第3章常用傳感器

*學習重點獲取被測量的基本方法，傳感器的分類及依據(jù)的原理；參量型（電阻、電容、電感）傳感器的作用原理、測量電路和典型應用；絕對速度、慣性加速度傳感器的頻率響應特性曲線及其分析，系統(tǒng)特性參數(shù)（ωn，?）的求法。*3.1 傳感器的基本概念3

1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)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)。狹義上，非電信號電信號。在非電量電測系統(tǒng)中的作用

敏感作用：感受并拾取被測對象的信號變換作用：被測信號轉換成易于檢測和處理的電信號*傳感器通常由三部分組成：敏感元件：直接感受被測量,輸出與被測量成確定關系。轉換元件：敏感元件的輸出就是轉換元件的輸入,它把輸入轉換成電量參量。轉換電路：把轉換元件輸出的電量信號轉換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號的電路。*5

將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。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）；*傳感器的組成實例*傳感器例子三座標模擬測量，三座標測量儀工業(yè)視頻短片，汽車車身測量演示，*傳感器處于測試與檢測裝置的輸入端，傳感器性能的優(yōu)劣直接影響整個測試裝置的工作特性。線性傳感器： 若傳感器的輸入量及其輸出量之間的特性曲線是一條直線，則稱該傳感器是線性傳感器，即y=x0+kx。式中x、y分別為傳感器的輸入與輸出，x0為初始值，常數(shù)k稱傳感系數(shù)、轉換比、靈敏度或斜率。非線性傳感器：特性曲線不是一條直線的傳感器。*傳感器產生誤差的原因：實際特性曲線與設定特性曲線之間存在偏差,例子，圓度儀測量過程。傳感器的不可逆變化。引起不可逆變化的原因：老化、零件接觸點狀況變化、熱的或機械的過載、以及化學變化等。消除傳感器誤差的方法合理的結構設計。例如：力傳感器的結構設計中設法避免橫向敏感力的產生。對影響傳感器的干擾量進行補償。穩(wěn)定傳感器的工作環(huán)境條件、合理傳感器的安裝方法。對傳感器的定期維護和校準。*3.1.1 傳感器的分類按傳感器的工作原理或傳感過程中信號轉換的原理分類：結構型傳感器：根據(jù)傳感器的結構變化來實現(xiàn)信號的傳感，如電容傳感器。物性型傳感器：根據(jù)傳感器敏感元件材料本身物理特性的變化來實現(xiàn)信號的轉換。如壓力加速度計是利用了傳感器中石英晶體的壓電效應；光敏電阻則是利用材料在受光照作用下改變其電阻的效應，等等。

按被測物理量進行分類：力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等。*常見機械式傳感器測力計*常見機械式傳感器壓力計*常見機械式傳感器溫度計*根據(jù)傳感器與被測對象之間的能量轉換關系分類：能量轉換型傳感器（亦稱無源傳感器）：直接由被測對象輸入能量來使傳感器工作的。如熱電偶溫度計、彈性壓力計等等。能量控制型傳感器（亦稱有源傳感器）：依靠外部提供輔助能源來工作，由被測量來控制該能量的變化。如電橋電阻應變儀。*3.1.2傳感器的性能要求

靈敏度高，輸入和輸出之間應具有較好的線性關系；

噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能；

滯后、漂移誤差?。?/p>

動態(tài)特性良好；

在接入測量系統(tǒng)時，對被測量不產生影響；

功耗小，復現(xiàn)性好，有互換性；

防水及抗腐蝕等性能好，能長期使用；

結構簡單，容易維修和校正；

低成本、通用性強；*3.1.3傳感器的發(fā)展趨勢

采用新原理、開發(fā)新型傳感器；大力開發(fā)物性型傳感器(因為靠結構型有些滿足不了要求)；傳感器的集成化；傳感器的多功能化；傳感器的智能化；研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。*3.2參數(shù)式傳感器3.2.1電阻式傳感器：將被測的量轉變?yōu)殡娮枳兓囊环N傳感器。一、工作原理： 一個電導體的電阻值： 式中：R－電阻（Ω）；

ρ－材料的電阻率（Ω·mm2/m）；

l－導體的長度（m）；

A－導體的截面積（mm2）。改變長度l，則可形成滑動觸點式變阻器或電位計；改變l、A和ρ則可做成電阻應變片；改變ρ，則可形成熱敏電阻、光導性光檢測器、壓阻應變片、以及電阻式溫度檢測器。 (3.1)*

二、電阻應變傳感器 當金屬電阻絲受拉或受壓時，電阻絲的長度和橫截面積將發(fā)生變化，且電阻絲的電阻率也發(fā)生變化（這一現(xiàn)象稱為壓阻效應），因此導線的電阻值發(fā)生變化。 對式（3.1）進行微分可得： 設A=πr2，r為電阻絲半徑，代入上式得(3.2)*

式中，

dl/l=ε為單位應變；

dr/r為電阻絲徑向相對變化，它與dl/l之間的關系為 式中ν－電阻絲材料的泊松比。

dρ/ρ反映了電阻絲的電阻率的相對變化，它與電阻絲縱向所受的應力σ有關： 式中，π1－縱向壓阻系數(shù)

；

E－材料的彈性模量。(3.4)(3.5)(3.3)*

將式（3.4）和（3.5）代入式（3.3）中，可得

分析：影響電阻值變化的因素：電阻絲長度的變化；電阻絲面積的變化；壓阻效應的作用。電阻值的相對變化與應變成正比，因此通過測量應變dl/l=ε便可測量電阻變化dR/R，這便是應變片的原理。若用無量綱因子Sg表征兩者的關系，則

Sg為應變片系數(shù)或靈敏度,金屬電阻絲的靈敏度常在1.7~3.6之中，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、或鐵鎳合金等。(3.6)(3.7)*

