传感器与测试技术--(共四章).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传感器与测试技术,传感器与测控资料库目录,第一章,绪论,第二章,传感器,第三章,传感器信号的调理技术,参考资料,第一篇 绪论,目录,一、测试技术的重要性,二、测试系统的组成,三、传感器,(sensor),四、传感器的基本特征,五、测量的基础知识,一、测试技术的重要性,测试：认识客观事物的方法，是测量和,试验的综合。,测试的任务：1、获取有用信息。,2、结果供观察或输入其他装置。,测试过程：从客观事物中摄取有用信息的,认识过程。,一、测试技术的重要性,商品报导经济信息,语言文学社会信息,从物理学观点，信息是物质所固有的，是物质客观存在状态的特征。,信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输却依靠物质和能量，信息蕴含于信号中。,信号:传输信息的载体。,例：古代烽火光信号敌人入侵,防空警笛声信号空袭,二、测试系统的组成,1、系统的组成,结构物,检测元件,测量装置,显示记录,分析处理装置,外部设备,输入量,开环测试系统,二、测试系统的组成,闭环测试系统,结构物,检测元件,分析处理,执行,测量装置,显示记录,比较,调整,设定量,干扰随机量,闭环测试系统,三、传感器,(sensor),1.定义:一种以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理的测量器件或装置。,其实质：完成一种变换，即将被测量或被测对象的特征参数转化为有用信号的变换。,2.组成：一般传感器由两个基本元件组成，即敏感元件与转换元件。,三、传感器,(sensor),核心：转换元件,有些传感器有需要敏感元件.如热电阻,光 电器件等。,3.分类：传感器技术涉及到许多学科，种类 繁多，分类方法很多。,一种物理量可用多种类型的传感器来测量，而同一种传感器也可以测量多种物理量。为 了对传感器有一概括认识进行分类研究是必 要的。,三、传感器,(sensor),结构传感器：是依靠传感器结构参数的变 化而实现信号转变的,例：电容式传感器,电感式传感器,2.按敏感元件与被测量之间的能量关系分:能 量转换型与能量控制型.,能量转换型(有源传感器)：是直接由被测对 象输入能量而使其工作的，这类传感器在转换 过程中需要吸收被测物体的能量,容易造成误差。,三、传感器,(sensor),第二种形式：由外部能源供给激励信号发生器，而激励信号发生器以信号激励被测对象。,测量对象,传感器,辅助能源,信号发生器,输入,输出,激励信号,例：超声波探伤，用激光散斑,技术测量应变等,三、传感器,(sensor),表一 传感器按能量传递方式分类,能量变换（有源）,能量控制（无源）,压电式、磁致伸缩式,电阻式、磁励电阻式,电动式、电致伸缩式,电容式、温敏电阻式,电磁式、静电式,电感式、光游离式,热电偶、电化学式,热敏电阻式、放射性吸收式,光电式,光敏电阻式,三、传感器,(sensor),加速度传感器,如：电容式加速度传感器、金属应变片加 速度传感器、压电式加速度传感器,力传感器,如：金属应变片、测力计、半导体压力 传感器,位移传感器,如：可变电位器、光电式角度传感器、半 导体角度传感器、差动变压器。,三、传感器,(sensor),位置传感器,如：限位开关、接近列关、固体图像传感 器（,CCD,）,距离传感器,如：超声波距离传感器、光学距离传感 器、涡流式距离传感器,三、传感器,(sensor),5、按工作原理分（常用分类方法之一）,电学式传感器：电阻式，电容式，电感式,光学式传感器：光电角度传感器，用于测,量光强，位移转速。,热电式传感器：热敏电阻，热电耦,压电式传感器,半导体式传感器,三、传感器,(sensor),6、,其他传感器,化学传感器：用于识别特定化学物质将其,含量或浓度转换成电量的传感器。,常用：离子敏传感器，生物敏传感器,语言识别：实现用声音完成各种控制,智能传感器：能将来自传感器的信息，通 过处理器进行分析，处理的过程、称为传 感器的智能化，又称超级传感器,三、传感器,(sensor),表二 基本物理学和派生物理学,基本物理量,派生物理量,位移,线位移,长度,厚度,应变,磨损,不平度,振动,角位移,偏转角 资态 角振动,时间,频,率,计数 统计分开,速度,线速度,振动 流量 动量,角速度,转速 角振动 角动量,加速度,线加速度,振动 冲击力 质量 应力,角加速度,角振动 角冲击 扭矩 转动惯量,力,压力,重量 推力 应力密度 力矩,温度,热容量 涡流 流量角 气体速度,光,光通量与密度 光普分析 应变,四、传感器的基本特性,曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满 度值之比,r,L,线性度过,Ym,输出满度值,设传感器的输出量为y,输入量为,x,则,max,最大非线性绝对误差,式中,a,0,a,1,a,2,.,a,n,为系数。