安全檢測技術(shù)2章-常用傳感器

第二章安全檢測常用傳感器第一節(jié)傳感器的作用及分類第二節(jié)結(jié)構(gòu)型傳感器第三節(jié)物性傳感器第四節(jié)其他類型傳感器第五節(jié)傳感器的選用原則第一節(jié)傳感器的作用及分類1.1、傳感器的基本概念1.2、傳感器的作用1.3、傳感器的分類1.1、傳感器的基本概念1、敏感原件定義：能夠靈敏地感受被測變量并做出響應(yīng)的元件。例如：鉑電阻：溫度敏感元件彈性膜盒：壓力敏感元件注意：減少敏感元件受環(huán)境因素的影響1.1、傳感器的基本概念2、傳感器從廣義上講，傳感器是將被測物理量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為與其對應(yīng)的另一種(或同種)物理量輸出的裝置通常的定義，傳感器是將被測非電物理量(如力、壓力、重力、力矩、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、流量、振動、噪聲等)轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的并易于精確處理的電量或電參量(如電流、電壓、電阻、電感、電容、電荷、頻率、阻抗等)輸出的一種檢測裝置。1.1、傳感器的基本概念3、變送器凡輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器就稱為變送器。標(biāo)準(zhǔn)信號是物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號。例如：直流電壓0~10v優(yōu)點：便于把各種變送器和其他儀表組成監(jiān)測系統(tǒng)1.1、傳感器的基本概念4、信號轉(zhuǎn)換器是指將一種信號轉(zhuǎn)換成另一種信號的裝置。信號是信息存在的形式或載體。在自動化儀表設(shè)備和自動控制系統(tǒng)中，常將一種信號轉(zhuǎn)換成另一種與標(biāo)準(zhǔn)量或參考量比較后的信號，以便將兩類儀表聯(lián)接起來，因此，轉(zhuǎn)換器常常是兩個儀表（或裝置）間的中間環(huán)節(jié)。1.2、傳感器的作用傳感器是獲得信息的正確與否，關(guān)系到整個檢測與控制系統(tǒng)的精度。如果傳感器的誤差很大，后面的測量電路、放大器、指示儀等的精度再高也將難以提高整個檢測系統(tǒng)的精度。

1．3傳感器的構(gòu)成敏感元件：直接感受被測量,輸出與被測量成確定關(guān)系。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入,它把輸入轉(zhuǎn)換成電量參量。轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號的電路。膜盒就是敏感元件,其外部與大氣壓pa相通,內(nèi)部感受被測壓力p,當(dāng)p變化時,引起膜盒上半部移動,即輸出相應(yīng)的位移量?？勺冸姼?是轉(zhuǎn)化元件,它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化。5即為轉(zhuǎn)換電路。

由一個敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)組成,它感受被測量時直接輸出電量1.４傳感器的分類1．按輸入量（被測對象)分類輸入量即被測對象，按此方法分類，傳感器可分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類。其中，物理量傳感器又可分為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等等。這種分類方法給使用考提供了方便，容易根據(jù)被測對象選擇所需要的傳感器。1.４傳感器的分類2．按轉(zhuǎn)換原理分類從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來說，通常分為結(jié)構(gòu)型、物性型兩大類。結(jié)構(gòu)型：結(jié)構(gòu)型傳感器是利用機(jī)械構(gòu)件(如金屬膜片等)在動力場或電磁場的作用下產(chǎn)生變形或位移，將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量，它是利用物理學(xué)運動定律或電磁定律實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學(xué)效應(yīng)(即物質(zhì)定律，如虎克定律、歐姆定律等)實現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換。它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。1.４傳感器的分類3．按能量轉(zhuǎn)換的方式分類按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式，傳感器可分為有源型和無源型兩類。有源型也稱能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型，它把非電量直接變成電壓量、電流量、電荷量等(如磁電式、壓電式、光電池、熱電偶等)。無源型也稱能量控制型或參數(shù)型，它把非電量變成電阻、電容、電感等量。凡是不利用電路自身電流(電壓)而受感自身能產(chǎn)生自感式電位信號的傳感器均是無源傳感器。1.４傳感器的分類4．按輸出信號的形式分類按輸出信號的形式，傳感器可分為開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。5．按輸入和輸出的特性分類按輸入、輸出特性，傳感器可分為線性和非線性兩類。第二節(jié)結(jié)構(gòu)型傳感器2.1電阻式傳感器2.2電容式傳感器2.3電感式傳感器2.4磁電式傳感器2.1電阻式傳感器電阻式傳感器是將非電量(如力、位移、形變、速度、加速度和扭矩等參數(shù))轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。其核心轉(zhuǎn)換元件是電阻元件，將非電量的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻值的變化，通過電測技術(shù)對電阻值進(jìn)行測量，以達(dá)到對上述非電量測量的目的。2.1電阻式傳感器1．電阻式傳感器原理從上式可見，若導(dǎo)體的三個參數(shù)(電阻率、長度和截面積)中的一個或數(shù)個發(fā)生變化，則電阻值隨著變化，因此可利用此原理來構(gòu)成傳感器。例如，若改變長度L，則可形成電位器式傳感器，改變L

