各种课件测试技术2章

1、第第2章章 传感器传感器 1. 根据测试任务的要求和被测对象的性质及特点，合理选择根据测试任务的要求和被测对象的性质及特点，合理选择 传感器的类型、结构和技术参数。传感器的类型、结构和技术参数。 2. 根据已选择的传感器，初步确定后续调理电路的总体方案。根据已选择的传感器，初步确定后续调理电路的总体方案。 本章能力培养目标：本章能力培养目标：2.1 传感器概述传感器概述2.1.1 传感器的组成与分类传感器的组成与分类 传感器传感器(Transducer/Sensor)是能感受规定的被测量，并按是能感受规定的被测量，并按一定规律转换成一定规律转换成可用输出信号可用输出信号(便于传输和处理便于传输

2、和处理)的测量装置。的测量装置。 非电物理量非电物理量电信号电信号 传感器转换后的信号大多为传感器转换后的信号大多为电信号电信号。因而从狭义上讲，。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电物理量转换成电信号的装置。传感器是把外界输入的非电物理量转换成电信号的装置。1. 传感器的组成传感器的组成 敏感元件敏感元件直接感受被测直接感受被测物理量物理量(力力)，并对被测量进行转，并对被测量进行转换输出换输出(应变应变)；转换元件转换元件将敏感元件的输出转换成便于传输将敏感元件的输出转换成便于传输和测量的电参量和测量的电参量(电阻电阻)或电信号；或电信号；调理电路调理电路则对则对转换元件转换元件输输出

3、的信号进行放大、滤波、运算、调制等，以便于实现远距出的信号进行放大、滤波、运算、调制等，以便于实现远距离传输、显示、记录和控制；离传输、显示、记录和控制；辅助电源辅助电源为调理电路和转换元为调理电路和转换元件提供稳定的工作件提供稳定的工作电源电源。 2.1.1 传感器组成与分类传感器组成与分类 有些传感器由敏感元件和转换有些传感器由敏感元件和转换元件组成。如电感式压力传感器由元件组成。如电感式压力传感器由膜盒和电感线圈组成，膜盒是敏感膜盒和电感线圈组成，膜盒是敏感元件，电感线圈是转换元件元件，电感线圈是转换元件。 有些传感器不只一个敏感元件。有些传感器不只一个敏感元件。如应变式密度传感器，浮子

4、先将被测如应变式密度传感器，浮子先将被测液体的密度转换成浮力变化，浮力作液体的密度转换成浮力变化，浮力作用在悬臂梁上使梁产生变形，粘贴在用在悬臂梁上使梁产生变形，粘贴在悬臂梁上的电阻应变片再将梁的变形悬臂梁上的电阻应变片再将梁的变形转换成电阻量变化。转换成电阻量变化。 敏感元件与转换元件之间并无严格的界限。如热电偶传敏感元件与转换元件之间并无严格的界限。如热电偶传感器直接将被测温度转换成热电势输出，热电偶既是敏感元感器直接将被测温度转换成热电势输出，热电偶既是敏感元件，又是转换元件，也不需要信号调理电路。件，又是转换元件，也不需要信号调理电路。1）按按能量关系能量关系(被测量与输出电信号的关系

5、被测量与输出电信号的关系)分类分类能量转换型：能量转换型：直接将被测量转换为电信号直接将被测量转换为电信号(电压等电压等)。 (发电型发电型) 例如：例如：热电偶传感器，压电式传感器。热电偶传感器，压电式传感器。能量控制型：能量控制型：先将被测量转换为电参量先将被测量转换为电参量(电阻等电阻等)，在，在 (电参量型电参量型) 外部辅助电源作用下才能输出电信号。外部辅助电源作用下才能输出电信号。 例如：例如：应变式传感器，电容式传感器。应变式传感器，电容式传感器。2.1.1 传感器组成与分类传感器组成与分类2. 传感器的分类传感器的分类结构型传感器：结构型传感器：基于某种敏感元件的结构形状或几基

