【精品】传感器第七章PPT课件
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第7章 传感器技术-光电效应及传感器
光源
被测非电量 位移、转速、 振动等
光学通路
光量
光电传感元件
△U 或△I
测量/显示
光电传感器的分类 按传感器输出量的性质， 按传感器输出量的性质，可以分为模拟式 开关式（脉冲式）二大类。 和开关式（脉冲式）二大类。
模拟式光电传感器
该类传感器基于光电元件的光电特性， 该类传感器基于光电元件的光电特性，其 基于光电元件的光电特性 光通量是随被测量而变， 光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 传感器输出量为连续变化的光电流， 传感器输出量为连续变化的光电流，器件 的光照特性呈单值线性， 的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持 均匀稳定。 反射式、 均匀稳定。它的形式有吸收式、反射式、遮光 式和辐射式。
5、时差测距。典型应用如光电测距仪， 时差测距。典型应用如光电测距仪， 是将恒定光源发出的光投射到目的物， 是将恒定光源发出的光投射到目的物，并用 光电元件接收反射光， 光电元件接收反射光，通过对光信号在光源 与目的物之间往返时间的测量， 与目的物之间往返时间的测量，从而计算出 光源与目的物间的距离。 光源与目的物间的距离。
发光二极管阵列（SSPA） 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件（CCD）
这两类光电器件实际上是集成化、 这两类光电器件实际上是集成化、 模块化的光电元件组合， 模块化的光电元件组合，他们的工作原 理类似，根据需要， 理类似，根据需要，可以做成线阵或面 阵的形式。 阵的形式。目前在图象采集与处理技术 电荷耦合器件CCD CCD已经得到了大量 中 ， 电荷耦合器件 CCD 已经得到了大量 的应用。 的应用。
内光电效应－ 内光电效应－
第7章 电容式传感器
2．变面积式电容传感器
变面积式电容传感器有三种类型的变面积传感器。
图7-5是平板直线位 移式电容传感器，上 极板是可以左右移动 的动极板，下极板是 固定不动的定极板。
图7-6是电容角位移式 传感器，动极板的轴由 被测物体带动而旋转一 个角位移θ度时，两极 板的遮盖面积S减小， 因而电容量C也随之呈 线性关系减小。
1、 结构
电容式接近开关的核心是以电容极板作为检测端的电容器， 如图7-20所示，从图中可以看到，检测极板设置在接近开 关的最前端，测量转换电路安装在接近开关的壳体内，并 用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。
2、工作原理
图7-21所示是调幅式测量转换电路。它由LC高频振荡 电路、检波器、直流电压放大器等组成。
图7-11所示即为调频原理框图。
3．运算放大器式测量电路
图7-12是一理想运算放大器式的测量电路，其理想运算放 大器输出电压与输入电压之间的关系为
uo
ui
C0 Cx
采用基本运算放大器的最 大特点是电路输出电压u0 与电容式传感器的极距d成 正比，使基本变极距式电 容传感器的输出特性具有 线性特性。
➢ 接近开关又称为无触点行程开关，本章介绍了接近开关的结构 和工作原理，并分析了电容式接近开关的结构、工作原理和应 用。
1．变极距式电容传感器
电容量C与极板距离d成反比，当图7-3中动极板在被测参
量的作用下发生位移时，改变了极距d的大小，从而使极
板之间的电容大小发生变化。电容的初始值为
，
当动极板在被测参量的作用下发生位移，使极距d减小了
Δd，则电容C将增加ΔC，当Δd<<d时，有
C
S(1 d
d d
)
C0
第7章霍尔传感器
▪ 在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度、 有功功率、无功功率、相位、电能等参数；在自动检 测系统中，多用于位移、压力的测量。
1）霍尔接近开关
➢ 霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时， 开关接通；当磁铁离开后，开关断开。
常见霍尔接近开关实物图：
2）霍尔式压力传感器
➢ 霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹 性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它 转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。
➢ 为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小 的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下 的温度补偿方法。
（1）恒流源供电
恒流源温度补偿电路
（2）采用热敏元件
➢ 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以 下温度补偿电路。
➢ 图a是在输入回路进行温度补偿； ➢ 图b是在输出回路进行温度补偿。
霍尔元件的等效电路
➢ 由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4 个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个 4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始 不平衡输出电压。
➢ 理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4 ，则所有能够使电桥达到平衡的方法均 可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。
第7章 霍尔传感器原理及其应用
7.1 概述 7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.3 霍尔传感器的应用电路
7.1 概述
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美 国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
▪ 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔 元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。
