第六章 其他传感器 6.1 光栅传感器 6.2 感应同步器 6.3 光电码盘 6.4 光纤传感器 6.5 超声波传感器 6.6 红外传感器 第六章 其他传感器 6.1 光栅传感器 6.2 感应同步器 6.3 光电码盘 6.4 光纤传感器 6.5 超声波传感器 6.6 红外传感器 6.7 电荷耦合器件

6.1 光栅传感器 光栅传感器又称计量光栅。 工作原理：莫尔条纹。 直接测量的物理量是机械位移。 它也可以测量能够转换为位移的其他物理量，如速度、加速度、振动、质量、表面轮廓等的测量。

光栅传感器由光源、透镜、光栅副和光电接收元件组成。 6.1.1 光栅传感器的结构 光栅传感器由光源、透镜、光栅副和光电接收元件组成。 图6-1 光栅传感器的结构

分类： 根据用途不同，光栅制作成：长光栅 圆光栅 光栅根据刻划的形式不同分：黑白光栅 相位光栅 按光栅的光线走向又可分为：透射光栅 反射光栅

a表示线纹宽，b表示刻线的间距，W为光栅节距(栅距)或称光栅常数，W=a+b。 透射长光栅 a表示线纹宽，b表示刻线的间距，W为光栅节距(栅距)或称光栅常数，W=a+b。 图6-2 透射长光栅

6.1.2 莫尔条纹及其特点 把光栅常数W相等的主光栅、指示光栅相对叠放在一起，二者不接触，中间留有很小的缝隙，并使栅线之间保持很小的夹角β，用光照射光栅，则在与栅线近乎垂直的方向上得到明暗相间的条纹。

莫尔条纹具有下述特点： 只要调整夹角β可得到很大的莫尔条纹的宽度BH，起到了放大的作用。 当主光栅、指示光栅之间发生横向相对位移时，莫尔条纹将发生垂直方向的移动。 光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹。 可将电信号做进一步细分，将位移测量的分辨率变成比光栅常数W更小的单位，这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。

图6-4 径向光栅

如前所述光栅式传感器的光路通常有两种形式：透射光路和反射光路。 1 透射式光路 6.1.3 光栅的光路 如前所述光栅式传感器的光路通常有两种形式：透射光路和反射光路。 1 透射式光路 在透明的玻璃上均匀地刻划间距、宽度相等的条纹而形成的光栅叫做透射光栅。 图6-5 垂直透射式光路

在具有强反射能力的基体上，均匀地刻划间距、宽度相等的条纹而形成的光栅叫做反射光栅。 2 反射式光路 在具有强反射能力的基体上，均匀地刻划间距、宽度相等的条纹而形成的光栅叫做反射光栅。 图6-6 反射式光路

6.1.4 辨向原理 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。完成这种辨向任务的电路就是辨向电路。 图6-8 辨向电路原理图

6.1.5 电子细分技术 细分： 在莫尔条纹变化一周期时，不是输出1个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨率。

6.2 感应同步器 感应同步器的测量原理： 两个平面印刷电路绕组的互感随其位置变化。 按其用途可分为： 直线感应同步器和圆感应同步器。前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。

感应同步器由定尺和滑尺组成，圆感应同步器由定子和转子组成。在定尺和转子上是连续绕组．在滑尺和定子上是分段绕组(又称为正、余弦绕组)。 6.2.1 感应同步器的结构 1 直线感应同步器 感应同步器由定尺和滑尺组成，圆感应同步器由定子和转子组成。在定尺和转子上是连续绕组．在滑尺和定子上是分段绕组(又称为正、余弦绕组)。 图6-9 直线感应同步器的外形

(a)定尺绕组；(b)W型滑尺绕组；(c)U型滑尺绕组 图6-10 绕组结构 (a)定尺绕组；(b)W型滑尺绕组；(c)U型滑尺绕组

圆感应同步器又称旋转式感应同步器。其转子相当于直线感应同步器的定尺，定子则相当于滑尺。 2 圆感应同步器 圆感应同步器又称旋转式感应同步器。其转子相当于直线感应同步器的定尺，定子则相当于滑尺。 图 6-11 园感应同步器的结构示意图 （a）定子（b）转子

6.2.2 感应同步器的工作原理 当激磁绕组(滑尺或定尺)用正弦电压激励时，将产生同频率的交变磁通。这个交变磁通与感应绕组耦合，在感应绕组上产生同频率的交变电势。 该电势的幅值，除了与激磁频率、感应绕组耦合的导体组、耦合长度、激磁电流、两绕组间隙有关外，还与两绕组的相对位置有关。

