傳感器技術(shù)及應(yīng)用教案及習(xí)題

第一章引言

＞教學(xué)要求

1.掌握傳感器的基本概念。

2.掌握傳感器的組成框圖（p2,圖1.1）o

3.掌握傳感器的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。

4.了解傳感器的課程性質(zhì)和課程任務(wù)。

5.了解傳感器的分類和發(fā)展趨勢。

＞教學(xué)內(nèi)容

1.1傳感器的發(fā)展和作用

了解。

1o2什么是傳感器

傳感器定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置，

通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳

送出去.根據(jù)傳感器的功能要求，它一般應(yīng)由三部分組成，即：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路。

1o3傳感器的分類

1.根據(jù)被測物理量分類

速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。

2.按工作原理分類

應(yīng)變式、電壓式、電容式、渦流式、差動(dòng)變壓器式等。

3.按能量的傳遞方式分類

有源的和無源的傳感器。

1.4傳感器的性能和評價(jià)

1.401傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器的輸入信號不隨時(shí)間變化或變化非常緩慢時(shí)，所表現(xiàn)出來的輸

出響應(yīng)特性，稱靜態(tài)響應(yīng)特性。通常用來描述靜態(tài)特性的指標(biāo)有：測量范圍、精度、靈敏度、

穩(wěn)定性、非線性度、重復(fù)性、靈敏閾和分辨力、遲滯。

?穩(wěn)定性

傳感器的穩(wěn)定性，一是指傳感器測量輸出值在一段時(shí)間內(nèi)的變化，即用所謂的穩(wěn)定度表示；

二是指在傳感器外部環(huán)境和工作條件變化時(shí)而引起輸出值的變化，即用影響量來表示。

?靈敏度

傳感器靈敏度是表示傳感器的輸入增量與由它引起的輸出增量之間的函數(shù)關(guān)系.更確切地

說，靈敏度k等于傳感器輸出增量與被測量增量之比，是傳感器在穩(wěn)態(tài)輸出輸入特性曲線上各

點(diǎn)的斜率。用公式表示為：

?靈敏閱與分辨力

靈敏閾是指傳感器能夠區(qū)分出的最小讀數(shù)變化量。

對模擬式儀表，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個(gè)階

梯所代表的輸入量的大小。對于數(shù)字式儀表，靈敏度閾就是分辨力，即儀表指示數(shù)字值的最后

一位數(shù)字所代表的值。

從物理含義看，靈敏度是廣義的增益，而靈敏度閾則是死區(qū)或不靈敏度。

?遲滯

傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨小斎胩匦郧€不重合的程度稱為

遲滯。

?線性度

傳感器的輸出——輸入校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，

稱為該傳感器的“非線性誤差”或稱“線性度”，也稱"非線性度”。

1o4o2傳感器的動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性是指傳感器對于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其

輸出量必將是時(shí)間的函數(shù).研究動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)輸入形式有三種，即正弦、階躍和線性，而經(jīng)常使

用的是前兩種。

?零階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)

零階傳感器，其輸入量無論隨時(shí)間如何變化，其輸出量的幅值總是與輸入量成確定的比例關(guān)

系，在時(shí)間上也不滯后，幅角0等于零。所以零階傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)就是靜態(tài)特性指標(biāo)。

?一階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)

一階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)有：靜態(tài)靈敏度和時(shí)間常數(shù)T。如果時(shí)間常數(shù)T越小，系統(tǒng)的頻

率特性就越好。在彈簧阻尼系統(tǒng)中，就要求系統(tǒng)的阻尼系數(shù)小，而彈簧剛度要大.

二階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)

二階傳感器的傳遞函數(shù):

K

HG)=—

s~+至+1

a

頻率函數(shù)為:

K

H(jCO)=——7

1-幺.囁

幅頻特性為:

K

叵(加)|=-T

)2]2+4Lf)2

5g

相頻特性為：

2g

(p(co}=arct<?-------------------

(—)-A)

刃0口

上面各式中:

“?！到y(tǒng)無阻尼時(shí)的固有振動(dòng)角頻率;

k——彈簧常數(shù);

m一質(zhì)量;

相對阻尼系數(shù);

C——阻尼器阻尼系數(shù)；

K—靜態(tài)靈敏度.