EH =KHIB
1）霍尔接近开关
➢ 霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时， 开关接通；当磁铁离开后，开关断开。
常见霍尔接近开关实物图：
2）霍尔式压力传感器
➢ 霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹 性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它 转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。
➢ 为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小 的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下 的温度补偿方法。
（1）恒流源供电
恒流源温度补偿电路
（2）采用热敏元件
➢ 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以 下温度补偿电路。
➢ 图a是在输入回路进行温度补偿； ➢ 图b是在输出回路进行温度补偿。
霍尔元件的等效电路
➢ 由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4 个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个 4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始 不平衡输出电压。
➢ 理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4 ，则所有能够使电桥达到平衡的方法均 可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。
第7章 霍尔传感器原理及其应用
7.1 概述 7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.3 霍尔传感器的应用电路
7.1 概述
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美 国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
▪ 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔 元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。
EH =KHIB
第七章__压电式传感器
+ + X 当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时， － 正、负离子相对位置随之发生变化，如图 － P1 P3 + X + （b）所示。此时正、负电荷中心不再重合， － + P2 电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0
－
-
+ +
在Y、Z方向上的电偶极矩分量为0
(b) FX<0
7.1.1 压电效应
7.1.2 压电常数和表面电荷的计算
从式（7.1）中可以看出切片上产生的电荷多少与 切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比。电荷qx的符号由晶 体受压还是受拉而决定，如图 (a)、(b)。 从(7.2)可看出y轴方向受力后，切片上产生的电 荷与切片的尺寸有关，qy与Fy成正比，电荷qy的符号由 晶体受压还是受拉而决定，如图 (c)、(d)。
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路
压电传感器等效原理
7.3 压电式传感器的等效电路
压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量 电路相连接，因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc， 放大器的输入电Ri，输入电容Ci以及压电传感器的泄 漏电阻Ra，这样压电传感器在测量系统中的实际等效 电路如图所示。
7.3 压电式传感器的等效电路
石英晶体
压电效应
石英晶体切片受力图
按特定方向切片
图7.3
(a)
(b)
(c)
(d)
7.3
压电式传感器的等效电路
1、等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用 时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。 可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把 电极 它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器， 如图(b)。 其电容量为ε ε S εS r 0
传感器(电子教案)第7章
表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上 光通量φ之间的关系。
2．伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同 光电流的关系叫伏安特性 ，如图7-4(c)所示。
3．光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。 保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系 叫光电管的光谱特性。光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯 性特性、暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和 有关手册合理选用。
第7 章
光电式传感器
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。 光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。