 [吴皓1]图6-13应对图中的S、C作解释 图6-13 感应电势与两绕组相对位置关系

6.3 光电码盘 数字式传感器： 输出电信号都是数字脉冲。 光栅、感应同步器以及本节将要介绍的编码器，都是数字式传感器。 数字式传感器优点： 6.3 光电码盘 数字式传感器： 输出电信号都是数字脉冲。 光栅、感应同步器以及本节将要介绍的编码器，都是数字式传感器。 数字式传感器优点： 测量精度和分辨率高 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 便于用计算机处理。

直接将角位移或线位移转换为二元码(即0和1)的数字式传感器 。 6.3.1 直接编码器 直接将角位移或线位移转换为二元码(即0和1)的数字式传感器 。 1 工作原理 码盘是一块圆形光学玻璃，上面刻有许多同心码道，每圈码道上都有按一定规律排列着的若干透光和不透光部分，即亮区和暗区。 图6-14 光电绝对编码器结构示意图

码盘按其所用码制可分为：二进码、循环码(格雷码)、十进制码、六十进制(度、分、秒进制)码等。 2 码制与码盘 码盘按其所用码制可分为：二进码、循环码(格雷码)、十进制码、六十进制(度、分、秒进制)码等。 黑色、白色区域分别表示透光、不透光区域。 n位二元码盘的最小分辨力为： 图6-15 二元码盘

每个码道的黑白分界线总有一半与相邻内圈码道的黑白分界线是对齐的，这样就会因黑白分界线刻画不精确造成粗误差。 二进码盘的缺点： 每个码道的黑白分界线总有一半与相邻内圈码道的黑白分界线是对齐的，这样就会因黑白分界线刻画不精确造成粗误差。 循环码盘： 十进制 N 二进制码 循环码 十进制数 0000 8 1000 1100 1 0001 9 1001 1101 2 0010 0011 10 1010 1111 3 11 1011 1110 4 0100 0110 12 5 0101 0111 13 6 14 7 15

6.3.2 增量编码器 1 结构与工作原理 码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号；中间一圈码道称为增量码道，最内一圈码道称为辨向码道。

图6-17 增量码道与辩向码道 扇形区的多少决定了增量编码器的分辨率

2 旋转方向的判别 图6-18辨向和计数环节的电路框图 图6-19 波形图

德国resatron编码器

西安 正交编码器的计数器卡

产品简介 PCI2394 是一种基于 PCI 总线的数据采集卡，可直接插在 IBM-PC/AT  或与之兼容的计算机内的任 一 PCI 插槽中，4 轴正交编码器和计数器，该卡带有四个 32位四元 AB 相位编码计数器，多时间范围选 择的 8 位定时器，4 路隔离数字量输入和 4 路隔离数字量输出，每个通道接受的数字量输入，可以是旋 转编码器的指数或线性编码器的内部传感器输入。它灵活的中断源非常适合由于运动控制和位置监控。

编码器指标 ◆ 轴数：4 轴独立 ◆ 分辨率：32位 ◆ 输入方式：单端和差分 ◆ 计数器输入模式：不计数、X1、X2、X4、双脉冲、单脉冲 ◆ 单端电压输入范围：高电平：CH- = 0V，CH+ > 2.8V 低电平：CH- = 0V，CH+ < 0.8V  CH+最大输入电压为 +12V ◆ 差分电压输入范围：高电平：  CH+ - CH- > 0.2V   低电平：CH+ - CH- < -0.2V  CH+/CH-最大输入电压为±12V ◆ 采样时钟频率：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz ◆ 数字滤波器：4 级  ◆ 最高正交输入频率：1MHz（带数字滤波器）                       4MHz（不带数字滤波器）   ◆ 光隔离：2500Vrms    

定时器指标 ◆ 分辨率: 8 位 ◆ 时钟基源：50KHz、5KHz、500Hz、50Hz、5Hz   第四节、数字量输入指标 ◆ 通道数: 4 ◆ 输入电压范围: 5VDC < VIH < 30VDC        VIL < 3.4VDC ◆ 输入电流范围： ◆ 光隔离：2500Vrms ◆ 光电隔离响应时间：< 100nS   ◆ 过压保护： 70V 

