传感器 信号转换：一种传感器数据信号转换器[实用新型专利]

专利内容由知识产权出版社提供
摘要：
本实用新型公开了一种传感器数据信号转换器，包括外壳和电路板，电路板位于外壳的中
部，外壳的两端分别设置输入端口和输出端口；电路板上设置有微处理器以及分别与微处理器相连接
的RS485转换电路、RS232转换电路、IIC转换电路、SDI
?
12转换电路、模拟电压采集电路、模拟电
流采集电路、开关电路和电源管理电路。本实用新型操作简单、携带方便，可支持多种类型的传感
器，满足了在现场多种信号类型数据统一采集的需求；提高了使用的扩展性；模块化的设计不仅为现
场原有系统升级和维护提供了很好的便捷性，同时也为外接设备提供电源，使得外接设备无需外部供
电便可接入系统,能够提高设备操作和维修的快捷性。
申请人：
北京旗硕基业科技股份有限公司
地址：
北京市海淀区西北旺东路10号院东区18号楼3层01
国籍：
CN
代理机构：
北京天江律师事务所
代理人：
朱红来
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传感器 信号转换：传感器信号转换成数字信号

转自： ?

常用传感器信号测量汇总
关键词： 传感器；特性； 传感器； SCC 调理模块； SCXI 调理模块； cDAQ
传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。 人的五官就是天然的传感器，具有视、 听、嗅、味、 触觉，大脑就是通过五官来感知外界的信息（图 1）。

工程科学与技术领域的传感器既是对人体五官的工程模拟物，是能将特定的被测量信息（包括物理量、生物量、生物量）按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。可用信号既是便于处理和传输的信号，目前由于电信号最符合这一要求，传感器也可狭义定义为把外界非电信息转换成电信号输出的器件（图 2）。

传感器的构成
传感器的具体构成根据被测对象、转换原理，使用环境和性能要求的情况有很大差异。

自源型是仅含有转换元件的传感器构成形式，它不需要外能源，可直接从外部被测对象吸收能量转换为电效应，但输出的能量较弱。常见的有热电偶、压电器件等。

带激励源型是在转换器件外加了辅助能源的构成形式，辅助能源起到激励的作用，可以是电源或磁源，这样不需要变换电路也有较大电量输出。常见的有霍尔传感器等。
外源型是由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成，必须通过带外电源的变换电路才能获得电量输出。常见的有电桥等。

相同传感器补偿型（图 3-a） 是使用两个完全相同的转换元件置于同样环境下的构成形式。实际使用其中一个元件进行工作，另一个用于抵消其受到的环境干扰影响。常见的有应变式，固态压阻式传感器等。

差动结构补偿型（图 3-b） 和相同传感器补偿型类似， 但其两个转换元件都进行工作，除了可以抵消环境干扰，还使有用的输出值增加。

不同传感器补偿型（图 3-c） 是两个原理和性质不同的转换元件置于同样环境下的构成形式，也是通过一个转换元件给工作的转换元件提供补偿。常见的有热敏电阻的温度补偿，加速度的干扰补偿等。

目前随着计算机技术的发展，传感器和微处理器结合在一起，形成了智能化传感器的概念，这种构成具有了信息处理的功能，前景十分广阔。

传感器的分类
传感器的种类繁多，分类方式多种多样。 对于被测量，可以用不同的传感器来测量；而对于同一原理的传感器，通常又可以测量多种非电量。

具体分类可按转换的基本效应、构成原理等分多种，其中又以按照工作原理分类最为详细（表 1）。

传感器的基本要求
无论何种传感器，作为直接面对测试对象的先锋，必须能够快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求。

传感器的工作范围和量程需要足够大，可以满足相应测试的极端要求，需要具备一定的过载能力；必须有能满足要求的灵敏度和精度，要求转换后输出的信号和被测量的输入信号成确定的关系， 且比值要大。传感器还需要具备快速的响应能力，稳定可靠的工作能力，较长的寿命和较低的成本，同时维修，校准方便。根据特定的现场应用，有时对传感器的体积和重量都有严格要求，且希望其内部噪声小不易受到外部干扰。最后是传感器输出的信号最
好采取通用的标准形式，以便于和外部系统对接。

可见选择一款合适的传感器并不轻松，需要根据需求全面综合地考虑，不可马虎。

传感器重要指标介绍
传感器在检测静态量时的静态特性和检测动态量时的动态特性通常可以分开考虑。对于输入信号的，传感器的数学模型也通常有静态和动态之分。
静态特性
静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时，输入和输出的关系，主要要考虑线性度和随机变化等因素。
线性度：
线性度又称非线性，是表征传感器输出-输入校准曲线与选定的拟合直线之间的吻合程度的指标。通常用相对误差来表示线性度或非线性误差，有：

表示输出平均值与拟合直线间的最大偏差；表示理论满量程输出值。
所以，选定的拟合直线不同时，计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线要保证获得尽量小的非线性误差，还要考虑计算是否方便。常见的方法有理论直线法、端点线法、最小二乘法等。
迟滞:
迟滞是反应传感器在输入量增大和减小的行程过程中输出和输入曲线的不重合程度的指标（图 2）。通常用正反行程输出的最大差值 计算，有：

图 1 迟滞
灵敏度:
灵敏度（图 3）是传感器输出量增量与被测输入量增量之比，线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即：

非线性传感器的灵敏度不是常数，用 dy/dx 表示。
对于需要外部激励的传感器来说，其灵敏度的表达还要考虑电源电压的因素。

分辨力:
分辨力是传感器在规定测量范围内所能测试出的被测输入量的最小变化量，有时用该值相对满量程输入值的百分数表示，称为分辨率。
重复性：
重复性是指输入量按同一方向做全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标，各条曲线越接近，重复性越好。重复性误差反映的是校准数据的离散程度，是随机误差计算：

漂移:
漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的变化，主要包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移则是周围温度变化所引起的。

