第2章 傳感器(新)

1、傳感器,測試技術(shù),第2章 傳感器,2.1 傳感器概述,2.1.1 傳感器的組成與分類,現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)有三個主要方面： ① 信息采集 —— 傳感器技術(shù) ② 信息傳輸 —— 通信技術(shù) ③ 信息處理 —— 計算機(jī)技術(shù)(包括軟件和硬件),1. 傳感器的組成,敏感元件直接感受被測物理量(力)，并對被測量進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出(應(yīng)變)；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成便于傳輸和測量的電參量(電阻)或電信號；調(diào)理電路則對轉(zhuǎn)換元

2、件輸出的信號進(jìn)行放大、濾波、運(yùn)算、調(diào)制等，以便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、顯示、記錄和控制；輔助電源為調(diào)理電路和轉(zhuǎn)換元件提供穩(wěn)定的工作電源。,,,2.1.1 傳感器組成與分類,,有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。如電感式壓力傳感器由膜盒和電感線圈組成，膜盒是敏感元件，電感線圈是轉(zhuǎn)換元件。,敏感元件與轉(zhuǎn)換元件之間并無嚴(yán)格的界限。如熱電偶傳感器直接將被測溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢輸出，熱電偶既是敏感元件，又是轉(zhuǎn)換元件，也不需要信號調(diào)理電路和輔助電

3、源。,2.1.1 傳感器組成與分類,1）按能量關(guān)系(被測量與輸出電信號的關(guān)系)分類,能量轉(zhuǎn)換型：直接將被測量轉(zhuǎn)換為電信號(電壓等)。 (發(fā)電型) 例如：熱電偶傳感器，壓電式傳感器。,2.1.1 傳感器組成與分類,2. 傳感器的分類,結(jié)構(gòu)型傳感器：基于某種敏感元件的結(jié)構(gòu)形狀或幾何尺寸(如厚度、角度、位置等)的變化來感受被測量。例如電容式壓力傳感器，當(dāng)被測壓力作用在電容器的動極板(敏感元件)上時，電容器的動極板發(fā)生位移導(dǎo)致電

4、容發(fā)生變化。,物性型傳感器：是利用某些功能材料本身具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)來感受被測量。例如利用石英晶體的壓電效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)壓力測量的壓電式壓力傳感器。,2）按工作機(jī)理分類,2.1.1 傳感器組成與分類,3）按輸出信號分類,模擬型傳感器：輸出連續(xù)變化的模擬信號。如感應(yīng)同步器的滑尺相對定尺移動時，定尺上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為周期性模擬信號。,數(shù)字型傳感器：輸出“1”或“0”兩種信號電平。如用光電式接近開關(guān)檢測不透明的物體，當(dāng)物體位于光源和光電器件之間

5、時，光路阻斷，光電器件截止輸出高電平“1”；當(dāng)物體離開后，光電器件導(dǎo)通輸出低電平“0”。,2.1.1 傳感器組成與分類,位移傳感器轉(zhuǎn)速傳感器 力矩傳感器滑覺傳感器壓力傳感器流量傳感器溫度傳感器濃度傳感器,4）按被測量分類,常見的被測物理量：,機(jī)械量：長度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)速,質(zhì)量,重量,力, 應(yīng)力,應(yīng)變,壓力,真空度,力矩, 風(fēng)速,流速,流量。,聲：

6、 聲壓,噪聲。 磁： 磁通,磁場。 溫度：溫度,熱量,比熱。 光： 亮度,色彩。,2.1.1 傳感器組成與分類,2.1.2 傳感器的選擇,2.1 傳感器概述,2.2 能量控制型傳感器(電參量型),第2章 傳感器,1. 應(yīng)變式傳感器(金屬電阻應(yīng)變片),2.2.1 電阻式傳感器,,,金屬電阻絲的電阻為：,,對上式求偏導(dǎo)數(shù),把 代入,2.2.1 電阻式傳感器,有：,,,,,,2.2.1 電

7、阻式傳感器,故：,,金屬電阻絲的靈敏度：,,,2.2.1 電阻式傳感器,應(yīng)變計,金屬電阻應(yīng)變片按敏感柵的結(jié)構(gòu)可分為：絲繞式和箔式。,2）金屬電阻應(yīng)變片,2.2.1 電阻式傳感器,應(yīng)變片的主要參數(shù)：,（5）其它參數(shù)：如環(huán)境溫度、滯后、蠕變、零漂 以及疲勞壽命、橫向效應(yīng)等。,（1）幾何尺寸：基長×基寬=l×b<30 ×10(mm2),（2）電阻值：應(yīng)變片原始電阻值(120

8、Ω、350Ω),（4）允許電流：流過敏感柵的電流，使應(yīng)變片產(chǎn) 生溫升，影響測量精度。一般規(guī)定25mA。,2.2.1 電阻式傳感器,應(yīng)變片的選擇與粘貼技術(shù)：,（1）目測應(yīng)變片有無折痕、斷絲等缺 陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。,（2）用惠斯頓電橋測量應(yīng)變片電阻值 大小。同一電橋中各應(yīng)變片之間 的電阻值相差不得大于0.5歐姆。,（3）試件表面處理：貼片處用細(xì)紗紙交叉45°打 磨，用酒

