第二章 传感器及测量系统（ 3）
吉林大学 机械电子工程学科
赵丁选
2.9线位移传感器
2.9.1线位移传感器概述
? 用途,测量距离, 高度, 宽度等
? 种类,接触型与非接触型 。
? 常用类型,电阻式, 电容式, 电感式,
光电式, 霍尔效应式等 。
? 重点介绍,半导体激光位移传感器, 电
蜗流位移传感器, 属非接触型位移传感
器
2.9.2半导体激光位移传感器
? 图 2-9-1半导体激光位移传感器 图 2-9-2电蜗流位移传感器
2.9.2半导体激光位移传感器
? 结构,包括一个发光元件 （ 发光二极管, 激光器 ）,
一个位置敏感检测器
? 原理,采用三角测量 。 通过检测聚焦到位置敏感检测
器上的光柱点的运动即可确定工作物体的位移量 。
? 特点,
(1)具有高分辨率, 可对各种不同的材料进行精确测量 。
(2)测量范围宽, 可对高温快速移动的物体进行测量 。
(3)具有先进的激光安全性, 不会对被测物体或人造成伤
害 。
(4)在任何安装位置均可实现精确 0V设定 。
(5)易于安装 。
2.9.3电蜗流位移传感器
? 基本结构,由探头 （ 线圈, 骨架, 壳体,
射频电缆和射频插头 ）, 与前置器构成 。
? 测量原理,
前置放大器 → 高频信号激励 → 线圈
→ 产生高频磁场 → 金属表面会感应出
涡流 → 涡流损耗 → 线圈磁感应强度变
化 → 经前置器转换成电压信号 ∝ 距离
（ 线性关系 ）
2.9.3电蜗流位移传感器
? 特点,
? ① 非接触式测量
? ② 线性范围宽, 0～ 80mm
? ③ 动态响应好, 0-10kHz
? ④ 长期连续可靠工作, 抗干扰能力强
? ⑤ 在水, 油等恶劣环境条件下工作
? ⑥ 可长线传输
? ⑦ 直接与 A,D接口相连配计算机使用
2.10光栅传感器
2.10.1光栅传感器概述
? 用途,精密直线位移, 角位移测量, 应用甚广
? 举例,如高精度数控机床, 三坐标轮廓仪, 直径测量
仪器 。
? 精度,直线位移测量精度可达 0.5μm,转角位移测量
精度可分度 ± 1"(1,3600度 )。
? 组成,一块测量栅, 一块指示光栅 。
? 结构原理,两栅均有相间条纹, 间距相等, 两光栅相
对移动一个栅距, 莫尔条纹也移动一个条纹间距 。
用光电元件接收透过两块光栅的光能量，根据计数器
累计的信号数，就可测得移动长度或移过转角。
2.10光栅传感器
图 2-10-1长光栅模尔条纹 图 2-11-1感应同步器的结构与工作原理
2.11感应同步器
? 特点,是一种数字传感器,
? 分类,直线式与旋转式两种, 前者用来检测直线位移,
后者用来检测旋转角位移 。
? 结构,旋转式 （ 定子, 转子 ）, 直线式 （ 定尺, 滑
尺 ） 。 滑尺上绕阻接成 S组 (正弦绕组 )与 C组 (余弦绕
阻 )。
? 安装,定尺安装于固定部分, 滑尺安装在运动部分,
二者作间隙很小的非接触移动 。
? 原理, 正弦电压 → S组 或 C组 → 定尺上产生幅值按
正弦或余弦变化的感应电势输出信号可用幅值与相位
来描述, 通过鉴幅或鉴相系统可以检测出位移信号并
进行数值显示 。
2.12接近传感器
2.12.1接近传感器概述
? 用途,属无触点接近开关, 用于导电, 导磁金属材料
的限位置, 固体料位和液体液位检测等
? 常用的接近传感器,感应式接近传感器, 电容式接近
传感器, 及电磁式接近传感器
? 高精度的接近传感器, 还能检测金属薄板及渡层的厚
度 。
? 优点,不直接接触被测物体, 开关及被测物均没有机
械磨损, 使寿命很长, 可适用于高速检测 。
