常用傳感器原理及其測量電路.ppt

汽車測試基礎(chǔ),教 材：汽車測試技術(shù) 主 講：童 勇 電 郵：,交通與汽車工程學(xué)院,本章學(xué)習(xí)要求：,1.了解傳感器的分類 2.掌握常用傳感器基本結(jié)構(gòu)與測量原理 3.了解傳感器測量電路,第四章 常用傳感器原理,傳感器是將被測的物理量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的、易于處理的的另一物理量的轉(zhuǎn)換裝置。,傳感器概念,目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。,傳感器的地位和作用,傳感器是測控系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，關(guān)鍵部件。 現(xiàn)代信息技術(shù)三大基礎(chǔ)： 信息采集（傳感器） 通信技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 感官 神經(jīng) 大腦,常見測量系統(tǒng),圖11 測量系統(tǒng)組成圖,傳感器的組成,傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。,常見傳感器,簡單的測試系統(tǒng)可以只有一個(gè)模塊，如玻璃管溫度計(jì)。它直接將被溫度變化轉(zhuǎn)化液面示值。沒有電量轉(zhuǎn)換和分析電路，很簡單，但精度底，無法實(shí)現(xiàn)測量自動化。,為提高測量精度和自動化程度，以便于和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成自動化裝置，通常先將被測物理量轉(zhuǎn)換為電量，再對電信號進(jìn)行處理和輸出。如圖所示的聲級計(jì)。,樓宇控制與安全防護(hù)的應(yīng)用,為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù)，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運(yùn)行狀況。,圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。,傳感器的應(yīng)用,家庭與辦公自動化的應(yīng)用,在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。,全自動洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度) 液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。,指紋傳感器,透光率傳感器,工業(yè)自動化中的應(yīng)用,機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器 轉(zhuǎn)動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。,在各種自動控制系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。,密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型,廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗, 軌跡跟蹤,培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中對知識融會貫通，獨(dú)立學(xué)習(xí)和解決問題的能力 。,倉儲模型,機(jī)械手,AGV小車,AGV自動送貨車,超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運(yùn)動軌跡和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。,香港理工AGV模型,生產(chǎn)加工過程監(jiān)測,切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅外接近開關(guān)傳感器等。,密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠,產(chǎn)品質(zhì)量測量中的應(yīng)用,在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對其性能質(zhì)量進(jìn)行測量和出廠檢驗(yàn)。,圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。,汽車扭距測量,機(jī)床加工精度測量,鼠標(biāo):光電位移傳感器,攝象頭:CCD傳感器,聲位筆:超聲波傳感器,麥克風(fēng):電容傳聲器,聲卡:A/D卡 + D/A卡,軟驅(qū):速度,位置伺服,在PC機(jī)中的應(yīng)用,美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器-OICW,夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù),激光測距儀：可精確的定位目標(biāo)。在發(fā)射20毫米高爆彈時(shí)，激光測距儀可將目標(biāo)的距離信息自動傳輸至高爆彈的爆炸引信，以便精確的設(shè)定引爆時(shí)間。,在軍事上的應(yīng)用,美國國家導(dǎo)彈防御計(jì)劃-NMD,監(jiān)測系統(tǒng): 探測和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；,攔截器：能識別真假彈頭，敵友方,其他應(yīng)用,航天,農(nóng)業(yè),交通,醫(yī)學(xué),橋梁固有頻率測量,電子稱,原理 將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。,機(jī)器人握力測量,振動式地音入侵探測器,適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。,扭矩傳感器,在汽車上的應(yīng)用,思考題：,列出你身邊的傳感器應(yīng)用的例子。 你最關(guān)心汽車的哪些性能指標(biāo)？如何測試？,問題：你最關(guān)心汽車的哪些性能指標(biāo)？