傳感器與檢測(cè)技術(shù)教案

教學(xué)要求1．掌握傳感器的基本概念。2．掌握傳感器的組成框圖（p2，圖1.1）。3．掌握傳感器的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。4．了解傳感器的課程性質(zhì)和課程任務(wù)。5．了解傳感器的分類(lèi)和發(fā)展趨勢(shì)。教學(xué)內(nèi)容

1.1

傳感器的發(fā)展和作用

了解。1.2

什么是傳感器傳感器定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測(cè)信息，并傳送出去。根據(jù)傳感器的功能要求，它一般應(yīng)由三部分組成，即：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路。1.3傳感器的分類(lèi)1．根據(jù)被測(cè)物理量分類(lèi)速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。2．按工作原理分類(lèi)應(yīng)變式、電壓式、電容式、渦流式、差動(dòng)變壓器式等。3．按能量的傳遞方式分類(lèi)有源的和無(wú)源的傳感器。1.4傳感器的性能和評(píng)價(jià)

傳感器的靜態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎胄盘?hào)不隨時(shí)間變化或變化非常緩慢時(shí)，所表現(xiàn)出來(lái)的輸出響應(yīng)特性，稱(chēng)靜態(tài)響應(yīng)特性。通常用來(lái)描述靜態(tài)特性的指標(biāo)有：測(cè)量范圍、精度、靈敏度、穩(wěn)定性、非線性度、重復(fù)性、靈敏閾和分辨力、遲滯。傳感器的穩(wěn)定性，一是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量輸出值在一段時(shí)間內(nèi)的變化，即用所謂的穩(wěn)定度表示；二是指在傳感器外部環(huán)境和工作條件變化時(shí)而引起輸出值的變化，即用影響量來(lái)表示。傳感器靈敏度是表示傳感器的輸入增量與由它引起的輸出增量之間的函數(shù)關(guān)系。更確切地說(shuō)，靈敏度k等于傳感器輸出增量與被測(cè)量增量之比，是傳感器在穩(wěn)態(tài)輸出輸入特性曲線上各點(diǎn)的斜率。用公式表示為：靈敏閾是指?jìng)鞲衅髂軌騾^(qū)分出的最小讀數(shù)變化量。對(duì)模擬式儀表，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個(gè)階梯所代表的輸入量的大小。對(duì)于數(shù)字式儀表，靈敏度閾就是分辨力，即儀表指示數(shù)字值的最后一位數(shù)字所代表的值。從物理含義看，靈敏度是廣義的增益，而靈敏度閾則是死區(qū)或不靈敏度。傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨小斎胩匦郧€不重合的程度稱(chēng)為遲滯。傳感器的輸出——輸入校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，稱(chēng)為該傳感器的“非線性誤差”或稱(chēng)“線性度”，也稱(chēng)“非線性度”。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量必將是時(shí)間的函數(shù)。研究動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)輸入形式有三種，即正弦、階躍和線性，而經(jīng)常使用的是前兩種。零階傳感器，其輸入量無(wú)論隨時(shí)間如何變化，其輸出量的幅值總是與輸入量成確定的比例關(guān)系，在時(shí)間上也不滯后，幅角φ等于零。所以零階傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)就是靜態(tài)特性指標(biāo)。一階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)有：靜態(tài)靈敏度和時(shí)間常數(shù)τ。如果時(shí)間常數(shù)τ越小，系統(tǒng)的頻率特性就越好。在彈簧阻尼系統(tǒng)中，就要求系統(tǒng)的阻尼系數(shù)小，而彈簧剛度要大。二階傳感器的傳遞函數(shù)：頻率函數(shù)為：幅頻特性為：相頻特性為：上面各式中：——系統(tǒng)無(wú)阻尼時(shí)的固有振動(dòng)角頻率；——彈簧常數(shù)；——質(zhì)量；——相對(duì)阻尼系數(shù)；——阻尼器阻尼系數(shù)；——靜態(tài)靈敏度。由于大多數(shù)傳感器均為二階系統(tǒng)，所以我們要專(zhuān)門(mén)討論二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。根據(jù)二階系統(tǒng)相對(duì)阻尼系數(shù)的大小，將其二階響應(yīng)分成三種情況：既時(shí)過(guò)阻尼；時(shí)臨界阻尼；時(shí)欠阻尼。在一定的值下，欠阻尼系統(tǒng)比臨界阻尼系統(tǒng)更快地達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；過(guò)阻尼系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，動(dòng)作緩慢，所以一般傳感器都設(shè)計(jì)成欠阻尼。一般取值為0.6~0.8。教學(xué)要求1．掌握電阻應(yīng)變效應(yīng)的基本概念。2．掌握電橋原理與電阻應(yīng)變計(jì)橋路。3．掌握應(yīng)變計(jì)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。4.掌握溫度誤差產(chǎn)生的原因及其補(bǔ)償方法。4．了解應(yīng)變計(jì)的分類(lèi)和命名規(guī)則。5．了解應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀。教學(xué)內(nèi)容2.1電阻應(yīng)變效應(yīng)

定義：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)”。設(shè)有一段長(zhǎng)為l，截面積為A，電阻率為ρ的導(dǎo)體(如金屬絲)，它具有的電阻為：式中：ρ—電阻絲的電阻率；l—電阻絲的長(zhǎng)度；A—電阻絲的截面積。了解。了解。

2.2

應(yīng)變計(jì)的主要特性當(dāng)具有初始電阻值的應(yīng)變計(jì)粘貼于試件表面時(shí)，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變計(jì)的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化。實(shí)驗(yàn)證明，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，有下列關(guān)系：式中，為電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)。必須指出，應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長(zhǎng)應(yīng)變絲的靈敏度系數(shù)，一般情況下，。這是因?yàn)?，在單向?yīng)力產(chǎn)生雙向應(yīng)變的情況下，除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀﹑成型工藝﹑粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響。應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)直接關(guān)系到應(yīng)變測(cè)量的精度。因此，值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下通過(guò)實(shí)測(cè)確定，該值稱(chēng)為“標(biāo)稱(chēng)靈敏度系數(shù)”。定義：在單位應(yīng)力、雙向應(yīng)變情況下，橫向應(yīng)變總是起著抵消縱向應(yīng)變的作用。應(yīng)變計(jì)這種既敏感縱向應(yīng)變，又同時(shí)受橫向應(yīng)變影響而使靈敏系數(shù)及相對(duì)電阻比都減小的現(xiàn)象，稱(chēng)為橫向效應(yīng)。其大小用橫向效應(yīng)系數(shù)H(百分?jǐn)?shù))來(lái)表示，即：對(duì)軸向應(yīng)變的靈敏度系數(shù)；為對(duì)橫向應(yīng)變的靈敏度系數(shù)。減小橫向效應(yīng)的方法：采用直角線柵式應(yīng)變計(jì)或箔式應(yīng)變計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)械應(yīng)變波是以相同于聲波的形式和速度在材料中傳播的。當(dāng)它依次通過(guò)一定厚度的基底、膠層(兩者都很薄，可忽略不計(jì))和柵長(zhǎng)而為應(yīng)變計(jì)所響應(yīng)時(shí)，就會(huì)有時(shí)間的遲后。應(yīng)變計(jì)的這種響應(yīng)遲后對(duì)動(dòng)態(tài)(高頻)應(yīng)變測(cè)量，就會(huì)產(chǎn)生誤差。應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性就是指其感受隨時(shí)間變化的應(yīng)變時(shí)之響應(yīng)特性。實(shí)用中，由于敏感柵基底和粘結(jié)劑材料性能，或使用中的過(guò)載，過(guò)熱，都會(huì)使應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生殘余變形，導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)輸出的不重合。這種不重合性用機(jī)械滯后(Zj)來(lái)衡量。它是指粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在恒溫條件下增(加載)、減(卸載)試件應(yīng)變的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變量(輸出)之差值，見(jiàn)圖2.1所示。通常在室溫條件下，要求機(jī)械滯后Zj＜3～10με。實(shí)測(cè)中，可在測(cè)試前通過(guò)多次重復(fù)預(yù)加、卸載，來(lái)減小機(jī)械滯后產(chǎn)生的誤差。圖2.1

