毕业设计（论文）光电开关设计

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1、兰州交通大学毕业设计（论文）1. 绪论1. 1 课题背景在科学技术飞速发展的今天，为使今后的生产系统向自动化，无人化方向发展，提高安全生产效率，研发使用半导体材料及光敏器件，传感器及光控技术，对提高安全生产效率，实现生产安全无人化管理具有重要的现实意义。光电开关是以光辐射驱动的电子开关，当一定强度的光辐射投射到其中的光敏器件上时，它便会产生开关动作，输出信号。由于信息技术和半导体技术的高速发展，导致半导体光敏器件的研究取得了重大进展，制造工艺和质量水平也不断提高，并进入了实际应用阶段。经过二十多年的发展，目前光电开关已具有多系列、多品种，并在各种机械和生产线中担负着重要的“眼睛”作用。随着工厂

2、自动化(FA)向各个领域的不断深入，以及柔性加工系统(FMS)的普遍采用，并逐步向计算机综合生产系统(CIM)过渡，光电开关不再仅仅具有单纯的探测功能，而且还具有内部和外部双重自诊断功能、防止相互干扰功能、外同步功能和镜面抑制功能等各种附加功能，使光电开关智能化。目前大量生产的光电开关由于普遍采用了专用集成电路，使得响应速度提高到1ms；数字积分取代了阻容积分，使得抗干扰能力大大增强；采用专门设计的一体化成型技术和塑料壳、模铸壳并用的保护结构，缩小了体积，提高了防护等级。 采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定

3、和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触、无损伤地检测和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。 接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点，而晶体管接近开关的作用距离短，不能直接检测非金属材料。但是，新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。今后的生产系统都在向自动化、无人化方向发展，这就要求：1光电开关进一步提高智能化程度，就是在其内部装置微处理

4、器J通过其本身能进行自身调节和故障探测。2提高环境适应性，就是要求能在任何场所都能安装使用。3采用新技术、新工艺，加快光电开关小型化的速度。这就是今后光电开关开发的重要课题。1. 2 光电开关的特点1、用途特点 新颖的光电开关是采用脉冲调制的主动式光电探测系统的一种电子开关，使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光、蓝色光等，可非接触无损伤地检测各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等 众所周知，接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等弱点：晶体管接近开关的特点是作用距离近、不能直接检测非金属材料：白炽灯非调制型光电开关也有灯丝易断、抗干扰性能差、功能简单等不足

5、之处。调制型光电开关(MGK)克服了它们的缺点，具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远，以及抗光、电、磁干扰能力强等优点。新一代光电开关采用专用集成电路和表面安装工艺，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高等特点，在稳定工作区域还具有自诊断等智能化功能。 目前，光电开关已被广泛应用于各种生产设备中作物位检测、棉纱棉条检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度监测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、彩色标志检出、冲床和剪切机的安全防护、汽车防撞，以及利用红外线的隐蔽性，在银行、仓库、商店、办公室乃至寓所作为防盗警戒之用。2、工作原理 反射式光电开关是利用物体对投光

6、器辐射出来的光线所产生的反射的有无或强弱来检测物体的有无或反射率等；对射式及镜面反射式光电开关是以光轴是否被物体遮断或遮断量来判断物体的有无或透射率。图 11 反射式光电开关的工作原理框图图1-1是反射式光电开关的工作原理框图，由振荡回路产生的调制脉冲经发射回路由发光管GL辐射出光脉冲，当被检测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管DU，接收回路将光脉冲解调为电脉冲信号，由放大器放大后，经同步选通整形，再经数字积分或RC积分滤除干扰后，经延时(或不延时)触发驱动器输出。由于电路具有良好的回差特性，被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态，使其保持在稳定工作区。同时，

7、自诊断系统显示受光状态和稳定工作区，监视光电开关的工作。3、MG-K光电开关的特点 MG-K光电开关是微电子高技术产物，也是红外光电开关(HGK)和红外传感开关(HWC)的升级换代产品。它与以往的光电开关的不同之处在于：(1)具有自诊断稳定工作区指示功能，及时告知工作状态是否可靠。(2)对射式、反射式都有防止相互干扰的功能，能紧密安装。(3)ES外同步(外诊断)控制端的设置，可在运行前预检光电开关是否正常工作，可随时接受计算机和程控器的中断或检测指令。外诊断与自诊断组合使光电开关具有智能化。(4)响应速度高达1ms，更高可达01 ms，每分钟可检测30万次，能检出高速移动的微小物体。(5)采用

