机械工程测试技术精品课件：第三章-常用传感器 .ppt

1、第三章 常用传感器,传感器：工程上通常把直接作用于被测量能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。,传感器作用：类似人的感觉器官。它把被测量如力、位移、温度等转换为易测信号，传给测量系统的信号调理环节。,第一节 传感器的分类,按被测量分类：位移传感器 力传感器温度传感器,按工作原理分类： 机械式 电气式光学式流体式,按信号变换特征： 物性型结构型,按敏感元件与被测对象之间的能量关系分: 能量转换型 能量控制型,按输出信号分类： 模拟式 数字式,1,物性型传感器: 依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换。如水银温度计；石英晶体压电效应。,结构型传感器: 是依靠传感器结构参数

2、的变化而实现信号转换的。如电容、电感、应变式传感器。,能量转换型（无源）传感器: 是直接由被测对象输入能量使其工作的，如热电偶温度计，弹性压力计。,能量控制型（有源）传感器: 从外部供给辅助能量使传感器工作。如把电阻应变计接于由外部供电的电阻电桥上，被测量变化引起的电阻变化去控制电桥输出。 表3-1 汇总了各类传感器。,2,第三节 电阻式传感器,电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。,分类：（1）变阻器式 （2）电阻应变式,一变阻器式传感器（电位差计式）,定义：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。,根据电阻公式电阻R 为,（3-1）,式中：电阻率； l电阻丝长度； A电

3、阻丝截面积,分类：（1）直线位移型 （2）角位移型 （3）非线性型,3,4,1直线位移型（见图3-5a）,C点与A点之间的电阻值为,两边取微分,（3-2）,可见导线分布均匀时，传感器输出(电阻)与输入(位移)成线性关系。,2角位移型（见图3-5b）,其电阻值随转角而变化，灵敏度 S 为,式中 转角（rad）;k单位弧度对应的电阻值。,3非线性型（见图3-5c）,其骨架形状根据所要求的输出f (x) 来确定。,则,5,4变阻器式传感器后接电路,后接电路见图3-6，由于直线位移型电阻与位移的线性关系，传感器的输入电压 uy 可用下式计算,（3-3）,为减小后接电路影响，应使 Rl Rp （减小负载

4、效应）,优点：（1）结构简单 （2）性能稳定 （3）使用方便 缺点：（1）分辨力不高 （2）躁声较大,6,二电阻应变式传感器,应用范围：测量力、应变、位移、加速度、扭矩等 分类：（1）金属应变片式 （2）半导体应变式 特点：（1）体积小（2）动态响应快（3）测量准确高（4）使用方便,（一）金属电阻应变片,丝式：把直径为0.025mm的康铜或镍铬合金丝，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。 箔式：用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光刻技术制造，其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片约厚110 m。,7,由于电阻值,对上式求微分,（3-4）,式中,（3-5）,电阻丝轴向相对应变（或

5、称纵向应变）,电阻丝径向相对应变（或称横向应变）,电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝所手正应力有关。,材料泊松比,8,式中,电阻相对变化为,（3-6）,式中 E电阻丝材料的弹性模量；压阻系数，与材质有关,（3-7）,将式（3-6）（3-7）代入式（3-5），则有,（3-8）,(1+2)项是电阻丝几何尺寸改变所引起，同种材料是常数 E是由电阻率随应变而引起的，一般对金属丝很小可忽略。,式（3-8）可简化为,（3-9）,表明电阻相对变化率与应变成正比。比值 Sg称为应变系数或灵敏度。,常数 （3-10）,制造中 Sg在1.73.6之间，一般市场上电阻应变片标准为 60，120，350，600，1000

6、 等。,9,（二）半导体应变片,工作原理：基于半导体材料的压阻效应单晶半导体材料在外力作用下，其电阻率变化，故式（3-8）可简化为,（3-11）,灵敏度为,（3-12）,这一数值比金属丝式大5070倍，几种常用的半导体材料特性见表3-3,优点： 灵敏度高 缺点：（1）温度稳定性差（2）灵敏度分散度大(由于晶向杂质等因数） （3）非线性大,小结：（1）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。 （2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。,10,（三）电阻应变片传感器应用实例,1直接用来测定结构的应变或应力,如：研究机械等某些构件在工作状态下的受力、变形情况。,2应变片贴在弹性体上

