安全检测技术2章-常用传感器

第二章安全检测常用传感器第一节传感器的作用及分类第二节结构型传感器第三节物性传感器第四节其他类型传感器第五节传感器的选用原则第一节传感器的作用及分类1.1、传感器的基本概念1.2、传感器的作用1.3、传感器的分类1.1、传感器的基本概念1、敏感原件定义：能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。例如：铂电阻：温度敏感元件弹性膜盒：压力敏感元件注意：减少敏感元件受环境因素的影响1.1、传感器的基本概念2、传感器从广义上讲，传感器是将被测物理量按一定规律转换为与其对应的另一种(或同种)物理量输出的装置通常的定义，传感器是将被测非电物理量(如力、压力、重力、力矩、应力、应变、位移、速度、加速度、流量、振动、噪声等)转换成与之对应的并易于精确处理的电量或电参量(如电流、电压、电阻、电感、电容、电荷、频率、阻抗等)输出的一种检测装置。1.1、传感器的基本概念3、变送器凡输出标准信号的传感器就称为变送器。标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如：直流电压0~10v优点：便于把各种变送器和其他仪表组成监测系统1.1、传感器的基本概念4、信号转换器是指将一种信号转换成另一种信号的装置。信号是信息存在的形式或载体。在自动化仪表设备和自动控制系统中，常将一种信号转换成另一种与标准量或参考量比较后的信号，以便将两类仪表联接起来，因此，转换器常常是两个仪表（或装置）间的中间环节。1.2、传感器的作用传感器是获得信息的正确与否，关系到整个检测与控制系统的精度。如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器、指示仪等的精度再高也将难以提高整个检测系统的精度。

1．3传感器的构成敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。膜盒就是敏感元件,其外部与大气压pa相通,内部感受被测压力p,当p变化时,引起膜盒上半部移动,即输出相应的位移量。可变电感3是转化元件,它把输入的位移量转换成电感的变化。5即为转换电路。

由一个敏感元件(兼转换元件)组成,它感受被测量时直接输出电量1.４传感器的分类1．按输入量（被测对象)分类输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。其中，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等等。这种分类方法给使用考提供了方便，容易根据被测对象选择所需要的传感器。1.４传感器的分类2．按转换原理分类从传感器的转换原理来说，通常分为结构型、物性型两大类。结构型：结构型传感器是利用机械构件(如金属膜片等)在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应(即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等)实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。1.４传感器的分类3．按能量转换的方式分类按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等(如磁电式、压电式、光电池、热电偶等)。无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。凡是不利用电路自身电流(电压)而受感自身能产生自感式电位信号的传感器均是无源传感器。1.４传感器的分类4．按输出信号的形式分类按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式。5．按输入和输出的特性分类按输入、输出特性，传感器可分为线性和非线性两类。第二节结构型传感器2.1电阻式传感器2.2电容式传感器2.3电感式传感器2.4磁电式传感器2.1电阻式传感器电阻式传感器是将非电量(如力、位移、形变、速度、加速度和扭矩等参数)转换为电阻变化的传感器。其核心转换元件是电阻元件，将非电量的变化转换成相应的电阻值的变化，通过电测技术对电阻值进行测量，以达到对上述非电量测量的目的。2.1电阻式传感器1．电阻式传感器原理从上式可见，若导体的三个参数(电阻率、长度和截面积)中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。例如，若改变长度L，则可形成电位器式传感器，改变L

、A和ρ则可做成电阻应变片；改变ρ则可形成热敏电阻、光导性光检测器等。下面介绍两种最常用的电阻式传感器：电位器式传感器和应变片式传感器。2.1电阻式传感器2．电位器式传感器电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。电位器式传感器分为线绕式和非线绕式两大类。线绕电位器是最基本的电位器式传感器；非线绕式电阻传感器则是在线绕电位器的基础上，在电阻元件的形式和工作方式上有所发展，包括薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器等。线绕电位器式传感器的核心，即转换元件是精密电位器。2.1电阻式传感器线绕电位器式传感器原理图2.1电阻式传感器线绕电位器主要由骨架、绕组、电刷、导电环及转轴等部分组成。线绕电位器的骨架一般由胶木等绝缘材料或表面覆有绝缘层的金属骨架构成。根据需要，骨架可做成不同的形状，如环带状、弧状、长方体或螺旋状等

