1、 第五章第五章 壓力傳感器壓力傳感器 （pressure sensors） 工程上的壓力，實際上就是物理學中的壓強，即介質（氣液體）工程上的壓力，實際上就是物理學中的壓強，即介質（氣液體）垂直作用于單位面積上的力，它是工業生產過程中的一個重要參數，垂直作用于單位面積上的力，它是工業生產過程中的一個重要參數，也是一個重要的安全指標：也是一個重要的安全指標：P=F/S。 1Pa=1(N /m2) =(10-5公斤力公斤力)/cm2。還有毫米汞柱、水柱等。還有毫米汞柱、水柱等。 低壓低壓 107 Pa ，高壓，高壓 6108Pa ，真空度指絕對壓力低于當地大，真空度指絕對壓力低于當地大氣壓。氣壓。

2、常見的壓力計有三大類：常見的壓力計有三大類： 1.液柱式壓力計：利用液柱產生的壓液柱式壓力計：利用液柱產生的壓力與被測介質壓力相平衡。力與被測介質壓力相平衡。 即：即： P1-P0=hr 其中其中P1為被測壓力，為被測壓力，P0 為大氣壓力，為大氣壓力，h為液柱高度，為液柱高度，r為液體為液體(水、水銀水、水銀)比重。比重。 2.彈性式壓力計：彈性式壓力計： 利用彈性元件的變形與壓力之間存在一定的關系來檢測壓力。利用彈性元件的變形與壓力之間存在一定的關系來檢測壓力。 常見的彈性元件有：平常見的彈性元件有：平膜片、膜片、 C 型彈簧管、膜盒、型彈簧管、膜盒、波紋管。波紋管。 其中波紋膜片和波紋管

3、其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；多用于微壓和低壓測量； 單單圈和多圈彈簧管可用于高、圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓和真空度的測量。中、低壓和真空度的測量。 3.電氣式壓力計：壓力電氣式壓力計：壓力 電信號電信號 1）利用彈性元件將壓力）利用彈性元件將壓力彈性元件的變形（位移），再利用彈性元件的變形（位移），再利用位移傳感器將位移位移傳感器將位移電信號。電信號。 位移傳感器有：電容式、電感式、電阻式、電位器式、霍爾位移傳感器有：電容式、電感式、電阻式、電位器式、霍爾式、應變式等。式、應變式等。 1.1.外殼；外殼；2.2.固定電極板；固定電極板；3.3.繃緊的膜片繃緊的膜片1.O1.

4、O型密封圈型密封圈； 2.2.金屬膜片金屬膜片；3.3.玻璃；玻璃； 4.4.多孔金屬過濾器多孔金屬過濾器；5.5.電鍍金屬表面電鍍金屬表面 2）利用力敏傳感器）利用力敏傳感器將壓力將壓力電信號。電信號。 如：壓阻式、壓電式如：壓阻式、壓電式等。等。 E21RR第一節第一節 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 (piezoresistor sensors) 一、工作原理：其原理與半導體應變片式傳感器基本相同，其一、工作原理：其原理與半導體應變片式傳感器基本相同，其原理基于壓阻效應：即原理基于壓阻效應：即 半導體的電阻率變化量與壓力成正比：半導體的電阻率變化量與壓力成正比： 式中式中 半導體材料的壓阻系數

5、；半導體材料的壓阻系數； 所受應力所受應力( (應力是指單位面積上的平均內力應力是指單位面積上的平均內力) ) 。 應變；應變； E E 彈性模量。彈性模量。 對于半導體材料，受力后壓阻效應造成的電阻率變化遠遠大于對于半導體材料，受力后壓阻效應造成的電阻率變化遠遠大于形狀變化造成的電阻變化。半導體絲材的電阻變化為：形狀變化造成的電阻變化。半導體絲材的電阻變化為： 注意：半導體晶體在不同方向的壓阻系數不同（分為縱向注意：半導體晶體在不同方向的壓阻系數不同（分為縱向壓阻系數、橫向壓阻系數、剪切壓阻系數）。壓阻系數、橫向壓阻系數、剪切壓阻系數）。 二、應用：固態壓阻式壓力傳感器二、應用：固態壓阻式壓

