传感器与自动检测技术(第二版)第七章波式传感器
传感器技术及应用(第二版)检测与传感技术基础
1）偏差式测量法
•
在测量过程中，用仪表指针相对于刻度线的
检 位移（偏差）来直接表示被测量，这种方法称为 测 偏差式测量法，广泛应用于工程测量。
与
传
感
技
术
基
础
传 感 器 技 术 及 应
用•
2）零位式测量法 零位式测量法是在测量过程中，用指零仪
表的零位指示来检测测量系统是否处于平衡状
态，当测量系统达到平衡时，用已知的基准量
用
•
根据测量数据中的误差所呈现的规律及产
生的原因可将其分为系统误差、随机误差和粗
检 大误差。
测
与
传
感
技
术
基
础
传
感
器 技
术 及
1）随机误差
应 用
•
在同一测量条件下，多次测量被测量时，
其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差
称随机误差。
•
检
测•
与 传 感 技 术 基 础
随机误差表示为
随机误差 xi x
检 测 与 传 感 技 术 基 础
传
感
器
技
术
及 应
1.2.3 测量误差
用
• 测量误差是测得值减去被测量的真值。
检 1. 测量误差的表示方法
测
与 • 测量误差的表示方法有多种，含义各异。
传 感 技 术 基 础
传 感 器 技 术 及 应
用•
检 测
•
与
传
感
技
术
基
础
1）绝对误差 绝对误差可定义为
X L
式中：——绝对误差；
感
技
图1-1 检测系统组成框图
传感器与检测技术(第二版)习题答案
0.1答：传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
0.2答：①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。
②传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的装置。
④变送器：能输出标准信号的传感器。
1.1解： 1.2解：601051030033=⨯⨯=∆∆=-X U k Cmm S S S S ︒=⨯⨯=⨯⨯=/20.50.22.03211.3解：带入数据得：b kx y +=)(b kx y i i i +-=∆22)(i i i i i i x x n y x y x n k ∑-∑∑∑-∑=222)()(i i i i i i i x x n y x x y x b ∑-∑∑∑-∑∑=68.0=k 25.0=b1.3拟合直线灵敏度0.68,线性度±7%∴25.068.0+=x y %7535.0%100max ±=±=⨯∆±=FS L y L γ238.01=∆35.02-=∆16.03-=∆11.04-=∆126.05-=∆194.06-=∆1.4解：设温差为R,测此温度传感器受幅度为R 的阶跃响应为(动态方程不考虑初态)())1(3/t e R t y --=当()3R t y =时⇒22.132ln 3=-=t 当()2R t y =时⇒08.221ln 3=-=t1.5解：此题与炉温实验的测飞升曲线类似: 1.6解：())1(9010/T t e t y --+=由()505=y ⇒51.895ln 5=-=T ()⎩⎨⎧=--=-5.0)1(2025/T e t y T t ()68.71=y ()36.52=y1.7解：所求幅值误差为1.109,相位滞后n n j s n n n j s s j G ωωξωωωξωωωω21122222+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=++==）（()109.110005005.021********211222222=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=n n j G ωωξωωω'42331000500110005005.02122121︒-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--tg tg n n ωωωωξϕ'4233︒1.8答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
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22
重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
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现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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34
自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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44
误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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45
