傳感器技術(shù)與應(yīng)用 第5版 課件 第3、4章 力傳感器、光電式傳感器

第3章力傳感器

3.1彈性敏感元件

3.2電阻應(yīng)變片傳感器

3.3壓電傳感器

3.4電容式傳感器

3.5電感式傳感器

3.6加速度傳感器

3.7力傳感器應(yīng)用實例

3.8實訓(xùn)3.1彈性敏感元件

力是物理基本量之一，因此各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小的測量十分重要。

力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的器件。力敏感元件轉(zhuǎn)換元件顯示設(shè)備F圖3-1力傳感器的測量示意圖彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移，然后再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。彈性敏感元件是一個非常重要的傳感器部件，應(yīng)具有：良好的彈性、足夠的精度，長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性。3.1.1彈性敏感元件的特性1.剛度剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度。

2.靈敏度靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小。它是剛度的倒數(shù)。

3.彈性滯后實際的彈性元件在加載／卸載的正反行程中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象,它會給測量帶來誤差。4.彈性后效

當載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時,彈性元件變形不是立即完成相應(yīng)的變形，而是經(jīng)一定的時間間隔逐漸完成變形，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。5.固有振蕩頻率彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率f0，它將影響傳感器的動態(tài)特性。傳感器的工作頻率應(yīng)避開彈性敏感元件的固有振蕩頻率。往往希望f0較高。3.1.2彈性敏感元件的分類彈性敏感元件在形式上可分為兩大類：變換力的彈性敏感元件。變換壓力的彈性敏感元件。1.變換力的彈性敏感元件如圖3-2所示。有：（1）等截面圓柱式（2）圓環(huán)式（3）等截面薄板式（4）懸臂梁式（5）扭轉(zhuǎn)軸圖3-2一些變換力的彈性敏感元件形狀2.變換壓力的彈性敏感元件（1）彈簧管圖3-3彈簧管的結(jié)構(gòu)（2）波紋管波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管。圖3-4波紋管的外形（3）波紋膜片和膜盒平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜。

圖3-5波紋膜片波紋的形狀

（4）薄壁圓筒圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的二十分之一。薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度取決于圓筒的半徑和壁厚，與圓筒長度無關(guān)。圖3-6薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)3.2電阻應(yīng)變片傳感器電阻應(yīng)變片（簡稱應(yīng)變片）的作用是把導(dǎo)體的機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變，以便進一步電測。電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。圖3-7金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)3.2.1電阻應(yīng)變片工作原理電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”。

金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。圖3-8金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)

設(shè)電阻絲長度為L，截面積為S，電阻率為ρ，則電阻值為

當電阻絲受到拉力F時，一是受力后材料幾何尺寸L、S變化；二是受力后材料的電阻率ρ也發(fā)生了變化，則其阻值發(fā)生變化。3.2.2電阻應(yīng)變片的分類

電阻應(yīng)變片主要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。

金屬電阻應(yīng)變片分體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲柵應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、應(yīng)變花等。

半導(dǎo)體應(yīng)變片是用鍺或硅等半導(dǎo)體材料作為敏感柵。a—絲繞式（u型）；b—短接式（H型）；c—箔式；d—半導(dǎo)體應(yīng)變式圖3-9應(yīng)變片的類型

在平面力場中，為測量某一點上主應(yīng)力的大小和方向，常需測量該點上兩個或三個方向的應(yīng)變。

為此需要把兩個或三個應(yīng)變片逐個粘結(jié)成應(yīng)變花，或直接通過光刻技術(shù)制成。

應(yīng)變花分互成45°的直角形應(yīng)變花和互成60°的等角形應(yīng)變花兩種基本形式。a—絲式應(yīng)變花；b—箔式應(yīng)變花圖3-10應(yīng)變花的基本形式

3.2.3電阻應(yīng)變片的測量電路

彈性元件表面的應(yīng)變傳遞給電阻應(yīng)變片敏感絲柵，使其電阻變化。測量出電阻變化，便可知應(yīng)變（被測量）大小。

圖3-11（a）、（b）為半橋測量電路

圖（a）中，無應(yīng)變時，R1=R2=R3=R4=R，則橋路輸出電壓為a-半橋式(單臂工作);b-半橋式(雙臂工作);c-全橋式(雙臂工作);d-全橋式(四臂工作)

圖3-11基本測量電路

有應(yīng)變時，代入

由可得

在圖（b）中，R1、R2均為相同應(yīng)變測量片，又互為補償片。

有應(yīng)變時，一片受拉，另

一片受壓，此時阻值為R1+ΔR1和R2-ΔR2，按上述同樣的方法，可以計算輸出電壓為

在圖（c）中，R1、R3為相同應(yīng)變測量片，有應(yīng)變時，兩片同時受拉或同時受壓。R2、R4為補償片。可以計算輸出電壓為

圖（d）是四個橋臂均為測量片的電路，且互為補償，有應(yīng)變時，必須使相鄰兩個橋臂上的應(yīng)變片一個受拉，另一個受壓?？梢杂嬎爿敵鲭妷簽?/p>

3.3壓電傳感器某些晶體，受一定方向外力作用而發(fā)生機械變形時，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號相反的電荷，外力去掉后，電荷消失；

力的方向改變時，電荷的符號也隨之改變。

這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)或正壓電效應(yīng)。

當晶體帶電或處于電場中時，晶體的體積將產(chǎn)生伸長或縮短的變化。

這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)。

3.3.1石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體成正六邊形棱柱體。a—石英晶體結(jié)構(gòu)；b、c、d、e—壓電效應(yīng)示意圖

圖3-12石英晶體結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)

晶體沿軸線切下的薄片稱“晶體切片”。

圖3-13所示是垂直于電軸Ｘ切割的石英片，在與Ｘ軸垂直的兩面覆以金屬。

沿Ｘ方向施加作用力Ｆx時，在與電軸垂直的表面上產(chǎn)生電荷Ｑxx為

在覆以金屬極面間產(chǎn)生的電壓為

圖3-13垂直于電軸X切割的石英晶體切片

如果在同一切片上，沿機械軸Y方向施加作用力Fy時，則在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為

d12為石英晶體的橫向壓電系數(shù)。由石英晶體的軸對稱條件得d12=-d11,所以

產(chǎn)生電壓為

3.3.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷具有鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類似的電疇結(jié)構(gòu)。

當壓電陶瓷極化處理后，陶瓷材料內(nèi)部存有很強的剩余場極化。

當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，引起極化強度變化，產(chǎn)生了壓電效應(yīng)。

具有非常高的壓電系數(shù)，約為石英晶體的幾百倍，但機械強度較石英晶體差。a—Z向施力；b—X向施力

圖3-14壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

當壓電陶瓷在極化面上受到沿極化方向（Z向）的作用力Fz時（作用力垂直于極化面）。則在兩個鍍銀（或金）的極化面上分別出現(xiàn)正負電荷，電荷量Qzz與力Fz成比例，即：

dzz為壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。輸出電壓為

當沿X軸方向施加作用力Fx時，在鍍銀極化面上產(chǎn)生電荷Qzx為

同理

dz1、dz2是壓電陶瓷在橫向力作用時的壓電系數(shù)，且均為負值；電荷除以壓電陶瓷片電容Cz可得電壓輸出。

3.3.3壓電元器件的串聯(lián)和并聯(lián)

