3.1概述3.2電阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電感式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電與熱電式傳感器3.7光電式傳感器3.8光纖傳感器3.9半導體傳感器3.10激光測試傳感器3.11紅外輻射傳感器3.12超聲波傳感器3.13傳感器選用原則第三章常用傳感器23.1.1傳感器定義3.1.2傳感器的構成3.1.3傳感器的分類3.1

概述3.1概述3.1.1傳感器的定義：

傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。狹義上，非電信號電信號。

傳感器的組成框圖3.1概述在非電量電測系統(tǒng)中的作用

敏感作用：感受并拾取被測對象的信號；

轉(zhuǎn)換作用：被測信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸、檢測和處理的電信號。被測對象觀察者傳感器

非電量信號調(diào)理電量信號處理電量顯示記錄電量/數(shù)字量3.1概述53.1.2傳感器的組成

傳感器一般由敏感器件與輔助器件，加轉(zhuǎn)換電路組成。3.1概述敏感元件：直接感受被測量,輸出與被測量成確定關系的某一物理量。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入,它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件的電路參量轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號。傳感器是測量裝置,能完成檢測任務;它的輸入量是某一被測量,可能是物理量(如位移、溫度、力、壓力、速度、加速度等),也可能是化學量、生物量等;它的輸出量是某種物理量,這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等,可以是氣、光、電量,但主要是電量;輸出與輸入有一定的對應關系,且應有一定的精確度。

傳感器的特點3.1概述73.1.3傳感器的分類(1)按被測物理量分類:機械量：長度，厚度，位移，速度，加速度，旋轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)數(shù)，質(zhì)量，重量，力，壓力，真空度，力矩，風速，流速，流量等。聲：聲壓，噪聲。磁：磁通，磁場。溫度：溫度，熱量，比熱。光：亮度，色彩。3.1概述位移傳感器,流量傳感器,溫度傳感器等。8(2)按傳感器工作原理的不同分類:機械式,電氣式,光學式,流體式等。3.1概述機械式傳感器以彈性體作為敏感元件，輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。彈性變形經(jīng)放大后可轉(zhuǎn)化為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示被測量的大小。應用實例：測力計、壓力計和溫度計。測力計壓力計溫度計彈性膜片波紋管波登管3.1概述特點：機械式指示儀表結構簡單、可靠、使用方便、價格低、讀數(shù)直觀；彈性變形不宜大，以減小線性誤差；慣性大、固有頻率低，只宜測緩變或靜態(tài)被測量。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象，影響輸出與輸入的線性關系。3.1概述(3)按信號變換特征不同分類:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計.結構型:依靠傳感器結構參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.

例如:電容式和電感式傳感器.3.1概述能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.（4）按敏感元件與被測對象之間的能量關系能量轉(zhuǎn)換型(無源傳感器）:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,磁電式加速度計.能量控制型（有源傳感器）:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.

例如:電阻應變片.3.1概述UOUIR1±△RR2R4R3abcd13(5)按傳感器輸出量的性質(zhì)可分為:模擬式和數(shù)字式模擬式:輸出量為連續(xù)變化的模擬量.數(shù)字式:輸出量為數(shù)字量

.

例如:數(shù)字式傳感器

.3.1概述3.1傳感器的基本概念3.2電阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電感式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電與熱電式傳感器3.7光電式傳感器3.8光纖傳感器3.9半導體傳感器3.10激光測試傳感器3.11紅外輻射傳感器3.12超聲波傳感器3.13傳感器選用原則第三章常用傳感器技術15電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應變式（金屬電阻應變片式、半導體應變片式）和固態(tài)壓阻式。3.2.1變阻器式傳感器

金屬電阻應變片

半導體應變片

絲式

箔式

3.2.2電阻應變式傳感器3.2電阻式傳感器3.2.3固態(tài)壓阻式傳感器變阻器式傳感器也稱為電位計式傳感器，通過改變電位器觸頭位置，實現(xiàn)將位移轉(zhuǎn)換為電阻R的變化。工作原理： 一個電導體的電阻值： 式中：R－電阻（Ω）；

ρ－材料的電阻率（Ω·mm2/m）；

l－導體的長度（m）；

A－導體的截面積（mm2）。電阻絲直徑和材質(zhì)一定，電阻值隨導線長度改變。變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。3.2電阻式傳感器3.2.1

變阻器式傳感器（2）

直線位移型變阻器式傳感器設電位計觸頭移動

x，A點與b點間電阻值變化

R，則：3.2電阻式傳感器(3)角位移型變阻器式傳感器也稱回轉(zhuǎn)型變阻式傳感器，電阻值隨電刷轉(zhuǎn)角而變化。3.2電阻式傳感器(4)非線性電位計-函數(shù)電位器骨架為直角三角形3.2電阻式傳感器骨架為拋物線20后接電路分析:Rp-總電阻；xp-變阻總長；Rl-負載電阻；x-電刷移動量。132xxp3.2電阻式傳感器電阻分壓電路21優(yōu)點：(1)結構簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩(wěn)定；(2)受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響小；分辨力不高；(3)可以實現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關系。(2)變阻器式傳感器的特點缺點：因為存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；噪聲比較大；由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量精度，所以分辨力較低；動態(tài)響應較差，適合于測量變化較緩慢的量；分辨力不高，一般大于20μm。

應用：測線位移，角位移。伺服記錄儀器或者電子電位差計3.2電阻式傳感器223.2.2電阻應變式傳感器

金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。3.2電阻式傳感器絲式-金屬柵箔式-金屬箔片1.工作原理式中：ρ—導線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)。

金屬電阻應變片式：導體的應變效應

當金屬絲由于受到軸向力P而伸長時，長度增長，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如金屬絲因受壓力而縮短，即長度變短，截面積變大時，則電阻值就減小。

電阻應變式傳感器分為：金屬電阻應變片式和半導體應變片式。3.2電阻式傳感器241）工作原理金屬應變片的電阻R為縱向應變泊松比彈性模量壓阻系數(shù)幾何參數(shù)：柵長L和柵寬b，制造廠常用b×L表示。3.2電阻式傳感器25(1)當電阻絲幾何尺寸變化占主導時金屬應變計(2)當電阻率變化占主導時半導體應變計3.2電阻式傳感器對于金屬絲來說，λE是很小的，一般可以忽略。彈性元件電阻應變片被測量FεΔR2）電阻應變片的種類及材料

