chapter3常用传感器和敏感元件new

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1、兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件 测试技术测试技术本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.1 3.1 常用传感器分类常用传感器分类3.2 *3.2 *机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器3.3 3.3 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器3.4 3.4 磁电、压电与电热式传感器磁电、压电与电热式传感器3.5 3.5 光电传感器光电传感器 3

2、.6 *3.6 *光纤传感器光纤传感器 3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器 3.8 *3.8 *红外测试系统红外测试系统3.9 *3.9 *激光测试传感器激光测试传感器3.10 3.10 传感器的选用原则传感器的选用原则 第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.1 3.1 常用传感器分类常用传感器分类1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转

3、换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院传感器国家标准定义传感器国家标准定义 国家标准国家标准GB7665-87GB7665-87对传感器下的定义对传感器下的定义是：是：“能感受规定的被测量并按照一定的规能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，通常律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成由敏感元件和转换元件组成”。 敏感元件能直接感受被测

4、量；转换元件敏感元件能直接感受被测量；转换元件则将被测量转换成适于传输或测量的物理量。则将被测量转换成适于传输或测量的物理量。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院 传感器是人类感官的延伸传感器是人类感官的延伸a视觉与光传感器；视觉与光传感器；b听觉与声压传感器听觉与声压传感器;c触觉与温度、压力传感器；触觉与温度、压力传感器；d嗅觉与气敏传感器；嗅觉与气敏传感器； 是现代测控系统的关键环节。是现代测控系统的关键环节。扩展人的信息功能。因此，从广义讲，传感器是一个感扩展人的信息功能。因此，从广义讲，传感器是一个感知系统，是为了从外部感知信息而工作的系统。知系统，是为了从外部感知信息而

5、工作的系统。传感器的作用兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院 传感技术是信息科学中的一个重要组成部分，在现传感技术是信息科学中的一个重要组成部分，在现代被称之为信息探测工程学，是研究物质的物理效应、代被称之为信息探测工程学，是研究物质的物理效应、化学效应及生物效应，作为信息探测实际应用的一门科化学效应及生物效应，作为信息探测实际应用的一门科学，它对科学技术发展的作用和意义，已日益显得重要学，它对科学技术发展的作用和意义，已日益显得重要和突出。和突出。 借助于传感器人们可以去探索那些无法用感官直接借助于传感器人们可以去探索那些无法用感官直接测量的事物，从微观世界到宏观世界、太空探索，

6、从人测量的事物，从微观世界到宏观世界、太空探索，从人体（体（CT)到自然界到自然界(海水深度、海底探测）都离不开传感海水深度、海底探测）都离不开传感器。器。 传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。着整个测试装置的工作质量。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院传感器的发展动向1、发现新现象、发现新现象2、开发新材料、开发新材料3、采用微细加工技术、采用微细加工技术4、研究多功能集成传感器、研究多功能集成传感器 “Intelligent Sensor”5、智能化传感器、智能化传感器 “Smart Sensor”

7、，6、仿生传感器、仿生传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院2. 2. 传感器的构成传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 3.1 3.1 常用传感器分类常用传感器分类敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路被测量被测量电量电量R L C传感器的基本组成传感器的基本组成兰州

8、理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院输入输入P大大气气压压壳体壳体膜盒膜盒电感线圈电感线圈磁芯磁芯基本转基本转换电路换电路敏感元件敏感元件转换元件转换元件例：压力传感器：例：压力传感器：敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路被测量被测量电量电量R L C第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3. 3. 传感器的分类传感器的分类1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,

9、转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .2)2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: :第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理

10、工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3)3)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: : :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院4)4)按信号变换特征：按信号变换特征：物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质

11、的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.2 3.2 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器敏感元件敏感元件（弹性体）（弹性体）机械放大机械放大指示系统指示系统输入量输入量输出量输出量弹性变形弹性变形输出输出力力压力压力温度温度.1组成：组成：弹性敏感元件在传感器中因为直接参与变换和测弹性敏感元件在传感器中因为直接参与变换

12、和测量，所以对它有一定的要求。量，所以对它有一定的要求。2弹性敏感元件的材料：弹性敏感元件的材料：1）弹性滞后和弹性后效要小）弹性滞后和弹性后效要小2）弹性模数的温度系数要小）弹性模数的温度系数要小机械式指机械式指针仪表针仪表第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3典型应用典型应用:3）线膨胀系数要小且稳定）线膨胀系数要小且稳定4）弹性极限和强度极限要高）弹性极限和强度极限要高5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性）具有良好的稳定性和耐腐蚀性6）具有良好的机械加工性和热处理性）具有良好的机械加工性和热处理性第第3章章 常用传感器和敏感元件常

13、用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院 机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低，机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低， 故多用于静态量或低频变化量的测量。故多用于静态量或低频变化量的测量。 弹性元件的蠕变，弹性后效现象会影响输入、输弹性元件的蠕变，弹性后效现象会影响输入、输 出的关系。出的关系。5.改进：改进：为提高测量的频率范围为提高测量的频率范围,常把机械传感器与其它传常把机械传感器与其它传感器结合起来感器结合起来,即先用弹性元件把被测量转换成位移量即先用弹性元件把被测量转换成位移量,再用其它类型的传感器再用其它类型的传感器(电阻、电容、电涡流式等）把

14、电阻、电容、电涡流式等）把位移转换成电信号输出。位移转换成电信号输出。 结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。4特点：特点：第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.3 3.3 电阻、电容、电感传感器电阻、电容、电感传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.3.1 3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种是把被测量转换为电阻变化的一种传感器传感器, ,按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电

15、阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式热敏式、光敏式、电敏式.1 1 变阻器式传感器变阻器式传感器3.3 3.3 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化。基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化。1工作原理：工作原理：即即 。 当电阻丝直径当电阻丝直径A与材质与材质一定时，一定时， 的单值函数。的单值函数。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.3.1 3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器1 1 变阻器式传感器变阻器式传感器3.3 3.3 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电

16、工程学院（1）工作原理）工作原理:等效电路分析等效电路分析: :xLL-L-变阻器总长变阻器总长; ;x-x-电刷移动量电刷移动量. .R-R-总电阻总电阻; ; R Rx x电刷电阻电刷电阻; ;R=K*ll=R/KEE1Lx=RRx=EE1x=L*E1 / E兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院x=L*E1 / E= K*E10 LEE1x兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院EE1V VRmRxR-Rx1EE1= =xLRmR+ +Lx()-兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院负载效应负载效应1EE1= =xLRmR+ +Lx()-0LE兰州理工大学机电

17、工程学院兰州理工大学机电工程学院(2) (2) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: : 1) 1)线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性); 4); 4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; ; 2) 2) 分辨率分辨率; 5); 5)电阻温度系数电阻温度系数; ; 3) 3)电阻值偏差电阻值偏差; ; 6) 6)寿命寿命; ;(3)(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器按测量类型：按测量类型：单圈电位器单圈电位器多圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.3.1 电阻

18、式传感器电阻式传感器按制作方式：按制作方式：线绕电位器线绕电位器导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电导电材料粉材料粉兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备比较比较重量设定原材料原材料3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）

19、原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院(4) 变阻器式传感器变阻器式传感器特点特点:优点：结构简单，性能稳定，使用方便。优点：结构简单，性能稳定，使用方便。缺点：分辨率低，噪声大。缺点：分辨率低，噪声大。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或

20、缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化象。生变化象。 3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院1) 1) 工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为代入代入3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院有：有：金属丝：金属丝：金属丝体积不变：金属丝体积不变：3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院有：有：对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：金属丝

21、应变片：金属丝应变片：3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院应变计金属应变计金属应变计3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院半导体应变计半导体应变计简化为：简化为：优点：灵敏度大优点：灵敏度大; ;体积小体积小; ;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3) 3) 应变片的主要参数应变片的主要参数4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工

