机械工程测试技术三学习教案

1、会计学1机械工程测试机械工程测试(csh)技术三技术三第一页，共107页。2第1页/共107页第二页，共107页。3第二节 机械式传感器 机械式传感器以弹性体为敏感元件，将被测量转换为弹性变形（或应变(yngbin)）的传感器。 优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。 缺点：弹性变形不能过大；受结构间隙影响大，惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。一般，与其他传感器配套使用，先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后用其他形式的传感器（如电阻、电容、电涡流式等）将位移量转换成电信号输出。弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取有效措施

2、来改善这些现象产生的影响。第2页/共107页第三页，共107页。4第3页/共107页第四页，共107页。5第4页/共107页第五页，共107页。6第三节 电阻(dinz)式传感器 电阻式传感器是一种把被测量转换(zhunhun)为电阻变化的传感器。 分类(fn li)：（1）变阻器式 （2）电阻应变式 一变阻器式传感器（电位差计式） 定义：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。 根据电阻公式电阻R 为 AlR（3-1） 式中：电阻率； l电阻丝长度； A电阻丝截面积 从式中看出当电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线长度而变化。 分类：（1）直线位移型 （2）角位移型 （3）非线性型

3、如图3-5 所示第5页/共107页第六页，共107页。71直线(zhxin)位移型（见图3-5a） C点与A点之间的电阻值为 xkRl两边(lingbin)取微分 dxkdRllkdxdRS（3-2） 可见导线分布均匀时，传感器输出(电阻)与输入(shr)(位移)成线性关系。 2角位移型（见图3-5b） 其电阻值随转角而变化，灵敏度 S 为 kddRS式中 转角（rad）;k单位弧度对应的电阻值。 3非线性型（见图3-5c） 其骨架形状根据所要求的输出f (x) 来确定。 则例如：（1）输出 f (x)= kx2 ; R(x) 与 f (x) 成线性关系 三角形骨架 （2）输出 f (x)=

4、kx3 R(x) 与 f (x) 成线性关系 抛物线形骨架 第6页/共107页第七页，共107页。84变阻器式传感器后接电路(dinl) 见图3-6，设Rp-变阻器总电阻；xp-变阻器总长度；Rl-后接电路输入电阻。由于直线(zhxin)位移型电阻与位移的线性关系，传感器的输出电压 uy 可用下式计算：（3-3） )1)(0plppyxxRRxxuu图3-6 电阻分压电路xRLuyu0 xp为减小后接电路影响，应使 Rl Rp （减小负载(fzi)效应）优点：（1）结构简单 （2）性能稳定 （3）使用方便缺点：（1）分辨力不高 （2）躁声较大应用：线位移、角位移测量，用于伺服记录仪器或电子电位

5、差计等。第7页/共107页第八页，共107页。9二电阻(dinz)应变式传感器 应用范围：测量力、应变、位移、加速度、扭矩等分类：（1）金属应变片式 （2）半导体应变式特点：（1）体积小（2）动态(dngti)响应快（3）测量准确高（4）使用方便 （一）金属(jnsh)电阻应变片 常用的有丝式和箔式，其工作原理一样。（1）把直径为0.025mm的康铜或镍铬合金丝，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。（2）用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光刻技术制造，其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片约厚110 m。散热好，粘接情况好，传递性能好。 工作原理：应变片用特制胶水粘固在弹性元件

6、或要测量变形的物体表面上，在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其阻值发生相应变化。由此，将被测量的变化转换为电阻变化。 第8页/共107页第九页，共107页。10第9页/共107页第十页，共107页。11由于(yuy)电阻值 AlR对上式求微分(wi fn) dRdAARdllRdR（3-4） 式中 2rAdrlrdrrldlrdR22222)(drldrrldlrdR2322)2(drdrldlRdRdrdrldlRdR2（3-5） 式中 电阻丝轴向相对(xingdu)应变（或称纵向应变） ldl电阻丝径向相对应变（或称横向应变） ldlrdr电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝所手正应力有关。

7、 d材料泊松比 （3-6） 第10页/共107页第十一页，共107页。12Ed（3-7） 式中 E电阻丝材料的弹性模量(tn xn m lin)；压阻系数，与材质有关 将式（3-6）（3-7）代入式（3-5），则有 )21 (2EERdR（3-8） (1+2)项是电阻丝几何尺寸改变所引起，同一电阻材料是常数E项是电阻丝的电阻率随应变而引起的，一般(ybn)对金属丝很小可忽略。 式（3-8）可简化为 )21 ( RdR（3-9） 表明电阻相对变化率与应变(yngbin)成正比。比值 Sg称为应变(yngbin)系数或灵敏度。 21ldlRdRSg常数 （3-10） 制造中 Sg在1.73.6之间

