常用传感器的工作原理.ppt

第3章 常用传感器的工作原理,3.1 电阻式传感器3.2 电容式传感器3.3 电感式传感器3.4 电涡流式传感器3.5 压电式传感器3.6 磁电式传感器3.7 热电式传感器3.8 光电式传感器3.9 霍尔传感器3.10 光纤传感器,下页,返回,3.11 超声波传感器3.12 微波传感器3.13 红外传感器3.14 核辐射传感器 3.15 化学传感器3.16 数字式传感器3.17 生物传感器3.18 智能式传感器3.19 微型传感器3.20 模糊传感器3.21 网络传感器,3.9 霍尔式传感器,3.9.1 霍尔元件3.9.2 霍尔集成传感器3.9.3 霍尔传感器的应用,下页,上页,返回,3.9.1 霍尔元件,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏式传感器。霍尔式传感器已经广泛应用于电磁、压力、加速度、振动等的测量领域。（1）霍尔效应及霍尔元件的命名方法 如图3.108所示在金属或半导体薄片相对两侧面ab通以控制电流I，在薄片垂直方向上施加磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上，即另两侧面cd会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电动势UH，这一现象称为霍尔效应。即,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（3.126）式中：KH霍尔元件的灵敏度。（3-127）式中：RH霍尔系数，它反应元件霍尔效应的强弱，由材料性质决定。单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强，所以常采用半导体材料做霍尔元件；d霍尔元件的厚度。由式（3-127）可知，对于材料和尺寸确定的元件,KH保持常数，霍尔电势UH仅与I B的乘积成正比。利用这一特性，在恒定电流之下可用来测量磁感应强度B；反之，在恒定的磁场之下，也可以用来测量电流I。当KH和B恒定时,I愈大,UH愈大。同样，当KH和I恒定时，B愈大,UH也愈大。当磁场改变方向时，UH也改变方向。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,当磁场方向不垂直于元件平面，而是与元件平面的法线成一角度 时，实际作用于元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即,这时霍尔元件的输出为,霍尔元件型号命名方法如图3.109所示。,下页,上页,返回,（2）霍尔元件的材料及结构 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体三部分构成（如图3.110所示）。霍尔片是一块矩形半导体薄片，在它的四个端面引出四根引线，其中引线1和3为激励电压或电流引线，称为激励电极。引线2和4为霍尔电势输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件的等效电路如图3.111a所示。在电路中的霍尔元件有两种符号表示方法，如图3.111b所示。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（3）霍尔元件的技术参数霍尔元件的主要技术参数有：1）输入电阻Ri2）输出电阻Ro3）最大激励电流IM4）灵敏度KH5）最大磁感应强度BM6）不等位电势7）霍尔电势温度系数 8）常用霍尔元件及参数,下页,上页,返回,（4）霍尔元件的温度补偿和不等位电势补偿 1）温度补偿 图3.112所示为各种不同材料的内阻与温度的关系。,下页,上页,返回,图3.113所示为各种不同材料的霍尔输出电势随温度变化的情况。,下页,上页,返回,为了减少由温度变化所引起的温差电势对霍尔元件输出的影响，可根据不同情况，采取一些不同的补偿方法。恒流源补偿,下页,上页,返回,利用输出回路的负载进行补偿,下页,上页,返回,2）不等位电势补偿 不等位电势的产生，会使霍尔元件或传感器在使用中产生零位误差。所以在高精度测量中，都采用不等位电势补偿的方法来尽量排除它对霍尔输出的影响。,下页,上页,返回,霍尔元件的等效电路,当两电极不在同一等位面上时（如r1r2），则电桥失去平衡，U0=0，此时就需进行补偿，其补偿电路如图3.117所示。,下页,上页,返回,（5）霍尔元件的基本测量电路 图3.118中示出了霍尔元件的基本测量电路。为了获得较大的霍尔输出，可采用输出叠加的连接方式（如图3.119所示）。图3.119(a)为直流供电情况，图3.119(b)为交流供电情况。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（6）霍尔元件使用注意事项 1）驱动方式 霍尔元件的驱动方式有恒压和恒流两种，其电路如图3.120所示。