常用傳感器與敏感元件

1、常用傳感器與敏感元件第一節(jié)常用傳感器分類 第二節(jié)機械式傳感器及儀器 第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器 第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器 第五節(jié)光電傳感器第六節(jié)光纖傳感器 第七節(jié)半導體傳感器 第八節(jié)紅外測試系統(tǒng) 第九節(jié)激光測試傳感器 第十節(jié)傳感器的選用原則第一節(jié)常用傳感器分類將被測量轉換為與之對應的，易檢測、易傳輸或易處理信號的裝置，稱為傳感器。直接受被測量作用的元件稱為傳 感器的敏感元件。傳感器處于測試裝置的輸入端，是測試系統(tǒng)的第一個環(huán) 節(jié)，其性能直接影響整個測試系統(tǒng)，對測試精度至關重要。工程中常用傳感器的種類繁多，往往一種物理量可用多種 類型的傳感器來測量，而同一種傳感器也可用于多種物理量

2、的測量。傳感器有多種分類方法。按被測物理量的不同分: 位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。按傳感器工作原理的不同分：機械式傳感器、電氣式傳感器、光學式傳感器、流體式傳感 器等。按信號變換特征分：物性型傳感器與結構型傳感器。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實 現(xiàn)信號變換的。例如，水銀溫度計是利用了水銀的熱脹冷縮 性質(zhì)；壓力測力計利用的是石英晶體的壓電效應等。結構型傳感器則是依靠傳感器結構參數(shù)的變化而實現(xiàn)信號轉 變的。例如，電容式傳感器依靠極板間距離變化引起電容量 的變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感的變化。按敏感元件與被測對象之間的能量關系分: 能量轉換型傳感器與能量

3、控制型傳感器。Ill能量轉換型傳感器，也稱無源傳感器，是直接由被測對象輸 入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計、彈性壓力計等。 在這種情況下，由于被測對象與傳感器之間的能量交換，必 然導致被測對象狀態(tài)的變化和測量誤差。III能量控制型傳感器，也稱有源傳感器，是從外部供給能量使 傳感器工作的，并且由被測量來控制外部供給能量的變化。 例如，電阻應變計中電阻接于電橋上，電橋工作能源由外部 供給，而由被測量變化所引起電阻變化來控制電橋輸出。電 阻溫度計、電容式測振儀等均屬此種類型。按輸出信號類型分：模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器等。另一類傳感器是以外信號（由輔助能源產(chǎn)生）激勵被測對象, 傳感器獲取的信號是

4、被測對象對激勵信號的響應，它反映了 被測對象的性質(zhì)或狀態(tài)。例如，超聲波探傷儀、Y射線測厚 儀、X射線衍射儀等。需要指出的是，不同情況下，傳感器可能只有一個，也可能有幾個換能元件，也可能是一個小型裝置。例如，電容式 位移傳感器是位移-電容變化的能量控制型傳感器，可以直接 測量位移。而電容式壓力傳感器，則經(jīng)過壓力-膜片彈性變形 （位移）-電容變化的轉換過程。此時膜片是一個由機械量-機 械量的換能件，由它實現(xiàn)第一次變換；同時它又與另一極板 構成電容器，用來完成第二次轉換。再如電容型伺服式加速 度計（也稱力反饋式加速度計），實際上是一個具有閉環(huán)回 路的小型測量系統(tǒng)。這種傳感器較一般開環(huán)式傳感器具有更

5、高的精確度和穩(wěn)定性。表3-1匯總了機械工程中常用傳感器的基本類型及其名稱、被測量、性能 指標等。第二節(jié)機械式傳感器及儀器機械式傳感器應用很廣。在測試技術中，常常以彈性體作 為傳感器的敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物 理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形（或應變）。這種變 形可轉變成其他形式的變量。例如被測量可放大而成為儀表指 針的偏轉，借助刻度指示出被測量的大小。優(yōu)點：具有結構簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等。缺點：慣性大,固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測近年來，在自動檢測、自動控制技術中廣泛應用的微型 探測開關亦被看做機械式傳感器。這種開關能把物體的運動、 位置

6、或尺寸變化，轉換為接通、斷開信號。a)b)ABc)a）測力計b）壓力計c）溫度計a)b)ABc)a）測力計b）壓力計c）溫度計 / f/ 丁" 2 # "/*1工件2電磁鐵3導槽4一簧片開關5電極6惰性氣體7簧片第三節(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一種把被測量轉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變式兩類。1.變阻器式傳感器oA。C。Bb)c)a)a）直線位移型b）角位移型c）非線性型變阻器式傳感器通過改變電位器觸頭位置，實現(xiàn)將位移 轉換為電阻的變化。其表達式為R = p一A直線位移型K. = k、x靈敏度S = dR=kx

