第2章传感器.

第2章传感器2.1传感器概述2.1.1传感器的作用及组成1．传感器是一种能感知某一被测量（物理的、化学的或生物的信息），并能将被测信息变换成与之相对应的其他量（电量、光学量、机械量等）的器件或装置。2．传感器通常由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成敏感元件直接感受或响应被测量的部分；转换元件将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。直接转换型传感器能能够将非电量信号直接转换成电信号传感器。间接转换型传感器不能将非电量信号直接转换成电信号的传感器。2.1.2传感器分类1．传感器有三种比较常用的许多分类：（1）按传感器的工作原理可划分为：电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器等。（2）按被测物理量来分，常见的有：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。（3）按传感器输出信号的性质分类，可分为输出为开关量（“1”和“0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟信号的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。机械量力、力矩、位移、长度、厚度、速度、加速度、角度、角速度、质量、重量、振动等。热工量温度、热流量、压力、真空度、流量、流速、液位、物位、湿度、露点、水分等。光照度、光强度、颜色、光位、光位移、紫外线、红外线、X射线等。声音压、噪声、音波等。磁磁通、磁场、磁导率、磁阻等。气体成分、浓度等。放射线辐射计算率、辐射计量、反射线种类等。化学量纯度、离子、离子浓度、成分、pH值、粒度、黏度、比重等。生物及医学量心音、心压、血流速度、脉搏、血流冲击量、血中气体成分、体温、细胞种类、尿素、血中蛋白、肌肉张力、酶、脑压等。电量电流、电压、频率、功率、电场、电位、电荷、阻抗、迁移率、电磁波等。2.1.3对传感器的主要技术要求（1）在输入、输出信号间应有一定的函数关系（经常是单值直线性的）；（2）一定的灵敏度、精确度和响应速度；（3）特性曲线具有重复性和随时间的稳定性；（4）作用的方向性；（5）少受外界因素如温度、倾斜、振动、湿度、电磁场等的影响；（6）在周围有化学腐蚀性介质情况下工作稳定；（7）对机械、热、电有一定的过载能力；（8）结构简单、加工经济、维修方便；（9）不应有损于操作人员的身体健康和周围材料寿命；（10）防火、防爆性能好。2.1.4不同领域使用的传感器领域传感器种类应用目的民用设备温度、湿度、露点、光、磁性、气体、液位、流量、重量、压力、振动、污染、含氧量、红外线、放射线方便、舒适、安全、卫生节能、提高生活质量汽车温度、压力、位移、转速、流量、液位、转矩、振动、气体、露点、车速、方位、照度方便、舒适、提高性能、安全节能、自动化、减少污染2.1.4不同领域使用的传感器领域传感器种类应用目的工业仪器仪表湿度、温度、压力、流量、液位、速度、pH值、成分、气体、重量、放射线、形状、位移、转速、超声波、磁性自动化、节省人力、生产工艺合理化、高产、优质、安全管理、防止公害、节能防灾、防盗气体、火焰、烟、温度、地震、漏水、防止闯入、红外线、振动、超声波、放射线安全性、防止灾害、防盗2.1.4不同领域使用的传感器领域传感器种类应用目的保健、医疗温度、超声波、光、放射线、磁性、红外线、血压、血流、血栓检查、心电图、身长、体重、成分机电化、自动化、防止残废及老年化政策、远距离诊断、人工脏器、环境卫生农林、水产温度、湿度、气体、霜、日照、照度、pH值、成分、形状、重量、超声波、红外线自动化、高产优质、节省人力、园艺设施、探测鱼群、保鲜、提高抗病抗灾能力2.1.4不同领域使用的传感器领域传感器种类应用目的海洋、气象温度、湿度、风向、风力、气压、雨量、盐分、潮位、波高、日照、浊度自动检查、遥测、环保资源能源磁性、光、红外线、重力、超声波、地震波、放射线探矿、局部能源利用2.1.5用于机器人的传感器感觉测量对象传感器视觉目标有无光电传感器尺寸图像传感器图像图像传感器、电视摄像器一维位置电视摄像器距离超声波传感器、电视摄像器颜色加滤光器的光电传感器材料等级辐射线、超声波2.1.5用于机器人的传感器感觉测量对象传感器触觉有无接触触觉传感器压力压电元件力应变片滑动振动传感器（压电元件）硬度加应变片的弹簧形状压电元件阵列家用实施需用传感器空调设备温度传感器、湿度传感器、除霜传感器、压力传感器、气体传感器、气流传感器全自动洗衣机烘箱温度传感器、湿度传感器、水位传感器、压力传感器、漂洗传感器、清洁传感器、衣物数量传感器电炊炉温度传感器、湿度传感器、重量传感器、红外线传感器、烹调传感器、气体传感器、味觉传感器遥控装置视觉传感器、超声传感器2.1.6家用设施所需传感器家用实施需用传感器磁带录像机摄像机视觉传感器、磁传感器、温度传感器、超声传感器、湿度传感器气体/油料燃烧设备湿度传感器、缺氧传感器、流量传感器、压力传感器、气体传感器、火焰传感器制冷/加温设备洗碟机真空吸尘器温度传感器、湿度传感器、气体传感器、压力传感器、流量传感器、空气流量传感器、熵传感器2.1.6家用设施所需传感器2.2机械量传感器机械量包括力、力矩、位移、长度、厚度、速度、加速度、角度、角速度、质量、重量、振动等。2.2.1压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器，又称为自发电式传感器或电势式传感器。压电传感器的工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。常见的压电材料石英晶体、人工合成的多晶体陶瓷（如钛酸钡、钛酸铅等）。压电传感器体的优点体积小、重量轻、结构简单、工作可靠。适用范围内不适用于测量频率太低的被测量，更不能测量静态量。目前压电传感器多用于加速度和动态力或压力的测量。除此之外，由于压电传感器是一个典型的机-电转换元件，它在超声波、水声换能器、拾音器、传声器、滤波器、延时线、压电引信、煤气点火器等方面的应用已很普遍。2.2.2电感式接近传感器（1）电感式接近传感器工作原理图电感式接近传感器通常是一组高频振荡电路，检测敏感元件为感应线圈。