,動力性能（所載發(fā)動機(jī)的最大功率，最大轉(zhuǎn)矩，0100公里/小時(shí)加速時(shí)間，最高車速） 經(jīng)濟(jì)性能（100公里油耗） 排放性能（是否達(dá)到排放強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)） 安全性能（主動：ABS/EBD，被動：安全氣囊等） 其他配置：懸架，電動助力轉(zhuǎn)向等等,在汽車測試中的應(yīng)用,整車性能試驗(yàn),底盤測功機(jī)試驗(yàn),道路試驗(yàn),整車性能試驗(yàn),發(fā)動機(jī) 臺架性能試驗(yàn),電阻應(yīng)變片式傳感器用于測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩,燃燒分析儀,第一節(jié) 傳感器的分類,1)按被測物理量分類,常見的被測物理量,機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速, 流量; 聲: 聲壓,噪聲. 磁: 磁通,磁場. 溫度: 溫度,熱量,比熱. 光： 亮度，色彩,機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.,2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:,能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì). 能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.,4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計(jì). 結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. 例如:電容式和電感式傳感器.,一 電阻式傳感器,電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器, 按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式.,1 變阻器式傳感器,第二節(jié) 常用傳感器,（1）等效電路分析:,x,L,電阻式傳感器,L-變阻器總長; x-電刷移動量. R-總電阻; RL電刷電阻;,R=k*l,x=L*E1 / E,電阻式傳感器,(2) 變阻器式傳感器的性能參數(shù): 1)線性(或曲線的一致性); 4)移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍; 2) 分辨率; 5)電阻溫度系數(shù); 3)整個(gè)電阻值的偏差; 6)壽命;,(3)變阻器式傳感器的分類,電阻式傳感器,按測量類型：,單圈電位器,多圈電位器,直線滑動式電位器,電阻式傳感器,按制作方式：,線繞電位器,變阻器式傳感器產(chǎn)品,電阻式傳感器,案例：重量的自動檢測-配料設(shè)備,電阻式傳感器,原理：彈簧-力-位移 -電位器-電阻,案例：煤氣包儲量檢測,電阻式傳感器,原理：鋼絲-收線圈數(shù) -電位器 -電阻,案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼 ）,電阻式傳感器,原理：電機(jī)-轉(zhuǎn)角 -電位器 -電阻,2 電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片（P35）,電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化象。,電阻式傳感器,種類,絲式應(yīng)變片(wire gauge) 敏感柵由高阻值的金屬絲繞成。 箔式應(yīng)變片(foil gauge) 敏感柵由高阻值的金屬鉑片經(jīng)光刻腐蝕技術(shù)制成。,薄膜式 (film gauge) 真空蒸鍍技術(shù)制成，特點(diǎn)同上。 半導(dǎo)體應(yīng)變片 由鍺或硅單晶體作為敏感元件制成,常用應(yīng)變片的形式,電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：是將被測試件的機(jī)械量（應(yīng)變）轉(zhuǎn)換成電量（電阻）的一種元件。,覆蓋層：用來保護(hù)和固定敏感柵。,組成,敏感柵：由金屬電阻絲構(gòu)成，能 將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電阻變化。,基底：固定保護(hù)敏感柵一般由紙 和有機(jī)聚合物成。,引線：由鎳鉻鋁絲構(gòu)成，用來從敏感柵引 出電信號。,應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),圖3-2 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),絲式 箔式,l稱應(yīng)變片的 標(biāo)距或工作基長 b稱應(yīng)變片的 工作寬度 b*l稱應(yīng)變片的規(guī)格,電阻應(yīng)變式傳感器工作原理,應(yīng)變 物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象 彈性應(yīng)變 當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變 彈性元件 具有彈性應(yīng)變特性的物體,應(yīng)變式傳感器概述,是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器 工作原理： 當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。 結(jié)構(gòu)： 應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成 應(yīng)用： 廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量,應(yīng)變效應(yīng)分析,電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng) 即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 ,機(jī)械效應(yīng)：金屬導(dǎo)線受力變形，該導(dǎo)線 電阻值隨之變化的物理現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。,工作原理,1) 工作原理,上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會引起電阻變化,求導(dǎo)數(shù),電阻式傳感器,金屬應(yīng)變片的電阻R為,代入,電阻式傳感器,有：,金屬絲：,金屬絲體積不變：,dA/A圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則,材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長， 沿徑向縮短， 軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為,為電阻絲材料的泊松比， 負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。