畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）光電開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

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1、蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1. 緒論 1. 1 課題背景 在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，為使今后的生產(chǎn)系統(tǒng)向自動(dòng)化，無(wú)人化方向發(fā)展，提高安全生產(chǎn)效率，研發(fā)使用半導(dǎo)體材料及光敏器件，傳感器及光控技術(shù)，對(duì)提高安全生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全無(wú)人化管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 光電開(kāi)關(guān)是以光輻射驅(qū)動(dòng)的電子開(kāi)關(guān)，當(dāng)一定強(qiáng)度的光輻射投射到其中的光敏器件上時(shí)，它便會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)動(dòng)作，輸出信號(hào)。由于信息技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，導(dǎo)致半導(dǎo)體光敏器件的研究取得了重大進(jìn)展，制造工藝和質(zhì)量水平也不斷提高，并進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。 經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，目前光電開(kāi)關(guān)已具有多系列、多品種，并在各種機(jī)械和生產(chǎn)線中擔(dān)負(fù)著

2、重要的“眼睛”作用。隨著工廠自動(dòng)化(FA)向各個(gè)領(lǐng)域的不斷深入，以及柔性加工系統(tǒng)(FMS)的普遍采用，并逐步向計(jì)算機(jī)綜合生產(chǎn)系統(tǒng)(CIM)過(guò)渡，光電開(kāi)關(guān)不再僅僅具有單純的探測(cè)功能，而且還具有內(nèi)部和外部雙重自診斷功能、防止相互干擾功能、外同步功能和鏡面抑制功能等各種附加功能，使光電開(kāi)關(guān)智能化。目前大量生產(chǎn)的光電開(kāi)關(guān)由于普遍采用了專用集成電路，使得響應(yīng)速度提高到1ms；數(shù)字積分取代了阻容積分，使得抗干擾能力大大增強(qiáng)；采用專門設(shè)計(jì)的一體化成型技術(shù)和塑料殼、模鑄殼并用的保護(hù)結(jié)構(gòu)，縮小了體積，提高了防護(hù)等級(jí)。 采用集成電路技術(shù)和SMT表面安裝工藝而制造的新一代光電開(kāi)關(guān)器件，具有延時(shí)、展寬、外同步

3、、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開(kāi)關(guān)是一種采用脈沖調(diào)制的主動(dòng)式光電探測(cè)系統(tǒng)型電子開(kāi)關(guān)．它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍(lán)色光等，可非接觸、無(wú)損傷地檢測(cè)和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動(dòng)作。 接觸式行程開(kāi)關(guān)存在響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測(cè)容易損壞被檢測(cè)物及壽命短等缺點(diǎn)，而晶體管接近開(kāi)關(guān)的作用距離短，不能直接檢測(cè)非金屬材料。但是，新型光電開(kāi)關(guān)則克服了它們的上述缺點(diǎn)，而且體積小、功能多、壽命長(zhǎng)、精度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)。 今后的生產(chǎn)系統(tǒng)都在向自動(dòng)化、無(wú)人化方向發(fā)展，這就要求：

4、 ★1．光電開(kāi)關(guān)進(jìn)一步提高智能化程度，就是在其內(nèi)部裝置微處理器J通過(guò)其本身能進(jìn)行自身調(diào)節(jié)和故障探測(cè)。 ★2．提高環(huán)境適應(yīng)性，就是要求能在任何場(chǎng)所都能安裝使用。 ★3．采用新技術(shù)、新工藝，加快光電開(kāi)關(guān)小型化的速度。 這就是今后光電開(kāi)關(guān)開(kāi)發(fā)的重要課題。 1. 2 光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn) 1、用途特點(diǎn) 新穎的光電開(kāi)關(guān)是采用脈沖調(diào)制的主動(dòng)式光電探測(cè)系統(tǒng)的一種電子開(kāi)關(guān)，使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光、藍(lán)色光等，可非接觸無(wú)損傷地檢測(cè)各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等 眾所周知，接觸式行程開(kāi)關(guān)存在響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測(cè)容易損壞被檢測(cè)物及壽命短等弱點(diǎn)：晶體管接近開(kāi)

5、關(guān)的特點(diǎn)是作用距離近、不能直接檢測(cè)非金屬材料：白熾燈非調(diào)制型光電開(kāi)關(guān)也有燈絲易斷、抗干擾性能差、功能簡(jiǎn)單等不足之處。調(diào)制型光電開(kāi)關(guān)(MGK)克服了它們的缺點(diǎn)，具有體積小、功能多、壽命長(zhǎng)、精度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)，以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。新一代光電開(kāi)關(guān)采用專用集成電路和表面安裝工藝，具有延時(shí)、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高等特點(diǎn)，在穩(wěn)定工作區(qū)域還具有自診斷等智能化功能。 目前，光電開(kāi)關(guān)已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)設(shè)備中作物位檢測(cè)、棉紗棉條檢測(cè)、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判別、速度監(jiān)測(cè)、定長(zhǎng)剪切、孔洞識(shí)別、信號(hào)延時(shí)、自動(dòng)門傳感、彩色標(biāo)志檢出、沖床和剪切機(jī)的安全防護(hù)、汽車防撞，

6、以及利用紅外線的隱蔽性，在銀行、倉(cāng)庫(kù)、商店、辦公室乃至寓所作為防盜警戒之用。 2、工作原理 反射式光電開(kāi)關(guān)是利用物體對(duì)投光器輻射出來(lái)的光線所產(chǎn)生的反射的有無(wú)或強(qiáng)弱來(lái)檢測(cè)物體的有無(wú)或反射率等；對(duì)射式及鏡面反射式光電開(kāi)關(guān)是以光軸是否被物體遮斷或遮斷量來(lái)判斷物體的有無(wú)或透射率。 圖 1—1 反射式光電開(kāi)關(guān)的工作原理框圖 圖1-1是反射式光電開(kāi)關(guān)的工作原理框圖，由振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)發(fā)射回路由發(fā)光管GL輻射出光脈沖，當(dāng)被檢測(cè)物體進(jìn)入受光器作用范圍時(shí)，被反射回來(lái)的光脈沖進(jìn)入光敏三極管DU，接收回路將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號(hào)，由放大器放大后，經(jīng)同步選通整形，再經(jīng)數(shù)字積分或RC積分濾除

7、干擾后，經(jīng)延時(shí)(或不延時(shí))觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器輸出。由于電路具有良好的回差特性，被檢測(cè)物在小范圍內(nèi)晃動(dòng)也不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)，使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)。同時(shí)，自診斷系統(tǒng)顯示受光狀態(tài)和穩(wěn)定工作區(qū)，監(jiān)視光電開(kāi)關(guān)的工作。 3、MG-K光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn) MG-K光電開(kāi)關(guān)是微電子高技術(shù)產(chǎn)物，也是紅外光電開(kāi)關(guān)(HGK)和紅外傳感開(kāi)關(guān)(HWC)的升級(jí)換代產(chǎn)品。它與以往的光電開(kāi)關(guān)的不同之處在于： (1)具有自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示功能，及時(shí)告知工作狀態(tài)是否可靠。 (2)對(duì)射式、反射式都有防止相互干擾的功能，能緊密安裝。 (3)ES外同步(外診斷)控制端的設(shè)置，可在運(yùn)行前預(yù)檢光電開(kāi)關(guān)是否正常工作，可隨時(shí)接受計(jì)

