常用传感器原理及其测量电路.ppt

汽车测试基础,教 材：汽车测试技术 主 讲：童 勇 电 邮：,交通与汽车工程学院,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器基本结构与测量原理 3.了解传感器测量电路,第四章 常用传感器原理,传感器是将被测的物理量按一定规律转换成与之对应的、易于处理的的另一物理量的转换装置。,传感器概念,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,传感器的地位和作用,传感器是测控系统的首要环节，关键部件。 现代信息技术三大基础： 信息采集（传感器） 通信技术 计算机技术 感官 神经 大脑,常见测量系统,图11 测量系统组成图,传感器的组成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,常见传感器,简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。,为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。,楼宇控制与安全防护的应用,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,传感器的应用,家庭与办公自动化的应用,在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。,指纹传感器,透光率传感器,工业自动化中的应用,机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗, 轨迹跟踪,培养学生在实践中对知识融会贯通，独立学习和解决问题的能力 。,仓储模型,机械手,AGV小车,AGV自动送货车,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。,香港理工AGV模型,生产加工过程监测,切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。,密歇根大学数字化工厂,产品质量测量中的应用,在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。,汽车扭距测量,机床加工精度测量,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡 + D/A卡,软驱:速度,位置伺服,在PC机中的应用,美军研制的未来单兵作战武器-OICW,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术,激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。,在军事上的应用,美国国家导弹防御计划-NMD,监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,其他应用,航天,农业,交通,医学,桥梁固有频率测量,电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,机器人握力测量,振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,扭矩传感器,在汽车上的应用,思考题：,列出你身边的传感器应用的例子。 你最关心汽车的哪些性能指标？如何测试？,问题：你最关心汽车的哪些性能指标？,动力性能（所载发动机的最大功率，最大转矩，0100公里/小时加速时间，最高车速） 经济性能（100公里油耗） 排放性能（是否达到排放强制标准） 安全性能（主动：ABS/EBD，被动：安全气囊等） 其他配置：悬架，电动助力转向等等,在汽车测试中的应用,整车性能试验,底盘测功机试验,道路试验,整车性能试验,发动机 台架性能试验,电阻应变片式传感器用于测量发动机转矩,燃烧分析仪,第一节 传感器的分类,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,一 电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器, 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,1 变阻器式传感器,第二节 常用传感器,（1）等效电路分析:,x,L,电阻式传感器,L-变阻器总长; x-电刷移动量. R-总电阻; RL电刷电阻;,R=k*l,x=L*E1 / E,电阻式传感器,(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2) 分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类,电阻式传感器,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,电阻式传感器,按制作方式：,线绕电位器,变阻器式传感器产品,电阻式传感器,案例：重量的自动检测-配料设备,电阻式传感器,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,电阻式传感器,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,电阻式传感器,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,2 电阻应变式传感器-应变片（P35）,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,电阻式传感器,种类,丝式应变片(wire gauge) 敏感栅由高阻值的金属丝绕成。 箔式应变片(foil gauge) 敏感栅由高阻值的金属铂片经光刻腐蚀技术制成。,薄膜式 (film gauge) 真空蒸镀技术制成，特点同上。 半导体应变片 由锗或硅单晶体作为敏感元件制成,常用应变片的形式,电阻应变片结构：是将被测试件的机械量（应变）转换成电量（电阻）的一种元件。,覆盖层：用来保护和固定敏感栅。