09 工程测试技术 第三章 传感器原理及应用.ppt

第3章 传感器原理及应用基础,上几讲小结3.2 电阻式传感器3.2.1 变阻器式3.2.2 电阻应变式3.2.3 热敏式 热电阻，半导体，双金属片 （热电偶）3.2.4 光敏式3.2.5 磁敏式3.2.6 气敏式3.3 电容式传感器3.4 电感式传感器3.5 压电式传感器3.6 磁电式传感器动圈式磁阻式3.7 半导体传感器（磁感应式）霍尔元件磁阻元件,第3章 传感器原理及应用基础,本讲内容3.8 超声波检测传感器3.9 光电传感器3.10 光纤传感器3.11 CCD固态图象传感器3.12 流量传感器3.13 生物化学传感器3.14 智能传感器3.15 其它类型传感器3.16 传感器特性及选用原则,3.8、超声波检测传感器,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2）超声波的物理性质,超声波与声波比，振动频率高，波长短，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声波，并具有很高的穿透能力第3章 传感器原理及应用基础,声压,所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值，单位为Pa，1Pa =1N/m2。

声强,声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能量，单位为W/m2声功率,声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能量，单位是W3.8 超声波检测传感器,超声波传感器原理,超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波接收原理是当超声波作用在磁滞材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出3.8 超声波检测传感器,超声波传感器对,3.8 超声波检测传感器,超声波传感器应用,超声波探伤/测距/测物,t,A,3.8 超声波检测传感器,案例：输油管检测机器人,3.8 超声波检测传感器,倒车雷达,3.8 超声波检测传感器,鱼群探测器,3.8 超声波检测传感器,3.9 光电传感器,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内光电效应,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,称为内光电效应 光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管,第3章 传感器原理及应用基础,第3章 传感器原理及应用基础,照相机自动测光光控灯工业控制,第3章 传感器原理及应用基础,3.9 光电传感器,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应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式3.9 光电传感器,3.9 光电传感器,3.9 光电传感器,3.9 光电传感器,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移3.9 光电传感器,亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的3.9 光电传感器,3.10 光纤传感器,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,第3章 传感器原理及应用基础,光纤流速传感器,3.10 光纤传感器,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,3.10 光纤传感器,光纤检测型光电传感器,作业件检测,颜色检测,3.10 光纤传感器,3.11 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)。

第3章 传感器原理及应用基础,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如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3.11 CCD固态图象传感器,3.11 CCD固态图象传感器,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.,3.11 CCD固态图象传感器,条形码扫描器,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,数码相机,3.11 CCD固态图象传感器,3.12 流量传感器,3.12 流量传感器流量传感器也称为流量计，是测量液体或气体流量的传感器1、流量的概念单位时间内流过管道某一截面的流体数量，称为瞬时流量 瞬时流量有体积流量和质量流量之分流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量（m3/s)，后者称质量流量(kg/s)如果在截面上速度分布是均匀的，则：,流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单元面积上dAF速度是均匀的，流过该单元面积上的体积流量为,整个截面上的流量qv为,3.12 流量传感器,测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分，称之流体总量。

用来测量流量的仪表统称为流量计测量总量的仪表称为流体计量表或总量计3.12 流量传感器,3.12 流量传感器,流量传感器的分类,节流式检测方法：差压流量传感器电磁式检测方法：电磁流量传感器变面积式检测方法旋涡式检测方法 机械流量传感器涡轮式检测方法声学式检测方法：超声流量传感器热学式检测方法：热流量传感器,3.12 流量传感器,3.12 流量传感器,2、总量计2.1 容积式计量表用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被测介质，最后根据定量容积称量的次数来决定流过的总量习惯上人们把计量表也称为流量计根据它的结构不同，这类仪表主要有椭圆齿轮流量计、腰轮流量汁、活塞式流量计等椭圆齿轮流量计,每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体3.12 流量传感器,腰轮流量计（罗茨流量计）,腰轮流量计除可测液体外，还可测量气体，精度可达0.1，并可做标准表使用；最大流量可达1000m3/h腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合转动，而是通过安装在体外的传动齿轮组进行传动,3.12 流量传感器,3.12 流量传感器,容积式计量表的特点：上述两种转子型式的容积流量计，可用于各种液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量，在高压力、大流量的气体流量测量中，这类流量计也有应用。

