第三章傳感器

工程測試與信息處理工學(xué)院劉潔

第三章

常用的傳感器與敏感元件transducer重點：常用傳感器的工作原理、類型、特點；難點：根據(jù)傳感器的工作原理和特點在工程中能夠合理地選用。第三章常用的傳感器與敏感元件第三章常用的傳感器與敏感元件

直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量輸出的器件。

①.傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)。

②.其輸入量是一被測量，可能是物理量、化學(xué)量或生物量。

③.其輸出量是物理量，可以是光、電量，但主要是電量。傳感器定義：含義：第三章常用的傳感器與敏感元件輸入：物理量→輸出：物理量即力→電量輸入：化學(xué)量→輸出：物理量即氣體→電量把被測量，如力、位移、溫度轉(zhuǎn)換為易測信號，傳送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié)。同種量別種量作用第三章常用的傳感器與敏感元件

直接受被測量作用的元件稱為傳感器的敏感元件。

在工程上也把提供與輸入量有特定關(guān)系的輸出量的器件稱為測量變換器。傳感器就是輸入量為被測量的測量變換器。第三章常用的傳感器與敏感元件

傳感器是測量系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，如果沒有傳感器對原始參數(shù)進(jìn)行精確可靠的測量，那么無論是信號調(diào)理、信號處理、數(shù)據(jù)的顯示、記錄、反饋和控制都將成為一句空話。

第三章常用的傳感器與敏感元件

沒有精確可靠的傳感器就沒有精確可靠的測試系統(tǒng)。若把計算機比喻為人的大腦，則傳感器為人的五官（聽、嗅、視、味、觸），所以若無精確可靠的傳感器去檢測各種原始數(shù)據(jù)，那么電子計算機也無法發(fā)揮其應(yīng)有的作用。第三章常用的傳感器與敏感元件傳感器在非電量檢測系統(tǒng)中的作用：敏感作用：

感受并拾取被測對象的信號。

變換作用：

被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號。第三章常用的傳感器與敏感元件

第一節(jié)傳感器的分類第一節(jié)傳感器的分類

在測試中，應(yīng)用的傳感器種類繁多，不勝枚舉，往往對于一種被測量可以用多種不同類型的傳感器測量。因此，對傳感器分類就有很多方法。第一節(jié)傳感器的分類

按被測量分：

位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器等（傳感器以被測物理量命名）。

按工作原理分：

機械式、電氣式、光學(xué)式等（傳感器以工作原理命名）。第一節(jié)傳感器的分類按信號變換特征分：

結(jié)構(gòu)型（傳感器依賴其結(jié)構(gòu)參數(shù)變換實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，如極距式電容傳感器）

物性型

(傳感器依賴其敏感元件物理特性的變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換，如壓電式傳感器)第一節(jié)傳感器的分類能量轉(zhuǎn)換型（傳感器直接將被測量的能量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量）如熱電偶等。能量控制型（由外部供給輔助能量，并由被測量來控制外部供給能量的變化）如：電阻應(yīng)變式傳感器。按能量關(guān)系分：按輸出信號分：

模擬式（輸出量為模擬量）

數(shù)字式（輸出量為數(shù)字量）

第一節(jié)傳感器的分類

另一種傳感器是以外信號（由輔助能源產(chǎn)生）激勵被測對象，傳感器獲取的信號是被測對象對激勵信號的響應(yīng)，它反映了被測對象的性質(zhì)或狀態(tài)。例如，超聲波探傷儀、X射線衍射儀等。第一節(jié)傳感器的分類

第二節(jié)

機械式傳感器mechanismtransducer

原理：

力、溫度等被測量經(jīng)彈性敏感元件轉(zhuǎn)換為彈性變形，該變形使儀表指針偏轉(zhuǎn)指示出被測量的大小。

第二節(jié)機械式傳感器測力計：

力→彈性元件變形→儀表指針偏轉(zhuǎn)（或平移）。第二節(jié)機械式傳感器壓力計：

壓力→波紋膜片→指針偏轉(zhuǎn)壓力→波紋管變形→齒條→齒輪→指針偏轉(zhuǎn)壓力→波登管變形→齒條→齒輪→指針偏轉(zhuǎn)第二節(jié)機械式傳感器溫度計：

溫度→兩種材料的溫度系數(shù)不一樣，致使彎曲變形→儀表指針

酒精受熱→感溫筒膨脹→毛細(xì)管變形→波登管變形→指針偏轉(zhuǎn)第二節(jié)機械式傳感器利用彈性敏感元件的變形來工作

1.結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉；

2.變形不宜太大，以減少線性誤差（輸入—輸出間的關(guān)系）；

3.慣性大，固有頻率低，適宜于測緩變或靜態(tài)量。特點：第二節(jié)機械式傳感器第二節(jié)機械式傳感器第二節(jié)機械式傳感器

第三節(jié)

電阻式傳感器resistancetransducer

分類變阻器式電阻應(yīng)變式（Resistancestraingauge）第三節(jié)電阻式傳感器一、

變阻器式傳感器第三節(jié)電阻式傳感器

變阻式傳感器也叫電位計式傳感器。改變電位器觸點，把位移轉(zhuǎn)換為電阻原理：AlRr=第三節(jié)電阻式傳感器

非電量引起位移，l變化→R變化

分有：線位移R=f(x)

角位移R=f(α)

靈敏度：線位移

角位移

反映單位線位移或角位移電阻的變化量。另有一非線性型，其形狀根據(jù)所要求的輸出定。第三節(jié)電阻式傳感器電阻分壓電路，圖3—6當(dāng)RL>>Rp

后接電路：第三節(jié)電阻式傳感器3.由于滑動部分磨損，不適于高速工作；4.分辨率較低，一般在20μm以下。2.電刷移動產(chǎn)生噪聲，同時有接觸電阻變化，特別在振動條件下誤差較大，一般

1~2%；1.結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，輸出功率大，可不用放大器；特點：第三節(jié)電阻式傳感器

現(xiàn)有可測200mm大位移，速度15m/s的傳感器。

主要用于測量大的線位移及角位移，以及由于其他非電量引起位移的變化（如力）。

應(yīng)用：測油箱油量浮子位移Rw變化電路中I變化第三節(jié)電阻式傳感器測方向盤角位移測井徑第三節(jié)電阻式傳感器二.電阻應(yīng)變式傳感器

Resistancestraingauge

第三節(jié)電阻式傳感器

可測應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)，在機械、航空、建筑等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。分類：金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片絲式箔式第三節(jié)電阻式傳感器（一）金屬電阻應(yīng)變片

(metalresistancestraingauge)絲式柵直徑為0.025mm，成本低、橫向效應(yīng)大。

結(jié)構(gòu)：如圖3—7，3—8

第三節(jié)電阻式傳感器

箔式柵用光刻技術(shù)制造，厚約1~10μm，散熱條件好；粘貼牢固；可制作成任意精確形狀，有利于成批生產(chǎn)；價格較貴。第三節(jié)電阻式傳感器

貼于試件或彈性元件上的應(yīng)變片和試件一起變形→應(yīng)變→阻值變化，則得阻值的變化，即可知與之對應(yīng)的被測量。原理：第三節(jié)電阻式傳感器電阻絲的阻值

