機(jī)電一體 第3章 傳感器和轉(zhuǎn)換器課件

第三章傳感器和轉(zhuǎn)換器

3．1概述在許多測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器和轉(zhuǎn)換器都是用來(lái)提供系統(tǒng)狀態(tài)信息的。國(guó)際上對(duì)“傳感器”和“轉(zhuǎn)換器”采用不同的定義,但在有些情況下它們的定義可以互換。本課程采用后續(xù)定義：傳感器、轉(zhuǎn)換器定義傳感器——在測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)所測(cè)(特定)物理參數(shù)發(fā)生響應(yīng)的器件。

轉(zhuǎn)換器——把能量和信息從系統(tǒng)某一部分傳送到系統(tǒng)另一部分的器件。在傳送過(guò)程的同時(shí)，能量形式也可能發(fā)生變化。

在使用時(shí)通常不做嚴(yán)格區(qū)分。

例：用碼盤(pán)、光敏傳感器測(cè)量圖所示的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)可以表示各級(jí)之間的關(guān)系。圖中，從光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)帶有狹縫的圓盤(pán)(稱(chēng)為編碼盤(pán))后產(chǎn)生一系列的脈沖，換能器接收這些脈沖并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖。后處理級(jí)對(duì)一定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并計(jì)算出編碼圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度。傳感器傳遞信息的物理基礎(chǔ)是能量轉(zhuǎn)化。有6種能量形式可用于信息傳遞。其中，電能在機(jī)電一體化系統(tǒng)中最為重要，這是因?yàn)殡娦盘?hào)易于處理。當(dāng)然其他能量形式也能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。輻射能—包括所有的電磁波譜，主要參數(shù)為：頻率、相位、強(qiáng)度和極化方向等。機(jī)械能—主要參數(shù)是：距離、速度、尺寸和力等。熱能—有多種溫度效應(yīng)和熱效應(yīng)可以利用，主要參數(shù)有熱容、潛熱和相變特性等。電能—主要參數(shù)為：電流、電壓、電阻、電容和電感等。磁能—包括磁場(chǎng)參數(shù)，如磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度等?；瘜W(xué)能—涉及物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和行為，主要參數(shù)為：濃度、晶體結(jié)構(gòu)和凝聚狀態(tài)等。無(wú)源和有源傳感器根據(jù)能源利用情況，傳感器可分為：在轉(zhuǎn)換中不需要外界附加能量的無(wú)源(直接式）感器和在轉(zhuǎn)換中需要外界附加能量的有源(間接式)傳感器。光電轉(zhuǎn)換裝置和熱電偶等直接式傳感器就是直接把輸入能量轉(zhuǎn)換成電能輸出的。應(yīng)變片和霍爾器件等間接式傳感器則需要附加能量以產(chǎn)生電信號(hào)。傳感器所需的附加能量必須屬于上述6種能量形式。典型被測(cè)機(jī)械參量位移——線位移和角位移；速度——線速度、角速度和流速等；加速度——振動(dòng)；幾何量——位置、長(zhǎng)度、面積、厚度、體積、光潔度等；質(zhì)量——重量、負(fù)載、密度；力——靜力、動(dòng)力、壓差、力矩、功率；其他——硬度、黏度。測(cè)量時(shí)的性能指標(biāo)性能可以用精度、穩(wěn)定性、線性度、靈敏度、量程等靜態(tài)性能和響應(yīng)特性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)來(lái)評(píng)估。在選用器件時(shí)必須考慮這些指標(biāo)。輸出信號(hào)種類(lèi)模擬量輸出——產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的輸出信號(hào)，信號(hào)的某些性質(zhì)直接與被測(cè)量大小有關(guān)。數(shù)字量輸出——產(chǎn)生一個(gè)串行的或并行的數(shù)字信號(hào)，信息可以在一些固定的時(shí)間間隔上提取，也可以按要求提取。頻率輸出——產(chǎn)生的信號(hào)頻率是被測(cè)量的函數(shù)。輸出的連續(xù)波形或脈沖波形，可以用計(jì)數(shù)器和定時(shí)器將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字形式。代碼輸出——可以產(chǎn)生各種不同的編碼信號(hào)，包括：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制和脈沖位置調(diào)制。3．1．2傳感器技術(shù)的發(fā)展傳感器技術(shù)發(fā)展，主要表現(xiàn)為：半導(dǎo)體硅材料傳感器、采用光纖的光學(xué)系統(tǒng)、壓電器件、超聲器件等等。各種器件都和日益增強(qiáng)的信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，特別是把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)處理電路與敏感元件做在一個(gè)芯片上，并由這一做法提出了智能化傳感器的概念，如右圖所示。新型轉(zhuǎn)換器1.固態(tài)轉(zhuǎn)換器2.光電轉(zhuǎn)換器3.壓電轉(zhuǎn)換器4.超聲轉(zhuǎn)換器固態(tài)轉(zhuǎn)換器用厚薄技術(shù)生產(chǎn)出的硅材料傳感器已被廣泛使用。微加工技術(shù)已經(jīng)能夠把很復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)做成集成電路芯片大小的尺寸。應(yīng)變片、加速度傳感器和壓力傳感器中用的梁、膜等構(gòu)件就是用微加工技術(shù)制造的。甚至像齒輪、杠桿和馬達(dá)這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也有望制造在一個(gè)芯片上。在可靠性、信號(hào)處理能力、信噪比和成本等方面，硅材料及其他半導(dǎo)體材料做成的傳感器有很大的優(yōu)越性。