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1、傳感器原理及應(yīng)用01緒論目錄02傳感器的理論及技術(shù)基礎(chǔ) 03物理量傳感器04化學(xué)傳感器05生物傳感器06微機(jī)電（MEMS）傳感器07集成傳感器08傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用第一章緒論1.1 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器 物聯(lián)網(wǎng)的三個層次是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，其中感知層是物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)和物理實體基礎(chǔ)。在感知層中，傳感器技術(shù)最為關(guān)鍵，是物聯(lián)網(wǎng)中獲得環(huán)境動態(tài)變化信息的唯一途徑，依靠傳感器準(zhǔn)確、可靠、實時地采集信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理與傳輸，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供可供分析處理和應(yīng)用的實時數(shù)據(jù)。 物聯(lián)網(wǎng)是與應(yīng)用密切相關(guān)的，從應(yīng)用需求來看，物聯(lián)網(wǎng)主要面向的是公共管理、行業(yè)、個人（大眾）市場三大應(yīng)用領(lǐng)域。圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)層示意圖1.2

2、 傳感器的基本概念1.2.1-1.2.2 傳感器的概念與組成 根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 7665-2005傳感器通用術(shù)語）中，傳感器的定義是：傳感器是指能感受被測量信息并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 國際電工委員會（IEC: International Electrotechnical Committee）對傳感器的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。圖2 傳感器系統(tǒng)的框圖 1.2 傳感器的基本概念1.2.3 傳感器的分類按工作原理分為：物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、MEMS傳感器、集成傳感

3、器。表1 傳感器種類及工作原理 傳感器種類工作原理可被測定的非電學(xué)量敏力電阻，熱敏電阻半導(dǎo)體傳感器阻值變化力，重量，壓力，加速度，溫度，濕度，氣體電容傳感器電容量變化力，重量，壓力，加速度，液面，濕度感應(yīng)傳感器電感量變化力，重量，壓力，加速度，轉(zhuǎn)矩，磁場霍爾傳感器霍爾效應(yīng)角度，力，磁場壓電傳感器，超聲波傳感器壓電效應(yīng)壓力，加速度，距離熱電傳感器熱電效應(yīng)煙霧，明火，熱分布光電傳感器光電效應(yīng)輻射，角度，位移，轉(zhuǎn)矩1.2 傳感器的基本概念1.1.3 傳感器的分類按有無外界供能分為：有源傳感器、無源傳感器。圖3 有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程 1.2 傳感器的基本概念1.1.3 傳感器的分類按

4、輸出信號的類型分為：模擬式、數(shù)字式傳感器。模擬傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號，其輸出信號中的信息一般以信號的幅度表達(dá)。數(shù)字傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號（包括直接和間接轉(zhuǎn)換）。準(zhǔn)數(shù)字傳感器將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)，輸出為矩陣波信號，其頻率或占空比隨被測參量變化而變化。 開關(guān)傳感器當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。1.2 傳感器的基本概念1.1.3 傳感器的分類 在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性

5、的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。 按所應(yīng)用的材料分為：按照其所用材料的類別可分為金屬、聚合物、陶瓷和混合物；按材料的物理性質(zhì)可分為導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體和磁性材料；按材料的晶體結(jié)構(gòu)可分為單晶、多晶和非晶材料。(a)(b)(c)(d)圖4 (a) 金屬傳感器 (b) 陶瓷傳感器 (c) 半導(dǎo)體傳感器 (d) 單晶傳感器1.2 傳感器的基本概念1.1.3 傳感器的分類 按制造工藝分為：MEMS集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器和陶瓷傳感器等。(a)(b)圖5 (a) 集成傳感器 (b) 薄膜材料傳感器集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。薄膜傳感器則是通過沉積在介質(zhì)襯底(基

6、板)上相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料涂覆在陶瓷基片上制成的。陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。 1.3 傳感器的功能與地位 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等極其廣泛的領(lǐng)域。 常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：光敏傳感器視覺聲敏傳感器聽覺氣敏傳感器嗅覺化學(xué)傳感器味覺壓敏、溫敏、流體傳感器觸覺1.4 傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 改善傳感器的性能，可采用的技術(shù)途徑有：差動技術(shù)，平均技術(shù)，補償與修正技術(shù)，屏蔽、隔離與干擾抑制，穩(wěn)定性處理等。 主要特點及發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下

7、幾個方面：發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效應(yīng)。傳感器向高精度、一體化、小型化的方向發(fā)展。工業(yè)自動化程度越高，對機(jī)械制造精度和裝配精度要求就越高，相應(yīng)地測量程度要求也就越高。 發(fā)展智能型傳感器。智能型傳感器被稱為第四代傳感器，使傳感器具備感覺、辨別、判斷、自診斷等功能是傳感器的發(fā)展方向。課后習(xí)題1.1 綜述你所理解的傳感器概念。1.2 一個可供實用的傳感器有哪幾部分構(gòu)成？各部分的功用是什么？試用框圖標(biāo)示出你所理解的傳感器系統(tǒng)。1.3 結(jié)合傳感器技術(shù)在未來社會中的地位、作用及其發(fā)展方向，綜述你的見解。傳感器原理及應(yīng)用01緒論目錄02傳感器的理論及技術(shù)基礎(chǔ) 03物理量傳感器04化學(xué)傳感器05生物傳感器06微機(jī)電

