關(guān)于常用傳感器與非電量測(cè)量第1頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.1概述傳感器是一種能將特定的被測(cè)信息（包括物理量、化學(xué)量、生物量等），按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用的輸出信號(hào)的器件，又稱為變換器、變送器。目前，可用信號(hào)是指各種電量（電壓、電流）或電參數(shù)（電阻、電感、電容等），這是因?yàn)殡娦盘?hào)易于處理，便于傳輸。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，可以預(yù)料傳感器“可用信號(hào)”的內(nèi)涵也會(huì)隨之改變，如當(dāng)人們跨入光子時(shí)代，則光信號(hào)將成為更便于快速處理與傳輸?shù)摹翱捎眯盘?hào)”了。第2頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三常見(jiàn)傳感器第3頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三A從傳感器輸入端來(lái)看，一個(gè)指定的傳感器只能感受或響應(yīng)規(guī)定的物理量。如溫度傳感器只能用于測(cè)溫，傳感器所能感受或響應(yīng)規(guī)定的物理量既可以是非電量也可是電量。B從輸出端來(lái)看，傳感器的輸出信號(hào)為“可用信號(hào)”，這指?jìng)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)中不但載運(yùn)待測(cè)的原始信息，而且是能夠被遠(yuǎn)距離傳送、后續(xù)測(cè)量環(huán)節(jié)便于接收做進(jìn)一步處理的信號(hào)，包含：電信號(hào)、光信號(hào)、氣動(dòng)信號(hào)等。C從輸入輸出關(guān)系看，具有一定規(guī)律，可以通過(guò)數(shù)學(xué)解析方法或試驗(yàn)法確定模型來(lái)描述，具有規(guī)定的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，規(guī)律可以重復(fù)出現(xiàn)。傳感器位于測(cè)試系統(tǒng)的最前端，主要為了獲取檢測(cè)信息和轉(zhuǎn)換信息用。第4頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.1.1傳感器的分類傳感器的分類方法很多，了解傳感器的分類旨在加深理解便于應(yīng)用。按輸入量可分為溫度、壓力、位移、速度、濕度等傳感器；按測(cè)量原理可分為電位計(jì)式、應(yīng)變式、電感式、差動(dòng)變壓器式、電渦流式、半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏等傳感器；按輸出量分類有模擬式和數(shù)字式傳感器等。按照傳感器輸出量變換原理分類，由于傳感器可用輸出信號(hào)的類型是有限的，如電壓、電流、電阻、電荷，其中輸出量為電參數(shù)的（電阻、電感、電容）稱為電參數(shù)傳感器；輸出量為電量（電壓、電流、電荷）稱為電量型傳感器。第5頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.1.2

傳感器技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展目前，傳感器技術(shù)正在飛速發(fā)展，出現(xiàn)了“多樣化、新型化、集成化、智能化”的發(fā)展形勢(shì)。多樣化是指隨著使用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大以及各個(gè)領(lǐng)域的不同需要，出現(xiàn)多種多樣用途的傳感器，種類有上千種。集成化包括傳感器本身的集成化和傳感器與后續(xù)電路的集成化。新型化是指由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多物理效應(yīng)的新發(fā)現(xiàn)、理論上的新突破、新工藝的提出、新材料的產(chǎn)生，發(fā)展了大量新型傳感器。智能傳感器，至今還沒(méi)有公認(rèn)的正式定義。一般認(rèn)為：傳感器與微處理器相結(jié)合所形成的不僅具有信號(hào)檢測(cè)功能，而且具有信息處理功能的傳感器系統(tǒng)就是智能傳感器。

第6頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三舉例：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源就是各種類型的傳感器，數(shù)量多達(dá)幾十至上百只各型傳感器。第7頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.2電參數(shù)型傳感器4.2.1電阻式溫度傳感器利用導(dǎo)體、半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的特性，可以制作出測(cè)量溫度的傳感器：熱電阻和熱敏電阻。溫度范圍（－200～500）℃