? 原理,但当被测物体进入接近开关的灵敏区时, 就会
发出一个脉冲信号 。
? 灵敏区形状,探头附近的一个近似半球区域 。
2.12.2感应式接近传感器
? 适用,空间有限情况的金属的非接触接近测量
? 探头结构 分类,有屏蔽的, 无屏蔽的两种 。 后
者测量距离较前者为大 。
? 结构,振荡器, 感应线圈, 斯密特电路及输出
电路组成 。
? 工作原理,振荡器在探头端部产生磁场作用区,
当金属进入该作用区时, 引起振荡器停振 。
2.12.2感应式接近传感器
图 2-12-1感应式接近传感器的工作原理
2.12.3电容式接近传感器
? 适用,非接触, 空间有限 。 如各种管道内流体
的测量, 料位测量及对金属物品测量 。
? 结构,由振荡器, 斯密特电路及输出电路组成,
电容器的一个电极是传感电极, 另一个电极是
大地 。
? 原理,加电后，两极间产生电场，当与大地连
接的金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。
2.12.3电容式接近传感器
图 2-12-2电容式接近传感器的电路结构及工作原理
2.12.4电磁式接近传感器
? 适用,非接触式导磁材料测量
? 结构,内部有 4个磁铁和一个常开触点的
干簧继电器 。
? 原理,导磁材料外界物体 → 靠近电磁式
接近开关诱导面 → 磁场失去平衡 → 干
簧继电器的触点闭合
2.13流量传感器
? 用途,对流动的介质 —— 液体或气体的
流量进行检测的传感器。
? 按工作原理分类,电子流量传感器、电
磁流量传感器、超声波流量传感器、涡
流流量传感器等。
? 重点介绍,电子流量传感器与电磁流量
传感器。
2.13.1电子流量传感器
? 工作原理,基于热传导理论 。 两个精确
温度电阻放置介质中, 一个只受介质温
度的影响, 另一个被热源加热, 介质流
动时该电阻被冷却, 比较两个电阻值,
可得到传感信号, 经二次仪表转化为介
质的流量值 。
? 实际的流量传感器将两个电阻装于 同一
个传感器壳体内 。
2.13.1电子流量传感器
图 2-13-1电子流量感器原理 图 2-13-2电磁流量感器原理
2.13.2电磁流量传感器
? 测量原理,基于法拉弟电磁感应定律 。
交流驱动 → 传感器内磁芯产生交变磁场 → 被
测介质为 （ 水, 或酸, 碱, 盐等导电液体 ） 流
动时相当于导体切害磁力线 → 两个电极上产
生感应电动势 → 引出检测感应电动势 → 确定
流速 → 确定流量
? 构成,电磁流量传感器, 电磁流量转换器 。
2.14温度传感器
? 分类,
? 高温传感器 （ 热电偶, 铂电阻以及红外辐
射测温计 ） ；
? 常温传感器 （ 热敏电阻, 铜电阻等 ） ；
? 低温传感器 （ 铜电阻等 ） 。
2.14.1热敏电阻
? 说明,热敏电阻是一种电阻值随温度变
化的半导体元件 。
? 特点,体积小, 灵敏度高, 价格崐低,
所以应用最为广泛 。
? 分类,一类电阻值随温度升高而增加
（ 正的温度系数 ）, 一类随温度升高而
降低 （ 负的温度系数, 常用 ） 。
? 特性,热电特性, 伏安特性 。
2.14.1.1热敏电阻的热电特性
? 定义,电阻值随温度变化的关系, 以坐标图表示它是
一条指数曲线：
式中,RT—— 温度为 T时的电阻值；
T—— 绝对温度, K；
A,B—— 由材料及制造工艺决定的系数
热敏电阻 材料,铁, 镍, 锰, 钼, 钛, 镁, 铜等氧化物
做成 。 改变这些混合物的成分, 就可以改变热敏电阻
的测量范围, 阻值及 A,B值 。
T
B
T AeR ?
