工程測(cè)試技術(shù)三

工程測(cè)試技術(shù)

第三章傳感器原理及應(yīng)用本章學(xué)習(xí)要求：了解傳感器的分類；掌握常用傳感器測(cè)量原理；了解測(cè)量電路；了結(jié)智能傳感器的概念；了解典型傳感器的應(yīng)用。本章目錄3.1概述（4學(xué)時(shí)）3.2電阻式傳感器3.3電感式傳感器（2學(xué)時(shí)）3.4電容式傳感器3.5磁電式傳感器3.6壓電式傳感器3.7熱電式傳感器（2學(xué)時(shí)）3.8光電式傳感器（2學(xué)時(shí)）3.9其它類型的傳感器3.10傳感器選用原則23.8光電式傳感器外光電效應(yīng)：在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管。內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，如光敏電阻等屬于這類光電器件。阻擋層光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng))：在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。如光電池、光敏二極管和光敏晶體管等。光電開關(guān)光電式脈沖編碼器圖像傳感器光柵傳感器33.8.1光電開關(guān)光敏二極管：結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。42.光敏晶體管 與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大。53.光電開關(guān) 利用光電器件的輸出僅有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)制作的開關(guān)器件稱作光電開關(guān)。 光電器件受光照時(shí)，有電信號(hào)輸出，光電器件不受光照時(shí)，無(wú)電信號(hào)輸出。屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測(cè)量線位移、線速度、角位移、角速度(轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。64.應(yīng)用-光電式數(shù)字位移（轉(zhuǎn)速）表73.8.2光電式脈沖編碼器 光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是一種數(shù)字式傳感器。 優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度和分辨力高，抗干擾能力強(qiáng)，能避免在讀標(biāo)尺和曲線圖時(shí)產(chǎn)生的人為誤差，便于計(jì)算機(jī)處理。 最簡(jiǎn)單的數(shù)字式傳感器是編碼器(ADE)。如，角度數(shù)字編碼器（碼盤）或直線位移編碼器（碼尺）。81.工作原理 用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。1－光源,2－柱面鏡,3－碼盤,4－狹縫,5－元件92.碼盤盤和碼制根據(jù)碼盤的的起始和終終止位置就就可確定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的中間間過(guò)程無(wú)關(guān)關(guān)。6位二進(jìn)制碼碼盤103.二進(jìn)進(jìn)制碼盤主主要特點(diǎn)n位(n個(gè)個(gè)碼道)的的二進(jìn)制碼碼盤具有2n種不同編碼碼，稱其容容量為2n，其最小小分辨力θθ1＝3600／2n，它的最外外圈角節(jié)距距為2θ1；二進(jìn)制碼為為有權(quán)碼，，編碼Cn,Cn-1，…，C1對(duì)應(yīng)于由零零位算起的的轉(zhuǎn)角為：：114.二進(jìn)進(jìn)制碼盤的的粗大誤差差及消除要求各個(gè)碼碼道刻劃精精確，彼此此對(duì)準(zhǔn)，這這給碼盤制制作造成很很大困難。。由于微小的的制作誤差差或光電二二極管的安安置誤差，，只要有一一個(gè)碼道提提前或延后后改變，就就可能造成成輸出的粗粗大誤差。。如碼區(qū)從從第15變變到0時(shí)，，二進(jìn)制碼碼應(yīng)由1111變到到0000，