可見，若l、A、ρ

發(fā)生變化，R也發(fā)生變化。第三節(jié)電阻式傳感器

現(xiàn)建立電阻絲的應(yīng)變和電阻變化之間的關(guān)系，將上式兩邊取對數(shù)并微分（式中各值均視為變量）得：（1）軸向變形

徑向變形

第三節(jié)電阻式傳感器將以上各式代入（1），得：

（2）

分析上式，（1+2μ）εx是由電阻絲的幾何尺寸改變引起的，dρ/ρ是由電阻絲的電阻率變化引起的，很小可忽略不計，那么，上式：表明電阻相對變化率與應(yīng)變成正比。

第三節(jié)電阻式傳感器電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)：

工程中sg一般在1.7~3.6之間，標(biāo)準(zhǔn)阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1000Ω等，其中以120Ω為最常用，應(yīng)變片的尺寸可據(jù)使用要求選取。第三節(jié)電阻式傳感器第三節(jié)電阻式傳感器金屬應(yīng)變計有:絲式和箔式優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點:靈敏度系數(shù)小.第三節(jié)電阻式傳感器(二)半導(dǎo)體應(yīng)變片

結(jié)構(gòu)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物體上，其電阻值隨被測試件的應(yīng)變而變化。第三節(jié)電阻式傳感器

所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料（如硅、鍺、銻化銦）沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。1．工作原理

基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。第三節(jié)電阻式傳感器

從半導(dǎo)體物理知，半導(dǎo)體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使其電阻率ρ發(fā)生很大變化。單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點陣排列規(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。第三節(jié)電阻式傳感器

據(jù)（2）式，（1+2μ）εx項是由幾何尺寸變化引起的，dρ/ρ是由于電阻率變化引起的。對半導(dǎo)體而言，后者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，它是半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻變化的主要部分，故（2）式可簡化為這一數(shù)值比金屬電阻應(yīng)變片大50~70倍。

第三節(jié)電阻式傳感器

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。第三節(jié)電阻式傳感器缺點：

①.溫度穩(wěn)定性能差，

②.靈敏度分散度大（由于晶向、雜質(zhì)等因素影響）

③.較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大。優(yōu)點：

①.靈敏度高（最突出的優(yōu)點）

②.橫向效應(yīng)小，機械滯后小，本身體積小。

2．特點：第三節(jié)電阻式傳感器1).直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力

（三）應(yīng)用第三節(jié)電阻式傳感器2).將應(yīng)變片貼于彈性元件，設(shè)計制作傳感器,可測力、位移、扭矩、加速度等，需計算強度、靈敏度。

第三節(jié)電阻式傳感器測力第三節(jié)電阻式傳感器案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。德國HBM電阻應(yīng)變式傳感器

第三節(jié)電阻式傳感器案例：橋梁固有頻率測量第三節(jié)電阻式傳感器3).傳感器的標(biāo)定

尋求被測量與應(yīng)變之間的關(guān)系。PPε第三節(jié)電阻式傳感器4).應(yīng)變片的粘貼

粘接劑選擇；

試件表面處理；

粘貼方法；

固化處理；

防潮處理。

第三節(jié)電阻式傳感器5).動態(tài)測量

最大測量頻率<電橋電源頻率的1/5~1/10；應(yīng)變片基長↓，最大測量頻率↑。基長為10mm時，上限測量頻率可高達(dá)25kHz。第三節(jié)電阻式傳感器6).注意溫度補償

溫度的變化會引起電阻值的變化，從而造成測量結(jié)果的誤差，且溫度所造成的影響往往與應(yīng)變引起的電阻變化是同等數(shù)量級的，因此務(wù)必要采用溫度補償，以消除該誤差。

第三節(jié)電阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器

其敏感元件是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散型電阻，亦稱擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變片?？芍瞥筛鞣N形狀，有效面積可以小至毫米級，頻響高，可測高頻脈動壓力和加速度。使用時需采取溫度補償措施。

第三節(jié)電阻式傳感器動態(tài)電阻應(yīng)變儀

第三節(jié)電阻式傳感器

第四節(jié)

電容式傳感器capacitancetransducer

一、原理第四節(jié)電容式傳感器

將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。實質(zhì)是一個具有可變參數(shù)的電容器。

兩個平行極板組成的電容器電容量：+++Aδ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。第四節(jié)電容式傳感器（一）極距變化型(polardistance)

δ變化→C變化

若A、ε不變，則C與極距δ是非線性關(guān)系（圖3－22）第四節(jié)電容式傳感器

當(dāng)極距有一微小變化量dδ時，引起電容的變化量dC

靈敏度

可看出，S與δ2成反比，δ↓，則S↑，有非線性誤差。為減小誤差，通常取較小極距范圍工作，以便獲近似線性關(guān)系，一般取。第四節(jié)電容式傳感器應(yīng)用：

軸旋轉(zhuǎn)時的徑向跳動（δ變化）→C變化→可測軸的跳動（小位移）。測軸的徑向跳動（小位移）定極板傳感器固定架第四節(jié)電容式傳感器力P使δ變化→C

變化，測C可知P力大小

第四節(jié)電容式傳感器第四節(jié)電容式傳感器特點：

1、可進(jìn)行動態(tài)非接觸測量；2、靈敏度高適于較小位移（0.1微米～數(shù)百微米）的測量。1、有非線性，需用特殊結(jié)構(gòu)（如差動式）或電子線路來解決；2、雜散電容影響較大，需良好屏蔽；3、需采用高頻電路，結(jié)構(gòu)調(diào)整較復(fù)雜。

優(yōu)點缺點第四節(jié)電容式傳感器(二)、面積變化型A變化→C變化

角位移型：動板轉(zhuǎn)動與定極板間互相覆蓋的面積就改變

∵覆蓋面積

∴

輸出與輸入成線性關(guān)系。

第四節(jié)電容式傳感器平面線位移型

:∵A=bx靈敏度

圓柱體線位移型：

特點：輸出與輸入成線性關(guān)系，與極距型相比靈敏度較低，適于較大直線位移及角位移測量。

第四節(jié)電容式傳感器第四節(jié)電容式傳感器（三）介質(zhì)變化型

ε變化→C變化

P71圖3－24a）、b)

第四節(jié)電容式傳感器測谷物土壤水份，空氣ε＝1

水ε＝81

完全干燥谷物ε＝2第四節(jié)電容式傳感器插入式谷物水份測量儀

應(yīng)用：液位高度、材料的厚度與介電常數(shù)、濕度。以及物料的水份第四節(jié)電容式傳感器電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。第四節(jié)電容式傳感器1.震動，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動，位置，膨脹3.撓度，變形，波動，傾斜4.尺寸，公差，分選，零件識別5.沖擊，應(yīng)變，軸向振動6.軸承振動，油膜間隙，磨擦，偏心第四節(jié)電容式傳感器二、測量電路

measurecircuit

第四節(jié)電容式傳感器

電容式傳感器將被測量轉(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、頻率信號，常用的電路有以下幾種：

第四節(jié)電容式傳感器（一）電橋型電路(bridgeciruit)

