教师授课方案（首页）
授课班级09D电气1、电气2 授课日期
课节 2 课堂类型讲授
课题第十一章数字式位置传感器第一节位置测量的方式第二节数字式角编码器第三节光栅传感器
第四节磁栅、容栅传感器
教学目的与要求【知识目标】1．了解直接测量和间接测量的区别；2．了解绝对式和增量式角编码器的原理；3．掌握角编码器的分辨力、分辨率计算；4、了解光栅的原理和细分计算；5．了解磁栅、容栅的原理和计算；
【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力，在实际测量中会分析光电元件的基本应用电路。
【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。
重点难点重点：二进制编码与角度的关系；角编码器的分辨率；辨向与细分技术难点：辨向与细分技术
教具教学辅助活动教具：多媒体课件、角编码器实物、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论
一节教学过程安排复习
1、光电传感器的分类
2、简述光电传感器的应用
3、简述遮断与反射式光电开关、光电断路器
的检测应用
5分钟讲课
1．直接测量和间接测量的区别；
2．绝对式和增量式角编码器的原理；
3．掌握角编码器的分辨力、分辨率计算；
4、光栅的原理和细分计算；
5．磁栅、容栅的原理和计算
73分钟小结
小结见内页，之后利用10分钟时间与学生互
动答疑
10分钟
作业习题册第十一章数字式位置传感
器传感器习题
2分钟
任课教师：叶睿2011年2月7日审查教师签字：年月日
教案附页【复习提问】
上节课知识点：
1、光电传感器的分类
2、简述光电传感器的应用
3、简述遮断与反射式光电开关、光电断路器的检测应用
第十一章数字式位置传感器
【章节导入】：
在用普通机床进行零件加工时，操作人员要控制进给量以保证零件的加工尺寸，如长度、高度、直径、角度及孔距，数字式传感器能直接检测直线位移和角位移，并用数字形式显示出来。
【本章要点】：
1、常用数字式位置传感器的结构、原理
2、掌握角编码器的分辨力以及辨向、细分技术
3、角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器等在直线位移和
角位移中测量、控制的应用。
第一节位置测量的方式
【本节内容设计】
通过课件与教师讲授位置测量的方式，为学习数字式位置传感器做准备。
【授课内容】
位置测量主要指直线测量和角位移的精密测量，数字式位置测量就是将被测的位置以数字的形式表现出来，具有以下特点：
1、将被测的位置量直接转变为脉冲个数或编码，便于显示和处理。
2、测量精度取决于分辨力，和量程基本无关。
3、输出脉冲的抗干扰能力强。
数字式位置传感器可以单独组成数字显示装置专门用于位置测量和显示，也可以和数控系统组成位置控制系统。
一、直接测量和间接测量
位置传感器有直线式和旋转式两大类。
（一）直接测量
若位置传感器所测量的对象就是被测量本身则该测量方式为直接测量。优点是误差小
用直线式传感器测直线位移。例如直接用于直线位移测量的直线
光栅和长磁栅等。
用旋转式传感器测角位移。直接用于角度测量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。
（二）间接测量
若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为间接测量。
1、丝杠—螺母装置
在间接测量中，多使用旋转式位置传感器。测量到的回转运动参数仅仅是中间值，但可由这中间值再推算出与之关联的移动部件的直线位移。例如：丝杠螺距t=6mm，旋转式位置传感器测得丝杠旋转角度为72900，则螺母的直线位移为（6mm×3600）/72900=121.50mm
2、齿轮-齿条装置
齿轮-齿条副等传动机构能够将旋转运动转换成直线运动。但应设法消除传导过程产生的间隙误差。
3、两种装置的比较
滚珠丝杠螺母副能够将减小传动磨檫力，延长使用寿命，减小间隙误差。
二、增量式和绝对式测量
在增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，对脉冲计数，便可得到位移量。
例如：增量式测量系统的分辨力为0.01mm，移动部件每移动
0.01mm，位置传感器发出一个脉冲，计数器加1或减1.计数器为200
时，工作台移动了0.1×200=2.00mm
绝对式测量的特点是：
每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。
绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。
第二节数字式角编码器
【本节内容设计】
通过实物展示课件与教师讲授数字式角编码器的工作过程分析、结构分类以及应用，为工程位置测量与检测做知识与技能的储备
【授课内容】
从角编码器（码盘）：
是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。
角编码器分类：
绝对式编码器和增量式角编码器。
一、绝对式编码器
绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。
1、绝对式接触编码器：
a）电刷在码盘上的位置b）4位8421二进制码盘c）4位格雷码码盘
1－码盘2－转轴3－导电体4－绝缘体5－电刷6－激励公用轨道（接电源正极）分辨的角度α（即分辨力）为α=360°/2n分辨率=1/2n
码道越多，位数n越大，所能分辨的角度α就越小
若要提高分辨力，就必须增加码道数，即二进制位数。
例：某12码道的绝对式角编码器，其每圈的位置数为212=4096，能分辨的角度为α=360°/212=5.27'；
若为13码道，则能分辨的角度为α=360°/213=2.64'。
2、绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
特点：没有接触磨损，允许转速高。码盘材料：不锈钢薄板、玻璃码盘。
分辨力：
绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：α=360°/2n分辨率=1/2n
二、增量式光电编码器
1、增量式光电编码器的结构：
光电码盘与转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心的透光狭缝。透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。这样，整个码盘圆周上就被等分成n个透光的槽。增量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。
2、增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率
为：
举例：
盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°
增量式光电码盘结构示意图
a ）外形
b ）内部结构
1—转轴 2－发光二极管 3－光栏板 4－零标志位光槽
5－光敏元件 6－码盘 7－电源及信号线连接座
3、光电编码器的输出波形
为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（m +1/4）倍，m 为正整数，并设置了两组光敏元件A 、B ，有时又称为sin 、cos 元件。
光电编码器的输出波形如图所示。有关A 、B 信号如何用于辨向、细分的原理将在本章第三节中论述。为了得到码盘转动的绝对位置，还须设置一个基准点，如前图中的“零位标志槽”。码盘每转一圈，零位标志槽对应的光敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”，见图中的C0脉冲。
()360 11-3n α= (1 11-4n =分辨率
4、辨向信号和零标志
光电编码器的光栏板上有A组与B组两组狭缝，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，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90?；当码盘反转时，B信号超前A信号90?。
在图的码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，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。
三、角编码器的应用