7、,作为测量力;位移等物理参数。,（1）由应变片测出的是构件或弹性体上某出的应变，通过换算（或标定）才能得到应力、力或位移。,（2）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺（胶、贴前处理、固化处理、防潮等）至关重要。,（3）动态测量时，应考虑弹性元件和应变片的动态特性。,（4）温度对电阻值的变化影响不容忽略，考虑温度补偿。,11,说明:,第五节 电容式传感器,电容式传感器将被测物理量转换为电容量变化的装置。 从物理学知道，两个平行板组成的电容器其电容量为：,（3-13）,式中 极板间介质的相对介电常数，在空气中=1 0 真空中介电常数，0 = 8.810-12F/m （法拉/米） 极

8、板间距离 A 极板面积,式(3-13)表明：当被测量使, A,发生变化时,都会引起电容C的变化。 根据电容器变化的参数可分为 （1）极距变化型 （2）面积变化型 （3）介质变化型,12,一变换原理,（一）极距变化型 当A和不变时，电容C与极距呈非线性关系，见图3-12,对式（3-13）两边取微分,传感器灵敏度S为,(3-14),可见灵敏度S与极距平方成反比。且S为了减小分线性误差，通常在较小间隙变化范围内工作，一般取变化范围,优点：(1) 灵敏度高;(2) 可进行动态非线性接触式测量; (3) 适用小位移(0.01m数佰微米)测量。 缺点：(1) 有分线性误差; (2) 杂散电容对灵敏度和测量

9、精度有影响;(3) 配套用电子线路复杂。,（二）面积变化型 分类：（1）角位移型（2）线位移型（3）圆柱体线位移型,1当转板有一转角时，动定两极互盖面积就改变，导致电容量改变。由于覆盖面积为,式中 覆盖面积对应中心角（弧度） r极板半径,电容量为,（3-15）,灵敏度为,= 常数（线性关系） （3-16）,14,2图2-13 b) 为平面线位移型,电容量C 为,（3-17）,灵敏度S 为,常数 （线性关系） （3-18）,3图2-13 c) 为圆柱体线位移型,电容量C 为,（3-19）,灵敏度S 为,常数（线性关系）（3-20）,特点：（1）面积变化型优点是输出与输入成线性关系。 （2）灵敏度

10、较低。 （3）适用较大直线及角位移测量。,15,（三）介质变化型 此中传感器利用介质介电常数变化将被量转换为电量。可用来测量电介质液位或某些材料的厚度、温度和湿度等，见图3-14 。,16,二测量电路 （一）电桥型电路 把电容传感器作为电桥一部分，将电容变化转化为电桥 电压输出，见图3-15 。 形式：（1）电阻、电容 （2）电感、电容 电桥输出为一调幅波，经放大、相敏检波、滤波后输出，推动仪表。,17,图3-15 电桥型电路,C2,C1,L2,L1,相敏 解调,滤 波,放大,（二）直流极化电路 此电路多用于电容传声器或压力传感器中。如图3-16 所示，弹性膜片在外力(气压、液位)作用下发生位

11、移，使电容量发生变化。电容的变化由高阻值电阻R 转换为电压变化。电压输出见式(3-21),分析表明，输出电压uy和膜片移动速度成正比。,18,（3-21）,（三）谐振电路 电路原理及工作特性见图3-17。电容传感器的电容Cx作为谐振电路(L1、C2/Cx)调谐电容一部分有电压耦合从稳定高频振荡器获得振荡电压。当Cx变化时，谐振回路阻抗相应变化，并被转换成电压或电流输出经放大、检波输出。一般工作点选在准线性区域内。 特点:(1)灵敏,(2)工作点不易选好,(3)变化范围窄(4)连线杂散电容影响也较大。,19,（四）调频电路 见图3-18,当输入量使传感器电容变化时,振荡器振荡频率发 生变化,频率

12、的变化经鉴频变为电压变化再经放大输出。 特点：（1）抗干扰性强（2）灵敏度高（0.01m） （3）电缆电容影响大，使用中麻烦。,20,输出,（五）运算放大器电路 如前所述极距变化型传感器中，极距变化与电容变化量成非线性关系，使用中受到制约。而采用比例运算放大器电路输出电压 uy 和位移量是线性变化，正好克服上述缺点。如图3-19所示，输入阻抗采用固定电容 C0，反馈阻抗采用电容传感器 Cx。,根据比例器运算关系，有,(u0-激励电压）,考虑 ，有,（3-22）,由式（3-22）可知，输出电压uy与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路常用于位移测量。,21,另外，一方面，Cx 很小（几十到几佰p