,電阻式傳感器,有：,對金屬材料，導(dǎo)電率不變：,金屬絲應(yīng)變片：,推得：,定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。其表達(dá)式為,靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響,一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化， 即1+2 二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化， 即（d/）/。 對金屬材料：1+2(d/)/ 對半導(dǎo)體材料：(d/)/1+2 大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)， 電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。 ,分析：當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)， 其電阻相對變化為,半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：,式中： 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù); 半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力; E半導(dǎo)體材料的彈性模量; 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。,因此：,實(shí)驗(yàn)證明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為,電阻式傳感器,半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì),簡化為：,優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大;體積小; 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。,3) 應(yīng)變片的主要參數(shù),4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。,電阻式傳感器,1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用 bL表示。,2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。,3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。,電阻應(yīng)變片的特性,靈敏系數(shù) 橫向效應(yīng)：對垂直于其主軸線方向應(yīng)變的響應(yīng)降低了應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。橫向應(yīng)變?yōu)椋?動態(tài)特性：動載荷時(shí)，應(yīng)變波傳播速度和應(yīng)變片的長度是其對動態(tài)應(yīng)變的頻率響應(yīng)的主要影響因素。宜短。 溫度特性：1電阻隨溫度而變化；2熱效應(yīng)：試件和應(yīng)變片隨溫度線膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生附加變形，引起阻值變化。 需采用溫度補(bǔ)償措施。 線性和滯后：加載和卸載曲線不重合。 零漂3h觀測和蠕變最大應(yīng)變變化的絕對值。 應(yīng)變極限90%；電阻值120,電阻應(yīng)變片溫度補(bǔ)償,電阻式傳感器,3) 應(yīng)變片測量電路,電阻式傳感器,令：,金屬絲應(yīng)變片：,V與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測量電壓測量應(yīng)變,動態(tài)電阻應(yīng)變儀電路原理框圖,圖 4-5 直流電橋的應(yīng)變片測量電路,電阻應(yīng)變片傳感器 拉、壓應(yīng)力傳感器 扭矩傳感器 壓力（壓強(qiáng)）傳感器 加速度傳感器,電阻式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力,圖3-13 圓柱（筒）式力傳感器 （a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圓柱面展開圖；（d） 橋路連線圖,1. 柱（筒）式力傳感器,2. 環(huán)式力傳感器,圖3-14 環(huán)式力傳感器 (a) 環(huán)式傳感器結(jié)構(gòu)圖； (b) 應(yīng)力分布,圖3-15 膜片式壓力傳感器 （a） 應(yīng)變變化圖; （b） 應(yīng)變片粘貼,3. 壓強(qiáng)（壓力）傳感器,圖3-16 應(yīng)變片容器內(nèi)液體重量傳感器,4 應(yīng)變式加速度傳感器 用于物體加速度的測量。 依據(jù)：a=F/m。 ,圖3-17 電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖,圖4-3 電阻應(yīng)變式位移傳感器 1-彈簧片 2-應(yīng)變片 3-殼體 4-彈簧 5-測桿,圖4-4 電阻應(yīng)變片的應(yīng)用,電阻式傳感器,標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,案例：橋梁固有頻率測量,電阻式傳感器,案例：電子稱,原理 將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。,電阻式傳感器,案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測,電阻式傳感器,案例：機(jī)器人握力測量,電阻式傳感器,電阻式傳感器,案例：振動式地音入侵探測器,適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。,電阻式傳感器,基底材料的選用 敏感元件材料選用 敏感柵基長的選用 電阻值的選用 靈敏系數(shù)的選用,應(yīng)變片的選用,電阻式傳感器,電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù),1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等 缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。