8、专用集成电路和EM：P表面安装工艺，有很高可靠性。(6)价格经济的电源内部一体型，使用交流电源，输出继电器直接驱动负载，取代接触式位控开关。(7)远距型镜反射和扩散反射式光电开关检出距离达到10 m以上，适宜自动门防盗警戒、汽车防撞报警和远距检出。(8)双光源标志传感器的出现，极大方便了包装、印刷、食品、医药等机械设备的现场实时操作。1. 3 光电开关的分类及术语解释1. 3. 1 光电开关的分类 1、按结构分类光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。(1)放大器分离型 这种光电开关的放大器(含电源)与传感器分离；交流、直流电源通用；具有接通和断开延时功能；设置亮暗自动

9、切换开关；可控制六种输出状态；兼有接点和电平两种输出。 (2)放大器内藏型 其放大器与传感器于一体，安装十分方便；使用直流工作电源；响应速度快，有01ms和1ms两种，能检出微小物和高速运动物；改变电源极性可置换亮暗动；兼有电平输出和电流输出；设置自诊断稳定工作区指示灯；有防止互扰功能，能紧密安装；采用专用集成电路和表面安装工艺。 (3)电源内藏型 放大器、传感器与电源装置于一体；输出有SSR固态继电器，或继电器常开常闭一组接点；使用交流工作电源，适用于生产现场取代接触式行程开关，可直接用于强电控制回路；设置自诊断稳定工作区指示灯；有防止互扰功能，能紧密安装；采用专用集成电路和表面安装工艺。2

10、、按检测方式分类 (1)对射式主要检测不透明体，有以下几种型式： a扩散型，检测距离远，也可检测半透明物体的密度(透过率)。b狭界型，光束发散角小，抗邻组干扰能力强。c细束型，擅长检出细微的孔径、线形和条状物。d槽型，光轴固定不需调节，工作位置精度高。e光纤型，适宜空间狭小、电磁干扰大、温差大、需防爆的危险环境。 (2)反射式可以检测透明体和不透明体，主要有以下几种型式： a限距型，工作距离限定在光束交点附近，可避免背景影响。b狭角型，特点同限距型相同，可检测透明物后面的物体。c标志型，能检测颜色标记和孔隙、液滴、气泡，也可测电表、水表转速。d扩散型，检测距离远，可检出所有物体，通用性强。e光

11、纤型，同对射式光纤型功能相同。 (3)镜面反射式可以远距离检测透明体和不透明体。表1-1给出了光电开关的检测分类方式及特点说明。表1-1 按检测方式分类检测方式光路特点对射式扩散检测不透明体检测距离远，也可检测半透明物体的密度（透过率）狭角光束发散角小，抗邻组干扰能力强细束擅长检出细微的孔径、线形和条状物槽型光轴固定不需调节，工作位置精度高光纤适宜空间狭小、电磁干扰大、温差大、需防爆的危险环境反射式限距检测透明和不透明体工作距离限定在光束交点附近，可避免背景影响狭角特点同限距型，并可透检透明物后面的物体标志颜色标记和孔隙、液滴、气泡检出、测电表、水表转速扩散检测距离远，可检出所有物体，通用性强

12、光纤适宜空间狭小、电磁干扰大、温差大、需防爆的危险环境镜面反射式反射距离大，适宜远距检出，还可检出透明、半透明物体1. 3. 2术语解释常见的术语示意图如图12 所示。图 12 开关术语示意图（：指向角）(1)检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置（光电开关的感应表面）到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。(2)回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。(3)响应频率：在规定的1s 的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。(4)输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到

13、物体时，晶体管导通，负载得电工作。(5)检测方式：根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。(6)输出形式：分NPN 二线、NPN 三线、NPN四线、PNP 二线、PNP 三线、PNP 四线、AC 二线、AC 五线（自带继电器），及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的输出形式。(7)指向角：见光电开关的指向角示意图,即如图4 的下部三个小图所示。(8)表面反射率：漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光

14、线强度必将小于光滑表面反射回的强度,而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。常用材料的反射率如表1-2所示。表1-2常用材料的反射率材料反射率材料反射率白画纸90%不透明黑色塑料14%报纸55%黑色橡胶4%餐巾纸47%黑色布料3%包装箱硬纸板68%未抛光白色金属表面130%洁净松木70%光泽浅色金属表面150%干净粗木板20%不锈钢200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人的手掌心75%(9)环境特性：光电开关应用的环境亦会影响其长期工作可靠性。当光电开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一些强酸性物质

15、腐蚀，以至其使用参数和可靠性降低。较简便的解决方法就是根据光电开关的最大检测距离（Sn）降额使用来确定最佳工作距离。1. 4光电开关的发展趋势近几年，在工厂自动化(FA)方面，对相当于人视觉的传感器需求量日益增多。其中光电传感器自60年代产业界投放市场以来，一直以高达20%30的年增长率持续发展，光日本就有200亿日元的市场。 和图像传感器相比，单纯的检测功能，简便，价廉；和限位开关相比，不接触，使用寿命长；和接近开关相比，检测距离长，几乎所有物体都能检测；作为公式翻译程序监督系统(FMS)中PC的输入器，已成为不可缺少的一种传感器。特别是以光纤为代表，有力地促进了“轻、薄、短、小”的进展。今

