机械工程测试技术辅导资料十主题常用传感器与敏感元件

机械工程测试技术辅导资料十主题：常用传感器与敏感元件（四）学习时间：2014年6月2日--6月8日内容：我们这周主要学习课件第三章常用传感器与敏感元件中第 5、6节的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对相关知识的理解。一、学习要求1.掌握常见光电传感器、光纤传感器的应用特点和典型结构。重点掌握内容：1.重点：掌握常见光电传感器、光纤传感器的应用特点和典型结构2.难点：掌握常见光电传感器、光纤传感器的工作原理。、主要内容第五节光电传感器A、光电测量原理光电传感器的工作原理是光电效应。光电效应按其作用原理又分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。1、外光电效应2、光电导效应3、先生伏打效应B、光电元件（一）真空光电管或光电管（二）光电倍增管（三）光敏电阻（photoresistors）(四)光敏晶体管C、光电式传感器的类型光电式传感器按其输出量性质可分为两大类：1、模拟式光电传感器这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件的光照特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒定。(1)辐射式被测物体本身是光辐射源，由它释出的光射向光电元件。光电高温计、光电比色高温计、红外侦察、红外遥感和天文探测等均属于这一类。这种方式还可用于防火报警，火种报警和构成光照度计等。(2)吸收式被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度，对气体进行成分分析，测定液体中某种物质的含量等。(3)反射式恒定光源释出的光投射到被测物体上，再从其表面反射到光电元件上，根据反射的光通量多少测定被测物表面性质和状态。例如测量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移以及表面白度、露点、湿度等。2、开关式光电传感器这类光电传感器利用光电元件受光照或无光照时“有”“无”电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。为此，要求光电元件灵敏度高，而对光照特性的线性要求不高。旋转式编码器有两种一一增量编码器和绝对编码器。增量编码器输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数。一般还需要一个基准数据即零位数据才能完成角位移的测量。严格地说，绝对编码器才是真正的直接数字式传感器，它不需要基准数据，更不需要计数系统。它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出。(1)脉冲盘式角度一一数字编码器脉冲盘式角度一一数字编码器需三条码道。码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区，这是用来产生计数脉冲的增量码道。扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多，分辨率越高。例如，一个每转 5000脉冲的增量编码器，其码盘的增量码道上共有5000个透光和不透光扇形区。中间一圈码道上有与外圈码道相同数目的扇形区，但错开半个扇形区，作为辨向码道。在正转时，增量计数脉冲波形超前辨向脉冲波形冗/2;反转时，增量计数脉冲滞后冗/2。这种辨向方法与光栅的辨向原理相同。同样，用这两个相位差为冗/2的脉冲输出可进一步作细分。第三圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲信号将给计数系统提供一个初始的零位 G青零）信号。（2）码盘式角度-数字编码器接触式编码器示意图通常编码器的编码盘与旋转轴相固联，沿码盘的径向固定数个敏感元件 （这里是电刷）。每个电刷分别与码盘上的对应码道直接接触， 图3-44所示为一个4位二进制编码器的码盘示意图。它是在一个绝缘的基体上制有若干金属区 （图中涂黑部分）。全部金属区连在一起构成导电区域，并通过一个固定电刷（图上未示出）供电激励。固定电刷压在与旋转轴固联的导电环上。所以，无论转轴处于何位置，都有激励电压加在导电区域上。当码盘与轴一起旋转时，四个电刷分别输出信号。若某个电刷与码盘导电区接触，该电刷便被接到激励电源上，输出逻辑“1”电平。若某电刷与绝缘区相接触，则输出逻辑“ 0”电平。在各转角位置上，都能输出一个与转角位置相对应的二进制编码。 绝对编码器二进制输出的每一位都必须有一个独立的码道。一个编码器的码道数目决定了该编码器的分辨力。一个n位的码盘，它的分辨角度为a=36072n显然，n越大，能分辨的角度就越小，测量角位移也就越精确。为了得到高的分辨力和精度，就要增大码盘的尺寸，以容纳更多的码道。编码器的精度取决于码盘本身的精度、码盘与旋转轴线的不同心度和不垂直度误差。接触式编码器最大的缺点在于电刷与码盘的直接接触，接触摩损会影响其寿命，降低可靠性。因此不适宜在转速较高或具有振动的环境中使用。从图3-44中可见，当电刷从位置7转到8时，四个电刷中有三个电刷从导电区移至绝缘区，另一个电刷则相反变化，对应的二进制输出从0111变成1000。四个电刷只有同时改变接触状态（即同步）才能得到正确的输出码变化。若其中某一个电刷与其它三个电刷不同步，例如，第3码道上的电刷B2先离开导电区，则输出码先变0101,然后再变为1000。显然出现0101是错误的，但即使使用最精密的制造技术，也难于做到所有电刷完全同步。因此就会输出一个错误的编码。解决错误的方法有多种，最常用的方法是采用格雷码编码技术。从编码技术上分析，造成错码的原因是从一个码变为另一个码时存在着几位码需要同时改变。若每次只有一位码改变，就不会产生错码，例如格雷码 （循环码）。格雷码的两个相邻数的码变化只有一位码是不同的（见表3-1）。从格雷码到二进制码的转换可用硬件实现，也可用软件来完成。（3）光电式角度-数字编码器第六节光纤传感器A、光纤传感器分类B、光纤导光原理光纤是用光透射率高的电介质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路。光纤的结构如图3-49所示，它由折射率n1较大（光密介质）的纤芯，和折射率n2较小（光疏介质）的包层构成的双层同心圆柱结构。光纤的基本结构与波导光在两介质界面上的折射和反射光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角9i由光密介质1射向光疏介质2（即ni>n2）时（见图3-50）,则一部分入射光将以折射角82折射入介质2,其余部分仍以8i反射回介质1。依据光折射和反射的斯涅尔（Snell）定律，有：n1sin1n2sin2当M角逐渐增大，直至81=%时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播（82=90°）。对应于82=90。时的入射角6称为临界角9c；由式（9-1）则有：

