传感器与测试技术（中篇共上中下3篇）

传感器与测试技术第1章传感器与测试系统概述第2章电阻式传感器第3章电感式传感器第4章电容式传感器第5章磁电式传感器第6章光电式传感器第7章热电式传感器第8章声波式与辐射式传感器第9章其他传感器第10章传感器的综合应用第5章磁电式传感器掌握磁电感应式传感器敏感元件的结构和工作原理。掌握磁电感应式传感器的测量电路和应用类型。掌握霍尔式传感器敏感元件的结构和工作原理。掌握霍尔式感器的测量电路和应用类型。弘扬团结协作的集体意识和勇于攀登的创新精神。知识目标素质目标能测试磁电感应式传感器的性能。能制作与调试转速测量装置。技能目标【霍尔式传感器】5.2【磁电感应式传感器】5.1PART5.1

磁电感应式传感器大家在日常生活中是否注意过，当我们骑自行车下坡时，车轮会转得越来越快，我们如何知道车轮的具体转速呢？或者在工业生产中，机器的振动情况对产品质量和生产安全至关重要，我们怎样才能准确测量机器的振动速度和位移呢？问题导入磁电感应式传感器工作原理：利用磁电感应原理，将速度、位移、振动、转速等被测量转换成线圈中的感应电压（或感应电流）。特点：工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换成电能，是一种机-电能量转换型传感器。5.1.1敏感元件磁电感应式传感器的敏感元件是由永磁体、感应线圈和铁芯组成的。根据法拉第电磁感应定律可知，当通过闭合线圈的磁通发生变化时，线圈内将产生感应电压，感应电压的大小与穿过线圈的磁通变化率有关，即（5-1）穿过线圈的磁通感应电压线圈的匝数点拨永磁体是指能够长期保持磁性的磁体，如天然的磁石（磁铁矿）、人造磁钢（铁镍钴磁钢）等。永磁体是硬磁体，不易失磁，也不易被磁化。而作为导磁体和电磁铁的材料大都是软磁体，软磁体的极性是随所加磁场极性的变化而变化的。5.1.1敏感元件

1．恒磁通式敏感元件组成：由永磁体、线圈、弹簧片（或弹簧）、金属壳体等部件组成。类型：（a）动圈型

（b）动铁型敏感元件的运动部件不同，但它们的磁路系统都产生恒定的磁场，磁路中的空气间隙均固定不变，空气间隙中的磁通也是恒定不变的。5.1.1敏感元件

1．恒磁通式敏感元件

1）动圈型恒磁通式敏感元件根据法拉第电磁感应定律，感应电压与磁感应强度、线圈匝数、相对运动速度有关，若线圈和永磁体有相对运动，则线圈中产生的感应电压u

与磁感应强度B、每匝线圈的长度l、线圈匝数N、线圈切割磁力线的速度v成正比，即（5-2）运动部件是线圈，永磁体与金属壳体固定，线圈与金属骨架用弹簧片支撑。5.1.1敏感元件

1．恒磁通式敏感元件

2）动铁型恒磁通式敏感元件与动圈型恒磁通式敏感元件的工作原理相同运动部件是永磁体，线圈、金属骨架与金属壳体固定，永磁体用弹簧支撑。5.1.1敏感元件

2．变磁通式敏感元件其中线圈和永磁体都静止不动，感应电压是靠改变磁路磁通Φ

的大小产生的。变磁通式敏感元件开磁路型闭磁路型按磁路系统结构的不同组成：由永磁体、软磁体、线圈、测量齿轮（导磁材料）等组成。工作方式：线圈和永磁体静止不动，测量齿轮被安装在被测物体上，随被测物体一起转动。工作原理：测量齿轮的凹凸结构会使空气间隙大小发生改变，影响磁路磁阻的变化，从而使线圈中产生感应电压。转速计算：感应电压的变化频率

f等于被测转速

r、齿轮齿数

n的乘积，即（5-3）特点：结构简单，但其输出信号较弱，不宜测量高转速物体。5.1.1敏感元件

2．变磁通式敏感元件1）开磁路型变磁通式敏感元件5.1.1敏感元件

2．变磁通式敏感元件2）闭磁路型变磁通式敏感元件组成：由装在转轴上的定子和转子、线圈、永磁体等部分组成。工作方式：将闭磁路型变磁通式敏感元件的转子与被测物体的转轴相连接，当被测物体旋转时就会带动转子旋转。工作原理：当转子和定子的齿凸相对时，空气间隙最小，磁通最大；当转子与定子的齿凹相对时，空气间隙最大，磁通最小。定子不动，转子旋转时，磁通就会发生周期性变化，从而在线圈中产生近似正弦波的感应电压。由纯铁制成，在它们的圆形端面上都均匀地分布有凹槽。5.1.2测量电路磁电感应式传感器测量振动速度时，可直接测量振动物体的线速度或旋转物体的角速度，如果要进一步测量振动位移、振动加速度等，需要分别接入积分电路、微分电路，将速度信号转换成与位移或加速度有关的电信号。举例磁电感应式传感器特点：可直接输出感应电压，且具有较高的灵敏度，因此对放大电路的要求不高，但磁电感应式传感器只能用于测量动态量。5.1.2测量电路将积分电路和微分电路置于两级放大器之间，若敏感元件产生的电信号直接经主放大器输出，则输出信号为速度信号；若敏感元件产生的电信号接入积分电路，则输出信号为位移信号；若敏感元件产生的电信号接入微分电路，则输出信号为加速度信号。磁电感应式传感器的测量电路5.1.2测量电路

1．积分电路已知速度

v、位移

x、时间

t的关系为（5-4）设敏感元件的输出电压为积分电路的输入电压ui，则积分电路的输出电压为（5-5）积分电路的输出电压uo正比于输入电压ui对时间的积分值，即正比于位移x。5.1.2测量电路

2．微分电路已知加速度

a、速度

v、时间

t的关系为（5-6）设敏感元件的输出电压为微分电路的输入电压ui，则微分电路的输出电压（5-7）微分电路的输出电压uo正比于输入电压ui对时间的微分值，即正比于RC。5.1.3磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器：从起源到广泛应用对比磁电感应式传感器在不同领域（汽车工业、工业自动化、航空航天）的应用特点，总结其能够广泛应用的原因。5.1.3磁电感应式传感器的应用

1．磁电感应式振动传感器组成：由钢制圆形外壳制成，里面用铝支架将圆柱形永磁体与外壳固定成一体，永磁体中间有一个小孔，穿过小孔的芯杆两端通过弹簧片支撑并架空，以架起线圈和阻尼器，弹簧片与外壳相连。连接方式：工作时，与被测物体刚性连接。工作原理：当被测物体振动时，磁电感应式振动传感器的外壳和永磁体随之振动，而架空的芯杆、线圈和阻尼器因惯性不随之振动。这样磁路空气间隙中的线圈切割磁感线，产生正比于振动速度的感应电压，线圈输出的感应电压通过引线送到测量电路。磁电感应式振动传感器的结构若测量电路中不含积分电路和微分电路，则磁电感应式振动传感器输出的是振动速度信号；若在测量电路中接入积分电路，则磁电感应式振动传感器输出的是位移信号；若在测量电路中接入微分电路，则磁电感应式振动传感器输出的是加速度信号。5.1.3磁电感应式传感器的应用