误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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25
分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。
传感器检测技术习题参考答案（第二版）
传感器检测技术习题参考答案（第⼆版）传感器与检测技术（书号25971）参考答案第1章检测技术基本知识1.选择题（1）C B （2）D （3）A （4）B（5）B2.简答题（1）P13-P14（2）P13-P15；（3）P15-P16（4）P16-P18（5）P19（6）P4（7）P4-P6（8）P6-P7（9）P83.计算题（1）①1℃②5% 1%（2）167.762 Ωσ=0.184Ω4.分析题（1）150V量程150V量程相对误差为0.7%，300V量程相对误差为1.4%（2）0.5级、0.2级、0.2级第2章⼒学量传感器及应⽤1 填空（1）⾦属半导体材料⼏何形变电阻率半导体（2）丝式箔式薄膜式（3）半导体压阻2.简答（1）P29 (2) P29 (3) P36 (4)P40-P41 (5)⼀般来讲，应变⽚的电阻变化较⼩，很难⽤⼀般的电阻测量仪器测量；实际测量系统中，需要把电阻变化转换为电压的变化。
故实际⼀般使⽤电桥电路测量。
(6)P39注意应变⽚应变极性，保证其⼯作在差动⽅式。
(7)P46-47 (8)P48 (9)P49 (10)P50-P51（11）由于外⼒作⽤在压电传感元件上所产⽣的电荷只有在⽆泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有⽆限⼤的内阻抗，这实际上是达不到的，所以压电式传感器不能⽤于静态测量。
压电元件只有在交变⼒的作⽤下，电荷才能源源不断地产⽣，可以供给测量回路以⼀定的电流，故只适⽤于动态测量。
3.计算题4.分析题（1）P42 (2)P43 （3）（4）参照⾼分⼦压电材料特点分析（5）基本⼯作原理是，当使⽤者将开关往⾥按时，有⼀很⼤的⼒冲击压电陶瓷，由于压电效应，在压电陶瓷上产⽣数千伏⾼压脉冲，通过电极尖端放电，产⽣了电⽕花；将开关旋转，把⽓阀门打开，电⽕花就将燃烧⽓体点燃了。
第3章⼏何量传感器及应⽤1．单项选择（1）D (2)D (3)D (4)A (5)C (6)A(7)A (8)A(9)A2.简述（1）P62-63 (2) P63 (3) P65-68 (4)P68 (5)P70-71 (6)P72-73 (7)P75 (8)P76-77 (9) P77 (10)P82 (11)P83-85 (12)P77 P813.分析题（1）参照电位器式传感器原理分析。
《传感器与智能检测技术》 第7章习题答案
第7章思考题与习题一、填空题1.霍尔传感器是一种磁敏传感器，它是把磁学物理量转换成电信号的装置，广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。
它的最大特点是非接触测量。
2.霍尔电势U H与输入电流I及磁感应强度B成正比，其灵敏度K H与霍尔系数R H成正比而与霍尔片厚度d成反比。
所以，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。
3.霍尔元件的结构很简单，它通常由霍尔片、引线和壳体组成。
4.半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻。
二、简答题1.简述你理解中的霍尔效应。
1879年，美国物理学家霍尔（E.H.Hall）经过大量的实验发现：如果让一恒定电流通过一金属或半导体薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势，这个现象后来被人们称为霍尔效应。
假设霍尔元件为N型半导体薄片，薄片厚度为d，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片。
在薄片前后两端通以控制电流I，那么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流I相反的方向运动。
由于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力F L而发生偏转，结果在半导体的右端面上电子积累带负电，而左端面缺少电子带正电，在半导体的左右端面间形成电场。
该电场产生的电场力F E阻止电子继续偏转。
当F E和F L相等时，电子积累达到动态平衡。
这时在半导体左右两端面之间（即垂直于电流和磁场方向）建立电场，称为霍尔电场E H，相应的电势U H称为霍尔电势。
2.制成霍尔元件常用的材料有哪些？1948年以后，由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，并制成了锑化铟、砷化镓、砷化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。
目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的灵敏度、温度特性、线性度均较好。