,2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大 小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值 相差不得大于0.5歐姆.,3.試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。,4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水， 輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。,電阻式傳感器,5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。,6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng) 大于500M歐。,7.應(yīng)變片保護(hù)：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止 受潮。,第四章 常用傳感器原理,電感式傳感器,電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。,分類:,電感式傳感器,電感式傳感器,二 自感型-可變磁阻式,原理:電磁感應(yīng),圖47 可變磁阻式電感傳感器 a）改變氣隙截面面積b) 改變氣隙厚度式c) 改變鐵心位置式d) 差動式 1-鐵心 2-線圈 3-銜鐵,圖48 雙螺管線圈差動型電橋電路及輸出特性 a)電橋 b) 輸出特性,這種差動形式在傳感器中使用較多，可以提高靈敏度及線性度，如圖 4 8b , L1、L2為單螺管輸出特性，線性度較差，u為雙螺管線圈差動型輸出特性，線性度、靈敏度明顯提高），從而也提高了抗干擾能力，也可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)取?由于可變磁阻式電感傳感器是接觸式測量，一般只適合用于低頻測量。,電感式接近傳感器（金屬）,電感式傳感器,電感式傳感器,三 渦電流式,原理:渦流效應(yīng),電感式傳感器,原線圈的等效阻抗Z變化：,電感式傳感器,圖411 調(diào)頻電路工作原理,圖412 調(diào)頻式位移傳感器調(diào)頻電路圖,圖413 分壓式調(diào)幅電路工作原理,a）振幅測量b）位移測量c）零件計(jì)數(shù),d）厚度測量e）轉(zhuǎn)速測量f）無損探傷,電感式傳感器,產(chǎn)品：,電感式傳感器,案例：連續(xù)油管的橢圓度測量,電感式傳感器,案例：無損探傷,原理 裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。,火車輪檢測,油管檢測,電感式傳感器,四 互感型-差動變壓器,電感式傳感器,Ey=E1 - E2,圖48 雙螺管線圈差動型電橋電路及輸出特性 a)電橋 b) 輸出特性,對比：雙螺管線圈差動型自感式電感傳感器,差動變壓器測量電路,電感式傳感器,圖417 差動變壓器位移傳感器電橋測量電路,差動變壓器位移傳感器,電感式傳感器,案例：板的厚度測量,電感式傳感器,案例：張力測量,電感式傳感器,第四章 常用傳感器原理,五 電容式傳感器,變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化,兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:,、A或發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容的變化。,五 電容式傳感器,a)極距變化型,五 電容式傳感器,駐極體電容傳聲器,它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。,五 電容式傳感器,b)面積變化型,五 電容式傳感器,平面線位移型,五 電容式傳感器,柱面線位移型.,五 電容式傳感器,產(chǎn)品.,陶瓷電容壓力傳感器,液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產(chǎn)生 位移。,五 電容式傳感器,c) 介質(zhì)變化型,五 電容式傳感器,產(chǎn)品.,電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）,五 電容式傳感器,洗衣機(jī)水位傳感器,電容式接近開關(guān),測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。,五 電容式傳感器,圖425 油箱油量測量系統(tǒng)圖,圖424 電容式振動位移傳感器 1彈簧卡圈 2殼體 3、6、8絕緣襯套 4電極座 5盤形彈簧 7螺帽 9電極,五 電容式傳感器,測量電路,3 測量電路,a)電橋電路,五 電容式傳感器,圖421 電橋型測量電路,b) 諧振電路,五 電容式傳感器,圖422 調(diào)頻電路原理框圖,c) 運(yùn)算放大器電路,五 電容式傳感器,圖423 運(yùn)算放大器式電路,五 電容式傳感器,六、壓阻式傳感器,壓阻式傳感器的變換原理：某些半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。 壓阻效應(yīng)是指某些半導(dǎo)體材料受壓力作用時(shí)，其電阻率隨壓力變化的現(xiàn)象。 單晶硅、鍺及化合物半導(dǎo)體都具有壓阻效應(yīng)。,如圖4-26所示，在單晶硅的基片上用擴(kuò)散工藝制成一定形狀的應(yīng)變元件，當(dāng)它受到壓力作用時(shí)，應(yīng)變元件的電阻發(fā)生變化，從而使輸出電壓變化。很多壓阻式壓力傳感器在硅膜片上做成4個(gè)等值電阻的應(yīng)變元件，形成半臂電橋，使輸出電壓增大。,應(yīng)為：RT，注意公式注解的錯(cuò)誤，教材P45,圖428 三種壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖,第四章 常用傳感器原理,七 壓電式傳感器,1.變換原理:壓電效應(yīng),某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。,壓電效應(yīng)的三種方向,圖430 壓電效應(yīng)模型 a) 縱向效應(yīng) b) 橫向效應(yīng) c) 切向效應(yīng),一、正壓電效應(yīng) 1、作為則量元件，可測最終能變?yōu)榱Φ奈锢砹咳鐗毫?