第2章 传感器(新).ppt

第2章传感器,测试技术,第2章传感器,2.1传感器概述,2.1.1传感器的组成与分类,现代信息技术的基础有三个主要方面：信息采集传感器技术信息传输通信技术信息处理计算机技术(包括软件和硬件),1.传感器的组成,敏感元件直接感受被测物理量(力)，并对被测量进行转换输出(应变)；转换元件将敏感元件的输出转换成便于传输和测量的电参量(电阻)或电信号；调理电路则对转换元件输出的信号进行放大、滤波、运算、调制等，以便于实现远距离传输、显示、记录和控制；辅助电源为调理电路和转换元件提供稳定的工作电源。,2.1.1传感器组成与分类,有些传感器由敏感元件和转换元件组成。如电感式压力传感器由膜盒和电感线圈组成，膜盒是敏感元件，电感线圈是转换元件。,敏感元件与转换元件之间并无严格的界限。如热电偶传感器直接将被测温度转换成热电势输出，热电偶既是敏感元件，又是转换元件，也不需要信号调理电路和辅助电源。,2.1.1传感器组成与分类,1）按能量关系(被测量与输出电信号的关系)分类,能量转换型：直接将被测量转换为电信号(电压等)。(发电型)例如：热电偶传感器，压电式传感器。,2.1.1传感器组成与分类,2.传感器的分类,结构型传感器：基于某种敏感元件的结构形状或几何尺寸(如厚度、角度、位置等)的变化来感受被测量。例如电容式压力传感器，当被测压力作用在电容器的动极板(敏感元件)上时，电容器的动极板发生位移导致电容发生变化。,物性型传感器：是利用某些功能材料本身具有的内在特性及效应来感受被测量。例如利用石英晶体的压电效应而实现压力测量的压电式压力传感器。,2）按工作机理分类,2.1.1传感器组成与分类,3）按输出信号分类,模拟型传感器：输出连续变化的模拟信号。如感应同步器的滑尺相对定尺移动时，定尺上产生的感应电势为周期性模拟信号。,数字型传感器：输出“1”或“0”两种信号电平。如用光电式接近开关检测不透明的物体，当物体位于光源和光电器件之间时，光路阻断，光电器件截止输出高电平“1”；当物体离开后，光电器件导通输出低电平“0”。,2.1.1传感器组成与分类,位移传感器转速传感器力矩传感器滑觉传感器压力传感器流量传感器温度传感器浓度传感器,4）按被测量分类,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,转速,质量,重量,力,应力,应变,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。,2.1.1传感器组成与分类,2.1.2传感器的选择,2.1传感器概述,2.2能量控制型传感器(电参量型),第2章传感器,1.应变式传感器(金属电阻应变片),2.2.1电阻式传感器,金属电阻丝的电阻为：,对上式求偏导数,把代入,2.2.1电阻式传感器,有：,2.2.1电阻式传感器,故：,金属电阻丝的灵敏度：,2.2.1电阻式传感器,应变计,金属电阻应变片按敏感栅的结构可分为：丝绕式和箔式。,2）金属电阻应变片,2.2.1电阻式传感器,应变片的主要参数：,（5）其它参数：如环境温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向效应等。,（1）几何尺寸：基长基宽=lbp2(或p10时，e1e2，uo0；当x0时，e1T0),当热电偶材料一定，冷端温度时，总热电势为热端温度的单值函数(分度表)。,2.3.3热电偶传感器,2.热电偶的基本定律,1）均质导体定律若组成热电偶回路的两种导体相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路中的总热电势为零；若两接点温度相同，则尽管导体材料不同，热电偶回路中的总热电势也为零。,2.3.3热电偶传感器,3.热电偶的冷端补偿,1）热电势修正法：,2）电桥补偿法,3）补偿导线法,2.3.3热电偶传感器,产品：,2.3.3热电偶传感器,4.热电偶传感器的应用,1）为了提高灵敏度，将n支同型号的热电偶串联，则,只要有一支热电偶发生断路，整个电路将无法工作。,2.3.3热电偶传感器,3）两点间温差测量,将两支型号相同的热电偶反向串接，且配接相同的补偿导线，测量仪表示值,2.3.3热电偶传感器,2.3.3热电偶传感器,第2章传感器,2.4光电传感器：光信号电信号,1.工作原理：光电效应,2.4.1光电器件,（2）光电倍增管,由光电阴极K、倍增极D和阳极A组成。经过倍增极放大的电子被阳极收集，形成阳极电流，在负载电阻RL上产生信号电压Uo。,2.4.1光电器件,2）内光电效应,在光照作用下，物体的导电性增加而电阻率下降的现象。光电器件为光敏电阻。,2.4.1光电器件,3）光生伏特效应,在光照作用下，能使物体产生一定方向电位差的现象。光电器件有光敏管和光电池。,2.4.1光电器件,（2）光敏三极管：两个PN结，具有电流放大作用,光敏三极管基极电流不仅受基极电压控制，还受光照控制，也有NPN型和PNP型两种。