機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)第三章

1、第三章 常用傳感器,主要研究內(nèi)容：,1.了解傳感器的分類 　　　 2.常用傳感器測量原理3.傳感器選用,測試技術(shù)基礎(chǔ),一、傳感器的作用,傳感器 --- 被測信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出器件/裝置,,傳感器,（重要、關(guān)鍵）,檢測系統(tǒng)：,物理量、化學(xué)量、生物量/其他,便于處理和傳輸?shù)男盘?人的五官：,眼睛 耳朵 鼻子 舌頭 皮膚,視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺,二、傳感器的分類,3.1 概

2、述,1. 傳感器(Sensor)定義,傳感器是能感受規(guī)定的被測量、并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件或裝置。,第三章常用傳感器,傳感器在非電量電測系統(tǒng)中的作用：,一是 敏感作用： 感受并拾取被測對象的信號,二是變換作用：

3、 被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號,概述,獲得傳感器信號的兩種方法：直接獲得電信號的變化（開關(guān)傳感器）；將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。,2. 傳感器的分類,(1)按被測物理量分類:(2)按傳感器元件的變換原理分類:,位移傳感器,流量傳感器,溫度傳感器等.,概述,能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.（無源傳感器） 例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能

4、量并由被測量控制外部供給能量的變化. （有源傳感器）例如:電阻應(yīng)變片.能量傳遞型:從某種能量發(fā)生器與接受器進行能量傳遞過程中實現(xiàn)敏感檢測. 例如:超聲波發(fā)生器和接受器.,(3)按傳感器的能量傳遞方式分類:,概述,(4)按輸出信號分類:,概述,,模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。,需要指出的是，不同情況下，傳感器可能只有一個，也可能有幾個換能元件，也可能是一個小型裝置。例如，

5、電容式位移傳感器是位移一電容變化的能量控制型傳感器，可以直接測量位移。而電容式壓力傳感器，則經(jīng)過壓力一膜片彈性變形(位移)一電容變化的轉(zhuǎn)換過程。此時膜片是一個由機械量一機械量的換能件，由它實現(xiàn)第一次變換；同時它又與另—極板構(gòu)成電容器，用來完成第二次轉(zhuǎn)換。再如電容型伺服式加速度計(也稱力反饋式加速度計)，實際上是一個具有閉環(huán)回路的小型測量系統(tǒng)，如圖3-2所示。這種傳感器較一般開環(huán)式傳感器具有更高的精確度和穩(wěn)定性。,概述,3. 傳感器

6、的性能要求,足夠的容量匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高精度適當，穩(wěn)定性高反應(yīng)速度快，工作可靠性高適應(yīng)性和適用性強,概述,機械式傳感器應(yīng)用很廣。在測試技術(shù)中，常常以彈性體作為傳感器的敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形(或應(yīng)變)。這種變形可轉(zhuǎn)變成其他形式的變量。例如被測量可放大而成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測量的大小。,3.2 機械式傳感器,第三章常用傳感器,第三章常用傳感

7、器,1）、機械式指示儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點。但彈性變形不宜大，以減小線性誤差。 2）、由于放大和指示環(huán)節(jié)多為機械傳動，不僅受間隙影響，而且、慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測量。（為了提高測量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他形式的傳感器(如電阻、電容、電渦流式等)將位移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。） 3）、彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象。材料的蠕變與承載

8、時間、載荷大小、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。而彈性后效則與材料應(yīng)力-松馳和內(nèi)阻尼等因素有關(guān)。都會影響到輸出與輸入的線性關(guān)系。因此，應(yīng)用彈性元件時，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和處理工藝等方面采取有效措施來改善上述諸現(xiàn)象產(chǎn)生的影響。,第三章常用傳感器,第三章常用傳感器,電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器,,按工作的原理可分為:,熱敏式,電阻應(yīng)變式,變阻器式,光敏式,電敏式,3.3 電阻式傳感器,第三章常用傳感器,固態(tài)壓阻式,1

9、、電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變片,金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。,電阻式傳感器,1) 工作原理,金屬應(yīng)變片的電阻R為,電阻式傳感器,(1) 金屬應(yīng)變片（?不變）,(2) 半導(dǎo)體應(yīng)變片（?變化）,電阻式傳感器,壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。從半導(dǎo)體物理可知，半導(dǎo)體在壓力、溫度

