1、第三章、傳感器測量原理,3.7 磁敏元件傳感器,霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。,3.7 磁敏元件傳感器,3.7 磁敏元件傳感器,測轉角：,3.7 磁敏元件傳感器,電流傳感器,當電流流過導線時，將在導線周圍產生磁場，磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。,3.7 磁敏元件傳感器,鐵磁材料裂紋檢測,3.7 磁敏元件傳感器,葉片和齒輪位置傳感器,應用,3.7 磁敏元件傳感器,案例：汽車速度測量:,3.7 磁敏元件傳感器,2 磁電阻元件 當半導體元件受到與電流方向垂直的均勻磁場作用時，不僅會出現(xiàn)霍爾效應，而且還會出現(xiàn)半導體電阻增大的

2、現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應。利用磁阻效應制作的半導體元件叫做磁阻元件。,3.7 磁敏元件傳感器,需注意的是，磁阻效應是使半導體電阻沿電流方向變化，這是因為洛倫茲力使載流子往一邊偏轉，半導體片內電流分布不均勻，改變磁場的強弱就影響電流密度的分布，表現(xiàn)為半導體電阻沿電流方向變化。,應用 磁頭；接近開關和無觸點開關。,3.7 磁敏元件傳感器,3 磁感應半導體元件分類,霍爾元件,磁電阻元件,磁敏二極管,磁晶體管,磁半導體開關,3.7 磁敏元件傳感器,在網上找各類磁敏元件傳感器產品,3.7 磁敏元件傳感器,案例：轉速測量,3.7 磁敏元件傳感器,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,1.雙金屬溫度計,

3、把兩種膨脹系數不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉換成機械量變化。,優(yōu)點： 結構簡單 牢固 可靠 防爆,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,熒光燈啟輝器,熒光燈,熒光燈,零線,火線,當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。電路中電流突然中斷，使鎮(zhèn)流器兩端產生一個比電源電壓高得多的感應電動勢，在強電場的作用下，引起管內汞蒸氣電離而形成弧光放電.,3.8 熱敏傳感器,熒光燈啟輝器,啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成輝光放電管內有一個U形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或

4、靜觸極，玻璃管內充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電過程），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經過雙金屬片與靜觸板流通，惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經過18秒的時間，雙金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。,2. 熱電溫度計(熱電偶),熱電效應,將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應。,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,回路熱電勢:EAB(t,t0) 與材料A、B有關，與t-t0有關（“熱”端、“冷”端溫差）

5、。 由測得EAB(t,t0)和t0來獲得t。 材料A、B：標準化熱電偶 標準化熱電偶指已大量生產和使用，工藝穩(wěn)定，性能符合專業(yè)標準或國家標準，具有統(tǒng)一分度表的熱電偶。,8種標準化熱電偶型號 標志 材料 使用溫度 S 鉑銠10鉑 -501768 R 鉑銠13鉑 -501768 B 鉑銠30鉑銠 601820 K 鎳鉻鎳硅 -2701372 N 鎳鉻硅鎳硅 -2701300 E 鎳鉻 銅鎳合金（康銅） -2701000 J 鐵銅鎳合金（康銅） -2101200 T 銅銅鎳合金（康銅） -270400 分度表：t0=0度時，不同t時的熱電勢（mv級）表,熱電偶測溫基本定律,1)均質導體定律 由一種均

6、質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。,2)中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。,3.8 熱敏傳感器,3)中間溫度定律： 熱電偶A、B在接點溫度t,t0時的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度t,t1 與t1,t0時的熱電勢之和。即： EAB(t,t0)= EAB(t,t1)+ EAB(t1,t0),。,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,3 熱敏電阻傳感器,半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負

7、的電阻溫度系數，隨溫度上升而阻值下降。,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,產品,溫控器,3.8 熱敏傳感器,應用,汽車發(fā)動機傳感器,水溫感應塞,還廣泛應用于空調、暖氣、電子體溫計等,3 傳感器原理,3.9 氣敏電阻傳感器,氣體與人類日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。,如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達0.81.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。,煙霧報警器,酒精傳感器,二氧化碳傳感器,3.9 氣敏電阻傳感器,氣敏傳感器是利用氣敏半導

8、體材料，如氧化錫、氧化錳。當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。,3.9 氣敏電阻傳感器,3.9 氣敏電阻傳感器,3.9 氣敏電阻傳感器,實驗室中的傳感器,3.9 氣敏電阻傳感器,燃氣報警器,煙霧報警器,酒精傳感器,3.9 氣敏電阻傳感器,3.10 超聲波檢測傳感器,3. 傳感器原理,1)聲波及其分類,(1)次聲波，振動頻率低于l6Hz的機械波。,(2)聲波:振動頻率在16Hz20KHz之間的機械波。,(3)超聲波:高于20KHz的機械波。,2）超聲波的物理性質,超聲波與聲波比，振動頻率高，波長短，具有束射特性，方向性強，可以定

