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1、传感器与自动检测学学习习目目标标技能目标能利用简单的光敏电阻、光敏三极管等元件，完成能利用简单的光敏电阻、光敏三极管等元件，完成光照度的测量和画出继电器的控制电路光照度的测量和画出继电器的控制电路 能利用霍尔式传感器完成相应参数的测量能利用霍尔式传感器完成相应参数的测量 能利用电涡流式传感器完成相应参数的测量能利用电涡流式传感器完成相应参数的测量知识目标理解光电元件的分类和工作原理理解光电元件的分类和工作原理 掌握光电传感器的应用电路掌握光电传感器的应用电路 理解和掌握霍尔传感器的工作原理、温度补偿方法和理解和掌握霍尔传感器的工作原理、温度补偿方法和应用应用 掌握电涡流式传感器的工作原理、测量
2、电路和应用掌握电涡流式传感器的工作原理、测量电路和应用项目5 速度与位移测量传感器与自动检测任务1 光电传感器测量转速5.1.1 5.1.1 光电效应光电效应 光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为E的光子的轰击，组成这种物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。知识链接传感器与自动检测（1）外光电效应外光电效应在光线作用下，能使电子逸出物体表面电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等，属于玻璃真空管光电器件。传感器与自动检测（1）外光电效应外光电效应在光线作
3、用下，能使电子逸出物体表面电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等，属于玻璃真空管光电器件。（2）内光电效应内光电效应 在光线作用下能使物体电阻率改变物体电阻率改变的现象称为内光电效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等，属于半导体光电器件。（3）光生伏特效应光生伏特效应在光线作用下能使物体产生一定方向电动势物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，也称阻挡层光电效应。基于该效应的光电器件有光电池等，属于半导体光电器件。传感器与自动检测5.1.2 5.1.2 光电器件光电器件1光电管 光电管由一个阴极和一个阳极构成，
4、并密封在一支真空玻璃管内。阳极通常用金属丝弯阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管中央；阴极装在曲成矩形或圆形，置于玻璃管中央；阴极装在玻璃管内壁上并涂有光电发射材料玻璃管内壁上并涂有光电发射材料。光电管的特性主要取决于光电管阴极材料。传感器与自动检测图5.1 光电管的外形、结构图5.2 光电管的结构图、原理图 当光照射在阴极上时，阴极发射出光电子，被具有一当光照射在阴极上时，阴极发射出光电子，被具有一定电位的中央阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。定电位的中央阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。在外电场作用下将形成电流在外电场作用下将形成电流I I，称为光电流，称为光电流。光电流的
5、大小与光电子数成正比，而光电子数又与光照度成正比。传感器与自动检测（1）伏安特性在一定的光照下，对光电管阴极所加的电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。图5.3光电管的伏安特性传感器与自动检测（2）光照特性当光电管的阴极与阳极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光照特性。图5.4光电管的光照特性传感器与自动检测（3）光谱特性 光电管的光谱特性通常指阳极与阴极之间所加电压不变时，入射光的波长（或频率）与其相对灵敏度之间的关系。它主要取决于阴极材料。阴极材料不同的光电管适用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率（即使光强度相同）的入射光，其灵敏度也不同。传感器与
6、自动检测光敏电阻是由具有内光电效应内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻器件。光敏电阻的材料一般由金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体组成。2光敏电阻传感器与自动检测（1）光电流光敏电阻在室温或全暗条件下测得的阻值称为暗电暗电阻阻（暗阻），通常超过1M，此时流过光敏电阻的电流称为暗电流暗电流。光敏电阻在受光照射时的阻值称为亮电阻亮电阻（亮阻），一般在几千欧以下，此时流过光敏电阻的电流称为亮电流亮电流。亮电流与暗电流之差称为亮电流与暗电流之差称为光电流光电流。光电流越大，光敏电阻的灵敏度就越高。但光敏电阻容易受温度的影响，温度升高，暗电阻减小，暗电流增加，灵敏度就要下降。传感器与自动检测当光敏电阻