1．磁电感应式振动传感器磁电感应式振动传感器的结构5.1.3磁电感应式传感器的应用

2．磁电感应式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器的工作过程演示当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电感应式扭矩传感器输出的感应电压会出现什么情况？5.1.3磁电感应式传感器的应用

2．磁电感应式扭矩传感器组成：在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，齿形圆盘的径向侧装有两个磁电感应式扭矩传感器。磁电感应式扭矩传感器中的永磁体产生的磁感线与齿形圆盘交链。磁电感应式扭矩传感器的工作原理5.1.3磁电感应式传感器的应用

2．磁电感应式扭矩传感器工作原理：当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凹凸变化引起磁路空气间隙的变化，磁通量也随之发生改变，线圈中感应出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转数的乘积。当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电感应式扭矩传感器输出的感应电压

u1

和

u2

存在相位差。此相位差与扭转轴的扭转角成正比，而扭转角与扭矩成正比。这样磁电感应式扭矩传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成两个感应电压的相位差。磁电感应式扭矩传感器的工作原理5.1.3磁电感应式传感器的应用

3．电磁流量计电磁流量计的工作过程演示电磁流量计的基本原理是什么？目前常用的电磁流量计是基于电磁感应原理的一种流量测量装置，如图所示。组成：由产生匀强磁场的磁路系统、用不导磁材料制成的测量管道、管道横截面上的导电电极等组成。工作要求：磁场方向、管道轴线和电极连线三者在空间上互相垂直。5.1.3磁电感应式传感器的应用

3．电磁流量计5.1.3磁电感应式传感器的应用

3．电磁流量计当被测导电流体在管道中以一定流速

v流动时，导电流体切割磁感线。在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，若管道内导电流体的流速分布均匀，则两电极之间产生感应电压

u，其值与被测流体的流速成正比，即（5-8）相应地，导电流体的体积流量可表示为（5-9）管道内径导电流体的平均流速导电流体的体积流量与感应电压、管道内径成正比，与磁场的磁感应强度成反比。5.1.3磁电感应式传感器的应用

3．电磁流量计优点：压力损失小、适用范围广等。特点：它的测量管道内没有任何阻力件。适用测量场景：各种酸、碱、盐等腐蚀性介质或有悬浮颗粒的浆流等的流量测量。课堂检测1．恒磁通式敏感元件中，动圈型和动铁型的主要区别在于什么？（）A．使用的材料不同B．运动部件不同C．输出信号类型不同D．工作环境要求不同2．在恒磁通式敏感元件中，空气间隙中的磁通是恒定不变的。（）3．简述磁电感应式振动传感器的工作原理。B√课堂小结磁电感应式传感器敏感元件测量电路磁电感应式传感器的应用PART5.2

霍尔式传感器当你走近一个现代化的智能仓库，有没有想过，是什么让仓库的大门仿佛拥有了“眼睛”，自动为你缓缓打开？当你驾车接近收费站，为何栏杆能无需你停车刷卡就自动抬起？问题导入霍尔式传感器工作原理：利用霍尔效应，将被测量的变化转换成可用输出电信号的传感器。应用领域：自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。5.2.1敏感元件

1．霍尔效应定义：当电流通过一个位于磁场中的导体时，磁场会对导体中且与磁场方向垂直的电子产生一个垂直于电子运动方向的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电荷积累，形成电压的现象。早期后期霍尔效应产生的电压太小而没有得到应用随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，由其制成的霍尔元件体积小，利于集成，因此霍尔效应开始得到广泛应用。5.2.1敏感元件

1．霍尔效应当电流

I通过某些半导体材料时，若其载流子为电子，这些电子将会沿着与电流方向相反的方向运动，由于受到洛仑兹力FL的作用，电子将向一侧偏转，使该侧形成电子（负电荷）的积累，另一侧形成正电荷的积累，半导体材料的横向方向便形成了电场，该电场会阻止电子继续向侧面偏移。当电子所受到的电场力FE与洛仑兹力FL相等时，电子的积累便达到了动态平衡。此时，在横向两个面之间建立的电场称为霍尔电场EH，产生的电压称为霍尔电压UH。5.2.1敏感元件

1．霍尔效应点拨霍尔系数又称霍尔常数，其大小取决于材料中载流子的密度。通常来说，相同温度下，同种材料的半导体，其霍尔系数相同。霍尔系数半导体材料的厚度霍尔元件的灵敏度霍尔电压UH满足关系（5-10）霍尔电压主要由三个因素决定，即电流

I、半导体材料所处磁场的磁感应强度

B及半导体材料的厚度

d。由于霍尔电压与

d成反比，故制作霍尔元件的半导体一般比较薄。5.2.1敏感元件

1．霍尔效应知识链接霍尔电压与电流

I、磁感应强度

B成正比，且当

B的方向改变时，霍尔电压的方向也随之改变。若

B的方向不垂直于半导体平面，而是与其法线成某一角度

θ，那么，实际作用于半导体材料上的有效磁感应强度是其法向上的分量，即Bcosθ，这时的霍尔电压为

UH＝KHIBcosθ；若所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电压为同频率的交变电压。5.2.1敏感元件

2．霍尔元件头脑风暴想一想，霍尔元件在实际应用中有哪些优势？它又适用于哪些场合呢？霍尔式传感器的敏感元件为霍尔元件。原理：一种基于霍尔效应制成的半导体元件。常用的半导体材料：锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）以及由不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In型固熔体等。用途：检测磁场及磁场的变化，因此适用于各种与磁场有关的场合。5.2.1敏感元件

2．霍尔元件 1）结构

（a）外形

（b）结构

（c）图形符号霍尔元件霍尔元件是一种四端型元件，由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片。连接电源，称为控制电极输出引线，称为霍尔电极5.2.1敏感元件

2．霍尔元件 2）主要特性参数磁感应强度方向与霍尔片法向平行时，在单位控制电流和单位磁感应强度的作用下，霍尔元件所具有的霍尔电压称为霍尔元件的灵敏度系数。它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力。（1）霍尔元件的灵敏度系数霍尔元件在空气中产生的温升为10℃时，所对应的控制电流称为额定控制电流。以霍尔元件允许的最大温升为限制，所对应的控制电流称为最大允许控制电流。（2）额定控制电流和最大允许控制电流霍尔元件的两个控制电极间的电阻称为输入电阻。两个霍尔电极间的电阻称为输出电阻。（3）输入电阻和输出电阻在一定的磁感应强度和控制电流作用下，温度每变化1℃，霍尔电压变化的百分率，称为霍尔电压温度系数α。α的值越小越好。（4）霍尔电压温度系数5.2.2测量电路所施加的磁场方向一般与霍尔元件的平面垂直，在磁感应强度

