傳感器基礎(chǔ)課件

緒

論1.1傳感器的地位和作用例1人與機(jī)器的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系定性人通過(guò)感官感覺(jué)外界對(duì)象的刺激，通過(guò)大腦對(duì)感受的信息進(jìn)行判斷、處理，肢體作出相應(yīng)的反映。定量傳感器相當(dāng)于人的感官，稱(chēng)“電五官”，外界信息由它提取，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)易于處理的電信號(hào)，微機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)出控制信號(hào)給執(zhí)行器，執(zhí)行器對(duì)外界對(duì)象進(jìn)行控制。人與機(jī)器的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系圖外界對(duì)象感官傳感器人腦微機(jī)肢體執(zhí)行器

無(wú)論是金屬糧倉(cāng)還是土倉(cāng)，為防止霉變，糧食都是分層存放，倉(cāng)內(nèi)溫度和濕度不能過(guò)高，為此，需在各層安放溫濕度傳感器進(jìn)行檢測(cè)。裝有溫濕度探頭的糧倉(cāng)示意圖如下。將各層探頭輸出接至溫濕度巡檢儀上，通過(guò)巡檢儀監(jiān)視器監(jiān)視各點(diǎn)溫濕度情況。通過(guò)通風(fēng)口保持溫濕度在要求范圍內(nèi)。例2糧倉(cāng)溫度、濕度檢測(cè)裝有溫濕度探頭的糧倉(cāng)示意圖通風(fēng)口探頭通風(fēng)口通風(fēng)口例3：開(kāi)發(fā)區(qū)海灣公司生產(chǎn)的感溫、感煙火災(zāi)報(bào)警器集控器1中央監(jiān)控圖1監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖探頭11探頭12探頭1N其監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖2:可在每一房間安放一對(duì)感溫、感煙探頭（智能傳感器），它們輸出溫度、濃度信號(hào)通過(guò)串行通訊線(xiàn)送入由微機(jī)組成的檢測(cè)系統(tǒng)（集控器）；集控器負(fù)責(zé)信號(hào)匯總，匯總各房間的溫度和濃度信號(hào)，并監(jiān)控各房間溫度、煙濃度是否異常，如異常，聲光報(bào)警并打開(kāi)噴淋設(shè)備滅火，一層一臺(tái)。各層集控器通過(guò)CAN總線(xiàn)、M-BUS總線(xiàn)等現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將溫度、濃度等信號(hào)送入中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)。值班人員在電腦屏幕上直觀(guān)監(jiān)視各房間情況（溫度、煙霧濃度）。房間、樓道裝配攝像頭，還可通過(guò)電視屏幕查看房間、樓道情況?？煽闯鰶](méi)有感溫、感煙傳感器，就像人缺少感官，系統(tǒng)無(wú)法工作。例4：熱軋帶鋼表面溫度的測(cè)量用輻射溫度計(jì)測(cè)量熱軋帶鋼表面溫度的方法巳被廣泛采用。從加熱爐出來(lái)的鋼坯最后到卷取機(jī)之前的整個(gè)軋制線(xiàn)上，如加熱爐出口、粗軋機(jī)的入口和出口、精軋機(jī)的入口和出口以及在卷取機(jī)之前都設(shè)有輻射溫度計(jì)，用以測(cè)量各階段帶鋼的表面溫度。并用此溫度信號(hào)來(lái)控制軋制速度、軋輥壓下力和冷卻水流量等。

傳感器作為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的前哨，它提取信息的準(zhǔn)確與否直接決定著整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度。一個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化水平是用其自動(dòng)化水平來(lái)衡量的。而自動(dòng)化水平是用儀表及傳感器的種類(lèi)和數(shù)量多少來(lái)衡量的。信息化技術(shù)包括傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。傳感器技術(shù)列為信息技術(shù)之首，由此可見(jiàn)一斑。國(guó)內(nèi)高精度、多功能、集成化、智能化傳感器急需開(kāi)發(fā)研制。總結(jié)1.2傳感器的定義與組成一、定義（Sensor）

能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律和精度轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置.（GB7665-87）它是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。

輸入量是物理量、化學(xué)量和生物量。輸出量主要是電量。（電量最便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示）輸入輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律（關(guān)系）已知，轉(zhuǎn)換精度要滿(mǎn)足測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。傳感器應(yīng)用場(chǎng)合（領(lǐng)域）不同，叫法不同。過(guò)程控制：變送器。（標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器）射線(xiàn)檢測(cè)：發(fā)送器、接收器。探頭。二、組成例如：氣體壓力傳感器

由半導(dǎo)體材料制成的物性性傳感器基本是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件二合一。直接能將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量輸出。壓電傳感器、光電池。熱敏電阻等。膜盒差動(dòng)電感電橋電路氣體壓力傳感器組成框圖PSLU0mVTT0BA熱電偶IhfG光電池f+++++–––––Q壓電傳感器RRTR0RU0Ui熱敏電阻傳感器1.3傳感器的分類(lèi)與要求分類(lèi)一.分類(lèi)1.按輸入量分類(lèi)常用的有機(jī)、光、電和化學(xué)等傳感器。例如：位移、速度、加速度、力、溫度和流量傳感器等2.按輸出量分類(lèi)參數(shù)式：電阻、電感、電容、頻率和離子傳感器發(fā)電式：壓電式、霍爾式、光電和熱電式傳感器3.按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。二.一般要求1、穩(wěn)定性、可靠性一般用平均無(wú)故障時(shí)間來(lái)衡量穩(wěn)定性、可靠性。在計(jì)量、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中穩(wěn)定性、可靠性至關(guān)重要。2、靜態(tài)精度測(cè)靜態(tài)量，傳感器精度應(yīng)滿(mǎn)足系統(tǒng)的精度要求。3、動(dòng)態(tài)性能測(cè)動(dòng)態(tài)量，如響應(yīng)速度、工作頻率、穩(wěn)定時(shí)間等。4、量程測(cè)量被測(cè)量的范圍。一般量程越大，精度越低。5、抗干擾能力工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較惡劣，存在溫濕度、電磁等干擾，設(shè)計(jì)的傳感器能克服這些干擾，安全穩(wěn)定運(yùn)行。6、體積小、能耗低、成本低結(jié)構(gòu)型傳感器向物性型半導(dǎo)體傳感器發(fā)展。如測(cè)人體血壓的電子血壓計(jì)。（uWmW級(jí)）1.4傳感器技術(shù)的發(fā)展方向1、開(kāi)發(fā)新的敏感、傳感材料在半導(dǎo)體硅材料發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物理量都會(huì)使其性能改變。制成力敏、熱敏、光敏、磁敏氣敏等敏感元件?；A(chǔ)研究尋找發(fā)現(xiàn)具有新原理、新效應(yīng)的敏感元件和傳感元件。沒(méi)有深入細(xì)致的，就沒(méi)有新傳感元件的問(wèn)世，也就沒(méi)有新型傳感器，組成不了新型測(cè)試系統(tǒng)。2、開(kāi)發(fā)研制新型傳感器及組成新型測(cè)試系統(tǒng)

(1)MEMS技術(shù)要求研制微型傳感器。如用于微型偵察機(jī)的CCD傳感器、用于管道爬壁機(jī)器人的力敏、視覺(jué)傳感器。（2）研制仿生傳感器（3）研制海洋探測(cè)用傳感器（4）研制成分分析用傳感器（5）研制微弱信號(hào)檢測(cè)傳感器3、研究新一代的智能化傳感器及測(cè)試系統(tǒng)

如電子血壓計(jì)，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點(diǎn)是傳感器與微型計(jì)算機(jī)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟件實(shí)現(xiàn)。4、多功能于多參數(shù)傳感器的研究

如同時(shí)檢測(cè)壓力、溫度和液位的傳感器一逐步走向市場(chǎng)。1.5本課程的任務(wù)和目的1、任務(wù)：掌握傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路及典型應(yīng)用。2、目的：1）合理選擇和使用傳感器。2）對(duì)傳感器技術(shù)問(wèn)題有一定的分析和處理能力。3）知曉傳感器的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法。4）了解傳感器的發(fā)展動(dòng)向。要求1、復(fù)習(xí)鞏固已學(xué)電路、電子等方面的知識(shí)。2、多看一些相關(guān)參考書(shū)及期刊雜志。參考書(shū)：1、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)常健生吉林工業(yè)大學(xué)機(jī)械工業(yè)出版社2、非電量電測(cè)技術(shù)譚祖根浙江大學(xué)3、傳感器技術(shù)賈伯年?yáng)|南大學(xué)傳感器實(shí)例溫度傳感器壓力傳感器

傳感器理論基礎(chǔ)1.1傳感器基礎(chǔ)

