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1、华中科技大学机械学院 1 工程测试技术 主讲教师：来五星 博士、副教授 李锡文 博士、教授 实验教师：黄 弢 高级工程师 办公电话： 87557415 87559004 移动电话：13349831325, 18971072799 电子邮件：wxlai xiwenli 办公地址：新大楼东楼B305 新大楼东楼C306 华中科技大学机械学院 2 第3章 传感器原理及应用基础 上讲小结 3.2 电阻式传感器 3.3 电容式传感器 3.4 电感式传感器 3.5 压电式传感器 3.6 磁电式传感器 动圈式 磁阻式 3.7 半导体传感器（磁感应式） 霍尔元件 磁阻元件 3.8 热敏传感器 双金属温度计 热
2、电偶 热敏电阻 华中科技大学机械学院 3 第3章 传感器原理及应用基础 本讲内容3.9 气敏电阻传感器 3.10 超声波检测传感器 3.11 光电传感器 3.12 光纤传感器 3.13 CCD固态图象传感器 3.14 流量传感器 3.15 生物化学传感器 3.16 智能传感器 3.17 其它类型传感器 3.18 传感器特性及选用原则 华中科技大学机械学院 4 3.9、气敏电阻传感器 气体与人类日常生活密切相关，对气体的检 测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段 ，气敏传感器发挥着极其重要的作用。 如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L 时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。
3、还 有易燃、易爆气体、酒精等的探测。 烟雾报警器酒精传感器 二氧化碳传感器 第3章 传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院 5 3.9 气敏电阻传感器 气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡 、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、 醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随 被测气体的浓度改变而变化。 华中科技大学机械学院 6 3.9 气敏电阻传感器 华中科技大学机械学院 7 3.9 气敏电阻传感器 华中科技大学机械学院 8 3.9 气敏电阻传感器 燃气报警器 烟雾报警器 华中科技大学机械学院 9 酒精传感器 3.9 气敏电阻传感器 华中科技大学机械学院 10 3.10、超声波检
4、测传感器 1)声波及其分类 (1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。 (2)声波:振动频率在16Hz20KHz之间的机械波。 (3)超声波:高于20KHz的机械波。 2）超声波的物理性质 超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有 束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远 远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力 。 第3章 传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院 11 3.10 超声波检测传感器 声压 所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力 之差值，单位为Pa，1Pa =1N/m2。 声强 声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位 面积的能量，单位为W/m2。 声功率 声功率(
5、W)是声源在单位时间内发射出的总能量 ，单位是W。 华中科技大学机械学院 12 超声波传感器原理 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中 ，产生机械振动，发射出超声波。 接收原理是当超声波作用在磁滞材料上时，使 磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 3.10 超声波检测传感器 华中科技大学机械学院 13 超声波传感器对 3.10 超声波检测传感器 华中科技大学机械学院 14 超声波传感器应用 超声波探伤/测距/测物 t t A A 3.10 超声波检测传感器 华中科技大学机械学院 15 案例：输油管检测机器人 3.10 超声波检测传感器 华中科技大学机械学院 16 倒车雷达 3.10
6、超声波检测传感器 华中科技大学机械学院 17 鱼群探测器 3.10 超声波检测传感器 华中科技大学机械学院 18 3.11 光电传感器 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外 线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。 其工作原理是基于一些物质的光电效应。 内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对 ,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这 种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效 应 。 光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管 第3章 传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院 19 第3章 传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院 20 照相机自动测光 光控灯 工业控制 第3章
7、 传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院 21 3.7 光电传感器 光电池 光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后 产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源 的光电池是常用的光生伏特型器件。 + + + - - - PN 华中科技大学机械学院 22 应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射 式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种 基本形式。 3.7 光电传感器 华中科技大学机械学院 23 3.7 光电传感器 华中科技大学机械学院 24 3.7 光电传感器 华中科技大学机械学院 25 3.7 光电传感器 华中科技大学机械学院 26 案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来
