安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)-常用傳感器

第3章平安檢測(cè)常用傳感器3.1傳感器的作用及分類3.2結(jié)構(gòu)型傳感器3.3物性傳感器3.4其他類型傳感器3.5傳感器的選用原那么精選ppt3.1傳感器的作用及分類

3.1.1傳感器的作用傳感器是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與自動(dòng)控制(包括遙感、遙測(cè)、遙控)的首要環(huán)節(jié)，而傳感技術(shù)是衡量科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲與轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的檢測(cè)與控制將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)今的世界正處在信息革命的新時(shí)代，而信息革命的兩大重要支柱是信息采集與信息處理。信息的采集(捕獲)與轉(zhuǎn)換主要依賴于各種類型的傳感器，信息的處理主要依靠電子技術(shù)和各種計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)與各種智能儀器將很快地在各個(gè)科學(xué)技術(shù)部門發(fā)揮巨大作用。然而，如果沒(méi)有各種類型的傳感器去準(zhǔn)確地捕獲并轉(zhuǎn)換信息，即使最現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)也無(wú)法充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

精選ppt目前，傳感器的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，從高新技術(shù)直到每個(gè)家庭日常生活。如空間技術(shù)、海洋開(kāi)發(fā)、資源探測(cè)、生物工程、人體科學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域中許多新的進(jìn)展和突破，都是以實(shí)驗(yàn)檢測(cè)為根底并與傳感器技術(shù)的開(kāi)展密切相關(guān)的；工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的現(xiàn)代化，幾乎主要依靠各種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)與控制生產(chǎn)過(guò)程的各種參數(shù)，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最正確狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率與高質(zhì)量；在生活領(lǐng)域中已進(jìn)人每一個(gè)家庭，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代高級(jí)轎車中所應(yīng)用的傳感器可達(dá)56種之多。又如目前常用的19種家用電器中，總共應(yīng)用了53個(gè)(21種)傳感器。傳感器應(yīng)用的技術(shù)水平成為衡量一個(gè)國(guó)家的科技和工業(yè)水平的重要標(biāo)志。傳感器技術(shù)已形成一個(gè)完整獨(dú)立的科學(xué)體系，相信在不久的將來(lái)，對(duì)傳感器的研究將進(jìn)人一個(gè)嶄新的階段。精選ppt3.1.2傳感器的分類1.按輸入量〔被測(cè)對(duì)象〕分類輸入量即被測(cè)對(duì)象，按此方法分類，傳感器可分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類。其中，物理量傳感器又可分為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等等。這種分類方法給使用者提供了方便，容易根據(jù)被測(cè)對(duì)象選擇所需要的傳感器。精選ppt2.按轉(zhuǎn)換原理分類從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來(lái)說(shuō)，通常分為結(jié)構(gòu)型、物性型兩大類。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用機(jī)械構(gòu)件〔如金屬膜片等〕在動(dòng)力場(chǎng)或電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生變形或位移，將外界被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量，它是利用物理學(xué)運(yùn)動(dòng)定律或電磁定律實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學(xué)效應(yīng)〔即物質(zhì)定律，如虎克定律、歐姆定律等〕實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換。它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。精選ppt

3.按能量轉(zhuǎn)換的方式分類

按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式，傳感器可分為有源型和無(wú)源型兩類。有源型也稱能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型，它把非電量直接變成電壓量、電流量、電荷量等(如磁電式、壓電式、光電池、熱電偶等)；無(wú)源型也稱能量控制型或參數(shù)型，

它把非電量變成電阻、

電容、

電感等量。

精選ppt

4.按輸出信號(hào)的形式分類按輸出信號(hào)的形式，傳感器可分為開(kāi)關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。

5.按輸入和輸出的特性分類按輸入、

輸出特性，

傳感器可分為線性和非線性兩類。

精選ppt3.2結(jié)構(gòu)型傳感器3.2.1電阻式傳感器1.電阻式傳感器原理金屬體都有一定的電阻，電阻值因金屬的種類而異。同樣的材料，越細(xì)或越薄，那么電阻值越大。當(dāng)加有外力時(shí)，金屬假設(shè)變細(xì)變長(zhǎng)，那么阻值增加；假設(shè)變粗變短，那么阻值減小。如果發(fā)生應(yīng)變的物體上安裝有〔通常是粘貼〕金屬電阻，當(dāng)物體伸縮時(shí)，金屬體也按某一比例發(fā)生伸縮，因而電阻值產(chǎn)生相應(yīng)的變化。精選ppt設(shè)有一根長(zhǎng)度為l，截面積為A，電阻率為ρ的金屬絲，那么它的電阻值R可用下式表示：〔3-1〕從上式可見(jiàn)，假設(shè)導(dǎo)體的三個(gè)參數(shù)〔電阻率、長(zhǎng)度和截面積〕中的一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)生變化，那么電阻值隨著變化，因此可利用此原理來(lái)構(gòu)成傳感器。例如，假設(shè)改變長(zhǎng)度l，那么可形成電位器式傳感器；改變l、A和ρ那么可做成電阻應(yīng)變片；改變?chǔ)?，那么可形成熱敏電阻、光?dǎo)性光檢測(cè)器等。精選ppt2.電位器式傳感器電位器式傳感器通過(guò)滑動(dòng)觸點(diǎn)把位移轉(zhuǎn)換為電阻絲的長(zhǎng)度變化，從而改變電阻值大小，進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化值。電位器式傳感器分為線繞式和非線繞式兩大類。線繞電位器是最根本的電位器式傳感器；非線繞式電阻傳感器那么是在線繞電位器的根底上，在電阻元件的形式和工作方式上有所開(kāi)展，包括薄膜電位器、導(dǎo)電塑料電位器和光電電位器等。線繞電位器式傳感器的核心，即轉(zhuǎn)換元件是精密電位器。它可實(shí)現(xiàn)機(jī)械位移信號(hào)與電信號(hào)的模擬轉(zhuǎn)換，是一種重要的機(jī)電轉(zhuǎn)換元件。線繞電位器式傳感器原理圖如圖3-1所示。精選ppt圖3-1線繞電位器式傳感器原理圖

精選ppt工作時(shí)，在電阻元件的兩端，即Ui端加上固定的直流工作電壓，從Uo端就有電壓輸出，并且，這個(gè)輸出電壓的大小與電刷所處的位置相關(guān)。當(dāng)電刷臂隨著被測(cè)量產(chǎn)生位移x時(shí)，輸出電壓也發(fā)生相應(yīng)的變化，這是精密電位器的根本工作原理。易見(jiàn)〔3-2〕線繞電位器式傳感器又分為直線位移型、角位移型和非線性型等。不管是哪種類型的傳感器，都由線圈、骨架和滑動(dòng)觸頭等組成。線圈繞于骨架上，觸頭可在繞線上滑動(dòng)，當(dāng)滑動(dòng)觸頭在繞線上的位置改變時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了將位移變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。

精選ppt如圖3-2所示，線繞電位器主要由骨架、繞組、電刷、導(dǎo)電環(huán)及轉(zhuǎn)軸等局部組成。線繞電位器的骨架一般由膠木等絕緣材料或外表覆有絕緣層的金屬骨架構(gòu)成。根據(jù)需要，骨架可做成不同的形狀，如環(huán)帶狀、弧狀、長(zhǎng)方體或螺旋狀等。繞組即電阻元件，由漆包電阻絲整齊地繞制在骨架上構(gòu)成，其兩個(gè)引出端UAB是電壓輸入端。電刷由電刷頭和電刷臂組成〔電刷頭一般焊接在電刷臂上〕，電刷被絕緣地固定在電位器的轉(zhuǎn)軸上，繞組與電刷頭接觸的工作端面用打磨和拋光的方法去掉漆層，以便與電刷接觸。另外兩個(gè)引出端UAC是電壓輸出端。精選ppt圖3-2線繞電位器式傳感器的組成(a)直線位移型；(b)角位移型；(c)非線性型

精選ppt3.電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片組成。當(dāng)彈性敏感元件受到被測(cè)量作用時(shí)，將產(chǎn)生位移、應(yīng)力和應(yīng)變，那么粘貼在彈性敏感元件上的電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。這樣，通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，從而確定被測(cè)量的大小。電阻應(yīng)變式傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，它可用于不同的彈性敏感元件形式，構(gòu)成測(cè)量位移、加速度、壓力等各種參數(shù)的電阻應(yīng)變式傳感器。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：〔1〕由于電阻應(yīng)變片尺寸小、重量輕，因而具有良好的動(dòng)態(tài)特性。而且應(yīng)變片粘貼在試件上對(duì)其工作狀態(tài)和應(yīng)力分布根本上沒(méi)有影響，適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量；精選ppt〔2〕測(cè)量應(yīng)變的靈敏度和精度高，可測(cè)量1～2μm應(yīng)變，誤差小于1%～2%；〔3〕測(cè)量范圍上，既可測(cè)量彈性變形，也可測(cè)量塑性變形，變形范圍從1%～20%；〔4〕能適應(yīng)各種環(huán)境，可在高〔低〕溫、超低壓、高壓、水下、強(qiáng)磁場(chǎng)以及輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境下使用。電阻應(yīng)變式傳感器缺點(diǎn)是輸出信號(hào)微弱，在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較明顯的非線性等。精選ppt1〕工作原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)電阻應(yīng)變片的工作原理如圖3-3所示。它是基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的“電阻應(yīng)變效應(yīng)〞和“壓阻效應(yīng)〞。電阻應(yīng)變效應(yīng)是指電阻材料的電阻值隨機(jī)械變形而變化的物理現(xiàn)象；壓阻效應(yīng)是指電阻材料受到載荷作用而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。下面以單根電阻絲為例說(shuō)明電阻應(yīng)變片的工作原理。精選ppt圖3-3電阻應(yīng)變片原理圖

