常用传感器与敏感元件.ppt

第三章常用传感器与敏感元件,第三章常用传感器与敏感元件,本章学习要求：,1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,第一节常用传感器分类,1.传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,2.传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,3.传感器的分类,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.,第二节机械式传感器及仪器,微型探测开关,测力计,压力计,温度计,机械式传感器常常以弹性体为传感器的敏感元件，其输入量可以是力、压力温度等物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形（或应变）。,一、电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式两类。,第三节电阻、电容与电感式传感器,1、变阻器式传感器,1）工作原理,2）结构,变阻器式传感器产品,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码）,原理：电机-转角-电位器-电阻,金属导体材料在外力作用下产生机械变形（应变），其电阻值发生相应变化的现象称为电阻应变效应。,1）电阻应变效应与压阻效应,半导体材料在外力作用下产生应变，导体的导电性能（电阻率）发生了相应变化，从而使电阻值也发生变化，这一现象称为半导体材料的效应。,2、电阻应变式传感器,a)电阻应变式传感器,1)工作原理,应变片的灵敏度,式中：:电阻率:泊松比:压阻系数E:弹性模量,应变计,金属电阻应变片,应变效应为主,（多在1.73.6之间）,半导体应变片,（多在60150之间）,半导体应变片的灵敏度高、体积小，但温度稳定性和重复性不如金属应变片，非线性误差大。,压阻效应为主,2)结构,金属电阻应变片的结构,半导体应变片的结构,金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：前者利用导体形变引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。,b)固态压阻式传感器,扩散型半导体应变片，工作原理与前述半导体应变片相同。,3)测量电路,令：,金属丝应变片：,V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变。,S,半桥单臂连接,半桥双臂连接,全桥连接,当时，电桥的输出电压为,4)应用：,a)直接用来测定结构的应变或应力,b)将应变片贴于弹性元件上，作为：测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。,c)典型动态电阻应变仪,图3-11动态电阻应变仪框图,示例1：应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,F,示例2：应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,示例3：汽车衡,汽车衡称重系统,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,示例4：电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,示例5：应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,示例6：压阻式固态压力传感器,利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。,内部结构,信号处理电路,压阻式固态压力传感器,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器,p1进气管,p2进气管,固态压力传感器,小型压阻式固态压力传感器（续）,示例7：桥梁固有频率测量,原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,二、电容式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,a)极距变化型,差动式,普通式,灵敏度S与极距平方成反比，输入输出呈非线性关系,一般取：,若极板间距减小，则电容将增大C。,时，展开为级数形式,因,，忽略高次项,上式表明，在条件下，电容的变化与极板间距变化量近似是线性关系。,欲提高灵敏度，应减小间隙，但受电容器击穿电压的限制；非线性随相对位移的增加而增加，为保证一定的线性度，应限制动极板的相对位移量。为改善非线性，可以采用差动式。,动极板上移1，则C1增大，C2减小，初始电容用C0来表示，则：,差动电容器输出：,忽略高次项：,灵敏度提高一倍，非线性误差减小。,b)面积变化型,输入输出呈线性关系,平面线位移型,输入输出呈线性关系,柱面线位移型,输入输出呈线性关系,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。,c)介质变化型,变介电常数型电容传感器,主要测量厚度、液位、介值的温度和湿度等）,被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。,1液体介质介电常数；0空气中介电常数（F/m）；h电极板总长度（m）；r内电极板外径（m）；R外电极板内径（m）；x液面高度（m）。可见，输出电容C与液面高度x成线性关系。,液面高度,类型2：,当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质参数之间的关系为：,d运动介质的厚度（m）,可见：若厚度d保持不变，介电常数r改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；若r不变，可做成测厚传感器,3测量电路,将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出。,通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥，如上图所示。,（1）电桥型电路,（2）直流极化电路,此电路又称为静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器，,(3)谐振电路,电容传感器的电容Cx作为谐振回路（L2、C2、Cx）调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得振荡回路的阻抗发生相应的变化，被转换为电压或电流，再经过方大、检波即可得到相应的输出。,（4）调频电路,(5)运算放大器电路,这种电路用于位移测量传感器,输出电压ug与电容传感器间隙成线性关系,电容式传感器的应用,电容式传感器的优点：（1）输入能量小而灵敏度高（2）精度高达0.01%。（3）动态特性好，适合测量动态参数。（4）能量损耗小。（5）结构简单，环境适应性好（高温、辐射等）缺点：电缆分布电容影响大。集成电路、双屏蔽传输电缆等降低分布电容的影响。,应用一：电容式压力传感器,工作原理将测量膜片与电容极板之间的电容差经振荡器振荡、调制解调、放大器放大、电压电流转换成标准信号。,用途用于气体、液体、蒸气压力的测量,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式差压变送器,1高压侧进气口2低压侧进气口3过滤片4空腔5柔性不锈钢波纹隔离膜片6导压硅油7凹形玻璃圆片8镀金凹形电极9弹性平膜片10腔,电容式差压变送器内部结构,各种电容式差压变送器外形,法兰,应用二：电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,应用三,电容式液位传感器（液位计/料位计）,应用四,应用五、电容式液位计,棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。,聚四氟乙烯外套,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,智能化液位限位传感器的设定按钮,超限灯,正常工作指示灯,设定按钮,电源指示灯,应用：硅微加工加速度传感器,图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。