22、作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 1 1）几何参数：表距）几何参数：表距L L和丝栅宽度和丝栅宽度b b，制造厂常用，制造厂常用 bLbL表示。表示。2 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。 3 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3) 3) 应变片测量电路应变片测量电路VER2R1R3R43.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院令：令：金属丝应变片：金属丝应变片

23、：V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术1.1.目测电阻应变片有无折痕目测电阻应变片有无折痕. .断丝等断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5欧姆欧姆. .3.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用试件

24、表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.4.应变片粘贴应变片粘贴: :在应变片基底上挤一小滴在应变片基底上挤一小滴502502胶水，胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院5.5.焊线焊线: :用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于大于500M500M

25、欧。欧。7.7.应变片保护：用应变片保护：用704704硅橡胶覆于应变片上，防止硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。受潮。3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：冲床生产记数案例：冲床生

26、产记数 和生产过程监测和生产过程监测兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.3.2 3.3.2 电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它

27、的电容量为它的电容量为: :+ A 、A A或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电容的变化。电容的变化。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.3.2 电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特

28、点是体积小、性能优越、使用方便。 3.3.2 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院b)b)面积变化型面积变化型角位移型角位移型+3.3.2 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院平面线位移型平面线位移型3.3.2 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院柱面线位移型柱面线位移型. .3.3.2 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院产品产品. .陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产

29、生膜片产生 位移。位移。3.3.2 电容式传感器电容式传感器 压力变送器压力变送器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院c) c) 介质变化型介质变化型3.3.2 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）3.3.2 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电

30、容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。3.3.2 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.3.2 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3 3 测量电路测量电路a)a)电

31、桥电路电桥电路 3.3.2 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院b) b) 谐振电路谐振电路 3.3 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院c c) ) 运算放大器电路运算放大器电路 3.3.2 电容式传感器电容式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院复习3.3 3.3 电阻、电容、电感传感器电阻、电容、电感传感器变阻器式传感器 金属应变片 半导体应变片（灵敏度）电阻电阻电容电容变极距型 变面积型 变介质型兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.3.3 3.3.3 电感式传感器电感式传感器

32、电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.3.3 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式原理原理: :电磁感应电磁感应兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）测量范围：测量范围：0.001mm-1mm3.3.3 电感式传感器

33、电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院2 2 涡流式涡流式原理原理: :涡流效应涡流效应3.3.3 电感式传感器电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：3.3.3 电感式传感器电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.3.3 电感式传感器电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院产品：产品：3.3.3 电感式传感器电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

34、Reference Circle3.3.3 电感式传感器电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测3.3.3 电感式传感器电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院2 2 互感型互感型-差动变压器差动变压器3.3.3 电感式传感器电感式传感器工作原理工作原理: :互感现象互感现象兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院差动变压器差动变压器测量电路测量电路3.3.3 电感式传感器电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院差动变压器位移传感器

35、差动变压器位移传感器3.3.3 电感式传感器电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量3.3.3 电感式传感器电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：张力测量张力测量3.3.3 电感式传感器电感式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4 3.4 磁电、压电、热电传感器磁电、压电、热电传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.1 3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 1.1.变换原理变换原理: : 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应磁电式传感器是把被测量的物理量转换

36、为感应电动势的一种转换器。电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 3.4 3.4 磁电、压电与电热式传感器磁电、压电与电热式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院2 2 分类分类 磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型3.4

37、.1 磁电式传感器磁电式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院角速度型角速度型测速电机测速电机3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院磁阻式传感器磁阻式传感器 磁电式车速传感器磁电式车速传感器3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院N NS S案例：鼠笼电机转子断细条检测案例：鼠笼电机转子断细条检测3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.2 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应+并联并

38、联+串联串联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。种现象称为压电效应。F+q=DF3.4 3.4 磁电、压电与电热式传感器磁电、压电与电热式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.2 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应3.4 3.4 磁电、压电与电热式传感器磁电、压电与电热式传感器兰州理

39、工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.2 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应3.4 3.4 磁电、压电与电热式传感器磁电、压电与电热式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.2 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应3.4 3.4 磁电、压电与电热式传感器磁电、压电与电热式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.2 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 2.2.压电材料压电材料3.4 3.4 磁电、压电与电热式传感器磁电、压电与电热式传感器兰州

40、理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.2 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 3.3.测量特性测量特性3.4 3.4 磁电、压电与电热式传感器磁电、压电与电热式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.2 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 4.4.等效电路等效电路3.4 3.4 磁电、压电与电热式传感器磁电、压电与电热式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.2 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 4.4.等效电路等效电路3.4 3.4 磁电、压电与电热式传感器磁电、压电与电热式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学

41、院3.4.2 压电式传感器压电式传感器 5 5、测量电路、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析3.4.2 压电式传感器压电式传感器 兰州理工大学

42、机电工程学院兰州理工大学机电工程学院复习3.4 3.4 磁电、压电传感器磁电、压电传感器磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N线圈在磁场中做切割磁力线线圈在磁场中做切割磁力线运动产生感生电动势运动产生感生电动势。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4 3.4 磁电、压电、热电传感器磁电、压电、热电传感器热电传感器热电传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器 1.1.双金属温度计双金属温度计 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起把两种膨胀

43、系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变制成的。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。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兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院 3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院荧光灯启辉器荧光灯启辉器荧光灯荧光灯 荧光灯荧光灯 零线零线火线火线 当电路接通，启辉器两端极片得电，当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电），击穿惰性气体而导电（辉光放电），双金属片发热弯曲而与静触板接通形双金属片发热弯曲而与

44、静触板接通形成闭合电路。成闭合电路。1-8s后降温双金属片断开，后降温双金属片断开，电路中电流突然中断，使镇流器两端电路中电流突然中断，使镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电产生一个比电源电压高得多的感应电动势，动势，在强电场的作用下，引起管内在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光放电汞蒸气电离而形成弧光放电. .3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院2.2.热电偶热电偶 ( (热电温度计热电温度计) ) 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

45、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，此现象称为热电效应。3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)1)均质导体均质导体 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导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体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。生热电动势。TT02)接点温度决定热电动势接点温度决定热电动势 若热电偶接点处温度相同，则若热电偶接点处温度相同，则热电偶回路的热

46、电偶回路的热电动势热电动势为零，即使导体材料不同为零，即使导体材料不同。3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律3 3) )导体导体温度温度 热电偶热电偶ABAB的热电动势和导体材料的热电动势和导体材料A A、B B中间中间的温度无关，只和接头处温度相关的温度无关，只和接头处温度相关。热电动势热电动势大小是温度函数的差，而不是温度差的函数。大小是温度函数的差，而不是温度差的函数。TT04)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

47、相等，该导体的接入就不会影响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总热电动势。热电偶回路的总热电动势。TT0V3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院5 5) )参考电极定律参考电极定律 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，如组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，果他们所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后两极配对后的热电动势可用下式求得：的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0+CBTT0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

48、定、人们多采用铂作为参考电极。3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院复习3.3 3.3 电阻、电容、电感传感器电阻、电容、电感传感器变阻器式传感器 金属应变片 半导体应变片（灵敏度）电阻电阻电容电容变极距型 变面积型 变介质型电感电感电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学

49、机电工程学院复习3.4 3.4 磁电传感器磁电传感器磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N线圈在磁场中做切割磁力线线圈在磁场中做切割磁力线运动产生感生电动势运动产生感生电动势。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院复习3.4 3.4 压电传感器压电传感器正压电效应：正压电效应：某些物质沿某一方向受力时，会产生变形，同时内某些物质沿某一方向受力时，会产生变形，同时内部产生极化现象，在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，部产生极化现象，在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉时候，又重新恢复不带电的状态。当外力去掉时候，又重新恢复不带电的状态。

50、逆压电效应：逆压电效应：当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或者机械压力；当外加电场撤去时，这某一方向上产生机械变形或者机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或者应力也随之消失。些变形或者应力也随之消失。压电效应主要特性：压电效应主要特性：可逆性；瞬时性；不稳定性。可逆性；瞬时性；不稳定性。压电传感器不能做静态测量。压电传感器不能做静态测量。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院复习3.4 3.4 热电传感器热电传感器- -热电偶：热电偶：1 1、原理、原理热电效应：热电效应： 将两种不同材料的导体串接成一个闭合