電容→電壓

將電容傳感器作為電橋的一部分，電容轉(zhuǎn)換為電壓。電橋輸出調(diào)頻波，經(jīng)放大，相敏檢波，濾波后獲得輸出。第四節(jié)電容式傳感器（二）直流極化電路

(directcurrentpolarizationcircuit)

多用于電容傳感器、壓力傳感器。外力→彈性膜片位移→電容變化→由高阻值電阻轉(zhuǎn)換為電壓。第四節(jié)電容式傳感器（三）諧振電路(resonancecircuit)

電容傳感器的電容作為諧振電路的一部分，電容傳感器的電容Cx變化

→諧振電路阻抗變化→轉(zhuǎn)換成電壓或電流→放大、檢波、輸出。第四節(jié)電容式傳感器傳感器電容是振蕩器諧振回路的一部分。傳感器電容的變化→振蕩頻率變化→鑒頻器將頻率變?yōu)殡妷?。（四）調(diào)頻電路

(frequencymodulationcircuit)

電容→頻率→電壓第四節(jié)電容式傳感器用比例運算放大器電路可將電容器間隙δ（位移）→電壓的變化。（五）運算放大器電路

(operationamplifiercircuit)

第四節(jié)電容式傳感器

運用集成電路工藝把電容敏感元件與測量電路制作在一起。硅膜兩側(cè)有壓力差→硅膜變形使電容器兩極的間距發(fā)生變化→電容量的變化。（六）電容集成壓力傳感器

(operationamplifiercircuit)

第四節(jié)電容式傳感器

第五節(jié)

電感式傳感器inductance

將被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置，基于電磁感應(yīng)原理。分類自感型互感型（差動變壓器式）可變磁阻式渦流式第五節(jié)電感式傳感器一、自感型第五節(jié)電感式傳感器（1）可變磁阻式

(changeablemagnetismresistance)

原理：據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，當(dāng)線圈通過交流電時，將產(chǎn)生自感電勢，使線圈呈現(xiàn)一定的感抗，而感抗的大小與磁路中的磁阻有關(guān)，如磁阻的變化是由非電量引起的，則由線圈感抗的變化，可測出該非電量的大小。第五節(jié)電感式傳感器

銜鐵移動時，磁路中氣隙的變化引起磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈電感的變化，電感的大小與銜鐵位置（氣隙大?。┫鄬?yīng)。因此，測出電感L即知銜鐵位移的大小?？傊?，非電量磁阻變化感抗L=f(δ)第五節(jié)電感式傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈的電感為：

(3-13)W——線圈匝數(shù)

Rm——磁路的總磁阻

第五節(jié)電感式傳感器

（3—14）l、μ、A—鐵芯導(dǎo)磁長度、磁導(dǎo)率、導(dǎo)磁截面積δ、μ0、A0—空氣隙長度、磁導(dǎo)率、導(dǎo)磁截面積第五節(jié)電感式傳感器

上式表明自感L與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。

因為，鐵芯磁阻與空氣隙的磁阻相比很小，計算時忽略

（3—15）

代入（3—13）則（3-16）第五節(jié)電感式傳感器

當(dāng)固定A0，δ變化時，L與δ呈非線性關(guān)系，此時傳感器靈敏度：

靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，δ愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會出現(xiàn)非線性誤差，為了減小誤差，通常規(guī)定在較小間隙范圍內(nèi)工作。設(shè)間隙變化范圍為（δ0、δ0＋△δ），一般取。

（3—17）第五節(jié)電感式傳感器應(yīng)用:

適用于小位移的測量，一般約為0.001～1㎜，為此可采用差動型自感傳感器，并接成橋式，輸出如下圖：

因為是接成橋式，所以信號正比于（L1-L2），0點相當(dāng)于氣隙中央，這時靈敏度可提高一倍，并改善了線性。

L1L1L2L2LL1L2第五節(jié)電感式傳感器自感L與A0成線性關(guān)系，靈敏度較低靈敏度較高，改善了線性特性靈敏度低，適用于較大位移（數(shù)毫米）測量較高靈敏度線性特性第五節(jié)電感式傳感器雙螺管線圈差動型的輸出特性如圖3-14所示。第五節(jié)電感式傳感器

（2）渦流式原理：一塊金屬板置于一只線圈附近，相互間距為δ，當(dāng)線圈中有一高頻交變電流i通過時，便產(chǎn)生磁通φ，此交變磁通通過鄰近的金屬板，金屬板上便產(chǎn)生感生電流。這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。這種渦流也將產(chǎn)生交變磁通φ1，據(jù)楞次定律，渦電流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反，φ1總是抵抗φ的變化。由于渦流磁場的作用使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化，變化程度與距離有關(guān)。第五節(jié)電感式傳感器a)高頻反射式：（集膚效應(yīng)）第五節(jié)電感式傳感器b)低頻透射式：（互感原理）第五節(jié)電感式傳感器那么影響線圈阻抗Z的因素有：

⒈線圈與金屬板間距δ；

⒉金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及線圈激磁圓頻率ω等。改變某一因素，可達(dá)到不同測量目的；改變——測位移、振動；改變ρ或μ——測材質(zhì)或探傷。原線圈的等效阻抗Z變化：第五節(jié)電感式傳感器測量電路：

⒈分壓式調(diào)幅電路

原理：圖3—16由傳感器線圈L和電容組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率：LCfp21=第五節(jié)電感式傳感器

當(dāng)諧振頻率與電源頻率（振蕩器）相同，輸出電壓最大（圖3-17），輸出為一調(diào)幅波。第五節(jié)電感式傳感器

氣隙δ變化→其輸出電壓的幅值隨δ變化（頻率不變，為振蕩器工作頻率）→由電壓的大小得到氣隙δ的大?。次灰啤⒄駝拥龋?。第五節(jié)電感式傳感器2.調(diào)頻電路

原理圖3—18，結(jié)構(gòu)同為將傳感器線圈L接入LC振蕩回路，但以諧振頻率為輸出量。原理：δ變化→L變化→f變化→通過鑒頻器進(jìn)行頻率—電壓轉(zhuǎn)換得到與δ成比例的輸出電壓。第五節(jié)電感式傳感器特點：1.結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，用于動態(tài)非接觸測量，測頭不磨損。2.測量范圍寬（0～1500μm），動態(tài)響應(yīng)好、靈敏度高（分辨力達(dá)1μm）。第五節(jié)電感式傳感器案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測油管檢測第五節(jié)電感式傳感器案例：測厚案例：零件計數(shù)第五節(jié)電感式傳感器軸向跳動（位移）徑向跳動測轉(zhuǎn)速軸心軌跡測量第五節(jié)電感式傳感器二、互感型—

差動變壓器式電感傳感器

Differentialtransformer第五節(jié)電感式傳感器利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，如圖3—19

當(dāng)線圈W1輸入交流電流i1時，線圈W2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e12，其大小與電流i1的變化率成正比。

M—比例系數(shù)，互感。原理：第五節(jié)電感式傳感器

互感型傳感器利用以上原理，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。實質(zhì)上是一個變壓器，其初級線圈接入穩(wěn)定交流電壓，次級線圈感應(yīng)產(chǎn)生一輸出電壓。當(dāng)被測參數(shù)使互感變化時，次級線圈輸出電壓也產(chǎn)生相應(yīng)變化。由于常常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱為差動變壓器。

