第三章常用傳感器主要研究內容：1.了解傳感器的分類2.常用傳感器測量原理3.傳感器選用測試技術基礎

第三章常用傳感器主要研究內容：1.了解傳感器的分類一、傳感器的作用傳感器---被測信息按照一定的規律轉換成某種可用信號輸出器件/裝置信號檢出信號處理信號顯示信號監控傳感器（重要、關鍵）檢測系統：物理量、化學量、生物量/其他便于處理和傳輸的信號人的五官：眼睛耳朵鼻子舌頭皮膚視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺一、傳感器的作用傳感器---被測信息按照一定的規律轉換成機械工程測試技術基礎第三章方案二、傳感器的分類分類法型式說明按基本效應分類物理型化學型生物型采用物理效應進行轉換采用化學效應進行轉換采用生物效應進行轉換按構成原理分類結構型物性型以轉換元件結構參數變化實現信號轉換以轉換元件物理特性變化實現信號轉換按能量關系分類能量轉換型能量控制型傳感器輸出量直接由被測量能量轉換而來傳感器輸出量能量由外部能源提供，但受輸入量控制按工作原理分電阻式電容式電感式壓電式磁電式熱電式光電式光纖式利用電阻參數變化實現信號轉換利用電容參數變化實現信號轉換利用電感參數變化實現信號轉換利用壓電效應實現信號轉換利用電磁感應原理實現信號轉換利用熱電效應實現信號轉換利用光電效應實現信號轉換利用光纖特性參數變化實現信號轉換按輸入量分類長度、角度、振動、位移、壓力、溫度、流量、距離、速度等以被測量命名（即按用途分類）按輸出量分類模擬式數字式輸出量為模擬信號（電壓、電流、……）輸出量為數字信號（脈沖、編碼、……）二、傳感器的分類分類法型式說明按基本效應分類物理型采3.1概述1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規定的被測量、并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成(GB766-87)。目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的器件或裝置。第三章常用傳感器3.1概述1.傳感器(Sensor)定義傳感器在非電量電測系統中的作用：一是敏感作用：感受并拾取被測對象的信號二是變換作用：被測信號轉換成易于檢測和處理的電信號概述

獲得傳感器信號的兩種方法：直接獲得電信號的變化（開關傳感器）；將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。傳感器在非電量電測系統中的作用：一是敏感作用：二是變換作用2.傳感器的分類(1)按被測物理量分類:(2)按傳感器元件的變換原理分類:位移傳感器,流量傳感器,溫度傳感器等.電阻式,電容式,電感式,壓電式、光電式等.物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現信號變換.

例如:水銀溫度計,壓電測力計.結構型:依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變.

例如:電容式和電感式傳感器.概述2.傳感器的分類(1)按被測物理量分類:位移傳感器,流量傳能量轉換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.（無源傳感器）

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.

（有源傳感器）例如:電阻應變片.能量傳遞型:從某種能量發生器與接受器進行能量傳遞過程中實現敏感檢測.

例如:超聲波發生器和接受器.(3)按傳感器的能量傳遞方式分類:概述能量轉換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.（無源傳感器）((4)按輸出信號分類:概述模擬式傳感器和數字式傳感器。

需要指出的是，不同情況下，傳感器可能只有一個，也可能有幾個換能元件，也可能是一個小型裝置。例如，電容式位移傳感器是位移一電容變化的能量控制型傳感器，可以直接測量位移。而電容式壓力傳感器，則經過壓力一膜片彈性變形(位移)一電容變化的轉換過程。此時膜片是一個由機械量一機械量的換能件，由它實現第一次變換；同時它又與另—極板構成電容器，用來完成第二次轉換。再如電容型伺服式加速度計(也稱力反饋式加速度計)，實際上是一個具有閉環回路的小型測量系統，如圖3-2所示。這種傳感器較一般開環式傳感器具有更高的精確度和穩定性。(4)按輸出信號分類:概模擬式傳感器和數字式傳感器。概述概3.傳感器的性能要求足夠的容量匹配性好，轉換靈敏度高精度適當，穩定性高反應速度快，工作可靠性高適應性和適用性強概述3.傳感器的性能要求足夠的容量概

