传感器应用技术（下篇共上中下3篇）

传感器应用技术主讲：梁

宸项目七压电式传感器压电效应与压电材料1.基本原理压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器，它既可以将机械能转化为电能，又可以将电能转化为机械能。当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。

压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。2.压电效应

当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去除后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应（positivepiezoelectriceffect）。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。2.压电效应反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。逆压电效应电能机械能正压电效应3.压电材料迄今已出现的压电材料可分为三大类一、是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其他压电单晶；石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。二、是压电陶瓷；三、是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高分子压电材料两种。在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与钛酸铅系列压电陶瓷。他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。3.压电材料压电材料的主要特性参数有：（1）压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。

（2）弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

3.压电材料(4）机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。4.石英晶体压电效应石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃，压电系数d11＝2.31×10-12C.N-1；莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：（1）压电常数小。其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20～200℃范围内其温度变化率仅为－0.016％/℃；（2）机械强度和品质因素高。许用应力高达（6.8～9.8）×107Pa，且刚度大，固有频率高，动态特性好；（3）居里点573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。x轴：电轴或1轴；y轴：机械轴或2轴；z轴：光轴或3轴。

4.石英晶体压电效应“纵向压·电荷“：沿电轴方向的作用力产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷在光轴(z轴)方向时则不产生压电效应。若从晶体上沿y方向切下一块如下图所示晶片，当在电轴方向施加作用时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷Qx，其大小为

4.石英晶体压电效应式中：——x方向受力的压电系数；——作用力。若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力

，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷Qy，其大小为：

4.石英晶体压电效应5.压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷是一种常见的压电材料。压电陶瓷经过极化处理后具有非常高的压电系数，为石英晶体的几百倍。如图所示，压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时，则在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。5.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶压电材料。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；每个单晶形成单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性。6.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电常数大，灵敏度高。压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性，这会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。传感器技术中应用的压电陶瓷，按组成元素可分为：（1）二元系压电陶瓷以钛酸钡，尤其以锆钛酸铅系列压电陶瓷应用最广。（2）三元系压电陶瓷目前应用的有PMN，它由铌镁酸铅、钛酸铅PbTiO3、锆钛酸铅PbZrO3三种成分配比而成。6.压电陶瓷的压电效应对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，在是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量Q与作用力Fz成正比，即式中：d33—压电陶瓷的压电系数

F—作用力6.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按1∶1摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍，但居里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。

7.高分子压电材料高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等，其中以聚偏二氟乙烯压电常数最高。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大面积的成品，这些优点是其他压电材料所不具备的，因此，在一些特殊用途的传感器中获得广泛应用。它与空气的声阻抗匹配具有独特的优越性，所以它是很有发展潜力的新型电声材料。

8.压电材料介绍

压电材料介绍压电材料应具备以下几个主要特性：①转换性能。要求具有较大的压电常数。②机械性能。机械强度高、刚度大。③电性能。高电阻率和大介电常数。④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。谢谢！传感器应用技术主讲：梁

宸项目七压电式传感器压电元件的连接与等效电路1.压电晶片的连接方式在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，为了提高压电元件的灵敏度，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，而是采用两片或多片组合结构。常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。由于压电元件是有极性的，粘结的方法有两种，即并联和串联。1.压电晶片的连接方式习近平总书记强调：“爱国主义是我们民族精神的核心，是中华民族团结奋斗、自强不息的精神纽带。”他还指出：“在新的时代条件下，弘扬爱国主义精神，必须把维护祖国统一和民族团结作为重要着力点和落脚点。以铸牢中华民族共同体意识为主线，推动新时代党的民族工作高质量发展。我国是一个统一的多民族国家，民族团结就是各族人民的生命线。中华民族大家庭，56个民族休戚与共、荣辱与共、生死与共、命运与共，共同构成了你中有我、我中有你、谁也离不开谁的中华民族命运共同体。”2.压电元件的并联结构与特点

并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。2.压电元件的并联结构与特点串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，而中间极板的上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。(b)串联+－－+在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。

2.压电元件的并联结构与特点3.压电元件的串联结构与特点当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。其电容量为：(a)qCa3.压电元件的串联结构与特点当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(b)。3.压电元件的串联结构与特点由等效电路可知，只有在外电路负载为无穷大，且内部无漏电时，电压源才能保持长期不变，如果负载不是无穷大，则电路就会按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，压电传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，从这个意义上讲，压电传感器不适宜静态测量。3.压电元件的串联结构与特点实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图5-6所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。

（a）电压源

（b）电荷源3.压电元件的串联结构与特点值得注意的是：利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。由等效电路可知，压电式传感器的泄漏电阻与前置放大器的输入电阻相并联，为保证传感器和测试系统有一定的低频（或准静态）响应，就要求压电传感器的泄漏电阻在1012W以上，才能使内部电荷的泄漏减少到满足一般测试精度的要求；与此相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。3.压电元件的串联结构与特点既然压电传感器可以等效为电压源或电荷源，那么，压电传感器的灵敏度也有两种表示方式。一种用单位外力作用下产生的电压表示，称为电压灵敏度，用Su表示，Su=u/F；另一种则可用单位外力作用下产生的电荷表示，称为电荷灵敏度，用Sq表示，Sq=q/F。它们之间的关系可用下式表示：

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宸项目七压电式传感器压电传感器的测量电路讲授内容1.电压式放大器压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。1.电压式放大器电压放大器又称阻抗变换器。它的主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比。1.电压式放大器压电输出特性（即放大器输入特性）将mm’左部等效化简成为图（b）所示。由图可得回路输出式中——测量回路等效电阻；

