传感器第六章
机械与电子工程学院
二进制码与循环码的转换
4位二进制码与循环码的对照表
C n Rn Ci Ci 1 Ri Ri Ci 1 Ci
不同为1 相同为0
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二进制码转换为循环码的电路
(a) 并行变换电路
(b)串行变换电路
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循环码转变为二进制码的电路
(a) 并行变换电路
器得到足够的信号输出以防干扰的影响。
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莫尔条纹形成的原理
横向莫尔条纹的斜率
tan tan
2
莫尔条纹间距
BH AB BC sin
2
W 2 sin
2
W
莫尔条纹的宽度BH由 光栅常数与光栅夹角决定
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莫尔条纹技术的特点
（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了 放大作用，又提高了测量精度。 （2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信 号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提 高测量精度或可以采用较粗的光栅。 （3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻 线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。 因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。
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光栅传感器光源：
钨丝灯泡：
输出功率较大，工作范围较宽（-40℃到+130℃） 与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击 条件下工作时，使用寿命将降低。
半导体发光器件: 转换效率高，响应特征快速。 如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换 效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响 应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从 而减小功耗和热耗散。
C 2
i 1 i
n
i 1
1
（3）码盘转动中，CK变化时，所有Cj(j<K)应同时变化。
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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，只 要有—个码道提前或延后改变，就可能造成输 出的粗大误差。
消除粗大误差方法：
(b)串行变换电路
循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码
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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
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光栅传感器的结构
光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和 指示光栅）和光电接收元件组成。
双读数头法，循环码代替二进制码 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。
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(a) 四位二进制码盘展开图 (b) 采用双读数头消除粗大误差的示意图
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六 位 的 循 环 码 码 盘
(1)n位循环码码盘具有2n种不同编码； (2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同； (3)循环码为无权码； (4)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。
机械与电子式传感器
2 码盘和码制 3 二进制码与循环码的转换 4应 用
1 光栅传感器的结构
2 莫尔条纹形成的原理
光栅式传感器
3 莫尔条纹技术的特点
4 光栅的光路
5 辨向原理
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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。
这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。
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径向光栅进行角度测量
当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动， 测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。
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（1）透射式光路
1-光源 2-准直透镜 3-主光栅 4-指示光栅 5-光电元件
此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。 特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。
。
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光栅副：指示光栅＋主光栅
a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数） 通常情况下，a=b=W/2
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光电元件
包括有光电池和光敏三极管等部分。 在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相 接近的光敏元件，以获得高的转换效率。 在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大
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（2）反射式光路
1反射主光栅 2-指示光栅 3-场镜 4-反射镜 5-聚光镜 6-光源 7-物镜 8-光电电池。
该光路适用于黑白反射光栅。
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辨向原理
单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只 能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方 向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致 不能正确测量位移。 如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累 加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减 去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量 结果。