,组成,敏感栅：由金属电阻丝构成，能 将机械应变转化成电阻变化。,基底：固定保护敏感栅一般由纸 和有机聚合物成。,引线：由镍铬铝丝构成，用来从敏感栅引 出电信号。,应变片的结构,图3-2 金属电阻应变片的结构,丝式 箔式,l称应变片的 标距或工作基长 b称应变片的 工作宽度 b*l称应变片的规格,电阻应变式传感器工作原理,应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体,应变式传感器概述,是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构： 应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成 应用： 广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量,应变效应分析,电阻应变片的工作原理是基于应变效应 即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应”。 ,机械效应：金属导线受力变形，该导线 电阻值随之变化的物理现象称为应变效应。,工作原理,1) 工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,电阻式传感器,金属应变片的电阻R为,代入,电阻式传感器,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则,材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为,为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。,电阻式传感器,有：,对金属材料，导电率不变：,金属丝应变片：,推得：,定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为,灵敏系数K受两个因素影响,一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（d/）/。 对金属材料：1+2(d/)/ 对半导体材料：(d/)/1+2 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。 ,分析：当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为,半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：,式中： 半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。,因此：,实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为,电阻式传感器,半导体应变计,简化为：,优点：灵敏度大;体积小; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,3) 应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,电阻式传感器,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。,3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,电阻应变片的特性,灵敏系数 横向效应：对垂直于其主轴线方向应变的响应降低了应变片的灵敏系数。横向应变为： 动态特性：动载荷时，应变波传播速度和应变片的长度是其对动态应变的频率响应的主要影响因素。宜短。 温度特性：1电阻随温度而变化；2热效应：试件和应变片随温度线膨胀系数不同，产生附加变形，引起阻值变化。 需采用温度补偿措施。 线性和滞后：加载和卸载曲线不重合。 零漂3h观测和蠕变最大应变变化的绝对值。 应变极限90%；电阻值120,电阻应变片温度补偿,电阻式传感器,3) 应变片测量电路,电阻式传感器,令：,金属丝应变片：,V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变,动态电阻应变仪电路原理框图,图 4-5 直流电桥的应变片测量电路,电阻应变片传感器 拉、压应力传感器 扭矩传感器 压力（压强）传感器 加速度传感器,电阻式传感器,电阻应变式传感器的应用：测力,图3-13 圆柱（筒）式力传感器 （a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图,1. 柱（筒）式力传感器,2. 环式力传感器,图3-14 环式力传感器 (a) 环式传感器结构图； (b) 应力分布,图3-15 膜片式压力传感器 （a） 应变变化图; （b） 应变片粘贴,3. 压强（压力）传感器,图3-16 应变片容器内液体重量传感器,4 应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据：a=F/m。 ,图3-17 电阻应变式加速度传感器结构图,图4-3 电阻应变式位移传感器 1-弹簧片 2-应变片 3-壳体 4-弹簧 5-测杆,图4-4 电阻应变片的应用,电阻式传感器,标准产品,案例：桥梁固有频率测量,电阻式传感器,案例：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,电阻式传感器,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,电阻式传感器,案例：机器人握力测量,电阻式传感器,电阻式传感器,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,电阻式传感器,基底材料的选用 敏感元件材料选用 敏感栅基长的选用 电阻值的选用 灵敏系数的选用,应变片的选用,电阻式传感器,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,电阻式传感器,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,第四章 常用传感器原理,电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,电感式传感器,二 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,图47 可变磁阻式电感传感器 a）改变气隙截面面积b) 改变气隙厚度式c) 改变铁心位置式d) 差动式 1-铁心 2-线圈 3-衔铁,图48 双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性 a)电桥 b) 输出特性,这种差动形式在传感器中使用较多，可以提高灵敏度及线性度，如图 4 8b , L1、L2为单螺管输出特性，线性度较差，u为双螺管线圈差动型输出特性，线性度、灵敏度明显提高），从而也提高了抗干扰能力，也可以进行温度补偿等。 