精選ppt設(shè)電阻絲的長(zhǎng)度為l，截面積為A，電阻率為ρ，其初始電阻值為當(dāng)電阻絲受到拉伸或壓縮時(shí)，其幾何尺寸和電阻值同時(shí)發(fā)生變化，對(duì)式兩邊取對(duì)數(shù)后再微分，即可求得電阻的相對(duì)變化為〔3-3〕上式中:R為電阻值〔Ω〕；l為電阻絲的長(zhǎng)度〔m〕；A為電阻絲的截面積〔mm2〕；ρ為電阻絲的電阻率〔Ωmm2/m〕。精選ppt如果對(duì)整條電阻絲長(zhǎng)度作用均勻應(yīng)力，由于l、A、ρ的變化而引起電阻的變化，可通過(guò)對(duì)式〔3-3〕的全微分求得〔3-4〕相對(duì)變化量

〔3-5〕假設(shè)電阻絲是圓截面，那么A＝2πr，其中r為電阻絲的半徑，微分后可得：精選ppt那么〔3-6〕令電阻絲軸向相對(duì)伸長(zhǎng)，即軸向應(yīng)變?yōu)?/p>

電阻絲徑向相對(duì)伸長(zhǎng)，即徑向應(yīng)變?yōu)閐r/r，由?材料力學(xué)?獲知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲沿長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)或縮短時(shí)，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系如下:〔3-7〕精選ppt式中:μ為金屬材料的泊松系數(shù)，即徑向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的比例系數(shù)。負(fù)號(hào)表示方向相反，所以

經(jīng)整理后得

〔3-8〕定義金屬絲的靈敏系數(shù)為

〔3-9〕精選ppt它的物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化?？芍?，受兩個(gè)因素影響，一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即〔1+2μ〕項(xiàng)；另一個(gè)是受力后材料的電阻率發(fā)生變化而引起，即dρ/ρε項(xiàng)。對(duì)于確定的材料，〔1+2μ〕項(xiàng)是常數(shù)，其數(shù)值約為1～2之間，并且由實(shí)驗(yàn)證明dρ/ρε也是一個(gè)常數(shù)，因此靈敏系數(shù)k為常數(shù)，那么得〔3-10〕上式表示金屬電阻絲的電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。

精選ppt導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界作用下〔如壓力等〕產(chǎn)生機(jī)械變形，其阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)〞。把依據(jù)這種效應(yīng)制成的應(yīng)變片粘貼于被測(cè)材料上，那么被測(cè)材料受外界作用所產(chǎn)生的應(yīng)變就會(huì)傳送到應(yīng)變片上，從而使應(yīng)變片上電阻絲的阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量阻值的變化量，就可反映出外界作用的大小。精選ppt2〕電阻應(yīng)變片的分類和結(jié)構(gòu)Ⅰ.電阻應(yīng)變片的分類電阻應(yīng)變片的種類繁多，分類方法也各異。按所選用的敏感材料可分為：金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。按敏感柵結(jié)構(gòu)可分為：?jiǎn)屋S應(yīng)變片和多軸應(yīng)變片。精選ppt按基底材料可分為：紙質(zhì)應(yīng)變片、膠基應(yīng)變片、金屬基底應(yīng)變片、浸膠基應(yīng)變片。按制柵工藝可分為：絲繞式應(yīng)變片、短接式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、薄膜式應(yīng)變片。按使用溫度可分為：低溫應(yīng)變片(-30℃以下)、常溫應(yīng)變片(-30～60℃)、中溫應(yīng)變片〔60～350℃〕、高溫應(yīng)變片〔350℃以上〕。精選ppt按安裝方式可分為：粘貼式應(yīng)變片、焊接式應(yīng)變片、噴涂式應(yīng)變片、埋入式應(yīng)變片。按用途可分為：一般用途應(yīng)變片、特殊用途應(yīng)變片〔水、疲勞壽命、抗磁感應(yīng)、裂縫擴(kuò)展等〕。按制造工藝可分為：體型半導(dǎo)體應(yīng)變片、擴(kuò)散〔含外延〕型半導(dǎo)體應(yīng)變片、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片、N-P元件半導(dǎo)體型應(yīng)變片。精選pptⅡ.電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片(簡(jiǎn)稱應(yīng)變片〕的種類繁多，但根本構(gòu)造大體相同，都是由敏感柵、基底、覆蓋層、引線和粘合劑構(gòu)成，如圖3-4所示。圖3-4電阻應(yīng)變片的根本結(jié)構(gòu)精選ppt敏感柵由金屬或半導(dǎo)體材料制成，電阻絲〔箔條〕是用來(lái)感受應(yīng)變的，是應(yīng)變片的敏感元件；基底和覆蓋層〔厚度一般在0.03mm左右〕是用來(lái)保護(hù)敏感柵、傳遞應(yīng)變并使敏感柵和被測(cè)試件之間具有很好的絕緣性能，它通常根據(jù)應(yīng)用范圍的不同而采用不同的材料，常見(jiàn)的有紙基和膠基；引線是將敏感柵接到測(cè)量電路中去，它由直徑為0.15～0.30mm鍍銀銅絲或鎳鉻鋁絲制成。金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。精選ppt半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的一種純電阻性元件。對(duì)半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片主要有體型、薄膜型和擴(kuò)散型等三種。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片是將半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上而制成的應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成的。

精選ppt擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，再通過(guò)超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。半導(dǎo)體應(yīng)變片與金屬電阻應(yīng)變片相比其靈敏度高50～70倍，另外，其橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后小。但它的溫度穩(wěn)定性差，在較大應(yīng)變下，靈敏度的非線性誤差大。

精選ppt3〕電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路利用應(yīng)變片可以感受由被測(cè)量產(chǎn)生的應(yīng)變，并得到電阻的相對(duì)變化。通?？梢酝ㄟ^(guò)電橋?qū)㈦娮璧淖兓D(zhuǎn)變成電壓或電流信號(hào)。圖3-5給出了常用的全橋電路，Uo為輸出電壓，R1為受感應(yīng)變片，其余R2、R3、R4為常值電阻。為便于討論，假設(shè)電橋的輸入電源內(nèi)阻為零，輸出為空載?；谏厦娴募僭O(shè)，電橋的輸出電壓為〔3-11〕精選ppt圖3-5橋式電路精選ppt平衡電橋就是指電橋的輸出電壓Uo為零的情況。當(dāng)在電橋的輸出端接有檢流計(jì)時(shí)，流過(guò)檢流計(jì)的電流為零，即平衡電橋應(yīng)滿足〔3-12〕在上述電橋中，R1為受感應(yīng)變片，即單臂受感。當(dāng)被測(cè)量變化引起應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生R1的變化時(shí)，上述平衡關(guān)系被破壞，檢流計(jì)有電流通過(guò)?！?-13〕〔3-14〕精選ppt設(shè)橋臂比為，由于ΔR1<<R1

，則分母中

項(xiàng)可忽略?？紤]到初始電橋平衡時(shí)

〔3-15〕電橋電壓靈敏度定義為

〔3-16〕精選ppt分析發(fā)現(xiàn)：①電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，電橋供電電壓愈高，電橋電壓靈敏度愈高，但是供橋電壓的升高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以一般供橋電壓應(yīng)適中選擇；②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值ｎ的函數(shù)，因此必須恰當(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。下面分析當(dāng)供橋電壓Ｅ確定后，ｎ應(yīng)取何值，電橋電壓靈敏度才最高。精選ppt令 ，可得

〔3-17〕求得當(dāng)n=1時(shí)，Kv有最大值。即當(dāng) ，電橋的靈敏度最高。由式（3-15）可知，電橋的輸出電壓和電源電壓Ｅ及電阻相對(duì)變化成正比，而與各橋臂阻值大小無(wú)關(guān)。精選ppt3.2.2電容式傳感器1.電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器常用的是平板電容器和圓筒形電容器。1〕平板電容器

平板電容器由兩個(gè)金屬平行板組成，通常以空氣為介質(zhì)，如圖3-6所示。精選ppt圖3-6平行板電容器

精選ppt在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平行板電容器的電容為

〔3-18〕(3-19)式中:C——電容量〔F〕；ε0——真空介電常數(shù)；εr——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；A——極板的有效面積〔m2〕；d——兩平行極板間的距離〔m〕。精選ppt2)圓筒形電容器圓筒形電容器由內(nèi)外兩個(gè)金屬圓筒組成，設(shè)動(dòng)極筒的外半徑為r，定極筒的內(nèi)半徑為R，動(dòng)極筒伸進(jìn)定極筒的長(zhǎng)度為l，如圖3-7所示。那么圓筒形電容器的電容為〔3-20〕當(dāng)被測(cè)非電量使得式〔3-18〕中的A、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變而僅僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把被測(cè)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此，電容量變化的大小與被測(cè)參數(shù)的大小成比例。這樣，電容式傳感器可依此劃分為三種類型，即變間隙型〔d變化〕、變面積型〔A變化〕和變介質(zhì)型〔ε變化〕。精選ppt圖3-7圓筒形電容器精選ppt