1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－元件
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码盘和码制
6 位 二 进 制 码 盘
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
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二进制码盘主要特点：
（1）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； （2）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：
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辨向光路设置
在相距的位置上设置两个光电元件1和2， 以得到两个相位互差90°的正弦信号
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辨向电路
正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中 减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。
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辨 向 电 路 各 点 波 形 图
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《传感器与检测技术》高教(4版) 第六章
差动变压器位移计
当铁芯处于中间位置时，输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向右移动时，则输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向左移动时，则输出电压: UU 21 U 220
输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁 芯的位移大小。
差动变压器位移计
输出特性如图所示。
差动变压器位移计
角度的精密测量。 光栅的基本结构
1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等 距的刻线构成的，结构如图。
设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，
一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光
的缝宽，即a = b。图中d = a + b 称为光
栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。
光栅位移测试
2、光栅的分类
1、激光的特性
（1）方向性强
（2）单色性好
（3） 亮度高
（4） 相干性好
2、激光器
按激光器的工作物质可分为以下几类： （1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻 璃激光器等。
（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化 碳激光器、一氧化碳激光器等。
激光式传感器
（3） 液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器 和有机液体激光器等。
数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有： 铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2、骨架：
对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高， 有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂 和工程塑料等。 3、电刷：
电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势 小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。
电位器传感器
电位计式位移传感器
6.2.2 差动变压器位移计结构
1-测头； 2-轴套； 3-测杆； 4-铁芯；5-线圈架； 6-导线； 7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧； 10-防尘罩
传感器原理及应用技术 第6章 霍尔传感器
霍尔式曲轴位置传感器
小结
❖ 霍尔传感器是一种磁敏感元件，它是利用霍尔效应 工作的。霍尔效应产生的霍尔电势与通过的控制电 流以及垂直与霍尔元件的磁感应强度有关。利用霍 尔传感器可以测量最终能够转换成电流、磁感应强 度的物理量。由于霍尔元件的材料属于半导体，所 以把测量电路集成在一块芯片上，构成霍尔集成电 路。常见的霍尔集成电路有开关型和线性型。实际 应用中，常利用霍尔集成电路测量位移、磁场强度、 转速以及电流、电压。
磁特性分别如图所示，由于它们的BOP、BRP极性相同，所 以适用于单稳态开关、摩托车点火开关以及出租车计价器等。
❖
❖ （4）按温度特性分类
❖ 温度特性表明了IC的可靠性。民用品的可靠性低于工业品的 可靠性；工业品的可靠性不如军品的可靠性。通常军品级的 IC价位是民品级4～5倍。
❖ 通常划分温度等级如下：
❖ 1. 霍尔电机 ❖ 2. 霍尔汽车无触点电子点火器
❖ 在容器的上部安装上开关型霍尔集成电路，液体里放置一个 安有磁极的浮子，当容器内液体的液位达到检测位置时，霍 尔集成电路就会输出一个开关信号，控制其他设备的启停。
❖ 一些数控设备，尤其是机器人中，需要精确地决定移动部件的位 置。下图霍尔IC在位置检测中的应用。当安有磁极的可动部件移动 到指定位置时，霍尔IC就会输出控制信号。
高等职业教育电子信息类贯通制教材（机电技术专业）
传感器原理及应用技术 （第2版）
主 编 刘伟
电子工业出版社
第6章 霍尔传感器
❖ 6.1霍尔传感器及其集成电路 ❖ 6.2霍尔传感器的应用 ❖小 结
6.1霍尔传感器及其集成电路
❖ 6.1.1 霍尔传感器的工作原理 ❖ 6.1.2 霍尔集成电路
6.1.2 霍尔集成电路
小结
❖ 霍尔传感器是一种磁敏感元件，它是利用霍尔效应 工作的。霍尔效应产生的霍尔电势与通过的控制电 流以及垂直与霍尔元件的磁感应强度有关。利用霍 尔传感器可以测量最终能够转换成电流、磁感应强 度的物理量。由于霍尔元件的材料属于半导体，所 以把测量电路集成在一块芯片上，构成霍尔集成电 路。常见的霍尔集成电路有开关型和线性型。实际 应用中，常利用霍尔集成电路测量位移、磁场强度、 转速以及电流、电压。
磁特性分别如图所示，由于它们的BOP、BRP极性相同，所 以适用于单稳态开关、摩托车点火开关以及出租车计价器等。
❖
❖ （4）按温度特性分类
❖ 温度特性表明了IC的可靠性。民用品的可靠性低于工业品的 可靠性；工业品的可靠性不如军品的可靠性。通常军品级的 IC价位是民品级4～5倍。
❖ 通常划分温度等级如下：
❖ 1. 霍尔电机 ❖ 2. 霍尔汽车无触点电子点火器
❖ 在容器的上部安装上开关型霍尔集成电路，液体里放置一个 安有磁极的浮子，当容器内液体的液位达到检测位置时，霍 尔集成电路就会输出一个开关信号，控制其他设备的启停。
