【正文】 效應(yīng) 真空光電管，光電倍增管 第 3章 常用傳感器和敏感元件 光電傳感器 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。 光敏電阻的亮電阻越大，暗電阻越小，靈敏度越高。 開關(guān)量光電傳感器應(yīng)用 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光纖傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光纖傳感器是 20世紀(jì) 70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù) , 它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。其典型例子如光纖陀螺、光纖水聽器等。它由 LED光源，光電二極管，多模光纖等組成。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 磁敏傳感器 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列 MOS單元 ，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像 ， 則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像 。 智能傳感器是將傳感器與微型計算機(jī)集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還具有認(rèn)知能力。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 復(fù)習(xí) 光纖傳感器 一、光纖傳光原理：光的全反射 二、光纖傳感器分類：單模，多模 按照 光的作用分類 可分為物性型（功能型）光纖傳感器和結(jié)構(gòu)型（非功能型）光纖傳感器。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變化。 適于信號遠(yuǎn)傳。多模光纖插入順流而置的銅管中，由于流體流動而使光纖發(fā)生機(jī)械變形，從而使光纖中傳播的各模式光的相位發(fā)生變化，光纖的發(fā)射光強(qiáng)出現(xiàn)強(qiáng)弱變化。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光纖傳感器 第 3章 常用傳感器和敏感元件 二、光纖分類 物性型（功能型）光纖傳感器 光纖一方面起傳輸光的作用，另一方面是敏感元件，是靠被測物理量調(diào)制或影響光纖的傳輸特性，把被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制的光信號。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 模擬量光電傳感器應(yīng)用 光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式 (直射式 )、 吸收式 、 遮光式 、 反射式 、 四種基本形式 。例如 MG4142型光敏電阻的暗阻大于等于 。 單個光子能量： 普郎克常數(shù) 光波頻率 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 3章 常用傳感器和敏感元件 光電傳感器 一、光電測量原理 采用光電元件作為檢測元件的傳感器被稱為光電傳感器。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。 用于測溫的導(dǎo)體或半導(dǎo)體元件稱為熱電阻。普通插入式熱電偶的長度可在 300mm2150mm之間。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 復(fù)習(xí) 熱電傳感器 熱電偶 : 特性 :中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入與第三種導(dǎo)體 （ 如中間導(dǎo)體 C） 時 ， 只要中間導(dǎo)體的兩端溫度相同 ， 熱電偶回路總電動勢不受中間導(dǎo)體接入的影響 。 熱電式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 熱電偶測溫基本定律 1)均質(zhì)導(dǎo)體 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 電容式傳感器 a)極距 δ 變化型 + + + ??? AC 0?+ + + 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。體積小 。 4．特點(diǎn)： 第 3章 常用傳感器和敏感元件 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 電阻、電容、電感傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 電阻式傳感器 ? 電阻式傳感器 是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器 , ? 按工作的原理可分為 :變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式 . ?1 變阻器式傳感器 電阻、電容與電感式傳感器 AlρR ??基本原理：將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 ① 傳感器是人類感官的延伸 a．視覺與光傳感器； b．聽覺與聲壓傳感器 。 借助于傳感器人們可以去探索那些無法用感官直接測量的事物，從微觀世界到宏觀世界、太空探索，從人體（ CT)到自然界 (海水深度、海底探測）都離不開傳感器。 ?Rx電刷電阻 。 3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。 電容式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 電容式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 3 測量電路 a)電橋電路 電容式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 b) 諧振電路 LCfπ210 ? 電容式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 c) 運(yùn)算放大器電路 電容式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 復(fù)習(xí) ??? AC 0? 電阻、電容、電感傳感器 ?變阻器式傳感器 金屬應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片（靈敏度） AlρR ??電阻 電容 ?變極距型 變面積型 變介質(zhì)型 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。 T T0 V 熱電式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 5)參考電極定律 兩種導(dǎo)體 A,B分別與參考電極 C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知， A和 B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得： A B T T0 = A C T T0 + C B T T0 由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極 ?？捎帽砀穹绞矫枋鲈摵瘮?shù)關(guān)系。對保護(hù)套管材料的要求是 耐腐蝕 ,不滲透氣體 ,不與氧化性和還原性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ,耐酸堿腐蝕 ,熱慣性小 ,能承受溫度劇變 ,價格低 。使用最廣泛的金屬熱電阻材料是鉑和銅。結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械性能好。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 3章 常用傳感器和敏感元件 光電傳感器 二、光電元件：光敏電阻 內(nèi)光電效應(yīng)光電元件 光照特性： 光敏電阻光通量與光電流之間的關(guān)系曲線。 光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾 , 體積小 , 重量輕 , 可撓曲 , 靈敏度高 , 耐腐蝕 ,電絕緣、 防爆性好 , 易與微機(jī)連接 , 便于遙測等。