測試技術(shù)-(4)常用傳感器1

第3章常用傳感器

*學(xué)習(xí)重點(diǎn)獲取被測量的基本方法，傳感器的分類及依據(jù)的原理；參量型（電阻、電容、電感）傳感器的作用原理、測量電路和典型應(yīng)用；絕對速度、慣性加速度傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線及其分析，系統(tǒng)特性參數(shù)（ωn，?）的求法。*3.1 傳感器的基本概念3

1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。狹義上，非電信號電信號。在非電量電測系統(tǒng)中的作用

敏感作用：感受并拾取被測對象的信號變換作用：被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號*傳感器通常由三部分組成：敏感元件：直接感受被測量,輸出與被測量成確定關(guān)系。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入,它把輸入轉(zhuǎn)換成電量參量。轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號的電路。*5

將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。獲得傳感器信號的兩種方法

直接獲得電信號的變化（開關(guān)傳感器）；*傳感器的組成實(shí)例*傳感器例子三座標(biāo)模擬測量，三座標(biāo)測量儀工業(yè)視頻短片，汽車車身測量演示，*傳感器處于測試與檢測裝置的輸入端，傳感器性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)測試裝置的工作特性。線性傳感器： 若傳感器的輸入量及其輸出量之間的特性曲線是一條直線，則稱該傳感器是線性傳感器，即y=x0+kx。式中x、y分別為傳感器的輸入與輸出，x0為初始值，常數(shù)k稱傳感系數(shù)、轉(zhuǎn)換比、靈敏度或斜率。非線性傳感器：特性曲線不是一條直線的傳感器。*傳感器產(chǎn)生誤差的原因：實(shí)際特性曲線與設(shè)定特性曲線之間存在偏差,例子，圓度儀測量過程。傳感器的不可逆變化。引起不可逆變化的原因：老化、零件接觸點(diǎn)狀況變化、熱的或機(jī)械的過載、以及化學(xué)變化等。消除傳感器誤差的方法合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如：力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)法避免橫向敏感力的產(chǎn)生。對影響傳感器的干擾量進(jìn)行補(bǔ)償。穩(wěn)定傳感器的工作環(huán)境條件、合理傳感器的安裝方法。對傳感器的定期維護(hù)和校準(zhǔn)。*3.1.1 傳感器的分類按傳感器的工作原理或傳感過程中信號轉(zhuǎn)換的原理分類：結(jié)構(gòu)型傳感器：根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)變化來實(shí)現(xiàn)信號的傳感，如電容傳感器。物性型傳感器：根據(jù)傳感器敏感元件材料本身物理特性的變化來實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。如壓力加速度計(jì)是利用了傳感器中石英晶體的壓電效應(yīng)；光敏電阻則是利用材料在受光照作用下改變其電阻的效應(yīng)，等等。

按被測物理量進(jìn)行分類：力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等。*常見機(jī)械式傳感器測力計(jì)*常見機(jī)械式傳感器壓力計(jì)*常見機(jī)械式傳感器溫度計(jì)*根據(jù)傳感器與被測對象之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類：能量轉(zhuǎn)換型傳感器（亦稱無源傳感器）：直接由被測對象輸入能量來使傳感器工作的。如熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等等。能量控制型傳感器（亦稱有源傳感器）：依靠外部提供輔助能源來工作，由被測量來控制該能量的變化。如電橋電阻應(yīng)變儀。*3.1.2傳感器的性能要求

靈敏度高，輸入和輸出之間應(yīng)具有較好的線性關(guān)系；

噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能；

滯后、漂移誤差??；

動(dòng)態(tài)特性良好；

在接入測量系統(tǒng)時(shí)，對被測量不產(chǎn)生影響；

功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性；

防水及抗腐蝕等性能好，能長期使用；

結(jié)構(gòu)簡單，容易維修和校正；

低成本、通用性強(qiáng)；*3.1.3傳感器的發(fā)展趨勢

采用新原理、開發(fā)新型傳感器；大力開發(fā)物性型傳感器(因?yàn)榭拷Y(jié)構(gòu)型有些滿足不了要求)；傳感器的集成化；傳感器的多功能化；傳感器的智能化；研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。*3.2參數(shù)式傳感器3.2.1電阻式傳感器：將被測的量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓囊环N傳感器。一、工作原理： 一個(gè)電導(dǎo)體的電阻值： 式中：R－電阻（Ω）；

ρ－材料的電阻率（Ω·mm2/m）；

l－導(dǎo)體的長度（m）；

A－導(dǎo)體的截面積（mm2）。改變長度l，則可形成滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器或電位計(jì)；改變l、A和ρ則可做成電阻應(yīng)變片；改變?chǔ)?，則可形成熱敏電阻、光導(dǎo)性光檢測器、壓阻應(yīng)變片、以及電阻式溫度檢測器。 (3.1)*

二、電阻應(yīng)變傳感器 當(dāng)金屬電阻絲受拉或受壓時(shí)，電阻絲的長度和橫截面積將發(fā)生變化，且電阻絲的電阻率也發(fā)生變化（這一現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)），因此導(dǎo)線的電阻值發(fā)生變化。 對式（3.1）進(jìn)行微分可得： 設(shè)A=πr2，r為電阻絲半徑，代入上式得(3.2)*

式中，

dl/l=ε為單位應(yīng)變；

dr/r為電阻絲徑向相對變化，它與dl/l之間的關(guān)系為 式中ν－電阻絲材料的泊松比。

dρ/ρ反映了電阻絲的電阻率的相對變化，它與電阻絲縱向所受的應(yīng)力σ有關(guān)： 式中，π1－縱向壓阻系數(shù)

；

E－材料的彈性模量。(3.4)(3.5)(3.3)*

將式（3.4）和（3.5）代入式（3.3）中，可得

分析：影響電阻值變化的因素：電阻絲長度的變化；電阻絲面積的變化；壓阻效應(yīng)的作用。電阻值的相對變化與應(yīng)變成正比，因此通過測量應(yīng)變dl/l=ε便可測量電阻變化dR/R，這便是應(yīng)變片的原理。若用無量綱因子Sg表征兩者的關(guān)系，則

Sg為應(yīng)變片系數(shù)或靈敏度,金屬電阻絲的靈敏度常在1.7~3.6之中，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、或鐵鎳合金等。(3.6)(3.7)*

應(yīng)變片的分類：非粘貼式：幾乎都被用于傳感器應(yīng)用。 圖3.3示出一種非粘貼式應(yīng)變儀，它采用一組連接成電橋形式的預(yù)加載電阻絲。 其中電橋的每根電橋臂的電阻值約為120～1000Ω，最大激勵(lì)電壓為5～10V，滿量程輸出為20～50mV。圖3.3非粘貼式應(yīng)變儀*粘貼式：粘貼式金屬絲應(yīng)變片可用于應(yīng)力分析，也可用作為傳感器。由于可測的電阻值變化要求導(dǎo)線長度很長，因而要將導(dǎo)線按一定的形狀（通常為柵狀）曲折地貼在由浸漬過絕緣材料地紙襯或合成樹脂組成地載體上。