B与电流

I的共同作用下，负载电阻器RL上便会有电压。在实际应用中，可以将

IB作为输入，也可将

I或

B单独作为输入，输出电压Uo与电流

I和磁感应强度

B成正比。霍尔式传感器的测量电路引线中，a、a′两端接电源E，可通过调节电阻器R的电阻来控制电流I；b、b′两端连接负载电阻器RL。5.2.2测量电路霍尔元件的输出电压一般比较小，因此需要用放大电路将其放大。为了获得较好的放大效果，通常采用差分放大电路，如图所示。霍尔式传感器的差分放大电路5.2.2测量电路启智润心在工程实践中，霍尔元件的效能提升主要依赖于材料的优化，正如个人通过不断学习和实践来提升自身能力。然而，单个元件的优化仅仅是基础，若要实现系统整体效能的跃升，还需要与其他元件形成协同工作机制，如霍尔式传感器需要与信号处理电路、电磁屏蔽装置等配合。这正如团队协作中，每位成员都需要充分发挥各自优势的同时，通过互补性合作实现目标。只有将内在的个体优化与外部的系统协作相结合，我们才能更好地应对错综复杂的挑战，最终达成全局效能的最大化。5.2.3霍尔式传感器的应用霍尔式位移传感器霍尔式转速传感器霍尔开关霍尔元件的优点：体积小、动态特性好、灵敏度高、频带宽度大等。霍尔式传感器被广泛应用于工业测量、自动控制等领域。5.2.3霍尔式传感器的应用

1．霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器是将两个磁场强度相等的磁铁以相同极性相对放置，并在两个磁铁中间的空隙中放置一个霍尔元件。霍尔式位移传感器的结构5.2.3霍尔式传感器的应用

1．霍尔式位移传感器当霍尔元件处于两块磁铁的正中间时，霍尔元件受到大小相等、方向相反的磁场作用，此时，磁感应强度B＝0，霍尔电压UH＝0

。当霍尔元件沿着

x轴方向移动Δx时，磁感应强度B

≠0，此时霍尔电压为（5-11）霍尔式位移传感器的灵敏度霍尔电压与位移Δx呈线性关系，并且霍尔电压的方向反映了位移的方向。目前，霍尔式位移传感器可用来测量1～2mm的微小位移，分辨率可达1μm，灵敏度可达30mV/mm以上。5.2.3霍尔式传感器的应用

2．霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器的工作过程演示霍尔式转速传感器除了用于检测车轮转速，还能应用在哪些领域，请举例说明其应用场景和工作方式。5.2.3霍尔式传感器的应用

2．霍尔式转速传感器工作原理：转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，在转盘附近固定不动的霍尔式转速传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，通过检测单位时间的脉冲数，便可知被测转轴的转速。根据转盘上小磁铁数目的多少就可以确定霍尔式转速传感器测量转速的灵敏度。（a）

（b）

（c）

（d）霍尔式转速传感器的常见结构5.2.3霍尔式传感器的应用

3．霍尔开关结构：由稳压器、霍尔元件、放大器、施密特整形电路、开关输出电路等部分组成的磁敏传感器。功能：感知与磁场有关的物理量，并以开关信号的形式输出。5.2.3霍尔式传感器的应用

3．霍尔开关工作原理：当磁场作用在霍尔元件上时，霍尔元件输出霍尔电压，经放大器放大后，若电压值比施密特整形电路的“开启”阈值大，施密特整形电路将会输出高电平信号，开关输出电路导通，霍尔开关处于闭合状态；反之，施密特整形电路将会输出低电平信号，开关输出电路截止，霍尔开关处于断开状态。5.2.3霍尔式传感器的应用

3．霍尔开关封装方式：采用环氧树脂进行封装，能够在各类恶劣环境下工作。应用场景：接近开关、压力开关、里程表等。特点：无触电、功耗低、使用寿命长、响应频率高等。技能实训1——测试磁电感应式传感器的性能将学生以5～6人为一组进行分组，各小组选出组长。各组按以下步骤测试磁电感应式传感器的性能。（1）观察磁电感应式传感器的结构。（2）按如图所示连接电路，将磁电感应式传感器两端接差动放大器的输入端，然后经低通滤波器接入示波器的一个通道。技能实训1——测试磁电感应式传感器的性能（3）调节差动放大器，使其增益适中，然后开启主机和低频振荡器，调节低频振荡器的振幅与频率，观察示波器中的波形变化情况。（4）在振动平台旁的支架上安装好电涡流式传感器与电涡流式传感器试验模块，安装位置以平台振动时不碰到线圈为宜。技能实训1——测试磁电感应式传感器的性能（5）将电涡流式传感器的输出端接入示波器的另一个通道，调节低频振荡器的振幅与频率，观察示波器中两个波形的变化情况，并进行比较。通过比较可知：磁电感应式传感器对速度敏感；电涡流式传感器对位移敏感。技能实训2——制作与调试转速测量装置将学生以5～6人为一组进行分组，各小组选出组长。各组按以下步骤制作与调试转速测量装置。1．认识霍尔传感器霍尔模块由ES3144芯片（霍尔式传感器，见图）、LM393芯片（双电压比较器）、电阻器搭建而成。将ES3144芯片印字面朝向观察者，从左到右的引脚分别为1、2、3。其中，引脚1接电源正极，引脚2接电源负极，引脚3为输出信号端。当磁极S靠近ES3144芯片印字面时，引脚3输出低电平，当磁极S远离后，引脚3输出高电平；当磁极N靠近ES3144芯片无字面时，引脚3输出低电平，当磁极N远离后，引脚3输出高电平。因此，在安装时，ES3144的芯片印字面和控制磁极的位置要做好相应的设置。技能实训2——制作与调试转速测量装置2．认识霍尔模块霍尔模块有四个引脚，引脚1为数字信号输出端，引脚2接电源正极，引脚3接电源负极，引脚4为模拟信号输出端。霍尔模块的外形

霍尔模块电路技能实训2——制作与调试转速测量装置3．制作与调试转速测量装置（1）在饮料瓶盖圆心处打孔，插入牙签，使牙签能带动瓶盖自由转动。将钕铁硼强力磁铁的N极用502胶水粘在饮料瓶盖一侧，并使S极朝外。（2）按如图所示连接电路。LED演示电路技能实训2——制作与调试转速测量装置（3）将霍尔模块的ES3144芯片印字面对准饮料瓶盖侧面的钕铁硼强力磁铁，距离控制在3mm以内。缓慢转动牙签，带动瓶盖转动，观察发光二极管LED的亮暗程度。将瓶盖旋转圈数与LED点亮次数记录在表中。3．制作与调试转速测量装置瓶盖旋转圈数123456LED点亮次数