第五節(jié)電感式傳感器注意：圖3—29與圖3—22b）結(jié)構(gòu)與工作原理均不相同。圖3-13b第五節(jié)電感式傳感器

常用的螺管差動型變壓器，其工作原理如下：

第五節(jié)電感式傳感器

由初級線圈W和兩個參數(shù)完全一致的次級線圈W1、W2組成，W1和W2反極性串聯(lián)。初級線圈W加上交流電壓時，次級線圈W1、W2分別感應(yīng)電勢e1、e2，其大小與鐵芯位置有關(guān)。當(dāng)鐵芯在中間位，兩個次級線圈所感應(yīng)的電壓完全相等，但因極性反接，所以總輸出電壓為0，即e1=e2,e0=0,當(dāng)鐵芯向上向下移動，次級線圈就有輸出，其大小和方向與鐵芯的移動距離和方向相應(yīng)。第五節(jié)電感式傳感器

為了能夠反映鐵芯位移方向性，又能補償零點殘余電壓（結(jié)構(gòu)、精度、分布電容等造成），可采用差動相敏檢波電路工作原理的電路。第五節(jié)電感式傳感器

精確度高（0.1μm），線性范圍大±100mm）,(與自感式相比，優(yōu)點為線性范圍大，缺點為接觸式測量，所以頻率相應(yīng)較低，動態(tài)性能稍差)。

直線位移，或可能轉(zhuǎn)換成為位移變化的壓力、重量等參數(shù)。特點：應(yīng)用：第五節(jié)電感式傳感器案例：板的厚度測量~案例：張力測量第五節(jié)電感式傳感器

第六節(jié)

磁電式傳感器magneticinduction

把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種傳感器，基于電磁感應(yīng)原理工作的，又稱電磁感應(yīng)式傳感器。已知，對于一匝數(shù)w

的線圈，當(dāng)穿過該線圈的磁通發(fā)生變化時，其感應(yīng)電動勢：

e取決于，而磁通變化率取決于磁場強度B及磁阻、線圈運動速度V，改變某一個因素，則會引起e變化。原理：第六節(jié)磁電式傳感器一、動圈式

顧名思義：線圈在磁場中運動切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。第六節(jié)磁電式傳感器線速度型

第六節(jié)磁電式傳感器

W

，B

，

l為常數(shù)，即感應(yīng)電動勢e與v成正比，測得e可知v

。

同上，e與角速度ω成正比，即為測速發(fā)電機，用于轉(zhuǎn)速的測量。

線速度型：角速度型：第六節(jié)磁電式傳感器測速電機角速度型第六節(jié)磁電式傳感器

圖3－36為傳感器的等效電路，經(jīng)微積分電路可測加速度或位移。微分加速度積分位移第六節(jié)磁電式傳感器二、磁阻式

magnetismresistance

第六節(jié)磁電式傳感器

線圈、磁鐵不動，運動著的物體（導(dǎo)磁材料）改變磁路磁阻Rm，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。第六節(jié)磁電式傳感器第六節(jié)磁電式傳感器

齒輪旋轉(zhuǎn)齒的凸凹引起磁阻變化磁通量變化在線圈中感應(yīng)出電動勢。注意：

與渦流式傳感器不同，結(jié)構(gòu)不同，工作原理不同，渦流式在鐵心上繞有交流電的電感線圈，而磁阻式在磁鐵上繞有感應(yīng)線圈（一個耳機可作此種傳感器，適用于軸的轉(zhuǎn)速傳感器）。頻率轉(zhuǎn)速第六節(jié)磁電式傳感器三、應(yīng)用

第六節(jié)磁電式傳感器

測轉(zhuǎn)速，偏心量，振動等。若設(shè)置積分電路可測位移，微分電路可測加速度。

結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高。輸出功率較大。（也可不要放大器）

特點：第六節(jié)磁電式傳感器NS案例：鼠籠電機轉(zhuǎn)子斷細(xì)條檢測第六節(jié)磁電式傳感器

第七節(jié)

壓電式傳感器piezoelectrictransducer一、壓電效應(yīng)

Piezoelectriceffect

第七節(jié)壓電式傳感器

一些晶體（如石英、鈦酸鋇。壓電陶瓷）受到外力作用發(fā)生變形時其內(nèi)部發(fā)生極化，從而在其表面上產(chǎn)生電荷，形成電場。當(dāng)外力去掉時，表面電荷隨之消失，這種現(xiàn)象成為壓電效應(yīng)（變形→電荷）。多用于力學(xué)參數(shù)測量。相反，若將這些晶體放置在電場中，晶體本身則產(chǎn)生機械變形，成為逆壓電效應(yīng)（電荷→變形）。

第七節(jié)壓電式傳感器第七節(jié)壓電式傳感器

石英是一種常用的壓電材料（SiO2），是一種結(jié)晶的二氧化硅，它的天然結(jié)構(gòu)是一正六面體晶粒。如圖3-31。六棱柱的中心線為z軸（或稱光軸），垂直z軸并通過棱角的軸線稱x軸（或稱電軸），垂直于棱面的軸線為y軸（機械軸），沿x軸加力產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)；沿y軸加力產(chǎn)生橫向效應(yīng)；沿相對兩平面加力產(chǎn)生切向效應(yīng)。第七節(jié)壓電式傳感器q—電荷量，

de—壓電常數(shù)，與材料和切片方向有關(guān)，

F—作用力。

如沿x軸加力F，則在垂直x方向的表面上的電荷q=deF

第七節(jié)壓電式傳感器二、壓電材料

第七節(jié)壓電式傳感器常用的壓電材料可分為三類：1、壓電單晶：石英晶體（SiO2）、鈮酸鋰特點：壓電常數(shù)不高，較好的機械強度、時間和溫度穩(wěn)定度。第七節(jié)壓電式傳感器2、壓電陶瓷：鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛特點：壓電常數(shù)比石英高數(shù)百倍，制作方便，成本低。3、壓電薄膜：特點：壓電特性不太好，但可以大量生產(chǎn)，面積大、柔軟不易破碎，可用微壓測量和機器人的觸覺。第七節(jié)壓電式傳感器二.壓電傳感器的等效電路

第七節(jié)壓電式傳感器d）等效電荷源第七節(jié)壓電式傳感器

如圖3-33所示。壓電傳感器可看作是電荷發(fā)生器，又是一個電容器。式中ε—壓電材料的相對介電常數(shù)；δ—極板間距，即晶片厚度；

A—壓電晶片工作面的面積。第七節(jié)壓電式傳感器

原則上講，測量電荷值，必須不消耗極板上電荷，這在實現(xiàn)上是困難的，那么利用壓電傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)，必須采取措施防止電荷從壓電晶片經(jīng)測量電路的漏失，（極高阻抗的負(fù)載），而動態(tài)測量時，在動態(tài)交變力作用下，可不斷補充電荷，故壓電傳感器適合做動態(tài)測量。第七節(jié)壓電式傳感器