1.1.1傳感器的概念

傳感器首先是一種測(cè)量器件或裝置，它的作用體現(xiàn)在測(cè)量上。定義中所謂“可用輸出信號(hào)”是指便于傳輸、轉(zhuǎn)換及處理的信號(hào)，主要包括氣、光和電等信號(hào)，而“規(guī)定的測(cè)量量”一般是指非電量信號(hào)。傳感器的輸入和輸出信號(hào)應(yīng)該具有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且應(yīng)保證一定的精度。1．傳感器的組成

1.1.2傳感器的組成和分類(lèi)

傳感器組成框圖敏感元件(sensingelement)：直接感受被測(cè)量的變化，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件，是傳感器的核心。

轉(zhuǎn)換元件(transductionelement)：將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)。

測(cè)量電路(measuringcircuit)：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換和處理，如放大、濾波、線(xiàn)性化、補(bǔ)償?shù)龋垣@得更好的品質(zhì)特性，便于后續(xù)電路實(shí)現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能。2．傳感器的分類(lèi)

按工作原理分類(lèi)：可分為電參數(shù)式(電阻式、電感式和電容式)傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、熱電式傳感器等。按被測(cè)量分類(lèi)：可分為力、位移、速度、加速度傳感器等。按結(jié)構(gòu)分類(lèi)：可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型傳感器。按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類(lèi)：可分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型傳感器兩大類(lèi)。

傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)系特性，即系統(tǒng)輸出信號(hào)之間的關(guān)系。與輸入信號(hào)(被測(cè)量)1.1.3傳感器的基本特性傳感器系統(tǒng)1．靜態(tài)特性

當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是常量，不隨時(shí)間變化(或變化極緩慢)時(shí)，其輸出輸入關(guān)系特性稱(chēng)為靜態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能來(lái)描述。1）測(cè)量范圍(measuringrange)

傳感器所能測(cè)量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱(chēng)為傳感器的測(cè)量范圍。2)量程(span)傳感器測(cè)量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差稱(chēng)為量程。，3)精度(accuracy)傳感器的精度是指測(cè)量結(jié)果的可靠程度，是測(cè)量中各類(lèi)誤差的綜合反映。

工程技術(shù)中為簡(jiǎn)化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級(jí)的概念。精度等級(jí)以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示，代表傳感器測(cè)量的最大允許誤差（相對(duì)誤差）。4)線(xiàn)性度(linearity)

所謂傳感器的線(xiàn)性度是指其輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線(xiàn)偏離理想直線(xiàn)的程度，又稱(chēng)為非線(xiàn)性誤差。

在不考慮遲滯、蠕變等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程來(lái)表示：其中：—輸出量；

—輸入量；

—零點(diǎn)輸出；

—理論靈敏度；

—非線(xiàn)性項(xiàng)系數(shù)

在不考慮零位輸出的情況下，傳感器的線(xiàn)性度可分為以下幾種情況：傳感器的非線(xiàn)性

采用直線(xiàn)擬合的方法來(lái)線(xiàn)性化時(shí)，輸入—輸出的校正曲線(xiàn)與其擬合直線(xiàn)之間的最大偏差，稱(chēng)為非線(xiàn)性誤差，通常用相對(duì)誤差來(lái)表示：

——

非線(xiàn)性最大誤差；——

滿(mǎn)量程輸出值。

在非線(xiàn)性誤差不太大的情況下，通常采用直線(xiàn)擬合的方法來(lái)線(xiàn)性化。

常用的擬合方法：理論擬合、過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合、端點(diǎn)擬合、端點(diǎn)平移擬合、最小二乘法擬合等。各種直線(xiàn)擬合方法5)靈敏度(sensitivity)

靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵龅淖兓颗c引起該變化量的輸入變化量之比，即傳感器的靈敏度6)分辨率和閾值(resolutionandthreshold)

分辨率當(dāng)分辨力以滿(mǎn)量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)則稱(chēng)為分辨率。

分辨力傳感器能檢測(cè)到輸入量最小變化量的能力稱(chēng)為分辨力。

閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。7)重復(fù)性(repeatability)

重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線(xiàn)間不一致的程度。傳感器的重復(fù)性8)遲滯(hysteresis)

遲滯特性表明傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出與輸入曲線(xiàn)不重合的程度。傳感器的遲滯特性9)穩(wěn)定性(stability)

穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過(guò)一規(guī)定時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來(lái)表示，稱(chēng)為穩(wěn)定性誤差。穩(wěn)定性誤差可用相對(duì)誤差表示，也可用絕對(duì)誤差來(lái)表示。10)漂移(drift)

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。傳感器的漂移2．動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，是傳感器的重要特性之一。傳感器的動(dòng)態(tài)特性與其輸入信號(hào)的變化形式密切相關(guān)，最常見(jiàn)、最典型的輸入信號(hào)是階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。對(duì)于階躍輸入信號(hào)，傳感器的響應(yīng)稱(chēng)為階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)，對(duì)于正弦輸入信號(hào)，則稱(chēng)為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)?？蓮臅r(shí)域和頻域兩個(gè)方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來(lái)分析動(dòng)態(tài)特性。

動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述：微分方程實(shí)際傳感器較復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性一般并不能直接給出其微分方程，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出傳感器與階躍響應(yīng)曲線(xiàn)和幅頻特性曲線(xiàn)上的某些特征值來(lái)表示儀器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。大部分傳感器的動(dòng)態(tài)特性可近似用一階或二階系統(tǒng)來(lái)描述，其動(dòng)態(tài)分析方法詳見(jiàn)《自控原理》相關(guān)內(nèi)容。

動(dòng)態(tài)特性好的傳感器應(yīng)具有較短的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間和較寬的頻率響應(yīng)特性。1.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)1.傳感器的命名傳感器的全稱(chēng)應(yīng)由“主題詞+四級(jí)修飾語(yǔ)”組成，即主題詞——

傳感器。

一級(jí)修飾語(yǔ)——

被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語(yǔ)。二級(jí)修飾語(yǔ)——

轉(zhuǎn)換原理，一般可后綴以“式”字。三級(jí)修飾語(yǔ)——

特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后綴以“型”字。四級(jí)修飾語(yǔ)——

主要技術(shù)指標(biāo)(如量程、精度、靈敏度等)。2．傳感器的代號(hào)一種傳感器的代號(hào)應(yīng)包括以下四部分：a——

主稱(chēng)(傳感器)；

b——

被測(cè)量；c——

轉(zhuǎn)換原理；d——

序號(hào)。傳感器產(chǎn)品代號(hào)的編制格式3．傳感器的圖形符號(hào)

傳感器的圖形符號(hào)是電氣圖用圖形符號(hào)的一個(gè)組成部分。按GB/T14479—93《傳感器圖用圖形符號(hào)》規(guī)定，傳感器的圖形符號(hào)由符號(hào)要素正方形和等邊三角形組成正方形——轉(zhuǎn)換元件三角形——敏感元件傳感器的圖形符號(hào)

表示轉(zhuǎn)換原理的限定符號(hào)應(yīng)寫(xiě)進(jìn)正方形內(nèi)，表示被測(cè)量的限定符號(hào)應(yīng)寫(xiě)進(jìn)三角形內(nèi)。傳感器圖形符號(hào)的說(shuō)明(1)

—

被測(cè)量符號(hào)；*—

轉(zhuǎn)換原理當(dāng)無(wú)須強(qiáng)調(diào)具體的轉(zhuǎn)換原理時(shí)，傳感器的圖形符號(hào)可以簡(jiǎn)化。傳感器圖形符號(hào)的說(shuō)明(2)

對(duì)角線(xiàn)—

內(nèi)在的能量轉(zhuǎn)換功能；(A)、(B)—

輸入、輸出信號(hào)

對(duì)于傳感器的電氣引線(xiàn)，應(yīng)根據(jù)接線(xiàn)圖設(shè)計(jì)需要，從正方形的三條邊線(xiàn)垂直引出。傳感器圖形符號(hào)的說(shuō)明(3)

對(duì)于某些轉(zhuǎn)換原理難以用圖形符號(hào)簡(jiǎn)單、形象地表達(dá)時(shí)，也可用文字符號(hào)替代。傳感器圖形符號(hào)的說(shuō)明(4)

幾種典型傳感器的圖形符號(hào)1.1.5傳感器的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效應(yīng)開(kāi)發(fā)新材料采用高新技術(shù)拓展應(yīng)用領(lǐng)域提高傳感器的性能傳感器的微型化與低功耗傳感器的集成化與多功能化傳感器的智能化與數(shù)字化傳感器的網(wǎng)絡(luò)化1.2檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)1.2.1檢測(cè)技術(shù)