2.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器如圖3-8所示，它有一個(gè)固定極板和可動(dòng)極板，其間為空氣介質(zhì)。當(dāng)傳感器的ε0和A為常數(shù)、初始極距為d時(shí)，其初始電容量為〔3-21〕一般地，取C=20～300pF，d=0.025～1mm。

精選ppt圖3-8變極距型電容傳感器(a)移動(dòng)型；(b)感應(yīng)型；(c)差動(dòng)型

精選ppt當(dāng)動(dòng)極板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)使d減小Δd時(shí)，電容量增大ΔC，那么有等式兩邊同時(shí)除以C，有

〔3-22〕精選ppt如果滿足Δd/d<<1時(shí)，那么式〔3-22〕可用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)成〔3-23〕略去高次非線性項(xiàng)，那么可得近似線性關(guān)系和靈敏度Kc，其關(guān)系式分別為〔3-24〕〔3-25〕精選ppt圖3-9變極距型電容傳感器的特性曲線

精選pptKc稱為電容傳感器的靈敏系數(shù)。其物理意義是單位位移引起電容量相對(duì)變化的大小。其輸出特性曲線如圖3-9所示。如果考慮式〔3-23〕的前兩項(xiàng)，那么〔3-26〕其非線性誤差為

〔3-27〕精選ppt圖3-10變極距型電容傳感器的非線性特性

精選ppt由上述討論可知：〔1〕變極距型電容傳感器只有在Δd很小時(shí)，即小測(cè)量范圍內(nèi)時(shí)，才有近似的線性輸出；〔2〕極距d越小，靈敏度越高，故可用減小極距的方法來(lái)提高靈敏度；〔3〕但是，極距d過(guò)小會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：一是使非線性誤差δ增加，如圖3-10所示；二是易造成極板間介質(zhì)擊穿，并增加極板的加工與安裝的難度。精選ppt解決這兩個(gè)問(wèn)題的方法：〔1〕既要提高靈敏度，又要減小非線性誤差，可采用差動(dòng)法解決；〔2〕既要提高靈敏度，又不使極板介質(zhì)擊穿，可在兩極板之間加固定介質(zhì)。精選ppt

3.差動(dòng)變極距型電容傳感器

差動(dòng)變極距型電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖3-11所示，上下為定極板，中間為動(dòng)極板，在初始位置時(shí)，d1=d2=d，C1=C2=C。圖3-11差動(dòng)變極距型電容傳感器

精選ppt這種傳感器工作時(shí)，如果動(dòng)極板上移Δd，那么〔3-28〕〔3-29〕〔3-30〕電容總的變化為

〔3-31〕精選ppt電容的相對(duì)變化為

〔3-32〕略去高次項(xiàng)，則與的近似線性關(guān)系式為

〔3-33〕那么差動(dòng)電容傳感器的靈敏度為〔3-34〕精選ppt4.電容式傳感器測(cè)量電路電容式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電容量的變化，但由于電容及其變化量均很小〔pF級(jí)〕，因此必須借助測(cè)量電路檢測(cè)出這一微小電容及增量，并將其轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率，以便于顯示、記錄或傳輸。電容式傳感器的測(cè)量電路種類很多，除前面介紹的電橋電路外，還可采用運(yùn)算放大器電路、調(diào)頻電路和差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路等。精選ppt1〕運(yùn)算放大器電路為克服電容式傳感器極距的變化呈非線性關(guān)系缺點(diǎn)，最方便、簡(jiǎn)單的方法就是把變極距型電容傳感器作為比例運(yùn)算放大器的反響環(huán)節(jié)，如圖3-12所示。圖中，運(yùn)算放大器的輸入端為電容C0，其反響環(huán)節(jié)為變極距式電容傳感器Cx，亦為電容，根據(jù)比例放大的運(yùn)算關(guān)系〔3-35〕精選ppt故可得

〔3-36〕上式說(shuō)明，假設(shè)鼓勵(lì)電壓Ui與輸入電容C0保持不變，那么輸出電壓Uo與極距δ成線性關(guān)系。此電路常用于位移測(cè)量傳感器。精選ppt圖3-12運(yùn)算放大器電路

精選ppt2〕電橋型電路電橋型電路通常將電容傳感器接入電橋，作為橋路的一局部，如圖3-13所示。差動(dòng)電容C1、C2作為相鄰兩臂接入電橋，另一相鄰兩臂為電感，構(gòu)成電容傳感器變壓器電橋。電橋的輸出是調(diào)幅波，經(jīng)交流放大后，需經(jīng)過(guò)相敏檢波和濾波便可得到與電容量變化相應(yīng)的直流輸出。此電路要求電源電壓和頻率一定要非常穩(wěn)定，否那么會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。另外，電容的變化范圍亦不能太大，過(guò)大會(huì)使電橋輸出產(chǎn)生非線性失真，造成較大誤差。精選ppt圖3-13電容傳感器變壓器電橋型電路

精選ppt3〕調(diào)頻電路圖3-14所示為電容式傳感器作為調(diào)頻振蕩器中諧振回路的一局部。當(dāng)物體的振動(dòng)作為輸入量時(shí)便引起電容傳感器的電容量發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致振蕩器的振動(dòng)頻率的變化并輸出相應(yīng)的調(diào)頻波，再由鑒頻器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓變化，最后放大輸出。此種電路具有抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可測(cè)0.01μm的位移變化量。其缺點(diǎn)是電纜的分布電容影響較大，對(duì)電路設(shè)計(jì)要求較高。精選ppt圖3-14電容傳感器調(diào)頻電路

精選ppt4）脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路如圖3-15所示。它由比較器Ⅰ和Ⅱ、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。C1、C2為傳感器的差動(dòng)電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端Q、Q為電路的輸出端。精選ppt圖3-15脈沖寬度調(diào)制電路

精選ppt當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端Q為高電位時(shí)，通過(guò)R1對(duì)C1充電；Q端的輸出為低電位，電容C2通過(guò)二極管V2迅速放電，G點(diǎn)被鉗制在低電位。當(dāng)F點(diǎn)的電位高于參考電位Uc時(shí)，比較器Ⅰ的輸出極性改變，產(chǎn)生脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q端輸出變?yōu)榈碗娢唬鳴端變?yōu)楦唠娢?。這時(shí)C2充電C1放電，當(dāng)G點(diǎn)電位高于Uc時(shí)，比較器Ⅱ的輸出使觸發(fā)器再一次翻轉(zhuǎn)，如此重復(fù)，周而復(fù)始，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端各自產(chǎn)生一寬度受C1和C2調(diào)制的方波信號(hào)。當(dāng)C1=C2時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如圖3-16（a）所示，輸出電壓的平均值為零。但在工作狀態(tài)時(shí)C1≠C2，C1、C2充電時(shí)間常數(shù)發(fā)生變化，若C1＞C2，各點(diǎn)電壓波形如圖3－16（b）所示，輸出電壓uAB的平均值不再是零。精選ppt圖3-16脈沖寬度調(diào)制電路波形〔a〕Ｃ1=C2時(shí)各點(diǎn)的電壓波形;〔b〕Ｃ1＞C2時(shí)各點(diǎn)的電壓波形精選ppt輸出電壓uAB經(jīng)低通濾波后，便可得到一直流輸出電壓Uo，其值為A、B兩點(diǎn)電壓平均值UA與UB之差，即式中：T1、T2——C1、C2充至Uc需要的時(shí)間，即A點(diǎn)和B點(diǎn)的脈沖寬度；U1——觸發(fā)器輸出的高電位。精選ppt由于U1的大小是固定的，因此，輸出直流電壓Uo隨T1和T2而變，即隨uA和uB的脈沖寬度而變，而電容C1和C2分別與T1和T2成正比。在電阻R1=R1=R時(shí)〔3-38〕由此可知，直流輸出電壓Uo與電容C1和C2之差成比例，極性可正可負(fù)。

