傳感器的轉(zhuǎn)換原理

傳感器的轉(zhuǎn)換原理（第二章）1傳感器的概述傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。在有些學(xué)科領(lǐng)域，傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉(zhuǎn)換器等。這些不同提法，反映了在不同的技術(shù)領(lǐng)域中，只是根據(jù)器件用途對(duì)同一類型的器件使用著不同的技術(shù)術(shù)語而已。如在電子技術(shù)領(lǐng)域，常把能感受信號(hào)的電子元件稱為敏感元件，如熱敏元件、磁敏元件、光敏元件及氣敏元件等，在超聲波技術(shù)中則強(qiáng)調(diào)的是能量的轉(zhuǎn)換，如壓電式換能器。這些提法在含義上有些狹窄，而傳感器一詞是使用最為廣泛而概括的用語。傳感器技術(shù)的特點(diǎn)涉及多學(xué)科與技術(shù)，包括材料科學(xué)，機(jī)密機(jī)械、微電子、機(jī)械加工工藝、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理學(xué)、生物化學(xué)、測試技術(shù)等。品種繁多，被測參數(shù)包括熱工量、電工量、化學(xué)量、物理量、機(jī)械量、生物量、狀態(tài)量等。應(yīng)具有高穩(wěn)定性、高可靠性、高重復(fù)性、低遲滯、快響應(yīng)和良好的環(huán)境適應(yīng)性。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，無論是高興技術(shù)，還是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，都需要應(yīng)用大量的傳感器。應(yīng)用要求千差萬別，有的量大面廣，有的專業(yè)性很強(qiáng)，有的要求高精度，有的要求高穩(wěn)定性，有的要求高可靠性；有的要求耐振動(dòng)，有的要求防爆等。發(fā)展相對(duì)緩慢。研制一旦成熟，其生命力強(qiáng)，如應(yīng)變式傳感技術(shù)已有70年的歷史，目前仍然占有重要的地位。傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢近年來傳感器技術(shù)發(fā)展的主要趨勢表現(xiàn)在一下5個(gè)方面。1）新材料、新功能的開發(fā)應(yīng)用傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，無論是何種傳感器，都要選擇恰當(dāng)?shù)牟牧蟻碇谱?，而且要求多用的材料具有?yōu)良的機(jī)械特性，不能有材料缺陷。近年來，在傳感器技術(shù)領(lǐng)域，所應(yīng)用的新型材料主要有以下幾類。半導(dǎo)體硅材料包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、硅藍(lán)寶石等。由于硅材料具有相互兼容、優(yōu)良的電學(xué)特性和機(jī)械特性，因此面采用硅材料研制出各種類型的硅微結(jié)構(gòu)傳感器。石英晶體材料包括壓電石英晶體和熔凝石英晶體（又稱石英玻璃），它具有極高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和非常好的溫度穩(wěn)定性。同時(shí)，天然的石英晶體還具有良好的壓電特性。因此，可采用石英晶體材料來研制各種微型化的高精密傳感器。功能陶瓷材料近年來，一些新型傳感器是利用某些精密陶瓷材料的特殊功能來達(dá)到測量目的的，因此，探索一直材料的新功能或研究具有新功能的新材料都對(duì)研制這類新型配方，制造出多要求性能的功能材料。例如氣體傳感器的研制，就可以用不同配方混合的原料，在精密調(diào)制化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，經(jīng)高精度成型燒結(jié)而成為對(duì)某一種氣體進(jìn)行識(shí)別的功能識(shí)別陶瓷，用以制成新型氣體傳感器。這種功能陶瓷材料的進(jìn)步意義非常大，因?yàn)楸M管半導(dǎo)體硅材料以廣泛用于制作各種傳感器，但它存在工作上限溫度低的缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用范圍。按上述方法可自由配方燒結(jié)而成的功能陶瓷材料不僅具有半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)，而且其工作溫度上限很高，大大拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。所以開發(fā)新型功能材料是發(fā)展傳感技術(shù)的關(guān)鍵之一。此外，一些化合物半導(dǎo)體材料、復(fù)合材料、薄膜材料、形狀記憶合金材料等在傳感器技術(shù)中葉得到了成功的應(yīng)用。2）微機(jī)械加工工藝的發(fā)展傳感器有逐漸小型化、微型化的趨勢，這些為傳感器的應(yīng)用帶來了許多方便。以IC制造技術(shù)發(fā)展起來的為機(jī)械加工工藝可是被加工的敏感材料的尺寸達(dá)到微米、亞微米級(jí)，并可以批量生產(chǎn)，從而制造出微型化而價(jià)格便宜的傳感器。為機(jī)械加工工藝主要包括以下幾類。平面電子加工工藝技術(shù)，如光刻、擴(kuò)散、沉積、氧化、濺射等。選擇性的三維刻蝕工藝技術(shù)，如各向異性腐蝕技術(shù)、外延技術(shù)、犧牲層技術(shù)、LIGA技術(shù)(X射線深層光刻，電鑄成型，注塑工藝的組合)等。固相鍵合工藝技術(shù)，如Si-Si鍵合，它是通過對(duì)兩個(gè)需要對(duì)接基片的表面進(jìn)行活化處理，在室溫下把兩個(gè)熱氧化硅片面對(duì)面地接觸，再經(jīng)一定溫度退火即可使兩硅片鍵合為一體。鍵合可以實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)，且強(qiáng)度、氣密性好。機(jī)械切割技術(shù)，制造硅微機(jī)械傳感器時(shí)，是把多個(gè)芯片制作在一個(gè)基片上，因此，需要將每個(gè)芯片用分離切斷技術(shù)分割開來，以避免損傷和殘余應(yīng)力。整體封裝工藝技術(shù)，講傳感器芯片封裝于一個(gè)合適的腔體內(nèi)，隔離外加干擾對(duì)傳感器芯片的影響，使傳感器工作于較理想的狀態(tài)。傳感器的多功能化發(fā)展一般的傳感器多為單個(gè)參數(shù)測量的傳感器，近年來，出現(xiàn)了利用一個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測量的多功能傳感器。如一種同時(shí)檢測Na+，K+，H+離子的傳感器，可檢測血液中的鈉、鉀和氫離子的濃度，對(duì)診斷心血管疾病非常有意義。該傳感器的尺寸為2.5mmX0.5mmX0.5mm，可直接用導(dǎo)管送到心臟內(nèi)進(jìn)行檢測。傳感器的智能化發(fā)展對(duì)著微處理器技術(shù)的進(jìn)步，傳感器技術(shù)正在向智能化方向發(fā)展，這也是信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。所謂智能化傳感器就是將傳感器獲取信息的功能與微處理器的信息分析、處理等功能緊密結(jié)合在一起的傳感器。由于微處理器具有計(jì)算與邏輯判斷功能，股可以方便的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、變換、校正補(bǔ)償、存儲(chǔ)記憶、輸出標(biāo)準(zhǔn)化等；同時(shí)實(shí)現(xiàn)必要的自我診斷、自檢測，以及通信與控制等功能。此外，近年來，一些專家、學(xué)者提出了模糊傳感器、符號(hào)傳感器等新概念。傳感器模型及其仿真技術(shù)針對(duì)傳感器技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)，傳感器技術(shù)充分體現(xiàn)了綜合性。涉及敏感元件輸入輸出特性規(guī)律的參數(shù)越來越多、影響傳感器輸入輸出特性的環(huán)節(jié)越來越多。因此，分析、研究傳感器的特性，設(shè)計(jì)、研制傳感器的過程，甚至在選用、對(duì)比傳感器時(shí)，都要對(duì)傳感器的工作機(jī)理經(jīng)行有針對(duì)性的建立模型和進(jìn)行深入細(xì)致的模擬計(jì)算。總之，近年來傳感器技術(shù)得到了較快的發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)者各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步。有理由相信：傳感器技術(shù)的發(fā)展，必將為信息技術(shù)領(lǐng)域及其他技術(shù)領(lǐng)域的新發(fā)展、新進(jìn)步帶來新的動(dòng)力和活力。2信息獲取與信息感知2.1信息獲取2.1.1信息獲取的基本概念信息是事物運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)與方式，是事物的一種屬性。自然界的一切都在運(yùn)動(dòng)著，都在不停地傳遞著各種各樣的信息。所謂信息獲取是指人類從自然界或潛在的信息源獲取信息，經(jīng)感知、轉(zhuǎn)換、處理、傳輸、識(shí)別、理解、判斷、歸納等過程，轉(zhuǎn)化為人們認(rèn)識(shí)信息源運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與方式的依據(jù)。人類依靠五官獲取信息，而傳感器作為五官的延伸，成為獲取信息的工具。信息理論是研究信息的產(chǎn)生、獲取、度量、變換、傳輸、處理、識(shí)別和應(yīng)用的一門科學(xué)。信息的產(chǎn)生與獲取主要依賴于信息源。按照信息論分類，信息源主要分三類：自然信息源自然信息員是物理、化學(xué)、生物、天體和和地學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的自然信息。自然信息的獲取主要依賴于傳感器或傳感系統(tǒng)與裝備。社會(huì)信息源社會(huì)信息源包括經(jīng)濟(jì)、政治、金融、管理和市場等各種信息。社會(huì)信息主要靠社會(huì)調(diào)查，并經(jīng)數(shù)學(xué)方法處理后獲得。知識(shí)信息源知識(shí)信息源是古今中外留存下來的知識(shí)和專家的經(jīng)驗(yàn)中包含的大量信息。主要靠各種記錄媒介和知識(shí)工程方法獲取。2.1.2傳感器的任務(wù)是信息感知傳感器能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的期間或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是感知信息源信息的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受到的信息轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號(hào)部分。所以，傳感器的任務(wù)是感知信息，是遵循一定的規(guī)律將信息源的信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于識(shí)別和分析處理的物理量或信號(hào)的裝置。大多數(shù)傳感器是將各種自然信息轉(zhuǎn)換成電氣量，如電壓或電流信號(hào)等。傳感器作為實(shí)用的器件，應(yīng)該滿足一些必須的條件：輸出信號(hào)與被測對(duì)象之間具有唯一確定的英國關(guān)系；輸出信號(hào)是被測對(duì)象參數(shù)的單值函數(shù)；輸出信號(hào)具有盡可能寬的動(dòng)態(tài)范圍和良好的響應(yīng)特性；輸出信號(hào)具有足夠高的分辨率，可以獲得被測的預(yù)選對(duì)象微小變化的信息；輸出信號(hào)具有比較高的信號(hào)噪聲比；對(duì)被測對(duì)象的擾動(dòng)盡可能小，盡可能不消耗被測系統(tǒng)的能量，不改變被測系統(tǒng)原有狀態(tài)；輸出信號(hào)能夠與電子學(xué)系統(tǒng)或光學(xué)系統(tǒng)匹配，是與傳輸和處理；性能穩(wěn)定，不受非測量參數(shù)因素的影響；便于加工制造。