第三章 傳感器

第三章傳感器第一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四§3.1概述一

傳感器的作用二

傳感器的分類下一節(jié)回首頁第二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四傳感器作用：是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實現(xiàn)現(xiàn)代化測量和自動控制（包括遙感、遙測、遙控）的主要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎。與信息技術(shù)、計算機技術(shù)并列成為支撐整個現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。傳感器的定義：對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應的有用輸出信息的元器件或裝置；從功能出發(fā)，人們形象地將其定義為能夠取代甚至超出人的“五官”，具有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等功能的元器件或裝置。第三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四傳感器的技術(shù)特點內(nèi)容范圍廣且離散：傳感器技術(shù)可利用物理、化學、生物及電子學中基礎“效應、反應及機理”，數(shù)量多且相互獨立；知識密集程度高、邊緣學科色彩濃：以電、磁、光、聲、熱、力等功能效應和形態(tài)變換原理為基礎，涉及材料、電子、精密加工等多學科，交叉及應用知識密集度高；技術(shù)復雜、工藝要求高：涉及集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、超導技術(shù)、微細或納米加工及高密封技術(shù)；功能優(yōu)、性能好品種多、應用廣：航空、航天、兵器、船舶、交能、冶金、機械、電子、化工、輕工、能源、環(huán)保、煤炭、石油等第四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四電阻式傳感器電阻式傳感器：將非電量（力、位移、形變、速度和加速度）的變化變換成電阻值變化?；冸娮鑲鞲衅鞴ぷ髟韴D第五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四電位器為空載有負載設有第六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四負載特性曲線非線性變阻器第七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四電阻應變片式傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理將金屬電阻絲粘貼在基片上，上面覆蓋一層薄膜使它們成為一個整體電阻絲應變片結(jié)構(gòu)示意圖金屬導體電阻全微分第八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四相對變化量以圓形金屬絲為例，結(jié)合材料力學理論一般金屬材料電阻率變化率很小，忽略不計金屬絲的電阻變化率與縱向應變成正比，這就是金屬絲的就應變效應，利用應變效應制作的傳感器稱為電阻應變片式傳感器。第九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四半導體應變片-壓敏電阻式傳感器半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應，當半導體材料受一軸向外力作用時，其電阻率發(fā)生變化。半導體應變片受軸向力作用時，電阻相對變化為壓敏電阻可用來制造壓力傳感器忽略單位應變和徑向相對變化率，電阻變化率為第十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四電容式傳感器電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容器的電量電容傳感器可有三種：變極板有效面積、變極板間距和變介電常數(shù)。變極板間距可以測量微米量級的位移電容器的電量與極板距離不是線性關(guān)系，而呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系。第十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四變極板面積型電容式傳感器電容式角位移傳感器原理圖，當極板有一個角位移時，與定極板的遮蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量當初始角度可以看出，這種形式的傳感器電容量C與角位移是成線性關(guān)系的。第十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四圓柱形電容式傳感器在初始位置（a=0）時，動、定極板相互覆蓋，此時電容為當動極板發(fā)生位移a后，其電容量為可以看出，這種形式的傳感器電容量C與位移也是成線性關(guān)系的。第十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四變介質(zhì)型電容式傳感器改變工作介質(zhì)的電容式傳感器電容量設在電極中無第二種介質(zhì)時的電容量為C0第十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四把CA、CB和C0的表達式代入得表明電容量為C與位移a成線性關(guān)系第十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應把被測的物理量轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L和互感系數(shù)M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，無活動電觸點，因此工作可靠壽命長；（2）靈敏度和分辯率高；，（3）線性度和重復性都比較好，第十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成，鐵芯和銜鐵都由導磁材料制成，在鐵芯和活動銜鐵之間有氣隙，當銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生變化，從而使磁路中磁阻變化，導致電感線圈的電感值變化，從而測定位移大小。線圈的電感值磁路總磁阻忽略鐵芯的磁阻因此，變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度和變氣隙面積兩種傳感器第十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四差動自感傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理：初始狀態(tài)時，銜鐵位于中間位置，兩邊空隙相等，因而兩只電感線圈的電感量相等，數(shù)值相反，電橋輸出為0，即電橋處于平衡。