第6章位移及速度检测

1、第6章 位移及速度检测n位移及速度是位移及速度是描述物体运动的量，可将其称为描述物体运动的量，可将其称为运动量。运动量。n运动量是最基本的量，运动量测量是最基本、运动量是最基本的量，运动量测量是最基本、最常见的测量，它是许多物理量，如力、压力、最常见的测量，它是许多物理量，如力、压力、振动等测量的前提。振动等测量的前提。n位移分线位移和角位移。位移分线位移和角位移。n速度分线速度和角速度。速度分线速度和角速度。按位移结果分按位移结果分:将位移转化为模拟量；将位移转化为数字量；将位移转化为模拟量；将位移转化为数字量；按位移大小分按位移大小分:微小位移检测；小位移检测；大位移检测；微小位移检测；小

2、位移检测；大位移检测；6.1 电感式传感器n电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，导致线圈电感量改变来感或互感系数的变化，导致线圈电感量改变来实现测量的。实现测量的。n电感式传感器的工作基础：电感式传感器的工作基础：电磁感应定律电磁感应定律6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类n电感式传感器亦可称为电感式传感器亦可称为自感式传感器自感式传感器或或可变磁可变磁阻式传感器阻式传感器。n传感器由传感器由线圈、铁芯和衔铁线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。和衔铁由导磁材料制成。S1l1L1W23l21线

3、圈 ；2铁 芯 (定 铁 芯 )；3衔 铁 (动 铁 芯 )S26.1.1 电感式传感器的工作原理及分类n工作原理：工作原理：铁芯和衔铁铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚当衔铁移动时，气隙厚度度发生改变，引起磁发生改变，引起磁路中路中磁阻变化磁阻变化，从而导，从而导致电感致电感线圈的电感值变线圈的电感值变化化，因此只要能测出这，因此只要能测出这种电感量的变化，就能种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小确定衔铁位移量的大小和方向。和方向。S1l1L1W23l21线 圈 ；2铁 芯 (定 铁 芯 )；3衔 铁 (动 铁

4、芯 )S2线圈中的电感为：线圈中的电感为：根据磁路欧姆定律：根据磁路欧姆定律：合并两式可得：合并两式可得：NLIImNIR2mNLR6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类n上式中, Rm为磁路总磁阻。气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁路磁损， 则磁路总磁阻为 n通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即 121122002mllRSSA002mRAS1l1L1W23l21线 圈 ；2铁 芯 (定 铁 芯 )；3衔 铁 (动 铁 芯 )S26.1.1 电感式传感器的工作原理及分类n将以上各式联立，即得到：将以上各式联立，即得到：n上式表明：当线圈匝数为常数时，电感上式表明：当线圈

5、匝数为常数时，电感L仅仅仅仅是磁路中磁阻是磁路中磁阻Rm的函数，改变的函数，改变或或A0均可导致均可导致电感变化。电感变化。n变磁阻式传感器可分为变磁阻式传感器可分为变气隙厚度变气隙厚度(变间隙式变间隙式)的传感器和的传感器和变气隙截面积变气隙截面积A0的传感器以及的传感器以及 同时改变同时改变和和A0的电感传感器的电感传感器(螺管式螺管式)。22002mNANLR6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类n电感式传感器的分类：电感式传感器电感式传感器自感型自感型互感型互感型变面积型电感传感器螺线管型电感传感器变间隙型电感传感器6.1.2 电感式传感器的输出特性n当衔铁处于当衔铁处于初始位置初始

6、位置时，初时，初始电感量为始电感量为n当衔铁当衔铁上移上移时，传感器气时，传感器气隙减小隙减小，即，即=0-， 则则此时输出电感为此时输出电感为200002NAL20000002()1NALLLL 一、变气隙型电感传感器一、变气隙型电感传感器6.1.2 电感式传感器的输出特性n当当/020R，R非线性误差小于非线性误差小于1.5%）6.3.3 电位器传感器结构1.1.电阻丝：电阻丝：对电阻丝的要求是：电阻系数大，温度对电阻丝的要求是：电阻系数大，温度系数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有：系数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有：铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。铜镍合金类、铜锰合金类、

