《传感器与自动检测技术》期末复习说明.ppt

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1、1,传感器与自动检测技术复 习,2,第1章传感器的基本知识,1传感器定义传感器是与人的感觉器官相对应的元件。国家标准GB 7665-87对传感器下的定义是:“传感器是指能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。”具体的说，传感器就是利用物理效应、化学效应、生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换成电量的器件或装置。,3,传感器通常由敏感元件和转换元件组成。传感器组成方块图,4,传感器的分类：按输入量分类:位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等按工作原理分类:应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等按物理现象分类:结构型传感器、特性型传感器按能量

2、关系分类:能量转换型传感器、能量控制传感器按输出信号分类:模拟式传感器、数字式传感器,5,1.2传感器的特性,传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其基本特性，输入输出特性是传感器的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。,线性度：输入输出的线性程度迟滞：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞。重复性：传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。灵敏度：传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。分辨率：传感器能检测到的最小的输入增量。阈值：在传感器输入零点附近的分辨率称为阈值。,传感器的静态特性,6

3、,稳定性：传感器在长时间工作情况是输出量发生的变化。温度稳定性：又称为温度漂移。它是指传感器在外界温度变化情况下输出量发生的变化。静态误差：传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。,传感器的动态特性,研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。经常采用的输入信号为单位阶跃输入量和正弦输入量。,7,第2章力、压力传感器（一）电阻式传感器,电阻式传感器：基本原理是将被测量（物理量）的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。应用范围：测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。,2.1电位器式传感器是一种把机械

4、的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。测量电路：电桥,8,2.1 电阻应变片,应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件上的应力变化转换成电阻变化。,2.1.1 应变效应,导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。,9,2.2 应变片式传感器,电阻应变片的工作原理：基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。只要测出R/R 或R的数值，即可获知试件受力的大小测量电路：电桥单臂电桥双臂电桥四臂全桥用电路分析

5、的方法分析电桥的灵敏度应用范围：测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、,10,表2-1 列出了电阻应变片连接方式、输入输出关系及性能,11,2半导体应变片,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。,当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为:,12,式中 为半导体应变片的电阻率的相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常数。即,代入（2-10）式，得：,上式中1+2项随几何形状而变化，LE项为压阻效应，随电阻率而变化。,13,实验证明LE比1+2大近百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体

6、应变片的灵敏系数为：,半导体应变片的突出优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，可直接与记录仪连接。但其温度系数大，应变时非线性较严重。,14,压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。,第2章力、压力传感器（二）压电式传感器,压电效应：某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离

7、，变形也随着消失，称为逆压电效应。,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,压电式传感器只能用于动态测量!,15,压电材料：压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（如石英晶体）；另一类是 经过极化处理的 压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。,测量电路：电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。,应用：压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。（动态量）在检测技术中，常用来测量力、振动和加速度。,16,第2

8、章力、压力传感器（三）电容式传感器,工作原理：由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为C=s/d 由上式可知，改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板间的距离。而得到电参数的输出为电容值的增量C，这就成了电容式传感器。,测量电路：一般归结为两大类型1、调制型（调频、调幅、电桥等）2、脉冲型(或称为电容充放电器)应用：测量力、压力、压差、物位等。,17,电感式传感器：是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可

9、变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。,3.1 自感式传感器,自感式传感器的工作原理：是利用线圈自感的变化来实现测量的一种装置。将被测参数的变化转换成自感的变化。,变S0、变l0 使的L变化,第2章力、压力传感器（四）电感式传感器,18,自感式传感器测量电路：自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理。就要用转换电路把电感变化转换成电压(或电流)变化。把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电感变化转换成电压(或电流)的幅值

10、、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。,19,阻抗型传感器测量电路,电阻式传感器,电容式传感器,电感式传感器,20,3.2变压器式传感器,工作原理：变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的一种磁电机构，很象变压器的工作原理，因此常称变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。,气隙型差动变压器式传感器,截面积型差动变压器式传感器,21,差动变压器式传感器测量电路,1、相敏检测电路：如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。2、差分整流电路3、零点残余电压的电路电感

11、式传感器应用：可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。,22,3.3 涡流式传感器,工作原理：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。,当电涡流线圈与金属板的距离x 减小时，电涡流线圈的等效电感L 减小，等效电阻R 增大。感抗XL 的变化比 R 的变化 大 得 多，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。,23,涡流式传感器的测量电路：被测量数变化可以转换成传感器线圈的品质因素Q、等效阻抗Z和等效电感L的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电压或电流输出。一、桥路 二

