第三章常用传感器

第三章常用传感器第1页，共136页，2023年，2月20日，星期三本章学习要求传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节。完成本章内容的学习后应能作到：

1.掌握常用传感器的工作原理与工业应用情况

2.了解传感器的分类

3.了解传感器的测量电路

第2页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.1概述1、定义

传感器直接作用于被测量，并按一定的规律将其转换成同种或别种量值输出的装置。传感器——sensor,transducer物理量化学量生物量获取的信息转换电信号

第3页，共136页，2023年，2月20日，星期三敏感元件转换元件转换电路被测量电量直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。2.传感器的构成第4页，共136页，2023年，2月20日，星期三传感器构成实例敏感元件转换元件转换电路

实际上,有些传感器很简单,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成,它感受被测量时直接输出电量,如热电偶。

有些传感器很复杂;有些传感器由敏感元件和转换元件组成,没有转换电路,如压电式加速度传感器,其中质量块是敏感元件,压电片(块)是转换元件。有些传感器转换元件不只一个,要经过若干次转换。第5页，共136页，2023年，2月20日，星期三3分类(1)按被测物理量来分位移传感器速度传感器温度传感器…(2)按传感器工作的物理原理来分机械式电气式辐射式…流体式(3)按信号变换特征来分物性型结构型(4)按传感器的能量转换情况来分能量转换型能量控制型(书P56-57)3.1概述第6页，共136页，2023年，2月20日，星期三物性型与结构性所谓物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温。是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应等。

所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。第7页，共136页，2023年，2月20日，星期三能量转换型与能量控制型能量转换型传感器(或称无源传感器)，是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。能量控制型传感器(或称有源传感器)，是从外部供给辅助能量使传感器工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而又被测两变化所引起的电阻变化去控制电桥输出。第8页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.3电阻、电容与电感式传感器概述按其工作原理可分为被测量电阻值变阻器式(电位器式)、电阻应变式固态压阻式3.3.1电阻式传感器第9页，共136页，2023年，2月20日，星期三一、变阻器（rheostat）式传感器电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。3.3.1.1变阻器式电阻传感器1.变阻式传感器的原理第10页，共136页，2023年，2月20日，星期三直线位移型角位移型第11页，共136页，2023年，2月20日，星期三其中，——电阻率；

l——导体长度；

A——导体截面积。导体电阻公式：（）当电阻丝直径和材质一定时，

直线位移型

如图，当改变触点C的位置时，AC间电阻值：

x

CxABCRkl：单位长度内的电阻值。xx3.3.1.1变阻器式电阻传感器第12页，共136页，2023年，2月20日，星期三当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。

传感器灵敏度：（/m）角位移型（/rad）

：

角位移；k：单位弧度对应

的电阻值。传感器灵敏度：3.3.1.1变阻器式电阻传感器第13页，共136页，2023年，2月20日，星期三2、等效电路分析:

Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.132xlEinEoutRxRLRp-Rx(自己推导）3.3.1变阻器式电阻传感器第14页，共136页，2023年，2月20日，星期三0x100%100%Output0负载效应为减小后接电路的影响，应使3.3.1变阻器式电阻传感器第15页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.变阻式传感器的应用

变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。

第三节电阻式传感器第16页，共136页，2023年，2月20日，星期三案例：重量的自动检测--配料设备重量设定原材料

比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化3.3.1变阻器式电阻传感器第17页，共136页，2023年，2月20日，星期三案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化3.3.1变阻器式电阻传感器第18页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.3.2应变式电阻传感器1.分类及结构：金属电阻应变式半导体应变式丝式箔式应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如3×20mm2，120Ω。第19页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.3.2应变式电阻传感器2.工作原理1）金属电阻应变式传感器金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形的变化而发生变化的现象。力机械变形⊿R第20页，共136页，2023年，2月20日，星期三推导：其中，——电阻率；

l——导体长度；

A——导体截面积。导体电阻公式：（）（3.3-1）变形时，、l、A将同时发生变化，从而导致R改变。3.3.2应变式电阻传感器第21页，共136页，2023年，2月20日，星期三即：（3.3-2）虎克定律对半径为r的金属电阻丝有：3.3.2应变式电阻传感器纵向应变纵向应变横向应变第22页，共136页，2023年，2月20日，星期三横向应变与纵向应变间的关系为：为泊松比。负号表示两者变化相反。泊松定律（接前页）3.3.2应变式电阻传感器第23页，共136页，2023年，2月20日，星期三E为电阻丝材料的弹性模量；为压阻系数，与材质有关。对金属电阻丝，很小。从而：因此：（3.3-3）（3.3-4）很重要哦3.3.2应变式电阻传感器第24页，共136页，2023年，2月20日，星期三即电阻相对变化与应变成正比。比值sg称为电阻应变片的应变系数或灵敏度。通常sg=1.7~3.6。3.3.2应变式电阻传感器第25页，共136页，2023年，2月20日，星期三2）半导体应变片基于半导体材料的压阻效应：指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。对于半导体材料，因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由

