大連理工檢測技術第2章(檢測元件)

第二章檢測技術與檢測元件檢測元件(原理與特點）2檢測技術原理與方法31通過第1章的學習知道，一個檢測系統主要由敏感元件（傳感器）、變換、傳輸、處理和顯示各部分組成。其中敏感元件是檢測系統的關鍵．它決定被測量的可測范圍、測量準確度和檢測系統的使用條件等。本章是以敏感元件（傳感器）為主線，介紹基于敏感元件（傳感器）的各種檢測技術和方法。除了敏感元件（傳感器）外，本章還較多地使用檢測元件這個名詞。在本書中，檢測元件是敏感元件和轉換元件的總稱，檢測元件可以是一種敏感元件，即能直接感受被測量．并把被測量轉換成另—種信息的物理量，也可以是—種轉換元件，即把敏感元件的輸出量進—步轉換成其他形式的物理量．以便于信號的傳輸、處理和顯示。

2.1檢測技術原理與方法1。自然規(guī)律與檢測技術（1）守恒定律守恒定律是自然界最基本的定律，它包括質量、能量、動量和電荷量等守恒定律。例如，在流量檢測方法中，畢托管流量計、節(jié)流式流量計和均速管流量計等都利用了能量守恒定律。利用畢托管測流速（如圖2.1所示）檢測原理：根據流體的總壓與靜壓之間的差來測量流體的流速。2.1檢測技術原理與方法畢托管是由兩根彎成直角的同心套管構成。測量時，畢托管的內管正對流體流動方向。設在畢托管前一小段距離的點1處的流速為V1，靜壓為p1當流體流至畢托管管口點2處，因管內充滿被測流體，故流速變?yōu)榱?，動能轉化為靜壓能．使靜壓增至p2。2.1檢測技術原理與方法根據能量守恒定律有：點1處的能量應等于點2處的能量由于內管所測得的為靜壓能為兩者之和將內管和外管的另一末端分別接到差壓計的正負壓室時，則差壓計的讀數Δp反映了流體的流速。2.1檢測技術原理與方法已知流通面積A的大小，就可求出流量2.1檢測技術原理與方法（2)場的定律

場的定律是關于物質作用的定律，如動力場的運動定律、電磁場的感應定律，光的電磁場的干涉現象等。A.電容式傳感器電容式傳感器是利用靜電場的有關定律進行檢測的典型例子，最簡單的平行板電容器，如圖2．2所示電容器的電容量2.1檢測技術原理與方法式中：ε介電常數；A平行板面積；d平行板間距當ε，A一定時，改變d將改變電容量C，可測位移；當d，A一定時，改變ε將改變電容量C，可測物位；厚度等；當d，ε一定時，改變A將改變電容量C，可測角位移等；2.1檢測技術原理與方法b。電磁流量計

電磁流量計是利用電磁感應定律和運動定律進行測量的。根據法拉第電磁感應定津、當長度為l的導體以速度v作垂直于磁場運動時，如磁場磁感應強度為B則運動導體產生的感應電勢為可測流速2.1檢測技術原理與方法（3）物質定律利用物質本身內在規(guī)律，如物質的電阻；當外界條件變化時，物質的電阻將發(fā)生變化，只要找到電阻的變化與這些外界因素之間的關系就可進行測量，如壓力、溫度、光強變化引起電阻變化，所以利用這一定律可測壓力、溫度、光強等（4）統計法則統計法則是利用統計方法把微觀系統與宏觀系統聯系起來的物理法則。奈奎斯特(Nyquist)定理是統計法則在檢測技術中應用的一個例子。由統計物理可知，電子熱運動的漲落，在電阻的兩端產生熱噪聲的電壓波動。奈奎斯特定理指出，電阻兩端的熱噪聲電壓的方均值為

式中為玻耳茲曼(Boltzmann)常數；為熱噪聲的頻帶寬度；為絕對溫度。由此可見，利用熱噪聲電壓和絕對溫度的關系可以構成熱噪聲型熱敏電阻，從而進行絕對溫度的檢測。2.1檢測技術原理與方法2?；A效應包括物理效應、化學效應、生物效應等所謂的效應就是在某些條件下出現的物理現象，利用這些現象找出內在的聯系和規(guī)律就可進行參數的檢測了。常見的基礎效應如表2.1所示2.1檢測技術原理與方法2.1檢測技術原理與方法3參數檢測的一般方法根據敏感元件的不同問，參數檢測一般可分為以下幾種方法。1）光學法利用光的散射、透射、折射和反射定律或性質，用光強度(常常是光波波長的函數)等光學參數來表示被測量的大小，通過光電元件接收光信號。輻射式溫度計、、紅外式氣體成分分析儀是應用光學方法進行溫度和氣體成分檢測的例子。2）力學法也稱機械法一般是利用敏感元件把被測量轉換成機械位移、變形等。例如，利用彈性元件可以把壓力或力轉換為彈性元件的位移；用節(jié)流件把流體的流速變換成節(jié)流件兩端的壓差。2.1檢測技術原理與方法熱學法根據被測介質的熱物理量(參數)的差異以及熱平衡原理進行參數的檢測。例如熱線風速儀是根據流體流速的大小與熱線在流體中被帶走的熱量有關這一原理制成的，從而只要測出為保證熱線溫度恒定需提供的熱量(加熱電流量)或測出熱線的溫度(假定熱線的供電電流恒定)就可獲得流體的流速。電學法一般是利用敏感元件把被測量轉換成電壓、電阻、電容等電學量。例如用熱敏電阻的阻值變化檢測溫度；根據熱電效應構成的熱電偶也常用于溫度檢測，因為熱電偶的輸出電勢與溫度之間有很好的函數關系。2.1檢測技術原理與方法聲學法大多是利用超聲波在介質中的傳播以及在介質間界面處的反射等性質進行參數的檢測。常見的超聲波流量計利用了超聲波在流體中沿順流和逆流方向傳播的速度差來檢測流體的流速。磁學法利用被測介質有關磁性參數的差異及被測介質或敏感元件在磁場中表現出的特性來實現有關參數的檢測。例如導電流體流經磁場時，由于切割磁力線使流體兩端面產生感應電勢，其大小與流體的流速成正比，電磁流量計就是根據這一原理工作的。射線法放射線(如射線)穿過介質時部分能量會被物質吸收，吸收程度與射線所穿過的物質層厚度、物質的密度等性質有關。利用射線法可實現物位檢測，也可以用來檢測混合物中某一組分的濃度。2.1檢測技術原理與方法對于同一參數的檢測，從原理上講可以用幾種不同的方法，用不同的敏感元件來實現，但由于被測對象是千差萬別的，敏感元件的特性也不一樣，因此在選擇敏感元件時要考慮以下因素。(1)敏感元件的適用范圍一個敏感元件要保證能正常的工作和信息的轉換，一般對它使用的環(huán)境溫度、壓力、外加電源電壓(電流)等都有要求，實際使用時不能超過規(guī)定的范圍。例如，用壓阻元件測量壓力一般要求被測介質的溫度不超過150℃。2.1檢測技術原理與方法(2)敏感元件的參數測量范圍要使敏感元件進行正常的信息轉換，除了要保證它工作在其適用范圍之內，還要求被測量不超過敏感元件規(guī)定的測量范圍，否則，敏感元件的輸出不能與被測量的變化相對應，甚至會損壞敏感元件。例如，對于彈性元件，當外力作用超過極限值后，彈性元件將產生永久性變形而失去彈性；當外力繼續(xù)增加，彈性元件將產生斷裂或破損。(3)敏感元件的輸出特性在自然界許多材料都具有對某個(些)參數敏感的功能，但作為用于參數檢測的敏感元件，一般要求其輸出與被測量之間有明確的單調上升或下降的關系，最好是線性關系，而且要求該函數關系受其他參數(因素)的影響小，重復性要好。除此之外，在滿足靜態(tài)和動態(tài)誤差的要求下，還要考慮敏感元件的價格、易復制性以及使用時的安全性和易安裝性等因素。2.2機械式檢測元件機械式檢測元件是將被測量轉換為機械量信號（通常是位移、振動頻率、轉角等）輸出用途：可用于壓力、力、加速度、溫度等參數的測量。特點：具有結構簡單、使用安全可靠、抗干擾能力強等特點。最常用的機械式檢測元件包括彈性式檢測元件以及振動式檢測元件。彈性式檢測元件

