传感器原理及应用(第三版)
传感器原理及应用第三版课件
传感器原理及应用第三版课件
传感器是一种能够感知外部环境并将所得信息转化为电信号输出
的设备。
传感器原理的核心在于其内部的敏感元件，它们能够对外部
的物理、化学或生物量进行感应，并将感应所得到的信息转化为电信
号输出。
在不同的应用领域中，传感器的类型和原理也各有不同。
不同类型的传感器根据其工作原理可以分为压力传感器、温度传
感器、湿度传感器等。
而传感器的应用领域也非常广泛，包括但不限
于工业自动化、安防监控、医疗健康、环境监测等。
在工业自动化领域，传感器可以实现对生产过程的监测和控制，提高生产效率和产品
质量。
在安防监控领域，传感器可以实现对周围环境的实时监测，保
障人员和财产的安全。
传感器的选型和应用需要根据具体的需求进行综合考虑。
在选择
传感器时，需要考虑到其测量范围、精度、响应速度等参数，以确保
其能够准确可靠地工作。
在应用过程中，需要注意传感器的安装位置
和工作环境，防止外界环境对传感器性能的影响。
总的来说，传感器在现代社会中的应用越来越广泛，其在智能化、自动化等领域发挥着不可替代的作用。
稳步发展的传感器技术将为人
类生活带来更多便利和安全保障。
传感器原理及应用的研究和应用前
景十分广阔，值得我们持续关注和研究。
传感器原理及应用第三版
传感器原理及应用第三版传感器是一种能够感知、检测并转换某种特定物理量或化学量的装置，它可以将被测量的信息转换成电信号、光信号或其他形式的信号输出，从而实现对被测量的参数进行监测、控制和测量。
传感器广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗器械、智能家居等领域，是现代科技发展中不可或缺的重要组成部分。
传感器的原理主要包括物理传感原理、化学传感原理和生物传感原理。
物理传感原理是指利用物理效应来实现对被测量物理量的检测，例如压力传感器利用压阻效应、压电效应或毛细管效应来检测压力变化；温度传感器利用热敏效应、热电效应或热敏电阻效应来检测温度变化。
化学传感原理是指利用化学反应来实现对被测量化学量的检测，例如气体传感器利用气敏电阻、化学发光或化学吸附来检测气体浓度。
生物传感原理是指利用生物体内的生物分子或细胞来实现对生物参数的检测，例如生物传感器利用酶、抗体或核酸来检测生物分子的浓度或活性。
传感器的应用涵盖了各个领域，其中最为突出的是工业自动化领域。
在工业生产中，传感器可以用于测量温度、压力、流量、液位、速度、位移等参数，实现对生产过程的实时监测和控制，提高生产效率和产品质量。
例如，在汽车制造中，传感器可以用于检测发动机温度、油压、转速等参数，保障发动机的正常运行；在化工生产中，传感器可以用于检测化学反应中的温度、压力、浓度等参数，确保生产过程的安全稳定。
另外，传感器在环境监测领域也发挥着重要作用。
通过传感器可以实现对大气污染物、水质、土壤湿度、光照强度等环境参数的监测，为环境保护和资源管理提供数据支持。
例如，空气质量传感器可以用于监测PM2.5、PM10、二氧化硫、一氧化碳等空气污染物的浓度，为政府部门和公众提供空气质量监测数据。
在医疗器械领域，传感器也发挥着重要作用。
医疗传感器可以用于监测患者的体温、血压、心率、血氧饱和度等生命体征参数，为医护人员提供患者监护和诊断的重要数据支持。
此外，智能家居、智能穿戴、智能交通等领域也都离不开传感器的应用。
传感器原理及应用(第三版)第3章
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三、变极板间距（d）型 变极板间距（
如下图所示：极板1固定，极板2随被测量变化而移动时，两极 板间距d0变化，引起电容变化。C随d变化的函数关系为双曲线，如 图示： 设：动片未动时，间距为d0，初始电容为C0，若介质是空气 ε r = 1
2
其中： ω = 2π f 为激励电源角频率
1 − ω 2 LC ) 实际阻抗 由于Rp很大，上式简化后得： Z C = RS − j ( ωC
Z 对比电容阻抗公式： C = RS − j
1 （ C E 称等效电路） ωCE
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得等效电容：
CE =
C 1 − ω 2 LC
=
C 1 − ( f / f0 )2
1 ∆d 1− d0
（上式两边同除Co即得）
1 ∆d 1− d0
展开）
∆c ∆d ∆d ∆d ∆d = 1+ + ( ) 2 + ( ) 3 + LL C0 d 0 d 0 d0 d
忽略高次项得（条件是 ∆d << d 0时）
相对非线性误差表达式为： δ = 灵敏度：
K=
∆c ∆d ≈ C0 d 0
球型电容计算公式： 设内半径为R1，外半径为R2
C = 4π R1R 2ε (R 2 − R 1 )
C1
C2 柱 ε ln R r
( )
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则：气体介质间的电容为C1 ε 2 s 2πh2ε 2 2π (h − h1 )ε 2 = = C1 = d ln( R / r ) ln( R / r ) 液体介质间的电容为C2
传感器原理及应用第三版课后答案
