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傳感器 信號轉(zhuǎn)換：一種傳感器數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換器[實(shí)用新型專利]
專利內(nèi)容由知識產(chǎn)權(quán)出版社提供
摘要：
本實(shí)用新型公開了一種傳感器數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換器，包括外殼和電路板，電路板位于外殼的中
部，外殼的兩端分別設(shè)置輸入端口和輸出端口；電路板上設(shè)置有微處理器以及分別與微處理器相連接
的RS485轉(zhuǎn)換電路、RS232轉(zhuǎn)換電路、IIC轉(zhuǎn)換電路、SDI
?
12轉(zhuǎn)換電路、模擬電壓采集電路、模擬電
流采集電路、開關(guān)電路和電源管理電路。本實(shí)用新型操作簡單、攜帶方便，可支持多種類型的傳感
器，滿足了在現(xiàn)場多種信號類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集的需求；提高了使用的擴(kuò)展性；模塊化的設(shè)計(jì)不僅為現(xiàn)
場原有系統(tǒng)升級和維護(hù)提供了很好的便捷性，同時(shí)也為外接設(shè)備提供電源，使得外接設(shè)備無需外部供
電便可接入系統(tǒng),能夠提高設(shè)備操作和維修的快捷性。
申請人：
北京旗碩基業(yè)科技股份有限公司
地址：
北京市海淀區(qū)西北旺東路10號院東區(qū)18號樓3層01
國籍：
CN
代理機(jī)構(gòu)：
北京天江律師事務(wù)所
代理人：
朱紅來
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傳感器 信號轉(zhuǎn)換：傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號
轉(zhuǎn)自： ?
常用傳感器信號測量匯總
關(guān)鍵詞： 傳感器；特性； 傳感器； SCC 調(diào)理模塊； SCXI 調(diào)理模塊； cDAQ
傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。 人的五官就是天然的傳感器，具有視、 聽、嗅、味、 觸覺，大腦就是通過五官來感知外界的信息（圖 1）。
工程科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的傳感器既是對人體五官的工程模擬物，是能將特定的被測量信息（包括物理量、生物量、生物量）按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置。可用信號既是便于處理和傳輸?shù)男盘枺壳坝捎陔娦盘栕罘线@一要求，傳感器也可狹義定義為把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件（圖 2）。
傳感器的構(gòu)成
傳感器的具體構(gòu)成根據(jù)被測對象、轉(zhuǎn)換原理，使用環(huán)境和性能要求的情況有很大差異。
自源型是僅含有轉(zhuǎn)換元件的傳感器構(gòu)成形式，它不需要外能源，可直接從外部被測對象吸收能量轉(zhuǎn)換為電效應(yīng)，但輸出的能量較弱。常見的有熱電偶、壓電器件等。
帶激勵(lì)源型是在轉(zhuǎn)換器件外加了輔助能源的構(gòu)成形式，輔助能源起到激勵(lì)的作用，可以是電源或磁源，這樣不需要變換電路也有較大電量輸出。常見的有霍爾傳感器等。
外源型是由利用被測量實(shí)現(xiàn)阻抗變換的轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成，必須通過帶外電源的變換電路才能獲得電量輸出。常見的有電橋等。
相同傳感器補(bǔ)償型（圖 3-a） 是使用兩個(gè)完全相同的轉(zhuǎn)換元件置于同樣環(huán)境下的構(gòu)成形式。實(shí)際使用其中一個(gè)元件進(jìn)行工作，另一個(gè)用于抵消其受到的環(huán)境干擾影響。常見的有應(yīng)變式，固態(tài)壓阻式傳感器等。
差動(dòng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型（圖 3-b） 和相同傳感器補(bǔ)償型類似， 但其兩個(gè)轉(zhuǎn)換元件都進(jìn)行工作，除了可以抵消環(huán)境干擾，還使有用的輸出值增加。
不同傳感器補(bǔ)償型（圖 3-c） 是兩個(gè)原理和性質(zhì)不同的轉(zhuǎn)換元件置于同樣環(huán)境下的構(gòu)成形式，也是通過一個(gè)轉(zhuǎn)換元件給工作的轉(zhuǎn)換元件提供補(bǔ)償。常見的有熱敏電阻的溫度補(bǔ)償，加速度的干擾補(bǔ)償?shù)取?/p>
目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳感器和微處理器結(jié)合在一起，形成了智能化傳感器的概念，這種構(gòu)成具有了信息處理的功能，前景十分廣闊。
傳感器的分類
傳感器的種類繁多，分類方式多種多樣。 對于被測量，可以用不同的傳感器來測量；而對于同一原理的傳感器，通常又可以測量多種非電量。
具體分類可按轉(zhuǎn)換的基本效應(yīng)、構(gòu)成原理等分多種，其中又以按照工作原理分類最為詳細(xì)（表 1）。
傳感器的基本要求
無論何種傳感器，作為直接面對測試對象的先鋒，必須能夠快速、準(zhǔn)確、可靠而又經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求。
傳感器的工作范圍和量程需要足夠大，可以滿足相應(yīng)測試的極端要求，需要具備一定的過載能力；必須有能滿足要求的靈敏度和精度，要求轉(zhuǎn)換后輸出的信號和被測量的輸入信號成確定的關(guān)系， 且比值要大。傳感器還需要具備快速的響應(yīng)能力，穩(wěn)定可靠的工作能力，較長的壽命和較低的成本，同時(shí)維修，校準(zhǔn)方便。根據(jù)特定的現(xiàn)場應(yīng)用，有時(shí)對傳感器的體積和重量都有嚴(yán)格要求，且希望其內(nèi)部噪聲小不易受到外部干擾。最后是傳感器輸出的信號最
好采取通用的標(biāo)準(zhǔn)形式，以便于和外部系統(tǒng)對接。
可見選擇一款合適的傳感器并不輕松，需要根據(jù)需求全面綜合地考慮，不可馬虎。
傳感器重要指標(biāo)介紹
傳感器在檢測靜態(tài)量時(shí)的靜態(tài)特性和檢測動(dòng)態(tài)量時(shí)的動(dòng)態(tài)特性通常可以分開考慮。對于輸入信號的，傳感器的數(shù)學(xué)模型也通常有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分。
靜態(tài)特性
靜態(tài)特性表示傳感器在被測輸入量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸入和輸出的關(guān)系，主要要考慮線性度和隨機(jī)變化等因素。
線性度：
線性度又稱非線性，是表征傳感器輸出-輸入校準(zhǔn)曲線與選定的擬合直線之間的吻合程度的指標(biāo)。通常用相對誤差來表示線性度或非線性誤差，有：
表示輸出平均值與擬合直線間的最大偏差；表示理論滿量程輸出值。
所以，選定的擬合直線不同時(shí)，計(jì)算所得的線性度數(shù)值也就不同。選擇擬合直線要保證獲得盡量小的非線性誤差，還要考慮計(jì)算是否方便。常見的方法有理論直線法、端點(diǎn)線法、最小二乘法等。
遲滯:
遲滯是反應(yīng)傳感器在輸入量增大和減小的行程過程中輸出和輸入曲線的不重合程度的指標(biāo)（圖 2）。通常用正反行程輸出的最大差值 計(jì)算，有：
圖 1 遲滯
靈敏度:
靈敏度（圖 3）是傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比，線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率，即：
非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，用 dy/dx 表示。
對于需要外部激勵(lì)的傳感器來說，其靈敏度的表達(dá)還要考慮電源電壓的因素。
分辨力:
分辨力是傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能測試出的被測輸入量的最小變化量，有時(shí)用該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示，稱為分辨率。
重復(fù)性：
重復(fù)性是指輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)，各條曲線越接近，重復(fù)性越好。重復(fù)性誤差反映的是校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度，是隨機(jī)誤差計(jì)算：