(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)圖3-15壓電元器件的串聯(lián)與并聯(lián)

3.3.4壓電測力傳感器結(jié)構(gòu)

通常為荷重墊圈式。圖3-16所示為YDS-781型壓電式單向傳感器結(jié)構(gòu)，它由

底座、傳力上蓋、片式電極、石英晶片、絕緣件及電極引出插座等組成。

當外力作用時，

上蓋將力傳遞到石英晶片，石英晶片實現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。

電信號由電極傳送到插座后輸出。1-傳力上蓋；2-壓電片；3-片式電極；4-電極引出插頭；5-絕緣材料；6-底座圖3-16YDS-781型壓電式單向力傳感器結(jié)構(gòu)3.3.5單片集成硅壓力傳感器

采用單晶硅晶體制成，英文縮寫為ISP（integratedsiliconpressure）。

其內(nèi)部除傳感器單元外，還有信號放大、溫度補償和壓力修正電路。

美國Motorola公司生產(chǎn)的單片集成硅壓力傳感器，有MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700等型號。圖3-17MPX4100A封裝形式MPX4100A測量壓力范圍為15～115kPa，溫度補償范圍為－40～＋125℃。MPX4100A有多種封裝形式。6個引腳從左到右依次為輸出端（UO）、公共地（GND）、電源（US），其余為空腳。

內(nèi)部電路由3個部分組成，如圖3-18所示。圖3-18MPX4100A電路組成單晶硅壓電傳感器單元如圖3-19所示。

當它受到垂直方向上的壓力p時，該壓力進入熱塑殼體，作用于單晶硅壓電傳感器管芯，與密封真空室的參考壓力相比較，使輸出電壓大小與壓力p成正比，為UO＝US（0.01059p－0.01518±αpγ）

經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，可由微處理器計算出被測壓力值。圖3-19MPX4100A型集成硅壓力傳感器結(jié)構(gòu)

3.4電容式傳感器

當S、d或ε改變，則電容量c也隨之改變。

若保持其中兩個參數(shù)不變，通過被測量的變化改變其中一個參數(shù)，就可以把被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。

電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，可用于力、壓力、壓差、振動、位移、加速度、液位、粒位、成分含量等測量。平行板電容器如圖3-20所示，電容量為

圖3-20平行板電容器圖

3.4.1變極距式電容傳感器

平行板電容器的ε和S不變，只改變電容器兩極板間距離d，為變極距型電容傳感器，常用于壓力的測量。圖3-21變極距式傳感元件原理圖

初始狀極距為d0時，電容器容量C0為：

電容器受外力作用，極距減小Δd，則電容器容量改變?yōu)?/p>

電容值相對變化量為此時C1與Δd的關(guān)系呈線性關(guān)系。

實際應(yīng)用中大都采用差動式結(jié)構(gòu)。

如圖3-22所示，中間電極若受力向上位移Δd，則C1容量增加，C2容量減小，兩電容差值為

電容傳感器做成差動式之后，靈敏度提高一倍。得到：圖3-22差動式電容傳感元件

為消除極板的邊緣效應(yīng)的影響,可采用保護環(huán)。保護環(huán)與極板具有同一電位，把電極板間的邊緣效應(yīng)移到了保護環(huán)與極板2的邊緣，極板1與極板2之間的場強分布變得均勻了。

圖3-23加保護環(huán)消除極板邊沿電場的不均勻性

3.4.2變面積式電容傳感器

如圖3-24所示。

圖（a）所示平板形位移x后，電容量由初始值變?yōu)殡娙萘孔兓?/p>

靈敏度為

a—平板形電容；b—旋轉(zhuǎn)形電容；c—圓柱形電容圖3-24變面積式電容結(jié)構(gòu)原理圖

圖（b）所示為角位移傳感器，設(shè)兩片極板全重合（θ=0）時的電容量為C0，動片轉(zhuǎn)動角度θ后，電容量變?yōu)殡娙萘孔兓?/p>

靈敏度為

圖（c）為圓柱形電容式位移傳感器，設(shè)內(nèi)外電極長度為L，起始電容量為C0，動極向上位移y后，電容量變?yōu)?/p>

電容量變化：

靈敏度為

a—平板形差動電容；b—旋轉(zhuǎn)形差動電容；c—圓柱形差動電容

圖3-25變面積差動電容結(jié)構(gòu)原理圖

圖3-25所示是變面積式差動電容結(jié)構(gòu)，傳感器輸出和靈敏度均提高一倍。3.4.3變介電常數(shù)式電容傳感器

如圖3-26所示。介質(zhì)沒進入電容器時（x=0），電容量為

介質(zhì)進入電容x后，電容量為

整理可得：

圖3-26變介質(zhì)位移式傳感電容結(jié)構(gòu)原理圖

3.5電感式傳感器電感傳感器利用電磁感應(yīng)將被測非電量（如壓力、位移等）轉(zhuǎn)換成電感量的變化輸出。

常用的有自感式和互感式兩類。

電感式壓力傳感器大都采用變隙式電感做為檢測元件，它和彈性敏感元件組合在一起構(gòu)成電感式壓力傳感器。3.5.1自感式傳感器

圖3-27所示為閉磁路式自感傳感器。1-線圈；2-鐵芯（定鐵芯）；3-銜鐵（動鐵芯）圖3-27閉磁路式自感傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

電感量L為：

當銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，則線圈電感變化為：

電感的相對變化為：氣隙變化量Δδ越小，非線性失真越??；氣隙δo越小，靈敏度越高。常用差動變隙式。1-線圈；2-鐵芯；3-銜鐵；4-導(dǎo)桿圖3-28差動變隙式電感傳感器圖3-29所示為交流電橋測量電路

把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z1和Z2,另外二個相鄰的橋臂用純電阻代替。

對于高Q值(Q=ωL/R)的差動式電感傳感器，其輸出電壓；

圖3-29交流電橋測量電路

3.5.2互感式傳感器

互感傳感器有初級線圈和次級線圈。初級接入激勵電源后，次級將因互感而產(chǎn)生電壓輸出。

當線圈間互感隨被測量變化時，輸出電壓將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。次級線圈一般有兩個，接線方式又是差動的，故又稱為差動變壓器。

差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等。1.工作原理

非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器。

如圖3-30所示，由初級線圈、兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。

可以測量1～100mm范圍內(nèi)的機械位移，具有：

測量精度高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠等優(yōu)點。1-活動銜鐵；2-導(dǎo)磁外殼；3-骨架；4-匝數(shù)為n1的初級繞組；5-匝數(shù)為n2a的次級繞組；6-匝數(shù)為n2b的次級繞組圖3-30螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)

螺線管式差動變壓器按線圈繞組排列方式的不同，可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類型。(a)一節(jié)式；(b)二節(jié)式；(c)三節(jié)式；(d)四節(jié)式；(e)五節(jié)式圖3-31線圈排列方式