傳感器涉及的基礎(chǔ)理論傳感技術(shù)正在成為多學(xué)科交匯點(diǎn)傳感技術(shù)是關(guān)于自然信息源獲得信息，并對(duì)之進(jìn)行處理和識(shí)別的一門多學(xué)科交叉的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)，它涉及傳感器、信息處理和識(shí)別的規(guī)劃涉及、開發(fā)、制造、測試、應(yīng)用及評(píng)價(jià)改進(jìn)等活動(dòng)?，F(xiàn)實(shí)世界的信息是通過傳感器獲得的，與人們的生活息息相關(guān)。各種物理量、化學(xué)量或生物量的傳感器已大舉進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化、汽車工業(yè)、航天、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域，且在無線通信、消費(fèi)品、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有著廣泛的發(fā)展空間。傳感器的種類繁多，傳感技術(shù)幾乎涉及現(xiàn)代科技的所有領(lǐng)域的各種理論知識(shí)。自然規(guī)律是傳感技術(shù)的理論依據(jù)傳感器的任務(wù)是信息感知，其理論依據(jù)是涉及現(xiàn)實(shí)感受并轉(zhuǎn)換信息、增強(qiáng)感受信息、提升識(shí)別理解信息的能力的各種自然規(guī)律以及物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)等學(xué)科中與信息提取相關(guān)的定律、定理。它們可以歸納為四個(gè)方面：自然界普遍適用的自然規(guī)律；物質(zhì)相互作用的效應(yīng)原理；實(shí)現(xiàn)效應(yīng)的功能材料；相關(guān)技術(shù)學(xué)科的前沿技術(shù)。2.2.3傳感理論基礎(chǔ)傳感器要正確執(zhí)行其功能，獲得良好的性能，必須遵守和利用多種自然科學(xué)規(guī)律。凡是不符合自然科學(xué)規(guī)律的，是不可能成為傳感器的。歸納已有的傳感器情況，涉及的自然定律和基礎(chǔ)理論有：自然界普遍適用的自然規(guī)律守恒定律。它包括能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、電荷守恒定律等。關(guān)于場的定律。它包括動(dòng)力場的運(yùn)動(dòng)定律、電磁感應(yīng)定律和光的電磁場干涉定律等。物質(zhì)定律。它包括力學(xué)、熱學(xué)、梯度流動(dòng)的傳輸和量子現(xiàn)象等。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)法則。物質(zhì)相互作用的效應(yīng)原理及功能材料傳感技術(shù)涉及材料的研究開發(fā)工作，可以歸納為下述三個(gè)方向：

在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后是它們能夠在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際適用。探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來改進(jìn)傳感器技術(shù)。在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施。測量及誤差理論傳感器是一種測量器件，一個(gè)理想的傳感器我們希望它們具有線性的輸入輸出關(guān)系。但由于敏感元件材料的物理性質(zhì)缺陷和處理電路噪聲等因素的影響，實(shí)際傳感器輸入輸出總是存在非線性關(guān)系，存在著各式各樣的誤差。在測量系統(tǒng)中，傳感器作為前段器件，其誤差將直接影響測量系統(tǒng)的測量精度，所以傳感器與測量及誤差理論息息相關(guān)。信息論、系統(tǒng)論與控制論系統(tǒng)論要求把食物當(dāng)做一個(gè)整體或系統(tǒng)來研究，并用數(shù)學(xué)模型去描述和確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為；控制論事研究系統(tǒng)的狀態(tài)、功能、行為方式及變動(dòng)趨勢，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，揭示不同系統(tǒng)的共同控制規(guī)律，是系統(tǒng)按照預(yù)定目標(biāo)運(yùn)行的科學(xué)技術(shù)；信息論是由美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)創(chuàng)立的，它是用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，從量的方面來研究系統(tǒng)的信息是如何獲取、加工、處理、傳輸和控制的一門科學(xué)。非線性科學(xué)理論非線性科學(xué)目前有六個(gè)主要的研究領(lǐng)域，即：混沌、分形、模式形成、孤立子、元胞自動(dòng)機(jī)和復(fù)雜系統(tǒng)，而構(gòu)筑多種多樣學(xué)科的共同主題乃是所研究系統(tǒng)的非線性。相關(guān)學(xué)科定理、方法及其最新成果傳感技術(shù)是一個(gè)綜合性交叉，它的應(yīng)用更是無所不在，所以從物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科到所有工程技術(shù)學(xué)科中涉及信息能量交換、信號(hào)處理的理論、定律、方法及其最新發(fā)展成果都將影響傳感技術(shù)的發(fā)展。3傳感器的組成和分類3.1傳感器的組成傳感器的輸出信號(hào)通常是電量，它便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等。電量有很多形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號(hào)部分。由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱，因此需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可能安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有輔助的電源，因此，信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。傳感器組成框圖如圖1-1所示。陛則里-敏感元件—-轉(zhuǎn)換元件—4信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路；［輔助電源III［輔助電源I圖1傳感器組成框圖3.2傳感器的分類從量值變換這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)每一種(物理)效應(yīng)都可在理論上或原理上構(gòu)成一類傳感器，因此，傳感器的種類繁多。在對(duì)非電量的測試中，有的傳感器可以同時(shí)測量多種參量，而有時(shí)對(duì)一種物理量又可用多種不同類型的傳感器進(jìn)行測量。目前采用較多的傳感器分類方法主要有以下幾種。1）按被測物理量分類這種方法明確表明了傳感器的用途，便于使用者選擇，如位移傳感器用于位移測量等。2）按傳感器工作原理分類這種方法表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，如電感式傳感器、電容式傳感器等。3）按傳感器轉(zhuǎn)換能量的情況分類①能量轉(zhuǎn)換型又稱發(fā)電型，不需外加電源而被測能量轉(zhuǎn)換成電能輸出，這類傳感器有壓電式、熱電偶、光電池等。②能量控制性又稱參量型，需外加電源才能輸出電能量。這類傳感器有電阻、電感、霍爾式等傳感器，以及熱敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等。4）按傳感器工作機(jī)理分類①結(jié)構(gòu)型被測參數(shù)變化引起傳感器的結(jié)構(gòu)變化，使輸出電量變化，利用物理學(xué)中場的定律和運(yùn)動(dòng)定律等構(gòu)成，如電感式、電容式。②物性型利用某些物質(zhì)的某種性質(zhì)隨被測參數(shù)變化的原理構(gòu)成。傳感器的性能和材料密切相關(guān)，如壓電傳感器、各種半導(dǎo)體傳感器等。5）按傳感器輸出信號(hào)的形式分類①模擬式傳感器輸出為模擬量。②數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，如編碼器式傳感器。3.2.1基于自然規(guī)律的傳感器傳感器是信息的源頭技術(shù)，傳感器之所以能夠正確傳遞信息，具有信息轉(zhuǎn)換功能，是因?yàn)樗昧俗匀灰?guī)律中得各種定律、法則和效應(yīng)。守恒定律守恒定律是自然界最重要也是最基本的定律，它是自然界普遍遵守的定律之一。即某一種物理量，它既不會(huì)自己產(chǎn)生，也不會(huì)自行消失，其總量守恒。包括：能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、角動(dòng)量守恒定律、電荷守恒定律及信息守恒定律等。它們的具體定義這里就不在贅述。利用守恒定律可以構(gòu)成傳感器，器基本測量原理是以能量守恒定律、伯努利方程和流動(dòng)連續(xù)性方程（皮托管）為基礎(chǔ)。例如皮托管式風(fēng)速傳感器和螺旋槳風(fēng)速傳感器。1．皮托管式風(fēng)速傳感器皮托管是測壓管，由于其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，理論研究完善而得到廣泛應(yīng)用。皮托管根據(jù)流體流動(dòng)引起的壓差進(jìn)行流速檢測。標(biāo)準(zhǔn)皮托管是一根彎成直角的金屬細(xì)管，它由感測頭、外管、內(nèi)管、管柱與全壓、靜壓引出導(dǎo)管等組成。在皮托管頭部的頂端，迎著來流開有一個(gè)小孔，小孔平面與流體流動(dòng)方向垂直。在皮托管頭部靠下游的地方，環(huán)繞管壁的外側(cè)又開了多個(gè)小孔，流體流動(dòng)的方向與這些小孔的孔面相切。頂端的小孔與側(cè)面的小孔分別與兩條互不相通的管路相連。進(jìn)入皮托管頂端小孔的氣流壓力（稱為全壓），除了流體本身的靜壓，還含有流體滯止后由動(dòng)能轉(zhuǎn)變來的那部分壓力，而進(jìn)入皮托管側(cè)面小孔的氣流壓力僅僅是流體的靜壓，根據(jù)全壓和靜壓即可求出動(dòng)壓，從而求出風(fēng)速。用皮托管只能測量某一點(diǎn)處的流速，而流體在管道中流動(dòng)時(shí)，同一截面上各點(diǎn)的流速各不相同。在變風(fēng)量末端裝置中，由于管道截面較大，測量某一點(diǎn)的流速不能反映該截面的平均流速。實(shí)際上，人們采用一種變形的皮托管即均速管來測量流經(jīng)末端裝置的風(fēng)速，對(duì)被測截面上各測點(diǎn)的動(dòng)壓取平均值，求取平均流速。均速管也稱為阿紐巴。一般用于圓形管道，用一根細(xì)的管子插入變風(fēng)量裝置的入口，將被測截面分成若干區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中心位置的細(xì)管上開小孔作為測點(diǎn)，迎著氣流方向，這些孔就是全壓測孔，同時(shí),在另一根相同截面的細(xì)管的背流方向開一個(gè)或多個(gè)靜壓測壓孔。變風(fēng)量末端裝置的皮托管式風(fēng)速傳感器本身不輸出電信號(hào)，只能輸出壓差信號(hào)。用皮托管式風(fēng)速傳感器測出的壓差與空氣流速呈二次曲線關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Ap=K^v22式中：Ap——皮托管式風(fēng)速傳感器的輸出壓差，Pa；K——皮托管式風(fēng)速傳感器放大系數(shù)，K值最大為3,—般KW2；v——測點(diǎn)處氣流的速度，m/s;P流體密度，kg/m3皮托管式風(fēng)速傳感器由銅管或不銹鋼管制成，其外徑越小對(duì)氣流干擾越小，測量精度越高。