稳定性:
稳定性指传感器在长时间使用时仍保持其性能的能力，一般以在室温条件下经过一段规定的时间后，输出与起始标定时的输出之间的差异表示。
静态误差（精度） :
精度是评价传感器静态性能的综合性指标，指传感器在满量程内任一点输出值相对其理想值的可能偏离（接近）程度，它表示该传感器在静态测量时所得数据的不精确度。
精度的测量方法很多，目前国内外尚不统一。
动态特性
动态特性是反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。 在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用频率响应和阶跃响应来表示。
传感器的频率响应特性
将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。由于相频特性和幅频特性之间有一定的内在关系，因此表示传感器的频响特性及频域性能指标时主要用幅频特性（图 3）。

传感器的阶跃响应特性
当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号 时，其输出信号称为阶跃响应（图 4， a 为一阶系统； b 为二阶系统）。

温度测量
温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。 测量温度的热电式传感器是最早开发，应用最广的一类传感器，这类传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度进行检测的。
热电偶
热电偶传感器（图 1）是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，具有结构简单，制作方便，测温范围宽等特点。

热电偶测温的基本原理是两种不同材质导体组成闭合回路,当两端存在不同温度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电势，这就是所谓的塞贝克效应。 热电偶直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与仪表连接，显示热电偶所产生的热电势（图 2）。

根据材质不同，热电偶分不同的型号，目前按 IEC 国际标准， 主要有 S、 B、 E、 K、 R、J、 T 七种标准。由于热电偶产生的电势较小，且非线性，通常使用热电偶测温度时需要进行放大和线性化。热电偶输出的电热是两结点温度差的函数，通常将热电偶一端作为被测温度端， T0 作为固定冷端（参考温度端），通常要求 T0 保持 0 度。但实际使用很难满足，所以产生了热电偶冷端补偿的问题，冷端补偿可采用补偿导线或补偿电桥等多种方法。

NI 公司的 SCC 和 SCXI 系列调理产品均有针对热电偶调理的模块。 NI SCC-TC 系列是可调理各类热电偶的单通道模块， 该产品支持±100mV 范围内的毫伏输入，带有一个 2Hz 的低通静噪滤波器，增益 100 的仪用放大器，用于冷端温度补偿的板载热敏电阻以及实现 M 系列DAQ 设备最高扫描速率的缓冲输出。 SCC-TC 系列模块的输入电路还包含高阻抗偏压电阻器，可用于热电偶开路的检测以及浮动热电偶和接地参考热电偶的处理。同样作为热电偶调理的NI SCXI-1102 和 SCXI-1112 每路输入通道也包括了一个仪器放大器和一个 2Hz 的低通滤波器。 采集卡可以用高达 333 kS/s（每通道 3us）的速度扫描它们的模拟输入通道，支持采集的信号范围包括电压以及 0 到 20mA 或 4 到 20mA 的电流。 SCXI 每个模块的所有通道都可以被 NI 数据采集卡的某一路通道采集， 并支持另加模块以增加通道数。

NI 也提供带有专门针对某类应用调理的数据采集卡， 即 C 系列产品。 NI 9211A 专门针对各类型的热电偶测量设计， 24 位分辨率保证了高精度，内置传感器则实现了冷端温度补偿。该模块还具有 250 Vrms 通道-地面接地隔离，实现了安全、抗干扰和高共模电压范围。NI 9211A 可加上一个 USB 9162 构成 USB-9211A 单独使用，也可以插在 cDAQ-9172 的 8 槽 USB底板上作为 cDAQ 系统中的一个模块使用。

cDAQ 模块虽然集采集调理为一体，但是通道数较少， NI 9211A 可以同时采集 4 路热电偶，单通道采样率为 12S/s。如果需要采集多通道或高速的热电偶信号，可选择 M 系列数据采集卡加上 SCC 或 SCXI 调理模块。
热电阻（ RTD）
热电阻是中低温采集时常用的一种温度传感器， 它的主要特点是测量精度高，性能稳定，灵敏度高。热电阻是基于金属导体或半导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的，其大都由纯金属材料制成，目前使用最多的是铂。热电阻需要电源激励， 且不能够瞬时测量温度的变化。工业用热电阻一般采用 Pt100， Pt1000， Cu50， Cu100 等多种型号。

热电阻的引线对测量结果会有较大的影响， 目前热电阻的引线主要有三种方式：二线制，三线制，四线制。二线制是在热电阻的两端各连一根导线来引出电阻信号， 这种引线方法很简单，但是测量精度不高。 在热电阻一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用。因为热电阻作为电桥上一个桥臂的电阻，其连接导线也是桥臂的一部分， 而这部分电阻是未知且随环境温度变化的， 会造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及相邻桥臂上，这样较好地消除了导线电阻带来的测量误差。热电阻两端各连接两根导线的方式称为四线制，
其中两根为热电阻提供激励电流，把电阻转换成电压信号，再通过另两根输出电压供采集，这种引线方式可完全消除引线电阻的影响，主要用于高精度的温度检测，但成本也最高。

NI SCC-RTD01 是针对热电偶调理的双通道模块，可连接 2、 3 或 4 线铂电阻 RTD（图 3）。NI SCC-RTD01 的每一通道都带有一个增益为 25 的放大器和一个 30Hz 低通滤波器， 每一模块上还提供用于 1 或 2 个 RTD 的 1mA 激励源。 NI SCXI-1102 模块与 NI SCXI-1581 电流激励模块一起使用， 可以提供 32 通道的高精度 RTD 或热敏电阻调理。 1102 带有一个 2 Hz 低通滤波器， 1581 则提供稳定的 100μA 电流源，从而确保测量精度。由于 SCXI 采用模块化设计，在应用需求改变时可以方便地扩展数据采集系统。

