数控机床速度检测：传感器选型及应用

项目简介

在数控机床中，速度传感器一般用于数控系统伺服单元的速度检测。速度传感器是一种将速度转变成电信号的传感器，既可以检测直线速度也可以检测角速度，常用的有测速发电机和脉冲编码器等。

转速测量的方法一般可分为两类：一类是直接法，即直接观测机械或电动机的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；另一类是间接法，即测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速。同时根据测量转速的传感器是否与转轴接触又可分为接触式和非接触式。目前国内外常用的测量转速的传感器有光电传感器、霍尔传感器、电涡流传感器、磁电传感器、磁敏传感器等，如图4-1所示为一些常用转速传感器示例。

图4-1　转速传感器

（a）磁电式；（b）霍尔式；（c）光电式

相关知识

一、霍尔传感器

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁量、压力、加速度、振动等方面的测量。

1.霍尔效应及霍尔元件

置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电动势。霍尔效应原理如图4-2所示。

霍尔元件多采用N 型半导体，导电的载流子是自由电子，在垂直于半导体的磁场作用下，自由电子受到洛伦兹力FL 的作用，向d 侧偏转，使d 侧形成自由电子的堆积，这样，在c、d 两侧形成一个电场E，该电场对自由电子的作用力与洛伦兹力方向相反，阻止自由电子向d 侧偏转，随着自由电子堆积得越多，电场越强，则电场力FE 越大，而洛伦兹力保持不变，当电场力和洛伦兹力相等时，达到动态平衡，此时在c、d 两侧形成的电动势就是霍尔电动势。

图4-2　霍尔效应原理图

（a）霍尔效应原理图；（b）图形符号

据实验可知，霍尔电动势和通过半导体薄片的电流以及施加在薄片上的磁场有关，故霍尔电动势为：

式中，RH 为霍尔系数；KH＝RH／d 为霍尔元件的灵敏度，表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电动势的大小。从式（4-1）可知，EH 正比于I 和B，当控制电流I 保持恒定时，磁场B 越强，霍尔电动势EH 越大。当磁场改变方向时，霍尔电动势EH 也随之改变方向。

霍尔电动势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔常数RH 成正比而与霍尔片厚度d 成反比，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。霍尔元件结构很简单，由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔元件外形结构示意如图4-3所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′两根引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。

2.霍尔元件的主要技术参数

1）额定功耗Po 和控制电流Ic。在环境温度为25 ℃时，允许通过霍尔元件的电流I 和电压U 的乘积，分为最小、典型和最大三挡，单位为mW。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可知道额定控制电流Ic。由于霍尔电动势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的控制电流。但控制电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，一般为几毫安到几十毫安。

图4-3　霍尔元件外形结构示意图

2）输入电阻Ri 和输出电阻Ro。霍尔元件两激励电极间的电阻值称为输入电阻。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流Iab变大，最终引起霍尔电动势变大，为了减小这种影响最好采用恒流源作为激励源。

两个霍尔电动势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数值与输入电阻为同一数量级。它也随温度的改变而改变，选择适当的负载电阻RL 与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电动势的漂移减至最小。

3）不平衡电动势Uo。即霍尔元件在额定控制电流作用下，不施加外磁场时，霍尔元件的输出电压。不等位电动势是由于霍尔元件的电极不对称，材料的电阻率不均衡等因素造成的。不等位电动势通常很小，不大于1 mV，可以采用电桥法来补偿不等位电动势。

4）霍尔电动势温度系数α。在一定的磁感应强度和控制电流下，温度每变化1℃时，霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数，它与霍尔元件的材料有关，一般约为0.1% ／℃。在要求较高的场合，应选择低温漂的霍尔元件。

常用国产霍尔元件的技术参数如表4-1所示。

表4-1　常用国产霍尔元件的技术参数

3.霍尔集成传感器

随着电子技术的发展，现在常用的都是霍尔集成电路，就是将霍尔元件和集成电路结合在一起做成的电路，使用非常方便。常用的霍尔集成传感器分为线性型和开关型两大类。

（1）开关型霍尔集成传感器

开关型霍尔集成传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成。

典型的开关型霍尔集成传感器有UGN-3020、UGN-3050 等，这种集成传感器一般对外为3 只引脚，分别为电源、地及输出端。图4-4（a）为开关型霍尔集成传感器UGN-3020 的内部结构，其输出特性如图4-4（c）所示。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值Bop时，霍尔电路输出管导通，OC 门输出低电平。之后，B 再增加，仍保持导通。若外加磁场的B 值降低到Brp 时，输出管截止，OC 门输出高电平。通常称Bop 为工作点，Brp为释放点，Bop-Brp＝BH 称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。开关型霍尔集成传感器常用于接近开关、速度检测及位置检测。

