工程测试技术2

工程测试技术

第三章传感器原理及运用本章学习要求：了解传感器的分类；掌握常用传感器丈量原理；了解丈量电路；了结智能传感器的概念；了解典型传感器的运用。本章目录3.1概述〔4学时〕3.2电阻式传感器3.3电感式传感器〔2学时〕3.4电容式传感器3.5磁电式传感器3.6压电式传感器3.7热电式传感器〔2学时〕3.8光电式传感器〔2学时〕3.9其它类型的传感器3.10传感器选用原那么

2工程测试技术3.8光电式传感器外光电效应：在光线作用下使物体的电子逸出外表的景象。如光电管、光电倍增管。内光电效应：在光线作用下能使物体电阻率改动的景象，如光敏电阻等属于这类光电器件。阻挠层光电效应(光生伏特效应)：在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的景象。如光电池、光敏二极管和光敏晶体管等。光电开关光电式脉冲编码器图像传感器光栅传感器

3工程测试技术3.8.1光电开关光敏二极管：构造与普通二极管类似，装在透明玻璃外壳中在电路中普通是处于反向任务形状。

4工程测试技术2.光敏晶体管 与普通晶体管很类似，具有两个PN结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。

5工程测试技术3.光电开关 利用光电器件的输出仅有两个稳定形状，也就是“通〞与“断〞的开关形状制造的开关器件称作光电开关。 光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器运用的光电传感器，如丈量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。

6工程测试技术4.运用-光电式数字位移〔转速〕表

7工程测试技术3.8.2光电式脉冲编码器 光电编码器是一种经过光电转换将机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是一种数字式传感器。 优点：丈量精度和分辨力高，抗干扰才干强，能防止在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于计算机处置。 最简单的数字式传感器是编码器(ADE)。如，角度数字编码器〔码盘〕或直线位移编码器〔码尺〕。

8工程测试技术1.任务原理 用光电方法把被测角位移转换成以数字代码方式表示的电信号的转换部件。1－光源,2－柱面镜,3－码盘,4－狭缝,5－元件

9工程测试技术2.码盘和码制 根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。6位二进制码盘

10工程测试技术3.二进制码盘主要特点n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n，其最小分辨力θ1＝3600／2n，它的最外圈角节距为2θ1；二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，…，C1对应于由零位算起的转角为：

11工程测试技术4.二进制码盘的粗大误差及消除 要求各个码道刻划准确，彼此对准，这给码盘制造呵斥很大困难。由于微小的制造误差或光电二极管的安顿误差，只需有一个码道提早或延后改动，就能够呵斥输出的粗大误差。如码区从第15变到0时，二进制码应由1111变到0000，

但假设内码道的透光间隔稍长，那么能够读成1000。消除粗大误差方法：1).双读数头法。双读数头的缺陷是读数头的个数添加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。

12工程测试技术2).循环码替代二进制码二进制编码盘 循环〔葛莱码〕编码盘

13工程测试技术循环〔葛莱码〕编码的特点构造：对n位二进制的码字从右到左编号(0~n-1)假设二进制码字的第i位和第i+1位一样，那么对应的葛莱码码字的第i位为0，否那么为1。n位循环码码盘具有2n种不同编码；循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其他各位一样；循环码为无权码；循环码码盘转到相邻区域时，编码中只需一位发生变化，不会产生粗误差。

14工程测试技术5.运用光学码盘测角仪的原理图1－光源，2－大孔径非球面聚光镜3－码盘，4－狭缝，5－光电元件

15工程测试技术3.8.3图像传感器1.原理：在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，构成“势阱〞的运动，进而到达信号电荷〔少数载流子〕的转移。 图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生，在半导体硅片上按线阵或面阵陈列光电二极管单元，假设照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，那么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。

16工程测试技术2.特点非接触检测；呼应快；可靠性高，维修简便；丈量精度高；体积小，分量轻，容易与计算机衔接；对被测物体需求强光照射；受被测物体以外的光的影响。6M像素CCD传感器

17工程测试技术3.分类CIS是接触式感光元件，它与CCD技术几乎是同时出现的。CIS普通运用制造光敏电阻的硫化镉为原料，所以很容易构成一长条阵列，而且本钱也只需CCD的1/3。但由于其本身物理特性的缘由，CIS各感光单元间的干扰稍大，而且只能贴近稿件扫描。CCD即电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)。它是在大规模集成电路技术开展根底上产生的一种新型器件。CCD能对光照作出反响并把反响的强度转换成相应的数值。当光从红、蓝、绿滤镜中穿过时，就可以得到每种色光的反响值。然后，再运用软件对得到的数据进展处置，就可确定每一个像素点的颜色。数码相机得到的图像其实就是一个数值的集合，所以就可以直接下载到计算机中处置。CMOS指互补金属氧化物半导体--一种大规模运用于集成电路芯片制造的原料。