角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。
1、数字测速：
由于增量式角编码器的输出信号是脉冲形式，因此，可以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转速。角编码器可代替测速发电机的模拟测速，而成为数字测速装置。数字测速头可分为M法测速和T法测速。
a）M法测速b）T法测速
M法测速举例：量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：
n = 60 ×65536 /（1024 ×5）r/min = 768 r/min
T法测速举例：有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率f c为1MHz ，则转速（r/min)为：
n = 60f c /（Nm2 ）= 60×1000000/（1024×3000）=19.53 r/min
2、编码器在伺服电机中的应用
利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。
例如：通过F/V转换电路提供速度反馈信号进行转速测量；转子磁极
位置测量；传动系统的角位移测量
3、工位编码
由于绝对式编码器每一转角位置均有一个固定的编码输出，若编码器与转盘同轴相连，则转盘上每一工位安装的被加工工件均可以有一个编码相对应，转盘工位编码如前图所示。当转盘上某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由编码器输出给控制系统。
例：要使处于工位4上的工件转到加工点等待钻孔加工，计算机就控制电动机通过带轮带动转盘逆时针旋转。与此同时，绝对式编码器（假设为4码道）输出的编码不断变化。设工位1的绝对二进制码为0000，当输出从工位3的0100，变为0110时，表示转盘已将工位4转到加工点，电动机停转。
第三节光栅传感器
【本节内容设计】
通过实物展示课件与教师讲授光栅传感器的分类、变向与细分技术以及光栅传感器的应用，为实际工程测量与检测做知识与技能的储备
【授课内容】
光栅可分为物理光栅和计量光栅物理光栅利用光的衍射，分析光谱和光波定长测试，在检测中使用计量光栅。
一、光栅的类型和结构
计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成；栅副由标尺光栅和指示光栅构成；敏元件可以使光敏二极管也可以是光电池。
透射式光栅：用光学玻璃做基体并镀铬，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区，如图a所示；
反射式式光栅：使用不锈钢作基体，在其上用化学方法制出黑白相间的条纹，形成反光区和不反光区，如图b所示。
a）透射式光栅b）反射式光栅
1－光源2－透镜3－指示光栅4－标尺光栅5－光敏元件计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。
长光栅用于直线位移测量标尺光栅固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间形成相对运动
圆光栅用于角位移测量，指示光栅通常固定不动，而标尺光栅随轴转动。
二、光栅的有关概念
栅距W：称为光栅常数。
栅线密度：10线/mm、25线/mm、50线/mm、100线/mm和200线/mm 等几种。
角节距：对于圆光栅来说，两条相邻刻线的中心线之夹角称为角节距，每周的栅线数从较低精度的100线到高精度等级的21600线
不等。
例：某一长光栅的栅线密度为：25线/mm，求栅距W（可视为分辨力）解：1mm/25线＝0.04mm/线＝4μm/线
三、光栅副的工作原理：
1、莫尔条纹
在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。由亮暗带形成
2、演示莫尔条纹
3、莫尔条纹放大作用举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角θ=1.8?，则：分辨力?=栅距W =1mm/50=0.02mm=20μm（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）
L≈W/θ= 0.02mm/（1.8?×3.14/180?）= 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍，由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。
三、辨向及细分
1、辨向技术
如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向
例：某1024p/r 圆光栅，正转10圈，反转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到14336个脉冲，而正确值为：(10－4)×1024＝6144个脉冲。
举例：人有两只耳朵，它们的输出信号经大脑处理后，可以判断脑后物体移动的左右方向。在上例中，左边的耳朵称为sin耳朵，右边的耳朵称为cos耳朵。
通常可以在沿光栅线的y方向上相距（m±1/4）L（相当于电相角1/4周期）的距离上设置sin和cos两套光电元件，这样就可以得到两个相位相差π/2的电信号u os和u oc经放大、整形后得到u…os和u?oc 两个方波信号，分别送到计算机的两路接口
计算机判断两路信号的相位差。当指示光栅向右移动时，u os滞后于u oc；当指示光栅向左移动时，u os超前于u oc。计算机据此判断指示光栅的移动方向。
2、技术又称倍频技术。
如将光敏元件的输出电信号直接计数，则光栅的分辨力只有一个W的大小。为了能够分辨比W更小的位移量，必须采用细分电路。
细分电路能在不增加光栅刻线数（线数越多，成本越昂贵）的情况下提高光栅的分辨力。
该电路能在一个W的距离内等间隔地给出n个计数脉冲。
细分后计数脉冲的频率是原来的n倍，传感器的分辨力就会有较大的提高。
通常采用的细分方法有4倍频法、16倍频法等，可通过专用集成电路来实现。
举例：线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为4细分，则：分辨力?=W /4=（1mm/50）/4=0.005mm=5μm
结论：分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。
四、光栅传感器的应用：
1、为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）
2、自由度光栅数显表
3、轴环式数显表
ZBS型轴环式光栅数显表示意图。它的主光栅用不锈钢圆薄片制成，可用于角位移的测量。
a）外形b）内部结构c）测量电路框图
1－电源线（+5V）2－轴套3－数字显示器4－复位开关5－主光栅6－红外发光二极管7－指示光栅8－sin光敏三极管9－cos光敏三极管数显表
第四节磁栅、容栅传感器
【本节内容设计】
通过实物展示课件与教师讲授磁栅、容栅传感器结构、测量原理及应用，工程位置测量与检测做知识与技能的储备
【授课内容】
磁栅是一种新型传感器。价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干扰能力强。磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。
一、磁栅结构：
磁尺、磁头和信号处理电路组成。
1．磁尺：尺按基体形状有带状磁尺、线状磁尺（又称同轴型）和圆形磁尺，如图所示。通过录磁磁头在磁尺上录制出节距严格相等的磁信号作为计数信号。节距（栅距）W通常为0.05mm、0.1mm、0.2mm。
2．磁头
为了辨别磁头运动的方向，采用两只磁头（sin、cos磁头）来拾取信号。它们相互距离为（m1/4）W，m为整数。为了保证距离的准确性，通常将两个磁头做成一体。
二、鉴相型磁栅数显表的原理框图
磁头、磁尺与专用磁栅数显示表配合，可用于检测机械位移量，其行程可达数十米，分辨力优于1μm。
ZCB-101鉴相型磁栅数显表的原理框图
功能：
直径/半径、公制/英制转换及显示功能、数据预置功能、断电记忆功能、超限报警功能、非线性误差修正功能、故障自检功能等。能同时测量x、y、z三个方向的位移
磁敏电阻磁头：可不必设置励磁电路，检测速度提高。
三、容栅传感器：
