常用傳感器與敏感元件

常用傳感器與敏感元件第一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日11.傳感器（sensor/transducer）定義

工程測量中通常把直接作用于（感知）被測量，并能按一定方式/一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。

物理量電量

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號（如電壓、電流）或者電的參數(shù)信號（如電阻、電容、電感等）。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。第二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日22.傳感器的構(gòu)成

傳感器由敏感器件/元件與輔助器件組成。敏感元件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉(zhuǎn)換輸出。dV

輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。Return第三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日33.1常用傳感器分類1)按被測物理量常見的被測物理量位移力溫度噪聲……位移傳感器力傳感器溫度傳感器2)按傳感器工作原理機械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.第四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日43.1常用傳感器分類3)按信號變換特征:物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器※物性型傳感器:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號的變換。如水銀溫度計；壓電傳感器?！Y(jié)構(gòu)型傳感器:是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化（如形狀、尺寸等）而實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。例如，電容式傳感器。第五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日53.1常用傳感器分類能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型:又稱無源傳感器。直接由被測對象輸入能量使其工作。二者存在能量交換。例如:熱電偶溫度計能量控制型:又稱有源傳感器。從外部供給能量使傳感器工作，并且由被測量來控制外部供給能量的變換。例如:電阻溫度計4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:第六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日63.2機械式傳感器及儀器工作原理:以彈性體作為傳感器的敏感元件。彈性元件利用其彈性變形范圍內(nèi)能感受力、壓力、力矩等產(chǎn)生彈性變形在外力消失后又可恢復(fù)原狀的性能，把各種形式的非電量轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變量或位移量，然后再經(jīng)過一定的變換或檢測方式轉(zhuǎn)化為電量。Eg.彈簧

彈性元件具有的現(xiàn)象：1蠕變：材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。2.彈性后效：是指加載（或卸載）后經(jīng)過一段時間應(yīng)變才增加（或減小）到一定數(shù)值的現(xiàn)象。彈性材料的這些現(xiàn)象會影響輸入輸出的線性關(guān)系，因此，應(yīng)用彈性元件時，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇等方面采取有效措施。第七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日73.2機械式傳感器及儀器實例第八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日83.2機械式傳感器及儀器實例第九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日93.3電阻、電容與電感式傳感器一、電阻式傳感器基本原理：就是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。分類：按工作原理可分為變阻器式、電阻應(yīng)變式1變阻器式傳感器/電位計式傳感器/可調(diào)電位器工作原理：通過改變電位器觸頭位置，實現(xiàn)將位移轉(zhuǎn)化為電阻R的變化。第十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日103.3電阻、電容與電感式傳感器直線位移型C、A間：靈敏度S：靈敏度S

：k1——單位長度的電阻值角位移型C、A間：a——電刷轉(zhuǎn)角ka——單位弧度對應(yīng)的電阻值第十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日113.3電阻、電容與電感式傳感器按制作方式：線繞電位器導(dǎo)電塑料電位器普通塑料基底導(dǎo)電材料粉第十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日123.3電阻、電容與電感式傳感器變阻器式傳感器后接電路：其中，Rp—變阻器的總電阻；

xp—變阻器的總長度；

RL—后接電路的輸入電阻知識鏈接當Rp/RL趨于零時，輸出電壓Uo才與位移x成線性關(guān)系。所以，后接電路的輸入電阻要遠遠大于變阻器的總電阻Rp。當Rp/RL<0.1時，非線性誤差小于滿刻度輸出的1.5%。第十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日133.3電阻、電容與電感式傳感器一、電阻式傳感器1變阻器式傳感器/電位計式傳感器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。缺點：因為受到制作更小直徑的電阻絲的限制，分辨力不高，很難小于20mm，其繞制較困難。此外，這種傳感器還有較大的噪聲，主要因為電刷和電阻元件之間存在磨損、接觸面變動等。第十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日143.3電阻、電容與電感式傳感器一、電阻式傳感器2.電阻應(yīng)變式傳感器——應(yīng)變片（核心/敏感元件）（1）金屬電阻應(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)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化。使用：把應(yīng)變片用特制膠水粘固在彈性元件（如下圖）或需要測量變形的物體表面上。在外力作用下，應(yīng)變片隨同物體一起變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。第十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日153.3電阻、電容與電感式傳感器金屬絲電阻應(yīng)變片△結(jié)構(gòu)材質(zhì)：康銅（銅鎳）合金、鎳鉻合金（高的電阻率），直徑為0.025mm應(yīng)變片長度※若應(yīng)變片在長度方向上發(fā)生伸長變形，則其阻值增大第十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日16金屬箔式電阻應(yīng)變片a）敏感單方向上的應(yīng)變b）雙片式應(yīng)變花，測扭矩3.3電阻、電容與電感式傳感器優(yōu)點：線條均勻，尺寸準確，箔片厚度約為1-10mm，粘接性好，應(yīng)用較廣。b)第十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日17應(yīng)變計金屬應(yīng)變計3.3電阻、電容與電感式傳感器第十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日183.3電阻、電容與電感式傳感器由電阻絲幾何尺寸改變引起由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變而引起對于金屬電阻應(yīng)變片，有：靈敏度：（金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度S=）第十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日19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的紙襯或合成樹脂組成的載體上。圖金屬絲應(yīng)變片圖應(yīng)變片結(jié)構(gòu)縱截面情形3.3電阻、電容與電感式傳感器補充：金屬絲式應(yīng)變片的分類第二十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日203.3電阻、電容與電感式傳感器非粘貼式：圖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，最大激勵電壓為5～10V，滿量程輸出為20～50mV。圖非粘貼式應(yīng)變儀第二十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日213.3電阻、電容與電感式傳感器2.電阻應(yīng)變式傳感器——應(yīng)變片（核心/敏感元件）（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：工作原理：基于半導(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，其電阻率r發(fā)生變化的現(xiàn)象。

從半導(dǎo)體物理可知，單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點陣排列規(guī)律會發(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。