13、F）测量时变化更小（常在1pF以下）；另一方面传感器极与周围元件及连接电缆存在寄生电容，其电容大且不稳定，影响测量精度。,解决方法：（1）缩短传感器与测量电路之间电缆，甚至做成一体。 （2）采用双层屏蔽电缆，见下图,当放大器增益为 1 和相移为零时，内屏蔽线和芯等电位，可见两者之间的容性漏电流。从而消除两者之间的寄生电容影响。当放大器增益为 1或相移非零时，芯线和内屏蔽线电位有差别。,22,第四节 电感式传感器,原理：把被测量转换为电感量变化的一种装置。(基于电磁感应原理) 分类：（1）自感式 (a) 可变磁阻 (b) 涡流式 （2）互感式差动变压器式,一自感式 (一) 可变磁阻 构造原理见图

14、3-21, 由电工学线圈自感量L为,（3-23）,式中 W线圈匝数 Rm磁路总磁阻H-1(亨),如果空气隙较小，不考虑磁路的铁损时，则总磁阻为,（3-24）,式中铁心磁导率 0空气磁导率(410-7) l铁心导磁长度 气隙长度 A铁心导磁截面积 A = ab A0空气隙导磁横截面积,23,因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比很小，可以忽略，故,（3-25）,代入式（3-13）得,（3-26）,式（3-26）表明：自感 L 与气隙 成反比，与气隙导磁截面积 A0 成正比。当固定 A0 变化 时，L与 呈非线性关系，此时传感器灵敏度 S 为,（3-27）,从式(3-27)看出，灵敏度S与气隙长度平方成反比

15、，越小，S 越高。如果 S 不是常数会出现非线性误差。为了减小这一误差，通常规定在较小间隙范围内工作。设间隙变化为(0,0+)，一般应用中取/0.1。此种传感器适合于较小位移的测量，一般设为 0.0011 mm。,24,图(3-22）中列出四种常用可变磁阻式传感器的典型结构。,（3）单螺管线圈型 铁心在线圈中运动时，将改变磁阻使自感发生变化。结构简单，易制造，但灵敏度低，使用大位移测量。,（1）可边导磁面积型 L与A0成线性关系，灵敏度较低。,（2）差动型 两个线圈的间隙按0+和0-变化，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减少，将两线圈接于电桥相邻两臂时，其灵敏度提高 1 倍，并改善了非线性。,

16、（4）双螺管线圈差动型与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及线性，常用于电感测微仪上，其测量范围为 0300 m,最小分辨力为 0.5m。这种传感器常接于电桥两个桥臂上，线圈电感 L1、L2随铁心位移而变化，其输出特性如图(3-23)所示。,25,（二）涡电流式,原理：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。见图（3-24）金属板位于一线线圈附近，距离为，当线圈通过一高频交变电流时，产生磁通 此交变磁场在邻近金属板上感应电流 i1, 此电流在金属体内是闭合的，称之为“涡流”。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场作用，使原线圈的等级阻抗Z发生变化，变化程度与距离 有关。,26

17、,高频线圈阻抗 Z 影响因数：（1）值；（2）金属板电极率； （3）磁导率；（4）线圈激励圆频率 等变化。 可作为位移、振动测量，变化和可作为材质鉴别和探伤。 涡电流式传感器测量电路：（1）阻抗分压式调幅电路（2）调频电路,分压式调幅电路：原理见图3-25，图3-26是其谐振曲线及输出特性。传感器线圈 L 和电容 C 组成并联谐振回路，其谐振频率为,（3-28）,电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，输出电压u 最大。工作时线圈阻抗随 改变，LC 回路失谐，输出信号u (t) 频率虽然仍为工作频率，但幅值随而变化，它相当于一个调谐波。此调谐波经放大、检波、滤波后即可得到气

18、隙 的动态化信息。,27,调频电路：调频电路的工作原理如图 3-27所示。与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量。当发生变化时，引起线圈电感 L 变化，使震荡器的震荡频率 f 发生变化，再通过鉴频器进行频率电压转换，即得与 成比例的输出电压。目前此种传感器应用广泛，测量范围为 110 mm，分辨力为 1 m 的 非接触式测量。,28,二互感式差动变压器式电感传感器,工作原理见图3-29，当线圈 W1 输入交流电流 i1 时，线圈 W2 产生感应电动势 e12，其大小与电流 i1 的变成正比，即,（3-29）,式中 M比例系数（称为互感H），其大小与两线圈相对位置及周围介质导磁能力有关。,

