图5-3 电流测量原理
2.位移的测量
霍尔元件也常用于微位移测量。用它来测量微位移有惯性小、频响高、工作可靠、使用寿命长等优点。工作原理如图5-4（a）所示。将磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置；将线性霍尔元件置于两块磁铁的中间，其磁感应强度为零，这个位置可以取为位移零点，故在Z=0时，B=0，输出电压等于零。当霍尔元件沿z轴有位移时，由于磁感应强度B发生改变，则有一电压输出。测量输出电压，就可得到位移的数值，其特性如图5-4（b）所示。这种位移传感器一般可用来测量1～2mm的位移。以测量这种微位移为基础，可对许多与微位移有关的非电量进行检测，如力、压力、加速度和机械振动等。
图5-4 位移测量原理
3.角位移及转速的测量
利用霍尔器件的开关特性可以对角速度进行测量，如图5-5所示，霍尔器件与被测物联动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电势反映了转角的变化。不过，这个变化是非线性的，若要求霍尔电势V与θ为线性关系，必须采用特定形状的磁极。
利用霍尔器件的开关特性也可对转速进行测量，如图5-6所示，在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性霍尔器件及磁路系统靠近齿盘，齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性的变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔离、放大、整形后就可以确定被测定物体的转速。
图5-5 角位移测量原理
1—极靴；2—霍尔元件；3—励磁线圈
图5-6 转速测量原理
1—磁铁；2—霍尔元件；3—齿盘
4.运动位置的测量
霍尔元件在检测运动部件工作状态位置中的应用主要是霍尔式接近开关。在如图5-7（a）中所示，磁极的轴线与霍尔器件的轴线在同一直线上，当磁铁随运动部件移动到距霍尔式接近开关几毫米时，霍尔式接近开关的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动。
在如图5-7（b）所示中，磁铁随运动部件运动，当磁铁和霍尔式接近开关的距离小于某一数值时，霍尔式接近开关输出由高电平跳变为低电平。与图5-7（a）不同的是，当磁铁继续运动时，与霍尔式接近开关的距离又重新拉大，霍尔式接近开关输出重新跳变为高电平，且不存在损坏霍尔式接近开关的可能。
图5-7 运动位置测量原理
1—运动部件；2—分流翼片
在如图5-7（c）所示中，磁铁和霍尔式接近开关保持一定的间隙，均固定不动，软铁制作的分流翼片与运动部件联动，当它移动到磁铁与霍尔式接近开关之间时，磁力线被屏蔽（分流），无法到达霍尔式接近开关，所以此时霍尔式接近开关输出跳变为高电平。改变分流翼片的宽度即可改变霍尔式接近开关的高电平与低电平的占空比。
霍尔传感器的用途还有很多，例如，可利用廉价的霍尔元件制作电子琴的琴键；可利用低温漂的霍尔集成电路制作霍尔式电压传感器、霍尔式电流传感器、霍尔式电度表、霍尔式高斯计、霍尔式液位计和霍尔式加速度计等。
【任务实施】
一、模块选择
本单元通过霍尔传感器探头（内附转换电路）、电机（光电传感器中）、电机调速装备（光电传感器转换电路中）、位移台架、直流稳压电源、数字电压表实现转速的检测。
①利用开关型霍尔传感器探头对旋转体磁极的明显变化产生脉冲信号，经电路处理即可测量转速。
②霍尔传感器转速测量接线图如图5-8所示。
图5-8 霍尔传感器转速测量接线图
二、数据检测
①固定好位移台架，将霍尔传感器探头装于传感器支架上，将电机放入位移台架的圆孔中，使探头对准电机转盘磁极。
②霍尔传感器探头的红线接面板上的+5V电源，蓝线接数字电压表输入端，黑线接地。
③将数字电压表切换开关拨到频率挡，调节电机调速旋钮，使电机转动，观察实验现象，将数值记录在表5-2中。
表5-2 转速测量记录表
三、注意事项
①电机放入位移台架的圆孔中，使探头对准电机转盘磁极，否则系统不能准确检测转速。
②恒流源输出电流设置不能过大，以免霍尔传感器造成损坏。
【展示评价】
【思考与练习】
一、填空题
1.霍尔传感器是利用_________效应来进行测量的。通过该效应可测量_________的变化、_________的变化和_________的变化。
2.霍尔传感器由_________材料制成，_________和_________不能用作霍尔传感器。
3.当一块半导体薄片置于_________中有电流流过时，电子将受到_________的作用而发生偏转，在半导体薄片的另外两端将产生霍尔电动势。
二、选择题
1.下列物理量中可以用霍尔传感器来测量的是（ ）。
A.位移量 B.湿度 C.烟雾浓度 D.温度
2.常用（ ）制作霍尔传感器的敏感材料。
A.金属 B.半导体 C.塑料 D.液体
3.霍尔传感器基于（ ）。
A.霍尔效应 B.热电效应 C.压电效应 D.电磁感应
4.霍尔电动势与（ ）。
A.激励电流成正比 B.激励电流成反比
C.磁感应强度成反比 D.磁感应强度成正比
三、简答题
1.利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？
2.霍尔传感器主要有哪几方面的应用？
