《傳感器原理及應(yīng)用》課件-第三章

01緒論目錄02傳感器的理論及技術(shù)基礎(chǔ)03物理量傳感器04化學(xué)傳感器05生物傳感器06微機(jī)電（MEMS）傳感器07集成傳感器08傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用第三章物理量傳感器3.1物理量傳感器概述

物理量是度量物理屬性或描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其變化過程的量，物理量傳感器是能感受規(guī)定的物理量并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，包括力學(xué)量、熱學(xué)量、電學(xué)量、磁學(xué)量、光學(xué)量、聲學(xué)量等多種傳感器。由于傳感器是將一般的非電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，因此在產(chǎn)生電信號(hào)之前通常需要一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換步驟。這些步驟可能涉及多種能量類型的變化，但最后一步必須產(chǎn)生理想格式的電信號(hào)。

國際通用的物理量由長度、時(shí)間、質(zhì)量、熱力學(xué)溫度、電流、光強(qiáng)度、物質(zhì)的量等七種，其他力學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等物理量都可按量的定義或物理定律由量的方程導(dǎo)出。物理量傳感器的被測(cè)量種類繁多，采用的原理和技術(shù)多樣，本章僅介紹典型的物理量傳感器。3.2力學(xué)傳感器

力學(xué)量傳感器，又稱力敏傳感器，是應(yīng)用最廣泛的一類傳感器，指將被測(cè)力學(xué)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。通常的力學(xué)信號(hào)是指壓力、壓強(qiáng)、拉力、張力、重力、力矩等與機(jī)械應(yīng)力以及形變相關(guān)的物理量。力學(xué)量的測(cè)量對(duì)象和測(cè)量原理差距很大，因此所涉及的原理、特性、工藝和應(yīng)用的類型和范圍較寬，本節(jié)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)用傳感器的特點(diǎn)，僅對(duì)與物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系緊密的最常見和最典型的的傳感器的原理及應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹。3.2力學(xué)傳感器3.2.1應(yīng)變式力學(xué)傳感器

3.2力學(xué)傳感器3.2.1應(yīng)變式力學(xué)傳感器

3.2力學(xué)傳感器3.2.1應(yīng)變式力學(xué)傳感器

圖1金屬應(yīng)變片的工作原理圖時(shí)，上式可以簡化為：3.2力學(xué)傳感器3.2.1應(yīng)變式力學(xué)傳感器金屬電阻應(yīng)變片的主要特性：如圖2，是金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)，由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。如圖3.3，是金屬箔式應(yīng)變片，它是利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.003～0.010mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。箔式應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大。

圖2金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)3.2力學(xué)傳感器3.2.1應(yīng)變式力學(xué)傳感器

可以計(jì)算得到。3.2力學(xué)傳感器3.2.1應(yīng)變式力學(xué)傳感器

圖3直流電橋電路示意圖圖4交流電橋電路示意圖3.2力學(xué)傳感器3.2.1應(yīng)變式力學(xué)傳感器

圖5柱（筒）式傳感器示意圖與應(yīng)變呈正比關(guān)系。3.2力學(xué)傳感器3.2.1應(yīng)變式力學(xué)傳感器應(yīng)變式傳感器實(shí)用舉例：（2）懸臂梁式力傳感器懸臂梁式力傳感器采用彈性梁及電阻應(yīng)變片作為敏感轉(zhuǎn)換元件，組成全橋電路。當(dāng)垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時(shí)，應(yīng)變片隨彈性梁一起變形，其應(yīng)變使應(yīng)變片的阻值變化，應(yīng)變電橋輸出與拉力或壓力成正比的電壓信號(hào)。如圖6，懸臂梁有兩種：一種為等強(qiáng)度懸臂梁，一種為等截面懸臂梁。圖6兩種懸臂梁示意圖與應(yīng)變呈正比關(guān)系。3.2力學(xué)傳感器3.2.1應(yīng)變式力學(xué)傳感器應(yīng)變式傳感器實(shí)用舉例：（3）應(yīng)變式加速度傳感器如圖7所示為應(yīng)變式加速度傳感器。它由帶有慣性的質(zhì)量塊m、應(yīng)變片、彈簧片、基座及外殼等組成，是一種慣性式傳感器。測(cè)量時(shí)，根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體的加速度方向，把傳感器固定在被測(cè)部位。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度與圖中箭頭a所示的方向一致時(shí)，自由端受慣性力F=ma的作用，質(zhì)量塊向箭頭a相反的方向相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng)，使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)的大小與加速度成正比。圖7應(yīng)變式加速度傳感器與應(yīng)變呈正比關(guān)系。3.2力學(xué)傳感器3.2.2壓電式力學(xué)傳感器