漂移:
漂移指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關(guān)的變化，主要包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫度漂移則是周圍溫度變化所引起的。
穩(wěn)定性:
穩(wěn)定性指傳感器在長時(shí)間使用時(shí)仍保持其性能的能力，一般以在室溫條件下經(jīng)過一段規(guī)定的時(shí)間后，輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異表示。
靜態(tài)誤差（精度） :
精度是評價(jià)傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標(biāo)，指傳感器在滿量程內(nèi)任一點(diǎn)輸出值相對其理想值的可能偏離（接近）程度，它表示該傳感器在靜態(tài)測量時(shí)所得數(shù)據(jù)的不精確度。
精度的測量方法很多，目前國內(nèi)外尚不統(tǒng)一。
動(dòng)態(tài)特性
動(dòng)態(tài)特性是反映傳感器對于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。 在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)來表示。
傳感器的頻率響應(yīng)特性
將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號輸入傳感器，其輸出正弦信號的幅值、相位與頻率之間的關(guān)系稱為頻率響應(yīng)特性。由于相頻特性和幅頻特性之間有一定的內(nèi)在關(guān)系，因此表示傳感器的頻響特性及頻域性能指標(biāo)時(shí)主要用幅頻特性（圖 3）。
傳感器的階躍響應(yīng)特性
當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍信號 時(shí)，其輸出信號稱為階躍響應(yīng)（圖 4， a 為一階系統(tǒng)； b 為二階系統(tǒng)）。
溫度測量
溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。 測量溫度的熱電式傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器，這類傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度進(jìn)行檢測的。
熱電偶
熱電偶傳感器（圖 1）是目前接觸式測溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，測溫范圍寬等特點(diǎn)。
熱電偶測溫的基本原理是兩種不同材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在不同溫度時(shí),回路中就會有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在熱電勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。 熱電偶直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與儀表連接，顯示熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢（圖 2）。
根據(jù)材質(zhì)不同，熱電偶分不同的型號，目前按 IEC 國際標(biāo)準(zhǔn)， 主要有 S、 B、 E、 K、 R、J、 T 七種標(biāo)準(zhǔn)。由于熱電偶產(chǎn)生的電勢較小，且非線性，通常使用熱電偶測溫度時(shí)需要進(jìn)行放大和線性化。熱電偶輸出的電熱是兩結(jié)點(diǎn)溫度差的函數(shù)，通常將熱電偶一端作為被測溫度端， T0 作為固定冷端（參考溫度端），通常要求 T0 保持 0 度。但實(shí)際使用很難滿足，所以產(chǎn)生了熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)膯栴}，冷端補(bǔ)償可采用補(bǔ)償導(dǎo)線或補(bǔ)償電橋等多種方法。
NI 公司的 SCC 和 SCXI 系列調(diào)理產(chǎn)品均有針對熱電偶調(diào)理的模塊。 NI SCC-TC 系列是可調(diào)理各類熱電偶的單通道模塊， 該產(chǎn)品支持±100mV 范圍內(nèi)的毫伏輸入，帶有一個(gè) 2Hz 的低通靜噪濾波器，增益 100 的儀用放大器，用于冷端溫度補(bǔ)償?shù)陌遢d熱敏電阻以及實(shí)現(xiàn) M 系列DAQ 設(shè)備最高掃描速率的緩沖輸出。 SCC-TC 系列模塊的輸入電路還包含高阻抗偏壓電阻器，可用于熱電偶開路的檢測以及浮動(dòng)熱電偶和接地參考熱電偶的處理。同樣作為熱電偶調(diào)理的NI SCXI-1102 和 SCXI-1112 每路輸入通道也包括了一個(gè)儀器放大器和一個(gè) 2Hz 的低通濾波器。 采集卡可以用高達(dá) 333 kS/s（每通道 3us）的速度掃描它們的模擬輸入通道，支持采集的信號范圍包括電壓以及 0 到 20mA 或 4 到 20mA 的電流。 SCXI 每個(gè)模塊的所有通道都可以被 NI 數(shù)據(jù)采集卡的某一路通道采集， 并支持另加模塊以增加通道數(shù)。
NI 也提供帶有專門針對某類應(yīng)用調(diào)理的數(shù)據(jù)采集卡， 即 C 系列產(chǎn)品。 NI 9211A 專門針對各類型的熱電偶測量設(shè)計(jì)， 24 位分辨率保證了高精度，內(nèi)置傳感器則實(shí)現(xiàn)了冷端溫度補(bǔ)償。該模塊還具有 250 Vrms 通道-地面接地隔離，實(shí)現(xiàn)了安全、抗干擾和高共模電壓范圍。NI 9211A 可加上一個(gè) USB 9162 構(gòu)成 USB-9211A 單獨(dú)使用，也可以插在 cDAQ-9172 的 8 槽 USB底板上作為 cDAQ 系統(tǒng)中的一個(gè)模塊使用。
cDAQ 模塊雖然集采集調(diào)理為一體，但是通道數(shù)較少， NI 9211A 可以同時(shí)采集 4 路熱電偶，單通道采樣率為 12S/s。如果需要采集多通道或高速的熱電偶信號，可選擇 M 系列數(shù)據(jù)采集卡加上 SCC 或 SCXI 調(diào)理模塊。
熱電阻（ RTD）
熱電阻是中低溫采集時(shí)常用的一種溫度傳感器， 它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定，靈敏度高。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的，其大都由純金屬材料制成，目前使用最多的是鉑。熱電阻需要電源激勵(lì)， 且不能夠瞬時(shí)測量溫度的變化。工業(yè)用熱電阻一般采用 Pt100， Pt1000， Cu50， Cu100 等多種型號。
熱電阻的引線對測量結(jié)果會有較大的影響， 目前熱電阻的引線主要有三種方式：二線制，三線制，四線制。二線制是在熱電阻的兩端各連一根導(dǎo)線來引出電阻信號， 這種引線方法很簡單，但是測量精度不高。 在熱電阻一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用。因?yàn)闊犭娮枳鳛殡姌蛏弦粋€(gè)橋臂的電阻，其連接導(dǎo)線也是橋臂的一部分， 而這部分電阻是未知且隨環(huán)境溫度變化的， 會造成測量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及相鄰橋臂上，這樣較好地消除了導(dǎo)線電阻帶來的測量誤差。熱電阻兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，
其中兩根為熱電阻提供激勵(lì)電流，把電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過另兩根輸出電壓供采集，這種引線方式可完全消除引線電阻的影響，主要用于高精度的溫度檢測，但成本也最高。
NI SCC-RTD01 是針對熱電偶調(diào)理的雙通道模塊，可連接 2、 3 或 4 線鉑電阻 RTD（圖 3）。NI SCC-RTD01 的每一通道都帶有一個(gè)增益為 25 的放大器和一個(gè) 30Hz 低通濾波器， 每一模塊上還提供用于 1 或 2 個(gè) RTD 的 1mA 激勵(lì)源。 NI SCXI-1102 模塊與 NI SCXI-1581 電流激勵(lì)模塊一起使用， 可以提供 32 通道的高精度 RTD 或熱敏電阻調(diào)理。 1102 帶有一個(gè) 2 Hz 低通濾波器， 1581 則提供穩(wěn)定的 100μA 電流源，從而確保測量精度。由于 SCXI 采用模塊化設(shè)計(jì)，在應(yīng)用需求改變時(shí)可以方便地?cái)U(kuò)展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
