传感器与检测技术项目五 度检测

1、霍尔传感器基于霍尔效应霍尔传感器基于霍尔效应，它可以用来检测磁它可以用来检测磁场、微位移、转速、流量、角度，也可以制作高斯场、微位移、转速、流量、角度，也可以制作高斯计、电流表、接近开关等。计、电流表、接近开关等。霍尔效应工作原理演示 任务一 汽车行车速度检测 霍尔传感器的外形图(a)霍尔元件； (b)霍尔接近开关； (c)霍尔电流传感器 任务一 汽车行车速度检测 霍尔传感器的外形图 任务一 汽车行车速度检测 霍尔传感器的工作原理：霍尔传感器的工作原理： 置于磁场中的导体或半导体中流过电流时，置于磁场中的导体或半导体中流过电流时，若是没有磁场的影响，则正电荷载流子能平若是没有磁场的影响，则正电

2、荷载流子能平稳地流过，此时，输出端（从载流导体上平稳地流过，此时，输出端（从载流导体上平行于电流和磁场方向的两个面引出）的电压行于电流和磁场方向的两个面引出）的电压为零。当加入一个与电流方向垂直的磁场时为零。当加入一个与电流方向垂直的磁场时( (如下图所示如下图所示) )，电荷载流子会由于洛伦兹力的，电荷载流子会由于洛伦兹力的作用而偏向一边，在输出端产生电压，即霍作用而偏向一边，在输出端产生电压，即霍尔电压。这一现象称为霍尔效应。尔电压。这一现象称为霍尔效应。 任务一 汽车行车速度检测 霍尔传感器的工作原理示意图霍尔传感器的工作原理示意图 任务一 汽车行车速度检测 ibkuhh实际应用中，通过

3、控制哪几个变量进行控制霍尔电压？霍尔电压主要由三个方面的因素决定：与电源提供的电流的大小有关与霍尔元件所处磁场的强度有关 与霍尔元件的物理尺寸有关 任务一 汽车行车速度检测 霍尔传感器的测量电路霍尔传感器的测量电路 任务一 汽车行车速度检测 霍尔元件的基片是半导体材料，对温度的变化很敏感。为了减小霍尔元件的温度误差，可采取 ？1选用温度系数小的元件。2采用恒温措施。3采用恒流源供电 任务一 汽车行车速度检测 零位特性及补偿：零位特性及补偿： 1零位特性：在无外加磁场或无控制电流的情况下，零位特性：在无外加磁场或无控制电流的情况下，元件产生输出电压的特性。元件产生输出电压的特性。2 2零位误差：

4、零位特性产生的误差。零位误差：零位特性产生的误差。3 3不等位电压：霍尔元件的激励电流为额定电流不等位电压：霍尔元件的激励电流为额定电流i inn而而磁感应强度为零时，所测到的空载霍尔电压磁感应强度为零时，所测到的空载霍尔电压u uoo。4 4不等位电阻不等位电阻r r0 0：r r0 0=u=uoo/i /inn不等位电压产生的主要原因：霍尔电极安装时不在同不等位电压产生的主要原因：霍尔电极安装时不在同一个电位面上，两者之间存在不等位电阻。补偿方法：一个电位面上，两者之间存在不等位电阻。补偿方法：利用桥路平衡的原理来补偿。利用桥路平衡的原理来补偿。 任务一 汽车行车速度检测 霍尔集成传感器霍

5、尔集成传感器 用集成电路技术，将霍尔元件、放大器、温度补偿电路、施密特触发器和稳压电源等电路集成在一个芯片上，就构成了霍尔集成传感器。 输出信号的形式开关型线性型 由霍尔元件、放大器、施密特触发器、输出晶体管和稳压电源等组成。具有开关特性，但导通磁感应强度和截止磁感应强度之间存在滞后效应，这一特性大大增强了电路的抗干扰能力，保证开关动作稳定，不产生振荡现象。 由霍尔元件、放大器、差动输出电路和稳压电源等组成。输出电压在一定范围内与外加磁场呈线性比例关系 任务一 汽车行车速度检测 霍尔转速传感器示意图霍尔转速传感器示意图1磁体磁体2 霍尔元件霍尔元件3齿圈齿圈 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过