NI 9217 是具有 4 通道、 24 位分辨率的模拟输入模块，专门用作 100  Ω 的 RTD 测量。NI 9217 可配置两种不同的采样率模式， 高采样率模式下采样率可达 400 S/s（每通道 100S/s）； 高分辨率模式下，采样率为 5 S/s（每通道 1.25 S/s）， 并配有 50/60Hz 内置噪声抑制功能。 NI 9217 与 3 线和 4 线制 RTD 测量兼容，能自动探测与通道连接的 RTD 类型，并将每条通道配置成恰当的模式， 该模块提供每通道 1mA 的电流激励， 在整个操作温度范围内的精度误差小于 1 °C。 9217 还包含 NI ST 校准并具有通道-地面接地双重隔离屏障，实现了安全性、抗扰性和高共模电压范围。

热敏电阻
热敏电阻是对温度敏感的半导体（图 4），与 RTD 相似， 其阻抗随温度变化而变化。热敏电阻由玻璃或环氧珠封装的金属氧化物半导体材料制造而成。而且，热敏电阻的典型标称阻抗值要比 RTD 高得多，阻抗值从 2000Ω到 10,000Ω，故可用于较低电流的测量。热敏电阻具有较高的灵敏度（约 200Ω/°C），这使得它对于温度的变化非常灵敏， 具有极高的响应速率，但它的使用范围最高为 300 至 500 °C。 同样，热敏电阻也需要激励，接线方式也有二三四线制之分，但是由于热敏电阻的标称阻抗非常高， 所以连线阻抗不会影响其测量值的精度， 因此， 二线制测量精度对于热敏电阻已经足够， 所以这种接线方式在热敏电阻中最为常用。

NI SCXI-1102 模块与 NI SCXI-1581 电流激励模块一起使用，也可以提供 32 通道的热敏电阻调理。

对于cDAQ模块可选用 AI采集的NI 9215配合提供电流激励的NI 9265一起使用。NI 9215具有 4 路 16 位精度的同步电压采集通道，能实现灵活而低成本的信号连接。该模块还具有250Vrms 通道-地面接地隔离，实现了安全、抗干扰和高共模电压范围。 NI 9265 是在高速情况下，连接并控制受电流驱动的工业激励器的理想之选。该模块具有内置式开环检测。当检测到开环时，该模块会在软件中产生中断并产生 0mA 的上电输出，以确保安全，避免在系统上电时驱动激励器。NI 9265 需要 9 V 到 36 V 的外部电源。该模块包括通道-地面接地双重隔离屏障，具有良好的安全性和抗干扰性。

综上所述， 热电偶价格便宜，而且有很快的响应时间，但是它精度不高而且最不稳定，最不灵敏。热电偶仅仅是读取头和线之间的温度差异，而 RTD 和热敏电阻是读取绝对温度值。RTD 是可靠性的最佳选择，而且最为稳定，精度最高。但是它的响应时间太长而且因为它需要一个电流源，因此它有自热产生。热敏电阻输出很快而且相对便宜，但是它易碎而且温度范围有限。它同样需要一个电流源而且比 RTD 的自热现象更为严重，同时它是非线性的（表1）。

温度范围的选择上三者也有区别， 热敏电阻和热电阻是测量低温的温度传感器， 热敏电阻最低，在 500 度以下，热电阻在-200 到 600℃，而热电偶是测量中高温的温度传感器，一般测量温度在 400 到 1600℃，在选择时如果测量温度在 600℃就应该选择 K 型热电偶，如果测量温度在 1200 到 1600℃就应该选择 S 型或者 B 型热电偶。

应变测量
应变是施加于物体的作用力对物体造成形变的大小，它会随着作用力的增加而增长，对于一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要损坏， 这个限度称为该种材料的极限应力。

应变测量有多种方法，最常用的是采用应变片。由于受到应力，应变片发生形变（长度发生改变），从而导致其阻值也随之产生正比变化。最常见的应变片是金属应变片。金属应变片由极细的金属丝或薄片组成， 绕成栅状的形式使它们可以在平行的方向上最大程度地跟随应变发生变化（图 5）。栅格粘在被称为载体的薄衬底上，并直接与被测试件连接。因此，被测件产生的应变直接反映到应变片上，使得应变片电阻值产生线性变化。应变片的阻值在 30Ω到 3000Ω，最常见的阻值标准是 120Ω和 350Ω。

由于应变片的阻值变化是微弱的，测量应变几乎都采用带电压激励的电桥形式。惠斯通电桥由 4 条电阻桥臂及作用于整个电桥的激励电压 VEX 组成（图 6），

电桥输出电压 V0 表示为：

从此方程看出，当 R1/R2=R4/R3 时，电压输出 V0 为零。在这种条件下，称电桥处于平衡状态。此时任意桥臂上电阻值的变化都将使电桥电压输出不为零。

因此，如果把图中的 R4 替换为应变片，应变片电阻值的变化将使电桥处于非平衡状态，从而电压输出非零。如果应变片的理想电阻值为 RG，那么应变产生的电阻变化 DR 可以表示为 DR= RG*GF*e。设 R1=R2、 R3=RG，以上的电桥方程可重写为 VO/VEX 对应变的函数。注意1/(1+GF*e/2)项，表示 1/4 桥与应变相关的输出非线性变化。

理想状态下，我们希望应变片电阻仅在存在应变时才产生变化。然而， 其材料及被测试件材料还同时对温度的变化敏感。通过在电桥的另一个桥臂上放入第 2 个应变片， 这样可以使电桥的灵敏度提高一倍，并能够进一步抵消温度的影响，这是因为两块应变片受到温度的影响是相同的，这种桥路被称为半桥。

