常用傳感器課程課件

序言

工程上通常把直接作用于被測(cè)量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。傳感器的作用類似于人的感覺器官。它把被測(cè)量，如力、位移、溫度等，轉(zhuǎn)換為易測(cè)信號(hào)，傳送給測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)。傳感器也可以認(rèn)為是人類感官的延伸，因?yàn)榻柚鷤鞲衅骺梢匀ヌ剿髂切┤藗儫o法用感官直接測(cè)量的事物，例如，用熱電偶可以測(cè)得熾熱物體的溫度；用超聲波探測(cè)器可以測(cè)量海水深度；用紅外遙感器可從高空探測(cè)地面上的植被和污染情況，等等。因此，可以說傳感器是人們認(rèn)識(shí)自然界的有力工具，是測(cè)量?jī)x器與被測(cè)事物之間的接口。在工程上也把提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的器件，稱為測(cè)量變換器。傳感器就是輸入量為被測(cè)量的測(cè)量變換器。傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測(cè)試裝置的工作質(zhì)量。近來，隨著測(cè)量、控制及信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為這些領(lǐng)域里的一個(gè)重要構(gòu)成因素，被視為90年代的關(guān)鍵技術(shù)之一受到了普遍重視。11/4/20241第三章常用傳感器基本概念傳感器的定義

把直接作用于被測(cè)量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)變成同種或別種量值輸出的器件傳感器的作用

把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為易測(cè)信號(hào)，傳送給測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)測(cè)量變換器

提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的器件傳感器就是輸入量為被測(cè)量的測(cè)量變換器；位于測(cè)試裝置的輸入端11/4/20242第三章常用傳感器按被測(cè)量分類

位移、速度、加速度、力、溫度按傳感器工作原理分類

機(jī)械、電器、光學(xué)、流體式按信號(hào)變換特征分類

物性型、結(jié)構(gòu)型根據(jù)敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系分類

能量轉(zhuǎn)換（無源傳感器）、能量控制型（有源傳感器）按輸出信號(hào)分類模擬式、數(shù)字式

第一節(jié)傳感器的分類11/4/20243第三章常用傳感器物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換的。水銀溫度計(jì)：水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象壓力測(cè)力計(jì)：石英晶體的壓電效應(yīng)結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的。電容式傳感器：極板距離電容變化電感式傳感器：銜鐵位移自感或互感變化第一節(jié)傳感器的分類11/4/20244第三章常用傳感器能量轉(zhuǎn)換型（無源）傳感器：直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作；熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等能量轉(zhuǎn)換型（有源）傳感器：由外部供給能量使傳感器工作，并且由被測(cè)量來控制外部供給能量的變化；電阻應(yīng)變計(jì)+電橋第一節(jié)傳感器的分類11/4/20245第三章常用傳感器第一節(jié)傳感器的分類

需要指出的是，不同情況下，傳感器可能只有一個(gè)、也可能有幾個(gè)換能元件，也可能是一個(gè)小型裝置。例如，電容式位移傳感器是位移

電容變化的能量控制型傳感器，可以直接測(cè)量位移。而電容式壓力傳感器，則經(jīng)過壓力

膜片彈性變形（位移）

電容變化的轉(zhuǎn)換過程。此時(shí)膜片是一個(gè)由機(jī)械量一機(jī)械量的換能件，由它實(shí)現(xiàn)第一次變換；它同時(shí)與另一極板構(gòu)成電容器，用來完成第二次轉(zhuǎn)換。再如電容型伺服式加速度計(jì)（也稱為力反饋式加速度計(jì)），實(shí)際上是一個(gè)具有閉環(huán)回路的小型測(cè)量系統(tǒng)，如圖所示。這種傳感器較一般開環(huán)式傳感器具有更高的精確度和穩(wěn)定性。測(cè)量對(duì)象傳感器輔助能源輸入輸出圖3-1能源控制型傳感器工作方式加速度質(zhì)量彈性件電容傳感器電路力發(fā)生器電流－力變換器力位移電容電流輸出R+-圖3-2伺服式加速度計(jì)11/4/20246第三章常用傳感器第一節(jié)傳感器的分類類型名稱變換量被測(cè)量應(yīng)用舉例性能指標(biāo)（一般參考)機(jī)械式測(cè)力環(huán)彈簧波紋管

波登管

波紋膜片雙金屬片

微型開關(guān)力－位移力－位移壓力－位移

壓力－位移壓力－位移溫度－位移力－位移力力壓力

壓力壓力溫度物體尺寸、位位置、有無三等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀彈簧秤壓力表壓力表壓力表溫度計(jì)測(cè)量范圍10～105N，示值誤差(0.3～0.5)%500Pa～0.5MPa0.5MPa～1000MPa測(cè)量范圍<500Pa0~300C位置精度可達(dá)數(shù)微米電磁及電子式電位計(jì)電阻絲應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變電容電渦流電感差動(dòng)變壓器壓電元件熱電偶霍耳元件熱敏電阻氣敏電阻光敏電阻光電池光敏晶體管位移－電阻形變－電阻位移－電容位移－自感

位移－自感位移－互感力－電荷溫度－電勢(shì)位移－電勢(shì)溫度－電阻氣體濃度－溫度光－電阻光－電壓光-電流位移力、位移、應(yīng)變、加速度力、位移、聲位移、厚度位移、力位移、力力加速度溫度位移溫度可燃?xì)怏w開、關(guān)量轉(zhuǎn)速、位移直線電位計(jì)應(yīng)變儀電容測(cè)微儀

渦流式測(cè)微移電感測(cè)微儀電感比較儀測(cè)力計(jì)加速度計(jì)熱電溫度計(jì)位移傳感器半導(dǎo)體溫度計(jì)氣敏檢測(cè)儀硒光電池光電轉(zhuǎn)速儀分辨力0.025～0.05mm,線性誤差0.05～0.1％最小應(yīng)變1～2

最小測(cè)力(0.1~1)N分辨力0.025m測(cè)量范圍0～15mm，分辨力1m分辨力0.5m分辨力0.5m分辨力0.01N、頻率(0.1~20k)Hz10-2~105ms-20~1600C0~2mm，線性誤差1％-10~300C靈敏度500A/1m最大截止頻率50kHz11/4/20247第三章常用傳感器第一節(jié)傳感器的分類類型名稱變換量被測(cè)量應(yīng)用舉例性能指標(biāo)（一般參考)幅射式紅外X射線射線激光超聲射線熱－電散射、干涉對(duì)物質(zhì)穿透

光波干涉超聲波反射、穿透穿透作用溫度、物體有無厚度、探傷、應(yīng)力厚度、探傷

長(zhǎng)度、位移、轉(zhuǎn)角厚度、探傷厚度、成分分析紅外測(cè)溫儀X射線應(yīng)力儀射線測(cè)厚儀激光測(cè)長(zhǎng)儀超聲波測(cè)厚儀測(cè)量范圍-10~1300C

測(cè)距2m，分辨力0.2m測(cè)量范圍4～40mm,0.25mm流體式氣動(dòng)氣動(dòng)液體液體尺寸－壓力間隙－壓力流量－壓力差流量－轉(zhuǎn)子平衡位置尺寸、物體大小距離流量流量氣動(dòng)量?jī)x氣動(dòng)量?jī)x節(jié)流式流量計(jì)轉(zhuǎn)子式流量計(jì)可測(cè)最小直徑0.05～0.076mm測(cè)量間隙6mm,分辨力0.025mm11/4/20248第三章常用傳感器第二節(jié)機(jī)械式傳感器機(jī)械式傳感器應(yīng)用很廣。在測(cè)試技術(shù)中，常常以彈性體作為傳感器的敏感元件，故又稱之為彈性敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形。這種變形經(jīng)放大后可成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測(cè)量的大小。這種傳感器的典型應(yīng)用例有：用于測(cè)力或稱重的環(huán)形測(cè)力計(jì)、彈簧秤等；用于測(cè)量流體壓力的波紋膜片、波紋管等；用于溫度測(cè)量的雙金屬片等，如圖所示。機(jī)械式傳感器做成的機(jī)械式指示儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)。但彈性變形不宜大，以減小線性誤差。此外，由于放大和指示環(huán)節(jié)多為機(jī)械傳動(dòng)，不僅受間隙影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測(cè)緩變或靜態(tài)被測(cè)量。為了提高測(cè)量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他型式的傳感器（如電阻、電容、電渦流式等）將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象。材料的蠕變與承載時(shí)間、載荷大小、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。11/4/20249第三章常用傳感器第二節(jié)機(jī)械式傳感器近年來，在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制技術(shù)中廣泛應(yīng)用的微型探測(cè)開關(guān)亦被看作機(jī)械傳感器。這種開關(guān)能把物體的運(yùn)動(dòng)、位置或尺寸變化轉(zhuǎn)換為接通、斷開信號(hào)。圖示是這種開關(guān)中的一種。它由兩個(gè)簧片組成，在常態(tài)下處于斷開狀態(tài)。當(dāng)它與磁性塊接近時(shí)，簧片被磁化而接合，成為接通狀態(tài)。圖中，只有當(dāng)鋼制工件通過簧片和電磁鐵之間時(shí)，簧片才會(huì)被磁化而接合，從而表達(dá)了有一件工件通過。這類開關(guān)可用于探測(cè)物體有無、位置、尺寸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。11/4/202410第三章常用傳感器第三節(jié)電阻式傳感器電阻式傳感器是一種把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和電阻應(yīng)變式兩類。一、變阻器式傳感器變阻器式傳感器也稱為電位差計(jì)式傳感器，它通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。根據(jù)下式：R=l/A。圖a)為直線位移型。觸點(diǎn)C沿變阻器移動(dòng)移動(dòng)x，則C點(diǎn)與A點(diǎn)之間電阻值R＝klx。傳感器靈敏度：S=dR/dx=kl。式中kl—單位長(zhǎng)度內(nèi)的電阻值。圖b)為回轉(zhuǎn)型變阻器式傳感器，其電阻值隨轉(zhuǎn)角而變化。其靈敏度S=dR/d