6、霍尔元件，可产生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。的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。 任务一 汽车行车速度检测 接近开关是接近开关是指当物体与其接指当物体与其接近到设定距离时近到设定距离时就可以发出就可以发出“动动作作”信号的开关，信号的开关，它无需和物体直它无需和物体直接接触。接近开接接触。接近开关有很多种类，关有很多种类，主要有自感式、主要有自感式、差动变压器式、差动变压器式、电涡流式、电容电涡流式、电容式、干簧管、霍式、干簧管、

7、霍尔式等。尔式等。霍尔接近开关用于转速测量的演示 任务一 汽车行车速度检测 转轴的转速测量是利用了霍尔传转轴的转速测量是利用了霍尔传感器的开关特性，因此，宜选用霍尔感器的开关特性，因此，宜选用霍尔开关集成传感器。开关集成传感器。 任务一 汽车行车速度检测 磁铁在霍尔元件上的霍尔转速传感器方法一 齿盘装在被测轴上随被测轴一起旋转。永久磁铁装在靠近齿盘的侧面，磁铁n极与s极的距离等于齿距，霍尔元件粘贴在n极的端面，如图（a）所示；或者将磁铁固定在霍尔元件的背面，如图（b）所示。 任务一 汽车行车速度检测 方法二方法二 将磁铁装在转将磁铁装在转盘上，转盘随轴转盘上，转盘随轴转动，霍尔元件固定动，霍尔

8、元件固定在转盘附近，如下在转盘附近，如下图所示。当小磁铁图所示。当小磁铁通过霍尔元件时，通过霍尔元件时，输出一个脉冲，检输出一个脉冲，检测出单位时间的脉测出单位时间的脉冲数，就测出了转冲数，就测出了转速。速。曲轴转角传感器的演示 任务一 汽车行车速度检测 磁铁在转盘上的霍尔转速传感器1-输入轴；2-转盘；3-磁铁；4-霍尔传感器 任务一 汽车行车速度检测 1采用不同的磁铁，检测距离有所不同，建议采用采用不同的磁铁，检测距离有所不同，建议采用的磁铁直径和检测对象的直径相等。的磁铁直径和检测对象的直径相等。2 2当霍尔开关驱动感性负载时，要在负载两端并当霍尔开关驱动感性负载时，要在负载两端并接续流

9、二极管，避免感性负载动作时的瞬态高压脉接续流二极管，避免感性负载动作时的瞬态高压脉冲对输出级的冲击，保护霍尔开关。冲对输出级的冲击，保护霍尔开关。3 3为了保证不损坏接近开关，请务必在接通电源为了保证不损坏接近开关，请务必在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。 任务一 汽车行车速度检测 磁电式传感器也称电磁感应传感器，磁电式传感器也称电磁感应传感器，它是基于电磁感应的传感器。利用导体和它是基于电磁感应的传感器。利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势。电势。 任务二 磁电传感器用于转速检测 磁

10、电传感器的外形图 任务二 磁电传感器用于转速检测 磁电式传感器的工作原理是基于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力线，或通过闭合线圈的磁通量发生变化时，线圈中将产生感应电势e dtdne 任务二 磁电传感器用于转速检测 b与v的示意图一、线圈在恒定均匀磁场作一、线圈在恒定均匀磁场作直线运动并且切割磁力线直线运动并且切割磁力线sinsinnblvdtdxnble：线圈运动方向与磁场方向的夹角；b：磁感应强度；x：位移；l：每匝线圈的平均长度；右图 b与v的示意图v：线圈与磁场相对运动的速度。 任务二 磁电传感器用于转速检测 任务二 磁电传感器用于转速检测 线圈相对磁场旋转切