数字量输出指标 ◆ 通道数: 4 ◆ 光隔离：2500 Vrms ◆ 光电隔离响应时间：< 100nS   ◆ 供电电压：TTL 电平 其他指标 ◆ 中断源：计数器上溢、计数器下溢、索引输入、定时器、数字量输入 ◆ 计数器锁定源：软件、定时器、索引、数字量输入 软件支持： VC、VB、C++Builder、Delphi、Labview、LabWindows/CVI、组态软件等语言的平台驱动 简易示例程序（了解板卡的工作流程，包括板卡的各种初始化设置，数据的读取） 高级演示程序（包括波形显示、连续不间断大容量存盘、高级数据分析等功能） 工程级源代码开放，可直接编译通过。

安装使用 绝对型旋转编码器的机械安装使用： 绝对型旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。 高速端安装：安装于动力马达转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有4096圈，马达转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向高精度控制定位，例如轧钢的辊缝控制。另外编码器直接安装于高速端，马达抖动须较小，不然易损坏编码器。 低速端安装：安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高，此方法一般测量长距离定位，例如各种提升设备，送料小车定位等。 辅助机械安装： 常用的有齿轮齿条、链条皮带、摩擦转轮、收绳机械等。

故障分类 ⑴编码器本身故障：是指编码器本身元器件出现故障，导致其不能产生和输出正确的波形。这种情况下需更换编码器或维修其内部器件。 ⑵编码器连接电缆故障：这种故障出现的几率 最高，维修中经常遇到，应是优先考虑的因素。通常为编码器电缆断路、短路或接触不良，这时需更换电缆或接头。还应特别注意是否是由于电缆固定不紧，造成松动引起开焊或断路，这时需卡紧电缆。 ⑶编码器+5V电源下降：是指+5V电源过低， 通常不能低于4.75V，造成过低的原因是供电电源故障或电源传送电缆阻值偏大而引起损耗，这时需检修电源或更换电缆。 　　

⑷绝对式编码器电池电压下降：这种故障通常有含义明确的报警，这时需更换电池，如果参考点位置记忆丢失，还须执行重回参考点操作。 ⑸编码器电缆屏蔽线未接或脱落：这会引入干扰信号，使波形不稳定，影响通信的准确性，必须保证屏蔽线可靠的焊接及接地。 ⑹编码器安装松动：这种故障会影响位置控制 精度，造成停止和移动中位置偏差量超差，甚至刚一开机即产生伺服系统过载报警，请特别注意。 ⑺光栅污染 这会使信号输出幅度下降，必须用脱脂棉沾无水酒精轻轻擦除油污。

6.4 光纤传感器 优点： 灵敏度高、精度高、固有的安全性、良好的抗电磁场干扰能力、高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带等。 6.4 光纤传感器 优点： 灵敏度高、精度高、固有的安全性、良好的抗电磁场干扰能力、高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带等。 在机械、电子仪器仪表、航空航天、石油、化工、生物医学、环保、电力、冶金、交通运输、轻纺、食品等国民经济各领域以及军事等方面有着广泛的应用。

6.4.1 光纤的结构 由导光的芯体玻璃(简称纤芯)和包层组成，纤芯位于光纤的中心部位，由高强度石英玻璃、常规玻璃和塑料制成。 包层外面常有塑料或橡胶外套，可保护纤芯和包层并使光纤具有一定的机械强度。

图6-21 光线入射角小于、等于和大于临界角时界面上发生的反射 6.4.2 光纤的传光原理 图6-21 光线入射角小于、等于和大于临界角时界面上发生的反射

6.4.3 光纤传感器的分类 光纤传感器系统分为两种类型：功能型(或称传感型)和非功能型(或称传光型)。 功能型：光纤不仅起传光作用，又是敏感元件． 非功能型：光纤只是传输元件，不是敏感元件。

6.4.4 光纤传感器的原理 光纤中光波参数(如光强、频率、波长、相位以及偏振态等)随外界被测参数的变化而变化，可通过检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物理量的目的。

6.4.5 光纤传感器的特点 1）抗电磁干扰能力强 2）耐高温 3）绝缘性能好 4）光纤细而柔软 5） 防爆、耐腐蚀、耐水性好 6）适于遥控 7）灵敏度高

1 串讯(Cross-talk)光纤温度传感器 2 光纤流量传感器 6.4.6 光纤传感器应用举例 1 串讯(Cross-talk)光纤温度传感器 2 光纤流量传感器 图6-24 光纤流量传感器原理图

6.5 超声波传感器 6.5.1 超声波及其性质 超声波同其他声波一样，其传播速度也取决于介质的密度和介质的弹性常数。 6.5 超声波传感器 6.5.1 超声波及其性质 图6-25 声波的频率界限 超声波同其他声波一样，其传播速度也取决于介质的密度和介质的弹性常数。

