傳感器整本課件

1、本章學(xué)習(xí)要求 傳感器是一種獲取信息的裝置，是測試系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。完成本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到： 1.了解傳感器的的作用與工業(yè)應(yīng)用情況 2.了解傳感器的分類 3.了解傳感器的最新發(fā)展動(dòng)態(tài) 返回第四章 信息的轉(zhuǎn)換傳感技術(shù)4.1 概述4.2 電阻式傳感器4.3 電感式傳感器4.4 電容式傳感器4.5 壓電式傳感器4.6 磁電式傳感器4.7 半導(dǎo)體元件傳感器4.8 其他類型傳感器4.9 傳感器選用原則4.1 概述4.1.1 傳感器的作用 用機(jī)械代替體力勞動(dòng)是第一次產(chǎn)業(yè)革命，在那次革命中，火車、汽車取代了人力車，各種動(dòng)力機(jī)械取代了繁重的體力勞動(dòng)。而用機(jī)械和電子裝置來代替部分腦力勞動(dòng)，可以說是第二次或第三

2、次產(chǎn)業(yè)革命，這也是當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要課題之一。在這一課題中，傳感器的研究是一個(gè)不可忽視的內(nèi)容。 傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。它獲取的信息可以為各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也可以有各種形式。但目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。一般也稱傳感器為變換器、換能器和探測器，其輸出的電信號(hào)陸續(xù)輸送給后續(xù)配套的測量電路及終端裝置，以便進(jìn)行電信號(hào)的調(diào)理、分析、記錄或顯示等。 4.1.2 傳感器的組成 傳感器一般由敏感器件與其它輔助器件組成。敏感器件是傳感器的核

3、心，它的作用是直接感受被測物理量，并將信號(hào)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換輸出。如應(yīng)變式壓力傳感器的彈性膜片是敏感元件，它的作用是將壓力轉(zhuǎn)換為彈性膜片的形變，并將彈性膜片的形變轉(zhuǎn)換為電阻的變化而輸出。 一般把信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路歸為輔助器件，它們是一些能把敏感器件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理等有用的電信號(hào)的裝置。 現(xiàn)在已經(jīng)能把一些處理電路和傳感器集成在一起，構(gòu)成集成傳感器。進(jìn)一步的發(fā)展是將傳感器和微處理器相結(jié)合，裝在一個(gè)檢測器中形成一種新型的“智能傳感器”。它將具有一定的信號(hào)調(diào)理、信號(hào)分析、誤差校證、環(huán)境適應(yīng)等能力，甚至具有一定的辨認(rèn)、識(shí)別、判斷的功能。 4.1.3 傳感器的分類 傳感器的種類繁多。在工

4、程測試中，一種物理量可以用不同類型的傳感器來檢測；而同一種類型的傳感器也可測量不同的物理量。 傳感器的分類方法很多，概括起來，主要有下面幾種分類方法。 (1)按被測物理量來分類，可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。 (2)按傳感器工作的物理原理來分類，可分為機(jī)械式、電氣式、輻射式、流體式等。 (3)按信號(hào)變換特征來分類，可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。 所謂物性型傳感器，是利用敏感器件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測。例如，用水銀溫度計(jì)測溫，是利用了水銀的熱脹冷縮的現(xiàn)象；用光電傳感器測速，是利用了光電器件本身的光電效應(yīng)；用壓電測力計(jì)測力，是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)等

5、。 所謂結(jié)構(gòu)型傳感器，則是通過傳感器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的。例如，電容式傳感器，是通過極板間距離發(fā)生變化而引起電容量的變化；電感式傳感器，是通過活動(dòng)銜鐵的位移引起自感或互感的變化等。 (4)按傳感器與被測量之間的關(guān)系來分類，可分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型。能量轉(zhuǎn)換型傳感器 (或稱無源傳感器)，是直接由被測對象輸入能量使其工作的。例如，熱電偶將被測溫度直接轉(zhuǎn)換為電量輸出。由于這類傳感器在轉(zhuǎn)換過程中需要吸收被測物體的能量，容易造成測量誤差。 (5) 按傳感器輸出量的性質(zhì)可分為模擬式和數(shù)字式兩種 前者的輸出量為連續(xù)變化的模擬量，而后者的輸出量為數(shù)字量。由于計(jì)算機(jī)在工程測試中的應(yīng)用，數(shù)字式傳

6、感器是很有發(fā)展前途的。當(dāng)然，模擬量也可以通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量。4.1.4 傳感器的發(fā)展動(dòng)向 當(dāng)今，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)向，一是開展基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)研究傳感器的新材料和新工藝；二是實(shí)現(xiàn)傳感器的智能化。 (1)用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)設(shè)計(jì)制作各種用途的傳感器，這是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)工作。例如，利用某些材料的化學(xué)反應(yīng)制成的能識(shí)別氣體的“電子鼻”；利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功的高溫超導(dǎo)磁傳感器等。(2)傳感器向高精度、一體化、小型化的方向發(fā)展。 工業(yè)自動(dòng)化程度越高，對機(jī)械制造精度和裝配精度要求就越高，相應(yīng)地測量程度要求也就越高。因此，當(dāng)今在傳感器制造上很重視發(fā)展微機(jī)械加工技術(shù)。微機(jī)械加工技術(shù)除全面