传感器原理及应用第三版课后答案1. 答案：传感器是一种能够感知环境变化并将其转化为可识别的信号的装置。
它通过使用特定的物理效应或工作原理来感知和测量环境中的物理量或特定的参数。
2. 答案：传感器的应用非常广泛，涵盖了许多不同的领域。
以下是几个常见的传感器应用示例：- 温度传感器：用于监控和控制温度，例如室内温度控制、工业加热系统等。
- 压力传感器：用于测量液体或气体的压力，例如汽车轮胎压力监测、压力容器监控等。
- 光学传感器：用于检测光照强度和颜色，例如光电开关、自动亮度调节系统等。
- 气体传感器：用于检测和测量空气中的气体成分，例如二氧化碳传感器、氧气传感器等。
- 加速度传感器：用于测量物体的加速度和震动，例如运动传感器、汽车碰撞传感器等。
- 湿度传感器：用于测量空气中的湿度水份，例如室内湿度控制、大气湿度监测等。
3. 答案：传感器的工作原理有很多种，常见的包括：- 电阻效应传感器：基于电阻值的变化来感知和测量物理量，例如温度传感器和应变传感器。
- 电容效应传感器：基于电容值的变化来感知和测量物理量，例如湿度传感器和接近传感器。
- 电感效应传感器：基于电感值的变化来感知和测量物理量，例如金属检测传感器和霍尔效应传感器。
- 光学效应传感器：基于光学特性的变化来感知和测量物理量，例如光电传感器和光纤传感器。
- 声波效应传感器：基于声波信号的变化来感知和测量物理量，例如声波距离传感器和声速传感器。
4. 答案：传感器的选择取决于具体的应用需求和要测量的物理量。
需要考虑以下几个方面：- 测量范围：传感器是否能够覆盖所需的测量范围，以及是否有足够的灵敏度和精度。
- 工作环境：传感器是否适用于所需的工作环境，例如温度、湿度、压力等。
- 响应时间：传感器的反应速度是否满足实际要求，是否能够快速响应变化的物理量。
- 成本和可靠性：传感器的价格是否适宜，并且能够稳定可靠地工作。
- 安装和维护：传感器的安装和维护是否方便，是否需要额外的设备或配件。
传感器原理及工程应用_第三版__课后答案_(郁有文著)_西安电子科技大学出版社
2 100% 100% 1.43% 140 L 2 标称相对误差： 100% 100% 1.41% 142 x 引用误差：
实际相对误差：
2 100% 100% 1% 150 50 测量范围上限 测量范围下线
1-3 什么是系统误差？系统误差可分为哪几类？系统误差有哪些检验方法？如何减小和消 除系统误差？ 答：在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按 一定规律（如线性、 多项式、 周期性等函数规律）变化的误差称为系统误差。 分两种：前者为恒值系统误差， 后者为变值系统误差。 系统误差的检验方法： 1.实验对比法 2.残余误差观察法 3.准则检测法 系统误差的减小和消除： 1.在测量结果中进行修正 2.消除系统误差的根源 3.在测量系统中采用补偿措施 4.实时反馈修正
YFS
YFS
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。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为 20℃）时的输出值的 变化量与温度变化量和满量程乘积之比(ξ)来表示， 即 y y20 t 。
YFS t
2-4 某压力传感器测试数据如表 2-1 所示，计算非线性误差、迟滞、重复性误差。 答：拟合曲线的两个端点取两个最远点： （0.00，-2.71）与（0.10，14.45） 则方程式为：
U0
E R1 3 0.1968 1.23mV 4 R1 4 120
非线性误差
③ 若要减小非线性误差， 可采用半桥差动电路， 且选择 R1 = R2 = R3 = R4 = 120Ω ∆ R1 =∆R2 =0. 1968Ω R1 和 R2 所受应变大小相等，应变方向相反。 此时
传感器原理及工程应用(第三版)郁有文1-5第7章
性很大，来不及随振动体一起振动， 近乎静止不动，振动能量
几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近 于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线， 从而 产生感应电势为
第7章 磁电式传感器
e B0lWv
式中：B0——工作气隙磁感应强度；
(7-3)
l——每匝线圈平均长度；
图7-1 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路
第7章 磁电式传感器
图7-1 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路
第7章 磁电式传感器
图7-1 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路
第7章 磁电式传感器
图7-2 恒定磁通式磁电传感器结构原理图 （a） 动圈式； (b) 动铁式
（7-4)
Io BolW SI v R Rf
图7-3 磁电式传感器测量电路
（7-5)
第7章 磁电式传感器
而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为
Uo Io R f