7、dx角位移型R =靈敏度S=dR=kada a為了使輸出電阻值弘0與/（無）呈線性關系，變阻器骨架應做成直角三角形。/(x) = kx變阻器骨架應做成拋物線形。阻器式傳感器的后接電路一般釆用電阻 分壓電路。"丄+()() 兀 RlXp優(yōu)點：是結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。缺點：是分辨力不高，因為受到電阻絲直徑的限制。應用：用于線位移、角位移測量，在測量儀器中用于伺服記錄 儀器或電子電位差計等。2.電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器可分為金屬電阻應變片式與半導體應變片式 兩類。(1)金屬電阻應變片工作原理:應變片發(fā)生機械變形時,其電阻值發(fā)生變化。金屬絲電阻應變片21 一電阻絲2基片3覆蓋

8、層4引出線金屬箔式應變片d)b）a）單軸b）測扭矩e)電阻絲的電阻值C）c）多軸d）平行軸多柵e）同軸多柵R = p A電阻絲即隨同物體一起變形，其電阻值發(fā)生相應變化r dR”dR6R A = 7rr2dR dl HuA -dpdldAdpdRdl2drdpRl rpdl=sI= Act = AEs Pdrdl= -v dR=£R+ 2 滄 + AEs = (1 + 2v)£? + AEs(l + 2i/)w是由電阻絲幾何尺寸改變所引起的，對于同一種材料，項是常數(shù)。2爲項則是由于電阻絲的電阻率隨應變的改變而引起的，對于 金屬絲來說，是很小的，可忽略。上式可簡化為dR門 c、

9、q (l + 2v)R靈敏度S廣羋£ = * =常數(shù) dl/l1=.(2)半導體應變片一般市售電阻應變片的標準阻值有60Q、1200、350Q、600Q 和1000Q等。其中以120Q最為常用。應變片的尺寸可根據(jù)使用 要求來選定。優(yōu)點：體積小、動態(tài)響應快、測量精確度高、使用簡便等。缺點：溫度穩(wěn)定性能差，在較大應變作用下，非線性誤差大等。應用：用于應變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)的測量。1 膠膜襯底2 P-Si3 內(nèi)引線4 焊接板23外引線4工作原理:是基于半導體材料的壓阻效應。壓阻效應是指單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時， 原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導致載流子遷移率及載流子

10、濃度 的變化，從而引起電阻率。變化的現(xiàn)象。在電阻相對變化的表達式中,(1 + 21/)$項是由幾何尺寸變化引 起的是由于電阻率變化而引起的。對半導體而言,加咒項 遠遠大于(1 + 2可$項，它是半導體應變片的主要部分，故電阻 相對變化的表達式可簡化為dRQR靈敏度優(yōu)點：靈敏度高，機械滯后小、橫向效應小、體積小等特點。 缺點：溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度離散度大,非線性誤差大等。 應用：用于壓力、加速度等參數(shù)的測量。電阻應變式傳感器有以下兩種應用方式：1）直接用來測定結構的應變或應力。2）將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加 速度等物理參數(shù)的傳感器。3. 固態(tài)壓阻式傳感器工作原理:是基于

11、半導體材料的電阻效應。!1!固態(tài)壓阻式傳感器是以單晶硅為基底材料，按一定晶向 將P型雜質(zhì)擴散到N型硅底層上，形成一層極薄的導電P型層。 此P型層就相當于半導體應變片中的電阻條，連接引線后就 構成了擴散型半導體應變片。由于基底（硅片）與敏感元件 （導電層）互相滲透，結合緊密，所以基本上為一體。在生產(chǎn) 時可以根據(jù)傳感器結構形成制成各種形狀，如圓形杯或長方 形梁等。這時基底就是彈性元件，導電層就是敏感元件。當 有機械力作用時，硅片產(chǎn)生應變，使導電層發(fā)生電阻變化。 一般這種元件做成按一定晶向擴散、四個電阻組成的全橋形 式，在外力作用下，電橋產(chǎn)生相應的不平衡輸出。應用：固態(tài)壓阻式傳感器主要用于測量壓力與

12、加速度。典型動態(tài)電阻應變儀二、電容式傳感器1.變換原理電容式傳感器是將被測物理量轉換為電容量變化的裝置，它 實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器 平行極板電容器的電容量根據(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 型和介質(zhì)變化型三類。(1) 極距變化型dC _ dS° §2a）極距變化靈敏度dC s =dS68b)b)輸出特性二-sosA 為了提高傳感器的靈敏度、線性度以及克服某些外界條件 （如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對測量精確度的影響，常常 采用差動式。優(yōu)點：可進行動態(tài)非接觸式測量，靈敏度高。缺點：非線性誤差大、雜散電容對靈敏度和測量精確度有影 響，配用的電子線

