鐵道機車專業教學資源庫檢測與傳感技術任務8.1霍爾傳感器任務8.2壓電傳感器項目8其他類型的傳感器任務8.3超聲波傳感器任務8.4光纖、紅外、激光傳感器8.1霍爾傳感器霍爾傳感器的工作原理

半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，這種現象稱為霍爾效應。磁感應強度B為零時的情況cdab磁感應強度B較大時的情況作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高。霍爾傳感器的工作原理霍爾效應演示cdab霍爾效應的產生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結果。運動電荷在磁場中所受到的力稱為洛倫茲力，即磁場對運動電荷的作用力。

設霍爾片的長度為l，寬度為b，厚度為d。又設電子以均勻的速度v運動，則在垂直方向施加的磁感應強度B的作用下，它受到洛侖茲力

q—電子電量(1.62×10-19C)；v—電子運動速度同時，作用于電子的電場力UH為霍爾電壓EH為霍爾電場的強度霍爾傳感器的工作原理當洛倫茲力和電場力大小相等的時候就達到了平衡，即：fL+fE=0。于是就產生了霍爾電勢。CDEH霍爾傳感器的工作原理霍爾電壓UH可由下式表示：KH為霍爾靈敏度，它表示一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產生的霍爾電壓大小。RH為霍爾常數，反映材料霍爾效應的強弱。d為霍爾元件的厚度霍爾傳感器的工作原理霍爾元件材料為什么必須用半導體材料？用金屬材料可以么？霍爾元件材料為什么必須用薄片？用厚片可以么？問題：霍爾常數RH大小取決于導體的載流子密度：霍爾常數RH=1/(n*q)式中，n為載流子密度，q為電子電量(1.62×10-19C)。在一般金屬中，載流子的密度很大，所以金屬材料的霍爾常數很小,霍爾效應不明顯;所以金屬材料不宜制作霍爾元件。霍爾電壓UH與導體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢值，霍爾元件制成薄片形狀。問題：磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，這時的霍爾電壓與法線的夾角的余弦成正比：UH=KHIBcos

磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢演示結論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比。當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，霍爾電壓為同頻率的交變電勢。acdb霍爾傳感器的結構特點材料：鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦靈敏度低、溫度特性及線性度好靈敏度最高、受溫度影響大最常用霍爾元件的主要外特性參數(1)輸入電阻和輸出電阻輸入電阻：電流激勵端間的直流電阻輸出電阻：霍爾電極之間的等效直流電阻(2)額定控制電流額定控制電流：當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產生10℃溫升時，對應的控制電流（激勵電流）。激勵電流越大，霍爾電動勢越高?；魻栐闹饕馓匦詤担?）不等位電勢：當霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應強度為零，測得的空載霍爾電勢。即未加磁場時的輸出電壓。不等位電勢是由霍爾電極2和2’之間的電阻決定的，r0稱不等位電阻。原因：兩個霍爾電極不在同一等位面上材料不均勻、工藝不良霍爾元件的主要外特性參數(4)最大磁感應強度T（要求工作在線性區）上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯至正的多少高斯？（1T＝104Gs）線性區B霍爾元件的主要外特性參數（5）霍爾電壓的溫度特性在一定磁感應強度和控制電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電壓變化的百分率?；魻栐闹饕馓匦詤担?）最大激勵電流IM由于霍爾電壓隨激勵電流增大而增大，故在應用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規定了相應的最大激勵電流，它的數值從幾毫安至十幾毫安。以下哪一個激勵電流的數值較為妥當？8μA0.8mA8mA80mA霍爾元件的基本測量電路

RH為霍爾常數霍爾元件的誤差分析1、零位誤差及補償半導體固有特性半導體制造工藝缺陷零位誤差溫度誤差原因：不等位電動勢寄生直流電動勢電極和引線布置不合理A、B同一等位面：U0=0、電橋平衡A、B非同一等位面：U0