2.2.1彈性式檢測元件在外力作用下，物體的形狀和尺寸會發(fā)生變化，若去掉外力，物體能恢復原來的形狀和尺寸，此種變形就稱為彈性變形。彈性元件就是基于彈性變形原理的一種敏感元件。彈性元件作為一種敏感元件直接感受被測量的變化，并以變形或應變響應，其輸出還可經轉換元件變?yōu)殡娦盘??？捎糜跍y量力、力矩、壓力及溫度等參數，在檢測技術領域有著非常廣泛的應用。彈性元件的基本性能1．彈性元件的基本性能（1）彈性特性彈性特性是指彈性元件的輸入量（力、力矩、壓力、溫度等）與由它引起的輸出量（應變、位移或轉角）之間的關系。彈性特性主要有剛度和靈敏度。1)剛度剛度是彈性元件產生單位變形所需要的外加作用力，即

(2.1)式中k為彈性元件材料的剛度；F為作用在彈性元件上的外力；x為彈性元件上產生的變形。2)靈敏度靈敏度是剛度的倒數，它定義為單位輸入量所引起的輸出量，即

(2.2)

彈性元件的基本性能（2）彈性元件的滯彈性效應彈性元件的滯彈性效應是指材料在彈性變化范圍內同時伴有微塑性變形，使應力和應變不遵循虎克定律而產生非線性的現象。其表現形式很多，如彈性滯后、彈性后效（蠕變）、應力松弛等。

1)彈性滯后將彈性元件在加載和卸載的正反行程中應力和應變曲線不重合的現象稱為彈性滯后，如圖2.2.1所示。由特性曲線可以看出，當應力σ不同時，彈性滯后是不同的。一般用最大相對滯后的百分數來表示，即彈性元件的基本性能(2.3)式中最大的應變滯后。為最大載荷下的總應變。2)彈性后效在彈性變形范圍內，應變不但是應力的函數，而且與時間有關。在應力保持不變情況下，應變隨時間的延續(xù)而緩慢增加，直到最后達到平衡應變值。這一現象稱為彈性后效，也稱蠕變。彈性元件的基本性能

如圖2.2.2所示，在加載時，彈性元件的輸出與輸入特性由OA曲線表示，當應力停止增加時，所產生的總的應變量為，在應力不變情況下，彈性元件繼續(xù)變形，即應變繼續(xù)增加，其特性曲線由AB段表示，是在應力保持不變時，經過時間漸漸產生的的應變值。卸載時，其彈性元件的特性由BE曲線表示。在卸載完成后，彈性元件產生應變應為。同樣，EO段的應變也是經過一段時間后緩慢產生的。

彈性元件的基本性能3)應力松弛材料在高溫下工作，受應力的作用而產生應變。當其總的應變量在恒定情況下，應力隨時間的延續(xù)而逐漸降低的現象稱應力松弛。其應力松弛率為

(2.4)式中為應力松馳率；為初始應力；為經過t時間后的應力。一般要求彈性元件應具有高的抗松弛能力。彈性元件的基本性能（3）彈性元件的熱彈性效應1)彈性模量的溫度系數當溫度變化時，會引起材料的彈性模量的變化。通常采用彈性模量的溫度系數β來表示彈性模量隨溫度變化的情況。

(2.5)

式中E0為溫度為t0時材料的彈性模量；E為溫度為t時材料的彈性模量。材料的彈性模量隨溫度發(fā)生變化，將使彈性元件的剛度發(fā)生改變，在同一負荷下，元件的輸出也會發(fā)生改變，從而引起測量誤差。彈性元件的基本性能2）頻率溫度系數當溫度變化時，還會引起材料的諧振頻率的變化。通常采用頻率的溫度系數來表示諧振頻率隨溫度變化的情況。

(2.6)式中f0為溫度t0為時彈性元件的諧振頻率；f為溫度為t時彈性元件的諧振頻率。彈性元件的基本性能3)膨脹系數當溫度發(fā)生變化時材料會產生熱膨脹現象。通常用線膨脹系數來表示溫度每升高一度時，單位長度的相對變化量。