2.14.1.1热敏电阻的热电特性
图 2-14-1热敏电阻的热电特性图 图 2-14-2热敏电阻的伏安特性图
2.14.1.2热敏电阻伏安特性
? 说明,热敏电阻的伏安特性是指通过热敏电阻
的电流与其两端电压之间的关系 。
? 原理, 当热敏电阻的电流很小时, 热敏电阻
的伏安特性遵循欧姆定律；
? 但当电流大到一定程度时, 流过热敏电阻的电
流使其自身温度升高, 因而其阻值减小 。
? 因此在使用热敏电阻伏安特性时应防止 电流过
大 。
2.14.2热电偶温度传感器
? 说明,是较早的一种接触式温度传感器, 测量
可从室温至 1800℃ 。 所以至今仍是应用最广的
温度传感器 。
? 发展趋势,标准化 （ 我国已 8个品种 ）, 小型
化 （ 最小的铠装热电偶直径为 2～ 4mm） 。
? 测温原理,热电效应 。
? 将不同的导体或半导体 A,B组成闭合回路,
使两个接点处于不同的温度, 回路中就产生电
动势 。
2.14.2热电偶温度传感器
? 输出电动势,与两种材料的性质及两接
点的温度差有关, 与导体的大小, 接触
面积及连接方式无关 。
? 其输出电势为,EAB(t,t0)=fAB(t)-fAB(t0)
? 如果使热电偶的一个接点温度 t0保持不
变, 设 fAB(t0)=C,则上式可写成：
EAB(t,t0)=fAB(t)-C
2.14.2热电偶温度传感器
? 表明,产生的热电势 EAB(t,t0)只与温度 t
有关, 成为温度的单值函数 。
? 实际,使 t端与工作介质接触, 进行测温,
称为工作端, t0端称为热电偶自由端或
参考端或冷端 。
? 冰点槽装置,用于在工作中将自由端保
持 0℃ 恒温, 然后将工作端的温度与电势
关系列成表格, 供测量人员使用 。
2.14.2热电偶温度传感器
图 2-14-3热电偶效应图 2-14-4冰点槽装置
2.15转速及角位移传感器
? 编码器就是近年来出现的一种新型的高精度、数字化、
大尺寸测量元件，用作旋转轴和线性轴的反馈装置。
? 用途,用于数控机床、木工机械、机器人和装卸设备、
纺织机械、绘图仪和仿形装置，测量和测试设备。
? 特点,
? (1)能借助于微电子技术, 达到足够高的精度, 没有人
为的读数误差；
? (2)易于实现系统的快速, 自动和数字化；
? (3)测量系统量程大, 长度可以达数米甚至更长, 角度
可以在 360° 范围内进行测量；
? (4)体积小，重量轻，结构紧凑，测量系统安全方便，
使用和维护简单，工作可靠。
2.15转速及角位移传感器
? 2.15.1绝对式旋转编码器
? 可直接从分度盘的编码图案中得出角度位
置, 然后转换成编码信号 。
? 即使电源有瞬间掉电, 只要主轴转速在允
许范围内, 都能通过控制器或计算机编译
成编码信号 。
? 2.15.2增量式旋转编码器
? 以脉冲形式输出, 被测物体每走过一个当
量距离, 编码器就输出一个脉冲 。
2.16 图像传感器
? 在机电控制, 机器人的领域中起着重要的作用,
尤以 CCD图像传感器和红外线图像传感器应用
最为广泛 。
? CCD图像传感器,典型例, 日本 KEYENCE公
司生产的 VH系列图像显微检测仪 。
? 红外线图像传感器,典型例, AVIONICS公司
生产的 TVS-2000系列热图像系统 。
2.16.1 CCD图像传感器
? 命名, CCD(Charge couple Device)即电荷耦合
器件的简称, 是一种金属氧化物半导体 (MOS)
集成电路的简称 。
? 结构,由感光部和 CCD移位寄存器组成 。
