傳感器基礎(chǔ)課件

緒

論1.1感測器的地位和作用例1人與機(jī)器的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)係定性人通過感官感覺外界對(duì)象的刺激，通過大腦對(duì)感受的資訊進(jìn)行判斷、處理，肢體作出相應(yīng)的反映。定量感測器相當(dāng)於人的感官，稱“電五官”，外界資訊由它提取，並轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)易於處理的電信號(hào)，微機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)出控制信號(hào)給執(zhí)行器，執(zhí)行器對(duì)外界對(duì)象進(jìn)行控制。人與機(jī)器的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)係圖外界對(duì)象感官感測器人腦微機(jī)肢體執(zhí)行器

無論是金屬糧倉還是土倉，為防止黴變，糧食都是分層存放，倉內(nèi)溫度和濕度不能過高，為此，需在各層安放溫濕度感測器進(jìn)行檢測。裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖如下。將各層探頭輸出接至溫濕度巡檢儀上，通過巡檢儀監(jiān)視器監(jiān)視各點(diǎn)溫濕度情況。通過通風(fēng)口保持溫濕度在要求範(fàn)圍內(nèi)。例2糧倉溫度、濕度檢測裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖通風(fēng)口探頭通風(fēng)口通風(fēng)口例3：開發(fā)區(qū)海灣公司生產(chǎn)的感溫、感煙火災(zāi)報(bào)警器集控器1中央監(jiān)控圖1監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖探頭11探頭12探頭1N其監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖2:可在每一房間安放一對(duì)感溫、感煙探頭（智能感測器），它們輸出溫度、濃度信號(hào)通過串行通訊線送入由微機(jī)組成的檢測系統(tǒng)（集控器）；集控器負(fù)責(zé)信號(hào)匯總，匯總各房間的溫度和濃度信號(hào)，並監(jiān)控各房間溫度、煙濃度是否異常，如異常，聲光報(bào)警並打開噴淋設(shè)備滅火，一層一臺(tái)。各層集控器通過CAN匯流排、M-BUS匯流排等現(xiàn)場匯流排將溫度、濃度等信號(hào)送入中央監(jiān)控電腦。值班人員在電腦螢?zāi)簧现庇^監(jiān)視各房間情況（溫度、煙霧濃度）。房間、樓道裝配攝像頭，還可通過電視螢?zāi)徊榭捶块g、樓道情況。可看出沒有感溫、感煙感測器，就像人缺少感官，系統(tǒng)無法工作。例4：熱軋帶鋼表面溫度的測量用輻射溫度計(jì)測量熱軋帶鋼表面溫度的方法巳被廣泛採用。從加熱爐出來的鋼坯最後到卷取機(jī)之前的整個(gè)軋製線上，如加熱爐出口、粗軋機(jī)的入口和出口、精軋機(jī)的入口和出口以及在卷取機(jī)之前都設(shè)有輻射溫度計(jì)，用以測量各階段帶鋼的表面溫度。並用此溫度信號(hào)來控制軋製速度、軋輥壓下力和冷卻水流量等。

感測器作為整個(gè)檢測系統(tǒng)的前哨，它提取資訊的準(zhǔn)確與否直接決定著整個(gè)檢測系統(tǒng)的精度。一個(gè)國家的現(xiàn)代化水準(zhǔn)是用其自動(dòng)化水準(zhǔn)來衡量的。而自動(dòng)化水準(zhǔn)是用儀錶及感測器的種類和數(shù)量多少來衡量的。資訊化技術(shù)包括感測器技術(shù)、通訊技術(shù)和電腦技術(shù)。感測器技術(shù)列為資訊技術(shù)之首，由此可見一斑。國內(nèi)高精度、多功能、集成化、智能化感測器急需開發(fā)研製?？偨Y(jié)1.2感測器的定義與組成一、定義（Sensor）

能夠感受規(guī)定的被測量並按一定規(guī)律和精度轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置.（GB7665-87）它是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)係的、便於應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。

輸入量是物理量、化學(xué)量和生物量。輸出量主要是電量。（電量最便於傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示）輸入輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律（關(guān)係）已知，轉(zhuǎn)換精度要滿足測控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。感測器應(yīng)用場合（領(lǐng)域）不同，叫法不同。過程控制：變送器。（標(biāo)準(zhǔn)化的感測器）射線檢測：發(fā)送器、接收器。探頭。二、組成例如：氣體壓力感測器

由半導(dǎo)體材料製成的物性性感測器基本是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件二合一。直接能將被測量轉(zhuǎn)換為電量輸出。壓電傳感器、光電池。熱敏電阻等。膜盒差動(dòng)電感電橋電路氣體壓力感測器組成框圖PSLU0mVTT0BA熱電偶IhfG光電池f+++++–––––Q壓電傳感器RRTR0RU0Ui熱敏電阻感測器1.3感測器的分類與要求分類一.分類1.按輸入量分類常用的有機(jī)、光、電和化學(xué)等感測器。例如：位移、速度、加速度、力、溫度和流量感測器等2.按輸出量分類參數(shù)式：電阻、電感、電容、頻率和離子感測器發(fā)電式：壓電式、霍爾式、光電和熱電式感測器3.按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類模擬式感測器和數(shù)字式感測器。二.一般要求1、穩(wěn)定性、可靠性一般用平均無故障時(shí)間來衡量穩(wěn)定性、可靠性。在計(jì)量、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中穩(wěn)定性、可靠性至關(guān)重要。2、靜態(tài)精度測靜態(tài)量，感測器精度應(yīng)滿足系統(tǒng)的精度要求。3、動(dòng)態(tài)性能測動(dòng)態(tài)量，如回應(yīng)速度、工作頻率、穩(wěn)定時(shí)間等。4、量程測量被測量的範(fàn)圍。一般量程越大，精度越低。5、抗干擾能力工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境較惡劣，存在溫濕度、電磁等干擾，設(shè)計(jì)的感測器能克服這些干擾，安全穩(wěn)定運(yùn)行。6、體積小、能耗低、成本低結(jié)構(gòu)型感測器向物性型半導(dǎo)體感測器發(fā)展。如測人體血壓的電子血壓計(jì)。（uWmW級(jí)）1.4感測器技術(shù)的發(fā)展方向1、開發(fā)新的敏感、傳感材料在半導(dǎo)體矽材料發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物理量都會(huì)使其性能改變。製成力敏、熱敏、光敏、磁敏氣敏等敏感元件?；A(chǔ)研究尋找發(fā)現(xiàn)具有新原理、新效應(yīng)的敏感元件和傳感元件。沒有深入細(xì)緻的，就沒有新傳感元件的問世，也就沒有新型感測器，組成不了新型測試系統(tǒng)。2、開發(fā)研製新型感測器及組成新型測試系統(tǒng)

(1)MEMS技術(shù)要求研製微型感測器。如用於微型偵察機(jī)的CCD感測器、用於管道爬壁機(jī)器人的力敏、視覺感測器。（2）研製仿生感測器（3）研製海洋探測用感測器（4）研製成分分析用感測器（5）研製微弱信號(hào)檢測感測器3、研究新一代的智能化感測器及測試系統(tǒng)

如電子血壓計(jì)，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點(diǎn)是感測器與微型電腦有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成智能感測器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟體實(shí)現(xiàn)。4、多功能於多參數(shù)感測器的研究

如同時(shí)檢測壓力、溫度和液位的感測器一逐步走向市場。1.5本課程的任務(wù)和目的1、任務(wù)：掌握感測器的工作原理、結(jié)構(gòu)、測量電路及典型應(yīng)用。2、目的：1）合理選擇和使用感測器。2）對(duì)感測器技術(shù)問題有一定的分析和處理能力。3）知曉感測器的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法。4）瞭解感測器的發(fā)展動(dòng)向。要求1、復(fù)習(xí)鞏固已學(xué)電路、電子等方面的知識(shí)。2、多看一些相關(guān)參考書及期刊雜誌。參考書：1、檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)常健生吉林工業(yè)大學(xué)機(jī)械工業(yè)出版社2、非電量電測技術(shù)譚祖根浙江大學(xué)3、感測器技術(shù)賈伯年東南大學(xué)感測器實(shí)例溫度感測器壓力感測器

感測器理論基礎(chǔ)1.1感測器基礎(chǔ)

