第七章其他传感器
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第7章 传感器技术-光电效应及传感器
光源
被测非电量 位移、转速、 振动等
光学通路
光量
光电传感元件
△U 或△I
测量/显示
光电传感器的分类 按传感器输出量的性质， 按传感器输出量的性质，可以分为模拟式 开关式（脉冲式）二大类。 和开关式（脉冲式）二大类。
模拟式光电传感器
该类传感器基于光电元件的光电特性， 该类传感器基于光电元件的光电特性，其 基于光电元件的光电特性 光通量是随被测量而变， 光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 传感器输出量为连续变化的光电流， 传感器输出量为连续变化的光电流，器件 的光照特性呈单值线性， 的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持 均匀稳定。 反射式、 均匀稳定。它的形式有吸收式、反射式、遮光 式和辐射式。
5、时差测距。典型应用如光电测距仪， 时差测距。典型应用如光电测距仪， 是将恒定光源发出的光投射到目的物， 是将恒定光源发出的光投射到目的物，并用 光电元件接收反射光， 光电元件接收反射光，通过对光信号在光源 与目的物之间往返时间的测量， 与目的物之间往返时间的测量，从而计算出 光源与目的物间的距离。 光源与目的物间的距离。
发光二极管阵列（SSPA） 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件（CCD）
这两类光电器件实际上是集成化、 这两类光电器件实际上是集成化、 模块化的光电元件组合， 模块化的光电元件组合，他们的工作原 理类似，根据需要， 理类似，根据需要，可以做成线阵或面 阵的形式。 阵的形式。目前在图象采集与处理技术 电荷耦合器件CCD CCD已经得到了大量 中 ， 电荷耦合器件 CCD 已经得到了大量 的应用。 的应用。
内光电效应－ 内光电效应－
第7章霍尔传感器
▪ 在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度、 有功功率、无功功率、相位、电能等参数；在自动检 测系统中，多用于位移、压力的测量。
1）霍尔接近开关
➢ 霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时， 开关接通；当磁铁离开后，开关断开。
常见霍尔接近开关实物图：
2）霍尔式压力传感器
➢ 霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹 性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它 转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。
➢ 为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小 的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下 的温度补偿方法。
（1）恒流源供电
恒流源温度补偿电路
（2）采用热敏元件
➢ 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以 下温度补偿电路。
➢ 图a是在输入回路进行温度补偿； ➢ 图b是在输出回路进行温度补偿。
霍尔元件的等效电路
➢ 由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4 个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个 4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始 不平衡输出电压。
➢ 理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4 ，则所有能够使电桥达到平衡的方法均 可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。
第7章 霍尔传感器原理及其应用
7.1 概述 7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.3 霍尔传感器的应用电路
7.1 概述
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美 国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
▪ 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔 元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。
EH =KHIB
1）霍尔接近开关
➢ 霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时， 开关接通；当磁铁离开后，开关断开。
常见霍尔接近开关实物图：
2）霍尔式压力传感器
➢ 霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹 性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它 转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。
➢ 为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小 的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下 的温度补偿方法。
（1）恒流源供电
恒流源温度补偿电路