、A和ρ則可做成電阻應(yīng)變片；改變ρ則可形成熱敏電阻、光導(dǎo)性光檢測器等。下面介紹兩種最常用的電阻式傳感器：電位器式傳感器和應(yīng)變片式傳感器。2.1電阻式傳感器2．電位器式傳感器電位器式傳感器通過滑動觸點把位移轉(zhuǎn)換為電阻絲的長度變化，從而改變電阻值大小，進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化值。電位器式傳感器分為線繞式和非線繞式兩大類。線繞電位器是最基本的電位器式傳感器；非線繞式電阻傳感器則是在線繞電位器的基礎(chǔ)上，在電阻元件的形式和工作方式上有所發(fā)展，包括薄膜電位器、導(dǎo)電塑料電位器和光電電位器等。線繞電位器式傳感器的核心，即轉(zhuǎn)換元件是精密電位器。2.1電阻式傳感器線繞電位器式傳感器原理圖2.1電阻式傳感器線繞電位器主要由骨架、繞組、電刷、導(dǎo)電環(huán)及轉(zhuǎn)軸等部分組成。線繞電位器的骨架一般由膠木等絕緣材料或表面覆有絕緣層的金屬骨架構(gòu)成。根據(jù)需要，骨架可做成不同的形狀，如環(huán)帶狀、弧狀、長方體或螺旋狀等

特點：

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩(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。

缺點：因為存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；

由于磨損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量。

變阻器式傳感器的性能參數(shù):1)線性(或曲線的一致性);4)移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數(shù);3)整個電阻值的偏差;6)壽命;變阻器式傳感器的分類按測量類型：單圈電位器多圈電位器直線滑動式電位器按制作方式：線繞電位器導(dǎo)電塑料電位器普通塑料基底導(dǎo)電材料粉變阻器式傳感器產(chǎn)品案例：重量的自動檢測--配料設(shè)備

比較重量設(shè)定原材料原理：彈簧->力->位移

->電位器->電阻案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲原理：鋼絲->收線圈數(shù)

->電位器

->電阻案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理：電機(jī)->轉(zhuǎn)角

->電位器

->電阻2.1電阻式傳感器3．電阻應(yīng)變式傳感器組成：彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片原理：當(dāng)彈性敏感元件受到被測量作用時，將產(chǎn)生位移、應(yīng)力和應(yīng)變，則粘貼在彈性敏感元件上的電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。這樣，通過測量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，從而確定被測量的大小。2.1電阻式傳感器主要優(yōu)點是：(1)由于電阻應(yīng)變片尺寸小、重量輕，因而具有良好的動態(tài)特性。而且應(yīng)變片粘貼在試件上對其工作狀態(tài)和應(yīng)力分布基本上沒有影響，適用于靜態(tài)和動態(tài)測量；(2)測量應(yīng)變的靈敏度和精度高，可測量1~2μm應(yīng)變，誤差小于1％~2％；(3)測量范圍上，既可測量彈性變形，也可測量塑性變形，變形范圍從1％~20％；(4)能適應(yīng)各種環(huán)境，可在高(低)溫、超低壓、高壓、水下、強磁場以及輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境下使用。缺點：輸出信號微弱，在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較明顯的非線性等電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力組成：彈性元件、應(yīng)變片、外殼彈性元件：被測量應(yīng)變量應(yīng)變片：應(yīng)變量電阻量的變化承載能力大彈性元件中部的外側(cè)面上輪輻式懸臂梁式：靈敏度高，小載荷高精度測量固有頻率高，可承受大載荷重型載荷的電子秤環(huán)式：中小載荷，穩(wěn)定性好案例：橋梁固有頻率測量固有頻率改變結(jié)構(gòu)改變結(jié)構(gòu)安全檢查重要橋梁通常每年進(jìn)行一次用載重20噸、30噸、....的卡車以每小時40公里、80公里的速度通過大橋在橋梁中部的橋面上設(shè)置一個三角枕木障礙，當(dāng)前進(jìn)中的汽車遇到障礙時對橋梁形成一個沖擊力，激起橋梁的脈沖響應(yīng)振動。應(yīng)變信號橋梁的固有頻率案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測案例：機(jī)器人握力測量案例：振動式地音入侵探測器

