第2章傳感器與調(diào)理技術(shù)2

1、虛擬儀器常用傳感虛擬儀器常用傳感器與信號調(diào)理技術(shù)器與信號調(diào)理技術(shù)2.1.5 光電式傳感器n光電傳感器光電傳感器是先把被測量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變是先把被測量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，再通過光電器件把光量的變化轉(zhuǎn)換成電信號化，再通過光電器件把光量的變化轉(zhuǎn)換成電信號的一種測量裝置。的一種測量裝置。n光電傳感器主要由光電傳感器主要由光輻射源光輻射源，光學通路光學通路，光電器光電器件件以及以及測量電路測量電路等組成。等組成。常用光電器件光柵光柵光纖光纖光電管光電管光敏電阻光敏電阻光電傳感器應(yīng)用概述1. 光電器件n光電器件光電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件，它是構(gòu)成光電式傳感

2、器最主要感器件，它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。的部件。 n光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便， 而且有較高的可靠性，因此在自動檢測、而且有較高的可靠性，因此在自動檢測、計算機和控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。計算機和控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。n光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)光電效應(yīng)。（1）光電效應(yīng)n光可以看作以一連串具有能量的粒子（稱為光子）光可以看作以一連串具有能量的粒子（稱為光子）所構(gòu)成，每個光子能量的大小等于普朗克常數(shù)所構(gòu)成，每個光子能量的大小等于普朗克常數(shù)h h乘乘以光的頻率以光的頻率，即，即 E=hE=h，光的波長越短，即頻

3、，光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大。率越高，其光子的能量也越大。 光照射在物體上可以看成一連串具有一定能量光照射在物體上可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊這些物體，而光電效應(yīng)就是由于這物體的光子轟擊這些物體，而光電效應(yīng)就是由于這物體吸收光子能量為吸收光子能量為hh的光后產(chǎn)生的效應(yīng)。的光后產(chǎn)生的效應(yīng)。n光電效應(yīng)光電效應(yīng)：通常是指物體敏感到由紫外線到紅外線：通常是指物體敏感到由紫外線到紅外線的光能量，并將光能轉(zhuǎn)化成電信號的現(xiàn)象。的光能量，并將光能轉(zhuǎn)化成電信號的現(xiàn)象。光電效應(yīng)分類: : 在光線作用下在光線作用下, , 物體的電導性能改變的現(xiàn)象稱物體的電導性能改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)為內(nèi)

4、光電效應(yīng), , 如光敏電阻等就屬于這類光電器件；如光敏電阻等就屬于這類光電器件； 在光線作用下在光線作用下, , 能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)稱為外光電效應(yīng), , 如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件；如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件； 在光線作用下在光線作用下, , 能使物體產(chǎn)生一定方向的電能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng), , 即阻擋層光電效應(yīng)即阻擋層光電效應(yīng), , 如光電池、如光電池、 光敏晶體管等就屬于這類光電器件。光敏晶體管等就屬于這類光電器件。（2）常用光電元件的工作原理光敏電阻n光敏電阻光敏

5、電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)，其阻值隨光照增強而減小。理是基于內(nèi)光電效應(yīng)，其阻值隨光照增強而減小。n 優(yōu)點優(yōu)點: :靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等；和壽命長等；n 不足不足: :需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)n在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導體材料，兩端裝在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導體材料，兩端裝上金屬電極，然后壓入塑料封裝體內(nèi)。上

6、金屬電極，然后壓入塑料封裝體內(nèi)。為了獲得高的靈敏度，為了獲得高的靈敏度，電極一般采用硫狀圖案。電極一般采用硫狀圖案。n常用的光敏電阻材料有硫化鎘、硒化鉛、碲化鋁等。常用的光敏電阻材料有硫化鎘、硒化鉛、碲化鋁等。2）光敏電阻的工作原理 無光照時無光照時, ,光敏電阻值很大光敏電阻值很大, ,電路中電流很小。電路中電流很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時, ,它的阻值它的阻值急劇減少急劇減少, ,電路中電流迅速增大。電路中電流迅速增大。3）光敏電阻的主要參數(shù)暗電阻暗電阻：光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻：光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻, , 此時流過的電

7、流稱為暗電流；此時流過的電流稱為暗電流；亮電阻亮電阻：光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻：光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻, ,此時流過的電流稱為亮電流；此時流過的電流稱為亮電流；光電流光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。：亮電流與暗電流之差稱為光電流。 光敏電阻暗電阻越大越好光敏電阻暗電阻越大越好, , 亮電阻越小越好亮電阻越小越好, ,也就是說暗電流越小越好，亮電流越大越好，此時也就是說暗電流越小越好，亮電流越大越好，此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級般在兆歐級, , 亮電阻在幾千歐以下。亮電阻在幾千歐以下。4）光

8、敏電阻的基本特性n在一定照度下在一定照度下, 流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。b)光照特性n光敏電阻的光照特性是描述光電流光敏電阻的光照特性是描述光電流I和光照強和光照強度之間的關(guān)系。度之間的關(guān)系。 硫化鎘光敏電阻的光照特性硫化鎘光敏電阻的光照特性c)光譜特性n光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。，亦稱為光譜響應(yīng)。 對應(yīng)于不同波長入射光，光敏電阻的靈敏度是對應(yīng)于不同波長入射光，光敏電阻的靈敏度是不同的。對不

9、同材料的光敏電阻，光譜特性不同。不同的。對不同材料的光敏電阻，光譜特性不同。d)頻率特性n光電器件輸出端電壓光電器件輸出端電壓( (電流電流) )的振幅，或相對光譜靈的振幅，或相對光譜靈敏度隨入射通量的調(diào)制頻率的變化關(guān)系叫光電器件敏度隨入射通量的調(diào)制頻率的變化關(guān)系叫光電器件的頻率特性。的頻率特性。一般用時間常數(shù)來衡量響應(yīng)時間的快慢，一般用時間常數(shù)來衡量響應(yīng)時間的快慢，時間常數(shù)時間常數(shù)是指光電是指光電器件輸出端電壓器件輸出端電壓( (光電流光電流) ) 達到最大值的達到最大值的63%63%時所對應(yīng)的時間。時所對應(yīng)的時間。e)溫度特性n光敏電阻受溫度的影響較大，當溫度升高時，光敏電阻受溫度的影響較

10、大，當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。它的暗電阻和靈敏度都下降。硫化鉛光敏電阻的溫度特性硫化鉛光敏電阻的溫度特性 幾種光敏電阻的特性參數(shù)5）光敏電阻測量電路 n測量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電測量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。 半導體光敏電阻可以通半導體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備一般情況下，無需配備放大器。在要求較大的放大器。在要求較大的輸出功率時，可用圖所輸出功率時，可用圖所示的電路。示的電路。 6）光敏電阻的應(yīng)用n帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離

11、正確位置帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向的大小及方向, ,從而為糾偏控制電路提供糾偏信號從而為糾偏控制電路提供糾偏信號, ,主要用主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。帶材跑偏檢測器工作原理帶材跑偏檢測器工作原理 測量電路測量電路 光敏二極管和光敏晶體管1）結(jié)構(gòu)和工作原理）結(jié)構(gòu)和工作原理(a)光電二極管光電二極管(b)光電三極管光電三極管2）基本特性a)伏安特性伏安特性:光電流與外加偏壓的關(guān)系光電流與外加偏壓的關(guān)系.光照特性光照特性:光電流和照度之間的關(guān)系。光電流和照度之間的關(guān)系。b)光照照特性c)光譜特性光譜特性光譜特性:

12、 光照度一定時，光電流（或用相對靈敏度光照度一定時，光電流（或用相對靈敏度表示）與入射光波長的關(guān)系。表示）與入射光波長的關(guān)系。光敏二極管和三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長光敏二極管和三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長. .d)頻率特性頻率特性：指光敏管輸出的頻率特性：指光敏管輸出的光電流（或相對光靈光電流（或相對光靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。敏度）隨頻率變化的關(guān)系。e)溫度特性溫度特性溫度特性:是指其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。是指其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。 溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大。所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度影響很大

13、。所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。補償，否則將會導致輸出誤差。幾種硅光電二極管的特性參數(shù)3）光敏晶體管應(yīng)用光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表60ZTNc 如果調(diào)制盤上開如果調(diào)制盤上開Z Z個個缺口，測量電路計數(shù)缺口，測量電路計數(shù)時間為時間為T T（S S），被測），被測轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為N(r/min)N(r/min)，則，則得到的計數(shù)值為：得到的計數(shù)值為：光電耦合器件n光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件；電器件；n光電耦合器