壓電轉(zhuǎn)換器作為微型加速器和超聲測(cè)距系統(tǒng)的基礎(chǔ)，壓電器件已經(jīng)被使用了許多年。用表面聲波(SAW)技術(shù)已經(jīng)能開(kāi)發(fā)出用于氣體探測(cè)和壓力敏感場(chǎng)合的壓電轉(zhuǎn)換器。超聲轉(zhuǎn)換器作為非接觸式測(cè)量手段，從過(guò)程控制系統(tǒng)到醫(yī)療成像系統(tǒng)，超聲測(cè)量的應(yīng)用范圍日益廣泛。與接觸式測(cè)量相比，非接觸式測(cè)量有以下優(yōu)點(diǎn)：1)減少了接觸爆炸性、放射性、毒性、腐蝕性或易燃物質(zhì)可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)性；2)避免了對(duì)藥物或食物等被測(cè)物的接觸污染；3)簡(jiǎn)化了對(duì)傳感器和轉(zhuǎn)換器的維護(hù)。超聲測(cè)量靠對(duì)超聲脈沖的多普勒(Doppler)效應(yīng)或?qū)Τ暶}沖的反射、吸收及散射來(lái)得到信息。3．2電阻型傳感器電位器應(yīng)變片電阻式溫度傳感器(電阻溫度計(jì)、半導(dǎo)體熱敏元件)電位器由溫度變化導(dǎo)致電阻值以20×10-6／℃的規(guī)律變化(對(duì)于線圈式電位器)，因此會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；當(dāng)把測(cè)量?jī)x表連接到輸出端時(shí)，相當(dāng)于給輸出端加了一個(gè)負(fù)載，將會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。圖中顯然，Rl>>R2時(shí)，R0≈R2。因此，為了保證測(cè)量精度，通常次級(jí)(無(wú)論是測(cè)量?jī)x表還是信號(hào)處理電路)的輸入阻抗越大越好。應(yīng)變片若將某種導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料沿軸向拉伸，則它的長(zhǎng)度將沿加載方向發(fā)生變化，其電阻值也將隨之變化。這個(gè)變化率(長(zhǎng)度的改變／原長(zhǎng))是一個(gè)無(wú)量綱的參數(shù)，表示材料的應(yīng)變。典型的電阻應(yīng)變片如圖所示，它由一些電阻型金屬薄膜和基襯組成，基襯用來(lái)將所加載荷傳給應(yīng)變片。如果沿應(yīng)變儀的軸向加載，那么將產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變，使得應(yīng)變片的有效長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻變化。因此，電阻值的變化反映了外加負(fù)載力的大小。應(yīng)變式電阻傳感器常用來(lái)測(cè)量力、扭矩、壓力、加速度等物理量。電阻的變化(即應(yīng)變)通常是由圖所示的電橋測(cè)量的。由應(yīng)變產(chǎn)生的不平衡電位為對(duì)于電阻變化較小的情況為G是應(yīng)變靈敏系數(shù)，對(duì)于金屬薄膜應(yīng)變片，其值為2～4。溫度的變化會(huì)引起應(yīng)變片電阻的變化，因此在橋路上安裝帶補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變片應(yīng)與測(cè)量的應(yīng)變片具有相同的溫度特性，以消除溫度的影響，如圖所示。補(bǔ)償應(yīng)變片應(yīng)安裝在離測(cè)量應(yīng)變片最近的地方，這就需要將兩個(gè)應(yīng)變片以適當(dāng)角度（90o）安裝在被測(cè)件上，如圖所示。橫向效應(yīng)直線電阻絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變不同，園弧部分使G↓，這種現(xiàn)象稱(chēng)為橫向效應(yīng)。為減小橫向效應(yīng)，常采用箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)電阻溫度計(jì)電阻溫度計(jì)是阻性溫度轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)，它包括由一段鉑絲做成的小軸心，軸心被空心軸包圍。金屬圈的熱慣量導(dǎo)致其靈敏性較低、對(duì)溫度變化響應(yīng)速度慢，因此它常用來(lái)測(cè)量穩(wěn)態(tài)溫度。典型應(yīng)用如圖示，電阻溫度計(jì)成為電橋的一個(gè)臂。半導(dǎo)體熱敏元件半導(dǎo)體熱敏元件是一種半導(dǎo)體電阻元件，其熱性能已知，通常用來(lái)測(cè)量范圍在-30Co～200Co的溫度。由于它體積小、熱慣量小，所以通常用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)溫度。必須注意，在使用半導(dǎo)體熱敏元件時(shí)，由于熱敏元件本身的發(fā)熱會(huì)帶來(lái)誤差。半導(dǎo)體熱敏元件的主要缺點(diǎn)是它的非線性特性，這限制了它的應(yīng)用范圍。但是由于測(cè)量系統(tǒng)使用微處理機(jī)，這種固有的非線性可以用軟件來(lái)克服，使得半導(dǎo)體熱敏元件的應(yīng)用范圍大大增加。3．3電容式傳感器電容式傳感器按極板的形狀來(lái)分，可分為平板形和圓柱形兩種。當(dāng)電容器極板的間隙、極板的面積或極板間介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，也就是說(shuō)改變r(jià)、A、L、a、b或d這些參數(shù)時(shí)，電容器的電容量就會(huì)改變。平行板電容器如果忽略電容器的邊緣效應(yīng)，則圖所示的平行板電容器的電容量為ε0——真空狀態(tài)的介電常數(shù)，其值為8．854x10-12(F/m)；εr—絕緣材料的相對(duì)介電系數(shù)；A——平行板的有效正對(duì)面積；d——平行板之間的距離。圓柱形電容器以?xún)蓚€(gè)同軸空心圓柱構(gòu)成的圓柱形電容器（如圖）的電容量為電容的變化量可由圖所示的電橋測(cè)出，滿足電容器也可以與一個(gè)振蕩器組合起來(lái)作為一個(gè)調(diào)諧電路，電容值改變將使振蕩頻率發(fā)生改變，其頻率改變量由一對(duì)諧振電路的輸出電壓差測(cè)出，如圖所示，將兩諧振電路分別調(diào)到稍微不同的諧振頻率即可。這時(shí)放大器的輸出就是關(guān)于參考頻率fr的近似線性變量。變頻諧振測(cè)試儀