数据记录表技能实训2——制作与调试转速测量装置（4）当增大旋转速度时，LED亮暗变化现象变得不明显，可将霍尔模块的信号输出端接单片机（AT89S52）的P3.2引脚，通过单片机的外部中断接口INT0记录脉冲个数，用定时器记录时间，从而计算出转速，霍尔模块与单片机接口电路如图所示。3．制作与调试转速测量装置霍尔模块与单片机接口电路课堂检测1．【多选】霍尔效应中，霍尔电压的大小与哪些因素有关？（）A．电流大小B．磁场强度C．半导体材料厚度D．环境温度2．霍尔式位移传感器的霍尔电压与______呈线性关系。3．简述霍尔式转速传感器的工作原理。ABC位移课堂小结霍尔式传感器敏感元件测量电路霍尔式传感器的应用0102030405新建班级新建作业成绩统计布置作业学生扫码做小提示：生成的班级二维码，放在下一页ppt中即可。放入二维码后，记得取消“隐藏幻灯片”哦~扫码布置本课作业↑↑↑扫码布置作业wenjingketang扫码填写问卷定制更实用的教学资源对课件有修改、优化建议平台使用遇到问题想免费使用平台、免费建课扫码加小旌好友为您提供专属服务哦谢谢观看传感器与测试技术所有教学资源，我们给；所有复杂操作，我们做；图书附赠，永久免费，只为老师用书更方便课件教案微课扫码题库建课互评考试平台

学习工具第1章传感器与测试系统概述第2章电阻式传感器第3章电感式传感器第4章电容式传感器第5章磁电式传感器第6章光电式传感器第7章热电式传感器第8章声波式与辐射式传感器第9章其他传感器第10章传感器的综合应用第6章光电式传感器掌握一般光电式传感器、光纤传感器、光栅式传感器和CCD图像传感器的结构。掌握一般光电式传感器、光纤传感器、光栅式传感器和CCD图像传感器的工作原理。了解一般光电式传感器、光纤传感器、光栅式传感器的应用类型，以及CCD图像传感器的应用场合。具备团结协作的团队精神和高度社会责任感。知识目标素质目标能制作与调试简易光控灯。能使用光纤传感器测量位移。技能目标【光纤传感器】6.2【一般光电式传感器】6.1【光栅式传感器】6.3【CCD图像传感器】6.4PART6.1

一般光电式传感器在日常生活中，我们经常会遇到一些能够根据环境光线自动调节的设备，比如自动感应灯，它们在天黑时自动亮起，天亮时自动熄灭。你们有没有想过，这些设备是如何感知光线变化，并自动做出反应的呢？问题导入一般光电式传感器一般光电式传感器是将光信号（光强、频率等）转换成可用输出电信号的装置。先将被测量的变化转换成光信号的变化通过光电器件的光电效应，将光信号的变化转换成可用输出电信号的变化这样就实现了将被测量的变化转换成可用输出电信号的变化。实际应用转换步骤6.1.1光电效应光的本质：由具有一定能量（光能）的光子组成。光子能量决定因素：由光的频率（波长）决定。光点效应：当超过特定频率的光照射在物体上时，物体受到一连串光子的轰击，物体中的电子吸收光能，导致物体的电学性质发生变化，出现电子逃逸的现象。光电子：光电效应中释放出的电子。光电器件（光敏器件）：根据光电效应制作的光电转换元器件。6.1.1光电效应

1．外光电效应定义：当光照射到金属或金属氧化物等物体上时，部分光能传递给物体表面的电子，如果入射到物体表面的光能使电子获得足够的能量，电子就会克服正离子对它的吸引力，脱离物体表面而进入外界空间，即在光的照射下，物体内的电子逸出物体表面并向外发射的现象。光照前光照后6.1.1光电效应

1．外光电效应定义：在光的照射下，物体内的电子逸出物体表面并向外发射的现象。修改6.1.1光电效应

2．内光电效应定义：物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸出物体的现象。定义：在光照作用下，物体中的电子在吸收光能后从键合状态过渡到自由状态，从而引起物体电阻率的变化的现象。对应光电器件：光敏电阻器等。光电导效应光生伏特效应定义：物体受光照时，激发出的光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对应光电器件：光电池、光电二极管、光敏晶体管等。光照后6.1.2光电器件光电器件光电管光电倍增管光敏电阻器光电二极管光电池6.1.2光电器件

1．光电管

1）结构光电管的结构由一个阴极（K）和阳极（A）构成，阴极和阳极封装在一个真空玻璃壳内。装在玻璃管的内壁上，其上涂有光电材料，或者在玻璃管内装入柱面形金属板，在此金属板内壁上涂有阴极光电材料。通常用金属丝，并将金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。6.1.2光电器件

1．光电管

2）工作原理当入射光照射到阴极时，光能传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，电子就有可能克服金属表面对其的束缚，逸出金属表面。当光电管阳极加上适当电压（数十伏）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。光电流正比于光电子数，光电子数又正比于光通量。光电管的结构6.1.2光电器件

1．光电管

2）工作原理点拨光电管分为真空光电管和充气光电管两种。充气光电管的结构与真空光电管的结构基本相同，所不同的是充气光电管内部充有低压惰性气体（如氩气、氖气）。光电管的工作原理在光电管外电路中串入一只适当电阻的电阻器，电路中的电流便转换成电阻器上的电压，该电流或电压的变化与光通量成一定函数关系，从而实现光电转换。6.1.2光电器件

2．光电倍增管

1）结构光电管产生的光电流很小，不容易探测到微弱的入射光，因此常用光电倍增管（见图）对电流或电压进行放大。光电倍增管的组成玻璃壳阴极阳极倍增极（D）引出插脚（a）外形

（b）结构6.1.2光电器件

2．光电倍增管

2）工作原理光电倍增管的阴极和阳极之间设置了许多二次发射电极，它们分别称为第一倍增极D1、第二倍增极D2

……，相邻电极间通常加上100V左右的电压，使电位逐级升高，其中阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差一般为600～1200V。光电倍增管的工作原理6.1.2光电器件

2．光电倍增管

2）工作原理当微光照射阴极时，从阴极上逸出的光电子在阴极、D1

之间的电场中加速，并以很高的速度轰击D1

，将光电子的能量传递给D1

表面的电子，使电子由D1

表面逸出，这些电子称为二次电子，一个光电子可以产生多个二次电子。D1发射出来的二次电子被D1

、D2

之间的电场加速，射向D2

，并再次产生更多的二次电子，这样逐级递进，一直到最后到达阳极为止。若每级的二次电子倍增率为

δ，共有

n级，则阳极得到的光电流是光电管的δn倍，因此光电倍增管灵敏度极高，其光照特性基本是一条直线。光电倍增管的工作原理6.1.2光电器件

3．光敏电阻器器件定义：基于光电导效应的光电器件。器件属性：一种电阻元件。器件优点：灵敏度高、体积小、质量小、光谱响应范围宽、机械强度高等。6.1.2光电器件

3．光敏电阻器

1）结构点拨金属与半导体接触时可以形成非整流接触，这种接触称为欧姆接触。它不产生明显的附加阻抗，也不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。对于重掺杂半导体，它与金属的接触有近似的线性和对称的伏安特性，并且有较小的接触电阻，是接近理想的欧姆接触。

