《传感器检测技术》课件-第四章位移检测技术

传感器与检测技术5.1.1霍尔效应第四章位移检测技术5.1.1霍尔效应霍尔效应

在长、宽、高分别为L、W、H的半导体薄片的相对两侧a、b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B。设图中的材料是N型半导体，导电的载流子是电子。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c侧指向d侧方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用表示，大小为：电子电荷量载流子的运动速度磁感应强度5.1.1霍尔效应

在洛仑兹力的作用下，电子向d侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，c侧则形成正电荷的积累。这样，c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场EH,称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力（FH=qEH）与洛仑兹力大小相等时，达到动态平衡。这时有qEH=qvB。所以霍尔电场的强度为EH=vB。在c与d两侧面间建立的电动势差称为霍尔电势，用表示UH:I=nqvHW5.1.1霍尔效应设---霍尔系数，得设--霍尔灵敏度，则反映材料霍尔效应的强弱，是由材料性质所决定的一个常数大小霍尔灵敏度，它表示霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电势的大小5.1.1霍尔效应霍耳电势与材料的关系通过以上分析，可以看出⑴霍耳电压UH大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料n较大，导致RH和KH变小，故不宜做霍耳元件。霍耳元件一般采用N型半导体材料。RH=1/nq.(2)根据式，H愈小，KH愈大，霍耳灵敏度愈高，所以霍耳元件的厚度都比较薄。但H太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。霍耳电势与材料的关系（3）霍耳电压UH与控制电流及磁场强度有关。根据式UH正比于I及B。当控制电流恒定时，B愈大，UH愈大。当磁场改变方向时，UH也改变方向。同样，当霍耳灵敏度KH及磁感应强度B恒定时，增加控制I,也可以提高霍耳电压的输出。但电流不宜过大，否则，会烧坏霍耳元件。5.1.1霍尔效应5.1.2霍尔元件第四章位移检测技术5.1.2霍尔元件2.霍尔元件5.1.2霍尔元件霍尔元件是一种四端型器件，它由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为4mm×2mm×0.1mm。通常为红色的两个引线A、B为控制电流，C、D两个绿色引线为霍尔电势输出线。5.1.2霍尔元件(b)(c)5.1.2霍尔元件3、霍尔开关当有磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电势，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的霍尔电势大于“开启”

阈值时，施密特电路翻转，输出高电平，使晶体管导通，整个电路处于开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，经放大器放大后其值仍小于施密特的“关闭”阈值时，施密特整形器又翻转，输出低电平，使晶体管截止，电路处于关状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。霍尔开关集成传感器内部结构框图5.1.2霍尔元件单向磁场工作型（也叫单稳开关型）：当外加磁感应强度达到器件的导通磁场时，开关接通，磁场消失后，器件关断。双向磁场工作型（也叫双稳态开关型、锁键型）：当外加磁场使其导通后，去掉磁场仍然保持导通态，只有当施加反极性磁场达到一定数值后才能关断。其主要是由内部施密特触发器是单稳型还是双稳型决定的。实际的霍尔开关输出与输入磁场的关系有两种情况：OFFONBVout(V)0BRPBOPBHVoutBBH05.1.2霍尔元件5.1.3霍尔传感器应用案例第四章位移检测技术5.1.3霍尔传感器应用案例4、霍尔传感器应用

当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。5.1.3霍尔传感器应用案例4、霍尔传感器应用17齿盘的齿数输出脉冲数转速（转/分）5.1.3霍尔传感器应用案例n=60f4(r/min)软铁分流翼片开关型霍尔IC5.1.3霍尔传感器应用案例(a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式

由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等.5.1.3霍尔传感器应用案例（1）角位移测量仪当霍尔元件与磁场方向不垂直，而是与其法线成某一角度时，这时霍尔电势UH=KHIBcos

。当

不同时，霍尔电势UH也不同。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电势就反映了转角的变化。不过，这个变化是非线性的（UH正比于cos)，若要求UH与成线性关系，必须采用特定形状的磁极。角位移测量仪5.1.3霍尔传感器应用案例（2）霍尔式接近开关

用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。5.1.3霍尔传感器应用案例（3）电流测量（电流计）

根据安培定律，在载流导体周围将产生一正比于该电流的磁场。用霍尔元件来测量这一磁场，可得到一正比于该磁场的霍尔电动势。通过测量霍尔电动势的大小来间接测量电流的大小，这就是霍尔钳形电流表的基本测量原理。霍尔元件测量电流5.1.3霍尔传感器应用案例5.1.3霍尔传感器应用案例5.1.3霍尔传感器应用案例（4）功率测量若外加磁场正比于外加电压，表示为外加电压常数功率与器件及器件材料、结构有关的常数则霍尔电势为5.1.3霍尔传感器应用案例（4）功率测量

