測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)第五章課件

第一節(jié)概述

第二節(jié)普通機(jī)械、電氣式傳感器及儀器

第三節(jié)光學(xué)傳感器及儀器第四節(jié)氣動(dòng)量?jī)x

第五節(jié)半導(dǎo)體傳感器及儀器第六節(jié)波式傳感器及儀器

第七節(jié)傳感器的選用原則第5章常用傳感器與敏感元件第一節(jié)傳感器概述

傳感器的定義

何謂傳感器?

生物體的感官就是天然的傳感器。如人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、身（皮膚）分別有視、聽(tīng)、嗅、味、觸覺(jué)。人們的大腦通過(guò)五官就能感知外界的信息。在工程科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域里，可以認(rèn)為：傳感器是人體“五官”的工程模擬物。它是一種能把特定的被測(cè)量信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置。

定義：傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦兄苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髂軐⒚舾性敵鲛D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。例如：電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器磁電式傳感器壓電式傳感器

······傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測(cè)試裝置的工作質(zhì)量。

傳感器的分類(lèi)

工程中常用傳感器的種類(lèi)極為繁多，某一物理量可以采用多種類(lèi)型的傳感器進(jìn)行測(cè)量，同一種傳感器也可以用于測(cè)量多種物理量。它的分類(lèi)形式不統(tǒng)一，有多種形式。下面主要講解以下幾種分類(lèi)形式。按被測(cè)量分類(lèi)按工作原理分類(lèi)按信號(hào)變換特征分類(lèi)按能量變換關(guān)系分類(lèi)按輸出信號(hào)分類(lèi)按被測(cè)量分類(lèi)（以被測(cè)物理量命名）位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。按工作原理分類(lèi)（以傳感器的工作原理命名）機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、流體式等。按信號(hào)變換特征分類(lèi)物性型：依靠敏感元件本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。如水銀溫度計(jì)、壓電式傳感器等。結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。如電容式、電感式傳感器等。按能量變換關(guān)系分類(lèi)能量轉(zhuǎn)換型(無(wú)源型、發(fā)電型或主動(dòng)傳感器)：直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。如熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)、壓電式傳感器等。能量轉(zhuǎn)換型傳感器存在負(fù)載效應(yīng)。

能量控制型(有源型、能量調(diào)節(jié)型或被動(dòng)傳感器)：由外部輔助能量使其工作，并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化。如電橋式電阻應(yīng)變計(jì)等。能量控制型傳感器本身參數(shù)的改變（電阻、電容、電感）不起換能作用。注意：傳感器的換能元件可能不止一個(gè)（如電容式壓力傳感器），甚至是一個(gè)小型裝置（如力反饋式加速度計(jì)）。按輸出信號(hào)分類(lèi)模擬式、數(shù)字式。盡管上面講述了多種分類(lèi)方法，卻不能將全部的傳感器概括出來(lái)——傳感器的種類(lèi)太多太多了。具體來(lái)說(shuō)，傳感器的性能要求：1）靈敏度高，輸入和輸出之間有較好的線性關(guān)系；2）噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能；3）滯后、漂移誤差?。?）動(dòng)態(tài)特性良好；5）對(duì)被測(cè)量不產(chǎn)生影響；6）功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性；7）防水及抗腐蝕等性能好，能長(zhǎng)期使用；8）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維修和校正；9）低成本、通用性強(qiáng)；對(duì)傳感器的基本要求是什么？快速、準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的要求傳感器的技術(shù)指標(biāo)基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其它指標(biāo)量程指標(biāo):量程范圍、過(guò)載能力等靈敏度指標(biāo):靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關(guān)指標(biāo):精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo):固有頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時(shí)間、過(guò)沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等溫度指標(biāo):工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo):允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差等其它環(huán)境參數(shù):抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁干擾能力等工作壽命、平均無(wú)故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標(biāo):供電方式(直流、交流、頻率及波形等)、功率、各項(xiàng)分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等結(jié)構(gòu)方面指標(biāo):外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等安裝連接方面指標(biāo):安裝方式、饋線電纜等傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

傳感器技術(shù)的發(fā)展正處于方興未艾的狀態(tài)。傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：①采用新原理、開(kāi)發(fā)新型傳感器；②大力開(kāi)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)；③傳感器的集成化；④傳感器的多功能化；⑤傳感器的智能化(SmartSensor)；⑥

研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生傳感器。①采用新原理、開(kāi)發(fā)新型傳感器；（1、2、3）微米/納米技術(shù)的問(wèn)世，微機(jī)械加工技術(shù)——特別是LIGA（深層同步輻射X射線光刻、電鑄成型及鑄塑）技術(shù)的出現(xiàn)，使三維工藝日趨完善，這為微型傳感器的研制鋪平了道路。微型傳感器的主要特征就是微小重量輕，體積只有傳統(tǒng)傳感器的幾百分之一。美國(guó)一著名的未來(lái)學(xué)家預(yù)言：……人們可以將一種含有微傳感器的微型電腦，像服藥片一樣“吞下”，從而在體內(nèi)進(jìn)行各種檢測(cè)，以幫助醫(yī)生診斷。前已說(shuō)過(guò)，在一架航天飛行器上大約要裝上3500～3600個(gè)傳感器，沒(méi)有微細(xì)加式技術(shù)，我們可以想象，這樣的飛行器會(huì)寸步難行。②大力開(kāi)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)；③傳感器的集成化；所謂集成化，就是同一芯片上，或?qū)⒈姸嗤?lèi)型的單個(gè)傳感器件集成為一維、二維或三維陣列型傳感器，或?qū)鞲衅髋c調(diào)理、補(bǔ)償?shù)忍幚黼娐芳梢惑w化。前一種集成化使傳感器的檢測(cè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)→線→面→體”多維圖像化，甚至能加上時(shí)序控制等軟件；后一種集成化的傳感器，將是兩者有機(jī)的融全，以實(shí)現(xiàn)多信息與多功能集成一體化的傳感器系統(tǒng)。④傳感器的多功能化；

我國(guó)某傳感器研究所研制的硅壓阻式復(fù)合傳感器可以同時(shí)測(cè)量壓力與溫度。所謂智能化傳感器是以專(zhuān)用微處理器控制的、具有雙向通信功能的傳感器系統(tǒng)。它不僅具有信號(hào)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和處理功能，同時(shí)還具有存儲(chǔ)、記憶、自補(bǔ)償、自診斷等多種功能。有人預(yù)計(jì)未來(lái)的10年，傳感器智能化將首先發(fā)展成由硅微傳感器、微處理器、微執(zhí)行器和接口電路等多片模塊組成的閉環(huán)傳感器系統(tǒng)。如果通過(guò)集成技術(shù)進(jìn)一步將上述多片相關(guān)模塊全部制作在一個(gè)芯片上形成單片集成，就可形成更高級(jí)的智能傳感器了。⑤傳感器的智能化(SmartSensor)；仿生傳感器就是模擬人的感覺(jué)器官的傳感器，即視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器、味覺(jué)傳感器和觸覺(jué)傳感器。仿生傳感器是機(jī)器人技術(shù)向智能化高級(jí)機(jī)器人發(fā)展所必須的。大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設(shè)計(jì)師。它通過(guò)漫長(zhǎng)的歲月，不僅造成了集多種感官于一身的人類(lèi)本身，而且還設(shè)計(jì)了許許多多功能奇特、性能高超的生物傳感器。⑥研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生傳感器。如：狗的嗅覺(jué)——靈敏閾是人的106倍；鳥(niǎo)的視覺(jué)——視力為人的8～50倍；蝙蝠、飛蛾、海豚的聽(tīng)覺(jué)（主動(dòng)型生物雷達(dá)）