基极、集电极、发射极构成一个具有放大作用的三极管，完成光电流的放大。,2.4.1光电器件,（3）光电池：比光敏二极管的PN结面积大,当光照射PN结时，结区附近产生光生电子-空穴对，不需要偏置电压就会在PN结两端产生电位差。用可见光作光源。,2.4.1光电器件,照相机自动测光；光控灯；工业控制。,产品：,2.4.1光电器件,2.光电器件的应用,光电器件在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。,2.4.1光电器件,测量半透明体的透明度,2.4.1光电器件,测量非透明体的位置和尺寸,2.4.1光电器件,测量表面粗糙度,2.4.1光电器件,(r/min),2.4.1光电器件,案例：光敏电阻检测带材跑偏,RG2用遮光罩覆盖，起温度补偿的作用。当带材位于中间位置时，调节Rp使电桥平衡，输出电压Uo为零。如果带材在运动的过程中跑偏，则RG1的阻值发生变化，电桥失去平衡，Uo的大小和正负分别反映了带材跑偏的程度和方向。,2.4.1光电器件,案例：光二极管控制路灯,2.4.1光电器件,案例：光敏三极管控制自动干手器,220V交流电经变压器、整流桥和滤波电容后，变为12V直流电源供给检测电路。当手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光敏三极管V1截止，晶体管V2导通，继电器K通电，常开触点K1吸合，风机和电热丝通电，吹出热风烘手。,2.4.1光电器件,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。,2.4.1光电器件,亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。,2.4.1光电器件,照相机测距反射式光电传感器,2.4.1光电器件,2.4.1光电器件,机械手抓取鸡蛋实验照片,案例：利用光电式滑觉传感器实现机械手软抓取,2.4.1光电器件,2.4.1光电器件,2.4.2光纤传感器,1.工作原理：全反射现象,2.4光电传感器,参考光纤置于恒温器内，测量光纤置于被测温度场中，当温度变化时，引起测量光纤中光的相位变化。将测量光纤和参考光纤的输出端偶合在一起，两束光将发生干涉而产生干涉条纹，温度变化引起干涉条纹的移动，光电器件检测出干涉条纹移动的数量，就可以反映温度的变化。,功能型温度测量,2.4.2光纤传感器,2.光纤传感器的应用,在前坡区：光电器件输出的光电流与位移x成正比，用来测量微小位移和表面粗糙度等。在光峰点：接收光纤端面被全部照亮，输出的光电流达到最大值，用来检测被测表面的状态。在后坡区：输出光电流与x2成反比，实现远距离测量。,非功能型位移测量,2.4.2光纤传感器,光纤检测型传感器,工件检测,颜色检测,案例:,2.4.2光纤传感器,1.光栅的结构与分类,2.4光电传感器,2.4.3光栅传感器,2.光栅的工作原理,2.4.3光栅传感器,3.光栅的辩向原理与细分技术,1）辩向原理,在相距L/4的位置安装两个光电器件，就可获得两路相位相差90o的正弦波信号A和B。两路正弦波信号经过零比较器后得到方波信号和送入D触发器，并将D触发器输出信号Q、分别和、做与运算，并将和送入可逆计数器的控制端，然后根据可逆计数器加脉冲或减脉冲来实现辨向的目的。,2.4.3光栅传感器,正向移动,反向移动,2.4.3光栅传感器,在一个莫尔条纹间距内并列放置四个光电器件，当光栅相对移动一个栅距时，可得到相位差90o的四个脉冲信号，从而实现了四细分。,2）细分技术,直接细分法,2.4.3光栅传感器,电阻桥细分法,2.4.3光栅传感器,4.光栅传感器的应用,将光源、透镜、指示光栅和光电器件固定在机床床身上，主光栅固定在机床运动部件上。主光栅的长度由量程确定。,当两光栅相对移动时便产生莫尔条纹，该条纹随光栅以一定的速度移动，用光电器件检测条纹亮度的变化，即可得到周期变化的电信号，电信号通过前置放大器送入数字显示器，直接显示被测位移的大小。,(光栅位移传感器),2.4.3光栅传感器,2.4.4电荷耦合器件(CCD),MOS电容器的结构是在P型半导体硅片上形成一层氧化物(SiO2)，在氧化物上再沉积一层金属电极，由此形成一个金属-氧化物-半导体结构元。,2.4光电传感器,CCD的结构：,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感应出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,2.4.4电荷耦合器件(CCD),CCD的原理：,光源发出的光经扫描对象反射后，通过透镜在线阵CCD上成像，CCD输出的电信号反映了扫描对象的亮度信息，经放大、A/D转换和编码后成为数字信号输出。