、加速度、沖擊（汽車的沖擊檢測）、振動等； 2、作為壓電電源，可作為壓電打火機(jī)、煤氣爐或汽車的自動點(diǎn)火裝置、多種電壓發(fā)生器、計(jì)算機(jī)鍵盤等；,逆壓電效應(yīng)： 如果將具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)置于交變電場中，那么在電場作用下，其幾何尺寸會在某些方向上伸縮，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)。,二、逆壓電效應(yīng) 超聲波發(fā)生器、壓電揚(yáng)聲器、壓電諧振器（石英振蕩器）等。 三、正、逆壓電效應(yīng) 壓電變壓器、壓電陀螺、聲納、壓電聲表面波等。 四、生物壓電學(xué) 生物都具有壓電性，人的各種感覺實(shí)際上都是生物壓電傳感器。 正壓電效應(yīng)治療骨折 逆壓電效應(yīng)對骨頭通電具有矯正畸形等功能。,壓電傳感器的特點(diǎn)： 體積小，簡單，可靠，靈敏，固有頻率高，應(yīng)用廣泛，但不能測頻率太低的被測量，特別是靜態(tài)力。 思考題 1、什麼是正、逆壓電效應(yīng)？ 2、與金屬應(yīng)變傳感器相比較，壓電傳感 器有何優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)？,壓電晶片連接方式：,七 壓電式傳感器,2、測量電路,壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。,適于動態(tài)測量,圖432 壓電式力傳感器,圖433 壓電加速度傳感器構(gòu)造 1壓緊彈簧 2質(zhì)量塊 3壓電片 4機(jī)座 5引出線,彎曲型壓電加速度計(jì),圖435 固定加速度計(jì)的方法,三向力傳感器YDS-III79B,產(chǎn)品,壓力變送器,加速度計(jì),力傳感器,七 壓電式傳感器,案例：飛機(jī)模態(tài)分析,七 壓電式傳感器,第四章 常用傳感器原理,八 磁電式傳感器,1.變換原理:,磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。,感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e為,磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會改變感應(yīng)電動勢。,2 分類,磁電式,動圈式,磁阻式,線速度型,角速度型,八 磁電式傳感器,動圈式傳感器,線速度型,八 磁電式傳感器,式中l(wèi)每匝線圈的平均長度； 。B線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度； 。S每匝線圈的平均截面積。,角速度型,測速電機(jī),八 磁電式傳感器,式中l(wèi)每匝線圈的平均長度； 。B線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度； 。S每匝線圈的平均截面積。,圖437 磁電式速度傳感器 1彈簧 2殼體 3阻尼環(huán) 4磁鐵 5線圈 6心軸 7彈簧,圖 437 是磁電式速度計(jì)結(jié)構(gòu)圖。磁鐵與殼體形成磁回路，裝在芯軸上的線圈和阻尼環(huán)組成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊并在磁場中運(yùn)動，其輸出電壓與線圈切割磁力線速度即質(zhì)量塊相對殼體的運(yùn)動速度成正比。,圖438 磁電式相對速度傳感器 1頂桿 2、5彈簧片 3磁鐵 4線圈 6引出線 7殼體,圖 438 是測量兩個(gè)試件之間相對速度的傳感器。殼體固定在一個(gè)試件上，頂桿頂住另一個(gè)試件，兩試件之間的相對速度，通過與頂桿連在一起的線圈在磁場氣隙中的切割磁力線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線圈的電壓輸出。,磁阻式傳感器,八 磁電式傳感器,磁阻式傳感器又稱為變磁通式傳感器或變氣隙式傳感器，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。,案例：鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子斷細(xì)條檢測,八 磁電式傳感器,第四章 常用傳感器原理,九 磁敏元件傳感器-霍爾效應(yīng),霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。,九 磁敏元件傳感器-霍爾效應(yīng),九 磁敏元件傳感器-霍爾效應(yīng),圖440 霍爾元件測位移,圖441 霍爾元件測力,圖442 霍爾開關(guān)集成電路的應(yīng)用 a) 鋼球計(jì)數(shù) b)測量轉(zhuǎn)速 c)測量電路,測轉(zhuǎn)角：,九 磁敏元件傳感器-霍爾效應(yīng),電流傳感器,當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)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(jìn)行檢測。,九 磁敏元件傳感器,鐵磁材料裂紋檢測,葉片和齒輪位置傳感器,應(yīng)用,案例：轉(zhuǎn)速測量,案例：汽車速度測量:,十 光電傳感器-半導(dǎo)體光敏管,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(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。,內(nèi)光電效應(yīng),半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導(dǎo)電性能增強(qiáng),光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為光電導(dǎo)效應(yīng) 。,光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管,受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng),1）光電導(dǎo)效應(yīng),圖443 光敏二極管,圖4-44 光敏晶體管等效電路,吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。,圖445 吸收式煙塵濁度檢測儀框圖,圖446 光電斷電器的結(jié)構(gòu) 1發(fā)射端 2接收端,圖447 光電斷電器應(yīng)用舉例,光電池,光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。 以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。