差動變壓器即傳感器中兩個次級線圈反向串聯(lián)。圖3-32差動變壓器等效電路2.差動變壓器輸出電壓

二次側(cè)開路時有：

二次連通后分三種情況：①活動銜鐵處于中間位置時，M1=M2=M，故：＝0②活動銜鐵向上移動，M1=M+ΔMM2=M-ΔM

，故：，

與同極性③活動銜鐵向下移動，M1=M-ΔMM2=M+ΔM故：，

與同極性。3.6加速度傳感器3.6.1加速度傳感器組成

加速度傳感器可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)視、工程測振、地質(zhì)勘探等儀器儀表中，也可以用于物體移動和傾倒的報警和保護。

加速度傳感器有多種型式，用電容傳感器做成的加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3-33所示。圖3-33加速度傳感器物理結(jié)構(gòu)組成a）結(jié)構(gòu)組成b）等效電路

加速度傳感器有兩個測力單元（也叫重力傳感器）。

測力單元為差動式結(jié)構(gòu)的變極距電容傳感器。

上下兩塊極板a、b為固定極板，與加速度傳感器殼體固定成一體。中間極板c是活動的，與活動框連成一體，經(jīng)彈簧錨定在殼體上。

加速度傳感器殼體可以水平方向固定在被測設(shè)備上，測被測設(shè)備的水平方向加速度；

也可以豎直方向固定在被測設(shè)備上，測被測設(shè)備的豎直方向加速度（重力加速度以外）或靜止時受到地球引力（重力）。

圖3-33（b)為加速度傳感器殼體豎直方向固定在被測設(shè)備上時，一個測力單元的等效電路。

被測設(shè)備豎直方向加速度（重力加速度以外）或靜止時受到地球引力（重力），會使活動框連帶中間極板上下移動。

向下移動時，C2電容量增大，C1減?。幌蛏弦苿訒r，C1電容量增大，C2減小。C1、C2與外接電阻R1、R2組成電橋測量電路，如圖3-34所示，可測出加速度（重力加速度以外）或靜止時地球引力。圖3-34差動式電容傳感器電橋電路

加速度傳感器有單軸和雙軸兩種。

單軸加速度傳感器的兩個測力單元是同方向的，兩個測力單元電容變化相疊加，可增加輸出信號強度。

雙軸加速度傳感器的兩個測力單元分別為X和Y方向，兩個測力單元電容變化量相減，不僅可以測出加速度或靜止時地球引力的大小，還可以測出方向。3.6.2ADXL320雙軸加速度傳感器

為美國ANALOGDEVICES公司生產(chǎn)，超小型±5g雙軸加速度傳感器，體積為4mm×4mm×1.45mm。

它可以檢測到X、Y軸兩個方向的加速度或靜止時的地球引力（重力）。

引腳功能如表3-1所示。1NC空腳9NC空腳2STSelf-test10YOUTY軸電壓輸出3COM接地11N.C.空腳4NC空腳12XOUTX軸電壓輸出5COM接地13NC空腳6COM接地14VS電源7COM接地15VS電源8NC空腳16NC空腳表3-1雙軸加速度傳感器ADXL320引腳功能ADXL320集成電路平面處水平方向時，XOUT＝1.500V，YOUT＝1.500V。

集成電路平面處垂直方向作360°內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，受地球引力（重力）作用，XOUT和YOUT輸出電壓

在1.326V～1.674V之間變化。

電壓值如圖3-35所示。圖3-35ADXL320受地球引力作用端口輸出電壓3.6.3物體移動和傾倒報警電路圖3-36用ADXL320設(shè)計的物體移動報警電路ADXL320按圖中所示方向放置時，XOUT＝1.500V，YOUT＝1.674V，分別接電壓比較器A1、A2。

Va、Vb電壓可設(shè)為1.550V和1.650V。

物體移動和傾倒時，XOUT和YOUT端口輸出電壓變化。

一旦高于Va或低于Vb時，A1、A2就會輸出高電平，經(jīng)VD1、VD2隔離，A3放大后，輸出高電平啟動報警器報警。3.6.4MMA1220D單軸加速度傳感器

為Motorola公司生產(chǎn)的單軸加速度傳感器，由一個測力單元（重力傳感器）和放大器、濾波器組成，16腳SOIC（減小空間的表面貼片）封裝。

加速度靈敏度為250mV/g，響應(yīng)時間2ms，最大工作加速度為11g，最高工作頻率為200Hz。

電路連接如圖3-37所示。

圖3－37MMA1220D加速度傳感器電路連接MMA1220D在靜止狀態(tài)下，向左或向右放置，重力加速度都為0g，輸出為2.5V；

向上放置，受到1g重力加速度，輸出為2.75V；

向下放置，受到－1g重力加速度，輸出為2.25V。

如圖3－38所示。圖3－38MMA1220D靜止狀態(tài)放置輸出電壓新型手機配置有移動事件識別功能，用戶點中屏幕菜單，再搖晃或移動手機，就可以產(chǎn)生對事件的識別。其原理是在手機搖晃、移動或手握方向變化時，手機上安裝的加速度計和陀螺儀輸出電壓發(fā)生變化，從而啟動手機配置的有關(guān)應(yīng)用程序響應(yīng)和處理。附錄

手機跌落關(guān)機保護

MMA1220D加速度傳感器可以用于手機跌落關(guān)機保護。

在手機發(fā)生跌落時，加速度傳感器處于自由落體狀態(tài)（失重），上下左右4個方向都沒有重力作用，輸出電壓為2.5V。

該輸出電壓送入比較器，與2.5V電壓相減，為0時，產(chǎn)生觸發(fā)信號送入微處理器，進入關(guān)機程序，及時關(guān)機，以保護手機軟硬件不受損壞。3.7力傳感器應(yīng)用實例3.7.1燃氣灶壓電晶體點火器如圖3-39所示。

當使用者將開關(guān)往里壓時，把氣閥打開；

將開關(guān)旋轉(zhuǎn)，則使彈簧往左壓，此時，彈簧有一個很大的力撞擊壓電晶體。壓電晶體表面產(chǎn)生電荷，用導(dǎo)線引到燃燒盤，產(chǎn)生電火花點燃燃氣。壓電晶體式不需要安裝電池。圖3-39煤氣灶電子點火裝置

3.7.2帶溫度補償?shù)膲毫﹄娮娱_關(guān)

用壓力傳感器MPX2100P和NTC熱敏電阻構(gòu)成的帶溫度補償?shù)膲毫﹄娮娱_關(guān)如圖3-41所示。

壓力傳感器MPX2100P將壓力轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)A1、A2兩級放大，輸出信號送比較器A3反相輸入端。

由NTC熱敏電阻降壓后的參考電壓加到比較器A3同相輸入端。圖3-40帶溫度補償?shù)膲毫﹄娮娱_關(guān)

當壓力傳感電壓大于參考電壓時，A3輸出低電平，觸發(fā)執(zhí)行器電路工作。

當溫度降低時，壓力傳感電壓減小。

由于溫度降低NTC熱敏電阻值增大，降壓增大，參考電壓降低，保持A3輸出低電平，起了溫度補償?shù)淖饔谩?.7.3電阻應(yīng)變片稱重傳感器

如圖3-41所示，主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測量電路和傳輸電纜部分組成。

電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，電阻應(yīng)變片隨之變形，并導(dǎo)致電阻值改變。