適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。2.2電容式傳感器

1，電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器常用的是平板電容器和圓筒形電容器。1)平板電容器平板電容器由兩個金屬平行板組成，通常以空氣為介質(zhì)C——電容量(F)；ε0——真空介電常數(shù)；εr——極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；A——極板的有效面積(m2)；d——兩平行極板間的距離(m)2.2電容式傳感器電容式傳感器可依此劃分為三種類型:變間隙型(d變化)、變面積型(A變化)變介質(zhì)型(ε變化)。在實際使用中，電容式傳感器常以改變平行板間距d來進(jìn)行測量，因為這樣獲得的測量靈敏度高于另兩種型式，變間隙型電容傳感器可以測量微米數(shù)量級的位移，而變化面積A的變面積型電容傳感器只適用于測量厘米數(shù)量級的位移。2.2電容式傳感器2)圓筒形電容器圓筒形電容器由內(nèi)外兩個金屬圓筒組成，設(shè)動極筒的外半徑為r，定極筒的內(nèi)半徑為R，動極筒伸進(jìn)定極筒的長度為l2.2電容式傳感器變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器如圖3—8所示，它有一個固定極板和可動極板，其間為空氣介質(zhì)。當(dāng)傳感器的ε0和A為常數(shù)、初始極距為d時，其初始電容量為2.2電容式傳感器差動變極距型電容傳感器上下為定極板，中間為動極板，在初始位置時，d1=d2=d，C1＝C2＝C差動式電容傳感器比單個電容傳感器的靈敏度提高一倍，非線性誤差大大降低，減小一個數(shù)量級。與此同時，差動電容傳感器還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并有效地進(jìn)行溫度補償。2.2電容式傳感器4．電容式傳感器測量電路電容式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成電容量的變化，但由于電容及其變化量均很小，因此必須借助測量電路檢測出這一微小電容及增量，并將其轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率，以便于顯示、記錄或傳插。電容式傳感器的測量電路種類很多，除電橋電路外，還可采用運算放大器電路、調(diào)頻電路和差動脈沖寬度調(diào)制電路等。2.2電容式傳感器電容傳感器測量電路具有如下特點：(1)不論是極距變化型或面積變化型，其輸入與輸出變化量都呈線性關(guān)系，而且脈沖寬度調(diào)制電路對傳感元件的線性要求不高；(2)不需要解調(diào)電路，只要經(jīng)過低通濾波器就可以得到直流輸出；(3)調(diào)寬脈沖頻率的變化對輸出無影響；(4)由于采用直流穩(wěn)壓電源供電，不存在對其波形及頻率的要求。所有這些特點都是其他電容測量電路無法比擬的。47電容式位移傳感器48電容式差壓傳感器

這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，響應(yīng)速度快(約100ms)，能測微小差壓(0~0.75Pa)。

49差動式電容測厚傳感器50電容式料位傳感器測定電極安裝在罐的頂部，這樣在罐壁和測定電極之間就形成了一個電容器。當(dāng)罐內(nèi)放入被測物料時,由于被測物料介電常數(shù)的影響，傳感器的電容量將發(fā)生變化，電容量變化的大小與被測物料在罐內(nèi)高度有關(guān)，且成比例變化。檢測出這種電容量的變化就可測定物料在罐內(nèi)的高度。電容式傳聲器（Microphone）電容傳聲器核心是平板電容器，振動膜片是一片表面經(jīng)過金屬化處理的輕質(zhì)彈性薄膜，當(dāng)膜片隨著聲波的壓力的大小產(chǎn)生振動時，膜片與后極板之間的相對距離發(fā)生變化，膜片與極板所構(gòu)成電容器的量就發(fā)生變化。極板上的電荷隨之變化，電路中的電流也相應(yīng)變化，負(fù)載電阻上也就有相應(yīng)的電壓輸出，從而完成了聲音信號與電信號的轉(zhuǎn)換。電容式傳聲器（Microphone）電容式加速度傳感器加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用裝有傳感器的假人氣囊電容測厚儀電容式荷重傳感器F絕緣材料動極板定極板極板支架彈性體當(dāng)被測液體的頁面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變化。液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。電容式液位計（變介質(zhì)型）振蕩電路感應(yīng)電極被測物體電容式接近開關(guān)測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.由此便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷;接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示電容式轉(zhuǎn)速傳感器電容式鍵盤常規(guī)的鍵盤有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關(guān)是無觸點非接觸式的，磨損率極小。電容式指紋傳感器指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。2.3電感式傳感器

電感式傳感器是利用電感元件把被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電感的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓(或電流)信號。它可把各種物理量如位移、壓力、流量等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電輸出。因此，能滿足信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制等方面的要求，在自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。電感式傳感器有如下幾個特點：(1)結(jié)構(gòu)簡單，無活動電觸點，工作可靠，壽命較長；(2)靈敏度和分辨率高。電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出；(3)線性度和重復(fù)性比較好，在一定位移(如幾十微米至幾毫米)內(nèi)，傳感器非線性誤差可做到0.05％~0.1％，并且穩(wěn)定性好。2.3電感式傳感器1．自感式電感傳感器1)自感式電感傳感器原理自感式電感傳感器主要用來測量位移或者是可以轉(zhuǎn)換成位移的被測量，如振動、厚度、壓力、流量等。工作時，銜鐵通過測桿與被測物體相接觸，被測物體的位移將引起線圈電感量的變化，當(dāng)傳感器線圈接入測量轉(zhuǎn)換電路后，電感的變化將被轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，從而完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換。2.3電感式傳感器2．互感式電感傳感器互感式電感傳感器是利用線圈的互感作用將位移轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢的變化?；ジ惺诫姼袀鞲衅鲗嶋H上是一個具有可動鐵芯和兩個次級線圈的變壓器。變壓器初級線圈接入交流電源時，次級線圈因互感作用產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)互感變化時，輸出電勢亦發(fā)生變化。由于它的兩個次級線圈常接成差動的形式，故又稱為差動變壓器式電感傳感器，簡稱差動變壓器。差動變壓器式加速度傳感器穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器～220Va輸出1懸臂梁；2差動變壓器；3銜鐵12a3

