《非电量电侧技术》PPT课件.ppt

1,第九章非电量电测技术,电子技术,第四节 光电传感器,第三节 湿度传感器,第二节 温度传感器,第一节 非电量电测技术概述,第九章非电量电测技术,第六节 非电量电测系统,第五节 其他传感器及检测技术,第一节 非电量电测技术概述,一、传感器的作用,二、传感器的基本性能,三、传感器的选择原则,四、关于测量误差,4,第一节 非电量电侧技术概述,非电物理量机械量、热工量、化工量、状态量。,非电量电测技术将各种非电量变换为电量，而后用电测技术的方法进行测量的方法。,非电量电测系统,获取的信息,转换后的信息,物理量、化学量和生化量,大多数转换为电信号,5,第一节 非电量电侧技术概述,传感器：借助于检测元件（敏感元件）接收一种形式的信息，并按一定的规律将它转换成另一种形式的信息的装置。,测量电路：把传感器的输出转换为电压或电流信号，进行放大或其它处理。,将被测非电量变换为与其成一定比例关系的电量。,将传感器输出的电信号进行处理，使之适合于显示、记录及和微型计算机的联接。,如阻抗变换、隔离屏蔽、放大、调制与调解、滤波、A/D和D/A转换等。,测录装置：各种电工测量仪表、示波器、自动记录仪、数据处理器及控制电机等。,6,一、传感器的作用,第一节 非电量电侧技术概述,应用十分广泛：工业、农业、军事、宇航、环保、生物医学、基础科学研究等。,如办公设备和家用电器中的传感器越来越多。复印机中就有位移、照度、温度测量等传感器上百个。,已发展成为一种专门的科学技术。,有力地促进技术水平的提高。,7,二、传感器的基本性能,第一节 非电量电侧技术概述,1.定义 被测量的各个值处于稳态或随时间非常缓慢地变化的状态下，传感器输出与输入信号之间的关系。,（一）静态特性,2.表示方式：曲线、数学表达式、表格。,8,第一节 非电量电侧技术概述,3.衡量静态特性的主要参数,(1)测量范围：各种传感器都有一定测量范围，超过规定的测量范围，测量结果会有较大的误差或造成传感器的损坏。,(2)线性度：传感器实际测出的输出、输入曲线与某一拟合直线不吻合的程度，也称非线性误差。,(3)灵敏度：传感器在稳态下，输出变化量与输入变化量之比，称为静态灵敏度。即为实际工作曲线的斜率。,9,第一节 非电量电侧技术概述,(4)迟滞：传感器的输入信息由小到大的输入输出特性，与输入信息由小到大的输入-输出特性不一致的程度。,(5)重复性：重复性表示传感器在输入信息按同一方向（单调增大或减小）连续作全量程多次测量时，所得的输入-输出特性不一致的程度。,(6)稳定性：传感器在较长时间工作下输出量的变化，称为传感器时间工作稳定性，简称稳定性一。这是由于敏感元件和传感器部件的特性随时间增长而产生时效等原因造成的。,10,第一节 非电量电侧技术概述,（二）动态特性,1.定义输出随时间变化的响应特性。,2.时间常数：厂家给出时间常数，越小，动态性能越好。,11,三、传感器的选择原则,第一节 非电量电侧技术概述,应正确选择传感器及测量电路：因为一个待测量往往有多种不同的检测方法；而同一种检测方法又可用于测量不同的待测量。,应根据使用要求和传感器的特性来选择：主要要求和特性 测量精度及稳定性、静态或动态测量、灵敏度和量程范围、工作条件和使用环境、输出方式（模拟输出或数字输出）、经济指标。,12,四、关于测量误差,第一节 非电量电侧技术概述,传感器误差大小对测量精度高低影响很大。,1.按表示方法分类：,按不同分类共有3类8种：,绝对误差：某物理量测得值X与其真值A0的差。,相对误差：绝对误差X与真值A0之比。,满度相对误差：绝对误差X与仪表满标值Xm之比。,13,第一节 非电量电侧技术概述,2.按误差的性质分类：系统误差、随机误差、粗大误差。,3.按被测量与时间的关系分类：静态误差、动态误差。,引用误差：若Xm为仪表量程内的最大绝对误差。,第二节 温度传感器,一、半导体热敏电阻及其应用,二、热电偶及其应用,三、集成温度传感器及其应用,15,温度是表征物体冷热程度的物理量。,2.类型：常见的有 热敏电阻、热电偶、PN结型温度传感器、石英温度传感器、热辐射传感器等。其数量居各种传感器中之首。,1.特点：对非温度物理量不敏感、性能可靠、重复性好、精度较高。,第二节 温度传感器,温度传感器是利用敏感元件随温度变化的某种物理特性而将温度变化转换为电量变化的装置。