第十一章超声波传感器 超声波传感器原理与应用 讲授 1.超声波特性： 人们能听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在20HZ～20kHZ范围内。频率超过20KHZ称为超声波，低于20HZ称为次声波。检测中常用的超声波频率范围为几十kHZ到几十MHZ。 超声波具有以下基本性质。 1）. 传播速度 2）. 反射和折射现象 3）. 传播中的衰减 2.声波的分类： 1).次声波 2).可闻声波 3).超声波 蝙蝠依靠超声波捕食 2. 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，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。 1). 超声波的传播方式 由于机械波的振源施力方向与波在介质中传播的方向不同，所以超生波的传播波型形式主要可分为纵波、横波、表面波等几种。 (1)横波：质点的振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播，如图(a)所示。 (3)表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，它是振动幅度随深度的增大而迅速衰减的波。表面波只在固体的表面传播。 2).声速、波长与指向性 (1)声速 : 声波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。 (2). 波长 (3)指向性 3). 倾斜入射时的反射与折射 超声波在传播中通过两种不同介质时，会产生折射和反射现象，其频率越高，反射和折射的特性与光波特性越相似，如图所示。 4).垂直入射时的反射与透射 (1).声压 介质中没有声波传播时，质点处于平衡状态，质点间有相互作用力，此时质点所受到的压强称为静压强。当超声波在介质中传播时，质点在平衡位置附近振动，质点所受压强产生变化。质点所受交变压强与静压强之差称为声压P. 声压与介质密度ρ声速c、质点的振幅χ及振动的角频率ω成正比，即 P=ρcxω 超声波的角频率ω很大，虽然振幅很小，但加速度a却很大，所以它对试件施加的力很大。将超声波施加在两片压紧的金属片上时，可以将它们“焊接”在一起，称为超声波焊接。 (2)声强Ι 单位时间内，在垂直于声波传播方向上的单位面积A内所通过的声能称为声强Ι，声强与声压P的平方成正比。 (3)反射率与折射率 前面已述及，当声波从一种介质进入另一种介质时，在两种不同介质的结合面(界面)上，可分为反射声波和透射声波两个部分，如图所示。反射和透射的比例与组成界面的两种介质声阻抗Z有关。 当声波垂直入射到光滑的界面上时，入射声压Pi、反射声压Pr、透射声压Pd三者之间满足如下关系 Pi+Pr=Pd 5).超声波在介质中的衰减 超声波在同一介质内传播时，随着传播距离的增加，其强度会减弱，这是由于介质吸收能量，引起能量损耗的缘故。介质吸收能量的程度与波的频率和介质密度有关。例如，气体的密度很小，超声波在气体中传播时很快衰减。因此，超声波主要用于固体和液体中有关参数的检测。 3.超声波传感器的原理 超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。 1).超声波传感器发送器和接收器 2). 超声波传感器结构 4). 通用型超声波传感器的特性 4. 超声波传感器的检测方式 5.超声波探头 第十二章数字式传感器 光栅传感器的工作原理为本章重点 光栅传感器的辨向原理为本章的难点 讲授 11.1.1 光栅传感器的工作原理 1. 光栅的类型 在玻璃、镀膜玻璃或金属上密集刻线(一般为8～12mm)，得到如图所示的黑白相间且间隔细小的条纹，这就是光栅。光栅上栅线的宽度为，线间宽度为，一般取，而，称为光栅栅距。通常将在计量工作中使用的光栅称为计量光栅。计量光栅由主光栅（又称标尺光栅）和指示光栅组成，计量光栅按其形状和用途可分为长光栅和圆光栅两类。 2. 莫尔条纹 如果把两块栅距相等的光栅面平行安装，并且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。 莫尔条纹有两个重要的特性： 当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移动，根据莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅左右移动的方向。 莫尔条纹有位移放大作用。 11.1.2 光栅传感器的结构 光栅传感器作为一个独立完整的测量系统，它包括光栅传感器（光栅尺）和数显表两部分。 1. 光栅传感器 光栅传感器由光源、光栅尺、光电元件及光学系统组成。常见的光栅传感器是利用透射光栅工作的，分为长光栅和圆光栅两种。 2. 光栅数显表 为了辨别位移的方向，进一步提高测量精度，需要将传感器输出的信号送入数显表做进一步的处理才能显示。因此，光栅数显表由放大整形电路、辨向和细分电路、可逆电子计数器以及显示电路等组成。 (1) 辨向电路 为了能够辨别出光栅的运动方向，在莫尔条纹的移动方向上相距1/4条纹间距的位置安放两个光电元件1和2，得到两个相位差为110°的正弦信号，经整形后得到S1和S2两路信号。 (2) 细分 为了提高测量精度，可以采用增加刻线密度的方法，但这种方法会受制造工艺的限制。另一种方法是采用细分技术。所谓细分（也叫倍频），是在莫尔条纹变化一周期内输出若干个脉冲，减小脉冲当量，从而提高测量精度。 11.1.3 光栅传感器的应用 1. 光栅传感器的安装调试 2. 光栅数显装置的维护
