第三章 常用傳感器

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1、第 45 頁(yè) 共 45 頁(yè) 第三章 常用傳感器 1.傳感器的定義 傳感器是與人的感覺(jué)器官相對(duì)應(yīng)的元件。GB7665一87對(duì)傳感器下的定義是:"能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成"。 由此定義知：傳感器是一種測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；其功用是：感受被測(cè)信息,并傳送出去。 2.傳感器的組成 構(gòu)成傳感器的基本元件有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件（見(jiàn)下圖）。 敏感元件:是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量(輸入量)的部分，如力測(cè)量中的彈性梁；轉(zhuǎn)換元件:是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺艿幕蝽憫?yīng)的被探測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和(或)測(cè)量的電信號(hào)的部分，如

2、力測(cè)量中的應(yīng)變片。 實(shí)際上，有些傳感器并不能明顯區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個(gè)部分，而是二者合為一體。例如，壓電傳感器、熱電偶等，沒(méi)有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 第一節(jié)　常用傳感器的分類(lèi) 傳感器種類(lèi)繁多，功能各異。由于同一被測(cè)量可用不同轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)探測(cè)，利用同一種物理法則、化學(xué)反應(yīng)或生物效應(yīng)可設(shè)計(jì)制作出檢測(cè)不同被測(cè)量的傳感器，而功能大同小異的同一類(lèi)傳感器可用于不同的技術(shù)領(lǐng)域，故傳感器有不同的分類(lèi)法。 (1)根據(jù)傳感器感知外界信息所依據(jù)的基本效應(yīng)，可以將傳感器分成三大類(lèi)：①基于物理效應(yīng)如光、電、聲、磁、熱等效應(yīng)進(jìn)行工作的物理傳感器；

3、②基于化學(xué)反應(yīng)如化學(xué)吸附、選擇性化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行工作的化學(xué)傳感器；③基于酶、抗體、激素等分子識(shí)別功能的生物傳感器。 (2)按工作原理分類(lèi)，可分為應(yīng)變式、電容式、電感式、電磁式、壓電式、熱電式等傳感器。 (3)根據(jù)傳感器使用的敏感材料分類(lèi)，可分為半導(dǎo)體傳感器、光纖傳感器、陶瓷傳感器、 金屬傳感器、高分子材料傳感器、復(fù)合材料傳感器等等。 (4)按照被測(cè)量分類(lèi)，可分為力學(xué)量傳感器、熱量傳感器、磁傳感器、光傳感器、放射線傳感器、氣體成分傳感器、液體成分傳感器、離子傳感器和真空傳感器等等。 (5)按能量關(guān)系分類(lèi)，可分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型兩大類(lèi)。 能量控制型（有源

4、型） 依靠外部提供輔助能源來(lái)工作，由被測(cè)量來(lái)控制該能量的變化如。如電容式、電感式等。 能量轉(zhuǎn)換型（無(wú)源型） 直接由被測(cè)量輸入能量使傳感器工作的。如熱電效應(yīng)中的熱電偶，當(dāng)溫度變化時(shí)，直接引起輸出電勢(shì)改變。 (6)按輸出量是模擬量還是數(shù)字量，可分為模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器。 第二節(jié) 機(jī)械式傳感器及儀器 機(jī)械式傳感器依靠彈性敏感元件受被測(cè)物理量作用產(chǎn)生機(jī)械變形，并把這種變形直接轉(zhuǎn)換為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度而指示出。屬于此類(lèi)傳感器的有：測(cè)力用的圓環(huán)測(cè)力計(jì)、彈簧稱(chēng)，測(cè)流體壓力的波紋膜片、波紋管，測(cè)溫度用的雙金屬片等（參見(jiàn)圖3-3、4）。 機(jī)械式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格

5、低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)。但慣性大，固有頻率低，只適用于檢測(cè)緩變或靜態(tài)被測(cè)量，且信號(hào)不易遠(yuǎn)距離傳遞。 第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器 一、電阻式傳感器 電阻式傳感器是--種把被測(cè)垃轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和電阻應(yīng)變式兩類(lèi)。 1.變阻器式傳感器 1） 結(jié)構(gòu)類(lèi)型　　 按結(jié)構(gòu)形式分：繞線式、薄膜式；按特性分：線性、函數(shù)型（見(jiàn)圖3-5） 2）工作原理（以圖3.5ａ）為例） 變阻器式傳感器亦稱(chēng)為電位計(jì)式傳感器，通過(guò)改變電位器觸頭位置，實(shí)現(xiàn)將位移轉(zhuǎn)換為電阻R的變化。根據(jù) 式知，在電阻絲直徑和材質(zhì)一定時(shí)，電阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而變化。當(dāng)圖中觸點(diǎn)C沿變阻器的Ａ

6、點(diǎn)移動(dòng)到圖示位置ｘ時(shí)，則C點(diǎn)與Ａ點(diǎn)之間的電阻值為 傳感器靈敏度 式中　k1——單位長(zhǎng)度的電阻值。 若導(dǎo)線分布均勻，k1為一常數(shù)，則傳感器的輸出(電阻)R與輸入 (位移)ｘ成線性關(guān)系。 類(lèi)似的得圖3-5b示回轉(zhuǎn)型變阻式傳感器，其電阻值隨電刷轉(zhuǎn)角而變化。其靈敏度為 式中　——單位弧度所對(duì)應(yīng)的電阻值。 　　圖3-5C示的非線性變阻器式傳感器，其骨架形狀根據(jù)所要求的輸出f(x)來(lái)決定?？蔀閒(x)＝kx2、f(x)＝kx3型等。 3）工作特性(參見(jiàn)圖3-6)　 （1）空載特性（無(wú)負(fù)載Rl）　　輸出電壓u0與ｘ的關(guān)系為 即空載時(shí)，傳感器的輸出電壓與電刷位移成正

7、比。 （2）負(fù)載特性　　設(shè)負(fù)載電阻為Rl，則輸出電壓u0與ｘ的關(guān)系為 即有負(fù)載時(shí)，傳感器的輸出電壓與電刷位移成為非線性關(guān)系，為減小非線性誤差，應(yīng)適當(dāng)提高負(fù)載電阻RL,使RL>>RP。 4） 性能特點(diǎn)　　變阻器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便。缺點(diǎn)是分辨力不高，一般>20μm，噪聲較大。 5）應(yīng)用 變阻器式傳感器主要用于位移測(cè)最，也用于壓力、速度等測(cè)量。 　　　　　　　　　　 2.電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是一種能將試件表面的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變換的傳感元件。 1） 類(lèi)型　　分為金屬式與半導(dǎo)體式 　（1）金屬電阻應(yīng)變片　　常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式

8、兩種。結(jié)構(gòu)形狀如下 　　 　　　 （2）半導(dǎo)體式　　　結(jié)構(gòu)形狀如上　 2）工作原理 （1）金屬絲電阻應(yīng)變片 應(yīng)變片工作時(shí)是粘接在被測(cè)物體表面上的。在外力作用下，電阻絲即隨同物體一起變形， 其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。 設(shè)應(yīng)變片原始阻值為，受力后，應(yīng)變絲的、、A均因應(yīng)變絲的形變而變化，稱(chēng)此種變化為導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)。、、A的變化又引起Ｒ的變化，其變化關(guān)系如下： 對(duì)兩邊取對(duì)數(shù)再求全微分，得 因?yàn)?,所以，又、及 代入（3-4）式，得： 　　?。?-8） 式中　E——電阻絲材料的彈性模量; ——壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)。 而相則是由電阻絲兒何尺寸改變所引起的，是一常數(shù)；則是由