16、后要考虑到，市场对功能、耐环境性等的强烈要求。总的来说，光电开关今后的发展趋势是：小型化，多功能化。随着光学技术，微电子技术的应用实现光电传感器的高精度，高可靠性。由简单的对物体大小，颜色等特性的检测，更接近于人眼识别及判断能力的复杂二维特性，以至三维特性检测方向发展。2. 传感器技术基础在本设计开始之前，首先应掌握传感器技术的基础知识。这一章主要包括以下几方面的内容：传感器的基本概念；传感器的数学模型和基本特性指标；改善传感器性能的技术途径；2. 1 传感器的基本概念2. 1. 1 传感器的定义 关于传感器，至今尚无一个比较全面的定义，不过，对以下提法大家似乎不持异议，传感器有时也被称为换能

17、器、变换器或探测器，其主要特征是能感知和检测某一形态的信息，并将这一信息转换成另一形态的信息。 传感器（Transducer 或 Sensor）是将感受到的外界信息，按照一定的规律转换成所需的有用信息的装置。它获取的信息可以是各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也有各种形式。例如，电、光、温度、声、位移、压力等物理量可以通过传感器互相转换。 从信息技术的角度来看，传感器是获取和转换信息的一种工具，这些信息包括电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量、湿度、浓度、成分等。传感器的核心部件是敏感元件，它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件。传感器技术是传感器与敏感元件、材料、制造

18、加工的一门综合性技术。 传统的传感器有：由纯机械结构组成的，例如金属弹性元件在压力变化时引起形变制成的压力计；金属片因温度变化引起形变制成的温度计；差动变压器、电感线圈、可变电容器、电位器因被测物位置变化引起电量变化制作成的位移、力、加速度等力学量传感器。这种直接以机械量输出或电量输出的传统式传感器称之为机电型传感器。 在工程技术领域里，可以把传感器看成是人体五官的工程模拟物。于是，可以将传感器定义为：把特定的被测量信息按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。这里的“可用信号”是指便于处理、传输的信号，就目前的科技发展水平而言，这种便于处理、传输的“可用信号”，就是电信号。因此，在有的

19、书上，将传感器狭义地定义为“把外界非电量信息转换成与之有确定关系的电量输出的器件或装置”。当然，我们可以想象，随着光技术的不断发展，当人类跨入光电子时代，光信号将成为最便于处理和传输的信号。那时，传感器的概念句随之发展成为：“把外界信息按一定规律转换成为信号输出的器件”。所以，传感器的概念是一个发展的概念，它随着科学技术的不断进步而发展。这也是传感器没有一个确定、统一定义的原因。 由于传感器起到的是一个“转换”作用，因此，传感器也叫做变换器、换能器或探测器。 随着半导体微电子技术、微米和纳米技术的发展，近年产生了微传感器与微执行系统（Micromachined Transducers Syst

20、em）。微传感器与微执行系统是在微米量级内设计和制造基础上发展起来的，它集成了多种元件，包括传感器、信息单元、执行器和通信/接口单元等而组成的一个系统。微米和纳米技术的发展将对传感器技术的发展起到巨大的推动作用。2. 1. 2 传感器的物理规律 这里所说的传感器的物理规律，是指在传感器的设计和使用过程中所必须遵循的物理定律，它们都是物理学的基本定律，可分为四大类：守恒定律、统计法则、场的定律和物理规律。 （1） 守恒定律 表示物理量随着空间和时间的移动，其总量保持不变。包括能量守恒、动量守恒和电荷守恒等定律。传感器与被测量之间能量转换是必须遵守守恒定律。 （2） 统计法则 是分子、原子、电子等

21、运动的微观世界与能被直接观察的宏观世界相结合的定律，如热力学第二定律。这些统计法则常和传感器的工作状态有关。 （3） 场的定律 描述电场、磁场、物质场、重力场等在空间和时间上的变化规律。这些变化规律可由物理方程给出，这些物理方程可作为传感器工作的数学模型。例如，利用静电场定律研制的电容式传感器，利用电磁感应定律研制的电感式传感器等。利用场的定律构成的传感器称为结构型传感器。 （4） 物质定律 表示各种物质本身内在客观性质的定律。如虎克定律（F=kx）、欧姆定律（U=R*I）等。这些客观性物质常用来表示物质固有性质的物理常数加以描述，常数的大小决定着传感器的主要性能。如虎克定律中的弹性系数k和欧