=k

。式中

—轉(zhuǎn)角[rad]；k

—單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值。圖c是一種非線性變阻器式傳感器，其骨架形狀需根據(jù)所要求的輸出f(x)來確定。例如，輸出f(x)=kx2，其中x為輸入位移，為要得到輸出電阻值R(x)與f(x)成線性關(guān)系，變阻器骨架應(yīng)做成直角三角形。11/4/202411第三章常用傳感器第三節(jié)電阻式傳感器變阻器式傳感器的后接電路，一般采用電阻分壓電路，如圖所示。在直流激勵(lì)電壓u0作用下，這種傳感器將位移變成輸出電壓的變化。當(dāng)電刷移動(dòng)x距離后,傳感器的輸出電壓uy可用下式計(jì)算式中Rp—變阻器的總電阻；xp—變阻器的總長(zhǎng)度；

RL—后接電路的輸入電阻。上式表明，為減小后接電路的影響，應(yīng)使RL>>Rp。11/4/202412第三章常用傳感器變阻式傳感器的特點(diǎn)應(yīng)用特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。缺點(diǎn)是分辨力不高，因?yàn)槭艿诫娮杞z直徑的限制。提高分辨力需使用更細(xì)的電阻絲，其繞制較困難。所以變阻器式傳感器的分辨力很難優(yōu)于20μm。由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，這種傳感器還有較大的噪聲。應(yīng)用：被用于線位移、角位移測(cè)量，在測(cè)量?jī)x器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計(jì)等。第三節(jié)電阻式傳感器11/4/202413第三章常用傳感器第三節(jié)電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器可以用于測(cè)量應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)。具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精確度高、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。在航空、船舶、機(jī)械、建筑等行業(yè)里獲得廣泛應(yīng)用。電阻應(yīng)變式傳感器可分為金屬電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類。（一）金屬電阻應(yīng)變片常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式兩種。其工作原理都是基于應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化。金屬絲電阻應(yīng)變片（又稱電阻絲應(yīng)變片）出現(xiàn)得較早，現(xiàn)仍在廣泛采用。其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。把一根具有高電阻率的金屬絲（康銅或鎳鉻合金等，直徑0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路上。金屬箔式應(yīng)變片則是用柵狀金屬筒片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵系用光刻技術(shù)制造，適于大批量生產(chǎn)。其線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。箔片厚約1~10

m，散熱好，粘結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好。因此目前使用的多系金屬箔式應(yīng)變片，如圖所示。11/4/202414第三章常用傳感器第三節(jié)電阻式傳感器把應(yīng)變片用特制膠水粘固在彈性元件或需要測(cè)量變形的物體表面上。在外力作用下，電阻絲即隨同該物體一起變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。由此，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化。由于電阻值R=l/A，其中長(zhǎng)度l、截面積A、電阻率

均將隨電阻絲的變形而變化。11/4/202415第三章常用傳感器第三節(jié)電阻式傳感器當(dāng)每一可變因素分別有一增量dl，dA，d

時(shí)，所引起的電阻增量為：式中，A=

r2，r為電阻絲半徑，則有：電阻的相對(duì)變化：－軸向應(yīng)變；/－徑向應(yīng)變；－泊桑比；d

/

電阻率相對(duì)變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力

有關(guān)；－壓阻系數(shù)。由此可得電阻的相對(duì)變化：電阻應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)或靈敏度：用于制造電阻應(yīng)變片的電阻絲的靈敏度Sg多在1.7－3.6之間。11/4/202416第三章常用傳感器第三節(jié)電阻式傳感器常用電阻絲物理性能參數(shù)材料名稱成分靈敏度電阻率

電阻溫度系數(shù)線漲系數(shù)元素％Sgmm2/m×10-6/oC×10-6/oC康銅CuNi57431.7～2.10.49-20～2014.9鎳鉻合金NiCr80202.1～2.50.9～1.1110～15014.0鎳鉻鋁合金NiCrAlFe73203~4余量2.41.33-10～1013.3

一般市售電阻應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)阻值有60

、120、350

、600、1000

等。其中以120

為最常用。應(yīng)變片的尺寸可根據(jù)使用要求來選定。11/4/202417第三章常用傳感器第三節(jié)電阻式傳感器（二）半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片最簡(jiǎn)單的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用方法與金屬電阻應(yīng)變片相同，即粘貼在彈性元件或被測(cè)物體上，其電阻值隨被測(cè)試件的應(yīng)變而變化。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)。所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率

發(fā)生變化的現(xiàn)象。從半導(dǎo)體物理可知，半導(dǎo)體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使其電阻率

發(fā)生很大變化。分析表明，單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度的變化，從而引起電阻率的變化。金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別在于：前者利用導(dǎo)體形變引起電阻的變化，后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻的變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度這一數(shù)值比金屬絲電阻應(yīng)變片大50～70倍。半導(dǎo)體應(yīng)變片1－膠膜襯底2-P-Si3-內(nèi)引線4-焊接板5-外引線半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，其最大缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度分散度大（由于晶向、雜質(zhì)等因素的影響）以及在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大等，這些缺點(diǎn)也給使用帶來一定困難。目前國(guó)產(chǎn)的半導(dǎo)體應(yīng)變片大都采用P型硅單晶制作。隨著集成電路技術(shù)和薄膜技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了擴(kuò)散型、外延型、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片。它們對(duì)實(shí)現(xiàn)小型化，改善應(yīng)變片的特性等方面有良好的作用。近來，已研制出在同一硅片上制作擴(kuò)散型應(yīng)變片和集成電路放大器等，即集成應(yīng)變組件。這對(duì)于自動(dòng)控制與檢測(cè)技術(shù)將會(huì)有一定推動(dòng)作用。11/4/202418第三章常用傳感器第三節(jié)電阻式傳感器（三）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實(shí)例l）直接用來測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。2）將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。構(gòu)件應(yīng)力測(cè)定典型應(yīng)變式傳感器a)位移傳感器；b)加速度傳感器；c)柱式測(cè)力傳感器；d)扭矩傳感器；e)筒式壓力傳感器11/4/202419第三章常用傳感器第三節(jié)電阻式傳感器（四）典型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀11/4/202420第三章常用傳感器第四節(jié)電容式傳感器

一、變換原理電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。從物理學(xué)可知，由兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量［F］：C=

0A/

式中，

—極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，在空氣中

＝1；

0－真空介電常數(shù)，

0＝8.85×10-12F/m；

－極板間距；A－極板面積。（一）極距變化型電容變化量：靈敏度：可以看出，靈敏度

與極距平方成反比，極距越小靈敏度越高。顯然，由于靈敏度隨極距而變化，這將引起線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作，以便獲得近似線性關(guān)系。一般取極距變化范圍約為