7、繼承氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積等微電子技術(shù)外，還發(fā)展了平面電子工藝技術(shù)，各向異性腐蝕、固相鍵合工藝和機(jī)械分?jǐn)嗉夹g(shù)。 (3)發(fā)展智能型傳感器。 智能型傳感器是一種帶有微處理器并兼有檢測和信息處理功能的傳感器。智能型傳感器被稱為第四代傳感器，使傳感器具備感覺、辨別、判斷、自診斷等功能，是傳感器的發(fā)展方向。 4.2 電阻式傳感器 學(xué)習(xí)要求 完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到： 1.掌握電阻式傳感器的工作原理 2.了解電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)、分類 3.掌握變阻器式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器、固態(tài)壓阻式傳感器在結(jié)構(gòu)和工作原理的相同點(diǎn)和不同點(diǎn) 4.了解電阻式傳感器的應(yīng)用 電阻式傳感器的基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電

8、阻值的變化,再經(jīng)相應(yīng)的測量電路和裝置顯示或記錄被測量值的變化。按其工作原理可分為變阻器式(電位器式)、電阻應(yīng)變式和固態(tài)壓阻式傳感器三種。 4.2.1 變阻器式傳感器 (1) 變阻器式傳感器工作原理 變阻器式傳感器也稱電位器式傳感器，其工作原理是將物體的位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。根據(jù)式 式中 電位器的電阻靈敏度。 相應(yīng)電刷位移x的電壓輸出U0為 常用電位器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等 (2) 變阻式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；(2)受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響??；(3)可以實(shí)現(xiàn)輸出輸入間任意函數(shù)關(guān)系；(4)輸出信號(hào)大，一般不

9、需放大。缺點(diǎn)：因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測量精度，所以分辨力較低；動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的量。 (3) 變阻式傳感器的應(yīng)用 變阻式傳感器常用來測量位移、壓力、加速度等參量。 下圖是用變阻式傳感器制作的位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖。被測位移使測量軸沿導(dǎo)軌軸向移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。精密電阻與電位器電阻式電橋的兩個(gè)橋臂，構(gòu)成電橋測量電路。 4.2.2 電阻應(yīng)變式傳感器 (1) 應(yīng)變式傳感器的工作原理 當(dāng)將電阻應(yīng)變計(jì)用特殊膠劑粘在被測構(gòu)件的表面上時(shí)，則敏感元件將隨構(gòu)件一起

10、變形，其電阻值也隨之變化，而電阻的變化與構(gòu)件的變形保持一定的線性關(guān)系，進(jìn)而通過相應(yīng)的二次儀表系統(tǒng)即可測得構(gòu)件的變形。通過應(yīng)變計(jì)在構(gòu)件上的不同粘貼方式及電路的不同聯(lián)接，即可測得應(yīng)力、變形、扭矩等機(jī)械參數(shù)。 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理，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)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 若金屬絲的長度為L，截面積為S，電阻率為，其未受力時(shí)的電阻為R，則 式中R金屬絲的電阻值，； 金屬絲的電阻率，mm2/m； L金屬絲的長度，m； S金屬絲的截面積，mm2。 如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，其長度L變化dL，截面積S變化d

11、S，電阻率變化，因而引起電阻R變化dR。將式微分，整理可得對于圓形截面有為金屬絲軸向相對伸長，即軸向應(yīng)變；為電阻絲徑向相對伸長，即徑向應(yīng)變， 兩者之比即為金屬絲材料的泊松系數(shù)，負(fù)號(hào)表示符號(hào)相反，有 整理得 K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。 金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素影響： 一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即 另一個(gè)是受力后材料的電阻率變化所引起的，即 對于金屬材料 比 小得多。 大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對變化與其所受的軸向應(yīng)變是成正比的，即K0為常數(shù)。 K0=1+2=常數(shù) 通常金屬電阻絲的K0=1.73.6。 (2) 應(yīng)變

12、計(jì)的主要參數(shù) 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)。 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）。(3) 金屬電阻應(yīng)變片 金屬絲電阻應(yīng)變片 采用光刻技術(shù)制造，適用于大批量生產(chǎn)。由于金屬箔式應(yīng)變片具有線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好、傳遞試件應(yīng)變性能好等優(yōu)點(diǎn)。 金屬箔式應(yīng)變片 (4) 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。 1）將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工

13、作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形情況，可利用形狀不同的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測部位，可測得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力校核或構(gòu)件破壞的預(yù)測等提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 2）將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為成正比變化的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻變化輸出。應(yīng)變片的典型應(yīng)用見下圖。圖中所示為加速度傳感器，由懸臂梁、質(zhì)量塊、基座組成。測量時(shí)，基座固定在振動(dòng)體上，振動(dòng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當(dāng)于慣性系統(tǒng)的“彈簧”，在慣性力作用下產(chǎn)生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變在一定的頻率范圍內(nèi)

14、與振動(dòng)體的加速度成正比。4.2.3 固態(tài)壓阻式傳感器 (1) 工作原理 半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。電阻應(yīng)變效應(yīng)的分析公式也適用于半導(dǎo)體電阻材料，故仍可用上式來表達(dá)。對于金屬材料來說， 比較小，但對于半導(dǎo)體材料， ，即因機(jī)械變形引起的電阻變化可以忽略，電阻的變化率主要是由 引起的，即由半導(dǎo)體理論可知 式中L沿某晶向L的壓阻系數(shù)；。 沿某晶向L的應(yīng)力； 。E半導(dǎo)體材料的彈性模量。半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)K0為 例如半導(dǎo)體硅，L=(4080)10-11m2/N，E=1.671011Pa，則K

