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DIS传感器简介


DIS 传感器介绍
? 传感器原理 ? 生活中的传感器

信号——消息的物理体现,
是携带消息的运载工具。

光信号 声信号

电信号

信号之一:电 信 号
f( t ) f( t ) 3 2 t 1 0 0 3 3 0 0 1 0 2 t

模拟信号:时间连续,数值连续。

数字信号:时间离散,数值离散。

模拟信号
自然界大部分物理量以连续变 化的形式出现,它们在时间和数 值上连续变化,通常称之为模拟 量。 表示模拟量的电信号称为模拟 信号。

模拟信号

心电图

地震波 脑电波

气温变化

声音

数字信号
还有一类物理量在时间和数值上离散存在,它们 的大小,以及每次的增减变化,都是某个最小单位 的整数倍,这一类物理量称为数字量。 表示数字量的电信号称为数字信号。
SYN1 SYN2
计算机

SYN3

SYN4
SYN5

数码相机

SYN6
数字电视

工业生产中的 数字信号

模拟信号与数字信号的转换
模拟信号
(Analog ) 音乐(模拟信号) 还原 声卡

A/D转换

D/A转换

记录

数字信号
(Digital)
000001000101100010010111001100110101010000100000

数字信号

模拟信号如何变成数字信号?
声音、温度、压力等都是模拟信号( Analog ),而 计算机只能处理二进制数字信号( Digital), 为此,必 须将模拟信号转换成数字信号。 这种转换称为模 / 数转换( A / D 转换) 。 转换的过程:

模拟信号

采 样

保 持

量 化

编 码

数字信号

转换过程
U
8 7 6 5 4 3 2 1 0

t

t1
采样时刻 采样电压

t2

t3

t4

t5

采样 量化
量化值/v
8 7 6 5 4 3 2 1 0

t1
4.4 4

t2
6.7 7

t3
1.9 2

t4
2.3 2

t5
3.6 4

近似值

t

量化信号

采集频率越高,误差越小。

量化信号 → 二进制代码
量化值/v
8 7 6 5 4 3 2 1 0

量化信号

t

取样时刻 量化

t1

t2

t3

t4

t5

量化值

4

7
0111

2
0010

2
0010

4
0100

编码

二进制代码 0100

编码: 0 1 0 0 0 1 10100 1 0 0表示 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 用二进制数 4; 0111 表示 7; 数字信号 0010 表示 2;

二进制代码 → 计算机
y(t) t

电路中的脉码 调制信号

0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0

数字信号

这些抽象的二进制代码计算机无法识别, 必须转换成物理信号的形式。 通常用低电平表示“0”,高电平表示“1” 的脉冲信号来表示这些代码。

A / D 转换完成
y(t)

模拟信号
t

数字信号 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0
y(t)

t

数字化信息系统 Digital Information System

DIS


采集器

各种传感器





计算机软件

数据采集系统的基本结构
传感器
力 压强 温度 磁场

多 路 采 样 开 关

放大

A/D 转 换

数 据 存 储

串 行 输 出 口

计算机

微处理器控制

各类信息

模拟信号

传感器

0~2.5V 模拟信号

数字信号

数据采集器

计算机

数据采集过程:一、信息的转换

温度

压强
声音 磁场 光 加速度
湿度 ……

各 类 传 感 器

电信号

非电量物理量

传感器将各类信息转换成模拟 电量(电压、电流、频率等) 。

采样开关 信号1 信号2

二、多路采样
输出信号

信号3 信号4

单片机定时控制

先对第一通道的信号进行采 样和处理,再采集处理第二通 道的信号,周而复始。

1

4 2 3

三、信号放大
放大

将微弱的电压信号进行高精度放大。

四、A / D 转换
模拟信号 采 样 保 持 量 化 编 码 数字信号

五、数据存储
将经过A/D转换后的数字信号存储在采集器的微处理 器内,等待计算机索取数据。 A/D转换
外部信息

放大、采样
(下一周期)

数据存储

计算机

六、信号输出
当计算机发出“取数”指令时,采集器微处理器内的 数字信号经过USB串行总线进入计算机。

数据采集的最前端——传感器
力 温度 压强 磁场 ……

传 感 器

模拟信号
(0~2.5V )

定义: 能感受规定的被测 量,并按照一定规律 转换成有用输出信号 的器件或装置。 通常由敏感元件、 传感元件和测量电路 组成。

光电门 位移

传 感 器

数字信号

力传感器
悬臂梁

将力学量转换为电量 由传感器将力的 的装置称为力传感器 大小转换为电信号 如何测量力?