9、于電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變而引起的，對(duì)于金屬絲來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)小于，可忽略。這樣(3-8)式可簡(jiǎn)化為 式(3-9)表明，電阻相對(duì)變化率與應(yīng)變成正比。 把稱(chēng)為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，sg之值約為（1.7～3.6）。 電阻應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)阻值有的60、120、350。 (2)半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 在式 (3-8)中，電阻的相對(duì)變化dR/R是由兩部分構(gòu)成，其中項(xiàng)是由兒何尺寸變化引起的，是由于電阻率變化而引起的。對(duì)半導(dǎo)體而言，>>，它是半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要部分，故式 (3-

10、8)可簡(jiǎn)化為 其靈敏度 約為金屬絲電阻應(yīng)變片50-70倍。 以上分析表明，金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別在于：前者利用導(dǎo)體形變引起電阻的變化，后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電陽(yáng)的變化。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小，體積小等。最大缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度離散度大 (由于晶向、雜質(zhì)等四素的影響)以及在較大應(yīng)非線性誤差大等。 3)電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用　　　 電阻應(yīng)變式動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精確度高、使用簡(jiǎn)便等，可用于測(cè)量應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)。 實(shí)例 （1）直接用來(lái)測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力 （2）貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、

11、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。 　　　　 4）應(yīng)用注意點(diǎn) （1）應(yīng)變片只有粘在試件上才能工作，粘接劑質(zhì)量，粘接質(zhì)量、防潮、固化等均會(huì)影響測(cè)量質(zhì)量，應(yīng)妥善處理； （2）溫度會(huì)造成很大的測(cè)量誤差，應(yīng)予以消除； （3）動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，應(yīng)考慮片子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 3.固態(tài)壓阻式傳感器 固態(tài)壓阻式傳感器的工作原理與半導(dǎo)體應(yīng)變片相同，都是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。 區(qū)別在于，半導(dǎo)體應(yīng)變片是由單晶半導(dǎo)體材料構(gòu)成，是粘貼在敏感元件上。固態(tài)壓阻式傳感器中的敏感元件則是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，所以亦可稱(chēng)為擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。 固態(tài)壓阻式傳

12、感器主要用于測(cè)拉壓力與加速度。 4.典型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀（在調(diào)理電路部分介紹） 二、電容式傳感器 電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。 1.結(jié)構(gòu) 由兩極板組成，分為線位移型（平面線位移、圓柱體線位移）、角位移型。 2.變換原理（以平板電容器為例說(shuō)明） 從物理學(xué)可知，由兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量為： 式(3-13)表明，當(dāng)被測(cè)量使、A或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容C的變化。工作時(shí)，僅僅改變、A或中某--個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。 根據(jù)電容器變化的參數(shù)，電容器可分為極距變化型、面積變化型刑介質(zhì)變化型三類(lèi)。 （1）極距變化型

13、 ①工作特性　對(duì)式 (3-13)，令Ａ、不變，改變， C與極距的關(guān)系可由對(duì)式 (3-13) 求微分而得： 靈敏度（雙曲線） 因?yàn)椋优c極距2成反比，所以輸出與輸入關(guān)系為非線性； ① 改善非線性的方法?、?縮小量程：??；Ⅱ.采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)；Ⅲ.采用以電容為反饋元件的比例運(yùn)算放大器。（見(jiàn)后述） ② 應(yīng)用　　可進(jìn)行非接觸式測(cè)量，適于小位移測(cè)量（）。 2)面積變化型 分角位移型與線位移型兩種（見(jiàn)圖3-13）。 ①角位移型　（圖3-1 3a），當(dāng)動(dòng)板有-轉(zhuǎn)角時(shí)，改變了兩極板之間相互覆蓋面積導(dǎo)致電容量變化。因?yàn)楦采w面積 所以

14、 靈敏度 結(jié)論 傳感器的輸出與輸入成線性關(guān)系。 ②平面線位移型　?。▓D3-13b）電容與動(dòng)極板位移ｘ之間的關(guān)系為： 靈敏度 結(jié)論 傳感器的輸出與輸入成線性關(guān)系。 ③圓柱體線位移型?。▓D3-13ｃ）電容與圓柱體位移ｘ之間的關(guān)系為： 靈敏度 面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測(cè)量。 3）介質(zhì)變化型 通過(guò)改變介質(zhì)介電常數(shù)而使電容改變以達(dá)到測(cè)量目的，可測(cè)液位、溫度、濕度和厚度等。圖3-14a是在兩固定極板間有一個(gè)介質(zhì)層 (如紙張、電影膠片等)通過(guò)。當(dāng)介質(zhì)層的厚度、溫度或濕

15、度發(fā)生變化時(shí)，其介電常數(shù)發(fā)生變化，引起電極之間的電容貿(mào)變化。圖3-14b是一種電容式液位汁，當(dāng)被測(cè)液面位置發(fā)生變化時(shí)，兩電極浸人高度也發(fā)生變化，引起電容量的變化。 3.測(cè)量電路 電容傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量的變化以后，由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻 率信號(hào)。常用的電路有下列5種。 (1)電橋型電路 將電容傳感器作為橋路的--部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸此 通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋。圖3-15是一種電感、電容組成的橋路，電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后獲得輸出，再推動(dòng)顯示儀表。 (2)直流極化電路 此電路又稱(chēng)為靜壓電容

16、傳感器電路。如圖3-16所示，彈性膜片在外力 (氣壓、液壓等)作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。電容器 接于具有直流極化電壓Eo的電路中，電容的變化由高阻值電阻R轉(zhuǎn)換為電壓變化。由圖可知，電路輸出為 輸出電壓與膜片位移速度成正比。這種傳感器可以測(cè)量氣流 (或液流)的振動(dòng)速度，進(jìn)而得到壓力。 (3)諧振電路 圖3-I7為諧振電路原理及其工作特性。電容傳感器的電容C，作為諧振電路 ()調(diào)諧電容的一部分。此諧振回路通過(guò)電壓藕合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器獲得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容量Ｃ發(fā)生變化時(shí)，諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)變化，并被轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出，經(jīng)放大、檢波，即可得到輸出。為了獲得較好的線

17、性，一般工作點(diǎn)應(yīng)選擇在諧振曲線邊的線性區(qū)域內(nèi)。這種電路比較靈敏，缺點(diǎn)是工作點(diǎn)不易選好，變化范圍也較窄，傳感器連接電纜的分布電容影響也較大。 (4)調(diào)頻電路 如圖3-18所示，傳感器電容是振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量使傳感器電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)過(guò)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再?jīng)過(guò)放大后由記錄器或顯示儀表指示。這種電路具有抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可測(cè)的位移變化最。缺點(diǎn)是電纜分布電容的影響較大，使用中較麻煩。 (5)運(yùn)算放大器電路 采用此電路，可解決前述的極距變化型傳感器的非線性問(wèn)題。如圖3-19所示。電路中C0為固定電容，Cx(電容傳感器電容)作為反

