传感器原理3

机械工程测试技术
T
A
T0
E AB (T )
kT q
ln
NA NB
B
E AB (T0 )
kT0 q
ln
NA NB
回路总电势 E AB (T ,T0 ) E AB (T ) E AB (T0 )
k——玻耳兹曼常数，
q——电子电荷量，T——接触处的温度
NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。
3.4.3 热电式传感器
3.6 光纤传感器
应用：
1.0
相
对
光
强
光
纤
位
0
移
膜片
传
感
器
相对位移（m) 光栅
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15 输出光纤
输入光纤
3.6 光纤传感器
探
光
测
源
器
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光纤
n1
三棱镜
n液
光纤液位计
3.6 光纤传感器
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光纤传感器的特点：
1. 灵敏度高，传输量大；
2. 不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；
3.7.4 CCD固态图象传感器
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在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元， 如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图 像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度 相对应的光生电荷图像。
3.7.4 CCD固态图象传感器
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• 特点:
• (1) 非接触检测;
• (2) 响应快;
Rt R0 (1 At Bt 2 )
铜电阻：线性好、电阻温度系数高、价格低
缺点是电阻率小，阻值小。
Rt R0 (1 t)
3. 5 光电传感器
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光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外 线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。 其工作原理是基于一些物质的光电效应。
外光电效应
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由于外界因素能引起光波特征参量发生变化， 因此只要能测出这些参量是如何随被测量变 化的，就可以用它来测温度、压力、电场、 振动等物理量。
按 强度调制
调 制 方
频率调制 相位调制
式 偏振调制
按 光
传感型
纤 （功能型）
的
作 传光型（非
用 功能Leabharlann Baidu）
3.6 光纤传感器
光纤传感器的组成及分类
•应用 • 磁头；接近开关和无触点开关。
3.7 半导体传感器
案例：转速测量
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3.7 半导体传感器
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3.7.2 热敏电阻传感器
半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、 钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半 导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻 值下降。
R (1 1 )
3.7 半导体传感器
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3.7.3 气敏电阻传感器
气体与人类日常生活密切相关，对气体的检 测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段， 气敏传感器发挥着极其重要的作用。
如生活环境中一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L 时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还 有易燃、易爆气体、酒精等的探测。
光照时物体内的电子从物体表面逸出的现象。 光子的电磁能 动能。
光子的能量： E hv
电子吸收了光子的能量：hv
1 2
m v2
A
当入射光频率不变时，入射光强↑，光电子↑。
主要器件：光电管、光电倍增管
3. 5 光电传感器
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内光电效应
半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使 其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后 电阻率发生变化的现象,称为内光电效应 。
铂铑30－铂铑6热电偶（WRLL）：性能稳定、精度高、 适合在氧化或中性介质中使用；热电势小，价格高。
3.4.3 热电式传感器
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3.4.3 热电式传感器
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2. 热电阻传感器 ——导体的电阻随温度变化。
金属热电阻——简称热电阻 半导体热电阻——热敏电阻
常用热电阻 铂电阻：精度高、稳定性好、性能可靠
3. 5 光电传感器
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案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。
3. 5 光电传感器
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亮度传感器：
通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比 较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线， 达到节约电能的目的。
3. 5 光电传感器
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相机测距反射式光电传感器
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3.7 半导体传感器
2 磁电阻元件
•磁阻效应
B
R R0 / cos2 R0 (1 2 ) R0 (1 2 B2 )
R0 ——材料在磁感应强度 为0时的电阻；
μ——载流子的迁移率
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--
w x
++
l
3.7 半导体传感器
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•特点 • 电阻的增量与磁场的平方成正比； • 与磁场的正负无关； • 温度系数影响大； • 磁感应的范围比霍尔元件大。
3.4.3 热电式传感器
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1. 热电温度计(热电偶)
热电效应
将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合 回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产 生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。
eA(t,t0) 温差电动势
接触电动势
温差电动势 eB(t,t0)
接触电动势
3.4.3 热电式传感器
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3)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如
果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后 的热电动势可用下式求得：
EAB (T ,T0 ) EAC (T ,T0 ) ECB (T ,T0 )
A
A
C
T
T0 = T
T0 + T
T0
B
C
B
由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。
3.7.3 气敏电阻传感器
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3.7.3 气敏电阻传感器
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实验室中的传感器
3.7.3 气敏电阻传感器
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燃气报警器
烟雾报警器
3.7.3 气敏电阻传感器
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酒精传感器
3.7 半导体传感器
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3.7.4 CCD固态图象传感器
MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的 结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物 (如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极， 以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。
由光源发出的光经光纤引 至敏感元件。这时，光的 某一参数（光波的强度、 频率、相位和偏振）受到 被测量的调制，已调光经 接受光纤耦合到光接收器， 使光信号变为电信号，最 后经信号处理得到所期待 的被测量。
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传感型 传光型
3.6 光纤传感器
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1）功能型（传感型）光纤传感器
