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工程测试技术 工程测试技术第三章 传感器原理及应用 本章学习要求： 了解传感器的分类； 掌握常用传感器测量原理； 了解测量电路； 了结智能传感器的概念； 了解典型传感器的应用。 本章目录 3.1 概述（4学时） 3.2 电阻式传感器 3.3 电感式传感器（2学时） 3.4 电容式传感器 3.5 磁电式传感器 3.6 压电式传感器 3.7 热电式传感器（2学时） 3.8 光电式传感器（2学时） 3.9 其它类型的传感器 3.10 传感器选用原则 3.8 光电式传感器 外光电效应：在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管。 内光电效应：在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。 3.8.1 光电开关 光敏二极管：结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态。 2. 光敏晶体管 与一般晶体管很相似，具有两个PN结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。 3. 光电开关 利用光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态制作的开关器件称作光电开关。 4. 应用-光电式数字位移（转速）表 3.8.2 光电式脉冲编码器 光电编码器是一种通过光电转换将机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是一种数字式传感器。 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于计算机处理。 最简单的数字式传感器是编码器(ADE)。如，角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）。 1. 工作原理 用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。 2. 码盘和码制 根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。 3. 二进制码盘主要特点 n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n， 其最小分辨力θ1＝3600／2n，它的最外圈角节距为2θ1； 二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，…，C1对应于由零位算起的转角为： 4. 二进制码盘的粗大误差及消除 要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。由于微小的制作误差或光电二极管的安置误差，只要有一个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。如码区从第15变到0时，二进制码应由1111变到0000，但若内码道的透光间隔稍长，则可能读成1000。 消除粗大误差方法： 1). 双读数头法。双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。 2). 循环码代替二进制码 二进制编码盘 循环（葛莱码）编码盘 循环（葛莱码）编码的特点 构造：对 n 位二进制的码字从右到左编号(0 ~ n-1)若二进制码字的第 i 位和第 i + 1 位相同，则对应的葛莱码码字的第 i 位为0，否则为1。 n位循环码码盘具有2n种不同编码； 循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同； 循环码为无权码； 循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。 5. 应用 光学码盘测角仪的原理图 1－光源，2－大孔径非球面聚光镜 3－码盘，4－狭缝，5－光电元件 3.8.3 图像传感器 1. 原理：在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。 图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生，在半导体硅片上按线阵或面阵排列光电二极管单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。 2. 特点 非接触检测； 响应快； 可靠性高，维修简便； 测量精度高； 体积小，重量轻，容易与计算机连接； 对被测物体需要强光照射； 受被测物体以外的光的影响。 3. 分类 CIS是接触式感光元件，它与CCD技术几乎是同时出现的。CIS一般使用制造光敏电阻的硫化镉为原料，所以很容易形成一长条阵列，而且成本也只有CCD的1/3。但由于其自身物理特性的原因，CIS各感光单元间的干扰稍大，而且只能贴近稿件扫描。 CCD即电荷耦合器件( Charge Coupled Device )。它是在大规模集成电路技术发展基础上产生的一种新型器件。CCD能对光照作出反应并把反应的强度转换成相应的数值。当光从红、蓝、绿滤镜中穿过时，就可以得到每种色光的反应值。然后，再使用软件对得到的数据进行处理，就可确定每一个像素点的颜色。数码相机得到的图像其实就是一个数值的集合，所以就可以直接下载到计算机中处理。 CMOS指互补金属氧化物半导体--一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。 1). CCD图像传感器 C