傳感器原理之三

1、傳感器測量原理七、 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 1 磁電轉(zhuǎn)換元件傳感器 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 1)霍爾元件 霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖所示。 3.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 應(yīng)用 案例：電流傳感器案例：管道裂紋檢測 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 原理磁場強度變化檢測2) 磁電阻元件 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 磁阻效應(yīng)- -+ +lwx特點 電阻的增量與磁 場的平方成正比； 與磁場的正負無關(guān)； 溫度系數(shù)影響大； 磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。 R-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5應(yīng)用 磁頭；接近開

2、關(guān)和無觸點開關(guān)。3) 磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件體元件霍爾IC結(jié)型元件霍爾元件磁電阻元件磁敏二極管磁晶體管磁半導(dǎo)體開關(guān)其它開關(guān)線性 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 2 光電轉(zhuǎn)換元件 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。 1) 光敏電阻 光電導(dǎo)效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導(dǎo)電性能增強,光線愈強,阻值愈低,這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 2 )光電池 光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體

3、材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。+-PN 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 3 ) 應(yīng)用 光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 案例：光電鼠標就是利用LED與光敏晶體管組合來測量位移。案例：亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的。 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 3 熱敏電阻傳感器 半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降

4、。 典型的熱敏電阻元件有圓形、桿形和珠形等，其結(jié)構(gòu)及溫度特性如圖所示。 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 應(yīng)用 溫控器熱敏電阻 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 4 氣敏電阻傳感器 氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳等金屬氧化物制成敏感元件，當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，會發(fā)生還原反應(yīng)，放出熱量，使元件溫度相應(yīng)增高，電阻發(fā)生變化。 氣敏傳感器應(yīng)用較廣泛的是用于防災(zāi)報警，如煤氣、或有毒氣體報警，也可用于對大氣污染監(jiān)測、CO氣體測量、酒精濃度探測等方面。煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 5 CCD固態(tài)圖象傳感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)

5、光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體(P型硅)基片上形成一種氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 (MOS)。 在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 01111100光敏管陣列并聯(lián)串聯(lián)轉(zhuǎn)換器運算電路顯示電路結(jié)束信號驅(qū)動脈沖CCD 半導(dǎo)體敏感元件傳感器 特點:(1) 非接觸檢測;(2) 響應(yīng)快;(3) 可靠性高,為修簡便;(4) 測量精度高;(5) 體積小,重量輕; 容易與計算機連接(6) 對被測物體需要強光照射;(7) 受

6、被測物體以外的光的影響.應(yīng)用:(1) 寬度測量; (2) 外徑測量; (3) 主軸徑向跳動測量.光柵式傳感器結(jié)構(gòu)和基本原理:光柵式傳感器主要由主光柵(a)、指示光柵(b)和光路系統(tǒng)(c)組成。透射長光柵(主光柵)是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上均勻地刻上許多條紋，形成規(guī)則排列的明暗線條。圖中a 為刻線寬度，b 為刻線間的縫隙寬度，a+bw稱為光柵的柵距。通常情況下，abW2，也可以做成“：a:b=1.1:0.9?？叹€密度一般為每毫米10、25、50、100線。指示光柵比主光柵短得多，通?？逃信c主光柵同樣刻線密度的線紋。 光柵式傳感器光路系統(tǒng)包括光源、透鏡、主光柵、指示光柵和光電元件。光源一般用鎢絲燈

7、泡，它有較大的輸出功率，較高的工作溫度范圍，可以從-40到+130。但是它與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低，在機械振動和沖擊條件下工作時，使用壽命將降低。近年來固態(tài)電源有很大的發(fā)展。如砷化鎵二極管可以在-66到+100的溫度下工作，發(fā)出的光為近紅外光(9100一9400A)，接近硅光敏三極管的敏感波長。雖然砷化鎵二極管的輸出功率比鎢絲燈泡低但是它與硅光敏三極管相結(jié)合，有很高的轉(zhuǎn)換效率，最高可達30左右。此外砷化鎵二極管的脈沖響應(yīng)速度約為幾十納秒，與光敏三極管組合起來可以得到2um的可實用的響應(yīng)速度，這樣快速的響應(yīng)特性，可以使光源只在被應(yīng)用時才被觸發(fā)，從而可以減少功率消耗和熱耗散。 光柵式傳感器 光