1.1.1感測器的概念

感測器首先是一種測量器件或裝置，它的作用體現(xiàn)在測量上。定義中所謂“可用輸出信號(hào)”是指便於傳輸、轉(zhuǎn)換及處理的信號(hào)，主要包括氣、光和電等信號(hào)，而“規(guī)定的測量量”一般是指非電量信號(hào)。感測器的輸入和輸出信號(hào)應(yīng)該具有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)係，並且應(yīng)保證一定的精度。1．感測器的組成

1.1.2感測器的組成和分類

感測器組成框圖敏感元件(sensingelement)：直接感受被測量的變化，並輸出與被測量成確定關(guān)係的某一物理量的元件，是感測器的核心。

轉(zhuǎn)換元件(transductionelement)：將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成適於傳輸或測量的電信號(hào)。

測量電路(measuringcircuit)：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換和處理，如放大、濾波、線性化、補(bǔ)償?shù)龋垣@得更好的品質(zhì)特性，便於後續(xù)電路實(shí)現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能。2．感測器的分類

按工作原理分類：可分為電參數(shù)式(電阻式、電感式和電容式)感測器、壓電式感測器、光電式感測器、熱電式感測器等。按被測量分類：可分為力、位移、速度、加速度感測器等。按結(jié)構(gòu)分類：可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和複合型感測器。按能量轉(zhuǎn)換關(guān)係分類：可分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型感測器兩大類。

感測器的基本特性是指系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)係特性，即系統(tǒng)輸出信號(hào)之間的關(guān)係。與輸入信號(hào)(被測量)1.1.3感測器的基本特性感測器系統(tǒng)1．靜態(tài)特性

當(dāng)感測器的輸入信號(hào)是常量，不隨時(shí)間變化(或變化極緩慢)時(shí)，其輸出輸入關(guān)係特性稱為靜態(tài)特性。感測器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能來描述。1）測量範(fàn)圍(measuringrange)

感測器所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的範(fàn)圍稱為感測器的測量範(fàn)圍。2)量程(span)感測器測量範(fàn)圍的上限值與下限值的代數(shù)差稱為量程。，3)精度(accuracy)感測器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映。

工程技術(shù)中為簡化感測器精度的表示方法，引用了精度等級(jí)的概念。精度等級(jí)以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示，代表感測器測量的最大允許誤差（相對(duì)誤差）。4)線性度(linearity)

所謂感測器的線性度是指其輸出量與輸入量之間的關(guān)係曲線偏離理想直線的程度，又稱為非線性誤差。

在不考慮遲滯、蠕變等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程來表示：其中：—輸出量；

—輸入量；

—零點(diǎn)輸出；

—理論靈敏度；

—非線性項(xiàng)係數(shù)

在不考慮零位輸出的情況下，感測器的線性度可分為以下幾種情況：感測器的非線性

採用直線擬合的方法來線性化時(shí)，輸入—輸出的校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差，稱為非線性誤差，通常用相對(duì)誤差來表示：

——

非線性最大誤差；——

滿量程輸出值。

在非線性誤差不太大的情況下，通常採用直線擬合的方法來線性化。

常用的擬合方法：理論擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端點(diǎn)擬合、端點(diǎn)平移擬合、最小二乘法擬合等。各種直線擬合方法5)靈敏度(sensitivity)

靈敏度是指感測器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比，即感測器的靈敏度6)解析度和閾值(resolutionandthreshold)

解析度當(dāng)分辨力以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)則稱為解析度。

分辨力感測器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。

閾值是指能使感測器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。7)重複性(repeatability)

重複性是指感測器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線間不一致的程度。感測器的重複性8)遲滯(hysteresis)

遲滯特性表明感測器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出與輸入曲線不重合的程度。感測器的遲滯特性9)穩(wěn)定性(stability)

穩(wěn)定性表示感測器在一個(gè)較長的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過一規(guī)定時(shí)間間隔後，感測器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來表示，稱為穩(wěn)定性誤差。穩(wěn)定性誤差可用相對(duì)誤差表示，也可用絕對(duì)誤差來表示。10)漂移(drift)

感測器的漂移是指在外界的干擾下，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，感測器輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。感測器的漂移2．動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性是指感測器對(duì)於隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)的回應(yīng)特性，是感測器的重要特性之一。感測器的動(dòng)態(tài)特性與其輸入信號(hào)的變化形式密切相關(guān)，最常見、最典型的輸入信號(hào)是階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。對(duì)於階躍輸入信號(hào)，感測器的回應(yīng)稱為階躍回應(yīng)或瞬態(tài)回應(yīng)，對(duì)於正弦輸入信號(hào)，則稱為頻率回應(yīng)或穩(wěn)態(tài)回應(yīng)?？蓮臅r(shí)域和頻域兩個(gè)方面採用瞬態(tài)回應(yīng)法和頻率回應(yīng)法來分析動(dòng)態(tài)特性。

動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述：微分方程實(shí)際感測器較複雜，動(dòng)態(tài)回應(yīng)特性一般並不能直接給出其微分方程，可通過實(shí)驗(yàn)給出感測器與階躍回應(yīng)曲線和幅頻特性曲線上的某些特徵值來表示儀器的動(dòng)態(tài)回應(yīng)特性。大部分感測器的動(dòng)態(tài)特性可近似用一階或二階系統(tǒng)來描述，其動(dòng)態(tài)分析方法詳見《自控原理》相關(guān)內(nèi)容。

動(dòng)態(tài)特性好的感測器應(yīng)具有較短的暫態(tài)回應(yīng)時(shí)間和較寬的頻率回應(yīng)特性。1.1.4感測器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)1.感測器的命名感測器的全稱應(yīng)由“主題詞+四級(jí)修飾語”組成，即主題詞——

感測器。

一級(jí)修飾語——

被測量，包括修飾被測量的定語。二級(jí)修飾語——

轉(zhuǎn)換原理，一般可尾碼以“式”字。三級(jí)修飾語——

特徵描述，指必須強(qiáng)調(diào)的感測器結(jié)構(gòu)、性能、材料特徵、敏感元件及其他必要的性能特徵，一般可尾碼以“型”字。四級(jí)修飾語——

主要技術(shù)指標(biāo)(如量程、精度、靈敏度等)。2．感測器的代號(hào)一種感測器的代號(hào)應(yīng)包括以下四部分：a——

主稱(感測器)；

b——

被測量；c——

轉(zhuǎn)換原理；d——

序號(hào)。感測器產(chǎn)品代號(hào)的編制格式3．感測器的圖形符號(hào)

感測器的圖形符號(hào)是電氣圖用圖形符號(hào)的一個(gè)組成部分。按GB/T14479—93《感測器圖用圖形符號(hào)》規(guī)定，感測器的圖形符號(hào)由符號(hào)要素正方形和等邊三角形組成正方形——轉(zhuǎn)換元件三角形——敏感元件感測器的圖形符號(hào)

表示轉(zhuǎn)換原理的限定符號(hào)應(yīng)寫進(jìn)正方形內(nèi)，表示被測量的限定符號(hào)應(yīng)寫進(jìn)三角形內(nèi)。感測器圖形符號(hào)的說明(1)

—

被測量符號(hào)；*—

轉(zhuǎn)換原理當(dāng)無須強(qiáng)調(diào)具體的轉(zhuǎn)換原理時(shí)，感測器的圖形符號(hào)可以簡化。感測器圖形符號(hào)的說明(2)

對(duì)角線—

內(nèi)在的能量轉(zhuǎn)換功能；(A)、(B)—

輸入、輸出信號(hào)

對(duì)於感測器的電氣引線，應(yīng)根據(jù)接線圖設(shè)計(jì)需要，從正方形的三條邊線垂直引出。感測器圖形符號(hào)的說明(3)

對(duì)於某些轉(zhuǎn)換原理難以用圖形符號(hào)簡單、形象地表達(dá)時(shí)，也可用文字符號(hào)替代。感測器圖形符號(hào)的說明(4)

幾種典型感測器的圖形符號(hào)1.1.5感測器的發(fā)展趨勢發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效應(yīng)開發(fā)新材料採用高新技術(shù)拓展應(yīng)用領(lǐng)域提高感測器的性能感測器的微型化與低功耗感測器的集成化與多功能化感測器的智能化與數(shù)位化感測器的網(wǎng)路化1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)1.2.1檢測技術(shù)

