各种类型传感器

1、西安理工大学机制系 4.8 4.8 磁敏元件传感器磁敏元件传感器 sinIBKV HH 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，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电动势，这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。种物理现象称为霍尔效应。 1 1 西安理工大学机制系 4.8 4.8 磁敏元件传感器磁敏元件传感器 如图所示，外磁场如图所示，外磁场B，导电板，导电板 通以电流通以电流I，导电板中的电流，导电板中的电流 使金属中自由电子在电场作使金属中自由电子在电场作 用下做定向运动，同时用下做定向运动，同时还受还受 到霍尔电

2、场力的作用，其力到霍尔电场力的作用，其力 的大小为的大小为eEH，此力阻止电荷，此力阻止电荷 继续积累。继续积累。 当电子所受洛伦当电子所受洛伦 磁力与霍尔电场作用力大小磁力与霍尔电场作用力大小 相等方向相反，相等方向相反，电荷不再向电荷不再向 两侧面积累，达到平衡状态两侧面积累，达到平衡状态 洛伦兹力：洛伦兹力：f=eBv e电子电荷； v电子运动平均速度； B磁场的磁感应强度。 西安理工大学机制系 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。 西安理工大学机制系 应用：电流传感器应用：电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁当电

3、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。以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。 西安理工大学机制系 测转角：测转角： 1 2 4 3 (a) 1 2 43 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c)(d) N S N S N S N S N S N S N S 1输入轴； 2转盘； 3小磁铁； 4霍尔传感器 西安理工大学机制系 测转角：测转角： 西安理工大学机制系 铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 西安理工大学机制系 2 2 磁电阻元件磁电阻元件

4、- - + + l w x 磁阻效应（磁阻效应（Magnetoresistance Effects）是）是 指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场 变化而变化的现象变化而变化的现象。其基本原理是由于载 流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。 达到稳态时，某速度的载流子所受到的电磁力与洛伦兹 力相等，当外加磁场变化，沿外加电场方向运动的载流子 数变化，从而使电阻变化。这种现象称为磁阻效应。 西安理工大学机制系 案例：转速测量案例：转速测量 西安理工大学机制系 4.9 4.9 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气体与人类日常生

5、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感器 二氧化碳传感器二氧化碳传感器 西安理工大学机制系 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

6、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，电阻发生变当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变 化。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。 西安理工大学机制系 4.9 4.9 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 西安理工大学机制系 4.9 4.9 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 西安理工大学机制系 4.10 超声波超声波 振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。 频率在频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波声波；

7、低于低于16 Hz的机械波，称为的机械波，称为次声波次声波；高于；高于2104 Hz的机械波，称的机械波，称 为为超声波超声波, 频率在频率在310831011 Hz之间的波，称为之间的波，称为微波微波。 101102103104105106107 f / Hz 微 波 探 测 超 声 波 语 言 音 乐 声 波次 声 波 0.2510 6 2010 6 西安理工大学机制系 用压电材料的压电效应 将超声振动波转换成电 信号，制成压电式超声超声 波接收探头波接收探头。 逆压电效应将高频电振 动转换成高频机械振动， 从而产生超声波，作为 超声波发射探头超声波发射探头； 西安理工大学机制系 超声波传

8、感器应用超声波传感器应用 利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性，如果从发利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性，如果从发 射超声脉冲开始，到接收接收到反射波为止的这个时间间隔为射超声脉冲开始，到接收接收到反射波为止的这个时间间隔为 已知，就可进行已知，就可进行超声波测距超声波测距。 西安理工大学机制系 超声物位传感器超声物位传感器具有精度高具有精度高 和使用寿命长的特点和使用寿命长的特点，但若，但若 液体中有气泡或液面发生波液体中有气泡或液面发生波 动，便会产生较大的误差。动，便会产生较大的误差。 在一般使用条件下，在一般使用条件下， 它的测它的测 量误差为量误差为0.1%，检测物位，检