變間隙式電容傳感器可用來(lái)測(cè)量流體壓力或壓力差。當(dāng)流體壓力使薄膜產(chǎn)生移動(dòng)時(shí)，電容極板的間隙發(fā)生變化從而引起電容量的改變，其變化量為需要測(cè)量壓力差，特別是微小的壓力差時(shí)，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的電容傳感器。如圖。此結(jié)構(gòu)靈敏度和線性度都較高。當(dāng)有壓差時(shí)，薄膜會(huì)向左或右移動(dòng)，此時(shí)一個(gè)電容量在增加而另一個(gè)電容量在減少，電容的變化量為

差動(dòng)式結(jié)構(gòu)電容傳感器應(yīng)用實(shí)例一圖示是一個(gè)汽缸密封性能測(cè)試系統(tǒng)。圖中5是密封性能極好的標(biāo)準(zhǔn)容器，6是從生產(chǎn)線上取出抽檢的被測(cè)容器，因?yàn)楸粶y(cè)容器要求的保壓值較高，一般情況下密封性能也較好，如選用壓力傳感器則很難達(dá)到測(cè)量精度要求，因此選擇壓差傳感器。在加壓過(guò)程穩(wěn)定后，關(guān)閉截止閥2和截止閥3。在一定時(shí)間間隔之后，如果被測(cè)容器的密封很好，無(wú)泄漏，則傳感器輸出無(wú)偏差；如果有泄漏，則根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的讀數(shù)的大小來(lái)判斷產(chǎn)品是否合格。差動(dòng)式結(jié)構(gòu)電容傳感器應(yīng)用實(shí)例二用變介質(zhì)式的圓柱形電容器測(cè)量液面高度，如圖所示。液面高度變化時(shí)，會(huì)引起極間不同介質(zhì)ε0和εr的界面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容的變化，且輸出電容與液面高度為線性關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)式為3．4電感式傳感器電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(因?yàn)闆](méi)有活動(dòng)電觸點(diǎn)，所以工作可靠)、測(cè)量范圍寬(可達(dá)幾百毫米)、靈敏度高(微米級(jí))、重復(fù)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用較為廣泛。線性可調(diào)差動(dòng)變壓器可調(diào)線性電感傳感器感應(yīng)同步器電感式速度傳感器線性可調(diào)差動(dòng)變壓器如圖a所示，線性可調(diào)差動(dòng)變壓器(LVDT)有一個(gè)初級(jí)線圈和一對(duì)次級(jí)線圈，初級(jí)線圈的電源電壓頻率為幾千赫茲。鐵芯的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的耦合程度，進(jìn)而改變次級(jí)線圈感應(yīng)電壓的大小。將次級(jí)線圈的輸出反相串聯(lián)，因?yàn)閂0＝V1-V2，再以差動(dòng)整流電路作為測(cè)量電路，則輸出電壓V0將按圖b所示情況發(fā)生變化。差動(dòng)變壓器常被用來(lái)測(cè)位移?？烧{(diào)線性電感傳感器這種傳感器使用線圈擾流器進(jìn)行工作，如圖所示。在100Hz或更高的頻率下對(duì)線圈激磁，這時(shí)擾流器中感生的渦流會(huì)改變線圈的有效電感，且此電感是關(guān)于擾流器位置的函數(shù)。由于這種轉(zhuǎn)換器沒(méi)有用磁性材料，因此，與其他電感轉(zhuǎn)換器相比，它受雜散磁場(chǎng)的影響較小，且消除了磁滯及磁場(chǎng)非線性，測(cè)量位移的范圍可達(dá)220mm。

感應(yīng)同步器如圖a，直線式感應(yīng)同步器包括一個(gè)固定導(dǎo)軌(可達(dá)幾米長(zhǎng))和一個(gè)滑塊。兩者由厚度為0.1～0.15mm的空氣隔開(kāi)，它們之間存在磁耦合。滑塊上裝有一對(duì)線圈，兩線圈的相對(duì)距離成1/4節(jié)距，即90o電角度，如圖b所示。當(dāng)在滑軌線圈上加一正弦信號(hào)時(shí)(頻率達(dá)幾千赫)，滑塊線圈上將產(chǎn)生兩個(gè)電壓，兩個(gè)電壓的相位差是90o，且電壓的大小隨滑塊位置的改變.因?yàn)榫€圈間的耦合是變化的，滑塊上線圈的電壓可以表示為

X--對(duì)于零點(diǎn)處的位移；K--常數(shù)，與滑塊線圈和導(dǎo)軌線圈間的耦合系數(shù)有關(guān)；p--繞組節(jié)距(一般為2mm)從上式可知，這種傳感器的輸出電壓，在一定條件下是呈正弦變化的。在幾毫米的距離內(nèi)，其分辨能力可達(dá)2～3μm的數(shù)量級(jí)。這種感應(yīng)式同步器是一個(gè)具有較短重復(fù)周期的增量編碼器，對(duì)于大位移測(cè)量(刀具位移)，必須將其與別的較大的測(cè)量裝置結(jié)合使用，以獲得絕對(duì)位置。當(dāng)測(cè)量角位移時(shí)，可使用旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器。其滑軌是圓形的，滑塊沿圓周運(yùn)動(dòng)，分辨率可達(dá)0.05s的數(shù)量級(jí)。電感式速度傳感器使用圖所示的裝置，可以測(cè)量速度。永久磁鐵相對(duì)于線圈移動(dòng)，而線圈的感生電動(dòng)勢(shì)是磁鐵運(yùn)動(dòng)速度及線圈尺寸的函數(shù)。當(dāng)需要測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)可以采用直流或交流轉(zhuǎn)速表，其輸出電壓即直接與所測(cè)角速度成正比。3．5熱電傳感器常用的熱電傳感器有熱電阻與熱電偶。當(dāng)導(dǎo)體所處的環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體的電阻值也會(huì)隨著溫度的變化而變化，熱電阻傳感器就是根據(jù)這一特性來(lái)測(cè)量溫度的。在工業(yè)應(yīng)用中，熱電阻傳感器常被用來(lái)測(cè)量在-200～500℃范圍的溫度。熱電偶圖示為熱電偶。當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)線A與B的接觸點(diǎn)處被加熱(或冷卻)時(shí)，在不接觸的兩端就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)是接觸端與非接觸端溫差T(T=T1-T0)的函數(shù)，且與所用的金屬有關(guān)。這就是溫差電勢(shì)效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為對(duì)于某些金屬構(gòu)成的熱電偶來(lái)說(shuō)，上式中高階系數(shù)很小，因此可得到近似式子如果構(gòu)成熱電偶兩個(gè)電極的材料相同，那么盡管有溫差存在，溫差電勢(shì)為零；如果熱電偶兩端的溫度相同，那么盡管A、B材料不同，溫差電勢(shì)也為零。