電阻應變片的種類常用有絲式、箔式、半導體式和薄膜式應變片等。3.2電阻式傳感器絲式應變片：金屬電阻應變片的典型結構。將一根高電阻率金屬絲（

0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間并引出導線構成。？柵狀結構為了獲得大的電阻變化量3.2電阻式傳感器箔式應變片：利用照相制版或光刻技術，將厚約為0.003～0.01mm的金屬箔片制成敏感柵。3.2電阻式傳感器應變計實際中的金屬應變片3.2電阻式傳感器目測電阻應變片有無折痕、斷絲等缺陷，有缺陷的應變片不能粘貼。用萬用表測量應變片的電阻。同一電橋中各應變片之間的阻值相差不得大于0.5歐姆。試件表面處理。貼片處置用細紗紙打磨干凈，用酒精棉球擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。應變片粘貼。在應變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應變貼片位置。5）

應變片的選擇、粘貼技術用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣組織，應大于500M歐。應變片保護。用704硅橡膠覆于應變片上，防止受潮。3.2電阻式傳感器3.2電阻式傳感器327）半導體應變片應變計ρ變化占主導——壓阻效應3.2電阻式傳感器

由于半導體(如單晶硅)是各向異性材料，因此它的壓阻效應不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關，還與晶向有關(即對晶體的不同方向上施加力時，其電阻的變化方式不同)。

壓阻效應，單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。337）半導體應變片應變計優(yōu)點：應變靈敏度高;體積小制成具有一定應變電阻的元件

機械滯后小、橫向效應小、體積小、頻響高；易于集成化缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片.非線性誤差大——壓阻效應3.2電阻式傳感器3.1傳感器的基本概念3.2電阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電感式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電與熱電式傳感器3.7光電式傳感器3.8光纖傳感器3.9半導體傳感器3.10激光測試傳感器3.11紅外輻射傳感器3.12超聲波傳感器3.13傳感器選用原則第三章常用傳感器技術353.3.1變換原理將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++

A

當被測量δ、S或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。相對介電常數(shù)，空氣中為1真空介電常數(shù)極板面積極板間距離極距變化型面積變化型介質(zhì)變化型3.3電容式傳感器363.3.2分類－根據(jù)電容器變化的參數(shù)a)極距變化型+++為減少線性誤差，一般取極距變化范圍為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件(如電源電壓、環(huán)境溫度等)的變化對測量精度的影響，常常采用差動型電容式傳感器。

特點:動態(tài)非接觸測量,靈敏度高,測較小位移（達0.01μm)。3.3電容式傳感器37b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型特點：線性關系，靈敏度低，適用于較大直線位移及角位移的測量。3.3電容式傳感器38c)介質(zhì)變化型

變介電常數(shù)型電容傳感器的結構原理如圖所示。這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的液位(圖a)，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量固體材料的溫度、濕度(圖b)等。介質(zhì)液位計介質(zhì)厚度、溫度、濕度計3.3電容式傳感器393.3.3測量電路a)變壓器式交流電橋電橋電路電容傳感器為電橋的一部分。通常采用電阻、電容或電感、電容組成交流電橋，下圖所示為一種由電感、電容組成的電橋。電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，再推動顯示、記錄儀器。目前較常采用的有變壓器式交流電橋電路、直流極化電路、調(diào)頻電路、運算放大電路等。3.3電容式傳感器40b)直流極化電路

此電路又稱為靜壓電容測量電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器。彈性膜片在外力作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。輸出電壓與膜片位移速度成正比，可以測量氣流的振動速度，進而得到壓力。3.3電容式傳感器41c)調(diào)頻電路

傳感器的電容器作為振蕩器諧振回路的一部分，當輸入量使電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化，調(diào)頻振蕩器輸出調(diào)頻波，通過鑒頻解調(diào)，還原原來的輸入信號，經(jīng)放大后就可以用儀表或記錄儀記錄。

此電路抗外來干擾能力強，性能穩(wěn)定，能取得高電平的電流信號（伏特級），但是電纜分布電容的影響較大，使用中有些麻煩。3.3電容式傳感器42d)運算放大器電路

變極距型電容式傳感器的極距變化與電容變化量成非線性關系。采用比例運算放大器電路，可以使輸出電壓與位移的關系轉(zhuǎn)換為線性關系。輸出電壓與間隙成線性比例關系3.3電容式傳感器433.3.4應用轉(zhuǎn)速測量齒輪轉(zhuǎn)動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設齒數(shù)為z,頻率為f,則轉(zhuǎn)速為:3.3電容式傳感器3.1傳感器的基本概念3.2電阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電感式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電與熱電式傳感器3.7光電式傳感器3.8光纖傳感器3.9半導體傳感器3.10激光測試傳感器3.11紅外輻射傳感器3.12超聲波傳感器3.13傳感器選用原則第三章常用傳感器技術45

電感式傳感器工作原理

電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量（力、位移等）轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型

核心部分：可變電感或可變互感。

主要特征：線圈繞組3.4電感式傳感器463.4.1自感型—可變磁阻式原理:電磁感應線圈匝數(shù)磁路總磁阻鐵芯導磁率鐵芯導磁長度鐵芯導磁截面積氣隙長度空氣導磁率氣隙導磁截面積L為線圈自感量W為線圈匝數(shù)為磁通3.4電感式傳感器47a）導磁面積變化b）δ變化這種傳感器適用于較小位移的測量，一般約為0.001～1mm。3.4電感式傳感器48雙螺管線圈差動型傳感器及測量電路雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性；用于電感測微計上，其測量范圍為0～300μm，最小分辨力為0.5μm。這種傳感器的線圈接于電橋上，構成兩個橋臂，線圈電感L1、L2隨鐵芯位移而變化。單螺管線圈型較大位移測量雙螺管線圈差動電感測微計3.4電感式傳感器493.4.2渦流式原理:利用金屬導體在交流磁場中的渦電流效應原線圈的等效阻抗Z變化：變化δ，可做位移、振動測量；變化ρ，μ，可做材質(zhì)鑒別和探傷3.4電感式傳感器50①高頻反射式渦流傳感器如圖所示，高頻(>1MHz)激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。（線圈自感L或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的電阻率ρ、磁導率μ、激勵電流i及角頻率ω等有關。）若只改變距離δ而保持其它參數(shù)不變，則可將位移變化轉(zhuǎn)換為線圈自感變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。

3.4電感式傳感器51②低頻透射式渦流傳感器如圖，發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場集膚效應小，滲透深，當?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈ω2產(chǎn)生感應電動勢e2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應電動勢e2減少，當金屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關，試驗表明，e2隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。3.4電感式傳感器3.電感傳感器測量電路52阻抗分壓式調(diào)幅電路阻抗分壓式調(diào)頻電路采用轉(zhuǎn)換電路把電感變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)變化，即把傳感器電感接入不同的轉(zhuǎn)換電路，將電感變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)的幅值、頻率、相位的變化。