檢測技術(shù)是以研究檢測系統(tǒng)中的資訊提取、資訊轉(zhuǎn)換以及資訊處理的理論與技術(shù)為主要內(nèi)容的一門應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。檢測技術(shù)主要研究被測量的測量原理、測量方法、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等方面的內(nèi)容。不同性質(zhì)的被測量要採用不同的原理去測量，測量同一性質(zhì)的被測量也可採用不同測量原理。1.2.2測量方法1.測量

測量是檢測技術(shù)的重要組成部分，是以確定被測對(duì)象量值為目的的一系列操作。

測量是將被測量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而確定被測量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。它可由下式表示：

——

被測量值；——

標(biāo)準(zhǔn)量，即測量單位；——

數(shù)值(比值)，含有測量誤差。

式中

2.測量方法1)直接測量、間接測量和組合測量(1)直接測量在使用儀錶進(jìn)行測量時(shí)，對(duì)儀錶讀數(shù)不需要經(jīng)過任何運(yùn)算，就能直接表示測量所需要的結(jié)果，稱為直接測量。(2)間接測量有的被測量無法或不便於直接測量，這就要求在使用儀錶進(jìn)行測量時(shí)，首先對(duì)與被測物理量有確定函數(shù)關(guān)係的幾個(gè)量進(jìn)行測量，然後將測量值代入函數(shù)關(guān)係式，經(jīng)過計(jì)算得到所需的結(jié)果，這種方法稱為間接測量。

經(jīng)過求解聯(lián)立方程組，才能得到被測物理量的最後結(jié)果，則稱這樣的測量為組合測量。(3)組合測量(又稱聯(lián)立測量)2)偏差式測量、零位式測量與微差式測量

用儀錶指針的位移(即偏差)決定被測量的量值。用指零儀錶的零位指示檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在測量系統(tǒng)平衡時(shí)，用已知的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測量的量值的測量方法。微差式測量是綜合了偏差式測量與零位式測量的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種測量方法。它將被測量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，取得差值後，再用偏差法測得此差值。3)等精度測量與非等精度測量

在整個(gè)測量過程中，若影響和決定測量精度的全部因素(條件)始終保持不變，即在同樣的環(huán)境條件下，對(duì)同一被測量進(jìn)行多次重複測量，稱為等精度測量。用不同精度的儀錶或不同的測量方法，或在環(huán)境條件相差很大的情況下對(duì)同一被測量進(jìn)行多次重複測量稱為非等精度測量。

被測量在測量過程中認(rèn)為是固定不變的，這種測量稱為靜態(tài)測量。若被測量在測量過程中是隨時(shí)間不斷變化的，這種測量稱為動(dòng)態(tài)測量。4)靜態(tài)測量與動(dòng)態(tài)測量

在實(shí)際測量過程中，一定要從測量任務(wù)的具體情況出發(fā)，經(jīng)過認(rèn)真的分析後，再?zèng)Q定選用哪種測量方法。1.2.3檢測系統(tǒng)1.檢測系統(tǒng)的構(gòu)成檢測系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖2.開環(huán)檢測系統(tǒng)與閉環(huán)檢測系統(tǒng)1)開環(huán)檢測系統(tǒng)

開環(huán)檢測系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較簡單，但各環(huán)節(jié)特性的變化都會(huì)造成測量誤差。2)閉環(huán)檢測系統(tǒng)

當(dāng)>>1時(shí)，則系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)係為≈經(jīng)整理得

此系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)係由回饋環(huán)節(jié)的特性決定，放大器等環(huán)節(jié)特性的變化不會(huì)造成測量誤差，或造成的誤差很小。1.2.4測量誤差及數(shù)據(jù)處理1.測量誤差

測量誤差就是測量值與真實(shí)值之間的差值，它反映了測量的精度。1)測量誤差的表示方法(1)絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差

絕對(duì)誤差表示測量值與被測量真實(shí)值(真值)之間的差值，即

對(duì)測量值進(jìn)行修正時(shí)，被測量真實(shí)值應(yīng)等於測量值加上修正值，即A=x+c。其中修正值c是與絕對(duì)誤差大小相等、符號(hào)相反的值。

在實(shí)際應(yīng)用中更多地是用相對(duì)誤差來代替絕對(duì)誤差表示測量結(jié)果，這樣可以更客觀地反映測量的準(zhǔn)確性。①

實(shí)際相對(duì)誤差

②

示值(標(biāo)稱)相對(duì)誤差③引用(滿度)相對(duì)誤差它是指測量儀錶中相對(duì)儀錶滿量程的一種相對(duì)誤差。

儀錶的精度等級(jí)是根據(jù)引用誤差來確定的。我國電工儀錶的精度等級(jí)按的大小分為七級(jí)：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0。(2)基本誤差和附加誤差

基本誤差是指儀錶在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差。標(biāo)準(zhǔn)條件一般指檢測系統(tǒng)在標(biāo)定刻度時(shí)所保持的電源電壓(220±5)V、電網(wǎng)頻率(50±2)Hz、環(huán)境溫度(20±5)℃、濕度(65%±5%)RH。附加誤差是指當(dāng)儀錶的使用條件偏離標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)出現(xiàn)的誤差。(3)工具誤差和方法誤差

工具誤差是指由於測量工具本身不完善引起的誤差。方法誤差也稱理論誤差，是指測量方法不精確、理論依據(jù)不嚴(yán)密及對(duì)被測量定義不明確等因素所產(chǎn)生的誤差。2)誤差的性質(zhì)(1)系統(tǒng)誤差(簡稱系差)

在一定的條件下，對(duì)同一被測量進(jìn)行多次重複測量，如果誤差按照一定的規(guī)律變化，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。

系統(tǒng)誤差決定了測量的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實(shí)驗(yàn)或引入修正值的方法一次修正給以消除。(2)隨機(jī)誤差(簡稱隨差，又稱偶然誤差)由大量偶然因素的影響而引起的測量誤差稱為隨機(jī)誤差。

對(duì)同一被測量進(jìn)行多次重複測量時(shí)，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值和符號(hào)將不可預(yù)知地隨機(jī)變化，但總體上服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。隨機(jī)誤差決定了測量的精密度。隨機(jī)誤差不能用簡單的修正值法來修正，只能通過概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法去估計(jì)它出現(xiàn)的可能性。

精密度、準(zhǔn)確度和精確度三者的關(guān)係

系統(tǒng)誤差越小，測量結(jié)果準(zhǔn)確度越高；隨機(jī)誤差越小，測量結(jié)果精密度越高。如果一個(gè)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精密度都很高，就稱此測量的精確度很高。打靶彈著點(diǎn)分佈圖(3)粗大誤差(簡稱粗差，又稱疏忽誤差)

在一定測量條件下，測量值明顯偏離實(shí)際真實(shí)值所形成的誤差稱為粗大誤差。含有粗大誤差的測量值稱為壞值。壞值不能反映被測量的真實(shí)結(jié)果。對(duì)於粗大誤差，首先應(yīng)設(shè)法判斷是否存在，如存在，則需將壞值剔除。2.測量數(shù)據(jù)的估計(jì)和處理1)隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)處理

隨機(jī)誤差的分佈可以在大量重複測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來，當(dāng)測量次數(shù)足夠多時(shí)，測量過程中產(chǎn)生的誤差服從正態(tài)分佈規(guī)律。

——

概率密度；σ——

標(biāo)準(zhǔn)誤差(均方根準(zhǔn)誤差)；δ——

隨機(jī)誤差。

正態(tài)分佈規(guī)律曲線為一條鐘形的曲線。

隨機(jī)誤差分佈規(guī)律的特點(diǎn)①

集中性。②有限性。③對(duì)稱性。④抵償性。正態(tài)分佈曲線

由於隨機(jī)誤差的出現(xiàn)是符合正態(tài)分佈曲線的，因此它的出現(xiàn)概率就是該曲線下所包圍的面積，該面積是全部隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率之和，也就是應(yīng)該等於1。(2)隨機(jī)誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)①算術(shù)平均值

在實(shí)際測量時(shí)，真值一般無法得到?？梢宰C明，隨著測量次數(shù)的增多，算術(shù)平均值越來越接近真值，當(dāng)無限大時(shí)，測量值的算術(shù)平均值就是真值。②標(biāo)準(zhǔn)誤差(又稱均方根誤差)

