機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)第三章

1、第三章 常用傳感器,主要研究?jī)?nèi)容：,1.了解傳感器的分類 　　　 2.常用傳感器測(cè)量原理3.傳感器選用,測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),一、傳感器的作用,傳感器 --- 被測(cè)信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出器件/裝置,,傳感器,（重要、關(guān)鍵）,檢測(cè)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?hào),人的五官：,眼睛 耳朵 鼻子 舌頭 皮膚,視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué),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(cè)量、并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置。,第三章常用傳感器,傳感器在非電量電測(cè)系統(tǒng)中的作用：,一是 敏感作用： 感受并拾取被測(cè)對(duì)象的信號(hào),二是變換作用：

3、 被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于檢測(cè)和處理的電信號(hào),概述,獲得傳感器信號(hào)的兩種方法：直接獲得電信號(hào)的變化（開(kāi)關(guān)傳感器）；將物理量變換成電信號(hào)的變化（水位、壓力等）。,2. 傳感器的分類,(1)按被測(cè)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(cè)對(duì)象輸入能量使其工作.（無(wú)源傳感器） 例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能

4、量并由被測(cè)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(jìn)行能量傳遞過(guò)程中實(shí)現(xiàn)敏感檢測(cè). 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(hào)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(gè)，也可能有幾個(gè)換能元件，也可能是一個(gè)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(cè)量位移。而電容式壓力傳感器，則經(jīng)過(guò)壓力一膜片彈性變形(位移)一電容變化的轉(zhuǎn)換過(guò)程。此時(shí)膜片是一個(gè)由機(jī)械量一機(jī)械量的換能件，由它實(shí)現(xiàn)第一次變換；同時(shí)它又與另—極板構(gòu)成電容器，用來(lái)完成第二次轉(zhuǎn)換。再如電容型伺服式加速度計(jì)(也稱力反饋式加速度計(jì))，實(shí)際上是一個(gè)具有閉環(huán)回路的小型測(cè)量系統(tǒng)，如圖3-2所示。這種傳感器較一般開(kāi)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(dāng)，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(qiáng),概述,機(jī)械式傳感器應(yīng)用很廣。在測(cè)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(cè)量可放大而成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測(cè)量的大小。,3.2 機(jī)械式傳感器,第三章常用傳感器,第三章常用傳感

7、器,1）、機(jī)械式指示儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)械傳動(dòng)，不僅受間隙影響，而且、慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測(cè)緩變或靜態(tài)被測(cè)量。（為了提高測(cè)量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測(cè)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(hào)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(shí)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(huì)影響到輸出與輸入的線性關(guān)系。因此，應(yīng)用彈性元件時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和處理工藝等方面采取有效措施來(lái)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(cè)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(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)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(shí)，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(jì),金屬應(yīng)變計(jì)有:絲式和箔式優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.,應(yīng)變計(jì),電阻式傳感器,3) 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì),優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。,應(yīng)變計(jì),電阻式傳感器,體型薄膜型擴(kuò)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(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變

11、片轉(zhuǎn)化為電量輸出。,德國(guó)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(jì)式傳感器，它通過(guò)改變電位器觸頭位置，實(shí)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便。 缺點(diǎn)是分辨力不高，因?yàn)槭艿诫娮杞z直徑的限制。提高分辨力需使用更

12、細(xì)的電阻絲，其繞制較困難。 由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，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(dòng)和磨損、塵埃附著等，都會(huì)使電刷在滑動(dòng)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(cè)量在測(cè)量?jī)x器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計(jì)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(kuò)散電阻，所以亦可稱為擴(kuò)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(kuò)散到N型硅底層上，此P型層就相當(dāng)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(kuò)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(shí)可以根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)形成制成各種形狀。這時(shí)基底就是彈性元件，導(dǎo)電層就是敏感元件。當(dāng)有機(jī)械力作用時(shí)，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(jì)傳感器硅膜片時(shí)，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(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片和硅杯擴(kuò)散電阻，一般不超過(guò)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(cè)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(cè)量壓力時(shí)，有效面積可做得很小，因此這種傳感器頻響高，可用來(lái)測(cè)量幾十千赫的脈動(dòng)壓力。