——一種超聲波傳感器）；蛇的接近覺(jué)——分辨力達(dá)0.001oC（紅外傳感）。

……

這些動(dòng)物的感官性能，是當(dāng)今傳感器技術(shù)所望塵莫及的。目前只有視覺(jué)與觸覺(jué)傳感器發(fā)展得較為好一些，其它的都還有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。因此，研究生物傳感器的機(jī)理開(kāi)發(fā)仿生傳感器，尤為引人注目。第二節(jié)普通機(jī)械、電氣式傳感器及儀器

一、機(jī)械式敏感元件在測(cè)試技術(shù)中，常常以彈性體作為傳感器的敏感元件。輸入量：力、壓力、溫度等輸出量：彈性元件本身的彈性變形（或應(yīng)變）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉缺點(diǎn)：有蠕變。典型機(jī)械式傳感器敏感元件見(jiàn)下頁(yè)圖。(a)測(cè)力計(jì)(b)壓力計(jì)(c)溫度計(jì)酒精感溫筒毛細(xì)管波登管概述電阻式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再通過(guò)中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進(jìn)行測(cè)量。按工作原理分為：二、電阻式傳感器變阻器（電位器）式應(yīng)變片式（彈性電阻式）（重點(diǎn)掌握）熱敏電阻磁敏電阻式氣敏電阻式等原理變阻器式傳感器實(shí)際是精密線繞電位器，通過(guò)改變電位器觸頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。其中，：電阻率；

l：導(dǎo)體長(zhǎng)度；

A：導(dǎo)體截面積。顯然，若導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而線性變化。導(dǎo)體電阻公式：1、變阻器式傳感器（又稱(chēng)電位器式）直線位移型機(jī)械量（位移）——電量（電阻或電壓）角位移型機(jī)械量（位移）——電量（電阻或電壓）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號(hào)大，受外界條件影響小。缺點(diǎn)：因觸點(diǎn)與繞線間存在摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。分辨力低，一般小于20m。噪聲大。特點(diǎn)與應(yīng)用應(yīng)用主要應(yīng)用于線位移、角位移測(cè)量?；蜃鳛樗欧涗泝x或電子電位差計(jì)。電位器式傳感器2、電阻應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)是精度高、頻響寬、體積小、重量輕；缺點(diǎn)：產(chǎn)生漂移金屬絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化由于箔片的應(yīng)用較為廣泛，常采用光刻技術(shù)來(lái)制作。在此以箔片為例來(lái)研究應(yīng)變片的工作原理。bh長(zhǎng)為L(zhǎng)由壓阻效應(yīng)由上式可見(jiàn)，電阻的相對(duì)變化量由兩部分組成：①第一項(xiàng)，電阻率變化所引起的；②第二項(xiàng)，材料受力后產(chǎn)生的幾何變形（形變）。分兩種情況：金屬材料，第一項(xiàng)很小可忽略，主要第二項(xiàng)起作用，此時(shí)有半導(dǎo)體材料，第二項(xiàng)相對(duì)于第一項(xiàng)很小，可忽略?xún)?yōu)點(diǎn)：靈敏度高機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小、體積小、頻響高易于集成化缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性能差靈敏度分散度大較大應(yīng)力作用下，非線性誤差大機(jī)械強(qiáng)度低對(duì)于半導(dǎo)體應(yīng)變片：材料名稱(chēng)成分靈敏度電阻率溫度系數(shù)線脹系數(shù)元素含量

sg·mm2/m×10-6/°C×10-6/°C康

銅CuNi57%43%1.7~2.10.49-20~2014.9鎳鉻合金NiCr80%20%2.1~2.50.9~1.1110~15014.0鎳鉻鋁合金

(卡瑪合金)NiCrAlFe73%20%3~4%余量2.4~2.61.33-10~1013.3常用金屬電阻絲材料物理性能lb金屬電阻應(yīng)變片分為：

1、絲式應(yīng)變片

2、箔式應(yīng)變片

箔式應(yīng)變片由厚度為

1~10m

的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。箔式應(yīng)變片適于大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀，線條均勻，敏感柵尺寸準(zhǔn)確，柵長(zhǎng)最小可到0.2mm

；散熱好，允許電流大；橫向效應(yīng)、蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)；柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。目前使用的應(yīng)變片大多是金屬箔式應(yīng)變片。四個(gè)部分箔式應(yīng)變片(a)單軸(b)多軸(c)扭矩柵(d)平行軸多柵(e)同軸多柵(f)單軸半導(dǎo)體應(yīng)變片；(g)二軸片；(h)裂紋探測(cè)片；(i)直角三軸片；(j)三角三軸片(f)(g)(h)(i)(j)壓力片三軸片1.選點(diǎn)及工件表面清理。

采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等2.打磨。

用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力3.清洗

用浸有酒精（或丙酮）的紗布片或脫脂棉球擦洗干燥、劃線、量阻值4.貼片。

在應(yīng)變片的表面和處理過(guò)的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠5.排氣。

用鑷子將應(yīng)變片放上并調(diào)好位置，然后蓋上薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡

6.分開(kāi)端子

把應(yīng)變片的端子用手輕輕的分開(kāi)，以免和應(yīng)變片脫離

7.測(cè)量電阻。

從分開(kāi)的端子處用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，防止端子折斷和壞的應(yīng)變片8.焊接。

把引線和端子的用點(diǎn)焊的方式焊接，要小心端子折斷

9.固定。

焊接后用膠布將引線和測(cè)量對(duì)象固定在一起，防止引線和應(yīng)變片脫離直接用來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(a)—齒輪輪齒彎矩(b)—飛機(jī)機(jī)身應(yīng)力(c)—立柱應(yīng)力(d)—橋梁應(yīng)力構(gòu)件應(yīng)力測(cè)定的應(yīng)用舉例將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器應(yīng)變式壓力、測(cè)力、稱(chēng)重傳感器①應(yīng)變極限：隨應(yīng)變加大，應(yīng)變片輸出的非線性加大，一般將誤差達(dá)到10%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限應(yīng)用注意事項(xiàng)應(yīng)變極限②機(jī)械滯后：敏感柵、底基及膠粘層承受機(jī)械應(yīng)變后，一般都會(huì)存在殘余變形，造成應(yīng)變片的機(jī)械滯后。機(jī)械滯后③零漂和蠕變：在恒定溫度，無(wú)機(jī)械應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性，稱(chēng)為零漂；在恒定溫度、恒定應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性，稱(chēng)為蠕變。零漂和蠕變的原因：應(yīng)變片制造過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；在一定溫度和載荷條件下電阻絲材料、膠粘劑和底基內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。概念④絕緣電阻：粘在試件上的應(yīng)變片的引出線與試件之間的電阻。通常絕緣電阻為50~100M

，在長(zhǎng)時(shí)間精密測(cè)量時(shí)要求大于100M，甚至達(dá)到10G。⑤最大工作電流：應(yīng)變片正常工作允許通過(guò)的最大電流。通常靜態(tài)測(cè)量時(shí)為25mA，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)為75~100mA。工作電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片過(guò)熱、靈敏度變化、零漂和蠕變?cè)黾樱踔翢龤?。⑥溫度影響：由溫度變化?dǎo)致的應(yīng)變片電阻變化與由應(yīng)變引起的電阻變化往往具有同等數(shù)量級(jí)，須用適當(dāng)電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn)性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在1.0%~0.1%，高精度力傳感器已能達(dá)到0.03%~0.01%。測(cè)量范圍廣壓力：104~109Pa；