≠0、電橋不平衡電橋補償原理：在阻值較大的橋臂上并聯電阻等效造成不等位電壓的原因：不等位、元件電阻率不均勻；厚度不均勻（1）不等位電壓霍爾元件的誤差分析（a）（b）（c）霍爾元件的誤差分析（2）寄生直流電壓當霍爾元件通過交流控制電流而不加磁場時，霍爾電壓除了交流不等位電壓外，還有直流電壓分量，即寄生直流電壓。形成原因：霍爾元件的兩對電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應；霍爾電極的焊點大小不等（熱容量不同引起溫差電勢）霍爾元件的誤差分析溫度誤差及其補償溫度誤差產生原因：霍爾元件的基片是半導體材料，因而對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾常數都是溫度的函數。當溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數，如霍爾電壓、輸入電阻和輸出電阻等都要發生變化，從而使霍爾式傳感器產生溫度誤差。減小霍爾元件的溫度誤差★選用溫度系數小的元件★采用恒溫措施★采用恒流源供電恒流源溫度補償電路霍爾元件的靈敏系數KH也是溫度的函數。大多數霍爾元件的溫度系數α為正值，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加。同時，讓控制電流I相應地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數值增加的影響。如右圖，當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流I2?；魻杺鞲衅鞯膽没魻栯妱菔顷P于I、B、

三個變量的函數，即UH=KHIBcos

。利用這個關系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途?；魻柺絺鞲衅鞯膽脙烖c:

結構簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態特性好、壽命長應用：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數；自動檢測系統：多用于位移、壓力的測量?；魻柼厮估嫞ǜ咚褂嫞┗魻栐y量物體于空間上一個點的靜態或動態（交流）磁感應強度霍爾高斯計（特斯拉計）的使用霍爾元件磁鐵霍爾傳感器用于測量磁場強度霍爾元件測量鐵心氣隙的B值霍爾轉速表在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉速表原理當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測和保持車輪的轉動，有助于控制剎車力的大小和防止側偏。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質霍爾霍爾式接近開關當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作?；魻柦咏_關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關用于轉速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關型霍爾ICT霍爾電流傳感器將被測電流的導線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當有電流通過導線時，在導線周圍將產生磁場，磁力線集中在鐵心內，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產生與電流成正比的霍爾電壓?；魻栯娏鱾鞲衅餮菔捐F心線性霍爾ICI’I’其他的

霍爾電流傳感器其他的

霍爾電流傳感器

（續）霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導線未放入鐵心時示值為零70.9A霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導線從此處穿入鉗形表的環形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測電流導線逐根夾到鉗形表的環形鐵心中問題：將空調電源的“三芯護套線”夾到鉗形表的環形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？霍爾鉗形電流表的使用（續）叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測量電動機的相電流霍爾式

電流諧波分析儀

被測電流的諧波頻譜鐵心的開合縫隙

鐵心的杠桿壓舌自動憑票供水裝置控制電路自動憑票供水裝置工作原理8.2壓電傳感器壓電式傳感器是一種自發電式傳感器。它以某些電介質的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質表面產生電荷，從而實現測量非電量的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態力、動態壓力、振動加速度等。壓電式傳感器具有體積小、質量輕、頻響高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結構堅固、可靠性、穩定性高。歷史沿革1903年居里兄弟皮埃爾與杰克斯發現壓電效應。正、逆壓電效應某些電介質物質，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內部會產生極化現象，同時在其表面上產生電荷；當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態，這種將機械能轉變為電能的現象，稱為“正壓電效應”。相反，在電介質的極化方向上施加電場，它會產生機械變形，當去掉外加電場時，電介質的變形隨之消失。這種將電能轉換為機械能的現象，稱為“逆壓電效應”。石英晶體的壓電效應演示當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態力的頻率相同；當動態力變為靜態力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。石英晶體天然形成的石英晶體外形石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時，正壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產生穩定的振蕩輸出頻率。石英的化學式為SiO2，在一個晶體單元中，有三個硅離子和六個氧離子，后者是成對的，所以一個硅離子和兩個氧離子交替排列。當沒有力作用時，硅離子和氧離子在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如圖a示。這時正負離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈現電中性。－－－－－－石英晶體的壓電效應如果沿X方向壓縮，如圖b所示，則硅離子1被擠入氧離子2和6之間，而氧離子4被擠入硅離子3和5之間，結果表面A上呈現負電荷，而在表面B上呈現正電荷。這一現象稱為縱向壓電效應。若沿Y方向壓縮，如圖c所示，硅離子3和氧離子2，以及硅離子5和氧離子6都向內移動同樣的數值，故在電極C和D上不呈現電荷，而在表面A和B上，即在X軸的端面上又呈現電荷，但與圖b的極性正好相反，這時稱為橫向壓電效應。石英晶體的壓電效應從研究的模型同樣可以看出：如果是使其伸長而不是壓縮時，則電荷的極性正好相反?？傊?，石英等單晶體材料是各向異性的物體，在X或Y軸向施力時，在與X軸垂直的面上產生電荷，電場方向與X軸平行，在Z軸方向施力時，不能產生壓電效應。石英晶體的壓電效應壓電效應式中，Q為電荷[量]；d為壓電常數，與材質及切片方向有關；f為作用力。Q=dfyxzO石英晶體的壓電效應壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內外生產的壓電元件絕大多數都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3鈦酸鋇等）。壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，它是具有電疇結構的壓電材料。電疇是分子自發形成的區域，它有一定的極化方向。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中無規則排列，它們的極化效應互相抵消。因此，在原始狀態，壓電陶瓷呈現中性，不具有壓電效應。當在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷進行極化處理，即以強電場使電疇規則排列，這時壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強的剩余極化。

