传感基础技术 3

电气工程学院2022年9月项目七速度的检测任务一电动机转速检测任务二自行车行车速度检测任务一电动机转速检测一、任务介绍任务一电动机转速检测随着现代工业的快速发展，各种控制系统对工业设备的自动化程度、复杂性以及环境适应性均提出了越来越高的要求，在工业生产过程中需要采集、处理和传输的信息量也越来越多。其中，速度作为能源设备与动力机械性能测试中的特性参量，是社会生产和日常生活中重要的测量和控制对象。一、任务介绍任务一电动机转速检测在电动机电气设备的运转控制中，对转速的测量能够有效监控设备运转的平稳性，从而达到工况监测、提高安全生产质量的要求。一、任务介绍任务一电动机转速检测在机器人自动化技术中，转速与直线运动速度常被作为控制系统的核心控制变量，是衡量机器人自动化控制系统性能的重要指标之一。在导航控制技术中，实时监测飞行器的飞行速度，对飞行安全与飞行任务的顺利执行有着重要的保障意义。一、任务介绍任务一电动机转速检测军事技术航空航天车辆工程......光电传感器光电效应及其典型器件光电传感器的结构组成与分类工作原理、特点分析及其实际应用二、光度学与光电效应1、光谱与可见光任务一电动机转速检测

光是一种电磁波，按照波长或频率次序排列的电磁波序列称为光谱。光的波长越短，所对应的频率就越高。光是由光子为基本粒子组成，具有粒子性与波动性，称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。

可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，它只组成了整个电磁波谱的一小部分，如图所示。人眼可以看见的光的范围受大气层影响，大气层对于大部分的电磁辐射来讲都是不透明的，只有可见光波段和其他少数如无线电通讯波段等例外。不少其他生物能看见的光波范围跟人类不一样，例如包括蜜蜂在内的一些昆虫能看见紫外线波段，对于寻找花蜜有很大帮助。二、光度学与光电效应2、光电效应任务一电动机转速检测光电效应由德国物理学家赫兹于1887年在证明波动理论实验中首次发现，当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电火花。对发展量子理论起了根本性作用。1902年，勒纳德（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释。1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。二、光度学与光电效应2、光电效应任务一电动机转速检测光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectriceffect）。

光电传感器进行非电量检测的理论基础是光电效应，即物体吸收到光子能量后产生的电效应。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，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。二、光度学与光电效应2、光电效应任务一电动机转速检测

二、光度学与光电效应2、光电效应任务一电动机转速检测

（1）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。其中向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。基于外光电效应的光电元器件主要有光电管、光电倍增管等。

二、光度学与光电效应2、光电效应任务一电动机转速检测（2）内光电效应

在光线照射下，引发物质电化学性质变化，比如电阻率改变，或者产生了光生电动势现象，这是与外光电效应的区别。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应——在光线作用下，物体的电导性能改变的现象称为光电导效应，如光敏电阻等。光生伏特效应——在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池、光敏二极管、光敏三极管等。二、光度学与光电效应2、光电效应任务一电动机转速检测光电倍增管紫外光电管外光电效应元器件光敏电阻光电二极管光电池光电三极管内光电效应元器件三、外光电效应及典型器件1、外光电效应任务一电动机转速检测※光电发射效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。※当金属表面在特定的光辐照作用下，金属会吸收光子并发射电子，发射出来的电子叫做光电子。

可以发射光电子的物体称为光电发射体。光电子形成的电流即为光电流。※光的波长需小于某一临界值（相等于光的频率高于某一临界值）时方能发射电子，方能发射电子，其临界值即极限频率和极限波长。※当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。三、外光电效应及典型器件2、光电管任务一电动机转速检测（1）光电管外形结构

光电管是基于外光电效应的基本光电转换器件，可使光信号转换成电信号，其结构如右图所示。

光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。图1光电管三、外光电效应及典型器件2、光电管任务一电动机转速检测（2）光电管工作原理

当光线照射在阴极上时，光电阴极吸收了光子的能量，便有电子溢出而形成光电子。这些光电子被具有正电位的阳极所吸引，因而在光电管内便形成定向空间电子流，从而使外电路导通。