6、力傳感器 固態壓阻式傳感器示意圖如下所示，固態壓阻式傳感器示意圖如下所示，其中其中 （b）圖為硅杯。）圖為硅杯。 其核心為一塊園形硅膜片（作為彈性敏感元件），其膜片周其核心為一塊園形硅膜片（作為彈性敏感元件），其膜片周圍用硅環固定，通常稱作硅杯，在膜片上利用集成電路工藝方法圍用硅環固定，通常稱作硅杯，在膜片上利用集成電路工藝方法擴散上擴散上4個阻值相等的電阻：個阻值相等的電阻：R1、R2、R3、R4，其中兩條位于壓，其中兩條位于壓應力區，另兩條處于拉應力區，相對于膜片中心對稱，應力區，另兩條處于拉應力區，相對于膜片中心對稱，再由導線再由導線接成電橋。接成電橋。 第二節第二節 壓電式傳感器壓電式

7、傳感器 (piezoelectvic sensors) 一、工作原理：基于壓電效應一、工作原理：基于壓電效應 概念：壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發電概念：壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應的特定式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應的特定表面產生電荷的壓電效應。表面產生電荷的壓電效應。 特點：體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠，適用于動特點：體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠，適用于動態力學量的測量，不適于測頻率太低的被測量，更不能測靜態態力學量的測量，不適于測頻率太低的被測量，更不能測靜態量。量。 應用：目前多用

8、于加速度和動態力或壓力的測量。除此之應用：目前多用于加速度和動態力或壓力的測量。除此之外，因壓電傳感器是一個典型的機電轉換元件，它在超聲、水外，因壓電傳感器是一個典型的機電轉換元件，它在超聲、水聲換能器、拾音器、濾波器、壓電引信、煤氣點火具等方面已聲換能器、拾音器、濾波器、壓電引信、煤氣點火具等方面已普遍應用。普遍應用。FFOu+-金屬電極壓電元件dFqa 1 1、壓電效應：、壓電效應： 力力電荷。電荷。 當某些晶體（例如石英晶體）沿著一定方向受外力作用時，晶當某些晶體（例如石英晶體）沿著一定方向受外力作用時，晶體內部電荷分布發生變化，使得它的兩個表面上產生符號相反的電體內部電荷分布發生變化，

9、使得它的兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，又重新恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為壓荷；當外力撤去后，又重新恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為壓電效應。壓電效應的電荷量與外作用力電效應。壓電效應的電荷量與外作用力F F 成正比，即成正比，即 式中式中 qa壓電晶體某個表面上的電荷量，壓電晶體某個表面上的電荷量，C C； F F 外加作用力，外加作用力，N N； d d壓電系數（與壓電材料特性有關）。壓電系數（與壓電材料特性有關）。 壓電效應壓電效應 2、逆壓電效應：電場、逆壓電效應：電場變形。變形。 （1）由于壓電晶體是各向異性（各方向產生的壓電效應不盡相）由于壓電晶體是各向異性（各方向

10、產生的壓電效應不盡相同），所以當受力方向和受力方式不同時，壓電系數也不同。同），所以當受力方向和受力方式不同時，壓電系數也不同。 （2）逆壓電效應：與壓電效應相反，在壓電材料的極化方向施加）逆壓電效應：與壓電效應相反，在壓電材料的極化方向施加電場時，會在晶體的另一方向產生變形，這種現象稱為逆壓電效應，電場時，會在晶體的另一方向產生變形，這種現象稱為逆壓電效應，也稱電致伸縮效應。也稱電致伸縮效應。+-U 逆壓電效應逆壓電效應二 二、壓電材料二、壓電材料 分類：分類： 壓電晶體：單晶體，例如：石英晶體；壓電晶體：單晶體，例如：石英晶體； 壓電陶瓷：一種人工制造的多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電陶