BolWvR f R Rf
(7-6)
U o BolWR f SU v R Rf
(7-7)
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械
第7章 磁电式传感器
图7-3 磁电式传感器测量电路
第7章 磁电式传感器
图7-4 传感器电流的磁场效应
第7章 磁电式传感器
2. 温度误差 当温度变化时，式（7-8）中右边三项都不为零，对铜线而 言每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4, dR/R≈0.43×10-2 ，dB/B每 摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁 合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式（7-8）可得近似值如下：
传感器原理及应用第三版第1章
即：
k
2 ~ 3
YF S
100 %
式中 k — 重复性； — 标准偏差；
标准偏差计算见书中第九页所示。
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七、零点漂移
传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段
时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即零
点漂移。
零漂 Y0 100 % YFS
式中 Y0 — 最大零点偏差（或相应偏差） YFS — 满量程输出
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拟合基准直线方法一：端基法
以校准曲线的零点输出和满量程输出 值连成的直线为拟合直线。
Y a0 KX
式中 Y—输出量 X—输入量 a0—Y轴上截距 K—直线a0b0的斜率
图1-4 端基线性度拟合直线
拟合基准直线方法二：最小二乘法
用最小二乘法原则拟合直线，可使拟合度 最高。
令直线方程：
利用拉氏变换，由（1－21）式可得到Y（S）和X（S）的方程式
(a0S n an1S n1 a1S a0 )Y (S) (b0S m bn1S m1 b1S b0 ) X (S)（1－23）
只要对（1-21）式的微分方程求解，便可以得到动态响应及动 态性能指标。
绝大多数传感器输出与输入的关系均可用零阶、一阶、或二阶 微分方程来描述。
（3）具有 X偶次阶项的非线性[图1-1(c)]
Y a1X a2 X 2 a4 X 4
（4）具有 X奇、偶次阶项的非线性[图1-1(d)]
Y a1X a2 X 2 a3 X 3 a4 X 4
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奇次项的曲 线在原点附 近较接近直 线
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传感器原理及工程应用(第三版)课后题答案-------郁有文---常健---程继红-著
第1章 传感与检测技术的理论基础（P26） 1－3用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa测量下限＝－50kPa∴ 绝对误差Δ＝x-L=142-140=2(kPa)实际相对误差 ％＝＝43.11402≈∆L δ标称相对误差 ％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）： 120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。
解：对测量数据列表如下：当n ＝15时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.41。
则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=⨯=<=-，所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。
然后重新计算平均值和标准偏差。
当n ＝14时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.37。
则 20 2.370.01610.0382()d i G mm v σ=⨯=>，所以其他14个测量值中没有坏值。
计算算术平均值的标准偏差200.0043()d mm σσ=== 20330.00430.013()d mm σ=⨯=所以，测量结果为：20(120.4110.013)()(99.73%)d mm P =±=1－14 交流电路的电抗数值方程为CL X ωω1-= 当角频率Hz 51=ω，测得电抗1X 为Ω8.0； 当角频率Hz 22=ω，测得电抗2X 为Ω2.0； 当角频率Hz 13=ω，测得电抗3X 为Ω-3.0。
传感器原理及应用_第三版_(王化祥_张淑英_)_课后答案
最新传感器原理及工程应用(第三版)郁有文1-5第10章.课件PPT
第10章 超声波传感器