,四、传感器的基本特性,理想情况,：,四、传感器的基本特性,影响传感器线性的因素:,材料的滞后，蠕变，电气敏感元件与测量电路的非线性。,(2)灵敏度,在稳定条件下，输出变化量y和输入变化量x的比值:,四、传感器的基本特性,(,4)重复性,指在同一试验环境条件下，传感器多次重 复加载到额定值，各次试验同一标准之间的,最大偏差和平均输出值百分比:,（,5）额定容量,指传感器预期要测量的被测量值的设计上 限值，其量值视传感器要测量的被测量而有所不同。,四、传感器的基本特性,（6）过载率,允许过载率指传感器允许承受被测量的,最大输入量。（此时，传感器虽不能 全部满足稳定的性能指标，但在其缷载后，仍能正常工作。）,极限过载率指传感器承受使传感器结构,呈现出超载时破坏的最大输入量。,允许过载率指传感器允许承受被测量的,最大输入量。,四、传感器的基本特性,2、传感的动态特性,是指在测量动态信号时，传感器的输出反映,被测量的大小和随时间变化的特性。,主要技术指标:,（1）频率特性:用频率响应函数表示，是在,频率域中的描述系统特性的。,（2）响应时间,（3）临界速度,传感器的动态特性即与传感器本身有关，也与被测量的变化形式有关。,四、传感器的基本特性,动态测量输入信号可分为,：,分类方法有很多，这只是信号的其中的一种。,五、测量的基础知识,1、国际单位制（,SI,）,SI,基本单位:相互独立的7个单位:,长度（米、,m,）、质量（千克、,kg,）、时间（秒、,s,）、电流（安培、,A,）、热力学温度（开,K,）、物质量（摩尔、,mol,）、光量（坎（德拉）、,cd,）,五、测量的基础知识,SI,导出单位（组合单位）:由基本单位导出。,如:能量（,J,）=力距离，力=力加速度,即能量单位焦耳（,J,）由长度、质量、时间三个,SI,基本单位表示。,五、测量的基础知识,2、量纲法则,在任何一个量与其他量之间的关系式中，,等号两侧的量纲应当相同，这就称为量纲法则。,如,:RC,电路中有,X(t),R,C,y(t),根据量纲法则，等代左侧的每项量纲均为,X(t),的量纲为,的量纲为,五、测量的基础知识,3、测量、计量、测试;,测量（,measurement,）：是指以确定被测量,对象的量值为目的而进行的实验过程。,计量：涉及实现单位统一和量值准确可靠,的测量裤称为计量。,测试（,Measurement and test,）：指具有,试验性质的测量，测量和试验的综合。；,测量的四要素:被测对象、计量单位、测量,方法、测量误差,五、测量的基础知识,4、测量方法,五、测量的基础知识,5、测量误差（简称误差）,测量误差=测量结果-真值-绝对误差,真值,X,0,被测量体在被测量时所具有的量,值是一个理想的概念。,约定真值高一等级的计量标准器具所复,现的量值，或修正过的算术平均值。,测量结果由测量所得的量值,五、测量的基础知识,在电子电压表的,dBV,刻度，是表示电压增,量或功率增量所使用的单位，是放大或衰减,量的相对值。,如输入,1V,得到100,V,输出，100,V,为,1V,的100倍，,则电压增量=,五、测量的基础知识,传感技术是机电一体化领域中的重要,技术之一，要进行某种控制，就离不开传,感器。有了较好的传感器，如果不会很好,地运用，还是达不到预期的控制效果。要,完成高精度、高速度的控制，高性能的传,感器及高超的传感器运用技术必不可少。,第二章 传感器原理,第二章 传感器原理,第二章 传感器原理,第二章 传感器原理,第三章 传感器应用,3-3 位置传感器,3-4 速度传感器,3-7 温度传感器,3-6 距离传感器,3-5 加速度传感器,3-1 力传感器,3-8 传感器的选,用原则,3-2 位移传感器,3-1 力传感器目录,三、力传感器的应用举例,一、金属应变片,二、半导体压力传感器,3-1 力传感器,一、金属应变片,细金属线，它伸长时，电阻变化（变大），通过电阻的变化变形量力的变化。,如图所示,e,e,电阻R,电阻R+,R,考虑材料的杨氏模量和柏松比等因素，得到,3-1 力传感器,注:,材料的柏松比,E,杨氏模量,上式表明了电阻变化率与应变的关系,可求得应变得到试验物上的力。