a)極化前

b)極化

c)極化后壓電陶瓷的極化過程壓電陶瓷外形

經過極化處理的壓電陶瓷，在外電場去掉后，其內部仍存在著很強的剩余極化強度，當壓電陶瓷受外力作用時，電疇的界限發生移動，因此剩余極化強度將發生變化，壓電陶瓷就呈現出壓電效應。壓電陶瓷的壓電效應超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫用B超換能器用晶片壓電陶瓷的壓電效應高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應范圍較寬。高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

壓電式腳踏報警器高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應）單片壓電元件產生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實際應用中常采用兩片或兩片以上同型號的壓電元件黏結在一起。串聯接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓為輸出量及測量電路輸入阻抗很高的場合；并聯接法輸出電荷大，本身電容大，因此時間常數也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。壓電元件的串聯和并聯接法壓電元件的結構形式壓電傳感器的等效電路壓電元件受力作用時產生電荷，因此它可以等效為一個電容器，所以壓電元件受外力作用時，兩表面產生等量的正負電荷Ｑ，壓電元件產生開路電壓Ｕ。壓電元件的等效電路a）結構圖 b）等效電荷源 c）等效電壓源壓電元件的等效電路壓電傳感器的等效電路(a)等效為一個電荷源Q與一個電容Ca并聯的電路(b)等效成一個電源U=Q/Ca

和一個電容Ca的串聯電路測量電路前置放大器的作用：一是放大壓電元件的微弱信號；二是高阻抗輸入變為低阻抗輸出。壓電傳感器產生的電荷很少，信號微弱，而自身又要有極高的絕緣電阻，因此需經測量電路進行阻抗變換和信號放大，且要求測量電路輸入端必須有足夠高的阻抗和較小的分布電容，以防止電荷迅速泄漏，電荷泄漏將引起測量誤差。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測出試件的加速度，如在放大器中加進適當的積分電路，就可以測出試件的振動速度或位移。當傳感器感受振動時，質量塊感受與傳感器基座相同的振動并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片壓電效應，兩個表面上就產生交變電荷，當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。測量壓力它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點?？梢杂脕頊y量發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。壓力式力傳感器和測力錘它利用石英晶體的縱向壓電效應，將“力”轉換成“電荷”，并通過二次儀表轉換成電壓，具有氣密性好、硬度高、剛度大、動態響應快等優點。可以測量動態力、準靜態力和沖擊力。壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器特性傳感器上蓋為傳力元件。當外力作用時,它將產生彈性變形,將力傳遞到石英晶片上。2）壓電式周界報警系統（用于重要位置出入口、周界安全防護等）將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米范圍內探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統分辨出來。右圖為測量系統的輸出波形。1）行駛中稱重：其主要用途是高速公路車輛超重超載監測的預選和橋梁超載警告系統，既判斷正在高速行駛中的車輛，尤其是駛過橋梁的車輛是否超載，由視頻系統拍下車牌號記錄在案，并根據超載量罰款。壓電傳感器的應用3）交通監測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區域監控、交通數據信息采集（道路監控）及機場滑行道等。壓電傳感器的應用高分子壓電電纜的應用演示將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據存儲在計算機內部的檔案數據，判定汽車的車型。當輪胎經過傳感器A時，啟動電子時鐘，當輪胎經過傳感器B時，時鐘停止。兩個傳感器之間的距離一般是3米，或比3米短一些(可根據需要確定)。傳感器之間的距離已知，將兩個傳感器之間的距離除以兩個傳感器信號的時間周期，就可得出車速。將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統。粘貼位置壓電式玻璃破碎報警器壓電式玻璃破碎報警器將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10

20mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護膜覆蓋。使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產生電荷Q，在兩個輸出引腳之間產生窄脈沖報警信號。PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子壓電材料，在醫用傳感器中應用很普遍。它既具有壓電性又有薄膜柔軟的機械性能，用它制作壓力傳感器，具有設計精巧、使用方便、靈敏度高、頻帶寬、與人體接觸安全舒適，能緊貼體壁，以及聲阻抗與人體組織聲阻抗十分接近等一系列特點，可用于脈搏心音等人體信號的檢測。脈搏心音信號攜帶有人體重要的生理參數信息，通過對該信號的有效處理，可準確得到波形、心率次數等可為醫生提供可靠的診斷依據。壓電薄膜傳感器及其在心臟監測中的應用超聲波傳感器是將聲信號轉換為電信號的聲電轉換裝置，習慣上又稱為超聲波轉換器或超聲波探頭。它是利用超聲波產生、傳播及接收的物理特性工作的。8.3超聲波傳感器

次聲波

分類可聞聲波

超聲波聲波次聲波

頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發生共振，7~8Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協調，甚至導致心臟停止跳動。頻率20Hz—20KHz可聞聲波頻率高于20KHz

蝙蝠能發出和聽見超聲波依靠超聲波捕食超聲波當超聲波由一種介質入射到另一種介質時,由于在兩種介質中傳播速度不同,在介質面上會產生反射、折射和波形轉換等現象。聲波超聲波傳感器概述利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等,而以壓電式最為常用。

超聲波傳感器概述壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷,這種傳感器統稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應來工作的。

超聲波傳感器概述超聲波傳感器有發射、接收兩部分發射元件—利用壓電材料的逆壓電效應，將高頻電振動轉換為機械振動產生超聲波。接收元件—利用壓電材料的正壓電效應，將超聲波振動轉換為電信號。目前市場銷售的超聲波傳感器產品，通常標有諧振中心頻率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。

超聲波傳感器的工作原理典型外形及符號利用壓電效應的原理制成，是利用了逆壓電效應，即施加如40KHz高頻電壓，壓電片根據所加的高頻電壓極性伸長或縮短，于是發射頻率是40KHz的超聲波。經被測物反射后接收器接受，再利用壓電材料的正壓電效應，轉換成電荷，經測量轉換電路，記錄或顯示結果。壓電式超聲波探頭的結構圖超聲波探頭結構如圖所示,主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜組成。壓電晶片多為圓板形,厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層,作導電的極板。阻尼塊的作用是降低晶片的機械品質,吸收聲能量。如果沒有阻尼塊,當激勵的電脈沖信號停止時,晶片將會繼續振蕩,加長超聲波的脈沖寬度,使分辨率變差。超聲波探頭超聲波探頭實物圖超聲波傳感器的特性1、頻率特性：發射與接受的靈敏度都以中心頻率向兩邊逐漸降低。在使用中，一定用接近中心頻率的交流電壓來驅動超聲波發生器。產品通常標有諧振中心頻率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。2、超聲波傳感器的指向性：超聲波的指向性為超聲波能量集中在一定區域并向一個方向輻射的現象。頻率越高，指向角越小，越適合檢測。3、超聲波傳感器的溫度特性：一般說溫度越高，中心頻率、靈敏度、輸出聲壓電平越低。寬范圍環境溫度使用時，需溫度補償。超聲波傳感器的特性應用：超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的。如果從發射超聲脈沖開始,到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知,就可以求出分界面的位置,利用這種方法可以對物位進行測量。根據發射和接收換能器的功能,傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發射和接收超聲波均使用一個換能器,而雙換能器的傳感器發射和接收各由一個換能器擔任。