8、算機(jī)和程控器的中斷或檢測(cè)指令。外診斷與自診斷組合使光電開(kāi)關(guān)具有智能化。 (4)響應(yīng)速度高達(dá)1ms，更高可達(dá)0．1 ms，每分鐘可檢測(cè)30萬(wàn)次，能檢出高速移動(dòng)的微小物體。 (5)采用專用集成電路和EM：P表面安裝工藝，有很高可靠性。 (6)價(jià)格經(jīng)濟(jì)的電源內(nèi)部一體型，使用交流電源，輸出繼電器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，取代接觸式位控開(kāi)關(guān)。 (7)遠(yuǎn)距型鏡反射和擴(kuò)散反射式光電開(kāi)關(guān)檢出距離達(dá)到10 m以上，適宜自動(dòng)門防盜警戒、汽車防撞報(bào)警和遠(yuǎn)距檢出。 (8)雙光源標(biāo)志傳感器的出現(xiàn)，極大方便了包裝、印刷、食品、醫(yī)藥等機(jī)械設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)操作。 1. 3 光電開(kāi)關(guān)的分類及術(shù)語(yǔ)解釋 1. 3. 1

9、光電開(kāi)關(guān)的分類 1、按結(jié)構(gòu)分類 光電開(kāi)關(guān)按結(jié)構(gòu)可分為放大器分離型、放大器內(nèi)藏型和電源內(nèi)藏型三類。 (1)放大器分離型 這種光電開(kāi)關(guān)的放大器(含電源)與傳感器分離；交流、直流電源通用；具有接通和斷開(kāi)延時(shí)功能；設(shè)置亮暗自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)；可控制六種輸出狀態(tài)；兼有接點(diǎn)和電平兩種輸出。 (2)放大器內(nèi)藏型 其放大器與傳感器于一體，安裝十分方便；使用直流工作電源；響應(yīng)速度快，有0．1ms和1ms兩種，能檢出微小物和高速運(yùn)動(dòng)物；改變電源極性可置換亮暗動(dòng)；兼有電平輸出和電流輸出；設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈；有防止互擾功能，能緊密安裝；采用專用集成電路和表面安裝工藝。 (3)電源內(nèi)藏

10、型 放大器、傳感器與電源裝置于一體；輸出有SSR固態(tài)繼電器，或繼電器常開(kāi)常閉一組接點(diǎn)；使用交流工作電源，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)取代接觸式行程開(kāi)關(guān)，可直接用于強(qiáng)電控制回路；設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈；有防止互擾功能，能緊密安裝；采用專用集成電路和表面安裝工藝。 2、按檢測(cè)方式分類 (1)對(duì)射式主要檢測(cè)不透明體，有以下幾種型式： a．?dāng)U散型，檢測(cè)距離遠(yuǎn)，也可檢測(cè)半透明物體的密度(透過(guò)率)。 b．狹界型，光束發(fā)散角小，抗鄰組干擾能力強(qiáng)。 c．細(xì)束型，擅長(zhǎng)檢出細(xì)微的孔徑、線形和條狀物。 d．槽型，光軸固定不需調(diào)節(jié)，工作位置精度高。 e．光纖型，適宜空間狹小、電磁干擾大、溫差大、需防爆的

11、危險(xiǎn)環(huán)境。 (2)反射式可以檢測(cè)透明體和不透明體，主要有以下幾種型式： a．限距型，工作距離限定在光束交點(diǎn)附近，可避免背景影響。 b．狹角型，特點(diǎn)同限距型相同，可檢測(cè)透明物后面的物體。 c．標(biāo)志型，能檢測(cè)顏色標(biāo)記和孔隙、液滴、氣泡，也可測(cè)電表、水表轉(zhuǎn)速。 d．?dāng)U散型，檢測(cè)距離遠(yuǎn)，可檢出所有物體，通用性強(qiáng)。 e．光纖型，同對(duì)射式光纖型功能相同。 (3)鏡面反射式可以遠(yuǎn)距離檢測(cè)透明體和不透明體。 表1-1給出了光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)分類方式及特點(diǎn)說(shuō)明。 表1-1 按檢測(cè)方式分類 檢測(cè)方式 光路 特點(diǎn) 對(duì) 射 式 擴(kuò)散 檢 測(cè) 不 透 明 體

12、 檢測(cè)距離遠(yuǎn)，也可檢測(cè)半透明物體的密度（透過(guò)率） 狹角 光束發(fā)散角小，抗鄰組干擾能力強(qiáng) 細(xì)束 擅長(zhǎng)檢出細(xì)微的孔徑、線形和條狀物 槽型 光軸固定不需調(diào)節(jié)，工作位置精度高 光纖 適宜空間狹小、電磁干擾大、溫差大、需防爆的危險(xiǎn)環(huán)境 反 射 式 限距 檢 測(cè) 透 明 和 不 透 明 體 工作距離限定在光束交點(diǎn)附近，可避免背景影響 狹角 特點(diǎn)同限距型，并可透檢透明物后面的物體 標(biāo)志 顏色標(biāo)記和孔隙、液滴、氣泡檢出、測(cè)電表、水表轉(zhuǎn)速 擴(kuò)散 檢測(cè)距離遠(yuǎn)，可檢出所有物體，通用性強(qiáng) 光纖 適宜空間狹小、電磁干擾大、

13、溫差大、需防爆的危險(xiǎn)環(huán)境 鏡面反射式 反射距離大，適宜遠(yuǎn)距檢出，還可檢出透明、半透明物體 1. 3. 2術(shù)語(yǔ)解釋 常見(jiàn)的術(shù)語(yǔ)示意圖如圖1—2 所示。 圖 1—2 開(kāi)關(guān)術(shù)語(yǔ)示意圖（θ：指向角） (1)檢測(cè)距離：是指檢測(cè)體按一定方式移動(dòng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)測(cè)得的基準(zhǔn)位置（光電開(kāi)關(guān)的感應(yīng)表面）到檢測(cè)面的空間距離。額定動(dòng)作距離指接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作距離的標(biāo)稱值。 (2)回差距離：動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕對(duì)值。 (3)響應(yīng)頻率：在規(guī)定的1s 的時(shí)間間隔內(nèi)，允許光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數(shù)。 (4)輸出狀態(tài)：分常開(kāi)和常閉。當(dāng)無(wú)檢測(cè)物體時(shí)，常開(kāi)型的光電開(kāi)關(guān)所接通的負(fù)載由于光電開(kāi)關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截

14、止而不工作，當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。 (5)檢測(cè)方式：根據(jù)光電開(kāi)關(guān)在檢測(cè)物體時(shí)發(fā)射器所發(fā)出的光線被折回到接收器的途徑的不同，可分為漫反射式、鏡反射式、對(duì)射式等。 (6)輸出形式：分NPN 二線、NPN 三線、NPN四線、PNP 二線、PNP 三線、PNP 四線、AC 二線、AC 五線（自帶繼電器），及直流NPN/PNP/常開(kāi)/常閉多功能等幾種常用的輸出形式。 (7)指向角：見(jiàn)光電開(kāi)關(guān)的指向角示意圖,即如圖4 的下部三個(gè)小圖所示。 (8)表面反射率：漫反射式光電開(kāi)關(guān)發(fā)出的光線需要經(jīng)檢測(cè)物表面才能反射回漫反射開(kāi)關(guān)的接受器，所以檢測(cè)距離和被檢測(cè)物體的表面反射率將決定接受器接