一般來說，全壓測孔的總面積應(yīng)小于測壓管總面積的3%，為了保證傳感器具有足夠的剛度，一般測壓管的外徑與管道內(nèi)徑之比在0.04?0.09之間，測壓管上全壓測孔的直徑應(yīng)是測壓管內(nèi)徑的0.2?0.3倍，且應(yīng)在0.5?1.5mm之間。皮托管式風(fēng)速傳感器應(yīng)具有抗堵塞性、抗偏流性和抗破壞性的能力。在我國常用的幾種皮托管式風(fēng)速傳感器的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)見表1基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)結(jié)構(gòu)平均風(fēng)速十字分布,4測孔布置，全壓、靜壓測管重合，中心抽出壓差測管結(jié)構(gòu)等面積十字分布，多測孔布局，全壓、靜壓測管呈45°錯(cuò)位，中心抽出壓差測管結(jié)構(gòu)等面積一字分布，多測孔布局，全壓、靜壓測管呈90°錯(cuò)位，端頭抽出壓差測管，采用大開孔，不易造成測孔堵塞，測管直徑隨裝置入口直徑而變化，增加了傳感器抗碰抗拉能力結(jié)構(gòu)四等面積十字分布，多測孔布局，全壓、靜壓測管重合，端頭抽出壓差測管，采用大開孑L,不易造成測孔堵塞，測管直徑隨裝置入口直徑而變化，增加了傳感器抗碰抗拉能力。結(jié)構(gòu)五半徑中部十字分布，多測孔布局，中心抽出壓差測管注：表中所列風(fēng)速傳感器的測壓管材質(zhì)均為鋁合金。表1如采用標(biāo)準(zhǔn)皮托管，取空氣密度=1.2kg/m3，放大系數(shù)K=0.97，v=1m/s時(shí)，測得的壓差值是0.582Pa。要將如此小的壓差信號(hào)變送為電信號(hào)，還要保持其精度，就要采用昂貴的微壓差傳感器。因此不同廠家對(duì)皮托管式風(fēng)速傳感器均采用不同的壓差輸出增幅技術(shù)。當(dāng)K=3,壓差測量范圍為0?200Pa，測量精度為全量程3%時(shí)，其誤差值是±6Pa，折合成風(fēng)速為土8m/s。對(duì)于放大系數(shù)為3的傳感器，1.8m/s以下的風(fēng)速信號(hào)沒有意義。同樣，當(dāng)K=3,壓差測量范圍為0?400Pa,測量精度為全量程3%時(shí)，風(fēng)速傳感器的誤差值為±12Pa。所測量的風(fēng)速低于2.58m/s時(shí)，其所測得的風(fēng)速信號(hào)沒有意義。皮托管式風(fēng)速傳感器的測量范圍為0<p<0.4kPa，當(dāng)風(fēng)速在4?16m/s范圍內(nèi)時(shí)可保證適當(dāng)?shù)臏y量精度。采用皮托管作為流速傳感器，應(yīng)滿足下列要求：被測流體的流速不能太小,一般要求其全壓測孔處雷諾數(shù)大于200；應(yīng)避免皮托管對(duì)被測流體的干擾過大,保證皮托管的直徑與被測管道的直徑之比在0.04?0.09之間；被測管道的相對(duì)粗糙度應(yīng)不大于0.01；測量時(shí)應(yīng)保證全壓測孔迎著流體的流動(dòng)方向,并使其軸線與流體流動(dòng)方向一致；防止測壓孔堵塞。螺旋槳風(fēng)速傳感器螺旋槳風(fēng)速傳感器由螺旋槳葉片、傳感器軸、傳感器支架及磁感應(yīng)線圈等組成。它利用流動(dòng)空氣的動(dòng)能來推動(dòng)傳感器的螺旋槳旋轉(zhuǎn)，然后通過螺旋槳的轉(zhuǎn)速求出流過末端裝置的空氣流速。螺旋槳風(fēng)速傳感器可以分成平行軸式和垂直軸式兩種形式。圖2是一種平行軸式風(fēng)速傳感器，它由四片葉片組成。傳感器支架內(nèi)側(cè)設(shè)置兩組N極和S極間隔排列的磁性物質(zhì)，在不旋轉(zhuǎn)的螺旋槳支架內(nèi)側(cè)的軸上設(shè)置一個(gè)固定磁極，當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，固定磁極就可根據(jù)其感知的磁力線的變化，測出螺旋槳在單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，從而根據(jù)傳感器旋轉(zhuǎn)次數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系計(jì)算出流過末端裝置的風(fēng)速。圖3為該傳感器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與迎面風(fēng)速的關(guān)系曲線。圖2螺旋槳風(fēng)俗傳感器基本構(gòu)造迎面風(fēng)速/(m/s)圖3螺旋槳風(fēng)俗傳感器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與迎面風(fēng)速的關(guān)系曲線螺旋槳風(fēng)速傳感器屬于非接觸性傳感器，它不受重力的影響,可安裝在任何位置。且不像皮托管式風(fēng)速傳感器的測壓孔可能被空氣中的灰塵堵塞而失去測速作用，可靠性高。螺旋槳葉片的形狀和表面光潔度，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量以及轉(zhuǎn)子軸承的阻力均影響風(fēng)速測量性能。螺旋槳風(fēng)速傳感器具有下列特點(diǎn)：利用磁石環(huán)抗磁芯子，不用接觸就能檢測出螺旋槳轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，有良好的可靠性和耐久性，使用壽命長；利用飛散效果使空氣中的塵粒無法附著在葉輪上，使塵粒對(duì)傳感器部件的影響減至最?。?）軸承采用性能良好的樹脂制作，在制造階段進(jìn)行了特殊處理，潤滑油分散在軸承中，不需添加潤滑油就可使用，使得軸承和葉輪長軸之間幾乎沒有磨損；4）幾乎不需維護(hù)和保養(yǎng)。螺旋槳風(fēng)速傳感器的量程為1?10m/s，全量程范圍內(nèi)測量精度為±1.5%，最大誤差為±0.15m/s。場的定律——關(guān)于物質(zhì)作用的定律物理學(xué)上“場”的概念最早是由英國物理學(xué)家法拉第和麥克斯韋在電磁場理論的研究中確立的。場的定律，如電磁場感應(yīng)定律、光電磁場干涉現(xiàn)象、動(dòng)力場運(yùn)動(dòng)定律等，都是關(guān)于物質(zhì)左右的客觀規(guī)律。這些規(guī)律所揭示的是物體在空間排列和分布狀態(tài)與某一時(shí)刻的作用有關(guān)的客觀規(guī)律，一般可用物理方程給出。這些方程就是某些傳感器工作的數(shù)學(xué)模型，而與這些定律有關(guān)的參數(shù)通常與物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)，與物質(zhì)在空間的位置及分布狀態(tài)與某時(shí)刻的左右有關(guān)。利用場的定律構(gòu)成的傳感器，其性能由定律決定，與使用材料無關(guān)，下面就以差動(dòng)變壓器為例，簡要介紹一下基于場定律的傳感器工作原理。差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器是一種廣泛用于電子技術(shù)和非電量檢測中的變壓裝置。用于測量位移、壓力、振動(dòng)等非電量參量。它既可用于靜態(tài)測量，也可用于動(dòng)態(tài)測量。差動(dòng)變壓器的基本組成部分包括一個(gè)線框和一個(gè)鐵心。在線框上設(shè)置一個(gè)原繞組和兩個(gè)對(duì)稱的副繞組，鐵心放在線框中央的圓柱形孔中。在原繞組中施加交流電壓時(shí)，兩個(gè)副繞組中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢el和e2。如果兩個(gè)副繞組按反向串聯(lián)（圖1）,則它的總輸出電壓u2=u21—u22~el—e2。當(dāng)鐵心處在中央位置時(shí)，由于對(duì)稱關(guān)系，e1=e2,輸出電壓u2為零。如果鐵心向右移動(dòng)，則穿過副繞組2的磁通將比穿過副繞組1的磁通多，于是感應(yīng)電動(dòng)勢e2>e1,差動(dòng)變壓器輸出電壓u2不等于零，而且輸出電壓的大小與鐵心位移x之間基本成線性關(guān)系，其特性如圖2所示，呈V字形。用適當(dāng)?shù)臏y量電路測量，可以得到差動(dòng)變壓器輸出與位移x成比例的線性讀數(shù)。最常用的測量電路是差動(dòng)整流電路，它把兩個(gè)次級(jí)電壓分別整流后，以它們的差作為輸出。差動(dòng)整流電路有電流輸出型和電壓輸出型，前者用于連接低阻抗負(fù)載的場合；電壓輸出型差動(dòng)整流電路則用于連接高阻抗負(fù)載的場合。差動(dòng)變壓器式位移變送器由同心分布在線圈骨架上一初級(jí)線圈P,二個(gè)級(jí)線圈S1和S2組成，線圈組件內(nèi)有一個(gè)可自由移動(dòng)的桿裝磁芯（鐵芯），當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)移動(dòng)時(shí)，改變了空間的磁場分布，從而改變了初次級(jí)線圈之間的互感量M,當(dāng)初級(jí)線圈供給一定頻率的交變電壓時(shí)，次級(jí)線圈就產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢，隨著鐵芯的位置不同，次級(jí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也不同，這樣，就將鐵芯的位移量變成了電壓信號(hào)輸出?；ジ行蛡鞲衅鞯墓ぷ髟硎抢秒姶鸥袘?yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。由于常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式，故又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的極性；同時(shí)，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也

不為零。因此，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí)，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R,使零點(diǎn)殘余電壓減?。划?dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，鐵芯移上或移下，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的大小和方向。差動(dòng)變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高，可達(dá)O.lum；線性范圍大，可到±100mm；穩(wěn)定性好，使用方便。因而被廣泛應(yīng)用于直線位移，或可能轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重量等參數(shù)的測量差動(dòng)就是利用微小的變化放大成靈敏的信號(hào)，便于檢測。物質(zhì)定律物質(zhì)定律是指各種物質(zhì)本身內(nèi)在的性質(zhì)定律、法則、規(guī)律等。它們通常以固有的物理常數(shù)加以描述。如胡克定律、歐姆定律，各種效應(yīng)等。這些定律都含有物質(zhì)所固有的常數(shù)，即定律是定義各種物理常數(shù)的公式。與物質(zhì)所固有的物理常數(shù)有關(guān)的各種現(xiàn)象可以分為三大類：熱平衡現(xiàn)象、傳輸現(xiàn)象和量子現(xiàn)象。（1）熱平衡現(xiàn)象一個(gè)系統(tǒng)在沒有外界影響的條件下，即外界對(duì)系統(tǒng)既不做功，又不傳熱的情況下，系統(tǒng)各個(gè)部分之間的能量以熱量的形式而不是以功的形式進(jìn)行交換，經(jīng)過一定時(shí)間后，系統(tǒng)各部分將達(dá)到一種宏觀物理量具有的不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為熱平衡。通過麥克斯韋關(guān)系式我們可知熱平衡分為熱平衡型一次效應(yīng)和熱平衡型二次效應(yīng)。一次效應(yīng)是由不同種類的能量所構(gòu)成的關(guān)系是可逆的，而二次效應(yīng)是沒有逆效應(yīng)的。