應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后特性

圖2.2

應(yīng)變計(jì)的蠕變和零漂特性粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在恒溫恒載條件下，指示應(yīng)變量隨時(shí)間單向變化的特性稱(chēng)為蠕變。如圖2.2中θ所示。當(dāng)試件初始空載時(shí)，應(yīng)變計(jì)示值仍會(huì)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象稱(chēng)為零漂。如圖2.2中的P0所示。蠕變反映了應(yīng)變計(jì)在長(zhǎng)時(shí)間工作中對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性，通常要求θ＜3～15μs。引起蠕變的主要原因是，制作應(yīng)變計(jì)時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和工作中出現(xiàn)的剪應(yīng)力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的“滑移”所致。選用彈性模量較大的粘結(jié)劑和基底材料，適當(dāng)減薄膠層和基底，并使之充分固化，有利于蠕變性能的改善。應(yīng)當(dāng)知道，應(yīng)變計(jì)的線性(靈敏系數(shù)為常數(shù))特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過(guò)某一限值時(shí)，應(yīng)變計(jì)的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱(chēng)為應(yīng)變極限。如圖2.3所示。應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變計(jì)測(cè)量范圍和過(guò)載能力的指標(biāo)，通常要求。影響的主要因素及改善措施，與蠕變基本相同。

圖2.3應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變極限特性

2.3

應(yīng)變計(jì)的粘貼了解粘貼劑的選用要求，和常用粘合劑的選用原則：有機(jī)粘合劑通常用于低溫﹑常溫合中溫，無(wú)機(jī)粘合劑用于高溫。2.4電橋原理及電阻應(yīng)變計(jì)橋路電橋的供橋電源電壓為，R1、R2、R3和R4為橋臂，RL為負(fù)載內(nèi)阻，負(fù)載電流IL為:

2.4直流電橋該方程為直流電橋的特性方程。IL＝0時(shí)電橋平衡，則平衡條件為：這說(shuō)明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等。應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小。要推動(dòng)記錄儀工作，須將輸出電壓放大，為此必須了解ΔR/R與電橋輸出電壓的關(guān)系。電橋靈敏度定義為：?jiǎn)伪酃ぷ鲬?yīng)變片的電橋電壓靈敏度為：式中，Z1、Z2、Z3、Z4為復(fù)阻抗，U為交流電壓源，開(kāi)路輸出電壓為U0，根據(jù)交流電路分析（和直流電路類(lèi)似）可得平衡條件為：設(shè)

(i=1,2,3,4)式中

、——各橋臂電阻和電抗；，——各橋臂復(fù)阻抗的模和幅角。因此，交流電橋的平衡條件必須同時(shí)滿足：

或2.5交流電橋2.6交流電橋分布電容的影響電橋的調(diào)平就是確保試件在未受載、無(wú)應(yīng)變的初始條件下，應(yīng)變電橋滿足平衡條件(初始輸出為零)。在實(shí)際的應(yīng)變測(cè)量中，由于各橋臂應(yīng)變計(jì)的性能參數(shù)不可能完全對(duì)稱(chēng)，加之應(yīng)變計(jì)引出導(dǎo)線的分布電容（其容抗與供橋電源頻率有關(guān)），嚴(yán)重影響著交流電橋的初始平衡和輸出特性。因此，交流電橋平衡時(shí)，必須同時(shí)滿足電阻和電容平衡兩個(gè)條件。和

對(duì)全等臂電橋，上式即為和

2.5

溫度誤差及其補(bǔ)償用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，希望其電阻只隨應(yīng)變而變，而不受其它因素的影響。但實(shí)際上環(huán)境溫度變化時(shí)，也會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生溫度誤差。應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應(yīng)所造成；后部分為敏感柵與試件熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大時(shí)，這種熱輸出干擾必須加以補(bǔ)償。（1）敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度變化產(chǎn)生的溫度誤差（2）試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不一，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加形變而造成的電阻變化。式中

——敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；——應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)；——分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)。常采用溫度自補(bǔ)償法和橋路補(bǔ)償法。

這種方法是通過(guò)精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱輸出補(bǔ)償?shù)摹?1)單絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)

由式可知，欲使熱輸出為0，只要滿足條件

(a)絲繞式(b)短接式

雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)

(2)雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)

這種應(yīng)變計(jì)的敏感柵是由電阻溫度系數(shù)為一正一負(fù)的兩種合金絲串接而成，如圖所示。應(yīng)變計(jì)電阻R由兩部分電阻Ra和Rb組成，即R=Ra+Rb。當(dāng)工作溫度變化時(shí)，若Ra柵產(chǎn)生正的熱輸出εat與Rb柵產(chǎn)生負(fù)的熱輸出εbt，能大小相等或相近，就可達(dá)到自補(bǔ)償?shù)哪康?。橋路補(bǔ)償法是利用電橋的和、差原理來(lái)達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?1)雙絲半橋式