14、中的發(fā)光元件通常是半導體的發(fā)光二極光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等；三極管或光可控硅等；n根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，可分為根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，可分為:n用于實現(xiàn)電隔離的用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器光電耦合器；n用于檢測有無物體的用于檢測有無物體的光電開關(guān)光電開關(guān)。1）光電耦合器 n光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)殼內(nèi), ,一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。n光電耦合器的結(jié)構(gòu)光電耦合器的結(jié)構(gòu)耦合器常見的組合

15、形式 光電耦合器特點n光電耦合器實際上是一個電量隔離轉(zhuǎn)換器，光電耦合器實際上是一個電量隔離轉(zhuǎn)換器， 它具有它具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能，廣泛應(yīng)用在電路抗干擾性能和單向信號傳輸功能，廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點開關(guān)及固態(tài)繼隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點開關(guān)及固態(tài)繼電器等場合。電器等場合。2）光電開關(guān)n光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換， 同時加以同時加以某種形式的放大和控制，某種形式的放大和控制， 從而獲得最終的從而獲得最終的控制輸出控制輸出“開開”、 “ “關(guān)關(guān)”信號的器件

16、。信號的器件。 n光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸， 而且與而且與TTLTTL、 MOSMOS等電路容易結(jié)合。等電路容易結(jié)合。光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖圖（圖（a a）是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件）是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的；和接收元件的光軸是重合的；圖（圖（b b）是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件）是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。交點一般即為待測物所在處。3）光電耦合器應(yīng)用燃氣熱水器脈沖點火控制器燃氣熱水

17、器脈沖點火控制器 當高壓打火針對打火確認針放電時，光電耦合器中的發(fā)光二當高壓打火針對打火確認針放電時，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，極管發(fā)光， 耦合器中的光敏三極管導通，耦合器中的光敏三極管導通， 經(jīng)經(jīng)V1V1、V2V2、V3V3放放大，驅(qū)動強吸電磁閥，將氣路打開，燃氣碰到火花即燃燒。大，驅(qū)動強吸電磁閥，將氣路打開，燃氣碰到火花即燃燒。 2. 光電器件的測量方法 在某些檢測尺寸或振動等儀器中，常采用這種傳感在某些檢測尺寸或振動等儀器中，常采用這種傳感器。器。吸收式反射式 n恒光源發(fā)出光通量到被測物，再從被測物體表面反恒光源發(fā)出光通量到被測物，再從被測物體表面反射出來的光通量投射到光電元件上。射

18、出來的光通量投射到光電元件上。 n例如，測量表面粗糙度、粗造等儀器的傳感器例如，測量表面粗糙度、粗造等儀器的傳感器 遮光式n恒光源是白熾燈（或其它任何光源）恒光源是白熾燈（或其它任何光源） n光通量穿過被測物，部分被吸收，而后到達光電元光通量穿過被測物，部分被吸收，而后到達光電元件上。件上。 n吸收量決定于被檢測介質(zhì)的被測參數(shù)。吸收量決定于被檢測介質(zhì)的被測參數(shù)。 n例如，測液體、氣體的透明度、混濁度的光電比色例如，測液體、氣體的透明度、混濁度的光電比色計、混濁度計的傳感器等。計、混濁度計的傳感器等。輻射式 n光輻射能源本身是被測物，光輻射能源本身是被測物， n由被測物發(fā)出的光通量到達光電元件上

19、。由被測物發(fā)出的光通量到達光電元件上。 n這種形式的光電傳感器可用于光電比色高溫計中，這種形式的光電傳感器可用于光電比色高溫計中，它的光通量的強度和光譜的強度分布都是被測溫它的光通量的強度和光譜的強度分布都是被測溫度的函數(shù)。度的函數(shù)。 光電器件測量方法應(yīng)用透射式透射式反射式反射式直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器n直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)見下圖。它由開的結(jié)構(gòu)見下圖。它由開孔圓盤、光源、光敏元孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。件及縫隙板等組成。n可通過測量光敏元件輸可通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被出的脈沖頻率，得知被測轉(zhuǎn)速，即測轉(zhuǎn)速，即式中n轉(zhuǎn)速； 。f脈沖頻率； 。N圓盤開

