第6章其他傳感器6.1壓電式傳感器6.2磁電式傳感器6.3霍爾傳感器6.4氣敏傳感器6.5濕敏傳感器6.6超聲波傳感器6.7紅外傳感器6.8光纖傳感器

6.1壓電式傳感器

6.1.1壓電式傳感器的工作原理

1.壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)，在一定方向施加壓力或拉力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，相應(yīng)地在材料的兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。當(dāng)外力作用去掉時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。

2.石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。圖6-1所示是天然石英晶體的外形圖，它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有3個(gè)晶軸：Z軸又稱(chēng)為光軸，它與晶體的縱軸方向一致；X軸又稱(chēng)為電軸，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線，并垂直于光軸；Y軸又稱(chēng)為機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。圖6-1石英晶體的外形、坐標(biāo)軸及切片縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為

(6-1)

式中，qxx為垂直于X軸平面上的電荷；dxx為壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；Fx為沿晶體軸X方向施加的壓力。橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為

(6-2)

式中，qxy為Y軸向施加壓力、在垂直于X軸平面上的電荷；dxy是在Y軸向施加壓力、在垂直于X軸平面上產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電系數(shù)；Fy為沿晶軸Y方向施加的壓力。根據(jù)石英晶體的對(duì)稱(chēng)條件dxy=－dxx，得

(6-3)

由上式可以看出，沿機(jī)械軸方向?qū)┘訅毫r(shí)，產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)，式中的負(fù)號(hào)表示沿Y軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿X軸施加壓力產(chǎn)生的電荷極性是相反的。石英晶體受壓

力或拉力時(shí)，電荷的極性如圖6-2所示。圖6-2晶片受力方向與電荷極性的關(guān)系圖6-3石英晶體的壓電效應(yīng)

3.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

當(dāng)在一定溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理，即以強(qiáng)電場(chǎng)使電疇規(guī)則排列，這時(shí)，壓電陶瓷就具有了壓電性。在極化電場(chǎng)去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化，如圖6-4所示。圖6-4壓電陶瓷的極化過(guò)程由于剩余極化的存在，使得陶瓷片兩端出現(xiàn)一端為正、一端為負(fù)的束縛電荷。在束縛電荷的作用下，陶瓷片兩端會(huì)很快吸附一層來(lái)自外界的自由電荷，如圖6-5所示。由于束縛電荷與自由電荷數(shù)值相等、極性相反，因此陶瓷片對(duì)外不呈現(xiàn)極性。圖6-5束縛電荷和自由電荷排列示意圖對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閆軸。當(dāng)壓電陶

瓷受到與極化方向平行的力作用時(shí)，陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的束縛電荷之間距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度減小，這時(shí)，吸附在表面的一部分自由電荷被釋放，則在垂直于Z軸的表面上呈現(xiàn)電荷，如圖6-6(a)所示，其電荷量q與作用力F成正比，即

q=dzzF

(6-4)

式中，dzz為縱向壓電系數(shù)。如果壓電陶瓷在受到如圖6-6(b)所示的作用力時(shí)，在垂直于Z軸的上下表面上亦分別呈現(xiàn)正、負(fù)電荷，即

(6-5)

式中，Ax為極化面面積；Ay為受力面面積。

圖6-6壓電陶瓷的壓電原理6.1.2壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu)

1.壓電材料

選取合適的壓電材料是制作壓電式傳感器的關(guān)鍵，一般應(yīng)考慮以下因素：

(1)具有較大的壓電常數(shù)。

(2)壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固有振動(dòng)頻率。

(3)具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以此減少電荷的泄漏以及外部分布電容的影響，獲得良好的低頻特性。

(4)具有較高的居里點(diǎn)。所謂居里點(diǎn)是指壓電性能破壞時(shí)的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。居里點(diǎn)高可以得到較寬的工作溫度范圍。

(5)壓電材料的壓電特性不隨時(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。

1)石英晶體

2)水溶性壓電晶體

3)鈮酸鋰晶體

4)壓電陶瓷

5)壓電半導(dǎo)體

6)高分子壓電材料

2.壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式

在制作壓電式傳感器時(shí)，常用兩片或多片粘貼在一起使用，由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)，如圖6-7所示。圖6-7兩塊壓電片的連接方式

3.壓電式傳感器的等效電路

壓電傳感器在受到外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為

(6-6)

式中，ε0為真空介電常數(shù)；ε為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；

h為壓電元件的厚度；A為壓電元件極板面積。因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖6-8(a)所示，也可以等效為一個(gè)電壓源，如圖6-8(b)所示。圖6-8壓電式傳感器等效電路壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表連接時(shí)，還必須考慮電纜電容Cc，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。圖6-9畫(huà)出了壓電傳感器完整的等效電路。圖6-9壓電傳感器實(shí)際的等效電路6.1.3壓電式傳感器的測(cè)量電路

1.電壓放大器

壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如圖6-10(a)所示。圖(b)是簡(jiǎn)化后的輸入端等效電路。其中，ui為放大器輸入電壓；圖6-10壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如果壓電傳感器受力為

(6-7)

則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為

(6-8)而在放大器輸入端形成的電壓為

(6-9)

當(dāng)ωR(Ci+Cc+Ca)>>1時(shí)，放大器的輸入電壓為

(6-10)

放大器的輸出電壓為

(6-11)

2.電荷放大器

電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。它實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器。6.1.4壓電式傳感器的應(yīng)用

1.壓電式力傳感器

壓電式力傳感器常用的形式為荷重墊圈式，它由基(底)座、蓋板、石英晶體、電極以及引出插座等組成，如圖6-11所示。圖6-11壓電式單向測(cè)力傳感器1—絕緣套；2—晶片；3—傳力上蓋；4—插座；5—底座

2.膜片式壓電傳感器

圖6-12為膜片式壓電傳感器。圖6-12膜片式壓電傳感器1—晶片；2—膜片；3—引線端子；4—?dú)んw；5—絕緣子

3.壓電式加速度傳感器

測(cè)量加速度的傳感器很多，但和其他類(lèi)型的傳感器相比較，壓電式加速度傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、體積小、重量輕、堅(jiān)實(shí)牢靠、測(cè)量頻率上限較高(頻率范圍為

