機(jī)械工程測試技術(shù)第三章1第1頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月物性型傳感器:依靠敏感元件材料本身物理化學(xué)性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號的變換。如水銀溫度計；石英晶體壓電效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)型傳感器:是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的。如電容、電感、應(yīng)變式傳感器。

能量轉(zhuǎn)換型（無源）傳感器:是直接由被測對象輸入能量使其工作的，如熱電偶溫度計，彈性壓力計。

能量控制型（有源）傳感器:從外部供給輔助能量使傳感器工作。如把電阻應(yīng)變計接于由外部供電的電阻電橋上，被測量變化引起的電阻變化去控制電橋輸出。

參見書中表3-1，機(jī)械工廠中常用傳感器。

另外，傳感器可能只一個，也可能幾個換能元件組合而成一個小型裝置。

2第2頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3第3頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)機(jī)械式傳感器機(jī)械式傳感器—以彈性體為敏感元件，將被測量轉(zhuǎn)換為彈性變形（或應(yīng)變）的傳感器。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等。缺點(diǎn)：彈性變形不能過大；受結(jié)構(gòu)間隙影響大，慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測量。一般，與其他傳感器配套使用，先用彈性元件將被測量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他形式的傳感器（如電阻、電容、電渦流式等）將位移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和處理工藝等方面采取有效措施來改善這些現(xiàn)象產(chǎn)生的影響。4第4頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月5第5頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月6第6頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)電阻式傳感器電阻式傳感器—是一種把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。

分類：（1）變阻器式

（2）電阻應(yīng)變式

一．變阻器式傳感器（電位差計式）

定義：通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

根據(jù)電阻公式電阻R為

（3-1）

式中：ρ—電阻率；l—電阻絲長度；

A—電阻絲截面積

從式中看出當(dāng)電阻絲直徑和材質(zhì)一定時，電阻值隨導(dǎo)線長度而變化。

分類：（1）直線位移型

（2）角位移型

（3）非線性型

如圖3-5所示7第7頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月1．直線位移型（見圖3-5a）

C點(diǎn)與A點(diǎn)之間的電阻值為

兩邊取微分

（3-2）

可見導(dǎo)線分布均勻時，傳感器輸出(電阻)與輸入(位移)成線性關(guān)系。

2．角位移型（見圖3-5b）

其電阻值隨轉(zhuǎn)角而變化，靈敏度S為

式中

α—轉(zhuǎn)角（rad）;kα—單位弧度對應(yīng)的電阻值。

3．非線性型（見圖3-5c）

其骨架形狀根據(jù)所要求的輸出f(x)來確定。

則例如：（1）輸出f(x)=kx2;R(x)與f(x)成線性關(guān)系→三角形骨架（2）輸出

f(x)=kx3

R(x)與f(x)成線性關(guān)系

→

拋物線形骨架

8第8頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月4．變阻器式傳感器后接電路

見圖3-6，設(shè)Rp-變阻器總電阻；xp-變阻器總長度；Rl-后接電路輸入電阻。由于直線位移型電阻與位移的線性關(guān)系，傳感器的輸出電壓uy可用下式計算：（3-3）

圖3-6電阻分壓電路xRLuyu0xp為減小后接電路影響，應(yīng)使Rl>>Rp（減小負(fù)載效應(yīng)）優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單（2）性能穩(wěn)定（3）使用方便缺點(diǎn)：（1）分辨力不高（2）躁聲較大應(yīng)用：線位移、角位移測量，用于伺服記錄儀器或電子電位差計等。9第9頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月二．電阻應(yīng)變式傳感器

應(yīng)用范圍：測量力、應(yīng)變、位移、加速度、扭矩等分類：（1）金屬應(yīng)變片式（2）半導(dǎo)體應(yīng)變式特點(diǎn)：（1）體積小（2）動態(tài)響應(yīng)快（3）測量準(zhǔn)確高（4）使用方便

（一）金屬電阻應(yīng)變片

常用的有絲式和箔式，其工作原理一樣。（1）把直徑為0.025mm的康銅或鎳鉻合金絲，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路上。（2）用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。用光刻技術(shù)制造，其線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。箔片約厚1~10μm。散熱好，粘接情況好，傳遞性能好。工作原理：應(yīng)變片用特制膠水粘固在彈性元件或要測量變形的物體表面上，在外力作用下，電阻絲隨該物體一起變形，其阻值發(fā)生相應(yīng)變化。由此，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。10第10頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月11第11頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月由于電阻值

對上式求微分

（3-4）

式中

（3-5）

式中—電阻絲軸向相對應(yīng)變（或稱縱向應(yīng)變）

—電阻絲徑向相對應(yīng)變（或稱橫向應(yīng)變）

—電阻絲電阻率相對變化，與電阻絲所手正應(yīng)力σ有關(guān)。

—材料泊松比

（3-6）

12第12頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（3-7）

式中E—電阻絲材料的彈性模量；λ—壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)

將式（3-6）（3-7）代入式（3-5），則有

（3-8）

(1+2γ)ε項(xiàng)是電阻絲幾何尺寸改變所引起，同一電阻材料是常數(shù)λEε項(xiàng)是電阻絲的電阻率隨應(yīng)變而引起的，一般對金屬絲很小可忽略。

式（3-8）可簡化為

（3-9）

表明電阻相對變化率與應(yīng)變成正比。比值

Sg稱為應(yīng)變系數(shù)或靈敏度。

常數(shù)

（3-10）

制造中

Sg在1.7~3.6之間，幾種常用電阻絲材料物理性能見表3-2，一般市場上電阻應(yīng)變片標(biāo)準(zhǔn)為60，120，350，600，1000Ω等。

13第13頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）半導(dǎo)體應(yīng)變片

典型結(jié)構(gòu)見圖3-9

工作原理：基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)——單晶半導(dǎo)體材料在外力作用下，其電阻率ρ變化。根據(jù)式（3-8），(1+2γ)ε項(xiàng)是由幾何尺寸變化引起的，λEε是由電阻率變化引起的，就半導(dǎo)體而言，后者影響大于前者，故式（3-8）可簡化為

（3-11）

靈敏度為

（3-12）

這一數(shù)值比金屬絲式大50~70倍，幾種常用的半導(dǎo)體材料特性見表3-3

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高缺點(diǎn)：（1）溫度穩(wěn)定性差（2）靈敏度分散度大(由于晶向雜質(zhì)等因數(shù)）（3）非線性大

小結(jié)：（1）金屬絲電阻應(yīng)變片利用導(dǎo)體形變引起電阻變化。

（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體電阻率變化而引起電阻的變化。

14第14頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）電阻應(yīng)變片傳感器應(yīng)用實(shí)例

1．直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力

例如：研究機(jī)械、橋梁等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形情況。2．將應(yīng)變片貼在彈性體上,作為測量力、位移、加速度等物理參數(shù)。示例見圖3-11。各種傳感器從本質(zhì)上講均為受力，產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致電阻應(yīng)變片阻值發(fā)生變化，再經(jīng)二次儀表轉(zhuǎn)換為電壓（或電流）信號輸出。