由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质流过流量计2.2 速度式计量表在仪表中装一个旋转叶轮，流体流过时，推动叶轮旋转，叶轮的转动正比于流过介质的总量，叶轮转动带动计数器的齿轮机构，计数器即显示读数这类计量表机构简单，但精度低一般2左右，大多水表即采用此结构3.12 流量传感器,3、差压式流量计（节流式流量计）差压式流量传感器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的 差压式流量传感器发展较早，技术成熟而较完善，而且结构简单，对流体的种类、温度、压力限制较少， 因而应用广泛当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差该压力差通过差压计检出流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系3、差压式流量计（节流式流量计）,3.12 流量传感器,1、p2流体在截面I-I和II-II处的静压力v1、v2流体在截面I-I和II-II处的平均流速A1、A2流体在截面I-I和II-II处的横截面积 流体密度,流体体积流量：,3.12 流量传感器,选定两个截面：I-I是节流装置前流体开始受节流装置影响的截面；II-II是流束经过节流装置后收缩最厉害的流束截面，由伯努利方程式和连续方程得：,上面得到的流速是理论值，因为理想的不可压缩的流体是不存在的。

流体有粘度，故有摩擦，因此实际的流速应修正其次，考虑到使用方便，实际上经常在节流装置前后两个固定位置上测取压力p1、p2，代替理论压力，在计算v2的公式中亦应修正考虑这两方面的因素，在II-II截面上的体积流量为,流速理论值,为流量系数；为压缩系数（取值0.9-1.0之间)； A0为节流装置的开口面积；,3.12 流量传感器,差压式流量计主要由两部分组成：节流装置和测量静压差的差压计节流装置是安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，引起流体静压变化的一种装置常用的节流装置有文丘利管、喷嘴和孔板文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大文丘利管,孔板,喷嘴,3.12 流量传感器,取压方式：差压式流量计是通过测量节流件前后压力差p来实现流量测量的，而压力差p的值与取压孔位置和取压方式紧密相关5种取压方式：,(1)角接取压: 上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处角接取压包括单独钻孔和环室取压2)法兰取压：上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.40.8mm（1inch)取压孔开在孔板上下游侧的法兰上(3)径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1Dm0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。

4)理论取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为l Dm0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离因 值不同而异该距离理论上就是流束收缩到最小截面的距离5)管接取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8Dm该方法使用很少,3.12 流量传感器,3.12 流量传感器,差压式流量检测系统,差压式流量检测系统结构示意图,差压流量变送器,节流装置,3.13 生物化学传感器,化学传感器是指将气体或液体中的化学量转化为电量信号输出的器件大致相当于动物的嗅觉和味觉器官生物传感器是检测对象中含生命物质的传感器根据敏感物质不同，生物传感器分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器、免疫传感器等第3章 传感器原理及应用基础,3.13 生物化学传感器,2、环境监测,3、医学,应用领域,1、发酵工业(食品),血糖乳酸测定流程,体育上耐力训练,3.13 生物化学传感器,德国研发的环境废水BOD分析仪,3.13 生物化学传感器,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪,3.13 生物化学传感器,工厂发酵车间化验员正在分析样品,发酵工厂谷氨酸-葡萄糖分析,3.13 生物化学传感器,3.14 智能传感器,第三章、传感器测量原理,传感器一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、PH值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电信息的装置。

智能传感器是将传感器与微型计算机集成在一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力3.14 智能传感器,嵌入式计算机,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,振动网络传感器,智能压力网络传感器,3.14 智能传感器,GSM/SMS,3.14 智能传感器,3.15 其它类型传感器,1、热辐射检测传感器,绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度(K)，根据普朗克辐射定律有以下表达式：,第3章 传感器原理及应用基础,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3.15 其它类型传感器,2、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。