8-传感器原理3

第三章传感器测量原理磁敏、热敏、气敏、超声波等华中科技大学大机械类平台课程3.7磁敏元件传感器霍尔常数,,sinHHHKIBKV金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。1霍尔元件华中科技大学大机械类平台课程霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。3.7磁敏元件传感器a,b:电流控制端，c,d:输出端华中科技大学大机械类平台课程3.7磁敏元件传感器华中科技大学大机械类平台课程测转角：3.7磁敏元件传感器华中科技大学大机械类平台课程电流传感器当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。3.7磁敏元件传感器华中科技大学大机械类平台课程铁磁材料裂纹检测NS3.7磁敏元件传感器华中科技大学大机械类平台课程案例：汽车速度测量:3.7磁敏元件传感器华中科技大学大机械类平台课程2磁电阻元件:磁阻效应)1(220BRR--++lwx3.7磁敏元件传感器华中科技大学大机械类平台课程•特点•电阻的增量与磁场的平方成正比；•与磁场的正负无关；•温度系数影响大；•磁感应的范围比霍尔元件大。•应用•磁头；接近开关和无触点开关。3.7磁敏元件传感器华中科技大学大机械类平台课程3.8热敏传感器1.双金属温度计把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。优点：结构简单牢固可靠防爆华中科技大学大机械类平台课程3.8热敏传感器华中科技大学大机械类平台课程2.热电温度计(热电偶)热电效应：将两种不同材料的金属导体（或半导体)A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。3.8热敏传感器华中科技大学大机械类平台课程BAABNNekTTEln)(3.8热敏传感器华中科技大学大机械类平台课程ABTT03.8热敏传感器(2)单一导体的温差电势华中科技大学大机械类平台课程ABTT03.8热敏传感器(3)总电势产生电势的条件：材料不同、温度不同，只和结点温度有关华中科技大学大机械类平台课程热电偶测温基本定律1)中间导体定律在热电偶回路中一个或两个节点被断开接入第三种材料的导体，只要其新节点的温度和原来节点的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V3.8热敏传感器应用:依据中间导体定律，在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。有人担心用铜导线连接热电偶冷端到仪表读取mV值，在导线与热电偶连接处产生的接触电势会使测量产生附加误差。根据这个定律，是没有这个误差的!华中科技大学大机械类平台课程2)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACABABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。3.8热敏传感器华中科技大学大机械类平台课程3)中间温度定律),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB3.8热敏传感器热电偶的分度表均以0℃作出，实际测量时冷端经常不为0华中科技大学大机械类平台课程3.8热敏传感器华中科技大学大机械类平台课程3.8热敏传感器华中科技大学大机械类平台课程3半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。3.8热敏传感器为材料的特性系数)11(00TTeRRRT华中科技大学大机械类平台课程3.8热敏传感器华中科技大学大机械类平台课程3.8热敏传感器华中科技大学大机械类平台课程3.8热敏传感器产品华中科技大学大机械类平台课程温控器3.8热敏传感器应用汽车发动机传感器水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等华中科技大学大机械类平台课程3.9气敏电阻传感器气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。气体检漏、气体浓度测量、气体成分检测、机器人嗅觉等如生活环境中一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器华中科技大学大机械类平台课程3.9气敏电阻传感器电阻式：是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，发生还原反应，元件温度升高，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的成分和浓度的改变而变化。华中科技大学大机械类平台课程3.9气敏电阻传感器华中科技大学大机械类平台课程3.9气敏电阻传感器华中科技大学大机械类平台课程3.9气敏电阻传感器实验室中的传感器华中科技大学大机械类平台课程3.9气敏电阻传感器燃气报警器烟雾报警器华中科技大学大机械类平台课程酒精传感器3.9气敏电阻传感器华中科技大学大机械类平台课程3.10超声波检测传感器1)声波及其分类(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。(2)声波:振动频率在16Hz―20KHz之间的机械波。(3)超声波:高于20KHz的机械波。(4)微波：频率在3×1O8～3×1O11Hz之间的机械波华中科技大学大机械类平台课程3.10超声波检测传感器声压所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值，单位为Pa，1Pa=1N/m2。声强声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能量，单位为W/m2。