算術(shù)平均值是反映隨機(jī)誤差的分佈中心，而標(biāo)準(zhǔn)誤差則反映隨機(jī)誤差的分佈範(fàn)圍。標(biāo)準(zhǔn)誤差越大，測量數(shù)據(jù)的分散範(fàn)圍也越大，標(biāo)準(zhǔn)誤差可以描述測量數(shù)據(jù)和測量結(jié)果的精度，是評(píng)價(jià)隨機(jī)誤差的重要指標(biāo)。三種不同的正態(tài)分佈曲線

標(biāo)準(zhǔn)誤差的求法（貝賽爾(Bessel)公式）

通常利用殘餘誤差(簡稱殘差又稱剩餘誤差)來求得標(biāo)準(zhǔn)誤差。所謂殘差，是指測量值與該被測量的算術(shù)平均值之差，用表示，即貝賽爾(Bessel)公式

殘差有一個(gè)重要特性，即

將多次測量的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果時(shí)，其精度參數(shù)用算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差來表示，即

一個(gè)被測量的測量結(jié)果，一般用下式表示隨機(jī)誤差的影響，即式中Z稱為置信係數(shù)，一般取1～3。可以證明，這時(shí)概率P如下：置信概率與置信區(qū)間評(píng)定隨機(jī)誤差時(shí)一般以為極限誤差，如某項(xiàng)測量值的殘差超出則認(rèn)為此項(xiàng)測量值中含有粗大誤差，數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)舍去。2)系統(tǒng)誤差的檢查及消除(1)實(shí)驗(yàn)對(duì)比法

這種方法是通過改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件，進(jìn)行不同條件的測量，來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的，此種方法適用於發(fā)現(xiàn)固定的系統(tǒng)誤差。

(2)殘餘誤差法

這種方法是根據(jù)測量值的殘餘誤差的大小和符號(hào)的變化規(guī)律，直接由誤差數(shù)據(jù)或誤差曲線來判斷有無系統(tǒng)誤差。(3)理論計(jì)算法

馬利科夫準(zhǔn)則

馬利科夫準(zhǔn)則適用於判別測量數(shù)據(jù)中是否存在累進(jìn)性系統(tǒng)誤差。不含累進(jìn)性系統(tǒng)誤差；如與值相當(dāng)或更大，則說明測量值中存在累進(jìn)性系統(tǒng)誤差。近似為零或明顯小於，則說明上述測量值中

阿卑—赫梅特(Abbe—Helmert)準(zhǔn)則

阿卑－赫梅特準(zhǔn)則適用於判別測量數(shù)據(jù)中是否存在週期性系統(tǒng)誤差。＞當(dāng)存在

則認(rèn)為測量數(shù)據(jù)中含有週期性系統(tǒng)誤差。3)粗大誤差的判別(1)拉依達(dá)準(zhǔn)則（準(zhǔn)則）

將等於的誤差作為極限誤差，如果一組測量數(shù)據(jù)中某個(gè)測量值的殘餘誤差的絕對(duì)值＞，則該測量值為壞值，應(yīng)剔除。

(2)肖維勒準(zhǔn)則

肖維勒準(zhǔn)則是以正態(tài)分佈為前提的，假設(shè)多次重複測量所得的個(gè)測量值中，某個(gè)測量值的殘餘誤差＞，則剔除此數(shù)據(jù)。為判別係數(shù)。實(shí)用中＜3，所以在一定程度上彌補(bǔ)了準(zhǔn)則的不足。

(3)格拉布斯(Grubbs)準(zhǔn)則

格拉布斯準(zhǔn)則也是以正態(tài)分佈為前提的，當(dāng)某個(gè)測量值的殘餘誤差的絕對(duì)值＞，則可判斷此測量值中含有粗大誤差，應(yīng)予以剔除。為判別係數(shù)，值與重複測量次數(shù)和置信概率有關(guān)。4)測量數(shù)據(jù)的處理①利用修正值等方法，對(duì)測量值進(jìn)行修正，減小恒值系統(tǒng)誤差的影響。②將一系列等精度測量讀數(shù)(＝1，2，…，)按先後順序列成表格(在測量時(shí)應(yīng)盡可能消除系統(tǒng)誤差)。③計(jì)算測量讀數(shù)的算術(shù)平均值。④在每個(gè)測量讀數(shù)旁列出相應(yīng)的殘餘誤差。⑤檢查的條件是否滿足，若不滿足，說明計(jì)算有誤，需重新計(jì)算。⑥在每項(xiàng)殘餘誤差旁列出，然後由貝賽爾公式求出標(biāo)準(zhǔn)誤差。⑦

依照已知條件和實(shí)際要求，可根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則檢查是否有＞的測量值；或根據(jù)肖維勒準(zhǔn)則，檢查是否有＞的測量值；或根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則，檢查是否有的測量值；如果有，則應(yīng)認(rèn)為該測量值為壞值，舍去此值，然後重複完成③～⑦的步驟，直到?jīng)]有壞值為止。⑧判斷有無變值系統(tǒng)誤差。⑨計(jì)算測量值的算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。⑩根據(jù)實(shí)際要求，寫出最後測量結(jié)果()。5)誤差的合成與分配

在測量中，已知各測量值的誤差(或局部誤差)，求總的誤差，稱為誤差合成(也稱誤差綜合)；反之，確定了總的誤差後，計(jì)算各環(huán)節(jié)(或各部分)具有多大誤差才能保證總的誤差值不超過規(guī)定值，稱為誤差的分配。(1)誤差的合成

在實(shí)際測量中，當(dāng)系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)大於隨機(jī)誤差的影響時(shí)，基本上可按系統(tǒng)誤差的合成來處理，當(dāng)系統(tǒng)誤差較小或已修正時(shí)，則可按隨機(jī)誤差合成來處理。一般情況下系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的影響差不多，二者均不可忽略，此時(shí)，誤差的合成可根據(jù)具體情況，分別按不同的方法處理。(2)誤差的分配

如果說由各測量值的誤差合成總誤差是誤差傳播的正向過程，那麼給定總誤差後，如何將這個(gè)總誤差分配給各環(huán)節(jié)，就可以說是誤差傳播的反向過程。

常見的誤差分配原則

①等精度分配。

②等作用分配。

③按主要誤差進(jìn)行分配。

被測量?→電阻?

輸出

電阻式感測器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用於測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等檢測系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過程檢測以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化不可缺少的手段之一。測量電路

電阻式感測器2.1電位器式電阻感測器

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號(hào)大、性能穩(wěn)定並容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)；但要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。

分類：根據(jù)輸入—輸出特性的不同，分為線性電位器和非線性電位器兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，分為繞線式、薄膜式、光電式等。

是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)係的電阻或電壓輸出的傳感元件。2.1.1工作原理

當(dāng)被測量發(fā)生變化時(shí)，通過電刷觸點(diǎn)在電阻元件上產(chǎn)生移動(dòng)，該觸點(diǎn)與電阻元件間的電阻值就會(huì)發(fā)生變化，即可實(shí)現(xiàn)位移(被測量)與電阻之間的線性轉(zhuǎn)換。1)線性電位器

角位移式電位器感測器原理圖

線性直線位移式電位器工作原理示意圖2)非線性電位器

輸入量位移和輸出電壓之間呈現(xiàn)某種函數(shù)規(guī)律的非線性變化，可以實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)，常用的非線性電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式和電位給定式等四種。變骨架式非線性電位器

電阻靈敏度為電壓靈敏度為2.基本特性1)階梯特性

當(dāng)電刷在多匝導(dǎo)線上移動(dòng)時(shí)，電位器的阻值和輸出電壓不是連續(xù)變化，而是階躍式地變化。電刷每移動(dòng)過一匝線圈，電阻就突然增加一匝阻值，輸出電壓就產(chǎn)生一次階躍。

線性電位器的階梯特性曲線圖

當(dāng)電刷從m-1匝移至m匝時(shí)，電刷瞬間使相鄰兩匝線圈短接，於是電位器的總匝數(shù)從n匝減少到n-1匝，則：

在理想情況下，特性曲線各個(gè)階梯的大小完全相同，則穿過每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線即是理論直線，階梯曲線圍繞它上下波動(dòng)從而產(chǎn)生一定的偏差，這種偏差就是階梯誤差。理想階梯特性曲線圖

電位器的階梯誤差通常用理想階梯特性曲線對(duì)理論直線最大偏差值與最大輸出電壓值之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