可利用霍尔元件进行直流功率测量。该电路适用于直流大功率的测量，RL为负载电阻，指示仪表一般采用功率刻度的伏特表，霍尔元件采用N型锗材料元件较为有利。直流功率计电路5.1.3霍尔传感器应用案例（5）海洋用霍尔罗盘

地球上每个地方的地磁场都有固定的方向和大小。线性霍尔元件可以检测地磁场的大小和方向。因此，线性霍尔元件可用来制作电子罗盘，也可根据实际需要制作指南针或指北针。5.1.3霍尔传感器应用案例（6）霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理汽车点火线圈高压输出接头12V低压电源输入接头采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。5.1.3霍尔传感器应用案例采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图1-触发器叶片2-槽口3-分电器转轴4-永久磁铁5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）a）带缺口的触发器叶片b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系c）叶片位置与点火正时的关系

5.1.3霍尔传感器应用案例霍尔式无触点汽车电子点火装置1—点火开关2—达林顿晶体管功率开关3—点火线圈低压侧4—点火线圈铁心5—点火线圈高压侧6—分火头7—火花塞5.1.3霍尔传感器应用案例（7）霍尔传感器用于测量磁场强度测量铁心气隙的B值霍尔元件5.1.3霍尔传感器应用案例（8）压力测量5.2.1磁电传感器的工作原理第四章位移检测技术5.2.1磁电传感器的工作原理

磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。5.2.1磁电传感器的工作原理根据法拉第电磁感应原理，当匝数为N的线圈在磁场中运动而切割磁感线，或通过闭合线圈的磁通量Φ发生变化时，线圈中将产生感应电动势e,即

感应电动势的大小取决于线圈匝数N和通过线圈的磁通变化率。而磁通的变化与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场相对运动等因素有关，改变其中任何一个因素都会改变线圈中的感应电动势。5.3.1光电效应第四章位移检测技术5.3.1光电效应一、光电效应

光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为E的光子的轰击，组成这种物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。5.3.1光电效应(1)外光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象称为外光电效应，也称光电发射效应。逸出来的电子称为光电子。5.3.1光电效应根据外光电效应制成的光电元器件有光电管、光电倍增管。5.3.1光电效应(2)内光电效应

在光线作用下，使物体导电能力发生变化的现象称为内光电效应，也称光电导效应。

半导体材料受到光照时会产生电子－空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。5.3.1光电效应(2)内光电效应根据内光电效应制成的光电元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。5.3.1光电效应(3)光生伏特效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元器件是光电池。5.3.2光电元件第四章位移检测技术5.3.2光电元件二、光电元件

将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂上一层光电材料作为阴极K，球心放置小球形或小环形金属作为阳极A。当阴极K受到光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极A吸引，朝阳极A方向移动，这样就在光电管内产生了电子流。1．光电管5.3.2光电元件在外电场作用下将形成电流I，称为光电流。光电流的大小与光电子数成正比，而光电子数又与光照度成正比。5.3.2光电元件2.光电倍增管

光电倍增管是把微弱光信号转变成电信号且进行放大的器件。光电倍增管主要由玻璃壳、光阴极K、阳极A、倍增极D、引出插脚等组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。（a）端窗式结构

（b）侧窗式工作原

光电倍增管的典型结构和工作原理5.3.2光电元件3．光敏电阻光敏电阻是一种基于内光电效应制成的光电器件，光敏电阻没有极性，相当于一个电阻器件。5.3.2光电元件3．光敏电阻

当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）5.3.2光电元件

在光敏电阻的两端加直流或交流工作电压的条件下，当无光照射时，光敏电阻电阻率变大，从而光敏电阻值RG很大，在电路中电流很小；当有光照射时，由于光敏材料吸收了光能，光敏电阻率变小，从而RG呈低阻状态，在电路中电流很大。光照越强，阻值越小，电流越大。当光照射停止时，RG又逐渐恢复高电阻值状态，电路中只有微弱的电流。5.3.2光电元件