（2）采用热敏元件
➢ 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以 下温度补偿电路。
➢ 图a是在输入回路进行温度补偿； ➢ 图b是在输出回路进行温度补偿。
霍尔元件的等效电路
➢ 由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4 个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个 4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始 不平衡输出电压。
➢ 理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4 ，则所有能够使电桥达到平衡的方法均 可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。
第7章 霍尔传感器原理及其应用
7.1 概述 7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.3 霍尔传感器的应用电路
7.1 概述
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美 国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
▪ 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔 元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。
EH =KHIB
第七章__压电式传感器
+ + X 当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时， － 正、负离子相对位置随之发生变化，如图 － P1 P3 + X + （b）所示。此时正、负电荷中心不再重合， － + P2 电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0
－
-
+ +
在Y、Z方向上的电偶极矩分量为0
(b) FX<0
7.1.1 压电效应
7.1.2 压电常数和表面电荷的计算
从式（7.1）中可以看出切片上产生的电荷多少与 切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比。电荷qx的符号由晶 体受压还是受拉而决定，如图 (a)、(b)。 从(7.2)可看出y轴方向受力后，切片上产生的电 荷与切片的尺寸有关，qy与Fy成正比，电荷qy的符号由 晶体受压还是受拉而决定，如图 (c)、(d)。
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路
压电传感器等效原理
7.3 压电式传感器的等效电路
压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量 电路相连接，因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc， 放大器的输入电Ri，输入电容Ci以及压电传感器的泄 漏电阻Ra，这样压电传感器在测量系统中的实际等效 电路如图所示。
7.3 压电式传感器的等效电路
石英晶体
压电效应
石英晶体切片受力图
按特定方向切片
图7.3
(a)
(b)
(c)
(d)
7.3
压电式传感器的等效电路
1、等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用 时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。 可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把 电极 它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器， 如图(b)。 其电容量为ε ε S εS r 0
第7章 位移传感器
可以实现高灵敏的位移测量。
7.2.2光栅位移传感器的结构及工作原理
如图7-9所示，由主光栅、指示光栅、光 源和光电器件等组成。 主光栅和被测物体相连，它随被测物体的 直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时， 莫尔条纹便随着产生位移。 用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目， 便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测 物体的位移量。
图7-3
电位器电路
常见用于传感器的电位器有： 线绕式电位器、 合成膜电位器、 金属膜电位器、 导电塑料电位器、 导电玻璃釉电位器、 光电电位器。
2.电位器的主要技术参数
(1)最大阻值和最小阻值，指电位器阻值变化
能达到的最大值和最小值；
(2)电阻值变化规律，指电位器阻值变化的规
f=Z· n
根据测定的脉冲频率，即可得知被测物体 的转速。如果配接数字电路，组成数字式转 速测量仪，可直接读出被测物体的转速。 当被测转速很低时，输出脉冲电势的幅值 很小，以致无法测量出来。 所以，这种传感器不适合测量过低的转速， 其测量转速下限一般为50转/秒左右，上限可 达数百千转/秒。
7.5.2
磁栅的种类可分为单型直线磁栅、
同轴型直线磁栅和
旋转型磁栅等。
磁栅主要用于大型机床和精密机床作为位 置或位移量的检测元件。
图7-10 磁栅的基本结构
磁栅和其它类型的位移传感器相比，具有
结构简单、
使用方便、
动态范围大（1～20m）和
磁信号可以重新录制等优点。
缺点是需要屏蔽和防尘。
