1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 1 本科工程测试全册配套最完整本科工程测试全册配套最完整 精品课件精品课件2 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 2 上讲小结上讲小结 电阻式传感器 应变式 热电阻式 光敏电阻 磁敏电阻 气敏电阻 变阻器式 电感式传感器涡流式 互感式 可变磁阻式 电容式传感器 金属应变片半导体应变片 热电阻热敏电阻 面积变化型 介质变化型 极距变化型 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 3 半导体式传感器 光电池 光敏管 PSD光传感器 霍尔元件 数字式传感器 光栅传感器 固态图像传感器 光电开关 其他
2、传感器 磁栅传感器 感应同步器 旋转变压器 脉冲编码器 热电偶 光纤传感器 IP传感器 压电式传感器 磁电式传感器 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 4 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 本讲内容本讲内容 3.5 压电式传感器 3.6 磁电式传感器 动圈式 磁阻式 3.7 半导体传感器（磁感应式） 霍尔元件 磁阻元件 3.8 热敏传感器 双金属温度计 热电偶 热敏电阻 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 5 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 3.5、压电式传感器、压电式传感器 1.1.变
3、换原理变换原理: :压电效应压电效应 + 并联并联 + 串联串联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几某些物质，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。种现象称为压电效应。 F + q=DF 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 6 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 1880年，法国两位科学家居里兄弟，在研究石英品体的物理性质时，发 现了一种特殊的现象： 若按某种方位从石英晶体
4、上切割下一块薄晶片，在其表面敷上电极，当沿 着晶片的某些方向施加作用力而使晶片产生形变后，会在两个电极表面上出现 等量的正、负电荷。电荷的面密度与施加的作用力的大小成正比。当作用力撤 除后，电荷也就消失了。 这种由于机械力的作用而使石英晶体表面出现电荷的现象，称为正压电效 应。利用该效应制作传感器。 压电效应的发现压电效应的发现 1881年，李普曼在理论上预言，由居里兄弟在实验上证实了另一种物理现 象： 如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场的作用，会使压电晶体发生 形变，而形变的大小与外电场的大小成正比，当电场撤除后，形变也消失了。 这种由于电场的作用而使压电晶 体产生形变的现象，称为逆压
5、电效应。 利用该效应制作执行器。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 7 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 连接方式连接方式 在压电式传感器中，压电材料一般不仅用一片，而常常采用两片（或是两片 以上）粘结在一起，由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。 串联方式：输出的总电荷等于单片电荷，而输出电压为单片电压的两倍，总 电容为单片电容的一半。 并联方式：输出电容为单片电容的两倍，但输出电压等于单片电压，极板上 的电荷量为单片电荷量的两倍。 串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号、并且测量 电路输入阻抗很高的地方。 并联接法输出电荷大、本身电容
6、大、时间常数大，适宜用在测量慢变信号并 且以电荷作为输出量的地方。 + 并联并联 + 串联串联 F + q=DF 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 8 3.5 压电式传感器压电式传感器 2、测量电路、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传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。过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。 关键是高阻抗的前置放大器！ 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 9 3.5 压电式传感器压电式传感器 前置放大器 前置放大
7、器的两个作用： 1. 把压电式传感器的微弱信号放大； 2. 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 前置放大器电路的两种形式： 1. 用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的 输出)成正比； 2. 带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 电压放大器与电荷放大器相比，电路简单、价格使宜，但电缆分 布电容对传感器测量精度影响很大，故而在某些场合限制了其应用。 电荷放大器电路较复杂，但电缆长度变化的影响几乎可以忽略不 计，故而电荷放大器的应用日益增多 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 10 3.5 压电式传感器压电式传感器 电荷放大器 上式表明：在一定条件下，电
8、荷放大器的输出电压与传感器的电荷量在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量 成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使 连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大 器突出的优点。器突出的优点。 (1) y f Kq e CaCcCiK C 当（当（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci），放大器的输出电压为），放大器的输出电压为 y f q e C 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 11 3.5 压电式传感器压电式传感器 产品产品
9、 加速度计加速度计 力传感器力传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 12 案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析 3.5 压电式传感器压电式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 13 案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊断 3.5 压电式传感器压电式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 14 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 3.6、磁电式传感器、磁电式传感器 1. 变换原理变换原理: 感应电动势感应电动势 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感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。应电动势的一种转换器。 dt d W
10、e 感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有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。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 ),(vRB mdt d 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 15 2. 分类分类 磁磁 电电 式式 动圈式动圈式 磁阻式磁阻式 线速度型线速度型 角速度型角速度型 N 3.6 磁电式传感器磁电式传感器 ),(vRB mdt d 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 16 动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型 3.6 磁电式传感器磁电式传感器 sinWB
