传感器 第八章
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传感器原理与应用习题第8章光电式传感器
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。
8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。
光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。
8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。
当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。
8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。
答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。
光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。
8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。
8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。
8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。
8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。
答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。
应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。
8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。
第八章热电式传感器
度表生产与之相配的显示仪表。
标准化热电偶的主要性能和特点
热电偶名称 正热电极 负热电极 分度号 测温范围 特 点 适用于氧化性气氛中测温，测温上限高，稳 定性好。在冶金、钢水等高温领域得到广泛 应用。 适用于氧化性、惰性气氛中测温，热电性能 稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵、热 电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温 测量。 适用于氧化和中性气氛中测温，测温范围很 宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动 势大、价格低。稳定性不如B、S型热电偶， 但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。
标准导体（电极）定律
t0 t0 t0
A
C
B
C
A
B
t
t
t
EAB (t , t0 ) EAC (t , t0 )－EBC (t , t0 )
标准导体定律的意义
通常选用高纯铂丝作标准电极 只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势， 则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根 据标准电极定律计算出来。
eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0)
由此可见，eAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热 电偶冷端温度进行处理。
(1) 热电偶补偿导线 热电偶一般做得较短， 一般为350～2000mm。 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到 远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表， 这样, 冷端温度t0比较稳定。 解决办法：工程中采用一种补偿导线。在0～100℃温
适用于还原性或惰性气氛中测温，热电动势 较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价 格低。 适用于还原性气氛中测温，价格低，热电动 势较大，仅次于E型热电偶。缺点是铁极易 氧化。 适用于还原性气氛中测温，精度高，价格低。 在－200～0℃可制成标准热电偶。缺点是铜 极易氧化。
标准化热电偶的主要性能和特点
热电偶名称 正热电极 负热电极 分度号 测温范围 特 点 适用于氧化性气氛中测温，测温上限高，稳 定性好。在冶金、钢水等高温领域得到广泛 应用。 适用于氧化性、惰性气氛中测温，热电性能 稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵、热 电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温 测量。 适用于氧化和中性气氛中测温，测温范围很 宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动 势大、价格低。稳定性不如B、S型热电偶， 但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。
标准导体（电极）定律
t0 t0 t0
A
C
B
C
A
B
t
t
t
EAB (t , t0 ) EAC (t , t0 )－EBC (t , t0 )
标准导体定律的意义
通常选用高纯铂丝作标准电极 只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势， 则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根 据标准电极定律计算出来。
eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0)
由此可见，eAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热 电偶冷端温度进行处理。
(1) 热电偶补偿导线 热电偶一般做得较短， 一般为350～2000mm。 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到 远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表， 这样, 冷端温度t0比较稳定。 解决办法：工程中采用一种补偿导线。在0～100℃温
适用于还原性或惰性气氛中测温，热电动势 较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价 格低。 适用于还原性气氛中测温，价格低，热电动 势较大，仅次于E型热电偶。缺点是铁极易 氧化。 适用于还原性气氛中测温，精度高，价格低。 在－200～0℃可制成标准热电偶。缺点是铜 极易氧化。
传感器与检测技术项目式教程(第2版)第八章-电涡流式传感器
• 电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电 涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。
• （2）低频透射式。 • 由于金属板中产生涡流的大小 • 与金属板的厚度有关，金属板 • 越厚，则板内产生的涡流越大， • 削弱的磁力线越多，接收线圈 • 中产生的电势也越小。因此， • 可根据接收线圈输出电压的大 • 小，确定金属板的厚度。
• （6）用连接导线从主控台接入+15V直流电源到模块上 标有+15V的插孔中，同时主控台的“地”与实训模块的 “地”相连。
• （7）使测微头与传感器线圈端部有机玻璃平面接触，开 启主控箱电源开关（数显表读数能调到零的使接触时数 显表读数为零且刚要开始变化），记下数显表读数，然 后每隔0.2mm（或0.5mm）读一个数，直到输出几乎不 变为止。将结果列入表8-1中
置。下面举几例作以简介。
1．测量转速
假设转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的读数为f （单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的 计算公式为
• 3.实训步骤 • （1）根据图8-16安装电涡流传感器
• （2）观察传感器结构，这是一个扁平绕线圈。 • （3）将电涡流传感器输出线接入实训模块，作为振荡器
的一个元件。
• （4）在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感 器的被测体。
• （5）根据图 • 8-17进行接线， • 将实训模块输出 • 端Vo与数显单元 • 输入端Vi相接。 • 数显表量程切换 • 开关选择电压 • 20V挡。
（三）涡流传感器测量电路
• 1．电桥电路 • 静态时，电桥 • 平衡，桥路输 • 出UAB＝0。工 • 作时，传感器 • 接近被测体， • 电涡流效应等 • 效电感L发生 • 变化，测量电 • 桥失去平衡，即UAB≠0，经线性放大后送检波器检波后
《传感器与检测技术》课后习题：第八章(含答案)
第八章习题答案1．什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以解释。
解：光电效应首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号,光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：a)在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应;b)受光照的物体导电率1R发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。
2．分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。
解：外光电效应，如光电管、光电倍增管等。
内光电效应，如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。
3．简述CCD 的工作原理。
解：CCD 的工作原理如下：首先构成CCD 的基本单元是MOS 电容器，如果MOS 电容器中的半导体是P 型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，成为蓄积电荷的场所。
CCD 的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS 电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化层，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。
CCD 的基本功能是存储与转移信息电荷，为了实现信号电荷的转换：必须使MOS 电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合；控制相邻MOC 电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处；在CCD 中电荷的转移必须按照确定的方向。
4．说明光纤传输的原理。
解：光在空间是直线传播的。
在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。
当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。
设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。
当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi 角时，根据斯涅耳（Snell ）光的折射定律，在光纤内折射成θj ，然后以θk 角入射至纤芯与包层的界面。