測量電路測出電阻值的變化并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。圖3-41電阻應(yīng)變片稱重傳感器結(jié)構(gòu)

校準電阻器用來調(diào)整輸出電信號的大小。

電信號經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測物體的重量。

電阻應(yīng)變片稱重傳感器有柱形、箱形、懸臂梁形、剪切梁形、圓環(huán)形和輪幅形等多種類型。3.7.4指套式電子血壓計

指套式電子血壓計是利用放在指套上的壓力傳感器，把手指的血壓變?yōu)殡娦盘?，由電子檢測電路處理后，直接顯示出血壓值的一種微型測量血壓裝置。

圖3-42是指套式血壓計的外形圖，它由指套、電子電路及壓力源三部分組成。圖3-42指套式電子血壓計外形圖

指套的外圈為硬性指環(huán)，中間為柔性氣囊。它直接和壓力源相連。

旋動調(diào)節(jié)閥門時，柔性氣囊便會被充入氣體，使產(chǎn)生的壓力作用到手指的動脈上。

電子血壓計電路框圖如圖3-43所示。

手臂式電子血壓計原理與指套式類似。圖3-43指套式電子血壓計電路框圖

時鐘放大器壓電傳感器門控觸發(fā)移位寄存器幅值比較器移位寄存器幅值比較器A/D轉(zhuǎn)換器譯碼驅(qū)動顯示器顯示器譯碼驅(qū)動S3.7.5CL-YZ-320型力敏傳感器

以金屬棒為彈性梁的測力傳感器。

在彈性梁的圓柱面上沿軸向均勻粘貼4只半導(dǎo)體應(yīng)變片，兩個對臂分別組成半橋，兩個半橋分別用于每個軸向的分力測量。

當外力作用于彈性梁的承載部位時，彈性梁將產(chǎn)生一個應(yīng)變值，通過半導(dǎo)體應(yīng)變片將此應(yīng)變值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻變化量，傳感器隨之輸出相應(yīng)的電信號。圖3-44力敏傳感器外形圖3-45力敏傳感器結(jié)構(gòu)

3.7.6手機和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換

ADXL320雙軸加速度傳感器可用于手機和平板電腦的屏幕橫豎顯示方向自動轉(zhuǎn)換。

稱為手機或平板電腦的G－Sensor重力感應(yīng)功能。

電路如圖3-46所示。圖3-46手機和平板電腦的橫豎顯示方向自動轉(zhuǎn)換電路

當人們縱向（X方向）拿著手機或平板電腦時，XOUT端口和YOUT端口輸出電壓為XOUT＝1.500V，YOUT＝1.326V。

分別接比較器A的正相輸入端和反相輸入端。

比較器A輸出高電平，送入微處理器，控制掃描電路進行X方向掃描和信號顯示。

當人們將拿著的手機或平板電腦轉(zhuǎn)為橫向（Y方向）時，XOUT端口和YOUT端口輸出電壓變?yōu)閄OUT＝1.326V，YOUT＝1.500V。

比較器A輸出變?yōu)榈碗娖剑腿胛⑻幚砥鳌?/p>

微處理器控制掃描電路改為Y方向掃描和信號顯示。3.8實訓(xùn)3.8.1電阻應(yīng)變片力傳感器裝配與調(diào)試

用應(yīng)變片組成的圓柱式、圓筒式力傳感器如圖3-47所示。

裝調(diào)該力傳感器及電路,過程如下；(1)準備多功能電路板和元器件，認識元器件；

(2)力傳感器和電路裝配；

(3)頂端加力前后電橋電路輸出測量；

(4)實驗過程和結(jié)果記錄。

圖3-47圓柱（筒）式力傳感器（a）圓柱形（b）圓筒形（c）圓面展開圖（d）電橋電路圖3.8.2LED條圖顯示壓力計裝配與調(diào)試

LED條圖顯示器是把一串發(fā)光二極管排列成條狀，旁邊再配以刻度尺。

根據(jù)發(fā)光線段的長度或發(fā)光點在刻度尺上的位置，來確定被測壓力的大小和變化趨勢。

具有亮度高，響應(yīng)速度快，色彩絢麗，便于晚上觀察等優(yōu)點。

LM3914為美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，內(nèi)部電路組成如圖3-48所示。圖3-48LM3914LED條圖驅(qū)動器內(nèi)部電路組成

圖3-49所示為10段LED條圖顯示壓力計電路，測量范圍是0～100kPa，分辨率為10kPa。

MPX5100為壓力傳感器，壓力測量電壓由UIN端輸入，經(jīng)緩沖放大器放大后加于電壓比較器反相輸入端，與電壓比較器所加的參考電壓比較。

高于參考電壓時，電壓比較器輸出電壓為低電平，外接的LED被點亮。圖3-4910段LED條圖顯示壓力計電路（1）備齊元器件和多功能電路板，進行電路裝配；（2）檢查電路裝配無誤后，加上電源電壓，調(diào)RP1使LED全部不亮；（3）給MPX5100壓力傳感器加壓力100kPa，調(diào)RP2使LED全部點亮；（4）給MPX5100壓力傳感器加不同的壓力，觀察LED點亮情況。第4章光電式傳感器

4.1光電效應(yīng)

4.2光電器件

4.3紅外線傳感器

4.4色彩傳感器

4.5CZG－GD－500系列紫外火焰?zhèn)鞲衅?/p>

4.6核輻射傳感器

4.7光纖傳感器

4.8

光傳感器應(yīng)用實例

4.9

實訓(xùn)

附錄EAN－13商品條形碼的編碼方法4.1光電效應(yīng)光電元件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光可以認為是由一定能量的粒子（光子）所形成，每個光子具有的能量hγ正比于光的頻率γ（h為普朗克常數(shù)）。用光照射某一物體，可以看做物體受到一連串能量為hγ的光子所轟擊。物體材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。4.1.1外光電效應(yīng)光照射于某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射。

逸出來的電子稱為光電子。外光電效應(yīng)可由愛因斯坦光電方程來描述：

一個光子的能量只能給物體中的一個自由電子，使自由電子能量增加hγ。這些能量一部分用于克服逸出功A。

另一部分作為光電子逸出時的初動能：4.1.2內(nèi)光電效應(yīng)光照射于某一物體上，使其導(dǎo)電能力發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱光電導(dǎo)效應(yīng)。硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛等在受到光照時均會出現(xiàn)電阻下降的現(xiàn)象。電路中反偏的PN結(jié)在受到光照時也會在該PN結(jié)附近產(chǎn)生光生載流子（電子-空穴對）。利用上述現(xiàn)象可制成光敏電阻，光敏二極管，光敏晶體管，光敏晶閘管等光電轉(zhuǎn)換器件。4.1.3光生伏打效應(yīng)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)。具有該效應(yīng)的材料有硅、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷化鎵等。例如，當一定波長的光照射PN結(jié)時，就產(chǎn)生電子-空穴對，在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，于是P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，即光生電動勢。利用該效應(yīng)可制成各類光電池。

