常用传感器与敏感元.ppt

第三章 常用传感器与敏感元件,3.1 常用传感器分类,1、定义,能够感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。,传感器sensor,transducer,物理量,化学量,生物量,获取的信息,转换,电信号,传感器帮助人类从自然界获取信息，又称为电五官，是获取信息的手段和途径。,敏感元件,转换元件,转换电路,被测量,电 量,直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。,敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。,把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。,2.组成,热电偶,图 传感器组成,实际上,有些传感器很简单,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成,它感受被测量时直接输出电量,如热电偶。,物性型、结构型,3.分类,按传感过程中信号变换特征分类：结构型传感器：根据传感器的结构变化来实现信号的传感，如电容传感器。物性型传感器：根据传感器敏感元件材料本身物理特性的变化来实现信号的转换。如压电加速度计是利用了传感器中石英晶体的压电效应；光敏电阻则是利用材料在受光照作用下改变其电阻的效应，等等。,根据敏感元件与被测对象之间的能量转换关系分类：能量转换型传感器（亦称无源传感器）：直接由被测对象输入能量来使传感器工作的。如热电偶温度计。能量控制型传感器（亦称有源传感器）：依靠外部提供辅助能源来工作，由被测量来控制该能量的变化。如电桥电阻应变仪。,3.2 机械式传感器,机械式传感器是以弹性体作为传感器的敏感元件。输入可以是力，压力或温度等物理量，输出则是弹性元件本身的弹性变形。优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。缺点：受间隙影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。,图 典型机械式传感器,3.3 电阻、电容与电感式传感器,按其工作原理可分为,被测量,电阻值,变阻器式(电位器式)、,电阻应变式,3.3.1 电阻式传感器,一、变阻器式传感器,触头相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。,1.变阻式传感器的原理,其中，电阻率；l 导体长度；A 导体截面积。,直线位移型 如图，当改变触点C的位置时，AC间电阻值：,：单位长度内的电阻值。,当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。,传感器灵敏度：,（/m）,角位移型,（/rad）,：角位移；k：单位弧度对应 的电阻值。,传感器灵敏度：,图 非线性型变阻器式传感器,非线性型,变阻器式传感器后接电路,图 电阻分压电路,变阻器式传感器产品,案例：重量的自动检测-配料设备,比较,原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化,案例：煤气包储量检测,煤气包,线缆,原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻,二、电阻应变式传感器,金属电阻应变式,半导体应变式,丝式,箔式,应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如320mm2，120。,1.金属电阻应变式传感器,金属电阻应变片的工作原理金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形的变化而发生变化的现象。,力,机械变形,R,推导：,其中，电阻率；l 导体长度；A 导体截面积。,导体电阻公式：,（）,变形时，、l、A将同时发生变化，从而导致R改变。,纵向应变,横向应变,金属电阻丝的灵敏度常在之间，常用的金属材料有康铜、铬镍合金、或铁镍合金等。,2.半导体应变片,基于半导体材料的压阻效应：指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。,对于半导体材料，因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由 引起的。,则半导体材料的灵敏系数为,半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高5070倍。机械滞后小，体积小。,其最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。非线性误差大,案例：桥梁模态测量,3 电阻应变式传感器应用,案例：电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,案例：汽车衡,当被测物体产生位移时悬臂梁随之产生与位移相等的挠度，因而应变片产生相应的应变。在小挠度情况下，挠度与应变情况成正比。将应变片接入桥路，输出与位移成正比的电压信号。,测量时，基座固定在振动体上。振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。,电阻应变式传感器应用,3.3.2 电容式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,1)极距变化型,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.,2)面积变化型,平面线位移型,柱面线位移型.,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,3)介质变化型,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,图 电容传感器应用,二、测量电路,（1）电桥电路,（2）谐振电路,图 谐振电路,(3)调频电路,图 调频电路工作原理,（4）运算放大器电路,由上式可知，输出电压ug与电容传感器间隙成线性关系。