當銜鐵偏離中間位置，向上或向下移動時，造成兩邊氣隙不一樣，使兩只電感線圈的電感量一增一減，電橋不平衡，電橋輸出電壓的大小與銜鐵移動的大小成比例輸出特性靈敏度第十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四壓電式傳感器順壓電效應：某些物抽沿其某一方向施加壓力或拉力時，全產(chǎn)生變形，此時這種材料的兩個表面將產(chǎn)生符號相反的電荷，當去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態(tài)。逆壓電效應：某些物質(zhì)在極化方向上施加電場會產(chǎn)生機械變形，當去掉外加電場后，該物質(zhì)的變形隨之消失。如果在片狀壓電材料的兩個電極上加以交流電壓，那么石英晶體片將產(chǎn)生機械振動，即晶體片在電極方向有伸長和縮短現(xiàn)象第十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象電疇自發(fā)極化：在陶瓷上施加外電場時，電疇自發(fā)極化方向轉(zhuǎn)到與外加電場方向一致陶瓷極化的兩端出現(xiàn)束縛電荷，一端為正，另一端為負。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的極化兩端很快吸附一層來自外界的自由電荷，陶瓷片對外不呈極性。如果在壓電陶瓷上加一個與極化方向平行的外力，陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的束縛電荷之間距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強度變小，吸收的電荷有一部分被釋放而呈放電現(xiàn)象。

第二十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四當撤消壓力時，陶瓷片恢復原狀，極化強度增大，因此又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種因受力而產(chǎn)生的機械效應轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦瑢C械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，就是壓電陶瓷的正壓電效應。放電電荷的多少與外力成正比例關(guān)系兩塊壓電片的連接方式第二十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四制作壓電傳感器時，可采用兩片或兩片以上具有相同性能的壓電晶片粘貼在一起使用，由于壓電晶片有電荷極性，因此接法有并聯(lián)和串聯(lián)兩種。并聯(lián)連接式壓電傳感器的輸出電容C和極板上的電荷q分別為單塊晶片的2倍，而輸出電壓U與單片上的電壓相等；串聯(lián)時，輸出總電荷q等于單片上的電荷，輸出電壓為單片電壓的2倍，總電容應為單片的1/2。由此可見，并聯(lián)接法雖然輸出電荷大，但由于本身電容亦大，故時間常數(shù)大，只適宜測量慢變化信號，并以電荷作為輸出的情況。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適宜于以電壓輸出的信號和測量電路輸入阻抗很高的情況。第二十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四熱電式傳感器熱電式傳感器：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它利用傳感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化的特性來達到測量的目的。在各種熱電式傳感器中，把溫度轉(zhuǎn)換為電勢和電阻的方法最為普遍，其中將溫度轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器叫做熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電傳感器叫做熱電阻。理論分析可知，熱電效應產(chǎn)生的熱電勢由接觸電熱和溫差電熱兩部分組成。接觸電勢：不同金屬中自由電子濃度不同，當兩金屬接觸時自由電將發(fā)生擴散，由于擴散運動產(chǎn)生的電場將阻礙擴散作用的進一步發(fā)生，同時引起反方向的電子轉(zhuǎn)移。擴散和反擴散形成矛盾運動，實現(xiàn)動態(tài)平衡。第二十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四接觸電勢溫差電勢：對于任何一種金屬，當其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因而高溫端自由電子要向低溫端擴散，最后同樣要達到動態(tài)平衡。高溫端失去電子而帶正電，低溫端得到電子帶負電，從而在兩端形成溫差電勢。應該指出的是金屬中自由電子數(shù)目很多，以致溫度不能顯著地改變它的自由電子濃度，所以同一種金屬內(nèi)的溫差電勢極小，可以忽略。一個熱電偶回路中起決定作用的是兩個接點處產(chǎn)生的與材料性質(zhì)和該點處溫度有關(guān)的接觸是勢第二十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四熱電偶基本定律只有由化學成分不同的兩種導體組成的熱電偶，其兩端點間的溫度不同時才能產(chǎn)生熱電勢，熱電勢的大小與材料性質(zhì)及兩端點溫度有關(guān)，與形狀、大小無關(guān)；化學成分相同的材料組成熱電偶，即使兩端點溫度不同，回路總熱電勢也等于零。應用該定律可判斷兩金屬是否相同；化學成分不同的兩材料組成的熱電偶，若兩接點的溫度相同，回路中總熱電勢也等于0；在熱電偶中接入第三種材料，只要接入材料兩端的溫度相同，對熱電偶的總熱電勢不有影響。該定律具有重要的實際意義，因為利用熱電偶來測量溫度時，必須在熱電偶回路中接入電氣測量儀表，也就相當于接入第三種材料。如果兩導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢已知，則此兩種導體組成熱電偶的熱電勢就已知。第二十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四熱電偶實用測量電路測量兩點溫度測量平均溫度求溫度和線路熱電阻：利用導體的電阻隨溫度變化而變化的特性測量溫度的，要求熱電阻材料電阻溫度系數(shù)盡可能大和穩(wěn)定，電阻率高、電阻與溫度之間的線性關(guān)系好第二十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四光電傳感器光電傳感器：是一種將光能量轉(zhuǎn)換為電能量變化的傳感器，它的物理基礎就是光電效應。