力：0.1~107N

能適應(yīng)較大的振動(dòng)和沖擊，抗輻射能力強(qiáng)。電感式傳感器三、電感式傳感器電感測(cè)微計(jì)電感式電感式概述

輸入量——位移量或其它能轉(zhuǎn)換成位移的機(jī)械量；輸出量——電感量的變化。變換原理——電磁感應(yīng)原理按照變換方式的不同可分為：三、電感式傳感器⑴可變磁阻式工作原理可變磁阻式傳感器的構(gòu)造如圖，由線圈、鐵芯和銜鐵組成。在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙.1、1-線圈2-鐵心3-銜鐵由電工學(xué)可知，線圈自感量：其中，W：線圈匝數(shù)

i：線圈中流過(guò)的電流

：通過(guò)線圈的磁通量

Rm：磁路的總磁阻（H-1）線圈鐵心銜鐵其中：l1、l2：鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁長(zhǎng)度

1、2：鐵芯和銜鐵的磁導(dǎo)率

A1、A2：鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁截面積

：氣隙長(zhǎng)度

0：空氣磁導(dǎo)率，0=410-7A0：空氣隙導(dǎo)磁截面積。若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙較小時(shí)：Rm=RF

+RRF：鐵芯與銜鐵的磁阻R：空氣隙磁阻線圈鐵心銜鐵一般，1和2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0，即：RF<<R

，因此：從而：1-線圈2-鐵心3-銜鐵可忽略上式表明：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(shí)，

L與成非線性關(guān)系。此時(shí)，傳感器靈敏度：1-線圈2-鐵心3-銜鐵即固定A0，變化

時(shí)，傳感器靈敏度與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比。①為了減小非線性誤差，通常使這種傳感器在較小間隙范圍內(nèi)工作。設(shè)間隙變化范圍為（0，0+），一般實(shí)際應(yīng)用中，取/00.1。②變氣隙長(zhǎng)度式傳感器適用于微小位移的測(cè)量，測(cè)量范圍：0.001~1mm。

可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu)①、可變導(dǎo)磁面積型：線性高，靈敏度低④③②①②、差動(dòng)變氣隙型：提高靈敏度，改善非線性③、單螺管線圈型：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測(cè)量④、雙螺管差動(dòng)型：提高靈敏度，改善線性性測(cè)氣體壓力的電感傳感器應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：壓差傳感器外殼外殼可動(dòng)銜鐵固定鐵芯固定鐵芯線圈線圈導(dǎo)氣孔導(dǎo)氣孔P1P2渦電流式渦電流位移傳感器高頻線圈

金屬導(dǎo)體置于變化著（交變）的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱(chēng)之為渦電流或渦流（很多書(shū)上稱(chēng)為（電渦流）。這種現(xiàn)象稱(chēng)為渦流效應(yīng)。渦流式傳感器就是在這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。渦電流式工作原理注意：必須是金屬板渦電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)f1根據(jù)楞次定律，渦電流（電渦流）的交變磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)變化方向相反，f1

總電抵抗f

的變化。由于渦流磁場(chǎng)的作用使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化，變化程度主要與氣隙長(zhǎng)度d有關(guān)。高頻線圈d→Z分析表明，高頻線圈阻抗Z的因素，除了和d有關(guān)外還與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ及線圈激磁圓頻率ω有關(guān)。當(dāng)改變其中某一因素時(shí)，即可達(dá)到不同的變換目的?？蓽y(cè)位移、振動(dòng)量及材質(zhì)鑒別、探傷等。高頻線圈影響渦流傳感器靈敏度的幾個(gè)因素

被測(cè)物材質(zhì)：電導(dǎo)率越高，靈敏度越大；磁性材料渦流損耗大，導(dǎo)致靈敏度降低。表面鍍層、裂紋也影響靈敏度。被測(cè)物形狀和大小電渦流可視為圈數(shù)只有一匝的環(huán)形封閉線圈，當(dāng)傳感器線圈尺寸、激勵(lì)電流以及與被測(cè)物距離一定時(shí)，產(chǎn)生的渦流環(huán)的直徑也一定。若板狀被測(cè)物的最小尺寸小于該直徑，則不能很好利用渦流效應(yīng)，使靈敏度下降。

渦流式傳感器可用于動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量。范圍：±1mm~±10mm最高分辨力可達(dá)0.1mm結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，不受油污等介質(zhì)的影響。工程應(yīng)用：液位監(jiān)控系統(tǒng)渦流板渦流傳感器浮子金屬板測(cè)厚退出渦流傳感器渦流傳感器為克服金屬板移動(dòng)過(guò)程中上下波動(dòng)及帶材不夠平整的影響，常在板材上下兩側(cè)對(duì)稱(chēng)放置兩個(gè)特性相同的傳感器L1和L22、互感型——差動(dòng)變壓器式電感傳感器工作原理由互感現(xiàn)象，傳感器初級(jí)線圈W1輸入交流電流時(shí)，次級(jí)線圈W2M為兩線圈的互感，其大小與兩線圈的相對(duì)位置及周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，描述兩線圈的耦合程度。產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與初級(jí)線圈電流的變化率成正比。即：當(dāng)被測(cè)量轉(zhuǎn)換為銜鐵位移時(shí)，傳感器兩線圈的互感改變，導(dǎo)致輸出相應(yīng)改變。實(shí)際的互感傳感器通常采用兩個(gè)次級(jí)線圈，并接成差動(dòng)式，故稱(chēng)為差動(dòng)變壓器式傳感器。鐵芯P位于中心位置：M1=M2，eo=0鐵芯P上移：M1

=M+M，M2

=MM（M為初始平衡互感），e1

>e2，eo與e1同相。

鐵芯P下移：M1

=MM，M2

=M+M，e1

<e2，

eo0，eo與e2同相。

幾點(diǎn)說(shuō)明

存在零點(diǎn)殘余電壓（鐵芯位于中心處時(shí)，M1M2，

eo0）

傳感器輸出電壓包含了位移的大小及方向，但因其為交流信號(hào)，只有接入相應(yīng)電路（相敏檢波），才能提取出這兩種信息。特點(diǎn)精度高(0.1m

數(shù)量級(jí)，最高可達(dá)0.01m)，高精度型非線性誤差可達(dá)0.1%

線性范圍大（可達(dá)100mm）

穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便因包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)較低，不宜測(cè)量高頻動(dòng)態(tài)參量。測(cè)量頭軸套測(cè)桿線圈架彈簧導(dǎo)線屏蔽筒圓片彈簧防塵罩銜鐵差動(dòng)變壓器式位移傳感器兩個(gè)次級(jí)線圈完全相同工程應(yīng)用差動(dòng)變壓器式微壓傳感器7.罩殼差動(dòng)變壓器式加速度傳感器1.差動(dòng)變壓器；2.質(zhì)量塊(銜鐵)；3.彈簧片；4.殼體質(zhì)量很大而彈簧則度小四電容式傳感器相對(duì)濕度傳感器靜電電容型射頻電容式物位限位開(kāi)關(guān)普通型防腐型高溫型1、變換原理四電容式傳感器電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一具有可變參數(shù)的電容器。中間充滿介質(zhì)的兩塊平行金屬極板構(gòu)成的電容器，其電容量為：式中，：介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，空氣1；

0：真空的介電常數(shù)，0=8.8510-12F/m；

：極板間距；

A：極板面積。Ad當(dāng)被測(cè)量使、A或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起C的變化。實(shí)際使用中，通常僅改變一個(gè)參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不同，可分為三類(lèi)：改變極板間距——極距變化型；改變極板相互遮蓋面積A——面積變化型；