(2.7)式中l(wèi)0為溫度為t0時材料的長度；為l溫度為t時材料的長度。(4）彈性元件的固有頻率彈性元件本身具有質量，具有彈性，且具有彈性后效，它們共同決定了彈性元件的固有頻率。彈性元件的動態(tài)特性即對動態(tài)變化的輸入量的響應以及變換時的滯后現象與它的固有頻率都是密切相關的。固有頻率越高，則彈性元件響應越快。彈性元件的材料及種類2．彈性元件的材料及種類（1）彈性元件的材料作為敏感元件彈性材料應具有以下性能或特性：

a)具有良好的機械性能及良好的機械加工及熱處理性能，便于加工和處理；

b)具有良好的彈性特性，如穩(wěn)定的輸入-輸出關系，很小的滯彈性效應；

c)具有良好的溫度特性，如彈性模量的溫度系數小，而且穩(wěn)定；d)具有良好的化學性能，有較強的抗氧化性和抗腐蝕性。彈性元件（2）彈性元件的種類彈性元件有彈簧管、波紋管、膜片、膜盒、筒等類型。下面僅以常用的彈簧管，薄壁圓筒、波紋管和膜片為例，介紹彈性元件的檢測原理及其彈性特性。

1)彈簧管彈簧管大多是由截面為橢圓形或扁圓性的彎曲成一定弧度的空心管子所構成，主要用于壓力檢測。彈簧管的一端封閉，作為自由端，另一端開口，供被測壓力進入，并作為固定端。其結構原理2.2.3圖所示。在壓力作用下，管截面將趨于變成圓形，從而使管子趨于伸直，其結果使彈簧管的自由端產生位移，位移大小與輸入壓力有一定關系。對于橢圓形截面的薄壁彈簧管，其自由端的位移和所受壓力之間的關系可表示為彈簧管（2.8）式中μ和E為彈簧管材料的泊松比和彈性模量；R為彈簧管的曲率半徑；a和b為彈簧管的長半軸和短半軸；h為彈簧管的壁厚；x為彈簧管的基本參數，α和β為與a/b比值有關的參數；γ為彈簧管的中心角。式（2.8）表明，在一定壓力范圍內，彈簧管具有線性的彈性特性。即d=f(p)的關系是線性的。

薄壁圓筒2)薄壁圓筒

薄壁圓筒的壁厚一般是筒徑的0.05倍以下。當筒內腔與被測介質接通并感受壓力時，筒壁不發(fā)生彎曲變形，只是均勻向外擴散。所以，筒壁的每一單元面積都將在軸向和徑向產生拉伸應力和應變。其受力情況如圖2.2.4所示，相應的軸向拉伸應力和徑向拉伸應力分別為薄壁圓筒式中r0為筒的內半徑；h為筒的壁厚。軸向應力和徑向應力相互垂直，根據虎克定律可得相應的應變和為（2.9）（2.10）波紋管上式表明，在相同壓力下，薄壁圓筒的徑向應變大于其軸向應變。因此，在構成應變片檢測元件時，沿徑向方向粘貼應變片是有利的。

這種彈性元件只能把壓力轉換成應變，多用于電阻應變片式檢測元件中。3）波紋管波紋管也是金屬制成的薄壁管狀的彈性元件，可感受管內壓力或管外所加集中力而產生高度方向的形變（拉伸或壓縮），其結構如圖2.2.5所示。波紋管的特點是線性好、彈性位移大。如果圖2.2.5中的波紋管的下端固定在基座上，則波紋管的軸向形變與軸向集中力的關系可表示為波紋管（2.11）n為波紋管的條數；α為波紋管平面與水平面的夾角，即波紋的斜角；h0為波紋管內半徑處得壁厚；A1、A2、A3、B0為與波紋管的幾何形狀有關的系數；為波紋管的內半徑。RB當被測介質接入波紋管，承受壓力P時，波紋管上端會升高。設波紋管的有效面積為A，由

F=AP波紋管

（2.12）波紋管既可以用于測量力，也可以用于測量壓力。膜片與膜盒膜片是一種有撓性的薄片，當它受到不平衡力作用后，其中心將沿垂直于膜片的方向移動。如果將兩個膜片的外邊緣密封焊接，則由此形成的彈性元件稱膜盒。在實際使用中，膜片中心都加裝有圓形硬芯，以便安裝傳動機構。與膜片相比，膜盒有更大的中心位移和更高的靈敏度。當膜盒外處于環(huán)境大氣壓力時，被測壓力接到盒內，膜盒內由于受壓而使膜片產生變形，其中心的位移反映被測壓力值，即表壓。若將膜盒抽成真空，并且密封起來，當外界大氣壓力變化時，膜盒中心位移就反映大氣壓力的絕對值。敏感元件，膜片和膜盒廣泛地用于測量壓力。膜片有平膜片和波紋膜片。其波紋有鋸齒形、梯形、正弦形、圓弧形等。2.3電阻式檢測元件電阻式檢測元件檢測的基本原理是將被測物理量轉換成電阻值的變化量，然后，利用測量電路測出電阻的變化值，從而達到對被測物理量檢測的目的。常用電阻材料有導體、半導體等。電阻式檢測元件用途可用于多種參數的檢測，如位移、形變、加速度、壓力及溫度等。常見的電阻檢測元件電阻式檢測元件的類型很多，有電阻應變元件、熱電阻、濕敏電阻和氣敏電阻等。應變式檢測元件2.3.1應變式檢測元件電阻應變片是將作用在檢測件上的應變變化轉換成電阻變化的敏感元件。電阻應變片被粘貼在各種彈性元件上，如膜片、薄壁圓筒、懸臂梁等，當被測物理量(如力、壓力、位移、扭矩、加速度等)作用在彈性元件，使其產生應變，粘貼在彈性元件上的應變片感受同樣的應變并轉換成應變片的電阻變化。應變式檢測元件應變式檢測元件特點測量范圍寬、準確度高；力的測量范圍從幾N至幾兆N，準確度可達0.005%F.S；（F.S-滿量程）壓力的測量范圍從幾百帕到幾百兆帕，準確度可達0.05%F.S；位移測量范圍從微米級到厘米級。測量速度快，適合靜態(tài)和動態(tài)測量；使用壽命長、性能穩(wěn)定可靠；價格便宜、品種繁多，可以測量多種物理量；可在高低溫、高速、高壓、強振動、強磁場、核輻射和化學腐蝕性強等惡劣環(huán)境下工作。但其輸出信號微弱，抗干擾能力較差，使用時需要采取屏蔽措施；在大應變狀態(tài)下具有較大的非線性。工作原理電阻應變片主要分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類。1．電阻應變元件的工作原理導體或半導體材料在外力作用下（如壓力或拉力）產生機械變形，其阻值將發(fā)生變化，這種現象成為“應變效應”。電阻應變片就是基于應變效應工作的。設有一根長度為l，截面積為A，電阻率ρ為的電阻絲，其電阻初值R可表示為：（2.13）

