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傳感器 信號轉換：一種傳感器數據信號轉換器[實用新型專利]

專利內容由知識產權出版社提供
摘要：
本實用新型公開了一種傳感器數據信號轉換器，包括外殼和電路板，電路板位于外殼的中
部，外殼的兩端分別設置輸入端口和輸出端口；電路板上設置有微處理器以及分別與微處理器相連接
的RS485轉換電路、RS232轉換電路、IIC轉換電路、SDI
?
12轉換電路、模擬電壓采集電路、模擬電
流采集電路、開關電路和電源管理電路。本實用新型操作簡單、攜帶方便，可支持多種類型的傳感
器，滿足了在現場多種信號類型數據統一采集的需求；提高了使用的擴展性；模塊化的設計不僅為現
場原有系統升級和維護提供了很好的便捷性，同時也為外接設備提供電源，使得外接設備無需外部供
電便可接入系統,能夠提高設備操作和維修的快捷性。
申請人：
北京旗碩基業科技股份有限公司
地址：
北京市海淀區西北旺東路10號院東區18號樓3層01
國籍：
CN
代理機構：
北京天江律師事務所
代理人：
朱紅來
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傳感器 信號轉換：傳感器信號轉換成數字信號

轉自： ?

常用傳感器信號測量匯總
關鍵詞： 傳感器；特性； 傳感器； SCC 調理模塊； SCXI 調理模塊； 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、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（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）。

工程科學與技術領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）按一定的規律轉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的信號，目前由于電信號最符合這一要求，傳感器也可狹義定義為把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件（圖 2）。

傳感器的構成
傳感器的具體構成根據被測對象、轉換原理，使用環境和性能要求的情況有很大差異。

自源型是僅含有轉換元件的傳感器構成形式，它不需要外能源，可直接從外部被測對象吸收能量轉換為電效應，但輸出的能量較弱。常見的有熱電偶、壓電器件等。

帶激勵源型是在轉換器件外加了輔助能源的構成形式，輔助能源起到激勵的作用，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現阻抗變換的轉換元件構成，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。

相同傳感器補償型（圖 3-a） 是使用兩個完全相同的轉換元件置于同樣環境下的構成形式。實際使用其中一個元件進行工作，另一個用于抵消其受到的環境干擾影響。常見的有應變式，固態壓阻式傳感器等。

差動結構補償型（圖 3-b） 和相同傳感器補償型類似， 但其兩個轉換元件都進行工作，除了可以抵消環境干擾，還使有用的輸出值增加。

不同傳感器補償型（圖 3-c） 是兩個原理和性質不同的轉換元件置于同樣環境下的構成形式，也是通過一個轉換元件給工作的轉換元件提供補償。常見的有熱敏電阻的溫度補償，加速度的干擾補償等。

目前隨著計算機技術的發展，傳感器和微處理器結合在一起，形成了智能化傳感器的概念，這種構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。

具體分類可按轉換的基本效應、構成原理等分多種，其中又以按照工作原理分類最為詳細（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、準確、可靠而又經濟地實現信息轉換的基本要求。

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，要求轉換后輸出的信號和被測量的輸入信號成確定的關系， 且比值要大。傳感器還需要具備快速的響應能力，穩定可靠的工作能力，較長的壽命和較低的成本，同時維修，校準方便。根據特定的現場應用，有時對傳感器的體積和重量都有嚴格要求，且希望其內部噪聲小不易受到外部干擾。最后是傳感器輸出的信號最
好采取通用的標準形式，以便于和外部系統對接。

可見選擇一款合適的傳感器并不輕松，需要根據需求全面綜合地考慮，不可馬虎。

傳感器重要指標介紹
傳感器在檢測靜態量時的靜態特性和檢測動態量時的動態特性通常可以分開考慮。對于輸入信號的，傳感器的數學模型也通常有靜態和動態之分。
靜態特性
靜態特性表示傳感器在被測輸入量各個值處于穩定狀態時，輸入和輸出的關系，主要要考慮線性度和隨機變化等因素。
線性度：
線性度又稱非線性，是表征傳感器輸出-輸入校準曲線與選定的擬合直線之間的吻合程度的指標。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，計算所得的線性度數值也就不同。選擇擬合直線要保證獲得盡量小的非線性誤差，還要考慮計算是否方便。常見的方法有理論直線法、端點線法、最小二乘法等。
遲滯:
遲滯是反應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（圖 2）。通常用正反行程輸出的最大差值 計算，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，用 dy/dx 表示。
對于需要外部激勵的傳感器來說，其靈敏度的表達還要考慮電源電壓的因素。

分辨力:
分辨力是傳感器在規定測量范圍內所能測試出的被測輸入量的最小變化量，有時用該值相對滿量程輸入值的百分數表示，稱為分辨率。
重復性：
重復性是指輸入量按同一方向做全量程連續多次變動時，所得特性曲線間一致程度的指標，各條曲線越接近，重復性越好。重復性誤差反映的是校準數據的離散程度，是隨機誤差計算：

漂移:
漂移指在一定時間間隔內，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關的變化，主要包括零點漂移和靈敏度漂移。零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫度漂移則是周圍溫度變化所引起的。