實際壓電傳感器往往用兩個或兩個以上并接或串接的晶片。一、并接

電容量大，輸出電荷量大，時間常數(shù)大，宜于測緩變信號，宜于電荷量是輸出的場合；第七節(jié)壓電式傳感器

串接時電容量小，輸出電壓大，適于以電壓作輸出信號和測量電路輸入阻抗很高的場合。二、串接第七節(jié)壓電式傳感器

壓電式傳感器是一個具有一定電容的電荷源，電容器上的開路電壓與電荷、電容的關(guān)系為第七節(jié)壓電式傳感器等效電荷源等效電壓源第七節(jié)壓電式傳感器

當(dāng)壓電傳感器接入測量電路，聯(lián)接電纜的寄生電容就形成傳感器的并聯(lián)電容，后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器的漏電阻就形成泄漏電阻R0，為防止泄漏電阻造成電荷損失，通常要求，因此，傳感器可近似為開路。>第七節(jié)壓電式傳感器三、測量電路

第七節(jié)壓電式傳感器

由于壓電傳感器的輸出是很微弱的電荷，而且傳感器的本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來困難。通常把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗低輸出阻抗的前置放大器，經(jīng)阻抗變換，方可用一般的放大、檢波電路將信號輸出給后續(xù)儀器。第七節(jié)壓電式傳感器1.將傳感器高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；前置放大器其作用：2.放大傳感器輸出的微弱信號。第七節(jié)壓電式傳感器1.電壓放大器(voltageamplifier)

用電阻反饋的電壓放大器，輸出電壓與輸入電壓（傳感器輸出）成正比。

電路簡單，價格便宜。線性度，穩(wěn)定性好，下限截止頻率較高，且測量系統(tǒng)靈敏度與電纜長度有關(guān)。特點：第七節(jié)壓電式傳感器2．電荷放大器

(chargeamplifier)

電荷放大器是一個帶電容負(fù)反饋的高增益運算放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。

電路復(fù)雜，價格昂貴。下限截止頻率低，可低置至0.003Hz，且測量系統(tǒng)靈敏度與電纜長度無關(guān)。特點：第七節(jié)壓電式傳感器第七節(jié)壓電式傳感器四.應(yīng)用

第七節(jié)壓電式傳感器

主要用于測量動態(tài)力與加速度。（因為作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷具有在無泄漏的情況下才能保存，因此測量頻率下限受到限制。在交變力作用下，電荷可得到不斷補充，故適合于動態(tài)測量）。

第七節(jié)壓電式傳感器b)壓力變送器a)加速度計，力傳感器

第七節(jié)壓電式傳感器產(chǎn)品加速度計力傳感器

第七節(jié)壓電式傳感器案例：1、測表面粗糙度

工件表面的起伏→觸針上下移動→壓電晶片產(chǎn)生電荷→引線輸出的電信號與觸針上下移動量成正比。第七節(jié)壓電式傳感器2、壓電引爆力F撞擊壓電晶片→壓電晶片產(chǎn)生電荷→兩根線發(fā)生短路放電而產(chǎn)生火花→電雷管爆炸第七節(jié)壓電式傳感器3、煤氣灶電子點火裝置

開關(guān)往里壓→打開氣閥→旋轉(zhuǎn)開關(guān)→彈簧受力并撞擊壓電晶體→壓電晶體產(chǎn)生電荷→經(jīng)高壓線至燃燒盤產(chǎn)生高壓放電產(chǎn)生火花→點燃煤氣。第七節(jié)壓電式傳感器體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，測量頻率范圍寬（所以特別適用于燃燒，爆炸及高頻振動的測量）。特點：2.不適于靜態(tài)測量；儀器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

第七節(jié)壓電式傳感器

第八節(jié)

熱電式傳感器semiconductortransducer工作原理：把被測量（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)。按照變換方式的不同，可分為熱電偶與熱電阻傳感器。第八節(jié)熱電式傳感器一、熱電偶第八節(jié)熱電式傳感器（一）熱電偶的工作原理：

把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成圖3-39所示的閉合回路，若將它們的兩個接點分別置于溫度為T及T0（T及T0）的熱源中，則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。第八節(jié)熱電式傳感器

在圖3-39所示的熱電偶回路中，所產(chǎn)生的熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分組成。

溫差電動勢是在同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電動勢。由于高溫端（T）的電子能量比低溫端的電子能量大，故由高溫端運動到低溫端的電子數(shù)較由低溫端運動到高溫端的電子數(shù)多，使得高溫端帶正電，而低溫端帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體兩端形成一個電勢差，即溫差電動勢。第八節(jié)熱電式傳感器

當(dāng)熱電偶材料一定時，熱電偶的總電動勢EAB（T，T0）成為溫度T和T0的函數(shù)差。即

若使冷端溫度T0固定，則對一定材料的熱電偶，其總電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系式中C—由固定溫度T0決定的常數(shù)。第八節(jié)熱電式傳感器關(guān)于熱電偶回路有以下特點：⑴若組成熱電偶的回路的兩種導(dǎo)體相同，則無論兩接點溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動勢為零；⑵若熱電偶兩接點溫度相同，則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同，熱電偶回路中的總熱電動勢也為零；第八節(jié)熱電式傳感器⑶

熱電偶AB的熱電動勢與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無關(guān)，而只與接點溫度有關(guān)。⑷

熱電偶AB在接點溫度T1、T3時的熱電動勢，等于熱電偶在接點溫度為T1、T2和T2、T3時的熱電動勢總合；第八節(jié)熱電式傳感器⑸

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)線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢，這一性質(zhì)稱為中間導(dǎo)體定律；第八節(jié)熱電式傳感器⑹

當(dāng)溫度為T1、T2時，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的和，即

導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極（一般由鉑制成），故把這一性質(zhì)稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。第八節(jié)熱電式傳感器

目前，在我國被廣泛使用的熱電偶有：⑴鉑銠—鉑熱電偶（WRLB）（二）熱電偶分類特點：在1300℃以下范圍可長時間使用,在良好的使用環(huán)境下可短期測量1600℃高溫;復(fù)制精度和測量精度較高,可用于精密溫度測量和作基準(zhǔn)熱電偶;在氧化性或中性介質(zhì)中具有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性;但熱電動勢較弱,在高溫時易受還原性氣體所發(fā)出的蒸汽和金屬蒸汽的侵害而變質(zhì)等。第八節(jié)熱電式傳感器⑵鎳鉻—鎳硅（鎳鉻—鎳鋁）熱電偶（WREU）特點：化學(xué)穩(wěn)定性較高，可在氧化性或中性介質(zhì)中長時間地測量900℃以下的溫度，短期測量可達(dá)1200℃；若用于還原性介質(zhì)中，則會很快受到腐蝕，在此情況下只能用于測量500℃以下溫度；復(fù)制性好，產(chǎn)生熱電動勢大，線性好，價格便宜等優(yōu)點。測量精度偏低，但能滿足大多數(shù)工業(yè)測量的要求，是工業(yè)測量中最常用的熱電偶之一。第八節(jié)熱電式傳感器⑶

鎳鉻—考銅熱電偶（WREA）特點：適宜于還原性或中性介質(zhì)，長期使用溫度在600℃以下，短期測量可達(dá)800℃；熱電靈敏度高、價格便宜但測溫范圍低且窄，考銅合金易受氧化而變質(zhì)。第八節(jié)熱電式傳感器⑷

