机电一体化系统设计：第3章 检测传感器及其接口电路讲解
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机电一体化技术与系统第3章 传感器检测技术(12)PPT课件
光电开关价廉物美、体积小、性能可靠，广泛用于自动控制系 统、生产流水线、办公设备和家用电器中，如图3-5所示。
例如检测生产流水线上的工件有无、工件计数、工件位置等； 测量旋转物体转速；复印机中检测复印纸有无；安全防盗报警；卫 生设备自动冲洗发信开关等。
图3-4 光电开关工作原理及产品
图3-5 光电开关应用图
如图3-6所示。该现象是在1879年被E.H.Hall发现的，故称之为 霍尔效应。
UH=KH.I.B (3-1) 式中：KH---霍尔元件的灵敏度。
红线、红字修改
图3-6 霍尔效应原理图
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用， 向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建 立起霍尔电势。
（2）霍尔传感器的应用 ①霍尔接近开关
图3-1 传感器检测和反馈作用与人脑识别外界事物过程类比图
2.传感器构成
⑴ 敏感元件---直接感受物理量，以确定的关系输出某物理量。 如电子秤中的铝合金梁，能感受因物体重量变化而引起梁应变。 ⑵ 转换元件---把感受到的物体非电量如应变、位移等变化转 换成电量。如电子秤中铝合金梁上贴的应变片，能感受物体重 量发生应变，引起应变电阻丝拉伸或缩短，把应变转换成电阻 变化。 ⑶ 测量转换电路---把转换元件产生的电参数量转换成电量。 常用的转换电路有电桥电路、脉冲调制电路、谐振电路等，它 们将电阻、电容和电感等电参量的变化，转换成模拟或数字信 号如电压、电流、频率等。电子秤中常用的电桥电路就是测量 转换电路。
内容
为从传感器获取有用信息，一般要对检测信号进行前期信息处理。
首先要将传感器输出信号转换为标准模拟电压（如0-10V）、电流（如010mA、4-20mA）或频率等信号，经功率放大、A/D模数转换、线性化和采样 保持处理后，传输至计算机。为防止干扰进入计算机，还需采取光电隔离、 变压器隔离和教字滤波等处理。
例如检测生产流水线上的工件有无、工件计数、工件位置等； 测量旋转物体转速；复印机中检测复印纸有无；安全防盗报警；卫 生设备自动冲洗发信开关等。
图3-4 光电开关工作原理及产品
图3-5 光电开关应用图
如图3-6所示。该现象是在1879年被E.H.Hall发现的，故称之为 霍尔效应。
UH=KH.I.B (3-1) 式中：KH---霍尔元件的灵敏度。
红线、红字修改
图3-6 霍尔效应原理图
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用， 向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建 立起霍尔电势。
（2）霍尔传感器的应用 ①霍尔接近开关
图3-1 传感器检测和反馈作用与人脑识别外界事物过程类比图
2.传感器构成
⑴ 敏感元件---直接感受物理量，以确定的关系输出某物理量。 如电子秤中的铝合金梁，能感受因物体重量变化而引起梁应变。 ⑵ 转换元件---把感受到的物体非电量如应变、位移等变化转 换成电量。如电子秤中铝合金梁上贴的应变片，能感受物体重 量发生应变，引起应变电阻丝拉伸或缩短，把应变转换成电阻 变化。 ⑶ 测量转换电路---把转换元件产生的电参数量转换成电量。 常用的转换电路有电桥电路、脉冲调制电路、谐振电路等，它 们将电阻、电容和电感等电参量的变化，转换成模拟或数字信 号如电压、电流、频率等。电子秤中常用的电桥电路就是测量 转换电路。
内容
为从传感器获取有用信息，一般要对检测信号进行前期信息处理。
首先要将传感器输出信号转换为标准模拟电压（如0-10V）、电流（如010mA、4-20mA）或频率等信号，经功率放大、A/D模数转换、线性化和采样 保持处理后，传输至计算机。为防止干扰进入计算机，还需采取光电隔离、 变压器隔离和教字滤波等处理。
机电一体化技术与系统任务3 机电一体化系统中传感器的使用-1
任 务 实 施 安 排
1.磁栅尺的原理及应用
2.系统传感器的安装 3. 案例分析（小组汇报）
4.检查评价
一、磁栅尺
结构
2 1 NN SS NN SS NN SS NN SS 3 x
1— 磁头2—磁性标尺3—磁场强度分布曲线 1 －磁头 2 －磁性标尺 3 －磁尺表面磁场强度相对距离的分布曲线
图 7 － 12 磁尺结构原理图
2
2X sin t E SCB E0 cos
E SCA E0 sin
2X
sin t
一、磁栅尺
工作原理
这一输出信号经过放大并通过检波电路滤去高频载波 信号sint，便可以得到相位差为/2的交变电压信号：
2X
U SCA U 0 sin
U SCB U 0 cos
2X
由此可见，磁栅的输出信号与光栅完全一致，因此可以通 过光栅同样的放大、细分处理后转换为位置脉冲测量输出。
