Chapter6 7-18传感器原理与测量电路

1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第6章、传感器测量原理章、传感器测量原理6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器 sinIBKVHH 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流金属或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将产生流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 1 1 霍尔元件霍尔元件 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 霍耳传感器霍耳传感器 霍耳传感器是基于霍耳效应的一种非接触式传感霍耳传感器是基于霍耳效应的一种非接触式传感器。在磁场中被测量通过霍耳元件转换成电动势器。在磁场中被

2、测量通过霍耳元件转换成电动势输出。霍耳传感器可应用于多种非电量测量，特输出。霍耳传感器可应用于多种非电量测量，特别是在检测微位移、大电流、微弱磁场等方面得别是在检测微位移、大电流、微弱磁场等方面得到了广泛应用。到了广泛应用。BIvFLFE图4-32 霍尔效应原理图ldUHb 如图如图4-324-32所示，一块长所示，一块长为为l l、宽为、宽为b b、厚为、厚为d d的的N N型半导体薄片，位于磁型半导体薄片，位于磁感应强度为感应强度为B B的磁场中，的磁场中，B B垂直于垂直于l ld d平面。沿平面。沿l l通通电流电流I I，N N型半导体中的型半导体中的载流子载流子电子将受到电子将受到

3、B B作作用而产生的洛沦兹力用而产生的洛沦兹力F FL L的作用的作用。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。 6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测转角：测转角：6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院电流传感器电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，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

4、大小成正比，这一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可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。测。 6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院叶片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器应用应用 6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：汽车速度测量汽车速度测量:6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械

5、学院华中科技大学机械学院2 2 磁电阻元件磁电阻元件磁阻效应磁阻效应)1 ()1 (cos/2202020BRRRR- -+ +lwx6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院特点特点 电阻的增量与磁场的平方成正比；电阻的增量与磁场的平方成正比； 与磁场的正负无关；与磁场的正负无关； 温度系数影响大；温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。磁感应的范围比霍尔元件大。应用应用 磁头；接近开关和无触点开关。磁头；接近开关和无触点开关。6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3 3 磁感应半导体元件分类磁感应半

6、导体元件分类霍尔元件霍尔元件磁电阻元件磁电阻元件磁敏二极管磁敏二极管磁晶体管磁晶体管磁半导体开关磁半导体开关6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院产品产品6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：转速测量案例：转速测量6.7 6.7 磁敏元件传感器磁敏元件传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.8光栅传感器光栅传感器光栅传感器光栅传感器利用光栅的莫尔条纹现 象实现几何量测量的装置称为光栅 传感器。光栅传感器的优点：光栅传感器的优点： 高精度、高分辨率和大动态范围，因而 广泛应用于静态测量、动

7、态测量和自动 化等领域。 第第6章、传感器测量原理章、传感器测量原理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院光栅分类及结构光栅分类及结构 1)光栅分类光栅分类 按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。 按其透射形式可分为透射式光栅和反射式光栅。 按光栅表面结构不同，可分为幅值光栅（又叫黑 白光栅）和相位光栅（又叫闪耀光栅）。 按光栅应用分类，可分为长光栅和圆光栅。 目前发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2)光栅的结构光栅的结构 所谓光栅，所谓光栅，简单地说，由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件称为光栅。 圆光栅有三种形式：一种圆光栅有三种形式

8、：一种是径向光，其栅线的延长线通过圆心；第二种第二种是切线光栅，其栅线的延长线与光栅盘中的一个小同心圆相切；第三种第三种是环形光栅，其栅线为一簇等间距同心圆。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院莫尔条纹原理与特点莫尔条纹原理与特点 莫尔条纹具有三个特点： 1、莫尔条纹具有位移放、莫尔条纹具有位移放 大作用大作用 2、莫尔条纹移动与光栅、莫尔条纹移动与光栅 移动的对应关系移动的对应关系 3、误差减小作用、误差减小作用华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2tantan横向莫尔

9、条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信 号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提 高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻 线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的 影响。 因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。 这是用光栅测量和普通标尺测量的主要

10、差别。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。 2）当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。 3）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。越小，越大，相当于把微小的栅距扩大了 倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。 1华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 例如，对线mm的长光栅而言，0.04