若導體受到外力的作用被拉伸或壓縮，則會引起l、A、ρ的變化從而引起電阻R的變化，應變式檢測元件

其電阻相對變化量可表示為：（2.14）對半徑為r的圓形電阻絲（2.15）

圓形電阻絲的徑向和軸向變化的關系為（2.16）

應變式檢測元件（2.17）式(2.17)右邊第一項表示應變片的幾何尺寸效應；第二項表示應變引起的電阻率變化效應，通常稱為壓阻效應。式中就是拉伸應力所引起的軸向應變ε，從而式(2.17)可表示為：

（2.18）應變式檢測元件將式(2.18)兩邊除以ε，得

(2.19)式中K稱電阻的應變靈敏系數，它的物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化量。由式（2.19）可知，應變片的靈敏系數是由兩個因素決定的，一是，它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，另一個是，它是由電阻絲的電阻率隨應變的改變而引起的。對于大多數的金屬應變片，由于材料的電阻率受應變的影響很少，前項對起K主要作用；而半導體材料卻剛好相反，后項對K起主導作用。應變式檢測元件2．應變片的結構及種類（1）金屬應變片金屬應變片一般分為絲式和箔式兩種。1）絲式應變片絲式應變片一般由敏感柵5、基底2、粘合劑1和3、引線6和蓋片4等組成。如圖2.3.1所示。引線：直徑0.1～0.15mm低阻鍍錫銅線，敏感柵：高電阻率,直徑0.015～0.05mm金屬絲，基底：厚0.02～0.04mm的紙或膠膜應變式檢測元件其敏感柵5通常用具有高電阻率，其直徑為0.015～0.05mm的金屬絲密密排列成柵狀形式而成。通過粘結劑1，3固定在絕緣基底2及蓋片4之間?；椎淖饔檬潜ＷC將構件上的應變準確地傳遞到敏感柵上,敏感柵電阻絲兩端焊接有引線6，用以和外接電路相接，常用的直徑為0.1-0.15mm的鍍錫銅線，或扁帶形其他金屬材料制成。根據不同用途柵長可為0.2～200mm。工作溫度根據基底的不同使用而不同紙浸膠基溫度可達180℃

應變式檢測元件2）箔式應變片箔式電阻應變片是用極薄的厚度為3～10μm康銅或鎳鉻金屬片腐蝕而成的。制造時，先在康銅薄片上的一面涂上一薄層聚合膠，使之固化為基底，箔片的另一面涂感光膠，用光刻技術印刷上所需要的絲柵形狀，然后放在腐蝕劑中將多余部分腐蝕掉。焊上引出線就成了箔式電阻應變片。常見的箔式應變片如圖2.3.2所示。其中圖2.3.2（a）所示應變片常用于單應力測量，圖2.3.2（b）所示應變片常用于測量扭矩，圖2.3.2（c）所示應變片一般用于壓力的測量。應變式檢測元件應用方法

應變片一般依附于彈性元件（如膜片、薄壁圓筒、懸臂梁等）一同作為檢測元件。即，在彈性元件受壓變形時粘貼在彈性元件上的應變片隨彈性元件產生形變，應變片發(fā)生應變，其電阻值發(fā)生相應的改變。常見彈性元件和應變式壓力傳感器的結構形式應變式檢測元件例如：圖示為與彈性膜片結合的應變片工作狀態(tài)圖

應變式檢測元件普通應變片使用時應注意的問題：1。粘貼牢固，不得滑動，以保證將構件上的應變準確地傳遞到敏感柵上

；2。工作溫度與基底材料有關，根據要求選基底；3。應變片應該貼在不會受到被測介質污染、氧化、腐蝕的位置。所以都是貼在彈性元件不與被測介質接觸的一面。以保證使用壽命與測量的準確性；應變式檢測元件4。盡量較少環(huán)境溫度的影響。電阻應變片會受到環(huán)境溫度的影響，其原因，一是應變片電阻是具有電阻溫度系數；二是彈性元件與應變片電阻兩者的線膨脹系數不同，即使無外力作用，即無應變現象，由于環(huán)境溫度的變化也會引起應變片電阻值的改變，從而產生測量誤差。所以必須采取適當的溫度補償措施。在多種多樣的補償方法中，最簡單的辦法是利用兩個完全相同的應變片貼在彈性元件的不同部位，使得在外力作用下，其中一片受拉，一片受壓，一個作為工作應變片，另一個作為補償應變片，然后把這兩片接在電橋的相鄰橋臂里粘貼在彈性元件上，利用電橋測出阻值以獲得應變或壓力，如圖2.3.3所示。應變式檢測元件在外力為零時，調整電橋使之平衡，溫度升降將使相鄰的兩橋臂的阻值同時增減，不影響平衡。在外力作用時，相鄰兩橋臂的阻值會一增一減，靈敏度會更高。這種方法既有溫度補償效果，又提高了靈敏度。應變式檢測元件（2）半導體應變片20世紀50年代出現了半導體應變片，它是應用固體物理原理和半導體集成制造工藝，以單晶膜片為敏感元件制成的。半導體應變片的主要特點是靈敏系數高，比金屬應變高50～80倍

，且尺寸小、滯后小、動態(tài)特性好。但其溫度穩(wěn)定性較差,在測量較大應變時非線性嚴重。當對半導體應變片施加以應力時，則電阻率的相對變化為應變式檢測元件略去影響相對較小的前兩項，則半導體應變片的靈敏系數可表示為也就是說半導體應變片主要是依據半導體材料在發(fā)生形變時其電導率的變化的現象實現參數測量。半導體應變片構成：

最常用的半導體應變片材料有硅和鍺，在其中摻雜可形成P型或N型半導體，P型半導體的π及K是正值，而N型半導體π及K為負值。半導體應變片主要類型：體型半導體應變片：將原材料按所需晶向切割成片和條粘貼在彈性元件上使用。薄膜型半導體應變片：用真空蒸鍍的方法將鍺敷在絕緣的支持片上形成擴散型半導體應變片：在電阻率很大的單晶硅支持片上直接擴散一層P型或N型雜質，形成一層極薄的P型或N型導電層，然后在它上面裝上電極應變式檢測元件應變式檢測元件擴散硅壓力傳感器結構示意圖它的核心部分是一塊圓形的單晶硅膜片。在膜片上布置四個擴散電阻，如圖所示，組成一個全橋測量電路。膜片用一個圓形硅環(huán)固定，將兩個氣腔隔開。一端接被測壓力，另一端接參考壓力。當存在壓差時，膜片產生變形，使兩對電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出電壓與膜片承受的壓差成比例。擴散硅壓力傳感器的主要優(yōu)點：體積小，結構比較簡單，其核心部分就是一個單晶硅膜片，它既是壓敏元件又是彈性元件。擴散電阻的靈敏系數是金屬應變片的靈敏系數的50～100倍，能直接反應出微小的壓力變化，能測出十幾帕斯卡的微壓。動態(tài)響應好?？捎脕頊y量高達數千赫茲乃至更高的脈動壓力，是一種比較理想，目前發(fā)展迅速和應用較廣的壓力傳感器。