7.1光电效应 7.2光电元件及其特性 7.3光电式传感器的测量电路 7.4光电传感器及其应用 7.5光纤传感器 7.6电荷耦合器件（CCD） 7.7光栅式传感器 7.8激光式传感器 本章要点
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7.1 光电效应
由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒 子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。 光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击 在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后 产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型。
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7.3光电式传感器的测量电路
要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光 电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 图7-14 真空光电管的差接测量电路 钨丝灯泡 图7-15 光电倍增管的测量电路 电弧灯或石英灯 激光 图7-16 光敏电阻开关电路 7.3.2测量电路 图7-18 具有温度补偿的光敏二极管 光电管的测量电路 测量电路 光电倍增管的测量电路 光敏电阻的测量电路 光敏晶体管的测量电路 光电池的测量电路
传感器第4版课件教学配套课件唐文彦第07章光电式传感器
于快速的正弦和脉冲调制。
白炽灯为可见光源，峰值波长在近红外区 域，可用作近红外光源。
二、气体放电光源
什么是气体放电光源？
电流通过气体会产生发光现象，利用这种 原理制成的光源称为气体放电光源。
气体放电光源的光谱与什么有关？
其光谱是不连续的，光谱与气体的种类几 放电条件有关。
哪些光源属于气体放电光源？
应用领域：摄像机、广播电视、可视电话、 传真、自动检测、控制、军事、医学、天 文、遥感。
车身检测、钢管检测、芯片检测、指纹检 测、虹膜检测、显微镜改造、工件尺寸及缺 陷检测、对刀仪、复杂形貌测量等。
优点
固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性 高、寿命长
图像畸变小、尺寸重现性好
光敏元之间几何尺寸精度高，可得到较高的 定位精度和测量精度，具有较高分辨力
与光电导型工作原理相似，利用光子引 起的电子跃迁将光信号转变为电信号， 只是光照射在半导体结上而已，。
主要有：光电二极管和光电三极管。
图7-7 光敏管结构及其符号
a) 光敏二极管 b) 光敏三极管 c) 光敏场效应三极管
（四）光生伏特型探测器
是一种自发电式的有源器件。这种半导体 器件受到光照射时就产生一定方向的电动 势，而不需要外部电源。这种因光照而产 生电动势的现象称为光生伏特效应。
图7-25 光纤的结构及传光原理
定义Δ ＝ (n12 - n22) / (2n12) ≈(n1- n2)/n1，Δ
称为光纤的相对折射率差。
当光线以入射角θ入射到光纤的端面时， 在端面处发生折射，设折射角为θ’，然后 光线以Φ角入射至纤芯与包层的界面。当 Φ角大于纤芯与包层间的临界角Φc时，即
则射入的光线在光纤的界面上发生全反射， 并在光纤内部以同样的角度反复逐次反 射，直至传播到另一端面。
白炽灯为可见光源，峰值波长在近红外区 域，可用作近红外光源。
二、气体放电光源
什么是气体放电光源？
电流通过气体会产生发光现象，利用这种 原理制成的光源称为气体放电光源。
气体放电光源的光谱与什么有关？
其光谱是不连续的，光谱与气体的种类几 放电条件有关。
哪些光源属于气体放电光源？
应用领域：摄像机、广播电视、可视电话、 传真、自动检测、控制、军事、医学、天 文、遥感。
车身检测、钢管检测、芯片检测、指纹检 测、虹膜检测、显微镜改造、工件尺寸及缺 陷检测、对刀仪、复杂形貌测量等。
优点
固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性 高、寿命长
图像畸变小、尺寸重现性好
光敏元之间几何尺寸精度高，可得到较高的 定位精度和测量精度，具有较高分辨力
与光电导型工作原理相似，利用光子引 起的电子跃迁将光信号转变为电信号， 只是光照射在半导体结上而已，。
主要有：光电二极管和光电三极管。
图7-7 光敏管结构及其符号
a) 光敏二极管 b) 光敏三极管 c) 光敏场效应三极管
（四）光生伏特型探测器
是一种自发电式的有源器件。这种半导体 器件受到光照射时就产生一定方向的电动 势，而不需要外部电源。这种因光照而产 生电动势的现象称为光生伏特效应。
图7-25 光纤的结构及传光原理
定义Δ ＝ (n12 - n22) / (2n12) ≈(n1- n2)/n1，Δ
称为光纤的相对折射率差。
当光线以入射角θ入射到光纤的端面时， 在端面处发生折射，设折射角为θ’，然后 光线以Φ角入射至纤芯与包层的界面。当 Φ角大于纤芯与包层间的临界角Φc时，即
则射入的光线在光纤的界面上发生全反射， 并在光纤内部以同样的角度反复逐次反 射，直至传播到另一端面。
传感器第7章 气敏、湿敏传感器
3.气敏传感器性能要求： 〔1〕对被测气体的敏感可逆； 〔2〕单位浓度的传导变化量大； 〔3〕对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。 〔4〕稳定性、重复性好，响应速度快。 〔5〕对周围环境〔温度、湿度等〕依赖性小； 〔6〕使用、维护方便，性价比高。
4.气敏传感器的结构： 〔1〕电阻型半导体气敏传感器结构
1〕正特性湿敏半导瓷导电原理 2〕负特性湿敏半导瓷导电原理
〔2〕氯化锂湿敏电阻 回到第一页
第7章 气敏、湿敏传感器
单元18 气敏传感器 单元19 湿敏传感器
单元18 气敏传感器
【电路图】
【电路分析】 图示为常用的气体报警器电路，采用直热式气敏传感器，当室内可 燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低， 回路的电流增加，驱动峰鸣器报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体， 报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。
〔2〕直热式气敏器件结构
〔4〕接触燃烧式气体传感器结构 〔5〕气敏二极管
