第三章傳感器和轉(zhuǎn)換器

3．1概述在許多測量系統(tǒng)中，傳感器和轉(zhuǎn)換器都是用來提供系統(tǒng)狀態(tài)信息的。國際上對“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——在測量系統(tǒng)中，對所測(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。在傳送過程的同時，能量形式也可能發(fā)生變化。

在使用時通常不做嚴(yán)格區(qū)分。

例：用碼盤、光敏傳感器測量圖所示的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)可以表示各級之間的關(guān)系。圖中，從光源發(fā)出的光經(jīng)過帶有狹縫的圓盤(稱為編碼盤)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。后處理級對一定時間間隔內(nèi)發(fā)生的脈沖進(jìn)行計數(shù)，并計算出編碼圓盤的旋轉(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，這是因為電信號易于處理。當(dāng)然其他能量形式也能轉(zhuǎn)換為電信號。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—包括磁場參數(shù)，如磁場強(qiáng)度和磁通密度等。化學(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。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；幾何量——位置、長度、面積、厚度、體積、光潔度等；質(zhì)量——重量、負(fù)載、密度；力——靜力、動力、壓差、力矩、功率；其他——硬度、黏度。測量時的性能指標(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)特性的動態(tài)指標(biāo)來評估。在選用器件時必須考慮這些指標(biāo)。輸出信號種類模擬量輸出——產(chǎn)生一個連續(xù)的輸出信號，信號的某些性質(zhì)直接與被測量大小有關(guān)。數(shù)字量輸出——產(chǎn)生一個串行的或并行的數(shù)字信號，信息可以在一些固定的時間間隔上提取，也可以按要求提取。頻率輸出——產(chǎn)生的信號頻率是被測量的函數(shù)。輸出的連續(xù)波形或脈沖波形，可以用計數(shù)器和定時器將其轉(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，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)的信號處理技術(shù)相結(jié)合，特別是把現(xiàn)場信號處理電路與敏感元件做在一個芯片上，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)也有望制造在一個芯片上。在可靠性、信號處理能力、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)能開發(fā)出用于氣體探測和壓力敏感場合的壓電轉(zhuǎn)換器。超聲轉(zhuǎn)換器作為非接觸式測量手段，從過程控制系統(tǒng)到醫(yī)療成像系統(tǒng)，超聲測量的應(yīng)用范圍日益廣泛。與接觸式測量相比，非接觸式測量有以下優(yōu)點：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)生的危險性；2)避免了對藥物或食物等被測物的接觸污染；3)簡化了對傳感器和轉(zhuǎn)換器的維護(hù)。超聲測量靠對超聲脈沖的多普勒(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、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(對于線圈式電位器)，因此會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；當(dāng)把測量儀表連接到輸出端時，相當(dāng)于給輸出端加了一個負(fù)載，將會產(chǎn)生測量誤差。圖中顯然，Rl>>R2時，R0≈R2。因此，為了保證測量精度，通常次級(無論是測量儀表還是信號處理電路)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，則它的長度將沿加載方向發(fā)生變化，其電阻值也將隨之變化。這個變化率(長度的改變／原長)是一個無量綱的參數(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)生一個應(yīng)變，使得應(yīng)變片的有效長度發(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測量力、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量的。由應(yīng)變產(chǎn)生的不平衡電位為對于電阻變化較小的情況為G是應(yīng)變靈敏系數(shù)，對于金屬薄膜應(yīng)變片，其值為2～4。溫度的變化會引起應(yīng)變片電阻的變化，因此在橋路上安裝帶補償?shù)膽?yīng)變片應(yīng)與測量的應(yīng)變片具有相同的溫度特性，以消除溫度的影響，如圖所示。補償應(yīng)變片應(yīng)安裝在離測量應(yīng)變片最近的地方，這就需要將兩個應(yīng)變片以適當(dāng)角度（90o）安裝在被測件上，如圖所示。橫向效應(yīng)直線電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變不同，園弧部分使G↓，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(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)電阻溫度計電阻溫度計是阻性溫度轉(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、對溫度變化響應(yīng)速度慢，因此它常用來測量穩(wěn)態(tài)溫度。典型應(yīng)用如圖示，電阻溫度計成為電橋的一個臂。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，通常用來測量范圍在-30Co～200Co的溫度。由于它體積小、熱慣量小，所以通常用來測量動態(tài)溫度。必須注意，在使用半導(dǎo)體熱敏元件時，由于熱敏元件本身的發(fā)熱會帶來誤差。半導(dǎo)體熱敏元件的主要缺點是它的非線性特性，這限制了它的應(yīng)用范圍。但是由于測量系統(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，也就是說改變r、A、L、a、b或d這些參數(shù)時，電容器的電容量就會改變。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—絕緣材料的相對介電系數(shù)；A——平行板的有效正對面積；d——平行板之間的距離。圓柱形電容器以兩個同軸空心圓柱構(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出，滿足電容器也可以與一個振蕩器組合起來作為一個調(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諧振電路的輸出電壓差測出，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。變頻諧振測試儀

