传感检测技术与其应用 第7章PPT课件
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第7章 传感器技术-光电效应及传感器
光源
被测非电量 位移、转速、 振动等
光学通路
光量
光电传感元件
△U 或△I
测量/显示
光电传感器的分类 按传感器输出量的性质， 按传感器输出量的性质，可以分为模拟式 开关式（脉冲式）二大类。 和开关式（脉冲式）二大类。
模拟式光电传感器
该类传感器基于光电元件的光电特性， 该类传感器基于光电元件的光电特性，其 基于光电元件的光电特性 光通量是随被测量而变， 光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 传感器输出量为连续变化的光电流， 传感器输出量为连续变化的光电流，器件 的光照特性呈单值线性， 的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持 均匀稳定。 反射式、 均匀稳定。它的形式有吸收式、反射式、遮光 式和辐射式。
5、时差测距。典型应用如光电测距仪， 时差测距。典型应用如光电测距仪， 是将恒定光源发出的光投射到目的物， 是将恒定光源发出的光投射到目的物，并用 光电元件接收反射光， 光电元件接收反射光，通过对光信号在光源 与目的物之间往返时间的测量， 与目的物之间往返时间的测量，从而计算出 光源与目的物间的距离。 光源与目的物间的距离。
发光二极管阵列（SSPA） 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件（CCD）
这两类光电器件实际上是集成化、 这两类光电器件实际上是集成化、 模块化的光电元件组合， 模块化的光电元件组合，他们的工作原 理类似，根据需要， 理类似，根据需要，可以做成线阵或面 阵的形式。 阵的形式。目前在图象采集与处理技术 电荷耦合器件CCD CCD已经得到了大量 中 ， 电荷耦合器件 CCD 已经得到了大量 的应用。 的应用。
内光电效应－ 内光电效应－
无线传感网络技术与应用项目化项目七 WIFI无线通信应用PPT课件
WIFI无线通信
任务7.1 WIFI连接NEWLab服务器
【任务要求】
采用WIFI和ARM核心板两个模块，在 NEWLab平台上搭建一个WIFI无线通信系统， 实现远程访问NEWLab（ARM核心板）上运 行的服务器，获取ARM核心板的板载信息。
【知识链接】
7.1 NEWLab的WIFI无线控制原理 WIFI模块是采用AR6302作为主控芯片，
命令执行成功后，返回数据：
AA（同步位） 01 （GPIO控制）00 00（保留位） 00 00 00 00（命令执行结果）
【技能拓展】
1.通过GPIO口实现更多器件的控制。
任务7.3 WIFI控制电灯泡亮和灭
【任务要求】
采用继电器、电灯泡、WIFI和ARM核心板 四个模块，在NEWLab平台上搭建一个WIFI 无线控制电灯泡开关系统，实现远程控制电 灯泡亮和灭。
扑图如图所示，在ARM核心板上运行一个服 务端程序，该程序能够解析PC机或手机的客 户端发来的各种命令数据，控制ARM核心板 读取传感器数据（如读取温度传感器温度 值），或者控制设备动作（如控制风扇开、 关）等等。
【知识链接】
7.1.2 WIFI无线控制命令数据格式
NEWLab的WIFI无线控制命令结构、WIFI 无线控制命令表、WIFI控制命令的数据域协 议和WIFI控制NEW 命La令b的的WIF响I无线应控制协命议令结如构 表所示。
无线控制命令表、WIFI控制命令的数据域协
议和WIFI控制NEW 命La令b的的WIF响I无线应控制协命议令表如表所示。
命令名 GPIO控制命令 获取温度命令 获取红外传感数据命令
值（16进制） 01 02 03
获取NEWLAB板载信息（ARM核心板）
任务7.1 WIFI连接NEWLab服务器
【任务要求】
采用WIFI和ARM核心板两个模块，在 NEWLab平台上搭建一个WIFI无线通信系统， 实现远程访问NEWLab（ARM核心板）上运 行的服务器，获取ARM核心板的板载信息。
【知识链接】
7.1 NEWLab的WIFI无线控制原理 WIFI模块是采用AR6302作为主控芯片，
命令执行成功后，返回数据：
AA（同步位） 01 （GPIO控制）00 00（保留位） 00 00 00 00（命令执行结果）
【技能拓展】
1.通过GPIO口实现更多器件的控制。
任务7.3 WIFI控制电灯泡亮和灭
【任务要求】
采用继电器、电灯泡、WIFI和ARM核心板 四个模块，在NEWLab平台上搭建一个WIFI 无线控制电灯泡开关系统，实现远程控制电 灯泡亮和灭。
扑图如图所示，在ARM核心板上运行一个服 务端程序，该程序能够解析PC机或手机的客 户端发来的各种命令数据，控制ARM核心板 读取传感器数据（如读取温度传感器温度 值），或者控制设备动作（如控制风扇开、 关）等等。
【知识链接】
7.1.2 WIFI无线控制命令数据格式
NEWLab的WIFI无线控制命令结构、WIFI 无线控制命令表、WIFI控制命令的数据域协 议和WIFI控制NEW 命La令b的的WIF响I无线应控制协命议令结如构 表所示。
无线控制命令表、WIFI控制命令的数据域协
议和WIFI控制NEW 命La令b的的WIF响I无线应控制协命议令表如表所示。
命令名 GPIO控制命令 获取温度命令 获取红外传感数据命令
值（16进制） 01 02 03
获取NEWLAB板载信息（ARM核心板）
第7章 传感系统关键技术
第7章 传感系统关键技术
7.2.3 传感器系统抗干扰技术 1.干扰源及主要形式 从使用和分析需求上讲,没有价值的信号可以被视为一
种干扰,环境中充斥着各种各样的干扰信号,下面将列举一些 较为常见且对系统性能影响相对较大的干扰源。