若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角θk 应大于临界角φc （处于临界状态时，θr =90º），即:21arcsin k c n n θϕ≥=且在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。
第八章霍尔传感器
第八章霍尔传感器
图8-1 霍尔元件
a）霍尔效应原理图b）薄膜型霍尔元件结构示意图c）图形符号d）外形总结：
图8-2 线性型霍尔集成电路
a）外形尺寸b）内部电路框图c）双端差动输出型外观
图8-3 线性型霍尔集成电路输出特性
开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器
（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。
当外加磁场强度超过OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低
门重新变为高阻态。
这类器件中较典型的有UGN3020
图8-4 开关型霍尔集成电路
a）外形尺寸b）内部电路框图
图8-8角位移测量仪结构示意图
1－极靴2－霍尔器件3－励磁线圈发散性思维：
图8-12霍尔接近开关应用示意图
a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式
1－运动部件2－软铁分流翼片
）接近式c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？
8-12d中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。
软铁制作的分流翼片与运动部件联动。
当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽，无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。
改变分流翼片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。
发散性思维：电梯“平层”如何利用分流翼片的原理？
霍尔传感器的其他用途：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔电能表、霍尔高斯计、霍尔液位计、霍尔加速度计等。
【汽车传感器原理与检修】汽车传感器原理与检修 第八章 速度与加速度传感器
车速传感器一般用于测量汽车的行驶速度，以便使发动机的控制、自动起动 、ABS、牵引力控制系统、活动悬架、导航系统等装置能正常工作，这种传感器主 要有簧片开关式、光电式、霍尔效应式、磁阻元件式、电磁感应式等几种，但簧片 开关式目前已不多用。
轮速传感器即车轮速度传感器，用于检测车轮速度，并将其转化为电信号 输入ABS（防抱死制动系统）ECU，用于计算车轮的圆周速度。目前轮速传感器 在ABS中应用越来越广泛，逐步取代了减速度传感器、车身速度传感器和蓄压器 压力传感器。轮速传感器主要有电磁感应式和霍尔效应式两种。
图8-5舌簧开关式发动机转速传感器的检测
另外一种形式的舌簧开关式传感器是阻断型，如图8-6（a），为使舌簧开关能闭能 开，磁铁必须装在一个转动的轴上，使磁铁转动或用一个转动的齿轮来隔断其磁通 。当齿轮的齿处于磁铁和舌簧管之间时，磁通离开簧片，这时触点弹开，见图8-6（ b）。无论采取哪种方法，都可以从触点开闭时发出的信号指示轴的转动位置。
对于装设自动变速器的汽车，车速传感器也叫变速器输出轴转速传感器 ，用于检测汽车的车速信号，并将该信号输入ECU，实现ECU对变速器的换挡 控制及对发动机的控制；同时将车速信号提供给车速里程表，用以指示汽车行 驶速度，记录汽车行驶里程。而对于装设手动变速器的汽车，车速传感器仅仅 将检测到的车速信号提供给车速里程表，用于指示汽车行驶速度，记录汽车行 驶里程。
车速传感器一般安装在变速器输出轴附近的壳体上或速度表内，主要有
舌簧开关式、电磁感应式、光电式、霍尔效应式、磁阻元件式、多普勒雷达式 等几种。常用的有舌簧开关工、可变磁阻式、电磁感应式、光电式和霍尔式几 种。
一、舌簧开关式车速传感器
1. 舌簧开关式转车传感器的结构与原理
舌簧开关式车速传感器用于旧式汽车的车速报警系统中，在新型的轿车中很少用 到，其结构如图8-7所示。舌簧开关（图中的簧片开关）是一个内装两个细长触点 的小玻璃管，触点由铁、镍等容易被磁铁吸引的强磁性材料制成。舌簧开关传感 器置于车速表的转子附近，当车速表驱动轴转动时，带动转子和永久磁铁旋转， 使磁铁的N、S极靠近或远离舌簧开关的触点。在变化的磁场作用下，舌簧开关的 两触点有时互相吸引而闭合，有时相互排斥而断开，从而形成了触点的开关作用 。
轮速传感器即车轮速度传感器，用于检测车轮速度，并将其转化为电信号 输入ABS（防抱死制动系统）ECU，用于计算车轮的圆周速度。目前轮速传感器 在ABS中应用越来越广泛，逐步取代了减速度传感器、车身速度传感器和蓄压器 压力传感器。轮速传感器主要有电磁感应式和霍尔效应式两种。
图8-5舌簧开关式发动机转速传感器的检测
另外一种形式的舌簧开关式传感器是阻断型，如图8-6（a），为使舌簧开关能闭能 开，磁铁必须装在一个转动的轴上，使磁铁转动或用一个转动的齿轮来隔断其磁通 。当齿轮的齿处于磁铁和舌簧管之间时，磁通离开簧片，这时触点弹开，见图8-6（ b）。无论采取哪种方法，都可以从触点开闭时发出的信号指示轴的转动位置。
对于装设自动变速器的汽车，车速传感器也叫变速器输出轴转速传感器 ，用于检测汽车的车速信号，并将该信号输入ECU，实现ECU对变速器的换挡 控制及对发动机的控制；同时将车速信号提供给车速里程表，用以指示汽车行 驶速度，记录汽车行驶里程。而对于装设手动变速器的汽车，车速传感器仅仅 将检测到的车速信号提供给车速里程表，用于指示汽车行驶速度，记录汽车行 驶里程。
车速传感器一般安装在变速器输出轴附近的壳体上或速度表内，主要有
舌簧开关式、电磁感应式、光电式、霍尔效应式、磁阻元件式、多普勒雷达式 等几种。常用的有舌簧开关工、可变磁阻式、电磁感应式、光电式和霍尔式几 种。
