传感器的分类和应用<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" /> |
传感器的种类繁多。在工程测试中，一种物理量可以用不同类型的传感器来检测;而同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。 |
4传感器的发展动向 |
最近十几年来，由于对传感器在信息社会中的作用有了新的认识和评价，各国都将传感器技术列为重点发展技术。 当今，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 利用物理现象、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。例如，利用某些材料的化学反应制成的识别气体的"电子鼻"；利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。 在我国近20年来，传感器虽然有了较快的发展，有不少传感器走上市场，但大多数只能用于测量常用的参数、常用的量程、中等的精度，远远满足不了我国四个现代化建设的要求。而与国际水平相比，我国的传感器不论在品种、数量、质量等方面，都有较大的差距。为此，努力开发各种新型传感器，以满足我国四化建设的需要，是摆在我国科技工作者面前的紧迫任务。 |
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电阻式传感器的基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。按其工作原理可分为变阻器式(电位器式)、电阻应变式和固态压阻式传感器三种。 | ||
3.2.1 变阻器式传感器 |
1 变阻器式传感器工作原理 |
变阻器式传感器也称电位器式传感器，其工作原理是通过改变电路中电阻值的大小，将物体的位移转换为电阻的变化。根据式
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式中—电位器的电阻灵敏度。相应电刷位移x的电压输出U0为:
式中—电位器的电压灵敏度。当电阻丝直径与材质一定时，则电阻R随导线长度l而变化。常用电位器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如图所示。
2 变阻式传感器的优点 |
变阻式传感器的优点是
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。它的缺点是: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，分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。
3 变阻式传感器的应用 |
变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。
下图是变阻式传感器位移传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥臂，构成电桥测量电路。
3.2.2 电阻应变式传感器 |
1.应变式传感器的工作原理 |
电阻应变式传感器简称电阻应变计，它是用高电阻率的细金属丝，绕成如图所示的栅状敏感元件1，用粘结剂牢固地粘在基底2、4之间，敏感元件两端焊上较粗的引线3。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得应力、变形、扭矩等机械参数。
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。
若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，其未受力时的电阻为R，则:
(3.2-1)
式中R—金属丝的电阻值(Ω)；ρ—金属丝的电阻率(mm2/m)；L—金属丝的长度(m)；S—金属丝的截面积(mm2)。
如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S变化dS，电阻率ρ变化，因而引起电阻R变化dR。将式(3.2-1)微分，整理可得:
(3.2-2)
对于圆形截面有:
(3.2-3)
为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；而则为电阻丝径向相对伸长，即径向应变，两者之比即为金属丝材料的泊松系数μ，负号表示符号相反，有:
(3.2-4)
将式(3.2-4)代入(3.2-3)得:
(3.2-5)
将式(3.2-5)代入(3.2-2)，并整理得:
(3.2-6)
或
(3.2-7)
K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是:单位应变所引起的电阻相对变化。由式(3.2-7)可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响:一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即项。对于金属材料项比项小得多。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数
K0=1+2μ=常数
通常金属电阻丝的K0=1.7～3.6之间。
2应变计的主要参数 |
应变计的主要参数有：
（1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L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。
3金属电阻应变片 |
金属电阻应变片分为丝式、箔式两种。金属丝电阻应变片的典型结构见图。它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。
金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，是用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见图。
4电阻应变式传感器应用 |
电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面。
1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。
2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换为电阻变化的输出。典型应用见图。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。
3.2.3 固态压阻式传感器 |
1 工作原理 |
半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料，故仍可用式(3.2-6)来表达。对于金属材料来说，比较小，但对于半导体材料，，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由引起的，即
(3.2-9)
由半导体理论可知：
(3.2-10)
式中πL—沿某晶向L的压阻系数；Eε—沿某晶向L的应力；E—半导体材料的弹性模量。
则半导体材料的灵敏系数K0为
(3.2-11)
如半导体硅，L=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011N/m2，则k0=πLE＝50～100。显然半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。
最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。
2压阻式传感器的特点 |