6、于某种敏感元件的结构形状或几何尺寸何尺寸(如厚度、角度、位置等如厚度、角度、位置等)的变化来感受被测的变化来感受被测量。例如电容式压力传感器，当被测压力作用在电量。例如电容式压力传感器，当被测压力作用在电容器的动极板容器的动极板(敏感元件敏感元件)上时，电容器的动极板发上时，电容器的动极板发生位移导致电容发生变化。生位移导致电容发生变化。 物性型传感器：物性型传感器：是利用某些功能材料本身具有的内是利用某些功能材料本身具有的内在特性及效应来感受被测量。在特性及效应来感受被测量。例如利用石英晶体的例如利用石英晶体的压电效应而实现压力测量的压电式压力传感器。压电效应而实现压力测量的压电式压力传感器

7、。 2）按工作机理分类按工作机理分类 2.1.1 传感器组成与分类传感器组成与分类 3）按输出信号分类按输出信号分类 模拟型传感器：模拟型传感器：输出连续变化的模拟信号。如感应输出连续变化的模拟信号。如感应同步器的滑尺相对定尺移动时，定尺上产生的感应同步器的滑尺相对定尺移动时，定尺上产生的感应电势为周期性模拟信号。电势为周期性模拟信号。 数字型传感器：数字型传感器：输出输出“1”或或“0”两种信号电平。如两种信号电平。如用光电式接近开关检测不透明的物体，当物体位于用光电式接近开关检测不透明的物体，当物体位于光源和光电器件之间时，光路阻断，光电器件截止光源和光电器件之间时，光路阻断，光电器件截止

8、输出高电平输出高电平“1”；当物体离开后，光电器件导通输；当物体离开后，光电器件导通输出低电平出低电平“0”。 2.1.1 传感器组成与分类传感器组成与分类位移传感器位移传感器转速传感器转速传感器 力矩传感器力矩传感器滑觉传感器滑觉传感器压力传感器压力传感器流量传感器流量传感器温度传感器温度传感器浓度传感器浓度传感器 4）按被测量分类按被测量分类常见的被测物理量：常见的被测物理量：机械量：长度机械量：长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转速转速, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 应力应力, ,应变应变, ,压力压力, ,真空度真空

9、度, ,力矩力矩, , 风速风速, ,流速流速, ,流量。流量。 声：声： 声压声压, ,噪声。噪声。 磁：磁： 磁通磁通, ,磁场。磁场。 温度：温度温度：温度, ,热量热量, ,比热。比热。 光：光： 亮度亮度, ,色彩。色彩。2.1.1 传感器组成与分类传感器组成与分类2.1.2 传感器的选择传感器的选择1. 选择传感器时应考虑的因素选择传感器时应考虑的因素1）与测量条件有关的因素；）与测量条件有关的因素；2）与传感器性能有关的因素）与传感器性能有关的因素 ；3）与使用环境有关的因素）与使用环境有关的因素 ；4）与购买和维护有关的因素。）与购买和维护有关的因素。 2. 选择传感器的一般步

10、骤选择传感器的一般步骤 1）借助于传感器的分类表，根据被测量的性质，找出符合）借助于传感器的分类表，根据被测量的性质，找出符合 用户需要的传感器类别，再从典型应用中初步确定几种；用户需要的传感器类别，再从典型应用中初步确定几种； 2）借助于常用传感器的比较表、价格表，按被测量的测量）借助于常用传感器的比较表、价格表，按被测量的测量 范围、精度要求、环境要求等情况再次确定传感器的类别；范围、精度要求、环境要求等情况再次确定传感器的类别； 3）借助于传感器的产品目录选型样本或传感器手册，查出）借助于传感器的产品目录选型样本或传感器手册，查出 传感器的规格型号和性能参数及结构尺寸。传感器的规格型号和

11、性能参数及结构尺寸。2.2 能量控制型传感器能量控制型传感器(电参量型电参量型)第第2章章 传感器传感器上式中任何一个参数变化均会引起电阻变化。上式中任何一个参数变化均会引起电阻变化。金属电阻丝的电阻为：金属电阻丝的电阻为：LRA 转换原理：转换原理：将被测量变化转换为电阻变化。将被测量变化转换为电阻变化。2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器 金属电阻丝在外力作用下发生金属电阻丝在外力作用下发生机械变形机械变形时，其时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化的现象。生变化的现象。 1）工作原理：）工作原理：电阻应变效应电阻应变效