新型大位移传感器。基于变面积工作原理的电容传感器，它的电极排列如同栅状。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然精度稍差，但体积小、造价低、耗电省，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以下行程的测量中。
一、结构及工作原理
容栅传感器可分为三类：直线型容栅、圆容栅和圆筒形容栅。其中，直线型和圆筒形容栅传感器用于直线位移的测量，圆形容栅传感器用于角位移的测量。
二、型容栅结构及用途
容栅传感器由动尺和定尺组成，两者保持很小的间隙δ。
一般用于数显卡尺的容栅的节距W=0.635mm（25毫英寸），最小分辨力为0.01mm，非线性误差小于0.01mm，在150mm范围内的总测量误差为0.02～0.03mm。
1、数显卡尺
功能：
直径/半径、公制/英制转换及显示功能、数据预置功能、断电记忆功能、超限报警功能、非线性误差修正功能、故障自检功能等。能同时测量x、y、z三个方向的位移
磁敏电阻磁头：可不必设置励磁电路，检测速度提高。
2、百分表
3、测高仪
【知识小结】:通过对以下知识的学习
1．了解测量和间接测量的区别；
2．了解绝对式和增量式角编码器的原理；掌握两种编码器的分辨力计算
3．掌握光栅的原理和变向技术与细分技术计算；
4．了解光栅、磁栅、容栅传感器的原理和应用
为实际检测和测量工程作知识与技能储备。
【教学后记】:通过课堂习题的检验,作业的批改,第二堂课的提问,检验出学生对本节课的知识掌握良好,可以顺利地进行下一阶段的学习. 【板书设计】:如下
第10章光电式传感器 一、单项选择题 1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。 A. 光电效应传感器 B. 红外热释电探测器 C. 固体图像传感器 D. 光纤传感器 2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（）。 A. 光电管 B. 光电池 C. 光敏电阻 D. 光敏二极管 3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（）。 A. 伏安特性 B. 光照特性 C. 光谱特性 D. 频率特性 4、下列光电器件是基于光导效应的是（）。 A. 光电管 B. 光电池 C. 光敏电阻 D. 光敏二极管 5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（）。 A. 伏安特性 B. 光照特性 C. 光谱特性 D. 频率特性 6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（）。 A. 光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大 B. 光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大 C. 工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管 D. 光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性 7、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。 A. 光电效应传感器 B. 红外热释电探测器 C. 固体图像传感器 D. 光纤传感器 8、光敏电阻的特性是（） A．有光照时亮电阻很大 B．无光照时暗电阻很小 C．无光照时暗电流很大 D．受一定波长范围的光照时亮电流很大 9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（） A．光电管 B.光敏电阻 C．光电池 D.光电倍增管 10、CCD以（）为信号 A. 电压 B.电流
C．电荷 D.电压或者电流 11、构成CCD的基本单元是（） A. P型硅 B.PN结 C. 光电二极管 D.MOS电容器 12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。 A.位移 B.压力 C.温度 D.光电 13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和( )两个重要部件。 A.反射镜 B.透镜 C.光栅 D.光探测器 14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。 A.偏振调制 B.共振调制 C.角度调制 D.振幅调制 15、利用外界因素对于光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的传感器，称为( )。 A.相位调制型传感器 B.相位结合型传感器 C.相位振动型传感器 D.相位干涉型传感器 16、半导体激光发光是由( )之间的电子-空穴对复合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A.原子 B.分子 C.离子 D.能带 17、固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型( )和玻璃作为工作物质的激光器。 A.石英晶体 B.高纯硅 C.绝缘晶体 D.压电晶体 18、利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器称为( )。 A.敏感型传感器 B.功能型传感器 C.传光型传感器 D.功敏型传感器 19、光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为( )。 A.光容型传感器 B.光感型传感器 C.传光型传感器 D.光敏型传感器 20、光纤振动传感器与其他光纤传感器一样，从原理上讲也可以分为两种类型，实际上，直接以( )作为振动信息的敏感元件,难以分离其他物理量变化产生的影响。 A.光纤 B.电压 C.电流 D.电阻 21、光纤是用( )作为主要原料的一种透明度很高的介质材料，广泛用于通信和传感器。 A.光刻玻璃 B.石英玻璃 C.光刻硅 D.钛铝合金 22、数值孔径NA是光纤的一个重要参数，以下说法不正确的是（） A．数值孔径反映了光纤的集光能力 B．光纤的数值孔径与其几何尺寸有关
《第一章传感器的一般特性》 1 试绘制转速和输出电压的关系曲线，并确定： 1）该测速发电机的灵敏度。 2）该测速发电机的线性度。 2．已知一热电偶的时间常数τ=10s，若用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度k=1，试求该热电偶输出的最大值和最小值，以及输入与输出信号之间的相位差和滞后时间。 3．用一只时间常数为0.355s 的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值误差为多少？ 4．若用一阶传感器作100Hz正弦信号的测试，如幅值误差要求限制在5%以内，则时间常数应取多少？若在该时间常数下，同一传感器作50Hz正弦信号的测试，这时的幅值误差和相角有多大？ 5．已知某二阶系统传感器的固有频率f0=10kHz，阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。 6．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。 《第二章应变式传感器》 1．假设某电阻应变计在输入应变为5000με时电阻变化为1%，试确定该应变计的灵敏系数。又若在使用该应变计的过程中，采用的灵敏系数为 1.9，试确定由此而产生的测量误差的正负和大小。 2．如下图所示的系统中：①当F＝0和热源移开时，R l＝R2＝R3＝R4，及U0＝0；②各应变片的灵敏系数皆为+2.0，且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加而减小；④应变片的热膨胀系数比梁的大；⑤假定应变片的温度和紧接在它下面的梁的温度一样。 在时间t＝0时，在梁的自由端加上一向上的力，然后维持不变，在振荡消失之后，在一稍后的时间t1打开辐射源，然后就一直开着，试简要绘出U0和t的关系曲线的一般形状，并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由。
