傳感器原理及應用課件

緒

論一、傳感器的地位和作用例1人與機器的機能對應關系定性人通過感官感覺外界對象的刺激，通過大腦對感受的信息進行判斷、處理，肢體作出相應的反映。定量傳感器相當于人的感官，稱“電五官”，外界信息由它提取，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)易于處理的電信號，微機對電信號進行處理，發(fā)出控制信號給執(zhí)行器，執(zhí)行器對外界對象進行控制。人與機器的機能對應關系圖外界對象感官傳感器人腦微機肢體執(zhí)行器

無論是金屬糧倉還是土倉，為防止霉變，糧食都是分層存放，倉內(nèi)溫度和濕度不能過高，為此，需在各層安放溫濕度傳感器進行檢測。裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖如下。將各層探頭輸出接至溫濕度巡檢儀上，通過巡檢儀監(jiān)視器監(jiān)視各點溫濕度情況。通過通風口保持溫濕度在要求范圍內(nèi)。例2糧倉溫度、濕度檢測裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖通風口探頭通風口通風口例3：開發(fā)區(qū)海灣公司生產(chǎn)的感溫、感煙火災報警器集控器1中央監(jiān)控圖1監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖探頭11探頭12探頭1N其監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖2:可在每一房間安放一對感溫、感煙探頭（智能傳感器），它們輸出溫度、濃度信號通過串行通訊線送入由微機組成的檢測系統(tǒng)（集控器）；集控器負責信號匯總，匯總各房間的溫度和濃度信號，并監(jiān)控各房間溫度、煙濃度是否異常，如異常，聲光報警并打開噴淋設備滅火，一層一臺。各層集控器通過CAN總線、M-BUS總線等現(xiàn)場總線將溫度、濃度等信號送入中央監(jiān)控計算機。值班人員在電腦屏幕上直觀監(jiān)視各房間情況（溫度、煙霧濃度）。房間、樓道裝配攝像頭，還可通過電視屏幕查看房間、樓道情況?？煽闯鰶]有感溫、感煙傳感器，就像人缺少感官，系統(tǒng)無法工作。熱軋帶鋼表面溫度的測量

用輻射溫度計測量熱軋帶鋼表面溫度的方法巳被廣泛采用。從加熱爐出來的鋼坯最后到卷取機之前的整個軋制線上，如加熱爐出口、粗軋機的入口和出口、精軋機的入口和出口以及在卷取機之前都設有輻射溫度計，用以測量各階段帶鋼的表面溫度。并用此溫度信號來控制軋制速度、軋輥壓下力和冷卻水流量等。

傳感器作為整個檢測系統(tǒng)的前哨，它提取信息的準確與否直接決定著整個檢測系統(tǒng)的精度。一個國家的現(xiàn)代化水平是用其自動化水平來衡量的。而自動化水平是用儀表及傳感器的種類和數(shù)量多少來衡量的。信息化技術包括傳感器技術、通訊技術和計算機技術。傳感器技術列為信息技術之首，由此可見一斑。國內(nèi)高精度、多功能、集成化、智能化傳感器急需開發(fā)研制?？偨Y(jié)二、傳感器的定義與組成1、定義（Sensor）

能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。（GB7665—87）它是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。

輸入量是物理量、化學量和生物量。輸出量主要是電量。（電量最便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示）輸入輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律（關系）已知，轉(zhuǎn)換精度要滿足測控系統(tǒng)的應用要求。壓電傳感器：Q=d33f傳感器應用場合（領域）不同，叫法不同。過程控制：變送器。（標準化的傳感器）射線檢測：發(fā)送器、接收器。探頭。2、組成敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路傳感器組成框圖被測量中間量電量電信號傳感器組成

由半導體材料制成的物性性傳感器基本是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件二合一。直接能將被測量轉(zhuǎn)換為電量輸出。如熱電偶、壓電傳感器、光電池。熱敏電阻等。膜盒差動電感電橋電路氣體壓力傳感器組成框圖PSLU0mVTT0BA熱電偶IhfG光電池f+++++–––––Q壓電傳感器RRTR0RU0Ui熱敏電阻傳感器三、傳感器分類及要求分類1、按能量轉(zhuǎn)換情況

能量控制型傳感器。需外供電源，只起信號轉(zhuǎn)換，不起能量轉(zhuǎn)換。能量轉(zhuǎn)換型傳感器。不需外加電源，本身起能量轉(zhuǎn)換。2、按物理工作原理分類（教科書）按傳感器的結(jié)構、原理、測量電路及應用講授。條理較清晰。同一原理的傳感器可測不同的非電量。3、根據(jù)輸入物理量（用途）分類同一被測物理量可用不同種傳感器測量。這樣分類目的是使讀者（工程技術人員）有針對性地查閱所需的傳感器。一般工程書籍及參考書、手冊按此類方法分類。4、按輸出信號的性質(zhì)分類模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。一般要求1、穩(wěn)定性、可靠性一般用平均無故障時間來衡量穩(wěn)定性、可靠性。在計量、工業(yè)生產(chǎn)等領域中穩(wěn)定性、可靠性至關重要。2、靜態(tài)精度測靜態(tài)量，傳感器精度應滿足系統(tǒng)的精度要求。3、動態(tài)性能測動態(tài)量，如響應速度、工作頻率、穩(wěn)定時間等。4、量程測量被測量的范圍。一般量程越大，精度越低。5、抗干擾能力工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境較惡劣，存在溫濕度、電磁等干擾，設計的傳感器能克服這些干擾，安全穩(wěn)定運行。6、體積小、能耗低、成本低結(jié)構型傳感器向物性型半導體傳感器發(fā)展。如測人體血壓的電子血壓計。（uWmW級）四、改善傳感器性能的技術途徑1、差動技術減小溫度、電源波動及外界的共模信號干擾。減小非線性，提高靈敏度。（舉例）2、平均技術光柵、磁柵、感應同步器等數(shù)字傳感器，多個傳感單元參與測量，誤差的平均效應，總誤差減小。如光柵尺測位移，幾根刻線形狀誤差，對莫爾條紋的形狀，影響甚微。多個傳感器測量值取平均及多次采樣測量采用平均技術。3、補償與修正技術目的：消除外界因素對傳感器測量結(jié)果的影響。熱電偶測溫E=f（T）－f（T0）方法一：T0恒溫。方法二：冷端放置溫度傳感器測出T0

，通過軟硬件得到f（T0）（修正項）。找到誤差項（修正項），即可準確測得T。4、屏蔽、隔離與干擾抑制屏蔽減小外界電磁干擾對傳感器的影響。（減小傳感器對影響因素的靈敏度，降低外界因素對傳感器作用的烈度）隔離（隔熱、密封、隔振等）減小溫度、濕度、機械振動等影響。濾波（阻容、電感濾波）濾除外界電磁干擾。5、穩(wěn)定性、可靠性處理傳感器元器件、結(jié)構材料的老化處理。使其能在較惡劣的環(huán)境中長期穩(wěn)定可靠地運行。元器件分為商用級、工業(yè)級、軍用級。它們的工作溫度范圍、壽命、精度等指標不同。五、傳感器技術的發(fā)展方向1、開發(fā)新的敏感、傳感材料在半導體硅材料發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物理量都會使其性能改變。制成力敏、熱敏、光敏、磁敏氣敏等敏感元件?；A研究尋找發(fā)現(xiàn)具有新原理、新效應的敏感元件和傳感元件。沒有深入細致的，就沒有新傳感元件的問世，也就沒有新型傳感器，組成不了新型測試系統(tǒng)。2、開發(fā)研制新型傳感器及組成新型測試系統(tǒng)

