第三章 傳感器

第三章傳感器第一頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四§3.1概述一

傳感器的作用二

傳感器的分類(lèi)下一節(jié)回首頁(yè)第二頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四傳感器作用：是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)量和自動(dòng)控制（包括遙感、遙測(cè)、遙控）的主要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會(huì)賴(lài)以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并列成為支撐整個(gè)現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。傳感器的定義：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)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的有用輸出信息的元器件或裝置；從功能出發(fā)，人們形象地將其定義為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。第三頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四傳感器的技術(shù)特點(diǎn)內(nèi)容范圍廣且離散：傳感器技術(shù)可利用物理、化學(xué)、生物及電子學(xué)中基礎(chǔ)“效應(yīng)、反應(yīng)及機(jī)理”，數(shù)量多且相互獨(dú)立；知識(shí)密集程度高、邊緣學(xué)科色彩濃：以電、磁、光、聲、熱、力等功能效應(yīng)和形態(tài)變換原理為基礎(chǔ)，涉及材料、電子、精密加工等多學(xué)科，交叉及應(yīng)用知識(shí)密集度高；技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高：涉及集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、微細(xì)或納米加工及高密封技術(shù)；功能優(yōu)、性能好品種多、應(yīng)用廣：航空、航天、兵器、船舶、交能、冶金、機(jī)械、電子、化工、輕工、能源、環(huán)保、煤炭、石油等第四頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四電阻式傳感器電阻式傳感器：將非電量（力、位移、形變、速度和加速度）的變化變換成電阻值變化。滑變電阻傳感器工作原理圖第五頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四電位器為空載有負(fù)載設(shè)有第六頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四負(fù)載特性曲線非線性變阻器第七頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四電阻應(yīng)變片式傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理將金屬電阻絲粘貼在基片上，上面覆蓋一層薄膜使它們成為一個(gè)整體電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖金屬導(dǎo)體電阻全微分第八頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四相對(duì)變化量以圓形金屬絲為例，結(jié)合材料力學(xué)理論一般金屬材料電阻率變化率很小，忽略不計(jì)金屬絲的電阻變化率與縱向應(yīng)變成正比，這就是金屬絲的就應(yīng)變效應(yīng)，利用應(yīng)變效應(yīng)制作的傳感器稱(chēng)為電阻應(yīng)變片式傳感器。第九頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四半導(dǎo)體應(yīng)變片-壓敏電阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，當(dāng)半導(dǎo)體材料受一軸向外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，電阻相對(duì)變化為壓敏電阻可用來(lái)制造壓力傳感器忽略單位應(yīng)變和徑向相對(duì)變化率，電阻變化率為第十頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四電容式傳感器電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容器的電量電容傳感器可有三種：變極板有效面積、變極板間距和變介電常數(shù)。變極板間距可以測(cè)量微米量級(jí)的位移電容器的電量與極板距離不是線性關(guān)系，而呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系。第十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四變極板面積型電容式傳感器電容式角位移傳感器原理圖，當(dāng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板的遮蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量當(dāng)初始角度可以看出，這種形式的傳感器電容量C與角位移是成線性關(guān)系的。第十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四圓柱形電容式傳感器在初始位置（a=0）時(shí)，動(dòng)、定極板相互覆蓋，此時(shí)電容為當(dāng)動(dòng)極板發(fā)生位移a后，其電容量為可以看出，這種形式的傳感器電容量C與位移也是成線性關(guān)系的。