9、精棉球反復(fù)擦洗貼片處，直到棉球 無黑跡為止。,,2.2.1 電阻式傳感器,（5）焊線：用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)線上。,（6）用萬用表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣電阻， 應(yīng)大于500兆歐。,（7）應(yīng)變片保護(hù)：用防潮劑覆蓋于應(yīng)變片上，防止 應(yīng)變片受潮脫落。,（4）應(yīng)變片粘貼：在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠　 水，輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。,2.2.1 電阻式傳感器,3）應(yīng)變片的測量電橋,

10、,2.2.1 電阻式傳感器,并取,,電橋輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系，由此可測量應(yīng)力或應(yīng)變，以及可轉(zhuǎn)換為應(yīng)力、應(yīng)變的參數(shù)。,若電阻變化量分別為：,，且,,，則,2.2.1 電阻式傳感器,4）應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力,2.2.1 電阻式傳感器,標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品:,2.2.1 電阻式傳感器,河南省科委科研項目：“帶傳感裝置骨外固定器”,案例：骨應(yīng)力測量,2.2.1 電阻式傳感器,案例：橋梁固有頻率測量,,2.2.1 電阻式傳感器,案例：電

11、子秤,測量原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形，再通過電阻應(yīng)變片和測量電橋轉(zhuǎn)化為電信號輸出。,2.2.1 電阻式傳感器,案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測,,,2.2.1 電阻式傳感器,案例：機(jī)器人握力測量,2.2.1 電阻式傳感器,案例：振動式地音入侵探測器(測加速度),適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。,2.2.1 電阻式傳感器,2.2.1 電阻式傳感器,1）工作原理：壓

12、阻效應(yīng),2. 壓阻式傳感器(半導(dǎo)體應(yīng)變片),半導(dǎo)體材料受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化引起電阻變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。,,電阻變化主要由電阻率變化引起，上式可簡化為,,2.2.1 電阻式傳感器,半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)：,2.2.1 電阻式傳感器,3）壓阻式傳感器的應(yīng)用,,,當(dāng)被測壓力p作用時，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，使四個擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化，由電橋輸出獲得壓力的大小。,2.2.1 電阻式傳感器,,當(dāng)被測壓力p作用于金屬

13、波紋膜片7上時，將壓力轉(zhuǎn)換為集中力，使硅片梁5產(chǎn)生變形，從而使硅片梁上擴(kuò)散的電阻4發(fā)生變化，再由電橋輸出獲得心內(nèi)導(dǎo)管的壓力。這種傳感器可用于人體心血管、顱內(nèi)、眼球內(nèi)等壓力的測量。,2.2.1 電阻式傳感器,,,當(dāng)傳感器受到加速度作用時，質(zhì)量塊的慣性力使懸臂梁發(fā)生變形產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化，由電橋輸出獲得加速度的大小。,2.2.1 電阻式傳感器,3. 電位器式傳感器(變阻器式傳感器),,,由電阻元件和電刷(活動觸點(diǎn)

14、)兩部分組成，可將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。,2.2.1 電阻式傳感器,1）電阻分壓電路,xmax —總長；x —電刷移動量；R —總電阻； Rx —電刷電阻。,,2.2.1 電阻式傳感器,= k·Uo,即空載時：,x = xmax·Uo / U,ˊ,ˊ,2.2.1 電阻式傳感器,2）測量時的負(fù)載效應(yīng),2.2.1 電阻式傳感器,,,2.2.1 電阻式傳感器,3）電位器式

15、傳感器的性能參數(shù) （1）線性(或曲線的一致性)；（2）分辨率； （3）整個電阻值的偏差；（4）移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍； （5）電阻溫度系數(shù)；（6）壽命。,2.2.1 電阻式傳感器,（2）按制作方式分,* 導(dǎo)電塑料電位器,* 線繞電位器,,2.2.1 電阻式傳感器,變阻器式傳感器產(chǎn)品：,2.2.1 電阻式傳感器,案例：重量的自動檢測--配料設(shè)備,2.2.1 電阻式傳感器,案例：煤氣包儲量檢測,2.2.1 電阻式傳感器,案例：玩

16、具機(jī)器人(廣州中鳴數(shù)碼),,2.2.1 電阻式傳感器,工作原理：熱阻效應(yīng)(能量控制型) 利用電阻值隨溫度變化的特點(diǎn)制成的。,鉑電阻：,銅電阻： ，,4. 熱電阻傳感器：溫度→電阻,1）金屬熱電阻：正電阻溫度系數(shù),銦電阻：,，,錳電阻：,2.2.1 電阻式傳感器,,金屬熱電阻的測量電路——電橋,四線接法,三線接法,2.2.1 電阻式傳感器,2）半導(dǎo)體熱敏電阻,熱敏電阻不宜用于較寬的溫

17、度范圍，但對于特定溫度點(diǎn)的檢測卻十分靈敏。因此可用做檢測元件、電路保護(hù)元件、溫度補(bǔ)償元件、溫度報警元件等。,,2.2.1 電阻式傳感器,2.2.1 電阻式傳感器,產(chǎn)品：,2.2.1 電阻式傳感器,熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度控制,案例：,當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時，Rt較大，V1和V2都導(dǎo)通，繼電器K通電，常開觸點(diǎn)K1 吸合，電熱絲加熱，LED發(fā)光；,當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時，Rt較小，V1和V2都截止，繼電器K斷電，常開觸點(diǎn)K1斷開，停止