3.简述集成霍尔传感器的分类、特点及应用场合。
集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。
其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。
第七章 超声波传感器 《自动检测技术及应用(第2版)》课件
超声波的波型分类
纵波
纵波在钢材中的传播
纵波质点的运动方向
横波
表面波在钢材表面的传播
1－超声波发生器 2－钢材
纵波（疏密波）纵波。在介质中传播时， 波的传播方向与质点振动方向一致。
横波
横波也称“凹凸 波”，是介质粒子振 动方向和波行进方向 垂直的一种波。也称S 波,若此波沿着x轴移动， 则振动方向为与x轴垂 直的方向上。
压电陶瓷或磁致 伸缩材料在高电压 窄脉冲作用下，可 得到较大功率的超 声波，可以被聚， 能用于集成电路及 塑料的焊接。
超声波塑料焊接机
超声波金丝 焊接机
超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在 遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射 和折射现象，这一现象类似于光波。
便携式超声波 探鱼器
超声波在医学检查 中的应用
超声波的反射率与折射率
当声波垂直入射到光滑的界面上时的示意图如图所
示，入射声压pi、反射声压pr、透射声压pd三者之间满 足如下关系： p i+ pr = pd
反射波和透射波声压的比例与组成界面的两种介质
的声阻抗Z有关。界面一侧的总声压等于另一侧的总
声压，压强处于平衡状态。将反射声压pr与入射波声
接触法双晶直探头
发射晶片 接收晶片
将两个单晶探头组合 装配在同一壳体内，其 中一片发射超声波，另 一片接收超声波。两晶 片之间用一片吸声性能 强、绝缘性能好的薄片 加以隔离。
双晶探头的结构虽然 复杂些，但检测准确度 比单晶直探头高，且超 声信号的反射和接收的 控制电路简单。
各种双晶直探头
焦距范围：5~40mm, 频率范围：2.5~5MHz， 在钢中的折射角：45 ~70
接触法双晶斜探头（续）
(完整版)传感器与检测技术第二版知识点总结
传感器知识点一、电阻式传感器1) 电阻式传感器的原理：将被测量转化为传感器电阻值的变化，并加上测量电路。
2) 主要的种类：电位器式、应变式、热电阻、热敏电阻 ● 应变电阻式传感器1) 应变：在外部作用力下发生形变的现象。
2) 应变电阻式传感器：利用电阻应变片将应变转化为电阻值的变化a. 组成：弹性元件+电阻应变片b. 主要测量对象：力、力矩、压力、加速度、重量。
c. 原理：作用力使弹性元件形变发生应变或位移应变敏感元件电阻值变化通过测量电路变成电压等点的输出。
3) 电阻值：ALR ρ=(电阻率、长度、截面积)。
4) 应力与应变的关系：εσE =(被测试件的应力=被测试件的材料弹性模量*轴向应变)5) 应力与力和受力面积的关系：（面积）（力）（应力）A F =σ应注意的问题：a. R3=R4；b. R1与R2应有相同的温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度、初值；c. 补偿片的材料一样，个参数相同；d. 工作环境一样；二、电感式传感器1) 电感式传感器的原理：将输入物理量的变化转化为线圈自感系数L 或互感系数M的变化。
2) 种类：变磁阻式、变压器式、电涡流式。
3) 主要测量物理量：位移、振动、压力、流量、比重。
● 变磁阻电感式传感器1) 原理：衔铁移动导致气隙变化导致电感量变化，从而得知位移量的大小方向。
2) 自感系数公式：)(2002气隙厚度（截面积）（磁导率）δμA L N=。
3) 种类：变气隙厚度、变气隙面积4) 变磁阻电感式传感器的灵敏度取决于工作使得当前厚度。
5) 测量电路：交流电桥、变压器式交变电桥、谐振式测量电桥。
P56 6)应用：变气隙厚度电感式压力传感器（位移导致气隙变化导致自感系数变化导致电流变化）● 差动变压器电感式传感器1) 原理：把非电量的变化转化为互感量的变化。
2) 种类：变隙式、变面积式、螺线管式。
3) 测量电路：差动整流电路、相敏捡波电路。
● 电涡流电感式传感器1) 电涡流效应：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁感线的运动，磁通变化，产生电动势，电动势将在导体表面形成闭合的电流回路。
传感器与检测技术(第2版)全套课件
传感器与检测技术（第2版）
（3）组合测量。若被测量必须经过求解联立方程组才能得 到最后结果，则这种测量方法称为组合测量。组合测量是一种 特殊的精密测量方法，操作手续复杂，花费时间长，多用于科 学实验等特殊场合。 2．等精度测量与不等精度测量
用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量， 称为等精度测量。
用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差 很大时对同一被测量进行多次重复测量称为非等精度测量。
传感器与检测技术（第2版）
3．偏差式测量、零位式测量和微差式测量