7、镍铬丝等。2.2.骨架：骨架：对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高，对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高，有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂和有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂和工程塑料等。工程塑料等。3.3.电刷：电刷：电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。 6.3.4 6.3.4 电位计式位移传感器电位计式位移传感器nYHDYHD型电位计式位移传感器的结构如图。型电位计式位移传感器的结构如图。 n测量轴测量轴1 1与被测物体接触，当有位移输入与被测物体接触，当有位移

8、输入时，测量从轴便沿导轨时，测量从轴便沿导轨5 5运动，同时带动运动，同时带动电刷电刷3 3移动。移动。6.5 光栅位移测试 n光栅式位移传感器，也称计量光栅，主要用于长光栅式位移传感器，也称计量光栅，主要用于长度和角度的精密测量。度和角度的精密测量。 6.5.1 6.5.1 光栅的基本结构光栅的基本结构一、光栅：一、光栅：光栅是在透光栅是在透明的玻璃上刻有大量平明的玻璃上刻有大量平行等宽等距的刻线构成行等宽等距的刻线构成的，结构如图。的，结构如图。 1.栅线：平行等距的刻线栅线：平行等距的刻线 2.光栅栅距光栅栅距(光栅节距或光栅常数光栅节距或光栅常数)：d=a+b6.5 6.5 光栅位移测

9、试光栅位移测试二、光栅的分类二、光栅的分类 光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。计量光光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。计量光栅分类见图。栅分类见图。 6.5.2 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理一、光栅传感器的组成一、光栅传感器的组成 光栅传感器的组成如图所示。光栅传感器由光栅传感器的组成如图所示。光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。指示光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。指示光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上，其间的光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上，其间的距离为：距离为： 2Wd W为栅距；为栅距；为波长为波长二、莫尔条纹二、莫尔条纹1.1.莫尔条纹：莫

10、尔条纹：光栅式传感器的基本工作原理是利用光栅式传感器的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的。莫尔条纹如光栅的莫尔条纹现象来进行测量的。莫尔条纹如图所示。图所示。 在刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带；在在刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带；在刻线错开的地方，形成黑带。刻线错开的地方，形成黑带。6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 2.2.莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征 (1) (1) 运动对应关系：莫尔条纹的移动量和移动运动对应关系：莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和方向有方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和方向有严格的对应关系。如图所示。严格的对

11、应关系。如图所示。 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 (2)(2)减小误差：莫尔条纹对光栅的刻线误差有平均减小误差：莫尔条纹对光栅的刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距局部误差和短周作用，能在很大程度上消除栅距局部误差和短周期误差影响。期误差影响。 (3)(3)位移放大：莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角位移放大：莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角而改变，其关系如下：而改变，其关系如下： 从上式可知，从上式可知，越小，条纹间距越小，条纹间距B B将变得越大，将变得越大，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为：莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为： 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传

12、感器的工作原理三、光栅的信号输出三、光栅的信号输出 主光栅移动一个栅距主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹变化一，莫尔条纹变化一个周期，莫尔条纹的变化近似为正弦波形，可个周期，莫尔条纹的变化近似为正弦波形，可看成是在一个直流分量上的叠加，即：看成是在一个直流分量上的叠加，即：6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理x主光栅与指示光栅间瞬时位移主光栅与指示光栅间瞬时位移6.6 码盘式传感器n码盘又称角数字编码器，是将码盘又称角数字编码器，是将机械转动的机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号的传感器。示的电信号的传感器。n码盘式传感器是以

13、编码器为基础的，它是码盘式传感器是以编码器为基础的，它是测量轴角位置和位移的方法之一。测量轴角位置和位移的方法之一。n优点：优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。为误差，便于用计算机处理。6.6 码盘式传感器n编码器的种类很多，编码器的种类很多， 主要分为脉冲盘式（增主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：其关系如下所示：编码器编码器 脉冲盘式编码器脉冲盘式编码器(增量编码器增量编码器) 码盘式

14、编码器码盘式编码器(绝对编码器绝对编码器) 接触式编码器接触式编码器 电磁式编码器电磁式编码器 光电式编码器光电式编码器 6.6.1 增量式编码器n增量式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个增量式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。准，才能完成角位移测量。增量式编码器的结构图光源码盘光电元件Z 零位脉冲A 增量脉冲B辨向脉冲6.6.1 增量式编码器n图中的信号图中的信号A和和B是相位差是相位差90度的方波。若度的方波

