機(jī)械工程測試技術(shù)三PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1機(jī)械工程測試技術(shù)三機(jī)械工程測試技術(shù)三2第1頁/共107頁3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：結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等。 缺點：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。第2頁/共107頁4第3頁/共107頁5

2、第4頁/共107頁6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 AlR（3-1） 式中：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 所示第5頁/共107頁71直線位移型（見圖3-5a） C點與A點之間的電阻值為 xkRl兩邊取微分 dxkdRllkdxdRS（3-2） 可見導(dǎo)線分布均勻時，

3、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 kddRS式中 轉(zhuǎn)角（rad）;k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 第6頁/共107頁84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

4、電壓 uy 可用下式計算：（3-3） )1)(0plppyxxRRxxuu圖3-6 電阻分壓電路xRLuyu0 xp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：（1）結(jié)構(gòu)簡單 （2）性能穩(wěn)定 （3）使用方便缺點：（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。第7頁/共107頁9二電阻應(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：（1）體積?。?）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

5、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110 m。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。 第8頁/共107頁10第9頁/共107頁11由于電阻值 AlR對上式求微分 dRdAARdllRdR（3-4） 式中 2rAdrlrdrrldlrdR22222)(drldrrldlrdR2322)2(drdrldlRdRd

6、rdrldlRdR2（3-5） 式中 電阻絲軸向相對應(yīng)變（或稱縱向應(yīng)變） ldl電阻絲徑向相對應(yīng)變（或稱橫向應(yīng)變） ldlrdr電阻絲電阻率相對變化，與電阻絲所手正應(yīng)力有關(guān)。 d材料泊松比 （3-6） 第10頁/共107頁12Ed（3-7） 式中 E電阻絲材料的彈性模量；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 )21 (2EERdR（3-8） (1+2)項是電阻絲幾何尺寸改變所引起，同一電阻材料是常數(shù)E項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 )21 ( RdR（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

7、數(shù)或靈敏度。 21ldlRdRSg常數(shù) （3-10） 制造中 Sg在1.73.6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 60，120，350，600，1000 等。 第11頁/共107頁13（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，其電阻率變化。根據(jù)式（3-8），(1+2)項是由幾何尺寸變化引起的，E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 ERdR（3-11） 靈敏度為 EldlRdRSg（3-12） 這一數(shù)值比金屬絲式大5070倍，幾種常用的半導(dǎo)體材料特性見表

8、3-3 優(yōu)點： 靈敏度高缺點：（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。 第12頁/共107頁14（三）電阻應(yīng)變片傳感器應(yīng)用實例 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

9、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:第13頁/共107頁15第14頁/共107頁16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 mRWL

10、2（3-13） 式中 W線圈匝數(shù) Rm磁路總磁阻H-1(亨) 如果空氣隙較小，不考慮磁路的鐵損時，則總磁阻為 002AAlRm（3-14） 式中鐵心磁導(dǎo)率 0空氣磁導(dǎo)率(410-7) l鐵心導(dǎo)磁長度 氣隙長度 A鐵心導(dǎo)磁截面積 A = ab A0空氣隙導(dǎo)磁橫截面積 第15頁/共107頁17因為鐵心磁阻與空氣隙磁阻相比很小，可以忽略，故 002ARm（3-15） 代入式（3-13）得 2002AWL （3-16） 式（3-16）表明：自感 L 與氣隙 成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積 A0 成正比。當(dāng)固定 A0 變化 時，L與 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，

11、靈敏度S與氣隙長度平方成反比，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(0,0+)，一般應(yīng)用中取/0.1。此種傳感器適合于較小位移的測量，一般設(shè)為 0.0011 mm。 20022AWS第16頁/共107頁18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0+和0-變化，一個線圈自感增加，另一個線圈自感減少，將兩線圈

12、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 0300 m,最小分辨力為 0.5m。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。 第17頁/共107頁19（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，當(dāng)線圈通過一高頻交變電流時，產(chǎn)生磁通 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。

13、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 有關(guān)。 圖3-15 高頻反射式 渦流傳感器原理ii11金屬板第18頁/共107頁20高頻線圈阻抗 Z 影響因數(shù)：（1）值；（2）金屬板電極率； （3）磁導(dǎo)率；（4）線圈激勵圓頻率 等變化。可作為位移、振動測量，變化和可作為材質(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 LCf21（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

14、作時線圈阻抗隨 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 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 的動態(tài)化信息。 第19頁/共107頁21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)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 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 110 mm，分辨力為 1 m 的 非接觸式測量。 C圖3-18 調(diào)頻電路工作原理ffu0LL高頻振蕩 器鑒頻器第20頁/共107頁22第