穩定性:
穩定性指傳感器在長時間使用時仍保持其性能的能力，一般以在室溫條件下經過一段規定的時間后，輸出與起始標定時的輸出之間的差異表示。
靜態誤差（精度） :
精度是評價傳感器靜態性能的綜合性指標，指傳感器在滿量程內任一點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測量時所得數據的不精確度。
精度的測量方法很多，目前國內外尚不統一。
動態特性
動態特性是反映傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性。 在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用頻率響應和階躍響應來表示。
傳感器的頻率響應特性
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系稱為頻率響應特性。由于相頻特性和幅頻特性之間有一定的內在關系，因此表示傳感器的頻響特性及頻域性能指標時主要用幅頻特性（圖 3）。

傳感器的階躍響應特性
當給靜止的傳感器輸入一個單位階躍信號 時，其輸出信號稱為階躍響應（圖 4， a 為一階系統； b 為二階系統）。

溫度測量
溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。 測量溫度的熱電式傳感器是最早開發，應用最廣的一類傳感器，這類傳感器是利用轉換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度進行檢測的。
熱電偶
熱電偶傳感器（圖 1）是目前接觸式測溫中應用最廣的熱電式傳感器，具有結構簡單，制作方便，測溫范圍寬等特點。

熱電偶測溫的基本原理是兩種不同材質導體組成閉合回路,當兩端存在不同溫度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在熱電勢，這就是所謂的塞貝克效應。 熱電偶直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與儀表連接，顯示熱電偶所產生的熱電勢（圖 2）。

根據材質不同，熱電偶分不同的型號，目前按 IEC 國際標準， 主要有 S、 B、 E、 K、 R、J、 T 七種標準。由于熱電偶產生的電勢較小，且非線性，通常使用熱電偶測溫度時需要進行放大和線性化。熱電偶輸出的電熱是兩結點溫度差的函數，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。但實際使用很難滿足，所以產生了熱電偶冷端補償的問題，冷端補償可采用補償導線或補償電橋等多種方法。

NI 公司的 SCC 和 SCXI 系列調理產品均有針對熱電偶調理的模塊。 NI SCC-TC 系列是可調理各類熱電偶的單通道模塊， 該產品支持±100mV 范圍內的毫伏輸入，帶有一個 2Hz 的低通靜噪濾波器，增益 100 的儀用放大器，用于冷端溫度補償的板載熱敏電阻以及實現 M 系列DAQ 設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熱電偶和接地參考熱電偶的處理。同樣作為熱電偶調理的NI SCXI-1102 和 SCXI-1112 每路輸入通道也包括了一個儀器放大器和一個 2Hz 的低通濾波器。 采集卡可以用高達 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 每個模塊的所有通道都可以被 NI 數據采集卡的某一路通道采集， 并支持另加模塊以增加通道數。

NI 也提供帶有專門針對某類應用調理的數據采集卡， 即 C 系列產品。 NI 9211A 專門針對各類型的熱電偶測量設計， 24 位分辨率保證了高精度，內置傳感器則實現了冷端溫度補償。該模塊還具有 250 Vrms 通道-地面接地隔離，實現了安全、抗干擾和高共模電壓范圍。NI 9211A 可加上一個 USB 9162 構成 USB-9211A 單獨使用，也可以插在 cDAQ-9172 的 8 槽 USB底板上作為 cDAQ 系統中的一個模塊使用。

cDAQ 模塊雖然集采集調理為一體，但是通道數較少， NI 9211A 可以同時采集 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 系列數據采集卡加上 SCC 或 SCXI 調理模塊。
熱電阻（ RTD）
熱電阻是中低溫采集時常用的一種溫度傳感器， 它的主要特點是測量精度高，性能穩定，靈敏度高。熱電阻是基于金屬導體或半導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的，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， 且不能夠瞬時測量溫度的變化。工業用熱電阻一般采用 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。因為熱電阻作為電橋上一個橋臂的電阻，其連接導線也是橋臂的一部分， 而這部分電阻是未知且隨環境溫度變化的， 會造成測量誤差。采用三線制，將導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線電阻帶來的測量誤差。熱電阻兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，
其中兩根為熱電阻提供激勵電流，把電阻轉換成電壓信號，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增益為 25 的放大器和一個 30Hz 低通濾波器， 每一模塊上還提供用于 1 或 2 個 RTD 的 1mA 激勵源。 NI SCXI-1102 模塊與 NI SCXI-1581 電流激勵模塊一起使用， 可以提供 32 通道的高精度 RTD 或熱敏電阻調理。 1102 帶有一個 2 Hz 低通濾波器， 1581 則提供穩定的 100μA 電流源，從而確保測量精度。由于 SCXI 采用模塊化設計，在應用需求改變時可以方便地擴展數據采集系統。

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 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 內置噪聲抑制功能。 NI 9217 與 3 線和 4 線制 RTD 測量兼容，能自動探測與通道連接的 RTD 類型，并將每條通道配置成恰當的模式， 該模塊提供每通道 1mA 的電流激勵， 在整個操作溫度范圍內的精度誤差小于 1 °C。 9217 還包含 NI ST 校準并具有通道-地面接地雙重隔離屏障，實現了安全性、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氧珠封裝的金屬氧化物半導體材料制造而成。而且，熱敏電阻的典型標稱阻抗值要比 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，接線方式也有二三四線制之分，但是由于熱敏電阻的標稱阻抗非常高， 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 電流激勵模塊一起使用，也可以提供 32 通道的熱敏電阻調理。