（1）由應(yīng)變片測出的是構(gòu)件或彈性體上某出的應(yīng)變，通過換算（或標(biāo)定）才能得到應(yīng)力、力或位移。

標(biāo)定

（2）應(yīng)變片是粘貼在彈性元件上才能正常工作的。所以粘貼工藝（膠、貼前處理、固化處理、防潮等）至關(guān)重要。

貼片工藝

（3）動態(tài)測量時，應(yīng)考慮彈性元件和應(yīng)變片的動態(tài)特性。動態(tài)特性（4）溫度對電阻值的變化影響不容忽略，考慮溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償說明:15第15頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月16第16頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)電感式傳感器原理：把被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。(基于電磁感應(yīng)原理)分類：（1）自感式(a)可變磁阻(b)渦流式（2）互感式——差動變壓器式一．自感式(一)可變磁阻構(gòu)造原理見圖3-12,由電工學(xué)線圈自感量L為

（3-13）

式中W—線圈匝數(shù)Rm—磁路總磁阻[H-1](亨)如果空氣隙δ較小，不考慮磁路的鐵損時，則總磁阻為

（3-14）

式中μ—鐵心磁導(dǎo)率μ0—空氣磁導(dǎo)率(4πⅹ10-7)l—鐵心導(dǎo)磁長度δ—?dú)庀堕L度A—鐵心導(dǎo)磁截面積

A=aⅹb

A0—空氣隙導(dǎo)磁橫截面積

17第17頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月因?yàn)殍F心磁阻與空氣隙磁阻相比很小，可以忽略，故

（3-15）

代入式（3-13）得

（3-16）

式（3-16）表明：自感

L與氣隙δ成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積

A0成正比。當(dāng)固定

A0變化δ時，L與δ呈非線性關(guān)系，此時傳感器靈敏度

S為

（3-17）

從式(3-17)看出，靈敏度S與氣隙長度平方成反比，δ越小，S越高。如果S不是常數(shù)會出現(xiàn)非線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小間隙范圍內(nèi)工作。設(shè)間隙變化為(δ0,δ0+Δδ)，一般應(yīng)用中取Δδ/δ≤0.1。此種傳感器適合于較小位移的測量，一般設(shè)為0.001~1mm。

18第18頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月圖(3-13）中列出四種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)。

（3）單螺管線圈型

鐵心在線圈中運(yùn)動時，將改變磁阻使自感發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)簡單，易制造，但靈敏度低，使用大位移測量。

（1）可變導(dǎo)磁面積型L與A0成線性關(guān)系，靈敏度較低。（2）差動型兩個線圈的間隙按δ0+Δδ和δ0-Δδ變化，一個線圈自感增加，另一個線圈自感減少，將兩線圈接于電橋相鄰兩臂時，其靈敏度提高1倍，并改善了非線性。（4）雙螺管線圈差動型與單螺管線圈型相比有較高靈敏度及線性，常用于電感測微儀上，其測量范圍為0~300μm,最小分辨力為0.5μm。這種傳感器常接于電橋兩個橋臂上，線圈電感

L1、L2隨鐵心位移而變化，其輸出特性如圖(3-14)所示。

19第19頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）渦電流式

原理：利用金屬體在交變磁場中的渦流效應(yīng)。見圖（3-15）金屬板位于一線線圈附近，距離為δ，當(dāng)線圈通過一高頻交變電流時，產(chǎn)生磁通Φ此交變磁場在鄰近金屬板上感應(yīng)電流i1,此電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱之為“渦流”。根據(jù)楞次定律，渦電流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反。由于渦流磁場作用，使原線圈的等級阻抗Z發(fā)生變化，變化程度與距離δ有關(guān)。圖3-15高頻反射式渦流傳感器原理iФi1Ф1金屬板δ20第20頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月高頻線圈阻抗Z影響因數(shù)：（1）δ值；（2）金屬板電極率ρ；（3）磁導(dǎo)率μ；（4）線圈激勵圓頻率ω等變化。δ可作為位移、振動測量，變化ρ和μ可作為材質(zhì)鑒別和探傷。渦電流式傳感器測量電路：（1）阻抗分壓式調(diào)幅電路（2）調(diào)頻電路

分壓式調(diào)幅電路：原理見圖3-16，圖3-17是其諧振曲線及輸出特性。傳感器線圈L和電容C組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為

（3-18）

電路中由振蕩器提供穩(wěn)定的高頻信號。當(dāng)諧振頻率等于電源頻率時，輸出電壓u最大。工作時線圈阻抗隨δ改變，LC回路失諧，輸出信號u(t)頻率雖然仍為工作頻率，但幅值隨δ而變化，它相當(dāng)于一個調(diào)諧波。此調(diào)諧波經(jīng)放大、檢波、濾波后即可得到氣隙δ的動態(tài)化信息。

21第21頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)頻電路：調(diào)頻電路的工作原理如圖3-18所示。與調(diào)幅法不同之處是以回路的諧振頻率作為輸出量。當(dāng)δ發(fā)生變化時，引起線圈電感L變化，使震蕩器的震蕩頻率f發(fā)生變化，再通過鑒頻器進(jìn)行頻率—電壓轉(zhuǎn)換，即得與δ成比例的輸出電壓。目前此種傳感器應(yīng)用廣泛，測量范圍為1~10mm，分辨力為1μm的非接觸式測量。

C圖3-18調(diào)頻電路工作原理f±Δfuδ0±ΔδL±ΔL高頻振蕩器鑒頻器22第22頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月23第23頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月二．互感式—差動變壓器式電感傳感器

工作原理見圖3-19，當(dāng)線圈

W1輸入交流電流

i1

時，線圈

W2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e12，其大小與電流i1的變成正比，即

（3-19）

式中

M—比例系數(shù)（稱為互感H），其大小與兩線圈相對位置及周圍介質(zhì)導(dǎo)磁能力有關(guān)。

圖3-19互感現(xiàn)象e12i1~W2W124第24頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月差動式工作原理：見圖3-20a)，初級線圈W次級線圈W1,W2反極性串聯(lián)。當(dāng)W上加上交流電時，W1,W2分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢e1和e2，其大小與鐵心位置有關(guān)。

（1）當(dāng)貼心在中心時，e1=e2→e=0（2）當(dāng)貼心向上運(yùn)動時，e1>e2（3）當(dāng)貼心向下運(yùn)動時，e1<e2，其輸出特性見b)圖

圖3-20差動變壓器式傳感器工作原理a)b)工作原理c)輸出特性b)e0=e1-e2W2W1e2e1xPWa)WW2W1Pxe2e1c)ex025第25頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月問題：交流電壓輸出存在零點(diǎn)殘余電壓和輸出值不能反映鐵芯位移的極性問題。

解決辦法：采用如圖3-21所示的差動相敏檢波電路和差動整流電路在沒有輸入信號時，貼心處中間位置，調(diào)節(jié)R使零點(diǎn)殘余電壓減小，當(dāng)鐵心上下移動時，輸入信號經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。性能：精度高（0.1μm級）線性范圍大（±100mm），穩(wěn)定度好，使用方便，廣泛用于直線位移測量。圖3-21差動相敏檢波電路工作原理xR放大器相敏檢波振蕩器26第26頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)電容式傳感器電容式傳感器—將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。從物理學(xué)知道，兩個平行板組成的電容器其電容量為：