0.3～10kHz)、加速度的測(cè)量范圍大(約10－5～10－4g，g為重力加速度9.8m/s2)以及工作溫度范圍寬等。但它易受外界干擾，在測(cè)試前需進(jìn)行各種校驗(yàn)。圖6-13所示是一種壓縮型壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)。圖6-13壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)1—基座；2—壓電片；3—質(zhì)量塊；4—壓簧；5—?dú)んw

6.2磁電式傳感器

6.2.1磁電式傳感器測(cè)量原理

磁電式傳感器的基本工作原理是電磁感應(yīng)原理。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：無(wú)論任何原因使通過(guò)回路面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量對(duì)時(shí)間的變化率的負(fù)值成正比，具有N匝線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

(6-12)當(dāng)線圈在恒定磁場(chǎng)中做直線運(yùn)動(dòng)并切割磁力線時(shí)，則線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

(6-13)當(dāng)θ=90°時(shí)，式(6-13)可以寫(xiě)成

e=NBlv

(6-14)

若線圈相對(duì)于磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，則線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

(6-15)當(dāng)θ=90°時(shí)，式(6-15)可寫(xiě)成

e=NBAω

(6-16)

當(dāng)N、B、A、l為定值時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈和磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v(或ω)成正比。由于速度和位移、加速度之間是積分、微分的關(guān)系，因此只要適當(dāng)加入積分、微分電路，便能通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而求得位移和加速度。6.2.2磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

1.變磁通式磁電傳感器

在這類(lèi)磁電式傳感器中，產(chǎn)生磁場(chǎng)的永久磁鐵和線圈都固定不動(dòng)，而是通過(guò)磁通的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，下面我們以磁電式轉(zhuǎn)速傳感器為例進(jìn)行介紹，其結(jié)構(gòu)如圖6-14所示。圖6-14磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的基本結(jié)構(gòu)1—傳感齒輪；2—感應(yīng)線圈；3—軟鐵極靴；4—永久磁鐵當(dāng)被測(cè)軸以一定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)傳感齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪的齒頂和齒谷交替經(jīng)過(guò)軟鐵極靴。極靴與齒輪之間的氣隙交替變化，引起磁場(chǎng)中磁路磁阻改變，使得通過(guò)線圈

的磁通也交替變化，從而導(dǎo)致線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。傳感齒輪每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)經(jīng)歷一個(gè)周期T。若齒輪數(shù)為N，轉(zhuǎn)速為n(r/min)，則有

(6-17)圖6-15所示是國(guó)產(chǎn)SZMB—3型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的外形圖。使用時(shí)，該傳感器通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與被測(cè)軸相連。當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)將角位移轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，供二次儀表使用。該傳感器每轉(zhuǎn)輸出60個(gè)脈沖，輸出信號(hào)幅值大于或等于300mV

(50r/min)，測(cè)速范圍為50～5000r/min。圖6-15

SZMB—3型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器外形圖圖6-16

SZMB—5型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器外形圖

2.恒磁通式磁電傳感器

在這類(lèi)磁電式傳感器中，工作氣隙中的磁通保持不變，而線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于工作氣隙中的線圈相對(duì)磁鋼運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁力線產(chǎn)生的。其值與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比，這方面較為典型的是磁電式振動(dòng)傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖6-17

所示。圖6-17磁電式振動(dòng)傳感器的基本結(jié)構(gòu)1—輸出線；2—彈簧片；3—線圈；4—芯軸；5—磁鋼；6—阻尼環(huán)；7—?dú)んw

6.3霍爾傳感器

6.3.1霍爾傳感器的工作原理

1.霍爾效應(yīng)

圖6-18所示的一塊半導(dǎo)體薄片，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為b，厚度為d，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，單位為高斯(Gs)，則在半導(dǎo)體另外兩邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度。這一現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱(chēng)為霍爾元件。圖6-18霍爾效應(yīng)原理圖

2.工作原理

在圖6-18中，設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)它通過(guò)以電流

I時(shí)，半導(dǎo)體中的自由電荷即載流子(電子)將沿著和電流相反的方向運(yùn)動(dòng)，若在垂直于薄片平面的方向施加磁場(chǎng)B，載流子受到磁場(chǎng)中洛侖茲力FL的作用，其大小為

FL=－qvB

(6-18)由于電荷聚積，從而產(chǎn)生靜電場(chǎng)，即為霍爾電場(chǎng)。該靜電場(chǎng)又對(duì)電子產(chǎn)生新的作用力FE，其大小為

(6-19)當(dāng)靜電場(chǎng)作用于運(yùn)動(dòng)電子上的FE與洛侖茲力FL相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,即

所以有

UH=bvB

(6-20)

流過(guò)霍爾元件的電流I為

(6-21)將式(6-21)代入式(6-20)得

(6-22)

若霍爾元件為P型半導(dǎo)體，則

(6-23)

3.技術(shù)特性

在式(6-22)和式(6-23)中，分別取

或

(6-24)則式(6-22)和式(6-23)將變?yōu)?/p>

(6-25)

RH被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。很明顯，霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料性質(zhì)決定。它決定了霍爾電勢(shì)的強(qiáng)弱。設(shè)

(6-26)KH即為霍爾元件的靈敏度，那么式(6-22)和式(6-23)可寫(xiě)為

UH=KHIB

(6-27)

所以霍爾元件的靈敏度KH就是指在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用時(shí)，所能輸出的霍爾電勢(shì)的大小。由于材料電阻率ρ與載流子濃度和其遷移率μ有關(guān)，即

或霍爾電勢(shì)除了與材料的載流子遷移率和電阻率有關(guān)外，同時(shí)還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好。由于霍爾元件的厚度d與KH成反比，因此，霍爾元件的厚度越小其靈敏度越高。當(dāng)霍爾元件的寬度b加大，或L/b減小時(shí)，載流子在偏移過(guò)程中的損失也將加大，使UH下降。通常要對(duì)式(6-27)加以形狀效應(yīng)修正：

(6-28)6.3.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)