用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果?？蓽y量的振幅為(0.1～5)mm，振動頻率為(0～150)Hz。1接頭；2膜盒；3底座；4線路板；5差動變壓器；6銜鐵；7罩殼1234567微壓力變送器可分檔測量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號電壓為(0～50)mV，精度為1.5級。電感測微儀探頭測量電橋交流放大相敏檢波指示器振蕩器測量力或壓力張力測量2.4磁電式傳感器磁電傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運動速度變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。它不需要輔助電源就能把被測對象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為易于測量的電信號，是一種有源傳感器，有時也稱為電動式或感應(yīng)式傳感器。制作磁電式傳感器的材料有導(dǎo)體、半導(dǎo)體、磁性體、超導(dǎo)體等。利用導(dǎo)體和磁場的相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的電磁感應(yīng)原理，可制成各種類型的磁電式傳感器和磁記錄裝置；利用強磁性體金屬的各向異性磁阻效應(yīng)，可制成強磁性金屬磁敏器件；利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)可制成磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三圾管等。磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用

1.振動測量

磁鐵與線圈之間相對運動，運動速度接近振動速度，磁路氣隙中的線圈切割磁力線，產(chǎn)生于正比振動速度的感應(yīng)電動勢2磁電式扭矩傳感器3電磁流量計第三節(jié)物性傳感器3.1壓電式傳感器3.2半導(dǎo)體敏感元件3.3光電傳感器3.4霍爾傳感器3.1壓電式傳感器某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。

逆向壓電效應(yīng)是指當(dāng)某晶體沿一定方向受到電場作用時，相應(yīng)地在一定的晶軸方向?qū)a(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，又稱電致伸縮效應(yīng)。當(dāng)外加電場撤去后，晶體內(nèi)部的應(yīng)力或變形也隨之消失。3.1壓電式傳感器壓電材料具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)叫壓電材料，常見的壓電材料分為三類：壓電晶體、多晶壓電陶瓷和新型壓電材料。1)壓電晶體石英是典型的壓電晶體，石英具有很大的機(jī)械強度，在研磨質(zhì)量好時，可以承受700~1000kg／mm2的壓力，并且機(jī)械性質(zhì)也較穩(wěn)定。除天然石英和人造石英晶體外，近年來鈮酸鋰LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、鍺酸鋰LiGeO3等許多壓電單晶在傳感技術(shù)中也獲得廣泛應(yīng)用。3.1壓電式傳感器2)多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶體，主要有極化的鐵電陶瓷(鈦酸鋇)等。由于壓電陶瓷的壓電常數(shù)大，靈敏度高，價格低廉，在一般情況下，都采用它作為壓電式傳感器的壓電元件。3.1壓電式傳感器3)新型壓電材料新型壓電材料主要有有機(jī)壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體等。有機(jī)壓電薄膜是由某些高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電場極化后形成的具有壓電特性的薄膜，如聚仿氟乙烯、聚氖乙烯等。壓電半導(dǎo)體是指既具有半導(dǎo)體特性又具有壓電特性的材料，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。3.1壓電式傳感器壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的輸出信號很微弱，而且內(nèi)阻很高，一般不能直接顯示和記錄，需要采用低噪聲電纜把信號送到具有高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器有兩個作用，一是放大壓電傳感器的微弱輸出信號；另一作用是把傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。如圖是壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。圖1壓力式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式傳感器的應(yīng)用傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1~0.5mm，外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過d11實現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。圖2壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖例1壓電式加速度傳感器當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即F=ma式中：F——質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力；

m——質(zhì)量塊的質(zhì)量；

a——加速度。與加速度a成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。此時慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為例2壓電式壓力傳感器圖3壓電式測壓傳感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導(dǎo)電片p當(dāng)膜片受到壓力F作用后，在壓電晶片表面上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為即：壓電式壓力傳感器的輸出電荷q與輸入壓強P成正比。例3壓電式聲傳感器壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)圖鋁頭螺釘黃銅尾部壓電陶瓷圓環(huán)當(dāng)交變信號加在壓電陶瓷片兩端面時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長和縮短。當(dāng)一定頻率的聲頻信號加在換能器上時，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號轉(zhuǎn)換成了交變電信號。這時的聲傳感器就是聲頻信號接收器。如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器。例4壓電式流量計圖4壓電式流量計流量顯示輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電超聲換能器每隔一段時間(如1/100s)發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。例5壓電式傳感器在測漏中的應(yīng)用ABO點LALB地面L如果地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動從O點向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點放兩只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間差可計算出LA或LB。兩者時間差為Δt=tA-tB=（LA-LB