改變極板間介質(zhì)（改變——介質(zhì)變化型）。Ad極距變化型初始電容：顯然，C

與極距成反比（如圖）。傳感器的靈敏度：可見(jiàn)，靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距減小受極板間擊穿電壓的限制。此外，為了減小因靈敏度隨極距變化導(dǎo)致的非線性誤差，通常極距變化范圍/00.1。因此，此類(lèi)電容傳感器僅適于較小位移的測(cè)量（0.01m~數(shù)百微米）。靈敏度：當(dāng)極板間距增加時(shí)，可以求得：實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度、線性性及克服些外界條件（如某電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對(duì)測(cè)量精度的影響常采用差動(dòng)式（如下圖）。此時(shí)靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。d2ddd1Dd定板動(dòng)板定板動(dòng)板定板定板極距變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖1、定板2、動(dòng)板1、定板2、工件1、定板2、工件3、定板面積變化型包括線位移型（平面線位移和圓柱體線位移）和角位移型兩種。角位移型1—?jiǎng)影?—定板其中，：覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角；

r：極板半徑。靈敏度平面線位移型其中，b：極板寬度。1—?jiǎng)影?—定板靈敏度圓柱線位移型其中，D：圓筒孔徑；

d

：圓柱外徑。面積變化型電容傳感器輸入輸出成線性關(guān)系，但靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測(cè)量。1—?jiǎng)影?—定板靈敏度

介質(zhì)變化型

如右圖，厚度為

2

的介質(zhì)（2

為其介電常數(shù)）在電容器中左右運(yùn)動(dòng)，由于電容器中介質(zhì)的介電常數(shù)改變，電容量改變。設(shè)電容器極板寬度為b，介質(zhì)2的寬度大于等于b。不講當(dāng)極板間無(wú)介質(zhì)2時(shí)，存在介質(zhì)時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)電容器相并聯(lián)

其中：1=-2從而：顯然，靈敏度為常數(shù)，輸入輸出成線性關(guān)系。以測(cè)液面高度為例前述公式：對(duì)照著應(yīng)用：內(nèi)外極板間要加絕緣層！r1r2hxh電容式傳感器特點(diǎn)輸入能量?。O板間靜電引力?。㈧`敏度高；動(dòng)態(tài)特性好（可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高）；發(fā)熱小，能量損耗?。唤Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性好，可在高、低溫、強(qiáng)輻射環(huán)境中工作；可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量一般傳感器兩極板間電容很?。◣灼しā珟资しǎ粌H導(dǎo)致低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百M(fèi)），負(fù)載能力弱，而且電纜分布電容（大且不穩(wěn)定）影響大。

測(cè)量電路

振蕩器C1L1L2C2Cx放大檢波輸出②諧振電路①電橋型電路~L1L2C1C2放大相敏解調(diào)濾波調(diào)頻振蕩器③調(diào)頻電路限幅鑒頻放大輸出Cx傳感器④運(yùn)放電路放大器C0Cxuyu0⑤驅(qū)動(dòng)電纜工作原理1測(cè)量電路Cx

工程應(yīng)用

電容式傳感器測(cè)厚轉(zhuǎn)速測(cè)量1—齒輪2—定極3—電容傳感器4—頻率計(jì)被測(cè)帶材軋輥工作極板2134射頻電容式物位限位開(kāi)關(guān)普通型防腐型高溫型上限位下限位固體及液體料倉(cāng)的上下限位報(bào)警及控制下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)產(chǎn)品名稱(chēng):音叉式物位開(kāi)關(guān)產(chǎn)品型號(hào):LS-YC產(chǎn)品簡(jiǎn)介:LS-YC型音叉式液位限位開(kāi)關(guān)是一種新型的液位限位開(kāi)關(guān)。音叉由晶體激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)音叉被液體浸沒(méi)時(shí)振動(dòng)頻率發(fā)生變化，這個(gè)頻率變化由電子線路檢測(cè)出來(lái)并輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量。

音叉式液位限位開(kāi)關(guān)又被稱(chēng)作“電氣浮子”，凡使用浮球限位開(kāi)關(guān)和由于結(jié)構(gòu)、湍流、攪動(dòng)、氣泡、振動(dòng)等原因不能使用浮球限位開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合均可使用“電氣浮子”。由于該液位限位開(kāi)關(guān)無(wú)活動(dòng)部件，因此無(wú)需維護(hù)和調(diào)整，是浮球限位開(kāi)關(guān)的升級(jí)換代產(chǎn)品。音叉式物位開(kāi)關(guān)放大圖

Veridicom的指紋傳感芯片表面由300×300個(gè)電容傳感器組成。

當(dāng)個(gè)人把他的手指放在傳感器上時(shí)，手指充當(dāng)電容器的另外一極。由于手指上指紋紋路及深淺的存在，導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個(gè)電容電壓的不同，通過(guò)測(cè)量并記錄各點(diǎn)的電壓值就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖象。指紋傳感芯片：電容感應(yīng)原理貝爾實(shí)驗(yàn)室以差動(dòng)電容為檢測(cè)原理組成的電容式差壓變送器五壓電式傳感器變換原理：壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽帜軐㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。

1、壓電效應(yīng)某些晶體如石英晶體，在外力作用下，不僅產(chǎn)生形變，而且內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，形成電場(chǎng)；去掉外力后又重新回到不帶電的平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。與壓電效應(yīng)相反，如果將具有壓電效應(yīng)的晶體置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外力作用導(dǎo)致物體機(jī)械變形現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的晶體稱(chēng)為壓電晶體。1820年，李普曼（Lippmann）教授提出了晶體具有壓電效應(yīng)的理論，不久，他的學(xué)生居里兄弟通過(guò)對(duì)電氣石的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了壓電效應(yīng)的存在。1881年，居里兄弟還通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，并給出石英相同的正逆壓電常數(shù)。所以，一般人都認(rèn)為壓電效應(yīng)是皮埃爾·居里（PierreCurie）和他的哥哥雅克斯·居里（JacquesCurie）發(fā)現(xiàn)的，其實(shí)這里面離不開(kāi)他的老師李普曼教授的指導(dǎo)法國(guó)的居里家族是當(dāng)之無(wú)愧的獲得諾貝爾獎(jiǎng)最多的家族，先后出過(guò)4名諾貝爾獎(jiǎng)得主?，斃铩ぞ永锖驼煞蚱ぐ枴ぞ永锓窒砹?903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。居里夫人成為諾貝爾獎(jiǎng)百年歷史上的首位女性獲獎(jiǎng)?wù)?，并?911年再次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。居里夫婦的女兒伊雷娜·約里奧—居里顯然繼承了家族的優(yōu)良傳統(tǒng)，和丈夫弗雷德里奧·約里奧一起成為1935年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主。居里家族是迄今為止唯一一個(gè)連續(xù)兩代夫妻都獲得諾貝爾獎(jiǎng)的家族。YD系列加速度/力傳感器/阻抗頭天然石英晶體居里點(diǎn)為573°C，晶體結(jié)構(gòu)為六角晶系的a-石英。石英晶體的壓電效應(yīng)人造石英晶體理想形狀：中間為六角形棱柱，兩端為對(duì)稱(chēng)的棱錐，共30個(gè)晶面。(a)六角晶柱(b)z—光軸y—機(jī)械軸

x—電軸光軸：

z

軸，與晶體縱軸方向一致。光線沿z

軸方向通過(guò)晶體不發(fā)生雙折射。沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，故又稱(chēng)為中性軸。光軸石英晶體(a)六角晶柱(b)z—光軸y—機(jī)械軸x—電軸電軸：

x

軸，通過(guò)兩個(gè)相對(duì)的六角棱線并垂直于光軸的軸線。垂直于此軸的晶面上有最強(qiáng)的壓電效應(yīng)。

機(jī)械軸：

y軸，垂直于x軸和z軸所在平面的軸線。在電場(chǎng)作用下，y軸具有最明顯的機(jī)械變形石英晶體z軸僅一個(gè)，x軸和y軸各有3個(gè)。。石英晶體電軸機(jī)械軸從晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其昌面分別平行于z—z軸y—y軸x—x軸線。這個(gè)晶片在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性。當(dāng)施加外力時(shí)，將沿x—x軸線方向產(chǎn)生電場(chǎng)，其電荷分布在垂直于x—x軸的平面上。沿x軸方向加力——產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)；沿—y軸方向加力——產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)；沿z軸相對(duì)兩平面加力——產(chǎn)生切向壓電效應(yīng)?？v向效應(yīng)橫向效應(yīng)切向效應(yīng)壓電材料