,扫描仪原理图,2.CCD的应用,2.4.4电荷耦合器件(CCD),2.4.4电荷耦合器件(CCD),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影响。,2.4.4电荷耦合器件(CCD),数码相机：,2.4.4电荷耦合器件(CCD),2.4.5红外传感器,当温度高于绝对零度就会辐射红外线，其波长范围为：，频率范围为：。,红外传感器是将红外辐射能转换成电能的光敏器件，包括热探测器和光子探测器。热探测器是利用红外辐射的热电效应，根据温度的变化测定所吸收的红外辐射能。通常有热电偶型、热敏电阻型、热释电型等。其优点是响应波段宽、可在常温下工作，缺点是响应时间长。光子探测型是利用半导体材料的光电效应，根据光子能量测定红外辐射能。通常有光电导型、光生伏特型和光磁电型等。其优点是灵敏度高、响应速度快，缺点是探测波段窄，需要在低温下工作。,2.4光电传感器,红外辐射测温仪,调制器是把红外辐射调制成交变辐射的装置，因为交变辐射便于处理，信噪比高。调制器采用微电机带动一个齿轮盘或等间距孔盘(调制盘)旋转，使入射辐射到红外探测器上的辐射信号成为交变辐射。,2.4.5红外传感器,四个超声波接近觉传感器完成避障功能，三个红外接近觉传感器完成自动寻轨功能。,自动寻轨和避障机器人小车,2.4.5红外传感器,第2章传感器,2.5半导体传感器,半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上会产生电势(霍尔电势)。,2.5.1霍尔传感器,1.工作原理：霍尔效应,霍尔传感器由霍尔片、四根引线和壳体组成。,2.5.1霍尔传感器,2.霍尔传感器的应用,2.5.1霍尔传感器,霍尔转角传感器：,2.5.1霍尔传感器,霍尔电流传感器：,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成正比，磁场通过钳形软磁铁心来聚集，然后用霍尔元件进行检测。,2.5.1霍尔传感器,当金属表面有裂纹时，在裂纹处出现漏磁场，霍尔元件通过漏磁场将获得一个脉动电压信号。,案例：金属表面裂纹和钢丝绳断丝检测,2.5.1霍尔传感器,案例：汽车速度测量,(r/min),2.5.1霍尔传感器,2.5.2气敏传感器,气体检测是保护和改善生态居住环境不可缺少手段。如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。另外易燃、易爆气体、酒精等的探测，气敏传感器发挥着极其重要的作用。,烟雾报警器,酒精传感器,二氧化碳传感器,2.5半导体传感器,2.5.2气敏传感器,利用半导体气敏材料，如氧化锌(ZnO)、二氧化锡(SnO2)、二氧化锰(MnO2)等)，吸附被测气体(氢气、一氧化碳、甲烷、乙醇等)时，电阻率发生变化，从而使电阻随被测气体浓度的改变而变化。,1.工作原理：气敏效应,气敏器件电阻值与气体浓度关系曲线：,2.5.2气敏传感器,气敏器件：,2.5.2气敏传感器,2.气敏传感器的应用,当室内可燃气体浓度增大时，气敏传感器吸附可燃气体使电阻值降低，检测回路电流增加，直接驱动蜂鸣器BZ报警。,家用可燃气体报警器,2.5.2气敏传感器,当无瓦斯气体时，气敏传感器电阻值较大，调节电位器Rp使输出电压小于0.7V，555集成器件的4脚被嵌位，振荡器不工作。当周围空气有瓦斯气体时，气敏传感器电阻值降低，电位器输出电压增加，555集成器件的4脚变为高电平，振荡器起振，扬声器报警。,2.5.2气敏传感器,案例：,2.5.2气敏传感器,酒精传感器,案例：,2.5.2气敏传感器,2.5.3湿敏传感器,在实际生活中，如人体的感觉、植物的枯萎、水分蒸发的快慢等，都与相对湿度有关。,2.5半导体传感器,1.工作原理：湿敏效应,利用半导体湿敏材料，如四氧化三铁(Fe3O4)、铬酸镁二氧化钛(MgCr2O4-TiO2)、氧化锌三氧化二铬(ZnO-Cr2O3)吸附空气中的水分时，电阻值发生变化。,MgCr2O4-TiO2特性曲线,2.湿敏传感器的应用,若检测出相对湿度65%RH，温度55oC时，判断为泄漏状态，通过与门输出。若检测湿度变化率大于设定值时，也可判断为泄漏状态，通过或门输出。或门的输入端只要有一端输入为高电平，即可判断有泄漏，并进行声光报警。,2.5.3湿敏传感器,微量水蒸气检漏仪,生物传感器：,生物传感器由生物敏感膜与变换器构成，根据敏感物质不同，可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。,第2章传感器,血糖乳酸测定,体育上耐力训练,生物传感器,德国研发的环境废水BOD分析仪,生物传感器,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪,生物传感器,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,生物传感器,智能传感器：,智能传感器是将传感器、信号调理电路与微型计算机等