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1、西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院4.5 4.5 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。广泛用于位移、电磁、压力、加速度、振动等方面的测量。材料：砷化铟（InAs）锑化铟（ InSb）锗（Ge）等西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院UHIBN型半导体洛伦磁力载流子方向FLFE1 1）霍尔效应）霍尔效应 霍尔元件（板，板厚远小于板宽和长）置于一磁场中，在板长方向通以控制电流I时，板的侧向（宽度）会产生电动势差霍尔电压，此现象为霍尔效应西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院霍尔系数，由材料物理性质决定，等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。金属材料载流子迁移率
2、很高, 但电阻率很小; 而绝缘材料电阻率极高, 但载流子迁移率极低。只有半导体材料适于制造霍尔片灵敏度系数，由材料物理性质和几何尺寸决定灵敏度系数，由材料物理性质和几何尺寸决定目前常用的霍尔元件材料有: 锗、 硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 2）霍尔元件基本结构2、2两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；1、1引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种符号表示 由霍尔片、 引线和壳体组成。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四个引线。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 3
3、）应用 霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点,它首先是用来测磁场的，还可用来测产生或影响磁场的物理量（如电流）。a.电流传感器电流传感器当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测行检测。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院b.位移测量位移测量西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院磁性转盘的输入轴与被测转轴相连, 当被测转轴
4、转动时, 磁性转盘随之转动, 固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲, 检测出单位时间的脉冲数, 便可知被测转速。c.转速测量转速测量西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院案例：案例：汽车速度测量汽车速度测量西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院d.无损探伤无损探伤 铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、料内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部
5、磁场发生畸变。用霍尔裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或探头检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度等裂纹）和大小（如深度、宽度等)霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，海用缆绳探伤，霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，海用缆绳探伤，船体探伤以及材料检验等方面得到广泛应用。船体探伤以及材料检验等方面得到广泛应用。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院NS西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院4.6 4.6 热敏传感器热敏传感器 1)1)双金属温度计双金属温度计
6、把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成。它把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。优点：优点：结构简单结构简单牢固牢固可靠可靠防爆防爆 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院2 2） 热电温度计热电温度计( (热电偶热电偶) ) 热电效应热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。生热电势，形成电流，此现象称
7、为热电效应。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT0中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。总热电动势。TT0V西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院参考电极定律参考电极定
8、律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如果他们组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后的热电动势可两极配对后的热电动势可用下式求得：用下式求得：ABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院热电偶是工业上最常用的温度检测器热电偶是工业上最常用的温度检测器件之一。件之一。测量精度高。因热电偶直接与被测对象测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响接触，不受中间介
9、质的影响。测量范围广。常用的热电偶从测量范围广。常用的热电偶从-50-50+1600+1600均可连续测量，均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到某些特殊热电偶最低可测到- -269269（如金铁镍铬），最高可（如金铁镍铬），最高可达达+2800+2800（如钨（如钨- -铼）。铼）。构造简单，使用方便。构造简单，使用方便。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院3 3） 热敏电阻热敏电阻 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜等金属氧化物半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，按一定比例混合烧结而成的半导体，热敏电阻是一种电阻热敏电阻是一种电阻值随其
10、温度成指数变化的半导体热敏元件。值随其温度成指数变化的半导体热敏元件。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院PTCPTC热敏电阻热敏电阻: :具有正温度系数具有正温度系数, ,灵灵敏度非常数。敏度非常数。NTCNTC热敏电阻：热敏电阻：随温度上升电阻呈随温度上升电阻呈指数关系减小，具有负温度系数，指数关系减小，具有负温度系数，灵敏度高；灵敏度高；常用常用CTRCTR热敏电阻：热敏电阻：具有很大的负温度具有很大的负温度系数和负电阻突变特性系数和负电阻突变特性。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院水温感应塞水温感应塞温温控控器器还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子
11、体温计等西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院4.74.7气敏传感器气敏传感器 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。着极其重要的作用。 如生活环境中一氧化碳浓度达如生活环境中一氧化碳浓度达0.80.81.15 ml/L1.15 ml/L时，就会时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、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。酒精等的探测。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传
