测试技术课件第四章 传感器.ppt

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1、4.1 概述 4.2 参量型传感器 4.3 发电型传感器 4.4 其他类型的传感器 4.5 传感器的选用原则,第四章、常用传感器及其变换原理,测试技术,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路,第四章、常用传感器及其变换原理,第四章、常用传感器及其变换原理,4.1 概述,1. 传感器定义,传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,物理量,电量,2. 传感器的构成,传感器一般由敏感元件与转换元

2、件组成。,4.1 概述,敏感元件(sensing element)是指传感器中能直接感受或响应被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量（一般为非电量）部分；,转换元件(transduction element)是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号（一般为电信号）部分。,如：应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它将被测压力转换成弹性膜片的变形。,如：应变式压力传感器中的应变片就是转换元件，它将弹性膜片在压力作用下的变形转换成应变片电阻值的变化。,3. 传感器的分类,(1)按被测物理量分类: (2)按信号变换特征: (3)按敏感元件与被测对象之间的能量关

3、系:,位移,力,温度等.,物性型传感器,结构型传感器.,参量型传感器（也称无源传感器，或能量控制型） 发电型传感器（也称有源传感器，或能量转换型）,4.1 概述,A 物性型与结构型传感器 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换. 例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,4.1 概述,B 参量型和发电型传感器 参量型:借助辅助能源将输入的机械量转换为电量输出。 例如:电阻应变片.电容传感器、电感传感器等。 发电型:直接将被测对象输入能量转会为电量而 不需外加能源。 例如:热电偶温度计,压电式加速度计等.,4

4、.1 概述,4、传感器的发展动向,传感器技术的主要发展动向：一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。 （1）用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。 （2）传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。 （3）发展智能型传感器。,4.1 概述,5. 常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩,4.1 概述,4.2 参量型传感器,4.2.1 电阻式传感器

5、 4.2.2 电容式传感器 4.2.3 电感式传感器 4.2.4 涡流式传感器,第四章、传感器测量原理,4.2.1 电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,（a）,（b）,（c）,1 变阻器式传感器 (1) 工作原理,4.2 参量型传感器,图（a）为直线位移型，当被测位移量x变化时，电刷触点2沿变阻器移动，则任意位置2点与3点之间的电阻值,传感器灵敏度,图（b）为旋转型变阻器式传感器，其电阻值随电刷转角而变化。,图（c）是一种非线性变阻器式传感器，或称为函数电位器。,单位长度的电阻值,4.2.1 电阻式

6、传感器,等效电路分析: Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量。,4.2.1 电阻式传感器,2,3,1,优点： (1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定； (2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小； (3)可以实现输出输入间任意函数关系； (4)输出信号大，一般不需放大。,（2）优缺点,缺点： 因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。,4.2.1 电阻式传感器,结构,(5) 应用,案例： 重量的自动检测-配料设备,比较,

7、原理 用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化,4.2.1 电阻式传感器,案例：煤气包储量检测,原理 直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化,特点： （1）测量量程大； （2）防爆； （3）可靠； （4）成本低。,钢丝,煤气包,4.2.1 电阻式传感器,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理 直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化,4.2.1 电阻式传感器,2 电阻应变式传感器-应变片,金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,4.2.1 电

8、阻式传感器,1) 工作原理,金属应变片的电阻R为,在外力作用下，导线变形，其长度、截面积、电阻率均将随导线的变形而变化，由此引起R的变化,由电阻丝几何尺寸改变所引起的；,由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。,4.2.1 电阻式传感器, 当不变时,4.2.1 电阻式传感器,2) 金属应变计,金属应变计有: 丝式、箔式和薄膜式 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.,应变计,4.2.1 电阻式传感器,3) 半导体应变片,优点：应变灵敏度大;体积小;机械滞后小、横向效应小；能制成具有一定应变电阻的元件. 缺点：温度稳定性能差、灵敏度离散度大以及在较大应变作用下非线性误差大；可重复性不如金

