传感器原理之三

1、传感器测量原理七、 半导体敏感元件传感器 1 磁电转换元件传感器 金属或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将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 1)霍尔元件 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。 3.7 半导体敏感元件传感器 应用 案例：电流传感器案例：管道裂纹检测 半导体敏感元件传感器 原理磁场强度变化检测2) 磁电阻元件 半导体敏感元件传感器 磁阻效应- -+ +lwx特点 电阻的增量与磁 场的平方成正比； 与磁场的正负无关； 温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。 R-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5应用 磁头；接近开

2、关和无触点开关。3) 磁感应半导体元件分类 半导体敏感元件传感器 磁感应半导体元件体元件霍尔IC结型元件霍尔元件磁电阻元件磁敏二极管磁晶体管磁半导体开关其它开关线性 半导体敏感元件传感器 2 光电转换元件 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。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 1) 光敏电阻 光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。 半导体敏感元件传感器 2 )光电池 光生伏特效应指半导体

3、材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+-PN 半导体敏感元件传感器 3 ) 应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。 半导体敏感元件传感器 案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。案例：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。 半导体敏感元件传感器 3 热敏电阻传感器 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导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降

4、。 典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。 半导体敏感元件传感器 应用 温控器热敏电阻 半导体敏感元件传感器 4 气敏电阻传感器 气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。 气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测量、酒精浓度探测等方面。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器 半导体敏感元件传感器 5 CCD固态图象传感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)

5、光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。 在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，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生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。 半导体敏感元件传感器 01111100光敏管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 半导体敏感元件传感器 特点:(1) 非接触检测;(2) 响应快;(3) 可靠性高,为修简便;(4) 测量精度高;(5) 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;(7) 受

6、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.光栅式传感器结构和基本原理:光栅式传感器主要由主光栅(a)、指示光栅(b)和光路系统(c)组成。透射长光栅(主光栅)是在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。图中a 为刻线宽度，b 为刻线间的缝隙宽度，a+bw称为光栅的栅距。通常情况下，abW2，也可以做成“：a:b=1.1:0.9。刻线密度一般为每毫米10、25、50、100线。指示光栅比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样刻线密度的线纹。 光栅式传感器光路系统包括光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电元件。光源一般用钨丝灯

7、泡，它有较大的输出功率，较高的工作温度范围，可以从-40到+130。但是它与光电元件相组合的转换效率低，在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。近年来固态电源有很大的发展。如砷化镓二极管可以在-66到+100的温度下工作，发出的光为近红外光(9100一9400A)，接近硅光敏三极管的敏感波长。虽然砷化镓二极管的输出功率比钨丝灯泡低但是它与硅光敏三极管相结合，有很高的转换效率，最高可达30左右。此外砷化镓二极管的脉冲响应速度约为几十纳秒，与光敏三极管组合起来可以得到2um的可实用的响应速度，这样快速的响应特性，可以使光源只在被应用时才被触发，从而可以减少功率消耗和热耗散。 光栅式传感器 光

8、电元件有光电池和光敏三极管。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得大的转换效率。在光敏元件的输出端，常常紧挨着接有一个放大器。因为光敏元件的输出比较弱，通过放大器可以得到足够大的信号输出，以防止信号传输途中的噪声干扰。光栅式传感器莫尔条纹的几何持性：光栅是利用它的莫尔条纹现象来进行测量的。所谓莫尔条纹就是指两块光栅叠合时，出现光的明暗条纹的波纹。两块栅距相等(W 1W2)的光栅叠合在一起，并使它们刻线之间的夹角为角，这时光栅上就会出现若干条明暗条纹。在刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带。如图319中hh所示；两块光栅的纹线彼此错开处，由于挡光作用而形成黑带，如图中gg

9、所示。这种亮带、黑带所形成的条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹方向与刻线方向垂直，故又称横向莫尔条纹。光栅式传感器 当两块光栅沿刻线垂直的方向作相对运动时，莫尔条纹沿着夹角平分线的方向移动。当光栅作相反方向移动时，莫尔条纹的移动方向也随着改变。莫尔条纹移动的方向与光栅运动方向和光栅间夹角的关系见表33。光栅式传感器辨向原理：在实际应用中，被测物体的移动方向往往不是固定的。无论主光栅向前或向后移动，在一固定点观察时，莫尔条纹都是作明暗交替变化。因此，只根据一条莫尔条纹信号、就无法辨别光栅移动的方向，也就不能正确测量往复移动时的位移。为了辨向，需要两个有一定相位差的莫尔条纹信号。 光栅式传感器辨向原理：

10、图320为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔l4条纹间距的位置上安放两个光电扫描装置，得到了两个相位差2的电信号u01和u02，经过整形后得到两个方波信号u01和。从图中波形的对应关系可以看出，在光栅作A方向移动时u01经微分电路后产生的脉冲(如图中实线所示)正好发生在u02 的“1”电平时，从而经与门Y1输出一个计数脉冲。而u01 经反相微分后产生的脉冲(如图中虚线所示)则与u02 的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，没有脉冲输出。在光栅作A方向移动时，u01的微分脉冲发生在u02 的“0”电平时，故与门Yl无脉冲输出；而u01反相微分所产生的脉冲则发生在u02的“1”电平时，与门Y2输出一