22、姆定律中的电阻R。利用半导体物质法则压阻、热阻、光阻、湿阻等效应，可分别做成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件。基于物质定律构成的传感器称为物性型传感器。2. 1. 3 传感器的组成 传感器由敏感元件、传感元件和其它辅助部件组成，如图21所示。敏感元件 直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测非电量具有确定关系的有用非电量。传感元件 又称变换器，将敏感元件感受到的有用非电量直接转换成电量。信号调节与转换电路 把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用的电信号。辅助电路 包括电源等环节。对于结构型和物性型传感器而言，其传感器的组成是不同的。 对于物性型传感器，其组成环节比较简

23、单，如图22所示。它没有敏感元件，传感元件能直接感受被测非电量而输出电量。例如，对于半导体压敏传感器，被测非电量“压力”作用在传感元件上时，传感元件直接将它转换为电阻（率）的变化，即直接转换成了有用电量输出。这里，传感器组成中就没有敏感元件。 对于结构型传感器，一般则包括敏感元件和传感元件两个环节，即被测非电量通过敏感元件转换为有用非电量，再由传感元件转换为有用电量输出，如图23所示。2. 1. 4 传感器的分类 传感器的种类很多，同一原理的传感器，可以同时测量多种非电量，而一种被测量，又可以用几种不同的传感器来测量，因此，传感器的分类方法很多。了解传感器的分类，旨在加深理解，便于应用。 （1

24、） 按输入物理量的性质分类 根据输入量的性质进行分类，如位移传感器、速度传感器、温度传感器等。它是以输入物理量命名的，比较明确地指出了传感器的用途，便于使用者选用。同时，这种方法将种类繁多的物理量分为两大类，即基本量和派生量。 （2） 按工作原理分类 按工作原理分类是以传感器对信号转换的作用原理命名的，如应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、热电式传感器等。这种分类方法较清楚地反映出了传感器的工作原理，有利于对传感器的深入研究分析。 （3） 按能量关系分类 根据能量关系分类，可将传感器分为能量转换型和能量控制型，能量转换型传感器的输出量直接由被测输入量的能量转换而得，又称为有源传感器。外源

25、型传感器的输出量能量必须由外加电源供给，只是受被测输入量的调节和控制，是能量控制型传感器，又称为无源传感器。 （4） 按输出信号的性质分类 根据输出信号为模拟信号或数字信号，可将传感器分为模拟式和数字式传感器。数字式传感器便于与计算机联网，且抗干扰较强，如光栅传感器等。 （5） 按构成原理分类 按构成原理不同，可将传感器分为结构型和物性型传感器。结构型传感器是以其转换元件结构参数的变化实现信号转换的，而物性型传感器是以其转换元件物理特性的变化而实现信号转换的。 （6） 按构成传感器的功能材料分类 按构成传感器的功能材料不同，可将传感器分为半导体传感器、陶瓷传感器、光纤传感器、高分子薄膜传感器等

26、。 （7） 按某种高新技术命名的传感器分类 有些传感器是根据某种高新技术命名的，如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等。2. 2 传感器的数学模型及其基本特性 根据传感器的定义，传感器感受被测输入量，并将感受到的被测输入量，按一定的规律输出为有用信号。因此，我们有必要研究传感器的输入输出关系，来指导传感器的设计、制造、校准及使用。 描述传感器输入输出关系的方法有两种：一是传感器的数学模型；二是传感器的各种基本特性。两者都可用于描述传感器的输入输出关系及其特性。在设计、研究传感器时，常常用到传感器的数学模型来准确完整地反映传感器的输入输出特性；而在制造和使用传感器时，常根据传感器生

27、产厂商给出的各种基本特性指标，来选择适当的传感器。 2. 2. 1 传感器的静态数学模型 传感器的静态模型是指在静态条件下得到的传感器的数学模型。所谓的“静态条件”是指被测输入量对时间t的各阶导数为零。当被测输入量为准静态量时，也可用静态数学模型来近似地描述。 传感器的静态模型可以用代数方程和特性曲线来描述。1、代数方程 在不考虑传感器滞后及蠕变的情况下，传感器的静态数学模型可以用一个代数方程来表示，即 （21）式中 x输入量 y输出量 传感器的静态模型有三种特殊形式，其代数方程可表示为 （22） （23） （24）这里式（22）表示传感器的输入输出关系呈严格的线性关系，而式（23）、式（24

28、）表示的输入输出关系均为非线性关系，必须采取线性化补偿措施。2、特性曲线 表示传感器输入输出关系的曲线称为传感器的特性曲线。代数方程式（21）、式（22）、式（23）和式（24）可分别用特性曲线描述为图（24）的（a）、（b）、（c）和（d）四种情况。图 24 传感器的静态特性曲线从图24中可看出，图（b）为理想线性特性，其它的图（a）、（c）、（d）都出现非线性的情况，且图（d）具有奇次方的代数方程，它在相当大的输入范围内有较宽的准线性。2. 2. 2 传感器的静态特性传感器的静态特性指标主要有线性度、灵敏度、重复性、迟滞现象、分辨率、稳定性、漂移等，其中，线性度、迟滞现象和重复性是三个较为

