5发电式传感器及其应用2010剖析.ppt

测试技术—— 发电式传感器及其应用(4),第五章,内容,压电式传感器 磁电式传感器 光电式传感器 固态图像传感器 霍尔传感器 热电偶传感器 红外探测器,1 压电式传感器,压电效应 外力作用下在压电材料表面产生电荷,等效电路 两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器 压电材料：石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等,电荷源 电压源,1 压电式传感器,结构形式 两片、四片压电材料串并联组成，提高灵敏度,并联接法： 电容量大、时间常数大，响应慢 测量缓变信号 适合电荷输出,串联接法： 电容量小、时间常数小，响应快 测量快变信号 适合电压输出,1 压电式传感器,测量 电荷易泄漏，适宜作动态测量 电荷测量：电荷放大器（电容反馈放大器） 如果放大器开环增益A足够大 uo≈-qe/Cf 电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关 电荷放大器的灵敏度取决于Cf——灵敏度的选择 常做高精度测量,加速度计 电缆 电荷放大器,,,,1 压电式传感器,测量 电荷测量：电荷放大器,1 压电式传感器,测量 电压测量：阻抗变换＋放大 压电传感器的内阻抗Ra很高，输出的信号微弱 测量电路 阻抗变换：低阻抗输出 微弱信号进行放大 连接电缆改变（长度、布线）Cc影响电压灵敏度值 电压灵敏度随被测信号频率而变 不可以用于静态测量、测量精度不高,电荷源 电压源,加速度计 电缆 阻抗变换、放大,,,ui,,1 压电式传感器,优缺点 优点 它具有很高的刚度，测量过程中变形甚小，是一种近乎理想的测力元件 尺寸与重量很小，可以小到只有零点几克，因而使用中对被测对象的附加质量小 固有频率高，可以高达数万赫兹，线性好 横向干扰小（最大不超过5%），可做成多向测力仪 响应快、灵敏度高、信噪比大、结构简单、性能可靠 缺点 调理特殊、不宜做静态测量 需经常校正灵敏度,1 压电式传感器,压电式压力传感器 测量方法——动态 电压测量：电压放大器——频率、电缆影响 电荷测量：电荷放大器——高精度测量,1 压电式传感器,压电式加速度传感器 结构 敏感元件：弹簧、质量 转换元件：压电元件 转换电路：电荷放大器、阻抗变换器,S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环 几种加速度传感器结构 (a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c)三角剪切型,1 压电式传感器,压电式传感器 内装IC 压电加速度传感器 内装微型IC-集成电路放大器 低阻抗输出，抗干扰，噪声小 性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量 稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气,灵敏度：100mV/g 量程：50g 频率范围：0.5-8000Hz（±10%) 安装谐振点:30kHz 分辨率：0.0002g 重量：8gm 线性：≤1% 输出偏压：8-12VDC 恒定电流：2-20mA 输出阻抗：＜150Ω 激励电压：18-30VDC,1 压电式传感器,压电加速度计安装 螺栓安装——可测量强振动和高频率振动 绝缘螺栓或者云母片绝缘相连 腊膜粘附 手持探棒与振动表面接触 磁铁座相连——常用、较小的振动测量 粘结剂连结,,1 压电式传感器,压电式传感器 阻抗头：同时给出同一个点动态加速度和力的传感器 机械阻抗：响应加速度/激振力 8770A5型阻抗头 量程 灵敏度 频率范围 加速度 ±5g 1000 mV/g 1Hz ~ 4kHz 力 ±5Ib 1000 mV/Ib,1 压电式传感器,2 磁电式传感器,电磁感应原理 N匝线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，感应出正比于运动速度的电压 磁通Ф变化率取决于： 磁场强度B ——固定 