外光電效應：在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。內(nèi)光電效應：當光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應叫做內(nèi)光電效應。愛因斯坦光電方程物體中的電子吸收了入射光子的能量，當足以克服逸出功A0時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。如果一個電子要想逸出，光子能量必須超過逸出功，超出部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。第二十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四愛因斯坦光電效應方程表明光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體表面電子逸出功。每一個物體都有一個對應的光頻閥值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之入射光頻率高于紅限頻率，即使光線再微弱，也會有光電子射出。當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比光電子逸出物體表面具有初始動能。第二十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四內(nèi)光電效應光電導效應：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化稱為光電導效應?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻。當光照射到光電導體上且光輻射能量又足夠大，光電導材料價帶上的電子將被激發(fā)到導帶上，如右圖示，從而使導帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導體的電導率變大。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光能量必須大于光電導材料的標帶寬度。第二十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四光生伏特效應在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象，基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。勢壘效應（結(jié)光電效應）：能量大于禁帶寬度的光子照射PN結(jié)進，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產(chǎn)生電子空穴對，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光電動勢。側(cè)向光電效應：當半導體光器件受光照不均勻時，載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應。當光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴時，載流子濃度比未受光照部分大，就出現(xiàn)載流子濃度梯度，因而要發(fā)生動態(tài)不平衡擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，造成光照射的部分帶正電，未被光照射的部分帶負電，從而產(chǎn)生光電勢。第三十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四光電管結(jié)構(gòu)當入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾微安，不易探測，此時常用光電倍增管對電流進行放大。第三十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四光電倍增管工作原理光電倍增管除光電陰極外，還有若干個倍增電極，使用時在各個倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極的電位依次升高，陽極最高。同時這些倍增電極用次級發(fā)射材料制成，在一定能量的電子轟擊下，產(chǎn)生更多的次級電子。由于相鄰兩倍增電極間有電位差，存在加速電場，從陰極發(fā)出的光電子打到第一個倍增電極上，能引起二次電子發(fā)射。每個電子能從這個倍增電極上打出3~6倍個次級電子；被打了的次級電子再經(jīng)過電場的加速后，打到第二個倍增電極上，如此不斷倍增，從而實現(xiàn)光電倍增效果。光電倍增管的靈敏度比普通光電管高幾萬到幾百萬倍，即使在很微弱的光照下，也能產(chǎn)生很大的光電流。第三十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四內(nèi)光電效應器件光敏電阻在受到光照時，由于內(nèi)光電效應使其地電性能增強，電阻值下降，所以流過負載電阻的電流及其兩端是壓也隨之變化。光線越強，是流越大。當光照停止時，光電效應消失，電阻恢復原值因而可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。第三十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四光電池光電池是在光線照射下直接將光能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫?，實質(zhì)上它就是電壓源。入射光照射在PN結(jié)上時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負電，因而形成PN結(jié)產(chǎn)生電勢。第三十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四光敏二極管和光敏三極管第三十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四霍爾傳感器霍爾效應：當半導體薄片置于磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流，且磁場方向與電流方向正交，則在半導體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流和磁感應強度乘積成正比的電勢，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應，該電勢稱為霍爾電勢，半導體薄片稱為霍爾元件。第三十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四工作原理霍爾效應是半導體中自由電荷受磁場中洛化茲力作用而產(chǎn)生的。