（3-20）

式中ε—極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，在空氣中ε=1

ε0—真空中介電常數(shù)，ε0=8.8ⅹ10-12F/m（法拉/米）

δ—極板間距離

A—極板面積式(3-20)表明：當(dāng)被測量使δ,A,ε發(fā)生變化時,都會引起電容C的變化。根據(jù)電容器變化的參數(shù)可分為（1）極距變化型（2）面積變化型（3）介質(zhì)變化型一．變換原理27第27頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）極距變化型據(jù)(3-20)，當(dāng)A和ε不變時，電容C與極距δ呈非線性關(guān)系，見圖3-22對式（3-20）兩邊取微分

傳感器靈敏度S為

(3-21)可見靈敏度S與極距平方成反比。且δ↓→S↑為了減小分線性誤差，通常在較小間隙變化范圍內(nèi)工作，一般取變化范圍

優(yōu)點(diǎn)：(1)靈敏度高;(2)可進(jìn)行動態(tài)非接觸式測量;(3)適用小位移(0.01μm~數(shù)佰微米)測量。缺點(diǎn)：(1)有非線性誤差;(2)雜散電容對靈敏度和測量精度有影響;(3)配套用電子線路復(fù)雜。

圖3-22極距變化型電容傳感器δδ0Δδ0CΔCδδ028第28頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）面積變化型分類：（1）角位移型（2）線位移型（3）圓柱體線位移型

1．當(dāng)轉(zhuǎn)板有一轉(zhuǎn)角時，動定兩極互蓋面積就改變，導(dǎo)致電容量改變。由于覆蓋面積為

式中α—覆蓋面積對應(yīng)中心角（弧度）r—極板半徑電容量為

（3-22）

靈敏度為

=常數(shù)（線性關(guān)系）

（3-23）

圖3-23面積變化型電容傳感器a)角位移型b)平面線位移型c)圓柱體線位移型a)1α2b)xbΔxx21c)21Ddl0x29第29頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月2．圖2-23b)為平面線位移型

電容量C為

（3-24）

靈敏度S為

常數(shù)

（線性關(guān)系）

（3-25）

3．圖2-23c)為圓柱體線位移型

電容量C為

（3-26）

靈敏度S為

常數(shù)（線性關(guān)系）（3-27）

特點(diǎn)：（1）面積變化型優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系。（2）靈敏度較低。（3）適用較大直線及角位移測量。30第30頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）介質(zhì)變化型此中傳感器利用介質(zhì)介電常數(shù)變化將被測量轉(zhuǎn)換為電量?？捎脕頊y量電介質(zhì)液位或某些材料的厚度、溫度和濕度等，見圖3-24。圖3-24介質(zhì)變化型電容傳感器應(yīng)用例a)介質(zhì)溫度、濕度或厚度影響b)液位測量a)介質(zhì)層b)絕緣層外極板內(nèi)極板31第31頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月二．測量電路（一）電橋型電路把電容傳感器作為電橋一部分，將電容變化轉(zhuǎn)化為電橋電壓輸出，見圖3-25。形式：（1）電阻、電容（2）電感、電容電橋輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后輸出，推動儀表。

圖3-25電橋型電路C2C1L2L1~相敏解調(diào)濾波放大32第32頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）直流極化電路此電路多用于電容傳聲器或壓力傳感器中。如圖3-26所示，彈性膜片在外力(氣壓、液位)作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。電容的變化由高阻值電阻R轉(zhuǎn)換為電壓變化。分析表明，輸出電壓uy和膜片移動速度近似成一階系統(tǒng)的關(guān)系。

圖3-26直流極化電路uyδpE0Rf33第33頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）諧振電路電路原理及工作特性見圖3-27。電容傳感器的電容Cx作為諧振電路(L1、C2//Cx)調(diào)諧電容一部分有電壓耦合從穩(wěn)定高頻振蕩器獲得振蕩電壓。當(dāng)Cx變化時，諧振回路阻抗相應(yīng)變化，并被轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出經(jīng)放大、檢波輸出。一般工作點(diǎn)選在準(zhǔn)線性區(qū)域內(nèi)。特點(diǎn)：（1）靈敏（2）工作點(diǎn)不易選好（3）變化范圍窄（4）連線雜散電容影響也較大。

圖3-27諧振電路及其工作特性輸出uCxC2L2L1C1振蕩器放大檢波u0C-ΔC

C

C+ΔC

C34第34頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）調(diào)頻電路見圖3-28,當(dāng)輸入量使傳感器電容變化時,振蕩器振蕩頻率發(fā)生變化,頻率的變化經(jīng)鑒頻變?yōu)殡妷鹤兓俳?jīng)放大輸出。特點(diǎn)：（1）抗干擾性強(qiáng)（2）靈敏度高（0.01μm）（3）電纜電容影響大，使用中麻煩。

輸出圖3-28調(diào)頻電路工作原理被測物體傳感器Cxδ調(diào)頻振蕩器限幅鑒頻放大35第35頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（五）運(yùn)算放大器電路如前所述極距變化型傳感器中，極距變化與電容變化量成非線性關(guān)系，使用中受到制約。而采用比例運(yùn)算放大器電路輸出電壓uy和位移量是線性變化，正好克服上述缺點(diǎn)。如圖3-29所示，輸入阻抗采用固定電容C0，反饋?zhàn)杩共捎秒娙輦鞲衅鰿x。

根據(jù)比例器運(yùn)算關(guān)系，有

(u0-激勵電壓）

考慮，有

（3-28）

圖3-29運(yùn)算放大器電路u0uyCxC0由式（3-28）可知，輸出電壓uy與電容傳感器間隙δ成線性關(guān)系。這種電路常用于位移測量。

36第36頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月另外，一方面，Cx

很?。◣资綆装踦F）測量時變化更?。ǔＴ?pF以下）；另一方面?zhèn)鞲衅鳂O與周圍元件及連接電纜存在寄生電容，其電容大且不穩(wěn)定，影響測量精度。

解決方法：（1）縮短傳感器與測量電路之間電纜，甚至做成一體。

（2）采用雙層屏蔽電纜，見圖3-30當(dāng)放大器增益為1和相移為零時，內(nèi)屏蔽線和芯等電位，可見兩者之間的容性漏電流。從而消除兩者之間的寄生電容影響。當(dāng)放大器增益為1或相移非零時，芯線和內(nèi)屏蔽線電位有差別。

圖3-30驅(qū)動電纜工作原理1—傳感器2—測量電路3—內(nèi)屏蔽4—外屏蔽4311237第37頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型換能器（機(jī)械能?電能），廣泛應(yīng)用于力、壓力、加速度測量。也用于超聲波發(fā)射和接受裝置。特點(diǎn):（1）體積小，重量輕（2）精確度高（3）靈敏度高

一．壓電效應(yīng)1．壓電效應(yīng)—某些物質(zhì)如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZT）等，在外力作用下，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化表面有電荷出現(xiàn)形成電場；當(dāng)外力消失時，材料重新恢復(fù)到原來形態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相反將這些物質(zhì)置于電場中，幾何尺寸也發(fā)生變化，此現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(電致伸縮效應(yīng))。38第38頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月2．晶體結(jié)構(gòu)：