一、舌簧开关式车速传感器
1. 舌簧开关式转车传感器的结构与原理
舌簧开关式车速传感器用于旧式汽车的车速报警系统中，在新型的轿车中很少用 到，其结构如图8-7所示。舌簧开关（图中的簧片开关）是一个内装两个细长触点 的小玻璃管，触点由铁、镍等容易被磁铁吸引的强磁性材料制成。舌簧开关传感 器置于车速表的转子附近，当车速表驱动轴转动时，带动转子和永久磁铁旋转， 使磁铁的N、S极靠近或远离舌簧开关的触点。在变化的磁场作用下，舌簧开关的 两触点有时互相吸引而闭合，有时相互排斥而断开，从而形成了触点的开关作用 。
霍尔传感器专业知识讲座
从式evB= e UH /b知，霍尔电压UH与载流子旳运动速度 v有关， 即与载流子旳迁移率有关。因为= v/El(El为电流方向上 旳电场强度)，材料旳电阻=1/ne，所以霍尔系数RH与载 流体材料旳电阻率和载流子旳迁移率旳关系为
RH= •金属导体：大，但小（n大）； •绝缘体：大（n小），但小； 它们都不宜作霍尔元件(RH太小)。 •半导体：、适中—合适作霍尔元件。
移动距离与输出关系
❖ 2．霍尔开关集成器件 ❖ 常用旳霍尔开关集成器件有UGN3000系列，
其外形与UGN3501T相同。
+
霍尔开关集成器件 (a) 内部构造框图；（b）工作特征；（c）工作电路；（d）锁定型器件工作特征
第三节 霍尔传感器应用
❖ 霍尔电势是有关I、B、θ三个变量旳函数，即 E=kIBcosθ，人们利用这个关系能够使其中两个变量 不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一种量、 其他两个量都作为变量。三个变量旳多种组合使得霍 尔传感器具有非常广阔旳应用领域。霍尔传感器因为 构造简朴、尺寸小、无触点、动态特征好、寿命长等 特点，因而得到了广泛应用。如磁感应强度、电流、 电功率等参数旳检测都能够选用霍尔器件。它尤其适 合于大电流、微小气隙中旳磁感应强度、高梯度磁场 参数旳测量。另外，也可用于位移、加速度、转速等 参数旳测量以及自动控制。归纳起来，霍尔传感器主 要有下列三个方面旳用途：
与IB旳乘积成正比，在这方面旳应用有模拟乘 法器、霍尔式功率计等。
电流旳测量
霍尔传感器广泛用于测量电流，从而能够制成电流 过载检测器或过载保护装置；在电机控制驱动中，作 为电流反馈元件，构成电流反馈回路；构成电流表。
UGN3501M霍尔电流传感器原理如图所示。
❖ 上图给出了霍尔元件用于测量电流时旳工作原 理图。原则圆环铁心有一种缺口，用于安装霍 尔元件，圆环上绕有线圈，当检测电流经过线 圈时产生磁场，则霍尔传感器就有信号输出。 若采用传感器为UGN—3501M，当线圈为9 匝， 电流为20A时，其电压输出约为7.4V。利用这 种原理，也可制成电流过载检测器或过载保护 装置。
传感器原理与检测技术第8章 集成温度传感器
3、试分别用LM3911，AD590集成温度传感器设计 一个直接显示摄氏温度-50～50℃的数字温度计。 若被测温度点距离测温仪500cm。应用何种温度 传感器？为什么？
1〉电压输出型
U out
I2
R2
U BE R1
R2
R2 kT ln
R1 q
电压输出感温部分基本电路
2〉电流输出型
IT
2I1
2U BE R
2kT qR
ln
CT
dIT dT
2k ln
qR
1 A / K
第三节 常用集成温度传感器
集成温度传感器与热敏电阻等温度传感器相比，它 具有良好的线性度和一致性。
电压型
使用温度范围 －40～125℃
温度系数 10mV/℃
μPC616CSL616C
LX5600 LX5700 LM3911 LM134LS134M SL334 AD590LS590 AN6701S
电压型
电压型 电压型 电压型 电流型 电流型 电流型 电压型
－25～85℃
－55～85℃ －55～85℃ －25～85℃ －55～125℃ －0～70℃ －55～155℃ －10～80℃
双 金 属 片 －20～200
1～10
较差
0.5～5
热 敏 电 阻 －50～300 0.2～2.0 不良 0.2～2.0
半 导 体 管 －40～150
1.0
良
0.2～1.0
集成温度传感器 －55～150
1.0
优
0.3
不高 不高 不高
高 高 高
几种集成温度传感器
型号
1〉电压输出型
U out
I2
R2
U BE R1
R2
R2 kT ln
R1 q
电压输出感温部分基本电路
2〉电流输出型
IT
2I1
2U BE R
2kT qR
ln
CT
dIT dT
2k ln
qR
1 A / K
第三节 常用集成温度传感器
集成温度传感器与热敏电阻等温度传感器相比，它 具有良好的线性度和一致性。
电压型
使用温度范围 －40～125℃
温度系数 10mV/℃
μPC616CSL616C
LX5600 LX5700 LM3911 LM134LS134M SL334 AD590LS590 AN6701S
电压型
电压型 电压型 电压型 电流型 电流型 电流型 电压型
－25～85℃
－55～85℃ －55～85℃ －25～85℃ －55～125℃ －0～70℃ －55～155℃ －10～80℃
双 金 属 片 －20～200
1～10
较差
0.5～5
热 敏 电 阻 －50～300 0.2～2.0 不良 0.2～2.0
半 导 体 管 －40～150
1.0
良
0.2～1.0
集成温度传感器 －55～150
1.0
优
0.3
不高 不高 不高
高 高 高
几种集成温度传感器
型号
第八章 数字式位移传感器(光栅)
8.1 光栅传感器
8.1.1 光栅传感器的类型与结构
1．光栅传感器的分类
（a）直射光栅
（b）反射光栅
1—光源 2—透镜 3—主光栅 4—指示光栅 5—光电元件 6—聚光镜 图8-1 光栅传感器的基本结构
第八章 数字式位移传感器
8.1 光栅传感器
8.1.1 光栅传感器的类型与结构
1．光栅传感器的分类 ② 按光栅的形状和用途不同，可分为长光栅和圆光栅。长光 栅用于测量长度，它分为黑白光栅和闪耀光栅两种；圆光栅用 于测量角度，它又进一步分为径向光栅和切向光栅，径向光栅 是通过沿圆形基体周边在直径方向刻栅线形成，而切向光栅沿 周边刻划的全部栅线均与光栅中央一个半径为r的圆相切。
程及其自动化、机电一体化等专业人士的重视。本