11、线圈相对磁场旋转切割磁力线示意图割磁力线示意图二、线圈相对磁场旋转切割磁力线二、线圈相对磁场旋转切割磁力线 sinsinnbadtdnbae为线圈平面的法线方向与磁场方向的夹角；a：线圈截面积；：旋转运动角速度 任务二 磁电传感器用于转速检测 变磁通式恒磁通式 产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，通过磁通的变化产生感应电动势e。常用于角速度的测量。工作气隙中的磁通保持不变，线圈相对永久磁铁运动，并切割磁力线而产生感应电势。 任务二 磁电传感器用于转速检测 磁电转速传感器工作示意图磁电转速传感器工作示意图用于测速的传感器，一般使用变磁通式磁电传感器。用于测速的传感器，一般使用变磁通式磁电传感器。

12、 任务二 磁电传感器用于转速检测 磁电式转速传感器根据磁路的不同，分成磁电式转速传感器根据磁路的不同，分成开磁路开磁路式式和和闭磁路闭磁路式两种。式两种。开磁路式开磁路式由固定不动的永久磁铁、感应线圈、软由固定不动的永久磁铁、感应线圈、软磁铁和外壳等组成。齿轮安装在被测转轴上并随转轴磁铁和外壳等组成。齿轮安装在被测转轴上并随转轴一起转动。一起转动。闭磁路式闭磁路式由内外齿轮、线圈和永久磁铁等组成。由内外齿轮、线圈和永久磁铁等组成。 任务二 磁电传感器用于转速检测 变磁通式磁电转速传感器的结构图（a）开磁路式 （b）闭磁路式1-齿轮；2-线圈；3-软磁铁；4-永久磁铁；5-外齿轮；6-内齿轮 任

13、务二 磁电传感器用于转速检测 开磁路变磁通式转速传感器开磁路变磁通式转速传感器 安装时把永久磁铁产生的磁力线所通过安装时把永久磁铁产生的磁力线所通过的软磁铁端部对准齿轮的齿顶。当齿轮旋转的软磁铁端部对准齿轮的齿顶。当齿轮旋转时，齿的凹凸使空气间隙产生变化，从而使时，齿的凹凸使空气间隙产生变化，从而使磁路磁阻变化，引起磁通量变化，而产生感磁路磁阻变化，引起磁通量变化，而产生感应电动势。应电动势。 任务二 磁电传感器用于转速检测 闭磁路变磁通式转速传感器闭磁路变磁通式转速传感器 闭磁路变磁通式转速传感器的内外齿轮的齿数闭磁路变磁通式转速传感器的内外齿轮的齿数相同，它被安装在被测轴上，内齿轮与被测轴

14、一起相同，它被安装在被测轴上，内齿轮与被测轴一起旋转，外齿轮不动，由于内外齿轮的相对运动使磁旋转，外齿轮不动，由于内外齿轮的相对运动使磁路间隙发生变化，从而在线圈中产生交变的感应电路间隙发生变化，从而在线圈中产生交变的感应电势。势。 任务二 磁电传感器用于转速检测 1、变磁通式转速传感器对环境条件要求不高，结构简单、变磁通式转速传感器对环境条件要求不高，结构简单、工作可靠、价格便宜。但输出电势取决于切割磁力线的工作可靠、价格便宜。但输出电势取决于切割磁力线的速度，转速太低时，输出感应电势很小，导致无法测量。速度，转速太低时，输出感应电势很小，导致无法测量。2 2、闭磁路式的最低下限工作频率为、