（1）偏差式测量。在测量过程中，用仪表指针的位移（即 偏差）决定被测量值，这种测量方法称为偏差式测量。仪表上 有经过标准量具校准过的标尺或刻度盘。在测量时，利用仪表 指针在标尺上的示值，读取被测量的数值。偏差式测量简单、 迅速，但精度不高，这种测量方法广泛应用于工程测量中。
1.1 测量方法及检测系统的组成
1.1.1 测量的基本概念
在科学实验和工业生产中，为了及时了解实验进展情况、 生产过程情况以及它们的结果，人们需要经常对一些物理量， 如电流、电压、温度、压力、流量、液位等参数进行测量，这 时人们就要选择合适的测量装置，采用一定的检测方法进行测 量。
测量是人们借助于专门的设备，通过一定的方法，对被测 对象收集信息、取得数据概念的过程。为了确定某一物理量的 大小，就要进行比较，因此，有时也把测量定义为“将被测量 与同种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量倍数的过
传感器与检测技术（第2版）
1．直接测量、间接测量与组合测量
（1）直接测量。用事先分度或标定好的测量仪表，直接读 取被测量值的方法称为直接测量。例如，用电磁式电流表测量
电路的某一支路电流、用电压表测是工程技术中大量采用的方法， 其优点是测量过程简单而又迅速，但不易达到很高的测量精度。
《传感器》第2版-余成波 传感器与自动检测技术习题参考答案
第一章习题参考解1.1 什么是传感器？传感器特性在检测系统中起什么作用？答：传感器（Transducer/sensor）的定义为：“能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器的基本特性是指传感器的输入—输出关系特性，是传感器的内部结构参数作用关系的外部特性表现。
不同的传感器有不同的内部结构参数，这些内部结构参数决定了它们具有不同的外部特性。
对于检测系统来说存在有静态特性和动态特性。
一个高精度的传感器，必须要有良好的静态特性和动态特性，从而确保检测信号（或能量）的无失真转换，使检测结果尽量反映被测量的原始特征。
1.2 画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。
答：传感器一般由敏感元件、变换元件和其他辅助元件组成，组成框图如图所示。
敏感元件——感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件，如膜片和波纹管，可以把被测压力变成位移量。
若敏感元件能直接输出电量（如热电偶），就兼为传感元件了。
还有一些新型传感器，如压阻式和谐振式压力传感器、差动变压器式位移传感器等，其敏感元件和传感器就完全是融为一体的。
变换元件——又称传感元件，是传感器的重要组成元件。
它可以直接感受被测量（一般为非电量）而输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。
传感元件也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。
例如差动变压器式压力传感器，并不直接感受压力，而只是感受与被测压力成确定关系的衔铁位移量，然后输出电量。
一般情况下使用的都是这种传感元件。
信号调理与转换电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。
信号调理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多种类，常用的电路有电桥、放大器、振荡器和阻抗变换器等。
1.3 什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些性能指标？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入—输出关系。
传感器与检测技术(第二版)参考答案参考答
传感器与检测技术（第二版）参考答案第1章 检测技术基本知识1.1单项选择:1.B2.D3. A4.B1.2见P1；1.3见P1-P3；1.4见P3-P4；1.5 见P5；1.6 （1）1℃（2）5﹪，1﹪ ；1.7 0.5级、0.2级、0.2级；1.8 选1.0级的表好。
0.5级表相对误差为25/70=3.57﹪, 1.0级表相对误差为1/70=1.43﹪；1.9见P10-P11；1.10见P11- P12；1.11 见P13-P14第2章 电阻式传感器及应用2.1 填空1.气体接触，电阻值变化；2.烧结型、厚膜型；3.加热器，加速气体氧化还原反应；4.吸湿性盐类潮解，发生变化2.2 单项选择1.B 2. C 3 B 4.B 5.B 6. A2.3 P17；2.4 P17；2.5P24；2.6 P24；2.7 P24-P25；2.8 P25；2.9 P26；2.10 P30-312.11 应变片阻值较小；2.12P28，注意应变片应变极性，保证其工作在差动方式；2.16 Uo=4m V ；2.17 P34；2.18 P34；2.19 (1) 桥式测温电路，结构简单。
（2）指示仪表 内阻大些好。
（3）RB:电桥平衡调零电阻。
2.20 2.21 线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好；传感器的延迟时间越短越好；传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。
