清华大学测试技术第八章

1、第四章第四章 被测量的获取被测量的获取清华大学清华大学仪器科学与技术研究所仪器科学与技术研究所4.94.9磁电式传感器磁电式传感器概念：一种将被测物理量转换为感应电概念：一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，亦称电磁感应式或电动力动势的装置，亦称电磁感应式或电动力式传感器。式传感器。 由电磁感应定律可知，当穿过一个线圈由电磁感应定律可知，当穿过一个线圈的磁通的磁通发生变化时，线圈中所感应产发生变化时，线圈中所感应产生的电动势生的电动势分类：分类：n动圈式；动圈式；n动磁铁式；动磁铁式；n磁阻式。磁阻式。 dtdWe(4.101)一、动圈式传感器一、动圈式传感器 图4.75 动圈式传感器（a）

2、线位移式 （b）角位移式 由线位移式装置的工作原理可知，当弹簧片敏感有一速度由线位移式装置的工作原理可知，当弹簧片敏感有一速度时，线圈则在磁场中作直线运动，从而切割磁力线，因此它时，线圈则在磁场中作直线运动，从而切割磁力线，因此它所产生的感应电动势所产生的感应电动势式中式中B磁场的磁感应强度（磁场的磁感应强度（T）；）；l单匝线圈的有效长度（单匝线圈的有效长度（m）；）；W有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线的线有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数；圈匝数；vy敏感轴（敏感轴（y轴）方向线圈相对于磁场的速度（轴）方向线圈相对于磁场的速度（m/s）;线圈运动方向与磁场方向的

3、夹角。线圈运动方向与磁场方向的夹角。当线圈运动方向与磁场方向垂直亦即当线圈运动方向与磁场方向垂直亦即=90时，上式可写为时，上式可写为 sinsinyWBlvyWBle(4.102)yWBlve (4.103)结论：结论：当传感器的结构参数（当传感器的结构参数（B B，l l，WW）选定，则感）选定，则感应电动势应电动势e e的大小使正比于线圈的运动速度的大小使正比于线圈的运动速度v vy y。这种传感器亦称速度传感器。这种传感器亦称速度传感器。 将被测到的速度经微分和积分运算又可得到运将被测到的速度经微分和积分运算又可得到运动物体的加速度和位移，因此速度传感器又可动物体的加速度和位移，因此速

4、度传感器又可用来测量运动物体的位移和加速度。用来测量运动物体的位移和加速度。 对于角速度型动圈式传感器结构，线圈在对于角速度型动圈式传感器结构，线圈在磁场中转动时，产生的感应电动势磁场中转动时，产生的感应电动势式中式中线圈转动的角频率；线圈转动的角频率；A单匝线圈的截面积（单匝线圈的截面积（m2）；）；k依赖于结构的参数，依赖于结构的参数，k1。当当WW、B B、A A选定时，感应电动势选定时，感应电动势e e与线圈相对与线圈相对于磁场的转动角速度成正比。于磁场的转动角速度成正比。用这种传感器可测量物体转速。用这种传感器可测量物体转速。 kWBAe (4.104) 将传感器线圈中所产生的感应电

5、动势将传感器线圈中所产生的感应电动势e经电缆与电压放大经电缆与电压放大器相连接时，其等效电路如图器相连接时，其等效电路如图4.76所示。图中所示。图中e为感应电动势，为感应电动势，Z0为线圈等效阻抗，为线圈等效阻抗，RL为负载电阻，为负载电阻，Cc为电缆的分布电容，为电缆的分布电容， Rc =0.03/m，Cc=70pF/m，发电线圈阻抗，发电线圈阻抗Z0=r+jL, r约为约为3002k，L为数百为数百mH。相对来说。相对来说Rc可予以忽略，此可予以忽略，此时等效电路中的输出电压时等效电路中的输出电压 若电缆长度不长，则若电缆长度不长，则Cc可加以忽略，又若使可加以忽略，又若使RLZo，则，

