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1、第三章、传感器测量原理,3.7 半导体敏感元件传感器,1 磁电转换元件传感器,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电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,1)霍尔元件,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。,3.7 半导体敏感元件传感器,应用,案例：电流传感器,案例：管道裂纹检测,3.7 半导体敏感元件传感器,原理 磁场强度变化检测,2) 磁电阻元件,3.7 半导体敏感元件传感器,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。,-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5,
2、应用 磁头；接近开关和无触点开关。,3) 磁感应半导体元件分类,3.7 半导体敏感元件传感器,磁感应半导体元件,体元件,霍尔IC,结型元件,霍尔元件,磁电阻元件,磁敏二极管,磁晶体管,磁半导体开关,其它,开关,线性,3.7 半导体敏感元件传感器,2 光电转换元件,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。,3.7 半导体敏感元件传感器,2 )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。,3.7 半导体敏感元件传感器,3 ) 应用,光电传感
3、器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。,3.7 半导体敏感元件传感器,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 半导体敏感元件传感器,3.7 半导体敏感元件传感器,3 热敏电阻传感器,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。,典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。,3.7 半导体敏感元件传感器,应用,温控器,热敏电阻,3.7 半导体敏感元件传感器,4 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、氧化锰等金
4、属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。,气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测量、酒精浓度探测等方面。,烟雾报警器,酒精传感器,二氧化碳传感器,3.7 半导体敏感元件传感器,5 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)。,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如
5、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。,3.7 半导体敏感元件传感器,CCD,3.7 半导体敏感元件传感器,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、传感器测量原理,3.8 其它类型的传感器,1、热辐射检测传感器,绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体的温度(K)，在此仅
6、考虑黑体也称全辐射体的辐射能和波长的关系。根据普朗克辐射定律有以下表达式：,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。,3.8 其它类型的传感器,2、超声波检测传感器,3.8 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。,3) 超声波传感器及应用,3.8 其它类型的传感器,(1)超声波传感器对,(2)超声波探伤,t,A,3.8 其它类型的传感器,案例：输油管检测检测机器人,3、声发射检测传感器,3.8 其它类型的传感器,材料或结
7、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无声发射。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，但多数金属(如钢、铁等)的声发射频带，均在超声范围内。,声发射分:1）连续发射;2）突发发射。由于结构和传感器的谐振，检测到的发射信号像衰减的正弦波，检测到的两类信号如图所示。,案例： 材料断裂等结构监测。,3.8 其它类型的传感器,4、光纤传感器简介,3.8 其它类型的传感器,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,3.8 其它类型的传感器,光纤流速传感器,3.8 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,第三章、传感器测量原理,3.8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。,3.8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。,3.8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。,