线圈运动速度 磁路磁阻 测量：磁电式传感器输出功率较大、零位及性能稳定 调理电路一般较简单 工作频率一般为10～1000Hz,分类 动圈式——线圈运动速度 磁场为常数 直线运动速度 变磁阻——磁路磁阻变化 齿圈和极轴组成的磁路中磁阻发生变化，其结果使磁通量周期性增减 感应电压取决：转速、探头端面距齿顶间隙 测量角速度或转轴的转速,2 磁电式传感器,磁电式速度传感器 绝对速度传感器 组成：磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼 线圈 壳体振动磁钢随之振动芯轴相对静止线圈切割磁力线线圈中感应电势 感应电势E=kV，式中k为取决于磁感应强度、线圈长度和匝数,V为绝对振动速度,2 磁电式传感器,磁电式速度传感器 绝对速度传感器 动态特性：二阶系统 固有频率应该尽可能低，但实现有很大困难 由于结构上的原因，固有频率一般取10～15Hz 工作频率：15～1000Hz 阻尼比：阻尼环产生磁阻尼力（0.5~0.7）,2 磁电式传感器,磁电式速度传感器 相对速度传感器 芯轴——顶杆——另一试件 壳体——顶杆：相对速度 输出电压：正比相对速度 测量频率：0～1kHz,2 磁电式传感器,磁电式转速传感器 变磁阻 输出：感应一个电势脉冲 可靠、稳定、有源传感器 不适应于低转速,,2 磁电式传感器,磁电式扭矩传感器,,,,2 磁电式传感器,光电效应 在光的照射下，激发物体的电子运动的现象 外光电效应：光能 光电流信号 电子逸出 内光电效应 改变导电性能,3 光电式传感器,光敏三极管,光电器件 光电发射器件：光电管、光电倍增管 半导体光电器件 光敏电阻、光敏二极管——材料的电阻随光照强度的增加而减小 光电池——电流源：材料硒、硅、锗等,受光照产生光电动势 光敏晶体管——光线通过孔到达PN结，获得较大的集电流输出,光敏二极管,3 光电式传感器,光电器件应用 几种设计方式,3 光电式传感器,光电式转速传感器 测量原理 通过敏感元件来检测光通量的强弱，从而产生与被测轴转速成比例的电脉冲信号 实际应用 反射式光电传感器 透射式光电传感器 优点 测速范围可达每分钟几十万转 对被测轴无干扰,3 光电式传感器,反射式表面粗糙度光电传感器 测量原理 敏感元件检测表面反射光通量的强弱，以反映其表面光滑的程度 实际应用 工件表面缺陷或粗糙度检查,3 光电式传感器,光电耦合器 组成：发光元件与光敏元件封装——光－电转换 优点：无机械触点、噪音低、执行动作快、体积小、寿命长 分类：光电隔离器和光电开关,3 光电式传感器,光电隔离器 组成：发光二极管LED和光敏晶体管 优点：LED辐射能量能有效地耦合到光敏晶体管 应用 输入、输出端隔离——解决信号传输中多地问题 电平转换 提高驱动能力以及抗干扰能力,3 光电式传感器,光电开关 组成：发光二极管LED被测体调制光敏晶体管 分类 对射式 反射式 用途：计数、有无,3 光电式传感器,,,,CCD图像传感器 CCD（Charge Coupled Device）——电荷耦合器件 CCD 组成：类似马赛克的网格——MOS电容器、聚光镜片以及底层的测量矩阵 MOS（Metal Oxide Semiconductor）电容器——像素、像点、感光点 构成：在P－Si衬底上淀积金属而构成的一只电容器 工作原理：在光照射下，感光小单元积聚光生载流子——电荷,4 图像传感器,CCD图像传感器 CCD功能：根据光的强弱积聚相应的电荷，由测量矩阵读出 分类：线型、面型或圆型 CCD厂商：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji,线型CCD传感器 1－CCD转移寄存器 2－转移控制栅 3－积蓄控制电极 4－PD阵列（1728） SH－转移控制栅输入端 RS－复位控制,4 图像传感器,CMOS图像感光器 CMOS（Complement Metal Oxide Semiconductor）——互补金属氧化物场效应 CMOS经加工可以作为图像传感器 ——每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成 CCD难以比拟的优势：单一电源运作（省电、标准生产、便宜） 缺点：信噪比差、敏感度不够——比CCD传感器低10倍感光度 应用：图像输入设备 电脑、笔记本电脑、掌上电脑、扫描仪、数码相机、摄像机、指纹认证等,900万像素CMOS,4 图像传感器,铝板宽度的自动检测,,组成 两个CCD线型传感器1、2 测量L1、 L2，已知Lm  L 传感器3＋激光源：补偿由于板厚变化而造成的测量误差 对于2m宽的热轧板，最终测量精度可达板宽的土0.025％。

