测试技术基础第五章课件

第一节概述

第二节普通机械、电气式传感器及仪器

第三节光学传感器及仪器第四节气动量仪

第五节半导体传感器及仪器第六节波式传感器及仪器

第七节传感器的选用原则第5章常用传感器与敏感元件第一节传感器概述

传感器的定义

何谓传感器?

生物体的感官就是天然的传感器。如人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、身（皮肤）分别有视、听、嗅、味、触觉。人们的大脑通过五官就能感知外界的信息。在工程科学与技术领域里，可以认为：传感器是人体“五官”的工程模拟物。它是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。

定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定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。其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。例如：电阻式传感器电感式传感器电容式传感器磁电式传感器压电式传感器

······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。

传感器的分类

工程中常用传感器的种类极为繁多，某一物理量可以采用多种类型的传感器进行测量，同一种传感器也可以用于测量多种物理量。它的分类形式不统一，有多种形式。下面主要讲解以下几种分类形式。按被测量分类按工作原理分类按信号变换特征分类按能量变换关系分类按输出信号分类按被测量分类（以被测物理量命名）位移、力、温度、压力、流量、速度传感器等。按工作原理分类（以传感器的工作原理命名）机械式、电气式、光学式、流体式等。按信号变换特征分类物性型：依靠敏感元件本身的物理化学性质的变化实现信号变换。如水银温度计、压电式传感器等。结构型：依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。如电容式、电感式传感器等。按能量变换关系分类能量转换型(无源型、发电型或主动传感器)：直接由被测对象输入能量使其工作。如热电偶温度计、弹性压力计、压电式传感器等。能量转换型传感器存在负载效应。

能量控制型(有源型、能量调节型或被动传感器)：由外部辅助能量使其工作，并由被测量控制外部供给能量的变化。如电桥式电阻应变计等。能量控制型传感器本身参数的改变（电阻、电容、电感）不起换能作用。注意：传感器的换能元件可能不止一个（如电容式压力传感器），甚至是一个小型装置（如力反馈式加速度计）。按输出信号分类模拟式、数字式。尽管上面讲述了多种分类方法，却不能将全部的传感器概括出来——传感器的种类太多太多了。具体来说，传感器的性能要求：1）灵敏度高，输入和输出之间有较好的线性关系；2）噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；3）滞后、漂移误差小；4）动态特性良好；5）对被测量不产生影响；6）功耗小，复现性好，有互换性；7）防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；8）结构简单，容易维修和校正；9）低成本、通用性强；对传感器的基本要求是什么？快速、准确、可靠、经济地实现信息转换的要求传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标量程指标:量程范围、过载能力等灵敏度指标:灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等精度有关指标:精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性等动态性能指标:固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间、过冲量、稳态误差等温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标:允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差等其它环境参数:抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标:供电方式(直流、交流、频率及波形等)、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等结构方面指标:外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装连接方面指标:安装方式、馈线电缆等传感器的发展趋势

传感器技术的发展正处于方兴未艾的状态。传感器技术发展趋势：①采用新原理、开发新型传感器；②大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求)；③传感器的集成化；④传感器的多功能化；⑤传感器的智能化(SmartSensor)；⑥

研究生物感官，开发仿生传感器。①采用新原理、开发新型传感器；（1、2、3）微米/纳米技术的问世，微机械加工技术——特别是LIGA（深层同步辐射X射线光刻、电铸成型及铸塑）技术的出现，使三维工艺日趋完善，这为微型传感器的研制铺平了道路。微型传感器的主要特征就是微小重量轻，体积只有传统传感器的几百分之一。美国一著名的未来学家预言：……人们可以将一种含有微传感器的微型电脑，像服药片一样“吞下”，从而在体内进行各种检测，以帮助医生诊断。前已说过，在一架航天飞行器上大约要装上3500～3600个传感器，没有微细加式技术，我们可以想象，这样的飞行器会寸步难行。②大力开发物性型传感器

(因为靠结构型有些满足不了要求)；③传感器的集成化；所谓集成化，就是同一芯片上，或将众多同类型的单个传感器件集成为一维、二维或三维阵列型传感器，或将传感器与调理、补偿等处理电路集成一体化。前一种集成化使传感器的检测参数实现“点→线→面→体”多维图像化，甚至能加上时序控制等软件；后一种集成化的传感器，将是两者有机的融全，以实现多信息与多功能集成一体化的传感器系统。④传感器的多功能化；

我国某传感器研究所研制的硅压阻式复合传感器可以同时测量压力与温度。所谓智能化传感器是以专用微处理器控制的、具有双向通信功能的传感器系统。它不仅具有信号检测、转换和处理功能，同时还具有存储、记忆、自补偿、自诊断等多种功能。有人预计未来的10年，传感器智能化将首先发展成由硅微传感器、微处理器、微执行器和接口电路等多片模块组成的闭环传感器系统。如果通过集成技术进一步将上述多片相关模块全部制作在一个芯片上形成单片集成，就可形成更高级的智能传感器了。⑤传感器的智能化(SmartSensor)；仿生传感器就是模拟人的感觉器官的传感器，即视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器和触觉传感器。仿生传感器是机器人技术向智能化高级机器人发展所必须的。大自然是生物传感器的优秀设计师。它通过漫长的岁月，不仅造成了集多种感官于一身的人类本身，而且还设计了许许多多功能奇特、性能高超的生物传感器。⑥研究生物感官，开发仿生传感器。如：狗的嗅觉——灵敏阈是人的106倍；鸟的视觉——视力为人的8～50倍；蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉（主动型生物雷达）