,微加工三轴加速度传感器,技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：1%,硅微加工加速度传感器原理,1加速度测试单元2信号处理电路3衬底4底层多晶硅（下电极）5多晶硅悬臂梁6顶层多晶硅（上电极）,当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感器的假人,气囊,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,三、电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,（差动变压器式）,1自感型,原理:电磁感应,u0空气的磁导率A0空气隙的截面积空气隙的长度,(1)可变磁阻式,a)变气隙式自感传感器,灵敏度:,输出特性非线性:为获得较高灵敏度,气隙的初始值0不宜过大。为获得较好的线性关系,须限制测量范围,使衔铁位移在较小范围内变化(0),一般取=(0.10.2)0变气隙式传感器适用于微小位移的测量,测量范围：0.0011mm。,b)变面积式自感传感器,灵敏度:,输出特性为线性，因此测量范围大。要提高灵敏度，气隙厚度能过大。,c)螺管式自感传感器,工作原理：当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。,特点：结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移（数毫米）测量。,d、差动式自感传感器,两个结构完全相同的自感线圈组合在一起形成差动结构，可提高灵敏度，改善输出特性的非线性，实际中常用。,当(/1)时，可将上式展开成级数：,显然，若不考虑包括2次项以上的高次项，则L与成比例关系，因此高次项的存在是造成非线性的原因。,差动方式时：,灵敏度：,为原来的两倍。,比较：,差动式自感传感器的特性：,当气隙相对变化/1MHz）激励电流,金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为为，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为涡电流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h，金属板与线圈的距离，激励电流角频率等参数有关。若改变其中某二参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。,低频透射式电涡流式传感器：,音频（20kHz）激励电流,低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。,发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。,电涡流式传感器的基本特性：,原理简化模型：线圈与被测导体等效为相互耦合的两个线圈。,基本特性涡流形成范围：径向为线圈外径的1.82.5倍，且分布不均匀；涡流贯穿深度有限，深度一般可用经验公式求得,涡流强度与x的关系：非线性特性，x/R1可改善线性，提高灵敏度。,一般要求，被测金属的最小尺寸大于传感器线圈直径的2倍；被测物为圆柱体时，其直径要求大于线圈直径的3.5倍。,2、测量电路：谐振电路,传感器线圈L与电容C共同组成并联谐振电路，谐振频率为：,线圈等效电感改变，必然导致回路阻抗或谐振频率变化，从而可间接测量被测参数，对应测量电路：,调幅电路调频电路,调幅电路,传感器由振荡器提供高频电源，当传感器谐振频率与电源频率相同时，输出电压u最大。,测量时，传感器等效电感随x而改变，LC回路失谐，输出信号频率虽仍为电源频率，但幅值随x变化，即x对输出信号存在调幅作用。,调频电路,以LC振荡回路的谐振频率作为输出量。,鉴频器：将调频信号转换为电压信号输出。,电涡流式传感器的特点,非接触测量，抗干扰能力强,高灵敏度高,分辨力高，位移检测范围：1mm10mm，最高分辨力0.1%。,结构简单，使用方便，不受油夜等介质影响。,应用1：无损探伤,原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,应用2：测厚,应用4：零件计数,2互感式电感传感器,互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测量转换成线圈互感的变化。,由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。实际中多采用螺管线圈型差动变压器。,互感型-差动变压器,2、测量电路,传感器输出电压反映了位移的大小及方向，但因为交流纤毫，只有接入相应电路（相敏检波、差动整流等），才能提取出这两种信息。传感器输出存在一定的零点残余电压，即衔铁位于中间位置时输出不为零。因此，其后接电路应采用既能反映铁芯位移大小及极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。,全波差动整流电路及波形图,(a)电路图,(b)波形图,差动变压器测量电路,一种利用小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图,差动变压器式传感器特点：,精度高(0.1um数量级，最高可达0.01um)，高精度型非线性误差可达0.1%。线性范围达(可达100mm)。稳定性好，结构简单，使用方便。因包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量。广泛应用于直线位移，或能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量。,差动变压器位移传感器,案例：板的厚度测量,案例：张力测量,一、磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,第四节、磁电、压电与热电式传感器,磁场强度,磁路电阻,线圈速度,磁通变化率,2分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,动圈式传感器,线速度型,角速度型,测速电机,动圈磁电式传感等效电路,磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动。由运动着的物体改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。,磁阻式传感器,磁阻式传感器,二、压电式传感器,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,压电效应是可逆的-逆压电效应,Z光轴Y机械轴X电轴,压电效应模型,a)纵向效应b)横向效应c)切向效应,压电式传感器及其等效电路,实验证明：压电效应和逆压电效应都是线性的。,压电晶片,并联,串联,等效电荷源,使用特点：1）适宜作动态测量，作静态测量时必须采用极高阻抗的负载。2）并联结构适宜于电荷量输出的场合3）串联结构适宜于电压作为输出信号,2、测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。,前置放大器电路的主要用途：1）将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；2）放大传感器输出的微弱电信号,前置放大器电路的两种形式：1）用电阻反馈的电压放大器2）带电容反馈的电荷放大器,1）电荷放大器等效电路,2）电压放大器等效电路,则压电元件上产生的电压值：,超声波美容仪器用压电陶瓷晶片,医用B超换能器用晶片,高分子压电薄膜,压电薄膜,聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、改性聚氯乙烯（PVC）等,3.产品,压力变送器,加速度计,力传感器,灵敏度：100mV/g量程：50g频率范围：0.5-8000Hz（10%)分辨率：0.0002g线性：1%横向灵敏度：5%典型值：3%温度范围：-40+120用途：模态试验,LC0101,LC0106,灵敏度：1000mV/g量程：5g频率范围：0.04-1500Hz（10%)分辨率：0.00002g重量：200gm安装螺纹：M5mm线性：1%横向灵敏度：5%典型值：3%温度范围：-40+120用途：超低频、小g测量,ULT25系列压电石英力传感器,ULT25系列产品可用于测量动态、短期静态的振动和冲击力，机械结构的拉伸和压缩力。与激振器配合，能够测量和控制激振力。与加速度、速度传感器配合，可测量机械阻抗。,ULT0501ULT0502ULT0503,压电式脚踏报警器,玻璃打碎报警装置,三、热电式传感器,1、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。