力学量

敏感元件

传感元件

电学量

工作原理:先通过内部的悬臂梁,将力学量转换成金属 的应变,然后由传感元件将这种应变转换成电量,完成 “力—电”的转换。

受力端

悬臂梁

固定端

悬臂梁是一种弹性元件, 其一端固定,另一端受力。
F

固定端

在受力时,悬臂梁的上、 下表面将产生微小的形变 (应变):上表面伸长,下 表面压缩。

F

应变片
在悬臂梁产生应变的部位 粘贴应变片,将悬臂梁的应 变传递到应变片上,从而将 悬臂梁的应变转换为电阻的 变化。
受力方向

当应变片产生形变时,金属电阻 丝被拉伸或压缩,它的电阻发生相 应的变化。

(电阻应变式)电子计价秤

固定端

应变片

悬臂梁

力传感器在电子秤中的应用
应变片 悬臂梁

电子计价秤中的应变片

应变片的应用(一)
将应变片粘贴在弹性元件上,先由弹性元件在外力的作 用下产生应变,然后由应变片将应变转换为电阻的变化, 通过电路检测出外力的大小。
各种弹性敏感元件

珠宝秤

黄金秤

厨房秤

吊钩秤 汽车秤

钢材秤

叉车秤

应变片的应用 (二)
将应变片粘贴在机械、桥梁、建筑等被测构件上, 通过专用的“电阻应变仪”直接测定其工作状态下的应 力和变形情况。
桥面 应变片

F
对桥梁进行多点测量

崇明跃进桥检测——布置应变片

桥梁加载,检测桥梁的应变

羽毛球馆穹顶结构的测试

对斜拉桥钢索进行应变测试

力传感器
量程:-20N~+20N; 分度:0.01N; 可用于测拉力(显示正值) 和压力(显示负值)

光电门传感器
A孔发射红外线,B孔接收红外线。 当A、B之间无挡光物体时,传感器 没有电信号输出;反之有电信号输出。 这样就把有没有物体挡光,转换成 断续变化的数字信号。

B A

挡光片

红外线 光电管 发光管

位移传感器
超声波发射 超声波接收

红外线发射

红外线接收

超声波

工作原理
红外线 S 超声波 发射器 红外线 超声波 发射器 红外线 同时发射 接收器

t1

接收器 时间差 t2-t1 超声波 的速度 距离 S

红外线到达,开始计时
超声波 红外线 超声波到达,停止计时

×



发射器

t2

接收器

光电门传感器
分度0.01mS;用于 测量挡光片(U型、 I型)的挡光时间。

位移传感器
量程: 0m~1.5m ;供电电源 9V 直流电池;无 测量盲区;可直接测量显示v-t图线。 易与现有实验装置(运动小车、弹簧振子等) 组合使用。

温度传感器

铂电阻

温度传感器中的热电阻由铂金属制成。 传感器的金属管内充满导热硅脂,便于外 界温度通过金属管传递到铂电阻。

热电阻温度传感器
热电阻分为纯金属电阻和半导体热敏电阻两大类。
材 料 铂 -200~650℃ 0.0981~0.106 3.92~3.98 性能稳定、精度高、重复性好 近似线性 铜 -50~150℃ 0.017 4.25~4.28 线性、低温测量 体积大、热惯性大 温度范围 电阻率 温度系数 性 能

温度系数越大,灵敏度越高。 电阻率大,相同灵敏度下可减小电阻体的尺寸,减小热惯性。

R /Ω 80
70 60 50 0

铜 铂

t /℃

20

40

60

80

100

金属管

导热硅脂

铂电阻

结构
玻 璃 铂金属 陶瓷基片

外界温度变化通过 传感器的金属管、导热 硅脂,再通过封装片, 最后传递到铂金属,引 起铂金属的电阻值变化。

温度变化

金属管

导热硅脂

封装片

铂金属

温度传感器在家用电器中的应用

双金属片

温度开关

热敏电阻

热敏电阻由半导体材料制成。 NTC型热敏电阻:温度升高, 电阻值降低。

热敏电阻用于测量与控制:

PTC热敏电阻
曲线陡峭,用于自动控制。
工作范围 陶瓷暖风机 开关电阻

居里温度

发热电器的恒温控制:
刚通电时,PTC元件的电阻小,电流大,快速升温。 温度超过居里点后,电阻陡然增大,类似于关闭电源;当温度下降后, PTC电阻下降…… 自动恒温。 PTC热敏电阻既是加热器又是传感器,起到感温和控温的两种作用。

电压传感器

±12V 输入信号

电压 转换器

0-2.5V 输出信号

电压传感器是一种 转换器,它将±12V之 间的输入电压转换成 为0~2.5V对应的输出 电压。

电流传感器
电流传感器是一种转换器, 它将± 1A之间的电流转换成 0~2.5V对应的输出电压。 工作原理: 输入电流 I 流过电阻 R , 在R的两端产生电压 U,从而 将电流转换为电压,再经过后 续电路的放大和转换,输出 0~2.5V之间与输入电流对应 的电压。