,将金属线（电阻线）牢固地粘贴在试验物上，实测电阻变化 率,3-1 力传感器,常见的金属电阻应变片有:,.丝式:使用最早，制造容易，价格低廉，仍广,泛使用（灵敏度在1.73.6之间）,.箔式:金属片经光刻腐蚀而成，阻值一致性好，可以制成意形状以适应各种测量要求,散热好，蠕变小,疲劳寿命高，使用范围日益扩大。,例：应变片结构图,3-1 力传感器,1、应变片的主要参数,.几何参数:基宽b标距l应变片的使用面积,.电阻值（原始阻值）,标准化 R=60，90，120，200，300，350，600，1000,根据测量的要求选择，以120 常用，包装盒上所注的电阻值，多为公称 电阻值及公差表示。,如.规格:,3-1 力传感器,.允许工作电流,在与应变片相连接的测量电路中，当有,电流通过 时，应变片将会产生热效应，产,生的热量使应变 片温度不断升高，引起灵敏,度系数、零漂、蠕变 增加，而当电流到达某,一定值时，应变片的敏感 栅会被烧毁，故需,规定允许通过敏感栅的最大工 作电流。,3-1 力传感器,对导热性能差的材料，低阻值应变片以及自行设计测量线路时，工作电流都取得小一些。,允许工作电流由制造厂提供的，与应变片使用的外界条件，应变片本身尺寸及粘接剂种类有关，一般为几十毫安，箔式可达500mA，使用时不允许超过此值。,3-1 力传感器,.灵敏系数,K,K,的大小直接影响测量结果 制造厂对所产的应变片,K,值分批按一定抽样率进行标定，并在每包上都标有此批的灵敏系数平均值及其相对均方根差（误差）,如:2.280.5,表示,K,=2.28,其误差为0。5%,3-1 力传感器,3、测量电路,采用惠斯登电桥的电路，如图,E,R,2,R,3,R,4,R,1,e,输出电压,惠斯登电桥,假设:,R,1=,R,2,=,R,3,=,R,4，,当电桥处于平衡状态时，电路的输出电压e=0，但当有一个金属应变片受力产生应变时，其阻值变为,R,1,+,R,1,，则输出电压e为:,3-1 力传感器,设金属应变片产生的应变为,e,1，,则得,K,应变系数，表示应变片的电阻应变灵 敏度,利用惠斯登电桥构成力学量传感器时，可以,采用电桥的一边为一片金属应变片，其它为,固定电阻的方法，或2片、4片等形式组成。,3-1 力传感器,二、半导体压力传感器,电阻变化是金属的100倍以上，它可测定,大小的应变。,1、压电效应,由于受到压力，半导体晶体的对称性发生变化，因此电阻率发生大的变化，电阻R也变化，这种现象叫压电效应。,3-1 力传感器,2、结构,制造工艺类似于,IC,集成电路）在制造时，先将硅单晶基板的中央部分腐蚀成薄膜状硅杯，再用,IC,的扩散工艺制成由4个半导体应变片构成的惠斯登电桥，以此构成检测压力的传感器。,3-1 力传感器,三、力传感器的应用举例,1、测力计：（load cell）,用于测量张力、拉力、重量等力学量的专用 传感器，称为测力计。,有的测力计采用黏贴多个金属应变片的结构,。,测力计的结构,3-1 力传感器,2、称重方面的应用,（1）荷重传感器式电子秤,弹簧秤是利用弹性体的变形进行力学量传,感的代表。,商业称重中的荷重传感器大多采用平行双,孔梁的弹性体与电阻应变计的组合方式。,除电阻应变片之外，还有多种方法可以检,测变形，电容式荷重传感器是其中一种。,3-1 力传感器,应变片,G1、G2,作为两面,三刀个支路的电桥，没有,重量时电桥平衡，接头,CO,间的电压,V=0,但若一有重,量，应变片,G1、G2,上则产,生电阻差，电桥平衡被破,坏,出现电压,V,，测量该电,压，可求得重量。,利用应变片的重量传感器,3-1 力传感器,下图为用差动变压器替代应变片的重量传,感器，无重量时输出电压,V=0,，但有重量时平,衡梁的左边向下倾斜，铁芯向上方位移，出现,电压,V,。,偏位式重量传感器,3-1 力传感器,（2）轴重计,轴重计用于测量行走中的拖车和卡车等,车辆的各个车轴所承受的重量（荷重），根,据其输出可以对超载的车辆发出警告。由于,轴重计的信号敏感部分是埋没在道路下面的，,有一定体积的限制。,3-1 力传感器,（3）利用弹性振子的传感器,利用复合音叉构成的传感器,设立在夏威夷马纳凯乐山顶日本国家天,文台大型红外望远镜上能动支撑机构所采用,的力传感器机构。该传感器中除压电晶体以,外的其余部分全由一块金属板（铝合金或其,它材料）切割加工制成。优点：灵敏度高，,但稳定性差。,3-2 位移传感器,位移传感器,（disptacement sensor）,是一种用于检测物体位置（长度、距离）及转 动角度等物理量的传感器。