1、 檢測技術 是研究信息的提取、轉換及其處理的一門應用技術科學。一個完整的檢測系統包括三部分：傳感器 、信號調理器 和輸出單元 . 傳感器：將被測量（非電量）轉換成電信號的器件或裝置，一般由敏感元件、轉換元件及其輔助部分組成。它涉及物理、化學、生物等多學科原理與知識，是檢測系統中最重要的環節，決定著檢測器的主要特征。 信號調理器：對傳感器輸出的電信號進行加工處理的單元，目的是使電信號規范化、標準化，便于與后續顯示或應用環節銜接。主要有放大、濾波、非線性處理和信號變換等幾大功能塊，使用的工具主要是電子技術和計算機技術。 輸出單元：對經過信號調理后的電信號進行顯示、記錄，或者傳輸至數據通信接口、控制

2、執行裝置等環節。這些涉及儀表、控制、計算機等學科領域，主要的問題有信號顯示、數據采集與接口等。 傳感器的定義：能感受規定的被測量并按照一定的規律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成 傳感器的功能和作用：面對各種各樣的被測量，如熱、光、力、磁、速度、濕度、濃度等，將它們正確地反映出來，并加以量化表述，然后將此信號輸出，或顯示，或實施，或提供給決策單元。 傳感器一般由敏感元件、轉換元件及其輔助環節組成。其中，敏感元件直接感受和響應被測量，其輸出可能是電量，也可能是另一非電量，但它們與被測量有對應關系；轉換元件是將敏感元件輸出的非電量轉換成電路參數（如電阻、電感等）或者電

3、量；輔助環節主要是支持被測量轉換成電量的部分，例如，如果轉換元件的結果是電路參數，該環節就將電路參數轉換為電量，如電壓、頻率等形式。 按工作原理分的傳感器 傳感器靜態特性：當被測量的各值處在穩定狀態的時候，傳感器的輸出值與輸入值之間的數學表達式、曲線或數表所表述的主要性質。描述傳感器的靜態特性的基本參數和技術性能指標有：靈敏度、閾值、分辨力、線性度、滯后度、精度等。靈敏度 定義：傳感器在穩定條件下，輸出變化量與輸入變化量之比。對于線性傳感器，靈敏度為：這里 K 為常數， 為輸入變化量， 為輸出變化量。 靜態特性曲線 （直線）的線斜率越大，其靈敏度越高。 閾值：傳感器的輸入從零開始緩慢增加時，達

4、到某一最小值才使傳感器輸出變化，稱此最小輸入值為閾值，該值為傳感器最小可測出的輸入量。 分辨力：傳感器的輸入從非零的任意值緩慢增加，超過某一輸入增量后輸出才變化,該輸入增量稱為傳感器的分辨力。它說明傳感器可測出的最小輸入變量。該值除以滿量程輸入值，然后乘 100% 即為分辨率。線性度（非線性誤差）定義：在規定條件下，輸入-輸出特性曲線與理論（擬合）直線間最大偏差與滿量程（F.S）輸出值的百分比，稱為線性度。校準曲線與擬合直線間的最大偏差；系統滿量程輸出滯后度定義：傳感器輸入量增大行程（正行程）和輸入量減小行程（反行程），輸出輸入特性曲線不重合，稱為滯后。滯后誤差又稱回程誤差，或者變差：漂移定義

5、：是指在一定工作條件下，保持輸入信號不變，輸出信號隨時間或溫度變化而出現的緩慢變化程度。它反映傳感器的穩定性。產生原因是傳感器結構或者環境。系統滿量程輸出零漂 ：輸入為零時產生的漂移。時漂：隨時間變化而出現的漂移；溫漂：隨環境溫度變化而出現的漂移；精確度 精密度：對具有某特點的被測量，由同一人、用同一傳感器在短時間內連續重復測量多次，以檢驗測量結果的分散程度。它表示隨機誤差大小。 準確度：傳感器輸出值與真值的偏離程度。 精確度：簡稱精度，它是精密度和準確度的綜合，即系統誤差和隨機誤差的綜合，表示測量結果與真值的一致程度。精確度涉及真值，由于真值的不可知性，所以它僅是一個定性的概念。誤差存在的普