變間隙式電容傳感器可用來測量流體壓力或壓力差。當(dāng)流體壓力使薄膜產(chǎn)生移動時，電容極板的間隙發(fā)生變化從而引起電容量的改變，其變化量為需要測量壓力差，特別是微小的壓力差時，常采用差動式結(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，薄膜會向左或右移動，此時一個電容量在增加而另一個電容量在減少，電容的變化量為

差動式結(jié)構(gòu)電容傳感器應(yīng)用實例一圖示是一個汽缸密封性能測試系統(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容器，因為被測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)到測量精度要求，因此選擇壓差傳感器。在加壓過程穩(wěn)定后，關(guān)閉截止閥2和截止閥3。在一定時間間隔之后，如果被測容器的密封很好，無泄漏，則傳感器輸出無偏差；如果有泄漏，則根據(jù)測量系統(tǒng)的讀數(shù)的大小來判斷產(chǎn)品是否合格。差動式結(jié)構(gòu)電容傳感器應(yīng)用實例二用變介質(zhì)式的圓柱形電容器測量液面高度，如圖所示。液面高度變化時，會引起極間不同介質(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)簡單(因為沒有活動電觸點，所以工作可靠)、測量范圍寬(可達(dá)幾百毫米)、靈敏度高(微米級)、重復(fù)性好等一系列優(yōu)點，因而應(yīng)用較為廣泛。線性可調(diào)差動變壓器可調(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)差動變壓器如圖a所示，線性可調(diào)差動變壓器(LVDT)有一個初級線圈和一對次級線圈，初級線圈的電源電壓頻率為幾千赫茲。鐵芯的運動會改變初級線圈和次級線圈之間的耦合程度，進(jìn)而改變次級線圈感應(yīng)電壓的大小。將次級線圈的輸出反相串聯(lián)，因為V0＝V1-V2，再以差動整流電路作為測量電路，則輸出電壓V0將按圖b所示情況發(fā)生變化。差動變壓器常被用來測位移。可調(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或更高的頻率下對線圈激磁，這時擾流器中感生的渦流會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，它受雜散磁場的影響較小，且消除了磁滯及磁場非線性，測量位移的范圍可達(dá)220mm。

感應(yīng)同步器如圖a，直線式感應(yīng)同步器包括一個固定導(dǎo)軌(可達(dá)幾米長)和一個滑塊。兩者由厚度為0.1～0.15mm的空氣隔開，它們之間存在磁耦合?；瑝K上裝有一對線圈，兩線圈的相對距離成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時(頻率達(dá)幾千赫)，滑塊線圈上將產(chǎn)生兩個電壓，兩個電壓的相位差是90o，且電壓的大小隨滑塊位置的改變.因為線圈間的耦合是變化的，滑塊上線圈的電壓可以表示為