第十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四變介質(zhì)型電容式傳感器改變工作介質(zhì)的電容式傳感器電容量設(shè)在電極中無(wú)第二種介質(zhì)時(shí)的電容量為C0第十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四把CA、CB和C0的表達(dá)式代入得表明電容量為C與位移a成線性關(guān)系第十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L和互感系數(shù)M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長(zhǎng)；（2）靈敏度和分辯率高；，（3）線性度和重復(fù)性都比較好，第十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成，鐵芯和銜鐵都由導(dǎo)磁材料制成，在鐵芯和活動(dòng)銜鐵之間有氣隙，當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生變化，從而使磁路中磁阻變化，導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，從而測(cè)定位移大小。線圈的電感值磁路總磁阻忽略鐵芯的磁阻因此，變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度和變氣隙面積兩種傳感器第十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四差動(dòng)自感傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理：初始狀態(tài)時(shí)，銜鐵位于中間位置，兩邊空隙相等，因而兩只電感線圈的電感量相等，數(shù)值相反，電橋輸出為0，即電橋處于平衡。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，電橋輸出電壓的大小與銜鐵移動(dòng)的大小成比例輸出特性靈敏度第十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓電式傳感器順壓電效應(yīng)：某些物抽沿其某一方向施加壓力或拉力時(shí)，全產(chǎn)生變形，此時(shí)這種材料的兩個(gè)表面將產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態(tài)。逆壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)在極化方向上施加電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)后，該物質(zhì)的變形隨之消失。如果在片狀壓電材料的兩個(gè)電極上加以交流電壓，那么石英晶體片將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即晶體片在電極方向有伸長(zhǎng)和縮短現(xiàn)象第十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象電疇自發(fā)極化：在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇自發(fā)極化方向轉(zhuǎn)到與外加電場(chǎng)方向一致陶瓷極化的兩端出現(xiàn)束縛電荷，一端為正，另一端為負(fù)。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的極化兩端很快吸附一層來(lái)自外界的自由電荷，陶瓷片對(duì)外不呈極性。如果在壓電陶瓷上加一個(gè)與極化方向平行的外力，陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的束縛電荷之間距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度變小，吸收的電荷有一部分被釋放而呈放電現(xiàn)象。

第二十頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四當(dāng)撤消壓力時(shí)，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度增大，因此又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種因受力而產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，就是壓電陶瓷的正壓電效?yīng)。放電電荷的多少與外力成正比例關(guān)系兩塊壓電片的連接方式第二十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四制作壓電傳感器時(shí)，可采用兩片或兩片以上具有相同性能的壓電晶片粘貼在一起使用，由于壓電晶片有電荷極性，因此接法有并聯(lián)和串聯(lián)兩種。并聯(lián)連接式壓電傳感器的輸出電容C和極板上的電荷q分別為單塊晶片的2倍，而輸出電壓U與單片上的電壓相等；串聯(lián)時(shí)，輸出總電荷q等于單片上的電荷，輸出電壓為單片電壓的2倍，總電容應(yīng)為單片的1/2。由此可見(jiàn)，并聯(lián)接法雖然輸出電荷大，但由于本身電容亦大，故時(shí)間常數(shù)大，只適宜測(cè)量慢變化信號(hào)，并以電荷作為輸出的情況。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適宜于以電壓輸出的信號(hào)和測(cè)量電路輸入阻抗很高的情況。第二十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四熱電式傳感器熱電式傳感器：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它利用傳感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化的特性來(lái)達(dá)到測(cè)量的目的。在各種熱電式傳感器中，把溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)和電阻的方法最為普遍，其中將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器叫做熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電傳感器叫做熱電阻。理論分析可知，熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)由接觸電熱和溫差電熱兩部分組成。接觸電勢(shì)：不同金屬中自由電子濃度不同，當(dāng)兩金屬接觸時(shí)自由電將發(fā)生擴(kuò)散，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)將阻礙擴(kuò)散作用的進(jìn)一步發(fā)生，同時(shí)引起反方向的電子轉(zhuǎn)移。