20、孔數(shù)。 n=f/Nn=f/N2.1.6 新型傳感器1. 超聲波傳感器n聲波聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。根據(jù)振動頻率的不同，可分為次聲波、聲波、波。根據(jù)振動頻率的不同，可分為次聲波、聲波、超聲波等。超聲波等。聲波及其分類聲波及其分類(1)(1)次聲波，振動頻率低于次聲波，振動頻率低于l6Hzl6Hz的機械波。的機械波。(2)(2)聲波聲波: :振動頻率在振動頻率在16Hz20KHz16Hz20KHz之間的機械波。之間的機械波。(3)(3)超聲波超聲波: :高于高于20KHz20KHz的機械波。的機械波。超聲波的物理性質(zhì)超聲波的物理性質(zhì): :

21、與聲波相比，振動頻率高，波與聲波相比，振動頻率高，波長短，具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，長短，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聲波，并具有很高的其能量遠遠大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。穿透能力。 超聲波的發(fā)生n壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成的。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶現(xiàn)象制成的。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。在壓電材料切片上施加交變電壓，瓷鋯鈦酸鉛等。在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超聲波，如圖所示。使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超

22、聲波，如圖所示。壓電材料的壓電材料的固有頻率固有頻率與晶與晶體片厚度體片厚度d d有關(guān)，即：有關(guān)，即：d2cnf 式中，式中，n=1，2，3，是諧波是諧波的級數(shù)；的級數(shù)；c為波在壓電材料里為波在壓電材料里的傳播速度；的傳播速度； 超聲波的接收n當超聲波作用到壓電晶體片上時，使晶片當超聲波作用到壓電晶體片上時，使晶片伸縮，則在晶片的兩個界面上產(chǎn)生交變電伸縮，則在晶片的兩個界面上產(chǎn)生交變電荷。這種電荷先被轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過放大荷。這種電荷先被轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出結(jié)果。后送到測量電路，最后記錄或顯示出結(jié)果。它的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時它的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相

23、同，有時就用同一個超聲波發(fā)生器兼做超聲波接收就用同一個超聲波發(fā)生器兼做超聲波接收器。器。超聲波的傳播n超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)。超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)。對于液體及氣體對于液體及氣體，其傳播的速度為，其傳播的速度為:gB1c式中式中為介質(zhì)的密度；為介質(zhì)的密度；B Bg g為絕對壓縮系數(shù)。為絕對壓縮系數(shù)。在在固體固體中的傳播速度為：中的傳播速度為：)2-1)(1-1 EcE E為固體的彈性模量；為固體的彈性模量；為泊松比為泊松比超聲波在空氣中超聲波在空氣中傳播速度較慢，傳播速度較慢，為為340340m/sm/s超聲波的折射和反射n超聲波的一種傳播特性是在通過兩

24、種不同的介質(zhì)時，超聲波的一種傳播特性是在通過兩種不同的介質(zhì)時，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，如圖所示，具有的關(guān)系為產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，如圖所示，具有的關(guān)系為:21sinsinccc c1 1、c c2 2分別為超聲波在兩種介質(zhì)中分別為超聲波在兩種介質(zhì)中的速度；的速度；為人射角；為人射角；為折射角為折射角超聲波強度n超聲波的另一種傳播特性是在通過同種介質(zhì)時，隨著傳播距超聲波的另一種傳播特性是在通過同種介質(zhì)時，隨著傳播距離的增加，其強度因介質(zhì)吸收能量而減弱。設(shè)超聲波進入介離的增加，其強度因介質(zhì)吸收能量而減弱。設(shè)超聲波進入介質(zhì)時的強度為質(zhì)時的強度為I0，通過介質(zhì)后的強度為，通過介質(zhì)后的強度為I，則有，則有-A

25、d0eII d d為介質(zhì)的厚度；為介質(zhì)的厚度；A A為介質(zhì)對超聲為介質(zhì)對超聲波能量的吸收系數(shù)波能量的吸收系數(shù)Qcf2AQ Q為介質(zhì)的質(zhì)量因數(shù)；為介質(zhì)的質(zhì)量因數(shù)； f f為超為超聲波頻率；聲波頻率；c c為超聲波速度為超聲波速度對于對于固體介質(zhì)固體介質(zhì)，超聲波能量的，超聲波能量的吸收系數(shù)為吸收系數(shù)為超聲波傳感器n常用的超聲波傳感器有兩種常用的超聲波傳感器有兩種:n壓電式超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器 (或稱壓電式超聲波探頭或稱壓電式超聲波探頭)n磁致式超聲波傳感器磁致式超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器磁致式超聲波傳感器超聲波超聲波發(fā)射原理發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變是把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生