3.4電感式傳感器53測量電路：1）阻抗分壓式調(diào)幅電路δ變——電感L

變——電壓u變

3.4電感式傳感器54測量電路：2）阻抗分壓式調(diào)頻電路

該方法也將傳感器線圈接入LC振蕩電路，與調(diào)幅法不同之處是以回路的諧振頻率作為輸出量。當金屬板至傳感器之間的距離δ發(fā)生變化時，將引起線圈電感變化，從而使振蕩器的振蕩頻率f發(fā)生變化，再通過鑒頻器進行頻率－電壓轉(zhuǎn)換，即可得到與δ成比例的輸出電壓。δ變——電感L

變——振蕩器f

變——

轉(zhuǎn)化為電壓u的變化

3.4電感式傳感器渦電流式傳感器應用：動態(tài)非接觸測量渦電流式位移和振動測量儀測厚儀無損探傷徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運動、轉(zhuǎn)速和厚度測量零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量徑向振動測量

軸心軌跡測量3.4電感式傳感器轉(zhuǎn)速測量零件計數(shù)器表面裂紋測量

穿透式測厚3.4電感式傳感器3.1傳感器的基本概念3.2電阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電感式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電與熱電式傳感器3.7光電式傳感器3.8光纖傳感器3.9半導體傳感器3.10激光測試傳感器3.11紅外輻射傳感器3.12超聲波傳感器3.13傳感器選用原則第三章常用傳感器技術583.5.1變換原理

某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇等晶體，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會被極化，表面會出現(xiàn)電荷，形成電場；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。反之將壓電晶體置于外電場中，幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種效應稱之為逆壓電效應?？赡嫘蛽Q能器:

機械能

電能

壓力、應力、加速度3.5壓電式傳感器石英晶體593.5壓電式傳感器石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝3.5壓電式傳感器61材料：壓電單晶、壓電陶瓷、有機壓電薄膜

石英是壓電單晶中最具有代表性的。壓電常數(shù)不高，較好的機械強度和時間、溫度穩(wěn)定性。

聲學和傳感技術最普遍應用是壓電陶瓷，壓電常數(shù)是石英高數(shù)百倍。主要代表-鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛（PZT），具有較高的居里點（350oC）

高分子壓電薄膜的壓電特性不太好，可用于測量微壓測量和機器人觸覺，以聚偏二氟乙烯PVDF）。

壓電半導體具有壓電和半導體兩種特性，很容易發(fā)展為新型集成傳感器。3.5壓電式傳感器壓電陶瓷（PZT）壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。壓電系數(shù)高，靈敏度較石英材料高，但工作溫度低，溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體3.5壓電式傳感器63F+

最簡單的壓電式傳感器的工作原理如圖所示。在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構成兩個電極。當壓電晶片受到壓力F的作用時，分別在兩個極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場。因此，壓電傳感器可以看作是一個電荷發(fā)生器，也可以看成是一個電容器。

工作原理：

在實際應用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結在一起（即并聯(lián)和串聯(lián)），組成壓電式傳感器。

壓電效應和逆壓電效應是線性的。即晶體表現(xiàn)出現(xiàn)的電荷多少和形變大小乘正比。3.5壓電式傳感器64+并聯(lián)+串聯(lián)并聯(lián)和串聯(lián)：并聯(lián)時串聯(lián)時設單片壓電元件的電容為，電荷為，電壓為，則當兩片疊加后電荷靈敏度高電壓靈敏度高3.5壓電式傳感器653.5.2

測量電路

壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。

作用：

其一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；電阻反饋的電壓放大器-輸出電壓與輸入電壓成正比

其二是放大傳感器輸出的微弱電信號。

帶電容板反饋的電荷放大器-輸出電壓與輸入電壓成正比

3.5壓電式傳感器實際等效電路考慮連接電纜分布電容Cc，放大器輸入電阻Ri和電容Ci

，壓電傳感器泄露電阻Ra的影響。壓電傳感器等效電路和測量電路

(a)電壓源；(b)電荷源相對介電常數(shù)為εr，極化面積為A，厚度為t的壓電片的兩電極出現(xiàn)等量異號的電荷，中間為絕緣體，可視為一個自源電容器3.5壓電式傳感器67電容泄漏電阻壓電元件產(chǎn)生的電荷傳感器電容電纜電容外接電路的輸入端電容泄漏電流qCR0ui電壓放大器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。3.5壓電式傳感器電荷放大器將壓電器件高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為傳感器低內(nèi)阻的電壓源，以實現(xiàn)阻抗匹配，并使輸出電壓正比于輸入電荷。且傳感器的靈敏度不受電纜變化影響。輸入阻抗1010-1012歐，輸出阻抗小于100歐。優(yōu)點：在一定條件下，傳感器靈敏度與電纜長度無關。電荷放大器實際是具有深度負反饋的高增益放大器，等效電路。

電荷放大器3.5壓電式傳感器69若放大器開環(huán)增益足夠大，則ACf>>(C+Cf)

傳感器電容電纜電容外接電路輸入端電容在一定情況下，電荷放大器的輸出電壓與電纜分布電容無關。采用電荷放大器時，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。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3.5壓電式傳感器703.5.3

應用

壓電效應是一種力-電荷變換，用來測量應力、壓力、振動的加速度，也用于聲、超聲和聲發(fā)射等測量。

（1）兩種形式：一種是利用膜片式彈性元件，通過膜片承壓面積將壓力轉(zhuǎn)換為力。膜片中間有凸臺，凸臺背面放置壓電片。力通過凸臺作用于壓電片上，使之產(chǎn)生相應的電荷。

3.5壓電式傳感器（2）

壓電式流量計

（2）利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。

流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況3.5壓電式傳感器（3）集成壓電式傳感器

是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領域。

脈搏計照片

典型應用：

·脈搏計數(shù)探測

·按鍵鍵盤，觸摸鍵盤

·振動、沖擊、碰撞報警

·振動加速度測量

·管道壓力波動

·其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等3.5壓電式傳感器

力敏元件主要性能指標：壓力范圍≤1kPa靈敏度≥0.2ｍV/Pａ非線性度≤1％F.S頻率響應1～1000Hz標準工作電壓4.5V（DC）擴充工作電壓3～15V(DC)標準負載電阻2.2kΩ擴充電阻1kΩ～12kΩ外形尺寸