2.23 P44；2.33 P45第3章 电容式传感器及应用3.1 P53-P56；3.2 变面积传感器输出特性是线性的。
3.3 P58-P59；3.4 P59-P613.5 当环境相对湿度变化时，亲水性高分子介质介电常数发生改变，引起电容器电容值的变化。
属于变介电常数式。
3.6 参考变面积差动电容传感器工作原理。
参考电容式接近开关原理。
3.8 （1）变介电常数式；（2）参P62 电容油料表原理第4章 电感式传感器及应用4.1 单项选择1.B；2.A4.2 P65；4.3 P68；4.4 螺线管式电感传感器比变隙式电感传感器的自由行程大。
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I I 0e
A
（7-6)
图7-2 超声波能量的衰减
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第7章 波式传感器
传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3
7.1.2 超声波换能器及耦合技术
超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器根据其工作原理不 同，分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术中主 要采用压电式。换能器由于其结构的不同，又分为直探头、斜探 头、双探头、表面探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头以 及其它专用探头等。
sin c sin c1
（7-4）
当入射波和反射波的波形一样，波速一样，入射角即等 于反射角。
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第7章 波式传感器
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3．折射定律
入射角的正弦与折射角的正弦之比等于超声波 在入射波及折射波所处介质中的传播速度之比，
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第7章 波式传感器
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在气体中，传播速度与气体种类、压力及温度有关， 在空气中传播速度c为
c 331.5 0.607t (m / s)
对固体，其传播速度c为
固体的弹 性模量 环境 温度
（7-2）
图7-3b
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第7章 波式传感器
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《传感器与检测技术》(第二版)第二章
1.应变(ε) 在材料力学中，=l/l 称为电阻丝的轴向 应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。 通 常 很 小 ， 常 用 10-6 表 示 之 。 例 如 ， 当 为 0.000001 时 ， 在 工 程 中 常 表 示 为 110-6 或 m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变 ( )。 对金属材料而言，当它受力之后所产生 的轴向应变最好不要大于110-3，即 1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度 而导致断裂。
精或丙酮的纱布片或脱脂 棉球擦洗。
2013年7月21日
衢州学院
传感器与检测技术（第二版）
湖州职业技术学院机电分院
2.贴片：在应 变片的表面和处理 过的粘贴表面上， 各涂一层均匀的粘 贴胶 ，用镊子将应 变片放上去，并调 好位置，然后盖上 塑料薄膜，用手指 揉和滚压，排出下 面的气泡 。
2013年7月21日
何将R /R转换为输出电压Uo的。
2013年7月21日
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传感器与检测技术（第二版）
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2013年7月21日
衢州学院
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电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3
调节RP，最终可以 使R1/R2=R4/R3（ R1、
湖州职业技术学院机电分院
R2是R1、R2并联RP后的
双臂电桥
R1、 R2为应变 片， R3、R4为固定电 阻 。应变片R1 、R2 感 受到的应变1~2以及 产生的电阻增量正负 号相间，可以使输出 电压Uo成倍地增大。
湖州职业技术学院机电分院
2013年7月21日
衢州学院
传感器与检测技术（第二版）
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变
传感器与自动检测技术
测量误差补偿