NI 9217 是具有 4 通道、 24 位分辨率的模擬輸入模塊，專門用作 100 Ω 的 RTD 測量。NI 9217 可配置兩種不同的采樣率模式， 高采樣率模式下采樣率可達(dá) 400 S/s（每通道 100S/s）； 高分辨率模式下，采樣率為 5 S/s（每通道 1.25 S/s）， 并配有 50/60Hz 內(nèi)置噪聲抑制功能。 NI 9217 與 3 線和 4 線制 RTD 測量兼容，能自動(dòng)探測與通道連接的 RTD 類型，并將每條通道配置成恰當(dāng)?shù)哪Ｊ剑?該模塊提供每通道 1mA 的電流激勵(lì)， 在整個(gè)操作溫度范圍內(nèi)的精度誤差小于 1 °C。 9217 還包含 NI ST 校準(zhǔn)并具有通道-地面接地雙重隔離屏障，實(shí)現(xiàn)了安全性、抗擾性和高共模電壓范圍。
熱敏電阻
熱敏電阻是對溫度敏感的半導(dǎo)體（圖 4），與 RTD 相似， 其阻抗隨溫度變化而變化。熱敏電阻由玻璃或環(huán)氧珠封裝的金屬氧化物半導(dǎo)體材料制造而成。而且，熱敏電阻的典型標(biāo)稱阻抗值要比 RTD 高得多，阻抗值從 2000Ω到 10,000Ω，故可用于較低電流的測量。熱敏電阻具有較高的靈敏度（約 200Ω/°C），這使得它對于溫度的變化非常靈敏， 具有極高的響應(yīng)速率，但它的使用范圍最高為 300 至 500 °C。 同樣，熱敏電阻也需要激勵(lì)，接線方式也有二三四線制之分，但是由于熱敏電阻的標(biāo)稱阻抗非常高， 所以連線阻抗不會影響其測量值的精度， 因此， 二線制測量精度對于熱敏電阻已經(jīng)足夠， 所以這種接線方式在熱敏電阻中最為常用。
NI SCXI-1102 模塊與 NI SCXI-1581 電流激勵(lì)模塊一起使用，也可以提供 32 通道的熱敏電阻調(diào)理。
對于cDAQ模塊可選用 AI采集的NI 9215配合提供電流激勵(lì)的NI 9265一起使用。NI 9215具有 4 路 16 位精度的同步電壓采集通道，能實(shí)現(xiàn)靈活而低成本的信號連接。該模塊還具有250Vrms 通道-地面接地隔離，實(shí)現(xiàn)了安全、抗干擾和高共模電壓范圍。 NI 9265 是在高速情況下，連接并控制受電流驅(qū)動(dòng)的工業(yè)激勵(lì)器的理想之選。該模塊具有內(nèi)置式開環(huán)檢測。當(dāng)檢測到開環(huán)時(shí)，該模塊會在軟件中產(chǎn)生中斷并產(chǎn)生 0mA 的上電輸出，以確保安全，避免在系統(tǒng)上電時(shí)驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器。NI 9265 需要 9 V 到 36 V 的外部電源。該模塊包括通道-地面接地雙重隔離屏障，具有良好的安全性和抗干擾性。
綜上所述， 熱電偶價(jià)格便宜，而且有很快的響應(yīng)時(shí)間，但是它精度不高而且最不穩(wěn)定，最不靈敏。熱電偶僅僅是讀取頭和線之間的溫度差異，而 RTD 和熱敏電阻是讀取絕對溫度值。RTD 是可靠性的最佳選擇，而且最為穩(wěn)定，精度最高。但是它的響應(yīng)時(shí)間太長而且因?yàn)樗枰粋€(gè)電流源，因此它有自熱產(chǎn)生。熱敏電阻輸出很快而且相對便宜，但是它易碎而且溫度范圍有限。它同樣需要一個(gè)電流源而且比 RTD 的自熱現(xiàn)象更為嚴(yán)重，同時(shí)它是非線性的（表1）。
溫度范圍的選擇上三者也有區(qū)別， 熱敏電阻和熱電阻是測量低溫的溫度傳感器， 熱敏電阻最低，在 500 度以下，熱電阻在-200 到 600℃，而熱電偶是測量中高溫的溫度傳感器，一般測量溫度在 400 到 1600℃，在選擇時(shí)如果測量溫度在 600℃就應(yīng)該選擇 K 型熱電偶，如果測量溫度在 1200 到 1600℃就應(yīng)該選擇 S 型或者 B 型熱電偶。
應(yīng)變測量
應(yīng)變是施加于物體的作用力對物體造成形變的大小，它會隨著作用力的增加而增長，對于一種材料，應(yīng)力的增長是有限度的，超過這一限度，材料就要損壞， 這個(gè)限度稱為該種材料的極限應(yīng)力。
應(yīng)變測量有多種方法，最常用的是采用應(yīng)變片。由于受到應(yīng)力，應(yīng)變片發(fā)生形變（長度發(fā)生改變），從而導(dǎo)致其阻值也隨之產(chǎn)生正比變化。最常見的應(yīng)變片是金屬應(yīng)變片。金屬應(yīng)變片由極細(xì)的金屬絲或薄片組成， 繞成柵狀的形式使它們可以在平行的方向上最大程度地跟隨應(yīng)變發(fā)生變化（圖 5）。柵格粘在被稱為載體的薄襯底上，并直接與被測試件連接。因此，被測件產(chǎn)生的應(yīng)變直接反映到應(yīng)變片上，使得應(yīng)變片電阻值產(chǎn)生線性變化。應(yīng)變片的阻值在 30Ω到 3000Ω，最常見的阻值標(biāo)準(zhǔn)是 120Ω和 350Ω。
由于應(yīng)變片的阻值變化是微弱的，測量應(yīng)變幾乎都采用帶電壓激勵(lì)的電橋形式。惠斯通電橋由 4 條電阻橋臂及作用于整個(gè)電橋的激勵(lì)電壓 VEX 組成（圖 6），
電橋輸出電壓 V0 表示為：
從此方程看出，當(dāng) R1/R2=R4/R3 時(shí)，電壓輸出 V0 為零。在這種條件下，稱電橋處于平衡狀態(tài)。此時(shí)任意橋臂上電阻值的變化都將使電橋電壓輸出不為零。
因此，如果把圖中的 R4 替換為應(yīng)變片，應(yīng)變片電阻值的變化將使電橋處于非平衡狀態(tài)，從而電壓輸出非零。如果應(yīng)變片的理想電阻值為 RG，那么應(yīng)變產(chǎn)生的電阻變化 DR 可以表示為 DR= RG*GF*e。設(shè) R1=R2、 R3=RG，以上的電橋方程可重寫為 VO/VEX 對應(yīng)變的函數(shù)。注意1/(1+GF*e/2)項(xiàng)，表示 1/4 橋與應(yīng)變相關(guān)的輸出非線性變化。
理想狀態(tài)下，我們希望應(yīng)變片電阻僅在存在應(yīng)變時(shí)才產(chǎn)生變化。然而， 其材料及被測試件材料還同時(shí)對溫度的變化敏感。通過在電橋的另一個(gè)橋臂上放入第 2 個(gè)應(yīng)變片， 這樣可以使電橋的靈敏度提高一倍，并能夠進(jìn)一步抵消溫度的影響，這是因?yàn)閮蓧K應(yīng)變片受到溫度的影響是相同的，這種橋路被稱為半橋。
還可以通過將電橋 4 個(gè)橋臂都安裝工作應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)全橋配置，從而更進(jìn)一步提高電路的靈敏度，適用于高精度場合。
NI 公司的 SCC 和 SCXI 系列調(diào)理產(chǎn)品均有針對應(yīng)變電路調(diào)理的模塊。 NI SCC-SG 系列包括五種雙通道應(yīng)變片輸入模塊，每一種都用于特定的應(yīng)變片配置， 120Ω， 1/4 橋； 350Ω，1/4 橋； 半橋和全橋等。 調(diào)理模塊還包括一個(gè) 2.5V 激勵(lì)源， SG24 的激勵(lì)源是 10V 的， 它們是測壓元件和壓力傳感器輸入的理想選擇。 調(diào)理模塊的每個(gè)通道均配有一個(gè)儀器放大器，一個(gè) 1.6kHz 低通濾波器和一個(gè)用于橋路零位調(diào)整的電位計(jì)。 NI 還提供 SCC-SG11 模塊，該模塊可執(zhí)行可編程分路校準(zhǔn)。 NI SCXI-1520 是 8 通道通用應(yīng)變片輸入模塊，具有進(jìn)行簡單或高級應(yīng)變測量所需要的所有功能。用戶可借助這一模塊，從應(yīng)變傳感器、力傳感器、扭矩傳感器和壓力傳感器上讀取信號。 1520 包含在各類環(huán)境中均可自動(dòng)校準(zhǔn)的板載參考電壓， 它的每路通道均配有可編程放大器， 4 階可編程 Butterworth 濾波器以及獨(dú)立的 0V 到 10V 的可編程激勵(lì)源。此外， SCXI-1520 系統(tǒng)在模塊內(nèi)部提供了組成半橋電路的電阻網(wǎng)絡(luò)，并在SCXI-1314 接線盒上提供了一個(gè) 350Ω的插座式電阻用于組成 1/4 橋， 120Ω的 1/4 橋電阻也隨附于接線盒。
cDAQ 模塊中， NI 9237 具有四路模擬輸入通道，其為應(yīng)變片、壓力傳感器、測壓元件和其他基于電橋測量的傳感器而設(shè)計(jì)。 9237 由總線供電，可以為傳感器提供高達(dá) 10 V 的內(nèi)置激勵(lì)，所以電橋不需要外部激勵(lì)。 9237 每通道可同步達(dá)到 50K 的采樣率，且?guī)в型ǖ?接地隔離。
編碼器測量