8、（MEMS）傳感器07集成傳感器08傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用第二章傳感器的理論及技術(shù)基礎(chǔ) 2.1 傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng) 光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化的這類現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectric effect）。圖1 外光電效應(yīng)示意圖2.1.1 光電效應(yīng)1. 外光電效應(yīng) 在光照射下物質(zhì)內(nèi)部的電子受到光子的作用，吸收光子能量而從表面釋放出來的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)(External photoelectric effect)，被釋放的電子稱為光電子，所以外光電效應(yīng)又稱為電子發(fā)射效應(yīng)。光子具有能量，每個光子的能量可表示為 ；能量守恒定律為 。2.1 傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng) 圖2 電子能帶圖 2

9、. 內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：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)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度。 2.1 傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng) 圖3 PN結(jié)圖 2）光生伏特效應(yīng) 在

10、光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。根據(jù)其產(chǎn)生電勢的機(jī)理可分為四種： 結(jié)光電效應(yīng)：在探測器處于開路的情況下，少數(shù)載流子積累在PN結(jié)附近，降低勢壘高度，產(chǎn)生一個與平衡結(jié)內(nèi)自建場相反的光生電場。橫向光電效應(yīng)：如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢。 光磁電效應(yīng)：半導(dǎo)體受強光照射并在光照垂直方向外加磁場時，垂直于光和磁場的半導(dǎo)體兩端面之間產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象。貝克勒耳效應(yīng)：當(dāng)光照射浸在電解液中的兩個相同電極中的任意一個電極時，在兩個電極間產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象。2.1 傳感

11、器的基礎(chǔ)效應(yīng) 磁電效應(yīng)(Magnetoelectric effect) 包括電流磁效應(yīng)和狹義的磁電效應(yīng)。 圖4 (a) 霍爾效應(yīng)示意圖 (b) 霍爾元件示意圖 2.1.2 磁電效應(yīng)1.霍爾效應(yīng) 置于磁場中的載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。導(dǎo)體板兩側(cè)形成的電勢差UH稱為霍爾電壓。 , 霍爾系數(shù) 。 （a) （b) 2.1 傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng) 圖5 磁阻效應(yīng) 磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著；元件的長寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。2.1 傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng) 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)?/p>

12、其施力而使它變形時，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移），同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。圖6 壓電效應(yīng)示意圖 2.1.3 壓電、壓阻效應(yīng) 當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)），可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。 2.1 傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng) 納米材料的表面效應(yīng)（Surface effect）是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。球形顆粒的

13、表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。 納米材料具有非常大的界面。界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性，使材料具有新奇的界面效應(yīng)。2.1.4 表面效應(yīng)和界面效應(yīng) 例如：粒徑為10nm時，比表面積為90m2/g；粒徑為5nm時，比表面積為180m2/g；粒徑下降到2nm時，比表面積猛增到450m2/g。 2.2 傳感器的基本特性 2.2.1 傳感器的靜態(tài)特性 1. 傳感器靜態(tài)特性的方程表示方法 傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器在靜態(tài)工作條件下的輸入輸出特性。若在不考慮滯后、蠕變的條件下，

14、傳感器的靜態(tài)模型一般可用多項式來表示，即 。圖7 傳感器的靜態(tài)特性曲線圖 2.2 傳感器的基本特性 2. 靜態(tài)特性的曲線表示法 圖線能表示出傳感器特性的變化趨勢以及何處有最大或最小的輸出，傳感器靈敏度何處高，何處低。做曲線圖的步驟大體是：圖紙選擇、坐標(biāo)分度、描數(shù)據(jù)點、描曲線、加注解說明。 傳感器的靜態(tài)特性曲線可繪在直角坐標(biāo)中，根據(jù)需要，也可以采用對數(shù)或半對數(shù)坐標(biāo)。x軸永遠(yuǎn)表示被測量，y軸則永遠(yuǎn)代表輸出量。坐標(biāo)的最小分格應(yīng)與傳感器的精度級別相應(yīng)。 圖8 同一特性不同分度所繪曲線比較(a) 分度比較合理， (b)縱軸分度過細(xì)， (c)縱軸分度過粗 2.2 傳感器的基本特性 3. 傳感器的主要靜態(tài)性

15、能指標(biāo) 傳感器的靜態(tài)特性是通過各靜態(tài)性能指標(biāo)來表示的，它是衡量傳感器靜態(tài)性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。1） 靈敏度(sensitivity) 靈敏度（靜態(tài)靈敏度）K 是傳感器或檢測儀表在穩(wěn)態(tài)下輸出量的變化量與輸入量的變化量之比： 如果輸入輸出特性為線性的傳感器或儀表，則 靈敏度是一個有單位的量，其單位決定于傳感器輸出量的單位和輸入量的單位以及有關(guān)的電源電壓的單位。 例如：某位移傳感器，當(dāng)電源電壓為1V時，每1mm位移變化引起的輸出電壓變化為100mV，則其靈敏度可表示為100mV/(mmV)。2.2 傳感器的基本特性 2）分辨率 分辨率也稱靈敏度閾值，即引起輸出量產(chǎn)生可觀測的微小變化所需的最小輸入量。存

16、在靈敏度閾值的原因有兩個。一個是輸入的變化量通過傳感器內(nèi)部被吸收，因而反映不到輸出端上去；第二個原因是傳感器輸出存在噪聲。3） 線性度 傳感器的校準(zhǔn)曲線與選定的擬合直線的偏離程度稱為傳感器的線性度，又稱非線性誤差。線性度就是用來評價傳感器的實際輸入輸出特性對理論擬合的線性輸入輸出特性的接近程度的一個性能指標(biāo)，即傳感器特性的非線性程度的參數(shù)。 圖9 線性度曲線圖 yF.S.傳感器的滿量程輸出值（F.S.是full scale的縮寫）ymax校準(zhǔn)曲線與擬合直線的最大偏差。2.2 傳感器的基本特性 圖10 遲滯曲線圖 4）遲滯（遲環(huán)） 在相同工作條件下做全量程范圍校準(zhǔn)時，正行程（輸入量由小到大）和反