——测量回路等效电容；

ω——压电转换角频率。1.电压式放大器假设压电器件取压电常数为d33的压电陶瓷，并在其极化方向上受有角频率为ω的交变力F＝Fmsinωt，则压电器件的输出代入式可得压电回路输出特性和电压灵敏度分别为1.电压式放大器其幅值和相位分别为1.电压式放大器动态特性

这里着重讨论动态条件下压电回路实际输出电压灵敏度相对理想情况下的偏离程度，即幅频特性。所谓理想情况是指回路等效电阻（即），电荷无泄漏。这样可得理想情况的电压灵敏度。

它只与回路等效电容C有关，与被测量的变化频率无关。因此，比较得相对电压灵敏度如下公式：1.电压式放大器

ω1——测量回路角频率——即测量回路时间常数。上式中1.电压式放大器压电器件与测量电路相联的动态特性曲线（1）高频特性当ωτ>>1，即测量回路时间常数一定，而被测量频率愈高（实际只要ωτ≥3），则回路的输出电压灵敏度就愈接近理想情况。这表明，压电器件的高频响应特性好。（2）低频特性当ωτ<<1，即τ—定，而被测量的频率愈低时，电压灵敏度愈偏离理想情况，同时相位角的误差也愈大。2.电荷式放大器

压电式传感器另一种专用的前置放大器。能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010～1012Ω，输出阻抗小于100Ω。

使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。2.电荷式放大器压电传感器与电荷放大器连接等效电路K是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地”电位。2.电荷式放大器充电电压接近等于放大器的输出电压

几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线形关系的输出电压。3、反馈电容Cf小，输出就大，4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）3.压电式传感器精度的影响因素压电式传感器在测量低压力时线性度不好，主要是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。3.压电式传感器精度的影响因素影响压电式传感器精度的因素很多，主要有以下几大类：1.环境温度的影响环境温度的变化将会使压电材料的压电常数，介电常数，体电阻和弹性模数等参数发生变化。在高温环境进行小信号测量时，瞬变温度引起的热电输出可能会淹没有用信号，为此，应设法补偿温度引起的误差。一般可采用以下几种方法进行补偿。（1）采用剪切型结构（2）采用隔热片（3）采用温度补偿片（4）采用冷却措施

3.压电式传感器精度的影响因素2.环境湿度的影响环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。如果传感器长期在高湿度环境中工作，传感器的绝缘电阻将会减小，以致使传感器的低频响应变坏。为此，传感器的有关部分一定要良好的绝缘，选用绝缘性能好的绝缘材料，并采取防潮密封措施。3．横向灵敏度实际的压电式加速度传感器在横向加速度的作用下都会有一定的输出，通常将这一输出信号与横向加速度之比称为传感器的横向灵敏度。一般用横向灵敏度与主轴向灵敏度的百分数来表示，称为横向灵敏度比。对于一只较好的传感器来说，最大横向灵敏度比应小于5%。3.压电式传感器精度的影响因素4.基座应变的影响在振动测试中，被测构件由于机械负载或不均匀的加热使传感器的安装部位产生弯曲或延伸应变时，将引起传感器的基座应变。该应变直接传递到压电原件上，从而产生误差信号输出。5.声噪声刚强度声场通过空气传播会使构件产生强烈的振动。当压电式加速度传感器至于这种声场中时会产生寄生信号输出。6.电缆噪声电缆噪声完全是由电缆自身产生的。为了减小电缆噪声，除选用特制的低噪声电缆外，在测量过程中应将电缆固紧，以避免相互运动。谢谢！传感器应用技术主讲：梁

宸项目七压电式传感器压电式加速度传感器1.压电式传感器的结构组成广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的传感器，都可称为压电式传感器。但目前应用最多的还是压电式加速度传感器以及压电式力和压力传感器。压电式传感器的特点属能量转换型（发电型）传感器，体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围；灵敏度高，稳定性好，可靠性高；对应用纵向压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与传感器刚度无关；有比较理想的线性，且通常没有滞后现象。2.压电式加速度传感器压电式加速度传感器目前已成为振动冲击测试技术中使用广泛的一种传感器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器，都是压电式的。压电式加速度传感器的特点是量程大、频带宽、安装简单、适用于各种恶劣环境、体积小、重量轻。它广泛应用于振动冲击测试、信号分析、故障诊断，振动校准等方面。下图是压电加速度传感器的外形。2.压电式加速度传感器2.压电式加速度传感器1.压电式加速度传感器的工作原理压电式加速度传感器的工作原理如图所示。压电元件一般由两块压电片（石英晶片或压电陶瓷片）组成，在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线。输出端的另一端直接与基座相连。相当于并联连接。在压电元件上，以一定的预紧力安装一惯性质量块，整个组件装在一个有厚基座的金属壳体中。1-基座2-压电片3-质量体4-弹簧5-壳体2.压电式加速度传感器测量时，通过基座底部的螺孔将传感器与试件刚性地固定在一起，传感器感受与试件相同频率的振动。由于压紧在质量块上的弹簧刚度很大，因此质量块也感受与试件相同的振动。质量块就以一正比于加速度的交变力作用在压电片上，由于压电效应，在压电片的两个表面上就有电荷产生。传感器的输出电荷（或电压）与作用力成正比，也与试件的加速度成正比。2.压电式加速度传感器压电式加速度传感器的力学模型如图所示，m是惯性质量块的质量，c是阻尼系数，k是弹性系数，x是惯性质量块相对于传感器壳体的位移，y是传感器基座的绝对位移。这是典型的惯性式传感器，通常可简化为单自由度二阶振动系统。2.压电式加速度传感器质量块的动力学方程或整理成