15、0=LE50100。半導(dǎo)體電阻材料的靈敏系數(shù)比金屬絲的要高5070倍。 最常用的半導(dǎo)體電阻材料有硅和鍺，摻入雜質(zhì)可形成P型或N型半導(dǎo)體。由于半導(dǎo)體(如單晶硅)是各向異性材料，因此它的壓阻效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關(guān)，還與晶向有關(guān)(即對晶體的不同方向上施加力時(shí)，其電阻的變化方式不同)。(2) 壓阻式傳感器的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大可直接用于測量；分辨率高，例如測量壓力時(shí)可測出1020Pa的微壓；測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高；可測量低頻加速度和直線加速度。缺點(diǎn)：溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。 (3) 固態(tài)壓阻式傳感器的應(yīng)用 固態(tài)壓阻式傳

16、感器主要用于測量壓力和加速度等物理量。 利用壓阻效應(yīng)構(gòu)成的半導(dǎo)體加速度敏感元件如下圖所示。懸臂梁3由于加速度而產(chǎn)生位移，該位移引起擴(kuò)散壓阻層區(qū)域變形從而引起壓阻層電阻變化，檢測出電阻變化即可檢測出加速度大小。在100Hz左右的帶寬中，可檢測（0.00150）g（9.8m/s2)的加速度。 下圖是一個(gè)采用單晶硅做成的懸臂梁式彈性元件，采用平面擴(kuò)散工藝技術(shù)，在它上面形成四個(gè)性能一致的電阻，構(gòu)成全橋；在梁的自由段連接敏感質(zhì)量塊，組成懸臂梁應(yīng)變式加速度傳感器。 4.3 電感式傳感器 學(xué)習(xí)要求 完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：1.了解電感式傳感器的工作原理2.了解可變磁阻式電感傳感器、渦流式電感傳感器和差

17、動(dòng)變壓器式傳感器的特點(diǎn)3.了解可變磁阻式電感傳感器、渦流式電感傳感器和差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）兩種。 4.3.1 可變磁阻式電感傳感器 可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由線圈、鐵芯及銜鐵組成。在鐵芯和銜鐵之間有空氣隙。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈中通以電流i時(shí)，產(chǎn)生磁通 ，其大小與電流成正比，即 式中W線圈匝數(shù)； 。L線圈電感，H。 根據(jù)磁路歐姆定律，磁通 式中 磁動(dòng)勢，A； 。 磁阻，H-1。所以，線圈電感(自感)可用下式計(jì)算 如果

18、空氣隙較小，而且不考慮磁路的鐵損時(shí)，則磁路總磁阻為 因?yàn)?則 上式表明，自感L與空氣隙成反比，而與空氣隙導(dǎo)磁截面積S0成正比。當(dāng)固定S0不變，變化時(shí)，L 與呈非線性（雙曲線）關(guān)系，如上圖所示。此時(shí)，傳感器的靈敏度為 因此，自感L可寫為 靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的范圍內(nèi)工作。 例如，若間隙變化范圍為（ ），則靈敏度為 由上式可以看出，當(dāng) 時(shí)，由于 故靈敏度S趨于定值，即輸出與輸入近似成線性關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中，一般取 。 這種傳感器適用于較小位移的測量，一般約為0.0011 mm。 幾種常用可變磁阻式傳感器

19、的典型結(jié)構(gòu)有:可變導(dǎo)磁面積型、差動(dòng)型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動(dòng)型。雙螺管線圈差動(dòng)型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計(jì)上，其測量范圍為0300m，最小分辨力為0.5m。這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線圈電感L1、L2隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所示。 4.3.2 渦流式電感傳感器 (1) 渦流式傳感器原理 渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦電流效應(yīng)。如圖所示，金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為，當(dāng)線圈輸入一交變電流i時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量，金屬板在此交變磁場中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦電流”

20、或“渦流”。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度h、金屬板與線圈的距離、激勵(lì)電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。若改變其中的某兩項(xiàng)參數(shù)，而固定其它參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測量該參數(shù)。 (2) 高頻反射式渦流傳感器如上圖所示，高頻(lMHz)激勵(lì)電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、激勵(lì)電流i及角頻率等有關(guān)，若只改變距離而保持其它參數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用

21、于位移測量。(3) 低頻透射式渦流傳感器。工作原理如圖所示，發(fā)射線圈1和接收線圈2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢e2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢e2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(yàn)表明，e2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，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。4) 渦流式傳感器的應(yīng)用 渦流式電感傳感器主要用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)

22、速、距離、厚度等參數(shù)的測量，它可實(shí)現(xiàn)非線性測量。下圖是用渦流式傳感器測厚和用渦流式傳感器進(jìn)行零件計(jì)數(shù)的例子。 4.3.3 差動(dòng)變壓器式電感傳感器 互感型電感傳感器是利用互感M的變化來反映被測量的變化。這種傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器。當(dāng)變壓器初級線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級線圈便會(huì)有感應(yīng)電壓輸出，該電壓隨被測量的變化而變化。 差動(dòng)變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器，其結(jié)構(gòu)形式有多種， 螺管形差動(dòng)變壓器式電感傳感器 傳感器主要由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三部分組成。線圈包括一個(gè)初級線圈和兩個(gè)反接的次級線圈，當(dāng)初級線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e1和e2。由于兩個(gè)次級線圈