6、则由上式可简化得由上式可简化得eLeo。 图4.76 动圈磁电式传感器等效电路 oCLoLZCjRZee11(4.105)磁电式速度传感器的磁电式速度传感器的分类：分类：n绝对式速度传感器；绝对式速度传感器；n相对式速度传感器：相对式速度传感器：w传感器的输出电压正比传感器的输出电压正比于测点相对于基座的相于测点相对于基座的相对运动速度。因此，相对运动速度。因此，相对式速度传感器适合于对式速度传感器适合于测量结构上两部件间的测量结构上两部件间的相对运动。相对运动。 图4.77 绝对式振动传感器1弹簧片 2永磁铁 3阻尼环4支架 5中心轴 6外壳 7线圈 图4.78 相对振动速度传感器1顶杆 2

7、弹簧片 3永磁铁4线圈 5引线 6壳体 7导磁体 绝对式速度传感器的动态特性就是惯性绝对式速度传感器的动态特性就是惯性(绝对绝对)位移位移型传感器的动态特性。型传感器的动态特性。图4.67 绝对式速度传感器的动态特性（a）幅频特性 （b）相频特性结论：结论：为实现不失真测量，幅频特性应为常值。当为实现不失真测量，幅频特性应为常值。当/n n11以后，幅频特性曲线随的增加而趋向于以后，幅频特性曲线随的增加而趋向于1 1，这一区域便是传感器的使用频率范围。这一区域便是传感器的使用频率范围。当当=0.707=0.707时，该趋于常值的速度最快，因此一般采时，该趋于常值的速度最快，因此一般采用用=0.

8、60.7=0.60.7的阻尼比，从而可有效地压低使用频率的阻尼比，从而可有效地压低使用频率的下限。的下限。如要求测量误差如要求测量误差5%5%，则测量的频率范围约为，则测量的频率范围约为/n n 1.7 1.7。1. 1.引进阻尼虽然改善了谐振频率附近接收灵敏度曲线引进阻尼虽然改善了谐振频率附近接收灵敏度曲线的平坦度，但阻尼也增加了相移。的平坦度，但阻尼也增加了相移。 当测量频率大于谐振频率时，若输入与输出信号当测量频率大于谐振频率时，若输入与输出信号的各频率成分相移值近似为的各频率成分相移值近似为180180时，亦即此时时，亦即此时传感器对输入信号起着一个倒相器的作用，则可传感器对输入信号起

9、着一个倒相器的作用，则可认为测量结果是不失真的。认为测量结果是不失真的。 为近似获取倒相特性，应使为近似获取倒相特性，应使(78)(78)n n。速度传感器的固有频率速度传感器的固有频率n n是一个重要的参数，它是一个重要的参数，它决定了传感器所测量的频率下限。为扩展传感器决定了传感器所测量的频率下限。为扩展传感器的工作频率范围，设计中应使做得尽可能低。的工作频率范围，设计中应使做得尽可能低。 二、磁阻式传感器二、磁阻式传感器 磁阻式传感器：使线圈与磁铁固定不动，而由运动磁阻式传感器：使线圈与磁铁固定不动，而由运动物体（导磁材料）运动来影响磁路的磁阻，从而引物体（导磁材料）运动来影响磁路的磁阻

10、，从而引起磁场的强弱变化，使线圈中产生感应电势。可用起磁场的强弱变化，使线圈中产生感应电势。可用来测量转速、振动、偏心量等。来测量转速、振动、偏心量等。 图4.79 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 三、涡流三、涡流磁电式相对加速度传感器磁电式相对加速度传感器 涡流涡流-磁电式传感器：一种将涡流式与磁电式磁电式传感器：一种将涡流式与磁电式传感元件结合而形成的发电式传感器。传感元件结合而形成的发电式传感器。 图4.80 涡流磁电型加速度传感器 4.104.10红外辐射检测红外辐射检测一、红外辐射一、红外辐射 红外辐射又称红外光，任何物体的温度

11、只要高于绝对零度红外辐射又称红外光，任何物体的温度只要高于绝对零度（即（即-273.16）就处于）就处于“热状态热状态”。处于热状态的物质分子。处于热状态的物质分子和原子不断振动、旋转并发生电子跃迁，从而产生电磁波。这和原子不断振动、旋转并发生电子跃迁，从而产生电磁波。这些电磁波的波长处于可见光的红光之外，因此称为些电磁波的波长处于可见光的红光之外，因此称为“红外线红外线”。物体与周围温度失去平衡时，就会发射或吸收红外线，这便是物体与周围温度失去平衡时，就会发射或吸收红外线，这便是常说的热辐射，即红外辐射。红外线在电磁波谱中位于可见光常说的热辐射，即红外辐射。红外线在电磁波谱中位于可见光与微波

