4.5 结论
传统的有源RC滤波器电路易于实现，能处理高频信号[19]，是实际应用中的经典电路。但是它不易集成，不适用于大规模集成的要求。本文采用相对成熟的开关电容技术实现低通滤波器的设计，提出了一种双二阶级联的六阶开关电容低通滤波器，较好地实现了低频信号的滤波，满足设计指标的要求。
5.智能传感器
传感器在工业生产、国防建设、科学技术领域发挥着巨大的作用。传感器正向微型化、多功能化、智能化方向发展。微型化传感器利用微机械加工技术将微米级的敏感元件、信号调理器、数据处理装置集成封装在一块芯片上; 由于体积小、价格便宜、便于集成等特点, 可以提高系统测试精度。多功能化传感器能够同时检测2个或2个以上的特性参数。智能化传感器带有专用计算机, 可实现相应智能化。
智能化发展方向主要有以下几个方面：
（1）高精度：决定传感器是否智能化的首要因素是其精度，同时它还应具备良好的可靠和稳定性。传感器可进行数字滤波等分析处理，过滤掉无用的数据，及在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力。
（2）数字化：越来越多的智能传感器带有标准数字接口，能将所检测到的信号经过交换处理后，以数字量的形式与上位计算机进行信息通信和传递。 （3）低功耗：智能传感器要具备一定的判断、分析和信息处理能力，能够根据整个系统的工作情况调节各部分与上位计算机的数据传送，使系统工作在最优低功耗状态和传送效率优化的状态。
总而言之，传感器趋向智能化还有重要的一点是使用者对传感器要求的不断增高，不仅是通信要求，还要求传感器要具有更高的安全性、更简单的可操作性以及更强的恶劣环境适应能力。智能传感器减少了传感器开发及制作的成本, 使用过程极为方便, 测量简单, 也易于获得较高的精度[20], 有极大的发展前途。
6.传感器在无损检测中的应用
6.1超声波传感器在无损探伤中的应用
利用超声波物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器，或超声波探测器、超声波传感器，有时也叫超声波探头。
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超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术中压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头；由于其结构不同，分为直探头式、斜探头式[21]和双探头式，直探头式结构如图16所示
图16超声波直探式探头结构
1—压电片；2—保护膜；3—吸收块；4—盖；5—绝缘柱；
6—换能片； 7—导电螺杆；8—接线片；9—压电片座；10—外壳
它主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜、引线等组成。 压电晶片多为圆板形， 厚度为δ，超声波频率 f 与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板， 压电片的底面接地线，上面接导线引至电路中。阻尼块又称吸收块，它的作用是降低晶片 的机械品质[22]，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，压电片因惯性 作用会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。当吸收块的声阻抗等于晶体的 声阻抗时，效果最佳。
对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，遇到杂质或分介面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。
（1）穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头分别置于工件的相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可是脉冲。其工作原理如图17所示。
在测量中，当工件内无缺陷时，接收的能量大，仪表的指示值大；工件内有
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缺陷时，因部分能量被反射，接收的能量小，仪表的指示值小。据此就可检测出工件内部的缺陷。
（2）反射法探伤 反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同来探测缺陷的方法。
下面以纵波一次脉冲反射为例，说明其检测原理。图18是以一次底波为依据进行探伤的方法。高频脉冲发生器产生的脉冲加在探头上，激励压电晶体振荡，产生超声波。超声波以一定的速度向工 件的内部传播。一部分超声波遇到 缺陷反射回来（缺陷波F）；另一部 分超声波继续传至工件底面也反射 回来（底波B）。由缺陷及底面反射 回来的超声波被探头接收，又变为 电脉冲。发射波T、缺陷波F及底波
T 探头 工件 B 图18反射法探伤示意图 T F B 缺陷F 高频发生器 接收放大 B经放大后在显示器荧光屏上显示出来。由发射波T、缺陷波F及底波B在扫描线上的位置，可确定缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷的大小；由缺陷波的形状，可判断缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面积时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件内无缺陷时，荧光屏上只有T、B波，没有F波。