引起的，即(3.3-5)—沿某晶向的压阻系数；E—半导体材料的弹性模量;—沿某晶向的应变3.3.2应变式电阻传感器第26页，共136页，2023年，2月20日，星期三则半导体材料的灵敏系数为半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。其最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。3.3.2应变式电阻传感器第27页，共136页，2023年，2月20日，星期三案例：桥梁固有频率测量3电阻应变式传感器应用

第28页，共136页，2023年，2月20日，星期三将应变片粘贴于被测构件上测定构件的应力或应变用于大吨位的测量等强度悬臂梁，在梁的上下表面各贴两片应变片，上表面的应变片为拉应变，下表面的应变片为压应变，四个应变片组成全桥差动结构。结构简单，贴片容易，尤其适用于测量小量程载荷。4电阻应变式传感器应用

第29页，共136页，2023年，2月20日，星期三案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。4电阻应变式传感器应用

第30页，共136页，2023年，2月20日，星期三案例：汽车衡4电阻应变式传感器应用

第31页，共136页，2023年，2月20日，星期三为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的受力、变形情况，将应变片粘贴于被测构件上测定构件的应力或应变，测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等4电阻应变式传感器应用

第32页，共136页，2023年，2月20日，星期三

当被测物体产生位移时悬臂梁随之产生与位移相等的挠度，因而应变片产生相应的应变。在小挠度情况下，挠度与应变情况成正比。将应变片接入桥路，输出与位移成正比的电压信号。

测量时，基座固定在振动体上。振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。

4电阻应变式传感器应用

第33页，共136页，2023年，2月20日，星期三案例：振动式地音入侵探测器

适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。4电阻应变式传感器应用

第34页，共136页，2023年，2月20日，星期三电阻应变式传感器应用第35页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.3.2电容式传感器

变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。第36页，共136页，2023年，2月20日，星期三a)极距δ变化型++++++3.3.2电容式传感器

第37页，共136页，2023年，2月20日，星期三驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。3.3.2电容式传感器第38页，共136页，2023年，2月20日，星期三b)面积变化型角位移型+++3.3.2电容式传感器第39页，共136页，2023年，2月20日，星期三平面线位移型3.3.2电容式传感器第40页，共136页，2023年，2月20日，星期三柱面线位移型.3.3.2电容式传感器第41页，共136页，2023年，2月20日，星期三产品.陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。

压力变送器3.3.2电容式传感器第42页，共136页，2023年，2月20日，星期三第43页，共136页，2023年，2月20日，星期三c)介质变化型3.3.2电容式传感器第44页，共136页，2023年，2月20日，星期三产品.电容式液位传感器（液位计/料位计）3.3.2电容式传感器第45页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.3.3电感式传感器1自感型--可变磁阻式原理:电磁感应上式表明：自感L与气隙成反比，而与气隙导磁截面积A0成正比。当固定A0，变化时，L与成非线性关系第46页，共136页，2023年，2月20日，星期三原理:电磁感应3.3.3电感式传感器第47页，共136页，2023年，2月20日，星期三电感式接近传感器（金属）3.3.3电感式传感器第48页，共136页，2023年，2月20日，星期三2.

涡流式传感器（eddy-currenttransducer）

涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。工作原理分类：高频反射式低频透射式3.3.3电感式传感器第49页，共136页，2023年，2月20日，星期三高频反射式高频交流电i交变磁通量Φ涡流i1交变磁通量Φ1Φ1总是抵抗Φ的变化，从而导致原线圈等效阻抗Z发生变化：3.3.3电感式传感器第50页，共136页，2023年，2月20日，星期三低频透射式e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。3.3.3电感式传感器第51页，共136页，2023年，2月20日，星期三案例：

