1、第2章 傳感與檢測技術(shù),2.1 傳感器的組成及分類 2.2 傳感器的一般特性 2.3 常用傳感器及應(yīng)用 2.4 檢測技術(shù) 本章重點與難點,高職高專規(guī)劃教材,第2章 傳感與檢測技術(shù)重點和難點,本章重點： 1傳感器的一般特性 2常用傳感器的種類 3. 檢測技術(shù)中測量誤差和相對誤差的概念 本章難點： 1常用傳感器的應(yīng)用,2.1 傳感器的組成及分類,傳感器的電路組成框圖：,圖中虛線框內(nèi)是把輸出的電信號轉(zhuǎn)換成便于處理、控制、記錄和顯示的有用電信號所涉及的有關(guān)電路。,2.1 傳感器的組成及分類,物理量傳感器： 力學(xué)量傳感器(如力傳感器、速度傳感器、位移傳感器等) 光學(xué)量傳感器(如圖像傳感器、紅外線傳感器等

2、) 量傳感器(如溫度傳感器) 電學(xué)量傳感器(如電流傳感器、電壓傳感器、電阻傳感器) 聲學(xué)量傳感器 磁學(xué)量傳感器,分類:物理量傳感器、化學(xué)量傳感器、生物量傳感器,2.2傳感器的一般特性,1. 線性度： 標定曲線與擬合直線的接近程度稱為線性度，線性度的好壞通常用線性度誤差表示。,e線性度誤差； 標定值偏離擬合直線的最大偏差； Yn滿量程值。,線性度與擬合直線,2.2傳感器的一般特性,2. 靈敏度： 當輸入信號變化x后，輸出信號穩(wěn)定后也相應(yīng)變化y，輸出變化量與輸入變化量的比值稱為靈敏度，用S表示。,例如：若差動變壓器式位移傳感器的輸入位移信號變化為lmm，其輸出電壓信號的變化量相應(yīng)為2mV，則其靈敏

3、度為S2mVmm。,3. 分辨力： 分辨力是指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。,數(shù)字儀表的最后一位所表示的數(shù)值一般視作該儀表的分辨力。,2.2傳感器的一般特性,4. 遲滯： 遲滯是指傳感器正向特性和反向特性不一致的程度。,1為正向特性曲線 2為反向特性曲線,遲滯特性曲線,遲滯越小越好,2.3常用傳感器及應(yīng)用,2.3.1力敏傳感器 2.3.2光敏傳感器 2.3.3磁敏傳感器 2.3.4電容傳感器 2.3.4電感式傳感器,2.3.1力敏傳感器-彈性敏感元件,變換力的彈性敏感元件,所謂變換力的彈性敏感元件是指輸入量為力F，輸出量為應(yīng)變或位移的彈性敏感元件,2.3.1力敏傳感器-彈性敏感元件,變換壓

4、力的彈性敏感元件,變換壓力的彈性敏感元件通常用來測量氣體或液體的壓力,2.3.1力敏傳感器-電阻應(yīng)變式傳感器,當電阻絲受到拉伸時，電阻值增大，受壓縮時，電阻值減小 金屬應(yīng)變片：把電阻絲夾在薄紙或薄膜中間制成應(yīng)變片(亦稱應(yīng)變計) 。 工作中把應(yīng)變片貼在產(chǎn)生應(yīng)力變形的被測物表面，以實現(xiàn)應(yīng)力和變形的測量。 將應(yīng)變片黏合在試件或傳感器的彈性元件上，然后構(gòu)成半橋或全橋電路。當彈性元件(或試件)受力后，產(chǎn)生應(yīng)變，敏感柵的電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生正比于力(或應(yīng)變)的電壓信號，測定電壓就可確定力(或應(yīng)變)的大小。 應(yīng)變片不僅可對試件進行測量，而且與不同彈性元件結(jié)合可制成力、壓力、稱重、扭矩、加速度等多種力學(xué)量傳感器