19、29,差动式工作原理：见图3-30 a)，初级线圈 W 次级线圈 W1, W2反极性串联。当W上加上交流电时，W1, W2分别产生感应电势e1 和e2，其大小与铁心位置有关。,（1）当贴心在中心时，e1 = e2 e = 0 （2）当贴心向上运动时，e1 e2 （3）当贴心向下运动时，e1 e2，其输出特性见 b) 图,30,问题：交流电压输出存在零点残余电压和输出值不能反映铁芯位移的极性问题。,解决办法：采用如图3-31所示的差动相敏检波电路和差动整流电路在没有输入信号时，贴心处中间位置，调节 R 使零点残余电压减小，当铁心上下移动时，输入信号经放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。,性能：精

20、度高（0.1 m级）线性范围大（100mm），稳定度好，使用方便，广泛用于直线位移测量。,31,定义：把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。 （又称电磁感应式或电动力式） 原理：由电工学知，一个匝数为W的线圈，当穿过该线圈 的磁通 发生变化时，其感应电动势 e 为,（3-30）,可见线圈磁感应电动势大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。而通变化率与磁场强度、磁路磁阻和线圈运动速度有关。,32,第五节 磁电式传感器,一动圈式 1线速度型（图3-32a）在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动 线圈，当线圈在磁场中运动时，它所产生的感应电动势e为,（3-31）,式中 B 磁场的磁感应强度 v

21、 线圈与磁场的相对运动速度 l 单匝线圈有效长度 线圈运动方向与磁场方向夹角 W 线圈匝数,当=900时式（3-35）可写成,（3-32）,此式说明，当 B、W、l 均为常数时，感应电动势大小与线圈运动线 速度成正比。这也是一般常见惯性式速度计的工作原理。,2角速度型（图3-32b）是传感器工作原理，先前在磁场中转动时产生的感应电动势为,（3-33）,式中 角速度 A单匝线圈的截面积 k与结构有关的系数(k1) 式（3-37）表明，当传感器结构一定时，W、B、A 均为常数，感应电动势 e 与线圈相对磁场的角速度成正比，这种传感器被用于转速测量。,33,3等效电路 将传感器与电压放大器连接时，其

22、等效电路如图3-33所示。图中 e 是发电线圈感应电势；Z0 是线圈阻抗；RL 是负载电阻(含放大器输入电阻)；CC 是电缆导线分布电容；RC 是电缆导线的电阻(可忽略)，故等效电路中输出电压为,（3-34）,如果使用线不长CC可忽略，如果RL Z0时，则放大器输入电压为,感应电势经放大，检波后，可推动指示仪表。如果通过微积分网络，可得到加速度和位移。磁电式传感器的工作原理也是可逆的。作为测振传感器，它工作于发电机状态。若在先前上加上交变激励电压，则线圈就在磁场中振动，成为一个激振器（电动机状态）。,34,二磁阻式 原理：磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体 （导磁材料）来

23、改变磁路的磁阻，而引起磁力线增加和减弱，使线圈产 生感应电动势。其工作原理见图3-34所示。 特点：磁阻式传感器使用简便，结构简单，不同场合用来测量转速、偏 心量、振动等。,a),n,S,N,b),n,S,N,c),S,N,d),v,m,S,N,图3-34 磁阻式传感器工作原理及应用例 a)测频数 b)测转速 c)偏心测量 d)振动测量,35,第六节 压电式传感器,压电式传感器是一种可逆型换能器（机械能电能），广泛应用于力、压力、加速度测量。也用于超声波发射和接受装置。 特点:（1）体积小，重量轻（2）精确度高（3）灵敏度高,一压电效应 1压电效应某些物质如石英、钛酸钡、锆钛酸铅（PZT）等，

24、在外力作用下，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化表面有电荷出现形成电场；当外力消失时，材料重新恢复到原来形态，这种现象称为压电效应。相反将这些物质置于电场中，几何尺寸也发生变化，此现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。,36,2晶体结构： 石英(SiO2)晶体是 一种常用的压电材料。石英晶体结晶形状为六角形晶体，见图3-35a，两端为一对称棱锥。六棱锥是基本组织。纵轴线z-z称为光轴，过六角棱线垂直于光轴的轴线x-x称为电轴，垂直于棱面的轴线 y-y 称为机械轴，如图3-35b。,37,3纵横向效应 见图3-36，当施加外力时，将沿 x-x 方向形成电场，其电荷分布在垂直于 x-x 轴的平面上。