這種應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)與雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)雷同。不同的是，敏感柵是由同符號(hào)電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串接而成，而且柵的兩部分電阻R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂上：工作柵R1接入電橋工作臂，補(bǔ)償柵R2外接串接電阻RB(不敏感溫度影響)后接入電橋補(bǔ)償臂；另兩臂照例接入平衡電阻R3和R4，如圖所示。當(dāng)溫度變化時(shí)，只要電橋工作臂和補(bǔ)償臂的熱輸出相等或相近，就能達(dá)到熱補(bǔ)償目的，即:雙絲半橋式熱補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)(2)補(bǔ)償塊法這種方法是用兩個(gè)參數(shù)相同的應(yīng)變計(jì)R1、R2。R1貼在試件上，接入電橋工作臂，R2貼在與試件同材料、同環(huán)境溫度，但不參與機(jī)械應(yīng)變的補(bǔ)償塊上，接入電橋相鄰臂作補(bǔ)償臂(R3、R4同樣為平衡電阻)，如圖2.19所示。這樣，補(bǔ)償臂產(chǎn)生與工作臂相同的熱輸出，通過(guò)差接橋，起了補(bǔ)償作用。這種方法簡(jiǎn)便，但補(bǔ)償塊的設(shè)置受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的限制。（3）熱敏電阻補(bǔ)償熱敏電阻Rt與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出電壓。選擇分流電阻R5的值，可以使應(yīng)變片靈敏度下降對(duì)電橋輸出的影響得到很好的補(bǔ)償。2.6電學(xué)應(yīng)變儀應(yīng)用最廣泛，它采用的電路可以是直流電橋式、交流電橋式或電位計(jì)式，應(yīng)用最多的是交流電橋式電路并帶有載波放大器的形式。采用交流電橋電路的應(yīng)變儀由電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器和電源部分組成。將應(yīng)變計(jì)的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào),以便放大器放大。通常電橋由正弦振蕩器供電,其頻率為500赫～50千赫,較低頻率的被測(cè)應(yīng)變信號(hào)對(duì)較高的頻率的電橋電壓進(jìn)行調(diào)幅，輸出一個(gè)窄頻帶的調(diào)幅波信號(hào)。對(duì)電橋輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，并以足夠的功率去推動(dòng)指示器和記錄器。為提高放大器的穩(wěn)定性，一般采用交流載波放大器，直流放大器僅用于超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。將放大后的調(diào)幅波還原為被測(cè)應(yīng)變信號(hào)波形，同時(shí)反映被測(cè)應(yīng)變信號(hào)的方向，通常采用環(huán)形相敏檢波器。濾除相敏檢波器輸出信號(hào)中的高次諧波分量，以獲得理想的輸出波形。產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的振蕩電壓，作為電橋供電電壓和相敏檢波器的參考電壓。2.7應(yīng)變式傳感器1、應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。2、彈性應(yīng)變：當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變。3、彈性元件：

具有彈性應(yīng)變特性的物體。彈性敏感元件，應(yīng)變計(jì)（絲）。當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。柱式：特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于加工，成本費(fèi)用低，密封性能良好，對(duì)于潮濕環(huán)境很適用，可設(shè)計(jì)成壓式或拉式的，可以承受很大的載荷；其缺點(diǎn)是位移量小、靈敏度低。橋式：傳感器彈性體為橋式，其兩端用兩只螺栓緊固到下面的支撐體上，其彈性體與支撐體之間有一間隙，為彈性體的受力變形空間。該類(lèi)傳感器的特點(diǎn)如下：由于傳感器與秤體之間的連接為要求很低的間隙配合，所以安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，重復(fù)性好。輪輻式：高度低、精度高、抗偏心載荷和側(cè)向力強(qiáng)。剪切梁式：該類(lèi)傳感器有以下特點(diǎn)：輸出信號(hào)不受稱(chēng)重點(diǎn)位置變化的影響；線性好、精度高；傳感器受拉伸與壓縮時(shí)，切應(yīng)力的幅度與分布基本相同，即傳感器的拉伸、壓縮靈敏度基本相同，所以特別適用于同時(shí)受拉和壓的測(cè)量；外形低、體積小、重量輕，易于安裝和維修；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于密封；抗側(cè)向力強(qiáng)。板環(huán)式：特點(diǎn)是輸出靈敏度高、受力狀態(tài)穩(wěn)定、溫度均勻性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，可制成拉壓2種型號(hào)，對(duì)于0.5～30噸的拉壓方式稱(chēng)重傳感器，這種方式是很好的。應(yīng)變式加速度傳感器

加速度傳感器的構(gòu)成如圖：包括了應(yīng)變片﹑彈簧片﹑質(zhì)量塊﹑外殼和基座。

2.8幾種新型的微應(yīng)變式傳感器

半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。

是半導(dǎo)體技術(shù)中一種常用的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，這種技術(shù)使用化學(xué)的方法來(lái)沉積薄膜。

教學(xué)要求1．掌握光電效應(yīng)的基本概念，內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。2．掌握光傳感器的特性及其表示法。3．掌握光電管，光電倍增管，光敏電阻，光電耦合器件的原理，結(jié)構(gòu)。4．了解熱釋電效應(yīng)的原理。5．了解其它光電傳感器的組成，原理和發(fā)展趨勢(shì)。教學(xué)內(nèi)容是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。

3.1光電效應(yīng)

它是光照射到某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)的電特性發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象，可分為和兩類(lèi)。是指，在光線作用下物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的物理現(xiàn)象。又分為和兩類(lèi)。是指，半導(dǎo)體材料在光照下禁帶中的電子受到能量不低于禁帶寬度的光子的激發(fā)而躍遷到導(dǎo)帶，從而增加電導(dǎo)率的現(xiàn)象。能量對(duì)應(yīng)于禁帶寬度的光子的波長(zhǎng)稱(chēng)光電導(dǎo)效應(yīng)的。是指光線作用能使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)又可分為和。的機(jī)理是在金屬和半導(dǎo)體的接觸區(qū)(或在PN結(jié))中，電子受光子的激發(fā)脫離勢(shì)壘（或禁帶）的束縛而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下電子移向N區(qū)外側(cè)，空穴移向P區(qū)外側(cè)，形成光生電動(dòng)勢(shì)。是當(dāng)光電器件敏感面受光照不均勻時(shí)，受光激發(fā)而產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的濃度也不均勻，電子向未被照射部分?jǐn)U散，引起光照部分帶正電、未被光照部分帶負(fù)電的一種現(xiàn)象?；诘墓怆娒舾衅骷??；诘挠??；诘挠小；诘挠小?.2熱釋電效應(yīng)所謂熱釋電效應(yīng)是指該種材料中自發(fā)極化的強(qiáng)度隨溫度的變化而變化的效應(yīng)。電介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象即會(huì)使電介質(zhì)的一個(gè)表面帶有正電荷而另一個(gè)表面帶有負(fù)電荷。3.3光的吸收系數(shù)了解。3.4光傳感器的特性表示法光電探測(cè)器的性能參數(shù)主要的有：積分靈敏度R，光譜靈敏度Rλ，頻率靈敏度Rf，量子效率η，通量閾P(yáng)th和噪聲等效功率NEP，歸一化探測(cè)度D*等。,如果是常數(shù)，則相應(yīng)的探測(cè)器為無(wú)選擇性探測(cè)器，如：光熱探測(cè)器；反之，則為選擇性探測(cè)器，如光子探測(cè)器。如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流將隨調(diào)制頻率f的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱(chēng)為頻率靈敏度Rf。表示探測(cè)器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子書(shū)之比。指探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)功率。通常認(rèn)為當(dāng)信號(hào)光電流等于噪聲電流時(shí)，剛剛能測(cè)量到光電流存在。，單位信噪比時(shí)的信號(hào)光功率。噪聲等效功率越小，探測(cè)器探測(cè)微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)。在入射光照度一定時(shí)，光電元件的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一種材料只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感，這就是光譜特性。表征光電器件的動(dòng)態(tài)性能，反映了交變光照下器件的輸出特性，用響應(yīng)時(shí)間來(lái)表示。在一定的光照下，對(duì)光電器件所加端電壓與光電流之間的關(guān)系稱(chēng)為伏安特性。它是傳感器設(shè)計(jì)時(shí)選擇電參數(shù)的依據(jù)。使用時(shí)應(yīng)注意不要超過(guò)器件最大允許的功耗。光電器件隨所處環(huán)境溫度的變化，其光電效應(yīng)的外在表現(xiàn)會(huì)發(fā)生變化。