編碼器是一種機(jī)電裝置，可以用來測量機(jī)械運(yùn)動(dòng)或者目標(biāo)位置（圖 7）。大多數(shù)編碼器都使用光學(xué)傳感器來提供脈沖序列形式的電信號，這些信號可以依次轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)、方向或位置信息。
按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。 而絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。
在增量式中編碼器獲得物體的相對位置。 旋轉(zhuǎn)編碼器可以測量物體運(yùn)動(dòng)的角位移，它由一個(gè)發(fā)光二極管（ LED）、一個(gè)碼盤，以及碼盤背面的一個(gè)光傳感器。這個(gè)碼盤安置在旋轉(zhuǎn)軸上，上面按一定編碼形式排列著不透光和透光的扇形區(qū)域。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不透光扇區(qū)能夠遮擋光線，而透光扇區(qū)則允許光線透過。這樣就產(chǎn)生了方波脈沖，可以編譯成相應(yīng)的位置或運(yùn)動(dòng)信息。編碼器每轉(zhuǎn)通常分為 100 到 6000 個(gè)扇區(qū)， 100 個(gè)扇區(qū)的編碼器可以提供 3.6 度的精度，而 6000 個(gè)扇區(qū)的編碼器則可以提供 0.06 度的精度。僅有一路脈沖輸出的編碼器不能確定旋轉(zhuǎn)的角度，如果使用兩路脈沖，其間的相位差為90 度，那么通過該正交編碼器的兩路輸出通道就可以確定位置和旋轉(zhuǎn)的方向兩個(gè)信息。例如，如果通道 A 相位超前，碼盤就以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果通道 B 相位超前，那么碼盤就是以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（圖 8）。因此，通過監(jiān)控脈沖的數(shù)目和信號 A、 B 之間的相對相位信息，就可以同時(shí)獲得旋轉(zhuǎn)的位置和方向信息。除此之外，有些正交編碼器還包含被稱為零信號或者參考信號的第三個(gè)輸出通道 Z 相。這個(gè)通道每旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)單脈沖， 可以通過它來精確計(jì)算某個(gè)參考位置，這種編碼器被稱為三相編碼器。
線性編碼器與旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理類似。它采用了一條固定的不透光帶取代了旋轉(zhuǎn)碼盤，在不透光帶表面上有一些透光縫隙，而 LED 探測器組件則被附在運(yùn)動(dòng)體上，這樣可以測量物體的線位移。
絕對式編碼器能夠獲得目標(biāo)的絕對位置。絕對式編碼器的不同之處在于編碼器的碼盤上，采用了多組分區(qū)形成同心碼道，如同靶環(huán)一樣。同心碼道從編碼器碼盤的中心出發(fā)，向外擴(kuò)展直到碼盤外部，每一層碼道都比其內(nèi)層多了一倍的分區(qū)。第一層，即最內(nèi)層的碼道，只有一個(gè)透光扇區(qū)和一個(gè)不透光扇區(qū)；位于中心的第二層就具有兩個(gè)透光扇區(qū)和兩個(gè)不透光扇區(qū)。如果編碼器有 10 層碼道，那么最外圍的碼道就有 512 個(gè)扇區(qū)。因?yàn)榻^對式編碼器的每層碼道都比它里面一層的碼道多了一倍數(shù)目的扇區(qū)， 所以扇區(qū)的數(shù)目就形成了二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)。在這種編碼器中，碼盤上的每個(gè)碼道都對應(yīng)一個(gè)光源和一個(gè)接收器。絕對式編碼器的優(yōu)勢在于可以降低編碼器的轉(zhuǎn)速，可以使編碼器的碼盤在整個(gè)機(jī)器運(yùn)動(dòng)周期中只轉(zhuǎn)一圈。如果機(jī)器運(yùn)動(dòng)距離為 10 英寸，而編碼器具有 16 位精度，那么機(jī)器位置的精度就是 10/65,536，即 0. 英寸。如果機(jī)器的行程更長譬如 6 英尺，那么粗旋轉(zhuǎn)編碼器可以保證跟蹤每一英尺距離；第二級稱為細(xì)旋轉(zhuǎn)編碼器可以跟蹤 1 英尺以內(nèi)的距離。
編碼器是對信號邊沿計(jì)數(shù)，由邊沿?cái)?shù)值轉(zhuǎn)換為位置信息的過程取決于所采用的編碼類型。 通常分為三種基本的編碼類型： X1、 X2 和 X4。 X1 編碼方式時(shí)， 當(dāng)通道 A 引導(dǎo)通道 B 時(shí)，增量發(fā)生在通道 A 的上升沿。當(dāng)通道 B 引導(dǎo)通道 A 時(shí)，減量發(fā)生在通道 A 的下降沿（圖 9）：
X2 編碼方式時(shí)， 計(jì)數(shù)器 A 通道的每個(gè)邊沿計(jì)數(shù)是增加還是減少，取決于由哪個(gè)通道引導(dǎo)哪個(gè)通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)值每個(gè)周期都會增加 2 個(gè)或減少 2 個(gè)（圖 10）：
X4 編碼方式時(shí)， 計(jì)數(shù)器同樣也在通道 A 和 B 的每個(gè)沿上發(fā)生增加或者減少。計(jì)數(shù)器的數(shù)目是增加還是減少，取決于哪個(gè)通道引導(dǎo)哪個(gè)通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)目每個(gè)周期都會增加 4 個(gè)或減少 4 個(gè)（圖 11）：
對于角度編碼器，有
對于位移編碼器，有
NI M 系列數(shù)據(jù)采集卡所帶有的 Counter 可以滿足 ABZ 三相編碼器的測量，這三路脈沖信號需要直接連接到 Counter 的 Source， Gate 和 Aux 上，經(jīng)過設(shè)置編碼器類型，編碼方式等信息，可以直接換算成需要的旋轉(zhuǎn)角度或位移值。
聲音和振動(dòng)測量
振動(dòng)是有質(zhì)量的物體發(fā)生在平衡點(diǎn)附近的機(jī)械振蕩運(yùn)動(dòng)， 振動(dòng)會產(chǎn)生壓力波，壓力波在空氣中傳播便產(chǎn)生了聲音。聲音與振動(dòng)在本質(zhì)上是通過不同的介質(zhì)傳播的。 但在理論層面上，兩者之間是相互聯(lián)系的，所以測量聲音與振動(dòng)在從本質(zhì)來看也是相似的。
某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。 許多測量加速度和壓力的傳感器都是基于壓電原理的（圖 12）。
IEPE 是壓電式傳感器的一個(gè)特殊類別，設(shè)計(jì)中它在壓電晶體后安裝了一個(gè)放大器（圖13）。由于壓電式傳感器產(chǎn)生的電壓很小，所產(chǎn)生的電子信號容易受到噪音影響，所以必須使用靈敏電子器件來放大和制約信號，降低輸出阻抗。因此 IEPE 將靈敏電子器件安裝得離傳感器越近越好，以減少噪聲干擾，確保了組裝的便捷。常規(guī) IEPE 傳感器使用外部直流電源來提供激勵(lì)，根據(jù)壓電晶體接收到的不同電量來調(diào)整輸出電壓。 IEPE 在傳感器激勵(lì)（電流）和信號（電壓）輸出時(shí)只用一到兩根線。
聲音與振動(dòng)的測試容易受到噪音的影響，需要對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理。 傳感器獲取的信號包括直流和交流兩個(gè)部分，直流部分可將交流部分偏移零點(diǎn)。交流耦合可以通過連接信號的電容器，消除系統(tǒng)中的直流偏移。交流耦合傳感器系統(tǒng)可消除由老化和溫度效應(yīng)引起的傳感器長期直流漂移，從而顯著地提高了分辨率，擴(kuò)大了系統(tǒng)的可用動(dòng)態(tài)范圍。在精密測量過程中，系統(tǒng)的采樣率必須至少是被采集信號頻率的兩倍。為了確保頻率范圍采樣正確，在ADC 前安裝低通濾波器， 這樣就能夠確保您減小高頻率噪音的影響，也可以保證高于采樣率頻率二分之一的混疊信號成分不會影響到測量結(jié)果。
圖（12）壓電原理
由于聲音和振動(dòng)這類信號屬于動(dòng)態(tài)信號， 其幅值頻率甚至方向都隨時(shí)間不斷變化，僅使用普通數(shù)采卡很難對其較好地采集，需要再附加上調(diào)理模塊。 NI SCC-ACC01 是一款單通道信號調(diào)理模塊， 專用于 IEPE 傳感器或麥克風(fēng)。 該模塊包括一個(gè)交流差動(dòng)放大器，一個(gè) 3階 Besse 低通濾波器(19 kHz)以及用于傳感器激勵(lì)的 4mA 恒定電流源。 NI SCXI-1530/1531同樣也是用于 IEPE 傳感器和麥克風(fēng)的信號調(diào)理模塊。 其每一輸入通道均包括可編程交流儀器放大器， 4 階 Bessel 低通濾波器和激勵(lì)電流源。 NI SCXI-1530/1531 具有同步采樣能力，可以保持通道間的相位關(guān)系， 該模塊可以將信號在 DAQ 設(shè)備的一路通道中復(fù)用，也可另加模塊以增加通道數(shù)， 通過隨機(jī)掃描，可以只選擇想要采集數(shù)據(jù)的通道，且具有可提高掃描速率的并行操作模式以及可簡化信號連接的 BNC 連接器。