12、、谐振调幅电路三、谐振调频电路 应用：测量振动、位移、转速、测厚及探伤等,24,第3章 温度传感器,热电式传感器的定义：热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。,3.1 热电阻,热电阻测温的原理：电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数测温范围:-200+5000C特点:精度高，适宜于测低温,热电阻的材料：铂电阻、铜电阻,铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：当温度t在200 t 0时：,当温度t在0 t 650时：,铜电阻的阻值与温度之间的关系为,热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路热电阻测温电桥采用三线制接法，线

13、路电阻变化不会影响测量精度，即不会产生温度误差。,25,I1,I2,求出C、D间的开路电压UCD=I1(R3+r3)-I2(Rt+r2+Ra)=I1R3+I1r3-I2Rt-I2r2-I2 Ra,图8-2 热电阻测温电桥的三线连接法,在电路设计时，使I1=I2；UCD=I1R3-I2(Rt+Ra)与线路电阻r2、r3无关。,以CD作为电桥的输出，接后续电路，线路电阻变化不影响电桥的输出电压，即不会产生温度误差。调零时使R3=Rt+Ra；有UCD=0,26,3.2 热电偶,工作原理：利用热电效应进行温度测量。热电效应：两种不同的导体A、B串接成一个闭合回路，使两个接点处于不同的温度，回路中就会有

14、电势产生，这一现象称为热电效应。热电偶的结构：两种不同的导体焊接而成。对于匀质导体A、B组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和。,如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同(TT0)。但总输出电势仍为零。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零。热电势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。,27,热电偶基本规律,1、中间导体定律 在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。可用式子表示为：EABC(T,T0)=EAB(T,T0),28,2、标准电极定律：

15、如果将导体C(热电极，一般为纯铂丝)作为标准电极(也称参考电极)，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度(T，T0)下，任意两导体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得 EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0),29,连接导体定律和中间温度定律 3、连接导体定律：在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A、B相连接，结点温度分别为T、Tn、T0，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn)与连接导线A、B在温度Tn、T0 时热电势 EAB(T,Tn)的代数和(见图8-10)，即 EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn

16、,T0),30,连接导体定律和中间温度定律 4、中间温度定律：如果材料A与A相同，B与B相同，热电偶在结点温度为T、T0时的热电势值EAB(T,T0)，等于热电偶在(T,Tn)、(Tn,T0)时相应的热电势EAB(T,Tn)与 EAB(Tn,T0)的代数和。如下式所示：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)（8-12）,A=A,B=B,热电偶延长导线(补偿导线)的理论依据,31,32,33,热电偶参考端温度 热电偶分度表给出的是在冷端为零度时的值，如果冷端不为零度时必须进行修正。,热电偶参考端温度为tn时的补正方法 1、热电势补正法由中间温度定律得知，参考端温度为t

17、n时的热电势为：EAB（t，tn)=EAB（t，t0)-EAB（tn，t0)，当参考端温度tn 不等于零时热电偶的热电势将不等于EAB（t，t0)而引入误差。补正方法：将测量到的热电势EAB（t，tn)加上EAB（tn，t0)就可获得所需的EAB（t，t0)，EAB（tn，t0)可通过查分度表获得。即：EAB（t，t0)=EAB（t，tn)+EAB（tn，t0),34,2、调整仪表起始点法采用直读式仪表时，先测量出参考端温度tn，并在测量线路短路时将仪表的起始点调整到tn处即可。,3、电桥补偿法：是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，,冷端补偿器,

18、35,冷端延长线法：被测量点与指示仪表之间往往有很长的距离，热电偶冷端位于生产现场温度变化较大，热电偶材料较贵，采用冷端延长线将热电偶的冷端延长到控制室中，温度较稳定，便于补偿。,1000C以下热电偶的热电势与响应补偿导线的热电势近似相等。,在二次仪表中补偿,利用冷端补偿器补偿,36,热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化。利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结而 电阻与温度之间的关系可用下面公式来表示:R=AeB/T优 点：(1)热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）(2)电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、

19、表面温度及快速变化的温度。(3)结构简单。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差,3.3 热 敏 电 阻,37,正温度系数(PTC)负温度系数(NTC)临界温度系数(CTR),热敏电阻分类：,应用：利用热敏电阻对温度变化的高度敏感性能，可以制成测量点温、反应迅速的点温计。测量电路：根据具体的应用而定，温度控制：开关型、连续型、带可控硅等等。,38,第4章 位移、物位传感器,电位器式位移传感器将机械位移转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起电路中输出电压的变化。光栅位移传感器工作原理莫尔条纹：如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角，这时光栅上会出现若干条明暗

