传感检测技术及其应用 第9章
第9章--飞机飞行参数传感器及检测PPT课件
航空检测技术
模拟输出式电子倾角传感器是一种双极 性直流电压工作的、内置信号调节功能 的传感器，供电电压为±8~±15VDC， 输出±3.6VDC，其输出灵敏度为 60mV/度且不依赖于电源电压。全部设 计内置EMI/ESD抑制电路。
9.37
航空检测技术
串行输出式电子倾角传感器是将角度转化 为包括一个方向位和16位串行数据的传感 器。它采用三根传输线将数据传送至处理 器或PC机/I/O卡进行处理，兼容TTL和 CMOS逻辑电平。完整的信号及交换过程 可很好地解决分时与传送问题。标准型用 稳定的5VDC供电，可提供内置稳压电路 型。全部设计均内置EMI/ESD抑制电路。
91概述第1页共108页自动驾驶飞行仪表飞行仪表眼脑手眼脑手驾驶杆驾驶杆舵面舵面飞机气动力飞机气动力人工操纵回路人工操纵回路感应元件感应元件舵面舵面飞机气动力飞机气动力自动驾驶仪操纵回路自动驾驶仪操纵回路执行元件执行元件变换放大元件变换放大元件第2页共108页电传操纵flybywire大气数据传感器大气数据传感器空气动力空气动力力和力矩力和力矩电信号电信号操纵操纵面位面位置指置指令令动作筒位置反馈动作筒位置反馈动作筒动作筒操纵面操纵面飞机气动力飞
9.3手5 动吊臂折叠保护，天线平衡
航空检测技术
比率输出式电子倾角传感器是一种类似于 电位器原理，内置信号调节的传感器。 采用三线制：电源正、电源地及信号。 输出信号也是以电源地为参考的，因此， 所用电源必须经过稳压调整，在0°即量 程中点时，其输出为电源电压的1/2，这 样低功耗，供电电流0.5mA的传感器非 常适合于电池供电场合。全部设计内置 EMI/ESD抑制电 路。
9.11
航空检测技术
针对环境控制系统（ECS），需要测量 以下压力参数：
传感器技术9-光纤传感器-中英对照
§9.1
光纤传感器基础
三
光纤的种类
1、玻璃光纤 Glass fiber
按材料 性质分 2、塑料光纤 Plastic fiber
§9.1
光纤传感器基础
1、阶跃型(step index): 阶跃型纤芯的折射率不随半 径而变，在纤芯与包层界面处有突变。 按折射 率分 2、渐变型(grade index)：折射率沿径向由中心向外由 大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光 纤有聚焦作用；光线传播轨迹近似于正弦波。
多模色散是阶跃型多模光纤中色散的主要根源；在单模光纤中起 主要作用的是材料色散和波导色散。
§9.1
光纤传感器基础
9.1.3 光纤传感器分类
1、功能型传感器 光纤传 感器一 般分为 两大类 2、非功能传感器 又称FF型光纤传感器，利用光纤本 身特性，把光纤作为敏感元件，所 以又称传感型光纤传感器。 又称NF型光纤传感器，利用其他 敏感元件感受被测量的变化，光 纤仅作为光的传输介质，用以传 输来自远处或难以接近场所的光 信号，所以也称传光型光纤传感 器。
§9.2
光调制与解调技术
9.2.1 强度调制与解调
光纤传感器中光强度(Light Intensity)调制是被测对象引 起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方 式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。 解调过程主要考虑的是信噪比(Signal to Noise RatioSNR)是否能满足测量精度的要求。
§9.1
光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导(waveguide)原理
一
光纤的结构
光纤是用光透射率(Transmissivity)高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构 成的光通路(light propagation path) 。光纤的结构比较简单，通常由纤芯 (core)、包层(cladding)、涂覆层(coating)、护套(protecting sleeve)组成 （如上图所示）。其核心是由折射率(Refractive Index)n1较大(光密介质 optically denser medium)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质optically thinner medium)的包层构成的双层同心(concentric)圆柱(column)结构。 纤芯直径约为5～150微米。
第9章__转速传感器
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9.9 GMR电阻的功能与特点
9. 9. 2 GMR电阻的热稳定性