18工程测试技术1).CCD图像传感器 CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维陈列的光电二极管及其传送电路构成。光电二极管把光转换成电荷，再经转换电路传送和输出。

19工程测试技术CCD图像传感器按传送方法分为两类：行间传送(IT)型几乎每一像素都有移位存放器，并把来自光电二极管的图像值送到移位存放器。CCD用微镜覆盖，以改善占空要素。在帧行间传送(FIT)CCD(有人称之为全帧传送CCD)中，CCD把整整一帧的图像数据送入串行移位存放器，由它进展未加工原始图像的处置。此外，该系统还把电荷迅速传送进储能器，供横向存放器进展电荷的延续输出。

20工程测试技术2).CMOS图像传感器CMOS传感器采用与存储器及逻辑IC同样的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺。

21工程测试技术3).CCDVS.CMOS灵敏度差别：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的外表积，因此在象素尺寸一样的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。本钱差别：由于CMOS传感器采用普通半导体电路最常用的CMOS工艺，可以随便地将周边电路(如AGC、Timinggenerator或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的本钱；除此之外，由于CCD采用电荷传送的方式传送数据，只需其中有一个象素不能运转，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的废品率比CMOS传感器困难许多，CCD传感器的本钱会高于CMOS传感器。分辨率差别：CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难到达CCD传感器的程度，因此，当我们比较一样尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的程度。例如，尺寸为1/2英寸的CMOS传感器其分辨率可达210万象素的程度，其象素间尺寸为4.25μm，但尺寸相差不多(1/1.8英寸)的CCD，分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只需2.78μm的程度。

22工程测试技术3).CCDVS.CMOS〔续〕噪声差别：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果坚持一致，因此与只需一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会添加很多，影响图像质量。功耗差别：CMOS传感器的图像采集方式为自动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷挪动，而此外加电压通常需求到达12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的程度。 综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面优于CMOS传感器，而CMOS传感器那么具有低本钱、低功耗、以及高整合度的特点。随着CCD与CMOS传感器技术的提高，两者的差别有逐渐减少的态势。

23工程测试技术背照式CMOS图像传感器EXMORRCOMS

24工程测试技术4.固态图象传感器的运用宽度丈量;外径丈量;主轴径向跳动丈量；图形图像。条形码扫描器

25工程测试技术线阵CCD摄象机流水线零件尺寸在线检测CCD线阵摄象机作二维零件尺寸在线检测

26工程测试技术投影法丈量物体三维形貌采用面阵式CCD摄象机利用投影法丈量物体三维外表形貌

27工程测试技术3.8.4光栅传感器 光栅传感器由光源、透镜、光栅副〔主光栅和指示光栅〕和光电接纳元件组成。光源：钨丝灯泡，半导体发光器件；光栅副：指示光栅+主光栅，W=a+b称为光栅的栅距〔或光栅常数〕；光电元件：包括有光电池和光敏三极管等部分。在光敏元件的输出端，常接有放大器，经过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。

28工程测试技术1.莫尔条纹构成的原理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议。

29工程测试技术长光栅莫尔条纹播放动画

30工程测试技术圆弧莫尔条纹播放中……单击预备演示播放动画

31工程测试技术2.莫尔条纹技术的特点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，又提高了丈量精度。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〞。这样可以提高丈量精度或可以采用较粗的光栅。光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的部分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丈量精度。这是用光栅丈量和普通标尺丈量的主要差别。

32工程测试技术3.光栅传感器的运用

33工程测试技术3.9其它类型的传感器3.9.1超声波传感器3.9.2磁栅传感器3.9.3容栅传感器3.9.4光纤传感器3.9.5生化传感器

34工程测试技术3.9.1Ultrasonictransducers

35工程测试技术3.10传感器选用原那么 选择传感器主要思索灵敏度、呼应特性、线性范围、稳定性、准确度、丈量方式等六个方面的问题。灵敏度呼应特性线性范围稳定性准确度丈量方式

36工程测试技术1、灵敏度 普通说来，传感器灵敏度越高越好，但是在确定灵敏度时，要思索以下几个问题。灵敏度过高引起的干扰问题；量程范围交叉灵敏度问题。

37工程测试技术2.呼应特性 传感器的呼应特性是指在所测频率范围内，坚持不失真的丈量条件。 实践上传感器的呼应总不可防止地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。

38工程测试技术3.线性范围 任何传感器都有一定线性任务范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，