X--對于零點處的位移；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。這種感應(yīng)式同步器是一個具有較短重復(fù)周期的增量編碼器，對于大位移測量(刀具位移)，必須將其與別的較大的測量裝置結(jié)合使用，以獲得絕對位置。當(dāng)測量角位移時，可使用旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器。其滑軌是圓形的，滑塊沿圓周運動，分辨率可達(dá)0.05s的數(shù)量級。電感式速度傳感器使用圖所示的裝置，可以測量速度。永久磁鐵相對于線圈移動，而線圈的感生電動勢是磁鐵運動速度及線圈尺寸的函數(shù)。當(dāng)需要測量轉(zhuǎn)速時可以采用直流或交流轉(zhuǎn)速表，其輸出電壓即直接與所測角速度成正比。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，導(dǎo)體的電阻值也會隨著溫度的變化而變化，熱電阻傳感器就是根據(jù)這一特性來測量溫度的。在工業(yè)應(yīng)用中，熱電阻傳感器常被用來測量在-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的接觸點處被加熱(或冷卻)時，在不接觸的兩端就會產(chǎn)生電動勢，此電動勢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)。這就是溫差電勢效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢為對于某些金屬構(gòu)成的熱電偶來說，上式中高階系數(shù)很小，因此可得到近似式子如果構(gòu)成熱電偶兩個電極的材料相同，那么盡管有溫差存在，溫差電勢為零；如果熱電偶兩端的溫度相同，那么盡管A、B材料不同，溫差電勢也為零。

熱電偶的特性通常是相對于一個參考溫度0℃來確定的，在許多應(yīng)用中，參考觸點的溫度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是待測點溫度，Tr是參考點溫度，T0=0℃；而e(Tm，T0)、e(Tm，Tr)和e(Tr，T0)分別是各溫差引起的電動勢。e(Tm，Tr)是當(dāng)熱電偶工作在Tm和Tr，時的實測值，參考點Tr，到標(biāo)準(zhǔn)溫度0℃的e(Tr,T0)可以通過查表得到，求得e(Tm，T0)后再查表可得到實際溫度。熱電偶比較簡單，可以直接使用，但其靈敏性較差，輸出信號小，且易受噪聲干擾，同時，它的機(jī)械負(fù)載特性差(尤其是當(dāng)一個熱觸點拉緊時)。3．6光電傳感器光轉(zhuǎn)換器在測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)行測量，在大多數(shù)情況下其測量是非接觸式的，并且能在惡劣的環(huán)境(諸如超高溫、電磁干擾嚴(yán)重的場合)中工作。光測量系統(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)測轉(zhuǎn)換器變化的檢測器。3.6.1光電探測器光電探測器的理論基礎(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)象被稱為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)，此類器件有光電管、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)生電動勢或光電流增加的現(xiàn)象被稱為光伏效應(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。

●熱敏光電探測器

●量子光電探測器

●光電效應(yīng)探測器

●檢測器陣列

熱敏光電探測器熱敏光電探測器通過監(jiān)測入射的輻射熱在探測器中所產(chǎn)生的熱進(jìn)行工作。典型的裝置(如電阻式輻射熱測量計或熱電偶)其響應(yīng)波長范圍為0.3～30μm，但其靈敏性較差，響應(yīng)時間長。量子光電探測器它利用入射光在探測器中產(chǎn)生電子空穴對來進(jìn)行工作。對于硅探測器來說，電子空穴對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要小于等于1.1μm。量子光電探測器的一個缺陷是具有暗電流，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)生一個電壓，而光敏效應(yīng)則是利用人射能來改變材料的導(dǎo)電性能。光電效應(yīng)探測器當(dāng)適當(dāng)波長的光線照射到如圖所示的PN結(jié)的耗盡層上時，會在PN結(jié)上產(chǎn)生一個正比于光強(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型材料時，其導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化，這可以通過電橋來檢測.對于一定波長的光線來說，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)(適合于波長為7μm的光線)和硫化鎘(CdS)(適合于波長為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，就會在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一定的電壓，即光生電動勢。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)，在無光照射時，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，耗盡層中會產(chǎn)生電子空穴對，偏置電壓和內(nèi)電場使電子和空穴產(chǎn)生漂移運動而形成光電流，這種通過二極管的反向電流可以用來度量照射光的強(qiáng)度.光電二極管能夠測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，它產(chǎn)生的光通量也隨之增加。這樣，用一對發(fā)光二極管和光電二極管，可以測量轉(zhuǎn)速。光電三極管如圖所示，光電三極管可以看成是一個光電二級管與一個晶體二極管組成，兩管共用一個基極。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封裝在一個外殼內(nèi)構(gòu)成的。光電隔離器件常用于數(shù)字信號的傳輸，有時也可以用于模擬信號的傳輸。光電倍增管如圖所示，光電倍增管是由一個真空管內(nèi)以及安裝在管內(nèi)的光電陰極、一系列的倍增電極和陽極組成的。照射陰極時，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，倍增電極上釋放出更多的電子，導(dǎo)致電流的倍增。這樣，陽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為傳感器，通過測量由高溫輻射能量所引起的光電流來測量溫度；用光敏器件測量液體、氣體的透明度(混濁度)等。檢測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，每—個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。場效應(yīng)管讀出電路電荷耦合器件(CCD)場效應(yīng)管讀出電路如圖，陣列中每一個光電二極管經(jīng)MOS場效應(yīng)管接到一個放大器。當(dāng)某個場效應(yīng)管接到開關(guān)信號而導(dǎo)通時，放大器的輸出電壓就是對應(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，分布電容就會很可觀，這樣會使靈敏度降低。