4.2光電器件4.2.1光電管和光電倍增管光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件。1.光電管如圖4-1所示。金屬陽極A和陰極K封裝在一個玻璃殼內(nèi)，當入射光照射在陰極時，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當電子獲得的能量足夠大時，逸出金屬表面形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。236145圖4-1一種常見的光電管外形1-陽極A2-陰極K3-玻璃外殼4-管座5-電極引腳6-定位銷圖4-2光電管符號及測量電路2.光電倍增管光電倍增管有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。U0RLD1D3KAD2D4φ圖4-3光電倍增管結(jié)構(gòu)及工作原理4.2.2光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。材料有金屬硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體材料。例如：

硫化鎘（CdS），硒化鎘（CdSe)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻，如圖4-4（a）所示。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀，如圖4-4（b）所示。

圖4-4光敏電阻機構(gòu)示意圖及圖形符號

a）原理圖b)圖4-4光敏電阻機構(gòu)示意圖及圖形符號

b）外形圖

c)圖4-4光敏電阻機構(gòu)示意圖及圖形符號

c）圖形符號

光敏電阻無光照時的暗電阻一般大于1500kΩ,在有光照時，其亮電阻為幾kΩ,兩者差別較大。

對可見光敏感的硫化鎘光敏電阻是最有代表性的一種光敏電阻。

光敏電阻的光照響應(yīng)速度較慢。例如：硫化鎘光敏電阻的響應(yīng)時間約為100ms，硒化鎘光敏電阻的響應(yīng)時間約為10ms。

光敏電阻通常都工作于直流或低頻狀態(tài)下。4.2.3光電二極管和光電晶體管1.光電二極管光電二極管是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，其PN結(jié)裝在透明管殼的頂部，以便接受光照，如圖4-5（a）所示。它在電路中處于反向偏置狀態(tài)，如圖4-5（b）所示。光電流與光照度成正比。還有一種雪崩式光電二極管（APD）。光照φPNa)+–RLEU0IφμAb)

圖4-5光電二極管

a)結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號b）基本應(yīng)用電路

2.光電晶體管光電晶體管有兩個PN結(jié)，從而可以獲得電流增益，如圖4-6所示。光電晶體管與一只普通晶體管制作在同一個管殼內(nèi)，連接成復(fù)合管，如圖4-6（e）所示，稱為達林頓型光電晶體管。它的靈敏度更大（β=β1β2）。但是達林頓光電晶體管的漏電（暗電流）較大，頻響較差，溫漂也較大。+CNNP-eJcJea)CIc=βIcboIcboeb)Cec)

圖4–6光電晶體管

a)結(jié)構(gòu)b)等效電路c）圖形符號

d)+UCCU0=UCC

－IcRLIcRLRL+UCC

（3~20）VU0=ICRLIceCe)

圖4–6光電晶體管

d)應(yīng)用電路e)光電達林頓管

4.2.4光電池光電池的工作原理是基于光生伏打效應(yīng)。當光照射在光電池上時，可以直接輸出電動勢及光電流。圖4-7所示是光電池結(jié)構(gòu)與圖形符號。光電池的種類很多，有硅、砷化鎵、硒、氧化銅、鍺、硫化鎘光電池等。焊點N型硅

–+金屬鍍層電極光P型硅PN結(jié)a)b)

圖4-7硅光電池

a)結(jié)構(gòu)示意圖b)圖形符號

應(yīng)用最廣的是硅光電池，優(yōu)點：性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射、價格便宜等。

大面積的光電池組按功率和電壓的要求進行串、并聯(lián)，組成方陣，可以做成太陽能電池作為電源。

太陽能電池在宇宙開發(fā)、航空、通信、交通、家用電器等方面得到了廣泛應(yīng)用。4.2.5光電元器件的特性1.光照特性當光電元件上加上一定電壓時，光電流I與光電元件上光照度E之間的對應(yīng)關(guān)系，稱為光照特性。

I

=f（E）對于光敏電阻器，因其靈敏度高而光照特性呈非線性，一般用于自動控制中作開關(guān)元件。其光照特性見圖4-8（a）。

圖4-8光照特性圖

(a)光敏電阻器；(b)光電池；(c)光電二極管；(d)光電晶體管

光電池的開路電壓V與照度E是對數(shù)關(guān)系，在2000lx的照度下趨于飽和。在負載電阻遠小于光電池內(nèi)阻時，光電池的電流稱為短路電流Isc，與照度呈線性關(guān)系。如圖4-8（b）直線所示。光電二極管的光照特性為線性，適于作檢測元件，其特性如圖4-8（c）所示。

光電晶體管的光照特性如圖4-8（d）所示，呈非線性。

但由于其內(nèi)部具有放大作用，故其靈敏度較高，輸出光電流較大。2.光譜特性光敏元器件上加上一定的電壓，這時如有一單色光（單一波長光）照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光電流會隨入射光波長的不同而變化。入射光波長與光敏元器件相對靈敏度或相對光電流間的關(guān)系即為該元件的光譜特性。

圖4–9各種光敏元件的光譜特性圖

(a)光敏電阻器；(b)硅光電二極管；(c)光電晶體管

由圖4-9可見，元件材料不同，所能響應(yīng)的峰值波長也不同。應(yīng)根據(jù)光譜特性來確定光源與光電器件的最佳匹配。在選擇光敏元件時，應(yīng)使最大靈敏度在需要測量的光譜范圍內(nèi)，才有可能獲得最高靈敏度。3.伏安特性在一定照度下，光電流I與光敏元件兩端電壓V的對應(yīng)關(guān)系，稱為伏安特性。

各種光敏元件的伏安特性如圖4-10所示。伏安特性可以幫助我們確定光敏元件的負載電阻，設(shè)計應(yīng)用電路。圖4-10各種光敏元件的伏安特性

(a)光敏電阻器；(b)光電池；(c)光電晶體管

4.頻率特性在相同的電壓和同樣幅值的光照下，當入射光以不同頻率的正弦頻率調(diào)制時，光敏元件輸出的光電流I和靈敏度S會隨調(diào)制頻率f而變化，它們的關(guān)系為：

I

=F1（f

）或S

=F2（f）稱為頻率特性。以光生伏打效應(yīng)原理工作的光敏元件（如光電池）頻率特性較差，以內(nèi)光電效應(yīng)原理工作的光敏元件（如光敏電阻）頻率特性更差。光電二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光敏元器件中最好的。

圖4-11各種光敏元器件的頻率響應(yīng)

(a)光敏電阻器；(b)光電池；(c)光電二極管

5.溫度特性光敏電阻，當溫度上升時，暗電流增大，靈敏度下降。光電晶體管，由于溫度變化對暗電流影響非常大，并且是非線性的，給微光測量帶來較大誤差。光電池受溫度的影響主要表現(xiàn)在開路電壓隨溫度增加而下降，短路電流隨溫度上升緩慢增加。應(yīng)采取相應(yīng)措施進行溫度補償。6.響應(yīng)時間光敏電阻較慢，約為（10－1~10－３）s，一般不能用于要求快速響應(yīng)的場合。工業(yè)用的硅光電二極管的響應(yīng)時間為（10－5~10－7）s左右，光電晶體管的響應(yīng)時間比光電二極管約慢一個數(shù)量級，在要求快速響應(yīng)或入射光、調(diào)制光頻率較高時應(yīng)選用硅光電二極管。4.2.6光耦合器件