这种电路被用于位移测量传感器。,电容传感器的最大缺点：易受连接电缆线形成的寄生电容的影响。消除寄生电容的方法：采用等电位传输（亦称驱动电缆）技术。,图 驱动电缆工作原理,3.3.3 电感式传感器,电感式传感器是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:自感,1.灵敏度S与的平方值成反比，因此会产生线性误差。2.在较小气隙变化范围内工作。实际应用中常选取/0.1。适宜于测量小位移，一般为0.001-1mm。,变气隙式：,双螺管线圈差动型,单螺管线圈型,电感式接近传感器（金属）,（2）涡流式 涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。,用途：测量位移、振动等物理量，可进行材质鉴别或探伤,高频交流电i,交变磁通量,涡流i1,交变磁通量1,测量电路,图 分压式调幅电路原理,图 调频电路工作原理,涡流式传感器应用,图 涡电流式传感器应用例,案例：零件计数,案例：测厚,案例：轴振动测量,案例：无损探伤,原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,2、互感型差动变压器式电感传感器,原理：电磁感应中的互感现象,图 互感现象,图 差动变压器传感器工作原理a）、b）工作原理 c）输出特性,差动变压器式传感器的特点：测量精度高（可达0.1m量级）；线性量程大（可达100mm）；稳定性好，使用方便。用途：直线位移的测量；借助于弹性元件也可将压力、重量等物理量转换成位移量，因此也可用于力的测量。,实例：板的厚度测量,实例：张力测量,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,感应线圈的感应电动势e为,3.4磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,动圈式传感器,线速度型,感应电动势,角速度型,测速电机,感应电动势,图 磁阻式传感器工作原理及应用例（a）测频数（b）测转速（c）偏心测量（d）振动测量,磁阻式传感器,二、压电式传感器,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,压电效应,逆压电效应,晶振（石英振荡器）作为时钟源,纳米级步距压电微动工作台,石英晶体 光 轴：纵轴ZZ 电 轴：XX轴 机械轴：垂直于XX轴和 ZZ轴的YY轴,压电效应模型,2、压电材料 压电单晶：石英（压电常数不高，具有较好的机械强度 和时间、温度稳定性）压电陶瓷：经极化处理后呈现压电性。现在声学和传 感技术中最普遍应用的是压电陶瓷 有机压电薄膜：聚偏二氟乙烯（压电特性不很好、易 于大批量生产、面积大、柔软不易破 碎，可用于微压测量和机器人的触角）。近年来压电半导体也已开发成功。它具有压电和半导体两种特性，很易发展成新型的集成传感器。,C=2C u=u q=2q,时间常数大，动态响应差，适合于慢变信号的测量和以电荷量输出的场合。,（1）并联：,C=C/2 u=2u q=q,时间常数小，动态响应好，适合于快变信号的测量和以电压作为输出的场合。,（2）串联：,压电元件常用的结构形式,3、压电式传感器及其等效电路,图 压电晶片,等效电路,压电式传感器是具有一定电容的电荷源,开路电压：,Ca:传感器电容Ci:外界电路输入电容Cc:电缆分布电容Ra:传感器漏电阻Ri:输入阻抗,考虑负载影响,电容值上的电压：,当外力为正弦力 时,4、测量电路,1）压电传感器对测量电路的要求：,压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显示和记录，而需进行阻抗变换和信号放大。,压电传感器需后接高输入阻抗的前置放大器。,2）前置放大器的作用：,阻抗变换（高输入阻抗 低输出阻抗）,放大微弱信号,3）前置放大器的形式：,电压放大器：,电荷放大器：,电阻反馈；输出电压与输入电压成正比。,带电容负反馈的高增益运放；输出电压与输入 电荷成正比。,电压放大器,存在问题：输出电压与电缆电容有关。如果电缆电容变化，灵敏度也随之变化。,输出：,电荷放大电路,电荷放大器,输出：,当A足够大时,输出电压与传感器的电荷量近似正比，且只与反馈电容有关，不受电缆电容的影响。,5、压电传感器的应用,压力变送器,加速度计,力传感器,案例：飞机模态分析,实例：热轧设备诊断,三、热电式传感器 1 热电偶,热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,接触电动势：A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生接触电势：温差电动势：当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。,To,T,温差电动势原理图,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关,与A，B材料的中间温度无关。如果使冷端温度T0固定，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。,热电偶测温基本定律,1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何，均不产生热电动势。