(1)MEMS技術要求研制微型傳感器。如用于微型偵察機的CCD傳感器、用于管道爬壁機器人的力敏、視覺傳感器。（2）研制仿生傳感器（3）研制海洋探測用傳感器海洋檢測環(huán)保。（4）研制成分分析用傳感器（5）研制微弱信號檢測傳感器3、微電子技術、微型計算機技術與儀表傳感器相結(jié)合構成新一代智能化測試系統(tǒng)。如電子血壓計，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點是傳感器與微型計算機有機結(jié)合，構成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟件實現(xiàn)。4、用多個儀表或傳感器進行線的、面的、體的測量。如稱重料斗重量檢測，油罐油溫檢測。六、本課程的任務和目的1、任務：掌握傳感器的工作原理、結(jié)構、測量電路及典型應用。2、目的：（1）合理選擇和使用傳感器。

（2）對傳感器技術問題有一定的分析和處理能力。（3）知曉傳感器的工程設計方法和實驗研究方法。（4）了解傳感器的發(fā)展動向。要求1、復習鞏固已學電路、電子等方面的知識。2、多看一些相關參考書及期刊雜志。參考書：1、檢測與轉(zhuǎn)換技術常健生吉林工業(yè)大學機械工業(yè)出版社2、非電量電測技術譚祖根浙江大學3、傳感器技術賈伯年東南大學七、實驗

實驗是傳感器課程不可缺少的重要組成部分，采用CSY傳感器教學實驗儀，設置了箔式應變片、半導體應變片、電渦流式、霍爾式、差動線圈螺管式、電容式、磁電式、壓電式、熱電偶式等傳感器。傳感器實例溫度傳感器壓力傳感器

液位傳感器

半導體傳感器

9.1氣敏傳感器

用半導體氣敏元件組成的氣敏傳感器主要用于工業(yè)上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、預報和自動控制,氣敏元件是以化學物質(zhì)的成分為檢測參數(shù)的化學敏感元件。

一、氣敏電阻的工作原理氣敏電阻的材料是金屬氧化物,在合成材料時,通過化學計量比的偏離和雜質(zhì)缺陷制成,金屬氧化物半導體分N型半導體,如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等,P型半導體,如氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等。為了提高某種氣敏元件對某些氣體成分的選擇性和靈敏度,合成材料有時還滲入了催化劑,如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等。

金屬氧化物在常溫下是絕緣的,制成半導體后卻顯示氣敏特性。通常器件工作在空氣中,空氣中的氧和NO2

這樣的電子兼容性大的氣體,接受來自半導體材料的電子而吸附負電荷,結(jié)果使N型半導體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導電子減少,使表面電導減小,從而使器件處于高阻狀態(tài)。一旦元件與被測還原性氣體接觸,就會與吸附的氧起反應,將被氧束縛的電子釋放出來,敏感膜表面電導增加,使元件電阻減小。該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（200~450℃）,目的是為了加速上述的氧化還原反應。

例如,用氧化錫制成的氣敏元件,在常溫下吸附某種氣體后,其電導率變化不大,若保持這種氣體濃度不變,該器件的電導率隨器件本身溫度的升高而增加,尤其在100~300℃范圍內(nèi)電導率變化很大。顯然,半導體電導率的增加是由于多數(shù)載流子濃度增加的結(jié)果。氧化錫、氧化鋅材料氣敏元件輸出電壓與溫度的關系如圖9-1（b）所示。由上述分析可以看出,氣敏元件工作時需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。因此,氣敏元件結(jié)構上,有電阻絲加熱,結(jié)構如圖9-2所示,1和2是加熱電極,3和4是氣敏電阻的一對電極。

氣敏元件的基本測量電路,如圖9-1（a）所示,圖中EH為加熱電源,EC為測量電源,電阻中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化,輸出電壓（信號電壓）由電阻Ro上取出。特別在低濃度下靈敏度高,而高濃度下趨于穩(wěn)定值。因此,常用來檢查可燃性氣體泄漏并報警等。

二、氣敏傳感器的應用

氣敏電阻元件種類很多,按制造工藝上分燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。（1）燒結(jié)型氣敏元件將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中,經(jīng)加熱成型后低溫燒結(jié)而成。目前最常用的是氧化錫（SnO2）燒結(jié)型氣敏元件,它的加熱溫度較低,一般在200~300℃,SnO2氣敏半導體對許多可燃性氣體,如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度。

（2）薄膜型氣敏元件采用真空鍍膜或濺射方法,在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜（厚度0.1μm以下）,構成薄膜型氣敏元件。氧化鋅（ZnO）薄膜型氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片,通過真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬,用鉑或鈀膜作引出電極,最后將基片上的鋅氧化。氧化鋅敏感材料是N型半導體,當添加鉑作催化劑時,對丁烷、丙烷、乙烷等烷烴氣體有較高的靈敏度,而對H2、CO2等氣體靈敏度很低。若用鈀作催化劑時,對H2

、CO有較高的靈敏度,而對烷烴類氣體靈敏度低。因此,這種元件有良好的選擇性,工作溫度在400~500℃的較高溫度。

（3）厚膜型氣敏元件將氣敏材料（如SnO2、ZnO）與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠。把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁（Al2O3）基片上,在400~800℃的溫度下燒結(jié)1~2小時便制成厚膜型氣敏元件。用厚膜工藝制成的器件一致性較好,機械強度高,適于批量生產(chǎn)。以上三種氣敏器件都附有加熱器,在實際應用時,加熱器能使附著在測控部分上的油霧、塵埃等燒掉,同時加速氣體氧化還原反應,從而提高器件的靈敏度和響應速度。9.2濕敏傳感器

濕度是指大氣中的水蒸氣含量,通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度是指單位空間中所含水蒸氣的絕對含量或者濃度或者密度,一般用符號AH表示。相對濕度是指被測氣體中蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比,一般用符號RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度,它是一個無量綱的量,在實際使用中多使用相對濕度這一概念。下面介紹一些至今發(fā)展比較成熟的幾類濕敏傳感器。

一、氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解,離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。該元件的結(jié)構如圖9-3所示,由引線、基片、感濕層與電極組成。

氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體,在氯化鋰（LiCl）溶液中,Li和Cl均以正負離子的形式存在,而Li