12、应1. 应变式传感器应变式传感器(金属电阻应变片金属电阻应变片)2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器金属电阻丝的电阻为：金属电阻丝的电阻为：LLRAr2 对上式求偏导数对上式求偏导数 LLRLrrrr 2322把把 代入代入RLr2/ LLrRLrr 2(2)有：有：RLrRLr 2式中：式中：LL 轴向相对轴向相对变形变形(纵向应变纵向应变)；rr 径向相对径向相对变形变形(体积不变体积不变)；E 电阻率相对变化电阻率相对变化。故：故：RER (12)金属电阻丝的灵金属电阻丝的灵敏度：敏度：R RS/ 对于金属电阻应变片，在外力作用下电阻率对于金属电阻应变片，在外力作用下电阻率基本不变基本不

13、变(不同于半导体应变片不同于半导体应变片)：RR(12 ) (由由实验确定实验确定)S121.7 3.6 应变计1-敏感栅；敏感栅；2-覆盖层；覆盖层；3-引线；引线；4-基底基底n金属电阻应变片按敏感栅金属电阻应变片按敏感栅的结构可分为：的结构可分为：丝绕式丝绕式和和箔式箔式。 2）金属电阻应变片）金属电阻应变片2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器 应变片的主要参数：应变片的主要参数： （5）其它参数：如环境温度、滞后、蠕变、零漂其它参数：如环境温度、滞后、蠕变、零漂 以及疲劳寿命、横向效应等。以及疲劳寿命、横向效应等。 （1）几何尺寸：基长几何尺寸：基长基宽基宽= =lbp2(或或p10

14、时时， e1e2 ，uo0；当当 x0 时时， e1 e2 ，uoNB)AT0BT 2）温差电势：）温差电势：接点温度接点温度不同，温度扩散不同，温度扩散(T T0) TTdTTTE0A0A),( TTdTTTE0B0B),( 汤姆逊系数，与材料性质和两端温度有关。汤姆逊系数，与材料性质和两端温度有关。 A B ，TTNkET TTTdTqN0AAB00ABB( ,)()ln() 当热电偶材料一定，冷端温度时，总当热电偶材料一定，冷端温度时，总热电势为热端温度热电势为热端温度 的单值函数的单值函数(分度表分度表)。CT00 TABTT0 2. 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 1）均质导体定律

15、）均质导体定律 若组成热电偶回路的两种导体相同，则无论两若组成热电偶回路的两种导体相同，则无论两 接点温度如何，接点温度如何，热电偶回路中的总热电偶回路中的总热电势为零；热电势为零； 若两接点温度相同，则尽管导体材料不同，若两接点温度相同，则尽管导体材料不同，热电热电 偶回路中的总偶回路中的总 热电势也为零。热电势也为零。 2）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，只要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热电其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电 偶回路的总热电势偶回路的总热电势工程应用？工程应用？TT0V3. 热电偶

16、的热电偶的冷端补偿冷端补偿 1）热电势）热电势修正法：修正法：),(),(),(0nABnAB0ABTTETTETTE C0n T2）电桥补偿法电桥补偿法 abnAB0AB),(),(UTTETTE 3）补偿导线法补偿导线法 ET TET TABn0A Bn0(,)(,) 4） 恒温法：恒温法： C0将冷端置于纯水和冰屑相混合的冰瓶内。将冷端置于纯水和冰屑相混合的冰瓶内。 产品：产品：4. 热电偶传感器的应用热电偶传感器的应用 EEEE12n 1）为了提高灵敏度，将）为了提高灵敏度，将n支同型号的热电偶串联，支同型号的热电偶串联，则则只要有一支热电偶发生断路，整个电路将无法工作。只要有一支热电

17、偶发生断路，整个电路将无法工作。 2）为了提高测量精度，将）为了提高测量精度，将n支同型号的热电偶并联，支同型号的热电偶并联，则则 EEEEn12n 某个热电偶断路并不影响整个电路的工作，且相对误差某个热电偶断路并不影响整个电路的工作，且相对误差为单支热电偶相对误差的为单支热电偶相对误差的 倍。倍。n1/3）两点间温差测量）两点间温差测量 将两支型号相同的热电将两支型号相同的热电偶反向串接，且配接相同的偶反向串接，且配接相同的补偿导线，测量仪表示值补偿导线，测量仪表示值 EEE12 4）炉温测量实例）炉温测量实例 热电偶的热端插入炉热电偶的热端插入炉内感受待测温度，冷端通内感受待测温度，冷端通