18、饋電容，根據(jù)比例器的運(yùn)算關(guān)系， 有 可見(jiàn)，輸拙電壓ug雨電容傳感株間隙成線性關(guān)系。 4.電容集成壓力傳感器 電容集成壓力傳感器是運(yùn)用集成電路工藝把電容敏感元件與測(cè)量電路制作在--起而構(gòu)成的,如圖3-20所示。其核心部件是--個(gè)對(duì)壓力敏感的電容器，電容器的兩個(gè)鋁電極，一個(gè)處在玻璃上，另---個(gè)在硅片的薄膜上。在硅片和玻璃鍵合在一起之后，就形成了具有一定間隙的電容器。當(dāng)硅膜的兩側(cè)有壓力差存在時(shí)，硅膜就發(fā)生形變使電容器兩極的間距發(fā)生變化，因而引起電容量的變化。圖3-20b)是-個(gè)檢出電容變化并把它轉(zhuǎn)換成為電壓輸出的集成壓力傳感器的電路原理圖。圖中Cx為壓力敏感電容，C0是一個(gè)

19、參考電容，交流激勵(lì)電壓Ue通過(guò)隅合電容Cc進(jìn)人由VD1～VD4構(gòu)成的二極管橋路。在無(wú)壓力的初始狀態(tài)下，使Cx=CO，電路平衡;在工作狀態(tài)下，Cx與CO不等，其輸出端將有一個(gè)表達(dá)壓力變化的電壓信號(hào)Ｅp，這種電容集成壓力傳感器的靈敏度很高，約為1V/Pa. 三、電感式傳感器 電感式傳感器是把被測(cè)量，如力、位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置，其變換是基于電磁感應(yīng)原理。 1.類(lèi)型　　按照變換方式的不同，可分為自感型 (包括可變磁阻式與渦流式)與互感型 (差動(dòng)變壓器式)" 2.工作壓力及應(yīng)用 1）自感型 (1)可變磁阻式 結(jié)構(gòu)原理如圖3-21所示。由線圈、鐵心和銜鐵組成，由電工學(xué)得知，

20、線圈自感為 當(dāng)不存慮磁路的鐵損及空氣氣隙較小時(shí)，則總磁阻 因?yàn)殍F心磁阻遠(yuǎn)小于空氣氣隙的磁阻相比很小，計(jì)算時(shí)可以忽略，故 代人式 (3-23)，則 式 (3-26)表明，自感L與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積AO成正比。當(dāng)固定如AO，變化時(shí)，L與呈非線性關(guān)系 (見(jiàn)圖3-21)，此時(shí)傳感器的靈敏度 S與2成反比，因?yàn)镾不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差。為了減小誤差，可采用如下形式： ①傳感器應(yīng)工作在較小間隙變化范圍內(nèi)，一般，故可測(cè)量較小，約0.001～0.01ｍｍ ②采用差動(dòng)工作方式，此時(shí)兩個(gè)線圈按和變化，一個(gè)自感減小，一個(gè)自感增大，將兩線圈接入

21、電橋兩相鄰臂，即可使靈敏度提高一倍，又可使非線性得到改善。 　　幾種結(jié)構(gòu)形式： （1）電渦流式 ① 結(jié)構(gòu) 渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)入圖3-24所示， ② 工作原理 依據(jù)電渦流效應(yīng)工作。 電渦流效應(yīng) 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)的塊狀金屬導(dǎo)體，產(chǎn)生呈旋渦狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，此現(xiàn)象稱(chēng)為電渦流效應(yīng)。 圖示金屬板置于一線圈附近，相互間距為，當(dāng)線圈通以高頻交變電流ｉ時(shí)，線圈周?chē)臻g便產(chǎn)生交變磁通，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流i1，i1又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)1。根據(jù)楞次定律，1的作用將反抗原磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)1與的相互作用

22、，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。由上可知，線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。電渦流效應(yīng)既與被測(cè)體的電阻率ρ、磁阻率μ以及幾何形狀有關(guān)，還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f 有關(guān)，同時(shí)還與線圈與導(dǎo)體間的距離有關(guān)。當(dāng)改變其中某一參數(shù)時(shí)，即可達(dá)到不同的變換目的。例如，變化作，可測(cè)位移、振動(dòng)；變化ρ或μ，可作為材質(zhì)鑒別或探傷。 ③測(cè)量電路　有二種阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路 　　阻抗分壓式調(diào)幅電路（圖3-26）　　傳感器線圈L和電容C組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為 電路中由振蕩器提供穩(wěn)定的高頻信號(hào)電源。當(dāng)諧振頻率與該電源頻率相同時(shí)，輸出電壓最大。測(cè)量時(shí)，當(dāng)

23、間隙改變，傳感器線圈阻抗改變，LC回路失諧，輸出信號(hào)頻率不變但幅值隨而變，為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、檢波、濾波后，即可以得到間隙的動(dòng)態(tài)變化信息。 調(diào)頻電路（圖3-27）　　高頻振蕩器以傳感器線圈和電容Ｃ組成的ＬC振蕩回路的振蕩頻率作為輸出量，當(dāng)變化時(shí)，使線圈Ｌ變化，從而使振蕩頻率發(fā)生變化，再經(jīng)與調(diào)幅法不同之處是取問(wèn)路的諧振鑒頻器進(jìn)行頻率-電壓轉(zhuǎn)換，即可得到與成比例的輸出電厭。 ④應(yīng)用　渦流式傳感器可用于動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量，測(cè)量范圍最高分辨力達(dá)。圖3-28為構(gòu)成應(yīng)用例。 2.互感型——差動(dòng)變壓器式電感傳感器 1）結(jié)構(gòu)　如圖3-29，3-30 2）工作原理　　依據(jù)電磁

24、感應(yīng)中的互感現(xiàn)象工作。如圈3-29所示，當(dāng)線圈W1輸入交流電流i1時(shí)，線圈W2產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e12，其大小與電流i1的變化率成正比，即 式中 M——互感系數(shù)，其大小與兩線圈相對(duì)位置及周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，它表明兩線圈之間的隅合程度。 此即互感現(xiàn)象，據(jù)此現(xiàn)象，當(dāng)改變兩銜鐵的相對(duì)位置則線圈互感Ｍ改變，Ｍ改變則e12改變，即e12的改變與銜鐵位置有關(guān)。 常用結(jié)構(gòu)工作原理　傳感器的常用結(jié)構(gòu)如圖3-30a)、b)所示的螺管差動(dòng)型。其中Ｗ為初級(jí)線圈，W1、W2為兩個(gè)參數(shù)完全相同的次級(jí)線圈，位置與W對(duì)稱(chēng)，W1與W2反相連接。當(dāng)W中通一交流電壓時(shí)，傳感器輸出互感電壓e0=e1-e2(差動(dòng)

25、)鐵心ｐ初始處于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)處，此時(shí)e1＝e2，輸出e0=0，改變ｐ位置使之向上， e1>e2，向下，e1