? 原理,成像在 CCD上的景物 → 感光部电信号
→ 电子图像 → CCD移位寄存器 → 放大器 →
输出
? 分类,中按结构和信号电荷传送方式, 又可分
为线阵 (一维 )和面阵两种 。
2.16.1.1线阵 CCD图像传感器
? 中间是一列感光单元 （ 光电二极管阵 ）, 两侧分别设
置了 CCD移位寄存器 。
? 感光单元按位置的奇偶性, 分别把其所存储的电荷向
两侧移位寄存器传送, 最后在输出部汇合输出 。
? 在其感光部和两侧 CCD移位寄存器之间设有转移栅 。
? 移位寄存器停顿时, 转移栅开放, 光电二极管所积累
的电荷可以送到两侧的 CCD移位寄存器中 。
? 接着转移栅关闭, 感光部的光电二极管开始进行下一
次读出的电荷积累 。
? 线阵 CCD图像传感器广泛应用于传真等场合 。
2.16.1.1线阵 CCD图像传感器
图 2-16-2048位线阵 CCD图像传感器结构
2.16.1.2面阵 CCD图像传感器
? 分类,按构成分为两种：帧传送方式和行间传送方式 。
? 在 帧传送方式 垂直消影期中, 感光部所积累的信号电
荷快速转送到存储部, 然后由输出寄存器顺次读出 。
? 在 行间传送方式 中积累的电荷一次转送到邻接的垂直
移位寄存器, 以后从输出移位寄存器中读出信号 。
? 400× 500像素和 800× 500像素的 CCD图像传感器适用
于 工业监视 及 工业机器人 。
? 1024× 800的 CCD图像传感器也已用于 TV摄像机 。
2.16.1.2面阵 CCD图像传感器
图 2-16-2帧传送面阵 CCD图像传感器的结构 图 2-16-3行间传送面阵 CCD图像传感器的结构
2.16.2红外图像传感器
? 功能,把波长为 2～ 20μm的红外图像 → TV时间系列扫
描信号 。
? 构成,红外传感 （ 量子型和热型 ） 和电子扫描两部分 。
? 分类,量子型红外图像传感器, 热型红外图像传感器
两大类 。
? 量子型 红外图像传感器：采用固体电子扫描, 如单片
型 CCD,混合型 CCD或肖特基势垒型 CCD等 。
? 热型 红外图像传感器：采用热电光导摄像管式的电子
扫描 或 采用热电红外 CCD型的固体电子扫描 。
2.16.2.1热电光导摄像管
? 特征,靶电极用热电材料, 采用镍 — 铬
和黄金黑体等吸收红外线的材料, 其窗
口采用能透过红外线的玻璃 。
? 原理,基于 热电效应 。 景物 → 透镜 →
成像在热电光导摄像管上 → 红外热图像
→ 在靶面上感应出相应的电压分布 →
被电子束拾取 → 做为时间序列信号读出
2.16.2.2红外 CCD
? 特征,是采用固体电子扫描的原理 。
? 最新的肖特基势垒型 CCD图像传感器可制成灵
敏度均匀的大面积图像传感器 。
图 2-16-4热电光导摄像管图 2-16-5 红外 CCD图像传感器
思 考 题
1.简述反射传感器的传感原理,为什么带偏振片的反射传感器在被测
物体为反射体时不会产生误动作？
2.光纤传感器在机电一体化中应用极广, 它具有什么优点？, 光纤传
感具有几种调制方式？
3.简述图 2-8-2中四种相位调制型光纤传感器干涉系统的工作原理？
4.在大位移与高精度测量中常用什么传感器, 其工作原理分别是什么？
5.接近传感器共有几种类型？, 简述感应式接近传感器与电容式接近
传感器测量原理的共同点与不同点？
6.简述电子流量传感器的工作原理 。
7.常用的图像传感器有几种？, 传真中用的是什么图像传感器？, 机
器人用什么图像传感器, 简述其工作原理 。
8.热电光导摄像管是靠什么原理把红外图像变为视频信号的？