11、lve 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 17 角速度型动圈式传感器角速度型动圈式传感器 测速电机测速电机 3.6 磁电式传感器磁电式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 18 磁阻式传感器磁阻式传感器 磁电式车速传感器磁电式车速传感器 3.6 磁电式传感器磁电式传感器 由运动着的物体（导磁材料） 改变磁路的磁阻Rm，引起磁 通变化，进而产生感应电动 势 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 19 N N S S 案例：鼠笼电机转子断细条检测案例：鼠笼电机转子断细条检测 3.6 磁电式传感器磁电式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 20 第第3章章 传感器
12、原理及应用基础传感器原理及应用基础 3.7、半导体传感器、半导体传感器 sinIBKV HH 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流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。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 1. 霍尔元件霍尔元件 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 21 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。 3.7 半导体传感器半导体传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 22 3.7 半导体传感器半导体传感器 华中科技大学机
13、械学院华中科技大学机械学院 23 测转角：测转角： 3.7 半导体传感器半导体传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 24 电流传感器电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，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可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检 测。测。 3.7 半导体传感器半导体传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 25 铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS 3.7 半导体传感器半导体传感器 华中科技大学机械
14、学院华中科技大学机械学院 26 叶片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器 应用应用 3.7 半导体传感器半导体传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 27 案例：案例：汽车速度测量汽车速度测量: 3.7 半导体传感器半导体传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 28 2. 磁阻元件磁阻元件 3.7 半导体传感器半导体传感器 工作原理：利用半导体材料（磁阻元件）的磁阻效应 （高斯效应），即改变磁场的强弱，将使磁阻元件沿着 电流方向的电阻值发生改变。 磁阻元件可用作位移、力、加速度等参数的改变。 霍尔效应是指垂直于电流方向产生横向电压！ 磁阻效应是指沿电流方向发生电阻值的改变！
15、 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 29 特点特点 电阻的增量与磁场的平方成正比；电阻的增量与磁场的平方成正比； 与磁场的正负无关；与磁场的正负无关； 温度系数影响大；温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。磁感应的范围比霍尔元件大。 应用应用 接近开关和无触点开关。接近开关和无触点开关。 3.7 半导体传感器半导体传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 30 3. 磁感应半导体元件分类磁感应半导体元件分类 霍尔元件霍尔元件 磁阻元件磁阻元件 磁敏二极管磁敏二极管 磁晶体管磁晶体管 磁半导体开关磁半导体开关 3.7 半导体传感器半导体传感器 检测磁场的变化！ 华中科技大学
16、机械学院华中科技大学机械学院 31 产品产品 3.7 半导体传感器半导体传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 32 案例：转速测量案例：转速测量 3.7 半导体传感器半导体传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 33 3.8、热敏传感器、热敏传感器 1. 双金属温度计双金属温度计 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。化转换成机械量变化。 优点：优点： 结构简单结构简单 牢固牢固 可靠可靠 防爆防爆 第第3章章 传感器原理及应用
17、基础传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 34 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 35 荧光灯启辉器荧光灯启辉器 3.8 热敏传感器热敏传感器 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。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 36 荧光灯工作原理荧光灯工作原理 3.8 热敏传感器热敏传感器 高压电极 灯丝 启辉器 镇流器 灯管启动后，感应电势消失，是靠电源电压与镇流器维持灯管的正常工作(20W 灯
18、管的工作电流为0.37A, 40W为0.43A)。启辉器在电路中只起控制灯管预热电 流的时间和断开电路时使镇流器产生感应电动势的作用。在荧光灯正常工作时， 启辉器是停止工作的。 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18秒的时间， 双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。 在此瞬间，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，同时与电源电压叠加在灯管两端，使灯管两端电极之间形成一个强电 场。灯丝阴极发射的
19、电子，在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光 放电，同时产生大量的紫外线激发管壁的荧光粉而发出可见光。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 37 2. 热电温度计热电温度计(热电偶热电偶) 热电效应热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合串接成一个闭合 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，此现象称为生热电势，形成电流，此现象称为热电效应热电效应。 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 38 B A AB N N e kT TEln)( A
20、 B TT0 k k玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数， e e电子电荷量，电子电荷量， T T接触处的温度接触处的温度 N NA A，N NB B分别为导体分别为导体A A和和B B的自由电子密度。的自由电子密度。 B A AB N N e kT TEln)( 0 0 接触电动势接触电动势 温差电动势温差电动势 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 39 热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律 1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导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体的横截面积、长度以及温度分