,16,第二节 温度传感器,一、半导体热敏电阻及其应用,半导体热敏电阻利用半导体材料的电阻率随温度变化的性质制成的温度敏感元件。,分类：,1.正温度系数（PTC）热敏电阻：当温度超过某一数值时，电阻值快速增大。用于彩电消磁、各种电器设备的过热保护、发热源的定温控制等的定温控制。,2.负温度系数（NTC）热敏电阻：有很高的负电阻温度系数，特别适合于-100 300之间测温。用于点温、表面温度、温差、温场等测量，和自动控制及电子线路的热补偿线路中。,3.临界温度系数（CTR）热敏电阻：在某个临界温度值上电阻急剧变化。用于温度开关。,17,（一）热敏电阻的主要特性,电阻与温度之间的关系，是一条指数曲线。,RT温度为T的电阻值，R1温度为200C时的电阻值（称为额定电阻R20），为热敏电阻常数，通常取3000K5000K（K为绝对温度单位）。,1.温度特性,第二节 温度传感器,（1）表达式,18,第二节 温度传感器,（2）热敏电阻的温度系数：热敏电阻在某一温度下，其本身温度变化10时，电阻值的变化率与它本身的电阻值之比。,（3）特点：灵敏度高，电阻值大，测量线路简单，不需要考虑引线长度带来误差。,NTC型热敏电阻的电阻温度系数：,19,2.伏安特性U（）,在稳定状态下，通过热敏电阻的电流I与其两端之间的电压U的关系。,第二节 温度传感器,20,优点：电阻温度系数大、体积小、热惯性小、结构简单、可做成各种形状。,第二节 温度传感器,注意：当热敏电阻的电流很小时其伏安特性符合欧姆定律，是曲线的线性上升段；当电流增大到一定值时，引起热敏电阻自身温度升高，出现了负阻特性，即虽电流增大电阻却减小，端电压反而下降。因此，在具体使用中，应尽量减小通过热敏电阻的电流，以减小自热效应的影响。,21,缺点：同一型号产品的特性和参数差别大，因而互换性差。热电特性的非线性给使用带来不便，需要进行线性转换时，应考虑非线性的修正问题。,第二节 温度传感器,非线性的修正：接入线性化网络，利用电阻网络来代替单个的热敏电阻。,热敏电阻线性化网络,22,（二）应用电路,使用热敏电阻器的低噪声温度测试电路,第二节 温度传感器,当Rt1/Rt2R1/R2时：电桥平衡,运算放大器的输出为0。当温度变化时：电桥失去平衡，运算放大器产生一电压输出，其大小反映了温度的变化。,桥式电路,热敏电阻,23,一旦实际温度达到控制温度时：Rt的阻值降低，使T1的基极与发射极之间电压过低，T1和T2相继截止，继电器断开，电热丝因断电而停止加热，从而控制了温度。,第二节 温度传感器,简易温度控制器,当要控制的温度比实际高时：T1的基极与发射极之间电压大于导通电压，T1和T2相继导通，继电器KM吸合，电热丝加热。,24,二、热电偶及其应用,（一）基本工作原理,第二节 温度传感器,工作端（热端）,两种不同导体A、B串联成一个闭合回路,接点1置于被测温度场中,接点2要求其温度为恒定值,热电偶两种导体组成的回路。,接点1通常焊接在一起，接点2经过外部连接导线接入测量仪表。,25,第二节 温度传感器,当两个接点温度不同时，回路产生热电动势，其方向和大小取决于导体材料及两接点之间温差，与导体粗细、长短无关，这称为物体的热电效应。,EAB（t,t0)=e(t)-e(t0),由此可见，热电动势EAB(t,t0)是两接点温度的函数，若将冷端温度固定，则EAB的大小和热端温度的高低便有了对应关系。,优点：构造简单、使用方便、有较高的准确度、温度测量范围宽（-501600），若配用特殊材料可扩大到-1802000。,热电偶中热电动势的大小可表示为：,26,（二）补偿导线与冷端补偿,1.补偿导线,热电偶材料较贵，距离较远时，为了节省材料，通常采用在冷端接点上补偿导线。不同热电偶采用不同的补偿导线。,第二节 温度传感器,注意：只有当冷端温度恒定或具有自动补偿装置时，补偿导线才有效。,27,2.冷端补偿,当冷端的温度不是00C时，会产生误差，通常采用冷端温度补偿器。,第二节 温度传感器,R1、R2、R3是用电阻温度系数极小的锰铜线绕成，RCu是用电阻温度系数较大的铜导线绕成，其特性与所配用热电偶热电特性相似，这样才能达到补偿目的。,28,此外，还有热电偶补偿法、湿度修正法、热电动势修正法等补偿和修正方法。