压阻式传感器优点是:①灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；②分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压；③测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；④可测量低频加速度和直线加速度。其最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。
3固态压阻式传感器的应用 |
固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。
利用压阻效应构成的半导体加速度敏感元件如图。悬臂梁3由于加速度而产生位移，该位移引起扩散压阻层区域变形从而引起压阻层电阻变化，检测器电阻变化即可检测出加速度大小。在100Hz左右的带宽中，可检测（0.001—50）g（9.8m/s2)的加速度。
如图是一个采用单晶硅作成的悬臂梁式弹性元件，并且采用平面扩散工艺技术，在它上面形成四个性能一致的电阻，构成全桥；在梁的自由段连接上敏感质量块，组成悬臂梁应变式加速度传感器。
电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它把被测量转化为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。 |
3.3.1可变磁阻式电感传感器 |
可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙δ。根据电磁感应定律，当线圈中通以电流i时，产生磁通，其大小与电流成正比，即
（3.3-1）
式中，W—线圈匝数; L—线圈电感，单位为亨(H)；
根据磁路欧姆定律，磁通为：
(3.3-2）
式中—磁动势(A)；—磁阻(H-1)。
所以，线圈电感(自感)可用下式计算:
(3.3-3)
如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为：
（3.3-4)
式中: —导磁体 (铁芯)的长度(m)；
—铁芯导磁率(H/m)；
s—铁芯导磁横截面积(m2)，；
δ—空气隙长度(m);
—空气导磁率；
—空气隙导磁横截面积(m2)；
因为，则
（3.3-5）
因此，自感L可写为：
（3.3-6）
上式表明，自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积S0成反比。当固定S0不变，变化δ时，L 与δ呈非线性（双曲线）关系，如上图所示。此时，传感器的灵敏度为
（3.3-7）
灵敏度S与气隙长度的平方成反比，δ愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定δ在较小的范围内工作。例如，若间隙变化范围为（），则灵敏度为
（3.3-8）
由上式可以看出，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。实际应用中，一般取。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1 mm.
如将δ固定，变化空气隙导磁截面积S0时，自感L与S0呈线性关系如图所示。
几种常用可变磁阻式传感器的典型结构有:可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如图。
3.3.2 涡流式电感传感器 |
1 涡流传感器原理 |
涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为为δ，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量Φ金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为"涡电流"或"涡流"。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h，金属板与线圈的距离δ，激励电流角频率ω等参数有关。若改变其中某二参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。
涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。 | ||
2 高频反射式涡流传感器 | ||
如上图所示，高频(>lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，其变化与距离认金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i，及角频率ω等有关，若只改变距离δ而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。
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3低频透射式涡流传感器 | ||
低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈ω2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。 | ||
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4 涡流是传感器的应用 | ||
涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数测量，它可实现非线性测量，下图是涡流式传感器测厚和涡流式传感器零件计数的例子。 | ||
3.3.3 差动变压器式电感传感器 |
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互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。 |
差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图所示。传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感压电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1>e2，ey>0;当活动衔铁向下移时，即e1<e2，ey<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化，输出特性如图所示。 |
值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。 |
图所示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理，当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。 |
差动变压器式传感器具有精度高达0.lμm量级，线圈变化范围大(可扩大到士l00mm，视结构而定)结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移及其他压力、振动等参量的测量。 |
电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或和被测物）就是一个可变电容器。 |
3.4.1电容式传感器的变换原理 |
以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为: (3.4-1) | ||
式中ε0—真空的介电常数，(ε0=8.854×10-12F/m）； S—极板的遮盖面积（m2)； ε—极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1； δ—两平行极板间的距离（m)。 上式表明，当被测量δ、S或ε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，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。 | ||
3.4.2 极距变化型电容式传感器的变换原理 |