17、行程（輸入量由大到小）所得輸出輸入特性曲線不重合。 遲滯是由于磁性材料的磁化和材料受力變形，機(jī)械部分存在（軸承）間隙、摩擦、（緊固件）松動、材料內(nèi)摩擦、積塵等。 2.2 傳感器的基本特性 圖11 重復(fù)性曲線圖 5） 重復(fù)性 重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次測試時, 所得特性曲線不一致的程度。 ymax為ymax 1和ymax2這兩個偏差中的較大者。 因重復(fù)性誤差屬隨機(jī)誤差，故按標(biāo)準(zhǔn)偏差來計算重復(fù)性指標(biāo)更合適，用max表示各校準(zhǔn)點標(biāo)準(zhǔn)偏差中的最大值，則重復(fù)性誤差可表示為： 標(biāo)準(zhǔn)偏差可以根據(jù)貝塞爾公式來計算： 2.2 傳感器的基本特性 6）靜態(tài)誤差 靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內(nèi)

18、任一點的輸出值與其理論值的偏離程度，是評價傳感器靜態(tài)特性的綜合指標(biāo)。 a. 用非線性、遲滯、重復(fù)性誤差表示 b. 系統(tǒng)誤差加隨機(jī)誤差 用ymax表示校準(zhǔn)曲線相對于擬合直線的最大偏差，即系統(tǒng)誤差的極限值；用表示按極差法計算所得的標(biāo)準(zhǔn)偏差。2.2 傳感器的基本特性 傳感器的動態(tài)特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時間函數(shù)。實際上輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。 動態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。 2.2.2 傳感器的動態(tài)特性 例：動

19、態(tài)測溫 設(shè)環(huán)境溫度為T0，水槽中水的溫度為T，而且 TT0，傳感器突然插入被測介質(zhì)中；用熱電偶測溫，理想情況測試曲線T是階躍變化的；實際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個過渡過程。圖12 測溫示意圖2.2 傳感器的基本特性 2.2.2 傳感器的動態(tài)特性 1. 傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 傳感器系統(tǒng)的方程為(線性時不變系統(tǒng))： 1) 傳遞函數(shù) 設(shè)x(t)、y(t)的拉氏變換分別為X(s)、Y(s)，兩邊取拉氏變換，并設(shè)初始條件為零，得 研究一個復(fù)雜系統(tǒng)時，只要給系統(tǒng)一個激勵x(t)并通過實驗求得系統(tǒng)的輸出y(t)，則由 H(s)=Ly(t)/Lx(t) 即可確定系統(tǒng)的特性。 式中，s為復(fù)變量，s=b+j

20、，b0。定義Y(s)與X(s)之比為傳遞函數(shù)，并記為H(s)，則2.2 傳感器的基本特性 稱為傳感器的相頻特性，表示輸出超前輸入的角度；通常輸出總是滯后于輸入，故總是負(fù)值。 2) 頻率響應(yīng)函數(shù) 對于穩(wěn)定系統(tǒng)，令s=j，得 H(j)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，簡稱頻率響應(yīng)或頻率特性。 將頻率響應(yīng)函數(shù)改寫為：稱為傳感器的幅頻特性，表示輸出與輸入幅值之比隨頻率的變化。研究傳感器的頻域特性時主要用幅頻特性。 2.2 傳感器的基本特性 3) 沖擊響應(yīng)函數(shù) 單位脈沖函數(shù)d(t)的拉氏變換為故以d(t)為輸入時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 再對上式兩邊取反拉氏變換，并令 L-1H(s)=h(t)，則有通常稱 h(t)為系統(tǒng)的沖

21、擊響應(yīng)函數(shù)。 對于任意輸入x(t)所引起的響應(yīng)y(t) ，可利用兩個函數(shù)的卷積關(guān)系，即響應(yīng)y(t)等于脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)與激勵x(t)的卷積，即 所以，沖擊響應(yīng)函數(shù)也可以描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。 2.2 傳感器的基本特性 2. 傳感器的頻率響應(yīng) 傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。1) 一階傳感器的頻率響應(yīng)一階傳感器微分方程：靈敏度歸一化之后：圖13 一階傳感器頻率響應(yīng)特性曲線圖2.2 傳感器的基本特性 2）二階傳感器的頻率響應(yīng)二階傳感器的微分方程： 傳感器的頻率響應(yīng)特性好壞，主要取決于傳感器的固有頻率和阻尼比。當(dāng)時：A()l

22、，幅頻特性平直，輸出與輸入為線性關(guān)系；()很小，()與為線性關(guān)系。此時，系統(tǒng)的輸出y(t)真實準(zhǔn)確地再現(xiàn)輸入x(t)的波形，這是測試設(shè)備應(yīng)有的性能。圖14 二階傳感器的幅頻特性和相頻特性曲線圖2.2 傳感器的基本特性 3）頻率響應(yīng)特性指標(biāo) 頻帶 傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍，即對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應(yīng)的頻率范圍，稱為傳感器的頻帶或通頻帶，對應(yīng)有上、下截止頻率。 時間常數(shù) 用時間常數(shù)來表征一階傳感器的動態(tài)特性，越小，頻帶越寬。 固有頻率n 二階傳感器的固有頻率n表征了其動態(tài)特性。2.2 傳感器的基本特性 2.2 傳感器的基本特性 二階傳感器對階躍信號的響應(yīng)在很大程度上取決于