课题：第四章电容式传感器 课型：新知课 教学目标：1、掌握变极距型电容式传感器的工作原理； 2、掌握变面积型电容式传感器的工作原理； 3、掌握变介电常数型电容式传感器的工作原理； 4、掌握电容式传感器的灵敏度和非线性； 9、掌握压磁式传感器的工作原理。 重点：1、变极距型电容式传感器的工作原理； 2、变面积型电容式传感器的工作原理； 3、变介电常数型电容式传感器的工作原理； 4、电容式传感器的灵敏度和非线性； 5、变压器式传感器的等效电路； 6、涡流式传感器的工作原理； 7、涡流式传感器的特点及应用； 难点：1、电容式传感器的灵敏度和非线性； 2、； 3、变压器式传感器的工作原理； 4、变压器式传感器的等效电路； 5、涡流式传感器的工作原理。 教学手段、方法：多媒体、课件、讲授 教具：ppt、板书 教学过程： 压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680年就已发现，1984年制作出第一个石英传感器。 4.1 压电效应 某些晶体或陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就会出现极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。 压电转换元件受力变形的状态可分为图6-1所示的几种基本形式：
图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式 由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 6.1.1 石英晶体的压电效应 图6-2（a）所示为天然石英晶体的结构外形，在晶体学中用三根互相垂直的轴Z、X、Y表示他们的坐标，如图6-2（b）所示。Z轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而以它作为基准轴；X轴为电轴，该轴压电效应最为显著，它通过六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个；Y轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。 图6-2 石英晶体的外形和晶轴 对于压电晶体，当沿X轴施加正应力的时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应；当Y轴施加正应力时，电荷将出现在与X轴垂直的表面上，这种现象称为横向压电效应；当沿X轴方向施加切应力时，将在垂直于Y轴的表面上产生电荷，这种现象称为切向压电效应。通常在石英晶体上可以观察到上述三种压电效应，其受力方向与产生电荷极性的关系如图6-4所示。
教师授课方案（首页） 授课班级09D电气1、电气2 授课日期 课节 2 课堂类型讲授 课题第十一章数字式位置传感器第一节位置测量的方式第二节数字式角编码器第三节光栅传感器 第四节磁栅、容栅传感器 教学目的与要求【知识目标】1．了解直接测量和间接测量的区别；2．了解绝对式和增量式角编码器的原理；3．掌握角编码器的分辨力、分辨率计算；4、了解光栅的原理和细分计算；5．了解磁栅、容栅的原理和计算； 【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力，在实际测量中会分析光电元件的基本应用电路。 【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。 重点难点重点：二进制编码与角度的关系；角编码器的分辨率；辨向与细分技术难点：辨向与细分技术 教具教学辅助活动教具：多媒体课件、角编码器实物、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论 一节教学过程安排复习 1、光电传感器的分类 2、简述光电传感器的应用 3、简述遮断与反射式光电开关、光电断路器 的检测应用 5分钟讲课 1．直接测量和间接测量的区别； 2．绝对式和增量式角编码器的原理； 3．掌握角编码器的分辨力、分辨率计算； 4、光栅的原理和细分计算； 5．磁栅、容栅的原理和计算 73分钟小结 小结见内页，之后利用10分钟时间与学生互 动答疑 10分钟 作业习题册第十一章数字式位置传感 器传感器习题 2分钟 任课教师：叶睿2011年2月7日审查教师签字：年月日
教案附页【复习提问】 上节课知识点： 1、光电传感器的分类 2、简述光电传感器的应用 3、简述遮断与反射式光电开关、光电断路器的检测应用 第十一章数字式位置传感器 【章节导入】： 在用普通机床进行零件加工时，操作人员要控制进给量以保证零件的加工尺寸，如长度、高度、直径、角度及孔距，数字式传感器能直接检测直线位移和角位移，并用数字形式显示出来。 【本章要点】： 1、常用数字式位置传感器的结构、原理 2、掌握角编码器的分辨力以及辨向、细分技术 3、角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器等在直线位移和 角位移中测量、控制的应用。 第一节位置测量的方式 【本节内容设计】 通过课件与教师讲授位置测量的方式，为学习数字式位置传感器做准备。 【授课内容】 位置测量主要指直线测量和角位移的精密测量，数字式位置测量就是将被测的位置以数字的形式表现出来，具有以下特点： 1、将被测的位置量直接转变为脉冲个数或编码，便于显示和处理。 2、测量精度取决于分辨力，和量程基本无关。 3、输出脉冲的抗干扰能力强。 数字式位置传感器可以单独组成数字显示装置专门用于位置测量和显示，也可以和数控系统组成位置控制系统。 一、直接测量和间接测量 位置传感器有直线式和旋转式两大类。 （一）直接测量 若位置传感器所测量的对象就是被测量本身则该测量方式为直接测量。优点是误差小 用直线式传感器测直线位移。例如直接用于直线位移测量的直线
第八章光电式传感器 §8-1 真空光电器件 作业题 1.光电管由一个和一个封装在一个内组成。它 的技术特性主要取决于。（阴极；阳极；光电阴极材料） 2.光电管的光谱特性主要取决于的特性，光电管对入射光的 具有选择性，这是因为对入射光的有选择性。（光 电阴极材料；频谱；光电阴极；频谱） 3.光电管的伏安特性是指，与的关系。当阳极 电压较小时，光电流随而增加。到电压以后，光电流，这是因为单位时间内发射的光电子全部被阳极收集了。（一定光适量照 射下；阴极电压；光电流；阳极电压增加；饱和；饱和；发射的光电子） 4.光倍增管的结构与基本一样，也是在壳内，安装 和，只是在之间再安装几个。（光电管；玻璃； 阳极；阴极；阳极与阴极；倍增级） 5.光电倍增管倍增系数大约为数量级，故光电倍增管的 极高。随着的升高，倍增系数也增加。（106；灵敏度；工作电 压） 6.当入射光不变时，被照物体在单位时间内与 成正比。（频谱；发射的光电子数；入射光强度） §8-2 光敏元件 作业题 1.物体受到光照以后，物体内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体 内部，使物体的或产生的现象称为。（电阻率 发生变化；光电动势；内光电效应） 2.在光线的作用下，半导体的的现象称光电导效应。（电导率增加）
3.光照射使半导体原子中的吸收光子能量激发出的现象，称本 征光导效应；光照射使半导体杂质吸收光子能量激发出的现象，称非本征光导效应，它的激发比本征光导效应。（价电子； 自由电子同时产生空穴；自由电子；容易） 4.某种半导体能否产生光电效应，决定于照射光的，而光的强 度只取决于产生的。（频率；光子数目的多少） 5.光敏电阻是用制成的，极性，是个电阻。使用时可 以加电压，亦可加电压。不同下电阻值不同，对不同的入射光有的灵敏度。（光导体；没有；纯；直流； 交流；材料；波长；不同） 6.将光敏电阻置于室温、条件下，经过一定稳定时间后，测得的 阻值称暗电阻；在条件下，测得的阻值称为。（无光照全暗；光照；亮电阻） 7.一定电压作用下，与的关系称为光敏电阻的光电特 性。因为它具有性，光敏电阻不宜做测量元件。（光适量；光通量；非线） 8.光敏电阻的频率特性中的频率是指。（光强度变化的频率） §8—3 光电池 作业题 1.光电池是基于直接将转换成的一种有源器 件。（光生伏特效应；光能；电能） 2.硅光电池是在N型硅片上渗入形成一个 PN结附近激发出 光生电子、空穴对时，由PN结将光生电子、空穴对进行漂移，使 PN结两边半导体产生。（P型杂质；大面积；光照射PN结区；阻挡层；电动势） 3.硅光电池的光谱比硒大。它的光照度与短路电流的关系呈，光 照度与开路电压的关系有。使用硅光电池做测量变换元件时，最 好使其工作在。它在温度特性是指与随的特