應變片的分類：非粘貼式：幾乎都被用于傳感器應用。 圖3.3示出一種非粘貼式應變儀，它采用一組連接成電橋形式的預加載電阻絲。 其中電橋的每根電橋臂的電阻值約為120～1000Ω，最大激勵電壓為5～10V，滿量程輸出為20～50mV。圖3.3非粘貼式應變儀*粘貼式：粘貼式金屬絲應變片可用于應力分析，也可用作為傳感器。由于可測的電阻值變化要求導線長度很長，因而要將導線按一定的形狀（通常為柵狀）曲折地貼在由浸漬過絕緣材料地紙襯或合成樹脂組成地載體上。

圖3.4金屬絲應變片圖3.5應變片結構縱截面情形*金屬箔式應變片：a）、b）、c）敏感單方向上的應變d）膜片應變片e）三片式應變花，60°箔式平面型f）雙片式應變花，90°箔式疊合型g）三片式應變花，45°電阻絲式疊合型h）雙片式應變花，90°剪切式平面型圖3.2不同的箔式應變片結構形式金屬薄膜應變片：采用汽相淀積法和離子濺射法直接在襯底材料上形成，常用作傳感器。薄膜應變片的阻值和應變片系數(shù)與粘貼式金屬箔應變片的相似，但其時間和溫度穩(wěn)定性較好。*24

金屬應變計金屬應變計有:

1、絲式

2、箔式

3、薄膜式優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點:靈敏度系數(shù)小.應變計

*

三、壓阻式傳感器工作原理：半導體材料的壓阻效應。 壓阻效應：單晶半導體材料在沿某一軸向受外力作用時，其電阻率ρ隨之發(fā)生變化。從半導體物理可知，單晶半導體在外力作用下，原子點陣排列規(guī)律會發(fā)生變化，導致載流子遷移率及載流子濃度產生變化，從而引起電阻率的變化。分類：P型應變片：在施加有效應變時會增加其電阻值；N型應變片：在施加有效應變時會減少其阻值。特點：具有很高的應變片系數(shù)，一般可高達150左右。圖3.3不同類型的半導體應變儀1—硅棒2—引線帶3—塑料載體4—P型硅5—N型硅*半導體應變片的電阻變化主要由公式（3.6）右邊的項決定；缺點：溫度靈敏度高；非線性；安裝困難。半導體膜片式絕對壓力傳感器：圖3.4半導體膜片式絕對壓力傳感器*27

半導體應變計優(yōu)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(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。

應變計

體型薄膜型擴散型*

四、應變片的誤差及其補償溫度是影響應變片精度的主要因素溫度變化引起應變片本身電阻的變化 式中ΔRT－溫度變化引起的電阻變化值；

γf－金屬應變片電阻溫度系數(shù)；

ΔT－溫度變化度數(shù)。 由該電阻值的變化折算成應變值為(3.8)*金屬絲與襯底材料的線膨脹系數(shù)不同，從而在溫度變化時引起附加的應變。 金屬絲因溫度變化引起的應變： 襯底材料因溫度變化而引起的應變 式中αg和αs分別為金屬絲和襯底材料的線膨脹系數(shù)。當時αg≠αs

總附加應變則為

3. 應變片的靈敏度系數(shù)隨溫度變化產生的變化較小，可以予以忽略。(3.9)(3.10)(3.11)(3.12)*

補償途徑：應變片溫度補償（如圖3.5所示）；采用專門的、具有固有溫度補償功能的應變片。這種應變片采用特別的材料，這種材料能使線膨脹系數(shù)和電阻變化造成的效應差不多相互抵消，可得(3.13)圖3.5應變片溫度補償*應變片測量的另一誤差來源則涉及到應變片的大小與被測點的位置關系。目前最小的應變片長可做到0.2mm。應變片也可被貼到曲面上，對某些應變片來說，曲面的最小安全彎曲半徑可小到1.5mm。*

五、應變片的粘貼常用的粘接劑：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等；高溫下：專用陶瓷粉末等無機粘接劑。對粘接劑的要求：保證粘接面有足夠的強度、絕緣性能、抗蠕變、以及溫度變化范圍等。使用粘接方法的溫度范圍：-249℃～816℃對超高溫度來說，常要采用焊接技術來進行連接。*

六、應變片的應用結構的應力和應變分析；用于制成力、位移、壓力、力矩和加速度等測量傳感器。例子1，2，3，4

圖3.6粘貼應變計的力和力矩傳感器（a）拉力桿（b）壓力桿（c）彎曲懸臂（d）扭矩軸*34

立柱應力

橋梁應力

應變式電阻傳感器的應用

德國HBM電阻應變式傳感器

*35

質量傳感器

位移傳感器

加速度計

壓力傳感器

*36

壓力傳感器

轉矩傳感器

*

七、變阻式傳感器直線位移型：

R=ktx kt為單位長度中的電阻。 其靈敏度：角位移型 靈敏度：

α－觸點轉角(rad)；

kr－單位弧度對應的電阻值。圖3.1變阻器式傳感器(3.15)(3.16)(3.14)*

變阻器的分辨率取決于電阻元件的結構型式。為在小范圍空間中得到足夠高的電阻值，常采用線繞式電阻元件。當滑臂觸點從一圈導線移動至下一圈時，電阻值的變化是臺階形的，由此則限制了器件的分辨率。實際中能做到繞線間的密度為25圈/mm，對直線移動式裝置來說，分辨率最小為40μm，而對一個單線圈5cm直徑的轉動式電位計來說，其最好的角分辨率為約0.1o。為改善分辨率，也可采用碳膜或導電塑料電阻元件。*3.2.2電容式傳感器定義：電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉換為電容量的變化。原理： 忽略邊緣效應，一平板電容器的電容可表達為： 式中

A—極板面積（m2）；

ε0—真空介電常數(shù),ε0=8.85×10-12(F/m);

ε—極板間介質的介電常數(shù)，當介質為空氣時ε=1；

δ—兩極板間距離（m）。(3.37)

分類：面積變化型、介質變化型和間隙變化型。+++

A

*一、間隙變化型

這種類型的傳感器常常固定一塊極板（圖中極板2）而使另一塊極板移動（圖中極板1），從而來改變間隙δ以引起電容的變化。設間隙有一改變量Δδ，則(3.37)改寫為 將上式按泰勒級數(shù)展開為：(3.38)(3.39)圖3.42變間隙式電容傳感器*