还可以通过将电桥 4 个桥臂都安装工作应变片来实现全桥配置，从而更进一步提高电路的灵敏度，适用于高精度场合。

NI 公司的 SCC 和 SCXI 系列调理产品均有针对应变电路调理的模块。 NI SCC-SG 系列包括五种双通道应变片输入模块，每一种都用于特定的应变片配置， 120Ω， 1/4 桥； 350Ω，1/4 桥； 半桥和全桥等。 调理模块还包括一个 2.5V 激励源， SG24 的激励源是 10V 的， 它们是测压元件和压力传感器输入的理想选择。 调理模块的每个通道均配有一个仪器放大器，一个 1.6kHz 低通滤波器和一个用于桥路零位调整的电位计。 NI 还提供 SCC-SG11 模块，该模块可执行可编程分路校准。 NI SCXI-1520 是 8 通道通用应变片输入模块，具有进行简单或高级应变测量所需要的所有功能。用户可借助这一模块，从应变传感器、力传感器、扭矩传感器和压力传感器上读取信号。 1520 包含在各类环境中均可自动校准的板载参考电压， 它的每路通道均配有可编程放大器， 4 阶可编程 Butterworth 滤波器以及独立的 0V 到 10V 的可编程激励源。此外， SCXI-1520 系统在模块内部提供了组成半桥电路的电阻网络，并在SCXI-1314 接线盒上提供了一个 350Ω的插座式电阻用于组成 1/4 桥， 120Ω的 1/4 桥电阻也随附于接线盒。

cDAQ 模块中， NI 9237 具有四路模拟输入通道，其为应变片、压力传感器、测压元件和其他基于电桥测量的传感器而设计。 9237 由总线供电，可以为传感器提供高达 10 V 的内置激励，所以电桥不需要外部激励。 9237 每通道可同步达到 50K 的采样率，且带有通道-接地隔离。

编码器测量
编码器是一种机电装置，可以用来测量机械运动或者目标位置（图 7）。大多数编码器都使用光学传感器来提供脉冲序列形式的电信号，这些信号可以依次转换成运动、方向或位置信息。

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。 而绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

在增量式中编码器获得物体的相对位置。 旋转编码器可以测量物体运动的角位移，它由一个发光二极管（ LED）、一个码盘，以及码盘背面的一个光传感器。这个码盘安置在旋转轴上，上面按一定编码形式排列着不透光和透光的扇形区域。当码盘转动时，不透光扇区能够遮挡光线，而透光扇区则允许光线透过。这样就产生了方波脉冲，可以编译成相应的位置或运动信息。编码器每转通常分为 100 到 6000 个扇区， 100 个扇区的编码器可以提供 3.6 度的精度，而 6000 个扇区的编码器则可以提供 0.06 度的精度。仅有一路脉冲输出的编码器不能确定旋转的角度，如果使用两路脉冲，其间的相位差为90 度，那么通过该正交编码器的两路输出通道就可以确定位置和旋转的方向两个信息。例如，如果通道 A 相位超前，码盘就以顺时针旋转。如果通道 B 相位超前，那么码盘就是以逆时针旋转（图 8）。因此，通过监控脉冲的数目和信号 A、 B 之间的相对相位信息，就可以同时获得旋转的位置和方向信息。除此之外，有些正交编码器还包含被称为零信号或者参考信号的第三个输出通道 Z 相。这个通道每旋转一圈输出一个单脉冲， 可以通过它来精确计算某个参考位置，这种编码器被称为三相编码器。

线性编码器与旋转编码器的工作原理类似。它采用了一条固定的不透光带取代了旋转码盘，在不透光带表面上有一些透光缝隙，而 LED 探测器组件则被附在运动体上，这样可以测量物体的线位移。

绝对式编码器能够获得目标的绝对位置。绝对式编码器的不同之处在于编码器的码盘上，采用了多组分区形成同心码道，如同靶环一样。同心码道从编码器码盘的中心出发，向外扩展直到码盘外部，每一层码道都比其内层多了一倍的分区。第一层，即最内层的码道，只有一个透光扇区和一个不透光扇区；位于中心的第二层就具有两个透光扇区和两个不透光扇区。如果编码器有 10 层码道，那么最外围的码道就有 512 个扇区。因为绝对式编码器的每层码道都比它里面一层的码道多了一倍数目的扇区， 所以扇区的数目就形成了二进制计数系统。在这种编码器中，码盘上的每个码道都对应一个光源和一个接收器。绝对式编码器的优势在于可以降低编码器的转速，可以使编码器的码盘在整个机器运动周期中只转一圈。如果机器运动距离为 10 英寸，而编码器具有 16 位精度，那么机器位置的精度就是 10/65,536，即 0. 英寸。如果机器的行程更长譬如 6 英尺，那么粗旋转编码器可以保证跟踪每一英尺距离；第二级称为细旋转编码器可以跟踪 1 英尺以内的距离。

编码器是对信号边沿计数，由边沿数值转换为位置信息的过程取决于所采用的编码类型。 通常分为三种基本的编码类型： X1、 X2 和 X4。 X1 编码方式时， 当通道 A 引导通道 B 时，增量发生在通道 A 的上升沿。当通道 B 引导通道 A 时，减量发生在通道 A 的下降沿（图 9）：

X2 编码方式时， 计数器 A 通道的每个边沿计数是增加还是减少，取决于由哪个通道引导哪个通道。计数器的数值每个周期都会增加 2 个或减少 2 个（图 10）：

X4 编码方式时， 计数器同样也在通道 A 和 B 的每个沿上发生增加或者减少。计数器的数目是增加还是减少，取决于哪个通道引导哪个通道。计数器的数目每个周期都会增加 4 个或减少 4 个（图 11）：

对于角度编码器，有
对于位移编码器，有

NI M 系列数据采集卡所带有的 Counter 可以满足 ABZ 三相编码器的测量，这三路脉冲信号需要直接连接到 Counter 的 Source， Gate 和 Aux 上，经过设置编码器类型，编码方式等信息，可以直接换算成需要的旋转角度或位移值。
声音和振动测量
振动是有质量的物体发生在平衡点附近的机械振荡运动， 振动会产生压力波，压力波在空气中传播便产生了声音。声音与振动在本质上是通过不同的介质传播的。 但在理论层面上，两者之间是相互联系的，所以测量声音与振动在从本质来看也是相似的。

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 许多测量加速度和压力的传感器都是基于压电原理的（图 12）。

IEPE 是压电式传感器的一个特殊类别，设计中它在压电晶体后安装了一个放大器（图13）。由于压电式传感器产生的电压很小，所产生的电子信号容易受到噪音影响，所以必须使用灵敏电子器件来放大和制约信号，降低输出阻抗。因此 IEPE 将灵敏电子器件安装得离传感器越近越好，以减少噪声干扰，确保了组装的便捷。常规 IEPE 传感器使用外部直流电源来提供激励，根据压电晶体接收到的不同电量来调整输出电压。 IEPE 在传感器激励（电流）和信号（电压）输出时只用一到两根线。