图4-4　开关型霍尔集成传感器

（a）外形图；（b）内部结构框图；（c）输出磁电特性曲线

（2）线性型霍尔集成传感器

线性型霍尔集成传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器，其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大器、差动输出电路及稳压源四部分组成，它的电路比较简单，用于精度要求不高的一些场合，内部结构如图4-5（a）所示。

线性型霍尔集成传感器根据输出端的不同分为单端输出和双端输出两种，用得较多的为单端输出型，单端输出的霍尔传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。单端输出型线性集成传感器典型产品有UGN3501、SL3501T，图4-5（c）为双端输出型的传输特性，反映了输出电压和磁感应强度的关系。

图4-5　线性型霍尔集成传感器

（a）外观图；（b）内部结构框图（单端输出型）；（c）输出特性曲线（双端输出型）

霍尔集成传感器常用于转速测量、机械设备限位开关、电流检测与控制、保安系统、位置及角度检测等场合。

4.霍尔传感器的应用

（1）霍尔式微位移传感器

如图4-6所示为霍尔式微位移传感器，磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置，霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B＝0，因此霍尔元件输出的霍尔电动势EH 也等于零，此时位移Δx＝0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移，霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时EH 不为零，其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量，这种结构的传感器，其动态范围可达5 mm，分辨率为0.001 mm。这种传感器灵敏度很高，它所能检测的位移量较小，适合于微位移量及振动的测量。

图4-6　霍尔式微位移传感器

（a）实物图；（b）结构图

（2）霍尔式转速传感器

如图4-7所示为霍尔式转速传感器，磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。

图4-7　霍尔式转速传感器

（a）实物图；（b）结构图
1—输入轴；2—磁性转盘；3—小磁铁；4—霍尔传感器

（3）霍尔计数传感器

如图4-8所示，开关型霍尔集成传感器UGN-3020 是具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化，因而可对金属零件进行计数检测。当钢球通过开关型霍尔集成传感器时，传感器可输出峰值20 mV 的脉冲电压，该电压经运算放大器放大后，驱动半导体三极管工作，输出端便可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。

（4）霍尔高斯计

如图4-9所示为霍尔高斯计实物图，霍尔高斯计用于检测磁场，也是霍尔式传感器最典型的应用之一，将高斯计探头放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压，霍尔高斯计的数字显示值即为被测材料表面磁场的大小。

图4-8　霍尔计数传感器

1—钢球；2—绝缘板；3—开关型霍尔集成传感器；4—磁铁

图4-9　霍尔高斯计

1—霍尔元件；2—磁铁

二、电涡流传感器

电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器的工作原理是基于电涡流效应，准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面的相对位置。其特点是长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测，可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及预维修。

1.电涡流传感器的工作原理

（1）电涡流效应

当金属导体置于变化的磁场中，导体表面就会有感应电流产生，从而在金属体内形成自行闭合的电涡流线，这种现象称为电涡流效应。

电涡流效应有利有弊，对于三相异步电动机来说，电涡流效应会导致铁芯发热，故采用导磁性能好的硅钢片叠压而成，以减小涡流。但是生产生活中也有利用电涡流效应工作的例子，比如工业上各类中高频感应加热装置就是利用电涡流效应对金属材料进行加热，生活中电磁炉也是利用该效应对食物进行加热的。

（2）电涡流传感器的工作原理

当高频信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体的电感线圈L1 时，将产生高频交变磁场H1。如图4-10所示，被测导体置于交变磁场H1 中，被测导体就产生电涡流i2。i2 在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，只集中在金属表面，因此被称为集肤效应。信号源的频率越高，集肤效应在金属表面越浅。

根据楞次定律，由电涡流产生的磁场H2 的反作用必然削弱线圈的磁场H1。由于磁场H2 的作用，电涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。

