机械工程测试技术基础传感器

机械工程测试技术基础传感器第一页，共五十页，编辑于2023年，星期日第三章常用传感器与敏感原件第一节常用传感器分类第二节机械式传感器及仪器第三节电阻、电容与电感式传感器第四节磁电、压电与热电式传感器第五节光电传感器第六节光纤传感器第七节半导体传感器第八节红外测试系统第九节激光测试传感器第十节传感器选用原则第二页，共五十页，编辑于2023年，星期日基本采用石英玻璃，主要由三部分组成中心——纤芯；外层——包层；护套——尼龙料。

光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率n1略大于包层折射率n2(n1

＞n2)。光纤的结构：100~200μm包层玻璃纤维尼龙外层涂敷层纤芯外层直径1mm第六节光纤传感器第三页，共五十页，编辑于2023年，星期日Aθ2θiBCn0n2n1dD光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角θi减小到某一角度θc(临界角)时，光线全部反射。只要θi＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。第四页，共五十页，编辑于2023年，星期日入射角的最大值（端面入射临界角）为：n0为光线外介质的折射率。将n0sinθic定义为光纤的“数值孔径”，用NA表示：光纤的数值孔径越大，能够在光纤内实现全反射的入射角范围越大。传感器光纤，NA一般为0.2～0.4。如是从空气入射，n0=1。则NA=sinθic第五页，共五十页，编辑于2023年，星期日光纤传感器的组成及分类由光源发出的光经光纤引至敏感元件。这时，光的某一参数（光波的强度、频率、相位和偏振）受到被测量的调制，已调光经接受光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。功能型传光型第六页，共五十页，编辑于2023年，星期日按调制方式强度调制频率调制相位调制偏振调制按光纤的作用传光型：其中光纤仅作为光的传播媒质。功能型：光纤不仅传输光波，还起着敏感元件的作用（光波调制）。由于外界因素能引起光波特征参量发生变化，因此只要能测出这些参量是如何随被测量变化的，就可以用它来测温度、压力、电场、振动等物理量。光纤传感器分类：把光波随被测量的变化而变化，称为对光波进行调制。第七页，共五十页，编辑于2023年，星期日反射式位移传感器

光纤采用Ｙ型结构，两束光纤分别作为光源光纤和接收光纤。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。

反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。第八页，共五十页，编辑于2023年，星期日探测器光源n液n1三棱镜光纤光纤液位计第九页，共五十页，编辑于2023年，星期日光纤传感器的特点：1、灵敏度高，传输量大；2、不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；3、可根据需要做成各种形状，可以弯曲；4、可以用于高温、高压，绝缘性好，耐腐蚀。第十页，共五十页，编辑于2023年，星期日光纤传感器第十一页，共五十页，编辑于2023年，星期日第七节半导体传感器一、磁敏传感器利用半导体材料的磁敏特性工作，有霍尔元件、磁阻元件、磁敏管等。1霍尔元件

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。第十二页，共五十页，编辑于2023年，星期日霍尔效应的产生是由于运动电荷受到了磁场中洛伦兹力的作用结果。当洛伦兹力和霍尔电场力等大时，电子积累便达到动态平衡。霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。KH：霍尔常数；α：电流与磁场方向的夹角。第十三页，共五十页，编辑于2023年，星期日霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。优点：结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大、寿命长等。第十四页，共五十页，编辑于2023年，星期日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。第十五页，共五十页，编辑于2023年，星期日汽车速度测量:第十六页，共五十页，编辑于2023年，星期日钢丝绳断裂检查第十七页，共五十页，编辑于2023年，星期日2磁阻元件磁阻效应：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。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。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。第十八页，共五十页，编辑于2023年，星期日磁敏传感器应用实例：第十九页，共五十页，编辑于2023年，星期日二、热敏传感器

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。RT特点：灵敏度高；热惯性小非线性大；对温度敏感RT、RT0：温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；β：热敏电阻的材料常数。第二十页，共五十页，编辑于2023年，星期日产品第二十一页，共五十页，编辑于2023年，星期日还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等第二十二页，共五十页，编辑于2023年，星期日三、气敏电阻传感器原理：当气敏元件吸附了被测气体时，其电导率发生了变化。如生活环境中一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L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、酒精等的探测。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器第二十三页，共五十页，编辑于2023年，星期日气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸附了气体烟雾分子，如一氧化碳等时，二者相互吸收电子的能力不同，使半导体电阻率发生变化，且气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。

