第2章传感器与调理技术2.ppt

1、第 2 章,虚拟仪器常用传感器与信号调理技术,2.1.5 光电式传感器,光电传感器是先把被测量的变化转换为光量的变化，再通过光电器件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置。 光电传感器主要由光辐射源，光学通路，光电器件以及测量电路等组成。,常用光电器件,光电传感器应用概述,1. 光电器件,光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、使用方便， 而且有较高的可靠性，因此在自动检测、计算机和控制系统中，应用非常广泛。 光电器件工作的物理基础是光电效应。,（1）光电效应,光可以看作以一连串具有能量的粒子（称为光子）所构成，每个光子能量的大小

2、等于普朗克常数h乘以光的频率，即 E=h，光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大。,光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体，而光电效应就是由于这物体吸收光子能量为h的光后产生的效应。,光电效应：通常是指物体敏感到由紫外线到红外线的光能量，并将光能转化成电信号的现象。,光电效应分类,内光电效应: 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件；,外光电效应: 在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件；,光生伏特效应: 在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为

3、光生伏特效应, 即阻挡层光电效应, 如光电池、 光敏晶体管等就属于这类光电器件。,（2）常用光电元件的工作原理,光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器等等。,光敏电阻,光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于内光电效应，其阻值随光照增强而减小。,优点:灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等；,不足:需要外部电源，有电流时会发热。,1）光敏电阻的结构,在玻璃

4、底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体材料，两端装上金属电极，然后压入塑料封装体内。为了获得高的灵敏度，电极一般采用硫状图案。 常用的光敏电阻材料有硫化镉、硒化铅、碲化铝等。,2）光敏电阻的工作原理,无光照时,光敏电阻值很大,电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值急剧减少,电路中电流迅速增大。,3）光敏电阻的主要参数,暗电阻：光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流； 亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流； 光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。,光敏电阻暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,也就是说暗电流越小越好，亮电流越大

5、越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。,4）光敏电阻的基本特性,a）伏安特性 在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。,b)光照特性,光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系。,硫化镉光敏电阻的光照特性,c)光谱特性,光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。,对应于不同波长入射光，光敏电阻的灵敏度是不同的。对不同材料的光敏电阻，光谱特性不同。,d)频率特性,光电器件输出端电压(电流)的振幅，或相对光谱灵敏度随入射通量的调制频率的变化关系叫光电器件的频率特性。,

6、一般用时间常数来衡量响应时间的快慢，时间常数是指光电器件输出端电压(光电流) 达到最大值的63%时所对应的时间。,e)温度特性,光敏电阻受温度的影响较大，当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。,硫化铅光敏电阻的温度特性,几种光敏电阻的特性参数,5）光敏电阻测量电路,测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。,半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用图所示的电路。,6）光敏电阻的应用,带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、送纸、胶片、磁

7、带生产过程中。,带材跑偏检测器工作原理,测量电路, 光敏二极管和光敏晶体管,1）结构和工作原理,(a)光电二极管,(b)光电三极管,2）基本特性,a)伏安特性,伏安特性:光电流与外加偏压的关系.,光照特性:光电流和照度之间的关系。,b)光照特性,c)光谱特性,光谱特性: 光照度一定时，光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。,光敏二极管和三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长.,d)频率特性,频率特性：指光敏管输出的光电流（或相对光灵敏度）随频率变化的关系。,e)温度特性,温度特性:是指其暗电流及光电流与温度的关系。,温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大。所以电子线路中应该对暗

8、电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,几种硅光电二极管的特性参数,3）光敏晶体管应用,光电式数字转速表,如果调制盘上开Z个缺口，测量电路计数时间为T（S），被测转速为N(r/min)，则得到的计数值为：,光电耦合器件,光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件； 光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等； 根据其结构和用途不同，可分为: 用于实现电隔离的光电耦合器； 用于检测有无物体的光电开关。,1）光电耦合器,光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和

9、塑料封装两种。 光电耦合器的结构,耦合器常见的组合形式,光电耦合器特点,光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器， 它具有抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。,2）光电开关,光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换， 同时加以某种形式的放大和控制， 从而获得最终的控制输出“开”、 “关”信号的器件。 光电开关的特点是小型、高速、非接触， 而且与TTL、 MOS等电路容易结合。,光电开关结构图,图（a）是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的； 图（b）是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接