12.7×7.6重量＜1.5ｇ輸出力敏元件地線R=2.2kΩ電源集成壓電傳感器連線電路OO3.5壓電式傳感器壓電傳感器形成系列化產(chǎn)品。如大型靈敏度加速計靈敏閾可達10－6gn，能夠測量微弱的振動，小型加速度計0.14g,靈敏低，但能測量上千克強振動。電荷泄漏難以精確測量常值力，低頻振動受靈敏度限制，輸出信號弱，信噪比差。壓電傳感器一般用來測量沿其軸向的作用力，產(chǎn)生縱向效應和相應的輸出，但在垂直軸向的作用力，產(chǎn)生橫向效應和相應的輸出，橫向輸出是一種干擾和產(chǎn)生誤差的原因，故要減少橫向輸出。環(huán)境溫度、濕度的變化、壓電材料本身的時效，都會引起壓電常數(shù)的變化，使壓電傳感器靈敏度變化，要經(jīng)常校準傳感器。壓電傳感器具有可逆性，所以可做“驅(qū)動器”。3.5壓電式傳感器3.1傳感器的基本概念3.2電阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電感式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電與熱電式傳感器3.7光電式傳感器3.8光纖傳感器3.9半導體傳感器3.10激光測試傳感器3.11紅外輻射傳感器3.12超聲波傳感器3.13傳感器選用原則第三章常用傳感器技術3.6.1磁電式傳感器概念：一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應電動勢的裝置，亦稱電磁感應式或電動力式傳感器。由電磁感應定律可知，當穿過一個線圈的磁通Φ發(fā)生變化時，線圈中所感應產(chǎn)生的電動勢結論：線圈感應電動勢的大小，取決于匝數(shù)和穿過線圈的磁通變化率。磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關，改變其中一個因素，都可改變線圈的感應電動勢。3.6磁電式與熱電式傳感器

當彈簧片敏感有一速度時，線圈則在磁場中作直線運動，從而切割磁力線，因此它所產(chǎn)生的感應電動勢

B—磁場的磁感應強度（T）；l—單匝線圈的有效長度（m）；N0—有效線圈匝數(shù)；v—線圈相對于磁場的速度（m/s）;θ—線圈運動方向與磁場的夾角。1）恒定磁通式

3.6磁電式與熱電式傳感器

當線圈運動方向與磁場方向垂直亦即θ=90°時，上式表明：當傳感器的結構參數(shù)（B，l，N）選定，則感應電動勢e的大小使正比于線圈的運動速度v。將被測到的速度經(jīng)微分和積分運算又可得到運動物體的加速度和位移，因此速度傳感器又可用來測量運動物體的位移和加速度。3.6磁電式與熱電式傳感器2）變磁通式-磁阻式磁電傳感器

用來測量旋轉(zhuǎn)體的角速度，線圈和永久磁鐵均靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一齒，它與軟鐵之間構成的磁路磁阻變化一次，穿過線圈的磁通就變化一次，線圈中就會產(chǎn)生周期變化的感應電動勢。（a）測頻數(shù)（b）測轉(zhuǎn)速（c）偏心測量（d）振動測量3.6磁電式與熱電式傳感器3.6.2熱電式傳感器定義：將溫度轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置。分類：熱電偶（電勢變化）和熱電阻（電阻值變化）。1）熱電偶熱電效應：兩種不同的金屬導體A和B組成一個閉合回路時，如果兩接點處的溫度不同（T0≠T），則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱熱電效應。相應的電勢稱熱電動勢。3.6磁電式與熱電式傳感器熱電動勢（接觸電動勢與溫差電動勢）：金屬中存在自由電子，不同金屬中自由電子密度不同，當兩種金屬A和B接觸時，接觸處產(chǎn)生電子的擴散運動。當擴散作用與電場的反作用相等時，就達到了動態(tài)平衡，這時在A、B接觸面處形成的穩(wěn)定電位差稱為接觸電勢。其值如下：3.6磁電式與熱電式傳感器

溫差電動勢：一個導體A兩端存在著溫度差，熱端自由電子的動能比冷端要大，熱端便有更多的電子擴散到冷端，使熱端失去電子而帶正電，冷端得到電子而帶負電，當電子擴散達到動態(tài)平衡時，高溫與低溫端之間形成穩(wěn)定的電位差稱為溫差電勢3.6磁電式與熱電式傳感器熱電偶回路的特點：如果熱電偶的兩個熱電極材料相同，兩結點的溫度雖然不同，但總的熱電勢仍為零。因此，熱電偶必須由兩種不同的材料構成；如果熱電偶兩個接點的溫度相同，即使兩個熱電極A、B的材料不同，回路中熱電勢仍然為零，因此要產(chǎn)生熱電勢不但要求兩個電極材料不同，而且兩個接點必須有溫度差；熱電勢與導體材料A、B的中間溫度無關，僅與兩個接點的溫度有關。3.6磁電式與熱電式傳感器

不同測量對象的測溫條件和要求，熱電偶的結構形式也有所不同。普通熱電偶的結構主要包括熱電極2、絕緣套管3、保護管1和接線盒5等。

鎧裝熱電偶：撓性好，易彎曲，特別適用于結構復雜的裝置；

薄膜式熱電偶：接點做得很?。?.01~0.1μm），熱容量小，響應速度快（ms級），適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度的測量。熱電偶的結構3.6磁電式與熱電式傳感器3.6磁電式與熱電式傳感器3.6磁電式與熱電式傳感器種類符號測溫范圍鉑銠-鉑WRLB長期1300℃，短期1600℃鎳鉻-鎳硅WREU長期900℃，短期1200℃鎳鉻-考銅WREA長期600℃，短期800℃鉑銠30-鉑銠6WRLL長期1600℃，短期1800℃熱電偶的分類3.6磁電式與熱電式傳感器2）

熱電阻熱電阻是利用導體或半導體的電阻隨溫度變化的特性測量溫度的。用金屬或半導體材料作為感溫元件的傳感器，分別稱為熱電阻和熱敏電阻。熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒等組成。電阻體是主要部分。3.6磁電式與熱電式傳感器（1）鉑電阻特點：測溫精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠；氧化性介質(zhì)穩(wěn)定，還原性介質(zhì)易被污染。采用(IEC)制作鉑電阻溫度計國際電工委員會(InternationalElectrotechnicalCommission）測溫范圍：-200～850℃3.6磁電式與熱電式傳感器鉑電阻體用很細鉑絲繞在云母、石英或陶瓷支架上做成。WZB型，由直徑0.03-0.07mm鉑絲繞云母制成的平板型支架。電阻與溫度關系：-200～0℃的溫度范圍內(nèi)0～850℃的溫度范圍內(nèi)為說明：Rt和