3.5光電傳感器光電管原理是光電效應(yīng)。一種是半導(dǎo)體材料類(lèi)型的光電管，它的工作原理光電二極管又叫光敏二極管，是利用半導(dǎo)體的光敏特性制造的光接受器件。當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增多，如果二極管反偏，則反向電流增大，因此，光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態(tài)下。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺等。如我們樓道用的光控開(kāi)關(guān)。還有一種是電子管類(lèi)型的光電管，它的工作原理用堿金屬（如鉀、鈉、銫等）做成一個(gè)曲面作為陰極，另一個(gè)極為陽(yáng)極，兩極間加上正向電壓，這樣當(dāng)有光照射時(shí)，堿金屬產(chǎn)生電子，就會(huì)形成一束光電子電流，從而使兩極間導(dǎo)通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間斷開(kāi)。光電倍增管是一種能將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器件。它是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測(cè)器件。光電倍增管是一種真空器件。它由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽(yáng)極）等組成。典型的光電倍增管按入射光接收方式可分為端窗式和側(cè)窗式兩種類(lèi)型。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結(jié)構(gòu)圖。其主要工作過(guò)程如下：當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出。因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測(cè)紫外、可見(jiàn)和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測(cè)器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。通常由光敏層、玻璃基片（或樹(shù)枝防潮膜）和電極等組成的。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對(duì)光線十分敏感，它的電阻值能隨著外界光照強(qiáng)弱（明暗）變化而變化。它在無(wú)光照射時(shí)，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光照射時(shí)，其電阻值迅速減小。廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家用電器（如電視機(jī)中的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié),照相機(jī)的自動(dòng)曝光控制等）及各種測(cè)量?jī)x器中。1）按制作材料分類(lèi)：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（CdS）、硒化鎘(CdSe)、硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、銻化銦(InSb)光敏電阻器等。

2）按光譜特性分類(lèi)：

●可見(jiàn)光光敏電阻器：主要用于各種光電自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子照相機(jī)、光報(bào)警等地。

●紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線探測(cè)儀器。

●紅外光光敏電阻器：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)。1）：指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。2）：指光敏電阻器在無(wú)光照射（黑暗環(huán)境）時(shí)的電阻值。3）：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。4）指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時(shí)所通過(guò)的電流。5）：指在無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過(guò)的電流。6）：指光敏電阻器從光照躍變開(kāi)始到穩(wěn)定亮電流的63％時(shí)所需的時(shí)間。7）：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1℃時(shí)，其電阻值的相對(duì)變化。8）：指光敏電阻器在有光照射和無(wú)光照射時(shí)電阻值的相對(duì)變化。光電二極管、光電三極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。光電二極管和普通二極管一樣具有一個(gè)PN結(jié)，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，在電路圖中文字符號(hào)一般為VD。光電三極管除具有光電轉(zhuǎn)換的功能外，還具有放大功能，在電路圖中文字符號(hào)一般為VT。光電三極管因輸入信號(hào)為光信號(hào)，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個(gè)引腳線。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個(gè)透明窗口，以接收光線照射。光電二極管與光電三極管外殼形狀基本相同，其判定方法如下：遮住窗口，選用萬(wàn)用表R*1K擋，測(cè)兩管腳引線間正、反向電阻，均為無(wú)窮大的為光電三極管。正、反向阻值一大一小者為光電二極管。光電二極管檢測(cè)：首先根據(jù)外殼上的標(biāo)記判斷其極，外殼標(biāo)有色點(diǎn)的管腳或靠近管鍵的管腳為正極，另一管腳為負(fù)載。如無(wú)標(biāo)記可用一塊黑布遮住其接收光線信號(hào)的窗口，將萬(wàn)用表置R*1K擋測(cè)出正極和負(fù)極，同時(shí)測(cè)得其正向電阻應(yīng)在10K~20K間，其反向電阻應(yīng)為無(wú)窮大，表針不動(dòng)。然后去掉遮光黑布，光電二極管接收窗口對(duì)著光源，此時(shí)萬(wàn)用表表針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度大小說(shuō)明其靈敏度高低，偏轉(zhuǎn)角度越大，靈敏度越高。光電三極管檢測(cè)：光電三極管管腳較長(zhǎng)的是發(fā)射極，另一管腳是集電極。檢測(cè)時(shí)首先選一塊黑布遮住起接收窗口，將萬(wàn)用表置R*1K擋，兩表筆任意接兩管腳，測(cè)得結(jié)果其表針都不動(dòng)（電阻無(wú)窮大），在移去遮光布，萬(wàn)用表指針向右偏轉(zhuǎn)至15K~35K，其向又偏轉(zhuǎn)角度越大說(shuō)明其靈敏度越高。光電二極管和三極管的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、溫度特性和頻率特性等來(lái)描述。通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)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。曲線1表示氧銫陰極：光照特性成線性關(guān)系曲線2表示銻銫陰極：光照特性成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率(光電流與入射光光通量之間比)稱(chēng)為光電管的靈敏度。光電管的光照特性由于光陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系稱(chēng)為光電管的光譜特性。一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，有不同的紅限頻率v0，對(duì)應(yīng)于不同的光譜范圍。同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同。光譜特性：對(duì)不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極——光譜響應(yīng)范圍。例如：銻銫陰極，其紅限λ0=700nm，它對(duì)紫外線和可見(jiàn)光范圍的入射光靈敏度比較高，適用于白光光源和紫外光源。對(duì)紅外光源，常用氧銫陰極。在一定的光照射下，對(duì)光電管的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系——是應(yīng)用光電傳感器的主要依據(jù)參數(shù)。當(dāng)極間電壓高于50V時(shí)，光電流開(kāi)始飽和，所有的光電子都達(dá)到了陽(yáng)極。真空光電管一般工作于飽和部分。光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)變成電能的器件，又稱(chēng)為太陽(yáng)能電池。光電池常用的材料是硅和硒，也可以使用鍺、硫化鎘、砷化鎵和氧化亞銅等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的P-N結(jié)，P層做得很薄，從而使光線能穿透照到P-N結(jié)上。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差——光生電動(dòng)勢(shì)。開(kāi)路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。。硅光電池的光照特性 硅光電池光照特性與負(fù)載的關(guān)系光電池峰值波長(zhǎng)在500nm硅光電池400nm—1200nm硅光電池的溫度特性曲線