1)外部干扰 从外部侵入检测装置的干扰称为外部干扰,一般分为自 然干扰和人为干扰(或工业干扰)两种。自然干扰主要来源于 自然界,例如雷电、宇宙辐射等,对广播、通信、导航等电子 设备的影响通常较大;人为干扰是指由各种电气、电子设备 所产生的电磁干扰及机械干扰、热干扰、化学干扰等。
第7章 传感系统关键技术
(4)化学干扰。 化学干扰是由于潮湿的环境或化学腐蚀导致的各种零部 件绝缘强度的降低,严重时候可能造成漏电、短路等问题的 干扰。
第7章 传感系统关键技术
2)内部干扰 (1)固有噪声源。 固有噪声源包括热噪声、散粒噪声和低频噪声。由电阻 内部载流子的随机热运动产生的几乎覆盖整个频谱的噪声电 压形成热噪声,其有效值电压值可以表示为公式(7-4)的形 式。其中,K 为玻耳兹曼常数,T 为热力学温度,R 为电阻值,Δf 为与系统带宽相关的噪声带宽,从公式关系不难发现,减小输 入电阻和通频带宽将会对噪声的降低带来有利的作用。
第7章 传感系统关键技术
(1)电磁干扰。 电磁干扰类型相对复杂一些,通常包括放电噪声干扰和 电气设备干扰两种。放电噪声是指由各种放电现象产生的噪 声,对电子设备的影响最大。放电现象包括持续放电和过度 放电两种,前者又包括电晕放电、辉光放电和弧光放电,后者 主要是指火花放电。电晕放电主要来自高压输电线,在放电 过程中产生的脉冲电流和高频振荡是潜在的干扰源。引起辉 光放电和弧光放电的放电管(如荧光灯、电弧灯等)具有负阻 抗特性,在与外接电路连接时,非常容易引起电路的振荡,振荡 甚至可达高频波段。
第7章开关量和数字量的测量PPT课件
7.1.6 光电开关及光电断续器
光电开关与光电断续器都是用来检测物体的靠近、通过 等状态的光电传感器。近年来，随着生产自动化、机电一体 化的发展，光电开关及光电断续器已发展成系列产品，其品 种及规格日增，用户可根据生产需要，选用适当规格的产品， 而不必自行设计光路和电路。
从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别， 都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续 器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电 开关的检测距离可达几米至几十米。
（4）重复定位精度 它表征多次测量动作距离。其数值的离散性 的大小一般为动作距离的1％～5％。离散性越小，重复定位精 度越高。
（5）动作频率 指每秒连续不断地进入接近开关的动作距离后又 离开的被测物个数或次数。
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f）
图7.1 接近开关的几种结构形式 a）圆柱形 b）平面安装型 c）方形 d）槽形 e）贯穿型 f）外形
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4
接近开关分类
常用的接近开关可分为电感式（多为电涡流式）、电容式、 磁性干簧管式、霍尔式接近开关，它们的测量对象如下：
（1）电涡流式（常称为电感接近开关） 它只对导电良好 的金属起作用。 （2）电容式 它对接地的金属或地电位的导电物体起作用， 对非地电位的导电物体灵敏度稍差。 （3）磁性干簧管 它只对磁性较强的物体起作用。 （4）霍尔式 它只对磁性物体起作用。
图7.7 光电开关类型及应用 1-发射器 2-接收器 3-被测物 4-反射镜
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2. 光电断续器
光电断续器的工作原理 与光电开关相同，但其光电 发射、接收器做在体积很小 的同一塑料壳体中，所以两 者能可靠地对准，为安装和 使用提供了方便，它也可以 分为遮断型和反射型两种
传感器和检测技术ppt课件
17.黄俊钦．静、动态数学模型的实用建模方法．北京：机械工业出版社， 1988
18. 马修水. 瑞士SYLVAC电容测量系统的发展. 工具技术，1989 (12)
19.于静江，周春晖．过程控制中的软测量技术．控制理论与应 用．1996,13(2)
20. 骆晨钟，邵惠鹤．软测量技术及其工业应用．仪表技术及传感器．
17
传感器原理及其应用－教学层次
中专级 大专级 本科级 硕士级 ……
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18
谢谢！
传感器与检测技术 教学组
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19
参 考 文 献 （续）
13.张正伟．传感器原理及应用．北京：中央广播电视大学出版社，1997
14.周春晖. 过程控制工程手册. 北京: 化学工业出版社，1993
15. 陈守仁. 自动检测技术及仪表. 北京: 机械工业出版社，1989
16. 费业泰. 误差理论与数据处理. 北京:机械工业出版社, 2002
课时数
2 4 6 2 4 6 8 2 34
作业 实验
* * * * * * *
15
参考文献
1. 王化祥,张淑英．传感器原理及应用．天津：天津大学出版社，1991 2. 常健生. 检测与转换技术. 北京:机械工业出版社. 2001 3. 严钟豪，谭祖根. 非电量电测技术. 北京：机械工业出版社，2003 4. 强锡富. 传感器. 北京：机械工业出版社，1998 5. 贾伯年，俞朴. 传感器技术. 南京：东南大学出版社，1992 6. 王俊杰. 检测技术与仪表. 武汉. 武汉理工大学出版社，2002 7. 郭振芹．非电量的电测量．北京：中国计量出版社，1986 8. 郁有文，常健，程继红编著. 传感器原理及工程应用. 西安：西安电子科
传感器与检测技术完整ppt课件
xmin 100% YFS
.