當Δδ為小值時，在ΔC/C與Δδ/δ之間可近似為一線性關系。如當Δδ/δ=0.1時，按（3.39）式計算所得的線性偏差為10%，而當Δδ/δ=0.01時，該偏差降至1%，因此對小的間隙變化，式（3.39）可進一步舍去二次項，從而可得電容變化量 電容傳感器的靈敏度 實際應用中為提高傳感器的靈敏度，常采用差動式結構。 由此可得靈敏度(3.40)(3.41)(3.42)(3.42)*二、面積變化型

采用改變電容器極板面積是另一種獲取電容傳感器輸出變化的方法。

圖3.44面積變化型電容傳感器*電容傳感器*

圖中(b)為通過線性位移改變電容器極板面積的型式。當動電極在x方向有位移Δx時，極板面積的改變量將是 電容的改變量將是 其靈敏度 可見該靈敏度為一常數(shù)，因此輸入、輸出關系為線性。(3.44)(3.45)(3.46)*

圖中(a)為轉角型結構，當改變兩極板間的相對轉角時，兩極板的相對公共面積發(fā)生變化。由圖可知，該公共覆蓋面積

α-公共覆蓋面積對應的中心角；

r-半圓形極板半徑。 因此當有轉角變化Δα時，電容量改變 同樣得這種情況下電容器的靈敏度(3.47)(3.48)(3.49)該靈敏度為一常數(shù)，輸入與輸出仍為線性關系。*

圖中（c）為圓柱體線位移型結構，其中圓周為固定，圓柱在其中移動。利用高斯積分可得該電容器的電容量 式中

D－圓周內徑；

d－圓柱外徑。 兩者覆蓋長度x的變化為Δx時，電容變化量 其靈敏度(3.50)(3.51)(3.52)*也可將變面積型傳感器做成差動型的。圖3.46中間電極移動式電容傳感器（a）板式（b）柱式（c）柱式差動型*三、介質變化型介質變化型傳感器的分類極板上覆蓋有介質；介質可移動。圖3.47介質變化型傳感器（a）極板上覆蓋有介質（b）介質可移動*

極板上覆蓋有介質 如圖所示，該電容器具有兩不同的電介質，其介電常數(shù)分別為εr1和εr2，其介質厚度分別為a1和a2，且a1+a2=a0。整個裝置可視為由兩電容器串聯(lián)而成，其總電容量C由兩電容器的電容C1和C2所確定，由此得(3.53)極板上覆蓋有介質(3.54)

為分析簡單起見，設介質1為空氣，即εr1=1，則(3.54)式變?yōu)椋?3.55)

此方法可用來對不同材料如紙、塑料膜、合成纖維等的厚度進行測定。

*

介質可移動 這種結構相當于將兩電容器作并聯(lián)。此時的總電容由兩部分組成：電容C1(介電常數(shù)εr1，極板面積b0(l0-l))和電容C2(介電常數(shù)εr2，極板面積b0l)。由此得： 設介質1為空氣，因此εr1

=1，又設介質全部為空氣的電容器的電容為C0，則C0=ε0b0l0/a0。由于介質2的插入所引起的電容C的相對變化ΔC/C0則正比于插入深度l：(3.56)*這一原理常用于對非導電液體和松散物料的液位或堆積高度的測量。(3.57)圖3.48測量非導電液或松散物料填充高度的電容傳感器*

電容式傳感器所測出的電容及電容變化量均很小，因此必須后接適當?shù)姆糯箅娐穼⑺鼈冝D換成電壓、電流或頻率等輸出量。運算放大器電路 將公式（3.37）代入上式可得

式中

ei——信號源電壓；

eo——運放輸出電壓；

co——固定電容；

cx——傳感器等效電容。(3.58)(3.59)圖3.50運算放大器式電路輸出電壓eo與電容傳感器間隙δ成正比關系。

*

電橋測量電路 根據(jù)電橋平衡公式有：

其中實部有： 上式可通過調節(jié)可調電阻R1來滿足，對虛部則有： 同樣可通過調節(jié)可調電容器C1來實現(xiàn)。當電容傳感器C2有變化時，則電橋相應地有輸出。(3.60)(3.61)(3.62)(3.63)圖3.51文氏式電容測量電橋*

調頻電路 電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調頻振蕩器的諧振頻率f為： 式中L——振蕩回路電感。 當被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變化。其輸出經限幅、鑒頻和放大后變成電壓輸出。(3.66)圖3.53調頻電路工作原理*電容傳感器的最大缺點：易受連接電纜線形成的寄生電容的影響。消除寄生電容的方法：將后續(xù)電路的前級放置在緊靠電容傳感器的地方，以盡量減少電纜長度及位置變化帶來的影響。采用等電位傳輸（亦稱驅動電纜）技術。圖3.54驅動電纜工作原理*56

電容式傳感器的應用振動測量

旋轉軸的偏心量的測量

*3.2.3電感式傳感器定義：利用電磁感應原理，將被測的非電量轉換成電磁線圈的自感或互感量變化的一種裝量。分類：按照轉換方式分類：自感式；互感式。按照結構方式分類：變氣隙式；變截面式；螺管式*一、自感式1.可變磁阻式 由電磁感應原理，則在其中產生磁通Φm，其大小與所加電流i成正比： 式中W－線圈匝數(shù)；

L—比例系數(shù)，稱為自感(H)。 又據(jù)磁路歐姆定律有 式中Wi－磁動勢（A）

Rm－磁阻（H-1） 將上式代入（3.22）得自感(3.22)(3.23)(3.24)*

當不考慮磁路的鐵損且當氣隙δ較小時，則該磁路的總磁阻 式中

l－鐵芯的導磁長度(m);

μ－鐵芯磁導率(H/m); A－鐵芯導磁截面積,A=a×b(m2);

δ－氣隙寬(m);

μ0－空氣導磁率,μ0=4π×10-7(H/m); A0－空氣隙導磁橫截面積(m2)