8、，几种常用电阻丝材料物理性能见 表3-2，一般市场上电阻应变片标准为 60，120，350，600，1000 等。 第11页/共107页第十二页，共107页。13（二）半导体应变(yngbin)片 典型(dinxng)结构见 图3-9 工作原理：基于半导体材料的压阻效应单晶半导体材料在外力作用下，其电阻率变化。根据式（3-8），(1+2)项是由几何尺寸(ch cun)变化引起的，E是由电阻率变化引起的，就半导体而言，后者影响大于前者，故式（3-8）可简化为 ERdR（3-11） 灵敏度为 EldlRdRSg（3-12） 这一数值比金属丝式大5070倍，几种常用的半导体材料特性见表3-3 优点：

9、 灵敏度高缺点：（1）温度稳定性差（2）灵敏度分散度大(由于晶向杂质等因数） （3）非线性大 小结：（1）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。 （2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。 第12页/共107页第十三页，共107页。14（三）电阻(dinz)应变片传感器应用实例 1直接用来测定结构(jigu)的应变或应力 例如：研究机械、桥梁等某些构件在工作状态(zhungti)下的受力、变形情况。2将应变片贴在弹性体上,作为测量力、位移、加速度等物理参数。示例见图3-11。各种传感器从本质上讲均为受力，产生弹性变形，导致电阻应变片阻值发生变化，再经二次仪表转换为电压（或电

10、流）信号输出。 （1）由应变片测出的是构件或弹性体上某出的应变，通过换算（或标定）才能得到应力、力或位移。 标定 （2）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺（胶、贴前处理、固化处理、防潮等）至关重要。 贴片工艺 （3）动态测量时，应考虑弹性元件和应变片的动态特性。 动态特性（4）温度对电阻值的变化影响不容忽略，考虑温度补偿。 温度补偿说明:第13页/共107页第十四页，共107页。15NoImage第14页/共107页第十五页，共107页。16第四节 电感式传感器 原理：把被测量转换为电感量变化的一种(y zhn)装置。(基于电磁感应原理)分类：（1）自感式 (a) 可变磁阻

11、(b) 涡流式 （2）互感式差动变压器式一自感式(一) 可变磁阻 构造原理(yunl)见图3-12, 由电工学线圈自感量L为 mRWL2（3-13） 式中 W线圈(xinqun)匝数 Rm磁路总磁阻H-1(亨) 如果空气隙较小，不考虑磁路的铁损时，则总磁阻为 002AAlRm（3-14） 式中铁心磁导率 0空气磁导率(410-7) l铁心导磁长度 气隙长度 A铁心导磁截面积 A = ab A0空气隙导磁横截面积 第15页/共107页第十六页，共107页。17因为铁心磁阻与空气(kngq)隙磁阻相比很小，可以忽略，故 002ARm（3-15） 代入式（3-13）得 2002AWL （3-16）

12、式（3-16）表明(biomng)：自感 L 与气隙 成反比，与气隙导磁截面积 A0 成正比。当固定 A0 变化 时，L与 呈非线性关系，此时传感器灵敏度 S 为 （3-17） 从式(3-17)看出，灵敏度S与气隙长度平方成反比，越小，S 越高。如果 S 不是常数会出现非线性误差。为了减小这一误差，通常规定在较小间隙范围内工作。设间隙变化(binhu)为(0,0+)，一般应用中取/0.1。此种传感器适合于较小位移的测量，一般设为 0.0011 mm。 20022AWS第16页/共107页第十七页，共107页。18图(3-13）中列出四种(s zhn)常用可变磁阻式传感器的典型结构。 （3）单螺

13、管线圈型 铁心在线圈中运动时，将改变磁阻使自感发生变化。结构(jigu)简单，易制造，但灵敏度低，使用大位移测量。 （1）可变导磁面积(min j)型 L与A0成线性关系，灵敏度较低。（2）差动型 两个线圈的间隙按0+和0-变化，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减少，将两线圈接于电桥相邻两臂时，其灵敏度提高 1 倍，并改善了非线性。（4）双螺管线圈差动型与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及线性，常用于电感测微仪上，其测量范围为 0300 m,最小分辨力为 0.5m。这种传感器常接于电桥两个桥臂上，线圈电感 L1、L2随铁心位移而变化，其输出特性如图(3-14)所示。 第17页/共107页第十八页，

14、共107页。19（二）涡电流(dinli)式 原理：利用金属(jnsh)体在交变磁场中的涡流效应。见图（3-15）金属(jnsh)板位于一线线圈附近，距离为，当线圈通过一高频交变电流时，产生磁通 此交变磁场在邻近金属(jnsh)板上感应电流 i1, 此电流在金属(jnsh)体内是闭合的，称之为“涡流”。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场作用，使原线圈的等级阻抗Z发生变化，变化程度与距离 有关。 图3-15 高频反射式 涡流传感器原理ii11金属板第18页/共107页第十九页，共107页。20高频线圈阻抗 Z 影响因数：（1）值；（2）金属板电极率； （3）磁导