15、。若A相相超前于超前于B相，对应工作轴正向旋转；若相，对应工作轴正向旋转；若B相超相超前于前于A相，对应工作轴反向旋转。若以该方波相，对应工作轴反向旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可形成代表正向的前沿或后沿产生计数脉冲，可形成代表正向角位移和反向角位移的脉冲序列。角位移和反向角位移的脉冲序列。n每当工作轴旋转一周，光电元件就产生一个每当工作轴旋转一周，光电元件就产生一个Z Z相一转基准脉冲信号。相一转基准脉冲信号。增量式编码器的结构图光源码盘光电元件Z 零位脉冲A 增量脉冲B辨向脉冲6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)n用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示用光电方法把被测

16、角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的传感器。的电信号的传感器。n光电码盘式传感器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘光电码盘式传感器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘(码盘码盘)、狭缝以及安装在圆盘两边的光源、柱面镜和、狭缝以及安装在圆盘两边的光源、柱面镜和光敏元件组成。基本结构如图所示。光敏元件组成。基本结构如图所示。一、二进制码盘一、二进制码盘 如图所示是一个四如图所示是一个四位二进制码盘，涂黑位二进制码盘，涂黑部分输出为部分输出为 0 0，空白，空白部分输出为部分输出为 1 1。共。共 4 4圈码道，从内到外依圈码道，从内到外依次为次为C C4 4、C C3 3、C C2 2、C C1 1码码

17、道。道。6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)n如图所示的如图所示的4位二进制码盘，最内圈位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，码盘一半透光， 一半不透光，最外一半不透光，最外圈一共分成圈一共分成24=16个黑白间隔。每一个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。个角度方位对应于不同的编码。n例如零位例如零位a对应于对应于0000（全黑）；第（全黑）；第7个方位个方位h对应于对应于0111。这样在测量。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个过

18、程无关。一个n位二进制码盘的最位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n，一个，一个4位二进制码盘，位二进制码盘， 其最小分辨的角度其最小分辨的角度=22.5。n二进制码盘的特点为：二进制码盘的特点为： 1. n1. n位的二进制码盘具有位的二进制码盘具有2n种不同编码，其容量为种不同编码，其容量为2n，分辨角度为：分辨角度为： 2.2.二进码为有权码，编码二进码为有权码，编码Cn Cn-1C1 Cn Cn-1C1 对应于零位算对应于零位算起的转角为起的转角为: : 6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)n二进制码盘的误差：二进制码盘的误差： 原因：原因

19、：信号检测元件不同步或码道制作中不信号检测元件不同步或码道制作中不 精确。精确。 误差：误差：由于刻划误差等原因，由于刻划误差等原因， 某一较高位提前或某一较高位提前或 延后改变，就会造成粗误差延后改变，就会造成粗误差(非单值性误差非单值性误差)。6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)h位置时，若码道位置时，若码道C4黑区做得太短，黑区做得太短，就会误读为就会误读为1111。i位置时，若码道位置时，若码道C4黑区做得太长，黑区做得太长，就会误读为就会误读为0000。6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)n为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一

20、种无权码，从任何数变到相邻数循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多只一个码道出现读数误差，产生的误差最多只是最低的一位数。是最低的一位数。二、循环码码盘二、循环码码盘 图是一个四位的循环码盘，图是一个四位的循环码盘，表表6.6.26.6.2 是十进制是十进制数、二进制数及四位循环码的对照表。数、二进制数及四位循环码的对照表。二进制码转换成循环二进制码转换成循环码的码的规则规则是：二进制是：二进制码与码与其本身

21、右移一位其本身右移一位后并舍去末位的数码后并舍去末位的数码作不进位加法得循环作不进位加法得循环码。码。6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)表表6.6.2n若若R R表示循环码，表示循环码，C C为二进制码，则：为二进制码，则：n循环码变成二进制码的关系式为：循环码变成二进制码的关系式为： 6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)n二进制码与循环码的转换电路如图。二进制码与循环码的转换电路如图。 6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)n二进制码与循环码的转换电路如图。二进制码与循环码的转换电路如图。6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式)6.6.3 光电码盘的

22、应用n增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。它所测量的是平均转速。6.6.3 光电码盘的应用n在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测量线位是一种有效的方法。这时，须利用一量线位是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度。统的精度将主要