以上各節(jié)均做了解。

發(fā)光元件和光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。以光為媒介進(jìn)行耦合來(lái)傳遞電信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)電隔離，在電氣上實(shí)現(xiàn)絕緣耦合，因而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于它具有單向信號(hào)傳輸功能，因此適用于數(shù)字邏輯中開(kāi)關(guān)信號(hào)的傳輸和在邏輯電路中作為隔離器件及不同邏輯電路間的接口。光電耦合器的特點(diǎn)：(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用于工作頻率50kHz以下的裝置。(b)采用高速開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。(c)采用放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。電荷藕合器件圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤(pán)卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)面。教學(xué)要求1．掌握光導(dǎo)纖維的組成和光在光纖中傳播的原理。2．掌握光纖的主要參數(shù)。3．掌握強(qiáng)度型光纖傳感器和干涉型光纖傳感器的基本原理。4.了解各類(lèi)光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容1.纖芯：石英玻璃，直徑5－75um，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。2.包層：直徑100－200um，折射率略低于纖芯。3.涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光。4.護(hù)套：尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。斯涅爾定理(Snell'slaw)：光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即n1>n2時(shí)，θr＞θi。n1、n2、θr、θi間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：n1sinθi=n2sinθr（1）當(dāng)θr=90o時(shí)，θi仍＜90o，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ィQ(chēng)為臨界狀態(tài)。臨界角θi0為：θi0=arcsin(n2/n1)（2）當(dāng)θi＞θi0并繼續(xù)增大時(shí)，θr＞90o，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來(lái)。入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個(gè)角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個(gè)角度就稱(chēng)為光纖的數(shù)值孔徑。定義為：。數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對(duì)模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數(shù)值孔徑取值范圍為0.18～0.23，其對(duì)應(yīng)的光纖端面接收角θc=10°～13°。采用“V值”表述光在階躍型折射率光纖中的傳播特性：a為纖芯半徑，λ0為入射光在真空中的波長(zhǎng)。光纖V值越大,則光纖所能擁有的,即允許傳輸?shù)哪Ｊ?不同的離散波)數(shù)越多。當(dāng)V值低于2.404時(shí),只允許一波或模式在光纖中傳輸。光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光強(qiáng)發(fā)生衰減，通常用傳播率A來(lái)表示傳播損耗:式中為光纖長(zhǎng)度，為輸出端光強(qiáng)，為輸入端光強(qiáng)。：階躍折射率光纖和漸變折射率光纖。單模光纖和多模光纖。光纖傳感器可分為振幅型（也叫強(qiáng)度型）和相位型（也叫干涉儀型）兩種。振幅型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與多模光纖技術(shù)的相容性好、信號(hào)檢測(cè)較容易等優(yōu)點(diǎn)，但其靈敏度較低。相位型光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但其機(jī)構(gòu)及檢測(cè)手段復(fù)雜。強(qiáng)度型(振幅型)

光纖傳感器結(jié)構(gòu)：反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖4.1所示：光纖采用Ｙ型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。原理：光從光源耦合到光源光纖，通過(guò)光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接受到的光源與反射體表面性質(zhì)、反射體到光纖探頭距離有關(guān)。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射片時(shí)，接收器接收到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加，到達(dá)最大值點(diǎn)后又隨兩者的距離增加而減小。圖4.2所示就是反射式光纖位移傳感器的輸出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)得到位移量。特點(diǎn)：反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測(cè)量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測(cè)量線性化（在小位移范圍內(nèi)）等優(yōu)點(diǎn)，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢測(cè)。圖4.1反射型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)圖2位移——輸出信號(hào)曲線以上各節(jié)要求了解。他們均屬于強(qiáng)度調(diào)制型傳感器。4.3相位調(diào)制型光纖傳感器基本換能機(jī)理：在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒猓虼郎y(cè)能量場(chǎng)的作用，而產(chǎn)生相位調(diào)制。測(cè)量機(jī)構(gòu)分類(lèi)：邁克爾遜﹑馬赫-澤德﹑薩格奈克和法布里-珀羅。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)上都由空氣光路和多個(gè)光學(xué)器件（分光束和平面鏡）組合而成。在每種傳感器中，光源的輸出光束均被分成兩束或兩束以上的光。這些分開(kāi)的光束沿不同光路傳輸之后，又重新合路并激勵(lì)光敏檢測(cè)器。光纖耦合器：光纖耦合器（Coupler）又稱(chēng)分歧器（Splitter），是將光訊號(hào)從一條光纖中分至多條光纖中的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域，在電信網(wǎng)路、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路中都會(huì)應(yīng)用到。光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合器（雙分支，單位1×2，亦即將光訊號(hào)分成兩個(gè)功率）、星狀／樹(shù)狀耦合器、以及波長(zhǎng)多工器（WDM，若波長(zhǎng)屬高密度分出，即波長(zhǎng)間距窄，則屬於DWDM），制作方式則有燒結(jié)（Fuse）、微光學(xué)式（MicroOptics）、光波導(dǎo)式（WaveGuide）三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)（約有90％）。4.4光纖傳感器的應(yīng)用舉例其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類(lèi)傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器。光纖聲壓傳感器利用了雙路光纖干涉原理制成的。利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器。教學(xué)要求1．掌握變磁阻式傳感器的原理。2．掌握差動(dòng)式電感傳感器的工作原理。3．掌握差動(dòng)變壓器式傳感器的基本原理。4.了解電動(dòng)式傳感器的原理。教學(xué)內(nèi)容變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成,在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ,傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí),氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定:式中：—線圈總磁鏈；—通過(guò)線圈的電流；—線圈的匝數(shù)；Φ—穿過(guò)線圈的磁通。由磁路歐姆定律,得式中：—磁路總磁阻。對(duì)于變隙式傳感器,因?yàn)闅庀逗苄?所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損,則磁路總磁阻為式中：—鐵芯材料的導(dǎo)磁率；—銜鐵材料的導(dǎo)磁率；—磁通通過(guò)鐵芯的長(zhǎng)度；—磁通通過(guò)銜鐵的長(zhǎng)度；S1——鐵芯的截面積；S2—銜鐵的截面積；—空氣的導(dǎo)磁率；S0—?dú)庀兜慕孛娣e；δ—?dú)庀兜暮穸?。通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻,即則磁阻可近似為聯(lián)立式以上各式,可得上式表明,當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí),電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù),只要改變?chǔ)幕騍0均可導(dǎo)致電感變化,因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積S0的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式電感傳感器。設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?初始電感量為,銜鐵位移引起的氣隙變化量為,從式，可知與δ之間是非線性關(guān)系,特性曲線如圖表示。在很小時(shí)，電感的相對(duì)變化量為，靈敏度為：由此可見(jiàn),變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變隙式電感式傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。為了減小非線性誤差,實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。差動(dòng)變隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成,測(cè)量時(shí),銜鐵通過(guò)導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連,當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí),導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng),使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等,方向相反的變化,導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加,另一個(gè)線圈的電感量減小,形成差動(dòng)形式。當(dāng)銜鐵往上移動(dòng)Δδ時(shí),兩個(gè)線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由及表示,當(dāng)差動(dòng)使用時(shí),兩個(gè)電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂,另兩個(gè)橋臂由電阻組成,電橋輸出電壓與ΔL有關(guān),其具體表達(dá)式為靈敏度K0為比較單線圈和差動(dòng)兩種變間隙式電感傳感器的特性,可以得到如下結(jié)論:①差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍。②差動(dòng)式的非線性項(xiàng)等于單線圈非線性項(xiàng)乘以因子,因?yàn)?所以,差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。為了使輸出特性能得到有效改善,構(gòu)成差動(dòng)的兩個(gè)變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致。電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱(chēng)為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的,并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接,故稱(chēng)差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多,有變隙式、變面積式和螺線管式等,但其工作原理基本一樣。形差動(dòng)變壓器的靈敏度表達(dá)式可知傳感器的靈敏度將隨電源電壓和變壓比的增大而提高，隨起始間隙增大而降低。非電量測(cè)量中,應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器,它可以測(cè)量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移,并具有測(cè)量精度高,靈敏度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。變隙電感式壓力傳感器由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成,銜鐵與膜盒的上端連在一起。當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí),膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng),從而使氣隙發(fā)生變化,流過(guò)線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化,電流表指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。圖4-8變隙電感式傳感器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí),C形彈簧管產(chǎn)生變形,其自由端發(fā)生位移,帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng),使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化,即一個(gè)電感量增大,另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系,所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓,即可得知被測(cè)壓力的大小。教學(xué)要求1．掌握壓電效應(yīng)的原理。2．掌握掌握常用壓電材料。3．掌握聲表面波現(xiàn)象的基本原理。4.了解各類(lèi)壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容