15、率；（4）线圈激励圆频率 等变化。可作为(zuwi)位移、振动测量，变化和可作为(zuwi)材质鉴别和探伤。涡电流式传感器测量电路：（1）阻抗分压式调幅电路（2）调频电路 分压式调幅电路(dinl)：原理见图3-16，图3-17是其谐振曲线及输出特性。传感器线圈 L 和电容 C 组成并联谐振回路，其谐振频率为 LCf21（3-18） 电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，输出电压 u 最大。工作时线圈阻抗随 改变，LC 回路失谐，输出信号 u (t) 频率虽然仍为工作频率，但幅值随 而变化，它相当于一个调谐波。此调谐波经放大、检波(jinb)、滤波后即可得到气隙 的动态化

16、信息。 第19页/共107页第二十页，共107页。21调频电路：调频电路的工作原理如图 3-18 所示。与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量。当发生变化时，引起线圈电感(din n) L 变化，使震荡器的震荡频率 f 发生变化，再通过鉴频器进行频率电压转换，即得与 成比例的输出电压。目前此种传感器应用广泛，测量范围为 110 mm，分辨力为 1 m 的 非接触式测量。 C图3-18 调频电路工作原理ffu0LL高频振荡 器鉴频器第20页/共107页第二十一页，共107页。22NoImage第21页/共107页第二十二页，共107页。23二互感(hgn)式差动变压器式电感传感器 工作原理

17、见图3-19，当线圈 W1 输入交流(jioli)电流 i1 时，线圈 W2 产生感应电动势 e12，其大小与电流 i1 的变成正比，即 dtdiMe112（3-19） 式中 M比例系数（称为互感H），其大小与两线圈相对位置及周围(zhuwi)介质导磁能力有关。 图3-19 互感现象e12i1W2W1第22页/共107页第二十三页，共107页。24差动式工作原理：见图3-20 a)，初级线圈 W 次级线圈 W1, W2反极性串联。当W上加上交流电时，W1, W2分别产生感应(gnyng)电势e1 和e2，其大小与铁心位置有关。 （1）当贴心在中心(zhngxn)时，e1 = e2 e = 0

18、（2）当贴心向上运动时，e1 e2（3）当贴心向下运动时，e1 C+ Cf 上式简化为 fyCqu（3-33） 式（3-33）表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与传感器电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。因此可长距离测量，灵敏度无明显变化，但其电路复杂，价格昂贵。 第44页/共107页第四十五页，共107页。46五压电式传感器的应用1应用范围 测力、压力(yl)、振动、加速度、超声发射等2测力范围10-3N104kN，动态范围DR一般为60dB，单方向，或多方向。3传感器形式 利用膜片式弹性元件 力膜片凸台压电片电荷量 利用活塞乘压面受力 力活塞乘压面活塞杆压电片上电荷量 压电式加速度计

19、可做成不同灵敏度、不同量程和不同大小系列产品。4工作频率范围 数十赫兆赫，范围宽。5此传感器一般常用纵向效应（测轴向力），横向效应实为干扰和测量误 差，一个压电式传感器各横向灵敏度不一样。为减少影响和干扰，应力求最小横向灵敏度与最大横向干扰力方向重合。6校准 环境湿度、温度变化和压电材料本身时效，都会引起压电常数变化，经常校准是必要的。7工作原理的可逆性 施加电压于压电晶片，压电片便产生伸缩，可用作“驱动器” 如作振动源、超声发声器、扬声器及精密驱动装置。第45页/共107页第四十六页，共107页。47定义：把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。（又称电磁感应(dinc-gnyng)式或电

20、动力式）原理：由电工学知，一个匝数为W的线圈，当穿过该线圈的磁通 发生变化时，其感应电动势 e 为 dtdWe（3-34） 可见线圈磁感应电动势大小，取决于匝数和穿过(chun u)线圈的磁通变化率。而通变化率与磁场强度、磁路磁阻和线圈运动速度有关。 按结构分类动圈式线速度型角速度型磁阻式第七节 磁电式传感器第46页/共107页第四十七页，共107页。48一动圈式1线速度型（图3-35a）在永久磁铁产生的直流磁场(cchng)内，放置一个可动线圈，当线圈在磁场(cchng)中运动时，它所产生的感应电动势e为 sinWBlve （3-35） 式中 B 磁场的磁感应强度(qingd) v 线圈与磁

21、场的相对运动速度 l 单匝线圈有效长度 线圈运动方向与磁场方向夹角 W 线圈匝数 当=900时式(sh sh)（3-35）可写成 WBlve （3-36） 此式说明，当 B、W、l 均为常数时，感应电动势大小与线圈运动线速度成正比。这也是一般常见惯性式速度计的工作原理。 2角速度型（图3-35b）是传感器工作原理，先前在磁场中转动时产生的感应电动势为 kWBAe （3-37） 式中 角速度 A单匝线圈的截面积 k与结构有关的系数(k Z0时，则放大器输入电压为 euL感应(gnyng)电势经放大，检波后，可推动指示仪表。如果通过微积分网络，可得到加速度和位移。磁电式传感器的工作原理也是可逆的。