但若若內(nèi)碼道的的透光間隔隔稍長(zhǎng)，則則可能讀成成1000。消除粗大誤誤差方法：：1).雙雙讀數(shù)頭法法。雙讀數(shù)頭的的缺點(diǎn)是讀讀數(shù)頭的個(gè)個(gè)數(shù)增加了了一倍。當(dāng)當(dāng)編碼器位位數(shù)很多時(shí)時(shí)，光電元元件安裝位位置也有困困難。122).循循環(huán)碼代替替二進(jìn)制碼碼二進(jìn)制編碼碼盤循循環(huán)環(huán)（葛萊碼碼）編碼盤盤13循環(huán)（葛萊萊碼）編碼碼的特點(diǎn)構(gòu)造：對(duì)n位二二進(jìn)制的碼碼字從右到到左編號(hào)(0~n-1)若二進(jìn)制制碼字的第第i位位和第i+1位相同同，則對(duì)應(yīng)應(yīng)的葛萊碼碼碼字的第第i位位為0，否否則為1。。n位位循循環(huán)環(huán)碼碼碼碼盤盤具具有有2n種不不同同編編碼碼；；循環(huán)環(huán)碼碼碼碼盤盤具具有有軸軸對(duì)對(duì)稱稱性性，，其其最最高高位位相相反反，，其其余余各各位位相相同同；；循環(huán)環(huán)碼碼為為無(wú)無(wú)權(quán)權(quán)碼碼；；循環(huán)環(huán)碼碼碼碼盤盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到到相相鄰鄰區(qū)區(qū)域域時(shí)時(shí)，，編編碼碼中中只只有有一一位位發(fā)發(fā)生生變變化化，，不不會(huì)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生生粗粗誤誤差差。。145.應(yīng)應(yīng)用用光學(xué)學(xué)碼碼盤盤測(cè)測(cè)角角儀儀的的原原理理圖圖1－－光光源源，，2－－大大孔孔徑徑非非球球面面聚聚光光鏡鏡3－－碼碼盤盤，，4－－狹狹縫縫，，5－－光光電電元元件件153.8.3圖圖像像傳傳感感器器1.原原理理：：在MOS電電容容金金屬屬電電極極上上，，加加以以脈脈沖沖電電壓壓，，排排斥斥掉掉半半導(dǎo)導(dǎo)體體襯襯底底內(nèi)內(nèi)的的多多數(shù)數(shù)載載流流子子，，形形成成““勢(shì)勢(shì)阱阱””的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，，進(jìn)進(jìn)而而達(dá)達(dá)到到信信號(hào)號(hào)電電荷荷（（少少數(shù)數(shù)載載流流子子））的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移。。圖像像傳傳感感器器：：轉(zhuǎn)移移的的信信號(hào)號(hào)電電荷荷是是由由光光像像照照射射產(chǎn)產(chǎn)生生，，在半半導(dǎo)導(dǎo)體體硅硅片片上上按按線線陣陣或或面面陣陣排排列列光光電電二二極極管管單單元元，，如如果果照照射射在在這這些些光光敏敏元元上上的的是是一一幅幅明明暗暗起起伏伏的的圖圖像像，，則則這這些些光光敏敏元元上上就就會(huì)會(huì)感感生生出出一一幅幅與與光光照照強(qiáng)強(qiáng)度度相相對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的光光生生電電荷荷圖圖像像。。162.特特點(diǎn)點(diǎn)非接觸觸檢測(cè)測(cè)；響應(yīng)快快；可靠性性高，，維修修簡(jiǎn)便便；測(cè)量精精度高高；體積小小，重重量輕輕，容容易與與計(jì)算算機(jī)連連接；；對(duì)被測(cè)測(cè)物體體需要要強(qiáng)光光照射射；受被測(cè)測(cè)物體體以外外的光光的影影響。。6M像素CCD傳感器173.分分類類CIS是接接觸式式感光光元件件，它它與CCD技術(shù)術(shù)幾乎乎是同同時(shí)出出現(xiàn)的的。CIS一般般使用用制造造光敏敏電阻阻的硫硫化鎘鎘為原原料，，所以以很容容易形形成一一長(zhǎng)條條陣列列，而而且成成本也也只有有CCD的的1/3。。但由由于其其自身身物理理特性性的原原因，，CIS各各感光光單元元間的的干擾擾稍大大，而而且只只能貼貼近稿稿件掃掃描。。CCD即電電荷耦耦合器器件(ChargeCoupledDevice)。它它是在在大規(guī)規(guī)模集集成電電路技技術(shù)發(fā)發(fā)展基基礎(chǔ)上上產(chǎn)生生的一一種新新型器器件。。