sinn2nn2由图（3-49）和图（3-50）可见，当81>%时，光线将不再折射入介质2,而在介质（纤芯）内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。同理，由图3-49和Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质（空气no=1）射入纤芯时实现全反射的临界角（始端最大入射角）为：. 1 ~2 2sinc——，n1n2NAn0式中NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有28c张角内的光，才能被光纤接收、传播（全反射）；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2〜0.4。C、光纤传感器的应用（1）反射式光纤位移传感器光纤位移测量原理见图3-51。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上，两束光纤在被测物体附近汇合。被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。反射式光纤位移传感器一般是将发射和接收光纤捆绑组合在一起，组合的形式有不同，如：半分式、共轴式、混合式，混合式灵敏度高，半分式测量范围大。工作原理：由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头端紧贴被测物体时，发射光纤中的光信号不能反射到接受光纤中，接收光敏元件无光电信号；当被测物体逐渐远离光纤时，距离d减小，发射光纤照亮被测物体的表面积B1越来越大，接收光纤照亮的区域B2越来越大；当整个接收光纤被照亮时，输出达到最大，相对位移输出曲线达到光峰值；被测体继续远离时，光强开始减弱，部分光线被反射，输出光信号减弱，曲线下降进入“后坡区”。讨论：前坡区一一输出信号的强度增加快， 这一区域位移输出曲线有较好的线性关系，可进行小位移测量，如微米级测量；后坡区一一信号随探头和被测体之间的距离增加而减弱，该区域可用于距离较远，而灵敏度、线性度要求不高的测量；

光峰区于表面状态测量发光元件信号有最大值，值的大小决定被测表面的状态，光峰区域可用,如工件的光洁度或光滑度。光峰区于表面状态测量发光元件反射式光纤位移传感器(2)光纤液位传感器渣惨 液悻 液悻画 渣惨 液悻 液悻画 10光纤液位传感器(a)Y型光纤；(b)U型光纤；⑹棱镜耦合图3-52所示为基于全内反射原理研制的液位传感器。它由LED光源，光电二极管，多模光纤等组成。它的结构特点是，在光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空气中，没有接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而返回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，将有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。图⑻结构主要是由一个Y型光纤、全反射锥体、LED光源以及光电二极管等组成。图(b)所示是一种U型结构。当测头浸入到液体内时，无包层的光纤光波导的数值孔径增加，液体起到了包层的作用，接收光强与液体的折射率和测头弯曲的形状有关。为了避免杂光干扰，光源采用交流调制。图(c)结构中，两根多模光纤由棱镜耦合在一起，它的光调制深度最强，而且对光源和光电接收器的要求不高由于同一种溶液在不同浓度时的折射率也且对光源和光电接收器的要求不高由于同一种溶液在不同浓度时的折射率也不同，所以经过标定，这种液位传感器也可作为浓度计。光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体以及会粘附在测头表面的粘稠物质。（3）光纤电流传感器图3-53为偏振态调制型光纤电流传感器原理图。根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转； 检测偏转角的大小，就可得到相应的电流值。如图所示：高折射率讹料产）翅，显微物不 激光器—/—（s-[ZH]=^O信号处理jb? 起偏器「.装置./?——翟粽上网…陵由电畋 ~~1偏振态调调制型光纤电流传感器（4）光纤温度传感器（5）光纤角速度传感器（光纤陀螺）三、重要考点（一）单选题1、按照调制方式分类，光纤传感器中较为简单和常用的是（）0A.频率调制 B.强度调制 C.相位调制 D.偏振调制答案：B2、下列不属于光纤传感器按调制方式分类的是（ ）。A.频率调制 B.电压调制 C.相位调制 D.偏振调制答案：B（二）填空题1、光电效应按其作用原理又分为、和光生伏打效应。答案：外光电效应、内光电效应2、光纤传感器一般可分为两大类：一类是;另一类是<答案：功能型传感器、非功能传感器（三）名词解释1、先生伏打效应答案：在光的作用下， 能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏打效应。(四)问答题1、光纤传感器与常规传感器相比，有哪些优点？答：①抗电磁干扰能力强。光纤主要由电绝缘材料做成，工作时利用光子传输信息，因而不怕电磁场干扰；此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤。②光纤直径只有几微米到几百微米。 而且光纤柔软性好， 可深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。③光纤集传感与信号传输于一体，利用它很容易构成分布式传感测量。四、学习参考(本部分内容旨在通过介绍学习方法或对课件内容进行延伸来提高同学们对本课程的学习兴趣， 掌握本课程的一些学习方法， 不作为期末考试内容，供有精力的同学参考)光纤传感器的优点与传统的各类