1）、壓電單晶天然或人工合成。具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和壓電效應(yīng)。壓電系數(shù)較?。╠x

=2.310-12C/N），但壓電系數(shù)的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好。在20~200C內(nèi)，溫度每升高1C，壓電系數(shù)僅減小0.016%，升高到200C

時(shí)，僅減小5%

，達(dá)到573C

時(shí)，失去壓電特性，此溫度稱(chēng)為石英的居里點(diǎn)。介電常數(shù)為4.5。

石英（SiO2）居里點(diǎn)1210C，具有良好的壓電性，適用于高溫環(huán)境，但比石英脆，抗沖擊性差。鈮酸鋰（LiNbO3）

居里點(diǎn)666C，壓電常數(shù)為石英的3倍鉭酸鋰（LiTaO3）

壓電系數(shù)較大（dx=310-9C/N

），但機(jī)械強(qiáng)度低，機(jī)械強(qiáng)度、電阻率、居里點(diǎn)均較低，易受潮，性能不穩(wěn)定。酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O6﹒4H2O）2）、多晶壓電陶瓷由多種材料經(jīng)燒結(jié)合成，制作方便，成本低。原始?jí)弘娞沾身毥?jīng)強(qiáng)電場(chǎng)極化處理后才具有壓電性。壓電陶瓷的壓電常數(shù)一般比石英高數(shù)百倍。現(xiàn)代壓電元件，大多采用壓電陶瓷。鈦酸鋇（BaTiO3）碳酸鋇BaCO3和二氧化鈦TiO2按1：1混合燒結(jié)而成。壓電常數(shù)約為石英的50倍，介電常數(shù)高(1200)，居里點(diǎn)約120C。鋯鈦酸鉛（PZT）系列壓電陶瓷居里點(diǎn)300C左右，壓電常數(shù)70~80010-12C/N，性能和穩(wěn)定性均超過(guò)鈦酸鋇。其中有些產(chǎn)品可耐高溫、高壓。3）、高分子有機(jī)壓電材料聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量生產(chǎn)、面積大、柔軟不易破碎，可制成陣列器件。用于微壓和機(jī)器人觸覺(jué)。

4）、壓電半導(dǎo)體具有壓電和半導(dǎo)體兩種特性，易于集成。

2、壓電式傳感器及其等效電路

壓電器件相當(dāng)于具有一定電容的電荷源，其電容：金屬膜電容兩極板間開(kāi)路電壓為：(a)壓電晶片(b)等效電荷源RaCaua(C)等效電壓源qCaRa若考慮負(fù)載（測(cè)量電路），等效電路如下：RauaCcRiCiRaqCcRiCiCa(a)電荷源等效電路(b)電壓源等效電路其中，Cc、Ci分別為電纜寄生電容及后續(xù)測(cè)量電路的輸入電容。假設(shè)一恒定力F作用于壓電器件，產(chǎn)生電量q，則輸出電壓：CaRaqCcRiCiCa(a)電荷源等效電路由于晶片漏電阻Ra（一般要求在1013~1014以上）及后續(xù)電路輸入電阻Ri非無(wú)限大，電路將按指數(shù)規(guī)律放電，造成測(cè)量誤差。電路放電時(shí)間常數(shù)

=(Ra//Ri)C

RiC（一般Ra>>Ri），為了減小誤差，Ri越大越好。顯然，電荷泄漏使得利用壓電傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量非常困難。通常壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。壓電式傳感器有電荷及電壓兩種輸出方式。為了增大輸出值，壓電傳感器往往用兩個(gè)（較多見(jiàn)）或兩個(gè)以上的晶體串接或并接：

++++++++++----------FF+++++-----FF+++++-----串聯(lián)并聯(lián)串聯(lián)++++++++++----------FF串聯(lián)C1C2適合于以電壓做為輸出信號(hào)。

n個(gè)晶體串接時(shí)，輸出電荷量與單片晶體電荷相同，總電容為單片晶體電容的1/n，輸出電壓為單片晶體電壓的n倍。串接時(shí)，輸出電壓大、電容小、時(shí)間常數(shù)小，適宜測(cè)量迅變信號(hào)和以電壓輸出的場(chǎng)合。

=RC

RiC輸出電荷量與單片晶體電荷相同并聯(lián)適合于以電荷做為輸出信號(hào)。+++++-----FF+++++-----并聯(lián)C1C2

n個(gè)晶體并接時(shí)，輸出電荷量為單片晶體電荷n倍，總電容為單片晶體電容n倍，輸出電壓等于單片晶體電壓。并接時(shí)，輸出電荷量大、電容大、時(shí)間常數(shù)大，適宜測(cè)量緩變信號(hào)和以電荷輸出的場(chǎng)合。輸出電壓量與單片晶體電荷相同

=RC

RiC3、壓電式傳感器測(cè)量電路

對(duì)應(yīng)于壓電式傳感器的兩種輸出方式，可以采用具有高輸入阻抗的前置放大器：電壓放大器或電荷放大器，對(duì)傳感器輸出的電壓或電荷信號(hào)進(jìn)行放大處理，并實(shí)現(xiàn)阻抗變換，將傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榉糯笃鞯牡洼敵鲎杩埂?/p>

CaRa電壓放大電路uaCcRiCi-Auiuo電壓放大器

不講設(shè)作用于壓電晶片上的力F=F0sint。則：

而：q=dcF=dcF0sint，其中，R=Ra//Ri，C=Ca+Cc

+

Ci。

CaRa電壓放大電路uaCcRiCi-Auiuo即：從而：輸入端電壓幅值：定義壓電傳感器輸出電壓靈敏度：

，，則：當(dāng)作用力頻率與電路時(shí)間常數(shù)RC足夠大時(shí)，若壓電器件上作用靜態(tài)力（

=0），Uim和Sui均等于0。即壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)力。

若被測(cè)量是準(zhǔn)靜態(tài)量，必須增大測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)，以維持(RC)2>>1，減少對(duì)Uim和Sui

的影響。顯然增加電容C會(huì)降低靈敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。

Ri越大，低頻響應(yīng)越好。下限頻率：

（一般Ra>>Ri）

Uim和Sui與Cc有關(guān)，當(dāng)改變電纜長(zhǎng)度或布線方法時(shí)，Uim和Sui都會(huì)改變，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。

對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量，較大，易滿足(RC)2>>1，此時(shí)Uim和Sui近似與

無(wú)關(guān)，即壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。

電荷放大器

電荷放大器是一個(gè)高增益帶電容負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，其輸入阻抗極高（1012以上）。CaRa電荷放大電路qCcRiCi-AuiuoCf重點(diǎn)掌握傳感器電纜運(yùn)算放大器

=RC

RiCCaqCcCi-AuiuoCfqC-Auiuo等效電路：（輸入阻抗為無(wú)窮大，Ra很大）CfC=Ca+Cc

+

Ci

qC-AuiuoCfC=Ca+Cc

+

Ci

A值很大，一般A=104~106，上式為：在此式中，輸出電壓與C值無(wú)關(guān)，只有，也就是說(shuō)，電纜電容并無(wú)影響，連接導(dǎo)線有時(shí)長(zhǎng)達(dá)百米（低噪聲電纜，工廠稱(chēng)為無(wú)噪聲電纜）。與電壓放大器比較，這是一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，但是，電荷放大電路復(fù)雜，價(jià)格較高。C=Ca+Cc

+

Ci

Cf——反饋電容由于采用電容負(fù)反饋，電荷放大器對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，因此零點(diǎn)漂移較大。為了減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個(gè)大的反饋電阻Rf（約1010~1014）。見(jiàn)下頁(yè)圖qC-AuiuoCfCaRa電荷放大電路qCcRiCi-AuiuoCf傳感器電纜運(yùn)算放大器Rf電荷放大器電荷放大器4、壓電式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用