機械式傳感器應用很廣。在測試技術中，常常以彈性體作為傳感器的敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形(或應變)。這種變形可轉變成其他形式的變量。例如被測量可放大而成為儀表指針的偏轉，借助刻度指示出被測量的大小。3.2機械式傳感器第三章常用傳感器機械式傳感器應用很廣。在測試技術中，常常以第三章常用傳感器第三章

1）、機械式指示儀表具有結構簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數直觀等優點。但彈性變形不宜大，以減小線性誤差。

2）、由于放大和指示環節多為機械傳動，不僅受間隙影響，而且、慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態被測量。（為了提高測量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測量轉換成位移量，然后用其他形式的傳感器(如電阻、電容、電渦流式等)將位移量轉換成電信號輸出。）

3）、彈性元件具有蠕變、彈性后效等現象。材料的蠕變與承載時間、載荷大小、環境溫度等因素有關。而彈性后效則與材料應力-松馳和內阻尼等因素有關。都會影響到輸出與輸入的線性關系。因此，應用彈性元件時，應從結構設計、材料選擇和處理工藝等方面采取有效措施來改善上述諸現象產生的影響。第三章常用傳感器1）、機械式指示儀表具有結構簡單、可靠、使用方便、價第三章常用傳感器第三章電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器按工作的原理可分為:熱敏式電阻應變式變阻器式光敏式電敏式3.3電阻式傳感器第三章常用傳感器固態壓阻式電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器按工作的原理1、電阻應變式傳感器--應變片

金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發生變化的現象。電阻式傳感器1、電阻應變式傳感器--應變片金屬電阻應變1)工作原理金屬應變片的電阻R為電阻式傳感器1)工作原理金屬應變片的電阻R為電阻式傳感器(1)

金屬應變片（不變）金屬應變計(2)半導體應變片（變化）半導體應變計電阻式傳感器

壓阻效應是指單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發生變化的現象。從半導體物理可知，半導體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使其電阻率P發生很大變化。(1)金屬應變片（不變）金屬應變計(2)半導體應變片（2)金屬應變計金屬應變計有:絲式和箔式優點:穩定性和溫度特性好.缺點:靈敏度系數小.應變計電阻式傳感器2)金屬應變計金屬應變計有:應變計電阻式傳感器3)半導體應變計優點：應變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應變電阻的元件.缺點：溫度穩定性和可重復性不如金屬應變片。應變計電阻式傳感器體型薄膜型擴散型

3)半導體應變計優點：應變靈敏度大;體積小;能制成具有一定案例：4)應用電阻式傳感器案例：4)應用電阻式傳感器案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。德國HBM電阻應變式傳感器電阻式傳感器案例：電子稱原理德國HBM電阻應變式傳感器電阻式傳感器2、變阻式傳感器電阻式傳感器

變阻器式傳感器亦稱為電位計式傳感器，它通過改變電位器觸頭位置，實現將位移轉換為電阻R的變化。常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。函數電位器2、變阻式傳感器電阻式傳感器變阻器式傳感器亦稱為電電阻式傳感器變阻器式傳感器的后接電路，一般采用電阻分壓電路電阻式傳感器變阻器式傳感器的后接電路，一般采用電阻分壓電路

變阻器式傳感器的優點是結構簡單、性能穩定、使用方便。缺點是分辨力不高，因為受到電阻絲直徑的限制。提高分辨力需使用更細的電阻絲，其繞制較困難。由于結構上的特點，這種傳感器還有較大的噪聲，電刷和電阻元件之間接觸面變動和磨損、塵埃附著等，都會使電刷在滑動中的接觸電阻發生不規則的變化，從而產生噪聲。

變阻器式傳感器被用于線位移、角位移測量在測量儀器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計等。電阻式傳感器變阻器式傳感器的優點是結構簡單、性能穩定、使用方便。電阻式傳感器3、固態壓阻式傳感器