主要缺點：敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數的大小。解決方法：利用集成電路的制造工藝，將溫度補償電路、放大電路甚至將電源變換電路集成在同一塊單晶硅膜片上，從而大大提高傳感器的靜態(tài)特性和穩(wěn)定性。（這種傳感器也稱固態(tài)壓力傳感器，或集成壓力傳感器）

應變式檢測元件應變式檢測元件測量電路無論是金屬應變片還是半導體應變片，通常采用電橋測量電阻值的變化，電橋輸出信號可以反映被測壓力的大小。為了減少環(huán)境溫度的影響，改善性能，提高測量靈敏度，通常采用兩對應變片，并使相對橋臂的應變片分別處于接受拉應力和壓應力的位置。2.3.2熱電阻式檢測元件

由導體或半導體制成的感溫器件稱為熱電阻。

熱電阻是基于導體或半導體的電阻值隨溫度而變化的特性即物質的電阻熱效應實現溫度檢測的。

熱電阻測溫的優(yōu)點

金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準確度高，可以用作基準儀表。信號可以遠傳、靈敏度高、無需參比溫度；

熱電阻測溫的缺點

需要電源激勵、有自熱現象會影響測量精度，測量溫度不能太高。熱電阻式檢測元件熱電阻式檢測元件熱電阻式檢測元件的種類熱電阻式檢測元件分為兩種金屬熱電阻：大多數金屬具有正的電阻溫度系數，溫度越高電阻值越大。一般溫度每升高1℃，電阻約增加0.4％～0.6％。半導體熱敏電阻：由半導體制成的熱敏電阻大多具有負溫度系數，溫度每升高1℃，電阻約減少2％～6％。熱電阻式檢測元件1。金屬熱電阻材料的選擇：選擇電阻隨溫度變化成單值連續(xù)關系的材料，最好是呈線性或平滑特性，這一特性可以用分度公式和分度表描述。有盡可能大的電阻溫度系數。電阻溫度系數一般表示為：有較大的電阻率，以便制成小尺寸元件，較小測溫熱慣性。測溫范圍內物理化學性能穩(wěn)定。復現性好、易于得到高純物質，價格便宜等。熱電阻式檢測元件

目前使用的金屬熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，其中應用最為廣泛的是鉑、銅材料，并已實現了標準化生產．具有較高的穩(wěn)定性和準確度。熱電阻溫度系數熱電阻阻值隨溫度的變化可以用電阻溫度系數α來表示，其定義為：式中R0和R100分別為0℃和100℃時熱電阻的電阻值。即：R100／R0越大，α值也越大，說明溫度升高使熱電阻的電阻值增加越大。熱電阻式檢測元件工業(yè)熱電阻：鉑熱電阻；銅熱電阻a.鉑熱電阻分度號：Pt10

：R0=10Ω；Pt100

：R0=100Ω溫度-阻值分度式：

Rt

=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]-200～0℃：

Rt=R0(1+At+Bt2)0～850℃：式中Rt

和R0分別為t℃和0℃時鉑電阻的電阻值；A、B和C為常數。

熱電阻式檢測元件常數規(guī)定（ITS一90）：A=3.9083×10-3/℃B=－5.775×10-7/℃2C=－4.183×10-12/℃4測溫范圍：工業(yè)用鉑電阻溫度計的使用范圍是-200～850℃。鉑熱電阻特性：精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠；電阻與溫度為非線性關系；溫度越高，電阻的變化率越??；鉑在還原性介質中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來的蒸氣所沾污，使鉑絲變脆，并改變它的電阻與溫度間的關系。（550℃以上只適合在氧化環(huán)境中使用，真空和還原性介質將導致電阻值迅速漂移）熱電阻式檢測元件b.銅電阻測溫范圍：工業(yè)用銅電阻溫度計的使用范圍是一50～150℃（線性區(qū)域）銅電阻分度號

Cu50：R0=50ΩCu100：R0=100Ω溫度-阻值分度式：

Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)或Rt=R0(1+αt)式中:A=4.28899×10－3/℃B=-2.133×10－7/℃2C=1.233×10－9/℃3α=4.28×10－3/℃熱電阻式檢測元件銅熱電阻溫度計特點：溫度系數大，而且?guī)缀醪浑S溫度而變，銅熱電阻的特性比較接近直線銅容易加工和提純，價格便宜，溫度測量范圍較窄。（高于150℃電阻本身易于氧化）

金屬熱電阻的使用特點

金屬熱電阻主要有以下特點：輸出信號增量較大，易于測量。熱電阻的阻值測量必須借助于外加電源，例如用電橋將橋臂上電阻值的變化轉換為電壓的輸出。熱電阻的感溫體結構復雜、體積較大，熱慣性大，不適宜測體積狹小和溫度變化快的溫度，抗機械沖擊與振動性能也較差；熱電阻適于低溫段測量。熱電阻式檢測元件2.半導體熱敏電阻熱敏電阻是利用金屬氧化物或某些半導體材料的電阻值隨溫度的升高而減小(或升高)的特性制成的。一般熱敏電阻的測溫范圍是-100～300℃。

一般熱敏電阻種類NTC型熱敏電阻：負溫度系數熱敏電阻PTC型熱敏電阻：正溫度系數熱敏電阻CTR型熱敏電阻：負溫度系數臨界溫度熱敏電阻熱電阻式檢測元件熱電阻式檢測元件NTC熱電阻

NTC型熱敏電阻具有負溫度系數。其阻值與溫度的關系可用下列公式表示：式中RT：熱敏電阻在溫度為T(K)時的阻值；A，B：取決于半導體材料和結構的常數。熱電阻式檢測元件根據電阻溫度系數的定義，NTC型熱敏電阻的溫度系數αT為：特點：非線性：電阻溫度系數隨溫度T的平方的倒數而減??；低溫段靈敏度高于高溫段。