9、属应变片。,应变计,4.2.1 电阻式传感器,工作原理：半导体材料的压阻效应,3) 应变片的主要参数,1）几何参数：标距L和丝栅宽度b，制造厂常用Lb 表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,4.2.1 电阻式传感器,案例：桥梁固有频率测量,原理 在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,4) 应用,4.2.1 电阻式传感器,案例：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转

10、化为电量输出。,4.2.1 电阻式传感器,4.2.1 电阻式传感器,4.2 参量型传感器,4.2.2 电容式传感器,1.变换原理:,将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,当被测量使d、A或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,C电容量，F； 极板间介质的介电常数，F/mm； A极板相互遮盖面积，m2 ； d极板间距离，m； r极板间介质的相对介电常数，对于空气， r 1； 0真空介电常数， 0 8.8510-12 F/mm。,2 分类,4.2.2 电容式传感器,a) 极距变化

11、型;,3、变极距型电容传感器,如右图所示，设板间隙有一改变量d，则有：,，将上式按泰勒级数,Cd特性曲线,电容的增加值为C：,在,展开为：,4.2.2 电容式传感器,对于小的间隙变化，：即 ，上式可舍去高次项，从而可得近似的线性关系式：,采用上述相同的方法，可以推导出在 的情况下， 极板间距增加 d 时的输出电容相对变化量为,这时电容传感器的灵敏度为：,4.2.2 电容式传感器,将变极距型电容传感器做成差动形式可以减小非线性误差和增加灵敏度。,4.2.2 电容式传感器,4、变面积型电容传感器,采用改变电容器极板面积是另一种获取电容传感器输出变化的方法。下图示出几种改变面积的电容传感器。,变面积

12、型电容传感器 (a)平板线位移式；(b)转角式；(c)圆柱体线位移式,4.2.2 电容式传感器,对平极板线位移型电容传感器（图(a)所示），当动极板沿与极板平行方向移动时，遮盖面积发生变化，其电容量为：,其灵敏度为：,采用变面积型电容传感器还可用于各种压力、加速度等物理量的测量。,4.2.2 电容式传感器,这类传感器的最大优点：是其输入与输出是一种线性关系。 缺点：是电容的横向灵敏度较大；此外其机械结构要求十分精确，因此相对于变极距型电容传感器，测量精度较低。 这种传感器的测量范围对于线位移型来说为几厘米，对转角型则为180，测量的频率范围为0Hz104Hz。 同样也可将这种传感器做成差动型。

13、,4.2.2 电容式传感器,5、变介电常数型电容传感器,d0,d1,d2,d0,下图所示为变介电常数型电容传感器的两种形式：,变介电常数型电容传感器 (a)极板上覆盖有介质；(b)介质可移动,4.2.2 电容式传感器,如上图(a)所示，该电容器具有两不同的电介质。整个装置可视为由两个电容器串联而成，其总电容量 C由两电容器的电容C1和C2所确定，由此得：,为分析方便起见，设介质1为空气，即 ，则上式变为：,因此,4.2.2 电容式传感器,图(b)的形式也可改变介质，这种结构相当于两电容器作并联， 此时的总电容量为：,为了分析方便起见，同样设介质1为空气，因此 ， 又设介质全部为空气的电容器的为

14、C0，则：,由于介质2的插入所引起的电容C的相对变化C/C0正比于插入 深度 :,4.2.2 电容式传感器,利用这一原理常用于对非导电液体和松散物料的液位或填充 高度的测量。,测量非导电液体和松散物料的液位或填充高度的电容传感器,4.2.2 电容式传感器,特点：电容传感器的结构简单，可以进行无接触测量；它的动态响应好，灵敏度高，分辨力强，并能在恶劣的环境下工作；特别适合测量高频振动下的位移。,6、 应用,应用：位移、振动、角度、加速度、荷重、压力、差压力、料位、成分含量等。,4.2.2 电容式传感器,案例：电容传声器,案例:液面高度测量,4.2.2 电容式传感器,电容式位移传感器应用,4.2.