）/v又L=LA+LB，所以例6壓電聲傳感器在超聲速測量實驗中的應(yīng)用圖5超聲速測量實驗裝置信號發(fā)生器S1示波器頻率計S2l游標(biāo)卡尺當(dāng)信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦交流信號加在壓電陶瓷片兩端面時，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機(jī)械振動，在空氣中激發(fā)出聲波。所以，換能器S1是聲頻信號發(fā)生器。當(dāng)S發(fā)出的聲波信號經(jīng)過空氣傳播到達(dá)換能器S2時，空氣振動產(chǎn)生的壓力作用在S2的壓電陶瓷片上使之出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，在示波器上就能檢測出該交變信號。所以，換能器S2是聲頻信號接收器。返回3.2半導(dǎo)體敏感元件隨著材料科學(xué)的發(fā)展，各種新型半導(dǎo)體材料不斷被研制出來，以這些新型半導(dǎo)體材料制成的各種類型的傳感器，按照前面的分類方法，也可以分為結(jié)構(gòu)型(如各種電阻敏感元件及敏感電極等)和物性型(如各種光電、熱電、磁電轉(zhuǎn)換元件)兩大類。3.2半導(dǎo)體敏感元件1．半導(dǎo)體熱敏電阻1)分類及特性半導(dǎo)體熱敏電阻按半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型，即負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)、正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和在某一特性溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻(CTR)。使用CTR組成熱控制開關(guān)是十分理想的，但在溫度測量中，則主要采用NTC3.2半導(dǎo)體敏感元件2)使用時的注意事項在使用熱敏電阻時，也要注意到自熱效應(yīng)問題,但是，必須特別注意的有如下兩點Ⅰ．熱敏電阻溫度特性的非線性熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律，也就是說，其非線性是十分嚴(yán)重的。當(dāng)需要進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換時，就應(yīng)考慮其線性化處理II．熱敏電阻器特性的穩(wěn)定性和老化問題早期熱敏電阻器的應(yīng)用曾因其特性的不穩(wěn)定、分散性、缺乏互換性和老化問題而受到限制。近十幾年來，隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高，產(chǎn)品性能已得到很大的改善?，F(xiàn)在已研制出精度優(yōu)于熱電偶，并具有互換性的熱敏電阻，而且還能制造出300℃以下可忽略老化影響的產(chǎn)品。但不同廠家產(chǎn)品質(zhì)量差異還比較大，使用時仍應(yīng)認(rèn)真選擇。3.2半導(dǎo)體敏感元件2．氣敏電阻氣敏電阻是由金屬氧化物燒結(jié)而成的半導(dǎo)體電阻元件，當(dāng)環(huán)境中氣體的成分或濃度發(fā)生變化時，導(dǎo)致氣敏電阻的阻值發(fā)生變化，其變化范圍在103~105數(shù)量級之間。氣敏電阻半導(dǎo)體材料亦分為N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體兩種。N型材料如SnO2、ZnO、CdO、W2O3、MnO2、ThO2、TiO2等；P型材料如MoO2、NiO、CoO、Cu2O、Cr2O3等，均為金屬氧化物。其工作機(jī)理主要是由于各種可燃性氣體的離解能比較小，容易失去電子，在遇到N型半導(dǎo)體材料時，由于其晶格氧離子缺位，氣體中的電子向半導(dǎo)體移動，使半導(dǎo)體中載流子濃度增加，內(nèi)阻減?。划?dāng)遇到P型導(dǎo)體材料時，由于其陽離子缺位，呈空穴導(dǎo)電性，使半導(dǎo)體中載流子濃度下降，內(nèi)阻增加。3.2半導(dǎo)體敏感元件氣敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。圖中1為氣敏半導(dǎo)體材料，體積很小，直徑在1mm以內(nèi)；2為加熱電極；3為引出端電極，均為φ0.05mm鉑電阻絲。在四個電極的支摔下封裝在不銹鋼防爆網(wǎng)內(nèi)，構(gòu)成氣敏電阻。應(yīng)用舉例

1）低功耗超溫報警器在日常生活和生產(chǎn)實踐中,有許多需要對環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)視、報警和控制的例子,例如防火、大棚溫度、冷庫、賓館和糧倉等。利用溫敏Z—元件,可以研制出多種低功耗控溫及報警裝置。圖10.3的報警器中,溫度傳感器使用溫敏Z—元件,而且是反向使用。Z—元件的反向電流是隨著環(huán)境溫度的升高而增大。圖10.3低功耗超溫報警器電路

2）冰柜溫控器隨著人們生活水平的提高,對低溫冷藏類家用電器的需求日益增加。Z—元件低溫工作性能獨特,非常適合開發(fā)各種低溫工作的溫控器。圖10.4溫控器的溫度傳感器使用溫敏Z—元件,其工作方式為M1區(qū)向M3區(qū)轉(zhuǎn)換而輸出的“+”跳變信號,用以觸發(fā)可控硅V8從而使繼電器J1動作,J1的觸點JI-1接通致冷泵M,使其運轉(zhuǎn),而觸點J1-2斷開。圖10.4冰柜溫控器電路3.3光電傳感器

光電傳感器能將被測量的變化通過光信號的變化轉(zhuǎn)換成電信號〔電壓、電流、電阻等)。具有這種功能的材料稱為光敏材料，用光敏材料制成的器件稱光敏器件光傳感器的精度高，分辨力高、可靠性高、抗干擾能力強，并可進(jìn)行非接觸測量。除可直接檢測光信號外，還可間接測量位移、速度、加速度、溫度、壓力等物理量，所以它的發(fā)展很快，獲得廣泛應(yīng)用3.3光電傳感器