固態壓阻式傳感器的工作原理是利用半導體材料的電阻效應。固態壓阻式傳感器中的敏感元件則是在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，所以亦可稱為擴散型半導體應變片。這種元件是以單晶硅為基底材料，按一定晶向將P型雜質擴散到N型硅底層上，此P型層就相當于半導體應變片中的電阻條，連接引線后就構成了擴散型半導體應變片。由于互相滲透，結合緊密，所以基本上為一體。在生產時可以根據傳感器結構形成制成各種形狀。這時基底就是彈性元件，導電層就是敏感元件。當有機械力作用時，硅片產生應變，使導電層發生電阻變化。一般這種元件做成全橋形式，在外力作用下，電橋產生相應的不平衡輸出。電阻式傳感器3、固態壓阻式傳感器固態壓阻式電阻式傳感器電阻式傳感器

在設計傳感器硅膜片時，為了使傳感器有較好的線性輸出，硅膜片的應變不宜；立大，對半導體應變片和硅杯擴散電阻，一般不超過500pc為宜。如圖4—55所示結構的硅膜片，其應變分布如圖所示。電阻式傳感器在設計傳感器硅膜片時，為了使傳感器有較好的線性輸出

固態壓阻式傳感器主要用于測量壓力與加速度。由于固態壓阻傳感器是用集成電路工藝制成的，測量壓力時，有效面積可做得很小，因此這種傳感器頻響高，可用來測量幾十千赫的脈動壓力。測量加速度的壓阻式傳感器，如恰當地選擇尺寸與阻尼系數，可用來測量低頻加速度與直線加速度。由于半導體材料的溫度敏感性，因此，壓阻式傳感器的溫度誤差較大，使用時應有溫度補償措施。電阻式傳感器固態壓阻式傳感器主要用于測量壓力與加速度。電

4、典型動態電阻應變儀電阻式傳感器4、典型動態電阻應變儀電阻式傳感器3.3電容式傳感器

1.變換原理:

將被測量的變化轉化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++

A

當被測量δ、A或ε發生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變，而僅改變另一個參數，就可把該參數的變化變換為單一電容量的變化。第三章常用傳感器3.3電容式傳感器1.變換原理:將被測量的變化轉化為電2分類

a)極距變化型;+++電容式傳感器

2分類a)極距變化型;+電容式傳感器電容式傳感器

b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.角位移型電容式傳感器b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線電容式傳感器

平面線位移型柱面線位移型電容式傳感器平面線位移型柱面線位移型c)介質變化型電容式傳感器

c)介質變化型電容式傳感器3應用1.震動，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動，位置，膨脹3.撓度，變形，波動，傾斜4.尺寸，公差，分選，零件識別5.沖擊，應變，軸向振動6.軸承振動，油膜間隙，磨擦，偏心電容式傳感器

3應用1.震動，偏心，裂紋，振蕩，同心度電容式傳感器電容式傳感器的特點輸入能量小，靈敏度高；動態特性好；能耗小；結構簡單，適應性好；非線性較大；電纜分布電容影響大。電容式傳感器

電容式傳感器的特點輸入能量小，靈敏度高；電容式傳感器3.4電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型第三章常用傳感器3.4電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感1自感型--可變磁阻式原理:電磁感應電感式傳感器1自感型--可變磁阻式原理:電磁感應電感式傳感器a)變間隙型a)變間隙型b)變面積型c）螺線管型電感式傳感器b)變面積型c）螺線管型電感式傳感器d)差動電感型電感式傳感器d)差動電感型電感式傳感器2渦流式原理:渦流效應電感式傳感器原線圈的等效阻抗Z變化：2渦流式原理:渦流效應電感式傳感器原線圈的等效阻抗Z變化：電感式傳感器電渦流傳感器的測量電路——并聯諧振電路電感式傳感器電渦流傳感器的測量電路——并聯諧振電路

發生諧振時回路的電流和電壓同相，此時電路等效阻抗最大且具有純電阻性，電路中的總電流很小。電感式傳感器發生諧振時回路的電流和電壓同相，此時電路等效阻抗最調幅測量法調頻測量法調幅測量法調頻測量法電感式傳感器a)高頻反射式：（集膚效應）電感式傳感器a)高頻反射式：（集膚效應）電感式傳感器b)低頻透射式：（互感原理）電感式傳感器b)低頻透射式：（互感原理）案例：連續油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：電感式傳感器案例：連續油管的橢圓度測量CoiledTubeEddy案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測油管檢測電感式傳感器案例：無損探傷原理火車輪檢測油管檢測電感式傳感器案例：測厚案例：零件計數電感式傳感器案例：測厚案例：零件計數電感式傳感器3變壓器式--差動變壓器工作原理:互感現象.電感式傳感器3變壓器式--差動變壓器工作原理:互感現象.電感式傳感器電感式傳感器差動相敏檢波電路電感式傳感器差動相敏檢波電路應用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;