23、阻尼比和固有頻率n。固有頻率n由傳感器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定，n越高, 傳感器的響應(yīng)越快。 阻尼比直接影響超調(diào)量和振蕩次數(shù)。=0，為臨界阻尼,超調(diào)量為100%，產(chǎn)生等幅振蕩,達(dá)不到穩(wěn)態(tài)。1，為過阻尼，無超調(diào)也無振蕩，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間較長。1，為欠阻尼，衰減振蕩，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需時間隨的減小而加長。=1 時響應(yīng)時間最短。但實際使用中常按稍欠阻尼調(diào)整，取0.60.8為最好。 圖15 二階傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線圖2.2 傳感器的基本特性 3) 瞬態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo) 時間常數(shù)，一階傳感器時間常數(shù)越小，響應(yīng)速度越快。 延時時間，傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%所需時間。 上升時間，傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需

24、時間。 超調(diào)量，傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。課后習(xí)題2.2 如右圖所示，當(dāng)開關(guān)S斷開時，用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。合上開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60 V時，電流表讀數(shù)仍不為零；當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時，電流表讀數(shù)為零。(1)求此時光電子的最大初動能的大??；(2)求該陰極材料的逸出功。2.3 已知某霍爾元件尺寸為長L=10mm，寬b=3.5mm，厚d=1mm，沿L方向通以電流I=1.0mA，在垂直于bd兩方向上加均勻磁場B=0.3T，輸出霍爾電勢UH=6.55mV。求該霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH和載流子濃度n。2.5 某位移

25、傳感器，在輸入量變化5 mm時，輸出電壓變化為300 mV，求其靈敏度。2.10 已知某一階傳感器的傳遞函數(shù) ， =0.001s，求該傳感器輸入信號工作頻率范圍。 傳感器原理及應(yīng)用01緒論目錄02傳感器的理論及技術(shù)基礎(chǔ) 03物理量傳感器04化學(xué)傳感器05生物傳感器06微機(jī)電（MEMS）傳感器07集成傳感器08傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用第三章物理量傳感器3.1 物理量傳感器概述 物理量是度量物理屬性或描述物體運動狀態(tài)及其變化過程的量，物理量傳感器是能感受規(guī)定的物理量并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，包括力學(xué)量、熱學(xué)量、電學(xué)量、磁學(xué)量、光學(xué)量、聲學(xué)量等多種傳感器。由于傳感器是將一般的非電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信

26、號的轉(zhuǎn)換器，因此在產(chǎn)生電信號之前通常需要一個或多個轉(zhuǎn)換步驟。這些步驟可能涉及多種能量類型的變化，但最后一步必須產(chǎn)生理想格式的電信號。 國際通用的物理量由長度、時間、質(zhì)量、熱力學(xué)溫度、電流、光強度、物質(zhì)的量等七種，其他力學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等物理量都可按量的定義或物理定律由量的方程導(dǎo)出。物理量傳感器的被測量種類繁多，采用的原理和技術(shù)多樣，本章僅介紹典型的物理量傳感器。3.2 力學(xué)傳感器 力學(xué)量傳感器，又稱力敏傳感器，是應(yīng)用最廣泛的一類傳感器，指將被測力學(xué)量信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。通常的力學(xué)信號是指壓力、壓強、拉力、張力、重力、力矩等與機(jī)械應(yīng)力以及形變相關(guān)的物理量。力學(xué)量的測量對象和測量

27、原理差距很大，因此所涉及的原理、特性、工藝和應(yīng)用的類型和范圍較寬，本節(jié)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)用傳感器的特點，僅對與物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系緊密的最常見和最典型的的傳感器的原理及應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹。3.2 力學(xué)傳感器3.2.1 應(yīng)變式力學(xué)傳感器3.2 力學(xué)傳感器3.2.1 應(yīng)變式力學(xué)傳感器3.2 力學(xué)傳感器3.2.1 應(yīng)變式力學(xué)傳感器圖1 金屬應(yīng)變片的工作原理圖 時，上式可以簡化為：3.2 力學(xué)傳感器3.2.1 應(yīng)變式力學(xué)傳感器金屬電阻應(yīng)變片的主要特性：如圖2，是金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)，由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。

28、如圖3.3，是金屬箔式應(yīng)變片，它是利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.0030.010mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。箔式應(yīng)變片的優(yōu)點是表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大。 圖2 金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)3.2 力學(xué)傳感器3.2.1 應(yīng)變式力學(xué)傳感器可以計算得到。3.2 力學(xué)傳感器3.2.1 應(yīng)變式力學(xué)傳感器圖3 直流電橋電路示意圖圖4 交流電橋電路示意圖3.2 力學(xué)傳感器3.2.1 應(yīng)變式力學(xué)傳感器圖5 柱（筒）式傳感器示意圖與應(yīng)變呈正比關(guān)系。3.2 力學(xué)傳感器3.2.1 應(yīng)變式力學(xué)傳感器應(yīng)變式傳感器實用舉例：（2）懸臂梁式力傳感器懸臂梁