/

00.l。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、線性度以及克服某些外界條件（如電源電壓。環(huán)境溫度等）的變化對(duì)測(cè)量精確度的影響，常常采用差動(dòng)式。11/4/202421第三章常用傳感器極距變化型電容傳感器優(yōu)點(diǎn)：是可進(jìn)行動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響??；靈敏度高，適用于較小位移（0.01

m~數(shù)百微米）的測(cè)量。缺點(diǎn)：這種傳感器有線性誤差、傳感器的雜散電容也對(duì)靈敏度和測(cè)量精確度有影響，與傳感器配合使用的電子線路也比較復(fù)雜。因此使用范圍受到一定限制。第四節(jié)電容式傳感器11/4/202422第三章常用傳感器第四節(jié)電容式傳感器（二）面積變化型在變換極板面積的電容傳感器中，一般常用的有角位移型和線位移型兩種。圖3-23a為角位移型。電容：靈敏度：圖3-23b為平面線位移型電容傳感器：電容：靈敏度：圖3-23C為圓柱體線位移型電容傳感器：電容：靈敏度：圖3-23面積變化型電容傳感器：1-動(dòng)板；2-定板11/4/202423第三章常用傳感器面積變化型電容式傳感器特點(diǎn)：輸出與輸入成線性關(guān)系。但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移的測(cè)量。第四節(jié)電容式傳感器11/4/202424第三章常用傳感器第四節(jié)電容式傳感器（三）介質(zhì)變化型這是一種利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器?？捎脕頊y(cè)量電介質(zhì)的液位或某些材料的厚度、溫度和濕度等，也可用來測(cè)量空氣的濕度。圖3－24是這種傳感器的典型實(shí)例。圖中3－24a是在兩固定極板間有一介質(zhì)層（如紙張、電影膠片等）通過。當(dāng)介質(zhì)層的厚度、溫度或濕度發(fā)生變化時(shí)，其介電常數(shù)發(fā)生變化，引起電容量的變化。圖3－24b是一種電容式液面計(jì)。當(dāng)液面位置發(fā)生變化時(shí)，兩電極的浸入高度也發(fā)生變化，引起電容量的變化。11/4/202425第三章常用傳感器二、電容式傳感器測(cè)量電路電容式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電容量的變化之后，由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。常用的電路有下列幾種。（一）電橋型電路將電容傳感器作為電橋的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出。通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋。圖3-25是一種電感、電容組成的橋路。電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后獲得輸出，再推動(dòng)顯示儀表。第四節(jié)電容式傳感器11/4/202426第三章常用傳感器第四節(jié)電容式傳感器（二）直流極化電路這一電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器中。如圖3-26所示，彈性膜片在外力（氣壓、液壓等）作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。電容器接于具有直流極化電壓馬的電路中，電容的變化由高阻值電阻B轉(zhuǎn)換為電壓變化。分析表明，輸出電壓uy和膜片移動(dòng)速度近似成一階系統(tǒng)的關(guān)系。

圖3-26直流極化電路11/4/202427第三章常用傳感器（三）諧振電路此電路的原理和工作特性見圖3－27。電容傳感器的電容Cx作為諧振電路（L2、C2//Cx或C2+Cx）調(diào)諧電容的一部分。此諧振回路通過電壓耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器獲得振蕩電壓。當(dāng)傳感電容C發(fā)生變化，諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)變化，并被轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出，經(jīng)過放大、檢波即可得到輸出。為了獲得較好的線性，一般工作點(diǎn)應(yīng)選擇在諧振曲線一邊的準(zhǔn)線性區(qū)域內(nèi)。這種電路比較靈敏，但工作點(diǎn)不易選好，變化范圍也較窄，傳感器連接電纜的雜散電容影響也較大。第四節(jié)電容式傳感器11/4/202428第三章常用傳感器第四節(jié)電容式傳感器(四）調(diào)頻電路如圖3－28所示，傳感器電容是振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量使傳感器電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。頻率的變化經(jīng)過鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再?jīng)過放大后由記錄器記錄或顯示儀表指示。這種電路具有抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高等點(diǎn)，可測(cè)0.01

m的位移量。但缺點(diǎn)是電纜電容的影響較大，使用中有些麻煩。圖3-28調(diào)頻電路工作原理11/4/202429第三章常用傳感器（五）運(yùn)算放大器電路如前所述，極距變化型電容傳感器的極距變化與電容變化量成非線性關(guān)系，這一缺點(diǎn)使電容傳感器的應(yīng)用受到一定限制。采用比例運(yùn)算放大器電路可得到輸出電壓uy和位移量的線性關(guān)系。如圖3－29所示，輸入阻抗采用固定電容C0，反饋?zhàn)杩共捎秒娙輦鞲衅鰿x，根據(jù)比例器的運(yùn)算關(guān)系，有：第四節(jié)電容式傳感器由上式可知，輸出電壓uy與電容傳感器間隙

成線性關(guān)系。這種電路被用于位移測(cè)量傳感器。u0-激勵(lì)電壓圖3-29運(yùn)算放大器電路11/4/202430第三章常用傳感器第四節(jié)電容式傳感器值得注意：一方面，電容傳感器的電容量很小，一般只有幾十或幾百pF，測(cè)量時(shí)電容量的變化更小，常在1pF以下；另一方面?zhèn)鞲衅靼鍢O與周圍元件之間以及連接電纜都存在著寄生電容，其電容值甚大且不穩(wěn)定。這就使測(cè)量精確度受到嚴(yán)重影響，甚至無法工作。為此必須采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施來減小或消除寄生電容的影響。常用的措施有：縮短傳感器和測(cè)量電路之間的電纜，甚至將測(cè)量電路的一部分和傳感器做成一體或采用專用的驅(qū)動(dòng)電纜。圖3－30為驅(qū)動(dòng)電纜的工作原理。它采用雙層屏蔽電纜。其中用一個(gè)增益為1的放大器，放大器輸入端接于芯線，輸出端接于內(nèi)屏蔽線，用芯線的電位來驅(qū)動(dòng)內(nèi)屏蔽線的電位。當(dāng)放大器嚴(yán)格保持增益為1和相移為零時(shí)，內(nèi)屏蔽線和芯線等電位，可以免除芯線和內(nèi)屏蔽線之間的容性漏電流，從而消除了兩者之間寄生電容的影響。若放大器增益非1或相移非零，芯線和內(nèi)屏蔽線的電位仍有差別。11/4/202431第三章常用傳感器第五節(jié)電感式傳感器

電感式傳感器是把被測(cè)量，如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。其變換是基于電磁感應(yīng)原理。一、自感型（一）可變磁阻式

可變磁阻式傳感器的構(gòu)造原理如圖示。它由線圈、鐵心和銜鐵組成。在鐵心和銜鐵之間有氣隙

。由電工學(xué)得知，線圈自感量L=W2/Rm。其中，W－線圈匝數(shù)；Rm—磁路總磁阻［H－1］。如果空氣隙

較小，而且不考慮磁路的鐵損時(shí)，則總磁阻：式中l(wèi)—鐵心導(dǎo)磁長(zhǎng)度；

—鐵心磁導(dǎo)率；A—鐵心導(dǎo)磁截面積，A＝a×b；

—?dú)庀堕L(zhǎng)度；

0－空氣磁導(dǎo)率，

0＝4

10-7；A0—空氣隙導(dǎo)磁橫截面積。則：靈敏度：一般實(shí)際應(yīng)用中，取西

／

0

0.1。這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為0.001～lmm。11/4/202432第三章常用傳感器第五節(jié)電感式傳感器圖中列出了幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)方案。圖3－13a是可變導(dǎo)磁面積型，其自感L與A0成線性關(guān)系，這種傳感器靈敏度較低。

圖3－13b是差動(dòng)型，銜鐵位移時(shí)，可以使兩個(gè)線圈的間隙按

0+

、

0-

變化。一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)線圈自感減小。將兩線圈接于電橋的相鄰橋臂時(shí)，其輸出靈敏度可提高一倍，并改善了線性特性。圖3－13c是單螺管線圈型，當(dāng)鐵心在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移（數(shù)毫米）測(cè)量。圖3－13d是雙螺管線圈差動(dòng)型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測(cè)微計(jì)上，其測(cè)量范圍為0~300

m，最小分辨力為0.5

m。11/4/202433第三章常用傳感器這種傳感器的線圈接于電橋上（圖3－14a），構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線圈電感L1、L2隨鐵心位移而變化，其輸出特性如圖3－14b所示。第五節(jié)電感式傳感器11/4/202434第三章常用傳感器第五節(jié)電感式傳感器（二）渦電流式渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。如圖3-15所示的是一個(gè)高頻反射式渦電流傳感器的工作原理。渦電流式傳感器的測(cè)量電路一般有阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。圖3－16是用于渦流測(cè)振儀上的分壓式調(diào)幅電路原理。圖3－17是其諧振曲線和輸出特性。傳感器線圈L和電容C組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為圖3-1511/4/202435第三章常用傳感器第五節(jié)電感式傳感器