1熱電阻：純金屬制作的熱電阻有正溫度系數(shù)，溫度每升高1℃

，電阻值增加約0.4%~0.6%。最廣泛使用的是純金屬鉑、銅熱電阻。(1)鉑電阻的R-t關(guān)系0℃

～850℃－200℃～0℃第8頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)銅電阻在（-50~150)℃內(nèi)有較好的特性，價(jià)格便宜。其R-t特性為：2熱敏電阻熱敏電阻是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚底兓囊环N傳感器。它可歸類為電阻式傳感器。這種熱敏元件是半導(dǎo)體，稱半導(dǎo)體熱敏電阻。其優(yōu)點(diǎn)有：具有較高的負(fù)電阻溫度系數(shù)；靈敏度高于熱電阻，在20℃時(shí)溫度增加1℃，電阻值減少約2％～6％。常溫下阻值大，可以忽略引線電阻的影響，體積小，動(dòng)態(tài)特性好。測(cè)溫范圍（-100～300)℃。缺點(diǎn)：非線性大，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，互換性差。第9頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三熱敏電阻有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩種，它們的阻值特性分別為：式中

——溫度為時(shí)的電阻值；

——

常數(shù)；

——絕對(duì)溫度。它們的溫度系數(shù)可分別求出，即第10頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三正溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)為正，且為常數(shù)(指在工作范圍內(nèi))；負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)為負(fù)，且與電阻溫度的平方成反比，隨溫度降低而迅速增大，因而具有很高的靈敏度。所以，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的應(yīng)用較廣。對(duì)于熱電阻和熱敏電阻，通過(guò)它們的電流不能太大，否則引起自身發(fā)熱，帶來(lái)測(cè)試誤差。4.2.2電橋法測(cè)電阻在輸入信號(hào)的作用下，電參數(shù)型傳感器輸出為電參數(shù)電阻R、電感L、電容C的改變量，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)R、L、C參數(shù)測(cè)量的檢測(cè)電路可用來(lái)作為與傳感器相配接的信號(hào)調(diào)理電路。第11頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電橋是將電阻、電感、電容及阻抗參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路，精度與靈敏度高，根據(jù)激勵(lì)源的性質(zhì)可分為直流電橋與交流電橋；按輸出方式，可分為平衡電橋和不平衡電橋。對(duì)電阻式傳感器既可采用直流電橋，又可采用交流電橋；對(duì)于電感、電容式傳感器則應(yīng)選用交流電橋。一般主要采用不平衡電橋。1電壓源供電下圖中，橋路電流，為：第12頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三其中和上的電壓降分別為：則輸出電壓第13頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2恒流源供電橋路電流分別為：輸出電壓則為：第14頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三幾種電橋電路第15頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.3電量型傳感器

電量型傳感器的輸出都是電量（電壓、電流），如磁電式變換器、壓電式變換器、熱電式變換器、光電式變換器，可以不需要外界激勵(lì)電源而從被測(cè)對(duì)象直接獲取信息能量，從而獲得電量信號(hào)。

這些都屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器，另一些電量型傳感器如PN結(jié)、集成電路溫度傳感器，它們的輸出量也分別為電壓、電流，但其屬于能量控制型傳感器。第16頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.3.1磁電式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)非電量變換為感應(yīng)電勢(shì)的傳感器稱為磁電式傳感器。4.3.1.1工作原理由電磁感應(yīng)定律可知：

式中

——感應(yīng)電勢(shì)（V）；

——磁通量（Wb）；

——時(shí)間（s）；

——線圈匝數(shù)。

第17頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三可見(jiàn)，只要改變磁通量，就能得到感應(yīng)電勢(shì)，而改變的辦法很多，如改變磁路中的磁阻，改變和磁場(chǎng)垂直的線圈面積(線圈在恒定磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn))，或者使磁鐵對(duì)線圈作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，等等，都能達(dá)到改變通過(guò)線圈磁通量的目的。因此，可以制造出不同類型的磁電式傳感器。若線圈在恒定磁場(chǎng)中作垂直切割磁力線的直線運(yùn)動(dòng)，線圈兩端的感應(yīng)電勢(shì)可由下式導(dǎo)出式中——磁場(chǎng)的磁感應(yīng)電勢(shì)；

