04_传感器3.

北京工商大学机械自动化学院第四章、传感器测量原理4.7磁敏元件传感器sinIBKVHH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霍尔元件北京工商大学机械自动化学院霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院测转角：4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院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。4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院铁磁材料裂纹检测NS4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院叶片和齿轮位置传感器应用4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院案例：汽车速度测量:4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院2磁电阻元件•磁阻效应)1()1(cos/2202020BRRRR--++lwx4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院•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。4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院3磁感应半导体元件分类霍尔元件磁电阻元件磁敏二极管磁晶体管磁半导体开关4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院产品4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院案例：转速测量4.7磁敏元件传感器北京工商大学机械自动化学院4.8热敏传感器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北京工商大学机械自动化学院4.8热敏传感器北京工商大学机械自动化学院4.8热敏传感器荧光灯启辉器荧光灯荧光灯零线火线当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。电路中电流突然中断，使镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电动势，在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光放电.北京工商大学机械自动化学院4.8热敏传感器荧光灯启辉器启辉器由玻璃管制成的辉光放电管与小电容器并联而成辉光放电管内有一个U形双金属片，一个固定静止触极电板，称为静触板或静触极，玻璃管内充有氖气或氩气，或氖氩混合的惰性气体。当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电过程），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。此时电流直接经过双金属片与静触板流通，惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过1～8秒的时间，双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。北京工商大学机械自动化学院2.热电温度计(热电偶)热电效应将两种不同材料的导体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。4.8热敏传感器北京工商大学机械自动化学院BAABNNekTTEln)(ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(004.8热敏传感器北京工商大学机械自动化学院热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V4.8热敏传感器北京工商大学机械自动化学院3)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。4.8热敏传感器北京工商大学机械自动化学院4.8热敏传感器北京工商大学机械自动化学院4.8热敏传感器北京工商大学机械自动化学院3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。4.8热敏传感器)11(00TTeRRRT北京工商大学机械自动化学院4.8热敏传感器北京工商大学机械自动化学院4.8热敏传感器北京工商大学机械自动化学院4.8热敏传感器产品北京工商大学机械自动化学院温控器4.8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、电子体温计等北京工商大学机械自动化学院4传感器原理4.9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。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北京工商大学机械自动化学院4.9气敏电阻传感器气敏传感器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，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。北京工商大学机械自动化学院4.9气敏电阻传感器北京工商大学机械自动化学院4.9气敏电阻传感器北京工商大学机械自动化学院4.9气敏电阻传感器实验室中的传感器北京工商大学机械自动化学院4.9气敏电阻传感器燃气报警器烟雾报警器北京工商大学机械自动化学院酒精传感器4.9气敏电阻传感器北京工商大学机械自动化学院本节课主要内容4.传感器原理1)传感器(1)超声波传感器(2)光电传感器(3)光纤传感器2）传感器的选用原则(4)化学传感器(5)CCD传感器(6)声发射传感器(7)智能传感器(8)生物传感器北京工商大学机械自动化学院4.10超声波检测传感器4.传感器原理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。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。北京工商大学机械自动化学院超声波传感器原理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。4.10超声波检测传感器北京工商大学机械自动化学院超声波传感器对4.10超声波检测传感器北京工商大学机械自动化学院超声波传感器应用超声波探伤/测距/测物tA4.10超声波检测传感器北京工商大学机械自动化学院案例：输油管检测检测机器人4.10超声波检测传感器北京工商大学机械自动化学院倒车雷达4.10超声波检测传感器北京工商大学机械自动化学院鱼群探测器4.10超声波检测传感器北京工商大学机械自动化学院原理材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。各种材料声发射频率范围很宽，从次声、声频到超声。多数金属的声发射频带在超声范围内。4.11声发射检测传感器北京工商大学机械自动化学院案例：材料断裂等结构监测4.11声发射检测传感器北京工商大学机械自动化学院4.传感器原理4.12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。内光电效应半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管北京工商大学机械自动化学院4.传感器原理北京工商大学机械自动化学院4.传感器原理照相机自动测光光控灯工业控制北京工商大学机械自动化学院4.7半导体敏感元件传感器光电池光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+++---PN北京工商大学机械自动化学院4.7半导体敏感元件传感器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、四种基本形式。北京工商大学机械自动化学院4.7半导体敏感元件传感器北京工商大学机械自动化学院4.7半导体敏感元件传感器北京工商大学机械自动化学院4.7半导体敏感元件传感器北京工商大学机械自动化学院4.7半导体敏感元件传感器案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。北京工商大学机械自动化学院4.7半导体敏感元件传感器亮度传感器：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。北京工商大学机械自动化学院4.7半导体敏感元件传感器相机测距反射式光电传感器北京工商大学机械自动化学院4.7半导体敏感元件传感器北京工商大学机械自动化学院4.13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）物性型光纤传感器第四章、传感器测量原理北京工商大学机械自动化学院光纤流速传感器4.13光纤传感器北京工商大学机械自动化学院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4.13光纤传感器北京工商大学机械自动化学院光纤检测型光电传感器作业件检测颜色检测4.13光纤传感器北京工商大学机械自动化学院4.14CCD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)。第四章、传感器测量原理北京工商大学机械自动化学院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。4.14CCD固态图象传感器北京工商大学机械自动化学院•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.4.14CCD固态图象传感器条形码扫描器北京工商大学机械自动化学院GREY=RED*0.299+GREEG*0.587+BLUE*0.114数码相机4.14CCD固态图象传感器北京工商大学机械自动化学院第四章、传感器测量原理4.15其它类型的传感器热辐射检测传感器绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度(K)，根据普朗克辐射定律有以下表达式：北京工商大学机械自动化学院应用：冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。4.14其它类型的传感器北京工商大学机械自动化学院4.16生物传感器第四章、传感器测量原理热/光电量微生物/酶等敏感元件生物传感器与其它传感器是检测对象中含生命物质。根据敏感物质不同,生物传感器分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。北京工商大学机械自动化学院第四章、传感器测量原理2、环境监测3、医学应用领域1、发酵工业(食品)北京工商大学机械自动化学院第四章、传感器测量原理血糖－乳酸测定流程体育上耐力训练北京工商大学机械自动化学院第四章、传感器测量原理德国研发的环境废水BOD分析仪北京工商大学机械自动化学院第四章、传感器测量原理手掌型葡萄糖(glucose)分析仪北京工商大学机械自动化学院4.17智能传感器第四章、传感器测量原理传感器一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）