7、受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）传感器与自动检测（2）光照特性在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性。光通量是光源在单位时间内发出的光量总和，单位是流明（lm）。图5.6光敏电阻的光照特性曲线传感器与自动检测（3）光电特性在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。图5.7某型号光敏电阻的光电特性传感器与自动检测（1）光敏二极管3光敏晶体管传感器与自动检测光敏二极管的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，其符号与接线方法如图5
8、.18所示。图5.9光敏二极管传感器与自动检测光敏二极管在没有光照射时反向电阻很大，暗电流很小；当有光照射时，在PN结附近产生光生电子-空穴对，在内电场作用下定向运动形成光电流，且随着光照度的增强，光电流越大。所以，光敏二极管在不受光照射时处于截止状光敏二极管在不受光照射时处于截止状态；受光照射时处于导通状态态；受光照射时处于导通状态。它主要用于光控开关电路和光耦合器中。用欧姆表检测时，先让光照射在光敏二极管管芯上，测出其正向电阻，其阻值与光照强度有关，光照越强，正向阻值越小；然后用一块遮光黑布挡住照射在光敏二极管上的光线，测量其阻值，这时正向电阻应立即变得很大。有光照和无光照下所测得的两个正
9、向电阻值相差越大越好。传感器与自动检测红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形红外发射管红外接收管传感器与自动检测PIN光敏二极管的工作电压高达100V左右，比普通的光电二极管光电转换效率高、灵敏度高、响应频率高，可用做光盘的读出光敏元件。特殊结构的PIN光敏二极管还可以用于测量紫外线、射线及短距离光纤通信用。传感器与自动检测 APD光敏二极管，又称雪崩光敏二极管，具有内部倍增放大作用，工作电压高达上百伏，工作频率达几千兆赫，非常适用于微光信号检测和长距离光纤通信等。传感器与自动检测（2）光敏三极管光敏三极管结构与一般三极管不同，通常只有两个PN结，但只有正负（C、E）两个引脚。它的外形与
10、光敏二极管相似，从外观上很难区别。光线通过透明窗口落在基区及集电结上，使PN结产生光生电子-空穴对，在内电场作用下做定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加。由于光照射发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，集电极电流是光电流的倍。因此光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高得多，但光敏三极管的频率特性比二极管差，暗电流也大。传感器与自动检测传感器与自动检测（a）光敏三极管图形符号（b）光敏达林顿三极管图形符号（c）光敏三极管图5.12光敏三极管符号传感器与自动检测 a)内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+衬底7N型集电区
11、8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结图5.13光敏三极管结构示意图传感器与自动检测光谱特性。光敏三极管对于不同波长的入射光，其相对灵敏度Kr是不同的。如图5.23所示为光敏三极管在三种波长下的光所对应的光谱特性曲线，由于锗管的暗电流比硅管大，故一般锗管的性能比较差。所以在探测可见光或赤热状态物体时，都采用硅管；但当探测红外光时，锗管比较合适。图5.14光敏三极管的光谱特性曲线图传感器与自动检测伏安特性。光敏三极管在不同照度Ee下的伏安特性与一般三极管在不同的基极电流时的输出特性一样，只要将入射光在发射极与基极之间的PN结附近所产生的光电流看做基极电流，就可将光敏
12、三极管看做是一般的三极管。光电特性。如图5.24所示为光敏晶体管的光电特性曲线，其输出电流I与照度E之间的关系可近似看做是线性关系。显然，光敏三极管的灵敏度高于光敏二极管。1光敏二极管光电特性；2光敏三极管光电特性图5.15光敏晶体管的光电特性曲线传感器与自动检测温度特性。温度特性是指温度与暗电流及温度与输出电流之间的关系。如图5.25所示为锗管的温度特性曲线。温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定；而暗电流随温度变化很大，所以应用时应在线路上采取温度补偿措施。图5.16光敏三极管的温度特性曲线传感器与自动检测光敏三极管的检测方法。用一块黑布遮住照射光敏三极管的光，选用万用表的Rk挡
