第十一章 傳感器基礎(chǔ)

1、 第十一章 傳感器基礎(chǔ)(jch)本章(bn zhn)學(xué)習(xí)要求：1、掌握傳感器的基本概念和分類方法，電阻式、壓電式傳感器的工作原理及其應(yīng)用；2、理解其它新型傳感器的工作原理及其應(yīng)用，傳感器的選用原則；3、了解傳感器后接處理電路，傳感器的結(jié)構(gòu)，傳感器的發(fā)展趨勢。共一百五十頁溫度傳感器 共一百五十頁（1）國際電工委員會(IEC)的定義： 傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號。（2）國家標準中的定義： 傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照(nzho)一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。 （3）廣義定義： 傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件或裝置。

2、 （4）狹義定義： 傳感器是將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件。 1. 傳感器的定義(dngy)共一百五十頁傳感器的定義包括四個方面的內(nèi)容：（1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)。（2）它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等。（3）它的輸出是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，目前主要是電量。（4）輸出和輸入(shr)有對應(yīng)關(guān)系，且具有一定的精確度。共一百五十頁 傳感器在工業(yè)部門的應(yīng)用普及率己被國際(guj)社會作為衡量一個國家智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的重要標志。 2. 傳感器的重要性 (1)人類處于信息時代，信息技術(shù)的三大支柱是測控技術(shù)

3、、通信技術(shù)和計算機技術(shù)，而傳感器技術(shù)是測控技術(shù)的基礎(chǔ)?！皼]有傳感器技術(shù)就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點已為全世界公認。 (2)傳感處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知、獲取與檢測信息的窗口。 (3)科學(xué)研究和生產(chǎn)(shngchn)過程要獲取的信息，都要通過傳感器轉(zhuǎn)換成容易傳輸和處理的電信號。 (4)科學(xué)技術(shù)越發(fā)達，其自動化程度愈高，對傳感器的依賴愈大。共一百五十頁 人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界(wiji)的信息，經(jīng)過大腦的思維（信息處理），作出相應(yīng)的動作。傳感器則相當(dāng)于人的五官部分。身體與機器人的對應(yīng)關(guān)系 共一百五十頁傳感器在機器(j q)人身上的分布 共一百五十頁類別檢測內(nèi)容應(yīng)用目的傳感

4、器件明暗覺是否有光，亮度多少判斷有無對象，并得到定量結(jié)果光敏管、光電斷續(xù)器色覺對象的色彩及濃度利用顏色識別對象的場合彩色攝影機、濾色器、彩色CCD位置覺物體的位置、角度、距離物體空間位置，判斷物體移動光敏陣列、CCD等形狀覺物體的外形提取物體輪廓及固有特征，識別物體光敏陣列、CCD等接觸覺與對象是否接觸，接觸的位置決定對象位置，識別對象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停止，尋徑光電傳感器、微動開關(guān)、薄膜接點、壓敏高分子材料壓覺對物體的壓力、握力、壓力分布控制握力，識別握持物，測量物體彈性壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料力覺機器人有關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩控制手腕移動，伺服控制，正確完成作

5、業(yè)應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠接近覺對象物是否接近，接近距離，對象面的傾斜控制位置，尋徑，安全保障，異常停止光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器滑覺垂直握持面方向物體的位移，重力引起的變形修正握力，防止打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)球形接點式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、振動檢測器共一百五十頁3. 傳感器的構(gòu)成(guchng) 敏感元件(sensing element )： 直接感受被測量，輸出與被測量(measured )成確定關(guān)系(gun x)。 轉(zhuǎn)換元件(transfer element ) ： 敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量 。 轉(zhuǎn)換電路(transf

6、er circuit )：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號(electric signal)轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號的電路(circuit)。金屬絲電橋電路壓力變形變送器電壓標準電壓敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路電流標準電流輔助電源共一百五十頁4、傳感器的基本(jbn)要求 （1）傳感器要有足夠的容量傳感器的工作范圍或量程足夠大，具有一定的過載能力；（2）傳感器要與系統(tǒng)匹配性好，靈敏度高輸出量與被測量之間具有確定的線性關(guān)系；（3）傳感器實用性和適應(yīng)性強對被測對象影響小，內(nèi)部噪聲小而又不受干擾(gnro)；（4）傳感器反應(yīng)速度快，工作可靠性好；（5）傳感器精度適當(dāng)，穩(wěn)定性好靜態(tài)、動態(tài)響應(yīng)

7、要滿足要求；（6）結(jié)構(gòu)簡單，維修容易，成本低。共一百五十頁第二節(jié) 電阻(dinz)式傳感器(resistance sensor)電阻(dinz)式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器，可測量位移、加速度、力、壓力等各種參數(shù)。按工作的原理可分為：變阻器式(電位器式)、電阻應(yīng)變式傳感器兩種。 一、 變阻器式傳感器(rheostat sensor) (1) 工作原理：通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為 電阻的變化。 共一百五十頁132xxp設(shè)：Rp-總電阻；xp-變阻總長(zngzhng)；x-電刷移動量式中： kR電位器的電阻靈敏度。 如果電源電壓為U，則相應(yīng)(xingyng)電刷位移x的