第二章 测量误差与数据处理 1、测量数据中包含哪三种误差？它们各自的含义是什么？ 系统误差：对同一被测量进行多次重复测量时（等精度测量），绝对值和符号保持不变，或 在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。 随机误差：对同一被测量进行多次重复测量时（等精度测量），绝对值和符号不可预知的随 机变化，但就误差的总体而言，具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。 粗大误差：明显偏离测量结果的误差称为粗大误差，又称疏忽误差。这类误差是由于测量者 疏忽大意或环境条件的突然变化产生的。对于粗大误差，首先应设法判断是否存在，然后将其剔除。 2、对某轴直径d 的尺寸进行了15次测量，测得数据如下（单位mm ）：120.42, 120.43, 120.40, 120.42, 120.43, 120.39, 120.30, 120.40,120.43, 120.41, 120.43, 120.42, 120.39,120.39,120.40。试用格罗布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出测量结果。 解：1）求算术平均值 2）求单次测量值的标准差估计值 3）按格罗布斯准则判别是否存在粗大误差（查书P61 表3－2） 经检查，存在 ， 故剔除120.30mm 。 4）重新求解上述各值，得： ； mm x x i i 404.12015 15 1 == ∑=- ∧ σmm 033.01 )(12 ＝--= ∑=∧ n x x n i i σmm g n g K G 080.0033.041.2)05.0,15(),(00≈?===∧ ∧ σσα)15,...,2,1(=>i K v G i mm x 41.120=- mm 016.0＝∧ σ∧ ∧
传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第 3 版）贾伯年主编，及其他参考书 第8 章光电式传感器 8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。 8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？ 答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。 光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。 8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。它有较大面积的PN 结，当光照射在PN 结上时，在结的两端出现电动势。当光照到PN 结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N 区聚积负电荷，P 区聚积正电荷，这样N 区和P 区之间出现电位差。 8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？ 8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。 答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。 光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。 8-6 简述CCD 图像传感器的工作原理及应用。 8-7 何谓PSD ？简述其工作原理及应用。 8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。 8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。 8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。 答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。 应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。 8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。 8-12 试说明图8-33（b）所示光电式数字测速仪的工作原理。（1 ）若采用红外发光器件为光源，虽看不见灯亮，电路却能正常工作，为什么？（ 2 ）当改用小白炽灯作光源后，却不能正常工作，试分析原因。
第六章习题答案 6-1.为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器？ 解： 6-2.变磁阻式传感器有哪几种结构形式？可以检测哪些非电量？ 解： 6-3.磁电式传感器是速度传感器，它如何通过测量电路来获取相应的位移和加速度信号？解： 6-4.磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？磁电式传感器主要用于测量哪些物理参数。 解：磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生电动式的，它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。 电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、、重量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。 6-5试证明霍尔式位移传感器的输出与位移成正比。 解： 6-6.霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电动势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？ 解：答：霍尔元件温度补偿方法主要有利用输入回路的串联电阻进行补偿和利用输出回路的负载进行补偿两种。 1）利用输入回路的串联电阻进行补偿。下图是输入补偿的基本线路，图中的四端元件是霍尔元件的符号。两个输入端串联补偿电阻R并接恒电源，输出端开路。根据温度特性，元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为 RHt=RH0(1+αt) Rit=Ri0(1+βt) 式中，RHt为温度为ｔ时霍尔系数；RH0为0℃时的霍尔系数；Rit为温度为ｔ时的输入电阻；Ri0为0℃时的输入电阻；α为霍尔电压的温度系数, β为输入电阻的温度系数。当温度变化Δt时，其增量为: ΔRH=RH0αΔt ΔRi=Ri0βΔt
第六章传感器综合复习 教学目标： 1．知识目标 进一步体会非电学量转换成电学量的技术意义。进一步了解常见传感器的工作原理，知道传感器是由敏感元件、电子线路与控制线路等组成的。 2．能力目标 了解传感器的工作原理，并能简单应用传感器知识解决一些实际问题 3．物理方法教育目标 通过传感器在生活、生产与技术中的应用实例分析，拓展学生的思维，培养创新意识，激发学习兴趣。 复习重点： 传感器的工作原理及应用实例分析 教学方法： 传感器的工作原理及应用实例分析 教具 投影片，学案 教学过程 （一）本章知识结构梳理（投影复习提纲，可以印发提纲，要求学生课下预习完成） 1．什么是传感器？它是怎样的一类元件？ 2．热敏电阻和金属热电阻是一回事吗？它们的阻值随温度分别怎样变化？ 3．霍尔电压U H=__________，式中各量分别表示什么？ 4．光敏电阻有何特性？