15、2 电容式传感器,差动式电容压力传感器 1、4隔膜片 2、3基座 5玻璃层 6金属膜 7弹性膜片,电容式加速度传感器 1绝缘体 2固定电极 3质量块 4弹簧,pH,pL,4.2.2 电容式传感器,4.2 参量型传感器,4.2.3 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,电感式传感器,自感型,互感型,可变磁阻式,涡流式,分类：,1 自感型-可变磁阻式,(1)工作原理,组成：铁芯、线圈和衔铁,当线圈通以电流i时，产生磁通m，其大小与电流成正比，即,式中 W线圈匝数； L比例系数，称为自感,根据磁路欧姆定律,式中 Wi磁动势； Rm磁阻。,4.2.3 电感

16、式传感器,4.2.3 电感式传感器,a)可变导磁面积型,b）差动型,c）单螺管线圈型,d）双螺管线圈差动,自感,如果空气隙厚度（如图）比较小，且不考虑磁路的铁损失，则磁阻Rm,磁路的磁阻效应有几何磁阻效应和物理磁阻效应。基于物理磁阻效应原理构成磁弹性传感器（或称压磁传感器）,4.2.3 电感式传感器,通常导磁体磁阻（铁芯及衔铁磁阻）远小于空气隙的磁阻，计算时可忽略，则,可变磁阻式传感器有变气隙厚度型、变气隙面积型和可动铁芯型三种。,对变气隙型电感传感器，当固定A，变化时，L与呈非线性关系，此时传感器的灵敏度为：,4.2.3 电感式传感器,结构,为了减小这一误差，通常规定在较小间隙范围内工作。例

17、如，设间隙变化范围为（ ），则灵敏度为：,当 时，由于 ，故 灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。,4.2.3 电感式传感器,变面积型电感传感器，其自感L和A成线性关系。（如图）,可动铁芯型电感传感器，由螺管线圈和插入的铁芯（磁芯）构成。,（2）差动电感传感器,4.2.3 电感式传感器,2 互感型-差动变压器,工作原理:互感现象.,W,W1,W2,e1,e2,e=e1- e2,P,4.2.3 电感式传感器,厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力;温度;振动,速度,加速度;等.,3、应用,4.2.3 电感式传感器,差动压力传感器,4.2.3

18、 电感式传感器,加速度传感器及测量电路 1弹性支撑 2差动变压器,4.2.3 电感式传感器,4.2.4 涡流式传感器,1、工作原理:,原线圈的等效阻抗Z变化：,1,2,I1,E,I2,涡流效应,4.2 参量型传感器,涡流传感器一般分为高频反射式和低频透射式。以上介绍的为高频反射式，其激励电流i为高频（兆赫兹以上）。这种传感器通常用来测量位移、振动等物理量。 低频透射式涡流传感器多用于测量材料的厚度，其工作原理如下图所示。,低频透射式涡流传感器,4.2.4 涡流式传感器,2、测量电路,一般用阻抗分压式调幅电路及调频电路。下图是用于涡流测振仪上的分压式调幅电路。传感器的线圈L和电容C组成并联谐振回

19、路，其谐振频率为：,分压式调幅电路原理,4.2.4 涡流式传感器,分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性 (a) 谐振曲线 (b) 输出特性,4.2.4 涡流式传感器,调频电路工作原理,调频电路同样把传感器线圈接成一个LC振荡回路。与调幅电路不同的是将回路的谐振频率作为输出量。随着间隙的变化，线圈电感L亦将变化，由此使振荡器的振荡频率f发生变化。采用鉴频器对输出频率作频率-电压转换，即可得到与成正比的输出电压信号。,4.2.4 涡流式传感器,优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。 应用：位移、力、振动测量，测厚,材质判别,3、涡流传感器的应用:,4.2.4 涡流式传感器,原理：,案例： 连