20、相间的条纹。,39,莫尔条纹有两个重要的特性：（1）位移的方向性；（2）放大作用 磁栅位移传感器电磁感应原理，当线圈在一个周期性磁体表面附近匀速运动时，线圈上就会产生不断变化的感应电动势。接近传感器具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对接近的物体具有敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号。,40,光栅式传感器,工作原理：（测量位移或角度）,光栅：在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。或者说：等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件称为光栅。计量光栅：利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量称为计量光栅。,（角度）,（角

21、度）,（转动）,41,计量光栅的种类：计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。按基体材料的不同主要可分为金属光栅和玻璃光栅；按刻线的形式不同可分为振幅光栅和相位光栅；按光线的走向又可分为透射光栅和反射光栅；按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。,莫尔条纹：,42,横向莫尔条纹重要特性:莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系莫尔条纹具有位移放大作用 莫尔条纹具有平均光栅误差作用特例：当=0,w1=w2 莫尔条纹间距B=光闸莫尔条纹 当=0,w1w2 纵向莫尔条纹,方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角很小 BW 光学

22、放大 提高灵敏度可调性：夹角 条纹间距B 灵活准确性：大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,43,光栅的光电信号转换原理光栅输出电压信号的幅值为光栅位移量x的函数，即,将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积。当栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小。,辨向原理：在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。完成这样一个辨向任务的电路就是辨向电路。,细

23、分电路：辨向逻辑电路的分辨力为一个光栅极距W，为了提高分辨力，可以增大刻线密度来减小栅距，但这种办法受到制造工艺的限制。另一种方法是采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的几个脉冲，从而使分辨率提高到Wn。,应用：测量位移、角度。,44,4.2 磁栅传感器(Magnetic Grating Transducer)磁栅传感器由磁栅（即磁盘）、磁头和检测电路组成。磁栅用于记录一定功率的正弦或矩形信号；磁头的作用是读写磁栅上的磁信号，并转换为电信号。4.2.1.磁栅的结构磁栅结构如图12-11所示。,45,（a）尺形长磁栅；（b）带形长磁栅（c）同轴形长磁栅；（d）圆磁栅图1211 几种常

24、用的磁栅结构,46,4.2.2 磁栅传感器的工作原理 磁栅传感器的磁头一般分为静态和动态两种，由读取信号的方式决定。静态磁头的结构如图12-13（a）所示，静态磁头与磁栅间无相对运动，一般由若干个磁头串行连接构成多间隙静态磁头体。在H铁心上绕激磁线圈L1和输出线圈L2，当在激磁绕组上施加交变激磁信号时，H铁心的中间部分在每个周期内两次被激磁信号作用产生磁通导致饱和。此时因铁心的磁阻很大，磁栅上的信号磁通不能通过磁头,使得输出绕组无感应电势输出。只有当激磁信号两次过零时，铁心不饱和，磁栅上的信号磁通才能通过铁心在输出绕组上产生感应电势。,47,（a）静态1磁头；2磁栅；3输出波形图1213 静磁

25、头的工作原理,48,动态磁头仅有一组输出绕组，如图12-13（b）。动态磁头只有相对运动才有信号输出，输出信号的幅值随运动速度而变化。为了保证一定幅值得输出，通常规定磁头以一定速度运行。因此，动态磁头不适合长度测量。当磁头以一定速度运行时，磁头输出一定频率的正弦信号，且在N-N处信号达到正向峰值，在S-S处信号达到负向峰值。,49,（b）动态1磁头；2磁栅；3输出波形图1213 动态磁头的工作原理,50,电容式物位传感器利用被测物不同，其介电常数不同的特点进行检测的,导电式水位传感器利用水的导电性。,液位传感器,压差式液位传感器 液面的高度与液压成比例的原理制成的。,磁致伸缩液位（位移）传感器

26、 磁致伸缩效应，即铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。,流量传感器,流量流体在单位时间内通过管道某一截面的体积或质量数。前者称为体积流量，后者称为质量流量。,电磁流量计根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e。,涡流式流量传感器也是一种速度式流量传感器。它是通过测量安装在管道中的涡轮转速而间接测量流体的流速，进而测得流量的。,返回本章目录,51,第5章 光电式传感器,工作原理：光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。,