幾種超聲波物位傳感器的結構原理示意圖應用：超聲波物位傳感器上圖給出了幾種超聲物位傳感器的結構示意圖。超聲波發射和接收換能器可設置水中,讓超聲波在液體中傳播。由于超聲波在液體中衰減比較小,所以即使發生的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發射和接收換能器也可以安裝在液面的上方,讓超聲波在空氣中傳播,這種方式便于安裝和維修,但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。對于單換能器來說,超聲波從發射到液面,又從液面反射到換能器的時間為：（h為液體深度）h—換能器距液面的距離

v—超聲波在介質中傳播的速度應用：超聲波物位傳感器對于雙換能器來說,超聲波從發射到被接收經過的路程為2s,而s=因此液位高度為

h=（s2-a2）1/2式中:s—超聲波反射點到換能器的距離;a—兩換能器間距之半。

應用：超聲波物位傳感器從以上公式中可以看出,只要測得超聲波脈沖從發射到接收的間隔時間,便可以求得待測的物位。超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點,但若液體中有氣泡或液面發生波動，便會有較大的誤差。在一般使用條件下,它的測量誤差為±0.1%,檢測物位的范圍為10-2～104m。

應用：超聲波物位傳感器探頭中的壓電晶片發射超聲振動脈沖，超聲脈沖到達試件底面時，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測出從發射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以被測體的聲速常數c，就是超聲脈沖在被測件中所經歷的來回距離，再除以2，就得到厚度

：

應用：超聲波測厚度超聲波測厚石料測厚

某超聲波測厚儀指標

顯示方法∶128*32LCD點陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數：四位

測量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測量周期：2次/秒

自動關機時間：90秒

電源：二節七號（AAA）電池，可連續工作不少于72小時

使用溫度：-10°C~40°C

存儲溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）紙卷直徑檢測疊放高度測量透明塑料張力控制超聲波傳感器在線測量質量檢查緊固件的安裝錯誤檢測物件放置錯誤檢測

流水線計數超聲防盜報警器圖中的上半部分為發射電路，下面為接收電路。發射器發射出頻率f=40kHz左右的超聲波。如果有人進入信號的有效區域，相對速度為v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應，而發生頻率偏移

f。（如果波源和觀察者之間有相對運動，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現象叫做多普勒效應。）多普勒效應：聲波頻率在聲源移向觀察者時變高,而在聲源遠離觀察者時變低。如：當一輛救護車迎面駛來的時候，聽到聲音越來越高；而車離去的時候聲音越來越低。超聲波用于高效清洗當弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產生一定的負壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當強的聲波信號作用于液體時，則會對液體產生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經研究證明：超聲波作用于液體中時，液體中每個氣泡的破裂會產生能量極大的沖擊波，相當于瞬間產生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓的壓力，這種現象被稱之為“空化作用”。超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產生的沖擊波來達到清洗和沖刷工件內外表面的作用。超聲換能器氣泡波浪清洗物超聲波用于高效清洗無損探傷人們在使用各種材料（尤其是金屬材料）的長期實踐中，觀察到大量的斷裂現象，它曾給人類帶來許多災難事故，涉及艦船、飛機、軸類、壓力容器、宇航器、核設備等。路軌斷裂事故無損探傷的方法對缺陷的檢測手段有破壞性試驗和無損探傷。由于無損探傷以不損壞被檢驗對象為前提，所以得到廣泛應用。無損檢測的方法：鐵磁材料采用磁粉檢測法導電材料采用電渦流法非導電材料采用熒光染色滲透法