調(diào)頻電路的工作原理如圖3－18所示。這種方法也是把傳感器線圈接入LC振蕩回路，與調(diào)幅法不同之處是以回路的諧振頻率作為輸出量。當(dāng)金屬板至傳感器之間的距離

發(fā)生變化時(shí)，將引起線圈電感變化，從而使振蕩器的振蕩頻率f發(fā)生變化，再通過鑒頻器進(jìn)行頻率--電壓轉(zhuǎn)換，即可得到與

成比例的輸出電壓。圖3-18調(diào)頻電路工作原理渦電流式傳感器可用于動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量，測(cè)量范圍隨傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)和激磁頻率而異，從

lmm到

10mm不等，最高分辨力可達(dá)1

m。此外，這種傳感器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、不受油液等介質(zhì)影響等優(yōu)點(diǎn)。因此，近幾年來渦電流式位移和振動(dòng)測(cè)量?jī)x、測(cè)厚儀和無損探傷儀等在機(jī)械、冶金工業(yè)中日益得到廣泛應(yīng)用。實(shí)際上，這種傳感器在徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)速和厚度測(cè)量，以及在零件計(jì)數(shù)、表面裂紋和缺陷測(cè)量中都可應(yīng)用。11/4/202436第三章常用傳感器渦電流式傳感器應(yīng)用用于動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量，測(cè)量范圍±1mm~10mm,最高分辨力達(dá)0.1μm在徑向擺動(dòng)、回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)速和厚度測(cè)量，以及在零件計(jì)數(shù)、表面裂紋和缺陷測(cè)量中都可應(yīng)用。第五節(jié)電感式傳感器11/4/202437第三章常用傳感器第五節(jié)電感式傳感器11/4/202438第三章常用傳感器第五節(jié)電感式傳感器

二、互感型—差動(dòng)變壓器式電感傳感器這種傳感器是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，如圖3－19所示。當(dāng)線圈W1輸入交流電流il時(shí)，線圈W2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)el2，其大小與電流il的變化率成正比，即el2＝－Mdi1/dt。式中M—比例系數(shù)，稱為互感（H），其大小與兩線圈相對(duì)位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，它表明兩線圈之間的耦合程度?；ジ行蛡鞲衅骶褪抢眠@一原理，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。這種傳感器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)變壓器，其初級(jí)線圈接入穩(wěn)定交流電源，次級(jí)線圈感應(yīng)產(chǎn)生一輸出電壓。當(dāng)被測(cè)參數(shù)使互感M變化時(shí)，副線圈輸出電壓也產(chǎn)生相應(yīng)變化。由于常常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式，故又稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。11/4/202439第三章常用傳感器第五節(jié)電感式傳感器11/4/202440第三章常用傳感器第五節(jié)電感式傳感器

差動(dòng)變壓器的輸出電壓是交流量，其幅值與鐵心位移成正比，其輸出電壓如用交流電壓表指示，輸出值只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向性。其次，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成。所以，即使鐵心處于中間位置時(shí)，輸出也不為零。為此，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路形式，需要采用既能反映鐵心位移方向性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。圖3-21是一種用于小位移測(cè)量的差動(dòng)相敏檢波電路工作原理。在沒有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點(diǎn)殘余電壓減??；當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小和方向。差動(dòng)變壓器式電感傳感器具有精確度高（高到0.1

m數(shù)量級(jí)），線性范圍大（可擴(kuò)大到

100mm），穩(wěn)定度好和使用方便的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于直線位移的測(cè)量。但其實(shí)際測(cè)量頻率上限受制于傳感器中所包含的機(jī)械結(jié)構(gòu)。借助彈性元件可以將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換成位移的變化，故也將這類傳感器用于壓力、重量等物理量的測(cè)量。圖3-21差動(dòng)相敏檢波電路工作原理11/4/202441第三章常用傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器注意事項(xiàng)輸出電壓是交流量，其幅值與鐵心位移成正比，其輸出電壓如用交流電壓表指示，輸出值只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向性。交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成。所以，即使鐵心處于中間位置輸出也不為零。為此，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路形式，需要采用既能反映鐵心位移方向性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。

第五節(jié)電感式傳感器11/4/202442第三章常用傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器

特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)：具有精確度高(高到0.1μm數(shù)量級(jí))，線性范圍大(可擴(kuò)大到±100mm)，穩(wěn)定度好和使用方便；但其實(shí)際測(cè)量頻率上限受制于傳感器中所包含的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于直線位移的測(cè)量；借助于彈性元件可用于壓力、重量的測(cè)量第五節(jié)電感式傳感器11/4/202443第三章常用傳感器第六節(jié)磁電式傳感器磁電式傳感器是把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器，又稱電磁感應(yīng)式或電動(dòng)力式傳感器。從電工學(xué)已知，對(duì)于一個(gè)匝數(shù)為W的線圈，當(dāng)穿過該線圈的磁通自發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：按照結(jié)構(gòu)方式不同，磁電式傳感器可分為動(dòng)圈式與磁阻式。一、動(dòng)圈式動(dòng)圈式又可分為線速度型與角速度型。圖3－35a表示線速度型傳感器工作原理。在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)內(nèi)，放置一個(gè)可動(dòng)線圈，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：圖3-35b是角速度型傳感器工作原理。11/4/202444第三章常用傳感器第六節(jié)磁電式傳感器e=WBl

sin

.式中，B—磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l—單匝線圈有效長(zhǎng)度；W－線圈匝數(shù)；

—線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；

—線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角。此式說明，當(dāng)W、B、l均為常數(shù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與線圈運(yùn)動(dòng)的線速度成正比，這就是一般常見的慣性式速度計(jì)的工作原理。e=kWBA

.式中，

－角速度；

A—單匝線圈的截面積；

k—與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，k＜1。此式表明，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)一定時(shí)，W、B、A均為常數(shù)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的角速度成正比，這種傳感器被用于轉(zhuǎn)速測(cè)量11/4/202445第三章常用傳感器第六節(jié)磁電式傳感器圖3-36動(dòng)圈磁電式傳感器等效電路

將傳感器中線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)通過電纜與電壓放大器聯(lián)接時(shí)，其等效電路如圖3－36所示。圖中，e是發(fā)電線圈的感應(yīng)電勢(shì)；Z0是線圈阻抗；R0是負(fù)載電阻（含放大器輸入電阻）；Cc是電纜導(dǎo)線的分布電容；Rc是電纜導(dǎo)線的電阻。Re甚小可忽略，故等效電路中的輸出電壓11/4/202446第三章常用傳感器第六節(jié)磁電式傳感器

二、磁阻式磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)著的物體（導(dǎo)磁材料）來改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其工作原理及應(yīng)用例如圖3－37所示。此種傳感器是由永久磁鐵及纏繞其上的線圈組成。例如圖3－37a可測(cè)旋轉(zhuǎn)體頻數(shù)，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凸凹引起磁阻變化，使磁通量變化，在線圈中感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)，其頻率等于齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。

磁阻式傳感器使用簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)筒單，在不同場(chǎng)合下可用來測(cè)量:轉(zhuǎn)速、偏心量、振動(dòng)等。11/4/202447第三章常用傳感器第六節(jié)磁電式傳感器11/4/202448第三章常用傳感器第七節(jié)壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。這種性質(zhì)使它被廣泛用于力、壓力、加速度測(cè)量，也被用于超聲波發(fā)射與接收裝置。這種傳感器具有體積小、重量輕，精確度及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在與其配套的后續(xù)儀器，如電荷放大器等的技術(shù)性能日益提高，使這種傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。壓電式傳感器的工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。一、壓電效應(yīng)某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇，鉻鈦酸鉛（PZT）等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)；當(dāng)外力消失時(shí)，材料重新回復(fù)到原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相反，如果將這些物質(zhì)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)的機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱之為壓電材料，石英是常用的一種壓電材料。11/4/202449第三章常用傳感器第七節(jié)壓電式傳感器石英（SIO2）晶體結(jié)晶形狀為六角形晶柱（圖3－3la），兩端為一對(duì)稱的棱錐。六棱柱是它的基本組織?？v軸線z-z稱為光軸，通過六角棱線而垂直于光軸的軸線x－x稱作電軸，垂直于棱面的軸線y－y稱作機(jī)械軸，如圖3－31b所示。