,2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,3.8 热敏传感器,E,T0,T0,T,E,T0,T1,T1,T,电位计接入热电偶回路,根据中间导体定律，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,3)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,3.8 热敏传感器,1）铂铂铑热电偶(S型)分度号LB3,（2）热电偶分类,2）镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU2,3）镍铬考铜热电偶(E型)分度号为EA2,4）铂铑30铂铑6热电偶(B型)分度号为LL2,（3）常用热电偶的结构类型 1）装配式热电偶 由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,装配简单 更换方便 抗振性能好 测温范围大 机械强度高 耐压性能好,2）铠装式热电偶,(1)小型化(直径最小可达0.25mm)，易挠曲，使用方便。(2)时间常数小。时间常数仅为0.05s，适宜用于动态温度的测量。(3)机械性能好，耐震动、耐压和坚固耐用，且可作成各种形状，以满足复杂对象的温度测量。,由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者组合拉制而成。,图 铠装式热电偶,要求：,（1）温度系数、电阻率较高 提高灵敏度，体积小，反应快,（2）理化性能稳定 提高稳定性和准确性，复现性好,（3）良好的输入-输出特性 线性/接近线性，测量精度高,（4）良好的工艺性 批量生产，降低成本,材料：纯金属-铂、铜、镍、铁,（5）较大的测温范围 特别是在低温范围,2、热电阻传感器,原理：热能 热电阻 电阻值,温度 热电阻 阻值,特点：,0+850：,0-200：,应用：,(1)在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好,(2)输入输出特性接近线性,(4)贵重金属，成本较高,标准温度计，高精度工业测温，高低温测试,构成：,金属铂丝(0.030.07mm)绕制成线圈,(3)测量精度高：0:1、0100:0.5、100650:0.5%,Pt100：,R0：0时的温度 标准值,(1)铂电阻(Pt),构成：金属铜丝(0.1mm)绕制成线圈特点：(1)易于提纯，在-50-150范围内性能稳定，价格低(2)输入输出特性接近线性:-50-150：R0：0时的温度 标准值(3)电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大(Cu50,Cu100)(4)高温易被氧化，易被腐蚀(5)测量精度低于铂电阻：-5050:0.5、50150:1%应用：小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替铂,(2)铜电阻(Cu),3.7 半导体传感器,优点：结构简单、体积小、重量轻 功耗低、安全可靠、寿命长 对被测量敏感、相应快 易于实现集成化缺点：输出一般是非线性 受温度影响大 性能参数分散性较大,一、磁敏传感器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,a）对移 b）侧移 c）旋转 d）遮断,应用实例位移、速度,利用霍尔元件测地磁场，用于寻北、空间姿态等。,霍尔电子罗盘,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过霍尔器件进行检测。,铁磁材料裂纹检测,汽车速度测量:,2、磁阻元件,磁阻效应：将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化，这种现象称为磁电阻效应,特点 电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；磁感应的范围比霍尔元件大。,应用 磁头；接近开关和无触点开关。,假币检测传感器工作原理与输出特性,3、磁敏管,磁敏二极管,磁敏三极管,3.10 传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,1、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)测量范围越小。c)交叉灵敏度问题。,2 响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,3 线性范围,任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。,第三章、传感器测量原理,4 可靠性,可靠性是指仪器、装置等产品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定的功能的能力。为保证传感器具有较高的可靠性，应选用设计、制造、使用条件适宜的传感器，并严格保持传感器的使用条件要求。,5 精确度,传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。,第三章、传感器测量原理,6 测量方式,传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。,第三章、传感器测量原理,3.5 光电传感器,光电传感器是能将光能转化成电信号的传感器。其工作原理是基于一些物质的光电效应。,一、光电测量原理1、外光电效应,在光照条件下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应。,红限频率,外光电效应器件：光电管、光电倍增管,K,2.内光电效应,在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为内光电效应。