25、沿 x 轴加力产生纵向效应；沿 y 轴加力产生横向效应；沿相对两平面加力产生切向效应。,38,4力与电荷量关系 实验证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。,如 沿x-x轴加力，则有,式中 q-荷量 dc-压电常数，与材质和切片方向有关 F-作用力,二压电材料,压电单晶（单晶体）,常用压电材料分类,石 英,铌酸锂,钽酸锂,压电陶瓷（多晶体）,钛酸钡,镐钛酸铅,有机电薄膜,1石英应用广泛，具有较好的机械强度和时间及温度稳定性。 2压电陶瓷在现代声学和传感技术中普遍应用。制造方便，成本低，压电常数比单晶高。最早的压电陶瓷钛酸钡，其居里点约350，压电常数70590 pC/N 3高分子压电薄膜压电特

26、性不太好，但它可以大量生产，具有面积大，柔软不宜破等优点，可用于微压测量和机器人视觉。,39,三 压电式传感器及其等效电路,1电容量 压电晶体的两个工作面上进行蒸镀，形成金属膜，构成两个电极，如图3-37 所示。当晶片受力时，两个极板上积聚数量相等，两极性相反的电荷，形成了电场。因此，该传感器即可看作是电荷发生器，它又是一个电容器。其电容量为,式中压电材料相对介电常数；石英晶体=4.5；压电陶瓷=1200 ;0真空中介电常数 ; A晶片面积,如果施加外力不变，积聚在极板上电荷无泄露，外电路负载无穷大，外力作用期间电荷量保持不变，直到外力终止，电荷消失。如果负载不是无穷大，电路按指数规律放电，造

27、成测量误差。因此测量时采用极高阻抗负载，比较适应动态测量。,40,（3-36）,2并联：实际中往往用并接（图3-37b），并接时（1）输出电荷量大 （2）时间常数大宜于测缓慢信号，适宜以电荷量输出场合。 3串联：串接时（图3-37c）（1）传感器电容小（2）输出电压大 （3）适宜以电压作为输出信号。,4等效电路 压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。电容器上开路电压 u0 与电荷量 q 和电容 Ca 存在下列关系,当接入测量电路，寄生电容 Cc 接入，后续电路输入阻抗和漏电阻形成泄漏电阻 R0 如图3-37d所示，当负载平衡时,式中 q压电元件产生电荷量，当受外力 f =F0sint 时，

28、q= dcF0sint=q0sint dc压电常数；C电容(C =Ca+Cc+Ci ) 其中Ci 为外接电路输入端电容； u 电容上建立的电压； i 泄漏电流 ( i = u /R0 ),41,（3-37）,式(3-31)可写为,或,其稳态过程为,电容上电压为,（3-38）,5说明 : 式（3-38）表明压电元件的电压输出还受到回路时间常数 R0C 影响。在动态测试时为了有一定不失真输出，测量电路必须（1）提高输入阻抗，并在输入端并联一定电容Ci （2）加大时间常数 R0C。但并联电容不宜过大，使输出电压降低，灵敏度降低。,42,四测量电路 1前置放大 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，本身

29、存在内阻，给后接电路带 来一定困难。为此先把信号输入到高阻抗的前置放大器，方可进行一般 放大、检波、输出指示仪。 2前放作用 （1）将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出（2）放大信号 3前放形式 （1）电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(传感器)成正比。 （2）带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 4电压放大 使用电压放大器中，放大器输入电压如式（3-38）所示。由于总电容C 中包括了电缆对地电容 Cc 比其它电容都大，故测量中电缆对地电容的变 化非常敏感，影响输出和灵敏度。,43,5电荷放大 电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。当略去传感器漏电阻及电荷放大器

30、输入电阻时，它的等效电路如图3-38。,忽略漏电阻故,式中 ui放大器输入端电压 uf放大器输出端电压；uy= -A ui A电荷放大器开环增益 Cf电荷放大器反馈电容 Ci外接电路输入端电容,故得,如果放大器开环增益A足够大，则 A Cf C+ Cf,上式简化为,（3-39）,式（3-39）表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与传感器电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。因此可长距离测量，灵敏度无明显变化，但其电路复杂，价格昂贵。,44,五压电式传感器的应用 1应用范围 测力、压力、振动、加速度、超声发射等 2测力范围10-3N104kN，动态范围DR一般为60dB，单方向，或多方向。 3