對于cDAQ模塊可選用 AI采集的NI 9215配合提供電流激勵的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，能實現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，實現了安全、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動的工業激勵器的理想之選。該模塊具有內置式開環檢測。當檢測到開環時，該模塊會在軟件中產生中斷并產生 0mA 的上電輸出，以確保安全，避免在系統上電時驅動激勵器。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， 熱電偶價格便宜，而且有很快的響應時間，但是它精度不高而且最不穩定，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，而且最為穩定，精度最高。但是它的響應時間太長而且因為它需要一個電流源，因此它有自熱產生。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。它同樣需要一個電流源而且比 RTD 的自熱現象更為嚴重，同時它是非線性的（表1）。

溫度范圍的選擇上三者也有區別， 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℃，在選擇時如果測量溫度在 600℃就應該選擇 K 型熱電偶，如果測量溫度在 1200 到 1600℃就應該選擇 S 型或者 B 型熱電偶。

應變測量
應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，應力的增長是有限度的，超過這一限度，材料就要損壞， 這個限度稱為該種材料的極限應力。

應變測量有多種方法，最常用的是采用應變片。由于受到應力，應變片發生形變（長度發生改變），從而導致其阻值也隨之產生正比變化。最常見的應變片是金屬應變片。金屬應變片由極細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變發生變化（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，被測件產生的應變直接反映到應變片上，使得應變片電阻值產生線性變化。應變片的阻值在 30Ω到 3000Ω，最常見的阻值標準是 120Ω和 350Ω。

由于應變片的阻值變化是微弱的，測量應變幾乎都采用帶電壓激勵的電橋形式。惠斯通電橋由 4 條電阻橋臂及作用于整個電橋的激勵電壓 VEX 組成（圖 6），

電橋輸出電壓 V0 表示為：

從此方程看出，當 R1/R2=R4/R3 時，電壓輸出 V0 為零。在這種條件下，稱電橋處于平衡狀態。此時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 替換為應變片，應變片電阻值的變化將使電橋處于非平衡狀態，從而電壓輸出非零。如果應變片的理想電阻值為 RG，那么應變產生的電阻變化 DR 可以表示為 DR= RG*GF*e。設 R1=R2、 R3=RG，以上的電橋方程可重寫為 VO/VEX 對應變的函數。注意1/(1+GF*e/2)項，表示 1/4 橋與應變相關的輸出非線性變化。

理想狀態下，我們希望應變片電阻僅在存在應變時才產生變化。然而， 其材料及被測試件材料還同時對溫度的變化敏感。通過在電橋的另一個橋臂上放入第 2 個應變片， 這樣可以使電橋的靈敏度提高一倍，并能夠進一步抵消溫度的影響，這是因為兩塊應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 個橋臂都安裝工作應變片來實現全橋配置，從而更進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 系列調理產品均有針對應變電路調理的模塊。 NI SCC-SG 系列包括五種雙通道應變片輸入模塊，每一種都用于特定的應變片配置， 120Ω， 1/4 橋； 350Ω，1/4 橋； 半橋和全橋等。 調理模塊還包括一個 2.5V 激勵源， SG24 的激勵源是 10V 的， 它們是測壓元件和壓力傳感器輸入的理想選擇。 調理模塊的每個通道均配有一個儀器放大器，一個 1.6kHz 低通濾波器和一個用于橋路零位調整的電位計。 NI 還提供 SCC-SG11 模塊，該模塊可執行可編程分路校準。 NI SCXI-1520 是 8 通道通用應變片輸入模塊，具有進行簡單或高級應變測量所需要的所有功能。用戶可借助這一模塊，從應變傳感器、力傳感器、扭矩傳感器和壓力傳感器上讀取信號。 1520 包含在各類環境中均可自動校準的板載參考電壓， 它的每路通道均配有可編程放大器， 4 階可編程 Butterworth 濾波器以及獨立的 0V 到 10V 的可編程激勵源。此外， SCXI-1520 系統在模塊內部提供了組成半橋電路的電阻網絡，并在SCXI-1314 接線盒上提供了一個 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計。 9237 由總線供電，可以為傳感器提供高達 10 V 的內置激勵，所以電橋不需要外部激勵。 9237 每通道可同步達到 50K 的采樣率，且帶有通道-接地隔離。

編碼器測量
編碼器是一種機電裝置，可以用來測量機械運動或者目標位置（圖 7）。大多數編碼器都使用光學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換成運動、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換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。 而絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。

在增量式中編碼器獲得物體的相對位置。 旋轉編碼器可以測量物體運動的角位移，它由一個發光二極管（ LED）、一個碼盤，以及碼盤背面的一個光傳感器。這個碼盤安置在旋轉軸上，上面按一定編碼形式排列著不透光和透光的扇形區域。當碼盤轉動時，不透光扇區能夠遮擋光線，而透光扇區則允許光線透過。這樣就產生了方波脈沖，可以編譯成相應的位置或運動信息。編碼器每轉通常分為 100 到 6000 個扇區， 100 個扇區的編碼器可以提供 3.6 度的精度，而 6000 個扇區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的方向兩個信息。例如，如果通道 A 相位超前，碼盤就以順時針旋轉。如果通道 B 相位超前，那么碼盤就是以逆時針旋轉（圖 8）。因此，通過監控脈沖的數目和信號 A、 B 之間的相對相位信息，就可以同時獲得旋轉的位置和方向信息。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輸出通道 Z 相。這個通道每旋轉一圈輸出一個單脈沖， 可以通過它來精確計算某個參考位置，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動體上，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，采用了多組分區形成同心碼道，如同靶環一樣。同心碼道從編碼器碼盤的中心出發，向外擴展直到碼盤外部，每一層碼道都比其內層多了一倍的分區。第一層，即最內層的碼道，只有一個透光扇區和一個不透光扇區；位于中心的第二層就具有兩個透光扇區和兩個不透光扇區。如果編碼器有 10 層碼道，那么最外圍的碼道就有 512 個扇區。因為絕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目的扇區， 所以扇區的數目就形成了二進制計數系統。在這種編碼器中，碼盤上的每個碼道都對應一個光源和一個接收器。絕對式編碼器的優勢在于可以降低編碼器的轉速，可以使編碼器的碼盤在整個機器運動周期中只轉一圈。如果機器運動距離為 10 英寸，而編碼器具有 16 位精度，那么機器位置的精度就是 10/65,536，即 0. 英寸。如果機器的行程更長譬如 6 英尺，那么粗旋轉編碼器可以保證跟蹤每一英尺距離；第二級稱為細旋轉編碼器可以跟蹤 1 英尺以內的距離。