21、布如何均不产 生热电动势。生热电动势。 TT0 2)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只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。热电偶回路的总热电动势。 T T0V 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 40 3)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如组成热电偶，如 果他们所产生的热电动势为已知，果他们所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后两极配
22、对后 的热电动势可用下式求得：的热电动势可用下式求得： ),(),(),( 000 TTETTETTE CBACAB A B TT0= A C TT0 C B T T0 由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极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 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 41 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 42 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 43 3热敏电阻传感器热敏电阻传感器 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、半导体热敏电阻的材料
23、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，随温度上升而阻导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻 值下降。值下降。 ) 11 ( 0 0 TT eRR R T 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 44 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 45 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 46 产品产品 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 47 温控器温控器
24、应用应用 汽车发动机传感器汽车发动机传感器 水温感应塞水温感应塞 还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等 3.8 热敏传感器热敏传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 48 作业：2007年12月18日上交 P187 第第3章第章第30题题 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 49 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 上讲小结上讲小结 3.2 电阻式传感器 3.3 电容式传感器 3.4 电感式传感器 3.5 压电式传感器 3.6 磁电式传感器 动圈式 磁阻式 3.7 半导体传感器（磁感应式） 霍尔元件 磁阻元件 3.8 热敏传
25、感器 双金属温度计 热电偶 热敏电阻 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 50 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 本讲内容本讲内容3.9 气敏电阻传感器 3.10 超声波检测传感器 3.11 光电传感器 3.12 光纤传感器 3.13 CCD固态图象传感器 3.14 流量传感器 3.15 生物化学传感器 3.16 智能传感器 3.17 其它类型传感器 3.18 传感器特性及选用原则 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 51 3.9、气敏电阻传感器、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
26、居住环境不可缺少手段，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如生活环境中一氧化碳浓度达0.80.81.15 ml/L1.15 ml/L 时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还时，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。有易燃、易爆气体、酒精等的探测。 烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器 二氧化碳传感器二氧化碳传感器 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 52 3.9 3.9 气敏电阻传感器气敏
27、电阻传感器 气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、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。等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被从而使气敏元件电阻值随被 测气体的浓度改变而变化。测气体的浓度改变而变化。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 53 3.9 3.9 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 54 3.9 3.9 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 55 3.9 3.9 气敏电阻传感器气敏电
28、阻传感器 燃气报警器燃气报警器 烟雾报警器烟雾报警器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 56 酒精传感器酒精传感器 3.9 3.9 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 57 3.10、超声波检测传感器、超声波检测传感器 1)1)声波及其分类声波及其分类 (1)(1)次声波，振动频率低于次声波，振动频率低于l6Hzl6Hz的机械波。的机械波。 (2)(2)声波声波: :振动频率在振动频率在16Hz20KHz16Hz20KHz之间的机械波。之间的机械波。 (3)(3)超声波超声波: :高于高于20KHz20KHz的机械波。的机械波。 2 2）超声波的物理
29、性质）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。远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 58 3.10 3.10 超声波检测传感器超声波检测传感器 声压声压 所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力 之差值，单位为之差值，单位为Pa，1Pa =1N/m2。 声强声强
30、 声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位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，单位为面积的能量，单位为W/m2。 声功率声功率 声功率声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能量，是声源在单位时间内发射出的总能量， 单位是单位是W。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 59 超声波传感器原理超声波传感器原理 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，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。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滞材料上时，使接收原理是当超声波作用在磁滞材料上时，使 磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出