電荷耦合器件CCDCCD(chargecoupleddevices)器件是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體器件，如圖。在N型或P型硅襯底上生長一層二氧化硅薄層，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。每個電極就是一個光敏元，當(dāng)某個光敏元受到光照時，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，各電極上所加的電壓相位隨時間逐個滯后，這樣就把光敏元中積累的電荷包依次逐步移動到讀出放大器的一端。電荷放大器讀出的電荷量信號也受電荷轉(zhuǎn)移電壓時序的同步控制。這樣，整個圖像系統(tǒng)都同步處理每一個光敏元的像元信號，最終形成完整的圖像信號。

實用的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)式和電磁式測量儀都無法比擬的。它體積小、易安裝，無需配以復(fù)雜的運動機(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量、光學(xué)系統(tǒng)幾何像差測量、顯微鏡的自動調(diào)焦、測光拍攝及視物篩選，還可用于小型零件尺寸測量、鈔票缺陷檢測、非法闖入者探測、標(biāo)準(zhǔn)信函分檢、條形碼閱讀等。CCD攝像器件還用于實時圖像處理系統(tǒng)。CCD應(yīng)用系統(tǒng)要求適當(dāng)?shù)墓庠春驼斩鹊钠ヅ洌鈱W(xué)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)對整個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)運動中，光電編碼器常用來測量位置或增量。它是光傳感器中使用最早，形式最簡單的一種。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，先通過圓盤上的窄縫到光電二極管進(jìn)行預(yù)處理。圓盤轉(zhuǎn)動時，照到二極管上的光依次輸出一系列的脈沖，通過對脈沖的計數(shù)可以算出圓盤旋轉(zhuǎn)的角度。圓盤的旋轉(zhuǎn)方向可以根據(jù)兩個光電二極管的明暗變化相位差確定，如b所示。實用時，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。除用光碼盤外，也可用帶反射條的圓盤，在這種情況下，光的傳輸和接受裝置都安裝在圓盤的同一側(cè)。編碼器的角度分辨率是盤上窄縫數(shù)ns和光電操測儀的有效長度Dw的函數(shù)通過增速裝置驅(qū)動編碼器，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。光柵相對來說比較便宜，且分辨率能達(dá)到微米數(shù)量級(在一米長度上其精度可達(dá)1μm)。把兩個相同的光柵疊在一起，并使它們以一個角度θ相交，則會產(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，可以通過測量莫爾條紋的移動數(shù)來測量兩個光柵的相對移動。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。在需要隨時了解物體確切位置的場合下，常用這種編碼器。例如，有時系統(tǒng)需要在任何位置上啟動，為避免啟動時復(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)超過一周時，就需要一個記錄轉(zhuǎn)數(shù)的計數(shù)器.圖a)所示為一個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，因為二進(jìn)制編碼在任何變化時只有一位發(fā)生變化，這就有可能在變化時因錯讀位而產(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，通常用來測量被測物體直線移動的位置。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現(xiàn)。由于硅對許多物理現(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薄片上做成復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)。硅的敏感性是優(yōu)點同時也是一個缺點，由于硅對不需要測量的物理量也很敏感，因而會在其輸出信號中混有不需要的信號成分，且很難分離出來。無論采用模擬技術(shù)還是數(shù)字技術(shù)做信號分析和處理，都要結(jié)合傳感器的設(shè)計考慮適當(dāng)?shù)难a償。3.7.1磁場的測量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時，半導(dǎo)體材料內(nèi)部的載流子由于外加磁場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)生一個與磁場和電流方向都垂直的電勢差?；魻栯妷旱臉O性由半導(dǎo)體的材料(P型或N型)、電流方向和磁場方向決定。把金屬氧化物場半導(dǎo)體效應(yīng)管(MOSFET)的柵極面積加大，再置入霍爾接觸電極，也能實現(xiàn)霍爾效應(yīng)，如圖所示?；魻栯妷赫扔谕ㄟ^器件的電流和外加磁場。靈敏度可達(dá)100mVT-1。已有研究成果表明，結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)漏極電流的變化正比于外加磁場。硅霍爾器件的輸出電勢太小，測量前必須放大?？梢园鸦魻柶骷捅匾碾娐分谱髟谝粋€芯片上，集成在包括放大器、穩(wěn)定電路和溫度補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)實現(xiàn)。簡單磁敏電阻具有電阻－場強(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，可以用外界磁場提供一個靜態(tài)偏置磁場，也可以在同一芯片上用兩個或四個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到更弱的磁場，這使得它能被用作磁存儲介質(zhì)的讀磁頭。磁敏電阻可以用于無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的測量，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，使用時必須加上適當(dāng)?shù)臏囟茸餮a償。為實現(xiàn)溫度補償，可在電路中采用溫度補償二極管，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中時，其特性會有變化。磁場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)。外磁場不存在時，兩個集電極均分電流。若把該芯片置于外磁場中，電流在兩個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的線性函數(shù)。磁敏金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MAGFET)與磁敏三極管相似，它是具有兩個漏極的場效應(yīng)管，其原理也類似于磁敏三極管。3.7.2溫度的測量1．熱敏電阻