（2）傳輸現(xiàn)象當(dāng)系統(tǒng)中存在有強(qiáng)度量的差或者梯度時(shí)，相應(yīng)的廣延量就隨時(shí)間而變化，即廣延量流動(dòng)，這種現(xiàn)象成為傳輸現(xiàn)象。例如，道題兩端有點(diǎn)位差時(shí)，就有電流流動(dòng)；物體有溫度差時(shí)，就有熱流流動(dòng)；電容兩端有電位差時(shí)，就有電荷累計(jì)等。這里以電容式傳感器為例來介紹一下基于傳輸現(xiàn)象的傳感器的工作原理。電容式傳感器，顧名思義，指的是電容與傳感器的組合。它是傳感器的其中一種，因而也是由敏感元件、傳感元件、測量電路組成。所不同的是，它以各種類型的電容器為傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化，再經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，以達(dá)到檢測或控制的目的。在過去，電容式傳感器主要應(yīng)用于位移、加速度、角度和振動(dòng)等機(jī)械量的精密測量；現(xiàn)在多用于壓力、壓差、液位、成份含量等方面的測量。電容式傳感器的特點(diǎn)是：測量范圍大；靈敏度高；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；小功率、高阻抗；機(jī)械損失?。唤Y(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)；但寄生電容影響大，而且變間隙式電容傳感器存在非線性誤差。電容式傳感器的分類也是多種多樣的，按工作式和圓柱式；按被測量分為位移、壓力、應(yīng)力、濕度、溫度等類型。x￡r圖4式和圓柱式；按被測量分為位移、壓力、應(yīng)力、濕度、溫度等類型。x￡r圖4現(xiàn)在以平板電容器為例來說明其工作原理。如圖4所示，其電容為：廠￡A￡￡SC==—0_r——dd￡-極板間介質(zhì)介電常數(shù)￡-真空介電常數(shù)01￡=（pF/cm）03.6兀￡-介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)rC=￡SC=r—3.6兀d

當(dāng)極板間距減小Ad(令：Ad=x)后的電容為:C1=￡S/(do-x)△C/Co=(C1-C0)/CO=x/(do-x)這是實(shí)際非線性關(guān)系。靈敏度Sn=(△C/Co)/x=l/(dO-x)當(dāng)x相對(duì)于do很小時(shí)可以近似為：do-x~do時(shí),這是理想的線性關(guān)系。△C/Co=x/do，理想情況下：Sn=1/dO這是理想的線性關(guān)系。非線性誤差：C圖5變極距型傳感器的特性曲線d-C圖5變極距型傳感器的特性曲線=1—_0=dd00由上述可知,可以通過提高靈敏度和減小非線性誤差的方法來改善電容式傳感器的性能。但是影響電容式傳感器的因素很多,溫度、電容電場邊緣效應(yīng)和寄生或分布電容等等都會(huì)對(duì)電容式傳感器產(chǎn)生影響。我們可以采取相應(yīng)的措施來減少這些影響,如增大初始電容和加裝等位環(huán),靜圖6運(yùn)算放大器式電路原理圖凹形玻璃膜片圖6運(yùn)算放大器式電路原理圖凹形玻璃膜片圖7差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖電容式傳感器的運(yùn)放測量電路原理圖如圖6所示，圖中Cx為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓;Uo是輸出信號(hào)電壓；工是虛地點(diǎn)。(傳感器為平板電容，Cx=￡S/d)由運(yùn)算放大器工作原理可得U=—ujCd

oi￡S此式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。電容式傳感器的應(yīng)用比較廣，主要用于測量位移、壓力、速度、介質(zhì)、濃度、物位等物理量。相應(yīng)地，產(chǎn)生了很多類型的電容式傳感器，如電容式位移傳感器、電容式壓力傳感器、電容式加速度傳感器、電容式液位傳感器等等?，F(xiàn)以電容壓力傳感器為例說明其應(yīng)用。如圖7中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。(3)量子現(xiàn)象分子、原子、電子、光子、中子等微觀客體遵循的物理學(xué)規(guī)律是微觀規(guī)律，它所具有的各種現(xiàn)象，如物質(zhì)分子和原子的能量是離散跳躍的，核磁共振、隧道效應(yīng)、核輻射等，成為量子現(xiàn)象。根據(jù)量子相應(yīng)可以設(shè)計(jì)制作量子電子器件。當(dāng)半導(dǎo)體超晶格與量子井微結(jié)構(gòu)的尺寸小于電子的德布羅意波長時(shí)，電子的量子波動(dòng)行為就會(huì)表現(xiàn)出來，此時(shí)可產(chǎn)生處各種量子效應(yīng)，如量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)和量子干涉效應(yīng)等。以此產(chǎn)生了如隧道二極管一類的量子電子器件。3.2.2基于基礎(chǔ)效應(yīng)的傳感器物質(zhì)性傳感器是利用某些物質(zhì)的物理性質(zhì)隨外界待測量的作用而發(fā)生變化的原理制成的。它利用了諸多的效應(yīng)和物理現(xiàn)象，如利用材料的壓阻、濕敏、熱敏、光敏、磁敏等效應(yīng)，把應(yīng)變、適度、溫度、唯一、磁場、煤氣等被測量變換成電量。光電效應(yīng)光電式傳感器的作用原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng)在光線照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也叫光電發(fā)射效應(yīng)。其中，向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料。眾所周知，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能量可由下式確定：Ehv式中h——普朗克常數(shù)，h=6.626X10-34(J.s)v——一光的頻率(s-1)。物體在光的照射下，電子吸收光子的能量后，一部分用于克服物質(zhì)對(duì)電子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)化為逸出電子的動(dòng)能。設(shè)電子質(zhì)量為m(m=9.1091X10-31kg)，電子逸出物體表面時(shí)的初速度為v，電子逸出功為A,則據(jù)能量守恒定律有E=1/2mv2+A這個(gè)方程稱為愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。從式可以看出，只有當(dāng)光子的能量E大于電子逸出功A時(shí)，物質(zhì)內(nèi)的電子才能脫離原子核的吸引向外逸出。由于不同的材料具有不同的逸出功，因此對(duì)某種材料而言便有一個(gè)頻率限，這個(gè)頻率限稱為紅限頻率。當(dāng)入射光的頻率低于紅限頻率時(shí)，無論入射光多強(qiáng)，照射時(shí)間多久，都不能激發(fā)出光電子；當(dāng)入射的光頻率高于紅限頻率時(shí)，不管它多么微弱，也會(huì)使被照射的物體激發(fā)電子。而且光越強(qiáng)，單位時(shí)間里入射的光子數(shù)就越多，激發(fā)出的電子數(shù)目越多，因而光電流就越大。光電流與入射的光強(qiáng)度成正比關(guān)系。2)內(nèi)光電效應(yīng)在光線照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體表面，而使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，電子吸收光子能量后而引起物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。這種效應(yīng)絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體材料都存在，因?yàn)楫?dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量后，從價(jià)帶越過禁帶激發(fā)到導(dǎo)帶，從而形成自由電子，同時(shí)，價(jià)帶也會(huì)因此形成自由空穴，即激發(fā)出電子——空穴對(duì)，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴濃度增加，引起材料的電阻率減小，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，如圖8所示。門由電子斫占能帝不存柱電于斫占能帶M「電干所占筆帶圖8電子能級(jí)示意圖為了使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，入射光的能量必須大于光電材料的禁帶寬度E，即光的波g長應(yīng)小于某一臨界波長入0,入0稱為截止波長。入0二h/Ecg式中，E以電子伏(eV)為單位(leV=1.60X1019J)；c為光速(m/s)；h為普朗克常數(shù)，h=6.626gX10-34(J?s)o光生伏特效應(yīng)在光線照射下，半導(dǎo)體材料吸收光能后，引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)兩端沒有外加電壓時(shí)，在PN結(jié)勢壘區(qū)存在著內(nèi)電場，其方向是從N區(qū)指向P區(qū)，如圖9所示。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，如果光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，電子就能夠從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶成為自由電子，價(jià)帶成為自由空穴。從而在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子——空穴對(duì)。這些電子——空穴對(duì)在PN結(jié)的內(nèi)部電場作用下，電子移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，電子在N區(qū)積累，空穴在P區(qū)積累，從而使PN結(jié)兩端形成電位差，PN結(jié)兩端便產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢。圖9PN結(jié)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)光電式傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光敏器件，它由光源、光學(xué)通路、光電元件構(gòu)成。它可用于檢測直接引起光強(qiáng)變化的非電量，如光強(qiáng)、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件線度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光電式傳感器具有響應(yīng)快、性能可靠、能實(shí)現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，因而在檢測和控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。下面就介紹幾種基于光電效應(yīng)的傳感器。光電管光電管的結(jié)構(gòu)光電管由一個(gè)涂有光電材料的陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形置于玻璃管的中央。真空光電管的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10真空光電管的結(jié)構(gòu)②光電管的工作原理當(dāng)光電管的陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。如果在外電路中串入一適當(dāng)阻值的電阻，則在光電管組成圖10真空光電管的結(jié)構(gòu)②光電管的工作原理當(dāng)光電管的陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。