29、重要的指标，传感器的静态误差就可以由这三个指标综合给出。1、线性度所渭传感器的线性度就是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。又称为非线性误差。非线性误差可用下式表示： （25）式中 输出量与输出量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差； 满量程输出值。图 25 传感器线性度的表示 显然，选定的拟合直线不同，得到的传感器的线性度就不同，如图（25），因此，拟合直线的选定非常重要，选定拟合直线的过程，就是传感器线性化的过程。拟合直线选定的原则是：保证尽量小的非线性误差，同时使计算与使用方便。2、灵敏度传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量y与输入增量x的比值常用Sn来表示,即对于线性传感器，其

30、灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图2-6(a)所示。即非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图26(b)所示，即用表示传感器在其一工作点的灵敏度。图 26 灵敏度的定义3、重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度(见图27)。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好,误差也越小。传感器输出特性的不重复性主要由传感器机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘以及辅助电路老化和漂移等原因产生。图 27 重复性不重复性一般采用下式的极限误差式表示：式中 max 输出最大不重复误差； 满量程输出值。不重复性误差一般属于随机误差性质，按极限误

31、差公式计算不太合理。不重复性误差可以通过校推测得。根据随机误差的性质，校准数据的离散程度随校准次数不同而不同，其最大偏差值也不一样。因此，重复性误差Ex。可按下式计算：式中为标准偏差。如果误差服从高斯分布，标准偏差可以按贝塞尔公式计算式中 某次测量值； 各次测量值的平均值，； n 测量次数。4、迟滞(回差滞环)现象迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大)行程和反向(输入量减小)行程期间，输出输入特性曲线不重合的程度，如图28所示。图 28 迟滞现象对于同一大小的输入信号x，在x连续增大的行程中，对应某一输出量为，在x连续减小过程中，对应于输出量为之间的差值叫做滞环误差，这就是所谓的迟滞现象。该

32、误差用E表示为在整个测量范围内产生的最大滞环误差用m表示，它与满量程输出值的比值称为最大滞环率，即产生这种现象的主要原因类似重复误差的原因。5、分辨率 传感器的分辨宰是在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量。有时，也用该值相对满量程输入值的百分数()表示。6、稳定性 稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期稳定性描述其稳定性。所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年、传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。因此，通常又用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。7、漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂

33、移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。2. 2. 3 传感器的动态模型 动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号(输人信号随时间而变化的量)作用下，描述其输出和输入情号的一种数学关系。动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。1、微分方程 绝大多数传感器都属模拟(连续变化)系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。在实际的模型建立过程中，一般采用线性时不变系统理论描述传感器的动态特性，即用线性常系数微分方程表示传感器输出量y和输入量x的关系

34、。其通式如下：（26）式中和为传感器的结构参数(是常量)。对于传感器. 除外，一般取为0。 对于复杂的系统，其微分方程的建立求解都是很困难的；但是一旦求解出微分方程的解，就能分清其暂态响应和稳定响应。为了求解的方便，常采用拉普拉斯变换(简称拉氏变换)，将式(26)变为算子s的代数式或采用下面将要介绍的传递函数研究传感器动态特性。2、传递函数如果y(t)在t0时，y(t)0，则y(t)的拉氏变换可定义为式中 。对式(2-6)两边取拉氏变换，则得我们定义输出y(t)的拉氏变换y(s)和输入x(t)的拉氏变换x(s)的比为该系统的传递函数H(s)： （27）对y(t)进行拉氏变换的初始条件是t0，y

35、(t)0。这对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件均符合上述初始条件。从式(27)可知，它与输人量x(t)无关只与系统结构参数有关。因此，H(S)可以简单而恰当地描述其输出与输入关系。只要知道Y（S），X(S)，H(S)三者的任意两者，第三者便可方便地求出。这时可见，无需了解复杂系统的具体内容，只要给系统一个激励信号x(t)，使可得到系统的响应y(t)，系统特性就能被确定。它们可用图29(a)框图表示。图 29 传感器的传递函数框图表示法对于多环节串、并联组成的传感器，如果各个环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影响，则传感器的等效传递函数可按下列代数方式求得：若传感器由r

36、个环节串联而成，如图29(b)所示，其等效传递函数为若传感器由p个环节并联而成，如图29(c)所示,其等效传递函数为其中H(S)为各个环节的传递函数。2. 2. 4 传感器的动态特性1、传感器的动态特性 传感器的动态特性是传感器在测量中非常重要的问题，它是传感器对输入激励的输出响应特性。一个动态持性好的传感器，随时间变化的输出曲线能同时再现输入随时间变化的曲线，即输出-输入具有相同类型的时间函数。在动态的输入信号情况下，输出信号一般来说不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输人间的差异就是所谓的动态误差。不难看出，有良好的静态特性的传感器，未必有良好的动态特性。这是由于在动态(快速变