吉林大学 机械电子工程学科
赵丁选
2.9线位移传感器
2.9.1线位移传感器概述
? 用途,测量距离, 高度, 宽度等
? 种类,接触型与非接触型 。
? 常用类型,电阻式, 电容式, 电感式,
光电式, 霍尔效应式等 。
? 重点介绍,半导体激光位移传感器, 电
蜗流位移传感器, 属非接触型位移传感
器
2.9.2半导体激光位移传感器
? 图 2-9-1半导体激光位移传感器 图 2-9-2电蜗流位移传感器
2.9.2半导体激光位移传感器
? 结构,包括一个发光元件 （ 发光二极管, 激光器 ）,
一个位置敏感检测器
? 原理,采用三角测量 。 通过检测聚焦到位置敏感检测
器上的光柱点的运动即可确定工作物体的位移量 。
? 特点,
(1)具有高分辨率, 可对各种不同的材料进行精确测量 。
(2)测量范围宽, 可对高温快速移动的物体进行测量 。
(3)具有先进的激光安全性, 不会对被测物体或人造成伤
害 。
(4)在任何安装位置均可实现精确 0V设定 。
(5)易于安装 。
2.9.3电蜗流位移传感器
? 基本结构,由探头 （ 线圈, 骨架, 壳体,
射频电缆和射频插头 ）, 与前置器构成 。
? 测量原理,
前置放大器 → 高频信号激励 → 线圈
→ 产生高频磁场 → 金属表面会感应出
涡流 → 涡流损耗 → 线圈磁感应强度变
化 → 经前置器转换成电压信号 ∝ 距离
（ 线性关系 ）
2.9.3电蜗流位移传感器
? 特点,
? ① 非接触式测量
? ② 线性范围宽, 0～ 80mm
? ③ 动态响应好, 0-10kHz
? ④ 长期连续可靠工作, 抗干扰能力强
? ⑤ 在水, 油等恶劣环境条件下工作
? ⑥ 可长线传输
? ⑦ 直接与 A,D接口相连配计算机使用
2.10光栅传感器
2.10.1光栅传感器概述
? 用途,精密直线位移, 角位移测量, 应用甚广
? 举例,如高精度数控机床, 三坐标轮廓仪, 直径测量
仪器 。
? 精度,直线位移测量精度可达 0.5μm,转角位移测量
精度可分度 ± 1"(1,3600度 )。
? 组成,一块测量栅, 一块指示光栅 。
? 结构原理,两栅均有相间条纹, 间距相等, 两光栅相
对移动一个栅距, 莫尔条纹也移动一个条纹间距 。
用光电元件接收透过两块光栅的光能量，根据计数器
累计的信号数，就可测得移动长度或移过转角。
2.10光栅传感器
图 2-10-1长光栅模尔条纹 图 2-11-1感应同步器的结构与工作原理
2.11感应同步器
? 特点,是一种数字传感器,
? 分类,直线式与旋转式两种, 前者用来检测直线位移,
后者用来检测旋转角位移 。
? 结构,旋转式 （ 定子, 转子 ）, 直线式 （ 定尺, 滑
尺 ） 。 滑尺上绕阻接成 S组 (正弦绕组 )与 C组 (余弦绕
阻 )。
? 安装,定尺安装于固定部分, 滑尺安装在运动部分,
二者作间隙很小的非接触移动 。
? 原理, 正弦电压 → S组 或 C组 → 定尺上产生幅值按
正弦或余弦变化的感应电势输出信号可用幅值与相位
来描述, 通过鉴幅或鉴相系统可以检测出位移信号并
进行数值显示 。
2.12接近传感器
2.12.1接近传感器概述
? 用途,属无触点接近开关, 用于导电, 导磁金属材料
的限位置, 固体料位和液体液位检测等
? 常用的接近传感器,感应式接近传感器, 电容式接近
传感器, 及电磁式接近传感器
? 高精度的接近传感器, 还能检测金属薄板及渡层的厚
度 。
? 优点,不直接接触被测物体, 开关及被测物均没有机
械磨损, 使寿命很长, 可适用于高速检测 。