15、收到光線的強(qiáng)度。粗糙的表面反射回的光線強(qiáng)度必將小于光滑表面反射回的強(qiáng)度,而且，被檢測(cè)物體的表面必須垂直于光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射光線。常用材料的反射率如表1-2所示。 表1-2常用材料的反射率 材料 反射率 材料 反射率 白畫(huà)紙 90% 不透明黑色塑料 14% 報(bào)紙 55% 黑色橡膠 4% 餐巾紙 47% 黑色布料 3% 包裝箱硬紙板 68% 未拋光白色金屬表面 130% 潔凈松木 70% 光澤淺色金屬表面 150% 干凈粗木板 20% 不銹鋼 200% 透明塑料杯 40% 木塞 35% 半透明塑料瓶 62% 啤酒泡沫 70%

16、 不透明白色塑料 87% 人的手掌心 75% (9)環(huán)境特性：光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用的環(huán)境亦會(huì)影響其長(zhǎng)期工作可靠性。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)工作于最大檢測(cè)距離狀態(tài)時(shí)，由于光學(xué)透鏡會(huì)被環(huán)境中的污物粘住，甚至?xí)灰恍?qiáng)酸性物質(zhì)腐蝕，以至其使用參數(shù)和可靠性降低。較簡(jiǎn)便的解決方法就是根據(jù)光電開(kāi)關(guān)的最大檢測(cè)距離（Sn）降額使用來(lái)確定最佳工作距離。 1. 4光電開(kāi)關(guān)的發(fā)展趨勢(shì) 近幾年，在工廠自動(dòng)化(FA)方面，對(duì)相當(dāng)于人視覺(jué)的傳感器需求量日益增多。其中光電傳感器自60年代產(chǎn)業(yè)界投放市場(chǎng)以來(lái)，一直以高達(dá)20%～30％的年增長(zhǎng)率持續(xù)發(fā)展，光日本就有200億日元的市場(chǎng)。 和圖像傳感器相比，單純的檢測(cè)功

17、能，簡(jiǎn)便，價(jià)廉；和限位開(kāi)關(guān)相比，不接觸，使用壽命長(zhǎng)；和接近開(kāi)關(guān)相比，檢測(cè)距離長(zhǎng)，幾乎所有物體都能檢測(cè)；作為公式翻譯程序監(jiān)督系統(tǒng)(FMS)中PC的輸入器，已成為不可缺少的一種傳感器。特別是以光纖為代表，有力地促進(jìn)了“輕、薄、短、小”的進(jìn)展。今后要考慮到，市場(chǎng)對(duì)功能、耐環(huán)境性等的強(qiáng)烈要求。 總的來(lái)說(shuō)，光電開(kāi)關(guān)今后的發(fā)展趨勢(shì)是： ①小型化，多功能化。 ②隨著光學(xué)技術(shù)，微電子技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)光電傳感器的高精度，高可靠性。 ③由簡(jiǎn)單的對(duì)物體大小，顏色等特性的檢測(cè)，更接近于人眼識(shí)別及判斷能力的復(fù)雜二維特性，以至三維特性檢測(cè)方向發(fā)展。 2. 傳感器技術(shù)基

18、礎(chǔ) 在本設(shè)計(jì)開(kāi)始之前，首先應(yīng)掌握傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。這一章主要包括以下幾方面的內(nèi)容： ①傳感器的基本概念； ②傳感器的數(shù)學(xué)模型和基本特性指標(biāo)； ③改善傳感器性能的技術(shù)途徑； 2. 1 傳感器的基本概念 2. 1. 1 傳感器的定義 關(guān)于傳感器，至今尚無(wú)一個(gè)比較全面的定義，不過(guò)，對(duì)以下提法大家似乎不持異議，傳感器有時(shí)也被稱為換能器、變換器或探測(cè)器，其主要特征是能感知和檢測(cè)某一形態(tài)的信息，并將這一信息轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。 傳感器（Transducer 或 Sensor）是將感受到的外界信息，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成所需的有用信息的裝置。它獲取的信息可以是各

19、種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也有各種形式。例如，電、光、溫度、聲、位移、壓力等物理量可以通過(guò)傳感器互相轉(zhuǎn)換。 從信息技術(shù)的角度來(lái)看，傳感器是獲取和轉(zhuǎn)換信息的一種工具，這些信息包括電、磁、光、聲、熱、力、位移、振動(dòng)、流量、濕度、濃度、成分等。傳感器的核心部件是敏感元件，它是傳感器中用來(lái)感知外界信息和轉(zhuǎn)換成有用信息的元件。傳感器技術(shù)是傳感器與敏感元件、材料、制造加工的一門綜合性技術(shù)。 傳統(tǒng)的傳感器有：由純機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的，例如金屬?gòu)椥栽趬毫ψ兓瘯r(shí)引起形變制成的壓力計(jì)；金屬片因溫度變化引起形變制成的溫度計(jì)；差動(dòng)變壓器、電感線圈、可變電容器、電位器因被測(cè)物位置變化引起

20、電量變化制作成的位移、力、加速度等力學(xué)量傳感器。這種直接以機(jī)械量輸出或電量輸出的傳統(tǒng)式傳感器稱之為機(jī)電型傳感器。 在工程技術(shù)領(lǐng)域里，可以把傳感器看成是人體五官的工程模擬物。于是，可以將傳感器定義為：把特定的被測(cè)量信息按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置。這里的“可用信號(hào)”是指便于處理、傳輸?shù)男盘?hào)，就目前的科技發(fā)展水平而言，這種便于處理、傳輸?shù)摹翱捎眯盘?hào)”，就是電信號(hào)。因此，在有的書(shū)上，將傳感器狹義地定義為“把外界非電量信息轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的電量輸出的器件或裝置”。當(dāng)然，我們可以想象，隨著光技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)人類跨入光電子時(shí)代，光信號(hào)將成為最便于處理和傳輸?shù)男盘?hào)。那時(shí)，傳

21、感器的概念句隨之發(fā)展成為：“把外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為信號(hào)輸出的器件”。所以，傳感器的概念是一個(gè)發(fā)展的概念，它隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步而發(fā)展。這也是傳感器沒(méi)有一個(gè)確定、統(tǒng)一定義的原因。 由于傳感器起到的是一個(gè)“轉(zhuǎn)換”作用，因此，傳感器也叫做變換器、換能器或探測(cè)器。 隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)、微米和納米技術(shù)的發(fā)展，近年產(chǎn)生了微傳感器與微執(zhí)行系統(tǒng)（Micromachined Transducers System）。微傳感器與微執(zhí)行系統(tǒng)是在微米量級(jí)內(nèi)設(shè)計(jì)和制造基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它集成了多種元件，包括傳感器、信息單元、執(zhí)行器和通信/接口單元等而組成的一個(gè)系統(tǒng)。微米和納米技術(shù)的發(fā)展將對(duì)傳