——線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移；

——每匝線圈的平均長(zhǎng)度。

第18頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在磁場(chǎng)一定的條件下，測(cè)定感應(yīng)電勢(shì)，就能測(cè)定線圈移動(dòng)的速度。在線圈相對(duì)磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，并且線圈平面的法線方向與磁場(chǎng)方向呈90°，則線圈的感應(yīng)電勢(shì)為式中—旋轉(zhuǎn)角速度；

—每匝線圈的界面積。在磁場(chǎng)一定、線圈一定的條件下，和為常數(shù)，測(cè)定感應(yīng)電勢(shì)便能測(cè)定出線圈旋轉(zhuǎn)的角速度。

第19頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如下圖所示分別為被測(cè)量為線速度和角速度時(shí)，磁電式傳感器的工作原理。在實(shí)踐中還有許多方法改變通過(guò)線圈的磁通量，都可按電磁感應(yīng)關(guān)系式推導(dǎo)出相應(yīng)感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式。通過(guò)對(duì)的測(cè)定，能相應(yīng)地測(cè)定使磁通量改變的物理量。

第20頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.3.1.2磁電式傳感器的選用

磁電式傳感器最大的特點(diǎn)是：它能將作為輸入信號(hào)的機(jī)械速度直接轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢(shì)輸出，它不需要外加電源，而是直接將被測(cè)物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，這一特點(diǎn)使它大受使用者的歡迎。因此，它在測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速時(shí)被廣泛選用。

如果在測(cè)量線路中對(duì)信號(hào)作積分和微分，又能非常方便地得到被測(cè)物體的加速度和位移(角加速度和轉(zhuǎn)角)，因此，常用于加速度、振動(dòng)、位移等測(cè)量，特別是作為振動(dòng)傳感器使用。磁電式傳感器的工作溫度不高，磁電式傳感器的頻率范圍也有限，一般只能測(cè)10—2000Hz內(nèi)的機(jī)械振動(dòng),在體積、重量上則大大不如壓電式傳感器；而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還要有可動(dòng)部分，所以既容易磨損使性能變化，又不堅(jiān)固可靠。

第21頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.3.2熱電式傳感器4.3.2.1熱電偶式傳感器熱電偶式傳感器是基于熱電效應(yīng)，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器。1工作原理

熱電偶式傳感器的工作原理基于熱電效應(yīng)。如圖所示，將兩種材料不同的導(dǎo)體的兩個(gè)端點(diǎn)焊接在一起，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。如果兩連接點(diǎn)1和2溫度不同，回路中就會(huì)有一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，并在閉合回路中產(chǎn)生電流。第22頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三這個(gè)電勢(shì)和電流與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和兩個(gè)接點(diǎn)間的溫度差有關(guān)。這種現(xiàn)象就稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。

A和B兩種導(dǎo)體叫做熱電極，它們合稱熱電偶。若接點(diǎn)1和2的溫度分別為和，且>，接點(diǎn)1稱熱端或稱工作端，接點(diǎn)2稱冷端，或稱自由端。如果對(duì)于某一確定的熱電偶，冷端溫度固定，則熱電偶回路中的熱電勢(shì)就只和熱端溫度呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)定熱電勢(shì)就能測(cè)定熱端溫度。