系统对加速度响应的幅频特性2.压电式加速度传感器由于质量块相对振动体的位移y即是压电器件（设压电常数为d33）受惯性力F作用后产生的变形，在其线性弹性范围内有F＝ky。由此产生的压电效应代入上式，则压电加速度传感器的电荷灵敏度幅频特性为

若考虑传感器接入两种测量电路的情况：2.压电式加速度传感器（1）接入反馈电容为Cf的高增益电荷放大器，带电荷放大器的压电加速度传感器的幅频特性为（2）接入增益为A，回路等效电阻和电容分别为R和C的电压放大器后，可得放大器的输出为其中2.压电式加速度传感器带电压放大器的压电加速度传感器的幅频特性为

压电加速度传感器的幅频特性2.压电式加速度传感器综上所述：（1）当压电加速度传感器处于（ω/ωn）<<1，即A（ωn）→1时，可得到灵敏度不随ω而变的线性输出，这时得到传感器的灵敏度近似为一常数

（传感器本身）或（带电荷放大器）通常取ωn＞（3～5）ω。2.压电式加速度传感器（2）配电压放大器的加速度传感器特性由低频特性A（ω1）和高频特性A（ωn）组成。高频特性由传感器机械系统固有特性所决定；低频特性由电回路的时间常数

决定，只有当ω/ωn<<1和ω1/ω<<1（即ω1<<ω<<ωn）时，传感器的灵敏度为常数2.压电式加速度传感器压电式加速度传感器的结构目前，压电式传感器的结构形式主要有压缩型、剪切型和复合型三种(a)正装中心结构(b)改进的隔离基座结构(c)改进的倒装中心结构(d)双筒双屏蔽新颖结构1—壳体；2—顶紧螺母；3—质量块；4—压电片；5—基座；6—引线接头；7—顶紧筒2.压电式加速度传感器（1）压缩型图（a）为正装中心压缩式，其特点是：质量块和弹性元件通过中心螺栓固紧在基座上形成独立的体系，从而与易受非振动环境干扰的壳体分开，它具有灵敏度高、性能稳定、频响好、工作可靠等忧点，但基座的机械应变和热应变仍有影响。为此，设计出图（b）所示的改进型的隔离基座压缩式，和图（c）所示的改进型的倒装中心压缩式。图（d）是一种双筒双屏蔽新颖结构，它除了外壳起屏蔽作用外，内预载套筒也起内屏蔽作用。由于预载筒横向刚度大，大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰能力。这种结构还在基座上设有应力槽，可起到隔离基座机械应变和热应变干扰的作用，但这种结构设计工艺比较复杂。2.压电式加速度传感器（2）剪切型剪切型压电式加速度传感器是利用压电元件受剪切应力而产生压电效应原理制作的传感器。这类传感器的压电元件以选用压电陶瓷为佳。按压电元件结构形式的不同，剪切型压电式加速度传感器可分为环形剪切型、三角剪切型、H剪切型等。三种类型的剪切型压电式加速度传感器的结构如图所示。2.压电式加速度传感器（3）复合型复合型压电式加速度传感器是指那些具有组合结构、差动原理、组合一体化的压电式传感器。两种最常见的类型如下。1-质量块2-压电石英体3-超小型阻抗变换器4-电缆插座三向加速度传感器组合一体化压电式加速度传感器2.压电式加速度传感器①三向加速度传感器多晶片三向压电加速度传感器的结构如图所示。压电加速度传感器组件由三组具有x、y、z三向互相正交压电效应的压电元件组成。这三组压电元件分别感受三个方向的加速度，其中一组为压缩型，感受z轴方向的加速度，另外两组为剪切型，分别感受x轴和y轴方向的加速度。这三组压电元件的灵敏轴线互相垂直。三组压电元件分别输出与三个方向加速度成正比的电信号。2.压电式加速度传感器②组合一体化压电式加速度传感器这种传感器早期是集压电传感器与电子线路于一身的组合一体化压电-电子传感器，又称压电管。其结构如图所示。如今，这类传感器大多为采用集成工艺制作的完全集成化的压电式加速度传感器。谢谢！传感器应用技术主讲：梁

宸项目七压电式传感器压电压力传感器及压电传感器的应用1.压电压力传感器1.压电式力传感器

压电式力传感器可测量动态或静态力，其测量范围为102N~105N。按测力状态的不同，压电式力传感器分为单向力、双向力和三向力传感器。1.压电压力传感器1-传力上盖；2-石英晶片；3-电极；4-底座；5-电极插头；6-绝缘材料被测力通过传力上盖1使石英晶片2沿电轴方向受压力作用，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷，两块晶片沿电轴方向反向迭加，负电荷由电极3输出，压电晶片正电荷一侧与底座连接。这种结构的单向力传感器具有固有频率高（约50kHz~60KHz）、体积小，重量轻（仅10g）、分辨力高（约10-3N）的特点，最大可测5×103N的动态力。1.压电压力传感器2.压电式压力传感器压电式压力传感器有各种不同的结构形式，但它们的基本原理相同。如图所示是压电式压力传感器的工作原理图。当膜片4受到压力p作用时，在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上产生的电荷密度