18、过补偿导线与测量仪表的过补偿导线与测量仪表的输入导线输入导线(铜线铜线)相连，并相连，并插入冰瓶以保证插入冰瓶以保证 。 T00 C 2.4 光电传感器：光信号光电传感器：光信号电信号电信号1. 工作原理：工作原理：光电效应光电效应 1）外光电效应）外光电效应 在光照作用下，物体向外发射电子的现象。光电器件有在光照作用下，物体向外发射电子的现象。光电器件有光电管光电管和和光电倍增管光电倍增管。2.4.1 光电器件光电器件 光电管由光电阴极光电管由光电阴极K和阳极和阳极A组成。组成。K接电源负极，接电源负极，A通过通过负载电阻负载电阻RL接电源正极。接电源正极。（1）光电管光电管 （2）光电倍增

19、管）光电倍增管 由光电阴极由光电阴极K、倍增极、倍增极D和阳极和阳极A组成。经过倍增极放大组成。经过倍增极放大的电子被阳极收集，形成阳极电流的电子被阳极收集，形成阳极电流 ，在负载电阻在负载电阻RL上产生信号电压上产生信号电压Uo。IIAK 57(10 10 ) 2）内光电效应）内光电效应 在光照作用下，物体的导电性增加而电阻率在光照作用下，物体的导电性增加而电阻率下降的现象。光电器件为下降的现象。光电器件为光敏电阻光敏电阻。 3）光生伏特效应）光生伏特效应 在光照作用下，能使物体产生一定方向电位差在光照作用下，能使物体产生一定方向电位差的现象。光电器件有的现象。光电器件有光敏管光敏管和和光电

20、池光电池。（1）光敏二极管：一个）光敏二极管：一个PN结，单向导电，反向偏置结，单向导电，反向偏置 在光照射时在光照射时PN结附近结附近 产生光生电子产生光生电子-空穴对，并空穴对，并 在在反向偏置电压反向偏置电压作用下参作用下参 与导电形成光电流与导电形成光电流Ip，且，且 光电流的大小与光照强度光电流的大小与光照强度 成正比。成正比。（2）光敏三极管：两个）光敏三极管：两个PN结，具有电流放大作用结，具有电流放大作用 光敏三极管基极电流不仅受基极电压控制，还受光照光敏三极管基极电流不仅受基极电压控制，还受光照控制，也有控制，也有NPN型和型和PNP型两种型两种 。基极、集电极、发射极。基极

21、、集电极、发射极构成一个具有放大作用的三极管，完成光电流的放大。构成一个具有放大作用的三极管，完成光电流的放大。（3）光电池：比光敏二极管的）光电池：比光敏二极管的PN结面积大结面积大+-PN 当光照射当光照射PN结时，结区附近产生光生电子结时，结区附近产生光生电子-空穴对，空穴对，不需不需要偏置电压要偏置电压就会在就会在PN结两端产生电位差。结两端产生电位差。用可用可见光作光源。见光作光源。 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。产品：产品：2. 光电器件的应用光电器件的应用 光电器件在工业上的应用可归纳为辐射式光电器件在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式直射式

22、)、吸收式、遮光式、反射式。、吸收式、遮光式、反射式。 测量物体的温度测量物体的温度测量半透明体的透明度测量半透明体的透明度测量非透明体的位置和尺寸测量非透明体的位置和尺寸测量表面粗糙度测量表面粗糙度fnz60 (r/min)案例：案例：光敏电阻检测带材跑偏光敏电阻检测带材跑偏 RG2用遮光罩覆盖，起温度补偿的作用。当带材位于中间用遮光罩覆盖，起温度补偿的作用。当带材位于中间位置时，调节位置时，调节Rp使电桥平衡，输出电压使电桥平衡，输出电压Uo为零。如果带材在为零。如果带材在运动的过程中跑偏，则运动的过程中跑偏，则RG1的阻值发生变化，电桥失去平衡，的阻值发生变化，电桥失去平衡，Uo的大小和