石英(SiO2)晶體是

一種常用的壓電材料。石英晶體結(jié)晶形狀為六角形晶體，見圖3-31a，兩端為一對稱棱錐。六棱錐是基本組織。縱軸線z-z稱為光軸，過六角棱線垂直于光軸的軸線x-x稱為電軸，垂直于棱面的軸線y-y稱為機(jī)械軸，如圖3-31b。

圖3-31石英晶體z-z光軸y-y機(jī)械軸x-x電軸xxyyxxyyzza)b)39第39頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3．縱橫向效應(yīng)

見圖3-32，當(dāng)施加外力時，將沿x-x方向形成電場，其電荷分布在垂直于x-x軸的平面上。沿x軸加力產(chǎn)生縱向效應(yīng)；沿y軸加力產(chǎn)生橫向效應(yīng)；沿相對兩平面加力產(chǎn)生切向效應(yīng)。

圖3-32壓電效應(yīng)模型a)縱向效應(yīng)b)側(cè)向效應(yīng)c)切向效應(yīng)FyFyFyFyFxFxzyxzyxzyx40第40頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月4．力與電荷量關(guān)系

實(shí)驗(yàn)證明壓電體表面積聚的電荷與作用力成正比。如沿x--x軸加力，則有

（3-29）

式中q--荷量dc--壓電常數(shù)，與材質(zhì)和切片方向有關(guān)F--作用力二．壓電材料壓電單晶（單晶體）常用壓電材料分類石英鈮酸鋰鉭酸鋰壓電陶瓷（多晶體）鈦酸鋇鎬鈦酸鉛有機(jī)電薄膜1．石英應(yīng)用廣泛，具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和時間及溫度穩(wěn)定性。2．壓電陶瓷在現(xiàn)代聲學(xué)和傳感技術(shù)中普遍應(yīng)用。制造方便，成本低，壓電常數(shù)比單晶高。最早的壓電陶瓷鈦酸鋇，其居里點(diǎn)約350℃，壓電常數(shù)70~590pC/N3．高分子壓電薄膜壓電特性不太好，但它可以大量生產(chǎn)，具有面積大，柔軟不宜破等優(yōu)點(diǎn)，可用于微壓測量和機(jī)器人視覺。

41第41頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月三

壓電式傳感器及其等效電路

1．電容量

壓電晶體的兩個工作面上進(jìn)行蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個電極，如圖3-33所示。當(dāng)晶片受力時，兩個極板上積聚數(shù)量相等，兩極性相反的電荷，形成了電場。因此，該傳感器即可看作是電荷發(fā)生器，它又是一個電容器。其電容量為

式中ε—壓電材料相對介電常數(shù)；石英晶體ε=4.5；壓電陶瓷ε=1200;ε0—真空中介電常數(shù);A—晶片面積

如果施加外力不變，積聚在極板上電荷無泄露，外電路負(fù)載無窮大，外力作用期間電荷量保持不變，直到外力終止，電荷消失。如果負(fù)載不是無窮大，電路按指數(shù)規(guī)律放電，造成測量誤差。因此測量時采用極高阻抗負(fù)載，比較適應(yīng)動態(tài)測量。

42第42頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月2．并聯(lián)：實(shí)際中往往用并接（圖3-33b），并接時（1）輸出電荷量大（2）時間常數(shù)大宜于測緩慢信號，適宜以電荷量輸出場合。3．串聯(lián)：串接時（圖3-33c）（1）傳感器電容?。?）輸出電壓大（3）適宜以電壓作為輸出信號。

4．等效電路壓電式傳感器是一個具有一定電容的電荷源。電容器上開路電壓u0與電荷量q和電容Ca存在下列關(guān)系當(dāng)接入測量電路，寄生電容Cc接入，后續(xù)電路輸入阻抗和漏電阻形成泄漏電阻R0如圖3-33d所示，當(dāng)負(fù)載平衡時

（3-31）

式中q—壓電元件產(chǎn)生電荷量，當(dāng)受外力f=F0sinωt時，

q=dcF0sinωt=q0sinωt

dc—壓電常數(shù)；C—電容(C=Ca+Cc+Ci)其中Ci為外接電路輸入端電容；u—電容上建立的電壓；i

—泄漏電流(i=u/R0)43第43頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月式(3-31)可寫為

或

其穩(wěn)態(tài)過程為

電容上電壓為

（3-32）

5．說明:式（3-32）表明壓電元件的電壓輸出還受到回路時間常數(shù)R0C影響。在動態(tài)測試時為了有一定不失真輸出，測量電路必須（1）提高輸入阻抗，并在輸入端并聯(lián)一定電容Ci（2）加大時間常數(shù)R0C。但并聯(lián)電容不宜過大，使輸出電壓降低，靈敏度降低。

44第44頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月四．測量電路1．前置放大

由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，本身存在內(nèi)阻，給后接電路帶來一定困難。為此先把信號輸入到高阻抗的前置放大器，方可進(jìn)行一般放大、檢波、輸出指示儀。2．前放作用

（1）將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出（2）放大信號3．前放形式

（1）電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(傳感器)成正比。（2）帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。4．電壓放大

使用電壓放大器中，放大器輸入電壓如式（3-33）所示。由于總電容C中包括了電纜對地電容Cc比其它電容都大，故測量中電纜對地電容的變化非常敏感，影響輸出和靈敏度。45第45頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月5．電荷放大

電荷放大器是一個高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器。當(dāng)略去傳感器漏電阻及電荷放大器輸入電阻時，它的等效電路如圖3-34。

忽略漏電阻故

式中ui—放大器輸入端電壓uf—放大器輸出端電壓；uy=-Aui

A—電荷放大器開環(huán)增益Cf—電荷放大器反饋電容

Ci—外接電路輸入端電容

故得

如果放大器開環(huán)增益A足夠大，則

ACf>>C+Cf

上式簡化為

（3-33）

式（3-33）表明，在一定條件下，電荷放大器輸出電壓與傳感器電荷量成正比，并且與電纜對地電容無關(guān)。因此可長距離測量，靈敏度無明顯變化，但其電路復(fù)雜，價格昂貴。

46第46頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月五．壓電式傳感器的應(yīng)用1．應(yīng)用范圍測力、壓力、振動、加速度、超聲發(fā)射等2．測力范圍10-3N~104kN，動態(tài)范圍DR一般為60dB，單方向，或多方向。3．傳感器形式利用膜片式彈性元件力→膜片→凸臺→壓電片→電荷量利用活塞乘壓面受力力→活塞乘壓面→活塞桿→壓電片上→電荷量

