能实现传感器与计算机一体化的灵巧传感器。 1.2无损检测中的传感器
迄今为止，除了常规的超声、涡流、磁粉、渗透和射线检测之外，人们开发了各种先进的无损检测方法。无损检测的发展依赖于很多关键技术，其中包括先进的传感器技术，用来监控或检测温度、磁场、应变、振动和位移等等。这些传感器具有不同的工作原理、类型、灵敏度、阵列、位置、成本、尺寸、重量和数量，决定了整个检测系统的灵敏度、效率和安全性。近年来，航空无损检测及其相关传感器技术进步很快，包括光学检测（热成像、激光剪切散斑成像）、微波检测、振动监控、磁共振检测和敲击检测技术，涉及光学传感器、微波传感器、振动传感器等等。
2.传感器基本原理
从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原
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理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。
3.传感器前置信号处理方法
通常, 传感技术中传感器由敏感元件、传感元件、和其它辅助件组成, 有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。在传感器测量电路中, 经常遇到不同类型信号之间的相互转换问题, 以使具有不同输入、输出的器件可以联用。这就需要信号调理电路来实现这些功能, 以抑制噪声和实现信号的转换。此电路设计的优化程度如何直接关系到传感器系统的测量精度和稳定性等方面。由于传感器的信号调理电路处理的是比较微弱的信号, 电路相对比较复杂, 而且还要实行信号的转换, 外界的干扰极易祸合到电路中影响到有用信号, 外界极小的骚扰都有可能给输出结果带来很大误差或者是完全错误的结果.信号调理电路内部各器件间的干扰也相当严重。因此, 传感器的信号调理电路的电磁兼容性问题是传感器技术的重要组成部分。 3.1 信号调理电路的组成
集成化传感器信号调理电路的种类繁多, 大致可分为两类: 一类是传感器信号调理器,另一类为传感器信号处理器(亦称传感器信号处理系统)。传感器信号调理器与传感器信号处理器的主要区别表现在, 前者是以模拟电路为主、数字电路为辅, 后者则以数字电路为主。
传感器信号调理器能完成传感器信号的放大、温度补偿或非线性补偿、拘数转换等功能。传感器信号调理器大部分有A /D 转换器温度补偿及自动校准电路, 输出为模拟量或数字量。在传感器信号调理器中可能用到的器件有: A /D 转换器、D IA 转换器、放大器、振荡器、滤波器、运算器、SPI 接口、定时器、可编程电桥激励源与基准电压源、可调电流源、加法器、缓存器、串行E ZPR OM 接口、二极管、数字控制器、信号调制器、信号解调器、冰点补偿器等。 传感器信号处理器芯片内部一般都带高速CPU 或微控制器、数字信号处理器, 并且具有串行总线接口, 因此其智能化程度更高, 更适合配微机, 其性能
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