51、回路，当两将两种不同材料的导体串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。象称为热电效应。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院复习3.4 3.4 热电传感器热电传感器- -热电偶：热电偶：2 2、特性、特性: :均质导体定律均质导体定律由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。 如果热电偶的热电极是非匀质导体，当热电偶的偶丝温度分布不同时，则热电偶将产生附加电势将会造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要

52、技术指标之一。mV热电极是匀质导体时，不论其温度如何分布，总有E(T,T0)0若E0，说明热电极是非匀质导体，这着衡量热电偶质量的一种方法。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院复习3.4 3.4 热电传感器热电传感器- -热电偶热电偶: 2: 2、特性、特性: :中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入与第三种导体（如中间导体C）时，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。T T0 0T T1 1C C导体导体D D导体导体C C导体导体兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4 3.4 热电传感器热电传感器- -热电偶：热电偶：2 2、

53、特性、特性: : 参考电极定律参考电极定律复习ABTT0=ACTT0+CBTT0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。两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4 3.4 热电传感器热电传感器- -热电偶：热电偶：2 2、特性、特性: :中间温度定律中间温度定律复习如图所示，同一热电偶如图所示，同一热电偶, ,接点温度分别为接点温度分别为T T1 1、T T2 2时时, ,其热电势为其热电势为E EABAB(

54、 (T T1 1, T, T2 2) )；接点温度分别为接点温度分别为T T2 2、T T3 3时，其热电势为时，其热电势为E EABAB( (T T2 2, , T T3 3) )；则接点温度分别为则接点温度分别为T T1 1、T T3 3时，其热电势为时，其热电势为E EABAB( (T T1 1, , T T3 3) )。即。即BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4 3.4 磁电、压电、热电传感器磁电、压电、热电传感器热电传感器热电传感器-热电偶热电偶兰州理工大学机电工

55、程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶3 3、分度表、分度表热电势是热电势是T T和和T0T0的温度函数的差，而不是温度差的函数。的温度函数的差，而不是温度差的函数。若令若令T0=0T0=0，则有：，则有：注意：注意：分度表是以参比端温度为分度表是以参比端温度为摄氏零度摄氏零度制定的。制定的。例：例：K K型热电偶，型热电偶，E E（300300，0 0）= =12.209 mV（查分度表可得）（查分度表可得）兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶4 4、常

56、见热电偶：标准化热电偶和非标准化热电偶、常见热电偶：标准化热电偶和非标准化热电偶标准化热电偶：标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会（国际电工委员会（IECIEC）共推荐了）共推荐了8 8种标准化热电种标准化热电偶。偶。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院分度号热电极材料E(100,0)(mv)测温范围（度）

57、 正极负极平常短期S铂铑 10纯铂0.6460-13000-13001600R铂铑 13纯铂0.6470-13000-13001600B铂铑 30铂铑 60.0330-16000-16001800K镍铬镍硅4.0960-12000-12001300T纯铜铜镍4.279-200-350-200-350400J铁铜镍5.269-40-600-40-600750N镍铬硅镍硅2.774-200-1200-200-12001300E镍铬铜镍6.319-200-760850二、热电偶二、热电偶4 4、常见热电偶：标准化热电偶、常见热电偶：标准化热电偶3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工

58、大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院二、热电偶二、热电偶4 4、常见热电偶：标准化热电偶、常见热电偶：标准化热电偶3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器分度号优点缺点R铂铑13/纯铂、S铂铑10/纯铂精度高、稳定性好，不易劣化；抗氧化、耐化学腐蚀；可作标准灵敏度低；不适用于还原性气氛(尤其是H2、金属蒸气)；热电动势的线性不好；价格高B铂铑30/铂铑6适于测量1000以上的高温；常温下热电动势极小，可不用补偿导线；抗氧化、耐化学腐蚀在中低温领域热电动势小，不能用于600以下；灵敏度低；热电动势的线性不好K镍铬/镍硅热电动势线性好；1000下抗氧化性能良好；在廉金属热电偶中稳定性更

59、好不适用于还原性气氛；同贵金属热电偶相比时效变化大；因短程有序结构变化而产生误差T纯铜/铜镍热电动势线性好；低温特性好；产品质量稳定性好；可用于还原性气氛使用温度低；铜正极易氧化；热传导误差大J铁/铜镍可用于还原性气氛；热电动势较K型高20%左右铁正极易生锈；热电特性漂移大N镍铬硅/镍硅热电动势线性好；1200以下抗氧化性能良好；短程有序结构变化影响小不适用于还原性气氛；同贵金属势电偶相比时效变化大E镍铬/铜镍在现有的热电偶中，灵敏度最高；同J型相比，耐热性能良好；两极非磁性不适用于还原性气氛；热导率低具有微滞后现象兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式

60、传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶4 4、常见热电偶：标准化热电偶热电动势与温度的关系、常见热电偶：标准化热电偶热电动势与温度的关系兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶4 4、常见热电偶：非标准化热电偶、常见热电偶：非标准化热电偶名称名称热电极材料热电极材料使用温度使用温度范围范围()()过热使用温过热使用温度度范围范围()()特征特征正极正极负极负极钨莱系钨莱系Wre5Wre5、Wre3Wre3Wre26Wre26、Wre25Wre250 02300230030003000适用于还原性、适用于还原性、H2H2

61、及惰性及惰性气体。质脆气体。质脆铂铑系铂铑系PtRh20PtRh20、PtRh40PtRh40PtRh5PtRh5、PtRh20PtRh20300300150015001800180018001800在高温下使用，热电动势在高温下使用，热电动势小，其它性能与小，其它性能与R R型相同型相同铱铑系铱铑系Ir Ir、Ir Ir、Ir IrIrRh40IrRh40、IrRh50IrRh50、IrRh60IrRh60110011002000200021002100适用于真空、惰性气体及适用于真空、惰性气体及微氧化性气氛。质脆微氧化性气氛。质脆镍钼系镍钼系NiNiNiMo18NiMo180 012801

62、280/ /可用于还原性气氛，热电可用于还原性气氛，热电动势大动势大钯铂系钯铂系PdPd、PtPt及及AuAu合金合金AuAu、PdPd合金合金0 01100110013001300耐磨性能强，热电动势的耐磨性能强，热电动势的大小基本上与大小基本上与K K型相同型相同镍铬、镍铬、金铁金铁以以Ni-CrNi-Cr为主的合金为主的合金含含0.07mo1%Fe0.07mo1%Fe的合的合金金0 0300K300K/ /20K20K以下热电动势比较大，以下热电动势比较大，热电动势的线性好热电动势的线性好银金、银金、金铁金铁含含AuAu为为0.37mo1%0.37mo1%的合金的合金含含0.03mo1%

63、Fe0.03mo1%Fe的的Au-FeAu-Fe合金合金1 140K40K/ /热电动势小，受磁场影响热电动势小，受磁场影响兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶5 5、热电偶的结构、热电偶的结构 为保证热电偶的正常工作，热电偶的两极之间以及与保护套管之间都需要良好的电绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的外保护套管也是必不可少的。（a）1接线柱；2接线座；3绝缘套管；4热电极（b）1测量端；2热电极；3绝缘套管；4保护管；5接线盒主要结构包括：主要结构包括：(1)(1)热电极热电极(2)(2)绝缘材料绝缘材料(3)(3)

64、保护套管保护套管(4)(4)接线盒接线盒兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶5 5、热电偶的结构、热电偶的结构热电极：直径由材料的机械强度,电导率,价格及热电偶的用途和测量范围等决定。用贵金属时直径很细,为0.35-0.65mm,用廉价金属时,其直径通常为1-3mm.热电偶的长度可根据实际需要来决定。普通插入式热电偶的长度可在300mm-2150mm之间。绝缘材料：在热电偶的两根电极上套有绝缘材料, 其作用是防止两根电极之间和电极与保护套管之间发生短路。常用绝缘材料橡皮,塑料等,最常用的绝缘材料是瓷管和高温瓷管。