6.1

晶體的壓電效應(yīng)

在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面(極化面)上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，這種效應(yīng)稱(chēng)為壓電效應(yīng)。目前壓電材料可分為三大類(lèi)：一是壓電晶體(單晶)，它包括壓電石英晶體和其他壓電單晶；二是壓電陶瓷(多晶半導(dǎo)瓷)；三是新型壓電材料，又可分為壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。6.2壓電加速度傳感器當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即F=ma式中：F—質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力；m—質(zhì)量塊的質(zhì)量；a—加速度。此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為q=d11F=d11與加速度a成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。對(duì)式，當(dāng)時(shí)得到的電荷Q值，稱(chēng)為電荷靈敏度。式中——電荷值；——壓電常數(shù)；——質(zhì)量塊質(zhì)量；——物體振動(dòng)加速度；——重力加速度。，當(dāng)時(shí)即為靈敏度的電壓表示法，單位為。式中，——電荷值；——壓電常數(shù)；——質(zhì)量塊質(zhì)量；——物體振動(dòng)加速度；——重力加速度；——晶片電極面面積；——恒應(yīng)力下的介電常數(shù)。，式中為壓電晶片的楊氏模量。其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)是最常見(jiàn)的。

當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器，其電容量為：等效電路為（a）：壓電元件的等效電路（a）電壓源;（b）電荷源當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(b)。實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖5-15所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。這兩種等效電路是完全等效的。

壓電傳感器的實(shí)際等效電路（a）電壓源;（b）電荷源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(guò)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。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式：一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；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。（a）放大器電路;（b）等效電路（a）放大器電路;（b）等效電路6.3壓電諧振式傳感器以石英晶體諧振器作為敏感元件的諧振式傳感器。石英晶體諧振器是用石英晶體經(jīng)過(guò)適當(dāng)切割后制成，當(dāng)被測(cè)參量發(fā)生變化時(shí)，它的固有振動(dòng)頻率隨之改變，用基于壓電效應(yīng)的激勵(lì)和測(cè)量方法就可獲得與被測(cè)參量成一定關(guān)系的頻率信號(hào)。石英晶體諧振式傳感器的精度高，響應(yīng)速度較快，常用于測(cè)量溫度和壓力。

在發(fā)現(xiàn)具有線性溫度－頻率特性的石英晶體切型后，這種溫度傳感器的諧振器采用LC切型的平凸透鏡石英晶體塊制成，其直徑約為數(shù)毫米，凸面曲率半徑約為100毫米以上。諧振器封裝于充氦氣的管殼內(nèi),在傳感器電路中利用它的壓電效應(yīng)和固有振動(dòng)頻率隨溫度變化的特性構(gòu)成熱敏振蕩器，它的基本諧振頻率為28兆赫。電路中另有一個(gè)振蕩頻率為2.8兆赫的基準(zhǔn)振蕩器,它通過(guò)十倍頻后輸出一個(gè)28兆赫的參照頻率。兩個(gè)振蕩器的輸出經(jīng)門(mén)電路相加送往混頻器得到差頻輸出信號(hào)，它是被測(cè)溫度與基準(zhǔn)溫度（即基準(zhǔn)振蕩器的溫度）之差與1000赫／℃（溫度系數(shù)）的乘積，因此該差頻輸出信號(hào)記錄了被測(cè)溫度的變化。由時(shí)間選擇開(kāi)關(guān)產(chǎn)生不同的時(shí)間控制信號(hào)作為選通脈沖，以獲得不同的分辨率。線性石英晶體－頻率傳感器可用于熱過(guò)程流動(dòng)速度不高、間隔時(shí)間較長(zhǎng)的各種高精度溫度測(cè)量的場(chǎng)合以及多路遙控系統(tǒng)、水底探測(cè)等方面，還可用它制成高分辨率的直讀式數(shù)字自動(dòng)溫度計(jì)。這種傳感器所采用的諧振器是用厚度切變振動(dòng)模式AT切型石英晶體制作的。諧振器可制成包括圓片形振子和受力機(jī)構(gòu)的整體式或分離式結(jié)構(gòu)。振子有扁平形、平凸形和雙凸形三種，受力機(jī)構(gòu)為環(huán)繞圓片的環(huán)形或圓筒形。振子和圓筒由一整塊石英晶體加工而成，諧振器的空腔被抽成真空，振動(dòng)兩側(cè)上各有一對(duì)電極。圓筒和端蓋嚴(yán)格密封。石英圓筒能有效地傳遞周?chē)膲毫?。?dāng)電極上加以激勵(lì)電壓時(shí)，利用逆壓電效應(yīng)使振子振動(dòng)，同時(shí)電極上又出現(xiàn)交變電荷，通過(guò)與外電路相連的電極來(lái)補(bǔ)充這種電和機(jī)械等幅振蕩所需的能量。當(dāng)石英振子受靜態(tài)壓力作用時(shí)，振動(dòng)頻率發(fā)生變化，并且與所加壓力成線性關(guān)系。在此過(guò)程中石英的厚度切變模量隨壓力的變化起了主要作用。分離式結(jié)構(gòu)相比整體式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是滯后小、頻率穩(wěn)定性極佳。但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難、成本也高。壓力傳感器的諧振器還有振梁式，也是由AT切型石英晶體制成，振梁橫跨于諧振器中央。在振梁的兩端上下對(duì)稱(chēng)設(shè)置四個(gè)電極，用于激勵(lì)振動(dòng)和拾取頻率信號(hào)。當(dāng)振梁受拉伸力時(shí),其諧振頻率提高,反之則頻率降低。因此輸出頻率的變化可反映輸入力的大小。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)溫度、振動(dòng)、加速度等外界干擾不敏感、穩(wěn)定性好、品質(zhì)因數(shù)高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等。6.4聲表面波傳感器