圖3.4金屬絲應(yīng)變片圖3.5應(yīng)變片結(jié)構(gòu)縱截面情形*金屬箔式應(yīng)變片：a）、b）、c）敏感單方向上的應(yīng)變d）膜片應(yīng)變片e）三片式應(yīng)變花，60°箔式平面型f）雙片式應(yīng)變花，90°箔式疊合型g）三片式應(yīng)變花，45°電阻絲式疊合型h）雙片式應(yīng)變花，90°剪切式平面型圖3.2不同的箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式金屬薄膜應(yīng)變片：采用汽相淀積法和離子濺射法直接在襯底材料上形成，常用作傳感器。薄膜應(yīng)變片的阻值和應(yīng)變片系數(shù)與粘貼式金屬箔應(yīng)變片的相似，但其時(shí)間和溫度穩(wěn)定性較好。*24

金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)有:

1、絲式

2、箔式

3、薄膜式優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.應(yīng)變計(jì)

*

三、壓阻式傳感器工作原理：半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。 壓阻效應(yīng)：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率ρ隨之發(fā)生變化。從半導(dǎo)體物理可知，單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度產(chǎn)生變化，從而引起電阻率的變化。分類：P型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時(shí)會(huì)增加其電阻值；N型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時(shí)會(huì)減少其阻值。特點(diǎn)：具有很高的應(yīng)變片系數(shù)，一般可高達(dá)150左右。圖3.3不同類型的半導(dǎo)體應(yīng)變儀1—硅棒2—引線帶3—塑料載體4—P型硅5—N型硅*半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化主要由公式（3.6）右邊的項(xiàng)決定；缺點(diǎn)：溫度靈敏度高；非線性；安裝困難。半導(dǎo)體膜片式絕對壓力傳感器：圖3.4半導(dǎo)體膜片式絕對壓力傳感器*27

半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。

應(yīng)變計(jì)

體型薄膜型擴(kuò)散型*

四、應(yīng)變片的誤差及其補(bǔ)償溫度是影響應(yīng)變片精度的主要因素溫度變化引起應(yīng)變片本身電阻的變化 式中ΔRT－溫度變化引起的電阻變化值；

γf－金屬應(yīng)變片電阻溫度系數(shù)；

ΔT－溫度變化度數(shù)。 由該電阻值的變化折算成應(yīng)變值為(3.8)*金屬絲與襯底材料的線膨脹系數(shù)不同，從而在溫度變化時(shí)引起附加的應(yīng)變。 金屬絲因溫度變化引起的應(yīng)變： 襯底材料因溫度變化而引起的應(yīng)變 式中αg和αs分別為金屬絲和襯底材料的線膨脹系數(shù)。當(dāng)時(shí)αg≠αs

總附加應(yīng)變則為

3. 應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)隨溫度變化產(chǎn)生的變化較小，可以予以忽略。(3.9)(3.10)(3.11)(3.12)*

補(bǔ)償途徑：應(yīng)變片溫度補(bǔ)償（如圖3.5所示）；采用專門的、具有固有溫度補(bǔ)償功能的應(yīng)變片。這種應(yīng)變片采用特別的材料，這種材料能使線膨脹系數(shù)和電阻變化造成的效應(yīng)差不多相互抵消，可得(3.13)圖3.5應(yīng)變片溫度補(bǔ)償*應(yīng)變片測量的另一誤差來源則涉及到應(yīng)變片的大小與被測點(diǎn)的位置關(guān)系。目前最小的應(yīng)變片長可做到0.2mm。應(yīng)變片也可被貼到曲面上，對某些應(yīng)變片來說，曲面的最小安全彎曲半徑可小到1.5mm。*

五、應(yīng)變片的粘貼常用的粘接劑：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等；高溫下：專用陶瓷粉末等無機(jī)粘接劑。對粘接劑的要求：保證粘接面有足夠的強(qiáng)度、絕緣性能、抗蠕變、以及溫度變化范圍等。使用粘接方法的溫度范圍：-249℃～816℃對超高溫度來說，常要采用焊接技術(shù)來進(jìn)行連接。*

六、應(yīng)變片的應(yīng)用結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分析；用于制成力、位移、壓力、力矩和加速度等測量傳感器。例子1，2，3，4

圖3.6粘貼應(yīng)變計(jì)的力和力矩傳感器（a）拉力桿（b）壓力桿（c）彎曲懸臂（d）扭矩軸*34

立柱應(yīng)力

橋梁應(yīng)力

應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用

德國HBM電阻應(yīng)變式傳感器

*35

質(zhì)量傳感器

位移傳感器

加速度計(jì)

壓力傳感器

*36

壓力傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器

*

七、變阻式傳感器直線位移型：

R=ktx kt為單位長度中的電阻。 其靈敏度：角位移型 靈敏度：

α－觸點(diǎn)轉(zhuǎn)角(rad)；

kr－單位弧度對應(yīng)的電阻值。圖3.1變阻器式傳感器(3.15)(3.16)(3.14)*

變阻器的分辨率取決于電阻元件的結(jié)構(gòu)型式。為在小范圍空間中得到足夠高的電阻值，常采用線繞式電阻元件。當(dāng)滑臂觸點(diǎn)從一圈導(dǎo)線移動(dòng)至下一圈時(shí)，電阻值的變化是臺(tái)階形的，由此則限制了器件的分辨率。實(shí)際中能做到繞線間的密度為25圈/mm，對直線移動(dòng)式裝置來說，分辨率最小為40μm，而對一個(gè)單線圈5cm直徑的轉(zhuǎn)動(dòng)式電位計(jì)來說，其最好的角分辨率為約0.1o。為改善分辨率，也可采用碳膜或?qū)щ娝芰想娮柙?3.2.2電容式傳感器定義：電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。原理： 忽略邊緣效應(yīng)，一平板電容器的電容可表達(dá)為： 式中

A—極板面積（m2）；

ε0—真空介電常數(shù),ε0=8.85×10-12(F/m);

ε—極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)ε=1；

δ—兩極板間距離（m）。(3.37)

分類：面積變化型、介質(zhì)變化型和間隙變化型。+++

A

*一、間隙變化型

這種類型的傳感器常常固定一塊極板（圖中極板2）而使另一塊極板移動(dòng)（圖中極板1），從而來改變間隙δ以引起電容的變化。設(shè)間隙有一改變量Δδ，則(3.37)改寫為 將上式按泰勒級數(shù)展開為：(3.38)(3.39)圖3.42變間隙式電容傳感器*