15、 測(cè)量加速度的壓阻式傳感器，如恰當(dāng)?shù)剡x擇尺寸與阻尼系數(shù)，可用來(lái)測(cè)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(shí)應(yīng)有溫度補(bǔ)償措施。,電阻式傳感器,4、典型動(dòng)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(cè)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(dāng)被測(cè)量δ、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保

16、持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)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(dòng)，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動(dòng)，位置，膨脹3.撓度，變形，波動(dòng)，傾斜4.尺寸，公差，分選，零件識(shí)別5.沖擊，應(yīng)

17、變，軸向振動(dòng)6.軸承振動(dòng)，油膜間隙，磨擦，偏心,,電容式傳感器,電容式傳感器的特點(diǎn),輸入能量小，靈敏度高；動(dòng)態(tài)特性好；能耗??；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)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(dòng)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(cè)量電路——并聯(lián)諧振電路,發(fā)生諧振時(shí)回路的電流和電壓同相，此時(shí)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(cè)量法,調(diào)頻測(cè)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(cè)量,原理：,電感式傳感器,案例： 無(wú)損探傷,原理裂

19、紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。,火車輪檢測(cè),油管檢測(cè),電感式傳感器,案例： 測(cè)厚,案例： 零件計(jì)數(shù),電感式傳感器,3 變壓器式--差動(dòng)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(dòng)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(fù)荷量;扭矩, 應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),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(diǎn)

20、 簡(jiǎn)單電感、差動(dòng)電感和差動(dòng)變壓器式傳感器具有以下特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠； 靈敏度高、分辨力較大； 測(cè)量精度較高，非線性誤差?。?頻率響應(yīng)較低，不宜測(cè)高頻動(dòng)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(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。,感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U為,磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線

21、圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,第三章常用傳感器,2 分類,磁電式傳感器,3 動(dòng)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(shì)通過(guò)電纜與電壓放大器聯(lián)接時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)著的物體(導(dǎo)磁材料)改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,,磁電式傳感器,磁電式傳感器,5 應(yīng)用,b) 測(cè)速電機(jī),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(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)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(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷等效電路，也可以等效為電壓源與一個(gè)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(shí)

23、會(huì)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(duì)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(dāng)形變改變符號(hào)時(shí)，電荷也改變符號(hào)；在外電場(chǎng)作用下，晶體形變的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)電場(chǎng)反向時(shí)，形變改變符號(hào)。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(jī)壓電薄膜。,壓電式傳感器,,,2、測(cè)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(zhǎng)度時(shí)，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(shí)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(wú)關(guān)，電纜長(zhǎng)度不會(huì)帶來(lái)明顯的測(cè)量誤差，但太長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)噪聲。為防止直流開(kāi)路，造成較大的零點(diǎn)漂移，因此并聯(lián)一個(gè)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(wú)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(cè)量動(dòng)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(cè)靜態(tài)參量。 壓電式傳感器要求有很高的絕緣電阻，對(duì)傳感器零件間和引出線插座及電纜都要采取嚴(yán)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(jìn)行嚴(yán)格的密封和焊封，這樣絕緣電阻可達(dá)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(diǎn)。,壓電式傳感器的特點(diǎn),3 應(yīng)用,b) 壓力變送器,a) 加速度計(jì)，力傳感器,壓電式傳感器,案例：飛機(jī)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(gè)接點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分

27、組成。,熱電式傳感器,熱電偶回路有以下特點(diǎn)：1) 若組成熱電偶的回路的兩種導(dǎo)體相同，則無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)為零；2) 若熱電偶兩接點(diǎn)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(dòng)勢(shì)也為零；熱電偶AB的熱電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無(wú)關(guān)，而只與接點(diǎn)溫度有關(guān)； 熱電偶朋在接點(diǎn)溫度r2、r3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為T1、T2和T2、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)總合； 當(dāng)溫度為T1、