擴(kuò)散和反擴(kuò)散形成矛盾運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。第二十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四接觸電勢(shì)溫差電勢(shì)：對(duì)于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動(dòng)能；溫度低的一端濃度小，動(dòng)能也小。因而高溫端自由電子要向低溫端擴(kuò)散，最后同樣要達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。高溫端失去電子而帶正電，低溫端得到電子帶負(fù)電，從而在兩端形成溫差電勢(shì)。應(yīng)該指出的是金屬中自由電子數(shù)目很多，以致溫度不能顯著地改變它的自由電子濃度，所以同一種金屬內(nèi)的溫差電勢(shì)極小，可以忽略。一個(gè)熱電偶回路中起決定作用的是兩個(gè)接點(diǎn)處產(chǎn)生的與材料性質(zhì)和該點(diǎn)處溫度有關(guān)的接觸是勢(shì)第二十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四熱電偶基本定律只有由化學(xué)成分不同的兩種導(dǎo)體組成的熱電偶，其兩端點(diǎn)間的溫度不同時(shí)才能產(chǎn)生熱電勢(shì)，熱電勢(shì)的大小與材料性質(zhì)及兩端點(diǎn)溫度有關(guān)，與形狀、大小無(wú)關(guān)；化學(xué)成分相同的材料組成熱電偶，即使兩端點(diǎn)溫度不同，回路總熱電勢(shì)也等于零。應(yīng)用該定律可判斷兩金屬是否相同；化學(xué)成分不同的兩材料組成的熱電偶，若兩接點(diǎn)的溫度相同，回路中總熱電勢(shì)也等于0；在熱電偶中接入第三種材料，只要接入材料兩端的溫度相同，對(duì)熱電偶的總熱電勢(shì)不有影響。該定律具有重要的實(shí)際意義，因?yàn)槔脽犭娕紒?lái)測(cè)量溫度時(shí)，必須在熱電偶回路中接入電氣測(cè)量?jī)x表，也就相當(dāng)于接入第三種材料。如果兩導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)已知，則此兩種導(dǎo)體組成熱電偶的熱電勢(shì)就已知。第二十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四熱電偶實(shí)用測(cè)量電路測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度測(cè)量平均溫度求溫度和線路熱電阻：利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性測(cè)量溫度的，要求熱電阻材料電阻溫度系數(shù)盡可能大和穩(wěn)定，電阻率高、電阻與溫度之間的線性關(guān)系好第二十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四光電傳感器光電傳感器：是一種將光能量轉(zhuǎn)換為電能量變化的傳感器，它的物理基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)。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(chēng)為外光電效應(yīng)。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)的效應(yīng)叫做內(nèi)光電效應(yīng)。愛(ài)因斯坦光電方程物體中的電子吸收了入射光子的能量，當(dāng)足以克服逸出功A0時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。如果一個(gè)電子要想逸出，光子能量必須超過(guò)逸出功，超出部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。第二十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程表明光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體表面電子逸出功。每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閥值，稱(chēng)為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線頻率低于紅限頻率，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之入射光頻率高于紅限頻率，即使光線再微弱，也會(huì)有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能。第二十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，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)率的變化稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上且光輻射能量又足夠大，光電導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上，如右圖示，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。為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光能量必須大于光電導(dǎo)材料的標(biāo)帶寬度。第二十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四光生伏特效應(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，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)）：能量大于禁帶寬度的光子照射PN結(jié)進(jìn)，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，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)體光器件受光照不均勻時(shí)，載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴時(shí)，載流子濃度比未受光照部分大，就出現(xiàn)載流子濃度梯度，因而要發(fā)生動(dòng)態(tài)不平衡擴(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散，造成光照射的部分帶正電，未被光照射的部分帶負(fù)電，從而產(chǎn)生光電勢(shì)。