第23頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)(又稱珀?duì)柼妱?shì))和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)(又稱湯姆遜電勢(shì))組成。接觸電勢(shì)產(chǎn)生的原理在于不同的導(dǎo)體具有不同的自由電子濃度。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體接觸后，自由電子便從濃度高的一方向濃度低的一方擴(kuò)散，結(jié)果在界面附近一方失去電子，帶正電；另一方得到電子帶負(fù)電，在兩導(dǎo)體的接觸面上形成電位差。這種電位差阻礙電子的擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，即在界面上形成一接觸電勢(shì)。由于接觸電勢(shì)的形成和擴(kuò)散有關(guān)，顯然當(dāng)兩導(dǎo)體材料確定后，接觸電勢(shì)只和接觸面的溫度成正比，記為，熱電偶中有兩個(gè)接觸面，溫度分別為和，對(duì)應(yīng)的接觸電勢(shì)為和。

第24頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三溫差電勢(shì)是在同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。由于兩端溫度不同，導(dǎo)體內(nèi)自由電子的運(yùn)動(dòng)速度不同，高溫端的電子運(yùn)動(dòng)速度比低溫端的電子運(yùn)動(dòng)速度要大。因此，電子將從速度大的區(qū)域向速度小的區(qū)域擴(kuò)散，結(jié)果高端失去電子而帶正電，低端得到電子而帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體的兩端形成電勢(shì)差，

即溫差電勢(shì)，記為

第25頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三因此，在和兩個(gè)導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，總的熱電勢(shì)為

實(shí)際上，上圖熱電偶中所形成的熱電勢(shì)是無(wú)法測(cè)量的，要測(cè)量就必須接入電表，電表的接線端是銅導(dǎo)體，勢(shì)必在A和B導(dǎo)體中又要介入第三導(dǎo)體，這時(shí)會(huì)不會(huì)影響原來(lái)回路中的熱電勢(shì)？為答復(fù)這一問(wèn)題，下面介紹熱電偶的中間金屬定律。中間金屬定律：在由A和B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，不管從何處接入第三導(dǎo)體，只要保證接入導(dǎo)體兩端的溫度相同，則接入導(dǎo)體時(shí)將不影響原來(lái)回路中的熱電勢(shì)。

第26頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三要測(cè)量熱電偶回路中的熱電勢(shì)，只要保證接入的儀表兩接點(diǎn)溫度相同，就能準(zhǔn)確測(cè)量出原熱電偶回路中的熱電勢(shì)。用熱電偶測(cè)量溫度十分簡(jiǎn)便，只要用電位差計(jì)等測(cè)出熱電偶兩端電動(dòng)勢(shì)，換算成溫度即可。圖中c為第三種金屬等連接導(dǎo)線（如銅線）。

第27頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2使用時(shí)注意事項(xiàng)（1）特性分度表的使用。熱電勢(shì)（）是兩個(gè)接點(diǎn)的溫度。將冷端溫度固定后，（）就為熱端的單值函數(shù)。為了統(tǒng)一起見(jiàn)，一般手冊(cè)上所提供的熱電偶特性分度表是在保持熱電偶冷溫度℃條件下給出的熱電勢(shì)與熱端溫度的數(shù)值對(duì)照表。因此實(shí)際測(cè)溫時(shí)，冷端溫度若為0℃，則只要正確地測(cè)量熱電勢(shì)，查分度表，即可得到所測(cè)溫度。但是，如果此時(shí)冷端溫度不為0℃，而為室溫就不能直接利用特性分度表。這時(shí)應(yīng)測(cè)量室溫（設(shè)為℃），利用特性分度表反查出其熱電勢(shì)值；將該熱電勢(shì)值與熱電偶回路所測(cè)得的熱電勢(shì)相加，才是，即

第28頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三然后再由之值查特性分度表，才能得到熱電偶熱點(diǎn)的實(shí)際溫度。[例]有一鎳鉻-鎳硅熱電偶，其冷端溫度℃，測(cè)得熱電勢(shì)為mV，則實(shí)際爐溫是多少度？