8、電元件有光電池和光敏三極管。在采用固態(tài)光源時，需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件，以獲得大的轉(zhuǎn)換效率。在光敏元件的輸出端，常常緊挨著接有一個放大器。因為光敏元件的輸出比較弱，通過放大器可以得到足夠大的信號輸出，以防止信號傳輸途中的噪聲干擾。光柵式傳感器莫爾條紋的幾何持性：光柵是利用它的莫爾條紋現(xiàn)象來進行測量的。所謂莫爾條紋就是指兩塊光柵疊合時，出現(xiàn)光的明暗條紋的波紋。兩塊柵距相等(W 1W2)的光柵疊合在一起，并使它們刻線之間的夾角為角，這時光柵上就會出現(xiàn)若干條明暗條紋。在刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶。如圖319中hh所示；兩塊光柵的紋線彼此錯開處，由于擋光作用而形成黑帶，如圖中g(shù)g

9、所示。這種亮帶、黑帶所形成的條紋，稱為莫爾條紋。莫爾條紋方向與刻線方向垂直，故又稱橫向莫爾條紋。光柵式傳感器 當兩塊光柵沿刻線垂直的方向作相對運動時，莫爾條紋沿著夾角平分線的方向移動。當光柵作相反方向移動時，莫爾條紋的移動方向也隨著改變。莫爾條紋移動的方向與光柵運動方向和光柵間夾角的關(guān)系見表33。光柵式傳感器辨向原理：在實際應(yīng)用中，被測物體的移動方向往往不是固定的。無論主光柵向前或向后移動，在一固定點觀察時，莫爾條紋都是作明暗交替變化。因此，只根據(jù)一條莫爾條紋信號、就無法辨別光柵移動的方向，也就不能正確測量往復(fù)移動時的位移。為了辨向，需要兩個有一定相位差的莫爾條紋信號。 光柵式傳感器辨向原理：

10、圖320為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在相隔l4條紋間距的位置上安放兩個光電掃描裝置，得到了兩個相位差2的電信號u01和u02，經(jīng)過整形后得到兩個方波信號u01和。從圖中波形的對應(yīng)關(guān)系可以看出，在光柵作A方向移動時u01經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖(如圖中實線所示)正好發(fā)生在u02 的“1”電平時，從而經(jīng)與門Y1輸出一個計數(shù)脈沖。而u01 經(jīng)反相微分后產(chǎn)生的脈沖(如圖中虛線所示)則與u02 的“0”電平相遇，與門Y2被阻塞，沒有脈沖輸出。在光柵作A方向移動時，u01的微分脈沖發(fā)生在u02 的“0”電平時，故與門Yl無脈沖輸出；而u01反相微分所產(chǎn)生的脈沖則發(fā)生在u02的“1”電平時，與門Y2輸出一

11、個計數(shù)脈沖。因此，由u02 的電平狀態(tài)作為與門的控制信號，來控制u01所產(chǎn)生的脈沖輸出，就可以根據(jù)運動的方向正確地給出加計數(shù)脈沖或減計數(shù)脈沖。光柵式傳感器光柵式傳感器圖示辨向邏輯電路還可以抑制由于振動等原因所產(chǎn)生的瞬間干擾對測量結(jié)果的影響。因為一個干擾脈沖在電路中產(chǎn)生兩個脈沖，在u02的電平狀態(tài)不變的情況下，或者是阻塞與門電路，不計干擾脈沖影響計數(shù)器的工作狀態(tài)，或者開啟與門電路，允許干擾脈沖進入計數(shù)器，但這時干擾脈沖經(jīng)微分后產(chǎn)生兩個脈沖，一個令計數(shù)器作加汁數(shù)，月一個令計數(shù)器作減計數(shù)，從而使計數(shù)器的工作狀態(tài)不變。利用莫爾條紋測量位移的電路方框圖如圖321所示。 角數(shù)字編碼器 角數(shù)字編碼器又稱碼盤

12、，它是測量轉(zhuǎn)軸角位置和位移的方法之一。具有很高的精確度、分辨率相可靠性。角數(shù)字編碼器有兩種類型：絕對式編碼器和增量式編碼器。增量式編碼器需要一個計數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤通過敏感元件給出一系列脈沖，在計數(shù)器中對某一個基數(shù)進行加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的角位移量。絕對式編碼器可以在任意位置給出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼輸出。如果需要測量角位移量，它也不一定需要計數(shù)器，只要把前后兩次位置的數(shù)字碼相減就可以得到要求測量的角位移值。它們的敏感元件可以是光電式的、磁電式的或接觸式的等等。角數(shù)字編碼器光電增量式編碼器的原理與前述光柵傳感器類似。其主要技術(shù)參數(shù)如下：脈沖系列：60，100，200240，250，3