15、21頁/共107頁23二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 dtdiMe112（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e12i1W2W1第22頁/共107頁24差動式工作原理：見圖3-20 a)，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)貼心向上運動

16、時，e1 e2（3）當(dāng)貼心向下運動時，e1 C+ Cf 上式簡化為 fyCqu（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。 第44頁/共107頁46五壓電式傳感器的應(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10-3N104kN，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

17、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。第45頁/共107頁47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 發(fā)生變化時，其感應(yīng)電動勢 e 為

18、dtdWe（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) 磁電式傳感器第46頁/共107頁48一動圈式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)線圈在磁場中運動時，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e為 sinWBlve （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動速度 l 單匝線圈有效長度 線圈運動方向與磁場方向夾角 W 線圈匝數(shù) 當(dāng)=900時式（3-35）可寫成 WBlve （3-36） 此式說明，當(dāng) B、W、l 均為常數(shù)時，感

19、應(yīng)電動勢大小與線圈運動線速度成正比。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 kWBAe （3-37） 式中 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 Z0時，則放大器輸入電壓為 euL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)）。 第48頁/共107頁50二磁阻式原理：磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對運動，由運動著的物

20、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：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)振動測量第49頁/共107頁51三熱電式傳感器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)第50頁/共107頁52熱電偶回路的特點：1）若回路的兩種導(dǎo)體相同，則無

21、論兩節(jié)點溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動勢為零；2）若兩接點溫度相同，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)，而只與接點溫度有關(guān)；4）熱電偶在接點溫度T1、T3時的熱電動勢，等于熱電偶在接點溫度為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

22、-41）標(biāo)準(zhǔn)電極定律52第51頁/共107頁53第52頁/共107頁54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)第53頁/共107頁551）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：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：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（WRE

23、U）組成：鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極；直徑約為1.22.5mm。特點：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：測量精度偏低。55第54頁/共107頁564）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：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：產(chǎn)生的熱電動勢小，價格昂貴。3）鎳鉻考銅熱電偶（WREA）組

24、成：鎳鉻絲為正極，考銅（鎳、銅合金）為負(fù)極；直徑約為 1.22.0mm。特點：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：測溫范圍低且窄，考銅合金易受氧化而變質(zhì)。565）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10 V/ ），快速測量壁面溫度的薄膜熱電偶（測量厚度為0.010.1mm），非金屬材料熱電偶。第55頁/共107頁572、熱電阻傳感器熱電阻傳感器利用電阻隨溫度變化的特點制成的傳感器。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

25、阻的組成：電阻體、絕緣套管、接線盒等。1. 鉑電阻57特點：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)驗公式，鉑電阻的溫度關(guān)系為201BtAtRRt（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) ， （ ）第56頁/共107頁58(1) 鉑電阻電阻隨溫度變化特點制成的傳感器。特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。分度號：BA1、BA2，其中R100/R0=1.391第57頁/共107頁59(2) 銅電阻一般用于精度要求不高，溫度范圍較低。優(yōu)點：測量

26、范圍-50150、線性度好、價格便宜。缺點：電阻率小，溫度超過100 時，銅容易氧化。第58頁/共107頁60(3) 其它電阻 1) 銦電阻一種高精度低溫?zé)犭娮瑁?.215K溫度范圍內(nèi)靈敏度比鉑高10倍。 2) 錳電阻在216K溫度范圍內(nèi)電阻率隨溫度平方變化，缺點是脆性大，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。第59頁/共107頁61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：（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，

27、安全可靠，壽命長；（4）對被測量敏感，響應(yīng)快；（5）易于實現(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)體傳感器第60頁/共107頁62BiiadcbiVHa)

28、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動。從物理學(xué)知，任何帶電質(zhì)點在磁場中沿著和磁力線垂直的方向運動時，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。第61頁/共107頁63siniBKVHH（3-39） 式中 kH霍爾常數(shù)，取決于

29、材質(zhì)、溫度、元件尺寸 i電流 B磁感應(yīng)強(qiáng)度 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例。將霍爾元件置于兩個方向相反的磁場中，由于每點磁感應(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。 第62頁/共107頁64第63頁/共107頁65二光敏傳感器（一）光敏電阻光電效應(yīng)：光敏電阻是一種光電導(dǎo)元件。

30、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。 ZnS CdS Si Ge PbS PbTePbSe相對靈敏度%0 0.3 0.5 1.0 2.0 5.0 10.01 00 80 60 40 20入射波長（m）圖3-41

31、光敏電阻材料的光譜特性第64頁/共107頁66（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。它們在PN 結(jié)電場作用下，產(chǎn)生漂移運動，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0.41.1m，靈敏度為68nAmm-2lx-1；響應(yīng)時間為數(shù)微秒至