26、需要采用既能反映鐵心位移方向性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。 圖3-31是一種用于小位移測(cè)量的差動(dòng)相敏檢波電路工作原理圖。圖中電阻Ｒ用以減小W1、W2結(jié)構(gòu)參數(shù)差異引起的零點(diǎn)殘余電壓，相敏檢波檢波器用于對(duì)信號(hào)的檢波及相位識(shí)別。 4）應(yīng)用特點(diǎn)　　 測(cè)量精確度高 (最高分辨力可達(dá))、線性范圍大 (可擴(kuò)展到)， 穩(wěn)定性好和使用方便的特點(diǎn)，主要用于直線位移測(cè)定。間接用于壓力、重量等物理量的測(cè)量。 第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器 一、磁電式傳感器 磁電式傳感器是把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器，又稱(chēng)電磁感應(yīng)式或電動(dòng)力式傳感器。該類(lèi)傳感器工作時(shí)不需外加電

27、源而是直接從被測(cè)物體吸收機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)而輸出的。 1.類(lèi)型　動(dòng)圈式、磁阻式 2.工作原理及測(cè)量電路 1）動(dòng)圈式 動(dòng)圈式又可分為線速度型與角速度型。 （1）線速度型　　圖3-32a表示線速度型傳感器工作原理。在當(dāng)可動(dòng)線圈在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 當(dāng)＝90°時(shí)，式 (3-31)可寫(xiě)為 此式表明，當(dāng)Ｎ、B、Ｌ均為常數(shù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與線圈運(yùn)動(dòng)的線速度成正比，這就是一般常見(jiàn)的慣性式速度計(jì)的工作原理。 （2）角速度型　　 圖3-32b是角速度型傳感器工作原理，線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 式(3-33)表明，當(dāng)傳感器

28、結(jié)構(gòu)一定時(shí)，Ｎ、 B、A均為常數(shù)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ｅ與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的角速度成正比，這種傳感器用于轉(zhuǎn)速測(cè)量。 （3）測(cè)量電路　　傳感器中工作時(shí)的等效電路如圖3-33。圖中ｅ是發(fā)電線圈的感應(yīng)電 勢(shì);Zo是線圈阻抗;RL是負(fù)載電阻 (放大器輸入電阻);CC是電纜導(dǎo)線的分布電容;Rc是電纜導(dǎo)線的電阻。RC甚小可忽略.等效電路中的輸出電壓 若CC很小可忽略，且RL>>Z0，則uL e。直接輸出的感應(yīng)動(dòng)勢(shì)uL，顯示速度值，如果經(jīng)過(guò)微分或積分網(wǎng)絡(luò)可以得到加速度域位移。 2.磁阻式 磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)著的物體 (導(dǎo)磁材料)改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強(qiáng)或減弱，使

29、線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其工作原理及應(yīng)用實(shí)例如圖3-34所示。此種傳感器是由永久磁鐵及纏繞其上的線圈組成。圖3-34a可測(cè)旋轉(zhuǎn)體頻數(shù)，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凸凹引起磁阻變化，使磁通雖變化，在線圈中感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)，其頻率等于齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。 磁阻式傳感器使用簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在不同場(chǎng)合下可用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速、偏心量、振動(dòng)等。 二、壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，也是一種可逆型換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。 1.工作原理　 壓電式傳感器的工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)而工作。 某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛 (PZT)等，當(dāng)受到外

30、力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)；當(dāng)外力消失時(shí)，材料重新回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。相反，如果將這些物質(zhì)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸會(huì) 發(fā)生變化，這種由于外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，或稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)。壓電效應(yīng)及逆壓電效應(yīng)均是線性的。 具有壓電效應(yīng)的材料稱(chēng)之為壓電材料。 　2.壓電材料 在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。而石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料則具有優(yōu)良的壓電特性。 常用的壓電材料大致分為三類(lèi)：壓電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電薄膜。 （1）石英晶體 石英是壓電單

31、晶中最有代表性的，應(yīng)用廣泛。除天然石英外，大量應(yīng)用人造石英。石英具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和時(shí)間、溫度穩(wěn)定度。 石英晶體（SiO2）是單晶體結(jié)構(gòu)。圖3-35(a)表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個(gè)正六面體。其各個(gè)方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱(chēng)為光軸，經(jīng)過(guò)六面體棱線并垂直于光軸的x稱(chēng)為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱(chēng)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(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)也電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為"橫向壓電效應(yīng)"，沿相對(duì)兩平行平面加力產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“切向效應(yīng)” (見(jiàn)圖3-36)。而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 當(dāng)沿x方向

32、施加作用力Fx時(shí)，在與x垂直的平面上產(chǎn)生電荷為 當(dāng)石英晶體切片受ｘ向性力時(shí)，所產(chǎn)生的電荷量qxx與作用力Fx成正比，而與切片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。當(dāng)沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為 式中，d12－y軸方向受力的壓電系數(shù)， a、b一晶體切片的長(zhǎng)度和厚度。 電荷qxx和qy的符號(hào)由受壓力還是受拉力決定。 (2)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(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)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。

33、因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)，如圖2-51（a）所示。 在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)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(chǎng)方向一致 時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本不變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性，如圖所示。 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特

34、性減弱。 最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇(BaTiO3)。壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點(diǎn)溫度(壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度)只有115°C，使用溫度不超過(guò)70°C，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。 目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛(PZT)系列，它是鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的。居里點(diǎn)300°C以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。 (3)高分子壓電薄膜 高分子壓電薄膜的壓電特性并不很好，但它易于大批量生產(chǎn)，且具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，可用于微壓測(cè)量和機(jī)器人的觸覺(jué)。其中以聚偏二氟乙烯 (PVdF)最為著名。 3.壓電式傳感器及其等效電路 壓電式傳感器的壓電元件是在

35、壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極，如圖3-37所示。當(dāng)晶片受到外力作用時(shí)，在兩個(gè)極板上將積聚數(shù)量相等、而極性相反的電荷，形成了電場(chǎng)。因此壓電傳感器可以看作是--個(gè)電荷發(fā)生器，又是一個(gè)電容器，其電容量C為 如果施加于晶片的外力不變，積聚在極板上的電荷無(wú)內(nèi)部泄漏，外電路負(fù)載無(wú)窮大，那么在外力作用期間，電荷量將始終保持不變，直到外力的作用終止時(shí)，電荷才隨之消失。如果負(fù)載不是無(wú)窮大，電路將會(huì)按指數(shù)規(guī)律放電，極板上的電荷無(wú)法保持不變，從而造成測(cè)量誤差。因此，利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量時(shí)，必須采用極高阻抗的負(fù)載。在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，變化快、漏電量相對(duì)比較小，故壓

36、電式傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。 實(shí)際壓電傳感器中，往往用兩個(gè)和兩個(gè)以上的進(jìn)行串接或并接。并接時(shí) (見(jiàn)圖3-37b)， 兩晶片負(fù)極集中在中間極板上，正電極在兩側(cè)的電極上。并接時(shí)電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)大，宜于測(cè)量緩變信號(hào)，適宜于以電荷量輸出的場(chǎng)合。串接時(shí) (見(jiàn)圖3-37C)，正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板。串接法傳感器本身電容小、輸出電壓大，適用于以電壓作為輸出信號(hào)。 壓電式傳感器是一個(gè)具有一定電容的電荷源。電容器上的開(kāi)路電壓u0與電荷q)傳感器電容C，存在下列關(guān)系 現(xiàn)把壓電式傳感器接入測(cè)量電路，設(shè)連接電纜電容為Cc,外接電路輸入端電容為Ci, 外接電路的輸入阻抗與傳