8、電壓輸出U0為：式中： ku電位器的電壓靈敏度。(線性關(guān)系)共一百五十頁等效電路分析：Rp-總電阻； xp-變阻總長(zngzhng)； RL負載電阻； Rx-x段包含的電阻；x-電刷移動量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx演示: 變阻器式傳感器仿真(fn zhn)實驗變阻器式傳感器仿真共一百五十頁(2) 變阻器式傳感器的優(yōu)點(yudin) 結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能(xngnng)穩(wěn)定； 受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響??； 可以實現(xiàn)輸出輸入間任意函數(shù)關(guān)系； 輸出信號大，一般不需放大。(3) 變阻器式傳感器的缺點 存在電刷(brush)與線圈(coil)

9、或電阻膜之間摩擦，因此 較大的輸入能量； 由于磨損(wear)不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且 會降低測量精度，分辨力較低； 動態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的物理量。共一百五十頁(4) 應(yīng)用(yngyng)案例(n l)：玩具機器人原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化角位移測量共一百五十頁二、 電阻(dinz)應(yīng)變式傳感器(resistance strain sensor) 電阻應(yīng)變式傳感器簡稱電阻應(yīng)變計(resistance strain gage) ，常用來測量位移(wiy)、壓力、加速度等參量。 1、電阻應(yīng)變式傳感器特點: 精度高，測量范圍廣，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境

10、。 使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠,價格低廉，品種多樣；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；頻率響應(yīng)較好，可用于靜態(tài)測量和動態(tài)測量。應(yīng)變片粘貼在試件上對其工作狀態(tài)和應(yīng)力分布沒有影響缺點：大應(yīng)變狀態(tài)下有較明顯的非線性；輸出信號較弱 共一百五十頁2、電阻(dinz)應(yīng)變式傳感器工作原理 設(shè)有一長度(chngd)為L，截面積為A，電阻率為的金屬絲，其電阻為： 取全微分： 是長度相對變化量，用應(yīng)變表示： 截面積相對變化量為：共一百五十頁 電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的形變效應(yīng)或半導(dǎo)體(semiconductor)的壓阻效應(yīng)。 (1)形變效應(yīng)(distortion effect ) 金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生

11、機械變形時，其電阻值隨著(su zhe)它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的形變效應(yīng)。 (2)壓阻效應(yīng)(piezoresistive effect ) 半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，其電阻率(resistivity)會發(fā)生變化而導(dǎo)致電阻改變，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。共一百五十頁常見金屬(jnsh)應(yīng)變片材料 共一百五十頁3、 金屬(jnsh)電阻應(yīng)變片應(yīng)變計敏感元件：金屬導(dǎo)體(dot)工作原理：形變效應(yīng) K=1.73.6共一百五十頁(1) 金屬電阻應(yīng)變片分類： 金屬絲式應(yīng)變片(wire strain gauge ) 敏感元件：柵狀金屬絲 金屬箔式應(yīng)變片(foil strai

12、n gauge ) 敏感元件：柵狀金屬箔片(2) 金屬電阻應(yīng)變片的優(yōu)點： 穩(wěn)定性和溫度(wnd)特性好(3) 金屬電阻應(yīng)變片的缺點： 靈敏度系數(shù)小，通常金屬電阻絲的K0=1.73.6。應(yīng)變計共一百五十頁應(yīng)變計共一百五十頁應(yīng)變計共一百五十頁（一）金屬絲式電阻(dinz)應(yīng)變片由敏感(mngn)柵、引線、基底和履蓋層四部分組成。 敏感柵(sensitive grid )它是應(yīng)變片的核心部分，是應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換元件。金屬絲應(yīng)變片是用直徑0.01-0.05mm的電阻絲(由康銅、銅鎳、鎳鉻、鉑銀合金、鉑鎢合金等)盤曲成柵狀。 基底(基片)和覆蓋層(蓋片)基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，覆蓋層(

13、蓋片)既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵。常用的基底材料有紙基、布基和玻璃纖維布基等。 bl電阻絲式敏感柵引線覆蓋層(蓋片)基底(基片）Lb柵長柵寬共一百五十頁 粘接劑用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。常用(chn yn)的粘接劑分為有機和無機兩大類，有機粘接劑用于低溫，常溫和中溫。常用(chn yn)的有聚丙烯酸脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂、聚酰亞胺等。無機粘接劑用于高溫，常用(chn yn)的有磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽等。 引線它是從應(yīng)變片的敏感柵引出的細金屬線。常用直徑約0.1-0.15mm的鍍錫銅線(tn xin)或扁帶形的其他金屬材料制成。對引線材料的性能

14、要求為：電阻率低，電阻溫度系數(shù)小，抗氧化性能好，易于焊接。 bL稱為應(yīng)變片的使用面積。應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用面積和電阻值表示，如：320mm2，120。共一百五十頁（二）金屬(jnsh)箔式電阻應(yīng)變片主要是敏感柵的制造方法不同 金屬箔式應(yīng)變片則是在0.003-0.01mm 金屬箔上經(jīng)光刻腐蝕的方法做成柵狀，金屬箔的材料常用康銅(kn tn)和鎳鉻合金等。 箔式應(yīng)變片具有如下優(yōu)點:可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸更準確的敏感柵，其柵長最小可做到0.2mm，以適應(yīng)不同的測量要求；橫向效應(yīng)小；散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長；生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。 目前使用的

15、多為金屬箔式應(yīng)變片共一百五十頁應(yīng)變計（一）原理：壓阻效應(yīng) 單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯(mngxin)變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。 4、 半導(dǎo)體應(yīng)變(yngbin)片 （二）材料 制造半導(dǎo)體應(yīng)變片的材料有鍺、硅、銻化銦、磷化銦等，常見的半導(dǎo)體式應(yīng)變片的敏感柵多為鍺或硅。壓阻效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關(guān)，還與晶向有關(guān)。主要用于測量壓力和加速度等物理量。共一百五十頁5、 電阻(dinz)應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 (1)將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。例如，為了研究或驗證機械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)(zhungti)下的應(yīng)力、變形情況，可利用形狀