65、兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶5 5、热电偶的结构、热电偶的结构保护套管：热电偶的热电极(包括绝缘管)装在保护套管中。使热电极避免遭受有害气体的腐蚀及机械损伤，防止或减小火焰与气流的冲刷和辐射，保护热电极。对保护套管材料的要求是耐腐蚀,不渗透气体,不与氧化性和还原性气体发生化学反应,耐酸碱腐蚀,热惯性小,能承受温度剧变,价格低。常用的保护套管材料有:铜,20号碳钢,镍铬合金，陶瓷。接线盒：主要作用是防止灰尘和水,气的侵入,便于热电偶与补偿导线或导线连接。接线盒用铝合金材料制成,装在保护套管的尾部,接线盒的上部

66、有垫片或垫圈加以密封。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶6 6、热电偶的冷端补偿、热电偶的冷端补偿为什么需要热电偶的冷端补偿？为什么需要热电偶的冷端补偿？ 保持冷端温度为常数，热电偶的输出才是被测温度的单值函数；分度表是按冷端为0制定的。 热电偶冷端通常处在温度不为零，且有波动的地方。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶6 6、热电偶的冷端补偿、热电偶的冷端补偿常用的几常用的几种种冷端冷端处处理和理和补偿补偿方法有：方法有： 冷端温度

67、恒温法 计算修正法 硬件电路补偿法 软件补偿法兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶6 6、热电偶的冷端补偿：冷端温度恒温法、热电偶的冷端补偿：冷端温度恒温法 适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶6 6、热电偶的冷端补偿：计算修正法、热电偶的冷端补偿：计算修正法在实际应用中热电偶的参比端往往不是0，而是环境温度t0，这时测量出的热电势不是E（t，0），不能直接用于查表求温度。根据公式： 修正公式

68、修正公式冷端冷端 t t0 0的热电势的热电势测量得出的热电势测量得出的热电势 被测温度被测温度 t t 的热电势的热电势测量得出的热电势测量得出的热电势 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶6 6、热电偶的冷端补偿：硬件电路补偿法、热电偶的冷端补偿：硬件电路补偿法 通常利用下图所示的直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值。Rk用于调节电桥输出电压的大小，使Uab等于Eab（t0，0）。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4 3.4 磁电、压电、热电传感器磁电、压电、

69、热电传感器热电传感器热电传感器-热电阻热电阻兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器三、热电阻三、热电阻 随着温度的变化，导体或半导体的电阻会发生变化，温度和电阻间具有单一的函数关系，利用这一关系来测量温度的方法即为热电阻测温原理。 用于测温的导体或半导体元件称为热电阻。 热电阻测温优点：信号可远传，灵敏度高。特别是金属材料的热电阻稳定性好，互换性高，准确度高。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器三、热电阻三、热电阻1 1、金属热电阻、金属热电阻金属热电阻传感器：由电阻体（感温元

70、件为金属），绝缘套管和接线盒组成。热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能，复现性好；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。使用最广泛的金属热电阻材料是铂和铜。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器三、热电阻三、热电阻1 1、金属热电阻、金属热电阻 铂热电阻 在各种测温场合被大量使用。还作为标准和基准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。测量范围200850。工业上使用的热电阻测量范围多为50650。是目前测温重复性最好的一种温度计，铂电阻的精度与

71、铂的提纯程度有关。 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器三、热电阻三、热电阻1 1、金属热电阻、金属热电阻 铂热电阻 铂丝铂丝的的电电阻阻值与温值与温度之度之间间的的关关系，即特性方程如下：系，即特性方程如下： 当温当温度度t t在在200 200 t t 00时时： 当温当温度度t t在在0 0 t t 650650时时： 国内统一设计的工业用标准铂电阻，国内统一设计的工业用标准铂电阻，R R0 0分为分为1010、100100和和10001000三种三种(0(0时时) )，分度号分别为，分度号分别为PtPt1010、 Pt Pt1

72、00100和和PtPt10001000。PtPt1010主要用于主要用于650650以上温区测量；以上温区测量；PtPt100100主要用于主要用于650650以下温区测量。以下温区测量。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器三、热电阻三、热电阻1 1、金属热电阻、金属热电阻 铜热电阻测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为50150，可靠性差。 优点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。缺点：易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻

73、率低，所以铜电阻的体积较大。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器三、热电阻三、热电阻1 1、金属热电阻、金属热电阻 铜热电阻工业上使用的标准化铜热电阻的工业上使用的标准化铜热电阻的R R0 0按国内统一设计取按国内统一设计取5050和和100100两种两种(0(0时时) )，分度号分别为，分度号分别为Cu50Cu50和和Cu100Cu100，相应的分度，相应的分度表可查阅相关资料。表可查阅相关资料。 或近似为或近似为兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院普普通通工工业业用用热热电电阻阻式式温温度度传传感感器器与热电偶一样，与

74、热电偶一样，工业热电阻都由工业热电阻都由感温元件，引出感温元件，引出线，保护套管，线，保护套管，接线盒，绝缘材接线盒，绝缘材料等组成。料等组成。 3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器三、热电阻三、热电阻1 1、金属热电阻、金属热电阻: :结构结构兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器三、热电阻三、热电阻2 2、半导体热电阻、半导体热电阻定义：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。优点：热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）；电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变

75、化的温度。结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，重复性和互换性较差。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器三、热电阻三、热电阻2 2、半导体热电阻、半导体热电阻 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有导体，它具有负的电阻温度系数负的电阻温度系数，随温度上升而阻，随温度上升而阻值下降。值下降。 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器三、热电

76、阻三、热电阻3 3、应用、应用 金属热电阻传感器 200+500范围的温度测量 特点：精度高、适于测低温。 半导体热敏电阻传感器应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院产品产品3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院温控器温控器应用应用汽车发动机传感器汽车发动机传感器水温感应塞水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于

77、空调、暖气、电子体温计等3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.5 3.5 光电传感器光电传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器光电传感器一、光电测量原理一、光电测量原理光是什么？兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器光电传感器一、光电测量原理一、光电测量原理光既是一种波，同时又是由一个个光子所构成。也就是具有波粒二象性。 光的量子学说最初是由AEinst

78、ein于1905年在研究光电效应现象时提出来。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器光电传感器一、光电测量原理一、光电测量原理v在爱因斯坦之前在爱因斯坦之前MM普朗克提出了能量子假设。普朗克提出了能量子假设。光光-以光速运动的粒子流。以光速运动的粒子流。单个光子能量：单个光子能量：普郎克常数普郎克常数光波频率光波频率兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器光电传感器一、光电测量原理一、光电测量原理 采用光电元件作为检测元件

79、的传感器被称为光电传感器。光电传感器由光源、光学通路和光电元件组成。 主要特点：精度高、反应快、非直接接触、结构简单、形式多样、应用广泛。 光电测量就是利用光与能量光电测量就是利用光与能量的关系，即利用光电效应实现的关系，即利用光电效应实现测量。测量。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院光量光量 电量电量光电效应光电效应 内光电效应内光电效应 光电导效应光电导效应-光敏电阻光敏电阻光生伏特效应光生伏特效应-光电池光电池， 光电二、三光电二、三 极管极管外光电效应外光电效应 -真空光电管，光电倍增管真空光电管，光电倍增管第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.