忽略第一項情況下可得總磁阻Rm近似為圖3.15可變磁阻式傳感器基本原理1—線圈2—鐵芯3—銜鐵(3.25)(3.26)*60

原理:電磁感應W:線圈匝數(shù)；

L1:軟鐵長度；μ1：軟鐵磁導率；μ0：空氣磁導率A1：鐵芯導磁截面A0：空氣導磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵*

電感式傳感器

自感型--可變磁阻式可變導磁面積型差動型原理:電磁感應*62

(1).間隙變化型間隙變化型可變磁阻式傳感器結構

當μ0

、A0固定不變，改變δ時，L與δ呈非線形（雙曲線）關系，

L與δ的雙曲線關系

傳感器靈敏度：*63

(2).面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結構

當μ0

、

δ

固定不變，改變A0時，L與A0呈線形關系，

傳感器靈敏度L與A0的線形關系=常數(shù)*64

(3).螺線管型

當其它參數(shù)不變，僅改變L1，使Rm變化，從而產生電感的變化。*65

(4).差動型變間隙型差動變壓器輸出特性傳感器靈敏度*圖3.16變磁阻式電感傳感器結構形式*

自感式傳感器應用圖(a)測量透平軸與其殼體間的軸向相對伸長；圖(b)用于確定一磁性材料上非磁性涂覆層的厚度；圖(c)測量在一高壓蒸汽管道中閥的位置。圖3.17自感式傳感器應用例*2.渦流式定義：當金屬導體置于變化著的磁場中或者在磁場中運動時，在金屬導體內部會產生感應電流，由于這種電流在金屬導體內是自身閉合的，因此稱之為渦電流或渦流。原理：當線圈中通以一交變高頻電流時，會引起一交變磁通Ф。在靠近線圈的金屬表面內部產生一感應電流i1，該電流i1即為渦流。根據(jù)楞次定律，由該渦電流產生的交變磁通Ф1將與線圈產生的磁場方向相反，亦即Ф1將抵抗Ф的變化。由于該渦流磁場的作用，會使線圈的等效阻抗發(fā)生變化，其變化的程度除了與兩者間的距離δ有關外，還與金屬導體的電阻率ρ、磁導率μ以及線圈的激磁電流原頻率ω等有關。圖3.18渦流式傳感器原理*

電渦流傳感器與被測物體的等效電路： 圖中金屬導體被抽象為一短路線圈，它與傳感器線圈磁性耦合，兩者之間定義一互感系數(shù)M，表示耦合程度，它隨間距δ的增大而減小。電渦流傳感器分類：高頻反射式；低頻透射式。用途：測量位移、振動等物理量。圖3.19電渦流傳感器與被測物體的等效電路*低頻透射式渦流傳感器：多用于測量材料的厚度70

低頻透射式渦流傳感器e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律*渦流傳感器的測量電路一般有阻抗分壓式調幅電路及調頻電路。圖3.21渦流測振儀分壓調幅電路圖3.23調頻電路工作原理*渦流式電感傳感器的應用：圖3.24電渦流式傳感器應用例*

電感式傳感器*實例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測

電感式傳感器*用來測量位移和角度：當圖中的短路環(huán)相對于線圈1移動或轉動時，由于產生的渦流作用，將影響磁通量的變化，該變化的量則正比于所移動的距離或轉動的角度。圖3.25渦流傳感器測量（a）位移；（b）角度1——線圈；2——運動短路環(huán)*

測量磁性材料或介質（液體或氣體）的溫度：原理：導體的電阻率隨溫度變化而變化：

ρ1－溫度為t1時導體的電阻率；ρ0－溫度為t0時導體的電阻率；α－導體的電阻溫度系數(shù)。 當導體的電阻率隨溫度發(fā)生變化時，渦流傳感器的輸出亦將發(fā)生變化，其變化量正比于溫度變化值。(3.36)圖3.26電渦流溫度計結構示意圖圖3.27磁性及非磁性材料的溫度特性*77

3.變壓器式--差動變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.*78

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*3.3發(fā)電式傳感器3.3.1壓電傳感器：發(fā)電型傳感器。它利用某些材料的壓電效應，這些材料在受到外力的作用時，在材料的某些表面上產生電荷。一、壓電效應壓電效應(piezoelectriceffect)：某些材料當它們承受機械應變作用時，其內部會產生極化作用，從而會在材料的相應表面產生電荷；或者反過來當它們承受電場作用時會改變其幾何尺寸。分類：單晶壓電晶體，如石英、硫酸鋰、磷酸二氫銨等；多晶壓電陶瓷，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛等；某些高分子壓電薄膜。*

石英晶體是常用的壓電材料之一。其中縱軸Z—Z稱為光軸，X—X軸稱為電軸，而垂直于X—X軸和Z—Z軸的Y—Y軸稱為機軸。沿電軸X—X方向作用的力所產生的壓電效應稱為縱向壓電效應，而將沿機軸Y—Y方向作用的力所產生的壓電效應稱為橫向壓電效應。當沿光軸Z—Z方向作用有力時則并不產生壓電效應。80

*

主要的壓電效應：橫向效應；縱向效應；剪切效應。晶片在電軸X—X方向上受到壓應力σxx作用切片在厚度上產生變形并由此引起極化現(xiàn)象，極化強度Pxx與應力σxx成正比，即式中

Fx——沿晶軸X—X方向施加的壓力；

d11——壓電系數(shù)，石英晶體的d11=2.3×10-12CN-1；

l——切片的長；

b——切片的寬。(3.70)圖3.57壓電效應作用方向圖*82

壓電效應式中，q為電荷[量]；D為壓電常數(shù)，與材質及切片方向有關；F為作用力。q=DF*

壓電體受到多方面的力作用：縱向和橫向效應可能都會出現(xiàn)。圖3.58石英晶體壓電效應（a）縱向效應（b）橫向效應*

鐵電陶瓷鐵電陶瓷是另一類人工合成的多晶體壓電材料，它們的極化過程與單晶體的石英材料不同。這種材料具有電疇結構形式，其分子形式呈雙極型，具有一定的極化方向。鈦酸鋇陶瓷未受外加電場極化時：鈦酸鋇晶體單元在120oC以下時形狀呈立方體。在無外電場作用時，各電疇的極化效應相互被抵消，因此材料并不顯示壓電效應。圖3.59鈦酸鋇壓電陶瓷電疇結構（a）未極化（b）已極化鈦酸鋇材料置于強電場中：電疇極化方向趨向于按該外加電場的方向排列，材料得到極化。撤去外電場之后，陶瓷材料內部仍存在有很強的剩余極化程度，束縛住晶體表面產生的自由電荷。在外力作用下，剩余極化強度因電疇界限的進一步移動而引起變化，從而使晶體表面上的部分自由電荷被釋放，形成壓電效應。*二、壓電傳感器工作原理及測量電路