光电管的基本测量电路如右图所示，可以将电路中的电流量转换为电阻上的电压量，且电路中电流或电压的变化与光成一定的函数关系，从而实现光电转换。图2光电管基本测量电路三、外光电效应及典型器件2、光电倍增管任务一电动机转速检测（1）光电倍增管外形结构

光电管的灵敏度较低，当入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流是很小的，在微光测量中通常采用光电倍增管，其外形图如右图所示。光电倍增管由光阴极、倍增极、阳极组成，其中倍增极通常为12-14级，多的可达30级。倍增极能在电子轰击下发射出更多“次级电子”，可将阴极的光电流放大几万至几百万倍，故其灵敏度要比普通光电管高得多。图3光电倍增管结构图三、外光电效应及典型器件2、光电倍增管任务一电动机转速检测（1）光电倍增管工作原理当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并利用二次电子释放效应得到倍增放大，最后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。四、光电导效应及典型器件1、光电导效应任务一电动机转速检测光电导效应（photoconductiveeffects）

，属于内光电效应，是光照变化引起半导体材料电导率变化的现象，也称为光敏效应。在光线作用下，半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低。

光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。

材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导材料上时才能产生电子能级间的跃迁，从而使光电导材料的电导率增加。四、光电导效应及典型器件2、光敏电阻概述任务一电动机转速检测※光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。※光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。※常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。图1光敏电阻结构图（a）

光敏电阻外形图（b）元件符号※光敏电阻（photocell）又称光敏电阻器或光导管，是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。四、光电导效应及典型器件3、光敏电阻分类任务一电动机转速检测根据光敏电阻的光谱特性，常见光敏电阻器有以下三种：※紫外光敏电阻器对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。※红外光敏电阻器

广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱、红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。※可见光光敏电阻器

主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭、自动给水自动保护装置和烟雾报警器、光电跟踪系统等方面。

四、光电导效应及典型器件4、光敏电阻工作原理任务一电动机转速检测

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。

光敏电阻制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于当它受到光的照射时，半导体片内光敏电阻就激发出电子--空穴对参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使电路中电流增强，其工作原理如图2所示。图2光敏电阻工作原理图四、光电导效应及典型器件5、光敏电阻主要参数任务一电动机转速检测

（1）暗电阻

光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。

（2）亮电阻

光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流

亮电流与暗电流之差称为光电流。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，则说明其性能越好，也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻灵敏度高。四、光电导效应及典型器件5、光敏电阻主要参数任务一电动机转速检测

（4）光谱响应光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。

（5）温度系数

光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度较低。四、光电导效应及典型器件6、光敏电阻的应用任务一电动机转速检测

当照度下降到设置值时，由于光敏电阻阻值上升，激发T1导通，进而使得T2也导通，T2的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，从而实现对外电路的控制。光敏电阻式光控开关电路五、光生伏特效应及典型器件1、光生伏特效应任务一电动机转速检测

※

光生伏特效应（photovoltaiceffect）是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。

※

光生伏特效应可制作光敏二极管、光敏三极管、光电池等传感器。五、光生伏特效应及典型器件2、光敏二极管任务一电动机转速检测※光敏二极管又叫光电二极管（photodiode），是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。图1光敏二极管结构图（a）

光敏二极管外形图（b）元件符号※光敏二极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光敏二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光敏二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。五、光生伏特效应及典型器件2、光敏二极管任务一电动机转速检测※光敏二极管按照材料不同可分为硅型、锗型、砷化镓型、镝化铟型等。※按照结构不同可分为PN结型、PIN结型、雪崩型等，其中用的最多的是PN结型。（1）光敏二极管分类

（2）光敏二极管工作原理光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具备单向导电性，工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流（暗电流），此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，该电流随入射光强度的变化而变化。因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流。五、光生伏特效应及典型器件2、光敏二极管任务一电动机转速检测（3）光敏二极管主要参数※最高工作电压光敏二极管最高工作电压是指无光照时，光敏二极管允许的最高反向工作电压。※光电流光敏二极管光电流是指受到一定的光照及最高工作电压下流过该二极管的反向电流，一般光电流在几十微安，并且与照度呈线性关系。光敏二极管的光电流越大越好。五、光生伏特效应及典型器件2、光敏二极管任务一电动机转速检测（3）光敏二极管主要参数※暗电流暗电流指光敏二极管在无光照情况下，并加一定反向电压时的漏电流。暗电流越小，光电二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。※光谱响应特性不同类型的光电二极管，其光谱特性和峰值波长不同。通常，锗管的光谱范围要比硅管宽。五、光生伏特效应及典型器件2、光敏二极管任务一电动机转速检测（4）光敏二极管质量检测