10、及光輻射作用下，能使其電阻率P發(fā)生很大變化。,2) 金屬應(yīng)變計,金屬應(yīng)變計有:絲式和箔式優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點:靈敏度系數(shù)小.,應(yīng)變計,電阻式傳感器,3) 半導(dǎo)體應(yīng)變計,優(yōu)點：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。,應(yīng)變計,電阻式傳感器,體型薄膜型擴散型,,案例：,4) 應(yīng)用,電阻式傳感器,,案例：電子稱,原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變

11、片轉(zhuǎn)化為電量輸出。,德國HBM電阻應(yīng)變式傳感器,電阻式傳感器,2、變阻式傳感器,電阻式傳感器,變阻器式傳感器亦稱為電位計式傳感器，它通過改變電位器觸頭位置，實現(xiàn)將位移轉(zhuǎn)換為電阻R的變化。常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。,函數(shù)電位器,電阻式傳感器,變阻器式傳感器的后接電路，一般采用電阻分壓電路,變阻器式傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。 缺點是分辨力不高，因為受到電阻絲直徑的限制。提高分辨力需使用更

12、細的電阻絲，其繞制較困難。 由于結(jié)構(gòu)上的特點，這種傳感器還有較大的噪聲，電刷和電阻元件之間接觸面變動和磨損、塵埃附著等，都會使電刷在滑動中的接觸電阻發(fā)生不規(guī)則的變化，從而產(chǎn)生噪聲。 變阻器式傳感器被用于線位移、角位移測量在測量儀器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計等。,電阻式傳感器,電阻式傳感器,3、固態(tài)壓阻式傳感器,固態(tài)壓阻式傳感器的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的電阻效應(yīng)。固態(tài)壓阻式傳感器中的敏感元件則是在半導(dǎo)體材料的基片上用

13、集成電路工藝制成的擴散電阻，所以亦可稱為擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。這種元件是以單晶硅為基底材料，按一定晶向?qū)型雜質(zhì)擴散到N型硅底層上，此P型層就相當于半導(dǎo)體應(yīng)變片中的電阻條，連接引線后就構(gòu)成了擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。 由于互相滲透，結(jié)合緊密，所以基本上為一體。在生產(chǎn)時可以根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)形成制成各種形狀。這時基底就是彈性元件，導(dǎo)電層就是敏感元件。當有機械力作用時，硅片產(chǎn)生應(yīng)變，使導(dǎo)電層發(fā)生電阻變化。一般這種元件做成全橋形式，在外力

14、作用下，電橋產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。,電阻式傳感器,在設(shè)計傳感器硅膜片時，為了使傳感器有較好的線性輸出，硅膜片的應(yīng)變不宜；立大，對半導(dǎo)體應(yīng)變片和硅杯擴散電阻，一般不超過500pc為宜。如圖4—55所示結(jié)構(gòu)的硅膜片， 其應(yīng)變分布如圖所示。,電阻式傳感器,固態(tài)壓阻式傳感器主要用于測量壓力與加速度。 由于固態(tài)壓阻傳感器是用集成電路工藝制成的，測量壓力時，有效面積可做得很小，因此這種傳感器頻響高，可用來測量幾十千赫的脈動壓力。

15、 測量加速度的壓阻式傳感器，如恰當?shù)剡x擇尺寸與阻尼系數(shù)，可用來測量低頻加速度與直線加速度。 由于半導(dǎo)體材料的溫度敏感性，因此，壓阻式傳感器的溫度誤差較大，使用時應(yīng)有溫度補償措施。,電阻式傳感器,4、典型動態(tài)電阻應(yīng)變儀,電阻式傳感器,3.3 電容式傳感器,1.變換原理:,將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化,兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:,當被測量δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保

16、持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。,第三章常用傳感器,2 分類,a) 極距變化型;,,電容式傳感器,電容式傳感器,b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.,角位移型,電容式傳感器,平面線位移型,柱面線位移型,電容式傳感器,3 應(yīng)用,,,1.震動，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動，位置，膨脹3.撓度，變形，波動，傾斜4.尺寸，公差，分選，零件識別5.沖擊，應(yīng)

17、變，軸向振動6.軸承振動，油膜間隙，磨擦，偏心,,電容式傳感器,電容式傳感器的特點,輸入能量小，靈敏度高；動態(tài)特性好；能耗小；結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好；非線性較大；電纜分布電容影響大。,電容式傳感器,3.4 電感式傳感器,電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。,第三章常用傳感器,1 自感型--可變磁阻式,原理:電磁感應(yīng),電感式傳感器,a)變間隙型,b)變面積型,c）螺線管型,電感式傳感器,d)差

