chapter3常用传感器和敏感元.ppt

第3章 常用传感器和敏感元件,测试技术,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路,3.1 常用传感器分类 3.2 *机械式传感器及仪器 3.3 电阻、电容与电感式传感器 3.4 磁电、压电与电热式传感器 3.5 光电传感器 3.6 *光纤传感器 3.7 半导体传感器 3.8 *红外测试系统 3.9 *激光测试传感器 3.10 传感器的选用原则,第3章 常用传感器和敏感元件,3.1 常用传感器分类,1. 传感器定义,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。,目前，传感器转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号转换成电信号的装置。,第3章 常用传感器和敏感元件,传感器国家标准定义 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“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，通常由敏感元件和转换元件组成”。 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。, 传感器是人类感官的延伸,a视觉与光传感器；,b听觉与声压传感器;,c触觉与温度、压力传感器；,d嗅觉与气敏传感器；, 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，传感器是一个感知系统，是为了从外部感知信息而工作的系统。,传感器的作用,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、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测量的事物，从微观世界到宏观世界、太空探索，从人体（CT)到自然界(海水深度、海底探测）都离不开传感器。,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。,传感器的发展动向,1、发现新现象 2、开发新材料 3、采用微细加工技术 4、研究多功能集成传感器 “Intelligent Sensor” 5、智能化传感器 “Smart Sensor”， 6、仿生传感器,2. 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、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,3.1 常用传感器分类,敏感元件,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,R L C,传感器的基本组成,输入P,大气压,壳体,膜盒,电感线圈,磁芯,基本转换电路,敏感元件,转换元件,例：压力传感器：,敏感元件,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,R L C,第3章 常用传感器和敏感元件,3. 传感器的分类,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩,第3章 常用传感器和敏感元件,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,第3章 常用传感器和敏感元件,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.,4)按信号变换特征：,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,3.2 机械式传感器及仪器,敏感元件 （弹性体）,机械放大 指示系统,输入量,输出量,弹性变形,输出,力 压力 温度 .,1组成：,弹性敏感元件在传感器中因为直接参与变换和测量，所以对它有一定的要求。,2弹性敏感元件的材料：,1）弹性滞后和弹性后效要小 2）弹性模数的温度系数要小,机械式指针仪表,第3章 常用传感器和敏感元件,3典型应用:,3）线膨胀系数要小且稳定 4）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 6）具有良好的机械加工性和热处理性,第3章 常用传感器和敏感元件, 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。, 弹性元件的蠕变，弹性后效现象会影响输入、输 出的关系。,5.改进：,为提高测量的频率范围,常把机械传感器与其它传感器结合起来,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(电阻、电容、电涡流式等）把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。,4特点：,第3章 常用传感器和敏感元件,3.3 电阻、电容、电感传感器,3.3.1 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传感器, 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,1 变阻器式传感器,3.3 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。,1工作原理：,即 。 当电阻丝直径A与材质一定时， 的单值函数。,3.3.1 电阻式传感器,1 变阻器式传感器,3.3 电阻、电容与电感式传感器,（1）工作原理: 等效电路分析:,x,L,L-变阻器总长; x-电刷移动量. R-总电阻; Rx电刷电阻;,R=K*l,x=L*E1 / E,(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2) 分辨率; 5)电阻温度系数; 3)电阻值偏差; 6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类,3.3.1 电阻式传感器,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,3.3.1 电阻式传感器,按制作方式：,线绕电位器,变阻器式传感器产品,3.3.1 电阻式传感器,案例：重量的自动检测-配料设备,3.3.1 电阻式传感器,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,(4) 变阻器式传感器特点:,优点：结构简单，性能稳定，使用方便。 缺点：分辨率低，噪声大。,2 电阻应变式传感器-应变片,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，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,3.3.1 电阻式传感器,1) 工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,金属应变片的电阻R为,代入,3.3.1 电阻式传感器,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,3.3.1 电阻式传感器,有：,对金属材料，导电率不变：,金属丝应变片：,3.3.1 电阻式传感器,应变计,金属应变计,3.3.1 电阻式传感器,半导体应变计,简化为：,优点：灵敏度大;体积小; 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,3) 应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。,3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,3) 应变片测量电路,3.3.1 电阻式传感器,令：,金属丝应变片：,V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,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.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 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：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。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 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,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,3.3.1 电阻式传感器,电阻应变式传感器的应用：测力,3.3.1 电阻式传感器,案例：桥梁固有频率测量,案例：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。