16、不同的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測部位，可測得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)力校核或構(gòu)件破壞的預(yù)測等提供可靠的實驗數(shù)據(jù)。 橋梁應(yīng)力的測定 壓力和力的測定共一百五十頁 (2)應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過(tnggu)應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。撓度與應(yīng)變情況成正比 應(yīng)變與振動體的加速度成正比 位移傳感器 加速度計 共一百五十頁電子稱原理 將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)(jigu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。共一百五十頁懸臂梁應(yīng)變式電子秤共一

17、百五十頁溫度傳感器的應(yīng)用(yngyng)電熨斗1、電熨斗中的溫度(wnd)傳感器對溫度(wnd)的控制：1）達到設(shè)定溫度后將不再升溫；2）使用中溫度降低后自動升溫到設(shè)定溫度；3）根據(jù)衣物不同設(shè)定不同的溫度。2、電熨斗中的傳感器：雙金屬片溫度傳感器3、電熨斗的結(jié)構(gòu)： 上層金屬片的熱膨脹系數(shù)大于下層的金屬片。共一百五十頁作用(zuyng)：控制電路的通斷雙金屬片溫度傳感器思考(sko)：雙金屬片溫度傳感器的作用是什么？實驗研究：報廢的日光燈的啟動器，去掉外殼，在充有氖氣的玻璃泡內(nèi)，可以看到一個U形的雙金屬片(動觸片)，其旁邊有一根直立的金屬絲(靜觸片)。 常溫下兩觸片處于分離，敲碎玻璃泡，用火焰靠

18、近雙金屬片，其形狀發(fā)生變化，并與直立的金屬絲接觸；移走火焰，雙金屬片恢復(fù)原狀，兩者分開。相當(dāng)于一個由溫度控制通斷的開關(guān)共一百五十頁電熨斗中的雙金屬片工作(gngzu)原理 根據(jù)熱脹冷縮，利用兩種金屬的膨脹性能的不同，常溫下兩觸點接觸，電路連通，電熱絲加熱。升溫后雙金屬片形狀發(fā)生變化，上層比下層膨脹大，雙金屬片向下彎曲，兩觸點處于分離，電路斷開，電熱絲停止加熱。這樣不斷循環(huán)，實現(xiàn)自動控制溫度(wnd)的目的。 常溫下，上、下觸點應(yīng)是接觸的還是分離的？當(dāng)溫度過高時，雙金屬片將怎樣起作用？共一百五十頁電熨斗中的雙金屬片工作(gngzu)原理 熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設(shè)定(sh dn)不同的溫度

19、，這是如何使用調(diào)溫旋鈕來實現(xiàn)的？ 根據(jù)衣物的不同，調(diào)節(jié)調(diào)溫旋鈕，使升降螺絲上下移動，帶動彈性銅片的升降，從而改變了兩觸點接觸的難易程度，實現(xiàn)控制溫度不同的目的。共一百五十頁溫度傳感器的應(yīng)用(yngyng)電飯鍋1、電飯鍋中的溫度傳感器：主要(zhyo)元件是感溫鐵氧體2、感溫鐵氧體是用氧化錳MnO2、氧化鋅ZnO和氧化鐵Fe2O3粉末混合燒結(jié)而成，特點是常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引；升溫后，約達103 (稱為居里溫度或居里點)時，就會失去磁性，不能被磁體吸引。3、電飯鍋的結(jié)構(gòu)：共一百五十頁1、開始煮飯時，用手壓下開關(guān)按鈕，利用感磁體常溫下的鐵磁性，可知(k zh)永磁體與感溫磁體將相吸，手

20、松開后，按鈕不再恢復(fù)到圖示狀態(tài)，即觸點連通。2、水沸騰后，鍋內(nèi)保持(boch)100不變，故感溫磁體仍與永磁體相吸，繼續(xù)加熱，鍋內(nèi)大致保持100不變。3、飯熟后，水分被大米吸收，鍋底溫度升高，當(dāng)溫度升至“居里點103”時，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點分離，切斷電源，從而停止加熱。當(dāng)溫度降低后，再次感溫磁體與永磁體相吸，繼續(xù)加熱 電飯鍋中的感溫磁體工作原理共一百五十頁請問生活(shnghu)中能用電飯鍋燒開水嗎？思考(sko)與討論 如果用電飯鍋燒水，水沸騰后，鍋內(nèi)保持1000C不變，溫度低于“居里點1030C”，電飯鍋不能自動斷電，只有水燒干后，溫度升高到大約1030C

21、時才能自動斷電。共一百五十頁第五節(jié) 壓電式傳感器(piezoelectric sensor ) 一、壓電效應(yīng)(y din xio yng)(piezoelectric effect ) 某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新(chngxn)回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。1、正壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時，電荷的極性也隨

22、之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。 共一百五十頁 如果施加于壓電晶片的外力不變，積聚在極板(j bn)上的電荷又無泄漏，那么在外力繼續(xù)作用時，電荷量將保持不變。這時在極板上積聚的電荷與力的關(guān)系為： 式中，q為電荷(dinh)量；F為作用力(N)； D為壓電常數(shù)(C/N)，與材質(zhì)及切片的方向有關(guān)。 共一百五十頁2、逆壓電效應(yīng)(y din xio yng) 逆壓電效應(yīng)(y din xio yng)是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變器可用于電聲和超聲工程。 常見的壓電材料可分為兩類：即壓電單晶體

