Chapter6 7-18傳感器原理與測(cè)量電路

第6章、傳感器測(cè)量原理6.7磁敏元件傳感器

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

1霍爾元件

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(chǎng)中被測(cè)量通過霍耳元件轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出?；舳鷤鞲衅骺蓱?yīng)用于多種非電量測(cè)量，特別是在檢測(cè)微位移、大電流、微弱磁場(chǎng)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(qiáng)度為B的磁場(chǎng)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?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成，如圖示。

6.7磁敏元件傳感器6.7磁敏元件傳感器測(cè)轉(zhuǎn)角：6.7磁敏元件傳感器電流傳感器

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

6.7磁敏元件傳感器鐵磁材料裂紋檢測(cè)

NS6.7磁敏元件傳感器葉片和齒輪位置傳感器應(yīng)用6.7磁敏元件傳感器案例：汽車速度測(cè)量:6.7磁敏元件傳感器2磁電阻元件磁阻效應(yīng)

--++lwx6.7磁敏元件傳感器特點(diǎn)電阻的增量與磁場(chǎng)的平方成正比；與磁場(chǎng)的正負(fù)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(diǎn)開關(guān)。6.7磁敏元件傳感器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磁敏元件傳感器產(chǎn)品6.7磁敏元件傳感器案例：轉(zhuǎn)速測(cè)量6.7磁敏元件傳感器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(shí)現(xiàn)幾何量測(cè)量的裝置稱為光柵傳感器。光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)：高精度、高分辨率和大動(dòng)態(tài)范圍，因而廣泛應(yīng)用于靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域。第6章、傳感器測(cè)量原理光柵分類及結(jié)構(gòu)1)光柵分類

按其原理和用途可分為物理光柵和計(jì)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(gè)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。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。莫爾條紋原理與特點(diǎn)

莫爾條紋具有三個(gè)特點(diǎn)：1、莫爾條紋具有位移放大作用2、莫爾條紋移動(dòng)與光柵移動(dòng)的對(duì)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。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（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(cè)量精度。（2）莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，便于將電信號(hào)作進(jìn)一步細(xì)分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提高測(cè)量精度或可以采用較粗的光柵。（3）光電元件對(duì)于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤差和周期誤差對(duì)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(cè)量精度。這是用光柵測(cè)量和普通標(biāo)尺測(cè)量的主要差別。1）莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對(duì)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(dāng)指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）；指示光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。在圖中，當(dāng)指示光柵向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上運(yùn)動(dòng)。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(dāng)于把微小的柵距擴(kuò)大了倍。由此可見，計(jì)量光柵起到光學(xué)放大器的作用。

例如，對(duì)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(shí)，若光柵移動(dòng)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(shí)別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可知道移動(dòng)的實(shí)際距離了。

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(biāo)尺光柵），4、指示光柵，5光敏元件，如圖10—4（a）所示。

（二）莫爾條紋測(cè)量位移原理

當(dāng)光電元件5接收到明暗相間的正弦信號(hào)時(shí)，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，電信號(hào)則變化一個(gè)周期。當(dāng)波形重復(fù)到原來的相位和幅值時(shí)，相當(dāng)于光柵移動(dòng)了一個(gè)柵距W，如果光柵相對(duì)位移了N個(gè)柵距，此時(shí)位移x=NW。（三）辨向原理如圖10—5所示。當(dāng)莫爾條紋移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)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(dòng)方向，這種區(qū)別運(yùn)動(dòng)方向的方法稱為位置細(xì)分辨向原理。莫爾條紋細(xì)分技術(shù)

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

3、機(jī)械和光學(xué)細(xì)分。（二）直接細(xì)分

直接細(xì)分法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)莫爾條紋信號(hào)波形無嚴(yán)格要求，電路簡單，可用于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。缺點(diǎn)是光電元件安放困難，因而細(xì)分不能過高。（三）電位器橋細(xì)分