光敏电阻全暗条件下测得的阻值称为暗电阻（暗阻），通常超过1

M

，此时流过光敏电阻的电流称为暗电流。光敏电阻在受光照射时的阻值称为亮电阻（亮阻），一般在几千欧以下，此时流过光敏电阻的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。光电流越大，光敏电阻的灵敏度就越高。但光敏电阻容易受温度的影响，温度升高，暗电阻减小，暗电流增加，灵敏度就要下降。光电流5.3.2光电元件4．光敏晶体管（1）光敏二极管5.3.2光电元件光敏二极管工作时外加反向工作电压，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，此时光敏二极管处于截止状态。当有光照射时，在PN结附近产生光生电子和空穴对，从而形成由N区指向P区的光电流，此时光敏二极管处于导通状态。当入射光的强度发生变化时，光生电子和空穴对的浓度也相应发生变化，因而通过光敏二极管的电流也随之发生变化，光敏二极管就实现了将光信号转变为电信号的输出。5.3.2光电元件光敏二极管在没有光照射时反向电阻很大，暗电流很小；当有光照射时，在PN结附近产生光生电子-空穴对，在内电场作用下定向运动形成光电流，且随着光照度的增强，光电流越大。所以，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态；受光照射时处于导通状态。它主要用于光控开关电路和光耦合器中。用欧姆表检测时，先让光照射在光敏二极管管芯上，测出其正向电阻，其阻值与光照强度有关，光照越强，正向阻值越小；然后用一块遮光黑布挡住照射在光敏二极管上的光线，测量其阻值，这时正向电阻应立即变得很大。有光照和无光照下所测得的两个正向电阻值相差越大越好。5.3.2光电元件（2）光敏三极管光敏三极管有NPN型和PNP型两种5.3.2光电元件光敏三极管符号光敏三极管有NPN型和PNP型两种5.3.2光电元件光敏三极管的检测方法

用一块黑布遮住照射光敏三极管的光，选用万用表的R

1k挡，测量其两引脚引线间的正、反向电阻，若均为无限大时则为光敏三极管；拿走黑布，则万用表指针向右偏转到15～30

k处，偏转角越大，说明其灵敏度越高。5.3.2光电元件5.光电池

光电池能将入射光能量转换成电压和电流，它属于光生伏特效应元件，是自发电式有源器件。它既可以作为输出电能的器件，也可以作为一种自发电式的光电传感器，用于检测光的强弱及能引起光强变化的其他非电量。光电池的种类很多，其中应用最多的是硅光电池、硒光电池、砷化钾光电池和锗光电池等，具有性能稳定、频率特性好、光谱范围宽和耐高温辐射等优点。5.3.2光电元件

硅光电池是在一块N型(或P)硅片上，用扩散的方法掺入一些P型(或N)杂质，而形成一个大面积的PN结。当入射光照在PN结上时，PN结附近激发出电子—空穴对，在PN结势垒电场作用下，将光生电子拉向N区，光生空穴推向P区，形成P区为正、N区为负的光生电动势。若将PN结与负载相连接，则在电路上有电流通过。光电池的工作原理及符号5.3.2光电元件光敏面5.3.2光电元件能提供较大电流的大面积光电池外形5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用第四章位移检测技术5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用光电式烟尘浓度计工厂烟囱烟尘的排放是环境污染的重要来源，为了控制和减少烟尘的排放量，对烟尘的监测是必要的。光线被烟尘吸收或折射，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用包装充填物高度检测利用光电检测技术控制充填高度5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用包装充填物高度检测利用光电检测技术控制充填高度5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用光电开关（a）透射式光电开关

（b）反射式光电开关

光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用对射式光电开关原理被检测物体光发射器光接收器

对射式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线额定距离漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用光电开关的基本电路5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用光电开关的基本电路5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用光电式计速计1-对射式光电开关；2-圆盘；3-机器人转轴

5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料口对射式光电开关（计数）光电开关在流水线上的应用5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用光幕

两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。接收器5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用

光幕应用

当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。光线被遮断（报警）5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用

光幕应用产品高度测量5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用75

三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用

纠偏

光幕可检测出带材在卷曲过程中的偏移，经控制器和执行机构使带材向正确的方向运动（纠偏）。5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用

光幕用于自动收费系统的车辆检测5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用

漫反射型光电开关的应用5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用

任务实施5.3.3光电传感器测量转速的工作原理及应用

任务实施5.4.1绝对式编码器的工作原理第四章位移检测技术5.4.1绝对式编码器的工作原理绝对式编码器绝对式编码器按结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码器。1、接触式编码器5.4.1绝对式编码器的工作原理接触式编码器由码盘和电刷组成，码盘与被测的旋转轴相连，沿码盘径向安装几个电刷，每个电刷分别与码盘上的对应码道直接接触。如图所示。涂黑部分为导电区，所有导电部分连接在一起接高电位，代表“1”；空白部分表示绝缘区低电位，代表“0”。四个电刷沿一固定的径向安装，即每圈码道上都有一个电刷，电刷经电阻接地。当码盘与轴一起转动时，电刷上将出现一定的点位，对应一定的码数，如下表所示。现图中是4个码道，称为四位码盘，能分辨的角度为若采用n位码盘，则能分辨的角度为，位数n越大，能分辨的角度越小，测量越精确。5.4.1绝对式编码器的工作原理图5-17接触式编码器原理图二进制码盘很简单，但在实际应用中容易出错，非单值性错误。表5-1电刷在不同位置时对应的数码5.4.1绝对式编码器的工作原理角度电刷位置二进制码对应十进制数0a00000αb000112αc001023αd001034αe010045αf010156αg011067αh011178αi100089αj1001910αk10101011αl10111112αm11001213αn11011314αo1110145.4.1绝对式编码器的工作原理