一般NTC型熱敏電阻的B在1500～6000K之間；電阻呈負溫度系數；熱電阻式檢測元件NTC型熱敏電阻溫度特性曲線熱電阻式檢測元件PTC型熱敏電阻

PTC熱敏電阻呈現正溫度系數。特性曲線：

緩變型：在一定溫度電阻值與溫度呈線性關系適用于做溫度測量或溫度補償的敏感元件開關型：電阻值在某一溫度點處出現階躍式變化。阻值與溫度關系式：適合用于溫控元件熱電阻式檢測元件CTR熱敏電阻

負溫度臨界熱敏電阻特點：具有負的溫度系數的開關型熱敏電阻。在某一溫度點附近，電阻發(fā)生突變，且在極小溫區(qū)內隨溫度的增加，電阻值能降低3～4個數量級的熱敏元件，具有很好的開關特性。半導體熱敏電阻具有以下一些優(yōu)點：靈敏度高。溫度系數大。NTC型熱敏電阻的電阻溫度系數都在-3×10-2～-6×10-2／℃之間，是金屬熱電阻的十多倍，因此可大大降低對顯示儀表的精度要求；電阻值高。半導體熱敏電阻在常溫下的阻值很大，通常在數千歐以上，引線電阻幾乎對測溫沒有影響，不必采用三線制或四線制，給使用帶來了方便；體積小，熱慣性也小，時間常數通常在0.5～3s；結構簡單，價格低廉，化學穩(wěn)定性好，使用壽命長。半導體熱敏電阻的缺點有：互換性較差，雖然近幾年有明顯的改善，但與金屬熱電阻相比仍有較大差距；非線性嚴重；溫度測量范圍有一定限制，目前只能達到-50～300℃左右。熱電阻式檢測元件2.2.3電容式檢測元件2.2.3電容式檢測元件

1工作原理電容式檢測元件實際上是各種類型的可變電容器，它能將被測量的改變轉換為電容量的變化。通過一定的測量線路，電容的變化量進一步轉換為電壓、電流、頻率等電信號。

電容式檢測元件通常有平板和圓筒形兩種，如圖

電容式檢測元件a.平板形電容器電容量C描述式A：極板面積；d：兩極板間的距離；ε:極板間介質的介電常數；ε0:真空介電常數(8．85×10一：F／m)；εr:介質相對真空的相對介電常數。電容式檢測元件b.圓筒形電容器

電容描述式l：圓筒長度；R：外圓筒內半徑；r：內圓筒外半徑由式可知，當電容器參數d、A(或l)和ε中任一個發(fā)生變化時，電容量C也就隨之變化。所以，電容器根據其工作原理可分為三種類型：即變極距式、變面積式和變介質常數式。變極距式和變面積式可以反映位移等機械量或壓力等過程的變化：變介質常數式可以反映液位高度、材料溫度和組分含量等的變化。電容器根據其工作原理可分為三種類型：即變極距式變面積式變極距式和變面積式電容敏感元件主要應用于反映位移等機械量或壓力等過程的變化；變介質常數式。變介質常數式電容敏感元件可以應用于反映液位高度、材料溫度和組分含量等的變化。電容式檢測元件電容式檢測元件2.2.3.2電容元件的結構和特性1）變極距式電容器變極距式電容器構成的結構原理如圖所示。被測量變化引起極板的位移，從而改變極板間的距離d，導致電容量C的變化。電容式檢測元件a.單極板

設極板間的介質為空氣，即εr=1，若極板初始間距為d0，則初始電容量為當極板間距由d減小△d(△d＜＜d0)時，略去高次項，相應的有：令。KC實際上就是電容位移檢測靈敏度，它反映了單位輸入位移變化量△d所能引起的電容C的相對變化量．其大小與初始極板間距d0的平方成反比原理結構如左圖所示。在兩個固定極板之間設置可移動極板，并使構成的二電容成對稱結構；可移動極板位移變化時，會使其中一個電容器的電容量增加，另一個電容器的電容量減小。即有電容總的相對變化可近似為結論：差動式電容檢測提高了靈敏度，同時也有效地改善了溫度等環(huán)境因素和靜電引力給測量帶來的影響，所以在實際應用中差動式更為常見。b.差動變極距式靈敏度2）變面積式電容器圖示為幾種常見的變面積式電容器結構原理，其中圖(a)和(b)為平板式，前者可測直線位移后者可測角位移；圖(c)和(d)為圓筒式，可測較大的直線位移或角位移。

當可動極板在被測量的作用下發(fā)生位移．使兩極板相對有效面積改變△A，則會導致電容器的電容量的變化△C

靈敏度結論：變面積式電容元件的輸入一輸出關系在理論上是線性的。電容式檢測元件3）變介電常數式電容器改變檢測介電物質介電常數的變化實現參數測量。當兩極板間介質的介電常數ε變化△ε，由此引起的電容改變量△C為

引起兩極板間介質介電常數變化的因素，可以是介質含水量、介質厚度或高度、介質組分含量的變化。因此．可以用來測量含水量、物位以及介質厚度等物理參數。

注意：當電容極板間為導電介質時，極板表面應涂絕緣層，以防止電極間短路。4）特點電容式檢測元件被廣泛地用于位移、振動、角位移、加速度等機械量以及壓力、差壓、物位等生產過程參數的測量。其優(yōu)點是：結構簡單；需很小的輸入力和很低的輸入能量；由于檢測元件的電容量很?。嗜菘购芨?，且自身發(fā)熱小、損耗小。具有較高的固有頻率和良好的動態(tài)特性，可在幾兆赫的頻率下工作；工作適應性強，可進行非接觸式測量；電容的變化量較??；負載能力差．容易受寄生式雜散電容以及外界各種干擾的影響，必須采取良好的屏蔽和絕緣措施。溫度影響較嚴重；應選用溫度系數較小的材料制作電極板，以及應用溫度補償措施。電容式檢測元件2.2.4熱電式檢測元件

2.2.4熱電式檢測元件利用敏感元件將溫度變化轉換為電量變化的元件。主要有：熱電偶，半導體PN結2.2.4.1熱電偶及測溫原理1）熱電偶兩種不同的導體或半導體將一端焊接而構成

熱端工作端冷端自由端電極電極2）測溫原理①熱電效應：將兩種不同的導體或半導體A、B連接成閉環(huán)回路，并將他們的兩個接點分別置于溫度為T及T0的熱源中，則在該回路內將產生電動勢的現象稱為熱電效應。②回路熱電勢構成及描述接觸電勢熱電勢組成溫差電勢