11、瓷：一種人工制造的多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等； 新型壓電材料：壓電橡膠等高分子有機壓電材料，以及壓電半新型壓電材料：壓電橡膠等高分子有機壓電材料，以及壓電半導體材料。導體材料。 1、石英晶體：分子式為、石英晶體：分子式為SiO2。俗稱水晶，有天然和人工之分。俗稱水晶，有天然和人工之分。 （1）性能特點：）性能特點： 絕緣性好，機械強度，剛度大，固有頻率高，動態特性好；絕緣性好，機械強度，剛度大，固有頻率高，動態特性好； 時間和溫度穩定性極好；時間和溫度穩定性極好； 居里點（材料失去壓電特性的溫度）高：居里點（材料失去壓電特性的溫度）高：575； 石英晶體資源較少、價格高，因此石英晶體一般用于

12、精度和穩定石英晶體資源較少、價格高，因此石英晶體一般用于精度和穩定性要求高的場合或制作標準傳感器。性要求高的場合或制作標準傳感器。 （2）晶軸：）晶軸： 電軸（電軸（X軸）：得到電荷最多。軸）：得到電荷最多。 機械軸（機械軸（Y軸）：軸）： 機械變形明顯。機械變形明顯。 光軸（光軸（Z軸）：不會產生雙折射。軸）：不會產生雙折射。 沿電軸方向加作用力而產生電荷的現象稱縱向壓電效應；沿機械軸沿電軸方向加作用力而產生電荷的現象稱縱向壓電效應；沿機械軸方向加作用力而產生電荷的現象稱橫向壓電效應；沿光軸方向加力時，方向加作用力而產生電荷的現象稱橫向壓電效應；沿光軸方向加力時，晶體不產生壓電效應。使用時要

13、注意切片方向（晶體不產生壓電效應。使用時要注意切片方向（X切型或切型或Y切型）。切型）。（a a）右旋石英晶體；）右旋石英晶體； （b b）晶軸；）晶軸； （c c）水晶）水晶X X切割切割 2、壓電陶瓷（、壓電陶瓷（PZT）：）： 壓電陶瓷是一種經極化處理后的人工多晶鐵電體。壓電陶瓷是一種經極化處理后的人工多晶鐵電體。 特點：特點： 與石英晶體不同，壓電陶瓷無縱向、橫向壓電效應之分。與石英晶體不同，壓電陶瓷無縱向、橫向壓電效應之分。 壓電常數大，靈敏度高。壓電常數大，靈敏度高。 制造工藝成熟，可通過合理配方和摻雜等人工控制來達到所要制造工藝成熟，可通過合理配方和摻雜等人工控制來達到所要求的性

14、能；求的性能； 成形工藝好，成本低廉，利于廣泛應用。成形工藝好，成本低廉，利于廣泛應用。 壓電陶瓷除有壓電性外，還具有熱釋電性。因此，它可制作熱壓電陶瓷除有壓電性外，還具有熱釋電性。因此，它可制作熱電式傳感器，用于紅外探測器中。但這一特性會給其用于壓電傳感器電式傳感器，用于紅外探測器中。但這一特性會給其用于壓電傳感器時造成熱干擾，降低溫度穩定性。所以對高穩定的傳感器，壓電陶瓷時造成熱干擾，降低溫度穩定性。所以對高穩定的傳感器，壓電陶瓷的應用受到限制。的應用受到限制。+-+-電 荷 源 形 式+-+-電 壓 源 形 式auauRaRaCaCaqa光 源光 通 路光 電 元 件測 量 電 路光光電

15、電1x2x 三、等效電路三、等效電路 從信號變換的角度看，壓電元件相當于一個電荷發生器，從結構從信號變換的角度看，壓電元件相當于一個電荷發生器，從結構上看，它又是一個電容器，因此可將壓電元件等效為一個電荷源與電上看，它又是一個電容器，因此可將壓電元件等效為一個電荷源與電容相并聯的電路。容相并聯的電路。 實際上，壓電器件不可避免地存在漏電現象，即存在漏電阻，這實際上，壓電器件不可避免地存在漏電現象，即存在漏電阻，這使得壓電式傳感器只適合動態測量。壓電材料的等效電路除電荷源形使得壓電式傳感器只適合動態測量。壓電材料的等效電路除電荷源形式以外，還可以等效成電壓源形式：這里式以外，還可以等效成電壓源形