无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测3.3.3电感式传感器第52页，共136页，2023年，2月20日，星期三案例：零件计数想一想还有那些应用的场合案例：测厚3.3.3电感式传感器第53页，共136页，2023年，2月20日，星期三3、互感型传感器（mutualinductionsensor)工作原理把被测量的变化转化成互感系数M的变化。M-----互感系数（H）表示两线圈之间的耦合程度。其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关。i1-----一次侧线圈的励磁电流。e12------二次侧线圈的感应电动势。第54页，共136页，2023年，2月20日，星期三差动变压器式中ω

—激励电源角频率；M1

—一次侧线圈Nl与二次侧线圈N21之间的互感系数；

M2——一次侧线圈N1与二次侧线圈N22之间的互感系数；Il

—一次侧线圈的激励电流。所示二次侧线圈空载时的输出电压为：（见图3-30）第55页，共136页，2023年，2月20日，星期三当衔铁处于中间位置时，M1＝M2＝M，所以Uo＝0。当衔铁偏离中间位置向上移动时，N21互感增大，M1=M+ΔM，N22互感减小，M2=M-ΔM；同理，当衔铁偏离位置向下移动时相反。所以可得：U21U22U0xe0第56页，共136页，2023年，2月20日，星期三输出特性：注意：1）零点残余电压问题2）铁心移动方向的辨别（极性判别）e1e2e0xe0差动变压器（differentialtransformer）第57页，共136页，2023年，2月20日，星期三测量电路第58页，共136页，2023年，2月20日，星期三应用:厚度,角度;拉伸,压缩;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;振动,速度,加速度;等.案例：板的厚度测量~案例：张力测量差动变压器（differentialtransformer）第59页，共136页，2023年，2月20日，星期三其特点是工作温度范围较宽,为了减小横向力或偏心力的影响，传感器的高径比应较小。右图(

差动变压器式力传感器)所示差动变压器式力传感器的弹性元件是簿壁圆筒，在外力作用下，变形使差动变压器的铁芯介质微位移，变压器次极产生相应电信号。

差动变压器式测力传感器第60页，共136页，2023年，2月20日，星期三复习

电容式传感器的分类电容式传感器的工作原理电容式传感器的应用电感式传感器的分类可变磁阻式传感器工作原理涡流式传感器的工作原理应用范围2004-09-07第61页，共136页，2023年，2月20日，星期三第四节磁电、压电和热电式传感器第62页，共136页，2023年，2月20日，星期三第三章、传感器测量原理3.4.1磁电式传感器

1.变换原理:

磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。

感应线圈的感应电动势e为第63页，共136页，2023年，2月20日，星期三2分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.4.1磁电式传感器第64页，共136页，2023年，2月20日，星期三动圈式传感器线速度型

3.4.1磁电式传感器第65页，共136页，2023年，2月20日，星期三角速度型测速电机3.4.1磁电式传感器第66页，共136页，2023年，2月20日，星期三磁阻式传感器

磁电式车速传感器3.4.1磁电式传感器第67页，共136页，2023年，2月20日，星期三第三章、传感器测量原理3.4.2压电式传感器

1.变换原理:压电效应

某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。F+q=DF机电压电材料左式表明，电荷量与作用力成正比。在作用力终止时，电荷就随之消失。

第68页，共136页，2023年，2月20日，星期三由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态测量。注意测量静态量或准静态量时，必须采用极高阻抗的负载。应对措施：3.4.2压电式传感器第69页，共136页，2023年，2月20日，星期三+并联+串联C’=2Cu’=uq’=2q时间常数大，动态响应差，适合于慢变信号的测量和以电荷量输出的场合。①并联：C’=C/2u’=2uq’=q时间常数小，动态响应好，适合于快变信号的测量和以电压作为输出的场合。②串联：压电元件常用的结构形式

3.4.2压电式传感器第70页，共136页，2023年，2月20日，星期三2.等效电路

压电式传感器是具有一定电容的电荷源等效电容：开路电压：Ca:传感器电容Ci:外界电路输入电容Cc:电缆分布电容Ra:传感器漏电阻Ri:输入阻抗考虑负载影响3.4.2压电式传感器第71页，共136页，2023年，2月20日，星期三简化等效电路解方程，得到：（3-38）：作用力频率3.4.2压电式传感器第72页，共136页，2023年，2月20日，星期三（3-38），则：当作用力频率与电路时间常数RC足够大时，q=DF0sinwt=q0sinwt3.4.2压电式传感器第73页，共136页，2023年，2月20日，星期三1.U与Cc有关，当改变电缆长度或布线方法时，U会改变，从而导致测量误差。

2.若被测量是准静态量，必须增大测量回路时间常数，以维持(RC)2>>1，减少对U和Su的影响。显然增加电容C会降低灵敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。Ri越大，