4 图像传感器,二维零件尺寸检测,二维零件尺寸的检测,CCD摄像机：零件轮廓形状扫描 零件的轮廓形状的可重构 零件的各部分尺寸的计算,4 图像传感器,三角法测量,4 图像传感器,轮廓测量 原理： 激光X平面光幕轮廓线反射光幕2维CMOS阵列信号处理器剖面图形(X为轮廓线的长度，Z为轮廓线的高低) 通过移动被测物体或传感器3 D,4 图像传感器,机器人视觉系统 组成：机器手＋ CCD图像传感器 功能 识别目标 空间定位 引导机器手 处理目标（分类、搬运和装配）,4 图像传感器,压电式传感器 压电效应：力电荷 结构形式（串、并联）、测量电路（电压、电荷测量） 应用：加速度计、安装 磁电式传感器 电磁感应：磁通变化圈回路产生感应电势 变磁通方法：线圈运动、磁阻变化 应用：（绝对/相对）速度传感器、转速传感器 光电式传感器 光电效应：外光电效应、内光电效应 几种设计方式：转速、表面测量、光电开关 图像传感器 CCD、CMOS优缺点 应用：三角法测量——形状检测,回顾,霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势——霍尔电压 霍尔电压UH与通过电流I和磁感应强度B成正比 d越小，kH就越大（薄膜霍尔元件d为1μm左右）,5 霍尔传感器,霍尔元件 N型半导体材料：锗、硅、锑化铟、砷化铟 特性 尺寸小、特别是厚度很小，可以放到磁场的空隙中，因而很方便； 输出信号大，灵敏度可达12mV/mA-T 输出电阻小，只有0.5~100欧姆 建立霍尔电势的时间极短（10-12~10–14s），高频测量 应用 直接测量：磁场B、电流I 间接测量：位移、厚度、重量、转速,5 霍尔传感器,开关型霍尔传感器 原理 在传感器内用稀土磁钢给霍尔器件建立初始磁场——磁偏置 传感器前面有铁磁物体时，引起该磁场发生变化 霍尔器件检测、转换成一个交变信号，内置电路进行放大、整形，输出,开关型霍尔传感器OCH41 输入频率：0～20KHz 输出信号：0～20V矩形脉冲 工作电源：12V ～24VDC/20mA 推荐安装间隙0.8～1.2 mm,5 霍尔传感器,,霍尔式转速传感器 测转速、流速,5 霍尔传感器,开关型霍尔传感器 测位置——发动机曲轴位置检测 飞轮上有12个槽，4个槽为一组，分为三组，每组相隔120°，每组中的每个槽也相隔20° 飞轮上每组槽通过传感器时，传感器将产生四个脉冲信号 每组信号，可被ECU用来确定两缸活塞的位置——各个缸活塞接近上止点的时刻 控制喷油和点火,5 霍尔传感器,触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器,霍尔电流传感器 结构：带有缝隙的环形电磁铁+霍尔元件 原理：电磁铁缝隙中磁场大小与通入电流成正比——霍尔元件检测 漏磁影响消除：第二个线圈的连接方式是使得它的磁场对抗第一个线圈的磁场作用。

合成的磁感应强度则用一霍尔传感器来探测 磁场强度——霍尔电压——调节电流I2——0磁场——I2=N1/N2.I1,5 霍尔传感器,N1Il＝N2I2,霍尔式损伤检测 结构：永久磁铁+钢丝绳+霍尔元件 原理：钢丝绳中的断丝会改变永久磁铁产生的磁场 霍尔元件检测磁场变化，产生一个脉动电压信号——断丝根数及断丝位置,霍尔效应钢丝断丝检测装置 1—钢丝绳 2—霍尔元件 3—永久磁铁,5 霍尔传感器,热电效应 当不同材料的两导体Ａ和Ｂ的两个结点处温度不同时，则回路中产生热电势 接触电势：接触点电子密度不相同而形成的电位差eAB（t） 温差电势：金属导体两端温度不同而可产生的热电势eA（t,t0）——等温时为零 热电偶回路热电势 eAB（t,t0）——金属A和温度t分别表示热电偶的正极和测量端,后面的金。