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流 体种类很多，不论是非导电的流体、 高粘度的流体，还是浆状 流体， 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 超声波流量 计可用来对自来水、工业用水、 农业用水等进行测量。 还适用 于下水道、 农业灌渠、河流等流速的测量。
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由式（10-5）和式（10-6）可知，若ρ2c2≈ρ1c1，则反射系数 R≈0，透射系数T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质 透射入第二介质；若ρ2c2>>ρ1c1, 反射系数R≈1，则声波在界面上 几乎全反射，透射极少。同理，当ρ1c1 >>ρ2c2时，反射系数R≈1， 声波在界面上几乎全反射。如：在20℃ 水温时，水的特性阻 抗 为 ρ1c1 =1.48×106kg/(m2·s), 空 气 的 特 性 阻 抗 为 ρ2c2 =0.000 429×106 kg/(m2·s), ρ1c1 >> ρ2c2, 故超声波从水介质中传播至水气 界面时， 将发生全反射。
第10章 超声波传感器
对于如图10-4所示双换能器，超声波从发射到接收经过的
路程为2s，而
s ct 2
（10-11）
因此液位高度为
h s2 a2
（10-12）
式中：s——超声波从反射点到换能器的距离； a——两换能器间距之半。
第10章 超声波传感器
从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收 的时间间隔，便可以求得待测的物位。
第10章 超声波传感器
图10-4给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发 射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中 传播，如图10-4（a）所示。 由于超声波在液体中衰减比较小， 所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。 超声波发射和 接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播， 如图10-4（b）所示。这种方式便于安装和维修， 但超声波在空 气中的衰减比较厉害。
传感器原理及工程应用(第三版)郁有文1-5第9章
第9章 半导体传感器
图 9-4 旁热式气敏器件(qìjiàn)的结构及符号 (a) 旁热式结构； (b) 符号
共六十八页
第9章 半导体传感器
2.
非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。
MOS二极管的电容—电压特性的变化以及MOS场效应晶体管
(MOSFET)
(wù xìnɡ)而制成的气敏元件。由
共六十八页
第9章 半导体传感器 9.2.1
氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而 制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成， 如图9-7所 示。
氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl 均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的吸引力强，离子水合程度高， 其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。 当溶液置于一定温湿场中，若环 境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。 反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而(cóng ér) 实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的电阻—湿度特性曲线如图9-8所示。
于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价
格便宜。 利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。
共六十八页
第9章 半导体传感器
(1) MOS二极管气敏器件 MOS二极管气敏元件制作过程是在 P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50~100 nm的 二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为 栅电2界面 电容Cs是外加电压的函数(其等效电路如图9-5(b))， 因此由等效电路可知，
类结构。
共六十八页
第9章 半导体传感器
图 9-3 直热式气敏器件的结构(jiégòu)及符号 (a) 结构； (b) 符号
传感器原理及应用(第3版) 王华翔 第2章 应变式传感器
（1）单丝自补偿；
热输出
R R t