,常用的位移传感器中，有可变电位器、差动变压器、光电角度传感器、半导体角度 传感器等。,3-2 位移传感器目录,三、光电式角度传感器,四、半导体角度传感器,一、可变电位器,二、差动变压器,3-2 位移传感器,一、可变电位器,1、原理，如图所示,设输出电阻与滑块在电阻,材料间的转动角度成正比。,则可有,（）,滑块的当前角度（位移量）可通过上式,测量出。,电位器结构图,3-2 位移传感器,2、按结构不同，可分为两种形式,形式,多绕电位器的工作原理图,3-2 位移传感器,3、电阻材料,金属电阻丝、炭膜、导电塑料、陶瓷电阻阻,值从100100,K,，多种规格。,因为可调电位器的阻值相对较大，因此在精,度要求较高的检测、控制电路中，常常要采用,高输入阻抗的差动放大器进行阻抗变换。,3-2 位移传感器,二、差动变压器,差动变压器,（differential transformer）,是将机械位移转换成电压的装置。,即机械位移交流电压,工业量中厚度、伸长、松弛、角度,还有压力、荷重、转矩、流量等都可容易地变换成位移,。,3-2 位移传感器,1、结构及工作原理,差动变压器示意图,差动变压器符号,根据：若在初级线圈上加一个稳定的励磁交流电压，则会在次级线圈上产生一个与铁芯位置成正比的感应电压，将这个电压整流成直流信号后取出，则可制成能检测铁芯前端位移量的传感器。,3-2 位移传感器,2、检测范围,5,mm,200,mm,左右，个别的只能检测到,1,mm,范围内的位移量,3、灵敏度,一般为80300,mv/mm,(输出电压/位移),4、特点,信号电平高，输出阻抗低，具有很强的 抗干扰能力。,5、使用条件,多在15,V,，20,mA,以内的条件下使用。,3-2 位移传感器,如图所示，当转盘转动时，发光元件发射的,光能按转动盘的转动角度照射到半导体位置检,测元件的相应位置上，将轴的旋转角度变换成,对应的电压信号，通过放大电路就可以检测出,物体的,旋转角,度。,三、光电式角度传感器,3-2 位移传感器,此类传感器的最大转角有,：,源电压,：,DC5V,或,DC12V,输出电压,：,0.5,4.5V,，分辨率较高。,机械特性,：,扭矩,0.245mN.m,转速最高可,达200r/min,应用领域：与可变电压器相同，用于检,测各种机器轴的旋转角度。,3-2 位移传感器,.当磁性齿轮转动时，由于,外部磁场的强弱变化引起,元件的阻抗发生改变，使,其输出的正弦曲线发生变,化。,.通过读取输出电压中仅有的一小段直线,部分，可以准确 地检 测出轴的转动,角度。,四、半导体角度传感器,以半导体材料制成的半导体磁阻为感应器件。,如图所示，,3-2 位移传感器,.也可通过对输出脉冲的计数，检测出轴的旋,转角度及旋转的转数。,.规格：电源电压：,5V、6V、8V,，,转动角度：自由设定，,机械特性：扭矩,0.1mN.m,.用途,：,用来完成转向控制和高精度的位置控制,。,.使用温度范围为,：,3-3 位置传感器,位置传感器,（position sensor）,用于检,测物体有无或对物体的位置以及形状进行识,别，判断的传感器称为位置传感器。,在位置传感器中，有限位开关、接近开关、,固体图像传感器等多种类型传感器。,3-3 位置传感器目录,三、固体图像传感器,一、限位开关,二、接近开关,四、相关知识,3-3 位置传感器,一、限位开关,（limit switch）,原理：当移动的物体碰撞到,执行机构时，通过机构触动,微动开关实现电路的接通或,断开，可检测出机床或机器,人等移动物体的位置。,结构：小间隙的触点结构，,保证微动开关的位移量不会,发生超程现象。,主要种类如图所示,3-3 位置传感器,执行机构可在4.57N 力的作用下产生,动作，执行机构从自由位置至极限位置的,动作范围称为限位开关的行程。撞针式限,位开关的行程为1-2mn，摆针式限位开关的,行程为,3-3 位置传感器,根据应用环境的需要，有些产品将其密,封于金属或树脂盒内，制成防水、耐油或,防尘的结构。,规格：,15A-AC125V,6A-AC250V,3A-AC500V，,5A-DC24V，0.8A-DC125V.,有的还装有霍乐,IC,芯片，能防磁、可去,抖动、无触点型限位开关。,3-3 位置传感器,二、接近开关,(proximity switch）,无触点开关有：高频振荡式、磁感应 式、电容感应式、超声波式、电波发射式、气动式、光电计、光纤式等多种非接触式 接近开关。