GMR膜是由以Co为主要成分的磁性层和非磁性层Cu层重叠 制成的。在形成磁性层与Cu层的薄膜时，实现了MR比较大 而且磁滞最小的最佳化。图9一28所示为刚加工完的GMR 电阻以及经170℃,1000h长期高温存放后的GMR电阻的 MR曲线。由图可知，经长期高温存放之后，GMR电阻的特 性发生了变化。为了防止特性的这种变化，尝试预先将GMR 电阻在高温下进行热处理，以提高其热稳定性。经10h热处 理后，改变热处理温度，分析MR曲线的变化情况如图9一 29所示。
9.1 电磁式转速传感器
这种传感器用于柴油机上， 目的是检测发动机的转速， 传感器的结构如图9-1所示， 在永久磁铁的周围绕有线 圈，即采用的是电磁式工 作原理，当铁材齿轮在永 磁铁附近旋转时，通过线 圈的磁力线发生变化，在 线圈中就会产生感应电压。
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9.1 电磁式转速传感器
柴油机用转速传感器就装在喷油泵的飞锤齿轮处，当柴油发 动机的喷油泵工作时，传感器的齿轮旋转，因此在信号线圈 中就会产生交流电压。交流电压的频率与发动机的转速成正 比。把此交流电压作为输入信号，经转速表内的IC电路放大、 整形后就可以使转速表指示出发动机的转速。 图9一2所示的是转速表电路的方框图。
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9.6 笛簧开关式车速传感器
笛簧开关是由小玻璃管内装有两个细长的触头构成的，触头 由铁、镍等易于被磁铁吸引的强磁性材料制成。受玻璃管外 磁极的控制，有时触头互相吸引而闭合，有时互相排斥而断 开，从而形成了触头的开关作用。 笛簧开关的结构如图9-17所示。笛簧开关置于车速表的转 子附近，当车速表电缆旋转时，磁铁也旋转，N,S磁极则靠 近或离开笛簧开关的触头。
第9章磁敏式传感器
1. 什么是霍尔效应？为什么半导体材料适合于作霍尔元件？ 2. 霍尔元件能够测量哪些物理参数？
3. 简述霍尔传感器的特点。
4. 简述霍尔位移传感器的工作原理。 5. 什么是磁阻效应？
Xi’an Jiaotong University
接近开关和无触点开关、计数器；无接触线位移传 感器；力、加速度等参数的测量；精密倾斜角测量等。
R1、R2 线性、角度、旋转位 移传感器，可以测量磁场 强度。
磁敏电阻位移传感器
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磁敏二极管、三极管
磁敏二极管
P型和N型电极由高阻材料制成，I为本征区。I区的r 面粗糙，设置成高复合区（r区），目的是使电子－空穴 对易于在粗糙表面复合而消失；另一面比较光滑。
霍尔式传感器的材料
霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。
霍尔元件多采用N型半导体材料（高的电阻率和载流 子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、 硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。
Xi’an Jiaotong University
霍尔式传感器的测量电路
霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔 元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获得较大的UH。
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磁敏二极管、三极管应用
1－待测物，2－激励线圈，3－铁芯，4－放大器，5－磁敏二极管探头
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作 业
问答题： 1． 什么叫压电晶体的居里点？ 2． 什么是正压电效应？什么是逆压电效应？ 3． 压电式传感器的测量电路中为什么要加入前置放大器？ 电荷放大器有何特点？ 4． 试说明为什么不能用压电传感器测量变化比较缓慢的 信号？
传感检测技术及其应用 01到03章
2011年5月23日
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二、传感器的工作机理和分类 1.传感器工作机理 传感器工作机理 传感器的工作机理是基于各种物理、 传感器的工作机理是基于各种物理、化学和生 物效应等，并受相应的定律和法则支配。 物效应等，并受相应的定律和法则支配。了解这些 定律和法则有助于对传感器本质的理解和对新效应 传感器的开发。 传感器的开发。 守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。 ＊守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。 场的定律：如重力场、静电场、磁场等。 ＊场的定律：如重力场、静电场、磁场等。遵守场定 律的传感器可称为“结构型传感器” 律的传感器可称为“结构型传感器” 物质定律：表示物质本身内在性质的定律。 ＊物质定律：表示物质本身内在性质的定律。遵守物 质定律的传感器称为“物性型传感器” 质定律的传感器称为“物性型传感器”