18、動電感型,電感式傳感器,2 渦流式,原理:渦流效應(yīng),電感式傳感器,原線圈的等效阻抗Z變化：,電感式傳感器,電渦流傳感器的測量電路——并聯(lián)諧振電路,發(fā)生諧振時回路的電流和電壓同相，此時電路等效阻抗最大且具有純電阻性，電路中的總電流很小。,電感式傳感器,調(diào)幅測量法,調(diào)頻測量法,電感式傳感器,a)高頻反射式：（集膚效應(yīng)）,電感式傳感器,b)低頻透射式：（互感原理）,案例： 連續(xù)油管的橢圓度測量,原理：,電感式傳感器,案例： 無損探傷,原理裂

19、紋檢測，缺陷造成渦流變化。,火車輪檢測,油管檢測,電感式傳感器,案例： 測厚,案例： 零件計數(shù),電感式傳感器,3 變壓器式--差動變壓器,工作原理:互感現(xiàn)象.,電感式傳感器,電感式傳感器,差動相敏檢波電路,應(yīng)用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度; 壓力,流量,液位;張力,重力,負荷量;扭矩, 應(yīng)力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.,電感式傳感器,電感式傳感器,電感式傳感器的特點

20、 簡單電感、差動電感和差動變壓器式傳感器具有以下特點 結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠； 靈敏度高、分辨力較大； 測量精度較高，非線性誤差?。?頻率響應(yīng)較低，不宜測高頻動態(tài)參量。,3.5 磁電式傳感器,1.變換原理:,磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。,感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢U為,磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變線

21、圈的感應(yīng)電動勢。,第三章常用傳感器,2 分類,磁電式傳感器,3 動圈式傳感器,,磁電式傳感器,磁電式傳感器,線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢通過電纜與電壓放大器聯(lián)接時，其等效電路如下,4 磁阻式傳感器,磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對運動，由運動著的物體(導(dǎo)磁材料)改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。,,磁電式傳感器,磁電式傳感器,5 應(yīng)用,b) 測速電機,a)磁電式車速傳感器,磁電式傳感器,3.6壓電式

22、傳感器,1.變換原理:,壓電效應(yīng)（可逆）,某些物質(zhì)，如石英，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。,第三章常用傳感器,壓電效應(yīng),q=DF,壓電式傳感器,,壓電式傳感器可以等效為一個電荷源與一個電容并聯(lián)的電荷等效電路，也可以等效為電壓源與一個電容串聯(lián)的電壓等效電路。,壓電式傳感器,壓電式傳感器,壓電式傳感器,在受到沿不同方向的作用力時

23、會產(chǎn)生不同的極化作用，如圖所示。x軸方向加力產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)，沿y軸加力產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)，沿相對兩平面加力產(chǎn)生剪切壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)都是線性的。即晶體表面出現(xiàn)的電荷的多少和形變的大小成正比，當形變改變符號時，電荷也改變符號；在外電場作用下，晶體形變的大小與電場強度成正比，當電場反向時，形變改變符號。常用的壓電材料大致可分為三類：壓電單晶、壓電陶瓷和有機壓電薄膜。,壓電式傳感器,,,2、測量電路,a)電壓放大器,壓電式傳感

24、器,壓電式傳感器,傳感器電纜不是規(guī)定的長度時，應(yīng)重新調(diào)整靈敏度。,壓電式傳感器,壓電式傳感器高頻響應(yīng)很好，增大壓電式傳感器的時間常數(shù)可提高低頻響應(yīng)性能。,b)電荷放大器,,,壓電式傳感器,壓電式傳感器,由上可知，放大起的輸出電壓與電纜電容無關(guān)，電纜長度不會帶來明顯的測量誤差，但太長會帶來噪聲。為防止直流開路，造成較大的零點漂移，因此并聯(lián)一個大電阻，提供直流反饋并改善低頻響應(yīng)。,1、壓電式傳感器屬發(fā)電類傳感器，無需外界供電。2、