精選ppt對(duì)于極距變化型差動(dòng)電容傳感器

〔3-39〕對(duì)于面積變化型差動(dòng)電容傳感器

〔3-40〕精選ppt根據(jù)以上分析可知，電容傳感器測(cè)量電路具有如下特點(diǎn)：〔1〕不管是極距變化型或面積變化型，其輸入與輸出變化量都呈線性關(guān)系，而且脈沖寬度調(diào)制電路對(duì)傳感元件的線性要求不高；〔2〕不需要解調(diào)電路，只要經(jīng)過(guò)低通濾波器就可以得到直流輸出；〔3〕調(diào)寬脈沖頻率的變化對(duì)輸出無(wú)影響；〔4〕由于采用直流穩(wěn)壓電源供電，不存在對(duì)其波形及頻率的要求。精選ppt3.2.3電感式傳感器電感式傳感器有如下幾個(gè)特點(diǎn)：〔１〕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn)，工作可靠，壽命較長(zhǎng)；〔２〕靈敏度和分辨率高，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出；〔３〕線性度和重復(fù)性比較好，在一定位移〔如幾十微米至幾毫米〕內(nèi)，傳感器非線性誤差可做到0.05％～0.1％，并且穩(wěn)定性好。精選ppt1.自感式電感傳感器1〕自感式電感傳感器原理自感式電感傳感器主要用來(lái)測(cè)量位移或者是可以轉(zhuǎn)換成位移的被測(cè)量，如振動(dòng)、厚度、壓力、流量等。工作時(shí)，銜鐵通過(guò)測(cè)桿與被測(cè)物體相接觸，被測(cè)物體的位移將引起線圈電感量的變化，當(dāng)傳感器線圈接入測(cè)量轉(zhuǎn)換電路后，電感的變化將被轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，從而完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換。精選ppt由電工知識(shí)可知，線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)，即線圈的自感系數(shù)L=ψ/I=NΦ/I〔H〕。ψ=NΦ為磁鏈，Ф為磁通〔I為流過(guò)線圈的電流，N為線圈匝數(shù)。根據(jù)磁路歐姆定律：Φ=μN(yùn)IS/l，μ為磁導(dǎo)率，S為磁路截面積，l為磁路總長(zhǎng)度。令Rm=l/μS為磁路的磁阻，可得線圈的電感量為〔3-41〕磁路的總長(zhǎng)度包括鐵芯長(zhǎng)度li1、銜鐵長(zhǎng)度li2和兩個(gè)空氣間隙l0的長(zhǎng)度。因鐵芯和銜鐵均為導(dǎo)磁材料，磁阻可忽略不計(jì)，那么式〔3-41〕可改寫(xiě)為〔3-42〕精選ppt2〕變氣隙長(zhǎng)度式電感傳感器變氣隙長(zhǎng)度式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-17〔a〕所示。由式〔3-41〕可知，假設(shè)S為常數(shù)，那么L=f〔l〕，即電感L是氣隙厚度l的函數(shù)，故稱這種傳感器為變氣隙截面式電感傳感器。由于電感量L與氣隙厚度l成反比，故輸入/輸出是非線性關(guān)系，輸出特性如圖3-18〔a〕所示。精選ppt圖3-17自感式電感傳感器結(jié)構(gòu)示意圖〔a〕變氣隙長(zhǎng)度式;〔b〕變氣隙截面式;〔c〕螺管式精選ppt圖3-18電感式傳感器的輸出特性〔a〕變氣隙長(zhǎng)度式輸出特性；〔b〕變氣隙截面式輸出特性精選ppt可見(jiàn)，l越小，靈敏度越高。為提高靈敏度，保證一定的線性度，變這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，測(cè)量范圍約在0.001～1mm左右。由于行程小，而且銜鐵在運(yùn)行方向上受鐵芯限制，制造裝配困難，所以近年來(lái)較少使用該類傳感器。

精選ppt3〕變氣隙截面式電感傳感器變氣隙截面式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-17〔b〕所示。由式〔3-41〕可知，假設(shè)保持氣隙厚度l為常數(shù)，那么L=f〔S〕，即電感L是氣隙截面積S的函數(shù)，故稱這種傳感器為變截面式電感傳感器。但是，由于漏感等原因，變截面式電感傳感器在S=0時(shí)，仍有一定的電感，所以其線性區(qū)較小，為了提高靈敏度，常將l做得很小。變截面式傳感器靈敏度比變間隙型小，但線性較好，量程也比變間隙式大，使用比較廣泛。輸出特性如圖圖3-18〔b〕所示。精選ppt4〕螺管式電感傳感器螺管式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-17〔c〕所示。螺管型電感式傳感器結(jié)構(gòu)由一柱型銜鐵插入螺管圈內(nèi)構(gòu)成。其銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入深度有關(guān)。理論上，電感相對(duì)變化量與銜鐵位移相對(duì)變化量成正比，但由于線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿軸線分布不均勻。所以實(shí)際上它的輸出仍有非線性。精選ppt設(shè)線圈長(zhǎng)度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為n、銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度為la、銜鐵的半徑為ra、鐵芯的有效磁導(dǎo)率為μm，那么線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度la的關(guān)系為〔3-43〕由上式可知，螺管型電感式傳感器的靈敏度較低，但由于其量程大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作和批量生產(chǎn)，因此它是使用最廣泛的一種電感式傳感器。

精選ppt5〕差動(dòng)電感傳感器以上三種類型的傳感器，由于線圈中流過(guò)負(fù)載的電流不等于零，存在起始電流，非線性較大，而且有電磁吸力作用于活動(dòng)銜鐵；易受外界干擾的影響，如電源電壓和頻率的波動(dòng)、溫度變化等都將使輸出產(chǎn)生誤差，所以不適用于精密測(cè)量，只用在一些繼電信號(hào)裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，廣泛采用的是將兩個(gè)電感式傳感器組合在一起，形成差動(dòng)式傳感器。精選ppt圖3-19差動(dòng)E型自感傳感器結(jié)構(gòu)原理

精選ppt2.互感式電感傳感器互感式電感傳感器是利用線圈的互感作用將位移轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢(shì)的變化?；ジ惺诫姼袀鞲衅鲗?shí)際上是一個(gè)具有可動(dòng)鐵芯和兩個(gè)次級(jí)線圈的變壓器。變壓器初級(jí)線圈接入交流電源時(shí)，次級(jí)線圈因互感作用產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)互感變化時(shí)，輸出電勢(shì)亦發(fā)生變化。由于它的兩個(gè)次級(jí)線圈常接成差動(dòng)的形式，故又稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，下面介紹目前廣泛采用的螺管式差動(dòng)變壓器。

精選ppt1〕工作原理螺管式差動(dòng)變壓器主要由線圈框架A、繞在框架上的一組初級(jí)線圈W和兩個(gè)完全相同的次級(jí)線圈W1、Ｗ2及插入線圈中心的圓柱形鐵芯B組成，如圖3-20〔a〕所示。精選ppt圖3-20差動(dòng)變壓器〔a〕結(jié)構(gòu)原理;〔b〕等效電路;(c〕輸出特性精選ppt當(dāng)初級(jí)線圈W加上一定的交流電壓時(shí)，次級(jí)線圈W1和W2由于電磁感應(yīng)分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e1和e2，其大小與鐵芯在線圈中的位置有關(guān)。把感應(yīng)電勢(shì)e1和e2反極性串聯(lián)，那么輸出電勢(shì)為次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

〔3-44〕式中:M——初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間的互感； i——流過(guò)初級(jí)線圈的激磁電流。

精選ppt以上分析說(shuō)明，差動(dòng)變壓器輸出電壓的大小反映了鐵芯位移的大小，輸出電壓的極性反映了鐵芯運(yùn)動(dòng)的方向。從特性曲線看出，差動(dòng)變壓器輸出特性的非線性得到很大的改善。實(shí)際上，當(dāng)鐵芯位于中間位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓eo并不等于零，把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)剩余電壓。零點(diǎn)剩余電壓產(chǎn)生的原因主要是傳感器在制作時(shí)兩個(gè)次級(jí)線圈的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等問(wèn)題引起的，零點(diǎn)剩余電壓一般在幾十毫伏以下。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小零點(diǎn)剩余電壓，否那么將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。精選ppt2〕測(cè)量電路差動(dòng)變壓器的輸出是一個(gè)調(diào)幅波，且存在一定的零點(diǎn)剩余電壓，因此為了判別鐵芯移動(dòng)的大小和方向，必須進(jìn)行解調(diào)和濾波。另外，為消除零點(diǎn)剩余電壓的影響，差動(dòng)變壓器的后接電路常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。差動(dòng)整流電路就是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別整流，然后將整流后的兩個(gè)電壓或電流的差值作為輸出?，F(xiàn)以電壓輸出型全波差動(dòng)整流電路為例來(lái)說(shuō)明其工作原理，電路連接如圖3-21〔a〕所示。精選ppt圖3-21差動(dòng)變壓器測(cè)量電路及波形〔a〕電路圖;〔b〕波形圖精選ppt由圖3-21〔a〕可見(jiàn)，無(wú)論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流過(guò)兩個(gè)電阻R的電流總是從a到b，從d到c，故整流電路的輸出電壓〔3-45〕其波形圖如圖3-21〔b〕所示，當(dāng)鐵芯在零位時(shí)，uo=0，鐵芯在零位以上或零位以下時(shí)，輸出電壓的極性相反，于是零點(diǎn)剩余電壓會(huì)自動(dòng)抵消。差動(dòng)變壓器具有測(cè)量精度高、線性范圍大〔±100mm〕、靈敏度高、穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于直線位移的測(cè)量。精選ppt3.2.4磁電式傳感器1.磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是一種機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換型傳感器，不需要供電電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率范圍〔一般為10～1000Hz〕，適應(yīng)于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)或穿過(guò)線圈的磁通量變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與磁通的變化率有如下關(guān)系：〔3-46〕精選ppt在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，磁通量的變化是關(guān)鍵。進(jìn)入線圈的磁通量越大，dΦ也越大，如果相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越快，即v或ω越大，相當(dāng)于dt越小，就越大。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e還與線圈匝數(shù)N成正比。不同類型的磁電感應(yīng)式傳感器，實(shí)現(xiàn)磁通量Φ變化的方法不同，有恒磁通的動(dòng)圈式與動(dòng)鐵式磁電感應(yīng)式傳感器，有變磁通的（變磁阻）的開(kāi)磁路式或閉磁路式磁電感應(yīng)式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器的直接應(yīng)用是測(cè)量線速度v和角速度ω，如圖3-22所示。其中圖（a）為測(cè)線速度v，圖（b）為測(cè)角速度ω。當(dāng)線圈垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入量轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢(shì)輸出的一種傳感器。由于不需要輔助電源，所以是一種有源傳感器，也被稱為感應(yīng)式傳感器或電動(dòng)式傳感器。