（a）环氧树脂封装

（b）金属封装它由一块两边带有金属电极的光敏半导体组成，电极和半导体之间组成欧姆接触。为了提高灵敏度，常将两电极做成梳状。6.1.2光电器件

3．光敏电阻器

2）工作原理无光照时：光敏电阻器具有很高的阻值。受到光照并且光辐射能量足够大时：电子激发：光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度的光子激发，价带中的电子吸收光能后跃迁到导带，在价带中就留有空穴，这样，导带中的电子和价带中的空穴增加。导电过程：在外加电压的作用下，导带中的电子和价带中的空穴同时在参与导电，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的电阻迅速下降。光照停止后：自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。光敏电阻器的工作原理6.1.2光电器件

3．光敏电阻器

2）工作原理知识链接在固体物理学中，固体的能带结构（又称电子能带结构）描述了禁止或允许电子带有的能量，主要分为价带、导带和禁带三部分。价带：半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子占满的最高能带。导带：由自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。禁带：在能带结构中能态密度为零的能量区间，常用来表示价带和导带之间能态密度为零的能量区间。6.1.2光电器件

3．光敏电阻器

2）工作原理点拨常用的光敏电阻器有硫化镉（CdS）光敏电阻器和硒化镉（CdSe）光敏电阻器。其中，硫化镉光敏电阻器的光谱响应特性最接近人眼光谱视觉效率，在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此广泛用于灯光的自动控制、相机的自动测光等。6.1.2光电器件

4．光电二极管

1）结构光电二极管是一种PN结型半导体器件，其PN结装在管顶部的管芯中，以便接受光照，上面有一个由玻璃透镜制成的窗口，可使入射光集中在敏感面上，如图所示。

（a）外形

（b）结构6.1.2光电器件

4．光电二极管

2）工作原理光电二极管是基于半导体光生伏特效应制成的光电器件。光电二极管的工作原理光电二极管工作时外加反向电压，在没有光照时，反向电阻很大，反向电流很小，此时光电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，此时光电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，从而使通过光电二极管的电流发生变化。这样，光电二极管就实现了光信号到电信号的转换。6.1.2光电器件

5．光电池

1）结构光电池的定义：利用光生伏特效应把光能直接转换成电能的光电器件。光电池的特性：光电池在有光照射时其实质就是电源，此时电路中就不需要外加电源。由于光电池广泛用于太阳能到电能的转换，因此又称太阳能电池。常用光电池的类型：硅光电池硒光电池在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质形成PN结。在铝片上涂硒（P区），再用溅射的工艺，在硒层上形成半透明的氧化镉（N区），在正、反两面喷上低融合金作为电极。6.1.2光电器件

5．光电池

2）工作原理光电池通常是在N型衬底上掺入P型杂质形成一个大面积的PN结，并将PN结作为光照敏感面。当入射光照在PN结上时，PN结附近激发出电子-空穴对，在势垒电场作用下，PN结将光电子拉向N区，并将光生空穴推向P区，使P区带正电，N区带负电，这样PN结就产生了电位差。若将PN结与负载相连接，则电路中有电流通过，电流的方向由P区经外电路至N区。6.1.3一般光电式传感器的应用一般光电式传感器模拟光电式传感器脉冲光电式传感器按接收状态的不同6.1.3一般光电式传感器的应用

1．模拟光电式传感器工作原理：光电器件的光电流随光通量的变化而变化，是光通量的函数，即对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测量的变化而变化，这样光电流就成为被测量的函数。应用场景：大都用于测量位移、表面粗糙度、振动等参数。测量方式：模拟光电式传感器的测量方式吸收式反射式按被测物、光源、光电器件三者之间的关系遮光式辐射式6.1.3一般光电式传感器的应用

1．模拟光电式传感器吸收式定义：光源发射的光穿过被测物体，一部分光由被测物吸收，另一部分光照射到光电器件上。应用场景：透明度测量、浊度测量等。6.1.3一般光电式传感器的应用

1．模拟光电式传感器知识链接监测工业烟尘污染是环境保护的重要任务之一，为了控制工业烟尘污染，首先要获取烟尘排放量的数据，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟尘浊度是通过烟气传播过程中光的变化来检测的。如果烟尘浊度增大，光源发出的入射光被烟尘颗粒吸收和折射，从而使到达光探测器的光减少，因此通过光电式传感器输出信号的强度可以反映烟尘浊度的变化。吸收式烟尘浊度检测系统的工作原理6.1.3一般光电式传感器的应用

1．模拟光电式传感器反射式定义：光源发射的光照射到被测物体上，被测物体将部分光反射到光电器件上，反射的光通量与反射表面的性质、状态和光源间的距离有关。应用场景：位移测量、振动测试、工件表面粗糙度检测等。遮光式定义：光源发射的光被被测物体遮去一部分，使作用在光电器件上的光减少，减少程度与被测物体在光学通路中的位置有关。应用场景：非接触式位置测量、工件尺寸测量等。6.1.3一般光电式传感器的应用

1．模拟光电式传感器辐射式定义：将光源作为被测物体，光源发出的光投射到光电器件上，光电器件的输出信号反映了光源的某些参数。应用场景：非接触式高温测量、照度测量等。6.1.3一般光电式传感器的应用

2．脉冲光电式传感器工作原理：光电器件的输出仅有两个稳定状态，即“通”与“断”的开关状态，当光电器件受到光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。常见用途：作为继电器和脉冲发生器使用，如光电式数字转速表、路灯自动控制器等。6.1.3一般光电式传感器的应用

2．脉冲光电式传感器光电式数字转速表在被测转速的电机上固定一个具有均匀分布齿轮的调制盘，当电机转轴转动时，将带动调制盘转动，光源发出的恒定光被调制成随时间变化的调制光，透光与不透光交替出现，由光电二极管组成的光电器件将间歇地接收到光信号，从而输出电脉冲信号。电脉冲信号再经放大整形电路调制成整齐的脉冲信号，通过测定该脉冲信号的频率来确定电机的转速。光电式数字转速表的工作原理6.1.3一般光电式传感器的应用

2．脉冲光电式传感器当夜晚来临时，光线变暗，VD截止，VT1饱和导通，VT2截止，继电器K线圈失电，其常闭触点S1闭合，路灯HL点亮。天亮后，当亮度达到预定值时，VD导通，VT1截止，VT2饱和导通，继电器K线圈带电，其常闭触点S1断开，路灯HL熄灭。路灯自动控制器路灯自动控制器的工作原理光电二极管6.1.3一般光电式传感器的应用

2．脉冲光电式传感器当夜晚来临时，光线变暗：VD截止。VT1饱和导通，VT2截止。继电器K线圈失电。常闭触点S1闭合，路灯HL点亮。路灯自动控制器路灯自动控制器的工作原理光电二极管修改课堂检测1．下列哪种器件是基于光电导效应制成的？（）A．光电管B．光电倍增管C．光敏电阻器D．光电池2．光敏电阻器在无光照时具有很高的阻值。（）3．简述光电管的工作原理。C√课堂小结一般光电式传感器光电效应光电器件一般光电式传感器的应用PART6.2