由于大多數(shù)傳感器均為二階系統(tǒng)，所以我們要專門討論二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。根據(jù)二階系統(tǒng)

相對阻尼系數(shù)4的大小，將其二階響應(yīng)分成三種情況：既：>1時(shí)過阻尼；：=1時(shí)臨界阻尼；,<1

時(shí)欠阻尼.在一定的值下，欠阻尼系統(tǒng)比臨界阻尼系統(tǒng)更快地達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；過阻尼系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，

動(dòng)作緩慢，所以一般傳感器都設(shè)計(jì)成欠阻尼。一般取值為0。6~0。8.

第二章應(yīng)變式傳感器

＞教學(xué)要求

1.掌握電阻應(yīng)變效應(yīng)的基本概念。

2.掌握電橋原理與電阻應(yīng)變計(jì)橋路。

3.掌握應(yīng)變計(jì)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。

4o掌握溫度誤差產(chǎn)生的原因及其補(bǔ)償方法.

4.了解應(yīng)變計(jì)的分類和命名規(guī)則.

5.了解應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀。

＞教學(xué)內(nèi)容

2.1電阻應(yīng)變效應(yīng)

2.101電阻應(yīng)變效應(yīng)

定義：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種

現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。設(shè)有一段長為I,截面積為A,電阻率為p的導(dǎo)體（如金屬絲），它具

有的電阻為：

R—p--

A

式中：p一電阻絲的電阻率；I—電阻絲的長度；A-電阻絲的截面積。

2.102應(yīng)變計(jì)的分類

了解.

2.1O3應(yīng)變計(jì)型號命名

了解.

2o2應(yīng)變計(jì)的主要特性

2o2.1應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)

當(dāng)具有初始電阻值的應(yīng)變計(jì)粘貼于試件表面時(shí)，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變計(jì)

的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化.實(shí)驗(yàn)證明，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，有下列關(guān)系：

\R/

k=」

8

式中，k為電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)。

必須指出，應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長應(yīng)變絲的靈敏度系數(shù)，一般情況下，

k<knO這是因?yàn)?，在單向?yīng)力產(chǎn)生雙向應(yīng)變的情況下，人除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、

粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響。應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)直接

關(guān)系到應(yīng)變測量的精度。因此，值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下通過實(shí)測確定,

該值稱為“標(biāo)稱靈敏度系數(shù)”。

20202橫向效應(yīng)

定義：在單位應(yīng)力、雙向應(yīng)變情況下，橫向應(yīng)變總是起著抵消縱向應(yīng)變的作用。應(yīng)變計(jì)這種

既敏感縱向應(yīng)變，又同時(shí)受橫向應(yīng)變影響而使靈敏系數(shù)及相對電阻比都減小的現(xiàn)象，稱為橫向

效應(yīng)。其大小用橫向效應(yīng)系數(shù)H（百分?jǐn)?shù)）來表示，即：

H=*%xlOO%

K*.對軸向應(yīng)變的靈敏度系數(shù)；Kv為對橫向應(yīng)變的靈敏度系數(shù)。

減小橫向效應(yīng)的方法：采用直角線柵式應(yīng)變計(jì)或箔式應(yīng)變計(jì)。

2.2.3應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性

實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)械應(yīng)變波是以相同于聲波的形式和速度在材料中傳播的。當(dāng)它依次通過一定厚

度的基底、膠層（兩者都很薄，可忽略不計(jì)）和柵長而為應(yīng)變計(jì)所響應(yīng)時(shí)，就會(huì)有時(shí)間的遲后。

應(yīng)變計(jì)的這種響應(yīng)遲后對動(dòng)態(tài)（高頻）應(yīng)變測量，就會(huì)產(chǎn)生誤差。應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性就是指其

感受隨時(shí)間變化的應(yīng)變時(shí)之響應(yīng)特性。

2O2.4其它特性參數(shù)

機(jī)械滯后

實(shí)用中，由于敏感柵基底和粘結(jié)劑材料性能，或使用中的過載，過熱，都會(huì)使應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生殘

余變形，導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)輸出的不重合。這種不重合性用機(jī)械滯后（ZD來衡量。它是指粘貼在試件

上的應(yīng)變計(jì)，在恒溫條件下增（加載）、減（卸載）試件應(yīng)變的過程中，對應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指

示應(yīng)變量（輸出）之差值，見圖2o1所示。通常在室溫條件下，要求機(jī)械滯后ZjV3~10uEo實(shí)

測中，可在測試前通過多次重復(fù)預(yù)加、卸載，來減小機(jī)械滯后產(chǎn)生的誤差.