18、加熱。,2.2.1 電阻式傳感器,溫控器,案例：,,水溫感應(yīng)塞,還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等,2.2.1 電阻式傳感器,第2章 傳感器,2.2.2 電容式傳感器,1. 工作原理：將被測量變化轉(zhuǎn)換為電容量變化。,,2.2.2 電容式傳感器,1）變極距式,當(dāng)兩極板相對運(yùn)動時：,由于,初始電容量：,,,,,,,,,非線性誤差：,靈敏度：,,2.2.2 電容式傳感器,差動結(jié)構(gòu)：,靈敏度：,非線性誤差：,,,2.2.2 電

19、容式傳感器,產(chǎn)品:,原理：液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產(chǎn)生 位移。,陶瓷電容壓力傳感器,2.2.2 電容式傳感器,2.2.2 電容式傳感器,2）變面積式,,當(dāng)動極板有角位移時，電容變化量：,2.2.2 電容式傳感器,電容變化量：,平面線位移型：,2.2.2 電容式傳感器,柱面線位移型：,電容的變化量：,2.2.2 電容式傳感器,3）變介電常數(shù)式,2.2.2 電容式傳感器,,測量介質(zhì)厚度

20、 測量介質(zhì)位置,2.2.2 電容式傳感器,產(chǎn)品:,電容式液位傳感器（液位計/料位計）,原理：液面位置發(fā)生變化，兩電極侵入液體中的高度發(fā)生變化,2.2.2 電容式傳感器,,電容式接近開關(guān)：,測量頭是電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的間距發(fā)生變化，從而使得與測頭相連的電路狀態(tài)也發(fā)生變化。,2.2.2 電容式傳感器,2. 調(diào)理電路,1）電橋電路,,,2.2.2 電容式傳

21、感器,2）調(diào)頻電路,,,當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，通過限幅和鑒頻電路將頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，再經(jīng)放大器放大后即可顯示或記錄。 調(diào)頻波便于與計算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)遙測遙控。,2.2.2 電容式傳感器,3）運(yùn)算放大器電路,2.2.2 電容式傳感器,3. 電容式傳感器的應(yīng)用,1）電容式壓差傳感器,當(dāng)p1=p2時，膜片處于中間位置，C1=C2，經(jīng)電橋電路輸出電壓為零。,當(dāng)p1>

22、;p2(或p1<p2)時，膜片向壓力小的一側(cè)彎曲，C1≠C2，則輸出電壓與 成正比。,,2.2.2 電容式傳感器,2）電容式加速度傳感器,傳感器外殼與被測振動體剛性連接，當(dāng)傳感器隨被測對象在垂直方向上作直線加速運(yùn)動時，質(zhì)量塊相對殼體運(yùn)動產(chǎn)生慣性力，在一定頻率范圍內(nèi)，慣性力與振動加速度成正比。,2.2.2 電容式傳感器,,案例：,,兩圓形極板與金屬帶材之間形成兩個電容，當(dāng)金屬帶材在軋制過程中的厚度發(fā)生變化時，

23、將引起電容量變化。,2.2.2 電容式傳感器,第2章 傳感器,2.2.3 電感式傳感器,工作原理：基于電磁感應(yīng)原理，將被測量變化轉(zhuǎn)換為電感量(自感和互感)變化。,,1. 變磁阻式傳感器(自感型),1）變氣隙式,初始自感量：,靈敏度：,非線性誤差：,,2.2.3 電感式傳感器,,,2）螺管式,變氣隙式的差動結(jié)構(gòu)：,長徑比越大，線性范圍越大，故做成細(xì)長型。,,2.2.3 電感式傳感器,2.2.3 電感式傳感器,3）變磁阻式

24、傳感器的應(yīng)用,,當(dāng)被測壓力進(jìn)入C 型彈簧管時，彈簧管發(fā)生變形，其自由端產(chǎn)生位移，帶動與自由端剛性連接的銜鐵發(fā)生移動，使傳感器線圈中的自感量一個增加另一個減小。,2.2.3 電感式傳感器,2. 電渦流式傳感器(自感型),1）工作原理：渦流效應(yīng),2.2.3 電感式傳感器,線圈的等效阻抗：,,2.2.3 電感式傳感器,2）調(diào)理電路,（1）電橋電路：把渦流線圈作為電橋的一個橋臂或差動結(jié)構(gòu),（2）諧振電路：把渦流線圈作為LC調(diào)諧回路的

25、一個調(diào)諧參數(shù),,,當(dāng)被測金屬導(dǎo)體接近傳感器線圈時，使電感量變小，回路失諧，檢波電壓變小。,當(dāng)被測物體接近傳感器線圈時，使電感量變小，從而使振蕩器的頻率改變。,2.2.3 電感式傳感器,3）電渦流式傳感器的應(yīng)用,由于在工作過程中金屬板上下波動，影響測量精度，所以常采用比較法測量。金屬板厚度h=D-(x1+x2)，兩個傳感器探頭測得 x1和 x2，通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓后相加，相加所得的電壓值與傳感器探頭之間距離對應(yīng)的設(shè)定電壓值相減