鉑銠30—鉑銠30（WRLL）熱電偶特點：可長期測量1600℃的高溫，短期測量可達(dá)1800℃；性能穩(wěn)定、精度高，適于在氧化性或中性介質(zhì)中使用，但它產(chǎn)生的熱電動勢小，且價格昂貴，冷端在40℃以下時，對熱電動勢可不必修正。第八節(jié)熱電式傳感器二、熱電阻傳感器第八節(jié)熱電式傳感器

利用電阻隨溫度變化的特點制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)測定。原理：

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。第八節(jié)熱電式傳感器⑴鉑電阻特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。鉑在氧化性介質(zhì)中，特別是在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定；但在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所污染，會使鉑絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系。用經(jīng)驗公式描述鉑電阻的溫度關(guān)系：第八節(jié)熱電式傳感器優(yōu)點：測量范圍為-50到150℃。銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價格便宜等優(yōu)點。在其正常測量范圍內(nèi)，有⑵銅電阻缺點：電阻率??；當(dāng)溫度超過100℃時，銅容易氧化，因此它只能在低溫和沒有浸蝕性介質(zhì)中工作。第八節(jié)熱電式傳感器1）銦電阻：高精度低溫?zé)犭娮瑁捎糜阢K電阻不能使用的低溫范圍；材料很軟，復(fù)制性差。⑶其他熱電阻2）錳電阻：在2到63K的范圍內(nèi)，電阻隨溫度變化很大，靈敏度高；磁場對錳電阻影響不大，且有規(guī)律；脆性大，難以拉制成絲。3）碳電阻：在低溫下靈敏度高、熱容量小，適合作液氦溫閾的溫度計；對磁場不敏感、價格便宜、操作方便；熱穩(wěn)定性較差。第八節(jié)熱電式傳感器

第九節(jié)

光電傳感器一、光電測量原理第九節(jié)光電傳感器

光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。用光照射某一物體，即為光子與物體的能量交換過程，這一過程中產(chǎn)生的電效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按其作用原理又分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。第九節(jié)光電傳感器

在光照作用下,物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，亦稱光電子發(fā)射效應(yīng)。在這一過程中光子所攜帶的電磁能轉(zhuǎn)換為光電子的動能。（一）外光電效應(yīng)第九節(jié)光電傳感器

金屬中存在大量的自由電子，通常它們是不能離開金屬表面。但當(dāng)電子從外界獲取到等于或大于電子逸出功的能量時，便可離開金屬表面。為使電子在逸出時具有一定的速度，就必須使電子具有大于逸出功的能量。第九節(jié)光電傳感器

當(dāng)物體受到光輻射時，其中的電子吸收了一個光子的能量，該能量的一部分用于使電子由物體內(nèi)部逸出所作的逸出功A，另一部分則為逸出電子的動能。

上式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式，它闡明了光電效應(yīng)的基本規(guī)律。第九節(jié)光電傳感器由上式可知：⑴光電子逸出表面的必要條件是。對每一種光電陰極材料，均有一個確定的光頻率閾值。當(dāng)入射光頻率低于該值時，無論入射光的強度多大，均不能引起光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于閾值頻率，即使光強極小，也會有光電子發(fā)射，且無時間延遲。第九節(jié)光電傳感器⑵當(dāng)入射光頻率成分不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光光強成正比。光強愈大，意味著入射光子數(shù)多，逸出的光電子數(shù)亦愈多。第九節(jié)光電傳感器⑶對于外光電效應(yīng)器件來說，只要光照射在器件陰極上，即使陰極電壓為零，也會產(chǎn)生光電流，這是因為光電子逸出時具有初始動能。要使光電流為零，必須使光電子逸出物體表面時的初速度為零。為此要在陽極加一反射截止電壓U0，使外加電場對光電子所作的功等于光電子逸出時的動能，即：第九節(jié)光電傳感器

反向截止電壓僅與入射光頻率成正比，與入射光光強無關(guān)。

外光電效應(yīng)器件有光電管和光電倍增管等。第九節(jié)光電傳感器

在光照作用下，物體的導(dǎo)電性能如電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱內(nèi)光電效應(yīng)，又稱光導(dǎo)效應(yīng)。在光輻射作用下，物體內(nèi)部的原子吸收光能量，獲得能量的電子擺脫原子束縛成為物體內(nèi)部的自由電子，從而使物體的導(dǎo)電性發(fā)生改變。內(nèi)光電效應(yīng)不發(fā)生電子逸出。（二）內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)器件有光敏電阻以及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管。第九節(jié)光電傳感器

在光線照射下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)?；诠馍蛐?yīng)的器件有光電池，光電池廣泛用于把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，亦稱為太陽能電池。（三）光生伏打效應(yīng)第九節(jié)光電傳感器光電池的作用原理

+++---PN第九節(jié)光電傳感器

一般光電池有硒、硅、硫化鎘，使用較廣者為硅光電池。

光電池直接將光能轉(zhuǎn)換成電能；受光照射時，可直接輸出電勢，實質(zhì)上是一個電源。用光照射時，在PN結(jié)附近，由于吸收了光子能量而產(chǎn)生電子與空穴，此稱之為光生載流子。第九節(jié)光電傳感器二、光電元件第九節(jié)光電傳感器

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。（一）真空光電管或光電管第九節(jié)光電傳感器

光電管的特性主要取決于光電陰極材料，不同的陰極材料對不同波長的光輻射有不同的靈敏度。表征光電陰極材料特性的主要參數(shù)是它的頻譜靈敏度、紅限和逸出功。第九節(jié)光電傳感器

光電倍增管在光電陰極和陽極之間裝了若干個“倍增極”，或叫“次陰極”。倍增極上涂有在電子轟擊下能反射更多電子的材料，倍增極的形狀和位置設(shè)計成正好使前一級倍增極反射的電子繼續(xù)轟擊后一級倍增極。在每個倍增極間依次增大加速電壓，如圖3-47a所示。（二）光電倍增管第九節(jié)光電傳感器第九節(jié)光電傳感器

某些半導(dǎo)體材料（如硫化鎘等）受到光照時，若光子能量大于本征半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，價帶中的電子吸收一個光子后便可躍遷到導(dǎo)帶，從而激發(fā)出電子-空穴對，于是降低了材料的電阻率，增強了導(dǎo)電性能。阻值的大小隨光照的增強而降低，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。（三）光敏電阻(photosensitiveresistance)

第九節(jié)光電傳感器第九節(jié)光電傳感器

光敏電阻的特點：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，因此廣泛用于測試技術(shù)。第九節(jié)光電傳感器⑴光電流、暗電阻、亮電阻：光敏電阻在未受到光照條件下呈現(xiàn)的阻值稱為“暗電阻”，此時通過的電流稱為“暗電流”。光敏電阻在特定光照條件下呈現(xiàn)的阻值稱為“亮電阻”，此時通過的電流稱為“亮電流”。亮電流與暗電流之差稱為“光電流”。光電流的大小表征了光敏電阻的靈敏度大小。一般希望暗電阻大（暗電流小），亮電阻小（亮電流大），這樣相應(yīng)的光電流大。