声音与振动的测试容易受到噪音的影响，需要对信号进行适当的调理。 传感器获取的信号包括直流和交流两个部分，直流部分可将交流部分偏移零点。交流耦合可以通过连接信号的电容器，消除系统中的直流偏移。交流耦合传感器系统可消除由老化和温度效应引起的传感器长期直流漂移，从而显著地提高了分辨率，扩大了系统的可用动态范围。在精密测量过程中，系统的采样率必须至少是被采集信号频率的两倍。为了确保频率范围采样正确，在ADC 前安装低通滤波器， 这样就能够确保您减小高频率噪音的影响，也可以保证高于采样率频率二分之一的混叠信号成分不会影响到测量结果。

图（12）压电原理

由于声音和振动这类信号属于动态信号， 其幅值频率甚至方向都随时间不断变化，仅使用普通数采卡很难对其较好地采集，需要再附加上调理模块。 NI SCC-ACC01 是一款单通道信号调理模块， 专用于 IEPE 传感器或麦克风。 该模块包括一个交流差动放大器，一个 3阶 Besse 低通滤波器(19 kHz)以及用于传感器激励的 4mA 恒定电流源。 NI SCXI-1530/1531同样也是用于 IEPE 传感器和麦克风的信号调理模块。 其每一输入通道均包括可编程交流仪器放大器， 4 阶 Bessel 低通滤波器和激励电流源。 NI SCXI-1530/1531 具有同步采样能力，可以保持通道间的相位关系， 该模块可以将信号在 DAQ 设备的一路通道中复用，也可另加模块以增加通道数， 通过随机扫描，可以只选择想要采集数据的通道，且具有可提高扫描速率的并行操作模式以及可简化信号连接的 BNC 连接器。

NI 同样也提供专门的动态信号采集卡(DSA 设备)对声音和振动信号进行采集。在 cDAQ模块中， NI 9233/9234 用于动态信号的采集，其作为 4 通道 C 系列动态信号采集模块，能针对集成电路压电式(IEPE)与非集成电路压电式(IEPE)传感器，进行高精度音频测量。 其中NI 9234 具有 102dB 动态范围，能对加速度传感器和麦克风进行软件可选式交流/直流耦合与集成电路压电式(IEPE)信号调理。 4 条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器，同时以每通道高达 51.2kHz 的速率对信号进行数字化（图 14）。

此外， NI 445x 和 446x 的 DSA 采集卡也是专门针对动态信号设计的。

传感器 信号转换：传感器电平信号转换为数字信号

一．简介
DHT11作为一款低价、入门级的温湿度传感器，常用于我们的单片机设计实例中;它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
DHT11为 4 针单排引脚封装，如下图，采用单线制串行接口，只需加适当的上拉电阻，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

二．传感器参数
1.DHT11电气参数如下：
型号 测量范围 测湿精度 测温精度 分辨率 封装

2.引脚定义

3.典型电路
DHT11的供电电压为 3－5.5V，电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。DATA引脚并联一个5K以上的上拉电阻，增强信号的抗干扰额能力。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。

三．传感器控制时序
1.数据格式
DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零，操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式：

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和

8位校验和：

“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”相加所得结果的末8位。

2.控制时序
要实现对DHT11传感器的控制和数据的读取，需先学会分析DHT11的控制时序。时序主要分为三部分：1：触发DHT11采集数数据；2：读取数字0；3：读取数字1；。
（1）触发DHT11采集数据
总线空闲状态为高电平,单片机把总线拉低等待DHT11响应,单片机把总线拉低必须大于18ms,保证DHT11能检测到起始信号。
当DHT11接收到单片机的开始信号后,等待单片机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号。
单片机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,切换为输入状态，等待DHT11的80us低电平信号结束，然后判断DHT11是否是否发出 80us 的高电平；如果是，即可开始采集数据。

(2)数字0信号时序
当DHT11输出数字0时， 单片机读取到的信号为50 us的低电平，之后为26-28 us的高电平。

(3)数字1信号时序
当DHT11输出数字0时， 单片机读取到的信号为50 us的低电平，之后为70 us的高电平。

由此可知DHT11输出数字0和数字1的区别在于高电平的时间，由此单片机可在读取到高电平后，延时30us后，识别此时总线的电平，高电平为数字1，低电平为数字0；

(4)总时序图
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。
从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集。当一次完整的采集数据后，DHT11会转换到低速模式。