9、测物位 的范围为的范围为10-2104m。 西安理工大学机制系 超声波流量传感器超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定方法是超声波传播时间差法。超声波流量传感器的测定方法是超声波传播时间差法。 超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传 播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根播速度是不同的，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，据管道流体的截面积， 便可知道流体的流量。便可知道流体的流量。 西安理工大学机制系 在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发

10、射超声波又可 以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L, 如图，如设顺流方向的传播时间为如图，如设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为，逆流方向的传播时间为 t2，流体静止时的超声波传播速度为，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为，流体流动速度为v，则，则 vc L t vc L t 2 1 西安理工大学机制系 一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度， 因此超声波传播时间差为因此超声波传播时间差为 22 12 2 vc Lv ttt 由于由于cv,

11、从上式便可得到流体的流速，从上式便可得到流体的流速， 即即 t L c v 2 2 西安理工大学机制系 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流 体种类很多，不论是非导电的流体、体种类很多，不论是非导电的流体、 高粘度的流体，还是浆状高粘度的流体，还是浆状 流体，流体， 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 超声波流超声波流 量计可用来对自来水、工业用水、量计可用来对自来水、工业用水、 农业用水等进行测量农业用水等进行测量 西安理工大学机制系 倒车雷达倒车雷达 西安理工大学机制系 4.11 4.

12、11 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线光的光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 一些物质的一些物质的光电效应光电效应。 光电效应分：外光电效应，内光电效应光电效应分：外光电效应，内光电效应 西安理工大学机制系 1. 外光电效应外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光 子。子。 光子具有能量，每个光子能量为光子具有能量，每个光子能量为 E=h h普朗克常数普朗克常数=

13、6.62610-34(Js) 光的频率（光的频率（s-1）。）。 可见：光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；可见：光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的 现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光 电效应的光电器件有光电管、电效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。光电倍增管等。 西安理工大学机制系 2. 内光电效应内光电效应 在光线

14、作用下，在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动物体的导电性能发生变化或产生光生电动 势的效应称为内光电效应势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：。内光电效应又可分为以下两类： （1） 光电导效应光电导效应 在光线作用下，半导体材料吸收了入射在光线作用下，半导体材料吸收了入射 光子能量，光子能量， 半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光 电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。照相机自照相机自 动测光，光控灯，工业控制动测光，光控灯，工业控制 （2） 光生伏特效应光生伏

15、特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定在光线的作用下能够使物体产生一定 方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器 件有光电池。件有光电池。 西安理工大学机制系 + + + - - - PN 西安理工大学机制系 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收， 并并 进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得 最终的控制输出最终的控制输出“开开”、 “关关”信号的器件。信号的器件。 案例：光电鼠标就是利用案例：光电

16、鼠标就是利用LEDLED与光敏晶体管组合来测量位移。与光敏晶体管组合来测量位移。 西安理工大学机制系 4.12 光光 纤纤 传传 感感 器器 光纤传感器是光纤传感器是20世纪世纪70年代中期发展起来的一种新技术，年代中期发展起来的一种新技术， 它它 是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。 光导纤维简称光纤，中心的圆柱光导纤维简称光纤，中心的圆柱 体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外 层叫包层。纤芯和包层通常由不层叫包层。纤芯和包层通常由不 同掺杂的石英玻璃制成。在包层同掺杂的石英玻璃制成。在包层 外面还常有一层保护套，多为尼

17、外面还常有一层保护套，多为尼 龙材料，以增加机械强度。龙材料，以增加机械强度。 纤芯 n1 包层 n2 保护层 西安理工大学机制系 光纤传光原理光纤传光原理 光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中， 能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。一段圆能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。一段圆 柱形光纤如图，它的两个端面光滑平面。当光线入射光纤到包柱形光纤如图，它的两个端面光滑平面。当光线入射光纤到包 层，但当入射角满足一定条件，光线全部被反射，光在纤芯和层，但当入射角满足一定条件，光线全部被反射，光在纤芯和 包