15、闭磁路式的最低下限工作频率为30hz30hz；开磁路式的；开磁路式的最低下限工作频率为最低下限工作频率为50hz50hz，且被测轴振动较大时传感器，且被测轴振动较大时传感器输出波形失真较大。输出波形失真较大。3 3、随着转速下降，磁电式转速度传感器输出电压幅值减、随着转速下降，磁电式转速度传感器输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值将会减小到无法小，当转速低到一定程度时，电压幅值将会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。 任务二 磁电传感器用于转速检测 对比磁电传感器和霍尔传感器演示 任务二 磁电传感器用于转速检测 光电

16、传感器是将光信号转换为电信号。具有高精度、高光电传感器是将光信号转换为电信号。具有高精度、高分辨率、高可靠性、非接触、响应快和结构简单等特点分辨率、高可靠性、非接触、响应快和结构简单等特点。光电式烟雾报警器演示 任务三 光电传感器用于转速检测 光电传感器的工作原理光电传感器的工作原理：光照射在物体表面上可看成光照射在物体表面上可看成是物体受到一连串具有一定能量的光子轰击，于是物是物体受到一连串具有一定能量的光子轰击，于是物体中的电子吸收了光子的能量，导致物体的电学性质体中的电子吸收了光子的能量，导致物体的电学性质发生了变化，这种现象就称为光电效应。发生了变化，这种现象就称为光电效应。 任务三

17、光电传感器用于转速检测 外光电效应外光电效应：物体在光线作用下，内部电子吸收能量后，逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应内光电效应：物体在光线作用下，内部载流子浓度增大，使电导率增大的现象称为内光电效应，又称光电导效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻、光敏晶体管等。半导体光生伏特效应（光伏效应）半导体光生伏特效应（光伏效应）：物体在光线作用下，产生一定方向电动势的现象称为半导体光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。真空光电器件半导体光电器件 任务三 光电传感器用于转速检测 光电管示意图光电器件光电器件光电管：光电管： 光电管由一个阴极光

18、电管由一个阴极和一个阳极构成，并密和一个阳极构成，并密封在一支真空玻璃管内，封在一支真空玻璃管内，如右图所示。光电管的如右图所示。光电管的阴极是接受光的照射，阴极是接受光的照射，它决定了器件的光电特它决定了器件的光电特性。阳极由金属丝做成，性。阳极由金属丝做成，用于收集电子用于收集电子。 任务三 光电传感器用于转速检测 工作原理：工作原理： 当阴极受到适当波长当阴极受到适当波长的光线照射时，电子克服的光线照射时，电子克服金属表面对它的束缚而逸金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发出金属表面，形成电子发射。电子被带正电位的阳射。电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就极所吸引，在光电管内就

19、有了电子流，在外电路中有了电子流，在外电路中便产生了电流。便产生了电流。 任务三 光电传感器用于转速检测 光电管的外形图 任务三 光电传感器用于转速检测 光电倍增管原理图光电倍增管光电倍增管 光电倍增管是在光电管的阳极和阴极之间增加若光电倍增管是在光电管的阳极和阴极之间增加若干个（干个（11 111414个）倍增极（二次发射体），来放大光个）倍增极（二次发射体），来放大光电流。（如下图所示）电流。（如下图所示） 任务三 光电传感器用于转速检测 光电倍增管的外形图 任务三 光电传感器用于转速检测 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻是采用光敏电阻是采用半导体材料制成的利半导体材料制成的利用内光电效应（光电

20、用内光电效应（光电导效应）工作的光电导效应）工作的光电器件，又称光导管。器件，又称光导管。光敏电阻在光线的作光敏电阻在光线的作用下，其电导率增大，用下，其电导率增大，电阻值变小。电阻值变小。 任务三 光电传感器用于转速检测 光敏电阻的结构1-玻璃；2-光电导层；3-电极；4-绝缘衬底；5-金属壳；6-黑色绝缘玻璃；7-引线 任务三 光电传感器用于转速检测 光敏电阻工作原理光敏电阻工作原理 工作时，光敏电阻两电工作时，光敏电阻两电极间加上电压，其中便有极间加上电压，其中便有电流通过。无光照时，光电流通过。无光照时，光敏电阻值敏电阻值( (暗电阻暗电阻) )很大，电很大，电路中电流很小；当有光照路