80、5 光电传感器光电传感器 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。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。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 一、光电测量原理一、光电测量原理兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院1、外光电效应（光电子发射效应）、外光电效应（光电子发射效应）第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件一、光电测量原理一、光电测量原理3.5 3.5 光电传感器光电传感器 在光照的条件下，物体内部电子从物体表面溢在光照的条件下，物体内部电子

81、从物体表面溢出的现象，被称做外光电效应。出的现象，被称做外光电效应。爱因斯坦则是因为研究外光爱因斯坦则是因为研究外光电效应现象并从理论上对其电效应现象并从理论上对其做出了正确的量子解释而获做出了正确的量子解释而获得了诺贝尔物理学奖。得了诺贝尔物理学奖。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院hf光子光子光电子光电子1、外光电效应（光电子发射效应）、外光电效应（光电子发射效应）爱因斯坦爱因斯坦光电效应光电效应方程：方程：第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件一、光电测量原理一、光电测量原理3.5 3.5 光电传感器光电传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院2

82、、内光电效应、内光电效应 半导体材料受到光照时，激发出的光生载流半导体材料受到光照时，激发出的光生载流子（电子空穴对）停留在物质内部不逸出。子（电子空穴对）停留在物质内部不逸出。电子电子- -空穴对空穴对, ,使其导电性能增强使其导电性能增强, ,光线愈强，阻值光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象, ,称为内称为内光电效应光电效应 。第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器光电传感器一、光电测量原理一、光电测量原理兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院n-载流子浓度；载流子浓度； e-电子电荷；电

83、子电荷； u-载流子的迁移率（载流子的迁移率（u=；v-载流子运动速度；载流子运动速度；E-电场强度。）电场强度。）vE半导体材料的电导率半导体材料的电导率=neu在入射光的照射下，产生光生载流子，浓度增加，在入射光的照射下，产生光生载流子，浓度增加，电导率增加，电阻减小。电导率增加，电阻减小。第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器光电传感器2、光电导效应原理、光电导效应原理 一、光电测量原理一、光电测量原理兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3、光生伏达效应、光生伏达效应 在光线照射下，物体能够产生一定方向上的在光线照射下，物体能够产生一定

84、方向上的电动势的现象，被称为光生伏达效应。电动势的现象，被称为光生伏达效应。第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器光电传感器一、光电测量原理一、光电测量原理兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器光电传感器二、光电元件二、光电元件真空光电管：真空光电管：光电倍增管：光电倍增管：1 1、外光电效应光电元件、外光电效应光电元件紫外线光电管紫外线光电管兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器

85、光电传感器二、光电元件二、光电元件; ;光敏电阻：随着光照，阻值变化光敏电阻：随着光照，阻值变化2 2、内光电效应光电元件、内光电效应光电元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器光电传感器二、光电元件：光敏电阻二、光电元件：光敏电阻2 2、内光电效应光电元件、内光电效应光电元件光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直流电压，即可以加直流电压，也可以加交流电压工作。也可以加交流电压工作。暗电阻与亮电阻暗电阻与亮电阻 暗电阻暗电阻-在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如在

86、室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如MG41-MG41-4242型光敏电阻的暗阻大于等于型光敏电阻的暗阻大于等于0.10.1兆欧。兆欧。 亮电阻亮电阻-在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。例如在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于型光敏电阻的亮阻小于等于10001000欧。欧。光敏电阻接在电路上，亮电流（大）与暗电流（小）之差被称光敏电阻接在电路上，亮电流（大）与暗电流（小）之差被称为为光电流光电流。光敏电阻的亮电阻越大，暗电阻越小，灵敏度越高。光敏电阻的亮电阻越大，暗电阻越小，灵敏度越高。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学

87、院第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.5 3.5 光电传感器光电传感器二、光电元件：光敏电阻二、光电元件：光敏电阻2 2、内光电效应光电元件、内光电效应光电元件光照特性：光照特性：光敏电阻光通量与光电流之间的关系曲线。非线性，且光敏电阻光通量与光电流之间的关系曲线。非线性，且随材料不同而不同。随材料不同而不同。伏安特性：伏安特性：一定光照条件下，光敏电阻两端施加的电压与电流之间一定光照条件下，光敏电阻两端施加的电压与电流之间的关系。的关系。光谱特性：光谱特性：对于不同频率的入射光，其灵敏度不同。对于不同频率的入射光，其灵敏度不同。响应时间特性：响应时间特性：光电流对光照强度

88、变化有一个滞后时间。光电流对光照强度变化有一个滞后时间。光谱温度特性：光谱温度特性：光敏电阻光学与化学特性受到温度影响。光敏电阻光学与化学特性受到温度影响。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院传感器原理传感器原理 照相机自动测光照相机自动测光光控灯光控灯工业控制工业控制兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院亮度传感器：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，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。达到节约电能的目的。第第3章章 常用传感器和敏感元件常

89、用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院 光光生生伏伏特特效效应应指指半半导导体体材材料料P-NP-N结结受受到到光光照照后后产产生生一一定定方方向向的的电电动动势势的的效效应应。以以可可见见光光作作光光源源的光电池是常用的光生伏特型器件。的光电池是常用的光生伏特型器件。+-PN3.5 3.5 光电传感器光电传感器二、光电元件：光电池二、光电元件：光电池3 3、光生伏达效应元件、光生伏达效应元件第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院复习3.3.5 5 光电传感器光电传感器一、光电测量原理：外光电效应、内光电

90、效应一、光电测量原理：外光电效应、内光电效应和光生伏达效应。和光生伏达效应。二、光电元件：真空光电管、光电倍增管、光二、光电元件：真空光电管、光电倍增管、光敏电阻和光电池。敏电阻和光电池。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3、模拟量光电传感器应用 光光电电传传感感器器在在工工业业上上的的应应用用可可归归纳纳为为辐辐射射式式( (直直射射式式) )、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。 辐射式实例：光电比色高温计辐射式实例：光电比色高温计（被测量是光源）（被测量是光源） 把被测量转化成连续变化的光电流。把被测量转化成连续变化的光电流。 3.

91、5 3.5 光电传感器光电传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院吸吸收收式式实实例例：测测量量液液体体、气气体体的的透透明明度度、混混浊浊度度的的光电比色计、混浊度计光电比色计、混浊度计（被测量吸收光能）（被测量吸收光能）3、模拟量光电传感器应用兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院遮光式实例：基于光通量测量尺寸、振动遮光式实例：基于光通量测量尺寸、振动3、模拟量光电传感器应用兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院反射式实例：基于反射测量表面粗糙度反射式实例：基于反射测量表面粗糙度3、模拟量光电传感器应用兰

92、州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院相机测距反射式光电传感器相机测距反射式光电传感器3、模拟量光电传感器应用兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院4 4、开关量光电传感器应用、开关量光电传感器应用脉冲盘式角度脉冲盘式角度-数字编码器数字编码器码盘式角度码盘式角度-数字编码器（接触式、光电式、电磁式）数字编码器（接触式、光电式、电磁式）光电式角度光电式角度-数字编码器数字编码器 把被测量转化成断续变化的光电流。把被测量转化成断续变化的光电流。 精度高精度高数字化数字化量程大量程大安装方便、维护简单安装方便、维护简单兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院4 4、开关量

93、光电传感器应用、开关量光电传感器应用脉冲盘式角度脉冲盘式角度-数字编码器数字编码器工作原理工作原理通过计数器反应圆盘转过的角度通过计数器反应圆盘转过的角度兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院4 4、开关量光电传感器应用、开关量光电传感器应用码盘码盘式式开关量光电传感器开关量光电传感器工作原理工作原理码盘式数字编码器：光电式、接触式、电磁式码盘式数字编码器：光电式、接触式、电磁式兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：光电转速计工作原理案例：光电转速计工作原理4 4、开关量光电传感器应用、开关量光电传感器应用兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：光电转速

94、计工作原理案例：光电转速计工作原理4 4、开关量光电传感器应用、开关量光电传感器应用兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：明渠水位测量明渠水位测量工作原理工作原理4 4、开关量光电传感器应用、开关量光电传感器应用兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：明渠水位测量明渠水位测量工作原理工作原理4 4、开关量光电传感器应用、开关量光电传感器应用兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LEDLED与光敏晶体管组合来与光敏晶体管组合来 测量位移。测量位移。4 4、开关量光电传感器应用、开关量光电传感器应用兰州

95、理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术,它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，如不受电磁干扰,体积小,重量轻,可挠曲,灵敏度高,耐腐蚀,电绝缘、防爆性好,易与微机连接,便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各种物理量的测量,具有极为广泛的应用前景。3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件一、概述一、概述兰州理工大学