16、式：這里 。 而且只有在外電路負載無窮大，內部也無漏電時，受力所產生的而且只有在外電路負載無窮大，內部也無漏電時，受力所產生的電壓才能長期保存下來。否則，電路以時間常數電壓才能長期保存下來。否則，電路以時間常數RCRC按指數規律放電。按指數規律放電。 四、測量電路四、測量電路 壓電器件是一個有源電容器，因此存在與電容傳感器相同的弱壓電器件是一個有源電容器，因此存在與電容傳感器相同的弱點：高內阻、小功率。功率小，則輸出的能量微弱，電纜的分布電容點：高內阻、小功率。功率小，則輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾將嚴重影響輸出特性。為此必須進行前置放大。高內阻使及噪聲干擾將嚴重影響輸出特性。為此

17、必須進行前置放大。高內阻使壓電器件難以直接使用一般放大器，必須進行前置阻抗變換。壓電器件難以直接使用一般放大器，必須進行前置阻抗變換。 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路前置放大器，對應于電壓源與電荷源前置放大器，對應于電壓源與電荷源有兩種形式：電壓放大器、電荷放大器，且須具備兩功能：信號放大、有兩種形式：電壓放大器、電荷放大器，且須具備兩功能：信號放大、阻抗匹配。阻抗匹配。 五、應用五、應用 1、壓電式力傳感器、壓電式力傳感器 2、壓電式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器 3、壓電式加速度傳感器、壓電式加速度傳感器 4、微振動測試儀：各種大型構件、橋梁、高層建筑、船舶等的、微振動測試儀：各種

18、大型構件、橋梁、高層建筑、船舶等的晃動測量。晃動測量。 智能家居集成是利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技智能家居集成是利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設備集成。術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設備集成。Intelligent Lighting System Electrical Apparatus Control System Speakers, A/V & Home Theater Intelligent Sun shading System/Electric CurtainThermostats &

19、HVAC Controls Automatic Meter Reading System Cameras and Surveillance Home Alarm System Automatic Watering Circuit 光電傳感器是以光電器件作轉換元件的傳感器。其工作原理是：光電傳感器是以光電器件作轉換元件的傳感器。其工作原理是：首先把被測量的變化轉換成光信號（光通量或光參數）的變化，然后首先把被測量的變化轉換成光信號（光通量或光參數）的變化，然后通過光電轉換元件變換成電信號。通過光電轉換元件變換成電信號。 一、光電傳感器的組成一、光電傳感器的組成A光照電極電極符號光敏電阻 圖中圖中

20、x1表示能直接表示能直接引起光量變化的被測量；引起光量變化的被測量；x2表示能表示能在光傳播過在光傳播過程中調制光量的被測量。程中調制光量的被測量。 因此光電傳感器可用于檢測直接引起光量變化的非電量如光強、因此光電傳感器可用于檢測直接引起光量變化的非電量如光強、輻射溫度、氣體成份等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其它非電輻射溫度、氣體成份等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其它非電量，如零件尺寸、形狀、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。量，如零件尺寸、形狀、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。 特點：非接觸、精度高、分辨力高、可靠性高、響應快。特點：非接觸、精度高、分辨力高、可靠性高、響應快。二二

21、.光電效應與光電器件光電效應與光電器件 外光電效應外光電效應器件：器件： 光電管光電管內光電效應內光電效應光電導效應光電導效應器件：器件： 光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管光生伏特效應光生伏特效應器件：器件： 光電池光電池 常見的光電器件有：光敏電阻、光電二極管、光電池、光電常見的光電器件有：光敏電阻、光電二極管、光電池、光電三極管、光電位元件（三極管、光電位元件（PSD）、色敏器件、）、色敏器件、CCD圖像傳感器等。圖像傳感器等。 光敏電阻是一種光敏電阻是一種半導體電阻器件。半半導體電阻器件。半導體受到光照射時會導體受到光照射時會產生光生電子產生光生電子空穴空