G

G3

3融

趙

囹

切*

收￡

界

力:機(jī)械F變2C

To￡t?嬴.°時(shí)間

圖2.1應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后特性圖2.2應(yīng)變計(jì)的蠕變和零漂特性

蠕變和零漂

粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在恒溫恒載條件下，指示應(yīng)變量隨時(shí)間單向變化的特性稱為蠕變。

如圖2.2中e所示.

當(dāng)試件初始空載時(shí)，應(yīng)變計(jì)示值仍會(huì)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象稱為零漂。如圖2o2中的P。所示。

蠕變反映了應(yīng)變計(jì)在長時(shí)間工作中對時(shí)間的穩(wěn)定性，通常要求eV3?15RS。引起蠕變的主要原

因是，制作應(yīng)變計(jì)時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和工作中出現(xiàn)的剪應(yīng)力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間

產(chǎn)生的“滑移”所致。選用彈性模量較大的粘結(jié)劑和基底材料，適當(dāng)減薄膠層和基底，并使之

充分固化，有利于蠕變性能的改善。

應(yīng)變極限

應(yīng)當(dāng)知道，應(yīng)變計(jì)的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保

持.當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過某一限值時(shí)，應(yīng)變計(jì)的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，

使非線性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限。如圖2.3所示。應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變

計(jì)測量范圍和過載能力的指標(biāo)，通常要求28000〃。影響的主要因素及改善措施，與蠕變

G

3/110%也實(shí)應(yīng)變

金~~r

W誤

m

其實(shí)應(yīng)變（uC

基本相同。

圖2。3應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變極限特性

203應(yīng)變計(jì)的粘貼

了解粘貼劑的選用要求，和常用粘合劑的選用原則：有機(jī)粘合劑通常用于低溫、常溫合中溫,

無機(jī)粘合劑用于高溫。

204電橋原理及電阻應(yīng)變計(jì)橋路

2.4o1直流電橋的特性方程及平衡條件

電橋的供橋電源電壓為，艮、&、R和比為橋臂，RL為負(fù)載內(nèi)阻，負(fù)載電流〃為:

2。4直流電橋

j&舄-"

1T=----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------U

&（&1+&2）（&+&）+&&（&+&）+&&（號+.）

該方程為直流電橋的特性

方程。

4=0時(shí)電橋平衡，則平衡條件氏陽-衣2&=。為：

這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等或相對兩臂電阻的乘積相等。

直流電橋的電壓靈敏度

2O4.2

應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小。要推動(dòng)記錄儀工作，須將輸出電

壓放大，為此必須了解4R/R與電橋輸出電壓的關(guān)系。

S-5

⑤一百

電橋靈敏度定義為：/%

S￡=—

單臂工作應(yīng)變片的電橋電壓靈敏度為："（i+〃r式中，咤％,

交流電橋的平衡條件和電壓輸出

2O4.3

Z1、Z2、Z3、Z4為復(fù)阻抗，U為交流電壓源，開路輸出電壓為U0,根據(jù)交流電路分析（和

直流電路類似）可得平衡條件為：ZiZ2=

設(shè)4=舄+M=Z/e（i=1,2,3,4）

式中&、X、——各橋臂電阻和電抗；4,也——各橋臂復(fù)阻抗的模和幅角.因此，交流

電橋的平衡條件必須同時(shí)滿足：

ZiZj=z3z4和6+6=仍+優(yōu)