5.主要特性参数 〔1〕器件电阻 〔2〕灵敏度 〔3〕响应时间 〔4〕恢复时间 〔5〕加热电阻和加热功率
〔6〕原电池式气体传感器 回到第一页
单元19 湿敏传感器
【电路图】
【电路分析】 图示为湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH等组成
【知识要点】
1.利用半导体材料吸附气体后引起其性质发生变化的特性而制成的 器件称为气敏传感器。气敏传感器是—种气—电转换元件。 2.气敏传感器主要用于天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易 爆、有毒、有害气体的检测与预报、自动控制，检测污染气体、煤 气报警和火灾报警等。气敏传感器大体分为电阻式和非电阻式，目 前使用的大多为电阻式气敏传感器。电阻式气敏传感器是用氧化锡、 氧化锌等金属氧化物材料制作，利用其阻值随被测气体浓度改变而 变化的特性来检测气体浓度。
4.气敏传感器的结构： 〔1〕电阻型半导体气敏传感器结构
1〕正特性湿敏半导瓷导电原理 2〕负特性湿敏半导瓷导电原理
〔2〕氯化锂湿敏电阻 回到第一页
第7章 气敏、湿敏传感器
单元18 气敏传感器 单元19 湿敏传感器
单元18 气敏传感器
【电路图】
【电路分析】 图示为常用的气体报警器电路，采用直热式气敏传感器，当室内可 燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低， 回路的电流增加，驱动峰鸣器报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体， 报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。
〔2〕直热式气敏器件结构
〔4〕接触燃烧式气体传感器结构 〔5〕气敏二极管
5.主要特性参数 〔1〕器件电阻 〔2〕灵敏度 〔3〕响应时间 〔4〕恢复时间 〔5〕加热电阻和加热功率
〔6〕原电池式气体传感器 回到第一页
单元19 湿敏传感器
【电路图】
【电路分析】 图示为湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH等组成
【知识要点】
1.利用半导体材料吸附气体后引起其性质发生变化的特性而制成的 器件称为气敏传感器。气敏传感器是—种气—电转换元件。 2.气敏传感器主要用于天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易 爆、有毒、有害气体的检测与预报、自动控制，检测污染气体、煤 气报警和火灾报警等。气敏传感器大体分为电阻式和非电阻式，目 前使用的大多为电阻式气敏传感器。电阻式气敏传感器是用氧化锡、 氧化锌等金属氧化物材料制作，利用其阻值随被测气体浓度改变而 变化的特性来检测气体浓度。
第7章胡向东传感器与检测技术PPT
变磁通式磁电传感器
43
2
1
NS
(a)
31
A 6
A
7
5
5
6
(b)
(a) 开磁路； (b) 闭磁路
图（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量 齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次， 线圈中 产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的 乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上 加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。
7.1.2
当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电
流Io为
I0
=
E R Rf
NBLv
=
R Rf
式中： Rf——测量电路输入电阻； R——线圈等效电阻。
I0
传E
感
器R
指示器
Rf
传感器的电流灵敏度为
SI
I0 v
NBL R Rf
而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为
U0
I0Rf
NBLvRf R Rf
R3
R4
Rw
R3
R4
Rw
d
d
d
d
b
b
（a）不对称补偿
b
b
（b）对称补偿
寄生直流电动势的补偿
元件在制作安装时，尽量做到使电极欧姆接 触，并做到均匀散热。
欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面 的电阻值远小于半导体本身的电阻。
霍尔元件的温度误差及其补偿
Ip
IH
Rp
I
UH
KH KH 0 (1 T )
7.1.1工作原理
传感器第7章 传感器的数据处理
程序主要包括3个子文件Blink.nc、BlinkM.nc和SingleTimer.nc。
7.1.7 nesC应用程序的分析
Blink.nc文件
该文件为整个程序的顶层配置文件，关键字为configuration，通过“->”连接各个 对应的接口。
configuration Blink{ } implementation{
7.1.4 模块
简单指令或事件A，由带有存储类型指令或事件的C函数定义的语法实现（注意允许在 函数名中直接定义的扩展）。另外语法关键字必须被包含如果它被包含在A的声明中。
SendMsg类型的提供 接口Send的模块：
Command result_t Send.send(unit16_t address, unit8_t length, TOS_MsgPtr msg){
图7-1 TinyOS程序结构框图
基于以上分析，一个节点上应用程序的框图。操作系统只是在后台提供队列服务。
图7-2 应用程序结构框图
7.1.7 nesC应用程序的分析
每个nesC应用程序都是由一个或多个组件通过接口链接起来，并通过ncc/gcc 编译生成一个完整的可执行程序。
以TinyOS软件中的Blink应用程序为例，具体介绍nesC应用程序结构。Blink程 序是一个简单的nesC应用程序。它的主要功能是每隔1 s的时间间隔亮一次，关闭 系统时红灯亮。
每个nesC应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所 用到的所有组件连接起来，形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。
每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调 用其他的组件以实现程序的功能。由一个或多个组件构成或连接而成。