,第二节 温度传感器,在200C时，电桥平衡无需进行补偿。,若冷端温度降低时，则RCu阻值减小，而E则增大，也可使UAB的大小与冷端温度无关。,当冷端温度升高时，RCu的阻值随之增大，Uab增大；而热电偶的电动势E却减小。若Uab增加量与E减小量相等，则热电偶输出的电压UAB的大小将不随冷端温度变化而变化。,29,（三）热电偶的应用,在测量精度要求不高的场合，可用动圏式仪表直接与热电偶连接。,第二节 温度传感器,连接方式简单，价格便宜，但要求测温回路总电阻为恒定值，即RTRLRG常数。,连接导线电阻,指示仪表电阻,热电偶电阻,30,第二节 温度传感器,如果被测介质面积较大，也可用若干同型号热电偶并联使用。,31,第二节 温度传感器,热电偶还可以测温差。即将两支同型号的热电偶反向串联，两热电偶可分别测量不同场所的温度。,这种测量方法精度高，适用于小温差的精确测量。,32,第二节 温度传感器,用电位差计测量热电动势的原理图,首先接通开关S1，调整R0使检流计G2指零，则此时电流IEH/RH为恒定值。,然后断开S1，接通S2，调节电位器RP上的压降平衡。,当温度变化时，指针偏转，调节RP使G1重新为零，由RP的刻度可读出被测热电动势，得到相应的被测温度值。,33,三、集成温度传感器及其应用,(一）原理,第二节 温度传感器,由于二极管、三极管有与温度有关的特性，故可将它们当作热敏元件。,当PN结的正向电流IF恒定时，在一定温度范围内，PN结正向压降UF和温度T近似为线性关系。同理，三极管也如此。由此可制成温度传感器。,34,第二节 温度传感器,举例：AD590温度电流传感器,适合于长线传输（但要采用屏蔽防止干扰），在-550C+1500C温域中有较好的线性度，误差因档次而异，一般不超过0.10C。,用两块AD590可组成温差测量电路。,35,第二节 温度传感器,尽管电路要求感温器件具有相同的KT，但难免仍有误差，为此，在电路中引入电位器RP，通过隔离R1，引入一个校正电流I，以获得平稳的零位误差。,第三节 湿度传感器,一、湿敏器件的基本特征,二、半导体陶瓷湿度传感器,三、温度的测量及其湿度传感器的应用,四、结露传感器及其应用,37,第三节 湿度传感器,湿度表示空气或气体的潮湿程度。,湿度表示方法：,湿度传感器：,1.绝对湿度：是指单位体积的空气中含有的水蒸气重量。单位为kg/m。,2.相对湿度:是指一定体积空气中所含水蒸气量与相同湿度下该气体所能包含的最大水蒸气量的比例。,感受大气中的蒸汽含量并将其转换为适当的电信号输出。,38,一、湿度器件的基本特性,（一）测湿范围,第三节 湿度传感器,湿敏器件具有电特性响应的温度范围。,39,（二）测湿精度：一定温度下湿度多次测量值的平均误差约为1%RH4%RH。,（三）灵敏度：相对湿度变化1%时，器件电特性变化的百分比。,（四）温度系数：温度每变化10C时，电参数变化所对应的相对湿度变化值。,湿敏器件的主要问题是稳定性较差。,第三节 湿度传感器,还有响应速度、迟滞误差、稳定必等特性。,40,二、半导体陶瓷湿度传感器,由金属氧化物半导体材料烧结等工艺制成的陶瓷、具有微孔结构的湿敏元件。,（一）优点：灵敏度高、响应时间短、常温下性能稳定、可加热清洗、价格便宜，可同时具有气敏和热敏特性。,（二）结构：烧结体、厚膜、薄膜形式。,（三）感湿机理：利用陶瓷烧结体的多孔微结晶表面结构，对水分子进行吸湿或脱湿，使表面电阻率随着相对湿度的变化呈线性或指数变化而进行湿度测量。,第三节 湿度传感器,41,第三节 湿度传感器,是一种多功能半导体陶瓷湿敏元件。可检测还原性气体和氧气等，但对H2、CO等气体不敏感。,优点：体积小，测湿范围宽，可用于高温，能反复清洗，响应速度快，长期稳定性好。,还有一种涂覆膜型陶瓷湿度传感器。,42,三、湿度的测量及湿度传感器的应用,因在直流电源作用下水分子会被极化，影响传感器的电阻值，故需使用其它电源，但为减少寄生电容CP的影响，电源频率不能过高,故采用低频交流电源。,第三节 湿度传感器,（一）湿度的测量,低频交流电源测量湿敏器件的电阻值RP,应使RORp，此时，Rp与uO成正比。,43,若要提高测量灵敏度，应增大i，但将使传感器温度上升，引起测量误差，所以需在电路中采取湿度补偿措施。以低频方波发生器作为供电电源。