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极距变化型电容式传感器的结构原理见图。根据式（3.4-1），如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为：
由此可得到传感器的灵敏度为：
从上式可看出，灵敏度K与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量C与极距δ呈非线性关系，故这将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围。一般取极距变化范围为，此时，传感器的灵敏度近似为常数。实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。
3.4.3 面积变化型电容式传感器的变换原理 |
改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。
图为典型的角位移型电容是传感器。当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就变化，因而导致电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为：
电容量为：
其灵敏度为：
线位移型电容式传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种。见下图。
对于平面线位移型电容传感器当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电容量为：
其灵敏度为：
对于圆柱线位移型电容器的电容为:
式中x—外圆筒与内圆筒覆盖部分长度（m)；r1、r2—外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径（m)。
当覆盖长度x变化时，电容量变化，其灵敏度为：
上述可知，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。
3.4.4 介质变化型电容式传感器的变换原理 |
变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。 | ||
若忽略边缘效应，图a、b、c所示传感器的电容量与被测量的关系为: 式中δ、h 、ε0——两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数； δx、hx、ε——被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数； l、b、ax——固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）； r1、r2——内、外极筒的工作半径。 | ||
3.4.5电容式传感器的测量电路 |
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将电容量转换成电量 (电压或电流)的电路称作电容式传感器的转换电路，它们的种类很多，目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频电路及运算放大电路等。 | |
1电桥电路 | |
图所示为电容式传感器的电桥测量电路。电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，该图所示为一种电感、电容组成的电桥。由电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。 | |
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2谐振电路 | |
图所示为谐振式电路的原理框图，电容传感器的电容C3作为谐振回路(L2、C2、C3)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。 为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内，最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。 | |
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这种电路的优点是比较灵活;其缺点是工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的杂散电容对电路的影响较大，同时为了提高测量精度，要求振荡器的频率具有很高的稳定性。 | |
3调频电路 | |
传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化时，振荡器的振荡频率将发生变化，频率的变化经过鉴频器转换为电压的变化，经过放大处理后输入显示或记录等仪器。 | |
4运算放大器电路 | |
前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压约与位移的关系转换为线性关系。如图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为 | |
代入，得
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由式可知，输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。 | |
压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。 | |
3.5.1压电效应 |
某些物质(物体)，如石英、铁酸钡等，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，表面上也会产生电荷;当外力去掉时，又重新回到原来的状态。这种现象称之为压电效应。相反，如果将这些物质 (物体)置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质 (物体）产生机械变形的现象，称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或称为压电元件)。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。 | |
压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵;酒石酸二钾、硫酸锤等);多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中。可以把它用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴;通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴;与X一X轴和Z一Z轴垂直的y一y轴 (垂直于六棱柱体的棱面)，称为机械轴，如图所示。 | |
如果从石英晶体中切下一个平行六面体(如图）并使其晶面分别平行于z一z、y一y、x一x轴线。晶片在正常情况下呈现电性，若对其施力，则有几种不同的效应。通常把沿电轴(x铀)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为"纵向压电效应"；把沿机械轴 (y轴)方向的作用力产生的压电效应称为"横向压电效应"；在光轴(z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。 | |
3.5.2压电式传感器及其等效电路 | |
最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。 | ||