和

或&&-%&=區(qū)工3-及乙

電橋的調(diào)平就是確保試件在未受載、無應(yīng)變的初始條件下，應(yīng)變電橋滿足平衡條件（初始輸

出為零）。在實(shí)際的應(yīng)變測量中，由于各橋臂應(yīng)變計(jì)的性能參數(shù)不可能完全對稱，加之應(yīng)變計(jì)引

出導(dǎo)線的分布電容（其容抗與供橋電源頻率有關(guān)），嚴(yán)重影響著交流電橋的初始平衡和輸出特

性。因此，交流電橋平衡時(shí)，必須同時(shí)滿足電阻和電容平衡兩個(gè)條件。

&口3=口2口4和R3c2=R4cl

對全等臂電橋，上式即為

R!=R2=R3=R4,口C,=C2

2.5溫度誤差及其補(bǔ)償

2.5.1溫度誤差產(chǎn)生的原因

用應(yīng)變片測量時(shí)，希望其電阻只隨應(yīng)變而變，而不受其它因素的影響。但實(shí)際上環(huán)境溫度變

化時(shí)，也會(huì)引起電阻的相對變化，從而產(chǎn)生溫度誤差。應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其熱輸出由兩部分組

成：前部分為熱阻效應(yīng)所造成；后部分為敏感柵與試件熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大

時(shí)，這種熱輸出干擾必須加以補(bǔ)償.

(1)敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度變化產(chǎn)生的溫度誤差

R,=凡(1+?△/)=%+0a

(2)試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不一，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加形變而造成的電阻變化.

=a,&+K(⑸-幻?儀

式中%——敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；

K----應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)；

A,仇-一分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)。

2.5o2溫度補(bǔ)償方法

常采用溫度自補(bǔ)償法和橋路補(bǔ)償法。

溫度自補(bǔ)償法

這種方法是通過精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)熱輸出補(bǔ)償?shù)摹?/p>

——即At+K.(國—區(qū)),

(1)單絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)由式可知，欲使熱輸出為0,只要滿

足條

件%="(月-聞

R.R、

(a)絲繞式(b)短接式

雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)

(2)雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)這種應(yīng)變計(jì)的敏感柵是由電阻溫度系數(shù)為一正一負(fù)的兩種合金絲

串接而成，如圖所示。應(yīng)變計(jì)電阻R由兩部分電阻R,和甩組成，即區(qū)=%+母。當(dāng)工作溫度變化時(shí)，

若R,柵產(chǎn)生正的熱輸出E,t與L柵產(chǎn)生負(fù)的熱輸出入“能大小相等或相近，就可達(dá)到自補(bǔ)償?shù)?/p>

目的.

橋路補(bǔ)償法

橋路補(bǔ)償法是利用電橋的和、差原理來達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

(1)雙絲半橋式

這種應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)與雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)雷同.不同的是，敏感柵是由同符號電阻溫度系數(shù)的

兩種合金絲串接而成，而且柵的兩部分電阻R和R2分別接入電橋的相鄰兩臂上：工作柵R接入電

橋工作臂，補(bǔ)償柵北外接串接電阻RB(不敏感溫度影響)后接入電橋補(bǔ)償臂；另兩臂照例接入平

衡電阻R3和R4,如圖所示。當(dāng)溫度變化時(shí)，只要電橋工作臂和補(bǔ)償臂的熱輸出相等或相近，就能

達(dá)到熱補(bǔ)償目的，即:

雙絲半橋式熱補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)

(2)補(bǔ)償塊法

這種方法是用兩個(gè)參數(shù)相同的應(yīng)變計(jì)R、R2OR貼在試件上，接入

電橋工作臂，比貼在與試件同材料、同環(huán)境溫度,但不參與機(jī)械應(yīng)變

的補(bǔ)償塊上，接入電橋相鄰臂作補(bǔ)償臂(R3、R4同樣為平衡電阻)，如

圖2.19所示。這樣，補(bǔ)償臂產(chǎn)生與工作臂相同的熱輸出，通過差接橋,

起了補(bǔ)償作用。這種方法簡便，但補(bǔ)償塊的設(shè)置受到現(xiàn)場環(huán)境條件的限制。

(3)熱敏電阻補(bǔ)償熱敏電阻屏與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度

升高而下降時(shí)，熱敏電阻幾的阻值下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的

輸出電壓。選擇分流電阻Rs的值，可以使應(yīng)變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補(bǔ)償。