2）散热 3）安装 安装应坚实牢固；不可有扭曲现象。,下页,上页,返回,3.9.2 霍尔集成传感器,由霍尔元件及有关电路组成的传感器称为霍尔传感器。随着微电子技术的发展，目前霍尔传感器都已集成化，即把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源或恒流电源等集成在一个芯片上，由于其外形与集成电路相同，故又称霍尔集成电路。（1）霍尔集成传感器分类霍尔传感器的霍尔材料仍以半导体硅作为主要材料，按其输出信号的形式可分为线性型和开关型两种。,下页,上页,返回,（2）线性型霍尔集成传感器 线性型霍尔集成传感器是将霍尔元件和恒流源，线性放大器等做在同一芯片上，输出电压较高，使用非常方便。例如：UGN3501M是具有双端差动输出特性的线性霍尔器件，UGN3501M的外形、内部电路框图如图3.121,下页,上页,返回,（3）开关型霍尔集成传感器 开关型霍尔集成传感器是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一芯片上。例：开关型霍尔集成电路UGN3019，其外型与内部电路框图如图3.123所示。,下页,上页,返回,3.9.3 霍尔传感器的应用,下页,上页,霍尔元件及霍尔传感器的应用十分广泛。在测量领域，可用于测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等；在通信领域，可用于放大器、振荡器、相敏检波、混频、分频以及微波功率测量等；在自动化技术领域，可用于无刷直流电机、速度传感、位置传感、自动记数、接近开关、霍尔自整角机构成的伺服系统和自动电力拖动系统等。,返回,（1）简易高斯计 霍尔元件及传感器广泛用于磁场测量。图3.124为一个简易高斯计电路，它直接采用线性型霍尔传感器 UGN-3501M。,下页,上页,返回,（2）计数装置 图3.125是一个应用霍尔传感器对钢球进行计数的装置及电路。,下页,上页,返回,（3）霍尔接近开关 利用开关型霍尔集成电路制作的接近开关具有结构简单、抗干扰能力强的特点，如图3.126所示。,下页,上页,返回,（4）霍尔转速表 霍尔转速表如图3.127所示。,下页,上页,返回,（5）角位移测量仪 角位移测量仪其结构如图3.128中所示。,下页,上页,返回,（6）汽车霍尔点火器 图3.129是霍尔电子点火器结构示意图。,下页,上页,返回,图130所示为霍尔电子点火器原理图。,下页,上页,返回,（7）纱线定长和自停装置图3.131所示为利用霍尔开关的纱线定长和自停装置的电路图。图中霍尔元件H1和H2分别作为断线和定长的检测元件。它们的实际安装位置如图3.132中所示。该装置同样适用于毛线、制线、化纤、丝线等线状生产机械的定长或断头自停装置。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,下页,上页,返回,3.10 光纤传感器,3.10.1 光纤传感器的组成3.10.2 光纤传感器的分类3.10.3 光纤传感器的工作原理3.10.4 光纤传感器的实际应用,下页,上页,返回,3.10.1 光纤传感器的组成,光纤传感器（FOSFiber Optical Sensor）是基于光导纤维的新型传感器光纤传感器系统包括了光源、光纤、传感头、光探测器和信号处理电路等5个部分。光源相当于一个信号源，负责信号的发射；光纤是传输媒质，负责信号的传输；传感头感知外界信息，相当于调制器；光探测器负责信号转换，将光纤送来的光信号转换成电信号；信号处理电路的功能是还原外界信息，相当于解调器。,下页,上页,返回,3.10.2 光纤传感器的分类,光纤传感器按照光纤在传感器中的作用分为功能型（或称传感型、探测型）和非功能型（或称传光型、结构型、强度型、混合型）两种类型。,下页,上页,返回,3.10.3 光纤传感器的工作原理,下页,上页,返回,（1）光纤传感器的基本原理 光纤传感器的基本原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质，如光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数。（2）强度调制光纤传感器 如图3.134所示为强度调制型光纤传感器的一般形式。其工作原理是：光源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头把光反射到出射光纤，通过出射光纤传输到光电接收器。,下页,上页,返回,（3）频率调制光纤传感器频率调制并不以改变光纤的特性来实现调制，光纤往往只是作为传输光信号的介质而非敏感元件。光纤传感器中的频率调制就是利用外界因素改变光纤中光的频率，通过测量光的频率的变化来测量外界被测参数。