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如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷量将保持不变。这时在极板上积聚的电荷与力的关系为 q=DF | ||
式中，q为电荷量；F为作用力(N)；D为压电常数(C/N)，与材质及切片的方向有关。 | ||
上式表明，电荷量与作用力成正比。当然，在作用力终止时，电荷就随之消失。显然，若要测得力值F，主要问题是如何测得电荷值。值得注意的是:利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。 | ||
在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，而常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上。并接时，传感器的电容量大，输出电荷量大，时间常数大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出情号，串联方法，正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，串联时，传感器本身的电容量小，响应较快，输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。 | ||
3.5.3测量电路 |
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由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或证录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。） | ||
前置放大器的作用有两点;其二是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出;其二是放大传感器输出的微弱电信号。 | ||
前置放大器电路有两种形式:一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比;另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。 | ||
电荷放大器的等效电路如图所示，由于忽略了漏电阻，所以电荷量为 | ||
式中，ui为放大器输入端电压；uo为放大器输出端电压，uo=-kui，其中k为电荷放大器开环放大倍数；ci为放大器输入电容；cf为电荷放大器反馈电容。上式可简化为: | ||
如果放大器开环增益足够大，则kCf>>(C+Cf),固上式可简化为：ey≈-q/Cf | ||
上式表明，在一定情况下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。 | ||
3.6.1 磁电式传感器变换原理 |
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磁感应电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。 根据法拉第电磁感应定律，N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，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即 磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。
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3.6.2 动圈式传感器 |
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下图所示为动圈式磁电感应式传感器的结构原理图。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度ω表示，则所产生的感应电动势e为 式中l—每匝线圈的平均长度 B—线圈所在磁场的磁感应强度S—每匝线圈的平均截面积 在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。 | |
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动圈式磁电传感器接等效电路，其原理如图所示，其等效电路的输出电压： 式中e0为发电线圈感应电动势；R0为线圈电阻，一般R0=0.1~3KΩ;RL为负载电阻（放大器输入电阻）；Cc为电缆导线的分布电阻，一般Cc=70pF/m；Rc为电缆导线电阻，一般Rc=0.03Ω/m。 | |
在不使用特别加长电缆时，Cc可忽略，因此，当RL>>R0时，则放大器输入电压eL≈e0。感应电动式经放大、检波后，即可推动指示仪表。使用动圈式磁电传感器，如果测量电路中接有微分网络，则可以得到加速度或位移。 | |
3.6.3 磁阻式传感器 |
磁阻式又称变磁通式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度。其结构原理如下图所示。图a为开路变磁通式，线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2(导磁材料制成)按照在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮2上齿轮的齿数和转速的乘积。图b为闭合磁路变磁通式结构示意图，被测转轴1带动椭圆形测量齿轮2在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮2转速n(r/min)成正比，即。 | ||
变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。 | ||
3.7.1磁电转换元件传感器 |
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霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、"频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。
1.霍尔效应 |
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。
假设薄片为N型半导体，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片，如图所示，在薄片左右两端通以控制电流电流I，那么半导体中的载流子(电子)将沿着于电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到磁场力FL(洛仑兹力)而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前后断面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE和FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。霍尔电势可用下式表示:
式中RH—霍尔系数，由载流材料的物理性质决定；
kH—灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小；
d —薄片厚度。
如果磁场和薄片法线有α角，那么
2.霍尔元件 |
基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1m左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4×2×0.1mm3)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。
3 应用举例 |
图是一种霍尔效应位移传感器工作原理。将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。