,1、工作原理,以电容式接近开关为例：（金属、非金 属的被测物都能检测）,3-3 位置传感器,当有物体接近时，因静电感应使传感器,中单极电容量发生变化，从而使传感器内,部的振荡电器起振或者停振，利用振荡信,号的大小可以判断是否有物体接近。,如图所示：,电容式接近开关的检测原理,3-3 位置传感器,被测物体的距离,：,导体的相对电导率,A,电极的面积,真空的电导率,（,F/m,）,E,输出电压,（,V,）,3-3 位置传感器,规格：,6-10mm 3-25mm,（检测距离）多种,.,DC8V-56.5mA,(低,压小电流直流电流,变化型接近开关)，,可防止在发生电器,故障时产生电火花。,.,DC12V、DC24V、AC100200V,等多种类型，,外形：圆柱形或棱柱形。,接近开关的应用电路,2、应用电路,如图所示,3-3 位置传感器,以下两种即可用无触点的接近开关,也可用,接触 式限位开关。,无触点开关只能知道对方金属片接近，但,要知道距离,还要用距离传感器。,3、应用实例,如图所示,3-3 位置传感器,三、固体图像传感器,（imagesensor）,在图像传感器中中，有摄像管及固体传感,器两种。,CCD(charger cougled device),型固,体图像传感器，是一种通过给传感阵列施加移,位脉冲，从而实现信号电荷传递的半导体器件，其基本结构如图所示,3-3 位置传感器,CCD,是在半导体表面敷设的薄绝缘层上排列多个,MOS,结构构成的一种传感器.,其工作原理是,：,当给某一金属栅极加一电压时，则在该栅,极下形成电荷势阱，势阱中贮存的电荷量与 外部光照有关,光照越强电荷越多。当给邻近的栅极加一个更大的电压时，由于该栅极上的电位越高其下的势阱就越深，通过在各栅极上施加不的栅极电压，就可以使贮存在势阱中的电荷向邻近的势阱中移动，由此完成信号电荷的顺序传递。,3-3 位置传感器,机械式开关在,进行开、闭,（ON、OFF）,的极短时间,（10s10ms）,内，会产生不应有的触点,振动现象，这种现象称为,触点的抖动，它是引起计,数式电路误动作的主要原,因之一。,四、相关知识,1、抖动,：,3-3 位置传感器,2、视觉识别装置,它是一种接收由,CCD,摄像头拍摄下的物体,形态的信号，根据设定的条件（位置、大小、,形状、个数等坐标信号）对图像进行判定、,识别等处理的一种设备。如图所示,右图是采用,CCD,摄像,头构成一个检验系,统，用来检查高速,传送的,IC,芯片上是,否存在型号字符的,印刷错误。,3-4 速度传感器,速度传感器用于检测物体运动快慢或流体流动快慢等运动量的传感器称速度传感器。,在速度传感器中，有光栅尺、转动式编码器、压电振动式陀螺传感器、电磁式流速传感等多种类型。,3-4 速度传感器目录,三、压电振动式陀螺传感器,一、,光栅尺,二、旋转编码器,四、补充光电传感器,五、补充光学编码器,六、补充红外线检测,3-4 速度传感器,以发光二极管为光源，通过在光栅尺上,按固定间隔排列的栅缝，断续地将光照射,到对应的光敏二极管上，再通过对光敏二,极管接收脉冲信号进行计数，来检测物理,移动距离。,光栅尺,一、光栅尺,（linear encoder）,如图所示,3-4 速度传感器,二,、旋转编码器,（latary encoder）,在检测转数或转速的数字式传感器中，有光电旋转编码差。工作原理与光栅一样，,都是通过检测脉冲信号来检测速度。根据 结构可分为增量型和绝对两种。,3-4 速度传感器,1、增量型,：,通过脉冲计数来检测轴的旋,转角度。,特点,：,.分辨率最高可达,10-5000,脉冲/圈,.能对旋转量作无限制地计数,.电源电压为,DC530V,3-4 速度传感器,2、绝对型：将光栅盘按分辨率的位数划 分成一系列同心圆，并将各同心圆按2、4、8、16的方式进行等分（构成编码盘）,特点,：,.,输出信号为脉冲或编码信号；,.,无论编码盘是否转动，它都会并行 输出动光栅盘当前角度所对应的绝 对位置的编码信号。,3-4 速度传感器,3、应用,采用旋转编码器进行电机转速控制的系统框图,D/V,转换器,比较器,伺服,驱动电路,M,M,F/V,转换器,DC,伺,服电机,旋转,编码器,输出的,脉冲信号,实测的速度,输出电压号,指令,脉冲,速度指令,电压,输出的差值,信号,驱动电路输出的电,压信号,3-4 速度传感器,三、压电振动式陀螺传感器,陀螺传感器,（gyroscope sensor）,分振动 式与气动式,原理,：,在恒弹性金属镍铬合金制成柱体表面 贴有压电陶瓷片。通过检测转动的正三角 形物体的向心力（哥里奥利力）来检测物 体的转动，它将正三角形柱体产生的振动 变换成与音叉振动频率相等的振动弯矩,由 此将转动的角速度变成电压的变化量输出。