11、mm，若=0.016rad，则=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的间隔，但无法分辨0.04mm的间隔。 4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm（也就是移过了100 x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是100条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 （一）光电转换原理（一）光电转换原理 光栅传感器的光电转换系统结构：光栅传感器的光电转换系统结构：1、光源，、光

12、源，2、聚光镜，、聚光镜，3、主光栅（又称标尺光栅）、主光栅（又称标尺光栅），4、指示光栅，、指示光栅，5光敏元件，如图光敏元件，如图104（a）所）所示。示。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院（二）（二） 莫尔条纹测量位移原理莫尔条纹测量位移原理 当光电元件5接收到明暗相间的正弦信号时，根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距W时，电信号则变化一个周期。 当波形重复到原来的相位和幅值时，相当于光栅移动了一个栅距W，如果光栅相对位移了N个栅距，此时位移x=NW。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院（三）（三） 辨向原理辨向原理 如图105所示。当莫尔条纹移动时，

13、两个条纹的亮度变化规律完全一样，相位相差/2。滞后还是超前完全取决于光栅的移动方向，这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院莫尔条纹细分技术莫尔条纹细分技术 （一）细分方法：（一）细分方法： 1、增加光栅刻度密度。、增加光栅刻度密度。 2、对电信号进行电子细分。把一个周期变、对电信号进行电子细分。把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又可分为直接细分、电桥细分、示波管细分可分为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分等。和锁相细分等。

14、3、机械和光学细分。、机械和光学细分。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院（二）直接细分（二）直接细分 直接细分法的优点是对莫尔条纹信号波形无严格要求，电路简单，可用于静态、动态测量系统。缺点是光电元件安放困难，因而细分不能过高。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院（三）（三） 电位器桥细分电位器桥细分 为了得到较高的细分数，将直接细分得到的四个相位差为/2的正弦交流信号UmSin、UmCos、-UmSin、-UmCos（=2X/）输入到电位器桥，电位器桥常用于进行1260（为4 的整倍数）细分，如图107所示。 一种用于48细分的电位器电桥细分电路如图108所示。 华中科技大学机械学

15、院华中科技大学机械学院光栅传感器的误差光栅传感器的误差 单件光栅的误差是由刻划工艺和刻划设备决定的。计量光栅大多数是在构成莫尔要纹的情况下使用。由于莫尔条纹的平均误差作用，使局部刻划误差的影响大大减小。 长光栅栅距误差一般为微米（m）数量级，圆光栅为秒（”）角数量级。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.9 6.9 光纤传感器光纤传感器 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化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。的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 1 1）物性型光纤传感器）物性型光纤传感器第第6章、传感器测量原理章、传感器测量原理华中科技大

16、学机械学院华中科技大学机械学院光纤流速传感器光纤流速传感器6.9 6.9 光纤传感器光纤传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤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。功能型光纤传感器。2 2）结构型光纤传感器）结构型光纤传感器6.9 6.9 光纤传感器光纤传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院光纤检测型光电传感器光纤检测型光电传感器作业件检测作业件检测颜色检测颜

17、色检测6.9 6.9 光纤传感器光纤传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器 1.1.双金属温度计双金属温度计 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。化转换成机械量变化。优点：优点：结构简单结构简单牢固牢固可靠可靠防爆防爆 第第6章、传感器测量原理章、传感器测量原理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.10 6.10 热敏

18、传感器热敏传感器荧光灯启辉器荧光灯启辉器零线零线火线火线 当电路接通，启辉器两端极片得电，当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电），击穿惰性气体而导电（辉光放电），双金属片发热弯曲而与静触板接通形双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。电路中电流突然中断，成闭合电路。电路中电流突然中断，使镇流器两端产生一个比电源电压高使镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电动势，得多的感应电动势，在强电场的作用在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光放电放电. .华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器

19、荧光灯启辉器荧光灯启辉器 启辉器由玻璃管制成的辉光放电管与小电容器并联而成辉光放电管内启辉器由玻璃管制成的辉光放电管与小电容器并联而成辉光放电管内有一个有一个U形双金属片，一个固定静止触极电板，称为静触板或静触极，玻形双金属片，一个固定静止触极电板，称为静触板或静触极，玻璃管内充有氖气或氩气，或氖氩混合的惰性气体。当电路接通，启辉器两璃管内充有氖气或氩气，或氖氩混合的惰性气体。当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电过程），双金属片发热弯曲端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电过程），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。此时电流直接经过双金属片与静触板流通，而与静