R0分別為t和

0℃

時的鉑電阻值；A、B

和C為常數(shù)，其數(shù)值為

A=3.90802×10-3/℃B=-5.802×10-7/℃C=-4.27350×10-12/℃4

3.6磁電式與熱電式傳感器（2）銅熱電阻特點：測溫精度低于鉑電阻，線性度好、電阻溫度系數(shù)高、價格便宜。測溫范圍：-50～150℃3.6磁電式與熱電式傳感器銅電阻體為一個銅絲繞組（含錳銅補償部分），由直徑約0.1mm的絕緣銅絲繞在圓形塑料支架上。3.1傳感器的基本概念3.2電阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電感式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電與熱電式傳感器3.7光電式傳感器3.8光纖傳感器3.9半導體傳感器3.10激光測試傳感器3.11紅外輻射傳感器3.12超聲波傳感器3.13傳感器選用原則第三章常用傳感器技術光電式傳感器：以光電器件為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。將被測量的變化轉(zhuǎn)換為光信號的變化，然后通過光電器件轉(zhuǎn)換成電信號。一般由輻射源、光學通路和光電器件三部分組成。被測量通過對輻射源或光學通路的影響，將被測信息調(diào)制到光波上，通常改變光波的強度、相位、空間分布和頻譜分布等，光電器件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。電信號經(jīng)后續(xù)電路的解調(diào)分離出被測信息，實現(xiàn)對被測量的測量。輻射源光電器件光學通路被測量輻射源被測量3.7光電式傳感器1、光電效應光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩類。外光電效應亦稱為光電子發(fā)射效應。內(nèi)光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應兩類。（1）外光電效應在光輻射作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象。光子具有的能量：上式稱為愛因斯坦光電效應方程式

3.7光電式傳感器當物體受到光輻射時，其中的電子吸收了一個光子的能量hυ，該能量的一部分用于使電子由物體內(nèi)部逸出所作的逸出功A，另一部分則為逸出電子的動能，即由愛因斯坦光電效應方程式得：1）光電子逸出表面的必要條件是hυ＞A。2）當入射光頻率成分不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)與入射光強度成正比。3.7光電式傳感器（2）光電導效應光電導效應：在光輻射作用下，某些半導體材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光電導效應的物理過程：光照射在半導體材料上時，價帶（價電子所占能帶）中的電子受到能量大于或等于禁帶（不存在電子所占能帶）寬度的光子轟擊，使其由價帶越過禁帶躍入導帶（自由電子所占能帶），使材料中導帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增大，從而使電導率增大。典型的光電導效應器件是光敏電阻。3.7光電式傳感器（3）光生伏特效應

當光照射在PN結時，在能量足夠大的光子作用下，在結區(qū)及其附近產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子、空穴對）。在結區(qū)內(nèi)，因電場E的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，使N區(qū)帶負電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動勢的現(xiàn)象。PN結PEN入射光—空穴—電子3.7光電式傳感器2光電器件（1）光電管

典型的光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。圖a為真空光電管的結構。在一個抽成真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極：光電陰極和光電陽極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料（如銫）涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對準光的照射孔。當光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。外電路接線如圖b所示，串入一適當阻值的電阻，該電阻上的壓降或電路中的電流大小都與光強成函數(shù)關系，從而實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。入射光陰極陽極REIa）結構b）外接電路3.7光電式傳感器光電管的基本特性主要有光譜特性、光照特性和伏安特性。

光譜特性：主要取決于光電陰極材料。不同的陰極材料對同一種波長的光具有不同的靈敏度；同一種陰極材料對不同波長的光也具有不同的靈敏度。這可用光譜特性來描述。

光照特性：光電管兩端所加電壓不變時，光通量Φ與光電流I的關系。對于氧銫陰極的光電管，I與Φ呈線性關系，但對于銻銫陰極的光電管，當光通量較大時，I與Φ呈非線性關系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。因氧銫光電管的良好線性，使其在光度測量中獲得廣泛應用。3.7光電式傳感器伏安特性：在一定的光通量照射下，光電流與光電管兩端的電壓關系。在不同的光通量照射下，伏安特性是幾條相似的曲線。當極間電壓高于50V時，光電流開始飽和，所有光電子到達了陽極。真空光電管一般工作于飽和范圍內(nèi)。3.7光電式傳感器（2）光電倍增管

在光照很弱時，光電管所產(chǎn)生的光電流很小，為了提高靈敏度，常應用光電倍增管。3.7光電式傳感器入射光陰極第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽極R1R2R3R4R5RAIAU0D1D2D3D4陰極陽極光電倍增管的結構及電路a）結構b）基本電路（3）光敏電阻-光導管，基于光電導效應。

由于光電導效應只限于光照的表面薄層，所以光電半導體材料一般都做成薄片并封裝在帶有透明窗的外殼中。（a）所示是金屬封裝的硫化鎘（CdS）光敏電阻的結構圖。管心是一塊安裝在絕緣襯底上的帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體，為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，如（b）所示。光敏電阻的代表符號見圖（c）。

3.7光電式傳感器光敏電阻的主要特性

1）暗電阻、亮電阻、光電流

暗電流：光敏電阻在未受到光照條件下呈現(xiàn)的阻值稱為暗電阻。此時流過的電流。

光電流：光敏電阻在特定光照條件下呈現(xiàn)的阻值稱為亮電阻。此時流過的電流，稱為亮電流。亮電流與暗電流之差。

光敏電阻的暗電阻越大、亮電阻越小，則性能越好。也就是說，暗電流要小，光電流要大，這樣的光敏電阻靈敏度就高。

2）光照特性

光敏電阻的光電流與光通量之間的關系稱為光照特性。

3）伏安特性

在一定的光照下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系稱為伏安特性。

4）光譜特性3.7光電式傳感器3.7光電式傳感器5）響應時間特性

光敏電阻的光電流對光照強度的變化有一定的響應時間，通常用時間常數(shù)來描述。光敏電阻自光照停止到光電流降至原值的63%時所經(jīng)過的時間稱為光敏電阻的時間常數(shù)。

6）溫度特性

與其它半導體器件一樣，光敏電阻的特性受溫度影響很大。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都將下降，光譜響應峰值將向左移動。3.7光電式傳感器（4）光電池

光電池是基于光生伏特效應工作的，它可直接將光能轉(zhuǎn)換為電能。制造光電池的材料很多，主要有硅、硒、鍺、砷化鎵、硫化鎘、硫化鉈等，其中硅光電池由于光電轉(zhuǎn)換率高、性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、價格便宜而應用最為廣泛。

光電池的特性有光照特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性。

光照特性：指光電池的開路電壓和短路電流與光照度之間的關系。

光譜特性：取決于所用材料。硒光電池響應區(qū)段在300~700nm波長間，峰值波長在500nm左右；硅光電池響應區(qū)間在400~1200nm波長間，峰值波長在800nm左右?？梢姡韫怆姵卦诤軐挼牟ㄩL范圍內(nèi)得到應用。3.7光電式傳感器3.7光電式傳感器（5）光電二極管和光電三極管

光電二極管也叫光敏二極管。光電二極管的PN結安裝在管子頂部，可直接接受光照，使用時光電二極管一般處于反向工作狀態(tài)。在無光照時，暗電流很小。當有光照時，光子打在PN結附近產(chǎn)生電子-空穴對。它們在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下作定向運動，形成光電流。光電流隨光照度的增加而增加。3.7光電式傳感器光電二極管和光電三極管的主要特性