章主要讲述光栅传感器、旋转编码器、感应同步器
等内容。
第八章 数字式位移传感器
8.1 光栅传感器
8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 光栅传感器的类型与结构 光栅传感器工作原理 莫尔条纹细分技术 光栅传感器的应用
8.2 旋转编码器
8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 旋转编码器的种类 光电式编码器的结构与工作原理 码盘误差及其处理 旋转编码器的应用
8.1 光栅传感器
8.1.2 莫尔条纹细分技术
提高光栅传感器分辨率的两种基本方法： 1）在光栅片面积不变的前提下，增加刻线密度，减小栅距。 但是该方法受光栅刻线工艺的限制，就目前工艺水平看，栅 线密度7千条/mm基本可实现，但要上万条就困难了。 2） 采用细分技术，被测物移动一个栅距，均匀输出 n 个脉 冲，则分辨率可以提高到W/n 。 这种在一个莫尔条纹周期内有多个脉冲输出的方法，主要有 电子细分法、光学细分法和机械细分法等几种。由于细分后， 计数脉冲的频率提高了，所以也称为倍频
8.1.1 光栅传感器的类型与结构
1．光栅传感器的分类
（a）直射光栅
（b）反射光栅
1—光源 2—透镜 3—主光栅 4—指示光栅 5—光电元件 6—聚光镜 图8-1 光栅传感器的基本结构
第八章 数字式位移传感器
8.1 光栅传感器
8.1.1 光栅传感器的类型与结构
1．光栅传感器的分类 ② 按光栅的形状和用途不同，可分为长光栅和圆光栅。长光 栅用于测量长度，它分为黑白光栅和闪耀光栅两种；圆光栅用 于测量角度，它又进一步分为径向光栅和切向光栅，径向光栅 是通过沿圆形基体周边在直径方向刻栅线形成，而切向光栅沿 周边刻划的全部栅线均与光栅中央一个半径为r的圆相切。
程及其自动化、机电一体化等专业人士的重视。本
章主要讲述光栅传感器、旋转编码器、感应同步器
等内容。
第八章 数字式位移传感器
8.1 光栅传感器
8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 光栅传感器的类型与结构 光栅传感器工作原理 莫尔条纹细分技术 光栅传感器的应用
8.2 旋转编码器
8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 旋转编码器的种类 光电式编码器的结构与工作原理 码盘误差及其处理 旋转编码器的应用
8.1 光栅传感器
8.1.2 莫尔条纹细分技术
提高光栅传感器分辨率的两种基本方法： 1）在光栅片面积不变的前提下，增加刻线密度，减小栅距。 但是该方法受光栅刻线工艺的限制，就目前工艺水平看，栅 线密度7千条/mm基本可实现，但要上万条就困难了。 2） 采用细分技术，被测物移动一个栅距，均匀输出 n 个脉 冲，则分辨率可以提高到W/n 。 这种在一个莫尔条纹周期内有多个脉冲输出的方法，主要有 电子细分法、光学细分法和机械细分法等几种。由于细分后， 计数脉冲的频率提高了，所以也称为倍频
无线传感器网络简明教程_第八章
Files\UCB\cygwin\opt\tinyos-1.x\apps目录下，键入make mica2 来编译MicaHWVerify程序。
在使用MICA2/MICA2DOT平台时，输入如下完整的命令： PFLAGS=-DCC1K_MANUAL_FREQ=<freq> make <mica2|mica2dot>
8.2 实验内容和步骤
1、安装TinyOS (1) 下载与安装 TinyOS操作系统有两种安装方式，一种是使用安装 向导自动安装，另一种是全手动安装。不管使用哪种 方式，都需要安装相同的RPM。 RPM就是Reliability Performance Measure，是 广泛使用的用于交付开源软件的工具，用户可以轻松 有效地安装或升级RPM打包的产品。
具体的实验目标包括： (1) 掌握安装TinyOS操作系统； (2) 事件驱动的传感器数据获取； (3) 发送与接受消息； (4) PC机显示数据。
4、实验所需软件 操作系统：安装有Cygwin的Windows 2000/XP操作系统，或 者安装有GCC编译器的Linux操作系统。 下载并安装以下软件： ① Cygwin (); ② WinAVR (); ③ nesC (); ④ Java JDK (); ⑤ TinyOS ().
MIB510编程接口板的典型输出如下： $ mib510 make reinstall mica2 installing mica2 binary uisp -dprog=mib510 -dserial=COM1 -dpart=ATmega128 -wr_fuse_e=ff --erase --upload if=build/mica2/main.srec Firmware Version: 2.1 Atmel AVR ATmega128 is found. Uploading: flash Fuse Extended Byte set to 0xff 这时可以知道编程接口板和计算机串口工作正常，然后验证传感器节点
在使用MICA2/MICA2DOT平台时，输入如下完整的命令： PFLAGS=-DCC1K_MANUAL_FREQ=<freq> make <mica2|mica2dot>
8.2 实验内容和步骤
1、安装TinyOS (1) 下载与安装 TinyOS操作系统有两种安装方式，一种是使用安装 向导自动安装，另一种是全手动安装。不管使用哪种 方式，都需要安装相同的RPM。 RPM就是Reliability Performance Measure，是 广泛使用的用于交付开源软件的工具，用户可以轻松 有效地安装或升级RPM打包的产品。
具体的实验目标包括： (1) 掌握安装TinyOS操作系统； (2) 事件驱动的传感器数据获取； (3) 发送与接受消息； (4) PC机显示数据。
4、实验所需软件 操作系统：安装有Cygwin的Windows 2000/XP操作系统，或 者安装有GCC编译器的Linux操作系统。 下载并安装以下软件： ① Cygwin (); ② WinAVR (); ③ nesC (); ④ Java JDK (); ⑤ TinyOS ().