放射線（x光、中子）照相檢測法超聲波探傷法

表面探傷內部探傷磁粉檢測法磁懸液磁粉檢測儀將磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢測頭夾持在被測工件上，通以數百安培的電流，工件中將產生磁場，工件表面的裂紋可因磁粉的不均勻分布而顯示出來。X光探傷將x光發生器對準被測位置，將感光片貼在物體背面，人離開后通上高壓電，再將感光片沖洗出影像，即可觀察到缺陷.超聲波探傷超聲波探傷是目前應用十分廣泛的無損探傷手段。它既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測內部幾米深的缺陷，這是X光探傷所達不到的深度。A型超聲探傷反射波形裂紋超聲波探傷分類（1）A型超聲探傷:A型探傷的結果以二維坐標圖形式給出。它的橫坐標為時間軸，縱坐標為反射波強度?？梢詮亩S坐標圖上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但較難識別缺陷的性質、類型。（2）B型超聲探傷:B型超聲探傷的原理類似于醫學上的B超。它將探頭的掃描距離作為橫坐標，探傷深度作為縱坐標，以屏幕的輝度（亮度）來反映反射波的強度。它可以繪制被測材料的縱截面圖形。

超聲波探傷分類（3）C型超聲探傷:目前發展最快的是C型探傷，它類似于醫學上的CT掃描原理。計算機控制探頭中的三維晶片陣列（面陣），使探頭在材料的縱、深方向上掃描，因此可繪制出材料內部缺陷的橫截面圖，這個橫截面與掃描聲束相垂直。橫截面圖上各點的反射波強通過相對應的幾十種顏色，在計算機的高分辨率彩色顯示器上顯示出來。經過復雜的算法，可以得到缺陷的立體圖像和每一個斷面的切片圖像。B型超聲探傷—超聲波在醫學檢查中的應用

胎兒的B超影像CT（電子計算機斷層掃描）CT全稱為電子計算機X射線斷層掃描技術（ComputedTomography），它是利用X射線對人體進行體層檢查。CT檢查可以這么理解：X線的掃描等于把人體壓成一張薄薄的紙來觀察，但是只有一個方向，CT就是把人切成一個個薄片，相當于多層的X線掃描。鋼軌探傷車滑板式探頭高速鋼軌探傷車鐵路鋼軌探測用的滾軸式探頭（也稱做輪式探頭）超聲探傷儀構件的超聲探傷A型超聲波探傷應用起始波缺陷反射波底波工件缺陷A型超聲波探傷演示A型探傷超聲探傷的計算設：顯示器的x軸為10

s/div(格)，現測得B波與T波的距離為6格，F波與T波的距離為2格。已知縱波在鋼板中的聲速CL=5.9×103m/s。求：1）t

及tF；

2）鋼板的厚度

及缺陷與表面的距離xF。解：1）t

=10

s/div×6div=0.06mstF=10

s/div×2div=0.02ms2）縱波在鋼板中的聲速CL=5.9×103m/s，則厚度

=CLt

/2=5.9×103×0.06×10-3/2=0.177m表面的距離xF=CLt

/2=5.9×103×0.02×10-3/2=0.059m8.4

紅外傳感器

光纖傳感器

激光傳感器紅外傳感器不同的顏色和亮度代表不同的溫度

任何物體只要溫度高于絕對零度（-273.15℃），內部原子就會作無規則運動，并不斷地輻射出熱紅外能量。紅外探測器可將物體輻射的紅外功率信號轉換成電信號，在計算機成像系統的顯示屏上，將得到與物體表面熱分布相對應的熱像圖。

紅外熱成像原理光學成像物鏡對準被測目標，被測物的紅外輻射能量成像在紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，一般工作在8~14μm波段上。人眼的視場與客觀世界光輻射的比較紫外光可見光紅外線紫外線可見光紅外線

客觀世界的光輻射人眼能感知的光輻射紅外熱像手指的血流圖狗手槍鉆的發熱部位CPU的紅外熱像.熱成像儀在電力領域的使用變電設備熱像變電站的熱像從熱像中可以判斷過熱位置白天的圖像與晚上的熱像對比熱像各種輸電設備的熱像輸電線接頭過熱各種電燈的熱象光纖傳感器光的全反射演示光的反射、折射當一束光線以一定的入射角θ1從介質1射到介質2的分界面上時,一部分能量反射回原介質；另一部分能量則透過分界面,在另一介質內繼續傳播。光線的在兩種介質界面的反射與折射a）θ1＞θc時的情況b）θ1=θc時的情況c）θ1＜θc時的情況光的全反射當減小入射角時，進入介質2的折射光與分界面的夾角將相應減小，將導致折射波只能在介質分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角θc。當入射角小于θc時，入射光線將發生全反射。各種裝飾性光導纖維發光二極管產生多種顏色的光線，通過光導纖維傳導到塔的表面。在計算機控制下，可產生動態圖案。光的全反射光纖的結構1－纖芯2－包層3－緩沖層4－加強層5－PVC外套光纖的結構（續）

