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1、机械工程测试技术基础 1 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 第三章 常用传感器与敏感原件 第三章 常用传感器（3） 第三章 常用传感器与敏感原件 2 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 第三章 常用传感器与敏感原件 第一节 常用传感器分类 第二节 机械式传感器及仪器 第三节 电阻、电容与电感式传感器 第四节 磁电、压电与热电式传感器 第五节 光电传感器 第六节 光纤传
2、感器 第七节 半导体传感器 第八节 红外测试系统 第九节 激光测试传感器 第十节 传感器选用原则 第三章 常用传感器与敏感原件 3 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 基本采用石英玻璃， 主要由三部分组成 中心纤芯； 外层包层； 护套尼龙料。 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯 折射率n1略大于包层折射率n2 ( n1 n2 )。 光纤的结构： 100 200m100 200m 包层包层 玻璃纤维玻璃纤维尼龙外层尼龙外层 涂敷层涂敷层 纤芯纤芯 外层直径外层直径1mm1
3、mm 第六节 光纤传感器 第三章 常用传感器与敏感原件 4 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University A A 2 2 i i B B C C n n0 0 n n2 2 n n1 1 d d D D 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到 光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； v光线在光纤端面入射角i减小到某一角度c (临界角)时，光 线全部反射。 v只要ic ，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前 传播，最后从另一端面射出。 第三章 常用传感器与敏感原件 5 North
4、China Electric North China Electric Power UniversityPower University 入射角的最大值 （端面入射临界角）为： n0为光线外介质的折射率。将n0sinic定义为光纤的“数值孔径 ”，用NA表示： 光纤的数值孔径越大，能够在光纤内实现全反射的入 射角范围越大。传感器光纤，NA一般为0.20.4。 如是从空气入射，n0=1。则NA=sinic 第三章 常用传感器与敏感原件 6 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 光纤传感
5、器的组成及分类 由光源发出的光 经光纤引至敏感元件 。这时，光的某一参 数（光波的强度、频 率、相位和偏振）受 到被测量的调制，已 调光经接受光纤耦合 到光接收器，使光信 号变为电信号，最后 经信号处理得到所期 待的被测量。 功能型 传光型 第三章 常用传感器与敏感原件 7 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 按调制方式 强度调制 频率调制 相位调制 偏振调制 按光纤 的作用 传光型：其中光纤仅作为光的传播媒质。 功能型：光纤不仅传输光波，还起着敏感元件 的作用（光波调制）。 由于
6、外界因素能引起光波特征参量发生变化，因此只 要能测出这些参量是如何随被测量变化的，就可以用它来 测温度、压力、电场、振动等物理量。 光纤传感器分类： 把光波随被测量的变化而变化 ，称为对光波进行调制。 第三章 常用传感器与敏感原件 8 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 反射式位移传感器 光纤采用型结构，两 束光纤分别作为光源光纤和 接收光纤。当反射表面位置 确定后，接收到的反射光光 强随光纤探头到反射体的距 离的变化而变化。 反射式光纤位移传感器 是一种非接触式测量，具有 探头小
7、，响应速度快，测量 线性化（在小位移范围内） 等优点，可在小位移范围内 进行高速位移检测。 第三章 常用传感器与敏感原件 9 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 探 测 器 光 源 n液 n1 三棱镜 光纤 光纤液位计 第三章 常用传感器与敏感原件 10 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 光纤传感器的特点： 1、灵敏度高，传输量大； 2、不受电磁干扰，防爆性能好，不会
8、漏电打火； 3、可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 4、可以用于高温、高压，绝缘性好，耐腐蚀。 第三章 常用传感器与敏感原件 11 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 光纤传感器 第三章 常用传感器与敏感原件 12 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 第七节 半导体传感器 一、 磁敏传感器 利用半导体材料的磁敏特性工作，有霍尔元件、磁阻 元件、磁敏管等。 1 霍尔元件
9、霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学 家霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年发现的。当电 流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流 方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效 应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。 第三章 常用传感器与敏感原件 13 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 霍尔效应的产生是由于运动电荷受到了磁场中洛伦兹力 的作用结果。当洛伦兹力和霍尔电场力等大时，电子积累便 达到动态平衡。 霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成
10、正比，且当B的 方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。 KH：霍尔常数； ：电流与磁场方向的夹角。 第三章 常用传感器与敏感原件 14 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度 只有1m左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。 优点：结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态 范围大、寿命长等。 第三章 常用传感器与敏感原件 15 North China Electric North China Electric Power Un
11、iversityPower University 霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可 产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之 ，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。 第三章 常用传感器与敏感原件 16 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 汽车速度测量: 第三章 常用传感器与敏感原件 17 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University
12、钢丝绳断裂检查 第三章 常用传感器与敏感原件 18 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 2 磁阻元件 磁阻效应：某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化 而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子 在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某一速度 的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚 集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转 ，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导 致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的 载流子数减
13、少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。 特点： 电阻的增量与磁场的平方成正比； 与磁场的正负无关； 温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。 第三章 常用传感器与敏感原件 19 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 磁敏传感器应用实例： 第三章 常用传感器与敏感原件 20 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 二、热敏传感器 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、
14、钻、铁等 金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负 的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。 R T 特点：灵敏度高；热惯性小 非线性大；对温度敏感 RT、RT0：温度为T、T0时热敏电阻器 的电阻值； ：热敏电阻的材料常数。 第三章 常用传感器与敏感原件 21 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 产品 第三章 常用传感器与敏感原件 22 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等 第三章 常用传感器与敏感原件 23 North China Electric North China Electric Power UniversityPower University 三、气敏电阻传感器 原理：当气敏元件吸附了被测气体时，其电导率发生了 变化。 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。还有易燃、易爆气体 、酒精等的探测。 烟雾报警器酒精传感器
