Chapter6 7-18传感器原理与测量电路

第6章、传感器测量原理6.7磁敏元件传感器

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

霍耳传感器霍耳传感器是基于霍耳效应的一种非接触式传感器。在磁场中被测量通过霍耳元件转换成电动势输出。霍耳传感器可应用于多种非电量测量，特别是在检测微位移、大电流、微弱磁场等方面得到了广泛应用。BIvFLFE图4-32霍尔效应原理图ldUHb

如图4-32所示，一块长为l、宽为b、厚为d的N型半导体薄片，位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于l―d平面。沿l通电流I，N型半导体中的载流子―电子将受到B作用而产生的洛沦兹力FL的作用。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。

6.7磁敏元件传感器6.7磁敏元件传感器测转角：6.7磁敏元件传感器电流传感器

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大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。

6.7磁敏元件传感器铁磁材料裂纹检测

NS6.7磁敏元件传感器叶片和齿轮位置传感器应用6.7磁敏元件传感器案例：汽车速度测量:6.7磁敏元件传感器2磁电阻元件磁阻效应

--++lwx6.7磁敏元件传感器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。应用磁头；接近开关和无触点开关。6.7磁敏元件传感器3磁感应半导体元件分类霍尔元件磁电阻元件磁敏二极管磁晶体管磁半导体开关6.7磁敏元件传感器产品6.7磁敏元件传感器案例：转速测量6.7磁敏元件传感器6.8光栅传感器光栅传感器——利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量测量的装置称为光栅传感器。光栅传感器的优点：高精度、高分辨率和大动态范围，因而广泛应用于静态测量、动态测量和自动化等领域。第6章、传感器测量原理光栅分类及结构1)光栅分类

按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。按其透射形式可分为透射式光栅和反射式光栅。按光栅表面结构不同，可分为幅值光栅（又叫黑白光栅）和相位光栅（又叫闪耀光栅）。按光栅应用分类，可分为长光栅和圆光栅。目前发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅2)光栅的结构所谓光栅，简单地说，由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件称为光栅。圆光栅有三种形式：一种是径向光，其栅线的延长线通过圆心；第二种是切线光栅，其栅线的延长线与光栅盘中的一个小同心圆相切；第三种是环形光栅，其栅线为一簇等间距同心圆。光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。莫尔条纹原理与特点

莫尔条纹具有三个特点：1、莫尔条纹具有位移放大作用2、莫尔条纹移动与光栅移动的对应关系3、误差减小作用莫尔条纹——亮带与暗带相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹是由主光栅和指示光栅的透光与遮光效应形成的。横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了 放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的 影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。2）当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。3）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。越小，越大，相当于把微小的栅距扩大了倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。

例如，对２５线／mm的长光栅而言，＝0.04mm，若=0.016rad，则=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的间隔，但无法分辨0.04mm的间隔。4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm（也就是移过了100×x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是100×条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。

光栅传感器的工作原理（一）光电转换原理光栅传感器的光电转换系统结构：1、光源，2、聚光镜，3、主光栅（又称标尺光栅），4、指示光栅，5光敏元件，如图10—4（a）所示。

（二）莫尔条纹测量位移原理

当光电元件5接收到明暗相间的正弦信号时，根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距W时，电信号则变化一个周期。当波形重复到原来的相位和幅值时，相当于光栅移动了一个栅距W，如果光栅相对位移了N个栅距，此时位移x=NW。（三）辨向原理如图10—5所示。当莫尔条纹移动时，两个条纹的亮度变化规律完全一样，相位相差π/2。滞后还是超前完全取决于光栅的移动方向，这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。莫尔条纹细分技术

（一）细分方法：1、增加光栅刻度密度。2、对电信号进行电子细分。把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又可分为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分等。

3、机械和光学细分。（二）直接细分

直接细分法的优点是对莫尔条纹信号波形无严格要求，电路简单，可用于静态、动态测量系统。缺点是光电元件安放困难，因而细分不能过高。（三）电位器桥细分

为了得到较高的细分数，将直接细分得到的四个相位差为π/2的正弦交流信号UmSinφ、UmCosφ、-UmSinφ、-UmCosφ（φ=2πX/ω）输入到电位器桥，电位器桥常用于进行12～60（为4的整倍数）细分，如图10—7所示。

一种用于48细分的电位器电桥细分电路如图10—8所示。光栅传感器的误差

单件光栅的误差是由刻划工艺和刻划设备决定的。计量光栅大多数是在构成莫尔要纹的情况下使用。由于莫尔条纹的平均误差作用，使局部刻划误差的影响大大减小。长光栅栅距误差一般为微米（μm）数量级，圆光栅为秒（”）角数量级。6.9光纤传感器

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）物性型光纤传感器第6章、传感器测量原理光纤流速传感器6.9光纤传感器

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6.9光纤传感器光纤检测型光电传感器作业件检测颜色检测6.9光纤传感器6.10热敏传感器

1.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。优点：结构简单牢固可靠防爆

第6章、传感器测量原理

6.10热敏传感器6.10热敏传感器荧光灯启辉器零线火线

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），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，使镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电动势，在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光放电.6.10热敏传感器荧光灯启辉器

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1～8秒的时间，双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。2.热电温度计(热电偶)

热电效应

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。6.10热敏传感器ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。6.10热敏传感器热电偶测温基本定律1)均质导体定律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生热电动势。TT02)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。TT0V6.10热敏传感器3)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。6.10热敏传感器6.10热敏传感器6.10热敏传感器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。6.10热敏传感器RT6.10热敏传感器6.10热敏传感器6.10热敏传感器产品温控器6.10热敏传感器应用汽车发动机传感器水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等第6章

传感器测量原理

6.11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。

如生活环境中一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L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。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器6.11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。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。

6.11气敏电阻传感器6.11气敏电阻传感器

6.11气敏电阻传感器6.11气敏电阻传感器燃气报警器烟雾报警器

酒精传感器4.9气敏电阻传感器6.12超声波检测传感器

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16Hz―20KHz之间的机械波。(3)超声波:高于20KHz的机械波。2）超声波的物理性质

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，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。第6章

传感器测量原理

6.12超声波检测传感器声压

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Pa，1Pa=1N/m2。声强

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W/m2。声功率

声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能量，单位是W。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，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，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。

6.12超声波检测传感器超声波传感器对6.12超声波检测传感器超声波传感器应用

超声波探伤/测距/测物tA6.12超声波检测传感器案例：输油管检测检测机器人6.12超声波检测传感器倒车雷达6.12超声波检测传感器

鱼群探测器

6.12超声波检测传感器6.13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。内光电效应

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,称为内光电效应

。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管第6章

传感器测量原理

照相机自动测光光控灯工业控制6.13半导体敏感元件传感器

光电池

光生伏特效应指半导体材料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。+++---PN6.13半导体敏感元件传感器

应用

光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。6.13半导体敏感元件传感器

6.13半导体敏感元件传感器

6.13半导体敏感元件传感器

6.13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。6.13半导体敏感元件传感器

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。6.13半导体敏感元件传感器

相机测距反射式光电传感器6.14CCD固态图象传感器

MOS(MetalOxideSemiconductor)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)。

第6章传感器