【知识拓展】
现在轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧和较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化，例如，位置、位移、角度、角速度、转速等。并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。霍尔器件都可承受一定的振动，可在-40～150℃工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。
任务二 磁电式传感器测量转速
【任务分析】
磁电式传感器又称为电动势式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势。它是一种机—电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小。
磁电式传感器是以电磁感应原理为基础，由法拉第电磁感应定律可知，N匝数线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势E的大小取决于穿过线圈的磁通Φ的变化率。在实际应用中，一般通过磁铁与线圈之间做相对运动、磁路中磁阻的变化、恒定磁场中线圈面积的变化等方式来实现磁通量的变化，从而使磁电感应式传感器产生感应电动势。
【知识准备】
磁电式传感器利用电磁感应原理将输入运动速度变换成感应电势输出，是一种有源传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号。并且，它具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力（矩）发生器和电磁激振器等。有时磁电式传感器也称为电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为10～1000Hz。磁电式转速传感器可用于表面有缝隙的物体转速测量，有很好的抗干扰性能，多用于发动机等设备的转速监控，在工业生产中有较多应用。
一、磁电式转速传感器的工作原理
磁电式转速传感器是以磁电感应为基本原理来实现转速测量的。磁电式转速传感器由铁芯、磁钢、感应线圈等部件组成，测量对象转动时，转速传感器的线圈会产生磁力线，齿轮转动会切割磁力线，磁路由于磁阻变化，在感应线圈内产生电动势。
法拉第电磁感应定律：无论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率的负值成正比。
具有N圈的线圈感应电动势E为
当线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，则：
线圈两端的感应电动势E为
当θ=90时，式（5-2）可写成
由于速度和位移、加速度之间是积分、微分的关系，因此，只要适当加入积分、微分电路，便能通过测量感应电动势得到位移和加速度。
二、磁电式传感器的结构与应用
如前所述，可以用改变磁通方法或用线圈切割磁力线方法产生感应电动势。所以磁电式传感器可分为：变磁通式和恒磁通式两种类型。
1.变磁通式磁电传感器
在这类磁电式传感器中，产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，而是通过磁通的变化产生感应电动势。
①磁电式转速传感器的结构，如图5-9所示。
磁电式转速传感器主要由固定部分和可动部分两部分组成。
固定部分：包括磁铁、感应线圈、用软铁制成的极靴（又称极掌）。
可动部分：主要是传感齿轮，它由铁磁材料制成，安装在被测轴上，随轴转动。
②磁电式转速传感器的工作原理如下：
图5-9 永磁型磁电式转速传感器的基本结构
当被测轴以一定的角速度旋转时，带动传感齿轮一起转动。齿轮的齿顶和齿谷交1—传感齿轮；2—感应线圈；3—软铁板靴；4—永久磁铁替经过极靴。由于极靴与齿轮之间的气隙交替变化，引起磁场中磁路磁阻的改变，使得通过线圈的磁通也交替变化，从而导致线圈两端产生感应电动势。
传感齿轮每转过一个齿，感应电动势对应经历一个周期T。若齿轮齿数为z，转速为n。则有
式（5-4）表示传感齿轮每转过一个齿，对应所用时间。即传感齿轮每转过一个齿对应经历一个周期T，或
式（5-5）表明传感器输出电动势的频率与被测转速成正比。
只要将该电动势放大整形成矩形波信号，送到计数器或频率计中，即可由频率测出转速。
③根据形成磁场的方式分，磁电式转速传感器可分为永磁型、励磁型两种结构类型。
在图5-9中，传感器的磁场是由永久磁铁产生的，属于永磁型。
励磁型磁电式转速传感器的磁场是由电磁铁产生的，与永磁型相比多了一组励磁线圈，工作时需外加励磁电源。
④根据极靴的结构形式分，磁电式转速传感器又可分为单极型、双极型、齿型3种结构类型。
图5-9中，传感器的极靴只有一个极，结构很简单，属于单极型。
双极型的传感器有两个极靴，分别代表N极和S极，与传感齿轮上的两个对应齿形成气隙。齿型传感器的极靴被制成其齿数与传感齿轮齿数相等的齿座，齿座与齿轮以极小的工作间隙相对安装于同一轴线上。齿座的齿轮与传感齿轮分别代表磁场的两极。
采用双极型或齿型的极靴能大大提高传感器的电动势灵敏度。
⑤根据磁路形式分，磁电式转速传感器可分为开磁路式和闭磁路式。
⑥根据安装形式分，磁电式转速传感器又可分为分离式和整体式。