13、路較復雜。應用：適用于較小位移（0. 01頃數(shù)百微米）的測量。（2）面積變化型28角位移型S”二丘=常數(shù) da 23靈敏度21aa)2loc)a）角位移型b）平面線位移型c）柱體線位移型靈敏度212定板靈敏度21靈敏度21平面線位移型靈敏度21$ =空=衛(wèi)=常數(shù)dx 8靈敏度圓柱體線位移型C 27T£0£X ln（D/（y）靈敏度S“= 2嚀=常數(shù)dx ln（D/）優(yōu)點：輸出與輸入成線性關系。3靈敏度3靈敏度缺點:靈敏度較低3靈敏度3靈敏度應用：適用于較大直線位移及角位移測量。(3) 介質(zhì)變化型sqsA$ =空=翌=常數(shù) ds 83靈敏度介質(zhì)層a)層 緣 絕夕板a）介質(zhì)厚度

14、、溫度、濕度計b）介質(zhì)液位計應用：測量電介質(zhì)的液位或某些材料的溫度、濕度和厚度等。2.測量電路電容傳感器將被測物理量轉換為電容量的變化以后，由后續(xù)電路轉換為電壓、電流或頻率信號。(1)電橋型電路將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉換為電橋的電壓輸出，通常釆用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋。uy7dSs么I丄E°oo(3)諧振電路振蕩器G豐乙1 '仏2豐C2半C： f黑盍°毛輸出(4)調(diào)頻電路Rm | M AoA) “o4)b）Xa)靈敏度s = f三、電感式傳感器1=電感式傳感器是把被測量轉換為電感量變化的一種裝置， 其變換是基于電磁感應原理。按照變換方

15、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（差動變壓器式）O1.自感型（1）可變磁阻式NN21 飩 25IEa）可變磁阻結構b）特性曲線 1線圈2鐵心3銜鐵a)a）可變導磁面積型c）單螺管線圈型% ii 11§0ob)ood)b）差動型 d）雙螺管線圈差動型雙螺管線圈差動型，較之單螺管型有較高靈敏度及線性, 被用于電感測微計上，常用測量范圍為0300頃，最小分辨 力為0. 5Mmoa)Lfub)a）電橋電路b）輸出特性(2)渦流式 電渦流效應一塊金屬導體置于一只扁平線圈附近，相互間距為X。當 線圈中通有高頻交變電流ii時，在線周圍產(chǎn)生交變磁通0)1； 此交變磁通

16、69;1通過鄰近的金屬導體產(chǎn)生感應電流i2(這種電 流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱之為“渦電流”)。渦電流i2也將 產(chǎn)生交變磁通0)2。根據(jù)楞次定律，渦電流的交變磁場與線圈 的磁場變化方向相反，即®2總是抵抗的變化；從而使線圈 中的電流ii的大小和相位均發(fā)生變化，即線圈中的等效阻抗發(fā) 生變化。這就是電渦流效應。線圈等效阻抗的變化程度與線 圈的半徑r,激勵電流婦的頻率3、金屬導體的電阻率p、磁 導率以及線圈到金屬板間距離x等有關。Z = f(r, i", a x)當改變其中某一因素時，即可達到不同的變換目的。例如, 變化X,可作為位移、振動測量；變化P或唯，可作為材質(zhì)鑒 別或探傷等

17、。0i等效電路分析0i0i(&+ jeLji、- jeMi? =Uin 冬+ jcoL- jcoMl, =0Z牛RZ曲.r cd2M2 、 農(nóng)+莎厶;+丿"（廠2&+牡）= Re+ JLeRe =7?j+7?2（d2M2R；+o）Ha尋為由上式可看出：由于渦流效應的作用，線圈的阻抗由ZT +j叫 變成了ZY + MS比較Z。與Z可知：電渦流影響的結果使等效 阻抗Z的實部增大，虛部減小。即等效品質(zhì)因數(shù)Q值減小了，即 渦電流會消耗電能，在導體中產(chǎn)生熱量。Q = coLjReQo =eLjR渦流式傳感器的測量電路分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。傳感器線圈和電容組成并聯(lián)諧振回路，其

18、諧振頻率為分壓式調(diào)幅電路由振蕩器提供穩(wěn)定的高頻信號電源。當諧振頻率與該電源頻率相同時，輸出電壓如最大。測量時，傳感器線圈阻抗Z隨間隙而改變，LC回路失諧，輸出信號如頻率雖 然仍為振蕩器的工作頻率f，但幅值隨§而變化，它相當于 一個被5調(diào)制的調(diào)幅波，再經(jīng)放大、檢波、濾波后，即可以 得到間隙的動態(tài)變化信息。調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將傳感器線圈接入LC振蕩回路，與調(diào)幅法不 同之處是取回路的諧振頻率作為輸出量。當金屬板至傳感器 之間的距離5發(fā)生變化時，將引起線圈電感變化，從而使振 蕩器的振蕩頻率/發(fā)生變化，再通過鑒頻器進行頻率-電壓 轉換，即可得到與5成比例的輸出電壓。優(yōu)點：動態(tài)非接觸測量、分辨力