声功率声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能量，单位是W。华中科技大学大机械类平台课程3.10超声波检测传感器2）超声波的物理性质超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。取决于两种介质声阻抗特性。和其它声波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减华中科技大学大机械类平台课程超声波传感器原理－压电式利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。3.10超声波检测传感器一般合二为一使用华中科技大学大机械类平台课程超声波传感器原理－磁致式超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。3.10超声波检测传感器华中科技大学大机械类平台课程超声波传感器对3.10超声波检测传感器华中科技大学大机械类平台课程超声波传感器应用超声波探伤/测距/测物tA3.10超声波检测传感器华中科技大学大机械类平台课程案例：输油管检测机器人3.10超声波检测传感器华中科技大学大机械类平台课程倒车雷达3.10超声波检测传感器华中科技大学大机械类平台课程鱼群探测器3.10超声波检测传感器华中科技大学大机械类平台课程课堂作业：简述霍尔元件与磁电阻元件工作原理的异同？华中科技大学大机械类平台课程3.11光电传感器光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。外光电效应：真空光电管和光电倍增管内光电效应光电导：电子吸收光子能量从键合态过渡到自由态，引起材料电导率的变化光敏电阻光生伏打效应：光作用下产生一定方向的电动势光电池光敏二极管和三极管华中科技大学大机械类平台课程3.11光电传感器光敏电阻－光电导型——受光辐射时，电阻值降低华中科技大学大机械类平台课程照相机自动测光光控灯工业控制3.11光电传感器华中科技大学大机械类平台课程光敏晶体管光电二极管3.11光电传感器光电三极管华中科技大学大机械类平台课程光电二极管华中科技大学大机械类平台课程华中科技大学大机械类平台课程外形光变化－电流变化光电转换器光敏特性或光输入-+UR输出（a）（b）光电二极管的符号与光电特性的测量电路（a）符号（b）光电特性的测量电路硅光电二极管华中科技大学大机械类平台课程光电二极管的伏安特性有光光电接收二极管反偏状态光电流（恒流）光电流与照度线性关系无光暗电流华中科技大学大机械类平台课程华中科技大学大机械类平台课程华中科技大学大机械类平台课程华中科技大学大机械类平台课程华中科技大学大机械类平台课程华中科技大学大机械类平台课程华中科技大学大机械类平台课程光电池：硒光电池和硅光电池+++---PN3.11光电传感器光生伏特效应：在半导体与金属或半导体材料P-N结的接合面上，当受到光照后，发生电子与空穴对的分离，从而在接触面两边产生一定方向的电动势。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。华中科技大学大机械类平台课程华中科技大学大机械类平台课程华中科技大学大机械类平台课程华中科技大学大机械类平台课程应用光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式等四种基本形式。3.11光电传感器华中科技大学大机械类平台课程3.11光电传感器华中科技大学大机械类平台课程3.11光电传感器华中科技大学大机械类平台课程3.11光电传感器华中科技大学大机械类平台课程案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。3.11光电传感器华中科技大学大机械类平台课程亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。3.11光电传感器华中科技大学大机械类平台课程相机测距反射式光电传感器3.11光电传感器华中科技大学大机械类平台课程3.12光纤传感器物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。1）物性型光纤传感器均衡压力下，光弹性效应引起光纤折射率、形状和尺寸的变化，导致光的相位变化和偏振面旋转点压力下，光纤局部变形使光纤折射率不连续变化导致光散乱而增加损耗，引起光振幅变化华中科技大学大机械类平台课程光纤流速传感器3.12光纤传感器流体流动而使光纤发生机械变形，使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化，其振幅的变化与流速成正比华中科技大学大机械类平台课程结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。2）结构型光纤传感器3.12光纤传感器华中科技大学大机械类平台课程3.13CCD固态图象传感器MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元(MOS)。华中科技大学大机械类平台课程在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。3.13CCD固态图象传感器1.高的集成度：一个半导体硅片上集成上万个2.具有自扫描能力：可将光生电荷依次有规则地串行输出华中科技大学大机械类平台课程01111100光敏管阵列并联串联转换器运算电路显示电路结束信号驱动脉冲CCD3.13CCD固态图象传感器华中科技大学大机械类平台课程特点:(1)非接触检测;(2)响应快;(3)可靠性高,为修简便;(4)测量精度高;(5)体积小,重量轻;容易与计算机连接(6)对被测物体需要强光照射;(7)受被测物体以外的光的影响.应用:(1)宽度测量;(2)外径测量;(3)主轴径向跳动测量.3.13CCD固