發(fā)光器件與光敏元器件集成在一起便可構(gòu)成光耦合器件，圖4-12為其結(jié)構(gòu)示意圖。圖a為窄縫透射式，可用于片狀遮擋物體的位置檢測，或碼盤、轉(zhuǎn)速測量中；圖b為反射式可用于反光體的位置檢測，對被測物不限制厚度；圖c為全封閉式，用于前后級電路的隔離。(a)(b)(c)圖4-12光耦合器典型結(jié)構(gòu)

光耦合器件中的發(fā)光元件多半是發(fā)光二極管。光耦合器件中的光敏元器件多為光電二極管和光電晶體管，少數(shù)采用光電達林頓管或光控晶閘管。對于光耦合器件的特性，應(yīng)注意以下各項參數(shù)。（1）電流傳輸比（2）輸入輸出間的絕緣電阻（3）輸入輸出間的耐壓（4）輸入輸出間的寄生電容（5）最高工作頻率（6）脈沖上升時間和下降時間采用雙光耦合器件TLP521的光隔離放大器電路如圖4-13所示。兩光耦合器件本身是非線性的，由于非線性程度相同，所以采用了負反饋的方法相互抵消，改善了線性。電容C用于防止運放的自激振蕩。輸出放大器OP-07用于緩沖隔離。圖4-13光隔離放大器電路4.3紅外線傳感器4.3.1概述凡是存在于自然界的物體，例如：人體、火焰、冰等物體都會放射出紅外線，只是其發(fā)射的紅外線的波長不同而已。人體的溫度為36~37οC，所放射的紅外線波長為9~10μm（屬于遠紅外線區(qū)）。加熱到400~700οC的物體，其放射出的紅外線波長為3~5μm（屬于中紅外線區(qū)）。紅外線傳感器可以檢測到這些物體發(fā)射出的紅外線，用于測量、成像或控制。

用紅外線作為檢測媒介，來測量某些非電量，比可見光作為媒介的檢測方法要好。其優(yōu)越性表現(xiàn)在：(1)可在晝夜進行測量。(2)不必設(shè)光源。(3)大氣對某些特定波長范圍的紅外線吸收甚少（2~2.6μm,3~5μm,8~14μm三個波段稱為“大氣窗口”）,故適用于遙感技術(shù)。

紅外線傳感器按其工作原理可分為兩類：量子型及熱型。熱型紅外線光敏元件的特點是：靈敏度較低、響應(yīng)速度較慢、響應(yīng)的紅外線波長范圍較寬，價格比較便宜、能在室溫下工作。量子型紅外線光敏元件的特性則與熱型正好相反，一般必須在冷卻（77K）條件下使用。4.3.2熱釋電型紅外傳感器1.熱釋電效應(yīng)若使某些強介電質(zhì)物質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，是熱電效應(yīng)的一種。在鈦酸鋇之類的強介電質(zhì)物質(zhì)材料上表現(xiàn)得特別顯著。熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不是永存的，很快便被空氣中的各種離子所結(jié)合。2.熱釋電紅外線光敏元器件的材料熱釋電紅外線光敏元件的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多。3.熱釋電紅外傳感器如圖4-14所示。傳感器的敏感元件是PZT（鈦鋯酸鉛），在上下兩面做上電極，并在表面上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。內(nèi)接線

氧化膜PZT元件

鋁件

引腳FET

空洞

圖4–14熱釋電紅外傳感器基本結(jié)構(gòu)

等效電路如圖4-15所示。

電路結(jié)構(gòu)是一個在負載電阻上并聯(lián)一個電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，輸出電壓信號又極其微弱。

管內(nèi)有場效應(yīng)管FET放大器及厚膜電阻，以達到阻抗變換的目的。元件FETDSERgRsRs為負載電阻，有的傳感器內(nèi)無Rs（需外接）圖4-15熱釋電紅外傳感器等效電路4.PVF2熱釋電紅外傳感器

PVF2是聚偏二氟乙烯的縮寫，是一種經(jīng)過特殊加工的塑料薄膜。它具有壓電效應(yīng)，同時也具有熱釋電效應(yīng)，是一種新型傳感器材料。熱釋電系數(shù)比鉭酸鋰、硫酸三甘肽等低。具有不吸濕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、柔軟、易加工及成本低的特點，是制造紅外線監(jiān)測報警裝置的好材料。5.菲涅耳透鏡是由塑料制成的特殊設(shè)計的光學(xué)透鏡，配合熱釋電紅外線傳感器使用。透鏡由很多“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”組成，物體或人體發(fā)射的紅外線通過菲涅耳透鏡會產(chǎn)生一系列的光脈沖進入傳感器，從而提高了接收靈敏度。

物體或人體移動的速度越快，靈敏度就越高。一般配上透鏡可檢測10米上下，新設(shè)計的雙重反射型，則其檢測距離可達20米以上。菲涅耳透鏡圖4-16菲涅耳透鏡的應(yīng)用

6．熱釋電紅外探測模塊熱釋電紅外探測模塊由菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器、放大器、基準電壓源、比較器、驅(qū)動放大電路、繼電器或晶閘管組成，如圖4-17所示。菲涅爾透鏡熱釋電紅外傳感器放大器比較器基準電壓源驅(qū)動電路繼電器圖4-17熱釋電紅外探測模塊結(jié)構(gòu)

熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生的微弱電信號，經(jīng)放大器放大，然后與基準電壓比較。若大于基準電壓，則輸出高電平，經(jīng)驅(qū)動放大后，控制繼電器動作。通常將熱釋電紅外傳感器和全部電路安裝在一個小印制電路板上，然后將其裝入一個帶有菲涅爾透鏡的ABS工程塑料外殼內(nèi)，做成一個組件。表4-3熱釋電紅外傳感器組件性能型號工作電壓延遲時間探測角度探測距離輸出方式BH9402DC5V2～5s120°5m高電平TWH9241ADC12V10s80°7m繼電器GH608DC9V3s110°12m315MHz信號HT807AC220V50s110°5m晶閘管4.4色彩傳感器色彩傳感器是由單晶硅和非單晶態(tài)硅制成的半導(dǎo)體器件。物體的顏色是由照射物體的光源和物體本身的光譜反射率決定的。在光源一定的條件下，物體的顏色取決于反射的光譜（波長），能測定物體反射的波長，就可以測定物體的顏色。色彩傳感器有兩種：雙PN結(jié)光電二極管和非晶態(tài)集成色彩傳感器。1.雙結(jié)型色彩傳感器

在一塊單晶硅基片上作了兩個PN結(jié)的三層結(jié)構(gòu)，如圖4-18所示。兩個光電二極管PD1及PD2反向連接。光電二極管的光譜特性與PN結(jié)的厚薄有很大關(guān)系。PN結(jié)的面做得薄一點對藍光的靈敏度高。