低频响应越好。为了改善其低频特性，压电传感器需后接高输入阻抗的运算放大器。3.4.2压电式传感器第74页，共136页，2023年，2月20日，星期三3、测量电路1）压电传感器对测量电路的要求：压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显示和记录，而需经过二次仪表进行阻抗变换和信号放大。压电传感器需后接高输入阻抗的前置放大器。2）前置放大器的作用：阻抗变换（高输入阻抗低输出阻抗）放大微弱信号3）前置放大器的形式：电压放大器：电荷放大器：电阻反馈；输出电压与输入电压成正比。带电容负反馈的高增益运放；输出电压与输入电荷成正比。3.4.2压电式传感器第75页，共136页，2023年，2月20日，星期三Ca

Ra

电压放大电路ua

Cc

Ri

Ci

-Aui

uo

电压放大器

存在问题：输出电压与电缆电容有关。如果电缆电容变化，灵敏度也随之变化。3.4.2压电式传感器第76页，共136页，2023年，2月20日，星期三Ca

电荷放大电路qCc

Ci

-Aui

uy

Cf

电荷放大器

由电荷平衡建立方程式：3.4.2压电式传感器第77页，共136页，2023年，2月20日，星期三输出电压与传感器的电荷量近似正比，且只与反馈电容有关，不受电缆电容的影响。3.4.2压电式传感器第78页，共136页，2023年，2月20日，星期三产品压力变送器加速度计力传感器3.4.2压电式传感器第79页，共136页，2023年，2月20日，星期三1.热电偶热电效应

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。3.4.3热电式传感器第80页，共136页，2023年，2月20日，星期三工作原理:两种不同导体构成闭合回路两个节点（A、B）温度不同热电势温差电势：σA-温差系数T,T0-A、B两节点绝对温度k-波尔兹曼常数e-电子电荷NA,NB-导体AB的自由电子密度→材料T-节点绝对温度接触电势：不同导体→自由电子密度不同→扩散→电势同一导体→两端温度不同→电子迁移（高→低）→电势ABTT0导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。3.4.3热电式传感器第81页，共136页，2023年，2月20日，星期三热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V3.4.3热电式传感器第82页，共136页，2023年，2月20日，星期三3)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。标准电极(铂)3.4.3热电式传感器第83页，共136页，2023年，2月20日，星期三热电偶的种类及结构

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6、R:铂铑13—铂、

S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、N:镍铬—镍硅、E:镍铬—铜镍、

J:铁—铜镍、T:铜—铜镍

用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝第84页，共136页，2023年，2月20日，星期三几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍硅

-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？第85页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.4.3热电式传感器第86页，共136页，2023年，2月20日，星期三(1)热电阻原理与特性:

材料：纯金属---铂、铜、镍、铁2、热电阻原理：热能热电阻电阻值温度热电阻阻值要求：（1）温度系数、电阻率较高→提高灵敏度，体积小，反应快（2）理化性能稳定→提高稳定性和准确性，复现性好（3）良好的输入-输出特性→线性/接近线性，测量精度高（4）良好的工艺性→批量生产，降低成本（5）较大的测温范围→特别是在低温范围3.4.3热电式传感器第87页，共136页，2023年，2月20日，星期三特点：0~+850℃：0~-200℃：应用：(1)在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好(2)输入输出特性接近线性(4)贵重金属，成本较高标准温度计，高精度工业测温，高低温测试构成：金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线圈(3)测量精度高：<0℃:±1℃、0~100℃:±0.5℃、100~650℃:±0.5%Pt100：R0：0℃时的温度–标准值(Pt100,Pt500)(2)铂电阻(Pt)3.4.3热电式传感器第88页，共136页，2023年，2月20日，星期三特点：-50~180℃：应用：(1)易于提纯，在-50~150℃范围内性能稳定，价格低(2)输入输出特性接近线性:(3)电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大(Cu50,Cu100)(4)高温易被氧化，易被腐蚀(5)测量精度低于铂电阻：-50~50℃:±0.5℃、50~150℃:±1%小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替铂构成：金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线圈(3)铜电阻(Cu)R0：0℃时的温度–标准值3.4.3热电式传感器第89页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.热敏电阻传感器半导体材料半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。RT第90页，共136页，2023年，2月20日，星期三第91页，共136页，2023年，2月20日，星期三第92页，共136页，2023年，2月20日，星期三温控器应用还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等第93页，共136页，2023年，2月20日，星期三第94页，共136页，2023年，2月20日，星期三复习差动变压器工作原理磁电感应式传感器的特性与应用压电式传感器工作原理压电式传感器等效电路与测量电路第95页，共136页，2023年，2月20日，星期三第三章常用传感器第五节光电传感器河北农业大学机电学院机械测试技术第96页，共136页，2023年，2月20日，星期三