25、固有頻率高，而且頻帶很寬。因此，壓電式傳感器主要用于測量動態(tài)參量。 傳感器本身常因絕緣阻抗不夠高而存在漏電現(xiàn)象，而影響低頻特性，因此壓電傳感器不適于測靜態(tài)參量。 壓電式傳感器要求有很高的絕緣電阻，對傳感器零件間和引出線插座及電纜都要采取嚴格的絕緣措施，使用絕緣性能良好的材料等。 在保持內(nèi)部零件純凈、燥的條件下，在凈化室內(nèi)組裝，并進行嚴格的密封和焊封，這樣絕緣電阻可達到。3、壓電傳感器還具有靈敏度高，

26、信噪比大，工作可靠，體積小，重量輕等優(yōu)點。,壓電式傳感器的特點,3 應(yīng)用,b) 壓力變送器,a) 加速度計，力傳感器,壓電式傳感器,案例：飛機模態(tài)分析,壓電式傳感器,3.7 熱電式傳感器,熱電式傳感器,1、熱電偶工作原理,把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，如果將它們的兩個接點分別置于溫度為T及To(假定T>To)的熱源中，則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。所產(chǎn)生的熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分

27、組成。,熱電式傳感器,熱電偶回路有以下特點：1) 若組成熱電偶的回路的兩種導(dǎo)體相同，則無論兩接點溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動勢為零；2) 若熱電偶兩接點溫度相同，則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同，熱電偶回路中的總熱電動勢也為零；熱電偶AB的熱電動勢與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無關(guān)，而只與接點溫度有關(guān)； 熱電偶朋在接點溫度r2、r3時的熱電動勢，等于熱電偶在接點溫度為T1、T2和T2、T3時的熱電動勢總合； 當溫度為T1、

28、T2時，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的和，導(dǎo)體C稱為標準電極(一般由鉑制成)，故把這一性質(zhì)稱為標準電極定律。,熱電式傳感器,6） 在熱電偶回路中接人第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線的兩端溫度相同，第三種導(dǎo)線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢，這一性質(zhì)稱為中間導(dǎo)體定律；,熱電式傳感器,2、熱電阻傳感器 利用電阻隨溫度變化的特點制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對溫度和與溫度

29、有關(guān)的參數(shù)測定。 按熱電阻的性質(zhì)來分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，前者通常簡稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻(見本章第七節(jié))。 熱電阻是由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部件組成，其中，電阻體是熱電阻的最主要部分。,光電式傳感器,3.8 光電式傳感器,1、工作原理1）外光電效應(yīng) 在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。,2、內(nèi)光電效應(yīng) 受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料

30、)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1)光電導(dǎo)效應(yīng) 半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子—空穴對，使其導(dǎo)電性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(光電導(dǎo)型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型)。,光電式傳感器,光電式傳感器,2)光生伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)

31、體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。 光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的，屬有源器件。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。右圖表示硅光電池構(gòu)造原理和圖示符號。硅太陽能電池具有輕便、簡單，不會產(chǎn)生氣體或熱污染，易于適應(yīng)環(huán)境。因此凡是不能鋪設(shè)電纜的地方都可采用太陽能電池，尤其適用于為宇宙飛行器的各種儀表提供電源。,光纖式傳感器,3.9 光纖式傳感器,光纖傳感器以光學(xué)測量為基礎(chǔ)，因此光纖傳感器首先要解決的問題

32、是如何將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光波的變化。 實際上，只要使光波的強度、頻率、相位和偏振四個參數(shù)之一隨被測量變化，則此問題即被解決。 通常，把光波隨被測量的變化而變化，稱為對光波進行調(diào)制。相應(yīng)的，按照調(diào)制方式，光纖傳感器可分為強度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制等四種形式。其中以強度調(diào)制型較為簡單和常用。,光纖式傳感器,1、光纖傳感器分類 按光纖的作用，光纖傳感器可分為功能型和傳光型兩種。1）功能型光纖

33、傳感器 功能型光纖傳感器的光纖不僅起著傳輸光波的作用，還起著敏感元件的作用，由它進行光波調(diào)制；它既傳光又傳感。2）傳光型光纖傳感器 傳光型光纖傳感器的光纖僅僅起著傳輸光波的作用，對光波的調(diào)制則需要依靠其他元件來實現(xiàn)。從圖中可以看到，實際上傳光型光纖傳感器也有兩種情況。一種是在光波傳輸中，由光敏元件對光波實行調(diào)制，另一種則是由敏感元件和發(fā)光元件發(fā)出已調(diào)制的光波。,光纖式傳感器,2、光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)與傳輸原理