优点： 优点：通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态 响应。 响应。通解仅与传感器本身特性及初始条件有关 特解不仅与传感器的特性有关， ；特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入 量有关。 量有关。 缺点：求解麻烦， 缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传 感器的特性时显得更不方便。 感器的特性时显得更不方便。
表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线 表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线
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2.动态数学模型 2.动态数学模型 传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变 输入量作用时，其输出－输入之间的关系， 输入量作用时，其输出－输入之间的关系，通常称 为响应特性。 为响应特性。 有些传感器虽然有良好的静态特性，但由于传 有些传感器虽然有良好的静态特性， 感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素， 感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素，使传感器 的输出量不仅与输入量有关， 的输出量不仅与输入量有关，而且还与输入量的变 化速度等有关，所以将导致严重的动态误差， 化速度等有关，所以将导致严重的动态误差，这就 必须认真研究传感器的动态响应特性，为此建立的 必须认真研究传感器的动态响应特性， 数学模型称为动态模型。常用的动态方程有： 数学模型称为动态模ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。常用的动态方程有：微分 方程、传递函数、频率响应函数。 方程、传递函数、频率响应函数。
生物医学传感器原理与应用第9章 新型生物医学传感器及系统
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9.3.4 纳米传感器 在生物医学领域的应用纳米技术可用于制造生物、 化学、物理等不同种类的传感器，通过与微电子学和 MEMS技术结合价的传感器（图9.17）。
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9.4 基于液滴的微流控系统在生物医学传感分析中的应用
1
9.1 仿生化学传感器阵列系统———电子鼻及电子舌
尽管分析技术在近年发展迅速，但是很多方面还难 与人类视、听、嗅、触、味等5个感知功能相提并论。 化学传感器阵列系统的研究对推动人工嗅觉和味觉装置 （电子鼻和电子舌）的发展具有特别重要的意义。化学 传感器（chemicalsensor或者chemosensor）是一类对 化学物质敏感并可以将其浓度信息转换为电信号，从而 进行检测的传感装置，具有对待测化学物质的构象或分 子结构等有选择性俘获（接受器）功能和将俘获的化学 量有效转换为电信号（转换器）的能力。化学传感器种 类繁多、分析速度快、自动化程度高、易于小型化，因 此在医学诊断、环境检测、公共安全、自动控制等领域 发挥着重要作用。
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9.2.4 微悬臂梁生物传感器 微悬臂梁可以把受体覆盖表面的识别过程转换为机 械偏转。当配体与受体相互作用时，两者之间的吸附力 引起微悬臂梁的弯曲。
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9.3 纳米传感器
纳米技术通常是指与亚微米尺度有关的过程和产品， 是“指一种加工技术，其中涉及单原子和分子，以及至 少一个尺度小于100nm 的物体的操作”。1993年，国 际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、 纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳 米计量学等6个分支学科。现代社会在材料的超微化， 元器件的高集成度，仪器的微型化和智能化，高密度存 储和超快传输等方面的特殊要求对纳米科技的发展提供 了广阔的空间。
部分习题参考答案(传感器原理及应用,第9章)
部分习题参考答案第9章新型光电传感器9.1 象限探测器与PSD光电位置传感器有什么异同？各有哪些特点？9.2 叙述SSPD自扫描光电二极管阵列工作原理及主要参数特征。
9.3 CCD电荷耦合器主要由哪两个部分组成？试描述CCD输出信号的特点。
9.4 试述CCD的光敏元和读出移位寄存器工作原理。