12、之间，波长为与微波之间，波长为0.761000m（图（图4.106）。）。图4.106 电磁波谱 物体的温度与辐射功率的关系由斯芯藩物体的温度与辐射功率的关系由斯芯藩玻尔茨玻尔茨曼（曼（Stefan-Boltzmann）定律给出，即物体辐射强）定律给出，即物体辐射强度度W与其热力学温度的四次方成正比：与其热力学温度的四次方成正比：W单位面积辐射功率，单位面积辐射功率，Wm-2；斯芯藩斯芯藩玻尔茨曼常数，玻尔茨曼常数，5.6710-8Wm-2K-4；T热力学温度，热力学温度，K；比辐射率（非黑体辐射度比辐射率（非黑体辐射度/黑体辐射度）。黑体辐射度）。 黑体：在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射

13、的黑体：在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射的物体，物体，=1。 灰体：一般物体的灰体：一般物体的1，即它不能全部吸收投射到它，即它不能全部吸收投射到它表面的辐射功率，发射热辐射的能力也小于黑体。表面的辐射功率，发射热辐射的能力也小于黑体。 4TW(4.130) 普朗克定律普朗克定律 ：W波长为波长为的黑体光谱辐射通量密的黑体光谱辐射通量密度，度，Wm-2m-1；C1第一辐射系数，第一辐射系数，C1=374.15MWm4/m2；C2 第 二 辐 射 系 数 ，第 二 辐 射 系 数 ，C2=14388mK；T热力学温度，热力学温度，K； 波长，波长，m。 图4.107 光谱辐射通量密度对波长的

14、分布 1251TCeCW(4.131) 维恩（Wien）位移定律 ：曲线最高点（辐射通量密度最大值），所对应的波长max与物体自身的绝对温度T成正比，即 mT/2898max(4.132)二、红外探测器二、红外探测器 红外探测器：能将红外辐射量转化为电量的红外探测器：能将红外辐射量转化为电量的装置。装置。 分类：分类： 热敏探测器；热敏探测器； 光敏探测器。光敏探测器。 热敏探测器热敏探测器 利用半导体薄膜材料在受到红外辐射时产生的利用半导体薄膜材料在受到红外辐射时产生的热效应。热效应。 响应时间较长，约在响应时间较长，约在10-3s的量级。的量级。 对辐射的各种波长基本上有相同的响应，其光对

15、辐射的各种波长基本上有相同的响应，其光谱响应曲线平坦，在整个测量波长范围内灵敏谱响应曲线平坦，在整个测量波长范围内灵敏度基本不变，且能在常温下工作。度基本不变，且能在常温下工作。 光电探测器光电探测器 是一种半导体器件，它的核心是光是一种半导体器件，它的核心是光敏元件。敏元件。 当光子投射到光敏元件上时，促使当光子投射到光敏元件上时，促使电子电子空穴对分离，产生电信号。空穴对分离，产生电信号。 光电效应产生很快，光电探测器对光电效应产生很快，光电探测器对红外辐射的响应时间要比热敏探测红外辐射的响应时间要比热敏探测器的响应时间快得多，可达毫微秒。器的响应时间快得多，可达毫微秒。 其对波长的响应率

16、有个峰值其对波长的响应率有个峰值p，超，超过过p时响应曲线迅速截止时响应曲线迅速截止(图图4.108)。其原因是，在大于一定波长的范围其原因是，在大于一定波长的范围内，光子储量不足于激发电子的释内，光子储量不足于激发电子的释出，电活性消失。出，电活性消失。 光电探测器必须在低温下才能工作。光电探测器必须在低温下才能工作。 图4.108 红外探测器光谱响应曲线 对红外探测器性能的要求：对红外探测器性能的要求： 灵敏度高；灵敏度高； 在工作波长范围内有较高的探测率；在工作波长范围内有较高的探测率； 时间常数小。时间常数小。 三、红外检测应用三、红外检测应用辐射温度计辐射温度计图4.109 辐射温度