23、取决于机械装置的精度。6.6.3 光电码盘的应用6.7.1 激光式传感器1.定义定义 由于激光器、光学零件和光电器件所构成的激光测量装置能将被测量(如长度、流量、速度等)转换成电信号。因此广义上也可将激光测量装置称为激光传感器。2.激光的特性激光的特性(1)方向性强(2)单色性好(3)亮度高(4)相干性好3.激光干涉传感器测长原理激光干涉传感器测长原理 测长的基本公式 n空气折射率 真空中光波波长 N干涉条纹明暗变化的数目 nNx2006.8 磁电感应式速度传感器 n磁电感应式传感器也称为感应式传感器或电动式磁电感应式传感器也称为感应式传感器或电动式传感器。传感器。n磁电感应式传感器是利用电磁

24、感应原理（磁电感应式传感器是利用电磁感应原理（导体和导体和磁场发生相对运动产生感应电动势磁场发生相对运动产生感应电动势），将输入运），将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。动速度变换成感应电势输出的传感器。n把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号（机（机-电能量变换型传感器）。电能量变换型传感器）。n具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力（矩）发生器和电磁激振器等。（矩）发生器和电磁激振器等。6.8.1 6.8.1 传感器工作原理及测量电路传感器工作原理及测量电路一、磁电感应式传感器工作原理一、磁电感应

25、式传感器工作原理n根据电磁感应定律根据电磁感应定律,当当N匝线圈在均恒磁场内运动匝线圈在均恒磁场内运动时时,设穿过线圈的磁通为设穿过线圈的磁通为,则线圈内的感应电势则线圈内的感应电势e与磁通变化率有如下关系与磁通变化率有如下关系:n导体运动切割磁场：导体运动切割磁场： e = Blv deNdt n磁电感应式传感器的结构原理如图所示。磁电感应式传感器的结构原理如图所示。 6.8.1 传感器工作原理及测量电路1线圈；线圈；2运动部分；运动部分；3永久磁铁永久磁铁6.8.1 传感器工作原理及测量电路n线圈在磁场中作直线运动时，它所产生感应电势为：线圈在磁场中作直线运动时，它所产生感应电势为：n线圈

26、在磁场中转动时产生的感应电势为：线圈在磁场中转动时产生的感应电势为：n综上可知，磁电传感器可用来测定线速度和角速度。综上可知，磁电传感器可用来测定线速度和角速度。 sin( )sindeNBANBAdt二、磁电感应式传感器测量电路二、磁电感应式传感器测量电路 位移、速度和加速度测量电路如图所示。位移、速度和加速度测量电路如图所示。 开关置开关置2 2，测速度，置，测速度，置1 1，接积分装置，输出为，接积分装置，输出为位移，置位移，置3 3，接微分环节，输出为加速度。，接微分环节，输出为加速度。6.8.1 传感器工作原理及测量电路6.8.2 电感应式传感器的灵敏度Kn直线运动的磁电感应式传感器

27、，其灵敏度为：直线运动的磁电感应式传感器，其灵敏度为：n旋转运动的磁电感应式传感器，其灵敏度为：旋转运动的磁电感应式传感器，其灵敏度为： eKNBlvn可见，要提高系统灵敏度，总是希望增加线圈匝数可见，要提高系统灵敏度，总是希望增加线圈匝数N N和导线长度。但必须注意：线圈电阻和负载电阻的和导线长度。但必须注意：线圈电阻和负载电阻的匹配；线圈的发热和温度影响（耗散功率）。匹配；线圈的发热和温度影响（耗散功率）。eKNBA6.8.3 磁电式速度传感器一、相对速度传感器一、相对速度传感器 n图为国产图为国产CDCD2 2型磁电式相对速度传感器的结型磁电式相对速度传感器的结构示意图。构示意图。 n磁

28、钢磁钢5 5通过壳体通过壳体3 3构成磁构成磁回路，线圈回路，线圈4 4置于磁回置于磁回路的气隙中，当被测物路的气隙中，当被测物体振动通过顶杆体振动通过顶杆1 1使线使线圈运动时，因切割磁力圈运动时，因切割磁力线，产生感应电动势，线，产生感应电动势，电动势的大小与被测物电动势的大小与被测物体之间的相对振动速度体之间的相对振动速度成正比。成正比。二二 、绝对速度传感器、绝对速度传感器n国产国产CDCD1 1型磁电式绝对速度传感器的结构及工作过型磁电式绝对速度传感器的结构及工作过程由图所示。程由图所示。 n当传感器的壳体与被测物体当传感器的壳体与被测物体一起振动时，如振动的频率一起振动时，如振动的

