传感器技术及应用教学课件作者陈文涛第十章节新型传感器课件

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1、第十章新型传感器超声波传感器集成温度传感器磁敏传感器光纤传感器一、超声波的发生超声波是由超声波发生器产生的。常用的电声型超声波发生器首先产生超声电信号，再通过换能器把高频电信号转换成高频机械振荡。10.1超声波传感器频率在16Hz--20kHz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波;低于16Hz的机械波,称为次声波；高于20kHz的机械波,则为超声波。1.压电式超声波发生器----利用压电晶体的电致伸缩现象制成超声频电信号换能器共振频率谐波级数压电材料密度压电材料的杨氏模量发出超声波频率范围几十kHz---几十MHz。

2、2.磁致伸缩超声波发生器-----利用某些铁磁材料的磁致伸缩现象制成共振频率计算公式相同，输出频率范围在几十kHz之内，功率、声强大、耐较高温度。镍、铁钴钒合金等二、超声波的接收超声波是由超声波接收器接收的。超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应制成的。如超声波作用于压电晶体片，晶片伸缩，产生感应电荷，经电荷放大，可以测出超声波的振动强弱。如超声波作用于某些铁磁材料，引起材料的导磁率变化，即造成磁场的变化，进而引起线圈的感应电动势变化。测量电势变化，即可测得超声波的振动强弱。三、超声波的传播特性超声波传播的两个条件（

3、1）振荡源（2）弹性介质超声波的振荡方式：（1）纵向振荡（2）横向振荡纵向振荡横向振荡（1）超声波在液体和气体中的传播速度：（2）超声波在固体中的传播速度：（3）超声波在通过同种介质时，因介质吸能，传播距离越大，振动强度越弱。超声波的传播特性：泊松比弹性模量密度介质的绝对压缩系数密度穿过介质后强度进入介质时强度介质厚度介质的能量吸收系数（4）超声波在通过不同介质时的折射和反射现象：折射角入射角在第一介质中的速度第二介质中的速度注意：超声波有一个临界入射角α0。当入射角小于临界入射角是，声波可以折射且反射；入射角等于临

4、界入射角时，β为90度；入射角大于临界入射角时，无折射现象只产生反射现象。四、超声波在自动检测中的应用1.超声波探伤（1）穿透法探伤当工件内部有缺陷时，部分能量被反射穿透能力变差，接收到的能量小。换能器（2）反射法探伤当工件内部无缺陷时，超声波传到工件底面再反射回来；当工件内部有缺陷时，超声波传到缺陷就反射回来；不同缺陷会造成不同的接收波幅度和波形。换能器/接收器2.超声波测液位发射-接收时间差传播速度换能器/接收器换能器/接收器3.超声波测厚度换能器/接收器厚度计算:10.2集成温度传感器及应用集成温度传感器由于采

5、用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。其是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系，把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上，构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点，但由于PN结耐热性能范围的限制，只能用来测150℃以下的温度。10.2.1集成温度传感器的测温原理集成温度传感器基本原理10.3磁敏传感器磁敏传感器属于非接触测量，利用电、磁的相互关系，检测位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等物理量，由于在很多情况下，

6、可采用永久磁铁来产生磁场，不需要另外附加驱动能源，因此这一类传感器获得极为广泛的应用。10.3.1磁敏电阻1.半导体磁敏电阻半导体磁敏电阻元件内电流分布a）纵长方形片结构b）横长方形结构c）圆形片结构d）“弓”字形结构2.强磁性金属薄膜磁敏电阻强磁性金属磁敏电阻结构及应用电路a）三端元件型b）分压电路型10.3.2磁敏二极管磁敏二极管是长“基区”的PN结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高（比霍尔元件大2～3个数量级）、工作电流小和体积小等特点，比较适合于磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。磁敏二极管10.

7、3.3磁敏三极管磁敏三极管是在磁敏二极管的基础上研制出来的。它的一端为集电极c和发射极e（n+区）、另一端P+区为基极b。磁敏三极管10.4光纤传感器光纤传感器是上个世纪70年代随着光通技术发展而逐步形成的一门新技术，与传统的传感器技术相比它具有不受电磁干扰、体积小、重量轻、可绕曲、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好便于微机连接和遥控。可应用“位移、速度、加速度、转角、压力、温度、液位、流量、水声、浊度、电流、磁场、电压等物理量的测量。同时还能应用于气体（尤其是可燃性气体）浓度等化学量的检测，在生物医学领域中

8、也有广阔的应用前景。10.4.1光纤的结构10.4.2光纤传感器的应用应变传感器光纤漩涡流量传感器