特点：

优点：结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；可以实现输出—输入间任意函数关系；输出信号大，一般不需放大。

缺点：因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；

由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。

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)整个电阻值的偏差;6)寿命;变阻器式传感器的分类按测量类型：单圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器按制作方式：线绕电位器导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉变阻器式传感器产品案例：重量的自动检测--配料设备

比较重量设定原材料原理：弹簧->力->位移

->电位器->电阻案例：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝->收线圈数

->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2.1电阻式传感器3．电阻应变式传感器组成：弹性敏感元件和电阻应变片原理：当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电阻的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，从而确定被测量的大小。2.1电阻式传感器主要优点是：(1)由于电阻应变片尺寸小、重量轻，因而具有良好的动态特性。而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布基本上没有影响，适用于静态和动态测量；(2)测量应变的灵敏度和精度高，可测量1~2μm应变，误差小于1％~2％；(3)测量范围上，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形，变形范围从1％~20％；(4)能适应各种环境，可在高(低)温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。缺点：输出信号微弱，在大应变状态下具有较明显的非线性等电阻应变式传感器的应用：测力组成：弹性元件、应变片、外壳弹性元件：被测量应变量应变片：应变量电阻量的变化承载能力大弹性元件中部的外侧面上轮辐式悬臂梁式：灵敏度高，小载荷高精度测量固有频率高，可承受大载荷重型载荷的电子秤环式：中小载荷，稳定性好案例：桥梁固有频率测量固有频率改变结构改变结构安全检查重要桥梁通常每年进行一次用载重20吨、30吨、....的卡车以每小时40公里、80公里的速度通过大桥在桥梁中部的桥面上设置一个三角枕木障碍，当前进中的汽车遇到障碍时对桥梁形成一个冲击力，激起桥梁的脉冲响应振动。应变信号桥梁的固有频率案例：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。2.2电容式传感器

1，电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器常用的是平板电容器和圆筒形电容器。1)平板电容器平板电容器由两个金属平行板组成，通常以空气为介质C——电容量(F)；ε0——真空介电常数；εr——极板间介质的相对介电常数；A——极板的有效面积(m2)；d——两平行极板间的距离(m)2.2电容式传感器电容式传感器可依此划分为三种类型:变间隙型(d变化)、变面积型(A变化)变介质型(ε变化)。在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于另两种型式，变间隙型电容传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A的变面积型电容传感器只适用于测量厘米数量级的位移。2.2电容式传感器2)圆筒形电容器圆筒形电容器由内外两个金属圆筒组成，设动极筒的外半径为r，定极筒的内半径为R，动极筒伸进定极筒的长度为l2.2电容式传感器变极距型电容传感器变极距型电容传感器如图3—8所示，它有一个固定极板和可动极板，其间为空气介质。当传感器的ε0和A为常数、初始极距为d时，其初始电容量为2.2电容式传感器差动变极距型电容传感器上下为定极板，中间为动极板，在初始位置时，d1=d2=d，C1＝C2＝C差动式电容传感器比单个电容传感器的灵敏度提高一倍，非线性误差大大降低，减小一个数量级。与此同时，差动电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效地进行温度补偿。2.2电容式传感器4．电容式传感器测量电路电容式传感器将被测量转换成电容量的变化，但由于电容及其变化量均很小，因此必须借助测量电路检测出这一微小电容及增量，并将其转换成电压、电流或频率，以便于显示、记录或传插。电容式传感器的测量电路种类很多，除电桥电路外，还可采用运算放大器电路、调频电路和差动脉冲宽度调制电路等。2.2电容式传感器电容传感器测量电路具有如下特点：(1)不论是极距变化型或面积变化型，其输入与输出变化量都呈线性关系，而且脉冲宽度调制电路对传感元件的线性要求不高；(2)不需要解调电路，只要经过低通滤波器就可以得到直流输出；(3)调宽脉冲频率的变化对输出无影响；(4)由于采用直流稳压电源供电，不存在对其波形及频率的要求。所有这些特点都是其他电容测量电路无法比拟的。47电容式位移传感器48电容式差压传感器

