傳感器原理與測量電路

傳感器原理與測量電路第一頁，共九十三頁，2022年，8月28日

霍耳傳感器霍耳傳感器是基于霍耳效應(yīng)的一種非接觸式傳感器。在磁場中被測量通過霍耳元件轉(zhuǎn)換成電動勢輸出?；舳鷤鞲衅骺蓱?yīng)用于多種非電量測量，特別是在檢測微位移、大電流、微弱磁場等方面得到了廣泛應(yīng)用。BIvFLFE圖4-32霍爾效應(yīng)原理圖ldUHb

如圖4-32所示，一塊長為l、寬為b、厚為d的N型半導(dǎo)體薄片，位于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，B垂直于l―d平面。沿l通電流I，N型半導(dǎo)體中的載流子―電子將受到B作用而產(chǎn)生的洛淪茲力FL的作用。第二頁，共九十三頁，2022年，8月28日霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。

6.7磁敏元件傳感器第三頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.7磁敏元件傳感器第四頁，共九十三頁，2022年，8月28日測轉(zhuǎn)角：6.7磁敏元件傳感器第五頁，共九十三頁，2022年，8月28日電流傳感器

當電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。

6.7磁敏元件傳感器第六頁，共九十三頁，2022年，8月28日鐵磁材料裂紋檢測

NS6.7磁敏元件傳感器第七頁，共九十三頁，2022年，8月28日葉片和齒輪位置傳感器應(yīng)用6.7磁敏元件傳感器第八頁，共九十三頁，2022年，8月28日案例：汽車速度測量:6.7磁敏元件傳感器第九頁，共九十三頁，2022年，8月28日2磁電阻元件磁阻效應(yīng)--++lwx6.7磁敏元件傳感器第十頁，共九十三頁，2022年，8月28日特點電阻的增量與磁場的平方成正比；與磁場的正負無關(guān)；溫度系數(shù)影響大；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。應(yīng)用磁頭；接近開關(guān)和無觸點開關(guān)。6.7磁敏元件傳感器第十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日3磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類霍爾元件磁電阻元件磁敏二極管磁晶體管磁半導(dǎo)體開關(guān)6.7磁敏元件傳感器第十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日產(chǎn)品6.7磁敏元件傳感器第十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日案例：轉(zhuǎn)速測量6.7磁敏元件傳感器第十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.8光柵傳感器光柵傳感器——利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實現(xiàn)幾何量測量的裝置稱為光柵傳感器。光柵傳感器的優(yōu)點：高精度、高分辨率和大動態(tài)范圍，因而廣泛應(yīng)用于靜態(tài)測量、動態(tài)測量和自動化等領(lǐng)域。第6章、傳感器測量原理第十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日光柵分類及結(jié)構(gòu)1)光柵分類

按其原理和用途可分為物理光柵和計量光柵。按其透射形式可分為透射式光柵和反射式光柵。按光柵表面結(jié)構(gòu)不同，可分為幅值光柵（又叫黑白光柵）和相位光柵（又叫閃耀光柵）。按光柵應(yīng)用分類，可分為長光柵和圓光柵。目前發(fā)展了激光全息光柵和偏振光柵等新型光柵第十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日2)光柵的結(jié)構(gòu)所謂光柵，簡單地說，由大量等寬等間距的平行狹縫所組成的光學(xué)器件稱為光柵。圓光柵有三種形式：一種是徑向光，其柵線的延長線通過圓心；第二種是切線光柵，其柵線的延長線與光柵盤中的一個小同心圓相切；第三種是環(huán)形光柵，其柵線為一簇等間距同心圓。第十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。第十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日莫爾條紋原理與特點

莫爾條紋具有三個特點：1、莫爾條紋具有位移放大作用2、莫爾條紋移動與光柵移動的對應(yīng)關(guān)系3、誤差減小作用莫爾條紋——亮帶與暗帶相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋是由主光柵和指示光柵的透光與遮光效應(yīng)形成的。第十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定第二十頁，共九十三頁，2022年，8月28日（1）調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了 放大作用，又提高了測量精度。（2）莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信號作進一步細分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。（3）光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用。刻線的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的 影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差別。第二十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日1）莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。2）當指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動（兩者的運動方向相互垂直）；指示光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。在圖中，當指示光柵向右移動時，莫爾條紋向上運動。3）莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角而改變。越小，越大，相當于把微小的柵距擴大了倍。由此可見，計量光柵起到光學(xué)放大器的作用。

