工程測試技術(shù)

第三章傳感器原理及應(yīng)用本章學(xué)習(xí)要求：了解傳感器的分類；掌握常用傳感器測量原理；了解測量電路；了結(jié)智能傳感器的概念；了解典型傳感器的應(yīng)用。工程測試技術(shù)工程測試技術(shù)

第三章傳感器原理及應(yīng)用本章學(xué)習(xí)要求：工程測試本章目錄3.1概述（4學(xué)時）3.2電阻式傳感器3.3電感式傳感器（2學(xué)時）3.4電容式傳感器3.5磁電式傳感器3.6壓電式傳感器3.7熱電式傳感器（2學(xué)時）3.8光電式傳感器（2學(xué)時）3.9其它類型的傳感器3.10傳感器選用原則2工程測試技術(shù)本章目錄3.1概述（4學(xué)時）2工程測試技術(shù)3.8光電式傳感器外光電效應(yīng)：在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管。內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，如光敏電阻等屬于這類光電器件。阻擋層光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng))：在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。如光電池、光敏二極管和光敏晶體管等。光電開關(guān)光電式脈沖編碼器圖像傳感器光柵傳感器3工程測試技術(shù)3.8光電式傳感器外光電效應(yīng)：在光線作用下使物體的電子逸出3.8.1光電開關(guān)光敏二極管：結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。4工程測試技術(shù)3.8.1光電開關(guān)光敏二極管：結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在2.光敏晶體管 與一般晶體管很相似，具有兩個PN結(jié)。把光信號轉(zhuǎn)換為電信號同時，又將信號電流加以放大。5工程測試技術(shù)2.光敏晶體管 與一般晶體管很相似，具有兩個PN結(jié)。把光信3.光電開關(guān) 利用光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)制作的開關(guān)器件稱作光電開關(guān)。 光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測量線位移、線速度、角位移、角速度(轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。6工程測試技術(shù)3.光電開關(guān) 利用光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“4.應(yīng)用-光電式數(shù)字位移（轉(zhuǎn)速）表7工程測試技術(shù)4.應(yīng)用-光電式數(shù)字位移（轉(zhuǎn)速）表7工程測試技術(shù)3.8.2光電式脈沖編碼器 光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是一種數(shù)字式傳感器。 優(yōu)點：測量精度和分辨力高，抗干擾能力強，能避免在讀標尺和曲線圖時產(chǎn)生的人為誤差，便于計算機處理。 最簡單的數(shù)字式傳感器是編碼器(ADE)。如，角度數(shù)字編碼器（碼盤）或直線位移編碼器（碼尺）。8工程測試技術(shù)3.8.2光電式脈沖編碼器 光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將1.工作原理 用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。1－光源,2－柱面鏡,3－碼盤,4－狹縫,5－元件9工程測試技術(shù)1.工作原理 用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表2.碼盤和碼制 根據(jù)碼盤的起始和終止位置就可確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)。6位二進制碼盤10工程測試技術(shù)2.碼盤和碼制 根據(jù)碼盤的起始和終止位置就可確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)3.二進制碼盤主要特點n位(n個碼道)的二進制碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n，其最小分辨力θ1＝3600／2n，它的最外圈角節(jié)距為2θ1；二進制碼為有權(quán)碼，編碼Cn,Cn-1，…，C1對應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為：11工程測試技術(shù)3.二進制碼盤主要特點n位(n個碼道)的二進制碼盤具有2n4.二進制碼盤的粗大誤差及消除 要求各個碼道刻劃精確，彼此對準，這給碼盤制作造成很大困難。由于微小的制作誤差或光電二極管的安置誤差，只要有一個碼道提前或延后改變，就可能造成輸出的粗大誤差。如碼區(qū)從第15變到0時，二進制碼應(yīng)由1111變到0000，