第三十頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四光電管結(jié)構(gòu)當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾微安，不易探測(cè)，此時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大。第三十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四光電倍增管工作原理光電倍增管除光電陰極外，還有若干個(gè)倍增電極，使用時(shí)在各個(gè)倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，從陰極開(kāi)始，各個(gè)倍增電極的電位依次升高，陽(yáng)極最高。同時(shí)這些倍增電極用次級(jí)發(fā)射材料制成，在一定能量的電子轟擊下，產(chǎn)生更多的次級(jí)電子。由于相鄰兩倍增電極間有電位差，存在加速電場(chǎng)，從陰極發(fā)出的光電子打到第一個(gè)倍增電極上，能引起二次電子發(fā)射。每個(gè)電子能從這個(gè)倍增電極上打出3~6倍個(gè)次級(jí)電子；被打了的次級(jí)電子再經(jīng)過(guò)電場(chǎng)的加速后，打到第二個(gè)倍增電極上，如此不斷倍增，從而實(shí)現(xiàn)光電倍增效果。光電倍增管的靈敏度比普通光電管高幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)倍，即使在很微弱的光照下，也能產(chǎn)生很大的光電流。第三十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四內(nèi)光電效應(yīng)器件光敏電阻在受到光照時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)使其地電性能增強(qiáng)，電阻值下降，所以流過(guò)負(fù)載電阻的電流及其兩端是壓也隨之變化。光線越強(qiáng)，是流越大。當(dāng)光照停止時(shí)，光電效應(yīng)消失，電阻恢復(fù)原值因而可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。第三十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四光電池光電池是在光線照射下直接將光能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)的光電元件，實(shí)質(zhì)上它就是電壓源。入射光照射在PN結(jié)上時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，因而形成PN結(jié)產(chǎn)生電勢(shì)。第三十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四光敏二極管和光敏三極管第三十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四霍爾傳感器霍爾效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積成正比的電勢(shì)，這一現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱(chēng)為霍爾元件。第三十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四工作原理霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體中自由電荷受磁場(chǎng)中洛化茲力作用而產(chǎn)生的。設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)它通以電流I時(shí)，半導(dǎo)體中的自由電荷即載流子（電子）受到磁場(chǎng)中洛化茲力FL的作用，其大小為洛化茲力使電子向垂直于B和自由電子運(yùn)動(dòng)方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即電子有向某一端積聚的現(xiàn)象，使半導(dǎo)體一端面產(chǎn)生負(fù)電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷的聚積，產(chǎn)生靜電場(chǎng)，即為霍爾電場(chǎng)。該靜電場(chǎng)對(duì)電子的作用力FE與洛化茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為第三十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四當(dāng)靜電場(chǎng)作用于運(yùn)動(dòng)電子上的FE與洛侖茲力FL相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即所以流過(guò)霍爾元件的電流I為式中bd為一是流方向垂直的截面積，n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)（載流子濃度）得第三十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四紅外輻射傳感器紅外輻射技術(shù)在最近40年中已經(jīng)發(fā)展成為一門(mén)新興技術(shù)科學(xué)，廣泛應(yīng)用在科學(xué)研究、軍事工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如紅外制導(dǎo)、紅外成像、紅外遙感等。紅外輻射就是紅外光，其波長(zhǎng)處于1.0~1000微米，紅外光的最大特點(diǎn)就是具有光熱效應(yīng)，能輻射熱量，在太陽(yáng)光譜中是最大光熱效應(yīng)區(qū)。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對(duì)零度以上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應(yīng)對(duì)不同的物體是各不相同的，熱能強(qiáng)度也不一樣，例如黑體能全部吸收投射到其表面的紅外輻射物體，鏡體能全部反射紅外輻射的物體，透明體能全部穿透紅外輻射的物體，灰體能部分反射或吸收紅外輻射的物體等，將產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，自然界不存在黑體、鏡體和透明體，絕大部分物體都屬于灰體。第三十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四E：物體在溫度T時(shí)單位面積和單位時(shí)間的紅外輻射總能量；