1）不等位电势如图3.94所示，由制造工艺缺陷造成不等位电势出现的主要原因有：
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测量误差补偿
2）寄生直流电势当霍尔元件通以交流激励电流而不加外磁场时，霍尔电势除了交流不等位电压外，还有直流电势分量，此直流电势分量称为寄生直流电势。其产生的主要原因有：①激励电极与霍尔电极接触不量，形成非欧姆接触，造成整流效果；②霍尔电极的焊点大小不等或不对称，则两电极点的热容量不同而引起温差，产生内部温差电势。
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测量误差补偿
2）恒压源供电和输入回路串联电阻当霍尔元件采用恒压源供电时，且霍尔输出端处于开路状态，可在输入回路中串联补偿电阻R来进行补偿，补偿电路如图3.97所示。
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测量误差补偿
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3.11 光纤传感器
光纤的结构和传光原理光纤传感器基本原理及类型光纤传感器的调制光纤传感器的应用
光电耦合器件
（1）光电隔离器 光电隔离器由一发光二极管和光敏晶体管封装在同一个管壳内组成，在装配上要使LED辐射能量能有效地耦合到光敏晶体管上。 选用哪种形式的光电隔离器要根据使用要求和目的来确定当然在实用中都应尽量选用结构简单的组合形式的器件，且无论选用何种组合形式，均要使发光元件与接收元件的工作波长相匹配，保证器件具备较高的灵敏度。
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光纤的结构和传光原理
（1）光纤的结构 光导纤维，简称光纤，是一种用于传输光信息的多层介质结构的对称圆柱体，其基本结构包括纤芯、包层和涂敷层等，它的结构如图3.99所示。
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光纤的结构和传光原理
2）光纤的传光原理 根据几何光学理论，当光线以某一较小的入射角θl，由折射率较大的光密物质射向折射率较小的光疏物质时，则一部分入射光以折射角θ2折射入光疏物质，其余部分以θl角度反射回光密物质，根据光的折射定律，光折射和反射之间关系为：
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7.1.1 超声波的物理性质
衰减系数A与介质密度及波的频率有很大 关系。气体密度小，则衰减快，尤其在频率高 时衰减更快。因此在空气中采用的超声波频率 较低(几十kHz)，而在固体或液体中较高。
7.1.2 超声波换能器及耦合技术
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和 接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传 感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
按超声波探头的结构，可分为直探头，斜探 头，双探头和液浸探头等。按其工作原理又可分 为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中 压电式探头最为常见。
1.以固体为传导介质的探头 单晶直探头 斜探头
接触式 直探头原理
超声脉冲电压 输入端 接地端
接触法双晶直探头
发射晶片 接收晶片
将两个单晶探头组合 装配在同一壳体内，其中 一片发射超声波，另一片 接收超声波。两晶片之间 用一片吸声性能强、绝缘 性能好的薄片加以隔离。 双晶探头的结构虽然复杂 些，但检测精度比单晶直 探头高，且超声信号的反 射和接收的控制电路较单 晶直探头简单。
角α等于反射角α′。
7.1.1 超声波的物理性质
3.折射定律
入射角α的正弦与折射角 β的正弦之比等于入射波 中介质的波速c1与折射 波中介质的波速c2之比， 即
sin c1 sin c2
7.1.1 超声波的物理性质
考虑到可能有波型转 换，如图所示，可写成统一 的公式如下
cL cL1 cS1
7.1.1 超声波的物理性质
对于液体，其传播速度c为
c 1
Bn
式中：ρ——介质的密度；
Bn——绝对压缩系数。
上述的ρ、Bn都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速 度随温度的变化而变化
7.1.1 超声波的物理性质
在气体中，超声波的传播速度与气体的种类，压 力及温度有关，在空气中的传播速度c为
c=331.5+0.607(m/s) 式中，t为环境温度。
sin sin 1 sin 2
cL2 cS2
sin sin
7.1.1 超声波的物理性质
5.超声波在介质中的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增
加，能量逐渐衰减，距离声源x处的声压p和声强 I 的衰减规律为
px p0e Ax
(11.2)
I x I0e2Ax
(11.3)
式中，A为衰减系数。