,第三节 湿度传感器,低频方波电源测量湿敏器件的电阻值RP,正温度系数,负温度系数,44,第三节 湿度传感器,自动去湿装置的原理电路图,电阻式湿敏传感器,加热电阻丝,施密特触发器,（二）湿度传感器的应用,45,当湿度减少到一定程度时：施密特电路又翻转到初始状态，T1导通T2截止，KM断电，KM的辅助动合触点断开，RL断电停止加热，实现防湿自动控制。,可用于汽车档风玻璃的自动去湿。,第三节 湿度传感器,当阴雨天气等因素使环境湿度增大时：导致H的阻值下降到某值，R2与RP的并联电阻值小到不足以维持T1导通，于是T1截止T2导通，KM辅助动合触点闭合，电阻丝RL通电加热驱散湿气。,在常温常湿情况下：调好各电阻值，使T1导通，T2截止。,工作原理：,46,四、结露传感器及其应用,露点水蒸气从气态变为液态时对应的临界相对湿度。,结露在一定温度下空气所能容纳的水蒸气是一定的，超过此含量，多余的水蒸气就要从气态变为液态。,饱和水蒸气量空气中允许的最大水蒸气含量。它与温度有关，温度高时，水蒸气含量大而不饱和。温度降低时，水蒸气达到饱和而结露。,第三节 湿度传感器,结露传感器检测水蒸气是否将结露。近年来，使用量很大。如家用电器、汽车档风玻璃、农业大棚栽植等。,47,第三节 湿度传感器,（一）结露传感器的特性,仅对高湿敏感，对 75%RH以下低湿不敏感。,分有电阻型和电容型两类。,一般用于自动控制或报警，不用于测温。,特性曲线（输出与相对湿度的关系）,48,（二）结露传感器的应用,80%RH的阻值仅10K，与330k电阻的分压不到0.2V，所以T1不导通T2也截止。,第三节 湿度传感器,HOS103结露传感器应用电路,工作电压0.8V以下,在250C时，75%RH电阻值为10k，结露时为200K。,当大于95%RH时，其阻值大幅度增大T1、T2相继导通，输出高电平UO。,第四节 光电传感器,一、光电二极管,二、光电三极管,三、光敏电阻,五、电荷耦合摄像器件（CCD）,四、光电子器件的应用,50,第四节 光电传感器,光电传感器：一种将被测量通过光量的变化转换为电量变化的传感器。,用于测量位移、距离、速度（转速）、振动频率、温度、浓度、成分等参数，以及产品计数、机床保护装置等。,特点：响应速度快、工作可靠、易于实现非接触测量。,组成：电光源、光学元件和光电子器件。,51,一、光电二极管,一种光电变换器件。具有半导体PN结的结构，具备光电转换功能。,（一）与普通二极管的主要区别：PN结面积较大，距表面近，以利于有效地接受光照射，提高光电转换效率。,（二）光敏特性：加反向电压时，反向电流（即光电流）随光照强度的改变而改变。当增加到一定数值时，与外加电压无关，呈饱和状态。,第四节 光电传感器,52,第四节 光电传感器,光电二极管的电路符号及应用电路,光电二极管的伏安特性,53,第四节 光电传感器,（三）光谱特性：不同材料制成的光电二极管对不同波长的光谱响应不同，可用于判断光电子器件对哪种光源最为灵敏。,硅光电二极管的光谱响应特性,54,二、光电三极管,靠光照射来控制电流的器件。,（一）和普通三极管的区别：其集电结的结面积较大，以获得一个较大的感光面，相当于一个对光照敏感的二极管。可等效地看做一个光电二极管和一个三极管的结合，具有放大作用。,第四节 光电传感器,55,（二）伏安特性,第四节 光电传感器,光照强度一定时，集电极电流为定值，随着光照强度增大，集电极电流将成倍地增大。,与普通三极管的输出特性类似，但其控制参量不是基极电流Ib，而是光照强度H。,56,三、光敏电阻,（一）作用机理：,光敏电阻没有极性，是一个纯电阻器件。,第四节 光电传感器,电路符号,基于半导体材料的光电导效应。,当光照射时：半导体中的电子-空穴对数量发生变化，使电导率发生变化。,当无光照时，光敏电阻值很大，往往超过1M甚至可高达100M。,当受到一定波长范围的光照射时，其阻值将急剧减少即使在正常的白昼条件下，也可减少到1k 以下,灵敏度很高。,57,在一定电压范围内，光敏电阻的电压、电流具有线性关系。电压一定时，光照愈强，流过光敏电阻的电流愈大。但光照与电流之间不具备线性关系，故光敏电阻不宜用于测量，一般作开关式光电信号传感元件。,第四节 光电传感器,（三）伏安特性,即光敏电阻两端所加电压与流过光敏电阻的电流之间的关系。