[解]由℃查分度表mV，則

第29頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三再用40.37mV查分度表得977℃，即實(shí)際爐溫為977℃。（2）補(bǔ)償導(dǎo)線的使用。熱電偶傳感器長(zhǎng)度通常在1m左右，當(dāng)測(cè)量高溫時(shí)，冷端溫度受熱端溫度影響較大，此時(shí)常用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端遠(yuǎn)移到溫度變化比較平緩的環(huán)境中去。補(bǔ)償導(dǎo)線是和熱電偶配用的雙股導(dǎo)線。它的材料分別和熱電偶的A和B導(dǎo)體材料一樣。有多少類熱電偶就有多少類配用的補(bǔ)償導(dǎo)線。選用時(shí)，注意不要選錯(cuò)牌號(hào)和接錯(cuò)+、-極。最終原則是：當(dāng)熱電偶出線盒外接線時(shí)，熱電偶的導(dǎo)體材料要分別和補(bǔ)償導(dǎo)線的導(dǎo)體材料一致，這樣才能保證在回路中不改變?cè)瓉?lái)的熱電勢(shì)。

第30頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）冷端補(bǔ)償。在測(cè)量中也可想辦法對(duì)冷端進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到直讀溫度的目的。冷端補(bǔ)償?shù)霓k法常用以下三種：0℃恒溫法：將熱電偶的冷端保持在0℃器皿內(nèi)。此法僅適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，但它能使冷端溫度誤差完全消除。冷端恒溫法：將熱電偶的冷端接點(diǎn)置于一恒溫器內(nèi)，如恒定溫度為℃，則冷端誤差為冷端誤差雖不為零，但是一個(gè)定值。只要在回路中加入相應(yīng)的修正電壓或調(diào)整指示裝置的起始位置，即可達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

第31頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三冷端補(bǔ)償器法：工業(yè)上常采用冷端補(bǔ)償器法。冷端補(bǔ)償器是一個(gè)四臂電橋，其中三個(gè)橋臂電阻的溫度系數(shù)為零，另一橋臂采用銅電阻，放置于熱電偶的冷接點(diǎn)處。當(dāng)℃時(shí)，電橋平衡；當(dāng)℃時(shí)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)的不平衡電壓。電橋的輸出與熱電勢(shì)串連。只要滿足熱電偶的冷端誤差就變成了定值，再進(jìn)行定值誤差的修正（見(jiàn)恒溫法）即可獲得冷端溫度的完全補(bǔ)償。

第32頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電橋的供電端A、C通過(guò)一可調(diào)電阻接直流電源；橋臂、、為錳銅線繞電阻，阻值可視為不隨溫度變化的固定電阻。為測(cè)溫?zé)犭娮?，用?lái)測(cè)量冷端溫度。熱電偶冷端溫度為，用補(bǔ)償導(dǎo)線接出，其冷端溫度為。

第33頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三設(shè)在℃時(shí)電橋平衡，橋頂B、D輸出電壓；當(dāng)溫度升高，熱電偶增大，電橋輸出不平衡電壓，且點(diǎn)B電位高于點(diǎn)D電位，于是測(cè)溫儀測(cè)量的回路電勢(shì)是熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度為，所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)與電橋不平衡輸出電壓之和。根據(jù)中間金屬定律，只要滿足于是再進(jìn)行定值誤差的修正即可。

第34頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.3.3光電式傳感器

光電式傳感器是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器。通常只把具有光電效應(yīng)的器件（如光敏電阻、光電池、光敏晶體管等）歸于此類。但廣義地說(shuō)，凡是能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置（如紅外傳感器，光柵傳感器等）均可稱為光電式傳感器。4.3.3.1光電效應(yīng)傳感器工作原理半導(dǎo)體光電效應(yīng)傳感器的工作原理是基于兩個(gè)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)光投射在半導(dǎo)體上時(shí)，光子的能量在半導(dǎo)體中激發(fā)出非平衡載流子而使載流子濃度加大，引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。第35頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光敏電阻就是利用這一效應(yīng)制成的光電器件。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是電阻器件，使用時(shí)可加直流電壓，也可加交流電壓。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，半導(dǎo)體中載流子濃度小，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子急劇增加，阻值(亮電阻)急劇減小，因此電路的電流迅速增加。第36頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光生伏特效應(yīng)：在光線作用下使物體產(chǎn)生—定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。光電池、光敏二極管、光敏三極管都有至少一個(gè)PN結(jié)。光電池原理圖光生伏特效應(yīng)光敏二極管原理光敏三極管原理第37頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.3.3.2半導(dǎo)體光電效應(yīng)傳感器的選用(1)光敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響應(yīng)的范圍可以從紫外區(qū)域延伸到紅外區(qū)域，而且體積小、性能穩(wěn)定、價(jià)格較低，所以被廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。但由于光敏電阻的光照特性曲線非線性，因此，它不宜作為線性測(cè)量用，只能作開(kāi)關(guān)式光電信號(hào)傳感器用。