五、光生伏特效应及典型器件2、光敏二极管任务一电动机转速检测（4）光敏二极管质量检测

五、光生伏特效应及典型器件2、光敏二极管任务一电动机转速检测路灯控制电路

（5）光敏二极管的应用五、光生伏特效应及典型器件3、光敏三极管任务一电动机转速检测

光敏三极管又称光电三极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到PN结上时，吸收光能并转变为电能。光敏三极管（phototransistor）和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当光敏三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。五、光生伏特效应及典型器件3、光敏三极管任务一电动机转速检测图3常见光敏三极管外形图图4等效电路和电路符号五、光生伏特效应及典型器件3、光敏三极管任务一电动机转速检测如图，为光电直射型烟雾传感器烟雾检测示意图。传感器采用红外发光二极管作为发射器件，采用红外晶体管作为接收器件，两者安装在同一轴线上。无烟雾时，光敏晶体管接收到发光二极管的恒定红外光。当火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡部分红外光，使光敏晶体管的输出信号减弱，经阈值判断电路后，启动报警环节发出报警信号。五、光生伏特效应及典型器件4、光电池任务一电动机转速检测（1）光电池简介光电池（photovoltaiccell）是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件，用于光电转换、光电探测及光能利用等方面。它的原理是半导体的PN结在光的作用下产生新的电子-空穴对，电子和空穴在PN结电场的作用下移动到结的两边形成附加电势差。图6光电池工作原理图5光电池外形图五、光生伏特效应及典型器件4、光电池任务一电动机转速检测（2）光电池工作原理如图所示为一款硅光电池光强检测电路原理图。该电路采用BPW34S硅光电池作为光强检测传感器。光强检测阈值可通过RP1进行调节。光强度够大时，U2输出低电平，MOS管导通，继电器吸合；当无光照或者光照不强时，U2输出高电平，MOS管截止，继电器断开。五、光生伏特效应及典型器件4、光电池任务一电动机转速检测（2）光电池的应用

光电池通常应用在机械仪表、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，太阳能供电不受季节、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使用，还可以形成一个大的供电系统网络。图7太阳能供电系统示意图五、光生伏特效应及典型器件4、光电池任务一电动机转速检测（2）光电池的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板光电池在人造卫星上的应用六、光电断续器1、光电传感器任务一电动机转速检测

光电传感器指采用光电元件来检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。

※发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，如发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管等。

※接收器则由光电二极管、光电三极管、光电池等组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

※检测电路能滤出有效信号和应用该信号。（1）光电传感器的构成六、光电断续器2、光电传感器任务一电动机转速检测

光电传感器属于非接触式测量，目前越来越多的用于生产、生活各个领域中。依赖被测物、光源、光电元件三者之间的关系以及测量原理，可以将光电传感器分为下述四种类型：（2）光电传感器的分类六、光电断续器3、光电断续器任务一电动机转速检测

光电断续器又称为穿透型光电感应器、光遮断器、光电断续器、光电遮断器、槽型光耦。光电断续器是将发光组件与受光组件面对面排列并设置于同一封装内，利用检测物体通过时会遮光的原理便得以实现检测功能。

从原理上讲，光电断续器及光电开关没有太大差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。（1）光电断续器概述六、光电断续器3、光电断续器任务一电动机转速检测

光电断续器可分为遮断型和反射型两种。

遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测。

反射式光电断续器普遍称为反射式光电开关，也是由红外线发射管与接收管一体使用的反射式光电开关。图1遮断型光电断续器图2放射式光电断续器（2）光电断续器分类六、光电断续器3、光电断续器任务一电动机转速检测