光軸電軸機(jī)械軸11/4/202450第三章常用傳感器第七節(jié)壓電式傳感器實(shí)驗(yàn)證明壓電體表面積聚的電荷與作用力成正比。若沿單一晶軸x-x方向加力F，則在垂直于x-x方向的壓電體表面上積聚的電荷量為q。

q=dcF

若壓電體受到多方向的力，壓電體各表面都會(huì)積聚電荷。每個(gè)表面上的電荷量不僅與作用于該面上的垂直力有關(guān)，而且還與壓電體其它面上所受的力有關(guān)?？v向效應(yīng)橫向效應(yīng)切向效應(yīng)如果從晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶面分別平行于z-z、y-y、x-x軸線，這個(gè)晶片在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性。當(dāng)施加外力時(shí)，將沿x-x方向形成電場(chǎng)，其電荷分布在垂直于x-x軸的平面上。沿x軸加力產(chǎn)生縱向效應(yīng)；沿y軸加力產(chǎn)生橫向效應(yīng)；沿相對(duì)兩平面加力產(chǎn)生切向效應(yīng)（圖3－32）。11/4/202451第三章常用傳感器第七節(jié)壓電式傳感器二、壓電材料常用的壓電材料大致可分為三類：壓電單晶、壓電陶瓷和有機(jī)壓電薄膜。壓電單晶為單晶體，常用的有石英晶體（SiO2）、鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鉀（LiTaO3）等。壓電陶瓷為多晶體，常用的有鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（PZT）等。石英是壓電單晶中最有代表性的，應(yīng)用廣泛。除天然石英外，大量應(yīng)用人造石英。石英的壓電常數(shù)不高，但具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和時(shí)間和溫度穩(wěn)定度。其它壓電單晶的壓電常數(shù)為石英的2.5～3.5倍，但價(jià)格較貴。水溶性壓電晶體，如酒石酸鉀鈉NaKO4H4O5·4H2O）壓電常數(shù)較高，但易受潮，機(jī)械強(qiáng)度低，電阻率低，性能不穩(wěn)定?，F(xiàn)在聲學(xué)和傳感技術(shù)中最普遍應(yīng)用的是壓電陶瓷。近年來壓電半導(dǎo)體也已開發(fā)成功。它具有壓電和半導(dǎo)體兩種特性，很易發(fā)展成新型的集成傳感器。11/4/202452第三章常用傳感器三、壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極，如圖3－33所示。當(dāng)晶片受到外力作用時(shí)，在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等、而極性相反的電荷，形成了電場(chǎng)。因此壓電傳感器可以看作是謝超迫置，它又是一個(gè)電容器。其電容量按下式計(jì)算，即

C=

0A/

式中，

—壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)，石英晶體＝4.5；鈦酸鋇

＝1200壓電式傳感器是一個(gè)具有一定電容的電荷源。電容器上的開路電壓u0與電荷q、電容Ca存在下列關(guān)系：

u0＝q/Ca第七節(jié)壓電式傳感器11/4/202453第三章常用傳感器第七節(jié)壓電式傳感器當(dāng)壓電式傳感器接入測(cè)量電路，連接電纜的寄生電容就形成傳感器的并聯(lián)寄生電容Cc，后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器中的漏電阻就形成泄漏電阻R。，如圖3－33d所示。當(dāng)考慮負(fù)載影響時(shí)，根據(jù)電荷平衡建立的方程式為：圖3-33壓電晶片及等效電路a)壓電晶片；b)并接；c)串接；d)等效電荷源電容值上的電壓：11/4/202454第三章常用傳感器第七節(jié)壓電式傳感器四、測(cè)量電路由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)是很微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把傳感器信號(hào)先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃?。?jīng)過阻抗變換以后，方可用一般的放大、檢波電路將信號(hào)輸給指示儀表或記錄器。前置放大器的主要作用有兩點(diǎn)：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；其次是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式：其一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出）成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜對(duì)地電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)達(dá)百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器突出的優(yōu)點(diǎn)。但與電壓放大器比較，其電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。11/4/202455第三章常用傳感器第七節(jié)壓電式傳感器五、壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器常用來測(cè)量力、壓力、振動(dòng)的加速度，也用于聲學(xué)（包括超聲）和聲發(fā)射等測(cè)量。壓電效應(yīng)是一種力一電荷變換，可直接用作力的測(cè)量?，F(xiàn)在已形成系列的壓電式力傳感器，測(cè)量范圍從微小力值10-3N到104kN，動(dòng)態(tài)范圍一般為60dB；測(cè)量方向有單方向的，也有多方向的。壓電式壓力傳感器有兩種形式：一種是利用膜片式彈性元件，通過膜片承壓面積將壓力轉(zhuǎn)化為力。膜片中可看凸臺(tái)，凸臺(tái)背面放置壓電片。力通過凸臺(tái)作用于壓電片上，使之產(chǎn)生相應(yīng)的電荷量。另一種是利用活塞的承壓面承受壓力，并使活塞所受的力通過在活塞另一端的頂桿作用在壓電片上。測(cè)得此作用力便可推算出活塞所受的壓力?，F(xiàn)在廣泛采用壓電式傳感器來測(cè)量加速度。此種傳感器的壓電片處于其殼體和一質(zhì)量塊之間，用強(qiáng)彈簧（或預(yù)緊螺栓）將質(zhì)量塊、壓電片緊壓在殼體上。運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器殼體推動(dòng)壓電片和質(zhì)量塊一起運(yùn)動(dòng)。在加速時(shí)，壓電片承受由質(zhì)量加速而產(chǎn)生的慣性力。在第七章中將會(huì)進(jìn)一步討論加速度計(jì)的有關(guān)問題。壓電式傳感器的工作原理是可逆的，施加電壓于壓電晶片，壓電片便產(chǎn)生伸縮。所以壓電片可以反過來做“驅(qū)動(dòng)器”。例如對(duì)壓電晶片施加交變電壓則壓電片可作為振動(dòng)源，可用于高頻振動(dòng)臺(tái)、超聲發(fā)生器、揚(yáng)聲器以及精密的微動(dòng)裝置。11/4/202456第三章常用傳感器熱電式傳感器工作原理：把被測(cè)量(主要是溫度)轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應(yīng)。分類（按照變換方式）：熱電偶熱電阻傳感器第八節(jié)熱電式傳感器11/4/202457第三章常用傳感器熱電偶1工作原理：熱電偶屬于結(jié)構(gòu)型傳感器；把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成圖示的閉合回路，如果將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T和T0(假定T>T0)的熱源中，則在該回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。第八節(jié)熱電式傳感器11/4/202458第三章常用傳感器熱電偶2溫差電動(dòng)勢(shì)是在同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電動(dòng)勢(shì)。第八節(jié)熱電式傳感器11/4/202459第三章常用傳感器熱電偶回路的特點(diǎn)1）若組成熱電偶的回路的兩種導(dǎo)體相同，無論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)為零；2）若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同，則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)也為零；3）熱電偶AB的熱電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體材料AB的中間溫度無關(guān)，而只與接點(diǎn)溫度有關(guān)；第八節(jié)熱電式傳感器11/4/202460第三章常用傳感器熱電偶回路的特點(diǎn)24）熱電偶AB在接點(diǎn)溫度T1、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度T1、T2和T2、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)總合；5）在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線的兩端溫度相同，第三種導(dǎo)線的引入不會(huì)影響熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，這一性質(zhì)稱中間導(dǎo)體定律。6）當(dāng)溫度為T1、T2時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的和。第八節(jié)熱電式傳感器11/4/202461第三章常用傳感器中間導(dǎo)體定律的應(yīng)用第八節(jié)熱電式傳感器11/4/202462第三章常用傳感器熱電偶分類鉑銠—鉑熱電偶鎳鉻—鎳硅(鎳鉻一鎳鋁)熱電偶鎳鉻—考銅熱電偶鉑銠30—鉑銠6熱電偶選用時(shí)需考慮：測(cè)溫范圍、測(cè)溫狀態(tài)和介質(zhì)情況。第八節(jié)熱電式傳感器11/4/202463第三章常用傳感器熱電阻傳感器

利用電阻隨溫度變化的特點(diǎn)制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)測(cè)定。按熱電阻的性質(zhì)來分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，前者通常簡(jiǎn)稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。熱電阻是由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部件組成，其中，電阻體是熱電阻的最主要部分。鉑電阻、銅電阻等。熱敏電阻屬于半導(dǎo)體傳感器。第八節(jié)熱電式傳感器11/4/202464第三章常用傳感器第九節(jié)光電傳感器一、光電測(cè)量原理