23、和多晶體壓電陶瓷。 壓電單晶體有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等); 多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(piezoelectricceramics )、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。共一百五十頁天然形成(xngchng)的石英晶體外形共一百五十頁壓電陶瓷(toc)外形共一百五十頁壓電式步態(tài)(b ti)分析跑臺壓電式縱跳 訓(xùn)練分析(fnx)裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力共一百五十頁壓電式傳聲器 金屬膜片與雙壓電晶體彎曲梁相連，膜片受到聲壓作用而變形時，雙壓電元件也產(chǎn)生變形，在壓電元件梁端面產(chǎn)生電荷。通

24、過變換電路可以輸出電信號。 共一百五十頁第七節(jié) 熱電式傳感器 溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。處于熱平衡狀態(tài)的所有熱力學(xué)系統(tǒng)都具有共同的宏觀性質(zhì)。這一宏觀特性用溫度表示即一切互為熱平衡的系統(tǒng)具有相同的溫度。 溫度的微觀(wigun)概念是大量分子運動平均強度的表示。分子運動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。 自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過程都與溫度緊密相關(guān)。溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個重要物理量。 共一百五十頁 溫度的測量方法通常分為兩大類，即接觸式測溫法和非接觸式測溫法。1、接觸式測溫法 接觸式測溫是使被測物體與溫度計的感溫元

25、件直接接觸，使其溫度相同，便可以得到被測物體的溫度。 接觸式測溫時，由于溫度計的感溫元件與被測物體相接觸，吸收被測物體的熱量，往往(wngwng)容易使被測物體的熱平衡受到破壞。所以，對感溫元件的結(jié)構(gòu)要求苛刻，這是接觸法測溫的缺點，因此不適于小物體的溫度測量。共一百五十頁2、非接觸式測溫法 非接觸式測溫是溫度計的感溫元件不直接與被測物體相接觸，而是利用物體的熱輻射原理得到被測物體的溫度。非接觸法測溫時，溫度計的感溫元件與被測物體有一定的距離，是靠接收被測物體的輻射能實現(xiàn)(shxin)測溫，所以不會破壞被測物體的熱平衡狀態(tài)，具有較好的動態(tài)響應(yīng)，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。但非接觸測量

26、的精度較低。共一百五十頁 紅外線輻射溫度計用于食品(shpn)溫度測量共一百五十頁紅外線輻射溫度計用于人體(rnt)額溫測量共一百五十頁 按照溫度測量范圍，可分為(fn wi)超低溫、低溫、中高溫和超高溫溫度測量。 超低溫一般是指010K； 低溫指10800K； 中溫指8001900K； 高溫指19002800K的溫度； 超高溫2800K以上的溫度。共一百五十頁二、熱電偶溫度計 1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中(qzhng)一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小

27、（又說明什么？） 。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。 共一百五十頁熱電偶工作原理演示 結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。 熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端） 測量端（工作端、熱端） 熱電極B熱電勢AB共一百五十頁 熱電偶是當(dāng)前熱電測溫中普遍使用的一種感溫元件，它的工作原理是基于熱電效應(yīng)1、熱電效應(yīng) 由A、B兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密地接在一起，組成一個閉合回路。當(dāng)1、2兩接點的溫度(wnd)不等（TT0 ）時，回路中就會產(chǎn)生電勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)，通常稱為熱電效應(yīng)。相應(yīng)的熱電勢稱為溫差電勢，

28、通常稱為熱電勢。共一百五十頁接點1稱為工作端或熱端(T)，測量時，將其置于被測的溫度場中。接點2稱為自由(zyu)端或冷端（T0），測量時，其溫度應(yīng)保持恒定。共一百五十頁 八種國際(guj)通用熱電偶：B:鉑銠30鉑銠6 R:鉑銠13鉑 S:鉑銠10鉑 K:鎳鉻鎳硅 N:鎳鉻硅鎳硅 E:鎳鉻銅鎳J:鐵銅鎳 T:銅銅鎳 共一百五十頁幾種常用熱電偶的測溫范圍(fnwi)及熱電勢 分度號 名稱 測量溫度范圍 1000C熱電勢/ mVB鉑銠30鉑銠6501820 C4.834R鉑銠13鉑-501768 C10.506S鉑銠10鉑-501768 C9.587K鎳鉻鎳鉻 (鋁) -2701370 C41.

29、276E鎳鉻銅鎳 (康 銅)270800 C?共一百五十頁熱電偶的分度表 熱電偶的線性較差，多數(shù)(dush)情況下采用查表法 我國從1991年開始采用(ciyng)國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”（簡稱ITS-90）的新標準。按此標準，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。 直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。 下頁附錄列出了工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。共一百五十頁K熱電偶的分度表 比較查出的3個熱電勢(dinsh)，可以看出熱電勢(dinsh)是否線性？共一百五十頁普通(ptng)裝配型熱電偶外形安