96、机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件一、概述一、概述光纤导光原理光纤导光原理：当光线有光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角，当折射角大于90度时，光线会产生全反射，不进入光疏介质。如此光线将会在光纤中永远传播下去。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件一、概述一、概述光纤结构：光纤结构：光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，

97、和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件二、光纤分类二、光纤分类 按照按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃，光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种。型、渐变型和单模型三种。单模光纤的折射率分布是单模光纤的折射率分布是阶跃型的，但光纤的光学阶跃型的，但光纤的光学尺寸很小，只能传输单模尺寸很小，只能传输单模光波，是一种超宽带光纤；光波，是一种超宽带光纤；多模光纤能传输数百种模多模光纤能传输数百种模式。

98、式。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件二、光纤分类二、光纤分类 按照按照光的作用分类光的作用分类可分为物性型（功能型）光纤传感器和可分为物性型（功能型）光纤传感器和结构型（非功能型）光纤传感器。结构型（非功能型）光纤传感器。1 1、物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将、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。输入物理量变换为调制的光信号。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器 按照按照光受被测对象的调制形式光受被测对象的调制形式可分为可分为强度调

99、制型、偏振调制强度调制型、偏振调制型、频率调制型、相位调制型。型、频率调制型、相位调制型。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件二、光纤分类二、光纤分类1 1、物性型（功能型）光纤传感器、物性型（功能型）光纤传感器光纤一方面起传输光的作用，另一方面是敏感元件，光纤一方面起传输光的作用，另一方面是敏感元件，是靠被测物理量调制或影响光纤的传输特性，把被测物理是靠被测物理量调制或影响光纤的传输特性，把被测物理量的变化转变为调制的光信号。因此光纤具有量的变化转变为调制的光信号。因此光纤具有“传传”和和“感

100、感”的功能。光纤的输出端采用光电器件，所接受的光信的功能。光纤的输出端采用光电器件，所接受的光信号便是被测量调制后的信号，并使之转变为电信号。此类号便是被测量调制后的信号，并使之转变为电信号。此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高，但是，它需用特殊传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高，但是，它需用特殊光纤和先进的检测技术，因此成本高。其典型例子如光纤光纤和先进的检测技术，因此成本高。其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等。陀螺、光纤水听器等。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件二、光纤分类二、光纤分类1

101、1、物性型光纤传感器、物性型光纤传感器右图所示为施加均衡压力和右图所示为施加均衡压力和施加点压力的两种光纤压力施加点压力的两种光纤压力传感器形式。传感器形式。图图(a)(a)所示为光纤在均衡压力作用下，由于光弹性效应而引起光所示为光纤在均衡压力作用下，由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸变化，导致光纤传播光的相位变化和偏纤折射率、形状和尺寸变化，导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转振面旋转; ;图图(b)(b)所示为光纤在点压力作用下，引起光纤局部变所示为光纤在点压力作用下，引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱

102、而增加损耗，从而引起光振幅变化。从而引起光振幅变化。在光纤的输出端采用适当的光电检测元件检出光强的变化，就在光纤的输出端采用适当的光电检测元件检出光强的变化，就可以制作温度、压力、振动、位移等传感器。可以制作温度、压力、振动、位移等传感器。 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件二、光纤分类二、光纤分类2 2、结构型（非功能型）光纤传感器、结构型（非功能型）光纤传感器 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

103、仅作为光的传播媒质，所电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。以又称为传光型或非功能型光纤传感器。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件二、光纤分类二、光纤分类2 2、结构型（非功能型）光纤传感器、结构型（非功能型）光纤传感器在非功能型传感器中，在非功能型传感器中，光纤不是敏感元件，即只光纤不是敏感元件，即只“传传”不不“感感”。它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间，放置它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间，放置光学材料及机械式或光学式的敏感元件，感

104、受被测物理量光学材料及机械式或光学式的敏感元件，感受被测物理量的变化。的变化。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低，但灵敏度也较低，应用于对灵敏度要求不实现，成本低，但灵敏度也较低，应用于对灵敏度要求不太高的场合。目前，已实用化或尚在研制中的光纤传感器，太高的场合。目前，已实用化或尚在研制中的光纤传感器，大都是非功能型的。大都是非功能型的。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件三、光纤传感器应用三、光纤传感器应用光纤流速传

105、感器：光纤流速传感器：光纤流速传感器由多模光纤、光源、铜管、光电二极光纤流速传感器由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化。其振幅的变化与流速成正比。光纤的发射光强出现强弱变化。其振幅的变化与流速成正比。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器

106、和敏感元件三、光纤传感器应用三、光纤传感器应用(a)Y型光纤；型光纤；(b)U型光纤；型光纤；(c)棱镜耦合棱镜耦合光纤液位计可用于易燃、易爆场光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体以及会合，但不能探测污浊液体以及会粘附在测头表面的粘稠物质。粘附在测头表面的粘稠物质。 图所示为基于全内反射原理研制的图所示为基于全内反射原理研制的液位传感器。它由液位传感器。它由LEDLED光源，光电二光源，光电二极管，多模光纤等组成。它的结构极管，多模光纤等组成。它的结构特点是，在光纤测头端有一个圆锥特点是，在光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空气中，没体反射器。当测头置于空气中，没有接触液面

107、时，光线在圆锥体内发有接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而返回到光电二极管。生全内反射而返回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，率与空气不同，全内反射被破坏，将有部分光线透入液体内，使返回将有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；返回光到光电二极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触光强发生突变时，表明测头已接触到液位。到液位。 案例案例2.2.光纤液位传感器光纤液位传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.6 3.6 光

108、纤传感器光纤传感器第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件三、光纤传感器应用三、光纤传感器应用 该系统主要由激光光源、分光器、光接收器、频率检测器及振该系统主要由激光光源、分光器、光接收器、频率检测器及振动物体等部分组成。动物体等部分组成。 当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波频率存在差别的现象称为频率与入射声波频率存在差别的现象称为光学多普勒效应光学多普勒效应，是奥，是奥地利学者多普勒于地利学者多普勒于18421842年发现的。当单色光束人射到运动体上某年发现的。当单色光束人射到运动体上某点时，

109、光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频移多普勒频移。案例案例3.3.激光多普勒效应速度传感器激光多普勒效应速度传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院其工作原理为其工作原理为: :由激光光源由激光光源( (氢氢- -氦激光氦激光) )发出的光发出的光( (频率为频率为f fi i) )导入光导纤维，经导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体 ( (

110、被测体被测体) )振动，产振动，产生散射生散射 ( (频率为频率为f fs s) )，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为 式中，式中，f fi i为入射光频率，即激光源频率；为入射光频率，即激光源频率；f fs s为散射光频率；为散射光频率；n n为发生散射介质为发生散射介质的折射率；的折射率；为入射光在空气中的波长；为入射光在空气中的波长；为被测物体的运动速度。为被测物体的运动速度。上式表明，多普勒频率上式表明，多普勒频率f f与被测物体运动速度与被测物体运动速度成比例变化关系，从频率分成比例变化关系，从频率分检器中测得检器中测得f f后，

111、即可得到物体的运动速度。后，即可得到物体的运动速度。频率调制频率调制第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件三、光纤传感器应用三、光纤传感器应用案例案例3.3.激光多普勒效应速度传感器激光多普勒效应速度传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器四、光纤传感器优点四、光纤传感器优点1 1、不受电磁干扰，电气绝缘性好，可在强电磁干扰下完成传统、不受电磁干扰，电气绝缘性好，可在强电磁干扰下完成传统传感器无法测量的信号；传感器无法测量的信号；2 2、无电能、无电火花，可在易燃易爆、腐蚀性环境