光纤传感器大家在医院纪录片里见过医生用“内窥镜”给病人做检查吗？一根细细的管子伸进体内，就能清晰看到胃里的情况，既不用开刀，又能精准观察。这根管子里藏着什么秘密？问题导入光纤传感器特点：灵敏度高、电绝缘性能好、结构简单、体积小、质量小、不受电磁干扰、光路可弯曲、便于实现遥测、耐腐蚀、耐高温等。应用：位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、电流、磁场、辐射强度等物理量的测量。在制造业、军事、航空、航海等领域广泛应用。原理：光在光纤中传播时，表征光波的特征参量（如振幅、相位、偏振态、波长等）会因外界因素（如温度、压力、磁场、电场等）的直接或间接作用而发生变化，因此可将光纤作为传递这些敏感信息的介质。6.2.1光纤

1．结构光纤一种具有多层介质结构的同心圆柱体位置：位于光纤的中心部位。材料：由玻璃、石英或塑料制成。位置：围绕纤芯的圆形外层。材料：玻璃或塑料。特性：折射率略小于纤芯的折射率。光纤的组成纤芯包层保护层作用：提高光纤的机械强度，增加光纤的柔韧性。涂敷层位置：涂敷层外面。特点：颜色不同。作用：保护光纤，通过颜色区分光纤的种类。保护套6.2.1光纤

1．结构点拨纤芯直径较小，一般为9μm或10μm，只能传输一种模式，适用于远程信号传输。纤芯直径较大，一般为50μm或62.5μm，传输距离一般只有几千米。光纤单模光纤多模光纤按传输模式的不同6.2.1光纤

2．传输原理光纤是利用光的全反射现象进行传输的。光在同一种介质中是沿直线传输的。当光在不同介质中传播时，会产生折射现象，若光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角时，会产生全反射现象。设光纤周围介质的折射率为n0（空气n0＝1），纤芯折射率为n1，包层折射率为n2，且n1﹥n0、n1＞n2，当光从周围介质入射到纤芯的端面，并与轴线的夹角为

θ0

时，光在纤芯内的折射角为

θ，然后以φ1（φ1＝90°﹣θ1）角度入射到纤芯与包层的界面，根据光的折射定理，有（6-1）光纤的传输原理6.2.1光纤

2．传输原理当入射光在纤芯与包层的界面上发生全反射时，光就不会折射到包层内，而是不断地进行全反射，最终从光纤的另一端面射出。光发生全反射的条件为（6-2）将式

代入上式可知，光入射到光纤端面的入射角θ0应满足（6-3）光纤的数值孔径光入射到光纤端面的临界角光入射到纤芯与包层界面的临界角6.2.1光纤

2．传输原理知识链接光纤的数值孔径（NA）是光纤能接收光辐射角度范围的参数，反映光纤的集光能力。NA值越大，表明光纤可以在较大的入射角范围内输入全反射光，接收光的能力就越强，光纤与光源的耦合也更容易，且能保证实现光的全反射，并向前传播。也就是说，在光纤端面，无论光源的发射功率有多大，只有在张角内的入射光才能被光纤接收、传播。如果入射角超出这个范围，进入光纤的光将会进入包层而消失，如图所示。6.2.1光纤

2．传输原理式

给出了发生光的全反射时入射光在光纤端面的入射角范围，若入射角

θ0

大于临界角

θ0c

，则进入光纤的光就会在纤芯与包层的界面处发生折射，然后透入包层而很快消失。在实际工作中光纤需要弯曲，只要仍能满足全反射条件，光仍能继续前进。可见，光纤能够使空气中直线传播的光随光纤弯曲而走弯曲路线，光的“转弯”实际上是由很多直线的全反射来实现的。6.2.2光纤传感器的结构光纤传感器非功能型（传光型）光纤传感器功能型（传感型）光纤传感器按光纤在传感器中功能的不同原理：利用光纤本身的特性，将光纤作为传感器的敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率、偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得到被测信号。常用的功能型光纤传感器：相位调制型光纤温度传感器、偏振调制型光纤电流传感器等。原理：利用其他敏感元件来感受被测量的变化，与其他敏感元件共同组成的传感器。其中，光纤只作为光的传输介质。常用的非功能型光纤传感器：光纤液位探测器、光纤位移传感器等。6.2.2光纤传感器的结构1．光源分类：相干光源：各种激发器；非相干光源：白炽灯、发光二极管等。要求：光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、亮度足够、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。3．信号处理系统光电器件输出的电信号被送入信号处理系统进行处理并输出，最终得到所需要的电信号。2．光电器件作用：把传送到接收端的光信号转换成电信号。常用类型：光电二极管、光电晶体管、光电倍增管、光电池等。重要性：在光纤传感器中地位重要，其灵敏度、带宽等参数直接影响传感器总体性能。相位调制型光纤温度传感器的工作原理6.2.3光纤传感器的应用

1．功能型光纤传感器1）相位调制型光纤温度传感器基本原理：温度变化能引起光纤中光的相位变化，通过光干涉仪检测相位的变化就可测得温度值。激光器发出的激光束经扩束器对光束直径进行放大后，再经分光板将光束分别送入参考光纤和测量光纤参考光纤置于恒温器内，测量光纤置于被测温度场中当温度变化时，测量光纤中光的相位随之发生变化将测量光纤和参考光纤的输出端耦合在一起，两束光将发生干涉，产生干涉条纹，温度变化会引起干涉条纹的移动，根据干涉条纹移动的数量，就可以推算出温度的变化值6.2.3光纤传感器的应用

1．功能型光纤传感器相位调制型光纤温度传感器的工作原理相位调制型光纤温度传感器中，光源发出的光在分束器处发生了什么现象？6.2.3光纤传感器的应用

1．功能型光纤传感器2）偏振调制型光纤电流传感器偏振调制型光纤电流传感器可以对高压输电线路中的大电流进行监测，其工作原理如图所示。根据法拉第旋光效应，由电流形成的磁场会引起光纤中的线偏振光的偏转。激光器发出的激光束经过起偏器后变成线偏振光，线偏振光耦合到光纤内，光纤绕在半径为R的高压载流导线上。设流过导线的电流为I

，由此产生的磁场强度H

满足安培环路定律。对于无限长导线有（6-4）6.2.3光纤传感器的应用

1．功能型光纤传感器2）偏振调制型光纤电流传感器偏振调制型光纤电流传感器可以对高压输电线路中的大电流进行监测，其工作原理如图所示。由磁场产生法拉第旋光效应，引起线偏振光的偏振角

θ

为（6-5）维尔德常数受磁场作用的光纤长度6.2.3光纤传感器的应用

1．功能型光纤传感器2）偏振调制型光纤电流传感器偏振调制型光纤电流传感器可以对高压输电线路中的大电流进行监测，其工作原理如图所示。受磁场作用的光束经偏振棱镜分束后分解为振动方向相互垂直的两束偏振光，分别进入两个光电器件，光电器件输出电流信号I1和