2.恒磁通式磁电传感器
在恒磁通式磁电传感器中，工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电动势是由于工作气隙中的线圈与磁钢之间做相对运动，线圈切割磁力线产生的。其值与相对运动速度成正比。
①磁电式振动传感器的结构，如图5-10所示。磁电式振动传感器由固定部分、可动部分及弹簧片组成。固定部分主要是磁钢和壳体，壳体由软磁材料制成，与磁钢固定在一起。可动部分包括线圈、芯轴及阻尼环。线圈和阻尼环分别固定在芯轴的两端，它们是传感器的惯性元件。芯轴上下都有拱形弹簧片支承，弹簧片与壳体相连。
②磁电式振动传感器的工作原理如下：
工作时传感器被紧固在振动体上，其外壳及磁钢随振动体一齐振动。这时，位于气隙间的线圈就与磁钢做相对运动而切割磁力线，线圈两端就产生了正比于振动速度的电动势，该电动势经输出处理后即可显示振动速度。
图5-10 磁电式振动传感器的基本结构
1—输出线；2—弹簧片；3—线圈；4—芯轴；5—磁钢；6—阻尼环；7—壳体
阻尼环用纯铜制成，通过芯轴安装在线圈的对面，选择合适的几何尺寸可以使得无量纲衰减系数ζ=0.7，用以改善传感器低频范围的幅频特性。
实际上，阻尼环就是一个在磁场中运动的短路环，工作时此短路环感生电流并随同阻尼环在磁场中运动，从而产生与可动部分运动方向相反的阻力。
磁电式振动传感器的优点是：工作时产生的感应电动势大，输出阻抗低。能提供较大的测量功率，不需要前置放大器。运动从而产生与可动部分运动方向相反的阻力。
磁电式振动传感器的缺点是：在高频振动时输出信号小，因此一般只用低于500Hz的振动测量和具有长时间间隔的冲击测量。
例如HN100磁电式振动传感器的主要技术指标如下：
灵敏度：20mV／mm／s
频率响应：5～1000Hz；
自振频率：4.5Hz或10Hz；
可测振幅：≤2mm（P-P）；
最大加速度：10g。
【任务实施】
一、模块选择
本单元通过涡流传感器探头（内附转换电路）、电机（光电传感器中）、电机调速装备（光电传感器转换电路中）、差动放大器、位移台架、直流稳压电源、频率／转速表实现转速的检测。
①旋转体在旋转时对磁电式传感器探头中线圈的磁通率造成明显变化，探头产生脉冲信号，经电路处理即可测量转速。
②磁电式传感器测量转速实验接线图如图5-11所示。
图5-11 磁电式传感器测量转速实验接线图
二、数据检测
①固定好位移台架，将涡流传感器探头装于传感器支架上，将电机放入位移台架的圆孔中，使探头对准电机转盘磁极。
②将涡流传感器探头的两根输出信号线接至差动放大器的输入端，差动放大器的输出接至频率／转速表的输入端。
③将数字表切换开关拨到频率挡，调节电机调速旋钮，使电机转动，观察实验现象。读频率计将数值记录在表5-3中。
表5-3 转速测量记录表
三、注意事项
①磁电式转速传感器测很低的转速时会降低精度，甚至不能测量。
②实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。
③接插线插入插孔，以保证接触良好，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。
④稳压电源不要对地短路。所有单元电路的地均须与电源地相连。
⑤一旦调整好，测量过程中不能移动磁路系统。
【展示评价】
续表
【思考与练习】
一、填空题
1.通过_________将被测量转换为电信号的传感器称为磁电式传感器。
2.磁电式传感器的作用主要分为_________和_________两种情况。
3.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出_________的原理进行工作的。
4.磁电式传感器是以_________。
二、选择题
1.磁电式传感器测量电路中引入积分电路是为了测量（ ）。
A.位移 B.速度 C.加速度 D.光强
2.磁电式传感器测量电路中引入微分电路是为了测量（ ）。
A.位移 B.速度 C.加速度 D.光强
3.霍尔电势与（ ）成反比。
A.激励电流 B.磁感应强度
C.霍尔器件宽度 D.霍尔器件厚度
4.霍尔元件不等位电势产生的主要原因不包括（ ）。
A.霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位上
B.半导体材料不均匀造成电阻率不均匀或几何尺寸不均匀
C.周围环境温度变化
D.激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配原理为基础的
三、简答题
1.简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。
2.简述磁电式传感器的测速原理。
【知识拓展】
磁电式转速传感器的工作方式决定了它有很强的抗干扰性，能够在烟雾、油气、水汽等环境中工作。磁电式转速传感器输出的信号强，测量范围广，齿轮、曲轴、轮辐等部件及表面有缝隙的转动体都可测量。磁电式转速传感器的工作维护成本较低，运行过程无须供电，完全是靠磁电感应来实现测量，同时磁电式转速传感器的运转也不需要机械动作，无须润滑。磁电式转速传感器的结构紧凑、体积小巧、安装使用方便，可以和各种二次仪表搭配使用。所以未来磁电式传感器还将会广泛的应用，尤其是应用于发动机测速和出租车计价器中。