2．熱敏二極管3．熱敏三極管4．溫差電勢效應(yīng)5．固體高溫計熱敏電阻鐵、鈷、鉻、鎂、鎳、鈦這類材料的半導(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，所以此類材料進(jìn)行溫度測量時，必須加適當(dāng)?shù)难a償。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的一種應(yīng)用就是對其他器件的正溫度系數(shù)作補償，如在放大器中控制增益。熱敏電阻價格低，體積也很小，因而熱慣性小，能對溫度變化快速反應(yīng)。它們常被用在電橋電路中。使用時必須確保熱敏電阻本身不至因工作電流過大而發(fā)熱，使測量結(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。其測量范圍受到反向漏電流Is的限制，后者隨溫度變化。對于硅材料來說，25℃時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。計算式如下

Kt－－常數(shù)；Ta－－絕對溫度(K)。式中1.27是絕對溫度為零時的基極—發(fā)射極電壓Vbe，這個數(shù)值有賴于硅片幾何形狀、偏置和制造工藝中的誤差。因此同一特性器件的個體差異可以通過調(diào)整各自的偏置電流得以補償，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，這個管子是測溫電橋的組成部分。溫差電勢效應(yīng)類似熱電偶，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)處相對于參考溫度被加熱或冷卻時，在參考端會有一電壓出現(xiàn)，這一電壓是溫差T和該系統(tǒng)溫差電勢系數(shù)的函數(shù)，即as——系統(tǒng)的溫差電勢系數(shù)(VK-1)；T——溫差(T=T1-T2)。應(yīng)用溫差電勢效應(yīng)的硅熱電堆已經(jīng)問世，可用于實測電流的有效值，也可用于測流量、檢測輻射等。固體高溫計當(dāng)鋯鈦酸鉛這類材料薄片在電場中被加熱到剛好低于其居里溫度時，材料內(nèi)的晶體就沿外加電場的方向取向，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電極之間的電勢變化檢測出來，或者用掃描電子束讀出。實用中測高溫元件通常只需在紅外線輻射中放置很短一段時間。再用機(jī)械斬波器以25Hz的頻率把輸入信號斬波，以便獲得連續(xù)穩(wěn)定的圖像。固體高溫計可以視為一個熱敏電容與一個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。因為隨著測溫元件所接收的熱輻射頻率增高，它產(chǎn)生的電壓會下降，所以這種固體高溫計通常設(shè)計成只在特定的紅外頻譜區(qū)域內(nèi)工作。一般采用N溝道場效應(yīng)管作為固體高溫測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，會在一些特定的晶面之間產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這類材料有石英、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，這類晶體也會發(fā)生機(jī)械運動，即壓電效應(yīng)是可逆的，因此這個現(xiàn)象被稱為逆效應(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。加速度的測量壓電材料很適于做成靜力學(xué)測量中的多種力變換器。也可以做成各種有源微型加速度計。加速度計的兩種典型構(gòu)造如圖所示。加速度使振動塊對壓電材料施加一個作用力，壓電材料產(chǎn)生出電荷。這些電荷再由電荷放大器檢測出來。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是：輸出電壓正比于振子的加速度，而與傳輸電纜的長度無關(guān)，假定放大器是理想的，則有Sq--加速度計的電荷靈敏度；a——加速度；Cf—反饋電容。對于實際的電荷放大器，還要引入反饋電阻Rf以防Cf上積累電荷，見圖。為了提高測量精度，加速度計本身的質(zhì)量要盡可能小，不致給被測物體附加過大的負(fù)荷。加速度計對被測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和安裝加速度計時的加速度f1、f2—分別為不安裝加速度計和安裝加速度計時的諧振頻率Ms—被測物的質(zhì)量；ma—加速度計的質(zhì)量。