5．传感器应用的一般模式是怎样的？请画图表示。 6．常用的一种力传感器是由_________和__________组成的，________是一种敏感元件，现在多用半导体材料组成，受压时其上表面拉伸，电阻变_____，下表面压缩，电阻变_____。外力越大，这两个表面的电压差值就越_____。 7．指出以下传感器应用的实例中，所应用的传感器，或主要元件。 （1）电子秤：_________的应用，敏感元件是_________ （2）话筒：_________的应用，分_______和_________两种。 （3）电熨斗：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。 （4）电饭锅：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。 （5）测温仪：_________的应用，测温元件是________或_________、________、_________。 （6）鼠标器：_________的应用，主要元件是________或_________ （7）火灾报警器：_________的应用，利用烟雾对____________来工作的。 8．如图所示是光控电路，用发光二极管LED模仿路 灯，R G为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为 330 k Ω，试分析其工作原理． 要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大 些还是调小些？ 9．如图所示温度报警器的工作电路，试分析其工 作原理。 要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应 该把R1的阻值调大些还是调小些？ （二）精题讲练 1、热敏电阻的特性 【例1】如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书 第8章光电式传感器 8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。 8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？ 答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。 光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。 8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。 答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。 8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？ 8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。 答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。 光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。 8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。 8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。 8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。 8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。 8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。 答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。 应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。 8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。 8-12 试说明图8-33(b)所示光电式数字测速仪的工作原理。（1）若采用红外发光器件为光源，虽看不见灯亮，电路却能正常工作，为什么？（2）当改用小白炽灯作光源后，却不能正常工作，试分析原因。
容栅传感器 Capacitive 容栅传感器是一种新型位移数字式传感器，它是一种基于变面积工作原理的电容传感器。因为它的电极排列如同栅状，故称此类传感器为容栅传感器。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然准确度稍差，但体积小、造价低、耗电省和环境使用性强，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪和机床行程的测量中。 11.5.1 结构及工作原理 根据结构形式，容栅传感器可分为三类，即直线容栅、圆容栅和圆筒容栅。其中，直线容栅和圆筒容栅用于直线位移的测量，圆容栅用于角位移的测量，直线型容栅传感器结构简图如图11-25所示。 图11-23 直线型容栅传感器结构简图 a）定尺、动尺上的电极b）定尺、动尺的位置关系c）发射电极和反射电极的相互关系 1－反射电极2－屏蔽电极3－接收电极4－发射电极 容栅传感器由动尺和定尺组成，两者保持很小的间隙δ，如图11-23b所示。动尺上有多个发射电极和一个长条形接收电极；定尺上有多个相互绝缘的反射电极和一个屏蔽电极
（接地）。一组发射电极的长度为一个节距W，一个反射电极对应于一组发射电极。在图11-23中，若发射电极有48个，分成6组，则每组有8个发射电极。每隔8个接在一起，组成一个激励相，在每组相同序号的发射电极上加一个幅值、频率和相位相同的激励信号，相邻序号电极上激励信号的相位差是45°（360°/8）。设第一组序号为1的发射电极上加一个相位为0°的激励信号，序号为2的发射电极上的激励信号相位则为45°，以次类推，则序号为8的发射电极上的激励信号相位就为315°；而第二组序号为9的发射电极上的激励信号相位与第一组序号为1的相位相同，也为0°，以次类推，直到第6组的序号48为止。 发射电极与反射电极、反射电极与接收电极之间存在着电场。由于反射电极的电容耦合和电荷传递作用，使得接收电极上的输出信号随发射电极与反射电极的位置变化而变化。 当动尺向右移动x距离时，发射电极与反射电极间的相对面积发生变化，反射电极上的电荷量发生变化，并将电荷感应到接收电极上，在接收电极上累积的电荷Q与位移量x成正比。经运算器处理后进行公/英制转换和BCD码转换，再由译码器将BCD码转变成七段码，送显示驱动单元，容栅测量转换电路框图如图11-24所示。 图11-24 容栅测量转换电路框图 一般用于数显卡尺的容栅的节距W=0.635mm（25毫英寸），最小分辨力为0.01mm，非线性误差小于0.01mm，在150mm范围内的总测量误差为0.02～0.03mm。 直线型容栅传感器还有一种梳状结构，能接近衍射光栅和激光干涉仪的测量准确度，但造价远比它们低。 11.5.2 容栅传感器在数显尺中的应用 普通测量工具，如游标卡尺、千分尺等在读数时存在视差。随着容栅技术在测量工具中的应用及性能/价格比的不断提高，数显卡尺、千分尺应运而生，并在生产中越来越多地替代了传统卡尺。数显卡尺示意图如图11-25所示。
第六章磁电式传感器 思考题： 1、磁电式传感器可分为几类？各有什么性能特点？ 答： a)变磁通式磁电传感器 这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成一个齿轮（或凸轮）与被测物体相连而连动，在运动中齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的磁通，在线圈中感应出电动势。这种类型的传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般都用来测量旋转物体的角速度，产生感应电势的频率作为输出，感应电动势的频率等于磁通变化的频率。 b)恒定磁通式磁电传感器 在图6-4中，线圈和壳体固定，永久磁铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一起振动时，由于弹性元件较软而运动部件质量相对较大，因而有较大惯性，来不及跟随振动体一起振动，振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间产生相对运动，线圈切割磁力线，从而产生感应电动势。 2、简述磁电感应式传感器的工作原理，磁电感应式传感器最基本的构成元件有哪些？ 答：磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、扭矩的测量。 3、利用磁电感应式传感器的工作原理，设计一个测量主轴转速的传感器，并说明如何将其作为数字传感器使用。 答：测量转速时，转轴与被测转轴链接，从而带动转子转动，当转子的齿与定子的齿相对时气隙最小，磁路中磁通最大，当两者的齿与槽相对时，气隙最大，磁路中磁通最小。因而当定子不动而转子转动时，磁通就周期性的变化，从而在线圈感应出近似正弦的电感信号，感应电势频率。