29、式力傳感器采用彈性梁及電阻應(yīng)變片作為敏感轉(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，應(yīng)變片隨彈性梁一起變形，其應(yīng)變使應(yīng)變片的阻值變化，應(yīng)變電橋輸出與拉力或壓力成正比的電壓信號。如圖6，懸臂梁有兩種：一種為等強度懸臂梁，一種為等截面懸臂梁。圖6 兩種懸臂梁示意圖與應(yīng)變呈正比關(guān)系。3.2 力學(xué)傳感器3.2.1 應(yīng)變式力學(xué)傳感器應(yīng)變式傳感器實用舉例：（3）應(yīng)變式加速度傳感器如圖7所示為應(yīng)變式加速度傳感器。它由帶有慣性的質(zhì)量塊m、應(yīng)變片、彈簧片、基座及外殼等組成，是一種慣性式傳感器。測量時，根據(jù)所測振動體的加速度方向，把傳感器固定在被測部位。當(dāng)被測點的加速度與圖中箭頭a所示的方向一致時

30、，自由端受慣性力F = ma的作用，質(zhì)量塊向箭頭a相反的方向相對于基座運動，使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號，輸出信號的大小與加速度成正比。圖7 應(yīng)變式加速度傳感器與應(yīng)變呈正比關(guān)系。3.2 力學(xué)傳感器3.2.2 壓電式力學(xué)傳感器 1.壓電傳感器的工作原理 壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的雙向有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時, 其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。 某些電介質(zhì)（通常采用SiO2），在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上生成符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，從而實現(xiàn)力/電轉(zhuǎn)換。具有壓

31、電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。并且壓電效應(yīng)是可逆的，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失。 3.2 力學(xué)傳感器3.2.2 壓電式力學(xué)傳感器如圖8(b)。在開路狀態(tài)下，圖8 壓電傳感器的等效電路圖3.2 力學(xué)傳感器3.2.2 壓電式力學(xué)傳感器 2.壓電傳感器的等效電路與測量電路（2）壓電式傳感器的測量電路：由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。根據(jù)壓電傳感器的工作原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓

32、信號也可以是電荷信號。因此，設(shè)計前置放大器也有兩種形式：一種是電壓放大器，其輸出與輸入電壓成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 電壓放大器:電壓放大器又稱阻抗變換器，它的主要作用是把壓電器件的高輸出阻抗變換為傳感器的低輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。 電荷放大器:電荷放大器是將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗的電壓源的壓電傳感器的專用前置放大器，它的輸出電壓正比于輸入電荷。3.2 力學(xué)傳感器3.2.2 壓電式力學(xué)傳感器 2.壓電傳感器的等效電路與測量電路圖9 壓電式傳感器與電壓放大器連接的等效電路圖10 壓電式傳感器與電荷放大器的等效電路圖3.2 力學(xué)傳感器3.2.

33、2 壓電式力學(xué)傳感器圖11 壓電式壓力傳感器3.2 力學(xué)傳感器3.2.2 壓電式力學(xué)傳感器 3.壓電傳感器的實用舉例（2）壓電式加速度傳感器：壓電式加速度傳感器主要有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種，其中縱向效應(yīng)是最常見的。如圖12是縱向效應(yīng)型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。圖12 縱向型壓電式加速度傳感器3.3 熱學(xué)傳感器3.3.1 溫標(biāo)與溫度的測量1.溫標(biāo)：因為測溫原理和感溫元件的不同，即使測量的溫度相同，但表現(xiàn)出的物理量的形式和變化量的大小也不盡相同。為了對溫度進(jìn)行更

34、加精確性和一致性的描述，提出了一個科學(xué)、客觀和統(tǒng)一的標(biāo)尺，溫標(biāo)。溫標(biāo)用來度量物體溫度的標(biāo)尺，國際上用的較多的有熱力學(xué)溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和國際溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)：它規(guī)定從絕對零度至水的三相點（固、液、氣共存）的溫度之間劃分273.16等分，每一等分為1開爾文，符號為K。攝氏溫標(biāo)：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點為0度，水的沸點為100度，中間劃分100等分，每一等分為攝氏1度，符號為。攝氏溫度t與熱力學(xué)溫度T之間的數(shù)值關(guān)系為：3.3 熱學(xué)傳感器3.3.1 溫標(biāo)與溫度的測量2.溫度的測量（1）接觸式測溫：這種測溫方法是將溫儀表的敏感元件與被測對象接觸，以達(dá)到充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡來完成對溫度的測

35、量。這種測量方法的優(yōu)點是比較直觀并且測溫儀表也相對簡單。但因為敏感元件與被測對象接觸，在接觸過程中可能對被測對象的溫場分布造成破壞，造成一定的測量誤差。（2）非接觸式測溫：這種測溫方法是感溫元件與被測物體不進(jìn)行接觸，而是通過輻射進(jìn)行熱交換。優(yōu)點是不會的被測物體進(jìn)行破壞，在測量運動的物體和溫度變化較快的物體具有一定優(yōu)勢。3.3 熱學(xué)傳感器3.3.2 熱電阻溫度傳感器1.熱電阻的工作原理熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。人們也常常把這種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的現(xiàn)象稱為熱阻效應(yīng)。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，通常把金屬熱電阻稱為熱

36、電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。圖13 熱敏電阻的溫度特性曲線3.3 熱學(xué)傳感器3.3.2 熱電阻溫度傳感器2.熱電阻的結(jié)構(gòu)普通型熱電阻由感溫元件（金屬電阻絲）、支架、引出線、保護(hù)套管及接線盒等基本部分組成。為避免電感分量，熱電阻絲常采用雙線并繞，制成無感電阻。圖14 熱電阻外形3.3 熱學(xué)傳感器3.3.2 熱電阻溫度傳感器3.熱電阻的測量電路和主要參數(shù)用熱電阻傳感器進(jìn)行測溫時，測量電路一般采用電橋電路。但是熱電阻與檢測儀表相隔距離一般較遠(yuǎn)，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有很大的影響。熱電阻測溫電橋的引線方式通常有兩線制、三線制和四線制三種，如圖15。圖15 熱電阻測量電路內(nèi)部引線方式3.3