+對水分子的吸引力強,離子水合程度高,其溶液中的離子導電能力與濃度成正比。當溶液置于一定溫濕場中,若環(huán)境相對濕度高,溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?因此,其溶液電阻率增高。反之,環(huán)境相對濕度變低時,則溶液濃度升高,其電阻率下降,從而實現(xiàn)對濕度的測量。氯化鋰濕敏元件的濕度——電阻特性曲線如圖9-4所示。由圖可知,在50%~80%相對濕度范圍內(nèi),電阻與濕度的變化呈線性關系。為了擴大濕度測量的線性范圍,可以將多個氯化鋰含量不同的器件組合使用,如將測量范圍分別為(10%~20%)RH,(20%~40%)RH,(40%~70%)RH,(70%~90%)RH和(80%~99%)RH五種元件配合使用,就可自動地轉(zhuǎn)換完成整個濕度范圍的濕度測量。

氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點是滯后小,不受測試環(huán)境風速影響,檢測精度高達±５%,但其耐熱性差,不能用于露點以下測量,器件性能的重復性不理想,使用壽命短。

二、半導體陶瓷濕敏電阻

半導體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO

2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等,前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降,故稱為負特性濕敏半導體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導體陶瓷(為敘述方便，有時將半導體陶瓷簡稱為半導瓷)。

1.負特性濕敏半導瓷的導電機理

由于水分子中的氫原子具有很強的正電場,當水在半導瓷表面吸附時,就有可能從半導瓷表面俘獲電子,使半導瓷表面帶負電。如果該半導瓷是Ｐ型半導體,則由于水分子吸附使表面電勢下降。若該半導瓷為Ｎ型,則由于水分子的附著使表面電勢下降。如果表面電勢下降較多,

不僅使表面層的電子耗盡,同時吸引更多的空穴達到表面層,有可能使到達表面層的空穴濃度大于電子濃度,出現(xiàn)所謂表面反型層,這些空穴稱為反型載流子。它們同樣可以在表面遷移而對電導做出貢獻,由此可見,不論是Ｎ型還是Ｐ型半導瓷,其電阻率都隨濕度的增加而下降。圖9-5表示了幾種負特性半導瓷阻值與濕度之關系。

2.正特性濕敏半導瓷的導電機理正特性濕敏半導瓷的導電機理認為這類材料的結(jié)構、電子能量狀態(tài)與負特性材料有所不同。當水分子附著半導瓷的表面使電勢變負時,導致其表面層電子濃度下降,但還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度,此時仍以電子導電為主。于是,表面電阻將由于電子濃度下降而加大,這類半導瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。如果對某一種半導瓷,它的晶粒間的電阻并不比晶粒內(nèi)電阻大很多,那么表面層電阻的加大對總電阻并不起多大作用。

不過,通常濕敏半導瓷材料都是多孔的,表面電導占的比例很大,故表面層電阻的升高,必將引起總電阻值的明顯升高;但是,由于晶體內(nèi)部低阻支路仍然存在,正特性半導瓷的總電阻值的升高沒有負特性材料的阻值下降得那么明顯。圖9-6給出了Fe3O4正特性半導瓷濕敏電阻阻值與濕度的關系曲線。

3.典型半導瓷濕敏元件（1）MgCr2O4-TiO2濕敏元件氧化鎂復合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕-電”轉(zhuǎn)換器件,它是負特性半導瓷,MgCr2O4為Ｐ型半導體,它的電阻率低,阻值溫度特性好,結(jié)構如圖9-7所示,在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極。

金電極與引出線燒結(jié)在一起,為了減少測量誤差,在陶瓷片外設置由鎳鉻絲制成的加熱線圈,以便對器件加熱清洗,排除惡劣氣氛對器件的污染。整個器件安裝在陶瓷基片上,電極引線一般采用鉑-銥合金。

MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器的相對濕度與電阻值之間的關系,見圖9-8所示。傳感器的電阻值既隨所處環(huán)境的相對濕度的增加而減少,又隨周圍環(huán)境溫度的變化而有所變化。（2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構是將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上,并焊上鉑引線,然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定而做成的，其結(jié)構如圖9-9所示。

ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度,而無需加熱除污裝置,因此功耗低于0.5Ｗ,體積小,成本低,是一種常用測濕傳感器。9.3色敏傳感器

半導體色敏傳感器是半導體光敏感器件中的一種。它是基于內(nèi)光電效應將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探測器件。但不管是光電導器件還是光生伏特效應器件，它們檢測的都是在一定波長范圍內(nèi)光的強度,或者說光子的數(shù)目。而半導體色敏器件則可用來直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。這是近年來出現(xiàn)的一種新型光敏器件。

一、半導體色敏傳感器的基本原理

半導體色敏傳感器相當于兩只結(jié)構不同的光電二極管的組合,故又稱光電雙結(jié)二極管。其結(jié)構原理及等效電路如圖9-10所示。為了說明色敏傳感器的工作原理,有必要了解光電二極管的工作機理。

1.光電二極管的工作原理

對于用半導體硅制造的光電二極管,在受光照射時,若入射光子的能量hυ大于硅的禁帶寬度Eg,則光子就激發(fā)價帶中的電子躍遷到導帶而產(chǎn)生一對電子-空穴。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子—空穴統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個Ｐ-Ｎ結(jié),產(chǎn)生的光生載流子只要能擴散到勢壘區(qū)的邊界,其中少數(shù)載流子（專指P區(qū)中的電子和N區(qū)的空穴）就受勢壘區(qū)強電場的吸引而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域,這部分少數(shù)載流子對電流作出貢獻。多數(shù)載流子（P區(qū)中的空穴或N區(qū)中的電子）則受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。

在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴,則分別被電場掃向N區(qū)和P區(qū),它們對電流也有貢獻。用能帶圖來表示上述過程如圖9-11（a）所示。圖中Ec表示導帶底能量;Ev表示價帶頂能量?！啊北硎編д姾傻目昭?“·”表示電子。IL表示光電流,它由勢壘區(qū)兩邊能運動到勢壘邊緣的少數(shù)載流子和勢壘區(qū)中產(chǎn)生的電子-空穴對構成,其方向是由N區(qū)流向P區(qū),即與無光照射P-N結(jié)的反向飽和電流方向相同。當P-N結(jié)外電路短路時,這個光電流將全部流過短接回路,即從P區(qū)和勢壘區(qū)流入N區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流到P區(qū)電極處,與P區(qū)流出的光生空穴復合。因此,短接時外回路中的電流是ＩL,方向由P端經(jīng)外接回路流向N端。

這時,P-N結(jié)中的載流子濃度保持平衡值,勢壘高度（圖9-11（a）中的q(UD-U)）亦無變化。當P-N結(jié)開路或接有負載時,勢壘區(qū)電場收集的光生載流子便要在勢壘區(qū)兩邊積累,從而使P區(qū)電位升高,N區(qū)電位降低,造成一個光生電動勢,如圖9-11（b）所示。該電動勢使原P-N結(jié)的勢壘高度下降為q（UＤ-U）。其中V即光生電動勢,它相當于在P-N結(jié)上加了正向偏壓。只不過這是光照形成的,而不是電源饋送的,這稱為光生電壓,這種現(xiàn)象就是光生伏特效應。