編碼器是對信號邊沿計數，由邊沿數值轉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， 當通道 A 引導通道 B 時，增量發生在通道 A 的上升沿。當通道 B 引導通道 A 時，減量發生在通道 A 的下降沿（圖 9）：

X2 編碼方式時， 計數器 A 通道的每個邊沿計數是增加還是減少，取決于由哪個通道引導哪個通道。計數器的數值每個周期都會增加 2 個或減少 2 個（圖 10）：

X4 編碼方式時， 計數器同樣也在通道 A 和 B 的每個沿上發生增加或者減少。計數器的數目是增加還是減少，取決于哪個通道引導哪個通道。計數器的數目每個周期都會增加 4 個或減少 4 個（圖 11）：

對于角度編碼器，有
對于位移編碼器，有

NI M 系列數據采集卡所帶有的 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，經過設置編碼器類型，編碼方式等信息，可以直接換算成需要的旋轉角度或位移值。
聲音和振動測量
振動是有質量的物體發生在平衡點附近的機械振蕩運動， 振動會產生壓力波，壓力波在空氣中傳播便產生了聲音。聲音與振動在本質上是通過不同的介質傳播的。 但在理論層面上，兩者之間是相互聯系的，所以測量聲音與振動在從本質來看也是相似的。

某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮現象。依據電介質壓電效應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特殊類別，設計中它在壓電晶體后安裝了一個放大器（圖13）。由于壓電式傳感器產生的電壓很小，所產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 IEPE 傳感器使用外部直流電源來提供激勵，根據壓電晶體接收到的不同電量來調整輸出電壓。 IEPE 在傳感器激勵（電流）和信號（電壓）輸出時只用一到兩根線。

聲音與振動的測試容易受到噪音的影響，需要對信號進行適當的調理。 傳感器獲取的信號包括直流和交流兩個部分，直流部分可將交流部分偏移零點。交流耦合可以通過連接信號的電容器，消除系統中的直流偏移。交流耦合傳感器系統可消除由老化和溫度效應引起的傳感器長期直流漂移，從而顯著地提高了分辨率，擴大了系統的可用動態范圍。在精密測量過程中，系統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果。

圖（12）壓電原理

由于聲音和振動這類信號屬于動態信號， 其幅值頻率甚至方向都隨時間不斷變化，僅使用普通數采卡很難對其較好地采集，需要再附加上調理模塊。 NI SCC-ACC01 是一款單通道信號調理模塊， 專用于 IEPE 傳感器或麥克風。 該模塊包括一個交流差動放大器，一個 3階 Besse 低通濾波器(19 kHz)以及用于傳感器激勵的 4mA 恒定電流源。 NI SCXI-1530/1531同樣也是用于 IEPE 傳感器和麥克風的信號調理模塊。 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系， 該模塊可以將信號在 DAQ 設備的一路通道中復用，也可另加模塊以增加通道數， 通過隨機掃描，可以只選擇想要采集數據的通道，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態信號采集卡(DSA 設備)對聲音和振動信號進行采集。在 cDAQ模塊中， NI 9233/9234 用于動態信號的采集，其作為 4 通道 C 系列動態信號采集模塊，能針對集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器，進行高精度音頻測量。 其中NI 9234 具有 102dB 動態范圍，能對加速度傳感器和麥克風進行軟件可選式交流/直流耦合與集成電路壓電式(IEPE)信號調理。 4 條輸入通道借助自動調節采樣率的內置抗混疊濾波器，同時以每通道高達 51.2kHz 的速率對信號進行數字化（圖 14）。

此外， NI 445x 和 446x 的 DSA 采集卡也是專門針對動態信號設計的。

傳感器 信號轉換：傳感器電平信號轉換為數字信號

一．簡介
DHT11作為一款低價、入門級的溫濕度傳感器，常用于我們的單片機設計實例中;它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。
DHT11為 4 針單排引腳封裝，如下圖，采用單線制串行接口，只需加適當的上拉電阻，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。

二．傳感器參數
1.DHT11電氣參數如下：
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100nF 的電容，用以去耦濾波。DATA引腳并聯一個5K以上的上拉電阻，增強信號的抗干擾額能力。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩定狀態在此期間無需發送任何指令。

三．傳感器控制時序
1.數據格式
DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數據格式,一次通訊時間4ms左右,數據分小數部分和整數部分,具體格式在下面說明,當前小數部分用于以后擴展,現讀出為零，操作流程如下:
一次完整的數據傳輸為40bit,高位先出。
數據格式：