,硫化镉光敏电阻的伏安特性,58,硫化镉光敏电阻的光谱响应峰值在可见光区域。硫化铅的光谱响应峰值在红外光区域。,第四节 光电传感器,（四）光谱特性,对不同波长的光具有不同的响应灵敏度。分为紫外光、可见光、红外光3类。,几种光敏电阻的光谱特性曲线,59,四、光电子器件的应用,（一）光信号放大电路,不易受电源波动影响的光电变换放大电路,第四节 光电传感器,光照改变时，D2电流及R3上的压降随之改变，经运算放大器放大后输出，实现了光电变换。,光电二极管,稳压管向运放的同相输入端供给一个稳定电压,60,在光电三极管后面配接两级放大电路，用于放大交变信号。,第四节 光电传感器,光电三极管放大电路,61,（二）光开关电路,当有光照时：光电二极管产生的光电流经T1放大后，其射极输出信号加在T2输入端使其导通，继电器KM的线圈通电动作。,第四节 光电传感器,二极管D1的保护作用：当继电器线圈断电时，所产生的反向感应电动势将被D1短路，以避免对晶体管造成危害。,光电二极管控制的光开关电路,保护二极管,光电二极管,继电器线圈,62,(b)用光电三极管的光电流在R上的压降作为晶闸管的触发信号。,第四节 光电传感器,（a）采用集电极光电流大于10mA、最高工作电压为30V的光电三极管直接驱动24V、5mA微型继电器。,光电三极管控制的光开关电路,63,在黑暗状态下：RP阻值很大，继电器不动作，其动断触头处于接通状态，照明灯点亮。,第四节 光电传感器,用光敏电阻控制的照明灯自动开关电路,光敏电阻,电流继电器,当有光照射光敏电阻时：其RP值减小，电流增大，继电器动作，其动断触头断开，照明灯熄灭。,64,（三）用光电子元件测量转速,1.原理：将旋转轴的转速变换为相应频率的电脉冲，测出脉冲的频率，即可得到转速值。,2.优点：结构简单，工作可靠，测量精度高。应用十分广泛。,第四节 光电传感器,光电式测转速原理示意图,65,3.工作原理：从光源发射的光，通过透镜和圆盘上的孔照射到光电子元件上，开孔盘每转过一孔，光电子元件就感光一次，产生一次电脉冲。若开孔盘上的开孔数为A，转轴每分钟转数为n，则每秒钟产生的脉冲为：,第四节 光电传感器,若A60，则N即为转速。若A120，则在0.5秒内测出的脉冲即为转速值。,66,测量开始之前：控制电路给出的计数控制信号使计数门闭锁。,第四节 光电传感器,光电式转速测量电路的原理方框图,在t1时刻测量时：计数门打开，输入脉冲通过计数门送入计数器开始计数。,经过一段延时：控制电路给出一个复位控制脉冲，使计数器清零复位，为下一次测量做好准备。,67,五、电荷耦合摄像器件（CCD）,近年来出现了一些新型光电元器件，如电荷耦合器件、光导纤维、光电位置敏感器件等。,电荷耦合器件是一种用大规模集成电路工艺制作的器件，由大量MOS光敏单元和读出寄存器组成。,1.光敏单元：简称“像素”。当受到光照时，产生光生电子存储到电荷包中。光生电子数量与入射光的强度成正比，因此电荷包中电子的多少与入射光的强弱有关，从而实现了光电转换。通常在半导体硅片上制作几千个彼此独立的光敏单元组成阵列。,第四节 光电传感器,（一）组成,68,它在时钟脉冲的控制下，按一定顺序分组将电荷包中的光生电子传送出去，形成一系列幅值不等（与每个光敏单元上的光照强度有关）的时序脉冲序列，这个传输过程实际上是一个电荷耦合的过程，故称为“电荷耦合器件”。,第四节 光电传感器,2.读出寄存器：也采用MOS结构，底部覆有遮光层，以防止外部光线的干扰。,69,第四节 光电传感器,CCD图像传感器工作示意图,由光学信息输入传感器，经光电变换和电荷存储形成电信号输出。,70,（三）用途：可作为固体摄像器件，信息处理及信息存储器件，广泛应用于广播电视、无线电传真、工业生产过程中的零件检测等方面。,第四节 光电传感器,（二）优点：结构简单、工作稳定、效率高、功耗低、寿命长。,71,第四节 光电传感器,无缺陷输出,有缺陷输出,比较输出,使用CCD的伪钞检测系统原理图,二者的检测结果被同时输入比较器，若测得伪钞，则比较器将输出相应信号，并启动告警装置。,以真钞票作为检测标准，将待检测钞票与真钞票并排放在移动的皮带上，钞票上方放置两个相同的CCD摄像装置。,72,线性固态图像CCD作为传真装置的输入环节。