29、频率较大，由于芯杆组件的质量较大，由于芯杆组件的质量较大，故惯性大，可以阻碍较大，故惯性大，可以阻碍芯杆与壳体一起振动，可以芯杆与壳体一起振动，可以认为只有壳体随被测物体一认为只有壳体随被测物体一起振动。这时，线圈以物体起振动。这时，线圈以物体的振动速度切割磁力线，产的振动速度切割磁力线，产生电动势。生电动势。6.8.3 磁电式速度传感器6.9 光电效应及光电器件 n光电传感器是通过光电转换元件将光能转换成光电传感器是通过光电转换元件将光能转换成电能的传感器。电能的传感器。 6.9.1 6.9.1 外光电效应及器件外光电效应及器件 在光的作用下使电子逸出物体表面的现象在光的作用下使电子逸出物体

30、表面的现象称为外光电效应。光电管和光电倍增管。称为外光电效应。光电管和光电倍增管。一、光电管及其特性一、光电管及其特性 真空光电管的结构及工作原理如图所示。真空光电管的结构及工作原理如图所示。1. 1. 伏安特性伏安特性 入射光一定时，阳极电流与阳极电压之间的关入射光一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系称为系称为伏安特性。伏安特性。n当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流便很当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流便很稳定，称为饱和状态。稳定，称为饱和状态。6.9.1 6.9.1 外光电效应及器件外光电效应及器件2.2.光电特性光电特性 阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光阳极和阴极之间

31、所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电特性。电流之间的关系称为光电特性。 3.3.光谱特性光谱特性 光电管对光谱的选择性称为光谱特性。光电管对光谱的选择性称为光谱特性。 光电特性光谱特性6.9.1 外光电效应及器件二、光电倍增管二、光电倍增管图为光电倍增管的工作原理图。图为光电倍增管的工作原理图。 n具有一定能量的电子轰击倍增极，便产生二具有一定能量的电子轰击倍增极，便产生二次电子。最后到达阳极，并输出电压脉冲。次电子。最后到达阳极，并输出电压脉冲。6.9.1 外 光电效应及器件 n在光线作用下使物体的电阻率发生改变的现象称为内光电效应。光敏电阻，光导管等。 一、光敏电阻的工作原理及

32、结构图为光敏电阻的原理结构。 n有些半导体在黑暗的环境下，有些半导体在黑暗的环境下，电阻很高，当有光线照射时，电阻很高，当有光线照射时，如光子能量大于本征半导体如光子能量大于本征半导体禁带宽度，则禁带中的电子禁带宽度，则禁带中的电子吸收一个光子后就足以跃迁吸收一个光子后就足以跃迁禁带，激发出电子空穴对，禁带，激发出电子空穴对，从而加强导电性。从而加强导电性。6.9.2 6.9.2 内光电效应及器件内光电效应及器件 二、光敏电阻的主要参数二、光敏电阻的主要参数 1. 1. 暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流 2. 2. 亮电阻和亮电流亮电阻和亮电流 3. 3. 光电流光电流三、光敏电阻的基本特性三、光

33、敏电阻的基本特性 1. 1. 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 光敏电阻的两端所加光敏电阻的两端所加电压和电流的关系曲称电压和电流的关系曲称为光敏电阻的伏安特性。为光敏电阻的伏安特性。 6.9.2 内光电效应及器件 2.2.光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性 光敏电阻光电流和光强的关系曲线，称为光敏电阻的光照特光敏电阻光电流和光强的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性。性。 3.3.光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 对不同波长的入射光，光敏电阻相对灵敏度不同。各种不同对不同波长的入射光，光敏电阻相对灵敏度不同。各种不同材料的光谱特性曲线如图所示。材料的光谱特性曲线如图所示。 n光敏电阻的