,内光电效应器件：光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管,光敏三级管,照相机自动测光光控灯工业控制,3.光生伏打效应,光生伏打效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,二、光电传感器的应用,1.模拟量光电传感器 光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。,（1）脉冲式角度-数字编码器,2.开关量光电传感器,为消除非单值性误差，采用循环编码方法：格雷码,（2）码盘式角度-数字编码器,（3）光电式角度-数字编码器,带材跑偏检测仪,四、应用实例,实例：滚轮鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。,相机测距反射式光电传感器,3.6 光纤传感器,功能型光纤传感器的光纤不仅起着传输光波的作用，还起着敏感元件的作用，由它进行光波调制；它既传光又传感。,1.功能型光纤传感器,一、分类,光纤流速传感器,传光型光纤传感器的光纤仅作为光的传播媒质，对光波的调制则需要依靠其他元件来实现。,2.传光型光纤传感器,二、光纤导光原理 原理：光的全反射,数值孔径NA：,在大气中入射时（n0=1），即为端面入射临界角。,三、光纤传感器的应用,反射式光纤位移传感器,光纤液位计,光纤检测型光电传感器,作业件检测,颜色检测,四、光纤传感器的优点 抗电磁干扰能力强。光纤直径只有几微米到几百微米。而且光纤柔软性好，可深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。光纤集传感与信号传输于一体，利用它很容易构成分布式传感测量。,3.7 半导体传感器,优点：结构简单、体积小、重量轻 功耗低、安全可靠、寿命长 对被测量敏感、相应快 易于实现集成化缺点：输出一般是非线性 受温度影响大 性能参数分散性较大,一、磁敏传感器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,1）霍尔线性器件的精度高、线性度好；,2）霍尔开关器件无触点、无磨损、输 出波形清晰、无抖动、无回跳、位置 重复精度高。,1、特点,a）对移 b）侧移 c）旋转 d）遮断,应用实例位移、速度,利用霍尔元件测地磁场，用于寻北、空间姿态等。,霍尔电子罗盘,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,铁磁材料裂纹检测,汽车速度测量:,2、磁阻元件,磁阻效应：将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化，这种现象称为磁电阻效应,特点 电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；温度系数影响大；磁感应的范围比霍尔元件大。,应用 磁头；接近开关和无触点开关。,3、磁敏管,磁敏二极管,磁晶体管,转速测量,二、热敏传感器,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。,产品,热敏电阻的应用,应用实例：基于热敏电阻的电机过热保护器：,Rt1 Rt2 Rt3：热敏电阻(NTC)，安装在三相绕组附近 温度低时：电阻高 三极管不导通 继电器不吸合 电机运行 温度高时：电阻低 三极管导通 继电器吸合 电机停止,温控器,应用,汽车发动机传感器,水温感应塞,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,三、气敏传感器,气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。,如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。,烟雾报警器,酒精传感器,二氧化碳传感器,气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。,燃气报警器,烟雾报警器,酒精传感器,四、湿敏传感器,金属陶瓷湿敏的基本原理为：当水分子在陶瓷晶粒间吸附时，可离解出大量的导电离子，这些离子担负着电荷的输运，导致材料电阻下降。大多数半导体陶瓷属于负感湿特性的材料，其阻值随环境湿度的增加而减小。,陶瓷湿敏传感器的应用,五、CCD固态图象传感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元(MOS)。,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,(1)零件的识别与定位,领域：工业、农业、航天、军事等,1、工业检测,例：双目立体视觉检测系统 简单视觉的机器人系统,自动连接引线、对准芯片和封装；,自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自动浇注系统等。