26、機械振動，發(fā)射出超聲波。磁場中，產(chǎn)生機械振動，發(fā)射出超聲波。接收原理接收原理是當超聲波作用在磁致材料上是當超聲波作用在磁致材料上時，使磁滯材料磁場變化，使線圈產(chǎn)生時，使磁滯材料磁場變化，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢輸出。感應(yīng)電勢輸出。 超聲波傳感器探頭外形 外殼用金屬制作，外殼用金屬制作，保護膜用硬度很高的保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。壓電晶片磨損。 保護膜保護膜接插件接插件不同超聲波傳感器工作方式n超聲波傳感器使用時的兩種形式：超聲波傳感器使用時的兩種形式：直射式直射式、反射式反射式a)直射式直射式b)b)反射式反射式 c）兼用型）兼用型市場銷售的超聲波傳感器通常

27、標市場銷售的超聲波傳感器通常標有諧振中心頻率：有諧振中心頻率： 23KHz23KHz、40KHz40KHz、75KHz75KHz、200KHz200KHz、400KHz 400KHz 超聲波傳感器的工作原理n在超聲波發(fā)送器雙振子施加在超聲波發(fā)送器雙振子施加40KHz40KHz電壓，通過電壓，通過逆壓電效應(yīng)，送出超聲波信號。接收探頭經(jīng)逆壓電效應(yīng)，送出超聲波信號。接收探頭經(jīng)正壓電效應(yīng)將接收到的信號放大處理。正壓電效應(yīng)將接收到的信號放大處理。超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器應(yīng)用各種超聲波測厚傳感器超聲波測流量 超聲波頻譜分析 1）超聲波測距 空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達被測

28、物時，被反空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達被測物時，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t t，再乘以空氣，再乘以空氣的聲速（的聲速（340m/s340m/s），就是超聲脈沖在被測距離。），就是超聲脈沖在被測距離。到距離。到距離。 2）超聲波測液位超聲波測液位ctL21h h3）應(yīng)用舉例-倒車雷達超聲波倒車雷達工作原理 魚群探測器魚群探測器 4）應(yīng)用舉例魚群探測器2. 激光傳感器n激光技術(shù)是近代科學技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，目激光技術(shù)是近代科學技術(shù)發(fā)展的重要成果之

29、一，目前已被成功地應(yīng)用于精密計量、軍事、宇航、醫(yī)學、前已被成功地應(yīng)用于精密計量、軍事、宇航、醫(yī)學、生物、氣象等各領(lǐng)域。生物、氣象等各領(lǐng)域。n激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是將外來的能量將外來的能量( (電能、熱能、光能等電能、熱能、光能等) )轉(zhuǎn)化為一定波轉(zhuǎn)化為一定波長的光，并以光的形式發(fā)射出來。長的光，并以光的形式發(fā)射出來。n激光傳感器由激光傳感器由 激光發(fā)生器激光發(fā)生器 激光接收器激光接收器 測量電路測量電路 所組成。所組成。（1）激光的本質(zhì)n原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的低能原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的低能級狀態(tài)。如果沒有

30、外界的作用，原子可以長級狀態(tài)。如果沒有外界的作用，原子可以長期保持這個狀態(tài)。原子在得到外界能量后，期保持這個狀態(tài)。原子在得到外界能量后，由低能級向高能級躍遷的過程，叫做由低能級向高能級躍遷的過程，叫做原子的原子的激發(fā)激發(fā)。原子處于激發(fā)的時間是非常短的，處。原子處于激發(fā)的時間是非常短的，處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地躍遷到低能級于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地躍遷到低能級上去，同時輻射出光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)上去，同時輻射出光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)的原子自發(fā)地從高能級躍遷到低能級上去而的原子自發(fā)地從高能級躍遷到低能級上去而發(fā)光，叫做原子的發(fā)光，叫做原子的自發(fā)輻射自發(fā)輻射。激發(fā)與受激發(fā)輻射過程進行自發(fā)輻射時