22、感器技術(shù)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。 2. 1. 2 傳感器的物理規(guī)律 這里所說(shuō)的傳感器的物理規(guī)律，是指在傳感器的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中所必須遵循的物理定律，它們都是物理學(xué)的基本定律，可分為四大類：守恒定律、統(tǒng)計(jì)法則、場(chǎng)的定律和物理規(guī)律。 （1） 守恒定律 表示物理量隨著空間和時(shí)間的移動(dòng)，其總量保持不變。包括能量守恒、動(dòng)量守恒和電荷守恒等定律。傳感器與被測(cè)量之間能量轉(zhuǎn)換是必須遵守守恒定律。 （2） 統(tǒng)計(jì)法則 是分子、原子、電子等運(yùn)動(dòng)的微觀世界與能被直接觀察的宏觀世界相結(jié)合的定律，如熱力學(xué)第二定律。這些統(tǒng)計(jì)法則常和傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)。

23、 （3） 場(chǎng)的定律 描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)、物質(zhì)場(chǎng)、重力場(chǎng)等在空間和時(shí)間上的變化規(guī)律。這些變化規(guī)律可由物理方程給出，這些物理方程可作為傳感器工作的數(shù)學(xué)模型。例如，利用靜電場(chǎng)定律研制的電容式傳感器，利用電磁感應(yīng)定律研制的電感式傳感器等。利用場(chǎng)的定律構(gòu)成的傳感器稱為結(jié)構(gòu)型傳感器。 （4） 物質(zhì)定律 表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在客觀性質(zhì)的定律。如虎克定律（F=kx）、歐姆定律（U=R*I）等。這些客觀性物質(zhì)常用來(lái)表示物質(zhì)固有性質(zhì)的物理常數(shù)加以描述，常數(shù)的大小決定著傳感器的主要性能。如虎克定律中的彈性系數(shù)k和歐姆定律中的電阻R。利用半導(dǎo)體物質(zhì)法則——壓阻、熱阻、光阻、濕阻等效應(yīng)，可分別

24、做成壓敏、熱敏、光敏、濕敏等傳感器件?；谖镔|(zhì)定律構(gòu)成的傳感器稱為物性型傳感器。 2. 1. 3 傳感器的組成 傳感器由敏感元件、傳感元件和其它輔助部件組成，如圖2—1所示。 ●敏感元件 直接感受被測(cè)非電量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測(cè)非電量具有確定關(guān)系的有用非電量。 ●傳感元件 又稱變換器，將敏感元件感受到的有用非電量直接轉(zhuǎn)換成電量。 ●信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路 把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用的電信號(hào)。 ●輔助電路 包括電源等環(huán)節(jié)。 對(duì)于結(jié)構(gòu)型和物性型傳感器而言，其傳感器的組成是不同的。 對(duì)于物性型傳感器，其組成環(huán)節(jié)比較簡(jiǎn)

25、單，如圖2—2所示。它沒(méi)有敏感元件，傳感元件能直接感受被測(cè)非電量而輸出電量。例如，對(duì)于半導(dǎo)體壓敏傳感器，被測(cè)非電量“壓力”作用在傳感元件上時(shí)，傳感元件直接將它轉(zhuǎn)換為電阻（率）的變化，即直接轉(zhuǎn)換成了有用電量輸出。這里，傳感器組成中就沒(méi)有敏感元件。 對(duì)于結(jié)構(gòu)型傳感器，一般則包括敏感元件和傳感元件兩個(gè)環(huán)節(jié)，即被測(cè)非電量通過(guò)敏感元件轉(zhuǎn)換為有用非電量，再由傳感元件轉(zhuǎn)換為有用電量輸出，如圖2—3所示。 2. 1. 4 傳感器的分類 傳感器的種類很多，同一原理的傳感器，可以同時(shí)測(cè)量多種非電量，而一種被測(cè)量，又可以用幾種不同的傳感器來(lái)測(cè)量，因此，傳感器

26、的分類方法很多。了解傳感器的分類，旨在加深理解，便于應(yīng)用。 （1） 按輸入物理量的性質(zhì)分類 根據(jù)輸入量的性質(zhì)進(jìn)行分類，如位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等。它是以輸入物理量命名的，比較明確地指出了傳感器的用途，便于使用者選用。同時(shí)，這種方法將種類繁多的物理量分為兩大類，即基本量和派生量。 （2） 按工作原理分類 按工作原理分類是以傳感器對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用原理命名的，如應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器等。這種分類方法較清楚地反映出了傳感器的工作原理，有利于對(duì)傳感器的深入研究分析。 （3） 按能量關(guān)系分類 根據(jù)能量關(guān)

27、系分類，可將傳感器分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型，能量轉(zhuǎn)換型傳感器的輸出量直接由被測(cè)輸入量的能量轉(zhuǎn)換而得，又稱為有源傳感器。外源型傳感器的輸出量能量必須由外加電源供給，只是受被測(cè)輸入量的調(diào)節(jié)和控制，是能量控制型傳感器，又稱為無(wú)源傳感器。 （4） 按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類 根據(jù)輸出信號(hào)為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，可將傳感器分為模擬式和數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，且抗干擾較強(qiáng)，如光柵傳感器等。 （5） 按構(gòu)成原理分類 按構(gòu)成原理不同，可將傳感器分為結(jié)構(gòu)型和物性型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是以其轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的，而物性型傳感器是以其轉(zhuǎn)換元件物理

28、特性的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的。 （6） 按構(gòu)成傳感器的功能材料分類 按構(gòu)成傳感器的功能材料不同，可將傳感器分為半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、光纖傳感器、高分子薄膜傳感器等。 （7） 按某種高新技術(shù)命名的傳感器分類 有些傳感器是根據(jù)某種高新技術(shù)命名的，如集成傳感器、智能傳感器、機(jī)器人傳感器、仿生傳感器等。 2. 2 傳感器的數(shù)學(xué)模型及其基本特性 根據(jù)傳感器的定義，傳感器感受被測(cè)輸入量，并將感受到的被測(cè)輸入量，按一定的規(guī)律輸出為有用信號(hào)。因此，我們有必要研究傳感器的輸入—輸出關(guān)系，來(lái)指導(dǎo)傳感器的設(shè)計(jì)、制造、校準(zhǔn)及使用。 描述傳感器輸

29、入—輸出關(guān)系的方法有兩種：一是傳感器的數(shù)學(xué)模型；二是傳感器的各種基本特性。兩者都可用于描述傳感器的輸入—輸出關(guān)系及其特性。在設(shè)計(jì)、研究傳感器時(shí)，常常用到傳感器的數(shù)學(xué)模型來(lái)準(zhǔn)確完整地反映傳感器的輸入—輸出特性；而在制造和使用傳感器時(shí)，常根據(jù)傳感器生產(chǎn)廠商給出的各種基本特性指標(biāo)，來(lái)選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳌? 2. 2. 1 傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型 傳感器的靜態(tài)模型是指在靜態(tài)條件下得到的傳感器的數(shù)學(xué)模型。所謂的“靜態(tài)條件”是指被測(cè)輸入量對(duì)時(shí)間t的各階導(dǎo)數(shù)為零。當(dāng)被測(cè)輸入量為準(zhǔn)靜態(tài)量時(shí)，也可用靜態(tài)數(shù)學(xué)模型來(lái)近似地描述。 傳感器的靜態(tài)模型可以用代數(shù)方程和特性曲線來(lái)描述。 1