第二十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日22分類：P型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時會增加其電阻值；N型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時會減少其電阻值。3.3電阻、電容與電感式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度：※金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別：金屬絲電阻應(yīng)變片利用金屬導(dǎo)體形變引起電阻變化；半導(dǎo)體應(yīng)變片利用半導(dǎo)體材料電阻率變化引起電阻變化。（半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度S=60-170）第二十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日233.3電阻、電容與電感式傳感器※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?。3.試件表面處理：貼片處用細紗紙打磨干凈，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。第二十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日245.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?。7.應(yīng)變片保護：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止受潮。3.3電阻、電容與電感式傳感器第二十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日253.3電阻、電容與電感式傳感器◎金屬電阻應(yīng)變片的測量電路（a）1片工作應(yīng)變片的電橋R2（b）2片工作應(yīng)變片的電橋第二十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日263.3電阻、電容與電感式傳感器◎電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實例1.直接測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或應(yīng)變立柱應(yīng)力測量橋梁應(yīng)力測量第二十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日272.將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上制成多種用途的應(yīng)變傳感器3.3電阻、電容與電感式傳感器◎電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實例原理：位移x使板彈簧產(chǎn)生與其大小成正比的彈性變形，彈簧上的應(yīng)變片則將彈性變形（應(yīng)變）轉(zhuǎn)換成其電阻的變化。原理：它由質(zhì)量塊、懸臂梁、基座組成。當基座與被測振動體一起振動時，質(zhì)量塊的慣性力作用在懸臂梁上，梁的應(yīng)變與振動體（基座）的加速度在一定頻率范圍內(nèi)成正比，則貼在梁上的應(yīng)變片把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。第二十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日283.3電阻、電容與電感式傳感器2.將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上制成多種用途的應(yīng)變傳感器◎電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實例原理：物體重量引起金屬盒彈簧的彈性變形，貼在盒上的應(yīng)變片也隨之變形，從而引起其電阻變化。原理：壓力使膜片變形，應(yīng)變片也相應(yīng)變形，使其電阻發(fā)生變化。第二十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日293.3電阻、電容與電感式傳感器案例1：電子秤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。應(yīng)變片——受壓應(yīng)變片——受拉第三十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日303.3電阻、電容與電感式傳感器※案例2：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測R2R2UeR1UoR3R4ab第三十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日31案例3：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發(fā)現(xiàn)。3.3電阻、電容與電感式傳感器第三十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日32二、電容式傳感器3.3電阻、電容與電感式傳感器1.變換原理:將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化。實質(zhì)是一個具有可變參數(shù)的電容器。兩平行極板組成電容器,其電容量為:+++Ad、A或e發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。第三十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日331)極距變化型3.3電阻、電容與電感式傳感器靈敏度S：根據(jù)電容器變化的參數(shù)對電容式傳感器進行分類：+++d0d第三十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日343.3電阻、電容與電感式傳感器根據(jù)電容器變化的參數(shù)對電容式傳感器進行分類：1)極距變化型

圖3-12極距變化型電容式傳感器a)極距變化b)輸出特性靈敏度與極距平方成反比，極距越小，靈敏度越高。由于靈敏度隨極距而變化，這將會引起非線性誤差。為了減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作，以便獲得近似線性關(guān)系。一般取極距變化范圍約為。第三十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日353.3電阻、電容與電感式傳感器根據(jù)電容器變化的參數(shù)對電容式傳感器進行分類：1)極距變化型在實際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、線性度以及克服某些外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對測量精確度的影響，常常采用差動式。圖差動式變極距式傳感器的原理圖靈敏度S：極距變化型電容傳感器特點：可利用被測部件作動極板，實現(xiàn)非接觸測量，對被測系統(tǒng)影響小；適用于較小位移（0.01微米~數(shù)百微米）的測量。第三十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日363.3電阻、電容與電感式傳感器※電容式測厚儀電容測厚儀工作原理。在被測金屬帶材的上下兩側(cè)各放置一塊面積相等，與帶材距離相等的極板2，這樣極板與帶材就形成了兩個電容器。其總電容Cx＝C1+C2=2C。如果帶材厚度發(fā)生變化，則引起電容量的變化。用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘷z測出來，經(jīng)過放大，即可由電容測厚儀顯示出帶材厚度的變化?！驊?yīng)用第三十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日373.3電阻、電容與電感式傳感器◎應(yīng)用用來測量金屬導(dǎo)體表面振動位移的電容式傳感器只含有一個電極，而把被測對象作為另一個電極使用。第三十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日383.3電阻、電容與電感式傳感器2)面積變化型角位移型+++電容量a——覆蓋面積對應(yīng)的中心角r——極板半徑靈敏度S：(輸出與輸入成線性關(guān)系)第三十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日393.3電阻、電容與電感式傳感器平面線位移型電容量：b——極板寬度d——極板間距離靈敏度S：第四十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日403.3電阻、電容與電感式傳感器圓柱體線位移型靈敏度S：電容量：D—圓筒孔徑d—圓柱外徑12第四十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日413.3電阻、電容與電感式傳感器產(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。第四十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日423.3電阻、電容與電感式傳感器3)介質(zhì)變化型利用介質(zhì)的介電常數(shù)變化將被測量轉(zhuǎn)換成電量的一種傳感器?？捎脕頊y量電介質(zhì)的液位或某些材料的溫度、濕度和厚度等。第四十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日433.3電阻、電容與電感式傳感器產(chǎn)品電容式液位傳感器（液位計/料位計）原理：利用介質(zhì)液面高度的變化對電容介電常數(shù)的影響而制成。3)介質(zhì)變化型第四十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日44電容式液位計及其等效電路HLH03.3電阻、電容與電感式傳感器3)介質(zhì)變化型第四十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日453.3電阻、電容與電感式傳感器3)介質(zhì)變化型測量原理：測試時，紗條通過電容器兩個極板間的間隙，若紗條不均勻，即圖中d值有變化。這個具有兩層介質(zhì)（一層是空氣、一層是紗條）的電容器通過介電常數(shù)發(fā)生變化而使電容器的電容量發(fā)生變化，達到測試均勻度的目的。第四十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日463.3電阻、電容與電感式傳感器電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關(guān)時，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.接近開關(guān)的檢測物體并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。第四十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日473.3電阻、電容與電感式傳感器第四十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日483.3電阻、電容與電感式傳感器2.電容式傳感器的測量電路(a)電橋型電路將電容傳感器作為橋路的一部分。由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出。通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋（如圖）。電橋的輸出為調(diào)幅波，經(jīng)過放大、解調(diào)、濾波后輸出，再推動顯示儀表。如何調(diào)電橋平衡？(交流電橋平衡條件)第四十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日493.3電阻、電容與電感式傳感器2.電容式傳感器的測量電路(b)諧振電路電容傳感器的電容Cx作為諧振電路（L2、C2+Cx）調(diào)諧電容的一部分。該諧振回路通過電壓耦合從穩(wěn)定的高頻振蕩器獲得振蕩電壓。當傳感器電容量Cx發(fā)生變化時，諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)變化，并被轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出，再經(jīng)過放大、檢波即可。為獲得較好的線性，一般工作點應(yīng)選在諧振曲線一邊的線性區(qū)域內(nèi)。第五十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日503.3電阻、電容與電感式傳感器2.電容式傳感器的測量電路(c)調(diào)頻電路傳感器電容是振蕩器諧振回路的一部分，當輸入量使傳感器電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)過鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再?jīng)過放大后由記錄器或顯示儀表指示。第五十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日513.3電阻、電容與電感式傳感器(d)運算放大器電路UyU0輸出電壓Uy與電容傳感器間隙d成線性關(guān)系，該電路適于位移測量傳感器。