31、，各個原子的發(fā)光過程互不相關(guān)。它們輻射光子的傳播方進行自發(fā)輻射時，各個原子的發(fā)光過程互不相關(guān)。它們輻射光子的傳播方向，以及發(fā)光時原子由高能級向哪一個能級躍遷，即發(fā)光的頻率等都具有向，以及發(fā)光時原子由高能級向哪一個能級躍遷，即發(fā)光的頻率等都具有偶然性。因此原子自發(fā)輻射的光是一系列不同頻率的光子混合。偶然性。因此原子自發(fā)輻射的光是一系列不同頻率的光子混合。（2）激光的形成n激光是媒質(zhì)的粒子激光是媒質(zhì)的粒子( (原子或分子原子或分子) )受激輻射產(chǎn)生的，受激輻射產(chǎn)生的，但它必須具備下述的條件才能得到。但它必須具備下述的條件才能得到。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 圖圖a a表示媒質(zhì)中粒子能表示媒質(zhì)中粒子能級

32、的正常分布，媒質(zhì)中級的正常分布，媒質(zhì)中大部分粒子處在低能級大部分粒子處在低能級( (以黑點表示以黑點表示) )，只有少，只有少數(shù)粒子處于高能級數(shù)粒子處于高能級( (以以圓圈表示圓圈表示) )。而圖而圖b b表示在外界激發(fā)表示在外界激發(fā)的條件下形成了粒子數(shù)的條件下形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)。 激光器的光振蕩放大n要想產(chǎn)生激光，單靠外界激發(fā)而得到的初級要想產(chǎn)生激光，單靠外界激發(fā)而得到的初級受激輻射是不行的。實際的激光器都是由一受激輻射是不行的。實際的激光器都是由一個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的粒子系統(tǒng)個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的粒子系統(tǒng)( (叫做工作物質(zhì)叫做工作物質(zhì)) )和和一個光學共振腔組成。光學共振腔由兩端為一個光學共振腔組成

33、。光學共振腔由兩端為各種形狀的曲面反射鏡構(gòu)成。最簡單的光學各種形狀的曲面反射鏡構(gòu)成。最簡單的光學共振腔是兩面相互平行的平面反射鏡，鏡面共振腔是兩面相互平行的平面反射鏡，鏡面對光有很高的反射率，而工作物質(zhì)封裝在有對光有很高的反射率，而工作物質(zhì)封裝在有兩個反射鏡的封閉體中。兩個反射鏡的封閉體中。光振蕩器的工作過程當工作物質(zhì)產(chǎn)生受激輻射時，受激輻射光在兩反射當工作物質(zhì)產(chǎn)生受激輻射時，受激輻射光在兩反射鏡之間作一定次數(shù)的往返反射，而每次返回時都經(jīng)鏡之間作一定次數(shù)的往返反射，而每次返回時都經(jīng)過建立了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)，這樣使受激過建立了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)，這樣使受激輻射一次又一次地加強，如圖

34、所示。這樣幾十次、輻射一次又一次地加強，如圖所示。這樣幾十次、幾百次的往返，直至能獲得單方向的強度非常集中幾百次的往返，直至能獲得單方向的強度非常集中的激光輸出為止。的激光輸出為止。激光輸出n共振腔內(nèi)反射鏡起著反射光束并使其往返共振腔內(nèi)反射鏡起著反射光束并使其往返振蕩的作用，從光放大角度看，反射率越振蕩的作用，從光放大角度看，反射率越高，光損失越小，放大效果越好。在實際高，光損失越小，放大效果越好。在實際設(shè)計中，將一側(cè)反射鏡設(shè)計得盡量使它對設(shè)計中，將一側(cè)反射鏡設(shè)計得盡量使它對激光波長的反射率接近激光波長的反射率接近100%，而另一側(cè)，而另一側(cè)反射鏡則稍低一些，比如反射鏡則稍低一些，比如98%以

35、上。這樣以上。這樣這一端的透鏡將有激光穿透，這一端即為這一端的透鏡將有激光穿透，這一端即為激光的輸出端。激光的輸出端。（3）激光的特點高方向性高方向性 高亮度高亮度單色性好單色性好高相干性高相干性 （4）激光器種類n 激光器的種類很多。按其工作物質(zhì)可以分為激光器的種類很多。按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體、半導體激光器氣體、液體、固體、半導體激光器。 氣體激光器氣體激光器固體激光器固體激光器半導體激光器半導體激光器（5）激光的應(yīng)用n激光具有高亮度、高方向性、高單色性和激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特點，應(yīng)用于測量和加工等方高相干性的特點，應(yīng)用于測量和加工等方面，可以實現(xiàn)無觸