檢測(cè)技術(shù)是以研究檢測(cè)系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理的理論與技術(shù)為主要內(nèi)容的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。檢測(cè)技術(shù)主要研究被測(cè)量的測(cè)量原理、測(cè)量方法、檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等方面的內(nèi)容。不同性質(zhì)的被測(cè)量要采用不同的原理去測(cè)量，測(cè)量同一性質(zhì)的被測(cè)量也可采用不同測(cè)量原理。1.2.2測(cè)量方法1.測(cè)量

測(cè)量是檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分，是以確定被測(cè)對(duì)象量值為目的的一系列操作。

測(cè)量是將被測(cè)量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而確定被測(cè)量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。它可由下式表示：

——

被測(cè)量值；——

標(biāo)準(zhǔn)量，即測(cè)量單位；——

數(shù)值(比值)，含有測(cè)量誤差。

式中

2.測(cè)量方法1)直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量(1)直接測(cè)量在使用儀表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)儀表讀數(shù)不需要經(jīng)過(guò)任何運(yùn)算，就能直接表示測(cè)量所需要的結(jié)果，稱(chēng)為直接測(cè)量。(2)間接測(cè)量有的被測(cè)量無(wú)法或不便于直接測(cè)量，這就要求在使用儀表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先對(duì)與被測(cè)物理量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個(gè)量進(jìn)行測(cè)量，然后將測(cè)量值代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到所需的結(jié)果，這種方法稱(chēng)為間接測(cè)量。

經(jīng)過(guò)求解聯(lián)立方程組，才能得到被測(cè)物理量的最后結(jié)果，則稱(chēng)這樣的測(cè)量為組合測(cè)量。(3)組合測(cè)量(又稱(chēng)聯(lián)立測(cè)量)2)偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量與微差式測(cè)量

用儀表指針的位移(即偏差)決定被測(cè)量的量值。用指零儀表的零位指示檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在測(cè)量系統(tǒng)平衡時(shí)，用已知的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測(cè)量的量值的測(cè)量方法。微差式測(cè)量是綜合了偏差式測(cè)量與零位式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種測(cè)量方法。它將被測(cè)量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，取得差值后，再用偏差法測(cè)得此差值。3)等精度測(cè)量與非等精度測(cè)量

在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，若影響和決定測(cè)量精度的全部因素(條件)始終保持不變，即在同樣的環(huán)境條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，稱(chēng)為等精度測(cè)量。用不同精度的儀表或不同的測(cè)量方法，或在環(huán)境條件相差很大的情況下對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量稱(chēng)為非等精度測(cè)量。

被測(cè)量在測(cè)量過(guò)程中認(rèn)為是固定不變的，這種測(cè)量稱(chēng)為靜態(tài)測(cè)量。若被測(cè)量在測(cè)量過(guò)程中是隨時(shí)間不斷變化的，這種測(cè)量稱(chēng)為動(dòng)態(tài)測(cè)量。4)靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，一定要從測(cè)量任務(wù)的具體情況出發(fā)，經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析后，再?zèng)Q定選用哪種測(cè)量方法。1.2.3檢測(cè)系統(tǒng)1.檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖2.開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)與閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)1)開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但各環(huán)節(jié)特性的變化都會(huì)造成測(cè)量誤差。2)閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)>>1時(shí)，則系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為≈經(jīng)整理得

此系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系由反饋環(huán)節(jié)的特性決定，放大器等環(huán)節(jié)特性的變化不會(huì)造成測(cè)量誤差，或造成的誤差很小。1.2.4測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理1.測(cè)量誤差

測(cè)量誤差就是測(cè)量值與真實(shí)值之間的差值，它反映了測(cè)量的精度。1)測(cè)量誤差的表示方法(1)絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差

絕對(duì)誤差表示測(cè)量值與被測(cè)量真實(shí)值(真值)之間的差值，即

對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正時(shí)，被測(cè)量真實(shí)值應(yīng)等于測(cè)量值加上修正值，即A=x+c。其中修正值c是與絕對(duì)誤差大小相等、符號(hào)相反的值。

在實(shí)際應(yīng)用中更多地是用相對(duì)誤差來(lái)代替絕對(duì)誤差表示測(cè)量結(jié)果，這樣可以更客觀(guān)地反映測(cè)量的準(zhǔn)確性。①

實(shí)際相對(duì)誤差

②

示值(標(biāo)稱(chēng))相對(duì)誤差③引用(滿(mǎn)度)相對(duì)誤差它是指測(cè)量?jī)x表中相對(duì)儀表滿(mǎn)量程的一種相對(duì)誤差。

儀表的精度等級(jí)是根據(jù)引用誤差來(lái)確定的。我國(guó)電工儀表的精度等級(jí)按的大小分為七級(jí)：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0。(2)基本誤差和附加誤差

基本誤差是指儀表在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差。標(biāo)準(zhǔn)條件一般指檢測(cè)系統(tǒng)在標(biāo)定刻度時(shí)所保持的電源電壓(220±5)V、電網(wǎng)頻率(50±2)Hz、環(huán)境溫度(20±5)℃、濕度(65%±5%)RH。附加誤差是指當(dāng)儀表的使用條件偏離標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)出現(xiàn)的誤差。(3)工具誤差和方法誤差

工具誤差是指由于測(cè)量工具本身不完善引起的誤差。方法誤差也稱(chēng)理論誤差，是指測(cè)量方法不精確、理論依據(jù)不嚴(yán)密及對(duì)被測(cè)量定義不明確等因素所產(chǎn)生的誤差。2)誤差的性質(zhì)(1)系統(tǒng)誤差(簡(jiǎn)稱(chēng)系差)

在一定的條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，如果誤差按照一定的規(guī)律變化，則把這種誤差稱(chēng)為系統(tǒng)誤差。

系統(tǒng)誤差決定了測(cè)量的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或引入修正值的方法一次修正給以消除。(2)隨機(jī)誤差(簡(jiǎn)稱(chēng)隨差，又稱(chēng)偶然誤差)由大量偶然因素的影響而引起的測(cè)量誤差稱(chēng)為隨機(jī)誤差。

對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值和符號(hào)將不可預(yù)知地隨機(jī)變化，但總體上服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。隨機(jī)誤差決定了測(cè)量的精密度。隨機(jī)誤差不能用簡(jiǎn)單的修正值法來(lái)修正，只能通過(guò)概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法去估計(jì)它出現(xiàn)的可能性。

精密度、準(zhǔn)確度和精確度三者的關(guān)系

系統(tǒng)誤差越小，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度越高；隨機(jī)誤差越小，測(cè)量結(jié)果精密度越高。如果一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精密度都很高，就稱(chēng)此測(cè)量的精確度很高。打靶彈著點(diǎn)分布圖(3)粗大誤差(簡(jiǎn)稱(chēng)粗差，又稱(chēng)疏忽誤差)

在一定測(cè)量條件下，測(cè)量值明顯偏離實(shí)際真實(shí)值所形成的誤差稱(chēng)為粗大誤差。含有粗大誤差的測(cè)量值稱(chēng)為壞值。壞值不能反映被測(cè)量的真實(shí)結(jié)果。對(duì)于粗大誤差，首先應(yīng)設(shè)法判斷是否存在，如存在，則需將壞值剔除。2.測(cè)量數(shù)據(jù)的估計(jì)和處理1)隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)處理

隨機(jī)誤差的分布可以在大量重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)，當(dāng)測(cè)量次數(shù)足夠多時(shí)，測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的誤差服從正態(tài)分布規(guī)律。

——

概率密度；σ——

標(biāo)準(zhǔn)誤差(均方根準(zhǔn)誤差)；δ——

隨機(jī)誤差。

正態(tài)分布規(guī)律曲線(xiàn)為一條鐘形的曲線(xiàn)。

隨機(jī)誤差分布規(guī)律的特點(diǎn)①

集中性。②有限性。③對(duì)稱(chēng)性。④抵償性。正態(tài)分布曲線(xiàn)

由于隨機(jī)誤差的出現(xiàn)是符合正態(tài)分布曲線(xiàn)的，因此它的出現(xiàn)概率就是該曲線(xiàn)下所包圍的面積，該面積是全部隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率之和，也就是應(yīng)該等于1。(2)隨機(jī)誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)①算術(shù)平均值

在實(shí)際測(cè)量時(shí)，真值一般無(wú)法得到?？梢宰C明，隨著測(cè)量次數(shù)的增多，算術(shù)平均值越來(lái)越接近真值，當(dāng)無(wú)限大時(shí)，測(cè)量值的算術(shù)平均值就是真值。②標(biāo)準(zhǔn)誤差(又稱(chēng)均方根誤差)