30、、代數(shù)方程 在不考慮傳感器滯后及蠕變的情況下，傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型可以用一個(gè)代數(shù)方程來(lái)表示，即 （2—1） 式中 x——輸入量 y——輸出量 傳感器的靜態(tài)模型有三種特殊形式，其代數(shù)方程可表示為 （2—2） （2—3） （2—4） 這里式（2—2）表示傳感器的輸入—輸出關(guān)系呈嚴(yán)格的線性關(guān)系，而式（2—3）、式（2—4）表示的輸

31、入—輸出關(guān)系均為非線性關(guān)系，必須采取線性化補(bǔ)償措施。 2、特性曲線 表示傳感器輸入—輸出關(guān)系的曲線稱為傳感器的特性曲線。代數(shù)方程式（2—1）、式（2—2）、式（2—3）和式（2—4）可分別用特性曲線描述為圖（2—4）的（a）、（b）、（c）和（d）四種情況。 圖 2—4 傳感器的靜態(tài)特性曲線 從圖2—4中可看出，圖（b）為理想線性特性，其它的圖（a）、（c）、（d）都出現(xiàn)非線性的情況，且圖（d）具有奇次方的代數(shù)方程，它在相當(dāng)大的輸入范圍內(nèi)有較寬的準(zhǔn)線性。 2. 2. 2 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯現(xiàn)象、分辨率、穩(wěn)定性、漂

32、移等，其中，線性度、遲滯現(xiàn)象和重復(fù)性是三個(gè)較為重要的指標(biāo)，傳感器的靜態(tài)誤差就可以由這三個(gè)指標(biāo)綜合給出。 1、線性度 所渭傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度。又稱為非線性誤差。非線性誤差可用下式表示： （2—5） 式中 —輸出量與輸出量實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差； — 滿量程輸出值。 圖 2—5 傳感器線性度的表示 顯然，選定的擬合直線不同，得到的傳感器的線性度就不同，如圖（2—5），因此，擬合直線的選定非常重要，選定

33、擬合直線的過(guò)程，就是傳感器線性化的過(guò)程。擬合直線選定的原則是：保證盡量小的非線性誤差，同時(shí)使計(jì)算與使用方便。 2、靈敏度 傳感器的靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸出增量△y與輸入增量△x的比值．常用Sn來(lái)表示,即 對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖2-6(a)所示。即 非線性傳感器的靈敏度是一個(gè)變量，如圖2—6(b)所示，即用表示傳感器在其一工作點(diǎn)的靈敏度。 圖 2—6 靈敏度的定義 3、重復(fù)性 重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度(見(jiàn)圖2—7)。多次按相同輸入條件測(cè)試的輸出特性曲線越重合，其重復(fù)性越好,誤差也越小。傳

34、感器輸出特性的不重復(fù)性主要由傳感器機(jī)械部分的磨損、間隙、松動(dòng)、部件的內(nèi)摩擦、積塵以及輔助電路老化和漂移等原因產(chǎn)生。 圖 2—7 重復(fù)性 不重復(fù)性一般采用下式的極限誤差式表示： 式中 △max —— 輸出最大不重復(fù)誤差； —— 滿量程輸出值。 不重復(fù)性誤差一般屬于隨機(jī)誤差性質(zhì)，按極限誤差公式計(jì)算不太合理。不重復(fù)性誤差可以通過(guò)校推測(cè)得。根據(jù)隨機(jī)誤差的性質(zhì)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度隨校準(zhǔn)次數(shù)不同而不同，其最大偏差值也不一樣。因此，重復(fù)性誤差Ex?？砂聪率接?jì)算： 式中為標(biāo)準(zhǔn)偏差。 如果誤差服從高斯分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差可以按貝塞爾公式計(jì)算 式中 —— 某次測(cè)量

35、值； —— 各次測(cè)量值的平均值，； n —— 測(cè)量次數(shù)。 4、遲滯(回差滯環(huán))現(xiàn)象 遲滯特性能表明傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輸出—輸入特性曲線不重合的程度，如圖2—8所示。 圖 2—8 遲滯現(xiàn)象 對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)x，在x連續(xù)增大的行程中，對(duì)應(yīng)某一輸出量為，在x連續(xù)減小過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于輸出量為之間的差值叫做滯環(huán)誤差，這就是所謂的遲滯現(xiàn)象。該誤差用E表示為 在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用△m表示，它與滿量程輸出值的比值稱為最大滯環(huán)率，即 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因類似重復(fù)誤差的原因。 5、分辨率

36、 傳感器的分辨宰是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)輸入量的最小變化量。有時(shí)，也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)()表示。　 6、穩(wěn)定性 穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之分。對(duì)于傳感器常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性描述其穩(wěn)定性。所謂傳感器的穩(wěn)定性是指在室溫條件下，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年、傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。因此，通常又用其不穩(wěn)定度來(lái)表征傳感器輸出的穩(wěn)定程度。 7、漂移 傳感器的漂移是指在外界的干擾下，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。 零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨

37、時(shí)間的緩慢變化。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的漂移。 2. 2. 3 傳感器的動(dòng)態(tài)模型 動(dòng)態(tài)模型是指?jìng)鞲衅髟跍?zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)或動(dòng)態(tài)信號(hào)(輸人信號(hào)隨時(shí)間而變化的量)作用下，描述其輸出和輸入情號(hào)的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。動(dòng)態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)等來(lái)描述。 1、微分方程 絕大多數(shù)傳感器都屬模擬(連續(xù)變化)系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。在實(shí)際的模型建立過(guò)程中，一般采用線性時(shí)不變系統(tǒng)理論描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性，即用線性常系數(shù)微分方程表示傳感器輸出量y和輸入量x的關(guān)系。其通式如下： （2—6） 式中和為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(是常量)。對(duì)于傳感器. 除

38、外，一般取為0。 對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，其微分方程的建立求解都是很困難的；但是一旦求解出微分方程的解，就能分清其暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定響應(yīng)。為了求解的方便，常采用拉普拉斯變換(簡(jiǎn)稱拉氏變換)，將式(2—6)變?yōu)樗阕觭的代數(shù)式或采用下面將要介紹的傳遞函數(shù)研究傳感器動(dòng)態(tài)特性。 2、傳遞函數(shù) 如果y(t)在t≤0時(shí)，y(t)＝0，則y(t)的拉氏變換可定義為 式中 。 對(duì)式(2-6)兩邊取拉氏變換，則得 我們定義輸出y(t)的拉氏變換y(s)和輸入x(t)的拉氏變換x(s)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)： （2—7） 對(duì)y(t)進(jìn)行拉氏變換的初始條件是t≤

39、0，y(t)＝0。這對(duì)于傳感器被激勵(lì)之前所有的儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件均符合上述初始條件。從式(2—7)可知，它與輸人量x(t)無(wú)關(guān)．只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因此，H(S)可以簡(jiǎn)單而恰當(dāng)?shù)孛枋銎漭敵雠c輸入關(guān)系。 只要知道Y（S），X(S)，H(S)三者的任意兩者，第三者便可方便地求出。這時(shí)可見(jiàn)，無(wú)需了解復(fù)雜系統(tǒng)的具體內(nèi)容，只要給系統(tǒng)一個(gè)激勵(lì)信號(hào)x(t)，使可得到系統(tǒng)的響應(yīng)y(t)，系統(tǒng)特性就能被確定。它們可用圖2—9(a)框圖表示。 圖 2—9 傳感器的傳遞函數(shù)框圖表示法 對(duì)于多環(huán)節(jié)串、并聯(lián)組成的傳感器，如果各個(gè)環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng)，可忽略相互間的影響，則傳感器的等效傳遞函數(shù)可