,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,案例：机器人握力测量,案例：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、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,3.3.2 电容式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,3.3.2 电容式传感器,a)极距变化型,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。特点是体积小、性能优越、使用方便。,3.3.2 电容式传感器,b)面积变化型,3.3.2 电容式传感器,平面线位移型,3.3.2 电容式传感器,柱面线位移型.,3.3.2 电容式传感器,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,3.3.2 电容式传感器,c) 介质变化型,3.3.2 电容式传感器,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,3.3.2 电容式传感器,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板，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生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,3.3.2 电容式传感器,3.3.2 电容式传感器,3 测量电路,a)电桥电路,3.3.2 电容式传感器,b) 谐振电路,3.3 电容式传感器,c) 运算放大器电路,3.3.2 电容式传感器,复习,3.3 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,电容,变极距型 变面积型 变介质型,3.3.3 电感式传感器,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。,分类:,电感式传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,3.3.3 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,电感式接近传感器（金属） 测量范围：0.001mm-1mm,3.3.3 电感式传感器,2 涡流式,原理:涡流效应,3.3.3 电感式传感器,原线圈的等效阻抗Z变化：,3.3.3 电感式传感器,3.3.3 电感式传感器,产品：,3.3.3 电感式传感器,案例：连续油管的椭圆度测量,3.3.3 电感式传感器,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,油管检测,3.3.3 电感式传感器,2 互感型-差动变压器,3.3.3 电感式传感器,工作原理:互感现象,差动变压器测量电路,3.3.3 电感式传感器,差动变压器位移传感器,3.3.3 电感式传感器,案例：板的厚度测量,3.3.3 电感式传感器,案例：张力测量,3.3.3 电感式传感器,3.4 磁电、压电、热电传感器,3.4.1 磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,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。,3.4 磁电、压电与电热式传感器,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,3.4.1 磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,3.4.1 磁电式传感器,角速度型,测速电机,3.4.1 磁电式传感器,磁阻式传感器,3.4.1 磁电式传感器,案例：鼠笼电机转子断细条检测,3.4.1 磁电式传感器,3.4.2 压电式传感器,1.变换原理:压电效应,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。,3.4 磁电、压电与电热式传感器,3.4.2 压电式传感器,1.变换原理:压电效应,3.4 磁电、压电与电热式传感器,3.4.2 压电式传感器,1.变换原理:压电效应,3.4 磁电、压电与电热式传感器,3.4.2 压电式传感器,1.变换原理:压电效应,3.4 磁电、压电与电热式传感器,3.4.2 压电式传感器,2.压电材料,3.4 磁电、压电与电热式传感器,3.4.2 压电式传感器,3.测量特性,3.4 磁电、压电与电热式传感器,3.4.2 压电式传感器,4.等效电路,3.4 磁电、压电与电热式传感器,3.4.2 压电式传感器,4.等效电路,3.4 磁电、压电与电热式传感器,3.4.2 压电式传感器,5、测量电路,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，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。,产品,压力变送器,力传感器,3.4.2 压电式传感器,案例：飞机模态分析,3.4.2 压电式传感器,复习,3.4 磁电、压电传感器,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,线圈在磁场中做切割磁力线运动产生感生电动势。,3.4 磁电、压电、热电传感器,热电传感器,3.4.3 热电式传感器,3.4.3 热电式传感器,1.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。,优点： 结构简单 牢固 可靠 防爆,3.4.3 热电式传感器,荧光灯启辉器,荧光灯,荧光灯,零线,火线,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），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。1-8s后降温双金属片断开，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动势，在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光放电.,3.4.3 热电式传感器,2.热电偶 (热电温度计),热电效应,将两种不同材料的导体A和B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，此现象称为热电效应。,3.4.3 热电式传感器,热电偶测温基本定律,1)均质导体 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。,2)接点温度决定热电动势 若热电偶接点处温度相同，则热电偶回路的热电动势为零，即使导体材料不同。,3.4.3 热电式传感器,热电偶测温基本定律,3)导体温度 热电偶AB的热电动势和导体材料A、B中间的温度无关，只和接头处温度相关。热电动势大小是温度函数的差，而不是温度差的函数。,4)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。,3.4.3 热电式传感器,5)参考电极定律 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：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,3.4.3 热电式传感器,3.4.3 热电式传感器,3.4.3 热电式传感器,复习,3.3 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,电容,变极距型 变面积型 变介质型,电感,电感式传感器,复习,3.4 磁电传感器,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,线圈在磁场中做切割磁力线运动产生感生电动势。,复习,3.4 压电传感器,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。,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。,压电效应主要特性：,可逆性；瞬时性；不稳定性。,压电传感器不能做静态测量。,复习,3.4 热电传感器-热电偶：1、原理,热电效应： 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，此现象称为热电效应。