30、裝螺紋安裝法蘭演示(ynsh)：熱電偶結(jié)構(gòu)共一百五十頁接線盒引出(yn ch)線套管 固定螺紋 （出廠時用塑料(slio)包裹）熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼保護管 共一百五十頁 6、熱電偶分類(fn li) 普通熱電偶：普通熱電偶主要用于測量液體和氣體(qt)的溫度。 鎧裝熱電偶：也稱纜式熱電偶，其特點是測量結(jié)熱容量小、熱慣性小、動態(tài)響應(yīng)快、撓性好、強度高、抗震性好，適于用普通熱電偶不能測量的空間溫度。 薄膜熱電偶：用于測量固體表面小面積瞬時變化的溫度。其特點是熱容量小、時間常數(shù)小、反應(yīng)速度快。 并聯(lián)熱電偶：它是把幾個同一型號的熱電偶的同性電極參考端并聯(lián)在一起，而各個熱電偶的測量結(jié)處于不同溫度

31、下，其輸出電動勢為各熱電偶熱電動勢的平均值，所以這種熱電偶可用于測量平均溫度。 共一百五十頁 串聯(lián)熱電偶：這種熱電偶又稱熱電堆，它是把若干個同一型號的熱電偶串聯(lián)在一起，所有測量(cling)端處于同一溫度丁之下，所有連接點處于另一溫度之下，輸出電動勢是每個熱電動勢之和。共一百五十頁三、熱電阻溫度計 熱電阻溫度計是利用(lyng)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的感溫電阻，把溫度的變化轉(zhuǎn)換成電阻值變化的傳感器。與電位器和應(yīng)變片不同，熱電阻和熱敏電阻正是利用電阻率的溫度系數(shù)，隨溫度的變化而變化的特點而工作的。 熱電阻溫度計被廣泛地用于低溫及中溫（-200500）范圍內(nèi)的溫度測量，隨著科技的發(fā)展，目前應(yīng)用范圍已擴展

32、到15K的超低溫領(lǐng)域。同時，在10001200的高溫范圍內(nèi)，也具有較好特性(txng)。純金屬有正的溫度系數(shù)，溫度每升高1,電阻約增加0.40.6%，而半導(dǎo)體電阻率卻隨溫度升高而減少，即有負的電阻溫度系數(shù)。在20時，溫度每變化1，電阻率卻要變化約-2%-6%，它們都可用來制造熱電阻或熱敏電阻。 共一百五十頁1.金屬(jnsh)電阻溫度計 對于絕大多數(shù)金屬，電阻隨溫度升高(shn o)而增大的特性方程為:式中：Rt,Rt0分別為熱電阻在t和t0時的電阻值；a1,a2 ,.,an熱電阻的溫度系數(shù)（1/）。 溫度系數(shù)ai在一定的溫度范圍內(nèi)，可以近似認為為一個常數(shù)，不同的金屬導(dǎo)體，ai取值的范圍不同。

33、通常情況下，它是溫度的函數(shù)。共一百五十頁2. 鉑熱電阻溫度計鉑絲在0以上(yshng)，其電阻值與溫度之間具有較好的線性度。當(dāng)t =0850時，鉑絲的電阻值與溫度(wnd)之間的關(guān)系為: 當(dāng)t = -2000時，鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系為: 式中：A ,B , C為常數(shù). PT100,CU50熱電阻,K,E型熱電偶分度表Rt溫度為t時的阻值； R0溫度為 0時的阻值；共一百五十頁3.銅熱電阻溫度計銅熱電阻的阻值(z zh)和溫度的關(guān)系為: 由此可見，銅熱電阻的線性主要取決于溫度t0時的電阻溫度系數(shù)(xsh)a0 。所以其線性較好。共一百五十頁4.半導(dǎo)體熱敏電阻(r mn din z)溫度計

34、半導(dǎo)體熱敏電阻與金屬熱電阻比較，有如下優(yōu)點: (1)電阻溫度系數(shù)(xsh)大，靈敏度高，可測量微小的溫度變化值。例如，可以測出0.0010.005的溫度變化。 (2)體積小，熱慣性小，響應(yīng)快。例如，直徑可小到0.5mm，響應(yīng)時間可短到毫秒級。 (3)元件本身的電阻值可達3700k，當(dāng)遠距離測量時，導(dǎo)線電阻的影響可不考慮。 (4)在-50350時的溫度范圍內(nèi)，具有較好的穩(wěn)定性。共一百五十頁 由于半導(dǎo)體熱敏電阻比金屬熱電阻(dinz)具有更高的電阻(dinz)溫度系數(shù)，所以它有較高的靈敏度。同時，具有較好的動態(tài)特性。 半導(dǎo)體熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（PTC）、 負溫度系數(shù)（NTC）、 臨界溫度系數(shù)（

35、CTR）熱敏電阻等幾類。正溫度(wnd)系數(shù)（PTC）：最高溫度140 電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡稱PTC熱敏阻器。它的主要材料是摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷。 負溫度系數(shù)（NTC）：溫度范圍：（-50300） 電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器簡稱NTC熱敏電阻器。它的材料主要是一些過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷。熱敏電阻式溫度傳感器多數(shù)屬于此類。共一百五十頁 臨界溫度系數(shù)（CTR）：不適合寬度范圍溫度測量。 該類電阻器的電阻值在某特定(tdng)溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低34個數(shù)量級，即具有很大負溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。共一百五十頁 溫度特性是熱敏電阻的基本特性