6．稳定性。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期 稳定性描述其稳定性。所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长 的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。因此，通常又 用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。
7．漂移。传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时 间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结 构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。
.
1.3.1测量误差及其分类
误差的定义
测量误差(error of measurement)是指测得值与被
测量真值之差，可用下式表示： 测量误差=测得值-真值
若定义中的测得值是用测量方式获得的被测量的测
量结果，则得到测量误差的定义为：测量误差=测量结果-真
值
若定义中的测得值是指计量仪器的示值，则得到计
1.1.3传感器的分类 1．按输入量（被测量）分类 2．按工作原理（机理）分类 3、按能量的关系分类 4．按输出信号的形式分类
.
1.2 传感器的特性
静态特性和动态特性
输入量X和输输出Y的关系通常可用多项式表示
静态特性可以用一组性能指标来描述，如线性度、灵敏度、精确度（精 度）、重复性、迟滞、漂移、阈值和分辨率、稳定性、量程等。
2替代法其实质是在测量装置上测量被测量后不改变测量条件立即用相应标准量代替被测量放到测量装置上再次进行测量从而得到此标准量测量结果与已知标准量的差值即系统误差取其负值即可作为被测量测量结果的修正先将被测量x放于天平一侧标准砝码p放于另一侧调至天平平衡则有xpl此时移去被测量x用标准砝码q代替使天平重新平衡则有qpl2l1所以有xq
.
6．稳定性。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期 稳定性描述其稳定性。所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长 的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。因此，通常又 用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。
7．漂移。传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时 间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结 构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。
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1.3.1测量误差及其分类
误差的定义
测量误差(error of measurement)是指测得值与被
测量真值之差，可用下式表示： 测量误差=测得值-真值
若定义中的测得值是用测量方式获得的被测量的测
量结果，则得到测量误差的定义为：测量误差=测量结果-真
值
若定义中的测得值是指计量仪器的示值，则得到计
1.1.3传感器的分类 1．按输入量（被测量）分类 2．按工作原理（机理）分类 3、按能量的关系分类 4．按输出信号的形式分类
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1.2 传感器的特性
静态特性和动态特性
输入量X和输输出Y的关系通常可用多项式表示
静态特性可以用一组性能指标来描述，如线性度、灵敏度、精确度（精 度）、重复性、迟滞、漂移、阈值和分辨率、稳定性、量程等。
2替代法其实质是在测量装置上测量被测量后不改变测量条件立即用相应标准量代替被测量放到测量装置上再次进行测量从而得到此标准量测量结果与已知标准量的差值即系统误差取其负值即可作为被测量测量结果的修正先将被测量x放于天平一侧标准砝码p放于另一侧调至天平平衡则有xpl此时移去被测量x用标准砝码q代替使天平重新平衡则有qpl2l1所以有xq
传感器第7章 传感器的数据处理
程序主要包括3个子文件Blink.nc、BlinkM.nc和SingleTimer.nc。
7.1.7 nesC应用程序的分析
Blink.nc文件
该文件为整个程序的顶层配置文件，关键字为configuration，通过“->”连接各个 对应的接口。
configuration Blink{ } implementation{
7.1.4 模块
简单指令或事件A，由带有存储类型指令或事件的C函数定义的语法实现（注意允许在 函数名中直接定义的扩展）。另外语法关键字必须被包含如果它被包含在A的声明中。
SendMsg类型的提供 接口Send的模块：
Command result_t Send.send(unit16_t address, unit8_t length, TOS_MsgPtr msg){
图7-1 TinyOS程序结构框图
基于以上分析，一个节点上应用程序的框图。操作系统只是在后台提供队列服务。
图7-2 应用程序结构框图
7.1.7 nesC应用程序的分析
每个nesC应用程序都是由一个或多个组件通过接口链接起来，并通过ncc/gcc 编译生成一个完整的可执行程序。
以TinyOS软件中的Blink应用程序为例，具体介绍nesC应用程序结构。Blink程 序是一个简单的nesC应用程序。它的主要功能是每隔1 s的时间间隔亮一次，关闭 系统时红灯亮。
每个nesC应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所 用到的所有组件连接起来，形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。
每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调 用其他的组件以实现程序的功能。由一个或多个组件构成或连接而成。
7.1.7 nesC应用程序的分析
Blink.nc文件
该文件为整个程序的顶层配置文件，关键字为configuration，通过“->”连接各个 对应的接口。
configuration Blink{ } implementation{
7.1.4 模块
简单指令或事件A，由带有存储类型指令或事件的C函数定义的语法实现（注意允许在 函数名中直接定义的扩展）。另外语法关键字必须被包含如果它被包含在A的声明中。
SendMsg类型的提供 接口Send的模块：
Command result_t Send.send(unit16_t address, unit8_t length, TOS_MsgPtr msg){
图7-1 TinyOS程序结构框图
基于以上分析，一个节点上应用程序的框图。操作系统只是在后台提供队列服务。
图7-2 应用程序结构框图
7.1.7 nesC应用程序的分析