特點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠。對(duì)應(yīng)用縱向壓電效應(yīng)的傳感器，電荷量與晶體的變形無(wú)關(guān)，因而靈敏度與傳感器剛度無(wú)關(guān)。有比較理想的線性，且通常沒(méi)有滯后現(xiàn)象低頻特性較差，主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量存在橫向效應(yīng)，影響測(cè)量結(jié)果應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施，并采用低電容、低噪聲電纜。

工作原理可逆只簡(jiǎn)單講應(yīng)用廣泛應(yīng)用于沖擊、振動(dòng)及動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。注意：壓電加速度傳感器的上限頻率與安裝方式有關(guān)。概述六、磁電式傳感器

輸入（被測(cè)物理量）——線速度、角速度輸出量——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，磁電式傳感器也稱(chēng)為（電磁）感應(yīng)式或電動(dòng)式傳感器。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，運(yùn)動(dòng)線圈在磁場(chǎng)中切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)磁通變化時(shí)，線圈兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小和方向?yàn)椋?/p>

其中，N：線圈匝數(shù)，：通過(guò)線圈的磁通量

原理：電磁感應(yīng)

變化的方法：

線圈與磁場(chǎng)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)磁路中磁阻的改變恒定磁場(chǎng)中線圈面積的變化

磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化

按照結(jié)構(gòu)方式不同，磁電式傳感器可分為①恒磁通的動(dòng)圈式或動(dòng)鐵式和②變磁通（變磁阻）的磁阻式兩種。

線速度型角速度型動(dòng)圈磁電式速度傳感器工作原理動(dòng)圈式線速度型：

線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

e=NBlvsin其中，N：線圈匝數(shù)；

B：磁場(chǎng)強(qiáng)度；

l：?jiǎn)卧丫€圈的有效長(zhǎng)度；

v：線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；

：線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角；當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)一定時(shí)，N、B、l、

為常數(shù)，則線速度型機(jī)械量→電量角速度型：當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

e=kNBA其中，N：線圈匝數(shù)；

B：磁場(chǎng)強(qiáng)度；

A：?jiǎn)卧丫€圈的截面積；

：角速度；

k：與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，k<1。當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)一定時(shí)，N

、B、l、、A、k為常數(shù)，則：

機(jī)械量→電量角速度型動(dòng)鐵式與動(dòng)圈式工作原理相同，只是運(yùn)動(dòng)的是磁鐵。永久磁鐵線圈金屬骨架彈簧殼體（電磁阻尼）顯然，磁電式傳感器用于動(dòng)態(tài)速度測(cè)量。根據(jù)位移、速度、加速度間的積分、微分關(guān)系，可通過(guò)磁電式傳感器經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)處理電路測(cè)量位移與加速度。其中，Z0為線圈阻抗，Rc為電纜電阻（可忽略）

Cc為電纜電容，RL為負(fù)載電阻。

動(dòng)圈磁電式傳感器等效電路放大器~輸出檢波eZ0RCCCRLuL傳感器電纜下面對(duì)等效電路進(jìn)行分析：若RL>>Z0，則有Cc很小，其容抗很大可略去Rc很小，可略去~eZ0RCCCRLuL傳感器電纜注意：

上面討論的速度是指線圈與磁場(chǎng)（殼體）的相對(duì)速度，非殼體的絕對(duì)速度。

磁電式傳感器工作原理可逆，作為傳感器它處于發(fā)電狀態(tài)；若對(duì)線圈施加交流激勵(lì)電壓，線圈將在磁場(chǎng)中振動(dòng)（電動(dòng)機(jī)）。線圈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)后，線圈中將有電流流過(guò)，此電流產(chǎn)生的交變磁通會(huì)削弱傳感器的磁場(chǎng)磁通，使傳感器靈敏度降低，導(dǎo)致非線性（可由補(bǔ)償裝置減小非線性）。線速度型磁阻式

磁阻式傳感器線圈與磁頭彼此無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)磁物體改變磁路磁阻，引起磁力線的增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

不講磁電式測(cè)轉(zhuǎn)速CD系列磁電式速度傳感器水平速度傳感器垂直速度傳感器三軸向速度傳感器兩軸向速度傳感器第三節(jié)光學(xué)傳感器之光纖光纖傳感器以光信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體，利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號(hào)。

光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)與傳輸原理

光纖由內(nèi)芯（折射率n1、直徑幾十m）、包層（折射率n2<n1、外徑<200m）及護(hù)套（n3>>n2）組成。

光導(dǎo)纖維水下光纜管道帶狀光纜n2<n1光纖由內(nèi)芯（折射率n1、直徑幾十m）、包層（折射率n2<n1、外徑<200m）及護(hù)套（n3>>n2）組成。

光纖超聲定位傳感器光纖工作的基礎(chǔ)是光在光纖界面內(nèi)產(chǎn)生全發(fā)射傳播。由折射定律：

如使光線在內(nèi)芯與包層界面上產(chǎn)生全反射，應(yīng)=90。此時(shí)全反射臨界角：只有保證c，才能發(fā)生全反射，并在光纖內(nèi)芯中反復(fù)逐次反射，直至傳播到另一端面。顯然，光線自光纖端部射入，其入射角必須滿足一定的條件才能使折射入光芯的光線滿足光纖傳輸?shù)娜瓷錀l件。由，有：n0為光纖周?chē)橘|(zhì)的折射率，對(duì)于空氣n0=1。c為光線最大入射角，定義NA=纖的數(shù)值孔徑。NA是標(biāo)志光纖接受能力的重要參數(shù)，無(wú)論光源發(fā)射功率多大，只有2c張角內(nèi)的光能被光纖接受傳輸。在2c張角之外的光線將從包層中逸出，產(chǎn)生漏光而最終消失，無(wú)法沿光纖傳輸。為光一般，NA大，有利于光耦合效率的提高，但NA過(guò)大，光信號(hào)傳輸畸變嚴(yán)重，因?yàn)?，?duì)點(diǎn)光源，以不同角度入射的光線在界面上反射次數(shù)不同，導(dǎo)致同一光信號(hào)沿多種途徑傳播，以不同的光程到達(dá)接受端。通常，作為傳感器的光纖0.2NA<0.4。

光纖傳感器的特點(diǎn)光波傳輸，抗擾能力強(qiáng)無(wú)火花、無(wú)短路故障，可用于易燃、易爆環(huán)境化學(xué)性能穩(wěn)定，耐高壓、耐腐蝕重量輕、體積小、可撓性好，利于在狹窄空間使用頻帶寬、動(dòng)態(tài)特性好，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量技術(shù)復(fù)雜、成本高第五節(jié)半導(dǎo)體傳感器及儀器

概述半導(dǎo)體傳感器利用半導(dǎo)體材料對(duì)光、熱、力、磁、氣體、濕度等物理量的敏感性制成的物性型敏感器件。

霍爾元件——磁電轉(zhuǎn)換傳感器

置于均勻磁場(chǎng)中的通電半導(dǎo)體（鍺、銻化銦、砷化銦等），在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向產(chǎn)生橫向電場(chǎng)的現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，相應(yīng)電場(chǎng)稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)。一、磁敏式傳感器CurrentMagneticFluxHallvoltage霍爾所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為下面的式子（N型半導(dǎo)體）所示：霍爾系數(shù)霍爾元件霍爾片四極引線殼體H霍爾元件霍爾開(kāi)關(guān)霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫磁力作用的結(jié)果。假設(shè)一通以固定電流i的N型半導(dǎo)體薄片置于與薄片厚度方向平行的磁場(chǎng)B中，則其中運(yùn)動(dòng)的載流子（電子）將受到洛倫磁力FL的作用向一邊偏移，并形成電子累積，另一邊積累正電荷，產(chǎn)生電場(chǎng)。該電場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生電場(chǎng)力FE，阻止運(yùn)動(dòng)電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)FE=FL時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)電場(chǎng)即為霍爾電場(chǎng)。

