机械工程测试技术基础--03传感器04

机械工程测试技术基础1NorthChinaElectricPowerUniversity第三章常用传感器与敏感原件第三章常用传感器（4）第三章常用传感器与敏感原件2NorthChinaElectricPowerUniversity第三章常用传感器与敏感原件第一节常用传感器分类第二节机械式传感器及仪器第三节电阻、电容与电感式传感器第四节磁电、压电与热电式传感器第五节光电传感器第六节光纤传感器第七节半导体传感器第八节红外测试系统第九节激光测试传感器第十节传感器选用原则第三章常用传感器与敏感原件3NorthChinaElectricPowerUniversity第七节半导体传感器一、磁敏传感器利用半导体材料的磁敏特性工作，有霍尔元件、磁阻元件、磁敏管等。1霍尔元件霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。sinIBKVHHKH：霍尔常数；α：电流与磁场方向的夹角。第三章常用传感器与敏感原件4NorthChinaElectricPowerUniversity霍尔效应的产生式由于运动电荷受到了磁场中洛伦兹力的作用结果。当洛伦兹力和霍尔电场力等大时，电子积累便达到动态平衡。霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。第三章常用传感器与敏感原件5NorthChinaElectricPowerUniversity霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。优点：结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大、寿命长等。第三章常用传感器与敏感原件6NorthChinaElectricPowerUniversity第三章常用传感器与敏感原件7NorthChinaElectricPowerUniversity霍尔转速表原理当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。第三章常用传感器与敏感原件8NorthChinaElectricPowerUniversity汽车速度测量:第三章常用传感器与敏感原件9NorthChinaElectricPowerUniversity钢丝绳断裂检查第三章常用传感器与敏感原件10NorthChinaElectricPowerUniversity2磁阻元件磁阻效应：某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。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。第三章常用传感器与敏感原件11NorthChinaElectricPowerUniversity第三章常用传感器与敏感原件12NorthChinaElectricPowerUniversity二热敏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。)11(00TTeRRRT特点：灵敏度高；热惯性小非线性大；对温度敏感RT、RT0：温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；β：热敏电阻的材料常数。第三章常用传感器与敏感原件13NorthChinaElectricPowerUniversity第三章常用传感器与敏感原件14NorthChinaElectricPowerUniversity第三章常用传感器与敏感原件15NorthChinaElectricPowerUniversity产品第三章常用传感器与敏感原件16NorthChinaElectricPowerUniversity还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等第三章常用传感器与敏感原件17NorthChinaElectricPowerUniversity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0.8～1.15ml/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第三章常用传感器与敏感原件18NorthChinaElectricPowerUniversity气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸附了气体烟雾分子，如一氧化碳等时，二者相互吸收电子的能力不同，使半导体电阻率发生变化，且气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。第三章常用传感器与敏感原件19NorthChinaElectricPowerUniversity第三章常用传感器与敏感原件20NorthChinaElectricPowerUniversity燃气报警器烟雾报警器第三章常用传感器与敏感原件21NorthChinaElectricPowerUniversity酒精传感器第三章常用传感器与敏感原件22NorthChinaElectricPowerUniversity四、湿敏传感器能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。第三章常用传感器与敏感原件23NorthChinaElectricPowerUniversity五、CCD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)。第三章常用传感器与敏感原件24NorthChinaElectricPowerUniversityCCD（Charge-coupledDevice）：电荷耦合元件。一种半导体器件，能把光学影像转化为数字信号。CCD由阵列式MOS组成，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。第三章常用传感器与敏感原件25NorthChinaElectricPowerUniversity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.第三章常用传感器与敏感原件26NorthChinaElectricPowerUniversity相机中CCD与3CCD的比较第三章常用传感器与敏感原件27NorthChinaElectricPowerUniversityGREY=RED*0.299+GREEG*0.587+BLUE*0.114数码相机第三章常用传感器与敏感原件28NorthChinaElectricPowerUniversity第八节红外测试系统一、红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76～1000μm，相对应频率大致在HZ之间红外线在电磁波谱中的位置如图所示。1114103~104工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。第三章常用传感器与敏感原件29NorthChinaElectricPowerUniversity红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。红外辐射在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。第三章常用传感器与敏感原件30NorthChinaElectricPowerUniversityE：某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量。σ：斯蒂芬-波尔兹曼常数，5.6697×10-12w/cm2k4ε:比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比。T：物体的绝对温度。斯蒂芬-波尔兹曼定律：物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度T的四次方成正比，并与ε成正比。物体温度越高辐射能量越大。4TE第三章常用传感器与敏感原件31NorthChinaElectricPowerUniversity黑体：能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体。是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，即α（物体对辐射能的吸收系数）=1。镜体：能全部反射红外辐射的物体。透明体：能全部透过红外辐射的物体。灰体：能部分反射或吸收红外辐射的物体。普朗克定律：描述的是不同温度下黑体辐射通量按波长分布的规律。122121125110438833.1C10741844.3C1TCEXPC：第二辐射常数，：第一辐射常数，E第三章常用传感器与敏感原件32NorthChinaElectricPowerUniversity红外探测器是将辐射能转换成电能的一种传感器。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。1热探测器工作机理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定所吸收的红外辐射量。主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型。2光子探测器工作原理：半导体材料的光电效应。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。第三章常用传感器与敏感原件33NorthChinaElectricPowerUniversity热电偶型：将热电偶结点涂上黒层置于辐射中，可根据产生的热电动势来测量入射辐射功率的大小。多采用热电堆型（由多个热电偶的串联而成。辐射接收面分为若干块，每块接一个热电偶，把它们串联起来就构成热电堆）。热释电型：热释电效应：电石、水晶、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷变化的现象。用此效应制成的“铁电体”，其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱。第三章常用传感器与敏感原件34NorthChinaElectricPowerUniversity在非典时期，为了防止感染，测温不得靠近人体。在这样的特殊要求下，就可以采用非接触式的温度监测器，它也是由热释电型红外传感器作为温度检测传感器。利用热