23、極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即ey=e1-e2。活動(dòng)銜鐵能改變線圈之間的藕合程度。輸出ey的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，e1=e2，ey=0；當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，e1e2，ey0；當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移時(shí)，e1e2，ey(C+Cf)，故固上式可簡化為 ey-q/Cf 上式表明，在一定情況下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。 4.6 磁電式傳感器 完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到： 1.了解磁電式傳感器變換原理 2.了解動(dòng)圈式傳感器的

24、基本結(jié)構(gòu)和工作原理 3.了解磁阻式傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 學(xué)習(xí)要求4.6.1 磁電式傳感器變換原理 磁感應(yīng)電式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動(dòng)式傳感器。它把被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢，是一種機(jī)-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍(一般為101000Hz)，適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e的大小決定于穿過線圈的磁通量的變化率，即 磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，故若改

25、變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢。 按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動(dòng)圈式傳感器和磁阻式傳感器。 4.6.2 動(dòng)圈式傳感器 工作原理當(dāng)線圈在垂直于磁場方向作直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若以線圈相對磁場運(yùn)動(dòng)的速度v或角速度表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e為式中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 。 在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應(yīng)電動(dòng)勢e與線圈相對磁場的運(yùn)動(dòng)速度(v或)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量

26、位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測量。 動(dòng)圈式磁電傳感器等效電路如下圖所示，其等效電路的輸出電壓 式中e0為發(fā)電線圈感應(yīng)電動(dòng)勢；。R0為線圈電阻，一般R0=0.13K；。RL為負(fù)載電阻（放大器輸入電阻）；。Cc為電纜導(dǎo)線的分布電容，一般Cc=70pF/m；。Rc為電纜導(dǎo)線電阻，一般Rc=0.03/m。 在不使用特別加長電纜時(shí)，Cc可忽略，因此，當(dāng)RLR0時(shí)，則放大器輸入電壓eLe0。感應(yīng)電動(dòng)式經(jīng)放大、檢波后，即可推動(dòng)指示儀表。 4.6.3 磁阻式傳感器 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。其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。 圖a為開

27、路變磁通式傳感器，線圈和磁鐵靜止不動(dòng)，測量齒輪由導(dǎo)磁材料制成，安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的變化頻率等于測量齒輪上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。 圖b為閉合磁路變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，被測轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)橢圓形測量齒輪在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長度周期性變化，因而磁路磁阻也周期性變化，磁通同樣周期性變化，則在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，其頻率f與測量齒輪轉(zhuǎn)速n(r/min)成正比，即f=n/60。 變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，能在-15090的溫度下工作，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達(dá)1

28、00Hz。 4.7 半導(dǎo)體元件傳感器 完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到： 1.了解磁電轉(zhuǎn)換元件傳感器的工作原理 2.了解光電轉(zhuǎn)換元件傳感器的工作原理 3.了解熱敏電阻傳感器的工作原理 4.了解氣敏電阻傳感器的工作原理 學(xué)習(xí)要求4.7.1 磁電轉(zhuǎn)換元件傳感器 霍爾傳感器也是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。 例如，在測量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)

29、換為電量的傳感器；在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。 (1) 霍爾效應(yīng) 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 假設(shè)薄片為N型半導(dǎo)體，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場方向垂直于薄片，如上圖所示，在薄片左右兩端通以控制電流I，那么半導(dǎo)體中的載流子(電子)將沿著于電流I相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于外磁場B的作用，使電子受到磁場力FL(洛侖茲力)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子積累帶負(fù)電，而前端面缺少電子帶正電，在前后端面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力FE阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)FE和FL相等時(shí)，電子積累達(dá)到

30、動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)在半導(dǎo)體前后兩端面之間(即垂直于電流和磁場方向)建立電場，稱為霍爾電場EH，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢UH。 (2) 霍爾元件 基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料?；魻栐奖?d越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度只有1m左右。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖所示。 霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm2mm0.1mm)，在它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾電極?；魻栐?/p>

31、殼體是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。 (3) 應(yīng)用舉例 將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從 a端通人電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生露爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1VH2。如果霍爾元件在初始位置時(shí)VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。 4.7.2 光電轉(zhuǎn)換元件傳感器 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(hào)的器

32、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)。 (1) 光電效應(yīng)及分類(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)。根據(jù)愛因斯坦的假設(shè),一個(gè)光子的能量只給一個(gè)電子,因此,如果要使一個(gè)電子從物質(zhì)表面逸出,光子具有的能量E必須大于該物質(zhì)表面的逸出功A0,這時(shí)逸出表面的電子就具有動(dòng)能Ek Ek與光的頻率有關(guān)，頻率高則動(dòng)能大。由于不同材料具有不同的逸出功,因此對某種材料而言便有一個(gè)頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)出電

33、子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時(shí)，即使光線微弱也會(huì)有光電子發(fā)射出來，這個(gè)頻率限稱為“紅限頻率”，其波長為: ， 其中，c為光在空氣中的速度，k為波長，k=c/。該波長稱為臨界波長?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件,有光電管、光電倍增管等。 K為光電陰極,A為光電陽極,在二者之間又加入D1、D2、D3，等若干個(gè)光電倍增極(又稱二次發(fā)射極),這些倍增極涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏物質(zhì)。 在工作時(shí),這些電極的電位是逐級增高的,當(dāng)光線照射到光電陰極后,它產(chǎn)生的光電子受第一級倍增極D1正電位作用,加速并打在這個(gè)倍增極上,產(chǎn)生二次發(fā)射；由第一倍增極D1產(chǎn)生的二次發(fā)射電子,在更高電位的