7.1.7 nesC应用程序的分析
Blink.nc文件
该文件为整个程序的顶层配置文件，关键字为configuration，通过“->”连接各个 对应的接口。
configuration Blink{ } implementation{
7.1.4 模块
简单指令或事件A，由带有存储类型指令或事件的C函数定义的语法实现（注意允许在 函数名中直接定义的扩展）。另外语法关键字必须被包含如果它被包含在A的声明中。
SendMsg类型的提供 接口Send的模块：
Command result_t Send.send(unit16_t address, unit8_t length, TOS_MsgPtr msg){
图7-1 TinyOS程序结构框图
基于以上分析，一个节点上应用程序的框图。操作系统只是在后台提供队列服务。
图7-2 应用程序结构框图
7.1.7 nesC应用程序的分析
每个nesC应用程序都是由一个或多个组件通过接口链接起来，并通过ncc/gcc 编译生成一个完整的可执行程序。
以TinyOS软件中的Blink应用程序为例，具体介绍nesC应用程序结构。Blink程 序是一个简单的nesC应用程序。它的主要功能是每隔1 s的时间间隔亮一次，关闭 系统时红灯亮。
每个nesC应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所 用到的所有组件连接起来，形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。
每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调 用其他的组件以实现程序的功能。由一个或多个组件构成或连接而成。
第七章--光栅传感器知识讲解
第7章 光栅传感器 图7.3 莫尔条纹原理
第7章 光栅传感器 7.1.3
1. 位移放大作用 相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ的关系 为
(7.1)
令k为放大系数，则
(7.2)
第7章 光栅传感器
2. 由图7.1知，若光栅栅距为w，刻线数为i，移动距离为x， 则
x=i w
(7.3)
将式(7.3)代入式(7.1)中，有
图7.2 圆光栅栅线
第7章 光栅传感器
7.1.2 计量光栅是利用莫尔现象来实现几何量的测量的。莫尔
条纹是由主光栅和指示光栅的遮光与透光效应形成的(两只 光栅参数相同)。主光栅用于满足测量范围及精度，指示光 栅(通常是从主尺上裁截一段)用于拾取信号。将主光栅与指 示光栅的刻划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角θ， 这样就可以看到，在a-a线上两只光栅栅线彼此错开，光线 从缝隙中透过形成亮带，其透光部分是由一系列菱形图案构 成的；在b-b线上两只光栅栅线相互交叠，相互遮挡缝隙， 光线不能透过形成暗带。这种亮带和暗带相间的条纹称为莫 尔条纹。由于莫尔条纹的方向与栅线方向近似垂直，因此该 莫尔条纹称为横向莫尔条纹。莫尔条纹原理如图7.3所示。
第7章 光栅传感器 图7.1 光栅的结构
第7章 光栅传感器 圆光栅有三种栅线形式：一种是径向光栅，其栅线的延 长线通过圆心；另一种是切向光栅，其栅线的延长线与光栅 盘的一个小同心圆相切；还有一种是其栅线为一簇等间距同 心圆组成的环形光栅。圆光栅通常在圆盘上刻有1080～64 800条线。圆光栅栅线如图7.2
第7章 光栅传感器 图7.7 四路电信号波形
第7章 光栅传感器
7.2.3 位移测量传感器如果不能辨向，则只能作为增量式传感
器使用。为辨别主光栅的移动方向，需要有两个具有相差的 莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向，且这两个莫尔条纹 信号相差90°相位。实现的方法是在相隔B／4条纹间隔的 位置上安装两个光电元件，当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮 度变化规律完全一样，相位相差π／2，滞后还是超前完全取 决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为位置细 分辨向原理。辨向原理如图7.5
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光照
外光电效应
金属 金属氧化物
电子逸出物体表面
光照
内光电效应
半导体
电子在物体内部运动
2、外光电效应 克服物质的束缚，电子逸出功
电子吸收光子能量 转化为逸出电子的动能
h
υ=
1 2
m
v2
+
A
m ——电子的质量（9.1×10-31 Kg） v ——电子发射时的速度（m·s-1） A ——电子逸出功（J）
金属电极 半导体
电源 玻璃底板
I
RL
E
Ra
检流计
(a)
(b)
(c)
图 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图
CCD的结构及工作原理（光固态图像传感器）
（1） 结构 CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基 本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器， 如 (a)所示。 它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约 120 nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构 成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元 或一个像素。将MOS阵列加上输入、 输出结构就构成了 CCD器件。
例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电 子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能， 吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离 子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称 为还原型气体或电子供给性气体。