光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。内光电效应

外光电效应

光生伏特效应

一、光电效应与光电元件第97页，共136页，2023年，2月20日，星期三

1、外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

红限频率一、光电效应与光电元件第98页，共136页，2023年，2月20日，星期三2.光敏电阻

基于光电导效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。光照物体吸收能量自由电子R光电导效应:一、光电效应与光电元件第99页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.光敏二极管和光敏三级管光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的，其差别只是光照在半导体结上而已。

第100页，共136页，2023年，2月20日，星期三照相机自动测光光控灯工业控制第101页，共136页，2023年，2月20日，星期三4.光电池

光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+++---PN光生伏特型光电器件是自发电式的。第102页，共136页，2023年，2月20日，星期三第103页，共136页，2023年，2月20日，星期三硅光电池也称硅太阳能电池，它是用单晶硅制成。硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。因此凡是不能铺设电缆的地方都可采用太阳能电池，尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。

第104页，共136页，2023年，2月20日，星期三二、光电传感器的应用

按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。1.）模拟式光电传感器

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。

恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。

第105页，共136页，2023年，2月20日，星期三被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。

被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。

第106页，共136页，2023年，2月20日，星期三2.）

脉冲式光电传感器

脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。

第107页，共136页，2023年，2月20日，星期三如图所示即为直射式光电转速传感器的结构原理。它是由装在输入轴上的开孔盘、光源、光敏元件以及缝隙板所组成，输入轴与被测轴相连接。从光源发射的光，通过开孔盘和缝隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光。开孔盘上开有一定数量的小孔，当开孔盘转动一周，光敏元件感光的次数与盘的开孔数相等，因此产生相应数量的电脉冲信号。这种结构的传感器由于开孔盘尺寸的限制，其开孔数目不可能太多，使应用受到限制。第108页，共136页，2023年，2月20日，星期三动手做：观察你计算机上使用的鼠标结构，了解鼠标如何实现运动测量。（机械式、光学机械式、光电式）第109页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.6光纤传感器

光纤传感器以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号的传感器。第110页，共136页，2023年，2月20日，星期三光纤导光原理观看动画演示第111页，共136页，2023年，2月20日，星期三物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。1）物性型光纤传感器光纤传感器分类：第112页，共136页，2023年，2月20日，星期三光纤流速传感器由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化。其振主幅的变化与流速成正比。第113页，共136页，2023年，2月20日，星期三

结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。2）结构型光纤传感器光纤传感器分类：第114页，共136页，2023年，2月20日，星期三特点：光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等等一些优点。

应用举例:计数装置位移传感器第115页，共136页，2023年，2月20日，星期三光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型第116页，共136页，2023年，2月20日，星期三光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测

当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。光纤耦合器传输光纤出射光纤第117页，共136页，2023年，2月20日，星期三光纤式光电开关应用

采用遮断型光纤光电开关对IC

芯片引脚进行检测第118页，共136页，2023年，2月20日，星期三3.7半导体传感器体积小；功耗低；安全可靠，寿命长；灵敏，响应快；易于集成。3.7.1磁敏传感器：利用半导体材料的磁敏效应进行工作霍尔元件磁阻元件磁敏管⒈霍尔元件：①“霍尔效应”第119页，共136页，2023年，2月20日，星期三金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。abcd1霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果。第120页，共136页，2023年，2月20日，星期三此时相应的霍尔电势为：kH——霍尔常数。决定于温度、材质、元件尺寸；B——磁感应强度；α——电流与磁场方向的夹角。第121页，共136页，2023年，2月20日，星期三典型应用：霍尔式位移传感器：测量磁场；检测电流；测量微小位移，压力，机械振动。从a端通人电流I根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。

第122页，共136页，2023年，2月20日，星期三霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁第123页，共136页，2023年，2月20日，星期三霍尔式传感器测转速：把磁钢粘在旋转体上（可以是一对或者是多对），霍尔开关集成电路装置在固定位置上，当旋转体转动时，每转动一圈，电路发出一个脉冲信号（或者多个脉冲信号），霍尔开关电路的输出脉冲与转速成正比，测量出单位时间内的脉冲数，即可