21、中电流很小；当有光照时，由于光电导效应，光时，由于光电导效应，光敏电阻值敏电阻值( (亮电阻亮电阻) )急剧减少，急剧减少，电流迅速增加，电流随着电流迅速增加，电流随着光强的增加而变大，实现光强的增加而变大，实现了光电转换。了光电转换。工作原理示意图 任务三 光电传感器用于转速检测 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管光电式传感器演示 任务三 光电传感器用于转速检测 光敏二极管的符号和接线光敏二极管工作原理：光敏二极管由于工作在反向状态，无光照时，少数载流子产生暗电流10-810-9安培，处于截止状态。有光照时，半导体内受激发产生电子空穴对，少数载流子浓度大大增加，在反向电压的作用下，

22、形成光电流，处于导通状态。 任务三 光电传感器用于转速检测 光敏三极管的符号光敏三极管工作原理：无光照时，集电结反偏，其反向饱和电流icbo经发射结放大为集射之间的穿透电流iceo暗电流。有光照时：集电结附近基区受光照产生激发，增加的少数载流子的浓度，使得集电结反向饱和电流(集电结光电流)大大增加。经发射结放大为集射之间光电流，即光敏三极管的光电流。 任务三 光电传感器用于转速检测 各种光电池的外形图 光电池光电池 硅光电池是基于光生伏特效应的一种有源器件。 任务三 光电传感器用于转速检测 光电传感器的组成框图1是光源发出的信号，2是光电元件接受的光信号，被测量是x1或x2，它们分别使光源本身

23、或光学通路变化，从而使传感器输出的电信号变化。x12光源光学通路x21i 任务三 光电传感器用于转速检测 光电原件光电晶体管测速 光电式传感器测速原理（a）工作原理图； （b）放大整形电路 任务三 光电传感器用于转速检测 光电晶体管测速 应用光电式转速传感器工作原理图 任务三 光电传感器用于转速检测 （a）图为遮断型，在机床转轴上固定一个带孔的转盘，图为遮断型，在机床转轴上固定一个带孔的转盘，转盘的一边由发光管产生恒定光，透过转盘小孔照射转盘的一边由发光管产生恒定光，透过转盘小孔照射在光敏二极管或光敏三极管上，转换成电信号输出，在光敏二极管或光敏三极管上，转换成电信号输出，经放大整形电路输出电

24、脉冲信号，脉冲频率的大小即经放大整形电路输出电脉冲信号，脉冲频率的大小即反映了转速的大小。反映了转速的大小。（b b）图为反射型，在待测转速轴上固定一个涂有黑白）图为反射型，在待测转速轴上固定一个涂有黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率，当转轴转相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率，当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光敏晶体管通过转盘动时，反光与不反光交替出现，光敏晶体管通过转盘反射接收光信号，并转换为电脉冲信号。反射接收光信号，并转换为电脉冲信号。 任务三 光电传感器用于转速检测 1、非接触测量，要求被测轴径大于非接触测量，要求被测轴径大于3mm3mm2 2、当测不是很高的转速时、当测

25、不是很高的转速时, ,可以用一个普通的可以用一个普通的反射式光电开关，对准要测的轴，轴上贴块反射式光电开关，对准要测的轴，轴上贴块白标记或黑标记就可以。白标记或黑标记就可以。 任务三 光电传感器用于转速检测 检测转速，可选用光敏晶检测转速，可选用光敏晶体管或光电断续器体管或光电断续器。光电断续器光电断续器是将光电是将光电发射器、光电接收器放置发射器、光电接收器放置于一个体积很小的塑料壳于一个体积很小的塑料壳体中，两者能可靠地对准，体中，两者能可靠地对准，其外形如图所示。齿盘每其外形如图所示。齿盘每转过一个齿，光电断续器转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测