如果水位上升到与检知电极端部接触时， 由于水有一定的导电性，方波发生器输出的 矩形波被短路，比较器输出高电平，LED熄 灭。 如果水位低于检知电极端部时，比较器 输出低电平，LED闪烁，告知水箱缺水。 如果把比较器输出电压和控制电路连接 起来，可对供水系统进行自动控制。
多传感器信息融合技术
第七章 多传感器信息融合技术
概 述 传感器信息融合旳分类和构造 传感器信息融合旳一般措施 传感器信息融合旳实例
第一节 概 述
一、概念
传感器信息融合又称数据融合，是对多种信息旳获 取、表达及其内在联络进行综合处理和优化旳技术。传 感器信息融合技术从多信息旳视角进行处理及综合，得 到多种信息旳内在联络和规律，从而剔除无用旳和错误 旳信息，保存正确旳和有用旳成份，最终实现信息旳优 化。它也为智能信息处理技术旳研究提供了新旳观念。
三、优点
➢增长了系统旳生存能力 ➢扩展了空间覆盖范围 ➢扩展了时间覆盖范围 ➢提升了可信度 ➢降低了信息旳模糊度 ➢改善了探测性能 ➢提升了空间辨别率 ➢增长了测量空间旳维数
第二节 传感器信息融合分类和构造
一、传感器信息融合分类
1、组合：由多种传感器组合成平行或互补方式来取得多组数据输 出旳一种处理措施，是一种最基本旳方式，涉及旳问题有输出方式 旳协调、综合以及传感器旳选择。在硬件这一级上应用。 2、综合：信息优化处理中旳一种取得明确信息旳有效措施。 例：在虚拟现实技术中，使用两个分开设置旳摄像机同步拍摄到一 种物体旳不同侧面旳两幅图像，综合这两幅图像能够复原出一种精 确旳有立体感旳物体旳图像。 3、融合：当将传感器数据组之间进行有关或将传感器数据与系统 内部旳知识模型进行有关，而产生信息旳一种新旳体现式。 4、有关：经过处理传感器信息取得某些成果，不但需要单项信息 处理，而且需要经过有关来进行处理，得悉传感器数据组之间旳关 系，从而得到正确信息，剔除无用和错误旳信息。 有关处理旳目旳：对辨认、预测、学习和记忆等过程旳信息进行综 合和优化。
概率分布密度函数，则
p( f , d) p( f | d) p(d) p( f | d) p( f )
概 述 传感器信息融合旳分类和构造 传感器信息融合旳一般措施 传感器信息融合旳实例
第一节 概 述
一、概念
传感器信息融合又称数据融合，是对多种信息旳获 取、表达及其内在联络进行综合处理和优化旳技术。传 感器信息融合技术从多信息旳视角进行处理及综合，得 到多种信息旳内在联络和规律，从而剔除无用旳和错误 旳信息，保存正确旳和有用旳成份，最终实现信息旳优 化。它也为智能信息处理技术旳研究提供了新旳观念。
三、优点
➢增长了系统旳生存能力 ➢扩展了空间覆盖范围 ➢扩展了时间覆盖范围 ➢提升了可信度 ➢降低了信息旳模糊度 ➢改善了探测性能 ➢提升了空间辨别率 ➢增长了测量空间旳维数
第二节 传感器信息融合分类和构造
一、传感器信息融合分类
1、组合：由多种传感器组合成平行或互补方式来取得多组数据输 出旳一种处理措施，是一种最基本旳方式，涉及旳问题有输出方式 旳协调、综合以及传感器旳选择。在硬件这一级上应用。 2、综合：信息优化处理中旳一种取得明确信息旳有效措施。 例：在虚拟现实技术中，使用两个分开设置旳摄像机同步拍摄到一 种物体旳不同侧面旳两幅图像，综合这两幅图像能够复原出一种精 确旳有立体感旳物体旳图像。 3、融合：当将传感器数据组之间进行有关或将传感器数据与系统 内部旳知识模型进行有关，而产生信息旳一种新旳体现式。 4、有关：经过处理传感器信息取得某些成果，不但需要单项信息 处理，而且需要经过有关来进行处理，得悉传感器数据组之间旳关 系，从而得到正确信息，剔除无用和错误旳信息。 有关处理旳目旳：对辨认、预测、学习和记忆等过程旳信息进行综 合和优化。
概率分布密度函数，则
p( f , d) p( f | d) p(d) p( f | d) p( f )
《传感器技术与应用》课件第七章光电式传感器
器人视觉、自动化生产线等领域有广泛应用。
05
光电式传感器的优缺点 与发展趋势
光电式传感器的优点
测量精度高
非接触测量
光电式传感器采用光信号作为测量媒介， 具有较高的测量精度和灵敏度，能够实现 微小量的精确测量。
光电式传感器通过光信号与被测物体的相 互作用进行测量，无需直接接触被测物体 ，能够减少对被测物体的损伤和磨损。
光电二极管和光电晶体管
光电二极管
利用内光电效应制成的光电转换器件，能够 将入射光的辐射能转换为电流。
光电晶体管
在普通晶体管的基础上增加光敏基区，利用 内光电效应实现光信号的放大和调制。
光电耦合器
光电耦合器定义
将发光器件和光敏器件封装在同一壳 体内，通过光的传输实现电信号的传 输与隔离的器件。
光电耦合器原理
响应速度快
抗干扰能力强
光电式传感器具有较快的响应速度，能够 实现快速动态测量和实时控制。
光电式传感器采用光信号传输，不易受到 电磁干扰的影响，能够在复杂的环境中进 行稳定测量。
光电式传感器的缺点
对光源依赖性强
光电式传感器依赖于特定光源，如激光、红外线等，需要稳定的 光源和光路系统，对光源的稳定性要求较高。
利用光纤传输光信号，通过光电器 件将光纤中的光信号转换为电信号。
光电式传感器的应用领域
工业自动化控制
用于检测生产线上的产品、测量长度和速度 等参数。
环境监测
用于检测空气质量、水质等环境参数。
医疗诊断
用于检测生物体的生理参数，如血压、脉搏 等。
安全防范
用于监控、报警等安全系统，保障人员和财 产安全。
发光器件发出光线，光敏器件接收光 线并转换为电信号，从而实现输入与 输出之间的电气隔离。
05
光电式传感器的优缺点 与发展趋势
光电式传感器的优点
测量精度高
非接触测量
光电式传感器采用光信号作为测量媒介， 具有较高的测量精度和灵敏度，能够实现 微小量的精确测量。
光电式传感器通过光信号与被测物体的相 互作用进行测量，无需直接接触被测物体 ，能够减少对被测物体的损伤和磨损。
光电二极管和光电晶体管
光电二极管
利用内光电效应制成的光电转换器件，能够 将入射光的辐射能转换为电流。
光电晶体管
在普通晶体管的基础上增加光敏基区，利用 内光电效应实现光信号的放大和调制。
光电耦合器
光电耦合器定义
将发光器件和光敏器件封装在同一壳 体内，通过光的传输实现电信号的传 输与隔离的器件。