壓電式加速度計可做成不同靈敏度、不同量程和不同大小系列產(chǎn)品。4．工作頻率范圍數(shù)十赫~兆赫，范圍寬。5．此傳感器一般常用縱向效應(yīng)（測軸向力），橫向效應(yīng)實(shí)為干擾和測量誤差，一個壓電式傳感器各橫向靈敏度不一樣。為減少影響和干擾，應(yīng)力求最小橫向靈敏度與最大橫向干擾力方向重合。6．校準(zhǔn)環(huán)境濕度、溫度變化和壓電材料本身時效，都會引起壓電常數(shù)變化，經(jīng)常校準(zhǔn)是必要的。7．工作原理的可逆性施加電壓于壓電晶片，壓電片便產(chǎn)生伸縮，可用作“驅(qū)動器”如作振動源、超聲發(fā)聲器、揚(yáng)聲器及精密驅(qū)動裝置。47第47頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月定義：把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種傳感器。（又稱電磁感應(yīng)式或電動力式）原理：由電工學(xué)知，一個匝數(shù)為W的線圈，當(dāng)穿過該線圈的磁通Φ發(fā)生變化時，其感應(yīng)電動勢e為

（3-34）

可見線圈磁感應(yīng)電動勢大小，取決于匝數(shù)和穿過線圈的磁通變化率。而通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻和線圈運(yùn)動速度有關(guān)。

按結(jié)構(gòu)分類動圈式線速度型角速度型磁阻式第七節(jié)磁電式傳感器48第48頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月一．動圈式1．線速度型（圖3-35a）在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場內(nèi)，放置一個可動線圈，當(dāng)線圈在磁場中運(yùn)動時，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e為

（3-35）式中B—磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度v—線圈與磁場的相對運(yùn)動速度

l—單匝線圈有效長度θ—線圈運(yùn)動方向與磁場方向夾角

W—線圈匝數(shù)

當(dāng)θ=900時式（3-35）可寫成

（3-36）

此式說明，當(dāng)B、W、l均為常數(shù)時，感應(yīng)電動勢大小與線圈運(yùn)動線速度成正比。這也是一般常見慣性式速度計的工作原理。

2．角速度型（圖3-35b）是傳感器工作原理，先前在磁場中轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

（3-37）

式中ω—角速度A—單匝線圈的截面積k—與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)(k<1)式（3-37）表明，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)一定時，W、B、A均為常數(shù)，感應(yīng)電動勢

e與線圈相對磁場的角速度成正比，這種傳感器被用于轉(zhuǎn)速測量。

49第49頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3．等效電路

將傳感器與電壓放大器連接時，其等效電路如圖3-36所示。圖中

e是發(fā)電線圈感應(yīng)電勢；Z0是線圈阻抗；RL是負(fù)載電阻(含放大器輸入電阻)；CC是電纜導(dǎo)線分布電容；RC是電纜導(dǎo)線的電阻(可忽略)，故等效電路中輸出電壓為

（3-38）

如果使用線不長CC可忽略，如果RL>>Z0時，則放大器輸入電壓為

感應(yīng)電勢經(jīng)放大，檢波后，可推動指示儀表。如果通過微積分網(wǎng)絡(luò)，可得到加速度和位移。磁電式傳感器的工作原理也是可逆的。作為測振傳感器，它工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。若在先前上加上交變激勵電壓，則線圈就在磁場中振動，成為一個激振器（電動機(jī)狀態(tài)）。

50第50頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月二．磁阻式原理：磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對運(yùn)動，由運(yùn)動著的物體（導(dǎo)磁材料）來改變磁路的磁阻，而引起磁力線增加和減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。其工作原理見圖3-37所示。特點(diǎn)：磁阻式傳感器使用簡便，結(jié)構(gòu)簡單，不同場合用來測量轉(zhuǎn)速、偏心量、振動等。

a)nSNb)nSNc)SNd)vmSN圖3-37磁阻式傳感器工作原理及應(yīng)用例a)測頻數(shù)b)測轉(zhuǎn)速c)偏心測量d)振動測量51第51頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月三．熱電式傳感器1、熱電偶工作原理當(dāng)熱電偶材料一定時，它所產(chǎn)生的總熱電勢EAB(T,T0)成為溫度T和T0的函數(shù)差(3-40)如冷端溫度固定，總熱電勢就只與溫度T成單值關(guān)系(3-41)52第52頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶回路的特點(diǎn)：1）若回路的兩種導(dǎo)體相同，則無論兩節(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動勢為零；2）若兩接點(diǎn)溫度相同，則盡管導(dǎo)體材料不同，熱電偶回路中的總熱電動勢也為零；3）熱電偶的熱電動勢與導(dǎo)體材料的中間溫度無關(guān)，而只與接點(diǎn)溫度有關(guān)；4）熱電偶在接點(diǎn)溫度T1、T3時的熱電動勢，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為T1、T2和T2、T3時的熱電動勢總和；5）在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線的兩端溫度相同，第三種導(dǎo)線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢，中間導(dǎo)體定律;6)當(dāng)溫度為T1、T2時，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的和，即

EAB（T1,T2）=EAC（T1,T2）+ECB（T1,T2）（3-41）標(biāo)準(zhǔn)電極定律5353第53頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月54第54頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶的分類：(1)鉑銠—鉑熱電偶(WRLB)(2)鎳鉻—鎳硅(鎳鉻—鎳鋁)熱電偶(WREU)(3)鎳鉻—考銅熱電偶(WREA)(4)鉑銠10—鉑銠6熱電偶(WRLL)55第55頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月1）鉑銠—鉑熱電偶（WRLB）組成：鉑銠絲為正極（鉑90%，銠10%），純鉑絲為負(fù)極；直徑均為

0.5mm。特點(diǎn)：在1300℃下可長時間使用，較易得到高純度鉑和鉑銠，復(fù)制精度和測量精度較高，可用于精密溫度測量和做基準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)：熱電動勢較弱；在高溫時易變質(zhì)，引起熱電偶特性變化，失去測量準(zhǔn)確性；成本高。2）鎳鉻—鎳硅（鎳鉻—鎳鋁）熱電偶（WREU）組成：鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極；直徑約為1.2~2.5mm。特點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性高，在氧化性或中性介質(zhì)中可長時間測量900℃以下溫度，短期測量1200℃；還原性介質(zhì)中，易受腐蝕，只能測量500℃以下。復(fù)制性好，產(chǎn)生熱電動勢大，線性好，價格便宜。是工業(yè)測量中最常用的熱電偶之一。缺點(diǎn)：測量精度偏低。5656第56頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月4）鉑銠30—鉑銠6熱電偶（WRLL）組成：鉑銠30絲（鉑70%，銠30%）為正極，鉑銠6絲（鉑94%，銠6%）為負(fù)極。特點(diǎn)：可長期測量1600℃的高溫，短期測量可達(dá)1800℃。性能穩(wěn)定，精度高，適于在氧化性或中性介質(zhì)中使用。缺點(diǎn)：產(chǎn)生的熱電動勢小，價格昂貴。3）鎳鉻—考銅熱電偶（WREA）組成：鎳鉻絲為正極，考銅（鎳、銅合金）為負(fù)極；直徑約為