將電容傳感器電容Cx接入運算放大器的反饋電路。第五十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日523.3電阻、電容與電感式傳感器三、電感式傳感器定義：基于電磁感應(yīng)原理，將被測的非電量轉(zhuǎn)換成線圈的電感量（自感量L

或線圈之間互感量M）變化的一種裝量。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻式渦流式互感型第五十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日533.3電阻、電容與電感式傳感器1.自感型（1）可變磁阻式三、電感式傳感器

可變磁阻式電感傳感器結(jié)構(gòu)

1—線圈2—鐵心3—銜鐵A特性曲線N——匝數(shù)m0——空氣磁導(dǎo)率A0——空氣氣隙導(dǎo)磁橫截面積d——氣隙長度靈敏度（變氣隙式）：為減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小間隙變化范圍內(nèi)工作，一般取△d/d0≤0.1第五十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日543.3電阻、電容與電感式傳感器典型結(jié)構(gòu)1.自感型（1）可變磁阻式三、電感式傳感器可變導(dǎo)磁面積型自感L與A0呈線性關(guān)系，靈敏度較低。變氣隙式銜鐵水平移動時，一個線圈的自感增加，另一個線圈的自感減小。將兩線圈接在電橋的相鄰橋臂上，其輸出靈敏度可提高一倍。（差動型）第五十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日553.3電阻、電容與電感式傳感器典型結(jié)構(gòu)1.自感型（1）可變磁阻式三、電感式傳感器單螺管線圈型當鐵心在線圈中運動時，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)簡單、制作容易，但靈敏度低，適用于較大位移（數(shù)毫米）的測量。哪一項導(dǎo)致自感量變化？雙螺管線圈差動型電橋電路輸出特性較單螺管型相比，有較高的靈敏度及線性，被用于電感測微計上。這種傳感器的線圈接在電橋上，構(gòu)成兩個相鄰橋臂，線圈電感L1,L2隨鐵心位移而變化。輸出特性如圖。第五十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日563.3電阻、電容與電感式傳感器應(yīng)用1.自感型（1）可變磁阻式三、電感式傳感器工作原理：采用了變氣隙式（差動型）傳感器。當被測壓力p變化時，彈簧管1的自由端產(chǎn)生位移，帶動與自由端剛性連接的自感傳感器的銜鐵2發(fā)生移動，使傳感器的線圈5和6中的電感值一個增加另一個減小。傳感器輸出信號的大小決定于銜鐵位移的大小，銜鐵位移的大小又取決于壓力大小。第五十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日573.3電阻、電容與電感式傳感器三、電感式傳感器※轉(zhuǎn)換原理：基于金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。當線圈中通以一交變高頻電流i時，會引起一交變磁通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)生的交變磁場將與線圈產(chǎn)生的磁場變化方向相反，亦即Ф1將抵抗Ф的變化。由于渦流磁場對導(dǎo)磁材料的作用以及氣隙對磁路的影響，使線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化。1.自感型（2）※渦流式(eddycurrentsensor)影響傳感器線圈阻抗Z的參數(shù)：①線圈與金屬板間距離d②金屬板電阻率r③金屬板磁導(dǎo)率m④線圈激磁角頻率w(測定被導(dǎo)體位移、振幅、厚度)第五十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日583.3電阻、電容與電感式傳感器根據(jù)渦流式傳感器的簡化模型，可以得出以下結(jié)論：1金屬導(dǎo)體上形成的渦流有一定的范圍，當線圈與導(dǎo)體間的距離不變時，電渦流密度隨著線圈外徑的大小而變化。為了充分的利用渦流效應(yīng)，被測導(dǎo)體的平面不應(yīng)小于傳感器線圈外徑的2倍，否則靈敏度將下降?！?由于趨膚效應(yīng)，金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流不僅沿徑向分布不均勻，而且貫穿金屬導(dǎo)體的深度有限。貫穿深度與勵磁電流的頻率成反比關(guān)系。交流電流通過導(dǎo)體時，由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上電流分布不均勻，越接近導(dǎo)體表面，電流密度越大。第五十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日593.3電阻、電容與電感式傳感器分類：①高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器可測量位移量d的變化。工作原理電感線圈中通一高頻（MHz以上）激勵電流趨膚效應(yīng)薄層中產(chǎn)生電渦流電渦流產(chǎn)生的交變磁通反作用于線圈穿過線圈的磁通發(fā)生變化線圈的自感量（L）變化線圈的阻抗（Z）變化。第六十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日60互感原理（多用于測量材料的厚度）發(fā)射線圈W1和接收線圈W2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻（約1kHz）磁場趨膚效應(yīng)小，滲透深，當?shù)皖l電動勢加到線圈W1的兩端后，產(chǎn)生一交變磁場，并在金屬板中形成渦流，該渦流損耗了部分磁場能量，使部分磁力線透過金屬板，使線圈W2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢e2減小。金屬板的厚度（h）越大，渦流損耗的磁場能量越大，e2就越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)。試驗表明，e2隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)律減小，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。3.3電阻、電容與電感式傳感器分類：②低頻透射式渦流傳感器第六十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日61測量電路3.3電阻、電容與電感式傳感器2.渦流式(eddycurrentsensor)三、電感式傳感器傳感器線圈L和電容C組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為電路中由振蕩器提供穩(wěn)定的高頻信號電源。測量前，調(diào)節(jié)LC諧振回路的諧振頻率使其等于振蕩器提供的振蕩頻率f0，此時，LC電路的阻抗最大，輸出電壓的幅值也最大。測量時，傳感器線圈自感量L隨間隙d而改變，LC回路失諧，而偏離激勵頻率，回路的諧振峰向左或向右移動。輸出信號頻率雖仍為振蕩器的工作頻率，但幅值隨d而改變。它相當于一個被d調(diào)制的調(diào)幅波，再經(jīng)過放大、檢波、濾波后，即可獲得間隙d的動態(tài)信息。第六十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日623.3電阻、電容與電感式傳感器零件計數(shù)器應(yīng)用第六十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日633.3電阻、電容與電感式傳感器表面裂紋測量表面粗糙度測量尺寸檢查應(yīng)用第六十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日643.3電阻、電容與電感式傳感器無損探傷應(yīng)用火車輪檢測油管檢測第六十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日653.3電阻、電容與電感式傳感器無損探傷應(yīng)用※原理：有無缺陷的材料其電阻率不同，造成渦流變化，因此影響檢測線圈的阻抗變化。第六十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日663.3電阻、電容與電感式傳感器應(yīng)用測量轉(zhuǎn)數(shù)n徑向振擺測量第六十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日673.3電阻、電容與電感式傳感器2.互感型—差動變壓器式電感傳感器三、電感式傳感器M—比例系數(shù)，即互感（H）其大小與兩線圈相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。互感現(xiàn)象圖互感現(xiàn)象1把被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感器線圈互感系數(shù)(M)的變化?；ジ行蛡鞲衅?變壓器)工作原理：基于互感現(xiàn)象。在一次側(cè)線圈（原邊）接入交流電源，二次側(cè)線圈（付邊）即產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當被測參數(shù)改變鐵心與一次側(cè)、二次側(cè)線圈之間的位置時，即改變了兩個線圈之間的互感，導(dǎo)致二次側(cè)線圈輸出電壓產(chǎn)生相應(yīng)變化。第六十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日683.3電阻、電容與電感式傳感器圖輸出特性EwEoutxWW1W2e0=e1-e2e2圖（螺管形）差動變壓器式傳感器工作原理e1第六十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日693.3電阻、電容與電感式傳感器案例：張力測量產(chǎn)品——差動變壓器位移傳感器差動變壓器式力傳感器第七十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日703.4磁電、壓電與熱電式傳感器變換原理:

把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的裝置。線圈的感應(yīng)電動勢e為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。

一、磁電式傳感器第七十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日713.4磁電、壓電與熱電式傳感器分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N第七十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日723.4磁電、壓電與熱電式傳感器1.動圈式傳感器①線速度型感應(yīng)電動勢其中，N—線圈匝數(shù)

B—磁場磁感應(yīng)強度

l—單匝線圈有效長度

v—線圈與磁場相對運動速度

q—線圈運動方向與磁場方向夾角當q=90時，第七十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日73

結(jié)論：當傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（B，l，N）選定，則感應(yīng)電動勢e大小正比于線圈相對磁場運動速度v(慣性式速度計)。將被測到的速度接入微分電路或積分電路后，則可得到運動物體的加速度和位移。因此速度傳感器又可用來測量運動物體的加速度和位移。

3.4磁電、壓電與熱電式傳感器當q=90時，知識鏈接：微分特性：系統(tǒng)對輸入導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)等于對原輸入響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)。積分特性：如系統(tǒng)的初始狀態(tài)均為零，則系統(tǒng)對輸入積分的響應(yīng)等同于對原輸入響應(yīng)的積分。第七十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日743.4磁電、壓電與熱電式傳感器應(yīng)用第七十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日753.4磁電、壓電與熱電式傳感器應(yīng)用

商用動圈式相對速度傳感器。傳感器活動部分由頂桿、彈簧和工作線圈連接而成，活動部分通過彈簧連接在殼體上。磁通從永久磁鐵的一極出發(fā)，通過工作線圈、空氣隙、殼體再回到永久磁鐵的另一極構(gòu)成閉合磁路。工作時，將傳感器殼體與機件固接，頂桿頂在另一構(gòu)件上，當此構(gòu)件運動時，使外殼與活動部分產(chǎn)生相對運動，工作線圈在磁場中運動而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此電動勢反映了兩個構(gòu)件的相對運動速度。第七十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日763.4磁電、壓電與熱電式傳感器②角速度型其中，w—角速度

A—單匝線圈截面積

k—依賴于結(jié)構(gòu)的系數(shù)當傳感器結(jié)構(gòu)一定（N、B、A均為常數(shù)），感應(yīng)電動勢e與線圈相對磁場角速度成正比。這種傳感器用于轉(zhuǎn)速測量。感應(yīng)電動勢1.動圈式傳感器第七十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日773.4磁電、壓電與熱電式傳感器動圈式磁電式傳感器等效電路將傳感器中線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過電纜與電壓放大器連接，等效電路如圖。e是線圈感應(yīng)電動勢；Z0是線圈阻抗（包括電阻和感抗）；RL是負載電阻（放大器輸入電阻）；Cc是電纜分布電容；Rc是電纜電阻（很小，可忽略）。則輸出電壓為第七十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日783.4磁電、壓電與熱電式傳感器2.磁阻式傳感器