17、计工作原理 运用斯忒藩运用斯忒藩玻尔茨曼定律可进行辐射温度测量。玻尔茨曼定律可进行辐射温度测量。被测物通常为被测物通常为1的灰体，若以黑体辐射作为基准来定标，的灰体，若以黑体辐射作为基准来定标，则当知道了被测物的则当知道了被测物的值后，则可根据式（值后，则可根据式（4.130）以及）以及的定义来求出被测物的温度。假定灰体辐射的总能量全的定义来求出被测物的温度。假定灰体辐射的总能量全部为黑体所吸收，则它们的总能量相等，即部为黑体所吸收，则它们的总能量相等，即 被测物的比辐射率；被测物的比辐射率； 0黑体的比辐射率，黑体的比辐射率，0=1； T被测物温度；被测物温度； T0黑体温度；黑体温度；斯忒

18、藩斯忒藩玻尔茨曼常数。玻尔茨曼常数。 由此可得由此可得 4004TT4oTT (4.133)红外测温红外测温 辐射温度计一般用于辐射温度计一般用于800以上的高温测量，此外所以上的高温测量，此外所讲的红外测温则是指低温及红外光范围的测温。讲的红外测温则是指低温及红外光范围的测温。 图4.110 红外测温装置原理图 红外热成像红外热成像 红外光是人的肉眼所不能看到的，因此不能红外光是人的肉眼所不能看到的，因此不能采用普通照相机原理来摄取红外图象。采用普通照相机原理来摄取红外图象。 红外热成像（红外热成像（Infrared thermal imaging）技术：将红外辐射转换成可见光进行显示的技术

19、：将红外辐射转换成可见光进行显示的技术。技术。 分类：分类：主动式；主动式；被动式。被动式。 主动式红外热成像：采用一红外辐射源照射被主动式红外热成像：采用一红外辐射源照射被测物，然后接收被物体反射的红外辐射图象。测物，然后接收被物体反射的红外辐射图象。 图4.111 主动式红外成象原理1红外光源；2摄象机；3监视器 被动式红外热成像：利用物体自身的红外辐射来被动式红外热成像：利用物体自身的红外辐射来摄取物体的热辐射图像，这种成像我们一般称为摄取物体的热辐射图像，这种成像我们一般称为热像（热像（thermal image），获取热象的装置称热像），获取热象的装置称热像仪。仪。 图4.112 红

20、外热像仪光学系统结构1. 被测对象 2.扫描镜 3.透镜 4.反射镜 5.红外探测器 6.杜瓦瓶7.测温元件 8.参考黑体 9.调制器 10.凹面反射镜 红外热像仪的应用：红外热像仪的应用：不同环境条件下的温度检测。不同环境条件下的温度检测。 图4.113 车床轴承面的等温度场分布图 图4.114 超音速风调热像仪检测1.喷嘴 2.模型 3.热像仪 4.塑料窗 热像技术广泛用于无损缺陷的探查。热像技术广泛用于无损缺陷的探查。在电力工业中，热像仪被用来检查电力设备在电力工业中，热像仪被用来检查电力设备尤其是开关、电缆线等的温升现象，从而可尤其是开关、电缆线等的温升现象，从而可及时发现故障进行报警

21、。及时发现故障进行报警。在石油、化工、冶金工业生产中，热像仪也在石油、化工、冶金工业生产中，热像仪也被用来进行安全监控。被用来进行安全监控。 用于公安和消防，对火灾现场的建筑物，采用于公安和消防，对火灾现场的建筑物，采用热象仪可以探知建筑物中被烧毁的情况以用热象仪可以探知建筑物中被烧毁的情况以及人员的情况。及人员的情况。 用作海岸线监视，以监视各类过往船只，尤用作海岸线监视，以监视各类过往船只，尤其是用作夜间监视，确保海岸线的安全。其是用作夜间监视，确保海岸线的安全。 热像仪用于临床医学诊断。热像仪用于临床医学诊断。 图4.115 医用红外热象仪获取的病例（脂肪瘤）热图4.114.11固态图象

22、传感器固态图象传感器 固态图象传感器：一种固态集成元件，其核心部分固态图象传感器：一种固态集成元件，其核心部分是电荷耦合器件（是电荷耦合器件（Charge Coupled Device，简称，简称CCD）。）。 CCD：以阵列形式排列在衬底材料上的金属：以阵列形式排列在衬底材料上的金属氧氧化物化物硅（硅（Metal Oxide Semiconductor，简称，简称MOS）电容器件组成的，具有光生电荷、积蓄和转）电容器件组成的，具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。移电荷的功能。 固态图象传感器的分类：固态图象传感器的分类： 线阵型：目前一般有线阵型：目前一般有1024、1728、2048和和4