40、按下列代數(shù)方式求得： 若傳感器由r個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，如圖2—9(b)所示，其等效傳遞函數(shù)為 若傳感器由p個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)而成，如圖2—9(c)所示,其等效傳遞函數(shù)為 其中H(S)為各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。 2. 2. 4 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 1、傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是傳感器在測(cè)量中非常重要的問(wèn)題，它是傳感器對(duì)輸入激勵(lì)的輸出響應(yīng)特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)持性好的傳感器，隨時(shí)間變化的輸出曲線能同時(shí)再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的曲線，即輸出-輸入具有相同類型的時(shí)間函數(shù)。在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)情況下，輸出信號(hào)一般來(lái)說(shuō)不會(huì)與輸入信號(hào)具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸人間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差

41、。不難看出，有良好的靜態(tài)特性的傳感器，未必有良好的動(dòng)態(tài)特性。這是由于在動(dòng)態(tài)(快速變化)的輸入信號(hào)情況下，要有較好的動(dòng)態(tài)特性，不僅要求傳感器能精確地測(cè)量信號(hào)的幅值大小，而且需要能測(cè)量出信號(hào)變化過(guò)程的波形，即要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)信號(hào)幅值變化和無(wú)失真地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的波形。 影響動(dòng)態(tài)特性的“固有因素”任何傳感器都有，只不過(guò)表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要是為了從測(cè)量誤差角度分析產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因以及提出改善措施。具體研究時(shí)，通常從時(shí)域或頻域兩方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來(lái)分析。 由于激勵(lì)傳感器信號(hào)的時(shí)間函數(shù)是多種多樣的，在時(shí)域內(nèi)研究傳感器的響應(yīng)特性，同

42、自動(dòng)控制系統(tǒng)分析一樣。只能通過(guò)對(duì)幾種特殊的輸入時(shí)間函數(shù)，如階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等來(lái)研究其響應(yīng)特性。在頻域內(nèi)通常利用正弦函數(shù)研究傳感器的頻率響應(yīng)特性。為了便于比較或評(píng)價(jià)、或動(dòng)態(tài)定標(biāo)，最常用的輸入信號(hào)為階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。因此,對(duì)應(yīng)的方法為階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。 2、階躍響應(yīng) 當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào) 時(shí)，其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。衡量階躍響應(yīng)特性的幾項(xiàng)指標(biāo)，如圖（2—10）所示。 (1)最大超調(diào)量 最大超調(diào)量就是響應(yīng)曲線偏離階躍曲線的最大值，常用百分?jǐn)?shù)表示。 最大百分比超調(diào)量 。 最大超調(diào)量能說(shuō)明傳感器的相對(duì)穩(wěn)定性。 (2)延

43、滯時(shí)間 是階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50％所需要的時(shí)間。 (3)上升時(shí)間 它有幾種定義： ①響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%～90%； ②從穩(wěn)態(tài)值的5％～95%； ③從零上升到第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。 對(duì)有振蕩的傳感器常用③，對(duì)無(wú)振蕩的傳感器常用①描述。 (4)峰值時(shí)間 響應(yīng)曲線到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。 (5)響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)曲線衰減到穩(wěn)態(tài)值之差不超過(guò)±5％或土2％時(shí)所需要的時(shí)間，有時(shí)稱為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。 上述是時(shí)域響應(yīng)的主要指標(biāo)。對(duì)于一個(gè)傳感器，并非每一個(gè)指標(biāo)均要提出．往往只要提出幾個(gè)被認(rèn)為是重要的性能指標(biāo)就可以了。 由于傳感器的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量的特殊性，如果不注意控制

44、這些誤差，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的測(cè)量誤差。 3、頻率響應(yīng)特性 在定常線性系統(tǒng)中，根據(jù)《信號(hào)與系統(tǒng)》一書(shū)的知識(shí)，拉氏變換是廣義的傅氏變換．取中的，則即拉氏變換局限于S平面的虛軸，則得到傅氏變換，那么．式(2—7)變?yōu)? 同樣有 則 H()稱為傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)(頻率響應(yīng))。 頻率H()是一個(gè)復(fù)函數(shù)，它可以用指數(shù)形式表示，即 式中，即 稱為傳感器的幅頻特性，也稱為傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度(或增益)。A()表示傳感器的輸出與輸入的幅度比值隨頻率而變化的大小。 若以分別為H()的實(shí)部和虛部，則頻率特性的相位角 對(duì)于傳感器,Φ通常為負(fù)的，表示傳感器輸出滯后

45、于輸入的相位角度。而且Φ隨ω而變，故稱之為傳感器的相頻特性。由于相頻特性與幅頻特性之間有一定的內(nèi)在關(guān)系，所以，研究傳感器的頻域特性時(shí)主要用幅頻特性。 2. 3 傳感器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) 傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中直接作用于被測(cè)量(包括物理、生物、化學(xué)量等)的器件，通過(guò)它將被測(cè)量變換成容易處理，容易與標(biāo)準(zhǔn)量比較的物理量(如位移、頻率、電流、電阻、電壓等量)。傳感器通常是依據(jù)有關(guān)的物理、化學(xué)和生物效應(yīng)進(jìn)行工作的。各種功能材料是傳感技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。傳感器技術(shù)的研究開(kāi)發(fā),不僅要求原理正確，選材合適，而且要求有先進(jìn)的加工工藝技術(shù)。 近年來(lái),根據(jù)社會(huì)生產(chǎn)、科研和生活的需要,在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和節(jié)約

46、資源、災(zāi)害預(yù)測(cè)、安全防衛(wèi)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療診斷等方面研制了各種用途的傳感器，為檢測(cè)、自動(dòng)控制、環(huán)保以及電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用等方面創(chuàng)造了十分有利的條件。世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于開(kāi)發(fā)研究傳感器不僅在思想認(rèn)識(shí)上給予高度重視而且投入了大量人力和物力，它已被列為新技術(shù)革命的核心技術(shù)之一。今后它必將在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮日益重要的作用。 2. 3. 1 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域(見(jiàn)表2—1) 表2—1 傳感器應(yīng)用領(lǐng)域 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 具 體 要 求 內(nèi) 容 主 要 配 用 傳 感 器 交通運(yùn)輸（汽車、飛機(jī)、船舶） 節(jié)約燃燒，監(jiān)測(cè)排出廢氣、可靠性、安全要求、交通的集中管理

47、 溫度、壓力、轉(zhuǎn)數(shù)、速度、位移、流量傳感器 工業(yè)測(cè)量控制 組建自動(dòng)化控制系統(tǒng)、節(jié)約能源、保證安全生產(chǎn)、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度 溫度、壓力、流量、液位、速度、位移、狀態(tài)等傳感器 醫(yī)療設(shè)備 醫(yī)療電子化、各種治療手段和檢驗(yàn)儀器 溫度、壓力、光、磷、超聲波、同位素傳感器 防火安全技術(shù) 各種報(bào)警裝置、水庫(kù)水位、地震預(yù)測(cè)流床流量、煤氣泄露 溫度、流量、液位、氣體、紅外線、超音波傳感器 動(dòng)力資源開(kāi)發(fā) 物理探礦、風(fēng)力利用、地?zé)衢_(kāi)發(fā)、太陽(yáng)能設(shè)備 溫度、磁、光、紅外超聲波傳感器 糧食生產(chǎn)加工 農(nóng)業(yè)工業(yè)化、輻照食品、農(nóng)林生態(tài)檢測(cè)、冷凍食品加工 溫度、濕度、紅外線、磁、成分、超聲波傳感器 公害