通常加速度計的質(zhì)量不應(yīng)大于被測物質(zhì)量的1/10。濕度的測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算放大器的兩個輸入端，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)壓電陶瓷正越來越多地用作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它能作出微米級的直線位移，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)動自動調(diào)焦照相機(jī)鏡頭的壓電電機(jī)也已開發(fā)出來。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，它會作機(jī)械振動。當(dāng)激勵信號的頻率等于晶體的共振頻率時，振動幅度達(dá)到最大。諧振頻率和幅度由兩個激勵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)械波波長之半，就會發(fā)生共振，并把產(chǎn)生的超聲能量輻射出來。如果把若干塊晶體鑲嵌在一起，構(gòu)成的輻射面就會更大些，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，在一個很小的面積上產(chǎn)生高強(qiáng)度的超聲能。這類陶瓷材料本身是多晶體。現(xiàn)已開發(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中，能引起材料沿磁場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)生一個初始伸張，而后疊加上交流信號。處于諧振狀態(tài)時，沿變換器長度上的某些點會出現(xiàn)波節(jié)，變換器安裝就是利用這些波節(jié)點工作的。選波節(jié)點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，因為在磁致伸縮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玫氖菤饬鞯膭幽?，可以發(fā)出幾瓦的功率，頻率為40～50KHz數(shù)量級，效率比汽笛低。電磁和靜電超聲源它的構(gòu)造與普通的音頻揚聲器相似。它能產(chǎn)生超音頻頻率，在某些場合獨具長處。譬如高溫環(huán)境。超聲波的耦合有些應(yīng)用場合中，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來用作超聲接收器。在以脈沖方式工作的系統(tǒng)中，這意味著同一個變換器可以既作為發(fā)射器又作為接收器。超聲法測流量超聲法是一種無損測量方法，它可以用于測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)用場合而定。要使超聲流量計有效地工作，測量點處管道內(nèi)的流體流場必須是穩(wěn)定的，也就是說在測量點以前要有一定長度的直管，使流體截面能夠穩(wěn)定。(1)多普勒流量計(2)傳遞時間流量計多普勒流量計圖為多昔勒流量計的測試原理圖。當(dāng)發(fā)射端以某一頻率fs發(fā)射一個超聲波時，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。當(dāng)這些東西隨流體一起運動時，會使接收到的頻率產(chǎn)生一定的頻移，頻率的漂移是這些散射粒子運動速度的函數(shù)，通過計算就可得到流速。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流動時則由流體流動引起的頻率差為這種測量方法的結(jié)果與流體截面形狀有關(guān)，也依賴于散射顆粒的數(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)流體流動方向平行的位置，測量精度可以更高些。傳遞時間流量計傳遞時間流量計的測量原理示于圖。信號逆流傳遞時間與順流傳遞時間不同，這兩者之差是流速的函數(shù)。傳遞時間差可以直接由相位移或頻移測出。測頻移的優(yōu)點是不必知道流體的傳聲特性。

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