34、光照特性n光敏电阻的光谱特性6.9.2 内光电效应及器件 n阻挡层光电效应是在光线作用下使物体产生一定方向的电动势的现象。光电池、光敏晶体管。 一、 光电池及特性 1. 结构及原理硅光电池的结构和 工作原理如图所示。 nP型区表面吸收的光子越多，激发的电子空穴对越多。越向内部电子空穴对越少，由于浓度差，便会产生扩散，空穴是p区的多子，电子是N区的多子，便在p区形成正电荷，N区形成负电荷。6.9.3 阻挡层光电效应及器件 n2. 光电池的基本特性 (1)光电池的光谱特性 图所示曲线为硒光电池和硅光电池的光 谱特性曲线，即相对灵敏度Kr和入射光波长之间的关系曲线。 n可见不同材料的光电池的光谱峰值

35、位置是不同的，故在实际使用时要根据光源性质选择光电池。6.9.3 阻挡层光电效应及器件 (2)光电池的光照特性 图为硅光电池的光照特性曲线。二、光敏晶体管及特性 1.光敏晶体管的结构和工作原理 光敏二极管的符号及接线法如图所示。 n开路电压与光照度非线性，而短路电流则与光照度成线性即应该把光电池当成电流源使用。6.9.3 阻挡层光电效应及器件 n光敏三极管有PNP型和NPN型两种，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其符号如图所示。 6.9.3 阻挡层光电效应及器件 n2. 光敏晶体管的基本特性 (1) 光敏晶体管的光谱特性见图。 (2) 光敏晶体管的伏安特性曲线见图。 6.9.3 阻挡层光电效应

36、及器件 n(3) 光敏晶体管的光照特性曲线见图。6.9.3 阻挡层光电效应及器件 一、一、 工作原理工作原理光电式转速计是利用光电效应原理制成的。 6.9.4 光电式转速计 n光电管构成的转速计分反射型和直射型两种。 n反射型光电式转速计反射型光电式转速计n光源1发射的光线经透镜2成为平行光，照射到模片3上。部分透射部分反射，经聚光镜4聚成一点，照射在黑白相间的光栅上，黑色吸收白色反射，再透过模片聚在光电元件上，形成光脉冲使光电管产生相应电脉冲。n直射型光电式转速计直射型光电式转速计 被测轴1上装有带孔的圆盘2，圆盘的一端设置光源3，另一边设置光电管4，圆盘随轴转动，光电管就输出一系列与转速及

37、圆盘上的孔数成正比的电脉冲。6.9.4 光电式转速计 6.9.4 光电式转速计二、测量电路二、测量电路 光电式转速计一般应用光敏电阻、光敏电池和光敏晶体管三类光光电式转速计一般应用光敏电阻、光敏电池和光敏晶体管三类光电器件作传感元件，相应的基本测量电路如下图所示，其中晶体管都电器件作传感元件，相应的基本测量电路如下图所示，其中晶体管都工作在开关状态。工作在开关状态。 光敏电阻可以通过较大电流，故在一般情况下，可直接把光光敏电阻可以通过较大电流，故在一般情况下，可直接把光敏电阻看成具有电阻突变特性的电位计，组成电位计式测量电路，敏电阻看成具有电阻突变特性的电位计，组成电位计式测量电路，而无须采用

38、放大器，如图中而无须采用放大器，如图中(a)所示。所示。 6.9.4 光电式转速计光电式转速计二、测量电路二、测量电路 在要求有较大功率输出时，则可采用图在要求有较大功率输出时，则可采用图(b)所示电路。当无光照所示电路。当无光照射，光敏电阻呈现极高的电阻，晶体管饱和导通，射，光敏电阻呈现极高的电阻，晶体管饱和导通，u0为低电位，反之，为低电位，反之，u0为高电平。为高电平。 采用光敏电池作传感元件时，即使在强光照射下，光敏电池输出采用光敏电池作传感元件时，即使在强光照射下，光敏电池输出电压也仅有电压也仅有0.6 V，不足以使晶体管饱和导通，故需对光敏电池两端，不足以使晶体管饱和导通，故需对光