一、磁栅尺 LM10安装
栅 尺 安 装
一、磁栅尺 LM10安装
一、磁栅尺 LM10安装
一、磁栅尺 LM10安装
读 数 头 安 装
一、磁栅尺 LM10安装
Hale Waihona Puke 二、磁编码器二、磁编码器
• 当磁性环旋转一周，A、B两相检测头上即可以输出 64~1024周期的正弦波信号；用于Z相检测的磁性环上只 布置有1个磁体，磁性环每旋转一转，Z相检测头上只输 出1周期的正弦波信号。 • 与光电编码器一样，磁编码器通过内部或外部的前置放 大器整形与细分，同样可以转换为1024~4096或更多的 位置脉冲，并以线驱动差分、TTL电平、集电极开路、 正余弦信号、串行数据等形式输出。
二、磁编码器
1.磁栅尺的原理及应用
2.系统传感器的安装 3. 案例分析（小组汇报）
4.检查评价
一、磁栅尺
结构
2 1 NN SS NN SS NN SS NN SS 3 x
1— 磁头2—磁性标尺3—磁场强度分布曲线 1 －磁头 2 －磁性标尺 3 －磁尺表面磁场强度相对距离的分布曲线
图 7 － 12 磁尺结构原理图
2
2X sin t E SCB E0 cos
E SCA E0 sin
2X
sin t
一、磁栅尺
工作原理
这一输出信号经过放大并通过检波电路滤去高频载波 信号sint，便可以得到相位差为/2的交变电压信号：
2X
U SCA U 0 sin
U SCB U 0 cos
2X
由此可见，磁栅的输出信号与光栅完全一致，因此可以通 过光栅同样的放大、细分处理后转换为位置脉冲测量输出。
一、磁栅尺 LM10安装
栅 尺 安 装
一、磁栅尺 LM10安装
一、磁栅尺 LM10安装
一、磁栅尺 LM10安装
读 数 头 安 装
一、磁栅尺 LM10安装
Hale Waihona Puke 二、磁编码器二、磁编码器
• 当磁性环旋转一周，A、B两相检测头上即可以输出 64~1024周期的正弦波信号；用于Z相检测的磁性环上只 布置有1个磁体，磁性环每旋转一转，Z相检测头上只输 出1周期的正弦波信号。 • 与光电编码器一样，磁编码器通过内部或外部的前置放 大器整形与细分，同样可以转换为1024~4096或更多的 位置脉冲，并以线驱动差分、TTL电平、集电极开路、 正余弦信号、串行数据等形式输出。
二、磁编码器
机电一体化第三章
M
U0
RL
RL
理想值
Rl2
实测值
RL>RL1>RL2
图3-14 永磁式测速机测量电路图 图3-15 直流测速机输出特性
11
直流测速机的特点是输出为线性，斜率大、线性好，但由于 有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。
直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。 在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电 机轴上。有的电机本身就已安装了测速机。测速电机输出的 模拟电压直接送到速度换比较器中用于速度控制。
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，发光二极管(LED)、激光二极管 及红外发射二极管。接收器有光电二极管、光电 三极管、光电池组成。在其后面是检测电路，它 能滤出有效信号和应用该信号
23
输出
图3-21 透光型光电传感 器接口电路
在透光型光电传感器中， 发光器件和受光器件相 对放置，中间留有间隙。 当被测物体到达这一间 隙时，发射光被遮住， 从而接收器件（光敏元 件）便可检测出物体已 经到达。这种传感器的 接口电路如图3-21所示。
位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触 式传感器就是能获取两个物体是否已接触的信息 的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某 一范围内是否有某一物体的一种传感器。
14
一、接触式位置传感器
这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构 成，它分以下两种。
1．由微动开关制成的位置传感器
它用于检测物体位置 ，有如图3-17所示的几种
16
二、接近式位置传感器
接近式位置传感器按其工作原理主要分：电磁式、 光电式、静电容式，基本工作原理可用图3-19表示 出来。
机电一体化原理与应用PPT教程-第三章 传感器及接口技术
3.1.1 传感器及其组成
1定义：
将被测量转换成与之有确定对应关系且易于 处理和测量的某种物理量的测量部件和装置。
2构成：
敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分 构成。 并不是每个传感器都含有这三部分，传感器 的复杂程度不同，含有不同的元件。
机电学院
机电一体化
2018年5月22日