熱電偶的特性通常是相對(duì)于一個(gè)參考溫度0℃來(lái)確定的，在許多應(yīng)用中，參考觸點(diǎn)的溫度T，被置于被控環(huán)境中，使其溫度保持在一非0℃值上，這就可以利用下式進(jìn)行修正e(Tm，T0)=e(Tm，Tr)+e(Tr，T0)式中：Tm是待測(cè)點(diǎn)溫度，Tr是參考點(diǎn)溫度，T0=0℃；而e(Tm，T0)、e(Tm，Tr)和e(Tr，T0)分別是各溫差引起的電動(dòng)勢(shì)。e(Tm，Tr)是當(dāng)熱電偶工作在Tm和Tr，時(shí)的實(shí)測(cè)值，參考點(diǎn)Tr，到標(biāo)準(zhǔn)溫度0℃的e(Tr,T0)可以通過(guò)查表得到，求得e(Tm，T0)后再查表可得到實(shí)際溫度。熱電偶比較簡(jiǎn)單，可以直接使用，但其靈敏性較差，輸出信號(hào)小，且易受噪聲干擾，同時(shí)，它的機(jī)械負(fù)載特性差(尤其是當(dāng)一個(gè)熱觸點(diǎn)拉緊時(shí))。3．6光電傳感器光轉(zhuǎn)換器在測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。如圖所示的電磁波譜中，從紅外到紫外的波譜范圍內(nèi)，都能用光轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)量，在大多數(shù)情況下其測(cè)量是非接觸式的，并且能在惡劣的環(huán)境(諸如超高溫、電磁干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合)中工作。光測(cè)量系統(tǒng)主要組成部分有光源、將能量轉(zhuǎn)換為光的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、能夠?qū)饽艿奶匦赃M(jìn)行修正的轉(zhuǎn)換器和監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換器變化的檢測(cè)器。3.6.1光電探測(cè)器光電探測(cè)器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)可分為三種不同的類(lèi)型：1)內(nèi)光電效應(yīng)：在光照射下，物體電阻(或電導(dǎo))發(fā)生變化的現(xiàn)象被稱(chēng)為電導(dǎo)效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)，相應(yīng)元件有光敏電阻.2)外光電效應(yīng)：在光照射下，電子逸出物質(zhì)表面的現(xiàn)象被稱(chēng)為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)，此類(lèi)器件有光電管、光電倍增管等；3)光伏效應(yīng)：在光照射下，半導(dǎo)體PN結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)或光電流增加的現(xiàn)象被稱(chēng)為光伏效應(yīng)，光電池、光敏二極管和光敏三極管都屬于光伏效應(yīng)的器件。

●熱敏光電探測(cè)器

●量子光電探測(cè)器

●光電效應(yīng)探測(cè)器

●檢測(cè)器陣列

熱敏光電探測(cè)器熱敏光電探測(cè)器通過(guò)監(jiān)測(cè)入射的輻射熱在探測(cè)器中所產(chǎn)生的熱進(jìn)行工作。典型的裝置(如電阻式輻射熱測(cè)量計(jì)或熱電偶)其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.3～30μm，但其靈敏性較差，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。量子光電探測(cè)器它利用入射光在探測(cè)器中產(chǎn)生電子空穴對(duì)來(lái)進(jìn)行工作。對(duì)于硅探測(cè)器來(lái)說(shuō)，電子空穴對(duì)的釋放還需提供足夠的能量，使電子能跨越1.1eV的禁帶。這就意味著入射輻射的波長(zhǎng)要小于等于1.1μm。量子光電探測(cè)器的一個(gè)缺陷是具有暗電流，因此其噪聲水平深受溫度的影響。硅材料的量子光電探測(cè)器利用光電效應(yīng)或光導(dǎo)效應(yīng)工作。光電效應(yīng)是在PN結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)電壓，而光敏效應(yīng)則是利用人射能來(lái)改變材料的導(dǎo)電性能。光電效應(yīng)探測(cè)器當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射到如圖所示的PN結(jié)的耗盡層上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)正比于光強(qiáng)的電位差。光敏電阻

光電池

光電二極管

光電三極管光電倍增管

光敏電阻如圖所示的硅光敏電阻是由在P型材料上擴(kuò)散N型材料構(gòu)成。當(dāng)光線照射N(xiāo)型材料時(shí)，其導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化，這可以通過(guò)電橋來(lái)檢測(cè).對(duì)于一定波長(zhǎng)的光線來(lái)說(shuō)，在一層二氧化硅(SiO2)上加上特殊材料就構(gòu)成了光敏電阻。常用的材料有銻化銦(InSb)(適合于波長(zhǎng)為7μm的光線)和硫化鎘(CdS)(適合于波長(zhǎng)為0.7μm的光線)。

光電池光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的光電元件，許多材料都能制成光電池，但硅光電池由于其一系列的優(yōu)點(diǎn)用得最多。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的辦法摻人一些P型雜質(zhì)，形成一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)PN結(jié)受到的照射光達(dá)到一定光強(qiáng)時(shí)，就會(huì)在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一定的電壓，即光生電動(dòng)勢(shì)。光電二極管光電二極管結(jié)構(gòu)如圖，它一般處于反向工作狀態(tài)，在無(wú)光照射時(shí)，光電二極管的反向電阻很大、反向電流很小。而當(dāng)光線照射到反向偏置PN結(jié)的耗盡層或耗盡層附近時(shí)，耗盡層中會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，偏置電壓和內(nèi)電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)而形成光電流，這種通過(guò)二極管的反向電流可以用來(lái)度量照射光的強(qiáng)度.光電二極管能夠測(cè)量從紅外線到紫外線很寬的范圍。發(fā)光二極管與光電二極管功能相反。當(dāng)加在發(fā)光二極管兩端的正向電壓提高時(shí)，它產(chǎn)生的光通量也隨之增加。這樣，用一對(duì)發(fā)光二極管和光電二極管，可以測(cè)量轉(zhuǎn)速。光電三極管如圖所示，光電三極管可以看成是一個(gè)光電二級(jí)管與一個(gè)晶體二極管組成，兩管共用一個(gè)基極。光電二極管產(chǎn)生的反向電流成為晶體管的基極電流，三極管將其相應(yīng)地放大。光電三極管由于有了放大功能，因此其靈敏性得到了提高。為了進(jìn)行光電隔離，提高抗干擾能力，常采用光電耦合器件。光電隔離環(huán)節(jié)是把一只發(fā)光二極管和一只光電三極管同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)構(gòu)成的。光電隔離器件常用于數(shù)字信號(hào)的傳輸，有時(shí)也可以用于模擬信號(hào)的傳輸。光電倍增管如圖所示，光電倍增管是由一個(gè)真空管內(nèi)以及安裝在管內(nèi)的光電陰極、一系列的倍增電極和陽(yáng)極組成的。照射陰極時(shí)，陰極釋放出的電子被倍增電極上所加的電壓加速，當(dāng)這些電子到達(dá)倍增電極時(shí)，倍增電極上釋放出更多的電子，導(dǎo)致電流的倍增。這樣，陽(yáng)極電流就是增電極數(shù)目及安裝結(jié)構(gòu)、電極材料及偏置電壓的函數(shù)。光電探測(cè)器應(yīng)用較為廣泛，除了上面提到的一些例子之外，還可以用光電高溫計(jì)為傳感器，通過(guò)測(cè)量由高溫輻射能量所引起的光電流來(lái)測(cè)量溫度；用光敏器件測(cè)量液體、氣體的透明度(混濁度)等。檢測(cè)器陣列如果把光電二極管排成一維或二維陣列，則當(dāng)光電二極管陣列受到光照時(shí)，每—個(gè)光電二極管中的電荷積累速率與它所受的光強(qiáng)成正比，這樣就形成了圖像陣列，圖象信息可以用下述各種方法提取出來(lái)。場(chǎng)效應(yīng)管讀出電路電荷耦合器件(CCD)場(chǎng)效應(yīng)管讀出電路如圖，陣列中每一個(gè)光電二極管經(jīng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管接到一個(gè)放大器。當(dāng)某個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管接到開(kāi)關(guān)信號(hào)而導(dǎo)通時(shí)，放大器的輸出電壓就是對(duì)應(yīng)的光電二極管中電荷量的度量。如果陣列很大，放大器輸入引線很長(zhǎng)，分布電容就會(huì)很可觀，這樣會(huì)使靈敏度降低。