壓電傳感器可視為一個電荷發(fā)生器，也是一個電容器，其形成的電容量圖3.60壓電晶片及等效電路（a）壓電晶片（b）并聯(lián)（c）串聯(lián)（d）等效電荷源*

壓電傳感器可被視為一個電荷源：等效電路中電容器上的開路電壓ea、電容量q以及電容Ca三者間的關系有壓電傳感器可被視為一個電壓源。(3.76)圖3.61壓電傳感器的等效電路（a）電荷源（b）電壓源*

壓電傳感器實際的等效電路 若將壓電傳感器接入測量電路，則必須考慮電纜電容CC、后續(xù)電路的輸入阻抗Ri、輸入電容Ci、以及壓電傳感器的漏電阻Ra，此時壓電傳感器的等效電路如圖3.62所示。圖3.62壓電傳感器實際的等效電路（a）電荷源（b）電壓源*三、壓電傳感器的應用壓電加速度傳感器地震式（絕對）位移傳感器

圖3.66慣性式傳感器（a）線位移式（b）旋轉式*壓電加速度傳感器的分類：壓縮式；剪切式。圖3.70壓電加速度傳感器設計類型（a）周邊壓縮式（b）中心壓縮式（c）倒置式中心壓縮式（d）剪切式*

壓縮式結構的原理：其壓電變換部分由兩片壓電晶片并聯(lián)而成。慣性質量借助于頂壓彈簧緊壓在晶片上，慣性接收部分將被測的加速度接收為質量m相對于底座的相對振動位移x0，晶片受到動壓力p=kx0

，然后由壓電效應轉換為作用在晶片極面上的電荷q。周邊壓縮式結構的特點：簡單且牢固，具有很好的質量/靈敏度比；極易敏感溫度、噪音、甚至彎曲等造成的虛假輸入。中心壓縮式結構：降低周邊壓縮式結構對虛假輸入的響應；減少結構對基座彎曲應變的靈敏度。*

剪切式結構：典型的剪切式結構：三角剪切式原理：由三片晶體片和三塊慣性質量組成，借助于預緊彈簧箍在三角形的中心柱上。當傳感器接收軸向振動加速度時，每一晶體片側面受到慣性質量作用的剪切力。所產生的電荷量為q，(3.97)圖3.71晶體片受剪切力的壓電效應式中xr－質量塊的相對振動位移；k－由晶體片剪切彈性力提供的當量彈簧剛度系數(shù)。*三角剪切式的優(yōu)點：在較長時間內保持傳感器特性的穩(wěn)定，有更寬的動態(tài)范圍和更好的線性度。對底座的彎曲變形不敏感。圖3.72三角剪切式（b）與中心壓縮式（c）對底座彎曲變形敏感的對比*逆壓電效應當施加電壓時，會使壓電片產生伸縮從而導致壓電片幾何尺寸的改變。應用：壓電致動器：例如施加一高頻交變電壓，則可將壓電體作成一振動源，利用這一原理可制造高頻振動臺、超聲發(fā)生器、揚聲器、高頻開關等。精密微位移裝置：用于制成錄像帶頭定位器、點陣式打印機頭、繼電器、以及電風扇等*3.3.2 磁電式傳感器概念：一種將被測物理量轉換為感應電動勢的裝置，亦稱電磁感應式或電動力式傳感器。由電磁感應定律可知，當穿過一個線圈的磁通Φ發(fā)生變化時，線圈中所感應產生的電動勢分類：動圈式；動磁鐵式；磁阻式。(3.101)*一、動圈式傳感器圖3.75動圈式傳感器（a）線位移式（b）角位移式*96

動圈式傳感器

l:每匝線圈的平均長度；B:線圈所在磁場的磁感應強度；A:每匝線圈的截面積；θ:線圈運動方向與磁場方向的夾角；k:傳感器的結構系數(shù)。*

由線位移式裝置的工作原理可知，當彈簧片敏感有一速度時，線圈則在磁場中作直線運動，從而切割磁力線，因此它所產生的感應電動勢 式中

B—磁場的磁感應強度（T）；

l—單匝線圈的有效長度（m）；

W—有效線圈匝數(shù)，指在均勻磁場內參與切割磁力線的線圈匝數(shù)；

vy—敏感軸（y軸）方向線圈相對于磁場的速度（m/s）;

θ—線圈運動方向與磁場方向的夾角。 當線圈運動方向與磁場方向垂直亦即θ=90°時，上式可寫為(3.102)(3.103)*

對于角速度型動圈式傳感器結構，線圈在磁場中轉動時，產生的感應電動勢 式中

ω—線圈轉動的角頻率；

A—單匝線圈的截面積（m2）；

k—依賴于結構的參數(shù)，k>1。當W、B、A選定時，感應電動勢e與線圈相對于磁場的轉動角速度成正比。用這種傳感器可測量物體轉速。

(3.104)*二、磁阻式傳感器磁阻式傳感器：使線圈與磁鐵固定不動，而由運動物體（導磁材料）運動來影響磁路的磁阻，從而引起磁場的強弱變化，使線圈中產生感應電勢。可用來測量轉速、振動、偏心量等。圖3.79磁阻式傳感器工作原理及應用例（a）測頻數(shù)（b）測轉速（c）偏心測量（d）振動測量*100

磁阻式傳感器

*101

磁電傳感器的應用

測速電機

磁電式測速傳感器

*霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器，已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產品族，并已得到廣泛的應用?；魻柶骷且环N磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級）。采用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達.55℃～150℃。按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者是直接檢測出被檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場作為被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數(shù)、轉速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉換成電量來進行檢測和控制。

