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第3章 传感器原理及应用基础,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 热敏传感器 双金属温度计 热电偶 热敏电阻,第3章 传感器原理及应用基础,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,3.9、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0.81.15 ml/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3章 传感器原理及应用基础,3.9 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。,3.9 气敏电阻传感器,3.9 气敏电阻传感器,3.9 气敏电阻传感器,燃气报警器,烟雾报警器,酒精传感器,3.9 气敏电阻传感器,3.10、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。,第3章 传感器原理及应用基础,3.10 超声波检测传感器,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：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：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。,3.10 超声波检测传感器,超声波传感器对,3.10 超声波检测传感器,超声波传感器应用,超声波探伤/测距/测物,t,A,3.10 超声波检测传感器,声纳,B-超,超声波探伤,超声波显微镜,频率范围： 500KHz 分辨率范围： mcm 应用领域：航海测绘等,频率范围： 1 MHz 分辨率范围：cmmm 应用领域：医疗诊断等,频率范围: 100 KHz15MHz 分辨率范围： 0.01- 5 mm 应用领域：工业探伤等,频率范围: 52000MHz 分辨率范围: 0.3-100m 应用领域：电子工业等,纵波,超声波与电磁波不同，是一种机械波，其传播的方式是通过介质中分子的振动进行的，因此超声波的传播情况和介质具有非常大的关系，通常来说，介质的密度越大超声波传播的速度越快，衰减也越低，在稀薄的空气中，超声波无法传播。 超声波根据其介质分子的振动方向和传播方向的不同，分为纵波和横波二种。,横波,波的传播方向,分子振动方向,波的传播方向,分子振动方向,超声波的传播方式,所有介质具有不同的声阻抗，声阻抗参数代表了超声波在其介质中的传播能力，材料的声阻抗Z和材料的密度 以及超声波的传播速度 v 成正比: Z = v,超声波检测的特点,无损检测 可做非破坏性的缺陷检测，是目前最常用的无损检测手段之一； 纵向(Z)方向具有高检测分辨本领对于Z 方向的缺陷分辨率可以达到nm级水平(指缺陷厚度)； 材料的力学性能检测 由于材料密度决定了声阻抗，因此可以通过高频超声检测得到材料密度的分布，从而推导出应力场，裂纹变化趋势等材料的力学性能；,材料的密度及晶格组织分布,材料内部的裂纹,材料内部分层缺陷，夹杂物等,材料的杂质颗粒，夹杂物，沉淀物等,材料的空洞，气泡，间隙等,X-光检测图像,X-光检测适用于检测内部的结构性情况，比如 IC 集成电路内部的金线分布等，但并不能检测芯片与基底之间粘接层的缺陷，超声波扫描显微镜主要适用与检测这些粘接层或其他界面之前的缺陷。,超声波扫描显微镜检测图像,X-光检测图像,X-光检测适用于检测内部的结构性情况，比如 IC 集成电路内部的金线分布等，但并不能检测芯片与基底之间粘接层的缺陷，超声波扫描显微镜主要适用与检测这些粘接层或其他界面之前的缺陷。,超声波扫描显微镜检测图像,通过以上不同无损检测技术的比较，可以了解超声波技术主要优势是在纵向Z方向上有最高的分辨本领，因此最适合于检测被测样品界面直径的缺陷。,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,工作原理,脉冲信号发射器,脉冲信号接收器 (接收回波信号和回波时间),超声波换能器,信号转换开关,被测样品,耦合液,案例：输油管检测机器人,3.10 超声波检测传感器,倒车雷达,3.10 超声波检测传感器,鱼群探测器,3.10 超声波检测传感器,3.11 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,第3章 传感器原理及应用基础,第3章 传感器原理及应用基础,照相机自动测光 光控灯 工业控制,第3章 传感器原理及应用基础,3.7 光电传感器,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。,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。,3.7 光电传感器,3.7 光电传感器,3.7 光电传感器,3.7 光电传感器,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。,3.7 光电传感器,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。,3.7 光电传感器,3.12 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3章 传感器原理及应用基础,光纤流速传感器,3.12 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,3.12 光纤传感器,光纤检测型光电传感器,作业件检测,颜色检测,3.12 光纤传感器,3.13 CCD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3章 传感器原理及应用基础,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。,3.13 CCD固态图象传感器,3.13 CCD固态图象传感器,特点: (1) 非接触检测; (2) 响应快; (3) 可靠性高,维修简便; (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.,3.13 CCD固态图象传感器,条形码扫描器,GREY = RED*0.299 + GREEN*0.587 + BLUE*0.114,数码相机,3.13 CCD固态图象传感器,3.14 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,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：,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,整个截面上的流量qv为,3.14 流量传感器,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。,用来测量流量的仪表统称为流量计。测量总量的仪表称为流体计量表或总量计。,3.14 流量传感器,2、总量计：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,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,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，它们不是直接相互啮合转动，而是通过安装在体外的传动齿轮组进行传动,3.14 流量传感器,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,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，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,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的流束截面，由伯努利方程式和连续方程得：,流体体积流量：,3.14 流量传感器,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,流速理论值,为流量系数；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,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,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（1 inch)。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,3.15 生物化学传感器,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3章 传感器原理及应用基础,3.15 生物化学传感器,2、环境监测,3、医学,应用领域,1、发酵工业(食品),血糖乳酸测定流程,体育上耐力训练,3.15 生物化学传感器,德国研发的环境废水BOD分析仪,3.15 生物化学传感器,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪,3.15 生物化学传感器,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,3.15 生物化学传感器,3.16 智能传感器,第三章、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）、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。,3.16 智能传感器,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,3.16 智能传感器,GSM/SMS,3.16 智能传感器,3.17 其它类型传感器,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：,第3章 传感器原理及应用基础,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。,3.17 其它类型传感器,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。,3.17 其它类型传感器,案例：材料断裂等结构监测,3.17 其它类型传感器,3.18 传感器选用原则,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； b)量程范围。 c)交叉灵敏度问题。,第3章 传感器原理及应用基础,S=y/x,x - 传感器输入 y - 传感器输出,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。,3.18 传感器选用原则,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。,3.18 传感器选用原则,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。,3.18 传感器选用原则,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。,
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