26、，就得到與金屬板厚對應(yīng)的電壓值。,,2.2.3 電感式傳感器,在旋轉(zhuǎn)體旁邊安裝一個傳感器探頭，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體(金屬材料)轉(zhuǎn)動時，傳感器探頭將輸出周期性變化的電壓，此電壓經(jīng)放大整形后用頻率計指示出頻率值。由此可得被測轉(zhuǎn)速為,2.2.3 電感式傳感器,產(chǎn)品：,2.2.3 電感式傳感器,,案例：零件計數(shù),2.2.3 電感式傳感器,案例：連續(xù)油管的橢圓度測量,2.2.3 電感式傳感器,案例：無損探傷,原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。

27、,火車輪檢測,油管檢測,2.2.3 電感式傳感器,案例：無損探傷,2.2.3 電感式傳感器,3. 差動變壓器(互感型),1）工作原理：電磁感應(yīng)的互感現(xiàn)象,當(dāng) x=0 時，e1= e2 ，uo=0；當(dāng) x>0 時， e1>e2 ，uo>0；當(dāng) x<0 時， e1< e2 ，uo<0。,2.2.3 電感式傳感器,差動變壓器的調(diào)理電路：,2.2.3 電感式傳感器,當(dāng)被測壓力經(jīng)過接頭傳入膜盒時，

28、使膜盒產(chǎn)生一定的位移，并帶動銜鐵在線圈中移動，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢經(jīng)相敏檢波等電路處理后，輸出電壓反映被測壓力的數(shù)值。,2）差動變壓器的應(yīng)用,2.2.3 電感式傳感器,產(chǎn)品：,2.2.3 電感式傳感器,案例：板材的厚度測量,,,2.2.3 電感式傳感器,案例：張力測量,2.2.3 電感式傳感器,電感式接近傳感器（金屬）,,2.2.3 電感式傳感器,1） 結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）結(jié)構(gòu)：定尺(定子)和滑尺(轉(zhuǎn)子),4. 感應(yīng)同步

29、器(互感型),2.2.3 電感式傳感器,（2）工作原理,感應(yīng)電勢隨滑尺相對定尺的移動而周期性變化。通過測量感應(yīng)電勢實(shí)現(xiàn)位移的測量。,2.2.3 電感式傳感器,2）調(diào)理電路,（1）鑒幅型電路,,感應(yīng)電勢的幅值隨 的規(guī)律變化，當(dāng) 變化一個節(jié)距 ，感應(yīng)電勢的幅值變化一個周期。,2.2.3 電感式傳感器,（2）鑒相型電路,感應(yīng)電勢的相位隨 的規(guī)律變化，當(dāng) 變化一個節(jié)距 ，感應(yīng)電勢的相位變化一個周期。,2.2.3 電感式傳

30、感器,3）感應(yīng)同步器的應(yīng)用,,點(diǎn)位控制系統(tǒng)?？刂频毒呋蚬ぷ髋_從某一加工點(diǎn)到另一加工點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位，提高定位精度。,2.2.3 電感式傳感器,5. 壓磁式傳感器(自感型),原理：壓磁效應(yīng)。外力作用時，沿受力方向磁導(dǎo)率 下降，磁阻增大，部分磁場通過了測量線圈,2.2.3 電感式傳感器,第2章 傳感器,2.3 能量轉(zhuǎn)換型傳感器(發(fā)電型),2.3.1 壓電式傳感器,2.3.1 壓電式傳感器,2. 等效電

31、路及連接方式,2.3.1 壓電式傳感器,3. 電荷放大器,作用：(1) 放大微弱信號；(2) 阻抗變換,(與電纜無關(guān)),2.3.1 壓電式傳感器,產(chǎn)品:,壓力變送器,加速度計,力傳感器,,2.3.1 壓電式傳感器,4. 壓電式傳感器的應(yīng)用,,1）壓電式力傳感器,用于機(jī)床動態(tài)切削力測量的單向壓電式力傳感器，壓電元件采用并聯(lián)接法，被測力通過蓋板作用在壓電元件上，使壓電元件在x軸方向上產(chǎn)生電荷 。,2.3.1 壓電式傳感器,

32、案例：壓電引信(軍用彈丸啟爆裝置),壓電元件安裝在彈丸的頭部，啟爆裝置裝在彈丸的尾部。平時開關(guān)K置a位，電雷管處于短路保險安全狀態(tài)；彈丸發(fā)射后，開關(guān)從a處斷開與b接通，電雷管處于工作狀態(tài)。當(dāng)彈丸與裝甲目標(biāo)接觸時，碰撞壓力使壓電元件產(chǎn)生電荷，電雷管啟爆，使破甲彈上的炸藥爆炸，摧毀裝甲目標(biāo)。,2.3.1 壓電式傳感器,2）壓電式加速度傳感器,測量時，通過基座底部的螺孔將傳感器與試件剛性連接，傳感器感受與試件相同頻率的振動。質(zhì)