敏感元件：直接感受被测量，并以确定关系输出 一物理量。有光敏元件如光电二极管三极管等、 热敏元件如热电偶、弹性敏感元件、声音敏感元 件如声控灯等 转换元件：将敏感元件输出的非电物理量（如位 移、应变、光强）转换为电参数（如电容、电感、 电阻）。 基本转换电路：将电路参数量转换成便于测量的 电量，如电压、电流、频率等
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机电一体化
2018年5月22日
3.2.1 电感式传感器
3.2.1.1 自感型电感式位移传感器 3.2.1.2 互感型电感式位移传感器
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机电一体化
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3.2.1.1 自感型电感式位移传感器
1、可变磁阻式电感传感器
1）构成：线圈、铁心和活 动衔铁 2）结构：变气隙式 3）测量原理：被测位移构 件与活动衔铁相连，当被测 构件产生位移时，活动衔铁 随之移动，空气隙发生变化， 引起磁阻发生变化，从而引 起电感值发生变化。
L 非线性误差（线性度）
max 最大非线性绝对误差 y FS 输出满度值
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2、灵敏度
灵敏度：在静态标准条件下，输出变化对输 入变化的比值。
输出量的变化量 y S0 输入量的变化量 x
线性传感器的灵敏度是常数
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机电一体化
第3章 机电一体化系统传感与检测系统设计
0
x
W2 x (c)
机电一体化导论
第3章 机电一体化传感与检测系统设计
当连接成如图4-9所示桥式电路，且 R2பைடு நூலகம் Rw2 R1 Rw1
d 1 di1 e1 M1 dt dt d 2 di2 e2 M 2 dt dt
1 1 di U sc (e1 e2 ) ( M 1 M 2 ) 2 2 dt
度要求、测量所需时间要求等。
2．传感器性能。 精度、稳定性、响应速度、输 出量性质校正周期、输入端保护等。 3．使用条件。 安装条件、工作场地的环境条件 (温度、湿度、振动等)、测量时间、所需功率容量、与 其它设备的连接、备件与维修服务等。
机电一体化导论
第3章 机电一体化传感与检测系统设计 3.1.3. 检测系统设计的任务、方法和步骤 目前，传感器技术已经形成了一个新型科学技术领域， 即传感器工程学。传感器也形成专业化生产，市场上有各 种各样的传感器可供选用。因而对于从事机电一体化研究、 应用和产品开发的工程技术人员来说，检测系统设计的主
非接触型（光电开关、接近开关等）
电阻型（电位器、电阻应变片等）
传感器
模拟型
电压、电流型（热电耦、光电电池、压电元件等） 电感、电容型（电感、电容式位移传感器等） 记数型（二值＋计数器等）
数字型 代码型（编码器、磁尺等）
图3-2 传感器按输出信号性质分类
机电一体化导论
第3章 机电一体化传感与检测系统设计 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应 的连续变化的电量。传感器的输入／输出关系可能是
在线圈W1中产生感应电势
定：
e1 ；另一部分磁通
则通过 2
线圈W2 ，并在其中产生感应电势
机电一体化系统设计--第三章 传感检测及其接口电路_OK
第三章 传感检测及其接口电路
第一节 传感器 一、传感器定义及分类
1、定义：
传感器是将力、温度、位移、速度等量 转换成电信号的元件。
1
2、分类： 按输出信号分：
2
二、机电一体化对检测系统的基本要求
精度、灵敏度、分辨率高； 线性、稳定性和重复性好； 抗干扰能力强； 静、动态特性好。 此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维 修，耐环境性能好等。
6
2. 变面积型电容传感器
原理：它与变极距型不同的是，被测量 通过动极板移动，引起两极板有效覆 盖面积A改变，从而得到电容的变化。
这种传感器的输出特性呈线性。 因而其量程不受线性范围的限制，适 合于测量较大直线位移和角位移。
7
3．变介质型电容传感器
原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距不变， 相对介电常数不同的电介质以不同深度插入电容器中， 从而改变电容。 应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来 测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、 纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。
51
一、采样/保持器原理
52
二、集成采样/保持器
一般目的： AD582 AD583 LF198 LF398
高速场合： HTS-0025 HTS-0010 HTC-0300 高分辨率： SHA1144