算術(shù)平均值是反映隨機(jī)誤差的分布中心，而標(biāo)準(zhǔn)誤差則反映隨機(jī)誤差的分布范圍。標(biāo)準(zhǔn)誤差越大，測(cè)量數(shù)據(jù)的分散范圍也越大，標(biāo)準(zhǔn)誤差可以描述測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果的精度，是評(píng)價(jià)隨機(jī)誤差的重要指標(biāo)。三種不同的正態(tài)分布曲線(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)誤差的求法（貝賽爾(Bessel)公式）

通常利用殘余誤差(簡(jiǎn)稱(chēng)殘差又稱(chēng)剩余誤差)來(lái)求得標(biāo)準(zhǔn)誤差。所謂殘差，是指測(cè)量值與該被測(cè)量的算術(shù)平均值之差，用表示，即貝賽爾(Bessel)公式

殘差有一個(gè)重要特性，即

將多次測(cè)量的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果時(shí)，其精度參數(shù)用算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差來(lái)表示，即

一個(gè)被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果，一般用下式表示隨機(jī)誤差的影響，即式中Z稱(chēng)為置信系數(shù)，一般取1～3?？梢宰C明，這時(shí)概率P如下：置信概率與置信區(qū)間評(píng)定隨機(jī)誤差時(shí)一般以為極限誤差，如某項(xiàng)測(cè)量值的殘差超出則認(rèn)為此項(xiàng)測(cè)量值中含有粗大誤差，數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)舍去。2)系統(tǒng)誤差的檢查及消除(1)實(shí)驗(yàn)對(duì)比法

這種方法是通過(guò)改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件，進(jìn)行不同條件的測(cè)量，來(lái)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的，此種方法適用于發(fā)現(xiàn)固定的系統(tǒng)誤差。

(2)殘余誤差法

這種方法是根據(jù)測(cè)量值的殘余誤差的大小和符號(hào)的變化規(guī)律，直接由誤差數(shù)據(jù)或誤差曲線(xiàn)來(lái)判斷有無(wú)系統(tǒng)誤差。(3)理論計(jì)算法

馬利科夫準(zhǔn)則

馬利科夫準(zhǔn)則適用于判別測(cè)量數(shù)據(jù)中是否存在累進(jìn)性系統(tǒng)誤差。不含累進(jìn)性系統(tǒng)誤差；如與值相當(dāng)或更大，則說(shuō)明測(cè)量值中存在累進(jìn)性系統(tǒng)誤差。近似為零或明顯小于，則說(shuō)明上述測(cè)量值中

阿卑—赫梅特(Abbe—Helmert)準(zhǔn)則

阿卑－赫梅特準(zhǔn)則適用于判別測(cè)量數(shù)據(jù)中是否存在周期性系統(tǒng)誤差。＞當(dāng)存在

則認(rèn)為測(cè)量數(shù)據(jù)中含有周期性系統(tǒng)誤差。3)粗大誤差的判別(1)拉依達(dá)準(zhǔn)則（準(zhǔn)則）

將等于的誤差作為極限誤差，如果一組測(cè)量數(shù)據(jù)中某個(gè)測(cè)量值的殘余誤差的絕對(duì)值＞，則該測(cè)量值為壞值，應(yīng)剔除。

(2)肖維勒準(zhǔn)則

肖維勒準(zhǔn)則是以正態(tài)分布為前提的，假設(shè)多次重復(fù)測(cè)量所得的個(gè)測(cè)量值中，某個(gè)測(cè)量值的殘余誤差＞，則剔除此數(shù)據(jù)。為判別系數(shù)。實(shí)用中＜3，所以在一定程度上彌補(bǔ)了準(zhǔn)則的不足。

(3)格拉布斯(Grubbs)準(zhǔn)則

格拉布斯準(zhǔn)則也是以正態(tài)分布為前提的，當(dāng)某個(gè)測(cè)量值的殘余誤差的絕對(duì)值＞，則可判斷此測(cè)量值中含有粗大誤差，應(yīng)予以剔除。為判別系數(shù)，值與重復(fù)測(cè)量次數(shù)和置信概率有關(guān)。4)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理①利用修正值等方法，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正，減小恒值系統(tǒng)誤差的影響。②將一系列等精度測(cè)量讀數(shù)(＝1，2，…，)按先后順序列成表格(在測(cè)量時(shí)應(yīng)盡可能消除系統(tǒng)誤差)。③計(jì)算測(cè)量讀數(shù)的算術(shù)平均值。④在每個(gè)測(cè)量讀數(shù)旁列出相應(yīng)的殘余誤差。⑤檢查的條件是否滿(mǎn)足，若不滿(mǎn)足，說(shuō)明計(jì)算有誤，需重新計(jì)算。⑥在每項(xiàng)殘余誤差旁列出，然后由貝賽爾公式求出標(biāo)準(zhǔn)誤差。⑦

依照已知條件和實(shí)際要求，可根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則檢查是否有＞的測(cè)量值；或根據(jù)肖維勒準(zhǔn)則，檢查是否有＞的測(cè)量值；或根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則，檢查是否有的測(cè)量值；如果有，則應(yīng)認(rèn)為該測(cè)量值為壞值，舍去此值，然后重復(fù)完成③～⑦的步驟，直到?jīng)]有壞值為止。⑧判斷有無(wú)變值系統(tǒng)誤差。⑨計(jì)算測(cè)量值的算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。⑩根據(jù)實(shí)際要求，寫(xiě)出最后測(cè)量結(jié)果()。5)誤差的合成與分配

在測(cè)量中，已知各測(cè)量值的誤差(或局部誤差)，求總的誤差，稱(chēng)為誤差合成(也稱(chēng)誤差綜合)；反之，確定了總的誤差后，計(jì)算各環(huán)節(jié)(或各部分)具有多大誤差才能保證總的誤差值不超過(guò)規(guī)定值，稱(chēng)為誤差的分配。(1)誤差的合成

在實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)大于隨機(jī)誤差的影響時(shí)，基本上可按系統(tǒng)誤差的合成來(lái)處理，當(dāng)系統(tǒng)誤差較小或已修正時(shí)，則可按隨機(jī)誤差合成來(lái)處理。一般情況下系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的影響差不多，二者均不可忽略，此時(shí)，誤差的合成可根據(jù)具體情況，分別按不同的方法處理。(2)誤差的分配

如果說(shuō)由各測(cè)量值的誤差合成總誤差是誤差傳播的正向過(guò)程，那么給定總誤差后，如何將這個(gè)總誤差分配給各環(huán)節(jié)，就可以說(shuō)是誤差傳播的反向過(guò)程。

常見(jiàn)的誤差分配原則

①等精度分配。

②等作用分配。

③按主要誤差進(jìn)行分配。

被測(cè)量?→電阻?

輸出

電阻式傳感器的種類(lèi)繁多，應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于測(cè)力、測(cè)壓、稱(chēng)重、測(cè)位移、測(cè)加速度、測(cè)扭矩、測(cè)溫度等檢測(cè)系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化不可缺少的手段之一。測(cè)量電路

電阻式傳感器2.1電位器式電阻傳感器

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號(hào)大、性能穩(wěn)定并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)；但要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。

分類(lèi)：根據(jù)輸入—輸出特性的不同，分為線(xiàn)性電位器和非線(xiàn)性電位器兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，分為繞線(xiàn)式、薄膜式、光電式等。

是一種把機(jī)械的線(xiàn)位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件。2.1.1工作原理

當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)電刷觸點(diǎn)在電阻元件上產(chǎn)生移動(dòng)，該觸點(diǎn)與電阻元件間的電阻值就會(huì)發(fā)生變化，即可實(shí)現(xiàn)位移(被測(cè)量)與電阻之間的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換。1)線(xiàn)性電位器

角位移式電位器傳感器原理圖

線(xiàn)性直線(xiàn)位移式電位器工作原理示意圖2)非線(xiàn)性電位器

輸入量位移和輸出電壓之間呈現(xiàn)某種函數(shù)規(guī)律的非線(xiàn)性變化，可以實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)，常用的非線(xiàn)性電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式和電位給定式等四種。變骨架式非線(xiàn)性電位器

電阻靈敏度為電壓靈敏度為2.基本特性1)階梯特性

當(dāng)電刷在多匝導(dǎo)線(xiàn)上移動(dòng)時(shí)，電位器的阻值和輸出電壓不是連續(xù)變化，而是階躍式地變化。電刷每移動(dòng)過(guò)一匝線(xiàn)圈，電阻就突然增加一匝阻值，輸出電壓就產(chǎn)生一次階躍。