8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bi溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit校驗和

8位校驗和：

“8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bi溫度整數數據+8bit溫度小數數據”相加所得結果的末8位。

2.控制時序
要實現對DHT11傳感器的控制和數據的讀取，需先學會分析DHT11的控制時序。時序主要分為三部分：1：觸發DHT11采集數數據；2：讀取數字0；3：讀取數字1；。
（1）觸發DHT11采集數據
總線空閑狀態為高電平,單片機把總線拉低等待DHT11響應,單片機把總線拉低必須大于18ms,保證DHT11能檢測到起始信號。
當DHT11接收到單片機的開始信號后,等待單片機開始信號結束,然后發送80us低電平響應信號。
單片機發送開始信號結束后,延時等待20-40us后,切換為輸入狀態，等待DHT11的80us低電平信號結束，然后判斷DHT11是否是否發出 80us 的高電平；如果是，即可開始采集數據。

(2)數字0信號時序
當DHT11輸出數字0時， 單片機讀取到的信號為50 us的低電平，之后為26-28 us的高電平。

(3)數字1信號時序
當DHT11輸出數字0時， 單片機讀取到的信號為50 us的低電平，之后為70 us的高電平。

由此可知DHT11輸出數字0和數字1的區別在于高電平的時間，由此單片機可在讀取到高電平后，延時30us后，識別此時總線的電平，高電平為數字1，低電平為數字0；

(4)總時序圖
用戶MCU發送一次開始信號后,DHT11從低功耗模式轉換到高速模式,等待主機開始信號結束后,DHT11發送響應信號,送出40bit的數據,并觸發一次信號采集,用戶可選擇讀取部分數據。
從模式下,DHT11接收到開始信號觸發一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機發送開始信號,DHT11不會主動進行溫濕度采集。當一次完整的采集數據后，DHT11會轉換到低速模式。