光在半導體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收光子而從價帶躍遷到導帶的結(jié)果,這種吸收光子的過程稱為本征吸收。硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長變化的曲線如圖9-12所示。由圖可見,在紅外部分吸收系數(shù)小,紫外部分吸收系數(shù)大。這就表明,波長短的光子衰減快,穿透深度較淺,而波長長的光子則能進入硅的較深區(qū)域。對于光電器件而言,還常用量子效率來表征光生電子流與入射光子流的比值大小。其物理意義是指單位時間內(nèi)每入射一個光子所引起的流動電子數(shù)。根據(jù)理論計算可以得到,P區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨波長變化的曲線如圖9-13所示。圖中xj即表示結(jié)深。淺的P-N結(jié)有較好的藍紫光靈敏度,深的P-N結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高,半導體色敏器件正是利用了這一特性。

2.半導體色敏傳感器工作原理在圖9-10中所表示的P＋-N-P不是晶體管,而是結(jié)深不同的兩個P-N結(jié)二極管,淺結(jié)的二極管是P＋-N結(jié);深結(jié)的二極管是P-N結(jié)。當有入射光照射時,P＋、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收,但效果不同。如上所述,紫外光部分吸收系數(shù)大,經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢。在此,淺結(jié)的即是光電二極管對紫外光的靈敏度高,而紅外部分吸收系數(shù)較小,這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此,深結(jié)的那只光電二極管對紅外光的靈敏度較高。

這就是說,在半導體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色識別的可能性,也就是可以用來測量入射光的波長。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合,圖9-14硅色敏管中VD１和VD２的光譜響應曲線就構成了可以測定波長的半導體色敏傳感器。在具體應用時,應先對該色敏器件進行標定。也就是說，測定不同波長的光照射下,該器件中兩只光電二極管短路電流的比值ＩSD2／ＩSD1,ＩSD1是淺結(jié)二極管的短路電流,它在短波區(qū)較大。ＩSD2是深結(jié)二極管的短路電流,它在長波區(qū)較大,因而二者的比值與入射單色光波長的關系就可以確定。根據(jù)標定的曲線,實測出某一單色光時的短路電流比值,即可確定該單色光的波長。圖9-14表示了不同結(jié)深二極管的光譜響應曲線。圖中VD１代表淺結(jié)二極管,VD２代表深結(jié)二極管。

二、半導體色敏傳感器的基本特征

1.光譜特性半導體色敏器件的光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍,不同型號之間略有差別。圖9-15（a）給出了國產(chǎn)CS—１型半導體色敏器件的光譜特性,其波長范圍是400~1000nm。2.短路電流比—波長特性短路電流比—波長特性是表征半導體色敏器件對波長的識別能力,是賴以確定被測波長的基本特性。圖9-15（b）表示上述CS-１型半導體色敏器件的短路電流比—波長特性曲線。3.溫度特性

由于半導體色敏器件測定的是兩只光電二極管短路電流之比,而這兩只光電二極管是做在同一塊材料上的,具有相同的溫度系數(shù),這種內(nèi)部補償作用使半導體色敏器件的短路電流比對溫度不十分敏感,所以通?？刹豢紤]溫度的影響。9.4半導體式傳感器的應用

一、實用酒精測試儀

圖9-16所示為實用酒精測試儀的電路。該測試儀只要被試者向傳感器吹一口氣,便可顯示出醉酒的程度,確定被試者是否還適宜駕駛車輛。氣體傳感器選用二氧化錫氣敏元件。當氣體傳感器探測不到酒精時,加在A5腳的電平為低電平;當氣體傳感器探測到酒精時,其內(nèi)阻變低,從而使A5腳電平變高。A為顯示推動器,它共有10個輸出端,每個輸出端可以驅(qū)動一個發(fā)光二極管,顯示推動器A根據(jù)第5腳電壓高低來確定依次點亮發(fā)光二極管的級數(shù),酒精含量越高則點亮二極管的級數(shù)越大。上5個發(fā)光二極管為紅色,表示超過安全水平。下5個發(fā)光二極管為綠色,代表安全水平,酒精含量不超過0.05%。

二、直讀式濕度計

圖9-17是直讀式濕度計電路,其中RH為氯化鋰濕度傳感器。由VT1、VT2、T1等組成測濕電橋的電源,其振蕩頻率為250~1000Hz。電橋輸出級變壓器T2,C3耦合到VT3,經(jīng)VT3放大后的信號,由VD1~VD4橋式整流后,輸入給微安表,指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變,經(jīng)標定并把濕度刻劃在微安表盤上,就成為一個簡單而實用的直讀式濕度計了。三、彩色信號處理電路圖9-18所示為檢測光波長（即顏色）處理電路。它由色敏半導體傳感器、兩路對數(shù)電路及運算放大器OP3構成。

識別色彩,必須獲得兩個光電二極管的短路電流比。故采用對數(shù)放大器電路,在電流比較小的時候,二極管兩端加上的電壓和流過電流之間存在近似對數(shù)關系,即OP1、OP2輸出分別跟lnISD1、lnISD2成比例,OP3取出它們的差。輸出為Uo=C（lnISD2-lnISD1）=Cln(ISD2/ISD1),其正比于短路電流比ISD2/ISD1的對數(shù)。其中c為比例常數(shù)。將電路輸出電壓經(jīng)A/D變換,處理后即可判斷出與電平相對應的波長（即顏色）。

半導體傳感器

它是利用某些材料的電特性的物性變化來實現(xiàn)信息的直接變換的。半導體材料導電能力的大小，是由半導體內(nèi)載流子的數(shù)目決定的。

以半導體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化，通過檢測這些物理特性的變化，就可反映被測參數(shù)值。定義：是利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質(zhì)變化，借此來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。檢測氣體中的特定成分（CO、CO2、甲醛、酒精、氧氣、氫氣等），將其變換成電信號輸出。應用場合：一般用于易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測和報警?；疽螅?、對被測氣體有高的靈敏度。2、氣體選擇性好。3、能夠長期穩(wěn)定工作。4、響應速度快。第一節(jié)氣敏 傳感器一、氣敏電阻的工作原理氣敏電阻的材料是金屬氧化物,在合成材料時,通過化學計量比的偏離和雜質(zhì)缺陷制成,金屬氧化物半導體分N型半導體,如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等,P型半導體,如氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等。為了提高某種氣敏元件對某些氣體成分的選擇性和靈敏度,合成材料有時還滲入了催化劑,如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等。

金屬氧化物在常溫下是絕緣的,制成半導體后卻顯示氣敏特性，其導電率隨氣體的吸附而發(fā)生改變。通常器件工作在空氣中,空氣中的氧和NO2

這樣的電子兼容性大的氣體,接受來自半導體材料的電子而吸附負電荷,結(jié)果使N型半導體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導電子減少,使表面電導減小,從而使器件處于高阻狀態(tài)。一旦元件與被測還原性氣體接觸,就會與吸附的氧起反應,將被氧束縛的電子釋放出來,敏感膜表面電導增加,使元件電阻減小。該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（200~450℃）,目的是為了加速上述的氧化還原反應。

例如,用氧化錫制成的氣敏元件,在常溫下吸附某種氣體后,其電導率變化不大,若保持這種氣體濃度不變,該器件的電導率隨器件本身溫度的升高而增加,尤其在100~300℃范圍內(nèi)電導率變化很大。顯然,半導體電導率的增加是由于多數(shù)載流子濃度增加的結(jié)果。