霍爾傳感器*

霍爾效應

在置于磁場的導體或半導體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應，是由科學家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。產生的電勢差稱為霍爾電壓。利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾傳感器。見圖8.1.1，半導體材料的長、寬、厚分別為l、ｂ和ｄ。在與ｘ軸相垂直的兩個端面ｃ和ｄ上做兩個金屬電極，稱為控制電極。在控制電極上外加一電壓ｕ，材料中便形成一個沿ｘ方向流動的電流Ｉ，稱為控制電流。

圖

霍爾效應

在洛侖茲力的作用下，電子向一側偏轉，使該側形成負電荷的積累，另一側則形成正電荷的積累。這樣，A、B兩端面因電荷積累而建立了一個電場Ｅｈ，稱為霍爾電場。該電場對電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡.*霍爾元件基于霍爾效應工作的半導體元件叫霍爾元件霍爾元件的結構與其制造工藝有關。例如，體型霍爾元件是將半導體單晶材料定向切片，經研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其它方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊引線最后封裝。相對來說，薄膜霍爾元件的厚度比體型霍爾元件小一、二個數(shù)量級，可以與放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，便于微型化。*

差動霍爾電路(雙霍爾電路)

它的霍爾電壓發(fā)生器由一對相距2.5mm的霍爾元件組成，其功能框圖見圖。

差動霍爾電路的工作原理圖

使用時在電路背面放置一塊永久磁體，當用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉過時，一對霍爾片上產生的霍爾電壓相位相反，經差分放大后，使器件靈敏度大為提高。用這種電路制成的汽車齒輪傳感器具有極優(yōu)的性能。*霍爾器件和工作磁體間的運動方式

在霍爾器件背面放置磁體

在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當?shù)拈g隙相對固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運動工作部件，當翼片進入間隙時，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調節(jié)工作磁場。被傳感的運動信息加在翼片上。這種方法的檢測精度很高，在125℃的溫度范圍內，翼片的位置重復精度可達50μm。也可將工作磁體固定在霍爾器件背面（外殼上沒打標志的一面），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過，檢測出物體上的特殊標志（如齒、凸緣、缺口等），得出物體的運動參數(shù)。應用*3.3.3熱電式傳感器結構及工作原理：當兩接點溫度不同時，回路中就會產生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，該電勢稱為熱電勢。熱電式溫度傳感器就是通過測定熱電式來求溫度的。特點：如A、B的材質均勻，其熱電勢大小與熱電極長度上的溫度分布無關，僅取決于A、B兩端的溫度差。*結構及工作原理：

雙金屬片是由熱膨脹系數(shù)不同的兩種金屬板粘合而成的。當溫的較低時，雙金屬片保持原來狀態(tài)。隨著溫度的升高，由于兩種金屬片的熱膨脹系數(shù)不同，雙金屬片便向膨脹系數(shù)小的一側彎曲，從而感測被測物體的溫度，促使執(zhí)行器動作，它可用于感測發(fā)動機冷卻水溫度和進氣溫度。雙金屬片式溫度傳感器*雙金屬片式溫度傳感器*雙金屬片式溫度傳感器*具體應用和檢修：冷啟動噴油器溫度時間開關1）結構:溫度開關是一個中空的螺釘，旋裝在能表征發(fā)動機熱狀態(tài)的位置上。內部有一個外繞加熱線圈的雙金屬片和可根據(jù)雙金屬片本身的溫度控制開關的觸點。雙金屬片式溫度傳感器*冷起動噴油器的控制回路雙金屬片式溫度傳感器*2）冷起動溫度的時間開關的檢修測量溫度時間開關的電阻溫度時間開關端子與搭鐵線間電壓測量溫度時間開關的單件檢查雙金屬片式溫度傳感器*溫度時間開關端子與搭鐵線間電壓測量雙金屬片式溫度傳感器*溫度時間開關的單件檢查雙金屬片式溫度傳感器*雙金屬片式氣體溫度傳感器*1、工作原理。用來檢測發(fā)動機的進氣溫度，通過真空膜片控制冷空氣和熱空氣的混合比列。當發(fā)動機進氣溫度較低時，雙金屬片保持原來狀態(tài)，閥門關閉；當溫度升高時，雙金屬片彎曲，閥門打開。2、檢修。取下真空電動機側的軟管，用手指堵住管口，根據(jù)有無真空引力來判定軟管內有無真空。當周圍溫度低于17°C時應有真空，接上軟管時冷暖氣轉換閥上升，系統(tǒng)正常；當周圍溫度高于28°C時，軟管內應沒有真空。否則說明該系統(tǒng)有故障，應更換溫度傳感器雙金屬片式氣體溫度傳感器*熱敏電阻式溫度傳感器概述：熱敏電阻是用陶瓷半導體材料制成的敏感元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。特點：熱敏電阻因其電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱慣性小，反應速度快，體積小，結構簡單，使用方便，壽命長，易于實現(xiàn)遠距離測量的特點得到廣泛地應用，但它的互換性差。*熱敏電阻的分類：

