檢測(cè)與傳感器技術(shù)2015考試真題 模擬(共19頁(yè))

1、傳感器的定義(dngy)：傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律換成與之對(duì)應(yīng)(duyng)的有用輸出信號(hào)的元器件或裝置。2從功能(gngnng)出發(fā)：所謂傳感器是指那些能夠取代甚至超出人的“五官”，具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)等功能的元器件或裝置3傳感器的組成：（1）敏感元件：是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件，（2）轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量（3）基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。4傳感器的分類(lèi)：（1）按傳感器的工作機(jī)理，可分為結(jié)構(gòu)型

2、、物性型與復(fù)合型。 （2）按被測(cè)量分類(lèi)：分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器、生物量傳感器等（3）按敏感材料分類(lèi)：半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器、高分子材料傳感器、金屬傳感器等（4）按能量的關(guān)系分類(lèi)：根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為有源傳感器和能無(wú)緣傳感器第五節(jié)靜態(tài)模型：在靜態(tài)小號(hào)情況下，描述傳感器輸出與輸入量之間的一種函數(shù)關(guān)系。動(dòng)態(tài)模型：在準(zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)或動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，描述其輸出與輸入信號(hào)之間的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性是對(duì)輸入激勵(lì)的輸出響應(yīng)問(wèn)題 頻率響應(yīng) 幅頻特性 相頻特性 傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程

3、表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn傳感器靜態(tài)特性：1、線性度：傳感器的輸入量與輸出量之間的實(shí)際關(guān)系曲線（校準(zhǔn)曲線）偏離直線（擬合直線）的程度。線性度又稱為非線性誤差。 Ef=(max/YFS)100%2靈敏度與靈敏度誤差：傳感器在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出的變化量 y與引起該變化量的輸入變化量 x之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達(dá)式為：K=y/x3重復(fù)性：重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐?tngy)方向連續(xù)全程多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差(pinch)表示，即 Ex=max/YFS)100%4遲滯(chzh): 傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減小）行

4、程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。5分辨率與閾值：分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量。6穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谙喈?dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持其性能的能力。即在室溫下，長(zhǎng)時(shí)間工作輸出量發(fā)生的變化。7溫度穩(wěn)定性：溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟认螺敵隽堪l(fā)生的變化。二、動(dòng)態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型是指?jìng)鞲衅髟跍?zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)或動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，輸出和輸入信號(hào)之間的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。有三類(lèi)：微分方程（求解y(t)），代數(shù)方程（傳遞函數(shù)），頻率響應(yīng)函數(shù)第二章 電阻式傳感器：電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、測(cè)加速度、測(cè)扭矩、測(cè)溫度等測(cè)試系統(tǒng)。電位器式電阻傳感器一、線繞式電位器傳感器：1、工作原

5、理：（1）空載時(shí) RL 對(duì)應(yīng)電阻的變化即其中 為線繞電位器的電阻靈敏度。它表示電刷單位位移所能引起的輸出電阻的變化量其中 為線繞電位器的電壓靈敏度。它表示電刷單位位移所能引起的輸出電壓的變化量。SR、SV均為常數(shù)。（2）有載時(shí)RL 且RL0，2、線繞式電位器傳感器輸出特性（1）階梯特性電刷每移動(dòng)一匝線圈輸出電壓產(chǎn)生一次跳動(dòng)，其階躍值為：當(dāng)電刷叢m-1匝移動(dòng)到匝m時(shí)，電刷瞬間使兩相鄰匝線短路，在每一個(gè)電壓階躍中產(chǎn)生一次小階躍（2）電壓分辨率：線繞式電位器的電壓分辨率是指在電刷行程內(nèi)電位器輸出電壓階梯的最大值與最大輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)（3）階梯誤差：階梯特性曲線圍繞理論特型直線上下波動(dòng)，從而產(chǎn)生偏

6、差，這種偏差成為階梯誤差第二節(jié) 應(yīng)變(yngbin)式電阻傳感器電阻(dinz)應(yīng)變片：是利用電阻應(yīng)變(yngbin)效應(yīng)原理制成的、應(yīng)用最為廣泛的電阻式傳感器，主要用于機(jī)械量的檢測(cè)中，如力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等物理量的檢測(cè)。應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲（或半導(dǎo)體）在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬（或半導(dǎo)體）的電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬絲式應(yīng)變片性能中最重要一項(xiàng)技術(shù)，指標(biāo)為靈敏系數(shù)，單位應(yīng)變所能引起的電阻相對(duì)變化。金屬電阻應(yīng)變片分為：金屬絲繞式應(yīng)變片和金屬箔式應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片有以下幾種類(lèi)型： （1）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2）薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 3）擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片

