機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)--03傳感器03

1、機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 1第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件第三章第三章 常用傳感器（常用傳感器（3）第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 2第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件第一節(jié)第一節(jié) 常用傳感器分類常用傳感器分類 第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械式傳感器及儀器機(jī)械式傳感器及儀器第三節(jié)第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器電阻、電容與電感式傳感器第四節(jié)第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器第五節(jié)第五節(jié) 光電傳感器光電傳感器第六節(jié)第六節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器 第七節(jié)第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器第八節(jié)第八節(jié) 紅外測試

2、系統(tǒng)紅外測試系統(tǒng)第九節(jié)第九節(jié) 激光測試傳感器激光測試傳感器第十節(jié)第十節(jié) 傳感器選用原則傳感器選用原則第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 3基本采用石英玻璃， 主要由三部分組成 中心纖芯； 外層包層； 護(hù)套尼龍料。 光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，纖芯折射率n1略大于包層折射率n2 ( n1 n2 )。光纖的結(jié)構(gòu)：第六節(jié)第六節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 4 光纖的傳播基于光的全反射全反射。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖； v光線在光纖端面入射角i減小到某一角度c (臨界角)時，光線全部反射

3、。 v只要ic ，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 522210n-nn1sin ic 22012NAsinn -nicn入射角的最大值 （端面入射臨界角）為：ic n0為光線外介質(zhì)的折射率。將n0sinic定義為光纖的“數(shù)值孔數(shù)值孔徑徑”，用NA表示： 光纖的數(shù)值孔徑越大，能夠在光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)全反射的入射角范圍越大。傳感器光纖，NA一般為0.20.4。如是從空氣入射，n0=1。則NA=sinic第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 6光纖傳感器的組成及分類光纖傳感器的組成及分類 由光源發(fā)出的光

4、經(jīng)光纖引至敏感元件。這時，光的某一參數(shù)（光波的強(qiáng)度、頻率、相位和偏振）受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接受光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。功能型功能型傳光型傳光型第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 7按調(diào)制方式強(qiáng)度調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制偏振調(diào)制按光纖的作用傳光型：其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)。功能型：光纖不僅傳輸光波，還起著敏感元件的作用（光波調(diào)制）。 由于外界因素能引起光波特征參量發(fā)生變化，因此只要能測出這些參量是如何隨被測量變化的，就可以用它來測溫度、壓力、電場、振動等物理量。光纖傳感器分類：把光波隨被測量的變化而變化，稱為對光波進(jìn)行調(diào)制

5、。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 8反射式位移傳感器反射式位移傳感器 光纖采用型結(jié)構(gòu)，兩束光纖分別作為光源光纖和接收光纖。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。 反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測量線性化（在小位移范圍內(nèi)）等優(yōu)點(diǎn)，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢測。 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 9探探 測測 器器光光 源源n液液n1三棱鏡三棱鏡光纖光纖光纖液位計(jì)光纖液位計(jì)第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 10光纖傳感器的特點(diǎn)：光纖傳感器的特點(diǎn)：1、靈敏

6、度高，傳輸量大；2、不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火； 3、可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 4、可以用于高溫、高壓，絕緣性好，耐腐蝕。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 11光纖傳感器光纖傳感器第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 12第七節(jié)第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器一、一、 磁敏傳感器磁敏傳感器 利用半導(dǎo)體材料的磁敏特性工作，有霍爾元件、磁阻元件、磁敏管等。1 1 霍爾元件霍爾元件 霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場

7、和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 13 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受到了磁場中洛倫茲力的作用結(jié)果。當(dāng)洛倫茲力和霍爾電場力等大時，電子積累便達(dá)到動態(tài)平衡。 霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。sinIBKVHHKH：霍爾常數(shù)；：電流與磁場方向的夾角。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 14 霍爾元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度只有1m左右?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體

8、積小、噪聲小、頻率范圍寬、動態(tài)范圍大、壽命長等。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 15霍爾轉(zhuǎn)速表原理霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 16汽車速度測量汽車速度測量:第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 17鋼絲繩斷裂檢查鋼絲繩斷裂檢查第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 182 2 磁阻元件磁阻元件 磁阻效應(yīng)：某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。

