3.5 光电编码器3.2 力传感器3.1 温度传感器第 3 章 检测传感器及其接口电路3.3 位移测量传感器3.4 光电传感器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。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。 线性曲线动态响应曲线康铜系热电偶，测量范围 –180~2800℃ ，最佳测量范围 630~1064
℃；钨铼系热电偶，在300~2000℃的范围内具有良好的特性；镍铬-金铁热电偶，在 0~ -217℃范围内具有良好的特性。3.1
温度传感器1.热电偶图3-1 热电偶结构 图3-2 铠装热电偶 图3-3 点式热电偶
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3-4 热电偶信号放大电路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、 价格低廉。 铂热电
阻PT100（100欧姆）主要用于-200~650℃范围测温； Pt10（10欧姆）主要用于650℃以上范围的测温。 图3-5 铂
热敏电阻 图3-6 铜热敏电阻 图3-7 NTC半导体热敏电阻 图3-8 PTC半导体热敏电阻 热敏电阻的电阻变
化值首先要经变送电路变换为电压，并进行必要的放大和滤波处理输出伏级电压值，才能被后续电路利用。 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 =100.00Ωαcu=0.004280 , Rcu0 =10
0.00Ω? 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AD590AD590 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 ,恒流源电流计算公式：I0：温度为零度时的电流值。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。 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 图3-10 金属电
阻应变片的内部结构1. 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表示：式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） ??
????????? ?S——导体的截面积（cm2） ?????????
???L——导体的长度（m） 以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中
可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压
缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。 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，则测量电桥灵敏度K 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 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。 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3.2.2 半导体应变式力传感器 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。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)。
图3-13 变极距型电容传感器原理图 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
变极距电容传感器的初始电容C0可由下式表达 传感器输出特性C=f(δ) 是非线性的 电容位移传感器3.3.2 气隙电感位
移传感器 电感式传感器工作原理，电感式传感器结构简单，输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，但它的动态响应慢，不宜作快速动
态测试。 由物理学磁路知识，线圈的自感系数为 式中 W—线圈匝数； RM—磁路总磁阻。1－线
圈 2－铁心 3－衔铁 4－测杆 5－被测件图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: 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: 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、初级线圈
、次级线圈和线圈框架。 初级线圈的激励电压为e1，在次级线圈中感应出电压e21和e22。图3-15 差动变压器等效电路图3-
16 全波整流电路图图3-17 全波整流电路波形图图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 图3-20电涡流的形成
图3-21 电涡流位移传感器 线圈通入交变电流I，在线圈的周围产生交变的磁场H1；位于该磁场中的金属导体上产生感应电
动势并形成涡流；涡流也产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反。图3-22 电涡流位移传感器输出电压-位移曲线电感式接近开关接近开关
的工作原理及接线图3.4 光电传感器 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。