但若內(nèi)碼道的透光間隔稍長，則可能讀成1000。消除粗大誤差方法：1).雙讀數(shù)頭法。雙讀數(shù)頭的缺點是讀數(shù)頭的個數(shù)增加了一倍。當(dāng)編碼器位數(shù)很多時，光電元件安裝位置也有困難。12工程測試技術(shù)4.二進制碼盤的粗大誤差及消除 要求各個碼道刻劃精確，彼此2).循環(huán)碼代替二進制碼二進制編碼盤 循環(huán)（葛萊碼）編碼盤13工程測試技術(shù)2).循環(huán)碼代替二進制碼二進制編碼盤 循環(huán)循環(huán)（葛萊碼）編碼的特點構(gòu)造：對n位二進制的碼字從右到左編號(0~n-1)若二進制碼字的第i位和第i+1位相同，則對應(yīng)的葛萊碼碼字的第i位為0，否則為1。n位循環(huán)碼碼盤具有2n種不同編碼；循環(huán)碼碼盤具有軸對稱性，其最高位相反，其余各位相同；循環(huán)碼為無權(quán)碼；循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時，編碼中只有一位發(fā)生變化，不會產(chǎn)生粗誤差。14工程測試技術(shù)循環(huán)（葛萊碼）編碼的特點構(gòu)造：對n位二進制的碼字從右到左5.應(yīng)用

光學(xué)碼盤測角儀的原理圖1－光源，2－大孔徑非球面聚光鏡3－碼盤，4－狹縫，5－光電元件15工程測試技術(shù)5.應(yīng)用光學(xué)碼盤測角儀的原理圖15工程測試技術(shù)3.8.3圖像傳感器1.原理：在MOS電容金屬電極上，加以脈沖電壓，排斥掉半導(dǎo)體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子，形成“勢阱”的運動，進而達到信號電荷（少數(shù)載流子）的轉(zhuǎn)移。