33、量塊以正比于加速度的交變力作用在壓電元件上，壓電元件的兩個表面就有電荷產(chǎn)生，其電荷量與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。,2.3.1 壓電式傳感器,案例：橋墩缺陷測量,,沒有缺陷的橋墩為一堅固整體，相當(dāng)于一個大質(zhì)量塊，激勵后只有一個諧振頻率點(diǎn)，加速度響應(yīng)曲線為單峰。若橋墩有缺陷，其力學(xué)系統(tǒng)相當(dāng)于兩個或數(shù)個質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)，具有多個諧振頻率點(diǎn)，激勵后的加速度響應(yīng)曲線將顯示出雙峰或多峰。,2.3.1 壓電式傳感器,3）壓

34、電式超聲波傳感器,,在示波器上直接讀出發(fā)射與接收超聲波脈沖之間的時間間隔 t 和超聲波在試件中的傳播速度 c ，由此可計算出被測試件的厚度：,2.3.1 壓電式傳感器,超聲波發(fā)射原理：把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生機(jī)械振動，發(fā)射出超聲波。,超聲波接收原理：當(dāng)超聲波作用在磁滯材料上時，使磁滯材料磁場變化，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢。,磁滯式超聲波傳感器：,超聲波傳感器,t,e,案例：超聲波探傷/測距/測物,,,,,,超聲波傳感器,,案例：倒車?yán)走_(dá)

35、,,超聲波傳感器,案例：魚群探測器,超聲波傳感器,超聲波傳感器,案例：避障機(jī)器人小車,四個超聲波接近覺傳感器完成避障功能，三個紅外接近覺傳感器完成自動尋軌功能。,聲發(fā)射傳感器：,材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式快速釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射頻率范圍很寬，從次聲、聲頻到超聲。多數(shù)金屬的聲發(fā)射頻帶在超聲范圍內(nèi)。,聲發(fā)射傳感器,聲發(fā)射AE(Acoustic Emission)技術(shù)是應(yīng)用儀器檢測、分析聲發(fā)

36、射信號并確定聲發(fā)射源的技術(shù)。利用聲發(fā)射技術(shù)可以對部件的缺陷進(jìn)行判斷和預(yù)報，并作出評價。,聲發(fā)射檢測診斷特點(diǎn)： （1）聲發(fā)射技術(shù)是一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，能判斷發(fā)射的部位和狀態(tài)，了解缺陷的形成過程和發(fā)展趨勢。 （2）聲發(fā)射檢測靈敏度高，被檢對象的缺陷在形成初期就有聲發(fā)射現(xiàn)象，只要及時檢測，就可以盡早發(fā)現(xiàn)被檢對象的缺陷。,聲發(fā)射傳感器,案例：利用聲發(fā)射傳感器進(jìn)行軸承故障診斷,聲發(fā)射傳感器,案例：材料斷裂等結(jié)構(gòu)監(jiān)測,聲發(fā)射傳感器

37、,第2章 傳感器,2.3.2 磁電式傳感器,線圈在磁場中運(yùn)動切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。,磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。,1. 工作原理：電磁感應(yīng)（速度、轉(zhuǎn)速→感應(yīng)電勢）,感應(yīng)電動勢大?。?1）恒磁通(動圈)式,,,線速度型：,2.3.2 磁電式傳感器,,,,測速電機(jī),,角速度型：,,,2.3.2 磁電式傳感器,2）變磁通(磁阻)式,原理：線圈與磁鐵不作相對運(yùn)動，由運(yùn)動物體

38、(導(dǎo)磁 材料)改變磁路的磁阻，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢,(r/min),2.3.2 磁電式傳感器,,2. 微積分電路,磁電式傳感器輸出的感應(yīng)電勢與振動速度(或轉(zhuǎn)速)成正比，若要獲取振動位移或振動加速度，必須配接積分電路或微分電路。,2.3.2 磁電式傳感器,2.3.2 磁電式傳感器,2.3.3 熱電偶傳感器,1. 工作原理：熱電效應(yīng)（溫度→熱電勢）,兩種不同導(dǎo)體A和B，串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)溫度不同

39、時，回路中就會產(chǎn)生熱電勢，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。,第2章 傳感器,k —— 玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)；q —— 電子電荷量(1.6×10-19C)；NA，NB —— 導(dǎo)體A和B的自由電子密度。,2.3.3 熱電偶傳感器,1）接觸電勢：,導(dǎo)體材料不同，電子擴(kuò)散(NA>NB),A,2）溫差電勢：,接點(diǎn)溫度不同，溫度擴(kuò)散(T >T0),當(dāng)熱電偶材料一定，冷端溫度　　　　時，總熱電勢為

40、熱端溫度 的單值函數(shù)(分度表)。,2.3.3 熱電偶傳感器,2. 熱電偶的基本定律,1）均質(zhì)導(dǎo)體定律 若組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體相同，則無論兩 接點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路中的總熱電勢為零； 若兩接點(diǎn)溫度相同，則盡管導(dǎo)體材料不同，熱電 偶回路中的總 熱電勢也為零。,2.3.3 熱電偶傳感器,3. 熱電偶的冷端補(bǔ)償,1）熱電勢修正法：,2）電橋補(bǔ)償法,3）補(bǔ)償導(dǎo)線法,2.3.3 熱電偶傳感器,產(chǎn)品：