當(dāng)Δδ為小值時(shí)，在ΔC/C與Δδ/δ之間可近似為一線性關(guān)系。如當(dāng)Δδ/δ=0.1時(shí)，按（3.39）式計(jì)算所得的線性偏差為10%，而當(dāng)Δδ/δ=0.01時(shí)，該偏差降至1%，因此對小的間隙變化，式（3.39）可進(jìn)一步舍去二次項(xiàng)，從而可得電容變化量 電容傳感器的靈敏度 實(shí)際應(yīng)用中為提高傳感器的靈敏度，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 由此可得靈敏度(3.40)(3.41)(3.42)(3.42)*二、面積變化型

采用改變電容器極板面積是另一種獲取電容傳感器輸出變化的方法。

圖3.44面積變化型電容傳感器*電容傳感器*

圖中(b)為通過線性位移改變電容器極板面積的型式。當(dāng)動(dòng)電極在x方向有位移Δx時(shí)，極板面積的改變量將是 電容的改變量將是 其靈敏度 可見該靈敏度為一常數(shù)，因此輸入、輸出關(guān)系為線性。(3.44)(3.45)(3.46)*

圖中(a)為轉(zhuǎn)角型結(jié)構(gòu)，當(dāng)改變兩極板間的相對轉(zhuǎn)角時(shí)，兩極板的相對公共面積發(fā)生變化。由圖可知，該公共覆蓋面積

α-公共覆蓋面積對應(yīng)的中心角；

r-半圓形極板半徑。 因此當(dāng)有轉(zhuǎn)角變化Δα?xí)r，電容量改變 同樣得這種情況下電容器的靈敏度(3.47)(3.48)(3.49)該靈敏度為一常數(shù)，輸入與輸出仍為線性關(guān)系。*

圖中（c）為圓柱體線位移型結(jié)構(gòu)，其中圓周為固定，圓柱在其中移動(dòng)。利用高斯積分可得該電容器的電容量 式中

D－圓周內(nèi)徑；

d－圓柱外徑。 兩者覆蓋長度x的變化為Δx時(shí)，電容變化量 其靈敏度(3.50)(3.51)(3.52)*也可將變面積型傳感器做成差動(dòng)型的。圖3.46中間電極移動(dòng)式電容傳感器（a）板式（b）柱式（c）柱式差動(dòng)型*三、介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型傳感器的分類極板上覆蓋有介質(zhì)；介質(zhì)可移動(dòng)。圖3.47介質(zhì)變化型傳感器（a）極板上覆蓋有介質(zhì)（b）介質(zhì)可移動(dòng)*

極板上覆蓋有介質(zhì) 如圖所示，該電容器具有兩不同的電介質(zhì)，其介電常數(shù)分別為εr1和εr2，其介質(zhì)厚度分別為a1和a2，且a1+a2=a0。整個(gè)裝置可視為由兩電容器串聯(lián)而成，其總電容量C由兩電容器的電容C1和C2所確定，由此得(3.53)極板上覆蓋有介質(zhì)(3.54)

為分析簡單起見，設(shè)介質(zhì)1為空氣，即εr1=1，則(3.54)式變?yōu)椋?3.55)

此方法可用來對不同材料如紙、塑料膜、合成纖維等的厚度進(jìn)行測定。

*

介質(zhì)可移動(dòng) 這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將兩電容器作并聯(lián)。此時(shí)的總電容由兩部分組成：電容C1(介電常數(shù)εr1，極板面積b0(l0-l))和電容C2(介電常數(shù)εr2，極板面積b0l)。由此得： 設(shè)介質(zhì)1為空氣，因此εr1

=1，又設(shè)介質(zhì)全部為空氣的電容器的電容為C0，則C0=ε0b0l0/a0。由于介質(zhì)2的插入所引起的電容C的相對變化ΔC/C0則正比于插入深度l：(3.56)*這一原理常用于對非導(dǎo)電液體和松散物料的液位或堆積高度的測量。(3.57)圖3.48測量非導(dǎo)電液或松散物料填充高度的電容傳感器*

電容式傳感器所測出的電容及電容變化量均很小，因此必須后接適當(dāng)?shù)姆糯箅娐穼⑺鼈冝D(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。運(yùn)算放大器電路 將公式（3.37）代入上式可得

式中

ei——信號源電壓；

eo——運(yùn)放輸出電壓；

co——固定電容；

cx——傳感器等效電容。(3.58)(3.59)圖3.50運(yùn)算放大器式電路輸出電壓eo與電容傳感器間隙δ成正比關(guān)系。

*

電橋測量電路 根據(jù)電橋平衡公式有：

其中實(shí)部有： 上式可通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R1來滿足，對虛部則有： 同樣可通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容器C1來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電容傳感器C2有變化時(shí)，則電橋相應(yīng)地有輸出。(3.60)(3.61)(3.62)(3.63)圖3.51文氏式電容測量電橋*

調(diào)頻電路 電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩器的諧振頻率f為： 式中L——振蕩回路電感。 當(dāng)被測量使電容值發(fā)生變化時(shí)，則振蕩器頻率也發(fā)生變化。其輸出經(jīng)限幅、鑒頻和放大后變成電壓輸出。(3.66)圖3.53調(diào)頻電路工作原理*電容傳感器的最大缺點(diǎn)：易受連接電纜線形成的寄生電容的影響。消除寄生電容的方法：將后續(xù)電路的前級放置在緊靠電容傳感器的地方，以盡量減少電纜長度及位置變化帶來的影響。采用等電位傳輸（亦稱驅(qū)動(dòng)電纜）技術(shù)。圖3.54驅(qū)動(dòng)電纜工作原理*56

電容式傳感器的應(yīng)用振動(dòng)測量

旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測量

*3.2.3電感式傳感器定義：利用電磁感應(yīng)原理，將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電磁線圈的自感或互感量變化的一種裝量。分類：按照轉(zhuǎn)換方式分類：自感式；互感式。按照結(jié)構(gòu)方式分類：變氣隙式；變截面式；螺管式*一、自感式1.可變磁阻式 由電磁感應(yīng)原理，則在其中產(chǎn)生磁通Φm，其大小與所加電流i成正比： 式中W－線圈匝數(shù)；

L—比例系數(shù)，稱為自感(H)。 又據(jù)磁路歐姆定律有 式中Wi－磁動(dòng)勢（A）

Rm－磁阻（H-1） 將上式代入（3.22）得自感(3.22)(3.23)(3.24)*

當(dāng)不考慮磁路的鐵損且當(dāng)氣隙δ較小時(shí)，則該磁路的總磁阻 式中

l－鐵芯的導(dǎo)磁長度(m);