,k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。,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。,2)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。,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：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,2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。,产品,温控器,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,即便在氧化性介质中，其物理、化学性能都很稳定；易提纯，复现性好，有良好的工艺性；有较高的电阻率；在还原性介质中性能易受影响；电阻温度系数不太高；价格贵。,铂电阻的特点,3热电阻传感器,铂电阻的主要技术指标,几种铂电阻,WZP系列装配式铂电阻及铠装电阻芯用于一般工业场测温使用温度-200700,高强度石英管测温铂电阻温度范围-100C至+500C适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合注:不耐氢氟酸及磷酸,精密温度传感器PtWD1A型-100300误差小于0.1，精度为超A级,天燃气流量计温度补偿用铂电阻天燃气涡轮流量计等用,油浸变压器用铂电阻,医疗器械铂电阻,薄模铂电阻元件,用于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。,尺寸：2.3mm2.1mm0.9mm（长宽高）线长10mm,防水封装铂电阻,核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100PT1000）元件精度：0.15(A级)0.30(B级)封装材料：镀镍铜管或不锈钢管管料尺寸：4*25mm连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）,铜电阻的主要技术指标,铜电阻的特点,电阻率小；容易氧化；价格便宜。,WZC-111/12*1000mmCu50,（3）其他电阻体,1）铟电阻一种高精度低温热电阻。缺点是材料很软，复制性差。,2）锰电阻电阻随温度变化很大，灵敏度高；受磁场的影响小，且有规律。锰电阻的缺点是脆性大，难以拉制成丝。,3）碳电阻适合作液氦温阈温度计。其缺点是热稳定性差。,第五节光电传感器,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,在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应。,爱因斯坦光电效应方程式：,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,光敏二极管：,光敏三极管：,照相机自动测光光控灯工业控制,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。,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。,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。,相机测距反射式光电传感器,一、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,第六节光纤传感器,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,光纤检测型光电传感器,作业件检测,颜色检测,一、磁敏式传感器,第七节半导体传感器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。,测转角：,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。,案例：汽车速度测量:,2磁电阻元件,磁阻效应,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,产品,二、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,三、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0.81.15ml/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,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。,实验室中的传感器,燃气报警器,烟雾报警器,酒精传感器,五、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)。,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。,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.,条形码扫描器,GREY=RED*0.299+GREEG*0.587+BLUE*0.114,数码相机,六、集成及智能传感器,传感器一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、PH值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电信息的装置。,智能传感器是将传感器与微型计算机集成在一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。,嵌入式计算机,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,振动网络传感器,智能压力网络传感器,GSM/SMS,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16Hz20KHz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。,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。,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。,超声波传感器对,超声波传感器应用,超声波探伤/测距/测物,t,A,案例：输油管检测检测机器人,倒车雷达,鱼群探测器,第六节红外线检测及仪器,1、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：,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。,2、声发射检测传感器,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。,案例：材料断裂等结构监测,补充：生物传感器,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。,2、环境监测,3、医学,应用领域,1、发酵工业(食品),体育上耐力训练,血糖乳酸测定流程,德国研发的环境废水BOD分析仪,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪,工厂发酵车间化验员正在分析样品,发酵工厂谷氨酸-葡萄糖分析,第十节传感器的选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,1、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。,2响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,3线性范围,任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。,4稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,5精确度,传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。,6测量方式,传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。,l=l=130