13、，测量其两引脚引线间的正、反向电阻，若均为无限大时则为光敏三极管；拿走黑布，则万用表指针向右偏转到1530k处，偏转角越大，说明其灵敏度越高。传感器与自动检测4.光电池光电池能将入射光能量转换成电压和电流将入射光能量转换成电压和电流，它属于光生伏特效应元件，是自发电式有源器件。它既可以作为输出电能的器件，也可以作为一种自发电式的光电传感器，用于检测光的强弱及能引起光强变化的其他非电量。光电池的种类很多，其中应用最多的是硅光电池、硒光电池、砷化钾硅光电池、硒光电池、砷化钾光电池和锗光电池光电池和锗光电池等，具有性能稳定、频率特性好、光谱范围宽和耐高温辐射等优点。传感器与自动检测光敏面光敏面传感器
14、与自动检测能提供较大电流的大面积光电池外形传感器与自动检测其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩柔光罩下面为圆形光电池下面为圆形光电池传感器与自动检测在大面积的N型衬底上制造一P型薄层作为光照敏感面，就构成了最简单的光电池。当光照射在PN结上时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，它的内电场（N区带正电，P区带负电）使扩散到PN结附近的电子-空穴对分离，电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。传感器与自动检测（1）光谱特性光电池的相对灵敏度Kr与入射光波长之间的关系称为光谱特性。不
15、同材料光电池的光谱峰值位置是不同的，硅光电池的在0.451.1m范围内，而硒光电池的在0.340.57m范围内。在实际使用时，可根据光源性质选择光电池。但要注意，光电池的峰值不仅与制造光电池的材料有关，而且也与使用温度有关。图5.17光电池的光谱特性曲线图传感器与自动检测（2）光电特性硅光电池的负载电阻不同，输出电压和电流也不同。开路电压与光照度之间呈近似于对数的非线性关系。由实验测得，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好。当负载短路时，光电流在很大程度上与照度呈线性关系，因此当测量与光照度成正比的其他非电量时，应把光电池作为电流源使用；当被测非电量是开关量时，可以把光电池作为电压源使
16、用。1开路电压曲线；2短路电流曲线图5.18某系列硅光电池的光电特性传感器与自动检测（3）光照特性光生电动势U与照度Ee之间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee之间的特性曲线称为短路电流曲线。图5.19硅光电池的光照特性曲线传感器与自动检测（4）温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压U、短路电流I随温度t变化的曲线。图5.20光电池的温度特性传感器与自动检测5.1.3 5.1.3 光电式传感器光电式传感器光电式传感器是将光量的变化转变为电量变化的一种变换器，属于非接触式测量，其理论基础是光电效应。依据被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可以将光电传感器分为下述四种类型
17、：光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。传感器与自动检测恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数。恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数。恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸。传感器与自动检测1被测物；2光电元件；3恒光源；图5.21光电传感器的几种形式传感器与自动检测【任务1】在冷轧带钢厂中，带钢在某些工艺如连续酸洗、退火、镀锡
18、等过程中易产生走偏。在其他工业部门如印染、造纸、胶片、磁带等生产过程中也会发生类似的问题。带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成次品。实际中如何克服此种现象以提高产品的质量呢？任务与实施传感器与自动检测带材跑偏检测器带材跑偏检测器是用来检测带型材料在加工过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。当带材处于正确位置（中间位置）时，通过预调电桥平衡，使放大器输出电压Uo为0。如果带材在移动过程中左偏时，遮光面积减小，光敏电阻的光照面积增加，阻值变小，放大器输出Uo；若带材右偏，则遮光面积增大，光敏电阻的光照减弱，阻值变大，电桥失衡，放大器输出+Uo。输出电压
19、Uo的正负及大小反映了带材走偏的方向及大小。输出电压Uo一方面由显示器显示出来，另一方面被送到纠偏控制系统，作为驱动执行机构产生纠偏动作的控制信号。传感器与自动检测1被测带材；2卷取电动机；3卷取辊；4液压缸；5活塞；6滑台；7光电检测装置；8光源；9、10透镜；11光敏电阻R1；12遮光罩图5.22带材跑偏检测纠偏装置传感器与自动检测带材纠偏系统带材纠偏系统传感器与自动检测【任务2】在转速测量过程中，传统的机械式转速表和接触式电子转速表均会影响被测物的旋转速度，且被测旋转速度的大小也有一定的限制，不能很好满足自动化的要求。如何在不干扰被测物体转动的前提下实现高转速测量呢？光电式转速表光电式转