四．控制程序
1.單字節采集

2.完整一次數據采集

3.獲取DHT11數據

如需DHT11相關資料， 請關注公眾號，首頁回復“DHT11”獲取資料

傳感器 信號轉換：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”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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。
光電傳感器是將光信號轉換為電信號的一種器件。其工作原理基于光電效應。光電效應是指光照射在某些物質上時，物質的電子吸收光子的能量而發生了相應的電效應現象。根據光電效應現象的不同將光電效應分為三類：外光電效應、內光電效應及光生伏特效應。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    科
物理
組    成
光源、光學通路和光電元件
目    的
被測量的變化轉換成光信號的變化
原    理
光電效應
目錄
1
傳感器概述
2
原理
3
分類
?
安全類型
?
特長
?
應用
?
特性
?
市場領域
?
新技術和應用
4
發展方向
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為基礎，把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將非電信號轉換成電信號。光電效應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物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態就會發生變化，從而使受光照射的物體產生相應的電效應。通常把光電效應分為3 類：（1 ）在光線作用下能使電子溢出物體表面的現象稱為外光電效應，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象稱為內光電效應，如光敏電阻、光敏晶體管等；（3 ）在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應，如光電池等。
[2]
光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。光電傳感器是各種光電檢測系統中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（可見及紫外鐳射光）轉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、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。新的光電器件不斷涌現，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應用開創了新的一頁。
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測控系統是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統)輸出量性質可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續變化的光電流，它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)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；所謂遮光式是指當光源發出的光通量經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。
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，當無光照時，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；當有光照時，載流子被激發，產生電子-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度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強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極——發射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區面積做得很大，發射區較小，入射光主要被基區吸收。工作時集電結反偏，發射結正偏。在無光照時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；當有光照時，激發大量的電子-空穴對，使得基極產生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，發射極電流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度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路。發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管(LED)、激光二極管及紅外發射二極管。光束不間斷地發射，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用該信號。此外，光電開關的結構元件中還有發射板和光導纖維。
[3]
分類和工作方式⑴槽型光電傳感器把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側組成槽形光電。發光器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作，輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。⑵對射型光電傳感器，若把發光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大，一個發光器和一個收光器組成對射分離式光電開關，簡稱對射式光電開關。對射式光電開關的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用對射式光電開關時把發光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。⑶反光板型光電開關把發光器和收光器裝入同一個裝置內，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。正常情況下，發光器發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，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。⑷擴散反射型光電開關擴散反射型光電開關的檢測頭里也裝有一個發光器和一個收光器，但擴散反射型光電開關前方沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是找不到的。在檢測時，當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關信號。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，用戶必須給傳感器提供穩定電源，如果是直流供電，必須確認正負極，如若正負極連接錯誤則會導致輸出信號沒有。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域內，也就是光電可以感知的范圍內。其次，要考慮傳感器光軸有沒有對準問題，對射型的投光部和受光部光軸必須對準，對應的回歸反射型的探頭部分和反光板光軸必須對準。同樣還要考慮的是檢測物體是否符合標準檢測物體或者最小檢測物體的標準，檢測物體不能小于最小檢測物體的標準，從而避免導致對射型、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境的干擾因素。如光照強度不能超出額定范圍；如果現場環境有粉塵，就需要我們定期清理光電傳感器探頭表面；或者是多個傳感器緊密安裝，互相產生干擾；還有一種影響比較大的是電氣干擾，如果周圍有大功率設備，產生干擾時必須要有相應的抗干擾措施。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。
[3]
結構分析光電傳感器通常由三部分構成，它們分別為：發送器、接收器和檢測電路。發射器帶一個校準鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內有一個小的白熾燈做為光源，這些小而堅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嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態下，并與負載電阻相串聯，當無光照時，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;當有光照時，載流子被激發，產生電子-空穴，稱為光電載流子。此外，光電傳感器的結構元件中還有發射板和光導纖維。角反射板是結構牢固的發射裝置，它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回。它可以在與光軸0到25的范圍改變發射角，使光束幾乎是從一根發射線，經過反射后，仍從這根反射線返回。
[3]
類型⑴槽型光電傳感器把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發光器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。⑵對射型光電傳感器若把發光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發光器和一個收光器組成的光電開關就稱為對射分離式光電開關，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。⑶反光板型光電開關把發光器和收光器裝入同一個裝置內，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。正常情況下，發光器發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，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。⑷擴散反射型光電開關它的檢測頭里也裝有一個發光器和一個收光器，但前方沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到信號，輸出一個開關信號。