原理：磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對運動，由運動著的物體（導(dǎo)磁材料）改變磁路中的磁阻，從而引起磁力線增強或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。第七十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日793.4磁電、壓電與熱電式傳感器※應(yīng)用——測量轉(zhuǎn)數(shù)第八十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日803.4磁電、壓電與熱電式傳感器NS案例：鼠籠電機轉(zhuǎn)子斷細條檢測第八十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日813.4磁電、壓電與熱電式傳感器二、壓電式傳感器1.※壓電效應(yīng)（piezoelectriceffect）

某些物質(zhì)（如石英，鈦酸鋇）受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，某些表面上出現(xiàn)電荷，形成電場。當外力去掉時，又重新回復(fù)到不帶電的狀態(tài)。具有壓電效應(yīng)的晶體則稱為壓電晶體?！鎵弘娦?yīng)：將壓電晶體置于電場中，它的幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種由于外電場作用導(dǎo)致物質(zhì)機械變形的現(xiàn)象就稱之為逆壓電效應(yīng)。第八十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日823.4磁電、壓電與熱電式傳感器二、壓電式傳感器天然石英晶體為六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐，六棱柱是其基本結(jié)構(gòu)?！蚴⒕wa-石英晶體x軸（電軸）：在應(yīng)力作用下，這兩端能產(chǎn)生最強的電荷。z軸（光軸）：當光沿z軸入射時不產(chǎn)生雙折射。y軸為機械軸。第八十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日833.4磁電、壓電與熱電式傳感器二、壓電式傳感器◎石英晶體從晶體中切下一個平行六面體，并使其晶面分別平行于z-z,y-y,x-x軸線。這個晶片在正常狀態(tài)下不帶電。當施加外力Fx時，晶片極化，并沿x-x方向形成電場，其電荷分布在垂直于x-x軸平面上。（縱向壓電效應(yīng)）當沿z軸對晶片施加外力Fz時，則不論外力大小及方向如何，晶片表面都不會被極化。當沿y方向?qū)┘油饬y時，則在晶片受力面的側(cè)面產(chǎn)生電荷。（橫向壓電效應(yīng)）第八十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日843.4磁電、壓電與熱電式傳感器二、壓電式傳感器※實驗證明：在極板上積聚的電荷量q與晶片所受作用力F成正比，即

q=DF其中，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。第八十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日853.4磁電、壓電與熱電式傳感器2.壓電材料分類：單晶壓電晶體，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀鈉）、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。第八十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日863.4磁電、壓電與熱電式傳感器3.壓電式傳感器及其等效電路

壓電晶片+++---壓電傳感器：在壓電晶片兩個工作面上蒸鍍金屬膜，使其作為兩個電極。受外力作用時，電荷聚集在兩極上。結(jié)構(gòu)：類似電容器。有所不同是晶片表面上的電荷隨著時間的推移逐漸漏掉。因為壓電晶片材料的絕緣電阻雖然很大，但非無窮大。第八十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日873.4磁電、壓電與熱電式傳感器3.壓電式傳感器及其等效電路

從信號變換角度看，壓電傳感器相當于電荷發(fā)生器；從結(jié)構(gòu)上看，它又是一個電容器。因此，通常將壓電元件等效為一個電荷源和電容并聯(lián)的電路。其中，ua為壓電晶片受力后呈現(xiàn)的電壓，即極板上開路電壓；q為壓電晶片表面電荷；Ca為壓電晶片電容。ua第八十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日883.4磁電、壓電與熱電式傳感器3.壓電式傳感器及其等效電路

（1）※利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)變量時，必須采用極高阻抗的負載。（2）※動態(tài)測量時，壓電晶片受動態(tài)交變力作用，電荷可以得到不斷補充，可以供給測量電路一定的電流，漏電量相對較小。壓電式傳感器適宜作動態(tài)測量。如作用在晶片上的外力不變，聚集在極板上的電荷無內(nèi)部泄漏，外電路負載無窮大，則電荷量將始終保持不變，直到外力消失為止。如負載不是無窮大，電路就會按照指數(shù)規(guī)律放電，造成測量誤差。+++---第八十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日893.4磁電、壓電與熱電式傳感器※電容量大，輸出電荷量大，時間常數(shù)大，宜于測量低頻、緩變信號,適合于以電荷為輸出量的場合?！鶄鞲衅鞅旧淼碾娙萘啃?，響應(yīng)快，輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量高頻、以電壓作輸出的信號。并聯(lián)C1C2串聯(lián)C1C23.壓電式傳感器及其等效電路

壓電晶片連接方式第九十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日903.4磁電、壓電與熱電式傳感器3.壓電式傳感器及其等效電路

把壓電式傳感器接入測量電路，連接電纜的寄生電容/分布電容就形成傳感器的并聯(lián)寄生電容Cc，R0為負載的輸入阻抗和傳感器漏電阻的并聯(lián)電阻。外力為F=F0sinwt，則C=Ca+Cc+Ci第九十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日913.4磁電、壓電與熱電式傳感器3.壓電式傳感器及其等效電路

①通過電壓ei的測量所得的被測力的信息受到因子及C中Cc（電纜長度不同，Cc大小也不一樣）的影響。②只有在被測信號頻率w足夠高的情況下，才有可能實現(xiàn)不失真測試，即壓電傳感器實現(xiàn)不失真測量的條件與被測信號的頻率w及回路中的時間常數(shù)R0C有關(guān)。壓電傳感器適用于動態(tài)信號的測量，但測量信號頻率的下限受R0C的影響，上限則受傳感器的固有頻率的限制。第九十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日923.4磁電、壓電與熱電式傳感器4.測量電路