206電阻應(yīng)變儀

電學(xué)應(yīng)變儀應(yīng)用最廣泛，它采用的電路可以是直流電橋式、交流電橋式或電位計(jì)式，應(yīng)用最

多的是交流電橋式電路并帶有載波放大器的形式。采用交流電橋電路的應(yīng)變儀由電橋、放大器、

相敏檢波器、濾波器、振蕩器和電源部分組成。

交流電橋式應(yīng)交儀原理方框圖

①電橋：將應(yīng)變計(jì)的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，以便放大器放大.通常電橋由正弦振

蕩器供電，其頻率為500赫~50千赫，較低頻率的被測應(yīng)變信號對較高的頻率的電橋電壓進(jìn)行

調(diào)幅，輸出一個(gè)窄頻帶的調(diào)幅波信號.②放大器：對電橋輸出的微弱信號進(jìn)行不失真的放大，并

以足夠的功率去推動(dòng)指示器和記錄器。為提高放大器的穩(wěn)定性，一般采用交流載波放大器，直流

放大器僅用于超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀.③相敏檢波器：將放大后的調(diào)幅波還原為被測應(yīng)變信號波形，同時(shí)

反映被測應(yīng)變信號的方向，通常采用環(huán)形相敏檢波器.④濾波器：濾除相敏檢波器輸出信號中的

高次諧波分量，以獲得理想的輸出波形。⑤振蕩器：產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的振蕩電壓，作為電橋供電

電壓和相敏檢波器的參考電壓。

2.7應(yīng)變式傳感器

基本概念

1、應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。

2、彈性應(yīng)變：當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變。

3、彈性元件：具有彈性應(yīng)變特性的物體。

構(gòu)成

彈性敏感元件，應(yīng)變計(jì)（絲）。

工作原理

當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)

的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成

電量輸出.輸出的電量大小反映被測量的大小。

2O702應(yīng)變式測力與稱重傳感器

組成：彈性體，應(yīng)變計(jì)和外殼.

分類：根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同可分為：柱式、橋式、輪輻式、梁式、環(huán)式等。

柱式：特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于加工，成本費(fèi)用低，密封性能良好，對于潮濕環(huán)境很適

用，可設(shè)計(jì)成壓式或拉式的，可以承受很大的載荷；其缺點(diǎn)是位移量小、靈敏度低。

橋式：傳感器彈性體為橋式，其兩端用兩只螺栓緊固到下面的支撐體上，其彈性體與支撐體

之間有一間隙，為彈性體的受力變形空間。該類傳感器的特點(diǎn)如下：由于傳感器與秤體之間的

連接為要求很低的間隙配合，所以安裝方便，維護(hù)簡單，重復(fù)性好。

輪輻式：高度低、精度高、抗偏心載荷和側(cè)向力強(qiáng)。

剪切梁式：該類傳感器有以下特點(diǎn)：輸出信號不受稱重點(diǎn)位置變化的影響；線性好、精度高；

傳感器受拉伸與壓縮時(shí)，切應(yīng)力的幅度與分布基本相同，即傳感器的拉伸、壓縮靈敏度基本相

同，所以特別適用于同時(shí)受拉和壓的測量；外形低、體積小、重量輕，易于安裝和維修；結(jié)構(gòu)簡

單易于密封；抗側(cè)向力強(qiáng)。

板環(huán)式：特點(diǎn)是輸出靈敏度高、受力狀態(tài)穩(wěn)定、溫度均勺性好、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，可制

成拉壓2種型號，對于0.5—30噸的拉壓方式稱重傳感器，這種方式是很好的.

應(yīng)變式壓力傳感器

組成：彈性元件，電阻應(yīng)變計(jì)和外殼及補(bǔ)償電阻。

分類：應(yīng)變式壓力傳感器所用彈性元件可根據(jù)被測介質(zhì)和測量范圍的不同而采用各種型式，常見

有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等。

應(yīng)變式加速度傳感器

加速度傳感器的構(gòu)成如圖：包括了應(yīng)變片、彈簧片

、質(zhì)量塊、外殼和基座。

2.8幾種新型的微應(yīng)變式傳感器

概念

壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就稱為壓阻效應(yīng)。

化學(xué)氣相沉積(CVD):是半導(dǎo)體技術(shù)中一種常用的薄膜生長技術(shù)，這種技術(shù)使用化學(xué)的方法

來沉積薄膜.