電荷耦合器件CCDCCD(chargecoupleddevices)器件是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體器件，如圖。在N型或P型硅襯底上生長(zhǎng)一層二氧化硅薄層，再在二氧化硅薄層上按陣列規(guī)則排列沉積金屬電極，就構(gòu)成了CCD圖像傳感器。每個(gè)電極就是一個(gè)光敏元，當(dāng)某個(gè)光敏元受到光照時(shí)，該光敏元中就產(chǎn)生電荷，這些光生電荷積累成電荷包。與此同時(shí)，各電極上所加的電壓相位隨時(shí)間逐個(gè)滯后，這樣就把光敏元中積累的電荷包依次逐步移動(dòng)到讀出放大器的一端。電荷放大器讀出的電荷量信號(hào)也受電荷轉(zhuǎn)移電壓時(shí)序的同步控制。這樣，整個(gè)圖像系統(tǒng)都同步處理每一個(gè)光敏元的像元信號(hào)，最終形成完整的圖像信號(hào)。

實(shí)用的CCD圖像傳感器有一維陣列和二維陣列兩種，可用于光—機(jī)—電一體的精密系統(tǒng)。采用CCD的尺寸測(cè)量系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，其優(yōu)越性是機(jī)械式、光學(xué)式和電磁式測(cè)量?jī)x都無(wú)法比擬的。它體積小、易安裝，無(wú)需配以復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而減少了誤差源。CCD器件已用于玻管吹制尺寸控制、數(shù)控機(jī)床刀具定位、固體粉末或懸濁液中粒徑及分布測(cè)量、光學(xué)系統(tǒng)幾何像差測(cè)量、顯微鏡的自動(dòng)調(diào)焦、測(cè)光拍攝及視物篩選，還可用于小型零件尺寸測(cè)量、鈔票缺陷檢測(cè)、非法闖入者探測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)信函分檢、條形碼閱讀等。CCD攝像器件還用于實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)。CCD應(yīng)用系統(tǒng)要求適當(dāng)?shù)墓庠春驼斩鹊钠ヅ?，光學(xué)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)對(duì)整個(gè)CCD應(yīng)用系統(tǒng)影響較大。3.6.2光電編碼器光電編碼器在機(jī)床和機(jī)器人制造中得到了廣泛應(yīng)用。在直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，光電編碼器常用來(lái)測(cè)量位置或增量。它是光傳感器中使用最早，形式最簡(jiǎn)單的一種。1．增量式編碼器2．位置式編碼器增量式旋轉(zhuǎn)編碼器圖a為典型的采用光工作的增量角度編碼器。光源發(fā)出的光，先通過(guò)圓盤(pán)上的窄縫到光電二極管進(jìn)行預(yù)處理。圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，照到二極管上的光依次輸出一系列的脈沖，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)可以算出圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角度。圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向可以根據(jù)兩個(gè)光電二極管的明暗變化相位差確定，如b所示。實(shí)用時(shí)，有一條作為參照的窄縫和相應(yīng)的二極管，它是每一圈中惟一的參照信號(hào)。除用光碼盤(pán)外，也可用帶反射條的圓盤(pán)，在這種情況下，光的傳輸和接受裝置都安裝在圓盤(pán)的同一側(cè)。編碼器的角度分辨率是盤(pán)上窄縫數(shù)ns和光電操測(cè)儀的有效長(zhǎng)度Dw的函數(shù)通過(guò)增速裝置驅(qū)動(dòng)編碼器，可提高分辨率。增量式直線編碼器增量式直線編碼器通常利用莫爾條紋干涉帶進(jìn)行工作。在一塊長(zhǎng)條形的光學(xué)玻璃上均勻地刻上明暗相間、寬度相等的線條，就構(gòu)成了一條光柵。光柵相對(duì)來(lái)說(shuō)比較便宜，且分辨率能達(dá)到微米數(shù)量級(jí)(在一米長(zhǎng)度上其精度可達(dá)1μm)。把兩個(gè)相同的光柵疊在一起，并使它們以一個(gè)角度θ相交，則會(huì)產(chǎn)生明暗相間的條紋(莫爾條紋)，如圖。利用光柵具有莫爾條紋的特性，可以通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)數(shù)來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)光柵的相對(duì)移動(dòng)。位置式編碼器與增量式編碼器不同，位置式編碼器不需要任何外部參照。在需要隨時(shí)了解物體確切位置的場(chǎng)合下，常用這種編碼器。例如，有時(shí)系統(tǒng)需要在任何位置上啟動(dòng)，為避免啟動(dòng)時(shí)復(fù)位或歸零，就要用位置式編碼器。但當(dāng)編碼器用于轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)一周時(shí)，就需要一個(gè)記錄轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)數(shù)器.圖a)所示為一個(gè)典型的采用雷格編碼(反射碼)的4位旋轉(zhuǎn)式位置編碼器，它比圖b)所示二進(jìn)制編碼器更優(yōu)越，因?yàn)槎M(jìn)制編碼在任何變化時(shí)只有一位發(fā)生變化，這就有可能在變化時(shí)因錯(cuò)讀位而產(chǎn)生誤差。如果在一條直帶上進(jìn)行編碼就可以制成一條碼帶，通常用來(lái)測(cè)量被測(cè)物體直線移動(dòng)的位置。3.7固體傳感器固體傳感器技術(shù)的發(fā)展使得制造多種固體傳感器可能實(shí)現(xiàn)。