6、遍性： 實驗方法、實驗設備的局限性，周圍環境的影響，人為因素，測得的數值和真值之間總存在一定差異，在數值上表現為誤差 。誤差存在的必然性： 隨著科技的水平的不斷進步和人類認識水平的發展，誤差被控制得越來越小，但始終不能完全消除，即誤差是不受人們的主觀影響而客觀存在的。 式中 x 測量誤差 x 測量結果 x0 真值 測量結果與被測量真值之差。測量誤差： 測量誤差絕對誤差。 絕對誤差 (測量誤差)： 相對誤差（示值誤差、讀數誤差 “R”）：測量的絕對誤差與被測量的真值之比，又分實際相對誤差和標稱（示值）相對誤差。 （當絕對誤差很小時）引用誤差：（滿度誤差、額定誤差）“FS” 式中：xm最大刻度與最

7、小刻度之差(量程) DN50 的浮子流量計的流量測量范圍：1.616m3/h,其引用誤差為1.5%，則測量下限時的讀數誤差為多少？解：引用誤差： 絕對誤差： 測量下限1.6m3/h時的讀數誤差：說明：讀數誤差更能反映當前測量值的準確性。準確度等級：（行業標準） 0.1級,0.2級,0.5級,1級,1.5級，由誤差的性質和大小決定。等級歸屬：就低原則 若誤差剛好在兩極之間，則該儀表應歸屬于最接近的精度較低的一級，如引用誤差為0.3%歸屬0.5級。按特性規律分類：系統誤差、隨機誤差、粗大誤差 系統誤差（System error） - 有規律可循 由特定原因引起、具有一定因果關系并按確定規律產生，如

8、裝置、環境、動力源變化、人為因素。 理論分析/實驗驗證 - 原因和規律 - 減少/消除 隨機誤差（Random error） 因許多不確定性因素而隨機發生 偶然性（不明確、無規律） 概率和統計性處理（無法消除/修正） 粗大誤差（Abnormal error）檢測系統各組成環節發生異常和故障等引起異常誤差-混為系統誤差和隨機誤差-測量結果失去意義分離 - 防止 測量誤差的處理基本原則：予以消除或減小。能夠消除的，應該消除；消除不了的，或者要付出過高代價才能消除的，應予以減小。隨機誤差的定義： 在測量的過程中，因存在許多隨機因素對測量造成的干擾，而使得測量附加有大小和方向都難于預測的測量誤差。條件

9、：測量次數足夠多；儀器精度和靈敏度足夠高。性質：有界性、單峰性、對稱性、抵償性1. 隨機誤差及其處理測量列：對某一固定量做n 次測量，測得x1,x2,x3.,xn，稱為測量列，其概率密度函數為真值，期望值:均方根誤差/標準誤差 實踐和理論證明，大量的隨機誤差服從正態分布規律。真實值與算術平均值根據隨機誤差的抵償特征，即 ，于是 可見，當測量次數很多時，算術平均值趨于真實值。測量次數越多，算術平均值受隨機誤差的影響越小。因此可用多次測量的算術平均值代替真值。系統誤差原因： 由于測量設備、試驗裝置不完善，或安裝、調整、使用不得當引起的誤差。如測量儀表未經校準投入使用。 由于外界環境影響而引起的誤差

10、。如溫度漂移、測量現場電磁場的干擾等。 由于測量方法不正確，如使用大慣性儀表測量脈動氣流的壓力，則測量結果不可能是氣流的實際壓力，甚至也不是真正的時均值。 測量人員方面因素引起誤差。如測量者在刻度上估計讀數時，習慣偏于某一方向；動態測量時，記錄某一信號有滯后的傾向。特點：再現性 - 偏差（Deviation）理論分析/實驗驗證 - 原因和規律 - 減少/消除粗大誤差定義：粗大誤差是指不能用測量客觀條件解釋為合理的那些突出誤差，歪曲測量結果。原因： 測量者的主觀原因，測量時操作不當或粗心、疏忽造成讀數、記錄的錯誤； 客觀外界條件的原因，測量條件意外的改變如機械沖擊、振動、電源大幅度波動等引起示值