1.壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的雙向有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí),其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。某些電介質(zhì)（通常采用SiO2），在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上生成符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)力/電轉(zhuǎn)換。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。并且壓電效應(yīng)是可逆的，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失。

3.2力學(xué)傳感器3.2.2壓電式力學(xué)傳感器

如圖8(b)。在開路狀態(tài)下，圖8壓電傳感器的等效電路圖3.2力學(xué)傳感器3.2.2壓電式力學(xué)傳感器

2.壓電傳感器的等效電路與測(cè)量電路（2）壓電式傳感器的測(cè)量電路：由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。根據(jù)壓電傳感器的工作原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓信號(hào)也可以是電荷信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)前置放大器也有兩種形式：一種是電壓放大器，其輸出與輸入電壓成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。①電壓放大器:電壓放大器又稱阻抗變換器，它的主要作用是把壓電器件的高輸出阻抗變換為傳感器的低輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。②電荷放大器:電荷放大器是將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗的電壓源的壓電傳感器的專用前置放大器，它的輸出電壓正比于輸入電荷。3.2力學(xué)傳感器3.2.2壓電式力學(xué)傳感器

2.壓電傳感器的等效電路與測(cè)量電路圖9壓電式傳感器與電壓放大器連接的等效電路圖10壓電式傳感器與電荷放大器的等效電路圖3.2力學(xué)傳感器3.2.2壓電式力學(xué)傳感器