4、可否利用磁电感应式传感器来测流量？简述其工作原理。 答：电磁流量传感器 电磁流量传感器的结构如图6-8所示，传感器安装在工艺管通中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流本切割磁力线而产生感应电动势，其值可用下式表示： 流经测量管流体的瞬时流量与流速的关系为 6-8 式中，—测量管内电极处横截面面积 则：6-9 式中，—仪表常数 由式6-9可知，当传感器参数确定后，仪表常数是一定值，感应电势正与流量Q成正比。
第十章、数字式传感器 目前各种数字显示的非电量检测装置巳广泛使用。 在机械制造工业中应用得比较成熟的是光栅、磁栅、感应同步器等为传感元件的数字测量仪器。 这些数字式测量仪器具有检测精度高、寿命长、抗干扰能力强、使用方便等优点； 第一节、光栅式传感器 利用光栅的衍射现象，把光栅应用于光谱分析、测定光披的波长等方面。 利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，开始应用于机床和计算仪器上。 由于光栅具有结构原理简单、计量精度高等优点，受到重视和推广。 光栅传感器，成功地作为数控机床的位置检测元件，并用于高精度机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动等方面的测量。 一、光栅传感器的结构： 光栅传感器由：照明系统、光栅副、光电接收元件所组成；如图10-1所示。 1光源、2透镜、3主光栅、4指示光栅、5光电元件 图10-1透射光栅传感器光路 1、照明系统： 照明系统由：光源和透镜构成； 光源：钨丝灯泡、砷化镓发光二极管。 透镜：将光源发出的光转换成平行光。 2、光栅副： 光栅副由主光栅和指示光栅构成； 主光栅又叫标尺光栅是测量的基准。常用高于白玻璃制作。主光栅的有效长度由测量范围决定。一般主光栅比指示光栅长。 指示光栅用光学玻璃，其长度只要能产生测量所需的莫尔条纹即可。 主光栅与指示光栅具有相同的栅距的栅线。 在测量位移时，主光栅往往固定在机床床身上不动，指示光栅随拖板一起移动。在测量角位移时，指示光栅一般固定不动，主光栅随机床的主轴一起移动。 光栅副是光栅传感器中的主要元件。整个测量系统的精度主要由主光栅的精度精度来决定。 安装时主副光栅互相重叠并错开一个小角度θ，以便获得莫尔条纹。 2、计量光栅：在长度测量中应用的光栅通常称为计量光栅。
第十一章数字式传感器 课题：数字式传感器的原理及应用课时安排：3 课次编号：16 教材分析 难点：二进制编码与角度的关系 重点：角度分辨力与分辨率 教学目的和要求 （机械制造、机电一体化、数控专业的重点章节）1．了解直接测量和间接测量的区别；2．了解绝对式和增量式角编码器的原理；3．掌握角编码器的分辨力、分辨率计算； 4、了解光栅的原理和细分计算； 5．了解磁栅的原理和计算； 6．了解容栅的原理和计算； 采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂讨论、分析教具：角编码器、 光栅、磁栅、容栅 各教学环节和内容 演示： 做以下的实验：将一只角编码器拆开，观察内部的光 栅和sin、cos读数头。上电后，观察正转和反转时，数码 管读数的增加和减少以及读数的正负值。从而引入角编码 器的原理、结构，转角、转速测量，直线位移的测量等。 第一节角编码器 角编码器（码盘）：是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。 角编码器分类：绝对式编码器和增量式角编码器。 一、绝对式角编码器 绝对式角编码器从原理来分，有接触式、光电式、磁阻式等不同形式。 绝对式角编码器的基础原理——接触式编码器结构 图11-2接触式码盘 a）电刷在码盘上的位置b）4位8421二进制码盘c）4位格雷码码盘1－码盘2－转轴3－导电体4－绝缘体5－电刷6－激励公用轨道（接电源正极） 分辨的角度α（即分辨力）为 α=360°/2n 分辨率=1/2n 提问： 码道越多，位数n越大，所能分辨的角度α就越？？ 若要提高分辨力，就必须增加码道数，即二进制位数。 例：某12码道的绝对式角编码器，其每圈的位置数为212=4096，能分辨的角度为α=360°/212=5.27'； 若为13码道，则能分辨的角度为α=360°/213=2.64'。 2．绝对式光电编码器的特点 没有接触磨损，允许转速高。码盘材料：不锈钢薄板、玻璃码盘。 二、增量式编码器
3-2第六章传感器
H 第六章传感器 6.1 传感器及其工作原理 一. 传感器的原理传感器是这样一类元件：它能够感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并 能把它们转换成电学量（电压、电流等），或转换为电路的通断。这样就可以更方便地进行传输、测量、处理了。 二. 传感器的分类 1. 光电传感器—光敏电阻半导体，光照越强，电阻越小。 2. 温度传感器—热敏电阻和金属热电阻。 （1）热敏电阻：半导体，温度越高，电阻越小。 （2）金属热电阻：金属，温度越高，电阻越大。 3. 电容式位移传感器位移转换成电容器电容的变化。 4. 霍尔元件把磁学量转换成电学量 （1）霍尔电压：矩形半导体薄片，通电流I，垂直方向加磁场B，则在两侧出现 电压 H IB U k d . k—霍尔系数。与薄片材料有关；d—霍尔元件厚度 （2）原理：载流子运动，受洛伦兹力作用，在两侧累积电荷，形成电压。 （3）霍尔元件（磁敏元件）： H U与B成正比。把B转换成电压信号。 【例1】如图， 1 R， 2 R为定值电阻，L为小灯泡， 3 R为光敏电阻，当照射光强度 增大时（） 非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量
H A. 电压表的示数增大 B. 2R 中电流减小 C. 小灯泡的功率增大 D. 电路的路端电压增大 【例2】如图，1R 为定值电阻，2R 为负温度系数的热敏电阻，L 为小灯泡，当温度降低时（ ） A. 1R 两端的电压增大 B.电流表的示数增大 C. 小灯泡的亮度变强 D.小灯泡的亮度变弱 【例3】传感器是一种采集信息的重要器件。如图所示是一种测定压力的电容式传感器。当待测压力F 作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（ ） A. 当F 向上压膜片电极时，电容将减小 B. 当F 向上压膜片电极时，电容将增大 C. 若电流计有示数，则压力F 发生变化 D. 若电流计有示数，则压力F 不发生变化 【例4】图是霍尔元件的工作原理示意图，用d 表示薄片的厚度，k 为霍尔系数，对于一个霍尔元件d 、k 为定值，如果保持I 恒定，则可以验证U H 随B 的变化情况。以下说法中正确的是（ ） A. 将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，U H 将变大 B. 在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 C. 在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 D. 改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，U H 将发生变化 【例5】如图为一热敏电阻的I —U 关系曲线图。 （1）为了通过测量得到I —U 关系的完整曲线，在图甲和图乙两个电路中应选择的是图 ；简要说明理由 。（电源电动势9V ，内阻不计，滑动变阻器0～100 ）