精選ppt圖3-22磁電感應(yīng)式傳感器

精選ppt假設(shè)線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線時(shí)，那么線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為〔3-47〕式中：B——磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；x——線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移；ｖ——線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度；θ——線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；N——線圈的有效匝數(shù)；l——每匝線圈的平均長(zhǎng)度。精選ppt當(dāng)θ＝90°〔線圈垂直切割磁力線〕時(shí)，式〔3-47〕可寫(xiě)成假設(shè)線圈相對(duì)磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，那么線圈的感應(yīng)電勢(shì)為〔3-49〕〔3-48〕式中：ω——旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)角速度， ；S——每匝線圈的截面積；θ——線圈平面的法線方向與磁場(chǎng)方向的夾角。

精選ppt當(dāng)θ＝９０°時(shí)，式〔3-49〕可寫(xiě)成〔3-50〕由式〔3-48〕和式〔3-50〕可知，當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，B、S、N、l均為定值，因此，感應(yīng)電勢(shì)ｅ與相對(duì)速度ｖ〔或ω〕成正比。從磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理可知，它只適宜于動(dòng)態(tài)測(cè)量。如果在其測(cè)量電路中接入積分電路，輸出的感應(yīng)電勢(shì)就會(huì)與位移成正比；如果接入微分電路，輸出的感應(yīng)電勢(shì)就與加速度成正比。因此，磁電感應(yīng)式傳感器還可用來(lái)測(cè)位移和加速度。精選ppt2.變磁阻式磁電式傳感器1〕開(kāi)磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器傳感器由永久磁鐵、感應(yīng)線圈、軟鐵、齒輪組成，如圖3-23所示。齒輪安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由齒輪的凹凸引起磁阻變化，以使磁通發(fā)生變化，因而在線圈中感應(yīng)出交變電勢(shì)，其頻率等于齒輪的齒數(shù)z和轉(zhuǎn)速n的乘積，即〔3-51〕式中：z——齒輪的齒數(shù)； n——被測(cè)軸轉(zhuǎn)速(rpm)； f——感應(yīng)電勢(shì)頻率(ｓ-1)。

精選ppt圖3-23開(kāi)磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器

精選ppt2〕閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-24所示。它是由安裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和永久磁鐵、外齒輪及線圈構(gòu)成的。內(nèi)、外齒輪的齒數(shù)相等。測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)軸與被測(cè)軸相連，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)、外齒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使磁路氣隙發(fā)生變化，從而磁阻發(fā)生變化，并使貫穿于線圈的磁通量變化，在線圈中感應(yīng)出電勢(shì)。與開(kāi)磁路相同，也可通過(guò)感應(yīng)電勢(shì)頻率測(cè)量轉(zhuǎn)速。精選ppt圖3-24閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器

精選ppt3.3物性傳感器

3.3.1壓電式傳感器某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)外表上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)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)，電荷極性也隨著改變。逆向壓電效應(yīng)是指當(dāng)某晶體沿一定方向受到電場(chǎng)作用時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶軸方向?qū)a(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，又稱電致伸縮效應(yīng)。當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后，晶體內(nèi)部的應(yīng)力或變形也隨之消失。精選ppt1.壓電效應(yīng)下面以石英單晶壓電晶體為例，說(shuō)明壓電效應(yīng)原理。石英是典型的壓電晶體，其化學(xué)成分是二氧化硅〔SiO2〕，壓電系數(shù)較低，d11＝2.3×10-12C/N。它的壓電效應(yīng)在幾百度的溫度范圍內(nèi)不隨溫度而變化，但到573℃時(shí)，完全喪失壓電性質(zhì)，這是它的居里點(diǎn)。石英具有很大的機(jī)械強(qiáng)度，在研磨質(zhì)量好時(shí)，可以承受700～1000N／cm2的壓力，并且機(jī)械性質(zhì)也較穩(wěn)定。精選ppt圖3-25表示了天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形，它是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸z-z稱為光軸，經(jīng)過(guò)正六面體棱線，并垂直于光軸的x-x軸,x-x軸稱為電軸，與x-x軸和z-z軸同時(shí)垂直的y-y軸〔垂直于正六面體的棱面〕稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸x-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)〞，而把沿機(jī)械軸y-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)〞，沿光軸z-z方向受力但不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。精選ppt圖3-25石英晶體的理想外形及坐標(biāo)系

精選ppt石英晶體所以具有壓電效應(yīng)，是與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分不開(kāi)的。組成石英晶體的硅離子和氧離子O在M平面投影，如圖3-26所示。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖中正六邊形排列，圖中“〞代表Si4+離子，“〞代表2O2-離子。下面討論石英晶體受外力作用時(shí)晶格的變化情況。當(dāng)無(wú)作用力Fx時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120°夾角的偶極矩，如圖3-26(a〕所示。此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零。當(dāng)沿電軸x-x施加作用力Fy時(shí)，在上方正離子局部占優(yōu)，在下方負(fù)離子局部占優(yōu)，于是上方帶正電，下方帶負(fù)電，如圖3-26(b〕所示。當(dāng)沿機(jī)械軸y-y軸施加作用力Fx時(shí)，在上方負(fù)離子局部占優(yōu)，在下方正離子局部占優(yōu)，于是上方帶負(fù)電，下方帶正電，如圖3-26〔c〕所示。精選ppt圖3-26壓電效應(yīng)原理圖

精選ppt將沿電軸x軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)，而把沿機(jī)械軸y軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)，沿光軸z軸方向受力那么不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。當(dāng)壓電晶片受到沿x軸方向的力Fx時(shí)，就在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qx為〔3-52〕式中：d11為壓電系數(shù)，而石英晶體d11＝2.3×10-12C/N。假設(shè)在同一壓電晶片上的作用力是沿y軸方向，電荷仍在與x軸垂直的平面上出現(xiàn)，電荷大小為〔3-53〕精選ppt2.壓電材料1〕壓電晶體石英是典型的壓電晶體，其化學(xué)成分是二氧化硅〔SiO2〕，壓電系數(shù)較低，d11＝2.3×10－12C／N。它在幾百度的溫度范圍內(nèi)不隨溫度而變，但到573℃時(shí)，完全喪失壓電性質(zhì)，這是它的居里點(diǎn)。石英具有很大的機(jī)械強(qiáng)度，在研磨質(zhì)量好時(shí)，可以承受700～1000kg／mm2的壓力，并且機(jī)械性質(zhì)也較穩(wěn)定。除天然石英和人造石英晶體外，近年來(lái)鈮酸鋰LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、鍺酸鋰LiGeO3等許多壓電單晶在傳感技術(shù)中也獲得廣泛應(yīng)用。精選ppt2〕多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶體，主要有極化的鐵電陶瓷〔鈦酸鋇〕、鋯鈦酸鉛等。鈦酸鋇是使用最早的壓電陶瓷，它具有較高的壓電常數(shù)，約為石英晶體的50倍。但它的居里點(diǎn)低，約為120℃，機(jī)械強(qiáng)度和溫度穩(wěn)定性都不如石英晶體。鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷〔PZT〕，隨配方和摻雜的變化可獲得不同的性能。它的壓電常數(shù)很高，約為〔200～500〕×10-12，居里點(diǎn)約為310℃，溫度穩(wěn)定性比較好，是目前使用最多的壓電陶瓷。由于壓電陶瓷的壓電常數(shù)大，靈敏度高，價(jià)格低廉，在一般情況下，都采用它作為壓電式傳感器的壓電元件。精選ppt3〕新型壓電材料新型壓電材料主要有有機(jī)壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體等。有機(jī)壓電薄膜是由某些高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后形成的具有壓電特性的薄膜，如聚仿氟乙烯、聚氟乙烯等。有機(jī)壓電薄膜具有柔軟、不易破碎、面積大等優(yōu)點(diǎn)，可制成大面積陣列傳感器和機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。壓電半導(dǎo)體是指既具有半導(dǎo)體特性又具有壓電特性的材料，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。由于同一材料上兼有壓電和半導(dǎo)體兩種物理性能，故可以利用壓電性能制作敏感元件，又可以利用半導(dǎo)體特性制成電路器件，研制成新型集成壓電傳感器。精選ppt3.壓電傳感器等效電路當(dāng)壓電晶片受力時(shí)，在它的兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生極性相反、電量相等的電荷。這樣可以把壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器。兩個(gè)極板上聚集電荷，中間為絕緣體，它又可以看成一個(gè)電容器，如圖3-27〔a〕所示。其電容量為〔3-54〕式中：S——極板面積；d——壓電晶片厚度；ε——介質(zhì)介電常數(shù)；精選pptε0——真空介電常數(shù)〔ε0=8.85×10-12F/m〕；εr——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)〔石英晶體為4.85〕。由于電容器上的開(kāi)路電壓Ua電荷量Q與電容Ca三者之間存在以下關(guān)系：可見(jiàn)壓電式傳感器可以等效為一個(gè)電壓源Ua和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路，如圖3-27〔b〕所示。也可以等效為一個(gè)電流源I和一個(gè)電容Ca的并聯(lián)電路，如圖3-27〔c〕所示。精選ppt圖3-27壓電傳感器〔a〕壓電元件;〔b〕電壓等效電路;〔c〕電荷等效電路精選ppt由等效電路可知，只有在外電路負(fù)載無(wú)窮大，內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損〞時(shí)，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存下來(lái)。但事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷能得以補(bǔ)充時(shí)才適于使用，因此壓電晶片不適合于靜態(tài)測(cè)量。如果把壓電式傳感器和測(cè)量?jī)x表連接時(shí)，還需考慮連接導(dǎo)線的等效電容Cc、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci，Ra為壓電傳感器絕緣電阻，Ca為壓電式傳感器的等效電容。因此，壓電傳感器完整的等效電路如圖3-28所示。精選ppt圖3-28壓電傳感器完整的等效電路精選ppt在壓電式傳感器中，往往采用多片壓電晶片粘結(jié)在一起，其連接方式有兩種(如圖3-29所示)?！瞐〕為串聯(lián)接法，其輸出電容C′輸出電壓U′及電荷量Q′與單片間的關(guān)系為〔3-55〕〔b〕為并聯(lián)接法，其輸出電容C′輸出電壓U′及電荷量Q′與單片間的關(guān)系為〔3-56〕精選ppt圖3-29壓電晶片的串、并聯(lián)〔a〕串聯(lián)接法；〔b〕并聯(lián)接法精選ppt４.壓電傳感器的測(cè)量電路1〕電壓放大器〔阻抗變換器〕圖3-30是一種電壓放大器〔阻抗變換器〕電路圖。它具有很高的輸入阻抗〔一般1000MΩ以上〕和很低的輸出阻抗〔小于100Ω，頻率范圍2～100KHz〕。因此用該阻抗變換器可將高內(nèi)阻的壓電傳感器與一般放大器相匹配。該阻抗變換器第一級(jí)采用MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成源極輸出器，第二級(jí)是用鍺管構(gòu)成對(duì)輸入端的負(fù)反響，以提高輸入阻抗，電路中的R1、R2是場(chǎng)效應(yīng)管V的偏置電阻，R3是一個(gè)100MΩ的大電阻，主要起提高輸入阻抗的作用，R5是場(chǎng)效應(yīng)管的漏極負(fù)載電阻，根據(jù)V漏極電流大小即可確定R5的數(shù)值〔在調(diào)試中確定〕，R4是源極接地電阻，也是VT的負(fù)載。精選pptR4上的交流電壓通過(guò)C2反響到場(chǎng)效應(yīng)管的輸入端，使A點(diǎn)電位提高，保證了較高的交流輸入阻抗。二極管VD1，VD2起保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管的作用，同時(shí)又可以起溫度補(bǔ)償作用。它是利用二極管的反向電流隨溫度變化來(lái)補(bǔ)償場(chǎng)效應(yīng)管泄漏電流ISG和IDG隨溫度的變化。由于V和VT是直接耦合，所以采用穩(wěn)壓管VDW起穩(wěn)定VT的固定偏壓作用，R6是的限流電阻，使VDW工作在穩(wěn)定區(qū)。精選ppt圖3-30阻抗變換器電路圖