光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。（a）光电断续器进行工件计数

光电断续器进行工件计数。当块状工件经过光电断续器时，接收器即产生一个计数脉冲。（3）光电断续器应用六、光电断续器3、光电断续器任务一电动机转速检测（b）光电断续器测转速或角位移

齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲，通过对脉冲频率的测量或计数，即可获得齿盘旋转速度或角位移。（3）光电断续器应用六、光电断续器3、光电断续器任务一电动机转速检测（c）光电断续器进行质量检测

正常透明薄膜等间距处有标记物，当产品有瑕疵，标记物缺漏时，光电断续器接收器脉冲周期会出现变化，从而检测薄膜质量。（3）光电断续器应用七、光纤断续器1、光纤概述任务一电动机转速检测光纤是光导纤维的简写，是20世纪70年代发展起来的一种新兴的光电技术材料。近年来，随着光纤技术的发展，光纤传感器技术和光纤传感器获得了广泛的应用。

如图所示，为光纤结构示意图，光纤是种多层介质结构的同心圆柱体，包括纤芯、包层和保护层等，纤芯位于光纤的中心，是由玻璃或塑料制成的圆桂体，光主要在纤芯中传输；围绕着纤芯的圆筒形部分为包层，用较纤芯折射率小的玻璃或塑料制成。七、光纤断续器2、光纤传感器的工作原理任务一电动机转速检测光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。

光纤传感器是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。七、光纤断续器2、光纤传感器的工作原理任务一电动机转速检测

当外界温度、压力、电场、磁场、振动等因素作用于光纤时，将会引起光纤中传输的光波特征参量（振幅、相位、频率、偏振态等）发生变化，只要测出这些参量随外界因素的变化关系，即可确定对应物理量的变化大小，因而实现对应参量的测量。七、光纤断续器3、光纤传感器的分类任务一电动机转速检测按光纤传感器的测量原理分类，有两种：（1）物性型光纤传感器物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。

七、光纤断续器3、光纤传感器的分类任务一电动机转速检测按光纤传感器的测量原理分类，有两种：（2）结构型光纤传感器

结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。七、光纤断续器4、光纤传感器的特点任务一电动机转速检测

※光纤传感器具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能。※绝缘、无感应的电气性能。※耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等。※

灵敏度较高。※光纤几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器。※可以制造传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件。※可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境。※而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。七、光纤断续器4、光纤传感器的特点任务一电动机转速检测光纤传感器的优点是与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。光纤传感器传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展，它能够在人达不到的地方(如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区)，起到人的耳目作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。七、光纤断续器5、光纤传感器的应用任务一电动机转速检测随着光纤传感器技术的发展，在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用，用来测量混凝土结构变形及内部应力，检测大型结构、桥梁健康状况等，其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。光纤传感器可以黏贴在结构物表面用于测量，同时也可以通过预埋实现结构物内部物理量的测量。利用预先埋入的光纤传感器，可以对混凝土结构内部损伤过程中内部应变的测量，再根据荷载-应变关系曲线斜率，可确定结构内部损伤的形成和扩展方式。通过混凝土实验表明，光纤测试的载荷-应变曲线比应变片测试的线性度高。（1）土木工程领域七、光纤断续器5、光纤传感器的应用任务一电动机转速检测（2）石油工业领域在石油测井技术中，可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量。较成熟的应用是采用非本征光纤F-P腔传感器测量井下的压力和温度。非本征光纤F-P腔传感器利用光的多光束干涉原理，当被测的温度或者压力发生变化时干涉条纹改变，光纤F-P腔的腔长也随之发生变化，通过计算腔长的变化实现温度和压力的测量。七、光纤断续器5、光纤传感器的应用任务一电动机转速检测（3）通信领域光纤传感技术是伴随光通信的迅速发展而形成的新技术。在光通信系统中，光纤是光波信号长距离传输的媒质。