如果在外電路中串入一適當(dāng)阻值的電阻，則在光電管組成光電倍增管當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾微安，很不容易探測。為了提高光電管的靈敏度，這時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大。①光電倍增管的結(jié)構(gòu)光電倍增管由光陰極、次陰極（倍增電極）以及陽極三部分組成，如圖12所示。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅—鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級(jí)，通常為12級(jí)?14級(jí)。陽極是最后用來收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。光電倍增管的工作原理光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，將光電流在管內(nèi)部進(jìn)行放大。所謂的二次電子是指當(dāng)電子或光子以足夠大的速度轟擊金屬表面而使金屬內(nèi)部的電子再次逸出金屬表面，這種再次逸出金屬表面的電子叫做二次電子。光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換過程為：當(dāng)入射光的光子打在光電陰極上時(shí)，光電陰極發(fā)射出電子，該電子流又打在電位較高的第一倍增極上，于是又產(chǎn)生新的二次電子；第一倍增極產(chǎn)生的二次電子又打在比第一倍增極電位高的第二倍增極上，該倍增極同樣也會(huì)產(chǎn)生二次電子發(fā)射，如此連續(xù)進(jìn)行下去，直到最后一級(jí)的倍增極產(chǎn)生的二次電子被更高電位的陽極收集為止，從而在整個(gè)回路里形成光電流I，如圖13所示。倍增系數(shù)M倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)6：的乘積。TOC\o"1-5"\h\z如果n個(gè)倍增電極的6都一樣，則1iM=6n因此，陽極電流I為iI=i6n式中：i——光電陰極的光電流。1設(shè)光電倍增管的電流放大倍數(shù)為0，則P=l/i=6ni圖13光電倍增管的電路光電倍增管的倍增系數(shù)與工作電壓的關(guān)系是光電倍增管的重要特性。隨著工作電壓的增加倍增系數(shù)M也相應(yīng)增加，圖14給出了典型光電倍增管的這一特性。圖14光電倍增管倍增系數(shù)與工作電壓關(guān)系一般M在105?106之間。如果電壓有波動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽極和陰極之間的電壓差為1000V?2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50V?100V。所以要求對(duì)所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小測量誤差。電光效應(yīng)電光效應(yīng)包括克爾效應(yīng)和泡克耳斯效應(yīng)。折射率與所加電場強(qiáng)度的一次方成正比改變的為Pockels效應(yīng)或線性電光效應(yīng)，1893年由德國物理學(xué)家泡克耳斯（FriedrichCarlAlwinPockels,1865-1913）發(fā)現(xiàn).折射率與所加電場強(qiáng)度的二次方成正比改變的為Kerr效應(yīng)或二次電光效應(yīng)，1875年由英國物理學(xué)家克爾（Johnkerr,1824-1907）發(fā)現(xiàn)。1875年英國物理學(xué)家J.克爾發(fā)現(xiàn)，玻璃板在強(qiáng)電場作用下具有雙折射性質(zhì)，稱克爾效應(yīng)（Kerreffect）。后來發(fā)現(xiàn)多種液體和氣體都能產(chǎn)生克爾效應(yīng)。觀察克爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。內(nèi)盛某種液體（如硝基苯）的玻璃盒子稱為克爾盒，盒內(nèi)裝有平行板電容器，加電壓后產(chǎn)生橫向電場。克爾盒放置在兩正交偏振片之間。無電場時(shí)液體為各向同性，光不能通過P2。存在電場時(shí)液體具有了單軸晶體的性質(zhì)，光軸沿電場方向，此時(shí)有光通過P2。實(shí)驗(yàn)表明，在電場作用下，主折射率之差與電場強(qiáng)度的平方成正比。電場改變時(shí)，通過P2的光強(qiáng)跟著變化，故克爾效應(yīng)可用來對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。液體在電場作用下產(chǎn)生極化，這是產(chǎn)生雙折射性的原因。電場的極化作用非常迅速，在加電場后不到10-9秒內(nèi)就可完成極化過程，撤去電場后在同樣短的時(shí)間內(nèi)重新變?yōu)楦飨蛲??？藸栃?yīng)的這種迅速動(dòng)作的性質(zhì)可用來制造幾乎無慣性的光的開關(guān)——光閘，在高速攝影、光速測量和激光技術(shù)中獲得了重要應(yīng)用。泡克耳斯效應(yīng)（許多國內(nèi)教材翻譯為普克爾效應(yīng)）1893年由德國物理學(xué)家F.C.A.泡克耳斯發(fā)現(xiàn)。一些晶體在縱向電場（電場方向與光的傳播方向一致）作用下會(huì)改變其各向異性性質(zhì)，產(chǎn)生附加的雙折射效應(yīng)。例如把磷酸二氫鉀晶體放置在兩塊平行的導(dǎo)電玻璃之間，導(dǎo)電玻璃板構(gòu)成能產(chǎn)生電場的電容器，晶體的光軸與電容器極板的法線一致，入射光沿晶體光軸入射。與觀察克爾效應(yīng)一樣，用正交偏振片系統(tǒng)觀察。不加電場時(shí)，入射光在晶體內(nèi)不發(fā)生雙折射，光不能通過P2。加電場后，晶體感生雙折射，就有光通過P2。泡克耳斯效應(yīng)與所加電場強(qiáng)度的一次方成正比。大多數(shù)壓電晶體都能產(chǎn)生泡克耳斯效應(yīng)。泡克耳斯效應(yīng)與克爾效應(yīng)一樣常用于光閘、激光器的Q開關(guān)和光波調(diào)制等。磁光效應(yīng)光與磁場中的物質(zhì)，或光與具有自發(fā)磁化強(qiáng)度的物質(zhì)之間相互作用所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，主要包括法拉第效應(yīng)、科頓-穆頓效應(yīng)、克爾磁光效應(yīng)、塞曼效應(yīng)和光磁效應(yīng)。法拉第效應(yīng)線偏振光透過放置磁場中的物質(zhì)，沿著磁場方向傳播時(shí)，光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。也稱法拉第旋轉(zhuǎn)或磁圓雙折射效應(yīng)，簡記為MCB。一般材料中，法拉第旋轉(zhuǎn)（用旋轉(zhuǎn)角3F表示）和樣品長度1、磁感應(yīng)強(qiáng)度B有以下關(guān)系eF=V1B,V是與物質(zhì)性質(zhì)、光的頻率有關(guān)的常數(shù)，稱為費(fèi)爾德常數(shù)。因?yàn)榇艌鱿码娮拥倪\(yùn)動(dòng)總附加有右旋的拉莫爾進(jìn)動(dòng)，當(dāng)光的傳播方向相反時(shí)，偏振面旋轉(zhuǎn)角方向不倒轉(zhuǎn)，所以法拉第效應(yīng)是非互易效應(yīng)。這種非互易的本質(zhì)在微波和光的通信中是很重要的。許多微波、光的隔離器、環(huán)行器、開關(guān)就是用旋轉(zhuǎn)角大的磁性材料制作的。利用法拉第效應(yīng)，還可實(shí)現(xiàn)光的顯示、調(diào)制等許多重要應(yīng)用。當(dāng)左、右旋圓偏振光在置于磁場中的媒質(zhì)內(nèi)傳播而有不同的吸收系數(shù)時(shí)，入射的線偏振光傳播一段距離后會(huì)變?yōu)闄E圓偏振光，這個(gè)效應(yīng)叫法拉第橢圓度效應(yīng)或磁圓二向色性效應(yīng),簡記為MCD。法拉第橢圓度和法拉第旋轉(zhuǎn)均由媒質(zhì)的介電張量非對(duì)角組元的實(shí)部和虛部決定。磁光效應(yīng)傳感器就是利用激光技術(shù)發(fā)展而成的高性能傳感器。激光，是本世紀(jì)60年代初迅速發(fā)展起來的又一新技術(shù)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著人們掌握和利用光波進(jìn)入了一個(gè)新的階段。由于以往普通光源單色度低，故很多重要的應(yīng)用受到限制，而激光的出現(xiàn)，使無線電技術(shù)和光學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)、相互滲透、相互補(bǔ)充。現(xiàn)在，利用激光已經(jīng)制成了許多傳感器，解決了許多以前不能解決的技術(shù)難題，使它適用于煤礦、石油、天然氣貯存等危險(xiǎn)、易燃的場所。比如說用激光制成的光導(dǎo)纖維傳感器，能測量原油噴射、石油大罐龜裂的情況參數(shù)。在實(shí)測地點(diǎn)，不必電源供電，這對(duì)于安全防爆措施要求很嚴(yán)格的石油化工設(shè)備群尤為適用，也可用來在大型鋼鐵廠的某些環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)光學(xué)方法的遙測化學(xué)技術(shù)。磁光效應(yīng)傳感器的原理主要是利用光的偏振狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)傳感器的功能。當(dāng)一束偏振光通過介質(zhì)時(shí)，若在光束傳播方向存在著一個(gè)外磁場，那么光通過偏振面將旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這就是磁光效應(yīng)。也就是可以通過旋轉(zhuǎn)的角度來測量外加的磁場。在特定的試驗(yàn)裝置下，偏轉(zhuǎn)的角度和輸出的光強(qiáng)成正比，通過輸出光照射激光二極管LD，就可以獲得數(shù)字化的光強(qiáng)，用來測量特定的物理量。磁電效應(yīng)3.2.2.4.1霍爾效應(yīng)如圖所示為霍爾效應(yīng)示意圖。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。EE圖153.2.2.4.2霍爾效應(yīng)原理當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時(shí)，原邊電流ip會(huì)產(chǎn)生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫伏的感應(yīng)電壓，通過后續(xù)電子電路可把這個(gè)微小的信號(hào)轉(zhuǎn)變成副邊電流is，并存在以下關(guān)系式：Is*ns=ip*np其中，is—副邊電流；ip—原邊電流；np—原邊線圈匝數(shù)；ns—副邊線圈匝數(shù)；np/ns—匝數(shù)比，一般取np=1。電流傳感器的輸出信號(hào)是副邊電流is,它與輸入信號(hào)（原邊電流ip）成正比，is一般很小，只有10~400ma。如果輸出電流經(jīng)過測量電阻rm，則可以得到一個(gè)與原邊電流成正比的大小為幾伏的電壓輸出信號(hào)。3.2.2.4.3霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器是利用半導(dǎo)體的材料磁敏特性，通過測量其磁感強(qiáng)度，推算出待測電流值。霍爾器件主要是利用霍爾效應(yīng)制成的霍爾器件。1．直測式電流傳感器（開環(huán)式）眾所周知，當(dāng)電流通過一根長導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場，這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，它可以通過磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號(hào)輸出。這一信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接輸出，一般的額定輸出標(biāo)定為4V。