41、,2.3.3 熱電偶傳感器,4. 熱電偶傳感器的應(yīng)用,1）為了提高靈敏度，將n支同型號的熱電偶串聯(lián)，則,只要有一支熱電偶發(fā)生斷路，整個電路將無法工作。,2.3.3 熱電偶傳感器,3）兩點(diǎn)間溫差測量,將兩支型號相同的熱電偶反向串接，且配接相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，測量儀表示值,,2.3.3 熱電偶傳感器,,,,2.3.3 熱電偶傳感器,第2章 傳感器,2.4 光電傳感器：光信號→電信號,1. 工作原理：光電效應(yīng),2.4.1 光電器

42、件,（2）光電倍增管,由光電陰極K、倍增極D和陽極A組成。經(jīng)過倍增極放大的電子被陽極收集，形成陽極電流 ，在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生信號電壓Uo。,2.4.1 光電器件,2）內(nèi)光電效應(yīng),在光照作用下，物體的導(dǎo)電性增加而電阻率下降的現(xiàn)象。光電器件為光敏電阻。,,2.4.1 光電器件,3）光生伏特效應(yīng),在光照作用下，能使物體

43、產(chǎn)生一定方向電位差的現(xiàn)象。光電器件有光敏管和光電池。,2.4.1 光電器件,,（2）光敏三極管：兩個PN結(jié)，具有電流放大作用,光敏三極管基極電流不僅受基極電壓控制，還受光照控制，也有NPN型和PNP型兩種 ?；鶚O、集電極、發(fā)射極構(gòu)成一個具有放大作用的三極管，完成光電流的放大。,2.4.1 光電器件,（3）光電池：比光敏二極管的PN結(jié)面積大,當(dāng)光照射PN結(jié)時，結(jié)區(qū)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對，不需要偏置電壓就會在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電位差。用可

44、見光作光源。,2.4.1 光電器件,照相機(jī)自動測光；光控?zé)?；工業(yè)控制。,產(chǎn)品：,2.4.1 光電器件,2. 光電器件的應(yīng)用,光電器件在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。,2.4.1 光電器件,測量半透明體的透明度,,2.4.1 光電器件,測量非透明體的位置和尺寸,,2.4.1 光電器件,測量表面粗糙度,,2.4.1 光電器件,,(r/min),2.4.1 光電器件,案例：光敏電阻檢測帶材跑

45、偏,RG2用遮光罩覆蓋，起溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。?dāng)帶材位于中間位置時，調(diào)節(jié)Rp使電橋平衡，輸出電壓Uo為零。如果帶材在運(yùn)動的過程中跑偏，則RG1的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，Uo的大小和正負(fù)分別反映了帶材跑偏的程度和方向。,2.4.1 光電器件,,案例：光二極管控制路燈,2.4.1 光電器件,案例：光敏三極管控制自動干手器,220V交流電經(jīng)變壓器、整流橋和濾波電容后，變?yōu)?2V直流電源供給檢測電路。當(dāng)手放入干手器時，手遮住燈泡發(fā)出

46、的光，光敏三極管V1截止，晶體管V2導(dǎo)通，繼電器K通電，常開觸點(diǎn)K1吸合，風(fēng)機(jī)和電熱絲通電，吹出熱風(fēng)烘手。,2.4.1 光電器件,案例：光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合 來測量位移。,2.4.1 光電器件,亮度傳感器： 通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。,2.4.1 光電器件,照相機(jī)測距反射式 光電傳感器,2.4.

47、1 光電器件,2.4.1 光電器件,機(jī)械手抓取雞蛋實(shí)驗照片,案例：利用光電式滑覺傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)械手軟抓取,2.4.1 光電器件,2.4.1 光電器件,2.4.2 光纖傳感器,1. 工作原理：全反射現(xiàn)象,,2.4 光電傳感器,參考光纖置于恒溫器內(nèi)，測量光纖置于被測溫度場中，當(dāng)溫度變化時，引起測量光纖中光的相位變化。將測量光纖和參考光纖的輸出端偶合在一起，兩束光將發(fā)生干涉而產(chǎn)生干涉條紋，溫度變化引起干涉條紋的移動，光電器件

48、檢測出干涉條紋移動的數(shù)量，就可以反映溫度的變化。,功能型溫度測量,2.4.2 光纖傳感器,2. 光纖傳感器的應(yīng)用,在前坡區(qū)：光電器件輸出的光電流與位移x成正比，用來測量微小位移和表面粗糙度等。 在光峰點(diǎn)：接收光纖端面被全部照亮，輸出的光電流達(dá)到最大值，用來檢測被測表面的狀態(tài)。 在后坡區(qū)：輸出光電流與x2成反比，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量。,非功能型位移測量,2.4.2 光纖傳感器,光纖檢測型傳感器,工件

49、檢測,顏色檢測,案例:,2.4.2 光纖傳感器,,1. 光柵的結(jié)構(gòu)與分類,,2.4 光電傳感器,2.4.3 光柵傳感器,2. 光柵的工作原理,2.4.3 光柵傳感器,,,3. 光柵的辯向原理與細(xì)分技術(shù),1）辯向原理,,,,,,在相距L/4的位置安裝兩個光電器件，就可獲得兩路相位相差90o的正弦波信號A和B。兩路正弦波信號經(jīng)過零比較器后得到方波信號 和 送入D觸發(fā)器，并將D觸發(fā)器輸出信號Q、 分別和