任务三 光电传感器测量速度
【任务分析】
光电式转速传感器有反射型和透射型两种，在透射型的实验装置上，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光通过转盘上开孔透射后，由光电管接收并转换成电信号。由于转盘上有相间的6个孔，转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理可得到转速值。
【知识准备】
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成电信号的元器件。其理论基础是光电效应，即物体吸收到光子能量后产生的电效应。
光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。
一、外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量为
当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强越大，意味着入射光子的数目越多，逸出的电子数也就越多。
1.光电管
①结构与工作原理。
光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图5-12所示。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。
②主要性能。
光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。
A.光电管的伏安特性。
在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图5-13所示，它是应用光电传感器参数的主要依据。
图5-12 光电管的结构示意图
图5-13 伏安特性
B.光电管的光照特性。
通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。如图5-14所示为光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度。
C.光电管光谱特性。
由于光电阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系称为光电管的光谱特性。
图5-14 光照特性曲线
一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率越高，下降得越多。
2.光电倍增管
当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大。
①结构与工作原理。
由光电阴极、次阴极（倍增电极）以及阳极3部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105～106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万倍甚至几百万倍。因此，在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。
②主要参数。
A.倍增系数M。
倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。
B.光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度。
一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为光电倍增管的阴极灵敏度；而一个光子在阳极上产生的平均电子数称为光电倍增管的总灵敏度。
光电倍增管的最大灵敏度可达10A／lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。
C.暗电流和本底脉冲。
一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其他因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可用补偿电路消除。
如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光的情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。
D.光电倍增管的光谱特性。
光谱特性反映了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图5-15所示。
二、内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。
1.光电导效应
图5-15 光照特性
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。
2.光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。
【任务实施】
一、模块选择
本单元通过光电式传感器转换电路板、直流稳压电源、数字电压表、频率／转速表实现转速的检测。