37、化)的输入信号情况下，要有较好的动态特性，不仅要求传感器能精确地测量信号的幅值大小，而且需要能测量出信号变化过程的波形，即要求传感器能迅速准确地响应信号幅值变化和无失真地再现被测信号随时间变化的波形。 影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只不过表现形式和作用程度不同而已。研究传感器的动态特性主要是为了从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及提出改善措施。具体研究时，通常从时域或频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。由于激励传感器信号的时间函数是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性，同自动控制系统分析一样。只能通过对几种特殊的输入时间函数，如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等来研究其

38、响应特性。在频域内通常利用正弦函数研究传感器的频率响应特性。为了便于比较或评价、或动态定标，最常用的输入信号为阶跃信号和正弦信号。因此,对应的方法为阶跃响应法和频率响应法。2、阶跃响应当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号时，其输出特性称为阶跃响应特性。衡量阶跃响应特性的几项指标，如图（210）所示。(1)最大超调量最大超调量就是响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用百分数表示。最大百分比超调量 。 最大超调量能说明传感器的相对稳定性。 (2)延滞时间是阶跃响应达到稳态值50所需要的时间。(3)上升时间它有几种定义：响应曲线从稳态值的10%90%；从稳态值的595%；从零上升到第一次到达稳态值所

39、需的时间。对有振荡的传感器常用，对无振荡的传感器常用描述。(4)峰值时间 响应曲线到第一个峰值所需的时间。 (5)响应时间响应曲线衰减到稳态值之差不超过5或土2时所需要的时间，有时称为过渡过程时间。上述是时域响应的主要指标。对于一个传感器，并非每一个指标均要提出往往只要提出几个被认为是重要的性能指标就可以了。由于传感器的动态参数测量的特殊性，如果不注意控制这些误差，将会导致严重的测量误差。3、频率响应特性在定常线性系统中，根据信号与系统一书的知识，拉氏变换是广义的傅氏变换取中的，则即拉氏变换局限于S平面的虚轴，则得到傅氏变换，那么式(27)变为同样有 则 H()称为传感器的频率响应函数(频率响

40、应)。频率H()是一个复函数，它可以用指数形式表示，即式中，即称为传感器的幅频特性，也称为传感器的动态灵敏度(或增益)。A()表示传感器的输出与输入的幅度比值随频率而变化的大小。若以分别为H()的实部和虚部，则频率特性的相位角对于传感器,通常为负的，表示传感器输出滞后于输入的相位角度。而且随而变，故称之为传感器的相频特性。由于相频特性与幅频特性之间有一定的内在关系，所以，研究传感器的频域特性时主要用幅频特性。2. 3 传感器的应用及发展趋势传感器是测量系统中直接作用于被测量(包括物理、生物、化学量等)的器件，通过它将被测量变换成容易处理，容易与标准量比较的物理量(如位移、频率、电流、电阻、电压

41、等量)。传感器通常是依据有关的物理、化学和生物效应进行工作的。各种功能材料是传感技术发展的物质基础。传感器技术的研究开发,不仅要求原理正确，选材合适，而且要求有先进的加工工艺技术。近年来,根据社会生产、科研和生活的需要,在工业生产自动化和节约资源、灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗诊断等方面研制了各种用途的传感器，为检测、自动控制、环保以及电子计算机的应用等方面创造了十分有利的条件。世界各工业发达国家对于开发研究传感器不仅在思想认识上给予高度重视而且投入了大量人力和物力，它已被列为新技术革命的核心技术之一。今后它必将在我国现代化建设中发挥日益重要的作用。 2. 3. 1 传感器的应用领域传感器

42、的应用领域(见表21)表21 传感器应用领域应 用 领 域具 体 要 求 内 容主 要 配 用 传 感 器交通运输（汽车、飞机、船舶）节约燃烧，监测排出废气、可靠性、安全要求、交通的集中管理温度、压力、转数、速度、位移、流量传感器工业测量控制组建自动化控制系统、节约能源、保证安全生产、减轻劳动强度温度、压力、流量、液位、速度、位移、状态等传感器医疗设备医疗电子化、各种治疗手段和检验仪器温度、压力、光、磷、超声波、同位素传感器防火安全技术各种报警装置、水库水位、地震预测流床流量、煤气泄露温度、流量、液位、气体、红外线、超音波传感器动力资源开发物理探矿、风力利用、地热开发、太阳能设备温度、磁、光、