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光纖傳感器 第 3章 常用傳感器和敏感元件 二、光纖分類 物性型光纖傳感器 右圖所示為施加均衡壓力和施加點(diǎn)壓力的兩種光纖壓力傳感器形式。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在光纖測頭端有一個圓錐體反射器。 1 霍爾元件 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 半導(dǎo)體傳感器 磁敏元件傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。 CCD固態(tài)圖象傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 ? 特點(diǎn) : ? (1) 非接觸檢測 。 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 嵌入式計算機(jī) 智能 傾角 RS232傳感器 IC總線數(shù)字溫度傳感器 智能傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 振動網(wǎng)絡(luò)傳感器 智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器 智能傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 GSM/SMS 智能傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 紅外測試系統(tǒng) 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 紅外測試系統(tǒng) 第 3章 常用傳感器和敏感元件 紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，由德國科學(xué)家霍胥爾于 1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射 ,他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計，試圖測量各種顏色的光的加熱效應(yīng)。 三、光電傳感器應(yīng)用：模擬光電傳感器，數(shù)字碼盤。 煙霧報警器 酒精傳感器 二氧化碳傳感器 氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。 頻帶寬、動態(tài)范圍大，對系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，精度高。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光纖傳感器 第 3章 常用傳感器和敏感元件 三、光纖傳感器應(yīng)用 光纖流速傳感器： 光纖流速傳感器由多模光纖、光源、銅管、光電二極管及測量電路所組成。 信號處理 光受信器 光纖敏感元件 光發(fā)送器 按照 光受被測對象的調(diào)制形式 可分為 強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制型、頻率調(diào)制型、相位調(diào)制型。 二、光電元件：真空光電管、光電倍增管、光敏電阻和光電池。 暗電阻與亮電阻 暗電阻 在室溫且全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻。 光 以光速運(yùn)動的粒子流。 缺點(diǎn)： 易于氧化，一般只用于 150℃以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 磁電、壓電、熱電傳感器 熱電傳感器 熱電阻 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 熱電式傳感器 三、熱電阻 隨著溫度的變化，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻會發(fā)生變化，溫度和電阻間具有單一的函數(shù)關(guān)系，利用這一關(guān)系來測量溫度的方法即為熱電阻測溫原理。用貴金屬時直徑很細(xì) ,為,用廉價金屬時 ,其直徑通常為 偶的長度可根據(jù)實(shí)際需要來決定。 mV 熱電極是勻質(zhì)導(dǎo)體時，不論其溫度如何分布，總有 E(T,T0)＝ 0 若 E≠0，說明熱電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，這著 衡量熱電偶質(zhì)量的一種方法。 18s后降溫雙金屬片斷開，電路中電流突然中斷，使鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個比電源電壓高得多的感應(yīng)電動勢， 在強(qiáng)電場的作用下，引起管內(nèi)汞蒸氣電離而形成弧光放電 . 熱電式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 (熱電溫度計 ) 熱電效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體 A和 B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 電容式傳感器 變換原理 :將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化 兩平行極板組成的電容器 ,它的電容量為 : ??? AC 0?+ + + ? A ? δ 、 A或 ε 發(fā)生變化時 ， 都會引起電容的變化 。 電阻式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 1) 工作原理 上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化 ,求導(dǎo)數(shù) 金屬應(yīng)變片的電阻 R為 AlR /?? ???? dAldAAldlAdR +?? 2代入 AlR /?? ???dRAdARldlRdR +?? 電阻式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 ??dAdAldlRdR+??有： 金屬絲： 2rA ?? ???drdrldlRdR+??2金屬絲體積不變： ??? ????ldlrdr 電阻式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 有： ????? dRdR ++? 2對金屬材料，導(dǎo)電率不變： ?? )21( +?RdR金屬絲應(yīng)變片： 電阻式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 應(yīng)變計 金屬應(yīng)變計 電阻式傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 半導(dǎo)體應(yīng)變計 ??drdrldlRdR+??2簡化為： ??dRdR???E?? 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大 。 ① 結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；價格低廉，讀數(shù)直觀。 敏感元件能直接感受被測量；轉(zhuǎn)換元件則將被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的物理量。 傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個測試裝置的工作質(zhì)量。 R=K*l l=R/K E E1 L x = R Rx = E E1 x=L*E1 / E 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 x=L*E1 / E = K*E1 0 L E E1 x 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 E E1 V Rm Rx RRx 1 E E1 ? x L Rm R + L x ( ) 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 負(fù)載效應(yīng) 1 E E1 ? x L Rm R + L x ( ) [ ] 0 L E 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 (2) 變阻器式傳感器的性能參數(shù) : 1)線性 (或曲線的一致性 )。