53
54
55
4
四、传感器选用原则
快速、准确、可靠、经济的获取信号 1）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高 3）精度适当、稳定性高 4）反应速度快、工作可靠 5）适用性和适应性强 6）使用经济
5
第二节 位移测量传感器
一、电容传感器 1. 变极距型电容传感器 ：
第一节 传感器 一、传感器定义及分类
1、定义：
传感器是将力、温度、位移、速度等量 转换成电信号的元件。
1
2、分类： 按输出信号分：
2
二、机电一体化对检测系统的基本要求
精度、灵敏度、分辨率高； 线性、稳定性和重复性好； 抗干扰能力强； 静、动态特性好。 此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维 修，耐环境性能好等。
6
2. 变面积型电容传感器
原理：它与变极距型不同的是，被测量 通过动极板移动，引起两极板有效覆 盖面积A改变，从而得到电容的变化。
这种传感器的输出特性呈线性。 因而其量程不受线性范围的限制，适 合于测量较大直线位移和角位移。
7
3．变介质型电容传感器
原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距不变， 相对介电常数不同的电介质以不同深度插入电容器中， 从而改变电容。 应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来 测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、 纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。
51
一、采样/保持器原理
52
二、集成采样/保持器
一般目的： AD582 AD583 LF198 LF398
高速场合： HTS-0025 HTS-0010 HTC-0300 高分辨率： SHA1144
53
54
55
4
四、传感器选用原则
快速、准确、可靠、经济的获取信号 1）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高 3）精度适当、稳定性高 4）反应速度快、工作可靠 5）适用性和适应性强 6）使用经济
5
第二节 位移测量传感器
一、电容传感器 1. 变极距型电容传感器 ：
机电一体化(三)-传感器与检测
反射式光栅
金属反射光栅 钢尺、钢 带 照相腐蚀、 钻石刀刻划 热膨胀系 数与机床一致， 安装调整方便， 易接长，不易碎
透射式光栅
玻璃透射光栅 光源可垂直入 射，信号幅度大， 读数头结构简单; 刻线密度大100 条/mm, 细分后， 分辨率达微米级; 易碎，热膨胀系 数与机床不一致， 影响测量精度.
敏元件三大部分组成。计量光栅按形状
又可分为长光栅和圆光栅。
光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长光栅
反射式扫描头 扫描头安装孔 可移动电缆
光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头 光栅尺
标尺光栅（长光栅） 指示光栅（短光栅）
光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 3.光电元件
2.指示光栅 4.光源
3.2.1
光栅传感器
光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测 量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。其分辨率高达 纳米级, 测量速度高达480m/min,测量行程高达100m. 它是数 控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。
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
γL Δmax 100% yFS
(2).灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下， 输出量的变化量与输入量的变化量之比，即
S0
二、传感器的基本特性
y x
(3).迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行 程中，输出——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞， 迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示
有限
将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉 冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形 式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨 率等于栅距。