19、高（01師）、結構簡單、 使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等。缺點：測量范圍較小、靈敏度受被測材料性質(zhì)和面積影響。應用：電渦流傳感器通?？捎脕頊y量: 位移、振幅； 轉速； 表面裂紋、厚度； 材料分選、表面不平度等，還可以進行零件計數(shù)。電渦流傳感器在使用時應保證被測導體的面積要比線圈的 面積大，否則靈敏度下降。另外，對于不同的材料，由于磁導 率、電導率不同，也會導致靈敏度不同，因此，在使用前應對 傳感器進行標定。e)f)a）徑向振擺測量d）穿透式測厚b）軸心軌跡測量e）零件計數(shù)器c）轉速測量f）表面裂紋測量2.互感型一一差動變壓器式電感傳感器工作原理：這種傳感器利用了電磁感應中的互感現(xiàn)象，實質(zhì)上

20、就是一個變壓器。其一次側線圈接入穩(wěn)定交流電源，二次側線 圈感應產(chǎn)生一輸出電壓。當被測參數(shù)使互感M變化時，二次側 線圈輸出電壓也產(chǎn)生相應變化。由于常常釆用兩個二次側線圈 組成差動式，故又稱為差動變壓器式傳感器。實際應用較多的 是螺管形差動變壓器。c)wlhr 字b)a7( '1isvw WW2a)傳感器開路輸出電壓為兩次級線圈感應電動勢之差E（）= je（M、一M2）I = -jcoAM般采用反串電路和橋路兩種。下圖是一種用于測量電路：小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理圖。優(yōu)點：精確度高（最高分辨力可達0. lMm）、線性范圍大（可 擴展到± 100mm）、穩(wěn)定性好和使用方便

21、。缺點：實際測量頻率上限受到傳感器機械結構的限制。1=.|=應用：廣泛用于直線位移測定。借助于彈性元件可以將壓力、 重量等物理量轉換為位移的變化，故也將這類傳感器用于壓力、 重量等物理量的測量。第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器一、磁電式傳感器IT工作原理：根據(jù)電磁感應定理，一個匝數(shù)為W的線圈，當穿過 該線圈的磁通發(fā)生變化時，其感應電動勢的大小為：e = -Nddt線圈感應電動勢的大小，取決于匝數(shù)和穿過線圈的磁通變 化率。磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有 關，故若改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。按 照結構不同，磁電式傳感器可分為動圈式與磁阻式。1.動圈式動圈式又可分為

22、線速度型與角速度型O線圈/線圈a)b)a）線速度型b）角速度型線速度型 = NBlv sin 6e = NBlv角速度型e kNBA co測量電路輸出傳感器輸出電壓1 + 才 + jeCcZ。Kl注意：上面所討論的速度指的是線圈與磁場（殼體）的相對速度，而不是殼體本身的絕對速度。2.磁阻式工作原理：一般通過改變傳感器到被測對象間的氣隙厚度等方法來改變磁路磁阻。VC)d)a）測頻數(shù)b）測轉速c）偏心測量d）振動測量二、壓電式傳感器工作原理：利用某些物質(zhì)的壓電效應。1.壓電效應|正壓電效應：某些物質(zhì)在沿一定方向受外力的作用而變形時, 其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負 相反的電荷

23、。當外力去掉后，它又恢復到不帶電的狀態(tài)。這 種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時電荷的極性 也隨之改變 逆壓電效應：當在這種物質(zhì)的極化方向上施加電場時，其幾何 尺寸也會發(fā)生變化。電場去掉后，其變形也隨之消失，這種現(xiàn) 象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮效應。2.壓電材料常用的壓電材料大致可分為三類：壓電單晶、壓電陶瓷和有機 壓電薄膜。壓電單晶為單晶體，常用的有q .石英（SiO, 鋸酸鋰（LiNbOj、 鉗酸鋰（UTaOj等。除天然石英外，還大量應用人造石英。石英 的壓電常數(shù)不高，但具有較好的機械強度和時間、溫度穩(wěn)定性。Z光軸Y機械軸YX電軸石英晶體切片Y石英晶體的化學式是Si。?, 向異性

24、。是單晶體結構。其的最大特點是各當石英晶體切片受X向壓力時，所產(chǎn)生的電荷量與作用力成 正比，而與切片的幾何尺寸無關。Qx=dnFx壓電系數(shù)么1=2.31x10-2 C/N電荷極性與受力方向有關。+ + + + + + +X1Fx11y1 r1十+ '十+24 +11y + + + + + + +當沿著Y軸方向施加壓力時，則仍在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生 電荷，產(chǎn)生的電荷量與切片的幾何尺寸有關，且電荷的極性與 沿電軸X方向施加壓力時產(chǎn)生的電荷極性相反。=12（_）耳a壓電系數(shù)dn = dn當沿著Z軸方向施加壓力時，由于晶體沿X軸和Y軸方向產(chǎn)生 同樣的變形，石英晶體不會產(chǎn)生壓電效應，即d13=