精選ppt圖3-30中，如果只考慮V構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)管源極輸出器，那么輸入阻抗〔3-57〕通過(guò)C2從輸出端引入負(fù)反響電壓后，輸入阻抗為式中：Ku是加上負(fù)反響后的源極輸出器的電壓增益，其值接近１。因此加負(fù)反響后的輸入阻抗可提高到幾百甚至幾千兆歐，以滿足壓電傳感器對(duì)前置放大器的要求。精選ppt圖3-30中，如果只考慮場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的源極輸出器，其輸出阻抗為

〔3-58〕式中:gm為場(chǎng)效應(yīng)管跨導(dǎo)。由于引入負(fù)反響，所以使輸出阻抗更為減小。精選ppt2）電荷放大器電荷放大器是一個(gè)有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器。當(dāng)略去Ra與Rf并聯(lián)的等效電阻R后，壓電傳感器和電荷放大器連接的等效電路可用圖3-31表示。圖中A是運(yùn)算放大器。由于放大器的輸入阻抗極高，因此認(rèn)為放大器輸入端沒(méi)有分流。根據(jù)運(yùn)算放大器的基本特性，當(dāng)工作頻率足夠高時(shí)，,忽略，可以求得電荷放大器的輸出電壓〔3-59〕式中:A是運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益；負(fù)號(hào)表示放大器的輸入和輸出反相。

精選ppt圖3-31壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路精選ppt當(dāng)A>>１，滿足(1+A)Cf>10(Ca+Cc+Ci)時(shí)，就可以認(rèn)為

〔3－60〕可見(jiàn)，在電荷放大器中，輸出電壓Uo與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，而與q成正比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。精選ppt3.3.2半導(dǎo)體敏感元件1.半導(dǎo)體熱敏電阻1〕分類及特性半導(dǎo)體熱敏電阻按半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型，即負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻〔NTC〕、正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻〔PTC〕和在某一特性溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻〔CTR〕。它們的特性曲線如圖3-32所示。由圖可見(jiàn)，使用CTR組成熱控制開(kāi)關(guān)是十分理想的，但在溫度測(cè)量中，那么主要采用NTC，其溫度特性如下式所示〔3-61〕精選ppt圖3-32三種類型熱敏電阻的典型特性精選ppt假設(shè)定義熱敏電阻的溫度系數(shù)為α〔3-62〕那么由式(3－61)有精選ppt2〕使用時(shí)的本卷須知Ⅰ.熱敏電阻溫度特性的非線性由式3-61可知，熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律，也就是說(shuō)，其非線性是十分嚴(yán)重的。當(dāng)需要進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換時(shí)，就應(yīng)考慮其線性化處理。常用的線性化方法如下：(1)線性化網(wǎng)絡(luò)。利用包含有熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(luò)〔常稱線性化網(wǎng)絡(luò)〕來(lái)代替單個(gè)的熱敏電阻。精選ppt圖3-33溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路

精選ppt(2)利用電子裝置中其他部件的特性進(jìn)行綜合修正。圖3-33是一個(gè)溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路。它實(shí)際是一個(gè)三角波-方波變換器，電容C的充電特性是非線性特性。適當(dāng)?shù)剡x取線路中的電阻r和R加上Rt可以在一定的溫度范圍內(nèi)，得到近似于線性的溫度-頻率轉(zhuǎn)換特性?！?-63〕精選ppt(3)計(jì)算修正法。Ⅱ.熱敏電阻器特性的穩(wěn)定性和老化問(wèn)題現(xiàn)在已研制出精度優(yōu)于熱電偶，并具有互換性的熱敏電阻，而且還能制造出300℃以下可忽略老化影響的產(chǎn)品。但不同廠家產(chǎn)品質(zhì)量差異還比較大，使用時(shí)仍應(yīng)認(rèn)真選擇。一般地說(shuō)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器和臨界溫度熱敏電阻器特性的均勻性要差于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。在輻射熱檢測(cè)器中，人們采用薄膜式金屬電阻和熱敏電阻薄膜，構(gòu)成熱量型檢測(cè)器，將輻射熱轉(zhuǎn)換成電阻的變化。精選ppt3〕應(yīng)用舉例電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)裝置組成電路原理如圖3-34所示。把三只特性相同的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻〔如RRC6型，經(jīng)過(guò)測(cè)試，阻值在20℃時(shí)為10kΩ；100℃時(shí)為1kΩ；110℃時(shí)為0.6kΩ)放置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)繞組旁，緊靠繞組，每相各放置一只，用萬(wàn)能膠固定。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，溫度較低，熱敏電阻阻值較高，三極管V1截止，繼電器K不動(dòng)作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷，或斷相，或一相通地時(shí)，電動(dòng)機(jī)溫度急劇上升，熱敏電阻阻值急劇減小，小到一定值，使三極管V1完全導(dǎo)通，繼電器K動(dòng)作，使S閉合，紅燈亮，起到報(bào)警保護(hù)作用。精選ppt圖3-34電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)裝置組成電路原理

精選ppt2.氣敏電阻氣敏電阻是由金屬氧化物燒結(jié)而成的半導(dǎo)體電阻元件，當(dāng)環(huán)境中氣體的成分或濃度發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致氣敏電阻的阻值發(fā)生變化，其變化范圍在103～105Ω數(shù)量級(jí)之間。氣敏電阻半導(dǎo)體材料亦分為N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體兩種。N型材料如SnO2、ZnO、CdO、W2O3、Mn02、ThO2、TiO2等；P型材料如MoO2、NiO、CoO、Cu2O、Cr2O3等，均為金屬氧化物。

精選ppt其工作機(jī)理主要是由于各種可燃性氣體的離解能比較小，容易失去電子，在遇到N型半導(dǎo)體材料時(shí)，由于其晶格氧離子缺位，氣體中的電子向半導(dǎo)體移動(dòng)，使半導(dǎo)體中載流子濃度增加，內(nèi)阻減??；當(dāng)遇到P型導(dǎo)體材料時(shí)，由于其陽(yáng)離子缺位，呈空穴導(dǎo)電性，使半導(dǎo)體中載流子濃度下降，內(nèi)阻增加。氣敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖3-35所示。圖中1為氣敏半導(dǎo)體材料，體積很小，直徑在1mm以內(nèi)；2為加熱電極；3為引出端電極，均為Φ0.05mm鉑電阻絲。在四個(gè)電極的支撐下封裝在不銹鋼防爆網(wǎng)內(nèi)，構(gòu)成氣敏電阻。精選ppt圖3-35氣敏電阻