34、D2極作用下,又將加速入射到電極D2上,在D2極上又將產(chǎn)生二次發(fā)射這樣逐級前進(jìn),一直到達(dá)陽極A為止。 由上述的工作過程可見,光電流是逐級遞增的,因此光電倍增管具有很高的靈敏度。 (3) 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)。 1)光電導(dǎo)效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)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)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(光電導(dǎo)型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型)。 光敏電

35、阻(光導(dǎo)管)： 光敏電阻是一種電阻元件,具有靈敏度高,體積小,重量輕,光譜響應(yīng)范圍寬,機(jī)械強(qiáng)度高,耐沖擊和振動(dòng),壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 在黑暗的環(huán)境下,它的阻值很高,當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時(shí),光導(dǎo)材料禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度的光子激發(fā),由價(jià)帶越過禁帶而躍遷到導(dǎo)帶,使其導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加,電阻率變小。 光敏電阻常用的半導(dǎo)體材料有硫化鎘(CdS，Eg=2.4eV和硒化鎘(CdSe，Eg=1.8eV)。光敏二極管和光敏三極管：光敏管的工作原理與光敏電阻是相似的,其差別只是光照在半導(dǎo)體結(jié)上而已。 2)光生伏特效應(yīng) 。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(dòng)勢的效應(yīng)

36、。因此光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的,屬有源器件。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光電池常用的材料,也可以使用鍺。 (4)光電傳感器的應(yīng)用 由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。 光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。下圖表明了四種形式的工作方式。 實(shí)例直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器 它由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫

37、隙板等組成。開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出的光，通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出。開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測轉(zhuǎn)速n=f/N ，式中n轉(zhuǎn)速； f脈沖頻率； N圓盤開孔數(shù)。 4.7.3 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、鈷、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。一般稱為半導(dǎo)體熱敏電阻，或簡稱熱敏電阻。它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。 根據(jù)半導(dǎo)體理論，在一定的溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻在溫度T時(shí)的電阻為 由

38、式可知，測出熱敏電阻的阻值后，就可以確定被測物體的溫度。 式中R0為溫度T0時(shí)的電阻值，一般T0取為25； 。R為溫度T時(shí)的電阻； 。為材料的特性系數(shù)，一般溫度范圍在20004500K內(nèi)，取3400K。 半導(dǎo)體熱敏電阻與金屬熱電阻比較，有如下優(yōu)點(diǎn)。 (1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，可測量微小的溫度變化值。例如，可以測出0.0010.005的溫度變化。 。(2)體積小，熱慣性小，響應(yīng)快。例如，直徑可小到0.5mm，響應(yīng)時(shí)間可短到毫秒級。 。(3)元件本身的電阻值可達(dá)3700k，當(dāng)遠(yuǎn)距離測量時(shí)，導(dǎo)線電阻的影響可不考慮。 。(4)在-50350的溫度范圍內(nèi)，具有較好的穩(wěn)定性。 典型的熱敏電阻元件有圓

39、形、桿形和珠形等，其結(jié)構(gòu)及溫度特性如圖所示。下圖中曲線上所標(biāo)的是其室溫下的電阻值。 4.7.4 氣敏電阻傳感器 氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要進(jìn)行檢測和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測與控制、煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測與報(bào)警、環(huán)境污染情況的監(jiān)測、煤氣泄漏、火災(zāi)報(bào)警、燃燒情況的檢測與控制等。 (1) 氣敏傳感器及其分類 氣敏傳感器的種類較多，主要包括敏感氣體種類的氣敏傳感器、敏感氣體量的真空度氣敏傳感器，以及檢測氣體成分的氣體成分傳感器。 前者主要有半導(dǎo)體氣敏傳感器和固體電解質(zhì)氣敏傳感器， 后者主要有高頻成分傳感器和

40、光學(xué)成分傳感器。 由于半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、使用壽命長和成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用很廣，因此。本節(jié)將著重介紹半導(dǎo)體氣敏傳感器。 (2) 半導(dǎo)體氣敏傳感器工作原理 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸后，造成半導(dǎo)體性質(zhì)的變化來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度。 半導(dǎo)體氣敏傳感器大體上可分為兩類：電阻式和非電阻式。 電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫(SnO2)、氧化錳(MnO2)等金屬氧化物制成敏感元件，當(dāng)它們吸收了可燃?xì)怏w的煙霧，如氫、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然氣、沼氣等時(shí)，會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，放出熱量，使元件溫度相應(yīng)增高，電阻發(fā)生變化。 利用半導(dǎo)體材料的

41、這種特性，將氣體的成分和濃度變換成電信號(hào)，進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警。 下圖所示為典型氣敏元件的阻值-濃度關(guān)系。從圖中可以看出，元件對不同氣體的敏感程度不同，如對乙醚、乙醇、氫氣等具有較高的靈敏度，而對甲烷的靈敏度較低。 一般隨氣體的濃度增加，元件阻值明顯增大，在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。 (3) 應(yīng)用 氣敏傳感器廣泛應(yīng)用于防災(zāi)報(bào)警，如可制成液化石油氣、天然氣、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報(bào)警器。也可用于對大氣污染進(jìn)行監(jiān)測以及在醫(yī)療上用于對O2、CO等氣體的測量。生活中則可用于空調(diào)機(jī)、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測等方面。 4.8 其它類型傳感器 完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：1.了解熱輻射檢測傳感器工作原