每个nesC应用程序都是由一个或多个组件通过接口链接起来，并通过ncc/gcc 编译生成一个完整的可执行程序。
以TinyOS软件中的Blink应用程序为例，具体介绍nesC应用程序结构。Blink程 序是一个简单的nesC应用程序。它的主要功能是每隔1 s的时间间隔亮一次，关闭 系统时红灯亮。
每个nesC应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所 用到的所有组件连接起来，形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。
每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调 用其他的组件以实现程序的功能。由一个或多个组件构成或连接而成。
传感器与检测技术 PPT课件
• 检测技术随着科学技术的发展而发展。现代工业经历了从手工作坊到机械 化、 自动化的历程，并从自动化向自治化、智能化的目标演化。随着生产设备机 械化、自动化水平的提高，控制对象日益复杂，由于系统中表征设备工作状 态的 状态参数多、参数变化快、子系统不确定性大等特点，从而对检测技术 的要求不 断提高，促进了检测技术水平的不断提高。
• 在测量装置和某些分类机械中，检测是装置和设 备的核心。例如自动分拣机要实现将工件按重量 分别放在不同位置的功能，就必须具有重量检测 单元（见下图）。
2.设备运行状态检测与故障诊断
• 为了保证机电设备安全可靠地运行，经常要求对 主要参数进行监测，如对电源电压、电机功耗或 负载电流、润滑油温度的监测等，其目的是防止 过载造成损 坏。这是一种保护性检测。但是随着 预防性维修的发展，对一些大型关键设备 要求进 行以故障诊断为目的的状态检测，例如，利用检 测振动信号，可监视动力 机械轴承或齿轮的故障， 并通过频率分析确定故障的部位，区分出轴承内 环、外 环或滚珠的故障。数控加工机床可利用切 削力信号、振动信号或声发射信号监 测刀具的工 作状态，当刀具破损或发生严重磨损时，及时发 出报警。
第七章智能传感器（4学时） • 概述 • 智能传感器的系统构成 • 智能传感器的集成技术 • 智能传感器实现的方法 • 智能仪器实例 第八章 传感器信号处理（2学时） • 测量放大器 • 信号的调制与解调 • 滤波器 • 传感器信号的非线性校正
第九章自动检测系统 （4学时） • 自动检测系统的组成 • 模拟量数据采集系统 • 数据采集系统输入接口器件 • 主要特性指标及测定方法 • 虚拟仪器
3.制造质量检测与控制
• 在机械制造过程中，为了保证加工零件的质量而 进行的检测，例如材质检 测、缺陷检测、尺寸及 表面质量检测。基于质量控制的检测又分为在线 检测与离 线检测。离线检测是在加工或装配完成 后对零件或产品进行检测，确定加工零 件是否合 格，剔除不合格零件，或者通过绘制控制图发现 加工过程的异常趋势。 在线检测是在加工或装配 过程中进行检测，例如，外圆磨削自动检测仪可 在磨削 过程中利用气动量仪或电感测头自动检测 工件尺寸，输出检测信息，以对机床进 行补充调 节或供显示报警。
• 在测量装置和某些分类机械中，检测是装置和设 备的核心。例如自动分拣机要实现将工件按重量 分别放在不同位置的功能，就必须具有重量检测 单元（见下图）。
2.设备运行状态检测与故障诊断
• 为了保证机电设备安全可靠地运行，经常要求对 主要参数进行监测，如对电源电压、电机功耗或 负载电流、润滑油温度的监测等，其目的是防止 过载造成损 坏。这是一种保护性检测。但是随着 预防性维修的发展，对一些大型关键设备 要求进 行以故障诊断为目的的状态检测，例如，利用检 测振动信号，可监视动力 机械轴承或齿轮的故障， 并通过频率分析确定故障的部位，区分出轴承内 环、外 环或滚珠的故障。数控加工机床可利用切 削力信号、振动信号或声发射信号监 测刀具的工 作状态，当刀具破损或发生严重磨损时，及时发 出报警。
第七章智能传感器（4学时） • 概述 • 智能传感器的系统构成 • 智能传感器的集成技术 • 智能传感器实现的方法 • 智能仪器实例 第八章 传感器信号处理（2学时） • 测量放大器 • 信号的调制与解调 • 滤波器 • 传感器信号的非线性校正
第九章自动检测系统 （4学时） • 自动检测系统的组成 • 模拟量数据采集系统 • 数据采集系统输入接口器件 • 主要特性指标及测定方法 • 虚拟仪器
3.制造质量检测与控制
• 在机械制造过程中，为了保证加工零件的质量而 进行的检测，例如材质检 测、缺陷检测、尺寸及 表面质量检测。基于质量控制的检测又分为在线 检测与离 线检测。离线检测是在加工或装配完成 后对零件或产品进行检测，确定加工零 件是否合 格，剔除不合格零件，或者通过绘制控制图发现 加工过程的异常趋势。 在线检测是在加工或装配 过程中进行检测，例如，外圆磨削自动检测仪可 在磨削 过程中利用气动量仪或电感测头自动检测 工件尺寸，输出检测信息，以对机床进 行补充调 节或供显示报警。
电子课件-《传感器及应用(第二版)》-B02-1472 模块七 图像检测
CMOS 图像传感器芯片结构
模块七 图像检测
３． 固态图像传感器的比较 CCD 传感器一般被认为具有以下优点。 （１） 高分辨率：像素大小为 μm 级，可感测及识别精 细物体，提高影像品质。 （２） 高灵敏度：CCD 具有很低的读出噪声和暗电流噪 声，信噪比高，从而具有高灵敏度。 （３） 动态范围广：可同时感知及分辨强光和弱光，提 高系统环境的使用范围。
模块七 图像检测
２． 图像检测系统的组成 图像检测系统是采用图像传感器摄取图像，利用转换 电路将其转化为数字信号，再用计算机软硬件对信号进行 处理得到需要的最终图像或通过识别、计算后获取进一步 信息的检测系统，其组成如图所示。
图像传感器在图像检测系统的组成
模块七 图像检测
３． 图像传感器 图像传感器是利用光敏元器件的光电转换功能，将元 器件感光面上感受到的光线图像转换为成一定比例关系的 电信号并做相应处理后输出的功能器件，它能够实现图像 信息的获取、转换和视觉功能的扩展。
模块七 图像检测
二、固态图像传感器
固态图像传感器如图所示，是数码相机、数码摄像机的 关键零件，因常用于摄像领域，又被称为摄像管。
固态图像传感器要求具有两个基本功能：一是具有把光 信号转换为电信号的作用；二是具有将平面图像上的像素进 行点阵取样，并将其按时间取出的扫描作用。
固态图像传感器
模块七 图像检测
模块七 图像检测
知识引入
光纤传感器（Fiber Optical Sensor，FOS）是 20 世 纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传 感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，与以 电为基础的传感器有着本质区别。
模块七 图像检测
知识讲解 一、光纤传递的基本知识
１． 光纤结构 光纤的结构如图所示，光纤呈圆柱形，它 由玻璃纤维芯 （纤芯） 和玻璃包皮 （包层） 两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯位于光 纤的中心部位，光主要在此传输。 ２． 光纤导光原理 对于多模光纤，可以用几何光学的方法分 析光的传播现象。此时，光在两层结构之间 的界面上靠全反射进行传播.
模块七 图像检测