四．控制程序
1.单字节采集

2.完整一次数据采集

3.获取DHT11数据

如需DHT11相关资料， 请关注公众号，首页回复“DHT11”获取资料

传感器 信号转换：光电传感器

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光电传感器
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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。光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。分析了光电器件的性能、特性曲线。
[1]
中文名
光电传感器
外文名
photoelectric sensor/micro sensor
学    科
物理
组    成
光源、光学通路和光电元件
目    的
被测量的变化转换成光信号的变化
原    理
光电效应
目录
1
传感器概述
2
原理
3
分类
?
安全类型
?
特长
?
应用
?
特性
?
市场领域
?
新技术和应用
4
发展方向
光电传感器传感器概述
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语音
光电传感器一般由处理通路和处理元件2 部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将非电信号转换成电信号。光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常把光电效应分为3 类：（1 ）在光线作用下能使电子溢出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等；（2 ）在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等；（3 ）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。
[2]
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。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（可见及紫外镭射光）转变成为电信号的器件。
光电传感器
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电物理量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。
光电传感器原理
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光电传感器
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式，漫反射式，遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。
光电传感器
光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参与导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，发射极电流Ie=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。工作原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
[3]
分类和工作方式⑴槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。⑵对射型光电传感器，若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大，一个发光器和一个收光器组成对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。对射式光电开关的检测距离可达几米乃至几十米。使用对射式光电开关时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。⑶反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用，称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光源被反光板反射回来再被收光器收到;一旦被检测物挡住光路，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。⑷扩散反射型光电开关扩散反射型光电开关的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但扩散反射型光电开关前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。在检测时，当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。没有信号输出的原因首先要考虑的是接线或配置的问题。对于对射型光电传感器必须由投光部和受光部组合使用，两端都需要供电；而回归反射型必须由传感器探头和回归反射板组合使用；同时，用户必须给传感器提供稳定电源，如果是直流供电，必须确认正负极，如若正负极连接错误则会导致输出信号没有。上述的原因分析是对光电传感器本身的考虑，我们还需要考虑的是检测物体的位置问题，如果检测物体不在检测区域，这样的检测是徒劳的。检测物体必须在传感器可以检测的区域内，也就是光电可以感知的范围内。其次，要考虑传感器光轴有没有对准问题，对射型的投光部和受光部光轴必须对准，对应的回归反射型的探头部分和反光板光轴必须对准。同样还要考虑的是检测物体是否符合标准检测物体或者最小检测物体的标准，检测物体不能小于最小检测物体的标准，从而避免导致对射型、反射型不能很好检测透明物体，像反射型对检测物体的颜色有要求，颜色越深，检测距离就越近。如果以上情况都可以很明确地做出排除后，我们需要做的事就是检测环境的干扰因素。如光照强度不能超出额定范围；如果现场环境有粉尘，就需要我们定期清理光电传感器探头表面；或者是多个传感器紧密安装，互相产生干扰；还有一种影响比较大的是电气干扰，如果周围有大功率设备，产生干扰时必须要有相应的抗干扰措施。如果做过上述的逐一排查，这些因素都可以明确地排除还是没有信号输出的话，建议退回厂家检测判断。
[3]
结构分析光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。角反射板是结构牢固的发射装置，它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，仍从这根反射线返回。
[3]
类型⑴槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。⑵对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。⑶反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到;一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。⑷扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到信号，输出一个开关信号。
[3]
光电传感器分类
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语音
标准类型
光电传感器
1）漫反射型：一般型或能量型 (-8)，聚焦式 (-8-H)，带背景抑制功能型 (-8-H)，带背景分析功能型 (-8-HW)2）反射板型：一般型 (-6)，带偏振滤波功能型 (-54, -55)，带透明体检测功能型 (-54-G)，带前景抑制功能型 (-54-V)3）对射型4）槽型5）光纤传感器：塑料光纤型，玻璃光纤型6）色标传感器，颜色传感器，荧光传感器7）光通讯8）激光测距：三角反射原理型，相位差原理型，时间差原理型9）光栅10）防爆/隔爆型
[3]
光电传感器安全类型
1）安全对射光电2）安全光栅3）安全光幕4）安全控制器门控类型
雷达传感器
1）雷达传感器：区域检测型2）主动式传感器：单光束型，多光束型，区域检测型3）被动式传感器：区域检测型4）电梯光幕5）通用光电：槽形，对射型等
[3]
光电传感器特长