在检测线圈的工作面上存在一个交变磁场，当被测金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱以至停振，振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。而从振荡到停振的幅度变化经过检波电路可以得到变化的交流信号，将此信号经放大电路或整形电路变换，即可得到理想的输出信号测出接近物体的厚度和距离。电感式接近传感器信息处理逻辑图电感式接近传感器流水线计数测量2.2.3光栅位移传感器光栅位移传感器测量精度高（分辨率为0.1m）、动态测量范围广[（0～1000mm）]，可进行无接触测量，而且容易实现系统的自动化和数字化，通过改进光路设计，获得高倍数光学细分，再配以高倍数的电子细分技术，可以实现纳米级的位移测量分辨率，广泛地应用于超精加工、精密检测等领域，如超精加工机床、加工中心、三坐标测量机（CMM），等等。1．光栅光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100条线，精密光栅能够达到万条线以上。2．莫尔条纹两块栅距相等的光栅平行安装，并且让它们的刻痕之间有较小的夹角，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹的两个重要的特性：（1）当指示光栅不动，主光栅向左右移动时，莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。（2）莫尔条纹有位移的放大作用。当光栅沿着与刻线垂直的方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距D。当两个等距光栅的栅间夹角较小时，主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大系数。角越小，莫尔条纹的放大倍数越大。3．位移传感器工作原理主光栅与被测物体相连或安装在移动物体上，当主光栅产生位移时，莫尔条纹随着产生KW位移，这时光电接收器件记下莫尔条纹通过某固定点的数目，换算出主光栅移动的距离即得出了被测物体的位移量。莫尔条纹移动图和双光电接收器光栅波输出波形图圆光栅编码器将光栅等距离刻在圆形码盘上，构成一个圆形光栅编码器，通过光电转换可将转动轴的转动量转换成相应的电脉冲或数字量，获得精确的转动角位移，并输出给相应的计算机系统或数字仪表实现精密测量和自动控制。一圈的信号2.3热工量传感器温度、热辐射、热流、湿度等热学量都是和人类的生活环境有着密切关系的物理量。自古以来，这方面的许多测量方法已经得到普及，但是直到今天仍在不断地研究开发新型传感器。而且很多现象都有显著的温度效应，因此与温度有关的各种新型传感器不断被开发出来并得到应用。2.3.1集成温度传感器集成传感器是不仅仅是一个简单的传感器，还将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，同时具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，使体积、成本、价格降低，可靠性高、批量生产一致性好。3．集成温度传感器应用举例DS1820单线数字集成温度传感器具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易搭配微处理器等优点，特别适合构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS1820都有唯一的产品号并可存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂任意多个DS1820芯片。DS1820温度和数字量对应关系温度（℃）输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H1/21111111111111111FFFFH在正常测温情况下，DS1820的测温分辨率为0.5℃2.4光传感器光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器件，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光是一种频率很高的电磁波。可见光的波长范围约为（0.38～0.76）m；红外光波长为（0.76～1000）m、紫外光波长为（0.4～0.0005m）。红外光波段具有的特征是热辐射，紫外光波段具有的特征是荧光效应。2.4.1光电式传感器1．光电式传感器优点光电式传感器简称光电器件，由于光电式传感器反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、可靠性好、分辨率高，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，所以在现代测量和控制系统中，应用非常广泛。2．光电效应指一些金属、金属氧化物、半导体材料在光的照射下释放电子的现象。3．光电效应可分为两类：如果在光的作用下物体中的电子能从物体表面逸出的，叫做外光电效应或光电反射效应；如果在光的作用下所释放的电子不从物体表面逸出，只在物体内部运动，并使其电特性发生变化，这种现象叫做内光电效应。1．光电管和光电倍增管（1）光电管由一个阴极K和一个阳极A组成，阴极K表面涂有光电材料，和阳极A共同封装在一个真空玻璃泡内。当有光照射阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流I，该电流I及负载电阻RL上的电压将随光照的强弱而变化，从而将光信号转变为电信号。（2）光电倍增管。当入射光很微弱时，不易被检测，误差也大。为了提高灵敏度，常用光电倍增管对光电流进行放大。2．光敏器件光敏器件能将光照的变化转换成电信号的元件，它们都是用半导体材料制成的，属于半导体传感器。光敏器件的工作原理都是基于内光电效应的。光敏器件的种类常见的光敏器件有：光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管（光敏晶体管）、光控晶闸管、光敏开关管等。3．光电池直接将光能转换为电能的光电器件光电池的工作原理示光电池是一个大面积的PN结。当光照射到PN结上时，便在PN结的两端产生电动势（P区为正，N区为负），称为PN结的光生伏特效应。光电池的种类：硒光电池、氧化亚铜光电池、锗光电池、硅光电池、磷化砷光电池等。硅光电池优点：稳定性好、光谱范围宽、频率特性好、换能效率高、耐高温辐射等一系列优点。硅