常用传感器与敏感元件PPT.ppt

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1、第三章第三章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件 传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节。要环节。被测机械量被测机械量与之相应的易于传输、识别、与之相应的易于传输、识别、处理的电信号的装置处理的电信号的装置转化为转化为 完成本章内容的学习后应能做到：完成本章内容的学习后应能做到：1.了解各种传感器的工作原理、测量电路、特性和应了解各种传感器的工作原理、测量电路、特性和应用实例；根据被测物理量的特点较合理选用传感器。用实例；根据被测物理量的特点较合理选用传感器。2.重点了解常用传感器的检测方法，关注其它传感检重点了解常用传感器的检测方法，

2、关注其它传感检测方法（包括化工、生物等领域），拓宽获取信息的测方法（包括化工、生物等领域），拓宽获取信息的思路。思路。难点：难点：合理选用传感器。合理选用传感器。第三章第三章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件 一、传感器技术发展史一、传感器技术发展史1、产业革命、产业革命2、传感器技术已成为我国国民经济不可或缺的支、传感器技术已成为我国国民经济不可或缺的支柱产业的一部分。柱产业的一部分。3、传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术、传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与

3、通信技术、计算机技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。构成信息产业的三大支柱之一。第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类 4、借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感、借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。官获取的信息。5、从八十年代起，逐步在世界范围内掀起了一股、从八十年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热传感器热”。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。每国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生余家。每国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家产厂家1000余家，日本有余

4、家，日本有800余家。余家。第三章第三章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件 二、传感器的作用二、传感器的作用 从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。一般也称传感器为变换器、换换成电信号的装置。一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。分析、记录或显示等。在一个自动化系统中，首先要能检测到信息，才在一个自动化系统中，首先要能检测到信息，才能去进

5、行自动控制，因此传感器是首当其冲的装置。能去进行自动控制，因此传感器是首当其冲的装置。三、传感器的组成三、传感器的组成传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成。传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。一般把信号调理与转换电路归为辅助器件一般把信号调理与转换电路归为辅助器件 V例：例：智能传感器智能传感器 具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断环境适

6、应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。的功能。四、常用传感器的分类四、常用传感器的分类位移传感器位移传感器 力传感器力传感器温度传感器温度传感器 按被测量按被测量机械式机械式 电气式电气式光学式光学式 流体式流体式 按工作原理按工作原理物性型：例：压电式物性型：例：压电式结构型：例：电容式结构型：例：电容式按信号变换特征按信号变换特征 按输出信号按输出信号 模拟式模拟式 数字式数字式 物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。性质的变化来实现信号的检测。结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的结构型传感器，则是通过传

7、感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。变化来实现信号转换的。能量转换型：能量转换型：直接由被测对象输入能量，直接由被测对象输入能量，如：如：热电偶温度计热电偶温度计 直接测量，易误差直接测量，易误差 也称无源传感器也称无源传感器 能量控制型：能量控制型：从外部供给辅助能量，从外部供给辅助能量，如：如：电阻应变计中电阻接于电桥上电阻应变计中电阻接于电桥上 也称有源传感器也称有源传感器按敏感组件与按敏感组件与被测对象之间的被测对象之间的能量能量关系关系主要发展动向：主要发展动向：一是开展基础研究，一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺。重点研究传感器的新材料和新工艺。二是实现传感器的智

8、能化二是实现传感器的智能化 五、传感器的发展方向五、传感器的发展方向(1)用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种(2)用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。作。(2)传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。(3)发展智能型传感器。发展智能型传感器。第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器 敏感组件敏感组件：弹性体弹性体 输入输入：力，压力，温度等力，压力，温度等 输出输出：弹性组件本身的变形弹性组件本身的变形 特点特点：简单、可靠、使用方便，价低，简

9、单、可靠、使用方便，价低，读读 数直观；但固有频率低数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜：适宜：检测缓变或静态被测量检测缓变或静态被测量 敏感元件：直接感受被测物理量敏感元件：直接感受被测物理量弹性后效：弹性后效：是指载荷在停止变化之后，弹性元件在一是指载荷在停止变化之后，弹性元件在一 段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移蠕变：蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随固体材料在保持应力不变的情况下，应变随 时间缓慢增长的现象时间缓慢增长的现象a)测力计测力计b)压力计压力计c)温度计温度计图图 微型