❖ 一些数控设备，尤其是机器人中，需要精确地决定移动部件的位 置。下图霍尔IC在位置检测中的应用。当安有磁极的可动部件移动 到指定位置时，霍尔IC就会输出控制信号。
高等职业教育电子信息类贯通制教材（机电技术专业）
传感器原理及应用技术 （第2版）
主 编 刘伟
电子工业出版社
第6章 霍尔传感器
❖ 6.1霍尔传感器及其集成电路 ❖ 6.2霍尔传感器的应用 ❖小 结
6.1霍尔传感器及其集成电路
❖ 6.1.1 霍尔传感器的工作原理 ❖ 6.1.2 霍尔集成电路
6.1.2 霍尔集成电路
高中物理--传感器
B. 物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C. 物体M不动时，电路中没有电流
D. 物体M不动时，电压表没有示数
2、热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，
如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火
警报警器、恒温箱等。
例5：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半导
器。其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性
膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体
的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号 转变为电信号。下列说法正确的是
(B
)
A 该传感器是根据电流的磁效应工作的
B 该传感器是根据电磁感应原理工作的
C 膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
受热时电阻值小，ab间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接 触，电铃响。
①将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b 端，如图示：
②将学生用电源与绿灯泡分别接入c、e之 间。
③将学生用电源与电铃分别接入c、d、之 间。
t° 变式：提高灵敏度，应该如何调节
滑动变阻器？
a bc d e
①风力大小F与θ的关系式； F=Mg·tanθ①
②风力大小F与电流表示数I/ 的关系式。思路？ tanθ=L//h②
I/=E/[R0+k(L-L/）] ③ E=I(R0+kL) ④ ③由此①装到置④所得测：F定 的Mhg最• (大kL风 Rk力0I)(/ 是I / 多I )少⑤？
F Mg L ⑥ 两种理解
例7.如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的
C. 物体M不动时，电路中没有电流
D. 物体M不动时，电压表没有示数
2、热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，
如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火
警报警器、恒温箱等。
例5：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半导
器。其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性
膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体
的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号 转变为电信号。下列说法正确的是
(B
)
A 该传感器是根据电流的磁效应工作的
B 该传感器是根据电磁感应原理工作的
C 膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
受热时电阻值小，ab间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接 触，电铃响。
①将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b 端，如图示：
②将学生用电源与绿灯泡分别接入c、e之 间。
③将学生用电源与电铃分别接入c、d、之 间。
t° 变式：提高灵敏度，应该如何调节
滑动变阻器？
a bc d e
①风力大小F与θ的关系式； F=Mg·tanθ①
②风力大小F与电流表示数I/ 的关系式。思路？ tanθ=L//h②
I/=E/[R0+k(L-L/）] ③ E=I(R0+kL) ④ ③由此①装到置④所得测：F定 的Mhg最• (大kL风 Rk力0I)(/ 是I / 多I )少⑤？
F Mg L ⑥ 两种理解
例7.如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的
传感器原理及其应用 第6章 磁电式传感器
材料(单晶) N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb)
1/ 2
4000 1840 4200
砷化铟(InAs)
磷砷铟(InAsP) 砷化镓(GaAs)
0.36
0.63 1.47
0.0035
0.08 0.2
25000
10500 8500
100
850 1700
1530
3000 3800
哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高
1、8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝架； 5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线 工作频率 固有频率 灵敏度 10～500 Hz 12 Hz 最大可测加速度 5g 可测振幅范围 精度 ≤10％ 45mm×160 mm 0.7 kg
0.1～1000 m 外形尺寸 1.9 k 质量
d E N dt
武汉理工大学机电工程学院
第6章 磁电式传感器
磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作 相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等， 一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类。 6.1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理 恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感 应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割 磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。
武汉理工大学机电工程学院
第6章 磁电式传感器 磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度dx/dt 成正比的感应电动势E，其大小为
dx E NBl dt
式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应 强度；l为每匝线圈平均长度。 当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成正 比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。 由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传 感器的灵敏度(E/v)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于 固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近 似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随 振动频率增加而下降。 不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的， 但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10 Hz左右，高的可 达2 kHz左右。
