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1、工程测试技术第三章 传感器原理及应用,本章学习要求： 了解传感器的分类； 掌握常用传感器测量原理； 了解测量电路； 了结智能传感器的概念； 了解典型传感器的应用。,工程测试技术,本章目录,3.1 概述（4学时） 3.2 电阻式传感器 3.3 电感式传感器（2学时） 3.4 电容式传感器 3.5 磁电式传感器 3.6 压电式传感器 3.7 热电式传感器（2学时） 3.8 光电式传感器（2学时） 3.9 其它类型的传感器 3.10 传感器选用原则,2,工程测试技术,3.8 光电式传感器,外光电效应：在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管。 内光电效应：在光线作用下能使物体电阻
2、率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。,阻挡层光电效应(光生伏特效应)：在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏二极管和光敏晶体管等。 光电开关 光电式脉冲编码器 图像传感器 光栅传感器,3,工程测试技术,3.8.1 光电开关,光敏二极管：结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态。,4,工程测试技术,2. 光敏晶体管,与一般晶体管很相似，具有两个PN结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。,5,工程测试技术,3. 光电开关,利用光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态制作的开关器件称作光电开关。,光电器
3、件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。,6,工程测试技术,4. 应用-光电式数字位移（转速）表,7,工程测试技术,3.8.2 光电式脉冲编码器,光电编码器是一种通过光电转换将机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是一种数字式传感器。 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于计算机处理。 最简单的数字式传感器是编码器(ADE)。如，角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）。,8,工程测试技术,1. 工
4、作原理,用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。,1光源, 2柱面镜, 3码盘, 4狭缝, 5元件,9,工程测试技术,2. 码盘和码制,根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。,6位二进制码盘,10,工程测试技术,3. 二进制码盘主要特点,n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n， 其最小分辨力136002n，它的最外圈角节距为21； 二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，C1对应于由零位算起的转角为：,11,工程测试技术,4. 二进制码盘的粗大误差及消除,要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。由于微小的制
5、作误差或光电二极管的安置误差，只要有一个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。如码区从第15变到0时，二进制码应由1111变到0000，但若内码道的透光间隔稍长，则可能读成1000。 消除粗大误差方法： 1). 双读数头法。双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。,12,工程测试技术,2). 循环码代替二进制码,二进制编码盘 循环（葛莱码）编码盘,13,工程测试技术,循环（葛莱码）编码的特点,构造：对 n 位二进制的码字从右到左编号(0 n-1)若二进制码字的第 i 位和第 i + 1 位相同，则对应的葛莱码码字的第 i 位为0，否则为1。
6、 n位循环码码盘具有2n种不同编码； 循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同； 循环码为无权码； 循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。,14,工程测试技术,5. 应用,光学码盘测角仪的原理图 1光源，2大孔径非球面聚光镜 3码盘，4狭缝，5光电元件,15,工程测试技术,3.8.3 图像传感器,1. 原理：在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。 图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生，在半导体硅片上按线阵或面阵排列光电二极管单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明
7、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。,16,工程测试技术,2. 特点,非接触检测； 响应快； 可靠性高，维修简便； 测量精度高； 体积小，重量轻，容易与计算机连接； 对被测物体需要强光照射； 受被测物体以外的光的影响。,6M像素CCD传感器,17,工程测试技术,3. 分类,CIS是接触式感光元件，它与CCD技术几乎是同时出现的。CIS一般使用制造光敏电阻的硫化镉为原料，所以很容易形成一长条阵列，而且成本也只有CCD的1/3。但由于其自身物理特性的原因，CIS各感光单元间的干扰稍大，而且只能贴近稿件扫描。 CCD即电荷耦合器件( Charge Coupled
8、 Device )。它是在大规模集成电路技术发展基础上产生的一种新型器件。CCD能对光照作出反应并把反应的强度转换成相应的数值。当光从红、蓝、绿滤镜中穿过时，就可以得到每种色光的反应值。然后，再使用软件对得到的数据进行处理，就可确定每一个像素点的颜色。数码相机得到的图像其实就是一个数值的集合，所以就可以直接下载到计算机中处理。 CMOS指互补金属氧化物半导体-一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。,18,工程测试技术,1). CCD图像传感器,CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二极管及其传送电路构成。光电二极管把光转换成电荷，再经转换电路传送和输出。,19,工程测试技术,CCD
9、图像传感器按传送方法分为两类：,行间传送(IT)型几乎每一像素都有移位寄存器，并把来自光电二极管的图像值送到移位寄存器。CCD用微镜覆盖，以改善占空因素。 在帧行间传送(FIT) CCD(有人称之为全帧传送CCD)中，CCD把整整一帧的图像数据送入串行移位寄存器，由它进行未加工原始图像的处理。此外，该系统还把电荷迅速传送进储能器，供横向寄存器进行电荷的连续输出。,20,工程测试技术,2). CMOS图像传感器,CMOS传感器采用与存储器及逻辑IC同样的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺。,21,工程测试技术,3). CCD VS. CMOS,灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体
10、管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、Timing generator或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。 分辨率差异：CMOS传感器的每个象素
11、都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，尺寸为1/2英寸的CMOS传感器其分辨率可达210万象素的水平，其象素间尺寸为4.25m，但尺寸相差不多(1/1.8英寸)的CCD，分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78m的水平。,22,工程测试技术,3). CCD VS. CMOS（续）,噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，
12、CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。 功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到1218V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。 综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势。,23,工程测试技术,背照式CMOS图
13、像传感器,EXMOR R COMS,24,工程测试技术,4. 固态图象传感器的应用,宽度测量; 外径测量; 主轴径向跳动测量； 图形图像。,条形码扫描器,25,工程测试技术,线阵CCD摄象机流水线零件尺寸在线检测,CCD线阵摄象机作二维零件尺寸在线检测,26,工程测试技术,投影法测量物体三维形貌,采用面阵式CCD摄象机利用投影法测量物体三维表面形貌,27,工程测试技术,3.8.4 光栅传感器,光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。,光源：钨丝灯泡，半导体发光器件； 光栅副：指示光栅+主光栅，W=a+b称为光栅的栅距（或光栅常数）； 光电元件：包括有光电池和光敏三
14、极管等部分。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。,28,工程测试技术,1. 莫尔条纹形成的原理,横向莫尔条纹的斜率：,莫尔条纹间距：,莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定。,29,工程测试技术,长光栅莫尔条纹,播放动画,30,工程测试技术,圆弧莫尔条纹,播放中,单击准备演示,播放动画,31,工程测试技术,2. 莫尔条纹技术的特点,调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。 莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。,光电元件对于光栅刻线的
15、误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。,32,工程测试技术,3. 光栅传感器的应用,33,工程测试技术,3.9 其它类型的传感器,3.9.1 超声波传感器 3.9.2 磁栅传感器 3.9.3 容栅传感器 3.9.4 光纤传感器 3.9.5 生化传感器,34,工程测试技术,3.9.1 Ultrasonic transducers,35,工程测试技术,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。 灵敏度 响应特性 线
16、性范围 稳定性 精确度 测量方式,36,工程测试技术,1、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但是在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 灵敏度过高引起的干扰问题； 量程范围 交叉灵敏度问题。,37,工程测试技术,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。,38,工程测试技术,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。,39,工程测试技术,4. 稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,40,工程测试技术,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。,41,工程测试技术,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。,42,工程测试技术,