由于壓電式傳感器的輸出信號是微弱的電荷，且傳感器內(nèi)阻大，故輸出能量甚微，一般都要先把傳感器信號先輸?shù)椒糯笃骱笤佥斔偷胶罄m(xù)環(huán)節(jié)。①帶電阻反饋的電壓放大器放大器的輸入電壓（即傳感器的輸出電壓）ei為系統(tǒng)的輸出電壓為結(jié)論：系統(tǒng)的輸出電壓對電纜的分布電容Cc敏感。當電纜長度變化時，Cc就變化，放大器的輸入電壓ei就變化，系統(tǒng)的電壓靈敏度就發(fā)生變化。導(dǎo)致測量困難增加。第九十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日933.4磁電、壓電與熱電式傳感器4.測量電路

②帶電容反饋的電荷放大器當略去傳感器的漏電阻Ra和電荷放大器的輸入電阻Ri影響時，有其中，ey為放大器輸出端電壓，ey=-Kei；Cf為電荷放大器反饋電容；K為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù)。當K足夠大時，則（1+K）Cf>>Ca+Cc+Ci時，有在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容無關(guān)，輸出靈敏度取決于反饋電容。第九十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日943.4磁電、壓電與熱電式傳感器壓電元件一般由兩塊壓電片組成，在壓電片的兩表面上鍍有銀層，并在銀層上焊有引出線，或在兩壓電片間夾一片金屬薄片，引出線焊在薄片上，輸出端另一根引出線直接與基座相連。在壓電片上放一個質(zhì)量塊，一般用比重大的金屬鎢或合金做成，在保證所需質(zhì)量前提下應(yīng)使體積盡量小。為了消除壓電元件和質(zhì)量塊間的接觸不良而引起的非線性誤差及保證傳感器在交變力作用下能正常工作，要用硬彈簧對壓電元件施加預(yù)壓負荷。靜態(tài)預(yù)壓負荷大小應(yīng)遠大于傳感器在振動、沖擊測試中可能承受的最大動應(yīng)力。這樣，當傳感器向上運動時，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力使壓電元件上的壓應(yīng)力增加；反之，當傳感器向下運動時，壓電元件上的壓應(yīng)力減小。傳感器的整個組件裝在一個厚基座上，并用金屬殼封罩。實例—壓電式加速度傳感器當質(zhì)量M一定時，壓電晶體上產(chǎn)生的電荷q與加速度a成正比。第九十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日953.4磁電、壓電與熱電式傳感器實例—壓電式加速度傳感器第九十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日963.4磁電、壓電與熱電式傳感器熱電式傳感器是把被測量（主要是溫度）轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置。其變換基于金屬的熱電效應(yīng)。按照變換方式可分為熱電偶與熱電阻傳感器。三、熱電式傳感器（1）熱電偶及其工作原理※熱電效應(yīng)：把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，如把兩個接點分別置于溫度為T及T0（假設(shè)T>T0）的熱源中，則回路中就會產(chǎn)生熱電動勢。T>T0熱電偶傳感器：將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢變化的裝置。第九十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日973.4磁電、壓電與熱電式傳感器三、熱電式傳感器——熱電偶T>T0熱電動勢=溫差電動勢+接觸電動勢溫差電動勢：同一導(dǎo)體的兩端因溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電動勢。接觸電動勢：導(dǎo)體中存在大量的自由電子，材料不同，自由電子的濃度也不同。當兩種不同的導(dǎo)體AB接在一起時，在接觸處就會發(fā)生自由電子擴散。在接觸處就形成了電位差。熱電偶及其工作原理：第九十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日98※當保持冷端溫度T0不變時，總熱電動勢僅僅成為溫度T的函數(shù)，即

總電動勢：3.4磁電、壓電與熱電式傳感器三、熱電式傳感器——熱電偶當熱電偶材料一定時，熱電偶的總熱電動勢成為溫度T和T0的函數(shù)差，即其中，EAB(T)為在熱端由兩種因素綜合作用形成的電動勢；

EAB(T0)為在冷端由兩種因素綜合作用形成的電動勢?？梢姡灰３譄犭娕祭涠藴囟炔蛔?，而將另一端放入被測溫度場中，就可以通過測量熱電動勢來確定溫度的值。第九十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日993.4磁電、壓電與熱電式傳感器※中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中插入第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線（勻質(zhì)）的兩端溫度相同，則無論插入導(dǎo)線的溫度分布如何，都不會影響熱電偶熱電動勢的大小。三、熱電式傳感器——熱電偶※標準電極定律如果兩種導(dǎo)體（A、B）分別與第三種導(dǎo)體C組合成熱電偶的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體（A、B）組合成熱電偶的熱電動勢也就已知，即

EAB(T1,T2)=EAC(T1,T2)+ECB(T1,T2)標準電極（鉑）利用該定律，可以方便地從幾個熱電極與標準電極組成熱電偶時所產(chǎn)生的熱電動勢，求出這些熱電極彼此任意組合時的熱電動勢。第一百頁，共一百四十頁，2022年，8月28日100三、熱電式傳感器熱電偶結(jié)構(gòu)應(yīng)用：熱處理高溫爐；摩擦磨損實驗臺3.4磁電、壓電與熱電式傳感器第一百零一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日3.4磁電、壓電與熱電式傳感器三、熱電式傳感器——熱電偶（2）熱電偶材料及其分類a.鉑銠—鉑熱電偶。正極為鉑銠合金絲，負極為鉑絲。b.鎳鉻—鎳硅熱電偶。正極為鎳鉻合金，負極為鎳硅合金。c.鎳鉻—考/康銅熱電偶。正極為鎳鉻合金，負極為考銅（銅、鎳合金冶煉而成）。d.鉑銠30—鉑銠6熱電偶。正極為鉑銠合金（其中70％鉑，30％銠），負極為鉑銠合金（其中94％鉑，6％銠）。第一百零二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1023.5光電傳感器一、光電測量原理光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)：每個光子具有能量hg。用光照射某一物體時，即為光子與物體的能量交換過程，這一過程中產(chǎn)生的電效應(yīng)即為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按其工作原理又分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。光電傳感器：是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。其他非電量光信號電信號第一百零三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1033.5光電傳感器1.※外光電效應(yīng)