線(xiàn)性電位器的階梯特性曲線(xiàn)圖

當(dāng)電刷從m-1匝移至m匝時(shí)，電刷瞬間使相鄰兩匝線(xiàn)圈短接，于是電位器的總匝數(shù)從n匝減少到n-1匝，則：

在理想情況下，特性曲線(xiàn)各個(gè)階梯的大小完全相同，則穿過(guò)每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線(xiàn)即是理論直線(xiàn)，階梯曲線(xiàn)圍繞它上下波動(dòng)從而產(chǎn)生一定的偏差，這種偏差就是階梯誤差。理想階梯特性曲線(xiàn)圖

電位器的階梯誤差通常用理想階梯特性曲線(xiàn)對(duì)理論直線(xiàn)最大偏差值與最大輸出電壓值之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

階梯誤差2)負(fù)載特性帶負(fù)載的電位器電路

電位器的負(fù)載電阻為，則此電位器的輸出電壓為：設(shè)電阻的相對(duì)變化負(fù)載系數(shù)則電位器相對(duì)輸出電壓為

可見(jiàn)，當(dāng)m≠0，即RL

不是無(wú)窮大時(shí)，Y

與r

為非線(xiàn)性關(guān)系。

電位器的負(fù)載特性曲線(xiàn)

負(fù)載特性曲線(xiàn)（m≠0）均為下垂曲線(xiàn)，說(shuō)明負(fù)載輸出電壓比空載輸出電壓低，這種偏差即為負(fù)載誤差。

電位器負(fù)載特性曲線(xiàn)負(fù)載誤差對(duì)于線(xiàn)性電位器有線(xiàn)性電位器負(fù)載誤差曲線(xiàn)

故

可見(jiàn)，無(wú)論為何值，電刷在起始位置和最大位置時(shí)，負(fù)載誤差都為零，當(dāng)電刷處于行程中心位置時(shí)，負(fù)載誤差最大。

2.1.2結(jié)構(gòu)與材料1.繞線(xiàn)式電位器常用的繞線(xiàn)式電位器通常由電阻絲、電刷及骨架構(gòu)成。1)電阻絲

要求：電阻系數(shù)高，電阻溫度系數(shù)小，強(qiáng)度高，延展性好，對(duì)銅的熱電勢(shì)盡可能小，耐磨耐腐蝕，焊接性好。常用材料：銅鎳合金類(lèi)、銅錳合金類(lèi)、鉑銥合金類(lèi)、鎳鉻絲、卡瑪絲及銀鈀絲等。

材料：要與電阻絲材料配合選擇，通常是使電刷材料的硬度與電阻絲材料的硬度相近或稍高些，而且要保證電刷觸點(diǎn)具有良好的抗氧化能力、接觸電勢(shì)要小。常用的電刷觸頭材料有銀、鉑銥、鉑銠等金屬。2)電刷

結(jié)構(gòu)：由具有彈性的金屬薄片或金屬絲制成，末端彎曲形成弧形。3)骨架

材料：形狀穩(wěn)定，電氣絕緣好，有足夠的強(qiáng)度和剛度，散熱性好，耐潮濕，易加工。2.非線(xiàn)繞式電位器

1)薄膜電位器碳膜電位器：在絕緣骨架表面上噴涂一層均勻的電阻液，經(jīng)烘干聚合后而制成電阻。

優(yōu)點(diǎn)：分辨率高、耐磨性較好、工藝簡(jiǎn)單、成

本較

低、線(xiàn)性度較好。缺點(diǎn)：接觸電阻大、噪聲大。

金屬膜電位器：在玻璃或膠木基體上，用高溫蒸鍍或電鍍方法，涂覆一層金屬膜而制成。

優(yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)小，可在高溫環(huán)境下工作。缺點(diǎn)：耐磨性差、功率小、阻值不高(1kΩ～2kΩ)。

這種電位器由塑料粉及導(dǎo)電材料粉(合金、石墨、炭黑等)壓制而成，它又稱(chēng)為實(shí)心電位器。

優(yōu)點(diǎn)：耐磨性較好、壽命較長(zhǎng)、電刷允許的接觸壓力

較大，適用于振動(dòng)、沖擊等惡劣條件下工作，且阻值范圍大，能承受較大的功率。

缺點(diǎn)：溫度影響較大、接觸電阻大、精度不高。

2)導(dǎo)電塑料電位器3)光電電位器光電電位器原理圖

優(yōu)點(diǎn)：耐磨性好，精度、分辨率高，壽命長(zhǎng)(可達(dá)億萬(wàn)次循環(huán))、可靠性好，阻值范圍寬(500～15M)等。缺點(diǎn)：輸出電流較小，需配備高輸入阻抗放大器工作，工作溫度的范圍比較窄，線(xiàn)性度不高。此外，光電電位器需要照明光源和光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積和重量較大。

2.2應(yīng)變式電阻傳感器2.2.1應(yīng)變效應(yīng)和工作原理

應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時(shí)，將產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致其電阻值變化。金屬絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化設(shè)電阻絲在外力F的作用下被拉伸(或壓縮)，則：用相對(duì)變化表示對(duì)于半徑為的電阻絲，截面面積則：令電阻絲的軸向(縱向)應(yīng)變?yōu)閺较?橫向)應(yīng)變?yōu)閯t由材料力學(xué)泊松定律可知：經(jīng)整理得如用增量表示，有：進(jìn)一步整理得設(shè)則：

為電阻絲的靈敏系數(shù)，它受兩個(gè)因素的影響：一是它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對(duì)某種材料來(lái)說(shuō)，它是常數(shù)；另一個(gè)是，它是由電阻絲電阻率的改變而引起的，對(duì)于金屬材料，其值也是常數(shù)，但往往比小很多，可以忽略，故對(duì)于金屬材料，靈敏系數(shù)將保持不變，即值是恒定的。因此：≈結(jié)論2.2.2電阻應(yīng)變片的種類(lèi)、材料及粘貼1.電阻應(yīng)變片的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)與材料

種類(lèi)金屬電阻應(yīng)變片：絲式、箔式和薄膜式。半導(dǎo)體應(yīng)變片2)結(jié)構(gòu)絲式：

電阻絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

箔式

敏感柵是由很薄的金屬箔片用光刻、腐蝕等技術(shù)制作。與絲式應(yīng)變片相比，金屬箔式應(yīng)變片具有散熱性能好，允許電流大，靈敏度高，壽命長(zhǎng)，可制成任意形狀，易加工，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，已逐漸取代絲式應(yīng)變片而占主要的地位。

箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

對(duì)金屬電阻應(yīng)變片敏感柵材料的基本要求是：①靈敏系數(shù)

值大，并且在較大應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)。②電阻溫度系數(shù)小。③電阻率大。④機(jī)械強(qiáng)度高，且易于拉絲或輾薄。⑤與銅絲的焊接性好，與其他金屬的接觸熱電勢(shì)小。

薄膜應(yīng)變片

采用真空蒸發(fā)或真空沉積的方法，將金屬敏感材料直接鍍制于彈性基片上。相對(duì)于金屬粘貼式應(yīng)變片而言，薄膜應(yīng)變片的應(yīng)變傳遞性能得到了極大的改善，幾乎無(wú)蠕變，并且具有應(yīng)變靈敏系數(shù)高，穩(wěn)定性好、可靠性高、工作溫度范圍寬(-100℃～180℃)、使用壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的新型應(yīng)變片。3)材料金屬電阻應(yīng)變片常用的敏感柵材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金、鉑、鉑鎢合金等。

2.電阻應(yīng)變片的粘貼

電阻應(yīng)變片應(yīng)用時(shí)用粘合劑粘貼到試件表面上，粘合劑的性能及粘結(jié)工藝的質(zhì)量直接影響著應(yīng)變片的工作特性，因此必須合理選擇粘合劑，遵循正確的粘結(jié)工藝，保證粘貼質(zhì)量，這與電阻應(yīng)變片的測(cè)量精度有著極其重要的關(guān)系。

此外粘貼時(shí)還要考慮到應(yīng)變片的工作條件，如溫度、相對(duì)濕度、穩(wěn)定性要求、粘貼時(shí)間長(zhǎng)短的要求以及貼片固化時(shí)加熱加壓的可能性等。

2.2.3電阻應(yīng)變片的主要特性1.靈敏系數(shù)

靈敏系數(shù)表示安裝在被測(cè)試件上的應(yīng)變?cè)谄漭S向受到單向應(yīng)力時(shí)，引起的電阻相對(duì)變化與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)值的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到應(yīng)變測(cè)量的精度，其誤差大小是衡量應(yīng)變片質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要標(biāo)志。一般要求值盡量大而穩(wěn)定。需要指出，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長(zhǎng)電阻絲的靈敏系數(shù)，一般情況下，＜