階梯誤差2)負(fù)載特性帶負(fù)載的電位器電路

電位器的負(fù)載電阻為，則此電位器的輸出電壓為：設(shè)電阻的相對(duì)變化負(fù)載係數(shù)則電位器相對(duì)輸出電壓為

可見，當(dāng)m≠0，即RL

不是無窮大時(shí)，Y

與r

為非線性關(guān)係。

電位器的負(fù)載特性曲線

負(fù)載特性曲線（m≠0）均為下垂曲線，說明負(fù)載輸出電壓比空載輸出電壓低，這種偏差即為負(fù)載誤差。

電位器負(fù)載特性曲線負(fù)載誤差對(duì)於線性電位器有線性電位器負(fù)載誤差曲線

故

可見，無論為何值，電刷在起始位置和最大位置時(shí)，負(fù)載誤差都為零，當(dāng)電刷處於行程中心位置時(shí)，負(fù)載誤差最大。

2.1.2結(jié)構(gòu)與材料1.繞線式電位器常用的繞線式電位器通常由電阻絲、電刷及骨架構(gòu)成。1)電阻絲

要求：電阻係數(shù)高，電阻溫度係數(shù)小，強(qiáng)度高，延展性好，對(duì)銅的熱電勢盡可能小，耐磨耐腐蝕，焊接性好。常用材料：銅鎳合金類、銅錳合金類、鉑銥合金類、鎳鉻絲、卡瑪絲及銀鈀絲等。

材料：要與電阻絲材料配合選擇，通常是使電刷材料的硬度與電阻絲材料的硬度相近或稍高些，而且要保證電刷觸點(diǎn)具有良好的抗氧化能力、接觸電勢要小。常用的電刷觸頭材料有銀、鉑銥、鉑銠等金屬。2)電刷

結(jié)構(gòu)：由具有彈性的金屬薄片或金屬絲製成，末端彎曲形成弧形。3)骨架

材料：形狀穩(wěn)定，電氣絕緣好，有足夠的強(qiáng)度和剛度，散熱性好，耐潮濕，易加工。2.非線繞式電位器

1)薄膜電位器碳膜電位器：在絕緣骨架表面上噴塗一層均勻的電阻液，經(jīng)烘乾聚合後而製成電阻。

優(yōu)點(diǎn)：解析度高、耐磨性較好、工藝簡單、成

本較

低、線性度較好。缺點(diǎn)：接觸電阻大、雜訊大。

金屬膜電位器：在玻璃或膠木基體上，用高溫蒸鍍或電鍍方法，塗覆一層金屬膜而製成。

優(yōu)點(diǎn)：溫度係數(shù)小，可在高溫環(huán)境下工作。缺點(diǎn)：耐磨性差、功率小、阻值不高(1kΩ～2kΩ)。

這種電位器由塑膠粉及導(dǎo)電材料粉(合金、石墨、炭黑等)壓制而成，它又稱為實(shí)心電位器。

優(yōu)點(diǎn)：耐磨性較好、壽命較長、電刷允許的接觸壓力

較大，適用於振動(dòng)、衝擊等惡劣條件下工作，且阻值範(fàn)圍大，能承受較大的功率。

缺點(diǎn)：溫度影響較大、接觸電阻大、精度不高。

2)導(dǎo)電塑膠電位器3)光電電位器光電電位器原理圖

優(yōu)點(diǎn)：耐磨性好，精度、解析度高，壽命長(可達(dá)億萬次迴圈)、可靠性好，阻值範(fàn)圍寬(500～15M)等。缺點(diǎn)：輸出電流較小，需配備高輸入阻抗放大器工作，工作溫度的範(fàn)圍比較窄，線性度不高。此外，光電電位器需要照明光源和光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)較複雜，體積和重量較大。

2.2應(yīng)變式電阻感測器2.2.1應(yīng)變效應(yīng)和工作原理

應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時(shí)，將產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致其電阻值變化。金屬絲伸長後幾何尺寸變化設(shè)電阻絲在外力F的作用下被拉伸(或壓縮)，則：用相對(duì)變化表示對(duì)於半徑為的電阻絲，截面面積則：令電阻絲的軸向(縱向)應(yīng)變?yōu)閺较?橫向)應(yīng)變?yōu)閯t由材料力學(xué)泊松定律可知：經(jīng)整理得如用增量表示，有：進(jìn)一步整理得設(shè)則：

為電阻絲的靈敏係數(shù)，它受兩個(gè)因素的影響：一是它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對(duì)某種材料來說，它是常數(shù)；另一個(gè)是，它是由電阻絲電阻率的改變而引起的，對(duì)於金屬材料，其值也是常數(shù)，但往往比小很多，可以忽略，故對(duì)於金屬材料，靈敏係數(shù)將保持不變，即值是恒定的。因此：≈結(jié)論2.2.2電阻應(yīng)變片的種類、材料及粘貼1.電阻應(yīng)變片的種類、結(jié)構(gòu)與材料

種類金屬電阻應(yīng)變片：絲式、箔式和薄膜式。半導(dǎo)體應(yīng)變片2)結(jié)構(gòu)絲式：

電阻絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

箔式

敏感柵是由很薄的金屬箔片用光刻、腐蝕等技術(shù)製作。與絲式應(yīng)變片相比，金屬箔式應(yīng)變片具有散熱性能好，允許電流大，靈敏度高，壽命長，可製成任意形狀，易加工，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用範(fàn)圍日益擴(kuò)大，已逐漸取代絲式應(yīng)變片而占主要的地位。

箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

對(duì)金屬電阻應(yīng)變片敏感柵材料的基本要求是：①靈敏係數(shù)

值大，並且在較大應(yīng)變範(fàn)圍內(nèi)保持常數(shù)。②電阻溫度係數(shù)小。③電阻率大。④機(jī)械強(qiáng)度高，且易於拉絲或輾薄。⑤與銅絲的焊接性好，與其他金屬的接觸熱電勢小。

薄膜應(yīng)變片

採用真空蒸發(fā)或真空沉積的方法，將金屬敏感材料直接鍍制於彈性基片上。相對(duì)於金屬粘貼式應(yīng)變片而言，薄膜應(yīng)變片的應(yīng)變傳遞性能得到了極大的改善，幾乎無蠕變，並且具有應(yīng)變靈敏係數(shù)高，穩(wěn)定性好、可靠性高、工作溫度範(fàn)圍寬(-100℃～180℃)、使用壽命長、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的新型應(yīng)變片。3)材料金屬電阻應(yīng)變片常用的敏感柵材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金、鉑、鉑鎢合金等。

2.電阻應(yīng)變片的粘貼

電阻應(yīng)變片應(yīng)用時(shí)用粘合劑粘貼到試件表面上，粘合劑的性能及粘結(jié)工藝的品質(zhì)直接影響著應(yīng)變片的工作特性，因此必須合理選擇粘合劑，遵循正確的粘結(jié)工藝，保證粘貼品質(zhì)，這與電阻應(yīng)變片的測量精度有著極其重要的關(guān)係。

此外粘貼時(shí)還要考慮到應(yīng)變片的工作條件，如溫度、相對(duì)濕度、穩(wěn)定性要求、粘貼時(shí)間長短的要求以及貼片固化時(shí)加熱加壓的可能性等。

2.2.3電阻應(yīng)變片的主要特性1.靈敏係數(shù)

靈敏係數(shù)表示安裝在被測試件上的應(yīng)變在其軸向受到單向應(yīng)力時(shí)，引起的電阻相對(duì)變化與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比。應(yīng)變片的靈敏係數(shù)值的準(zhǔn)確性直接關(guān)係到應(yīng)變測量的精度，其誤差大小是衡量應(yīng)變片品質(zhì)優(yōu)劣的重要標(biāo)誌。一般要求值儘量大而穩(wěn)定。需要指出，應(yīng)變片的靈敏係數(shù)並不等於其敏感柵整長電阻絲的靈敏係數(shù)，一般情況下，＜

將直的電阻絲繞成敏感柵後，雖然長度不變，應(yīng)變狀態(tài)相同，但在的圓弧處，除受縱向的拉應(yīng)變外，由泊松關(guān)係，還存在橫向的負(fù)應(yīng)變（），造成電阻的減小，因而其靈敏係數(shù)較整長電阻絲的靈敏係數(shù)小，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。2.橫向效應(yīng)應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng)3.機(jī)械滯後、零漂和蠕變