圖11壓電式壓力傳感器3.2力學(xué)傳感器3.2.2壓電式力學(xué)傳感器

3.壓電傳感器的實(shí)用舉例（2）壓電式加速度傳感器：壓電式加速度傳感器主要有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種，其中縱向效應(yīng)是最常見的。如圖12是縱向效應(yīng)型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對(duì)質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測(cè)量時(shí)將傳感器基座5與被測(cè)對(duì)象牢牢地緊固在一起。圖12縱向型壓電式加速度傳感器3.3熱學(xué)傳感器3.3.1溫標(biāo)與溫度的測(cè)量1.溫標(biāo)：因?yàn)闇y(cè)溫原理和感溫元件的不同，即使測(cè)量的溫度相同，但表現(xiàn)出的物理量的形式和變化量的大小也不盡相同。為了對(duì)溫度進(jìn)行更加精確性和一致性的描述，提出了一個(gè)科學(xué)、客觀和統(tǒng)一的標(biāo)尺，溫標(biāo)。溫標(biāo)用來度量物體溫度的標(biāo)尺，國際上用的較多的有熱力學(xué)溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和國際溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)：它規(guī)定從絕對(duì)零度至水的三相點(diǎn)（固、液、氣共存）的溫度之間劃分273.16等分，每一等分為1開爾文，符號(hào)為K。攝氏溫標(biāo)：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，中間劃分100等分，每一等分為攝氏1度，符號(hào)為℃。攝氏溫度t與熱力學(xué)溫度T之間的數(shù)值關(guān)系為：3.3熱學(xué)傳感器3.3.1溫標(biāo)與溫度的測(cè)量2.溫度的測(cè)量（1）接觸式測(cè)溫：這種測(cè)溫方法是將溫儀表的敏感元件與被測(cè)對(duì)象接觸，以達(dá)到充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡來完成對(duì)溫度的測(cè)量。這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀并且測(cè)溫儀表也相對(duì)簡單。但因?yàn)槊舾性c被測(cè)對(duì)象接觸，在接觸過程中可能對(duì)被測(cè)對(duì)象的溫場(chǎng)分布造成破壞，造成一定的測(cè)量誤差。（2）非接觸式測(cè)溫：這種測(cè)溫方法是感溫元件與被測(cè)物體不進(jìn)行接觸，而是通過輻射進(jìn)行熱交換。優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)的被測(cè)物體進(jìn)行破壞，在測(cè)量運(yùn)動(dòng)的物體和溫度變化較快的物體具有一定優(yōu)勢(shì)。3.3熱學(xué)傳感器3.3.2熱電阻溫度傳感器1.熱電阻的工作原理熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。人們也常常把這種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的現(xiàn)象稱為熱阻效應(yīng)。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，通常把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。圖13熱敏電阻的溫度特性曲線3.3熱學(xué)傳感器3.3.2熱電阻溫度傳感器2.熱電阻的結(jié)構(gòu)普通型熱電阻由感溫元件（金屬電阻絲）、支架、引出線、保護(hù)套管及接線盒等基本部分組成。為避免電感分量，熱電阻絲常采用雙線并繞，制成無感電阻。圖14熱電阻外形3.3熱學(xué)傳感器3.3.2熱電阻溫度傳感器3.熱電阻的測(cè)量電路和主要參數(shù)用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路一般采用電橋電路。但是熱電阻與檢測(cè)儀表相隔距離一般較遠(yuǎn)，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響。熱電阻測(cè)溫電橋的引線方式通常有兩線制、三線制和四線制三種，如圖15。圖15熱電阻測(cè)量電路內(nèi)部引線方式3.3熱學(xué)傳感器3.3.3熱電偶溫度傳感器