光敏電阻的主要特征參數(shù)有以下幾種：第九節(jié)光電傳感器⑵光照特性：光敏電阻的光電流I與光通量F的關(guān)系曲線稱為光敏電阻的光照特性。一般來說光敏電阻的光照特性曲線呈非線性，且不同材料的光照特性不同。⑶

伏安特性：在一定光照下，光敏電阻兩端所施加的電壓與光電流之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。當(dāng)給定偏壓時，光照度越大，光電流越大；在一定的照度下，所加電壓越大，光電流也越大，且無飽和現(xiàn)象。第九節(jié)光電傳感器⑷光譜特性：對不同波長的入射光，光敏電阻的相對靈敏度是不一樣的。光敏電阻的光譜特性與材料性質(zhì)、制造工藝有關(guān)。⑸響應(yīng)時間特性：光敏電阻的光電流對光照強度的變化有一定的響應(yīng)時間，通常用時間常數(shù)來描述。光敏電阻自光照停止到光電流下降至原值的63%時所經(jīng)過的時間稱為光敏電阻的時間常數(shù)。不同的光敏電阻的時間常數(shù)不同，因而其響應(yīng)時間特性也不同。第九節(jié)光電傳感器

光敏電阻阻值的變化與光波波長有關(guān)，不同材料的光譜特性不同，要據(jù)入射光波長選擇材料。第九節(jié)光電傳感器⑹光譜溫度特性：溫度升高時，暗電流和靈敏度下降。溫度的變化影響到光敏電阻的光譜特性，因此有時為了提高光敏電阻對較長波長光照（如遠(yuǎn)紅外光）的靈敏度，要采用降溫措施。用途：光敏電阻一般用作開關(guān)式光電傳感器第九節(jié)光電傳感器

光敏晶體管分光敏二極管和光敏三極管。光敏二極管的敏感元件是一個具有光敏特性的PN結(jié)，如圖a。（四）光敏晶體管

結(jié)構(gòu)簡化模型

基本電路第九節(jié)光電傳感器

光敏三極管有兩個PN結(jié)，其把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的同時，將信號電流放大。結(jié)構(gòu)簡化模型

基本電路第九節(jié)光電傳感器（1）光照特性：光敏二極管特性曲線的線性度要要與光敏晶體管，這與三極管的放大特性有關(guān)。（2）伏安特性：在不同照度下，光敏二極管和光敏三極管的伏安特性曲線跟一般晶體管在不同基極電流時的輸出特性一致。但是光敏三極管的光電流比光敏二極管的光電流大數(shù)百倍。此外，光敏二極管在零偏壓時仍有輸出。

光敏晶體管的基本特性有：第九節(jié)光電傳感器（3）光譜特性：入射波長增加時，光敏晶體管的相對靈敏度均下降；當(dāng)入射波長縮短時，光敏晶體管的靈敏度也會下降。（4）溫度特性：光敏晶體管的暗電流受溫度變化的影響較大，而輸出電流受溫度變化的影響較小。使用時需采取溫度補償措施。（5）響應(yīng)時間：光敏管的輸出與光照之間有一定的響應(yīng)時間，與光敏元件所用的材料有關(guān)。

光敏晶體管的基本特性有：第九節(jié)光電傳感器三、光電傳感器的應(yīng)用第九節(jié)光電傳感器

光電傳感器可應(yīng)用于檢測多種非電量。由于光通時對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：第九節(jié)光電傳感器

把被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值對應(yīng)關(guān)系。有以下幾種：（一）模擬量光電傳感器⑴被測量是光源?？捎糜诠怆姳壬邷赜嬛?。第九節(jié)光電傳感器⑵恒光源所輻射的光穿過被測物，部分被吸收，而后到達(dá)光電元件上。第九節(jié)光電傳感器⑶恒光源所輻射的光照到被測物，由被測物反射到達(dá)光電元件上。第九節(jié)光電傳感器⑷恒光源所輻射的光遇到被測物，部分被遮擋，而后到達(dá)光電元件上，由此改變了照射到光電元件上的光通量。第九節(jié)光電傳感器

把被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光電流，而自動檢測系統(tǒng)輸出的為開關(guān)量或數(shù)字電信號。屬于這一類的傳感器大多用在光機電結(jié)合的檢測裝置中。如電子計算機的光電輸入機、轉(zhuǎn)速表的光電傳感器與用于精確角度測量的光電式編碼器。（二）開關(guān)量光電傳感器

光電傳感器已在機床業(yè)的數(shù)控、自動化及計量業(yè)中廣泛應(yīng)用。第九節(jié)光電傳感器

角度-數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)廣泛用于簡易數(shù)控機械系統(tǒng)中。按工作原理可分為脈沖盤式和碼盤式兩種。⑴脈沖盤式角度-數(shù)字編碼器

脈沖盤式角度-數(shù)字編碼器的結(jié)構(gòu)如圖3-51所示。第九節(jié)光電傳感器電脈沖數(shù)等于轉(zhuǎn)過的縫隙數(shù)。若將得到的脈沖信號送到計數(shù)器中，則計數(shù)碼即可反映圓盤轉(zhuǎn)過的角度。圖3-51脈沖盤式角度-數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)示意圖第九節(jié)光電傳感器

若采用兩套光電轉(zhuǎn)換裝置，使其相對位置有一定的關(guān)系，以保證它們產(chǎn)生的信號在相位上相差1/4周期，這樣可判斷軸的旋轉(zhuǎn)方向。如圖3-52所示。第九節(jié)光電傳感器⑵碼盤式角度-數(shù)字編碼器

碼盤式角度-數(shù)字編碼器是按角度直接進(jìn)行編碼的傳感器，通常把它裝在檢測軸上。按其結(jié)構(gòu)可把它分為接觸式、光電式和電磁式。碼盤結(jié)構(gòu)如圖3-53所示。第九節(jié)光電傳感器第九節(jié)光電傳感器

如圖3-53a為一個接觸式四位二進(jìn)制碼盤，涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)。所有導(dǎo)電部分連接在一起接高電位，空白部分為絕緣區(qū)。在每圈碼道上都有一個電刷，電刷經(jīng)電阻接地。當(dāng)碼盤與軸一起轉(zhuǎn)動時，電刷上將出現(xiàn)相應(yīng)的電位，對應(yīng)一定的數(shù)碼。第九節(jié)光電傳感器

若采用n位碼盤，則能分辨的角度為

位數(shù)n越大，能分辨的角度越小，測量精度越高。二進(jìn)制碼盤很簡單，但實際應(yīng)用中對碼盤的制作和電刷（或光電元件）的安裝要求十分嚴(yán)格，否則就可能產(chǎn)生無法估計的很大的數(shù)值誤差，這種誤差稱為非單值性誤差。第九節(jié)光電傳感器

為了消除非單值誤差，通常用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼（見圖3-53b）。循環(huán)碼的特點是相鄰的兩個數(shù)碼只有一位是變化的。

接觸式碼盤優(yōu)點：簡單、體積小、輸出信號功率大；缺點：有磨損、壽命短、轉(zhuǎn)速不能太高。第九節(jié)光電傳感器⑶光電式角度-數(shù)字編碼器