設霍爾元件為N型半導體，當它通以電流I時，半導體中的自由電荷即載流子（電子）受到磁場中洛化茲力FL的作用，其大小為洛化茲力使電子向垂直于B和自由電子運動方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即電子有向某一端積聚的現(xiàn)象，使半導體一端面產(chǎn)生負電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷的聚積，產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場。該靜電場對電子的作用力FE與洛化茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為第三十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四當靜電場作用于運動電子上的FE與洛侖茲力FL相等時，電子積累達到動態(tài)平衡，即所以流過霍爾元件的電流I為式中bd為一是流方向垂直的截面積，n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)（載流子濃度）得第三十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四紅外輻射傳感器紅外輻射技術(shù)在最近40年中已經(jīng)發(fā)展成為一門新興技術(shù)科學，廣泛應用在科學研究、軍事工程和醫(yī)學領(lǐng)域，例如紅外制導、紅外成像、紅外遙感等。紅外輻射就是紅外光，其波長處于1.0~1000微米，紅外光的最大特點就是具有光熱效應，能輻射熱量，在太陽光譜中是最大光熱效應區(qū)。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應對不同的物體是各不相同的，熱能強度也不一樣，例如黑體能全部吸收投射到其表面的紅外輻射物體，鏡體能全部反射紅外輻射的物體，透明體能全部穿透紅外輻射的物體，灰體能部分反射或吸收紅外輻射的物體等，將產(chǎn)生不同的光熱效應。嚴格來說，自然界不存在黑體、鏡體和透明體，絕大部分物體都屬于灰體。第三十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四E：物體在溫度T時單位面積和單位時間的紅外輻射總能量；

T：物體的絕對溫度Stefan-Boltzmann常數(shù)（5.6697×10-12w/cm2K4）比輻射率，即物體表面輻射本領(lǐng)與黑體輻射本領(lǐng)的比值，黑體為1該式表明，物體溫度越高，它輻射出來的能量越大第四十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四維恩位移定律熱輻射發(fā)射的電磁波中包含著各種波長，實驗證明，物體峰值輻射波長與物體的自身絕對溫度成反比，從圖示曲線可知，峰值輻射波長隨溫度升高向短波方向偏移，當溫度不很高時，峰值輻射波長在紅外區(qū)域。第四十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四紅外探測器一般由光學系統(tǒng)、敏感無件、前置放大器和信號調(diào)制器組成。其中光學系統(tǒng)是紅外器的重要組成部分，分為反射式光學系統(tǒng)和透射式光學系統(tǒng)紅外探測器兩種。紅外探測器應用越來越廣泛，它可用于非接觸式的溫度測量，氣體成分分析，無損探傷、熱成像檢測、紅外遙感以及軍事目標的偵察、搜索、跟蹤和通信等。第四十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四可轉(zhuǎn)換的信號機械信號電信號輻射信號（光波超聲波紅外波）流體信號傳感器的作用返回第四十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四按被測對象按工作原理機械式電子式光學式流體式按能量變換關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型能量控制型物性型結(jié)構(gòu)型集成化傳感器多環(huán)節(jié)集成多參量集成模擬式數(shù)字式返回第四十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四§3.2機械式傳感器一工作原理p58圖3-3二特點及應用n低，適于靜態(tài)測量被測量彈性元件變形（位移）敏感元件電信號首頁下一節(jié)第四十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四§3.3電阻式傳感器一變阻器式傳感器二電阻應變式傳感器首頁下一節(jié)第四十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四1工作原理p59圖3-5R=KiX2性能特點1°靈敏度Lo線性P59表3-6電阻分壓電路2°優(yōu)點：缺點：返回第四十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四1工作原理2分類比較金屬式半導體式絲式p60圖3-7箔式圖3-8S半=（50~70）S金電阻應變式傳感器p63表3-10，p64圖3-113環(huán)境溫度對應變的影響p60圖3-7返回第四十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四工作原理可表示為可到出傳感原理：S1+2u金屬式1.7~3.6之間線性半導體返回第四十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四§3.4電感式傳感器一自感型二互感型—差動變壓器式電感傳感器首頁第五十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四自感型1可變磁阻式（1）工作原理（2）分類比較2渦流式上一頁第五十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四工作原理返回第五十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四a.改變δ式S≈const*差動式p65表3-13（b）b.改變磁通互積式p65圖3-13（a）c.雙螺管線圈差動型測量范圍0.001~1mm測量范圍0~300um,分辨力0.5um測量電路首頁第五十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四差動變壓器式電橋取D為參考點○Z1Z2D○○B(yǎng)A上一頁第五十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四2渦流式P66表3-15（1）工作原理金屬板材料ρμ↑↓線圈激勵頻率w↑↓測頻轉(zhuǎn)速鑒材與探傷測微小位移透射式測厚δ↑↓（2）性能特點Z↑↓首頁上一頁第五十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四§3.5電容式傳感器一傳感原理δε二分類比較1）δ↑↓2）A↑↓3)ε↑↓>0首頁第五十六頁，共六十四頁，編輯