43、红外超声波传感器粮食生产加工农业工业化、辐照食品、农林生态检测、冷冻食品加工温度、湿度、红外线、磁、成分、超声波传感器公害防治大气、河川、海水有害物质检测、工业三废利用气体、化学、成分传感器机械制造加工 加工过程异常检测、工具磨损检测、自动选料、自动夹具、自动仓库 外形、尺寸、位移、振动、速度传感器科学计量测试 标准传递、高精度测量、特殊参数测试力、压力、频率、电压、磁、长度传感器信息通讯处理 流程信息传输、综合信息管理、图像传输、广播通讯光、磁、色、图像、频率传感器其他领域土木建筑、商业流通、教育 振动、位移、光传感器2. 3. 2 传感器的检测参数目前，传感器的检测参数以机械量为最多，其次

44、是光学量、化学量、温度、生物量、湿度等。共所占比例见表22。表 22 检测参数所占比例检测参数比例（%）检测参数比例（%）温 度红外线压 力湿 度位 置成 分生物体化学量流 量可见光离子浓度磁 场照 度位 移转 角10.05.95.75.55.04.82.82.72.72.72.02.01.81.8生物体机械量应 变角 度力流 速形 状电 流速 度转 矩声 波阻 抗水 分化验化学量其 它1.41.21.21.21.21.21.21.11.11.11.11.11.129.42. 3. 3 传感器的变换功能表23所示为目前研究开发的传感器所依存的各种变换功能。可以看到，与物理有关的变换功能占大多数

45、，其中以光电势效应、光导电效应为代表的光电变换功能最引人注目，其次是压电变换、热电变换和磁电变换。上述四种变换功能几乎占了一半以上。表 23 传感器的变换功能所占比例（%）变换功能（%）具体效应及原理与化学有关14.4氧化还原反应光化学反应离子交换反应触媒反应电化学反应其它3.40.20.72.74.82.7化学吸附引起阻抗变化离子导电引起阻抗变化伽伐尼电池与物理有关74.6热电变换光电变换压电变换磁电变换热磁变换光磁变换磁应变换热光变换压光变换热压变换其它10.122.615.37.70.20.70.51.10.51.114.8热电势效应、热电阻效应光电势效应、光电子效应、光电效应压电效应、

46、压电阻效应霍尔效应、磁阻抗效应居里点磁特性变化法拉第效应应变引起导磁率变化热辐射光弹性效应热膨胀引起流量变化应变、共振频率变化与生物有关5.2免疫反应酶反应微生物组织其它0.82.80.41.1抗原体反应脱碳酸反应呼吸功能其它5.85.82. 3. 4 传感器的发展趋势随着科学技术发展的需要，传感器的研制和生产已经提到日程上来了， “头脑(计算机)发达，感觉(传感器)迟钝”的情况再也不允许存在下去了。因此近年来传感器的地位受到广泛重视，被普通的认为是八十年代科学研究和技术发展的一个重要方面。传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域。但是它们的共性是利用物理定律和物质的物理特性，将非电

47、量转换成电量。所以如何采用新技术、新工艺、新材料以及探索新理论，以达到高质量的转换效能，是总的发展途径。由于科学技术迅猛发展，在传感器领域内，目前实际使用得最多的仍然是结构型传感器，例如用力平衡式、电容式、电感式、振弦式等传感器来测量压力、位移、流量、温度等。随着新型材料的开发，相关技术的应用以及制造工艺的改进，传感器技术的发展具有以下特点：1、固态化 目前，发展最快的固态物性型传感器，主要是半导体、电介质和强磁性体三类。其中半导体传感器最引人注目，它不仅容易接受外界信息的作用并转换为电量，而且响应速度快，体积小，重量轻，便于实现传感器的集成化和功能化。例如有一种新型固态传感器，在一块芯片上同

48、时集成了差压、静压、温度三种传感器，使差压传感器具有温度、压力补偿功能。除半导体外，还开发了压电体、热释电体、铁电体、强磁性等固态传感器。2、多功能、集成化 随着传感器应用领域的不断扩大，借助于半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术，精密细微加工以及组装技术等，使传感器已从单一元件、单一功能向多功能、集成化方向发展。所谓多功能化就是使传感器具有多种参数检测功能，而集成化就是把传感器部分与信息处理或转换部分及电源等利用半导体技术制作在同一芯片上。目前已出现集成电路压力传感器、集成电路温度传感器、磁敏传感器、多功能气体传感器、全固态化CCD型摄像器件等。3、向图像传感器方向发展目前传感器的研究不仅作