9、向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。,3.10 超聲波檢測傳感器,聲壓,所謂聲壓，是指某點上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為Pa，1Pa =1N/m2。,聲強,聲強是聲波在傳播方向上單位時間內通過單位面積的能量，單位為W/m2。,聲功率,聲功率(W)是聲源在單位時間內發(fā)射出的總能量，單位是W。,超聲波傳感器原理,超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產生機械振動，發(fā)射出超聲波。,接收原理是當超聲波作用在磁致材料上時，使磁滯材料磁場變化，使線圈產生感應電勢輸出。,3.10 超聲波檢測傳感器,超聲波傳感器對,3.10 超聲波檢測傳感器,超聲波傳感器應用,超聲波探傷/

10、測距/測物,t,A,3.10 超聲波檢測傳感器,案例：輸油管檢測檢測機器人,3.10 超聲波檢測傳感器,倒車雷達,3.10 超聲波檢測傳感器,魚群探測器,3.10 超聲波檢測傳感器,3. 傳感器原理,3.11 光電傳感器,光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。,內光電效應,半導體材料受到光照時會產生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內光電效應 。,光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管,3. 傳感器原理,3. 傳感器原理,照相機自動測光 光控燈 工業(yè)控制,3.7 半

11、導體敏感元件傳感器,光電池,光生伏特效應指半導體材料P-N結受到光照后產生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。,3.7 半導體敏感元件傳感器,應用,光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。,3.7 半導體敏感元件傳感器,3.7 半導體敏感元件傳感器,3.7 半導體敏感元件傳感器,3.7 半導體敏感元件傳感器,案例：光電鼠標就是利用LED與光敏晶體管組合來 測量位移。,3.7 半導體敏感元件傳感器,3.7 半導體敏感元件傳感器,相機測距反射式光電傳感器,3.7 半導體敏感元件傳感器,3.12 光纖傳感器,物性型光纖

12、傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。,1）物性型光纖傳感器,第三章、傳感器測量原理,光纖流速傳感器,3.12 光纖傳感器,結構型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。,2）結構型光纖傳感器,3.12 光纖傳感器,光纖檢測型光電傳感器,作業(yè)件檢測,顏色檢測,3.12 光纖傳感器,3.13 CCD固態(tài)圖象傳感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的結構是在半導體(P型硅)基片上形成一種氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形

13、成一個金屬-氧化物-半導體結構元 (MOS)。,第三章、傳感器測量原理,在半導體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像。,3.13 CCD固態(tài)圖象傳感器,3.13 CCD固態(tài)圖象傳感器,特點: (1) 非接觸檢測; (2) 響應快; (3) 可靠性高,為修簡便; (4) 測量精度高; (5) 體積小,重量輕; 容易與計算機連接 (6) 對被測物體需要強光照射; (7) 受被測物體以外的光的影響. 應用: (1) 寬度測量; (2) 外徑測量; (3) 主軸徑向跳動測量.,3.13 CCD固態(tài)圖象

14、傳感器,條形碼掃描器,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,數碼相機,3.13 CCD固態(tài)圖象傳感器,第三章、傳感器測量原理,3.14 其它類型的傳感器,1、熱輻射檢測傳感器,絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體溫度(K)，根據普朗克輻射定律有以下表達式：,應用： 冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。,3.14 其它類型的傳感器,2、聲發(fā)射檢測傳感器,材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射頻率范圍很寬，從次聲、聲頻到超聲。多數金屬的聲發(fā)射頻帶在超

15、聲范圍內。,3.14 其它類型的傳感器,案例：材料斷裂等結構監(jiān)測,3.14 其它類型的傳感器,3.15 生物傳感器,第三章、傳感器測量原理,生物傳感器與其它傳感器是檢測對象中含生命物質。根據敏感物質不同,生物傳感器分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等。,第三章、傳感器測量原理,2、環(huán)境監(jiān)測,3.醫(yī)學,應用領域,1、發(fā)酵工業(yè)(食品),第三章、傳感器測量原理,血糖乳酸測定流程,體育上耐力訓練,第三章、傳感器測量原理,德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀,第三章、傳感器測量原理,手掌型葡萄糖(glucose)分析儀,第三章、傳感器測量原理,工廠發(fā)酵車間化驗 員正在分析樣品,發(fā)酵

16、工廠谷氨酸-葡萄糖分析,3.16 智能傳感器,第三章、傳感器測量原理,傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學量（如濃度、PH值等）、生物量（如細菌等）等的信息，并將該信息轉化為電信息的裝置。,智能傳感器是將傳感器與微型計算機集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術和信息處理技術相結合，使其除了具有感知的本能外，還具有認知能力。,第三章、傳感器測量原理,嵌入式計算機,智能傾角RS232傳感器,IC總線數字溫度傳感器,第三章、傳感器測量原理,振動網絡傳感器,智能壓力網絡傳感器,第三章、傳感器測量原理,GSM/SMS,第三章、傳感器測量原理,3.16 傳感器選用原則,選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。,1、靈敏度,一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。 a)靈敏度過高引起的干擾問題； b)量程范圍。 c)交叉靈敏度問題。,2 響應特性,傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內，保持不失真的測量條件。 實際上傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。,3 線性范圍,任何傳感器都有一