NI 同樣也提供專門的動(dòng)態(tài)信號采集卡(DSA 設(shè)備)對聲音和振動(dòng)信號進(jìn)行采集。在 cDAQ模塊中， NI 9233/9234 用于動(dòng)態(tài)信號的采集，其作為 4 通道 C 系列動(dòng)態(tài)信號采集模塊，能針對集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器，進(jìn)行高精度音頻測量。 其中NI 9234 具有 102dB 動(dòng)態(tài)范圍，能對加速度傳感器和麥克風(fēng)進(jìn)行軟件可選式交流/直流耦合與集成電路壓電式(IEPE)信號調(diào)理。 4 條輸入通道借助自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時(shí)以每通道高達(dá) 51.2kHz 的速率對信號進(jìn)行數(shù)字化（圖 14）。
此外， NI 445x 和 446x 的 DSA 采集卡也是專門針對動(dòng)態(tài)信號設(shè)計(jì)的。
傳感器 信號轉(zhuǎn)換：傳感器電平信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號
一．簡介
DHT11作為一款低價(jià)、入門級的溫濕度傳感器，常用于我們的單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例中;它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。
DHT11為 4 針單排引腳封裝，如下圖，采用單線制串行接口，只需加適當(dāng)?shù)纳侠娮瑁盘杺鬏斁嚯x可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。
二．傳感器參數(shù)
1.DHT11電氣參數(shù)如下：
型號 測量范圍 測濕精度 測溫精度 分辨率 封裝
2.引腳定義
3.典型電路
DHT11的供電電壓為 3－5.5V，電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF 的電容，用以去耦濾波。DATA引腳并聯(lián)一個(gè)5K以上的上拉電阻，增強(qiáng)信號的抗干擾額能力。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。
三．傳感器控制時(shí)序
1.數(shù)據(jù)格式
DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說明,當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,現(xiàn)讀出為零，操作流程如下:
一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出。
數(shù)據(jù)格式：
8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和
8位校驗(yàn)和：
“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”相加所得結(jié)果的末8位。
2.控制時(shí)序
要實(shí)現(xiàn)對DHT11傳感器的控制和數(shù)據(jù)的讀取，需先學(xué)會分析DHT11的控制時(shí)序。時(shí)序主要分為三部分：1：觸發(fā)DHT11采集數(shù)數(shù)據(jù)；2：讀取數(shù)字0；3：讀取數(shù)字1；。
（1）觸發(fā)DHT11采集數(shù)據(jù)
總線空閑狀態(tài)為高電平,單片機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),單片機(jī)把總線拉低必須大于18ms,保證DHT11能檢測到起始信號。
當(dāng)DHT11接收到單片機(jī)的開始信號后,等待單片機(jī)開始信號結(jié)束,然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號。
單片機(jī)發(fā)送開始信號結(jié)束后,延時(shí)等待20-40us后,切換為輸入狀態(tài)，等待DHT11的80us低電平信號結(jié)束，然后判斷DHT11是否是否發(fā)出 80us 的高電平；如果是，即可開始采集數(shù)據(jù)。
(2)數(shù)字0信號時(shí)序
當(dāng)DHT11輸出數(shù)字0時(shí)， 單片機(jī)讀取到的信號為50 us的低電平，之后為26-28 us的高電平。
(3)數(shù)字1信號時(shí)序
當(dāng)DHT11輸出數(shù)字0時(shí)， 單片機(jī)讀取到的信號為50 us的低電平，之后為70 us的高電平。
由此可知DHT11輸出數(shù)字0和數(shù)字1的區(qū)別在于高電平的時(shí)間，由此單片機(jī)可在讀取到高電平后，延時(shí)30us后，識別此時(shí)總線的電平，高電平為數(shù)字1，低電平為數(shù)字0；
(4)總時(shí)序圖
用戶MCU發(fā)送一次開始信號后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開始信號結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號,送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集,用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。
從模式下,DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號,DHT11不會主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。當(dāng)一次完整的采集數(shù)據(jù)后，DHT11會轉(zhuǎn)換到低速模式。
四．控制程序
1.單字節(jié)采集
2.完整一次數(shù)據(jù)采集
3.獲取DHT11數(shù)據(jù)
如需DHT11相關(guān)資料， 請關(guān)注公眾號，首頁回復(fù)“DHT11”獲取資料
![傳感器 信號轉(zhuǎn)換：一種傳感器數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換器[實(shí)用新型專利] 第3張](http://www.cgq.bz/cgq/c4.jpg "傳感器 信號轉(zhuǎn)換：一種傳感器數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換器[實(shí)用新型專利] 第3張-傳感器知識網(wǎng)")
傳感器 信號轉(zhuǎn)換：光電傳感器
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光電傳感器
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本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目
審核
。
光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種器件。其工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指光照射在某些物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生了相應(yīng)的電效應(yīng)現(xiàn)象。根據(jù)光電效應(yīng)現(xiàn)象的不同將光電效應(yīng)分為三類：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)及光生伏特效應(yīng)。光電器件有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等。分析了光電器件的性能、特性曲線。
[1]
中文名
光電傳感器
外文名
photoelectric sensor/micro sensor
學(xué) 科
物理
組 成
光源、光學(xué)通路和光電元件
目 的
被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化
原 理
光電效應(yīng)
目錄
1
傳感器概述
2
原理
3
分類
?
安全類型
?
特長
?
應(yīng)用
?
特性
?
市場領(lǐng)域
?