接觸電勢：由于兩種材料的電子密度不同引起的在接觸面上發(fā)生材料間電子遷移而產生的電動勢稱為接觸電勢。

k:波爾茨曼常數，e：電子電荷量溫差電勢：單一材料兩端溫度不同，由于溫度梯度而引起內部電子轉移而產生的電動勢稱為溫差電勢。σA：湯姆遜系數；表示溫差為1度時電動勢其值與材料和兩端溫度有關回路熱電勢回路電勢圖：由圖可知，閉合回路中所產生的熱電勢由兩部分組成，即接觸電勢和溫差電勢，總電勢由下式給出。實驗結果表明，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的電勢可表示為

當T0為一定時，eAB(T0)=C（常數）。則對確定的熱電偶有：輸出電勢僅是熱端溫度的函數結論：熱電偶產生熱電勢的條件：a.兩種不同的材料構成回路，b.兩端接點處溫度不同。熱電勢大小只與熱電材料及兩端溫度有關，與偶絲長短及粗細無關。熱電極材料確定后熱電勢僅與溫度有關。溫度的確定方法查分度表法：分度表：根據國際溫標規(guī)定：T0=0℃時，用實驗的方法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同的工作溫度下所產生的熱電勢值，列成的表格，就是測溫用分度表。參考函數法：用函數式表示溫度與熱電勢的關系，稱為參考函數。有關標準熱電偶的分度表和參考函數詳見附錄1和附錄2。3）熱電偶基本定律①均質導體定律由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的截面如何以及各處的溫度分布如何，都不能產生熱電勢。這條定律說明，熱電偶必須由兩種不同性質的材料構成。②中間導體定律

斷開熱電偶回路，接入第三種導體C，若導體C兩端的溫度相等，則接入導體C后對熱電偶回路中的總電勢沒有影響。

證明：由于溫差電勢忽略不計，則回路中的總電勢等于各接點的接觸電勢之和，即

EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eAC(T0)

當T=T0時，熱電勢等于零（EABC(T,T0)=0），即eAB(T0)+eBC(T0)+eAC(T0)=0eBC(T0)+eAC(T0)=-eAB(T0)故有：EABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=EAB(T,T0)同理，只要加入的導體的兩端溫度相等，則加入多種導體同樣對熱電偶回路不產生影響，其熱電偶回路總電勢與原熱電偶回路的電勢值相同。根據熱電偶的這一性質，可以在熱電偶回路中引入各種儀表、連接導線等實現對溫度的測量。例如，在熱電偶的自由端接入一只測量電勢的儀表，并保證兩個接點的溫度一致就可以對熱電勢進行測量而且不影響熱電偶的輸出。③中間溫度定律熱電偶AB在接點溫度為T、T0時的熱電勢EAB(T，T0)等于熱電偶AB在接點溫度為T，TC和TC，T0的熱電勢EAB(T，TC)和EAB(TC，T0)的代數和即：

EAB(T，T0)=EAB(T，TC)+EAB(TC

，T0)根據這一定律，只需列出熱電偶在參比端溫度為0℃的分度表，既可以求出參比端在其他溫度時的熱電歐的熱電勢。④等值替代定律

如果使熱電偶AB在某一溫度范圍內所產生的熱電勢等于熱電偶CD在同一溫度范圍內所產生的熱電勢，即EAB(T，T0)===ECD(T，T0)則這兩支熱電偶在該溫度范圍內可以互相代用。4）舉例例1如圖，設EAB(tC，t0)=ECD(tC，t0)，證明該回路的總電勢為EAB(t，t0)。

證1由EAB(tC，t0)=ECD(tC，t0)，根據等值替代定律，這兩支熱電偶可以互相代用，即圖(a)與圖(b)具有相同的熱電勢。又根據中間溫度定律，熱電勢為

EAB(t，tC)+EAB(tC，t0)=EAB(t，t0)證2：本題也可以用以下的代數運算來證明。對于圖(a)，總電勢為：

EABCD(t,t0)=eAB(t)+eBD(tC)+eDC(t0)+eCA(tC)設：t=tC=t0，有：

eAB(tC)+eBD(tC)+eDC(tC)+eCA(tC)=0則：

eBD(tC)+eCA(tC)=-eAB(tC)–eDC(tC)代入上式：

EABCD(t,t0)=eAB(t)-eAB(tC)+eDC(t0)-eDC(tC)=eAB(t，tC)+eCD(tC,t0)根據中間溫度定律，得：

EABCD(t,t0)=EAB(t,t0)結論：當AB作為熱電偶的測量電極時，如果有一對導線CD在溫度范圍tC～t0內與熱電偶AB具有相等的電勢，則在該溫度范圍內可以將這一對導線引入熱電偶AB回路中，而不影響熱電偶AB的熱電勢。通常把這對導線稱為補償導線，它的作用是把熱電偶AB的自由端由如處延長到t0處。有關補償導線后面還要作專門的介紹。例2：根據熱電偶的基本性質，試求圖(a)所示熱電偶回路的電勢。已知：eAB(240)=9.747mV，eAB(50)=2.023mV，

eAC(50)=3.048mV，eAC(10)=0.591mV。

本題的關鍵點是eBC(50)為未知，求解思路是應用熱電偶的基本性質和定律，設法用其他已知項來代替該項，從而獲得回路電勢。解法1在熱電極A設一中間溫度為50℃的點，如左下圖，則可得EABC=EAB(240,50)+EAC(50,10)=eAB(240)-eAB(50)+eAC(50)-eAC(10)=9.747-2.023+3.048-0.591=10.181mV解法2利用中間導線定律，將圖(a)中BC處的接點斷開，加入熱電極A，使該電極兩端溫度均為50℃，則回路總電勢不變，如上圖(c)所示。該回路的總電勢為EABC=eAB(240)+eBA(50)+eAC(50)+eCA(10)=eAB(240)-eAB(50)+eAC(50)-eAC(10)=9.747-2.023+3.048-0.591=10.181mV解法3

直接對圖(a)寫出回路總電勢EABC=eAB(240)+eBC(50)+eCA(10)設：該回路中各接點處的溫度均為50℃，則EABC=eAB(50)+eBC(50)+eCA(50)=0得：

eBC(50)=-eAB(50)-eCA(50)代入回路電勢計算式，有：EABC=eAB(240)+eBC(50)+eCA(10)=eAB(240)-eAB(50)-eCA(50)+eCA(10)=eAB(240)-eAB(50)+eAC(50)-eAC(10)=9.747-2.023+3.048-0.591=10.181mV5）熱電偶應用注意①主要誤差原因a.查分度表及計算誤差熱電偶輸出電勢與溫度呈非線性，b.電磁干擾c.冷端溫度影響