將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度不變，應(yīng)變狀態(tài)相同，但在的圓弧處，除受縱向的拉應(yīng)變外，由泊松關(guān)系，還存在橫向的負(fù)應(yīng)變（），造成電阻的減小，因而其靈敏系數(shù)較整長(zhǎng)電阻絲的靈敏系數(shù)小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。2.橫向效應(yīng)應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng)3.機(jī)械滯后、零漂和蠕變

機(jī)械滯后應(yīng)變片安裝在試件上以后，在加載和卸載過(guò)程中，對(duì)同一機(jī)械應(yīng)變量，兩過(guò)程的特性曲線(xiàn)并不重合，卸載時(shí)的指示應(yīng)變高于加載時(shí)的指示應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的機(jī)械滯后。產(chǎn)生機(jī)械滯后的主要原因是敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變之后留下的殘余變形所致。機(jī)械滯后

已粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定，試件上沒(méi)有機(jī)械應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸變化，這就是應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)零漂。

零漂

已粘貼的應(yīng)變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機(jī)械應(yīng)變長(zhǎng)時(shí)間作用下，應(yīng)變片的指示會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。一般來(lái)說(shuō)，蠕變的方向與原來(lái)應(yīng)變量變化的方向相反。應(yīng)變片工作時(shí)，零漂和蠕變是同時(shí)存在的。

蠕變4.溫度效應(yīng)

當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為溫度效應(yīng)。影響：

a.感柵材料的電阻溫度系數(shù)

b.敏感材料和試件材料的膨脹系數(shù)不同

因此，由于環(huán)境溫度變化形成總的電阻相對(duì)變化為：相應(yīng)地如消除此項(xiàng)誤差，要采取溫度補(bǔ)償措施。5.應(yīng)變極限、疲勞壽命

應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差達(dá)到規(guī)定值(一般為10%)時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值。對(duì)于已安裝的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N稱(chēng)為應(yīng)變片的疲勞壽命。應(yīng)變極限

6.絕緣電阻和最大工作電流

應(yīng)變片的絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線(xiàn)與被測(cè)件之間的電阻值。通常要求在50MΩ

～100MΩ以上。絕緣電阻下降將使測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。對(duì)于已安裝的應(yīng)變片，最大工作電流是指允許通過(guò)敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。工作電流的選取要根據(jù)試件的導(dǎo)熱性能及敏感柵形狀和尺寸來(lái)決定。7.應(yīng)變片的電阻值

指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力的情況下，于室溫測(cè)得的電阻值。目前常用的電阻系列有：60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等，其中以120Ω最常用。

即利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片進(jìn)行補(bǔ)償。

1)選擇式自補(bǔ)償法(又稱(chēng)單絲自補(bǔ)償法)只需：

這種的自補(bǔ)償應(yīng)變片容易加工，成本低，缺點(diǎn)是只適用特定材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。2.2.4電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償1.自補(bǔ)償法敏感柵由兩種不同溫度系數(shù)的電阻絲組成（1）二者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)即：組合式自補(bǔ)償法之一可通過(guò)調(diào)節(jié)兩種電阻絲的長(zhǎng)度來(lái)控制應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償。2)組合式自補(bǔ)償(又稱(chēng)雙絲自補(bǔ)償法)組合式自動(dòng)補(bǔ)償法之二（2）二者具有相同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)滿(mǎn)足條件求得：

可使兩橋臂由于溫度引起的電阻變化相等或接近，實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。2.線(xiàn)路補(bǔ)償法常用電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法R1——工作應(yīng)變片，安裝在被測(cè)試件上；RB——補(bǔ)償應(yīng)變片，安裝在補(bǔ)償塊上，與被測(cè)試件溫度相同，但不承受應(yīng)變。

R1、RB

接入電橋相鄰兩臂，因，故輸出電壓Uo不受溫度變化影響。

①R1和RB兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線(xiàn)膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值Ro。

②粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)試件材料必須一樣，兩者線(xiàn)膨脹系數(shù)相同。

③兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。

應(yīng)當(dāng)指出，若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，必須滿(mǎn)足以下三個(gè)條件：

在應(yīng)變測(cè)試的某些條件下，可通過(guò)改變應(yīng)變片的粘貼位置，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，同時(shí)還可提高應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。差動(dòng)電橋補(bǔ)償法

測(cè)量時(shí)可將RＢ貼在被測(cè)試件的下面，接入電橋電路中。由于在外力F的作用下,RB與R1的變化值大小相等符號(hào)相反,電橋的輸出電壓增加一倍。此時(shí)RB既起到了溫度補(bǔ)償作用，又提高了靈敏度，同時(shí)可補(bǔ)償非線(xiàn)性誤差。當(dāng)，或時(shí)，電橋平衡

1.直流電橋

1)

直流電橋平衡條件當(dāng)RL→∞時(shí)，電橋輸出電壓為

欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。2.2.5測(cè)量電路2)電壓靈敏度

應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_(kāi)路情況。當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為ΔR，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡。輸出電壓為：

設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，則上式可寫(xiě)為：電橋電壓靈敏度定義為：

由分析可知：

①電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇。

②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。由dKU/dn=0，求KU的最大值，得

求得n=1時(shí)，KU為最大值。即當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有：

從上述可知，當(dāng)電源電壓U和電阻相對(duì)變化量ΔR1/R1一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無(wú)關(guān)。當(dāng)U值確定后，n取何值時(shí)才能使KU最高：

3)非線(xiàn)性誤差及其補(bǔ)償方法

可見(jiàn)與ΔR1/R1的關(guān)系是非線(xiàn)性的，如果是四等臂電橋，R1=R2=R3=R4，即n=1，則非線(xiàn)性誤差為

為了減小和克服非線(xiàn)性誤差，常采用差動(dòng)電橋：如圖若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得

電路優(yōu)點(diǎn)：

Uo與ΔR1/R1成線(xiàn)性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)性誤差；電壓靈敏度KU=U/2，是單臂工作時(shí)的兩倍；具有溫度補(bǔ)償作用該電橋輸出電壓為

若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。

電路優(yōu)點(diǎn)：

Uo與ΔR1/R1成線(xiàn)性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)性誤差；電壓靈敏度KU=U/4，是單臂工作時(shí)的四倍；具有溫度補(bǔ)償作用若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則：

當(dāng)負(fù)載為有限值時(shí)：電橋內(nèi)阻輸出電流2.交流電橋由于供橋電源為交流電源，引線(xiàn)分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性：由交流電路分析可得：要滿(mǎn)足電橋平衡條件，即Uo=0，則有：Z1Z4=Z2Z3

將Z1、Z2、Z3、Z4表達(dá)式代入，可得：整理得：

其實(shí)部、虛部應(yīng)分別相等，并整理可得交流電橋的平衡條件為：及常見(jiàn)交流電橋平衡調(diào)節(jié)電路2.3壓阻式傳感器

20世紀(jì)50年代中期出現(xiàn)，由半導(dǎo)體應(yīng)變片制成，其靈敏系數(shù)比金屬電阻式傳感器高幾十倍，而且具有體積小、分辨率高、工作頻帶寬、機(jī)械遲滯小、傳感器與測(cè)量電路可實(shí)現(xiàn)一體化等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中應(yīng)用廣泛。2.3.1工作原理

基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理：當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體材料施加應(yīng)力作用時(shí)，半導(dǎo)體材料的電阻率將隨著應(yīng)力的變化而發(fā)生變化，進(jìn)而反映到電阻值也發(fā)生變化。

其中由材料幾何尺寸變化而引起電阻的變化很小，可忽略不計(jì)，而一項(xiàng)很大，也就是說(shuō)，半導(dǎo)體材料電阻的變化主要由半導(dǎo)體材料電阻率的變化所造成的，即：對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片：≈又彈性模量故：

可見(jiàn)，當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受到外界應(yīng)力的作用時(shí)，其電阻(率)的變化與受到應(yīng)力的大小成正比，這就是壓阻傳感器的工作原理。2.3.2影響壓阻系數(shù)的因素1.應(yīng)力的作用方向半導(dǎo)體的晶向

由于半導(dǎo)體材料的各向異性，在實(shí)際應(yīng)用中，隨著外界應(yīng)力施加方向的不同其壓阻系數(shù)也是不同的。通常根據(jù)外界應(yīng)力相對(duì)晶軸的方向，分為縱向應(yīng)力

和橫向應(yīng)力

，當(dāng)半導(dǎo)體同時(shí)受到兩向應(yīng)力作用時(shí)，有：

2.擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度

可見(jiàn)壓阻系數(shù)隨擴(kuò)散雜質(zhì)濃度的增加而減小，表面雜質(zhì)濃度相同時(shí)，P型硅的壓阻系數(shù)值比N型硅的(絕對(duì))值高。壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)的濃度的關(guān)系