48、防治 大氣、河川、海水有害物質(zhì)檢測(cè)、工業(yè)三廢利用 氣體、化學(xué)、成分傳感器 機(jī)械制造加工 加工過(guò)程異常檢測(cè)、工具磨損檢測(cè)、自動(dòng)選料、自動(dòng)夾具、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù) 外形、尺寸、位移、振動(dòng)、速度傳感器 科學(xué)計(jì)量測(cè)試 標(biāo)準(zhǔn)傳遞、高精度測(cè)量、特殊參數(shù)測(cè)試 力、壓力、頻率、電壓、磁、長(zhǎng)度傳感器 信息通訊處理 流程信息傳輸、綜合信息管理、圖像傳輸、廣播通訊 光、磁、色、圖像、頻率傳感器 其他領(lǐng)域 土木建筑、商業(yè)流通、教育 振動(dòng)、位移、光傳感器 2. 3. 2 傳感器的檢測(cè)參數(shù) 目前，傳感器的檢測(cè)參數(shù)以機(jī)械量為最多，其次是光學(xué)量、化學(xué)量、溫

49、度、生物量、濕度等。共所占比例見(jiàn)表2—2。 表 2—2 檢測(cè)參數(shù)所占比例 檢測(cè)參數(shù) 比例（%） 檢測(cè)參數(shù) 比例（%） 溫 度 紅外線 壓 力 濕 度 位 置 成 分 生物體化學(xué)量 流 量 可見(jiàn)光 離子濃度 磁 場(chǎng) 照 度 位 移 轉(zhuǎn) 角 10.0 5.9 5.7 5.5 5.0 4.8 2.8 2.7 2.7 2.7 2.0 2.0 1.8 1.8 生物體機(jī)械量 應(yīng) 變 角 度 力 流 速 形 狀 電 流 速 度 轉(zhuǎn) 矩 聲 波 阻 抗 水 分 化驗(yàn)化學(xué)量

50、其 它 1.4 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 29.4 2. 3. 3 傳感器的變換功能 表2—3所示為目前研究開(kāi)發(fā)的傳感器所依存的各種變換功能?？梢钥吹剑c物理有關(guān)的變換功能占大多數(shù)，其中以光電勢(shì)效應(yīng)、光導(dǎo)電效應(yīng)為代表的光電變換功能最引人注目，其次是壓電變換、熱電變換和磁電變換。上述四種變換功能幾乎占了一半以上。 表 2—3 傳感器的變換功能 所占比例（%） 變換功能 （%） 具體效應(yīng)及原理 與化學(xué)有關(guān) 14.4 氧化還原反應(yīng) 光化學(xué)反應(yīng) 離子交換反應(yīng) 觸

51、媒反應(yīng) 電化學(xué)反應(yīng) 其它 3.4 0.2 0.7 2.7 4.8 2.7 化學(xué)吸附引起阻抗變化 離子導(dǎo)電引起阻抗變化 伽伐尼電池 與物理有關(guān) 74.6 熱電變換 光電變換 壓電變換 磁電變換 熱磁變換 光磁變換 磁應(yīng)變換 熱光變換 壓光變換 熱壓變換 其它 10.1 22.6 15.3 7.7 0.2 0.7 0.5 1.1 0.5 1.1 14.8 熱電勢(shì)效應(yīng)、熱電阻效應(yīng) 光電勢(shì)效應(yīng)、光電子效應(yīng)、光電效應(yīng) 壓電效應(yīng)、壓電阻效應(yīng) 霍爾效應(yīng)、磁阻抗效應(yīng) 居里點(diǎn)磁特性變化 法拉第效應(yīng) 應(yīng)變引起導(dǎo)磁率變化

52、熱輻射 光彈性效應(yīng) 熱膨脹引起流量變化 應(yīng)變、共振頻率變化 與生物有關(guān) 5.2 免疫反應(yīng) 酶反應(yīng) 微生物組織 其它 0.8 2.8 0.4 1.1 抗原體反應(yīng) 脫碳酸反應(yīng) 呼吸功能 其它 5.8 5.8 2. 3. 4 傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，傳感器的研制和生產(chǎn)已經(jīng)提到日程上來(lái)了， “頭腦(計(jì)算機(jī))發(fā)達(dá)，感覺(jué)(傳感器)遲鈍”的情況再也不允許存在下去了。因此近年來(lái)傳感器的地位受到廣泛重視，被普通的認(rèn)為是八十年代科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。 傳感器技術(shù)所涉及的知識(shí)非常廣泛，滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。但是它們的共性是利用物理

53、定律和物質(zhì)的物理特性，將非電量轉(zhuǎn)換成電量。所以如何采用新技術(shù)、新工藝、新材料以及探索新理論，以達(dá)到高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換效能，是總的發(fā)展途徑。 由于科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，在傳感器領(lǐng)域內(nèi)，目前實(shí)際使用得最多的仍然是結(jié)構(gòu)型傳感器，例如用力平衡式、電容式、電感式、振弦式等傳感器來(lái)測(cè)量壓力、位移、流量、溫度等。隨著新型材料的開(kāi)發(fā)，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用以及制造工藝的改進(jìn)，傳感器技術(shù)的發(fā)展具有以下特點(diǎn)： 1、固態(tài)化 目前，發(fā)展最快的固態(tài)物性型傳感器，主要是半導(dǎo)體、電介質(zhì)和強(qiáng)磁性體三類。其中半導(dǎo)體傳感器最引人注目，它不僅容易接受外界信息的作用并轉(zhuǎn)換為電量，而且響應(yīng)速度快，體積小，重量輕，便于實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化和功

54、能化。例如有一種新型固態(tài)傳感器，在一塊芯片上同時(shí)集成了差壓、靜壓、溫度三種傳感器，使差壓傳感器具有溫度、壓力補(bǔ)償功能。除半導(dǎo)體外，還開(kāi)發(fā)了壓電體、熱釋電體、鐵電體、強(qiáng)磁性等固態(tài)傳感器。 2、多功能、集成化 隨著傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，借助于半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù)、擴(kuò)散技術(shù)、光刻技術(shù)，精密細(xì)微加工以及組裝技術(shù)等，使傳感器已從單一元件、單一功能向多功能、集成化方向發(fā)展。所謂多功能化就是使傳感器具有多種參數(shù)檢測(cè)功能，而集成化就是把傳感器部分與信息處理或轉(zhuǎn)換部分及電源等利用半導(dǎo)體技術(shù)制作在同一芯片上。目前已出現(xiàn)集成電路壓力傳感器、集成電路溫度傳感器、磁敏傳感器、多功能氣體傳感器、全固態(tài)化CCD