霍爾元件可用如圖6-19所示的幾種符號(hào)表示，1、2分別為控制電流的端引線，3、4分別為霍爾電壓的輸出端引線。標(biāo)注時(shí)，國(guó)產(chǎn)器件常用H代表霍爾元件，后面的字母代表元件

的材料，數(shù)字代表產(chǎn)品序號(hào)。如HZ—1元件，說(shuō)明是用鍺材料制成的元件；HT—1元件，說(shuō)明是用銻化銦材料制成的元件。圖6-19霍爾元件的幾種符號(hào)6.3.3霍爾傳感器測(cè)量電路

1.基本測(cè)量電路

霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖6-20所示。圖6-20基本測(cè)量電路

2.恒壓工作方式

圖6-21所示為一恒壓工作方式時(shí)的測(cè)量電路，傳感器采用SHS210。圖6-21恒壓工作電路

3.恒流工作方式

圖6-22所示為一恒流工作方式時(shí)的測(cè)量電路。圖6-22恒流工作電路

4.放大電路

霍爾器件的輸出電壓一般為幾毫伏到幾百毫伏，在實(shí)際使用時(shí)必須對(duì)電壓進(jìn)行放大。由于霍爾器件是一種四端器件，所以放大電路應(yīng)是差動(dòng)電路，如圖6-23所示。圖6-23霍爾元件的放大電路圖6-23所示的電路中，霍爾元件的輸出既可是交流電壓，也可是直流電壓。如果輸出為交流時(shí)，可采用圖6-24所示的電路，用電容來(lái)隔掉直流成分。圖6-24霍爾元件輸出為交流時(shí)的放大電路6.3.4霍爾傳感器的應(yīng)用

1.位移測(cè)量

如圖6-25(a)所示，在極性相反、磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩個(gè)磁鋼的氣隙中放置一個(gè)霍爾元件，則磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度dB/dx為一常數(shù)，如圖6-25(b)所示。若保持霍爾元件的控制電流I恒定不變，根據(jù)式(6-27)，當(dāng)霍爾元件沿x方向移動(dòng)時(shí)，霍爾元件的輸出電壓

UH=kx

(6-29)圖6-25霍爾位移傳感器磁路結(jié)構(gòu)示意圖

2.磁場(chǎng)測(cè)量

測(cè)量磁場(chǎng)的方法很多，其中用得較為普遍的是高斯計(jì)(或稱(chēng)特斯拉計(jì))。它的原理很簡(jiǎn)單：把霍爾傳感器放在待測(cè)磁場(chǎng)中，通一恒定的電流，其輸出UH就反映了磁場(chǎng)的大小，然后用電流表或電壓差計(jì)進(jìn)行輸出顯示。當(dāng)然控制電流也可以是交流電流，在被測(cè)磁場(chǎng)恒定時(shí)，通入交流控制電流，其輸出電壓也為交流。交流控制電流的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的輸出信號(hào)便于放大處理。

3.轉(zhuǎn)速測(cè)量

利用霍爾元件測(cè)量轉(zhuǎn)速可采取兩種方法：一種方法是將永久磁鐵安裝在旋轉(zhuǎn)軸的軸端，如圖6-26(a)所示；另一種方法是將永久磁鐵安裝在旋轉(zhuǎn)軸的軸側(cè)，如圖6-26(b)所示。圖6-26轉(zhuǎn)速測(cè)量示意圖

4.電流測(cè)量

1)旁側(cè)法

旁側(cè)法的測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖6-27所示?；魻栐胖迷诒粶y(cè)通電導(dǎo)線附近，Ic為霍爾元件上所加的控制電流。由于被測(cè)電流I產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過(guò)霍爾元件后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的霍爾電壓，從而

可得到被測(cè)電流的大小。此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只適應(yīng)于被測(cè)電流較大且對(duì)測(cè)量結(jié)果要求不太高的場(chǎng)合。圖6-27旁側(cè)法測(cè)量示意圖

2)貫穿法

貫穿法的測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖6-28所示。

在實(shí)際測(cè)量中，為了測(cè)量方便，還可把導(dǎo)磁鐵芯做成如圖6-29所示的鉗式或非閉合磁路式的結(jié)構(gòu)。圖6-28貫穿法測(cè)量示意圖圖6-29常見(jiàn)貫穿法結(jié)構(gòu)示意圖

3)繞線法

繞線法的測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖6-30所示。與貫穿法不同的是，繞線法把被測(cè)通電導(dǎo)線纏繞在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)形導(dǎo)磁鐵芯上。圖6-30繞線法測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖

5.霍爾開(kāi)關(guān)按鍵

霍爾開(kāi)關(guān)按鍵是由霍爾元件裝配上鍵體而制成的開(kāi)關(guān)電鍵?；魻栯娐酚么朋w作為觸發(fā)媒介，當(dāng)磁體接近霍爾電路時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電平信號(hào)，霍爾按鍵就是依靠改變磁體的相對(duì)位置來(lái)觸發(fā)電信號(hào)的。6.3.5霍爾集成傳感器及應(yīng)用

1.霍爾集成傳感器

線性集成傳感器的原理框圖和輸出特性如圖6-31所示，它由霍爾元件HG、放大器A、差動(dòng)輸出電路D和穩(wěn)定電源R等組成。圖6-31(b)所示為其輸出特性，在一定范圍內(nèi)輸出特性為線性，線性中的平衡點(diǎn)相當(dāng)于N和S磁極的平衡點(diǎn)。圖6-31線性集成傳感器的內(nèi)部框圖和輸出特性開(kāi)關(guān)集成傳感器的原理框圖和輸出特性如圖6-32所示，它由霍爾元件HG、放大器A、輸出晶體管VT、施密特電路C和穩(wěn)定電源R等組成。與線性集成傳感器不同的是增設(shè)了施密特

電路C，輸出電壓由晶體管VT的集電極輸出。圖6-32開(kāi)關(guān)集成傳感器的內(nèi)部框圖和輸出特性幾種國(guó)產(chǎn)霍爾集成傳感器產(chǎn)品的有關(guān)參數(shù)如表6-4和表6-5所列。