——一种超声波传感器）；蛇的接近觉——分辨力达0.001ºC（红外传感）。

……

这些动物的感官性能，是当今传感器技术所望尘莫及的。目前只有视觉与触觉传感器发展得较为好一些，其它的都还有待于进一步开发。因此，研究生物传感器的机理开发仿生传感器，尤为引人注目。第二节普通机械、电气式传感器及仪器

一、机械式敏感元件在测试技术中，常常以弹性体作为传感器的敏感元件。输入量：力、压力、温度等输出量：弹性元件本身的弹性变形（或应变）优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉缺点：有蠕变。典型机械式传感器敏感元件见下页图。(a)测力计(b)压力计(c)温度计酒精感温筒毛细管波登管概述电阻式传感器将被测量转换成电阻变化量，再通过中间变换电路将电阻变化变换为电压或电流进行测量。按工作原理分为：二、电阻式传感器变阻器（电位器）式应变片式（弹性电阻式）（重点掌握）热敏电阻磁敏电阻式气敏电阻式等原理变阻器式传感器实际是精密线绕电位器，通过改变电位器触头位置将位移转换为电阻变化。其中，：电阻率；

l：导体长度；

A：导体截面积。显然，若导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。导体电阻公式：1、变阻器式传感器（又称电位器式）直线位移型机械量（位移）——电量（电阻或电压）角位移型机械量（位移）——电量（电阻或电压）特点优点：结构简单，性能稳定，使用方便，输出信号大，受外界条件影响小。缺点：因触点与绕线间存在摩擦，动态响应较差。分辨力低，一般小于20m。噪声大。特点与应用应用主要应用于线位移、角位移测量。或作为伺服记录仪或电子电位差计。电位器式传感器2、电阻应变片式传感器电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。应变片的主要优点是精度高、频响宽、体积小、重量轻；缺点：产生漂移金属丝伸长后几何尺寸变化由于箔片的应用较为广泛，常采用光刻技术来制作。在此以箔片为例来研究应变片的工作原理。bh长为L由压阻效应由上式可见，电阻的相对变化量由两部分组成：①第一项，电阻率变化所引起的；②第二项，材料受力后产生的几何变形（形变）。分两种情况：金属材料，第一项很小可忽略，主要第二项起作用，此时有半导体材料，第二项相对于第一项很小，可忽略优点：灵敏度高机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高易于集成化缺点：温度稳定性能差灵敏度分散度大较大应力作用下，非线性误差大机械强度低对于半导体应变片：材料名称成分灵敏度电阻率温度系数线胀系数元素含量

sg·mm2/m×10-6/°C×10-6/°C康

铜CuNi57%43%1.7~2.10.49-20~2014.9镍铬合金NiCr80%20%2.1~2.50.9~1.1110~15014.0镍铬铝合金

(卡玛合金)NiCrAlFe73%20%3~4%余量2.4~2.61.33-10~1013.3常用金属电阻丝材料物理性能lb金属电阻应变片分为：

1、丝式应变片

2、箔式应变片

箔式应变片由厚度为

1~10m

的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔片。箔式应变片适于大批量生产，可制成多种复杂形状，线条均匀，敏感栅尺寸准确，栅长最小可到0.2mm

；散热好，允许电流大；横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。四个部分箔式应变片(a)单轴(b)多轴(c)扭矩栅(d)平行轴多栅(e)同轴多栅(f)单轴半导体应变片；(g)二轴片；(h)裂纹探测片；(i)直角三轴片；(j)三角三轴片(f)(g)(h)(i)(j)压力片三轴片1.选点及工件表面清理。

采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等2.打磨。

用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力3.清洗

用浸有酒精（或丙酮）的纱布片或脱脂棉球擦洗干燥、划线、量阻值4.贴片。

在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶5.排气。

用镊子将应变片放上并调好位置，然后盖上薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡

6.分开端子

把应变片的端子用手轻轻的分开，以免和应变片脱离

7.测量电阻。

从分开的端子处用万用表测量应变片的电阻，防止端子折断和坏的应变片8.焊接。

把引线和端子的用点焊的方式焊接，要小心端子折断

9.固定。

焊接后用胶布将引线和测量对象固定在一起，防止引线和应变片脱离直接用来测量结构的应变或应力电阻应变式传感器的应用(a)—齿轮轮齿弯矩(b)—飞机机身应力(c)—立柱应力(d)—桥梁应力构件应力测定的应用举例将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器应变式压力、测力、称重传感器①应变极限：随应变加大，应变片输出的非线性加大，一般将误差达到10%时对应的应变，作为应变片的应变极限应用注意事项应变极限②机械滞后：敏感栅、底基及胶粘层承受机械应变后，一般都会存在残余变形，造成应变片的机械滞后。机械滞后③零漂和蠕变：在恒定温度，无机械应变时，应变片阻值随时间变化的特性，称为零漂；在恒定温度、恒定应变时，应变片阻值随时间变化的特性，称为蠕变。零漂和蠕变的原因：应变片制造过程中产生的内应力；在一定温度和载荷条件下电阻丝材料、胶粘剂和底基内部结构的变化。概念④绝缘电阻：粘在试件上的应变片的引出线与试件之间的电阻。通常绝缘电阻为50~100M

，在长时间精密测量时要求大于100M，甚至达到10G。⑤最大工作电流：应变片正常工作允许通过的最大电流。通常静态测量时为25mA，动态测量时为75~100mA。工作电流过大会导致应变片过热、灵敏度变化、零漂和蠕变增加，甚至烧毁。⑥温度影响：由温度变化导致的应变片电阻变化与由应变引起的电阻变化往往具有同等数量级，须用适当电路进行温度补偿。应变式传感器的特点性能稳定、精度高，综合误差在1.0%~0.1%，高精度力传感器已能达到0.03%~0.01%。测量范围广压力：104~109Pa；