36、點遠距離的測量，而且面，可以實現(xiàn)無觸點遠距離的測量，而且速度高、精度高，測量范圍廣，抗光、電速度高、精度高，測量范圍廣，抗光、電干擾能力強，因此激光得到了廣泛的應(yīng)用。干擾能力強，因此激光得到了廣泛的應(yīng)用。下面舉幾個激光的應(yīng)用例子。下面舉幾個激光的應(yīng)用例子。1）手持式激光測距儀激光測距是光波測距中的一激光測距是光波測距中的一種測距方式，如果光以速度種測距方式，如果光以速度c c在空氣中傳播在在空氣中傳播在A A、B B兩點間兩點間往返一次所需時間為往返一次所需時間為t t，則，則A A、B B兩點間距離兩點間距離D D可用下列表示?？捎孟铝斜硎?。 D=ct/2 式中：式中：D D測站點測站點A

37、A、B B兩點兩點間距離；間距離；c c光在大氣中傳光在大氣中傳播的速度；播的速度；t t光往返光往返A(chǔ) A、B B一次所需的時間。一次所需的時間。2）激光測徑儀n激光測徑儀原理激光測徑儀原理3）激光測速n激光測速儀自動化程度更高，探測距離更遠，只需激光測速儀自動化程度更高，探測距離更遠，只需0.50.5秒就可以捕捉到超速駕駛。秒就可以捕捉到超速駕駛。V=(R1-R2)/(t1-t2)3. 智能式傳感器n目前，智能傳感器的中、英文稱謂尚未目前，智能傳感器的中、英文稱謂尚未完全統(tǒng)一。英國人將智能傳感器稱為完全統(tǒng)一。英國人將智能傳感器稱為“Intelligent SensorIntelligent

38、 Sensor”；美國人則習；美國人則習慣 于 把 智 能 傳 感 器 稱 做慣 于 把 智 能 傳 感 器 稱 做 “ S m a r t S m a r t Sensor”Sensor”，直譯就是，直譯就是“靈巧的、聰明的靈巧的、聰明的傳感器傳感器”。（1） 智能傳感器的定義n所謂所謂智能傳感器智能傳感器，就是帶微處理器、兼，就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。有信息檢測和信息處理功能的傳感器。n智能傳感器的智能傳感器的最大特點最大特點就是，將傳感器就是，將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機地融合在一起。從一定意義上功能有機地

39、融合在一起。從一定意義上講，它具有類似于人工智能的作用。講，它具有類似于人工智能的作用。（2）智能傳感器的功能n具有一種或多種敏感能力；具有一種或多種敏感能力；n能夠完成對信號的探測、變換、邏輯判斷、能夠完成對信號的探測、變換、邏輯判斷、功能計算；功能計算；n能實現(xiàn)內(nèi)部自檢測、自診斷、自校正、自能實現(xiàn)內(nèi)部自檢測、自診斷、自校正、自補償；補償；n能與其他系統(tǒng)實現(xiàn)單向或雙向通信。能與其他系統(tǒng)實現(xiàn)單向或雙向通信。（3）智能傳感器的結(jié)構(gòu)（4）智能傳感器實現(xiàn)的途徑將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器）、將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器）、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器

40、組合為一整信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個智能傳感器系統(tǒng)。體而構(gòu)成的一個智能傳感器系統(tǒng)。(a)(a)非集成化實現(xiàn)非集成化實現(xiàn)(b) 集成化實現(xiàn)集成智能傳感器外形示意圖集成智能傳感器外形示意圖 這種智能傳感器系統(tǒng)是采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)這種智能傳感器系統(tǒng)是采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅為基本材料來制作敏感元模集成電路工藝技術(shù)，利用硅為基本材料來制作敏感元件、信號調(diào)理電路、微處理器單元，并把它們集成在一件、信號調(diào)理電路、微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上。故又可稱為集成智能傳感器。塊芯片上。故又可稱為集成智能傳感器。嵌入式計算機嵌入式計算機（

41、5）智能傳感器產(chǎn)品舉例智能智能傾角傾角RS232RS232傳感器傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器總線數(shù)字溫度傳感器汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)智能傳感器n世界上最新一代世界上最新一代的遠程輪胎壓力的遠程輪胎壓力監(jiān)測監(jiān)測 (RTPM)(RTPM)傳感傳感器集成了一個硅器集成了一個硅壓力傳感器、加壓力傳感器、加速度傳感器、溫速度傳感器、溫度傳感器、電壓度傳感器、電壓傳感器和低功耗傳感器和低功耗8 8位位RISCRISC處理器，處理器，一個低頻喚醒輸一個低頻喚醒輸入級。入級。2.2 信號調(diào)理技術(shù)n信號調(diào)理信號調(diào)理:在一般測量系統(tǒng)中信號調(diào)理的任在一般測量系統(tǒng)中信號調(diào)理的任務(wù)比較復(fù)雜，除了實現(xiàn)物理信號向電信號務(wù)比較