2.霍爾集成傳感器的應(yīng)用舉例

霍爾集成傳感器的輸出電壓是經(jīng)過(guò)處理之后的信號(hào)，使用非常方便，在自動(dòng)測(cè)量和控制方面發(fā)揮著很大的作用。

圖6-33所示是采用霍爾集成傳感器CS3020的衛(wèi)生間照明燈自動(dòng)控制電路。圖6-33衛(wèi)生間照明燈自動(dòng)控制電路

6.4氣敏傳感器

6.4.1概述

半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面，還是在內(nèi)部，可劃分為表面控制型和體控制型兩類(lèi)；按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，又可以分為電阻型和非電阻型兩種。半導(dǎo)體氣敏元件的詳細(xì)分類(lèi)可參見(jiàn)表6-6。6.4.2電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

1.表面控制型電阻式氣敏傳感器

1)導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上

時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。圖6-34表示了氣體接觸N型半導(dǎo)體器件時(shí)，所產(chǎn)生的器件阻值變化的情況。圖6-34

N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值的變化

2)結(jié)構(gòu)

氣敏傳感器通常由氣敏元件、加熱器和封裝體等3部分組成，氣敏元件從制造工藝分有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型3類(lèi)。其典型結(jié)構(gòu)如圖6-35所示。圖6-35半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)

3)基本特性

(1)SnO2系。燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型SnO2氣敏器件對(duì)氣體的靈敏度特性如圖6-36所示。氣敏器件的阻值RC與空氣中被測(cè)氣體的濃度C成對(duì)數(shù)關(guān)系，即

lgRC=mlgC+n

(6-30)

式中，n與氣體檢測(cè)靈敏度有關(guān)，除了隨材料和氣體種類(lèi)的不同而變化以外，還會(huì)隨測(cè)量溫度和添加劑的不同而發(fā)生大幅度的變化。m為氣體的分離度，隨氣體濃度變化而變化，對(duì)可

燃性氣體，1/3≤m≤1/2。圖6-36

SnO2氣敏器件對(duì)氣體的靈敏度特性圖6-37所示為在SnO2中添加1%(重量)的ThO2，工作溫度為200℃時(shí)的特性變化。雖然目前尚不明白其機(jī)理，但可以利用這一現(xiàn)象對(duì)CO濃度作精確的定量檢測(cè)。圖6-37

SnO2中添加ThO2時(shí)的特性變化(工作溫度200℃、添加1%(重量)ThO2)

SnO2氣敏元件易受環(huán)境溫度和濕度的影響，圖6-38給出了SnO2氣敏元件受環(huán)境溫度、濕度影響的綜合曲線。由于環(huán)境溫度、濕度對(duì)其特性有影響，所以使用時(shí)，通常需要加溫度補(bǔ)償。圖6-38

SnO2氣敏元件的溫、濕度特性

(2)ZnO系。ZnO系氣敏元件對(duì)還原性氣體有較高的靈敏度，它的工作溫度比SnO2系氣敏元件約高100℃，因此不如SnO2系元件應(yīng)用普遍。同樣，要提高ZnO系元件對(duì)氣體的選擇性，也需要添加Pt和Pd等添加劑。例如，在ZnO中添加Pd，則對(duì)H2和CO呈現(xiàn)出高的靈敏度；而對(duì)乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)等烷類(lèi)氣體的靈敏度很低，如圖6-39(a)所示。如果在ZnO中添加Pt，則對(duì)烷類(lèi)氣體的靈敏度很高，而且甲烷含碳量越多，靈敏度越高，而對(duì)H2，CO等氣體的靈敏度很低，如圖6-39(b)

所示。圖6-39

ZnO系氣敏元件靈敏度特性

2.體控制型電阻式氣敏傳感器

體控制型電阻式氣敏傳感器與被檢測(cè)氣體接觸時(shí)，引起器件體電阻改變的原因比較多。對(duì)熱敏型氣敏器件而言，在600～900℃，當(dāng)半導(dǎo)體表面吸附可燃性氣體時(shí)，由于這類(lèi)器件本身工作溫度比較高，被吸附氣體將燃燒，使器件的溫度進(jìn)一步升高，因此，半導(dǎo)體的體電阻發(fā)生變化。

還有一種原因是，由于添加物和吸附氣體分子在半導(dǎo)體能帶中形成新能級(jí)的同時(shí)，使母體中產(chǎn)生晶格缺陷，從而引起半導(dǎo)體的體電阻發(fā)生變化。圖6-40

γ-Fe2O3氣敏器件結(jié)構(gòu)也就是說(shuō)，γ-Fe2O3

被還原成Fe3O4時(shí)形成Fe+2離子。它們之間的還原—氧化反應(yīng)為

(6-31)

γ-Fe2O3和Fe3O4都屬于尖晶石結(jié)構(gòu)的晶體，進(jìn)行這種反應(yīng)時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化。這種反應(yīng)又是可逆的，當(dāng)Fe3O4與被測(cè)氣體脫離后，它又被氧化而變成γ－Fe2O3,即恢復(fù)原狀態(tài)，這就是γ－Fe2O3氣敏器件的工作原理。6.4.3非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

1.MOS二極管氣敏器件

MOS二極管氣敏器件是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50～100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸鍍一層鈀(Pd)金屬薄膜，作為柵電極，如圖6-41(a)所示。由于SiO2層電容Ca固定不變，而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)，其等效電路如圖6-41(b)所示。圖6-41

MOS二極管結(jié)構(gòu)和等效電路

2.鈀-MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣敏器件

普通MOSFET的結(jié)構(gòu)與鈀-MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Pd-MOSFET)

的結(jié)構(gòu)如圖6-42所示。圖6-42普通MOSFET與Pd—MOSFET結(jié)構(gòu)S—源極；G—柵極；D—漏極6.4.4氣敏傳感器的應(yīng)用