5、。 電阻應(yīng)變式傳感器占稱重(電子秤)傳感器的絕大多數(shù)。,2.3.1力敏傳感器-力敏Z元件,Z元件是一種N區(qū)被重摻雜補償?shù)奶胤NPN結(jié)。該元件的最大優(yōu)點就是無需前置放大和A/D轉(zhuǎn)換器就可以直接輸出開關(guān)信號或頻率信號，并可與計算機直接通訊。,（1）工作原理 當力敏Z元件受力發(fā)生彎曲變形時，內(nèi)部應(yīng)力作用于載流子，電子和空穴上使載流子偏離原來的運動方向。如果在P區(qū)加力 ，使Z元件的導(dǎo)電能力減小。如果在N區(qū)加力，使Z元件的導(dǎo)電能力增強。在電路中Z元件作為PN 結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，在負載電阻R上獲得輸出信號。,2.3.1力敏傳感器-力敏Z元件,（2）伏安特性,M1-高阻區(qū) M2-負阻區(qū) M3-低阻區(qū) Ith

6、 -為閾值電流 If為-導(dǎo)通電流 V th-為閾值電壓 V f-為導(dǎo)通電壓,若靜態(tài)工作點設(shè)定在M1 區(qū),Z元件處于穩(wěn)定的高阻狀態(tài),作為開關(guān)元件在電路中相當于“阻斷”。若靜態(tài)工作點設(shè)定在M3 區(qū),Z2元件將處于穩(wěn)定的低阻狀態(tài),作為開關(guān)元件在電路中相當于“導(dǎo)通”。,2.3.1力敏傳感器-力敏Z元件,（3）輸出電路,Z 元件作為PN 結(jié)處于正向偏置狀態(tài),在負載電阻R 上可得到電壓輸出。,2.3.1力敏傳感器-典型應(yīng)用,（1）測物體加速度,敏感元件由彈簧連接并架在光滑支架上，支架與待測系統(tǒng)固定在一起，敏感元件下端的滑動臂可在滑動變阻器R上自由滑動，當系統(tǒng)加速運動時，敏感元件發(fā)生位移，并轉(zhuǎn)化為電信號輸出

7、。,2.3.1力敏傳感器-典型應(yīng)用,（2）數(shù)字壓力計,當受到壓力時，一對電橋上阻值發(fā)生變化，將之通過恒流源時可將壓力信號變化為電壓信號。但傳感器有非線性，所以每臺儀器要根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，將實際測量數(shù)據(jù)存入CPU，將測量信號通過查表程序算得壓力值。,數(shù)字壓力計電路基本結(jié)構(gòu),2.3.1力敏傳感器-典型應(yīng)用,（3）力敏Z元件在觸覺傳感器中的應(yīng)用,當機器人手爪抓住物體時，傳感器的探頭受力，彈性體變形，探頭向下劑壓Z元件，這樣探頭所受的較大的力就變成較小的力傳遞給力敏Z元件，就實現(xiàn)了機器人觸覺的傳感。,2.3.2光敏傳感器,第二類：在光的作用下使物體電阻率發(fā)生改變的稱內(nèi)光電效應(yīng)，又叫光電導(dǎo)效應(yīng)，基于內(nèi)光

8、電效應(yīng)的光電元器件有光敏電阻，以及由光敏電阻制成的導(dǎo)管等。,第三類：在光電作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的稱阻擋層光電效應(yīng)。這類光電元件，主要有光電池和光電晶體管等。,光電效應(yīng)：,第類：在光的作用下能使電予逸出物體表面的稱外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等；,光電傳感器由光路及電路兩大部分組成。光路部分實現(xiàn)被測信號對光量的控制和調(diào)制電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。,2.3.2光敏傳感器,基本形式：,a) 投射式,b) 反射式,c) 輻射式,d) 開關(guān)式,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（1）光電倍增管-結(jié)構(gòu),主要由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成。陰極由半導(dǎo)體光