112、中工作、无电能、无电火花，可在易燃易爆、腐蚀性环境中工作；3 3、某些光纤传感器性能优于传统传感器；、某些光纤传感器性能优于传统传感器；4 4、重量轻、体积小、可缠绕、形状适应性好，可以适于在狭小、重量轻、体积小、可缠绕、形状适应性好，可以适于在狭小环境中使用。环境中使用。5 5、频带宽、动态范围大，对系统不产生影响，精度高。、频带宽、动态范围大，对系统不产生影响，精度高。6 6、适于信号远传。、适于信号远传。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器 半导体对

113、半导体对光、热、力、磁、湿、气体光、热、力、磁、湿、气体等量敏感，这等量敏感，这种敏感特性可以实现非电量到电信号的转变。种敏感特性可以实现非电量到电信号的转变。 半导体传感器半导体传感器 优点：优点： 结构简单、体积小、重量轻，功耗低、安全可靠、结构简单、体积小、重量轻，功耗低、安全可靠、寿命长，敏感响应快，易于集成。寿命长，敏感响应快，易于集成。 缺点：缺点： 对温度变化敏感，且非线性强。对温度变化敏感，且非线性强。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7.1 3.7.1 磁敏传感器磁敏传感器 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂

114、直于电流和磁场的方向上将产生流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 1 1 霍尔元件霍尔元件 3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。 3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器兰州理工大学机电工程学

115、院兰州理工大学机电工程学院3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院测转角：测转角：3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学

116、院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，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，然后用霍尔器件进行检可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。测。3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工

117、程学院叶片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器应用应用 3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：案例：汽车速度测量汽车速度测量:3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：转速测量案例：转速测量3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院2 2 磁电阻元件磁电阻元件特点特点 电阻的增量与磁场的平

118、方成正比；电阻的增量与磁场的平方成正比； 与磁场的正负无关；与磁场的正负无关； 温度系数影响大；温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。磁感应的范围比霍尔元件大。应用应用 磁头；接近开关和无触点开关。磁头；接近开关和无触点开关。磁阻效用：霍尔元件处于磁场中，会产生载流子偏移，磁阻效用：霍尔元件处于磁场中，会产生载流子偏移，引起传导电流分配不均，表现为电流方向的电阻变化。引起传导电流分配不均，表现为电流方向的电阻变化。3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3 3 磁感应半导体元件分类磁感应半

119、导体元件分类霍尔元件霍尔元件磁电阻元件磁电阻元件磁敏二极管磁敏二极管磁晶体管磁晶体管磁半导体开关磁半导体开关3.7.1 3.7.1 磁敏元件传感器磁敏元件传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7.2 3.7.2 热敏传感器热敏传感器 热敏电阻是一种半导体温度传感器热敏电阻是一种半导体温度传感器 。电阻值随着温度的升高而下降。电阻值随着温度的升高而下降。优点：优点：灵敏度高灵敏度高体积小体积小温度测量范围大温度测量范围大缺点：缺点：非线性大非线性大对环境温度敏感，易受干扰对环境温度敏感，易受干扰3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰

120、州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7.3 3.7.3 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 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。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，就会出现呼吸急时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，促，脉搏加快，中毒死亡中毒死亡。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。烟雾报警器烟雾报警器

121、酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器 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。件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7.3 3.7.3 气敏电阻传感器气敏电阻传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院燃气报警器燃气

122、报警器烟雾报警器烟雾报警器3.7.3 3.7.3 气敏电阻传感器气敏电阻传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7.4 3.7.4 湿敏传感器湿敏传感器 湿敏湿敏传感器传感器： 半导体材料随着半导体材料随着环境湿度升高而电阻环境湿度升高而电阻值下降。值下降。3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7.5 CCD3.7.5 CCD固态图象传感器固态图象传感器 MOS(MetalMOS(Metal Oxide Semiconductor) Oxide Semiconductor)光敏元的光

123、敏元的结构是在半导体结构是在半导体(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) )，在氧化物上再沉积一层金属电极，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属以此形成一个金属- -氧化物氧化物- -半导体结构元半导体结构元 (MOS)(MOS)。 3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院 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

124、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。3.7.5 CCD3.7.5 CCD固态图象传感器固态图象传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院特点特点:(1) 非接触检测非接触检测;(2) 响应快响应快;(3) 可靠性高可靠性高,为修简便为修简便;(4) 测量精度高测量精度高;(5) 体积小体积小,重量轻重量轻; 容易与计算机连接容易与计算机连接(6) 对被测物体需要强光照射对被测物体需要强光照射;(7) 受被测物体以外的光的影响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)

125、 主轴径向跳动测量.3.7.5 CCD3.7.5 CCD固态图象传感器固态图象传感器条形码扫描器条形码扫描器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院复习3.3.5 5 光电传感器光电传感器一、光电测量原理：外光电效应、内光电效应一、光电测量原理：外光电效应、内光电效应和光生伏达效应。和光生伏达效应。二、光电元件：真空光电管、光电倍增管、光二、光电元件：真空光电管、光电倍增管、光敏电阻和光电池。敏电阻和光电池。三、光电传感器应用：模拟光电传感器，数字三、光电传感器应用：模拟光电传感器，数字码盘。码盘。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院

126、复习3.3.6 6 光纤传感器光纤传感器一、光纤传光原理：光的全反射一、光纤传光原理：光的全反射二、光纤传感器分类：单模，多模二、光纤传感器分类：单模，多模 按照按照光的作用分类光的作用分类可分为物性型（功能型）光纤传感器和可分为物性型（功能型）光纤传感器和结构型（非功能型）光纤传感器。结构型（非功能型）光纤传感器。 按照按照光受被测对象的调制形式光受被测对象的调制形式可分为可分为强度调制型、偏振调制强度调制型、偏振调制型、频率调制型、相位调制型。型、频率调制型、相位调制型。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院复习3.3.7 7 半导体传感器半导体传感器 金属或半导体薄片置于磁场中

127、，当有电流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 1 1 霍尔元件霍尔元件 2 2 热敏传感器热敏传感器3 3 气敏传感器气敏传感器4 4 湿敏传感器湿敏传感器5 5 CCDCCD视觉传感器视觉传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114数码相机数码相机3.7.5 CCD3.7.5 CCD固态图象传感器固态图象传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器

128、兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.7.6 3.7.6 智能传感器智能传感器 传感器一般指能够感知某种物理量（如电、传感器一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、光、磁等）、化学量（如浓度、PHPH值等）、生物值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电信息的装置。信息的装置。 智能传感器是将传感器与微型计算机集成在智能传感器是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一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还理技术相结合，使其除了具有感知

129、的本能外，还具有认知能力。具有认知能力。3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院嵌入式计算机嵌入式计算机智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度传感器总线数字温度传感器3.7.6 3.7.6 智能传感器智能传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院振动网络传感器振动网络传感器智能压力网络传感器智能压力网络传感器3.7.6 3.7.6 智能传感器智能传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院GSM/SMS3.7.6 3.7

130、.6 智能传感器智能传感器3.7 3.7 半导体传感器半导体传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件 红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于学家霍胥尔于18001800年发现，又称为红外热辐射年发现，又称为红外热辐射, ,他将太阳光用他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，三棱镜分解开，在各种不同颜色的色

131、带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计很快升温。侧的那支温度计很快升温。 因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。的光线，这就是红外线。 红外线可分为三部分：红外线可分为三部分： 近红外线：波长为近红外线：波长为0.750.751.50m1.50m之间；之间； 中红外线：波长为中红外线：波长为1.501.506.0m6.0m之间；之间； 远红外线：波长为远红外线：波长为6.06.0l000ml000m之间。之间。

132、一、概述一、概述兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件一、概述一、概述兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件二、红外测试基本原理二、红外测试基本原理绝绝对对零零度度以以上上的的物物体体都都有有辐辐射射，其其强强度度依依赖赖于物体温度于物体温度(K)(K) 一切物体都在不停的辐射红外线。物体的温度越高，辐射一切物体都在不停的辐射红外线。物体的温度越高，辐射的红外线就越多。的红外线就越多。物体在辐