t
K
e
g
t
为达到温度补偿的目的，在温度变化 Δt时，必须使
t K(e g ) 0
t K(g e)
试件的线膨胀系数 e 为确定值。可以选用电阻温度系 数 t 和线膨胀系数 g 满足上式条件，即可实现 温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿 应变片。
Ug
E 4
R R
E 4
K
假设 Ri R 导致的误差是多少？ 从原始公式推导
Ug
ER 4R 2R
E 4
R R
1
1 2
R R
1
E 4
K
(1
1 2
1
K
)
线性项
级数展开
非线性项
Ug
E 4
K
1
1 2
K
1 K 2
4
1 K 3
8
相对非线性误差= 第1个非线性项 线性项
1 K 0.01, K 2
Ra
Ra Ra
t
Rb
Rb Rb
t
Ra Rb
Rb Rb
t
Ra Ra
t
t t
K b e K a e
b a
调整两段敏感丝长短，可以达到很好的补偿作用。
（3）桥路补偿法
测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面 ，称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补 偿块上，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应 变，仅随温度发生变形。
R2
构件受弯 曲应力
构件受单向应力
U sc AR1 R1t R1 K R4 R2 R2t R2 K R3
传感器原理及工程应用第三版部分答案
1—1：测量的定义？答：测量是以确定被测量的值或获取测量结果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。
1—2：什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：绝对误差是测量结果与真值之差,即: 绝对误差=测量值—真值相对误差是绝对误差与被测量真值之比,常用绝对误差与测量值之比,以百分数表示,即: 相对误差=绝对误差/测量值×100%引用误差是绝对误差与量程之比,以百分数表示,即: 引用误差=绝对误差/量程 ×100%1—3什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值减去被测量的真值。
测量误差的表示方法：绝对误差、实际相对误差、引用误差、基本误差、附加误差。
当被测量大小相同时，常用绝对误差来评定测量准确度；相对误差常用来表示和比较测量结果的准确度；引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，基本误差、附加误差适用于传感器或仪表中。
2－1：什么是传感器？它由哪几部分组成？它的作用及相互关系如何？答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。
其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
2—2：什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？分别说明这些性能指标的含义？答：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为传感器的静态特性；其主要指标有线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、零点漂移、温漂。
灵敏度定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比。
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。
输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。
传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。
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t
由图可知莫尔条纹的宽度： （暗带与亮带间的距离，即周期）
BH AB BC sin
2
W 2 sin
2
W
W 2
二、莫尔条纹重要特征
1．虽然光栅常数W很小，但只 B 要调整夹角 ，就可得到很宽的莫 尔条纹，起到了放大作用，这样就 把一个微小移动量的测量转变成一 直线光栅的横向莫尔条纹 个较大移动量的测量，提高了测量 精度。同时莫尔条纹的运动方向与光栅的移动方也呈对应关系。 2．因为光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长 度范围内所有刻线产生的条纹，这样对于光栅刻线的误差起到了平均 作用。即局部误差和周期误差对测量精度没有直接影响。这就有可能 得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度，这是与变通标尺测量的主 要区别。 3．莫尔条纹的光强沿栅线方向变化近似正弦变化，因此便于将电信 号作进一步细分，即采用“倍频技术”，将计数单位变成比一个周期W 更 小的单位。这样可以提高精度和分辨力，或采用较粗的光栅。