42、理及特點(diǎn)2.了解超聲波檢測傳感器工作原理及特點(diǎn)3.了解聲發(fā)射檢測傳感器工作原理及特點(diǎn)4.了解光纖傳感器工作原理及特點(diǎn)5.了解CCD圖像傳感器工作原理及特點(diǎn) 學(xué)習(xí)要求 4.8.1 熱輻射檢測傳感器 人眼能感覺到的光(可見光)是波長為0.380.75m的電磁波。可見光是由光照度來定義的，即人眼受光刺激的程度，但紫外線、紅外線等作為電磁波來處理時(shí)是以物理上的能量的大小來表示的。只是由于可見光人眼能直接感受，所以很早以前就作為一門學(xué)科進(jìn)行研究，其實(shí)同為電磁波的可見光并沒有特別之處。 絕對零度以上的物體都有輻射，其強(qiáng)度依賴于物體的溫度(K)，在此僅考慮黑體(black body)也稱全輻射體(full

43、radiator)的輻射能和波長的關(guān)系，即輻射輝度L(，T)。根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達(dá)式 T為物體的溫度，K； 。為熱輻射波長，m； 。C1,C2為普朗克第1、第2常數(shù)。 C1,C2可以由下式表示 C為真空中的光速，2.998X108m/s； 。h為普朗克常，6.6261034 JS； 。K為玻爾茲曼常量，1.38066lO-23J/K。 分光輻射輝度與波長、溫度的關(guān)系如下圖所示。分光輻射輝度為最大時(shí)，波長m與此時(shí)物體溫度T的積為一定值，由下式表示 此關(guān)系稱為維恩位移定律。 (2) 用輻射溫度計(jì)測量溫度 用輻射溫度計(jì)測量溫度時(shí)，是先測出分光輻射輝度的大小再換算成溫度。此時(shí)選擇什么樣的波長成

44、為關(guān)鍵。光探測器對不同的波長有不同的靈敏度，因此探測器的選擇也很重要。 測量高溫物體的溫度時(shí)，因分光輻射輝度大，用短波長探測器就夠了，故常用硅光電二極管（silicon photodiode)。硅光探測器(silicon cell)輸出電流和光強(qiáng)度之間的線性非常好，而且長期穩(wěn)定性好，其特性幾乎不受周圍溫度改變的影響。 隨著所測溫度的降低，需使用敏感長波長的探測器，如Ge，InAs，Pbs，InSb，HgCdTe等半導(dǎo)體檢測器、熱電元件、熱敏電阻和輻射熱測量計(jì)等熱電型探測器，具有代表性的探測器對波長的依賴關(guān)系如下圖所示。 半導(dǎo)體檢測器的靈敏度對波長的依賴關(guān)系強(qiáng)，而熱電型探測器對波長的依賴性較弱。

45、 利用黑體校正輻射溫度計(jì)的校正裝置其機(jī)構(gòu)如下圖所示。 在光電二極管前放置干涉濾光器，這是測量單一波長的輻射溫度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)形式。輸出特性嚴(yán)格遵守普朗克定律。 若使用的波長為0.6m，則成為1000T以上的國際標(biāo)準(zhǔn)測溫計(jì)。這種標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)首先由日本提出，后來根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)不斷改進(jìn)而成為國際標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。 3.8.2 超聲波檢測傳感器 聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波。根據(jù)振動(dòng)頻率的不同，可分為次聲波、聲波、超聲波和微波等。 (1)次聲波：振動(dòng)頻率低于l6Hz的機(jī)械波。 (2)聲波：振動(dòng)頻率在162104Hz之間的機(jī)械波，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)能為人耳所聞。 (3)超聲波：高于21O4Hz

46、的機(jī)械波。 (4)微波：頻率在31O831O11Hz之間的機(jī)械波。1)聲波及其分類(1) 聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 2)聲壓與聲強(qiáng) 介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)之差稱為聲壓。隨著介質(zhì)中各點(diǎn)聲振動(dòng)的周期性變化，聲壓也在作周期性變化，聲壓的單位是Pa(N/m2)。 。聲強(qiáng)又稱為聲波的能流密度，即單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量。聲強(qiáng)是一個(gè)矢量，它的方向就是能量傳播的方向，聲強(qiáng)的單位是W/m2。 3)物質(zhì)的聲學(xué)特性 。(1)聲速：聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)。除水以外，大部分液體中的聲速隨溫度的升高而減小，而水中的聲速則隨溫度的升高而增加。流體中的聲速隨

47、壓力的增加而增加。 。(2)聲阻抗特性：聲阻抗特性能直接表征介質(zhì)的聲學(xué)性質(zhì)，其有效值等于傳聲介質(zhì)的密度與聲速c之積，記作Z=c。聲波在兩種介質(zhì)的界面上反射能量與透射能量的變化，取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗特性。兩種介質(zhì)的聲阻抗特性差愈大，則反射波的強(qiáng)度愈大。例如，氣體與金屬材料的聲阻抗特性之比，接近于1:80000，所以當(dāng)聲波垂直入射在空氣與金屬的界面上時(shí)，幾乎是百分之百地被反射。溫度的變化對聲阻抗特性值有顯著的影響，實(shí)際中應(yīng)予以注意。 (3)聲的吸收：傳聲介質(zhì)對聲波的吸收是聲衰減的主要原因之一。固體介質(zhì)的結(jié)構(gòu)情況對聲波在其中的吸收有很大的影響。例如，均勻介質(zhì)對超聲波的吸收并不顯著，而當(dāng)介質(zhì)結(jié)構(gòu)不