,下页,上页,返回,图3.135为一个典型的光纤多普勒流速系统。,下页,上页,返回,（4）波长(颜色)调制光纤传感器光纤传感器的波长调制就是利用外界因素改变光纤中光能量的波长分布或者说光谱分布，通过检测光谱分布来测量被测参数，由于波长与颜色直接相关，所以波长调制也叫颜色调制，其原理如图3.136所示。,下页,上页,返回,（5）相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器的原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强度变化，从而检测出待测的物理量。（6）偏振态调制光纤传感器偏振态调制光纤传感器的原理是利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化来检测各种物理量。,下页,上页,返回,3.10.4 光纤传感器的实际应用,下页,上页,返回,利用光纤传感器的调制机理、光纤导光及调制方式可以制备出各种光纤传感器，比如光纤压力传感器、光纤温度传感器、光纤声传感器和光纤图像传感器等。,（1）光纤压力传感器利用压力使光纤变形，进而影响光纤中传输光的强度，构成了强度型光纤压力传感器。图3.137是这种传感器的原理图。,下页,上页,返回,（2）压力或温度的相位调制型光纤传感器由于光的频率很高，光电探测器不能跟踪以这样高的频率进行变化的瞬时值，光波的相位变化无法直接被检测到的，为此，应用光学干涉测量技术将相位调制转换成振幅（强度）调制。利用马赫-泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理图如图3.138所示。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（3）光纤声传感器光纤声传感器传感头结构如图3.140所示，光纤传感头是两个半圆塑料筒用弹簧连接而成的圆筒，直径6cm和5cm，5m长的光纤绕在圆筒上。系统框图如图3.141所示。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（4）光纤图像传感器光纤图像传感器是采用传像束来完成的。传像束由数目众多的玻璃光纤按一定规则整齐排列而成。在工业生产过程中，常用工业用内窥镜来检查系统内部结构，它采用光纤图像传感器，将探头放入系统内部，通过光束的传输可以在系统外部观察、监视系统内部情况，其原理如图3.142所示,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（5）光纤液位传感器图3.143所示为基于全内反射原理制成的光纤液位传感器。给出了光纤液位传感器的三种结构形式。,下页,上页,返回,3.11 超声波传感器,3.11.1 超声检测的物理基础3.11.2 超声波传感器原理与结构3.11.3 超声波传感器基本应用电路,下页,上页,返回,3.11.1 超声检测的物理基础,波是振动在弹性介质中的传播。通常把振动频率在16Hz以下机械波称为次声波，振动频率在1620kHz之间机械波称为声波，振动频率20kHz以上的机械波称为超声波。当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介绍中的传播速度不同，在异质界面上将会产生反射、折射和波型转换等现象，下面分别给予介绍。,下页,上页,返回,（1）波的反射和折射,下页,上页,返回,（2）超声波的波型及其转换当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波形也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波；质点振动方向与传播方向垂直的波称为横波；质点振动介于纵波和横波之间，沿表面进行传播的波型称为表面波；根据介质厚度与波长之比与质点振动方式和传播速度的不同，表面波又分为瑞利波和拉甫波。其中，纵波能够在固体、液体和气体介质中传播，而横波、表面波只能在固体介质中传播。,下页,上页,返回,当声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时，除有纵波的反射、折射外，将会产生横波的反射和折射，如图3.115所示。在一定条件下，还会产生表面波，各种波形均符合几何光学中的反射定理，即,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（3）声波在多层平面中的穿透用声波进行检测时，经常遇到声波通过多层平行界面的情况（如复合板的探伤、耦合层的问题等）。当声波由一种介质内传来、通过第二种介质传到第三种介质中去的时候，就要通过二个界面。在本小节中仅考虑第二种介质是一平行板状介质且声波是垂直入射情况。