(2)選用光電元件時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的光源，結(jié)合元件的特性參數(shù)來(lái)選用。例如，光源發(fā)出的是可見(jiàn)光，光電元件一般選用硅光敏二極管或三極管，也可選用頻響高、靈敏度大的硅光電池。光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光靈敏度不同，因此，選用光敏電阻時(shí)也應(yīng)結(jié)合光源來(lái)考慮。

第38頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.3.3.3使用時(shí)的注意事項(xiàng)

(1)不論是光敏電阻，還是光敏二極管、三極管，都要注意其規(guī)格和使用環(huán)境條件。例如，最高工作電壓、耗散功率，光電流、環(huán)境溫度、極間耐壓等都是較重要的數(shù)據(jù)，在使用時(shí)不能超過(guò)規(guī)定值。

(2)光敏管的靈敏度與入射光的方向有關(guān)，因此光源與光敏管的相對(duì)位置應(yīng)合適，且保持不變。

(3)光敏管要先進(jìn)行老化處理，才能使性能穩(wěn)定，特別是光敏電阻，在最初受到光照和外接負(fù)載后，靈敏度會(huì)明顯降低。在人為地加溫、光照和加負(fù)載情況下經(jīng)一至二星期的老化，光電性能漸趨穩(wěn)定，以后就基本不變了。

第39頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.3.3.4光電編碼器光電式編碼器是目前使用較多的編碼式數(shù)字傳感器。1光電式編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理光電式編碼器由碼盤與光電讀出裝置兩部分組成。碼盤采用照相腐蝕工藝，在一塊圓形光學(xué)玻璃上刻有透光與不透光的碼形?？梢暂敵鏊奈欢M(jìn)制數(shù)碼的碼盤和光電讀出裝置如圖所示。由最外向內(nèi)部依次為位，，

，位，碼盤一側(cè)放置光源，另一側(cè)一個(gè)碼道對(duì)應(yīng)放置一個(gè)光電器件，圖中為光電三極管。四個(gè)光電三極管的讀出裝置正處在碼盤第8號(hào)角度位置，只有最里面碼道的光電三極管對(duì)著不透光區(qū)(陰影區(qū))，故不受光照，管子截止，輸出電平為

第40頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三其他三個(gè)碼道光電三極管均對(duì)著透光區(qū)(非陰影區(qū))，故受光照而導(dǎo)通，輸出電平均為[0]。因此，碼盤的第8號(hào)角度位置對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)碼[，，，]為[1000]。碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度，光電讀出裝置就輸出一個(gè)數(shù)碼。碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周光電讀出裝置就輸出16種不同的四位二進(jìn)制數(shù)碼。

第41頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．提高分辨率的措施

二進(jìn)制碼盤所能分辨的旋轉(zhuǎn)角度，即碼盤的分辨率為

式中—數(shù)碼的位數(shù)，若為四位碼，則。因此，四位碼，，五位碼，，

由此可見(jiàn)，位數(shù)越多，碼道數(shù)越多，能分辨的角度越小。為了提高角位移的分辨率，常規(guī)方法就是增加碼盤的碼道數(shù)。當(dāng)然這要受到制作工藝的限制。一般可通過(guò)采用多級(jí)碼盤，如兩級(jí)碼盤達(dá)到提高分辨率的目的。