36、，反映了其阻值與溫度之間關(guān)系這一基本性質(zhì)。NTC熱敏電阻與溫度之間的關(guān)系近似符合指數(shù)函數(shù)(zh sh hn sh)規(guī)律，即: 負溫度系數(shù)NTC熱敏電阻的溫度(wnd)特性:式中：T被測溫度（K）；T0參考溫度（K）；RT,R0溫度分別為T和T0時的熱敏電阻值；B熱敏電阻的材料常數(shù)，通?？捎蓪嶒灚@得，一般B=20006000K，在高溫下使用時，B值將增大。共一百五十頁NTC單晶金剛石、Ge、Si金剛石熱敏電阻多晶遷移金屬氧化物復(fù)合燒結(jié)體、無缺陷形金屬氧化燒結(jié)體多結(jié)晶單體、固溶體形多結(jié)晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物燒結(jié)體、ZrY氧化物燒結(jié)體、還原性TiO3、Ge、SiBa、Co

37、、Ni氧化物濺射SiC薄膜玻璃Ge 、Fe、 V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有機物芳香族化合物聚酰亞釉表面活性添加劑液體電解質(zhì)溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系共一百五十頁熱電特性的一個重要指標是熱敏電阻的溫度(wnd)系數(shù)，即熱敏電阻在其本身溫度(wnd)變化1時電阻值的相對變化量， 用aT表示。 熱敏電阻(r mn din z)的溫度系數(shù)比金屬絲的高很多，所以它的靈敏度較高。共一百五十頁應(yīng)用(yngyng) 溫控器熱敏電阻(r mn din z)共一百五十頁 光電傳感器(p

38、hotoelectric sensor)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。其工作原理是基于一些物質(zhì)(wzh)的光電效應(yīng)(photoelectric effect )。 1905年德國美國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)(xioyng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。 第八節(jié) 光電傳感器 共一百五十頁 超市收銀臺用激光掃描器檢測商品(shngpn)的條形碼是利用光電傳感器檢測原理.激光(jgung)掃描器發(fā)出激光(jgung)并被條形碼反射共一百五十頁共一百五十頁 在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。

39、光電子逸出時所具有的初始動能Ek與光的頻率有關(guān)，頻率高則動能大。 由于不同材料(cilio)具有不同頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時，即使光線微弱也會有光電子發(fā)射出來，這個頻率限稱為“紅限頻率” 。 由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生(chnshng)的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生(chnshng)的光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。 1、外光電效應(yīng)(external photoelectric effect )共一百五十頁 基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于(shy)光電發(fā)射(photoemission)型

40、器件，有光電管、光電倍增管等。 光電管有真空光電管(photoelectrictube)和充氣光電管。共一百五十頁真空光電管工作原理 光電陰極(ynj)通常采用逸出功小的光敏材料(如銫Cs)。當(dāng)光線照射到光敏材料(陰極)上便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流（光電流）。若在外電路串入一定阻值的電阻，則在該電阻上的電壓降或電路中的電流大小都與光強成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。共一百五十頁 K為光電陰極,A為光電陽極,在二者之間又加入D1、D2、D3等若干個光電倍增(bi zn)極(又稱二次發(fā)射極),這些倍增極涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏

41、物質(zhì)。在工作時,這些電極的電位是逐級增高的,當(dāng)光線照射到光電陰極后,它產(chǎn)生的光電子受第一級倍增極D1正電位作用,加速并打在這個倍增極上,產(chǎn)生二次發(fā)射;由第一倍增極D1產(chǎn)生的二次發(fā)射電子,在更高電位的D2極作用下,又將加速入射到電極D2上,在D2極上又將產(chǎn)生二次發(fā)射,這樣逐級前進,一直到達陽極A為止。由上述的工作過程可見,光電流是逐級遞增的,因此光電倍增管具有很高的靈敏度。 光電倍增管(photomultiplier)工作(gngzu)原理 K共一百五十頁 受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化(即電阻值發(fā)生改變)或產(chǎn)生光電動勢的效應(yīng)稱為(chn wi)內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分

42、為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。（1）光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對，使其導(dǎo)電性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(光電導(dǎo)型)和反向工作的光敏二極管(又稱光電二極管 )、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型)。2、內(nèi)光電效應(yīng)(un din xio yng)(internal photoelectric effect) 共一百五十頁光敏電阻(光導(dǎo)管)：光敏電阻(photosensitiveresistance)是一種電阻元件，具有靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬,機械強度(qingd)高，耐沖擊和振動，壽命

43、長等優(yōu)點。下圖為光敏電阻的工作原理圖。在黑暗的環(huán)境下,它的阻值很高,當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時,電阻率變小。 共一百五十頁共一百五十頁光敏電阻(un mn din z) 共一百五十頁光敏二極管(photosensitive diode)和 光敏三極管(photosensitive transistor ) 共一百五十頁光敏二極管 光敏二極管的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕ぷ鲿r應(yīng)加上反向電壓。 當(dāng)無光照時，反向電阻很大，反向電流很小，只有很微弱的暗電流，此時相當(dāng)于光敏二極管截止。 當(dāng)有光照射時，反向電阻降低，反向電流大大增加，形成光電流。光照越強，光電流越大大。光電流通過負載RL時，在電阻兩端將

44、得到隨入射光變化的電壓信號。從而實現(xiàn)(shxin)光電功能轉(zhuǎn)換。 共一百五十頁 (2) 光生伏特效應(yīng)(photovoltaic effect )：是指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定(ydng)方向的電動勢的效應(yīng)。因此光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的，屬有源器件。以可見光作光源的光電池(photocell)是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光電池常用的材料，也可以使用鍺。共一百五十頁3、光電式傳感器的應(yīng)用(yngyng) 光電式傳感器可以用來檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成份分析等，也可以用來檢驗?zāi)苻D(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振