10、收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。,3）光电耦合器应用,燃气热水器脉冲点火控制器,当高压打火针对打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光， 耦合器中的光敏三极管导通， 经V1、V2、V3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。,2. 光电器件的测量方法,从恒光源发射到光电元件的光通量遇到被测物被遮蔽了一部分，由此改变了照射到光电元件上的光通量。 在某些检测尺寸或振动等仪器中，常采用这种传感器。,吸收式,反射式,恒光源发出光通量到被测物，再从被测物体表面反射出来的光通量投射到光电元件上。 例如，测量表面粗糙度、粗造等仪器的传感器,遮光式,恒光源

11、是白炽灯（或其它任何光源） 光通量穿过被测物，部分被吸收，而后到达光电元件上。 吸收量决定于被检测介质的被测参数。 例如，测液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、混浊度计的传感器等。,辐射式,光辐射能源本身是被测物， 由被测物发出的光通量到达光电元件上。 这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计中，它的光通量的强度和光谱的强度分布都是被测温度的函数。,光电器件测量方法应用,直射式光电转速传感器,直射式光电转速传感器的结构见下图。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。 可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即,式中n转速； 。f脉冲频率； 。N圆盘开孔数。,n=f/N,2.1.

12、6 新型传感器,超声波传感器 激光传感器 智能传感器,1. 超声波传感器,声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波等。,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。,超声波的物理性质:与声波相比，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。, 超声波的发生,压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切

13、片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。,压电材料的固有频率与晶体片厚度d有关，即：,式中，n=1，2，3，是谐波的级数；c为波在压电材料里的传播速度；,超声波的接收,当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷。这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。,超声波的传播,超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。对于液体及气体，其传播的速度为:,式中为介质的密度；Bg为绝对压缩系数。,在固体中的传播速度为：,E为固体的弹性模量；为泊松比

14、,超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s,超声波的折射和反射,超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时，产生折射和反射现象，如图所示，具有的关系为:,c1、c2分别为超声波在两种介质中的速度；为人射角；为折射角,超声波强度,超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而减弱。设超声波进入介质时的强度为I0，通过介质后的强度为I，则有,d为介质的厚度；A为介质对超声波能量的吸收系数,Q为介质的质量因数； f为超声波频率；c为超声波速度,对于固体介质，超声波能量的吸收系数为,超声波传感器,常用的超声波传感器有两种: 压电式超声波传感器 (或称压电式超声

15、波探头) 磁致式超声波传感器,压电式超声波传感器,磁致式超声波传感器,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。,超声波传感器探头外形,外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。,保护膜,接插件,不同超声波传感器工作方式,超声波传感器使用时的两种形式：直射式、反射式,市场销售的超声波传感器通常标有谐振中心频率： 23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz,超声波传感器的工作原理,在超声波发送器双振子施加40KHz电压，通过逆压电效应，送出超

16、声波信号。接收探头经正压电效应将接收到的信号放大处理。,超声波传感器的工作原理,超声波传感器应用,1）超声波测距,空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离。到距离。,2）超声波测液位,超声波测液位,3）应用举例-倒车雷达,超声波倒车雷达工作原理,鱼群探测器,4）应用举例鱼群探测器,2. 激光传感器,激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一，目前已被成功地应用于精密计量、军事、宇航、医学、生物、气象等各领域。 激光传感器虽然具有各种不同的类型，但它们

17、都是将外来的能量(电能、热能、光能等)转化为一定波长的光，并以光的形式发射出来。 激光传感器由 激光发生器 激光接收器 测量电路 所组成。,（1）激光的本质,原子在正常分布状态下，多处于稳定的低能级状态。如果没有外界的作用，原子可以长期保持这个状态。原子在得到外界能量后，由低能级向高能级跃迁的过程，叫做原子的激发。原子处于激发的时间是非常短的，处于激发状态的原子能够很快地跃迁到低能级上去，同时辐射出光子。这种处于激发状态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光，叫做原子的自发辐射。,激发与受激发辐射过程,激发过程,受激发辐射过程,进行自发辐射时，各个原子的发光过程互不相关。它们辐射光子的传播

18、方向，以及发光时原子由高能级向哪一个能级跃迁，即发光的频率等都具有偶然性。因此原子自发辐射的光是一系列不同频率的光子混合。,（2）激光的形成,激光是媒质的粒子(原子或分子)受激辐射产生的，但它必须具备下述的条件才能得到。 粒子数反转,图a表示媒质中粒子能级的正常分布，媒质中大部分粒子处在低能级(以黑点表示)，只有少数粒子处于高能级(以圆圈表示)。 而图b表示在外界激发的条件下形成了粒子数反转。, 激光器的光振荡放大,要想产生激光，单靠外界激发而得到的初级受激辐射是不行的。实际的激光器都是由一个粒子数反转的粒子系统(叫做工作物质)和一个光学共振腔组成。光学共振腔由两端为各种形状的曲面反射镜构成。