±1A I 输入信号

R

电压 放大器

0~2.5V 输出信号

内阻0.1 Ω

微电流传感器
微电流传感器是一 种转换器,它将±1μA 之间的电流转换成0~ 2.5V之间对应的电压。

±1μA 输入信号

I

R

电压高倍 放大器 与 转换器

0-2.5V 输出信号

工作原理:电流 I 流过电阻 R ,在 R 两端 产生 U,从而将电流转 换为电压,再经过后续 电路的多次放大和转换, 输出0~2.5V之间与输入 电流对应的电压。

声传感器
驻极体 传声器

声传感器利用驻极体传声器作为声——电转换元件。

固定电极

金属膜
塑料膜片

驻极体传声器 工作原理
ΔU

驻极体 振动膜

在塑料膜片的一面蒸发上一层金属膜,经高压电场驻极后, 两个表面分别储存正负电荷,这种材料称为驻极体。 将驻极体振动膜上的金属层作为电极,与固定电极保持一 定的距离,中间以空气作为介质,这就构成了平板电容器。 电容量C = εS/d

驻极体传声器工作原理
电压ΔU 振动膜 固定电极

当振动膜振动时,振动膜与固定 电极之间的距离 d 发生改变,使电容 量C发生相应的变化。 此时,由于膜片上的充电电荷来 不及释放或继续充电,所以电量Q不 变,由Q = CU可知:电容量C的变化 必然引起电容器两电极间电压U的变 化,从而产生随声波变化而变化的交 变电压ΔU。

d

C = εS/d

利用MEMS技术的微型传声器
低成本高音质的硅微型传 声器 (4mm×5mm×1.8mm) 集成了传声器、放大器和 调制器。

150nm

Micro Electro Mechanical System
微电子机械系统(MEMS ),是在微电子技术基 础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、 信号处理、智能控制于一体的新兴科学领域。 MEMS 主要包括微传感器、微执行器和各类微系 统,现在已成为世界各国投入大量资金研究的热点。 MEMS属于微米级 的加工,比传统的机 械加工尺寸要小,而 比“纳米技术”要大 的范围。

MEMS技术

标尺:500μm

显微照片

利用MEMS技术的微型机械

微型继电器 4×2.5×1.3mm

喷墨打印机的喷嘴

微小机器人

光强度分布传感器

光的干涉和衍射

CCD

电荷耦合器件 (CCD)
CCD以电荷作为信号, 不同于其它器件以电流或 电压为信号。 一个完整的CCD器件由 光敏元、转移栅、移位寄 存器以及辅助电路组成。

CCD(Charge Coupled Device)

CCD图像传感器示意图
一个像素 光敏二极管

转移栅
输出 移位寄存器

1、光敏二极管对光信号进行取样,产生与入射光成线 性关系的光电荷,将光的强弱转换为相应的信号电荷,并 存储在光敏二极管下面的半导体材料中。 2、打开转移栅,使各光敏二极管下面积累的信号电荷 转移到移位寄存器对应的单元中。 3、移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次 转移到输出端,经放大和A/D转换,输出数字信号。

光 照
硅片
光电二极管 电容器 转移栅 电容器 移位寄存器

电 子 线 路

放大

数字信号

A/D 转换

线阵型CCD的应用
传真机

专业扫描仪 目前很多扫描仪、传真机产品中使用 接触式图像传感器(CIS),其工作原理 与CCD类似,但结构简单、价格低廉。

面阵型CCD 图象传感器
数码照相机CCD芯片 摄像机内的CCD

光电鼠标中的图象传感器
当鼠标移动时,其移动轨迹通过图象传 感器,形成一组高速拍摄的连贯图像,鼠 标内的数字微处理器对图像特征点位置的 变化进行分析,判断鼠标的移动方向和移 动距离,从而完成光标的定位。
CMOS芯片

图象传感器

卫星上的CCD

9千6百万像素

嫦娥一号卫星 拍摄月球三维影像的CCD立体相机

勇气号火星车的CCD

加速度传感器
质量块 固定电极1

传感器内有一个用 弹簧片支撑的质量块, 可以上下活动。 C1 C2 固定电极1与质量块 之间构成电容C1 质量块与固定电极2 之间构成电容C2

α

固定电极2

电容式加速度传感器的工作原理
d1
C1
α

C2 d2 加速度 位移 电容量 电压

先将加速度的变化转换成质量块的位移, 然后将位移转换成电容量的变化,最后将电 容量转换成电压信号。

三维加速度传感器
显微镜下, 利用MEMS技术加工的 芯片

加速度测试单元

信号处理电路

三维加速度传感器结构
斜支撑 质量块(活动电极)