22、穴對，使導電性能增強；對，使導電性能增強；光線越強，阻值越低。光線越強，阻值越低。稱為光電導效應。稱為光電導效應。 PN光ER光 電 流符 號光NPNceb+-符 號等 效 電 路結 構 處于反向偏置的處于反向偏置的PN結，在無光照時具有高阻特性，反向暗電流結，在無光照時具有高阻特性，反向暗電流很小；當光照時，結區產生電子很小；當光照時，結區產生電子空穴對，在結電場作用下，形成空穴對，在結電場作用下，形成光電流，方向與反向電流一致。光的照度越大，光電流越大。由于光電流，方向與反向電流一致。光的照度越大，光電流越大。由于無光照時的反向偏流很小，一般為無光照時的反向偏流很小，一般為nA數量級，因此

23、光照時的反向電數量級，因此光照時的反向電流基本上與光強成正比。流基本上與光強成正比。 光敏二極管和三極管的結構如下光敏二極管和三極管的結構如下: 窗 口熱 電 元 件電 路 元 件P Z TDES（ b ）（ a ）RsRg CCD即電荷藕合器（即電荷藕合器（Charge Coupled Device），它是一種大），它是一種大規模金屬氧化物半導體（規模金屬氧化物半導體（MOS）集成電路光電器件，其基本單元）集成電路光電器件，其基本單元是是MOS光敏元。成千上萬個光敏元。成千上萬個MOS光敏元相互獨立的分布在半導體光敏元相互獨立的分布在半導體硅片上，每一個硅片上，每一個MOS光敏元構成一個像素

24、。光敏元構成一個像素。 當明暗起伏的光線照射在這些光敏元上時，光敏元就將光強當明暗起伏的光線照射在這些光敏元上時，光敏元就將光強的空間分布轉換為與光強成正比的、大小不等的電荷包的空間分的空間分布轉換為與光強成正比的、大小不等的電荷包的空間分布，。布，。 由于由于CCD電荷耦合器件直接產生的是電荷信號而不是電壓、電荷耦合器件直接產生的是電荷信號而不是電壓、電流信號，因此還需要利用移位寄存器將光生電荷圖像轉移出來，電流信號，因此還需要利用移位寄存器將光生電荷圖像轉移出來，在輸出電路的作用下，生成幅度與光生電荷包成正比的電脈沖序在輸出電路的作用下，生成幅度與光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在

25、列，從而將照射在CCD上的光學圖像轉換為電信號圖像，實現了上的光學圖像轉換為電信號圖像，實現了CCD圖像傳感的功能。圖像傳感的功能。 紅外傳感器紅外傳感器 一、基本原理一、基本原理 1、紅外輻射、紅外輻射 紅外輻射又稱紅外線，是位于可見光中紅光以外的光線。其波紅外輻射又稱紅外線，是位于可見光中紅光以外的光線。其波長范圍大致在長范圍大致在0.751000m的頻譜范圍之內。自然界中任何本身溫的頻譜范圍之內。自然界中任何本身溫度高于絕對零度（度高于絕對零度（-273.16）的物體都向外輻射紅外線。）的物體都向外輻射紅外線。 在紅外技術中，一般將紅外輻射分成四個區域：即近紅外、中在紅外技術中，一般將紅外輻射分成四個區域：即近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外區。此處所說的遠近指紅外輻射在電磁波紅外、遠紅外和極遠紅外區。此處所說的遠近指紅外輻射在電磁波譜中與可見光的距離。譜中與可見光的距離。 紅外輻射的物理本質是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出的紅紅外輻射的物理本質是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。因此人們又將紅外輻射稱為熱外線越多，紅外輻射的能量就越強。因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射。輻射