为1-引线；2-壳体；3-压电晶片；4-受压膜片；5-导电片；6-基座1.压电压力传感器上式中S——膜片有效面积。

S´——膜片受压力作用的面积。测出石英晶片的电荷量，便可得到压力值。与压力传感器不同的是，它必须通过弹性膜片等，把压力转换成力，再传给压电元件。除此之外，压电式压力传感器的基本原理与压电式力传感器大同小异。1.压电压力传感器压力传感器外形图2.压电传感器应用1、压电式加速度传感器应用举例桥墩水下和地表以下部位的缺陷是很难直接发现的，用压电式加速度传感器检测桥墩的振动，再进行频谱分析，则可以准确地判断桥墩的内部缺陷。如图所示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹的示意图。通过放炮的方式，使水箱振动，从而桥墩将承受垂直方向的激励，用压电式加速度传感器测量桥墩的响应，将信号经电荷放大器进行放大后送入数据记录仪，再将记录下的信号输入谱分析设备，经频谱分析后，可判定桥墩有无缺陷。2.压电传感器应用2.压电式力和压力传感器应用举例如图所示，压电式力传感器安装在试件与激振器之间，在试件上的适当部位装有多只压电式加速度传感器。将压电式力传感器测得的力信号和压电式加速度传感器测得的加速度信号经多路电荷放大器后送入数据处理设备，则可求得被测试的机械阻抗。该实验方法是进行大型结构模态分析的一种常用方法。2.压电传感器应用3.压电式断纬自停装置剑杆织机以剑杆引纬代替了梭子引纬，将纬纱以大于15m/s的速度送出，并有一定的张力。压电式断纬自停装置的传感器如图所示。

2.压电传感器应用信号输出端有4个圆孔，可监测4种颜色纬纱，内壁是用压电陶瓷制成的环状敏感元件，每一色纬纱从其中一个圆孔通过，这四个环状压电元件被固定在一个长形物体上，再固定在剑杆织机上。当引纬时，被张紧的快速运动的纬纱对圆孔内壁（即压电元件）施加一个动态作用力，压电元件便有电信号连续输出，送入或门电路。实际工作时，无论引哪一纬纱，只要不断不缺，或门就有信号到放大器，执行机构不动作，织机正常运转。若织机正在引的某一色纬纱发出断纬，则压电元件不受力，没有电信号输出，于是执行机构运动，使织机自停。2.压电传感器应用4.压电式金属加工切削力测量如图所示是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。2.压电传感器应用5.压电式玻璃破碎报警器BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器,它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图所示。传感器的最小输出电压为100mV,最大输出电压为100V，内阻抗为15~20kW。a-外形图b-内部电路2.压电传感器应用报警器的电路框图如图所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。2.压电传感器应用6.测量液体密度的压电传感器测量液体密度的压电传感器的敏感元件是一个由压电晶片激励的空心音叉，如图所示是其结构示意图。音叉由不锈钢管制作，其Q值高达800，接近一般音叉，可满足检测共振频率微小变化的需要。2.压电传感器应用7.压电式血压传感器

如图所示。2.压电传感器应用8.压电接触式微力传感器，用于腿动时检测肌肉的活动信号2.压电传感器应用逆压电效应的应用也很广泛。基于逆压电效应的超声波发生器（换能器）是超声检测技术及仪器的关键器件。逆压电效应还可作力和运动（位移、速度、加速度）发生器（压电驱动器）。压电陶瓷微位移发生器利用正压电效应和逆压电效应的流量计压电式高频振动台压电式超声波发生器谢谢！传感器应用技术主讲：张振远项目八基于光电式传感器倒车雷达的设计与制作光电效应1.引入1860年英国物理学家麦克斯韦建立了电磁理论，认识到光是一种电磁波，光的波动学说有效地证明了光的反射、折射、干涉、衍射等现象。1900年德国物理学家普朗克提出了量子学说，他认为任何物质反射或吸收的能量是一个最小能量单位（量子）的整数倍。1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并因此而获得1921年诺贝尔物理学奖。1.引入2.光电效应—定义、分类用光照射某一物体，可以看做物体受到一连串光子所袭击，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。1、外光电效应2、内光电效应3、光生伏特效应2.光电效应—外光电效应外光电效应：

在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。

当物体在光线照射作用下，一个电子吸收了一个光子的能量后，其中的一部分能量消耗于电子由物体内逸出表面时所做的溢出功，另一部分则转化为逸出电子的动能。

根据能量守恒定律可得：h

=mv02/2+A0

式中，m—电子质量；v0—逸出电子的初速度；

A0—电子溢出物体表面所需的功（或物体表面束缚能）。这也是著名的爱因斯坦光电方程式，它阐明了光电效应的基本规律。2.光电效应—内光电效应内光电效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。用光照射半导体时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则禁带中的电子吸收一个光子就足以跃迁到导带，使被激发出来的电子成为一个自由电子，同时也产生一个空穴，从而增强了材料的导电性能，使材料的电阻值降低。一般来说，照射的光线愈强，阻值变得愈低，半导体材料的导电能力愈强。光照停止后，自由电子与空穴逐渐复合，电阻值又恢复到原值。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。2.光电效应—光生伏特效应光生伏特效应：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。1）势垒光电效应。以PN结为例，当光照射PN结时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则使价带的电子跃迁为导带，产生自由电子-空穴对。在PN结阻挡层内电场的作用下，被激发的电子移向N区的外侧，被激发的空穴移向P区的外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。2.光电效应—光生伏特效应光生伏特效应：2）侧向光电效应。当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于光生伏特效应的光电元件有光电池。3.光电效应—总结谢谢！传感器应用技术主讲：张振远项目八基于光电式传感器倒车雷达的设计与制作光电管引入光电效应现象光电效应的分类如何利用这些现象来为人类服务呢？结构：阴极，阳极和玻璃壳原理：当入射光照射在阴极上时，阴极就会发射电子，由于阳极的电位高于阴极，在电场力的作用下，阳极便收集到由阴极发射出来的电子，因此，在光电管组成的回路中形成了光电流I，并在负载电阻上输出电压。1.光电管的结构及工作原理光电管是一种基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管的结构及工作原理1.光电管的结构及工作原理

光电管的性能指标主要有伏安特性、光电特性、光谱特性、响应特性、响应时间、峰值探测率、温度特性等。

（1）光电管的伏安特性光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，其阳极与阴极之间的电压与光电流I之间的关系。2.光电管的主要性能指标