光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。

圖3-44硅光電池的結(jié)構(gòu)11/4/202465第三章常用傳感器第九節(jié)光電傳感器二、光電元件

1．真空光電管或光電管

光電管主要兩種結(jié)構(gòu)形式（見圖3-45)，圖a中光電管的光電陰極K由半圓筒形金屬片制成，用于在光照射下發(fā)射電子。陽極A為位于陰極軸心的一根金屬絲，用于接收陰極發(fā)射電子。陰極和陽極被封裝于一個(gè)抽真空的玻璃罩內(nèi)。光電管的特性主要取決于光電陰極材料，不同的陰極材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光輻射有不同的靈敏度。圖3-45光電管的結(jié)構(gòu)形式a）金屬底層光電陰極光電管b）光透明陰極光電管11/4/202466第三章常用傳感器圖3-46真空光電管特性a）光電特性1一銻艷光電陰極的光電管b）伏安特性2一氧艷光電陰極的光電管第九節(jié)光電傳感器11/4/202467第三章常用傳感器第九節(jié)光電傳感器圖3-47光電倍增管的結(jié)構(gòu)及電路a）結(jié)構(gòu)b）電路l-入射光；2-第一倍增極；3-第三倍增極；4-陽極A；5-第四倍增極；6-第二倍增極；7-陰極K

2.光電倍增管11/4/202468第三章常用傳感器第九節(jié)光電傳感器3．光敏電阻

某些半導(dǎo)體材料（如硫化鎘等）受到光照時(shí)，若光子能量h

大于本征半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子后便可躍遷到導(dǎo)帶，從而激發(fā)出電子一空穴對(duì)，于是降低了材料的電阻率，增強(qiáng)了導(dǎo)電性能。阻值的大小隨光照的增強(qiáng)而降低，且光照停止后，自由電子與空穴重新復(fù)合，電阻恢復(fù)原來的值。

光敏電阻的特點(diǎn)是靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬，可從紫外一直到紅外，且體積小、性能穩(wěn)定，因此廣泛用于測(cè)試技術(shù)。光敏電阻的材料種類很多，適用的波長(zhǎng)范圍也不同。如硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）適用于可見光（0.4~0.75

m）的范圍；氧化鋅（ZnO）、硫化鋅(ZnS）適用于紫外光范圍；而硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、碲化鉛（PhTe）則適用于紅外光范圍。11/4/202469第三章常用傳感器第九節(jié)光電傳感器圖3-8光敏二極管

a）光敏二極管符號(hào)b）光敏二極管的連接11/4/202470第三章常用傳感器第九節(jié)光電傳感器圖3-49光敏晶體管a）光敏晶體管符號(hào)b）光敏晶體管的連接11/4/202471第三章常用傳感器第九節(jié)光電傳感器三、光電傳感器的應(yīng)用

光電傳感器可應(yīng)用于檢測(cè)多種非電量。由于光通量對(duì)光電元件作用方式的不同所涉及的光學(xué)裝置是多種多樣的，按其輸出性質(zhì)可分為兩類：1.模擬量光電傳感器:把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3-50應(yīng)用光電元件的幾種形式1-被測(cè)物2-光電元件3-恒光源

a）被測(cè)量是光源b）被測(cè)量吸收光能量c）被測(cè)量反射光能量d）被測(cè)量阻擋光能量11/4/202472第三章常用傳感器第九節(jié)光電傳感器2.開關(guān)量光電傳感器:把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光電流，而自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)輸出的為開關(guān)量或數(shù)字電信號(hào)。

圖3-51脈沖盤式角度-數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)示意圖11/4/202473第三章常用傳感器第九節(jié)光電傳感器圖3-54光電式角度一數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)示意圖1-光源2-透鏡3-碼盤4-狹縫5-光電元件

11/4/202474第三章常用傳感器第九節(jié)光電傳感器四、應(yīng)用實(shí)例1.冷扎鋼帶跑偏監(jiān)測(cè)2.光電轉(zhuǎn)速計(jì)

圖3-55光電式邊緣位置檢測(cè)裝置1-光敏電阻2-凸透鏡3-分光鏡4-平凸透鏡5-角矩陣反射鏡6-帶鋼7-凸透鏡8-白熾燈11/4/202475第三章常用傳感器第十節(jié)光纖傳感器光纖傳感器是70年代發(fā)展起來的新型傳感器，和前面所介紹的傳統(tǒng)傳感器相比，有著重大的差別。傳統(tǒng)傳感器以機(jī)-電量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，以電信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體，用利導(dǎo)線輸送電信號(hào)。光纖傳感器則以光學(xué)量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，以光信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體，利用光導(dǎo)纖維輸送光信號(hào)。一、分類光纖傳感器以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)，因此光纖傳感器首先要解決的問題是如何將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光波的變化。實(shí)際上，只要使光波的強(qiáng)度、頻率、相位或偏振態(tài)四個(gè)參數(shù)之一，隨被測(cè)量而變化，則此問題便獲解決。通常，把光波隨被測(cè)量的變化而變化，稱為對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。相應(yīng)地，按照調(diào)制方式，光纖傳感器可以分為強(qiáng)度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制等四種型式。其中以強(qiáng)度調(diào)制型較簡(jiǎn)單和常用。按光纖的作用，光纖傳感器可分為功能型和傳光型兩種（圖3-50）。功能型光纖傳感器的光纖不僅起著傳輸光波的作用，還起著敏感元件的作用，由它對(duì)光波實(shí)行調(diào)制；它既傳光又傳感。傳光型光纖傳感器的光纖僅僅起著傳輸光波的作用，對(duì)光波的調(diào)制則需要依靠其他元件來實(shí)現(xiàn)。圖3-50光纖傳感器種類[a）功能型;b）、c）傳光型]1-光源;2-光敏元件;3-光纖;4-被測(cè)對(duì)象;5-電輸出;6-敏感元件;7-發(fā)光元件11/4/202476第三章常用傳感器第十節(jié)光纖傳感器從圖3-50中可以看到，實(shí)際上傳光型光纖傳感器也有兩種情況。一種是在光波傳輸途中，由敏感元件對(duì)光波實(shí)行調(diào)制（圖3-50b），另一種則是由敏感元件和發(fā)光元件發(fā)出已調(diào)制的光波（圖3-50C）。一般來說，傳光型光纖傳感器應(yīng)用較多，也較容易使用。功能型光纖傳感器的構(gòu)思和工作原理往往比較復(fù)雜或巧妙，測(cè)量靈敏度比較高，有可能解決一些特別棘手的測(cè)量難題。表3-4列出部分光纖傳感器的測(cè)量對(duì)象、種類及調(diào)制方式。二、光纖導(dǎo)光原理由物理學(xué)得知，當(dāng)光由大折射率n1的介質(zhì)射入小折射率n2的介質(zhì)時(shí)（圖3-51a），折射角

r大于入射角

i。增大

i，

r也隨之而增大。當(dāng)

r＝90

時(shí)所對(duì)應(yīng)的入射角稱為臨界角（圖3-35b），并記為

ic。若

i繼續(xù)增大，即

i＞

ic時(shí)，將出現(xiàn)全反射現(xiàn)象，此時(shí)光線不進(jìn)入n2介質(zhì)，而在界面上全部反射回n1介質(zhì)中（圖3-35c）。光波沿光纖傳播是以全反射方式進(jìn)行的。圖3-51光的折射11/4/202477第三章常用傳感器第十節(jié)光纖傳感器表3－4光纖傳感器的測(cè)量對(duì)象及調(diào)制方式測(cè)量對(duì)象種類調(diào)制方法測(cè)量對(duì)象種類調(diào)制方法電流，磁場(chǎng)功能性偏振態(tài)放射線功能型光強(qiáng)相位溫度功能性相位光強(qiáng)偏振態(tài)傳光型偏振態(tài)傳光型光強(qiáng)，光量有無電壓，電場(chǎng)功能性偏振態(tài)相位速度功能性相位傳光型偏振態(tài)頻率傳光型光量有無壓力，振動(dòng)，聲壓功能性頻率相位圖像功能型光強(qiáng)偏振態(tài)傳光型光強(qiáng)，光量有無11/4/202478第三章常用傳感器第十節(jié)光纖傳感器光纖為圓柱形，內(nèi)外共分三層。中心是直徑為、大折射率n1的芯子。芯子外面有一層直徑為100～200

m、折射率n2較小的包層。最外層為保護(hù)層，其折射率n3則遠(yuǎn)大于n2。這樣的結(jié)構(gòu)保證了進(jìn)入光纖的光波將集中在芯子內(nèi)傳輸。在芯子一包層的界面上（圖3-52），光線自芯子以入射角