光电耦合器原理
响应速度快
抗干扰能力强
光电式传感器具有较快的响应速度，能够 实现快速动态测量和实时控制。
光电式传感器采用光信号传输，不易受到 电磁干扰的影响，能够在复杂的环境中进 行稳定测量。
光电式传感器的缺点
对光源依赖性强
光电式传感器依赖于特定光源，如激光、红外线等，需要稳定的 光源和光路系统，对光源的稳定性要求较高。
利用光纤传输光信号，通过光电器 件将光纤中的光信号转换为电信号。
光电式传感器的应用领域
工业自动化控制
用于检测生产线上的产品、测量长度和速度 等参数。
环境监测
用于检测空气质量、水质等环境参数。
医疗诊断
用于检测生物体的生理参数，如血压、脉搏 等。
安全防范
用于监控、报警等安全系统，保障人员和财 产安全。
发光器件发出光线，光敏器件接收光 线并转换为电信号，从而实现输入与 输出之间的电气隔离。
《图解汽车传感器结构原理与检修》课件 7温度传感器
（2）就车检测法 如图7-7所示，拔下进气温度传感器插头， 接通点火开关，测量插头上THA端子与E2端子之间的电压值， 该电压应为5V，若无电压，则应检查ECU插接器上THA端子 与E2端子之间的电压值。若此电压为5V，则表明ECU与传感 器之间的连接线路有故障；若无5V电压，则为ECU有故障。 插回插头，起动发动机，测量传感器THA端子与E2端子之间 在不同温度下的电压值，该电压值应在0.1～4.5V之间变化 （车型不同略有差异，但变化规律基本上是相同的）。如果 测量值与规定值不符，则说明进气温度传感器有故障或者损 坏，应予以更换。
桑塔纳200GLi AFE型发动机进气温度传感器（G72）与进气 压力传感器一体，安装于节气门之后的进气管上。桑塔纳 2000GSi AJR发动机也在进气总管上装有进气温度传感器 （G72），用于修正喷油量和点火提前角。图7-5所示为桑塔 纳2000GSi AJR发动机进气温度传感器安装位置及与ECU的连 接电路。进气温度传感器（G72）的接线端子2通过0.5mm2 导线与J220的T80/67端子相连，是搭铁端；G72的端子1与 控制单元J220的T80/54端子相连为参考电压输出端，同时也 是信号输入端。
（3）EGR（废气再循环）温度传感器 安装在废气再循环管 道上，位于EGR阀之后，用于监测EGR系统的工作。
二、温度传感器的结构
热敏电阻式温度传感器的结构型式如图7-3所示，主要由热敏 电阻、金属引线、接线插座和壳体等组成。
热敏电阻是温度传感器的主要部件，汽车用热敏电阻是在陶 瓷半导体材料中掺入适量金属氧化物，并在1000℃以上的高 温条件下烧结而成。控制掺入氧化物的比例和烧结温度，即 可得到不同特性的热敏电阻，从而满足使用要求。例如，如 果测量发动机冷却液温度，则热敏电阻的工作温度为-30℃～ 130℃；如果发动机的排气温度，热敏电阻的工作温度则为 600～1000℃。
第七章霍尔型传感器
第七章霍尔型传感器
N
S
S
N
(a) 传感器结构示意图
B
0
X
(b) 磁场变化
图7—13 霍尔电势UH与磁感应强度B关系曲线
第七章霍尔型传感器
三、角位移测量仪
❖ 角位移测量仪的结构如图7—14所示。霍尔器件与被测
物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于
是霍尔电势 E H 就反应了转角 变化。不过，这个变化
❖ 若测得输出量UH为正，则可判断工件为凸，再利用转 换电路和控制电路去控制车床去车掉多余的部分。若 测得输出量UH为负，则可判断工件为凹，再利用转换 电路和控制电路判断该工件凹的程度，以便决定是报 废该工件还是留用该工件。
第七章霍尔型传感器
第三节 霍尔集成电路
❖ 随着微电子技术的发展，目前，霍尔器件大多已集成 化。霍尔集成电路有许多优点，例如：体积小、灵敏 度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。
❖ ②霍尔电压 V H与元件的尺寸有关。d愈小，K H愈大，霍
尔元件灵敏度越高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，
但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。
❖ ③霍尔电压 V H与控制电流及磁场强度有关。V H 正比于I 及B。当控制电流恒定时，B愈大，V H愈大。当磁场改变 方向时，V H 也改变方向。同样，当霍尔灵敏度 R H及磁感 应强度B恒定时，增加控制电流I，也可以提高霍尔电 压的输出。
❖ 由于建立霍尔效应的时间很短（ 1012~10 ）14S，因此， 控制电流用交流时， 频率可达 10 9 Hz以上。
第七章霍尔型传感器
二、元件连接
❖ 为得到较大的霍尔输出，当元件的工作电流为直流时，
可把几个霍尔元件输出串连起来，但控制电流极应并
N
S
S
N
(a) 传感器结构示意图
B
0
X
(b) 磁场变化
图7—13 霍尔电势UH与磁感应强度B关系曲线
第七章霍尔型传感器
三、角位移测量仪
❖ 角位移测量仪的结构如图7—14所示。霍尔器件与被测
物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于
是霍尔电势 E H 就反应了转角 变化。不过，这个变化
❖ 若测得输出量UH为正，则可判断工件为凸，再利用转 换电路和控制电路去控制车床去车掉多余的部分。若 测得输出量UH为负，则可判断工件为凹，再利用转换 电路和控制电路判断该工件凹的程度，以便决定是报 废该工件还是留用该工件。
第七章霍尔型传感器
第三节 霍尔集成电路
❖ 随着微电子技术的发展，目前，霍尔器件大多已集成 化。霍尔集成电路有许多优点，例如：体积小、灵敏 度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。
❖ ②霍尔电压 V H与元件的尺寸有关。d愈小，K H愈大，霍
尔元件灵敏度越高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，