聲表面波―聲表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）是一種沿彈性基體表面?zhèn)鞑サ穆暡ǎ湔穹S壓電基體材料深度的增大按指數(shù)規(guī)律衰減。聲表面波傳感器——將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為聲表面波振蕩器振蕩頻率的變化，這樣就構(gòu)成了相應(yīng)用途的聲表面波傳感器，它是一種新型的頻率式傳感器。1979年Wohltjen和Dessy首次提出了將聲表面波SAW用作氣體傳感器，經(jīng)過(guò)20年的研究與發(fā)展，目前已研制出SO2、NO2、H2S、水蒸氣、丙酮、甲醇等多種SAW氣體傳感器，廣泛應(yīng)用于有害氣體環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床分析、雷達(dá)通訊、電子對(duì)抗等軍用、民用領(lǐng)域。

當(dāng)傳感器表面有壓力作用時(shí)，SAW壓力傳感器的壓電薄膜就會(huì)產(chǎn)生形變，薄膜材料的應(yīng)變會(huì)使得聲表面波傳播速度發(fā)生變化，從而使聲表面波的中心諧振頻率發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)SAW壓力傳感器的中心諧振頻率變化，就能得到壓力變化的數(shù)據(jù)。利用SAW振蕩器振蕩頻率隨溫度變化的原理構(gòu)成的溫度傳感器，稱(chēng)為SAW熱敏傳感器。聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。聲表面波氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測(cè)氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過(guò)測(cè)量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。換能器及其分類(lèi)：聲傳感器常稱(chēng)為換能器。按照轉(zhuǎn)換原理可將換能器分為電動(dòng)式換能器﹑電磁式換能器﹑電容式換能器﹑壓電式換能器﹑磁致伸縮換能器和電致伸縮換能器等。教學(xué)要求1．掌握半導(dǎo)體溫度﹑濕度﹑氣體和磁敏傳感器的基本原理。2．掌握霍爾效應(yīng)及其霍爾電壓的計(jì)算。3．了解半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀。教學(xué)內(nèi)容8.1

半導(dǎo)體溫度傳感器熱敏電阻是根據(jù)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與溫度有很強(qiáng)的依賴關(guān)系而制成的一種器件。從使用上，熱敏電阻可分為接觸型和非接觸型。①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測(cè)出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達(dá)到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③體積小，能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；⑤易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；⑥穩(wěn)定性好、過(guò)載能力強(qiáng)

1）標(biāo)稱(chēng)阻值2）材料常數(shù)：是反應(yīng)熱敏電阻器熱靈敏度的指標(biāo)。通常，該值越大，熱敏電阻器的靈敏度和電阻率越高。

3）電阻溫度系數(shù)：表示熱敏電阻器在零功率條件下，其溫度每變化1℃所引起電阻值的相對(duì)變化量。熱敏電阻的電阻值與溫度的關(guān)系為：A，B是與半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，根據(jù)定義，電阻溫度系數(shù)為：Rt是在溫度為t時(shí)的電阻值。4）熱時(shí)間常數(shù)：指熱敏電阻器的熱惰性。即在無(wú)功功率狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)，電阻體溫度由初值變化到最終溫度之差的63.2％所需的時(shí)間。

5）散熱系數(shù)：指熱敏電阻器的溫度每增加1℃所耗散的功率。

6）最高工作溫度：指熱敏電阻器在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下，長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)所允許承受的最高溫度。

半導(dǎo)體溫度傳感器分為兩類(lèi)：接觸型和非接觸型。接觸型又分為熱敏電阻與PN結(jié)型兩種。隨著溫度的變化，半導(dǎo)體感溫器件電阻會(huì)發(fā)生較大的變化，這種器件稱(chēng)為熱敏電阻。常用的熱敏電阻為陶瓷熱敏電阻,分為負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻、正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻和臨界溫度電阻(CTR)。熱敏電阻一般指NTC熱敏電阻。第一類(lèi)用于測(cè)量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系。第二類(lèi)為突變型，又稱(chēng)臨界溫度型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降。●正溫度系數(shù)熱敏電阻器——用鈦酸鋇（BaTiO3）、鍶（Sr）、鋯（Zr）等材料制成的。屬直熱式熱敏電阻器?！娮柚蹬c溫度變化成正比關(guān)系，即當(dāng)溫度升高時(shí)電阻值隨之增大。在常溫下，其電阻值較小，僅有幾歐姆～幾十歐姆；當(dāng)流經(jīng)它的電流超過(guò)額定值時(shí)，其電阻值能在幾秒鐘內(nèi)迅速增大至數(shù)百歐姆～數(shù)千歐姆以上?！獜V泛應(yīng)用于彩色電視機(jī)消磁電路、電冰箱壓縮機(jī)啟動(dòng)電路及過(guò)熱或過(guò)電流保護(hù)等電路中、還可用于電驅(qū)蚊器和卷發(fā)器、電熱墊、暖器等小家電中。●負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器——用錳（Mn）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋁（Al）等金屬氧化物（具有半導(dǎo)體性質(zhì)）或碳化硅（SiC）等材料采用陶瓷工藝制成的?！娮柚蹬c溫度變化成反比關(guān)系，即當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻值隨之減小?！獜V泛應(yīng)用于電冰箱、空調(diào)器、微波爐、電烤箱、復(fù)印機(jī)等家電及辦公產(chǎn)品中，作溫度檢測(cè)、溫度補(bǔ)償、溫度控制、微波功率測(cè)量及穩(wěn)壓控制用。PN結(jié)溫度傳感器是一種利用半導(dǎo)體二極管、三極管的特性與溫度的依賴關(guān)系制成的溫度傳感器。PN結(jié)作測(cè)溫器件的半導(dǎo)體傳感器具有靈敏度高、線性好、熱響應(yīng)快和體積小等特點(diǎn)，特別在溫度測(cè)量數(shù)字化、控溫應(yīng)用以及用計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)采集和處理等方面，具有其他溫度傳感器所不能相比的優(yōu)越性．因此PN結(jié)的測(cè)溫器件正逐步成為現(xiàn)代溫度測(cè)量數(shù)字化的新型測(cè)溫元件。設(shè)計(jì)原理：對(duì)于集電極電流比一定的兩個(gè)晶體管，其之差與溫度有關(guān)。非接觸型溫度傳感器可檢出被測(cè)物體發(fā)射電磁波的能量。傳感器可以是將放射能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體物質(zhì)，也可以先將放射能轉(zhuǎn)換為熱能，使溫度升高，然后將溫度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而檢出。這可用來(lái)測(cè)量一點(diǎn)的溫度，如測(cè)溫度分布，則需進(jìn)行掃描。8.2