当框架作上下运动时,质量块 2、4不动,质量块1、3产生相反 的前后位移。

当框架作左右运动时,质量块 1、3不动,质量块2、4产生相反 的前后位移。 当框架作前后运动时,4个质 量块均产生位移。
A—B

外形:6×4×1.4(mm)

活动电极的位移
固定电极 活动电极

固定电极

活动电极

斜支撑

向右运动,间隙加大,电容减小

向左运动,间隙减小,电容加大 固定电极 A—B

加速度传感器应用

硬盘防震系统

照相机 防抖动系统 安全气囊冲击系统

照相机防抖动系统

CCD框架移动 一、电子防抖: 通过提升ISO感光度或缩短曝光时间来 增加相片清晰度。 二、光学防抖: 1、镜片防抖——镜头中的对焦镜产生 相对移动,对光路进行矫正 。

2、机身防抖——CCD框架产生相对移 动,对成像落点进行矫正 。

Wii
运动游戏机
网球比赛

压强传感器
压强传感器采用压阻 式压力传感元件。 它是利用单晶硅的压 阻效应制成的器件。 当它受到气体压力时, 半导体应变片的电阻率 发生变化,从而输出电 压变化。

压力传感元件

压阻效应、半导体应变片
当半导体材料受到外力作用时,其电阻率会发 生变化,这种现象称为半导体的压阻效应。

压强传感器使用半导体应变片。
对半导体材料而言,当应变片变形时,主要是 ρ发生改变,而 L 和 S 的变化相对很小,可以忽 略不计。 半导体应变片的灵敏度比金属应变片高50~ 100倍。

压力传感元件
硅膜片 气压 真空室 硅杯 应变片 应变片

接线点

基片

硅膜片

侧视图

应变片分布图

用单晶硅制成硅杯,其中间部分形成硅膜片, 在硅膜片上制作 4片电阻值相等的应变片。 当气体作用于硅膜片时,硅膜片产生形变, 并使 4片应变片产生应变。

F 侧视图:
R1 R2 R3 R4

测量电路
稳定电流 I
B点 R1 UA R3 R4

电源+
R1 R2 R3

UB R4

U=I· △R

R2 A点 电源-

当硅膜片形变时,外圈的应变片被拉伸,R1和R4的电阻值 变大;而内圈的应变片受到压缩,R2和R3的电阻值变小。 电桥中R1和R4电阻变大,R2和R3电阻变小,电桥失去平 衡,输出与气体压力成正比的电压信号U = I· △R。

血压计

气阀 三通管 接传感器

气泵

放气管 传感器

气泵 袖 带 传感器 气阀

轮胎压力传感器
在轮胎内埋设压力传感器(含微控制器),随轮胎一起 转动,自动测量轮胎的气压、温度、转速,并将信息通过 无线发送器和仪表板上的读数器传递给驾驶员。

轮胎压力监视系统

磁传感器
磁传感器内的磁敏元件

——霍尔元件。

霍尔元件是根据霍尔效应原 理制成的磁-电传感器,在磁场 的作用下,产生相应的电压。

霍尔效应演示

在薄片的垂直方向施加磁场,电子除了做定向运动外,还在洛伦兹力的作用 下向薄片的一个侧面偏转,从而形成霍尔电势。

钳形电流表
导磁铁芯

霍尔元件
通电导线

I

电动车的无刷电动机

无刷电动机没有电刷,定子产生旋转磁场带动转子旋转。 电机中采用霍尔元件检测转子和定子之间的相对位置,从而 控制电枢电流的换向,维持电动机的正常运转。

光驱中的无刷电机

由于无刷电动机不产 生电火花及电刷磨损等 问题,所以在录像机、 CD唱机、光驱等家用 电器中得到越来越广泛 的应用。 3个霍尔元件

汽车防抱死制动系统(ABS)

霍尔传感器 霍尔传感器

用霍尔传感器检测车轮的转速,以此控制制动系统,使车 轮处于稍有转动、接近抱死的制动状态,以使车辆在紧急刹 车时不致失去方向性和稳定性。

测量电路
F

R1
应变片(R1、R4)

R3
UB R4 UOUT

UA R2
应变片(R2、R3)

悬臂梁的上、下表面各粘贴2片应变片,它们的电 阻值相同。 当悬臂梁受力时,梁的上表面伸长, R1 、 R4 电阻 值增大;梁的下表面压缩,R2、R3电阻值减小。此时 UA < UB ,输出与外力成正比的电压值(模拟信号)。

工作原理
R R

C
UOUT

5v

A
发光管

B
光电管

D

当A、B之间无挡光物 时,光电管导通,逻辑状 态为0; 当A、B间有物体挡光 时,光电管截止,逻辑状 态为1。 计算机内设置计时器, 当逻辑状态为1时,计时器 开始计时; 当逻辑状态为0时,计 时器停止计时, 这样就可测量出物体通 过光电门的时间。


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