19、最简单的光学共振腔是两面相互平行的平面反射镜，镜面对光有很高的反射率，而工作物质封装在有两个反射镜的封闭体中。,光振荡器的工作过程,当工作物质产生受激辐射时，受激辐射光在两反射镜之间作一定次数的往返反射，而每次返回时都经过建立了粒子数反转分布的工作物质，这样使受激辐射一次又一次地加强，如图所示。这样几十次、几百次的往返，直至能获得单方向的强度非常集中的激光输出为止。,激光输出,共振腔内反射镜起着反射光束并使其往返振荡的作用，从光放大角度看，反射率越高，光损失越小，放大效果越好。在实际设计中，将一侧反射镜设计得尽量使它对激光波长的反射率接近100%，而另一侧反射镜则稍低一些，比如98%以上。这样

20、这一端的透镜将有激光穿透，这一端即为激光的输出端。,（3）激光的特点,高方向性 高亮度 单色性好 高相干性,（4）激光器种类,激光器的种类很多。按其工作物质可以分为气体、液体、固体、半导体激光器。,气体激光器,固体激光器,半导体激光器,（5）激光的应用,激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特点，应用于测量和加工等方面，可以实现无触点远距离的测量，而且速度高、精度高，测量范围广，抗光、电干扰能力强，因此激光得到了广泛的应用。下面举几个激光的应用例子。,1）手持式激光测距仪,激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距

21、离D可用下列表示。 D=ct/2 式中：D测站点A、B两点间距离；c光在大气中传播的速度；t光往返A、B一次所需的时间。,激光测距仪,2）激光测径仪,激光测径仪原理,3）激光测速,激光测速仪自动化程度更高，探测距离更远，只需0.5秒就可以捕捉到超速驾驶。,V=(R1-R2)/(t1-t2),3. 智能式传感器,目前，智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为“Intelligent Sensor”；美国人则习惯于把智能传感器称做“Smart Sensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。,（1） 智能传感器的定义,所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能

22、的传感器。 智能传感器的最大特点就是，将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。,（2）智能传感器的功能,具有一种或多种敏感能力； 能够完成对信号的探测、变换、逻辑判断、功能计算； 能实现内部自检测、自诊断、自校正、自补偿； 能与其他系统实现单向或双向通信。,（3）智能传感器的结构,（4）智能传感器实现的途径,将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器）、 信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整 体而构成的一个智能传感器系统。,(a)非集成化实现,(b) 集成化实现,集成智能传感器外形示意图,这种智能传感器系统是

23、采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上。故又可称为集成智能传感器。,嵌入式计算机,（5）智能传感器产品举例,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,汽车轮胎压力监测系统智能传感器,世界上最新一代的远程轮胎压力监测 (RTPM)传感器集成了一个硅压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8位RISC处理器，一个低频唤醒输入级。,2.2 信号调理技术,信号调理:在一般测量系统中信号调理的任务比较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度

24、补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（Signal Conditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路。,信号调理的目的,信号调理的目的是便于信号的传输与处理。,1）传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。,典型调理电路的组成框图,2.2.1 常用信号调理技术,信号放大 信号调制与解调 信号滤波,1. 信号放大技术,判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行放大的依据又是什么？ 放大器为什么要“前置”，即设置在调理电路的最前端？ 放大器的放大倍数应该多大？,运用放大器的依据:,虚拟仪器中的常用放大器,

25、在虚拟仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有: 仪用放大器 程控增益放大器 隔离放大器,(1) 仪用放大器,G=1+2R/RG,(Instrumentation Amplifier),仪用放大器芯片-AD521,放大倍数,放大倍数可在11000范围内调整,(2) 程控增益放大器,程控增益放大器是常用部件，在许多实际应用中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。 增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控增益放大器。,集成程控放大器PGA202/203,(3) 隔离放大器,Isolation Amplifier 隔离放大器的符号如图所示。,按耦合器件的不同，可分为： 光电隔离 变压器隔离。,隔离模式： 两端隔离：信号输入部分与信号输出部分欧姆隔离； 三端隔离：信号输入部分、信号输出部分、功率供给部分彼此隔离；,应用场合,3）多个系统不能共地。,1）高共模电压场合：如电力线电流取样、强电场中测量小范围电压差；,2）测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，而对信号的传递精度要求又高;,光电耦合隔离放大器,输入级激励发光管，由光电管将光信号耦合到输出级，实现信号的传输，保证了输入和输出间的电气隔离。其输入