CCD能能對(duì)光光照作作出反反應(yīng)并并把反反應(yīng)的的強(qiáng)度度轉(zhuǎn)換換成相相應(yīng)的的數(shù)值值。當(dāng)當(dāng)光從從紅、、藍(lán)、、綠濾濾鏡中中穿過(guò)過(guò)時(shí)，，就可可以得得到每每種色色光的的反應(yīng)應(yīng)值。。然后后，再再使用用軟件件對(duì)得得到的的數(shù)據(jù)據(jù)進(jìn)行行處理理，就就可確確定每每一個(gè)個(gè)像素素點(diǎn)的的顏色色。數(shù)數(shù)碼相相機(jī)得得到的的圖像像其實(shí)實(shí)就是是一個(gè)個(gè)數(shù)值值的集集合，，所以以就可可以直直接下下載到到計(jì)算算機(jī)中中處理理。CMOS指指互補(bǔ)補(bǔ)金屬屬氧化化物半半導(dǎo)體體--一種種大規(guī)規(guī)模應(yīng)應(yīng)用于于集成成電路路芯片片制造造的原原料。。181).CCD圖像傳傳感器CCD圖圖像傳感感器由在在單晶硅硅基片上上呈二維維排列的的光電二二極管及及其傳送送電路構(gòu)構(gòu)成。光光電二極極管把光光轉(zhuǎn)換成成電荷，，再經(jīng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路路傳送和和輸出。。19CCD圖圖像傳感感器按傳傳送方法法分為兩兩類：行間傳送送(IT)型幾幾乎每一一像素都都有移位位寄存器器，并把把來(lái)自光光電二極極管的圖圖像值送送到移位位寄存器器。CCD用微微鏡覆蓋蓋，以改改善占空空因素。。在幀行間間傳送(FIT)CCD(有人稱稱之為全全幀傳送送CCD)中，，CCD把整整整一幀的的圖像數(shù)數(shù)據(jù)送入入串行移移位寄存存器，由由它進(jìn)行行未加工工原始圖圖像的處處理。此此外，該該系統(tǒng)還還把電荷荷迅速傳傳送進(jìn)儲(chǔ)儲(chǔ)能器，，供橫向向寄存器器進(jìn)行電電荷的連連續(xù)輸出出。202).CMOS圖像像傳感器器CMOS傳感器器采用與與存儲(chǔ)器器及邏輯輯IC同同樣的互互補(bǔ)金屬屬氧化物物半導(dǎo)體體(CMOS)工藝。。213).CCDVS.CMOS靈敏度差差異：由由于CMOS傳傳感器的的每個(gè)象象素由四四個(gè)晶體體管與一一個(gè)感光光二極管管構(gòu)成(含放大大器與A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路路)，使使得每個(gè)個(gè)象素的的感光區(qū)區(qū)域遠(yuǎn)小小于象素素本身的的表面積積，因此此在象素素尺寸相相同的情情況下，，CMOS傳感感器的靈靈敏度要要低于CCD傳傳感器。。成本差異異：由于于CMOS傳感感器采用用一般半半導(dǎo)體電電路最常常用的CMOS工藝，，可以輕輕易地將將周邊電電路(如如AGC、Timinggenerator或或DSP等)集集成到傳傳感器芯芯片中，，因此可可以節(jié)省省外圍芯芯片的成成本；除除此之外外，由于于CCD采用電電荷傳遞遞的方式式傳送數(shù)數(shù)據(jù)，只只要其中中有一個(gè)個(gè)象素不不能運(yùn)行行，就會(huì)會(huì)導(dǎo)致一一整排的的數(shù)據(jù)不不能傳送送，因此此控制CCD傳傳感器的的成品率率比CMOS傳傳感器困困難許多多，CCD傳感感器的成成本會(huì)高高于CMOS傳傳感器。。分辨率差差異：CMOS傳感器器的每個(gè)個(gè)象素都都比CCD傳感感器復(fù)雜雜，其象象素尺寸寸很難達(dá)達(dá)到CCD傳感感器的水水平，因因此，當(dāng)當(dāng)我們比比較相同同尺寸的的CCD與CMOS傳傳感器時(shí)時(shí)，CCD傳感感器的分分辨率通通常會(huì)優(yōu)優(yōu)于CMOS傳傳感器的的水平。。例如，，尺寸為為1/2英寸的的CMOS傳感感器其分分辨率可可達(dá)210萬(wàn)象象素的水水平，其其象素間間尺寸為為4.25μm，但尺尺寸相差差不多(1/1.8英英寸)的的CCD，分辨辨率卻能能高達(dá)513萬(wàn)萬(wàn)象素，，象素尺尺寸也只只有2.78μμm的水水平。223).CCDVS.CMOS（續(xù)））噪聲差異異：由于于CMOS傳感感器的每每個(gè)感光光二極管管都需搭搭配一個(gè)個(gè)放大器器，而放放大器屬屬于模擬擬電路，，很難讓讓每個(gè)放放大器所所得到的的結(jié)果保保持一致致，因此此與只有有一個(gè)放放大器放放在芯片片邊緣的的CCD傳感器器相比，，CMOS傳感感器的噪噪聲就會(huì)會(huì)增加很很多，影影響圖像像品質(zhì)。。