新技術(shù)和應(yīng)用
4
發(fā)展方向
光電傳感器傳感器概述
編輯
語音
光電傳感器一般由處理通路和處理元件2 部分組成。其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將非電信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電效應(yīng)是指用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為3 類：（1 ）在光線作用下能使電子溢出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等；（2 ）在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，如光敏電阻、光敏晶體管等；（3 ）在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，如光電池等。
[2]
光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（可見及紫外鐳射光）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。
光電傳感器
光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電物理量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。
光電傳感器原理
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光電傳感器
由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)式，漫反射式，遮光式(光束阻檔)三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)。
光電傳感器
光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，當(dāng)無光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參與導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號。光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時(shí)管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三極管的穿透電流還小；當(dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，發(fā)射極電流Ie=（1+β）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。工作原理光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。
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分類和工作方式⑴槽型光電傳感器把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)組成槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開關(guān)的檢測距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。⑵對射型光電傳感器，若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大，一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。對射式光電開關(guān)的檢測距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用對射式光電開關(guān)時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號。⑶反光板型光電開關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用，稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光源被反光板反射回來再被收光器收到;一旦被檢測物擋住光路，收光器收不到光時(shí)，光電開關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號。⑷擴(kuò)散反射型光電開關(guān)擴(kuò)散反射型光電開關(guān)的檢測頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但擴(kuò)散反射型光電開關(guān)前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。在檢測時(shí)，當(dāng)檢測物通過時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個(gè)開關(guān)信號。沒有信號輸出的原因首先要考慮的是接線或配置的問題。對于對射型光電傳感器必須由投光部和受光部組合使用，兩端都需要供電；而回歸反射型必須由傳感器探頭和回歸反射板組合使用；同時(shí)，用戶必須給傳感器提供穩(wěn)定電源，如果是直流供電，必須確認(rèn)正負(fù)極，如若正負(fù)極連接錯(cuò)誤則會導(dǎo)致輸出信號沒有。上述的原因分析是對光電傳感器本身的考慮，我們還需要考慮的是檢測物體的位置問題，如果檢測物體不在檢測區(qū)域，這樣的檢測是徒勞的。檢測物體必須在傳感器可以檢測的區(qū)域內(nèi)，也就是光電可以感知的范圍內(nèi)。其次，要考慮傳感器光軸有沒有對準(zhǔn)問題，對射型的投光部和受光部光軸必須對準(zhǔn)，對應(yīng)的回歸反射型的探頭部分和反光板光軸必須對準(zhǔn)。同樣還要考慮的是檢測物體是否符合標(biāo)準(zhǔn)檢測物體或者最小檢測物體的標(biāo)準(zhǔn)，檢測物體不能小于最小檢測物體的標(biāo)準(zhǔn)，從而避免導(dǎo)致對射型、反射型不能很好檢測透明物體，像反射型對檢測物體的顏色有要求，顏色越深，檢測距離就越近。如果以上情況都可以很明確地做出排除后，我們需要做的事就是檢測環(huán)境的干擾因素。如光照強(qiáng)度不能超出額定范圍；如果現(xiàn)場環(huán)境有粉塵，就需要我們定期清理光電傳感器探頭表面；或者是多個(gè)傳感器緊密安裝，互相產(chǎn)生干擾；還有一種影響比較大的是電氣干擾，如果周圍有大功率設(shè)備，產(chǎn)生干擾時(shí)必須要有相應(yīng)的抗干擾措施。如果做過上述的逐一排查，這些因素都可以明確地排除還是沒有信號輸出的話，建議退回廠家檢測判斷。
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結(jié)構(gòu)分析光電傳感器通常由三部分構(gòu)成，它們分別為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈做為光源，這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是如今光電傳感器的雛形。接收器有光電二極管、光電三極管及光電池組成。光敏二極管是現(xiàn)在最常見的傳感器。光電傳感器光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小稱為光敏二極管的暗電流;當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。此外，光電傳感器的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置，它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，仍從這根反射線返回。
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類型⑴槽型光電傳感器把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(guān)控制信號，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開關(guān)的檢測距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。⑵對射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開關(guān)就稱為對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號。⑶反光板型光電開關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號。⑷擴(kuò)散反射型光電開關(guān)它的檢測頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測物通過時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到信號，輸出一個(gè)開關(guān)信號。
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光電傳感器分類
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語音
標(biāo)準(zhǔn)類型
光電傳感器
1）漫反射型：一般型或能量型 (-8)，聚焦式 (-8-H)，帶背景抑制功能型 (-8-H)，帶背景分析功能型 (-8-HW)2）反射板型：一般型 (-6)，帶偏振濾波功能型 (-54, -55)，帶透明體檢測功能型 (-54-G)，帶前景抑制功能型 (-54-V)3）對射型4）槽型5）光纖傳感器：塑料光纖型，玻璃光纖型6）色標(biāo)傳感器，顏色傳感器，熒光傳感器7）光通訊8）激光測距：三角反射原理型，相位差原理型，時(shí)間差原理型9）光柵10）防爆/隔爆型
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光電傳感器安全類型
1）安全對射光電2）安全光柵3）安全光幕4）安全控制器門控類型
雷達(dá)傳感器
1）雷達(dá)傳感器：區(qū)域檢測型2）主動(dòng)式傳感器：單光束型，多光束型，區(qū)域檢測型3）被動(dòng)式傳感器：區(qū)域檢測型4）電梯光幕5）通用光電：槽形，對射型等
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光電傳感器特長
①檢測距離長如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實(shí)現(xiàn)其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法遠(yuǎn)距離檢測。②對檢測物體的限制少由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近傳感器等將檢測物體限定在金屬，它可對玻璃、塑料、木材、液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測。③響應(yīng)時(shí)間短光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間非常短。④分辨率高能通過高級設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。⑤可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測可以無須機(jī)械性地接觸檢測物體實(shí)現(xiàn)檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。⑥可實(shí)現(xiàn)顏色判別通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對檢測物體的顏色進(jìn)行檢測。⑦便于調(diào)整在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進(jìn)行調(diào)整。
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光電傳感器應(yīng)用