磁平衡式電流傳感器（閉環(huán)式）磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場，該磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過Is來跟蹤Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號(hào)輸出，即重復(fù)上述過程，最后重新達(dá)到平衡。被測電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到S，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。熱電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)3.2.2.5.1熱電效應(yīng)所謂的熱電效應(yīng)，是當(dāng)受熱物體中的電子（洞），因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。而這個(gè)效應(yīng)的大小，則是用稱為thermopower（Q）的參數(shù)來測量，其定義為Q=E/-dT（E為因電荷堆積產(chǎn)生的電場，dT則是溫度梯度）。1）熱電第一效應(yīng)——塞貝克效應(yīng)由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。電子的擴(kuò)散速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NA>NB,電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則因獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面形成電場。這個(gè)電場阻礙了電子繼續(xù)擴(kuò)散，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢，其大小可表示為eAB（T）式中eAB（T）:為導(dǎo)體A和B的結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電勢；e:為電子電荷，e=1.6x10T9C；k:玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38x10-23J/K；NA，NB:分別為導(dǎo)體A、B的自由電子密度。2）熱電第二效應(yīng)——珀?duì)柼?yīng)?半導(dǎo)體制冷片兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差。這就是珀?duì)柼?yīng)。1837年，俄國物理學(xué)家愣次發(fā)現(xiàn)，電流的方向決定了吸收還是產(chǎn)生熱量，發(fā)熱（制冷）量的多少與電流的大小成正比，比例系數(shù)稱為“帕爾帖系數(shù)”。Q=nT二a?Tc?I，其中口二a?Tc

式中：Q放熱或吸熱功率n比例系數(shù)，稱為珀?duì)柼禂?shù)I——工作電流a——溫差電動(dòng)勢率Tc——冷接點(diǎn)溫度帕爾帖效應(yīng)發(fā)現(xiàn)100多年來并未獲得實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)榻饘侔雽?dǎo)體的珀?duì)柼?yīng)很弱。直到上世紀(jì)90年代，原蘇聯(lián)科學(xué)家約飛的研究表明，以碲化鉍為基的化合物是最好的熱電半導(dǎo)體材料，從而出現(xiàn)了實(shí)用的半導(dǎo)體電子致冷元件熱電致冷器（ThermoElectriccooling，簡稱TEC）。3）熱電第三效應(yīng)——湯姆遜效應(yīng)金屬中溫度不均勻時(shí)，溫度高處的自由電子比溫度低處的自由電子動(dòng)能大。像氣體一樣，當(dāng)溫度不均勻時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱擴(kuò)散，因此自由電子從溫度高端向溫度低端擴(kuò)散，在低溫端堆積起來，從而在導(dǎo)體內(nèi)形成電場，在金屬棒兩端便引成一個(gè)電勢差。這種自由電子的擴(kuò)散作用一直進(jìn)行到電場力對(duì)電子的作用與電子的熱擴(kuò)散平衡為止。湯姆遜利用他所創(chuàng)立的熱力學(xué)原理對(duì)塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)進(jìn)行了全面分析，并將本來互不相干的塞貝克系數(shù)和帕爾帖系數(shù)之間建立了聯(lián)系。湯姆遜認(rèn)為，在絕對(duì)零度時(shí)，帕爾帖系數(shù)與塞貝克系數(shù)之間存在簡單的倍數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，他又從理論上預(yù)言了一種新的溫差電效應(yīng)，即當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體中流過時(shí)，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）。或者反過來，當(dāng)一根金屬棒的兩端溫度不同時(shí)，金屬棒兩端會(huì)形成電勢差。這一現(xiàn)象后叫湯姆孫效應(yīng)，成為繼塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)之后的第三個(gè)熱電效應(yīng)。熱電偶傳感器正是基于上面三個(gè)熱點(diǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的傳感器。下面簡要介紹一下它的工作原理。溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一，是利用不同金屬的熱效應(yīng)，產(chǎn)生電勢差，其溫度范圍很寬，一般用來測量幾百度的溫度。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高。因熱電偶直接與被測對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600°C均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269°C（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800C（如鎢-錸）。構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。其工作原理為：兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，如在某點(diǎn)互相連接在一起，對(duì)這個(gè)連接點(diǎn)加熱，在它們不加熱的部位就會(huì)出現(xiàn)電位差。這個(gè)電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點(diǎn)的溫度有關(guān)，和這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個(gè)電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以稱之為“熱電偶”。不同材質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點(diǎn)溫度變化1°C時(shí)，輸出電位差的變化量。對(duì)于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個(gè)數(shù)值大約在5?40mV/°C之間?；芈分兴a(chǎn)生的電動(dòng)勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。接觸電勢兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在接觸處產(chǎn)生的電勢，此電勢與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及

在接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)eAB(在接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)eAB(T)=kTNln_aNB接觸電勢原理圖e(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢;ABe單位電荷，e=1.6x10-19C導(dǎo)體A、B在溫度為T時(shí)的電子密度。k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38x導(dǎo)體A、B在溫度為T時(shí)的電子密度。N、N――AB溫差電勢同一導(dǎo)體或半導(dǎo)體在溫度不同的兩端產(chǎn)生的電勢，此電勢只與導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的長度、截面大小、沿其長度方向的溫度分布無關(guān)。r0e(T,T)=JTbdTr0A0AT0eA(T,T0)――導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢;feTfeT，T0――高低端的絕對(duì)溫度;溫差邑勢原理圖o溫差邑勢原理圖oA――湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1C時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢，例如在OC時(shí),差電動(dòng)勢，例如在OC時(shí),3．回路總電勢銅的。=2“V/°C。0ABAB0ABAB0AkTiNkTNfT(b丄b)dT=lnat—Mn唏+J(—+)dTeNeNTab

BTBT0T0Nato——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度;NAT、NBT、由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、TO,如果T>TO，則必存在著兩個(gè)接觸電勢和兩個(gè)溫差電勢，回路總電勢：E(T,T)二e(T)-e(T)-e(T,T)+e(T,T)ABNbto——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度;oa、ob導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。