第42頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三設(shè)低位碼盤有五條碼道，其輸出為5位數(shù)碼[]，高位碼盤有六條碼道，輸出6位數(shù)碼[]，兩個(gè)碼盤的關(guān)系同鐘表的分針與秒針的關(guān)系相似。同一個(gè)表盤，秒針移動(dòng)60格(1圈)分針才移一格，分針移動(dòng)一格代表一分，秒針移動(dòng)一格代表一秒，分辨率提高60倍。同理，若低位碼盤轉(zhuǎn)了一圈后(輸出＝32個(gè)數(shù)碼)高位碼盤才移動(dòng)一個(gè)碼位，或者說(shuō)低位碼盤轉(zhuǎn)＝32圈，高位碼盤才旋轉(zhuǎn)—圈。那么分辨率將提高32倍，即可分辨的角位移是高位碼盤分辨率的32分之1，即，這就是說(shuō)由五條碼道的低位碼盤與六條碼道的高位碼盤相配合，可輸出11位數(shù)碼，角分辨率可達(dá)。

第43頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.4主要非電參數(shù)的測(cè)量

4.4.1概述非電參數(shù)是相對(duì)于電參數(shù)而言的一類被測(cè)參數(shù)。它在種類和數(shù)量上遠(yuǎn)比電參數(shù)多而復(fù)雜。許多領(lǐng)域需測(cè)試的非電參數(shù)：如機(jī)械參數(shù)（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、壓力等）、熱學(xué)參數(shù)（溫度等）、聲學(xué)參數(shù)（噪聲等）、光學(xué)參數(shù)等等，可以用非電測(cè)法（機(jī)械法或光學(xué)法）測(cè)試，也可用電測(cè)法測(cè)試，但后者要比前者優(yōu)越得多，所以非電參數(shù)的電氣測(cè)試應(yīng)用極廣。非電參數(shù)的電氣測(cè)試法具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：1.將被測(cè)非電參數(shù)轉(zhuǎn)換成電磁參數(shù)進(jìn)行電氣測(cè)試，可以充分發(fā)揮電氣測(cè)試的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)；2.輸出的電信號(hào)可作長(zhǎng)距離傳輸，利用遠(yuǎn)距離操作與自動(dòng)控制；第44頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.既可作靜態(tài)測(cè)試，也便于動(dòng)態(tài)測(cè)試；4.在檢測(cè)微弱信號(hào)及瞬態(tài)過(guò)程測(cè)試方面是其它非電測(cè)試方法所無(wú)法比擬的；5.由于可輸出電信號(hào)易于和許多后續(xù)數(shù)據(jù)處理儀器或計(jì)算機(jī)聯(lián)用，組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行控制，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析、運(yùn)算及處理。一個(gè)完整的非電參數(shù)電測(cè)系統(tǒng)，如圖所示。按信息流程來(lái)劃分，由信息的獲得（傳感器）、信息的調(diào)理，以及信息的顯示與處理三部分組成。它首先要獲得被測(cè)參數(shù)的信息，把它變換成電參數(shù)，然后通過(guò)信息的調(diào)理，把獲得的信息進(jìn)行變換、放大，再用顯示儀將信息顯示出來(lái)，有的把信息加以處理，也有的把這三部分分別稱為一次儀表、二次儀表及三次儀表。第45頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三非電參數(shù)電測(cè)儀器的分類方法有兩種：按被測(cè)參數(shù)分類(對(duì)使用對(duì)象比較明確)；按測(cè)量方法分類(對(duì)儀器的工作原理比較清楚)。但是在命名時(shí)，為了更加明確，習(xí)慣上常把兩者結(jié)合起來(lái)命名，例如光電式轉(zhuǎn)速計(jì)、電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換儀等等。非電參數(shù)電測(cè)技術(shù)總的趨向是朝小型輕量化、測(cè)試放大一體化、無(wú)接觸化方向發(fā)展。第46頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.4.2轉(zhuǎn)速的測(cè)量