20、速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量转速。由于光电器件的动态特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不干扰被测物的转动。传感器与自动检测图5.23（a）所示为透光式，在待测转速轴上固定一带孔的调制盘，调制盘一侧由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管或光敏三极管组成的光电转换器上，并转换成相应的电脉冲信号，该脉冲信号经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速通过该脉冲频率测定。（a）透光式图5.23光电转速表原理图传感器与自动检测图5.23（b）所示为反射式，在待测转速的盘上固定一个涂有黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射信号，并可转换成电脉冲信号。（b）反射式
21、图5.23光电转速表原理图传感器与自动检测光电脉冲转换电路如图5.24所示。BG1为光敏三极管，当光线照射BG1时，产生光电流，使R1上压降增大，导致晶体管BG2导通，触发由晶体管BG3和BG4组成的射极耦合触发器，使Uo为高电位；反之，Uo为低电位。脉冲信号Uo可送到计数电路计数。图5.24光电脉冲转换电路传感器与自动检测n=60 f/N传感器与自动检测传感器与自动检测任务任务2 2 霍尔式传感器测量位移霍尔式传感器测量位移知识链接传感器与自动检测5.2.1 5.2.1 霍尔元件工作原理霍尔元件工作原理图5.25霍尔效应原理图传感器与自动检测 金属或半导体薄片置于磁感应强度为金属或半导体薄片
22、置于磁感应强度为B B的磁场中，的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流磁场方向垂直于薄片，当有电流 I I 流过薄片时，在垂流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势直于电流和磁场的方向上将产生电动势 E EH H，这种现象，这种现象称为霍尔效应称为霍尔效应。该电动势称为霍尔电动势霍尔电动势，半导体薄片称为霍尔霍尔元件元件。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器霍尔传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。传感器与自动检测传感器与自动检测霍尔电动势UH表示为：UH=KHIB式中，KH为霍尔元件的灵敏度。可知，霍尔电势与KH、I、B有关。当I、B大小
23、一定时，KH越大，UH越大。显然，一般希望KH越大越好。若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度时，此时的霍尔电动势为UH=KHIBcos传感器与自动检测 由于乘积灵敏度KH与半导体的电子浓度电子浓度和霍尔霍尔元件厚度元件厚度成反比，一般都是选择半导体材料做霍尔元件，且厚度选择得越小，KH越高，但霍尔元件的机械强度有所下降，且输入、输出电阻增加。因此，霍尔元件不能做得太薄。1、2控制电流引线端3、4霍尔电势输出端图5.26霍尔元件结构图传感器与自动检测（1）输入电阻Ri和输出电阻Ro5.2.2 5.2.2 霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数霍尔元件两激励电流端的直流电阻
24、称为输入电阻Ri，两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻Ro。Ri和Ro是纯电阻，可用直流电桥或欧姆表直接测量。Ri和Ro均随温度改变而改变，一般为几欧姆到几百欧姆。（2）额定激励电流I霍尔元件在空气中产生10的温升时所施加的激励电流值称为额定电流I。传感器与自动检测（3）最大激励电流IM由于霍尔电势随激励电流增加而增大，故在应用中，总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安到几十毫安。（4）灵敏度KHKH反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，单位为mV/（mAT）
25、。传感器与自动检测（5）不等位电势UM在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压为不等位电势。一般要求霍尔元件的UM1mV，优质的霍尔元件的UM可以小于0.1mV。在实际应用中多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。（6）霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和激励电流的作用下，温度每变化1时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数，它与霍尔元件的材料有关，一般为0.1%/左右，在要求较高的场合，应选择低温漂的霍尔元件。传感器与自动检测5.2.3 5.2.3 霍尔元件的测量电路及补偿霍尔元件的测量电路及补偿1基本测量电路图5.27霍尔元件的基本测量电路传感器与自动检测2温度补偿