3.3熱學(xué)傳感器3.3.3熱電偶溫度傳感器2.熱電偶的結(jié)構(gòu)：熱電偶通常由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等部分組成，按照熱電偶的結(jié)構(gòu)主要可以分為普通熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶。（1）普通熱電偶，如圖16，常見的普通熱電偶由接線盒1、保護(hù)套管2、絕緣套管3及熱電極4組成，主要可以用于對(duì)氣體和液體等介質(zhì)的的測(cè)溫。圖16普通熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖3.3熱學(xué)傳感器3.3.3熱電偶溫度傳感器（2）鎧裝熱電偶，如圖17，鎧裝熱電偶由熱電極1、絕緣材料2、金屬套管3、接線盒4及固定裝置5組成。鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶，它是由金屬保護(hù)套管、絕緣材料和熱電極三者組合成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。因?yàn)閮?nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，所以鎧裝熱電偶具有良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機(jī)械外力沖擊的特性；并且鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場(chǎng)合的測(cè)溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點(diǎn)。圖17鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖3.3熱學(xué)傳感器3.3.3熱電偶溫度傳感器（3）薄膜熱電偶，如圖18，薄膜熱電偶主要由熱電極1、熱接點(diǎn)2、絕緣基板3及引出線4組成。薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料,用真空蒸鍍、化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶，測(cè)量端既小又薄，具有熱容量小，反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。圖18薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖3.3熱學(xué)傳感器3.3.3熱電偶溫度傳感器3.熱電偶的測(cè)溫電路（1）基本測(cè)溫電路：如圖19所示，熱電偶基本測(cè)量電路包括熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、冷端補(bǔ)償器、連接用銅線、動(dòng)圈式顯示儀表。圖19熱電偶的基本測(cè)溫電路圖3.3熱學(xué)傳感器3.3.3熱電偶溫度傳感器（2）熱電偶的實(shí)際測(cè)溫電路：實(shí)際工作中常需要測(cè)量兩處的溫差，可選用兩種方法測(cè)溫差，一種是兩支熱電偶分別測(cè)量兩處的溫度，然后求算溫差；另一種是將兩支同型號(hào)的熱電偶反串聯(lián)接，直接測(cè)量溫差電勢(shì)，然后求算溫差，如圖20所示。前一種測(cè)量較后一種測(cè)量精度差，對(duì)于要求精確的小溫差測(cè)量，應(yīng)采用后一種測(cè)量方法。圖20熱電偶的實(shí)際測(cè)溫電路3.4光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，它具有反應(yīng)速度快、檢測(cè)靈敏度高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。光學(xué)傳感器可分為光電傳感器、光纖傳感器和CCD傳感器三大類。光電傳感器是以光為媒介、以光電效應(yīng)為物理基礎(chǔ)的一種能量轉(zhuǎn)換器件。它是應(yīng)用光敏材料的光電效應(yīng)制作的無源光敏器件。光纖傳感器是利用光纖技術(shù)與光學(xué)原理，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)輸出的器件或裝置。它利用發(fā)光管或激光管發(fā)射的光，經(jīng)光導(dǎo)纖維傳輸?shù)奖粰z測(cè)對(duì)象，經(jīng)調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維反射到光接收器，光接收器則將調(diào)制過的光束解調(diào)后變?yōu)殡娦盘?hào)。CCD是電荷耦合器的簡稱，它的基本功能是將動(dòng)態(tài)的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路光電器件。它以電荷為信號(hào)，具有光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移并讀出信號(hào)電荷的功能。3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器1.光電管（1）結(jié)構(gòu)和原理：光電管由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并密封在一支真空玻璃管內(nèi)，如圖21所示。光電管的陰極是接受光的照射，它決定了器件的光電特性。陽極由金屬絲做成，用于收集電子圖21光電管示意圖3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器1.光電管（2）基本特性：在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。如圖22，是真空光電管和充氣光電管的伏安特性曲線，它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。圖22真空光電管和充氣光電管的伏安特性3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器1.光電管（2）基本特性：光電管的光照特性。當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光電管的光照特性。如圖23，曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之比）稱為光電管的靈敏度。圖23光電管的光照特性3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器2.光電倍增管（1）結(jié)構(gòu)和原理光電倍增管是在光電管的陽極和陰極之間增加若干個(gè)（11～14個(gè)）倍增極（二次發(fā)射體），來放大光電流。如圖24所示，當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾個(gè)微安，很不容易探測(cè)。這時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大。圖24光電倍增管原理圖3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器2.光電倍增管（2）主要特性光電倍增管的實(shí)際放大倍數(shù)或靈敏度如圖25所示。極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。并且光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性很相似。圖25光電倍增管的特性曲線3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器3.光敏電阻（1）工作原理光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制成的利用內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）工作的光電器件，又稱光導(dǎo)管。光敏電阻在光線的作用下，其電導(dǎo)率增大，電阻值變小。工作時(shí)，光敏電阻兩電極間加上電壓，其中便有電流通過。無光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很?。划?dāng)有光照時(shí)，由于光電導(dǎo)效應(yīng)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加，電流隨著光強(qiáng)的增加而變大，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器3.光敏電阻（2）主要特性①暗電阻、亮電阻與光電流：光敏電阻在未受到光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流稱為暗電流。在受到光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。②光敏電阻的伏安特性：電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。③光敏電阻的光照特性：光敏電阻的光照特性用于描述光電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的。3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器