45、動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和相應(yīng)快等優(yōu)點，加之激光光源(gungyun)、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 工作原理：首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。 被測量光信號電壓或電流光電元件共一百五十頁 被測物體位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)。如測量液體、氣體的透明度、混濁度，對氣體進行成分(chng fn)分析，測定液體

46、中某種物質(zhì)的含量，測量厚度等。 分類：按其接收狀態(tài)(zhungti)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。(1)模擬式光電傳感器 光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、反射式、遮光式、輻射式四種基本形式。 共一百五十頁打開(d ki)穿透式測厚儀原理-光電式演示共一百五十頁 恒定光源發(fā)出的光投射到被測物體(wt)上,被測物體(wt)把部分光通量反射到光電元件上,根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例如測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。共一百五十頁 被測物體位于恒定光源與光電元件之間,光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮去其一部分,使作用在光電元件上的光通量減弱,減弱的程度與被測物

47、在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。利用這一原理可以(ky)測量長度、厚度、線位移、角位移、振動等。共一百五十頁 光源發(fā)出的光，通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號轉(zhuǎn)為電信號輸出。開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通過測量(cling)光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測轉(zhuǎn)速，即:n=60f/Z 式中：n轉(zhuǎn)速 f脈沖頻率 Z圓盤開孔數(shù)。 共一百五十頁案例(n l)8、光電測速方案(fng n)一共一百五十頁方案(fng n)二問題：旋轉(zhuǎn)機械(jxi)測量轉(zhuǎn)速有何意義？共一百五十頁 被測物體本身就是輻射源，它可以直接照射在光電元件

48、(yunjin)上，也可以經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件(yunjin)上。光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。這種方式也可以用于防火報警和構(gòu)成光照度計等。共一百五十頁第十節(jié) 其他(qt)傳感器一、氣敏電阻(dinz)傳感器 氣敏傳感器是一種化學(xué)型傳感器，將檢測到的氣體成份和濃度后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器?？捎糜诨どa(chǎn)中氣體成份的檢測與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測與報警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測；煤氣泄漏；火災(zāi)報警；燃燒情況的檢測與控制等等。 煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器共一百五十頁 氣敏傳感器的種類較多，主要包括有:敏感氣體(qt)種類的氣敏傳感器、敏感氣

49、體(qt)量的真空度氣敏傳感器，以及檢測氣體(qt)成分的氣體(qt)成分傳感器。 由于半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)(xingyng)快、使用壽命長和成本低等優(yōu)點，應(yīng)用很廣。 半導(dǎo)體氣敏傳感器大體上可分為兩類:電阻式和非電阻式。 共一百五十頁電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器工作(gngzu)原理 電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫(SnO2)、氧化錳(MnO2)等金屬氧化物制成敏感元件，當(dāng)它們吸收(xshu)了可燃氣體的煙霧，如氫、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然氣、沼氣等時，發(fā)生還原反應(yīng)，放出熱量，使元件溫度增高，電阻發(fā)生變化。利用半導(dǎo)體材料的這種特性，將氣體的成分和濃度變換成

50、電信號，進行監(jiān)測和報警。 共一百五十頁二、 CCD圖象(t xin)傳感器(image sensor ) 電荷耦合器(CCD：charge coupled device)分為線陣器件和面陣器件兩種，其基本組成部分是MOS光敏元列陣(li zhn)和讀出移位寄存器。 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度相對應(yīng)的光生電荷圖像。這就是電荷耦合器件的光電效應(yīng)的基本原理。 共一百五十頁 CCD傳感器用于非電量的測量，主要用途大致歸納為以下三個方面： (1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點等。 (2)

51、作光學(xué)信息處理裝置(zhungzh)的輸入環(huán)節(jié)，例如用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識別技術(shù)(OCR)圖像識別技術(shù)、光譜測量及空間遙感技術(shù)等方面。 (3)作自動流水線裝置中的敏感器件，例加可用于機床、自動售貨機、自動搬運車以自動監(jiān)視裝置等方面。共一百五十頁三、熱輻射檢測(jin c)傳感器 絕對零度(judu lngd)以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體的溫度(K)，在此僅考慮黑體(black body)也稱全輻射體的輻射能和波長的關(guān)系，即輻射輝度L(，T) 。根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達式： 式中T為物體的溫度(K)，是熱輻射波長(m)，C1,C2為普朗克第1、第2常數(shù)。 共一百五十頁應(yīng)用： 冶金、

52、軋制、磨削加工以及各種( zhn)熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。共一百五十頁四、超聲波檢測(jin c)傳感器 當(dāng)試件受外力或內(nèi)應(yīng)力作用時，缺陷處或結(jié)構(gòu)異常部位因應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形，其儲存能量的一部分以彈性應(yīng)力波的形式釋放出來，這種現(xiàn)象叫聲發(fā)射。 利用聲發(fā)射信號來對材料或構(gòu)件缺陷進行預(yù)報、判斷和評價。聲發(fā)射應(yīng)用范圍很廣，比較成功的應(yīng)用主要是壓力容器的安全評價。此外，聲發(fā)射技術(shù)還用作絕大部分金屬或非金屬材料性能研究(ynji)，設(shè)備工況監(jiān)視、地下管道泄漏探測等。共一百五十頁1、聲波(shn b)及其分類(1)次聲波infrasonic wave:振動(zhndng)頻率低于20H