①光断续器原理如图5-16所示，一个开口的光耦合器，当开口处被遮住时，光敏三极管接收不到发光二极管的光信号，输出电压为0V，否则有电压输出。
②如图5-17所示为测速装置示意图，其中微型电动机带动转盘在两个成90°的光断续器的开口中转动，转盘上一半为黑色，另一半透明。转动时，两个光断续器将输出不同相位的方波信号，这两个方波信号经过转换电路中的4个运放器，可输出相位差，分别为0°，90°，180°， 270°的方波信号，它们的频率都是相同的，其中任意一个方波信号均可输出至频率表显示频率。方波信号经整形电路后可转换为电压信号进行显示，光电传感器实验原理如图5-18所示。
图5-16 光断续器示意图
图5-17 测速装置示意图
③微型电动机的转速可调，其电路图如图5-19所示，调节电位器RP可输出0～12V的直流电压。
图5-18 光电传感器实验原理图
图5-19 电动机调速电路图
④光电传感器转速实验接线图如图5-20所示。
图5-20 光电传感器转速实验接线图
二、数据检测
①连接好电源±15V至模块，传感器的电源与输出已经在模块内部接好了；转换电路的输出Uo接到数字电压表上；0°输出端接至频率表。
②接通电源，调节电位器RP使输出电压从最小逐渐增加到最大，观察数字电压表上显示的电压以及频率表上显示的频率的变化情况。
③通过转速调节旋钮，设定初始转速400r／min。按照表5-4给定的转速值设置转速并将实际转速的显示值及显示的频率记录在表5-4中。
表5-4 转速测量记录表
三、注意事项
①转动源的正负输入端不能接反，否则可能击穿电机里面的晶体管。
②转动源的输入电压不可超过24V，否则容易烧毁电机。
③光电转速传感器中+5V电源不能接错，否则会烧毁光电传感器。
【展示评价】
【思考与练习】
一、填空题
1.在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称_________；入射光强改变物质导电率的现象称_________。
2.光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，根据光电效应可分为_________、_________和_________3种。
3.光线传感器由_________、_________和_________3部分组成。
4.光电流与暗电流之差称为_________。
5.光电管的工作点应选在_________与_________无关的饱和区域内。
二、选择题
1.下列4种光电元件中，基于外光电效应的元件是（ ）。
A.光敏二极管 B.硅光电池
C.光电管 D.光导管
2.利用光电效应的传感器属于（ ）传感器。
A.电阻型 B.物性型 C.结构型 D.电容型
3.光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照下，产生（ ）。使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。
A.光子效应 B.霍尔效应
C.热电效应 D.压电效应
4.在光电倍增管中，产生光电效应的是（ ）。
A.阴极 B.阳极 C.二次发射级 D.玻璃窗
三、简答题
1.什么是光电式传感器？光电式传感器的基本工作原理是什么？
2.什么是光电器件？典型的光电器件有哪些？
【知识拓展】
1839年，A.E.贝可勒尔发现当光线落在浸没于电介液中的两个金属电极上，它们之间就产生电势，后来称这种现象为光生伏打效应。1873年，W.史密斯和Ch.梅伊发现硒的光电导效应。1887年，H.R.赫兹发现外光电效应。基于外光电效应的光电管和光电倍增管属真空电子管或离子管器件，曾在20世纪五六十年代广泛应用，直到目前仍在某些场合继续使用。虽然早在1919年T.W.凯斯就已取得硫化铊光导探测器的专利权，但半导体光敏元件却是在20世纪60年代以后随着半导体技术的发展而开始迅速发展的。在此期间各种光电材料都得到了全面的研究和广泛的应用。它们的结构有单晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它们的成分有元素半导体的和化合物半导体的，也有多元混晶的，其中最重要的两种是硅和碲镉汞。硅的原料丰富，工艺成熟，是制造从近红外到紫外波段光电器件的优良材料。碲镉汞是碲化汞和碲化镉的混晶，是优良的红外光敏材料。
光电式传感器的应用领域已扩大到纺织、造纸、印刷、医疗、环境保护等领域。在红外探测、辐射测量、光纤通信、自动控制等传统应用领域的研究也有新的发展。例如，硅光电二极管自校准技术的提出为光辐射的绝对测量提供了一种很有前途的新方法。
任务四 光纤传感器测量速度
【任务分析】
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。本次任务所用的光纤传感器是基于光电式转速计的原理，采用传光型反射式光纤位移传感器的基本结构来实现的。
【知识准备】
近20多年来，光纤传感器的发展则大有取代传统传感器的趋势。光纤传感器是光通信和集成光学技术发展的结晶，与以往的传感器不同，它将被测信号的状态以光学的形式取出。光信号不仅能被人所直接感知，利用半导体二极管等小型简单元件还可进行光电、光学转换，极易与一些电子装备相匹配。此外，光纤不仅是一种敏感元件，还是一种优良的低损耗传输线，因此，光纤传感器还可用于传统的传感器所不适用的远距离测量。