这种传感器结构简单，灵敏度高，响应速度快(约100ms)，能测微小差压(0~0.75Pa)。

49差动式电容测厚传感器50电容式料位传感器测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。当罐内放入被测物料时,由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化，电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关，且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。电容式传声器（Microphone）电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声音信号与电信号的转换。电容式传声器（Microphone）电容式加速度传感器加速度传感器在汽车中的应用装有传感器的假人气囊电容测厚仪电容式荷重传感器F绝缘材料动极板定极板极板支架弹性体当被测液体的页面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变化。液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。电容式液位计（变介质型）振荡电路感应电极被测物体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.由此便可控制开关的接通和关断;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。电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式转速传感器电容式键盘常规的键盘有机械按键和电容按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。电容式指纹传感器指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。2.3电感式传感器

电感式传感器是利用电感元件把被测物理量的变化转换成电感的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压(或电流)信号。它可把各种物理量如位移、压力、流量等参数转换成电输出。因此，能满足信息的远距离传输、记录、显示和控制等方面的要求，在自动控制系统中应用十分广泛。电感式传感器有如下几个特点：(1)结构简单，无活动电触点，工作可靠，寿命较长；(2)灵敏度和分辨率高。电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出；(3)线性度和重复性比较好，在一定位移(如几十微米至几毫米)内，传感器非线性误差可做到0.05％~0.1％，并且稳定性好。2.3电感式传感器1．自感式电感传感器1)自感式电感传感器原理自感式电感传感器主要用来测量位移或者是可以转换成位移的被测量，如振动、厚度、压力、流量等。工作时，衔铁通过测杆与被测物体相接触，被测物体的位移将引起线圈电感量的变化，当传感器线圈接入测量转换电路后，电感的变化将被转换成电压、电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。2.3电感式传感器2．互感式电感传感器互感式电感传感器是利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的变化。互感式电感传感器实际上是一个具有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。变压器初级线圈接入交流电源时，次级线圈因互感作用产生感应电动势，当互感变化时，输出电势亦发生变化。由于它的两个次级线圈常接成差动的形式，故又称为差动变压器式电感传感器，简称差动变压器。差动变压器式加速度传感器稳压电源振荡器检波器滤波器～220Va输出1悬臂梁；2差动变压器；3衔铁12a3

用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.1～5)mm，振动频率为(0～150)Hz。1接头；2膜盒；3底座；4线路板；5差动变压器；6衔铁；7罩壳1234567微压力变送器可分档测量(–5×105～6×105)N/m2压力，输出信号电压为(0～50)mV，精度为1.5级。电感测微仪探头测量电桥交流放大相敏检波指示器振荡器测量力或压力张力测量2.4磁电式传感器磁电传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械能转换为易于测量的电信号，是一种有源传感器，有时也称为电动式或感应式传感器。制作磁电式传感器的材料有导体、半导体、磁性体、超导体等。利用导体和磁场的相对运动产生感应电动势的电磁感应原理，可制成各种类型的磁电式传感器和磁记录装置；利用强磁性体金属的各向异性磁阻效应，可制成强磁性金属磁敏器件；利用半导体材料的磁阻效应可制成磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三圾管等。磁电感应式传感器的应用

1.振动测量

磁铁与线圈之间相对运动，运动速度接近振动速度，磁路气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势2磁电式扭矩传感器3电磁流量计第三节物性传感器3.1压电式传感器3.2半导体敏感元件3.3光电传感器3.4霍尔传感器3.1压电式传感器某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。

逆向压电效应是指当某晶体沿一定方向受到电场作用时，相应地在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力，又称电致伸缩效应。当外加电场撤去后，晶体内部的应力或变形也随之消失。3.1压电式传感器压电材料具有压电效应的电介质叫压电材料，常见的压电材料分为三类：压电晶体、多晶压电陶瓷和新型压电材料。1)压电晶体石英是典型的压电晶体，石英具有很大的机械强度，在研磨质量好时，可以承受700~1000kg／mm2的压力，并且机械性质也较稳定。除天然石英和人造石英晶体外，近年来铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、锗酸锂LiGeO3等许多压电单晶在传感技术中也获得广泛应用。3.1压电式传感器2)多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体，主要有极化的铁电陶瓷(钛酸钡)等。由于压电陶瓷的压电常数大，灵敏度高，价格低廉，在一般情况下，都采用它作为压电式传感器的压电元件。3.1压电式传感器3)新型压电材料新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。有机压电薄膜是由某些高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成的具有压电特性的薄膜，如聚仿氟乙烯、聚氖乙烯等。压电半导体是指既具有半导体特性又具有压电特性的材料，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。3.1压电式传感器压电传感器的测量电路压电传感器的输出信号很微弱，而且内阻很高，一般不能直接显示和记录，需要采用低噪声电缆把信号送到具有高输入阻抗的前置放大器。前置放大器有两个作用，一是放大压电传感器的微弱输出信号；另一作用是把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。如图是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。图1压力式单向测力传感器结构图压电式传感器的应用传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1~0.5mm，外力作用使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其纵向压电效应，通过d11实现力—电转换。下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。图2压电式加速度传感器结构图例1压电式加速度传感器当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即F=ma式中：F——质量块产生的惯性力；