如右圖所示，導(dǎo)體A和B稱為熱電極，通常把兩熱電極的一端固定焊接，用于對(duì)被測介質(zhì)進(jìn)行溫度測量，這一接點(diǎn)稱為測量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接點(diǎn)處通常保持為某一恒定溫度或室溫，被稱作基點(diǎn)或參考端，俗稱冷端。熱電偶結(jié)構(gòu)圖熱電動(dòng)勢是由接觸電動(dòng)勢和溫差電動(dòng)勢兩部分組成，其大小與兩端點(diǎn)的溫差有關(guān)，還與所采用的材料性質(zhì)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)和理論都表明，在A、B間接入第三種材料C，只要結(jié)點(diǎn)2、3溫度相同，則和2、3直接連接時(shí)的熱電動(dòng)勢一樣。這一點(diǎn)很重要，它為熱電偶測量時(shí)接測量引線帶來方便。這種由兩種不同導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢一般情況和兩端點(diǎn)溫度T、TO都有關(guān)。若使TO為給定的恒定溫度,如取為0°C,則熱電動(dòng)勢僅為T一端（稱為測量端）溫度T的單值函數(shù)。熱電偶結(jié)構(gòu)圖E二(T,T)二e(T)-f(T)二f(T)—0二屮(T)AB0AB0顯然，利用熱電偶這一特性做成測溫計(jì)可用于測溫，但要求熱電偶材料的熱性能要穩(wěn)定、電阻率小、電導(dǎo)率高、熱電效應(yīng)強(qiáng)、復(fù)制性好。3.2.2.5.2熱釋電效應(yīng)當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能顯示出來。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對(duì)位移，晶體自發(fā)極化值就會(huì)發(fā)生變化，在晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體，又稱為熱電元件。熱電元件常用的材料有單晶（LiTaO3等）、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVF2等）。如果在熱電元件兩端并聯(lián)上電阻，當(dāng)元件受熱時(shí)，則電阻上就有電流流過，在電阻兩端也能得到電壓信號(hào)。熱釋電效應(yīng)在近10年被用于熱釋電紅外探測器中，廣泛地用于輻射和非接觸式溫度測量、紅外光譜測量、激光參數(shù)測量、工業(yè)自動(dòng)控制、空間技術(shù)、紅外攝像中。我國利用ATGSAS晶體制成的紅外攝像管已開始出口國外。其溫度響應(yīng)率達(dá)到4?5“A/C,溫度分辨率小于0.2C，信號(hào)靈敏度高，圖像清晰度和抗強(qiáng)光干擾能力也明顯地提高，且滯后較小。此外，由于生物體中也存在熱釋電現(xiàn)象，故可預(yù)期熱釋電效應(yīng)將在生物，乃至生命過程中有重要的應(yīng)用。下面以熱釋電探測器為例來介紹一下基于熱釋電效應(yīng)的傳感器原理。熱釋電探測器是一種新型紅外探測器，與其他熱探測器相比，響應(yīng)時(shí)間短，甚至可制成響應(yīng)時(shí)間小于微秒級(jí)的快速熱釋電探測器。與光子探測器相比，雖然其靈敏度較低，但光譜響應(yīng)寬，可從可見光到亞毫米（相應(yīng)的波長為0.4um~1000um）,且可在室溫下工作。故該探測器頗受重視，發(fā)展迅速。熱釋電探測器根據(jù)熱釋電效應(yīng)工作，所用材料是熱電晶體中的鐵電體。這種極性晶體由于其內(nèi)部晶胞的正、負(fù)電荷重心不重合，在外電場作用下，會(huì)出現(xiàn)類似磁滯回線那樣的電滯回線。其極化強(qiáng)度會(huì)隨電場強(qiáng)度而增大，但在外加電壓去除后，仍有一定的極化強(qiáng)度，稱為自發(fā)極化強(qiáng)度。它是溫度的函數(shù)，隨溫度升高而降低，相當(dāng)于釋放了一部分面電荷。當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，則降為零。居里溫度是鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤鄷r(shí)的溫度。由于自發(fā)極化，熱電晶體外表面上應(yīng)出現(xiàn)束縛電荷，平時(shí)這些束縛電荷常被晶體內(nèi)和外來的自由電荷所中和，故晶體并不顯示存在有電場。但由于自由電荷中和面束縛電荷所需時(shí)間很長，約從數(shù)秒至數(shù)小時(shí)，而晶體自發(fā)極化的弛豫時(shí)間極短，約為皮秒級(jí)，故當(dāng)熱電晶體溫度以一定頻率發(fā)生變化時(shí)，由于面束縛電荷來不及被中和，晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度或面束縛電荷，必然以同樣的頻率出現(xiàn)周期性變化，而在垂直于極化強(qiáng)度的兩端面間，產(chǎn)生一個(gè)交變電場，這種現(xiàn)象就是熱釋電效應(yīng)。根據(jù)上述原理，在使用熱釋電探測器時(shí)要注意兩點(diǎn)。一是接受紅外輻射的時(shí)間必須大于探測器的熱平衡時(shí)間常數(shù)。二是只有溫度有變化時(shí)，探測器才會(huì)有信號(hào)輸出。為此，對(duì)待測的紅外輻射信號(hào)，需進(jìn)行調(diào)制后去照射熱電晶體，這樣，晶體的溫度、自發(fā)極化強(qiáng)度以及由此引起的面束縛電荷密度，均隨調(diào)制頻率f發(fā)生周期性變化。若1/f小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時(shí)間，則在垂直于極化強(qiáng)度的兩端面間將會(huì)產(chǎn)生交變開路電壓。若在兩個(gè)端面涂上電極并接以負(fù)載，則在負(fù)載上會(huì)輸出交變的信號(hào)電壓，這就是熱釋電探測器的基本工作原理。熱電系數(shù)是描述熱電晶體自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化的基本參數(shù)。當(dāng)溫度比居里溫度低得多時(shí)，熱電系數(shù)很??；當(dāng)離居里溫度不太遠(yuǎn)時(shí)，熱電系數(shù)值變大，且比較穩(wěn)定。這一段溫區(qū)適合作熱釋電探測器的工作溫度，并希望這段溫區(qū)寬些，且在室溫附近。當(dāng)過于接近居里溫度時(shí)，熱電系數(shù)值起伏不大，不宜作工作溫度。為此，希望熱釋電材料的居里溫度最好顯著地高于室溫。選擇的依據(jù)是使用熱電系數(shù)大，介電常數(shù)小，熱容量和介質(zhì)損耗低的材料。壓電、壓阻效應(yīng)壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；外力撤銷后，又回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性隨之改變，把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”，反之，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料，如天然的石英晶體、人造壓電陶瓷等。例如石英晶體的壓電效應(yīng)。圖16所示為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，是正六面體，用3根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X軸稱為電軸；與X軸和Z軸同時(shí)垂直的Y軸稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)；把沿機(jī)械軸Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)，而沿光軸Z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。若從晶體上沿Y方向切下一塊如圖17所示的晶片，當(dāng)沿電軸方向施加作用力Fx時(shí)，在與電軸X垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為=QdFx11x式中d——X方向上受力的壓電系數(shù)，一般d=2.3X10-1C/N。電荷Q的符號(hào)由Fx是壓力還是拉力決定1的，從式中可以看出，當(dāng)晶體切片受到X方向x的壓力作用時(shí)，Q與作用力Fx成正比，而與晶體切片的幾何尺寸無關(guān)。電荷的極性如圖所示。x圖16石英晶體外形圖17石英晶體切片如果在同一個(gè)晶體切片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性如圖8.3(c)所示，此時(shí)電荷的大小為Q=dlF/h

y12y式中l(wèi)和h――晶體切片的長度和厚度；d——石英晶體Y軸方向上受力的壓電系數(shù)。12由式17可見，沿機(jī)械軸方向的力作用在晶體上時(shí)，產(chǎn)生的電荷與晶體切片的尺寸有關(guān)，負(fù)號(hào)表示沿Y軸的壓縮力產(chǎn)生的電荷與沿X軸施加的壓縮力所產(chǎn)生的電荷極性相反。在片狀壓電材料的兩個(gè)電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片上能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，使壓電片在電極方向上有伸縮現(xiàn)象，將這種現(xiàn)象稱為電致效應(yīng)，也稱逆壓電效應(yīng)。血盂方向受三町丫方向環(huán)(d)血盂方向受三町丫方向環(huán)(d)F方高愛拉(b)拒方向雯拉圖18石英晶體切片受力后電荷極性壓電材料具有明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為壓電材料。由于它是物性型的，因此選用合適的壓電材料是構(gòu)成高性能傳感器的關(guān)鍵，因此應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：壓電常數(shù)：衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)。彈性常數(shù)：決定壓電元件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。介電常數(shù)：一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容特性與介電常數(shù)有關(guān)，影響壓電傳感器的頻率下限。電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄露，改善傳感器的低頻特性。居里點(diǎn)溫度：指壓電材料開始失去壓電特性的溫度。壓電材料可以分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類。壓電晶體石英晶體二氧化硅(SiO)有天然和人工培育兩種。它的壓電系數(shù)d=2.3X10-12C/N，在幾百攝氏度211的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變。到575°C時(shí)，失去壓電性質(zhì)，這就是它的居里點(diǎn)。石英有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性質(zhì)，可承受高達(dá)(6.8?9.8)X107Pa的應(yīng)力，在沖擊力的作用下漂移較小。石英晶體主要用來測量大量值的力或用于準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性要求高的場合和制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器。水溶性壓電晶體最早發(fā)現(xiàn)的是酒石酸鉀鈉(NaKCHO?4H0)，它有很大的壓電靈敏度和高的介電常數(shù)，壓電4462系數(shù)9d=3X10-9C/N，但是它易于受潮，機(jī)械強(qiáng)度低，電阻率也低，因此只限于室溫V45C)且濕度低的環(huán)境下應(yīng)用。鈮酸鋰晶體通過人工提拉制成，鈮酸鋰(LiNbO)壓電晶體與石英相似，也是一種單晶體，為無色或淺黃2色。由于它是單晶，所以時(shí)間穩(wěn)定性遠(yuǎn)比多晶體的壓電陶瓷好，它的居里溫度為1200C左右，遠(yuǎn)比石英和壓電陶瓷的高，所以在耐高溫的傳感器上有廣泛的應(yīng)用前景。壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)，如圖19(a)所示。(b)|lifeIt圖19壓電陶瓷的內(nèi)部極化圖在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場越強(qiáng)，就有越多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。當(dāng)外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時(shí)，在外電場去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性，如圖8.4(b)所示。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷四大類。鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇(BaTiO)是由BaCO?和TiO?兩者在高溫下合成的，具有較高的壓電系數(shù)(107X10M/N)和介電常數(shù)(1000?5000)，但其居里點(diǎn)較低，約為120°C，強(qiáng)度較石英小，由于它的壓電系數(shù)較高(約為石英的50倍)，所以在傳感器中得到廣泛的應(yīng)用。