37、感器的漏電阻的等效阻抗為Ro,則傳感器的等效電路如如圖3-37d)所示，由圖所建立的電荷平衡方程為： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。ǎ粒? 設(shè)外力為　，則 從而電容上的電壓為; 式 (3-38)表明壓電元件的電壓輸出還受回路的時(shí)間常數(shù)R0C的影響。在測(cè)試動(dòng)態(tài)量時(shí)，為了建立一定的輸出電壓并實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)量，壓電式傳感器的測(cè)量電路必須有高輸入阻抗并 在輸入端并聯(lián)一定的電容C;以加大時(shí)間常數(shù)R0Ｃ。但并聯(lián)電容過(guò)大也會(huì)使輸出電壓降低過(guò)多，降低了測(cè)量裝置的靈敏度。 4.測(cè)量電路 壓電式傳感器的輸出電信號(hào)是很微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微

38、，這給后接電路帶來(lái)一定困難。為此，通常把傳感器信號(hào)先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃?，?jīng)過(guò)阻抗變換以后，方可用一般的放大、檢波電路將信號(hào)輸給指示儀表或記錄器。 前置放大器電路的主要用途有兩點(diǎn)：1）將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出;2）放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。 前置放大器電路有兩種形式:其一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓 (即傳感器的輸出)成正比;另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 使用電壓放大器時(shí)，放大器的輸入電壓如式 (3-38)所示，由于電容C包括了電纜電容，故電纜電容對(duì)整個(gè)測(cè)量影響大。應(yīng)用中應(yīng)使用專(zhuān)用電纜，但電壓放大器電纜較簡(jiǎn)單。

39、 電荷放大器是一個(gè)高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器，當(dāng)略去傳感器漏電阻及電荷放大器輸人電阻時(shí)，它的等效電路如圖3-38所示。圖中忽略了漏電阻Ro。由圖得 故有： 如果放大器開(kāi)環(huán)增益足夠大，有ACf>>C+Cf，故上式可簡(jiǎn)化為： 可見(jiàn)，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜分布電容無(wú)關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度達(dá)百米以上時(shí)，其靈敏度也無(wú)明顯變化，這是電荷放大器突出的優(yōu)點(diǎn)。但與電壓放大器相比，其電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。 5.壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電式傳感器使用頻帶寬，靈敏度高，信噪比高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，在工程力學(xué)、生 物力

40、學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)的技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 可測(cè)的量為力、壓力、加速度、聲強(qiáng)等。 測(cè)力范圍10-3N～104kN, 動(dòng)態(tài)范圍一般為60dＢ，測(cè)加速度范圍10-2～105ｍ·ｓ-2，頻率范圍0.1Hz～20kHz. 應(yīng)用中可將壓電傳感器串聯(lián)或并聯(lián)。 三、熱電式傳感器 熱電式傳感器是把被測(cè)量 (主要是溫度)轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應(yīng)。按照變換方式的不同，可分為熱電偶與熱電阻傳感器。 1.熱電偶傳感器 （1）工作原理 把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成 圖3-39 圖3-39所示的閉合回路，如果將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T(mén)及To(假

41、定T>To)的熱源中，則在該回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。 熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。溫差電動(dòng)勢(shì)指在同--導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電動(dòng)勢(shì)。由于高溫端(T)的電子能量比低溫端的電子能量大，故由高溫端運(yùn)動(dòng)到低溫端的電子數(shù)較由低溫端運(yùn)動(dòng)到高溫端的電子數(shù)多，使得高溫端帶正電，而低溫端帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體兩端形成一個(gè)電勢(shì)差，即溫差電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)指當(dāng)電子密度不同的兩種不同材料的導(dǎo)體A、B連接在一起時(shí)，在連接點(diǎn)1、2兩處，分別會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散，電子擴(kuò)散使得接觸處形成了電位差，即接觸電動(dòng)勢(shì)。所以，當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，T0)成為溫度T

42、和T0的函數(shù)差。即 (3-40) 如果使冷端溫度T0固定，則對(duì)一定材料的熱電偶，其總熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系 (3-41) 式中 C——由固定溫度盯決定的常數(shù)。 　　由上可知， 1) 若組成熱電偶的回路的兩種導(dǎo)體相同，則熱電動(dòng)勢(shì)為零; 2）若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同，則熱電動(dòng)勢(shì)為零; 3) 熱電偶AB的熱電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無(wú)，只與節(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。 關(guān)于熱電偶回路有以下幾個(gè)定律、特點(diǎn): 1)中間溫度定律 在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度為T(mén)、T0時(shí)的熱電勢(shì)等于該熱電偶在兩接點(diǎn)溫度為T(mén)、Tn和Tn、T0

43、時(shí)所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)之代數(shù)和，即 式中 Tn－中間溫度。 2)中間導(dǎo)體定律 在熱電偶測(cè)溫回路中，只要接入的第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)回路的總的熱電勢(shì)沒(méi)有影響。 3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律 如果已知熱電偶的兩個(gè)電極A、B分別與另一電極C組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為EAC(T，T0)和EBC(T，T0)，則在相同接點(diǎn)溫度 (T， T0)下，由A、B電極組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，T0))為 這一規(guī)律稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)電極定律，電極C稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)電極。 (2)熱電偶分類(lèi) 理論上講，任何兩種不同的材料都可組

44、成熱電偶，但這些材料并非都達(dá)到工程中對(duì)熱電 偶性能的要求，即：熱電勢(shì)大，熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系盡量是線性的，理、化性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。目前，比較好的熱電偶材料只有幾種，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦使用的有8種，所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶指已有相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有統(tǒng)一的分度表。我國(guó)已經(jīng)采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之配套的顯示儀表。 目前，在我國(guó)被廣泛使用的熱電偶有5種，其類(lèi)型特性如下。 (1)鉑銠10-鉑熱電偶，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，可用于基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。熱電動(dòng)勢(shì)較低，價(jià)格昂貴，不能用于金屬蒸氣和還原性氣體中。 (2) 鉑銠30－鉑

45、銠6熱電偶，較鉑銠10-鉑熱電偶更具較高的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，最高溫度可達(dá)1800°C，室溫下熱電動(dòng)勢(shì)較低，可作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，一般情況下，不需要作進(jìn)行補(bǔ)償和修正處理。由于其熱電動(dòng)勢(shì)較低，需要采用高靈敏度和高精度的儀表。 （3）鎳鉻-鎳硅或鎳鉻-鎳鉛熱電偶，熱電動(dòng)勢(shì)較高，熱電特性線性度較好，化學(xué)性能穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗氧化性和抗腐蝕性，穩(wěn)定性稍差，測(cè)量精度不高。 (4)鎳鉻-考銅熱電偶，熱電動(dòng)勢(shì)較高，電阻率小，適合于還原性和中性氣氛下測(cè)量，價(jià)格便宜，測(cè)量上限較低。 (5)鎳鉻-康銅熱電偶，熱電動(dòng)勢(shì)較高，價(jià)格低，高溫下易氧化，適于低溫和超低溫測(cè)量。 其中（1）、（3）、（