I2，经信号处理后的输出信号

y为（6-6）即

（6-7）与光纤性能有关的系数光纤在导线上绕制的匝数6.2.3光纤传感器的应用

1．功能型光纤传感器2）偏振调制型光纤电流传感器式和式表明，只要K、V

和

N已知，利用减法器、加法器和除法器对I1

、I2

进行处理，就可得到输出信号

y，由此确定被测电流值

I。6.2.3光纤传感器的应用

2．非功能型光纤传感器1）光纤液位传感器光纤液位传感器由光源、光电器件、光纤等部分组成。对于单一液体的检测当测头没有接触液面时，光在圆锥体反射器内发生全发射后由光电器件接收。当测头接触液面时，光在圆锥体反射器发生的全反射被破坏，部分光透入液体内，光电器件接收的光减弱，光强的突变表明测头已接触到液位。对于具有明显分层面液体的检测，由于光电器件接收的光强与液体的折射率有关，根据光强可知测头处于何种液体中，由此可判断不同液体的液面。

（a）单一液体的检测

（b）具有明显分层面液体的检测光纤液位传感器的工作原理顶端有一个圆锥体反射器6.2.3光纤传感器的应用

2．非功能型光纤传感器1）光纤液位传感器被测液体的折射率与光强之间具有很好的相关性，当折射率有微小差别时，光强变化很大。同一种液体在不同浓度时其折射率也不同。因此，光纤传感器经过标定后可作为浓度计使用。当被测表面紧贴光纤探头时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中，光电器件就不能产生光电流信号。当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积

A越来越大，相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大，接收光纤端面上被照亮的区域B2也越来越大，光电器件产生的光电流也随之增大，在光纤位移传感器的输出特性曲线中，这段曲线称为前坡区。6.2.3光纤传感器的应用

2．非功能型光纤传感器2）光纤位移传感器（a）工作原理

（b）输出特性曲线输出的光电流与位移

x成正比，利用这一特性可实现微小位移和表面粗糙度等参数的测量。6.2.3光纤传感器的应用

2．非功能型光纤传感器2）光纤位移传感器当接收光纤端面被全部照亮时，输出的光电流达到最大值，即曲线的“光峰”点。（a）工作原理

（b）输出特性曲线利用光峰点可以检测被测表面的状态。6.2.3光纤传感器的应用

2．非功能型光纤传感器2）光纤位移传感器当被测表面继续远离光纤探头时，由于被反射光照亮的面积B2大于接收光纤的截面积，有部分反射光没有进入接收光纤，接收到的光强逐渐减弱，光电器件产生的光电流也逐渐减小，在光纤位移传感器的输出特性曲线中，这段曲线称为后坡区。此外，在光纤位移传感器探头的前面加一个弹性膜片，就可以将压力变化转换成微小位移变化，从而实现压力的测量。（a）工作原理

（b）输出特性曲线输出的光电流与x2成反比，利用这一特性可实现远距离位移的测量。课堂检测1．光纤传输基于什么现象？（）A．折射B．散射C．全反射D．衍射2．光纤的包层折射率______纤芯的折射率。3．简述光纤传输的原理。C小于课堂小结光纤传感器光纤光纤传感器的结构光纤传感器的应用PART6.3

光栅式传感器在精密加工和测量领域，对物体的位移、速度和加速度等参数的精确测量至关重要。那么，你们知道工程师们是如何实现这些高精度测量的吗？问题导入光栅式传感器定义：利用光栅的莫尔条纹现象，将光栅作为测量元件的一种光电式传感器。优点：结构原理简单、测量精度高等。应用：在数控机床和仪器的精密定位，以及长度、速度、加速度、振动等的测量方面得到了广泛应用。6.3.1光栅

1．结构在玻璃尺或金属尺上类似于刻线标尺那样，进行密集刻划（刻线密度一般为每毫米25、50、100或250线），得到如图所示的明暗相间的条纹，未刻划的地方透光（或反光），刻划的地方不透光（或不反光），这就是光栅。光栅上的刻线称作栅线，栅线的宽度为

a，缝隙宽度为

b，一般取a＝b

，W（W＝a＋b

）称为光栅的栅距。光栅的栅线6.3.1光栅

1．结构点拨光栅透射光栅反射光栅按应用场合的不同光栅测量角位移的圆光栅测量线位移的长光栅按用途的不同径向光栅切向光栅幅值（黑白）光栅相位（闪耀）光栅6.3.1光栅

2．工作原理

1）莫尔条纹莫尔条纹的斜率为（6-8）将栅距相同的两光栅以刻面相对重叠在一起，中间留有适当的间隙，且两光栅的栅线错开一个很小的角度

θ，当两光栅相对移动时，在明亮的背景下可以得到明暗相间的莫尔条纹。在

m-m线上，两光栅的栅线彼此重合，光从缝隙中通过并形成亮带；在n-n线上两光栅彼此错开，形成暗带。亮（暗）带的倾斜角两光栅的栅线夹角6.3.1光栅

2．工作原理

1）莫尔条纹莫尔条纹的间距

L为（6-9）当

θ

很小时，上式可简化为（6-10）将栅距相同的两光栅以刻面相对重叠在一起，中间留有适当的间隙，且两光栅的栅线错开一个很小的角度

θ，当两光栅相对移动时，在明亮的背景下可以得到明暗相间的莫尔条纹。在

m-m线上，两光栅的栅线彼此重合，光从缝隙中通过并形成亮带；在n-n线上两光栅彼此错开，形成暗带。莫尔条纹的间距L

由栅距

W和栅线夹角

θ

决定。对于给定栅距的光栅，θ

越小，L

越大。通过调整

θ，可获得所需要的L

值。6.3.1光栅

2．工作原理

2）莫尔条纹的性质莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的，对光栅的刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距局部误差和短周期误差的影响，从而提高光栅式传感器的测量精度。（1）莫尔条纹的误差平均效应莫尔条纹的移动与光栅的移动具有对应关系，即光栅每移动一个栅距

W，莫尔条纹跟着移动一个莫尔条纹间距

L。固定一个光栅，如果另一个光栅向右移动时，莫尔条纹将向上移动；如果另一个光栅向左移动，莫尔条纹将向下移动。因此，可通过莫尔条纹的移动方向判别光栅的运动方向。（2）莫尔条纹的移动方向当光栅相对移动一个栅距

W时，莫尔条纹上下移动一个莫尔条纹间距

L。由式

可知，

θ越小，

L越大，相当于将被测位移放大为原来的1/θ

倍。（3）对位移的放大作用6.3.2光栅式传感器的结构光栅式传感器的组成主光栅光栅读数头光栅数显装置把被测量转换成相应的电信号。是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。6.3.2光栅式传感器的结构