一、光栅传感器的结构原理
在玻璃尺或玻璃圆盘上，类似于刻标尺或分度那样，进行长刻线 的密集刻划，如图示的黑白相间的细小条纹，没有刻划的白处透光 ，刻划的黑处不透光，这 就是光栅。 光栅上的刻线称为栅线， 栅线的宽度为a，缝隙宽度 为b，而W=a+b称栅距（也 称光栅常数或节距），是 光栅的重要参数。
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2
1w
2
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H
a
b
在相距1/4的位置上设置两个 光电元件1和2，以得到两个 相位互差90°的正弦信号 。
正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便 从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的 脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。
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①主光栅正向移动时,莫尔条纹向上移动，此时光电原件1、2输出的波形如 下图a所示元件1输出的波形 u1 超前元件2输出的波形 u2见下图a所示。
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四、辩向原理
在实际应用中，被测物体不仅只是单向移动，既有正向运动，也 有反向运动，单个光电元件在固定点接收莫尔条纹信号，只能判别 明暗变化而进行计数，而不能辨别方向，如前进十步后退后一步， 则计数是十一（而不是九），不能正确反映实际位移。如果能够在 物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已 累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能正确测量位移。 能完成这样任务的电路就是辨向电路。为了能够辨向，应当在相 1 距 4 B 的位置上设置两个光电元件1和2，以得到相位互差900的正弦 信号，如a图示。然后送到辨向电路中去处理，电路图参见b所示。
① 提高分辨力困难。例如：二进制码盘，为了达到1〞左右的分辨力，需 要采用20位以上的码盘，若码盘直径是400mm时，其外圈分度间隔仅1um左 右，这不仅要求刻划精确，而且要彼此对准，这在加工上非常困难。 ②由于是有权码，所以存在粗误差。所谓粗误差参见下图所示，这是一个 四位二进制码盘展开图（图a)。当读数狭缝处于AA位置时，正确读数0111 （十进制7）。若码道暗区做的太短，就会误读成1111（十进制15，相当8 个间隔）；反之若暗区做得太 长，当狭缝处于A’A’位置时， 就会将1000（十进制8）读成 0000（十进制0，也相等8个间 隔），这就是粗误差。
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u1 是元件1输出的波形，超前 u u290°
2
u2 是元件2输出的波形；
是 u2 波经整形放大后的脉冲方波； u2
是 u1 波形经整形放大后的脉冲方波 u1
90°； ，仍超前 u2
反相后得到的脉冲方波； 是 u1 u1
w是 u1 经微分电路后得到的脉冲波； u1
经微分电路后得到的脉冲波（正→负，产生负脉冲反之正脉冲） w是 u1 u1
w 高电平时， u1 y1 ”：当 u2 对于“与门 ）
对于“与门 ）
y1 总是处于低电平,所以
总是处于高电平,所以
输出为零（0 输出为高（1
y2
”：当
w u1
高电平时,
u2
y2
触发器置“1 1” ”状态： 此时触发器：置“ ，→（控制）“可逆计数器”作加法计数 输入 ①端＝0 输出 Q 0 Q 1 ②端＝1
光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电元件组成 ，光栅式传感器的基本工作原理是用光栅的莫尔条纹现象进行测量 的，设：取两块栅距相同的光栅，3为主光栅，4为指示光栅，指示 光栅比主光栅短，两者刻面相时，中间留有很小间隙 d ，便组成光 栅副，将其置于光源1和透镜2形成的平行光路中，若两光栅栅线之 间有很小夹角 ，则在近似垂直栅线方向上就出现比栅距W宽的多的 明暗相间的条纹6（明暗分布方向与栅线平行），这就是横向莫尔条 纹。其信号光强分布如图曲线7所示。中间为亮带，上下为两条暗带 ，当主光栅沿垂直于栅线X每移动过一个栅距W时，莫尔条纹近似沿 栅线Y方向移过一个条纹间隔，用光电器件接收莫尔条纹信号，经电 路处理后计数器计数可得主光栅移动的距离。
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三、二进制码与循环码的转换：
循环码不直观，不易处理，显示等，所以要经常转换成二进制码 ，其方法一般分为代数计算 ，逻辑运算和用门电路进行计算。
① 代数计算： （二进制→循环码）
Cn Cn1Cn2 C1 Cn Cn1 C2