18、层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传 播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。 2c i i n0 n2 n1 纤 芯 包 层 西安理工大学机制系 1. 光纤传感器的工作原理及组成光纤传感器的工作原理及组成 光纤传感器原理实际上是研究外界信号（温度、压力、应变、光纤传感器原理实际上是研究外界信号（温度、压力、应变、 位移、位移、 振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数 的调制原理。的调制原理。 外界信号引

19、起光的强度、外界信号引起光的强度、 波长、频率、相位、偏波长、频率、相位、偏 振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。 光纤传感器一般是在光纤端面或中间加装敏感元件感受被光纤传感器一般是在光纤端面或中间加装敏感元件感受被 测量的变化，光纤仅仅起传输光的作用，它这类传感器称为测量的变化，光纤仅仅起传输光的作用，它这类传感器称为非非 功能型功能型（Non Functional Fiber， 缩写为缩写为NFF）传感器，又称为）传感器，又称为 传光型传感器传光型传感器。 西安理工大学机制系 西安理工大学机制系 2. 光纤传感器的应用光纤传感器的应用 内窥镜

20、，传输图像 西安理工大学机制系 遮光式光纤温度计 西安理工大学机制系 膜片反射式光纤压力传感器 西安理工大学机制系 光纤压力传感器 西安理工大学机制系 4.12 红红 外外 传传 感感 器器 红外线（红外光）是电磁波的一种，电磁波是电磁场的一红外线（红外光）是电磁波的一种，电磁波是电磁场的一 种运动形态。变化的电场会产生磁场，变化的磁场则会产生电种运动形态。变化的电场会产生磁场，变化的磁场则会产生电 场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场， 这就是这就是电磁场电磁场，变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，变化的电磁场在空间

21、的传播形成了电磁波,也也 常称为电波。常称为电波。 西安理工大学机制系 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光， 由于是位于可由于是位于可 见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在 0.761000 m， 红外线在电磁波谱中的位置如图所示。红外线在电磁波谱中的位置如图所示。 工程工程 上又把红外线所占据的波段分为四部分，上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红外、即近红外、中红外、 远红外和极远红外。远红外和极远红外。 西安理工大学机制系 电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频

22、率，包电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包 括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-X-射线等射线等 等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380380至至780780纳米之纳米之 间，称为间，称为可见光可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都 可以发射电磁辐射，可以发射电磁辐射，物体的温度越高，辐射出来的红外线越物体的温度越高，辐射出来的红外线越 多，辐射的能量就越强。多，辐射的能量就越强。电磁波不需要依靠介质传播，各种电磁波不需要依靠介质传播，各种

23、电磁波在真空中速率固定，速度为光速。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。 西安理工大学机制系 1、红外线气体分析仪红外线气体分析仪 红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。 它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收 带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的。带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的。 红外传感器的应用红外传感器的应用 西安理工大学机制系 不同气体其吸收波段（吸收带）不同，例如不同气体其吸收波段（吸收带）不同，例如CO气体对波长为气体对波

24、长为 4.65 m附近的红外线具有很强的吸收能力，附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在气体则发生在 2.78 m和和4.26 m附近以及波长大于附近以及波长大于13 m的范围对红外线有较的范围对红外线有较 强的吸收能力。如分析强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用气体，则可以利用4.26 m附近的吸附近的吸 收波段进行分析。收波段进行分析。 西安理工大学机制系 2. 红外测温仪红外测温仪 红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量 温度的。温度的。 当物体的温度低于当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可时，它向

25、外辐射的不再是可 见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用不同见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用不同 波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。 西安理工大学机制系 激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。激光与普通光激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。激光与普通光 不同，需要用激光器产生。激光传感器由激光器、检测器和测不同，需要用激光器产生。激光传感器由激光器、检测器和测 量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点：是能实量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点：是能实 现现无接触远距离测量无接