第二十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日

例如，對２５線／mm的長光柵而言，＝0.04mm，若=0.016rad，則=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無法分辨0.04mm的間隔。4）莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。例如，采用100線/mm光柵時，若光柵移動了xmm（也就是移過了100×x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過的莫爾條紋也是100×條。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號計數(shù)，就可知道移動的實際距離了。第二十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日

光柵傳感器的工作原理（一）光電轉(zhuǎn)換原理光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：1、光源，2、聚光鏡，3、主光柵（又稱標尺光柵），4、指示光柵，5光敏元件，如圖10—4（a）所示。

第二十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日（二）莫爾條紋測量位移原理

當光電元件5接收到明暗相間的正弦信號時，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。當主光柵移動一個柵距W時，電信號則變化一個周期。當波形重復(fù)到原來的相位和幅值時，相當于光柵移動了一個柵距W，如果光柵相對位移了N個柵距，此時位移x=NW。第二十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日（三）辨向原理如圖10—5所示。當莫爾條紋移動時，兩個條紋的亮度變化規(guī)律完全一樣，相位相差π/2。滯后還是超前完全取決于光柵的移動方向，這種區(qū)別運動方向的方法稱為位置細分辨向原理。第二十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日莫爾條紋細分技術(shù)

（一）細分方法：1、增加光柵刻度密度。2、對電信號進行電子細分。把一個周期變化的莫爾條紋信號再細分，即增大一周期的脈沖數(shù)，稱為倍頻法。在電子細分中又可分為直接細分、電橋細分、示波管細分和鎖相細分等。

3、機械和光學(xué)細分。第二十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日（二）直接細分

直接細分法的優(yōu)點是對莫爾條紋信號波形無嚴格要求，電路簡單，可用于靜態(tài)、動態(tài)測量系統(tǒng)。缺點是光電元件安放困難，因而細分不能過高。第二十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日（三）電位器橋細分

為了得到較高的細分數(shù)，將直接細分得到的四個相位差為π/2的正弦交流信號UmSinφ、UmCosφ、-UmSinφ、-UmCosφ（φ=2πX/ω）輸入到電位器橋，電位器橋常用于進行12～60（為4的整倍數(shù)）細分，如圖10—7所示。

一種用于48細分的電位器電橋細分電路如圖10—8所示。第二十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日光柵傳感器的誤差

單件光柵的誤差是由刻劃工藝和刻劃設(shè)備決定的。計量光柵大多數(shù)是在構(gòu)成莫爾要紋的情況下使用。由于莫爾條紋的平均誤差作用，使局部刻劃誤差的影響大大減小。長光柵柵距誤差一般為微米（μm）數(shù)量級，圓光柵為秒（”）角數(shù)量級。第三十頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.9光纖傳感器

物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。1）物性型光纖傳感器第6章、傳感器測量原理第三十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日光纖流速傳感器6.9光纖傳感器第三十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日

結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器6.9光纖傳感器第三十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日光纖檢測型光電傳感器作業(yè)件檢測顏色檢測6.9光纖傳感器第三十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.10熱敏傳感器

1.雙金屬溫度計

把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機械量變化。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單牢固可靠防爆

第6章、傳感器測量原理第三十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日

6.10熱敏傳感器第三十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.10熱敏傳感器熒光燈啟輝器零線火線

當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導(dǎo)電（輝光放電），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。電路中電流突然中斷，使鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個比電源電壓高得多的感應(yīng)電動勢，在強電場的作用下，引起管內(nèi)汞蒸氣電離而形成弧光放電.第三十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.10熱敏傳感器熒光燈啟輝器

啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成輝光放電管內(nèi)有一個U形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻璃管內(nèi)充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導(dǎo)電（輝光放電過程），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經(jīng)過雙金屬片與靜觸板流通，惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經(jīng)過1～8秒的時間，雙金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。第三十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日2.熱電溫度計(熱電偶)

熱電效應(yīng)

將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。6.10熱敏傳感器第三十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日ABTT0k——玻耳茲曼常數(shù)，e——電子電荷量，T——接觸處的溫度NA，NB——分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。6.10熱敏傳感器第四十頁，共九十三頁，2022年，8月28日熱電偶測溫基本定律1)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。TT02)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V6.10熱敏傳感器第四十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日3)參考電極定律兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。6.10熱敏傳感器第四十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.10熱敏傳感器第四十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.10熱敏傳感器第四十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日3熱敏電阻傳感器