22、作为测振传感器，它工作于发电机状态。若在先前上加上交变激励电压，则线圈就在磁场中振动，成为一个激振器（电动机状态）。 第48页/共107页第四十九页，共107页。50二磁阻式原理(yunl)：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 （导磁材料）来改变磁路的磁阻，而引起磁力线增加和减弱，使线圈产生感应电动势。其工作原理(yunl)见图3-37所示。特点：磁阻式传感器使用简便，结构简单，不同场合用来测量转速、偏心量、振动等。 a)nSNb)nSNc)SNd)vmSN 图3-37 磁阻式传感器工作原理及应用(yngyng)例a)测频数 b)测转速 c)偏心测量 d)振动测量第49页

23、/共107页第五十页，共107页。51三热电式传感器1、热电偶工作原理当热电偶材料一定时，它所产生的总热电势EAB(T,T0)成为温度T和T0的函数差 (3-40)如冷端温度固定(gdng)，总热电势就只与温度T成单值关系 (3-41)第50页/共107页第五十一页，共107页。52热电偶回路的特点：1）若回路的两种导体相同，则无论两节点温度如何，热电偶回路中的总热电动势为零；2）若两接点温度相同，则尽管导体材料不同，热电偶回路中的总热电动势也为零；3）热电偶的热电动势与导体材料的中间温度无关，而只与接点温度有关；4）热电偶在接点温度T1、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T

24、2、T3时的热电动势总和；5）在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同，第三种导线的引入不会影响热电偶的热电动势，中间导体定律;6)当温度为T1、T2时，用导体A、B组成(z chn)的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的和，即 EAB（T1,T2）= EAC（T1,T2）+ ECB（T1,T2） （3-41）标准电极定律52第51页/共107页第五十二页，共107页。53第52页/共107页第五十三页，共107页。54热电偶的分类(fn li)：(1) 铂铑铂热电偶(WRLB)(2) 镍铬镍硅(镍铬镍铝)热电偶(WREU)(3) 镍铬考铜热电偶(WR

25、EA)(4) 铂铑10铂铑6热电偶(WRLL)第53页/共107页第五十四页，共107页。551）铂铑铂热电偶（WRLB）组成：铂铑丝为正极（铂90%，铑10%），纯铂丝为负极；直径均为 0.5mm。特点：在1300下可长时间使用，较易得到高纯度铂和铂铑，复制精度(jn d)和测量精度(jn d)较高，可用于精密温度测量和做基准热电偶。缺点：热电动势较弱；在高温时易变质，引起热电偶特性变化，失去测量准确性；成本高。2）镍铬镍硅（镍铬镍铝）热电偶（WREU）组成：镍铬为正极，镍硅为负极；直径约为1.22.5mm。特点(tdin)：化学稳定性高，在氧化性或中性介质中可长时间测量900以下温度，短期

26、测量1200；还原性介质中，易受腐蚀，只能测量500以下。复制性好，产生热电动势大，线性好，价格便宜。是工业测量中最常用的热电偶之一。缺点：测量精度偏低。55第54页/共107页第五十五页，共107页。564）铂铑30铂铑6热电偶（WRLL）组成：铂铑30丝（铂70%，铑30%）为正极，铂铑6丝（铂94%，铑6%）为负极。特点：可长期(chngq)测量1600的高温，短期测量可达1800。性能稳定，精度高，适于在氧化性或中性介质中使用。缺点：产生的热电动势小，价格昂贵。3）镍铬考铜热电偶（WREA）组成：镍铬丝为正极，考铜（镍、铜合金）为负极；直径约为 1.22.0mm。特点：适宜于还原性或中

27、性(zhngxng)介质，长期使用温度在600以下，短期测量800.热电灵敏度高、价格便宜。缺点：测温范围低且窄，考铜合金易受氧化而变质。565）特殊(tsh)热电偶超高温热电偶（2000，精度1% ），低温热电偶（2273K低温，灵敏度为10 mV/ ），快速测量壁面温度的薄膜热电偶（测量厚度为0.010.1mm），非金属材料热电偶。第55页/共107页第五十六页，共107页。572、热电阻传感器热电阻传感器利用电阻随温度变化的特点制成的传感器。主要用于对温度和与温度有关的参数测定。按热电阻的性质分类(fn li)：金属热电阻（热电阻）；半导体热电阻（热敏电阻）热电阻的组成：电阻体、绝缘套管