电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的几何形状、电导率σ、磁导率μ、表面因素r、激励电流的频率f、线圈到被测金属导体的距离x 及用于励磁的正弦交流电流i1 等参数有关。电涡流线圈等效阻抗Z 的函数表达式为：

由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f，可控制检测深度。激励源频率一般设定在100 kHz～1 MHz。频率越低，检测深度越深。利用集肤效应，可以将电涡流传感器制成金属探测器、扫雷器。

如果公式中的i1、f、μ、σ、r 不变，电涡流线圈的阻抗Z 就成为间距x 的单值函数，这样就成为非接触测量位移的传感器。如果控制x、i1、f 不变，就可以用来检测与表面电导率σ 有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率μ 有关的材料型号、表面硬度等参数。所以，电涡流传感器可以检测很多物理量，唯一要注意的就是电涡流传感器的检测对象必须是金属物体。

2.电涡流传感器的结构

电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头。线圈结构如图4-11所示，用多股较细的绞扭漆包线（能提高Q 值）绕制而成，置于探头的端部，外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封。

图4-10　电涡流传感器原理图

图4-11　电涡流传感器探头结构

1—电涡流线圈；2—探头壳体；3—壳体上的位置调节螺纹；4—印制电路板；5—夹持螺母；6—电源指示灯；7—阈值指示灯；8—输出屏蔽电缆线；9—电缆插头

一般厂家生产的电涡流传感器的常见技术参数主要是线性量程、线性范围、灵敏度等，表4-2为上海航振仪器仪表有限公司生产的HZ891XL 系列电涡流位移传感器的部分技术参数。

表4-2　HZ891XL 系列电涡流位移传感器的部分技术参数

从表中可以看出电涡流探头的直径越大，检测的线性范围就越大，但是灵敏度越低。

3.电涡流传感器的测量转换电路

（1）调幅（AM）式电路

石英晶体振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高频放大器、检波器、低频放大器电路，最终输出的直流电压Uo 反映了金属体对电涡流线圈的影响，如图4-12所示。调幅式电路的缺点是电压放大器的放大倍数的漂移会影响测量精度，因此必须采取各种温度补偿措施。

图4-12　调幅式电路结构

（2）调频（FM）式电路

如图4-13所示，当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流线圈的电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将Δf 转换为电压ΔU0，所以调频式电路是以振荡器的频率f 作为输出量。

图4-13　调频式电路结构

4.电涡流传感器的应用

（1）位移测量

电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件，接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可计算出与被检物体的距离。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。

如图4-14所示，电涡流传感器用于位移测量，位移测量包含偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等，来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。

图4-14　电涡流传感器用于位移测量

（a）测轴向振动；（b）测轴位移；（c）测膨胀系数
1—电涡流传感器；2—被测轴

（2）转速测量

如图4-15为电涡流传感器用于转速测量结构示意图。在金属被测旋转体上开一条或数条槽，在靠近旋转体的地方安装一个电涡流传感器，当转轴转动时，传感器周期性地改变着与旋转体表面之间的距离，其输出也周期性地变化，此信号经放大、变换后，可用频率计测出其变化频率，从而测得转轴的转速。若转轴上开z 个槽（或齿），频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r／min）的计算公式为：

图4-15　电涡流传感器用于转速测量

（a）旋转体上开2 个槽；（b）旋转体上开6 个槽
1—电涡流传感器；2—被测旋转体

（3）电涡流式接近开关

电涡流式接近开关俗称电感接近开关，属于一种开关量输出的位置传感器。它由LC 高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生交变电磁场的振荡感辨头时，使物体内部产生电涡流。这个电涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。电涡流式接近开关应用在各种机械设备上实现位置检测、计数信号拾取等作用。

三、磁敏传感器

1.磁敏传感器的工作原理（磁阻效应）

当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁场而变化的这种现象称为磁阻效应。在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱可影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻（磁敏传感器中的敏感元件）的形状有关。

如图4-16（a）所示为L≫W 的纵长方形片，由于自由电子的运动偏向一侧，必然产生霍尔效应，当霍尔电场施加的电场力与磁场对自由电子施加的洛伦兹力平衡时，自由电子的运动轨迹就不再偏移，所以长方形片中段的自由电子运动方向与L 平行，只有两端才有所偏移，这样，自由电子的运动路径增长并不多，电阻加大也不多。