,下页,上页,返回,假设声波由声阻抗为 的介质中入射到声阻抗为 和 二种介质的交界面上，然后透过第二种介质入射到 和 二种介质的交界面上，最后进入声阻抗为 的介质，如图3.146所示。由物理学可知，进入第三介质的声波声压与第一介质的声压的比为：,下页,上页,返回,下页,上页,返回,则由透射系数T定义（进入第三介质的声强与入射波声强的比值）可得：令上式可简化为：,下页,上页,返回,这时若有，得到。其物理意义是：当声波垂直通过声阻抗分别、的介质所组成的界面时，只要介质2的声阻抗为介质1和介质3的几何平均值时，则选取介质2的厚度为声波波长的 时，就能获得声波的全透射。,下页,上页,返回,当声波在某种介质中传播时，如遇到一片法线方向与声波传播方向一致的异质材料，不论材料性质如何，只要它的厚度为声波波长一半的整数倍时，那么有异质材料与没有这异质材料一样。,3.11.2 超声波传感器原理与结构,超声波穿透性较强，具有一定的方向性，传输过程中衰减较小，反射能力较强，在实际上得到广泛应用。超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。这种装置能够发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。,下页,上页,返回,按作用原理不同，超声传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中以压电式最为常见。下面主要介绍压电式探头，其主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。（1）工作原理由本章压电式传感器节可知，对面积为A的压电片加上应力 后，则在两电极表面产生正比于的电荷 和，则有,下页,上页,返回,（2）典型结构1）纵波探头纵波探头是用于发射和接收纵波，其结构如图3.147所示。他主要是由保护膜、压电晶片、吸收块（阻尼块）、外壳、电器接插件等组成。,下页,上页,返回,2）横波探头横波探头是用于发射和接收横波，主要利用波形转换现而制作的,下页,上页,返回,3.11.3 超声波传感器基本应用电路,检测电路由超声波发射电路、超声波接收电路和检测报警电路组成。（1）超声波传感器发射电路,下页,上页,返回,1）555振荡器时基电路555组成40kHz振荡器受复位端电平的控制，当时，振荡器停振，当时振荡器振荡。而的电平由SR双稳态电路的控制。555的振荡频率为,下页,上页,返回,2）SR双稳电路SR双稳电路由四或非门4001组成。其R端接6分频电路4017的输出端“5”（1脚），S端则由低频脉冲发生器的输出控制。3）低频脉冲发生器低频脉冲发生器由或非门4001组成，这个电路是在典型的振荡器基础上加了和，他使电路处于高电平时间缩短，所以其输出波形上一系列短促的窄正脉冲，这点是很重要的，因为双稳态电路比较简单，只有对不重叠的“置位”和“复位”脉冲才能正常工作。其振荡频率约为 HZ,下页,上页,返回,4）6分频器（2）超声波传感器接收电路,下页,上页,返回,超声波传感器一般用于检测反射波，超声波从产生发射到接收要经过一段距离，能量衰减较大，超声传感器接收到的信号极其微弱，转换成电压后一般最大约1V，最小约1mV。为此，其电路通常是由交流放大器、触发器、6分频电路和SR双稳电路组成。,下页,上页,返回,（3）超声波收发信号两用电路,下页,上页,返回,（3）报警电路,下页,上页,返回,3.12 微波传感器,3.12.1 微波的基本知识3.12.2 微波传感器及其分类3.12.3 微波传感器的优点与存在问题3.12.4 微波传感器的应用,下页,上页,返回,3.12.1 微波的基本知识,（1）微波的性质与特点微波是指波长为1m1mm的电磁波，它既具有电磁波的性质，但却又不同于普通无线电波和光波。相对于波长较长的电磁波，微波具有下列特点：1）定向辐射的装置容易制造；2）遇到各种障碍物易于反射；3）绕射能力差；4）传输特性好，在传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光等影响很小；5）介质对微波的吸收与介质介电常数成正比，水对微波的吸收作用最强。,下页,上页,返回,3.12.1 微波的基本知识,（2）微波振荡器与微波天线微波振荡器是用来产生微波的装置。由于微波波长很短，而频率又很高（300MHz300GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固态器件，小型微波振荡器也可以采用体效应管。,下页,上页,返回,3.12.1 微波的基本知识,下页,上页,返回,3.12.2 微波传感器及其分类,微波传感器就是指利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成为电信号，再经过信号调理电路后，即可显示出被测量，从而实现微波检测过程。