VH=kHiBsin其中，kH：霍爾常數(shù)，取決于材質(zhì)、溫度、元

件尺寸（厚度）

：

電流與磁場(chǎng)方向的夾角。顯然，改變i或B，即可改變VH?；魻栯妶?chǎng)對(duì)應(yīng)的電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)（VH），其大小為：光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。光敏電阻優(yōu)點(diǎn)：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(zhǎng)。缺點(diǎn)：使用時(shí)需要有外部電源，同時(shí)當(dāng)有電流通過(guò)它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問(wèn)題。1、光敏電阻（光導(dǎo)管）二、光敏式傳感器CdS光敏電阻可單獨(dú)或與其他各類(lèi)傳感器配套，廣泛應(yīng)用于照相機(jī)光圈控制、光電自動(dòng)控制、光電耦合、自動(dòng)燈開(kāi)關(guān)及各類(lèi)可見(jiàn)光波段光電控制測(cè)量場(chǎng)合。

CdS（硫化鎘gé）光敏電阻光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號(hào)退出梳狀電極面積較大時(shí)采用光敏電阻薄臘上蒸鍍金屬開(kāi)成梳狀電極。光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式有源器件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。2、光電池光電池的構(gòu)造和表示符號(hào)2、光敏管當(dāng)二極管和三極管的PN結(jié)受到光照射時(shí)，通過(guò)PN結(jié)的電流將增大。光敏二極管和光敏三極管則必須使PN結(jié)能受到最大的光照射，所以PN結(jié)裝在管的頂部上面有一個(gè)用透鏡制成的窗口，以使入射光集中照在PN結(jié)上。光敏二極管與光敏三極管光敏二極管和光敏三極管體積很小，應(yīng)用極為廣泛。光敏二極管光耦合隔離器、光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸裝置和測(cè)試技術(shù)中廣泛應(yīng)用；光敏三極管高電流響應(yīng)器件。光敏三極管有兩個(gè)PN一般基極無(wú)引線。真空光電管Dynode倍增極InputWindowPhotoCathode光電倍增管紅外傳感器（光敏三極管）硅光電池東方網(wǎng)11月20日消息：這是位于西藏藏北無(wú)人區(qū)西部尼瑪縣新建成的光伏電站用來(lái)發(fā)電的大型硅光電池版?，F(xiàn)代化走進(jìn)藏北高原無(wú)人區(qū)：大型硅光電池三、熱敏式傳感器四、氣敏式傳感器所謂半導(dǎo)體氣敏傳感器，是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來(lái)檢測(cè)特定氣體的成分或者測(cè)量其濃度的傳感器的總稱(chēng)。半導(dǎo)體氣敏傳感器的種類(lèi)如表

主要物理特性傳感器舉例工作溫度典型被測(cè)氣體電阻式表面控制型氧化銀、氧化鋅室溫～450℃可燃性氣體體控制型氧化鈦、氧化鎂、氧化鈷室溫～700℃酒精、氧氣非電阻式表面電位氧化銀室溫硫醇二極管整流特性鉑/硫化鎘、鉑/氧化鈦室溫～200℃氫氣、一氧化碳、酒精晶體管特性鉑柵MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管室溫～150℃氫氣、硫化氫車(chē)輛駕駛?cè)藛T血液酒精含量大于或等于20mg/100ml，小于80mg/100m1的，屬于酒駕；血液酒精含量大于或等于80mg/100m1的，屬醉駕飲酒后駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)的，處暫扣六個(gè)月機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛證，并處一千元以上二千元以下罰款。因飲酒后駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)被處罰，再次飲酒后駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)的，處十日以下拘留，并處一千元以上二千元以下罰款，吊銷(xiāo)機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛證?！白砭岂{駛機(jī)動(dòng)車(chē)的，由公安機(jī)關(guān)交通管理部門(mén)約束至酒醒，吊銷(xiāo)機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛證，依法追究刑事責(zé)任；五年內(nèi)不得重新取得機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛證。5、濕敏傳感器

一、絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度

所謂濕度，是指大氣中所含的水蒸氣量。它有兩種最常用的表示方法，即絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度。絕對(duì)濕度是指一定大小空間中水蒸氣的絕對(duì)含量，可用“kg/m3”表示。絕對(duì)濕度也稱(chēng)水氣濃度或水氣密度。

絕對(duì)濕度也可用水的蒸氣壓來(lái)表示。設(shè)空氣的水氣密度為ρv，與之相應(yīng)的水蒸氣分壓為pv，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可以得出其關(guān)系式為

m——水氣的摩爾質(zhì)量；R——摩爾氣體普適常數(shù)；T——絕對(duì)溫度。

在實(shí)際生活中，許多現(xiàn)象與濕度有關(guān)，如水分蒸發(fā)的快慢。然而除了與空氣中水氣分壓有關(guān)外，更主要的是和水氣分壓與飽和蒸氣壓的比值有關(guān)。因此有必要引入相對(duì)濕度的概念。相對(duì)濕度為某一被測(cè)蒸氣壓與相同溫度下的飽和蒸氣壓的比值的百分?jǐn)?shù)，常用%RH表示。這是一個(gè)無(wú)量綱的值。顯然，絕對(duì)濕度給出了水分在空間的具體含量，相對(duì)濕度則給出了大氣的潮濕程度，故使用更廣泛。由于相對(duì)濕度低，人體表皮水分大量散失，導(dǎo)致人的皮膚彈性下降，加速皮膚衰老，出現(xiàn)表皮粗糙、細(xì)胞脫落等現(xiàn)象，一定程度上降低了皮膚抵抗病菌的能力這種環(huán)境中居住，人易患呼吸道疾病和出現(xiàn)口干、唇裂、流鼻血等現(xiàn)象相對(duì)濕度過(guò)低，還會(huì)導(dǎo)致木材水分散失，引起家具或木質(zhì)地板變形、開(kāi)裂和損壞；鋼琴、提琴等對(duì)濕度要求高的樂(lè)器不能正常使用；文物、檔案和圖書(shū)脆化、變形。相對(duì)濕度過(guò)高，又易使室內(nèi)家具、衣物、地毯等織物生霉，鐵器生銹，電子器件短路，地毯、壁紙發(fā)生靜電現(xiàn)象，對(duì)人體有刺激，甚至誘發(fā)火災(zāi)。二、氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類(lèi)潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。

典型的氯化鋰濕度傳感器有登莫（Dunmore）式和浸漬式兩種。三、半導(dǎo)瓷濕敏電阻

制造半導(dǎo)瓷濕敏電阻的材料，主要是不同類(lèi)型的金屬氧化物。

有一些材料電阻率隨濕度的增加而下降，故稱(chēng)為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷。還有一種材料（如Fe3O4半導(dǎo)瓷）的電阻率隨著濕度的增加而增大，稱(chēng)為正特性濕敏半導(dǎo)瓷。

電荷耦合器件（CCD）——固態(tài)圖象傳感器

外光電效應(yīng)：在光線作用下使物體的電子逸

出表面的現(xiàn)象；如光電管、光電倍增管。

內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下使物體電阻率改

變的現(xiàn)象；如光敏電阻等。

阻擋層光電效應(yīng)：在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象；如光電池、光敏晶體管等。也稱(chēng)光生伏特效應(yīng)。光電效應(yīng)