当光波在光纤中传输时，表征光波的相位、频率、振幅、偏振态等特征参量，会因温度、压力、磁场、电场等外界因素的作用而发生变化，故可以将光纤用作传感器元件，探测导致光波信号变化的各种物理量的大小，这就是光纤传感器。利用外界因素引起光纤相位变化来探测物理量的装置，称为相位调制传感型光纤传感器，其他还有振幅调制传感型、偏振态调制型、传光型等各种光纤传感器。七、光纤断续器5、光纤传感器的应用任务一电动机转速检测（4）其他领域光纤传感器在航天(飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等)、航海(声纳等)、石油开采(液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量)、电力传输(高压输电网的电流测量、电压测量)、核工业(放射剂量测量、原子能发电站泄露剂量监测)、医疗(血液流速测量、血压及心音测量)、科学研究(地球自转)等众多领域都得到了广泛应用。八、光电编码器1、光纤传感器的结构任务一电动机转速检测

光电编码器主要由

光栅盘（光电码盘）和

光电探测

装置组成。是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，也是应用最多的传感器。八、光电编码器2、光纤传感器的工作原理任务一电动机转速检测在伺服系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转。经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的2个通道的光码输出（A相和B相），根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。八、光电编码器3、光纤传感器的分类任务一电动机转速检测根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式；根据其刻度方法及信号输出形式，主要分为增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90°，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是构造简单，机械平均寿命长，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。（1）增量式编码器八、光电编码器3、光纤传感器的分类任务一电动机转速检测（2）绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由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，码盘上的码道数就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。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有21位的绝对编码器产品。八、-光电编码器4、光纤传感器的应用任务一电动机转速检测（1）角度测量※

汽车驾驶模拟器对方向盘旋转角度的测量选用光电编码器作为传感器。

※重力测量仪，采用光电编码器，把它的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连，扭转角度仪，利用编码器测量扭转角度变化，如扭转实验机、渔竿扭转钓性测试等。

※摆锤冲击实验机，利用编码器计算冲击是摆角变化。八、光电编码器4、光纤传感器的应用任务一电动机转速检测（2）长度测量※计米器——利用滚轮周长来测量物体的长度和距离。

※拉线位移传感器——利用收卷轮周长计量物体长度距离。

※联轴直测——与驱动直线位移的动力装置的主轴联轴，通过输出脉冲数计量。

※介质检测——在直齿条、转动链条的链轮、同步带轮等来传递直线位移信息。八、光电编码器4、光纤传感器的应用任务一电动机转速检测（3）速度测量※线速度——通过跟仪表连接，测量生产线的线速度。

※角速度——通过编码器测量电机、转轴等的速度测量。（4）位置测量

※机床方面——记忆机床各个坐标点的坐标位置，如钻床等。

※自动化控制方面——控制在牧歌位置进行指定动作。如电梯、提升机等。（5）同步控制※通过角速度或线速度，对传动环节进行同步控制，以达到张力控制。九、光电开关1、光电开关概述任务一电动机转速检测光电开关是光电接近开关的简称，光电开关和光电断续器相似，输出“开”和“关”信号（断或通信号）。光电开关及光电断续器在原理上没有太大的差别，都由发射元件与光敏接收元件组成。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来计数机械臂的运动次数。九、光电开关2、光电开关特点任务一电动机转速检测采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强的优点。

九、光电开关3、光电开关分类及工作原理任务一电动机转速检测光电开关根据检测方式的不同，可分为两大类：

遮断型光电开关也称为对射型光电开关。遮断型光电开关由发射器和接收器组成，结构上两者是相互分离的，一般采用为相对安装的方式，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，发射光束被遮断，接收器接收不到光线而产生开关信号。特征：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次，不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。（1）遮断型光电开关九、光电开关3、光电开关分类及工作原理任务一电动机转速检测光电开关根据检测方式的不同，可分为两大类：（2）反射型光电开关

反射型光电开关的发射器和接收器单侧安装。当有物体在光电开关面前通过时，红外光束被反射回来，接收器接收到红外线，产生开关信号。

反射型光电开关又可分为反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）两种。九、光电开关3、光电开关分类及工作原理任务一电动机转速检测（2）反射型光电开关反射镜反射型又称镜面反射型，一般采用发射器和接收器单侧安装，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。

特征：辨别不透明的物体;借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中。

a.反射镜反射型九、光电开关3、光电开关分类及工作原理任务一电动机转速检测（2）反射型光电开关

b.漫反射型

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。九、光电开关3、光电开关应用任务一电动机转速检测九、光电开关3、光电开关应用任务一电动机转速检测