3.7.2 光电转换元件传感器 |
1 光电效应及分类 |
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。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应。
2 外光电效应 |
在光线作用下,物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象,称为外光电效应。根据爱因斯坦的假设,一个光子的能量只给一个电子,因此,如果要使一个电子从物质表面逸出,光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0,这时逸出表面的电子就具有动能Ek:
式中m—电子质量;
v0—电子逸出时的初速度;
h—普朗克常数,h=0.626×10-34(J·s);
γ—光的频率。
由上式可见，光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关，频率高则动能大。由于不同材料具有不同的逸出功,因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”，其波长为:，其中，c为光在空气中的速度，λ为波长，。该波长称为临界波长。基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件,有光电管、光电倍增管等。
下图为光电倍增管工作原理图。K为光电阴极,A为光电阳极,在二者之间又加入D1、D2、D3…等若干个光电倍增极(又称二次发射极),这些倍增极涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏物质。在工作时,这些电极的电位是逐级增高的,当光线照射到光电阴极后,它产生的光电子受第一级倍增极D1正电位作用,加速并打在这个倍增极上,产生二次发射;由第一倍增极D1产生的二次发射电子,在更高电位的D2极作用下,又将加速入射到电极D2上,在D2极上又将产生二次发射…,这样逐级前进,一直到达阳极A为止。由上述的工作过程可见,光电流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。
3 内光电效应 | |
受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种:光电导效应和光生伏特效应。 | |
1)光电导效应 | |
光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。 ①光敏电阻(光导管):光敏电阻是一种电阻元件,具有灵敏度高,体积小,重量轻,光谱响应范围宽,机械强度高,耐冲击和振动,寿命长等优点。图为光敏电阻的工作原理图。在黑暗的环境下,它的阻值很高,当受到光照并且光辐射能量足够大时, | |
光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度的光子激发,由价带越过禁带而跃迁到导带,使其导带的电子和价带的空穴增加,电阻率变小。光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉(CdSΔEg=2.4eV和硒化镉(CdSe,ΔEg=1.8eV)。 | |
②光敏二极管和光敏三极管:光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是光照在半导体结上而已。 | |
2）光生伏特效应 | |
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。因此光生伏特型光电器件是自发电式的,属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常用的材料,也可以使用锗。 | |
4光电传感器的应用 | |
由于光电测量方法灵活多样,可测参数众多,一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点,加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用,使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。 | |
光电传感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。下图表明了四种形式的工作方式。 | |
下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。 直射式光电转速传感器的结构见下图。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即 n=f/N 式中：n—转速 f—脉冲频率 N—圆盘开孔数。 | |
3.7.3 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。一般称为半导体热敏电阻，或简称热敏电阻。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。根据半导体理论，在一定的温度范围内，热敏电阻在温度T时的电阻为 |
式中，R0为温度T0时的电阻值，一般T0取为25?C；R为温度T时的电阻；β为材料的特性系数，一般温度范围在2000—4500K内，取β≈3400K。 由式可知，测出热敏电阻的阻值后，就可以确定被测物体的温度。 半导体热敏电阻与金属热电阻比较，有如下优点: (1)电阻温度系数大;灵敏度高，可测量微小的温度变化值；例如， 可以测出0.001—0.005?C的温度变化。 (2)体积小，热惯性小，响应快。例如，直径可小到0.5mm，响应时 间可短到毫秒级。 (3)元件本身的电阻值可达3—700kΩ，当远距离测量时，导线电阻 的影响可不考虑。 (4)在-50—350?C时的温度范围内，具有较好的稳定性。 |
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。图中，曲线上所标的是其室温下的电阻值。 |
3.7.4 气敏电阻传感器 |
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1 气敏传感器及其分类 |
气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。在现代社会的生产和生活中，会接触到各种各样的气体，需要进行检测和控制。比如化工生产中气体成份的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏；火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。 气敏传感器的种类较多，主要包括有:敏感气体种类的气敏传感器、敏感气体量的真空度气敏传感器，以及检测气体成分的气体成分传感器。前者主要有半导体气敏传感器和固体电解质气敏传感器，后者主要有高频成分传感器和光学成分传感器。由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，应用很广，因此。本节将着重介绍半导体气敏传感器。 |
2 半导体气敏传感器工作原理 |
半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。 半导体气敏传感器大体上可分为两类:电阻式和非电阻式。电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡(SnO2)、氧化锰(MnO2)等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然气、沼气等时，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。利用半导体材料 |
的这种特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。 下图所示为典型气敏元件的阻值-浓度关系。从图中可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。 |