20、续油管的椭圆度测量,4.2.4 涡流式传感器,案例： 无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,4.2.4 涡流式传感器,案例： 测厚,案例： 零件计数,4.2.4 涡流式传感器,4.3 发电型传感器,4.3.1 压电式传感器 4.3.2 磁电式传感器 4.3.3 霍尔式传感器 4.3.4 热电式传感器,第四章、常用传感器及变换原理,第四章、常用传感器及变换原理,4.3.1 压电式传感器,1.变换原理:,压电效应,某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；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。,

21、q=dF,极板间距；,压电晶片工作面的面积。,压电材料的相对介电常数；,2、压电式传感器及等效电路,d压电常数，与材质及切片方向有关。, 压电式传感器适宜作动态参量的测量。,4.3.1 压电式传感器,实际压电传感器中，往往用两个或两个以上的晶片进行并联或串联。,并联：,电荷量,电压,电容,串联：,电荷量,电压,电容,4.3.1 压电式传感器,压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。,p,3、应用,4.3.1 压电式传感器,压电式加速度传感器设计模型 (a)周边压缩式；(b)中心压缩式；(c)倒置式中心压缩式； (d)环形剪切式；(e)三角剪切式 S弹簧；M质量块；P压电晶体；C导线；B机座,4

22、.3.1 压电式传感器,b) 压力变送器,a) 加速度计，力传感器,4.3.1 压电式传感器,案例：飞机模态分析,模态分析技术的应用可归结为一下几个方面： 1) 评价现有结构系统的动态特性； 2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估 和优化设计； 3) 诊断及预报结构系统的故障； 4) 控制结构的辐射噪声； 5) 识别结构系统的载荷。,4.3.1 压电式传感器,4.3 发电型传感器,4.3.2 磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种转换器。又称为电磁感应式、电动力式,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，都会改变线圈的感应电动

23、势。,根据法拉第电磁感应定律，W匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通的变化率，即,2、分类,4.3.2 磁电式传感器,3、动圈式传感器,4.3.2 磁电式传感器,4 磁阻式传感器,图 磁阻式传感器工作原理 (a) 测频数 (b) 测转速 (c) 偏心测量 (d) 振动测量,4.3.2 磁电式传感器,5 磁电式传感器的特点及应用,绝对式振动速度传感器 1-弹簧片；2-永磁铁；3-阻尼环； 4-支架；5-中心轴；6-外壳；7-线圈,4.3.2 磁电式传感器,测速电机,磁电式车速传感器,4.3.2 磁电式传感器,4.3.3 霍尔式

24、传感器,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。,霍尔元件及霍尔效应原理 (a) 霍尔元件 (b) 霍尔效应,4.3 发电型传感器,1、霍尔效应,c,4.3.3 霍尔式传感器,任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时，都会受到磁场力FL的作用，这个力又称为洛伦兹力,电场力,达到动平衡时,则,霍尔电势的大小取决于载流体中电子运动的速度，它载流体材料有关。,RH霍尔常数，取决于载流体材料的物理性质； KH霍尔元件灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。,流经载流体的电流I与载流子速度之间有下述关系,4.3.3 霍尔式传感器,原理,2、霍尔元

25、件,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。,4.3.3 霍尔式传感器,3、霍尔元件的应用,霍尔元件工程测量应用 (a) 角位移 (b) 线位移 (c) 加速度 (d) 零件计数 (e) 转速 (f) 压力,4.3.3 霍尔式传感器,钢丝绳断丝检测仪工作原理,4.3.3 霍尔式传感器,4.3.4 热电式传感器,1、工作原理 热电式传感器是一种将温度的变化转换为电量变化的变换装置，它利用传感元件的电（磁）参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。 热电偶是由两种导体（或半导体）构成的回路，如图所示,A,B,1,2,t,t0,eAB (t),eAB (t0),eB (t,t0),mV,热电