23、正负分别反映了带材跑偏的程度和方向。的大小和正负分别反映了带材跑偏的程度和方向。 白天有光照时，流过白天有光照时，流过VD的电流增加，的电流增加，A点电位降低，点电位降低，V1和V2均截止，继电器均截止，继电器K断电，常开触点断电，常开触点K1断开，路灯熄灭。断开，路灯熄灭。 晚上无光照时，流过晚上无光照时，流过VD的电流很小，的电流很小，A点电位升高，点电位升高，V1和V2都导通，继电器都导通，继电器K通电，常开触点通电，常开触点K1吸合，路灯点亮。吸合，路灯点亮。 案例：案例：光二极管控制路灯光二极管控制路灯 案例：案例：光敏三极管控制自动干手器光敏三极管控制自动干手器 220V交流电经变

24、压器、整流桥和滤波电容后，变为交流电经变压器、整流桥和滤波电容后，变为12V直流电源供给检测电路。当手放入干手器时，手遮住灯泡发直流电源供给检测电路。当手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光敏三极管出的光，光敏三极管V1截止，晶体管截止，晶体管V2导通，继电器导通，继电器K通电，通电，常开触点常开触点K1吸合，风机和电热丝通电，吹出热风烘手。吸合，风机和电热丝通电，吹出热风烘手。案例：案例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合与光敏晶体管组合 来测量位移。来测量位移。 亮度传感器：亮度传感器： 通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较

25、，调整光源的亮度和分布，有效利用自然相比较，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。光线，达到节约电能的目的。照相机测距反射式照相机测距反射式 光电传感器光电传感器P35-T46P39-T52机械手抓取鸡蛋实验照片机械手抓取鸡蛋实验照片案例：案例：利用光电式滑觉传感器实现机械手软抓取利用光电式滑觉传感器实现机械手软抓取 触觉触觉传感器传感器 滑觉滑觉传感器传感器滑与不滑的波形滑与不滑的波形U(V)U(V)(b)触头触头滑觉传感器结构图滑觉传感器结构图(a)基座基座光电器件光电器件AB弹性体弹性体2.4.2 光纤传感器光纤传感器 1. 工作原理：工作原理：全反射现象全反射现象

26、 全反射条件：全反射条件：或或nnc21arcsin(/)nnNAnn220c120011arcsinarcsin01nn 21nn 参考光纤置于恒温器内，测量光纤置于被测温度场中，参考光纤置于恒温器内，测量光纤置于被测温度场中，当温度变化时，引起测量光纤中光的当温度变化时，引起测量光纤中光的相位变化相位变化。将测量光纤。将测量光纤和参考光纤的输出端偶合在一起，两束光将发生干涉而产生和参考光纤的输出端偶合在一起，两束光将发生干涉而产生干涉条纹，温度变化引起干涉条纹的移动，光电器件检测出干涉条纹，温度变化引起干涉条纹的移动，光电器件检测出干涉条纹移动的数量，就可以反映温度的变化。干涉条纹移动的数

27、量，就可以反映温度的变化。功能型温度测量功能型温度测量 2. 光纤传感器的应用光纤传感器的应用 在前坡区：光电器件输出的光电流与位移在前坡区：光电器件输出的光电流与位移x成正比，用成正比，用来测量微小位移和表面粗糙度等。来测量微小位移和表面粗糙度等。 在光峰点：接收光纤端面被全部照亮，输出的光电流光峰点：接收光纤端面被全部照亮，输出的光电流达到最大值，用来检测被测表面的状态。达到最大值，用来检测被测表面的状态。 在后坡区：输出光电流与在后坡区：输出光电流与x2成反比，实现远距离测量。成反比，实现远距离测量。 非功能型位移测量非功能型位移测量光纤检测型传感器光纤检测型传感器工件检测工件检测颜色检

