传感器技术及机械量检测.ppt

1、第五章 传感器技术及机械量检测 第一节 传感器技术概述 一、传感器的定义及分类,凡接受外界刺激并能产生输出信号，即可定义为传感器。传感器就是用来对所测的量产生响应并提供可用的电信号的器件，即把输入信号变成不同形式输出信号的装置，如麦克风、拾音器、扩音机、光电管、门铃等。传感器的作用是接受外界信息，并将其变为信号。传感器用来代替人的五感，即：视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。人用来,取得这些感觉的器官是：眼、耳、鼻、舌和皮肤。 传感器按能量变换的功能可分为两大类：物理传感器(包括温度传感器、压力传感器、光电传感器、磁传感器、压电传感器、光纤传感器、流量传感器、声表面波传感器、半导体致冷器)和化学传感

2、器(包括气体传感器、湿度传感器、离子传感器)。 根据传感器的工作原理不同，一般又可以分为物性型传感器和结构型传感器两种。物性型传感器是利用一些材料的物理特性的变化来实现检测的。物性型传感器又称为固体传感器，具有体积小、反应速度快、寿命长等优点。目前利用半导体集成电路工艺技术，将敏感器件与外围电路集成在一起，构成所谓集成传感器，它是目前传感器研究开发最有前途的一种。结构型传感器是利用弹性管、双金属片、电感、电容器等结构元件进行测量的，如气压表头就是一种结构型传感器。,传感器根据输出信号的分类表,非电量型,电量,二值型,模拟型,数字型,有接点型（微动开关、接触开关、行程开关）,无接点型（光电开关、

3、接近开关）,电阻型（电位器、电阻应变片）,电压、电流型（热电偶）,电感、电容型（可变电容）,计数型（二值型+计数器）,代码型（旋转编码器）,传感器,传感器按输出信号分类如表传感器作为信号的变换器，其输出信号原则上是任意类型的，既可以是电量型的，又可以是非电量型的。但在机电一体化设备中，对输出信号为非电量的传感器，由于信号不便于处理而不予采用。,二、传感器的转换原理 传感器的作用是接受外界信息，并将其变成信号输出。因此，如果某种材料(半导体材料)受外界加热，致使这种材料性质发生变化(电阻、电导发生变化)，通过检测电阻变化量，就可以知道对应的温度；也就是说，这种材料具有将热转换成电的功能，人们就利

4、用这种热电转换原理来制造热敏电阻传感器等。表53列出了比较常见的几种现象之间相互转换原理。,(一)光电转换 入射光照射到PN结上时，使PN结的正向压降发生变化，利用这个特性制作光敏二极管和光敏三极管，使光转换为电压变量。同样，当光照射到半导体材料上时，使电阻发生变化，它将光转换为半导体材料的电阻(或电导)变量，如图所示。,(二)热电阻转换 将半导体材料或导体加热或冷却，使它的电阻发生变化，应用这个效应制作热敏电阻。它将热转换为电阻变量，如图所示。,光电阻转换图,光电转换,光电转换,热电阻转换,(三)力电压转换 外力作用在电阻应变片上，组成电桥的四个电阻的阻值发生变化，R1、R2电阻增大，而电阻

5、R3、R4，阻值减少，使电桥失去平衡，有信号输出；输出电压与压力呈线性关系。应用力电压转换原理制作压力传感器，其线路图如图53所示,(四)力电荷转换 外力作用在压电晶体(铌酸锂、石英晶体等)上时，使其表面产生电荷或电压变化。根 据这个原理制作压电传感器，它将应力转换成电荷Q或电压U变量，如图54所示。,力电压转换,压电转换,(五)磁电转换 线圈内磁芯作上下移动，磁路中磁阻发生变化，利用这个效应制作磁阻传感器。它将磁 转换为交流电压的变化，如图55所示。 电容传感器是由介质及被介质所分开的两个电极组成的，变化电极间的距离或者改变两 极间的介质都可引起电容量的变化。电容传感器将所测变量转换为电容变

6、量，如图56所示。,(六)气体电阻转换 氧化物半导体材料，如Sn02、ZnO、Fe203等，当它接触气体时，使其表面(或体内) 电阻变化，如图57所示。利用这种特性,磁阻转换,电容转换,制造各种气体传感器，用来检测一些气体，它广 泛用于矿井、工业、环保等领域。它将气体转换为电信号输出，实现了气电转换。,(七)温度电阻转换 半导体陶瓷(MgCr204Ti02)材料或多孔性绝缘薄膜Al303(SiO2)制作在衬底材料上，如图58所示，当它接触湿度环境时，吸附水汽，使其电阻发生变化；利用这种特性制作湿度传感器。它将湿度转化为电信号输出，实现了湿度电阻转换。,气体-电阻转换,温度电阻转换,三、几种主要