26、效应,热电效应：,4.3 发电型传感器,eA (t,t0),热电偶总的热电势为： eAB(t,t0)= eAB(t) - eAB(t0) -eA(t,t0)+ eB(t,t0) 温差电势比接触电势小很多，可以忽略不计，则热电偶的总的热电势可表示为： eAB(t,t0)= eAB(t) - eAB(t0),4.3.4 热电式传感器,热电偶所产生的热电势由两部分组成：,（1）两种导体的接触电势（伯尔电势）eAB(t),（2）单一导体的温差电势（汤姆逊电势） eA(t,t0),因此，在闭合回路中出现四个热电势，分别为eAB(t)、eAB(t0)、 eA(t,t0)和eB(t,t0)，它们的代数和不等

27、于零。,2、热电偶基本定律,（3）中间温度定律,A,B,t1,t2,中间温度定律,A,B,t1,t3,A,B,t3,t2,=,+,热电势为：eAB (t1 ,t2)= eAB (t1,t3 ) + eAB (t3,t2),4.3.4 热电式传感器,（1）均匀回路定律,（2）中间导体定律,（4）标准电极定律,A,B,t1,t2,标准电极定律,A,C,t1,t2,C,B,t1,t2,=,+,热电势为：eAB (t1 ,t2)= eAC (t1,t2 ) + eCB (t1,t2),4.3.4 热电式传感器,3、热电偶传感器的结构及应用,4.3.4 热电式传感器,目前采用的数字式传感器主要有码盘、光

28、栅、旋转变压器等。,一、数字式传感器,4.4 其他类型传感器,码盘是把被测转角直接转换成相应代码的检测元件。码盘有光电式、接触式和电磁式三种。,第四章、常用传感器及变换原理,1 码盘,工作时，码盘的一侧放置光源，另一侧放置光电接受装置，每个数位都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接收光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。,右图所示为四位二进制码盘，码盘上各圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑（图中表示为红色）白等间隔图案，形成一套编码。黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。,4.4 其它类型的传感器,四位二进

29、制循环码盘,带判位光电装置的 二进制循环码盘,4.4 其它类型的传感器,若采用n位码盘，则分辨的角度为：,位数n越大，能分辨的角度越小，测量也就越精确。,4.4 其它类型的传感器,2 光栅,光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。计量光栅分为透射式及反射式两种。,光栅主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。必要时，标尺光栅还可接长。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样栅距。,测量线位移的光栅称为直光栅，测量角位移的光栅称为圆形光栅。在直光栅中，若a为刻线宽度，b为缝隙宽度，则Wa+b称为光栅的栅距(也称光栅常数)

30、。,4.4 其它类型的传感器,4.4 其它类型的传感器,光栅测 量原理,电信号 的形成,(3)莫尔条纹的间距与两光栅线纹夹角之间的关系为：,莫尔条纹有如下的重要特征：,(1)莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。,(2)在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹也同步移动一个间距BH。固定点上的光强则变化一周。而且在光栅反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之反向。,4.4 其它类型的传感器,式中 BH莫尔条纹的间距； W光栅栅距； 两光栅刻线间的夹角(rad)。,若用光电元件接收莫

31、尔条纹移动时光强的变化，则光信号被转换为电信号(电压或电流)输出。输出电压信号的幅值为光栅位移量x的函数，即,4.4 其它类型的传感器,式中 u0输出信号中的直流分量； um输出正弦信号的幅值； x两光栅间的瞬时相对位移。,电信号 的形成,3、旋转变压器,旋转变压器是一种其输出电压随转子转角而变化的角度测量装置，由定子和转子组成。当激励电压U1加到定子绕组时，转子绕组产生感应电动势U2,4.4 其它类型的传感器,光栅式位移传感器优点：具有分辨力高(可达1m或更小）、测量范围大（几乎不受限制）、动态范围宽等，且易于实现数字化测量和自动控制，是数控机床和精密测量中应用较广的检测元件。,缺点：对使用

32、环境要求较高，在现场使用时要求密封，以防止油污、灰尘、铁屑等的污染。,旋转变压器,4.4 其它类型的传感器,有刷式旋转变压器 1-定子；2-转子；3-电刷；4-滑环,感应 电压,式中 K变压比； Um 最大瞬时电压（电压幅值峰值）。,显然，U2为一等幅正弦波并随而改变，测得此电压的峰值即可求出转角的大小。,4.4 其它类型的传感器,旋转变压器优点：结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅值大，抗干扰强，广泛应用于数控技术检测。,二、射线式传感器,射线式传感器也称核辐检测装置，它是利用放射性同位素、根据被测物质对放射线的吸收、散射或射线对被测物质的电离激发、穿透作用而进行工作的