一、单项选择题 1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。 A. 光电效应传感器 B. 红外热释电探测器 C. 固体图像传感器 D. 光纤传感器 2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（）。 A. 光电管 B. 光电池 C. 光敏电阻 D. 光敏二极管 3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（）。 A. 伏安特性 B. 光照特性 C. 光谱特性 D. 频率特性 4、下列光电器件是基于光导效应的是（）。 A. 光电管 B. 光电池 C. 光敏电阻 D. 光敏二极管 5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（）。 A. 伏安特性 B. 光照特性 C. 光谱特性 D. 频率特性 6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（）。 A. 光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大 B. 光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大 C. 工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管 D. 光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性 7、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。 A. 光电效应传感器 B. 红外热释电探测器 C. 固体图像传感器 D. 光纤传感器 8、光敏电阻的特性是（） A．有光照时亮电阻很大 B．无光照时暗电阻很小 C．无光照时暗电流很大 D．受一定波长范围的光照时亮电流很大 9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（） A．光电管 B.光敏电阻 C．光电池 D.光电倍增管 10、CCD以（）为信号 A. 电压 B.电流 C．电荷 D.电压或者电流
11、构成CCD的基本单元是（） A. P型硅结 C. 光电二极管电容器 12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。 A.位移 B.压力 C.温度 D.光电 13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和( )两个重要部件。 A.反射镜 B.透镜 C.光栅 D.光探测器 14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。 A.偏振调制 B.共振调制 C.角度调制 D.振幅调制 15、利用外界因素对于光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的传感器，称为( )。 A.相位调制型传感器 B.相位结合型传感器 C.相位振动型传感器 D.相位干涉型传感器 16、半导体激光发光是由( )之间的电子-空穴对复合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A.原子 B.分子 C.离子 D.能带 17、固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型( )和玻璃作为工作物质的激光器。 A.石英晶体 B.高纯硅 C.绝缘晶体 D.压电晶体 18、利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器称为( )。 A.敏感型传感器 B.功能型传感器 C.传光型传感器 D.功敏型传感器 19、光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为( )。 A.光容型传感器 B.光感型传感器 C.传光型传感器 D.光敏型传感器 20、光纤振动传感器与其他光纤传感器一样，从原理上讲也可以分为两种类型，实际上，直接以( )作为振动信息的敏感元件,难以分离其他物理量变化产生的影响。 A.光纤 B.电压 C.电流 D.电阻 21、光纤是用( )作为主要原料的一种透明度很高的介质材料，广泛用于通信和传感器。 A.光刻玻璃 B.石英玻璃 C.光刻硅 D.钛铝合金 22、数值孔径NA是光纤的一个重要参数，以下说法不正确的是（） A．数值孔径反映了光纤的集光能力 B．光纤的数值孔径与其几何尺寸有关 C．数值孔径越大，光纤与光源的耦合越容易
第六章：传感器单元测试题 一、不定项选择题(每题3分，共36分，少选得2分) 1.街道旁的路灯、江海里的航标灯都要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自 动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的（ B ） A.压敏性 B.光敏性 C.热敏性 D.三特性都利用了 2.若超导体线圈连接在电路中，则（ C ） A.超导体线圈中有较小的电流通过 B.有强大的电流通过线圈，不能产生强大的磁场 C.电流通过超导体线圈，能产生强大的磁场 D.电流在超导体线圈中，会有部分能量消失 3.下列电子元件中，由半导体材料制成的是（ C ） A.电容器 B.镇流器 C.光控开关 D.滑动变阻器 4.如图所示是一火警器的一部分电路示意图，其中R2为半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器.当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是（B ） A.I变大，U变大 B.I变小，U变小 C.I变小，U变大 D.I变大，U变小 5.关于半导体，下列说法正确的有（ABCD ） A.半导体导电性能介于导体和绝缘体之间 B.半导体导电性能随温度升高而增强 C.半导体可以制成光敏元件 D.半导体可以制成大规模集成电路 6.如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当光照强度增大时（ABCD） A.电压表的示数增大 B.R2中的电流减小 C.小灯泡的功率增大 D.电源路端电压降低 7. 霍尔元件能转换哪两个量（B ） A.把温度这个热学量转换为电阻这个电学量 B.把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量 C.把力转换为电压这个电学量 D.把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量 8. 下列说法不正确的是（ A ） A.话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号 B.电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器作用是控 制电路的通断 C.电子秤所使用的测力装置是力传感器 D.热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
第7章光电式传感器习题 1. 什么是光电效应? 什么是内、外光电效应? 当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。 2 试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异．给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述。 3假如打算设计—种光电传感器，用于控制路灯的自动亮灭(天黑自动点亮，天明白动熄灭)。试问可以选择哪种光电器件?试设计电路。 4光电转速传感器的测量原理是将被测轴的转速变换成相应频率的脉冲信号，然后，测出脉冲频率即可测得转速的数值。试根据这一思路画出光电转速传感器的检测变换部分的工作原理示意图，图中的光电转换元件选用哪种光电器件比较合适?为什么？ 5 利用光敏器件制成的产品计数器，具有非接触、安全可靠的特点，可广泛应用于自动化生产线的产品计数，如机械零件加工、输送线产品、汽水、瓶装酒类等。还可以用来统计出入口入员的流动情况。试利用光电传感器设计一产品自动计数系统，简述系统工作原理。 产品计数器的工作原理，如图所示。产品在传送带上运行时，不断地遮挡光源到光敏器件间的光路，使光电脉冲电路随着产品的有无产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次，光电脉冲电路便产生一个脉冲信号，因此，输出的脉冲数即代表产品的数目。该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来 一、单项选择题 1、晒太阳取暖利用（）；人造卫星的光电池利用（）；植物生长利用了（）； A光电效应 B 光化学效应 C 光热效应 D 感光效应 2、蓝光的波长比红光（），相同光通量的蓝光能量比红光（）。 A大 B 小 C长 D短 3、光敏二极管属于（ B ），光电池属于（）。 A外光电效应 B 内光电效应 C光生伏特效应 4、光敏二极管在测光电路中应处于（）偏置状态，光电池处于偏置状态( ) A正向 B反向 C零 5、光纤通信中，与出射光纤耦合的光电元件选用（）。 A光敏电阻 B 光敏三极管 C apd 光敏二极管D光电池