1.2~2.0mm。特點(diǎn)：適宜于還原性或中性介質(zhì)，長期使用溫度在600℃以下，短期測量800℃.熱電靈敏度高、價格便宜。缺點(diǎn)：測溫范圍低且窄，考銅合金易受氧化而變質(zhì)。575）特殊熱電偶超高溫?zé)犭娕迹?000℃，精度±1%），低溫?zé)犭娕迹?~273K低溫，靈敏度為10mV/℃），快速測量壁面溫度的薄膜熱電偶（測量厚度為0.01~0.1mm），非金屬材料熱電偶。57第57頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月2、熱電阻傳感器熱電阻傳感器——利用電阻隨溫度變化的特點(diǎn)制成的傳感器。主要用于對溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)測定。按熱電阻的性質(zhì)分類：金屬熱電阻（熱電阻）；半導(dǎo)體熱電阻（熱敏電阻）熱電阻的組成：電阻體、絕緣套管、接線盒等。1.鉑電阻58特點(diǎn)：精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，在氧化性介質(zhì)中物理化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，但在還原性介質(zhì)中，容易受污染，使材料變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系，制作成本高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，鉑電阻的溫度關(guān)系為（3-42）式中：Rt/R0為溫度為t℃/0℃時的電阻值；

A為常數(shù)，；

B為常數(shù)，（）58第58頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)鉑電阻—電阻隨溫度變化特點(diǎn)制成的傳感器。特點(diǎn)：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。分度號：BA1、BA2，其中R100/R0=1.39159第59頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)銅電阻—一般用于精度要求不高，溫度范圍較低。優(yōu)點(diǎn)：測量范圍-50~150℃、線性度好、價格便宜。缺點(diǎn)：電阻率小，溫度超過100℃時，銅容易氧化。60第60頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)其它電阻1)銦電阻—一種高精度低溫?zé)犭娮?，?.2~15K溫度范圍內(nèi)靈敏度比鉑高10倍。2)錳電阻—在2~16K溫度范圍內(nèi)電阻率隨溫度平方變化，缺點(diǎn)是脆性大，難以拉制成絲。3)碳電阻—在低溫下靈敏度高、熱容量小，對磁場不敏感、價格便宜、操作方便、穩(wěn)定性差。61第61頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體材料重要特性是對光、熱、力、磁、氣體、溫度等理化量的敏感性。近代半導(dǎo)體技術(shù)利用這些特性，作為非電量電測的轉(zhuǎn)換元件。特點(diǎn)：（1）是一些物性型傳感器；（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；（3）功耗低，安全可靠，壽命長；（4）對被測量敏感，響應(yīng)快；（5）易于實(shí)現(xiàn)集成化；（6）輸出一般為非線性，常采用線性化電路；（7）溫度影響大，需要溫度補(bǔ)償措施；（8）性能參數(shù)分散性較大。一．磁敏傳感器分類：（1）霍爾元件（2）磁阻元件（3）磁敏管

（一）霍爾元件霍爾元件——種半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件。一般由鍺（Ge）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）等半導(dǎo)體材料制成。它利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作。如圖3-38所示，將霍爾元件置于磁場B中，如果在a,b

端通以電流

i在c,d兩端就會出現(xiàn)電位差，稱為霍爾電勢VH，此現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng)。

第八節(jié)半導(dǎo)體傳感器62第62頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月BiiadcbiVHa)BdbcaiN型vFEFL電子受力方向b)圖3-38霍爾元件及霍爾效應(yīng)原理a)霍爾元件b)霍爾效應(yīng)原理假定把N型半導(dǎo)體薄片放在磁場中，通固定電流i

，半導(dǎo)體中載流子（電子）將沿著與電流方向相反方向運(yùn)動。從物理學(xué)知，任何帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場中沿著和磁力線垂直的方向運(yùn)動時，要受到洛倫茲力FL作用，向一邊偏移，并形成電子積累，而另一邊積累正電荷，于是形成電場。該電場將阻止運(yùn)動電子繼續(xù)偏移，當(dāng)電場力FE與FL相等時，電子積累達(dá)到動態(tài)平衡，這時元件c,d兩端之間建立的電場叫霍爾電場，相應(yīng)電勢叫霍爾電勢VH。63第63頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（3-39）

式中kH—霍爾常數(shù)，取決于材質(zhì)、溫度、元件尺寸i—電流

B—磁感應(yīng)強(qiáng)度α—電流與磁場方向的夾角根據(jù)此式，如果改變B或i，或者兩者同時改變，就可改變VH，值，運(yùn)用此特性，把被測參量轉(zhuǎn)化為電壓值的變化。

霍爾電勢VH，其大小為圖3-39表示用霍爾元件測量位移的實(shí)例。將霍爾元件置于兩個方向相反的磁場中，由于每點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，當(dāng)元件沿x方向移動時，由霍爾電勢的變化反映出位移量。將微小位移測量為基礎(chǔ)，霍爾元件還可應(yīng)用于微壓、壓差、高度、加速度和振動的測量。圖3-40表示一種利用霍爾元件探測鋼絲繩斷絲的工作原理。

64第64頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月65第65頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月二．光敏傳感器（一）光敏電阻光電效應(yīng)：光敏電阻是一種光電導(dǎo)元件。其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體受到光照射時，其內(nèi)阻值減小的現(xiàn)象。阻性偏壓：光敏電阻是一種電阻器件，使用時對它加一定偏壓，無光照射時，其阻值很大，電路中電流很小。當(dāng)受到光照時，其阻值急劇下降，電路電流迅速增加。材料光譜：光敏電阻阻值的變化與光的波長有關(guān)，不同材料的光譜特性不同，見圖3-41，應(yīng)根據(jù)入射光波波長選擇材料。溫度影響：光敏電阻受溫度的影響甚大，溫度升高時，它的暗電阻值、靈敏度下降，使用時注意。

ZnSCdSSiGePbSPbTePbSe相對靈敏度%00.30.51.02.05.010.010080604020入射波長（μm）圖3-41光敏電阻材料的光譜特性66第66頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）光電池光生電能：半導(dǎo)體光電池直接將光能轉(zhuǎn)換成電能。受光照射時，可直接將光能轉(zhuǎn)換成電源。工作原理：圖3-42表示具有PN結(jié)的光電池工作原理。當(dāng)用光照射時，在PN結(jié)附近，由于吸收了光子能量而產(chǎn)生電子和空穴，稱之為光生載流子。它們在PN結(jié)電場作用下，產(chǎn)生漂移運(yùn)動，電子被推向N區(qū)，而空穴被推進(jìn)P區(qū)，使P型區(qū)帶正電，而N型區(qū)帶負(fù)電，二者之間產(chǎn)生了電位差，用導(dǎo)線聯(lián)接電路中就有電流通過。材料特性：一般常用光電池有硒、硅、銻化鎘、硫化鎘等光電池，其中使用最廣泛的是硅電池，其光譜范圍為0.4~1.1μm，靈敏度為6~8nAmm-2lx-1；響應(yīng)時間為數(shù)微秒至數(shù)十微秒。