3 应用 |
气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、CO等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。 |
3.8.1 热辐射检测传感器 |
人眼能感觉到的光(可见光)是波长为0·38~0·75μm的电磁波。可见光是由光照度来定义的，即人眼受光刺激的程度，但紫外线、红外线等作为电磁波来处理时是似物理上的能量的大小来表示的。只是由于可见光人眼能直接感受，所以很早以前就作为一门学科进行研究，同为电磁波其实并没有特别之处。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)，在此仅考虑黑体(black body)也称全辐射体(full radiator)的辐射能和波长的关系，即辐射辉度L(λ，T)。根据普朗克辐射定律有以下表达式 |
式中T为物体的温度(K)，λ是热辐射波长(m)，C1,C2为普朗克第1、第2常数，由下式表示 |
式中 C—为真空中的光速(2.998X108m/s),h为普朗克常（6.626x1034 J·S) 。 |
K—为玻尔兹曼常量(1.38066xlO-23J/K）。分光辐射辉度与波长、温度的关系如图所示。 分光辐射辉度为最大时，波长λm与此时物体温度T的积为一定值，由下式表示 此关系称为维恩位移定律。 |
2用辐射温度计测量温度 |
用辐射温度计测量温度时，基本上是测出分光辐射辉度的大小再换算成温度。此时选择什么样的波长成为关键。光探测器对不同的波长有不同的灵敏度，因此探测器的选择也很重要。 测量高温物体的温度时，因分光辐射辉度大，用短波长探测器就够了，故常用硅光电二极管（silicon photodiode)。硅光探测器(silicon cell)输出电流和光强度之间的线性非常好，而且长期稳定性好。其特性几乎不受周围温度改变的影响。随着所测温度的降低，需使用敏感长波长的探测器，如Ge，InAs，Pbs，InSb，HgCdTe等半导体检测器、热电元件、热敏电阻和辐射热测量计等热电型探测器，具有代表性的探测器对波长的依赖关系如图所示。半导体检测器的灵敏度对波长的依赖关系强，而热电型探测器对波长的依赖性较弱。 |
利用黑体校正辐射温度计的校正装置其机构如图所示。在光电二极管前放置干涉滤光器，这是测量单一波长的辐射温度计的标准形式。输出特性严格遵守式普朗克定律。若使用的波长为0.6μm，则成为1000T以上的国际标准测温计，这种标准辐射温度计首先由日本提出，后来根据大量的实验数据经不断改进而成为国际标准温度计。 |
3.8.2 超声波检测传感器 |
1声学基础知识 |
1)声波及其分类 |
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。
(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。
(2)声波:振动频率在16—2×104Hz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。
(3)超声波:高于2×1O4Hz的机械波。
(4)微波：频率在3×1O8—3×1O11Hz之间的机械波。
2)声压与声强 |
介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压。随着介质申各点声振动的周期性变化，声压也在作周期性变化，声压的单位是Pa(N/m2)。
声强又称为声波的能流密度，即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。声强是一个矢量，它的方向就是能量传播的方向，声强的单位是W/m2。
3)物质的声学特性 |
(1)声速：声波在介质申的传播速度取决于介质的密度和弹性性质。除水以外，大部分液体中的声速随温度的升高而减小，而水中的声速则随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。
(2)声阻抗特性:声阻抗特性能直接表征介质的声学性质，其有效值等于传声介质的密度ρ与声速c之积，记作Z=ρc。
声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗特性。两种介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，气体与金属材料的声阻抗特性之比，接近于1:80000，所以当声波垂直入射在空气与金属的界面上时，几乎是百分之百地被反射。
温度的变化对声阻抗特性值有显著的影响，实际中应予以注意。
(3)声的吸收:传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一。固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。例如，均匀介质对超声波的吸收并不显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。
2 超声波及其物理性质 |
1）超声波的波型 |
由于声波在介质中施力方向与声波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同，通常有以下几种。
(l)纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波，纵波能在固体、液体和气体中传播。
(2)横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直的波称为横波，横波只能在固体中传播。
(3)表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形，其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波只在固体的表面传播。
2）超声波的物理性质 |
超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透10米以上。
超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。
超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。取决于两种介质声阻抗特性。和其他声波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗特性相差10万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全部反射。
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射 (或漫射)及吸收。扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱；散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。
3 超声波传感器及应用 |
以超声波为检测手段，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。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。
1）压电式超声波传感器 |
压电式超声波传感器的结构如图所示，主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。
超声波传感器的超声波频率与压电材料的厚度关系可由下式表示:
式中，n=l，2，3，……是谐波的级数；E为压电晶片沿x轴方向的弹性模量；δ为压电晶片的厚度；ρ为压电晶片的密度。
从上式得知，压电晶片在基频工作厚度振动时，压电晶片厚度公相当于压电晶片振动的半波长，因此，可依此规律选择压电晶片的厚度。