光的特性光具有波粒二象性，既具有波動的本性，又具有粒子的特性1．光電管（1）結(jié)構(gòu)光電陰極有的是帖附在玻璃泡內(nèi)壁，有的是涂在半圓筒形的金屬片上。陰極對光敏感的一面是內(nèi)向的。在陰極前裝有單根金屬絲或環(huán)狀的陽極。光電陽極真空玻璃泡光電陰極光電陽極光電陰極（２）原理當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。3.3光電傳感器充氣光電管的結(jié)構(gòu)基本與真空光電管相同，只是管內(nèi)充以少量的惰性氣體，如氖氣等。當(dāng)光電管陰極被光線照射產(chǎn)生電子后，在趨向陽極的過程中，由于電子對氣體分子的撞擊，將使惰性氣體分子電離，從而得到正離子和更多的自由電子，使電流增加，提高了光電管的靈敏度。但充氣光電管的頻率特性較差，溫度影響大，伏安特性為非線性等，所以在自動檢測儀表中多采用真空光電管。3.3光電傳感器

光敏電阻1)結(jié)構(gòu)和原理光敏電阻又稱為光導(dǎo)管。光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成。光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡單。在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導(dǎo)體層可靠地電接觸，然后，將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小3.3光電傳感器光敏二極管和光敏三極管1)結(jié)構(gòu)及工作原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它裝在透明玻璃外殼中，PN結(jié)位于管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)。在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，反向電流也叫暗電流，這時光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)光照射時，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，工作原理與光電池類似。光敏三極管的結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，有PNP型和NPN型兩種光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器應(yīng)用舉例1．反射式煙霧報警器（a）結(jié)構(gòu)（b）電路圖3.45煙霧報警器光電傳感器的應(yīng)用

2．光電轉(zhuǎn)速計光電轉(zhuǎn)速計如圖6.22所示。在待測轉(zhuǎn)速鈾上固定一帶孔的設(shè)置盤，在設(shè)置盤一邊為恒光源，另一邊接光電轉(zhuǎn)換器。當(dāng)光電轉(zhuǎn)換器V1無光照時，V1、T1、T2截止，T3飽和，UO為低電平。當(dāng)恒光源產(chǎn)生的光通過小孔照到光電傳感器上，即V1有光照時，V1、T1、T2導(dǎo)通、T3截止，UO為高電平，因此轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，電路就輸出一個脈沖信號，送入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，通過計算可以得出轉(zhuǎn)速，并可通過顯示器進(jìn)行顯示。光電傳感器的應(yīng)用圖3.46光電轉(zhuǎn)速計光電傳感器的應(yīng)用3．條形碼掃描筆掃描筆的結(jié)構(gòu)如圖6.23所示，前方為光電讀入頭，當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管發(fā)出的光線將被黑線吸收，光敏三極管接受不到反射光，呈現(xiàn)高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)遇到白色間隔時，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。整個條形碼被掃描筆掃過之后，光敏三極管將條形碼變成了一個個電脈沖信號，該信號經(jīng)放大、整形后便形成了脈沖列，再經(jīng)計算機(jī)處理后，完成對條形碼信息的識讀。圖6.23條形碼掃描筆3.4霍爾傳感器

1．霍爾效應(yīng)1879年，霍爾發(fā)現(xiàn)在通有電流的金屬板上加一勻強磁場，當(dāng)電流方向與磁場方向垂直時，在與電流和磁場都垂直的金屬板的兩表面間出現(xiàn)電勢差，這個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，這個電勢差稱為霍爾電動勢。3.4霍爾傳感器

2．霍爾元件由于導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)很弱，霍爾元件都用半導(dǎo)體材料制作。目前常用的霍爾元件材料是N型硅，它的霍爾靈敏度系數(shù)、溫度特性、線性度均較好。3.4霍爾傳感器霍爾元件的應(yīng)用1)利用U與I的關(guān)系當(dāng)磁場恒定時，在一定溫度下，霍爾電勢U與控制電流I呈很好的線性關(guān)系，利用這一特性，霍爾元件可用于直接測量電流，也可用于測量能轉(zhuǎn)換為電流的其他物理量。2)利用U與B的關(guān)系當(dāng)控制電流一定時，霍爾電勢與磁感應(yīng)強度成正比。利用這個關(guān)系可以測量交、直流磁感應(yīng)強度、磁場強度等。3.4霍爾傳感器3)利用U與I、B的關(guān)系如果控制電流為I1，磁感應(yīng)強度B由勵磁電流I2產(chǎn)生，則霍爾電勢可表示為利用上述乘法關(guān)系，將霍爾元件與激勵線圈、放大器等組合起來，可以做成模擬運算的乘法器、開方器、平方器、除法器等各種運算器?；魻杺鞲衅饔糜跍y量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號?；魻栐盆F霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準(zhǔn)確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。

汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理

采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準(zhǔn)確、高速時動力足。桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖

1-觸發(fā)器葉片

2-槽口

3-分電器轉(zhuǎn)軸

4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

a）帶缺口的觸發(fā)器葉片

b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點火正時的關(guān)系

霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續(xù)）

當(dāng)葉片遮擋在霍爾IC面前時，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。

汽車電子點火電路及波形

1—點火開關(guān)2—達(dá)林頓晶體管功率開關(guān)3—點火線圈低壓側(cè)4—點火線圈鐵心5—點火線圈高壓側(cè)

6—分火頭

7—火花塞

a）電路

b）霍爾IC及點火線圈高壓側(cè)輸出波形

當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖剑?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達(dá)林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出30~50kV的高電壓。

汽車電子點火裝置使用的點火控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵點火總成霍爾式無刷電動機(jī)

霍爾式無刷電動機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機(jī)的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

普通直流電動機(jī)使用的電刷和換向器無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

電動自行車可充電電池組無刷電動機(jī)無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

無刷直流電動機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強等特點。電動自行車的無刷電動機(jī)及控制電路去速度控制器利用PWM調(diào)速光驅(qū)用的無刷電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT霍爾電流傳感器

將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

I所實現(xiàn)的多媒體界面：I其他霍爾電流傳感器其他霍爾電流傳感器（續(xù)）霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導(dǎo)線未放入鐵心時示值為零70.9A鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示70.9A霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中將空調(diào)電源的“三芯護(hù)套線”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)）叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測量電動機(jī)的相電流霍爾式電流諧波分析儀

被測電流的諧波頻譜鐵心的開合縫隙

鐵心的杠桿壓舌第四節(jié)其他類型傳感器

一、超生波傳感器為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波測距原理：超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質(zhì)中傳到相介面經(jīng)過反射后，再返回到接收探頭。超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，以產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)則將接收的超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。

1.超聲檢測儀

超聲檢測設(shè)備和器材包括超聲波檢測儀、探頭、試塊、耦合劑和機(jī)械掃查裝置等。超聲檢測儀和探頭對超聲檢測系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵性的作用，是產(chǎn)生超聲波并對經(jīng)材料中傳播后的超聲波信號進(jìn)行接收、處理、顯示的部分。由這些設(shè)備組成一個綜合的超聲檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體性能不僅受到各個分設(shè)備的影響，還在很大程度上取決于它們之間的配合。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的提高，對檢測的可靠性、速度提出了更高的要求，以往的手工檢測越來越多地被自動檢測系統(tǒng)取代。

（一）超聲波檢測方法

2.超聲檢測方法

超聲波檢測儀是超聲檢測的主體設(shè)備，是專門用于超聲檢測的一種電子儀器。它是根據(jù)超聲波傳播原理、電聲轉(zhuǎn)換原理和無線電測量原理設(shè)計的，種類繁多，性能也不盡相同，脈沖式超聲波檢測儀應(yīng)用最廣泛。(1)超聲波檢測儀的作用。它的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于換能器——探頭，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時將探頭送回的電信號進(jìn)行放大處理后以一定方式顯示出來，從而得到被探測工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷的位置和大小等信息。

（2）按缺陷顯示方式分類：脈沖式檢測儀按回波信號的顯示方式又可分為A型顯示、B型顯示和C型顯示三種類型。

A型顯示是一種波形顯示，屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時間（或距離），縱坐標(biāo)代表反射波的聲壓幅度?？梢哉J(rèn)為該方式顯示的是沿探頭發(fā)射聲束方向上一條線上的不同點的回波信息。圖為A型顯示原理圖，T表示發(fā)射脈沖，F(xiàn)表示來自缺陷的回波，B表示底面回波。A型顯示的缺點：難以判斷缺陷的幾何形狀，缺乏直觀性。A型顯示原理圖

B型顯示顯示的是試件縱斷面的一個二維截面圖，屏幕縱坐標(biāo)代表探頭在探測面上沿一直線移動掃查的位置坐標(biāo)，橫坐標(biāo)是聲傳播的時間（或距離）。該方式可以直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。B型顯示原理圖

C型顯示顯示的是試件橫斷面的一個平面投影圖，探頭在試件表面做二維掃查，屏幕的二維坐標(biāo)對應(yīng)探頭的掃查位置。探頭在每一位置接收的信號幅度以光點輝度表示。該方式可形象地顯示工件內(nèi)部缺陷的平面投影圖像，但不能顯示缺陷的深度。

C型顯示原理圖

A型超聲波探傷起始波缺陷反射波底波工件缺陷鋼軌探傷車滑板式探頭高速鋼軌探傷車鐵路鋼軌探測用的滾軸式探頭（也稱做輪式探頭）鐵路鋼軌探頭鐵路鋼軌對接焊縫探測用探頭缺陷鐵路鋼軌探傷用滑板式探頭焊縫管道環(huán)焊縫