1、低溫用熱敏電阻

2、中溫用熱敏電阻

3、高溫用熱敏電阻熱敏電阻式溫度傳感器*熱敏電阻式溫度傳感器半導體點溫度計：熱敏電阻很適合作點溫度計，因為它的體積小，響應速度快。熱敏電阻用于過熱保護：利用熱敏電阻可以對待定的溫度進行監(jiān)視。熱敏電阻式冷卻水溫度傳感器：結構及工作原理。熱敏電阻式冷卻水溫度傳感器一般安裝在發(fā)動機缸體、缸蓋的水套式節(jié)溫器殼內并深入水套中，與冷卻水直接接觸。熱敏電阻式溫度傳感器*檢測：1）冷卻水溫度傳感器電阻檢測；2）冷卻水溫度傳感器電壓檢測；3）冷卻水溫度傳感器線束電阻值的檢測。熱敏電阻式進氣溫度傳感器結構及工作原理：進氣溫度傳感器通常安裝在空氣濾清器之后的進氣軟管上或翼片式空氣流量計內，有的安裝在諧振腔上。檢修：1）進氣溫度傳感器電阻的檢測方法；2）進氣溫度傳感器的電壓檢測；3）進氣溫度傳感器線速的電阻值檢測熱敏電阻式溫度傳感器*熱敏電阻式車內、外溫度傳感器熱敏電阻式蒸發(fā)器出風口溫度傳感器熱敏電阻式排氣溫度傳感器熱敏電阻式溫度傳感器*紅外傳感器是利用物體產生輻射的特性來實現(xiàn)自動檢測的器件。紅外輻射的產生及其性質：紅外輻射是由于物體內部分子的轉動及振動而產生的。紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性質，但它的特點是熱效應為最大紅外傳感器*紅外探測器：它是一種能探測紅外線的器件。從近代測量技術角度來看，把能將紅外線輻射轉換成電量變化的裝置，稱之為紅外線探測器。按工作原理紅外線探測器可分為兩類：熱敏探測器和光電探測器。1、熱敏探測器：是利用紅外線輻射的熱效應制成的，它采用熱敏元件，而熱敏元件的響應時間長，一般在毫秒數(shù)量級以上。另一方面由于在加熱過程中，不管什么波長的紅外線，只要功率相同，對熱敏探測器的加熱效果是也是相同的紅外探測器*紅外探測器無選擇性紅外探測器：如果熱敏元件對各種波長的紅外線都能全部吸收，熱敏探測器則對入射輻射的各種波長都具有相同的響應。2、光電探測器是利用紅外輻射的光電效應制成的，它采用光電元件，因此它的響應時間一般比熱敏探測器的響應時間短的多，最短的可達到毫微秒數(shù)量級。由于這類探測器是以光子為單元起作用的，只要光子的能量足夠，相同的數(shù)量的光子基本上具有相同的效果，因此這類探測器常常被稱為光子探測器。*紅外探測器紅外探測器的結構：光學系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和調節(jié)器等。按光學系統(tǒng)的結構化分：透射式和反射式。1）透射式紅外線探測器。常常還需要在鏡片表面蒸鍍紅外蒸透層，一方面濾去不需要的波段，另一方面增大有用波段的透射濾。由于紅外輻射的透射損失，一般透射系統(tǒng)中包含的透鏡在兩片以上者是極少見的。*透射式紅外線探測器光學系統(tǒng)*透射式紅外線探測器透射式光學系統(tǒng)的部件用紅外光學材料制成，根據(jù)所用紅外線波長選擇光學材料。700°C以上高溫時用波段在0.76~3m的近紅外區(qū)，可用一般的光學玻璃和石英等材料。100~700°C的中溫度時用波段在3~5m的中紅外區(qū)，多數(shù)采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學材料。100°C以下低溫度時，用波段在5~14m的中、遠紅外區(qū)，多數(shù)采用鍺、硅、熱壓硫化鋅等材料。*反射式紅外線探測器*反射式紅外線探測器2）反射式紅外線探測器。

采用反射式光學系統(tǒng)主要是因為獲得透射紅外線波段的光學玻璃材料比較困難，此外反射式系統(tǒng)還可以做成大口徑的鏡子。但是在加工方面，反射式比透射式要困難得多。反射式光學系統(tǒng)是多用凹面鏡反射鏡，其表面鍍金、鋁或鎳鉻等紅外波段反射率很高的材料。減小光學像差或為了使用上的方便，通常再加一片反射鏡，使目標輻射經二次反射聚焦到接收元件上。*紅外傳感器應用：紅外測溫儀；紅外線氣體分析儀；用紅外線傳感器的夜間步行者報警系統(tǒng)；紅外線傳感器在汽車及工程的機械零件鍛造自動線的應用*紅外測溫儀1.紅外測溫儀：紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當物體的溫度低于1000oC時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。濾光片一般采用只任許8~14m的紅外輻射能通過的材料。*紅外測溫儀*紅外測溫儀的應用紅外傳感器*紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性來對氣體成分進行分析。不同氣體的吸收波段（吸收帶）是不同的。如CO氣體對波長為4.65m附近的紅外線具有很強的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78m和4.26m附近以及波長大于13m的范圍對紅外線有較強的吸收能力。紅外線氣體分析儀*紅外線氣體分析儀的結構原理*便攜式紅外線CO分析器

紅外線氣體分析儀*便攜式紅外CO2分析器紅外線氣體分析儀*夜間行人報警系統(tǒng)就是根據(jù)下面的概念開發(fā)出來的：檢測出人臉輻射出的紅外線，通過圖像處理檢測，判斷出夜間難以發(fā)現(xiàn)的行人，在擋風玻璃上顯示行人的存在及方向并發(fā)出報警，以提高駕駛員的視覺功能夜間行人報警系統(tǒng)由熱紅外線攝像機、控制組件及顯示部分組成。用紅外線傳感器的夜間步行者報警系統(tǒng)*步驟（1）以臉部溫度為中心將測得的紅外線圖像信號在1oC的范圍內進行分選；（2）對選定的熱源對象決定外接方形窗口的尺寸；（3）計算方框內選定熱源對象所占的比例，考慮臉部朝向、頭發(fā)狀況等后，確定某一數(shù)值，選定高于這數(shù)值的熱源；（4）限定小于以選定熱源對象縱橫比的值；（5）研究這些區(qū)域與限定熱源對象的方形尺寸之間的關系，在有關使用條件下，對人及判斷人的位置方向燈亮。用紅外線傳感器的夜間步行者報警系統(tǒng)*用紅外線傳感器的夜間步行者報警系統(tǒng)*紅外傳感器在汽車及工程機械無損探傷上的應用道理很簡單：當A面的外表面均勻受熱而溫度升高時，熱量就向B面?zhèn)魅?，B面外表面的溫度隨之升高。如果兩板的交界面是均勻接觸，則B面外表面的熱量分布也是均勻的一致的，如果交界面的某一部分沒有焊接好，熱流在這里就會受阻，B板的外表面會出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。紅外傳感器*紅外無損傷探傷的特點：加熱和探傷設備都比較簡單，能針對各種特殊的需要設計出合適的檢測方案，因此應用比較廣泛。例如金屬、陶瓷、塑料、橡膠等材料中的裂縫、孔洞、異物、氣泡、界面變形等缺陷的探傷，結構的檢查，焊接質量的鑒定以及電子器件和線路的可靠性的檢測等，都可以用紅外無損傷探傷來解決。紅外傳感器*3.4常用其他傳感器光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。由于被光照射的物體材料不同，所產生的光電效應也不同，通常光照射到物體表面后產生的光電效應分為：外光電效應、內光電效應。*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(fā)射的現(xiàn)象,稱為外光電效應。*內光電效應