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，由一个压电元件作为"发射"和"接收"兼用，其工作原理为：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，并将这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。
2）磁致式超声波传感器 |
磁致式超声波传感器的结构如图所示，主要由铁磁材料和线圈组成。超声波的发射原理是:把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。其接收原理是:当超声波作用在磁致材料上时，使磁致材料振动，引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的感应电势输出。
3)超声波传感器的应用 |
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。所以，超声波传感器已广泛地应用于工业、农业、轻工业以及医疗等各技术领域。
图所示为用超声波传感器(或称超声波探头)测厚的工作原理，主控制器控制发射电路，按一定频率发射出脉冲信号，此信号经过放大后，=方面加于示波器上，另一方面激励探头，发出超声波，至试件底面反射回来，再由同一探头接收，接收到的超声波信号也经放大后与标记发生器发出的定时脉冲信号同时输入示波器，在示波器荧光屏上可以直接观察到发射脉冲和接收脉冲信号，根据横轴上的标记信号，可以测出从发射到接收的时间间隔t,如果已知超声波在试件中的传播速度c，那么试件厚度h很容易求得,即h=ct/2。
3.8.3 声发射检测传感器 |
材料或结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。声发射也称应力波发射。除极少数材料外，金属和非金属材料在特定条件下都有声发射产生。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。
声发射源基本上分为四组:1）位错运动2）相变3）摩擦过程4）裂纹形成和扩展。
发射出来的信号可粗略地分为两类:1）连续发射(类似白噪声);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。
常用的声发射仪器,可分为单通道检测仪和多通道声发射源定位和分析仪两个基本类型。
单通道声发射检测仪的基本构成如图所示。曲探头将接收到时声发射信号转换为电信号。为了提高信噪比，前置放大器输入端噪声电平应不超过5μm,应具有40—60dB的增益，并具有较大的动态范围和频带宽度。滤波器的频带宽度视要求而定。主放大器的增益一般应为6OdB左右，并且有足够的动态范围和频带宽度。鉴幅整形可设置固定或可变的阈值电平门限，超过此值的信号形成振铃脉冲或事件脉冲。声发射率和总计数电路将对振铃脉冲或事件脉冲进行计数。除数字显示外，还有模拟量输出，供给X-Y函数记录仪记录。还可以采用大部分通用设备来组成声发射测量与分析系统，如图所示。在组合结构的系统中，可以增加峰值振幅检测、有效值电压和能量检测等多功能的测量插件。
多通道声发射检测仪；最少通道数不少于2，目前有双通道、3通道……乃至72通道声发射检测仪器或系统，均采用功能组件组合方式，根据不同的需要组成不同功能的系统。例如埃美国Dunegan/Endevco公司生产的3000，6000，8000及1032系统；美国声发射技术公司生产的AET5O00组件系统；日本NF回路株式会社生产的NF AE9000组件系统和日本新日铁公司生产的NAIS∑、M和A三种组件系统等。
3.8.4 光纤传感器 |
1光纤传感器简介 |
光纤自60年代问世以来，就在传递图像和检测技术等方面得到了应用。利用光导纤维作为传感器的研究始于70年代中期。由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测T，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等等一些优点。无论是在电量 (电流、电压、磁场)的测量，·还是在非电物理量 (位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等)的测量方面，都取得了惊人的进展。 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。 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。 |
2 物性型光纤传感器及其应用 |
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。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、磁场等等)改变时，其传光特性 (如相位与光强)会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器图所示为施加均衡压力和施加点压力的两种光纤压力传感器形式。图(a)所示为光纤在均衡压力作用下，由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸的变化，从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转;图(b)所示为光纤在点压力作用下，"引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而引起光振幅变化。 |
图为光纤流速传感器，主要由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化，其振幅的变化与流速成正比，这就是光纤传感器测流速的工作原理。 |
3 结构型光纤传感器及其应用 |
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。图所示为激光多普勒效应速度传感器测试系统，所谓多普勒效应，即当波源相对于介质运动时，波源的频率与介质中的波动频率不相同。同样，介质中的频率与一个相对于介质运动的接收器所记录的频率也不相同，这两种情况都称为多普勒效应，所产生的频率差称为多普勒频率。该系统主要由激光光源、分光器、光接收器、频率检测器及振动物体等部分组成。 |
其工作原理为:由激光光源(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 式中，fi为入射光频率，即激光源频率；fs为散射光频率；n为发生散射介质的折射率；λ为入射光在空气中的波长；ν为被测物体的运动速度。 上式表明，多普勒频率△f与被测物体运动速度ν成比例变化关系，从频率分检器中测得△f后，即可得到物体的运动速度。 |
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。 以光纤传感器为核心的远距离测试系统在过程检测和控制系统中的应用已成为当前的重点研究课题。 |
3.8.5 CCD图像传感器 |
电荷耦合器件分为线阵器件和面阵器件两种，其基本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器。
下图所示为MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构，它是在半导体(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）。
从半导体的原理得知。当在金属电极上施加一正电压时，在电场的作用下，电极下面的P型硅区域里的空穴将被赶尽，从而形成耗尽区。也就是说，对带负电的电子而言，这个耗尽区是一个势能很低的区域，称为"势阱"。如果此时有光线入射到半导体硅片上，则在光子的作用下，半导体硅片上就形成电子和空穴，由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收(或称俘获），而同时产生的空穴则被电场排斥出耗尽区。此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。人们称这样一个MOS结构元为MOS光敏元，或称为一个像素;把一个势饼所收集的若干光生电荷称为一个电荷包。