37、熱學(xué)傳感器3.3.3 熱電偶溫度傳感器3.3 熱學(xué)傳感器3.3.3 熱電偶溫度傳感器2.熱電偶的結(jié)構(gòu)：熱電偶通常由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等部分組成，按照熱電偶的結(jié)構(gòu)主要可以分為普通熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶。（1）普通熱電偶，如圖16，常見的普通熱電偶由接線盒1、保護(hù)套管2、絕緣套管3及熱電極4組成，主要可以用于對氣體和液體等介質(zhì)的的測溫。圖16 普通熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖3.3 熱學(xué)傳感器3.3.3 熱電偶溫度傳感器（2）鎧裝熱電偶，如圖17，鎧裝熱電偶由熱電極1、絕緣材料2、金屬套管3、接線盒4及固定裝置5組成。鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶，它是由金屬保護(hù)套管、絕緣材料和熱電極三者組

38、合成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。因為內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，所以鎧裝熱電偶具有良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機(jī)械外力沖擊的特性；并且鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。圖17 鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖3.3 熱學(xué)傳感器3.3.3 熱電偶溫度傳感器（3）薄膜熱電偶，如圖18，薄膜熱電偶主要由熱電極1、熱接點2、絕緣基板3及引出線4組成。 薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料, 用真空蒸鍍、化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶，測量端既小又薄，具有熱容量小，反應(yīng)速度快等特點。圖18 薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖3.3 熱學(xué)傳感器3.3

39、.3 熱電偶溫度傳感器3.熱電偶的測溫電路（1）基本測溫電路：如圖19所示，熱電偶基本測量電路包括熱電偶、補償導(dǎo)線、冷端補償器、連接用銅線、動圈式顯示儀表。圖19 熱電偶的基本測溫電路圖3.3 熱學(xué)傳感器3.3.3 熱電偶溫度傳感器（2）熱電偶的實際測溫電路：實際工作中常需要測量兩處的溫差，可選用兩種方法測溫差，一種是兩支熱電偶分別測量兩處的溫度，然后求算溫差；另一種是將兩支同型號的熱電偶反串聯(lián)接，直接測量溫差電勢，然后求算溫差，如圖20所示。前一種測量較后一種測量精度差，對于要求精確的小溫差測量，應(yīng)采用后一種測量方法。圖20 熱電偶的實際測溫電路3.4 光學(xué)傳感器 光學(xué)傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換成

40、電信號的器件，它具有反應(yīng)速度快、檢測靈敏度高、可靠性好、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單等特點。光學(xué)傳感器可分為光電傳感器、光纖傳感器和CCD傳感器三大類。光電傳感器是以光為媒介、以光電效應(yīng)為物理基礎(chǔ)的一種能量轉(zhuǎn)換器件。它是應(yīng)用光敏材料的光電效應(yīng)制作的無源光敏器件。光纖傳感器是利用光纖技術(shù)與光學(xué)原理，將被測量轉(zhuǎn)換為可用信號輸出的器件或裝置。它利用發(fā)光管或激光管發(fā)射的光，經(jīng)光導(dǎo)纖維傳輸?shù)奖粰z測對象，經(jīng)調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維反射到光接收器，光接收器則將調(diào)制過的光束解調(diào)后變?yōu)殡娦盘枴CD是電荷耦合器的簡稱，它的基本功能是將動態(tài)的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號。是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路光電器件。它

41、以電荷為信號， 具有光電信號轉(zhuǎn)換、 存儲、 轉(zhuǎn)移并讀出信號電荷的功能。3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器1.光電管（1）結(jié)構(gòu)和原理：光電管由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并密封在一支真空玻璃管內(nèi)，如圖21所示。光電管的陰極是接受光的照射，它決定了器件的光電特性。陽極由金屬絲做成，用于收集電子圖21 光電管示意圖3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器1.光電管（2）基本特性：在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。如圖22，是真空光電管和充氣光電管的伏安特性曲線，它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。圖22 真空光電管和充氣光電管的伏安特性3

42、.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器1.光電管（2）基本特性：光電管的光照特性。當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光電管的光照特性。如圖23，曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之比）稱為光電管的靈敏度。圖23 光電管的光照特性3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器2.光電倍增管（1）結(jié)構(gòu)和原理光電倍增管是在光電管的陽極和陰極之間增加若干個（1114個）倍增極（二次發(fā)射體），來放大光電流。如圖24所示，當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光

43、電流很小，只有零點幾個微安，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進(jìn)行放大。圖24 光電倍增管原理圖3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器2.光電倍增管（2）主要特性光電倍增管的實際放大倍數(shù)或靈敏度如圖25所示。極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。并且光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性很相似。圖25 光電倍增管的特性曲線3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器3.光敏電阻（1）工作原理光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制成的利用內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）工作的光電器件，又稱光導(dǎo)管。

44、光敏電阻在光線的作用下，其電導(dǎo)率增大，電阻值變小。工作時，光敏電阻兩電極間加上電壓，其中便有電流通過。無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很??；當(dāng)有光照時，由于光電導(dǎo)效應(yīng)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加，電流隨著光強的增加而變大，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器3.光敏電阻（2）主要特性暗電阻、亮電阻與光電流：光敏電阻在未受到光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。在受到光照射時的電阻稱為亮電阻，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。光敏電阻的伏安特性：電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值

45、將隨光照增強而增大。光敏電阻的光照特性：光敏電阻的光照特性用于描述光電流和光照強度之間的關(guān)系，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的。3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器3.光敏二極管和光敏三極管（2）光敏三極管的基本特性：如圖26，從曲線可以看出，光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。硅的峰值波長為9000埃，鍺的峰值波長為15000埃。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測熾熱狀態(tài)物體時，一般都選用硅管；但對紅外線進(jìn)行探測時，則采用鍺管較合適。圖26 光敏三極管的光譜特性3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器3.