第三章光電式傳感器

＞教學(xué)要求

1.掌握光電效應(yīng)的基本概念，內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。

2.掌握光傳感器的特性及其表示法。

3.掌握光電管，光電倍增管，光敏電阻，光電耦合器件的原理，結(jié)構(gòu)。

4.了解熱釋電效應(yīng)的原理。

5.了解其它光電傳感器的組成，原理和發(fā)展趨勢。

＞教學(xué)內(nèi)容

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的

變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和

光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳

感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。

301光電效應(yīng)

光電效應(yīng)：它是光照射到某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)的電特性發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象，可分為外

光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類。

外光電效應(yīng)是指，在光線作用下物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的物理現(xiàn)象。

內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類.光電導(dǎo)效應(yīng)是指，半導(dǎo)體材料在光照下

禁帶中的電子受到能量不低于禁帶寬度的光子的激發(fā)而躍遷到導(dǎo)帶，從而增加電導(dǎo)率的現(xiàn)象.能

量對應(yīng)于禁帶寬度的光子的波長稱光電導(dǎo)效應(yīng)的臨界波長.光生伏特效應(yīng)是指光線作用能使半

導(dǎo)體材料產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)又可分為勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）和側(cè)向

光電效應(yīng).勢壘效應(yīng)的機(jī)理是在金屬和半導(dǎo)體的接觸區(qū)（或在PN結(jié)）中，電子受光子的激發(fā)脫離

勢壘（或禁帶）的束縛而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下電子移向N區(qū)外側(cè)，空穴移

向P區(qū)外側(cè)，形成光生電動(dòng)勢。側(cè)向光電效應(yīng)是當(dāng)光電器件敏感面受光照不均勻時(shí)，受光激發(fā)

而產(chǎn)生的電子空穴對的濃度也不均勻，電子向未被照射部分?jǐn)U散，引起光照部分帶正電、未被光

照部分帶負(fù)電的一種現(xiàn)象.

基于外光電效應(yīng)的光電敏感器件有光電管和光電倍增管?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的有光敏電阻。

基于勢壘效應(yīng)的有光電二極管和光電三極管?；趥?cè)向光電效應(yīng)的有反轉(zhuǎn)光敏二極管。

3.2熱釋電效應(yīng)

所謂熱釋電效應(yīng)是指該種材料中自發(fā)極化的強(qiáng)度隨溫度的變化而變化的效應(yīng)。電介質(zhì)在外加

電場的作用下會(huì)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象即會(huì)使電介質(zhì)的一個(gè)表面帶有正電荷而另一個(gè)表面帶有負(fù)電

荷.

303光的吸收系數(shù)

了解。

3.4光傳感器的特性表示法

光電探測器的性能參數(shù)主要的有：積分靈敏度R,光譜靈敏度R”頻率靈敏度量子效率

TI,通量閾只〃和噪聲等效功率NEP,歸一化探測度D*等。

光譜靈敏度R:此=」;，如果是號常數(shù)，則相應(yīng)的探測器為無選擇性探測器，如：光熱探

dP入

測器；反之，則為選擇性探測器，如光子探測器.

頻率靈敏度Rf：如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流將隨調(diào)制頻率f的

升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱為頻率靈敏度R.

量子效率表示探測器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子書之比.

dn^ldn^

dt/dt

通量閾指探測器所能探測的最小光信號功率。通常認(rèn)為當(dāng)信號光電流i,等于噪聲電流i”時(shí)，

剛剛能測量到光電流存在。定義通量閾：P,h=—(w)

段

噪聲等效功率NEP,單位信噪比時(shí)的信號光功率.噪聲等效功率越小，探測器探測微弱信號的

能力越強(qiáng)。NEP=Plh=^|(5NR)/=1=

光譜特性

在入射光照度一定時(shí)，光電元件的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種材料只對一定

波長范圍的人射光敏感，這就是光譜特性.

頻率特性

表征光電器件的動(dòng)態(tài)性能，反映了交變光照下器件的輸出特性，用響應(yīng)時(shí)間來表示.

伏安特性

在一定的光照下，對光電器件所加端電壓與光電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。它是傳感器設(shè)

計(jì)時(shí)選擇電參數(shù)的依據(jù)。使用時(shí)應(yīng)注意不要超過器件最大允許的功耗。

溫度特性

光電器件隨所處環(huán)境溫度的變化，其光電效應(yīng)的外在表現(xiàn)會(huì)發(fā)生變化.