[3]
光電傳感器分類
編輯
語音
標準類型
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，時間差原理型9）光柵10）防爆/隔爆型
[3]
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
雷達傳感器
1）雷達傳感器：區域檢測型2）主動式傳感器：單光束型，多光束型，區域檢測型3）被動式傳感器：區域檢測型4）電梯光幕5）通用光電：槽形，對射型等
[3]
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，便能實現其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法遠距離檢測。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行檢測。③響應時間短光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構成，所以不包含機械性工作時間，響應時間非常短。④分辨率高能通過高級設計技術使投光光束集中在小光點，或通過構成特殊的受光光學系統，來實現高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。⑤可實現非接觸的檢測可以無須機械性地接觸檢測物體實現檢測，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可實現顏色判別通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據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，可對檢測物體的顏色進行檢測。⑦便于調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行調整。
[3]
光電傳感器應用
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可分為兩類：（1 ）把被測量轉換成連續變化的光電流而制成的光電測量儀器，可用來測量光的強度以及物體的溫度、透光能力、位移及表面狀態等物理量。例如：測量光強的照度計，光電高溫計，光電比色計和濁度計，預防火災的光電報警器，構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檢測裝置和儀器，其敏感元件均用光電元件。半導體光電元件不僅在民用工業領域中得到廣泛的應用，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航系統等；（2 ）把被測量轉換成繼續變化的光電流。利用光電元件在受光照或無光照射時" 有" 或"無"電信號輸出的特性制成的各種光電自動裝置。光電元件用作開關式光電轉換元件。例如電子計算機的光電輸入器，開關式溫度調節裝置及轉速測量數字式光電測速儀等。
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一、煙塵濁度監測儀防止工業煙塵污染是環保的重要任務之一。為了消除工業煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監測、自動顯示和超標報警。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，光源發出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。二、條形碼掃描筆當掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發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，處于截止狀態。當遇到白色間隔時，發光二極管所發出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產生光電流而導通。整個條形碼被掃描過之后，光敏三極管將條形碼變形一個個電脈沖信號，該信號經放大、整形后便形成脈沖列，再經計算機處理，完成對條形碼信息的識別。三、產品計數器產品在傳送帶上運行時，不斷地遮擋光源到光電傳感器的光路，使光電脈沖電路產生一個個電脈沖信號。產品每遮光一次，光電傳感器電路便產生一個脈沖信號，因此，輸出的脈沖數即代表產品的數目，該脈沖經計數電路計數并由顯示電路顯示出來。四、光電式煙霧報警器沒有煙霧時，發光二極管發出的光線直線傳播，光電三極管沒有接收信號。沒有輸出，有煙霧時，發光二極管發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，發出報警。五、測量轉速在電動機的旋轉軸上涂上黑白兩種顏色，轉動時，反射光與不反射光交替出現，光電傳感器相應地間斷接收光的反射信號，并輸出間斷的電信號，再經放大器及整形電路放大整形輸出方波信號，最后由電子數字顯示器輸出電機的轉速。六、光電池在光電檢測和自動控制方面的應用光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結構和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉換效率高，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、激光準直、電影還音、紫外光監視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。應用案例光電傳感器應用于激光武器由于光電傳感器對紅外輻射，或可見光，或對二者都特別靈敏，因而就更加容易成為激光攻擊的目標。此外，電子系統及傳感器本身還極易受到激光產生的熱噪聲和電磁噪聲的干擾而無法正常工作。戰場上的激光武器攻擊光電傳感器的方式主要有以下幾種：用適當能量的激光束將傳感器“致盲”，使其無法探測或繼續跟蹤已經探測到的目標。或者，如果傳感器正在導引武器飛向目標，則致盲將使其失去目標。綜上所述，由于傳感器在戰場上發揮的作用越來越重要，同時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。光電傳感器應用于自動抄表系統隨著微電子技術、傳感器技術、計算機技術及現代通訊技術的發展，可以利用光電傳感器來研制自動抄表系統。電能表的鋁盤受電渦流和磁場的作用下產生的轉矩驅動而旋轉。采用光電傳感器則可將鋁盤的轉數轉換成脈沖數。如：在旋轉的光亮的鋁盤上局部涂黑，再配以反射式光電發射接收對管，則當鋁盤旋轉時，在局部涂黑處便產生脈沖，并可將鋁盤的轉數采樣轉換為相應的脈沖數，并經光電耦合隔離電路，送至CPU的T0端口進行計數處理。采用光電耦合隔離器可有效地防止干擾信號進入微機。再結合其它傳輸方式便可以形成自動抄表系統。光電傳感器應用于監控煙塵污染光電傳感器是一種小型電子設備，它可以檢測出其接收到的光強的變化，通過把光強度的變化轉換成電信號的變化實現控制功能。由于光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用，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弱便可反映煙道濁度的變化。衛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用環境，堪稱食品和飲料行業的理想解決方案。
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光電傳感器特性
1）暫態響應范圍寬，諧波測量能力強暫態特性的優劣是判斷一種互感器能否在電力系統中獲得應用的一個重要參數，特別是與繼電保護動作時間的配合。傳統電磁式互感器由于存在鐵芯，對高頻信號的響應特性較差，不能正確反映一次側的暫態過程。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，因此能夠準確反映一次側的暫態過程。一般可設計到0.1 Hz到1 MHz，特殊的可設計到200 MHz的帶通。光電傳感器的結構可以測量高壓電力線路上的諧波。而電磁感應互感器是難以達到的。2）數字接口，通信能力強由于光電傳感器下傳的就是光數字信號，與通信網絡容易接口，且傳輸過程中沒有測量誤差。同時隨著微機化的保護控制設備的廣泛采用，光電互感器可以直接向二次設備提供數字量，這樣就能省去原來保護裝置中的變換器和A/D采樣部分，使二次設備得到大大的簡化，推動保護新原理的研究。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。同時光電互感器通過少量光纜與二次設備連接，可使電纜溝和電纜大為減。
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光電傳感器市場領域