六、固態(tài)圖象傳感器

CCD

CCD是利用內(nèi)光電效應(yīng)由單個(gè)光敏元構(gòu)成的光傳感器的集成化。它集電荷存儲(chǔ)、移位和輸出于一體，應(yīng)用于成像技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信號(hào)處理電路等。其中作為固態(tài)成像具有圖象失真小、體積小、重量輕、可靠性高、工作電壓低（<20V）、動(dòng)態(tài)范圍大和不需強(qiáng)光照射等優(yōu)點(diǎn)。其光波范圍從紫外區(qū)及可見(jiàn)光區(qū)到紅外區(qū)。

CCD光敏元CCD的基本單元是MOS光敏元，是一種金屬-氧化物-半導(dǎo)體硅結(jié)構(gòu)元形成的電容器。CCD的特點(diǎn)是以電荷為信號(hào)傳輸。

如圖，在P型Si基片上熱氧化生成約100nm氧化層SiO2），再在氧化層上沉積一層金屬電極構(gòu)成一MOS電容器。當(dāng)在金屬電極（柵極）上施加正階躍電壓，半導(dǎo)體電極（襯底）接地，在電場(chǎng)作用下，靠近SiO2層的P-Si中帶正電荷的多數(shù)載流子空穴被排斥（“耗盡”），形成耗盡區(qū)。對(duì)帶負(fù)電的電子，該區(qū)勢(shì)能很低，稱(chēng)為“勢(shì)阱”。在一定條件下，電壓越高，勢(shì)阱越深。

如果此時(shí)有光從柵極通過(guò)透明的SiO2層照射在P-Si片上，耗盡區(qū)吸收光子將產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在柵極電壓作用下，空穴被排斥出耗盡區(qū)，光生電子被勢(shì)阱吸收存儲(chǔ)。這樣高于半導(dǎo)體禁帶寬度的那些光子，能建立起正比于光強(qiáng)的存儲(chǔ)電荷。將多個(gè)光敏元排列在一體，在光線照射下產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的光生載流子信號(hào)電荷，若使其具有轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷的自掃描功能，即構(gòu)成固態(tài)圖象傳感器。而MOS光敏元稱(chēng)為像素。電荷移位過(guò)程若MOS光敏元相鄰排列間距極小，耗盡區(qū)發(fā)生交迭（勢(shì)阱耦合），電子將在互相耦合的勢(shì)阱間流動(dòng)，流動(dòng)的方向取決于勢(shì)阱的深度。這樣即可有控制地將電荷從一個(gè)金屬電極下轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極下。

CCD應(yīng)用

第六節(jié)波式傳感器第1節(jié)超聲波第2節(jié)微波第3節(jié)核輻射第4節(jié)紅外第1節(jié)超聲波式傳感器一、超聲波及其物理性質(zhì)

頻率在16～2×104Hz之間的機(jī)械波，能為人耳所聞，稱(chēng)為聲波；低于16Hz的機(jī)械波稱(chēng)為次聲波；高于2×104Hz的機(jī)械波，稱(chēng)為超聲波。如圖

超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是對(duì)不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí),在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。這些特性使它在檢測(cè)技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用，如超聲波無(wú)損探傷、厚度測(cè)量、流速測(cè)量、超聲顯微鏡及超聲成像等。

1.超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。

①縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，稱(chēng)為縱波。（固體、液體和氣體中傳播）②橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，稱(chēng)為橫波。（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?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波，稱(chēng)為表面波。（固體的表面?zhèn)鞑ィ┊?dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)(固體)的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射以外，還發(fā)生橫波的反射及折射。在某種情況下，還能產(chǎn)生表面波。各種波型都符合反射及折射定律。傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度。由于氣體和液體的剪切模量為零，所以超聲波在氣體和液體中沒(méi)有橫波，只能傳播縱波。氣體中的聲速344m/s、液體中聲速在900~1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通常可認(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90%。2.超聲波的反射和折射聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在兩介質(zhì)的分界面上將發(fā)生反射和折射，見(jiàn)圖(1)反射定律入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同、波速相等時(shí)，入射角α等于反射角α′。(2)折射定律入射角α的正弦與折射角β的正弦之比等于入射波中介質(zhì)的波速c1與折射波中介質(zhì)的波速c2之比，即

3.聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律如下：

px,lx——平面波在x處的聲壓和聲強(qiáng)；

p0,l0——平面波在x=0處的聲壓和聲強(qiáng)；

α——衰減系數(shù)。

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減，取定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來(lái)自于聲波的擴(kuò)散，就是隨著聲波傳播距離的增加，在單位面積內(nèi)聲能將要減弱。散射衰減就是聲波在固體介質(zhì)中顆粒界面上散射，或在流體介質(zhì)中有懸浮粒子使超聲波散射。而聲波的吸收是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后等造成的。吸收隨聲波頻率的升高而增高。二、超聲波傳感器的應(yīng)用

1.超聲波傳感器

為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱(chēng)為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質(zhì)中傳到相介面經(jīng)過(guò)反射后，再返回到接收探頭，這就是超聲波測(cè)距原理。

超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱(chēng)為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)來(lái)工作的。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)，以產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭。而利用正壓電效應(yīng)則將接收的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成壓電信號(hào)，可作為接收探頭。

超聲波探頭的具體結(jié)構(gòu)如圖

超聲波探頭結(jié)構(gòu)a)發(fā)射探頭b)接收探頭

1—導(dǎo)線2—壓電晶片1—導(dǎo)線2—彈簧

3—音膜4—錐形罩3—壓電晶片4—錐形罩2.超聲波測(cè)厚

超聲波測(cè)量金屬零件的厚度，具有測(cè)量精度高，測(cè)試儀器輕便，操作安全簡(jiǎn)單，易于讀數(shù)及實(shí)行連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

超聲波測(cè)厚常用脈沖回波法。脈沖回波法檢測(cè)厚度的工作原理如圖

如果超聲波在工件中的聲速v是已知的，設(shè)工件厚度為δ，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔T可以測(cè)量，因此可求出工件厚度為

3超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開(kāi)始，到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。圖10-4給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播，如圖10-4（a）所示。由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使發(fā)射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖10-4（b）所示。這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。圖10-4幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖(a)超聲波在液體中傳播；(b)超聲波在空氣中傳播對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō)，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為則（10-9）（10-10）式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。對(duì)于如圖10-4所示雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)的路程為2s，而（10-11）因此液位高度為（10-12）式中：s——超聲波從反射點(diǎn)到換能器的距離；

a——兩換能器間距之半。從以上公式中可以看出，只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的物位。超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測(cè)量誤差為±0.1%。

4超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測(cè)定方法是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽(tīng)聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時(shí)間差法。超聲波在流體中傳播時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道流體的流量。如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個(gè)裝在上游，一個(gè)裝在下游，其距離為L(zhǎng),如圖10-5所示。如設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向的傳播時(shí)間為t2，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c，流體流動(dòng)速度為v，則（10-13）（10-14）圖10-5超聲波測(cè)流量原理圖一般來(lái)說(shuō)，流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度，因此超聲波傳播時(shí)間差為（10-15）由于c>>v,從上式便可得到流體的流速，即（10-16）圖10-6超聲波傳感器安裝位置此時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間將由下式確定：（10-17）（10-18）超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測(cè)的流體種類(lèi)很多，不論是非導(dǎo)電的流體、高粘度的流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)量。超聲波流量計(jì)可用來(lái)對(duì)自來(lái)水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。還適用于下水道、農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測(cè)量。5、醫(yī)學(xué)診斷第2節(jié)微波式傳感器一、微波的基礎(chǔ)知識(shí)微波是波長(zhǎng)為1m～1mm的電磁波，既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通的無(wú)線電波和光波。微波相對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波具有下列特點(diǎn)：

①空間輻射的裝置容易制造；

②遇到各種障礙物易于反射；

③繞射能力較差；

④傳輸特性良好，傳輸過(guò)程中受煙、灰塵、強(qiáng)光等的影響很??；

⑤介質(zhì)對(duì)