半導(dǎo)體濕度傳感器當(dāng)半導(dǎo)體表面或界面吸附氣體分子或水分子時(shí)，半導(dǎo)體表面或界面的能帶發(fā)生變化。利用這種半導(dǎo)體電阻的變化可檢測(cè)氣體或濕度。半導(dǎo)體濕度傳感器具有體積小、重量輕的特點(diǎn),實(shí)用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器。ZnO-Cr2O3系陶瓷濕度傳感器用于室內(nèi)空調(diào)，可精密控制濕度，與微機(jī)結(jié)合能自動(dòng)去濕,節(jié)省電能。TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器耐熱性好,可測(cè)量60℃以上的環(huán)境濕度,還可用于醫(yī)藥、合成纖維工廠中存在有機(jī)物蒸氣時(shí)的濕度測(cè)量。也稱(chēng)絕對(duì)濕度，是一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質(zhì)量，一般其單位是克/立方米。絕對(duì)濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度。相對(duì)濕度是絕對(duì)濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。在一定的空氣壓力下，逐漸降低空氣的溫度，當(dāng)空氣中所含水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開(kāi)始凝結(jié)形成水滴時(shí)的溫度叫做該空氣在空氣壓力下的露點(diǎn)溫度。

8.3

半導(dǎo)體氣體傳感器氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)，導(dǎo)致敏感元件阻值變化，如：氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體，被稱(chēng)為氧化型氣體——電子接收性氣體；氫、碳氧化合物、醇類(lèi)等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱(chēng)為還原型氣體——電子供給性氣體。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升；當(dāng)氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降；當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降；當(dāng)還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升；

N型半導(dǎo)體與氣體接觸時(shí)的氧化還原反映

按半導(dǎo)體的物理特性，氣敏傳感器可分為電阻型和非電阻型。電阻型氣敏傳感器是目前使用較廣泛的一種氣敏元件。敏感元件、加熱器、外殼；：燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。氣敏電阻的材料是金屬氧化物，合成時(shí)加敏感材料和催化劑燒結(jié)，金屬氧化物有：N型半導(dǎo)體，如：SnO2，F(xiàn)e2O3，ZnO，TiOP型半導(dǎo)體，如：CoO2，PbO，MnO2，CrO3這些金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后顯示氣敏特性。通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體）材料的電子吸附負(fù)電荷，結(jié)果半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態(tài)；當(dāng)氣敏元件與被測(cè)氣體接觸時(shí)，會(huì)與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，將束縛的電子釋放出來(lái)，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小?？諝庵小趸饔谩醣浑娮游健娮訙p少——高阻狀態(tài)；氣體接觸——吸附——氧發(fā)生反應(yīng)——電子釋放——電導(dǎo)增加——電阻減小。氣敏元件的加熱作用：電阻型氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（2000C—4500C），目的是為了加速氣體吸附和上述的氧化還原反應(yīng)，提高靈敏度和響應(yīng)速度；另外使附著在殼面上的油霧、塵埃燒掉。在常溫下，電導(dǎo)率變化不大，達(dá)不到檢測(cè)目的，因此以上結(jié)構(gòu)的氣敏元件都有電阻絲加熱器。加熱時(shí)間2—3分鐘，加熱電源一般為5V。加熱方式分為內(nèi)熱式和旁熱式。氣敏傳感器測(cè)量電路非電阻型氣敏傳感器，是利用MOS二極管的電容—電壓特性變化；MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓的變化；肖特基金屬半導(dǎo)體二極管的勢(shì)壘變化進(jìn)行氣體檢測(cè)。在P型硅上集成一層二氧化硅（SiO2）層。在氧化層蒸發(fā)一層鈀（Pd）金屬膜作電極。氧化層（SiO2）電容Ca固定不變。而硅片與SiO2層電容Cs是外加電層的功函數(shù)?？傠娙軨也是偏壓的函數(shù)。曲線C—U特性中，MOS二極管的等效電容C隨電壓U變化。金屬鈀（Pd）對(duì)氫氣（H2）特別敏感。當(dāng)Pd吸附以后，使Pd的功函數(shù)下降，使MOS管C—U特性向左平移（向負(fù)方向偏移），利用這一特性用于測(cè)定的濃度。

MOS二極管氣敏元件結(jié)構(gòu)和等效電路鈀Pd—MOSFET管結(jié)構(gòu)如圖所示。Pd對(duì)H2吸附性很強(qiáng)，H2吸附在Pd柵上引起的Pd功函數(shù)降低。MOSFET管當(dāng)柵極（G）、源極（S）間加正向偏壓UGS，UGS>UT閥值時(shí)，柵極氧化層下的硅從P變?yōu)镹型，N型區(qū)將S（源）和D（漏）連接起來(lái)，形成導(dǎo)電通道（N型溝道）。此時(shí)MOSFET進(jìn)入工作狀態(tài)，在S—D間加電壓UDS，S—D間有電流IDS流過(guò)，IDS隨UDS、UGS變化。當(dāng)UGS<UT時(shí)，溝道沒(méi)形成，無(wú)漏源電流IDS=0。UT（閥值）電壓大小與金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)有關(guān)。Pd—MOSFET器件就是利用H2在鈀柵極吸附后改變功函數(shù)使UT下降，檢測(cè)H2濃度。鈀Pd—MOSFET管結(jié)構(gòu)肖特基二極管金屬和半導(dǎo)體接觸的界面形成肖特基勢(shì)壘，構(gòu)成金屬半導(dǎo)體二極管。管子加正偏壓，半導(dǎo)體金屬的電子流增加，加負(fù)偏壓，幾乎無(wú)電流。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體界面有氣體時(shí)，勢(shì)壘降低，電流變化（金屬與半導(dǎo)體界面吸附氣體，影響禁帶寬度Eg）。在正向偏壓條件下，氣體濃度增大，電流增大，輸出電壓增大。測(cè)試電流電壓值可知?dú)怏w濃度。非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器主要用于氫氣濃度測(cè)量。

8.4

半導(dǎo)體磁敏傳感器霍爾傳感器、磁敏電阻器、磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理；各類(lèi)磁敏傳感器的測(cè)量和轉(zhuǎn)換電路及其典型應(yīng)用?；魻杺鞲衅鳌⒋琶綦娮杵?、磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理?；魻杺鞲衅鞯膽?yīng)用。一塊半導(dǎo)體薄片，如果在其相對(duì)的兩邊通入電流I，且電流與磁場(chǎng)垂直，則在半導(dǎo)體的另兩邊將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差UH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的電勢(shì)差稱(chēng)為霍爾電壓。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱(chēng)為霍爾元件?；魻杺鞲衅?/p>