受光照物體(通常為半導體材料)電導率發(fā)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。*光電傳感器的應用

*紅外輻射檢測一、紅外輻射

紅外輻射又稱紅外光，任何物體的溫度只要高于絕對零度（即-273.16℃）就處于“熱狀態(tài)”。處于熱狀態(tài)的物質分子和原子不斷振動、旋轉并發(fā)生電子躍遷，從而產生電磁波。這些電磁波的波長處于可見光的紅光之外，因此稱為“紅外線”。物體與周圍溫度失去平衡時，就會發(fā)射或吸收紅外線，這便是常說的熱輻射，即紅外輻射。紅外線在電磁波譜中位于可見光與微波之間，波長為0.76～1000μm（圖3.106）。圖3.106電磁波譜

*

物體的溫度與輻射功率的關系由斯芯藩—玻爾茨曼（Stefan-Boltzmann）定律給出，即物體輻射強度W與其熱力學溫度的四次方成正比：

W—單位面積輻射功率，Wm-2；

σ—斯芯藩—玻爾茨曼常數(shù)，5.67×10-8W·m-2·K-4；

T—熱力學溫度，K；

ε—比輻射率（非黑體輻射度/黑體輻射度）。黑體：在任何溫度下能全部吸收任何波長的輻射的物體，ε=1?；殷w：一般物體的ε<1，即它不能全部吸收投射到它表面的輻射功率，發(fā)射熱輻射的能力也小于黑體。(3.130)*二、紅外探測器紅外探測器：能將紅外輻射量轉化為電量的裝置。分類：熱敏探測器；光敏探測器。熱敏探測器利用半導體薄膜材料在受到紅外輻射時產生的熱效應。響應時間較長，約在10-3s的量級。對輻射的各種波長基本上有相同的響應，其光譜響應曲線平坦，在整個測量波長范圍內靈敏度基本不變，且能在常溫下工作。*

光電探測器是一種半導體器件，它的核心是光敏元件。當光子投射到光敏元件上時，促使電子—空穴對分離，產生電信號。光電效應產生很快，光電探測器對紅外輻射的響應時間要比熱敏探測器的響應時間快得多，可達毫微秒。其對波長的響應率有個峰值λp，超過λp時響應曲線迅速截止(圖3.108)。其原因是，在大于一定波長的范圍內，光子儲量不足于激發(fā)電子的釋出，電活性消失。光電探測器必須在低溫下才能工作。圖3.108紅外探測器光譜響應曲線

*對紅外探測器性能的要求：靈敏度高；在工作波長范圍內有較高的探測率；時間常數(shù)小。*三、紅外檢測應用輻射溫度計圖3.109輻射溫度計工作原理*

運用斯忒藩——玻爾茨曼定律可進行輻射溫度測量。被測物通常為ε<1的灰體，若以黑體輻射作為基準來定標，則當知道了被測物的ε值后，則可根據(jù)式（3.130）以及ε的定義來求出被測物的溫度。假定灰體輻射的總能量全部為黑體所吸收，則它們的總能量相等，即

ε—被測物的比輻射率；

ε0——黑體的比輻射率，ε0=1；

T——被測物溫度；

T0——黑體溫度；

σ——斯忒藩—玻爾茨曼常數(shù)。 由此可得(3.133)*

紅外測溫 輻射溫度計一般用于800℃以上的高溫測量，此外所講的紅外測溫則是指低溫及紅外光范圍的測溫。圖3.110紅外測溫裝置原理圖*

紅外熱成像紅外光是人的肉眼所不能看到的，因此不能采用普通照相機原理來攝取紅外圖象。紅外熱成像（Infraredthermalimaging）技術：將紅外輻射轉換成可見光進行顯示的技術。分類：主動式；被動式。*主動式紅外熱成像：采用一紅外輻射源照射被測物，然后接收被物體反射的紅外輻射圖象。圖3.111主動式紅外成象原理1——紅外光源；2——攝象機；3——監(jiān)視器*被動式紅外熱成像：利用物體自身的紅外輻射來攝取物體的熱輻射圖像，這種成像我們一般稱為熱像（thermalimage），獲取熱象的裝置稱熱像儀。圖3.112紅外熱像儀光學系統(tǒng)結構1.

被測對象2.掃描鏡3.透鏡3.反射鏡5.紅外探測器6.杜瓦瓶7.測溫元件8.參考黑體9.調制器10.凹面反射鏡*紅外熱像儀的應用：不同環(huán)境條件下的溫度檢測。圖3.113車床軸承面的等溫度場分布圖*圖3.114超音速風調熱像儀檢測1.噴嘴2.模型3.熱像儀3.塑料窗*熱像技術廣泛用于無損缺陷的探查。在電力工業(yè)中，熱像儀被用來檢查電力設備尤其是開關、電纜線等的溫升現(xiàn)象，從而可及時發(fā)現(xiàn)故障進行報警。在石油、化工、冶金工業(yè)生產中，熱像儀也被用來進行安全監(jiān)控。用于公安和消防，對火災現(xiàn)場的建筑物，采用熱象儀可以探知建筑物中被燒毀的情況以及人員的情況。用作海岸線監(jiān)視，以監(jiān)視各類過往船只，尤其是用作夜間監(jiān)視，確保海岸線的安全。*熱像儀用于臨床醫(yī)學診斷。圖3.115醫(yī)用紅外熱象儀獲取的病例（脂肪瘤）熱圖*

固態(tài)圖象傳感器固態(tài)圖象傳感器：一種固態(tài)集成元件，其核心部分是電荷耦合器件（Charge