10、探测开关微型探测开关可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器位移位移电阻变化电阻变化 被测量被测量 -电阻变化电阻变化转化为转化为电阻传感器电阻传感器 变阻器式变阻器式 电阻应变式电阻应变式 直线位移型传感器直线位移型传感器 角位移型传感器角位移型传感器 非线性型非线性型 金属电阻应变片金属电阻应变片 半导体应变片半导体应变片 丝式丝式 箔式箔式 直线位移型直线位移型 灵敏度：灵敏度：输入：输入：x(位移位移)输出：输出：R(电阻电阻)测：直线位移测：直线位移 角位移型角位移型 输入：

11、输入：角位移角位移 输出：输出：阻值阻值R 测：角位移测：角位移 非线性型非线性型 骨架按要求定骨架按要求定 若被测量：若被测量：要求：为使输出的阻值：为使输出的阻值：骨架当触点在骨架当触点在x处时：处时：任一位置微小区间内的电阻任一位置微小区间内的电阻 所以所以:骨架形状应为三角形骨架形状应为三角形 后接电路：后接电路：电阻分压电路电阻分压电路时 变阻器式传感器的优点变阻器式传感器的优点：简单、性能稳定、使用方便简单、性能稳定、使用方便缺点缺点：分辨力低，分辨力低，20微米，微米，噪音较大噪音较大应用：应用：测线位移，角位移测线位移，角位移 电阻式传感器电阻式传感器应用应用案例案例1 1：重

12、量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备设定值原材料比较原理：用弹簧将力转换为原理：用弹簧将力转换为位移位移;再用变阻器将位移转再用变阻器将位移转换为电阻的变化换为电阻的变化二电阻应变式传感器二电阻应变式传感器 应用：应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等测应变、力、位移、加速度、扭矩等 特点：特点：体积小、动态响应快、精度高、使用方便体积小、动态响应快、精度高、使用方便（一）金属电阻应变片传感器（一）金属电阻应变片传感器 工作原理：工作原理：应变片发生机械变形时应变片发生机械变形时引起电阻值变化引起电阻值变化应变片工作时：应变片工作时：粘固在被测物表面上或弹性体上粘固在被测物表面上或弹性

13、体上丝式丝式 箔式箔式 丝式丝式：康铜或镍铬合金康铜或镍铬合金直径直径0.025mm几何参数：几何参数：栅长栅长L和和栅宽栅宽b，制造厂常用制造厂常用bL表示。表示。箔式箔式：线条均匀，尺寸准确，粘结情况好，线条均匀，尺寸准确，粘结情况好，传递试件应变性能好传递试件应变性能好 工作原理：工作原理：弹性模量弹性模量纵向应变纵向应变 电阻丝泊松比电阻丝泊松比压阻系数压阻系数与材质有关与材质有关灵敏度：灵敏度：Sg=1.73.6：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的 对于电阻丝：对于电阻丝：金属

14、应变片有：金属应变片有：丝式、箔式丝式、箔式 优点：优点：稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好 缺点：缺点：灵敏度系数小灵敏度系数小（二）半导体应变片（二）半导体应变片工作原理工作原理：半导体材料的压阻效应：半导体材料的压阻效应压阻效应压阻效应：单晶半导体材料在单晶半导体材料在 沿某一轴向受到外力作用时，沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率其电阻率 发生较大变化发生较大变化 对半导体：对半导体：很小，可略去很小，可略去 灵敏度灵敏度：较金属丝电阻应变片大较金属丝电阻应变片大50705070倍倍 金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：前者利用导体前者利

15、用导体形变形变引起阻值的变化，引起阻值的变化，后者利用半导体后者利用半导体电阻率变化电阻率变化引起阻值的变化。引起阻值的变化。半导体应变片优点：半导体应变片优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小 缺点：缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大（晶向、杂质 等因素影响），非线性误差大（三）电阻应变式传感器的应用（三）电阻应变式传感器的应用 1.1.直接测结构的应变或应力直接测结构的应变或应力a)齿轮轮齿弯矩测齿轮轮齿弯矩测量量b)飞机机身应力测量飞机机身应力测量c)立柱应力测量立柱应力测量d）桥梁应力测量）桥梁应力测量a)齿轮轮齿弯矩测量齿轮轮齿弯矩测量b)飞机机身应力测量飞机机身应力测量c)