μ－鐵芯磁導(dǎo)率(H/m); A－鐵芯導(dǎo)磁截面積,A=a×b(m2);

δ－氣隙寬(m);

μ0－空氣導(dǎo)磁率,μ0=4π×10-7(H/m); A0－空氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m2)

忽略第一項(xiàng)情況下可得總磁阻Rm近似為圖3.15可變磁阻式傳感器基本原理1—線圈2—鐵芯3—銜鐵(3.25)(3.26)*60

原理:電磁感應(yīng)W:線圈匝數(shù)；

L1:軟鐵長度；μ1：軟鐵磁導(dǎo)率；μ0：空氣磁導(dǎo)率A1：鐵芯導(dǎo)磁截面A0：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵*

電感式傳感器

自感型--可變磁阻式可變導(dǎo)磁面積型差動(dòng)型原理:電磁感應(yīng)*62

(1).間隙變化型間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)μ0

、A0固定不變，改變?chǔ)臅r(shí)，L與δ呈非線形（雙曲線）關(guān)系，

L與δ的雙曲線關(guān)系

傳感器靈敏度：*63

(2).面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)μ0

、

δ

固定不變，改變A0時(shí)，L與A0呈線形關(guān)系，

傳感器靈敏度L與A0的線形關(guān)系=常數(shù)*64

(3).螺線管型

當(dāng)其它參數(shù)不變，僅改變L1，使Rm變化，從而產(chǎn)生電感的變化。*65

(4).差動(dòng)型變間隙型差動(dòng)變壓器輸出特性傳感器靈敏度*圖3.16變磁阻式電感傳感器結(jié)構(gòu)形式*

自感式傳感器應(yīng)用圖(a)測量透平軸與其殼體間的軸向相對伸長；圖(b)用于確定一磁性材料上非磁性涂覆層的厚度；圖(c)測量在一高壓蒸汽管道中閥的位置。圖3.17自感式傳感器應(yīng)用例*2.渦流式定義：當(dāng)金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中或者在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于這種電流在金屬導(dǎo)體內(nèi)是自身閉合的，因此稱之為渦電流或渦流。原理：當(dāng)線圈中通以一交變高頻電流時(shí)，會(huì)引起一交變磁通Ф。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應(yīng)電流i1，該電流i1即為渦流。根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁通Ф1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即Ф1將抵抗Ф的變化。由于該渦流磁場的作用，會(huì)使線圈的等效阻抗發(fā)生變化，其變化的程度除了與兩者間的距離δ有關(guān)外，還與金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及線圈的激磁電流原頻率ω等有關(guān)。圖3.18渦流式傳感器原理*

電渦流傳感器與被測物體的等效電路： 圖中金屬導(dǎo)體被抽象為一短路線圈，它與傳感器線圈磁性耦合，兩者之間定義一互感系數(shù)M，表示耦合程度，它隨間距δ的增大而減小。電渦流傳感器分類：高頻反射式；低頻透射式。用途：測量位移、振動(dòng)等物理量。圖3.19電渦流傳感器與被測物體的等效電路*低頻透射式渦流傳感器：多用于測量材料的厚度70

低頻透射式渦流傳感器e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律*渦流傳感器的測量電路一般有阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。圖3.21渦流測振儀分壓調(diào)幅電路圖3.23調(diào)頻電路工作原理*渦流式電感傳感器的應(yīng)用：圖3.24電渦流式傳感器應(yīng)用例*

電感式傳感器*實(shí)例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測

電感式傳感器*用來測量位移和角度：當(dāng)圖中的短路環(huán)相對于線圈1移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于產(chǎn)生的渦流作用，將影響磁通量的變化，該變化的量則正比于所移動(dòng)的距離或轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。圖3.25渦流傳感器測量（a）位移；（b）角度1——線圈；2——運(yùn)動(dòng)短路環(huán)*

測量磁性材料或介質(zhì)（液體或氣體）的溫度：原理：導(dǎo)體的電阻率隨溫度變化而變化：

ρ1－溫度為t1時(shí)導(dǎo)體的電阻率；ρ0－溫度為t0時(shí)導(dǎo)體的電阻率；α－導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)。 當(dāng)導(dǎo)體的電阻率隨溫度發(fā)生變化時(shí)，渦流傳感器的輸出亦將發(fā)生變化，其變化量正比于溫度變化值。(3.36)圖3.26電渦流溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖圖3.27磁性及非磁性材料的溫度特性*77

3.變壓器式--差動(dòng)變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.*78

應(yīng)用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;

壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩,

應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),速度,加速度;等.案例：板的厚度測量~案例：張力測量*3.3發(fā)電式傳感器3.3.1壓電傳感器：發(fā)電型傳感器。它利用某些材料的壓電效應(yīng)，這些材料在受到外力的作用時(shí)，在材料的某些表面上產(chǎn)生電荷。一、壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)(piezoelectriceffect)：某些材料當(dāng)它們承受機(jī)械應(yīng)變作用時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化作用，從而會(huì)在材料的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷；或者反過來當(dāng)它們承受電場作用時(shí)會(huì)改變其幾何尺寸。分類：單晶壓電晶體，如石英、硫酸鋰、磷酸二氫銨等；多晶壓電陶瓷，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛等；某些高分子壓電薄膜。*

石英晶體是常用的壓電材料之一。其中縱軸Z—Z稱為光軸，X—X軸稱為電軸，而垂直于X—X軸和Z—Z軸的Y—Y軸稱為機(jī)軸。沿電軸X—X方向作用的力所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)，而將沿機(jī)軸Y—Y方向作用的力所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿光軸Z—Z方向作用有力時(shí)則并不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。80

*

主要的壓電效應(yīng)：橫向效應(yīng)；縱向效應(yīng)；剪切效應(yīng)。晶片在電軸X—X方向上受到壓應(yīng)力σxx作用切片在厚度上產(chǎn)生變形并由此引起極化現(xiàn)象，極化強(qiáng)度Pxx與應(yīng)力σxx成正比，即式中

Fx——沿晶軸X—X方向施加的壓力；

d11——壓電系數(shù)，石英晶體的d11=2.3×10-12CN-1；

l——切片的長；

b——切片的寬。(3.70)圖3.57壓電效應(yīng)作用方向圖*82

壓電效應(yīng)式中，q為電荷[量]；D為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；F為作用力。q=DF*

壓電體受到多方面的力作用：縱向和橫向效應(yīng)可能都會(huì)出現(xiàn)。圖3.58石英晶體壓電效應(yīng)（a）縱向效應(yīng)（b）橫向效應(yīng)*