圖6-43所示為ＱＭ-N5氣敏傳感器的外形及符號(hào)，其中，A(A′)、B(B′)為傳感器的電阻端；H(H′)為加熱絲端。

圖6-44所示是用ＱＭ-N5氣敏傳感器的CO檢測(cè)報(bào)警及自動(dòng)換氣控制電路。

圖6-45所示是酒精檢測(cè)報(bào)警及控制電路。圖6-43

QM-N5氣敏傳感器的外形及符號(hào)圖6-44

CO檢測(cè)報(bào)警及自動(dòng)換氣控制電路圖6-45酒精檢測(cè)報(bào)警及控制電路

6.5濕敏傳感器

6.5.1概述

1.濕度及其表示

濕度是表示空氣中水蒸氣含量的物理量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種方法表示。絕對(duì)濕度是單位體積內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量，也就是指空氣中水蒸氣的濃度或者密度，單位為g/m3，一般用符號(hào)AH表示。相對(duì)濕度是指在某一溫度下，空氣中所含水蒸氣的實(shí)際密度與同一溫度下水蒸氣飽和密度的百分比，即相度濕度RH=水蒸氣的實(shí)際密度/水蒸氣飽和密度(%)，一般用符號(hào)%RH表示。

2.濕敏傳感器的類(lèi)型

濕敏傳感器是檢測(cè)相關(guān)環(huán)境濕度大小的器件。傳統(tǒng)濕度傳感器種類(lèi)大致有伸縮式濕度傳感器，干濕球濕度傳感器，露點(diǎn)濕度傳感器和阻抗式濕度傳感器。根據(jù)水分子易于吸附在固體表面并滲到固體內(nèi)部的這種特性(稱(chēng)為水分子親和力)，濕敏傳感器可以分為水分子親和

力型濕敏傳感器和非水分子親和力型濕敏傳感器，具體分類(lèi)如下：6.5.2水分子親和力型濕敏傳感器

1.氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰(LiCl)是電解質(zhì)濕敏元件的代表，它是利用電阻值隨環(huán)境相對(duì)濕度變化而變化的機(jī)理制成的測(cè)濕元件。氯化鋰濕敏元件的結(jié)構(gòu)是在條狀絕緣基片(如無(wú)堿玻璃)的兩面，用

化學(xué)沉積或真空蒸鍍法做上電極，再在兩電極間浸漬一定比例配制的氯化鋰-聚乙烯醇混合溶液，經(jīng)老化處理，便制成了氯化鋰濕敏元件，其結(jié)構(gòu)如圖6-46(a)所示。圖6-46氯化鋰濕敏電阻結(jié)構(gòu)及電阻-濕度特性

2.半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻

1)負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理

圖6-47表示了幾種負(fù)特性材料半導(dǎo)瓷阻值與濕度的關(guān)系。,圖6-47幾種負(fù)特性材料半導(dǎo)瓷的特性1—ZnO-LiO2-V2O5系;2—Si-Na2O-V2O5系;3—TiO2-MgO-Cr2O3系在測(cè)量電極周?chē)O(shè)置隔漏環(huán)，防止因吸濕而引起漏電。國(guó)產(chǎn)SM-1型濕敏半導(dǎo)體傳感器就是這種結(jié)構(gòu)形式，如圖6-48所示。圖6-48

MgCr2O4-TiO2濕敏元件結(jié)構(gòu)1—感濕體；2—二氧化釕電極；3—加熱器；4—基板；5—引線

2)正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理

正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理的解釋可以認(rèn)為這類(lèi)材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性材料有所不同，一般解釋為：

由于晶料內(nèi)部低阻支路的存在，正特性半導(dǎo)瓷的總電阻值升高沒(méi)有負(fù)特性材料的阻值下降得那么明顯。參閱圖6-47

和圖6-49。從兩圖可見(jiàn)，當(dāng)濕度從0%RH變化到100%RH時(shí)，負(fù)特性材料的阻值均下降三個(gè)數(shù)量級(jí)，而正特性材料的阻值只增大了約1倍。圖6-49

Fe3O4半導(dǎo)瓷正濕敏特性

3)膜型濕敏元件導(dǎo)電機(jī)理

膜型濕敏元件是用金屬氧化物粉末或某些金屬氧化物燒結(jié)體研成粉末，通過(guò)某種方式的調(diào)和，然后噴灑或涂敷在具有叉指電極的陶瓷基片上而制成的。

3.高分子濕敏傳感器

1)電容式濕敏傳感器

高分子電容式濕敏傳感器是利用濕敏元件的電容值隨濕度變化的原理進(jìn)行濕度測(cè)量的，具有感濕的高分子聚合物，例如，乙酸—丁酸纖維素和乙酸-丙酸纖維素等，做成薄膜，實(shí)驗(yàn)證明，它們具有迅速吸濕和脫濕的能力。圖6-50高分子電容式濕敏傳感器

2)石英振動(dòng)式濕敏元件

在石英晶片的表面涂敷聚氨脂高分子膜，當(dāng)膜吸濕時(shí)，由于膜的重量變化而使石英晶片振蕩頻率發(fā)生變化，不同的頻率就代表不同程度的濕度。這種濕敏元件，在0～50℃，

元件檢濕范圍是0%RH～100%RH，誤差為±5%RH。6.5.3非水分子親和力型濕敏傳感器

水分子親和力型濕敏傳感器，因?yàn)轫憫?yīng)速度低，可靠性較差，不能很好的滿足人們使用的需要。6.5.4濕敏傳感器的應(yīng)用

圖6-51是土壤濕度測(cè)量電路，傳感器采用硅濕敏電阻，

它在25℃時(shí)響應(yīng)時(shí)間小于5秒，檢測(cè)土壤含水量范圍為

0～100%。圖6-51土壤濕度測(cè)量電路圖6-52為一濕度控制儀電路，它由兩個(gè)與非門(mén)H1和H2組成RC振蕩器，振蕩頻率為2.5kHz，輸出電壓為4V，經(jīng)RP1、RH分壓，VD1整流，再經(jīng)R3、RP2分壓后送至VT3。圖6-52濕度控制儀電路

6.6超聲波傳感器

利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和種種效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)有關(guān)檢測(cè)的測(cè)量裝置稱(chēng)為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。超聲技術(shù)是以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)使用廣泛的通用技術(shù)之一。超聲技術(shù)是通過(guò)超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過(guò)程完成的。6.6.1超聲波的產(chǎn)生