在光的照射下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象。電磁能（光子）→動能（光電子）其中，g——光的頻率；

m——電子質(zhì)量；

v——電子逸出速度；

A——物體的逸出功hg=1/2mv2+A光電效應(yīng)方程：逸出條件第一百零四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1043.5光電傳感器①光電子逸出表面的必要條件是hg>A，才能產(chǎn)生光電子。因此，對于每一種光電陰極材料，都有一個確定的光頻率閾值。當入射光頻率低于該值時，無論入射光的強度多大，均不能引起光電子發(fā)射。反之，入射光頻率高于閾值頻率，即使光強很小，也會有光電子發(fā)射。紅限：對應(yīng)閾值頻率的波長l0，稱為某光電器件或光電陰極的紅限。②入射光的頻率成分不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光光強成正比。③對于外光電效應(yīng)器件來說，只要光照射在陰極上，即使陰極電壓為零，也會產(chǎn)生光電流，因為光電子逸出物體表面時具有初始動能。要使光電流為零，必須在陽極上施加一反向截止電壓，大小等于光電子逸出的動能。第一百零五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1053.5光電傳感器外光電效應(yīng)器件/元件（1）光電管金屬底層光電陰極光電管光透明陰極光電管陽極陰極第一百零六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1063.5光電傳感器外光電效應(yīng)器件/元件第一倍增極第三倍增極陽極第二倍增極第四倍增極陰極入射光材料特點：有電子轟擊下能反射更多的電子（2）光電倍增管第一百零七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日107一、光電測量原理3.5光電傳感器2.※內(nèi)光電效應(yīng)

在光的照射下，物體的導(dǎo)電性能（如電阻率）發(fā)生改變的現(xiàn)象。又叫光導(dǎo)效應(yīng)。Reason:

物體內(nèi)部的原子吸收光能量，獲得能量的電子擺脫原子束縛成為物體內(nèi)部的自由電子，從而使物體的導(dǎo)電性能發(fā)生改變。第一百零八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日108內(nèi)光電效應(yīng)器件/元件光敏電阻/光導(dǎo)管一、光電測量原理3.5光電傳感器2.※內(nèi)光電效應(yīng)某些半導(dǎo)體材料（硫化鎘、硒化鎘）受到光照時會產(chǎn)生電子——空穴對，使其導(dǎo)電性能增強。光線越強，阻值越低。光敏電阻沒有極性。主要特征參數(shù)：①亮電阻(<KΩ)、暗電阻(MΩ)亮電流—暗電流=光電流光電流大小表征光敏電阻靈敏度大小。一般希望暗電阻大、亮電阻小，這樣暗電流小、亮電流大，相應(yīng)的光電流就大。第一百零九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日109內(nèi)光電效應(yīng)器件/元件一、光電測量原理3.5光電傳感器2.※內(nèi)光電效應(yīng)主要特征參數(shù)：②光照特性光敏電阻的光電流與光通量的關(guān)系曲線為光敏電阻的光照特性。光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜做檢測光通量變化的元件。常用作開關(guān)式光電傳感器。（適宜作定性而非定量）eg.路燈第一百一十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1103.※光生伏打效應(yīng)在光的照射下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。一、光電測量原理3.5光電傳感器光生伏打效應(yīng)器件/元件——光電池它廣泛用于把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，又稱太陽能電池。Eg.

太陽能路燈、太陽能電池第一百一十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1113.5光電傳感器三、※光電傳感器的應(yīng)用a光電式濁度計

光源發(fā)出的光線經(jīng)半反半透鏡2分成兩束相等的光線。一路光線直接到達光電池5，產(chǎn)生作為被測水樣濁度的參比信號。另一路光線穿過被測水樣3到達光電池4，其中一部分光線被樣品介質(zhì)吸收，水樣越混濁，光線的衰減量越大，到達光電池4的光通量就越小。兩路光信號均轉(zhuǎn)換成電壓信號，由運算電路6計算出兩路電壓信號的比值，并進一步算出被測水樣的濁度。1—光源;2—半反半透鏡;3—被測水樣;4、5—光電池;6—運算電路;7—顯示器1236547b.光電轉(zhuǎn)速計第一百一十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1123.6光纖傳感器一、分類