,应用,(2)零件尺寸的在线测量,(3)零件外观及内部缺陷检测,芯片定位,芯片管脚检测,钢板厚度的在线测量,(4)产品分类、分组,(5)产品标识、编码识别,苹果分级、分色、配色,商品条码、印鉴、标签,“手-眼”定位：两个摄像机-两幅平面图像-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 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Sojourner系列和Rocky系列火星探测移动机器人,2、机器人导航,“机遇”号火星车拍摄火星土壤的显微照片,“勇气”号火星车发回的彩色照片,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,（1）医学临床诊断：X射线、B超、CT、核磁共振（MRI）,医学影像融合分析,细胞个数统计,CT图像,自动检测：染色体切片、细胞切片、超声波图象,（2）生物图像分析：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,叶片细胞显微放大图片,转基因大豆孢子,例：水果分类；发芽土豆；杂草识别,4、遥感图像分析,6、军事与国防,5、监控、安防、交通管理,7、办公与家电,3.8红外测试系统,一、红外辐射 任何物体的温度只要高于绝对零度物体都会自发地向外发射红外热辐射，而且黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比，温度只要有较小的变化，就会引起物体的辐射功率发生较大变化,红外测温的特点 非接触测温 反应速度快 灵敏度高 准确度较高 范围广泛,二、红外探测器,红外探测器：能将红外辐射量转化为电量的装置。分类：热探测器利用红外辐射引起探测元件的温度变化。光子探测器 是一种半导体器件，它的核心是光敏元件。当光子投射到光敏元件上时，促使电子空穴对分离，产生电信号。,三、红外检测应用,、辐射温度计,辐射温度计工作原理,可以高精度地测量各种高温气体的温度，最高可以达到3000。适用于各种燃烧、加热场合的气体、火焰等温度的测量。,辐射测温仪,、红外测温 辐射温度计一般用于800以上的高温测量，此外所讲的红外测温则是指低温及红外光范围的测温。,红外测温装置原理图,测温范围：-18850测温精确度：2%or2测量距离比率：8：1响应时间和响应时长：500ms(8-14)um,红外测温仪,3、红外热成像 红外光是人的肉眼所不能看到的，因此不能采用普通照相机原理来摄取红外图象。红外热成像（Infrared thermal imaging）技术：将红外辐射转换成可见光进行显示的技术。分类：主动式；被动式。,主动式红外热成像：采用一红外辐射源照射被测物，然后接收被物体反射的红外辐射图象。,主动式红外成象原理1红外光源；2摄象机；3监视器,被动式红外热成像：利用物体自身的红外辐射来摄取物体的热辐射图像，这种成像我们一般称为热像（thermal image），获取热像的装置称热像仪。,红外热像仪光学系统结构1.被测对象 2.扫描镜 3.透镜 4.反射镜 5.红外探测器 6.杜瓦瓶7.测温元件 8.参考黑体 9.调制器 10.凹面反射镜,凝视型热像仪,目前最先进的热像仪：结构简单：焦平面列阵探测器面阵焦平面探测器件不需要机械扫描机构最小可测温度0.01,凝视型热像仪,温度分辨率高达0.05高像素，320240=76800像素，图像清晰细腻内存可以存储1000幅图像单块电池工作时间2.5小时,NEC热像仪,日本Avionics多功能红外热像仪，可同时显示热图像和可视图像的功能。,红外气体分析仪,红外热像仪的应用：不同环境条件下的温度检测。,车床轴承面的等温度场分布图,热像仪用于临床医学诊断。,图4.115 医用红外热象仪获取的病例（脂肪瘤）热图,红外穿透云雾成像,可见光城市区域图,云雾区域的红外成像放大图,红外与可见光的信息融合,可见光图像,红外图像,融合结果之一,融合结果之二,激光具有方向性强、亮度高、单色性好等特点，广泛应用于工农业生产、国防军事、医学卫生、科学研究等各个方面，如用来测距、通信、准直、定向、打孔、切割、焊接，用来精密检测、定位等，还用作为长度基准和光频标准。,3.9激光传感器,1)单频激光干涉系统,）双频激光干涉测量系统,-信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（200m以上）,双频激光干涉测量系统,激光干涉位移传感器,HP5528A Laser interferometer：,量程：100m 分辨力：0.01 m,Keyence 激光测距传感器,激光三角反射位移传感器可对几乎所有材料的被测物体进行点式位移测量，且标准安装距离较大。,）激光测距传感器,激光多普勒血流仪,激光多普勒原理,）激光多普勒测速计,1064 nm多普勒测风激光雷达,激光轮廓测量技术原理,）激光轮廓测量技术,特点：非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高,精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征,三维激光扫描仪,干涉成像光谱仪、激光高度计、CCD立体相机将共同完成第一个科学目标，即获取月球表面三维立体影像；射线谱仪、X射线谱仪将携手对月球表面有用元素及物质类型的含量和分布进行辨析。,3.10 传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,1、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)测量范围越小。c)交叉灵敏度问题。,2 响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,3 线性范围,任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。,第三章、传感器测量原理,4 可靠性,可靠性是指仪器、装置等产品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定的功能的能力。为保证传感器具有较高的可靠性，应选用设计、制造、使用条件适宜的传感器，并严格保持传感器的使用条件要求。,5 精确度,传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。,第三章、传感器测量原理,6 测量方式,传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。,第三章、传感器测量原理,