1）光照特性

外加偏置電壓一定時，光電流I與光照度之間的關系稱為光照特性。如圖所示，光電二極管光照特性的線性度好，但光電流比光電三極管小很多，這主要是由于光電三極管的放大作用。

3.7光電式傳感器2）光譜特性

硅和鍺光電晶體管的光譜特性，硅管的響應區(qū)間在400~1000nm波長范圍內(nèi)，峰值波長在800nm附近；鍺管的響應區(qū)間在500~1700nm波長范圍內(nèi)，峰值波長在1400nm附近。因此在探測紅外光時，多采用鍺管，而探測可見光時，都采用硅管。3.7光電式傳感器3）伏安特性

光電二極管和光電三極管的光電流與外加偏置電壓的關系稱為伏安特性。該特性與普通二極管和三極管的特性相似，并且光電三極管的光電流比相同管型的光電二極管的光電流大數(shù)百倍。由于光電二極管的光生伏特效應使得它即使零偏壓時仍有光電流輸出。

3.7光電式傳感器3.7.3光電式傳感器及其應用

1.光電式傳感器的類型

（1）模擬量光電傳感器可將被測量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的光電流：

1）輻射式：光源本身就是被測對象，光電器件接受輻射能的強弱變化，如光電比色高溫計就是采用光電器件作為敏感元件，將被測物體在高溫下輻射的能量轉(zhuǎn)換為光電流。

2）透射式：光源發(fā)出一恒定光通量的光，并使之穿過被測對象，部分光被吸收，而其余的光到達光電器件上，轉(zhuǎn)換為電信號輸出?？捎脕頊y量液體、氣體和固體的透明度、渾濁度等參數(shù)。

3）反射式：將恒定光源發(fā)出的光投射到被測對象上，由光電器件接收其反射光，反射光通量的變化反映被測對象的特性，例如，通過測量光通量變化的大小，可以反映被測物體的表面粗糙度。

4）遮擋式：光源發(fā)出的光被被測物體擋住一部分，使照射到光電器件上光的強度變化，光電流的大小與遮光多少有關，可檢測加工零件的直徑、長度等參數(shù)。3.7光電式傳感器3.7光電式傳感器（2）開關量光電傳感器

開關量光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的光電流。在光源和光電器件之間，有物體時，光路被切斷，無電信號，為“0”狀態(tài)；無物體時，光路暢通，有電信號，為“1”狀態(tài)。屬于這一類的大多是作為繼電器和脈沖發(fā)生器應用的光電式傳感器，它主要應用于零件或產(chǎn)品的自動記錄、光控開關、光電編碼、光電報警，以及線位移、角位移、線速度、角速度（轉(zhuǎn)速）測量等。

3.7光電式傳感器

2.光電式傳感器的應用

（1）光電式邊緣位置傳感器

光電式邊緣位置傳感器由白熾燈光源、光學系統(tǒng)和光電器件（硅光電三極管）組成。3.7光電式傳感器（2）光電轉(zhuǎn)速計

轉(zhuǎn)速計的圓盤上均勻布置一圈測量孔，當被測軸旋轉(zhuǎn)時，光源產(chǎn)生的連續(xù)光信號被圓盤轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的光信號，再由光電器件接收，進而轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，由該脈沖信號的頻率即可計算轉(zhuǎn)速。頻率可由一般的頻率表或數(shù)字頻率計測量。光電器件多采用光電池、光電二極管或光電三極管。被測軸的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率的關系：

3.7光電式傳感器3.1傳感器的基本概念3.2電阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電感式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電與熱電式傳感器3.7光電式傳感器3.8光纖傳感器3.9半導體傳感器3.10激光測試傳感器3.11紅外輻射傳感器3.12超聲波傳感器3.13傳感器選用原則第三章常用傳感器技術

1.光纖結構及傳光原理

纖芯包層保護層n2n2n1n0=1φ光纖傳光的基礎是光的全內(nèi)反射。當光線以入射角θ進入光纖的端面時，在端面處發(fā)生折射，設折射角為，然后光線再以φ角入射至纖芯與包層的界面。光線在該界面發(fā)生全反射的條件是φ角大于纖芯與包層間的臨界角φc，即

3.8光纖傳感器2.光纖的主要特性

（1）數(shù)值孔徑

θc是出現(xiàn)全反射的臨界角，且某種光纖的臨界入射角的大小取決于光纖本身性質(zhì)（即折射率n1和

n2），而與光纖的幾何尺寸無關。光纖光學中把sinθc定義為光纖的數(shù)值孔徑（NumeralAperture，NA），即

數(shù)值孔徑是光纖的一個重要參數(shù)，它能反映光纖的匯集光線的能力。在光纖入射端面，無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θc張角內(nèi)的入射光才能被接收。光纖NA值越大，張角越大，匯集的光線越多。但NA越大，光信號的畸變也越大，所以要合理選擇NA的大小。

3.8光纖傳感器（2）光纖模式

光纖中傳輸?shù)墓?，可分解為沿軸向和沿截面徑向傳播的兩種平面波成分。沿截面徑向傳播的光波在纖芯與包層的界面上產(chǎn)生全反射，當它在徑向每一次往返傳輸（相鄰兩次反射）的相位變化是2π的整數(shù)倍時，就在截面內(nèi)形成駐波，稱為“?！?。通常用歸一化頻率υ表示光纖傳播模式的總數(shù)，約為υ2/2~υ2/4之間：

式中，r-纖芯半徑；λ-光波長。

多模光纖：υ值大的光纖傳輸?shù)哪?shù)多。通常纖芯之間較粗（幾十微米以上），可傳播幾百以上的模式，但性能較差，輸出波形有較大畸變。

單模光纖：纖芯很細（5~10μm）只傳輸一個模（基模），傳輸性好，信號畸變小，信息容量大，靈敏度高，尺寸小，制造困難。3.8光纖傳感器（3）傳輸損耗

光信號在光纖中傳輸時，由于光纖材料對光波的吸收、散射、光纖結構的缺陷、彎曲及光纖間的不完善耦合等原因，導致光功率隨傳輸距離呈指數(shù)規(guī)律衰減，這種現(xiàn)象稱為傳輸損耗。傳輸損耗通常以每公里光纖分貝數(shù)來表示，目前的單模石英光纖的傳輸損耗可以達到0.2dB/km。

3.8光纖傳感器根據(jù)光纖在傳感器中的功能，光纖傳感器可分為以下三類：

（1）功能型（傳感型）光纖傳感器。光纖既是傳播光線的介質(zhì)，又作為敏感元件，被測量作用于光纖，使其內(nèi)部傳輸光線的特性發(fā)生變化，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得被測量信息。