,2)光生伏特效應(yīng),(2) 外光電效應(yīng) 在光線作用下,物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象,稱為外光電效應(yīng)。,式中n轉(zhuǎn)速； 。f脈沖頻率； 。N圓盤開孔數(shù)。,十 光電傳感器-半導(dǎo)體光敏管,案例：光電式鼠標(biāo)的原理是利用發(fā)光二極管(LED)與光敏晶體管的組合來測量位移，二者之間的夾角使LED發(fā)出的光照到光電板后正好反射給后者, 發(fā)光二極管發(fā)出的一部分光照射到下面的感光板上反射回來被光敏三極管吸收，另一部分光被感光板吸收而無反射，從而形成了高低電平交錯(cuò)的脈沖信號。鼠標(biāo)中的電路就將檢測到的光的強(qiáng)弱變成表示位移的脈沖。,光學(xué)機(jī)械式鼠標(biāo)的基本原理也是用光敏半導(dǎo)體元件測量位移，鼠標(biāo)內(nèi)置了二個(gè)滾軸，分別是X方向滾軸和Y方向滾軸,這兩個(gè)滾軸都與一個(gè)可以滾動的小球接觸，當(dāng)小球滾動時(shí)便帶動了兩個(gè)滾軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)譯碼輪被帶動時(shí)LED發(fā)出的光時(shí)而照到光敏晶體管時(shí)而被阻斷，從而產(chǎn)生表示位移的脈沖，通過鼠標(biāo)的控制芯片轉(zhuǎn)換處理后被CPU接收并對其計(jì)數(shù)。互相垂直的傳動軸分別對應(yīng)著屏幕上的橫軸和縱軸，脈沖信號的數(shù)量和頻率決定了鼠標(biāo)在屏幕上移動的距離和速度。,十 光電傳感器-半導(dǎo)體光敏管,十 光電傳感器-半導(dǎo)體光敏管,相機(jī)測距反射式光電傳感器,十一 光纖傳感器,物性型光纖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(diào)制的光信號。,1）物性型光纖傳感器,第四章 常用傳感器原理,光導(dǎo)纖維是一種特殊結(jié)構(gòu)的人造光學(xué)纖維。當(dāng)光線從它的一端輸入時(shí)，它可以將絕大部分光線按預(yù)定的路線傳送至另一端。,圖448 光纖結(jié)構(gòu)原理,光纖流速傳感器,十一 光纖傳感器,結(jié)構(gòu)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(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。,2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器,十一 光纖傳感器,圖450 傳光型光纖位移傳感器原理,光纖檢測型光電傳感器,作業(yè)件檢測,顏色檢測,十一 光纖傳感器,十二 CCD固態(tài)圖象傳感器,電荷藕合器（Charge Coupled Device , CCD） 電荷耦合器件(CCD)分為線陣器件和面陣器件兩種，其基本組成部分是MOS光敏元列陣和讀出移位寄存器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元件的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)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，以此形成一個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 (MOS)。,第四章 常用傳感器原理,另一種圖像傳感器 互補(bǔ)金屬氧化物場效應(yīng)管 CMOS ( Complement Metal Oxide Semiconductor ）,通常在半導(dǎo)體硅片上制有幾百個(gè)或幾千個(gè)相互獨(dú)立的MOS元，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列。如果在金屬電極上施加一正電壓，則在這半導(dǎo)體硅片上就形成幾百個(gè)或幾千個(gè)相互獨(dú)立的勢阱。如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則與此同時(shí)，在這些光敏元上就會感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。這就是電荷耦合器件的光電效應(yīng)的基本原理。,十二 CCD固態(tài)圖象傳感器,十二 CCD固態(tài)圖象傳感器,當(dāng)在金屬電極上施加一正電壓時(shí)，在電場的作用下，電極下面的P型硅區(qū)域里的空穴將被趕盡，從而形成耗盡區(qū)。也就是說，對帶負(fù)電的電子而言，這個(gè)耗盡區(qū)是一個(gè)勢能很低的區(qū)域，稱為“勢阱”。如果此時(shí)有光線入射到半導(dǎo)體硅片上，則在光子的作用下，半導(dǎo)體硅片上就形成電子和空穴，由此產(chǎn)生的光生電子被附近的勢阱所吸收(或稱俘獲），而同時(shí)產(chǎn)生的空穴則被電場排斥出耗盡區(qū)。此時(shí)勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強(qiáng)成正比。人們稱這樣一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元，或稱為一個(gè)像素；把一個(gè)勢阱所收集的若干光生電荷稱為一個(gè)電荷包。,CCD 器件是一種半導(dǎo)體光敏器件，它有如下三種處理電荷的功能： (1) 光電變換功能（由光產(chǎn)生電荷）。當(dāng)光照射在 CCD 的像素上時(shí)，像素將產(chǎn)生電子形成電荷，光照越強(qiáng)，產(chǎn)生的電荷越多。 (2) 電荷存儲功能。當(dāng)某電極（像素）上加上一個(gè)正電壓時(shí)，就會在該電極下產(chǎn)生“勢阱”，它的含義是在該區(qū)域的任何電子都會受到這“勢阱”的強(qiáng)大“吸引力”，并能漏流進(jìn)去。這可以比作把“水”倒入“水桶”內(nèi)?！八本褪请姾桑八啊本褪恰皠葳濉?。,圖451CCD電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)、光電轉(zhuǎn)換原理,(3）電荷轉(zhuǎn)移功能。一個(gè) CCD 芯片上的像素有很多線陣。如果每一個(gè)像素都有一個(gè)引腳，將很容易獲得各個(gè)像素的電荷信息，這在實(shí)際上是不可能的，CCD 是采用“勢阱”，一個(gè)一個(gè)分別獲得各個(gè)像素的電荷信息的。如圖 452 所示，假如在第一個(gè)電極上加一個(gè)電壓，比如+5V ，那么在此電極下就會產(chǎn)生一個(gè)“勢阱”。然后在第二個(gè)電極上加上+10V ，電荷就會流入這個(gè)新的“勢阱”“桶”內(nèi)。