,3-4 速度传感器,特点,：,最高检测能力达,90DEG/SEC,输出电压为,20Mv/10EG/SEC,电源电压为,813.5V,应用：在汽车、船舶、飞机、机器人的定位及,姿态控制等方面经常采用。,转速,的检测原理,3-4 速度传感器,补充,：,光电传感器,光栅尺与旋转编码器均属于光电式传 感器的类别。,光电传感器是一种将光量变化转换为电量变 化的传感器。,物理基础,：,3-4 速度传感器,一、外光电效应：,在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,1、光电管及其基本特性,光电管,它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。,3-4 速度传感器,光电管的结构图,工作电路图,阴极装在玻璃管内壁上的涂有光电发,射材料。,阳极弯曲成矩形、圆形的金属丝，置,于玻璃管中央。,阴极,阳极,I,R,L,E,A,K,3-4 速度传感器,工作原理：当光照在阴极上时，中央阳极 可以收集从阴极上逸出的电子，在外力 电场作用下形成电流,I,，（如工作电路图 所示）,充气光电管：稳定性较差，惰性大，温度 影响大，容易衰老。,一般自动检测仪器中，要求温度影响小,灵,敏度稳定，采用真空式光电管。,3-4 速度传感器,光电管光谱特性：对于光电阴极材料不同 的光电管，有不同的红限频率V0，可 用于不同的光谱范围。,同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不,同，这就是光电管的光谱特性。,对各种不同波长区域的光，应选用不同材,料的光电阴极。,3-4 速度传感器,2、光电位增管及其基本特性,入射光线很微弱时，普通光电管产生的光 电源很小，小于,1A,，很不容易探测，这时常 用光电倍增管对电流进行放大。,一般由：光阴极、次阴极、阳极三部分组成。,光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万几,百万倍，在很微弱的光照时，就能产生很大的,光电源。,应避免爱强光照射，否则将会损坏。,3-4 速度传感器,二、内光电效应,当光照射在物体上，使物体的电阻率发 生变化，或产生光生电动势的效应叫做内 光电效应。,可分为：,1、光敏电阻（又称光导管）,I,R,L,R,E,玻璃底板,电极半导体,光敏电阻结构,工作电路,G,E,3-4 速度传感器,光敏电阻一般用半导体材料制成，结构 较简单，光敏电阻受到光的照射导电性能 上升,Rg,下降，则改变电流及其两端电压。,即将光信号电信号。,特点,：,（1）灵敏度高，光谱特性好，使用寿命长，稳定性能高，体积小，制造工艺简单等,3-4 速度传感器,（2）大多数光敏电阻光照特性曲线是非 线性的，故不宜作线性测量元件，一般用 作开关式的光电转换器。,（3）温度变化影响其光谱特性曲线，为了,提高元件的灵敏度，或为了能够接受较长波,段的红外辐射，而采取一些制冷措施。,3-4 速度传感器,2、电池,在光线照射下，直接能将光量电动势 的光电元件（实质上它是电压源）,种类很多，最受重视的是,：,硅光电池和硒,光电池,特点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，,转换效率高，能耐高温辐射等。,3-4 速度传感器,3、光 敏二极管和光敏三极管,（1）光敏二极管的结构与一般二极管相似,其光照特性是线性的，适合检测等方面的,应用。,P,N,P,N,R,L,符号图,接线图,3-4 速度传感器,（2）光敏三极管,光敏三极管的结构与一般三极管很相似，,只是它的发射极一边做得很大，以扩大光,的照射面积，且其基极往往不接引线。,P,N,P,e,c,N,P,e,c,N,E,R,L,符号,工作电路图,3-4 速度传感器,光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰,值波长。,硅,锗,入射光,灵敏度,波长A,3-4 速度传感器,三、新型光电传感器,1、调整光电二极管,：PIN,结光电二极管 雪崩光电二极管,2、光位置传感器：一种硅光二极管，它,利用光线来检测位置。如图所示,：,+,+,+,I,1,I,2,X,2,X,1,N,P,2,1,位置传感器,3-4 速度传感器,原理：当光线照射到硅光电二极管的某一位 置时，结区的光电了向,N,层漂移，空穴向,P,层漂移，到达,P,层的空穴分成两部分：,一 部分沿表面电阻,R,1,流向,1,端，形成光电流,I,1,另一部分沿表面电阻,R,2,流向,2,端，形成光电流,I,2,，当电阻层均匀分布时，,则,故测出和，就可求得光照射的位置。