31、。磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 3.10 3.10 超声波检测传感器超声波检测传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 60 超声波传感器对超声波传感器对 3.10 3.10 超声波检测传感器超声波检测传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 61 超声波传感器应用超声波传感器应用 超声波探伤超声波探伤/测距测距/测物测物 3.10 3.10 超声波检测传感器超声波检测传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 62 案例：输油管检测机器人 3.10 3.10 超声波检测传感器超声波检测传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 63 倒车雷达倒车雷达
32、 3.10 3.10 超声波检测传感器超声波检测传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 64 鱼群探测器鱼群探测器 3.10 3.10 超声波检测传感器超声波检测传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 65 3.11 3.11 光电传感器光电传感器 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。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。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 内光电效应内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子-
33、 -空穴对空穴对, , 使其导电性能增强使其导电性能增强, ,光线愈强，阻值愈低，这种光线愈强，阻值愈低，这种 光照后电阻率发生变化的现象光照后电阻率发生变化的现象, ,称为称为内光电效应内光电效应 。 光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 66 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 67 照相机自动测光照相机自动测光 光控灯光控灯 工业控制工业控制 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 华中科技大
34、学机械学院华中科技大学机械学院 68 3.7 光电传感器光电传感器 光电池光电池 光生伏特效应指半导体材料光生伏特效应指半导体材料P-NP-N结受到光照后结受到光照后 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。的光电池是常用的光生伏特型器件。 + + + - - - PN 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 69 应用应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射 式式( (直射式直射式) )、吸收式、遮光式、反射式、四种、吸收式、遮光式、反射式、四种 基本形式。基本形式。 3.7
35、 光电传感器光电传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 70 3.7 光电传感器光电传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 71 3.7 光电传感器光电传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 72 3.7 光电传感器光电传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 73 案例：案例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LEDLED与光敏晶体管组合来与光敏晶体管组合来 测量位移。测量位移。 3.7 光电传感器光电传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 74 亮度传感器：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通过检测周围环境的亮度，再与内部
36、设定值相比 较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，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。达到节约电能的目的。 3.7 光电传感器光电传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 75 3.12 3.12 光纤传感器光纤传感器 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化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。的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 1 1）物性型光纤传感器）物性型光纤传感器 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 76 光纤流速传感器光纤流速传感器
37、3.12 3.12 光纤传感器光纤传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 77 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤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。功能型光纤传感器。 2 2）结构型光纤传感器）结构型光纤传感器 3.12 3.12 光纤传感器光纤传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 78 光纤检测型光电传感器光纤检测型光电传感器 作业件检测作业件检测 颜色检测颜色检测 3.12
38、3.12 光纤传感器光纤传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 79 3.13 CCD固态图象传感器固态图象传感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)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)。 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 80 在半导体硅片上按线阵或面阵排列在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOSMOS单元，单元， 如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图如果照射在这些光敏元上的是
39、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。相对应的光生电荷图像。 3.13 CCD固态图象传感器固态图象传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 81 0 1 1 1 1 1 0 0 光敏管光敏管 阵列阵列 并 联 串 联 转 换 器 运算电路 显示电路 结束信号 驱动脉冲 CCD 3.13 CCD固态图象传感器固态图象传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 82 特点特点: (1) 非接触检测非接触检测; (2) 响应快响应快; (3) 可靠性高可靠性高,为修简便为修简便; (4) 测量精度
40、高测量精度高; (5) 体积小体积小,重量轻重量轻; 容易与计算机连接容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响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. 3.13 CCD固态图象传感器固态图象传感器 条形码扫描器条形码扫描器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 83 GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114 数码相机数码相机 3.13 CCD固态图象传感器固态图象传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 84