３． 固态图像传感器的比较 CCD 传感器一般被认为具有以下优点。 （１） 高分辨率：像素大小为 μm 级，可感测及识别精 细物体，提高影像品质。 （２） 高灵敏度：CCD 具有很低的读出噪声和暗电流噪 声，信噪比高，从而具有高灵敏度。 （３） 动态范围广：可同时感知及分辨强光和弱光，提 高系统环境的使用范围。
模块七 图像检测
２． 图像检测系统的组成 图像检测系统是采用图像传感器摄取图像，利用转换 电路将其转化为数字信号，再用计算机软硬件对信号进行 处理得到需要的最终图像或通过识别、计算后获取进一步 信息的检测系统，其组成如图所示。
图像传感器在图像检测系统的组成
模块七 图像检测
３． 图像传感器 图像传感器是利用光敏元器件的光电转换功能，将元 器件感光面上感受到的光线图像转换为成一定比例关系的 电信号并做相应处理后输出的功能器件，它能够实现图像 信息的获取、转换和视觉功能的扩展。
模块七 图像检测
二、固态图像传感器
固态图像传感器如图所示，是数码相机、数码摄像机的 关键零件，因常用于摄像领域，又被称为摄像管。
固态图像传感器要求具有两个基本功能：一是具有把光 信号转换为电信号的作用；二是具有将平面图像上的像素进 行点阵取样，并将其按时间取出的扫描作用。
固态图像传感器
模块七 图像检测
模块七 图像检测
知识引入
光纤传感器（Fiber Optical Sensor，FOS）是 20 世 纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传 感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，与以 电为基础的传感器有着本质区别。
模块七 图像检测
知识讲解 一、光纤传递的基本知识
１． 光纤结构 光纤的结构如图所示，光纤呈圆柱形，它 由玻璃纤维芯 （纤芯） 和玻璃包皮 （包层） 两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯位于光 纤的中心部位，光主要在此传输。 ２． 光纤导光原理 对于多模光纤，可以用几何光学的方法分 析光的传播现象。此时，光在两层结构之间 的界面上靠全反射进行传播.
七章光纤传感检测技术
无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。
光纤中的重要参数
3、光纤的归一化频率V
归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多
少而引入的一个特征参数。 其定义为：
V 2r
n12
n22
2r
NA k0rn1
2
其中， r——是光纤的纤芯半径； λ——是光纤的工作波长； n1和n2 ——分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 ——真空中的波数； ∆ ——光纤的相对折射率差。
轴1光分量振幅 : Asin 4 轴2光分量振幅 : Acos 4
偏振角与光分量的关系：
轴1
Asin
4
O
A A
参考矢量
4
Asin
4
轴2
sin 2 I1 I2
I1 I2
偏振角θ与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束 的光强有关系。由偏振角θ值可推知需要传感的物理量
2b
2b
2b
2c
2a
2a
2a
n n1
n2
0a b r （a）阶跃光纤
n n1
n2
0 a br （b） 渐变光纤
n n1 n2
n3
0 a cbr （c）W型光纤
光纤的类型
光纤中的重要参数
1、数值孔径（NA,Numerical Aperture）
当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射 角为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入 射角大于的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个 圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。
过的距离L和磁场强度H成正比，即
L
V 0 Hdl V L H
式中V为物质的弗尔德常数。
光纤中的重要参数
3、光纤的归一化频率V
归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多
少而引入的一个特征参数。 其定义为：
V 2r
n12
n22
2r
NA k0rn1
2
其中， r——是光纤的纤芯半径； λ——是光纤的工作波长； n1和n2 ——分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 ——真空中的波数； ∆ ——光纤的相对折射率差。
轴1光分量振幅 : Asin 4 轴2光分量振幅 : Acos 4
偏振角与光分量的关系：
轴1
Asin
4
O
A A
参考矢量
4
Asin
4
轴2
sin 2 I1 I2
I1 I2
偏振角θ与光源强度和通道能量衰减无关，只与两分光束 的光强有关系。由偏振角θ值可推知需要传感的物理量
2b
2b
2b
2c
2a
2a
2a
n n1
n2
0a b r （a）阶跃光纤
n n1
n2
0 a br （b） 渐变光纤
n n1 n2
n3
0 a cbr （c）W型光纤
光纤的类型
光纤中的重要参数
1、数值孔径（NA,Numerical Aperture）
当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射 角为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入 射角大于的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个 圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。
过的距离L和磁场强度H成正比，即
L
V 0 Hdl V L H
式中V为物质的弗尔德常数。
第七章 光纤传感技术
第7 章光纤传感技术光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体, 光纤为介质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。
在低损耗光纤问世不久的20世纪70年代中期人们就开始了光纤传感器的研究。
这主要是因为光纤用于传感具有独特的优点, 如无源性、化学惰性、绝缘性、极宽的信号带宽、“传”“感”合一等, 此外还有诸如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰等。
光纤传感器经过二十多年的发展, 目前已经成为一个种类繁多的传感大家族。
本章将首先介绍光纤传感器的优点及分类方法, 随后介绍几类非常重要的光纤传感器, 比如光纤法珀传感器、光纤白光干涉传感器、光纤陀螺传感器、光纤光栅传感器等。
在介绍这些传感器时, 本书着重于介绍这几类传感器的基本传感原理、解调方法及简单的应用技术。
7. 1 引言光纤不仅能用作光波的传输媒介, 而且光纤中传输的光波的特征参量, 如振幅、相位、波长、偏振态, 以及模式等, 对外界环境因数, 如温度、压力、辐射等比较敏感。