11、的改變。最常用的方法： 粗大誤差準則：即采用去掉最大、最小值，再取平均值的方法。 拉伊特準則、格拉布斯準則練習1：DN100 的超聲波流量計的流速測量范圍：030m/s, 其滿度誤差為0.2%，則流速3m/s、1m/s、0.5m/s 時的讀數誤差為多少？練習2：在有機分析中，測得某化合物含氫的百分比為：2.75，2.76，2.79，2.78，2.76，2.78，2.74，2.76，2.74，試給出測量結果的最佳表達式？并用 t 分布估計精度參數？ 電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，由電阻應變片和彈性元件組合起來的傳感器。 電阻應變式傳感器的應變片可分為金屬電阻應變片和半導體式應變片。 單

12、根導線的電阻 ：電阻率、長度L和截面積，其關系： 在均勻拉伸應力的作用下，導線電阻的相對變化量為： 電容式傳感器（capacity transducer/sensor）是以電容器作為傳感元件，將被測物理量轉換為電容的變化量，再經轉換電路轉換成電壓、電流或頻率等信號輸出的測量裝置。它不但廣泛應用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，而且可以用于壓力、壓差、液位、成分含量等方面的測量。優點： 精度可達0.075。 靈敏度高：利于微壓測量。 動態響應好：適合動態信號測量。 C/C相對變化量大：3050 輸出信號大、抗干擾能力強。 結構簡單，環境適應性強，工作穩定性優良。 抗過載能力強，過載消

13、除后可恢復正常工作。非接觸式測量。缺點： 安裝方位有影響； 存在分布電容的影響； 測量膜片工作特性存在非線性。 制造難度大：（微位移：0.1mm），加工精度要求高。 開環 誤差按1：1 傳遞。膜片微小蠕變、測量電路誤差 影響整機性能。陶瓷電容壓力傳感器（變送器） 傳感器基底和膜片都采用陶瓷，襯底和膜片電極構成電容，中間無傳遞液，壓力直接作用在陶瓷膜片上。其優點是安裝位置無影響，無污染，抗腐蝕性好、溫漂小、過載能力強，可測量低微壓力；缺點差壓傳感器制作困難。硅電容壓力傳感器（變送器） 對稱的差動電容被刻蝕到單晶硅片上，壓力使硅片彎曲，電容器兩極間的距離發生了改變，傳感器的電容值相應的也變了。這種

14、傳感器兼有電容式和硅傳感器的優點，國內外都是研究熱點，并有相關產品，如富士、沈陽傳感器研究所等都在研究生產，具有很大發展前景。 上式表明，當線圈匝數為常數時，電感 L僅僅是磁路中磁阻Rm 的函數，改變 或 S 均可導致電感變化。因此，氣隙式傳感器又分為變氣隙厚度 的變間隙式傳感器和變氣隙面積 S 的變面積式傳感器。因為變化的都是磁阻，所以氣隙式傳感器又稱為變磁阻式傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度的變間隙式電感傳感器。交流電橋的特點是： 1電橋輸出與間隙變化量 有關，并有正比關系；2) 橋路輸出與電橋電壓 U 有關，橋壓U 升高，輸出 U0 增加；3) 橋路輸出與初始間隙 有關，初始間隙越小

15、輸出越大。互感式傳感器是把被測的非電量變化轉換為線圈互感量變化的傳感器。這種傳感器主要包括銜鐵、一次繞組和二次繞組等。是根據變壓器的基本原理制成的，采用兩個二次繞組的同名端反向串接，以差動形式輸出，故又稱差動變壓器式傳感器。 一、二次繞組間的互感隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。互感式傳感器可以直接用于位移測量，也可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、應變、比重、張力和厚度等。熱電式傳感器基本原理 熱電式傳感器是一種將溫度量轉換成電信號的裝置，它利用某些材料或元件隨著溫度變化其自身參數發生變化的特性進行測溫。（1）將被測溫度的變化轉換成這些元件的電阻變化、電勢的