9.5 用CCD做几何尺寸测量时应该如何由像元数确定测量精度。
9.6 CCD信号二值化处理电路主要有哪种电路形式，可起到什么作用？9.7说明光纤传感器的结构和特点，试述光纤的传光原理。
9.8 当光纤的折射率N1=1.46，N2=1.45时，如光纤外部介质N0=1，求最大入射角θc的值。
9.9 什么是光纤的数值孔径？物理意义是什么？NA取值大小有什么作用？有一光纤，其纤芯折射率为1.56，包层折射率为1.24，求数值孔径为多少？9.10光纤传感器有哪两大类型？它们之间有何区别？9.11 图9-36为Y结构型光纤位移测量原理图，光源的光经光纤的一个分支入射，经物体反射后光纤的另一分支将信号输出到光探测器上。
光探测器的输出信号与被测距离有什么样关系，试说明其调制原理，画出位移相对输出光强的特性曲线。
9.12光纤可以通过哪些光的调制技术进行非电量的检测，说明原理。
9.13埋入式光纤传感器有哪些用途，举例说明可以解决哪些工程问题。
答案9.1答：1）象限探测器它是利用光刻技术，将一个整块的圆形或方形光敏器件敏感面分隔成若干个面积相等、形状相同、位置对称的区域，这就构成了象限探测器。
PSD光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件。
两种器件工作机理不同，但其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。
光电位置传感器被广泛应用于激光束对准、平面度检测、二维坐标检测以及位移和振动测量系统。
2）象限探测器有几个明显缺点：它需要分割从而产生死区，尤其当光斑很小时，死区的影响更明显。
若被测光斑全部落入某个象限时，输出的电信号无法表示光斑位置，因此它的测量范围、控制范围都不大，测量精度与光强变化及漂移密切相关，因此它的分辨率和精度受到限制。
传感器应用技术(答案)
四、传感器技术的发展趋势教学目标课，你们想怎样上？方法：评分标准分组：评分标准：（100分制）第一章传感器基础什么是传感器？思考：人身上有传感器吗？是什么类型传感器？传感器传感器的应用第二章光电式传感器光电式传感器的分类：一、预习问题储料仓二、问题解答概念题1、什么是外光电效应、光电管？光电效应光子能量光子能量吸收光子能量外光电效应使电子逸出物体表面光电管：光电阴极光电阳极光电子光电流光照强度光阴极的灵敏度电阻上的电压一定函数关系2、什么是光电倍增管？若干个倍增极逐级轰击次级发射倍增极106～108倍于紫外/可见/近红外光光度计，旋光仪、糖度计，发光分光光度计等3、什么是内光电效应、光敏电阻？电阻率阻值电流内光电效应开关式光电信号电阻率低阻态阻值亮电流原值呈高阻态4、光电二极管、光电三极管的结构？光电特性？反向反向偏置反向电阻光电流与阳极电压U AUminI∮U AU AUzI∮UAI∮UQ。
5、请举光源本身是被测物的光电传感器应用实例。
直接照射某些物理参数6、请举被测物吸收光通量的光电传感器应用实例。
光通量光电元件吸收量1—恒流源 2—半导体激光器 3—半反半透镜 4—反射镜5—被测水样6、9—光电池7、10—电流/电压转换器8—标准水样恒定红外光部分红外光减弱阀值判断电路7、请列举被测物体反射光通量的光电传感器应用实例。
反射反射光通量性质、状态和与光源之间的距离8、请举被测物遮挡光通量的光电传感器应用实例。
光通量减弱尺寸或位置正确位置零遮光面积方向及大小9、什么是光电开关？分别用图片介绍对射式、镜反射式、漫反射式、槽式、光纤式光电开关的用法。
靠近和通过强弱变化电流的变化电隔离的(即电缘绝)“通”与“断”10、什么是计量光栅？莫尔条纹的工作原理？应用举例？等节距刻线结构原理简单、计量精度高和分辨力强11、什么是光纤传感器？其在检测温度、加速度方面怎么应用？光纤自身直接接收长度、折射率、直径振幅（强度）、相位、波长和偏振方向被动式无需光源光强信号电信号考光束与测量光束光程差干涉效应电信号12、什么是红外线传感器？有什么应用？绝对零度热效应温度升高其他物理量自身的温度电信号光—热—电1、如图设计一套检测机构，检测输送带上往前输送的电路板的摆放位置是否正确。
传感器的标定
x 100 %
HUST
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传感器原理--第9章传感与检测技术的论理基础
（3） 引用误差引用误差是仪表中通用的一种误差表示 方法。 它是相对仪表满量程的一种误差, 一般也用百分数表 示，即
γ=
测量范围上限
- 测量范围下限
100 %
(9 - 9）
式中: γ——引用误差;
HUST
2
传感器原理--第9章传感与检测技术的论理基础
一、 测量 测量是以确定量值为目的的一系列操作。 所以测量也就是
将被测量与同种性质的标准量进行比较, 确定被测量对标准量的
倍数。 它可由下式表示:
x nu
n
式中 ：
（9-1）
x u
（9-2）
x——被测量值; n——比值（纯数）, 含有测量误差。 u——标准量, 即测量单位;
（5）附加误差附加误差是指当仪表的使用条件偏离额定条件 下出现的误差。例如, 温度附加误差、频率附加误差、电源电