7.1 超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成 的传感器。超声波具有频率高、波长短，特别是 方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超 声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是对不 透光的固体，可穿透几十米的深度。超声波碰到 杂质或分界面会产生反射、折射和波型转换等现 象。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生 物医学等方面。
第7章 波式传感器
• 7.1 超声波传感器 • 7.1.1超声波的物理基础 • 7.1.2超声波换能器及耦合技术 • 7.1.3各种超声波探头 • 7.1.4超声波传感器的应用
7.1 超声波传感器
人耳能听到的声波频率在20 Hz～20 kHz 之间。超过20k Hz的称为超声波，低于20 Hz的 称 为 次 声 波 。 常 用 的 超 声 波 频 率 为 几 十 kHz 到 几十MHz。 声波的频率界限图如图所示。
接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）
接插件 底部耐磨材料
压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等） 的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质 （试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入 射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。
7.1.2 超声波换能器及耦合技术
(1)压电式超声波探头 图示为压电式超声波 探头结构，主要由压电晶体，吸收块(阻尼块)、 保护膜等组成。
7.1.2 超声波换能器及耦合技术
(2) 磁 致 伸 缩 型 超 声 波 换 能器 其工作原理是基于对磁 性材料加上磁场后，就在磁场 方向产生应变的磁致伸缩效应 和加上应力后就发生磁化的逆 磁致伸缩效应。
图示为典型结构，其上限频率可到100 kHz左 右，主要用于海洋鱼群探测器和声纳。
2.耦合剂
7.1.1 超声波的物理性质
③表面波。质点振动介于纵波和横波之间， 介质表面受扰动的质点振动轨迹为一椭圆，如图 所示。沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅 速衰减，实际上在距表面一个波长以上的地方， 振动己近消失。
工业应用中主要采用纵波。
纵 波
横波
表面波
7.1.1 超声波的物理性质
反射及折射 超声波在两种介质中
7.1.1 超声波的物理性质
对于固态介质，可以传播纵波和横波
cL
1 E , (1 )(1 2)
cS
G
1E
2(1 )
式中，G为剪切弹性模量，为泊松比。
也可传播表面波，声速cR为
cR
0.87 1.13 1
G
0.87 1.13 1
cS
7.1.1 超声波的物理性质
2.反射定律 入射角α的正弦与反射角α′ 的正弦之比等于波速之比。 当入射波和反射的交界面 上，一部分能量反射回原 介质，称为反射波；另一 部分能量透射界面，在另 一介质内继续传播，称为 折射波。
7.1.1 超声波的物理性质
1.传播速度 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，
也与环境条件有关。 弹性性能越好，密度越小，则声速越大。由于液体
和气体的剪切弹性模量几乎为零，所以超声波在液体和 气 体 中 没 有 横 波 。 气 体 中 声 速 约 344 m/s 、 液 体 中 为 900～1900 m/s；在固体中纵波、横波、表面波三者的声 速有一定的关系，通常横波声速约为纵波的一半，表面 波声速约为横波的90 %。在钢材中纵波声速约5000 m/s。
7.1 超声波传感器
一些超声波传感器如图所示。
7.1.1 超声波的物理性质
1.波型及其转换 波型:由于声源在介质中施力方向与波在介质中 传播方向的不同，超声波的波型也不同，通常 有三种形式
①纵波。质点振动方向与传播方向一致的 波为纵波。它能在固体、液体或气体中传播。
②横波。质点振动方向垂直于传播方向的 波称为横波，它只能在固体中传播。
超声探头与被测物体接触时，探头与被测 物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个 界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很 大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤 掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工 业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使 之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常 用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶 水、化学浆糊等。