自从20世纪70年代末光纤传感器诞生以来，便由于其具有的防火、防爆、精度高、损耗低、体积小、质量轻、寿命长、性价比高、复用性好、响应速度快、抗电磁干扰、频带范围宽、动态范围大、易与光纤传输系统组成遥测网络等优点而被广泛地应用于各行各业。随着对其研究的不断深入，光纤传感器势必会对科学研究、国民生产、日常生活等诸多领域产生深远影响。
一、光纤传感器基本构成及原理
1.光导纤维与光纤传感器的一般原理
光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质。如图5-21所示，它是由高折射率的纤芯和包层所组成。包层的折射率小于纤芯的折射率，直径大致为100～200μm。当光线通过端面透入纤芯，在到达与包层的交界面时，由于光线的完全内反射，光线反射回纤芯层。这样经过不断地反射，光线就能沿着纤芯向前传播。
图5-21 光纤的基本结构
由于外界因素（如温度、压力、电场、磁场、振动等）对光纤的作用，引起光波特性参量（如振幅、相位、偏振态等）发生变化。因此，人们只要测出这些参量随外界因素的变化关系，就可通过光特性参量的变化来检测外界因素的变化，这就是光纤传感器的基本工作原理。
2.反射式光纤位移传感器的基本工作原理
反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图5-22所示，光纤采用
形结构，两束多模光纤，一端合并组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。如图5-23所示就是反射式光纤位移传感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可通过对光强的检测得到位移量。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。
图5-22 反射式光纤位移传感器原理图
图5-23 反射式光纤位移传感器的输出特性
二、光纤传感器特点
与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点：
1.灵敏度高
由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例，由于所使用的光纤直径很小，受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化，从而引起较大的相位变化。假设用10m的光纤，1℃的变化引起1000ard的相位变化，若能够检测出的最小相位变化为0.01ard，那么，所能测出的最小温度变化为10℃，可见其灵敏度之高。
2.抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全
由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。
3.测量速度快
光的传播速度最快且能传送二维信息，因此，可用于高速测量。对雷达等信号的分析要求具有极高的检测速率，应用电子学的方法难以实现，利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。
4.信息容量大
被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容纳的频带很宽，同一根光纤可以传输多路信号。
5.适用于恶劣环境
光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰，可用于其他传感器所不适应的恶劣环境中。
此外，光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。
三、光纤传感器的应用
正是由于光纤传感器拥有如此之多的优点，使得其应用领域非常广泛，涉及石油化工、电力、医学、土木工程等诸多领域。
1.温度的检测
光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂敷在两根熔接在一起的光纤表面，使光能由一根光纤输入该反射面从另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此，输出的光功率与温度呈函数关系。其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如温度、压力、辐射等具有敏感特性。它属于非接触式测温。
系统的工作原理为：在低温区（400℃以下），辐射信号较弱，系统开启发光二极管（LED）使荧光测温系统工作。发光二极管发射调制的激励光，经聚光镜耦合到
型光纤的分支端，由
型光纤并通过光纤耦合器耦合到光纤温度传感头。光纤传感头端部受激励光激发而发射荧光，荧光信号由光纤导出，并通过光纤耦合器从
型光纤的另一分支端射出，由光电探测器接收。光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理，计算荧光寿命并由此得到所测温度值。而在高温区（400℃以上），辐射信号足够强，辐射测温系统工作，发光二极管关闭。辐射信号通过蓝宝石光纤并通过
型光纤输出，由探测器转换成电信号，系统通过检测辐射信号强度计算得到所测温度。光纤传感头端部由