2射到界面C點(diǎn)。顯然，當(dāng)

2大于某一臨界角

c時(shí)，光線將在界面產(chǎn)生全反射，反射角

s＝

2。光線反射到芯子另一側(cè)的界面時(shí)，入射角仍為

2，再次產(chǎn)生全反射。如此不斷地傳播下去。圖3-52光線在光纖中的傳播幾十微米100~200m11/4/202479第三章常用傳感器第十節(jié)光纖傳感器三、光纖傳感器的應(yīng)用下面介紹幾種光纖位移傳感器，目的是通過它們來了解光纖傳感器的構(gòu)造和應(yīng)用的一些特點(diǎn)。光纖位移傳感器應(yīng)用極為廣泛，而且經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖兓策m用于測(cè)量其他被測(cè)量，如溫度、壓力、聲壓、振動(dòng)等。圖3-53是一種最簡(jiǎn)單的光纖位移傳感器，其發(fā)送光纖和接收光纖的端面相對(duì)，其間隔為l－2m。接收光纖接收到的光強(qiáng)隨兩光纖徑向相對(duì)位置不同而改變。此種傳感器可應(yīng)用于聲壓和水聲探測(cè)。

圖3-54是一種反射式光纖位移傳感器。發(fā)送光纖和接收光纖束扎在一起。發(fā)送光纖射出的光波在被測(cè)表面上反射到接收光纖。接收光纖所接收的光強(qiáng)I隨被測(cè)表面與光纖端面之間的距離而變化。適用于小位移、振動(dòng)和表面狀態(tài)的測(cè)量。某些三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也應(yīng)用著這種反射式光纖位移傳感器。圖3-53光纖位移傳感器發(fā)射光纖接受光纖圖3-54反射式光纖位移傳感器11/4/202480第三章常用傳感器第十節(jié)光纖傳感器圖3－55所示的液位光纖傳感器的端部，有一個(gè)全反射棱鏡。在空氣中，由發(fā)送光纖傳輸來的光波經(jīng)棱鏡全部反射進(jìn)接收光纖。一旦棱鏡接觸液體后，由于液體折射率與空氣不同，破壞了全反射條件，部分光波透射進(jìn)液體，而進(jìn)入接收光纖的光強(qiáng)也就減小了。圖3－53~圖3－55都是強(qiáng)度調(diào)制式的傳光型光纖傳感器。強(qiáng)度調(diào)制式的功能型位移光纖傳感器中，以微彎式光纖傳感器應(yīng)用最廣。其工作原理大致是：光纖在被測(cè)位移量的作用下產(chǎn)生微小彎曲變形，導(dǎo)致光纖導(dǎo)光性能的變化，部分光波折射到包層而損耗掉。損耗的光強(qiáng)隨彎曲程度而異。使光纖微彎曲的辦法甚多，例如用兩塊波紋板將光纖夾住。被測(cè)位移通過兩波紋板使光纖彎曲變形，以改變其導(dǎo)光性能。不難理解，若波紋板受控于壓力、聲壓或溫度，那么，也就構(gòu)成微彎式的壓力、聲壓或溫度光纖傳感器。

相位調(diào)制式的位移傳感器，大多數(shù)采用干涉法，即在兩束相干光波中，有一束受到被測(cè)量的調(diào)制，兩者產(chǎn)生隨被測(cè)量變化而變化的光程差，形成干涉條紋。干涉法的靈敏度很高。若采用激光光源，利用其相干性好的優(yōu)點(diǎn)，便可使傳感器既有高靈敏度又有大的測(cè)量范圍的好性能。圖3-55棱鏡式液位光纖傳感器1-發(fā)送光纖;2-接收光纖;3-棱鏡;4-液體11/4/202481第三章常用傳感器第十節(jié)光纖傳感器圖3-61棱鏡式液位光纖傳感器11/4/202482第三章常用傳感器第十節(jié)光纖傳感器四、光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器技術(shù)，已經(jīng)成為極重要的傳感器技術(shù)。其應(yīng)用領(lǐng)域正在迅速擴(kuò)展，對(duì)傳統(tǒng)傳感器應(yīng)用領(lǐng)域起著補(bǔ)充、擴(kuò)大和提高的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，有必要了解光纖傳感器的特點(diǎn)，以利于在光纖傳感器和傳統(tǒng)傳感器之間作出合適的選擇。光纖傳感器具有下列幾方面的優(yōu)點(diǎn)：1）采用光波傳遞信息，不受電磁干擾，電氣絕緣性能好，可在強(qiáng)電磁干擾下完成傳統(tǒng)傳感器難以完成的某些參量的測(cè)量，特別是電流、電壓測(cè)量。2）光波傳輸無電能和電火花，不會(huì)引起被測(cè)介質(zhì)的燃燒、爆炸；光纖耐高壓、耐腐蝕；因而能在易燃、易爆和強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境中安全工作。3）某些光纖傳感器的工作性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器，如加速度計(jì)、磁場(chǎng)計(jì)、水聽器等。4）重量輕、體積小、可撓性好，利于在狹窄空間使用。5）光纖傳感器有良好的幾何形狀適應(yīng)性，可做成任意形狀的傳感器和傳感器陣列。6）頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響，有利于提高測(cè)量精確度。7）利用現(xiàn)有光通訊技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)控。

但是，在目前的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r下，光纖傳感器和傳統(tǒng)傳感器相比，也有一些明顯的缺點(diǎn)。例如，缺少兼容的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要把光纖傳感器輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，才能輸入大多數(shù)裝置和系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)連接困難，技術(shù)復(fù)雜，成本高，遠(yuǎn)不如電氣接頭簡(jiǎn)便、便宜；多路光纖傳感器共用光源有困難；絕大多數(shù)光纖傳感器很難實(shí)現(xiàn)“靈巧性”；目前尚未形成產(chǎn)品系列，標(biāo)準(zhǔn)化程度差。這些缺點(diǎn)使得光纖傳感器一時(shí)尚難于和傳統(tǒng)傳感器并駕齊驅(qū)。11/4/202483第三章常用傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體材料有一個(gè)重要特性是對(duì)光、熱、力、磁、氣體、濕度等理化量的敏感性。利用半導(dǎo)體材料的這些特性，作為非電量電測(cè)的轉(zhuǎn)換元件，是近代半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面。

和前面討論的傳感器比較，半導(dǎo)體傳感器具有許多明顯的特點(diǎn)。它們是一些物性型傳感器，通?？梢宰龀山Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕的器件；它們的功耗低、安全可靠、壽命長(zhǎng)；它們對(duì)被測(cè)量敏感，響應(yīng)快；易于實(shí)現(xiàn)集成化。但是它們的輸出特性一般是非線性的，常常需采用線性化電路；受溫度影響大，往往需要采用溫度補(bǔ)償措施；其性能參數(shù)分散性較大。以上特點(diǎn)使得發(fā)展和應(yīng)用半導(dǎo)體傳感器已成為近代測(cè)試技術(shù)的重要發(fā)展方向。事實(shí)上，半導(dǎo)體傳感器的使用量極大，增長(zhǎng)率很快。1982年它僅占傳感器總市場(chǎng)的5％，五年后已達(dá)20％，目前已超過40％。因此，本節(jié)將較廣泛地介紹一些半導(dǎo)體傳感器。

一、磁敏傳感器利用半導(dǎo)體材料的磁敏特性來工作的傳感器有霍爾元件、磁阻元件、磁敏管等。（一）霍爾元件霍爾元件是一種半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件。一般由鍺（Ge）、銻化銦（InSb）、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料制成。它利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作。如圖3-38所示，將霍爾元件置于磁場(chǎng)B中如果在a、b端通以電流i，在c、d端就會(huì)出現(xiàn)電位差，稱為霍爾電勢(shì)VH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲力作用的結(jié)果。