机电一体化系统设计：第3章 检测传感器及其接口电路讲解
R1 330
+5V
I nput
光电耦合电路
+5V
R2 10K
Output
I nput Output
图3-33 光电耦合电路应用
6.光电开关传感器
由振荡调制器产生的调制脉冲驱动LED光发射到被测物体表 面并反射，反射光被光敏三极管接收，经放大整形解调后输出 电平信号。
被检物表面
NPN -P HOTO
衔铁在零位以下
Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd>0 Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd=0 Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd<0
图3-17 全波整流电路波形图
e2
-x
+x
0
图3-18 差动变压器输出电压-位移图 图3-19 差动结构电感式位移传感器
3.3.4 涡流电感式位移传感器
D1 P HOTO
+15 V
8
1
7
I R2
R2 1K
3
2 R1 1K
6
Vo
4
-1 5 v
Rf 1 0K
图3-28 光敏二极光敏管二信极管号信处号理处理电电路路
4.光敏三极管
光电三极管具有普通三极管的特性，但其基区面积较大以接收光线照射。
光敏三极管的主要参数： 最高工作电压：
在无光照下，集电极电流为规定值时，集电极与发射极间的电压。
暗电流：
在无光照下，集电极与发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流。
光电流：在规定电压下，及规定光照时，流过集电极的电流。
3
图3-27 光敏三极管
图3-28 光敏三极管符号
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分别计算铂热电阻和铜热电阻在50℃时的电阻。并 设计一个铂热电阻变送电路,要求其在0℃和50℃时 输出电压分别为0V和5V电压值。
3.半导体集成温度传感器AD590
AD590 是一种常用的半导体集成温度传感器。
测温范围 –55 ~ +150℃，
工作电压 +4 ~ +30V， 恒流源线性热敏系数为 ,
b）激光二极管发光示意图
图3-25 激光二极管
3.光敏二极管
光敏二极管是一种光电转换器件。它也是PN结，具有普 通二极管的特性，但有一个透明受光窗口。光敏二极管的特 性是在两端加正向电压时，其PN结受光照射后，其电流随光 照强度的变化而变化。
4
图3-26 光敏二极管
图3-27 光敏二极管符号
+5V
Vo输出电压
测点
连接导线 参考点
合金热电极
图3-1 热电偶结构
热电偶输出的电压是毫伏级小信号，一般需放大 为伏级才能被利用，因此需要电压放大电路。由于集 成电路的大量应用，通常都采用运算放大器放大。
图3-2 铠装热电偶
图3-3 点式热电偶
J2 (热电偶接口)
2 1
Vo= (1+Rf/R1)*Vi=34*Vi
+15 V
J1 (电源接口)
3 2
+15 V -1 5 V
1
8
1
7
R
C1 0 .1 u F
4
-1 5 V Rf 3 3K
图3-4 热热电电偶偶信信号处号理放电大路电路
J3 (信号输出接口)
1 2
2.热敏电阻 热敏电阻是一种随温度变化其阻值变化的一种电阻； 测量范围为 –200~500℃。 铂电阻的精度高但价格高； 铜电阻精度稍差但价格低廉； 半导体热敏电阻的特性呈非线性，但体积小、响应快、
J2(信号输出接口)
2
R9
6
1
C2
100K
0.1uF
2
R7 1K
3 R8 1K
7
1
8
+15v
图3-9 热敏电阻信号处理电路
讨论题：
热敏电阻的阻值计算式 Rt=R0(1+ αt) t：当前温度；
Rt：当前温度下热敏电阻的阻值； R0：热敏电阻在零度时的阻值； α：热敏电阻的敏感系数。 αpt=0.003850 , Rpt0 =100.00Ω αcu=0.004280 , Rcu0 =100.00Ω
传感器输出量形式: 模拟信号、编码数字信号（光电）、数字信号。
传感器静态特性：
传感器的输入-输出特性是传感器的基本特性。 静态特性参数有线性度、灵敏度、迟滞性、重复性。 动态特性：
传感器对输激励响应的特性。 一个动态特性好的传感器，其输出能再现输入的变 化规律，即具有相同的时间函数。
线性曲线 y
o
x
第 3 章 检测传感器及其接口电路
3.1 温度传感器 3.2 力传感器 3.3 位移测量传感器 3.4 光电传感器 3.5 光电编码器 3.6 电流环信号传输 3.7 运算放大器的基本电路
传感器： 把非电量参数（位移、速度、力、温度、光、 磁、化学量等）转化为电量参数（电压、电流、 电阻等）的器件。
压阻式压力传感器应用最为广泛，它具有极低的价 格和较高的精度以及较好的线性特性。
3.2.1 金属电阻应变片式力传感器
1. 金属电阻应变片的内部结构