,另：二维位置检测，可用光平面位置传感器。,3-4 速度传感器,3、光固态图像传感器,由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而 成，常用的有电荷耦合器,CCD,。,CCD,的结构和基本原理,：,输入二极管,输出二极管,输入栅,输入栅,耗尽层,P型,3-4 速度传感器,CCD,由若干个电荷耦合单元组成。,CCD,的最小单元是在,P,型（或,N,型）硅底上,生长一层厚度约为,120mm,的,SiO2,，再在,SiO2,层上依次沉积铝电极而构成,MOS,（金属-氧化,物-硅的缩写）电容式的转换器，将MOS阵列,以上输入，输出端，便构成了,CCD,。,3-4 速度传感器,按其像素排列方式分,：,线型、面型或圆型。,已在工程应用的,：,线型：1024、1728、2048、4096,面型：3232、100100、320244、,480400,应用：用于非接触测量（以光为媒介）实现 危险地点、或人、机械不可到达场所的测量与控制。,3-4 速度传感器,*光学编码器,编码器又称码盘，是一种数字式角位移传感器，使用时，将其安装在旋转轴上，按旋转角度大小直接编码。,优点；结构简单，可靠性高,按工作原理分：电触式、电容式、感应式、光电式（即光学编码器）,3-4 速度传感器,1、工作原理：光学编码器是以光电方式把,被测角位移变换成数字代码形式的传感器。,码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道,每位码道上都有按一定规律排列着的若干透光和不透光部分，即亮区和暗区，光电元件5的排列与码道一一对应。,3-4 速度传感器,由光源1发出的光线，经柱面透镜2变成,一束平行会聚光照射到码盘上，通过亮区,的光线经狭缝4后，形成很窄的光来照射在,光电元件上。光电元件的各种信号组合,反,映出按一定规律编码的数字量,代表了码盘,轴的转角大小。,3-4 速度传感器,1、码制与码盘,码制,：,二进码、循环码、十进码、六进（度.分.秒）码等。,如,：,一种6位二进制码盘，最内圈称为,C6,码道，一半透光，一半不透光。最外圈称为,C1,码道，共分成个黑白间隔，每一个角度方,位对应不同的编码，例如：,零方位对应,000000,（全黑）,第一方位对应,000001,第,23,方位对应,010111,3-4 速度传感器,测量时，只要根据码盘的起始和终止位 置就可确定转角大小，而与转动的中间过程 无关。,n,位二进制码盘具有种不同编码，其最小分辨力为，,若要提高码盘分辨力仍须增加,n,值，增大,n,值，必将给码盘制作造成很大困难。,3-4 速度传感器,补充红外线检测,一、红外辐射,任何物体，当其温度高于绝对零度（-273.15）时，都将有一部分能量向外辐射，物体温度愈高，则辐射到空间去的能量愈多。辐射能以波动的方式传播，其中包括的波长范围很宽，可从几微米到几公里，包括有,Y,射线、,X,射线、紫外线、可见光、红外线，一直到无线电波，它们构成了整个无限连续的电磁波谱，红外辐射是其中的一部分。,3-4 速度传感器,红外线的波长大致在0.761000mm的波谱范,围内，相对应的频率大致在,无线电阻,无线电阻,微波,远红外,红外,线,可见光,紫外线,Y,射线,X,射线,宇宙,射线,中红外,近红外,波长,/m,波长,c/m,波长,/m,4个区域,红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、,干涉、吸收等性质，它在空中传播的速度为,之间，,3-4 速度传感器,二、红外探测器,红外探测器是将辐射能转换为电能的一种,传感器，按工件原理可分为：热探测器、光,子探测器,1、热探测器,热探测器是利用红外辐射引起探测元件的,温度变化，进而测定所吸收的红外辐射量。,通常有：热电偶型、热敏电阻型、气动型、热释电型等。,3-4 速度传感器,（1）热电偶型：将热电偶冷端置于环境温度,下，将结点涂上黑层置于辐射中，可根据,产生的热电势来测量入射辐射功率的大小，,这种热电偶用半导体材料制成。,（2）气动型：气动型探测器是利用气体吸收,红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，,来反映红外辐射的强弱。