功耗差異：：CMOS傳感器的的圖像采集集方式為主主動(dòng)式，感感光二極管管所產(chǎn)生的的電荷會(huì)直直接由晶體體管放大輸輸出，但CCD傳感感器為被動(dòng)動(dòng)式采集，，需外加電電壓讓每個(gè)個(gè)象素中的的電荷移動(dòng)動(dòng)，而此外外加電壓通通常需要達(dá)達(dá)到12~18V；；因此，CCD傳感感器除了在在電源管理理電路設(shè)計(jì)計(jì)上的難度度更高之外外(需外加加IC)，，高驅(qū)動(dòng)電電壓更使其其功耗遠(yuǎn)高高于CMOS傳感器器的水平。。綜上所述，，CCD傳傳感器在靈靈敏度、分分辨率、噪噪聲控制等等方面優(yōu)于于CMOS傳感器，，而CMOS傳感器器則具有低低成本、低低功耗、以以及高整合合度的特點(diǎn)點(diǎn)。隨著CCD與CMOS傳傳感器技術(shù)術(shù)的進(jìn)步，，兩者的差差異有逐漸漸縮小的態(tài)態(tài)勢(shì)。23背照照式式CMOS圖圖像像傳傳感感器器EXMORRCOMS244.固固態(tài)態(tài)圖圖象象傳傳感感器器的的應(yīng)應(yīng)用用寬度度測(cè)測(cè)量量;外徑測(cè)量;主軸徑向跳動(dòng)動(dòng)測(cè)量；圖形圖像。條形碼掃描器25線陣CCD攝攝象機(jī)流水線線零件尺寸在在線檢測(cè)CCD線陣攝攝象機(jī)作二維維零件尺寸在在線檢測(cè)26投影法測(cè)量物物體三維形貌貌采用面陣式CCD攝象機(jī)機(jī)利用投影法法測(cè)量物體三三維表面形貌貌273.8.4光光柵傳感器器光柵傳感器由由光源、透鏡鏡、光柵副（（主光柵和指指示光柵）和和光電接收元元件組成。光源：鎢絲燈泡，半半導(dǎo)體發(fā)光器器件；光柵副：指示光柵+主光柵，W=a+b稱為光柵的柵柵距（或光柵柵常數(shù)）；光電元件：包括有光電池池和光敏三極極管等部分。。在光敏元件件的輸出端，，常接有放大大器，通過(guò)放放大器得到足足夠的信號(hào)輸輸出以防干擾擾的影響。281.莫爾爾條紋形成的的原理橫向莫爾條紋紋的斜率：莫爾條紋間距距：莫爾條紋的寬寬度BH由光柵常數(shù)與與光柵夾角決決定。29長(zhǎng)光柵莫爾條條紋播放動(dòng)畫30圓弧莫爾條紋紋播放中……單擊準(zhǔn)備演示示播放動(dòng)畫312.莫爾條條紋技術(shù)的特特點(diǎn)調(diào)整夾角即可可得到很大的的莫爾條紋的的寬度，起到到了放大作用用，又提高了了測(cè)量精度。。莫爾條紋的光光強(qiáng)度變化近近似正弦變化化，便于將電電信號(hào)作進(jìn)一一步細(xì)分，即即采用“倍頻頻技術(shù)”。這這樣可以提高高測(cè)量精度或或可以采用較較粗的光柵。。光電元件對(duì)于于光柵刻線的的誤差起到了了平均作用。?？叹€的局部部誤差和周期期誤差對(duì)于精精度沒(méi)有直接接的影響。因因此可得到比比光柵本身的的刻線精度高高的測(cè)量精度度。這是用光光柵測(cè)量和普普通標(biāo)尺測(cè)量量的主要差別別。323.光柵傳傳感器的應(yīng)用用333.9其其它類型的的傳感器3.9.1超超聲波傳感感器3.9.2磁磁柵傳感器器3.9.3容容柵傳感器器3.9.4光光纖傳感器器3.9.5生生化傳感器器343.9.1Ultrasonictransducers353.10傳傳感器選用原原則選擇傳感器主主要考慮靈敏敏度、響應(yīng)特特性、線性范范圍、穩(wěn)定性性、精確度、、測(cè)量方式等等六個(gè)方面的的問(wèn)題。靈敏度響應(yīng)特性線性范圍穩(wěn)定性精確度測(cè)量方式361、靈敏度一般說(shuō)來(lái)，傳傳感器靈敏度度越高越好，，但是在確定定靈敏度時(shí)，，要考慮以下下幾個(gè)問(wèn)題。。靈敏度過(guò)高引引起的干擾問(wèn)問(wèn)題；量程范圍交叉靈敏度問(wèn)問(wèn)題。372.響應(yīng)特特性傳感器的響應(yīng)應(yīng)特性是指在在所測(cè)頻率范范圍內(nèi)，保持持不失真的測(cè)測(cè)量條件。實(shí)際上傳感器器的響應(yīng)總不不可避免地有有一定延遲，，但總希望延延遲的時(shí)間越越短越好。383.線性范范圍任何傳感器都都有一定線性性工作范圍。。