（2）光电管的光谱特性光电管的光谱特性通常是指阳极和阴极之间所加电压不变时，入射光的波长（或频率）与其绝对灵敏度的关系。它主要取决于阴极材料，不同阴极材料的光电管适用于不同的光谱范围。

（3）光电管的光照（电）特性光照（电）特性是指光电管阳极电压和入射光频谱不变的条件下，入射光的光通量与光电流之间的关系。2.光电管的主要性能指标2.光电管的主要性能指标光电管的光电特性曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系。光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之比)称为光电管的灵敏度。（4）光电管的暗电流

如果将光电管置于无光的黑暗环境中，当施加正常的使用电压时，光电管将产生微弱的电流，此电流称为暗电流。光电管的暗电流主要是由漏电流引起的。2.光电管的主要性能指标3.光电管的应用举例3.光电管的应用举例4.光电管—总结光电管的结构、工作原理光电管的主要性能指标光电管的应用谢谢！传感器应用技术主讲：张振远项目八基于光电式传感器倒车雷达的设计与制作光电倍增管（PMT）（1）结构：

侧窗式端窗式

光电倍增管由光阴极、次阴极（倍电极）以及阳极三部分组成，其结构如图7-5（a）所示。光阴极由半导体材料锑铯制成；次阴极是在镍或铜-铍衬底上涂锑铯材料而形成的，通常为12～14级，多者达30级；阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。1.光电倍增管的结构及工作原理1.光电倍增管的结构及工作原理1.光电倍增管的结构及工作原理（2）工作原理1）光子透过入射窗口射在光电阴极上；2）光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中；3）光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电子，入射电子经N级倍增级倍增后，光电子就放大N次；4）经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。2.光电倍增管的主要参数和特性（1）光电倍增管的倍增系数与工作电压的关系光电倍增管若倍增极的二次电子发射系数为，则具有n个相同倍增极的光电倍增管的倍增系数为

因此阳极电流为式中，

——光阴极的光电流此光电倍增管电流放大倍数为2.光电倍增管的主要参数和特性（2）光电倍增管的伏安特性阴极伏安特性：在入射到光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流与阴极和第一倍增极之间的电压（称阴极电压）的关系曲线叫阴极伏安特性，经研究，在阴极电压较小时，阴极电流随着阴极电压的增大而增加，直到阴极电压大于一定值后，阴极电流才趋向饱和，且与入射光通量成线性关系。阳极伏安特性：在入射到光电倍增管阳极面上的光通量一定时，阳极电流与阳极和末级倍增极之间的电压（称阳极电压）的关系曲线叫阳极伏安特性。性质同阴极伏安特性。2.光电倍增管的主要参数和特性（3）光电倍增管的光电特性阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。

对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性。2.光电倍增管的主要参数和特性（4）光电倍增管的暗电流如果将光电倍增管置于无光的黑暗环境中，当施加正常的使用电压时，光电倍增管将产生微弱的电流，此电流称为暗电流。实际上，很多物质的参数都不会存在绝对的0值，就像世界上没有完美的导体、没有完美的绝缘体、没有完美的圆、没有完美的直线、没有完美的对称、没有完美的人生，我们只能追求相对完美，在一定范围内满足要求即可接受。3.光电倍增管的应用举例光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200~1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。PET-CT影像系统PMT阵列4.光电倍增管—总结谢谢！传感器应用技术主讲：张振远光敏电阻（LDR）项目八基于光电式传感器倒车雷达的设计与制作1.光敏电阻的结构光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。1.光敏电阻的结构2.光敏电阻的主要技术特性参数、特性暗电阻、暗电流

暗电阻、暗电流

温度特性频率特性光谱特性光电特性2.光敏电阻的主要技术特性（1）暗电阻、暗电流若将光敏电阻置于无光照的黑暗条件下，测得光敏电阻的阻值称为暗电阻，这时，在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流值称为暗电流。（2）亮电阻、光电流光敏电阻在光照下，测得的光敏电阻的阻值称为亮电阻，亮电阻一般在几千欧姆。这时在工作电压下测得的电流为亮电流。亮电流和暗电流之差称为光电阻的光电流。（3）光谱特性对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图所示，从图中看出，每种光敏电阻对不同波长的入射光有着不同的灵敏度，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域；因此，在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。2.光敏电阻的主要技术特性（4）光电特性光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。做检测元件时，要对其值进行曲线拟合，响应曲线不连续，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用作开关式光电传感器。2.光敏电阻的主要技术特性（5）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零，这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。2.光敏电阻的主要技术特性光敏电阻的频率特性（6）温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线如图所示，从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，在使用光敏电阻检测时，为了能接受远红外光，或为了提高灵敏度，要采取控制温度的措施。2.光敏电阻的主要技术特性硫化铅的光谱温度特性3.光敏电阻的应用

光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。3.光敏电阻的应用（1）调光电路工作原理：

当周围光线变弱时引起光敏电阻RG的阻值增加，使加在电容C上的分压上升，进而使可控硅的导通角增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则RG的阻值下降，导致可控硅的导通角变小，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。3.光敏电阻的应用（2）光控开关电路工作原理：