強度調(diào)制√頻率調(diào)制相位調(diào)制偏振調(diào)制光纖傳感器：以光學(xué)量為轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)，以光信號為變換和傳輸載體，利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號。知識鏈接以電信號為變換和傳輸載體，利用導(dǎo)線傳輸電信號。被測量的變化→光波（強度、頻率、相位、偏振）調(diào)制：把光波隨被測量的變化而變化，稱為對光波進行調(diào)制。1.按調(diào)制方式劃分第一百一十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日113功能型傳光型1-光源；2-光敏元件；3-光纖；4-被測對象；5-電輸出；6-敏感元件功能型：其光纖不僅起著傳輸光波的作用，還起著敏感元件的作用，由它對光波進行調(diào)制。傳光+傳感傳光型：其光纖僅僅起著傳輸光波的作用，對光波的調(diào)制則需要依靠其他元件來實現(xiàn)。傳光一、分類2.按光纖作用劃分3.6光纖傳感器第一百一十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1143.6光纖傳感器※光纖傳感器的組成環(huán)節(jié)1.信號的轉(zhuǎn)換2.信號的傳輸3.信號的接收與處理將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成易于傳輸?shù)墓庑盘柪霉鈱?dǎo)纖維的特性將轉(zhuǎn)換的光信號進行傳輸將來自光導(dǎo)纖維的信號送入測量電路，由測量電路進行處理并輸出第一百一十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1153.6光纖傳感器二、光纖導(dǎo)光原理圖光的折射結(jié)論：光波沿光纖的傳播是以全反射方式進行n1>n2第一百一十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日116q23.6光纖傳感器二、光纖導(dǎo)光原理光纖結(jié)構(gòu)n1>n2<n3第一百一十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1173.6光纖傳感器二、光纖導(dǎo)光原理可見，入射角qi減小，C處的入射角q2增大。可證明，若光線自折射率為n0的介質(zhì)中入射光纖，則當時q2=q2c，入射角為qi=qic，有通常將n0sinqic定義為光纖“數(shù)值孔徑”，用NA表示。若自n0=1(空氣)的介質(zhì)入射時，qic=sin-1NA，即為端面入射臨界角。凡入射角qi<sin-1NA的那部分光線進入光纖后，將在芯子-包層界面處產(chǎn)生全反射而沿芯子向前傳播。反之，當qi>sin-1NA時，光線進入芯子后會折射到包層而最終消失。光纖的數(shù)值孔徑越大，表明在越大的入射角范圍內(nèi)入射的光線均可在光纖的芯子-包層界面實現(xiàn)全反射。作為傳感器的光纖，一般采用0.2≤NA<0.4第一百一十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1183.6光纖傳感器三、光纖傳感器的應(yīng)用1.光纖液位計2.光纖壓力傳感器3.光纖流速傳感器第一百一十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1193.6光纖傳感器三、光纖傳感器的應(yīng)用4.光纖位移傳感器發(fā)送光纖和接收光纖端面相對，其間隔為1-2mm。接收光纖收到的光強隨兩光纖相對位置不同而變化。此種傳感器可應(yīng)用于聲壓和水壓的探測。第一百二十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1203.6光纖傳感器三、光纖傳感器的應(yīng)用5.光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器。發(fā)送光纖射出的光波在被測表面上反射到接收光纖。接收光纖所接收的光強隨被測表面與光纖端面之間的距離而變化。在距離較小的范圍內(nèi)，接收光強隨距離的增大而較快增加，此時靈敏度高；在距離超過某一定值后，接收光強隨距離的增大而減小，此時靈敏度較低。第一百二十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1213.6光纖傳感器三、光纖傳感器的應(yīng)用6.光纖位移傳感器當光纖探頭端部緊貼被測表面時，發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去，因而無光電流信號；隨著被測表面逐漸遠離探頭，發(fā)射光纖照亮被測表面的面積A越來越大，相應(yīng)的發(fā)射光錐和接收光錐重合的面積B1越來越大，故接收光纖端面上被照亮的區(qū)域B2也越來越大，輸出光電流也隨之增加。在一定范圍內(nèi)輸出光電流與位移成正比。第一百二十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1223.6光纖傳感器光纖傳感器與電類傳感器對比電類傳感器光纖傳感器電量電量檢測電纜電類傳感器被測參量光源光量檢測光纖光纖傳感器被測參量第一百二十三頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1233.7半導(dǎo)體傳感器一、磁敏傳感器1.霍爾元件：組成材料：砷化銦（InAs）、銻化銦（InSb）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等高電阻率半導(dǎo)體材料。※霍爾效應(yīng)：將霍爾元件（霍爾板）置于一磁場中，板厚一般遠小于板寬和板長，當在板長度方向（ab方向）通以電流i時，則在板的側(cè)向（寬度方向cd）會產(chǎn)生電位差。稱為霍爾電動勢VH。霍爾元件利用半導(dǎo)體的磁敏特性，一種半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件工作原理：基于霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體材料特性：對光、熱、力、磁、氣體、濕度等物理量敏感。非電量轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件。第一百二十四頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1243.7半導(dǎo)體傳感器※霍爾電動勢：其中，kB

—霍爾常數(shù)

i—電流強度

B—磁感應(yīng)強度

a—電流與磁場方向夾角一、磁敏傳感器1.霍爾元件將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓量的變化第一百二十五頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1253.7半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用齒輪轉(zhuǎn)速測量齒輪轉(zhuǎn)速測量第一百二十六頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1263.7半導(dǎo)體傳感器壓力測量第一百二十七頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1273.7半導(dǎo)體傳感器鋼絲繩斷絲檢測鋼絲繩斷絲檢測原理作用在霍爾元件上的磁場主要有B1：鋼絲繩表面漏磁場，大體與鋼絲繩軸線平行，霍爾元件平行于鋼絲繩軸線時，a=0，不產(chǎn)生霍爾電動勢；B2：鋼絲繩斷口處漏磁場，其與斷口寬度、斷口在繩股上位置以及霍爾元件與斷口之間徑向距離有關(guān)?；魻栯妱觿葜饕葿2決定。第一百二十八頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1283.7半導(dǎo)體傳感器采用高靈敏度的單晶銻化銦（InSb）半導(dǎo)體磁敏電阻等器件作為檢測傳感器，對紙幣或支票等含有磁性油墨印刷的文字或符號產(chǎn)生的磁場形狀進行識別。紙幣識別設(shè)備自動售貨機第一百二十九頁，共一百四十頁，2022年，8月28日3.7半導(dǎo)體傳感器三、氣敏傳感器材質(zhì)：氧化錫、氧化錳等。工作原理：當氣敏元件表面吸附被測氣體時，其電導(dǎo)率發(fā)生變化。當半導(dǎo)體氣敏元件表面吸附氣體分子時，由于二者相互接受電子的能力不同，而產(chǎn)生了正離子或負離子吸附，引起表面能帶產(chǎn)生彎曲，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率變化。第一百三十頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1303.7半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用a.酒精濃度傳感器b.家庭煤氣泄漏報警器c.自動換氣扇第一百三十一頁，共一百四十頁，2022年，8月28日131四、濕敏傳感器3.7半導(dǎo)體傳感器濕度：空氣或其他氣體中的水分含量。濕度傳感器：能感受外界濕度變化，并通過濕敏半導(dǎo)體材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化將濕度轉(zhuǎn)換為可用信號的裝置。濕度術(shù)語絕對濕度：在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含有水蒸氣的質(zhì)量。相對濕度：氣體的絕對濕度與同一濕度下達到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，用％RH表示。無量綱。第一百三十二頁，共一百四十頁，2022年，8月28日1323.10傳感器的選用原則一、靈敏度二、響應(yīng)特性三、線性范圍※傳感器的選用原則一般來講，靈敏度越高越好。靈敏度越高，其所能感知的變化量