①检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等） 无法远距离检测。②对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。③响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。④分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。⑤可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。⑥可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。⑦便于调整在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。
[3]
光电传感器应用
用光电元件作敏感元件的光电传感器，其种类繁多，用途广泛。按光电传感器的输出量性质可分为两类：（1 ）把被测量转换成连续变化的光电流而制成的光电测量仪器，可用来测量光的强度以及物体的温度、透光能力、位移及表面状态等物理量。例如：测量光强的照度计，光电高温计，光电比色计和浊度计，预防火灾的光电报警器，构成检查被加工零件的直径、长度、椭圆度及表面粗糙度等自动检测装置和仪器，其敏感元件均用光电元件。半导体光电元件不仅在民用工业领域中得到广泛的应用，在军事上更有它重要的地位。例如用硫化铅光敏电阻可做成红外夜视仪、红外线照相仪及红外线导航系统等；（2 ）把被测量转换成继续变化的光电流。利用光电元件在受光照或无光照射时" 有" 或"无"电信号输出的特性制成的各种光电自动装置。光电元件用作开关式光电转换元件。例如电子计算机的光电输入器，开关式温度调节装置及转速测量数字式光电测速仪等。
[2]
一、烟尘浊度监测仪防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。二、条形码扫描笔当扫描笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管的光线将被黑线吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗，处于截止状态。当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管的基极，光敏三极管产生光电流而导通。整个条形码被扫描过之后，光敏三极管将条形码变形一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成脉冲列，再经计算机处理，完成对条形码信息的识别。三、产品计数器产品在传送带上运行时，不断地遮挡光源到光电传感器的光路，使光电脉冲电路产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次，光电传感器电路便产生一个脉冲信号，因此，输出的脉冲数即代表产品的数目，该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来。四、光电式烟雾报警器没有烟雾时，发光二极管发出的光线直线传播，光电三极管没有接收信号。没有输出，有烟雾时，发光二极管发出的光线被烟雾颗粒折射，使三极管接受到光线，有信号输出，发出报警。五、测量转速在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色，转动时，反射光与不反射光交替出现，光电传感器相应地间断接收光的反射信号，并输出间断的电信号，再经放大器及整形电路放大整形输出方波信号，最后由电子数字显示器输出电机的转速。六、光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。应用案例光电传感器应用于激光武器由于光电传感器对红外辐射，或可见光，或对二者都特别灵敏，因而就更加容易成为激光攻击的目标。此外，电子系统及传感器本身还极易受到激光产生的热噪声和电磁噪声的干扰而无法正常工作。战场上的激光武器攻击光电传感器的方式主要有以下几种：用适当能量的激光束将传感器“致盲”，使其无法探测或继续跟踪已经探测到的目标。或者，如果传感器正在导引武器飞向目标，则致盲将使其失去目标。综上所述，由于传感器在战场上发挥的作用越来越重要，同时又很容易遭受激光攻击，它们已成为低能激光武器的首选目标。光电传感器应用于自动抄表系统随着微电子技术、传感器技术、计算机技术及现代通讯技术的发展，可以利用光电传感器来研制自动抄表系统。电能表的铝盘受电涡流和磁场的作用下产生的转矩驱动而旋转。采用光电传感器则可将铝盘的转数转换成脉冲数。如：在旋转的光亮的铝盘上局部涂黑，再配以反射式光电发射接收对管，则当铝盘旋转时，在局部涂黑处便产生脉冲，并可将铝盘的转数采样转换为相应的脉冲数，并经光电耦合隔离电路，送至CPU的T0端口进行计数处理。采用光电耦合隔离器可有效地防止干扰信号进入微机。再结合其它传输方式便可以形成自动抄表系统。光电传感器应用于监控烟尘污染光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化，通过把光强度的变化转换成电信号的变化实现控制功能。由于光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用，而我们可以利用光电传感器的特性来检测烟尘的情况，因而光电传感器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。卫生级防冲洗型光电传感器防冲洗型传感器，能够提供极高的可靠性和舒适性，并将运行成本降至最低。配合IO-link接口以及能够大幅延长使用寿命的proTect+密封理念，这两款新型传感器适用于苛刻的应用环境，堪称食品和饮料行业的理想解决方案。
[4]
光电传感器特性
1）暂态响应范围宽，谐波测量能力强暂态特性的优劣是判断一种互感器能否在电力系统中获得应用的一个重要参数，特别是与继电保护动作时间的配合。传统电磁式互感器由于存在铁芯，对高频信号的响应特性较差，不能正确反映一次侧的暂态过程。而光电互感器传测量的频率范围主要由电子线路部分决定，没有铁芯饱和的问题，因此能够准确反映一次侧的暂态过程。一般可设计到0.1 Hz到1 MHz，特殊的可设计到200 MHz的带通。光电传感器的结构可以测量高压电力线路上的谐波。而电磁感应互感器是难以达到的。2）数字接口，通信能力强由于光电传感器下传的就是光数字信号，与通信网络容易接口，且传输过程中没有测量误差。同时随着微机化的保护控制设备的广泛采用，光电互感器可以直接向二次设备提供数字量，这样就能省去原来保护装置中的变换器和A/D采样部分，使二次设备得到大大的简化，推动保护新原理的研究。3）体积小，重量轻、易升级，满足变电站小型化与紧凑型的要求，由于光电传感器是靠传感头和电子线路进行信号的获取和处理，体积小，重量一般在 1000 kg以下，便于集成在AIS或GIS中，这样将大大减少变电站的占地面积，满足变电站小型化和紧凑化的要求。同时光电互感器通过少量光缆与二次设备连接，可使电缆沟和电缆大为减。
[4]
光电传感器市场领域
光电传感器的主要应用领域：车载娱乐/导航/DVD系统背光控制，以便在所有的环境光条件下都可以显示出理想的背光亮度；后座娱乐用显示器背光控制；仪表组背光控制(速度计/转速计)；自动后视镜亮度控制(通常要求两个传感器，一个是前向的，一个是后向的)；自动前大灯和雨水感应控制(专用，根据需求进行变化)；后视相机控制(专用，根据需求进行变化)。在提供更舒适的显示质量方面已经成为最有效的解决方案之一，它具有与人眼相似的特性，这对于汽车应用而言至关重要，因为这些应用要求在所有环境光条件下都能达到完全的背光效果。例如，在白天，用户需要最大的亮度来实现最佳的可见度，但是这种亮度在对于夜间条件而言则是过亮的，因此带有良好光谱响应 (良好的IR衰减)的光传感器、适当的动态范围和整体的良好输出信号调节可以很容易地自动完成这些应用。终端用户可以设置几个阈值水平(如低、中、亮光)，或能够随意地动态地改变传感器的背光亮度。这也适用于汽车后视镜亮度控制，当镜子变暗和/或变亮时需要智能的亮度管理，可以通过环境光传感器来完成。对于便携式应用，如果用户不改变系统设置(通常是亮度控制)，那么一个显示器总是消耗同样多的能量。在室外等特别亮的区域，用户倾向于提高显示器的亮度，这就会增加系统的功耗。而当条件变化时，如进入建筑物，大多数用户都不会去改变设置，因此系统功耗仍然保持很高。但是，通过使用一个光传感器，系统能够自动检测条件变化并调节设置，以保证显示器处于最佳的亮度，进而降低总功耗。在一般的消费类应用中，这也能够延长电池寿命。对于移动电话、笔计本电脑、PAD和数码相机，通过采用环境光传感器反馈，可以自动进行亮度控制，从而延长了电池寿命。并不是一个新的构想。在数十年前就已经利用光电二极管和光敏电阻来实现这一构想。所谓新构想，是指对环境光感应的同时还能消减无用的红外线和紫外线光，而且在支持汽车规格AECQ-1000严格要求的同时还可以实现小封装，尤其是能够保证在-40度至+105度(2级)温度范围内的操作，以满足其余的规格要求。如何保持工作质量标准并满足AECQ-1000的2级工作要求，这是当今在所有光设计解决方案中所面临的挑战。采用一个光传感器或LED发射器或接收器时，任何的光学解决方案都会面临着暴露在恒定高温下(>+85度)而出现的封装变色问题(会变暗或变成淡黄)。同样值得一提的是，到目前为止，所有环境光传感器的应用都限于车舱内，在发动机舱或户外环境中还没有出现光传感器应用。事实上，即使出现了这样的应用，光封装也不是针对这样的苛刻条件(+125或+150度的条件)而设计，因此，在当前的光学封装技术下，它们很可能还不能够承受这样的条件。半导体相似传感器和封装开发的最新进展使得终端用户在光传感器上具有了更广泛的选择。小封装、低功耗、高集成和简单易用性是设计者更多地采用光传感器的原因，其应用范围涉及消费类电子、工业应用以及汽车领域。