34、 光導(dǎo)纖維是很細的玻璃絲，它由兩層組成，內(nèi)層為光芯，外層為包層，這兩層雖然都是玻璃，但它們的折射率略有不同，光芯的折射率n1，稍大于包層的折射率n2。光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)如圖所示。,光在真空中是直線傳播的，但經(jīng)過不同介質(zhì)的介面時，就會發(fā)生折射和反射。,光纖式傳感器,根據(jù)光的折射反射定律(斯奈爾定律)可得,光纖式傳感器,當n1>n2時，由折射定律可知，a1<a2。當a1較小時，此時在介面上既有折射，又有反射。若入射角a1逐漸增

35、大到某一角度ac時，使出射角a2=90，此時光在介面上就會全部反射回來，反射光強度等于入射光強度，對此稱為全反射，ac稱為全反射臨界角。由上式可得,3、光纖傳感器的應(yīng)用,光纖式傳感器,光纖式傳感器,光纖傳感器的特點：1)采用光波傳遞信息，不受電磁干擾，電氣絕緣性能好，可在強電磁干擾下完成傳統(tǒng)傳感器難以完成的某些參量的測量，特別是電流、電壓測量。2)光波傳輸無電能和電火花，不會引起被測介質(zhì)的燃燒、爆炸；光纖耐高溫、耐腐蝕因而能在易

36、燃、易爆和強腐蝕性的環(huán)節(jié)中安全工作。3)某些光纖傳感器的工作性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器，如加速度計、磁場計、水聽器等。4)重量輕、體積小、可撓性好，利于在狹窄空間使用。5)光纖傳感器具有良好的幾何形狀適應(yīng)性，可做成任意形狀的傳感器和傳感器陣列。6)頻帶寬、動態(tài)范圍大，對被測對象不產(chǎn)生影響，有利于提高測量精度。7)利用現(xiàn)有的光通信技術(shù)，易于實現(xiàn)遠距離測控。,光纖式傳感器,半導(dǎo)體傳感器,3.10 半導(dǎo)體傳感器,霍爾式傳感器,氣敏傳感器,

37、濕敏傳感器,固態(tài)圖像傳感器,集成傳感器,熱敏傳感器,半導(dǎo)體傳感器,霍爾式傳感器工作原理,如圖所示，在一塊長為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片兩側(cè)面通過電流I，在薄片的垂直方向施加磁場B，則在半導(dǎo)體另兩側(cè)面產(chǎn)生一個與電流I和磁場B乘積成正比的電動勢Uh，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電勢。,半導(dǎo)體傳感器,霍爾式傳感器應(yīng)用,半導(dǎo)體傳感器,霍爾式傳感器應(yīng)用,3.11 光柵式傳感器,--- 等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)

38、成的光學(xué)元件,物理光柵：,計量光柵：,利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜、測定波長,利用光的莫爾條紋現(xiàn)象測量精密位移,長光柵 --- 直線位移；圓光柵 --- 角位移,構(gòu)成：主光柵 --- 標尺光柵，定光柵；指示光柵 --- 動光柵,長度 --- 測量范圍；刻線密度 --- 測量精度 ( 10、25、50、100、125線/mm ),(1) 莫爾條紋（Moire）,條紋寬度：,W-柵距， a-線寬， b-縫寬,W=a+b ，a=b=W/2,特例：

39、當 ?=0, w1=w2 → B=? → 光閘莫爾條紋 當 ?=0, w1≠w2 → 縱向莫爾條紋,莫爾條紋特性：,方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時 → 與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距 → 莫爾條紋移動一個間距一方向?qū)?yīng)放大性：夾角θ很小 → B>>W → 光學(xué)放大 → 提高靈敏度可調(diào)性：夾角θ↓→ 條紋間距B↑ → 靈活準確性：大量刻線 → 誤差平均效應(yīng) → 克服個別/局

40、部誤差 → 提高精度,(2) 光柵傳感器分類與結(jié)構(gòu)原理,按運動形式分： 直線型---主光柵為直尺形→直線移動 旋轉(zhuǎn)型---主光柵為圓盤形→旋轉(zhuǎn)運動,按光學(xué)形式分： 透射式---光源與光電元件在兩側(cè)→透射光 反射式---光源與光電元件同一側(cè)→反射光,(3) 光柵傳感器特點,①精度高：測長±(0.2+2×10-6L)μm，測角±0.1″②量程大：