高二物理传感器及其工作原理
单击添加副标题
第六章 传感器
2023
单击添加副标题
列举生活中的一些自动控制实例
遥控器控制电视开关 日光控制路灯的开关 声音强弱控制走廊照明灯开关等 自动门等 安检门
6.1 传感器及其工作原理
壹
一、什么是传感器
（1）什么是传感器？ （以干簧管为例引入） 干簧管可以控制灯的熄灭
磁感应强度的变化 簧片的磁化和去磁 电路的通断
演示实验：将光敏电阻和多用表的欧姆档相连，随着 光照不同，表有何变化？
（1）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。 （2）光敏电阻受到光照时电阻会变小。硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照增强，载流子增多，导电性能变好。 （3）光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量。 （4）随着光照强度的增加，多用表的指针偏角逐渐变大。
演示实验：将热敏电阻和多用表的欧姆档相连，把热敏 电阻放到剩水的杯中，向杯里倒入热水，
关系不相同。 金属导体的导电性能随温度升高而降低 半导体材料的导电性能随温度升高而变好
金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化
测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性 较好，测量范围较大，但灵敏度较差。
热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，
02
传感器的定义：
（2）传感器的作用是什么？ 传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。
非电学量→传感器→电学量
角度 位移 速度 压力 பைடு நூலகம்度 湿度 声强 光照
传感器
电压 电流 电阻 电容
非电学量
敏感元件
转换器件
转换电路
电学量
（3）传感器的工作原理
尔元件能够把磁感应强
第六章 传感器
2023
单击添加副标题
列举生活中的一些自动控制实例
遥控器控制电视开关 日光控制路灯的开关 声音强弱控制走廊照明灯开关等 自动门等 安检门
6.1 传感器及其工作原理
壹
一、什么是传感器
（1）什么是传感器？ （以干簧管为例引入） 干簧管可以控制灯的熄灭
磁感应强度的变化 簧片的磁化和去磁 电路的通断
演示实验：将光敏电阻和多用表的欧姆档相连，随着 光照不同，表有何变化？
（1）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。 （2）光敏电阻受到光照时电阻会变小。硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照增强，载流子增多，导电性能变好。 （3）光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量。 （4）随着光照强度的增加，多用表的指针偏角逐渐变大。
演示实验：将热敏电阻和多用表的欧姆档相连，把热敏 电阻放到剩水的杯中，向杯里倒入热水，
关系不相同。 金属导体的导电性能随温度升高而降低 半导体材料的导电性能随温度升高而变好
金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化
测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性 较好，测量范围较大，但灵敏度较差。
热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，
02
传感器的定义：
（2）传感器的作用是什么？ 传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。
非电学量→传感器→电学量
角度 位移 速度 压力 பைடு நூலகம்度 湿度 声强 光照
传感器
电压 电流 电阻 电容
非电学量
敏感元件
转换器件
转换电路
电学量
（3）传感器的工作原理
尔元件能够把磁感应强
第六章 电感式传感器
0
3
灵敏度：
L2
L0
0
1
0
0
2
0
3
K
L / L0
1 2
0
L
L1
L2
2L0
0
1
0
2
实际上由于线圈内部的磁场是不均匀的，电感量的增 量ΔL与△x存在着一定的非线性。
为提高灵敏度和线性度，螺线管型自感式传感器常 采用差动结构。
6.1 自感式传感器
广西大学电气工程学院
双螺管型差动型
L1
L2
u
x
特性曲线
等效电路
将传感器两线圈接于电桥 的相邻桥臂时，其输出灵 敏度可提高一倍，并改善 了非线性特性，还能减少 干扰影响。
• 对电源采取稳压、稳频、屏蔽、加滤波电容等 措施，可减弱或消除电源的影响。
• 铁芯磁感应强度的工作点一定要选在磁化曲线 的线性段，以免在电源电压波动时，铁芯磁感 应强度进入饱和区而使导磁率发生很大变动。
6.1 自感式传感器
零点残余电压及其补偿
在电桥预平衡时，无法实 现平衡，最后总要存在着 某个输出值ΔU0，这称为 零点残余电压
应在设计制造时采取措施， 保证两电感线圈的对称。
减少电源中的谐波成分 在测量电桥中接入可调电
位器 采用相敏整流电路
广西大学电气工程学院
理想状态
ΔU0
实际状态
uo
理想状态
实际状态
第六章 电感式传感器
广西大学电气工程学院
第六章-自感式传感器
L0
L10
L20
m
0W
2
mr
rc
l2 c
l2
k1
k2
m0W 2mr rc2
l2
综上所述，螺管式自感传感器的特点： ①结构简单，制造装配容易； ②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低 ，但线性范围大； ③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈 匝数多，因而线圈分布电容大； ⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其 线性和稳定性。
2
3
（2）单线圈是忽略
0
以上高次项，差动式是忽略
0
以上偶次项，
因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
*另一种形式： Π型
6 自感式传感器
6.1 工作原理 6.2 变气隙式自感传感器 6.3 变面积式自感传感器 6.4 螺线管式自感传感器 6.5 自感式传感器测量电路 6.6 自感式传感器应用举例
第6章 电感式传感器
电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用 线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。它 可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一 定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成 位移量而进行测量。通常可由下列方法使线圈的电 感变化：
(1)改变几何形状； (2)改变磁路的磁阻； (3)改变磁芯材料的导磁率； (4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。