46、4）型的性能如圖3-41。 2.熱電阻傳感器 利用電阻隨溫度變化的特點(diǎn)制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)測(cè)定。按熱電阻的性質(zhì)來(lái)分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類(lèi)，前者稱(chēng)為熱電阻，后者稱(chēng)為熱敏電阻 (見(jiàn)本章第七節(jié))。 熱電阻是由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部件組成，其中，電阻體是熱電阻的最主要部分。 (1)鉑電阻 鉑電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。鉑在氧化性介質(zhì)中，特別是在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。但是，在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來(lái)的蒸汽所污染，會(huì)使鉑絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系。鉑電阻的溫度關(guān)系（經(jīng)

47、驗(yàn)公式）為 鉑電阻體是用很細(xì)的鉑絲繞在云母、石英或陶瓷支架上做成的。常用的WZB型鉑電阻體是由直徑為0.03-0.07mm的鉑絲繞在云母片制成的平板型支架上 (見(jiàn)圖3-42所示)，鉑絲繞組的出線端與銀絲引出線相焊，并穿上瓷套管加以絕緣和保護(hù)。 (2)銅電阻 鉑是貴重金屬，在一些測(cè)量精度要求不高且溫度范圍較低的場(chǎng)合，一般采用銅電阻，其測(cè)量范圍為-50～150°C。銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。在其正常測(cè)量范圍內(nèi)，有 銅熱電阻的缺點(diǎn)是電阻率小，當(dāng)溫度超過(guò)100°C時(shí)，銅容易氧化，因此它只能在低溫和沒(méi)有浸蝕性介質(zhì)中工作。銅電阻體是一

48、個(gè)銅絲繞組 (包括錳銅補(bǔ)償部分)，它是由直徑約為0.1mm的絕緣銅絲雙繞住圓形塑料支架上，如圖3-43所示。 第五節(jié) 光電傳感器 光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。 一、光電測(cè)量原理 光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按其作用原理分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。 1.外光電效應(yīng) 在光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，亦稱(chēng)光電子發(fā)射效應(yīng)。在這一過(guò)程中光子所攜帶的電磁能轉(zhuǎn)換為光電子的動(dòng)能。 金屬中存在大量的自由電子，通常，它們?cè)诮饘賰?nèi)部作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，不能離開(kāi)金屬表面。但當(dāng)電子從外界獲取到等于或大于電子逸出功的能量時(shí)，便可離

49、開(kāi)金屬表面。為使電子在逸出時(shí)具有一定的速度，就必須使電子具有大于逸出功的能量。這一過(guò)程的定量分析如下。 一個(gè)光子具有的能量 當(dāng)物體受到光輻射時(shí)，其中的電子吸收了一個(gè)光子的能量h，該能量的一部分用于使電子由物體內(nèi)部逸出所作的逸出功A，另一部分則為逸出電子的動(dòng)能，即 式(3-46)稱(chēng)為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程式，它闡明了光電效應(yīng)的基本規(guī)律。由上式可知: 1)光電子逸出表面的必要條件是h>A。因此，對(duì)每一種光電陰極材料，均有一個(gè)確定的光頻率閥值。當(dāng)入射光頻率低于該值時(shí)，無(wú)論入射光的強(qiáng)度多大，均不能引起光電子發(fā) 射。反之，入射光頻率高于閥值頻率，即使光強(qiáng)極小，也會(huì)有光電子發(fā)射，且無(wú)時(shí)

50、間延遲。對(duì)應(yīng)于此閥值頻率的波長(zhǎng)，稱(chēng)為某種光電器件或光電陰極的"紅限"，其值為 2)當(dāng)入射光頻率成分不變時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光光強(qiáng)成正比。光強(qiáng)愈大，意味著人射光子數(shù)多，逸出的光電子數(shù)亦愈多。 3)對(duì)于外光電效應(yīng)器件來(lái)說(shuō)，只要光照射在器件陰極上，即使陰極電壓為零，也會(huì)產(chǎn)生 光電流，這是因?yàn)楣怆娮右莩鰰r(shí)具有初始動(dòng)能。要使光電流為零，必須使光電子逸出物體表面時(shí)的初速度為零。為此要在陽(yáng)極加一反向截止電壓U0，使外加電場(chǎng)對(duì)光電子所作的功等于光電子逸出時(shí)的動(dòng)能，即 反向截止電壓U0僅與人射光頻率成正比，與人射光光強(qiáng)無(wú)關(guān)。 外光電效應(yīng)器件有光電管和光電倍增管等。

51、 2.內(nèi)光電效應(yīng) 在光照作用下，物體的導(dǎo)電性能如電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱(chēng)內(nèi)光電效應(yīng)，又稱(chēng)光導(dǎo)效應(yīng)。原因是某些半導(dǎo)體材料 (如硫化鎘等)受到光照時(shí)，若光子能量大于本征半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子后便可躍遷到導(dǎo)帶，從而激發(fā)出電子-空穴對(duì)，于是降低了材料的電阻率，增強(qiáng)了導(dǎo)電性能。阻值的大小隨光照的增強(qiáng)而降低，且光照停止后，自由電子與空穴重新復(fù)合，電阻恢復(fù)原來(lái)的值。 內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)不同，外光電效應(yīng)產(chǎn)生于物體表面層，在光輻射作用下，物體內(nèi)部的自由電子逸出到物體外部，而內(nèi)光電效應(yīng)則不發(fā)生電子逸出。這時(shí)，物體內(nèi)部的原子吸收光能量，獲得能量的電子擺脫原子束縛成為物體內(nèi)部的自由電

52、子，從而使物體的導(dǎo)電性發(fā)生改變。 內(nèi)光電效應(yīng)器件主要為光敏電阻以及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管。 3.光生伏打效應(yīng) 在光線照射下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏打效應(yīng)。 作用原理:當(dāng)光幅射至PN結(jié)的P型面上時(shí)，如果光子能量h大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在P型區(qū)每吸收一個(gè)光子便激發(fā)一個(gè)電子-空穴對(duì)。在PN結(jié)電場(chǎng)作用下，N區(qū)的光生空穴將被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)。結(jié)果，在N區(qū)便會(huì)積聚負(fù)電荷，在P區(qū)則積聚正電荷。這樣，在P區(qū)和N區(qū)之間形成電勢(shì)差，若將PN結(jié)兩端以導(dǎo)線連接起來(lái)，電路中就會(huì)有電流流過(guò)。 二、光電元件 1.光電池（基于光生伏打效應(yīng)） 廣泛用于把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換

53、成電能，亦稱(chēng)為太陽(yáng)能電池。光電池種類(lèi)很多，有硅、硒、砷化鎵、等光電池等。其中硅光電池由于其轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜而應(yīng)用最為廣泛。 硅光電池較適宜于接收紅外光。硒光電池適宜于接收可見(jiàn)光，但其轉(zhuǎn)換效率低 (僅有0.02%)、壽命低。但價(jià)格便宜，因此仍被用來(lái)制作照度計(jì)。砷化鎵光電池的光電轉(zhuǎn)換效率稍高干硅光電池，其光譜響應(yīng)特性與太陽(yáng)光譜接近，且其工作溫度最高，耐受宇宙射線的輻射，因此可作為宇航電源。 常用的硅光電池結(jié)構(gòu)如圖3-44所示。往電阻率為0.1-1的N型硅片上進(jìn)行硼擴(kuò)散以形成p型層，在用引線將P型和N型層引出形成正、負(fù)極，便形成了一個(gè)光電池。接受光輻射時(shí)，