46、光敏二極管和光敏三極管（2）光敏三極管的基本特性：光敏三極管在不同的照度下的伏安特性就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣，如圖27所示。因此，只要將入射光照在發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。圖27 光敏三極管的伏安特性3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器3.光敏二極管和光敏三極管（2）光敏三極管的基本特性：如圖28給出了光敏三極管的輸出電流和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大（幾千勒克斯）時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，

47、也可作開關(guān)元件。圖28 光敏三板管的光照特性3.4 光學(xué)傳感器3.4.1 光電式傳感器3.光敏二極管和光敏三極管（2）光敏三極管的基本特性：光敏三極管的溫度特性反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。如圖29所示，從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大。所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。圖29 光敏三極管的溫度特性3.4 光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器1.光纖的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）光纖的結(jié)構(gòu)：光纖通常由纖芯、包層及外套組成。如圖30所示，纖芯處于光纖的中心部位，由玻璃、石英、塑料等材料制成，為圓柱體。直徑約為5150m。圍繞的纖

48、芯的那一層叫包層，材料也是玻璃、塑料等材料，但折射率小于纖芯。纖芯和包層構(gòu)成同心圓雙層結(jié)構(gòu)，故光纖具有使光功率封閉在里面?zhèn)鬏數(shù)墓δ?，外套起到支撐和保護(hù)的用。圖30 光纖的結(jié)構(gòu)3.4 光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器1.光纖的結(jié)構(gòu)和工作原理（2）光纖的種類：按光纖纖芯折射率分布可以分為階躍型光纖的漸變型光纖。階躍型光纖如圖31(a）所示，纖芯和包層的折射率都是常數(shù)，且呈突變分布。漸變型光纖如圖31(b)所示，中心軸的折射率最大，因此光在傳播中會自動從折射率小的界面處向中心會聚。圖31 階躍型光纖和漸變型光纖折射率分布3.4 光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器1.光纖的結(jié)構(gòu)和工作原理（3）光纖的傳光原理

49、：光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光的原理的基礎(chǔ)，依據(jù)光的折射和反射的斯涅爾（Snell）定理，當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時，發(fā)生折射。圖32 光纖的傳光原理3.4 光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器3.4 光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器2.光纖傳感器的原理和組成（1）光纖傳感器的工作原理：光傳輸?shù)倪^程中，外界因素（壓力、溫度、振動、電磁場等）對光纖的作用，會引起光纖光波特征參數(shù)（如光強、相位、頻率、偏振及波長）的變化。如果能測出光波特征參數(shù)的變化，就可以得到光波參數(shù)變化的被測量的大小。（2）光纖傳感器的分類：光纖傳感器可以分為兩大類: 一類是功能型（傳感型）傳感器; 另一類是非功能型（傳光型）傳感器

50、。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。3.4 光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器2.光纖傳感器的原理和組成（3）光纖傳感器的組成：光纖傳感器主要由光源、光纖耦合器、光探測器等幾個基本部分組成。光源。為了保證光纖傳感器的性能，對光源的特性和結(jié)構(gòu)有一定的要求。一般要求光源的體積盡量小，以便于它與光纖耦合。光纖耦合器。光纖耦合器主要是將光源射出的光束分別耦合進(jìn)兩根以上的光纖，這種分束及耦合過程采用光纖耦合器完成。同理，如果將兩束光纖的出射光同時耦合進(jìn)探測器，也是由光纖耦合器完成的。光探測器。光探測器的作用是把傳

51、送到接收端的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，即將電信號“解調(diào)”出來，然后進(jìn)行放大和處理。它的性能的好壞及影響被測物理量的變換準(zhǔn)確度，又關(guān)系到光探測接收系統(tǒng)的質(zhì)量。3.4 光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器3.光纖傳感器的應(yīng)用（1）光纖加速度傳感器：光纖加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖33。它是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光, 透射光作為參考光束, 反射光作為測量光束。圖33 光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖3.4 光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器3.光纖傳感器的應(yīng)用（2）光纖溫度傳感器：光纖溫度傳感器的基本原理是利用多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度升高而減小的特性，如圖34是光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。圖33 光纖

52、溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖3.5 磁學(xué)傳感器3.5.1 磁電感應(yīng)式傳感器3.5 磁學(xué)傳感器3.5.1 磁電感應(yīng)式傳感器3.5 磁學(xué)傳感器3.5.1 磁電感應(yīng)式傳感器圖34 動圈式磁電傳感器原理圖3.5 磁學(xué)傳感器3.5.2 霍爾傳感器1.霍爾元件結(jié)構(gòu)和基本電路（1）霍爾元件的結(jié)構(gòu)：霍爾元件的結(jié)構(gòu)是簡單的四端子結(jié)構(gòu)，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的，如圖35(a)所示?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如圖35(b)所示。 圖35 霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖3.5 磁學(xué)傳感器3.5.2 霍爾傳感器圖36 霍爾器件的基本電路3.5 磁學(xué)傳感器3.5.2