16、立柱应力测量立柱应力测量d）桥梁应力测量）桥梁应力测量2.2.将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、3.3.加速度等加速度等 弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由 转转变为变为 的变化的变化，再由后续电路转变为电压的变化再由后续电路转变为电压的变化注意：注意：1 1）应变片的粘接）应变片的粘接 粘合剂的选择与粘合技术粘合剂的选择与粘合技术 2 2）温度的影响，温度补偿）温度的影响，温度补偿 采取适当的温度补偿措施采取适当的温度补偿措施 3 3）用于动态测量时，要注意应变片的上限）用于动态测量时，要注意应变片的

17、上限 测量频率测量频率 一般上限测量频率应在电桥激励电源频一般上限测量频率应在电桥激励电源频 率的五分之一至十分之一以下率的五分之一至十分之一以下 基长越短，上限测量频率可以愈高基长越短，上限测量频率可以愈高 应用应用案例案例1 1：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理：原理：在桥中设置一三角形障碍物在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率变形，得到桥梁固有频率。案例案例2 2：电子称电子称原理：原理：将物品重量通过悬将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过臂梁转化结构变

18、形再通过应变片转化为电量输出。应变片转化为电量输出。n应变片有如下的优点：应变片有如下的优点：测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测1 122，误差小于误差小于1 1。应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量态测量，又可用于动态测量 测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。

19、变形范围可从可从1 12 2。适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。等恶劣环境下使用。便于多点测量、远距离测量和遥测。便于多点测量、远距离测量和遥测。价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量各价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量各种物理量。种物理量。一、变换原理一、变换原理:被测量被测量电容量的变化电容量的变化（一）极距变化型（一）极距变化型 1.工作原理：工作原理：第四节第四节 电容式传感器电容式传感器固定固定，变变 极距变化型极距变化型 固定固定，变变 A 面积面积

20、固定固定，变变 介质介质 2.2.特点：特点：非接触动态测量非接触动态测量,灵敏度高灵敏度高,测较小位移（达测较小位移（达0.01 )0.01 )线性误差，杂散电容对灵敏度及测量精度的影响，电子线路复杂；线性误差，杂散电容对灵敏度及测量精度的影响，电子线路复杂；灵敏度：灵敏度：存在线性误差，故一般存在线性误差，故一般：实际应用时：差动式实际应用时：差动式(二二)面积变化型面积变化型 角位移型角位移型 平面线位移型平面线位移型 圆柱体线位移型圆柱体线位移型面积变化型传感器的特点：面积变化型传感器的特点：灵敏度较低灵敏度较低 适：适：较大直线位移及角位移的测量较大直线位移及角位移的测量 (三三)介

21、质变化型介质变化型 变变 C C 变变 测量电介质的厚度测量电介质的厚度(图图a)、位移、位移(图图b)、液位、液位(图图c)，还可，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量变来测量温度、湿度、容量(图图d)等等。二、测量电路二、测量电路1.电桥型电路电桥型电路2.直流极化电路直流极化电路3.谐振电路：谐振电路：4.调频电路调频电路5.运算放大器：运算放大器：电容式传感器电容式传感器应用应用案例案例1 1：电容传声器电容传声器 案例案例2:2:转速测量转速测量第五节第五节 电感式传感器电感式传感器1 1、自

22、感型自感型(一一)可变磁阻式可变磁阻式原理原理：线圈自感量：线圈自感量：电感式传感器电感式传感器 自感型自感型(L):可变磁阻式可变磁阻式 涡电流式涡电流式 互感型互感型(M):当当 较小，较小，且不考虑磁路的铁损，且不考虑磁路的铁损，因：因：铁心磁阻铁心磁阻 空气隙的磁阻空气隙的磁阻灵敏度灵敏度 所以存在线性误差所以存在线性误差 时时：故：故：当固定当固定 ，改变改变 变变 L 变变 位移传感器位移传感器 变化过程：变化过程：机械量机械量 变变 L 变变 此传感器适此传感器适：测较小位移，约为测较小位移，约为 0.0011 mm其它几种常用的可变磁阻式传感器：其它几种常用的可变磁阻式传感器：