鐵電陶瓷鐵電陶瓷是另一類人工合成的多晶體壓電材料，它們的極化過程與單晶體的石英材料不同。這種材料具有電疇結(jié)構(gòu)形式，其分子形式呈雙極型，具有一定的極化方向。鈦酸鋇陶瓷未受外加電場極化時(shí)：鈦酸鋇晶體單元在120oC以下時(shí)形狀呈立方體。在無外電場作用時(shí)，各電疇的極化效應(yīng)相互被抵消，因此材料并不顯示壓電效應(yīng)。圖3.59鈦酸鋇壓電陶瓷電疇結(jié)構(gòu)（a）未極化（b）已極化鈦酸鋇材料置于強(qiáng)電場中：電疇極化方向趨向于按該外加電場的方向排列，材料得到極化。撤去外電場之后，陶瓷材料內(nèi)部仍存在有很強(qiáng)的剩余極化程度，束縛住晶體表面產(chǎn)生的自由電荷。在外力作用下，剩余極化強(qiáng)度因電疇界限的進(jìn)一步移動(dòng)而引起變化，從而使晶體表面上的部分自由電荷被釋放，形成壓電效應(yīng)。*二、壓電傳感器工作原理及測量電路

壓電傳感器可視為一個(gè)電荷發(fā)生器，也是一個(gè)電容器，其形成的電容量圖3.60壓電晶片及等效電路（a）壓電晶片（b）并聯(lián)（c）串聯(lián)（d）等效電荷源*

壓電傳感器可被視為一個(gè)電荷源：等效電路中電容器上的開路電壓ea、電容量q以及電容Ca三者間的關(guān)系有壓電傳感器可被視為一個(gè)電壓源。(3.76)圖3.61壓電傳感器的等效電路（a）電荷源（b）電壓源*

壓電傳感器實(shí)際的等效電路 若將壓電傳感器接入測量電路，則必須考慮電纜電容CC、后續(xù)電路的輸入阻抗Ri、輸入電容Ci、以及壓電傳感器的漏電阻Ra，此時(shí)壓電傳感器的等效電路如圖3.62所示。圖3.62壓電傳感器實(shí)際的等效電路（a）電荷源（b）電壓源*三、壓電傳感器的應(yīng)用壓電加速度傳感器地震式（絕對）位移傳感器

圖3.66慣性式傳感器（a）線位移式（b）旋轉(zhuǎn)式*壓電加速度傳感器的分類：壓縮式；剪切式。圖3.70壓電加速度傳感器設(shè)計(jì)類型（a）周邊壓縮式（b）中心壓縮式（c）倒置式中心壓縮式（d）剪切式*

壓縮式結(jié)構(gòu)的原理：其壓電變換部分由兩片壓電晶片并聯(lián)而成。慣性質(zhì)量借助于頂壓彈簧緊壓在晶片上，慣性接收部分將被測的加速度接收為質(zhì)量m相對于底座的相對振動(dòng)位移x0，晶片受到動(dòng)壓力p=kx0

，然后由壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為作用在晶片極面上的電荷q。周邊壓縮式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：簡單且牢固，具有很好的質(zhì)量/靈敏度比；極易敏感溫度、噪音、甚至彎曲等造成的虛假輸入。中心壓縮式結(jié)構(gòu)：降低周邊壓縮式結(jié)構(gòu)對虛假輸入的響應(yīng)；減少結(jié)構(gòu)對基座彎曲應(yīng)變的靈敏度。*

剪切式結(jié)構(gòu)：典型的剪切式結(jié)構(gòu)：三角剪切式原理：由三片晶體片和三塊慣性質(zhì)量組成，借助于預(yù)緊彈簧箍在三角形的中心柱上。當(dāng)傳感器接收軸向振動(dòng)加速度時(shí)，每一晶體片側(cè)面受到慣性質(zhì)量作用的剪切力。所產(chǎn)生的電荷量為q，(3.97)圖3.71晶體片受剪切力的壓電效應(yīng)式中xr－質(zhì)量塊的相對振動(dòng)位移；k－由晶體片剪切彈性力提供的當(dāng)量彈簧剛度系數(shù)。*三角剪切式的優(yōu)點(diǎn)：在較長時(shí)間內(nèi)保持傳感器特性的穩(wěn)定，有更寬的動(dòng)態(tài)范圍和更好的線性度。對底座的彎曲變形不敏感。圖3.72三角剪切式（b）與中心壓縮式（c）對底座彎曲變形敏感的對比*逆壓電效應(yīng)當(dāng)施加電壓時(shí)，會(huì)使壓電片產(chǎn)生伸縮從而導(dǎo)致壓電片幾何尺寸的改變。應(yīng)用：壓電致動(dòng)器：例如施加一高頻交變電壓，則可將壓電體作成一振動(dòng)源，利用這一原理可制造高頻振動(dòng)臺(tái)、超聲發(fā)生器、揚(yáng)聲器、高頻開關(guān)等。精密微位移裝置：用于制成錄像帶頭定位器、點(diǎn)陣式打印機(jī)頭、繼電器、以及電風(fēng)扇等*3.3.2 磁電式傳感器概念：一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢的裝置，亦稱電磁感應(yīng)式或電動(dòng)力式傳感器。由電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過一個(gè)線圈的磁通Φ發(fā)生變化時(shí)，線圈中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢分類：動(dòng)圈式；動(dòng)磁鐵式；磁阻式。(3.101)*一、動(dòng)圈式傳感器圖3.75動(dòng)圈式傳感器（a）線位移式（b）角位移式*96

動(dòng)圈式傳感器

l:每匝線圈的平均長度；B:線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；A:每匝線圈的截面積；θ:線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向的夾角；k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)。*

由線位移式裝置的工作原理可知，當(dāng)彈簧片敏感有一速度時(shí)，線圈則在磁場中作直線運(yùn)動(dòng)，從而切割磁力線，因此它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢 式中

B—磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；

l—單匝線圈的有效長度（m）；

W—有效線圈匝數(shù)，指在均勻磁場內(nèi)參與切割磁力線的線圈匝數(shù)；

vy—敏感軸（y軸）方向線圈相對于磁場的速度（m/s）;

θ—線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向的夾角。 當(dāng)線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向垂直亦即θ=90°時(shí)，上式可寫為(3.102)(3.103)*

對于角速度型動(dòng)圈式傳感器結(jié)構(gòu)，線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢 式中

ω—線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角頻率；

A—單匝線圈的截面積（m2）；

k—依賴于結(jié)構(gòu)的參數(shù)，k>1。當(dāng)W、B、A選定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢e與線圈相對于磁場的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成正比。用這種傳感器可測量物體轉(zhuǎn)速。

(3.104)*二、磁阻式傳感器磁阻式傳感器：使線圈與磁鐵固定不動(dòng)，而由運(yùn)動(dòng)物體（導(dǎo)磁材料）運(yùn)動(dòng)來影響磁路的磁阻，從而引起磁場的強(qiáng)弱變化，使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢?？捎脕頊y量轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、偏心量等。圖3.79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(dòng)測量*100