假如去掉第一個(gè)電極上的電壓，并把第二個(gè)電極的電壓從+10V 降到+5V，電荷就被收集在第二個(gè)電極下面。這樣就已經(jīng)成功地轉(zhuǎn)移了電荷。如果重復(fù)上述的步驟，就能利用一連串的脈沖，把電荷作為獨(dú)立的小包沿著襯底的整個(gè)長度傳輸出去進(jìn)行進(jìn)一步的處理。,圖452 CCD電荷耦合,應(yīng)用,(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點(diǎn)等。 (2)作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識別技術(shù)(OCR)、圖像識別技術(shù)、光譜測量及空間遙感技術(shù)等方面。 (3)作自動流水線裝置中的敏感器件，例如可用于機(jī)床、自動售貨機(jī)、自動搬運(yùn)車以及自動監(jiān)視裝置等方面。,特點(diǎn): (1) 非接觸檢測; (2) 響應(yīng)快; (3) 可靠性高,維修簡便; (4) 測量精度高; (5) 體積小,重量輕; 容易與計(jì)算機(jī)連接 (6) 對被測物體需要強(qiáng)光照射; (7) 受被測物體以外的光的影響. 應(yīng)用: (1) 寬度測量; (2) 外徑測量; (3) 主軸徑向跳動測量.,十二 CCD固態(tài)圖象傳感器,條形碼掃描器,圖454熱軋鋼板寬度自動檢測原理,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,數(shù)碼相機(jī) 、3CCD攝像機(jī),十二 CCD固態(tài)圖象傳感器,十三 超聲波檢測傳感器,1)聲波及其分類,(1)次聲波，振動頻率低于l6Hz的機(jī)械波。,(2)聲波:振動頻率在16Hz20KHz之間的機(jī)械波。,(3)超聲波:高于20KHz的機(jī)械波。,2）超聲波的物理性質(zhì),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(qiáng)，可以定向傳播，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。在鋼材中甚至可穿透 10m 以上。,(4)微波：頻率在31O831O11Hz之間的機(jī)械波,十三 超聲波檢測傳感器,聲壓,所謂聲壓，是指某點(diǎn)上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為Pa，1Pa =1N/m2。,聲強(qiáng),聲強(qiáng)是聲波在傳播方向上單位時(shí)間內(nèi)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(shí)間內(nèi)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(chǎn)生機(jī)械振動，發(fā)射出超聲波。,接收原理是當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時(shí)，使磁滯材料磁場變化，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢輸出。,十三 超聲波檢測傳感器,超聲波探頭（壓電式超聲波換能器）,超聲波探頭，又稱超聲波發(fā)生器或接收器，是利用壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為超聲振動能，或?qū)⒊曊駝幽苻D(zhuǎn)換為電能的一種換能裝置。在實(shí)際使用中，利用壓電效應(yīng)的可逆性，有時(shí)將換能頭作為“發(fā)射”與“接收”兼用，亦即將脈沖交流電壓加在壓電元件上，使其向介質(zhì)發(fā)射超聲波，同時(shí)又利用它接受從介質(zhì)中反射回來的超聲波，并將反射波轉(zhuǎn)換為電信號。因此，壓電式超聲波換能器，實(shí)質(zhì)上是一種壓電式傳感器。,圖454超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意圖,圖455超聲波應(yīng)用的三種基本類型 a)投射型 b) 分離式反射型 c)反射型,超聲波測距系統(tǒng),聲音 - 機(jī)械波（機(jī)械振動 - 彈性煤質(zhì)）； 聲波 - 縱波；,聲速 （C） - 聲波在媒質(zhì)中傳播的速度 ，單位為m/s,聲頻范圍（可聽頻率范圍）：20 20000Hz,次聲波 - 頻率低于20Hz；超聲波 - 超過20kHz,tc - 往返時(shí)間,特點(diǎn)：不易受太陽光干擾；不受測量對象顏色、表面形狀的影響； 抗污染能力強(qiáng),超聲波在空氣中的傳播速度：,空氣中：344m/s；水中：1440m/s；鋼鐵中：約5000m/s。,T - 環(huán)境溫度（C）,應(yīng)用：粉塵、水滴飛濺；透明體（如塑料薄膜和板材）、海綿、 橡膠、蝶形紙類的堆積量/厚度的測量；物流運(yùn)輸系統(tǒng),被測距離：,1）原理：,2）應(yīng)用實(shí)例：, 運(yùn)輸小車的控制, 車體的定位檢測,超聲波傳感器對,十三 超聲波檢測傳感器,案例：輸油管檢測檢測機(jī)器人,十三 超聲波檢測傳感器,倒車?yán)走_(dá),十三 超聲波檢測傳感器,魚群探測器,十三 超聲波檢測傳感器,第四章 常用傳感器原理,補(bǔ)充 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(qiáng)度依賴于物體溫度(K)，根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達(dá)式：,應(yīng)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。,十四 其它類型的傳感器,2、聲發(fā)射檢測傳感器,材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)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(shù)金屬的聲發(fā)射頻帶在超聲范圍內(nèi)。,十四 其它類型的傳感器,案例：材料斷裂等結(jié)構(gòu)監(jiān)測,十四 其它類型的傳感器,3 生物傳感器,第四章 常用傳感器原理,生物傳感器與其它傳感器是檢測對象中含生命物質(zhì)。根據(jù)敏感物質(zhì)不同,生物傳感器分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器等。,第四章 常用傳感器原理,2、環(huán)境監(jiān)測,3.