但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。
❖ ③霍尔电压 V H与控制电流及磁场强度有关。V H 正比于I 及B。当控制电流恒定时，B愈大，V H愈大。当磁场改变 方向时，V H 也改变方向。同样，当霍尔灵敏度 R H及磁感 应强度B恒定时，增加控制电流I，也可以提高霍尔电 压的输出。
❖ 由于建立霍尔效应的时间很短（ 1012~10 ）14S，因此， 控制电流用交流时， 频率可达 10 9 Hz以上。
第七章霍尔型传感器
二、元件连接
❖ 为得到较大的霍尔输出，当元件的工作电流为直流时，
可把几个霍尔元件输出串连起来，但控制电流极应并
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2007-10-31 18
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一、基本原理
因受力而产生的将机械能转变为电能的现象，即 压电陶瓷的正压电效应。 放电电荷与外力成正比，其关系式与式（6-3）相同。
q xx = d 11 F x
压电常数比石英晶体高，d11 ≥200×10-12C/N。 但机械性能不如石英晶体。
2007-10-31
二、 振弦式传感器
4．应用 （1）压力传感器 压力作用在膜片上，膜片产生挠 曲变形，振弦两支架向两侧张开， 振弦被拉紧，即张力T改变，使得 f0改变，测得f0可知压力P。 磁力线经铁芯→振弦→底座→ 铁芯形成磁回路。 振动时，铁芯与振弦间的空气隙发生变化，使电磁 线圈铁芯中通过的磁通发生变化，因而在线圈中产生 感应电势。频率与振弦振动频率相同。 2007-10-31
返回
30
二、应用
图d 放射源多点组合 用于大范围 图e 接收器多点组合 测量，可改 图f 两者并用 善非线性。 因放射源辐射强度不受温度、 压力的影响，且为非接触测量， 可用于高温、低温、高压容器的高粘度、剧毒、强腐 蚀或易燃易爆介质的测量。测量范围0～3000mm。 射线对人体有较大危害作用，使用时必须采取严格 的防范措施。 2. 厚度测量（参见教材293页略）
2007-10-31
声波发射 反射回波
被测 变量
12
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一、基本原理
超声波的发射和接收由换能器来实现。 超声波 换能器 压电式换能器 压磁式换能器 某些晶体的压电效 应及其可逆性能。 某些铁磁物质的磁 致伸缩效应及其可 逆性能。
（一） 压电效应 压电效应： 某些物质沿一定方向施加外力(压或拉） 发生机械变形时，它的两个表面上会产生异性电荷。 当外力去掉后，会重新回到不带电的状态。
第七章 其它传感器
§7-1 §7-2 频率式传感器 超声波传感器 核辐射传感器 小 结
2007-10-31 1
§7-3
§7-1
频率式传感器
一、工作原理 二、振弦式传感器
2007-10-31
返回
2
一、工作原理
利用弹性元件的振动频率随被测参数变化实现测 量，即谐振原理。 弹性元件的振动频率可表示为：
2007-10-31 4
返回
二、 振弦式传感器
2．工作原理 振弦在电路中可等效为一个并联LC回路。
1 f0 = 2 T ml
因为：m=ρl ，T=σS，则
1 f0 = 2l T 1 σS = ρ 2l ρ
l—振弦长度； m—振弦质量； T—所受张力。
ρ—弦的线密度； σ—弦所受的应力；
S—弦的截面积；
q xx = d 11 F x
(6-3) d11—X轴方向受力的(纵向)压电常数，d11 =2.31×10-12C/N 。
横向压电效应: y 轴方向施加力Fy , x方向产生的电荷
l l (6-5) h — 压电厚度; F y = − d 11 F y h h l—y 方向长度. d12 —Y轴方向受力的(横向)压电常数。 q xy = d 12
当材料及长度、截面选定后，f0仅与T或σ有关， 测得 f0 可知T或σ。
2007-10-31 5
返回
二、 振弦式传感器
3．激振方式 多采用自激振动方式，分间歇振荡和连续振荡方式。 （1）间歇振荡 张驰振荡器给出激励 脉冲时，继电器吸合， 向线圈通以电流，电磁 铁将振弦吸住； 脉冲电流过后，电磁铁失去吸力放开振弦，振弦被 激励产生振动，振动频率为振弦的固有频率f0 。
流量测量
Δf = f1 − f 2 =
2007-10-31
2v cos θ = Kv L
25
返回
压电效应图
2007-10-31
返回
26
§7-3 核辐射传感器
一、测量原理 二、应用
2007-10-31
27 返回
一、测量原理
放射性同位素能放射出α、β和γ射线。 透射某些物质，在物质中所经过路程的长短叫射程。
2007-10-31 24
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三、应用举例
2．流量测量 普遍采用传播速度法和多普勒法。 根据声波的传播速度与流速 有关。 设声波在静止流体中的传播 速度为c，流体平均流速为v， 沿超声波传播方向的速度为 v′ = v cos θ
f1 = c + v cos θ L
f2 = c − v cos θ L
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一、基本原理
因束缚电荷作用，陶瓷片极化两端会吸附一层外界 的自由电荷，与束缚电荷数值相等，极性相反，因此 对外不呈现极性。 若陶瓷片外加与极化方向平行的力，产生压缩变 形，片内的束缚电荷间距离变小，电畴发生偏转，极 化强度变小； 吸附在其表面的自由电荷，部分被释放而呈现放电 现象。 外加作用力去掉后，陶瓷片恢复原状，极化强度增 大，又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
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1 ct 2
c已知，测t即可得L ，即得被测液位。