图3-10 金属电阻应变片的内部结构
2. 电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体
材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，
俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式
D1 P HOTO
+15 V
8
1
7
I R2
R2 1K
3
2 R1 1K
6
Vo
4
-1 5 v
Rf 1 0K
图3-28 光敏二极光敏管二信极管号信处号理处理电电路路
4.光敏三极管
光电三极管具有普通三极管的特性，但其基区面积较大以接收光线照射。
光敏三极管的主要参数： 最高工作电压：
在无光照下，集电极电流为规定值时，集电极与发射极间的电压。
图3-11 双臂工作的半桥接法 图3-12 四臂工作的全桥接法
R1=R2=R3=R3=R
U R0 R 4R
K U0
3.2.2 半导体应变式力传感器
• 某些固体材料受到外力的作用后，除了产生变形，其电阻 率也要发生变化，这种由于应力的作用而使材料电阻率发 生变化的现象称为“压阻效应”。利用压阻效应制成的传 感器称为压阻式传感器。
3. 测量电桥
由应变片作为桥臂而组成的电桥称为测量电桥。若测 量电桥的输入电压为U0，输出电压为∆U，各桥臂的电阻分 别为R1、R2、R3和R4，则
U U 0 ( R1 R2 R3 R4 ) 4 R1 R2 R3 R4
测量电桥灵敏度K
K U U0 1 ( R1 R2 R3 R4 ) R / R 4 R / R R1 R2 R3 R4
图3-13 变极距型电容传感器原理图
变极距电容传感器的初始电容C0可由下式表达
C0
0 r A 0
当动极板因被测量变化而向左移动使δ0减小△δ时， 电容量增大△C。则有
C0 C
0 r A 0
C0
1
(1
/0)
传感器输出特性C=f(δ) 是非线性的
电容位移传感器
暗电流：
在无光照下，集电极与发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流。
光电流：在规定电压下，及规定光照时，流过集电极的电流。
3
图3-27 光敏三极管
图3-28 光敏三极管符号
5.光电耦合电路 发光二极管和光敏三极管常被用来做光电耦合隔离电路。
3
图3-31 光电耦合集成电路
图3-32 光电耦合电路符号
R1 330
+5V
I nput
光电耦合电路
+5V
R2 10K
Output
I nput Output
图3-33 光电耦合电路应用
6.光电开关传感器
由振荡调制器产生的调制脉冲驱动LED光发射到被测物体表 面并反射，反射光被光敏三极管接收，经放大整形解调后输出 电平信号。
被检物表面
NPN -P HOTO
光电传感器的种类：
发光二极管 激光二极管 光敏二极管 光敏三极管 光电耦合电路 光电开关传感器
1.发光二极管 发光二极管也是一个PN结，具有普通二极管的通性，只
是它透明封装。发光二极管采用砷化镓（红外光）、磷化镓 （绿色光）、镓铝砷（红色）等材料组成。
3
图3-23 发光二极管
图3-24 发光二极管的符号
L W 2 / RM
L W 2 0S 2
3.3.3 差动变压器结构电感式位移传感器
差动变压器有衔铁、初
R21
级线圈、次级线圈和线圈
e21
框架。
I1
e1
初级线圈的激励电压为e1， 在次级线圈中感应出电压
R1 jL1
L21 R1
e2
e21和e22。
e1
L1
R22
21
N1I1 Rm!
优点： 1.体积小而灵敏高； 2. 频率响应范围宽、半导体集成化制造； 缺点： 灵敏系数随温度变化较大
3.3 位移测量传感器
位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称， 位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛。常用直线位 移测量传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、 光栅传感器等；常用角位移传感器有：电容传感器、光电 编码盘等。
图3-7 NTC半导体热敏电阻 图3-8 PTC半导体热敏电阻
+5V
R2
R3
10K 10K
R1
Rt
100
(100)
R5 1K R4 1K
4
7
1
+15v Rf2 20K
3 6
2
-15v Rf1 20K
Rf3 20K -15v
8
R6 100K
C1 0.1uF
J1(电源接口)
3 2
+15V -15V
1
4
3.5.1 增量式光电编码器构成及原理
增量式光电编码器，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。这 是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光 电检测装置组成。
恒流源电流计算公式：
I I t 0
I0：温度为零度时的电流值。
I I t 0