压波动附加误差等。
HUST
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传感器原理--第9章传感与检测技术的论理基础
2． 误差的性质 根据测量数据中的误差所呈现的规律, 将误差分为三种, 即 系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据
3． 偏差式测量、 零位式测量与微差式测量 用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值, 这种测量方 法称为偏差式测量。应用这种方法测量时, 仪表刻度事先用标准器 具标定。 在测量时, 输入被测量, 按照仪表指针在标尺上的示值, 决 定被测量的数值。 用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态, 在测量系统 平衡时, 用已知的标准量决定被测量的量值, 这种测量方法称为零位 式测量。在测量时, 已知标准量直接与被测量相比较, 已知量应连续 可调, 指零仪表指零时, 被测量与已知标准量相等。 例如天平、电位 差计等。零位式测量的优点是可以获得比较高的测量精度, 但测量 过程比较复杂, 费时较长, 不适用于测量迅速变化的信号。 HUST
传感器与检测技术(知识点总结)
传感器与检测技术知识总结第一章概述1：传感器是能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置.一、传感器的组成2：传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。
①敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力,力矩转换为位移或应变输出）。
②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数(电阻，电感，电容）及电流或电压等电信号。
③基本转换电路是将该电信号转换成便于传输，处理的电量.二、传感器的分类1、按被测量对象分类（1)内部信息传感器主要检测系统内部的位置,速度,力，力矩，温度以及异常变化.（2）外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式（触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器）和非接触式(视觉传感器、超声测距、激光测距)。
2、传感器按工作机理（1）物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的（主要有：光电式传感器、压电式传感器）.（2）结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的(主要有①电感式传感器;②电容式传感器；③光栅式传感器）。
3、按被测物理量分类如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度.4、按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用。
5、按传感器能量源分类(1）无源型：不需外加电源.而是将被测量的相关能量转换成电量输出（主要有：压电式、磁电感应式、热电式、光电式）又称能量转化型；（2）有原型：需要外加电源才能输出电量,又称能量控制型（主要有：电阻式、电容式、电感式、霍尔式).6、按输出信号的性质分类(1）开关型（二值型）：是“1”和“0”或开（ON)和关（OFF)；(2）模拟型：输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量,其输入/输出可线性，也可非线性；（3)数字型:①计数型:又称脉冲数字型,它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比；②代码型(又称编码型)：输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。
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及其应用技术
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第9章 磁电式传感器及应用
磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动
、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。
磁
电
式
传
感器 12..磁 磁电 栅感 式应 传式 感
传感 器；
器
；
3.磁 敏 式 传 感 器 ；
磁电感应式传感器主要是利用导体和磁场相对运动产
ICL7106是三位半A/D转换器，并带有LCD/LED 驱动器。