16、變化、磁導率變化或者熱膨脹變化（2）經過相應的處理電路輸出電壓或電流熱電式傳感器的應用：1） 鋼鐵工業的爐溫實時測量和控制；2） 現代化大型溫室的溫度監控；3） 啤酒發酵過程中的溫度控制；普通型熱電偶的結構：由熱電極、絕緣套管、保護套管和接線盒等組成。1）熱電極的直徑大小由材料價格、機械強度、導電率、熱電偶的用途和測量范圍等因素決定。2）絕緣管防止電極間短路，根據不同使用溫度，選擇相應的絕緣材料：如橡皮、塑料（6080）、玻璃絲、玻璃管（500）、石英管 (01300)、瓷管 (1400) 和氧化管，而最常用的是氧化鋁和耐火陶瓷等。3）保護管用來隔離熱電極與被測溫介質，保護熱電偶感溫元件免受被

17、測溫介質化學腐蝕和機械損傷的裝置。常用的保護管材料有兩類：金屬和非金屬。金屬常用鋁、銅、銅合金、不銹鋼、鎳等高溫合金材料，非金屬材料有石英、高溫陶瓷、氧化鋁（鎂）等，應根據需要選擇。4）接線盒供熱電偶與補償導線連接之用。鎧裝型熱電偶的結構：熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體。測溫范圍：通常在1100以下。優點：測溫端熱容量小，因此熱慣性小、動態響應快、壽命長、機械強度高、彎曲性好，可安裝在結構復雜的裝置上。薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶。薄膜熱電偶的接點可以做得很小、很薄，具有熱容量小，響應速度快等特點。

18、適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態溫度的測量，測溫范圍在300以下。1） 冰點法T0=0C 精度最高； 溯源性好，用于熱電偶校準。熱電偶接上補償導線和測量儀表后總的熱電勢不變。但是，使用補償導線必須注意以下幾點：熱電偶與補償導線的熱電特性必須相同；一般熱電偶與補償導線要配套使用，不能隨便亂接；熱電偶與補償導線都有正、負極性，在使用時，熱電偶的正極接補償導線的正極，負極接負極，不能反接；補償導線使用溫度不能過高； 采用補償電橋對冷端溫度進行補償應注意以下幾點： 不同型號的補償器只能與相應的熱電偶配用，只能補償到固定溫度； 注意正負極性不能接反； 僅能在規定的溫度范圍內使用，通常為 04

19、0 。 熱電阻測溫原理原理：利用導體或半導體的電阻值隨溫度的變化而改變的性質來測量溫度。實驗證明： 多數金屬導體在溫度升高1時，阻值變化 0.4% 0.6%； 多數具有負溫度系數的半導體在溫度升高1時，阻值變化 3% 6%； 多數導體或半導體電阻值隨溫度變化的關系式為：測溫范圍： -2005001、熱電阻的材料 電阻溫度系數要大：單位1/，定義為： 越大制成的溫度計的靈敏度越高測量結果越準確； 一般非常數， 不同溫度數值不同 =f(T) ； 材料越純,越大。 要求有較大的電阻率：因為電阻率越大電阻體積越小熱容量和熱慣性越小溫度變化的響應越快。 在測溫范圍內，要求物理化學性質穩定。 復現性好、復

20、制性強、易得到純凈物質。 電阻值與溫度間近似為線性關系，便于測溫的分度和讀數。 價格低。綜上所述：鉑、銅、鐵、鎳和一些半導體材料比較適合做熱電阻。熱電阻按材料分類（1） 鉑熱電阻特點：精度高、穩定性好、性能可靠、易于提純、復制性好、具有良好的工藝性、可以制成極細的鉑絲、電阻率較高；在0C 以上，其電阻與溫度的關系接近于直線(其電阻溫度系數為3.9103W/C )。作用：工業測量，溫度的基準、標準儀器。ITS-90國際溫標規定，在13.81K961.78的標準儀器為鉑電阻溫度計。缺點：電阻溫度系數小；在還原氣氛中，特別是在高溫下，易被污染變脆；價格昂貴。常用鉑電阻分度號： Pt1000，Pt10