AD590
AD590应用电路
3.2 力传感器
力学传感器的种类： 电阻应变片压力传感器、 半导体应变片压力传感器、 压阻式压力传感器、 电感式压力传感器、 电容式压力传感器、 谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
图3-14 自感式传感器原理图
当铁心与衔铁之间有一很小空气隙δ时，可以认为气隙间磁场 是均匀的，磁路是封闭的。不考虑磁路损失时，总磁阻为:
RM
n i 1
li
iSi
2 0S
考虑到铁磁材料的磁导率μi比空气磁导率μ0大得多， 计算总磁阻时，第一项可忽略不计，则:
RM 2 / 0S
位移测量传感器的种类： 电容位移传感器 气隙电感位移传感器 差动变压器结构电感式位移传感器
3.3.1 电容位移传感器
电容式传感器的工作原理
C 0r A
式中
ε0—真空介电常数，等于8.85×10-12F/m εr—极板间介质的相对介电常数 A—极板的有效面积(mm2)；
δ—两极板间的距离(mm)。
3.半导体集成温度传感器AD590
AD590 是一种常用的半导体集成温度传感器。
测温范围 –55 ~ +150℃，
工作电压 +4 ~ +30V， 恒流源线性热敏系数为 ,
b）激光二极管发光示意图
图3-25 激光二极管
3.光敏二极管
光敏二极管是一种光电转换器件。它也是PN结，具有普 通二极管的特性，但有一个透明受光窗口。光敏二极管的特 性是在两端加正向电压时，其PN结受光照射后，其电流随光 照强度的变化而变化。
4
图3-26 光敏二极管
图3-27 光敏二极管符号
+5V
Vo输出电压
测点
连接导线 参考点
合金热电极
图3-1 热电偶结构
热电偶输出的电压是毫伏级小信号，一般需放大 为伏级才能被利用，因此需要电压放大电路。由于集 成电路的大量应用，通常都采用运算放大器放大。
图3-2 铠装热电偶
图3-3 点式热电偶
J2 (热电偶接口)
2 1
Vo= (1+Rf/R1)*Vi=34*Vi
+15 V
J1 (电源接口)
3 2
+15 V -1 5 V
1
8
1
7
R
C1 0 .1 u F
4
-1 5 V Rf 3 3K
图3-4 热热电电偶偶信信号处号理放电大路电路
J3 (信号输出接口)
1 2
2.热敏电阻 热敏电阻是一种随温度变化其阻值变化的一种电阻； 测量范围为 –200~500℃。 铂电阻的精度高但价格高； 铜电阻精度稍差但价格低廉； 半导体热敏电阻的特性呈非线性，但体积小、响应快、
J2(信号输出接口)
2
R9
6
1
C2
100K
0.1uF
2
R7 1K
3 R8 1K
7
1
8
+15v
图3-9 热敏电阻信号处理电路
讨论题：
热敏电阻的阻值计算式 Rt=R0(1+ αt) t：当前温度；
Rt：当前温度下热敏电阻的阻值； R0：热敏电阻在零度时的阻值； α：热敏电阻的敏感系数。 αpt=0.003850 , Rpt0 =100.00Ω αcu=0.004280 , Rcu0 =100.00Ω
传感器输出量形式: 模拟信号、编码数字信号（光电）、数字信号。
传感器静态特性：
传感器的输入-输出特性是传感器的基本特性。 静态特性参数有线性度、灵敏度、迟滞性、重复性。 动态特性：
传感器对输激励响应的特性。 一个动态特性好的传感器，其输出能再现输入的变 化规律，即具有相同的时间函数。
线性曲线 y
o
x
第 3 章 检测传感器及其接口电路
3.1 温度传感器 3.2 力传感器 3.3 位移测量传感器 3.4 光电传感器 3.5 光电编码器 3.6 电流环信号传输 3.7 运算放大器的基本电路
传感器： 把非电量参数（位移、速度、力、温度、光、 磁、化学量等）转化为电量参数（电压、电流、 电阻等）的器件。
压阻式压力传感器应用最为广泛，它具有极低的价 格和较高的精度以及较好的线性特性。
3.2.1 金属电阻应变片式力传感器
1. 金属电阻应变片的内部结构
图3-10 金属电阻应变片的内部结构
2. 电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体
材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，
俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式
D1 P HOTO
+15 V
8
1
7
I R2
R2 1K
3
2 R1 1K
6
Vo
4
-1 5 v
Rf 1 0K
图3-28 光敏二极光敏管二信极管号信处号理处理电电路路
4.光敏三极管
光电三极管具有普通三极管的特性，但其基区面积较大以接收光线照射。
光敏三极管的主要参数： 最高工作电压：
在无光照下，集电极电流为规定值时，集电极与发射极间的电压。
图3-11 双臂工作的半桥接法 图3-12 四臂工作的全桥接法
R1=R2=R3=R3=R
U R0 R 4R
K U0
3.2.2 半导体应变式力传感器