3.環(huán)境溫度壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系2.3.3壓阻式傳感器的材料

一般半導(dǎo)體應(yīng)變片是沿所需的晶向?qū)⒐鑶尉w切成條形薄片，在硅條兩端先真空鍍膜蒸發(fā)一層黃金，再用細(xì)金絲分別與兩電極焊接。

常用于制作半導(dǎo)體應(yīng)變片的半導(dǎo)體材料主要有：硅、鍺、銻化銦、砷化鎵等。

由半導(dǎo)體材料制成的壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片要大幾十倍，其應(yīng)變系數(shù)的符號(hào)隨單晶材料的導(dǎo)電類(lèi)型而異，一般P型為正，N型為負(fù)，而金屬絲應(yīng)變片的靈敏系數(shù)均為正值。此外，半導(dǎo)體材料(如單晶硅)是各向異性材料，它的壓阻系數(shù)與晶向有關(guān)。壓阻式傳感器的主要不足：一是溫度穩(wěn)定性差(電阻值隨溫度變化)；二是靈敏度的非線(xiàn)性較大，可造成測(cè)量體具有±3%～5%的誤差，因此在使用時(shí)需采用溫度補(bǔ)償和非線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)却胧?/p>

特性總結(jié)2.4電阻式傳感器的應(yīng)用

電阻式傳感器應(yīng)用范圍很廣，主要用于檢測(cè)力、壓力、扭矩、位移、加速度等參數(shù)。1.電位器式壓力傳感器

電位器式壓力傳感器是利用彈性元件(如彈簧管、膜片或膜盒)把被測(cè)的壓力信號(hào)變換為彈性元件的位移，然后再將此位移轉(zhuǎn)換為電刷觸點(diǎn)的移動(dòng)，從而引起輸出電壓或電流相應(yīng)的變化。YCD—150型遠(yuǎn)程壓力傳感器原理圖

膜盒電位器式壓力傳感器原理圖2.壓阻式壓力傳感器固態(tài)壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖硅杯上法線(xiàn)[110]晶向的膜片3.應(yīng)變式測(cè)力傳感器1)柱(筒)式力傳感器

柱式傳感器分為柱形和圓筒形兩種，應(yīng)變片一般對(duì)稱(chēng)地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面的中間部分，可對(duì)稱(chēng)地粘貼多片，構(gòu)成差動(dòng)式，提高了靈敏度，橫向粘貼的應(yīng)變片同時(shí)作為溫度補(bǔ)償。

在F作用下軸向應(yīng)變?yōu)椋篍為楊氏模量（N/m2）

柱式力傳感器的截面積隨載荷改變可導(dǎo)致非線(xiàn)性，需對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。筒式結(jié)構(gòu)可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來(lái)，改善了應(yīng)力線(xiàn)分布，同時(shí)在筒壁上還能開(kāi)孔，可減少偏心載荷、非均布載荷的影響，從而使引起的誤差更小。

特點(diǎn)：2)懸臂梁式傳感器

懸臂梁式傳感器是一種高精度、抗偏、抗側(cè)性能優(yōu)越的稱(chēng)重測(cè)力傳感器。采用彈性梁及電阻應(yīng)變片作敏感轉(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(shí)，電阻應(yīng)變片隨金屬?gòu)椥粤阂黄鹱冃危鋺?yīng)變使電阻應(yīng)變片的阻值變化，因而應(yīng)變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號(hào)。配以相應(yīng)的應(yīng)變儀，數(shù)字電壓表或其他二次儀表，即可顯示或記錄重量(或力)。

(a)等截面梁(b)等強(qiáng)度梁(c)雙孔梁(d)S型彈性元件懸臂梁傳感器

在距固定端較近的表面順著梁的長(zhǎng)度方向分別貼上R1、R2和R3、R4四個(gè)電阻應(yīng)變片。若R1、R4受拉力,則R2、R3將受到壓力，兩者應(yīng)變相等，但極性相反。將它們組成差動(dòng)全橋，則電橋的靈敏度為單臂工作時(shí)的4倍。

等截面梁就是懸臂梁的橫截面處處相等的梁，當(dāng)外力P作用在梁的自由端時(shí)，在固定端產(chǎn)生的應(yīng)變最大，粘結(jié)應(yīng)變計(jì)處的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

等強(qiáng)度梁是一種特殊形式的懸臂梁。其特點(diǎn)是：沿梁長(zhǎng)度方向的截面按一定規(guī)律變化，當(dāng)集中力P作用在自由端時(shí)，距作用點(diǎn)任何距離截面上的應(yīng)力相等。這種梁的優(yōu)點(diǎn)是在長(zhǎng)度方向上粘貼應(yīng)變片的要求不嚴(yán)格。

在自由端有力P作用時(shí)，在梁表面整個(gè)長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生大小相等的應(yīng)變。應(yīng)變大小可由下式計(jì)算：

懸臂梁式傳感器一般可測(cè)0.5kg以下的載荷，最小可測(cè)幾十克重。也可達(dá)到很大的量程，如鋼制工字懸臂梁結(jié)構(gòu)傳感器量程為0.2～30t，精度可達(dá)0.02%FS。懸臂梁式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)變片容易粘貼，靈敏度高等特點(diǎn)。4.應(yīng)變式壓力傳感器

該類(lèi)傳感器的彈性敏感元件為一周邊固定的圓形金屬平膜片，當(dāng)膜片一面受壓力P作用時(shí)，膜片的另一面上的徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

應(yīng)變式壓力傳感器5.應(yīng)變式加速度傳感器

加速度是運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在測(cè)量時(shí)首先要經(jīng)過(guò)質(zhì)量彈簧的慣性系統(tǒng)將加速度轉(zhuǎn)換為力F，再作用于彈性元件上。光電式傳感器

將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱(chēng)為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。2.1光電效應(yīng)概述

光電效應(yīng)按其作用原理可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。一.外光電效應(yīng)在光線(xiàn)作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件由光電管、光電倍增管等。我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能力由下式確定。若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個(gè)電子逸出，則光子能量hν必須超出逸出功A0，超過(guò)部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。即二.內(nèi)光電效應(yīng)

受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類(lèi)。1）光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線(xiàn)作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。2）光生伏特效應(yīng)。在光線(xiàn)作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。一.普通光電管在一個(gè)真空泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極和光電陽(yáng)極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線(xiàn)照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。2.2光電管二.光電倍增管1.結(jié)構(gòu)與原理由于真空光電管的靈敏度較低，因此人們便研制了光電倍增管，其工作原理如圖。2.主要參數(shù)1）倍增系數(shù)M

電流放大倍數(shù)M與所加電壓有關(guān)，一般在105－108之間。一般陽(yáng)極和陰極的電壓為1000V－2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電壓差為50V－100V。2）陰極靈敏度和總靈敏度

一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)焦作光電陰極的靈敏度。而一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)焦灼光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的放大倍數(shù)或總靈敏度如圖所示。

光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線(xiàn)作用下實(shí)質(zhì)就是電源,電路中有了這種器件就不需要外加電源。

一.結(jié)構(gòu)與工作原理

光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié),當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面,例如p型面時(shí),若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,那么p型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴,電子空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散,在結(jié)電場(chǎng)的作用下,最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。2.3光電池二.光電池的基本特性1.光譜特性

硒光電池和硅光電池的光譜特性如左圖不同的光電池，光譜峰值的位置不同。例如，硅光電池在8000A附近，硒光電池在5400A附近。2.光照特性

光照度定義為電位面積上所接收的光的輻射能通量。單位勒克斯。Lx(W/m2)

反映短路電流、開(kāi)路電壓與光照度的關(guān)系。短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線(xiàn)性關(guān)系,光電池工作于短路電流狀態(tài)，可做檢測(cè)元件。開(kāi)路電壓（負(fù)載電阻RL無(wú)限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線(xiàn)性的,并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和了。光電池工作于開(kāi)路電壓狀態(tài)，可做開(kāi)關(guān)元件。3.溫度特性

溫度特性主要描述開(kāi)路電壓與短路電流隨溫度變化的情況。如圖所示.