1.電致伸縮(壓電式)超聲波發(fā)生器

壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)而產(chǎn)生電致伸縮現(xiàn)象制成的。壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)生器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆效應(yīng)如圖6-53所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即應(yīng)變。圖6-53壓電逆效應(yīng)常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。壓電材料的固有頻率與晶體片厚度d有關(guān)(見(jiàn)圖6-54)，即

(6-32)圖6-54壓電片式中，n=1，2，3，…是諧波的級(jí)數(shù)；c為波在壓電材料里的傳播速度(縱波)，

(6-33)因此，壓電材料的固有頻率為

(6-34)

2.磁致伸縮超聲波發(fā)生器

磁致伸縮超聲波發(fā)生器把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化，即機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。磁致伸縮超聲波發(fā)生器是用厚度為0.1～0.4mm的鎳片疊加而成的，片間絕緣以減少渦流電流損失。其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等，如圖6-55所示。圖6-55磁致伸縮超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器的機(jī)械振動(dòng)固有頻率的表達(dá)式與壓電式的相同，即6.6.2超聲波的接收

在超聲波技術(shù)中，除了需要能產(chǎn)生一定的頻率和強(qiáng)度的超聲波發(fā)生器以外，還需要能接受超聲波的接收器。一般的超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)而進(jìn)行工作的。6.6.3超聲波的傳播特性

超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的。設(shè)有某種彈性介質(zhì)及振蕩源，如圖6-56所示。圖6-56介質(zhì)中的振蕩形式超聲波的第一種特性是和其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中，其傳播速度cg為

(6-35)

1)縱波在固體介質(zhì)中傳播的聲速

縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)形狀有關(guān)：

(6-36)

(6-37)

(6-38)

2)橫波聲速公式為

(6-39)

在固體中，μ介于0～0.5之間，因此，一般可視橫波聲速為縱波聲速的一半。超聲波的第二種傳播特性是在通過(guò)兩種不同的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，如圖6-57所示。圖中具有下列關(guān)系：

(6-40)圖6-57超聲波的反射和折射設(shè)α0為臨界入射角，當(dāng)α=α0時(shí)，β=90°，則

當(dāng)α＞α0時(shí)，則只產(chǎn)生反射波。超聲波由液體進(jìn)入固體的臨界入射角α0≈15°。當(dāng)入射角α＞15°時(shí)，只產(chǎn)生反射。超聲波的第三種傳播特性是在通過(guò)同種介質(zhì)時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度因介質(zhì)吸收能量而減弱。設(shè)超聲波進(jìn)入介質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度為I0，通過(guò)介質(zhì)后的強(qiáng)度為I，如圖6-58所示，則有

I=I0e－Ad

(6-41)圖6-58超聲波的強(qiáng)度變化對(duì)于液體介質(zhì)，超聲波能量的吸收系數(shù)為

(6-42)

式中，f為超聲波頻率；c為超聲波速度；η為介質(zhì)粘度；λ為熱導(dǎo)率；K=Cp/Cv，Cp和Cv為恒壓及恒容積情況下的熱容。對(duì)于固體介質(zhì)，超聲波能量的吸收系數(shù)為

(6-43)6.6.4超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)

超聲波探頭按其結(jié)構(gòu)可分為直探頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭。超聲波探頭按其工作原理又可以分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。實(shí)際使用中壓電探頭最為常見(jiàn)。

圖6-59是壓電式超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)實(shí)例。圖6-59超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)圖6-60是采用雙晶振子的超聲波傳感器的工作原理示

意圖。圖6-60超聲波傳感器工作原理示意圖6.6.5超聲波傳感器的應(yīng)用

1.超聲波探傷

1)穿透法探傷

穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來(lái)判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個(gè)探頭，置于工件相對(duì)面，一個(gè)發(fā)射超聲波，一個(gè)接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。其工作原理圖如圖6-61所示。圖6-61穿透法探傷示意圖

2)反射法探傷

反射法探傷是以超聲波在工件中的反射情況來(lái)探測(cè)缺陷的方法。下面以縱波一次脈沖反射為例，說(shuō)明其檢測(cè)原理。

圖6-62所示是以一次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。圖6-62反射法探傷示意圖

2.超聲波測(cè)量液位

超聲波測(cè)量液位是利用回聲原理進(jìn)行工作的，如圖6-63

所示。超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲脈沖，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，探頭接收到從液面反射回來(lái)的回聲脈沖。因此探頭到液面的距離L可由下式求出。

(6-44)圖6-63超聲波測(cè)量液位示意圖

3.超聲波測(cè)厚

在超聲波測(cè)厚技術(shù)中，應(yīng)用較為廣泛的是脈沖回波法，其工作原理圖如圖6-64所示。圖6-64脈沖回波法測(cè)厚框圖根據(jù)橫軸上的標(biāo)記信號(hào)可以測(cè)出從發(fā)射到接收間的時(shí)間間隔t，試件的厚度d可以用下式求出：

(6-45)

4.超聲波基本應(yīng)用電路實(shí)例

1)數(shù)字式超聲波發(fā)送電路

圖6-65所示是由反相器構(gòu)成的超聲波振蕩電路。圖6-65由反相器構(gòu)成的超聲波振蕩電路圖6-66所示是具有脈沖調(diào)制的超聲波發(fā)送電路。超聲波振蕩信號(hào)由555(2)產(chǎn)生，調(diào)整電位器RP2可在555(2)的3腳輸出頻率為40kHz的振蕩信號(hào)，其起振及停止由555(1)的3腳輸出信

號(hào)的電平來(lái)控制，從而實(shí)現(xiàn)了超聲波振蕩信號(hào)的脈沖調(diào)制，調(diào)制頻率可由RP1來(lái)調(diào)節(jié)。圖6-66具有脈沖調(diào)制的超聲波發(fā)送電路

2)采用運(yùn)放的超聲波接收電路

圖6-67所示是采用運(yùn)放的超聲波接收電路。放大電路由A1、A2兩級(jí)電路組成，增益較高；VD1、VD2組成包絡(luò)檢波電路。圖6-67采用運(yùn)放的超聲波接收電路

