1、第3章 安全檢測(cè)常用傳感器 3.1 傳感器的作用及分類 3.2 結(jié)構(gòu)型傳感器 3.3 物性傳感器 3.4 其他類型傳感器 3.5 傳感器的選用原則 3.1 傳感器的作用及分類 3.1.1傳感器的作用傳感器是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與自動(dòng)控制(包括遙感、遙測(cè)、遙控)的首要環(huán)節(jié)，而傳感技術(shù)是衡量科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲與轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的檢測(cè)與控制將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 目前，傳感器的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，從高新技術(shù)直到每個(gè)家庭日常生活。如空間技術(shù)、海洋開(kāi)發(fā)、資源探測(cè)、生物工程、人體科學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域中許多新的進(jìn)展和突破，都是以實(shí)驗(yàn)檢測(cè)為基礎(chǔ)并與傳感器技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的；

2、。3.1.2傳感器的分類1. 按輸入量（被測(cè)對(duì)象）分類輸入量即被測(cè)對(duì)象，按此方法分類，傳感器可分為物理量傳感器、 化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類。 其中， 物理量傳感器又可分為溫度傳感器、 壓力傳感器、 位移傳感器等等。 這種分類方法給使用者提供了方便，容易根據(jù)被測(cè)對(duì)象選擇所需要的傳感器。 物理量傳感器化學(xué)氣體傳感器生物傳感器2. 按轉(zhuǎn)換原理分類從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來(lái)說(shuō)， 通常分為結(jié)構(gòu)型、 物性型兩大類。 結(jié)構(gòu)型傳感器是利用機(jī)械構(gòu)件（如金屬膜片等）在動(dòng)力場(chǎng)或電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生變形或位移，將外界被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量，它是利用物理學(xué)運(yùn)動(dòng)定律或電磁定律實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。 物性型傳感

3、器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學(xué)效應(yīng)（即物質(zhì)定律， 如虎克定律、歐姆定律等）實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換。它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。 金屬膜片3. 按能量轉(zhuǎn)換的方式分類按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式，傳感器可分為有源型和無(wú)源型兩類。有源型也稱能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型，它把非電量直接變成電壓量、 電流量、電荷量等(如磁電式、壓電式、光電池、熱電偶等)；無(wú)源型也稱能量控制型或參數(shù)型， 它把非電量變成電阻、 電容、 電感等量。 4. 按輸出信號(hào)的形式分類按輸出信號(hào)的形式， 傳感器可分為開(kāi)關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。 5. 按輸入和輸出的特性分類按輸入、 輸出特性， 傳感器可分為線性和非線性

4、兩類。 3.2 結(jié)構(gòu)型傳感器 3.2.1 電阻式傳感器 1. 電阻式傳感器原理 金屬體都有一定的電阻， 電阻值因金屬的種類而異。 同樣的材料， 越細(xì)或越薄，則電阻值越大。當(dāng)加有外力時(shí)， 金屬若變細(xì)變長(zhǎng)，則阻值增加； 若變粗變短，則阻值減小。 如果發(fā)生應(yīng)變的物體上安裝有（通常是粘貼）金屬電阻， 當(dāng)物體伸縮時(shí)，金屬體也按某一比例發(fā)生伸縮，因而電阻值產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 設(shè)有一根長(zhǎng)度為l，截面積為A，電阻率為的金屬絲，則它的電阻值R可用下式表示： （3-1） 從上式可見(jiàn)，若導(dǎo)體的三個(gè)參數(shù)（電阻率、長(zhǎng)度和截面積）中的一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)生變化，則電阻值隨著變化，因此可利用此原理來(lái)構(gòu)成傳感器。例如，若改變長(zhǎng)度l，則

5、可形成電位器式傳感器；改變l、A和則可做成電阻應(yīng)變片；改變，則可形成熱敏電阻、光導(dǎo)性光檢測(cè)器等。 2.電位器式傳感器電位器式傳感器通過(guò)滑動(dòng)觸點(diǎn)把位移轉(zhuǎn)換為電阻絲的長(zhǎng)度變化，從而改變電阻值大小，進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化值。電位器式傳感器分為線繞式和非線繞式兩大類。線繞電位器是最基本的電位器式傳感器；非線繞式電阻傳感器則是在線繞電位器的基礎(chǔ)上，在電阻元件的形式和工作方式上有所發(fā)展，包括薄膜電位器、導(dǎo)電塑料電位器和光電電位器等。電位器式傳感器圖3-1線繞電位器式傳感器原理圖 工作時(shí)，在電阻元件的兩端，即Ui端加上固定的直流工作電壓，從Uo端就有電壓輸出，并且，這個(gè)輸出電壓的大小與電刷