42、復(fù)雜，除了實現(xiàn)物理信號向電信號的轉(zhuǎn)換、小信號放大、濾波外，還有諸如的轉(zhuǎn)換、小信號放大、濾波外，還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號調(diào)理（調(diào)理（Signal Conditioning），相應(yīng)的），相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。 信號調(diào)理的目的信號調(diào)理的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調(diào)理的目的是便于信號的傳輸與處理。 1 1）傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能）傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需直接輸送到顯示

43、、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。 2 2）有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾）有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3 3）某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需）某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信進行調(diào)制解調(diào)處理。要對傳感器測量信進行調(diào)制解調(diào)處理。 典型調(diào)理電路的組成框圖2.2.1 常用信號調(diào)理技術(shù)1. 信號放大技術(shù)n判斷傳感器信號判斷傳感器信號“大大”還是還是“小小”和和要不要進行放大的依據(jù)又是什么？要不要進行放大的依據(jù)又是什么？n放大器為什么要放

44、大器為什么要“前置前置”，即設(shè)置在，即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？調(diào)理電路的最前端？n放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？運用放大器的依據(jù):虛擬儀器中的常用放大器 n在虛擬儀器的信號調(diào)理通道中，針在虛擬儀器的信號調(diào)理通道中，針對被放大信號的特點，并結(jié)合數(shù)據(jù)對被放大信號的特點，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路的現(xiàn)場要求，目前使用較采集電路的現(xiàn)場要求，目前使用較多的放大器有多的放大器有: : 儀用放大器儀用放大器 程控增益放大器程控增益放大器 隔離放大器隔離放大器(1) 儀用放大器G=1+2R/RG(Instrumentation Amplifier)儀用放大器芯片-AD521 -IN +IN UI

45、N U+ U- 10K 100K Uout AD521 1 14 RG 2 3 5 4 6 11 12 13 10 8 7 RS 放大倍數(shù)放大倍數(shù)GSINOUTRRUUG放大倍數(shù)可在11000范圍內(nèi)調(diào)整(2) 程控增益放大器 程控增益放大器是常用部件，在許多實際應(yīng)用中，為程控增益放大器是常用部件，在許多實際應(yīng)用中，為了在整個測量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力，常采用可變增益了在整個測量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力，常采用可變增益放大器。放大器。 增益由儀器內(nèi)置計算機的程序控制。這種增益由儀器內(nèi)置計算機的程序控制。這種由程序控制增由程序控制增益的放大器益的放大器，稱為程控增益放大器。，稱為程控增益放大器。集成

46、程控放大器PGA202/203(3) 隔離放大器Isolation Amplifier 隔離放大器的符號如圖所示。隔離放大器的符號如圖所示。 按耦合器件的不同，可分為：按耦合器件的不同，可分為： 光電隔離光電隔離 變壓器隔離變壓器隔離。 隔離模式：隔離模式：兩端隔離兩端隔離：信號輸入部分與信號輸出部分歐姆隔離；：信號輸入部分與信號輸出部分歐姆隔離；三端隔離三端隔離：信號輸入部分、信號輸出部分、功率供給部分彼：信號輸入部分、信號輸出部分、功率供給部分彼此隔離；此隔離； 應(yīng)用場合3）多個系統(tǒng)不能共地。1）高共模電壓場合：如電力線電流取樣、強電場中測量小范圍電壓差；2）測試現(xiàn)場干擾比較大的微弱模擬信號，而對信號的傳遞精度要求又高;光電耦合隔離放大器 輸入級激勵發(fā)光管，由光電管將光信號耦合輸入級激勵發(fā)光管，由光電管將光信號耦合到輸出級，實現(xiàn)信號的傳輸，保證了輸入和輸出到輸出級，實現(xiàn)信號的傳輸，保證了輸入和輸出間的電氣隔離。其輸入、輸出級之間不能有電的間的電氣隔離。其輸入、輸出級之間不能有電的連接，即前、后級不能共用電源和地線。連接，即前、后級不能共用電