PD1與PD2的厚薄不同所以光譜特性也不同，如圖4-19所示。電極3PPN絕緣膜電極1電極2a)123PD2PD1b)圖4–18雙結(jié)型色彩傳感器的結(jié)構(gòu)與等效電路

圖4-19雙結(jié)型色彩傳感器的光譜特性

PD1接近表面，所以對藍光（波長430~460nm）、綠光（波長490~570nm）有較高的靈敏度。

PD2則對紅光（波長650~760nm）及紅外線有較高的靈敏度。分別測PD1及PD2的短路電流，ISC1、ISC2，可得圖4-20所示的特性。圖4–20短路電流比與波長特性

根據(jù)色彩傳感器檢測的短路電流比，由圖4-20可以求出對應(yīng)的波長，即可分辨出不同的顏色。由圖4-20可知，不同的溫度，其特性有所變動。因此在作精密測量時要在電路上加溫度補償，或者在計算機中用軟件進行補償。2.非晶態(tài)集成色彩傳感器如圖4-21所示，在非晶態(tài)的硅的基片上，平排做了三個光電二極管。在各個光電二極管上分別加上紅（R）、綠（G）、藍（B）濾色鏡，將來自物體的反射光分解為三種顏色。根據(jù)R、G、B濾色鏡下光電二極管輸出的短路電流大小，通過電子線路及計算機，可以識別十二種以上的顏色。

非晶態(tài)硅引線樹脂導(dǎo)電膜

玻璃板濾色鏡RGB圖4–21非晶態(tài)集成色彩傳感器

a)b)

AM3301系列集成色彩傳感器的三色相對靈敏度與波長特性如圖4-22所示。波長λ（nm）70060050040000.51.0相對靈敏度BGR圖4–22相對靈敏度與波長特性

非晶態(tài)色彩傳感器的入射光照度與輸出電壓的關(guān)系如圖4-23所示。圖4-23非晶態(tài)色彩傳感器輸出電壓與照度關(guān)系

傳感器上有時并聯(lián)一個100KΩ電阻，以保證良好的線性度。放大電路如圖4-24所示。+-色彩傳感器100K

RCRfV0圖4-24非晶態(tài)傳感器放大電路（僅一路）

4.5CZG-GC-500系列

紫外火焰?zhèn)鞲衅?/p>

敏感元件為紫外電管，由管殼、充入的氣體、陽極和光陰極組成。

如圖4-25所示。在火焰中的遠紫外線的照射下，光陰極中的電子吸收能量而逸出光陰極表面。

在電場的作用下向陽極運動，從而產(chǎn)生電信號，達到檢測火焰的目的。圖4-25CZG-GC-500系列紫外火焰?zhèn)鞲衅髯贤饣鹧鎮(zhèn)鞲衅髦饕獞?yīng)用于火災(zāi)消防系統(tǒng)，尤其是一些易燃易爆場所，用來檢測火焰的產(chǎn)生。該傳感器也可用于發(fā)動機、鍋爐、窯爐等的火焰報警系統(tǒng)。4.6核輻射傳感器核輻射傳感器的檢測原理是基于放射性同位素核輻射粒子的電離作用。

核輻射傳感器包括放射源、探測器和信號轉(zhuǎn)換電路。放射源一般為圓盤狀（β放射源）或絲狀、圓柱狀、圓片狀（γ放射源）。

例如TI204（鉈）鍍在銅片上，上面覆蓋云母片，然后裝入鋁或不銹鋼殼內(nèi)，最后用環(huán)氧樹脂密封成為放射源。探測器工作機理是放射線照射下，材料發(fā)光閃爍效應(yīng)和氣體電離效應(yīng)。

常用的探測器有電離室、蓋格計數(shù)管和閃爍計數(shù)管，半導(dǎo)體探測器也已使用。

圖4-27所示為蓋格計數(shù)管結(jié)構(gòu)組成，金屬圓筒的陰極，鎢絲或鉬絲的陽極，充以氬、氦氣體。放射線照射氣體電離，在1MΩ電阻上產(chǎn)生幾V到幾十V的電壓。圖4-27蓋格計數(shù)管結(jié)構(gòu)組成探測器可以單獨使用，察看天然本底計數(shù)（太陽輻射和宇宙輻射），檢查局部輻射污染，檢查石材、瓷器、珠寶的有害放射性。探測器也可以與放射源、信號轉(zhuǎn)換電路組合，進行多種物理量的檢測。α粒子能量大，電離作用最強，常用于氣體成分分析和壓力檢測；β粒子在氣體中的射程可達20米，易于散射、行程彎曲，可測量材料厚度、密度；γ射線在氣體中的射程可達幾百米，能穿透幾十厘米厚的固體物質(zhì)，常用于金屬探傷和厚度、密度、速度、物位測量。4.7光纖傳感器可分為功能型和非功能型。功能型傳感器是利用光纖本身的特性隨被測量發(fā)生變化，利用光纖作為敏感元件，又稱為傳感型光纖傳感器。非功能型傳感器是利用其他敏感元件來感受被測量變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，也稱為傳光型光纖傳感器或稱混合型光纖傳感器。4.7.1光纖傳感元器件光導(dǎo)纖維是用比頭發(fā)絲還細的石英玻璃制成的，每根光纖由圓柱形的內(nèi)芯和包層組成。

內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率。光是直線傳播的。然而入射到光纖中的光線卻能限制在光纖中，而且隨著光纖的彎曲而走彎曲的路線，并能傳送到很遠的地方去。光纖的直徑比光的波長大很多，可以用幾何光學(xué)的方法來說明光在光纖中的傳播。

當光從光密（折射率大）介質(zhì)射向光疏（折射率?。┙橘|(zhì)，且入射角大于臨界角時，光會產(chǎn)生全反射，

即光不再離開光密介質(zhì)。光纖圓柱形內(nèi)芯的折射率n1大于包層的折射率n2，

因此，如圖4-28所示，在角2θ之間的入射光，除了在光纖玻璃中吸收和散射之外，大部分在界面上產(chǎn)生多次反射，以鋸齒形的線路在光纖中傳播。在光纖的末端以與入射角相等的出（反）射角射出光纖。圖4-28光導(dǎo)纖維中光的傳輸特性

光纖的主要參數(shù)和類型：（1）數(shù)值孔徑：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θ張角之內(nèi)的光功率能被光纖接收。角2θ與光纖內(nèi)芯和包層材料的折射率有關(guān)，我們將θ的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑（NA）。

一般希望有大的數(shù)值孔徑,以利于耦合效率的提高,但數(shù)值孔徑越大,光信號畸變就越嚴重,所以要適當選擇。（2）光纖模式：多模光纖中，同一光信號采用很多模式傳輸，會使這一光信號分裂為不同時間到達接收端的多個小信號，導(dǎo)致合成信號畸變。希望模式數(shù)量越少越好，盡可能在單模方式下工作，即單模光纖。

階躍型的圓筒光纖內(nèi)傳播的模式數(shù)量v可簡單表示為：

（3）傳播損耗：由于光纖纖芯材料的吸收、散射以及光纖彎曲處的輻射損耗等影響，光信號在光纖中的傳播不可避免地會有損耗。假設(shè)從纖芯左端輸入一個光脈沖，其峰值強度（光功率）為Io，傳播損耗后，光纖中任一點處的光強度為：（4）光纖類型