当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发VT1导通，进而使得VT2也导通，VT2的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。4.光敏电阻—总结谢谢！传感器应用技术主讲：张振远光电池项目八基于光电式传感器倒车雷达的设计与制作引入一年内到达地球表面的太阳能总量约为1.892×10^24吨标准煤，是目前世界主要能源探明储量的10,000倍。太阳的寿命至少为40亿年。与人类历史相比，太阳能可以持续为地球供电的时间可以说是无限的。这就决定了太阳能的开发利用将是人类解决传统能源短缺和枯竭的最有效途径。单晶硅光电池称为硅光电池，非晶硅光电池称为太阳能电池。以硅光电池为例：结构：硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质（如硼）形成一个大面积的PN结。原理：当入射光子的能量足够大时，P区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对，在表面对光子的吸收最多，激发出的电子—空穴对也最多，越向内部越小，因此，光生电子—空穴对的浓度由表面向内部迅速下降，形成由表及里扩散的自然趋势。在PN结内电场的作用下，使扩散到PN结附近的电子—空穴对分离，电子被拉到N型区，空穴则留在P型区，使N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，新的平衡状态建立后，PN结两侧就有一个稳定的光电流或光生电动势输出。1.光电池的结构与工作原理1.光电池的结构与工作原理（1）光照特性下图曲线指出了光生电势和光生电流与光照度之间的关系。光电势即开路电压UOC与照度E成非线性关系。光电池的短路电流ISC与照度成线性关系，而且受照面积越大，短路电流也越大。负载电阻RL越小，光电流与照度的线性关系越好，线性范围越广。所以光电池作为探测元件时，所用负载电阻的大小，应根据照度或光强而定，当照度较大时，为保证测量有线性关系，负载电阻应较小。2.光电池的基本特性2.光电池的基本特性（2）光谱特性光电池的光谱特性决定于所用的材料。下图的曲线1和2分别表示硒和硅光电池的光谱特性。从曲线可以看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，它适宜于探测可见光。如果硒光电池与适当的滤光片配合，它的光谱灵敏度与人的眼睛很接近，可用它客观地决定照度。硅光电池可以应用的范围为400~1100nm，峰值波长在850nm附近，因此，对色温为2854K的钨丝灯光源，能得到很好的光谱响应。光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电池的材料有关，并且随使用温度的不同而有所移动。2.光电池的基本特性（3）伏安特性负载电阻短接或很小时，负载线垂直或接近与垂直，它与伏安特性的交点为等距离，电流正比与照度，数值也较大。负载电阻增大时，交点的距离不等，例如3kΩ，这条负载线与伏安特性的交点相互间距离不等，即电流不与照度成正比。2.光电池的基本特性（4）频率特性

频率特性是指输出电流和入射光的调制频率之间的关系。当光电池受到入射光照射时，产生电子-空穴对需要一定的时间，入射光消失，电子-空穴对的复合也需要一定的时间，因此，当入射光的调制频率太高时，光电池的输出光电流将下降。硅光电池的频率特性要好一些，工作调制频率可达数十千赫至数兆赫。而硒光电池的频率特性较差，目前已经很少使用。2.光电池的基本特性（5）温度特性

光电池的光电压随温度变化有较大的变化，温度越高，电压越低，温度每升高1℃，电压下降2~3mv，而光电流随温度变化很小。当一起设备中的光电池作为检测元件时，应该考虑温度漂移的影响，要采用各种温度补偿措施。光电池在强光光照下性能比较稳定，但还与使用情况有关，应该考虑光电池的工作温度和散热措施。如果硒光电池的结温超过50℃，硅光电池的结温超过200℃，就要破坏它们的晶体结构，造成损坏。通常硅光电池使用的结温不允许超过125℃。3.光电池的应用光电池主要有两方面的应用：一是太阳能电池，二是光电转换器件。目前，光电池的应用范围进一步被扩展至机械仪表、自动化遥测、远程遥控等领域。此外，光电池还被应用在家庭生活当中，并且逐渐成为家用电器的“能源中心”。太阳能供电不受到季节、天气、白昼等因素影响，可以在晴天储备能量，并且每家每户都可以进行使用，还可以形成一个大的供电系统网络。3.光电池的应用4.光电池—总结光电池结构工作原理特性光照特性频率特性光谱特性伏安特性温度特性应用谢谢！传感器应用技术主讲：张振远光电传感器的应用项目八基于光电式传感器倒车雷达的设计与制作

光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。光电传感器由光源、光学元件和光电元件组成。1.光电传感器的结构、分类1）模拟式光电传感器模拟式光电传感器将被测量转换成连续变化的电信号，与被测量间呈单值对应关系。主要有四种基本形式。1.光电传感器的结构、分类（a）吸收式；（b）反射式；（c）遮光式；（d）辐射式

1）模拟式光电传感器吸收式。被测物体置于光路中，恒光源发出的光穿过被测物，部分被吸收后透射光投射到光电元件上，透射光强度决定被测物对光的吸收大小，而吸收的光通量与被测物透明度有关，如用来测量液体、气体的透明度、浑浊度的光电比色计。反射式。恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上，反射光通量取决于反射表面的性质、状态及其与光源间的距离。利用此原理可制成表面光洁度、粗糙度和位移测试仪等。遮光式。光源发出的光经被测物遮去其中一部分，使投射到光电元件上的光通量改变，其变化程度与被测物在光路中的位置有关，这种形式可用于测量物体的尺寸、位置、振动、位移等。辐射式。被测物本身就是光辐射源，所发射的光通量射向光电元件，也可经过一定光路后作用到光电元件上。这种形式可用于光电比色高温计中。1.光电传感器的结构、分类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，即“通”和“断”的开关状态，称为光电元件的开关应用状态。这种形式的光电传感器主要用于光电式转速表、光电计数器、光电继电器等。1.光电传感器的结构、分类