根据上述原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。,下页,上页,返回,3.12.2 微波传感器及其分类,（1）反射式微波传感器反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测物的位置、位移、厚度等参数。（2）遮断式微波传感器遮断式微波传感器是通过检测接收天线接收到的微波功率大小，来判断发射天线与接收天线之间有无被测物或被测物的位置与含水量等参数。,下页,上页,返回,3.12.3 微波传感器的优点与存在问题,（1）微波传感器的优点由于微波本身的特点，决定了微波传感器具有以下优点：1）可以实现非接触测量。因此可进行活体检测，大部分测量不需要取样；2）检测速度快、灵敏度高、可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；3）可以在恶劣环境条件下进行检测，如在高温、高压、有毒、有放射线环境条件下工作；4）输出信号可以方便地调制在载波信号上进行发射与接收，便于实现遥测与遥控。（2）微波传感器存在的问题微波传感器的主要问题是零点漂移和标定问题，这尚未得到很好的解决。其次，使用的时候外界因素影响比较多，如温度、气压，取样位置等。,下页,上页,返回,3.12.4 微波传感器的应用,（1）微波湿度（水分）传感器,下页,上页,返回,3.12.4 微波传感器的应用,（2）微波液位计,下页,上页,返回,3.12.4 微波传感器的应用,（3）微波物位计,下页,上页,返回,3.12.4 微波传感器的应用,（4）微波测厚仪,下页,上页,返回,3.12.4 微波传感器的应用,（5）微波温度传感器,下页,上页,返回,3.12.4 微波传感器的应用,（6）微波定位传感器,下页,上页,返回,3.12.4 微波传感器的应用,（7）微波多普勒传感器利用多普勒效应可以探测运动物体的速度、方向与方位。多普勒频移为 微波多普勒传感器的应用非常广泛，例如可将多普勒测速仪用于交通管制的车辆测速雷达；水文站用的流速测定仪；海洋气象站用以测定海浪与热带风暴；火车进站速度监控等。,下页,上页,返回,3.13 红外传感器,3.13.1 红外传感器3.13.2 红外传感器的应用,下页,上页,返回,3.13.1 红外传感器,（1）红外线人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线。红外线是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。红外线在电磁波谱中的位置如图3.161所示。红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,红外线有以下特点：1）红外线易于产生，容易接收；2）采用红外发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本低；3）红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制；4）红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作；5）功率消耗小，反应速度快；6）对环境无污染，对人、物无损害；7）抗干扰能力强。,下页,上页,返回,（2）红外探测器红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。1）热探测器热探测器工作原理是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。,下页,上页,返回,2）光子探测器光子探测器工作原理是利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，这种现象称为光子效应。,下页,上页,返回,3.13.2 红外线传感器的应用,（1）红外线纸张监控器,下页,上页,返回,（2）被动式红外报警器被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。其结构框图如图3.163所示。,下页,上页,返回,（3）红外线遥控鼠标器中的传感器（4）照相机中的红外线传感器夜视功能,下页,上页,返回,3.14 核辐射传感器,3.14.1 核辐射基本概念3.14.2 核辐射传感器原理及组成3.14.3 核辐射传感器的应用,下页,上页,返回,3.14.1 核辐射基本概念,物质都是由一些最基本的物质元素所组成，而组成每种元素的最基本单元是原子，每种元素的原子都不是只存在一种，把具有相同的核电荷数而有不同的质子数的原子所构成的元素称同位素。当没有外因作用时，同位素的原子核会自动产生核结构的变化，称为核衰变。