21、0和 Pt10兩種熱電阻對于低溫和超低溫測量性能不理想，而銦、錳、碳等熱電阻材料卻是測量低溫和超低溫的理想材料。 銦電阻用 99.999 高純度的銦絲繞成電阻，可在室溫至 4.2K 溫度范圍內使用。實驗證明：在 4.215K 溫度范圍內，靈敏度比鉑電阻高10倍；缺點是材料軟，復制性差。錳電阻測溫范圍為 263K，電阻隨溫度變化大、靈敏度高。但材料脆，難拉成絲。碳電阻適合用液氦溫域的溫度測量，價廉，對磁場不敏感，熱穩定性較差。半導體熱敏電阻半導體熱電阻熱敏電阻。材料：常用一定比例的錳、鎳、銅、鈦、鎂的氧化物混合制成。 負溫度系數NTC 正溫度系數PTC 臨界溫度系數CTR熱敏電阻的特點測溫范圍：

22、-100300優點： 電阻溫度系數大，靈敏度高，約為 電阻率大，利于小型化，連接導線的影響可以忽略； 結構簡單、體積小，可以用于測量點溫度； 熱慣性小，適用于表面溫度及快速變化溫度。不足：熱敏電阻溫度特性分散、互換性差、非線性嚴重。 進一步的發展依賴于半導體技術的發展和制造工藝水平的提高。熱電阻測溫電橋說明：為了消除金屬熱電阻（幾歐幾十歐范圍）中的引線電阻和連接導線電阻受溫度變化而改變其阻值大小，從而影響熱電阻測溫。測溫電橋兩線制、三線制、四線制接法。集成電路溫度傳感器是將作為感溫器件的溫敏晶體管及其外圍電路集成在同一芯片上的集成化溫度傳感器（integrated temperature se

23、nsor）。 優點：是測溫精度高、復現性好、線性優良、體積小、熱容量小、穩定性好、輸出電信號大、使用方便和成本低廉等。 缺點：是測量范圍僅為 -80 150。 （1）模擬集成溫度傳感器時間：20世紀80年代問世；工藝：硅半導體集成工藝制作而成信號輸出：模擬電壓或電流。特點：測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等,適合遠距離測溫、控溫,不需要進行非線性校準,外圍電路簡單。應用范圍：最普遍2）智能溫度傳感器時間：20世紀90年代中期問世；名稱：亦稱數字溫度傳感器。是微電子技術、計算機技術和自動檢測技術(ATE)的結晶構成：溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器

24、)和接口電路等集成在一片芯片上。有的產品還帶多路選擇器、 CPU。特點：測溫范圍150;輸出溫度數據及相關的溫度控制量；在硬件的基礎上，通過軟件實現測試功能,其智能化程度也取決于軟件的開發水平。發展新趨勢：進入21世紀后,向高精度、多功能、高可靠性及安全性、總線標準化、虛擬傳感器和網絡傳感器等高科技的方向迅速發展 磁敏傳感器（magneto-dependent sensor）是利用半導體磁敏元件對磁場敏感的特性來實現磁電測量的。用磁場（magnetic field）作媒介，可以檢測很多物理量，如位移、振動、力、轉速、加速度、流量、電流、電功率等。這類傳感器不僅可以實現非接觸測量，而且還不從磁場

25、中獲取能量。在 作用下，電子運動會產生偏移。正負電荷的形成導致電場產生，稱為霍爾電場，電場力方向由負電荷端指向正電荷端，大小為：霍爾效應是一種磁電效應，將一載流導體放在磁場中，若磁場方向與電流方向正交，則在與磁場和電流兩者垂直的方向將會產生橫向電動勢，這一現象被稱作霍爾效應，相應的電動勢被稱作霍爾電動勢其中， 為霍爾電動勢，e為電子電荷量，b為材料塊的寬度。霍爾器件的特點： uH 與 I 和 B 成正比； 隨著d 下降，kH 會上升，所以，d 一般選得較小（薄）； 與電子濃度 n 有關，n 越大，RH 越小，所以霍爾片通常不用金屬導體，而選半導體。金屬導體的載流子遷移率很大，但其電阻率低（自由