26、的方法恒流源补偿法。温度的变化会引起内阻的变化，而内阻的变化又使激励电流发生变化以致影响到霍尔电势的输出，采用恒流源可以补偿这种影响。选择合理的负载电阻进行补偿。对一个确定的霍尔元件，可查表得到、和Ro值，再求得RL值，即只要合理选择RL使温度变化时RL上的电压UL维持不变，这样在输出回路就实现了对温度误差的补偿。传感器与自动检测利用霍尔元件输入回路的串联电阻或并联电阻进行补偿的方法。霍尔元件在输入回路中采用恒压源供电工作，并使霍尔电势输出端处于开路工作状态。此时可以利用在输入回路串入电阻的方式进行温度补偿。图5.28串联输入电阻补偿原理图5.29并联输入电阻补偿原理传感器与自动检测热敏电阻补
27、偿法。图5.30热敏电阻温度补偿电路传感器与自动检测3不等位电势的补偿在无磁场的情况下，当霍尔元件通过一定的控制电流I时，在两输出端产生的电压称为不等位电势不等位电势，用UM表示。不等位电势是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀或两个输出极接触不良等原因造成的。在使用中为了克服不等位电势，可以应用桥路原理对不等位电势进行补偿。图5.31不等位电势的桥式补偿电路传感器与自动检测5.2.4 5.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用当控制电流I、磁场强度B保持不变时，UH=f()，主要应用于角位移测量仪等。当控制电流I、保持不变时，则霍尔电动势与磁感应强度成正比，主要应用于高斯计、霍尔转速表、磁
28、性产品计数器、霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔加速度计、微压力计等。当保持不变时，传感器的输出正比于另外两个变量的乘积，主要应用于模拟乘法器、霍尔功率计、混频器等。传感器与自动检测1角位移测量仪角位移测量仪结构示意图如图示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电动势UH就反映了转角的变化。1极靴；2霍尔器件；3励磁线圈图5.32角位移测量仪结构示意图传感器与自动检测2霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性霍尔器件及磁路系统靠近齿盘，随着齿盘的转动，磁路的磁阻也发生周期性的变化，测量霍尔器件输出的脉动频率，该脉动频率
29、经隔直、放大、整形后，就可以确定被测物的转速。图5.33霍尔转速表示意图传感器与自动检测霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件测量铁心 气隙的B值传感器与自动检测霍尔转速表霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔元件线性霍尔元件磁铁磁铁传感器与自动检测霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口传感器与自动检测知识链接任务3 电涡流式传感
30、器测量位移传感器与自动检测电涡流传感器具有结构简单，频率响应范围宽，灵敏度高，测量范围大，抗干扰能力强等优点，特别是它可以实现非接触式测量，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到广泛的应用。应用电涡流式传感器可实现位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等多种物理量的测量，也可用于无损探伤。传感器与自动检测 金属导体被置于变化着的磁场中，或在固定磁场中运动时，导体内会产生感应电流，该感应电流被称为电涡流或涡流，这种现象被称为涡流效应。电涡流传感器就建立在这种涡流效应的基础上。图3.34电涡流传感器的工作原理图5.3.1 电涡流传感器的工作原理 传感器与自动检测5.3.2 电涡流传感器种类 在电涡流
31、传感器中，磁场变化频率越高，涡流集肤效应越显著，即涡流穿透深度愈小。所以，电涡流传感器根据激励频率高低，可以分为高频反射式或低频透射式两大类。1.高频反射式电涡流传感器图3.35高频反射式电涡流传感器传感器与自动检测 它由一个扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度漆包铜线或银线、铼钨合金绕制而成，用胶黏剂黏在框架端部或绕制在框架内。线圈框架常用高频陶瓷、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维、氮化硼和聚四氟乙烯等损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料。由于激励频率较高，对所用电缆与插头要充分重视。电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。因此，被测物体的物理