由于可变磁阻式电感传感器是接触式测量，一般只适合用于低频测量。,电感式接近传感器（金属）,电感式传感器,电感式传感器,三 涡电流式,原理:涡流效应,电感式传感器,原线圈的等效阻抗Z变化：,电感式传感器,图411 调频电路工作原理,图412 调频式位移传感器调频电路图,图413 分压式调幅电路工作原理,a）振幅测量b）位移测量c）零件计数,d）厚度测量e）转速测量f）无损探伤,电感式传感器,产品：,电感式传感器,案例：连续油管的椭圆度测量,电感式传感器,案例：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,电感式传感器,四 互感型-差动变压器,电感式传感器,Ey=E1 - E2,图48 双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性 a)电桥 b) 输出特性,对比：双螺管线圈差动型自感式电感传感器,差动变压器测量电路,电感式传感器,图417 差动变压器位移传感器电桥测量电路,差动变压器位移传感器,电感式传感器,案例：板的厚度测量,电感式传感器,案例：张力测量,电感式传感器,第四章 常用传感器原理,五 电容式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,五 电容式传感器,a)极距变化型,五 电容式传感器,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,五 电容式传感器,b)面积变化型,五 电容式传感器,平面线位移型,五 电容式传感器,柱面线位移型.,五 电容式传感器,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,五 电容式传感器,c) 介质变化型,五 电容式传感器,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,五 电容式传感器,洗衣机水位传感器,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。,五 电容式传感器,图425 油箱油量测量系统图,图424 电容式振动位移传感器 1弹簧卡圈 2壳体 3、6、8绝缘衬套 4电极座 5盘形弹簧 7螺帽 9电极,五 电容式传感器,测量电路,3 测量电路,a)电桥电路,五 电容式传感器,图421 电桥型测量电路,b) 谐振电路,五 电容式传感器,图422 调频电路原理框图,c) 运算放大器电路,五 电容式传感器,图423 运算放大器式电路,五 电容式传感器,六、压阻式传感器,压阻式传感器的变换原理：某些半导体材料的压阻效应。 压阻效应是指某些半导体材料受压力作用时，其电阻率随压力变化的现象。 单晶硅、锗及化合物半导体都具有压阻效应。,如图4-26所示，在单晶硅的基片上用扩散工艺制成一定形状的应变元件，当它受到压力作用时，应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压变化。很多压阻式压力传感器在硅膜片上做成4个等值电阻的应变元件，形成半臂电桥，使输出电压增大。,应为：RT，注意公式注解的错误，教材P45,图428 三种压阻式压力传感器结构示意图,第四章 常用传感器原理,七 压电式传感器,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,压电效应的三种方向,图430 压电效应模型 a) 纵向效应 b) 横向效应 c) 切向效应,一、正压电效应 1、作为则量元件，可测最终能变为力的物理量如压力、加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振动等； 2、作为压电电源，可作为压电打火机、煤气炉或汽车的自动点火装置、多种电压发生器、计算机键盘等；,逆压电效应： 如果将具有压电效应的物质置于交变电场中，那么在电场作用下，其几何尺寸会在某些方向上伸缩，这种现象称为电致伸缩效应或逆压电效应。,二、逆压电效应 超声波发生器、压电扬声器、压电谐振器（石英振荡器）等。 三、正、逆压电效应 压电变压器、压电陀螺、声纳、压电声表面波等。 四、生物压电学 生物都具有压电性，人的各种感觉实际上都是生物压电传感器。 正压电效应治疗骨折 逆压电效应对骨头通电具有矫正畸形等功能。,压电传感器的特点： 体积小，简单，可靠，灵敏，固有频率高，应用广泛，但不能测频率太低的被测量，特别是静态力。 思考题 1、什麽是正、逆压电效应？ 2、与金属应变传感器相比较，压电传感 器有何优点与缺点？,压电晶片连接方式：,七 压电式传感器,2、测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。,适于动态测量,图432 压电式力传感器,图433 压电加速度传感器构造 1压紧弹簧 2质量块 3压电片 4机座 5引出线,弯曲型压电加速度计,图435 固定加速度计的方法,三向力传感器YDS-III79B,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,七 压电式传感器,案例：飞机模态分析,七 压电式传感器,第四章 常用传感器原理,八 磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,八 磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,八 磁电式传感器,式中l每匝线圈的平均长度； 。