第二十四页，共五十页，编辑于2023年，星期日

第二十五页，共五十页，编辑于2023年，星期日燃气报警器烟雾报警器第二十六页，共五十页，编辑于2023年，星期日酒精传感器第二十七页，共五十页，编辑于2023年，星期日06四、湿敏传感器

能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

第二十八页，共五十页，编辑于2023年，星期日五、CCD固态图象传感器

MOS(MetalOxideSemiconductor)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)。第二十九页，共五十页，编辑于2023年，星期日

CCD（Charge-coupledDevice）：电荷耦合元件，它是一种半导体器件，能把光学影像转化为数字信号。CCD由阵列式MOS组成，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。第三十页，共五十页，编辑于2023年，星期日特点:(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.

第三十一页，共五十页，编辑于2023年，星期日相机中CCD与3CCD的比较第三十二页，共五十页，编辑于2023年，星期日GREY=RED*0.299+GREEG*0.587+BLUE*0.114

数码相机第三十三页，共五十页，编辑于2023年，星期日第八节红外测试系统一、红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，位于可见光中红色光以外的光线。波长范围大致在0.76～1000μm，相对应频率大致在HZ之间红外线在电磁波谱中的位置如图所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。13251000……（μm）第三十四页，共五十页，编辑于2023年，星期日红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。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。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。红外辐射在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。第三十五页，共五十页，编辑于2023年，星期日E：某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量。σ：斯蒂芬-波尔兹曼常数，5.6697×10-12w/cm2k4ε:比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比。T：物体的绝对温度。

斯蒂芬-波尔兹曼定律：物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度T的四次方成正比，并与ε成正比。物体温度越高辐射能量越大。斯蒂芬-波尔兹曼定律这是红外检测技术应用的理论基础。

另由普朗克定律知：工程上辐射体温度如在2000K以下，则热辐射主要是红外辐射，低温或常温态的种种物体都会产生红外辐射。第三十六页，共五十页，编辑于2023年，星期日二、红外探测器红外探测器是将辐射能转换成电能的一种传感器。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。1热探测器工作机理：利用红外辐射引起探测元件的温度变化。主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气动型。2光子探测器

工作原理：半导体材料的光电效应。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。第三十七页，共五十页，编辑于2023年，星期日

热电偶型：将热电偶结点涂上黒层置于辐射中，可根据产生的热电动势来测量入射辐射功率的大小。多采用热电堆型（由多个热电偶的串联而成。辐射接收面分为若干块，每块接一个热电偶，把它们串联起来就构成热电堆）。热释电型：

热释电效应：当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱。第三十八页，共五十页，编辑于2023年，星期日热电材料与热释电材料的区别？热电材料一般都是金属或者半金属，在样品两端加一个温度梯度，就可以在样品两端产生温差电势。热释电材料一般都是绝缘体，当样品的温度作为一个整体改变的时候，样品表面释放出电荷。第三十九页，共五十页，编辑于2023年，星期日在非典时期，为了防止感染，测温不得靠近人体，在这样的特殊要求下，就可以采用非接触式的温度监测器。它是由热释电型红外传感器作为温度检测传感器。

利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1

000

℃时，它向外辐射的是红外光，可用红外探测器检测温度。三、红外传感器应用1红外测温仪第四十页，共五十页，编辑于2023年，星期日自动门如何探测人的靠近？第四十一页，共五十页，编辑于2023年，星期日2辐射温度计根据斯蒂芬-波尔兹曼定律进行辐射温度的测量。常用于800

℃以上的高温测量。3红外热像仪

是利用光学系统接受被测目标的红外辐射，能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。第四十二页，共五十页，编辑于2023年，星期日红外摄像机红外成像仪第四十三页，共五十页，编辑于2023年，星期日第九节激光测试传感器激光（laser）：由受激发射的光放大产生的辐射。激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特点，测试方面主要应用激光干涉、激光全息技术。

光的衍射：光绕过障碍物偏离直线传播路径而进入阴影区里的现象。光的衍射第四十四页，共五十页，编辑于2023年，星期日杨氏双缝干涉光的干涉：两列或几列特定光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。激光干涉式测量仪器包括激光测长仪、激光测振仪、激光测速仪等。激光全息测量仪器利用了光的干涉、光的衍射原理。第四十五页，共五十页，编辑于2023年，星期日

激光测长仪

当工作台带动棱镜移动时，在光电计数处由于两路光束聚集产生干涉，形成