MIB510编程接口板的典型输出如下： $ mib510 make reinstall mica2 installing mica2 binary uisp -dprog=mib510 -dserial=COM1 -dpart=ATmega128 -wr_fuse_e=ff --erase --upload if=build/mica2/main.srec Firmware Version: 2.1 Atmel AVR ATmega128 is found. Uploading: flash Fuse Extended Byte set to 0xff 这时可以知道编程接口板和计算机串口工作正常，然后验证传感器节点
第8章热电式传感器传感器基础课件
对于A、B构成的闭合回路总的 温差电势为
T
T
T
eA (T ,T0 ) eB (T ,T0 )
T0
AdT
T0 BdT
T0 ( A B )dT
第8章 热电式传感器
由导体A、B组成的热电偶回路，当温度 T ＞ T0 时，
可表示为
EAB (T ,T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eA (T ,T0 ) eB (T ,T0 )
EABB’A’(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA’B’(Tn,T0)
第8章 热电式传感器
❖ 如A与A’、B与B’材料相同，且结点温度分别为T、Tn、T0
时，有： 热电偶在结点温度为T、T0时的热电势值
EAB(T,T0 )，等于热电偶在(T,Tn ) 、 (Tn,T0 ) 时相应 的热电势EAB(T,Tn )与 EAB(Tn,T0 ) 的代数和。如下式 所示：
kT ln NAT e NBT
kT0 ln N AT0
e
N BT0
T
T0 ( A B )dT
热电偶回路电势分布图
第8章 热电式传感器
由于温差电动势比接触电动势小，又 T＞ ，T0 所以总电动 势中以导体A、B在 端T 的接触电动势所占百分比最大， 故总电动势的方向取决于 的eAB方(T) 向。
热敏电阻作温度补偿用
第8章 热电式传感器
8.4 集成温度传感器 工作原理
AD590属于电流型集成温度传感器，电流型集成温度传 感器是一个输出电流与温度成比例的电流源，由于电流 很容易变换成电压，因此这种传感器应用十分方便。
第8章 热电式传感器
1. 电流型集成温度传感器AD590的应用 温度测量
能稳定。 ⑤ 较好的工艺性能，便于成批生产，且复现性好，便
T
T
T
eA (T ,T0 ) eB (T ,T0 )
T0
AdT
T0 BdT
T0 ( A B )dT
第8章 热电式传感器
由导体A、B组成的热电偶回路，当温度 T ＞ T0 时，
可表示为
EAB (T ,T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eA (T ,T0 ) eB (T ,T0 )
EABB’A’(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA’B’(Tn,T0)
第8章 热电式传感器
❖ 如A与A’、B与B’材料相同，且结点温度分别为T、Tn、T0
时，有： 热电偶在结点温度为T、T0时的热电势值
EAB(T,T0 )，等于热电偶在(T,Tn ) 、 (Tn,T0 ) 时相应 的热电势EAB(T,Tn )与 EAB(Tn,T0 ) 的代数和。如下式 所示：
kT ln NAT e NBT
kT0 ln N AT0
e
N BT0
T
T0 ( A B )dT
热电偶回路电势分布图
第8章 热电式传感器
由于温差电动势比接触电动势小，又 T＞ ，T0 所以总电动 势中以导体A、B在 端T 的接触电动势所占百分比最大， 故总电动势的方向取决于 的eAB方(T) 向。
热敏电阻作温度补偿用
第8章 热电式传感器
8.4 集成温度传感器 工作原理
AD590属于电流型集成温度传感器，电流型集成温度传 感器是一个输出电流与温度成比例的电流源，由于电流 很容易变换成电压，因此这种传感器应用十分方便。
第8章 热电式传感器
1. 电流型集成温度传感器AD590的应用 温度测量
能稳定。 ⑤ 较好的工艺性能，便于成批生产，且复现性好，便
(传感器技术及应用)第8章声敏传感器
声敏传感器体积小，便 于集成和安装。
低成本
声敏传感器的制造成本 较低，适合大规模生产
和应用。
02
声敏传感器的应用领域
声音检测
声音检测
声敏传感器可以用于检测环境中的声 音，如噪音、音乐、语音等。这种传 感器通常被用于音频监控系统，以监 测和记录环境中的声音活动。
声音识别
声敏传感器还可以用于声音识别，例 如语音识别。通过将声音转换为电信 号，传感器可以识别和分类不同的语 音特征，如音高、音色和语调等。
解决方案
为了提高声敏传感器的稳定性和可靠性，可以采用多种方法，如优化传 感器结构设计、改进制造工艺、加强封装保护等。此外，定期维护和校 准也是保持传感器性能的重要措施。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
解决方案
为了平衡灵敏度和分辨率，可以采用多通道声敏传感器阵列技术，通过多个传感器协同工作来提高整体 性能。此外，还可以通过优化传感器结构和材料来改善性能。
稳定性与可靠性的提升方案
01
总结词
稳定性与可靠性是声敏传感器长期稳定工作的关键因素，需要采取有效措施来提高。源自02 03详细描述
声敏传感器在长时间工作或多次使用后，可能会因为老化、疲劳或环境 因素而出现性能下降或失效的问题。这会影响传感器的稳定性和可靠性， 从而影响其在实际应用中的表现。
对比
压敏传感器主要关注压力变化，而声敏传感器则专注于声音的特性和变化。
与磁敏传感器的比较
1 2
磁敏传感器
主要用于检测磁场变化，常用于测量电流、磁通 量等。
声敏传感器
对磁场变化不敏感，主要关注声音的振动和传播。
3
对比
磁敏传感器关注磁场变化，而声敏传感器则专注 于声音的感知。
第8章光纤传感器应用分析ppt课件
光强
(3) 基于磁致伸缩和布拉格光纤光栅的电流传感器
反射光谱
λB
布拉格波长 B 2neff
传感器头
磁致伸缩材 料
螺线管内磁场 B 0nI
光纤光栅电流传感器结构 1
宽光谱光源 波长测量
环形器
信号 处理
施加磁场改变光栅的周 期，使其反射波长产生 变化。
电流传感器结构 2
GMM--磁致伸缩材料
弱而伸缩，使得通过光纤的光
程发生变化。信号光与参考光
干涉后，得到与磁场成比例的
输出信号。这种磁场传感器灵
敏度高，分辨率可达10-12T, 可
用于测量磁场、探矿等。
光纤 干涉仪测量
a）光纤马赫—泽德尔磁场传感器
光源
3dB
磁场
磁致伸缩材料被覆 光纤作为测量臂
测量臂
3dB
耦合器
耦合致伸缩效应的物理解释
在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的 交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的 自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和 状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。
磁畴
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
磁场增强 H