27、光电效应：由于物体吸收了能量为E的光后产生的电效应。外光电效应:指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。内光电效应:指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。光生伏特效应:在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。如光电池、光敏晶体管等,52,光电器件,光电管与光电倍增管：受光照射后产生电流光敏电阻：受光照射后电阻率发生改变光敏二极管和光敏三极管：受光照射后PN结电流增大，光敏二极管工作是加反向电压光电池：受光照射后产生电压,测量电路：根据不同的光电器件、不同的用途采用不同的电路。,应用：模拟式光电传感器：工作原理是基于光电元件的光电特性，

28、其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和辐射式。脉冲式光电传感器：光电元件的输出仅有两种稳定状态，即通与断的开关状态，所以也称为光电元件的开关运用状态。,53,光纤传感器,光纤传感器基本原理 光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。光导纤维的结构 光纤由圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率光导纤维的导光原理

29、光纤工作的基础是光的全反射,入射光线必须在2c内才能发生全反射。,n1n2,54,光导纤维的种类按其折射（n）变化情况分为：阶跃型、渐变型按其传输模式多少来分，则有单模和多模两种单模光纤：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10m)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，谱宽要窄，稳定性要好。光源是激光多模光纤：通常是指阶跃型光纤中纤芯直径很大(50或62.5m)，光纤传输模数很多，这种光纤性能较差，带宽较窄，但由于纤芯面积大，容易制造，连接耦合也比较。光源是LED,55,光纤传感器按其工作原理来分有：1、功能型(或称物性型、传感型)：其光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能

30、。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。2、非功能型(或称结构型、传光型)：其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。测量电路：模拟量测量、开关量测量：通过光电转换器件将光的变化转化成电的变化，因此测量电路与光电传感器类似。应用：可测量温度、力、位移、速度、加速度、流量等。,56,电荷耦合器件（CCD）,电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，它与光敏二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图象传感器。它不仅作为高质量固体化的摄象器件成功地应用于广播电视、可视

31、电话和无线电传真。CCD的工作原理：CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的SiO2，再在SiO2薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容阵列再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图象传感器的作用。,57,CCD器件有两个特点：一、它在半导体硅片上制有成百上千个(甚至数百万个)光敏元，它们按线阵或面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像于半导硅平面上时。这些光敏元就产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷。

32、二、它具有自扫描能力，亦即将光敏元上产生的光生电荷依次有规则地串行输出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成正比。由于它具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗和自扫描能力等一系列优点。应用：图象传感器,58,磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。,第6章 磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器,工作原理：磁电感应式传感器也称为电动式传感器，或感应式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势的。因此它是一种机一电能量换型传感器，不需供电电源，是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出。,若线圈相对磁场运动为速度v或角转度时，e

33、-WBlv 或 e-WBs(5-2)在传感器中，当结构参数确定后即B、l、W、s均为定值，那么感应电势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比。根据上述原理。人们设计了两种类型的结构：一种是变磁通式；另一种是恒定磁通式。,59,磁电感应式传感器只适用于测量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要性能。,磁电感应式传感器测量电路方框图,应用：磁电感应式传感器主要用来测量振动、频率、速度,60,6.2 霍尔式传感器,霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。,霍尔效应：一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁

34、场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。,应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度,测量电路：不等位电势：,61,第7章 波式传感器,7.1 超声波物理基础 一 声波的分类(了解)声波的本质:是一种机械波.分类:频率在20Hz20kHz的范围内时,可为人耳所感觉,称为可闻声波.低于20Hz的机械振动人耳不可闻,称为次声波.频率高于20kHz的机械振动波称为超声波.二 声波的传播方式(了解)超声波的传播波型主要可分为纵波,横波,表面波等几种.三 声速,波长与指向性1.声速声波的传播速度

35、:取决于介质的弹性系数,介质的密度以及声阻抗.介质的声阻抗Z等于介质的密度和声速c的乘积,了解计算公式的实际意义:,62,2.波长 超声波的波长与频率f的乘积恒等于声速c,即*f=c 3.指向性 超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散指向角 与超声源的直径D,以及波长之间的关系为sin=1.22/D 四 倾斜入射时的反射与折射(了解)当超声波以一定的入射角从一种介质传播到另一种介质的分界面上时,一部分能量反射回原介质,称为反射波;另一部分能量则透过分界面,在另一介质内继续传播,称为折射波或透射波,63,五 垂直入射时的反射与透射(了解)由理论和实验得知:(了解计算公式在超声探伤中的实