31、传感器形式 利用膜片式弹性元件 力膜片凸台压电片电荷量 利用活塞乘压面受力 力活塞乘压面活塞杆压电片上电荷量 压电式加速度计可做成不同灵敏度、不同量程和不同大小系列产品。 4工作频率范围 数十赫兆赫，范围宽。 5此传感器一般常用纵向效应（测轴向力），横向效应实为干扰和测量误 差，一个压电式传感器各横向灵敏度不一样。为减少影响和干扰，应力求最小横向灵敏度与最大横向干扰力方向重合。 6校准 环境湿度、温度变化和压电材料本身时效，都会引起压电常数变化，经常校准是必要的。 7工作原理的可逆性 施加电压于压电晶片，压电片便产生伸缩，可用作“驱动器” 如作振动源、超声发声器、扬声器及精密驱动装置。,45,

32、传统传感器以机-电量转换为基础，以电信号为变换和传输 的载体，利用导线输送信号。 光纤传感器则以光学量为基础，以光信号为变换和传输的 载体，利用光导纤维输送信号。 光纤传感器利用光波四个参数：强度、频率、相位和偏振 态的变化 而使光波变化。 光波调制把光波随被测量的变化而变化称之为光波调制。,一分类 按调制方式：（1）强度调制(简单常用)；（2）频率调制； （3）相位调制；（4）偏振调制。 按光纤作用：（1）功能型光纤传感器； （2）传光型光纤传感器。,46,第七节 光纤传感器,传光型光纤传感器：光纤仅起着传输光波的作用，对光波的调制用其它元件来实现。分两种情况：（1）传输途中，由敏感元件对光

33、波调制（2）先调制好再发出。,功能型光纤传感器：光纤不仅起着 传输光波的作用，还起着敏感元件 的作用，对光波进行调治，即传光 又传感。,一般来说，传光型较简单，应用较多。功能型构思巧妙，工作原理复杂，灵敏度较高，解决棘手问题，表3-4列出部分光纤传感器测量对象、种类及调制方式。,47,表3-4 光纤传感器的测量对象及调制方式,48,二光纤导光原理 1入、折射角 由物理学知，当光由大折射率n1 的介 质射入小折射率n2 的介质时(图3-57a)， 折射角r大于入射角i且ir。,2临界角 当=900 时所对应的入射角称为临 界角ic，见b)图。 3全反射 当i ic 时，将出现全反射现象。 光线不

34、进入 n2 介质，而在界面上全 部反射回n1 介质中，见c)图。光波 沿光纤是以全反射方式进行传播的。,49,4光纤结构 光纤结构分内外三层。中心为直径几十微米大折射率 n1的芯子。芯子外面有一层直径为100200微米折射率n2较小包层。 最外层为保护层，其折射率n3远大于n2，这样保证了进入光纤的光 波将集中在芯子内传输。,5光传播 一束光线自折射率n0介质中，以入射角i从A到B点；经 折射以入射角2射到界面C点。显然当2大于某一临界角2c时，光 线将在截面上产生全反射，反射角3=2。光线反射到 芯子另测的界 面时，入射角仍为2，再次产生全反射，如此不断的传播下去。,50,6条件 光线从光纤

35、端部射入，其入射角i必须满足一定条件才能使在B点折射后的光线BC射到芯子包层界面C处产生全反射。可以证明若光线自折射率为n0的介质中射入光纤，则当 2=2c时，入射角 i =ic ，有,（3-49）,通常把n0sinic定义为光纤的“数值孔径”，用符号NA表示。若自n0=1的介质（大气）入射时，sin-1NA=ic，即为端面如社临界角。凡入射角i sin-1NA部分光线不能全反射，进行传播。作为传感器的光纤，故采用 0.2NA0.4 (11.50i 23.50 ),51,应用1：图3-59是一种简单的光纤位移传感器。其发送光纤和接受光纤的端面相对，间隔为12m。接受光纤收到的光强随两相对位置不

36、同而改变。此种传感器可应用于声压和水压探测。,52,三光纤传感器的应用 应用范围： 温度、压力、声压、振动,应用2：图3-60是一种反射式光纤位移传感器。发射和接受光纤束扎在一起，靠被测面反射面反射接受光纤接受信号。接受到光强度随被测面与光纤端面之距离而变化。 从图中光强与距离关系曲线看出：在单调上升阶段灵敏度高，但位移测量范围小，适用小位移振动和表面状态的测量在单调下降阶段，灵敏度小，测量范围大，适用于物位测量。,53,四光纤传感器的特点 （1）不受电磁干扰，电气绝缘性好，可在强磁场下测量。 （2）防爆、放火、耐高压、耐腐蚀。 （3）某些性能优于传统传感器 （4）重量轻，体积小，可在狭窄空间