氧化錫、氧化鋅材料氣敏元件輸出電壓與溫度的關系如圖所示。氣敏元件工作時需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。氣敏元件輸出電壓與溫度的關系

因此,氣敏元件結(jié)構上,有電阻絲加熱,結(jié)構如圖所示,1和2是加熱電極,3和4是氣敏電阻的一對電極。氣敏元件的基本測量電路

電阻中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化,輸出電壓（信號電壓）由電阻Ro上取出。因此,常用來檢查可燃性氣體泄漏并報警等。

EH為加熱電源,EC為測量電源二、電阻型氣敏器件

氣敏電阻元件種類很多,按制造工藝上分燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。

（1）燒結(jié)型將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中,經(jīng)加熱成型后低溫燒結(jié)而成。目前最常用的是氧化錫（SnO2）燒結(jié)型氣敏元件,它的加熱溫度較低,一般在200~300℃,SnO2氣敏半導體對許多可燃性氣體,如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度。內(nèi)熱式氣敏器件結(jié)構旁熱式氣敏器件結(jié)構（2）薄膜型

在石英基片上蒸發(fā)或濺射一層半導體薄膜制成（厚度0.1μm以下）。上下為輸出電極和加熱電極，中間為加熱器。（3）厚膜型

將金屬氧化物粉末、添加劑粘合劑等混合配成漿料，將漿料印刷到基片上，制成數(shù)十微米的厚膜。靈敏度、工藝性、機械強度和一致性等方面，厚膜氣敏元件較好。

以上三種氣敏器件都附有加熱器,在實際應用時,加熱器能使附著在測控部分上的油霧、塵埃等燒掉,同時加速氣體氧化還原反應,從而提高器件的靈敏度和響應速度。燒結(jié)型厚膜型薄膜型輸出極加熱電極輸出極加熱器金屬氧化物金屬氧化物氧化鋁基片半導體氧化物Pt電極加熱器加熱電極工作原理利用半導體材料與氣體相接觸時，材料電阻發(fā)生變化的效應來檢測氣體的成分或濃度。氣敏元件多采用SnO2、ZnO等。SnO2、ZnO屬于N型半導體，工作時加熱。元件加熱到穩(wěn)定狀態(tài)時，當有氣體吸附時，吸附分子在氣敏元件表面自由擴散，一部分分子蒸發(fā)，一部分分子固定在吸附處。當吸附還原性氣體時，半導體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子向半導體釋放電子成為正離子吸附。載流子數(shù)增加，半導體電阻率減少阻值降低。當吸附氧化性氣體時，半導體的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，吸附分子從半導體奪走電子成為負離子吸附。半導體載流子數(shù)減少，電阻率增大，阻值增大。元件加熱正常狀態(tài)吸附還原氣體吸附氧化氣體吸附氣體后空氣中元件電阻100500元件阻值變化時間吸附分子與半導體相互爭奪電子。工作溫度在200~400℃范圍內(nèi)吸附效果較好，電導率變化較大。注1：加熱器的作用（1）使附著在元件上的油污、塵埃燒掉。（2）加速氣體的氧化、還原反應，提高器件的靈敏度及響應速度。注2：檢測不同氣體，加熱溫度及添加物質(zhì)不同，目的是使傳感器對不同氣體有選擇性。三、氣敏傳感器的應用1、

實用酒精測試儀

測試駕駛員醉酒的程度。氣體傳感器選用二氧化錫氣敏元件。當氣體傳感器探測不到酒精時,加在A5腳的電平為低電平;當氣體傳感器探測到酒精時,其內(nèi)阻變低,從而使A5腳電平變高。A為顯示驅(qū)動器,它共有10個輸出端,每個輸出端可以驅(qū)動一個發(fā)光二極管,顯示推動器A根據(jù)第5腳電壓高低來確定依次點亮發(fā)光二極管的級數(shù),酒精含量越高則點亮二極管的級數(shù)越大。上5個發(fā)光二極管為紅色,表示超過安全水平。下5個發(fā)光二極管為綠色,代表安全水平,酒精含量不超過0.05%。9.2濕敏傳感器

一、濕度概念及其測量方式1、濕度概念空氣中水蒸汽的含量。（1）絕對濕度單位體積空間內(nèi)所含有水蒸汽的質(zhì)量。（密度）

（2）相對濕度空氣中實際所含水蒸汽的分壓和同溫度下飽和水蒸汽分壓的百分比。（3）露點溫度空氣壓力不變下，為使其所含水蒸氣達到飽和狀態(tài)，必須冷卻到的溫度稱為露點溫度。氣溫與露點溫度差越小，表示空氣越接近飽和。2、測量方式毛發(fā)濕度計、干濕球濕度計、露點計、半導體阻抗式濕度計。二、幾種類型的濕度傳感器1、氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解,離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。結(jié)構如圖所示,由引線、基片、感濕層與電極組成。氯化鋰是離子晶體。高濃度氯化鋰溶液，Li與CL以正負離子形式存在。溶液中離子導電能力與溶液濃度有關。溶液的電導率隨著溶液濃度的增高而下降。當溶液置于一定溫濕場中,若環(huán)境相對濕度高,溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?因此,其溶液電導率增高，阻值下降。反之,環(huán)境相對濕度變低時,

則溶液濃度升高,其電導率下降,阻值升高。從而實現(xiàn)對濕度的測量。一般氯化鋰濕敏電阻呈負阻特性。

氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點是滯后小,不受測試環(huán)境風速影響,檢測精度高達±５%,但其耐熱性差,不能用于露點以下測量,器件性能的重復性不理想,使用壽命短。

2、高分子薄膜電容濕敏傳感器高分子介質(zhì)吸濕后，其介電常數(shù)發(fā)生變化，電容值變化（增加）。由于高分子薄膜做得很薄，能迅速吸附水分子（吸濕）和脫濕，響應性能優(yōu)良，根據(jù)電容兩的變化可測得相對濕度。3、半導體陶瓷濕敏電阻

半導體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。分為負特性濕敏半導體陶瓷，正特性濕敏半導體陶瓷。（1）.負特性濕敏半導瓷的導電機理

當水在半導瓷表面吸附時,氫原子從半導瓷表面俘獲電子,使半導瓷表面帶負電。如果該半導瓷是Ｐ型半導體,則由于水分子吸附使表面電勢下降。吸引更多的空穴到表面，表面層的電阻下降。不僅使表面層的電子耗盡,同時吸引更多的空穴達到表面層,有可能使到達表面層的空穴濃度大于電子濃度,出現(xiàn)所謂表面反型層,這些空穴稱為反型載流子。它們同樣可以在表面遷移而對電導做出貢獻,由此可見,不論是Ｎ型還是Ｐ型半導瓷,其電阻率都隨濕度的增加而下降。圖12-11表示了幾種負特性半導瓷阻值與濕度之關系。