1. 交流电桥 2. 变压器电桥 3. 自感传感器的灵敏度
（一）交流电桥式测量电路
分析：
• 衔铁在初始位置时，电桥平衡
L1
L2
L0
W 2m0S 20
• 若衔铁上移，则：
1 0 ,2 0
第6章光敏传感器
8
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷 磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有
差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决 定发光颜色之外，峰的宽度（用Δ描述）决定 光的色彩纯度，Δ越小，其光色越纯。
9
相 1.0 对 0.8 灵 0.6 敏 0.4 度
0.2
0
GaP λp=565nm
GaAsP
λp=670nm GaAs λp=950nm
6
原理：
P
Uφ N
+ - - - - ++++_ - - - - ++++
+ - - - - ++++_
- - - - ++++
iD
U
R
U
当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到
P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入
到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对
的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。
36
（2）光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。
0.25 光 电 0.20 流
0.15
图10-9 光敏电阻的光 0.10
/mA
照特性
0.05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 光通量/lm
多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般
用做开关式的光电转换器。
37
（3）光谱特性
相 100
27
UOUT
K
A
RL
D1 D2 D3 D4
IA
R1
R2
R3
R4
R5
28
第
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷 磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有
差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决 定发光颜色之外，峰的宽度（用Δ描述）决定 光的色彩纯度，Δ越小，其光色越纯。
9
相 1.0 对 0.8 灵 0.6 敏 0.4 度
0.2
0
GaP λp=565nm
GaAsP
λp=670nm GaAs λp=950nm
6
原理：
P
Uφ N
+ - - - - ++++_ - - - - ++++
+ - - - - ++++_
- - - - ++++
iD
U
R
U
当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到
P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入
到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对
的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。
36
（2）光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。
0.25 光 电 0.20 流
0.15
图10-9 光敏电阻的光 0.10
/mA
照特性
0.05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 光通量/lm
多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般
用做开关式的光电转换器。
37
（3）光谱特性
相 100
27
UOUT
K
A
RL
D1 D2 D3 D4
IA
R1
R2
R3
R4
R5
28
第
《传感器技术》教学课件第6章
沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电
荷， 其大小为
qx d11Fx
(6-2)
式中, d11为x方向受力的压电系数。
14
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则电荷仍 在与x轴垂直的平面上产生，其大小为
qy
d12
a b
Fy
(6-3)
式中：d12——y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11；
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
16
石英晶体具有压电效应与内部分子结构有关。图6-3 是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，将 硅离子和氧离子在垂直于晶体z轴的xy平面上进行投影， 等效为一个正六边形排列。
当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶
极矩P1、P2、P3。 如图6-4（a）所示。
29
压电材料的压电特性可以用压电方程表示，其矩阵形式是： 定义压电系数矩阵D为：
30
压电系数矩阵D是正确选择压电元件、受力状态、变形方 式、能量转换率以及晶片几何切型的重要依据。石英晶体压电 系数矩阵可表示为
式中独立的压电系数是d11和d14；压电系数矩阵可表示为：
其中独立的压电系数是d33、d31和d15三个。
无线传感器网络支撑技术第六章
05
非视线关系：传感器网络的两个节点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。
01
衡量定位性能有多个指标：
02
位置精度
03
覆盖范围
04
刷新速度
05
功耗等。
06
覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标。
07
刷新速度是指提供位置信息的频率。
3、定位性能的评价指标
我们将各种传感器直接给出的信息称作源信息，如果传感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数据，如果给出的是图像就是源图像。源信息是信息系统处理的对象。
但在另外一些领域，如商业上的小区无线安防网络，军事上的传感器网络等，则对数据的采样、传输过程，甚至节点的物理分布重点考虑安全问题，很多信息都不能让无关人员或者敌方人员了解。
传感器网络安全问题的解决方法与传统网络安全问题不同，主要原因如下： 有限的存储空间和计算能力 缺乏后期节点布置的先验知识 布置区域的物理安全无法保证 有限的带宽和通信能量 侧重整个网络的安全 应用相关性
数据融合技术的分类
传感器网络的数据融合技术可以从不同的角度进行分类，这里介绍三种分类方法： 依据融合前后数据的信息含量分类； 依据数据融合与应用层数据语义的关系分类； 依据融合操作的级别分类。
01
02
根据融合操作的级别分类
数据级融合 数据级融合是最底层的融合，操作对象是传感器采集得到的数据，因而是面向数据的融合。
数据融合的基本目的是通过融合得到比单独的各个输入数据更多的信息。这一点是协同作用的结果，即由于多传感器的共同作用，使系统的有效性得以增强。
传感器网络中数据融合的作用
数据融合的主要作用可归纳为以下几点： (1) 提高信息的准确性和全面性。 (2) 降低信息的不确定性。 (3) 提高系统的可靠性。 (4) 增加系统的实时性。 (5) 节省整个网络的能量；