m——质量块的质量；

a——加速度。与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为例2压电式压力传感器图3压电式测压传感器引线壳体基座压电晶片受压膜片导电片p当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为即：压电式压力传感器的输出电荷q与输入压强P成正比。例3压电式声传感器压电陶瓷换能器结构图铝头螺钉黄铜尾部压电陶瓷圆环当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。例4压电式流量计图4压电式流量计流量显示输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电超声换能器每隔一段时间(如1/100s)发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。例5压电式传感器在测漏中的应用ABO点LALB地面L如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。两者时间差为Δt=tA-tB=（LA-LB

）/v又L=LA+LB，所以例6压电声传感器在超声速测量实验中的应用图5超声速测量实验装置信号发生器S1示波器频率计S2l游标卡尺当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发生器。当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器S2是声频信号接收器。返回3.2半导体敏感元件随着材料科学的发展，各种新型半导体材料不断被研制出来，以这些新型半导体材料制成的各种类型的传感器，按照前面的分类方法，也可以分为结构型(如各种电阻敏感元件及敏感电极等)和物性型(如各种光电、热电、磁电转换元件)两大类。3.2半导体敏感元件1．半导体热敏电阻1)分类及特性半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型，即负电阻温度系数热敏电阻(NTC)、正电阻温度系数热敏电阻(PTC)和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻(CTR)。使用CTR组成热控制开关是十分理想的，但在温度测量中，则主要采用NTC3.2半导体敏感元件2)使用时的注意事项在使用热敏电阻时，也要注意到自热效应问题,但是，必须特别注意的有如下两点Ⅰ．热敏电阻温度特性的非线性热敏电阻随温度变化呈指数规律，也就是说，其非线性是十分严重的。当需要进行线性转换时，就应考虑其线性化处理II．热敏电阻器特性的稳定性和老化问题早期热敏电阻器的应用曾因其特性的不稳定、分散性、缺乏互换性和老化问题而受到限制。近十几年来，随着半导体工艺水平的提高，产品性能已得到很大的改善。现在已研制出精度优于热电偶，并具有互换性的热敏电阻，而且还能制造出300℃以下可忽略老化影响的产品。但不同厂家产品质量差异还比较大，使用时仍应认真选择。3.2半导体敏感元件2．气敏电阻气敏电阻是由金属氧化物烧结而成的半导体电阻元件，当环境中气体的成分或浓度发生变化时，导致气敏电阻的阻值发生变化，其变化范围在103~105数量级之间。气敏电阻半导体材料亦分为N型半导体与P型半导体两种。N型材料如SnO2、ZnO、CdO、W2O3、MnO2、ThO2、TiO2等；P型材料如MoO2、NiO、CoO、Cu2O、Cr2O3等，均为金属氧化物。其工作机理主要是由于各种可燃性气体的离解能比较小，容易失去电子，在遇到N型半导体材料时，由于其晶格氧离子缺位，气体中的电子向半导体移动，使半导体中载流子浓度增加，内阻减小；当遇到P型导体材料时，由于其阳离子缺位，呈空穴导电性，使半导体中载流子浓度下降，内阻增加。3.2半导体敏感元件气敏电阻的结构如图所示。图中1为气敏半导体材料，体积很小，直径在1mm以内；2为加热电极；3为引出端电极，均为φ0.05mm铂电阻丝。在四个电极的支摔下封装在不锈钢防爆网内，构成气敏电阻。应用举例

1）低功耗超温报警器在日常生活和生产实践中,有许多需要对环境温度进行监视、报警和控制的例子,例如防火、大棚温度、冷库、宾馆和粮仓等。利用温敏Z—元件,可以研制出多种低功耗控温及报警装置。图10.3的报警器中,温度传感器使用温敏Z—元件,而且是反向使用。Z—元件的反向电流是随着环境温度的升高而增大。图10.3低功耗超温报警器电路