,第四节 光电传感器,传真装置的CCD输入环节示意图,73,（2）优点：尺寸小、重量轻、价格低廉、信号传输量大、抗干扰能力强、保密性能好等。,光纤传感器可用于测量温度、压力、流量、位移、液位等多种物理量。,第四节 光电传感器,（四）其它新型光电器件,1.光导纤维（简称光纤）,（1）作用：用于传导光信号。已成为极具发展前途的通信手段。,2.光纤传感器,74,（1）原理：是一种对其感光面上入射光位置敏感的半导体器件。当光点处于器件感光面的不同位置时，将输出不同电信号。,（2）优点：响应速度快、位置分辨率高、可同时检测位置和光强等。,（3）作用：测量位置、位移、距离、振动、运动轨迹等，用其制成的三维传感器用于控制机器人（手）的空间定位。,第四节 光电传感器,3.PSD,第五节 其他传感器及检测技术,一、接近开关,二、霍尔传感器,三、生物传感器,76,第五节 其它传感器及检测技术,一、接近开关,（一）接近开关分类,电子开关：一种可在一定距离内检测物体有无的传感器，它给出的是开关信号（高电平或低电平信号），也具有一定的驱动负载（如继电器、电磁开关等）能力。接近开关：检测距离较近。,77,第五节 其它传感器及检测技术,1.工作原理：以静电感应方式工作。,当被检测的物体接近作用面时，回路的电容量发生变化，使高频振荡器的振荡减弱至停振，振荡器的振荡和停振两种状态由电路转换为开关信号（高低电平）从而起到开关作用。,（二）电容式接近开关,检测端,78,第五节 其它传感器及检测技术,2.形状和结构：应用最广泛的是圆柱形。开关动作时，红色LED亮，便于了解及调整工作状态。,电路内装有灵敏度调节电位器，当接近开关和被检测物体之间隔有不灵敏物体时，可使接近开关不检测夹在中间的物体。,79,第五节 其它传感器及检测技术,3.应用：采用电容式接近开关，可检测软包装牛奶袋中有无漏装或少装的情况。,当检测到无牛奶或未装足的纸袋时，给出一个开关信号，待移动一定距离时，由推杆将不合格品推出。,80,第五节 其它传感器及检测技术,二、霍尔传感器,磁传感器：将磁场物理量转换为便于测量的电量。,半导体磁敏元件：霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管、魏干特合金磁传感器、超导量子干涉器件。,半导体磁敏元件的优点：灵敏度高、工作可靠、耗电省、寿命长、价格低、易于集成化等。,半导体磁敏元件的用途：既可检测磁场和磁通量，也可测量电流、电功率、位移、转速等物理量，还可作无触点开关、无刷直流电机、各种运算器等。,81,第五节 其它传感器及检测技术,利用霍尔效应制成的一种半导体磁敏元件。,（一）霍尔元件,2.霍尔元件的灵敏度：霍尔电压的大小与控制电流I及磁感应强度B成正比，比值系数KH称为灵敏度。与元件材料的性质及几何以尺寸有关。,1.霍尔效应：,由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用产生霍尔效应。,霍尔电压（电动势）：UHKHIB,在金属或半导体薄片两端面通入控制电流I，并在薄片的垂直方向上外加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上产生一个电动势的现象。,82,第五节 其它传感器及检测技术,11：控制电流引线,22：霍尔电压输出引线,83,第五节 其它传感器及检测技术,将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压源等做在一个芯片上，构成霍尔传感器。,（二）霍尔传感器,开关型：通过磁感应强度B控制传感器“开”（输出低电平）或“关”（输出高电平）。,1.分类：,线性型：其输出电压与外加磁感应强度成线性关系。,84,第五节 其它传感器及检测技术,利用霍尔传感器测转速或转数。,2.应用,（1）测转速和转数,85,第五节 其它传感器及检测技术,工作原理：将霍尔开关型传感器放置于圆盘之外（其感应面对着磁钢），圆盘每转一周，霍尔传感器就输出一个约20mV的 脉冲。,经过运放CF741放大后，输入至三极管T的基极，三极管的集电极接一个负载电阻。,若把三极管T的集电极接到计数器的时钟脉冲输入端，可以测出转数；接入频率计，则可测出转速。,86,第五节 其它传感器及检测技术,若在圆盘外粘一圈磁钢（图a），则可提高测试分辨率及精度。