3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器3.光敏二極管和光敏三極管（2）光敏三極管的基本特性：如圖26，從曲線可以看出，光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長。硅的峰值波長為9000埃，鍺的峰值波長為15000埃。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測(cè)熾熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí)，則采用鍺管較合適。圖26光敏三極管的光譜特性3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器3.光敏二極管和光敏三極管（2）光敏三極管的基本特性：光敏三極管在不同的照度下的伏安特性就像一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣，如圖27所示。因此，只要將入射光照在發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號(hào)變成電信號(hào)，而且輸出的電信號(hào)較大。圖27光敏三極管的伏安特性3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器3.光敏二極管和光敏三極管（2）光敏三極管的基本特性：如圖28給出了光敏三極管的輸出電流和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大（幾千勒克斯）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。圖28光敏三板管的光照特性3.4光學(xué)傳感器3.4.1光電式傳感器3.光敏二極管和光敏三極管（2）光敏三極管的基本特性：光敏三極管的溫度特性反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。如圖29所示，從特性曲線可以看出，溫度變化對(duì)光電流的影響很小，而對(duì)暗電流的影響很大。所以電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。圖29光敏三極管的溫度特性3.4光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器1.光纖的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）光纖的結(jié)構(gòu)：光纖通常由纖芯、包層及外套組成。如圖30所示，纖芯處于光纖的中心部位，由玻璃、石英、塑料等材料制成，為圓柱體。直徑約為5～150μm。圍繞的纖芯的那一層叫包層，材料也是玻璃、塑料等材料，但折射率小于纖芯。纖芯和包層構(gòu)成同心圓雙層結(jié)構(gòu)，故光纖具有使光功率封閉在里面?zhèn)鬏數(shù)墓δ埽馓灼鸬街魏捅Ｗo(hù)的用。圖30光纖的結(jié)構(gòu)3.4光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器1.光纖的結(jié)構(gòu)和工作原理（2）光纖的種類：按光纖纖芯折射率分布可以分為階躍型光纖的漸變型光纖。階躍型光纖如圖31(a）所示，纖芯和包層的折射率都是常數(shù)，且呈突變分布。漸變型光纖如圖31(b)所示，中心軸的折射率最大，因此光在傳播中會(huì)自動(dòng)從折射率小的界面處向中心會(huì)聚。圖31階躍型光纖和漸變型光纖折射率分布3.4光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器1.光纖的結(jié)構(gòu)和工作原理（3）光纖的傳光原理：光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光的原理的基礎(chǔ)，依據(jù)光的折射和反射的斯涅爾（Snell）定理，當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時(shí)，發(fā)生折射。圖32光纖的傳光原理3.4光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器

3.4光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器2.光纖傳感器的原理和組成（1）光纖傳感器的工作原理：光傳輸?shù)倪^程中，外界因素（壓力、溫度、振動(dòng)、電磁場(chǎng)等）對(duì)光纖的作用，會(huì)引起光纖光波特征參數(shù)（如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振及波長）的變化。如果能測(cè)出光波特征參數(shù)的變化，就可以得到光波參數(shù)變化的被測(cè)量的大小。（2）光纖傳感器的分類：光纖傳感器可以分為兩大類:一類是功能型（傳感型）傳感器;另一類是非功能型（傳光型）傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化,光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。3.4光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器2.光纖傳感器的原理和組成（3）光纖傳感器的組成：光纖傳感器主要由光源、光纖耦合器、光探測(cè)器等幾個(gè)基本部分組成。①光源。為了保證光纖傳感器的性能，對(duì)光源的特性和結(jié)構(gòu)有一定的要求。一般要求光源的體積盡量小，以便于它與光纖耦合。②光纖耦合器。光纖耦合器主要是將光源射出的光束分別耦合進(jìn)兩根以上的光纖，這種分束及耦合過程采用光纖耦合器完成。同理，如果將兩束光纖的出射光同時(shí)耦合進(jìn)探測(cè)器，也是由光纖耦合器完成的。③光探測(cè)器。光探測(cè)器的作用是把傳送到接收端的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即將電信號(hào)“解調(diào)”出來，然后進(jìn)行放大和處理。它的性能的好壞及影響被測(cè)物理量的變換準(zhǔn)確度，又關(guān)系到光探測(cè)接收系統(tǒng)的質(zhì)量。3.4光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器3.光纖傳感器的應(yīng)用（1）光纖加速度傳感器：光纖加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖33。它是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光,透射光作為參考光束,反射光作為測(cè)量光束。圖33光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖3.4光學(xué)傳感器3.4.2光纖傳感器3.光纖傳感器的應(yīng)用（2）光纖溫度傳感器：光纖溫度傳感器的基本原理是利用多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度升高而減小的特性，如圖34是光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。圖33光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖3.5磁學(xué)傳感器3.5.1磁電感應(yīng)式傳感器