磁阻式傳感器

*101

磁電傳感器的應(yīng)用

測速電機(jī)

磁電式測速傳感器

*霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級）。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá).55℃～150℃。按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出被檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個(gè)磁場作為被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)換成電量來進(jìn)行檢測和控制。

霍爾傳感器*

霍爾效應(yīng)

在置于磁場的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳感器。見圖8.1.1，半導(dǎo)體材料的長、寬、厚分別為l、ｂ和ｄ。在與ｘ軸相垂直的兩個(gè)端面ｃ和ｄ上做兩個(gè)金屬電極，稱為控制電極。在控制電極上外加一電壓ｕ，材料中便形成一個(gè)沿ｘ方向流動(dòng)的電流Ｉ，稱為控制電流。

圖

霍爾效應(yīng)

在洛侖茲力的作用下，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)形成負(fù)電荷的積累，另一側(cè)則形成正電荷的積累。這樣，A、B兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場Ｅｈ，稱為霍爾電場。該電場對電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.*霍爾元件基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體元件叫霍爾元件霍爾元件的結(jié)構(gòu)與其制造工藝有關(guān)。例如，體型霍爾元件是將半導(dǎo)體單晶材料定向切片，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其它方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊引線最后封裝。相對來說，薄膜霍爾元件的厚度比體型霍爾元件小一、二個(gè)數(shù)量級，可以與放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，便于微型化。*

差動(dòng)霍爾電路(雙霍爾電路)

它的霍爾電壓發(fā)生器由一對相距2.5mm的霍爾元件組成，其功能框圖見圖。

差動(dòng)霍爾電路的工作原理圖

使用時(shí)在電路背面放置一塊永久磁體，當(dāng)用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉(zhuǎn)過時(shí)，一對霍爾片上產(chǎn)生的霍爾電壓相位相反，經(jīng)差分放大后，使器件靈敏度大為提高。用這種電路制成的汽車齒輪傳感器具有極優(yōu)的性能。*霍爾器件和工作磁體間的運(yùn)動(dòng)方式

在霍爾器件背面放置磁體

在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)翼片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調(diào)節(jié)工作磁場。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在翼片上。這種方法的檢測精度很高，在125℃的溫度范圍內(nèi)，翼片的位置重復(fù)精度可達(dá)50μm。也可將工作磁體固定在霍爾器件背面（外殼上沒打標(biāo)志的一面），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過，檢測出物體上的特殊標(biāo)志（如齒、凸緣、缺口等），得出物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。應(yīng)用*3.3.3熱電式傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理：當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電勢稱為熱電勢。熱電式溫度傳感器就是通過測定熱電式來求溫度的。特點(diǎn)：如A、B的材質(zhì)均勻，其熱電勢大小與熱電極長度上的溫度分布無關(guān)，僅取決于A、B兩端的溫度差。*結(jié)構(gòu)及工作原理：

雙金屬片是由熱膨脹系數(shù)不同的兩種金屬板粘合而成的。當(dāng)溫的較低時(shí)，雙金屬片保持原來狀態(tài)。隨著溫度的升高，由于兩種金屬片的熱膨脹系數(shù)不同，雙金屬片便向膨脹系數(shù)小的一側(cè)彎曲，從而感測被測物體的溫度，促使執(zhí)行器動(dòng)作，它可用于感測發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度和進(jìn)氣溫度。雙金屬片式溫度傳感器*雙金屬片式溫度傳感器*雙金屬片式溫度傳感器*具體應(yīng)用和檢修：冷啟動(dòng)噴油器溫度時(shí)間開關(guān)1）結(jié)構(gòu):溫度開關(guān)是一個(gè)中空的螺釘，旋裝在能表征發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)的位置上。內(nèi)部有一個(gè)外繞加熱線圈的雙金屬片和可根據(jù)雙金屬片本身的溫度控制開關(guān)的觸點(diǎn)。雙金屬片式溫度傳感器*冷起動(dòng)噴油器的控制回路雙金屬片式溫度傳感器*2）冷起動(dòng)溫度的時(shí)間開關(guān)的檢修測量溫度時(shí)間開關(guān)的電阻溫度時(shí)間開關(guān)端子與搭鐵線間電壓測量溫度時(shí)間開關(guān)的單件檢查雙金屬片式溫度傳感器*溫度時(shí)間開關(guān)端子與搭鐵線間電壓測量雙金屬片式溫度傳感器*溫度時(shí)間開關(guān)的單件檢查雙金屬片式溫度傳感器*雙金屬片式氣體溫度傳感器*1、工作原理。用來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度，通過真空膜片控制冷空氣和熱空氣的混合比列。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度較低時(shí)，雙金屬片保持原來狀態(tài)，閥門關(guān)閉；當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片彎曲，閥門打開。2、檢修。取下真空電動(dòng)機(jī)側(cè)的軟管，用手指堵住管口，根據(jù)有無真空引力來判定軟管內(nèi)有無真空。當(dāng)周圍溫度低于17°C時(shí)應(yīng)有真空，接上軟管時(shí)冷暖氣轉(zhuǎn)換閥上升，系統(tǒng)正常；當(dāng)周圍溫度高于28°C時(shí)，軟管內(nèi)應(yīng)沒有真空。否則說明該系統(tǒng)有故障，應(yīng)更換溫度傳感器雙金屬片式氣體溫度傳感器*熱敏電阻式溫度傳感器概述：熱敏電阻是用陶瓷半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，其特點(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。特點(diǎn)：熱敏電阻因其電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱慣性小，反應(yīng)速度快，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，壽命長，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量的特點(diǎn)得到廣泛地應(yīng)用，但它的互換性差。*熱敏電阻的分類：