28、、接线盒等。1. 铂电阻57特点：精度高，稳定性好，性能可靠，在氧化(ynghu)性介质中物理化学性质非常稳定，但在还原性介质中，容易受污染，使材料变脆，并改变其电阻与温度间的关系，制作成本高。根据经验公式(gngsh)，铂电阻的温度关系为201BtAtRRt（3-42）式中：Rt/R0为温度为t /0时的电阻值； A为常数， ； B为常数， （ ）第56页/共107页第五十七页，共107页。58(1) 铂电阻电阻随温度变化特点制成的传感器。特点：精度高、稳定性好、性能可靠(kko)。分度号：BA1、BA2，其中R100/R0=1.391第57页/共107页第五十八页，共107页。59NoIm

29、age(2) 铜电阻一般用于精度要求不高，温度范围较低。优点：测量范围-50150、线性度好、价格便宜。缺点(qudin)：电阻率小，温度超过100 时，铜容易氧化。第58页/共107页第五十九页，共107页。60(3) 其它电阻 1) 铟电阻一种高精度低温热电阻，在4.215K温度范围(fnwi)内灵敏度比铂高10倍。 2) 锰电阻在216K温度范围(fnwi)内电阻率随温度平方变化，缺点是脆性大，难以拉制成丝。 3) 碳电阻在低温下灵敏度高、热容量小，对磁场不敏感、价格便宜、操作方便、稳定性差。第59页/共107页第六十页，共107页。61半导体材料重要特性是对光、热、力、磁、气体、温度等

30、理化量的敏感性。近代半导体技术利用这些特性，作为非电量电测的转换元件。特点：（1）是一些物性型传感器；（2）结构简单，体积小，重量轻； （3）功耗(n ho)低，安全可靠，寿命长；（4）对被测量敏感，响应快；（5）易于实现集成化；（6）输出一般为非线性，常采用线性化电路；（7）温度影响大，需要温度补偿措施；（8）性能参数分散性较大。一磁敏传感器分类：（1）霍尔元件 （2）磁阻元件 （3）磁敏管 （一）霍尔元件霍尔元件种半导体磁电转换(zhunhun)元件。一般由锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料制成。它利用霍尔效应进行工作。如图3-38所示，将霍尔元件置于磁场 B

31、中，如果在 a, b 端通以电流 i 在 c, d 两端就会出现电位差，称为霍尔电势 VH，此现象叫霍尔效应。 第八节 半导体传感器第60页/共107页第六十一页，共107页。62BiiadcbiVHa)BdbcaiN型vFEFL电子受力方向b)图3-38 霍尔元件及霍尔效应原理 a) 霍尔元件 b) 霍尔效应原理假定把N型半导体薄片放在磁场中，通固定电流i ，半导体中载流子（电子）将沿着与电流方向相反方向运动。从物理学知，任何带电质点(zhdin)在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时，要受到洛伦兹力 FL作用，向一边偏移，并形成电子积累，而另一边积累正电荷，于是形成电场。该电场将阻止运动电子

32、继续偏移，当电场力 FE与 FL相等时，电子积累达到动态平衡，这时元件 c, d两端之间建立的电场叫霍尔电场，相应电势叫霍尔电势 VH。第61页/共107页第六十二页，共107页。63siniBKVHH（3-39） 式中 kH霍尔常数，取决于材质、温度(wnd)、元件尺寸 i电流 B磁感应强度 电流与磁场方向的夹角根据此式，如果改变 B 或 i，或者两者同时改变，就可改变 VH，值，运用此特性，把被测参量转化为电压值的变化。 霍尔电势(dinsh) VH，其大小为图3-39表示(biosh)用霍尔元件测量位移的实例。将霍尔元件置于两个方向相反的磁场中，由于每点磁感应强度不同，当元件沿x方向移动

33、时，由霍尔电势的变化反映出位移量。将微小位移测量为基础，霍尔元件还可应用于微压、压差、高度、加速度和振动的测量。图3-40表示(biosh)一种利用霍尔元件探测钢丝绳断丝的工作原理。 第62页/共107页第六十三页，共107页。64第63页/共107页第六十四页，共107页。65二光敏传感器（一）光敏电阻光电效应：光敏电阻是一种光电导元件。其工作原理是基于半导体材料的内光电效应。当半导体受到光照射时，其内阻值减小的现象。阻性偏压：光敏电阻是一种电阻器件，使用时对它加一定偏压，无光照射时，其阻值很大，电路中电流很小。当受到光照时，其阻值急剧下降，电路电流迅速增加。材料光谱：光敏电阻阻值的变化与光

34、的波长(bchng)有关，不同材料的光谱特性不同，见图3-41，应根据入射光 波波长(bchng)选择材料。温度影响：光敏电阻受温度的影响甚大，温度升高时，它的暗电阻值、灵敏度下降，使用时注意。 ZnS CdS Si Ge PbS PbTePbSe相对灵敏度%0 0.3 0.5 1.0 2.0 5.0 10.01 00 80 60 40 20入射波长（m）图3-41 光敏电阻材料的光谱特性第64页/共107页第六十五页，共107页。66（二）光电池光生电能：半导体光电池直接将光能转换成电能。受光照射时，可直接将光能转换成电源。工作原理：图3-42表示具有PN结的光电池工作原理。当用光照射时，在