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

一種用于48細(xì)分的電位器電橋細(xì)分電路如圖10—8所示。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(jì)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(jí)，圓光柵為秒（”）角數(shù)量級(jí)。6.9光纖傳感器

物性型光纖傳感器是利用光纖對(duì)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(hào)。1）物性型光纖傳感器第6章、傳感器測(cè)量原理光纖流速傳感器6.9光纖傳感器

結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測(cè)元件與光纖傳輸回路及測(cè)量電路所組成的測(cè)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光纖傳感器光纖檢測(cè)型光電傳感器作業(yè)件檢測(cè)顏色檢測(cè)6.9光纖傳感器6.10熱敏傳感器

1.雙金屬溫度計(jì)

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(jì)，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械量變化。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單牢固可靠防爆

第6章、傳感器測(cè)量原理

6.10熱敏傳感器6.10熱敏傳感器熒光燈啟輝器零線火線

當(dāng)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(gè)比電源電壓高得多的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，引起管內(nèi)汞蒸氣電離而形成弧光放電.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(gè)U形雙金屬片，一個(gè)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(dāng)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(shí)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(shí)間，雙金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。2.熱電溫度計(jì)(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(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。6.10熱敏傳感器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熱敏傳感器熱電偶測(cè)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(dòng)勢(shì)。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(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V6.10熱敏傳感器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(dòng)勢(shì)為已知，A和B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)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6.10熱敏傳感器6.10熱敏傳感器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(fù)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RT6.10熱敏傳感器6.10熱敏傳感器6.10熱敏傳感器產(chǎn)品溫控器6.10熱敏傳感器應(yīng)用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)等第6章

傳感器測(cè)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(duì)氣體的檢測(cè)已經(jīng)是保護(hù)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(dá)0.8～1.15ml/L時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟?。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測(cè)。煙霧報(bào)警器酒精傳感器二氧化碳傳感器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(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時(shí)，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測(cè)氣體的濃度改變而變化。

6.11氣敏電阻傳感器6.11氣敏電阻傳感器

6.11氣敏電阻傳感器6.11氣敏電阻傳感器燃?xì)鈭?bào)警器煙霧報(bào)警器

酒精傳感器4.9氣敏電阻傳感器6.12超聲波檢測(cè)傳感器

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

超聲波與聲波比，振動(dòng)頻率高，波長短，具有束射特性，方向性強(qiáng)，可以定向傳播，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)量原理

6.12超聲波檢測(cè)傳感器聲壓

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

聲強(qiáng)是聲波在傳播方向上單位時(shí)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(shí)間內(nèi)發(fā)射出的總能量，單位是W。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(chǎng)中，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)射出超聲波。

接收原理是當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時(shí)，使磁滯材料磁場(chǎng)變化，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)輸出。

6.12超聲波檢測(cè)傳感器超聲波傳感器對(duì)6.12超聲波檢測(cè)傳感器超聲波傳感器應(yīng)用

超聲波探傷/測(cè)距/測(cè)物tA6.12超聲波檢測(cè)傳感器案例：輸油管檢測(cè)檢測(cè)機(jī)器人6.12超聲波檢測(cè)傳感器倒車?yán)走_(dá)6.12超聲波檢測(cè)傳感器

魚群探測(cè)器

6.12超聲波檢測(cè)傳感器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(hào)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(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),使其導(dǎo)電性能增強(qiáng),光線愈強(qiáng)，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(cè)量原理

照相機(jī)自動(dòng)測(cè)光光控?zé)艄I(yè)控制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(dòng)勢(shì)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。+++---PN6.13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。6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

案例：光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來測(cè)量位移。6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

亮度傳感器：通過檢測(cè)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(dá)到節(jié)約電能的目的。6.13半導(dǎo)體敏感元件傳感器

相機(jī)測(cè)距反射式光電傳感器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(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元(MOS)。

第6章傳感器