33、。,1、工作原理,2、组成,射线式传感器一般由射线源、探测器、电信号转换电路和显示记录装置等四部分组成。,4.4 其它类型的传感器,利用射线式传感器进行测量时，都要有可发射出、粒子或射线的辐射源。,（1）射线源,选择射线源应尽量提高检测灵敏度和减小统计误差。,为避免经常更换放射源，要求采用的同位素有较长的半衰期及合适的放射强度。最常用的有60Co（钴）、137Cs（铯）、241Am（镅）及90Sr（锶）等。,薄膜,4.4 其它类型的传感器,（2）探测器,作用：把射线能量转换为容易测量的电信号。,工作原理：基于粒子辐射对于物质的电离作用；或利用射线使某些物质产生荧光的性质，再通过光电元件转换为电

34、信号。 一般常用有：比例计数管、盖革计数管、闪烁计数管、半导体探测器等。,4.4 其它类型的传感器,闪烁计数管结构示意图,4.4 其它类型的传感器,核辐射可以检测厚度、液位、物位、转速、材料密度、重量、气体压力、流速、温度及湿度等参数，也可用于金属材料探伤。,3、核辐射检测的应用,4.4 其它类型的传感器,探测器,电子转 换电路,数字 显示,钢板,射线源,核辐射测厚仪原理图,4.4 其它类型的传感器,1、声波及其分类,(1)次声波，振动频率低于20Hz的机械波。,(2)声波:振动频率在20Hz20kHz之间的机械波。,(3)超声波:高于20kHz的机械波。,三、超声波检测传感器,以超声波为检测

35、手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。,3、超声波传感器,常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器 (或称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。,4.4 其它类型的传感器,工作原理为：将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。,在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器合成为一体，由一个压电元件兼用作为“发射”和“接收”。,4.4 其它类型的传感器,4、超声波

36、传感器的应用,超声波探伤,t,A,4.4 其它类型的传感器,利用超声波反射、折射、衰减等物理性质，可以实现液位、流量、粘度、厚度、距离以及探伤等参数的测量。,4.4 其它类型的传感器,光纤传感器分为物性型(或称功能型)与结构型 (或称非功能型)两类。,光纤传感器一般由三个环节组成，即信号的转换、信号的传输、信号的接收与处理。,信号的转换环节：将被测参数转换成为便于传输的光信号。,信号的传输环节：利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输。,信号的接收与处理环节：将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。,四、光纤传感器,4.4 其它类型的传感器,物性型光纤传感器是利用光纤对环境

37、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,其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素(如温度、压力、电场、磁场等)改变时，其传光特性 (如相位与光强)会发生变化的现象。,4.4 其它类型的传感器,光纤流速传感器,4.4 其它类型的传感器,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,4.4 其它类型的传感器,利用多普勒效应（即振动物体所反射光的频率变化与物体速度成比例关系）的一种检测高频、微小振幅的非接触式测振系统。,其工作原理为：由激光光源

38、(氢-氦激光)发出的光(频率为fi)导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体 (被测体)振动，产生散射(频率为fs)，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为：,4.4 其它类型的传感器,式中 fs散射光频率； fi入射光频率； f多普勒频率； n发生散射介质的折射率； 入射光在空气中的波长； v被测物体的速度。,光纤传感器应用相当广泛，尤其在下列情况下特别适应:,在高压、电磁感应噪音条件下的测试； 在危险和环境恶劣条件下的测试； 在机器设备内部的狭小间隙中的测试； 在远距离的传输中的测试。,4.4 其它类型的传感器,4.5 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。,第四章、常用传感器及变换原理,4.5 传感器选用原则,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。,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。,4.5 传感器选用原则,