133、射红外线的同时，也在吸收红外线。物体在辐射红外线的同时，也在吸收红外线。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件三、红外探测器三、红外探测器1 1、热电偶型：热量、热电偶型：热量-热电动势；热电动势；2 2、气动型：热量、气动型：热量-空气膨胀空气膨胀-位移位移-光光-电；电；3 3、热释电型。、热释电型。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件三、红外探测器三、红外探测器 热释电效应：热释电效应

134、：一些陶瓷材料具有自发极化（如铁电晶体）的特征，且其自发极化的大小在温度有稍许变化时有很大的变化。在温度长时间恒定时由自发极化产生的表面极化电荷数目一定，它吸附空气中的电荷达到平衡，并与吸附的存在于空气中的符号相反的电荷产生中和；若温度因吸收红外光而升高，则极化强度会减小，使单位面积上极化电荷相应减少，释放一定量的吸附电荷；若与一个电阻连成回路会形成电流I,则电阻上可以产生一定的电压降，这种因温度变化引起自发极化值变化的现象称为热释电效应。 能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。 3 3、

135、热释电型、热释电型兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件三、红外探测器三、红外探测器3 3、热释电型、热释电型兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件四、应用四、应用 人体生病的时候，虽然外面看起来没有什么变化，但是人体生病的时候，虽然外面看起来没有什么变化，但是由于局部皮肤的温度不正常，如果在照相机里装上对红外由于局部皮肤的温度不正常，如果在照相机里装上对红外感光的胶片，给皮肤拍照再与正常人的

136、照片对比，可以对感光的胶片，给皮肤拍照再与正常人的照片对比，可以对疾病作出诊断。这种相机拍出来的照片叫热谱图。疾病作出诊断。这种相机拍出来的照片叫热谱图。 根据红外线的热效应，人们还研究出了红外线夜视仪。根据红外线的热效应，人们还研究出了红外线夜视仪。红外线夜视仪在漆黑的夜晚也可以发现人的存在。夜间人红外线夜视仪在漆黑的夜晚也可以发现人的存在。夜间人的体温比周围草木或建筑的温度高，人体辐射出来的红外的体温比周围草木或建筑的温度高，人体辐射出来的红外线就比他们强。可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄线就比他们强。可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆等。准和驾驶车辆等。兰州理工大学机电

137、工程学院兰州理工大学机电工程学院3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件四、应用四、应用 各种物体吸收了红外线以后温度就会升高。我们就可以利各种物体吸收了红外线以后温度就会升高。我们就可以利用红外线的热效应来加热物品。家庭用的红外线烤箱，浴室用红外线的热效应来加热物品。家庭用的红外线烤箱，浴室用的暖灯，也就是浴霸等等。物体加热可以利用红外线烘干用的暖灯，也就是浴霸等等。物体加热可以利用红外线烘干汽车表面的喷漆，烘干稻谷等作物。汽车表面的喷漆，烘干稻谷等作物。 在医学上，还可以利用红外线的热效应进行理疗。在红外在医学上，还可以利用红外线的热效应

138、进行理疗。在红外线照射下，组织温度升高，血流加快，物质代谢增强，组织线照射下，组织温度升高，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提高。伤口就容易痊愈。细胞活力及再生能力提高。伤口就容易痊愈。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件四、应用四、应用 红外遥感技术：由于一切物体，都在不停地辐射红外线，红外遥感技术：由于一切物体，都在不停地辐射红外线，并且不同物体辐射红外线的强度不同，利用灵敏的红外线探测并且不同物体辐射红外线的强度不同，利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，然后用电子

139、仪器对接到的信号进行器接收物体发出的红外线，然后用电子仪器对接到的信号进行处理，就可以察知被测物体的形状和特征，这种技术叫做红外处理，就可以察知被测物体的形状和特征，这种技术叫做红外线遥感技术，卫星或者红外望远镜可以利用红外遥感勘测地热、线遥感技术，卫星或者红外望远镜可以利用红外遥感勘测地热、探测飞机、寻找水源、监测森林火情、估计农作物的长势和收探测飞机、寻找水源、监测森林火情、估计农作物的长势和收成。成。 红外遥控器：遥控器的前段有一个红外发光二极管，按下红外遥控器：遥控器的前段有一个红外发光二极管，按下不同的键时，它可以发射不同的红外线，来实现电视机的遥控。不同的键时，它可以发射不同的红外

140、线，来实现电视机的遥控。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院 冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过冶金、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程中都涉及到动态温度场的检测问题。3.8 3.8 红外测试系统红外测试系统第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.9 3.9 *激光测试系统激光测试系统兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.9 3.9 激光测试传感器激光测试传感器 激光是激光是20世纪世纪60年代出现的最重大的科学技术年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速，已广泛应用

141、于国防、生产、成就之一。它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。激光与普通光不同，需医学和非电测量等各方面。激光与普通光不同，需要用激光器产生。要用激光器产生。激光器分为激光器分为固体固体、气体、液体、半导体激光器。、气体、液体、半导体激光器。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.9 3.9 激光测试传感器激光测试传感器激光测长激光测长精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，

142、其精度主要取决于光的单色性的好坏。单色性的好坏。（激光测振）（激光测振）激光测距激光测距它的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它它的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。激光测速激光测速它也是基多普勒原理的一种激光测速方法它也是基多普勒原理的一种激光测速方法,多普勒原理是指：若波源或多普勒原理是指：若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动，那么观察者所测到的频率不接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动，那么观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率而且还取决于波源或观察者的运

143、动速度的大仅取决于波源发出的振动频率而且还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。小和方向。兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院其它类型的传感器其它类型的传感器 超声波检测传感器超声波检测传感器 兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院1)1)声波及其分类声波及其分类(1)(1)次声波，振动频率低于次声波，振动频率低于l6Hzl6Hz的机械波。的机械波。(2)(2)声波声波: :振动频率在振动频率在16Hz20KHz16Hz20KHz之间的机械波。之间的机械波。(3)(3)超声波超声波: :高于高于20KHz20KHz的机械波。的机械波。2 2）超声波的物理性质）超声波的

144、物理性质 超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有超声波与声波比，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。远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。 3.9.2 3.9.2 超声波检测传感器超声波检测传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院超声波传感器原理超声波传感器原理 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，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。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致材料上时，使接收原理是当超声

145、波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 3.9.2 3.9.2 超声波检测传感器超声波检测传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院超声波传感器对超声波传感器对3.9.2 3.9.2 超声波检测传感器超声波检测传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院超声波传感器应用超声波传感器应用 超声波探伤超声波探伤/测距测距/测物测物tA3.9.2 3.9.2 超声波检测传感器超声波检测传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院案例：输油管检测检测机器人3.9.2 3.9.2 超声波检测传感器超声波

146、检测传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院倒车雷达倒车雷达3.9.2 3.9.2 超声波检测传感器超声波检测传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院鱼群探测器鱼群探测器3.9.2 3.9.2 超声波检测传感器超声波检测传感器兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院3.10 3.10 传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。的问题。 1 1、灵敏度、灵敏度 一一般般说说来来，传传感感器器灵灵敏敏度度越越

147、高高越越好好，但但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题； b)b)量程范围。量程范围。 c)c)交叉灵敏度问题。交叉灵敏度问题。第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院2 2 响应特性响应特性 传传感感器器的的响响应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，保持不失真的测量条件。保持不失真的测量条件。 实实际际上上传传感感器器的的响响应应总总不不可可避避免免地地有有一一定定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。延迟，但总希望延迟的时

148、间越短越好。 3 3 线性范围线性范围 任任何何传传感感器器都都有有一一定定线线性性工工作作范范围围。在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系，线线性性范范围围愈愈宽宽，则则表表明明传传感感器器的的工工作作量量程程愈愈大大。传传感感器器工工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。 第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件兰州理工大学机电工程学院兰州理工大学机电工程学院4 4 稳定性稳定性 稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期使使用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能。影影响响传传感感器器稳稳定性的因素是时间与环境。定性的因素是时间与环境。5 5 精确度精确度 传传感感器器的的精精确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测量的对应程度。测量的对应程度。 第第3章章 常用传感器和敏感元件常用传感器和敏感元件