力：0.1~107N

能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强。电感式传感器三、电感式传感器电感测微计电感式电感式概述

输入量——位移量或其它能转换成位移的机械量；输出量——电感量的变化。变换原理——电磁感应原理按照变换方式的不同可分为：三、电感式传感器⑴可变磁阻式工作原理可变磁阻式传感器的构造如图，由线圈、铁芯和衔铁组成。在铁芯与衔铁之间存在气隙.1、1-线圈2-铁心3-衔铁由电工学可知，线圈自感量：其中，W：线圈匝数

i：线圈中流过的电流

：通过线圈的磁通量

Rm：磁路的总磁阻（H-1）线圈铁心衔铁其中：l1、l2：铁芯和衔铁的导磁长度

1、2：铁芯和衔铁的磁导率

A1、A2：铁芯和衔铁的导磁截面积

：气隙长度

0：空气磁导率，0=410-7A0：空气隙导磁截面积。若不考虑磁路的铁损，且空气隙较小时：Rm=RF

+RRF：铁芯与衔铁的磁阻R：空气隙磁阻线圈铁心衔铁一般，1和2远远大于0，即：RF<<R

，因此：从而：1-线圈2-铁心3-衔铁可忽略上式表明：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与成非线性关系。此时，传感器灵敏度：1-线圈2-铁心3-衔铁即固定A0，变化

时，传感器灵敏度与气隙长度的平方成反比。①为了减小非线性误差，通常使这种传感器在较小间隙范围内工作。设间隙变化范围为（0，0+），一般实际应用中，取/00.1。②变气隙长度式传感器适用于微小位移的测量，测量范围：0.001~1mm。

可变磁阻式传感器典型结构①、可变导磁面积型：线性高，灵敏度低④③②①②、差动变气隙型：提高灵敏度，改善非线性③、单螺管线圈型：结构简单、易制造，灵敏度低，适于较大位移（数毫米）测量④、双螺管差动型：提高灵敏度，改善线性性测气体压力的电感传感器应用举例：应用举例：压差传感器外壳外壳可动衔铁固定铁芯固定铁芯线圈线圈导气孔导气孔P1P2涡电流式涡电流位移传感器高频线圈

金属导体置于变化着（交变）的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为涡电流或涡流（很多书上称为（电涡流）。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。涡电流式工作原理注意：必须是金属板涡电流产生交变磁场f1根据楞次定律，涡电流（电涡流）的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，f1

总电抵抗f

的变化。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度主要与气隙长度d有关。高频线圈d→Z分析表明，高频线圈阻抗Z的因素，除了和d有关外还与金属板的电阻率ρ、磁导率μ及线圈激磁圆频率ω有关。当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。可测位移、振动量及材质鉴别、探伤等。高频线圈影响涡流传感器灵敏度的几个因素

被测物材质：电导率越高，灵敏度越大；磁性材料涡流损耗大，导致灵敏度降低。表面镀层、裂纹也影响灵敏度。被测物形状和大小电涡流可视为圈数只有一匝的环形封闭线圈，当传感器线圈尺寸、激励电流以及与被测物距离一定时，产生的涡流环的直径也一定。若板状被测物的最小尺寸小于该直径，则不能很好利用涡流效应，使灵敏度下降。

涡流式传感器可用于动态非接触测量。范围：±1mm~±10mm最高分辨力可达0.1mm结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。工程应用：液位监控系统涡流板涡流传感器浮子金属板测厚退出涡流传感器涡流传感器为克服金属板移动过程中上下波动及带材不够平整的影响，常在板材上下两侧对称放置两个特性相同的传感器L1和L22、互感型——差动变压器式电感传感器工作原理由互感现象，传感器初级线圈W1输入交流电流时，次级线圈W2M为两线圈的互感，其大小与两线圈的相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，描述两线圈的耦合程度。产生感应电动势，其大小与初级线圈电流的变化率成正比。即：当被测量转换为衔铁位移时，传感器两线圈的互感改变，导致输出相应改变。实际的互感传感器通常采用两个次级线圈，并接成差动式，故称为差动变压器式传感器。铁芯P位于中心位置：M1=M2，eo=0铁芯P上移：M1

=M+M，M2

=MM（M为初始平衡互感），e1

>e2，eo与e1同相。

铁芯P下移：M1

=MM，M2

=M+M，e1

<e2，

eo0，eo与e2同相。

几点说明

存在零点残余电压（铁芯位于中心处时，M1M2，

eo0）

传感器输出电压包含了位移的大小及方向，但因其为交流信号，只有接入相应电路（相敏检波），才能提取出这两种信息。特点精度高(0.1m

数量级，最高可达0.01m)，高精度型非线性误差可达0.1%

线性范围大（可达100mm）

稳定性好，结构简单，使用方便因包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量。测量头轴套测杆线圈架弹簧导线屏蔽筒圆片弹簧防尘罩衔铁差动变压器式位移传感器两个次级线圈完全相同工程应用差动变压器式微压传感器7.罩壳差动变压器式加速度传感器1.差动变压器；2.质量块(衔铁)；3.弹簧片；4.壳体质量很大而弹簧则度小四电容式传感器相对湿度传感器静电电容型射频电容式物位限位开关普通型防腐型高温型1、变换原理四电容式传感器电容式传感器实质是一具有可变参数的电容器。中间充满介质的两块平行金属极板构成的电容器，其电容量为：式中，：介质相对真空的介电常数，空气1；