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三、应用举例
利用声速特性采用回声测距的方法。 根据传声介质不同分气介式、液介式和 固介式；根据探头工作方式分单探头和双 探头。相互组合可得不同测量方法。 图a 液介式测量 图b 气介式测量 图c 固介式测量 1 S = ct L = S 2 − a2 图d 双探头液介式 2 图e 双探头气介式 1 d L = c( t − ) 2 cL 图f 双探头固介式
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c—固体中声速；cL —液体中声速；d—两传声固体的间距。 d L = c( t − ) ↓ 2 cL 接收探头←第二根固体 c、cL 已知，d 固定，可测得t求得L 。 优点：可非接触测量；可测范围较广，只 要分界面声阻抗不同，液体、粉末、块状的物位均 可；安装维护方便，不需安全防护；不仅能定点连续 测量，且能遥测或遥控。 缺点：探头本身不能承受高温，声速受介质温度、压 力影响，有些介质对声波吸收能力很强，此方法受限。
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二、 振弦式传感器
R1、R2和场效应管组 成负反馈网络，起着控 制起振条件和振荡幅度 的作用，而R4、R5、V 和C支路控制场效应管 的栅极电压，以稳定输 出信号的幅值，即稳幅 电路。 自动稳幅的原理为： 输出U0↑→VG↓→V1源漏极间RSD↑→Vf1↑→U0 ↓
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一、测量原理
放射源大多采用钴-60（CO60）或铯-137（CS137）， 产生γ射线。 半衰期：放射线的入射强度衰减到初始强度一半时所 经历的时间。 CO60半衰期为5.26年, CS137半衰期为32.2年。
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二、应用
1．物位测量 在容器外部某位置相对两侧安装放射源和接受器， 随物位↑→接收射线强度↓ 因 图a 定点测量： 液 体 吸 收 系 数 >>气体，接收到的I发生急剧变 化，信号放大后带动继电器，可 实现定点控制，准确性高。 图b 自动跟踪测量： 电机带动放射源和接收器沿导轨 同步升降，自动跟踪液位，测量范围宽。 图c 倾斜定点测量：射线部分被吸收，液位越高吸收 越多，接收强度越弱。测量范围窄300～500mm。 2007-10-31
2007-10-31
当振弦张紧力T改变，振动频率f0也随之发生变化。
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二、 振弦式传感器
线圈兼有激励和拾振作用。 此激励方式也可做成询 问式工作状态。 因测量的频率，不是幅 值，输出信号的幅值衰减 关系不大。 （2）连续自激振荡 在激发电路中，振弦等效为LC谐振回路，作为振 荡电路的正反馈网络，起谐振器的作用，振弦通电 后振荡，在磁场中产生感应电势，加在运放的正向 输入端，通过R3构成正反馈。 2007-10-31
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一、基本原理
若外力是交变的，则一压一松可产生交变电场。 逆压电效应：在晶体两端面电极上加交变电场，沿晶 体厚度方向会产生与交变电压同频率的机械振动，向 附近发射声波。 （二）压电材料 1. 压电晶体 如图6-1 石英晶体（二氧化硅），单晶结构，六角形晶柱， 两端呈六棱锥形状。 三维直角坐标中，X轴称为电轴，Y轴称为机械轴， Z轴称为光轴。
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二、超声波换能器
据压电效应的可逆性，换能器可发射、接受兼用。 将压电元件加上交变电压，会向外发射超声波，同时 又可利用它接收反射回来的超声波，将反射波转换为 电信号经放大器放大后输出。 压电式超声换能器即压电式传感器。 换能器结构：直式、斜式、单探头、双探头等， 参见图15-5、15-6、15-7。
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2007-10-31
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一、基本原理
沿电轴X方向施加作用力产生的压电效应称为纵向 压电效应； 沿机械轴Y方向施加作用力产生的压电效应称为横 向压电效应； 沿光轴Z方向施加作用力则不产生压电效应。
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一、基本原理
纵向压电效应: x 轴方向施加力Fx , x方向产生的电荷
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二、 振弦式传感器
1．结构 图12-7a示。由振弦、磁 铁、振弦夹紧装置组成。 振弦：一根张紧的金属丝。 T→f 要求抗拉强度高；弹性模量大；磁性和导电性能好； 线膨胀系数小等。直径0.05～0.25mm，长度≤10 mm。 磁铁：永久磁铁和电磁铁两种，用于提供磁场。 振弦夹紧装置：一端与固定基座连接， 另一端与弹性元件或可动部件连接。
2007-10-31
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一、基本原理
超声波：频率高于可听频率极限(>20kHz频段)的弹 性振动，以波动形式在介质中传播而形成。 声波可在气、液、固体中传播，会被介质吸收而衰 减，气体吸收最强、衰减最大，液体次之，固体吸收 最少、衰减最小。 在穿过不同介质分界面时会产生反射，反射波强弱 决定于分界面两介质的声阻抗，声阻抗差别越大，反 射波越强。 声阻抗：介质的密度与声速的乘积。 时间 间隔