轉(zhuǎn)速是用單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)表示，通常采用一分鐘內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)作為單位，符號(hào)為r/min，角速度用一秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的弧度作單位，符號(hào)為rad/s。測(cè)試轉(zhuǎn)速的方法很多，根據(jù)其工作原理可分為計(jì)數(shù)式、模擬式和同步式三大類。計(jì)數(shù)式方法是用某種方法讀出一定時(shí)間內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)；模擬式方法是測(cè)出由瞬時(shí)轉(zhuǎn)速引起的某種物理量(如離心力、電機(jī)的輸出電壓)的變化；同步式方法是利用已知頻率的閃光與旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)同步來(lái)測(cè)試轉(zhuǎn)速。第47頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.4.2.1電子計(jì)數(shù)式測(cè)速數(shù)字式測(cè)速是發(fā)展十分迅速的一種測(cè)速方法，測(cè)試結(jié)果直接以數(shù)字顯示，它有如下特點(diǎn)：（1）

讀數(shù)準(zhǔn)確，消除了一般指針式儀表的刻度誤差和視覺(jué)差；（2）

測(cè)試范圍寬、精度高、速度快、顯示字跡清晰；

(3)可進(jìn)行瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)試。一般瞬時(shí)角速度，當(dāng)（或）取得極小時(shí)，常稱為瞬時(shí)角速度。第48頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由于轉(zhuǎn)速與頻率具有共同的量綱[T-1]，因此可以利用測(cè)頻率或測(cè)周期的方法得到轉(zhuǎn)速。采用電子計(jì)數(shù)式頻率計(jì)，配以轉(zhuǎn)速傳感器即可構(gòu)成電子計(jì)數(shù)式轉(zhuǎn)速表。為提高測(cè)試的準(zhǔn)確度，一般對(duì)高、中轉(zhuǎn)速采用測(cè)頻法，對(duì)于低轉(zhuǎn)速采用測(cè)周法。測(cè)頻法是測(cè)量轉(zhuǎn)速傳感器所發(fā)出電信號(hào)頻率的方法，即測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)單位時(shí)間內(nèi)電脈沖數(shù)。測(cè)周法是定角測(cè)時(shí)，即用時(shí)標(biāo)填充的方法測(cè)相當(dāng)于某一旋轉(zhuǎn)角度的時(shí)間間隔，測(cè)周法可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得較高的準(zhǔn)確度和分辨率。這兩類方法交替使用，相互補(bǔ)充，可以展寬測(cè)試范圍，提高測(cè)試準(zhǔn)確度。

第49頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)測(cè)頻法(或稱M法)測(cè)速1．?dāng)?shù)字式電子轉(zhuǎn)速表數(shù)字式頻率計(jì)的數(shù)字顯示值與轉(zhuǎn)速間的關(guān)系為式中N1—計(jì)數(shù)值；

n—每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(r／min)；

z—旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一周傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)；

t1—主閘門開(kāi)啟測(cè)定的時(shí)間(s)。為便于直接讀出轉(zhuǎn)速值，需使N1=n，則應(yīng)滿足zt1=60的條件。當(dāng)傳感器每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)為60及主閘門開(kāi)啟測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為1s，則計(jì)數(shù)器計(jì)的脈沖數(shù)就是旋轉(zhuǎn)體每分種的轉(zhuǎn)數(shù)。可見(jiàn)，z的數(shù)值最好是60或60的整倍數(shù)。

第50頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三為了減小數(shù)字式儀器±1個(gè)字的量化誤差(即由于最小計(jì)數(shù)單位限制引起的誤差)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，應(yīng)使測(cè)量值遠(yuǎn)大于最小計(jì)數(shù)單位。對(duì)于數(shù)字式電子轉(zhuǎn)速表來(lái)說(shuō)，即要求計(jì)數(shù)值N1較