PN圖3-42光電池工作原理67第67頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）光敏二極管和光敏三極管光敏二極管：光敏二極管是一種既有一個PN結(jié)又有光電轉(zhuǎn)換功能的晶體二極管。PN結(jié)位于管的頂部，以使接受光照。光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)。在沒有光照射時，處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電阻很大，反向電流很小。當(dāng)光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊產(chǎn)生電子和空穴，少數(shù)載流子濃度大大加強(qiáng)，使通過PN結(jié)的反向電流大大增加，形成光電流。光照度變化使光電流變化，這樣事項(xiàng)把光信號轉(zhuǎn)換成點(diǎn)信號的功能?；倦娐芬妶D3-43。Rf圖3-43光敏二極管基本電路68第68頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏三極管：若把普通晶體管的基極—集電極制成光敏二極管，則成為光敏三極管。由于光敏三極管的基極電流由其基極—集電極結(jié)的光電流供給，許多光敏三極管不再設(shè)基極引線。圖3-44為其基本電路。光電轉(zhuǎn)換元件具有高靈敏度、體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。圖3-45是一種檢查零件表面缺陷的光電傳感器，圖3-46是光電轉(zhuǎn)速計的工作原理。特點(diǎn)：光敏三極管具有輸出信號大，抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)速度略慢些。ce圖3-44光敏三極管基本電路69第69頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月三．固態(tài)圖像傳感器功能上：圖像傳感器是一個能把受光面的光像分成許多小單元（稱為像元），并將它們轉(zhuǎn)換成電信號，然后順序輸送出處的器件。構(gòu)造上：圖像傳感器是一種小型固態(tài)集成元件，它的核心上電荷耦合器件（CCD）。CCD由陣列式排列在襯底上金屬氧化物—硅（MOS）電容器組成，它具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷功能。

在控制脈沖電壓作用下，CCD中依次排列相鄰的MOS電容中的信號電荷，將有次序地轉(zhuǎn)換到下一個電容中，實(shí)現(xiàn)電荷并行構(gòu)成。光敏元1和CCD2之間有一轉(zhuǎn)換控制柵3（見圖3-47），其中CCD作為讀出移位寄存器。

123圖3-47線型CCD圖像傳感器70第70頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏元→MOS電容（正對著CCD上一個電容）→電荷（與光照度、積蓄時間成正比）→轉(zhuǎn)移光柵打開→光敏光電荷并行移到CCD→關(guān)閉光柵→上一次一串電荷信號沿移位寄存器順序地轉(zhuǎn)換并在輸出端串行輸出。

特點(diǎn)：小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命長。用途：（1）物位、尺寸、形狀、工件損傷等測量。（2）光學(xué)信息處理的輸入環(huán)節(jié)，如電視攝像、仿真技術(shù)、文字識別、圖像識別。（3）自動生產(chǎn)過程的控制敏感元件。類型：（1）線型1024，1728，2048，4096像素（2）面型32x32,100x100,320x244,490x400,以及28~38萬像素圖3-48表示用于熱軋鋁板寬度檢測的實(shí)例。準(zhǔn)確度可達(dá)板寬±0.025%。

71第71頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月四．熱敏電阻熱敏電阻是由金屬氧化物（NiO,MnO2,CuO,TiO2等）的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，溫度上升而阻值下降。半導(dǎo)體熱敏電阻與金屬絲電阻比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）靈敏度高，可測0.001~0.005℃微小溫度變化（2）可制成片狀、柱狀，直徑小到0.2mm；體積小，熱慣性小，響應(yīng)快，時間常數(shù)可小到毫秒級（3）電阻值范圍寬3~700kΩ（4）非線性大，對環(huán)境溫度敏感性大。圖3-49表示熱敏電阻元件溫度自動控制自動檢測裝置中。

72第72頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月73第73頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月74第74頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月五．氣敏傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，環(huán)境保護(hù)，安全防災(zāi)，醫(yī)療和日常生活中，對氣體分析、檢測或報警的需求日益增多，使用的氣體檢測傳感器也是多種多樣。其中半導(dǎo)體氣敏傳感器是發(fā)展最快，使用最方便的一種。優(yōu)點(diǎn)：（1）靈敏度襖（2）響應(yīng)快（3）制造使用保養(yǎng)簡便，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：（1）氣體選擇性差（2）元件性能闡述分散（3）時間穩(wěn)定性欠佳電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是一種應(yīng)用較多的一種。主要用語檢測一氧化碳、乙醇、甲烷、異丁烷和氫。

75第75頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月六．濕敏傳感器濕度—空氣中含有水蒸氣量。濕度對產(chǎn)品質(zhì)量和人類生活有重大影響，近年來對此測量和控制要求越來越嚴(yán)格。制造濕度傳感器材料：四氧化二鐵、鉻酸鎂—二氧化鈦等金屬陶瓷濕敏原理：當(dāng)水分子附在半導(dǎo)體陶瓷上，使陶瓷表面層電阻值明顯下降。表面電阻下降到一定程度上，體內(nèi)電阻已大于表層電阻，電流主要從表層通過，體內(nèi)電阻的作用可忽略。

76第76頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月77第77頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月七．集成傳感器優(yōu)先集成電路有（1）各種調(diào)節(jié)和補(bǔ)償電路（如電壓穩(wěn)定電路；溫度補(bǔ)償電路和線性化電路）（2）信號放大和阻抗變換電路（3）信號數(shù)字化和信號處理電路（4）信號發(fā)送和接受電路（5）多傳感器集成特點(diǎn)：體積小，重量減輕，功能增多，改善性能。如溫度補(bǔ)償電路和傳感元件集成在一起“智能”，出現(xiàn)了“靈巧傳感器”（SmartSenser），“智能傳感器”（IntelligentSenser）此類傳感器具有如下能力：（1）條件調(diào)節(jié)和環(huán)境補(bǔ)償能力（2）通訊能力（3）自診斷能力（4）邏輯和判斷能力已經(jīng)應(yīng)用的靈巧傳感器種類很多有：位置，有—無，距離，厚度，狀態(tài)和目標(biāo)識別。

78第78頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月傳統(tǒng)傳感器以機(jī)-電量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，以電信號為變換和傳輸?shù)妮d體，利用導(dǎo)線輸送信號。光纖傳感器則以光學(xué)量為基礎(chǔ)，以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體，利用光導(dǎo)纖維輸送信號。光纖傳感器利用光波四個參數(shù)：強(qiáng)度、頻率、相位和偏振態(tài)的變化而使光波變化。光波調(diào)制—把光波隨被測量的變化而變化稱之為光波調(diào)制。

一．分類按調(diào)制方式：（1）強(qiáng)度調(diào)制(簡單常用)；（2）頻率調(diào)制；（3）相位調(diào)制；（4）偏振調(diào)制。按光纖作用：（1）功能型光纖傳感器；（2）傳光型光纖傳感器。

第九節(jié)光纖傳感器79第79頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月傳光型光纖傳感器：光纖僅起著傳輸光波的作用，對光波的調(diào)制用其它元件來實(shí)現(xiàn)。分兩種情況：（1）傳輸途中，由敏感元件對光波調(diào)制（2）先調(diào)制好再發(fā)出。

功能型光纖傳感器：光纖不僅起著傳輸光波的作用，還起著敏感元件的作用，對光波進(jìn)行調(diào)治，即傳光又傳感。

一般來說，傳光型較簡單，應(yīng)用較多。功能型構(gòu)思巧妙，工作原理復(fù)雜，靈敏度較高，解決棘手問題，表3-4列出部分光纖傳感器測量對象、種類及調(diào)制方式。