28、测颜色检测案例案例:1. 光栅的结构与分类光栅的结构与分类2.4.3 光栅传感器光栅传感器 在玻璃尺在玻璃尺(或金属尺或金属尺)上进行上进行密集刻划，得到黑白相间的条密集刻划，得到黑白相间的条纹。栅线的宽度为纹。栅线的宽度为a，缝隙宽度，缝隙宽度为为b，一般取，一般取a=b，a+b=W称作称作光栅的栅距或节距。光栅的栅距或节距。 （1）光栅的结构）光栅的结构 计量光栅按用途可分为长光栅和圆光栅，而圆光栅又可计量光栅按用途可分为长光栅和圆光栅，而圆光栅又可分为经向光栅、切向光栅和环形光栅。分为经向光栅、切向光栅和环形光栅。（2）光栅的分类：物理光栅和计量光栅）光栅的分类：物理光栅和计量光栅 WW

29、BCABL 2sin22sin2. 光栅的工作原理光栅的工作原理 2.4.3 光栅传感器光栅传感器 2.4.3 光栅传感器光栅传感器3. 光栅的光栅的辩向原理与细分技术辩向原理与细分技术 1）辩向原理辩向原理 在相距在相距L/4的位置安装两个光电器件，就可获得两路相位的位置安装两个光电器件，就可获得两路相位相差相差90o的正弦波信号的正弦波信号A和和B。两路正弦波信号经过零比较器后。两路正弦波信号经过零比较器后得到方波信号得到方波信号 和和 送入送入D触发器，并将触发器，并将D触发器输出信号触发器输出信号Q、 分别和分别和 、 做与运算，并将做与运算，并将 和和 送入可逆计数器的控制送入可逆计

30、数器的控制端，然后根据可逆计数器加脉冲或减脉冲来实现辨向的目的。端，然后根据可逆计数器加脉冲或减脉冲来实现辨向的目的。QB A A B A B 正向移动正向移动反向移动反向移动 在一个莫尔条纹间距内并列放置四个光电器件，当光栅在一个莫尔条纹间距内并列放置四个光电器件，当光栅相对移动一个栅距时，可得到相位差相对移动一个栅距时，可得到相位差90o的四个脉冲信号，从的四个脉冲信号，从而实现了四细分。而实现了四细分。2）细分技术细分技术 直接细分法直接细分法RRuuuURRRR21o12om1212sin()RRUURR2212omm12 RR12arctan 电阻桥细分法电阻桥细分法4. 光栅传感器

31、的应用光栅传感器的应用 将光源、透镜、指示将光源、透镜、指示光栅和光电器件固定在机光栅和光电器件固定在机床床身上，主光栅固定在床床身上，主光栅固定在机床运动部件上。机床运动部件上。主光栅主光栅的长度由量程确定。的长度由量程确定。 当两光栅相对移动时便产生莫尔条纹，该条纹随光栅以当两光栅相对移动时便产生莫尔条纹，该条纹随光栅以一定的速度移动，用光电器件检测条纹亮度的变化，即可得一定的速度移动，用光电器件检测条纹亮度的变化，即可得到周期变化的电信号，电信号通过前置放大器送入数字显示到周期变化的电信号，电信号通过前置放大器送入数字显示器，直接显示被测位移的大小。器，直接显示被测位移的大小。(光栅位移

32、传感器光栅位移传感器)2.4.4 电荷耦合器件电荷耦合器件( CCD) MOS电容器的结构是在电容器的结构是在P型半导体硅片上形成型半导体硅片上形成一层氧化物一层氧化物(SiO2)，在氧化物上再沉积一层金属电，在氧化物上再沉积一层金属电极，由此形成一个金属极，由此形成一个金属-氧化物氧化物-半导体结构元。半导体结构元。 CCD的结构：的结构： 在半导体硅片上按线阵或面阵排列在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感应出一幅与光照强度像，则这些光敏元上就会感应出一幅与光照强度相对应的

33、光生电荷图像。相对应的光生电荷图像。CCD的原理：的原理： 光源发出的光经扫描对象反射后，通过透镜在线阵光源发出的光经扫描对象反射后，通过透镜在线阵CCD上成像，上成像，CCD输出的电信号反映了扫描对象的亮度信息，经输出的电信号反映了扫描对象的亮度信息，经放大、放大、A/D转换和编码后成为数字信号输出。转换和编码后成为数字信号输出。 扫描仪原理图扫描仪原理图2. CCD的应用的应用01111100CCD阵列阵列 运算电路运算电路 显示电路显示电路结束信号结束信号驱动脉冲驱动脉冲CCD并并联联串串联联转转换换器器放大器放大器 特点：特点： (1) 非接触检测；非接触检测； (2) 响应快；响应快