3)超聲波發(fā)送接收兩用電路

圖6-68所示是超聲波發(fā)送、接收兩用電路，用一個(gè)超聲波傳感器在發(fā)送信號(hào)的同時(shí)還可以接收信號(hào)。圖6-68收發(fā)信號(hào)兩用電路

4)超聲波自控淋浴開(kāi)關(guān)

圖6-69所示是超聲波自控淋浴開(kāi)關(guān)電路。圖6-69超聲波自控淋浴開(kāi)關(guān)電路圖6-70(a)所示是超聲波倒車(chē)防撞報(bào)警器電路，圖6-70(b)為有關(guān)點(diǎn)的波形。

6.7紅外傳感器

紅外輻射傳感器即紅外傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性來(lái)檢測(cè)有關(guān)物理量的器件。在物理學(xué)中，我們已經(jīng)知道可見(jiàn)光、不可見(jiàn)光、紅外線及無(wú)線電波等都是電磁波，它們之間的差別只是波長(zhǎng)(或頻率)的不同而已。各種不同的電磁波按照波長(zhǎng)(或頻率)的不同排成如圖6-71所示的波譜圖，又稱(chēng)為電磁波譜。圖6-71電磁波波譜圖6.7.1紅外輻射的產(chǎn)生及其特性

紅外光的另一特性是傳播特性，紅外線和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉及吸收的特性，紅外線在真空中的傳播速度c=3×108m/s。在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使紅外線產(chǎn)生衰減。紅外線的衰減遵循如下規(guī)律：

I=I0e－kx

(6-46)6.7.2紅外輻射的基本定律

1.希爾霍夫定律

一個(gè)物體向周?chē)椛錈崮艿耐瑫r(shí)也吸收周?chē)矬w的輻射能，如果幾個(gè)物體處于同一溫度場(chǎng)中，各物體的熱發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)。希爾霍夫定律可用公式表示為

Er=αE0

(6-47)

2.斯忒藩-玻爾茲曼定律

物體溫度越高，輻射出來(lái)的能量越大，用公式表示為

E=seT4

(6-48)

3.維恩位移定律

熱輻射發(fā)射的電磁波中包含著各種波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)證明，物體峰值輻射波長(zhǎng)lm與物體自身的絕對(duì)溫度T成反比，即

(6-49)6.7.3紅外探測(cè)器(傳感器)

紅外探測(cè)器即為紅外傳感器，它是一種能探測(cè)紅外線的器件。從近代測(cè)量技術(shù)角度來(lái)看，能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱(chēng)之為紅外探測(cè)器。按其工作原理可以分為兩類(lèi)：紅外熱(釋)電探測(cè)器和紅外光電探測(cè)器。

1.透射式紅外探測(cè)器

透射式紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6-72所示。圖6-72透射式紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.反射式紅外探測(cè)器

反射式紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6-73所示。圖6-73反射式紅外探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.7.4紅外傳感器的應(yīng)用

1.在鍛造工件自動(dòng)線上的應(yīng)用

在鍛造廠里，工件在鍛造之前需要在加熱爐內(nèi)加溫到900℃，其誤差不得超過(guò)±5℃，否則會(huì)影響鍛件的質(zhì)量，所以控制鍛件的溫度是一關(guān)鍵問(wèn)題。以往的辦法是由工人目測(cè)溫度，看到差不多了，把燒紅的鍛件取出放鍛錘之下進(jìn)行鍛壓。而現(xiàn)在采用紅外輻射測(cè)溫計(jì)，通過(guò)加熱爐口可以直接對(duì)準(zhǔn)工件的表面，可以測(cè)量出工件的溫度，如圖6-74所示。圖6-74紅外輻射測(cè)溫計(jì)示意圖

2.在自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)視和計(jì)數(shù)方面的應(yīng)用

由于紅外探測(cè)器能夠探測(cè)紅外輻射源，而任何目標(biāo)都存在紅外輻射源，所以紅外探測(cè)器能夠探測(cè)到任何目標(biāo)的存在。這種功能使它可以用于大量的自動(dòng)檢測(cè)、控制、警戒以及計(jì)數(shù)等方面。

3.紅外無(wú)損探傷

如圖6-75所示，只要均勻地加熱金屬板的一個(gè)平面，并測(cè)量另一個(gè)表面上的溫度分布，就可以得到焊面是否良好的信息。圖6-75紅外無(wú)損探傷示意圖

4.紅外傳感器的應(yīng)用電路舉例

圖6-76為紅外防盜報(bào)警電路，傳感器采用紅外熱電傳感器IRA-E100SZ1，它能檢測(cè)到人體移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的交流電壓。圖6-76紅外防盜報(bào)警電路圖6-77室內(nèi)照明燈遠(yuǎn)紅外自控開(kāi)關(guān)電路圖6-78是紅外發(fā)光與受光電路。電路中的紅外發(fā)光二極管(LED)產(chǎn)生的脈沖光信號(hào)，不受周?chē)蓴_光信號(hào)的影響。受光元件采用對(duì)很多波長(zhǎng)都靈敏的光電二極管S2386，可以接收波

長(zhǎng)范圍較寬的光信號(hào)?？捎糜诠膺h(yuǎn)控，光電短路器等，受光元件也可以用作可見(jiàn)光傳感器。電路中的振蕩器采用555，其振蕩頻率

(6-50)圖6-78紅外發(fā)光電路與受光電路圖6-79是家庭、賓館用的自動(dòng)干手器的紅外控制電路?？刂齐娐酚闪聪嗥鰿D4069等構(gòu)成，反相器F1、F2及晶體管VT1、紅外發(fā)射二極管VD1組成紅外光脈沖信號(hào)發(fā)射電路。紅外接收二極管VD2及有關(guān)電路組成紅外光脈沖信號(hào)的接收、放大、整形、濾波及開(kāi)關(guān)電路。圖6-79自動(dòng)干手器的紅外控制電路

6.8光纖傳感器

6.8.1光纖結(jié)構(gòu)與傳光原理

光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的圓柱體，該圓柱體由纖心，包層和護(hù)層組成，如圖6-80所示。圖6-80光纖結(jié)構(gòu)6.8.2光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