在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁 能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自 发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位， 这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场 成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不 断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失， 留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。
沉积镍薄膜
裸光纤
几种敏感元件的基本结构
a) 被覆式 b) 心轴式 c) 带式
被覆材料
《传感器与检测技术》第八章光电式传感器
光 检 测 放 大
烟 筒
刻 度 校 对
显 示 报 警 器
吸收式烟尘浊度监测系统组成框图
3．包装充填物高度检测
光电开光
光电信号
h 放大 整形 放大
执行机构
利用光电检测技术控制充填高度
五、光电耦合器件
1．光电耦合器 （1）耦合器的组合形式
（2）耦合器的结构形式
（3）耦合器常见的特性
对于光电耦合器的特性，应注意以下各项参数。 1）电流传输比 2）输入输出间的绝缘电阻 3）输入输出间的耐压 4）输入输出间的寄生电容 5）最高工作频率 6）脉冲上升时间和下降时间
的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。
光敏晶体管的结构与原理电路
原理：光照射在集电结上时 ，形成光电流，相当于 三极管的基极电流。因而集电极电流是光生电流的 β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
（3）基本特性 1）光谱特性
应用：光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但 对红外光进行探测时，锗管较为适宜。
运动的“粒子流”，这种粒子称为光子。每个光子具
有的能量为： E=h·υ
υ—光波频率； h—普朗克常数，h＝6.63*10-34J/Hz
对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率 越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看 做是一连串能量为hγ的光子轰击在这个物体上，此 时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部 能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传 递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射
2．光电开关 （1）典型的光电开关结构
（2）光电开关的应用
第二节 光纤传感器
光纤传感器FOS（Fiber Optical Sensor)用光作为敏 感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。 因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
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1905年德国物 理学家爱因斯坦 用光量子学说解 释了光电发射效 应，并为此而获 得1921年诺贝尔 物理学奖。
第8章 光电式传感器
光电效应
当用光照射在某一物体上时，可以
看做是物体受到一连串能量为E的光子
轰击，组成这种物体的材料吸收了光子 能量而发生相应电效应的现象 （如发 射光电子、电导率变化、产生电动势 等），这种现象称为光电效应。
40
第8章 光电式传感器
光敏三极管外形
第8章 光电式传感器
光敏三极管内部结构
a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图
1—集电极引脚； 2—管芯； 3—外壳； 4—玻璃聚光镜；
5集—电发结射；极引10脚—；P型6基—区N+；衬底11；—7N—型N发型射集区电；区；128——发S射iO结2保护圈；
第8章 光电式传感器
红外发射、接收对管外形 红外发射管
红外接收管
第8章 光电式传感器
3）光敏三极管
光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益， 灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出 线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极 管相似，从外观上很难区别。
2020/3/21
图8-9 光敏二极管的工作原理
第8章 光电式传感器
光敏二极管的反向偏置接法
在没有光照时，由于 二极管反向偏置，所 以反向电流很小，这 时的电流称为暗电流， 相当于普通二极管的 反向饱和漏电流。当 光照射在二极管的PN 结上时，电子-空穴对 数量增加，光电流也 相应增大，光电流与 照度成正比。
第8章 光电式传感器
电路形式 三极管状 态
IC
Uo
三极管 状态
IC
Uo
发射极输 出电路
截止
0
0（低电平） 饱和
（UCC－0.３） /RL
ICRL （高电平）
集电极输 出电路
截止
0
UCC（高电 平）
饱和
（UCC－0.３） /RL
光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此 时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流
亮电流与暗电流之差，称为光电流。 （4）响应时间。
光敏电阻具有延时特性，上升响应的时间和下降响应的时间 均为10–2～10–3 s，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场 合。
第8章 光电式传感器
金 属 电极 半导体
第8章 光电式传感器
上式为爱因斯坦光电效应方程式, 由式可知：
1)光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；
2)入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；
3)光电子逸出物体表面时具有初始动能
1 2
mv02
，因此对于外光电效
应器件， 即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电
流为零， 必须加负的截止电压。
光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体， 物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸 出物体表面，产生光电子发射。所以要使一个电子能够逸出，
光子的能量E必须大于逸出功A0，超出逸出功德能量表现为逸
出电子的动能，即
E hf
1 2
mv02
A0
式中：m——电子质量； v0——电子逸出初速度。
电源 玻璃底板
I
RL
E
Ra
检流计
(a)
(b)
(c)
图8-4 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图
第8章 光电式传感器
光敏电阻的内部结构
图8-6 光敏电阻的内部结构 1—玻璃； 2—光电导层； 3—电极； 4—绝缘衬底； 5—金属壳； 6—黑色绝缘玻
璃； 7—引线
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
外光电效应动画演示
第8章 光电式传感器