图4-16（b）所示为L≪W 的横长方形片，自由电子在偏转过程中，由于自由电子的运动路径增长较多，霍尔电动势降低，所以效果比图4-16（a）明显。实验表明当B＝1T时，电阻可增大10 倍（因为来不及形成较大的霍尔电场）。

图4-16（c）是现在常用的磁敏电阻结构，即按图4-16（b）的原理把多个横长方形片串联而成，片和片之间的金属导体将霍尔电动势短路掉，使之不能形成电场，于是电子的运动总是偏转的，电阻增加得比较多。

图4-16　自由电子运动轨迹的偏移

（a）L≫W；（b）L≪W；（c）常用的磁敏电阻结构

实际上，圆盘形的磁阻最大，故磁敏电阻大多做成圆盘结构，如图4-17所示。(www.xing528.com)

2.磁敏传感器的基本特性

（1）灵敏度

磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场—电阻变化率特性曲线的斜率，如图4-18所示。在运算时常用求RB／R0 得，R0 表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，RB 为施加磁感应强度时磁阻元件的电阻值。

图4-17　圆盘形磁敏电阻

（a）无磁场作用时；（b）有磁场作用时

（2）磁阻特性

某型号磁敏电阻的电阻值R 随磁感应强度B 变化的曲线如图4-19所示。磁敏元件的电阻值与磁场的极性无关，只随磁场强度的增加而增加。

图4-18　灵敏度特性

图4-19　磁阻特性

（3）温度特性

温度每变化1 ℃时，磁敏电阻的相对变化（% ／℃）称为温度特性。如图4-20所示，半导体磁阻元件的温度特性不好。为了补偿磁敏电阻的温度特性，可以采用两个磁敏电阻串联，用分压输出，可大大改善元件的温度特性。

图4-20　磁敏电阻的温度特性

3.磁敏传感器的应用

目前，磁阻效应广泛用于磁传感器、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS 导航、仪器仪表、磁存储（磁卡、硬盘）等领域。

磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。如图4-21所示为磁敏电阻的应用。

图4-21　磁敏电阻的应用

（a）磁敏电阻角度传感器；（b）磁敏电阻倾斜角传感器

四、磁电传感器

磁电感应式传感器有时又简称为磁电传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1 000 Hz），所以得到普遍应用。

图4-22　电磁感应原理

1.磁电传感器的工作原理

如图4-22所示，根据电磁感应定律，一个N 匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为Φ，则线圈内的感应电动势e 与磁通变化率dΦ／dt 有如下关系：

根据以上原理，人们设计出两种磁电传感器结构：恒磁通式和变磁通式。变磁通式又称为阻磁式。

2.恒磁通式磁电传感器

若线圈相对磁场运动的速度为v 或角速度为ω，则所产生的感应电动势e 为：

式中 l——线圈导线总长度（m）；

B——线圈所在磁场磁感应强度（T）；

v——线圈和磁铁间相对直线运动的线速度（m／s）；

S——线圈所包围的面积（m2）；

ω——线圈和磁铁间相对旋转运动的角速度（rad／s）。

当结构参数确定后，B、l、N、S 均为定值，感应电动势e 与线圈相对磁场的运动速度（v 或ω）成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度，磁电感应式传感器只适用于动态测量。

3.变磁通式磁电传感器

变磁通式磁电传感器一般做成转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。变磁通式磁电传感器按结构分为开磁路和闭磁路两种。

开磁路变磁通式磁电传感器工作原理示意如图4-23所示。测量齿轮4 安装在被测转轴上与其一起旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，从而使磁通发生变化，因而在线圈中感应出交变的电动势，其频率等于齿轮的齿数z 和转速n 的乘积，即：

若齿轮的齿数z 为60，则f＝z，可见只要测量频率f，即可得到被测转速。开磁路式变磁通式磁电传感器结构比较简单，但输出信号小。另外，当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大，因此在振动强的场合往往采用闭磁路式变磁通式磁电传感器。

闭磁路变磁通式磁电传感器工作原理示意如图4-24所示。被测转轴带动椭圆形测量轮3 在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，磁路磁阻和磁通也同样周期性地变化，并在线圈2 中产生感应电动势，其频率f 与测量轮3 的转速n（r／min）成正比，即f＝n／30。在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮3，软铁（极掌）制成内齿轮形式，这时输出信号频率f 同开磁路变磁通式磁电传感器。