6.5.2 超声波检测原理 当超声波以一定的入射角α从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质称为反射波；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播，称为折射波。 图6-27 波的反射与折射

6.5.3 超声波传感器的结构 产生超声波和接收超声波的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。 按其工作原理，超声波探头可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。

图6-28 几种典型超声波传感器探头结构

6.5.4 超声波传感器的应用 1 探伤

2 测量物体厚度

6.6 红外传感器 6.6.1 红外辐射 红外辐射俗称红外线，是一种不可见光。由于它是位于可见光中红色光线以外的光线，所以被称为红外线。它的波长范围大致在0.76~1000μm。 图6-31 电磁波谱图

红外辐射的物理本质是热辐射。 红外辐射与所有电磁波一样，是以波的形式在空间以直线传播的。

6.6.2 红外探测器 红外探测器常见的有两大类：热探测器和光子探测器。 1 热探测器 利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定探测器所吸收的红外辐射。

2 光子探测器 光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学现象(这一过程也称为光子效应)。 通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应制成的红外探测器，统称为光子探测器。

6.7 电荷耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)是一种在MOS器件的基础上发展起来的典型的电荷转移器件。 6.7 电荷耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)是一种在MOS器件的基础上发展起来的典型的电荷转移器件。 它具有光电转换、信号存储和信号传输的功能。 除用作固体摄像器件外，在信息处理与信息存储方面的应用也很广泛，发展非常迅速。

6.7.1 电荷耦合器件的结构和工作原理 图6-32 CCD光敏元原理图

CCD是一种半导体器件，在N型或P型衬底上生长一层二氧化硅，再在二氧化硅层上依次序沉积金属电极，形成金属—氧化物—半导体(MOS)电容。 这种电容按照一定规律排列组成MOS电容阵列，其中金属为MOS结构上的电极，称为栅极(此栅极材料不是金属而是能够透过一定波长范围光的多晶硅薄膜)，其结构如图6-32所示。

当在金属电极上施加正偏压时，它所形成的电场排斥电极下面硅衬底中的多数载流子——空穴，形成一个耗尽区。这个耗尽区对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，故又称为“势阱”。金属电极上所加偏压越大，电极下面的“势阱”越深，捕获少数载流子的能力就越强。 如果此时有光线入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片上就产生电子——空穴对，光生电子被附近的势阱所俘获，而同时产生的空穴则被电场排斥出耗尽区。此时势阱所俘获的电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。人们称这样一个MOS结构元为MOS光敏元或叫做一个像素，把一个势阱所俘获的若干光生电荷称为一个“电荷包”，于是完成“光强”到“电荷数量”的转换。

通常在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立的排列规则的MOS光敏元，称为光敏元阵列。如果在金属电极上施加一正偏压，则在这半导体硅片上就形成几百或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，于是实现了“光像”到“电像”的转换，这就是电荷耦合器件的基本原理。

如何将“电像”取出呢？这是由读出移位寄存器完成的。 图6-33是读出移位寄存器的结构原理图。它也是MOS结构，亦即由金属电极、氧化物和半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于： (1)在半导体的底部覆盖上一层遮光层，防止外来光线的干扰； (2)它由3个十分邻近的电极组成一个传输单元。相邻传输单元的同相电极分别接在一起，都分别由3个相位相差的时钟脉冲Φ1、Φ2、Φ3来驱动。

当t=t1时，Φ1=U，Φ2=0，Φ3=0，设此时半导体硅片上的势阱分布及形状如图6-34（a）所示，此时只有Φ1极下形成势阱。 当t=t2，Φ1=0.5U，Φ2=U，Φ3=0，此时半导体硅片中的势阱分布及形状如图6-34(b)所示，此时Φ1极下的势阱变浅，Φ2极下的势阱最深，Φ3极下没有势阱。原先在Φ1极下的电荷就逐渐向Φ2极下转移。 当t=t3，Φ1=0，Φ2=U，Φ3=0，经过1/3时钟周期，Φ1极下的电荷向Φ2极下转移完毕。6-34(c)所示。 当t=t4，Φ1=0，Φ2=0.5U，Φ3=U，Φ2极下的电荷向Φ3极下转移。经过2／3个时钟周期，Φ2极下电荷向Φ3极下转移完毕。再经过1／3个时钟周期，Φ3极下电荷向下一个Φ1极下转移完毕。