举例：
——————
Rn Rn1 Rn2 R1
H
三、光栅常用光路
① 垂直透射式光路 适用于粗栅距的黑白透射光栅，结构简单，位置紧凑，调整方便。 光源1发出光线→准直透镜2→平行光束→光栅副3、4→光电元件5接收
垂直透射式光路
② 反射光路 反射光路 适用于黑白反射光栅。 光源6→聚集透镜5→场镜3→平行光呈某角度照射反射光栅副1、2上→反 射镜4→物镜7→光电池8。
判读高位读 数
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若 Ci1 1 则 Ci Ai ；若 Ci1 0 则 Ci Bi
1 1 0
0 × 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0
Ci
×
因此就大大降低了粗误产生的概率，只要由刻划等因素造成的总 误差不超过相应码道（本码道） ai , bi 之间的间隔即可做到高位不出 现误差。由此可见，在不发生粗误差的前提下，整个编码器的精度 由它最低位（即C1 位码道）决定。双读数头的缺点是读数头多了一 倍，当位数很多时，光电元件位置安装困难。 〈2〉采用循环码码盘 右图为一个六位的循环码码盘，对于 上 n位的循环码码盘有下列特点： 下 ① n位的循环码有 2 n 种不同编码： 对 n 2 其容量为： 称 3600 1 n 最小分辨力： 2 41（比二进制大一倍） 最外圈角节距： ② 循环码为无权码，Rn Rn1 R1 不产生粗误差； ③ 循环码码盘具有轴对称性，最高位相反，其余各相同； ④ 循环码码盘中两相邻区域，编码中只有一位生产变化，所以不 产生粗误差，因面获得广泛应用。
2n
（
2 6 64
）
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消除粗误差的方法： 〈1〉采用双读数头法（见下图） C1码道：仍只有一个读数狭缝，设在00位置； C2码道：有两个读数狭缝 a2、b2 ，对称分布00两侧； C3码道：有两个读数狭缝 a3、b3 ，对称分布00两侧； C4码道：有两个读数狭缝 a4、b4，对称分布00两侧； ai bi 间隔：小于本码道分度间隔的一半，即 2i2 1 这种分布使得两个对称的读数狭缝尽量远离变化交界处，但又不应 影响相邻码位，故两狭缝也不要超过2i 21范围，等于最好。这种布局 是为了消除因加工误差带来的读数时产生的粗误差。测量时根据情况 采用狭缝 a 或 b 的读数。 配合三个“与非”门组成的识别电路，即可实现下列的读数判别： 设第 i 码道 aibi 两狭缝读出的信号为Ai、Bi ； i 1 码道读数为Ci 1 若 Ci1 1 则 Ci Ai ；若 Ci1 0 则 Ci Bi 用低位值来
传感器原理及应用
第六章 数字式传感器
第6章 数字式传感器
前面几章介绍的传感器大部分是将非电量转换为电模拟量输出 ，直接配用模拟式仪表显示。这类模拟信号与电子计算机数字系 统配接时，必须先经过一套模数（A/D）转换装置。这样不但增加 成本，也增加系统复杂性，降低了系统可靠性和精度。 数字式传感器能够直接将非电量转换为数字量输出，因此具有 下列优点： ① 精确度和分辨力高； ② 抗干扰能力强，适宜远距离传输； ③ 信号便于处理和存贮； ④ 可以减少读数误差； 但是目前数字式传感器的种类还不太多，本章重点介绍数字码 盘、光栅传感器和振弦式传感器几种
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第6章 数字式传感器
6－1 码盘式传感器 6－2 光栅式传感器
6－3 振弦式传感器
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6－1 码盘式传感器
码盘式传感器的核心部件是编码器，下图为光电绝对编码式码盘 (用于测量角位移)工作原理示意图。
一、工作原理
经光源1发出的光线，经柱面镜2后变成一束平行光照射到码盘上 。码盘3由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道。每条码道上有按 一定规律排列着的若干透光区和非透光区（或称亮区和暗区）。通 过暗亮区的光线经狭缝4后，形成一束很窄的光束照射在接收元件上 （光电元件），光电元件的排列与每条码道一一对应，当有光照射 时，对应亮区和暗区的光电元件的输出不同，前者为“1”后者为“0” ， 这种信号的不同组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表码盘 转角的大小。这就是码盘将轴的转角换成代码输出的工作过程。
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二、码制与码盘
C6 码道 右图是一个6位的二进制码盘， （二进制数的最高位），一半透光，一 半不透光。最外圈称码道 C1（二进制数的
6 最低位），共分成 2 64个黑白间隔。
2n
码盘的每一个角度间隔对应不同的编 码（后面有与之对应的光电接收元件） ，测量时，只要根据码盘的起始和终 止位置就可确定转动的角度，而与转动的过程无关。 二进制码盘具有如下特点： n ① n位（n个码道）的二进制码盘具有 2 种不同编码 其容量为： 2n