（2）非功能型（傳光型）光纖傳感器。光纖僅作為光線傳輸?shù)慕橘|(zhì)，利用其他敏感元件實現(xiàn)對光的調(diào)制。光源光電器件電信號光纖被測對象光源光電器件電信號光纖被測對象敏感元件光電器件電信號被測對象光纖。

（3）拾光型光纖傳感器。光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子如輻射式光纖溫度傳感器、光纖多普勒速度計等。

2光纖傳感器及其應用

3.8光纖傳感器

3.8光纖傳感器2光纖傳感器及其應用

波形板一般采用尼龍、有機玻璃等非金屬材料制成。一根多模光纖從一對波形板之間通過。當活動板受到壓力作用時，光纖發(fā)生微彎曲，導致內(nèi)部光線重新分配：一部分從纖芯泄露到包層；另一部分反射回纖芯。當活動板所施加壓力增大時，泄露的光線增多，反射回的光線減少，光強度受到了調(diào)制。通過檢測光纖纖芯透射光強度就能測出壓力信號。光導纖維壓力活動板固定板3.8光纖傳感器2光纖傳感器及其應用-微彎式光纖壓力傳感器

當固定光纖和移動光纖的中心軸同軸時，光能幾乎無損耗，但當兩根光纖的光軸錯開時，光能損耗增加。兩根光纖錯開的距離隨被測物體位移的大小變化，光纖輸出光通量又隨光軸錯開距離的大小而變化，通過檢測輸出光通量的大小即可實現(xiàn)對位移的測量。3.8光纖傳感器2光纖傳感器及其應用-透射式光纖位移傳感器

接收光纖所接收的光強隨被測表面與光纖端面之間的距離而變化。在距離較小的范圍內(nèi)，接收光強（對應的是輸出電壓U）隨距離x的增大而較快的增加，故靈敏度高，但位移測量范圍小，適用于小位移、振動和表面狀態(tài)的測量。在x超過某一定值后，接收光強隨x的增加而減小，此時，靈敏度較低，位移測量范圍較大，適用于物位測量。2光纖傳感器及其應用-反射式光纖位移傳感器

3.8光纖傳感器

將光纖用高溫火焰燒軟對折，并將端部燒結成球狀。光源發(fā)出的光由光纖的一端射入，在球狀對折部分一部分光透射出去，而另一部分光反射回來，由光纖另一端射出到光電器件被測介質(zhì)折射率與光纖折射率越接近，反射光強度越小。顯然，探頭處于空氣中時比處于液體中時的反射光強要大。因此，該探頭可用于液位報警。光源光纖保護層光電器件空氣液體3.8光纖傳感器2光纖傳感器及其應用-

球面光纖液位傳感器

3.1傳感器的基本概念3.2電阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電感式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電與熱電式傳感器3.7光電式傳感器3.8光纖傳感器3.9半導體傳感器3.10激光測試傳感器3.11紅外輻射傳感器3.12超聲波傳感器3.13傳感器選用原則第三章常用傳感器技術特點：

利用對光、熱、力、磁、氣體、濕度等物理量的敏感性物性型傳感器；結構簡單、體積小、重量輕；功耗低、安全可靠、壽命長；響應快；易于實現(xiàn)集成化；半導體傳感器與前面介紹的傳感器相比，有很多明顯的特點：輸出一般是非線性的，需要采用線性化電路；受溫度影響大，須采用溫度補償措施；性能參數(shù)分散性較大。3.9半導體傳感器

3.9.1磁電轉(zhuǎn)換元件傳感器-磁敏特性1)霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止狀態(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，并且具有結構簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達1000:1)、壽命長等特點，因此獲得了廣泛應用。

例如，在測量技術中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器；在計算技術中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運算的運算器等。霍爾元件磁阻元件磁敏管3.9半導體傳感器

金屬或半導體薄片置于磁場B中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。

霍爾效應霍爾常數(shù)，決定與材質(zhì)、溫度、元件尺寸，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時霍爾電勢的大小磁場和薄片法線磁感應強度

3.9半導體傳感器

霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖:霍爾片是一塊半導體單晶薄片(一般為4mm×2mm×0.1mm)，在它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導線，其焊接處稱為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導體材料?；魻柦M件的應用：測位移，微壓，壓差，加速度，振動等。3.9半導體傳感器

應用

右圖是一種霍爾效應位移傳感器工作原理。將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從a端通人電流I，根據(jù)霍爾效應，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生霍爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1－

VH2。如果霍爾元件在初始位置時VH1=VH2，則輸出為零；當改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。

位移傳感器3.9半導體傳感器

3.9.2磁敏電阻（磁阻元件）磁阻效應（MagnetoresistanceEffects）是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。同霍爾效應一樣，磁阻效應也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。在達到穩(wěn)態(tài)時，某—速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導致載流子的漂移路徑增加?；蛘哒f，沿外加電場方向運動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應。若外加磁場與外加電場垂直，稱為橫向磁阻效應；若外加磁場與外加電場平行，稱為縱向磁阻效應。一般情況下，載流子的有效質(zhì)量的馳豫時間與方向無關，則縱向磁感強度不引起載流子偏移，因而無縱向磁阻效應。3.9半導體傳感器

磁阻效應與材料性質(zhì)及幾何形狀有關，一般遷移率大的材料，磁阻效應愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應愈大。磁阻元件可用于位移、力、加速度等參數(shù)的測量。磁阻效應廣泛用于磁傳感、磁力計、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛探測、GPS導航、儀器儀表、磁存儲(磁卡、硬盤)等領域。2007年諾貝爾物理學獎授予來自法國國家科學研究中心的物理學家艾爾伯·費爾和來自德國尤利希研究中心的物理學家皮特·克魯伯格，以表彰他們發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應的貢獻。

3.9半導體傳感器

3.9.3磁敏管霍爾元件和磁敏電阻均是用N型半導體材料制成的體型元件，而磁敏二極管和三極管則是PN結型的磁電轉(zhuǎn)換元件。這種元件檢測磁場變化的靈敏度很高（高達10V/（mA·T）），約為霍爾元件磁靈敏度的數(shù)百倍至數(shù)千倍；且能識別磁場的方向，體積小、功耗小。它們很適合檢測微弱磁場的變化，可用于磁力探傷儀和借助磁場觸發(fā)的無觸點開關，也可用于非接觸位移、轉(zhuǎn)速等的測量。3.9半導體傳感器

3.9.4熱敏傳感器

半導體熱敏電阻是利用電阻值隨溫度變化的特性測量溫度。熱敏電阻的測溫范圍一般在-50℃~+300℃（高溫熱敏電阻可測+700℃，低溫熱敏電阻可測到-250℃），特性呈非線性，使用時一般需要線性補償。不同的熱敏電阻材料，具有不同的電阻-溫度特性，按溫度系數(shù)的正負，將其分為正溫度系數(shù)熱敏電阻、負溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻。3.9半導體傳感器