由于硅對(duì)許多物理現(xiàn)象都具有敏感性，因此可做成多種傳感器。同樣，能夠方便地用它做成各種各樣的集成電路。而且硅的機(jī)械特性使得它能夠在一個(gè)薄片上做成復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)。硅的敏感性是優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也是一個(gè)缺點(diǎn)，由于硅對(duì)不需要測(cè)量的物理量也很敏感，因而會(huì)在其輸出信號(hào)中混有不需要的信號(hào)成分，且很難分離出來(lái)。無(wú)論采用模擬技術(shù)還是數(shù)字技術(shù)做信號(hào)分析和處理，都要結(jié)合傳感器的設(shè)計(jì)考慮適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。3.7.1磁場(chǎng)的測(cè)量1．霍爾器件2．磁敏電阻3．磁敏二極管4．磁敏三極管霍爾器件霍爾效應(yīng)器件如圖所示，這是最常用的磁性傳感器。當(dāng)一通電半導(dǎo)體薄片置于與它表面相垂直的磁場(chǎng)時(shí)，半導(dǎo)體材料內(nèi)部的載流子由于外加磁場(chǎng)的影響而受到洛倫茲力的作用，于是在半導(dǎo)體表面就產(chǎn)生一個(gè)與磁場(chǎng)和電流方向都垂直的電勢(shì)差?；魻栯妷旱臉O性由半導(dǎo)體的材料(P型或N型)、電流方向和磁場(chǎng)方向決定。把金屬氧化物場(chǎng)半導(dǎo)體效應(yīng)管(MOSFET)的柵極面積加大，再置入霍爾接觸電極，也能實(shí)現(xiàn)霍爾效應(yīng)，如圖所示?；魻栯妷赫扔谕ㄟ^(guò)器件的電流和外加磁場(chǎng)。靈敏度可達(dá)100mVT-1。已有研究成果表明，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)漏極電流的變化正比于外加磁場(chǎng)。硅霍爾器件的輸出電勢(shì)太小，測(cè)量前必須放大?？梢园鸦魻柶骷捅匾碾娐分谱髟谝粋€(gè)芯片上，集成在包括放大器、穩(wěn)定電路和溫度補(bǔ)償電路等的單片器件上。磁敏電阻磁敏電阻利用的是某些鐵磁性材料在外磁場(chǎng)中呈現(xiàn)的電阻率變化現(xiàn)象。此現(xiàn)象可以用薄膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單磁敏電阻具有電阻－場(chǎng)強(qiáng)平方律關(guān)系，在大多數(shù)應(yīng)用，這一關(guān)系須加以線性化。線性化方法有兩種，可以用外界磁場(chǎng)提供一個(gè)靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，也可以在同一芯片上用兩個(gè)或四個(gè)磁敏電阻元件組成橋路。與霍爾器件相比，磁敏電阻傳感器能檢測(cè)到更弱的磁場(chǎng)，這使得它能被用作磁存儲(chǔ)介質(zhì)的讀磁頭。磁敏電阻可以用于無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的測(cè)量，還可以與一塊永久磁鐵配合用于物體定位。磁敏電阻易受溫度影響，使用時(shí)必須加上適當(dāng)?shù)臏囟茸餮a(bǔ)償。為實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，可在電路中采用溫度補(bǔ)償二極管，也可以用四只磁敏電阻在同一芯片上構(gòu)成橋路，或者采用數(shù)字化技術(shù)。磁敏二極管二極管處于磁場(chǎng)中時(shí)，其特性會(huì)有變化。磁場(chǎng)能使載流子以不同的復(fù)合速率注入、流出P區(qū)和N區(qū)。采用硅藍(lán)寶石(SOS)技術(shù)制成的磁敏二極管靈敏度高于霍爾器件，但線性度略差。磁敏三極管圖給出了雙集電極磁敏三極管的結(jié)構(gòu)。外磁場(chǎng)不存在時(shí)，兩個(gè)集電極均分電流。若把該芯片置于外磁場(chǎng)中，電流在兩個(gè)集電極中的分配將不再均等。兩集電極電流之差是外加磁場(chǎng)的線性函數(shù)。磁敏金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MAGFET)與磁敏三極管相似，它是具有兩個(gè)漏極的場(chǎng)效應(yīng)管，其原理也類(lèi)似于磁敏三極管。3.7.2溫度的測(cè)量1．熱敏電阻

2．熱敏二極管3．熱敏三極管4．溫差電勢(shì)效應(yīng)5．固體高溫計(jì)熱敏電阻鐵、鈷、鉻、鎂、鎳、鈦這類(lèi)材料的半導(dǎo)體氧化物的電阻隨溫度呈指數(shù)變化，電阻表示為：由于這一溫度特性是高度非線性的，所以此類(lèi)材料進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，必須加適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的一種應(yīng)用就是對(duì)其他器件的正溫度系數(shù)作補(bǔ)償，如在放大器中控制增益。熱敏電阻價(jià)格低，體積也很小，因而熱慣性小，能對(duì)溫度變化快速反應(yīng)。它們常被用在電橋電路中。使用時(shí)必須確保熱敏電阻本身不至因工作電流過(guò)大而發(fā)熱，使測(cè)量結(jié)果失真。熱敏二極管半導(dǎo)體熱敏二極管的公式是Is——反向漏電流；q——電子電荷(1.602×10-19℃)；Vj——PN結(jié)電壓；k——波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)；T——溫度。熱敏二極管的靈敏度達(dá)10mVK-1數(shù)量級(jí)。其測(cè)量范圍受到反向漏電流Is的限制，后者隨溫度變化。對(duì)于硅材料來(lái)說(shuō)，25℃時(shí)Is為25nA，每上升7℃，Is就幾乎增加一倍。熱敏三極管如果集電集電流保持恒定，則基極－發(fā)射極電壓Vbe隨溫度線性地變化。計(jì)算式如下