光在光纖中的全反射

光纜的外形及光纖的拉制

光纖的類型a）階躍型b）梯度型c）單孔型折射率：光在真空中的傳播速度與光在該介質中的傳播速度之比。材料的折射率越高，使入射光發生折射的能力越強。光纖的類型階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點均勻一致，稱為多模光纖。典型多模光纖：50/125μm、62.5/125μm（前者為纖芯直徑，后者為纖芯+包層直徑）梯度型光纖梯度型光纖的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線則逐步降低。單孔型光纖也稱為單模光纖，中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光纖。能量損失很小，適宜于遠距離傳輸。典型單模光纖直徑：9/125μm（前者為纖芯直徑，后者為纖芯+包層直徑）光纖的損耗光纖在傳輸信號的過程中損耗應盡量小且穩定。在某些波長上，光纖的損耗非常小。光纖傳感器光纖傳感器就是將光纖自身作為敏感元件，直接接收外界的被測量。被測量可引起光纖的長度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內傳輸的光被調制。若將光看成簡諧振動的電磁波，則光可以被調制的參數有四個，即振幅（強度）、相位、波長和偏振方向。光纖傳感器多用于高電壓、易爆等場合，不易產生電火花。光纖液位測量

當不存在液體時，在棱鏡探頭端面產生全部內部反射。當存在著液體時，光線不能產生全部內部反射，一部分光經過折射后進入液體。兩種情況下，接收光強產生差異，從而達到檢測液位效果。光纖液位傳感器

光纖液位傳感器用于高壓變壓器

冷卻油的液位檢測1－鵝卵石2－冷卻油3－高壓變壓器4－高壓絕緣子5－冷卻油液位指示窗口6－光纖液位傳感器7－連通器光纖溫度傳感器1－感溫黑色殼體2－液晶3－入射光纖4－出射光纖LED發出的可見光投射到入射光纖中，經過光纖的傳遞進入感溫黑色殼體中，感溫黑色殼體內部充滿彩色液晶，入射光經彩色液晶散射后進入出射光纖中，經過光纖傳遞作用在光敏三極管上，形成輸出信號。當被測溫度升高時，彩色液晶的顏色就會變暗，光強度變弱，光進入出射光纖，作用在光敏三極管后進行放大，得到的輸出電壓反映被測溫度的變化。光纖溫度傳感器適用于遠距離防爆場所的溫度測量。保護管內為作為敏感元件的高溫光纖低溫傳導光纖光纖溫度傳感器光纖混凝土應變傳感器

1－入射光纖2－氣隙3－出射光纖4－鋼板5－混凝土6－光源光纖連接頭7－傳導光纖連接頭當光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當受外力作用時，光纖則發生許多微彎，原來光束以大于臨界角θC的角度θ1在纖芯內傳輸為全反射，但在微彎處θ2<θ1，一部分光將逸出，散射入包層中。當受力增加時，光纖微彎的程度也增大，泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸出的光強度相應減小。埋入式光纖光柵應變傳感器埋入式光纖光柵應變傳感器是針對橋梁混凝土箱梁、大壩壩體、高層建筑及其他混凝土構件或預制件內部應力變形測量需求開發的高性能應變計。光纖大電流傳感器

1－大電流導線2－光纖線圈當線偏振光（見光的偏振）在光纖中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比，即ψ=VBl，比例系數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向，上述現象稱為法拉第效應。B光纖大電流傳感器（續）

基于法拉第電磁效應的光纖電流傳感器應用于架空電纜線路的電流測量和記錄。光纖大電流傳感器

光纖式光電開關反射型遮斷型反射鏡反射型遮斷式光纖式光電開關應用采用遮斷型光纖光電開關對IC芯片引腳進行檢測。激光傳感器激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。激光器是利用受激輻