VH=kHiBsin

式中kH—霍爾常數(shù)，決定于材質(zhì)、溫度、元件尺寸；B—磁感應(yīng)強(qiáng)度；

—電流與磁場(chǎng)方向的夾角。11/4/202484第三章常用傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器a)霍爾元件b)霍爾效應(yīng)原理圖3-38霍爾效應(yīng)圖3－39表示用霍爾元件測(cè)量位移的實(shí)例。將霍爾元件置于兩個(gè)相鄰而方向相反的磁場(chǎng)內(nèi)，由于每點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B值不同，當(dāng)元件沿x方向移動(dòng)時(shí)，可由霍爾電勢(shì)的變化反映出位移量。以微小位移測(cè)量為基礎(chǔ)，霍爾元件還可以應(yīng)用于微壓、壓差、高度、加速度和振動(dòng)的測(cè)量。11/4/202485第三章常用傳感器霍爾傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202486第三章常用傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202487第三章常用傳感器圖3－64表示一種利用霍爾元件探測(cè)鋼絲繩斷絲的工作原理。這種探測(cè)儀的永久磁鐵使鋼絲繩磁化，當(dāng)鋼絲繩有斷絲時(shí)，在斷口處出現(xiàn)漏磁場(chǎng)，霍爾元件通過此漏磁場(chǎng)將獲得一個(gè)脈動(dòng)電壓信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)放大、濾波、A/D變換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)分析，識(shí)別出斷絲根數(shù)和斷口位置。圖3-39霍爾效應(yīng)位移傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202488第三章常用傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器（二）磁阻元件磁阻元件是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)來工作的。借用圖3-38a來說明磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)將使通有電流i的金屬或半導(dǎo)體片的ab兩端之間的電阻隨外磁場(chǎng)B而變化。磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)、幾何形狀有關(guān)，一般遷移率愈大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著，元件的長(zhǎng)寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。磁阻元件可用于位移、力、加速度等參數(shù)的測(cè)量。

（三）磁敏管磁敏二極管和磁敏三極管是70年代發(fā)展出來的新型磁敏傳感器。這種元件檢測(cè)磁場(chǎng)變化的靈敏度很高（高達(dá)10V/mA·T），約為霍爾元件磁靈敏度的數(shù)百至數(shù)千倍；又能識(shí)別磁場(chǎng)方向，體積小，功耗小。但有較大的噪聲、漂移和溫度系數(shù)。它們很適合檢測(cè)微弱磁場(chǎng)的變化，可用于磁力探傷儀和借助磁場(chǎng)觸發(fā)的無觸點(diǎn)開關(guān)，也用于非接觸轉(zhuǎn)速、位移測(cè)量等。11/4/202489第三章常用傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202490第三章常用傳感器二、熱敏電阻熱敏電阻是由金屬氧化物（NiO、MnO2、CuO、TIO2等）的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。半導(dǎo)體熱敏電阻與金屬絲電阻比較，具有下述優(yōu)點(diǎn)：l）靈敏度高，可測(cè)0.001～0.005C微小溫度的變化。2）熱敏電阻元件可制成片狀、柱狀，直徑可小到0.2mm，由于體積小，熱慣性小，響應(yīng)速度快，時(shí)間常數(shù)可小到毫秒級(jí)。3）元件本身的電阻值可在3~700k

之間選擇。即使在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，導(dǎo)線電阻的影響也可不考慮。4）在-50~350℃溫度范圍內(nèi)具有較好的穩(wěn)定度。熱敏電阻的缺點(diǎn)是非線性大，對(duì)環(huán)境溫度敏感性大，測(cè)量時(shí)易受到干擾。圖3-66表示熱敏電阻元件及其溫度特性。曲線上所標(biāo)的是其室溫下的電阻值。熱敏電阻元件被廣泛用于測(cè)量?jī)x器、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)等裝置中。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202491第三章常用傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202492第三章常用傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202493第三章常用傳感器

三、氣敏傳感器氣敏傳感器是20世紀(jì)60年代。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、安全防災(zāi)、醫(yī)療衛(wèi)生和日常生活中，對(duì)氣體分析、檢測(cè)或報(bào)警的需求日益增多，所使用的氣體檢測(cè)傳感器也是多種多樣的。其中半導(dǎo)體氣敏傳感器是發(fā)展最快、使用最方便的一種。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有在低濃度下對(duì)可燃?xì)怏w和某些有毒氣體的靈敏度高、響應(yīng)快、制造使用和保養(yǎng)簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但是它們的氣體選擇性差。元件性能參數(shù)分散，且時(shí)間穩(wěn)定度欠佳。電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是應(yīng)用較多的一種。被測(cè)氣體一旦與這種傳感器的敏感材料接觸并被吸附后，傳感器的電阻值隨氣體濃度而改變。其敏感材料廣泛采用熱穩(wěn)定度較好的金屬氧化物，例如氧化錫（SiO2）、氧化鋅（ZnO）和氧化鐵（

－Fe2O3、

－Fe2O3）等。主要用于檢測(cè)一氧化碳、乙醇、甲烷、異丁烷和氫。這類氣敏傳感器中都有電極和加熱絲。前者用于輸出電阻值，后者用來燒灼敏感材料表面的油垢和污物，以加速被測(cè)氣體的吸、脫過程的進(jìn)程。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202494第三章常用傳感器

四、濕敏傳感器濕度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和人類生活有重大影響。近年來，對(duì)濕度測(cè)量和控制的要求愈來愈嚴(yán)格。所謂濕度，就是空氣中含有的水蒸氣量。濕度檢測(cè)比較困難，檢測(cè)方法也一直比較落后。60年代發(fā)展起來的半導(dǎo)體濕度傳感器促使?jié)穸葯z測(cè)技術(shù)有了飛躍的進(jìn)展。制造半導(dǎo)體濕敏傳感器的材料有：四氧化三鐵（Fe3O4）、鉻酸鎂一二氧化鈦（MgCr2O4－TiO2）、五氧化二釩一二氧化鈦（V2O5－TiO2）、羥基磷灰石（Cd10(PO4)6|(OH)2)及氧化鋅一三氧化二鉻（ZnO－Cr2O3）等。其中Fe3O4多制成膠體濕敏元件，其余均制成金屬陶瓷濕敏元件。金屬陶瓷的濕敏原理大致是，當(dāng)水分子附著在半導(dǎo)體陶瓷上，使陶瓷表面層的電阻值明顯下降。表層電阻下降到一定程度上，半導(dǎo)體體內(nèi)的電阻已遠(yuǎn)大于表層電阻，電流主要從表層通過，體內(nèi)電阻的作用可以忽略，而由濕度引起下降了的表層電阻起著主導(dǎo)作用。隨著濕度的增加，此類半導(dǎo)體陶瓷的阻值可下降三至四個(gè)數(shù)量級(jí)。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202495第三章常用傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202496第三章常用傳感器五、固態(tài)圖像傳感器圖像傳感器從功能上來說，它是一個(gè)能把受光面的光像分成許多小單元（稱為像元），并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后順序地輸送出去的器件。從構(gòu)造上來說，圖像傳感器是一種小型固態(tài)集成元件，它的核心部分多半是電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，簡(jiǎn)稱CCD）。CCD由陣列式排列在襯底上的金屬-氧化物-硅（MetalOxideSemi-Conductor，簡(jiǎn)稱MOS）電容器組成，它具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能，是70年代發(fā)展起來的新型元件。固態(tài)圖像傳感器依其光敏元排列方式分為線型、面型等多種。已應(yīng)用的有1024、1728、2048、4096像素的線型傳感器和32

32、100

100、320

244、490

400以及28～38萬、130萬像素的面型傳感器。目前已達(dá)到1100多萬像素

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202497第三章常用傳感器由于每個(gè)光敏元排列整齊，尺寸和位置準(zhǔn)確，因此光敏元陣列可作為尺寸測(cè)量之標(biāo)尺。這樣，每個(gè)光敏元的光電荷量不僅含有光照度的信息，而且還含有該單元位置的信息，其對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào)也同樣具有這兩方面的信息。從測(cè)量上來說，這種光敏元同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光照度和位置的測(cè)量功能。固體圖像傳感器具有小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命高和以光為媒介可以到達(dá)危險(xiǎn)地點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛的應(yīng)用。其主要用途大致有：l）物位、尺寸、形狀、工件損傷等測(cè)量。2）作為光學(xué)信息處理的輸入環(huán)節(jié)，如電視攝像、傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)中的輸入環(huán)節(jié)。3）自動(dòng)生產(chǎn)過程的控制敏感元件。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202498第三章常用傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/202499第三章常用傳感器圖3－70表示用于熱軋鋁板寬度檢測(cè)的實(shí)例。兩個(gè)線型固態(tài)圖像傳感器1、2置于鋁板的上方，板兩端的一小部分處于傳感器的視場(chǎng)對(duì)，依據(jù)幾何光學(xué)，可以測(cè)得寬度l1、l2，在已知視場(chǎng)距離lm時(shí)，就可以算出鋁板寬度L。圖中圖像傳感器3用來攝取激光器在板上的反射光像，其輸出信號(hào)用來補(bǔ)償由于板厚變化造成的測(cè)量誤差。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由微機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)于2m寬的板材，測(cè)量精確度可達(dá)板寬的

0.025％。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器11/4/2024100