0：真空的介电常数，0=8.8510-12F/m；

：极板间距；

A：极板面积。Ad当被测量使、A或发生变化时，都会引起C的变化。实际使用中，通常仅改变一个参数，根据变化参数的不同，可分为三类：改变极板间距——极距变化型；改变极板相互遮盖面积A——面积变化型；

改变极板间介质（改变——介质变化型）。Ad极距变化型初始电容：显然，C

与极距成反比（如图）。传感器的灵敏度：可见，灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受极板间击穿电压的限制。此外，为了减小因灵敏度随极距变化导致的非线性误差，通常极距变化范围/00.1。因此，此类电容传感器仅适于较小位移的测量（0.01m~数百微米）。灵敏度：当极板间距增加时，可以求得：实际应用中，为了提高灵敏度、线性性及克服些外界条件（如某电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响常采用差动式（如下图）。此时灵敏度提高一倍，非线性误差减小。d2ddd1Dd定板动板定板动板定板定板极距变化型电容传感器结构原理图1、定板2、动板1、定板2、工件1、定板2、工件3、定板面积变化型包括线位移型（平面线位移和圆柱体线位移）和角位移型两种。角位移型1—动板2—定板其中，：覆盖面积对应的中心角；

r：极板半径。灵敏度平面线位移型其中，b：极板宽度。1—动板2—定板灵敏度圆柱线位移型其中，D：圆筒孔径；

d

：圆柱外径。面积变化型电容传感器输入输出成线性关系，但灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。1—动板2—定板灵敏度

介质变化型

如右图，厚度为

2

的介质（2

为其介电常数）在电容器中左右运动，由于电容器中介质的介电常数改变，电容量改变。设电容器极板宽度为b，介质2的宽度大于等于b。不讲当极板间无介质2时，存在介质时，相当于两个电容器相并联

其中：1=-2从而：显然，灵敏度为常数，输入输出成线性关系。以测液面高度为例前述公式：对照着应用：内外极板间要加绝缘层！r1r2hxh电容式传感器特点输入能量小（极板间静电引力小）、灵敏度高；动态特性好（可动质量小，固有频率高）；发热小，能量损耗小；结构简单、适应性好，可在高、低温、强辐射环境中工作；可实现非接触测量一般传感器两极板间电容很小（几皮法～几十皮法），不仅导致低频输出阻抗很大（几十甚至上百M），负载能力弱，而且电缆分布电容（大且不稳定）影响大。

测量电路

振荡器C1L1L2C2Cx放大检波输出②谐振电路①电桥型电路~L1L2C1C2放大相敏解调滤波调频振荡器③调频电路限幅鉴频放大输出Cx传感器④运放电路放大器C0Cxuyu0⑤驱动电缆工作原理1测量电路Cx

工程应用

电容式传感器测厚转速测量1—齿轮2—定极3—电容传感器4—频率计被测带材轧辊工作极板2134射频电容式物位限位开关普通型防腐型高温型上限位下限位固体及液体料仓的上下限位报警及控制下页上页返回图库产品名称:音叉式物位开关产品型号:LS-YC产品简介:LS-YC型音叉式液位限位开关是一种新型的液位限位开关。音叉由晶体激励产生振动，当音叉被液体浸没时振动频率发生变化，这个频率变化由电子线路检测出来并输出一个开关量。

音叉式液位限位开关又被称作“电气浮子”，凡使用浮球限位开关和由于结构、湍流、搅动、气泡、振动等原因不能使用浮球限位开关的场合均可使用“电气浮子”。由于该液位限位开关无活动部件，因此无需维护和调整，是浮球限位开关的升级换代产品。音叉式物位开关放大图

Veridicom的指纹传感芯片表面由300×300个电容传感器组成。

当个人把他的手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一极。由于手指上指纹纹路及深浅的存在，导致硅表面电容阵列的各个电容电压的不同，通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图象。指纹传感芯片：电容感应原理贝尔实验室以差动电容为检测原理组成的电容式差压变送器五压电式传感器变换原理：压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。

1、压电效应某些晶体如石英晶体，在外力作用下，不仅产生形变，而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷，形成电场；去掉外力后又重新回到不带电的平衡状态，这种现象称为压电效应。与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外力作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。1820年，李普曼（Lippmann）教授提出了晶体具有压电效应的理论，不久，他的学生居里兄弟通过对电气石的实验，证实了压电效应的存在。1881年，居里兄弟还通过实验验证了逆压电效应，并给出石英相同的正逆压电常数。所以，一般人都认为压电效应是皮埃尔·居里（PierreCurie）和他的哥哥雅克斯·居里（JacquesCurie）发现的，其实这里面离不开他的老师李普曼教授的指导法国的居里家族是当之无愧的获得诺贝尔奖最多的家族，先后出过4名诺贝尔奖得主。玛里·居里和丈夫皮埃尔·居里分享了1903年诺贝尔物理学奖。居里夫人成为诺贝尔奖百年历史上的首位女性获奖者，并于1911年再次获得诺贝尔化学奖。居里夫妇的女儿伊雷娜·约里奥—居里显然继承了家族的优良传统，和丈夫弗雷德里奥·约里奥一起成为1935年诺贝尔化学奖得主。居里家族是迄今为止唯一一个连续两代夫妻都获得诺贝尔奖的家族。YD系列加速度/力传感器/阻抗头天然石英晶体居里点为573°C，晶体结构为六角晶系的a-石英。石英晶体的压电效应人造石英晶体理想形状：中间为六角形棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。(a)六角晶柱(b)z—光轴y—机械轴

x—电轴光轴：

z

轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿z

轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称为中性轴。光轴石英晶体(a)六角晶柱(b)z—光轴y—机械轴x—电轴电轴：

x

轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。

机械轴：

y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形石英晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。。石英晶体电轴机械轴从晶体中切下一个平行六面体，并使其昌面分别平行于z—z轴y—y轴x—x轴线。这个晶片在正常状态下不呈现电性。当施加外力时，将沿x—x轴线方向产生电场，其电荷分布在垂直于x—x轴的平面上。沿x轴方向加力——产生纵向压电效应；沿—y轴方向加力——产生横向压电效应；沿z轴相对两平面加力——产生切向压电效应。纵向效应横向效应切向效应压电材料