9、同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，某一速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加。或者說，沿外加電場方向運(yùn)動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。 特點(diǎn)：電阻的增量與磁場的平方成正比；與磁場的正負(fù)無關(guān)；溫度系數(shù)影響大；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 19磁敏傳感器應(yīng)用實(shí)例：第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 20二、熱敏傳感

10、器二、熱敏傳感器 半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。 )11(00TTeRRRT特點(diǎn)：靈敏度高；熱慣性小 非線性大；對溫度敏感 RT、RT0：溫度為T、T0時熱敏電阻器的電阻值；：熱敏電阻的材料常數(shù)。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 21產(chǎn)品產(chǎn)品第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 22還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 23三、氣敏電阻傳感器三、氣敏電阻傳感器

11、原理：當(dāng)氣敏元件吸附了被測氣體時，其電導(dǎo)率發(fā)生了變化。 如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達(dá)0.81.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟?。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。煙霧報(bào)警器煙霧報(bào)警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化碳傳感器第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 24 氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸附了氣體煙霧分子，如一氧化碳等時，二者相互吸收電子的能力不同，使半導(dǎo)體電阻率發(fā)生變化，且氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 25 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常

12、用傳感器與敏感原件 26燃?xì)鈭?bào)警器燃?xì)鈭?bào)警器煙霧報(bào)警器煙霧報(bào)警器第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 27酒精傳感器酒精傳感器第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 28 四、濕敏傳感器四、濕敏傳感器 能感受氣體中水蒸氣含量，并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。 濕敏電阻濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。 濕敏電阻的種類很多

13、，濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化特濕敏電阻、硅例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。 濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，主要缺點(diǎn)是線性度和產(chǎn)品高，主要缺點(diǎn)是線性度和產(chǎn)品的互換性差。的互換性差。 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 29五、五、CCDCCD固態(tài)圖象傳感器固態(tài)圖象傳感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體(P型硅)基片上形成一種氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 (MOS)。 第三章第三章 常用傳感器與敏

14、感原件常用傳感器與敏感原件 30 CCD（Charge-coupled Device）：電荷耦合元件，它是一種半導(dǎo)體器件，能把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 CCD由陣列式MOS組成，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 31特點(diǎn)特點(diǎn):(1) 非接觸檢測非接觸檢測;(2) 響應(yīng)快響應(yīng)快;(3) 可靠性高可靠性高,為修簡便為修簡便;(4) 測量精度高測量精度高;(5) 體積小體積小,重量輕重量輕; 容易與計(jì)算機(jī)連接容易與計(jì)算機(jī)連接(6) 對被測物體需要強(qiáng)光照射對被測物體需要強(qiáng)光照

15、射;(7) 受被測物體以外的光的影響。受被測物體以外的光的影響。應(yīng)用:(1) 寬度測量; (2) 外徑測量; (3) 主軸徑向跳動測量. 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 32相機(jī)中相機(jī)中CCDCCD與與3CCD3CCD的比較的比較第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 33GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114 數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 34第八節(jié)第八節(jié) 紅外測試系統(tǒng)紅外測試系統(tǒng) 一、紅外輻射一、紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，位于可見光中紅色光

16、以外的光線。波長范圍大致在0.761000m，相對應(yīng)頻率大致在 HZ之間紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示。1114103104 工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。1 3 25 1000 （m）第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 35 紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。紅外光的本質(zhì)與可見光或電磁波性質(zhì)一樣，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。 紅外輻射在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，有三個波段

17、透過率高，它們是22.6m、35m和814m，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇薄＿@三個波段對紅外探測技術(shù)特別重要，因此紅外探測器一般都工作在這三個波段（大氣窗口）之內(nèi)。 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 36E：某物體在溫度T時單位面積和單位時間的紅外輻射總能量。：斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，5.669710-12w/cm2k4:比輻射率，即物體表面輻射本領(lǐng)與黑體輻射本領(lǐng)之比。T：物體的絕對溫度。 斯蒂芬斯蒂芬- -波爾茲曼定律：波爾茲曼定律：物體紅外輻射的能量與它自身的絕對溫度T的四次方成正比，并與 成正比。物體溫度越高輻射能量越大。斯蒂芬斯蒂芬-波爾茲曼定律波爾茲曼定律這是紅外檢測技