图4-23　开磁路变磁通式磁电传感器工作原理

1—永久磁铁；2—软磁铁；3—感应线圈；4—旋转齿轮

图4-24　闭磁路变磁通式磁电传感器工作原理

1—永久磁铁；2—感应线圈；3—测量轮

变磁通式磁电传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90 ℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50 Hz，上限可达100 kHz。

4.磁电传感器的应用

（1）振动测量

磁电传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。如航空发动机、各种大型电动机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备等，其振动监测与研究都可使用磁电传感器。

（2）转速测量

变磁通式磁电传感器一般做成转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。如图4-23所示，当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，从而使磁通发生变化，在线圈中感应出交变的电动势，其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积，只要有测量频率，即可得到被测转速。由于这种磁电传感器对转轴有一定的阻力矩，并且低速时其输出信号较小，故不适应于低转速。

（3）扭矩测量

磁电传感器测量扭矩的示意图如图4-25所示，当转轴不受扭矩时，两个磁电传感器输出的感应电压相同，相位差为零。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此两个磁电传感器输出的感应电压将有附加相位差，这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样磁电传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号，通过测量相位差就可以得到扭矩。

图4-25　磁电传感器测量扭矩

1—磁电传感器；2—转轴齿轮

五、光电传感器

光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件，其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。根据光电效应现象的不同将光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应及光生伏特效应。在光线作用下使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。半导体材料受到光照时，使其导电性能增强，光线越强阻值越低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为内光电效应。在光线作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特效应。

1.光电元件

（1）基于外光电效应的光电元件

1）光电管。光电管是一个抽成真空或充惰性气体的玻璃管，内部有阴极k、阳极a，阴极涂有光敏材料，如图4-26（a）所示。光电管的符号及测量电路如图4-26（b）所示，当光线照射在涂在光阴极的光敏材料上时，如果光子的能量E 大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生，电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻RL 上产生正比于电流大小的电压降Uo。

2）光电倍增管。光电管输出较小，实际应用中常采用光电倍增管，光电倍增管的电流是逐级增加的。由于光电倍增管具有放大作用，因此常用于弱光探测。如图4-27所示在阳极和阴极之间有若干个光电倍增极（又称二次发射极），涂有光敏物质。

图4-26　光电管

（a）结构；（b）符号及测量电路
1—阳极a；2—阴极k；3—玻璃外壳；4—底座；5—电极引脚；6—定位销

工作时当光线照射到光电阴极后，它产生的光电子受第1 倍增极正电位作用，加速并打在这个倍增极上，产生二次发射；由第1 倍增极产生的二次发射电子，在更高电位的倍增极作用下，又将加速入射到第2 倍增极上，在第2 倍增极上又将产生二次发射……，这样逐级前进，一直到达阳极为止。

（2）基于内光电效应的光电元件

1）光敏电阻。光敏电阻外形如图4-28（a）所示，在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，并且在其两端引出梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜，并封装在玻璃管壳中就构成了光敏电阻。光敏电阻的图形符号如图4-28（b）所示。

图4-27　光电倍增管的结构和工作原理

图4-28　光敏电阻

（a）外形；（b）图形符号

当无光照时，光敏电阻值很大，此时的电阻称为暗电阻，实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，所以电路中电流很小，这时的电流称为暗电流；当光敏电阻受到光照时，阻值减小，此时的光敏电阻的阻值称为亮电阻，一般在几千欧以下，导致电路中的电流增大，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。

2）光敏二极管。如图4-29（a）所示为光敏二极管，与一般的二极管不同之处在于光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，以便接受光线照射，其结构和图形符号如图4-29所示。

图4-29　光敏二极管

（a）外形；（b）结构示意图；（c）图形符号

如图4-30所示为光敏二极管的基本应用电路，PN 结在电路中处于反向截止状态。在无光照情况下，由于光敏二极管反向截止，所以此时电路中的电流较小。当光照射到光敏二极管的PN 结时，使半导体中的电子—空穴对数量增加，在外电场的作用下，漂移越过PN 结，形成光电流。随着光照度的增加，产生的电子—空穴对数量也增加，光电流随之增大。

目前市场上常见的是采用特殊结构构成的光电二极管，即PIN 光电二极管和APD 光电二极管。与普通光电二极管相比，这两种光电二极管具有光电转换速度快、响应频率高等特点。