34、； (3) 可靠性高，维修简便；可靠性高，维修简便； (4) 测量精度高；测量精度高； (5) 体积小，重量轻，容易与计算机连接；体积小，重量轻，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影响。受被测物体以外的光影响。条形码扫描器条形码扫描器 应用：应用：(1)宽度测量；宽度测量； (2)外径测量；外径测量； (3)主轴径向跳动测量。主轴径向跳动测量。数码相机：数码相机：2.4.5 红外传感器红外传感器f14114 10 3 10 Hz 当温度高于绝对零度就会辐射红外线，其波长范围为：当温度高于绝对零度就会辐射红外线，其波长范围为：

35、 ，频率范围为：，频率范围为： 。 0.76 1000 m 红外传感器是将红外辐射能转换成电能的光敏器件，包红外传感器是将红外辐射能转换成电能的光敏器件，包括热探测器和光子探测器。括热探测器和光子探测器。 热探测器是利用红外辐射的热电效应，根据温度的变化热探测器是利用红外辐射的热电效应，根据温度的变化测定所吸收的红外辐射能。通常有热电偶型、热敏电阻型、测定所吸收的红外辐射能。通常有热电偶型、热敏电阻型、热释电型等。其优点是响应波段宽、可在常温下工作，缺点热释电型等。其优点是响应波段宽、可在常温下工作，缺点是响应时间长。是响应时间长。 光子探测型是利用半导体材料的光电效应，根据光子能光子探测型是

36、利用半导体材料的光电效应，根据光子能量测定量测定红外辐射能。通常有光电导型、光生伏特型和光磁电红外辐射能。通常有光电导型、光生伏特型和光磁电型等。其优点是灵敏度高、响应速度快，缺点是探测波段型等。其优点是灵敏度高、响应速度快，缺点是探测波段窄，窄，需要在低温下工作需要在低温下工作。红外辐射测温仪红外辐射测温仪 调制器是把红外辐射调制成交变辐射的装置，因为交变调制器是把红外辐射调制成交变辐射的装置，因为交变辐射便于处理，信噪比高。调制器采用微电机带动一个齿轮辐射便于处理，信噪比高。调制器采用微电机带动一个齿轮盘或等间距孔盘盘或等间距孔盘(调制盘调制盘)旋转，使入射辐射到红外探测器上旋转，使入射辐

37、射到红外探测器上的辐射信号成为交变辐射。的辐射信号成为交变辐射。 四个超声波接近觉传感器完成避障功能，三个红外接近四个超声波接近觉传感器完成避障功能，三个红外接近觉传感器完成自动寻轨功能。觉传感器完成自动寻轨功能。 自动寻轨和避障机器人小车自动寻轨和避障机器人小车2.5 半导体传感器半导体传感器 半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上会产生电势垂直于电流和磁场的方向上会产生电势(霍尔电势霍尔电势)。2.5.1 霍尔传感器霍尔传感器BIUS BInqHH 1. 工作原理：工作原理：霍尔效应霍尔效应霍尔传感器由霍尔片、四根引线和壳体

38、组成。霍尔传感器由霍尔片、四根引线和壳体组成。 2. 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔转角传感器：霍尔转角传感器：霍尔电流传感器：霍尔电流传感器： 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流成正比，磁场通过钳形磁场大小与流过导线的电流成正比，磁场通过钳形软磁铁心来聚集，然后用霍尔元件进行检测。软磁铁心来聚集，然后用霍尔元件进行检测。 当金属表面有裂纹时，在裂纹处出现漏磁场，霍尔元当金属表面有裂纹时，在裂纹处出现漏磁场，霍尔元件通过漏磁场将获得一个脉动电压信号。件通过漏磁场将获得一个脉动电压信号。案例：案例：金属表面裂纹和钢丝绳断