25、0o石英晶體的特性與其內(nèi)部結構有關。+ + + +|壓電陶瓷由許多鐵電體的微晶組成，微晶再細分為電疇，因而 壓電陶瓷是許多疇形成的多疇晶體。當加上機械應力時，它的 每一個電疇的自發(fā)極化會產(chǎn)生變化，但由于電疇的無規(guī)則排列, 因而在總體上不現(xiàn)電性，沒有壓電效應。為了獲得材料形變與 電場呈線性關系的壓電效應，在一定溫度下對其進行極化處理, 即利用強電場(14kV / mm)使其電疇規(guī)則排列，呈現(xiàn)壓電性。 極化電場去除后，電疇取向保持不變，在常溫下可呈壓電性。 壓電陶瓷的壓電常數(shù)比單晶體高得多，一般比石英高數(shù)百倍?，F(xiàn)在的壓電元件大多數(shù)釆用壓電陶瓷。如錯鈦酸鉛(PZT)系列壓電陶瓷。加直流電場極化極化后

26、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，可用于微壓測量和機器 人的觸覺。其中以聚偏二氟乙烯(PVdF)最另著名。3.壓電式傳感器及其等效電路在手電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構成 兩個電極。當晶片受到外力作用時，在兩個極板上將積聚數(shù)量 相等、而極性相反的電荷，形成了電場。因此壓電傳感器可以 看作是一個電荷發(fā)生器，又是一個電容器，其電容量C為5實際壓電傳感器中，往往用兩個和兩個以上的進行串接或并接。并接時，兩晶片負極集中在中間極板上，正電極在兩側的電極±o并接時電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)大，宜于測量緩變信號，適宜于以

27、電荷量輸出的場合。等效電荷源Slfl由于壓電式傳感器的輸出電信號是很微弱的電荷，而且傳感器 本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困 難。為此，通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃? 經(jīng)過阻抗變換以后，方可用一般的放大、檢波電路將信號輸給 指示儀表或記錄器。前置放大器電路的主要作用有兩點：一是將傳感器的高阻抗輸 出變換為低阻抗輸出；其次是放大傳感器輸出的微弱電信號。前置放大器電路有兩種形式：其一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；另一種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。電荷放大器是一個高增益帶電容反饋的運算放大器

28、，當略去傳 區(qū)器漏電阻及電荷放大器輸入電阻時，它的等效電路如下圖所 Zjl O0P 氷 mlMk d氣B啜耦WK-床騙y輕咪呂 <9p+(<9m)二 Ho電荷放大器的優(yōu)點是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關。因此，釆用電荷放大器時，即使連 接電纜長度達百米以上時，其靈敏度也無明顯變化。串接時，正電荷集中在上極板，負電荷集中在下極板。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。串接等效電壓源1=Ui電壓放大器是一個高增益的運算放大器，當略去傳感器漏電 阻及電壓放大器輸入電阻時，它的等效電路如下圖所示。Hk-n C R. C.n豐屮豐C.5 =

29、 5 = 4 = CaUaUa Z£Cq +Cc +Cz.)5 = -AUtA5Q+q+G由于電纜對地電容Cc比Ca和Ci都大，故整個測量系統(tǒng)對電纜 對地電容Cc的變化非常敏感。連接電纜的長度和形態(tài)變化會 引起Cc的變化，導致傳感器輸出電壓的變化，從而使儀器的 靈敏度也發(fā)生變化5.壓電式傳感器的應用優(yōu)點：靈敏度、分辨率高，線性范圍大，體積小，動態(tài)響應 范圍寬等。缺點：由于電荷的泄漏，使壓電式傳感器實際上低端工作頻 率無法達到直流，難以精確測量常值力。應用：壓電式傳感器常用來測量應力、壓力、振動的加速度, 也用于聲、超聲和聲發(fā)射等測量。5 = 三、熱電式傳感器熱電式傳感器是把被測量（主

30、要是溫度）轉換為電量變化的 一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應。按照變換方式的不 同，可分為熱電偶與熱電阻傳感器。IIISilSia1.熱電偶傳感器（1）熱電偶的工作原理:基于金屬的熱電效應。熱電效應：把兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路，如果 將它們的兩個接點分別置于溫度為T及To （假定T>T0）的熱源中, 則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。所產(chǎn)生的熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分組成。接觸電勢：A、B兩導體接觸后，由于電子濃度不同，在截面 附近產(chǎn)生接觸電勢：EAB(T) = lne nBK波爾茨曼常數(shù)K = 1.38x 1（嚴Jce電子電荷量幺=4.80

