测试3-8 《机械工程测试技术基础(第3版)》教学课件

③信息电荷的传输
Φ3 φ2 φ1
（线阵 三相时钟脉冲驱动）
φ1 φ2 φ3
④线阵CCD图象传感器的基本工作原理 光敏单元 转移控制栅 输出移位寄存器
⒊CCD的应用： 可同时实现光照度和位置的测量。
①用于热轧 板宽度检测
②工件尺寸的高精度检测：
工件
视频信号处理
CCD
计算
显示
光源
成象透镜
驱动控制器
光栅式数字位移传感器
一．概述： 数字式位移传感器
线位移 角位移
计量光栅 感应同步器 磁栅 编码器
⒈ 直线光栅
玻璃透射光栅 金属反射光栅
a----刻线宽度； b----缝隙宽度； W=a+b栅距（光栅常数）
⒉光栅传感器的组成： 标尺光栅（长）
（固定在机床上不动）
指示光栅（短）
（固定在移动部件上）
光路系统 光电元件
b．热驰豫过程：
CCD是一种非稳态器件。 CCD要存储有用的信号电荷，要求信号电荷的存储 时间小于热激发电子的存储时间（热驰豫时间）。
c．光电转换，信号电荷的存贮：
在热驰豫时间内（达到饱和状态之前），栅压一定 的条件下，MOS电容器具有一定收集电子的能力。 在势阱中的“电荷包”大小与入射光强度成正比， 从而实现从光信号向电信号的转换。
u
u0
um
sin( 2x )
W
三．辨向原理 如图6-6，两个相隔1/4莫尔条纹间距的光电元件， 所得到的电信号u1，u2相差π/2，经整形后得到 两个方波信号u1’,u2’。
BH 4
BH
u u1
正向
反向
u2
u1’
u1’
Y1
_
u2’
u2’ Y2
u1 '
du1 ' dt
du1 ' dt
四．细分： 机械细分 电子细分
第八节 半导体传感器 物性型传感器
磁敏效应---霍尔元件，磁阻元件 光电效应---各种光电传感器 热电效应----温度传感器
优点：
体积小；功耗低；安全可靠，寿命长；
灵敏，响应快；易于集成。
缺点：
1、输出一般是非线性的。 2、受温度影响大， 3、性能参数分散性大。 一．磁敏传感器：
利用半导体材料的磁敏效应进行工作
常用四倍频细分法（一个周期产生4个计数脉冲，当量为W/4）
线阵（一维） 面阵（二维） 特殊列阵（环形，扇形）
栅极
衬底
绝缘层
②信息电荷的存贮
a．表面势阱的形成：
在栅极上加一正向偏压（P型）。排斥多数载流子（孔穴）， 在SiO2和半导体表面形成耗尽层。由于表面电势为正，能象阱 一样收集电子，称为储存少数载流子的势阱（表面势阱）。 势阱的深度或说势阱收集少数载流子的能力是由栅压确定的， 栅压越大，势阱越深，收集电子的能力越强。
b．应用举例
路灯自动点熄原理
两部分组成
①电阻R，电容C和二极管D组成半波整流滤波电路。 ②CdS（硫化镉）光敏电阻和继电器组成光控继电器。
常闭
②光生伏特效应 对结型半导体，又称势垒效应。
PN结的形成
扩散（多子，浓度差） 漂移（少子，内建电场）
P
N
E结电场
①光电池工作于零偏状态。 ②光电二极管工作于反偏状态。 ③光电三极管是一具有光电转换能力的晶体管。
弹性元件
被测压力
霍尔元件的位移
UH
波登管 膜盒
c．霍尔效应开关
霍尔集成 电路
二．光电转换元件
光量
电量 内光电效应
光电导效应----光敏电阻
光生伏特效应----光电池， 光电二、三 极管
光电效应
外光电效应 ----真空光电管，光电倍增管。
⒈内光电效应：
物质受到光照射后，激发出的光生载流子（电子空穴对） 停留在物质内部不逸出。
⒈霍尔元件：
霍尔元件 磁阻元件
磁敏管
①“霍尔效应”
电子积累达到平衡：
FL FE
又 FL evB；
FE
eEH
eUH b
vB U H b
又电流密度j nev；
（n N型半导体中电子浓度）
v I nebd 代入上式：
IB
IB
U H
vBb ned
RH
d
kH IB
式中：RH 霍尔系数； kH 灵敏度系数（它与载流材料 的物理性质和几何尺寸有关。表示在
栅距相同；相互重叠，间隙很小； 一片固定，一片相对移动
⒊ 特点：
优点：
①分辨力高（1um，0.5um）； ②测量范围大； ③动态范围宽； ④易于实现数字化测量和自动控制。
缺点：
对环境要求较高；要密封，以防油污、灰尘、铁屑等。
二．测量原理 ⒈莫尔条纹的形成：
“Moire”
⒉莫尔条纹的特点：
①误差平均作用（ ）。
单位磁感应强度和单位控制电流时的 霍尔电势的大小。）
②基本电路 在电路中的表示符号： H
基本电路：
③应用：
测量磁场；检测电流；测量微小位移，压力，机械振动。 a．霍尔式位移传感器：
U H kH IB
dUH dx
dB kH I dx K
U H Kx
B
0
x
b．霍尔式压力传感器： （p205 图9-10）
①光电导效应：
半导体材料的电导率 σ=neu
n------载流子浓度；e-----电子电荷；
v
u-----载流子的迁移率（u= E ；
v---载流子运动速度；E--电场强度。）
在入射光的照射下，产生光生载流子，浓度增加， 电导率增加，电阻减小。
基于光电导效应工作的典型光电器件----光敏电阻
a．基本工作电路：
n
②莫尔条纹的移动量和移动方向与光栅相对移动量 和移动方向有确定的对应关系。
③位移放大作用：
BH
W
2 sin( 2)
W
例： W 0.01mm; 0.1o , 则
BH
5.73mm;
1
573
莫尔条纹移动时，近似正弦变化的光强信号由光电元件接受， 转换成相应的电压信号。
光栅每移动一个栅距W，电压信号周期变化一次。
⒈概述： 电荷耦合器件（Charge Couple Device---CCD） 自扫描光电二极管 列阵（Self Scanned Photodiode Array-SSPD） 电荷注入器件（Charge Injection Device----CID）
⒉基本工作原理： ①CCD的MOS结构：
MOS电容器列阵。
光信号是在集电结（基极、集电极之间）进行光电转 换的，再由集电极、基极、发射极构成的晶体三极管 放大 而输出 信号。
⒉外光电效应（光电子发射效应）
爱因斯坦方程：
hν
h W 1 mv2 光子
2
光电子
m a x
hc（红线波长） W
⒈真空光电管：
⒉光电倍增管：
电子聚焦系统 倍增极
阴极
阳极
三．固态图象传感器（Solid State Imaging Sensor---SSIS）