26、電子濃度n大），絕緣材料電阻率很高，但其載流子遷移率低，所以金屬導體和絕緣體均不宜作霍爾元件，只有半導體材料最合適。N型半導體材料的載流子遷移率比P型的大，所以霍爾元件多采用N型半導體材料制成霍爾元件的主要技術參數 輸入電阻Ri 和輸出電阻Ro ： 輸入電阻Ri指控制電流極間電阻，輸出電阻Ro指霍爾電壓極間電阻，它們的阻值范圍為：1002000，兩者相差不大。 額定控制電流Ic： 使霍爾元件在空氣中產生10溫升所施加的電流。它與霍爾元件尺寸有關：尺寸愈小，Ic愈小。一般額定控制電流為幾至幾十毫安。 霍爾元件幾何尺寸對霍爾電動勢uH 的影響： 前述的霍爾片的長寬尺寸大小對uH是有影響的，那里我們

27、假設長度 l 為無窮大，實際霍爾片的長寬比l/b是有限的、變化的，該比值大小直接影響霍爾電動勢。實際情況是，霍爾電動勢為 其中，fH(l/b) 為霍爾片形狀系數，當霍爾片長寬之比l/b2時，有fH(l/b) 1。實際取值時，等于2即可，因為該比過大反而增大傳感器輸入功耗。另外，要求對霍爾元件的控制電流端電極有良好的面接觸，霍爾元件輸出端電極為點接觸。 不等位電動勢u0 ： 當不加外磁場時，應有霍爾片輸出電動勢為零，即 但實際上它并不為零，一般有 。產生這一現象的原因是霍爾片輸出兩電極不在同一等位面上（如圖所示），以及材料電阻率不均勻。該現象導致的后果是：產生誤差。補償方法是外接電阻R和可調電阻

28、RP，并調節RP，使輸出為零。 感應電動勢： 當控制電流 I=0 時，變化的磁場 B 在輸出回路中有附加感應電動勢，其大小正比于磁感強度 B 的幅值和磁場變化頻率，且與霍爾電動勢極引線構成的感應面積成正比。感應電動勢帶來的后果是零位誤差。 溫度誤差產生的原因：當溫度變化時，由于霍爾元件的半導體材料電阻率、載流子的遷移率和濃度均隨溫度而變化，從而導致霍爾元件內阻Ri和輸出電動勢uH變化。解決方法：一、選用溫度系數小的霍爾元件材料，或者采取恒溫措施；二、用恒流源供電，減小元件內阻隨溫度變化而引起控制電流的變化；三、進行溫度補償。集成霍爾傳感器將霍爾元件、放大器、溫度補償和穩壓電源等集成在一塊芯片上

29、，構成霍爾集成傳感器，這樣不僅結構緊湊，方便使用，而且減小誤差、提高可靠性。按輸出形式的不同，集成霍爾傳感器可分為線性型和開關型兩類。 1 霍爾開關集成器件 霍爾開關集成傳感器內部結構如圖所示。它由霍爾元件、放大器、施密特整形電路和輸出電路組成。霍爾傳感器的輸出特性（也稱工作特性）如圖所示，其中，BOP為工作點開始（即VT管導通）的磁感應強度，BRP為工作點關閉（VT 管截止）的磁感應強度，BH為磁滯寬度，它對開關動作的可靠性有好處，以防噪聲干擾，開關誤動作。當外加磁感應強度高于BOP時，輸出電平由高變低，傳感器處于打開狀態，當外加磁感應強度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處在關閉狀態。

30、 霍爾元件用于乘方運算：僅需將電磁鐵的線圈串入電流支路，使輸入電流Ii 既形成磁感應強度B，又提供控制電流，于是獲得 的關系。霍爾元件用于開方器：利用了平方負反饋原理。左圖中，設放大器的放大倍數足夠大，則有 ，于是有 。假如負反饋方框是用與上圖相同的霍爾平方器構成，則輸出電流正比于的平方根， 磁敏傳感器 霍爾傳感器、磁敏電阻、磁敏半導體傳感器的工作原理分別是什么？他們的主要用途是什么？光柵傳感器的分類 按光線路徑不同，可分為透射（或稱直射）光柵和反射光柵。透射光柵是在透明玻璃上均勻刻劃間距、寬度相等的柵線形成的，反射光柵是在具有強反射能力的基體上，均勻刻劃間距、寬度相等的柵線而成。 按光柵的形