31、2x 10- °nA> nB導體A、B的自由電子密度T絕對溫度。溫差電勢：當一塊導體兩端溫度不同時，在導體兩端形成溫差 電勢。Eb(T,T0)= ( adtJ/oEa（T，T°）=:血O湯奴遜系數(shù)，與材料性質(zhì)及導體兩端平均溫度有關。所以，當兩種材料AB組成一個閉合回路時，設T>T0時，回 路中總電勢為EAB (T,T°)=Eab (T)-Eab(T0)+Eb(T,T0)-Ea(T,T0)實驗和理論均已證明：熱電偶回路的熱電勢主要是由接觸電勢 電勢引起的，又由于Eab和已壯（T。）的極性相反，所以回路總 電勢為結論:1) 若組成熱電偶的回路的兩種導體相同

32、，則無論兩接點溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動勢為零;2) 若熱電偶兩接點溫度相同，則盡管導體A、B的材料不同, 熱電偶回路中的總熱電動勢也為零；3) 熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只與材料、接點處的溫度有關，而與材料的尺寸、幾何形狀無關;4) 若A、B材料確定，熱電偶的總熱電動勢Eab(T, To)成為溫度 T和To的函數(shù)差；EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)如果使冷端溫度T。固定，f(TO)=C (常數(shù))，則熱電動勢就只 是工作端溫度T的單值函數(shù)EAB(T,T0) = f(T)-C熱電偶基本定理中間導體定律：在由A、B兩種導體組成的熱電偶回路中，將 冷端斷開，接入第三種或更多種導體，只要保證接

33、入端的溫 度相同，則回路總電勢不變。CA TO證明:E abc(T = Eab(T) + Ebc (Tq ) + Eca (To ) + Eb (77) + Ec (7, 7) + EA(TQ9T) =In + In +- In ) + I*7 cBdt+ (Jcdt+ p' crAdtq nB q % q %a=Eae(T)- Eae(T°)+ Ee(T,T°) - Ea(T°)= Eab(TJ0)中間溫度定理Eab（T，T°） EabQ，TJ + EabQqTJ中間溫度定理為制定熱電偶分度表奠定了基礎。根據(jù)中間溫度 定理，只需列出冷端為0C時

34、各工作端溫度與熱電勢的關系表。 若冷端不為0°C時，此時所產(chǎn)生的熱電勢就可按上式計算。標準電極定理Eab（T'T°）= die（卩'幾）+ Ecb（T'To） =EacQ，%） Ebc （T, To）導體C稱作 參考電極有時熱電偶的兩個極AB的分度表不知，但知道AC、BC的分度 表，根據(jù)標準電極定理就可以獲得A、B的分度表。III3）鐮輅-考銅熱電偶（WREA）由鎳輅材料與銀、銅合金材料 組成，用符號EA表示。熱偶絲直徑一般為ei22. Omm。 銀您為正極，考銅為負極。適宜于還原性或中性介質(zhì)，長期 使用溫度在600°C以下，短期測量可達8

35、00°Co EA熱電偶的特 點是熱電靈敏度高、價格便宜，但測溫范圍低且窄，考銅合 金易受氧化而變質(zhì)。1=|回4）鉗錯30-鉗錯6（WRLL）熱電偶 這種熱電偶以鉗錯30絲為正 極，鉗錯6絲為負極，用符號LL表示。可長期測量1600C的高 溫。LL熱電偶性能穩(wěn)定、精度高，適于在氧化性或中性介質(zhì) 中使用。但它產(chǎn)生的熱電動勢小，且價格昂貴。LL熱電偶由 于在低溫時熱電動勢極小，因此冷端在40C以下時，對熱電 動勢可不必修正。在測量時，為使熱電偶與被測溫度間呈單值函數(shù)關系，需要一 些特定的處理手段或補償使熱電偶冷端的溫度保持恒定。2.熱電阻傳感器幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨本身溫度的變化而變化，

36、這種現(xiàn)象 稱為熱電阻效應。利用熱電阻效應制成的傳感器叫熱電阻傳感 器，它主要用于對溫度和與溫度有關的參數(shù)測定。按熱電阻的 性質(zhì)來分，可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類，前者通 常簡稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。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) 鉗電阻特點：是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。電阻與溫度之間的關系(經(jīng)驗公式)0°C < r < 850°C- 200°C < t < 0°CRt =R0(l + At+Bt2)尺=傀1 + 加+血2 +(io血3A常數(shù)，A=3. 9

37、6847X10-3/ °C ；B常數(shù)，B=-5. 847X 10-7/°C2；C常數(shù)，O-4.22X10T2/ °C4o豐蠶靂熱電阻分度號有險、沁，相應的記為喻、鉗電阻體是用很細的鉗絲繞在云母、石英或陶瓷支架上做成的。 常用的WZB型鉗電阻體是由直徑為0. 030. 07mm的鉗絲繞在云 母片制成的平板型支架上，鉗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。1鉗絲2釧釘3銀導線4絕緣片5夾持件6骨架(2) 銅電阻電阻與溫度之間的關系(經(jīng)驗公式)尺=凡(1 + 血)-50°C < t < 150°Ca電阻溫度系數(shù)，取