20、触板接通形成闭合电路。此时电流直接经过双金属片与静触板流通，惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过18秒的时间，双秒的时间，双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2. 2. 热电温度计热电温度计( (热电偶热电偶) ) 热电效应热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合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。生热电势，形成电

21、流，此现象称为热电效应。6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院BAABNNekTTEln)(ABTT0k k玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，e e电子电荷量，电子电荷量，T T接触处的温度接触处的温度NANA，NBNB分别为导体分别为导体A A和和B B的自由电子密度。的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(006.10 6.10 热敏传感器热敏传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导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

22、及温度分布如何均不产体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。生热电动势。TT02)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只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。热电偶回路的总热电动势。TT0V6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，果他们所产生的热电动势为已知，

23、A A和和B B两极配对后两极配对后的热电动势可用下式求得：的热电动势可用下式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACABABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3 3 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、半导体热敏

24、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，随温度上升而阻导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。值下降。 6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器)11(00TTeRRRT华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.10 6.10 热敏传感器热敏传感器产品产品华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院温控器温控器6.10

25、6.10 热敏传感器热敏传感器应用应用汽车发动机传感器汽车发动机传感器水温感应塞水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第6章章 传感器测量原理传感器测量原理 6.11 6.11 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 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，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。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如生活环境中一氧化碳浓度达0.80.81.15 m

26、l/L1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还时，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。有易燃、易爆气体、酒精等的探测。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.11 6.11 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、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。等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被从而使气敏元件电阻值随被测气体

27、的浓度改变而变化。测气体的浓度改变而变化。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.11 6.11 气敏电阻传感器气敏电阻传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.11 6.11 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.11 6.11 气敏电阻传感器气敏电阻传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.11 6.11 气敏电阻传感器气敏电阻传感器燃气报警器燃气报警器烟雾报警器烟雾报警器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院酒精传感器酒精传感器4.9 4.9 气敏电阻传感器气敏电阻传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.12 6.1

28、2 超声波检测传感器超声波检测传感器 1)1)声波及其分类声波及其分类(1)(1)次声波，振动频率低于次声波，振动频率低于l6Hzl6Hz的机械波。的机械波。(2)(2)声波声波: :振动频率在振动频率在16Hz20KHz16Hz20KHz之间的机械波。之间的机械波。(3)(3)超声波超声波: :高于高于20KHz20KHz的机械波。的机械波。2 2）超声波的物理性质）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。远

29、大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。 第第6章章 传感器测量原理传感器测量原理 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.12 6.12 超声波检测传感器超声波检测传感器声压声压 所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值，单位为力之差值，单位为PaPa，1Pa =1N/m1Pa =1N/m2 2。声强声强 声强是声波在传播方向上单位时间内通过单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，单位为位面积的能量，单位为W/m2W/m2。声功率声功率 声功率声功率( (W W) )是声源在单位时间内发射出的总能是声源在单位时间内发射出的总

30、能量，单位是量，单位是W W。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院超声波传感器原理超声波传感器原理 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，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。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。磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 6.12 6.12 超声波检测传感器超声波检测传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院超声波传感器对超声波传感器对6.12 6.12 超声波检测传感器超声波检测传感器华中科技大学机械

31、学院华中科技大学机械学院超声波传感器应用超声波传感器应用 超声波探伤超声波探伤/测距测距/测物测物6.12 6.12 超声波检测传感器超声波检测传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：输油管检测检测机器人6.12 6.12 超声波检测传感器超声波检测传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院倒车雷达倒车雷达6.12 6.12 超声波检测传感器超声波检测传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 鱼群探测器鱼群探测器 6.12 6.12 超声波检测传感器超声波检测传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.13 6.13 光电传感器光电传感器 光电传感器通常是指能敏感

32、到由紫外线到红外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。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。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 内光电效应内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子- -空穴对空穴对, ,使其导电性能增强使其导电性能增强, ,光线愈强，阻值愈低，这种光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象光照后电阻率发生变化的现象, ,称为称为内光电效应内光电效应 。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管第第6章章 传感器测量原理传感器测量

33、原理 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院照相机自动测光照相机自动测光光控灯光控灯工业控制工业控制华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.13 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 光电池光电池 光生伏特效应指半导体材料光生伏特效应指半导体材料P-NP-N结受到光照后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。的光电池是常用的光生伏特型器件。+-PN华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.13 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 应用应用 光电传感器