精選ppt圖3-36氣敏傳感器在各種氣體濃度q下電路輸出電壓U的曲線

精選ppt3.3.3光電傳感器1.光的特性〔1〕光的電磁說(shuō)。光是一種電磁波，由電磁理論可知，光是電磁波譜中的一員，不同波長(zhǎng)光的分布如圖3-27所示。這些光的頻率〔波長(zhǎng)〕各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干預(yù)和吸收等特性。可見(jiàn)光只是電磁波譜中的一小局部，波長(zhǎng)在380～780nm之間，紅光頻率最低，紫光頻率最高。光的頻率越高，攜帶的能量越大。精選ppt圖3-37電磁波頻譜圖

精選ppt〔2〕光的量子說(shuō)。光是一種帶有能量的粒子〔稱為光子〕所形成的粒子流。由光的粒子說(shuō)可知，光又是由具有一定能量、動(dòng)量和質(zhì)量的粒子所組成，這種粒子稱為光子。光是以光速運(yùn)動(dòng)的光子流。每個(gè)光子都具有一定的能量，其大小與它的頻率成正比，即〔3-64〕式中：h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J·s；v為光子的頻率〔s-1〕；c為光速，c=3×108m/s；λ為光的波長(zhǎng)〔m〕。當(dāng)物質(zhì)受光照后，物質(zhì)的電子吸收了光子的能量所產(chǎn)生的電現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。它是光電元器件的理論根底。精選ppt可見(jiàn)，不同頻率和波長(zhǎng)的光具有不同的能量，光的頻率愈高〔即波長(zhǎng)愈短〕，光子的能量就愈大，光的能量就是光子能量的總和。光照射在物體上可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊這些物體。根據(jù)愛(ài)因斯坦假說(shuō)：一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子，因此電子增加的能量為hν。電子獲得能量后釋放出來(lái)，參加導(dǎo)電。這種物體吸收光的能量后產(chǎn)生電效應(yīng)的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。光電效應(yīng)可以分為以下三種類型。精選ppt1〕外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體外表、向外發(fā)射的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。物體中的電子吸收的入射光子能量假設(shè)足以克服逸出功，電子就逸出物體外表，產(chǎn)生光電發(fā)射。如果逸出電子的能量為mv2/2，m為電子質(zhì)量，v為逸出速度。那么有〔3-65〕式〔3-65〕稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程式，Ａ０為逸出功。可見(jiàn),只有當(dāng)光子能量大于逸出功，即hν＞Ａ０時(shí)，才有電子發(fā)射出來(lái);當(dāng)光子的能量等于逸出功，即hν＞０＝Ａ０時(shí)，逸出的電子初速度為零，此時(shí)光子的頻率為該物質(zhì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的最低頻率，稱為紅限頻率。精選ppt由于光子的能量與光的頻率成正比，因此要使物體發(fā)射光電子，光的頻率必須高于紅限頻率。小于紅限頻率的入射光，光再?gòu)?qiáng)也不會(huì)激發(fā)光電子；大于紅限頻率的入射光，光再弱也會(huì)激發(fā)光電子。單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)稱為光電流，它與入射光的光強(qiáng)成正比。對(duì)光敏管，即使陽(yáng)極電壓為零也會(huì)有光電流產(chǎn)生。欲使光電流為零必須加負(fù)向的截止電壓，截止電壓應(yīng)與入射光的頻率成正比。利用外光電效應(yīng)制成的光電器件有真空光電管、充氣光電管和光電倍增管。

精選ppt2〕光電導(dǎo)效應(yīng)在光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，引起物體電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。由于這里沒(méi)有電子從物體向外發(fā)射，僅改變物體內(nèi)部的電阻或電導(dǎo)，與外光電效應(yīng)對(duì)照，有時(shí)也稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)是由于在光線的照射下，半導(dǎo)體中的原子受激發(fā)成為自由電子或空穴，它們參加導(dǎo)電使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加了。與外光電效應(yīng)一樣，要產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，也要受到紅限頻率限制。利用光電導(dǎo)效應(yīng)可制成半導(dǎo)體光敏電阻。精選ppt3〕光生伏特效應(yīng)在光的作用下，能夠使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是由于在光線照射下，ＰＮ結(jié)附近被束縛的價(jià)電子吸收光子能量，受激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴移向Ｐ區(qū)，電子移向Ｎ區(qū)，使Ｐ區(qū)帶正電，Ｎ區(qū)帶負(fù)電，于是在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。利用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有光敏二極管、光敏三極管和光電池等。精選ppt2.光電器件的根本特性各種光電器件的根本特性包括以下幾方面。1〕光電流光敏元件的兩端加上一定偏置電壓后，在某種光源的特定照度下產(chǎn)生或增加的電流稱為光電流。精選ppt2〕暗電流光敏元件在無(wú)光照時(shí)，兩端加電壓后產(chǎn)生的電流稱為暗電流。暗電流在電路設(shè)計(jì)中被認(rèn)為是一種噪聲電流。在高照度情況下，由于光電流與暗電流的比值大，還不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題；但在低照度時(shí)，因光電流與暗電流的比值較小，如果電路各級(jí)間沒(méi)有耦合電容隔斷直流電流，那么容易使線路產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此，暗電流對(duì)測(cè)量微弱光強(qiáng)及精密測(cè)量的影響很大。在選擇時(shí)，應(yīng)選擇暗電流小的光電器件。精選ppt3〕光照特性當(dāng)光敏元件加一定電壓時(shí)，光電流Ｉ與光敏元件上光照度Ｅ之間的關(guān)系，稱為光照特性。一般可表示為I=f(E)。4〕光譜特性當(dāng)光敏元件加一定電壓時(shí)，如果照射在光敏元件上的是一單色光，且入射光功率不變，光電流隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的關(guān)系，稱為光譜特性。光譜特性對(duì)選擇光電器件和光源有重要意義。當(dāng)光電器件的光譜特性與光源的光譜分布協(xié)調(diào)一致時(shí)，光電傳感器的性能較好，效率也高。在檢測(cè)中，應(yīng)選擇最大靈敏度在需要測(cè)量的光譜范圍內(nèi)的光敏元件，才有可能獲得最高靈敏度。精選ppt5〕伏安特性在一定照度下，光電流Ｉ與光敏元件兩端的電壓Ｕ的關(guān)系I=f(U)稱為伏安特性。同晶體管的伏安特性一樣，光敏元件的伏安特性可以用來(lái)確定光敏元件的負(fù)載電阻，設(shè)計(jì)應(yīng)用電路。6〕頻率特性在相同的電壓和相同幅值的光強(qiáng)度下，當(dāng)入射光受不同的正弦交變頻率調(diào)制時(shí)，光敏元件輸出的光電流Ｉ和靈敏度Ｋ隨調(diào)制頻率ｆ變化的關(guān)系I=f1(f)，K=f2(f)稱為頻率特性。精選ppt7〕溫度特性環(huán)境溫度變化后，光敏元件的光學(xué)性質(zhì)也將隨之改變，這種現(xiàn)象稱為溫度特性。溫度升高時(shí)，電子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，引起光敏元件的光電流及光譜特性等變化。溫度超過(guò)一定值時(shí)，光電器件的性質(zhì)會(huì)有顯著地改變。光電器件都有極限工作條件，正常使用時(shí)都不允許超過(guò)這些指標(biāo)，否那么會(huì)影響光電器件的正常工作，甚至使器件損壞。通常各種光電器件都規(guī)定了工作電壓、工作電流、工作溫度等的允許范圍，使用時(shí)要注意。精選ppt3.光電管１〕結(jié)構(gòu)和工作原理典型的光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者結(jié)構(gòu)相似，圖3-38〔a〕所示為光電管的結(jié)構(gòu)示意圖，它由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，它們一起裝在一個(gè)被抽成真空的玻璃泡內(nèi)，陰極裝在光電管玻璃泡內(nèi)壁或特殊的薄片上，光線通過(guò)玻璃泡的透明局部投射到陰極。要求陰極鍍有光電發(fā)射材料，并有足夠的面積來(lái)接受光的照射。陽(yáng)極要既能有效地收集陰極所發(fā)射的電子，而又不阻礙光線照到陰極上，因此是用一細(xì)長(zhǎng)的金屬絲彎成圓形或矩形制成，放在玻璃管的中心。精選ppt光電管的連接電路圖如圖3-38〔b〕所示。光電管的陰極K和電源的負(fù)極相連，陽(yáng)極A通過(guò)負(fù)載電阻RL接電源正極，當(dāng)陰極受到光線照射時(shí)，電子從陰極逸出，在電場(chǎng)作用下被陽(yáng)極收集，形成光電流I，該電流及負(fù)載電阻RL上的電壓將隨光照的強(qiáng)弱而改變，到達(dá)把光信號(hào)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化的目的。精選ppt圖3-38光電管結(jié)構(gòu)示意圖和連接電路