因此通过测量光纤中传输的光波的特征参量的变化即可实现对外界相应环境参量的测量, 这也就间接实现了引起环境因素变化的相应物理量的测量。
7.1.1 基本结构光纤传感器一般由四大部分组成: 光源、信号传输光纤、传感头、光电转换及信号处理, 具体结构如图7. 1 所示。
图解光波作为载波经入射光纤传输到传感头, 光波的某些特征参量在传感头内被外界物理量所调制, 含有被调制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分, 经解调后就能得到被测物理量的大小和状态。
由于光波的频率很高, 且是一种二维信号载体, 所以它能传感和传输的信息量极大。
7.1. 2 光纤传感器的分类1. 按照光纤在传感系统中的功能分光纤传感, 包含对外界信号(被测量) 的感知和传输两种功能。
所谓感知(或敏感) , 是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量, 如强度(功率) 、波长、频率、相位和偏振态等发生变化, 测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。
光纤传感技术(王友钊)章 (7)
28
第7章 分布式光纤传感器 基于自发拉曼散射的分布式光纤传感系统原理框图如图 7-4所示。 拉曼散射分布式光纤传感器的唯一不足之处是返 回信号相当弱， 因为反斯托克斯散射光比瑞利散射光强要弱20 dB~30 dB。 为了避免信号处理过程的平均时间过长， 脉冲激光 源的峰值功率要相当高。
29
第7章 分布式光纤传感器
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第7章 分布式光纤传感器 7.1.4
光在光纤中传播时， 光纤中的光学光子和光学声子产生非 弹性碰撞， 产生拉曼散射过程。 在光谱图上， 可以看到拉曼 散射频谱具有两条谱线， 分别在入射光谱线的两侧， 其中， 频率为ν0－Δν的为斯托克斯光， 频率为ν0+Δν的为反斯托 克斯光。
27
第7章 分布式光纤传感器
7
第7章 分布式光纤传感器 由图7-1可以看出， 在光纤后向散射谱分布图中， 激发线 ν0两侧的频谱是成对出现的。 在低频一侧频率为ν0－Δν的散 射光为斯托克斯光； 在高频的一侧频率为ν0+Δν的散射光为 反斯托克斯光。
8
第7章 分布式光纤传感器
图7-1 后向散射光分析 9
第7章 分布式光纤传感器 反射法分布式光纤传感技术最初提出于20世纪70年代末期， 迄今已经取得了相当大的发展， 并在以下三个方面获得突破：
图7-4
基于自发拉曼散射的分布式光纤传感系统原理框图 30
第7章 分布式光纤传感器 7.1.5
由于介质分子内部存在一定形式的振动， 引起介质折射率 随时间和空间周期性起伏， 从而产生自发声波场。 光定向入射 到光纤介质时受到该声波场的作用， 光纤中的光学声子和光学 光子发生非弹性碰撞， 则产生布里渊散射。 在布里渊散射中， 散射光的频率相对于泵浦光有一个频移， 该频移通常称为布里 渊频移。
第7章 分布式光纤传感器 基于自发拉曼散射的分布式光纤传感系统原理框图如图 7-4所示。 拉曼散射分布式光纤传感器的唯一不足之处是返 回信号相当弱， 因为反斯托克斯散射光比瑞利散射光强要弱20 dB~30 dB。 为了避免信号处理过程的平均时间过长， 脉冲激光 源的峰值功率要相当高。
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第7章 分布式光纤传感器
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第7章 分布式光纤传感器 7.1.4
光在光纤中传播时， 光纤中的光学光子和光学声子产生非 弹性碰撞， 产生拉曼散射过程。 在光谱图上， 可以看到拉曼 散射频谱具有两条谱线， 分别在入射光谱线的两侧， 其中， 频率为ν0－Δν的为斯托克斯光， 频率为ν0+Δν的为反斯托 克斯光。
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第7章 分布式光纤传感器
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第7章 分布式光纤传感器 由图7-1可以看出， 在光纤后向散射谱分布图中， 激发线 ν0两侧的频谱是成对出现的。 在低频一侧频率为ν0－Δν的散 射光为斯托克斯光； 在高频的一侧频率为ν0+Δν的散射光为 反斯托克斯光。
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第7章 分布式光纤传感器
图7-1 后向散射光分析 9
第7章 分布式光纤传感器 反射法分布式光纤传感技术最初提出于20世纪70年代末期， 迄今已经取得了相当大的发展， 并在以下三个方面获得突破：
图7-4
基于自发拉曼散射的分布式光纤传感系统原理框图 30
第7章 分布式光纤传感器 7.1.5
由于介质分子内部存在一定形式的振动， 引起介质折射率 随时间和空间周期性起伏， 从而产生自发声波场。 光定向入射 到光纤介质时受到该声波场的作用， 光纤中的光学声子和光学 光子发生非弹性碰撞， 则产生布里渊散射。 在布里渊散射中， 散射光的频率相对于泵浦光有一个频移， 该频移通常称为布里 渊频移。
《传感器检测技术》PPT课件
响
应特性：
➢ 除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输 出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输 出之间的差异就是动态误差；
➢ 传感器输出对时间变化的输入量的响应既反映了传感器的 动态特性。
➢一般用传感器对于标准动态输入信号的响应来衡量传感器 的动态特性。标准动信号为正弦信号、阶跃信号和单位脉冲 信号。
环境影响量指由外界坏境变化而引起的示值变化量。由两个因素构成，一个 是零漂、二是灵敏度漂移。表示环境影响量时，必须同时写出示值偏差及 造成这一偏差的影响因素。
例： 0.1A/U ( 表5% 示电)源电压变化5%时，将引起示值变化0.1uA.
例：某数字式液位计的使用说明书上注明该产品为数 字面板表，它的量程为0-10m（从面板表上可以看到， 事实上只能显示9.99m,属于3位表），非线性训差为 1.5%，使用环境温度为0-30度，温漂为0.001m/度， 请确定该产品是否能满足满度相对误差不大于2.0%的 要求。
在下图中，弹簧管将压力转换为角位 移α
2021/6/10
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弹簧管放大图
当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿 条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生 角位移。
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其他各种弹性敏感元件
在上图中的各种弹性元件也能将压力转 换为角位移或直线位移。