48、均勻時(shí)，聲吸收情況將發(fā)生明顯變化。 (2) 超聲波及其物理性質(zhì) 由于聲波在介質(zhì)中施力方向與聲波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同，通常有以下幾種。 。(l)縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波，縱波能在固體、液體和氣體中傳播。 。(2)橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向相垂直的波稱為橫波，橫波只能在固體中傳播。 。(3)表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的波稱為表面波。表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓形，其長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?1）超聲波的波型 2）超聲波的物理性質(zhì) 具有束射特性，方向性強(qiáng)，可以定

49、向傳播，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的一般聲波，并且具有很高的穿透能力。例如，在鋼材中甚至可穿透10m米以上。 超聲波在反射、折射過程中，其能量及波型都將發(fā)生變化。 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，能量的衰減決定于波的擴(kuò)散、散射 (或漫射)及吸收。擴(kuò)散衰減，是超聲波隨著傳播距離的增加，在單位面積內(nèi)聲能的減弱；散射衰減，是由于介質(zhì)不均勻性產(chǎn)生的能量損失；超聲波被介質(zhì)吸收后，將聲能直接轉(zhuǎn)換為熱能，這是由于介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性造成的。 (3) 超聲波傳感器及應(yīng)用 。以超聲波為檢測手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器。習(xí)慣上稱

50、為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器 (或稱壓電式超聲波探頭)和磁致式超聲波傳感器。 1）壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以此作為超聲波的接收器。 在實(shí)際應(yīng)用中，壓電式超聲波傳感器的發(fā)射器和接收器合成為一體，由一個(gè)壓電元件作為“發(fā)射”和“接收”兼用，其工作原理為：將脈沖交流電壓加在壓電

51、元件上，使其向被測介質(zhì)發(fā)射超聲波，同時(shí)又利用它接收從該介質(zhì)中反射回來的超聲波，并將反射波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。因此，壓電式超聲波傳感器實(shí)質(zhì)上是一種壓電式傳感器。 2）磁滯式超聲波傳感器 磁滯式超聲波傳感器主要由鐵磁材料和線圈組成。超聲波的發(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(dòng)，發(fā)射出超聲波。其接收原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時(shí)，使磁滯材料振動(dòng)，引起內(nèi)部磁場變化，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，使線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢輸出。 3)超聲波傳感器的應(yīng)用 利用超聲波反射、折射、衰減等物理性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)液位、流量、粘度、厚度、距離以及探傷等參數(shù)的測量。所以，超聲波傳感器已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)以及

52、醫(yī)療等各技術(shù)領(lǐng)域。 主控制器控制發(fā)射電路，按一定頻率發(fā)射出脈沖信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過放大后，一方面加于示波器上，另一方面激勵(lì)探頭，發(fā)出超聲波，至試件底面反射回來，再由同一探頭接收，接收到的超聲波信號(hào)也經(jīng)放大后與標(biāo)記發(fā)生器發(fā)出的定時(shí)脈沖信號(hào)同時(shí)輸入示波器，在示波器熒光屏上可以直接觀察到發(fā)射脈沖和接收脈沖信號(hào)，根據(jù)橫軸上的標(biāo)記信號(hào)，可以測出從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t,如果已知超聲波在試件中的傳播速度c，那么試件厚度h很容易求得,即h=ct/2。 4.8.3 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。聲發(fā)射也稱應(yīng)力波發(fā)射。除極少數(shù)材料外，金屬和非金屬

53、材料在特定條件下都有聲發(fā)射產(chǎn)生。各種材料聲發(fā)射的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻到超聲頻，但多數(shù)金屬(如鋼、鐵等)的聲發(fā)射頻帶，均在超聲范圍內(nèi)。 聲發(fā)射源基本上分為四組：1）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；2）相變；3）摩擦過程；4）裂紋形成和擴(kuò)展。 發(fā)射出來的信號(hào)可粗略地分為兩類：1）連續(xù)發(fā)射(類似白噪聲)；2）突發(fā)發(fā)射。由于結(jié)構(gòu)和傳感器的諧振，檢測到的發(fā)射信號(hào)像衰減的正弦波，檢測到的兩類信號(hào)如下圖所示。 常用的聲發(fā)射儀器,可分為單通道檢測儀、多通道聲發(fā)射源定位和分析儀兩個(gè)基本類型。 單通道聲發(fā)射檢測儀 由探頭將接收到的聲發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。為了提高信噪比，前置放大器輸入端噪聲電平應(yīng)不超過5v,應(yīng)具有4060dB的

54、增益，并具有較大的動(dòng)態(tài)范圍和頻帶寬度。濾波器的頻帶寬度視要求而定。主放大器的增益一般應(yīng)為6OdB左右，并且有足夠的動(dòng)態(tài)范圍和頻帶寬度。鑒幅整形可設(shè)置固定或可變的閾值電平門限，超過此值的信號(hào)形成振鈴脈沖或事件脈沖。 聲發(fā)射率和總計(jì)數(shù)電路將對振鈴脈沖或事件脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 除數(shù)字顯示外，還有模擬量輸出，供給X-Y函數(shù)記錄儀記錄。 還可以采用大部分通用設(shè)備來組成聲發(fā)射測量與分析系統(tǒng)，如下圖所示。在組合結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，可以增加峰值振幅檢測、有效值電壓和能量檢測等多功能的測量插件。 多通道聲發(fā)射檢測儀最少通道數(shù)不少于2，目前有雙通道、3通道乃至72通道聲發(fā)射檢測儀器或系統(tǒng)，均采用功能組件組合方式，根據(jù)不同的