18、術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。 4TE另由普朗克定律知：另由普朗克定律知： 工程上輻射體溫度如在工程上輻射體溫度如在2000K以下，則以下，則熱輻射主要是紅外輻射，低溫或常溫態(tài)的種種物體都會產(chǎn)生熱輻射主要是紅外輻射，低溫或常溫態(tài)的種種物體都會產(chǎn)生紅外輻射。紅外輻射。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 37 二、紅外探測器二、紅外探測器 紅外探測器是將輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種傳感器。紅外探測器的種類很多，按探測機(jī)理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。1 1 熱探測器熱探測器 工作機(jī)理：利用紅外輻射引起探測元件的溫度變化。主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣動型。2 2 光子探

19、測器光子探測器 工作原理：半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。 光子探測器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 38 熱電偶型熱電偶型：將熱電偶結(jié)點(diǎn)涂上黒層置于輻射中，可根據(jù)產(chǎn)生的熱電動勢來測量入射輻射功率的大小。多采用熱電堆型（由多個熱電偶的串聯(lián)而成。輻射接收面分為若干塊，每塊接一個熱電偶，把它們串聯(lián)起來就構(gòu)成熱電堆）。 熱釋電型：熱釋電型： 熱釋電效應(yīng)：當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。 如

20、果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個電信號輸出。輸出信號的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 39熱電材料與熱釋電材料的區(qū)別？熱電材料與熱釋電材料的區(qū)別？熱電材料一般都是金屬或者半金屬，在樣品兩端加一個溫度梯度，就可以在樣品兩端產(chǎn)生溫差電勢。熱釋電材料一般都是絕緣體，當(dāng)樣品的溫度作為一個整體改變的時候，樣品表面釋放出電荷。 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 40 在非典時期，為了防止感染，測溫不得靠近人體，在這樣的特殊要求下，就可以采用非接觸式的溫度監(jiān)測器。它是由熱釋電型紅外

21、傳感器作為溫度檢測傳感器。 利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000時，它向外輻射的是紅外光，可用紅外探測器檢測溫度。 三、紅外傳感器應(yīng)用三、紅外傳感器應(yīng)用1 1 紅外測溫儀紅外測溫儀 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 41自動門如何探測人的靠近？第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 422 2 輻射溫度計(jì)輻射溫度計(jì) 根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律進(jìn)行輻射溫度的測量。常用于800以上的高溫測量。3 3 紅外熱像儀紅外熱像儀 是利用光學(xué)系統(tǒng)接受被測目標(biāo)的紅外輻射，能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像

22、圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 43紅外攝像機(jī)紅外成像儀第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 44第九節(jié)第九節(jié) 激光測試傳感器激光測試傳感器 激光激光（laser）：由受激發(fā)射的光放大產(chǎn)生的輻射。 激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特點(diǎn)，測試方面主要應(yīng)用激光干涉、激光全息技術(shù)。 光的衍射：光繞過障礙物偏離直線傳播路徑而進(jìn)入陰影區(qū)里的現(xiàn)象。 光的衍射光的衍射第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 45楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉 光的干涉：兩列或幾列特定光

23、波在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。 激光干涉式測量儀器激光干涉式測量儀器包括激光測長儀、激光測振儀、激光測速儀等。 激光全息測量儀器激光全息測量儀器利用了光的干涉、光的衍射原理。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 46 激光測長儀激光測長儀 當(dāng)工作臺帶動棱鏡移動時，在光電計(jì)數(shù)處由于兩路光束聚集產(chǎn)生干涉，形成明暗條紋，通過計(jì)數(shù)就可以計(jì)算出工作臺移動的距離S=nN/2 。 （式中，N為干涉條紋數(shù)，為激光波長，n為空氣折射率真空中為1。）當(dāng)反射鏡M2隨工作臺每移動半個光波波長時，明暗條紋變化一次。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 47激激光光多普勒測速儀多普勒測速儀：是測量通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到速度。由于是激光測量，對于流場沒有干擾，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點(diǎn)的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界上速度測量精度最高的儀器。 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 48激光全息測量儀器激光全息