在線性范圍圍內(nèi)輸出與輸輸入成比例關(guān)關(guān)系，線性范范圍愈寬，則則表明傳感器器的工作量程程愈大。傳感感器工作在線線性區(qū)域內(nèi)，，是保證測(cè)量量精度的基本本條件。394.穩(wěn)定性性穩(wěn)定性是表示示傳感器經(jīng)過(guò)過(guò)長(zhǎng)期使用以以后，其輸出出特性不發(fā)生生變化的性能能。影響傳感感器穩(wěn)定性的的因素是時(shí)間間與環(huán)境。405.精確度度傳感器的精確確度是表示傳傳感器的輸出出與被測(cè)量的的對(duì)應(yīng)程度。。416.測(cè)量方方式傳感器器工作作方式式，也也是選選擇傳傳感器器時(shí)應(yīng)應(yīng)考慮慮的重重要因因素。。例如如，接接觸與與非接接觸測(cè)測(cè)量、、破壞壞與非非破壞壞性測(cè)測(cè)量、、在線線與非非在線線測(cè)量量等。。429、靜夜四無(wú)無(wú)鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。13:06:2713:06:2713:0612/29/20221:06:27PM11、以以我我獨(dú)獨(dú)沈沈久久，，愧愧君君相相見(jiàn)見(jiàn)頻頻。。。。12月月-2213:06:2713:06Dec-2229-Dec-2212、故人江江海別，，幾度隔隔山川。。。13:06:2713:06:2713:06Thursday,December29,202213、乍見(jiàn)翻疑疑夢(mèng)，相悲悲各問(wèn)年。。。12月-2212月-2213:06:2713:06:27December29,202214、他鄉(xiāng)生白白發(fā)，舊國(guó)國(guó)見(jiàn)青山。。。29十二二月20221:06:27下下午13:06:2712月月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月221:06下下午午12月月-2213:06December29,202216、行動(dòng)動(dòng)出成成果，，工作作出財(cái)財(cái)富。。。2022/12/2913:06:2713:06:2729December202217、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時(shí)時(shí)，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點(diǎn)點(diǎn)的射線線向前。。。1:06:27下午午1:06下午午13:06:2712月-229、沒(méi)沒(méi)有有失失敗敗，，只只有有暫暫時(shí)時(shí)停停止止成成功功??！。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很多多事情情努力力了未未必有有結(jié)果果，但但是不不努力力卻什什么改改變也也沒(méi)有有。。。13:06:2813:06:2813:0612/29/20221:06:28PM11、成功就是日日復(fù)一日那一一點(diǎn)點(diǎn)小小努努力的積累。。。12月-2213:06:2813:06Dec-2229-Dec-2212、世世間間成成事事，，不不求求其其絕絕對(duì)對(duì)圓圓滿滿，，留留一一份份不不足足，，可可得得無(wú)無(wú)限限完完美美。。。。13:06:2813:06:2813:06Thursday,December29,202213、不知知香積積寺，，數(shù)里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2213:06:2813:06:28December29,202214、意志堅(jiān)強(qiáng)強(qiáng)的人能把把世界放在在手中像泥泥塊一樣任任意揉捏。。29十二二月20221:06:28下下午13:06:2812月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荊荊門門九九派派通通。。。。。十二二月月221:06下下午午12月月-2213:06December29,202216、少年十十五二十十時(shí)，步步行奪得得胡馬騎騎。。2022/12/2913:06:2813:06:2829December202217、空空山山新新雨雨后后，，天天氣氣晚晚來(lái)來(lái)秋秋。。。。1:06:28下下