碼盤結(jié)構(gòu)如圖3-54所示。第九節(jié)光電傳感器四、應(yīng)用實例第九節(jié)光電傳感器

轉(zhuǎn)速、位移，實現(xiàn)自動檢測和控制。

排種監(jiān)控或計件

應(yīng)用：轉(zhuǎn)速測量數(shù)字頻率計第九節(jié)光電傳感器

扭矩→光柵盤相對開度變化→光電流成比例變化→據(jù)電流的變化可知扭矩光柵盤第九節(jié)光電傳感器照相機自動測光光控?zé)艄I(yè)控制第九節(jié)光電傳感器第九節(jié)光電傳感器第九節(jié)光電傳感器第九節(jié)光電傳感器第九節(jié)光電傳感器第九節(jié)光電傳感器

第十節(jié)

光纖傳感器opticalfiber一、光纖結(jié)構(gòu)及傳光原理

第十節(jié)光纖傳感器

光纖一般為圓柱形結(jié)構(gòu)，由纖心n1

、包層n2和保護(hù)層n3組成。且折射率n3>>n2n2

<n1。第十節(jié)光纖傳感器：向前傳播：消失數(shù)值孔徑NA第十節(jié)光纖傳感器二、分類

第十節(jié)光纖傳感器

不僅起著傳輸光信號的作用，又是敏感元件。利用光纖本身感受被測物理量作用而發(fā)生變化的特性來工作。僅起傳輸信號作用，不是敏感元件。

功能型：傳光型：第十節(jié)光纖傳感器功能型

當(dāng)壓力引起光纖變形時，其傳輸特性就會變化。

由于壓力引起膜片位置變化，則輸入信號也發(fā)生變化傳光型膜片

第十節(jié)光纖傳感器三、應(yīng)用

第十節(jié)光纖傳感器光纖檢測型光電傳感器顏色檢測第十節(jié)光纖傳感器第十節(jié)光纖傳感器第十節(jié)光纖傳感器第十節(jié)光纖傳感器第十節(jié)光纖傳感器

第十一節(jié)

半導(dǎo)體傳感器semiconductortransducer

半導(dǎo)體材料有一個重要特性是對光、熱、力、磁、氣體、濕度等理化量敏感，那么利用半導(dǎo)體材料這些特性，可作為非電量電測的轉(zhuǎn)換元件。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器1.物性型，結(jié)構(gòu)簡單，體積??；2.功耗低，壽命長；3.靈敏度高，響應(yīng)快，易于集成化。

1.輸入、輸出非線性，需要用線性化電路，2.受溫度影響大，需要用溫度補償，3.性能參數(shù)分散性大。優(yōu)點：缺點：第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器一、磁敏傳感器(一)霍爾元件第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

霍爾元件是一半導(dǎo)體磁電元件，在元件的控制電流端通以電流，并在元件平面法線方向上，施加磁感應(yīng)強度為B的磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生一個電勢VH，其大小正比于電流強度和磁感應(yīng)強度B的乘積，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。原理：第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器（一）、霍爾效應(yīng)

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

電勢VH稱為霍爾電勢，其大小為——霍爾常數(shù)

；

——輸入端控制電流；B——磁感應(yīng)強度；

——電流與磁場方向夾角。

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

據(jù)此，若改變B或，就可改變，那么就可以將被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為B或的變化，而進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電壓的變化。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器（二）、應(yīng)用

1、線位移(linedisplacement)

變化相當(dāng)于B變化

變化，測得可知第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器2、角位移(angledisplacement)

角位移相當(dāng)于B變化

變化測得，可知第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器3、轉(zhuǎn)速(rotatespeed)

轉(zhuǎn)動脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器4、無觸點接近開關(guān)

運動導(dǎo)軌帶動磁鐵，到達(dá)元件上方時，便有輸出，經(jīng)放大控制元件的進(jìn)一步動作，致使車床走刀自動停止。運動導(dǎo)軌第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器5、無損探傷

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

結(jié)構(gòu)簡單、體積小，頻率范圍寬，動態(tài)范圍大，壽命長，但受溫度影響較大。特點：第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器二、熱敏電阻第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

利用半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)顯著變化的特性，制成熱敏元件，具有負(fù)的溫度系數(shù)，即隨溫度上升而阻值下降。原理：第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器RT第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器1）靈敏度高，可測量0.001～0.005℃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，時間常數(shù)可小到毫秒級；3）元件本身的電阻值可在3～700kΩ之間選擇，在-50～350℃范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性。非線性，對環(huán)境溫度敏感。優(yōu)點：缺點：第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器產(chǎn)品第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器溫控器應(yīng)用還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器三、氣敏傳感器

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器

如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達(dá)0.8～1.15ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟?。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、乙醇等時，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器實驗室中的傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器燃?xì)鈭缶鳠熿F報警器

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器檢測廚房內(nèi)的可燃性氣體第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器四、濕敏傳感器

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器原理：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。隨著濕度的增加，半導(dǎo)體陶瓷的阻值可下降三至四個數(shù)量級。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器濕敏傳感器嵌入玻璃的加熱電阻絲第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器五、固態(tài)圖像傳感器

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

采用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號輸出的一種大規(guī)模集成電路光電器件，常稱CCD器件（電荷耦合器件），其工作過程是：首先由光電學(xué)系統(tǒng)將被測系統(tǒng)將被測物體成像在CCD的受光面上，受光面下的許多光敏單元形成了許多象素點，這些象素點將按它的光強轉(zhuǎn)換成電荷信號并存儲；然后在時鐘脈沖信號控制下，將反映光像的被存儲的電荷信號讀取并順序輸出，從而完成從光圖像到電信號的轉(zhuǎn)化過程。

原理：第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

CCD的基本結(jié)構(gòu)，是在N型或P型硅襯底上生成厚約120nm的二氧化硅層，然后在該二氧化硅層上依一定次序沉淀金屬電極，形成MOS(金屬－氧化物－硅)電容器陣列，最后加上輸入、輸出端便形成CCD器件，具有電荷的產(chǎn)生、存儲和轉(zhuǎn)移的功能。

第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器圖像傳感器工作示意圖

通過透鏡將工件放大成像于CCD傳感器上，在時鐘脈沖信號控制下，將CCD輸出信號處理并顯示。可實現(xiàn)對工件形狀和尺寸的非接觸自動測量。第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

小型輕便，響應(yīng)快，靈敏度高，穩(wěn)定性好，以光為媒介可以到達(dá)危險的地點。1.物位，尺寸，形狀，工件損傷等。2.作為光學(xué)信息處理的輸入環(huán)節(jié)，如圖像識別技術(shù)中的輸入環(huán)節(jié)。3.自動生產(chǎn)過程的控制敏感元件。特點：應(yīng)用：第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器七、集成傳感器第十一節(jié)半導(dǎo)體傳感器

第十二節(jié)

紅外測試系統(tǒng)一、紅外輻射第十二節(jié)半導(dǎo)體傳感器

紅外輻射又稱紅外線（光），指太陽光中波長比紅光長的那部分不可見光。

經(jīng)外線的波長大致在0.76~1000m的范圍內(nèi)，相對應(yīng)的頻率大致在4×104~3×1011Hz之間。通常根據(jù)紅外