? 原理,但当被测物体进入接近开关的灵敏区时, 就会
发出一个脉冲信号 。
? 灵敏区形状,探头附近的一个近似半球区域 。
2.12.2感应式接近传感器
? 适用,空间有限情况的金属的非接触接近测量
? 探头结构 分类,有屏蔽的, 无屏蔽的两种 。 后
者测量距离较前者为大 。
? 结构,振荡器, 感应线圈, 斯密特电路及输出
电路组成 。
? 工作原理,振荡器在探头端部产生磁场作用区,
当金属进入该作用区时, 引起振荡器停振 。
2.12.2感应式接近传感器
图 2-12-1感应式接近传感器的工作原理
2.12.3电容式接近传感器
? 适用,非接触, 空间有限 。 如各种管道内流体
的测量, 料位测量及对金属物品测量 。
? 结构,由振荡器, 斯密特电路及输出电路组成,
电容器的一个电极是传感电极, 另一个电极是
大地 。
? 原理,加电后，两极间产生电场，当与大地连
接的金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。
2.12.3电容式接近传感器
图 2-12-2电容式接近传感器的电路结构及工作原理
2.12.4电磁式接近传感器
? 适用,非接触式导磁材料测量
? 结构,内部有 4个磁铁和一个常开触点的
干簧继电器 。
? 原理,导磁材料外界物体 → 靠近电磁式
接近开关诱导面 → 磁场失去平衡 → 干
簧继电器的触点闭合
2.13流量传感器
? 用途,对流动的介质 —— 液体或气体的
流量进行检测的传感器。
? 按工作原理分类,电子流量传感器、电
磁流量传感器、超声波流量传感器、涡
流流量传感器等。
? 重点介绍,电子流量传感器与电磁流量
传感器。
2.13.1电子流量传感器
? 工作原理,基于热传导理论 。 两个精确
温度电阻放置介质中, 一个只受介质温
度的影响, 另一个被热源加热, 介质流
动时该电阻被冷却, 比较两个电阻值,
可得到传感信号, 经二次仪表转化为介
质的流量值 。
? 实际的流量传感器将两个电阻装于 同一
个传感器壳体内 。
2.13.1电子流量传感器
图 2-13-1电子流量感器原理 图 2-13-2电磁流量感器原理
2.13.2电磁流量传感器
? 测量原理,基于法拉弟电磁感应定律 。
交流驱动 → 传感器内磁芯产生交变磁场 → 被
测介质为 （ 水, 或酸, 碱, 盐等导电液体 ） 流
动时相当于导体切害磁力线 → 两个电极上产
生感应电动势 → 引出检测感应电动势 → 确定
流速 → 确定流量
? 构成,电磁流量传感器, 电磁流量转换器 。
2.14温度传感器
? 分类,
? 高温传感器 （ 热电偶, 铂电阻以及红外辐
射测温计 ） ；
? 常温传感器 （ 热敏电阻, 铜电阻等 ） ；
? 低温传感器 （ 铜电阻等 ） 。
2.14.1热敏电阻
? 说明,热敏电阻是一种电阻值随温度变
化的半导体元件 。
? 特点,体积小, 灵敏度高, 价格崐低,
所以应用最为广泛 。
? 分类,一类电阻值随温度升高而增加
（ 正的温度系数 ）, 一类随温度升高而
降低 （ 负的温度系数, 常用 ） 。
? 特性,热电特性, 伏安特性 。
2.14.1.1热敏电阻的热电特性
? 定义,电阻值随温度变化的关系, 以坐标图表示它是
一条指数曲线：
式中,RT—— 温度为 T时的电阻值；
T—— 绝对温度, K；
A,B—— 由材料及制造工艺决定的系数
热敏电阻 材料,铁, 镍, 锰, 钼, 钛, 镁, 铜等氧化物
做成 。 改变这些混合物的成分, 就可以改变热敏电阻
的测量范围, 阻值及 A,B值 。
T
B
T AeR ?