7、：是用半導(dǎo)體材料，采用與絲式應(yīng)變片相同方法制成的應(yīng)變片，其工作原理：是基于半導(dǎo)體材料的壓阻式效應(yīng)。壓阻效應(yīng)：是指材料的某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅度大，可直接與記錄儀連接。 缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大，非線性嚴(yán)重直流電橋優(yōu)點(diǎn)：電源穩(wěn)定、電路簡(jiǎn)單，仍是主要測(cè)量電路；缺點(diǎn)：直流放大器比較復(fù)雜，存在零漂、工頻干擾。由一片半導(dǎo)體應(yīng)變片組成的電橋測(cè)量電路，其非線性誤差較大，對(duì)其作特殊處理：（1）提高橋臂比 2）采用差動(dòng)電橋 3）采用高內(nèi)阻的恒流電橋 采用高內(nèi)阻的恒流電橋 好處：供橋電壓越高，電橋電壓靈敏度越高 壞處：供橋電壓的提高，受到應(yīng)

8、變片允許功耗的限制。三、電阻應(yīng)變(yngbin)片的測(cè)量電路應(yīng)變片將應(yīng)變的變化(binhu)轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化R/R，還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，才能(cinng)用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。通常采用電橋電路實(shí)現(xiàn)微小阻值變化的轉(zhuǎn)換。（一）直流電橋 1、平衡條件電橋平衡,IL=0,UO=0,則 R1R4=R2R3 或 R1/R2=R3/R4 2、電橋電壓靈敏度二）交流電橋的調(diào)平方法 a)串聯(lián)電阻調(diào)平 b)并聯(lián)電阻調(diào)平 c)差動(dòng)電容調(diào)平 d)阻容調(diào)平方法4、應(yīng)變(yngbin)傳感器在衡器中的應(yīng)用 1、稱重(chn zhn)傳感器 2、調(diào)零電橋(din qio) 3、測(cè)量?jī)x表電橋2（補(bǔ)償電橋

9、）串接在應(yīng)變片傳感器的輸出和測(cè)量?jī)x表之間，通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電橋中的電位器W，改變其輸出電壓U02，用U02來(lái)抵消傳感器的零點(diǎn)偏移輸出電壓U01，因此調(diào)節(jié)W可使傳感器在空載時(shí)輸出電壓Uo為零。5、應(yīng)變式加速度傳感器 由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應(yīng)變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。 測(cè)量時(shí)，根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體加速度的方向，把傳感器固定在被測(cè)部位。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向時(shí)，懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用，質(zhì)量塊向箭頭a相反的方向相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng)，使梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變片電阻也發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度成正比。 第三章 電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍

10、大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。由于材料(cilio)、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。應(yīng)用(yngyng)：壓力(yl)、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。一、 工作原理 用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容C為 A極板相對(duì)覆蓋面積；d極板間距離；r相對(duì)介電常數(shù)；0 真空介電常數(shù)， 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 d、A和r中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容C0，d或A的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以

11、間接反映壓力、加速度等的變化；r的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。 變極距型電容式傳感器原理：改變平行板間距來(lái)進(jìn)行測(cè)量，常設(shè)計(jì)成d在極小范圍內(nèi)變化；變極板面積型電容式傳感器：變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)電容式角位移傳感器原理：當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板的遮蓋面積改變，從而改變了兩極板間的電容量 圓柱形電容式傳感器原理：初始位置，動(dòng)、定極板相互覆蓋，動(dòng)極板發(fā)生位移后，電容量即發(fā)生變化 變介質(zhì)型電容傳感器原理：介質(zhì)發(fā)生位移改變電容量第三節(jié) 電容式傳感器的測(cè)量(cling)電路三、二

12、極管雙T形電路(dinl)供電(n din)電壓是幅值為Ui、周期為T(mén)、占空比為50的方波。若將二極管理想化，則當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效為典型的一階電路，如圖(b)。其中當(dāng)電源為正半周期時(shí)，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電容C1被以極其短的時(shí)間充電，電容C2通過(guò)R2、RL放電。 （b）當(dāng)電源為負(fù)半周時(shí)，其中二極管D2導(dǎo)通、 D1 截止，電容C2 被以極其短的時(shí)間充電，電容C1 通過(guò)R1、RL放電。電路等效為圖(b)。如果二極管具有相同的特性，且令C1=C2，R1=R2=R，則正半周和負(fù)半周流過(guò)負(fù)載的電流大小相等，方向相反，即一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)負(fù)載的平均電流為零。如果C1C2, 輸出電壓的平均值為其f