9、電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達30級。通常為1214級。,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,光電倍增管-技術(shù)參數(shù),2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（2）光敏電阻-結(jié)構(gòu),a) 結(jié)構(gòu),b) 電極,c) 接線圖,無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（2）光敏電阻-技術(shù)特性,a) 伏安特性,b) 光照特性,伏安特性是指在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系。 光照

10、特性指光敏電阻的光電流I和光照強度之間的關(guān)系。,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（2）光敏電阻-技術(shù)特性,c) 光譜特性,d) 頻率特性,光譜特性指光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。 頻率特性指光敏電阻對應(yīng)著不同材料的頻率特性。,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（2）光敏電阻-技術(shù)特性,e) 溫度特性,溫度特性是指溫度變化時，對光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度和暗電阻的影響。,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（3）光敏二極管,光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生

11、電子和光生空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（4）光敏晶體管-結(jié)構(gòu),a) 結(jié)構(gòu),b) 符號,c) 基本電路,當光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（4）光敏晶體管-測量電路,a) 光敏二極管測量電路,b) 光敏三極管測量電路,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（4）光敏晶體管-伏安特性,a) 硅光敏二極管,b) 硅光敏晶體管,2.3.

12、2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（5）光電開關(guān) -分體式,當有物體在發(fā)射器和接收器中通過時，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個電脈沖信號。,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（5）光電開關(guān) -一體式光電開關(guān)結(jié)構(gòu),1發(fā)光二極管,2紅外光,3光敏元件,4槽口,5被測物,光電發(fā)射和接收器做在體積很小的同一塑料殼體內(nèi)。,2.3.2光敏傳感器-結(jié)構(gòu)特性,（5）光電開關(guān) -一體式光電開關(guān)應(yīng)用,a) 檢測線材斷線,b) 印刷機送紙檢測,c) 瓶蓋檢測,d) 防盜門位置檢測,2.3.2光敏傳感器-典型應(yīng)用,（1）光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表,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

13、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。,2.3.2光敏傳感器-典型應(yīng)用,（2）光電陣列在帶材寬度檢測中的應(yīng)用,a) 光敏二極管線陣的應(yīng)用,b) CCD線陣的應(yīng)用,1平行光源 2窄縫 3被測板材 4光電線陣 5物鏡,2.3.3磁敏傳感器,磁敏傳感器是對磁場參量(B,H,)敏感的元器件或裝置 ,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能。,質(zhì)子旋進式磁敏傳感器,光泵式磁敏傳感器,SQUID（超導(dǎo)量子干涉器）,磁通門式磁敏傳感器,半導(dǎo)體磁敏傳感器（霍爾器件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏電阻）,機械式磁敏傳感器,分類,2.3.3磁敏傳感器

14、-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,（1）霍耳磁敏傳感器 -霍爾效應(yīng),通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱霍耳效應(yīng) 。,2.3.3磁敏傳感器-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,（1）霍耳磁敏傳感器 -結(jié)構(gòu),2.3.3磁敏傳感器-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,（1）霍耳磁敏傳感器 -電路,電路符號,基本電路,I為控制電流、VH為霍耳電勢、V為控制電壓、R2是輸出電阻、R1是輸入電阻、R3是霍耳負載電阻、IH是霍耳電流。,2.3.3磁敏傳感器-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,2）霍耳開關(guān)集成傳感器 -原理與特點,利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并

15、以開關(guān)信號形式輸出。,霍耳開關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點。,2.3.3磁敏傳感器-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,2）霍耳開關(guān)集成傳感器 -結(jié)構(gòu),它由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。,2.3.3磁敏傳感器-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,2）霍耳開關(guān)集成傳感器 -外形及應(yīng)用,2.3.3磁敏傳感器-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,2）霍耳開關(guān)集成傳感器 -接口電路,2.3.3磁敏傳感器-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,2）霍耳開關(guān)集成傳感器 -工作特性曲線,BOP為工作點“開”的磁感應(yīng)強度 BRP為釋放點“關(guān)”的磁感應(yīng)強度