39、敏电池两端施加正向偏压，如图施加正向偏压，如图(c)所示。当无光照射时，光敏电池无电压输出，所示。当无光照射时，光敏电池无电压输出，电压电压U经电阻分压调整到使晶体管成截止状态，经电阻分压调整到使晶体管成截止状态，u0输出高电平。当有输出高电平。当有光照射时，光敏电池输出电压加上由电压光照射时，光敏电池输出电压加上由电压U获得的分压能足以使晶体获得的分压能足以使晶体管饱和导通，此时管饱和导通，此时u0输出为低电平。输出为低电平。 采用光敏晶体管作传感元件时，电路如图采用光敏晶体管作传感元件时，电路如图(d)所示，当无光照射时，所示，当无光照射时，光敏晶体管截止，晶体管基极处于正向偏置而饱和导通

40、，光敏晶体管截止，晶体管基极处于正向偏置而饱和导通，u0输出低电输出低电平；当有光照射时，光敏晶体管导通，晶体管基极处于较低电位，由平；当有光照射时，光敏晶体管导通，晶体管基极处于较低电位，由原来的导通状态变为截止状态，原来的导通状态变为截止状态，u0输出高电平。输出高电平。 由上述分析可知，由上述分析可知，u0电位的高低与光照的有无成对应关系，测量电位的高低与光照的有无成对应关系，测量电路可以把光脉冲变为电脉冲，当光束（光脉冲）来自被测转轴时，电路可以把光脉冲变为电脉冲，当光束（光脉冲）来自被测转轴时，便可根据电脉冲的多少计算出被测转轴的转速。便可根据电脉冲的多少计算出被测转轴的转速。红外线

41、吸收式气敏传感器 红外线吸收式气敏传感器是应用气体对红外线的吸收原红外线吸收式气敏传感器是应用气体对红外线的吸收原理而制成的，具有精度高、选择性好、气敏浓度范围宽等特理而制成的，具有精度高、选择性好、气敏浓度范围宽等特点。因此，在工业生产中得到广泛的应用，可用于测量炉气点。因此，在工业生产中得到广泛的应用，可用于测量炉气或烟气或烟气SO2、CO2、CO等大气的含量。等大气的含量。红外线及其特征红外线及其特征 红外线是一种电磁波，它的波长介于可见光和无线电波红外线是一种电磁波，它的波长介于可见光和无线电波之间之间, ,红外线在可见光红光的外面而得到名。红外线在可见光红光的外面而得到名。 所有高于

42、绝对零度所有高于绝对零度(-273.15)的物质都可以产生红外的物质都可以产生红外线。红外线感应器是通过红外线反射原理，当人体的某一线。红外线感应器是通过红外线反射原理，当人体的某一部分在红外线区域内，红外线发射管发出的红外线由于人部分在红外线区域内，红外线发射管发出的红外线由于人体摭挡反射到红外线接收管，通过集成线路将信号发送给体摭挡反射到红外线接收管，通过集成线路将信号发送给脉冲电磁阀，电磁阀接受信号后按指定的指令控制阀芯。脉冲电磁阀，电磁阀接受信号后按指定的指令控制阀芯。 红外线吸收式气敏传感器 红外线及其特征红外线及其特征 红外线气体分析仪主要是利用红外线气体分析仪主要是利用1 125

43、m 之间的一段光波。之间的一段光波。红外线具有以下两个特征：红外线具有以下两个特征：(1)由于各种物质的分子本身都有一个特定的振动频率，只有由于各种物质的分子本身都有一个特定的振动频率，只有在红外光谱的频率与分子本身的频率相一致时，这种分子在红外光谱的频率与分子本身的频率相一致时，这种分子才能才能吸收红外光谱辐射能。所以，各种气体或液体并不是吸收红外光谱辐射能。所以，各种气体或液体并不是 对红外光谱范围内所有波长的辐射能都具有吸收能力，而对红外光谱范围内所有波长的辐射能都具有吸收能力，而是有选择性的，即不同的分子混合物只能吸收某一波长范是有选择性的，即不同的分子混合物只能吸收某一波长范围或几个波长范围内的红外辐射能。围或几个波长范围内的红外辐射能。红外线吸收式气敏传感器红外线及其特征红外线及其特征(2)(2)当红外线作用于物质时，红外线的辐射能被物质所吸收，并当红外线作用于物质时，红外线的辐射能被物质所吸收，并转换成其他形式的能量。气体在吸收红外辐射能后，使气体转换成其他形式的能量。气体在吸收红外辐射能后，使气体的温度升高