B线圈所在磁场的磁感应强度； 。S每匝线圈的平均截面积。,角速度型,测速电机,八 磁电式传感器,式中l每匝线圈的平均长度； 。B线圈所在磁场的磁感应强度； 。S每匝线圈的平均截面积。,图437 磁电式速度传感器 1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁铁 5线圈 6心轴 7弹簧,图 437 是磁电式速度计结构图。磁铁与壳体形成磁回路，装在芯轴上的线圈和阻尼环组成惯性系统的质量块并在磁场中运动，其输出电压与线圈切割磁力线速度即质量块相对壳体的运动速度成正比。,图438 磁电式相对速度传感器 1顶杆 2、5弹簧片 3磁铁 4线圈 6引出线 7壳体,图 438 是测量两个试件之间相对速度的传感器。壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一个试件，两试件之间的相对速度，通过与顶杆连在一起的线圈在磁场气隙中的切割磁力线运动转换成线圈的电压输出。,磁阻式传感器,八 磁电式传感器,磁阻式传感器又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。,案例：鼠笼电机转子断细条检测,八 磁电式传感器,第四章 常用传感器原理,九 磁敏元件传感器-霍尔效应,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,九 磁敏元件传感器-霍尔效应,九 磁敏元件传感器-霍尔效应,图440 霍尔元件测位移,图441 霍尔元件测力,图442 霍尔开关集成电路的应用 a) 钢球计数 b)测量转速 c)测量电路,测转角：,九 磁敏元件传感器-霍尔效应,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,九 磁敏元件传感器,铁磁材料裂纹检测,叶片和齿轮位置传感器,应用,案例：转速测量,案例：汽车速度测量:,十 光电传感器-半导体光敏管,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。,内光电效应,半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应 。,光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管,受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应,1）光电导效应,图443 光敏二极管,图4-44 光敏晶体管等效电路,吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。,图445 吸收式烟尘浊度检测仪框图,图446 光电断电器的结构 1发射端 2接收端,图447 光电断电器应用举例,光电池,光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。 以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,2)光生伏特效应,(2) 外光电效应 在光线作用下,物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象,称为外光电效应。,式中n转速； 。f脉冲频率； 。N圆盘开孔数。,十 光电传感器-半导体光敏管,案例：光电式鼠标的原理是利用发光二极管(LED)与光敏晶体管的组合来测量位移，二者之间的夹角使LED发出的光照到光电板后正好反射给后者, 发光二极管发出的一部分光照射到下面的感光板上反射回来被光敏三极管吸收，另一部分光被感光板吸收而无反射，从而形成了高低电平交错的脉冲信号。鼠标中的电路就将检测到的光的强弱变成表示位移的脉冲。,光学机械式鼠标的基本原理也是用光敏半导体元件测量位移，鼠标内置了二个滚轴，分别是X方向滚轴和Y方向滚轴,这两个滚轴都与一个可以滚动的小球接触，当小球滚动时便带动了两个滚轴转动，当译码轮被带动时LED发出的光时而照到光敏晶体管时而被阻断，从而产生表示位移的脉冲，通过鼠标的控制芯片转换处理后被CPU接收并对其计数。互相垂直的传动轴分别对应着屏幕上的横轴和纵轴，脉冲信号的数量和频率决定了鼠标在屏幕上移动的距离和速度。,十 光电传感器-半导体光敏管,十 光电传感器-半导体光敏管,相机测距反射式光电传感器,十一 光纤传感器,物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。,1）物性型光纤传感器,第四章 常用传感器原理,光导纤维是一种特殊结构的人造光学纤维。当光线从它的一端输入时，它可以将绝大部分光线按预定的路线传送至另一端。,图448 光纤结构原理,光纤流速传感器,十一 光纤传感器,结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。,2）结构型光纤传感器,十一 光纤传感器,图450 传光型光纤位移传感器原理,光纤检测型光电传感器,作业件检测,颜色检测,十一 光纤传感器,十二 CCD固态图象传感器,电荷藕合器（Charge Coupled Device , CCD） 电荷耦合器件(CCD)分为线阵器件和面阵器件两种，其基本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元件的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。,第四章 常用传感器原理,另一种图像传感器 互补金属氧化物场效应管 CMOS ( Complement Metal Oxide Semiconductor ）,通常在半导体硅片上制有几百个或几千个相互独立的MOS元，它们按线阵或面阵有规则地排列。如果在金属电极上施加一正电压，则在这半导体硅片上就形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则与此同时，在这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电效应的基本原理。