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GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114
3. 传感器原理
3.8 超声波检测传感器 1)声波及其分类
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(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。 (2)声波:振动频率在16Hz―20KHz之间的机械波。 (3)超声波:高于20KHz的机械波。
声功率
声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能
量，单位是W。
3.8 超声波检测传感器
超声波传感器原理
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P
-+ -+
N
-+
3. 5 光电传感器
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应用
光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射 式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式四种基 本形式。
比色高温计
3. 5 光电传感器
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浑浊度计
3. 5 光电传感器
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检测尺寸或振动
3. 5 光电传感器
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表面粗糙度仪
功能型光纤传感器是利用光纤对环境变化 的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 光纤不仅传输光波，还起着敏感元件的作用。
3.6 光纤传感器 光纤流速传感器
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3.6 光纤传感器
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2）传光型（非功能型）光纤传感器
传光型光纤传感器是由光检测元件与光纤传 输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤 仅作为光的传播媒质。
3.6 光纤传感器
入射角的最大值 ic为：
s in ic
1 n0
n12
-
n
2 2
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将 n0 sin ic定义为光纤的“数值孔径”，用NA表示：
NA
s in ic
1 n0
n12
-
n
2 2
光纤的数值孔径越大，能够在光纤内实现全反射的入 射角范围越大。传感器光纤，NA为0.2～0.4。
3.6 光纤传感器
3.7 半导体传感器
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霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。
3.7 半导体传感器
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3.7 半导体传感器
铁钢磁丝材绳料断裂裂纹检检查测
N
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S
3.7 半导体传感器
应用
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叶片和齿轮位置传感器
3.7 半导体传感器 案例：汽车速度测量:
主要器件：
光敏电阻
光敏二极管
光敏三极管
光照度↑， 光敏电阻的阻值↓
主要用在开关电路中。
3. 5 光电传感器
照相机自动测光 光控灯 工业控制
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3. 5 光电传感器
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光生伏特效应
光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照 后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光 源的光电池（太阳能电池）是常用的光生伏特型 器件。
3. 可根据需要做成各种形状，可以弯曲；
4. 可以用于高温、高压，绝缘性好，耐腐蚀。
3.6 光纤传感器
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光纤检测型光电传感器
作业件检测 颜色检测
3.7 半导体传感器
3.7.1 磁敏元件传感器
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1 霍尔元件 VH KH IB sin
金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生 电动势，这种物理现象称为霍尔效应。
2）超声波的物理性质
超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有 束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远 远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。
3.8 超声波检测传感器
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声压
所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压 力之差值，单位为Pa，1Pa =1N/m2。
声强
声强是声波在传播方向上单位时间内通过单 位面积的能量，单位为W/m2。
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
3.7.3 气敏电阻传感器
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气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、 氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇 等时，二者相互吸收电子的能力不同，使电阻率发 生变化，且气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变 而变化。
3.7.3 气敏电阻传感器
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R R0e T T0
特点：灵敏度高；热惯性小
非线性大；对温度敏感
T
3.7.2 热敏传感器
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3.7.2 热敏传感器
机械工程测试技术
3.7.2 热敏传感器
产品
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3.7.2 热敏传感器
应用 温控器
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水温感应塞
还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等
汽车发动机传感器
3.4.3 热电式传感器
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常见热电偶型号：
铂铑－铂热电偶（WRLB）：
复制精度和重复精度高，稳定性好；热电势较弱，成 本高。
镍铬－镍硅热电偶（WREU）：热电势大、线性好，价 格便宜；精度较低。工业中最常用的热电偶之一。
镍铬－考铜热电偶（WREA）：热电灵敏度高、价格便 宜；测温范围窄，易氧化变质。
3.6 光纤传感器
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光纤的结构与传光原理
光纤的结构： 基本采用石英玻璃，
玻璃纤维 尼龙外层 包层
主要由三部分组成
外层直径1mm
中心——纤芯；
外层——包层； 100 ~200μm
护套——尼龙料。
纤芯 涂敷层
光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质， 纤芯折射率n1略大于包层折射率n2( n1 ＞ n2 )。
3.6 光纤传感器
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C
n0 B
θ2
θi
D
n2
n1 d
A
光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射 到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；
❖光线在光纤端面入射角θi减小到某一角度θc (临界角) 时，光线全部反射。
❖只要θi＜θc ，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射 向前传播，最后从另一端面射出。
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热电偶测温基本定律
T
T0
1)均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论导
体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产
生热电动势。
T
T0
V
2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只
要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响 热电偶回路的总热电动势。
3.4.3 热电式传感器
• (3) 可靠性高,为修简便;
• (4) 测量精度高;
• (5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接 • (6) 对被测物体需要强光照射;
条形码扫描器
• (7) 受被测物体以外的光的影响.
• 应用:
• (1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.
3.7.4 CCD固态图象传感器 数码相机