34、在工业上的应用可归纳为辐射光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式式( (直射式直射式) )、吸收式、遮光式、反射式、四种、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。基本形式。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.13 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.13 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.13 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.13 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 案例：案例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LEDLED与光

35、敏晶体管组合来与光敏晶体管组合来 测量位移。测量位移。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.13 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 亮度传感器：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，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。达到节约电能的目的。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.13 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 相机测距反射式光电传感器相机测距反射式光电传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.14 CCD6.14 CCD固态图

36、象传感器固态图象传感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor) MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的光敏元的结构是在半导体结构是在半导体(P(P型硅型硅) )基片上形成一种氧化物基片上形成一种氧化物( (如二氧化硅如二氧化硅) )，在氧化物上再沉积一层金属电极，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属以此形成一个金属- -氧化物氧化物- -半导体结构元半导体结构元 (MOS)(MOS)。 第第6章章 传感器测量原理传感器测量原理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 在半导体硅片上按线阵或面阵排列在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS

37、MOS单元，单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图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生出一幅与光照强度像，则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。相对应的光生电荷图像。6.14 CCD6.14 CCD固态图象传感器固态图象传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院01111100光敏管光敏管阵列阵列并联串联转换器运算电路显示电路结束信号驱动脉冲CCD6.14 CCD6.14 CCD固态图象传感器固态图象传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 特点特点:(1) 非接触检测非接触检测;(2) 响应快响应快;(3) 可靠性高可

38、靠性高,为修简便为修简便;(4) 测量精度高测量精度高;(5) 体积小体积小,重量轻重量轻; 容易与计算机连接容易与计算机连接(6) 对被测物体需要强光照射对被测物体需要强光照射;(7) 受被测物体以外的光的影响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.6.14 CCD6.14 CCD固态图象传感器固态图象传感器 条形码扫描器条形码扫描器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114 数码相机数码相机6.14 CCD6.14 CCD固态图象传感器固态图象传感

39、器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第8章章 传感器测量原理传感器测量原理6.15 6.15 其它类型的传感器其它类型的传感器 1 1、热辐射检测传感器、热辐射检测传感器 绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度赖于物体温度(K)(K)，根据普朗克辐射定律有以下，根据普朗克辐射定律有以下表达式：表达式：华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院应用：应用： 冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过冶金、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。程中都涉及到动态温度场的检测问题。6.15 6.15 其它类型的传感器其它类型的传感

40、器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2、声发射检测传感器、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，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。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。多数金属的声发射频带在超声范围内。6.15 6.15 其它类型的传感器其它类型的传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：材料断裂等结构监测案例：材料断裂等结构监测6.15 其它类型的传感器其它类型的传感器 华

41、中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.16 6.16 智能传感器智能传感器第第6章章 传感器测量原理传感器测量原理 传感器一般指能够感知某种物理量（如电、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、光、磁等）、化学量（如浓度、PHPH值等）、生物值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电信息的装置。信息的装置。 智能传感器是将传感器与微型计算机集成在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，还理技

42、术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。具有认知能力。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院嵌入式计算机嵌入式计算机智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度传感器总线数字温度传感器6.16 6.16 智能传感器智能传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院振动网络传感器振动网络传感器智能压力网络传感器智能压力网络传感器6.16 6.16 智能传感器智能传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院GSM/SMS6.16 6.16 智能传感器智能传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第6章章 传感器测量原理传感器测量原理6.17 6.17 传感

43、器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。的问题。 1 1、灵敏度、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题； b)b)量程范围。量程范围。 c)c)交叉灵敏度问题。交叉灵敏度问题。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2 响应特性响应特性 传感器的响应特性是指在所测频

44、率范围内，传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。延迟，但总希望延迟的时间越短越好。 3 3 线性范围线性范围 任何传感器都有一定线性工作范围。在线任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。 6.17 6.17

45、传感器选用原则传感器选用原则 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4 4 稳定性稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。定性的因素是时间与环境。5 5 精确度精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。测量的对应程度。 6.17 6.17 传感器选用原则传感器选用原则 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6 6 测量方式测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。6.17 6.17 传感器选用原则传感器选用原则 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.18 传感器的发展历史温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