37、使用。 （5）具有良好的集合形状适应性。 （6）频带宽，动态范围大。 （7）易于远距离测量。,缺 点：（1）缺少兼容的执行机构 （2）现场连接困难，技术复杂，成本高。 （3）多路光纤传感器共用光源有困难。 （4）多数传感器很难实现“灵巧性”。 （5）标准化程度差。,54,特点：（1）是一些物性型传感器；（2）结构简单，体积小，重量轻； （3）功耗低，安全可靠，寿命长；（4）对被测量敏感，响应快； （5）易于实现集成化；（6）输出一般为非线性，常采用线性化电路； （7）温度影响大，需要温度补偿措施；（8）性能参数分散性较大。 一磁敏传感器 分类：（1）霍尔元件 （2）磁阻元件 （3）磁敏管,（一

38、）霍尔元件 霍尔元件种半导体磁电转换元件。一般由锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料制成。它利用霍尔效应进行工作。如图3-62所示，将霍尔元件置于磁场 B 中，如果在 a, b 端通以电流 i 在 c, d 两端就会出现电位差，称为霍尔电势 VH，此现象叫霍尔效应。,55,第八节 半导体传感器,假定把N型半导体薄片放在磁场中，通固定电流i ，半导体中载流子（电子） 将沿着与电流方向相反方向运动。从物理学知，任何带电质点在磁场中沿着 和磁力线垂直的方向运动时，要受到洛伦兹力 FL作用，向一边偏移，并形成 电子积累，而另一边积累正电荷，于是形成电场。该电场将阻止运动电子继

39、 续偏移，当电场力 FE与 FL相等时，电子积累达到动态平衡，这时元件 c, d 两端之间建立的电场叫霍尔电场，相应电势叫霍尔电势 VH。,56,（3-50）,式中 kH霍尔常数，取决于材质、温度、元件尺寸 i电流 B磁感应强度 电流与磁场方向的夹角 根据此式，如果改变 B 或 i，或者两者同时改变，就可改变 VH，值，运用此特性，把被测参量转化为电压值的变化。,图3-63表示用霍尔元件测量位移的实例。将霍尔元件置于两个方向相反的磁场中，由于每点磁感应强度不同，当元件沿x方向移动时，由霍尔电势的变化反映出位移量。将微小位移测量为基础，霍尔元件还可应用于微压、压差、高度、加速度和振动的测量。图3

40、-64表示一种利用霍尔元件探测钢丝绳断丝的工作原理。,霍尔电势 VH，其大小为,57,二光敏传感器 （一）光敏电阻 光电效应：光敏电阻是一种光电导元件。其工作原理是基于半导体 材料的内光电效应。当半导体受到光照射时，其内阻值减小的现象。 阻性偏压：光敏电阻是一种电阻器件，使用时对它加一定偏压，无 光照射时，其阻值很大，电路中电流很小。当受到光照时，其阻值 急剧下降，电路电流迅速增加。 材料光谱：光敏电阻阻值的变 化与光的波长有关，不同材料 的光谱特性不同，见右图，应 根据入射光 波波长选择材料。 温度影响：光敏电阻受温度的 影响甚大，温度升高时，它的 暗电阻值、灵敏度下降，使用 时注意。,58

41、,（二）光电池 光生电能：半导体光电池直接将光能转换成电能。受光照射时，可直 接将光能转换成电源。 工作原理：图中表示具有PN结的光电池工作原理。当用光照射时， 在PN结附近，由于吸收了光子能量而产生电子和空穴，称之为 光生载流子。它们在PN 结电场作用下，产生漂移运动，电子被推向 N 区，而空穴被推进 P 区，使P 型区带正电，而 N 型区带负电， 二者之间产生了电位差，用导线联接电路中就有电流通过。 材料特性：一般常用光电池有 硒、硅、锑化镉、硫化镉等光 电池，其中使用最广泛的是硅 电池，其光谱范围为0.41.1m， 灵敏度为68nAmm-2lx-1；响应 时间为数微秒至数十微秒。,59,

42、（三）光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管：光敏二极管是一种既有一个PN结又有光电转换功能的晶体二极管。PN结位于管的顶部，以使接受光照。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。在没有光照射时，处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。当光照射时，PN结附近受光子轰击产生电子和空穴，少数载流子浓度大大加强，使通过PN结的反向电流大大增加，形成光电流。光照度变化使光电流变化，这样事项把光信号转换成点信号的功能。基本电路见图。,60,光敏三极管：若把普通晶体管的基极集电极制成光敏二极管，则成为光敏三极管。由于光敏三极管的基极电流由其基极集电极结的光电流供给，许多光敏三极管不再设基极引线。图中为其基本