,十二 CCD固态图象传感器,十二 CCD固态图象传感器,当在金属电极上施加一正电压时，在电场的作用下，电极下面的P型硅区域里的空穴将被赶尽，从而形成耗尽区。也就是说，对带负电的电子而言，这个耗尽区是一个势能很低的区域，称为“势阱”。如果此时有光线入射到半导体硅片上，则在光子的作用下，半导体硅片上就形成电子和空穴，由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收(或称俘获），而同时产生的空穴则被电场排斥出耗尽区。此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。人们称这样一个MOS结构元为MOS光敏元，或称为一个像素；把一个势阱所收集的若干光生电荷称为一个电荷包。,CCD 器件是一种半导体光敏器件，它有如下三种处理电荷的功能： (1) 光电变换功能（由光产生电荷）。当光照射在 CCD 的像素上时，像素将产生电子形成电荷，光照越强，产生的电荷越多。 (2) 电荷存储功能。当某电极（像素）上加上一个正电压时，就会在该电极下产生“势阱”，它的含义是在该区域的任何电子都会受到这“势阱”的强大“吸引力”，并能漏流进去。这可以比作把“水”倒入“水桶”内。“水”就是电荷，而“水桶”就是“势阱”。,图451CCD电荷耦合器件的结构、光电转换原理,(3）电荷转移功能。一个 CCD 芯片上的像素有很多线阵。如果每一个像素都有一个引脚，将很容易获得各个像素的电荷信息，这在实际上是不可能的，CCD 是采用“势阱”，一个一个分别获得各个像素的电荷信息的。如图 452 所示，假如在第一个电极上加一个电压，比如+5V ，那么在此电极下就会产生一个“势阱”。然后在第二个电极上加上+10V ，电荷就会流入这个新的“势阱”“桶”内。假如去掉第一个电极上的电压，并把第二个电极的电压从+10V 降到+5V，电荷就被收集在第二个电极下面。这样就已经成功地转移了电荷。如果重复上述的步骤，就能利用一连串的脉冲，把电荷作为独立的小包沿着衬底的整个长度传输出去进行进一步的处理。,图452 CCD电荷耦合,应用,(1)组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。 (2)作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)、图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术等方面。 (3)作自动流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面。,特点: (1) 非接触检测; (2) 响应快; (3) 可靠性高,维修简便; (4) 测量精度高; (5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响. 应用: (1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.,十二 CCD固态图象传感器,条形码扫描器,图454热轧钢板宽度自动检测原理,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,数码相机 、3CCD摄像机,十二 CCD固态图象传感器,十三 超声波检测传感器,1)声波及其分类,(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。,(2)声波:振动频率在16Hz20KHz之间的机械波。,(3)超声波:高于20KHz的机械波。,2）超声波的物理性质,超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。在钢材中甚至可穿透 10m 以上。,(4)微波：频率在31O831O11Hz之间的机械波,十三 超声波检测传感器,声压,所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值，单位为Pa，1Pa =1N/m2。,声强,声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能量，单位为W/m2。,声功率,声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能量，单位是W。,超声波传感器原理,超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。,接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。,十三 超声波检测传感器,超声波探头（压电式超声波换能器）,超声波探头，又称超声波发生器或接收器，是利用压电效应将电能转换为超声振动能，或将超声振动能转换为电能的一种换能装置。在实际使用中，利用压电效应的可逆性，有时将换能头作为“发射”与“接收”兼用，亦即将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向介质发射超声波，同时又利用它接受从介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号。因此，压电式超声波换能器，实质上是一种压电式传感器。,图454超声波探头结构示意图,图455超声波应用的三种基本类型 a)投射型 b) 分离式反射型 c)反射型,超声波测距系统,声音 - 机械波（机械振动 - 弹性煤质）； 声波 - 纵波；,声速 （C） - 声波在媒质中传播的速度 ，单位为m/s,声频范围（可听频率范围）：20 20000Hz,次声波 - 频率低于20Hz；超声波 - 超过20kHz,tc - 往返时间,特点：不易受太阳光干扰；不受测量对象颜色、表面形状的影响； 抗污染能力强,超声波在空气中的传播速度：,空气中：344m/s；水中：1440m/s；钢铁中：约5000m/s。