若在齿轮流量泵上粘一块磁钢（图b），则可测出液体流量。,（2）测液体流量,87,第五节 其它传感器及检测技术,用霍尔元件测量导体中电流产生的磁场来间接测量电流，就可不必断开电路来测量电流。这种方法特别适用于测量直流大电流。,（3）测电流,88,第五节 其它传感器及检测技术,将霍尔元件固定在待测微小位移的物体上，放入具有均匀梯度变化的磁场中。待物体发生位移时，霍尔元件也相对于磁场分布空间发生相同位移，使使得输出的霍尔电压具有相应的变化。,（4）测微小位移,89,第五节 其它传感器及检测技术,三、生物传感器,以生物活性物质制作，将化学量转换为电量的传感器。广泛用于环境保护、食品加工、生物医学测量及农牧业等领域。,（一）分类：酶传感器、微生物传感器、组织切片传感器，免疫传感器等。,（二）原理,1.酶传感器：酶是用活体细胞做成的蛋白质，具有较强的催化作用，在常温下可促进特定物质的反应。有些难于用化学方法直接检测的物质，借助酶的作用变换成容易检测的物质，就可以间接检测。,90,第五节 其它传感器及检测技术,2.微生物传感器：将微生物的活细胞固定在膜上，当被检测的物质可以促进或抑制某种微生物的呼吸功能时，只要能测出微生物呼吸的耗氧量，即可知道被测物质的数量。用这种方法可制成检测酒精、甲烷、醋酸、氨气等有机的传感器。,3.免疫传感器：利用抗体识别抗原体并与抗原结合的功能制成的传感器。抗原侵入生物体，产生“抗体”反应，产生一种蛋白质，和抗原物质一起排出体外。定量检测抗原或抗体，就可制成免疫传感器。此方法可以检测白蛋白、梅毒。,第六节 非电量电测系统,一、信号处理电路,二、信号的显示与记录,92,第六节 非电量电测系统,传感器（将非物理量的变化转换为电参数或电物理量的变化，但输出信号往往非常微弱）,信号处理电路（对电信号进行放大处理和变换）,显示/记录装置（显示和记录经过放大处理和变换的信号）,93,第六节 非电量电测系统,非电量电测系统方框图,94,第六节 非电量电测系统,一、信号处理电路,（一）电桥电路,是传感器输出接口中用得最为广泛的基本电路。,不平稳电桥的输出电压应仅决定于桥臂阻抗对其初始值的变化，但激励电压的变化或不精确也会影响电桥输出，从而造成测量误差。为了使激励电压稳定，电桥电压一般采用恒压源或恒流源激励，并在电路中采取抑制共模电压的措施。,95,第六节 非电量电测系统,几乎所有的传感器都会受到温度影响而产生温度误差，故需采用一定的温度补偿措施。R1可采用与传感器特性一致的热敏元件，也可在集成运放中采用正反馈或负反馈。,具有温度补偿的电阻电桥电路,96,第六节 非电量电测系统,（二）放大环节,3.放大器的种类：直接耦合放大器、调制式放大器和自动稳零式放大器。,1.放大的原因：输出信号通常非常微弱，系统中有很大的干扰和噪音。,2.对放大器的要求：精度高、漂移小、线性度好、抗干扰能力强、反应速度快。,97,第六节 非电量电测系统,4.调制式直流放大器,调制式直流放大器原理框图,把输入的微弱直流信号经调制器变为交流信号，用没有零漂问题的交流放大器予以放大，再用解调器把放大了的交流信号变换为与输入相对应的直流信号。,98,第六节 非电量电测系统,5.调制器：将直流信号变换成交流信号。,99,第六节 非电量电测系统,在实际工作中，S是自动无触点开关，可用三极管或场效应管组成。,100,第六节 非电量电测系统,6.解调器：把经过调制及交流放大的信号变换为与输入信号的幅度及极性相对应的直流信号。,101,第六节 非电量电测系统,（三）线性化,1.非线性校正,2.解决非线性问题的办法,（1）减小测量范围，在局部范围内将非线性特性近似处理为线性特性。,（2）采用非线性刻度。,（3）增设非线性校正环节。,在整个测量系统中有许多非线性环节，采取某些措施，使本来是非线性的输入、输出特性，在全部或局部测量范围内呈现线性关系。,102,第六节 非电量电测系统,热敏电阻测温的非线性修正,对数放大器,以热敏电阻为例：,从热敏电阻的温度特性可知，阻值与温度间的关系为：,以恒流源I通过热敏电阻，输出电压可表示为：,式中U1=IR1,将这个信号输入对数放大器，则输出UO与值成线性关系。,103,第六节 非电量电测系统,补偿热敏电阻非线性的另一种线性化电路,Rt为热敏电阻，合理选择R的阻值，也可使输出的非线性程度大为减小。