,复习,3.4 热电传感器-热电偶：2、特性: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技术指标之一。,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。,复习,3.4 热电传感器-热电偶: 2、特性: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。,C导体,3.4 热电传感器-热电偶：2、特性: 参考电极定律,复习,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：,3.4 热电传感器-热电偶：2、特性:中间温度定律,复习,如图所示，同一热电偶, 接点温度分别为T1、T2时,其热电势为EAB(T1, T2)； 接点温度分别为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)； 则接点温度分别为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)。即,EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）,3.4 磁电、压电、热电传感器,热电传感器-热电偶,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,3、分度表,热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度差的函数。,若令T0=0，则有：,则热电偶的热电势成为被测温度的单值函数。可用表格方式描述该函数关系。该表格称为分度表。,注意：分度表是以参比端温度为摄氏零度制定的。,例：K型热电偶，E（300，0）=12.209 mV （查分度表可得）,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,4、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：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。 国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶。,二、热电偶,4、常见热电偶：标准化热电偶,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,4、常见热电偶：标准化热电偶,3.4.3 热电式传感器,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,4、常见热电偶：标准化热电偶热电动势与温度的关系,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,4、常见热电偶：非标准化热电偶,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,5、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：(1)热电极(2)绝缘材料(3)保护套管(4)接线盒,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,5、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。,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,5、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,接线盒的上部有垫片或垫圈加以密封。,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,6、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。,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,6、热电偶的冷端补偿,常用的几种冷端处理和补偿方法有：,冷端温度恒温法 计算修正法 硬件电路补偿法 软件补偿法,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,6、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。,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,6、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,冷端 t0的热电势,测量得出的热电势,被测温度 t 的热电势,测量得出的热电势,3.4.3 热电式传感器,二、热电偶,6、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）。,3.4 磁电、压电、热电传感器,热电传感器-热电阻,3.4.3 热电式传感器,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。,3.4.3 热电式传感器,三、热电阻,1、金属热电阻,金属热电阻传感器：由电阻体（感温元件为金属），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。,3.4.3 热电式传感器,三、热电阻,1、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，铂电阻的精度与铂的提纯程度有关。,3.4.3 热电式传感器,三、热电阻,1、金属热电阻, 铂热电阻,铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度t在200 t 0时：,当温度t在0 t 650时：,国内统一设计的工业用标准铂电阻，R0分为10、100和1000三种(0时)，分度号分别为Pt10、 Pt100和Pt1000。Pt10主要用于650以上温区测量；Pt100主要用于650以下温区测量。,3.4.3 热电式传感器,三、热电阻,1、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，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。,3.4.3 热电式传感器,三、热电阻,1、金属热电阻, 铜热电阻,工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50和100两种(0时)，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。,或近似为,普通工业用热电阻式温度传感器,与热电偶一样，工业热电阻都由感温元件，引出线，保护套管，接线盒，绝缘材料等组成。,3.4.3 热电式传感器,三、热电阻,1、金属热电阻:结构,3.4.3 热电式传感器,三、热电阻,2、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。,3.4.3 热电式传感器,三、热电阻,2、半导体热电阻,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导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。,3.4.3 热电式传感器,三、热电阻,3、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。,3.4.3 热电式传感器,产品,3.4.3 热电式传感器,温控器,应用,水温感应塞,3.4.3 热电式传感器,3.5 光电传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,一、光电测量原理,光是什么？,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,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AEinstein于1905年在研究光电效应现象时提出来。,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,一、光电测量原理,在爱因斯坦之前M普朗克提出了能量子假设。,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,一、光电测量原理,采用光电元件作为检测元件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的关系，即利用光电效应实现测量。