55、型攝像器件等。 3、向圖像傳感器方向發(fā)展 目前傳感器的研究不僅作為某一點(diǎn)的參數(shù)測(cè)量，而且可從—維、二維、三維甚至四維來(lái)考慮，已成功地研制出各種二維圖像傳感器。例如CCD（電荷耦合器件)固態(tài)攝像器件，BBID(顫斗式耦合器件)及MOSID(雙校MOS器件)攝像器件等。 4、智能化 利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，使傳感部分與其后的信號(hào)處理部分等組合在一起以強(qiáng)化傳感器的功能。其特點(diǎn)是： (1)多功能，使傳感器具有自我診斷功能，非線性補(bǔ)償功能以及測(cè)量范圍選擇功能； (2)高精確度，由于使用微處理器以及進(jìn)行數(shù)字化運(yùn)算處理，使測(cè)量誤差減?。? (3)信息便于傳遞，由于在傳感器一端已進(jìn)行了必要

56、的運(yùn)算處理，故使接收端的負(fù)載減輕； (4)擴(kuò)展功能時(shí)只需改變軟件，即可實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，這樣會(huì)進(jìn)一步使傳感器具有視、嗅、觸、味、聽(tīng)覺(jué)功能以及存儲(chǔ)，思維等功能。 5、光學(xué)化 在傳感器技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，目前正愈來(lái)愈多地應(yīng)用微光電子技術(shù)，它不僅用于信息的接收、顯示，而且用于信號(hào)的轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離傳輸，利用光固有的特性如振幅、波長(zhǎng)、相位、偏振角等參數(shù)，以及光在傳播中的反射、吸收、折射、散射、干涉等現(xiàn)象和效應(yīng)，已研究開(kāi)發(fā)了多種用途的光傳感器。目前已在產(chǎn)品形狀、表面光潔度、在線計(jì)數(shù)、缺陷檢測(cè)、成分分析、生物測(cè)量以及地貌測(cè)量中得到應(yīng)用。 3.

57、 光電傳感器 光電傳感器是一種將光量的變化轉(zhuǎn)換成電量變化的傳感器，其組成如圖3—1所示，一般包括光源、光通路、光電元件及測(cè)量電路等部分。其中，表示被測(cè)量直接引起的光源光量變化，則表示被測(cè)量在光傳播過(guò)程中調(diào)制光量，引起光量的相應(yīng)變化。 圖 3—1 光電式傳感器的組成 3. 1 光 電 效 應(yīng) 光電元件是光電傳感器中最重要的部件，常見(jiàn)的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩大類。它們的工作原理都基于不同形式的光電效應(yīng)。根據(jù)光的波粒二象性，我們可以認(rèn)為光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這種粒子稱為光子。每個(gè)光子具有的能量為 (6-1) 式中， h — 普朗克

58、常數(shù)， ； γ — 光的頻率（） 。 物體中的電子吸收入射光子的能量，當(dāng)足以克服材料的逸出功時(shí)，電子就逸出物體表面產(chǎn)生電子發(fā)射。如果電子要逸出，所吸收的光子能量hγ必須大于等于逸出功，超出部分的能量表現(xiàn)為逸出的光電子的動(dòng)能，根據(jù)能量守恒原理得 式中 m — 電子質(zhì)量 ； — 電子逸出速度 。 該方程稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程 由此可見(jiàn)，對(duì)不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串能量為Au的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收

59、，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，我們把這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為三類： (1)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。 (2)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等。 (3)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。 3. 2 光電傳感器的類型 按照光電傳感器中光電元件輸出電信號(hào)的形式可以將光電傳感器分為模擬

60、式和脈沖式兩大類。 1、模擬式光電傳感器 這種傳感器中光電元件接受的光通量隨被測(cè)量連續(xù)變化，因此，輸出的光電流也是連續(xù)變化的，并與被測(cè)量呈確定的函數(shù)關(guān)系，這類傳感器通常有以下四種形式。 (1)光源本身是被測(cè)物，它發(fā)出的 光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)，如圖3-2（a）所示。這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計(jì)和照度計(jì)。 圖 3—2 模擬式光電傳感器的常見(jiàn)形式 a）被測(cè)量是光源 b）被測(cè)量吸收光通量 c）被測(cè)量是有 反射能力的表面 d）被測(cè)量遮蔽光通量 1—被測(cè)物 2—光電元件 3—恒光源 (2)恒定光源發(fā)射的光通量穿過(guò)被

61、測(cè)物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，吸收量取決于被測(cè)物的某些參數(shù)。如圖3-2（b）所示。可用于測(cè)量透明度、混濁度。 (3)恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測(cè)物上，由被測(cè)物表面反射后再投射到光電元件上，如圖3-2（c）所示。反射光的強(qiáng)弱取決于被測(cè)物表面的性質(zhì)和狀態(tài)，因此可用于測(cè)量工件表面粗糙度、紙張的白度等。 (4)從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達(dá)光電元件的途中受到被測(cè)物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的尺寸或位置。如圖3-2（d）所示。這種傳感器可用于工件尺寸測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量等場(chǎng)合。 2、脈沖式光電傳感器 在這種傳感器中，光電元件接受

62、的光信號(hào)是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號(hào)，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量等場(chǎng)合。 3. 3 光電傳感器的常用光源 光源是許多光電傳感器的重要組成部分，要使光電傳感器很好地工作，除了合理選用光電元件外，還必須配備合適的光源。常用光源有以下幾種。 1、發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。 2、鎢絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如

63、果選用的光電元件對(duì)紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)可加濾色片將鎢絲燈泡的可見(jiàn)光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。 3、激光 激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，是很理想的光源。 3. 4 光電轉(zhuǎn)換電路 由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測(cè)時(shí)，還必須配備適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路。測(cè)量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件的電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測(cè)量電路也不相同。 下面介紹幾種半導(dǎo)體光電元件常用的測(cè)量電路。 半導(dǎo)體光敏電阻可以通過(guò)較大的電流，所以在一般情況下，無(wú)需配備

64、放大器。在要求較大的輸出功率時(shí)，可用圖3-3所示的電路。 圖3—3 光敏電阻測(cè)量電路 圖 3—4 光敏晶體管測(cè)量電路 a）光敏二極管測(cè)量電路 b）光敏三極管測(cè)量電路 圖3-4（a）給出帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饷舳O管橋式測(cè)量電路。當(dāng)入射光強(qiáng)度緩慢變化時(shí)，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進(jìn)行補(bǔ)償。圖中一個(gè)光敏二極管作為檢測(cè)元件，另一個(gè)裝在暗盒里，置于相鄰的橋臂中，溫度的變化對(duì)兩只光敏二極管的影響相同，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。 光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可以配以放大電路，如圖3-4（b）所示。

65、 由于光敏電池即使在強(qiáng)光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級(jí)晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖3-5（a）所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無(wú)光照時(shí)承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個(gè)電阻?；蛘呦駡D3-5（b）所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時(shí)產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖3-5（c）所示。 圖 3—5 光電池測(cè)量電路 半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光敏二極管通過(guò)集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度，如圖3-6（a）所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的光

66、電流為時(shí)，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個(gè)負(fù)電壓。圖3-6（b）給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運(yùn)放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點(diǎn)，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 。 圖 3—6 使用運(yùn)算放大器的光敏元件放大電路 a）硅光敏二極管放大電路 b）硅光電池放大電路 3. 5 光電器件及其特性 3. 5. 1 光電管、光電倍增管 光電管和光電倍增管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件。下面簡(jiǎn)要介紹它們的結(jié)構(gòu)和工作原理。 1、光電管 光電管的外形和結(jié)構(gòu)如圖3-7所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽(yáng)極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為 根據(jù)能量守恒定律有 式中 m — 電子質(zhì)量 ；