54、在兩極間接上負(fù)載便會(huì)有電流通過(guò)。 光電池的基本特性包括光照特性、頻率響應(yīng)、光譜特性和溫度特性等。常用的硅光電池和硒光電池的光譜特性見(jiàn)上圖。 2.真空光電管或光電管 1)結(jié)構(gòu)　　光電管主要兩種結(jié)構(gòu)形式 (見(jiàn)圖3-45)，圖a中光電管的光電陰極K由半圓筒形金屬片制成，用于在光照射下發(fā)射電子。陽(yáng)極A為位于陰極軸心的一根金屬絲，用于接收陰極發(fā)射電子。陰極和陽(yáng)極被封裝于--個(gè)抽真空的玻璃罩內(nèi)。 2）光電管的基本特性　 （1）光譜特性　　不同的陰極材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光輻射有不同的靈敏度。表征光電陰極材料特性的主要參數(shù)是它的頻譜靈敏度、紅限和逸出功。如銀氧銫 (Ag-Cs20)陰極在整個(gè)可見(jiàn)

55、光區(qū)域均有一定的靈敏度，其頻譜靈敏度曲線在近紫外光區(qū)和近紅外光區(qū)分別有兩個(gè)峰值。因此常用來(lái)作為紅外光傳感器， 它的紅限約為7ｘ103A，逸出功為0.74eV，是所有光電陰極材料中最低的。 （2）光電特性　真空光電管的光電特性是指在恒定工作電壓和入射光頻率成分條件下，光電管接收的入射光通量與其輸出光電流之間的比例關(guān)系 (見(jiàn)圖3-46)。圖3-46a給出兩種光電陰極的真空光電管的光電特性。其中氧銫光電陰極的光電管在很寬的入射光通量范圍上都具有良好的線性度，因而氧銫光電管在光度測(cè)量中獲得廣泛的應(yīng)用。 （3)伏安特性 光電管的伏安特性指在恒定的入射光的頻率成分和強(qiáng)度條件下，光電管的光電流與陽(yáng)

56、極電壓Uａ之間的關(guān)系 (見(jiàn)圖3-46ｂ)。由圖可見(jiàn)，光通量一定時(shí)，當(dāng)陽(yáng)極電壓Uａ增加時(shí)，管電流趨于飽和，光電管的工作點(diǎn)一般選在該區(qū)域中。 3.光電倍增管 1)結(jié)構(gòu)　　光電倍增管在光電陰極和陽(yáng)極之間裝了若干個(gè) "倍增極"，或叫"次陰極"。倍增極上涂有在電子轟擊下能反射更多電子的材料，倍增極的形狀和位置設(shè)計(jì)成正好使前一-級(jí)倍增極反射的電子繼續(xù)轟擊后一級(jí)倍增極。在每個(gè)倍增極間依次增大加速電壓，如圖3-47a所示。 2）工作原理　　設(shè)每極的倍增率為（一個(gè)電子能轟擊產(chǎn)生出個(gè)次級(jí)電子)，若有n次陰極，則總的光電流倍增系數(shù) (C為各次陰極電子收集率)，即光電倍增管陽(yáng)極電流I與陰極電流I0 之間滿足關(guān)系

57、，倍增系數(shù)與所加電壓有關(guān)。常用的光電倍增管的基本電路如圖3-47b所示，各倍增極電壓由電阻分壓獲得，流經(jīng)負(fù)載電阻RA的放大電流造成的壓降，給出輸出電壓。一般陽(yáng)極與陰極之間的電壓為1000～2000V,兩個(gè)相鄰倍增電極的電位差為50～100V。 電壓越穩(wěn)定越好，以減少由倍增系數(shù)的波動(dòng)引起 的測(cè)量誤差。由于光電倍增管的靈敏度高，所以 適合在微弱光下使用，但不能接受強(qiáng)光刺激，否則易于損壞。 4.光敏電阻 1）工作原理　　基于內(nèi)光電效應(yīng)工作，無(wú)光照時(shí)，電阻很高，有光照時(shí)電阻很低2）光敏電阻的主要特征參數(shù)有: (1)光電流、暗電阻、亮電阻 光敏電阻未受到光照時(shí)呈現(xiàn)的阻值稱(chēng)為 "暗電阻"，此時(shí)通過(guò)

58、的電流稱(chēng)為 "暗電流"。光敏電阻在特定光照條件下呈現(xiàn)的阻值稱(chēng)為 "亮電阻"，此時(shí)通過(guò)的電流稱(chēng)為 "亮電流"。亮電流與暗電流之差稱(chēng)為 "光電流"。光電流的大小表征了光敏電阻的靈敏度大小。一般希望暗電阻大，亮電阻小，這樣暗電流小，亮電流大，相應(yīng)的光電流大。光敏電阻的暗電阻大多很高，為兆歐量級(jí)，而亮電阻則在千歐以下。 (2)光照特性 光敏電阻的光電流I與光通量F的關(guān)系曲線稱(chēng)為光敏電阻的光照特性。一般說(shuō)來(lái)光敏電阻的光照特性曲線呈非線性，且不同材料的光照特性不同。 (3)伏安特性 在--定光照下，光敏電阻兩端所施加的電壓與光電流之間的關(guān)系稱(chēng)為光敏電阻的伏安特性。當(dāng)給定偏壓時(shí)，光照度越大，光

59、電流也越大。而在--定的照度下，所加電 壓越大，光電流也就越大，且無(wú)飽和現(xiàn)象。但電壓實(shí)際上受到光敏電阻額定功率、額定電流的限制，因此不可能無(wú)限制地增加。 (4)光譜特性 對(duì)不同波長(zhǎng)的人射光，光敏電阻的相對(duì)靈敏度是不一樣的。光敏電阻的光譜與材料性質(zhì)、制造工藝有關(guān)。如硫化鎘光敏電阻隨著摻銅濃度的增加其光譜峰值從500nm移至640nm;而硫化鉛光敏電阻則隨材料薄層的厚度減小其峰值也朝短波方向移動(dòng)。因此在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)當(dāng)把元件與光源結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得所希望的效果。 (5)響應(yīng)時(shí)間特性 光敏電阻的光電流對(duì)光照強(qiáng)度的變化有一定的響應(yīng)時(shí)間，通常用時(shí)間常數(shù)來(lái)描述這種響應(yīng)特性。光敏電阻自光照

60、停止到光電流下降至原值的63%時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間稱(chēng)為光敏電阻的時(shí)間常數(shù)。不同的光敏電阻的時(shí)間常數(shù)不同，因而其響應(yīng)時(shí)間特性也不相同。 (6)光譜溫度特性 與其他半導(dǎo)體材料相同，光敏電阻的光學(xué)與化學(xué)性質(zhì)也受溫度影響。溫度升高時(shí)，暗電流和靈敏度下降。溫度的變化也影響到光敏電阻的光譜特性。因此有時(shí)為提高光敏電阻對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)光照 (如遠(yuǎn)紅外光)的靈敏度，要采用降溫措施。 光敏電阻的特點(diǎn)是靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬，可從紫外一直到紅外，且體積小、性能穩(wěn)定，因此廣泛用于測(cè)試技術(shù)。光敏電阻的材料種類(lèi)很多，適用的波長(zhǎng)范圍也不同。如硫化鎘 (CdS)、硒化鎘 (CdSe)適用于可見(jiàn)光 （0.4～0.75m)的范圍;