把光電池作為測(cè)量器件應(yīng)用時(shí),應(yīng)保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。JMJ112V2A51KL39K470uf～三.光電池的應(yīng)用1.自動(dòng)干手器手放入干手器時(shí)，手遮住燈泡發(fā)出的光，光電池不受光照，晶體管基極正偏而導(dǎo)通，繼電器吸合。風(fēng)機(jī)和電熱絲通電，熱風(fēng)吹出烘手。手干抽出后，燈泡發(fā)出光直接照射到光電池上，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，使三極管基射極反偏而截止，繼電器釋放，從而切斷風(fēng)機(jī)和電熱絲的電源。2.路燈控制器2.4光敏電阻為了防止周?chē)橘|(zhì)的影響,在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì),半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線(xiàn)端相連接,光敏電阻就通過(guò)引出線(xiàn)端接入電路。2.光敏電阻的工作原理

光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管,它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒(méi)有極性,純粹是一個(gè)電阻器件,使用時(shí)既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí),光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí),它的阻值（亮電阻）急劇減少,電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí),亮電阻在幾千歐以下。3．光敏電阻的主要參數(shù)１）暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱(chēng)為暗電阻,此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流。２）亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱(chēng)為亮電阻,此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。３）光電流亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流。

4．光敏電阻的基本特性

1）伏安特性：在一定照度下,流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系①一定光照，R一定，I正比于U。②一定電壓，I隨著光照E增強(qiáng)而增大。

E↑→R↓→I↑。2)光照特性（I～E）

光敏電阻的光照特性為非線(xiàn)性，不宜作檢測(cè)元件，主要用于自動(dòng)控制中。3）光譜特性（Kr%）光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱(chēng)為光譜特性。亦稱(chēng)為光譜響應(yīng)。①不同材料，其峰值波長(zhǎng)不同。②同一種材料，對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光，其相對(duì)靈敏度不同，響應(yīng)電流不同。應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相對(duì)靈敏度。4）溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)。

硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線(xiàn),它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對(duì)于可見(jiàn)光的光敏電阻,其溫度影響要小一些。5.光敏電阻的應(yīng)用1.光照度計(jì)農(nóng)作物日照時(shí)數(shù)測(cè)定。輸出接單片機(jī)的I/O口，每2分鐘對(duì)此口查詢(xún)1次，為高電平，計(jì)數(shù)一次，為低電平，不計(jì)數(shù)。1天查詢(xún)720次。無(wú)光照V0=VL。有光照V0=VH。2.環(huán)境照度監(jiān)視器3.帶材跑偏檢測(cè)儀2.5光敏二極管與三極管一.光敏二極管1.工作原理與結(jié)構(gòu)光敏二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管一樣，都有一個(gè)PN結(jié)，兩根電極引線(xiàn)，而且都是非線(xiàn)性器件，具有單向?qū)щ娦浴２煌幵谟诠饷舳O管的PN結(jié)狀在管殼的頂部，可直接受到光的照射，其結(jié)構(gòu)和電路如圖所示。沒(méi)有光照射時(shí)，處于反向偏置的光敏二極管，工作于截止?fàn)顟B(tài),這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。這時(shí)反向電阻很大。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí),光子打在PN結(jié)附近,PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)。從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在反向外加電壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下,P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過(guò)PN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。這時(shí)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大,光電流越大。2.光敏二極管的基本特性1）光譜特性在入射度一定時(shí)，輸出的光電流（或相對(duì)靈敏度）隨光波波長(zhǎng)的變化而變化。一種光敏二極管只對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光敏感，這就是它的光譜特性。如圖所示。2）伏安特性3）光照特性4）溫度特性溫度變化對(duì)光敏二極管輸出電流影響較小,但對(duì)暗電流的影響卻十分顯著.3.光敏二極管的應(yīng)用1）光電路燈控制電路2）光強(qiáng)測(cè)量電路二.光敏三級(jí)管光電三極管比具有相同有效面積的光電二極管的光電流大幾十至幾百倍，但相應(yīng)速度較二極管差。1.工作原理與結(jié)構(gòu)基極開(kāi)路，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí),在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì),電子在結(jié)電場(chǎng)的作用下，由P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成基極電流，放大β倍形成集電極電流（光電流）,所以光電三極管有放大作用。2.光敏三極管的基本特性1）光譜特性與伏安特性光譜特性與二極管相同，伏安特性如圖。2）溫度特性與光照特性

溫度特性與光敏二極管相同，光照特性如圖3.光敏三極管的應(yīng)用1.脈沖編碼器2.轉(zhuǎn)速傳感器2.6光電耦合器件一．光電耦合器

光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi),一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光元件為發(fā)光二極管，受光元件為光敏三極管或光敏可控硅。它以光為媒介，實(shí)現(xiàn)輸入電信號(hào)耦合到輸出端。

特點(diǎn)：①?gòu)?qiáng)弱電隔離。輸入輸出極之間絕緣電阻很高。耐壓達(dá)2000V以上。能避免輸出端對(duì)輸入端地線(xiàn)等的干擾。②對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。發(fā)光二極管為電流驅(qū)動(dòng)元件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲有旁路作用。（濾除噪聲）

光電耦合器的組合形式應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中的強(qiáng)弱電隔離。二.光電開(kāi)關(guān)

光電開(kāi)關(guān)在制造業(yè)自動(dòng)化包裝線(xiàn)及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置?？蓪?shí)現(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù),料位檢測(cè)，越限安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。1.光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)透射式和反射式的光電開(kāi)關(guān)。

利用輸出電平的狀態(tài)判斷有無(wú)被測(cè)物。2.基本電路（透射式）如圖（a)(c)無(wú)被測(cè)物，輸出高電平；有被測(cè)物，輸出低電平。(b)無(wú)被測(cè)物，輸出低電平；有被測(cè)物，輸出高電平。2.7色敏光電傳感器1.結(jié)構(gòu)與基本原理

色敏光電傳感器相當(dāng)于兩支結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，故又稱(chēng)光電雙結(jié)二極管2.基本特性1）光譜特性2）短路電流比－波長(zhǎng)特性

短路電流比－波長(zhǎng)特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對(duì)波長(zhǎng)的識(shí)別能力，是賴(lài)以確定被測(cè)波長(zhǎng)的基本特性。3.色敏光電傳感器的應(yīng)用色彩信號(hào)處理電路2.8紅外光傳感器紅外輻射紅外輻射俗稱(chēng)紅外線(xiàn)，它是一種不可見(jiàn)光，由于是位于可見(jiàn)光中紅色光以外的光線(xiàn)，故稱(chēng)紅外線(xiàn)。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.76-1000μm,紅外線(xiàn)在電磁波譜中的位置如下圖。二.紅外光傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)

紅外光傳感器按工作原理可分為光量子型和熱電型兩大類(lèi)。光量子型可直接把紅外光轉(zhuǎn)換成電能。如，紅外光敏電阻和紅外PN結(jié)型光生伏特器件，用于遙感成像方面。熱電型吸收紅外光后變?yōu)闊崮埽共牧系臏囟壬撸妼W(xué)性能發(fā)生變化，人們利用這個(gè)現(xiàn)象制成了測(cè)量光輻射的器件。如紅外熱釋電傳感器。1.熱釋電效應(yīng)

對(duì)于某些材料(如鋯鈦酸鉛系陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘肽等)，具有自發(fā)極化的特征。自發(fā)極化與溫度有很大關(guān)系。若溫度因吸收紅外光而升高，則極化強(qiáng)度減少，使單位面積上極化電荷減少，釋放一定量的吸附電荷；若與一個(gè)電阻連成回路，會(huì)形成電流，如圖所示。由實(shí)驗(yàn)證實(shí)，電阻上壓降的變化為由于dT/dt與紅外線(xiàn)強(qiáng)度的變化成正比，結(jié)合上式，可得出輸出電壓正比與紅外線(xiàn)強(qiáng)度的變化。2.單元件熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路3.雙元件（雙元型）紅外傳感器

此傳感器專(zhuān)門(mén)用來(lái)檢測(cè)人體輻射的紅外線(xiàn)能量。市場(chǎng)上常見(jiàn)有國(guó)產(chǎn)的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美國(guó)的P2288等。

SD02由敏感單元、場(chǎng)效應(yīng)管、高阻抗變換管、濾光窗等組成，并在氦氣環(huán)境下封裝而成。三.紅外光傳感器的應(yīng)用1.無(wú)線(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)2.衛(wèi)生間節(jié)水控制器3.紅外測(cè)溫儀4.紅外氣體分析儀2.9固態(tài)CCD圖像傳感器

固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類(lèi)：電荷耦合器件（簡(jiǎn)稱(chēng)CCD）、MOS圖像傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)SSPA）和電荷注入器件（簡(jiǎn)稱(chēng)CID）。目前，前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識(shí)別。例如，攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)和機(jī)器人的眼睛等。在本節(jié)中僅說(shuō)明CCD圖像傳感器的工作原理與特性一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡(jiǎn)稱(chēng)CCD），它將光敏二極管陣列和讀出移位寄存器集成為一體，構(gòu)成具有自?huà)呙韫δ艿?/p>