23、1.1.面积变化型面积变化型机械量机械量 S:较低较低 2.2.差动型：差动型：初始状态：初始状态：x=0 当当 将两线圈接于电桥的相邻桥臂，将两线圈接于电桥的相邻桥臂，输出灵敏度输出灵敏度 提高一倍，并改善了线性特征提高一倍，并改善了线性特征 差动连接：差动连接：3.3.单螺管型：单螺管型：灵敏度低灵敏度低 适：较大位移（数毫米）测量适：较大位移（数毫米）测量4 4双螺管线圈差动型：双螺管线圈差动型：较单螺管型灵敏度较单螺管型灵敏度 提高一倍，提高一倍，较好的线性较好的线性,测量范围测量范围:0300 ,分辨力分辨力:0.5(一一)涡电流式传感器涡电流式传感器涡电流效应：涡电流效应：变换原理

24、：变换原理：金属导体在金属导体在交变磁场中的涡电流效应交变磁场中的涡电流效应影响高频线圈阻抗影响高频线圈阻抗 Z Z、自感自感L L的因素的因素1.线圈与金属线圈与金属 2.金属板的金属板的 3.金属板的金属板的 4.线圈激磁线圈激磁板间距离板间距离 电阻率电阻率 磁导率磁导率 圆频率圆频率 测：位移测：位移 振动振动 厚度厚度测：材质测：材质 探伤探伤 测量电路：测量电路：阻抗分压式调幅电路：阻抗分压式调幅电路：变变电感电感 L 变变电压电压u变变 调频电路：调频电路：变变电感电感 L 变变 转化为电压转化为电压 u的变化的变化 振荡器振荡器 f 变变 涡电流传感器的特点：涡电流传感器的特点

25、：动态非接触测量动态非接触测量范围范围:1mm 10 mm 分辨力：分辨力：1 简单，使用方便，不受油液等介质的影响；简单，使用方便，不受油液等介质的影响；应用：应用：位移，振动，测厚，探伤，材质鉴别，径向摆动，位移，振动，测厚，探伤，材质鉴别，径向摆动，回转轴误差，转速，零件计数，表面裂纹，缺陷等；回转轴误差，转速，零件计数，表面裂纹，缺陷等；二、互感型二、互感型差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器工作原理：工作原理：电磁感应中的互感现象电磁感应中的互感现象 感应电动势：感应电动势：M：互感系数（：互感系数（H ）M:大小与相对位置，介质的导磁能力，大小与相对位置，介质的导磁能力，线

26、圈形状、大小、匝数有关线圈形状、大小、匝数有关 表明：表明：两线圈之间的耦合程度；两线圈之间的耦合程度；螺管型差动螺管型差动变压器传感器变压器传感器1.1.工作原理：工作原理：2.2.测量电路：测量电路：注意：注意：零点残余电压的补偿；零点残余电压的补偿；位移正负的判断：相敏检波位移正负的判断：相敏检波 3.3.特点：特点：精度高，可达精度高，可达0.1 线性范围大线性范围大:达达 100 稳定性好，使用方便稳定性好，使用方便 4.适于：适于：测直线位移，压力，重量等测直线位移，压力，重量等 螺管型差动变压器传感器螺管型差动变压器传感器 当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻当没有信号输

27、入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。由表头指示输入位移量的大小和方向。第六节第六节 磁电式传感器磁电式传感器 被测物理量被测物理量 感应电动势感应电动势 原理原理：感应电动势：感应电动势：线圈匝数：线圈匝数：磁通量：磁通量 影响磁通量影响磁通量 的因素的因素 1.磁场强度磁场强度 2.磁路磁阻磁路磁阻 3.线圈的运动速度线圈的运动速度磁阻式磁阻式 动圈式动

28、圈式 磁电式传感器磁电式传感器 动圈式动圈式 磁阻式磁阻式 角速度型角速度型 线速度型线速度型 1 1.动圈式动圈式1.线速度型线速度型感应电动势：感应电动势：惯性式速度计惯性式速度计 2.角速度型角速度型感应电动势：感应电动势：转速测量转速测量 当结构一定，当结构一定，W,B,AW,B,A 为常数时为常数时动圈式磁电传感器测量电路：动圈式磁电传感器测量电路：当当，且不使用特别加长电缆时且不使用特别加长电缆时：:负载电阻负载电阻:线圈阻抗线圈阻抗 Z0为线圈电阻，一般为线圈电阻，一般Z0=0.1 3K；RL为负载电阻（放大器输入电阻）；为负载电阻（放大器输入电阻）；Cc为电缆导线的分布电容，一