41、透射式---光柵尺長（米），反射式---幾十米③響應(yīng)快：可用于動態(tài)測量④增量式：增量碼測量 → 計數(shù) 斷電→數(shù)據(jù)消失⑤要求高：對環(huán)境要求高→溫度、濕度、灰塵、振動、移動精度⑥成本高：電路復(fù)雜,紅外探測器,3.12 紅外探測器,1、熱探測器 熱探測器是利用紅外輻射引起探測元件的溫度變化，進而測定所吸收的紅外輻射量。通常有熱電偶型、熱敏電阻型、氣動型、熱釋電型等。(1)熱電偶型 將熱電偶置于環(huán)境溫度下，將結(jié)點涂上黑

42、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。這種熱電偶多用半導(dǎo)體測量。(2)氣動型 氣動型探測器是利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高、體積增大的特性來反映紅外輻射的強弱。(3)熱釋電型 某些晶體是具有極化現(xiàn)象的鐵電體，在適當外電場作用下，這種晶體可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆驑O化單疇。在紅外輻射下，由于溫度升高，引起極化強度下降，即表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，此現(xiàn)象被稱為熱釋電效應(yīng)。,紅外探測器是將輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種

43、傳感器。 按其工作原理可分為熱探測器和光子探測器。,紅外探測器,2、光子探測器,光子探測器的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。一般有光電、光電導(dǎo)及光生伏打等探測器。 由于光子探測器是利用入射光子直接與束縛電子相互作用，所以靈敏度高、響應(yīng)速度快。又因為光子能量與波長有關(guān)，所以光子探測器只對具有足夠能量的光子有響應(yīng)，存在著對光譜響應(yīng)的選擇性。光子探測器通常在低溫條件下工作，因此需要制冷設(shè)備。,紅外探測器,3、紅外探測器的應(yīng)

44、用,激光測試傳感器,3.12 激光測試傳感器,1、激光干涉式測量儀器 常用的激光測長儀是以激光為光源的邁克爾遜干涉儀，其工作原理是通過測定檢測光與參考光的相位差所形成的干涉條紋數(shù)目而測得物體長度的。,激光干涉測量系統(tǒng),1) 單頻激光干涉系統(tǒng),雙頻激光干涉系統(tǒng),--- 信噪比高，抗干擾能力強，大位移測量（200m以上）,雙頻激光干涉測量系統(tǒng),激光測距系統(tǒng),3）激光三角法,--- 大范圍遠距離測距（幾千/幾十千米）,1）脈沖測

45、距法,2）相位差測距法,測量精度：時間間隔測量精度（脈沖窄、響應(yīng)速度快）,遠距離 --- 固體/二氧化碳；近距離 --- 半導(dǎo)體,巨脈沖激光器 --- 地球—月球距離（分辨力：1m）,激光束調(diào)制 --- 相位差 --- 時間 --- 距離,距離,特點：測量精度高、分辨力強,原理：,?y = f (?x),,Keyence 激光測距傳感器,,特點： 非接觸、不易劃傷表面、結(jié)構(gòu)簡單、測量距離大、 抗干擾、測量點?。◣资⒚祝?、測量準確度高,

46、精度：光學(xué)元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強和直徑大小以及被測物體的表面特征,應(yīng)用：,厚度測量：,(a) 參考表面：兩傳感器同向 --- 減小偏心誤差,(b) 相對測量：兩傳感器反向，無參考表面 --- 克服鋼板本身上下起伏造成的誤差,測量范圍：16mm左右；相對測量精度：?0.1% ~ ?0.2%,適用：在線測量鋼板/鋁板等板材厚度,特點：測頭對表面顏色和紋理變化以及背景光的影響不敏感,不能測量鏡面 --- 漫反射原理,激光測試傳

47、感器,2、激光全息測量儀器 下圖是全息成像記錄過程的原理圖。當激光從激光器發(fā)射出來，經(jīng)過分光鏡被分成兩束光。一束由分光鏡反射，經(jīng)過反射鏡達到擴束鏡，將直徑為幾個毫米的激光擴大照射整個物體的表面，再由物體表面漫反射到干板上，這束光稱為物光；另一束透過分光鏡后，被另一個擴束鏡擴大，再經(jīng)另一個反射鏡直接照射到干板上，這束光稱為參考光。當這兩束光在干板上疊加后，形成干涉圖案，正是這些干涉條紋記錄了物體光波的振幅和相位信息。,3.7傳