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31
压力传感器的外形及内部结构
34
测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参 量转换成易于处理的电压、电流或频率量。
2021/6/10
在左图中，当 电位器的两端加上 电源后，电位器就 组成分压比电路， 它的输出量是与压 力成一定关系的电 压Uo 。
传感检测技术及其应用 07
2011年5月23日 3
与压电效应相反， 与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体 置于电场中，其几何尺寸也发生变化， 置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外 电场作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。 电场作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。 逆压电效应 二、压电材料 具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料 压电材料。 具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料。 压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、 压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、刚度大 高电阻率和介电系数；稳定性好。 ；高电阻率和介电系数；稳定性好。
R≈ Ri + Ra
c i
当压电元件受到交变力F=Fmsinωt 当压电元件受到交变力 1 总阻抗为 R⋅
Z= 1 + jω C a
jω ( C c + C i ) 1 + jωRC = 1 jωC a [1 + jωR(C c + C i )] R+ jω ( C c + C i )
2011年5月23日
2011年5月23日 9
天然或人工合成石英晶体（ ），具有良好 天然或人工合成石英晶体（SiO2），具有良好 的机械强度和压电效应。压电系数较小（ 的机械强度和压电效应。压电系数较小（dx =2.3× ），但压电系数的温度稳定性好 =2.3×10-12C/N），但压电系数的温度稳定性好。在 ），但压电系数的温度稳定性好。 200° 温度每升高1 20～200°C内，温度每升高1°C，压电系数仅减小 0.016%，升高到200° 仅减小5% 达到573 5%， 573° 0.016%，升高到200°C 时，仅减小5%，达到573°C 200 失去压电特性，此温度称为石英的居里点 居里点。 时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介 电常数为4.5。 电常数为4.5。 4.5
与压电效应相反， 与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体 置于电场中，其几何尺寸也发生变化， 置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外 电场作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。 电场作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。 逆压电效应 二、压电材料 具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料 压电材料。 具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料。 压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、 压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、刚度大 高电阻率和介电系数；稳定性好。 ；高电阻率和介电系数；稳定性好。
R≈ Ri + Ra
c i
当压电元件受到交变力F=Fmsinωt 当压电元件受到交变力 1 总阻抗为 R⋅
Z= 1 + jω C a
jω ( C c + C i ) 1 + jωRC = 1 jωC a [1 + jωR(C c + C i )] R+ jω ( C c + C i )
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2011年5月23日 9
天然或人工合成石英晶体（ ），具有良好 天然或人工合成石英晶体（SiO2），具有良好 的机械强度和压电效应。压电系数较小（ 的机械强度和压电效应。压电系数较小（dx =2.3× ），但压电系数的温度稳定性好 =2.3×10-12C/N），但压电系数的温度稳定性好。在 ），但压电系数的温度稳定性好。 200° 温度每升高1 20～200°C内，温度每升高1°C，压电系数仅减小 0.016%，升高到200° 仅减小5% 达到573 5%， 573° 0.016%，升高到200°C 时，仅减小5%，达到573°C 200 失去压电特性，此温度称为石英的居里点 居里点。 时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介 电常数为4.5。 电常数为4.5。 4.5
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22.11.2020
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天然或人工合成石英晶体（SiO2），具有良好
的机械强度和压电效应。压电系数较小（dx
=2.310-12C/N），但压电系数的温度稳定性好。在 20～200C内，温度每升高1C，压电系数仅减小 0.016%，升高到200C 时，仅减小5%，达到573C 时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介
4.压电半导体 具有压电和半导体两种特性，易于集成。
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第2节 压电式传感器的测量电路
一、压电元件的等效电路 压电器件相当于具有一定电容的
F
金属膜
电荷源，其电荷和电容为：
No
QIdmFageCa
0 A
d
电容两极板间开路电压为：
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2
第1节 压电效应及压电材料
一、压电效应 压电式传感器是一种可逆型换能器，既可
以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机 械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。
某些晶体在外力作用下，不仅产生形变， 而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷， 形成电场；去掉外力后又重新回到不带电的平 衡状态，这种现象称为压电效应。