光電傳感器的主要應用領域：車載娛樂/導航/DVD系統背光控制，以便在所有的環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/轉速計)；自動后視鏡亮度控制(通常要求兩個傳感器，一個是前向的，一個是后向的)；自動前大燈和雨水感應控制(專用，根據需求進行變化)；后視相機控制(專用，根據需求進行變化)。在提供更舒適的顯示質量方面已經成為最有效的解決方案之一，它具有與人眼相似的特性，這對于汽車應用而言至關重要，因為這些應用要求在所有環境光條件下都能達到完全的背光效果。例如，在白天，用戶需要最大的亮度來實現最佳的可見度，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 (良好的IR衰減)的光傳感器、適當的動態范圍和整體的良好輸出信號調節可以很容易地自動完成這些應用。終端用戶可以設置幾個閾值水平(如低、中、亮光)，或能夠隨意地動態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，當鏡子變暗和/或變亮時需要智能的亮度管理，可以通過環境光傳感器來完成。對于便攜式應用，如果用戶不改變系統設置(通常是亮度控制)，那么一個顯示器總是消耗同樣多的能量。在室外等特別亮的區域，用戶傾向于提高顯示器的亮度，這就會增加系統的功耗。而當條件變化時，如進入建筑物，大多數用戶都不會去改變設置，因此系統功耗仍然保持很高。但是，通過使用一個光傳感器，系統能夠自動檢測條件變化并調節設置，以保證顯示器處于最佳的亮度，進而降低總功耗。在一般的消費類應用中，這也能夠延長電池壽命。對于移動電話、筆計本電腦、PAD和數碼相機，通過采用環境光傳感器反饋，可以自動進行亮度控制，從而延長了電池壽命。并不是一個新的構想。在數十年前就已經利用光電二極管和光敏電阻來實現這一構想。所謂新構想，是指對環境光感應的同時還能消減無用的紅外線和紫外線光，而且在支持汽車規格AECQ-1000嚴格要求的同時還可以實現小封裝，尤其是能夠保證在-40度至+105度(2級)溫度范圍內的操作，以滿足其余的規格要求。如何保持工作質量標準并滿足AECQ-1000的2級工作要求，這是當今在所有光設計解決方案中所面臨的挑戰。采用一個光傳感器或LED發射器或接收器時，任何的光學解決方案都會面臨著暴露在恒定高溫下(>+85度)而出現的封裝變色問題(會變暗或變成淡黃)。同樣值得一提的是，到目前為止，所有環境光傳感器的應用都限于車艙內，在發動機艙或戶外環境中還沒有出現光傳感器應用。事實上，即使出現了這樣的應用，光封裝也不是針對這樣的苛刻條件(+125或+150度的條件)而設計，因此，在當前的光學封裝技術下，它們很可能還不能夠承受這樣的條件。半導體相似傳感器和封裝開發的最新進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計者更多地采用光傳感器的原因，其應用范圍涉及消費類電子、工業應用以及汽車領域。
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光電傳感器新技術和應用
1、用于目標跟蹤和坐標定位256光電管陣列四象限CMOS光電傳感器將傳統的象限傳感器與當前迅速發展的CMOS圖象傳感器相結合，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)設計，在感光單元內部由光電信號預處理電路直接將傳感產生的光電信號轉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。傳感器應用陣列采集光信號，可以直接確定目標光源的坐標位置并實現一步到位的快速調整。傳感器使用標準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，可以實現傳感器的SOC集成和智能化(Smart Sensor)設計。廣泛應用于激光的瞄準、制導、跟蹤，搜索裝置，精密測量，如激光微定位、位移監控、精密機床的光電控制等領域。是一種用于目標跟蹤和坐標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用于激光的跟蹤制導、位移監控、精密機床等控制等領域。基于硅的半導體磁敏傳感器廣泛應用于測量磁場強度的各種磁場計、讀出磁介質上信息的各類磁頭以及非磁信號的探測器等。3、應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學傳感器的檢測能力為目標，用高性能光電二極管陣列為光電轉換器件，論證并實現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)分子特異性結合的實驗表明，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數量級以上。4、光電檢測傳感器陣列在運動物體檢測中的應用一個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、運動及其運動軌跡等情況。國內外光電傳感器的研究現狀由于光電傳感器的應用涉及的領域非常廣泛，其研究和開發在世界上引起了高度重視，各國更是競相研究開發并引起激烈的競爭。從最初的應用于軍事逐漸發展到民事，而且與我們的生活息息相關，應該說現代化的生活離不開光電傳感器的參與，如傳真機、復印機、掃描儀、打印機、車庫開門器、液晶顯示器、色度計、分光計、汽車和醫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，在軍事和民用領域的應用發展得十分迅速。在軍事應用方面，研究和開發主要包括：水下探測、航空監測、核輻射檢測等。美國也是最早將光電傳感器用于民用領域的國家。如運用光電傳感器監測電力系統的電流、溫度等重要參數，檢測肉類和食品的細菌和病毒等。美國擁有世界最健全的光電傳感器產品線，超過種產品包括自含式或放大器分離型，限位開關外型或小型傳感器，精密檢測或長距離檢測傳感器，檢測距離長達305m。并且擁有行業內最齊全的標準光纖和定制光纖產品。大部分產品防護等級達到NEMA6P和IP67。日本和西歐各國也高度重視并投入大量經費開展光電傳感器的研究與開發。20世紀90年代，研究開發出多種具有一流水平的民用光電傳感器，日本的電器以價格適中質量好而響譽全球。西歐各國的大型企業和也積極參與了光電傳感器的研發和市場競爭。我國對光電傳感器研究的起步時間與國際相差不遠。已有上百個單位在這一領域開展工作，主要是在光電溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計等領域進行了大量的研究，取得了上百項科研成果，有的達到世界先進水平。但與發達國家相比，我國的研究水平還有不小的差距，主要表現在商品化和產業化方面，大多數品種仍處于實驗研制階段，還無法投入批量生產和工程化應用。
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光電傳感器發展方向
編輯
語音
生產的發展方向（1）使光電傳感器從理論研究向生產一條龍的產業化模式快速發展，走自主創新和國際合作相結合的跨越式發展道路，使我國成為世界傳感器的生產大國；（2）光電傳感器產品結構全面、協調、持續發展。產品品種要向高技術、高附加值傾斜，尤其要填補“空白”品種；（3）生產格局向專業化發展。即生產傳感器門類少而精，且專門生產某一應用領域需要的某一類傳感器系列產品，以獲得較高的市場占有率，各傳感器企業的專業化合作生產；（4）光電傳感器大生產技術向自動化發展。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的多樣性和復雜性。縱觀當前光電傳感器工藝線的概況，多數工藝已實現單機自動化，但距離生產過程全自動化尚存在諸多困難，有待今后廣泛采用CAD、CAM及先進的自動化裝備和工業機器人予以突破；（5）企業的重點技術改造應加強從依賴引進技術向引進技術的消化吸收與自主創新的方向轉移；（6）企業經營要加快從國內市場為主向國內與國外兩個市場相結合的國際化方向跨越發展；（7）企業結構將向“大、中、小并舉”、“集團化、專業化生產共存”的格局發展。
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研究的發展方向光電傳感及其相關技術的迅速發展，滿足了各類控制裝置及系統的更高要求，使得各領域的自動化程度越來越高，同時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，而且能夠對多種物理量進行同時測量；（2）新型傳感材料、傳感技術等的開發；（3）在惡劣條件下（高溫、高壓等）低成本傳感器（連接、安裝等）的開發和應用；（4）光電傳感器與其它微技術結合的微光學技術的發展。
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前景預測傳感器市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。調查顯示，東歐、亞太區和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區。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模最大，分別占到整個傳感器市場的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，微機電系統)傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年復合年增長率預計會超過25%。全球的傳感器市場在不斷變化的創新之中呈現出快速增長的趨勢。有關專家指出，傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發和產業化，競爭也將日益激烈。新技術的發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與市場份額的擴大。
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光電傳感器的智能化發展智能光電傳感器是當今國際科技界研究的熱點、尚無統一的、確切的定義。目前國內外學者普遍認為，智能光電傳感器是由傳統的光電傳感器和微處理器( 或微計算機) 相結合而構成的，它充分利用計算機的計算和存儲能力，對傳感器的數據進行處理，并能對它的內部行為進行調節，使采集的數據最佳。智能光電傳感器的功能有: 自補償能力，自校準功能，自診斷功能，數值處理功能，雙向通信功能，信息存儲和記憶功能，數字量輸出功能。隨著科學技術的發展，智能傳感器的功能將逐步增強，它將利用人工神經網、人工智能、信息處理技術(如傳感器信息融合技術、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、自學習的功能、可以完成圖像識別、特征檢測、多維檢測等復雜任務。
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參考資料
1.

祝詩平．傳感器與檢測技術：北京大學出版社，中國林業出版社，2006年：236
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顏曉河，董玲嬌，蘇紹興 ．光電傳感器的發展及其應用 ：電子工業專用設備 ，2006
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謝望. 光電傳感器技術的新發展及應用[J]. 儀器儀表用戶,2005,(05):1-2.