26、量或脉冲计数，冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位即可获得齿盘转速和角位移。移。光电断续器测速 任务三 光电传感器用于转速检测 光电断续器 1-发光二极管；2-红外光；3-光电元件；4-槽；5-被测物 任务三 光电传感器用于转速检测 光电编码器是一种光电传感器，广泛使用于测量转轴光电编码器是一种光电传感器，广泛使用于测量转轴的转速、角位移、丝杆的线位移等方面。它将光源、透镜、的转速、角位移、丝杆的线位移等方面。它将光源、透镜、随轴旋转的码盘、窄缝和光敏元件组成在一起。当码盘转随轴旋转的码盘、窄缝和光敏元件组成在一起。当码盘转动时，光敏元件接收到一串亮暗相间的光线，由后续电路动时，光敏

27、元件接收到一串亮暗相间的光线，由后续电路转换为一串脉冲，它将转速信号直接转换为脉冲输出。因转换为一串脉冲，它将转速信号直接转换为脉冲输出。因此它是一种数字式传感器。此它是一种数字式传感器。 任务四 光电编码器用于数控机床位移与转速检测码盘和内部结构 增量式编码器绝对式编码器 10码道绝对式光电码盘增量式码盘零位标志两种码盘的外形图 任务四 光电编码器用于数控机床位移与转速检测各种光电编码器 任务四 光电编码器用于数控机床位移与转速检测增量式编码器示意图增量式编码器示意图增量式编码器增量式编码器 工作原理：工作原理：光电编码器的光栏板外圈上a、b两个狭缝的间距是码盘上的两个狭缝距离的（m +1/

28、4）倍，m 为正整数，由于彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号a、b彼此相差90相位。当码盘随轴正转时，a信号超前b信号90；当码盘反转时，b信号超前a信号90，波形如下图所示。这样可以判断码盘旋转的方向。码盘里圈的狭缝c，每转仅产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。 任务四 光电编码器用于数控机床位移与转速检测增量式编码器输出波形图 任务四 光电编码器用于数控机床位移与转速检测增量式编码器增量式编码器 任务四 光电编码器用于数控机床位移与转速检测绝对式编码器工作原理：绝对式编码器工作原理： 光源通过透镜照射到码光源通过透镜照射到码盘上，

29、当码盘随轴转动时，盘上，当码盘随轴转动时，通过亮区（透光窄缝）的光通过亮区（透光窄缝）的光线由光敏元件接收，输出为线由光敏元件接收，输出为“1”；而在暗区，输出为；而在暗区，输出为“0”。码盘旋至不同的位置。码盘旋至不同的位置时，一组光敏元件输出信号时，一组光敏元件输出信号的组合反映了一定规律编码的组合反映了一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的的数字量，代表了码盘轴的角位移的大小。角位移的大小。 任务四 光电编码器用于数控机床位移与转速检测绝对式编码器绝对式编码器 六位二进制码盘结构六位二进制码盘结构 任务四 光电编码器用于数控机床位移与转速检测实实施施数控机床内部结构数控机床内部结构 任务四 光电编码器用于数控机床位移与转速检测拖板的横向运动为拖板的横向运动为z轴，由轴，由z轴进给轴进给伺服电动机通过伺服电动机通过z轴滚珠丝杆来实现；轴滚珠丝杆来实现；拖板上刀架的径向运动为拖板上刀架的径向运动为x轴，由轴，由x轴轴进给伺服电动机通过进给伺服电动机通过x轴滚珠丝杆来实轴滚珠丝杆来实现。伺服电动机端部配有光电编码器，现。伺服电动机端部配有光电编码器，用于角位移测量和数字测速，角位移通用于角位移测量和数字测速，角位移通过丝杆螺距间接反映拖板或