,光量 电量,光电效应,内光电效应,光电导效应-光敏电阻,光生伏特效应-光电池， 光电二、三 极管,外光电效应 -真空光电管，光电倍增管,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 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。,一、光电测量原理,1、外光电效应（光电子发射效应）,第3章 常用传感器和敏感元件,一、光电测量原理,3.5 光电传感器,在光照的条件下，物体内部电子从物体表面溢出的现象，被称做外光电效应。,爱因斯坦则是因为研究外光电效应现象并从理论上对其做出了正确的量子解释而获得了诺贝尔物理学奖。,1、外光电效应（光电子发射效应）,爱因斯坦光电效应方程：,第3章 常用传感器和敏感元件,一、光电测量原理,3.5 光电传感器,2、内光电效应,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。 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 。,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,一、光电测量原理,n-载流子浓度； e-电子电荷； u-载流子的迁移率（u= ； v-载流子运动速度；E-电场强度。）,v,E,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， 电导率增加，电阻减小。,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,2、光电导效应原理,一、光电测量原理,3、光生伏达效应,在光线照射下，物体能够产生一定方向上的电动势的现象，被称为光生伏达效应。,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,一、光电测量原理,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,二、光电元件,真空光电管：,光电倍增管：,1、外光电效应光电元件,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,二、光电元件;光敏电阻：随着光照，阻值变化,2、内光电效应光电元件,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,二、光电元件：光敏电阻,2、内光电效应光电元件,光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直流电压，也可以加交流电压工作。,暗电阻与亮电阻 暗电阻-在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的暗阻大于等于0.1兆欧。 亮电阻-在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于1000欧。,光敏电阻接在电路上，亮电流（大）与暗电流（小）之差被称为光电流。 光敏电阻的亮电阻越大，暗电阻越小，灵敏度越高。,第3章 常用传感器和敏感元件,3.5 光电传感器,二、光电元件：光敏电阻,2、内光电效应光电元件,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，且随材料不同而不同。,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的关系。,光谱特性：对于不同频率的入射光，其灵敏度不同。,响应时间特性：光电流对光照强度变化有一个滞后时间。,光谱温度特性：光敏电阻光学与化学特性受到温度影响。,传感器原理,照相机自动测光 光控灯 工业控制,第3章 常用传感器和敏感元件,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。,3.5 光电传感器,二、光电元件：光电池,3、光生伏达效应元件,第3章 常用传感器和敏感元件,复习,3.5 光电传感器,一、光电测量原理：外光电效应、内光电效应和光生伏达效应。,二、光电元件：真空光电管、光电倍增管、光敏电阻和光电池。,3、模拟量光电传感器应用,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。,辐射式实例：光电比色高温计（被测量是光源）,把被测量转化成连续变化的光电流。,3.5 光电传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,吸收式实例：测量液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、混浊度计（被测量吸收光能）,3、模拟量光电传感器应用,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,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,相机测距反射式光电传感器,3、模拟量光电传感器应用,4、开关量光电传感器应用,脉冲盘式角度-数字编码器 码盘式角度-数字编码器（接触式、光电式、电磁式） 光电式角度-数字编码器,把被测量转化成断续变化的光电流。,精度高 数字化 量程大 安装方便、维护简单,4、开关量光电传感器应用,脉冲盘式角度-数字编码器工作原理,通过计数器反应圆盘转过的角度,4、开关量光电传感器应用,码盘式开关量光电传感器工作原理,码盘式数字编码器：光电式、接触式、电磁式,案例：光电转速计工作原理,4、开关量光电传感器应用,案例：光电转速计工作原理,4、开关量光电传感器应用,案例：明渠水位测量工作原理,4、开关量光电传感器应用,案例：明渠水位测量工作原理,4、开关量光电传感器应用,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。,4、开关量光电传感器应用,3.6 光纤传感器,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 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,一、概述,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,一、概述,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。,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,一、概述,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，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。,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,二、光纤分类,按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种。,单模光纤的折射率分布是阶跃型的，但光纤的光学尺寸很小，只能传输单模光波，是一种超宽带光纤；多模光纤能传输数百种模式。,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,二、光纤分类,按照光的作用分类可分为物性型（功能型）光纤传感器和结构型（非功能型）光纤传感器。,1、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。,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,按照光受被测对象的调制形式可分为强度调制型、偏振调制型、频率调制型、相位调制型。,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,二、光纤分类,1、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，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“传”和“感”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。其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等。,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,二、光纤分类,1、物性型光纤传感器,右图所示为施加均衡压力和施加点压力的两种光纤压力传感器形式。