3）光敏三极管。光敏三极管有两个PN 结，与普通三极管相似，如图4-31（a）所示。当光线照射在集电结上，导致集电结附近产生较大的光电流，与普通三极管相似，集电极电流Ic 是原始电流的β 倍，所以光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。光敏三极管常见的应用电路如图4-32所示。

图4-30　光敏二极管的基本应用电路

图4-31　光敏三极管

（a）外形；（b）结构；（c）图形符号

（3）基于光生伏特效应的光电元件

光电池是其工作原理基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，一类广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等领域。

如图4-33（b）所示为光电池内部结构，光电池实质是一个大面积的PN 结，当光照射到PN结的一个面，例如P 型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P 型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子—空穴对从表面向内迅速扩散，如果光照是连续的，经短暂的时间，PN 结两侧就有一个稳定的光生电动势输出，最后建立一个与光照强度有关的电动势，其图形符号如图4-33（c）所示。

图4-32　光敏三极管应用电路

图4-33　光电池

（a）外形；（b）结构；（c）图形符号

2.光电传感器的分类

光电传感器最常见的是光电开关，由发光元件和光电接收元件组成，发光元件通常是发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏复合管等。光电开关是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路接通电路，从而检测物体的有无。根据检测方式的不同，光电传感器分为直射型（透射型）与反射型两大类型。

（1）直射型光电传感器

图4-34是一种直射型的光电传感器，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样起到检测作用。直射型光电传感器的优点是检测距离长，性能稳定。

（2）反射型光电传感器

反射型光电传感器采用发射器和接收器按一定方向装在同一个检测头内，可分为反射板反射型和被测物体漫反射型两类。如图4-35为漫反射型光电传感器，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。

3.光电传感器的应用

图4-34　直射型光电传感器

（a）外形；（b）结构
1—发光元件；2—窗；3—接收元件；4—壳体；5—导线

图4-35　漫反射型光电传感器

（a）外形；（b）结构
1—接收元件；2—反射物；3—发光元件；4—壳体；5—导线

光电传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测量、气体成分分析等；也可以用于检测能转化成光量变化的其他非电量，如直径、表面粗糙度、应变位移、振动、速度、加速度以及物体形状、工作状态的识别等。因此光电传感器在自动检测、计算机和控制领域得到广泛的应用，但光电传感器存在光学器件和电子器件价格昂贵，并且对测量的环境条件要求较高等缺点。近年来新型的光电传感器不断涌现，如CCD 图像传感器等，使光电传感器得到了进一步的发展。

（1）转速测量

如图4-36（a）所示为反射型光电式数字转速表工作原理图，电动机轴上涂有黑白相间的条纹，条纹数为D，它们具有较大的反射率差，当轴转动时，反光与不反光交替出现，光电元件间接地接收反射光信号，输出电脉冲。经放大整形电路转换成脉冲信号，由数字频率计测得计数频率为f，则电动机转速为：

如图4-36（b）所示为直射型光电式数字转速表工作原理图，在待测转速轴上固定一开槽数为z 的调制盘，在调制盘一边由激光器产生一恒定光源，透过盘上的开槽处到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，由数字频率计测得计数频率为f，则电动机转速为：

图4-36　光电式数字转速表工作原理图

（a）反射式；（b）直射式
1—光源；2—光电元件；3—放大整形电路；4，5—调制盘

（2）物位检测

光电物位检测多用于测量物体的有无、个数、物体移动距离和相位等。该传感器工作原理按结构可分为直射式和反射式两类。适用于生产流水线上统计产量、检测产品的包装、精确定位等方面，广泛应用于自动包装机、装配流水线等自动化机械装置中。

（3）视觉传感器

CCD 图像传感器是一种新型光电器件，是一种极小型的固态集成器件，同时具有光生电荷及积累和转移电荷等多种功能，取消了光学扫描系统或电子束扫描，所以在很大程度上降低了再生图像的失真。这些特点决定了它可广泛用于自动控制，尤其适合于图像识别技术，常用于尺寸、工件伤痕及表面污垢、形状等的测量。如图4-37所示为CCD 图像传感器在自动化生产线上用于形状检测的工作原理图。

图4-37　CCD 图像传感器生产线形状检测工作原理图