29、般为电缆导线的分布电容，一般Cc=70pF/m；Rc为电缆导线电阻，一般为电缆导线电阻，一般Rc=0.03/m。二二.磁阻式传感器磁阻式传感器工作原理：工作原理：线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体 （导磁材料）来（导磁材料）来改变磁路的磁阻改变磁路的磁阻，引起磁力，引起磁力 线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。应用：应用：测频数，转速，偏心测量，振动测量测频数，转速，偏心测量，振动测量特点：特点：简单，方便简单，方便应用应用b)测速电机测速电机a)磁电式车测速传感器磁电式车测速传感器磁电式传感器磁电式传感器 变磁通式

30、传感器对环境条件要求不变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在高，能在-15090的温度下工的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，下工作。但它的工作频率下限较高，约为约为50Hz，上限可达，上限可达100Hz。第七节第七节 压电式传感器压电式传感器 可逆型换能器可逆型换能器:机械能机械能 电能电能 应用：应用：力，压力，加速度的测量力，压力，加速度的测量 工作原理：工作原理：某些物质的压电效应某些物质的压电效应 一一.压电效应压电效应压电效应压电效应 逆压电效应逆压电效应压电材料：压电材料：石英，钛酸钡等石英，钛酸钡等zz:zz:光

31、轴光轴xx:xx:电轴电轴 yy:yy:机械轴机械轴电荷量：压电系数，与材质与切片方向有关：作用力 二、压电式传感器极其等效电路二、压电式传感器极其等效电路压电传感器：电荷发生器，又是一个电容器压电传感器：电荷发生器，又是一个电容器压电传感器宜：压电传感器宜：动态测量动态测量实际使用时芯片的连接实际使用时芯片的连接：并联并联：电容大，电荷量电容大，电荷量 大，时间常数大大，时间常数大；适：适：缓变信号缓变信号 串联：串联：电容小，输出电容小，输出 电压大；电压大；适适：以电压输出以电压输出 压电芯片及等效电路压电芯片及等效电路：电缆寄生电容电缆寄生电容：后续电路的输入后续电路的输入 阻抗和传感

32、器中的漏阻抗和传感器中的漏 电阻所形成的泄漏电阻；电阻所形成的泄漏电阻；三、测量电路三、测量电路前置放大器前置放大器 的作用的作用 1.将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出 2.放大传感器输出的电信号放大传感器输出的电信号 不同前置放大器的特点：不同前置放大器的特点：电压电压放大器：放大器：受电缆电容影响较大，影响灵敏度；受电缆电容影响较大，影响灵敏度；电荷电荷放大器：放大器：受电缆电容影响较小，灵敏度无明显变受电缆电容影响较小，灵敏度无明显变 化，但电路复杂，价高；化，但电路复杂，价高；压电式传感器的应用压电式传感器的应用:测力、压力、振动的加速度测力、压力、

33、振动的加速度产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 压电式传感器压电式传感器 第八节第八节 光电传感器光电传感器 一一 概述概述 二二 外光电效应器件外光电效应器件 三三 内光电效应器件内光电效应器件 四四 新型光电传感器新型光电传感器 五五 光敏传感器的应用举例光敏传感器的应用举例光光电电传传感感器器是是各各种种光光电电检检测测系系统统中中实实现现光光电电转转换换的的关关键键元元件件，它它是是把把光光信信号号（红红外外、可可见见及及紫紫外外光光辐辐射射）转变成为电信号的器件转变成为电信号的器件。(1)(1)零件的识别与定位零件的识别与定位领域：工业、农业、领域：工业、农

34、业、航天、军事等航天、军事等1 1、工业检测、工业检测例：双目立体视觉检测系统例：双目立体视觉检测系统 简单视觉的机器人系统简单视觉的机器人系统 自动连接引线、对准芯自动连接引线、对准芯片和封装；片和封装；自动安装部件，自动焊自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自接或自动切割加工、自动浇注系统等。动浇注系统等。应用应用一一 概概 述述(2)(2)零件尺寸的在线测量零件尺寸的在线测量(3)(3)零件外观及内部缺陷检测零件外观及内部缺陷检测芯片定位芯片定位芯片管脚检测芯片管脚检测钢板厚度的在线测量钢板厚度的在线测量木料检测原理木料检测原理例：木料检测：缺陷、体积例：木料检测：缺陷、体积(4)(4