機(jī)械滯後應(yīng)變片安裝在試件上以後，在加載和卸載過程中，對(duì)同一機(jī)械應(yīng)變量，兩過程的特性曲線並不重合，卸載時(shí)的指示應(yīng)變高於加載時(shí)的指示應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯後。產(chǎn)生機(jī)械滯後的主要原因是敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變之後留下的殘餘變形所致。機(jī)械滯後

已粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定，試件上沒有機(jī)械應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示會(huì)隨著時(shí)間增長而逐漸變化，這就是應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移，簡稱零漂。

零漂

已粘貼的應(yīng)變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機(jī)械應(yīng)變長時(shí)間作用下，應(yīng)變片的指示會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為蠕變。一般來說，蠕變的方向與原來應(yīng)變量變化的方向相反。應(yīng)變片工作時(shí)，零漂和蠕變是同時(shí)存在的。

蠕變4.溫度效應(yīng)

當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。影響：

a.感柵材料的電阻溫度係數(shù)

b.敏感材料和試件材料的膨脹係數(shù)不同

因此，由於環(huán)境溫度變化形成總的電阻相對(duì)變化為：相應(yīng)地如消除此項(xiàng)誤差，要採取溫度補(bǔ)償措施。5.應(yīng)變極限、疲勞壽命

應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差達(dá)到規(guī)定值(一般為10%)時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值。對(duì)於已安裝的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的迴圈次數(shù)N稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。應(yīng)變極限

6.絕緣電阻和最大工作電流

應(yīng)變片的絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測件之間的電阻值。通常要求在50MΩ

～100MΩ以上。絕緣電阻下降將使測量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。對(duì)於已安裝的應(yīng)變片，最大工作電流是指允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。工作電流的選取要根據(jù)試件的導(dǎo)熱性能及敏感柵形狀和尺寸來決定。7.應(yīng)變片的電阻值

指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力的情況下，於室溫測得的電阻值。目前常用的電阻系列有：60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等，其中以120Ω最常用。

即利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片進(jìn)行補(bǔ)償。

1)選擇式自補(bǔ)償法(又稱單絲自補(bǔ)償法)只需：

這種的自補(bǔ)償應(yīng)變片容易加工，成本低，缺點(diǎn)是只適用特定材料，溫度補(bǔ)償範(fàn)圍也較窄。2.2.4電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償1.自補(bǔ)償法敏感柵由兩種不同溫度係數(shù)的電阻絲組成（1）二者具有不同符號(hào)的電阻溫度係數(shù)即：組合式自補(bǔ)償法之一可通過調(diào)節(jié)兩種電阻絲的長度來控制應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償。2)組合式自補(bǔ)償(又稱雙絲自補(bǔ)償法)組合式自動(dòng)補(bǔ)償法之二（2）二者具有相同符號(hào)的電阻溫度係數(shù)滿足條件求得：

可使兩橋臂由於溫度引起的電阻變化相等或接近，實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。2.線路補(bǔ)償法常用電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法R1——工作應(yīng)變片，安裝在被測試件上；RB——補(bǔ)償應(yīng)變片，安裝在補(bǔ)償塊上，與被測試件溫度相同，但不承受應(yīng)變。

R1、RB

接入電橋相鄰兩臂，因，故輸出電壓Uo不受溫度變化影響。

①R1和RB兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度係數(shù)α、線膨脹係數(shù)β、應(yīng)變靈敏度係數(shù)K和初始電阻值Ro。

②粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹係數(shù)相同。

③兩應(yīng)變片應(yīng)處於同一溫度場。

應(yīng)當(dāng)指出，若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，必須滿足以下三個(gè)條件：

在應(yīng)變測試的某些條件下，可通過改變應(yīng)變片的粘貼位置，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，同時(shí)還可提高應(yīng)變片的靈敏係數(shù)。差動(dòng)電橋補(bǔ)償法

測量時(shí)可將RＢ貼在被測試件的下麵，接入電橋電路中。由於在外力F的作用下,RB與R1的變化值大小相等符號(hào)相反,電橋的輸出電壓增加一倍。此時(shí)RB既起到了溫度補(bǔ)償作用，又提高了靈敏度，同時(shí)可補(bǔ)償非線性誤差。當(dāng)，或時(shí)，電橋平衡

1.直流電橋

1)

直流電橋平衡條件當(dāng)RL→∞時(shí)，電橋輸出電壓為

欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。2.2.5測量電路2)電壓靈敏度

應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由於放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情況。當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為ΔR，其他橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡。輸出電壓為：

設(shè)橋臂比n=R2/R1，由於ΔR1<<R1，並考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，則上式可寫為：電橋電壓靈敏度定義為：

由分析可知：

①電橋電壓靈敏度正比於電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇。

②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。由dKU/dn=0，求KU的最大值，得

求得n=1時(shí)，KU為最大值。即當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有：

從上述可知，當(dāng)電源電壓U和電阻相對(duì)變化量ΔR1/R1一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。當(dāng)U值確定後，n取何值時(shí)才能使KU最高：

3)非線性誤差及其補(bǔ)償方法

可見與ΔR1/R1的關(guān)係是非線性的，如果是四等臂電橋，R1=R2=R3=R4，即n=1，則非線性誤差為

為了減小和克服非線性誤差，常採用差動(dòng)電橋：如圖若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得

電路優(yōu)點(diǎn)：

Uo與ΔR1/R1成線性關(guān)係，差動(dòng)電橋無非線性誤差；電壓靈敏度KU=U/2，是單臂工作時(shí)的兩倍；具有溫度補(bǔ)償作用該電橋輸出電壓為

若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。

電路優(yōu)點(diǎn)：

Uo與ΔR1/R1成線性關(guān)係，差動(dòng)電橋無非線性誤差；電壓靈敏度KU=U/4，是單臂工作時(shí)的四倍；具有溫度補(bǔ)償作用若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則：

當(dāng)負(fù)載為有限值時(shí)：電橋內(nèi)阻輸出電流2.交流電橋由於供橋電源為交流電源，引線分佈電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)複阻抗特性：由交流電路分析可得：要滿足電橋平衡條件，即Uo=0，則有：Z1Z4=Z2Z3

將Z1、Z2、Z3、Z4運(yùn)算式代入，可得：整理得：

其實(shí)部、虛部應(yīng)分別相等，並整理可得交流電橋的平衡條件為：及常見交流電橋平衡調(diào)節(jié)電路2.3壓阻式感測器

20世紀(jì)50年代中期出現(xiàn)，由半導(dǎo)體應(yīng)變片製成，其靈敏係數(shù)比金屬電阻式感測器高幾十倍，而且具有體積小、解析度高、工作頻帶寬、機(jī)械遲滯小、感測器與測量電路可實(shí)現(xiàn)一體化等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中應(yīng)用廣泛。2.3.1工作原理

基於半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理：當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體材料施加應(yīng)力作用時(shí)，半導(dǎo)體材料的電阻率將隨著應(yīng)力的變化而發(fā)生變化，進(jìn)而反映到電阻值也發(fā)生變化。

其中由材料幾何尺寸變化而引起電阻的變化很小，可忽略不計(jì)，而一項(xiàng)很大，也就是說，半導(dǎo)體材料電阻的變化主要由半導(dǎo)體材料電阻率的變化所造成的，即：對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片：≈又彈性模量故：

可見，當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受到外界應(yīng)力的作用時(shí)，其電阻(率)的變化與受到應(yīng)力的大小成正比，這就是壓阻感測器的工作原理。2.3.2影響壓阻係數(shù)的因素1.應(yīng)力的作用方向半導(dǎo)體的晶向

由於半導(dǎo)體材料的各向異性，在實(shí)際應(yīng)用中，隨著外界應(yīng)力施加方向的不同其壓阻係數(shù)也是不同的。通常根據(jù)外界應(yīng)力相對(duì)晶軸的方向，分為縱向應(yīng)力

和橫向應(yīng)力

，當(dāng)半導(dǎo)體同時(shí)受到兩向應(yīng)力作用時(shí)，有：

2.擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度

可見壓阻係數(shù)隨擴(kuò)散雜質(zhì)濃度的增加而減小，表面雜質(zhì)濃度相同時(shí)，P型矽的壓阻係數(shù)值比N型矽的(絕對(duì))值高。壓阻係數(shù)與表面雜質(zhì)的濃度的關(guān)係