39、丝检测金属表面裂纹和钢丝绳断丝检测 NS案例：案例：汽车速度测量汽车速度测量zfn60 (r/min)2.5.2 气敏传感器气敏传感器 气体检测是保护和改善生态居住环境不可缺少手段。气体检测是保护和改善生态居住环境不可缺少手段。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0.81.15 ml/L时，就会出时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。另外易燃、易爆气体、现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。另外易燃、易爆气体、酒精等的探测，酒精等的探测，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。 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 利用

40、半导体气敏材料，如氧化锌利用半导体气敏材料，如氧化锌(ZnO)、二氧、二氧化锡化锡(SnO2)、二氧化锰、二氧化锰(MnO2)等等)，吸附被测气体，吸附被测气体(氢气、一氧化碳、甲烷、乙醇等氢气、一氧化碳、甲烷、乙醇等)时，电阻率发生时，电阻率发生变化，从而使电阻随被测气体浓度的改变而变化。变化，从而使电阻随被测气体浓度的改变而变化。 1. 工作原理：工作原理：气敏效应气敏效应气敏器件电阻值与气体浓度关系曲线：气敏器件电阻值与气体浓度关系曲线： 气敏器件：气敏器件：2. 气敏传感器的应用气敏传感器的应用 当室内可燃气体浓度增大时，气敏传感器吸附可燃气体当室内可燃气体浓度增大时，气敏传感器吸附可

41、燃气体使电阻值降低，检测回路电流增加，直接驱动蜂鸣器使电阻值降低，检测回路电流增加，直接驱动蜂鸣器BZ报警。报警。 家用可燃气体报警器家用可燃气体报警器 当无瓦斯气体时，气敏传感器电阻值较大，调节电位器当无瓦斯气体时，气敏传感器电阻值较大，调节电位器Rp使输出电压小于使输出电压小于0.7V，555集成器件的集成器件的4脚被嵌位，振荡器不工脚被嵌位，振荡器不工作。当周围空气有瓦斯气体时，气敏传感器电阻值降低，电位作。当周围空气有瓦斯气体时，气敏传感器电阻值降低，电位器输出电压增加，器输出电压增加，555集成器件的集成器件的4脚变为高电平，振荡器起振，脚变为高电平，振荡器起振，扬声器报警。扬声器报

42、警。 小型煤矿瓦斯报小型煤矿瓦斯报警器警器烟雾报警器烟雾报警器案例：案例：燃气报警器燃气报警器酒精传感器酒精传感器案例：案例：2.5.3 湿敏传感器湿敏传感器 在实际生活中，如人体的感觉、植物的枯萎、水分蒸在实际生活中，如人体的感觉、植物的枯萎、水分蒸发的快慢等，都与相对湿度有关。发的快慢等，都与相对湿度有关。 1. 工作原理：工作原理：湿敏效应湿敏效应 利用半导体湿敏材料，利用半导体湿敏材料，如四氧化三铁如四氧化三铁(Fe3O4)、铬、铬酸镁酸镁二氧化钛二氧化钛(MgCr2O4-TiO2)、氧化锌、氧化锌三氧化二三氧化二铬铬(ZnO-Cr2O3)吸附空气中吸附空气中的水分时，电阻值发生变化。

43、的水分时，电阻值发生变化。 MgCr2O4-TiO2特性曲线特性曲线2. 湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用 若检测出相对湿度若检测出相对湿度65%RH，温度温度55oC时，判断为时，判断为泄漏状态，通过与门输出。若检测湿度变化率大于设定值时，泄漏状态，通过与门输出。若检测湿度变化率大于设定值时，也可判断为泄漏状态，通过或门输出也可判断为泄漏状态，通过或门输出。或门的输入端只要有或门的输入端只要有一端输入为高电平，即可判断有泄漏，并进行声光报警。一端输入为高电平，即可判断有泄漏，并进行声光报警。 微量水蒸气检漏仪微量水蒸气检漏仪生物传感器：生物传感器：热热/ /光光电信号电信号酶酶/微生物等微生物等热敏热敏/光敏器件光敏器件 生物传感器生物传感器由生物敏感膜与变换器构成，由生物敏感膜与变换器构成，根据