31、狀和用途不同，可分為長光柵和圓光柵。長光柵用于測量長度，它分為黑白光柵和閃耀光柵兩種；圓光柵用于測量角度，它又進一步分為徑向光柵和切向光柵，徑向光柵是通過沿圓形基體周邊在直徑方向刻柵線形成，而切向光柵沿周邊刻劃的全部柵線均與光柵中央一個半徑為r的圓相切。按物理原理，將光柵分為黑白光柵和相位光柵。光柵傳感器的結構光柵傳感器主要由光源、透鏡、主光柵 (又稱標尺光柵)、指示光柵、光電接收元件組成。光源：半導體發光二極管（如砷化鎵發光二極管）工作溫度：60100，發射光峰值波長：91009400 有較高轉換效率和較快響應速度。 光柵副：主光柵一般固定在被測物上，指示光柵固定。主光柵與指示光柵的相對位移

32、量是被測物的位移量。測量精度取決于主光柵的精度。 光電接收元件：檢測莫爾條紋的移動。一般采用光敏三極管，或者光電池。選擇時應考慮元件的光譜特性與光源相匹配。莫爾條紋的幾條特性：1）移動特性：主光柵的左右移動方向和距離與莫爾條紋的上下移動方向和長短相對應，移動一個柵距W，莫爾條紋移動一個條紋間距 B。2）放大作用：由 知，當 下降時，k上升，盡管 W 很小，但B 可以大到清晰。 3）誤差平均效應：莫爾條紋是由大量柵線共同形成的，因而對刻度誤差具有平均抵消作用，可在很大程度上消除由于刻線誤差引起的局部和短周期誤差影響，達到比光柵本身刻線精度更高的測量精度。 將電壓信號進行放大和整形，變為脈沖信號，

33、對其進行計數，即為莫爾條紋移過的數目N，經式 可算得位移量x，從而完成測距過程。 辨向原理與電路在相隔1/4莫爾條紋間距B位置上，放兩個光敏元件，獲得相位相差90的兩個正弦電壓信號。然后送到辨向電路進而獲得可判別被測物移動方向的脈沖個數（一個方向為加數，另一個方向為減數）。 圖8-6 相距（1/4）B 的兩個光電元件位置 辨向電路原理框圖 在很多情況下，要求檢測比一個柵距更小的位移量，這時該怎么辦呢？解決方法：被測物體移動一個柵距，莫爾條紋變化一個周期，光電元件有一個周期的電壓變化，通過電路處理可以獲得一個脈沖信號。假如能在此周期內，輸出多個脈沖，將可以減小脈沖當量，提高分辨率。提高光柵傳感器

34、分辨率的兩種基本方法： 1）在光柵片面積不變的前提下，增加刻線密度，減小柵距。但是該方法受光柵刻線工藝的限制，就目前工藝水平看，柵線密度7千條/mm基本可實現，但要上萬條就困難了。2） 采用細分技術，被測物移動一個柵距，均勻輸出 n 個脈沖，則分辨率可以提高到W/n 。這種在一個莫爾條紋周期內有多個脈沖輸出的方法，主要有電子細分法、光學細分法和機械細分法等幾種。由于細分后，計數脈沖的頻率提高了，所以也稱為倍頻直接細分法直接細分又稱位置細分，細分數目通常是4。在一個莫爾條紋間距內，相隔B / 4放置4個光電元件，于是可獲得4個相位依次相差90的正弦信號。在每個信號由負到正過零點時，發出一個計數脈

35、沖，經過整形，可得到4個相位依次相差90的方波信號，實現一個周期內4個脈沖。 另一種實現四細分的方法：在相距B / 4的位置上，放兩個光電元件，獲得相位相差 90的正弦交流信號u1 和u2 對其進行反相，并讓 u3=-u1 、u4=-u2 。于是獲得了相位依次相差90的4個正弦交流信號：u1、u2、u3 和 u4 。假設光柵正向移動時，或門Q1 輸出4個計數脈沖，此時 Q2 無脈沖輸出。 電阻電橋細分法 電阻電橋法也稱矢量和法。如圖，u1和u2 為光電元件的輸出電信號，且 ， ，則有 設，則上式可以表述為用該信號去觸發施密特電路，當 時，施密特電路被觸發（過零觸發），發出脈沖信號。這里 角按細