2.正特性濕敏半導瓷的導電機理正特性濕敏半導瓷的導電機理認為這類材料的結(jié)構、電子能量狀態(tài)與負特性材料有所不同。當水分子附著半導瓷的表面使電勢變負時,導致其表面層電子濃度下降,但還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度,此時仍以電子導電為主。于是,表面電阻將由于電子濃度下降而加大,這類半導瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。如果對某一種半導瓷,它的晶粒間的電阻并不比晶粒內(nèi)電阻大很多,那么表面層電阻的加大對總電阻并不起多大作用。

不過,通常濕敏半導瓷材料都是多孔的,表面電導占的比例很大,故表面層電阻的升高,必將引起總電阻值的明顯升高;但是,由于晶體內(nèi)部低阻支路仍然存在,正特性半導瓷的總電阻值的升高沒有負特性材料的阻值下降得那么明顯。圖9-6給出了Fe3O4正特性半導瓷濕敏電阻阻值與濕度的關系曲線。

3.典型半導瓷濕敏元件（1）MgCr2O4-TiO2濕敏元件氧化鎂復合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕-電”轉(zhuǎn)換器件,它是負特性半導瓷,MgCr2O4為Ｐ型半導體,它的電阻率低,阻值溫度特性好,結(jié)構如圖9-7所示,在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極。

金電極與引出線燒結(jié)在一起,為了減少測量誤差,在陶瓷片外設置由鎳鉻絲制成的加熱線圈,以便對器件加熱清洗,排除惡劣氣氛對器件的污染。整個器件安裝在陶瓷基片上,電極引線一般采用鉑-銥合金。

MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器的相對濕度與電阻值之間的關系,見圖9-8所示。傳感器的電阻值既隨所處環(huán)境的相對濕度的增加而減少,又隨周圍環(huán)境溫度的變化而有所變化。（2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構是將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上,并焊上鉑引線,然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定而做成的，其結(jié)構如圖9-9所示。

ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度,而無需加熱除污裝置,因此功耗低于0.5Ｗ,體積小,成本低,是一種常用測濕傳感器。

二、直讀式濕度計

圖9-17是直讀式濕度計電路,其中RH為氯化鋰濕度傳感器。由VT1、VT2、T1等組成測濕電橋的電源,其振蕩頻率為250~1000Hz。電橋輸出級變壓器T2,C3耦合到VT3,經(jīng)VT3放大后的信號,由VD1~VD4橋式整流后,輸入給微安表,指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變,經(jīng)標定并把濕度刻劃在微安表盤上,就成為一個簡單而實用的直讀式濕度計了。第四節(jié)色敏傳感器

半導體色敏傳感器是半導體光敏感器件中的一種。它是基于內(nèi)光電效應將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探測器件。但不管是光電導器件還是光生伏特效應器件，它們檢測的都是在一定波長范圍內(nèi)光的強度,或者說光子的數(shù)目。而半導體色敏器件則可用來直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。這是近年來出現(xiàn)的一種新型光敏器件。

一、半導體色敏傳感器的基本原理

半導體色敏傳感器相當于兩只結(jié)構不同的光電二極管的組合,故又稱光電雙結(jié)二極管。其結(jié)構原理及等效電路如圖所示。為了說明色敏傳感器的工作原理,有必要了解光電二極管的工作機理。

1.光電二極管的工作原理

對于用半導體硅制造的光電二極管,在受光照射時,若入射光子的能量hυ大于硅的禁帶寬度Eg,則光子就激發(fā)價帶中的電子躍遷到導帶而產(chǎn)生一對電子-空穴。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子—空穴統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個Ｐ-Ｎ結(jié),產(chǎn)生的光生載流子只要能擴散到勢壘區(qū)的邊界,其中少數(shù)載流子（專指P區(qū)中的電子和N區(qū)的空穴）就受勢壘區(qū)強電場的吸引而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域,這部分少數(shù)載流子對電流作出貢獻。多數(shù)載流子（P區(qū)中的空穴或N區(qū)中的電子）則受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。

在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴,則分別被電場掃向N區(qū)和P區(qū),它們對電流也有貢獻。用能帶圖來表示上述過程如圖9-11（a）所示。圖中Ec表示導帶底能量;Ev表示價帶頂能量?！啊北硎編д姾傻目昭?“·”表示電子。IL表示光電流,它由勢壘區(qū)兩邊能運動到勢壘邊緣的少數(shù)載流子和勢壘區(qū)中產(chǎn)生的電子-空穴對構成,其方向是由N區(qū)流向P區(qū),即與無光照射P-N結(jié)的反向飽和電流方向相同。當P-N結(jié)外電路短路時,這個光電流將全部流過短接回路,即從P區(qū)和勢壘區(qū)流入N區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流到P區(qū)電極處,與P區(qū)流出的光生空穴復合。因此,短接時外回路中的電流是ＩL,方向由P端經(jīng)外接回路流向N端。

波式和射線式傳感器

第一節(jié)超聲波式傳感器

振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動,簡稱波。頻率在16~2×104Hz之間,能為人耳所聞的機械波,稱為聲波;低于16Hz的機械波,稱為次聲波;頻率高于2×104Hz的機械波,稱為超聲波。

當超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時,由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同,在介質(zhì)面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。一、超聲波的波形及其物理性質(zhì)

1、超聲波波型及其轉(zhuǎn)換

由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同,聲波的波型也不同。通常有:

①縱波——質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波。它能在固體、液體和氣體中傳播。②橫波——質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波。只能在固體中傳播。

③表面波——質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。表面波隨深度增加衰減很快。表面波振動軌跡是橢圓型，在固體表面?zhèn)鞑ァ?、波型轉(zhuǎn)換當縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時,除有縱波的反射、折射外,還發(fā)生橫波的反射和折射,在某種情況下,還能產(chǎn)生表面波。3.超聲波的反射和折射在兩界面處，聲波的傳輸與光傳輸類似，符合反射定律和折射定律。C1與C2為聲波在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)中傳播聲速。反射定律:入射波與反射波的波形相同，波速相等時：折射定律：超聲波的反射和折射4.

超聲波的衰減

聲波在介質(zhì)中傳播時,隨著傳播距離的增加,能量逐漸衰減,其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為

Px、Ix

——距聲源x處的聲壓和聲強;

x——聲波與聲源間的距離;

α——衰減系數(shù)（11-2）（11-3）10.2超聲波傳感器的應用一、超聲波傳感器為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波測距原理：超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質(zhì)中傳到相介面經(jīng)過反射后，再反回到接收探頭。超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，稱為壓電式超聲波探頭。它是實現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置。利用壓電材料的壓電效應來工作的:逆壓電效應將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動,從而產(chǎn)生超聲波,可作為發(fā)射探頭;利用正壓電效應,將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號,可用為接收探頭。超聲波頻率與厚度的關系：——晶片沿x軸的彈性模量——晶片密度超聲波頻率f與其厚度δ成反比。超聲波探頭結(jié)構2、超聲波液（物）位傳感器

從探頭發(fā)出超聲波脈沖通過介質(zhì)到達液面，經(jīng)過反射后又被探頭接收。測量發(fā)射與接收超聲波脈沖的時間間隔和聲波在介質(zhì)中傳播速度，可求出探頭與液面之間的距離。實現(xiàn)液位（物位）的測量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能,傳感器又可分為單換能器和雙換能器。