43、电路。,光电转换元件具有高灵敏度、体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜等优点，应用广泛。,特点：光敏三极管具有输出信号大，抗噪声能力强等优点，响应速度略慢些。,61,三固态图像传感器 功能上：图像传感器是一个能把受光面的光像分成许多小单元（称 为像元），并将它们转换成电信号，然后顺序输送出处的器件。 构造上：图像传感器是一种小型固态集成元件，它的核心上电荷耦 合器件（CCD）。CCD由阵列式排列在衬底上金属氧化物硅 （MOS）电容器组成，它具有光生电荷、积蓄和转移电荷功能。,在控制脉冲电压作用下，CCD中依次排列相邻的MOS电容中的信号 电荷，将有次序地转换到下一个电容中，实现电荷并行构成。光敏

44、 元1和CCD2之间有一转换控制栅3，见图。其中CCD作为读出移位 寄存器。,62,光敏元MOS电容（正对着CCD上一个电容）电荷（与光照度、积蓄时间成正比）转移光栅打开光敏光电荷并行移到CCD关闭光栅上一次一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转换并在输出端串行输出。,特点：小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好、寿命长。 用途：（1）物位、尺寸、形状、工件损伤等测量。 （2）光学信息处理的输入环节，如电视摄像、仿真技术、文字识别、图像识别。 （3）自动生产过程的 控制敏感元件。 类型：（1）线型 1024，1728，2048，4096像素 （2）面型 32 x 32,100 x100,320x24

45、4,490x400,以及2838万像素 图3-70 表示用于热轧铝板宽度检测的实例。准确度可达板宽0.025%。,63,四热敏电阻 热敏电阻是由金属氧化物（NiO,MnO2,CuO,TiO2等）的 粉末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，温度上升而阻值下降。 半导体热敏电阻与金属丝电阻比较，具有以下优点： （1）灵敏度高，可测0.0010.005微小温度变化 （2）可制成片状、柱状，直径小到0.2mm；体积小，热 惯性小，响应快，时间常数可小到毫秒级 （3）电阻值范围宽3700k （4）非线性大，对环境温度敏感性大。,64,五气敏传感器 在工农业生产中，环境保护，安全防灾

46、，医疗和日常 生活中，对气体分析、检测或报警的需求日益增多， 使用的气体检测传感器也是多种多样。其中半导体气 敏传感器是发展最快，使用最方便的一种。 优点：（1）灵敏度袄（2）响应快（3）制造使用保养 简便，价格便宜等优点。 缺点：（1）气体选择性差（2）元件性能阐述分散 （3）时间稳定性欠佳电阻式半导体气敏传感器是一种 应用较多的一种。主要用语检测一氧化碳、乙醇、甲 烷、异丁烷和氢。,65,六湿敏传感器 湿度空气中含有水蒸气量。 湿度对产品质量和人类生活有重大影响，近年来 对此测量和控制要求越来越严格。 制造湿度传感器材料：四氧化二铁、铬酸镁二 氧化钛等金属陶瓷湿敏原理：当水分子附在半导 体

47、陶瓷上，使陶瓷表面层电阻值明显下降。表面 电阻下降到一定程度上，体内电阻已大于表层电 阻，电流主要从表层通过，体内电阻的作用可忽略。,66,七集成传感器 优先集成电路有（1）各种调节和补偿电路（如电压稳定电 路；温度补偿电路和线性化电路）（2）信号放大和阻抗变 换电路（3）信号数字化和信号处理电路（4）信号发送和接 受电路（5）多传感器集成 特点：体积小，重量减轻，功能增多，改善性能。如温度补 偿电路和传感元件集成在一起“智能”，出现了“灵巧传感器” （Smart Senser）， “智能传感器”（Intelligent Senser） 此类传感器具有如下能力：（1）条件调节和环境补偿能力 （

48、2）通讯能力（3）自诊断能力（4）逻辑和判断能力 已经应用的灵巧传感器种类很多有：位置，有无，距离， 厚度，状态和目标识别。,67,1灵敏度（1）适当（2）多维测量交叉灵敏度小（3）与测量范围协调 2响应特性 （1）不失真 （2）响应时间短（动态测量尤为重要） 3线性 （1）线性度好 （2）线性范围宽 4可靠性 可靠性高，考虑设计、制造、环境（油、粉尘、磁场、湿度） 5精确度 原则上精确度，考虑经济性。 6测量方式 （1）接触式-非接触式 （2）在线-非在线 7其它 体积，结构，价格，维修，采购和更换。,68,结 束,第九节 传感器选用原则,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,