用光電元件作敏感元件的光電傳感器，其種類繁多，用途廣泛。按光電傳感器的輸出量性質(zhì)可分為兩類：（1 ）把被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流而制成的光電測量儀器，可用來測量光的強(qiáng)度以及物體的溫度、透光能力、位移及表面狀態(tài)等物理量。例如：測量光強(qiáng)的照度計(jì)，光電高溫計(jì)，光電比色計(jì)和濁度計(jì)，預(yù)防火災(zāi)的光電報(bào)警器，構(gòu)成檢查被加工零件的直徑、長度、橢圓度及表面粗糙度等自動(dòng)檢測裝置和儀器，其敏感元件均用光電元件。半導(dǎo)體光電元件不僅在民用工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，在軍事上更有它重要的地位。例如用硫化鉛光敏電阻可做成紅外夜視儀、紅外線照相儀及紅外線導(dǎo)航系統(tǒng)等；（2 ）把被測量轉(zhuǎn)換成繼續(xù)變化的光電流。利用光電元件在受光照或無光照射時(shí)" 有" 或"無"電信號輸出的特性制成的各種光電自動(dòng)裝置。光電元件用作開關(guān)式光電轉(zhuǎn)換元件。例如電子計(jì)算機(jī)的光電輸入器，開關(guān)式溫度調(diào)節(jié)裝置及轉(zhuǎn)速測量數(shù)字式光電測速儀等。
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一、煙塵濁度監(jiān)測儀防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進(jìn)行監(jiān)測、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。二、條形碼掃描筆當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遇到白色間隔時(shí)，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。整個(gè)條形碼被掃描過之后，光敏三極管將條形碼變形一個(gè)個(gè)電脈沖信號，該信號經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，完成對條形碼信息的識別。三、產(chǎn)品計(jì)數(shù)器產(chǎn)品在傳送帶上運(yùn)行時(shí)，不斷地遮擋光源到光電傳感器的光路，使光電脈沖電路產(chǎn)生一個(gè)個(gè)電脈沖信號。產(chǎn)品每遮光一次，光電傳感器電路便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目，該脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)并由顯示電路顯示出來。四、光電式煙霧報(bào)警器沒有煙霧時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線直線傳播，光電三極管沒有接收信號。沒有輸出，有煙霧時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線被煙霧顆粒折射，使三極管接受到光線，有信號輸出，發(fā)出報(bào)警。五、測量轉(zhuǎn)速在電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射光與不反射光交替出現(xiàn)，光電傳感器相應(yīng)地間斷接收光的反射信號，并輸出間斷的電信號，再經(jīng)放大器及整形電路放大整形輸出方波信號，最后由電子數(shù)字顯示器輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。六、光電池在光電檢測和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用光電池作為光電探測使用時(shí)，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。應(yīng)用案例光電傳感器應(yīng)用于激光武器由于光電傳感器對紅外輻射，或可見光，或?qū)Χ叨继貏e靈敏，因而就更加容易成為激光攻擊的目標(biāo)。此外，電子系統(tǒng)及傳感器本身還極易受到激光產(chǎn)生的熱噪聲和電磁噪聲的干擾而無法正常工作。戰(zhàn)場上的激光武器攻擊光電傳感器的方式主要有以下幾種：用適當(dāng)能量的激光束將傳感器“致盲”，使其無法探測或繼續(xù)跟蹤已經(jīng)探測到的目標(biāo)。或者，如果傳感器正在導(dǎo)引武器飛向目標(biāo)，則致盲將使其失去目標(biāo)。綜上所述，由于傳感器在戰(zhàn)場上發(fā)揮的作用越來越重要，同時(shí)又很容易遭受激光攻擊，它們已成為低能激光武器的首選目標(biāo)。光電傳感器應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，可以利用光電傳感器來研制自動(dòng)抄表系統(tǒng)。電能表的鋁盤受電渦流和磁場的作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。采用光電傳感器則可將鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)。如：在旋轉(zhuǎn)的光亮的鋁盤上局部涂黑，再配以反射式光電發(fā)射接收對管，則當(dāng)鋁盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，在局部涂黑處便產(chǎn)生脈沖，并可將鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)采樣轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖數(shù)，并經(jīng)光電耦合隔離電路，送至CPU的T0端口進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。采用光電耦合隔離器可有效地防止干擾信號進(jìn)入微機(jī)。再結(jié)合其它傳輸方式便可以形成自動(dòng)抄表系統(tǒng)。光電傳感器應(yīng)用于監(jiān)控?zé)焿m污染光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測出其接收到的光強(qiáng)的變化，通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化實(shí)現(xiàn)控制功能。由于光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用，而我們可以利用光電傳感器的特性來檢測煙塵的情況，因而光電傳感器輸出信號的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。衛(wèi)生級防沖洗型光電傳感器防沖洗型傳感器，能夠提供極高的可靠性和舒適性，并將運(yùn)行成本降至最低。配合IO-link接口以及能夠大幅延長使用壽命的proTect+密封理念，這兩款新型傳感器適用于苛刻的應(yīng)用環(huán)境，堪稱食品和飲料行業(yè)的理想解決方案。
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光電傳感器特性
1）暫態(tài)響應(yīng)范圍寬，諧波測量能力強(qiáng)暫態(tài)特性的優(yōu)劣是判斷一種互感器能否在電力系統(tǒng)中獲得應(yīng)用的一個(gè)重要參數(shù)，特別是與繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的配合。傳統(tǒng)電磁式互感器由于存在鐵芯，對高頻信號的響應(yīng)特性較差，不能正確反映一次側(cè)的暫態(tài)過程。而光電互感器傳測量的頻率范圍主要由電子線路部分決定，沒有鐵芯飽和的問題，因此能夠準(zhǔn)確反映一次側(cè)的暫態(tài)過程。一般可設(shè)計(jì)到0.1 Hz到1 MHz，特殊的可設(shè)計(jì)到200 MHz的帶通。光電傳感器的結(jié)構(gòu)可以測量高壓電力線路上的諧波。而電磁感應(yīng)互感器是難以達(dá)到的。2）數(shù)字接口，通信能力強(qiáng)由于光電傳感器下傳的就是光數(shù)字信號，與通信網(wǎng)絡(luò)容易接口，且傳輸過程中沒有測量誤差。同時(shí)隨著微機(jī)化的保護(hù)控制設(shè)備的廣泛采用，光電互感器可以直接向二次設(shè)備提供數(shù)字量，這樣就能省去原來保護(hù)裝置中的變換器和A/D采樣部分，使二次設(shè)備得到大大的簡化，推動(dòng)保護(hù)新原理的研究。3）體積小，重量輕、易升級，滿足變電站小型化與緊湊型的要求，由于光電傳感器是靠傳感頭和電子線路進(jìn)行信號的獲取和處理，體積小，重量一般在 1000 kg以下，便于集成在AIS或GIS中，這樣將大大減少變電站的占地面積，滿足變電站小型化和緊湊化的要求。同時(shí)光電互感器通過少量光纜與二次設(shè)備連接，可使電纜溝和電纜大為減。
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光電傳感器市場領(lǐng)域
光電傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域：車載娛樂/導(dǎo)航/DVD系統(tǒng)背光控制，以便在所有的環(huán)境光條件下都可以顯示出理想的背光亮度；后座娛樂用顯示器背光控制；儀表組背光控制(速度計(jì)/轉(zhuǎn)速計(jì))；自動(dòng)后視鏡亮度控制(通常要求兩個(gè)傳感器，一個(gè)是前向的，一個(gè)是后向的)；自動(dòng)前大燈和雨水感應(yīng)控制(專用，根據(jù)需求進(jìn)行變化)；后視相機(jī)控制(專用，根據(jù)需求進(jìn)行變化)。在提供更舒適的顯示質(zhì)量方面已經(jīng)成為最有效的解決方案之一，它具有與人眼相似的特性，這對于汽車應(yīng)用而言至關(guān)重要，因?yàn)檫@些應(yīng)用要求在所有環(huán)境光條件下都能達(dá)到完全的背光效果。例如，在白天，用戶需要最大的亮度來實(shí)現(xiàn)最佳的可見度，但是這種亮度在對于夜間條件而言則是過亮的，因此帶有良好光譜響應(yīng) (良好的IR衰減)的光傳感器、適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍和整體的良好輸出信號調(diào)節(jié)可以很容易地自動(dòng)完成這些應(yīng)用。終端用戶可以設(shè)置幾個(gè)閾值水平(如低、中、亮光)，或能夠隨意地動(dòng)態(tài)地改變傳感器的背光亮度。這也適用于汽車后視鏡亮度控制，當(dāng)鏡子變暗和/或變亮?xí)r需要智能的亮度管理，可以通過環(huán)境光傳感器來完成。對于便攜式應(yīng)用，如果用戶不改變系統(tǒng)設(shè)置(通常是亮度控制)，那么一個(gè)顯示器總是消耗同樣多的能量。在室外等特別亮的區(qū)域，用戶傾向于提高顯示器的亮度，這就會增加系統(tǒng)的功耗。而當(dāng)條件變化時(shí)，如進(jìn)入建筑物，大多數(shù)用戶都不會去改變設(shè)置，因此系統(tǒng)功耗仍然保持很高。但是，通過使用一個(gè)光傳感器，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測條件變化并調(diào)節(jié)設(shè)置，以保證顯示器處于最佳的亮度，進(jìn)而降低總功耗。在一般的消費(fèi)類應(yīng)用中，這也能夠延長電池壽命。對于移動(dòng)電話、筆計(jì)本電腦、PAD和數(shù)碼相機(jī)，通過采用環(huán)境光傳感器反饋，可以自動(dòng)進(jìn)行亮度控制，從而延長了電池壽命。并不是一個(gè)新的構(gòu)想。在數(shù)十年前就已經(jīng)利用光電二極管和光敏電阻來實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想。所謂新構(gòu)想，是指對環(huán)境光感應(yīng)的同時(shí)還能消減無用的紅外線和紫外線光，而且在支持汽車規(guī)格AECQ-1000嚴(yán)格要求的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)小封裝，尤其是能夠保證在-40度至+105度(2級)溫度范圍內(nèi)的操作，以滿足其余的規(guī)格要求。如何保持工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并滿足AECQ-1000的2級工作要求，這是當(dāng)今在所有光設(shè)計(jì)解決方案中所面臨的挑戰(zhàn)。采用一個(gè)光傳感器或LED發(fā)射器或接收器時(shí)，任何的光學(xué)解決方案都會面臨著暴露在恒定高溫下(>+85度)而出現(xiàn)的封裝變色問題(會變暗或變成淡黃)。同樣值得一提的是，到目前為止，所有環(huán)境光傳感器的應(yīng)用都限于車艙內(nèi)，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙或戶外環(huán)境中還沒有出現(xiàn)光傳感器應(yīng)用。事實(shí)上，即使出現(xiàn)了這樣的應(yīng)用，光封裝也不是針對這樣的苛刻條件(+125或+150度的條件)而設(shè)計(jì)，因此，在當(dāng)前的光學(xué)封裝技術(shù)下，它們很可能還不能夠承受這樣的條件。半導(dǎo)體相似傳感器和封裝開發(fā)的最新進(jìn)展使得終端用戶在光傳感器上具有了更廣泛的選擇。小封裝、低功耗、高集成和簡單易用性是設(shè)計(jì)者更多地采用光傳感器的原因，其應(yīng)用范圍涉及消費(fèi)類電子、工業(yè)應(yīng)用以及汽車領(lǐng)域。