對于單換能器（復合換能器）來說,超聲波從發(fā)射到液面,又從液面反射到換能器的時間為對于雙換能器（一對）來說,超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為2s,而

s=

因此液位高度為

h=（s2-a2）1/2

2、超聲波流量傳感器超聲波傳輸時間差法測流量。

超聲波在流體中傳輸時,在靜止流體和流動流體中的傳輸速度是不同的,利用這一特點可以求出流體的速度,再根據(jù)管道流體的截面積,便可知道流體的流量。如果在流體中設置兩個超聲波傳感器（復合探頭）,它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波,一個裝在上游,一個裝在下游,其距離為L。如設順流方向的傳輸時間為t1,逆流方向的傳輸時間為t2,流體靜止時的超聲波傳輸速度為c,流體流動速度為v。t1=

t2=

超聲波傳播時間差為

Δt=t2－t1=流體的流速為v=（C>>V）

實際應用中,超聲波傳感器安裝在管道的外部,從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收超聲波不會給管路內(nèi)流動的流體帶來影響，也有利于安裝。當探頭1為發(fā)射探頭，2為接收探頭時，超聲波傳播速度為順流傳播時間t1為當探頭2為發(fā)射探頭，1為接收探頭時，超聲波傳播速度為逆流流傳播時間t2為時差為流體的平均流速為該方法測量精度取決于時間差的測量精度，且C是溫度的函數(shù)，高精度測量需進行溫度補償。3、超聲波探傷脈沖反射法。超聲波發(fā)射到被測試件后，傳播到有聲阻抗的界面上，產(chǎn)生反射。反射波顯示在示波器屏幕上。BFT脈沖發(fā)生器接收放大器缺欠探頭工件縱波探測分一次反射波法和多次反射波法。一次反射波按時間順序屏幕上顯示發(fā)射波、表面反射波和底面反射波。若工件內(nèi)部有缺欠，對超聲波有較強的吸收，底波幅度減小。多次反射波以多次底波反射為依據(jù)。底波反射回探頭時，一部分聲波被探頭接收，另一部分又返回底部，多次反射，直至聲能全部衰減完為止。當試件有缺欠時，聲波衰減很大，底波反射次數(shù)減少，直至消失，由此判斷有無缺欠及缺欠的嚴重程度。第二節(jié)微波式傳感器一、微波的基礎知識微波是波長為1m一1mm的電磁波，具有下列特點：①空間輻射的裝置容易制造；②遇到各種障礙物易于反射；③繞射能力較差；④傳輸特性良好；⑤介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收作用最強。微波式傳感器的組成：微波振蕩器和微波天線二、微波傳感器測量原理：由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收通過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號，再由測量電路處理，就實現(xiàn)了微波檢測。微波傳感器可分為反射式與遮斷式兩種。1．反射式傳感器通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過時間間隔來表達被測物的位置、厚度等參數(shù)。2．遮斷式傳感器通過檢測接收天線接收到的微波功率的大小，來判斷發(fā)射天線與接收天線間有無被測物或被測物的位置等參數(shù)。三、微波傳感器的應用1．微波液位計微波發(fā)射天線微波接收天線當發(fā)射功率、波長、增益均恒定時，只要測得接收功率，就可獲得被測液面的高度。2．微波物位計（1）當被測物位較低時發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部由接收天線接收，經(jīng)放大器、比較器后發(fā)出正常工作信號。（2）當被測物位升高到天線所在的高度時微波束部分被吸收部分被反射，接收天線接到的功率相應減弱，經(jīng)放大器、比較器就可給出被測物位高出設定物位的信號。第三節(jié)射線式傳感器定義：利用放射性同位素、根據(jù)被測物質(zhì)對放射線的吸收、反散射或射線對被測物質(zhì)的電離激發(fā)作用而進行工作的。也稱核輻射檢測裝置。一、核幅射的物理基礎1．放射性同位素放射性衰變規(guī)律：——開始時(t＝0)的放射源強度——t時的放射源強度——放射性衰變常數(shù)半哀期：是不受任何外界作用影響而且和時間無關的恒量，不同放射性元素的半衰期不同。

2．核輻射放射性同位素在衰變過程中放出一種特殊的帶有一定能量的粒子或射線，叫核輻射。(1)粒子：主要用于氣體分析，測量氣體壓力、流量等。(2)粒子：主要用于測量材料厚度、密度等。(3)射線：穿透能力很強，廣泛應用于金屬探傷、測大厚度等。3．核輻射與物質(zhì)的相互作用主要是電離、吸收和反射輻射在穿過物質(zhì)層后、其能量強度為：——入射到吸收體的輻射通量的強度——穿過厚度為h(單位為cm)的吸收層后的幅射通量強度——線性吸收系數(shù)設質(zhì)量厚度，則吸收公式可寫成用質(zhì)量吸收系數(shù)表示上式得：這些公式是設計核輻射測量儀器的基礎。射線在物質(zhì)中穿行時容易改變運動方向而產(chǎn)生散射現(xiàn)象，反散射的大小與粒子的能量、物質(zhì)的原了序數(shù)及厚度有關，因此可以測量材料的涂層厚度。二、射線式傳感器由放射源和探測器組成1．射線源放射線源的結(jié)構應使射線從測量方向射出，射線出口處裝有耐輻射薄膜，以防灰塵浸入，并能防止放射源受到意外損傷而造成污染。2．探測器探測器就是核輻射的接收器，常用的有電離室、閃爍計數(shù)器和蓋革計數(shù)管。（1）電離室空氣中設置一個平行極板電容器，對其加上幾百伏的極化電壓。(2)閃爍計數(shù)器(3)蓋革計數(shù)管結(jié)構示意圖特性曲線三、核輻射檢測的應用

傳感器的一般特性

一、傳感器的靜特性二、傳感器的動特性三、傳感器的技術指標

研究傳感器輸入輸出關系及特性。輸入信號可分為靜態(tài)量和動態(tài)量。傳感器的基本特性可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。

傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關系。

衡量靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏度,遲滯和重復性等。它們是衡量傳感器優(yōu)劣的指標。一、線性度(非線性誤差)

傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關系的線性程度。傳感器的輸出與輸入關系可用一個多項式表示：式中:a0——零位輸出

a1

——靈敏度

a2,…,an——非線性項系數(shù)。各項系數(shù)不同,決定了特性曲線的形狀不相同。

理想情況僅含有一次項，希望表達式僅含奇次項，偶次項和零次項消除。傳感器在結(jié)構上采用差動式結(jié)構可實現(xiàn)。傳感器非線性大小評定方法靜特性曲線可通過實際測試獲得。首先在標準工作狀態(tài)下，用標準儀器設備對傳感器進行標定（測試），得到其輸入輸出實測曲線，即校準曲線，然后作一條理想直線，即擬合直線，校準曲線與擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，稱為傳感器的非線性誤差（或線性度）

在采用直線擬合線性化時，傳感器的輸出輸入校正曲線與其擬合曲線間最大偏差與滿量程輸出值的百分比稱為線性度或非線性誤差，通常用相對誤差表示。校準曲線與擬合直線間最大偏差