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P 型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当 还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导 体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。图表示了气体 接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。由于空气中的 含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件 阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根 据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。 半导体气敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、 ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。
Ug
金属
氧化物S2iO
少数载流子 P—Si
沟阻 耗尽区 (势阱)
衬底
(a)
表面势
信号电荷 势阱
(b)
图 MOS电容器 （a） MOS电容截面； （b） 势阱图
光电传感器的应用 1. 火焰探测报警器
图是采用以硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰 探测器电路图。
120 k 220 k
6 8 6 8
＋
V1
3.9 M
缺料检测或计数
远距对射式光电开关
围墙监护警戒
库房卫士
安全警戒
扩散反射式光电开关
料位控制
烟雾报警
带材对中控制
缺料检测
扩散反射式光电开关
斜度检测
裂缝检测
镜面反射式光电开关
透明玻璃瓶检测
长度控制
反射式光纤传感器
元件检测
印板定位
螺丝长度和有无的检测
断线监测
限距式光电开关
产品计数
液位检测
气流量监测
检测有无盖
限距式光电开关
料径控制
行程控制
转速监测
超速或滞速判别
槽型光电开关
定长剪切 脉冲发生器
起重机位置控制
光电开关式标志传感器
透明薄膜上标志检测
电度表转速检测
标志检测
仪表指针位置检测
光幕传感器 机器人工作区安全检测
自动装配机的侵入检测 车库门车辆通过检测 上料机和卸料机的侵入检测
路灯自动控制器
220V
传感器第七章
第七章 其它传感器
一、光电式传感器 二、气、湿敏传感器 三、磁敏式传感器 四、辐射式传感器 五、数字式传感器 六、光纤传感器 七、生物分子传感器 八、仿生传感器 九、超导传感器 十、智能式传感器 十一、微波传感器
1、定义及分类
金属
光照
金属氧化物
电子
半导体
—— 光电效应是光电传感器的基本转换原理
—— 只有当入射光能量大于电子逸出功时， 才能产生光电子，红限频率
—— 光电流与入射光强成正比 —— 光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压 —— 从光照至发射电子，时间 < 10-带
光生电子-空穴对
价带
光电导效应 光生伏特效应
光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、 光电池、
3.9 M V3
V2 150 k
120 k
820 k
1k
p bs
＋
32 k
1 25
＋ 12 V
4.7 n
中心站 放大器
图 火焰探测报警器电路图
对射式光电开关
门窗防盗控制
自动扶梯自动启停
汽车通过检测
汽车喷涂控制
对射式光电开关
鉴别不同高度物体
高度判别
料位控制
缺件剔除
对射式光纤传感器
磁砖完好性检测
机械手控制
CJD-10
路灯
C1 200u
8V
C2 200u
R3 10k
R1
470k
R2 200k
R4 57k
BG1
2CR
R7
C3
10k 100u
R5
4.3k
J
BG2 BG3 BG4
R6 25k
R8 280k
天黑：BG1导通，J动作，路灯亮；
返回
天亮：光电池电动势，BG1截止，J释放，路灯灭。
二、气、湿敏传感器
自从60年代研制成功SnO2(氧化锡)半导体气敏元件 后，气敏元件进入了实用阶段。SnO2敏感材料是目前应 用最多的一种气敏材料，它已广泛地应用于工矿企业、民 用住宅、宾馆饭店等内部对可燃气体和有害气体的检测。
半导体气敏传感器的机理
半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和 还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件 被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时， 被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量， 一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固 定在吸附处（化学吸附）。当半导体的功函数小于吸附分 子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时， 吸附分子将从器 件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现电荷层。
一、气 敏 传 感 器
气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。 由于气体种类繁多．性质各不相同，不可能用一种传感器检测 所有类别的气体，因此，能实现气 — 电转换的传感器种类很多。 按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前 实际使用最多的是半导体气敏传感器。
半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、 还是在内部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体 变化的物理性质，又可分为电阻型（电导控制型、金属氧化物 半导体器件）和非电阻型（电压控制型、MOS器件）两种。电 阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变 来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏元件根据其 对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接 或间接检测。