,T - 环境温度（C）,应用：粉尘、水滴飞溅；透明体（如塑料薄膜和板材）、海绵、 橡胶、蝶形纸类的堆积量/厚度的测量；物流运输系统,被测距离：,1）原理：,2）应用实例：, 运输小车的控制, 车体的定位检测,超声波传感器对,十三 超声波检测传感器,案例：输油管检测检测机器人,十三 超声波检测传感器,倒车雷达,十三 超声波检测传感器,鱼群探测器,十三 超声波检测传感器,第四章 常用传感器原理,补充 其它类型的传感器,1、热辐射检测传感器,绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度(K)，根据普朗克辐射定律有以下表达式：,应用： 冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。,十四 其它类型的传感器,2、声发射检测传感器,材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。各种材料声发射频率范围很宽，从次声、声频到超声。多数金属的声发射频带在超声范围内。,十四 其它类型的传感器,案例：材料断裂等结构监测,十四 其它类型的传感器,3 生物传感器,第四章 常用传感器原理,生物传感器与其它传感器是检测对象中含生命物质。根据敏感物质不同,生物传感器分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。,第四章 常用传感器原理,2、环境监测,3.医学,应用领域,1、发酵工业(食品),第四章 常用传感器原理,血糖乳酸测定流程,体育上耐力训练,第四章 常用传感器原理,德国研发的环境废水BOD分析仪,第四章 常用传感器原理,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪,第四章 常用传感器原理,工厂发酵车间化验 员正在分析样品,发酵工厂谷氨酸-葡萄糖分析,4 智能传感器,第四章 常用传感器原理,传感器一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、PH值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电信息的装置。,智能传感器是将传感器与微型计算机集成在一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。,5 热敏传感器,1.双金属温度计,把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。,优点： 结构简单 牢固 可靠 防爆,5 热敏传感器,2. 热电温度计(热电偶，要求笔记),热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,5 热敏传感器,k玻耳兹曼常数， e电子电荷量， T接触处的温度 NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。,5 热敏传感器,热电偶测温基本定律,1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,5 热敏传感器,3)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,5 热敏传感器,5 热敏传感器,5 热敏传感器,3 热敏电阻传感器,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。,5 热敏传感器,普通金属-正温度效应,5 热敏传感器,5 热敏传感器,5 热敏传感器,产品,温控器,5 热敏传感器,应用,汽车发动机传感器,水温感应塞,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,6 气敏电阻传感器,气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。,如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。,烟雾报警器,酒精传感器,二氧化碳传感器,6 气敏电阻传感器,气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。,6 气敏电阻传感器,6 气敏电阻传感器,实验室中的传感器,6 气敏电阻传感器,燃气报警器,烟雾报警器,酒精传感器,6 气敏电阻传感器,十四 新型传感器的开发方向,一、新材料的应用 二、新工艺技术的应用 三、采用新的效应开发新型传感器 四、集成传感器 五、多维化传感器 六、灵巧传感器,一、新材料的应用 半导体材料在敏感元件中占有较大的技术优势，在今后的一个时期内仍占有主要地位。以一定化学成分组成的陶瓷材料，经过成型及烧结的精密陶瓷材料的应用将更为广泛，如用于湿敏元件及热敏元件。功能金属、功能有机化合物及非晶态等新材料（如记忆合金、 聚偏氟乙烯、铁基非晶态合金）已经制成不少新型传感器，今后将更加引人注意。,二、新工艺技术的应用 这里特别提出的是微细加工技术在超小型传感器中的应用。微细加工技术是一种集成电路的加工技术，它由三大基本技术组成：平面电子工艺技术、有选择的化学腐蚀技术及机械切割技术。利用微细加工技术制造微型压阻压力传感器，例如已有 0 . 75mm 直径的压阻式压力传感器供应市场，甚至可以植入人体血管内，进行压力测量。,三、采用新的效应开发新型传感器 （1）新的物理效应。如近年来开发的表面弹性波，它可以测温度、力及压力等参数。 (2)新的化学效应。如利用对离子敏感的场效应管制成的微小的 CO2传感器，可以做成注射器针头直径大小，把它置人人体内，可测出血液中的 CO2分量，即可以获得有关人体循环器官和呼吸器官功能的重要信息，可免去抽血的痛苦。 (3)新的生物效应。如用微生物取代酶固定在薄膜上，利用微生物有选择的反应特性制成微生物传感器。一般采用骨胶或多孔性醋酸纤维素制成薄膜。采用微生物传感器可以对发酵过程进行在线实时测量。,四、集成传感器 集成传感器是新型传感器重要的发展方向之一。其基本原理是用集成加工技术，将敏感元件、测量电路、放大器及温度补偿元件等集成在一个芯片上。它不仅尺寸小、重量轻、稳定性及可靠性高、响应速度快，而且由于生产自动化程度高，成本较低。,五、多维化传感器 一般的传感器只能获取一个点的信息。利用电子扫描方法，把多个传感器单元做在一起，就可