38、值范圍(4. 254. 28) XI0-3/°C我國生產(chǎn)的銅熱電阻的代號為WZC,按其初始電阻R0的不同, 有500和1000兩種，分度號為Cu50和CulOOo優(yōu)點：線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價格便宜等。缺點：是電阻率小，當溫度超過100C時，銅容易氧化，因此 它只能在低溫和沒有浸蝕性介質(zhì)中工作。銅電阻體是一個銅絲繞組（包括猛銅補償部分），它是由直徑約 為0. 1mm的絕緣銅絲雙繞在圓形塑料支架上，如下圖所示。1線圈骨架2銅熱電阻絲3補償繞組4銅引出線第五節(jié)光電傳感器光電傳感器是將光信號轉換為電信號的傳感器。若用這種 傳感器測量其他非電量時，只需將這些非電量的變化先轉換為 光信號

39、的變化。這種測量方法具有結構簡單、可靠性高、精度 高、非接觸和反應快等優(yōu)點，被廣泛用于各種自動檢測系統(tǒng)中。光電測量原理光電傳感器的物理基礎是光電效應。用光照射某一物體， 即為光子與物體的能量交換過程，這一過程中產(chǎn)生的電效應稱 為光電效應。光電效應按其作用原理分為外光電效應、內(nèi)光電 效應和光生伏打效應。1外光電效應在光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應。在這一過程中光子所攜帶的電磁能轉換為光電子 的動能。當物體受到光輻射時，其中的電子吸收了一個光子的能量hv, 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能mv2/2,即h普朗克常數(shù)hv

40、= mv2 + A2h=6. 62620 X ICT”J $m電子質(zhì)量;由上式可知:v電子逸出速度;A物體的逸出功。1）光電子逸出表面的必要條件是hv>Ao因此，對每一種光電 陰極材料，均有一個確定的光頻率閾值。當入射光頻率低于該 值時，無論入射光的強度多大，均不能引起光電子發(fā)射。反之, 入射光頻率高于閾值頻率，即使光強極小，也會有光電子發(fā)射,稱為某種光電器且無時間延遲。對應于此閾值頻率的波長入o 件或光電陰極的“紅限”，其值為heA1239 （如）c光速,c=3 X108m/s2）當入射光頻率成分不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與 入射光光強成正比。光強愈大，意味著入射光子數(shù)多，逸出的

41、 光電子數(shù)亦愈多。3）對于外光電效應器件來說，只要光照射在器件陰極上，即使陰極電壓為零，也會產(chǎn)生光電流。這是因為光電子逸出時具 有初始動能。要使光電流為零，必須使光電子逸出物體表面時 的初速度為零。為此要在陽極加一反向截止電壓,使外加電 場對光電子所作的功等于光電子逸出時的動能，即e電子電荷,e=l. 602X10-19Co反向截止電壓U°僅與入射光頻率成正比，與入射光光強無關。外光電效應器件有光電管和光電倍增管等o2.內(nèi)光電效應在光照作用下，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)部的自由電子，從而使物體的導電性 能如電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱內(nèi)光電效應（光導效

42、應）O發(fā)生內(nèi)光電效應的臨界波長由下式確定1239(nrri) Eg材料的禁帶寬度。錯為0. 75eV,硅為1. 2eVo,<r<:內(nèi)光電效應器件主要為光敏電阻以及由光敏電阻制成的光導管。3.光生伏打效應光線照射在半導體的P-N結上時，在結附近激發(fā)出電子空穴對，在結電場的作用下，電子向N區(qū)運動，使P區(qū)剩下空穴,從而N區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電，形成光生電動勢。這種現(xiàn)象稱 為光生伏打效應。光生伏打效應器件主要有光電池，光敏三極管，二極管等。二、光電元件1. 光電管光電管主要兩種結構形式a)b)a）金屬底層光電陰極光電b）光透明陰極光電管光電管的特性主要取決于光電陰極材料，不同的陰極材料對不

43、同波長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。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G之間的比例 關系。00.5 1.0 1.5 2.0 2.51佛鎧光電陰極的光電管2氧鏈光電陰極的光電管 光電管的伏安特性是光電管的另一個重要性能指標，指在恒定 的入射光的頻率成分和強度條件下，光電管的光電流1°與陽極 電壓Ua之間的關系。<K2. 光電倍增管a)b)a）結構b）電路1入射光2第一倍增極3第三倍增極4陽極A 5第四倍增極6第二倍增極7陰極K光電倍增管陽極電流I與陰極電流I。之