醫(yī)學(xué),應(yīng)用領(lǐng)域,1、發(fā)酵工業(yè)(食品),第四章 常用傳感器原理,血糖乳酸測定流程,體育上耐力訓(xùn)練,第四章 常用傳感器原理,德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀,第四章 常用傳感器原理,手掌型葡萄糖(glucose)分析儀,第四章 常用傳感器原理,工廠發(fā)酵車間化驗(yàn) 員正在分析樣品,發(fā)酵工廠谷氨酸-葡萄糖分析,4 智能傳感器,第四章 常用傳感器原理,傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學(xué)量（如濃度、PH值等）、生物量（如細(xì)菌等）等的信息，并將該信息轉(zhuǎn)化為電信息的裝置。,智能傳感器是將傳感器與微型計(jì)算機(jī)集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還具有認(rèn)知能力。,5 熱敏傳感器,1.雙金屬溫度計(jì),把兩種膨脹系數(shù)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(jì)，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械量變化。,優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單 牢固 可靠 防爆,5 熱敏傳感器,2. 熱電溫度計(jì)(熱電偶，要求筆記),熱電效應(yīng),將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。,5 熱敏傳感器,k玻耳茲曼常數(shù)， e電子電荷量， T接觸處的溫度 NA，NB分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。,5 熱敏傳感器,熱電偶測溫基本定律,1)均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。,2)中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。,5 熱敏傳感器,3)參考電極定律 兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：,由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。,5 熱敏傳感器,5 熱敏傳感器,5 熱敏傳感器,3 熱敏電阻傳感器,半導(dǎo)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(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。,5 熱敏傳感器,普通金屬-正溫度效應(yīng),5 熱敏傳感器,5 熱敏傳感器,5 熱敏傳感器,產(chǎn)品,溫控器,5 熱敏傳感器,應(yīng)用,汽車發(fā)動機(jī)傳感器,水溫感應(yīng)塞,還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等,6 氣敏電阻傳感器,氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護(hù)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(dá)0.81.15 ml/L時(shí)，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟省＿€有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。,煙霧報(bào)警器,酒精傳感器,二氧化碳傳感器,6 氣敏電阻傳感器,氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時(shí)，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。,6 氣敏電阻傳感器,6 氣敏電阻傳感器,實(shí)驗(yàn)室中的傳感器,6 氣敏電阻傳感器,燃?xì)鈭?bào)警器,煙霧報(bào)警器,酒精傳感器,6 氣敏電阻傳感器,十四 新型傳感器的開發(fā)方向,一、新材料的應(yīng)用 二、新工藝技術(shù)的應(yīng)用 三、采用新的效應(yīng)開發(fā)新型傳感器 四、集成傳感器 五、多維化傳感器 六、靈巧傳感器,一、新材料的應(yīng)用 半導(dǎo)體材料在敏感元件中占有較大的技術(shù)優(yōu)勢，在今后的一個(gè)時(shí)期內(nèi)仍占有主要地位。以一定化學(xué)成分組成的陶瓷材料，經(jīng)過成型及燒結(jié)的精密陶瓷材料的應(yīng)用將更為廣泛，如用于濕敏元件及熱敏元件。功能金屬、功能有機(jī)化合物及非晶態(tài)等新材料（如記憶合金、 聚偏氟乙烯、鐵基非晶態(tài)合金）已經(jīng)制成不少新型傳感器，今后將更加引人注意。,二、新工藝技術(shù)的應(yīng)用 這里特別提出的是微細(xì)加工技術(shù)在超小型傳感器中的應(yīng)用。微細(xì)加工技術(shù)是一種集成電路的加工技術(shù)，它由三大基本技術(shù)組成：平面電子工藝技術(shù)、有選擇的化學(xué)腐蝕技術(shù)及機(jī)械切割技術(shù)。利用微細(xì)加工技術(shù)制造微型壓阻壓力傳感器，例如已有 0 . 75mm 直徑的壓阻式壓力傳感器供應(yīng)市場，甚至可以植入人體血管內(nèi)，進(jìn)行壓力測量。,三、采用新的效應(yīng)開發(fā)新型傳感器 （1）新的物理效應(yīng)。如近年來開發(fā)的表面彈性波，它可以測溫度、力及壓力等參數(shù)。 (2)新的化學(xué)效應(yīng)。如利用對離子敏感的場效應(yīng)管制成的微小的 CO2傳感器，可以做成注射器針頭直徑大小，把它置人人體內(nèi)，可測出血液中的 CO2分量，即可以獲得有關(guān)人體循環(huán)器官和呼吸器官功能的重要信息，可免去抽血的痛苦。 (3)新的生物效應(yīng)。如用微生物取代酶固定在薄膜上，利用微生物有選擇的反應(yīng)特性制成微生物傳感器。一般采用骨膠或多孔性醋酸纖維素制成薄膜。采用微生物傳感器可以對發(fā)酵過程進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測量。,四、集成傳感器 集成傳感器是新型傳感器重要的發(fā)展方向之一。其基本原理是用集成加工技術(shù)，將敏感元件、測量電路、放大器及溫度補(bǔ)償元件等集成在一個(gè)芯片上。它不僅尺寸小、重量輕、穩(wěn)定性及可靠性高、響應(yīng)速度快，而且由于生產(chǎn)自動化程度高，成本較低。,五、多維化傳感器 一般的傳感器只能獲取一個(gè)點(diǎn)的信息。利用電子掃描方法，把多個(gè)傳感器單元做在一起，就可