36、分數選擇，即事先確定好 R1/R2 值。圖8-11為電阻電橋10細分的示意圖。 光柵傳感器通常作為長度，尤其是微小距離，以及角度的測量工具，也用來測量速度、加速度、振動等物理量旋轉編碼器 編碼器（coder，encoder）是一種按照給定代碼產生信息表達形式的器件。按照被測物的物理形式，編碼器分為直線位移編碼器（碼尺）和角位移編碼器（旋轉編碼器/碼盤。旋轉編碼器的轉軸通常與被測軸連接，并隨其一起轉動，通過發出相應的方波信號，反映電動機的旋轉角度，進而確定當前位置或轉速。 按照編碼方式的不同，編碼器可分為絕對編碼器和增量編碼器。 絕對編碼器通過讀取編碼盤上的明暗圖案，將位置信息轉化為數字量，每個

37、位置對應一個確定的數碼，表明其絕對位置，其示值與測量的起止位置有關，而與測量的中間過程無關； 增量編碼器又稱脈沖盤式編碼器，它將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。 如果中途停電，增量編碼器無法獲知移動部件的絕對位置 按照信號的讀出方式不同，編碼器可分為接觸式和非接觸式。 接觸式編碼器采用電刷，用它接觸導電區或非導電區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”；非接觸式用光敏元件或磁敏元件作接收元件，用其敏感區和非敏感區來表示代碼的狀態是“0”和“1 光電式編碼器由光源、柱面鏡、碼盤和受光元件組成，其主要部件是碼盤（如圖）。在一塊圓形玻璃盤上，用蝕刻工藝

38、刻出透光和不透光的碼道。不透光的區是黑色的，可以代表“0”，透光區代表 “1”。 碼盤的碼道數就是數碼的位數，且高位在內，低位在外。碼道 n 越多，數碼位越多，測量精度也越高。n 條碼道能分辨的最小角度和分辨率分別為：和對于二進制碼盤，由于碼盤制作和光電元件安裝的誤差非常容易導致讀數失誤，產生粗大誤差。解決辦法主要有：一是采用二進制循環碼盤（或稱格雷碼盤），二是用雙讀數頭方式。下面說說采用二進制循環碼盤。 循環碼編碼有一個特點，當十進制數變化一時，對應的二進制循環碼只有一位代碼變化，此時即便它因故不變，也只能造成一個當量的誤差，對整個數的影響有限。由于循環碼是一種無權碼，因此在輸出電路上要增加

39、循環碼到二進制碼的轉換（譯碼）電路，或者用軟件來實現轉換。圖8-14 (a) 為用異或門電路實現的四位并行從循環碼到二進制碼的轉換電路，其中， 為循環碼，為二進制碼，下標序號越大，權值越大。對于多于四位的循環碼到二進制碼的轉換可以依此向圖的下方延長。 旋轉編碼器廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達和軍事目標測定等需要檢測角位移的裝置和設備中。光電編碼器作為旋轉編碼器的一種主要形式，它利用光電轉換原理，將輸給軸的角位移，轉變成相應的電脈沖或數字量，實現了檢測角位移。其應用主要包括：一是測角位移，二是測電機的轉速。為什么要進行信號的加工調理？原因：電信號幅度小，且大都混有、甚至淹沒在噪聲之中，傳感器的輸入和輸出之間呈非線性關系，輸出信號形式與后續應用要求不匹配等。方法：1 輸出信號的放大 2 濾波 3 非線性處理 4 信號變換儀器放大器 測量信號放大器也叫儀器放大器（instrumentation amplifier）、數據放大器（data amplifier），其作用是對來自傳感器的電信號進行放大。由于傳感器輸出信號電平低、內阻高、且伴有較高的共模電壓，所以對檢測信號放大器的要求為：輸入阻抗應該遠大于信號源內阻（即高輸入阻抗），低輸出阻抗，抗共模電壓干擾能力強，在預定的頻帶范圍有穩定而較高的增益、良好的線性度，輸出性能穩定。有些情況下，還要求這類