超聲波檢測裝置管道環(huán)焊縫超聲波檢測裝置原理超聲探傷儀構(gòu)件的超聲探傷構(gòu)件的超聲探傷構(gòu)件的超聲探傷第四節(jié)其他類型傳感器二、微波傳感器由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收通過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號，再由測量電路處理，就實現(xiàn)了微波檢測。根據(jù)這一原理，微波傳感器可分為反射式與遮斷式兩種。(1)反射式傳感器通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過時間間隔，來表達(dá)被測物的位置、厚度等參數(shù)。(2)遮斷式傳感器通過檢測接收天線接收到的微波功率的大小，來判斷發(fā)射天線與接收天線間有無被測物或被測物的位置等參數(shù)。第四節(jié)其他類型傳感器

三、紅外探測器

紅外探測器一般由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和信號調(diào)制器組成。光學(xué)系統(tǒng)是紅外探測器的重要組成部分。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為反射式光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測器和透射式光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測器兩種。第四節(jié)其他類型傳感器四、射線式傳感器射線式傳感器主要由放射源和探測器組成，利用射線式傳感器進(jìn)行測量時，都要有可發(fā)射出粒子αβ或γ射線的輻射源。選擇射線源應(yīng)盡量提高檢測靈敏度和減小統(tǒng)計誤差。為避免經(jīng)常更換放射源，要求采用的同位素有較長的半衰期及合適的放射強度。因此，盡管放射性同位索種類很多，但能用于測量的有二十種左右。放射線源的結(jié)構(gòu)應(yīng)使射線從測量方向射出，而其他方向則必須使射線的劑量盡可能小，以減少對人體的危害。β射線輻射源一般為圓盤狀，γ射線輻射源一般為絲狀、圓柱狀或團(tuán)片狀。圖所示為β厚度計輻射源容器，射線出口處裝有輻射薄膜，以防灰塵浸入，并能防止放射源受到意外損傷而造成污染。第五節(jié)傳感器的選用原則5.1傳感器的選用指標(biāo)5.2傳感器的選擇與應(yīng)用5.1傳感器的選用指標(biāo)1．靈敏度我們總希望傳感器的靈敏度越高越好。因為靈敏度越高，意味著傳感器感知的變化量越小，即被測量稍有一微小變化時，傳感器就有較大反響。一般來講，檢測精度越高，就要求傳感器具有較高的靈敏度。然而要考慮到，當(dāng)靈敏度高時，與測量信號無關(guān)的外界噪聲也容易混入，并且噪聲也會被放大系統(tǒng)放大。過高的靈敏度將會影響其適用測量范圍。*傳感器的單向靈敏度越高越好，而橫向靈敏度越低越好5.1傳感器的選用指標(biāo)2．響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件。實際傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，但希望延遲時間越小越好。一般來講，利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等制作的物性型傳感器，其響應(yīng)時間短，可工作頻率范圍寬。而結(jié)構(gòu)型(如電感、電容、磁電式)傳感器等，由于受結(jié)構(gòu)特性的影響，以及機(jī)械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，其固有頻率較低。在動態(tài)測量中，傳感器的響應(yīng)特性對測試結(jié)果有直接影響。在選用時，應(yīng)充分考慮到被測物理量的變化特點(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等)。5.1傳感器的選用指標(biāo)3．線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。線性范圍越寬，表明傳感器的工作量程越大。然而，任何傳感器都不容易保證其絕對線性，某些情況下，在保證檢測精度的前提下，可利用其近似線性區(qū)。例如，變間隙型電容傳感器、電感式傳感器等，均采用在初始間隙附近的近似線性區(qū)內(nèi)工作。選用時必須考慮被測物理量的變化范圍，令其非線性誤差在允許的范圍之內(nèi)。在進(jìn)行自動檢測的情況下，可利用微機(jī)系統(tǒng)，通過軟件對傳感器的輸出特性進(jìn)行線性補償，往往可以使其線性范圍擴(kuò)大很多。5.1傳感器的選用指標(biāo)4．穩(wěn)定性穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)過長時間使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能，和傳感器在正常工作條件下，環(huán)境參數(shù)(如溫度、濕度、大氣壓力等)的變化對其輸出特性影響程度的指標(biāo)。因而，影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。為了保證穩(wěn)定性，在選定傳感器之前，應(yīng)對使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以選擇較合適的傳感器類型。例如濕度會影響電阻應(yīng)變式傳感器的絕緣性能；溫度的變化將產(chǎn)生零點漂移；長期使用會發(fā)生蛹變現(xiàn)象等。又如：變間隙型電容傳感器，環(huán)境濕度或油劑侵入間隙時，相當(dāng)于電容器的介質(zhì)發(fā)生變化；光電式傳感器感光表面有塵?；蛩麜r，要導(dǎo)致靈敏度下降；磁電式傳感器在電場或磁場中工作時，亦會帶來測量誤差等等。5.1傳感器的選用指標(biāo)5．精確度傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。傳感器處于檢測系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實地反映被測量值，對整個系統(tǒng)具有直接影響。在實際工作中，并非要求傳感器的精確度越高越好。傳感器的精確度越高價格也越昂貴。因此應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)性從實際出發(fā)來選擇。在確定傳感器的精確度時，首先應(yīng)了解檢測的目的和要求，判定是定性分析還是定量分析。如果是屬于相對比較性的試驗研究，只需獲得相對比較值即可，那么要求傳感器的精密度高，而無需要求絕對量值。如果是進(jìn)行定量分析，那