35、)产品分类、分组产品分类、分组(5)(5)产品标识、编码识别产品标识、编码识别苹果分级、分色、配色苹果分级、分色、配色商品条码、印鉴、标签商品条码、印鉴、标签“手手-眼眼”定位：定位：两个摄像机两个摄像机-两幅平面图像两幅平面图像-三维场景信息三维场景信息 用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航 无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人实例：美国实例：美国Sojourner系列和系列和Rocky系列火星探测移动机器人系列火星探测移动机器人2 2、机器人导航、

36、机器人导航“机遇机遇”号火星车拍摄号火星车拍摄火星土壤的显微照片火星土壤的显微照片“勇气勇气”号火星号火星车发回的彩色照车发回的彩色照片片美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人3、生物医学图像分析、生物医学图像分析（1）医学临床诊断）医学临床诊断：X射线、射线、B超、超、CT、核磁共振（、核磁共振（MRI）医学影像融合分析医学影像融合分析 细胞个数统计细胞个数统计CT图像图像 自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象三维人体扫描三维人体扫描（2）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、）生物图像分析

37、：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析叶片细胞显微放大图片叶片细胞显微放大图片转基因大豆孢子转基因大豆孢子例：水果分类；发芽土豆；杂草识别例：水果分类；发芽土豆；杂草识别 4 4、遥感图像分析：、遥感图像分析：卫星遥感图像卫星遥感图像-气象卫星（红外成象气象卫星（红外成象-云图云图-气象状况）气象状况）资源卫星（多光谱成象资源卫星（多光谱成象-地质、矿藏、森林、灾害）地质、矿藏、森林、灾害）海洋卫星（合成孔径雷达成象海洋卫星（合成孔径雷达成象-海洋、海浪、海滩）海洋、海浪、海滩）航空

38、摄影图像航空摄影图像-（多目成象（多目成象-大地测量、测绘）大地测量、测绘）交通交通-车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测安全安全-指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）5、监控、安防、交通管理：监控、安防、交通管理：6、军事与国防：军事与国防：超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象7、办公与家电：办公与家电：

39、办公设备办公设备-数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器家用电器-数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃（一）光谱（一）光谱光波光波：波长为：波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380780nm紫外线：紫外线：波长波长10380nm，波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线：红外线：波长波长780106nm 波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红外线）以下的称近

40、红外线 波长超过波长超过3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。光谱分布如图所示。远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018 光光的的波波长长与与频频率率的的关关系系由由光光速速确确定定，真真空空中中的的光光速速c=2.997931010cm/s，通常，通常c31010cm/s。光的波长光的波长和频率和频率的关系为的关系为 的单位为的单位为Hz，的单位为的

41、单位为cm。=31010cm/s(二二)光源（发光器件）光源（发光器件）1 1、钨丝白炽灯、钨丝白炽灯 用用钨钨丝丝通通电电加加热热作作为为光光辐辐射射源源最最为为普普通通，一一般般白白炽炽灯灯的的辐射光谱是辐射光谱是连续的连续的发发光光范范围围：可可见见光光外外、大大量量红红外外线线和和紫紫外外线线，所所以以任任何何光光敏敏元件都能和它配合接收到光信号。元件都能和它配合接收到光信号。特特点点：寿寿命命短短而而且且发发热热大大、效效率率低低、动动态态特特性性差差，但但对对接接收收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴

42、钨灯和碘钨灯，在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。其体积较小，光效高，寿命也较长。2、气体放电灯、气体放电灯 定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气气体体放放电电灯灯的的光光谱谱是是不不连连续续的的，光光谱谱与与气气体体的的种种类类及及放放电电条条件件有有关关。改改变变气气体体的的成成分分、压压力力、阴阴极极材材料料和和放放电电电电流流大大小小，可可得得到到主主要要在在某某一一光光谱谱范范围的辐射。围的辐射。低低压压汞汞灯灯、氢氢灯灯、钠钠灯灯、镉镉灯灯、氦氦灯灯是是光光谱谱仪仪器器中中常常用用的