熱電偶測溫原理2.2.4.2晶體管溫度檢測元件1）PN結溫度檢測元件測溫原理：依據PN結伏安特性與溫度關系。晶體管伏安特性：Id：晶體二極管正向電流、I0：反向飽和電流、q：電子電荷量、k：波爾茲曼常數、T：絕對溫度、取對數二極管溫度特性圖：-40~100℃內二極管PN結電壓與溫度具有較好的線性關系2）晶體三極管溫度檢測元件由半導體原理，正向工作狀態(tài)的晶體三極管有關系：

Ie：發(fā)射極電流、

Ise：發(fā)射極正向飽和電流

Vbe：基極與發(fā)射極間電壓Vbe與溫度T特性曲線圖：2.2.5壓電式檢測元件利用壓電材料作為敏感元件，以其受外力的作用時在晶體表面產生電荷的壓電效應為基礎實現參數測量?？捎糜趯⒘Α毫?、加速度和扭矩等物理量轉換成電信號。2.2.5.1壓電原理1）壓電效應正壓電效應：壓電材料在沿一定方向受外力(壓力或拉力)作用時，其幾何尺寸變化而發(fā)生變形同時導致材料內部電荷分布發(fā)生變化，表現為在其一定的兩個相對表面上產生符號相反、數值相等的電荷；當外力去掉后，它們又恢復到不帶電狀態(tài)的現象稱為正壓電效應。2.2.5壓電式檢測元件逆壓電效應：在壓電材料的特定面上施加電壓，引起材料的形變和應力，去掉電場后，材料的形變和應力消失的現象。最常用的壓電材料是石英晶體和壓電陶瓷。

2）石英晶體光軸：縱向軸（z軸）；電軸：平行于六面體的棱線并垂直于光軸（x軸）；機械軸：與x軸和z軸都垂直的軸(y軸，垂直于六面體的棱線)。壓電效應：縱向壓電效應：沿電軸方向上力作用下產生電荷的現象，橫向壓電效應：沿機械軸方向上力作用下產生電荷的現象，在光軸方向受力時不產生壓電效應晶體切片及壓電響應晶體切片：從晶體上沿軸線方向切下的薄片稱為晶體切片壓電響應沿電軸方向施加作用力在與電軸垂直的平面上產生電荷Q。其電荷量可表示式中，d11為壓電系數，與機械變形方向有關，注意：電荷大小與晶體切片的幾何尺寸無關。

電荷的符號取決于變形的形式(受壓或受拉)。沿機械軸方向施加作用力其產生電荷仍會出現在與x軸垂直的平面上，但極性相反，

式中，a和b為切片的長度和厚度；d12為y軸方向受力時的壓電系數，對石英晶體來說d12=-d11注意：沿機械軸方向的力作用在晶體上產生的電荷大小與晶體切片的幾何尺寸有關。式中“-”號說明沿y軸的壓力所引起的電荷極性與沿x軸的壓力所引起的電荷極性是相反的。其電荷可表示為2.2.5.2壓電式檢測元件等效電路1）等效元件壓電元件受外力作用時，壓電元件一定方向上的兩個表面(極板)分別聚集正電荷和等量的負電荷。因此有等效元件：◎相當于一個電荷源(靜電發(fā)生器)；◎相當于一個以壓電材料為電介質的電容器，其電容量Ca為式中，A為壓電元件的極板面積；d為壓電元件極板間的厚度；ε為壓電材料的介電常數；εr為壓電材料的相對介電常數；ε0為真空介電常數(ε0=8.85×10-12F/m)。

2）等效電路：壓電式檢測元件可以等效為一個電荷源q和一個電容C。相并聯

2.2.5.3應用特點：壓電式檢測元件具有使用頻帶寬、靈敏度高、結構簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。在許多技術領域獲得廣泛應用。溫度影響嚴重：壓電系數，介電常數、體電阻、彈性模量一般壓電效應溫度上限：<1/2居里溫度要求：選用靈敏度隨溫度變化較小的檢測元件，采用隔熱片，采用溫度補償片電纜噪聲影響較大：摩擦會產生靜電

要求安裝中緊固電纜q=UCa光電式檢測元件2.2.6光電式檢測元件光電式檢測元件是一種將光信號轉換為電信號的元件，其物理基礎是光電效應。光電式檢測一般由光源、光學元件和光電變換器三部分組成。2.2.6.1光電效應光電效應是指光照射到物質上引起其電特性(電子發(fā)射、電導率、電位、電流等)發(fā)生變化的現象。光電效應分為外光電效應和內光電效應。

1）外光電效應物體在光線作用下，其內部電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應，亦稱為光電發(fā)射效應?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽?、光電倍增管。2）內光電效應物體在光線作用下，其內部的原子釋放電子，但這些電子并不逸出物體表面，而仍然留在內部，從而導致物體的電阻率發(fā)生變化或產生電動勢，這種現象稱為內光電效應。使電阻率發(fā)生變化的現象稱為光電導效應，基于光電導效應的光電器件有光敏電阻；產生電動勢的現象稱為光生伏特效應，基于該效應的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管等。光電式檢測元件光敏元件及特性2.2.6.2光敏元件及特性1）光敏電阻及特性基本結構：①光敏電阻的工作原理和結構a.基本特征無光照射時，光敏電阻呈高阻態(tài)，回路中僅有微弱的電流流過。有光照射下，半導體吸收光能，內部載流子增加，從而加強了導電性能，其阻值降低。光照越強，阻值越小，電流越大。光照停止后，電阻恢復原值。②光敏電阻的主要參數及基本特性a.主要參數暗電阻和暗電流：暗電阻：無光照時所測得的電阻值。暗電流：無光照時在給定工作電壓下流過光敏電阻的電流亮電阻與亮電流：亮電阻：受光照時光敏電阻的阻值，亮電流：受光照時給定工作電壓下流過光敏電阻的電流光電流：亮電流與暗電流之差。

亮電阻與暗電阻相差越大，光敏電阻性能越好。實際用的光敏電阻，其暗電阻一般為1～100MQ，而亮電阻在幾千歐以下。光敏元件及特性光照特性

。b.基本特性光照特性光電流與光照強度的關系稱為光敏電阻的光照特性不同的光敏電阻的光照特性不同，在大多數情況下是非線性的，只是在微小的區(qū)域內呈線性，曲線形狀如圖所示。注意：由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此，在控制系統中，其一般不作為測量元件，而作為開關式光電信號傳感器。伏安特性