同位素的原子在自动衰变过程中会放出射线，这种同位素就称“放射性同位素”放射性同位素衰变时，放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，这种现象称“核辐射”。放射性同位素在衰变过程中能放出、三种射线。其中：射线由带正电的粒子组成；射线由带负电的粒子组成（电子）；射线由中性的光子组成。,下页,上页,返回,3.14.2 核辐射式传感器原理及组成,（1）辐射源辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，强度合适的辐射源，常用的放射性同位素有Sr90(锶)、Co60(钴)、Cs137(铯)、Am241(镅)等20多种。辐射源的结构如图3.164所示。,下页,上页,返回,（2）核辐射与物质的相互作用核辐射与物质的相互作用是探测带电粒子或射线存在与否及其强弱的基础，也是设计和研究放射性检测与防护的基础。核辐射与物质间的相互作用主要包括电离、吸收与反射。（3）常用探测器探测器又称接收器，是通过射线和物质相互作用来探测射线的存在和强弱的器件。探测器一般是根据某些物质在核辐射作用下产生发光效应或气体电离效应来工作的。探测器就是核辐射的接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。其用途就是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化，常用的有电离室、闪烁计数器、盖格计数管、正比计数器、半导体探测器等。,下页,上页,返回,3.14.3 辐射式传感器的应用,（1）核辐射厚度检测透射式测厚常用电离室做探测器，射线穿透能力较强，输出电流与辐射强度成正比。在辐射穿过物质时，物体吸收作用损失部分能量，能量的强度按指数规律变化。核辐射厚度检测原理框图如图3.172所示。,下页,上页,返回,散射测厚传感器如图3.173所示。基本工作原理同上，只是放射源与探测器在同一侧，利用核辐射被物体后向散射的效应。,下页,上页,返回,（2）核辐射液位检测利用介质对射线的吸收作用，不同介质对射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最弱。当辐射源与被测介质一定，被测介质高度与穿过被测介质的射线强度成正比关系。图3.174为核辐射液位检测原理框图。,下页,上页,返回,（3）气体流量计流量计（气体）在气流管中装两个电极（电极电位不同），放射源S的射线使气体电离，工作状态相当于一个电离室。当被测气体被电离时，离子被带出电离室，室内电流减小，气体流速增加带出的离子增多，电离室电流进一步减小，由电流的变化检测气流流速和流量（如图3.175）。,下页,上页,返回,（4）放射性探伤传感器探测器与放射源放在管道内如图3.176所示，沿焊接缝同步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。,下页,上页,返回,（5）X射线荧光分析仪图3.177所示为X射线荧光分析仪器探测器。它是通过从样品中被激发出来的X荧光射线，以光子的形式经探测器接收，探测器将光信号转换为电脉冲。,下页,上页,返回,3.15 化学传感器,3.15.1 气敏传感器3.15.2 湿敏传感器3.15.3 离子敏传感器,下页,上页,返回,3.15.1 气敏传感器,（1）气敏传感器基本概念气敏传感器主要是用于测量气体的类别、浓度及成分。按构成气敏传感器所用材料的特性，其分为半导体和非半导体两大类。半导体气敏传感器分为电阻型和非电阻型两类。其中，电阻型是利用半导体气敏传感器电阻值的改变来反映被测气体的浓度；而非电阻型是利用半导体的功函数对气体的浓度进行直接或间接检测。,下页,上页,返回,在实际应用中，气敏传感器应满足：（1）具有小的交叉灵敏度，即对被测气体以外的其他气体不敏感。（2）具有较高的灵敏度和较宽的动态响应范围。（3）性能稳定，传感器特性不随环境温度、湿度的变化而发生变化。（4）重复性好，易于维护等。,下页,上页,返回,（2）半导体气敏传感器的工作机理电阻型半导体气敏传感器的工作机理可以用吸附效应来解释。图3.171为气体接触N型半导体时所导致的敏感器件阻值变化的情况，根据这一特性，就可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。非电阻型半导体气敏传感器工作机理可用半导体导电特性来解释。,下页,上页,返回,（3）半导体气敏传感器的主要参数1）敏感元件固有电阻 和工作电阻 2）灵敏度气敏传感器的灵敏度是表征其对被测气体敏感程度的指标。通常用气敏元件在检测某一浓度气体时的电阻值与其在洁净空气中的电阻值之比来表示。