43、的光光源源，统统称称为为光光谱谱灯灯。例例如如低低压压汞汞灯灯的的辐辐射射波波长长为为254nm，钠钠灯灯的的辐辐射射波波长长为为589nm，它它们们经经常常用用作作光光电电检检测测仪仪器器的的单单色色光光源源。如如果果光光谱谱灯灯涂涂以以荧荧光光剂剂，由由于于光光线线与与涂涂层层材材料料的的作作用用，荧荧光光剂剂可可以以将将气气体体放放电电谱谱线线转转化化为为更更长长的的波波长长，目目前前荧荧光光剂剂的的选选择择范范围围很很广广，通通过过对对荧荧光光剂剂的的选选择择可可以以使使气气体体放放电电发发出出某某一一范范围围的的波波长，如，照明日光灯。长，如，照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽

44、灯气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。3 3、发光二极管、发光二极管LED（LightEmittingDiode）由由半半导导体体PN结结构构成成，其其工工作作电电压压低低、响响应应速速度度快快、寿寿命命长长、体体积积小小、重重量轻，因此获得了广泛的应用。量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体在半导体PN结中，结中，P区的空穴由于扩散而移动到区的空穴由于扩散而移动到N区，区，N区的电子则扩散区的电子则扩散到到P区，在区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上结上加有正向电压时，势垒降低，电子由加有正向电压时，势垒降低

45、，电子由N区注入到区注入到P区，空穴则由区，空穴则由P区注入到区注入到N区，区，称为少数载流子注入。称为少数载流子注入。所注入到所注入到P区里的电子和区里的电子和P区里的空穴复合，注入到区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和区里的空穴和N区里区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。电电子子和和空空穴穴复复合合，所所释释放放的的能能量量Eg等等于于PN结结的的禁禁带带宽宽度度（即即能能量量间间隙隙）。所放出的光子能量用所放出的光子能量用h表示，表示，h为普朗克常数，为普朗克常数，为光的频率。则为光的频率

46、。则普朗克常数普朗克常数h=6.6 10-34J.s；光速；光速c=3 108m/s；Eg的单位为电子伏（的单位为电子伏（eV），），1eV=1.6 10-19J。hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长可见光的波长近似地认为在近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于其禁带宽度至少应大于h c/=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为分别为0.67eV和和1.12eV，显然不能使用。，显然不能使用。通通常常用用的的砷砷

47、化化镓镓和和磷磷化化镓镓两两种种材材料料固固溶溶体体，写写作作GaAs1-xPx，x代代表表磷磷化化镓镓的的比比例例，当当x0.35时时，可可得得到到Eg1.8eV的的材材料料。改改变变x值值还还可可以以决决定定发发光光波波长长，使使在在550900nm间间变变化化，它它已已经进入红外区。经进入红外区。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150I

48、nP920InxGa1-xAs8501350表4.1-1LED材料 发发光光二二极极管管的的伏伏安安特特性性与与普普通通二二极极管管相相似似，但但随随材材料料禁禁带带宽宽度度的的不不同同，开开启启（点点燃燃）电电压压略略有有差差异异。图图为为砷砷磷磷化化镓镓发发光光二极管的伏安曲线，红色约为二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为开启，绿色约为2.2V。U/V I/mA 注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向，为了安全起见，使用时反向电压应在电

49、压应在5V以下。以下。-10 -5 0 12GaAsP(红)GaAsP(绿)发发光光二二极极管管的的光光谱谱特特性性如如图图所所示示。图图中中砷砷磷磷化化镓镓的的曲曲线线有有两两根根，这这是是因因为为其其材材质质成成分分稍稍有有差差异异而而得得到到不不同同的的峰峰值值波波长长p。除除峰峰值值波波长长p决决定定发发光光颜颜色色之之外外，峰峰的的宽宽度度（用用描描述述）决决定定光光的的色彩纯度，色彩纯度，越小，其光色越纯。越小，其光色越纯。0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs发光二

50、极管的光谱特性/nm相对灵敏度4 4、激光器、激光器激光是激光是20世纪世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。到远红外整个光频波段范围。激光器种类激光器种类繁多，按工作物质分类：繁多，按工作物质分类：u固体固体激光器（如红宝石激光器）激光器（如红宝石激光器）u气体气体激光器（如氦激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）氖气体激光器、二氧化碳激光器）u半导体半导体激光器（如砷化镓激光器）激光器（如砷化镓激光器）u液体液体