图3-23 发光二极管
图3-24 发光二极管的符号发光二极管的主要参数：最大工作电流：发光二极管长期工作时所允许通过的最大电流（30~50mA）。正向电
压：通过规定的正向电流时，发光二极管两端产生的正向电压。 2.激光二极管 改变激光二极管两端电压，使流过二极管的电流逐
渐加大，当电流超过某一值时，管子的输出功率就急剧变化，产生激光振荡。 a）激光二极管
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。 图3-26
光敏二极管 图3-27 光敏二极管符号图3-2
8 光敏二极管信号处理电路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。
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。 图3-31 光电耦合集成电路
图3-32 光电耦合电路符号图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。
图3-35 反射式光电开关工作原理光电开关的工作原理及电路图 a）反射式光电开关
b）反射式光纤光电开关图3-34 光电开关光电开关的应用例仓库安全防护
电梯运转控制3.5 光电编码器增量式光电编码器构成及原理 绝对式光电编码器构成及原理 增量式光
电编码器计数电路 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。 图3-37 单路光电码盘脉冲图
3-36 单路光电码盘原理 图3-38 双路光电码盘原理 图3-39 双路光电码盘脉冲
图3-40 光电码盘正反转时输出脉冲信号的时序图特征光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，能分辨的角度α
为： α=360°/n （3-28）
分辨率=1/n （3-29）例如：码盘边缘的透光槽数为10
24个，则能分辨的最小角度α=360°/1 024=0.352°。 光栅盘的栅数增加到300，500，1000，则将一
周分为300份，500份，1000份，光电编码器的测角精度就会分成不同的精度等级。 图3-41 光电编码器3.5.2 绝对式光电
编码器构成及原理 图3-42 绝对式光电编码器二进制码盘 最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。圆盘划分16个扇区，每个扇区
对应一个4位二进制数，如0000、0001、…、1111。绝对式光电编码器的特点 1. 可以直接读出角度坐标的绝对值； 2. 没有
累积误差； 3. 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多
种。 3.5.3 增量式光电编码器计数电路 1．增量光电编码器的方向判断 软件判断 硬件判断 方向判别集成电路ST288A
8脚双列直插集成电路图3-43 方向判别集成电路ST288A 图3-44 ST288A输入输出信号时序图 组合方向判别电路信
号波形时序图2. 光电编码器计数电路CU：加计数时钟CD：减计数时钟P0，P1，P2，P3：四位预置数PL：预置操作QA，QB，Q
C，QD：四位计数值TCU：进位输出TCD：借位输出MR：清零操作 图3-45 双时钟可预置加减计数器74LS19374LS193
封装形式表3-1 74LS193真值表 ↑：上升沿；↓：下降沿；H：高电平；L：低电平；X：忽视
图3-46 增量式光电
编码器8位上电清零计数电路 图3-47 增量式光电编码器8位上电
预置计数电路进给手柄刻度盘200格，每格代表0.01mm。每格的角度为1.8度。经验表明，这样小的角度很难用手控制准确。 光电编
码器的安装位置比较灵活，但多数情况是和电机轴同轴。在数控机床的进给系统中得到大量应用。光栅尺3.6 电流环信号传输图3-48 电流
环传输的变换模拟电压信号传输： 则容易受到周围磁场的干扰，传输距离较短（5米）。4~20mA电流环传输：
不易被周围磁场干扰，传输距离则可以达数百米。电压电流变换：0~10V? 4~20mA 图3-49 电压电流转换器件型号
及定义图3-50 电压电流转换器件外形及引脚方式 3.7 运算放大器的基本电路 （a）OP-07引脚图
（b）OP-07原理图符号 图3-51 OP-07运算放大器图3-52 OP-07反相输入比例放大电
路图3-53 OP-07同相输入比例放大电路图3-54 OP-07电压跟随电路图3-55 OP-07差动输入比例放大电路图3-56
OP-07反向输入求和电路复习思考题3.1 机电一体化系统中常见传感器有哪几种？3.2 应变片有哪些应用场合，请举出几种你知道的
场合。3.3 差动式位移传感器和涡流式位移传感器有什么区别？3.4 增量式光电编码器的结构和工作原理是什么？3.5绝对式光电编码器的结构和工作原理是什么？3.6 增量式光电编码器的方向判别有哪几种方法？3.7 运算放大电路中的跟随电路有什么作用？课堂作业1 有一个铜热电阻，它的热电阻敏感系数为αcu=0.004280 , 零度时电阻为Rcu0 =100.00Ω。试设计一个该铜热电阻变送电路，要求在0℃时输出电压0V，20℃时输出电压+2V。 课堂作业2 设计一个8位增量式光电编码器计数电路，要求包含方向判别电路和计数电路，计数电路上电后初始数据为二进制1100 0000。并分别画出光电编码器正转时和反转时输出的信号波形图。当采用双脉冲加减计数器记录光电编码器旋转角度时，光电编码器的方向判别电路应输出什么样的信号，并请画出其在光电编码器正反转时的信号波形。 |
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