Kt－－常數(shù)；Ta－－絕對(duì)溫度(K)。式中1.27是絕對(duì)溫度為零時(shí)的基極—發(fā)射極電壓Vbe，這個(gè)數(shù)值有賴(lài)于硅片幾何形狀、偏置和制造工藝中的誤差。因此同一特性器件的個(gè)體差異可以通過(guò)調(diào)整各自的偏置電流得以補(bǔ)償，這樣就能在基準(zhǔn)溫度下獲得相同的Vbe。圖中給出一種單集電極熱敏三極管的用法，這個(gè)管子是測(cè)溫電橋的組成部分。溫差電勢(shì)效應(yīng)類(lèi)似熱電偶，如果把兩種不同的金屬材料換成兩種不同的半導(dǎo)體材料，其聯(lián)結(jié)處相對(duì)于參考溫度被加熱或冷卻時(shí)，在參考端會(huì)有一電壓出現(xiàn)，這一電壓是溫差T和該系統(tǒng)溫差電勢(shì)系數(shù)的函數(shù)，即as——系統(tǒng)的溫差電勢(shì)系數(shù)(VK-1)；T——溫差(T=T1-T2)。應(yīng)用溫差電勢(shì)效應(yīng)的硅熱電堆已經(jīng)問(wèn)世，可用于實(shí)測(cè)電流的有效值，也可用于測(cè)流量、檢測(cè)輻射等。固體高溫計(jì)當(dāng)鋯鈦酸鉛這類(lèi)材料薄片在電場(chǎng)中被加熱到剛好低于其居里溫度時(shí)，材料內(nèi)的晶體就沿外加電場(chǎng)的方向取向，這一極化現(xiàn)象將一直保持到材料冷卻，這就是高溫生電效應(yīng)。它是許多固體高溫計(jì)的工作原理。材料的極化程度依所使用的材料而定，還與入射熱輻射的波長(zhǎng)有關(guān)。材料溫度的變化引起其表面俘獲電荷的增減，表面電荷的變化由一對(duì)電極之間的電勢(shì)變化檢測(cè)出來(lái)，或者用掃描電子束讀出。實(shí)用中測(cè)高溫元件通常只需在紅外線輻射中放置很短一段時(shí)間。再用機(jī)械斬波器以25Hz的頻率把輸入信號(hào)斬波，以便獲得連續(xù)穩(wěn)定的圖像。固體高溫計(jì)可以視為一個(gè)熱敏電容與一個(gè)很大的非線性電阻并聯(lián)，電阻的特性為r=T(λA/C)λ——材料高溫生電溫度系數(shù)；A——材料薄片的截面積；C——電極間電容；T——溫度。因?yàn)殡S著測(cè)溫元件所接收的熱輻射頻率增高，它產(chǎn)生的電壓會(huì)下降，所以這種固體高溫計(jì)通常設(shè)計(jì)成只在特定的紅外頻譜區(qū)域內(nèi)工作。一般采用N溝道場(chǎng)效應(yīng)管作為固體高溫測(cè)溫元件與放大器之間的阻抗匹配。3．8壓電傳感器和超聲換能器3.8.1壓電器件某些材料的晶體和某些聚合物在受到外力的作用而變形時(shí)，會(huì)在一些特定的晶面之間產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。這類(lèi)材料有石英、酒石酸鉀鈉、鋯鈦酸鉛陶瓷、鈮酸鉀鈉，聚乙二烯等等。反之，如果加上電壓，這類(lèi)晶體也會(huì)發(fā)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即壓電效應(yīng)是可逆的，因此這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為逆效應(yīng)。它是許多敏感器件和換能器的基本原理，其應(yīng)用非常廣泛。加速度的測(cè)量壓電材料很適于做成靜力學(xué)測(cè)量中的多種力變換器。也可以做成各種有源微型加速度計(jì)。加速度計(jì)的兩種典型構(gòu)造如圖所示。加速度使振動(dòng)塊對(duì)壓電材料施加一個(gè)作用力，壓電材料產(chǎn)生出電荷。這些電荷再由電荷放大器檢測(cè)出來(lái)。電荷放大器的原理如圖電荷放大器電荷放大器的突出特點(diǎn)是：輸出電壓正比于振子的加速度，而與傳輸電纜的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，假定放大器是理想的，則有Sq--加速度計(jì)的電荷靈敏度；a——加速度；Cf—反饋電容。對(duì)于實(shí)際的電荷放大器，還要引入反饋電阻Rf以防Cf上積累電荷，見(jiàn)圖。為了提高測(cè)量精度，加速度計(jì)本身的質(zhì)量要盡可能小，不致給被測(cè)物體附加過(guò)大的負(fù)荷。加速度計(jì)對(duì)被測(cè)物的影響近似表示為下列公式a1、a2—分別為不安裝加速度計(jì)和安裝加速度計(jì)時(shí)的加速度f(wàn)1、f2—分別為不安裝加速度計(jì)和安裝加速度計(jì)時(shí)的諧振頻率Ms—被測(cè)物的質(zhì)量；ma—加速度計(jì)的質(zhì)量。