综上所述，经过1个时钟周期，Φ1极下电荷向下一级的Φ1极下转移完毕。每三个电极构成CCD的一个“传输小组”，每经历一个时钟脉冲周期，电荷就向右转移三极，由本“传输小组”传输给下一个“传输小组”。以上过程重复下去，就可使电荷逐级向右进行转移。 电荷只能朝一个方向转移，在它的末端，依次接收到原先存储在各个电极下的光生电荷。根据读出移位寄存器输出“电荷包”的先后，可以辨别出“电荷包”是从哪个光敏元来的，并根据输出“电荷包”的电荷量，可知该光敏元受光的强弱。 

6.7.2 CCD图像传感器的结构 1 线性CCD图像传感器 （a）单排结构 （b）双排结构 图6-35 线型图像传感器的结构示意图

线列阵CCD图像传感器结构如图6-35所示. 它由排成直线的MOS光敏元阵列、转移栅、读出移位寄存器三部分组成。 关于MOS光敏元阵列、读出移位寄存器已作介绍。 转移栅的作用是将光敏元中的光生电荷并行地转移到对应位的读出移位寄存器中去，以便将光生电荷逐位转移输出。 图6-35(a)为单排结构，用于低位数CCD图像传感器。 图6-35(b)为双排结构，当中间的光敏元阵列收集到光生电荷后，奇、偶单元的光生电荷分别送到上、下两列移位寄存器后串行输出，最后合二为一，恢复光生信号电荷的原有顺序。双排结构的图像分辨率比单排结构高1倍。

在光敏元进行曝光时，整个阵列所有光敏元的金属电极上都施加正电压脉冲，使光敏元产生势阱并俘获附近的光生电荷。 在光敏过程行将结束时，在转移栅上施加转移脉冲，将转移栅打开，此时每个光敏元所俘获的光生电荷就通过转移栅耦合到各自对应的移位寄存器Φ1电极下，这是并行转移过程。转移栅接着关闭，Φ1、Φ2、Φ3三相脉冲开始工作，读出移位寄存器的输出端依次输出各位的信息，直至输出最后一位信息为止．这是串行输出过程。

2 面型固态图像传感器

为获得二维图像，研制出了在x、y两个方向上都能实现电子自扫描的面列阵图像传感器。 面列阵CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成，如图6-36所示。 面型固态图像传感器有x-y选址方式、行选址方式、帧场传输式、行间传输方式4种基本构成方式。 这里只简单介绍帧场传输式。

图6-36是帧场传输式面阵图像传感器的结构示意图，它由一个光敏元面阵、一个存储器面阵(可视为出若干列读出移位寄存器组成)和一个水平读出移位寄存器组成。 为叙述简单起见，假设它是一个4行4列的面阵。在光敏过程，各个光敏元曝光，吸收光生电荷。 曝光结束时，器件实行场转移，亦即在一个瞬间内将感光区整帧的光电图像迅速地转移到存储器列阵中去，譬如将脚注为a1、a2、a3、a4的光敏元中的光生电荷分别转移到脚注相同的存储单元中去。

此时光敏元开始第二次光敏感过程，而存储器列阵则将它里面存储的光生电荷信息一行行地转移到读出移位寄存器。 在高速时钟驱动下的读出移位寄存器，读出每行中各位的光敏信息，如第一次将a1、b1、c1、d1这一行信息转移到读出移位寄存器，读出移位寄存器立即将它们按a1、b1、c1、d1的次序有规则地输出，接着再将a2、b2、c2、d2这一行信息传到读出寄存器，直至最后由读出移位寄存器输出a4、b4、c4、d4的信息为止。

6.7.3 图像传感器的应用 图6-37 OCR原理图

图像传感器最常用于光学文字识别装置，可用做光学文字识别装置的“读取头”。 光学文字识别装置(OCR)的光源可用卤素灯。光源与透镜间设置红外滤光片以消除红外光影响。每次扫描时间为300us，可做到高速文字识别。图6-37是OCR的原理图。 经A/D变换后的二进制信号通过特别滤光片后，文字更加清晰。下一步骤是把文字逐个断切出来。以上处理称为前处理。前处理后，以固定方式对各个文字进行特征抽取。最后．将抽取所得特征与预先置入的诸文字特征相比较以判断与识别输入的文字。

图6-38 采用CCD图像传感器检测运动部件几何尺寸

图6-38给出了利用线型CCD图像传感器自动检测运动工件直径的原理图。 光源发出的光，经透镜变为平行光后投射在工件上。在工件另一侧设置线型CCD图像传感器，将表征工件直径的光像成像在线型CCD图像传感器上，于是可以实现运动工件直径的自动检测。 如果CCD图像传感器光敏阵列长28.672mm，位数2048位，则光像分辨率为14μm。

本章结束