49、为某一点的参数测量，而且可从维、二维、三维甚至四维来考虑，已成功地研制出各种二维图像传感器。例如CCD（电荷耦合器件)固态摄像器件，BBID(颤斗式耦合器件)及MOSID(双校MOS器件)摄像器件等。4、智能化利用大规模集成电路技术，使传感部分与其后的信号处理部分等组合在一起以强化传感器的功能。其特点是：(1)多功能，使传感器具有自我诊断功能，非线性补偿功能以及测量范围选择功能； (2)高精确度，由于使用微处理器以及进行数字化运算处理，使测量误差减小； (3)信息便于传递，由于在传感器一端已进行了必要的运算处理，故使接收端的负载减轻； (4)扩展功能时只需改变软件，即可实现功能扩展，这样会进一

50、步使传感器具有视、嗅、触、味、听觉功能以及存储，思维等功能。5、光学化在传感器技术领域内，目前正愈来愈多地应用微光电子技术，它不仅用于信息的接收、显示，而且用于信号的转换和远距离传输，利用光固有的特性如振幅、波长、相位、偏振角等参数，以及光在传播中的反射、吸收、折射、散射、干涉等现象和效应，已研究开发了多种用途的光传感器。目前已在产品形状、表面光洁度、在线计数、缺陷检测、成分分析、生物测量以及地貌测量中得到应用。3. 光电传感器光电传感器是一种将光量的变化转换成电量变化的传感器，其组成如图31所示，一般包括光源、光通路、光电元件及测量电路等部分。其中，表示被测量直接引起的光源光量变化，则表示被

51、测量在光传播过程中调制光量，引起光量的相应变化。图 31 光电式传感器的组成3. 1 光 电 效 应光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空光电元件和半导体光电元件两大类。它们的工作原理都基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为 (6-1)式中， h 普朗克常数， ； 光的频率（） 。物体中的电子吸收入射光子的能量，当足以克服材料的逸出功时，电子就逸出物体表面产生电子发射。如果电子要逸出，所吸收的光子能量h必须大于等于逸出功，超出部分的能量表现为逸出的光电子的动能，根据能量守恒原理得式中 m 电子质量 ；

52、 电子逸出速度 。该方程称为爱因斯坦光电效应方程 由此可见，对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串能量为Au的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物理现象称为光电效应。通常把光电效应分为三类： (1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。 (2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光电

53、元件有光敏电阻、光敏晶体管等。 (3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。3. 2 光电传感器的类型按照光电传感器中光电元件输出电信号的形式可以将光电传感器分为模拟式和脉冲式两大类。1、模拟式光电传感器 这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定的函数关系，这类传感器通常有以下四种形式。 (1)光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，如图3-2（a）所示。这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。图 32 模拟式光电传感器

54、的常见形式a）被测量是光源 b）被测量吸收光通量 c）被测量是有反射能力的表面 d）被测量遮蔽光通量1被测物 2光电元件 3恒光源(2)恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数。如图3-2（b）所示。可用于测量透明度、混浊度。 (3)恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如图3-2（c）所示。反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。(4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映

55、了被测物的尺寸或位置。如图3-2（d）所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。2、脉冲式光电传感器 在这种传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。 3. 3 光电传感器的常用光源光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。常用光源有以下几种。1、发光二极管 发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于

56、计算机、仪器仪表和自动控制设备中。2、钨丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。3、激光 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。 3. 4 光电转换电路由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件的电性能的变化转换成所需要的电压或电流。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路。半导体光

57、敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用图3-3所示的电路。图33 光敏电阻测量电路图 34 光敏晶体管测量电路a）光敏二极管测量电路 b）光敏三极管测量电路图3-4（a）给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。图中一个光敏二极管作为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻的桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如图

58、3-4（b）所示。 由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅0.6V，还不能使下一级晶体管有较大的电流输出，故必须加正向偏压，如图3-5（a）所示。为了减小晶体管基极电路阻抗变化，尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压，可在光电池两端并联一个电阻。或者像图3-5（b）所示的那样利用锗二极管产生的正向压降和光电池受到光照时产生的电压叠加，使硅管e、b极间电压大于0.7V，而导通工作。这种情况下也可以使用硅光电池组，如图3-5（c）所示。图 35 光电池测量电路半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度，如图3-6（a）所示。当光照产生的

59、光电流为时，输出电压为了保证光敏二极管处于反向偏置，在它的正极要加一个负电压。图3-6（b）给出硅光电池的光电转换电路，由于光电池的短路电流和光照成线性关系，因此将它接在运放的正、反相输入端之间，利用这两端电位差接近于零的特点，可以得到较好的效果。在图中所示条件下，输出电压 。图 36 使用运算放大器的光敏元件放大电路a）硅光敏二极管放大电路 b）硅光电池放大电路3. 5 光电器件及其特性3. 5. 1 光电管、光电倍增管光电管和光电倍增管是利用外光电效应制成的光电元件。下面简要介绍它们的结构和工作原理。 1、光电管光电管的外形和结构如图3-7所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为根据能量守恒定律有式中 m 电子质量 ；