3.環(huán)境溫度壓阻係數(shù)與溫度的關(guān)係2.3.3壓阻式感測器的材料

一般半導(dǎo)體應(yīng)變片是沿所需的晶向?qū)⑽鶈尉w切成條形薄片，在矽條兩端先真空鍍膜蒸發(fā)一層黃金，再用細(xì)金絲分別與兩電極焊接。

常用於製作半導(dǎo)體應(yīng)變片的半導(dǎo)體材料主要有：矽、鍺、銻化銦、砷化鎵等。

由半導(dǎo)體材料製成的壓阻式感測器的靈敏係數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片要大幾十倍，其應(yīng)變係數(shù)的符號(hào)隨單晶材料的導(dǎo)電類型而異，一般P型為正，N型為負(fù)，而金屬絲應(yīng)變片的靈敏係數(shù)均為正值。此外，半導(dǎo)體材料(如單晶矽)是各向異性材料，它的壓阻係數(shù)與晶向有關(guān)。壓阻式感測器的主要不足：一是溫度穩(wěn)定性差(電阻值隨溫度變化)；二是靈敏度的非線性較大，可造成測量體具有±3%～5%的誤差，因此在使用時(shí)需採用溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償?shù)却胧?/p>

特性總結(jié)2.4電阻式感測器的應(yīng)用

電阻式感測器應(yīng)用範(fàn)圍很廣，主要用於檢測力、壓力、扭矩、位移、加速度等參數(shù)。1.電位器式壓力感測器

電位器式壓力感測器是利用彈性元件(如彈簧管、膜片或膜盒)把被測的壓力信號(hào)變換為彈性元件的位移，然後再將此位移轉(zhuǎn)換為電刷觸點(diǎn)的移動(dòng)，從而引起輸出電壓或電流相應(yīng)的變化。YCD—150型遠(yuǎn)程壓力感測器原理圖

膜盒電位器式壓力感測器原理圖2.壓阻式壓力感測器固態(tài)壓力感測器結(jié)構(gòu)圖矽杯上法線[110]晶向的膜片3.應(yīng)變式測力感測器1)柱(筒)式力感測器

柱式感測器分為柱形和圓筒形兩種，應(yīng)變片一般對(duì)稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面的中間部分，可對(duì)稱地粘貼多片，構(gòu)成差動(dòng)式，提高了靈敏度，橫向粘貼的應(yīng)變片同時(shí)作為溫度補(bǔ)償。

在F作用下軸向應(yīng)變?yōu)椋篍為楊氏模量（N/m2）

柱式力感測器的截面積隨載荷改變可導(dǎo)致非線性，需對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。筒式結(jié)構(gòu)可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來，改善了應(yīng)力線分佈，同時(shí)在筒壁上還能開孔，可減少偏心載荷、非均布載荷的影響，從而使引起的誤差更小。

特點(diǎn)：2)懸臂梁式感測器

懸臂梁式感測器是一種高精度、抗偏、抗側(cè)性能優(yōu)越的稱重測力感測器。採用彈性梁及電阻應(yīng)變片作敏感轉(zhuǎn)換元件，組成全橋電路。當(dāng)垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時(shí)，電阻應(yīng)變片隨金屬彈性梁一起變形，其應(yīng)變使電阻應(yīng)變片的阻值變化，因而應(yīng)變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號(hào)。配以相應(yīng)的應(yīng)變儀，數(shù)字電壓表或其他二次儀錶，即可顯示或記錄重量(或力)。

(a)等截面梁(b)等強(qiáng)度梁(c)雙孔梁(d)S型彈性元件懸臂梁感測器

在距固定端較近的表面順著梁的長度方向分別貼上R1、R2和R3、R4四個(gè)電阻應(yīng)變片。若R1、R4受拉力,則R2、R3將受到壓力，兩者應(yīng)變相等，但極性相反。將它們組成差動(dòng)全橋，則電橋的靈敏度為單臂工作時(shí)的4倍。

等截面梁就是懸臂梁的橫截面處處相等的梁，當(dāng)外力P作用在梁的自由端時(shí)，在固定端產(chǎn)生的應(yīng)變最大，粘結(jié)應(yīng)變計(jì)處的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

等強(qiáng)度梁是一種特殊形式的懸臂梁。其特點(diǎn)是：沿梁長度方向的截面按一定規(guī)律變化，當(dāng)集中力P作用在自由端時(shí)，距作用點(diǎn)任何距離截面上的應(yīng)力相等。這種梁的優(yōu)點(diǎn)是在長度方向上粘貼應(yīng)變片的要求不嚴(yán)格。

在自由端有力P作用時(shí)，在梁表面整個(gè)長度方向上產(chǎn)生大小相等的應(yīng)變。應(yīng)變大小可由下式計(jì)算：

懸臂梁式感測器一般可測0.5kg以下的載荷，最小可測幾十克重。也可達(dá)到很大的量程，如鋼制工字懸臂梁結(jié)構(gòu)感測器量程為0.2～30t，精度可達(dá)0.02%FS。懸臂梁式感測器具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)變片容易粘貼，靈敏度高等特點(diǎn)。4.應(yīng)變式壓力感測器

該類感測器的彈性敏感元件為一周邊固定的圓形金屬平膜片，當(dāng)膜片一面受壓力P作用時(shí)，膜片的另一面上的徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

應(yīng)變式壓力感測器5.應(yīng)變式加速度感測器

加速度是運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在測量時(shí)首先要經(jīng)過品質(zhì)彈簧的慣性系統(tǒng)將加速度轉(zhuǎn)換為力F，再作用於彈性元件上。光電式感測器

將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電感測器或光電元件。光電式感測器的工作原理是：首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然後通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。光電感測器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。2.1光電效應(yīng)概述

光電效應(yīng)按其作用原理可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。一.外光電效應(yīng)在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?；锻夤怆娦?yīng)的光電器件由光電管、光電倍增管等。我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能力由下式確定。若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個(gè)電子逸出，則光子能量hν必須超出逸出功A0，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。即二.內(nèi)光電效應(yīng)

受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。1）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)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；哆@種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。2）光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；对撔?yīng)的器件有光電池和光敏電晶體等。一.普通光電管在一個(gè)真空泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極和光電陽極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。2.2光電管二.光電倍增管1.結(jié)構(gòu)與原理由於真空光電管的靈敏度較低，因此人們便研製了光電倍增管，其工作原理如圖。2.主要參數(shù)1）倍增係數(shù)M

電流放大倍數(shù)M與所加電壓有關(guān)，一般在105－108之間。一般陽極和陰極的電壓為1000V－2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電壓差為50V－100V。2）陰極靈敏度和總靈敏度

一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)焦作光電陰極的靈敏度。而一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)焦灼光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的放大倍數(shù)或總靈敏度如圖所示。

光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源,電路中有了這種器件就不需要外加電源。

一.結(jié)構(gòu)與工作原理

光電池的工作原理是基於“光生伏特效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié),當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面,例如p型面時(shí),若光子能量大於半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,那麼p型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴,電子空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散,在結(jié)電場的作用下,最後建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢。2.3光電池二.光電池的基本特性1.光譜特性

硒光電池和矽光電池的光譜特性如左圖不同的光電池，光譜峰值的位置不同。例如，矽光電池在8000A附近，硒光電池在5400A附近。2.光照特性

光照度定義為電位面積上所接收的光的輻射能通量。單位勒克斯。Lx(W/m2)

反映短路電流、開路電壓與光照度的關(guān)係。短路電流在很大範(fàn)圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)係,光電池工作於短路電流狀態(tài)，可做檢測元件。開路電壓（負(fù)載電阻RL無限大時(shí)）與光照度的關(guān)係是非線性的,並且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨於飽和了。光電池工作於開路電壓狀態(tài)，可做開關(guān)元件。3.溫度特性

溫度特性主要描述開路電壓與短路電流隨溫度變化的情況。如圖所示.