7、传感器工作原理 (一)光传感器 根据光生伏特效应，制造光敏二极管、光敏三极管、太阳电池、电荷耦合器件等。当光敏二极管受光照射时，在PN结两端产生电子空穴，在外部获得电流输出。图59表示光生伏特效应 的工作原理和电压电流特性。,(二)温度传感器 利用半导体材料的热敏特性制造热敏电阻，热敏电阻分为三种：电阻随温度升高而减少的负特性热敏电阻(NTC)，电阻随温度升高而增大的正特性热敏电阻(PTC)以及达到某一温度时电阻急剧 变化的临界特性,电流-电压特性,各种热敏电阻的 电阻-温度特性,热敏电阻(CTR)。图510表示各种热敏电阻的电阻温度特性。一般热敏电阻的阻值随温度变化的曲线是非线性的，要使其线

8、性化， 可以串联或并联外接固定电阻进行折线近似。最近，利用硅PN结的正向压降随温度变化特性，制造温敏二极管、温敏三极管、温控晶闸管、集成化温度传感器等，其性能超过热敏电阻，已广泛应用 在各个领域。,(三)压力传感器 压力传感器目前采用半导体平面工艺技术，在N型硅面的晶体衬底进行抛光等薄片加工，制成图形膜片；在圆形膜片内制作四个扩散电阻，组成惠斯登电桥，如图511所示。当在膜片上加压力,A）结构,B）等效电阻,压力传感器,时，R1、R2电阻值增大，而R3、R4阻值减少，使电桥失去平衡，有信号输出。半导体扩散型压力传感器可用于电子血压计，汽车电子设备和各种压缩机控制等。,(四)磁传感器 目前利用半

9、导体集成电路工艺技术，根据霍尔效应制作集成化霍尔器件及MOSFET霍尔器件，已应用在汽车点火装置及无刷电机上。利用磁场中载流子受磁场的洛伦兹力作用而发生偏转现象，制造出磁敏二极管和磁敏三极管等。 (五)气体传感器 人们在生活中接触到各种气体，有些气体对人体有益，有些气体对人体有害，必须加以控制。以前利用Sn02、ZnO、Fe2O3烧结型气体传感器来检测CO、H2、甲烷、丙烷、异丁烷等气体。图512是利用半导体材料制造的，,n沟钯栅MOSFET氢气传感器 a)版图 b)剖面图,具有一个n沟氢敏钯栅MOSFET传感器的设计图形和剖面结构；氢气钯栅MOSFET传感器是利用氢气引起金属钯功函数的改变，

10、进而改变MOSFET器件的阈值电压效应而作成的传感器。,(六)湿度传感器 湿度是与人们的生活密切相关的物理现象。以前采用人的头发和马尾在湿度环境中引起伸缩作用制作湿度传感器。最近研制了采用陶瓷和固体电介质制作湿度传感器。图513是利用多孔Al302膜制作的湿度传感器。湿度传感器不仅用于各种空调机，在电子灶的自动烹调及露点检测中，也得到非常广泛的应用。,Al2O3膜湿度传感器,(七)热电传感器 当某种物质的温度发生变化时，表面产生和温度高低相应的电荷现象，这种现象称为热电效应。利用这种效应制造热电传感器，如图514所示。,具有这种效应的材料有LiTaO8、PbTiO8、BaTi08等材料。内接场

11、效应晶体管FET是因为热电元件感应电荷量比较小，采用FET以实现在高阻抗时接收，而最后以适当的阻抗输出。目前使用最多的是红外传感器。,热电型红外传感器(日本三洋TTS-1020) a)结构图,b)基本电路,(八)离子传感器 1970年，Bergweld提出了利用半导体器件作为检测溶液中的离子活度的传感器；这种传感器类同于MOSFET，只要把MOSFET的金属栅去掉，使SiO2暴露出来与被测溶液接触，在漏源电压恒定时，漏源电流与溶液中离子种类及浓度有关，因此称为离子传感器(ISFET)，如图515所示。它将离子活度转换为电信号输出，实现了离子活度的测量。,离子传感器,吸尘控制电路框图,吸尘剖面图

12、,煤气报警电路图,自动恒温电烙铁,第二节 机械量检测传感器 机电一体化产品中经常碰到的机械量检测传感器，包括位移、转角、速度、加速度、角加速度、力、压力、转矩、荷重等。 一、位置检测传感器,最简单也是应用最广泛的是位置传感器，一般有位置传感器与坐标传感器之分。位置传 感器一般使用通断型的最多，其检测精度可从以mm为单位的低精度到以m为单位的高精度，而检测方式有接触式与非接触式两种。接触式如限位开关和接触开关，而 非接触式如接近开关和光电开关等。,(一)接触式传感器 图521为日本产接触传感器原理结构图。当触头碰到待测物体时，传感器的内部接点由“开”转为“关”。表 54绘出部分技术参数。,接触式