2）冰柜温控器随着人们生活水平的提高,对低温冷藏类家用电器的需求日益增加。Z—元件低温工作性能独特,非常适合开发各种低温工作的温控器。图10.4温控器的温度传感器使用温敏Z—元件,其工作方式为M1区向M3区转换而输出的“+”跳变信号,用以触发可控硅V8从而使继电器J1动作,J1的触点JI-1接通致冷泵M,使其运转,而触点J1-2断开。图10.4冰柜温控器电路3.3光电传感器

光电传感器能将被测量的变化通过光信号的变化转换成电信号〔电压、电流、电阻等)。具有这种功能的材料称为光敏材料，用光敏材料制成的器件称光敏器件光传感器的精度高，分辨力高、可靠性高、抗干扰能力强，并可进行非接触测量。除可直接检测光信号外，还可间接测量位移、速度、加速度、温度、压力等物理量，所以它的发展很快，获得广泛应用3.3光电传感器

光的特性光具有波粒二象性，既具有波动的本性，又具有粒子的特性1．光电管（1）结构光电阴极有的是帖附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上。阴极对光敏感的一面是内向的。在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。光电阳极真空玻璃泡光电阴极光电阳极光电阴极（２）原理当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。3.3光电传感器充气光电管的结构基本与真空光电管相同，只是管内充以少量的惰性气体，如氖气等。当光电管阴极被光线照射产生电子后，在趋向阳极的过程中，由于电子对气体分子的撞击，将使惰性气体分子电离，从而得到正离子和更多的自由电子，使电流增加，提高了光电管的灵敏度。但充气光电管的频率特性较差，温度影响大，伏安特性为非线性等，所以在自动检测仪表中多采用真空光电管。3.3光电传感器

光敏电阻1)结构和原理光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小3.3光电传感器光敏二极管和光敏三极管1)结构及工作原理光敏二极管的结构与一般二极管相似，它装在透明玻璃外壳中，PN结位于管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，反向电流也叫暗电流，这时光敏二极管处于截止状态。当光照射时，光敏二极管处于导通状态，工作原理与光电池类似。光敏三极管的结构与一般三极管很相似，有PNP型和NPN型两种光电传感器的应用光电传感器应用举例1．反射式烟雾报警器（a）结构（b）电路图3.45烟雾报警器光电传感器的应用

2．光电转速计光电转速计如图6.22所示。在待测转速铀上固定一带孔的设置盘，在设置盘一边为恒光源，另一边接光电转换器。当光电转换器V1无光照时，V1、T1、T2截止，T3饱和，UO为低电平。当恒光源产生的光通过小孔照到光电传感器上，即V1有光照时，V1、T1、T2导通、T3截止，UO为高电平，因此转轴每转一周，电路就输出一个脉冲信号，送入计数器进行计数，通过计算可以得出转速，并可通过显示器进行显示。光电传感器的应用图3.46光电转速计光电传感器的应用3．条形码扫描笔扫描笔的结构如图6.23所示，前方为光电读入头，当扫描笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管发出的光线将被黑线吸收，光敏三极管接受不到反射光，呈现高阻抗，处于截止状态；当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管，光敏三极管产生光电流而导通。整个条形码被扫描笔扫过之后，光敏三极管将条形码变成了一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成了脉冲列，再经计算机处理后，完成对条形码信息的识读。图6.23条形码扫描笔3.4霍尔传感器

1．霍尔效应1879年，霍尔发现在通有电流的金属板上加一匀强磁场，当电流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的金属板的两表面间出现电势差，这个现象称为霍尔效应，这个电势差称为霍尔电动势。3.4霍尔传感器

2．霍尔元件由于导体的霍尔效应很弱，霍尔元件都用半导体材料制作。目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的霍尔灵敏度系数、温度特性、线性度均较好。3.4霍尔传感器霍尔元件的应用1)利用U与I的关系当磁场恒定时，在一定温度下，霍尔电势U与控制电流I呈很好的线性关系，利用这一特性，霍尔元件可用于直接测量电流，也可用于测量能转换为电流的其他物理量。2)利用U与B的关系当控制电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比。利用这个关系可以测量交、直流磁感应强度、磁场强度等。3.4霍尔传感器3)利用U与I、B的关系如果控制电流为I1，磁感应强度B由励磁电流I2产生，则霍尔电势可表示为利用上述乘法关系，将霍尔元件与激励线圈、放大器等组合起来，可以做成模拟运算的乘法器、开方器、平方器、除法器等各种运算器。霍尔传感器用于测量磁场强度