• 某些固体材料受到外力的作用后，除了产生变形，其电阻 率也要发生变化，这种由于应力的作用而使材料电阻率发 生变化的现象称为“压阻效应”。利用压阻效应制成的传 感器称为压阻式传感器。
3. 测量电桥
由应变片作为桥臂而组成的电桥称为测量电桥。若测 量电桥的输入电压为U0，输出电压为∆U，各桥臂的电阻分 别为R1、R2、R3和R4，则
U U 0 ( R1 R2 R3 R4 ) 4 R1 R2 R3 R4
测量电桥灵敏度K
K U U0 1 ( R1 R2 R3 R4 ) R / R 4 R / R R1 R2 R3 R4
图3-13 变极距型电容传感器原理图
变极距电容传感器的初始电容C0可由下式表达
C0
0 r A 0
当动极板因被测量变化而向左移动使δ0减小△δ时， 电容量增大△C。则有
C0 C
0 r A 0
C0
1
(1
/0)
传感器输出特性C=f(δ) 是非线性的
电容位移传感器
暗电流：
在无光照下，集电极与发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流。
光电流：在规定电压下，及规定光照时，流过集电极的电流。
3
图3-27 光敏三极管
图3-28 光敏三极管符号
5.光电耦合电路 发光二极管和光敏三极管常被用来做光电耦合隔离电路。
3
图3-31 光电耦合集成电路
图3-32 光电耦合电路符号
R1 330
+5V
I nput
光电耦合电路
+5V
R2 10K
Output
I nput Output
图3-33 光电耦合电路应用
6.光电开关传感器
由振荡调制器产生的调制脉冲驱动LED光发射到被测物体表 面并反射，反射光被光敏三极管接收，经放大整形解调后输出 电平信号。
被检物表面
NPN -P HOTO
光电传感器的种类：
发光二极管 激光二极管 光敏二极管 光敏三极管 光电耦合电路 光电开关传感器
1.发光二极管 发光二极管也是一个PN结，具有普通二极管的通性，只
是它透明封装。发光二极管采用砷化镓（红外光）、磷化镓 （绿色光）、镓铝砷（红色）等材料组成。
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图3-23 发光二极管
图3-24 发光二极管的符号
L W 2 / RM
L W 2 0S 2
3.3.3 差动变压器结构电感式位移传感器
差动变压器有衔铁、初
R21
级线圈、次级线圈和线圈
e21
框架。
I1
e1
初级线圈的激励电压为e1， 在次级线圈中感应出电压
R1 jL1
L21 R1
e2
e21和e22。
e1
L1
R22
21
N1I1 Rm!
优点： 1.体积小而灵敏高； 2. 频率响应范围宽、半导体集成化制造； 缺点： 灵敏系数随温度变化较大
3.3 位移测量传感器
位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称， 位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛。常用直线位 移测量传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、 光栅传感器等；常用角位移传感器有：电容传感器、光电 编码盘等。
图3-7 NTC半导体热敏电阻 图3-8 PTC半导体热敏电阻
+5V
R2
R3
10K 10K
R1
Rt
100
(100)
R5 1K R4 1K
4
7
1
+15v Rf2 20K
3 6
2
-15v Rf1 20K
Rf3 20K -15v
8
R6 100K
C1 0.1uF
J1(电源接口)
3 2
+15V -15V
1
4
3.5.1 增量式光电编码器构成及原理
增量式光电编码器，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。这 是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光 电检测装置组成。
恒流源电流计算公式：
I I t 0
I0：温度为零度时的电流值。
I I t 0
AD590
AD590应用电路
3.2 力传感器
力学传感器的种类： 电阻应变片压力传感器、 半导体应变片压力传感器、 压阻式压力传感器、 电感式压力传感器、 电容式压力传感器、 谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
图3-14 自感式传感器原理图
当铁心与衔铁之间有一很小空气隙δ时，可以认为气隙间磁场 是均匀的，磁路是封闭的。不考虑磁路损失时，总磁阻为:
RM
n i 1
li
iSi
2 0S
考虑到铁磁材料的磁导率μi比空气磁导率μ0大得多， 计算总磁阻时，第一项可忽略不计，则:
RM 2 / 0S
位移测量传感器的种类： 电容位移传感器 气隙电感位移传感器 差动变压器结构电感式位移传感器
3.3.1 电容位移传感器
电容式传感器的工作原理
C 0r A
式中
ε0—真空介电常数，等于8.85×10-12F/m εr—极板间介质的相对介电常数 A—极板的有效面积(mm2)；
δ—两极板间的距离(mm)。