13、中為電源頻率。輸出電壓不僅與電源的頻率和幅值有關(guān)，而且與電容的差值有關(guān)。四、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 又稱脈沖寬度調(diào)制電路，利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。圖中C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。第四章 電感式傳感器1.變磁阻式傳感器屬自感式傳感器 結(jié)構(gòu)(jigu)：線圈，銜鐵和鐵芯組成(z chn) 原理：當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生變化，從而使磁路中的磁阻發(fā)生變化，導(dǎo)致電感線圈的電感值發(fā)生變化，可以用來(lái)辨別(bi

14、nbi)被測(cè)量的位移大小。第一項(xiàng)為鐵芯磁阻，第二項(xiàng)為銜鐵的磁阻，第三項(xiàng)為氣隙磁阻。因?yàn)榈谌?xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前兩項(xiàng)，可把前兩項(xiàng)忽略。2.差動(dòng)自感傳感器：結(jié)構(gòu)：利用兩只完全對(duì)稱的單個(gè)電感傳感器合用一個(gè)活動(dòng)銜鐵傳感器的兩只電感線圈結(jié)成交流電橋的相鄰橋臂，另兩只橋臂有電阻組成。原理：初始狀態(tài)時(shí)，銜鐵位于(wiy)中間位置，兩邊空隙相等，電橋處于平衡狀態(tài)，當(dāng)銜鐵偏離中間位置向上或向下移動(dòng)時(shí)，造成兩邊氣隙不一樣，使兩只電感線圈的電感量一增一減。電橋不平衡，電橋輸出電壓與銜鐵移動(dòng)大小成正比例，其相位則與銜鐵移動(dòng)量的方向有關(guān)，若向下移動(dòng)，輸出電壓為正，若向上移動(dòng)，輸出電壓為負(fù)。2、輸出特性忽略(hl)高次項(xiàng)時(shí)，差動(dòng)

15、電橋靈敏度差動(dòng)電感(din n)傳感器輸出特互感式傳感器互感式傳感器（差動(dòng)變壓式傳感器） 結(jié)構(gòu)(jigu)：由初級(jí)線圈P、兩個(gè)次級(jí)線圈S1、S2和插入線圈中央(zhngyng)的圓柱形鐵芯組成（三段式） 初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)(jl)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。原理：當(dāng)初級(jí)線圈P加上某一頻率的正弦交流電壓后，次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)鐵芯位于線圈中心位置，則U1=U2，當(dāng)鐵芯向上移動(dòng)時(shí)，M1M2。鐵芯向下移動(dòng)時(shí)，M1M2，當(dāng)鐵芯偏離中心位置時(shí)，則輸出電壓U0隨鐵芯偏離中心位置程度，使、逐漸增大，但相位相差180o。2、測(cè)量

16、電路差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向，因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量。1、差動(dòng)整流電路 根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是fgabhe。反之，如f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是ehabgf?？梢?jiàn)，無(wú)論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過(guò)電阻R的電流總是從a到b。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出情況。 輸出的電壓值為Uo=UabUcd。 2、二極管相敏檢波(jinb)電路圖中電壓(diny)U1和U2同頻，且滿足(

17、mnz)U1 U2 。當(dāng)U1=0時(shí),只有U2起作用，U2正半周時(shí)D3、D4導(dǎo)通，i3 、i4以不同方向流過(guò)電表M, 只要電路對(duì)稱，電表的電流就為零。當(dāng)U2負(fù)半周時(shí)， D1、D2導(dǎo)通， i1 、i2相反，輸出電流為零。當(dāng)U10時(shí),電壓U1和U2同相。由于U1 U2 。正半周時(shí)D3、D4導(dǎo)通，i3 L2，d點(diǎn)電位高于c點(diǎn)電位，指針偏向一個(gè)方向。L1 L2， c點(diǎn)電位高于d點(diǎn)電位，指針偏向另一個(gè)方向。第五章 熱電式傳感器 一、兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)TT0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)B稱

18、為熱電極，溫度高的接點(diǎn)稱為熱端，溫度低的稱為冷端。熱電勢(shì)Eab分組成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。 接觸電勢(shì)：由金屬A擴(kuò)散到金屬B的自由電子與金屬B擴(kuò)散到金屬A的自由電子相等時(shí)，該過(guò)程便處于動(dòng)態(tài)平衡，在這種平衡狀態(tài)下，A和B的金屬之間便產(chǎn)生一定大小的接觸電勢(shì)。它的數(shù)值取決于兩金屬的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。 k =1.3810-23 J/K ；e =1.610-19C溫差電勢(shì)：對(duì)于任意一個(gè)金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，兩端自由電子濃度也不同，高溫端的自由電子向低溫端擴(kuò)散，最后同樣達(dá)到平衡狀態(tài)，高溫端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負(fù)電，從而在兩端形成溫差電勢(shì)。二、熱電偶基本定律1、只有用不同(b tn)性質(zhì)的