,3-4 速度传感器,（3）热释电型：热释电探测器的工作原理,是基于物质的热释电效应。,在红外线辐射下，由于温度升高，引起极,化强度下降，即表面电荷减少，这相当释,放一部分电荷，此称之为热释电效应。,在红外辐射下，负载电阻两端就有信号输,出，输出信号的大小决定了晶体温度变化，,从而反映出红外辐射的强弱。,3-4 速度传感器,其技术指标,：,响应波段,138mm,探测率,：,响应时间,：,工作温度,：,300K,一般用于光谱仪、测温仪以及红外摄像,。,3-4 速度传感器,2、光子探测器,光子探测器的工作原理是基于半导体材料 的光电效应。,常用有：光电、光电导、光生伏等探测器。,制造材料：硫化铅、锑化铟、碲镉汞等。,由于光子探测器是利用入射光子直接与来,缚电子相互作用。,灵敏度高、响应速度快,3-4 速度传感器,技术指标,：,响应波段,：2-14mm,探测率,：,响应时间,：,工作温度,：,（70-300）K,，低温条件，,需制冷设备，一般用于测温仪，,航空扫描仪，热象仪。,3-4 速度传感器,三、红外测温仪,红外测温仪由光学系统，红外探测器，,信号处理系统，温度指示器等组成,光学系统用来收集被测目标的辐射,能量，使之会聚于红外探测器的接收光敏,面上。,3-4 速度传感器,红外探测器把接收到的红外辐射,能量转换或电信号输出,信号处理系统完成探测器产生的,微弱信号的放大，线性化处理，辐射率调,整，环境温度补偿，抑制噪声干扰以及输,出供计算机处理的模拟信号。,3-4 速度传感器,红外测温仪原理方框图,光学,系统,记录,电源,调制,指示,末级,放大,选频,放大,前置,放大,光栅盘,3-4 速度传感器,被测物体的热辐射线由光学系统聚焦，,经光栅盘调剂后变为一定频率的光能，落,在热敏电阻探测器上，经电桥转换为交流,电压信号，放大后输出显示成记录。,3-4 速度传感器,光栅盘是由两片扇形光栅板组成，一块,为定板，另一块为动板。动板受光栅调剂电,路控制，按一定频率正、反转动，实现开,（光可透过）关（光不通过）使入射线变为,一定频率的能量作用在探测器上。这种红外,测温仪可测范围内的物体表面温度，时间常,数为,410ms.,3-4 速度传感器,四、红外热像仪,作用是将人眼看不见的红外热图形转变,成人眼可见的电视图像成照片。,原理：被测物体各点温度分布不同，因,而红外辐射能量不同而形成热能图形。,3-4 速度传感器,五、红外线传感器,感知人体最简单的方法，是用红外,线传感器，因为人体比其它物化温度,高，故可根据红外线的能量进行检测。,人体产生的红外线波长为10mm左右，,因此，用远红外线传感器最为合适。,3-4 速度传感器,实例：,.人进门以后自动点亮的门厅灯和走廊灯,.自动抽水厕所,.手放在水龙头下面，就能自动出水 的自动水龙头,.防盗报警装置,3-4 速度传感器,单独使用一个红外线传感器时，只是简单,的感知器，只能单纯地感知人的存在。,如果用数个红外线传感器排列在一起，不,仅能进行大范围监视，而且通过对这些输出,信号相互关系的分析，在某种程度上可以辨,识人的举止的动作。,3-4 速度传感器,如果成千上万个红外线传感器排列在一,起就成了摄像机。,由于红外线摄像机能测量人体的温度分,布，可很容易做到将人从背景中抽取出来，,而普通摄像机去不容易。,红外线传感器能实现非接触式高灵敏度,测量。,3-5 加速度传感器,2-5 加速度传感器,加速度传感器是一种将其与被测对象接,触或者将传感器安装在被测对象上来测量物,体加速度的传感器。它广泛应用于振动或动,态力的测量及控制等领域，使用时，就根据,被测对象加速度的大小，频率范围等多种条,件选择合适的传感器。,3-5 加速度传感器目录,三、金属应变片式加速度传感器,一、,基本理论,二、电容式加速度传感器,四、半导体应变片式加速度传感器,五、压电式加速度传感器,六、应用,3-5 加速度传感器,一、基本理论,加速度传感器是由弹簧系统支撑惯性,质量构成所谓的“地震仪”的结构,3-5 加速度传感器,如上图所示 其运动方程式如下,式中,：,为共振频率,为阻尼系数,y,被测对象的振动位移,K,弹性系数,m,质量,x,壳体与惯性质量的相对位移,C,阻尼系数,3-5 加速度传感器,当被测对象的频率比检测仪的共振频率,小很多时，壳体与惯性质量的相对位移X与,被测对象的加速度或正比。,当被测对象的频率比检测仪的共振频率,大很多时，壳体与惯性质量的相对位移X与,被测对象的位移成正比。,振动传感器就是根据这种原理制成的。,3-5 加速度传感器,二、电容式加速度传感器,它是一种利用振子作为电容的一个电极,制成的传感器，其基本结构如