壓力,流量,液位;張力,重力,負荷量;扭矩,

應力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.案例：板的厚度測量~案例：張力測量電感式傳感器應用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;案例電感式傳感器電感式傳感器的特點

簡單電感、差動電感和差動變壓器式傳感器具有以下特點

結構簡單、工作可靠；

靈敏度高、分辨力較大；

測量精度較高，非線性誤差小；

頻率響應較低，不宜測高頻動態參量。電感式傳感器電感式傳感器的特點3.5磁電式傳感器

1.變換原理:

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉換為感應電動勢的一種轉換器。感應線圈的感應電動勢U為

磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。

第三章常用傳感器3.5磁電式傳感器1.變換原理:磁電式2分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N磁電式傳感器2分類磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N磁3動圈式傳感器磁電式傳感器3動圈式傳感器磁磁電式傳感器

線圈產生的感應電勢通過電纜與電壓放大器聯接時，其等效電路如下磁線圈產生的感應電勢通過電纜與電壓放大器聯接時4磁阻式傳感器

磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對運動，由運動著的物體(導磁材料)改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強或減弱，使線圈產生感應電動勢。磁電式傳感器4磁阻式傳感器磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不磁電式傳感器磁5應用b)測速電機a)磁電式車速傳感器磁電式傳感器5應用b)測速電機a)磁電式車速傳感器磁3.6壓電式傳感器

1.變換原理:

壓電效應（可逆）

某些物質，如石英，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發生變化，而且內部被極化，表面會產生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態，這種現象稱為壓電效應。第三章常用傳感器3.6壓電式傳感器1.變換原理:壓電效應（可逆）壓電效應q=DF壓電式傳感器

壓電式傳感器可以等效為一個電荷源與一個電容并聯的電荷等效電路，也可以等效為電壓源與一個電容串聯的電壓等效電路。壓電效應q=DF壓壓電式傳感器可以等效為一個電壓電式傳感器壓壓電式傳感器壓壓電式傳感器

在受到沿不同方向的作用力時會產生不同的極化作用，如圖所示。x軸方向加力產生縱向壓電效應，沿y軸加力產生橫向壓電效應，沿相對兩平面加力產生剪切壓電效應。壓電效應和逆壓電效應都是線性的。即晶體表面出現的電荷的多少和形變的大小成正比，當形變改變符號時，電荷也改變符號；在外電場作用下，晶體形變的大小與電場強度成正比，當電場反向時，形變改變符號。常用的壓電材料大致可分為三類：壓電單晶、壓電陶瓷和有機壓電薄膜。壓在受到沿不同方向的作用力時會產生不同的極化作用壓電式傳感器壓F+2、測量電路

a)電壓放大器壓電式傳感器F+2、測量電路a)電壓放大器壓壓電式傳感器傳感器電纜不是規定的長度時，應重新調整靈敏度。壓傳感器電纜不是規定的長度時，應重新調整靈敏度。壓電式傳感器