26、触远距离测量，速度快，速度快，精度高精度高，量程大，抗光、电干，量程大，抗光、电干 扰能力强等。扰能力强等。 4.13 激激 光光 传传 感感 器器 西安理工大学机制系 物体在频率为物体在频率为v的光的诱发下，处于能级的光的诱发下，处于能级E2的原子会跃迁到的原子会跃迁到 低能级释放能量而发光，称为低能级释放能量而发光，称为受激辐射受激辐射。激光器首先使工作物。激光器首先使工作物 质的原子反常地多数处于高能级，使其受激辐射过程占优势，质的原子反常地多数处于高能级，使其受激辐射过程占优势， 从而使频率为从而使频率为v的诱发光得到增强的诱发光得到增强, 产生强大的受激辐射光，简产生强大的受激辐射光

27、，简 称激光。称激光。 4.13 激激 光光 传传 感感 器器 激光的产生：激光的产生： 激光传感器基本工作原理：发射的激光脉冲经目标反射后返激光传感器基本工作原理：发射的激光脉冲经目标反射后返 回到接收器，利用时间差，或相位变化等，进行检测回到接收器，利用时间差，或相位变化等，进行检测 西安理工大学机制系 利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接 触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、 方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。方位等物理量的测量，

28、还可用于探伤和大气污染物的监测等。 （1）激光测距传感器激光测距传感器，它通过记，它通过记 录并处理从光脉冲发出到返回被接录并处理从光脉冲发出到返回被接 收所经历的时间，即可测定目标距收所经历的时间，即可测定目标距 离。激光传感器必须极其精确地测离。激光传感器必须极其精确地测 定传输时间。定传输时间。 激光传感器的应用激光传感器的应用 西安理工大学机制系 （2 2）激光测速）激光测速 基于基于多普勒效应测量物体的振动速度多普勒效应测量物体的振动速度。 多普勒效应原理是指：多普勒效应原理是指：由于波源和观察者之间有相对运由于波源和观察者之间有相对运 动，使观察者感到频率发生变化的现象，称为多普勒

29、效应。动，使观察者感到频率发生变化的现象，称为多普勒效应。 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动速度的大小和方向取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。 假设原有波源的波长为假设原有波源的波长为，波速为，波速为c c， 当观察者走近波源时观察到的波源频率为（当观察者走近波源时观察到的波源频率为（c+vc+v）/， 反之则观察到的波源频率为（反之则观察到的波源频率为（c-vc-v）/。 西安理工大学机制系 （3）激光干涉测长仪）激光干涉测长仪 光的干涉是指两束光在相遇区域内发生波的叠加，形成光光的干涉

30、是指两束光在相遇区域内发生波的叠加，形成光 强不均匀分布的干涉图：其明暗程度随其在空间中位置的不强不均匀分布的干涉图：其明暗程度随其在空间中位置的不 同而变化，这种光强的重新分布被称作同而变化，这种光强的重新分布被称作“干涉条纹干涉条纹”。 激光通过半透半反镜激光通过半透半反镜P P后分为两束，当两束光程相差激光波后分为两束，当两束光程相差激光波 长的偶数倍时，形成亮条纹；当两束光程相差激光半波长的长的偶数倍时，形成亮条纹；当两束光程相差激光半波长的 奇数倍时，形成暗条纹；奇数倍时，形成暗条纹； 西安理工大学机制系 西安理工大学机制系 4.14 4.14 智能传感器智能传感器 智能传感器是将传

31、感器与微型计算机集成在一块芯智能传感器是将传感器与微型计算机集成在一块芯 片上，其主要特征是将片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术敏感技术和信息处理技术相结合，相结合， 使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。 西安理工大学机制系 4.15 4.15 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、线性范围、稳定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的问题。性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 1 1、灵敏度、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏 度时，要考虑以下几个问题。度时，要考虑以下几个问题。 a)a)灵敏度