32、性质，以及它的尺寸和形状都与总的测量装置有关。一般被测物体的电导率越高，灵敏度也越高。磁导率则相反，当被测物为磁性体时，灵敏度较非磁性体低，而且被测体若有剩磁，将影响测量结果，因此应予消磁。传感器与自动检测2.低频透射式电涡流传感器图3.36低频透射式电涡流传感器 低频透射式与高频反射式的区别在于它采用低频激励，贯穿深度大，适用于测量金属材料的厚度。其工作原理如图5.36所示。低频透射式电涡流传感器有两个线圈，一个是发射线圈L1，在其上加入电压产生磁场。另一个是接收线圈L2，用以感应电动势。传感器与自动检测5.3.3 测量电路 根据电涡流传感器的基本原理可知，被测量的变化被传感器转化为等效阻抗
33、Z的变化。测量电路是把线圈阻抗Z的变化转换为电压或电流输出。1.调幅调频式测量电路 如图3.37所示为调频调幅式测量电路，由电容三点式振荡器、检波器和射极跟随器3部分组成。传感器与自动检测图3.37调频调幅式测量电路传感器与自动检测2.调频式测量电路 如图3.38所示，调频电路与变频调幅电路一样，将传感器线圈接入电容三点式振荡回路，但不同的是，它以振荡频率的变化作为输出信号。如欲以电压作为输出信号，则应后接鉴频器。传感器与自动检测图3.38调频式测量电路传感器与自动检测3.电桥电路 如图3.39所示为电桥法的原理图，图中线圈A和B为传感器线圈。图3.39电桥法原理图传感器与自动检测5.3.4
34、典型应用1测量位移和厚度当金属板的厚度变化时，传感器与金属板间距离改变，从而引起输出电压的变化。由于在工作过程中金属板会上下波动，这将影响其测量精度，因此常用比较的方法测量，在板的上下各安装一个电涡流式传感器，如图5.40所示，其距离为D，而它们与板的上下表面分别相距为d1和d2，这样板厚h为：传感器与自动检测图3.40板厚度检测当两个传感器在工作时分别测得d1和d2，转换成电压值后送加法器，相加后的电压值再与两传感器间距离D相应的设定电压相减，则就得到与板厚相对应的电压值。传感器与自动检测2电涡流式通道安全检查门安全检测门广泛应用于机场、海关、监狱、造币厂等重要场所，可以有效地探测出枪支、匕
35、首等金属武器及其它大件金属物品。安检门的密封门框内装有相互垂直的发射线圈和接收线圈，10kHz音频信号通过两支发射线圈产生交变磁场，六支接收线圈分布在门两侧的上、中、下部位，形成六个探测区。一旦有金属物品，就会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小和相位来判断金属物品的大小。传感器与自动检测1指示灯；2隐蔽的金属物体；3内藏式电涡流线圈；4X光及中子探测器图像处理系统；5显示器图5.41电涡流式通道安全检查门简图传感器与自动检测视觉传感器视觉传感器视觉检测系统通常是由计算机、视觉传感器与控制系统三大模块组成。视觉传感器的优势：在可用的检验备选方案中（即视觉系统、光电传感器、人工检验，
36、以及视觉传感器），视觉传感器通常因其精确性、易用性、丰富功能及合理成本而成为最佳选择。知识拓展传感器与自动检测1视觉传感器的基本原理光电传感器包含一个光传感元件，而视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素的功能。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。视觉检测一般基于三角法，由摄像机、光源跟被测物体构成测量三角，CCD相机把光源投射到被测物体表面的经过调制后的三维深度信息转换成二维图像传给计算机再经由图像处理、特征提取等恢复解调出被测物体的三维形貌信息。传感器与自动检测2视觉传感器的检测系统组成视觉传感器的控制电路（MCU）主要包括视频切换、电源供给和CAN通信接口三
37、个模块。电源供给电路模块提供CCD摄像机、激光投射器与MCU的电源，并且由MCU控制单元控制着它们的开启与关闭。为了避免激光投射器使用时间过长导致激光器（或普通照明光源）发热引起光能分布不稳或视觉传感器受热变形从而影响测量精度，以及延长投射器的使用寿命。当传感器开始测量时，先上电初始化，再打开激光器，测量完毕后即关闭光源电源。由于每个传感器里面含有一到两个CCD相机，而任一时刻传感器只能输出一路视频信号，因此需要视频切换开关对二路视频信号进行自动分时切换。传感器与自动检测3视觉传感器的实现方式视觉传感器是非接触型的。它是电视摄像机等技术的综合，是机器人众多传感器中最稳定的传感器。机器人的视觉传
38、感器有下述三种测量方式：直接处理电视摄像机所摄取的深浅图像亮度信息的处理方式即把原图像处理成微分图像的深浅图像处理方式。把深浅图像双值化再处理的方式。根据距离信息测量物体的开关和位置的方式。该方法采用的方案有三角测量法和利用两台电视摄像机的立体视觉法等多种方案。传感器与自动检测4视觉传感器的应用视觉传感器的应用很多，如监视机器人作业、精密地确定位置以便在集成电路片上进行焊接、引导机器人的移动、检查药片的缺陷等，这些都是典型的实用例子。机器人视觉在装配工作的重要程度近似为30%（包括搬运、进给、组装等），在自动检测中超过50%，在柔性制造系统中，机器人视觉在监控及柔性定向装置的支撑和插入控制中起到极其重要的作用。传感器与自动检测传感器与自动检测本章结束本章结束