3.5磁學(xué)傳感器3.5.1磁電感應(yīng)式傳感器

3.5磁學(xué)傳感器3.5.1磁電感應(yīng)式傳感器

圖34動(dòng)圈式磁電傳感器原理圖3.5磁學(xué)傳感器3.5.2霍爾傳感器1.霍爾元件結(jié)構(gòu)和基本電路（1）霍爾元件的結(jié)構(gòu)：霍爾元件的結(jié)構(gòu)是簡單的四端子結(jié)構(gòu)，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的，如圖35(a)所示。霍爾元件的殼體是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號(hào)表示，如圖35(b)所示。圖35霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖3.5磁學(xué)傳感器3.5.2霍爾傳感器

圖36霍爾器件的基本電路3.5磁學(xué)傳感器3.5.2霍爾傳感器2.霍爾傳感器的應(yīng)用（1）霍爾開關(guān)傳感器：霍爾開關(guān)傳感器是利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號(hào)形式輸出。如圖37，霍爾開關(guān)集成傳感器由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。圖37霍耳開關(guān)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.5磁學(xué)傳感器3.5.2霍爾傳感器2.霍爾傳感器的應(yīng)用（2）霍耳線性傳感器：霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。霍耳線性傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種。如圖38，單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。如圖39，雙端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。3.5磁學(xué)傳感器3.5.2霍爾傳感器2.霍爾傳感器的應(yīng)用圖38單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖圖39雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖3.6聲學(xué)傳感器3.6.1超波傳感器1.超聲波的基本原理（1）超聲波的頻率：振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播稱為波動(dòng)，簡稱波。頻率在20Hz～20kHz之間，人耳所能聽到的機(jī)械波，稱為聲波。低于20Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于20kHz的機(jī)械波稱為超聲波，如圖40所示。圖40聲波頻率的界限劃分3.6聲學(xué)傳感器3.6.1超波傳感器1.超聲波的基本原理（2）超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換：由于聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同，聲波的波形也不同。通常有以下幾種。①縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波。②橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波。③表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。并且橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播，表面波隨深度增加衰減很快。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量，所以多采用縱波。3.6聲學(xué)傳感器3.6.1超波傳感器1.超聲波的基本原理（3）超聲波的反射和折射：超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分能量被反射回原介質(zhì)，叫做反射波，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，則叫做折射波。這樣的兩種情況分別稱之為聲波的反射和折射，如圖41所示。圖41超聲波的反射和折射3.6聲學(xué)傳感器3.6.1超波傳感器

3.6聲學(xué)傳感器3.6.1超波傳感器2.超聲波探頭利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可以分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，壓電式探頭最為常用。如圖42所示，是壓電式超聲波探頭的結(jié)構(gòu)圖，主要由壓電晶片，吸收塊（阻尼塊），保護(hù)膜組成。圖42壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu)3.6聲學(xué)傳感器3.6.1超波傳感器3.超聲波傳感器的應(yīng)用（1）超聲波測(cè)厚傳感器：如圖43所示，是超聲波測(cè)厚傳感器的結(jié)構(gòu)圖。超聲波測(cè)厚常用脈沖回波法。聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵(lì)壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測(cè)工件另一面被反射回來，被同一探頭接收。圖43超聲波測(cè)厚傳感器結(jié)構(gòu)圖3.6聲學(xué)傳感器3.6.1超波傳感器3.超聲波傳感器的應(yīng)用（2）超聲波物位傳感器：超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量，如圖44所示為幾種超聲波位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖44幾種超聲波位移傳感器結(jié)