53、z的機械波次聲波人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，78Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動。共一百五十頁(2)聲波(shn b)acoustic wave:振動頻率在20Hz-20KHz之間的機械波 美妙的音樂(ynyu)可使人陶醉。共一百五十頁(3)超聲波ultrasonic:高于20KHz的機械波蝙蝠能發(fā)出(fch)和聽見超聲波。蝙蝠依靠(yko)超聲波捕食共一百五十頁超聲波與聲波不同，它可以被聚焦(jjio)，具有能量集中的特點。超聲波霧化器超聲波加濕器共一百五十頁2、超聲波的物理性質(zhì) 超聲波與一般聲波比較，振動頻率高，波長短，因而具有束射特性，方向性強，可以

54、定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的一般聲波，并具有很高的穿透能力。例如，在鋼材中甚至可穿透10米以上。 超聲波在均勻介質(zhì)中按直線方向傳播，但到達界面或者遇到另一種介質(zhì)時，也像光波一樣產(chǎn)生反射和折射，并且服從幾何光學(xué)的反射、折射定律。超聲波在反射、折射過程中，其能量及波型都將發(fā)生變化。 共一百五十頁3、 超聲波傳感器的類型(lixng) 以超聲波為檢測手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器(實現(xiàn)電能和聲能相互(xingh)轉(zhuǎn)換 )。習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。 常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器 (或稱壓電式超聲波探頭)和磁致

55、式超聲波傳感器。共一百五十頁(1)壓電式超聲波傳感器 壓電材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變(yngbin)，產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)；相反，對這種材料施以外力，則會在表面上產(chǎn)生符號相反的電荷（內(nèi)部形成一定方向的電場），是正壓電效應(yīng) 。共一百五十頁 當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。 超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機

56、械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f。的交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介(miji)，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。 共一百五十頁(2)磁致式超聲波傳感器 磁致式超聲波傳感器主要由鐵磁材料和線圈組成。超聲波的發(fā)射原理是：把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生機械振動，發(fā)射出超聲波，這是磁致伸縮效應(yīng)。其接收原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時，使磁致材料振動，從而引起磁導(dǎo)率

57、的改變，磁阻也相應(yīng)發(fā)生變化，這是壓磁效應(yīng)。繼而引起內(nèi)部磁場變化，根據(jù)(gnj)電磁感應(yīng)原理，使線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢輸出。4、 超聲波傳感器的應(yīng)用(yngyng) 利用超聲波反射、折射、衰減等物理性質(zhì)，可以實現(xiàn)液位、流量、粘度、厚度、距離以及探傷等參數(shù)的測量。所以，超聲波傳感器已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)療等各技術(shù)領(lǐng)域。 共一百五十頁超聲波探傷(tn shng)起始波 缺陷(quxin)反射波 底波工件缺陷共一百五十頁疊放高度(god)測量共一百五十頁 胎兒(ti r)的 B超影像超聲波在醫(yī)學(xué)(yxu)檢查中的應(yīng)用共一百五十頁圖所示為用超聲波傳感器(或稱超聲波探頭)測厚的工作原理，主

58、控制器控制發(fā)射電路，按一定頻率發(fā)射出脈沖信號，此信號經(jīng)過放大后，一方面加于示波器上，另一方面激勵探頭，發(fā)出超聲波，至試件底面反射回來，再由同一探頭接收，接收到的超聲波信號也經(jīng)放大后與標記發(fā)生器發(fā)出的定時脈沖信號同時輸入示波器，在示波器熒光屏上可以直接觀察到發(fā)射脈沖和接收脈沖信號，根據(jù)橫軸上的標記信號，可以測出從發(fā)射到接收的時間(shjin)間隔t,如果已知超聲波在試件中的傳播速度c，那么試件厚度h很容易求得,即h=ct/2。 共一百五十頁打開進行(jnxng)演示 共一百五十頁五、濕度(shd)傳感器 濕度傳感器(濕度計：hygrometer)是利用濕敏元件進行濕度測量和控制的。濕敏元件利用濕

59、敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化的原理(yunl)而制成的。 分類：氯化鋰濕敏元件、半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件、熱敏電阻濕敏元件、高分子膜濕敏元件等。共一百五十頁高分子膜濕度傳感器工作(gngzu)原理 高分子膜濕度傳感器是以隨高分子膜吸收或放出水份而引起電導(dǎo)率或電容變化測量環(huán)境相對濕度(xingdu shd)的裝置。共一百五十頁六、水份(shu fn)傳感器 水份是存在于物質(zhì)中水的數(shù)量，以百分比表示(biosh)。該項指標是掌握物質(zhì)保存狀態(tài)和質(zhì)量管理的指標。水份傳感器是將水份量(即含水量)轉(zhuǎn)換成電信號進行測定和表示(biosh)的傳感器。 分類：水份傳感器(水份計)有直流電阻型、高頻電

60、阻型、電容率型、氣體介質(zhì)型、近紅外型、中子型和核磁共振型等，可根據(jù)被測物質(zhì)的種類、使用目的選用。共一百五十頁共一百五十頁七、光纖傳感器(optical fiber sensor ) 由于(yuy)光纖傳感器具有不受電磁場干擾、傳輸信號安全、可實現(xiàn)非接觸測量，而且具有高靈敏度、高精度、高速度、高密度、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下使用以及非破壞性和使用簡便等等一些優(yōu)點。無論是在電量 (電流、電壓、磁場)的測量，還是在非電物理量 (位移、溫度、壓力、速度、加速度、液位、流量等)的測量方面，都取得了驚人的進展。 光纖傳感器一般由三個環(huán)節(jié)組成，即信號的轉(zhuǎn)換、信號的傳輸、信號的接收與處理。(1)信號的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：將被