傳感器滿量程輸出

幾種直線擬合方法

(a)理論擬合(b)過零旋轉(zhuǎn)擬合

(c)端點連線擬合(d)端點平移擬合即使是同類傳感器,擬合直線不同,其線性度也是不同的。選取擬合直線的方法很多,用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。（1）擬合直線方程

y=k+bx

設有n對測量數(shù)據(jù)（xi,yi）,用直線方程y=k+bx擬合,根據(jù)測量數(shù)據(jù)值,求方程中系數(shù)k、b的最佳估計值?？蓱米钚《朔ㄔ?使各測量數(shù)據(jù)點yi與直線輸出偏差的平方和為最小。（2)多項式擬合二、遲滯

遲滯是指傳感器在正反行程中輸出輸入曲線不重合的現(xiàn)象。其數(shù)值用最大偏差或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比表示

遲滯現(xiàn)象反應了傳感器機械結(jié)構和制造工藝上的缺陷，（如軸承摩擦，間隙，螺釘松動，元件腐蝕及灰塵等）式中:ΔHmax——正反行程輸出值間的最大差值。三、重復性重復性指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變動多次所得特性曲線的不一致性。重復性誤差屬于隨機誤差,常用標準偏差表示,也可用正反行程中的最大偏差表示,即四、靈敏度與靈敏度誤差

傳感器的靈敏度指到達穩(wěn)定工作狀態(tài)時輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比非線性傳感器的靈敏度用表示其數(shù)值等于所對應的最小二乘法擬合直線的斜率靈敏度誤差用相對誤差表示

五、分辨力與閾值分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。分辨力可用絕對值表示，也可用與滿量程的百分數(shù)表示。數(shù)字式傳感器一般用分辨力為輸出的數(shù)字指示值最后一位數(shù)字。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值六、溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱溫漂，表示溫度變化時傳感器輸出值的偏離程度，一般以溫度變化1℃輸出最大偏差與滿量程的百分比表示

八、抗干擾穩(wěn)定性這是指傳感器對外界干擾的抵抗能力。九、靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點的輸出值與其理淪輸出值的偏離程度。靜態(tài)誤差的求取方法是求出其標準偏差當用貝賽爾公式計算標準偏差σ時則有第二節(jié)傳感器的動特性動特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。傳感器的動特性取決于什么因素？

a.首先取決于傳感器本身

b.其次動特性與被測量的變化形式有關

一、接觸式傳感器的動特性接觸式傳感器是指進行接觸測量的傳感器，一般用于幾何量測量中。

動特性中輸出量與輸入量的關系不是一個定值，而是時間的函數(shù)。輸出量隨輸入量的頻率的變化而變化。表征傳感器動特性輸入量與輸出量的關系方法是微分方程和傳遞函數(shù)。分析輸入信號為正弦信號和階躍信號時傳感器的動特性。（一）臨界頻率1．無杠桿傳動的接觸式傳感器的臨界頻率以在磨加工中使用無杠桿傳動的電接觸式傳感器進行主動檢測為例說明。

——運動系統(tǒng)固有角頻率

——測桿位移量為零時的初始測力

——測桿質(zhì)量

——偏心量（被測尺寸變化幅度）2．基座存在振動時的影響基座在振動時降低了臨界頻率3.具有傳動杠桿的接觸式傳感器的臨界頻率加大了杠桿的位移，有放大作用，精度高(二)穩(wěn)定時間和臨界速度穩(wěn)定時間概念的引入和臨界速度概念的引入1.采用抬頭機構的情況2．強制送入測位的情況二、模擬式傳感器動特性（一）先寫出數(shù)學模型，再求其傳遞函數(shù)（二）頻率特性（三）過渡函數(shù)與穩(wěn)定時間（四）求給定輸入下的輸出

磁電式傳感器

磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器,是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號,是有源傳感器。由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定,具有一定的工作帶寬（10～1000Hz）,所以得到普遍應用。

定義利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。直接將機械能轉(zhuǎn)換為電能，是有源傳感器。第一節(jié)磁電感應式傳感器一、類型及其工作原理電磁感應定律N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應電動勢e的大小取決于穿過線圈的磁通的變化率，即

當線圈的導體與磁場之間做相對切割磁力線運動時，在導體中產(chǎn)生感應電動勢。由此可設計一類恒磁通式磁電傳感器。用于測量振動及線速度。NSLve（一）恒定磁通式動圈式動鐵式

恒磁通式磁電傳感器由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場,磁路中的工作氣隙固定不變,因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式）,也可以是磁鐵（動鐵式）,動圈式（（a））和動鐵式（(b)）的工作原理是完全相同的。當殼體隨被測振動體一起振動時,由于彈簧較軟,運動部件質(zhì)量相對較大。當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時,運動部件慣性很大,來不及隨振動體一起振動,近乎靜止不動,振動能量幾乎全被彈簧吸收,永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度,磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線,從而產(chǎn)生感應電勢為特點：

1、磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場。氣隙不變，磁通不變。

2、磁鐵與線圈之間相對切割磁力線運動。線圈產(chǎn)生的感應電勢為式中:B——工作氣隙磁感應強度;

——每匝線圈平均長度;

——線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù);

v——相對運動速度。（二）變磁通式

又稱為變磁阻式或變氣隙式，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。開磁路變磁通式

開磁路變磁通式:線圈、磁鐵靜止不動,測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上,隨之一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒,齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次,磁通也就變化一次,線圈中產(chǎn)生感應電勢,其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。當齒輪的齒數(shù)Z確定以后，若能測出f就可求出轉(zhuǎn)速n(n＝60f／z)。這種傳感器結(jié)構簡單，但輸出信號小，轉(zhuǎn)速高時信號失真也大，在振動強或轉(zhuǎn)速高的場合，往往采用閉磁路。閉磁路變磁通式變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高

閉磁路變磁通式,它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成,內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時,外齒輪不動,內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動,內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化,從而引起磁路中磁通的變化,使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電動勢。顯然，感應電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。二、設計要點1.工作氣隙2．永久磁鐵使永久磁鐵盡可能工作在最大磁能積上。3．線圈組件在高精度傳感器中，線圈磁場效應不能忽略，采用補償線圈與工作線圈相串聯(lián)加以補償。三、磁電感應式傳感器的應用1.動圈式振動速度傳感器工作原理傳感器與被測物體剛性連接,當物體振動時,傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動,而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動。因而,磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動速度的感應電動勢,線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。該傳感器測量的是振動速度參數(shù)。（二）磁電感應式轉(zhuǎn)速傳感器（三）磁電式扭矩傳感器

扭矩的電測技術主要是通過傳感器把扭矩這個機械量轉(zhuǎn)換成相位、然后用相位計來測量相位，從而達到測量扭矩的目的。

系統(tǒng)為開磁路變磁通系統(tǒng)。要求齒形圓盤制作完全一致。（1）當扭距為0時，兩個磁電傳感器輸出的感應電壓u1和u2完全一致，（同頻、同相、同幅）相位差為0。（2）當有扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時,兩個