通常加速度計(jì)的質(zhì)量不應(yīng)大于被測(cè)物質(zhì)量的1/10。濕度的測(cè)量如果用易吸濕的材料包覆在壓電晶體振蕩器上，振蕩器的固有頻率就會(huì)隨吸濕材料所吸附的水分而變化。按下圖中的辦法，把兩只固有頻率相等的晶體接至運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端，其中一只晶體覆以吸濕材料，另一只置于穩(wěn)定的環(huán)境中，這兩只晶體振蕩器差頻就能反映濕度。壓電伺服機(jī)構(gòu)壓電陶瓷正越來(lái)越多地用作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它能作出微米級(jí)的直線位移，精度達(dá)10nm，在電子掃描顯微鏡、機(jī)械切削和光學(xué)系統(tǒng)中這類(lèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用日益增多；諧振壓電器件已相當(dāng)廣泛地用于制造電子設(shè)備的微型風(fēng)扇，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)鏡頭的壓電電機(jī)也已開(kāi)發(fā)出來(lái)。3.8.2超聲系統(tǒng)1．超聲波源(1)壓電超聲源(2)磁致伸縮超聲波源(3)機(jī)械超聲波源(4)電磁和靜電超聲源2．超聲波的耦合3．超聲波接收器4．超聲法測(cè)流量壓電超聲源在壓電材料晶體特定的表面上加上交流電壓時(shí)，它會(huì)作機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率等于晶體的共振頻率時(shí)，振動(dòng)幅度達(dá)到最大。諧振頻率和幅度由兩個(gè)激勵(lì)電極之間的晶體厚度而定，若晶體厚度等于其內(nèi)部的機(jī)械波波長(zhǎng)之半，就會(huì)發(fā)生共振，并把產(chǎn)生的超聲能量輻射出來(lái)。如果把若干塊晶體鑲嵌在一起，構(gòu)成的輻射面就會(huì)更大些，這樣可以增強(qiáng)晶體表面上輻射出的超聲波能量。還可以用陶瓷材料把超聲波源做成某種形狀，能夠把能量聚為一束，在一個(gè)很小的面積上產(chǎn)生高強(qiáng)度的超聲能。這類(lèi)陶瓷材料本身是多晶體?，F(xiàn)已開(kāi)發(fā)出頻率相當(dāng)高的超聲源，它的壓電材料層很薄。這需要在很薄的半導(dǎo)體壓電材料之間掩上絕緣層，還要把半導(dǎo)體壓電材料薄層附著在合適的基片上。磁致伸縮超聲波源把磁致伸縮材料置于磁場(chǎng)中，能引起材料沿磁場(chǎng)方向的幾何尺寸變化。這種效應(yīng)使磁致伸縮材料能做成超聲波源。磁致伸縮超聲源的典型結(jié)構(gòu)由磁芯、繞組、聚焦錐等部分組成，如圖所示。先通以直流電流使磁芯產(chǎn)生一個(gè)初始伸張，而后疊加上交流信號(hào)。處于諧振狀態(tài)時(shí)，沿變換器長(zhǎng)度上的某些點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)波節(jié)，變換器安裝就是利用這些波節(jié)點(diǎn)工作的。選波節(jié)點(diǎn)處安裝可以避免能量的損失，但是總的效率要比壓電超聲源的效率低，因?yàn)樵诖胖律炜s磁芯中還有能量損耗。機(jī)械超聲波源汽笛的原理是用機(jī)械辦法阻斷通過(guò)一串小孔的氣流，能以約30kHz的頻率發(fā)出幾百瓦的超聲功率，效率約為70％左右?？诘牙玫氖菤饬鞯膭?dòng)能，可以發(fā)出幾瓦的功率，頻率為40～50KHz數(shù)量級(jí)，效率比汽笛低。電磁和靜電超聲源它的構(gòu)造與普通的音頻揚(yáng)聲器相似。它能產(chǎn)生超音頻頻率，在某些場(chǎng)合獨(dú)具長(zhǎng)處。譬如高溫環(huán)境。超聲波的耦合有些應(yīng)用場(chǎng)合中，超聲波發(fā)射器要與系統(tǒng)中的某些零部件緊密耦合。但實(shí)際上有些表面不規(guī)整，直接把超聲發(fā)射器固定在這些表面上不可能達(dá)到滿意的耦合程度，這時(shí)就需使用耦合媒質(zhì)。水是最常用的耦合媒質(zhì)，在一些高溫或低溫場(chǎng)合還要用特蛛的材料作耦合媒質(zhì)。超聲波接收器用于產(chǎn)生超聲波的超聲變換器可以反過(guò)來(lái)用作超聲接收器。在以脈沖方式工作的系統(tǒng)中，這意味著同一個(gè)變換器可以既作為發(fā)射器又作為接收器。超聲法測(cè)流量超聲法是一種無(wú)損測(cè)量方法，它可以用于測(cè)量管道中的流體流量。有許多方法可以采用，其原理相差很大，選用哪一種方法須根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合而定。要使超聲流量計(jì)有效地工作，測(cè)量點(diǎn)處管道內(nèi)的流體流場(chǎng)必須是穩(wěn)定的，也就是說(shuō)在測(cè)量點(diǎn)以前要有一定長(zhǎng)度的直管，使流體截面能夠穩(wěn)定。(1)多普勒流量計(jì)(2)傳遞時(shí)間流量計(jì)多普勒流量計(jì)圖為多昔勒流量計(jì)的測(cè)試原理圖。當(dāng)發(fā)射端以某一頻率fs發(fā)射一個(gè)超聲波時(shí)，由于流體中存在著的散射粒子(如固體小顆粒、氣泡、漩渦等)，這些粒子將以頻率fs振動(dòng)。當(dāng)這些東西隨流體一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使接收到的頻率產(chǎn)生一定的頻移，頻率的漂移是這些散射粒子運(yùn)動(dòng)速度的函數(shù)，通過(guò)計(jì)算就可得到流速。假如已知聲波在管道內(nèi)流體的傳播速度為c，且散射粒子的尺寸為λ，超聲波的波長(zhǎng)必須小于λ，根據(jù)上述條件可以求出fs。當(dāng)管道內(nèi)流體以速度v流動(dòng)時(shí)則由流體流動(dòng)引起的頻率差為這種測(cè)量方法的結(jié)果與流體截面形狀有關(guān)，也依賴(lài)于散射顆粒的數(shù)量、大小及分布情況，此外還與管壁厚度、聲耦合狀況以及被測(cè)流體的聲學(xué)性能等因素有關(guān)。如果把超聲發(fā)射器和接收器都置于與管內(nèi)流體流動(dòng)方向平行的位置，測(cè)量精度可以更高些。傳遞時(shí)間流量計(jì)傳遞時(shí)間流量計(jì)的測(cè)量原理示于圖。信號(hào)逆流傳遞時(shí)間與順流傳遞時(shí)間不同，這兩者之差是流速的函數(shù)。傳遞時(shí)間差可以直接由相位移或頻移測(cè)出。測(cè)頻移的優(yōu)點(diǎn)是不必知道流體的傳聲特性。

tu——逆流傳遞時(shí)間；td——順頃流傳遞時(shí)間；Vs——該種流體的聲傳導(dǎo)速率；Vf