23、096个象素个象素的传感器；的传感器； 面阵型：从面阵型：从512512一直到一直到512768个象素的，最高分个象素的，最高分辨力的可达辨力的可达20482048个象素的。个象素的。 固态图象传感器工作原理固态图象传感器工作原理 图4.116 固态图象传感器工作原理 (a)MOS光敏单元(b)1024单元阵列(c)线阵式摄像机 固态图象传感器的应用：固态图象传感器的应用： 用用CCD线阵型摄象机作流水线零件尺寸在线检测。线阵型摄象机作流水线零件尺寸在线检测。 图4.117 CCD线阵摄象机作二维零件尺寸在线检测 采用摄像机利用三角法测量物体位置。采用摄像机利用三角法测量物体位置。图4.118

24、 三角法原理测量物体位移及轮廓 用三角法测量工件轮廓。用三角法测量工件轮廓。 图4.119 三角法三维轮廓尺寸测量 采用面阵式采用面阵式CCD摄象机利用投影法测量物体三摄象机利用投影法测量物体三维表面形貌维表面形貌 。图4.120 投影法测量物体三维形貌 用莫尔条纹法来测量物体的三维形貌。用莫尔条纹法来测量物体的三维形貌。图4.121 莫尔条纹法测量物体的三维形貌 图4.122 莫尔条纹结构例 4.124.12霍尔传感器霍尔传感器一、作用原理一、作用原理 霍尔传感器：属半导体磁敏传感器。霍尔传感器：属半导体磁敏传感器。 组成材料：砷化铟（组成材料：砷化铟（InAs）、锑化铟（）、锑化铟（InS

25、b）、锗（）、锗（Ge）、）、砷化镓（砷化镓（GaAs）等高电阻率半导体材料。）等高电阻率半导体材料。 霍尔效应：将霍尔元件（霍尔板）置于一磁场中，板厚霍尔效应：将霍尔元件（霍尔板）置于一磁场中，板厚d一一般远小于板宽般远小于板宽b和板长，当在板长度方向通以控制电流和板长，当在板长度方向通以控制电流I时，时，则在板的侧向（宽度方向）会产生电势差。则在板的侧向（宽度方向）会产生电势差。 图4.123 霍尔元件及霍尔效应（a）霍尔元件构造 （b）霍尔元件特性曲线 当霍尔板为当霍尔板为n型半导体材料时，在磁场作用下当型半导体材料时，在磁场作用下当通以电流通以电流I时，半导体材料中的载流子（电子）将沿

26、时，半导体材料中的载流子（电子）将沿着与电流方向相反的方向运动。带电质量点在磁场着与电流方向相反的方向运动。带电质量点在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场力亦即洛伦兹力力亦即洛伦兹力Fm的作用：的作用：e0带电粒子和电荷；带电粒子和电荷；B磁感应强度；磁感应强度；v电子运动速度。电子运动速度。在洛伦兹力在洛伦兹力Fm的作用下，电子向板的一方偏转，的作用下，电子向板的一方偏转，这样使板的一侧积聚大量电子。面板的另一侧则相这样使板的一侧积聚大量电子。面板的另一侧则相应地缺少电子而积累正电荷。于是便形成一个电场应地缺少电子而积累正电荷。于是便

27、形成一个电场E，该电场该电场E又在电子上作用有一个反作用力又在电子上作用有一个反作用力Fe： vBeFom(4.134)EeFoe(4.135)当反作用力当反作用力Fe与洛伦兹力与洛伦兹力Fm相等时，有相等时，有E=vB。由此则在一宽度为由此则在一宽度为b的霍尔板上产生一电位差（霍尔的霍尔板上产生一电位差（霍尔发电机）发电机） 电子速度电子速度v、电子浓度、电子浓度n与电流密度与电流密度S相关联相关联 将式（将式（4.136）代入式（）代入式（4.137）中则可得）中则可得霍尔电势霍尔电势u u正比于控制电流正比于控制电流I I和磁通密度和磁通密度B B，且与电流，且与电流I I流经的方向有关。流经的方向有关。霍尔电势霍尔电势u u随电子浓度随电子浓度n n的增加而降低，但随电子运的增加而降低，但随电子运动速度动速度v v的增加而增大，或随电子迁移率的增加而增