霍尔元件测量铁心气隙的B值霍尔转速表

在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁霍尔转速表原理

当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔霍尔转速表的其他安装方法

只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件磁铁霍尔式无触点汽车电子点火装置

采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。

汽车点火线圈高压输出接头12V低压电源输入接头霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理

采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图

1-触发器叶片

2-槽口

3-分电器转轴

4-永久磁铁

5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）

a）带缺口的触发器叶片

b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系c）叶片位置与点火正时的关系

霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）

当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。

汽车电子点火电路及波形

1—点火开关2—达林顿晶体管功率开关3—点火线圈低压侧4—点火线圈铁心5—点火线圈高压侧

6—分火头

7—火花塞

a）电路

b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形

当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出30~50kV的高电压。

汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍尔传感器及点火总成磁铁点火总成霍尔式无刷电动机

霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。

普通直流电动机使用的电刷和换向器无刷电动机在电动自行车上的应用

电动自行车可充电电池组无刷电动机无刷电动机在电动自行车上的应用

无刷直流电动机的外转子采用高性能钕位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。电动自行车的无刷电动机及控制电路去速度控制器利用PWM调速光驱用的无刷电动机内部结构霍尔式接近开关

当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。霍尔式接近开关

用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。

在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。霍尔式接近开关用于转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍尔ICT霍尔电流传感器

将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔IC

EH=KHIB

I所实现的多媒体界面：I其他霍尔电流传感器其他霍尔电流传感器（续）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示70.9A霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的铁心张开将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？霍尔钳形电流表的使用（续）叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便用钳形表测量电动机的相电流霍尔式电流谐波分析仪

被测电流的谐波频谱铁心的开合缝隙

铁心的杠杆压舌第四节其他类型传感器

一、超生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。超声波测距原理：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。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电信号，可作为接收探头。

1.超声检测仪

超声检测设备和器材包括超声波检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫查装置等。超声检测仪和探头对超声检测系统的性能起着关键性的作用，是产生超声波并对经材料中传播后的超声波信号进行接收、处理、显示的部分。由这些设备组成一个综合的超声检测系统，系统的总体性能不仅受到各个分设备的影响，还在很大程度上取决于它们之间的配合。随着工业生产自动化程度的提高，对检测的可靠性、速度提出了更高的要求，以往的手工检测越来越多地被自动检测系统取代。

（一）超声波检测方法

2.超声检测方法

超声波检测仪是超声检测的主体设备，是专门用于超声检测的一种电子仪器。它是根据超声波传播原理、电声转换原理和无线电测量原理设计的，种类繁多，性能也不尽相同，脉冲式超声波检测仪应用最广泛。(1)超声波检测仪的作用。它的作用是产生电振荡并加于换能器——探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大处理后以一定方式显示出来，从而得到被探测工件内部有无缺陷及缺陷的位置和大小等信息。

（2）按缺陷显示方式分类：脉冲式检测仪按回波信号的显示方式又可分为A型显示、B型显示和C型显示三种类型。

A型显示是一种波形显示，屏幕的横坐标代表声波的传播时间（或距离），纵坐标代表反射波的声压幅度。可以认为该方式显示的是沿探头发射声束方向上一条线上的不同点的回波信息。图为A型显示原理图，T表示发射脉冲，F表示来自缺陷的回波，B表示底面回波。A型显示的缺点：难以判断缺陷的几何形状，缺乏直观性。A型显示原理图

B型显示显示的是试件纵断面的一个二维截面图，屏幕纵坐标代表探头在探测面上沿一直线移动扫查的位置坐标，横坐标是声传播的时间（或距离）。该方式可以直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。B型显示原理图

C型显示显示的是试件横断面的一个平面投影图，探头在试件表面做二维扫查，屏幕的二维坐标对应探头的扫查位置。探头在每一位置接收的信号幅度以光点辉度表示。该方式可形象地显示工件内部缺陷的平面投影图像，但不能显示缺陷的深度。