由于洁净空气不易获得，通常采用同种气体在不同浓度下的电阻值之比来表示，即式中，检测气体为S，其浓度为 时元件的电阻值；检测气体为S，其浓度为 时元件的电阻值,下页,上页,返回,3）选择性气敏传感器的选择性表示气体传感器对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力，其表示方法为（3-146）式中，在A、B混合气体中，气体传感器对A气体的选择性系数；气体传感器在单纯A气体中的灵敏度；气体传感器在单纯B气体中的灵敏度。4）响应时间气敏传感器的响应时间表示气敏元件对被检测气体的响应速度。5）恢复时间气敏传感器的恢复时间表示气敏元件对被测气体的脱附速度，又称脱附时间。,下页,上页,返回,（1）半导体气敏传感器的结构1）电阻型半导体气敏传感器的结构目前，电阻型半导体气敏传感器的结构主要有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型气敏传感器结构如图3.172所示。,下页,上页,返回,薄膜型气敏传感器结构如图3.173所示，它是采用蒸发或溅射工艺。,下页,上页,返回,厚膜型气敏传感器结构如图3.174所示。,下页,上页,返回,值得注意的是：由半导体气敏传感器的电阻变化率与气体浓度变化的关系可知（如图3.175所示），通常气敏器件在低浓度下灵敏度高，随着被测气体浓度增加，其灵敏度逐渐减小，这一特点非常适宜检测低浓度微量气体。因此，其主要用于检查可燃性气体的泄漏。,下页,上页,返回,气敏传感器易受环境温度、湿度的影响（如图3.176），通常在使用时，要进行温湿度补偿，或选用温湿度性能好的气敏器件。,下页,上页,返回,2）非电阻型半导体气敏传感器的结构其结构主要有MOS二极管气敏器件和钯（Pd）-MOSFET气敏器件两种。MOS二极管气敏器件结构如图3.177（a）。,下页,上页,返回,（5）气敏传感器的应用气敏传感器可用于检测环境中某种特定气体（特别中可燃气体）的成分、浓度等。图3.179所示是一种毒气体监测报警电路图。,下页,上页,返回,3.15.2 湿敏传感器,（1）湿度的表示方法通常，湿度是指大气中所含的水蒸气量，常用绝对湿度和相对湿度表示。绝对湿度其定义为单位体积空气里所含水蒸气的质量，即,下页,上页,返回,相对湿度其定义为空气中实际所含水蒸气分压和相同温度下的饱和水蒸气分压的百分比，常用%RH（RH为相对湿度）表示，即（2）湿敏传感器的特性参数湿敏传感器将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出，其特性参数主要有湿度量程、感湿特性、灵敏度、湿度温度系数、响应时间、湿滞回差等。1）湿度量程湿度量程是指在规定的精度内能够测量的最大范围。,下页,上页,返回,2）感湿特性感湿特性表示湿敏传感器的感湿特征量（电阻）随被测相对湿度变化的规律。3）灵敏度灵敏度是指湿度传感器输出增量与输入增量之比，它反映被测湿度作单位变化时所引起的感湿特征量的变化程度。4）湿度温度系数湿度温度系数定义为：在感湿特征量保持不变的条件下，环境相对湿度随环境温度的变化率。它通用用 表示，即,下页,上页,返回,5）响应时间响应时间是指在规定的环境温度下，由起始相对湿度达到稳定相对湿度时，感湿特征量由起始值变化到稳定相对湿度对应值所需要的时间。,下页,上页,返回,6）湿滞回线和湿滞回差湿滞回线是指湿敏传感器的吸湿特性曲线与脱湿特性曲线不一致而形成回线（如图3.182）。湿滞曲线表示传感器在吸湿和脱湿两种情况下，对应同一数值的感湿特征量所指示相对湿度不一致，最大差值称为湿滞回差。,下页,上页,返回,（3）半导体陶瓷湿敏电阻导电机理半导体陶瓷湿敏电阻是由不同类型的金属氧化物材料烧结而成，常见的有 系、系、系和 系等。其中，前三种的电阻率随着湿度增加而下降称为负湿敏特性；最后一种的电阻率随着湿度增加而增加称为正湿敏特性。图3.183所示为半导体陶瓷湿敏电阻的负湿敏特性。,下页,上页,返回,图3.184所示为半导体陶瓷湿敏电阻的正湿敏特性。,下页,上页,返回,（4）常用半导体湿敏电阻常用的半导体湿敏电阻有烧结型半导体陶瓷湿敏电阻、涂覆膜型 湿敏元件和 陶瓷湿敏元件。图3.185所示为半导体陶瓷湿敏传感器的结构及等效电路示意图。,下页,上页,返回,（5）湿敏传感器的应用1）SMC-2型湿度传感器图3.186所示为SMC-2型湿度检测原理框图，它用湿敏器件实现“湿电”转换。其中，湿敏器件是用金属氧化物半导体材料制成多孔半导体陶瓷，它的电导率随着对水蒸气的吸、脱附而发生变化，从而可将湿度转换成电压输出。,下页,上页,返回,2）自动去湿控制图3.188是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路，,下页,上页,返回,3.15.3 离子敏传感器,离子敏传感器是将溶液中的离子活度转换为电信号的传感器。