1）、压电单晶天然或人工合成。具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小（dx

=2.310-12C/N），但压电系数的时间和温度稳定性好。在20~200C内，温度每升高1C，压电系数仅减小0.016%，升高到200C

时，仅减小5%

，达到573C

时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介电常数为4.5。

石英（SiO2）居里点1210C，具有良好的压电性，适用于高温环境，但比石英脆，抗冲击性差。铌酸锂（LiNbO3）

居里点666C，压电常数为石英的3倍钽酸锂（LiTaO3）

压电系数较大（dx=310-9C/N

），但机械强度低，机械强度、电阻率、居里点均较低，易受潮，性能不稳定。酒石酸钾钠（NaKC4H4O6﹒4H2O）2）、多晶压电陶瓷由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性。压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件，大多采用压电陶瓷。钛酸钡（BaTiO3）碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2按1：1混合烧结而成。压电常数约为石英的50倍，介电常数高(1200)，居里点约120C。锆钛酸铅（PZT）系列压电陶瓷居里点300C左右，压电常数70~80010-12C/N，性能和稳定性均超过钛酸钡。其中有些产品可耐高温、高压。3）、高分子有机压电材料聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。用于微压和机器人触觉。

4）、压电半导体具有压电和半导体两种特性，易于集成。

2、压电式传感器及其等效电路

压电器件相当于具有一定电容的电荷源，其电容：金属膜电容两极板间开路电压为：(a)压电晶片(b)等效电荷源RaCaua(C)等效电压源qCaRa若考虑负载（测量电路），等效电路如下：RauaCcRiCiRaqCcRiCiCa(a)电荷源等效电路(b)电压源等效电路其中，Cc、Ci分别为电缆寄生电容及后续测量电路的输入电容。假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：CaRaqCcRiCiCa(a)电荷源等效电路由于晶片漏电阻Ra（一般要求在1013~1014以上）及后续电路输入电阻Ri非无限大，电路将按指数规律放电，造成测量误差。电路放电时间常数

=(Ra//Ri)C

RiC（一般Ra>>Ri），为了减小误差，Ri越大越好。显然，电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静态量非常困难。通常压电传感器适宜作动态测量。压电式传感器有电荷及电压两种输出方式。为了增大输出值，压电传感器往往用两个（较多见）或两个以上的晶体串接或并接：

++++++++++----------FF+++++-----FF+++++-----串联并联串联++++++++++----------FF串联C1C2适合于以电压做为输出信号。

n个晶体串接时，输出电荷量与单片晶体电荷相同，总电容为单片晶体电容的1/n，输出电压为单片晶体电压的n倍。串接时，输出电压大、电容小、时间常数小，适宜测量迅变信号和以电压输出的场合。

=RC

RiC输出电荷量与单片晶体电荷相同并联适合于以电荷做为输出信号。+++++-----FF+++++-----并联C1C2

n个晶体并接时，输出电荷量为单片晶体电荷n倍，总电容为单片晶体电容n倍，输出电压等于单片晶体电压。并接时，输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。输出电压量与单片晶体电荷相同

=RC

RiC3、压电式传感器测量电路

对应于压电式传感器的两种输出方式，可以采用具有高输入阻抗的前置放大器：电压放大器或电荷放大器，对传感器输出的电压或电荷信号进行放大处理，并实现阻抗变换，将传感器的高输出阻抗变为放大器的低输出阻抗。

CaRa电压放大电路uaCcRiCi-Auiuo电压放大器

不讲设作用于压电晶片上的力F=F0sint。则：

而：q=dcF=dcF0sint，其中，R=Ra//Ri，C=Ca+Cc

+

Ci。

CaRa电压放大电路uaCcRiCi-Auiuo即：从而：输入端电压幅值：定义压电传感器输出电压灵敏度：

，，则：当作用力频率与电路时间常数RC足够大时，若压电器件上作用静态力（

=0），Uim和Sui均等于0。即压电传感器不能测量静态力。

若被测量是准静态量，必须增大测量回路时间常数，以维持(RC)2>>1，减少对Uim和Sui

的影响。显然增加电容C会降低灵敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。

Ri越大，低频响应越好。下限频率：

（一般Ra>>Ri）

Uim和Sui与Cc有关，当改变电缆长度或布线方法时，Uim和Sui都会改变，从而导致测量误差。

对动态测量，较大，易满足(RC)2>>1，此时Uim和Sui近似与

无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。

电荷放大器

电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012以上）。CaRa电荷放大电路qCcRiCi-AuiuoCf重点掌握传感器电缆运算放大器

=RC

RiCCaqCcCi-AuiuoCfqC-Auiuo等效电路：（输入阻抗为无穷大，Ra很大）CfC=Ca+Cc

+

Ci

qC-AuiuoCfC=Ca+Cc

+

Ci

A值很大，一般A=104~106，上式为：在此式中，输出电压与C值无关，只有，也就是说，电缆电容并无影响，连接导线有时长达百米（低噪声电缆，工厂称为无噪声电缆）。与电压放大器比较，这是一个突出的优点，但是，电荷放大电路复杂，价格较高。C=Ca+Cc