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二、霍尔转速测量装置
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三、霍尔开关电子点火器
四、霍尔元件直流无刷电机换相控制
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五、其它应用
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思考题
1.什么是霍尔效应？
2.霍尔元件为什么要进行温度补偿和不等位电势补偿？
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二、霍尔元件材料及特性
目前主要有锑化铟(InSb)、砷化镓(GaAs)。两种 材料的霍尔元件特性如图9－4所示，都具有良好的线 性。
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1. InSb材料霍尔元件特性 2. GaAs材料霍尔元件特性
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三、霍尔元件主要技术参数
1.输入电阻RIN和输出电阻ROUT 2.额定控制电流IC 3.不等位电势V0和不等位电阻R0 4.灵敏度kH 5.霍尔电压温度系数α 6.电阻温度系数β 7.灵敏度温度系数γ 8.线性度
四、温度及不等位电势补偿
1.温度补偿
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并联电阻温度补偿R=βRIN/α 式中α－霍尔电压温度系数；
β－电阻温度系数； RIN－霍尔元件输入电阻。
2.不等位电势V0的补偿
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五、霍尔元件基本应用电路 1.基本应用电路
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2.恒压工作电路感器中生产量 最大的一种，有着广泛的应用，本章重点介绍霍尔 传感器及其应用。
9.1 霍尔效应及霍尔元件
一、霍尔效应
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霍尔电势VH为 VH=kHICBsinθ
式中kH－霍尔元件灵敏度； IC －控制电流(A)； B －磁感应强度(T); θ －受磁面与磁场夹角。
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4.霍尔元件放大电路
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9.2 霍尔传感器
霍尔传感器是将霍尔元件、放大电路、温度补 偿电路及稳压电源等集成于一个芯片上构成的传感 器。
分为线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器。
一、线性霍尔传感器
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二、开关型霍尔传感器
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生感应电势，该类传感器只适用于动特测量，可直接
测量振动物体的速度或旋转体的角速度。
磁栅式传感器则是利用磁头和磁栅相对移动，从而在
磁头上感应出电信号。
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磁敏式传感器是利用固体中的磁电转换效应为基础， 使载流半导体在磁场中有磁电效应（霍尔效应）而 输出电势。主要有霍尔传感器、磁阻传感器、磁敏 二极管和磁敏三极管等。
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三、霍尔电流传感器和霍尔功率传感器
9.3 霍尔元件及霍尔传感器的应用
一、霍尔传感器测电流
软磁材料圆环，截面积为4×4mm2，圆环中心直径 为40mm，圆环上有一开口，可以放入UGN3501T,
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圆环上绕有11匝线圈，并通过检测 电流。根据磁路理论可以计算出电 流为50A时，可以产生0.3T磁场强度 。由于UGN3501M的灵敏度为 1.4mV/mT，则0～50A电流，其输出 电压范围为0～420mV。由UGN3501M 、ICL7106、LCD组成的数显电流表 如图所示。
3.如图所示，相同的两块永久磁铁 ，同极性相对安装，试说明测量位 移的原理。
4.要进行两个电压U1、U2乘法运 算，若采用霍尔元件作为运算器， 试画出测量原理图，说明其原理。
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