其基本原理是离子识别，利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性地结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电压的改变，以达到测量的目的。,下页,上页,返回,（1）ISFET的工作原理实际上，ISFET就是将普通的MOSFET的金属铝栅换为对离子有选择性响应的敏感膜，让敏感膜直接与被测离子溶液接触，通过离子与敏感膜的相互作用，调制场效应晶体管的漏极电流和源极电流的变化，达到检测溶液中离子活度的目的。图3.189所示为ISFET的基本结构图。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（2）ISFET性能参数ISFET的性能参数主要有灵敏度、选择系数及响应时间。（3）离子敏感膜离子敏感膜是ISFET中核心的部分，它是响应不同离子并将其化学量转换为电学量的关键，使用不同的栅介质和敏感膜可派生出各种ISFET。常见有无机绝缘膜、固态敏感膜和有机高分子PVC膜三种。,下页,上页,返回,3.16 数字式传感器,3.16.1 数字式传感器的概述3.16.2 编码器3.16.3 光栅式传感器3.16.4 感应同步器3.16.5 磁栅式传感器3.16.6 容栅式传感器,下页,上页,返回,3.16.1 数字式传感器的概述,（1）数字式传感器的定义数字式传感器就是把被测模拟量直接转换成数字量输出的传感器。即数字式传感器能够直接将非电量转换成数字量，不需要A/D转换，直接用数字表示。,下页,上页,返回,（2）数字式传感器的特点与模拟式传感器相比，数字式传感器具有如下特点：1）具有高抗干扰能力和高信噪比2）数据可以高速远距离传输，而不会引入动态迟后。3）能同时做到高测量精度和大测量范围。4）易于与计算机接口。5）数字式传感器就可达到很高的控制精度和响应速度。6）数字式传感器与数字式执行器配合使用，特别适用于重复性的工作中。7）数字式传感器便于动态及多路测量，使用方便。8）工作可靠性高，安装方便，维护简单。,下页,上页,返回,（3）数字式传感器的分类按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为三类：脉冲输出式数字传感器（如光栅传感器、感应同步器、增量编码器等），编码输出式数字传感器（如绝对编码器等），频率输出式数字传感器。此外，数字式传感器也可分为直接数字式传感器和准数字式传感器两大类。直接数字式传感器是指它的输出为二元形式（0-1）的信号准数字式传感器是指以频率形式输出的谐振式传感器。,下页,上页,返回,3.16.2 编码器,编码器的种类很多，可根据编码器的结构形式、编码方式、检测方式以及光路方式不同而分成不同的类型，如图3.191所示。,下页,上页,返回,（1）光电式编码器器的结构与分类光电编码器是用光电方法，将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲。光电编码器按其结构形式分类为直线式的线性编码器和旋转式的轴角编码器，按编码方式可分为有增量式和绝对式两种。（2）光电式编码器的工作原理1）增量式编码器图3.192所示为增量式编码器的结构图。光源通过码盘上有三个码道，由三个光电元件接收，其对应输出Z（零位脉冲）、A（增量脉冲）及B（辨向脉冲）三位脉冲信号。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,2）绝对式编码器绝对式编码器将被测角转换成相应的代码，指示其绝对位置，这种编码器是通过读取编码盘上的图案来表示数值的。绝对式编码器光源发射的光线经柱面透镜变成一束平行光，照射在编码盘上。编码盘上有一环环间距不同并按一定编码规律刻画的透光和不透光扇形区，称为码道。图3.193（a）所示为光电式绝对式编码器的码盘，该码盘为四位二进行编码盘，普通二进制编码盘由于相邻两扇区图案变化时使用中易产生较大误差，因而在实际应用中大都采用图3.193（b）所示的葛莱编码盘。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（3）光电式编码器分辨率的提高方法 1）倍频法在增量式编码器中，采用电路细分技术，不改变编码器内部结构，对输出脉冲进行倍频电路处理，以提高分辨率和抗干扰能力。图3.194为倍频电路。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,2）插值法在增量式编码器中，为提高分辨率采用电路细分和光学分解相结合的技术方法，又称为插值法。图3.195所示为在已具有14条（位）码道的码盘上增加1条专用附加码道。,下页,上页,返回,（4）光电式编码器的应用图3.196是一光电式编码器测角装置示意图，光源通过大孔径非球面聚光镜形成狭长的光束照射到码盘上。由码盘转角位置决定位于狭缝后面的光电器件与输