,反相运算放大器,104,第六节 非电量电测系统,二、信号的显示与记录,显示与记录装置是测量系统的最后环节。,按显示方式分模拟式、数字式。,（一）模拟式装置,是以模拟量（如仪表指针的偏转角、记录笔的位移）来显示或记录被测量。,1.特点：仪表功耗小、能反应信号极性、湿度性能也较好，使用相当广泛。但它的运动机构有相当大的惯性，故一般只用于静态和稳态测量，不作动态和高频测量。,105,第六节 非电量电测系统,2.分类：用的较多的有笔式记录仪、光线示波器、自动平衡记录仪、磁带记录仪等。,磁电式笔录仪：是一种动圈磁电仪表。操作方便，灵敏度高，但机械惯性较大，频带窄，记录幅度小，在一般工程测量中使用较多。,自动平衡记录仪：它的驱笔系统是闭环控制的。记录精度较高，记录幅度较宽，可用于瞬变记录。,XY函数记录仪：也使用闭环控制驱笔系统，它可在X、Y两个方向上同时产生位移，且记录纸不动，自由记录特性曲线。,106,第六节 非电量电测系统,磁带记录仪：利用磁性材料的剩磁效应输入（写）、存储和输出（读）信息，将信号记录在磁带上。,光线示波器：用振子代替动圈式测量机构中的线圈，用反射镜和光路系统代替记录笔。,优点:改善了动态性能，扩展了频带，提高了灵敏度，可同时记录变化频率较高的多路信号。,缺点:结构复杂，操作维修不方便，测量结果需记录在感光材料上，使其使用受到限制。,优点:存储容量大，密度高，频带宽，记录速度快，便于长期保存和复制，可实现多路记录，可直接作为计算机数据处理的外围设备。,缺点:信息不能直接使用。,107,第六节 非电量电测系统,（二）数字式装置,将反映被测物理量变化的模拟信号，经模/数转换器转换为数字信号，再经译码、驱动及显示器件，将测量结果以十进制数字形式显示。,1.显示方式：用的较多的显示器件是发光二极管（LED）和液晶显示器，在大系统计算机测试中则可使用屏幕显示。,2.分类：数字磁带记录仪、数字打印机等。,小结,第九章 非电量电测技术,109,非电量的电测量依靠,一、非电量电测技术概述,传感器,测量电路,（一）传感器的定义,将被测的非电物理量转换为电量的装置。,（二）传感器的作用,在非电量电测系统中占有重要地位。应用非常广泛，已发展成为一种专门的科学技术。,（三）传感器的基本性能,静态特性（6种主要参数）、动态特性。,第九章小结,110,6种原则。,（四）传感器的选择原则,（五）传感器的测量误差,按表示方法分类：绝对误差、相对误差、满度相对误差。,按误差的性质分类：系统误差、随机误差、粗大误差。,按被测量与时间的关系分类：静态误差、动态误差。,第九章小结,111,二、温度传感器,第九章小结,把温度的变化转换为电信号。,热敏电阻的阻值随温度呈指数规律变化，主要用于测温、控温和温度补偿等方面。,热电偶工作的物理基础是热电效应，其两端电动势的大小随两端温差的改变而改变。,集成温度传感器是利用半导体的热敏特性，其输出电流随温度的变化而线性变化。,三、湿度传感器,用于测量气体成分和环境湿度。,半导体陶瓷湿度传感器是具有微孔结构的湿敏元件，其电阻值随相对湿度呈线性或指数规律变化。,112,第九章小结,结露传感器对高湿敏感，具有开关特性。,光电二极管、光电三极管、光敏电阻的输出不仅与光的入射照度及波长有关，而且与环境温度及外加电压大小有关。,五、其它传感器及技术,（一）接近开关,四、光电传感器,将光能转换为电信号。,可在一定距离内检测物体有无的传感器。,113,第九章小结,是一种基于霍尔效应的磁敏元件，可用于检测磁物理量以及电流、电功率和某些机械量。,一种新型传感器，包含识别元件和物理化学器件两个部分。,（二）霍尔传感器,（三）生物传感器,六、非电量电测系统,由传感器、信号处理电路、显示/记录装置组成。,随着现代科学技术的不断发展，其性能和可靠性不断提高，并向智能化、小型化、无接触化、多功能化的方向发展。,素材库,附件,115,为了方便各位老师根据不同的教学风格修改课件，这里将一部分自行制作的素材库附上。,说 明,素材库包括：元器件、电路符号、各种变量、波形、圆点标记等。,116,+UCC,C1,Rb,UBB,Re,RS,RL,Us,UO1,+UDD,+UGG,IDQ,T2,RC2,Rb2,uO,+,-,i充,b,c,e,讨论,附件：素材库,