53、霍爾傳感器2.霍爾傳感器的應(yīng)用（1）霍爾開關(guān)傳感器：霍爾開關(guān)傳感器是利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出。如圖37，霍爾開關(guān)集成傳感器由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。圖37 霍耳開關(guān)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.5 磁學(xué)傳感器3.5.2 霍爾傳感器2.霍爾傳感器的應(yīng)用（2）霍耳線性傳感器：霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時,霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。 霍耳線性傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種。如圖3

54、8，單端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。如圖39，雙端輸出的傳感器是一個8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。3.5 磁學(xué)傳感器3.5.2 霍爾傳感器2.霍爾傳感器的應(yīng)用圖38 單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖圖39 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖3.6 聲學(xué)傳感器3.6.1 超波傳感器1.超聲波的基本原理（1）超聲波的頻率：振動在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播稱為波動，簡稱波。頻率在20Hz20kHz之間，人耳所能聽到的機(jī)械波，稱為聲波。低于20Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；

55、高于20kHz的機(jī)械波稱為超聲波，如圖40所示。圖40 聲波頻率的界限劃分3.6 聲學(xué)傳感器3.6.1 超波傳感器1.超聲波的基本原理（2）超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換：由于聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同，聲波的波形也不同。通常有以下幾種。縱波：質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波。橫波：質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波。表面波：質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。并且橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播，表面波隨深度增加衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量，所以多采用縱波。3.6 聲學(xué)傳感器3.6.1 超波傳感器1.超聲波的基本原理（3）超聲波的反射和折射：

56、超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在兩個介質(zhì)的分界面上一部分能量被反射回原介質(zhì)，叫做反射波，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，則叫做折射波。這樣的兩種情況分別稱之為聲波的反射和折射，如圖41所示。圖41 超聲波的反射和折射3.6 聲學(xué)傳感器3.6.1 超波傳感器3.6 聲學(xué)傳感器3.6.1 超波傳感器2.超聲波探頭 利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可以分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，壓電式探頭最為常用。如圖42所示，是壓電式超聲波探頭的結(jié)構(gòu)圖，主要由壓電晶片，吸收塊（阻尼塊），保護(hù)膜組成。圖42 壓電式超

57、聲波探頭結(jié)構(gòu)3.6 聲學(xué)傳感器3.6.1 超波傳感器3.超聲波傳感器的應(yīng)用（1）超聲波測厚傳感器：如圖43所示，是超聲波測厚傳感器的結(jié)構(gòu)圖。超聲波測厚常用脈沖回波法。聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測工件另一面被反射回來，被同一探頭接收。圖43 超聲波測厚傳感器結(jié)構(gòu)圖3.6 聲學(xué)傳感器3.6.1 超波傳感器3.超聲波傳感器的應(yīng)用（2）超聲波物位傳感器：超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已

58、知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進(jìn)行測量，如圖44所示為幾種超聲波位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖44 幾種超聲波位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖3.6 聲學(xué)傳感器3.6.2 聲表面波傳感器1. SAW傳感器的結(jié)構(gòu)和原理（1）SAW換能器：如圖45所示，換能器（IDT）是用蒸發(fā)或濺射等方法在壓電基片表面淀積一層金屬膜，再用光刻方法形成的叉指狀薄膜，它是產(chǎn)生和接收聲表面波的裝置。如圖46所示當(dāng)電壓加到叉指電極上時，由IDT激勵的聲表面波沿基片表面?zhèn)鞑?。圖46 SAW傳播示意圖圖45 SAW換能器示意圖3.6 聲學(xué)傳感器3.6.2 聲表面波傳感器1. SAW傳感器的結(jié)構(gòu)和原理（2）敏感基片：敏感基

59、片主要采用石英、鈮酸鋰（LiNbO3）等壓電單晶材料制成。當(dāng)敏感基片受到物理、化學(xué)或機(jī)械量擾動作用時，其振蕩頻率會發(fā)生變化。通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和理論計算，能使它僅對某一被測量有響應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換成頻率量。（3）SAW振蕩器： SAW傳感器的關(guān)鍵是SAW振蕩器，它由壓電材料基片和沉積在基片上的不同功能的叉指換能器組成，有延遲型和諧振器型兩種振蕩器。圖47 諧振式SAW振蕩器示意圖3.6 聲學(xué)傳感器3.6.2 聲表面波傳感器2. SAW傳感器的應(yīng)用（1）SAW壓力傳感器：SAW諧振式力學(xué)量傳感器包括壓力傳感器和加速度傳感器，SAW器件在基底壓電材料受到外界作用力時，諧振器的結(jié)構(gòu)尺寸、壓電材料的密度、

60、彈性系數(shù)等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致SAW的波長、頻率和傳播速度等發(fā)生變化。如圖48所示，SAW壓力傳感器由SAW振蕩器、敏感模片、基底等組成。圖48 SAW壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖3.6 聲學(xué)傳感器3.6.2 聲表面波傳感器2. SAW傳感器的應(yīng)用（2）SAW氣體傳感器：如圖49所示，SAW氣體傳感器是在SAW傳播路徑上和IDT區(qū)域淀積一層化學(xué)界面膜，當(dāng)界面膜吸附被測氣體后，引起SAW傳播頻率變化，可以通過測量SAW頻率的變化測量氣體濃度。圖48 SAW氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖3.6 聲學(xué)傳感器3.6.2 聲表面波傳感器第三章習(xí)題3.1如何用電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變式傳感器?對其各組成部分有何要求?3.2壓電式傳感器的前