8、测量位移。 3.7 光电传感器 华中科技大学机械学院 27 亮度传感器： 通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比 较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线 ，达到节约电能的目的。 3.7 光电传感器 华中科技大学机械学院 28 3.12 光纤传感器 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的 敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 1）物性型光纤传感器 第3章 传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院 29 光纤流速传感器 3.12 光纤传感器 华中科技大学机械学院 30 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤 传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光 纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传
9、光型或非 功能型光纤传感器。 2）结构型光纤传感器 3.12 光纤传感器 华中科技大学机械学院 31 光纤检测型光电传感器 作业件检测 颜色检测 3.12 光纤传感器 华中科技大学机械学院 32 3.13 CCD固态图象传感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结 构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如 二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以 此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。 第3章 传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院 33 在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元， 如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图 像，则这
10、些光敏元上就会感生出一幅与光照强度 相对应的光生电荷图像。 3.13 CCD固态图象传感器 华中科技大学机械学院 34 0 1 1 1 1 1 0 0 光敏管 阵列 并 联 串 联 转 换 器 运算电路 显示电路 结束信号 驱动脉冲 CCD 3.13 CCD固态图象传感器 华中科技大学机械学院 35 特点: (1) 非接触检测; (2) 响应快; (3) 可靠性高,为修简便; (4) 测量精度高; (5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响. 应用: (1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量. 3.13
11、 CCD固态图象传感器 条形码扫描器 华中科技大学机械学院 36 GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114 数码相机 3.13 CCD固态图象传感器 华中科技大学机械学院 37 3.14 流量传感器 流量传感器也称为流量计，是测量液体或气体流量的 传感器。 3.14 流量传感器 1、流量的概念 流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量， 前者称体积流量（m3/s)，后者称质量流量(kg/s)。 如果在截面上速度分布是均匀的，则： 华中科技大学机械学院 38 流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不 可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单 元面
12、积上dAF速度是均匀的，流过该单元面积上 的体积流量为 整个截面上的流量qv为 3.14 流量传感器 华中科技大学机械学院 39 测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对 时间的积分，称之流体总量。 用来测量流量的仪表统称为流量计。测量总量的 仪表称为流体计量表或总量计。 3.14 流量传感器 华中科技大学机械学院 40 2、总量计：容积式计量表 用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被 测介质，最后根据定量容积称量的次数来决定 流过的总量。习惯上人们把计量表也称为流量 计。根据它的结构不同，这类仪表主要有椭圆 齿轮流量计、腰轮流量汁、活塞式流量计等。 3.14 流量传感器 华中科技大学机械
13、学院 41 椭圆齿轮流量计 每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体。 3.14 流量传感器 华中科技大学机械学院 42 腰轮流量计（罗茨流量计） 腰轮流量计除可测 液体外，还可测量 气体，精度可达 0.1，并可做标 准表使用；最大流 量可达1000m3/h。 腰轮上没有齿，它们不是 直接相互啮合转动，而是 通过按装在体外的传动齿 轮组进行传动 3.14 流量传感器 华中科技大学机械学院 43 上述两种转子型式的容积流量计，可用于各种 液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测 量，在高压力、大流量的气体流量测量中，这 类流量计也有应用。 由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合 ，因此对介质
14、的清洁要求较高，不允许有固体 颗粒杂质流过流量计。 容积式计量表的特点 3.14 流量传感器 华中科技大学机械学院 44 当充满圆管的流体流经在 管道内部安装的节流装置 时，流束将在节流件处形 成局部收缩，使流速增大 ，静压力降低，于是在节 流件前后产生压力差。 该压力差通过差压计检出 。流体的体积流量或质量 流量与差压计所测得的差 压值有确定的数值关系。 3、差压式流量计（节流式流量计） 3.14 流量传感器 华中科技大学机械学院 45 p1、p2流体在截面I-I和II-II处 的静压力 v1、v2流体在截面I-I和II-II处 的平均流速 A1、A2流体在截面I-I和II-II 处的横截面积 流体密度 选定两个截面：I-I是节流装置前流体开始受节流装置影响的 截面；II-II是流束经过节流装置后收缩最厉害的流束截面， 由伯努利方程式和连续方程得： 流体