32、數(shù)十微秒。 PN圖3-42 光電池工作原理第65頁/共107頁67（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，這樣事項把光信號轉(zhuǎn)換成點信號的功能?；倦娐芬妶D3-43。Rf圖3-43 光敏二極管基本電路第66頁/共107頁68光敏三極管：若把普通晶體管的基極集電極制成光敏

33、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，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：光敏三極管具有輸出信號大，抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點，響應(yīng)速度略慢些。ce圖3-44 光敏三極管基本電路第67頁/共107頁69三固態(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

34、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圖像傳感器第68頁/共107頁70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：小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度

35、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 32 x 32,100 x100,320 x244,490 x400,以及2838萬像素圖3-48 表示用于熱軋鋁板寬度檢測的實例。準(zhǔn)確度可達(dá)板寬0.025%。 第69頁/共107頁71四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

36、熱敏電阻與金屬絲電阻比較，具有以下優(yōu)點：（1）靈敏度高，可測0.0010.005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3700k（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。 第70頁/共107頁72第71頁/共107頁73第72頁/共107頁74五氣敏傳感器在工農(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：（1）靈敏度襖（2）響應(yīng)快（3）

37、制造使用保養(yǎng)簡便，價格便宜等優(yōu)點。缺點：（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。 第73頁/共107頁75六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。 第74頁/共107頁76第75頁/共107頁77七集成傳感器優(yōu)

38、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：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”（Smart Senser）， “智能傳感器”（Intelligent Senser）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。 第76頁/共107頁78傳統(tǒng)傳感器以機(jī)-電量轉(zhuǎn)換為

39、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) 光纖傳感器第77頁/共107頁79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

40、。 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)光元件第78頁/共107頁80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

41、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 第79頁/共107頁81二光纖導(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r大于入射角i且ir。 2臨界角 當(dāng)=900 時所對應(yīng)的入射角稱為臨界角ic，見b)圖。3全反射 當(dāng)i ic 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。n2n1ria)n2n1r=

42、900i=icb)n2n1iicc)圖3-51 光的折射演示第80頁/共107頁824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100200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i從A到B點；經(jīng)折射以入射角2射到界面C點。顯然當(dāng)2大于某一臨界角2c時，光線將在截面上產(chǎn)生全反射，反射角3=2。光線反射到 芯子另測的界面時，入射角仍為2，再次產(chǎn)生全反射，如此不斷的傳播下去。AiBCn1n2n3n023圖3-52 光線在光纖中傳播演示第81

43、頁/共107頁836條件 光線從光纖端部射入，其入射角i必須滿足一定條件才能使在B點折射后的光線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) 2=2c時，入射角 i =ic ，有 222101sinnnnic（3-40） 通常把n0sinic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=ic，即為端面如社臨界角。凡入射角i 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 0.2NA0.4 (11.50i 23.50 )第82頁/共107頁84應(yīng)用1：圖3-53是一種簡單的光纖位移傳感器

44、。其發(fā)送光纖和接受光纖的端面相對，間隔為12m。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。12x12m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、振動第83頁/共107頁85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

45、光纖位移傳感器 1發(fā)送光纖 2接受光纖第84頁/共107頁86 四光纖傳感器的特點（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：（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)傳感器很難實現(xiàn)“靈巧性”。 （5）標(biāo)準(zhǔn)化程度差。 第85頁/共107頁871靈敏度（1）適當(dāng)（2）多維測量交叉靈敏度?。?）與測量范圍協(xié)調(diào)2響應(yīng)特性 （1）不失

46、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) 傳感器選用原則第86頁/共107頁88第87頁/共107頁89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 10105N示值誤差 （0.30.5）%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

47、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500Pa0.5Mpa測量范圍0.5Mpa1000MPa測量范圍500Pa測量范圍0300位置精密度可達(dá)數(shù)微米測量范圍-101300 分辨力 0.1 紅外測溫儀 x射線應(yīng)力儀 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 射線射線 激光 超聲 射線 輻射式測量范圍440 mm測量精密度 0.25 mm 測距2m分辨力0.2 m穿透作用第88頁/共107頁90類 型 名 稱 變換量 被測量 應(yīng)用舉例 性能指標(biāo)分辨力0.5m分辨力0.5m分辨力0.01N頻率0.1Hz20kHz測量范圍（10-2105）ms-2測量范圍01600測量范圍02mm線性誤差1%測量范圍-10300靈敏度500A/1m最大截止頻率50kHz 0直線電位計應(yīng)變儀 電容測微儀渦流式測振儀 電感測微儀電感比較儀位移 力、位移、應(yīng) 變、加速度位移電阻形變電阻 位移電容位移自感位移自感位移互感力電荷 力磁導(dǎo)率溫度電勢 位移電勢 溫度電阻氣