壓電式傳感器高頻響應很好，增大壓電式傳感器的時間常數可提高低頻響應性能。壓壓電式傳感器高頻響應很好，增大壓電式傳感器的

b)電荷放大器F+壓電式傳感器b)電荷放大器F+壓壓電式傳感器

由上可知，放大起的輸出電壓與電纜電容無關，電纜長度不會帶來明顯的測量誤差，但太長會帶來噪聲。為防止直流開路，造成較大的零點漂移，因此并聯一個大電阻，提供直流反饋并改善低頻響應。壓由上可知，放大起的輸出電壓與電纜電容無關，電纜長1、壓電式傳感器屬發電類傳感器，無需外界供電。2、固有頻率高，而且頻帶很寬。因此，壓電式傳感器主要用于測量動態參量。傳感器本身常因絕緣阻抗不夠高而存在漏電現象，而影響低頻特性，因此壓電傳感器不適于測靜態參量。壓電式傳感器要求有很高的絕緣電阻，對傳感器零件間和引出線插座及電纜都要采取嚴格的絕緣措施，使用絕緣性能良好的材料等。在保持內部零件純凈、燥的條件下，在凈化室內組裝，并進行嚴格的密封和焊封，這樣絕緣電阻可達到。3、壓電傳感器還具有靈敏度高，信噪比大，工作可靠，體積小，重量輕等優點。壓電式傳感器的特點1、壓電式傳感器屬發電類傳感器，無需外界供電。壓電式傳感器的3應用b)壓力變送器a)加速度計，力傳感器

壓電式傳感器3應用b)壓力變送器a)加速度計，力傳感器壓案例：飛機模態分析壓電式傳感器案例：飛機模態分析壓3.7熱電式傳感器

熱電式傳感器1、熱電偶工作原理

把兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路，如果將它們的兩個接點分別置于溫度為T及To(假定T>To)的熱源中，則在該回路內就會產生熱電動勢，這種現象稱為熱電效應。所產生的熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分組成。3.7熱電式傳感器熱1、熱電偶工作原理把兩種熱電式傳感器

熱電偶回路有以下特點：1)若組成熱電偶的回路的兩種導體相同，則無論兩接點溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動勢為零；2)若熱電偶兩接點溫度相同，則盡管導體A、B的材料不同，熱電偶回路中的總熱電動勢也為零；熱電偶AB的熱電動勢與導體材料A、B的中間溫度無關，而只與接點溫度有關；熱電偶朋在接點溫度r2、r3時的熱電動勢，等于熱電偶在接點溫度為T1、T2和T2、T3時的熱電動勢總合；當溫度為T1、T2時，用導體A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的和，導體C稱為標準電極(一般由鉑制成)，故把這一性質稱為標準電極定律。熱熱電偶回路有以下特點：熱電式傳感器6）在熱電偶回路中接人第三種材料的導線，只要第三種導線的兩端溫度相同，第三種導線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢，這一性質稱為中間導體定律；熱6）在熱電偶回路中接人第三種材料的導線，只要第三種導熱電式傳感器2、熱電阻傳感器利用電阻隨溫度變化的特點制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對溫度和與溫度有關的參數測定。按熱電阻的性質來分，可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類，前者通常簡稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻(見本章第七節)。熱電阻是由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部件組成，其中，電阻體是熱電阻的最主要部分。熱2、熱電阻傳感器光電式傳感器3.8光電式傳感器

1、工作原理1）外光電效應在光線作用下，物質內的電子逸出物體表面向外發射的現象。光3.8光電式傳感器1、工作原理2、內光電效應受光照物體(通常為半導體材料)電導率發生變化或產生光電動勢的效應稱為內光電效應。內光電效應按其工作原理分為兩種：光電導效應和光生伏特效應。1)光電導效應半導體材料受到光照時會產生電子—空穴對，使其導電性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發生變化的現象稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻(光電導型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導結型)。光電式傳感器2、內光電效應光光電式傳感器2)光生伏特效應光生伏特效應指半導體材料P-N結受到光照后產生一定方向的電動勢的效應。光生伏特型光電器件是自發電式的，屬有源器件。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。右圖表示硅光電池構造原理和圖示符號。硅太陽能電池具有輕便、簡單，不會產生氣體或熱污染，易于適應環境。因此凡是不能鋪設電纜的地方都可采用太陽能電池，尤其適用于為宇宙飛行器的各種儀表提供電源。光2)光生伏特效應光纖式傳感器3.9光纖式傳感器