C型显示原理图

A型超声波探伤起始波缺陷反射波底波工件缺陷钢轨探伤车滑板式探头高速钢轨探伤车铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）铁路钢轨探头铁路钢轨对接焊缝探测用探头缺陷铁路钢轨探伤用滑板式探头焊缝管道环焊缝

超声波检测装置管道环焊缝超声波检测装置原理超声探伤仪构件的超声探伤构件的超声探伤构件的超声探伤第四节其他类型传感器二、微波传感器由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。根据这一原理，微波传感器可分为反射式与遮断式两种。(1)反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔，来表达被测物的位置、厚度等参数。(2)遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数。第四节其他类型传感器

三、红外探测器

红外探测器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。光学系统是红外探测器的重要组成部分。根据光学系统的结构分为反射式光学系统的红外探测器和透射式光学系统的红外探测器两种。第四节其他类型传感器四、射线式传感器射线式传感器主要由放射源和探测器组成，利用射线式传感器进行测量时，都要有可发射出粒子αβ或γ射线的辐射源。选择射线源应尽量提高检测灵敏度和减小统计误差。为避免经常更换放射源，要求采用的同位素有较长的半衰期及合适的放射强度。因此，尽管放射性同位索种类很多，但能用于测量的有二十种左右。放射线源的结构应使射线从测量方向射出，而其他方向则必须使射线的剂量尽可能小，以减少对人体的危害。β射线辐射源一般为圆盘状，γ射线辐射源一般为丝状、圆柱状或团片状。图所示为β厚度计辐射源容器，射线出口处装有辐射薄膜，以防灰尘浸入，并能防止放射源受到意外损伤而造成污染。第五节传感器的选用原则5.1传感器的选用指标5.2传感器的选择与应用5.1传感器的选用指标1．灵敏度我们总希望传感器的灵敏度越高越好。因为灵敏度越高，意味着传感器感知的变化量越小，即被测量稍有一微小变化时，传感器就有较大反响。一般来讲，检测精度越高，就要求传感器具有较高的灵敏度。然而要考虑到，当灵敏度高时，与测量信号无关的外界噪声也容易混入，并且噪声也会被放大系统放大。过高的灵敏度将会影响其适用测量范围。*传感器的单向灵敏度越高越好，而横向灵敏度越低越好5.1传感器的选用指标2．响应特性传感器的响应特性是指在所测频率范围内保持不失真的测量条件。实际传感器的响应总有一定的延迟，但希望延迟时间越小越好。一般来讲，利用光电效应、压电效应等制作的物性型传感器，其响应时间短，可工作频率范围宽。而结构型(如电感、电容、磁电式)传感器等，由于受结构特性的影响，以及机械系统惯性质量的限制，其固有频率较低。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响。在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、随机等)。5.1传感器的选用指标3．线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。线性范围越宽，表明传感器的工作量程越大。然而，任何传感器都不容易保证其绝对线性，某些情况下，在保证检测精度的前提下，可利用其近似线性区。例如，变间隙型电容传感器、电感式传感器等，均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量的变化范围，令其非线性误差在允许的范围之内。在进行自动检测的情况下，可利用微机系统，通过软件对传感器的输出特性进行线性补偿，往往可以使其线性范围扩大很多。5.1传感器的选用指标4．稳定性稳定性表示传感器经过长时间使用以后，其输出特性不发生变化的性能，和传感器在正常工作条件下，环境参数(如温度、湿度、大气压力等)的变化对其输出特性影响程度的指标。因而，影响传感器稳定性的因素是时间与环境。为了保证稳定性，在选定传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择较合适的传感器类型。例如湿度会影响电阻应变式传感器的绝缘性能；温度的变化将产生零点漂移；长期使用会发生蛹变现象等。又如：变间隙型电容传感器，环境湿度或油剂侵入间隙时，相当于电容器的介质发生变化；光电式传感器感光表面有尘埃或水汽时，要导致灵敏度下降；磁电式传感器在电场或磁场中工作时，亦会带来测量误差等等。5.1传感器的选用指标5．精确度传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器处于检测系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量值，对整个系统具有直接影响。在实际工作中，并非要求传感器的精确度越高越好。传感器的精确度越高价格也越昂贵。因此应考虑到经济性从实际出发来选择。在确定传感器的精确度时，首先应了解检测的目的和要求，判定是定性分析还是定量分析。如果是属于相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么要求传感器的精密度高，而无需要求绝对量值。如果是进行定量分析，那