半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。6.10熱敏傳感器RT第四十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.10熱敏傳感器第四十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.10熱敏傳感器第四十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.10熱敏傳感器產(chǎn)品第四十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日溫控器6.10熱敏傳感器應(yīng)用汽車發(fā)動機傳感器水溫感應(yīng)塞還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等第四十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日第6章

傳感器測量原理

6.11氣敏電阻傳感器

氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。

如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達0.8～1.15ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟省＿€有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器第五十頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.11氣敏電阻傳感器

氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。

第五十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.11氣敏電阻傳感器第五十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.11氣敏電阻傳感器

第五十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.11氣敏電阻傳感器第五十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.11氣敏電阻傳感器燃氣報警器煙霧報警器

第五十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日酒精傳感器4.9氣敏電阻傳感器第五十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.12超聲波檢測傳感器

1)聲波及其分類(1)次聲波，振動頻率低于l6Hz的機械波。(2)聲波:振動頻率在16Hz―20KHz之間的機械波。(3)超聲波:高于20KHz的機械波。2）超聲波的物理性質(zhì)

超聲波與聲波比，振動頻率高，波長短，具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。第6章

傳感器測量原理

第五十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.12超聲波檢測傳感器聲壓

所謂聲壓，是指某點上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為Pa，1Pa=1N/m2。聲強

聲強是聲波在傳播方向上單位時間內(nèi)通過單位面積的能量，單位為W/m2。聲功率

聲功率(W)是聲源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的總能量，單位是W。第五十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日超聲波傳感器原理

超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生機械振動，發(fā)射出超聲波。

接收原理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)生感應(yīng)電勢輸出。

6.12超聲波檢測傳感器第五十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日超聲波傳感器對6.12超聲波檢測傳感器第六十頁，共九十三頁，2022年，8月28日超聲波傳感器應(yīng)用

超聲波探傷/測距/測物tA6.12超聲波檢測傳感器第六十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日案例：輸油管檢測檢測機器人6.12超聲波檢測傳感器第六十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日倒車雷達6.12超聲波檢測傳感器

第六十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日

魚群探測器

6.12超聲波檢測傳感器第六十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.13光電傳感器

光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)

半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導(dǎo)電性能增強,光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應(yīng)

。光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管第6章

傳感器測量原理

第六十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日第六十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日照相機自動測光光控?zé)艄I(yè)控制第六十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

光電池

光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。+++---PN第六十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

應(yīng)用

光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。第六十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

第七十頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

第七十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

第七十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

案例：光電鼠標就是利用LED與光敏晶體管組合來測量位移。第七十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的。第七十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

相機測距反射式光電傳感器第七十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.14CCD固態(tài)圖象傳感器

MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體(P型硅)基片上形成一種氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元(MOS)。

第6章傳感器測量原理第七十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日

在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。6.14CCD固態(tài)圖象傳感器第七十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日01111100光敏管陣列并聯(lián)串聯(lián)轉(zhuǎn)換器運算電路顯示電路結(jié)束信號驅(qū)動脈沖CCD6.14CCD固態(tài)圖象傳感器第七十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日特點:(1)非接觸檢測;(2)響應(yīng)快;(3)可靠性高,為修簡便;(4)測量精度高;(5)體積小,重量輕;容易與計算機連接(6)對被測物體需要強光照射;(7)受被測物體以外的光的影響.應(yīng)用:(1)寬度測量;(2)外徑測量;(3)主軸徑向跳動測量.6.14CCD固態(tài)圖象傳感器

條形碼掃描器第七十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日GREY=RED*0.299+GREEG*0.587+BLUE*0.114

數(shù)碼相機6.14CCD固態(tài)圖象傳感器第八十頁，共九十三頁，2022年，8月28日第8章傳感器測量原理6.15其它類型的傳感器

1、熱輻射檢測傳感器

絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體溫度(K)，根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達式：第八十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用：

冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。6.15其它類型的傳感器第八十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日2、聲發(fā)射檢測傳感器

材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射頻率范圍很寬，從次聲、聲頻到超聲。多數(shù)金屬的聲發(fā)射頻帶在超聲范圍內(nèi)。6.15其它類型的傳感器第八十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日案例：材料斷裂等結(jié)構(gòu)監(jiān)測6.15其它類型的傳感器

第八十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日6.16智能傳感器第6章傳感器測量原理

傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學(xué)量（如濃度、PH值等）、生物量（如細菌等）等的信息，并將該信息轉(zhuǎn)化為電信息的裝置。

智能傳感器是將傳感器與微型計算機集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還具有認知能力。第八十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日嵌入式計算機智能傾角RS232傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器6.16