为了消除非单值性误差，应用最广的方法是采用循环码代替二进制码。循环码的特点是相邻的两个数码间只有一位是变化的，它能较有效的克服由于制作和安装不准而带来的误差。因为当一个代码变为相邻的另一个代码时，可以降低代码在变化时产生错误的概率，还可以避免错一位数码而产生大的数值误差。图5-18循环码盘5.4.1绝对式编码器的工作原理表5-2十进制数、直接二进制码和循环码对照表十进制数二进制数（C）循环码（R）十进制数二进制数（C）循环码（R）0000000008100011001000100019100111012001000111010101111300110010111011111040100011012101010105010101111310111011601100101141110100170111010015111110005.4.1绝对式编码器的工作原理2.光电编码器

光电编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。1-轴2-码盘3-光源4-光栅屏蔽5-光电接收单元

图5-21光电编码器结构图5.4.1绝对式编码器的工作原理3.电磁式编码器

电磁式编码器是在圆盘上按一定的编码图形，做成磁化（磁导率高）区和非磁化区（磁导率低），采用小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头，磁头或磁环紧靠码盘，但又不与它接触，每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激磁，副边绕组用作输出信号，由于副边绕组上的感应电动势与整个磁路的磁导有关，因此可以区分状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。5.4.2增量式编码器的工作原理第四章位移检测技术5.4.2增量式编码器的工作原理增量式编码器

增量式编码器又称脉冲盘式编码器，不能直接产生n位的数码输出，当盘转动时可产生串行光脉冲，用计数器将脉冲累加起来就可反映转过的角度大小，但遇停电，就会丢失累加的脉冲数，必须有停电记忆措施。图4增量式旋转编码器图5增量式旋转编码器组成5.4.2增量式编码器的工作原理图3-3-6发光器件光源通过码盘5.4.2增量式编码器的工作原理1、增量式旋转编码器工作原理码盘每转动一个预先设定的单位将出一个脉冲信号，故称之为增量式编码器。图7编码器输出脉冲5.4.2增量式编码器的工作原理增量式编码器图5-22增量式光电编码器的组成1轴；2光源；3光栅板；4狭缝；5光敏元件；6码盘

；7接线盒图5-23

增量式光电编码器的输出信号波形5.4.2增量式编码器的工作原理图5-24辩向环节原理图和波形图5.4.2增量式编码器的工作原理为了确定旋转编码器的旋转方向和参考点位置，在码盘上设置了三个通道，即A\B\Z三个通道，当编码器码盘每转过一个光栅单位,A相(B相)就输出一个脉冲，彼此相差90

相位，用于辨向。图8增量式编码器A\B\Z通道图9增量式旋转编码器的旋转方向5.4.2增量式编码器的工作原理当码盘正转时，A信号超前B信号90

当码盘反转时，B信号超前A信号90

图10A相超前B相90度,编码器正转图11B相超前A相90度,编码器反转5.4.3光电编码器测量转速的应用案例第四章位移检测技术5.4.3光电编码器测量转速的应用案例光电编码器的应用使用增量式光电编码器测量机床纵向进给速度如图所示为机床纵向进给速度控制示意图。将光电编码器安装在机床的主轴上，用来检测主轴的转速，当主轴旋转时，光电编码器随主轴一起旋转，输出脉冲经脉冲分配器和数控逻辑运算后，输出进给速度指令控制丝杆进给电动机，达到控制机床的纵向进给速度的目的。5.4.3光电编码器测量转速的应用案例光电编码器的应用使用增量式光电编码器测量机床纵向进给速度如图所示为机床纵向进给速度控制示意图。将光电编码器安装在机床的主轴上，用来检测主轴的转速，当主轴旋转时，光电编码器随主轴一起旋转，输出脉冲经脉冲分配器和数控逻辑运算后，输出进给速度指令控制丝杆进给电动机，达到控制机床的纵向进给速度的目的。5.4.3光电编码器测量转速的应用案例光电编码器的应用使用增量式光电编码器测量机床纵向进给速度注意事项对采用增量式位置检测装置的伺服系统（如增量式光电编码器），因为输出信号是增量值（一串脉冲），失电后控制器就失去了对当前位置的记忆。因此，每次开机启动后要回到一个基准点，然后从此点算起，来记录增量值，这一过程称为