41、3.14 3.14 流量传感器流量传感器 流量传感器也称为流量计，是测量液体或气体流量的 传感器。 3.14 流量传感器流量传感器 1、流量的概念 流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量， 前者称体积流量（m3/s)，后者称质量流量(kg/s)。 如果在截面上速度分布是均匀的，则： vF qvA mv 如果介质的密度为 ，那么量 q 流 = 量 q 质 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 85 流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不 可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单 元面积上dAF速度是均匀的，流过该单元面积上 的体积流量为 , vF dqvdA v为流速 整个截面上的流
42、量qv为 vF F qvdA 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 86 测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对 时间的积分，称之流体总量。时间的积分，称之流体总量。 v t m t Vq dt Mq dt 用来测量流量的仪表统称为用来测量流量的仪表统称为流量计流量计。测量总量的。测量总量的 仪表称为流体计量表或仪表称为流体计量表或总量计总量计。 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 87 2、总量计：容积式计量表 括板式流 量计 椭圆齿轮 流量计 腰轮流量 计 活塞式 流量计
43、 容积式计量表 用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被 测介质，最后根据定量容积称量的次数来决定 流过的总量。习惯上人们把计量表也称为流量 计。根据它的结构不同，这类仪表主要有椭圆 齿轮流量计、腰轮流量汁、活塞式流量计等。 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 88 椭圆齿轮流量计 每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体。 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 89 腰轮流量计（罗茨流量计） 腰轮流量计除可测 液体外，还可测量 气体，精度可达 0.1，并可做标 准表使用；最大流 量可达1000m3/h。 腰轮上没有齿
44、，它们不是 直接相互啮合转动，而是 通过按装在体外的传动齿 轮组进行传动 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 90 上述两种转子型式的容积流量计，可用于各种 液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测 量，在高压力、大流量的气体流量测量中，这 类流量计也有应用。 由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合， 因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗 粒杂质流过流量计。 容积式计量表的特点 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 91 当充满圆管的流体流经在 管道内部安装的节流装置 时，流束将在节流件处形 成局部收缩，使流速增大
45、， 静压力降低，于是在节流 件前后产生压力差。 该压力差通过差压计检出。 流体的体积流量或质量流 量与差压计所测得的差压 值有确定的数值关系。 3、差压式流量计（节流式流量计） 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 92 2 2 21 2 1 2 1 2 1 pvpv 2211 vAvA p1、p2流体在截面I-I和II-II处 的静压力 v1、v2流体在截面I-I和II-II处 的平均流速 A1、A2流体在截面I-I和II-II 处的横截面积 流体密度 选定两个截面：I-I是节流装置前流体开始受节流装置影响的 截面；II-II是流束经过节流装置后收缩最厉害
46、的流束截面， 由伯努利方程式和连续方程得： )(2 /1 21 2 12 2 22 pp AA A vAq 流体体积流量： 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 93 上面得到的流速是理论值，因为理想的不可压缩的流体 是不存在的。流体有粘度，故有摩擦，因此实际的流速 应修正。其次，考虑到使用方便，实际上经常在节流装 置前后两个固定位置上测取压力p1、p2，代替理论压力， 在计算v2的公式中亦应修正。考虑这两方面的因素，在II- II截面上的体积流量为 )(2 /1 21 2 12 2 22 pp AA A vAq 流速理论值 )(2 21 0 pp Aq 为
47、流量系数；为压缩系数（取值0.9-1.0之间)； A0为节 流装置的开口面积； 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 94 差压式流量计主要由两部分组成：节流装置和测量静压差 的差压计。 节流装置是安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变 化，引起流体静压变化的一种装置。常用的节流装置有文 丘利管、喷嘴和孔板。 文丘利管压力损 失最小，而孔板 压力损失最大。 文丘利管 孔板 喷嘴 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 95 取压方式：差压式流量计是通过测量节流件前后压力差p来实现流量测量 的，而压力差p的值与取压孔位置和取
48、压方式紧密相关。5种取压方式： (1)角接取压: 上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。角接取压包括单独钻孔和环 室取压。 (2)法兰取压：上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为 25.40.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上 (3)径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1Dm0.1Dm，下游侧取压 孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。 (4)理论取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为l Dm0.1Dm，下游侧取压 孔的轴线至孔板上游端面的距离因 值不同而异。该距离理论上就是流束收缩到最小截 面的距离。 (5)管接取压：上游侧取
49、压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5Dm，下游侧取压孔的轴 线至孔板下游端面的距离为8Dm该方法使用很少 3.14 流量传感器流量传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 96 3.15 3.15 生物化学传感器生物化学传感器 热热/ /光光电量电量 微生物微生物/酶等酶等 敏感元件敏感元件 化学传感器是指将气体或液体中的化学量转化为电量 信号输出的器件。大致相当于动物的嗅觉和味觉器官。 生物传感器是检测对象中含生命物质的传感器。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、细胞传感器、免疫传感器等。 第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础 华中
50、科技大学机械学院华中科技大学机械学院 97 3.15 生物化学传感器生物化学传感器 2 2、环境监测、环境监测 3 3、医学、医学 应用领域应用领域 1 1、发酵工业、发酵工业( (食品食品) ) 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 98 血糖乳酸测定流程血糖乳酸测定流程 体育上耐力训练体育上耐力训练 3.15 生物化学传感器生物化学传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 99 德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪 3.15 生物化学传感器生物化学传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 1 0 0 手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(glucose)(g