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。光幕多用于工业自动化或安防领域。光幕分为具有安全等级的安全光幕和不具有安全等级的普通光幕。

安全光幕主要应用于工业自动化。如冲压机械、剪切设备、金属切削设备、自动化装配线、自动化焊接线、机械传送搬运设备、危险区域（有毒、高压、高温等），容易造成作业人员的人身伤害。安装光电安全保护装置，可以有效地避免安全事故的发生。

不具有安全等级的普通光幕一般应用于电梯或者安防领域做为防止侵入探测。光幕九、光电开关3、光电开关应用任务一电动机转速检测光幕十、红外光电计数器的设计、装配与调试任务一电动机转速检测图1各类光电开关十、红外光电计数器的设计、装配与调试1、传感器介绍任务一电动机转速检测图2E18-D80NK型红外光电传感器E18-D80NK是一种集发射与接收一体的漫反射式红外光电传感器，属于光电开关的一种，对外仅有三根连接线，棕色为电源线，蓝色为接地线，黑色为传感器的信号输出线。E18-D80NK具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，广泛应用于流水线计件、机器人避障等众多环节中。十、红外光电计数器的设计、装配与调试2、系统框图任务一电动机转速检测十一、红外光电计数器的设计、装配与调试3、电路设计任务一电动机转速检测图4红外光电计数装置原理图十一、红外光电计数器的设计、装配与调试4、仿真验证任务一电动机转速检测图5红外光电计数装置仿真电路十一、红外光电计数器的设计、装配与调试5、装配与调试任务一电动机转速检测图6焊接实物（a）电路板正面（b）电路板背面任务二自行车行车速度检测一、任务介绍任务二自行车行车速度检测一、任务介绍任务二自行车行车速度检测霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1、霍尔效应一、任务介绍任务二自行车行车速度检测1、霍尔效应

（1）流入激励电流端的电流I越大，电子和空穴积累得就越多，霍尔电动势也就越高；（2）作用在薄片上的磁感应强度B越强，电子受到的洛仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高；（3）薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素对霍尔电动势也有很大的影响。一、任务介绍任务二自行车行车速度检测1、霍尔效应

设若取

一、任务介绍任务二自行车行车速度检测1、霍尔效应若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度

时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，这时的霍尔电动势为:霍尔电动势正比于控制电流和磁感应强度。二、霍尔元件任务二自行车行车速度检测1、霍尔元件的构造abcd半导体单晶薄片；长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为激励电极；另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根输出引线，通常用绿色导线，焊接处称为霍尔电极。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。二、霍尔元件任务二自行车行车速度检测2、霍尔元件的主要特性参数（1）额定激励电流IH和最大允许激励电流IM

当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。（2）输入电阻Ri和输出电阻Ro

激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其电源内阻即为输出电阻。

（3）不等位电势U0和不等位电阻r0

当磁感应强度B为零、激励电流为额定值IH时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）U0。不等位电势U0与额定激励电流IH之比称为不等位电阻（零位电阻）r0。

二、霍尔元件任务二自行车行车速度检测2、霍尔元件的主要特性参数（4）霍尔温度系数

在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔电势变化的百分率。（5）内阻温度系数

霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。（6）灵敏度KH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压的大小。二、霍尔元件任务二自行车行车速度检测3、霍尔元件的的测量电路

RPUHRLEI二、霍尔元件任务二自行车行车速度检测4、霍尔元件误差及其补偿霍尔元件有两对电极，各相邻电极之间的电阻若为R1、R2、R3、R4，霍尔元件可等效为一个四臂电阻电桥。cIdabR1R4R3R2(a)不等位电势(b)霍尔元件的等效电路bR1R2R4cdaR3R4（1）不等位电势误差及其补偿二、霍尔元件任务二自行车行车速度检测4、霍尔元件误差及其补偿（1）不等位电势误差及其补偿能够使电桥达到平衡的措施均可以用于补偿不等位电势。(a)不对称电路dacdacbRRW（b）对称电路RW二、霍尔元件任务二自行车行车速度检测4、霍尔元件误差及其补偿（2）温度误差及其补偿当温度变化时，霍尔元件的电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。恒流源温度补偿电路a.采用恒流源进行补偿二、霍尔元件任务二自行车