T：物體的絕對(duì)溫度Stefan-Boltzmann常數(shù)（5.6697×10-12w/cm2K4）比輻射率，即物體表面輻射本領(lǐng)與黑體輻射本領(lǐng)的比值，黑體為1該式表明，物體溫度越高，它輻射出來(lái)的能量越大第四十頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四維恩位移定律熱輻射發(fā)射的電磁波中包含著各種波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)證明，物體峰值輻射波長(zhǎng)與物體的自身絕對(duì)溫度成反比，從圖示曲線可知，峰值輻射波長(zhǎng)隨溫度升高向短波方向偏移，當(dāng)溫度不很高時(shí)，峰值輻射波長(zhǎng)在紅外區(qū)域。第四十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四紅外探測(cè)器一般由光學(xué)系統(tǒng)、敏感無(wú)件、前置放大器和信號(hào)調(diào)制器組成。其中光學(xué)系統(tǒng)是紅外器的重要組成部分，分為反射式光學(xué)系統(tǒng)和透射式光學(xué)系統(tǒng)紅外探測(cè)器兩種。紅外探測(cè)器應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它可用于非接觸式的溫度測(cè)量，氣體成分分析，無(wú)損探傷、熱成像檢測(cè)、紅外遙感以及軍事目標(biāo)的偵察、搜索、跟蹤和通信等。第四十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四可轉(zhuǎn)換的信號(hào)機(jī)械信號(hào)電信號(hào)輻射信號(hào)（光波超聲波紅外波）流體信號(hào)傳感器的作用返回第四十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四按被測(cè)對(duì)象按工作原理機(jī)械式電子式光學(xué)式流體式按能量變換關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型能量控制型物性型結(jié)構(gòu)型集成化傳感器多環(huán)節(jié)集成多參量集成模擬式數(shù)字式返回第四十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四§3.2機(jī)械式傳感器一工作原理p58圖3-3二特點(diǎn)及應(yīng)用n低，適于靜態(tài)測(cè)量被測(cè)量彈性元件變形（位移）敏感元件電信號(hào)首頁(yè)下一節(jié)第四十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四§3.3電阻式傳感器一變阻器式傳感器二電阻應(yīng)變式傳感器首頁(yè)下一節(jié)第四十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四1工作原理p59圖3-5R=KiX2性能特點(diǎn)1°靈敏度Lo線性P59表3-6電阻分壓電路2°優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：返回第四十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四1工作原理2分類(lèi)比較金屬式半導(dǎo)體式絲式p60圖3-7箔式圖3-8S半=（50~70）S金電阻應(yīng)變式傳感器p63表3-10，p64圖3-113環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)變的影響p60圖3-7返回第四十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四工作原理可表示為可到出傳感原理：S1+2u金屬式1.7~3.6之間線性半導(dǎo)體返回第四十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四§3.4電感式傳感器一自感型二互感型—差動(dòng)變壓器式電感傳感器首頁(yè)第五十頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四自感型1可變磁阻式（1）工作原理（2）分類(lèi)比較2渦流式上一頁(yè)第五十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四工作原理返回第五十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四a.改變?chǔ)氖絊≈const*差動(dòng)式p65表3-13（b）b.改變磁通互積式p65圖3-13（a）c.雙螺管線圈差動(dòng)型測(cè)量范圍0.001~1mm測(cè)量范圍0~300um,分辨力0.5um測(cè)量電路首頁(yè)第五十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四差動(dòng)變壓器式電橋取D為參考點(diǎn)○Z1Z2D○○B(yǎng)A上一頁(yè)第五十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四2渦流式P66表3-15（1）工作原理金屬板材料ρμ↑↓線圈激勵(lì)頻率w↑↓測(cè)頻轉(zhuǎn)速鑒材與探傷測(cè)微小位移透射式測(cè)厚δ↑↓（2）性能特點(diǎn)Z↑↓首頁(yè)上一頁(yè)第五十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯于2023年，星期四§3.5電容式傳感器一傳感原理δε二分類(lèi)比較1）δ↑↓2）A↑↓3)ε↑↓>0首頁(yè)第五十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，編輯