2.14.1.1热敏电阻的热电特性
图 2-14-1热敏电阻的热电特性图 图 2-14-2热敏电阻的伏安特性图
2.14.1.2热敏电阻伏安特性
? 说明,热敏电阻的伏安特性是指通过热敏电阻
的电流与其两端电压之间的关系 。
? 原理, 当热敏电阻的电流很小时, 热敏电阻
的伏安特性遵循欧姆定律；
? 但当电流大到一定程度时, 流过热敏电阻的电
流使其自身温度升高, 因而其阻值减小 。
? 因此在使用热敏电阻伏安特性时应防止 电流过
大 。
2.14.2热电偶温度传感器
? 说明,是较早的一种接触式温度传感器, 测量
可从室温至 1800℃ 。 所以至今仍是应用最广的
温度传感器 。
? 发展趋势,标准化 （ 我国已 8个品种 ）, 小型
化 （ 最小的铠装热电偶直径为 2～ 4mm） 。
? 测温原理,热电效应 。
? 将不同的导体或半导体 A,B组成闭合回路,
使两个接点处于不同的温度, 回路中就产生电
动势 。
2.14.2热电偶温度传感器
? 输出电动势,与两种材料的性质及两接
点的温度差有关, 与导体的大小, 接触
面积及连接方式无关 。
? 其输出电势为,EAB(t,t0)=fAB(t)-fAB(t0)
? 如果使热电偶的一个接点温度 t0保持不
变, 设 fAB(t0)=C,则上式可写成：
EAB(t,t0)=fAB(t)-C
2.14.2热电偶温度传感器
? 表明,产生的热电势 EAB(t,t0)只与温度 t
有关, 成为温度的单值函数 。
? 实际,使 t端与工作介质接触, 进行测温,
称为工作端, t0端称为热电偶自由端或
参考端或冷端 。
? 冰点槽装置,用于在工作中将自由端保
持 0℃ 恒温, 然后将工作端的温度与电势
关系列成表格, 供测量人员使用 。
2.14.2热电偶温度传感器
图 2-14-3热电偶效应图 2-14-4冰点槽装置
2.15转速及角位移传感器
? 编码器就是近年来出现的一种新型的高精度、数字化、
大尺寸测量元件，用作旋转轴和线性轴的反馈装置。
? 用途,用于数控机床、木工机械、机器人和装卸设备、
纺织机械、绘图仪和仿形装置，测量和测试设备。
? 特点,
? (1)能借助于微电子技术, 达到足够高的精度, 没有人
为的读数误差；
? (2)易于实现系统的快速, 自动和数字化；
? (3)测量系统量程大, 长度可以达数米甚至更长, 角度
可以在 360° 范围内进行测量；
? (4)体积小，重量轻，结构紧凑，测量系统安全方便，
使用和维护简单，工作可靠。
2.15转速及角位移传感器
? 2.15.1绝对式旋转编码器
? 可直接从分度盘的编码图案中得出角度位
置, 然后转换成编码信号 。
? 即使电源有瞬间掉电, 只要主轴转速在允
许范围内, 都能通过控制器或计算机编译
成编码信号 。
? 2.15.2增量式旋转编码器
? 以脉冲形式输出, 被测物体每走过一个当
量距离, 编码器就输出一个脉冲 。
2.16 图像传感器
? 在机电控制, 机器人的领域中起着重要的作用,
尤以 CCD图像传感器和红外线图像传感器应用
最为广泛 。
? CCD图像传感器,典型例, 日本 KEYENCE公
司生产的 VH系列图像显微检测仪 。
? 红外线图像传感器,典型例, AVIONICS公司
生产的 TVS-2000系列热图像系统 。
2.16.1 CCD图像传感器
? 命名, CCD(Charge couple Device)即电荷耦合
器件的简称, 是一种金属氧化物半导体 (MOS)
集成电路的简称 。
? 结构,由感光部和 CCD移位寄存器组成 。