1、低溫用熱敏電阻

2、中溫用熱敏電阻

3、高溫用熱敏電阻熱敏電阻式溫度傳感器*熱敏電阻式溫度傳感器半導(dǎo)體點(diǎn)溫度計(jì)：熱敏電阻很適合作點(diǎn)溫度計(jì)，因?yàn)樗捏w積小，響應(yīng)速度快。熱敏電阻用于過熱保護(hù)：利用熱敏電阻可以對待定的溫度進(jìn)行監(jiān)視。熱敏電阻式冷卻水溫度傳感器：結(jié)構(gòu)及工作原理。熱敏電阻式冷卻水溫度傳感器一般安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的水套式節(jié)溫器殼內(nèi)并深入水套中，與冷卻水直接接觸。熱敏電阻式溫度傳感器*檢測：1）冷卻水溫度傳感器電阻檢測；2）冷卻水溫度傳感器電壓檢測；3）冷卻水溫度傳感器線束電阻值的檢測。熱敏電阻式進(jìn)氣溫度傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理：進(jìn)氣溫度傳感器通常安裝在空氣濾清器之后的進(jìn)氣軟管上或翼片式空氣流量計(jì)內(nèi)，有的安裝在諧振腔上。檢修：1）進(jìn)氣溫度傳感器電阻的檢測方法；2）進(jìn)氣溫度傳感器的電壓檢測；3）進(jìn)氣溫度傳感器線速的電阻值檢測熱敏電阻式溫度傳感器*熱敏電阻式車內(nèi)、外溫度傳感器熱敏電阻式蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度傳感器熱敏電阻式排氣溫度傳感器熱敏電阻式溫度傳感器*紅外傳感器是利用物體產(chǎn)生輻射的特性來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測的器件。紅外輻射的產(chǎn)生及其性質(zhì)：紅外輻射是由于物體內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生的。紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性質(zhì)，但它的特點(diǎn)是熱效應(yīng)為最大紅外傳感器*紅外探測器：它是一種能探測紅外線的器件。從近代測量技術(shù)角度來看，把能將紅外線輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱之為紅外線探測器。按工作原理紅外線探測器可分為兩類：熱敏探測器和光電探測器。1、熱敏探測器：是利用紅外線輻射的熱效應(yīng)制成的，它采用熱敏元件，而熱敏元件的響應(yīng)時(shí)間長，一般在毫秒數(shù)量級以上。另一方面由于在加熱過程中，不管什么波長的紅外線，只要功率相同，對熱敏探測器的加熱效果是也是相同的紅外探測器*紅外探測器無選擇性紅外探測器：如果熱敏元件對各種波長的紅外線都能全部吸收，熱敏探測器則對入射輻射的各種波長都具有相同的響應(yīng)。2、光電探測器是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，它采用光電元件，因此它的響應(yīng)時(shí)間一般比熱敏探測器的響應(yīng)時(shí)間短的多，最短的可達(dá)到毫微秒數(shù)量級。由于這類探測器是以光子為單元起作用的，只要光子的能量足夠，相同的數(shù)量的光子基本上具有相同的效果，因此這類探測器常常被稱為光子探測器。*紅外探測器紅外探測器的結(jié)構(gòu)：光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和調(diào)節(jié)器等。按光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化分：透射式和反射式。1）透射式紅外線探測器。常常還需要在鏡片表面蒸鍍紅外蒸透層，一方面濾去不需要的波段，另一方面增大有用波段的透射濾。由于紅外輻射的透射損失，一般透射系統(tǒng)中包含的透鏡在兩片以上者是極少見的。*透射式紅外線探測器光學(xué)系統(tǒng)*透射式紅外線探測器透射式光學(xué)系統(tǒng)的部件用紅外光學(xué)材料制成，根據(jù)所用紅外線波長選擇光學(xué)材料。700°C以上高溫時(shí)用波段在0.76~3m的近紅外區(qū)，可用一般的光學(xué)玻璃和石英等材料。100~700°C的中溫度時(shí)用波段在3~5m的中紅外區(qū)，多數(shù)采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學(xué)材料。100°C以下低溫度時(shí)，用波段在5~14m的中、遠(yuǎn)紅外區(qū)，多數(shù)采用鍺、硅、熱壓硫化鋅等材料。*反射式紅外線探測器*反射式紅外線探測器2）反射式紅外線探測器。

采用反射式光學(xué)系統(tǒng)主要是因?yàn)楂@得透射紅外線波段的光學(xué)玻璃材料比較困難，此外反射式系統(tǒng)還可以做成大口徑的鏡子。但是在加工方面，反射式比透射式要困難得多。反射式光學(xué)系統(tǒng)是多用凹面鏡反射鏡，其表面鍍金、鋁或鎳鉻等紅外波段反射率很高的材料。減小光學(xué)像差或?yàn)榱耸褂蒙系姆奖?，通常再加一片反射鏡，使目標(biāo)輻射經(jīng)二次反射聚焦到接收元件上。*紅外傳感器應(yīng)用：紅外測溫儀；紅外線氣體分析儀；用紅外線傳感器的夜間步行者報(bào)警系統(tǒng)；紅外線傳感器在汽車及工程的機(jī)械零件鍛造自動(dòng)線的應(yīng)用*紅外測溫儀1.紅外測溫儀：紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000oC時(shí)，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。濾光片一般采用只任許8~14m的紅外輻射能通過的材料。*紅外測溫儀*紅外測溫儀的應(yīng)用紅外傳感器*紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性來對氣體成分進(jìn)行分析。不同氣體的吸收波段（吸收帶）是不同的。如CO氣體對波長為4.65m附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78m和4.26m附近以及波長大于13m的范圍對紅外線有較強(qiáng)的吸收能力。紅外線氣體分析儀*紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理*便攜式紅外線CO分析器

紅外線氣體分析儀*便攜式紅外CO2分析器紅外線氣體分析儀*夜間行人報(bào)警系統(tǒng)就是根據(jù)下面的概念開發(fā)出來的：檢測出人臉輻射出的紅外線，通過圖像處理檢測，判斷出夜間難以發(fā)現(xiàn)的行人，在擋風(fēng)玻璃上顯示行人的存在及方向并發(fā)出報(bào)警，以提高駕駛員的視覺功能夜間行人報(bào)警系統(tǒng)由熱紅外線攝像機(jī)、控制組件及顯示部分組成。用紅外線傳感器的夜間步行者報(bào)警系統(tǒng)*步驟（1）以臉部溫度為中心將測得的紅外線圖像信號在1oC的范圍內(nèi)進(jìn)行分選；（2）對選定的熱源對象決定外接方形窗口的尺寸；（3）計(jì)算方框內(nèi)選定熱源對象所占的比例，考慮臉部朝向、頭發(fā)狀況等后，確定某一數(shù)值，選定高于這數(shù)值的熱源；（4）限定小于以選定熱源對象縱橫比的值；（5）研究這些區(qū)域與限定熱源對象的方形尺寸之間的關(guān)系，在有關(guān)使用條件下，對人及判斷人的位置方向燈亮。用紅外線傳感器的夜間步行者報(bào)警系統(tǒng)*用紅外線傳感器的夜間步行者報(bào)警系統(tǒng)*紅外傳感器在汽車及工程機(jī)械無損探傷上的應(yīng)用道理很簡單：當(dāng)A面的外表面均勻受熱而溫度升高時(shí)，熱量就向B面?zhèn)魅?，B面外表面的溫度隨之升高。如果兩板的交界面是均勻接觸，則B面外表面的熱量分布也是均勻的一致的，如果交界面的某一部分沒有焊接好，熱流在這里就會(huì)受阻，B板的外表面會(huì)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。紅外傳感器*紅外無損傷探傷的特點(diǎn)：加熱和探傷設(shè)備都比較簡單，能針對各種特殊的需要設(shè)計(jì)出合適的檢測方案，因此應(yīng)用比較廣泛。例如金屬、陶瓷、塑料、橡膠等材料中的裂縫、孔洞、異物、氣泡、界面變形等缺陷的探傷，結(jié)構(gòu)的檢查，焊接質(zhì)量的鑒定以及電子器件和線路的可靠性的檢測等，都可以用紅外無損傷探傷來解決。紅外傳感器*3.4常用其他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(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)。由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。*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)。*內(nèi)光電效應(yīng)