13、00，360，500，600， 720，800，900，1000，1020，1200，1250，傳感器測量原理八、其它類型的傳感器 1、熱輻射檢測傳感器 絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體的溫度(K)，在此僅考慮黑體也稱全輻射體的輻射能和波長的關(guān)系。根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達式：應(yīng)用： 冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。 其它類型的傳感器 2、超聲波檢測傳感器 其它類型的傳感器 1)聲波及其分類(1)次聲波，振動頻率低于l6Hz的機械波。(2)聲波:振動頻率在16Hz20KHz之間的機械波。(3)超聲波:高于20KHz的機械波。2）超聲波的物理性

14、質(zhì) 超聲波與一般聲波比較，振動頻率高，波長短，因而具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的一般聲波，并具有很高的穿透能力。 3) 超聲波傳感器及應(yīng)用 其它類型的傳感器 (1)超聲波傳感器對(2)超聲波探傷tA 其它類型的傳感器 案例：輸油管檢測檢測機器人3、聲發(fā)射檢測傳感器 其它類型的傳感器 材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱無聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻到超聲頻，但多數(shù)金屬(如鋼、鐵等)的聲發(fā)射頻帶，均在超聲范圍內(nèi)。 聲發(fā)射分:1）連續(xù)發(fā)射;2）突發(fā)發(fā)射。由于結(jié)構(gòu)和傳感器的諧振，檢測到的發(fā)射信號像衰減的正弦

15、波，檢測到的兩類信號如圖所示。案例： 材料斷裂等結(jié)構(gòu)監(jiān)測。 其它類型的傳感器 4、光纖傳感器簡介 其它類型的傳感器 物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。 1）物性型光纖傳感器 其它類型的傳感器 光纖流速傳感器 其它類型的傳感器 結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器靈敏度 當測試裝置的輸入x有一增量x，引起輸出y發(fā)生相應(yīng)的變化y時，則定義: S=y/x 八、傳感器選用原則 傳感器的主要特性 靈敏度 b)非線性度 標定曲線與擬合直線的偏

16、離程度就是非線性度。 非線性度=B/A100% 傳感器的主要特性 傳感器理想的輸入一輸出特性應(yīng)該是線性的，但實際上許多傳感器的輸入一輸出特性是非線性的。如果不考慮遲滯和蠕變效應(yīng)，一般可用下列多項式表示其輸出一輸入特性。理想的線性特性是：實際傳感器由于輸出一輸入特性中包含高次項，因此它的特性是非線性的. 傳感器的主要特性 c)回程誤差 測試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測試過程中，對于同一個輸入量所得到的兩個數(shù)值不同的輸出量之間差值最大者為hmax，則定義回程誤差為 回程誤差=(hmax/A)100% 傳感器的主要特性 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是:機械的間隙、摩擦或電子方面的磁滯等因素。c)重復(fù)

17、性 重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特性曲線不一致性程度。多次重復(fù)測試的曲線越重合說明重復(fù)性好，誤差小。 傳感器的主要特性 d) 靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述 精度：是與評價測試裝置產(chǎn)生的測量誤差大小有關(guān)的指 標。 靈敏閥：又稱為死區(qū)，用來衡量測量起始點不靈敏的程 度。 分辨率：指能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化 量，表明測試裝置分辨輸入量微小變化的能力。 測量范圍：是指測試裝置能正常測量最小輸入量和最大 輸入量之間的范圍。 穩(wěn)定性：是指在一定工作條件下，當輸入量不變時，輸 出量隨時間變化的程度。 可靠性：是與測試裝置無故障工作時間長短有關(guān)的一種描 述。 傳感器的主要特

18、性 基本參數(shù)指標：量程指標：量程范圍、過載能力等；靈敏度指標：靈敏度、滿量程輸出、分辨率、輸入輸出 阻尼等；精度有關(guān)指標：精度、線性度、重復(fù)性、遲滯等；動態(tài)性能指標：固有頻率、阻尼系數(shù)、衰減率、頻率響應(yīng)范圍等傳感器選用原則 環(huán)境參數(shù)指標：溫度指標：工作溫度范圍、溫度誤差、溫漂等；抗沖指標：容許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度， 沖振所引入誤差數(shù)值；其它環(huán)境參數(shù)：抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力 及抗電磁場干擾等?？煽啃灾笜耍?工作壽命：平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣 電阻、耐壓及抗電弧等。其它指標：使用有關(guān)指標：內(nèi)阻、供電方式(直流、交流及波形等)、各項分布參數(shù)值，外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)及結(jié)構(gòu)特點。安裝方式、饋線電纜等。 傳感器選用原則 選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。 1、靈敏度 一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。 a)靈敏度過高引起的干擾問題； b)量程范圍。 c)交叉靈敏度問題。傳感器選用原則 傳感器選用原則 2 響應(yīng)特性 傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不