,图(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;图(b)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，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，就可以制作温度、压力、振动、位移等传感器。,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,二、光纤分类,2、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。,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,二、光纤分类,2、结构型（非功能型）光纤传感器,在非功能型传感器中，光纤不是敏感元件，即只“传”不“感”。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，感受被测物理量的变化。,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，大都是非功能型的。,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,三、光纤传感器应用,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，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。,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,三、光纤传感器应用,(a)Y型光纤；(b)U型光纤；(c)棱镜耦合,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液位传感器。它由LED光源，光电二极管，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体反射器。当测头置于空气中，没有接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而返回到光电二极管。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，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，表明测头已接触到液位。,案例2.光纤液位传感器,3.6 光纤传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,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，是奥地利学者多普勒于1842年发现的。当单色光束人射到运动体上某点时，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，称为多普勒频移。,案例3.激光多普勒效应速度传感器,其工作原理为:由激光光源(氢-氦激光)发出的光(频率为fi)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 (被测体)振动，产生散射 (频率为fs)，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为 式中，fi为入射光频率，即激光源频率；fs为散射光频率；n为发生散射介质的折射率；为入射光在空气中的波长；为被测物体的运动速度。 上式表明，多普勒频率f与被测物体运动速度成比例变化关系，从频率分检器中测得f后，即可得到物体的运动速度。,频率调制,第3章 常用传感器和敏感元件,三、光纤传感器应用,案例3.激光多普勒效应速度传感器,第3章 常用传感器和敏感元件,3.6 光纤传感器,四、光纤传感器优点,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传感器无法测量的信号； 2、无电能、无电火花，可在易燃易爆、腐蚀性环境中工作； 3、某些光纤传感器性能优于传统传感器； 4、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。 5、频带宽、动态范围大，对系统不产生影响，精度高。 6、适于信号远传。,3.7 半导体传感器,3.7 半导体传感器,半导体对光、热、力、磁、湿、气体等量敏感，这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 优点： 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。 缺点： 对温度变化敏感，且非线性强。,3.7.1 磁敏传感器,3.7 半导体传感器,3.7 半导体传感器,3.7.1 磁敏元件传感器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,3.7 半导体传感器,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,测转角：,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,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。,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,铁磁材料裂纹检测,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,叶片和齿轮位置传感器,应用,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,案例：汽车速度测量:,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,案例：转速测量,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,2 磁电阻元件,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。,应用 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，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 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,3 磁感应半导体元件分类,霍尔元件,磁电阻元件,磁敏二极管,磁晶体管,磁半导体开关,3.7.1 磁敏元件传感器,3.7 半导体传感器,3.7.2 热敏传感器,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。,优点： 灵敏度高 体积小 温度测量范围大 缺点： 非线性大 对环境温度敏感，易受干扰,3.7 半导体传感器,3.7.3 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，中毒死亡。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,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。,3.7 半导体传感器,3.7.3 气敏电阻传感器,3.7 半导体传感器,烟雾报警器,3.7.3 气敏电阻传感器,3.7 半导体传感器,3.7.4 湿敏传感器,湿敏传感器： 半导体材料随着 环境湿度升高而电阻 值下降。,3.7 半导体传感器,3.7.5 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)。,3.7 半导体传感器,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。,3.7.5 CCD固态图象传感器,3.7 半导体传感器,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.,3.7.5 CCD固态图象传感器,条形码扫描器,3.7 半导体传感器,复习,3.5 光电传感器,一、光电测量原理：外光电效应、内光电效应和光生伏达效应。,二、光电元件：真空光电管、光电倍增管、光敏电阻和光电池。,三、光电传感器应用：模拟光电传感器，数字码盘。,复习,3.6 光纤传感器,一、光纤传光原理：光的全反射,二、光纤传感器分类：单模，多模,按照光的作用分类可分为物性型（功能型）光纤传感器和结构型（非功能型）光纤传感器。,按照光受被测对象的调制形式可分为强度调制型、偏振调制型、频率调制型、相位调制型。,复习,3.7 半导体传感器,2 热敏传感器,3 气敏传感器,4 湿敏传感器,5 CCD视觉传感器,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,数码相机,3.