传感器原理与测量电路22.pptx

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。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测转角：测转角：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铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS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 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:华中科技大学机械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-lwx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。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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院产品产品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：转速测量华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.8 6.8 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荧光灯启辉器荧光灯启辉器荧光灯荧光灯 荧光灯荧光灯 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，形成电流，此现象称为热电效应。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院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。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。TT0V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，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：ABTT0=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。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。RT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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院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6.9 6.9 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 ml/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 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实验室中实验室中的传感器的传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.10 6.10 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。大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院声压声压 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。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tA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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.11 6.11 光电传感器光电传感器 光电传感器通常是指能敏感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，这种光光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院传感器原理传感器原理 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光电池光电池 光光生生伏伏特特效效应应指指半半导导体体材材料料P-NP-N结结受受到到光光照照后后产产生生一一定定方方向向的的电电动动势势的的效效应应。以以可可见见光光作作光光源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应用应用 光光电电传传感感器器在在工工业业上上的的应应用用可可归归纳纳为为辐辐射射式式(直直射射式式)、吸吸收收式式、遮遮光光式式、反反射射式式、四四种种基本形式。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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LEDLED与光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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.12 6.12 光纤传感器光纤传感器 物物性性型型光光纤纤传传感感器器是是利利用用光光纤纤对对环环境境变变化化的的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。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）物性型光纤传感器华中科技大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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 结结构构型型光光纤纤传传感感器器是是由由光光检检测测元元件件与与光光纤纤传传输输回回路路及及测测量量电电路路所所组组成成的的测测量量系系统统。其其中中光光纤纤仅仅作作为为光光的的传传播播媒媒质质，所所以以又又称称为为传传光光型型或或非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色检测华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.13 CCD6.13 CCD固态图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)。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 在在半半导导体体硅硅片片上上按按线线阵阵或或面面阵阵排排列列MOSMOS单单元元，如如果果照照射射在在这这些些光光敏敏元元上上的的是是一一幅幅明明暗暗起起伏伏的的图图像像，则则这这些些光光敏敏元元上上就就会会感感生生出出一一幅幅与与光光照照强强度度相对应的光生电荷图像。相对应的光生电荷图像。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CCD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.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数码相机数码相机华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院基于基于PDE的去噪的去噪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图像修复图像修复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图像缩放图像缩放华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.14 6.14 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 绝绝对对零零度度以以上上的的物物体体都都有有辐辐射射，其其强强度度依依赖赖于于物物体体温温度度(K)(K)，根根据据普普朗朗克克辐辐射射定定律律有有以以下下表达式：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 材材料料或或结结构构受受外外力力或或内内力力作作用用产产生生变变形形或或断断裂裂，以以弹弹性性波波形形式式释释放放出出应应变变能能的的现现象象称称声声发发射射。各各种种材材料料声声发发射射频频率率范范围围很很宽宽，从从次次声声、声声频频到到超超声声。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。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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.15 6.15 生物传感器生物传感器热热/光光电量电量微生物微生物/酶等酶等敏感元件敏感元件 生物传感器与其它传感器是检测对象中含生命生物传感器与其它传感器是检测对象中含生命物质。根据敏感物质不同物质。根据敏感物质不同,生物传感器分酶传感器、生物传感器分酶传感器微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。疫传感器等。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2、环境监测、环境监测3.3.医学医学应用领域应用领域1 1、发酵工业、发酵工业(食品食品)华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院血糖乳酸测定流程血糖乳酸测定流程体育上耐力训练体育上耐力训练华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(glucose)(glucose)分析仪分析仪华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院工厂发酵车间化验工厂发酵车间化验员正在分析样品员正在分析样品发酵工厂谷氨酸发酵工厂谷氨酸-葡萄糖分析葡萄糖分析华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 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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院GSM/SMS华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.17 6.17 传感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 一一般般说说来来，传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高越越好好，但但，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 传传感感器器的的响响应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，保持不失真的测量条件。保持不失真的测量条件。实实际际上上传传感感器器的的响响应应总总不不可可避避免免地地有有一一定定延迟，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 任任何何传传感感器器都都有有一一定定线线性性工工作作范范围围。在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系，线线性性范范围围愈愈宽宽，则则表表明明传传感感器器的的工工作作量量程程愈愈大大。传传感感器器工工作在线性区域内，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。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 稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期使使用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能。影影响响传传感感器器稳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 传传感感器器的的精精确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测量的对应程度。测量的对应程度。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 传传感感器器工工作作方方式式，也也是是选选择择传传感感器器时时应应考考虑虑的的重重要要因因素素。例例如如，接接触触与与非非接接触触测测量量、破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。