超声波检测是无损检测中应用最为广泛的方法之一，适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件，无论是钢铁、有色金属和非金属，都可以采用超声法进行检测，包括各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力和化工容器等．就物理性能而言，用超声法可以检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等，但无法检测表面和近表面的延伸方向平等于表面的缺陷、表面粗糙、形状复杂的试件，此外，该方法对缺陷的定
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性、定量表征常常不准确。
6.2奥氏体钢焊缝[23]无损检测专用超声传感器
奥氏体不锈钢由于其抗氧化性、耐腐蚀性、高温抗断裂韧性、焊接性好等优良性能, 被广泛应用于石化、船舶、核电、航空航天等行业的重要构件上。不同的苛刻条件下, 为保证设备的安全运行, 必须加强对材料和焊缝的检测, 而超声检测又是其它检测方法不能取代的。但奥氏体不锈钢焊缝的粗大组织对超声波具有强烈的衰减作用, 导致检测灵敏度变化大, 无法测定缺陷的大小; 粗大组织也会引起强烈散射声波的叠加及波型转换, 导致假信号出现; 焊缝的各向异性又对声波有弯曲作用,使得缺陷的定位误差增大。由于上述组织结构的特殊性, 使缺陷的检测、定位及判别非常困难, 因此用常规超声方法难以检测。使用专用超声传感器, 即窄脉冲探头是解决该难题的途径之一。
奥氏体焊缝的粗大组织对超声波具有强烈噪声干扰作用, 焊缝的各向异性使波束弯曲变形, 导致探伤灵敏度降低、噪声高与测量缺陷位置发生了困难, 由于上述组织结构的特殊性, 使其超声检测存在很多技术上的难点。若用普通超声波检测方法检测, 往往无效。为此, 从20世纪70年代起, 伴随国内外对奥氏体不锈钢焊缝超声检测的研究, 作为解决途径之一的窄脉冲探头的研制也取得了一些进展。
崔建英、赵中龄等人制作窄脉冲探头选用PZT材料做压电晶片, 采用负压抽吸法制做背衬, 其声阻抗可达20x106 kg / ( m2.s) 左右, 约为PZT 声阻抗的65%。用此背衬制作的探头, 探头脉冲波数由8周减至2. 5周, 得到了相当好的阻尼效果。与国内普通纵波探头以及美国Panametrics 公司生产的EPOCH -2002探伤仪上的宽带窄脉冲探头(V403)进行了比较,将3种探头在Panametrics 5052UA 超声分析仪上进行了测试。结果表明, 自制窄脉冲探头比普通探头的脉冲窄, 频带宽, 而与EPOCH - 2002探伤仪上宽带窄脉冲探头(V403)接近, 但自制窄脉冲探头的灵敏度较高。
北方交通大学的腾永平等人利用自制的压力装置制作高阻抗的背衬块, 最高阻抗可达25.1?106kg /(m2.s) , 压电晶片仍选用PZT 材料, 匹配后制作的窄脉冲探头能实现1.5周的窄脉冲。
刘祖常等人用碘酸锂做压电晶片, 采用浇铸法加高速离心处理做背衬, 制作的高频窄脉冲探头明显提高了分辨率, 实现了高精度检测。但碘酸锂是一种水溶性晶体, 制作时必须选择合适的加工工艺才能保证良好的压电性能。采用碘酸
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锂作压电元件还需进一步的探索。
哈尔滨焊接研究所过去曾选用PZT材料做压电晶片, 采用浇铸热捣制法制作背衬, 通过声电匹配研制的窄脉冲探头可使脉冲周期缩短到1.5周, 达到0.3~0. 5 Ls, 已接近国外先进水平, 在奥氏体钢焊缝超声检测时, 收到了明显的效果。表3是国内、外宽频窄脉冲探头脉冲周期对比。
表3 国内外宽频窄脉冲探头脉冲周期对比
6.3超声传感器在点焊中的应用
点焊是现代制造业中最常用的焊接工艺之一, 一个典型应用实例就是汽车车身部件[24]的连接。有关资料表明:一个典型的汽车车身大约有5 000 多个焊点。而这些焊点的质量直接影响着车身的质量及汽车的整体性能, 为了保证车身的质量, 严格检测和控制点焊质量是非常必要的。焊点的质量由焊点强度来表征, 而焊点强度主要取决于焊点的几何尺寸。试验表明: 熔核直径与焊点强度近似成正比, 熔核直径是影响焊点强度的主要因素。所以, 焊点质量检测的关键是熔核直径的准确测量。
作为重要的无损检测方法之一, 超声检测技术可以应用到焊点的质量检测。利用超声检测技术实现点焊质量检测, 首先, 必须要研制一种专用超声传感器。为此, 本文对点焊质量无损检测专用超声传感器的研制进行了探索, 结合常规超声传感器的研制技术, 根据检测对象的特殊性, 利用PVDF压电薄膜研制了一种高频、高阻尼、窄脉冲点焊质量无损检测专用超声传感器。 6.4霍尔传感器在无损检测中的应用
霍尔效应无损探伤方法安全、可靠、实用，并能实现无速度影响检测，因此，被应用在设备故障诊断、材料缺陷检测之中。其探伤原理是建立在铁磁性材料的高磁导率特性之上。采用霍尔元件检测该泄漏磁场[25]B的信号变化，可以有效地检测出缺陷存在。钢丝绳作为起重、运输、提升及承载设备中的重要构件，被应
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