19、導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶。熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度(wnd)有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)。2、相同材料不會(huì)產(chǎn)生(chnshng)熱電勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。3、化學(xué)成分不同的兩種材料組成的熱電偶，若兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度相同，回路中的總熱電勢(shì)也為零。只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。4、在熱電偶中插入第三種材料，只要插入材料兩端的溫度相同，對(duì)熱電偶的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。三、測(cè)量電路1、測(cè)量單點(diǎn)溫度的基本測(cè)溫線路A、B為熱電偶，C、D為補(bǔ)償導(dǎo)線。四、常用熱電阻：1. 鉑電

20、阻 鉑是一種貴金屬，其主要優(yōu)點(diǎn)是物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定，并且有良好的工藝性，易于提純，可以制成極細(xì)的鉑絲（直徑可達(dá)到0.02mm或更細(xì)）或極薄的鉑箔。它的缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)較小2. 銅熱電阻 銅僅用來(lái)制造 -50 180范圍內(nèi)的工業(yè)用電阻溫度計(jì)，它的主要特點(diǎn)是在上述使用溫度范圍內(nèi)，其電阻與溫度的關(guān)系是線性的；而且它的電阻溫度系數(shù)比鉑高，但它的電阻率低。在溫度不高、測(cè)溫元件尺寸沒(méi)有特殊限制時(shí)，可以使用銅電阻溫度計(jì)。3.其它熱電阻（近年來(lái)，一些新穎的、測(cè)量低溫領(lǐng)域的熱電阻材料相繼出現(xiàn)。）銦電阻適宜在 -269 -258溫度范圍內(nèi)使用，測(cè)溫精度高，靈敏度是鉑電阻的10倍，但復(fù)現(xiàn)性差。錳電阻適宜在 -2

21、71 -210溫度范圍內(nèi)使用，靈敏度高，但質(zhì)脆易損壞。碳電阻適宜在 -273 -268.5溫度范圍內(nèi)使用，熱容量小，靈敏度高，價(jià)格低廉，但熱穩(wěn)定性較差。4、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)熱敏電阻主要由熱敏探頭2、引線3、殼體1構(gòu)成，如圖5-16所示。熱敏電阻一般做成二端器件，但也有構(gòu)成三端或四端的。二端和三端器件為直熱式，即直接由電路中獲得功率。四端器件則是旁熱式的。根據(jù)不同的要求，可以把熱電阻做成不同的形狀結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)如圖5-16所示。熱敏電阻(r mn din z)的分類(lèi) 熱敏電阻的種類(lèi)很多，分類(lèi)方法也不相同。按熱敏電阻的阻值(z zh)與溫度關(guān)系這一重要特性可分為：1正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PT

22、C） 2負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC） 3突變型負(fù)溫度系數(shù)(xsh)熱敏電阻器（CTR）第六章 壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。石英晶體的壓電特性：石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。三維直角坐標(biāo)系中，縱向軸Z稱為光軸，垂直于光軸的X軸稱為電軸，與X

23、軸和Z軸同時(shí)垂直的Y軸稱為機(jī)械軸。沿電軸X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電方程 i=1、2、3 j=1、2、3（1、2、3分別表示x軸y軸z軸）作用力、壓電系數(shù).壓電晶片的連接(linji)方式 由并聯(lián)(bnglin)和串聯(lián)兩種 并聯(lián)接法適用于測(cè)量慢變化信號(hào) 串聯(lián)接法適用于測(cè)量快變化信號(hào)第七章 光電式傳感器光電效應(yīng)(un din xio yng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)一、外光電效應(yīng) 在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效

24、應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。二、內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類(lèi)：（1） 光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。（2） 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。 勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中

25、，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。 側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，則載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生光電勢(shì)，稱這種現(xiàn)象為側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U

26、散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)三、 外光電效應(yīng)器件（一）光電管及其基本(jbn)特性1. 結(jié)構(gòu)與工作(gngzu)原理 光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類(lèi)。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極(yngj)構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。2. 主要性能光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測(cè)率和溫度特性來(lái)描述。（1） 光電管的伏安特性在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陽(yáng)極所加電壓與陽(yáng)極所

27、產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。（2）光電管的光照特性 通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示銀氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。 （3）光電管光譜(gungp)特性即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是(jish)光電管的光譜特性(二)光電倍增(bi zn)管及其基本特性當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電

28、管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾A，很不容易探測(cè)。這時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大，下圖為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。1. 結(jié)構(gòu)和工作原理由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽(yáng)極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級(jí)；陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。四、內(nèi)光電效應(yīng)器件利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見(jiàn)的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等。不足：需要外部電源，有電流時(shí)會(huì)發(fā)熱。 1. 光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu) 當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。為實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，即 h= = Eg