35、PN结附近，由于吸收了光子能量而产生电子和空穴，称之为光生载流子。它们在PN 结电场作用下，产生漂移运动，电子被推向 N 区，而空穴被推进 P 区，使P 型区带正电，而 N 型区带负电， 二者之间产生了电位差，用导线联接电路中就有电流通过。材料特性(txng)：一般常用光电池有硒、硅、锑化镉、硫化镉等光电池，其中使用最广泛的是硅电池，其光谱范围为0.41.1m，灵敏度为68nAmm-2lx-1；响应时间为数微秒至数十微秒。 PN图3-42 光电池工作原理第65页/共107页第六十六页，共107页。67（三）光敏二极管和光敏三极管光敏二极管：光敏二极管是一种既有一个PN结又有光电转换功能的晶体二

36、极管。PN结位于管的顶部，以使接受光照。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态(zhungti)。在没有光照射时，处于截止状态(zhungti)，反向电阻很大，反向电流很小。当光照射时，PN结附近受光子轰击产生电子和空穴，少数载流子浓度大大加强，使通过PN结的反向电流大大增加，形成光电流。光照度变化使光电流变化，这样事项把光信号转换成点信号的功能。基本电路见图3-43。Rf图3-43 光敏二极管基本电路第66页/共107页第六十七页，共107页。68光敏三极管：若把普通晶体管的基极集电极制成光敏二极管，则成为光敏三极管。由于光敏三极管的基极电流由其基极集电极结的光电流供给，许多光敏三极管不再设

37、基极引线。图3-44为其基本(jbn)电路。光电转换元件具有高灵敏度、体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜等优点，应用广泛。图3-45是一种检查零件表面(biomin)缺陷的光电传感器，图3-46是光电转速计的工作原理。特点：光敏三极管具有输出信号大，抗噪声(zoshng)能力强等优点，响应速度略慢些。ce图3-44 光敏三极管基本电路第67页/共107页第六十八页，共107页。69三固态图像传感器功能上：图像传感器是一个能把受光面的光像分成许多小单元（称为像元），并将它们转换成电信号，然后顺序输送出处的器件。构造上：图像传感器是一种小型固态集成(j chn)元件，它的核心上电荷耦合器件（CCD

38、）。CCD由阵列式排列在衬底上金属氧化物硅（MOS）电容器组成，它具有光生电荷、积蓄和转移电荷功能。 在控制脉冲电压作用下，CCD中依次(yc)排列相邻的MOS电容中的信号电荷，将有次序地转换到下一个电容中，实现电荷并行构成。光敏元1和CCD2之间有一转换控制栅3（见图3-47），其中CCD作为读出移位寄存器。 123图3-47 线型CCD图像传感器第68页/共107页第六十九页，共107页。70光敏元MOS电容（正对着CCD上一个(y )电容）电荷（与光照度、积蓄时间成正比）转移光栅打开光敏光电荷并行移到CCD关闭光栅上一次一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转换并在输出端串行输出。 特点：小型、

39、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好、寿命长。用途：（1）物位、尺寸、形状、工件损伤等测量(cling)。 （2）光学信息处理的输入环节，如电视摄像、仿真技术、文字识别、图像识别。 （3）自动生产过程的 控制敏感元件。类型：（1）线型 1024，1728，2048，4096像素 （2）面型 32 x 32,100 x100,320 x244,490 x400,以及2838万像素图3-48 表示用于热轧铝板宽度检测的实例。准确度可达板宽0.025%。 第69页/共107页第七十页，共107页。71四热敏电阻热敏电阻是由金属氧化物（NiO,MnO2,CuO,TiO2等）的粉末按一定比例混合烧结而成的半

40、导体。它具有负的电阻温度系数，温度上升而阻值下降。半导体热敏电阻与金属丝电阻比较，具有以下优点：（1）灵敏度高，可测0.0010.005微小温度变化(binhu)（2）可制成片状、柱状，直径小到0.2mm；体积小，热惯性小，响应快，时间常数可小到毫秒级（3）电阻值范围宽3700k（4）非线性大，对环境温度敏感性大。图3-49表示热敏电阻元件温度自动控制自动检测装置中。 第70页/共107页第七十一页，共107页。72NoImage第71页/共107页第七十二页，共107页。73NoImage第72页/共107页第七十三页，共107页。74五气敏传感器在工农业生产中，环境保护，安全防灾，医疗和日

41、常生活中，对气体分析、检测或报警的需求日益增多，使用的气体检测传感器也是多种多样。其中半导体气敏传感器是发展最快，使用最方便的一种。优点：（1）灵敏度袄（2）响应快（3）制造使用保养简便，价格便宜等优点。缺点：（1）气体选择性差（2）元件性能阐述(chnsh)分散（3）时间稳定性欠佳电阻式半导体气敏传感器是一种应用较多的一种。主要用语检测一氧化碳、乙醇、甲烷、异丁烷和氢。 第73页/共107页第七十四页，共107页。75六湿敏传感器湿度空气中含有水蒸气量。湿度对产品质量和人类生活有重大影响，近年来对此测量和控制要求越来越严格。制造湿度传感器材料：四氧化二铁、铬酸镁二氧化钛等金属陶瓷湿敏原理：当