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一、基本原理
因受力而产生的将机械能转变为电能的现象，即 压电陶瓷的正压电效应。 放电电荷与外力成正比，其关系式与式（6-3）相同。
q xx = d 11 F x
压电常数比石英晶体高，d11 ≥200×10-12C/N。 但机械性能不如石英晶体。
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二、 振弦式传感器
4．应用 （1）压力传感器 压力作用在膜片上，膜片产生挠 曲变形，振弦两支架向两侧张开， 振弦被拉紧，即张力T改变，使得 f0改变，测得f0可知压力P。 磁力线经铁芯→振弦→底座→ 铁芯形成磁回路。 振动时，铁芯与振弦间的空气隙发生变化，使电磁 线圈铁芯中通过的磁通发生变化，因而在线圈中产生 感应电势。频率与振弦振动频率相同。 2007-10-31
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二、应用
图d 放射源多点组合 用于大范围 图e 接收器多点组合 测量，可改 图f 两者并用 善非线性。 因放射源辐射强度不受温度、 压力的影响，且为非接触测量， 可用于高温、低温、高压容器的高粘度、剧毒、强腐 蚀或易燃易爆介质的测量。测量范围0～3000mm。 射线对人体有较大危害作用，使用时必须采取严格 的防范措施。 2. 厚度测量（参见教材293页略）
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声波发射 反射回波
被测 变量
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一、基本原理
超声波的发射和接收由换能器来实现。 超声波 换能器 压电式换能器 压磁式换能器 某些晶体的压电效 应及其可逆性能。 某些铁磁物质的磁 致伸缩效应及其可 逆性能。
（一） 压电效应 压电效应： 某些物质沿一定方向施加外力(压或拉） 发生机械变形时，它的两个表面上会产生异性电荷。 当外力去掉后，会重新回到不带电的状态。
第七章 其它传感器
§7-1 §7-2 频率式传感器 超声波传感器 核辐射传感器 小 结
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§7-3
§7-1
频率式传感器
一、工作原理 二、振弦式传感器
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一、工作原理
利用弹性元件的振动频率随被测参数变化实现测 量，即谐振原理。 弹性元件的振动频率可表示为：
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二、 振弦式传感器
2．工作原理 振弦在电路中可等效为一个并联LC回路。
1 f0 = 2 T ml
因为：m=ρl ，T=σS，则
1 f0 = 2l T 1 σS = ρ 2l ρ
l—振弦长度； m—振弦质量； T—所受张力。
ρ—弦的线密度； σ—弦所受的应力；
S—弦的截面积；
q xx = d 11 F x
(6-3) d11—X轴方向受力的(纵向)压电常数，d11 =2.31×10-12C/N 。
横向压电效应: y 轴方向施加力Fy , x方向产生的电荷
l l (6-5) h — 压电厚度; F y = − d 11 F y h h l—y 方向长度. d12 —Y轴方向受力的(横向)压电常数。 q xy = d 12
当材料及长度、截面选定后，f0仅与T或σ有关， 测得 f0 可知T或σ。
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二、 振弦式传感器
3．激振方式 多采用自激振动方式，分间歇振荡和连续振荡方式。 （1）间歇振荡 张驰振荡器给出激励 脉冲时，继电器吸合， 向线圈通以电流，电磁 铁将振弦吸住； 脉冲电流过后，电磁铁失去吸力放开振弦，振弦被 激励产生振动，振动频率为振弦的固有频率f0 。
流量测量
Δf = f1 − f 2 =
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2v cos θ = Kv L
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压电效应图
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§7-3 核辐射传感器
一、测量原理 二、应用
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一、测量原理
放射性同位素能放射出α、β和γ射线。 透射某些物质，在物质中所经过路程的长短叫射程。
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三、应用举例
2．流量测量 普遍采用传播速度法和多普勒法。 根据声波的传播速度与流速 有关。 设声波在静止流体中的传播 速度为c，流体平均流速为v， 沿超声波传播方向的速度为 v′ = v cos θ
f1 = c + v cos θ L
f2 = c − v cos θ L
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一、基本原理
因束缚电荷作用，陶瓷片极化两端会吸附一层外界 的自由电荷，与束缚电荷数值相等，极性相反，因此 对外不呈现极性。 若陶瓷片外加与极化方向平行的力，产生压缩变 形，片内的束缚电荷间距离变小，电畴发生偏转，极 化强度变小； 吸附在其表面的自由电荷，部分被释放而呈现放电 现象。 外加作用力去掉后，陶瓷片恢复原状，极化强度增 大，又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