光纖傳感器按其傳感原理分為兩類(lèi)：一類(lèi)是傳光型光纖傳感器，另一類(lèi)是傳感型光纖傳感器。這兩類(lèi)光纖傳感器的基本組成十分相似，都由光源、入射光纖、調(diào)制器、出射光纖和光敏器件組成，但兩者的光纖所起的作用是不同的(也就是調(diào)制器不同)。圖6-81所示為兩類(lèi)光纖傳感器的結(jié)構(gòu)。圖6-81光纖傳感器的結(jié)構(gòu)沿某一方向(如x方向)傳播的光波可以用平面波的波動(dòng)方程表示，即

E=Asin(kx－ωt+j)

(6-51)

其中，空間頻率k=2π/l。

1.強(qiáng)度調(diào)制

1)透射式強(qiáng)度調(diào)制

圖6-82所示是這種強(qiáng)度調(diào)制的原理圖，光纖間距大約

2～3mm，端面為平面。圖6-82位移調(diào)制原理圖圖6-82(a)所示。圖6-82(b)所示為橫向移動(dòng)調(diào)制方式的原理圖，出射光纖的輸出光強(qiáng)被輸出光纖接收，接收光強(qiáng)度與圖中的兩個(gè)圓的交疊面積有關(guān)。如果輸入、輸出均為同一種單模光纖的話，光纖的徑向位移x與功率耦合系數(shù)T之間的關(guān)系為

(6-52)

2)開(kāi)關(guān)調(diào)制

圖6-83所示為開(kāi)關(guān)調(diào)制的結(jié)構(gòu)。圖6-83不同的開(kāi)關(guān)調(diào)制光纖

3)反射式強(qiáng)度調(diào)制

這種強(qiáng)度調(diào)制的形式也很多，既可由一根或兩根光纖組成，也可由光纖束組成，如圖6-84所示。圖6-84各種反射調(diào)制結(jié)構(gòu)

4)折射率調(diào)制法

折射率調(diào)制法的基本原理是，利用被測(cè)物理量的變化來(lái)

改變與纖芯相接觸的物質(zhì)的折射率，從而調(diào)制光纖內(nèi)全反射光的強(qiáng)度。圖6-85所示為常用的幾種結(jié)構(gòu)。圖6-85常用折射率調(diào)制法的幾種結(jié)構(gòu)

2.偏振態(tài)調(diào)制法

1)法拉第效應(yīng)

當(dāng)偏振光通過(guò)某種透明介質(zhì)時(shí)，偏振光的偏振態(tài)將以光的傳播方向?yàn)檩S線旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為旋光現(xiàn)象。在磁場(chǎng)作用下的旋光效應(yīng)稱(chēng)做法拉第效應(yīng)(或磁致旋光效應(yīng))。圖6-86法拉第效應(yīng)的應(yīng)用法拉第磁光效應(yīng)表明，在磁場(chǎng)作用下，偏振光的光矢量將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，光矢量旋轉(zhuǎn)的角度θ與光在磁致旋光物質(zhì)中通過(guò)的距離L、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，即

θ=VdLB

(6-53)根據(jù)式(6-53)可以制成光纖磁傳感器，如果在長(zhǎng)直導(dǎo)線上繞有N圈光纖，見(jiàn)圖6-86(b)，那么，光矢量被旋轉(zhuǎn)的角度θ與導(dǎo)線中的電流I有關(guān)：

θ=VdNI

(6-54)

2)克爾電光效應(yīng)

雙折射得到的兩束光中，一束總是遵循折射定律，這束光稱(chēng)為尋常光，或O光。另一束光則不然，它是不遵循折射定律的，稱(chēng)為非常光，或E光。O光和E光都是線偏振光，且O光

的光矢量垂直于晶體的主截面，而E光的光矢量在主截面內(nèi)。兩者的光矢量互相垂直。若O光的折射率為nO，E光的折射率為nE，則

Δn=|nO－nE|

(6-55)人們知道，非晶體在一般情況下不是雙折射物質(zhì)，光通過(guò)它們不發(fā)生雙折射現(xiàn)象。但當(dāng)它們受到外力或電場(chǎng)作用時(shí)，卻會(huì)產(chǎn)生雙折射，即所謂人為雙折射現(xiàn)象。圖6-87表示在

電場(chǎng)作用下，使物質(zhì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的克爾效應(yīng)。圖6-87克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，在克爾效應(yīng)中，折射率變化與電場(chǎng)之間的關(guān)系為

Δn=nO－nE=KλE2

(6-56)當(dāng)線偏振光沿著與電場(chǎng)垂直的方向通過(guò)克爾盒時(shí)，分解為兩束線偏振光：一束的光矢量沿著電場(chǎng)方向，為O光矢量；另一束的光矢量與電場(chǎng)垂直，為E光矢量。這兩束折射率不同的線偏振光通過(guò)克爾盒后產(chǎn)生的光程差為

(6-57)式中，U為外加電壓；L為光在克爾盒中穿過(guò)的空間長(zhǎng)度；d為電場(chǎng)兩極間的距離。其對(duì)應(yīng)的相位差為

(6-58)

如果檢偏器與起偏器正交，而且與電場(chǎng)方向成45°，則出射光波的光強(qiáng)為

(6-59)

利用克爾效應(yīng)可以構(gòu)成光纖電壓傳感器。

3)光壓效應(yīng)

光壓效應(yīng)又稱(chēng)作應(yīng)力雙折射，其原理如圖6-88所示。沿MN方向存在壓力或者張力時(shí)，則MN方向的折射率和其他方向不同，設(shè)對(duì)應(yīng)MN方向上的偏振光的折射率為nE,對(duì)應(yīng)垂直MN方向上偏振光的折射率為nO,則折射率的變化與外加壓強(qiáng)

P的關(guān)系為

Δn=nO－nE=KP

(6-60)圖6-88應(yīng)力雙折射原理若光波通過(guò)的物質(zhì)厚度為L(zhǎng)，則產(chǎn)生的光程差Δ為

Δ=(nO－nE)L=KPL

(6-61)

由此引起的相位差Δj為

(6-62)相應(yīng)的出射光強(qiáng)I為

(6-63)

3.相位調(diào)制法

1)應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)

當(dāng)光纖受到縱向