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光電傳感器新技術(shù)和應(yīng)用
1、用于目標(biāo)跟蹤和坐標(biāo)定位256光電管陣列四象限CMOS光電傳感器將傳統(tǒng)的象限傳感器與當(dāng)前迅速發(fā)展的CMOS圖象傳感器相結(jié)合，提出了使用有源傳感陣列感光的256單元光電管陣列四象限CMOS光電傳感器。該傳感器的感光單元采用了CMOS圖象傳感器中使用的有源像素傳感器(Active Pixel Sensor，APS)設(shè)計(jì)，在感光單元內(nèi)部由光電信號預(yù)處理電路直接將傳感產(chǎn)生的光電信號轉(zhuǎn)化為幅度較大的電信號輸出，避免了對微弱信號的處理，降低了噪聲的影響。傳感器應(yīng)用陣列采集光信號，可以直接確定目標(biāo)光源的坐標(biāo)位置并實(shí)現(xiàn)一步到位的快速調(diào)整。傳感器使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，將傳感陣列與信號處理電路集成在同一芯片上，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的SOC集成和智能化(Smart Sensor)設(shè)計(jì)。廣泛應(yīng)用于激光的瞄準(zhǔn)、制導(dǎo)、跟蹤，搜索裝置，精密測量，如激光微定位、位移監(jiān)控、精密機(jī)床的光電控制等領(lǐng)域。是一種用于目標(biāo)跟蹤和坐標(biāo)定位的新型集成陣列四象限CMOS光電傳感器。2、光敏象限陣列與磁敏線陣列兼容CMOS數(shù)模混合傳感器集成電路基于硅光電傳感的象限傳感器廣泛應(yīng)用于激光的跟蹤制導(dǎo)、位移監(jiān)控、精密機(jī)床等控制等領(lǐng)域。基于硅的半導(dǎo)體磁敏傳感器廣泛應(yīng)用于測量磁場強(qiáng)度的各種磁場計(jì)、讀出磁介質(zhì)上信息的各類磁頭以及非磁信號的探測器等。3、應(yīng)用光電二極管陣列的SPR生物傳感器微弱信號檢測以提升表面等離子共振生物醫(yī)學(xué)傳感器的檢測能力為目標(biāo)，用高性能光電二極管陣列為光電轉(zhuǎn)換器件，論證并實(shí)現(xiàn)一種可高效抑制噪聲的檢測方法，利用光電二極管陣列器件可輸出參考噪聲信號的特性，通過相干消噪結(jié)合小波軟閾值消噪，使SPR傳感器輸出信噪比從40dB左右提高到52dB以上。用SPR傳感器檢測人體免疫球蛋白(IgG)分子特異性結(jié)合的實(shí)驗(yàn)表明，該方法顯著提高了SPR傳感器的分辨率，使之可精確檢測樣液中IgG含量10~(-3)mg/mL量級的微弱變化，精度和分辨率提升一個(gè)數(shù)量級以上。4、光電檢測傳感器陣列在運(yùn)動(dòng)物體檢測中的應(yīng)用一個(gè)基于覆蓋理論和卡爾曼濾波算法的光電檢測傳感器陣列，該陣列具有采集和處理陣列覆蓋區(qū)域中所感知對象信息的功能，即檢測和描述感知對象的存在、運(yùn)動(dòng)及其運(yùn)動(dòng)軌跡等情況。國內(nèi)外光電傳感器的研究現(xiàn)狀由于光電傳感器的應(yīng)用涉及的領(lǐng)域非常廣泛，其研究和開發(fā)在世界上引起了高度重視，各國更是競相研究開發(fā)并引起激烈的競爭。從最初的應(yīng)用于軍事逐漸發(fā)展到民事，而且與我們的生活息息相關(guān)，應(yīng)該說現(xiàn)代化的生活離不開光電傳感器的參與，如傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀、打印機(jī)、車庫開門器、液晶顯示器、色度計(jì)、分光計(jì)、汽車和醫(yī)療診斷儀器等等不勝枚舉。美國是研究光電傳感器起步最早、水平最高的國家之一，在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展得十分迅速。在軍事應(yīng)用方面，研究和開發(fā)主要包括：水下探測、航空監(jiān)測、核輻射檢測等。美國也是最早將光電傳感器用于民用領(lǐng)域的國家。如運(yùn)用光電傳感器監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、溫度等重要參數(shù)，檢測肉類和食品的細(xì)菌和病毒等。美國擁有世界最健全的光電傳感器產(chǎn)品線，超過種產(chǎn)品包括自含式或放大器分離型，限位開關(guān)外型或小型傳感器，精密檢測或長距離檢測傳感器，檢測距離長達(dá)305m。并且擁有行業(yè)內(nèi)最齊全的標(biāo)準(zhǔn)光纖和定制光纖產(chǎn)品。大部分產(chǎn)品防護(hù)等級達(dá)到NEMA6P和IP67。日本和西歐各國也高度重視并投入大量經(jīng)費(fèi)開展光電傳感器的研究與開發(fā)。20世紀(jì)90年代，研究開發(fā)出多種具有一流水平的民用光電傳感器，日本的電器以價(jià)格適中質(zhì)量好而響譽(yù)全球。西歐各國的大型企業(yè)和也積極參與了光電傳感器的研發(fā)和市場競爭。我國對光電傳感器研究的起步時(shí)間與國際相差不遠(yuǎn)。已有上百個(gè)單位在這一領(lǐng)域開展工作，主要是在光電溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了上百項(xiàng)科研成果，有的達(dá)到世界先進(jìn)水平。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國的研究水平還有不小的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè)化方面，大多數(shù)品種仍處于實(shí)驗(yàn)研制階段，還無法投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用。
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光電傳感器發(fā)展方向
編輯
語音
生產(chǎn)的發(fā)展方向（1）使光電傳感器從理論研究向生產(chǎn)一條龍的產(chǎn)業(yè)化模式快速發(fā)展，走自主創(chuàng)新和國際合作相結(jié)合的跨越式發(fā)展道路，使我國成為世界傳感器的生產(chǎn)大國；（2）光電傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。產(chǎn)品品種要向高技術(shù)、高附加值傾斜，尤其要填補(bǔ)“空白”品種；（3）生產(chǎn)格局向?qū)I(yè)化發(fā)展。即生產(chǎn)傳感器門類少而精，且專門生產(chǎn)某一應(yīng)用領(lǐng)域需要的某一類傳感器系列產(chǎn)品，以獲得較高的市場占有率，各傳感器企業(yè)的專業(yè)化合作生產(chǎn)；（4）光電傳感器大生產(chǎn)技術(shù)向自動(dòng)化發(fā)展。光電傳感器的門類、品種繁多，所用的敏感材料各異，決定了傳感器制造技術(shù)的多樣性和復(fù)雜性。縱觀當(dāng)前光電傳感器工藝線的概況，多數(shù)工藝已實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化，但距離生產(chǎn)過程全自動(dòng)化尚存在諸多困難，有待今后廣泛采用CAD、CAM及先進(jìn)的自動(dòng)化裝備和工業(yè)機(jī)器人予以突破；（5）企業(yè)的重點(diǎn)技術(shù)改造應(yīng)加強(qiáng)從依賴引進(jìn)技術(shù)向引進(jìn)技術(shù)的消化吸收與自主創(chuàng)新的方向轉(zhuǎn)移；（6）企業(yè)經(jīng)營要加快從國內(nèi)市場為主向國內(nèi)與國外兩個(gè)市場相結(jié)合的國際化方向跨越發(fā)展；（7）企業(yè)結(jié)構(gòu)將向“大、中、小并舉”、“集團(tuán)化、專業(yè)化生產(chǎn)共存”的格局發(fā)展。
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研究的發(fā)展方向光電傳感及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，滿足了各類控制裝置及系統(tǒng)的更高要求，使得各領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來越高，同時(shí)光電傳感器的重要性不斷提高。目前，光電傳感器研究的主要方向是：（1）多用途。即一種光電傳感器不僅能針對一種物理量，而且能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測量；（2）新型傳感材料、傳感技術(shù)等的開發(fā)；（3）在惡劣條件下（高溫、高壓等）低成本傳感器（連接、安裝等）的開發(fā)和應(yīng)用；（4）光電傳感器與其它微技術(shù)結(jié)合的微光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
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前景預(yù)測傳感器市場報(bào)告顯示，2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場可達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機(jī)電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年復(fù)合年增長率預(yù)計(jì)會超過25%。全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競爭也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場份額的擴(kuò)大。
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光電傳感器的智能化發(fā)展智能光電傳感器是當(dāng)今國際科技界研究的熱點(diǎn)、尚無統(tǒng)一的、確切的定義。目前國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，智能光電傳感器是由傳統(tǒng)的光電傳感器和微處理器( 或微計(jì)算機(jī)) 相結(jié)合而構(gòu)成的，它充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能對它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，使采集的數(shù)據(jù)最佳。智能光電傳感器的功能有: 自補(bǔ)償能力，自校準(zhǔn)功能，自診斷功能，數(shù)值處理功能，雙向通信功能，信息存儲和記憶功能，數(shù)字量輸出功能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器的功能將逐步增強(qiáng)，它將利用人工神經(jīng)網(wǎng)、人工智能、信息處理技術(shù)(如傳感器信息融合技術(shù)、模糊理論等)，使傳感器具有更高級的智能具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能、可以完成圖像識別、特征檢測、多維檢測等復(fù)雜任務(wù)。
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參考資料
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