+

Ci

Cf——反馈电容由于采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作点相当于开环，因此零点漂移较大。为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个大的反馈电阻Rf（约1010~1014）。见下页图qC-AuiuoCfCaRa电荷放大电路qCcRiCi-AuiuoCf传感器电缆运算放大器Rf电荷放大器电荷放大器4、压电式传感器的特点及应用

特点能量转换型（发电型）传感器体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围灵敏度高，稳定性好，可靠。对应用纵向压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与传感器刚度无关。有比较理想的线性，且通常没有滞后现象低频特性较差，主要用于动态测量存在横向效应，影响测量结果应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆。

工作原理可逆只简单讲应用广泛应用于冲击、振动及动态力的测量。注意：压电加速度传感器的上限频率与安装方式有关。概述六、磁电式传感器

输入（被测物理量）——线速度、角速度输出量——感应电动势，磁电式传感器也称为（电磁）感应式或电动式传感器。

根据法拉第电磁感应定律，运动线圈在磁场中切割磁力线或线圈所在磁场磁通变化时，线圈两端会产生感应电动势，其大小和方向为：

其中，N：线圈匝数，：通过线圈的磁通量

原理：电磁感应

变化的方法：

线圈与磁场间的相对运动磁路中磁阻的改变恒定磁场中线圈面积的变化

磁场强度的变化

按照结构方式不同，磁电式传感器可分为①恒磁通的动圈式或动铁式和②变磁通（变磁阻）的磁阻式两种。

线速度型角速度型动圈磁电式速度传感器工作原理动圈式线速度型：

线圈在磁场中作直线运动时，所产生的感应电动势为：

e=NBlvsin其中，N：线圈匝数；

B：磁场强度；

l：单匝线圈的有效长度；

v：线圈与磁场的相对运动速度；

：线圈运动方向与磁场方向的夹角；当传感器结构一定时，N、B、l、

为常数，则线速度型机械量→电量角速度型：当线圈在磁场中旋转时，产生的感应电动势为：

e=kNBA其中，N：线圈匝数；

B：磁场强度；

A：单匝线圈的截面积；

：角速度；

k：与结构有关的系数，k<1。当传感器结构一定时，N

、B、l、、A、k为常数，则：

机械量→电量角速度型动铁式与动圈式工作原理相同，只是运动的是磁铁。永久磁铁线圈金属骨架弹簧壳体（电磁阻尼）显然，磁电式传感器用于动态速度测量。根据位移、速度、加速度间的积分、微分关系，可通过磁电式传感器经过一定的信号处理电路测量位移与加速度。其中，Z0为线圈阻抗，Rc为电缆电阻（可忽略）

Cc为电缆电容，RL为负载电阻。

动圈磁电式传感器等效电路放大器~输出检波eZ0RCCCRLuL传感器电缆下面对等效电路进行分析：若RL>>Z0，则有Cc很小，其容抗很大可略去Rc很小，可略去~eZ0RCCCRLuL传感器电缆注意：

上面讨论的速度是指线圈与磁场（壳体）的相对速度，非壳体的绝对速度。

磁电式传感器工作原理可逆，作为传感器它处于发电状态；若对线圈施加交流激励电压，线圈将在磁场中振动（电动机）。线圈运动产生感应电动势后，线圈中将有电流流过，此电流产生的交变磁通会削弱传感器的磁场磁通，使传感器灵敏度降低，导致非线性（可由补偿装置减小非线性）。线速度型磁阻式

磁阻式传感器线圈与磁头彼此无相对运动，而是由运动的导磁物体改变磁路磁阻，引起磁力线的增强或减弱，使线圈产生感应电动势。

不讲磁电式测转速CD系列磁电式速度传感器水平速度传感器垂直速度传感器三轴向速度传感器两轴向速度传感器第三节光学传感器之光纤光纤传感器以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维传输光信号。

光导纤维结构与传输原理

光纤由内芯（折射率n1、直径几十m）、包层（折射率n2<n1、外径<200m）及护套（n3>>n2）组成。

光导纤维水下光缆管道带状光缆n2<n1光纤由内芯（折射率n1、直径几十m）、包层（折射率n2<n1、外径<200m）及护套（n3>>n2）组成。

光纤超声定位传感器光纤工作的基础是光在光纤界面内产生全发射传播。由折射定律：

如使光线在内芯与包层界面上产生全反射，应=90。此时全反射临界角：只有保证c，才能发生全反射，并在光纤内芯中反复逐次反射，直至传播到另一端面。显然，光线自光纤端部射入，其入射角必须满足一定的条件才能使折射入光芯的光线满足光纤传输的全反射条件。由，有：n0为光纤周围介质的折射率，对于空气n0=1。c为光线最大入射角，定义NA=纤的数值孔径。NA是标志光纤接受能力的重要参数，无论光源发射功率多大，只有2c张角内的光能被光纤接受传输。在2c张角之外的光线将从包层中逸出，产生漏光而最终消失，无法沿光纤传输。为光一般，NA大，有利于光耦合效率的提高，但NA过大，光信号传输畸变严重，因为，对点光源，以不同角度入射的光线在界面上反射次数不同，导致同一光信号沿多种途径传播，以不同的光程到达接受端。通常，作为传感器的光纤0.2NA<0.4。

光纤传感器的特点光波传输，抗扰能力强无火花、无短路故障，可用于易燃、易爆环境化学性能稳定，耐高压、耐腐蚀重量轻、体积小、可挠性好，利于在狭窄空间使用频带宽、动态特性好，可实现非接触测量易于实现远距离测量技术复杂、成本高第五节半导体传感器及仪器

概述半导体传感器利用半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等物理量的敏感性制成的物性型敏感器件。