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1 ct 2
c已知，测t即可得L ，即得被测液位。
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三、应用举例
利用声速特性采用回声测距的方法。 根据传声介质不同分气介式、液介式和 固介式；根据探头工作方式分单探头和双 探头。相互组合可得不同测量方法。 图a 液介式测量 图b 气介式测量 图c 固介式测量 1 S = ct L = S 2 − a2 图d 双探头液介式 2 图e 双探头气介式 1 d L = c( t − ) 2 cL 图f 双探头固介式
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c—固体中声速；cL —液体中声速；d—两传声固体的间距。 d L = c( t − ) ↓ 2 cL 接收探头←第二根固体 c、cL 已知，d 固定，可测得t求得L 。 优点：可非接触测量；可测范围较广，只 要分界面声阻抗不同，液体、粉末、块状的物位均 可；安装维护方便，不需安全防护；不仅能定点连续 测量，且能遥测或遥控。 缺点：探头本身不能承受高温，声速受介质温度、压 力影响，有些介质对声波吸收能力很强，此方法受限。
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二、 振弦式传感器
R1、R2和场效应管组 成负反馈网络，起着控 制起振条件和振荡幅度 的作用，而R4、R5、V 和C支路控制场效应管 的栅极电压，以稳定输 出信号的幅值，即稳幅 电路。 自动稳幅的原理为： 输出U0↑→VG↓→V1源漏极间RSD↑→Vf1↑→U0 ↓
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一、测量原理
放射源大多采用钴-60（CO60）或铯-137（CS137）， 产生γ射线。 半衰期：放射线的入射强度衰减到初始强度一半时所 经历的时间。 CO60半衰期为5.26年, CS137半衰期为32.2年。
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二、应用
1．物位测量 在容器外部某位置相对两侧安装放射源和接受器， 随物位↑→接收射线强度↓ 因 图a 定点测量： 液 体 吸 收 系 数 >>气体，接收到的I发生急剧变 化，信号放大后带动继电器，可 实现定点控制，准确性高。 图b 自动跟踪测量： 电机带动放射源和接收器沿导轨 同步升降，自动跟踪液位，测量范围宽。 图c 倾斜定点测量：射线部分被吸收，液位越高吸收 越多，接收强度越弱。测量范围窄300～500mm。 2007-10-31
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当振弦张紧力T改变，振动频率f0也随之发生变化。
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线圈兼有激励和拾振作用。 此激励方式也可做成询 问式工作状态。 因测量的频率，不是幅 值，输出信号的幅值衰减 关系不大。 （2）连续自激振荡 在激发电路中，振弦等效为LC谐振回路，作为振 荡电路的正反馈网络，起谐振器的作用，振弦通电 后振荡，在磁场中产生感应电势，加在运放的正向 输入端，通过R3构成正反馈。 2007-10-31
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一、基本原理
若外力是交变的，则一压一松可产生交变电场。 逆压电效应：在晶体两端面电极上加交变电场，沿晶 体厚度方向会产生与交变电压同频率的机械振动，向 附近发射声波。 （二）压电材料 1. 压电晶体 如图6-1 石英晶体（二氧化硅），单晶结构，六角形晶柱， 两端呈六棱锥形状。 三维直角坐标中，X轴称为电轴，Y轴称为机械轴， Z轴称为光轴。
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二、超声波换能器
据压电效应的可逆性，换能器可发射、接受兼用。 将压电元件加上交变电压，会向外发射超声波，同时 又可利用它接收反射回来的超声波，将反射波转换为 电信号经放大器放大后输出。 压电式超声换能器即压电式传感器。 换能器结构：直式、斜式、单探头、双探头等， 参见图15-5、15-6、15-7。
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一、基本原理
沿电轴X方向施加作用力产生的压电效应称为纵向 压电效应； 沿机械轴Y方向施加作用力产生的压电效应称为横 向压电效应； 沿光轴Z方向施加作用力则不产生压电效应。
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一、基本原理
纵向压电效应: x 轴方向施加力Fx , x方向产生的电荷
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二、 振弦式传感器
1．结构 图12-7a示。由振弦、磁 铁、振弦夹紧装置组成。 振弦：一根张紧的金属丝。 T→f 要求抗拉强度高；弹性模量大；磁性和导电性能好； 线膨胀系数小等。直径0.05～0.25mm，长度≤10 mm。 磁铁：永久磁铁和电磁铁两种，用于提供磁场。 振弦夹紧装置：一端与固定基座连接， 另一端与弹性元件或可动部件连接。
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一、基本原理
超声波：频率高于可听频率极限(>20kHz频段)的弹 性振动，以波动形式在介质中传播而形成。 声波可在气、液、固体中传播，会被介质吸收而衰 减，气体吸收最强、衰减最大，液体次之，固体吸收 最少、衰减最小。 在穿过不同介质分界面时会产生反射，反射波强弱 决定于分界面两介质的声阻抗，声阻抗差别越大，反 射波越强。 声阻抗：介质的密度与声速的乘积。 时间 间隔