精選ppt充氣光電管的結(jié)構(gòu)根本與真空光電管相同，只是管內(nèi)充以少量的惰性氣體，如氖氣等。當(dāng)光電管陰極被光線照射產(chǎn)生電子后，在趨向陽(yáng)極的過(guò)程中，由于電子對(duì)氣體分子的撞擊，將使惰性氣體分子電離，從而得到正離子和更多的自由電子，使電流增加，提高了光電管的靈敏度。但充氣光電管的頻率特性較差，溫度影響大，伏安特性為非線性等，所以在自動(dòng)檢測(cè)儀表中多采用真空光電管。精選ppt２〕主要特性Ⅰ.光電管的伏安特性在一定的光照下，對(duì)光電管陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。真空光電管和充氣光電管的伏安特性分別如圖3-39〔a〕、〔b〕所示，它們是光電傳感器的主要參數(shù)依據(jù)，充氣光電管的靈敏度更高。精選ppt圖3-39光電管的伏安特性〔a〕真空光電管;〔b〕充氣光電管精選pptⅡ.光電管的光照特性當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光照特性。圖3-40為光電管的光照特性，曲線1是氧銫陰極光電管的特性，光電流I與光通量呈線性關(guān)系；曲線2是銻銫陰極光電管的光照特性，呈非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率〔光電流與入射光光通量之比〕稱為光電管的靈敏度。精選ppt圖3-40光電管的光照特性

精選ppt圖3-41光電管的光譜特性

精選pptⅢ.光電管的光譜特性一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率ν0，因此，它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率ν0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會(huì)不同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。圖3-41為光電管的光譜特性。國(guó)產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的，其紅限為7000nm，它對(duì)可見(jiàn)光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25％~30%。精選ppt這種管子適用于白光光源，因而被廣泛地應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測(cè)儀表中。對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鍋陰極。另外，銻、鉀、鈉、銫陰極的光譜范圍較寬，為3000～8500nm，靈敏度也較高，與人的視覺(jué)光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極。但也有些光電管的光譜特性和人的視覺(jué)光譜特性有很大差異，因而在測(cè)量和控制技術(shù)中，這些光電管可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。

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4.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)幾個(gè)微安，很不容易探測(cè)。這時(shí),常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大，圖3-42是光電倍增管的外形和工作原理圖。

精選ppt圖3-42光電倍增管的外形和工作原理圖

精選ppt1〕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(yáng)極三局部組成。光電倍增管由光電陰極K、倍增電極D以及陽(yáng)極A組成，倍增電極上涂有電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料，其形狀和位置設(shè)計(jì)得正好使前一級(jí)發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊下一級(jí)，倍增級(jí)多的可達(dá)30級(jí)，通常為12～14級(jí)。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅一被的襯底上涂上銻銫材料而形成的。陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。精選ppt2〕工作原理光電倍增管除光電陰極外，還有假設(shè)干個(gè)倍增電極。使用時(shí)在各個(gè)倍增電極上均勻加上電壓。陰極電位最低，從陰極開(kāi)始，各個(gè)倍增電極的電位依次升高，陽(yáng)極電位最高。同時(shí)這些倍增電極用次陰極發(fā)射材料制成，這種材料在具有一定能量的電子轟擊下，能夠產(chǎn)生更多的“次級(jí)電子〞。由于相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場(chǎng)，對(duì)電子加速。從陰極發(fā)出的光電子，在電場(chǎng)的加速下，打到第一個(gè)倍增電極上，引起二次電子發(fā)射。每個(gè)電子能從這個(gè)倍增電極上打出3～6倍個(gè)次級(jí)電子；被打出來(lái)的次級(jí)電子再經(jīng)過(guò)電場(chǎng)的加速后，打在第二個(gè)倍增電極上，電子數(shù)又增加3～6倍，如此不斷倍增，陽(yáng)極最后收集到的電子數(shù)將到達(dá)陰極發(fā)射電子數(shù)的105～106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)。精選ppt3）主要參數(shù)Ⅰ.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)δi的乘積。如果n個(gè)倍增電極的δi相等，則，陽(yáng)極電流I為 ，式中，i是光電陰極的光電流。光電倍增管的電流放大系數(shù)β為〔3-66〕倍增系數(shù)M與所加電壓有關(guān)，一般陽(yáng)極和陰極之間的電壓為1000～2500V，兩個(gè)相鄰倍增電極的電位差為50～100V。

精選pptⅡ.光電特性圖3-43〔a〕是光電倍增管的光電特性，當(dāng)光通量不大時(shí)，陽(yáng)極電流I和光通量Φ之間有良好的線性關(guān)系，但當(dāng)光通量很大時(shí)〔Φ＞0.01lm時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性。光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性相似。精選ppt圖3-43光電倍增管的特性曲線〔a〕光電特性；〔b〕光譜特性；〔c〕伏安特性精選pptⅢ.光譜特性圖3-43〔b〕是銻鉀銫光電陰極的光電倍增管的光譜特性。Ⅳ.伏安特性光電倍增管的陽(yáng)極電流與最后一級(jí)倍增極和陽(yáng)極電壓的關(guān)系，稱為光電倍增管的伏安特性。圖3-43〔c〕為光電倍增管的伏安特性，此時(shí)其余各電極的電壓保持恒定。由圖可見(jiàn)，實(shí)際照到光電陰極上的光通量愈大，相應(yīng)地到達(dá)飽和時(shí)的陽(yáng)極電流也愈大。使用時(shí)，應(yīng)工作在特性曲線的飽和區(qū)。精選pptⅤ.靈敏度一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的靈敏度高，頻率特性好，頻率可達(dá)10８Hz，甚至更高，但它需要高壓直流電源，價(jià)格貴、體積大，經(jīng)不起機(jī)械沖擊。

精選pptⅥ.暗電流光電倍增管由于環(huán)境溫度、熱輻射等因素的影響，即使沒(méi)有光信號(hào)輸入，加上電壓后仍有電流，這種電流稱為暗電流。光電倍增管的暗電流對(duì)于測(cè)量微弱的光強(qiáng)和確定管子靈敏度的影響很大，產(chǎn)生暗電流的主要原因是光電陰極和倍增極的熱電子發(fā)射，它隨溫度增加而增加。一般在使用光電倍增管時(shí)，必須將其放在暗室里避光使用，只對(duì)入射光起作用。這種暗電流通常可以用補(bǔ)償電路加以消除。表3-1為常見(jiàn)光電倍增管的特性參數(shù)。

精選ppt表3-1常見(jiàn)光電倍增管的特性參數(shù)

精選ppt5.光敏電阻1〕結(jié)構(gòu)和原理光敏電阻又稱為光導(dǎo)管。光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成。光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，如圖3-44所示。在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導(dǎo)體層可靠地電接觸，然后，將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，如圖3-45所示為接線電路。精選ppt圖3-44光敏電阻結(jié)構(gòu)

精選ppt圖3-45光敏電阻接線電路

精選ppt半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力完全取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，假設(shè)光子能量大于該半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子空穴對(duì)的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強(qiáng)，光生電子空穴對(duì)就越多，阻值就愈低。入射光消失，電子空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值。光敏電阻在受到光的照射時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻R下降，所以流過(guò)負(fù)載電阻R的電流及其兩端的電壓也隨之變化。光線越強(qiáng)，電流越大。當(dāng)光照停止時(shí)，光電效應(yīng)消失，電阻恢復(fù)原值，因而可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。精選ppt2〕光敏電阻種類光敏電阻是一個(gè)純電阻性兩端器件，適用于交、直流電路，因而應(yīng)用廣泛，種類很多。對(duì)光照敏感的半導(dǎo)體光敏元件都可以制成光敏電阻，目前人類已開(kāi)發(fā)應(yīng)用的光波頻譜范圍為0.1～lO21Hz，相應(yīng)的波長(zhǎng)為3×109m～0.3pm。半導(dǎo)體光敏元件的敏感光波長(zhǎng)為納米波，按其最正確工作波長(zhǎng)范圍可分為三類。Ⅰ.對(duì)紫外光敏感元件紫外光是指紫外線〔波長(zhǎng)λ=10～380nm〕的內(nèi)側(cè)光波，波長(zhǎng)約300-380nm。對(duì)這類光敏感的材料有氧化鋅〔Zn0〕、硫化鋅〔ZnS〕、硫化鎘〔CdS〕、硒化鎬〔CdSe〕等，這類敏感元件適于作α、β、γ射線檢測(cè)及光電控制電路。精選pptⅡ.對(duì)可見(jiàn)光敏感元件可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍約〔波長(zhǎng)λ=380～760nm〕，對(duì)這類光敏感的材料有硒〔Se〕、硅〔Si〕、鍺〔Ge〕及硫化鉈〔TlS〕、硫化鎘〔CdS〕等，尤其是TlS光敏元件，它既適用于可見(jiàn)光，也適用于紅外光。這類敏感元件適用于光電計(jì)數(shù)、光電耦合、光電控制等場(chǎng)合。Ⅲ.對(duì)紅外光敏感元件紅外光是紅外線〔波長(zhǎng)λ=760～106nm〕的內(nèi)側(cè)光波，波長(zhǎng)約760～6000nm。對(duì)這類光敏感的材料有硫化鉛〔PbS〕、硒化鉛〔PbSe〕、銻化銦〔InSb〕等，這類敏感元件主要用來(lái)探測(cè)不可見(jiàn)目標(biāo)。精選ppt3〕光敏電阻的特性Ⅰ.暗電阻、亮電阻與光電流光敏電阻在未受到光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流;在受到光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般暗電阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度越高。光敏電阻的暗電阻的阻值一般在兆歐數(shù)量級(jí)，亮電阻在幾千歐以下。暗電阻與亮電阻之比一般在102～106之間，這個(gè)數(shù)值是相當(dāng)可觀的。精選ppt

Ⅱ.光敏電阻的伏安特性一般光敏電阻如硫化鉛、硫化鉈的伏安特性曲線如圖3-46所示。由曲線可知，