光纖傳感器以光學測量為基礎，因此光纖傳感器首先要解決的問題是如何將被測量的變化轉換成光波的變化。實際上，只要使光波的強度、頻率、相位和偏振四個參數之一隨被測量變化，則此問題即被解決。通常，把光波隨被測量的變化而變化，稱為對光波進行調制。相應的，按照調制方式，光纖傳感器可分為強度調制、頻率調制、相位調制和偏振調制等四種形式。其中以強度調制型較為簡單和常用。光3.9光纖式傳感器光纖傳感器以光學測量為光纖式傳感器1、光纖傳感器分類按光纖的作用，光纖傳感器可分為功能型和傳光型兩種。1）功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器的光纖不僅起著傳輸光波的作用，還起著敏感元件的作用，由它進行光波調制；它既傳光又傳感。2）傳光型光纖傳感器傳光型光纖傳感器的光纖僅僅起著傳輸光波的作用，對光波的調制則需要依靠其他元件來實現。從圖中可以看到，實際上傳光型光纖傳感器也有兩種情況。一種是在光波傳輸中，由光敏元件對光波實行調制，另一種則是由敏感元件和發光元件發出已調制的光波。光1、光纖傳感器分類光纖式傳感器2、光導纖維結構與傳輸原理光導纖維是很細的玻璃絲，它由兩層組成，內層為光芯，外層為包層，這兩層雖然都是玻璃，但它們的折射率略有不同，光芯的折射率n1，稍大于包層的折射率n2。光導纖維結構如圖所示。光2、光導纖維結構與傳輸原理

光在真空中是直線傳播的，但經過不同介質的介面時，就會發生折射和反射。光纖式傳感器根據光的折射反射定律(斯奈爾定律)可得光在真空中是直線傳播的，但經過不同介質的介面時，光纖式傳感器

當n1>n2時，由折射定律可知，a1<a2。當a1較小時，此時在介面上既有折射，又有反射。若入射角a1逐漸增大到某一角度ac時，使出射角a2=90，此時光在介面上就會全部反射回來，反射光強度等于入射光強度，對此稱為全反射，ac稱為全反射臨界角。由上式可得光當n1>n2時，由折射定律可知，a1<a2。當a3、光纖傳感器的應用光纖式傳感器3、光纖傳感器的應用光光纖式傳感器光光纖傳感器的特點：1)采用光波傳遞信息，不受電磁干擾，電氣絕緣性能好，可在強電磁干擾下完成傳統傳感器難以完成的某些參量的測量，特別是電流、電壓測量。2)光波傳輸無電能和電火花，不會引起被測介質的燃燒、爆炸；光纖耐高溫、耐腐蝕因而能在易燃、易爆和強腐蝕性的環節中安全工作。3)某些光纖傳感器的工作性能優于傳統傳感器，如加速度計、磁場計、水聽器等。4)重量輕、體積小、可撓性好，利于在狹窄空間使用。5)光纖傳感器具有良好的幾何形狀適應性，可做成任意形狀的傳感器和傳感器陣列。6)頻帶寬、動態范圍大，對被測對象不產生影響，有利于提高測量精度。7)利用現有的光通信技術，易于實現遠距離測控。光纖式傳感器光纖傳感器的特點：光半導體傳感器3.10半導體傳感器

霍爾式傳感器氣敏傳感器濕敏傳感器固態圖像傳感器集成傳感器熱敏傳感器半導體傳感器3.10半導體傳感器霍爾式傳感器氣敏傳感器濕半導體傳感器霍爾式傳感器工作原理

如圖所示，在一塊長為l、寬為b、厚為d的半導體薄片兩側面通過電流I，在薄片的垂直方向施加磁場B，則在半導體另兩側面產生一個與電流I和磁場B乘積成正比的電動勢Uh，這一現象稱為霍爾效應，所產生的電動勢稱為霍爾電勢。半導體傳感器霍爾式傳感器工作原理如圖所示，在一塊半導體傳感器霍爾式傳感器應用半導體傳感器霍爾式傳感器應用半導體傳感器霍爾式傳感器應用半導體傳感器霍爾式傳感器應用3.11

光柵式傳感器

---等節距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構成的光學元件物理光柵：計量光柵：利用光的衍射現象分析光譜、測定波長利用光的莫爾條紋現象測量精密位移3.11光柵式傳感器---等節距的透光和不透光的刻線長光柵---直線位移；圓光柵---角位移

構成：主光柵---標尺光柵，定光柵；指示光柵---動光柵長度---測量范圍；刻線密度---測量精度(10、25、50、100、125線/mm)長光柵---直線位移；圓光柵---角位移構成：主光(1)莫爾條紋（Moire）條紋寬度：