50、 、 做與運(yùn)算，并將 和 送入可逆計數(shù)器的控制端，然后根據(jù)可逆計數(shù)器加脈沖或減脈沖來實(shí)現(xiàn)辨向的目的。,2.4.3 光柵傳感器,,正向移動,反向移動,2.4.3 光柵傳感器,,在一個莫爾條紋間距內(nèi)并列放置四個光電器件，當(dāng)光柵相對移動一個柵距時，可得到相位差90o的四個脈沖信號，從而實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。,2）細(xì)分技術(shù),直接細(xì)分法,2.4.3 光柵傳感器,,,,,電阻橋細(xì)分法,2.4.3 光柵傳感器,4. 光柵傳

51、感器的應(yīng)用,將光源、透鏡、指示光柵和光電器件固定在機(jī)床床身上，主光柵固定在機(jī)床運(yùn)動部件上。主光柵的長度由量程確定。,當(dāng)兩光柵相對移動時便產(chǎn)生莫爾條紋，該條紋隨光柵以一定的速度移動，用光電器件檢測條紋亮度的變化，即可得到周期變化的電信號，電信號通過前置放大器送入數(shù)字顯示器，直接顯示被測位移的大小。,(光柵位移傳感器),2.4.3 光柵傳感器,2.4.4 電荷耦合器件( CCD),MOS電容器的結(jié)構(gòu)是在P型半導(dǎo)體硅片上形成一層氧化物(S

52、iO2)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，由此形成一個金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元。,2.4 光電傳感器,CCD的結(jié)構(gòu)：,在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，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應(yīng)出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。,2.4.4 電荷耦合器件(CCD),CCD的原理：,光源發(fā)出的光經(jīng)掃描對象反射后，通過透鏡在線陣CCD上成像，CCD輸出的電信號反映了掃描對象的亮度信息，經(jīng)放大、A

53、/D轉(zhuǎn)換和編碼后成為數(shù)字信號輸出。,掃描儀原理圖,2. CCD的應(yīng)用,2.4.4 電荷耦合器件(CCD),2.4.4 電荷耦合器件(CCD),特點(diǎn)：(1) 非接觸檢測；(2) 響應(yīng)快；(3) 可靠性高，維修簡便；(4) 測量精度高；(5) 體積小，重量輕，容易與計算機(jī)連接；(6) 對被測物體需要強(qiáng)光照射；(7) 受被測物體以外的光影響。,2.4.4 電荷耦合器件(CCD),數(shù)碼相機(jī)：,2.4.4 電荷耦合器件(C

54、CD),2.4.5 紅外傳感器,當(dāng)溫度高于絕對零度就會輻射紅外線，其波長范圍為： ，頻率范圍為： 。,紅外傳感器是將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏器件，包括熱探測器和光子探測器。 熱探測器是利用紅外輻射的熱電效應(yīng)，根據(jù)溫度的變化測定所吸收的紅外輻射能。通常有熱電偶型、熱敏電阻型、

55、熱釋電型等。其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬、可在常溫下工作，缺點(diǎn)是響應(yīng)時間長。 光子探測型是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，根據(jù)光子能量測定紅外輻射能。通常有光電導(dǎo)型、光生伏特型和光磁電型等。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是探測波段窄，需要在低溫下工作。,2.4 光電傳感器,紅外輻射測溫儀,調(diào)制器是把紅外輻射調(diào)制成交變輻射的裝置，因為交變輻射便于處理，信噪比高。調(diào)制器采用微電機(jī)帶動一個齒輪盤或等間距孔盤(調(diào)制盤)旋轉(zhuǎn)，使

56、入射輻射到紅外探測器上的輻射信號成為交變輻射。,2.4.5 紅外傳感器,,四個超聲波接近覺傳感器完成避障功能，三個紅外接近覺傳感器完成自動尋軌功能。,自動尋軌和避障機(jī)器人小車,2.4.5 紅外傳感器,第2章 傳感器,2.5 半導(dǎo)體傳感器,半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上會產(chǎn)生電勢(霍爾電勢)。,2.5.1 霍爾傳感器,1. 工作原理：霍爾效應(yīng),霍爾傳感器由霍爾片、四根引線和殼體組成。,2

57、.5.1 霍爾傳感器,,2. 霍爾傳感器的應(yīng)用,2.5.1 霍爾傳感器,霍爾轉(zhuǎn)角傳感器：,2.5.1 霍爾傳感器,霍爾電流傳感器：,當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，磁場通過鉗形軟磁鐵心來聚集，然后用霍爾元件進(jìn)行檢測。,2.5.1 霍爾傳感器,當(dāng)金屬表面有裂紋時，在裂紋處出現(xiàn)漏磁場，霍爾元件通過漏磁場將獲得一個脈動電壓信號。,案例：金屬表面裂紋和鋼絲繩斷絲檢測,2.5.1 霍爾傳感器,案