按折射率變化分為階躍型光纖和漸變型光纖。

按傳輸模式多少分為單模光纖與多模光纖。4.7.2常用光纖傳感器光纖傳感器的種類很多，工作原理也各不相同，但都離不開光的調(diào)制和解調(diào)兩個環(huán)節(jié)。光調(diào)制就是把某一被測信息加載到傳輸光波上。承載了被測信息的已調(diào)制光，傳輸?shù)焦馓綔y系統(tǒng)后再經(jīng)解調(diào)，便可獲得所需的該被測信息。常用的光調(diào)制方法有強度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制等幾種。1.光纖壓力傳感器按光強度調(diào)制原理制成。

（1）被測力作用于膜片，使光纖與膜片間的氣隙減小，使棱鏡與光吸收層之間的氣隙發(fā)生改變。（2）氣隙發(fā)生改變引起棱鏡界面上全（內(nèi)）反射的局部破壞，造成一部分光離開棱鏡的上界面，進入吸收層并被吸收，致使反射回接收光纖的光強度減小。

圖4–29光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)

1—膜片；2—光吸收層；3—墊圈；4—光導(dǎo)纖維；5—橋式光接收線路；6—發(fā)光二極管；7—殼體；8—棱鏡；9—上蓋。

（3）接收光纖內(nèi)反射光強度的改變可由橋式光接收器檢測出來。（4）橋式光接收器輸出信號的大小只與光纖和膜片間的距離和膜片的形狀有關(guān)。光纖壓力傳感器不受電磁干擾，響應(yīng)速度快、尺寸小、重量輕、耐熱性好。由于沒有導(dǎo)電元件，特別適合于有防爆要求的場合使用。2.光纖血流傳感器利用頻率調(diào)制原理，也就是利用光的多普勒效應(yīng)，在這里光纖只起傳輸作用。

激光器發(fā)出的光波頻率為f，激光束由分束器分為兩束，一束作為測量光束，通過光纖探針進到被測血液中，由于血流速度，其反射光具有多普勒頻移△f

。另一束作為參考光由頻移器產(chǎn)生參考頻移。氬氖激光器頻率分析器記錄儀

光電二極管

動脈血管光纖探針托座θ頻移器分束器圖4-30光纖血流傳感器光電二極管接收該兩束光信號，送入頻率分析器分析，記錄儀上顯示對應(yīng)于血流速度的多普勒頻移譜，如圖4-31所示。

圖中，I表示輸出的光電流；f0表示最大頻移；△f的符號由血流方向確定。f1f0OI相對電流Δff/Hz圖4–31多普勒頻移譜4.7.3光纖傳感器水源檢測設(shè)備光纖傳感器水源檢測設(shè)備如圖4-32所示，由光纖傳感器、聚光鏡、CCD圖像傳感器以及計算機組成。

利用載體將對重金屬離子特別敏感的試劑覆膜于光纖的一端形成探頭，探頭放置于監(jiān)測水源中。照進水源的太陽光線經(jīng)探頭進入光纖。被探頭覆膜顏色調(diào)制的光線由光纖傳輸至高清晰度CCD圖像傳感器成像。例如，利用硅烷醇將一種對Hg（Ⅱ）特別敏感的試劑——二苯卡巴腙涂膜于光纖一端，形成Hg（Ⅱ）識別光纖探頭。

二苯卡巴腙與水源中的Hg（Ⅱ）發(fā)生配合反應(yīng)，在膜中生成藍色配合物。膜顏色的變化及程度迅速通過光纖生成彩膜圖像。

彩膜圖像傳輸至計算機，通過與原來存儲在計算機中標準樣本圖像比較匹配，判明Hg（Ⅱ）是否存在及含量。圖4-32光纖傳感器水源檢測設(shè)備采用集束光纖，用載體分別將對各重金屬離子特別敏感的各種試劑，覆膜于集束光纖的各個單支光纖一端形成探頭，放置于水源中。

集束光纖的另一端傳輸至高清晰度CCD傳感器成像，再由計算機處理成可對比圖像，通過與原來存儲在計算機中的標準樣本圖像比較匹配.，可同時檢測水源中多種重金屬種類和含量。4.8光傳感器應(yīng)用實例4.8.1自動照明燈如圖4-33所示。D1為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約為30V左右。白天，光敏電阻的阻值低，A點分壓低于30V，觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無觸發(fā)電流，T1、T2之間呈斷開狀態(tài)。晚上天黑，光敏電阻的阻值增加，A點電壓大于30V，觸發(fā)二極管導(dǎo)通，雙向可控硅呈導(dǎo)通狀態(tài)，電燈亮。220V~VTVDGC2R2AR1C1R3圖4–33自動照明燈電路

4.8.2物體長度及運動速度的檢測圖4-34為示意圖和電路簡圖。當工件自左向右運動時，首先遮斷光源A的光線，經(jīng)過設(shè)定的S0距離后再遮斷光源B的光線，經(jīng)光敏元件VDA、VDB和RS觸發(fā)器輸出高頻脈沖，計數(shù)器進行計數(shù)。若所計脈沖數(shù)為n和脈沖周期為T，則可計算物體平均運動速度為

圖4–34（a）光電元件檢測運動物體速度信號示意圖S0LEDBLEDAQLυ7＆689清零信號

VDAVDBSR－－314

25

圖4–34（b）光敏元器件檢測運動物體速度電路圖

1光源A

；2光敏元件VDA

；3運動物體；4光源B

；5光敏元件VDB

；6RS觸發(fā)器；7高頻脈沖信號源；8計數(shù)器；9顯示器

4.8.3紅外線自動水龍頭

紅外線自動水龍頭屬無接觸式自動水龍頭，起到節(jié)約用水的作用，還可以避免人群中病菌的交叉?zhèn)鞑?。電路如圖4-35所示。

音調(diào)解碼器LM567的振蕩信號頻率由5、6腳外接的R2、C1確定。

產(chǎn)生的振蕩信號，由5腳輸出，經(jīng)運算放大器A1和VT1放大，驅(qū)動紅外發(fā)光二極管VL1發(fā)光向外發(fā)射。

圖4-35紅外線自動水龍頭

紅外光線經(jīng)人手反射，由紅外光敏二極管VD2接收，經(jīng)運算放大器A2放大后，由3腳輸入到LM567音調(diào)解碼器。

音調(diào)解碼器把輸入信號與內(nèi)部振蕩信號比較，兩者頻率相等，8腳輸出低電平。

晶體管VT2飽和導(dǎo)通，集電極變?yōu)楦唠娖?，使晶閘管BT139導(dǎo)通，接通電磁閥RL的電源。電磁閥打開，放出水來。

手離開后，沒有人手的反射，紅外光敏二極管VD2沒有接收信號，LM567音調(diào)解碼器3腳沒有輸入信號，8腳輸出為高電平。

VT2截止，集電極變?yōu)榈碗娖剑чl管不導(dǎo)通，電磁閥關(guān)閉，沒有水流出來。4.8