W-柵距，a-線寬，b-縫寬W=a+b

，a=b=W/2

特例：當

=0,w1=w2

→B=

→光閘莫爾條紋當

=0,w1≠w2

→縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動(1)莫爾條紋（Moire）條紋寬度：W-柵距，a-莫爾條紋特性：

方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時→與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距→莫爾條紋移動一個間距一方向對應放大性：夾角θ很小→B>>W→光學放大→提高靈敏度可調性：夾角θ↓→條紋間距B↑→靈活準確性：大量刻線→誤差平均效應→克服個別/局部誤差→提高精度(2)光柵傳感器分類與結構原理按運動形式分：直線型---主光柵為直尺形→直線移動旋轉型---主光柵為圓盤形→旋轉運動按光學形式分：透射式---光源與光電元件在兩側→透射光反射式---光源與光電元件同一側→反射光莫爾條紋特性：方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時→與機械工程測試技術基礎第三章方案(3)光柵傳感器特點①精度高：測長±(0.2+2×10-6L)μm，測角±0.1″②量程大：透射式---光柵尺長（米），反射式---幾十米③響應快：可用于動態測量④增量式：增量碼測量→計數斷電→數據消失⑤要求高：對環境要求高→溫度、濕度、灰塵、振動、移動精度⑥成本高：電路復雜(3)光柵傳感器特點①精度高：測長±(0.2+2×10-紅外探測器3.12紅外探測器

1、熱探測器熱探測器是利用紅外輻射引起探測元件的溫度變化，進而測定所吸收的紅外輻射量。通常有熱電偶型、熱敏電阻型、氣動型、熱釋電型等。(1)熱電偶型將熱電偶置于環境溫度下，將結點涂上黑層置于輻射中，可根據產生的熱電動勢來測量入射輻射功率的大小。這種熱電偶多用半導體測量。(2)氣動型氣動型探測器是利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高、體積增大的特性來反映紅外輻射的強弱。(3)熱釋電型某些晶體是具有極化現象的鐵電體，在適當外電場作用下，這種晶體可以轉變為均勻極化單疇。在紅外輻射下，由于溫度升高，引起極化強度下降，即表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，此現象被稱為熱釋電效應。

紅外探測器是將輻射能轉換成電能的一種傳感器。按其工作原理可分為熱探測器和光子探測器。紅外探測器3.12紅外探測器1、熱探測器紅外探測器是紅外探測器2、光子探測器

光子探測器的工作原理是基于半導體材料的光電效應。一般有光電、光電導及光生伏打等探測器。由于光子探測器是利用入射光子直接與束縛電子相互作用，所以靈敏度高、響應速度快。又因為光子能量與波長有關，所以光子探測器只對具有足夠能量的光子有響應，存在著對光譜響應的選擇性。光子探測器通常在低溫條件下工作，因此需要制冷設備。紅外探測器2、光子探測器光子探測器的工作原理是基紅外探測器3、紅外探測器的應用紅外探測器3、紅外探測器的應用激光測試傳感器3.12激光測試傳感器1、激光干涉式測量儀器常用的激光測長儀是以激光為光源的邁克爾遜干涉儀，其工作原理是通過測定檢測光與參考光的相位差所形成的干涉條紋數目而測得物體長度的。激光測試傳感器3.12激光測試傳感器1、激光干涉式測量儀激光干涉測量系統1)單頻激光干涉系統激光干涉測量系統1)單頻激光干涉系統雙頻激光干涉系統---信噪比高，抗干擾能力強，大位移測量（200m以上）雙頻激光干涉系統---信噪比高，抗干擾能力強，大位移測量（雙頻激光干涉測量系統雙頻激光干涉測量系統激光測距系統3）激光三角法---大范圍遠距離測距（幾千/幾十千米）1）脈沖測距法2）相位差測距法激光短脈沖信號（激光器被測目標）測量精度：時間間隔測量精度（脈沖窄、響應速度快）遠距離---固體/二氧化碳；近距離---半導體巨脈沖激光器---地球—月球距離（分辨力：1m）激光束調制---相位差---時間---距離距離特點：測量精度高、分辨力強激光測距系統3）激光三角法---大范圍遠距離測距（幾千/幾原理：y=f(x)xy原理：y=f(x)xyKeye