42、水分子附在半导体陶瓷上，使陶瓷表面层电阻值明显下降。表面电阻下降到一定程度(chngd)上，体内电阻已大于表层电阻，电流主要从表层通过，体内电阻的作用可忽略。 第74页/共107页第七十五页，共107页。76NoImage第75页/共107页第七十六页，共107页。77七集成传感器优先集成电路有（1）各种调节和补偿电路（如电压稳定电路；温度补偿电路和线性化电路）（2）信号放大和阻抗变换电路（3）信号数字化和信号处理电路（4）信号发送和接受电路（5）多传感器集成特点：体积小，重量减轻，功能增多，改善性能。如温度补偿电路和传感元件集成在一起“智能”，出现了“灵巧传感器”（Smart Senser）

43、， “智能传感器”（Intelligent Senser）此类传感器具有如下能力：（1）条件调节和环境补偿能力（2）通讯能力（3）自诊断能力（4）逻辑和判断能力已经应用的灵巧传感器种类很多有：位置，有无，距离，厚度，状态和目标(mbio)识别。 第76页/共107页第七十七页，共107页。78传统(chuntng)传感器以机-电量转换为基础，以电信号为变换和传输的载体，利用导线输送信号。光纤传感器则以光学量为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送信号。光纤传感器利用光波四个参数：强度、频率、相位和偏振态的变化 而使光波变化。光波调制把光波随被测量的变化而变化称之为光波调制。 一分类

44、按调制方式：（1）强度调制(简单常用)；（2）频率调制； （3）相位(xingwi)调制；（4）偏振调制。按光纤作用：（1）功能型光纤传感器； （2）传光型光纤传感器。 第九节 光纤传感器第77页/共107页第七十八页，共107页。79传光型光纤传感器：光纤仅起着传输光波的作用(zuyng)，对光波的调制用其它元件来实现。分两种情况：（1）传输途中，由敏感元件对光波调制（2）先调制好再发出。 功能型光纤传感器：光纤不仅起着传输光波(gungb)的作用，还起着敏感元件的作用，对光波(gungb)进行调治，即传光又传感。 一般来说，传光型较简单，应用较多。功能型构思巧妙，工作原理复杂，灵敏度较高，

45、解决棘手问题，表3-4列出部分(b fen)光纤传感器测量对象、种类及调制方式。 34125a)125b)34652346 +7c) 图3-50 光纤传感器种类 1光源；2光源元件；3光纤 4 被测对象；5 电输出 6敏感元件；7发光元件第78页/共107页第七十九页，共107页。80测量对象种 类调制方式测量对象种类调制方式电 流磁 场功能型 偏振态放射线功能型光 强相 位 温 度 功能型 相 位光 强传光型偏振态压电场 功能型 偏振态偏振态相 位传光型 光量有无传光型偏振态光 强压力振动声压功能型 频 率 速 度 功能型 相 位相 位频 率光 强传光型光量有无传光型光 强光量有无光 强图

46、像功能型光 强表3-4 光纤传感器的测量对象及调制(tiozh)方式 第79页/共107页第八十页，共107页。81二光纤导光原理(yunl)1入、折射角由物理学知，当光由大折射率n1 的介质射入小折射率n2 的介质时(图3-51a)，折射角r大于入射角i且ir。 2临界角 当=900 时所对应(duyng)的入射角称为临界角ic，见b)图。3全反射 当i ic 时，将出现全反射现象。光线不进入 n2 介质，而在界面上全部反射回n1 介质中，见c)图。光波沿光纤是以全反射方式进行传播的。n2n1ria)n2n1r=900i=icb)n2n1iicc)图3-51 光的折射演示(ynsh)第80页

47、/共107页第八十一页，共107页。824光纤结构 光纤结构分内外三层。中心为直径几十微米大折射率n1的芯子。芯子外面(wimin)有一层直径为100200微米折射率n2较小包层。最外层为保护层，其折射率n3远大于n2，这样保证了进入光纤的光波将集中在芯子内传输。5光传播 一束光线自折射率n0介质中，以入射角i从A到B点；经折射以入射角2射到界面C点。显然(xinrn)当2大于某一临界角2c时，光线将在截面上产生全反射，反射角3=2。光线反射到 芯子另测的界面时，入射角仍为2，再次产生全反射，如此不断的传播下去。AiBCn1n2n3n023图3-52 光线在光纤中传播演示(ynsh)第81页/