13、传感器简单来说就是高精度开关，可以测量出微小位移量。如图522所示，当物体达到极限位置时，接点导通或断开。该传感器的特点为小型化，而且价格低；缺点是由于接触开关故障率高，容易产生噪声干扰，如图523所示。,因为出现噪声，微机无法辨认信号,的真伪，出错可能性很大，所以，要采取软件或硬件的办法来避开或消除掉这些噪声，常用的硬件措施如图524所示。除此之外，在工业设备上常采用如图525所示的输入电路。 图525所示的电路可以使通断的检测点设置的相当低，但在开关接通时由于LED中电流失落。所以，当机器发生故障时LED电源24V掉落的情况下，从CPU方面来说，它将判定所,输入 电路, 行 程 精 度 电

14、 缆 电源电压 接 触 力 (mm ) (m) (m) (VAC) (N) 3 0.51.5 3 100 0.31 ,有开关皆处于接通状态。在发生空输入时，需要使用软件来监测它，或者用其它电路来监测24V电源电压的掉落。,(二)非接触式传感器 1高频振荡式接近开关 高频振荡式在检测部分有检测线圈，检测对象为金属体。当开关接近金属体时，检测线圈的电感量发生变化，使振荡回路停振，检测出这一停振变化， 产生输出信号，其原理如图526所示。,高频振荡式接近开关原理示意图,2静电电容式接近开关 静电电容式接近开关在检测部分采用导体电极，当电极与被测物一 接近，检测部分的导体电极与被测对象之间产生静电电容

15、变化。利用这一现象制成电容式接近开关，检测出这一电容,3光电传感器 光电传感器是目前产量最多 应用最广的传感器之一，它包括光敏二极管、光敏三极管、半导体色敏器件、太阳电池、电荷耦合器件、光控晶闸 管、光耦合器件等。,静电电容式接近开关原理图。,量的变化，产生输出信号。因此，被检测的对象可以是金属、塑料、纸、陶瓷、玻璃、水、油、溶液、木材等。,在位置检测传感器中，非接触式光耦合器件用得最多。它比起接触式传感罪，具有造型 轻巧、价格便宜、而且不怕污染等优点。光耦合器件是一种光电结合的器件。硅光敏三极管为受光部分，砷化镓发光二极管为发光部分构成光耦合器件。工作时，把电信号加到输入端，使发光器件发光，

16、而受光器件管芯在此光辐射的作用下输出光电流，从而实现电光 电两次转换，通过光进行了输入端和输出端之间的耦合。图所示是光电三极管型光耦合器件的图形符号。,光电三极管型光耦合器件的图形符号,光耦合器件有透光型与反射型两种。在透光型光耦合器件中，发光器件与受光器件面对面安放，在它们之间有一间隔，当物体通过这一间隔时，发射光被切断。利用这一现象可以检测出物体的有无。采用这种方式的耦合器件后边连接的接口电路设计比较简单，检测位置精度也高。反射型光耦合器件从发光器件来的光反射到物体上面由受光器件来检测出，比起透光型来显得体积小，把它放在,物体的侧面就能使用。 图 为一种反射式光电传感器脉搏检测电路。由发光

17、元件D发出的光，射入血管中流动的血液，通过受光元件T把来自血液的反射光检出，经放大器放大后，输出到CMOS或非门，变换成一定的脉冲波，此脉冲数据由模拟或数字计数器读出。,光电传感器脉搏检测电路,上图为一光照式遥控开关电路。这个电路可用于遥控房间内远离床头和沙发椅子的家用电器，如坐在沙发上或睡在床上，用手电 筒即可开关收录机，电视机、电风 扇等。工作原理如下：当光照射到光敏二极管2CUl上时，KEG2饱和，继电器K1动作，常开触点K11吸合，电容C1并接在继电器K2上，电容器Cl储存的电能经K2放大，使K2获得电流动作，此时接用电器的常闭触点K22断路，使电器停止工作，触点K21动作。光照停止，

18、Kl1释放，C1,光照式遥控开关,上的电能经K1-1、K21短路放电。继电器K2由R提供电流保持吸合。在第二次光照时，继电器K1重新动作，K11吸合，电容C1又并接到K2上。这时，因已放电终了的电容器的瞬时充电，使继电器K2短路而失去电流，K2动作，触点K2-2，重新闭合，使接用电器工作，达到遥控目的。,二、位移与角度检测传感器 (一)电位差计 检测直线位移或回转位移使用较多的是电位差计。在直线型中，行程可从lcm到25cm左右。在回转型中有一转与多转之别，多转型精度容易做得很高。,电位差计原理图,电位差计电气特性可由可变电阻来表征，如图所示。该电位差计除特殊场合外，在A、B两点间加恒定不变的电压，从C点来观测电压,值。在这里，电阻设为R，A、B两点间的电压VAB，C点的输出电压若取作V0的话，相对于电位差计的回转角的电阻值为： r（）=K 式中K为常数。若电阻值在变更时，其r（）=K V0=,电位差计常用在伺服系统中，通过 AD转换器把模拟量电压转换成数字量后，在CPU内进行比较处理。 图为YHD型电阻式位移传感器的结构，测量轴1和被测机构相接 触。当机构移动时，测量轴沿导轨移动，使电刷在滑线电阻上的位置变化，电桥有一个输出。当机