1．主光栅（标尺光栅）一般将主光栅和光栅读数头中的指示光栅统称为光栅副，如图所示。长的一块为主光栅，短的一块为指示光栅。主光栅与指示光栅面对面叠合在一起，两者之间保持很小的间隙。主光栅的有效长度表征了光栅式传感器的有效测量范围，指示光栅比主光栅短得多。工作时，主光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，指示光栅则相对于光电器件固定。6.3.2光栅式传感器的结构

2．光栅读数头

（a）外形

（b）内部结构获取光栅莫尔条纹并实现光电转换的装置通常采用白炽灯光路过程：白炽灯发出的光经过透镜后变成平行光束，照射在主光栅上，经过指示光栅后形成莫尔条纹并照射在光电器件上。功能：实现对光电器件输出的信号进行功率放大和电压放大。由于输出的电压信号比较微弱，因此必须将输出的电压信号进行放大处理，以避免其在传输过程中被多种干扰信号所淹没、覆盖，使输出的电压信号失真。6.3.2光栅式传感器的结构

3．光栅数显装置

1）辨向电路实际应用时，大部分被测物体往往是做往复运动的，其中既有正向运动，又有反向运动，因此必须正确辨别光栅的运动方向。为了实现辨向，可在相L/4的位置安装两个光电器件，如图所示。两个光电器件可获得两个相位相差90°的电压信号u1和u2，然后将其送到辨向电路中处理。一般为光栅数显表两个光电器件的位置6.3.2光栅式传感器的结构

3．光栅数显装置

1）辨向电路光栅式传感器的输出信号有方波和正弦波两种形式，现以正弦波光栅的辨向电路（见图）为例进行分析。正弦波光栅的辨向电路

（a）正向移动时的波形

（b）反向移动时的波形正弦波光栅辨向电路各点的波形6.3.2光栅式传感器的结构

3．光栅数显装置

1）辨向电路当主光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，光电器件1的输出电压u1

比光电器件2的输出电压u2

超前90°相位角，如图（a）所示。u″1

是u′1反相后得到的方波。u′W1和u″W1是u′1

和u″1

两个方波经微分电路后得到的波形。对于与门Y1，由于u′W1

处于高电平时，u′2总处于低电平，因此Y1输出为零；对于与门Y2，由于u″w1处于高电平，因此Y2有信号输出，并使触发器置1，可逆计数器做加法计数。

（a）正向移动时的波形

（b）反向移动时的波形正弦波光栅辨向电路各点的波形6.3.2光栅式传感器的结构

3．光栅数显装置

1）辨向电路当主光栅反向移动时，莫尔条纹向下移动，光电器件2的输出电压u2比光电器件1的输出电压u1超前90°相位角，如图（b）所示。u″1是u′1反相后得到的方波。u′W1和u″W1是u′1和u″1两个方波经微分电路后得到的波形。对于与门Y1，u′W1处于高电平时，

u′2总处于高电平，因此Y1有信号输出；对于与门Y2，

u″w1

处于高电平，

u′2处于低电平，因此Y2输出为零，并使触发器置0，可逆计数器做减法计数。

（a）正向移动时的波形

（b）反向移动时的波形正弦波光栅辨向电路各点的波形6.3.2光栅式传感器的结构

3．光栅数显装置

1）辨向电路

（a）正向移动时的波形

（b）反向移动时的波形正弦波光栅辨向电路各点的波形正向移动时脉冲数累加，反向移动时便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅式传感器就可实现辨向了。6.3.2光栅式传感器的结构

3．光栅数显装置

2）细分电路利用光栅式传感器进行测量时，若两光栅相对移动一个栅距，则莫尔条纹移动一个莫尔条纹间距，输出信号变化一个周期，产生一个脉冲间隔，即分辨率为一个栅距。提高分辨率的传统方法可增大刻线密度来减小栅距，但这种方法受到制造工艺和成本的限制。提高分辨率的有效方法可采用细分电路，即在莫尔条纹信号变化的一个周期内，发出若干个计数脉冲，以减小每个脉冲表征的位移量，即减小脉冲当量。6.3.2光栅式传感器的结构

3．光栅数显装置

2）细分电路（1）直接细分法（位置细分法，常用的细分数为4）在一个莫尔条纹间距内并列放置四个光电器件P1、P2、P3、P4，当莫尔条纹移动时，四个光电器件依次输出相位差为90°的电压信号。由过零比较器鉴别出四个信号的零电平，并发出计数脉冲，即一个莫尔条纹周期内可发出四个脉冲，脉冲当量为W/4，从而实现了四细分。特点：对莫尔条纹信号波形要求不高，且电路简单，可用于静态和动态测量系统，但受光电器件放置位置的限制，细分数不高。电阻桥细分电路是由两个同频率的信号源u1＝Umsinφ、u2＝Umcosφ以及若干电阻器组成的电桥，其工作原理如图所示。输出电压uo为（6-11）输出电压uo是两个正交旋转矢量之和，其幅值Uom和超前u1的相位角

θ

分别为（6-12）6.3.2光栅式传感器的结构

3．光栅数显装置

2）细分电路（2）电阻桥细分法调整电阻比R1/R2，就可获得不同的相位角θ

。若把几个电位器并联，并使各触点处于不同的位置，即电阻比R1/R2互不相同，就可获得几个相位不同的正弦信号。6.3.2光栅式传感器的结构

3．光栅数显装置

2）细分电路（2）电阻桥细分法如果采用如图所示电路，并把直接细分所获得的相位差为90°的四个正弦信号，分别加至电路的四个顶点，就可获得在0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°范围内的正弦相移信号。6.3.3光栅式传感器的应用

1．光栅式位移传感器光栅式位移传感器的结构固定在机床床身上固定在机床的运动部件上，可以往复运动工作原理：当两光栅相对移动时便产生莫尔条纹，该条纹随主栅以一定的速度移动，用光电器件检测条纹亮度的变化，即可得到周期性变化的电信号。电信号通过前置放大器送入光栅数显装置，光栅数显装置直接显示被测位移的大小。安装时，保证一定的间隙6.3.3光栅式传感器的应用

1．光栅式位移传感器光栅式位移传感器的结构一般为钨丝灯泡，近年来随着半导体发光器件的发展，也常采用发光二极管。通常为光电池或光电三极管，用于接收莫尔条纹的移动，从而测出被测物体的位移。选择光电器件时，应使其敏感波长与光源的波长接近，以获得较高的转换效率。光栅式万能测长仪的工作原理6.3.3光栅式传感器的应用

2．光栅式万能测长仪采用透射式黑白振幅光栅，光栅栅距W＝0.01μm；采用四裂相光栅，其与主光栅之间的间隙为0.02nm～0.035mm；照明光源采用TIL-23型发光二极管，其发光光谱为930～l000nm；光电器件采用LS600型光电三极管。工作原理：光通过主光栅和指示光栅后，形成莫尔条纹，当两块光栅相对移动时，便可产生周期性变化的光通量。利用四裂相指示光栅依次获得sinθ

、cosθ、﹣sinθ和﹣