光电式带材跑偏仪

光电式带材跑偏仪主要由边缘位置传感器、测量电路和放大器等组成。它是用于冷轧带钢生产过程中控制带钢运动途径的一种自动控制装置。2.光电传感器的应用谢谢！传感器应用技术主讲：杨薇项目九基于数字式传感器的位置检测仪的设计与制作增量式编码器讲授内容增量式编码器的结构组成：它由检测头、脉冲编码器以及发光二极管的驱动电路和光敏三极管的光电检测电路组成。在一个圆盘的边缘上开有相等角度的细缝（分透明和不透明两种），在开缝圆盘两边安装光源及光敏元件。增量式编码器工作原理：在圆盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，经过光敏元件就产生一次电信号的变化，再经过整形放大，可以得到一定幅度和功率的电脉冲输出信号（脉冲数=转过的细缝数）。将脉冲信号送到计数器中去进行计数，则计数码就能反映圆盘转过的转角。增量式编码器下图给出了变相环节的逻辑电路框图。采用两套光电转换装置，这两套光电转换装置在空间的相对位置有一定的关系，保证它们产生的信号在相同位置上相差1/4周期，将得到的两路信号（相位相差900）经放大整形后，脉冲编码器输出两路方波信号。增量式编码器

正转时，光敏元件2比光敏元件1先感光，此时与门DA1有输出，将加减控制器触发器使可逆计数器的加减母线为高电位。同时，DA1的输出脉冲又经或门送到可逆计数器的输入端，计数器进行加法计数。

反转时，光敏元件1比光敏元件2先感光，计数器进行减法计数。这样就可以区别旋转方向，自动进行加法减法计数，它每次反映的都是相对于上次角度的增量。增量式编码器增量式编码器增量式编码器如图所示，通道A和通道B的信号的周期相同，且相位相差1/4个周期，结合两相的信号值：当B相和A相先是都读到高电平（11），再B读到高电平，A读到低电平（10），则为顺时针转当B相和A相先是都读到低电平（00），再B读到高电平，A读到低电平（10），则为逆时针转除通道A、通道B以外，还会设置一个额外的通道Z信号，表示编码器特定的参考位置，如图所示，传感器转一圈后Z轴信号才会输出一个脉冲，在Z轴输出时，可以通过将AB通道的计数清零，实现对码盘绝对位置的计算。增量式编码器增量式编码器的工作特点：1、只有当设备运动时才会输出信号。2、一般会输出通道A和通道B两组信号，并且有90°的相位差（1/4个周期），同时采集这两组信号就可以计算设备的运动速度和方向。增量式编码器世界上第一台光纤编码器是如何诞生的？2003年，瑞士。Doppelmayr/Garaventa公司需要一个“光纤”编码器，可对雷电免疫，并能在长距离内运行。这个需求促使研发公司经过不断的研究实验，最终Micronor与控制器供应商FreyAG合作开发了第一个光纤增量编码器(现为HK-MR346)由此可见，创造往往来源于解决问题的实践中。谢谢！传感器应用技术主讲：杨薇项目九基于数字式传感器的位置检测仪的设计与制作码盘式编码器讲授内容码盘式编码器，也叫绝对式编码器。在总体结构上与增量式比较类似，都是由码盘、检测装置和放大整形电路构成，但是具体的码盘结构和输出信号含义不同。盘式角度—数字编码器是按角度直接进行编码的传感器。这种传感器是把码盘装在检测轴上，按结构可把它分为：接触式、充电式、电磁式等几种。编码方式一般采用自然二进制、格雷码或者BCD码等。码盘式编码器码盘式编码器码盘结构如图所示：码盘式编码器是直接输出数字的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。码盘式编码器码盘式编码器1.码盘利用若干透光和不透光的线槽组成一套二进制编码，这些二进制码与编码器转轴的每一个不同角度是唯一对应的。2.绝对式编码器的码盘上有很多圈线槽，被称为码道，每一条（圈）码道内部线槽数量和长度都不同。它们共同组成一套二进制编码，一条（圈）码道对应二进制数的其中一个位（通常是码盘最外侧的码道表示最低位，最内侧的码道表示最高位）。3.码道的数量决定了二进制编码的位数，一个绝对式编码器有N条码道，则它输出二进制数的总个数是2的N次方个。4.读取这些二进制码就能知道设备的绝对位置，所以称之为绝对式编码器。码盘式编码器工作原理：图中L.S.B表示低数码道，1.S.B表示1数码道，2.S.B表示2数码，以此类推。黑色部分表示高电平1，使用时将这部分挖掉，让光源投射出去，以便通过接收元件转换为电脉冲；白色部分表示低电平0，使用时这部分遮断光源，以便接收元件转换为低电平脉冲。在AO直线上，每个数码道设置一个光源，如发光二极管。编码盘的转轴O可直接利用待测物的转轴。待测的角位移可由各个码道上的二进制数表示，如OB直线上的三个数码道所代表的二进制数码为010.但在直线OA位置上时，二进制数码可能产生较大误差。在低数码道L.S.B时，这种误差仅为1和0之间的误差，如在数码道2.S.B时，有可能出现000，111和110等误差。这种现象称错码，码盘设计时可通过编码技术和扫描方法解决。码盘式编码器码盘式编码器

码盘式编码器编码盘的结构虽然结构较简单，但对码盘的制作和电刷（或光电元件）的安装要求十分严格，否则就会出锗。例如：当电刷由h（0111）i（1000）过度时，如电刷位置安装不准，可能出现8—15之间的任一十进制数，这种误差属于非单值性误差。清除非单值误差的方法：方法1：采用双电刷、工艺电路上都比较复杂，故很少采用。方法2：采用循环码代替二进制码。由于循环码的相邻的两个数码间只有一位时变化的，因此即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是一位数。码盘式编码器码盘式编码器增量型与绝对值型编码器的主要区别：①增量型编码器是在机械轴旋转时，每旋转经过一个固定的角度间隔，交替输出一组脉冲编码。②绝对值型编码器则始终是基于机械轴当前所在的角度，持续输出其旋转位置编码。码盘式编码器绝对编码器应用场合：纺织机械、灌溉机械、造纸印刷、水利闸门、机器人及机械手臂、港口起重机械、钢铁冶金设备、重型机械设备、精密测量设备、机床、食品机械等都有绝对编码器的应用。若没有特殊要求，在测量物料进给距离时，就没有必要采用绝对值反馈，为了提升测量精度，可以使用单圈绝对值编码器。如果要实现对物体的位置测量，就可以考虑使用多圈绝对值型编码器，来确保位置和精度达到使用要求。码盘式编码器绝对型旋转光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。