通常在半导体硅片上制有几百个或几千个相互独立的MOS元，它们按线阵或面阵有规则地排列。如果在金属电极上施加一正电匝，则在这半导体硅片上就形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则与此同时，在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。这就是电荷耦合器件的光电效应的基本原理。
读出移位寄存器的结构如图所示。读出移位过程实质上是CCD电荷转移过程。在半导体的底部上覆盖一层遮光层，以防止外来光干扰。由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元(即传输单元)，在这三个电极上分别施加了脉冲波φ1、φ2、φ3，如图所示。
电荷传输过程如图所示。当t=t1时，φ1=V，φ2=O，φ3=O，此时半导体硅片上的势阱分布形状如图a所示。即只有φ1极下形成势阱。当t=t2时，φ1=0.5V，φ2=V，φ3=O，此时半导体硅片上的势阱分布形状如图b所示。即φ1极下的势阱变浅，φ2极下的势阱变得最深, φ3极下没有势阱。根据势能原理，原先在φ1极下的电荷就逐渐向φ2极下转移。 | |
当t=t3时，如图c所示，φ1极下的电荷向φ2极下转移完毕。 当t=t4时，如图d所示，φ2极下的电荷向φ3极下转移。 以此类推，一直可以向后进行电荷转移。 从图可以看出，当t=t2时，由于φ3极的存在，φ1极下的电荷只能朝一个方向转移。因此，φ1、φ2，φ3三个这样结构的电极在三相交变脉冲的作用下，就能将电荷包沿着二氧化硅界面的一个方向移动，在它的末端，就能依次接收到原先存储在各个φ1极下的光生电荷。这就是电荷传输过程的物理效应。 | |
2 CCD传感器的应用 | |
CCD传感器可依照其像素排动方式的不同主要分为线阵、面阵两种。 CCD传感器用于非电量的测量，主要用途大致归纳为以下三个方面: (1)组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。 (2)作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术等方面。 (3)作自动流水线装置中的敏感器件，例加可用于机床、自动售货机、自动搬运车以自动监视装置等方面。 | |
3.9.1 传感器选用原则 | |
了解传感器的结构及其发展后，如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器，也是需要认真考虑的问题。下面就传感器的选用问题作一些简介。
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。
1 灵敏度
一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。
其一，当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。因此，为了既能使传感器检测到有用的微小信号;又能使噪声干扰小，要求传感器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。
其二，与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。
其三，当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好;如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。
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。此外，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。一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率宽;而结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。
3 线性范围
任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。
然而，对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。
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。
为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意两个问题。其一，根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性质。其二;要创造或保持一个良好的环境，在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的要求。
5 精确度
传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。如前所述，传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。
然而，在实际中也并非要求传感器的精确度愈高愈好，这还需要考虑到测量目的，同时还需要考虑到经济性。因为传感器的精度越高，其价格就越昂贵，所以应从实际出发来选择传感器。
在选择时，首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量分析。如果是相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么应要求传感器的重复精度高，而不要求测试的绝对量值准确。如果是定量分析，那么必须获得精确量值。但在某些情况下，要求传感器的精确度愈高愈好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在0.1—0.01m范围内，欲测得这样的精确量值，必须有高精确度的传感器。
6测量方式
传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。
在机械系统中，对运动部件的被测参数(例如回转轴的误差、振动、扭力矩)，往往采用非接触测量方式。因为对运动部件采用接触测量时，有许多实际困难，诸如测量头的磨损、接触状态的变动、信号的采集等问题，都不易妥善解决，容易造成测量误差。这种情况下采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器很方便，若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。
在某些条件下，可以运用试件进行模拟实验，这时可进行破坏性检验。然而有时无法用试件模拟，因被测对象本身就是产品或构件，这时宜采用非破坏性检验方法。例如，涡流探伤、超声波探伤、核辐射探伤以及声发射检测等。非破坏性检验可以直接获得经济效益，因此应尽可能选用非破坏性检测方法.
在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。特别是对自动化过程的控制与检测系统，往往要求信号真实与可靠，必须在现场条件下才能达到检测要求。实现在线检测是比较困难的，对传感器与测试系统都有一定的特殊要求。例如，在加工过程中，实现表面粗糙度的检测，以往的光切法、千涉法、触针法等都无法运用，取而代之的是激光、光纤或图像检测法。研制在线检测的新型传感器，也是当前测试技术发展的一个方面。
除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小。重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。
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