12、感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。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。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。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院燃气报警器燃气报警器酒精传感器酒精传感器西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院4.8 CCD固态图象传感器固态图象传感器(电荷耦合器件电荷耦合器件) MOS(Metal Ox
13、ide Semiconductor)MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构是在光敏元的结构是在半导体半导体(P(P型硅型硅) )基片上形成一种氧化物基片上形成一种氧化物( (如二氧化硅如二氧化硅) )，在氧，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属- -氧化物氧化物- -半半导体结构元导体结构元 (MOS) (MOS)。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 在在半半导导体体硅硅片片上上按按线线阵阵或或面面阵阵排排列列MOSMOS单单元元，如如果果照照射射在在这这些些光光敏敏元元上上的的是是一一幅幅明明暗暗起
14、起伏伏的的图图像像，则则这这些些光光敏敏元元上上就就会会感感生生出出一一幅幅与与光光照照强强度度相对应的光生电荷图像。相对应的光生电荷图像。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院特点特点: (1) (1) 组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤、自组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤、自动对焦动对焦; ;条形码扫描器条形码扫描器应用:(1) 宽度测量; （2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量 (2) (2) 作光学信息处理装置的输入环节，可用于作光学信息处理装置的输入环节，可用于传真技术、光学文字识别与图像识别、光谱测量传真技术、光学文字识别与图像识别、光谱测量等；等； (3) (3
15、) 作自动流水线装置中的敏感器件，可用于作自动流水线装置中的敏感器件，可用于机床、自动售货、自动搬运及自动监视装置等机床、自动售货、自动搬运及自动监视装置等方面。方面。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院数码相机数码相机西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院1 1）超声波及其物理性质）超声波及其物理性质 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。次声波次声波低于16 Hz的机械波声声 波波频率在162104 Hz之间, 能为人耳所闻的机械波超声波超声波高高于2104 Hz的机械波 微微 波波频率在3108 31011 Hz的机械波 4.94.9超声波传感器超声波传感器 西安工业大学机
16、电学院西安工业大学机电学院超声波在均匀介质中按直线传播；超声波在均匀介质中按直线传播；当超声波由一种介质入射到另一种介质时当超声波由一种介质入射到另一种介质时, , 由于在两种介质中传由于在两种介质中传播速度不同播速度不同, , 在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象，在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象，符合几何光学的定律。符合几何光学的定律。 性质：性质：西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院2）超声传感器）超声传感器超声波探头按其工作原理可分为压电式、超声波探头按其工作原理可分为压电式、 磁致伸缩式、磁致伸缩式、 电磁式等电磁式等, , 而以压电式最为常用。而以压电式最为常用
17、。利用压电材料的利用压电材料的压电效应压电效应来工作的来工作的: :发射探头发射探头产生超声波；产生超声波；接收探头接收探头将超声振动波转换成电信号将超声振动波转换成电信号压电式：压电式：实际应用中，两者合为一体：将脉冲交流电压加在压电元实际应用中，两者合为一体：将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将该反射波转换为电信号该介质中反射回来的超声波，并将该反射波转换为电信号输出。输出。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院3）超声传感器的应用）超声传感器的应用物位传感器物位传感器如
18、果从发射超声脉冲开始, 到接收到反射波为止的这个时间间隔为已知, 就可以求出分界面的位置, 利用这种方法可以对物位进行测量。超声波在液体中传播（衰减小）西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院流量传感器流量传感器超声波传输时间差法超声波传输时间差法超声波在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的, 利用这一特点可以求出流体的速度, 再根据管道流体的截面积, 便可知道流体的流量。 顺流：逆流：西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院倒车雷达倒车雷达西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院鱼群探测器鱼群探测器西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院4.10 4.10 其他类型传感器其他类型传感器 1
19、）热辐射检测传感器）热辐射检测传感器绝对零度以上的物体都有辐射，绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度其强度依赖于物体温度(K)(K)，冶金、轧制、磨削加工以及各冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。2）声发射检测传感器）声发射检测传感器材料或结构受外力或内力作用产材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性形式释放出应变能的现象叫声发射。生变形或断裂，以弹性形式释放出应变能的现象叫声发射。可用于材料断裂等结构检测可用于材料断裂等结构检测西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院3 3）生物传感器）生物传感
20、器发酵工业：谷氨酸葡萄糖检测发酵工业：谷氨酸葡萄糖检测 医学：血糖乳酸测定医学：血糖乳酸测定检测对象中含生命物质。根据敏感物质不同检测对象中含生命物质。根据敏感物质不同, ,生物传感器分生物传感器分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。免疫传感器等。热热/ /光光电信号电信号微生物微生物/酶等酶等热敏元件热敏元件光敏元件光敏元件电化学器件电化学器件物理、化学物理、化学变化变化西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院血糖乳酸测定流程血糖乳酸测定流程德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪手掌型葡萄糖手
21、掌型葡萄糖(glucose)(glucose)分析仪分析仪体育上耐力训练体育上耐力训练西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院工厂发酵车间化验工厂发酵车间化验员正在分析样品员正在分析样品西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院集成传感器集成传感器多传感器集成多传感器集成电路集成电路集成可进行多参数测量和综合处理可进行多参数测量和综合处理各种调节电路和补偿电路各种调节电路和补偿电路信号放大和阻抗变换电路信号放大和阻抗变换电路信号数字化和信号处理电路信号数字化和信号处理电路4）智能传感器）智能传感器将传感器与微型计算机集成在一块将传感器与微型计算机集成在一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合结合西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院嵌入式计算机嵌入式计算机智能传感器智能传感器智能倾角智能倾角RS232传感器等传感器等条件调节和环境补偿能力（温度、压力）条件调节和环境补偿能力（温度、压力）自动校正、自选量程、输出线性化自动校正、自选量程、输出线性化通讯能力通讯能力故障诊断处理能力故障诊断处理能力逻辑和判断能力等逻辑和判断能力等智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器