34125a)125b)34652346+7c)圖3-50光纖傳感器種類1光源；2光源元件；3光纖4被測對象；5電輸出6敏感元件；7發(fā)光元件80第80頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月測量對象種類調(diào)制方式測量對象種類調(diào)制方式電流磁場功能型

偏振態(tài)放射線功能型光強(qiáng)相位

溫度

功能型

相位光強(qiáng)傳光型偏振態(tài)壓電場

功能型

偏振態(tài)偏振態(tài)相位傳光型

光量有無傳光型偏振態(tài)光強(qiáng)壓力振動聲壓功能型

頻率

速度

功能型

相位相位頻率光強(qiáng)傳光型光量有無傳光型光強(qiáng)光量有無光強(qiáng)圖像功能型光強(qiáng)表3-4光纖傳感器的測量對象及調(diào)制方式

81第81頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月二．光纖導(dǎo)光原理1．入、折射角由物理學(xué)知，當(dāng)光由大折射率n1的介質(zhì)射入小折射率n2的介質(zhì)時(圖3-51a)，折射角θr大于入射角θi且θi↑→θr↑。

2．臨界角

當(dāng)θ=900時所對應(yīng)的入射角稱為臨界角θic，見b)圖。3．全反射

當(dāng)θi>θic時，將出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。光線不進(jìn)入n2介質(zhì)，而在界面上全部反射回n1介質(zhì)中，見c)圖。光波沿光纖是以全反射方式進(jìn)行傳播的。n2n1θrθia)n2n1θr=900θi=θicb)n2n1θi>θicc)圖3-51光的折射演示82第82頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月4．光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)分內(nèi)外三層。中心為直徑幾十微米大折射率n1的芯子。芯子外面有一層直徑為100~200微米折射率n2較小包層。最外層為保護(hù)層，其折射率n3遠(yuǎn)大于n2，這樣保證了進(jìn)入光纖的光波將集中在芯子內(nèi)傳輸。5．光傳播一束光線自折射率n0介質(zhì)中，以入射角θi從A到B點(diǎn)；經(jīng)折射以入射角θ2射到界面C點(diǎn)。顯然當(dāng)θ2大于某一臨界角θ2c時，光線將在截面上產(chǎn)生全反射，反射角θ3=θ2。光線反射到芯子另測的界面時，入射角仍為θ2，再次產(chǎn)生全反射，如此不斷的傳播下去。AθiBCn1n2n3n0θ2θ3圖3-52光線在光纖中傳播演示83第83頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月6．條件

光線從光纖端部射入，其入射角θi必須滿足一定條件才能使在B點(diǎn)折射后的光線BC射到芯子—包層界面C處產(chǎn)生全反射?？梢宰C明若光線自折射率為n0的介質(zhì)中射入光纖，則當(dāng)

θ2=θ2c時，入射角

θi=θic，有

（3-40）

通常把n0sinθic定義為光纖的“數(shù)值孔徑”，用符號NA表示。若自n0=1的介質(zhì)（大氣）入射時，sin-1NA=θic，即為端面如社臨界角。凡入射角θi<sin-1NA部分光線不能全反射，進(jìn)行傳播。作為傳感器的光纖，故采用0.2≤NA≤0.4(11.50≤θi≤23.50)84第84頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用1：圖3-53是一種簡單的光纖位移傳感器。其發(fā)送光纖和接受光纖的端面相對，間隔為1~2μm。接受光纖收到的光強(qiáng)隨兩相對位置不同而改變。此種傳感器可應(yīng)用于聲壓和水壓探測。12x1~2μm圖3-53光纖位移傳感器1發(fā)送光纖2接受光纖三．光纖傳感器的應(yīng)用

應(yīng)用范圍：溫度、壓力、聲壓、振動85第85頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用2：圖3-54是一種反射式光纖位移傳感器。發(fā)射和接受光纖束扎在一起，靠被測面反射面反射接受光纖接受信號。接受到光強(qiáng)度隨被測面與光纖端面之距離而變化。從圖中光強(qiáng)與距離關(guān)系曲線看出：在單調(diào)上升階段靈敏度高，但位移測量范圍小，適用小位移振動和表面狀態(tài)的測量在單調(diào)下降階段，靈敏度小，測量范圍大，適用于物位測量。x12xI圖3-54反射式光纖位移傳感器1發(fā)送光纖2接受光纖86第86頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月四．光纖傳感器的特點(diǎn)（1）不受電磁干擾，電氣絕緣性好，可在強(qiáng)磁場下測量。（2）防爆、放火、耐高壓、耐腐蝕。（3）某些性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器（4）重量輕，體積小，可在狹窄空間使用。（5）具有良好的集合形狀適應(yīng)性。（6）頻帶寬，動態(tài)范圍大。（7）易于遠(yuǎn)距離測量。

缺點(diǎn)：（1）缺少兼容的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）現(xiàn)場連接困難，技術(shù)復(fù)雜，成本高。（3）多路光纖傳感器共用光源有困難。（4）多數(shù)傳感器很難實(shí)現(xiàn)“靈巧性”。

（5）標(biāo)準(zhǔn)化程度差。

87第87頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月1．靈敏度（1）適當(dāng)（2）多維測量交叉靈敏度小（3）與測量范圍協(xié)調(diào)2．響應(yīng)特性

（1）不失真（2）響應(yīng)時間短（動態(tài)測量尤為重要）3．線性（1）線性度好（2）線性范圍寬4．可靠性

可靠性高，考慮設(shè)計、制造、環(huán)境（油、粉塵、磁場、濕度）5．精確度原則上精確度↑↑，考慮經(jīng)濟(jì)性。6．測量方式（1）接觸式-非接觸式（2）在線-非在線7．其它

體積，結(jié)構(gòu)，價格，維修，采購和更換。

結(jié)束第十節(jié)傳感器選用原則88第88頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章作業(yè)教科書126頁，思考題與習(xí)題3-4下次課交作業(yè)89第89頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月表3-1機(jī)械工程中常用傳感器

類型名稱變換量被測量應(yīng)用舉例性能指標(biāo)測量范圍10~105N示值誤差±（0.3~0.5）%三等標(biāo)準(zhǔn)測力儀彈簧秤壓力表壓力表壓力表溫度計力力壓力壓力壓力溫度物體尺寸、位置有無

力—位移力—位移壓力—位移壓力—位移壓力—位移溫度—位移力—位移

測力環(huán)彈簧波紋管波登管波紋膜片雙金屬片微型開關(guān)機(jī)械式測量范圍500Pa~0.5Mpa測量范圍0.5Mpa~1000MPa測量范圍<500Pa測量范圍0~300℃位置精密度可達(dá)數(shù)微米測量范圍-10~1300℃分辨力0.1℃

紅外測溫儀

x射線應(yīng)力儀γ射線測厚儀激光測長儀超聲波測厚儀

溫度物體有無

測厚探傷應(yīng)力測厚、探傷長度位轉(zhuǎn)移角

厚度、

探傷

厚度

成分分析

熱—電散射干涉對物質(zhì)穿透光波干涉超聲波反射穿透紅外

x射線γ射線激光

超聲

β射線

輻射式測量范圍4~40mm測量精密度±0.25mm

測距2m分辨力0.2μm穿透作用90第90頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月類型名稱變換量