36、际意义)1)当介质1与介质2的声阻抗相等或十分接近时,r=0,d=1,即不产生反射波,可以视为全透射.2)当超声波从密度小的的介质(例如水)射向密度大的介质(例如钢)时,反射率r 和透射率d均较大.3)当超声波从密度大的介质射向密度小的介质时,反射率r较大,而透射率d却较小.六 声波在介质中的衰减(了解)介质中的声强衰减与超声波的频率及介质的密度,晶粒粗细等因素有关.晶粒越粗或密度越小,衰减越快;频率越高;衰减也越快.,64,7.2超声波换能器及耦合技术超声波换能器的分类:压电式,磁致伸缩式,电磁式等,在检测技术中主要采用压电式.从结构分:直探头,斜探头,双探头,表面波探头,聚焦探头,冲水探头

37、,水浸探头,空气传导探头以及其它专用探头等1.以固体为传导介质的超声探头单晶直探头 超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片,但时间上有先后之分,所以单晶直探头是处于分时工作状态必须用电子开关来切换这两种不同的状态 2.双晶直探头 它是由两个单晶探头组合而成,装配在同一壳体内.其中一片晶片发射超声波,另一片晶片接收超声波.,65,3.斜探头 当斜楔块与不同材料的被测介质(试件)接触时,超声波产生一定角度的折射,倾斜入射到试件中去,折射角可通过计算求得.4.聚焦探头 聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波三 耦合剂常用的耦合剂有水,机油,甘油,水玻璃,胶水,化学浆糊等.有时为了减少耦合剂的成本,

38、还可在单晶直探头,双晶直探头或斜探头的侧面,加工一个自来水接口.,66,7.3超声波传感器的应用一 超声波流量计超声流量计的特点:探头可装在被测管道的外壁,实现非接触测量,即不干扰流场,又不受流场参数的影响.二 超声波测厚在电路上只要在从发射到接收这段时间内使计数电路计数,便可达到数字显示之目的.使用双晶直探头可以使信号处理电路趋于简化,有利于缩小仪表的体积三 超声波测量密度由实验证明,超声波在液体中的传播速度c与液体的密度有关.因此可通过t的大小来反映出液体的密度(了解).四 超声波测量液位和物位在液位上方安装空气传导型超声发射器和接受器,67,第9章 化学物质传感器,气敏传感器是一种将检测

39、到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。气体半导体材料氧化锡是N型半导体，他的导电机理可以用吸附效应解释。（1）O2和氮氧化和物倾向于负离子吸附，称为氧化型气体。（2）H2和CO碳氢化合物、酒类倾向于正离子吸附，称为还原型气体。半导瓷气敏电阻工作时通常都需要加热，器件在加热到稳定状态下，当有气体吸附时，吸附分子首先在表面自由扩散，期间一部分分子蒸发，一部分分子固定在吸附处。A常用气敏元件种类：按结构分为烧结型、薄膜型、厚膜型三种。B应用实例：气敏电阻检漏报警器、矿灯瓦斯报警器、一氧化碳报警器、煤气报警器。,68,2.湿度传感器：湿敏元件利用湿敏材料吸附空气中的水分而导致本身电阻值发生变化的原理

40、制成。（1）湿度：指大气中所含的水蒸气量。最常用的两种表示方法：绝对湿度和相对湿度。绝对湿度：指一定大小空间中水蒸气的绝对含量，用Kg/m3表示又称水气浓度或水气密度。也可用水的蒸汽压表示。相对湿度：为某一被测蒸气压与相同温度下饱和蒸气压比值的百分比，常用%RH表示，是无量纲值，给出大气的潮湿程度。,69,（2）湿敏元件种类：A氯化锂湿敏元件：利用吸湿性盐类潮解离子导电率发生变化而制成的测湿元件。B半导体陶瓷湿敏元件：利用金属氧化物电阻率随温度的增加而下降或增大，作成负特性湿敏半导体或正特性湿敏半导体。特点：具有较好的热稳定性，较强的抗沾污能力，能在恶劣、易污染的环境中测得准确的湿度数据，而且响应快，使用温度范围宽，可加热清洗等优点。C.热敏电阻式湿敏元件特点：灵敏度高且响应快，无滞后现象，不祥干湿球温度计需要水和纱布及其他维修保养，可连续测量，抗受风、油、尘埃能力强。应用：可制造出精密的恒温槽。,70,D 高分子膜湿敏元件：常用于工业湿度计测量中。工作原理：以随高分子膜吸收或放出水分而引起电导率或电容变化测量环境相对温度。电子湿度计的构成：他由检测部分（有携带型、墙袋型和凸缘型三种）数字显示器和变换器等构成。E 金属氧化物陶瓷湿敏元件：利用其微粒结晶的表面感知水分这一特性构成。F 结露传感器：原理机于吸收水分后导电粒子的间隔扩大，电阻增大，而且结露传感器具有开关特性。,