48、共107页第八十二页，共107页。836条件 光线从光纤端部射入，其入射角i必须满足一定条件才能使在B点折射后的光线BC射到芯子(xn z)包层界面C处产生全反射。可以证明若光线自折射率为n0的介质中射入光纤，则当 2=2c时，入射角 i =ic ，有 222101sinnnnic（3-40） 通常(tngchng)把n0sinic定义为光纤的“数值孔径”，用符号NA表示。若自n0=1的介质（大气）入射时，sin-1NA=ic，即为端面如社临界角。凡入射角i sin-1NA部分光线不能全反射，进行传播。作为传感器的光纤，故采用 0.2NA0.4 (11.50i 23.50 )第82页/共107

49、页第八十三页，共107页。84应用1：图3-53是一种简单的光纤位移传感器。其发送光纤和接受光纤的端面相对，间隔(jin g)为12m。接受光纤收到的光强随两相对位置不同而改变。此种传感器可应用于声压和水压探测。12x12m图3-53 光纤位移传感器 1发送光纤 2接受光纤三光纤传感器的应用(yngyng) 应用(yngyng)范围： 温度、压力、声压、振动第83页/共107页第八十四页，共107页。85应用2：图3-54是一种反射式光纤位移(wiy)传感器。发射和接受光纤束扎在一起，靠被测面反射面反射接受光纤接受信号。接受到光强度随被测面与光纤端面之距离而变化。从图中光强与距离关系曲线看出：

50、在单调上升阶段灵敏度高，但位移(wiy)测量范围小，适用小位移(wiy)振动和表面状态的测量在单调下降阶段，灵敏度小，测量范围大，适用于物位测量。x12xI图3-54 反射式光纤位移传感器 1发送光纤 2接受光纤第84页/共107页第八十五页，共107页。86 四光纤传感器的特点（1）不受电磁干扰，电气绝缘性好，可在强磁场下测量。（2）防爆、放火(fng hu)、耐高压、耐腐蚀。（3）某些性能优于传统传感器（4）重量轻，体积小，可在狭窄空间使用。（5）具有良好的集合形状适应性。（6）频带宽，动态范围大。（7）易于远距离测量。 缺 点：（1）缺少兼容的执行机构 （2）现场连接困难，技术复杂，成本

51、高。 （3）多路光纤传感器共用光源有困难。 （4）多数(dush)传感器很难实现“灵巧性”。 （5）标准化程度差。 第85页/共107页第八十六页，共107页。871灵敏度（1）适当(shdng)（2）多维测量交叉灵敏度小（3）与测量范围协调2响应特性 （1）不失真 （2）响应时间短（动态测量尤为重要）3线性 （1）线性度好 （2）线性范围宽4可靠性 可靠性高，考虑设计、制造、环境（油、粉尘、磁场、湿度）5精确度 原则上精确度，考虑经济性。6测量方式 （1）接触式-非接触式 （2）在线-非在线7其它 体积，结构，价格，维修，采购和更换。 结 束第十节 传感器选用(xunyng)原则第86页/共

52、107页第八十七页，共107页。88第87页/共107页第八十八页，共107页。89表 3-1 机械工程中常用(chn yn)传感器 类 型 名 称 变换量 被测量(cling) 应用举例 性能指标测量范围 10105N示值误差(wch) （0.30.5）%三等标准测力仪弹簧秤压力表压力表压力表温度计力力压力压力压力温度物体尺寸、位置 有无 力位移力位移压力位移压力位移压力位移温度位移力位移 测力环弹簧波纹管波登管波纹膜片双金属片微型开关机械式测量范围500Pa0.5Mpa测量范围0.5Mpa1000MPa测量范围500Pa测量范围0300位置精密度可达数微米测量范围-101300 分辨力 0

53、.1 红外测温仪 x射线应力仪 射 线 测 厚仪激光测长仪超声波测厚仪 温度物体有无 测厚探伤应力测厚、 探伤长度位转移角 厚度、 探伤 厚度 成分分析 热电散射 干涉对物质穿透光波干涉超声波反射穿透 红外 x 射线射线 激光 超声 射线 辐射式测量范围440 mm测量精密度 0.25 mm 测距2m分辨力0.2 m穿透作用第88页/共107页第八十九页，共107页。90类 型 名 称 变换量 被测量 应用(yngyng)举例 性能指标分辨力0.5m分辨力0.5m分辨力0.01N频率(pnl)0.1Hz20kHz测量范围（10-2105）ms-2测量范围01600测量范围02mm线性误差1%测量范围-10300 灵敏度500A/1m最大截止频率(pnl)50kHz 0直线(zhxin)电位计应变仪 电容测微仪涡流式测振仪 电感测微仪电感比较仪位移 力、位移、应 变、加速度位移电阻形变电阻 位移电容位移自感位移自感位移互感力电荷 力磁导率温度电势 位移电势 温度电阻气体浓度,温度光电阻光电压光电流电位计电阻丝应变片半导体应变片电磁及电子式分辨力0.0250.05mm线性误差0.050.