305光電傳感器

3O5.1光電管

光電管原理是光電效應(yīng)。一種是半導(dǎo)體材料類型的光電管，它的工作原理光電二極管又叫光

敏二極管，是利用半導(dǎo)體的光敏特性制造的光接受器件。當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和

N區(qū)因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增多，如果二極管反偏，則反向電流增大，因此，光電二

極管的反向電流隨光照的增加而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態(tài)

下。常見的半導(dǎo)體材料有硅、錯(cuò)等.如我們樓道用的光控開關(guān)。還有一種是電子管類型的光電管，

它的工作原理用堿金屬（如鉀、鈉、飽等）做成一個(gè)曲面作為陰極，另一個(gè)極為陽極，兩極間加

上正向電壓，這樣當(dāng)有光照射時(shí)，堿金屬產(chǎn)生電子，就會(huì)形成一束光電子電流，從而使兩極間導(dǎo)

通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間斷開。

3O5.2光電倍增管

光電倍增管是一種能將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成可測電信號的光電轉(zhuǎn)換器件。它是一種具有極高

靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測器件。

光電倍增管是一種真空器件。它由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子

收集極（陽極）等組成。典型的光電倍增管按入射光接收方式可分為端窗式和側(cè)窗式兩種類型。

圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結(jié)構(gòu)圖。其主要工作過程如下：

圖1端窗型光電倍增管的剖面圖

當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系

統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。

因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的

光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另夕卜，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、

陰極面積大等優(yōu)點(diǎn).

3.5.3光敏電阻

結(jié)構(gòu)：通常由光敏層、玻璃基片（或樹枝防潮膜）和電極等組成的。

特性：光敏電阻器是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感，它的

電阻值能隨著外界光照強(qiáng)弱（明暗）變化而變化。它在無光照射時(shí)，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光照射時(shí)，

其電阻值迅速減小。

作用與應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家

用電器（如電視機(jī)中的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，照相機(jī)的自動(dòng)曝光控制等）及各種測量儀器中。

光敏電阻器種類：

1）按制作材料分類：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、硫

化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、錦化錮（InSb）光敏電阻器等。

2）按光譜特性分類：

?可見光光敏電阻器：主要用于各種光電自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子照相機(jī)、光報(bào)警等地.

?紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線探測儀器。

?紅外光光敏電阻器：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

光敏電阻器的主要參數(shù)

1）亮電阻（kQ）:指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。

2）暗電阻（MQ）:指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時(shí)的電阻值。

3）最高工作電壓（V）:指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。

4）亮電流：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時(shí)所通過的電流.

5）暗電流（mA）:指在無光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。

6）時(shí)間常數(shù)（s）:指光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63%時(shí)所需的時(shí)間。

7）電阻溫度系數(shù)：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1℃時(shí)，其電阻值的相對變化.

8）靈敏度：指光敏電阻器在有光照射和無光照射時(shí)電阻值的相對變化。

3o5.4光電二極管和光電三極管

光電二極管、光電三極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。光電二極管和普通二極管一樣

具有一個(gè)PN結(jié)，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光

電轉(zhuǎn)換，在電路圖中文字符號一般為VD.光電三極管除具有光電轉(zhuǎn)換的功能外，還具有放大功能，

在電路圖中文字符號一般為VT。光電三極管因輸入信號為光信號，所以通常只有集電極和發(fā)射

極兩個(gè)引腳線。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個(gè)透明窗口，以接收光線照射。

光電二極管與光電三極管外殼形狀基本相同，其判定方法如下：

遮住窗口，選用萬用表R*1K擋，測兩管腳引線間正、反向電阻，均為無窮大的為光電三極管。

正、反向阻值一大一小者為光電二極管。

光電二極管檢測：首先根據(jù)外殼上的標(biāo)記判斷其極，外殼標(biāo)有色點(diǎn)的管腳或靠近管鍵的管腳

為正極，另一管腳為負(fù)載。如無標(biāo)記可用一塊黑布遮住其接收光線信號的窗口，將萬用表置R

*1K擋測出正極和負(fù)極，同時(shí)測得其正向電阻應(yīng)在10K?20K間，其反向電阻應(yīng)為無窮大，表針

不動(dòng)。然后去掉遮光黑布，光電二極管接收窗口對著光源，此時(shí)萬用表表針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角