圖像傳感器：轉(zhuǎn)移的信號電荷是由光像照射產(chǎn)生，在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列光電二極管單元，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。16工程測試技術(shù)3.8.3圖像傳感器1.原理：在MOS電容金屬電極上，加2.特點非接觸檢測；響應(yīng)快；可靠性高，維修簡便；測量精度高；體積小，重量輕，容易與計算機連接；對被測物體需要強光照射；受被測物體以外的光的影響。6M像素CCD傳感器17工程測試技術(shù)2.特點非接觸檢測；6M像素CCD傳感器17工程測試技術(shù)3.分類CIS是接觸式感光元件，它與CCD技術(shù)幾乎是同時出現(xiàn)的。CIS一般使用制造光敏電阻的硫化鎘為原料，所以很容易形成一長條陣列，而且成本也只有CCD的1/3。但由于其自身物理特性的原因，CIS各感光單元間的干擾稍大，而且只能貼近稿件掃描。CCD即電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)。它是在大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新型器件。CCD能對光照作出反應(yīng)并把反應(yīng)的強度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值。當(dāng)光從紅、藍、綠濾鏡中穿過時，就可以得到每種色光的反應(yīng)值。然后，再使用軟件對得到的數(shù)據(jù)進行處理，就可確定每一個像素點的顏色。數(shù)碼相機得到的圖像其實就是一個數(shù)值的集合，所以就可以直接下載到計算機中處理。CMOS指互補金屬氧化物半導(dǎo)體--一種大規(guī)模應(yīng)用于集成電路芯片制造的原料。18工程測試技術(shù)3.分類CIS是接觸式感光元件，它與CCD技術(shù)幾乎是同時出1).CCD圖像傳感器 CCD圖像傳感器由在單晶硅基片上呈二維排列的光電二極管及其傳送電路構(gòu)成。光電二極管把光轉(zhuǎn)換成電荷，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路傳送和輸出。19工程測試技術(shù)1).CCD圖像傳感器 CCD圖像傳感器由在單晶硅基片上呈CCD圖像傳感器按傳送方法分為兩類：行間傳送(IT)型幾乎每一像素都有移位寄存器，并把來自光電二極管的圖像值送到移位寄存器。CCD用微鏡覆蓋，以改善占空因素。在幀行間傳送(FIT)CCD(有人稱之為全幀傳送CCD)中，CCD把整整一幀的圖像數(shù)據(jù)送入串行移位寄存器，由它進行未加工原始圖像的處理。此外，該系統(tǒng)還把電荷迅速傳送進儲能器，供橫向寄存器進行電荷的連續(xù)輸出。20工程測試技術(shù)CCD圖像傳感器按傳送方法分為兩類：行間傳送(IT)型幾乎每2).CMOS圖像傳感器CMOS傳感器采用與存儲器及邏輯IC同樣的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝。21工程測試技術(shù)2).CMOS圖像傳感器CMOS傳感器采用與存儲器及邏3).CCDVS.CMOS靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個象素的感光區(qū)域遠小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、Timinggenerator或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；除此之外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個象素不能運行，就會導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。分辨率差異：CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器復(fù)雜，其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平，因此，當(dāng)我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時，CCD傳感器的分辨率通常會優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如，尺寸為1/2英寸的CMOS傳感器其分辨率可達210萬象素的水平，其象素間尺寸為4.25μm，但尺寸相差不多(1/1.8英寸)的CCD，分辨率卻能高達513萬象素，象素尺寸也只有2.78μm的水平。22工程測試技術(shù)3).CCDVS.CMOS靈敏度差異：由于CMOS傳感3).CCDVS.CMOS（續(xù)）噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會增加很多，影響圖像品質(zhì)。功耗差異：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達到12~18V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計上的難度更高之外(需外加IC)，高驅(qū)動電壓更使其功耗遠高于CMOS傳感器的水平。 綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢。23工程測試技術(shù)3).CCDVS.CMOS（續(xù)）噪聲差異：由于CMOS背照式CMOS圖像傳感器EXMORRCOMS24工程測試技術(shù)背照式CMOS圖像傳感器EXMORRCOMS24工程測試4.固態(tài)圖象傳感器的應(yīng)用寬度測量;外徑測量;主軸徑向跳動測量；圖形圖像。條形碼掃描器25工程測試技術(shù)4.固態(tài)圖象傳感器的應(yīng)用寬度測量;條形碼掃描器25工程測試線陣CCD攝象機流水線零件尺寸在線檢測CCD線陣攝象機作二維零件尺寸在線檢測26工程測試技術(shù)線陣CCD攝象機流水線零件尺寸在線檢測CCD線陣攝象機作二維投影法測量物體三維形貌采用面陣式CCD攝象機利用投影法測量物體三維表面形貌27工程測試技術(shù)投影法測量物體三維形貌采用面陣式CCD攝象機利用投影法測量物3.8.4光柵傳感器 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。光源：鎢絲燈泡，半導(dǎo)體發(fā)光器件；光柵副：指示光柵+主光柵，W=a+b稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）；光電元件：包括有光電池和光敏三極管等部分。在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響。28工程測試技術(shù)3.8.4光柵傳感器 光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光1.莫爾條紋形成的原理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。29工程測試技術(shù)1.莫爾條紋形成的原理橫向莫爾條紋的斜率：莫爾條紋間距：長光柵莫爾條紋播放動畫30工程測試技術(shù)長光柵莫爾條紋播放動畫30工程測試技術(shù)圓弧莫爾條紋播放中……單擊準備演示播放動畫31工程測試技術(shù)圓弧莫爾條紋播放中……單擊準備演示播放動畫31工程測試技術(shù)2.莫爾條紋技術(shù)的特點調(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。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。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。32工程測試技術(shù)2.莫爾條紋技術(shù)的特點調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度3.光柵傳感器的應(yīng)用33工程測試技術(shù)3.光柵傳感器的應(yīng)用33工程測試技術(shù)3.9其它類型的傳感器3.9.1超聲波傳感器3.9.2磁柵傳感器3.9.3容柵傳感器3.9.4光纖傳感器3.9.5生化傳感器34工程測試技術(shù)3.9其它類型的傳感器3.9.1超聲波傳感器34工程3.9.1Ultrasonictransducers

35工程測試技術(shù)3.9.1Ultrasonictransducers33.10傳感器選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。靈敏度響應(yīng)特性線性范圍穩(wěn)定性精確度測量方式36工程測試技術(shù)3.10傳感器選用原則 選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性1、靈敏度

一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但是在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。靈敏度過高引起的干擾問題；量程范圍交叉靈敏度問題。37工程測試技術(shù)1、靈敏度 一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但是在確定靈敏2.響應(yīng)特性

傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。 實際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。

38工程測試技術(shù)2.響應(yīng)特性 傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不3.線性范圍 任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。39工程測試技術(shù)3.線性范圍 任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)4.穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。40工程測試技術(shù)4.穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性5.精確度

傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。

41工程測試技術(shù)5.精確度 傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)6.測量方式

傳感器工作方式，也是選擇傳感器時應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等。42工程測試技術(shù)6.測量方式 傳感器工作方式，也是選擇傳感器時應(yīng)考慮的重要安全生產(chǎn)日日好，員工生活步步高。4月-244月-24Wednesday