第十三章 电磁兼容技术 复习 屏蔽和接地技术是重点 讲授 抗电磁干扰技术有时又称为电磁兼容控制技术。可采用破坏干扰途径和削弱检测系统电路对干扰的敏感性等方法，常用的抗干扰措施有屏蔽、接地、浮置、滤波、光电隔离等技术。 一、屏蔽技术 1.静电屏蔽 静电屏蔽是用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不影响其内部的电路，反之，内部电路产生的电力线也无法影响外电路。静电屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔洞（作为引线孔或调试孔）它对屏蔽的影响不大。 2.低频磁屏蔽 低频磁屏蔽是用来隔离低频（主要指50Hz）磁场和固定磁场（也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场）耦合干扰的有效措施。静电屏蔽线或静电屏蔽盒对低频磁场不起隔离作用。必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线只从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。有时还将屏蔽线穿在接地的铁质蛇皮管或普通铁管内，同时达到静电屏蔽和低频屏蔽的目的。 低频磁屏蔽举例 多数仪器的外壳采用导磁材料（例如：铁质机壳）作屏蔽层，让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使受外壳保护的内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。如果将外壳接地，则同时达到静电屏蔽和低频磁屏蔽的目的。 3.电磁屏蔽 电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中。它屏蔽的干扰对象是高频（40kHz以上）磁场。 干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。其次，电涡流也将产生一个新的磁场，抵消了一部分干扰磁场的能量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。 屏蔽室 导电PVC地板 用于防静电及 底部屏蔽 二、接地技术 （一）地线的种类 信号地线分类 1.模拟信号地线 2.数字模拟地线 3.信号源地线 传感器可看作是测量装置的信号源，多数情况下信号较为微弱，通常传感器安装在生产设备现场，而测量装置设在离现场一定距离的控制室内，从测量装置的角度看，可以认为传感器的公共参考端就是信号源地线，它必须与测量装置进行正确的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。 4.负载地线 负载的电流一般都比前级信号电流大得多，负载地线上的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其他信号地线分开。例如，若误将喇叭的负极（接地线）与扩音机话筒的屏蔽线碰在一起，就相当于负载地线与信号地线合并，可能引起啸叫。又如当负载是继电器时，继电器触点闭合和断开的瞬间经常产生电火花，容易反馈到前级，造成干扰，因此应正确连接。 （二）一点接地原则 对于模拟信号地线、数字信号地线、信号源地线、负载地线等几种地线一般应分别设置，在电位需要连通时，也必须仔细选择合适的点，在一个地方相连，才能消除各地线之间的干扰。 1.单级电路的一点接地原则 考虑到加工工艺，在实际的印制电路板设计中，只能做到各接地点尽量靠近、并加大地线的宽度。 2.多级电路的一点接地原则 若将多级电路的地线逐级串联，在最后一段地线上将存在一定的对地电位差，有可能产生共阻抗耦合干扰，应采取并联接地方式，才不易产生级与级之间的相互干扰。 设计多级电路的地线应注意以下两个原则：一是公用地线截面积应尽量大些，以减小地线的内阻，二是应把电流最大的电路放在距电源的接地点最近的地方。 大面积接地 多级电路的一点接地原则的改错 请指出下图的电源接地错误 检测系统的一点接地原则 有许多传感器采用两线制电流输出形式，它的两根信号线均不接大地。如果这时二次仪表也采用浮置电路，容易出现静电积累现象，易产生电场干扰。在这种情况下多采用二次仪表测公共参考端接地的方案。此种情况下，检测系统仍然符合一点接地原则。在二次仪表与计算机相连接的情况下，由于计算机的公共参考端已被接金属机箱，并通过保安地线接大地，所以这时二次仪表的零电位端（公共参考端）也就通过计算机接大地了。 在这种情况下，传感器的公共参考端绝对不应再接地，否则会产生大地环流，造成干扰。