（1）負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）其電阻隨溫度升高而降低，通常將NTC稱為熱敏電阻，其電阻-溫度特性可用如下經(jīng)驗公式描述：

式中RT——絕對溫度為T時熱敏電阻的阻值；

——絕對溫度為T0時熱敏電阻的阻值；

BN——負溫度系數(shù)熱敏電阻的熱敏指數(shù)。3.9半導體傳感器

（2）正溫度系數(shù)的熱敏電阻（PTC）它的電阻隨溫度增加而增加，其電阻與溫度的關系近似如下：

式中RT——絕對溫度為T時熱敏電阻的阻值；

——絕對溫度為T0時熱敏電阻的阻值；

BP——正溫度系數(shù)熱敏電阻的熱敏指數(shù)。3.9半導體傳感器

（3）臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）其特點是在某一溫度時，電阻急劇降低，故可作為溫度開關。熱敏電阻結構：

（a）結構（b）符號熱敏電阻的結構形式

3.9半導體傳感器

3.9.5氣敏傳感器氣敏傳感器：感知環(huán)境中氣體成分及其濃度的一種敏感器件，將氣體種類及其濃度有關的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)電信號的強弱便可測得氣體在環(huán)境中的相關信息，從而可實現(xiàn)檢測、監(jiān)控、報警等任務。半導體式氣敏傳感器可分為電阻式和非電阻式。電阻式氣敏傳感器是用氧化錫（SnO2）、氧化鋅（ZnO）等氧化物材料制作成敏感元件。工藝簡單，價格便宜、對氣體濃度變化響應快、低濃度靈敏度，廣泛用于液化石油氣、管道煤氣等可燃性氣體的泄露檢測、定限報警等。3.9半導體傳感器

3.9.6濕敏傳感器依據(jù)使用材料分類：電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導電，隨濕度升高而電阻減小。陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極,通過浸漬或涂覆,使其在基板上附著一層有機高分子感濕膜。單晶半導體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點是易于和半導體電路集成在一起。精密儀器、半導體集成電路與元器件制造，氣象預報、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等行業(yè)都有廣泛的應用。3.9半導體傳感器

3.9半導體傳感器

半導體陶瓷濕敏傳感器1）固態(tài)圖象傳感器：一種固態(tài)集成元件，其核心部分是電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，簡稱CCD）。CCD：以陣列形式排列在襯底材料上的金屬——氧化物——硅（MetalOxideSemiconductor，簡稱MOS）電容器件組成的，具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能。3.9.7CCD圖像傳感器3.9半導體傳感器

固態(tài)圖象傳感器的分類：線陣型：目前一般有1024、1728、2048和4096個象素的傳感器；面陣型：從512×512一直到512×768個象素的，最高分辨力的可達2048×2048個象素的。CCD傳感器的應用

(1)可測量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點等。

(2)作光學信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如用于傳真技術、光學文字識別技術(OCR)、圖像識別技術、光譜測量及空間遙感技術等方面。

(3)作自動流水線裝置中的敏感器件，例如可用于機床、自動售貨機、自動搬運車以自動監(jiān)視裝置等方面。④在軍事領域用于導航、跟蹤、偵查。3.9半導體傳感器

用CCD線陣型攝象機作流水線零件尺寸在線檢測。3.9半導體傳感器

采用面陣式CCD攝象機利用投影法測量物體三維表面形貌。

投影法測量物體三維形貌3.9半導體傳感器

采用攝像機利用三角法測量物體位置。三角法原理測量物體位移及輪廓3.9半導體傳感器

用三角法測量工件輪廓。三角法三維輪廓尺寸測量3.9半導體傳感器

3.1傳感器的基本概念3.2電阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電感式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電與熱電式傳感器3.7光電式傳感器3.8光纖傳感器3.9半導體傳感器3.10激光測試傳感器3.11紅外輻射傳感器3.12超聲波傳感器3.13傳感器選用原則第三章常用傳感器技術特點：

利用受激輻射光擴大原理

單色性極好；發(fā)散度極小；亮度高；良好的相干性；與前面介紹的傳感器相比，有很多的特點：激光測距，激光雷達，激光打標，光纖通信，激光光譜，激光切割，激光武器等3.10激光測試傳感器

3.10.1激光測距傳感器-相位法和脈沖法

原理：采用無線電波頻段頻率對激光進行幅度調(diào)制后，光照物體，測量調(diào)制光在往返測距儀與目標物間距離所產(chǎn)生的相位差。1.相位法激光測距：精度高，可達毫米級；電路復雜，作用距離較短（低于300m）3.10激光測試傳感器

3.10.1激光測距傳感器-相位法和脈沖法

3.10激光測試傳感器

D是測距儀與目標物間的距離，M為相位差中整波長的個數(shù)，φ為激光光束往返一次形成的相位差。3.10.1激光測距傳感器-相位法和脈沖法

原理：激光測距儀發(fā)射激光脈沖，經(jīng)分光鏡分成大小光束，小光束進入激光反饋計時模塊；大光束射向被測目標，遇到被測目標物后發(fā)生漫反射，返回激光接收處理電路。2.脈沖法激光測距-紅外激光速度快、實現(xiàn)結構簡單；峰值輸出功率高、重復率高且范圍大；適用與較長距離的測量，可達幾百到幾千米。3.10激光測試傳感器

3.10.1激光測距傳感器-相位法和脈沖法

3.10激光測試傳感器

D是待測距離，t為所用總時間，c激光在空氣中的傳播速度。3.10.2激光干涉式傳感器

以激光為光源的邁克耳孫干涉儀激光源一般采用氦氖激光器，穩(wěn)定性好，單色性強，功率小，壽命長等特點；可用于精密長度測量；線紋尺、光柵的檢定。3.10激光測試傳感器

3.10.3激光多普勒測速儀

工作原理是光學多普勒效應和激光干涉原理。

當激光找到運動物體時，被物體反射的光的頻率將發(fā)生變化，成為多普勒效應。測量精度高；量程范圍寬；反應迅速，非接觸測量；抗干擾能力強和易于數(shù)字化；航空航天、熱物理工程、環(huán)境工程、機械運動測量等；3.10激光測試傳感器

3.10.3激光多普勒測速儀

車速測量儀-a)光學原理；b)原理框圖3.10激光測試傳感器

3.10.4激光全息測量儀

工作原理是光的干涉和衍射原理。將物體發(fā)射的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來，在一定條件下使其再現(xiàn)，形成了物體的三維像，也稱為全息術或全息成像。光的干涉原理；再現(xiàn)像為立體像；具有可分割