28、T2時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的和，導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極(一般由鉑制成)，故把這一性質(zhì)稱為標(biāo)準(zhǔn)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(huì)影響熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，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(diǎn)制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對(duì)溫度和與溫度

29、有關(guān)的參數(shù)測(cè)定。 按熱電阻的性質(zhì)來(lái)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(jiǎn)稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻(見(jiàn)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(dòng)勢(shì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，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)。基于這種效應(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(dòng)勢(shì)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(jiàn)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(hào)。硅太陽(yáng)能電池具有輕便、簡(jiǎn)單，不會(huì)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(yáng)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(cè)量為基礎(chǔ)，因此光纖傳感器首先要解決的問(wèn)題

32、是如何將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光波的變化。 實(shí)際上，只要使光波的強(qiáng)度、頻率、相位和偏振四個(gè)參數(shù)之一隨被測(cè)量變化，則此問(wèn)題即被解決。 通常，把光波隨被測(cè)量的變化而變化，稱為對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。相應(yīng)的，按照調(diào)制方式，光纖傳感器可分為強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制型較為簡(jiǎn)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(jìn)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(duì)光波的調(diào)制則需要依靠其他元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。從圖中可以看到，實(shí)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(duì)光波實(shí)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(xì)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(guò)不同介質(zhì)的介面時(shí)，就會(huì)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(dāng)n1>n2時(shí)，由折射定律可知，a1<a2。當(dāng)a1較小時(shí)，此時(shí)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(shí)，使出射角a2=90，此時(shí)光在介面上就會(huì)全部反射回來(lái)，反射光強(qiáng)度等于入射光強(qiáng)度，對(duì)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(diǎn)：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(qiáng)電磁干擾下完成傳統(tǒng)傳感器難以完成的某些參量的測(cè)量，特別是電流、電壓測(cè)量。2)光波傳輸無(wú)電能和電火花，不會(huì)引起被測(cè)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(qiáng)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(jì)、磁場(chǎng)計(jì)、水聽(tīng)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(dòng)態(tài)范圍大，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響，有利于提高測(cè)量精度。7)利用現(xiàn)有的光通信技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)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(zhǎng)為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片兩側(cè)面通過(guò)電流I，在薄片的垂直方向施加磁場(chǎng)B，則在半導(dǎo)體另兩側(cè)面產(chǎn)生一個(gè)與電流I和磁場(chǎng)B乘積成正比的電動(dòng)勢(shì)Uh，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)。,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(jì)量光柵：,利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜、測(cè)定波長(zhǎng),利用光的莫爾條紋現(xiàn)象測(cè)量精密位移,長(zhǎng)光柵 --- 直線位移；圓光柵 --- 角位移,構(gòu)成：主光柵 --- 標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵 --- 動(dòng)光柵,長(zhǎng)度 --- 測(cè)量范圍；刻線密度 --- 測(cè)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(dāng) ?=0, w1=w2 → B=? → 光閘莫爾條紋 當(dāng) ?=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(dāng)夾角很小時(shí) → 與光柵移動(dòng)方向垂直同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 → 莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)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(zhǔn)確性：大量刻線 → 誤差平均效應(yīng) → 克服個(gè)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(yùn)動(dòng)形式分： 直線型---主光柵為直尺形→直線移動(dòng) 旋轉(zhuǎn)型---主光柵為圓盤形→旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),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(diǎn),①精度高：測(cè)長(zhǎng)±(0.2+2×10-6L)μm，測(cè)角±0.1″②量程大：