机床旋转编码器属于编码器中较为特殊的一种，它通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出，用来测量转速并配合PWM技术可以实现快速调速，是工业中常用的电机定位设备，可以精确的测试电机的角位移和旋转位置。增量式编码器机床旋转编码器我国的编码器技术发展现状：目前来看的话国内对核心技术的掌控还是和国外有一定的差距。简单来说，国内现如今还不能做出精度较高的绝对值编码器，最直接的原因就是在码盘上刻线的技术还不够成熟，导致编码器的分辨率不够高，达不到现如今一般厂家的要求。如今德国“工业4.0”发布后，国内也开始实施“中国制造2025”计划，其主要目的是借鉴国外技术发展自我品牌。但国外厂商对技术的保密以及国产市场现状的不友好使得创造自主品牌这条路十分难走，然而许多企业还是毅然决然地踏上了路程。虽然也是为了跟上当下自主品牌发展的趋势，但我们明白只有依靠自己，才能走得更远。增量式编码器

我国的编码器技术发展现状：增量式编码器国产编码器进口编码器谢谢！传感器应用技术主讲：杨薇项目九基于数字式传感器的位置检测仪的设计与制作角度传感器讲授内容我们需要先了解激光干涉现象是什么？激光与普通光不一样，是单色光，是某物质的电子能量跃迁产生的，所以它的振动频率很单一，波动方向也恒定，是干涉光波。用干涉实验来说明。下面图中的一束激光，经过两个小孔得到两个同样性质的光，于是它们在传播过程中叠加了，有的地方振动始终加强，某些地方的震动始终减弱，而且振动强度有着稳定的空间分布。在固定位置接收到的光强按一定规律作强弱交替变化，形成激光的干涉条纹。角度传感器角度传感器激光角度测量传感器，采用迈克尔逊干涉原理，用两路光程差的变化来表示角度的变化，经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化，因此干涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可测得转台的转角。在此原理基础之上发展起来的角度测量系统致力于光路结构的改进和消除各种误差因素的影响。经过改进后可以测量大约90度的角度，但各种误差因素随着所测角度的增大而急剧增加，因此该系统的测量范围限制在几度内，在此范围内具有极高的测量准确度。角度传感器采这种技术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准。为了消除转盘径向移动对角度测量的影响，采用如图所示的测量光路，用两个角锥棱镜形成差动测量，大大提高了系统的线性和灵敏度。为了增加干涉仪抗环境干扰的能力，可以采用双频激光外差干涉测量法，用双频激光代替普通光源。用这种方法测量平面角，灵敏度可达0.002''。角度传感器角度传感器激光角度测量的光路原理角度传感器激光角度测量技术的应用利用激光的干涉现象能够用于检测的原理，制作出多种激光测量仪。利用激光测量仪，可以方便地测量角度、直线度、垂直度、弯曲度等几何量，可以指导高精度设备的安装，检测其工作精度，检测其运动导轨的俯仰角、扭摆角、垂直度和直线度等。角度传感器差之毫厘，失之千里！角度传感器差之毫厘，失之千里！激光准直仪在高层建筑建设过程中发挥着重要作用。但是在仪器使用时必须将垂准仪进行检校，架设仪器时须按操作规程认真操作，对于垂准仪来说，自身带有的固定误差就是激光束的垂直度误差。投测距离越大，点位偏差越大。所以我们在安装使用设备时不但要规范精确安装，还要想办法去除设备误差，否则在建筑过程中就会出现“差之毫厘，失之千里”的不合格高楼！谢谢！传感器应用技术主讲：杨薇项目九基于数字式传感器的位置检测仪的设计与制作光栅传感器讲授内容光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。光栅传感器是利用计量光栅的莫尔条纹现象来进行测量的，它广泛地用于长度和角度的精密测量，也可用来测量转换成长度或角度的其他物理量。例如：位移、尺寸、转速、力、重量、扭矩、振动、速度和加速度等。按光栅的形状和用途分为长光栅和圆光栅，分别用于线位移和角位移的测量。按光线走向分为透射光栅和反射光栅。光栅传感器光栅传感器的结构与测量原理狭义来讲：平行等宽而有等间隔的多狭缝即为衍射光栅。广义上讲：任何装置只要它能起等宽而又等间隔的分割波阵面的作用，则均为衍射光栅。简单说，光栅好似一块尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。光栅传感器光栅传感器光栅器件光栅测量系统一般由光源、主光栅、指示光栅、光学系统及光电探测器组成，如图所示。主光栅为一长方形光学玻璃，上刻有明暗相间的线对，明线（即透光线）宽度a与暗线（即遮光线）宽度b之比通常为1:1，两者之和称为光栅的栅距。栅距通常可以为1/10～1/100mm。光栅传感器

光栅测量系统的基本原理是：光栅尺中的一块光栅尺固定不动，另一块光栅尺随测量工作台一起移动，测量工作台每移动一个栅距，光电元件发出的一个信号，计数器记取一个数。这样，根据光电元件发出的或计数器记取的信号数，便知可动光栅尺移动过的栅距数，即测得了工作台移动过的位移量。光栅传