霍尔元件——磁电转换传感器

置于均匀磁场中的通电半导体（锗、锑化铟、砷化铟等），在垂直于电场和磁场的方向产生横向电场的现象称为霍尔效应，相应电场称为霍尔电场。一、磁敏式传感器CurrentMagneticFluxHallvoltage霍尔所产生的电动势为下面的式子（N型半导体）所示：霍尔系数霍尔元件霍尔片四极引线壳体H霍尔元件霍尔开关霍尔效应的产生是运动电荷受磁场中洛伦磁力作用的结果。假设一通以固定电流i的N型半导体薄片置于与薄片厚度方向平行的磁场B中，则其中运动的载流子（电子）将受到洛伦磁力FL的作用向一边偏移，并形成电子累积，另一边积累正电荷，产生电场。该电场对电子产生电场力FE，阻止运动电子的继续偏转，当FE=FL时，电子积累达到动态平衡。此时电场即为霍尔电场。

VH=kHiBsin其中，kH：霍尔常数，取决于材质、温度、元

件尺寸（厚度）

：

电流与磁场方向的夹角。显然，改变i或B，即可改变VH。霍尔电场对应的电势称为霍尔电势（VH），其大小为：光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长。缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。1、光敏电阻（光导管）二、光敏式传感器CdS光敏电阻可单独或与其他各类传感器配套，广泛应用于照相机光圈控制、光电自动控制、光电耦合、自动灯开关及各类可见光波段光电控制测量场合。

CdS（硫化镉gé）光敏电阻光敏电阻的结构及表示符号退出梳状电极面积较大时采用光敏电阻薄腊上蒸镀金属开成梳状电极。光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。2、光电池光电池的构造和表示符号2、光敏管当二极管和三极管的PN结受到光照射时，通过PN结的电流将增大。光敏二极管和光敏三极管则必须使PN结能受到最大的光照射，所以PN结装在管的顶部上面有一个用透镜制成的窗口，以使入射光集中照在PN结上。光敏二极管与光敏三极管光敏二极管和光敏三极管体积很小，应用极为广泛。光敏二极管光耦合隔离器、光学数据传输装置和测试技术中广泛应用；光敏三极管高电流响应器件。光敏三极管有两个PN一般基极无引线。真空光电管Dynode倍增极InputWindowPhotoCathode光电倍增管红外传感器（光敏三极管）硅光电池东方网11月20日消息：这是位于西藏藏北无人区西部尼玛县新建成的光伏电站用来发电的大型硅光电池版。现代化走进藏北高原无人区：大型硅光电池三、热敏式传感器四、气敏式传感器所谓半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。半导体气敏传感器的种类如表

主要物理特性传感器举例工作温度典型被测气体电阻式表面控制型氧化银、氧化锌室温～450℃可燃性气体体控制型氧化钛、氧化镁、氧化钴室温～700℃酒精、氧气非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温～200℃氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应晶体管室温～150℃氢气、硫化氢车辆驾驶人员血液酒精含量大于或等于20mg/100ml，小于80mg/100m1的，属于酒驾；血液酒精含量大于或等于80mg/100m1的，属醉驾饮酒后驾驶机动车的，处暂扣六个月机动车驾驶证，并处一千元以上二千元以下罚款。因饮酒后驾驶机动车被处罚，再次饮酒后驾驶机动车的，处十日以下拘留，并处一千元以上二千元以下罚款，吊销机动车驾驶证。“醉酒驾驶机动车的，由公安机关交通管理部门约束至酒醒，吊销机动车驾驶证，依法追究刑事责任；五年内不得重新取得机动车驾驶证。5、湿敏传感器

一、绝对湿度与相对湿度

所谓湿度，是指大气中所含的水蒸气量。它有两种最常用的表示方法，即绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量，可用“kg/m3”表示。绝对湿度也称水气浓度或水气密度。

绝对湿度也可用水的蒸气压来表示。设空气的水气密度为ρv，与之相应的水蒸气分压为pv，根据理想气体状态方程，可以得出其关系式为

m——水气的摩尔质量；R——摩尔气体普适常数；T——绝对温度。

在实际生活中，许多现象与湿度有关，如水分蒸发的快慢。然而除了与空气中水气分压有关外，更主要的是和水气分压与饱和蒸气压的比值有关。因此有必要引入相对湿度的概念。相对湿度为某一被测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数，常用%RH表示。这是一个无量纲的值。显然，绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出了大气的潮湿程度，故使用更广泛。由于相对湿度低，人体表皮水分大量散失，导致人的皮肤弹性下降，加速皮肤衰老，出现表皮粗糙、细胞脱落等现象，一定程度上降低了皮肤抵抗病菌的能力这种环境中居住，人易患呼吸道疾病和出现口干、唇裂、流鼻血等现象相对湿度过低，还会导致木材水分散失，引起家具或木质地板变形、开裂和损坏；钢琴、提琴等对湿度要求高的乐器不能正常使用；文物、档案和图书脆化、变形。相对湿度过高，又易使室内家具、衣物、地毯等织物生霉，铁器生锈，电子器件短路，地毯、壁纸发生静电现象，对人体有刺激，甚至诱发火灾。二、氯化锂湿敏电阻

氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。

典型的氯化锂湿度传感器有登莫（Dunmore）式和浸渍式两种。三、半导瓷湿敏电阻

制造半导瓷湿敏电阻的材料，主要是不同类型的金属氧化物。

有一些材料电阻率随湿度的增加而下降，故称为负特性湿敏半导瓷。还有一种材料（如Fe3O4半导瓷）的电阻率随着湿度的增加而增大，称为正特性湿敏半导瓷。

电荷耦合器件（CCD）——固态图象传感器

外光电效应：在光线作用下使物体的电子逸

出表面的现象；如光电管、光电倍增管。

内光电效应：在光线作用下使物体电阻率改

变的现象；如光敏电阻等。

阻挡层光电效应：在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象；如光电池、光敏晶体管等。也称光生伏特效应。光电效应