58、例：汽車速度測量,,,(r/min),2.5.1 霍爾傳感器,2.5.2 氣敏傳感器,氣體檢測是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段。如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達(dá)0.8～1.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟?。另外易燃、易爆氣體、酒精等的探測，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。,煙霧報警器,酒精傳感器,二氧化碳傳感器,2.5 半導(dǎo)體傳感器,2.5.2 氣敏傳感器,利用半導(dǎo)體氣敏材料，如氧化鋅(ZnO)、二氧化錫(

59、SnO2)、二氧化錳(MnO2)等)，吸附被測氣體(氫氣、一氧化碳、甲烷、乙醇等)時，電阻率發(fā)生變化，從而使電阻隨被測氣體濃度的改變而變化。,1. 工作原理：氣敏效應(yīng),氣敏器件電阻值與氣體濃度關(guān)系曲線：,2.5.2 氣敏傳感器,氣敏器件：,2.5.2 氣敏傳感器,2. 氣敏傳感器的應(yīng)用,,當(dāng)室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度增大時，氣敏傳感器吸附可燃?xì)怏w使電阻值降低，檢測回路電流增加，直接驅(qū)動蜂鳴器BZ報警。,家用可燃?xì)怏w報警器,2.5.2

60、 氣敏傳感器,,當(dāng)無瓦斯氣體時，氣敏傳感器電阻值較大，調(diào)節(jié)電位器Rp使輸出電壓小于0.7V，555集成器件的4腳被嵌位，振蕩器不工作。當(dāng)周圍空氣有瓦斯氣體時，氣敏傳感器電阻值降低，電位器輸出電壓增加，555集成器件的4腳變?yōu)楦唠娖?，振蕩器起振，揚(yáng)聲器報警。,2.5.2 氣敏傳感器,案例：,2.5.2 氣敏傳感器,酒精傳感器,案例：,2.5.2 氣敏傳感器,2.5.3 濕敏傳感器,在實(shí)際生活中，如人體的感覺、植物的枯萎、

61、水分蒸發(fā)的快慢等，都與相對濕度有關(guān)。,2.5 半導(dǎo)體傳感器,1. 工作原理：濕敏效應(yīng),利用半導(dǎo)體濕敏材料，如四氧化三鐵(Fe3O4)、鉻酸鎂—二氧化鈦(MgCr2O4-TiO2)、氧化鋅—三氧化二鉻(ZnO-Cr2O3)吸附空氣中的水分時，電阻值發(fā)生變化。,MgCr2O4-TiO2特性曲線,2. 濕敏傳感器的應(yīng)用,若檢測出相對濕度≥65%RH，溫度≥55oC時，判斷為泄漏狀態(tài)，通過與門輸出。若檢測濕度變化率大于設(shè)定值時

62、，也可判斷為泄漏狀態(tài)，通過或門輸出?；蜷T的輸入端只要有一端輸入為高電平，即可判斷有泄漏，并進(jìn)行聲光報警。,2.5.3 濕敏傳感器,微量水蒸氣檢漏儀,生物傳感器：,生物傳感器由生物敏感膜與變換器構(gòu)成，根據(jù)敏感物質(zhì)不同，可分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器等。,第2章 傳感器,血糖－乳酸測定,體育上耐力訓(xùn)練,生物傳感器,德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀,生物傳感器,手掌型葡萄糖(glucose)分析儀,生物

63、傳感器,工廠發(fā)酵車間化驗員正在分析樣品,發(fā)酵工廠谷氨酸-葡萄糖分析,生物傳感器,智能傳感器：,智能傳感器是將傳感器、信號調(diào)理電路與微型計算機(jī)等集成在一塊芯片上，其特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還具有邏輯判斷、信息處理等功能。,,,第2章 傳感器,嵌入式計算機(jī),智能傾角RS232傳感器,IC總線數(shù)字溫度傳感器,智能傳感器,智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器,振動網(wǎng)絡(luò)傳感器,智能傳感器,第2章 傳感器,2.6 項目

64、設(shè)計實(shí)例,傳感器將骨折斷端施加的力轉(zhuǎn)換成電壓輸出，電壓信號經(jīng)放大、濾波后用數(shù)顯表頭實(shí)時顯示骨外固定力的大小，并通過設(shè)定比較電路實(shí)現(xiàn)超載報警。,在臨床實(shí)際應(yīng)用中，骨折斷端施加力的大小，直接影響骨骼愈合的速度和質(zhì)量，若施力過小骨骼不愈合，施力過大會破壞骨骼的生理機(jī)能。,2.6 項目設(shè)計實(shí)例,2.6.1 傳感器選擇,根據(jù)骨外固定的特點(diǎn)，傳感器選擇必須滿足體積小、重量輕、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、安裝拆卸方便、有較大的空

65、間進(jìn)行手術(shù)等要求，為此選用“S”形彈性元件的電阻應(yīng)變式傳感器。,2.6.2 放大器選擇(INA114),為了醫(yī)護(hù)人員使用方便，要求F=100N時顯示100mV，放大器的增益K=100/20=5。( ， 可調(diào)),,,2.6 項目設(shè)計實(shí)例,,2.6.3 濾波器選擇,選擇一階有源RC低通濾波器。該濾波器結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，具有很好的低頻特性。