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(dòng)勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種:光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。*光電傳感器的應(yīng)用

*紅外輻射檢測一、紅外輻射

紅外輻射又稱紅外光，任何物體的溫度只要高于絕對零度（即-273.16℃）就處于“熱狀態(tài)”。處于熱狀態(tài)的物質(zhì)分子和原子不斷振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)并發(fā)生電子躍遷，從而產(chǎn)生電磁波。這些電磁波的波長處于可見光的紅光之外，因此稱為“紅外線”。物體與周圍溫度失去平衡時(shí)，就會(huì)發(fā)射或吸收紅外線，這便是常說的熱輻射，即紅外輻射。紅外線在電磁波譜中位于可見光與微波之間，波長為0.76～1000μm（圖3.106）。圖3.106電磁波譜

*

物體的溫度與輻射功率的關(guān)系由斯芯藩—玻爾茨曼（Stefan-Boltzmann）定律給出，即物體輻射強(qiáng)度W與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比：

W—單位面積輻射功率，Wm-2；

σ—斯芯藩—玻爾茨曼常數(shù)，5.67×10-8W·m-2·K-4；

T—熱力學(xué)溫度，K；

ε—比輻射率（非黑體輻射度/黑體輻射度）。黑體：在任何溫度下能全部吸收任何波長的輻射的物體，ε=1。灰體：一般物體的ε<1，即它不能全部吸收投射到它表面的輻射功率，發(fā)射熱輻射的能力也小于黑體。(3.130)*二、紅外探測器紅外探測器：能將紅外輻射量轉(zhuǎn)化為電量的裝置。分類：熱敏探測器；光敏探測器。熱敏探測器利用半導(dǎo)體薄膜材料在受到紅外輻射時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)。響應(yīng)時(shí)間較長，約在10-3s的量級。對輻射的各種波長基本上有相同的響應(yīng)，其光譜響應(yīng)曲線平坦，在整個(gè)測量波長范圍內(nèi)靈敏度基本不變，且能在常溫下工作。*

光電探測器是一種半導(dǎo)體器件，它的核心是光敏元件。當(dāng)光子投射到光敏元件上時(shí)，促使電子—空穴對分離，產(chǎn)生電信號。光電效應(yīng)產(chǎn)生很快，光電探測器對紅外輻射的響應(yīng)時(shí)間要比熱敏探測器的響應(yīng)時(shí)間快得多，可達(dá)毫微秒。其對波長的響應(yīng)率有個(gè)峰值λp，超過λp時(shí)響應(yīng)曲線迅速截止(圖3.108)。其原因是，在大于一定波長的范圍內(nèi)，光子儲(chǔ)量不足于激發(fā)電子的釋出，電活性消失。光電探測器必須在低溫下才能工作。圖3.108紅外探測器光譜響應(yīng)曲線

*對紅外探測器性能的要求：靈敏度高；在工作波長范圍內(nèi)有較高的探測率；時(shí)間常數(shù)小。*三、紅外檢測應(yīng)用輻射溫度計(jì)圖3.109輻射溫度計(jì)工作原理*

運(yùn)用斯忒藩——玻爾茨曼定律可進(jìn)行輻射溫度測量。被測物通常為ε<1的灰體，若以黑體輻射作為基準(zhǔn)來定標(biāo)，則當(dāng)知道了被測物的ε值后，則可根據(jù)式（3.130）以及ε的定義來求出被測物的溫度。假定灰體輻射的總能量全部為黑體所吸收，則它們的總能量相等，即

ε—被測物的比輻射率；

ε0——黑體的比輻射率，ε0=1；

T——被測物溫度；

T0——黑體溫度；

σ——斯忒藩—玻爾茨曼常數(shù)。 由此可得(3.133)*

紅外測溫 輻射溫度計(jì)一般用于800℃以上的高溫測量，此外所講的紅外測溫則是指低溫及紅外光范圍的測溫。圖3.110紅外測溫裝置原理圖*

紅外熱成像紅外光是人的肉眼所不能看到的，因此不能采用普通照相機(jī)原理來攝取紅外圖象。紅外熱成像（Infraredthermalimaging）技術(shù)：將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行顯示的技術(shù)。分類：主動(dòng)式；被動(dòng)式。*主動(dòng)式紅外熱成像：采用一紅外輻射源照射被測物，然后接收被物體反射的紅外輻射圖象。圖3.111主動(dòng)式紅外成象原理1——紅外光源；2——攝象機(jī)；3——監(jiān)視器*被動(dòng)式紅外熱成像：利用物體自身的紅外輻射來攝取物體的熱輻射圖像，這種成像我們一般稱為熱像（thermalimage），獲取熱象的裝置稱熱像儀。圖3.112紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.

被測對象2.掃描鏡3.透鏡3.反射鏡5.紅外探測器6.杜瓦瓶7.測溫元件8.參考黑體9.調(diào)制器10.凹面反射鏡*紅外熱像儀的應(yīng)用：不同環(huán)境條件下的溫度檢測。圖3.113車床軸承面的等溫度場分布圖*圖3.114超音速風(fēng)調(diào)熱像儀檢測1.噴嘴2.模型3.熱像儀3.塑料窗*熱像技術(shù)廣泛用于無損缺陷的探查。在電力工業(yè)中，熱像儀被用來檢查電力設(shè)備尤其是開關(guān)、電纜線等的溫升現(xiàn)象，從而可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障進(jìn)行報(bào)警。在石油、化工、冶金工業(yè)生產(chǎn)中，熱像儀也被用來進(jìn)行安全監(jiān)控。用于公安和消防，對火災(zāi)現(xiàn)場的建筑物，采用熱象儀可以探知建筑物中被燒毀的情況以及人員的情況。用作海岸線監(jiān)視，以監(jiān)視各類過往船只，尤其是用作夜間監(jiān)視，確保海岸線的安全。*熱像儀用于臨床醫(yī)學(xué)診斷。圖3.115醫(yī)用紅外熱象儀獲取的病例（脂肪瘤）熱圖*

固態(tài)圖象傳感器固態(tài)圖象傳感器：一種固態(tài)集成元件，其核心部分是電荷耦合器件（Charge