61、氧化鋅 （ZnO)、硫化鋅 (ZnS)適用于紫外光范圍;而硫化鉛 (PbS)、硒化鉛 (phSe)d等則適用于紅外光范圍。 5.光敏晶體管 光敏晶體管分光敏二極管和光敏晶體管兩類(lèi)。 1）光敏二極管　其結(jié)構(gòu)如圖3-48。光敏二極管的PN結(jié)安裝在管子頂部，可直接接受光照，在電路中一般處于反向工作狀態(tài) (見(jiàn)圖3-48b)。在無(wú)光照時(shí)，暗電流很小。當(dāng)有光照時(shí)，光子打在PN結(jié)附近，從而在PN結(jié)附件產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。它們?cè)趦?nèi)電場(chǎng)作y用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光電流隨光照度的增加而增加。因此在無(wú)光照時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)有光照時(shí)，二極管導(dǎo)通。 　2）光敏品體管結(jié)構(gòu)如圖3-49所示，有

62、NPN型相PNP型兩種，結(jié)構(gòu)與一般晶體三極管相似。由于光敏晶體管是由光致導(dǎo)通的，因此它的發(fā)射極通常做得很小，以擴(kuò)大光的照射面積。當(dāng)光照到三極管的PN結(jié)附近時(shí)，在PN附件有電子-空穴對(duì)產(chǎn)生，它們?cè)趦?nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。這樣使PN結(jié)的反向電流大大增加。由于光照發(fā)射極所產(chǎn)生的光電流相對(duì)于晶體管的基極電流，因此集電極的電流為光電流的倍，因此光敏晶體管的靈敏度比光敏二極管的靈敏度高。 3）光敏管的基本特性有: (1)光照特性 光敏二極管特性曲線的線性度要好于光敏晶體管，這與三極管的放大特性有關(guān)。 (2)伏安特性 在不同照度下，光敏二極管和光敏晶體管的伏安特性曲線跟一般晶體管在不同

63、基極電流時(shí)的輸出特性一樣。并且光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管的光電流大數(shù)百倍。由于光敏二極管的光生伏打效應(yīng)使得光敏二極管即使在零偏壓時(shí)仍有光電流輸出。 (3)光譜特性 當(dāng)人射波長(zhǎng)增加時(shí)，光敏晶體管的相對(duì)靈敏度均下降，這是由于光子能量太小，不足以激發(fā)電子-空穴對(duì)。而當(dāng)入射波長(zhǎng)太短時(shí)，靈敏度也會(huì)下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近激發(fā)的電子-空穴對(duì)不能到達(dá)PN結(jié)的緣故。 (4)溫度特性 光敏晶體管的暗電流受溫度變化的影響較大，而輸出電流受溫度變化的影響較小。使用應(yīng)考慮溫度因素的影響，采取補(bǔ)償措施。 (5)響應(yīng)時(shí)間 光敏管的輸出與光照之間有一定的響應(yīng)時(shí)間，一般鍺管的響應(yīng)時(shí)間為2xI1

64、0-4ｓ左右，硅管為1×10-5ｓ左右。 三、光電傳感器的應(yīng)用 光電傳感器可應(yīng)用于多種非電量檢測(cè)。其工作機(jī)理如下; 1)光源本身是被測(cè)物 (見(jiàn)圖3-50a)其能量輻射到光電元件上。這種形式的光電傳感器可用于光電比色高溫計(jì)中，它的光輻射的強(qiáng)度和光譜的強(qiáng)度分簾都是被測(cè)溫度的函數(shù)。 2)恒光源所輻射的光穿過(guò)被測(cè)物，部分被吸收，而后到達(dá)光電元件上 (見(jiàn)圖3-50b)。吸收量取決于被測(cè)物質(zhì)的被測(cè)參數(shù)。例如，測(cè)液體、氣體的透明度、混濁度的光電比色計(jì)、混濁度計(jì)的傳感器等。 3)恒光源所輻射的光照到被測(cè)物 (見(jiàn)圖3-50。)，由被測(cè)物反射到達(dá)光電元件上。表面反射狀態(tài)取決于該表面的性質(zhì)，因此成為

65、被測(cè)非電量的函數(shù)。如測(cè)量表面粗糙度等儀器的傳感器。 4)恒光源所輻射的光遇到被測(cè)物，部分被遮擋，而后到達(dá)光電元件上 (見(jiàn)圖3-50U，由此改變了照射到光電元件上的光通量。在某些檢測(cè)尺寸或振動(dòng)的儀器中，常采用這類(lèi)傳感器。 5) 把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光電流，而自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)輸出的為開(kāi)關(guān)量或數(shù)字電信號(hào)。屬于這一類(lèi)的傳感器大多用在光機(jī)電結(jié)合的檢測(cè)裝置中。如電子計(jì)算機(jī)的光電輸入機(jī)、轉(zhuǎn)速表、光電式編碼器。 四、應(yīng)用實(shí)例　　　冷扎鋼帶跑偏監(jiān)測(cè) 　圖3-55為一種利用光電傳感器進(jìn)行邊緣位置檢測(cè)的裝置，用于帶鋼冷扎過(guò)程中控制帶鋼的移動(dòng)位置糾偏。 由白熾燈發(fā)出的光經(jīng)山透鏡匯聚、分光鏡反射后冉經(jīng)平

66、凸透鏡匯聚成平行光，該光束被行進(jìn)中的帶鋼遮擋掉一部分，另一部分則入射至角矩陣反射鏡，經(jīng)該角矩陣反射鏡反射的光再經(jīng)平凸透鏡、分光鏡和山透鏡匯聚到光敏電阻上。角矩陣反射鏡用于防止平面反射鏡因傾斜或不平而出現(xiàn)的漫反射。由于光敏電阻接在輸入橋路的一臂上，因此當(dāng)帶鋼位于平行光束中間位置時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為零。當(dāng)帶鋼左、右偏移時(shí)，遮光面積發(fā)生減小或增大的變化，則光敏電阻接收的光通量會(huì)增大或減小，于是輸出電流為或，該電流信號(hào)經(jīng)放大后呵作為帶鋼糾偏控制信號(hào)。 第六節(jié) 光纖傳感器 光纖傳感器是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新型傳感器，和前面所介紹的傳統(tǒng)傳感器相比 有著重大差別。傳統(tǒng)傳感器以機(jī)-電轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，以電信號(hào)為變換和傳輸載體，利用導(dǎo)線傳輸電信號(hào)。光纖傳感器則以光學(xué)量為轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)，以光信號(hào)為變換和傳輸載體，利用光導(dǎo)纖 維傳輸光信號(hào)。 　　1.組成　　光纖傳感器主要由光源、光纖、光檢測(cè)器和附加裝置等組成。其中，單根光纖結(jié)構(gòu)如下，它是由纖芯、包層組成，纖芯直徑為幾微米到幾百微米，二者由石英、玻璃或塑料等光透過(guò)率高的材料制成，兩者材料的折射率不同，纖芯折射率ｎ1稍大于包層折射率n2，外敷一