阻率、居里点均较低，易受潮，性能不稳定。
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2.多晶压电陶瓷 （压电陶瓷） 由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。
原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性。 压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压 电元件，大多采用压电陶瓷。
① 钛酸钡（BaTiO3） 由碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2 按1 ：1摩尔比混合 烧结而成。压电常数约为石英的50倍，介电常数高 (1200)，居里点约120C。
U a ImNaoCgQea
Q
Ca Ra
Ca ua
F
a) 压电晶片
Ia
j C aU a 1 j RaC a
Ra
j Q
1 j RaC a
b) 等效电荷源
c) 等效电压源 等效电路中电流
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若考虑负载（测量电路），等效电路如下：
Ca
Q
Ca Ra Cc Ri Ci ua
Ra Cc Ri Ci
电常数为4.5。
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其它压电晶体有铌酸锂（LiNbO3），居里点1210C， 具有良好的压电性，适用于高温环境，但比石英脆，
抗冲击性差。
钽酸锂（LiTaO3），居里点666C，压电常数为石
英的3倍。 酒石酸钾钠（NaKC4H4O6•4H2O），压电系数较大
（dx=310-9 C/N ），但机械强度低，机械强度、电
a) 电荷源等效电路
b) 电压源等效电路
其中，Ra、Ca压电元件的电阻和电容；Cc为电
缆寄生电容；Ci为后续测量电路的输入电容。 No Image
电元件放大电路
压电元件内阻高，电荷信号微弱。因此要前置 放大器。前置放大器要具备如下两个特点： （1）将压电元件的高阻抗输出转换为低阻抗输出， 使之能用一般方法进行信号处理； （2）同时对弱信号进行放大，使之具有负载驱动能 力。
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与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体 置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外 力作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。
二、压电材料
具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料。
压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、刚度大
；高电阻率和介电系数；稳定性好。
压 电 材料 压 压电 电多 单晶 石 晶 其－ 英 它压 晶 压电 体 电陶 单瓷 晶 体
由于力所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷
量与晶体尺寸有关。
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根据石英晶体轴对称的条件，dy=dx，从而：
b Qy dx a Fy
即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的 电荷极性相反。
切向压电效应：沿x轴或y轴施加剪切力，晶体表面 产生电荷的现象。沿x轴的剪切力产生的电荷出现在 与y轴垂直的表面上（电荷量与剪切力成正比，与晶 片尺寸无关）；沿y轴的剪切力产生的电荷出现在与 x轴垂直的表面上。
Fx－作用力。
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横向压电效应：沿y轴施加作用力，晶体表面产生电
荷的现象。电荷仍出现在与x轴相垂直的表面上。产
生的电荷量为
Qy dyFy
sx sy
b dyFya
式中dy－横向压电常数；Fy－作用力；
sx、sy －分别为与x轴、y轴相垂直的表面面积；
a －x轴向厚度；b －y轴向长度。
前置放大器的种类有电压放大器和电荷放大器。
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12
②锆钛酸铅（PZT）系列压电陶瓷 居里点300C左右，压电常数70～80010-12C/N，性 能和稳定性均超过钛酸钡。其中有些产品可耐高温、 高压。
3.高分子有机压电材料 聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙 烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量 生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。 用于微压和机器人触觉。
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机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。 在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形。石英 晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。
纵向压电效应：沿x轴施加作用力，晶体表面产 生电荷的现象。电荷出现在与x轴相垂直的表面
上。产生的电荷量为：
Qx=dxFx 式中 dx－纵向压电常数；
有 机 压 电 材 料 －胶压和电压橡电 塑 料
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4
1.石英晶体：中间为六角形棱柱，两端为对称的棱
锥，共30个晶面。
光轴：z轴，与晶体纵轴方向 一致。光线沿z轴方向通过晶
体不发生双折射。沿光轴的 作用力不产生压电效应，故 又称为中性轴。
电轴：x轴，通过两个相对的
六角棱线并垂直于光轴的轴 线。垂直于此轴的晶面上有 最强的压电效应。
传感检测技术及其应用 第二篇 典型传感器的原理
及其应用技术
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第7章 压电式传感器
压电式传感器是一种可逆型换能器，它既 可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化 为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压 电效应。
1.掌握压电式传感器的工作原理； 2.了解压电式传感器的等效电路； 3.了解压电式传感器的测量电路； 4.理解压电式传感器的应用。