[4]
光电传感器新技术和应用
1、用于目标跟踪和坐标定位256光电管阵列四象限CMOS光电传感器将传统的象限传感器与当前迅速发展的CMOS图象传感器相结合，提出了使用有源传感阵列感光的256单元光电管阵列四象限CMOS光电传感器。该传感器的感光单元采用了CMOS图象传感器中使用的有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)设计，在感光单元内部由光电信号预处理电路直接将传感产生的光电信号转化为幅度较大的电信号输出，避免了对微弱信号的处理，降低了噪声的影响。传感器应用阵列采集光信号，可以直接确定目标光源的坐标位置并实现一步到位的快速调整。传感器使用标准CMOS工艺制造，将传感阵列与信号处理电路集成在同一芯片上，可以实现传感器的SOC集成和智能化(Smart Sensor)设计。广泛应用于激光的瞄准、制导、跟踪，搜索装置，精密测量，如激光微定位、位移监控、精密机床的光电控制等领域。是一种用于目标跟踪和坐标定位的新型集成阵列四象限CMOS光电传感器。2、光敏象限阵列与磁敏线阵列兼容CMOS数模混合传感器集成电路基于硅光电传感的象限传感器广泛应用于激光的跟踪制导、位移监控、精密机床等控制等领域。基于硅的半导体磁敏传感器广泛应用于测量磁场强度的各种磁场计、读出磁介质上信息的各类磁头以及非磁信号的探测器等。3、应用光电二极管阵列的SPR生物传感器微弱信号检测以提升表面等离子共振生物医学传感器的检测能力为目标，用高性能光电二极管阵列为光电转换器件，论证并实现一种可高效抑制噪声的检测方法，利用光电二极管阵列器件可输出参考噪声信号的特性，通过相干消噪结合小波软阈值消噪，使SPR传感器输出信噪比从40dB左右提高到52dB以上。用SPR传感器检测人体免疫球蛋白(IgG)分子特异性结合的实验表明，该方法显著提高了SPR传感器的分辨率，使之可精确检测样液中IgG含量10~(-3)mg/mL量级的微弱变化，精度和分辨率提升一个数量级以上。4、光电检测传感器阵列在运动物体检测中的应用一个基于覆盖理论和卡尔曼滤波算法的光电检测传感器阵列，该阵列具有采集和处理阵列覆盖区域中所感知对象信息的功能，即检测和描述感知对象的存在、运动及其运动轨迹等情况。国内外光电传感器的研究现状由于光电传感器的应用涉及的领域非常广泛，其研究和开发在世界上引起了高度重视，各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。从最初的应用于军事逐渐发展到民事，而且与我们的生活息息相关，应该说现代化的生活离不开光电传感器的参与，如传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等等不胜枚举。美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一，在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括：水下探测、航空监测、核辐射检测等。美国也是最早将光电传感器用于民用领域的国家。如运用光电传感器监测电力系统的电流、温度等重要参数，检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国拥有世界最健全的光电传感器产品线，超过种产品包括自含式或放大器分离型，限位开关外型或小型传感器，精密检测或长距离检测传感器，检测距离长达305m。并且拥有行业内最齐全的标准光纤和定制光纤产品。大部分产品防护等级达到NEMA6P和IP67。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电传感器的研究与开发。20世纪90年代，研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器，日本的电器以价格适中质量好而响誉全球。西欧各国的大型企业和也积极参与了光电传感器的研发和市场竞争。我国对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远。已有上百个单位在这一领域开展工作，主要是在光电温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，有的达到世界先进水平。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验研制阶段，还无法投入批量生产和工程化应用。
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光电传感器发展方向
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生产的发展方向（1）使光电传感器从理论研究向生产一条龙的产业化模式快速发展，走自主创新和国际合作相结合的跨越式发展道路，使我国成为世界传感器的生产大国；（2）光电传感器产品结构全面、协调、持续发展。产品品种要向高技术、高附加值倾斜，尤其要填补“空白”品种；（3）生产格局向专业化发展。即生产传感器门类少而精，且专门生产某一应用领域需要的某一类传感器系列产品，以获得较高的市场占有率，各传感器企业的专业化合作生产；（4）光电传感器大生产技术向自动化发展。光电传感器的门类、品种繁多，所用的敏感材料各异，决定了传感器制造技术的多样性和复杂性。纵观当前光电传感器工艺线的概况，多数工艺已实现单机自动化，但距离生产过程全自动化尚存在诸多困难，有待今后广泛采用CAD、CAM及先进的自动化装备和工业机器人予以突破；（5）企业的重点技术改造应加强从依赖引进技术向引进技术的消化吸收与自主创新的方向转移；（6）企业经营要加快从国内市场为主向国内与国外两个市场相结合的国际化方向跨越发展；（7）企业结构将向“大、中、小并举”、“集团化、专业化生产共存”的格局发展。
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研究的发展方向光电传感及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，同时光电传感器的重要性不断提高。目前，光电传感器研究的主要方向是：（1）多用途。即一种光电传感器不仅能针对一种物理量，而且能够对多种物理量进行同时测量；（2）新型传感材料、传感技术等的开发；（3）在恶劣条件下（高温、高压等）低成本传感器（连接、安装等）的开发和应用；（4）光电传感器与其它微技术结合的微光学技术的发展。
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前景预测传感器市场报告显示，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
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光电传感器的智能化发展智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点、尚无统一的、确切的定义。目前国内外学者普遍认为，智能光电传感器是由传统的光电传感器和微处理器( 或微计算机) 相结合而构成的，它充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳。智能光电传感器的功能有: 自补偿能力，自校准功能，自诊断功能，数值处理功能，双向通信功能，信息存储和记忆功能，数字量输出功能。随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强，它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等)，使传感器具有更高级的智能具有分析、判断、自适应、自学习的功能、可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。
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参考资料
1.

祝诗平．传感器与检测技术：北京大学出版社，中国林业出版社，2006年：236
2.

颜晓河，董玲娇，苏绍兴 ．光电传感器的发展及其应用 ：电子工业专用设备 ，2006
3.

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4.

谢望. 光电传感器技术的新发展及应用[J]. 仪器仪表用户,2005,(05):1-2.