离子掺杂，实现光激励时的荧光发射。掺杂部分光纤长度为8～10mm。端部光纤的外表面同时镀敷黑体腔，用于辐射测温。（这时，光纤黑体腔长度与直径之比大于10，可以满足黑体腔表观辐射率恒定的要求。）值得注意的是，避免或减少荧光发射部分与热辐射部分的相互干扰，对保证整个系统的性能十分重要。
2.压力的检测
光纤压力传感器主要有强度调制型、相位调制型及偏振调制型3种。
强度调制型光纤传感器是一种可用于测量位移、温度、压力、气体浓度等多种物理量的高精度传感器。大多基于弹性元件受压发生机械形变，将压力信号转换为位移信号来进行检测。
3.液位、流量、流速的检测
在化工、机械、水利、石油、医疗、污染检测等领域经常会遇到需要在恶劣环境下对液位、流量、流速等物理量进行测量的问题。光纤传感器在这些检测中可发挥独特的作用。
将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。光由一端导入，在球状对折端部一部分光透射出去，另一部分光反射回来，由光纤的另一端导向探测器。这就构成球面光纤液位检测器。光纤流速计可进行非接触测量，因此，不会影响待测物体的流动状态。被测流体可以是液体，也可以是气体。
【任务实施】
一、模块选择
本单元通过光纤传感器、光纤传感器转换电路板、电机（光电传感器中）、电机调速装备（光电传感器转换电路中）、位移台架、直流稳压电源、数字转速／频率表、数字电压表实现转速的检测。
①利用光纤位移传感器探头对旋转体反射光的明显变化产生脉冲信号，经电路处理即可测量转速。
②光纤传感器测转速实验接线图如图5-24所示。
二、数据检测
①固定好位移台架，将光纤传感器装于传感器支架上，将电机放入位移台架的圆孔中，使光纤探头对准电机转盘反射点。
②接通电源，将电机调速电位器旋至0，使电机不转动，用手转动电机转盘，使探头避开反射面，调节光纤转换电路板上的RP电位器使数字电压表指示值最小；再转动转盘，使光纤探头对准反射点，调节探头与反射点的距离，使数字电压表指示值最大，重复上述步骤，直至两者的电压差值最大。
图5-24 光纤传感器测转速实验接线图
③连接输出线到频率／转速表，调节电机调速旋钮，使电机转动，观察实验现象。每5Hz测一次电涡流传感器输出信号的频率，读频率计将数值记录在表5-5中。
表5-5 转速测量记录表
④依据光电变换器的输出频率f计算转盘转速，其转速公式为
三、注意事项
①请保持反射面的清洁和与光纤探头端面的垂直度。
②注意背景光对实验的影响，实验过程中应尽量避免一切光源干扰（人员走动、灯光闪烁等）避免强光直接照射反光表面，造成测量误差。
③光纤探头在支架上固定时，应保持其端口与反光面平行，切不可相擦，以免使光纤探头端面受损。
【展示评价】
续表
【思考与练习】
一、填空题
1.按照工作原理不同，人造光源可分为_________、_________、_________和_________等。
2.光纤在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射面而向前传播的条件是：入射角_________临界角。
3.反射式光纤位移传感器是一种_________型光纤传感器。
4._________是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质。
二、选择题
1.对光纤传感器的特点叙述错误的是（ ）。
A.与其他传感器相比，它具有很高的灵敏度
B.可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器
C.频带宽、动态范围小
D.可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境
2.反射式光纤位移传感器属于振幅型光纤传感器的一种，其测量位移与输出有如下关系（ ）。
A.位移与输出信号成线性关系
B.在一定范围内位移与输出信号成线性关系
C.位移与输出信号成反比关系
D.在一定范围内位移与输出信号成反比关系
3.下面（ ）不是反射式光纤位移传感器的特点。
A.结构简单 B.设计灵活 C.性能稳定 D.精度高
4.数值孔径NA是光纤的一个重要参数，以下说法不正确的是（ ）。
A.数值孔径反映了光纤的集光能力
B.光纤的数值孔径与其几何尺寸有关
C.数值孔径越大，光纤与光源的耦合越容易
D.数值孔径越大，光信号的畸变也越大
三、简答题
1.光纤传感器的工作原理及其优越性是什么？
2.有哪些因素会影响测量准确性？
3.利用本实验所用光纤传感器能否设计出转速测量仪？
【知识拓展】
传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员备受青睐。光纤传感器还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务，在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的魅力。因此，光纤传感技术应用的研究具有很好的前景。
【项目小结】
通过本项目的学习，应掌握如下知识重点：霍尔传感器、磁电传感器、光电传感器和光纤传感器的基本原理、基础参数。
通过本项目的学习，应掌握如下实践技能：针对所测速度范围选择合适的测量方法；会调试速度测量电路。
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