? 原理,成像在 CCD上的景物 → 感光部电信号
→ 电子图像 → CCD移位寄存器 → 放大器 →
输出
? 分类,中按结构和信号电荷传送方式, 又可分
为线阵 (一维 )和面阵两种 。
2.16.1.1线阵 CCD图像传感器
? 中间是一列感光单元 （ 光电二极管阵 ）, 两侧分别设
置了 CCD移位寄存器 。
? 感光单元按位置的奇偶性, 分别把其所存储的电荷向
两侧移位寄存器传送, 最后在输出部汇合输出 。
? 在其感光部和两侧 CCD移位寄存器之间设有转移栅 。
? 移位寄存器停顿时, 转移栅开放, 光电二极管所积累
的电荷可以送到两侧的 CCD移位寄存器中 。
? 接着转移栅关闭, 感光部的光电二极管开始进行下一
次读出的电荷积累 。
? 线阵 CCD图像传感器广泛应用于传真等场合 。
2.16.1.1线阵 CCD图像传感器
图 2-16-2048位线阵 CCD图像传感器结构
2.16.1.2面阵 CCD图像传感器
? 分类,按构成分为两种：帧传送方式和行间传送方式 。
? 在 帧传送方式 垂直消影期中, 感光部所积累的信号电
荷快速转送到存储部, 然后由输出寄存器顺次读出 。
? 在 行间传送方式 中积累的电荷一次转送到邻接的垂直
移位寄存器, 以后从输出移位寄存器中读出信号 。
? 400× 500像素和 800× 500像素的 CCD图像传感器适用
于 工业监视 及 工业机器人 。
? 1024× 800的 CCD图像传感器也已用于 TV摄像机 。
2.16.1.2面阵 CCD图像传感器
图 2-16-2帧传送面阵 CCD图像传感器的结构 图 2-16-3行间传送面阵 CCD图像传感器的结构
2.16.2红外图像传感器
? 功能,把波长为 2～ 20μm的红外图像 → TV时间系列扫
描信号 。
? 构成,红外传感 （ 量子型和热型 ） 和电子扫描两部分 。
? 分类,量子型红外图像传感器, 热型红外图像传感器
两大类 。
? 量子型 红外图像传感器：采用固体电子扫描, 如单片
型 CCD,混合型 CCD或肖特基势垒型 CCD等 。
? 热型 红外图像传感器：采用热电光导摄像管式的电子
扫描 或 采用热电红外 CCD型的固体电子扫描 。
2.16.2.1热电光导摄像管
? 特征,靶电极用热电材料, 采用镍 — 铬
和黄金黑体等吸收红外线的材料, 其窗
口采用能透过红外线的玻璃 。
? 原理,基于 热电效应 。 景物 → 透镜 →
成像在热电光导摄像管上 → 红外热图像
→ 在靶面上感应出相应的电压分布 →
被电子束拾取 → 做为时间序列信号读出
2.16.2.2红外 CCD
? 特征,是采用固体电子扫描的原理 。
? 最新的肖特基势垒型 CCD图像传感器可制成灵
敏度均匀的大面积图像传感器 。
图 2-16-4热电光导摄像管图 2-16-5 红外 CCD图像传感器
思 考 题
1.简述反射传感器的传感原理,为什么带偏振片的反射传感器在被测
物体为反射体时不会产生误动作？
2.光纤传感器在机电一体化中应用极广, 它具有什么优点？, 光纤传
感具有几种调制方式？
3.简述图 2-8-2中四种相位调制型光纤传感器干涉系统的工作原理？
4.在大位移与高精度测量中常用什么传感器, 其工作原理分别是什么？
5.接近传感器共有几种类型？, 简述感应式接近传感器与电容式接近
传感器测量原理的共同点与不同点？
6.简述电子流量传感器的工作原理 。
7.常用的图像传感器有几种？, 传真中用的是什么图像传感器？, 机
器人用什么图像传感器, 简述其工作原理 。
8.热电光导摄像管是靠什么原理把红外图像变为视频信号的？