把光電池作為測量器件應(yīng)用時(shí),應(yīng)保證溫度恒定或採取溫度補(bǔ)償措施。JMJ112V2A51KL39K470uf～三.光電池的應(yīng)用1.自動(dòng)幹手器手放入幹手器時(shí)，手遮住燈泡發(fā)出的光，光電池不受光照，電晶體基極正偏而導(dǎo)通，繼電器吸合。風(fēng)機(jī)和電熱絲通電，熱風(fēng)吹出烘手。手幹抽出後，燈泡發(fā)出光直接照射到光電池上，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢，使三極管基射極反偏而截止，繼電器釋放，從而切斷風(fēng)機(jī)和電熱絲的電源。2.路燈控制器2.4光敏電阻為了防止周圍介質(zhì)的影響,在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長範(fàn)圍內(nèi)透射率最大。1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)它是塗於玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì),半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻就通過引出線端接入電路。2.光敏電阻的工作原理

光敏電阻又稱光導(dǎo)管,它幾乎都是用半導(dǎo)體材料製成的光電器件。光敏電阻沒有極性,純粹是一個(gè)電阻器件,使用時(shí)既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無光照時(shí),光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長範(fàn)圍的光照時(shí),它的阻值（亮電阻）急劇減少,電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí),亮電阻在幾千歐以下。3．光敏電阻的主要參數(shù)１）暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻,此時(shí)流過的電流稱為暗電流。２）亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻,此時(shí)流過的電流稱為亮電流。３）光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。

4．光敏電阻的基本特性

1）伏安特性：在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)係①一定光照，R一定，I正比於U。②一定電壓，I隨著光照E增強(qiáng)而增大。

E↑→R↓→I↑。2)光照特性（I～E）

光敏電阻的光照特性為非線性，不宜作檢測元件，主要用於自動(dòng)控制中。3）光譜特性（Kr%）光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長的關(guān)係稱為光譜特性。亦稱為光譜回應(yīng)。①不同材料，其峰值波長不同。②同一種材料，對(duì)不同波長的入射光，其相對(duì)靈敏度不同，回應(yīng)電流不同。應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相對(duì)靈敏度。4）溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜回應(yīng)。

硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線,它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動(dòng)。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對(duì)於可見光的光敏電阻,其溫度影響要小一些。5.光敏電阻的應(yīng)用1.光照度計(jì)農(nóng)作物日照時(shí)數(shù)測定。輸出接單片機(jī)的I/O口，每2分鐘對(duì)此口查詢1次，為高電平，計(jì)數(shù)一次，為低電平，不計(jì)數(shù)。1天查詢720次。無光照V0=VL。有光照V0=VH。2.環(huán)境照度監(jiān)視器3.帶材跑偏檢測儀2.5光敏二極體與三極管一.光敏二極體1.工作原理與結(jié)構(gòu)光敏二極體的結(jié)構(gòu)與普通二極體一樣，都有一個(gè)PN結(jié)，兩根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向?qū)щ娦?。不同之處在於光敏二極體的PN結(jié)狀在管殼的頂部，可直接受到光的照射，其結(jié)構(gòu)和電路如圖所示。沒有光照射時(shí)，處於反向偏置的光敏二極體，工作於截止?fàn)顟B(tài),這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。這時(shí)反向電阻很大。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí),光子打在PN結(jié)附近,PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)。從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在反向外加電壓和內(nèi)電場的作用下,P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。這時(shí)二極體處於導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大,光電流越大。2.光敏二極體的基本特性1）光譜特性在入射度一定時(shí)，輸出的光電流（或相對(duì)靈敏度）隨光波波長的變化而變化。一種光敏二極體只對(duì)一定波長的入射光敏感，這就是它的光譜特性。如圖所示。2）伏安特性3）光照特性4）溫度特性溫度變化對(duì)光敏二極體輸出電流影響較小,但對(duì)暗電流的影響卻十分顯著.3.光敏二極體的應(yīng)用1）光電路燈控制電路2）光強(qiáng)測量電路二.光敏三級(jí)管光電三極管比具有相同有效面積的光電二極體的光電流大幾十至幾百倍，但相應(yīng)速度較二極體差。1.工作原理與結(jié)構(gòu)基極開路，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí),在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì),電子在結(jié)電場的作用下，由P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成基極電流，放大β倍形成集電極電流（光電流）,所以光電三極管有放大作用。2.光敏三極管的基本特性1）光譜特性與伏安特性光譜特性與二極體相同，伏安特性如圖。2）溫度特性與光照特性

溫度特性與光敏二極體相同，光照特性如圖3.光敏三極管的應(yīng)用1.脈衝編碼器2.轉(zhuǎn)速感測器2.6光電耦合器件一．光電耦合器

光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi),一般有金屬封裝和塑膠封裝兩種。發(fā)光元件為發(fā)光二極體，受光元件為光敏三極管或光敏可控矽。它以光為媒介，實(shí)現(xiàn)輸入電信號(hào)耦合到輸出端。

特點(diǎn)：①強(qiáng)弱電隔離。輸入輸出極之間絕緣電阻很高。耐壓達(dá)2000V以上。能避免輸出端對(duì)輸入端地線等的干擾。②對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部雜訊有很強(qiáng)的抑制作用。發(fā)光二極體為電流驅(qū)動(dòng)元件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的雜訊有旁路作用。（濾除雜訊）

光電耦合器的組合形式應(yīng)用於自動(dòng)控制電路中的強(qiáng)弱電隔離。二.光電開關(guān)

光電開關(guān)在製造業(yè)自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置?？蓪?shí)現(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù),料位檢測，越限安全報(bào)警及電腦輸入介面等用途。1.光電開關(guān)結(jié)構(gòu)透射式和反射式的光電開關(guān)。

利用輸出電平的狀態(tài)判斷有無被測物。2.基本電路（透射式）如圖（a)(c)無被測物，輸出高電平；有被測物，輸出低電平。(b)無被測物，輸出低電平；有被測物，輸出高電平。2.7色敏光電感測器1.結(jié)構(gòu)與基本原理

色敏光電感測器相當(dāng)於兩支結(jié)構(gòu)不同的光電二極體的組合，故又稱光電雙結(jié)二極體2.基本特性1）光譜特性2）短路電流比－波長特性

短路電流比－波長特性是表徵半導(dǎo)體色敏器件對(duì)波長的識(shí)別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。3.色敏光電感測器的應(yīng)用色彩信號(hào)處理電路2.8紅外光感測器紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由於是位於可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長範(fàn)圍大致在0.76-1000μm,紅外線在電磁波譜中的位置如下圖。二.紅外光感測器的工作原理與結(jié)構(gòu)

紅外光感測器按工作原理可分為光量子型和熱電型兩大類。光量子型可直接把紅外光轉(zhuǎn)換成電能。如，紅外光敏電阻和紅外PN結(jié)型光生伏特器件，用於遙感成像方面。熱電型吸收紅外光後變?yōu)闊崮?，使材料的溫度升高，電學(xué)性能發(fā)生變化，人們利用這個(gè)現(xiàn)象製成了測量光輻射的器件。如紅外熱釋電傳感器。1.熱釋電效應(yīng)

對(duì)於某些材料(如鋯鈦酸鉛系陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘肽等)，具有自發(fā)極化的特徵。自發(fā)極化與溫度有很大關(guān)系。若溫度因吸收紅外光而升高，則極化強(qiáng)度減少，使單位面積上極化電荷減少，釋放一定量的吸附電荷；若與一個(gè)電阻連成回路，會(huì)形成電流，如圖所示。由實(shí)驗(yàn)證實(shí)，電阻上壓降的變化為由於dT/dt與紅外線強(qiáng)度的變化成正比，結(jié)合上式，可得出輸出電壓正比與紅外線強(qiáng)度的變化。2.單元件熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路3.雙元件（雙元型）紅外感測器

此感測器專門用來檢測人體輻射的紅外線能量。市場上常見有國產(chǎn)的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美國的P2288等。

SD02由敏感單元、場效應(yīng)管、高阻抗變換管、濾光窗等組成，並在氦氣環(huán)境下封裝而成。三.紅外光感測器的應(yīng)用1.無線報(bào)警系統(tǒng)2.衛(wèi)生間節(jié)水控制器3.紅外測溫儀4.紅外氣體分析儀2.9固態(tài)CCD圖像感測器

固態(tài)圖像感測器按其結(jié)構(gòu)可分為三類：電荷耦合器件（簡稱CCD）、MOS圖像感測器（簡稱SSPA）和電荷注入器件（簡稱CID）。目前，前兩種用得較多。廣泛用於圖像傳輸與識(shí)別。例如，攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、掃描器、影印機(jī)和機(jī)器人的眼睛等。在本節(jié)中僅說明CCD圖像感測器的工作原理與特性一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱CCD），它將光敏二極體陣列和讀出移位寄存器集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的圖