一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为 光子。 光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：
E=h f
（8-1）
式中： h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s) f——光的频率（s-1）。
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
光电管的工作原理
当阴极受到适当波长的光线（紫外线）照射时会发射出电子，光 电阳极吸收从光电阴极发射出的电子，从而在外围电路形成电流 。
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
(a)真空光电管的伏安特性曲线 (b) 充气光电管的伏安特性曲线 图8-3 光电管的伏安特性曲线
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
教学目标
知识目标： （1）了解光电元件的结构和分类。 （2）掌握光电式传感器的工作原理及光电元件的基 本应用电路。 （3）熟悉光电式传感器在工程上的应用。
技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的光电式传感器。 （2）能够根据被测信号的特点设计出简单合理的传 感器检测电路。 （3）能够正确维护常用电子检测设备。
第8章 光电式传感器
光敏电阻演示
当无光照时，光敏 电阻值(暗电阻)很大， 电路中电流（暗电 流）很小。当光敏 电阻受到光照时， 光生电子—空穴对 增加，阻值（亮电 阻）减小，电流 （亮电流）增大。
第8章 光电式传感器
②光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻和暗电流
光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电 流称为暗电流。 （2）亮电阻和亮电流
当光照增加，
Ui<（1/2）VDD
时，反相器翻转, 输出变为什么电平？
第8章 光电式传感器
8.2.3 光敏三极管的基本应用电路
（a）发射极输出电路
（b）集电极输出电路
图8-16 锗光敏三极管的两种基本应用电路
第8章 光电式传感器
表8-1 锗光敏三极管发射极和集电极输出电路状态的比较
无光照时
强光照时
第8章 光电式传感器
情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨 的工作作风。 （2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力。
教学重难点
教学重点： 光电效应和光电元件。 教学难点： 光电元件的基本应用电路。
8.1.1 光电效应
第8章 光电式传感器 8.1 光电效应与光电元件
光电式传感器的工作基础是光电效应 。
第8章 光电式传感器
内光电效应
在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面， 而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效 应称为内光电效应。内光电效应分为：光电导效应、 光生伏特效应。 常见的基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光 敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。
第8章 光电式传感器
内光电效应动画演示
第8章 光电式传感器 （1） 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能 量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效 应（光敏电阻）。
电子能级示意图
第8章 光电式传感器
（1） 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能 量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效 应（光敏电阻）。
（2） 光生伏特效应 在光线照射下，半导体材料吸收 光能后，引起PN结两端产生电动势的现象称为光生伏 特效应（光电池）。
一个典型的硅光电池的光电特性 曲线
1—开路电压曲线 2—短路电流
第8章 光电式传感器
8.2 光电元件的基本应用电路 8.2.1 光敏电阻的基本应用电路
a）UＯ与光照变化趋势相同的电路 b）UＯ与光照变化趋势相反的电路
第8章 光电式传感器
8.2.2 光敏二极管的基本应用电路
利用反相器可将光 敏二极管的输出电压 转换成TTL电平。
9—
第8章 光电式传感器
3.基于光生伏特效应的光电元件
在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单 的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子 就产生一对光生电子—空穴对， 光生电子—空穴对的的扩散运 动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区 带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN 结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。
第8章 光电式传感器
3.基于光生伏特效应的光电元件
有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不 再需要外加电源。 （1）工作原理
❖ 直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。 当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为 正，n区为负) 。
❖ 用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流 的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测 出光生电动势。
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
第8章 光电式传感器
工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后
通过光电转换元件变换成电信号。
辐射源
光学通路
I
光电元件
x1
x2
光电式传感器方框图
第8章 光电式传感器
1 8.1 光电效应与光电元件 2 8.2 光电元件的基本应用电路 3 8.3 光电式传感器的应用
各种光电管外形图
第8章 光电式传感器
2）光电倍增管
光照微弱时，光电管产生的光电流很小，
为提高灵敏度，采用光电倍增管。
E1
E3
光
A
k
E2
E4
光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
第8章 光电式传感器
结构与工作原理
❖ 光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐 级升高
第8章 光电式传感器
光敏电阻
当光敏电阻受到光照时， 阻值减 小。
第8章 光电式传感器
2）光敏二极管
１. 光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃外壳中, 其