六、固态图象传感器

CCD

CCD是利用内光电效应由单个光敏元构成的光传感器的集成化。它集电荷存储、移位和输出于一体，应用于成像技术、数据存储和信号处理电路等。其中作为固态成像具有图象失真小、体积小、重量轻、可靠性高、工作电压低（<20V）、动态范围大和不需强光照射等优点。其光波范围从紫外区及可见光区到红外区。

CCD光敏元CCD的基本单元是MOS光敏元，是一种金属-氧化物-半导体硅结构元形成的电容器。CCD的特点是以电荷为信号传输。

如图，在P型Si基片上热氧化生成约100nm氧化层SiO2），再在氧化层上沉积一层金属电极构成一MOS电容器。当在金属电极（栅极）上施加正阶跃电压，半导体电极（衬底）接地，在电场作用下，靠近SiO2层的P-Si中带正电荷的多数载流子空穴被排斥（“耗尽”），形成耗尽区。对带负电的电子，该区势能很低，称为“势阱”。在一定条件下，电压越高，势阱越深。

如果此时有光从栅极通过透明的SiO2层照射在P-Si片上，耗尽区吸收光子将产生电子-空穴对，在栅极电压作用下，空穴被排斥出耗尽区，光生电子被势阱吸收存储。这样高于半导体禁带宽度的那些光子，能建立起正比于光强的存储电荷。将多个光敏元排列在一体，在光线照射下产生与光强成正比的光生载流子信号电荷，若使其具有转移信号电荷的自扫描功能，即构成固态图象传感器。而MOS光敏元称为像素。电荷移位过程若MOS光敏元相邻排列间距极小，耗尽区发生交迭（势阱耦合），电子将在互相耦合的势阱间流动，流动的方向取决于势阱的深度。这样即可有控制地将电荷从一个金属电极下转移到另一个电极下。

CCD应用

第六节波式传感器第1节超声波第2节微波第3节核辐射第4节红外第1节超声波式传感器一、超声波及其物理性质

频率在16～2×104Hz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16Hz的机械波称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波。如图

超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。超声波从一种介质入射到另一种介质时,在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。

1.超声波的波型及其转换由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。

①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵波。（固体、液体和气体中传播）②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。（固体中传播）③表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。（固体的表面传播）当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还发生横波的反射及折射。在某种情况下，还能产生表面波。各种波型都符合反射及折射定律。传播速度，取决于介质的弹性常数及介质的密度。由于气体和液体的剪切模量为零，所以超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。气体中的声速344m/s、液体中声速在900~1900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90%。2.超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一介质，在两介质的分界面上将发生反射和折射，见图(1)反射定律入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角α等于反射角α′。(2)折射定律入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波中介质的波速c1与折射波中介质的波速c2之比，即

3.声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律如下：

px,lx——平面波在x处的声压和声强；

p0,l0——平面波在x=0处的声压和声强；

α——衰减系数。

声波在介质中传播时，能量的衰减，取定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，就是随着声波传播距离的增加，在单位面积内声能将要减弱。散射衰减就是声波在固体介质中颗粒界面上散射，或在流体介质中有悬浮粒子使超声波散射。而声波的吸收是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后等造成的。吸收随声波频率的升高而增高。二、超声波传感器的应用

1.超声波传感器

为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再返回到接收探头，这就是超声波测距原理。

超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的逆压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。而利用正压电效应则将接收的超声振动转换成压电信号，可作为接收探头。

超声波探头的具体结构如图

超声波探头结构a)发射探头b)接收探头

1—导线2—压电晶片1—导线2—弹簧

3—音膜4—锥形罩3—压电晶片4—锥形罩2.超声波测厚

超声波测量金属零件的厚度，具有测量精度高，测试仪器轻便，操作安全简单，易于读数及实行连续自动检测等优点。

超声波测厚常用脉冲回波法。脉冲回波法检测厚度的工作原理如图

如果超声波在工件中的声速v是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波从发射到接收的时间间隔T可以测量，因此可求出工件厚度为

3超声波物位传感器超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。图10-4给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图10-4（a）所示。由于超声波在液体中衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图10-4（b）所示。这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。图10-4几种超声物位传感器的结构原理示意图(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为则（10-9）（10-10）式中：h——换能器距液面的距离；

c——超声波在介质中传播的速度。对于如图10-4所示双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而（10-11）因此液位高度为（10-12）式中：s——超声波从反射点到换能器的距离；

a——两换能器间距之半。从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的物位。超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会产生较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为±0.1%。

4超声波流量传感器

超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要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，便可知道流体的流量。如果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10-5所示。如设顺流方向的传播时间为t1，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c，流体流动速度为v，则（10-13）（10-14）图10-5超声波测流量原理图一般来说，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（10-15）由于c>>v,从上式便可得到流体的流速，即（10-16）图10-6超声波传感器安装位置此时超声波的传输时间将由下式确定：（10-17）（10-18）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、高粘度的流体，还是浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量。还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。5、医学诊断第2节微波式传感器一、微波的基础知识微波是波长为1m～1mm的电磁波，既具有电磁波的性质，又不同于普通的无线电波和光波。微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点：

①空间辐射的装置容易制造；

②遇到各种障碍物易于反射；

③绕射能力较差；

④传输特性良好，传输过程中受烟、灰尘、强光等的影响很小；

⑤介质对