16、,霍耳開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)主要有：工作電壓 、磁感應(yīng)強度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點等。,2.3.3磁敏傳感器-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,3）霍耳線性集成傳感器 -單端輸出的傳感器,SL3501T電路結(jié)構(gòu),SL3501T輸出特性曲線,2.3.3磁敏傳感器-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,3）霍耳線性集成傳感器 -雙端輸出的傳感器,SL3501M電路結(jié)構(gòu),SL3501M輸出特性曲線,2.3.3磁敏傳感器-常見的半導(dǎo)體磁敏傳感器,典型應(yīng)用,霍耳開關(guān)集成傳感器常用于點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測定、機械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測定與控制、位置及角度的檢測等等。,利用霍耳電勢與外

17、加磁通密度成比例的特性，可借 助于固定元件的控制電流，對磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機械量和非電量等進行測量和控制。,應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計、電流計、磁讀頭、位移計、速度計、振動計、羅盤、轉(zhuǎn)速計、無觸點開關(guān)等。,2.3.3磁敏傳感器-磁敏電阻,磁敏電阻也稱MR元件，是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件,主要特性:,磁場電阻特性,靈敏度特性:在一定磁場強度下的電阻變化率 ,即磁場電阻特性的斜率 。,隨著磁場的增加，電阻值減少，并且在磁通密度達數(shù)十到數(shù)百高斯即飽和 。,a) 電阻磁場特性,b) 磁場輸出特性,2.3.3磁敏傳感器-磁敏電阻,電阻溫度特性,電阻溫度特性,強磁磁阻元件的電阻

18、溫度特性曲線,常用恒壓方式。,3）典型應(yīng)用,磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場傳感器等 。,2.3.4電容傳感器,電容式傳感器: 以電容器為敏感元件，將機械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器,常見電容式傳感器,2.3.4電容傳感器-原理特性,（1）變極距型電容傳感器,平行極板電容傳感器結(jié)構(gòu),平行極板電容傳感器的特性,差動式變間隙型電容傳感器,電容量,S 極板的遮蓋面積，單位為m2； 極板間介質(zhì)的介電系數(shù)； 兩平行極板間的距離，單位為m； 0真空的介電常數(shù)，0 =8.85410-12 F/m； r 極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，對于空氣介質(zhì)，r 1。,2.3.4電容

19、傳感器-原理特性,（2）變面積型電容傳感器,通常有角位移式、直線位移式和圓柱同心式三種,2.3.4電容傳感器-原理特性,（3）變介電常數(shù)型電容傳感器-單組式平板形厚度傳感器,結(jié)構(gòu)示意圖,等效電路,a為固定極板長度 b為寬度 為兩極板間的距離 x為被測物的厚度 為介電常數(shù),電容量,2.3.4電容傳感器-原理特性,（3）變介電常數(shù)型電容傳感器-單組式平板形線位移傳感器,結(jié)構(gòu)示意圖,等效電路,電容量,2.3.4電容傳感器-原理特性,（3）變介電常數(shù)型電容傳感器-圓筒式液位傳感器,電容量,2.3.4電容傳感器-信號處理,（1）調(diào)頻電路,主要有振蕩電路、限幅電路、鑒頻電路和放大輸出電路等幾部分組成。,2

20、.3.4電容傳感器-信號處理,（2）運算放大電路,對輸入的檢測信號常采用反向輸入的運放電路，Cx為負反饋電容。,2.3.4電容傳感器-信號處理,（3）二極管雙T型交流電橋,電路結(jié)構(gòu),合成電流回路,2.3.4電容傳感器-信號處理,（4）脈沖寬度調(diào)制電路,電路各點波形分析,脈沖寬度調(diào)制電路,2.3.4電容傳感器-典型應(yīng)用,（1）電容式壓力傳感器,當被測壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時, 形成的兩個電容器的電容量, 一個增大, 一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。,2.3.4電容傳感器-典型應(yīng)用,（2）電容式加速度傳感器,電容式加速度傳感器的主要特點