(2)鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)鋯鈦酸鉛PbTiO和PbZrO組成的固溶體Pb(Zr，Ti)O，它的壓電系數(shù)(200X10-12C/N?500X10-12C/N)和居里點(diǎn)(300C)3較高，其參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化較小，是目前常用的一種壓電材料。鈮酸鹽系壓電陶瓷該系列是以鐵電體鈮酸鉀(KnbO)和鈮酸鉛(PbNbO)為基礎(chǔ)的，鈮酸鉛具有很高的居里點(diǎn)33(570C)和低的介電常數(shù)；鈮酸鉀是通過熱壓過程制成的，它的居里點(diǎn)也較高(435C)特別適用于10MHz?40MHz的高頻換能器。近年來，鈮酸鹽系壓電陶瓷在水聲傳感器方面有了很好的應(yīng)用，如深海水聽器。鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷是由Pb(Mg1/3Nb2/3)O3—PbTiO—PbZrO三種化合物組成，它是在33PbTiO—PbZrO的基礎(chǔ)上加一定量的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3而成的，具有較高的壓電系數(shù)(d333333=800X10-12C/N?900X10-12C/N)和居里點(diǎn)(260C)，能承受7X107Pa的壓力，因此可作為工作在高溫下的測力傳感器的壓電元件。壓電半導(dǎo)體近年出現(xiàn)的壓電半導(dǎo)體如硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)和碲化鋅(ZnTe)等。它們的特點(diǎn)是，既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性，有利于將元件和線路集成于一體，便于研制出新型的集成壓電傳感器測試系統(tǒng)。壓電式傳感器壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)這個(gè)特性，即當(dāng)有力作用在壓電元件上時(shí)，傳感器就有電荷(或電壓)輸出。由于外力作用在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，故需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。如果壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流，故適用于動(dòng)態(tài)測量?？紤]到單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，輸出電量很少，因此在實(shí)際使用中常采用兩片(或兩片以上)同型號(hào)的壓電元件組合在一起。因?yàn)閴弘姴牧袭a(chǎn)生的電荷是有極性的，所以壓電元件的接法有兩種，如圖20所示。圖20(a)是兩個(gè)壓電片的負(fù)端粘接在一起，中間插入的金屬電極成為壓電片的負(fù)極，正電極在兩邊的電極上，從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個(gè)電容的并聯(lián)，所以，電容量增加了1倍，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同，即有C'=2C,U'=U,Q'=2Q。圖20(b)是兩壓電片不同極性端粘接在一起，從電路上看是串聯(lián)的,兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的1/2，輸出電壓增大了1倍，即有C'=C/2,U'=2U,Q'=Q。圖20壓電元件的連接方式由上可見，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場合；而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。壓電元件作為壓電式傳感器的核心，在受外力作用時(shí)，其受力和變形方式大致有厚度變形、長度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式，如圖21所示。最常用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種。｛町埠度孌検|||仿｝長｛町埠度孌検|||仿｝長頃啞卿LI.I農(nóng)I厶枳空牌刃1'Ji血時(shí)變I的印圖21壓電元件變形方式3.2.3基于新型敏感材料的傳感器3.2.3.1敏感材料的工作原理傳感器的敏感機(jī)理是自然規(guī)律中各個(gè)定律、法則和效應(yīng)，而傳感器的具體實(shí)現(xiàn)是依靠一些有效表現(xiàn)這些規(guī)律現(xiàn)象的各種功能材料以及它們的裝置。傳感器的進(jìn)步不但依靠新的定律、法則和效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，跟依賴于新材料、新裝置、新工藝的不斷推陳出新。敏感元件品種繁多，就其感知外界信息的原來來講，可分為：物理類：基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)；化學(xué)類：基于化學(xué)反應(yīng)原理；生物類：基于酶、抗體和激素等分子識(shí)別功能。通常根據(jù)敏感材料基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等類型。新型敏感材料1.半導(dǎo)體敏感材料導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體按其化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以大致分為以下幾類：①元素半導(dǎo)體②化合物半導(dǎo)體無定型半導(dǎo)體材料有機(jī)半導(dǎo)體材料2.智能材料①智能材料的特征1）傳感功能。能夠感知外界或自身所處的外界環(huán)境。2）反饋功能?？赏ㄟ^傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)輸入輸出信息進(jìn)行對(duì)比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。3）信息識(shí)別與累計(jì)功能。能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其累計(jì)起來。4）思考功能和預(yù)見功能。能在過去經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)來自傳感網(wǎng)絡(luò)的各種信息進(jìn)行分析，并可預(yù)見未來將出現(xiàn)的狀況。5）響應(yīng)功能。能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部變化，適時(shí)的做出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要的行動(dòng)。6）自診斷功能。能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況和過去的狀況，對(duì)諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷并予以矯正。7）自修復(fù)能力。能通過繁殖、自生長、原位復(fù)合等再生機(jī)制，來修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。8）自調(diào)節(jié)能力。對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件，能機(jī)制的自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能并相應(yīng)的改變自己的狀態(tài)和行為。②智能材料的構(gòu)成1）基本材料?；静牧蠐?dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。2）敏感材料。敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主用的作用是感知環(huán)境變化。3）驅(qū)動(dòng)材料。因?yàn)樵谝欢ǖ臈l件下驅(qū)動(dòng)材料可以產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以他擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的作用。智能材料的種類形狀記憶材料。電流變體和磁流變體材料、磁致伸縮材料、壓電陶瓷、電致伸縮材料、智能材料系統(tǒng)、光致變色玻璃和電致變色玻璃。氣敏傳感器氣敏傳感器就是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種傳感器件，它將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行監(jiān)測、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。1.氣敏傳感器的工作原理氣敏傳感器是一種基于聲表面波器件波速和頻率隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移的原理制作而成的一種新型的傳感器。工作原理：聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄a膜與待測氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。2.氣敏傳感器的類型

氣敏傳感器包括：半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、可燃式氣體傳感器、熱導(dǎo)式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器、光干涉式氣體傳感器等。表2氣敏傳感器的類型分類反應(yīng)機(jī)理檢測對(duì)象優(yōu)缺點(diǎn)半導(dǎo)體氣體傳感器通過測定氣體接觸前后半導(dǎo)體電性質(zhì)變化來檢測氣體濃度和種類還原性氣體、城市排放氣體、丙烷器等優(yōu)點(diǎn)：成本低，反應(yīng)快，靈敏度高，濕度影響?。蝗秉c(diǎn)：必須高溫工作，對(duì)氣體選擇性差紅外線氣體傳感器利用氣體不同濃度不同種類對(duì)于不冋紅外波長的吸收特性檢測氣體C0/C02/N0X優(yōu)點(diǎn)：精度、選擇性好，氣敏度范圍寬;缺點(diǎn):價(jià)格偏咼，使用和維護(hù)難度較大可燃式氣體傳感器利用氣體燃燒產(chǎn)生熱量后電阻變化值來檢測氣體濃度和種類燃燒氣體優(yōu)點(diǎn)：輸出與濃度成正比，再現(xiàn)性好，受溫濕度影響小；缺點(diǎn)：抗震性差，對(duì)于有毒氣體反應(yīng)差光干涉式氣體傳感器利用與空氣的折射率不同而長生的干涉帶與空氣折射率不同的氣體，CO2等壽命長，但選擇性差熱傳導(dǎo)方式傳感器根據(jù)熱傳導(dǎo)率差而放熱的發(fā)熱元件的溫度降低進(jìn)行監(jiān)測與空氣熱傳導(dǎo)率不同的氣體構(gòu)造簡單，但靈敏度低，選擇性差電化學(xué)傳感器不同濃度氣體產(chǎn)生對(duì)應(yīng)電信號(hào)來檢測特定氣體的濃度CO/H2/CH4/C2H50H/S02等優(yōu)點(diǎn)：靈敏度咼，氣體選擇性好，在一定濃度可作分析儀器缺點(diǎn)：價(jià)格較咼，易受環(huán)境影響半導(dǎo)體氣敏傳感器由于其靈敏度高且價(jià)格低廉，因而得到廣泛應(yīng)用。然而，對(duì)于半導(dǎo)體氣敏傳感器，氣體濃度與輸出不成比例關(guān)系，因此，不太適宜作為氣體濃度計(jì)中的傳感器。接觸燃燒式傳感器時(shí)利用可燃性氣體接觸氧氣，發(fā)生氧化反應(yīng)，因而產(chǎn)生反應(yīng)熱（無焰接觸燃燒熱），使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大的原理。由于鉑絲電阻值變化小，因此，要采用橋接方式，放大變化的差分信號(hào)作為輸