41、透射式---光柵尺長(zhǎng)（米），反射式---幾十米③響應(yīng)快：可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量④增量式：增量碼測(cè)量 → 計(jì)數(shù) 斷電→數(shù)據(jù)消失⑤要求高：對(duì)環(huán)境要求高→溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)、移動(dòng)精度⑥成本高：電路復(fù)雜,紅外探測(cè)器,3.12 紅外探測(cè)器,1、熱探測(cè)器 熱探測(cè)器是利用紅外輻射引起探測(cè)元件的溫度變化，進(jìn)而測(cè)定所吸收的紅外輻射量。通常有熱電偶型、熱敏電阻型、氣動(dòng)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(diǎn)涂上黑

42、層置于輻射中，可根據(jù)產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量入射輻射功率的大小。這種熱電偶多用半導(dǎo)體測(cè)量。(2)氣動(dòng)型 氣動(dòng)型探測(cè)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(lái)反映紅外輻射的強(qiáng)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(dāng)外電場(chǎng)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(qiáng)度下降，即表面電荷減少，這相當(dāng)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(cè)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(cè)器和光子探測(cè)器。,紅外探測(cè)器,2、光子探測(cè)器,光子探測(cè)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(cè)器。 由于光子探測(cè)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?yàn)楣庾幽芰颗c波長(zhǎng)有關(guān)，所以光子探測(cè)器只對(duì)具有足夠能量的光子有響應(yīng)，存在著對(duì)光譜響應(yīng)的選擇性。光子探測(cè)器通常在低溫條件下工作，因此需要制冷設(shè)備。,紅外探測(cè)器,3、紅外探測(cè)器的應(yīng)

44、用,激光測(cè)試傳感器,3.12 激光測(cè)試傳感器,1、激光干涉式測(cè)量?jī)x器 常用的激光測(cè)長(zhǎng)儀是以激光為光源的邁克爾遜干涉儀，其工作原理是通過(guò)測(cè)定檢測(cè)光與參考光的相位差所形成的干涉條紋數(shù)目而測(cè)得物體長(zhǎng)度的。,激光干涉測(cè)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(qiáng)，大位移測(cè)量（200m以上）,雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng),激光測(cè)距系統(tǒng),3）激光三角法,--- 大范圍遠(yuǎn)距離測(cè)距（幾千/幾十千米）,1）脈沖測(cè)

45、距法,2）相位差測(cè)距法,測(cè)量精度：時(shí)間間隔測(cè)量精度（脈沖窄、響應(yīng)速度快）,遠(yuǎn)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(shí)間 --- 距離,距離,特點(diǎn)：測(cè)量精度高、分辨力強(qiáng),原理：,?y = f (?x),,Keyence 激光測(cè)距傳感器,,特點(diǎn)： 非接觸、不易劃傷表面、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量距離大、 抗干擾、測(cè)量點(diǎn)?。◣资⒚祝?、測(cè)量準(zhǔn)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(qiáng)和直徑大小以及被測(cè)物體的表面特征,應(yīng)用：,厚度測(cè)量：,(a) 參考表面：兩傳感器同向 --- 減小偏心誤差,(b) 相對(duì)測(cè)量：兩傳感器反向，無(wú)參考表面 --- 克服鋼板本身上下起伏造成的誤差,測(cè)量范圍：16mm左右；相對(duì)測(cè)量精度：?0.1% ~ ?0.2%,適用：在線測(cè)量鋼板/鋁板等板材厚度,特點(diǎn)：測(cè)頭對(duì)表面顏色和紋理變化以及背景光的影響不敏感,不能測(cè)量鏡面 --- 漫反射原理,激光測(cè)試傳

47、感器,2、激光全息測(cè)量?jī)x器 下圖是全息成像記錄過(guò)程的原理圖。當(dāng)激光從激光器發(fā)射出來(lái)，經(jīng)過(guò)分光鏡被分成兩束光。一束由分光鏡反射，經(jīng)過(guò)反射鏡達(dá)到擴(kuò)束鏡，將直徑為幾個(gè)毫米的激光擴(kuò)大照射整個(gè)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(guò)分光鏡后，被另一個(gè)擴(kuò)束鏡擴(kuò)大，再經(jīng)另一個(gè)反射鏡直接照射到干板上，這束光稱為參考光。當(dāng)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