度大小說明其靈敏度高低，偏轉(zhuǎn)角度越大，靈敏度越高。

光電三極管檢測：光電三極管管腳較長的是發(fā)射極，另一管腳是集電極。檢測時(shí)首先選一塊

黑布遮住起接收窗口，將萬用表置R*1K擋，兩表筆任意接兩管腳，測得結(jié)果其表針都不動(dòng)（電

阻無窮大），在移去遮光布，萬用表指針向右偏轉(zhuǎn)至15K?35K,其向又偏轉(zhuǎn)角度越大說明其靈

敏度越高。

光電二極管和三極管的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、溫度特性和

頻率特性等來描述。

光電管的基本特性

光照特性：通常指當(dāng)光電管的陽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。

曲線1表示氧的陰極：光照特性成線性關(guān)系曲線2表示鋪飽陰極：光照特性成非線性關(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。

光電管的光照特性

光譜特性：由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極

電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系稱為光電管的光譜特性。

一般對于光電陰極材料不同的光電管，有不同的紅限頻率vO,對應(yīng)于不同的光譜范圍。

同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同.

光譜特性：對不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極——光譜響應(yīng)范圍.例如：鋅

鈍陰極，其紅限入0=700nm,它對紫外線和可見光范圍的入射光靈敏度比較高，適用于白光光源

赧珈1

I瘴翻觥簫生II相蒯觥觥生啾脂岫叫般的

10-2-3

和紫外光源。對紅外光源，常用氧艷陰極。_______________________________________

伏安特性：在一定的光照射下，對光電管的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系——

是應(yīng)用光電傳感器的主要依據(jù)參數(shù)。

當(dāng)極間電壓高于50V時(shí)，光電流開始飽和，所有的光電子都達(dá)到了陽極。真空光電管一般工

作于飽和部分。

池枸酬和圖訊

3O5O5光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)變成電能的器件，又稱為太陽能電池.光電池常用

的材料是硅和硒，也可以使用錯(cuò)、硫化鎘、硅化綠和氧化亞銅等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展

前途的是硅光電池。

結(jié)構(gòu)：硅光電池是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成

一個(gè)大面積的P—N結(jié)，P層做得很薄，從而使光線能穿透照到P—N結(jié)上。

工作原理：當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子一空穴對，

在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差一光生電動(dòng)勢。

基本特性

1、光照特性

開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流

曲線：光電流與照度之間的特性曲線。

短路電流：指外接負(fù)載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。

負(fù)載電阻RL越小，光電流與照度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬.

電流面到元

光結(jié)

電N。系量

硅出P關(guān)測

。差

輸池將為

光。較

指電它作

見用則，

是光池池

可應(yīng)化

系就于電電

關(guān)測內(nèi)性變光

的由光

宜圍特而當(dāng)

載范。硒度

負(fù)適率。

的性關(guān)而

與，頻溫標(biāo)

性近寬特有，隨

率的指

特很等應(yīng)

照附頻池均

m0響要

光在0的件流

n0電主

池0可6池條率電

電0電光等

5此0z用頻

5H/光。路

光4的度

硅在因率入使短

0頻5-精

0的4和高

長，0-0輸與

3光1制

波近光寸較壓

0有控。

值附05尺電

mI制或

峰n調(diào)構(gòu)具路施

0結(jié)池量措

，00用開

、電.測

度8采償

料光系到補(bǔ)

敏在常

材硅關(guān)響度

靈長時(shí).

的波與的影溫

件差，

高值0性性化取

02元較

較1特特變移采

臼如超果峰收

A/,0譜性漂

￡4.2有0率度或

.O.O.Om1光接特

性內(nèi)nm的頻溫度，

n/、

特00池率

圍08長。隨溫定

0照數(shù)頻

02波電的

0范0的系流恒

4光10光計(jì)故

的譜6光、關(guān)，電備度

x—

l/池光m0量的大路設(shè)溫

度電n4

0器

0照光見測化容短持

00

0光硅4變電儀保

2可為和

在圍作率間壓的能

性性性

池范頻極池好

特特池特電

電