44、間的關系KC5）"6 每極的倍增率（一個電子能轟擊產(chǎn)生出6個次級電子）；C各次陰極電子收集率；n-次陰極數(shù)。3. 光敏電阻某些半導體材料（如硫化鎘等）受到光照時，若光子能量hv 大于本征半導體材料的禁帶寬度，價帶中的電子吸收一個光子后便可躍遷到導帶，從而激發(fā)出電子-空穴對，于是降低了材 料的電阻率，增強了導電性能。阻值的大小隨光照的增強而降 低，且光照停止后，自由電子與空穴重新復合，電阻恢復原來 的值。光敏電阻電極光照電極imiH-電源黑色絕緣玻璃引線玻璃光電導層電極絕緣襯底 金屬殼光敏電阻外殼封裝光敏電阻丁作原理光敏電阻的特點是靈敏度高、光譜響應范圍寬，可從紫外一直到紅外，且體積小

45、、性能穩(wěn)定。光敏電阻的材料種類很多，適用的波長范圍也不同。如硫化 鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)適用于可見光(0. 40. 75頃)的范 圍；氧化鋅(ZnO).硫化鋅(ZnS)適用于紫外光范圍；而硫化 鉛(PbS).硒化鉛(PbSe).確化鉛(PbTe)則適用于紅外光范光敏電阻的主要特征參數(shù)：（1）光電流、暗電阻、亮電阻（2）光照特性（3）伏安特性光譜特性（5）響應時間特性（6）光譜溫度特性4. 光敏晶體管9暗電流很小。當光敏二極管的PN結安裝在管子頂部，可直接接受光照，在電 路中一般處于反向工作狀態(tài)。在無光照時有光照時，光子打在PN結附近，從而在PN結附件產(chǎn)生電子-空 穴對。它們在內(nèi)電場作

46、用下作定向運動，形成光電流。光電 流隨光照度的增加而增加。因此在無光照時，光敏二極管處 于截止狀態(tài)，當有光照時，二極管導通。PN光G0b)a)a）光敏二極管符號b）光敏二極管的連接光敏晶體管有NPN型和PNP型兩種。當光照到三極管的PN結附近 時，在PN結附件有電子-空穴對產(chǎn)生，它們在內(nèi)電場作用下作 定向運動，形成光電流。這樣使PN結的反向電流大大增加。由 于光照發(fā)射極所產(chǎn)生的光電流相當于晶體管的基極電流，因此 集電極的電流為光電流的卩倍，因此光敏晶體管的靈敏度比光敏二極管的靈敏度高。pNpb1光NpN光Oba)b)e光敏晶體管的基本特性有:(1)光照特性(4) 溫度特性(2)伏安特性(5)

47、響應時間(3) 光譜特性5. 光電池有硅、硒、碑化稼、硫化鎘、硫化鎧光電池種類很多，光電池等。其中硅光電池由于其轉換效率高、壽命長、價格 便宜而應用最為廣泛。光電池的工作原理：當光輻射至PN結的P型面上時，如果光子 能量大于半導體材料的禁帶寬度，則在P型區(qū)每吸收一個光子 便激發(fā)一個電子-空穴對。在PN結電場作用下，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)。結果，在N區(qū)便會積 聚負電荷，在P區(qū)則積聚正電荷。這樣，在P區(qū)和N區(qū)之間形成 電勢差，若將PN結兩端以導線連接起來，電路中就會有電流流 過。光電池的基本特性包括光照特性、頻率響應、光譜特性和溫 度特性等。常用的硅光電池的光譜范圍

48、為0. 451. lMm,在 800A左右有一個峰值；而硒光電池的光譜范圍為0. 340. 57Mm,比硅光電池的范圍窄得多，它在500A左右有一個峰 值。此外，硅光電池的靈敏度為68nAmnr2ixT,響應時間為 數(shù)微秒至數(shù)十微秒。三、光電傳感器的應用1.模擬量光電傳感器把被測量轉換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值對 應關系。屬于這一類的光電元件有以下幾種形式：1）光源本身是被測物（見圖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中，它的 光輻射的強度和光譜的強度分布都是被測溫度的函數(shù)。2）恒光源所輻射的光穿過被測物，部分被吸收，而后到達 光電元件上（

49、見圖3-50b） o吸收量取決于被測物質(zhì)的被測 參數(shù)。例如，測液體、氣體的透明度、混濁度的光電比色計、 混濁度計的傳感器等。光電比色高溫計田15 光電比色氏溫計的琢理結構圖1«1«1 2平杼平面琥璃片 $光BK 4光忌特 5E®陋反姑械 6分光悽 7、9一慮光片 8、1Cife禿電1* :H一 柱反射憧 12B« 13ttit K 15Kt光電池處毀電虹 16可逆電動機 "一放大器透射式光電傳感器光源光電元件3）恒光源所輻射的光照到被測物，由被測物反射到達光電 元件上。表面反射狀態(tài)取決于該表面的性質(zhì)，因此成為被測 非電量的函數(shù)。如測量表面粗糙度等儀器的傳感器。反射法檢測粗糙度、裂紋4）恒光源所輻射的光遇到被測物