21、是頻率響應(yīng)快和量程范圍大, 大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。,2.3.4電容傳感器-典型應(yīng)用,（3）電容式厚度傳感器,2.3.5電感式傳感器,電感式傳感器是通過位移、振動、壓力等被測量的變化，利用磁場作為媒介或鐵磁體的某些現(xiàn)象使線圈自感或互感發(fā)生變化，其主要特征是具有線圈繞組。,分類,2.3.5電感式傳感器-結(jié)構(gòu)原理,（1）可變磁阻式,基本類型有單線圈變氣隙型和差動變氣隙型兩種,差動變壓器式傳感器基本結(jié)構(gòu)形式和等效電路,2.3.5電感式傳感器-結(jié)構(gòu)原理,全波電壓輸出,半波電壓輸出,全波電流輸出,半波電流輸出,差動變壓器測量轉(zhuǎn)換電路常采用差動整流電路,2.3.5電感式傳感器-典型應(yīng)用,（1）軸

22、向電感測微儀,1測端 2密封套 3測桿 4鋼球?qū)к?5防轉(zhuǎn)銷 6測力彈簧 7線圈 8銜鐵 9固定磁筒 10引線電纜,2.3.5電感式傳感器-典型應(yīng)用,GDH型電感測微儀電路,2.3.5電感式傳感器-典型應(yīng)用,（2）電感式圓度計,1被測物 2耐磨測量端 3電感測頭,2.3.5電感式傳感器-典型應(yīng)用,（3）滾柱直徑分選裝置,1被測滾柱 2電磁擋板 3電感測端 4電感傳感器 5電磁翻板 6容器,24檢測技術(shù)-測量方法,（1）偏差式測量,測量過程中，直接以儀表的偏移量來表示被測量大小的測量方式稱偏差式測量。如用彈簧稱物體質(zhì)量等 。,（2）零位式測量,在測量過程中，被測量作用于儀表的比較裝置，并被比較裝

23、置中的標準量抵消，當測量系統(tǒng)達到平衡時，用已知標準量的值決定被測量的值，如天平測量物體的質(zhì)量，用電橋測量電阻值等。,（3）微差式測量,測量時，被測量作用于儀表的比較裝置，被測量的大部分被比較裝置中的標準量所抵消，然后再用類似于偏差式的方法來測出上述兩者比較結(jié)果的剩余差值。例如用不平衡式電橋測量電阻值的方法。,24檢測技術(shù)-測量方法,自動平衡電位差計,1滑線電阻 2電刷 3指針 4刻度尺 5傳動機構(gòu) 6放大器 7電機,24檢測技術(shù)-測量誤差,測量誤差：是指被測量值與真值之間的差異。,測量誤差的分類：,1）系統(tǒng)誤差,2）隨機誤差,3）疏失誤差,系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下，多次測量同一量時，大小和符

24、號均保持不變或按一定規(guī)律變化的誤差。系統(tǒng)誤差決定了測量的準確度。系統(tǒng)誤差越小，測量結(jié)果越準確。,在相同測試條件下多次測量同一量值時，絕對值和符號都以不可預(yù)知的方式變化的誤差，稱為隨機誤差或偶然誤差。隨機誤差決定了測量的精密度。隨機誤差越小，測量結(jié)果的精密度越高。,指在一定的測量條件下，測量值明顯偏離實際值所造成的測量誤差。由于粗大誤差明顯歪曲測量結(jié)果，所以應(yīng)將它剔除。,24檢測技術(shù)-測量誤差,測量誤差的來源,1）由于儀器的電氣或機械結(jié)構(gòu)不完善引起的誤差。,2）由于人們對儀器的安裝、調(diào)節(jié)、使用不當?shù)纫鸬恼`差。,3）由于測量者的分辨力、疲勞程度、固有習(xí)慣等引起的誤差。,4）由于依據(jù)的理論不嚴密或計算公式過于簡化等而導(dǎo)致的誤差。,5）由于受周圍溫度、壓力、濕度、電源波動、電磁場、光輻射、放射物等影響而產(chǎn)生的環(huán)境誤差。,減小系統(tǒng)誤差的方法是選擇更為合理的測量方法、使用精度更高的測