11、个计数脉冲。因此，由u02 的电平状态作为与门的控制信号，来控制u01所产生的脉冲输出，就可以根据运动的方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲。光栅式传感器光栅式传感器图示辨向逻辑电路还可以抑制由于振动等原因所产生的瞬间干扰对测量结果的影响。因为一个干扰脉冲在电路中产生两个脉冲，在u02的电平状态不变的情况下，或者是阻塞与门电路，不计干扰脉冲影响计数器的工作状态，或者开启与门电路，允许干扰脉冲进入计数器，但这时干扰脉冲经微分后产生两个脉冲，一个令计数器作加汁数，月一个令计数器作减计数，从而使计数器的工作状态不变。利用莫尔条纹测量位移的电路方框图如图321所示。 角数字编码器 角数字编码器又称码盘

12、，它是测量转轴角位置和位移的方法之一。具有很高的精确度、分辨率相可靠性。角数字编码器有两种类型：绝对式编码器和增量式编码器。增量式编码器需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲，在计数器中对某一个基数进行加或减，从而记录了旋转的角位移量。绝对式编码器可以在任意位置给出一个固定的与位置相对应的数字码输出。如果需要测量角位移量，它也不一定需要计数器，只要把前后两次位置的数字码相减就可以得到要求测量的角位移值。它们的敏感元件可以是光电式的、磁电式的或接触式的等等。角数字编码器光电增量式编码器的原理与前述光栅传感器类似。其主要技术参数如下：脉冲系列：60，100，200240，250，3

13、00，360，500，600， 720，800，900，1000，1020，1200，1250，传感器测量原理八、其它类型的传感器 1、热辐射检测传感器 绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体的温度(K)，在此仅考虑黑体也称全辐射体的辐射能和波长的关系。根据普朗克辐射定律有以下表达式：应用： 冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。 其它类型的传感器 2、超声波检测传感器 其它类型的传感器 1)声波及其分类(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。(2)声波:振动频率在16Hz20KHz之间的机械波。(3)超声波:高于20KHz的机械波。2）超声波的物理性

14、质 超声波与一般声波比较，振动频率高，波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并具有很高的穿透能力。 3) 超声波传感器及应用 其它类型的传感器 (1)超声波传感器对(2)超声波探伤tA 其它类型的传感器 案例：输油管检测检测机器人3、声发射检测传感器 其它类型的传感器 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称无声发射。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，但多数金属(如钢、铁等)的声发射频带，均在超声范围内。 声发射分:1）连续发射;2）突发发射。由于结构和传感器的谐振，检测到的发射信号像衰减的正弦

15、波，检测到的两类信号如图所示。案例： 材料断裂等结构监测。 其它类型的传感器 4、光纤传感器简介 其它类型的传感器 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 1）物性型光纤传感器 其它类型的传感器 光纤流速传感器 其它类型的传感器 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。2）结构型光纤传感器灵敏度 当测试装置的输入x有一增量x，引起输出y发生相应的变化y时，则定义: S=y/x 八、传感器选用原则 传感器的主要特性 灵敏度 b)非线性度 标定曲线与拟合直线的偏

16、离程度就是非线性度。 非线性度=B/A100% 传感器的主要特性 传感器理想的输入一输出特性应该是线性的，但实际上许多传感器的输入一输出特性是非线性的。如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下列多项式表示其输出一输入特性。理想的线性特性是：实际传感器由于输出一输入特性中包含高次项，因此它的特性是非线性的. 传感器的主要特性 c)回程误差 测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax，则定义回程误差为 回程误差=(hmax/A)100% 传感器的主要特性 产生这种现象的主要原因是:机械的间隙、摩擦或电子方面的磁滞等因素。c)重复

17、性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。多次重复测试的曲线越重合说明重复性好，误差小。 传感器的主要特性 d) 静态响应特性的其他描述 精度：是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指 标。 灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程 度。 分辨率：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化 量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。 测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大 输入量之间的范围。 稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输 出量随时间变化的程度。 可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描 述。 传感器的主要特

18、性 基本参数指标：量程指标：量程范围、过载能力等；灵敏度指标：灵敏度、满量程输出、分辨率、输入输出 阻尼等；精度有关指标：精度、线性度、重复性、迟滞等；动态性能指标：固有频率、阻尼系数、衰减率、频率响应范围等传感器选用原则 环境参数指标：温度指标：工作温度范围、温度误差、温漂等；抗冲指标：容许各向抗冲振的频率、振幅及加速度， 冲振所引入误差数值；其它环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力 及抗电磁场干扰等。可靠性指标： 工作寿命：平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘 电阻、耐压及抗电弧等。其它指标：使用有关指标：内阻、供电方式(直流、交流及波形等)、各项分布参数值，外形尺寸、重量、壳体材质及结构特点。安装方式、馈线电缆等。 传感器选用原则 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的问题。 1、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)灵敏度过高引起的干扰问题； b)量程范围。 c)交叉灵敏度问题。传感器选用原则 传感器选用原则 2 响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不