55、需要組成不同功能的系統(tǒng)。 例如美國Dunegan/Endevco公司生產(chǎn)的3000，6000，8000及1032系統(tǒng)； 美國聲發(fā)射技術(shù)公司生產(chǎn)的AET5O00組件系統(tǒng)； 日本NF回路株式會(huì)社生產(chǎn)的NF AE9000組件系統(tǒng)和日本新日鐵公司生產(chǎn)的NAIS、M和A三種組件系統(tǒng)等。4.8.4 光纖傳感器 光纖自20世紀(jì)60年代問世以來，就在傳遞圖像和檢測技術(shù)等方面得到了應(yīng)用。利用光導(dǎo)纖維作為傳感器的研究始于20世紀(jì)70年代中期。由于光纖傳感器具有不受電磁場干擾、傳輸信號(hào)安全、可實(shí)現(xiàn)非接觸測，而且具有高靈敏度、高精度、高速度、高密度、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下使用以及非破壞性和使用簡便等一些優(yōu)點(diǎn)。 無論是在電

56、量(電流、電壓、磁場)的測量，還是在非電物理量(位移、溫度、壓力、速度、加速度、液位、流量等)的測量方面，都取得了驚人的進(jìn)展。 (1) 光纖傳感器簡介 光纖傳感器一般由三個(gè)環(huán)節(jié)組成，即信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的傳輸、信號(hào)的接收與處理。 信號(hào)的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成為便于傳輸?shù)墓庑盘?hào)。 。 信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)，利用光導(dǎo)纖維的特性將轉(zhuǎn)換的光信號(hào)進(jìn)行傳輸。 。 信號(hào)的接收與處理環(huán)節(jié)，將來自光導(dǎo)纖維的信號(hào)送入測量電路，由測量電路進(jìn)行處理并輸出。 (2) 物性型光纖傳感器及其應(yīng)用 。 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(hào)。 其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境

57、因素(如溫度、壓力、電場、磁場等)改變時(shí)，其傳光特性 (如相位與光強(qiáng))會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。 因此，如果能測出通過光纖的光相位、光強(qiáng)變化，就可以知道被測物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器， 圖a所示為光纖在均衡壓力作用下，由于光彈性效應(yīng)而引起光纖折射率、形狀和尺寸的變化，從而導(dǎo)致光纖傳播光的相位變化和偏振面旋轉(zhuǎn)； 圖b所示為光纖在點(diǎn)壓力作用下，引起光纖局部變形，使光纖由于折射率不連續(xù)變化導(dǎo)致傳播光散亂而增加損耗，從而引起光振幅變化。 下圖為光纖流速傳感器，主要由多模光纖、光源、銅管、光電二極管及測量電路所組成。多模光纖插入順流而置的銅管中，由于流體流動(dòng)而使光纖發(fā)生機(jī)械變形

58、，從而使光纖中傳播的各模式光的相位發(fā)生變化，光纖的發(fā)射光強(qiáng)出現(xiàn)強(qiáng)弱變化，其振幅的變化與流速成正比，這就是光纖傳感器測流速的工作原理。 (3) 結(jié)構(gòu)型光纖傳感器及其應(yīng)用 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。 下圖所示為激光多普勒效應(yīng)速度傳感器測試系統(tǒng)，所謂多普勒效應(yīng)，即當(dāng)波源相對于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源的頻率與介質(zhì)中的波動(dòng)頻率不相同。同樣，介質(zhì)中的頻率與一個(gè)相對于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的接收器所記錄的頻率也不相同，這兩種情況都稱為多普勒效應(yīng)，所產(chǎn)生的頻率差稱為多普勒頻率。 該系統(tǒng)主要由激光光源、分光器、光接收器、頻

59、率檢測器及振動(dòng)物體等部分組成。 其工作原理為： 由激光光源(氫-氦激光)發(fā)出的光(頻率為fi)導(dǎo)入光導(dǎo)纖維，經(jīng)過分光鏡后，光線通過光纖射向振動(dòng)物體，由于振動(dòng)物體 (被測體)振動(dòng)，產(chǎn)生散射(頻率為fs)，被測物體的運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為 式中fi為入射光頻率，即激光源頻率； fs為散射光頻率； n為發(fā)生散射介質(zhì)的折射率； 為入射光在空氣中的波長； 為被測物體的運(yùn)動(dòng)速度。 。光纖傳感器應(yīng)用在高壓、電磁感應(yīng)噪音條件下的測試； 在危險(xiǎn)和環(huán)境惡劣條件下的測試； 在機(jī)器設(shè)備內(nèi)部的狹小間隙中的測試； 在遠(yuǎn)距離的傳輸中的測試。4.9 傳感器選用原則 了解傳感器的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展后，如何根據(jù)測試目的和實(shí)際條件，正確合理地選用傳感器，也是需要認(rèn)真考慮的問題。下面就傳感器的選用問題作一些簡介。 。 。選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個(gè)方面的問題。(1) 靈敏度。一般說來，傳感器靈敏度越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測量有一微小變化，傳感器就有較大的輸出。但是，在確定靈