6、所處的位置相關(guān)。當(dāng)電刷臂隨著被測(cè)量產(chǎn)生位移x時(shí)，輸出電壓也發(fā)生相應(yīng)的變化，這是精密電位器的基本工作原理。易見(jiàn) （3-2） 圖3-2線繞電位器式傳感器的組成 (a)直線位移型；(b)角位移型；(c)非線性型 3.電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片組成。當(dāng)彈性敏感元件受到被測(cè)量作用時(shí)，將產(chǎn)生位移、應(yīng)力和應(yīng)變，則粘貼在彈性敏感元件上的電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。這樣，通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，從而確定被測(cè)量的大小。電阻應(yīng)變式傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，它可用于不同的彈性敏感元件形式，構(gòu)成測(cè)量位移、加速度、壓力等各種參數(shù)的電阻應(yīng)變式傳感器。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）

7、由于電阻應(yīng)變片尺寸小、重量輕，因而具有良好的動(dòng)態(tài)特性。而且應(yīng)變片粘貼在試件上對(duì)其工作狀態(tài)和應(yīng)力分布基本上沒(méi)有影響，適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量； （2）測(cè)量應(yīng)變的靈敏度和精度高，可測(cè)量12m應(yīng)變，誤差小于1%2%；（3）測(cè)量范圍上，既可測(cè)量彈性變形，也可測(cè)量塑性變形，變形范圍從1%20%；（4）能適應(yīng)各種環(huán)境，可在高（低）溫、超低壓、高壓、水下、強(qiáng)磁場(chǎng)以及輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境下使用。電阻應(yīng)變式傳感器缺點(diǎn)是輸出信號(hào)微弱，在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較明顯的非線性等。 1）工作原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)電阻應(yīng)變片的工作原理如圖3-3所示。它是基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的“電阻應(yīng)變效應(yīng)”和“壓阻效應(yīng)”。電阻應(yīng)變效應(yīng)是指電阻材料的電

8、阻值隨機(jī)械變形而變化的物理現(xiàn)象；壓阻效應(yīng)是指電阻材料受到載荷作用而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。下面以單根電阻絲為例說(shuō)明電阻應(yīng)變片的工作原理。 圖3-3電阻應(yīng)變片原理圖 設(shè)電阻絲的長(zhǎng)度為l，截面積為A，電阻率為，其初始電阻值為當(dāng)電阻絲受到拉伸或壓縮時(shí)，其幾何尺寸和電阻值同時(shí)發(fā)生變化，對(duì)式兩邊取對(duì)數(shù)后再微分，即可求得電阻的相對(duì)變化為 （3-3） 上式中:R為電阻值（）；l為電阻絲的長(zhǎng)度（m）；A為電阻絲的截面積（mm2）；為電阻絲的電阻率（mm2/m）。如果對(duì)整條電阻絲長(zhǎng)度作用均勻應(yīng)力，由于l、A、的變化而引起電阻的變化，可通過(guò)對(duì)式（3-3）的全微分求得 （3-4） 相對(duì)變化量 （3-

9、5） 假設(shè)電阻絲是圓截面，則A2r，其中r為電阻絲的半徑，微分后可得： 則 （3-6） 令電阻絲軸向相對(duì)伸長(zhǎng)，即軸向應(yīng)變?yōu)?電阻絲徑向相對(duì)伸長(zhǎng)，即徑向應(yīng)變?yōu)閐r/r，由材料力學(xué)獲知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲沿長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)或縮短時(shí)，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系如下: （3-7） 式中:為金屬材料的泊松系數(shù)，即徑向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的比例系數(shù)。負(fù)號(hào)表示方向相反，所以 經(jīng)整理后得 （3-8） 定義金屬絲的靈敏系數(shù)為 （3-9） 它的物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。可知，受兩個(gè)因素影響，一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即（1+2）項(xiàng)；另一個(gè)是受力后材料的電阻率發(fā)生變化而引起，即d/項(xiàng)。對(duì)于確定的材

10、料，（1+2）項(xiàng)是常數(shù)，其數(shù)值約為12之間，并且由實(shí)驗(yàn)證明d/也是一個(gè)常數(shù)，因此靈敏系數(shù)k為常數(shù)，則得 （3-10） 上式表示金屬電阻絲的電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界作用下（如壓力等）產(chǎn)生機(jī)械變形，其阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。把依據(jù)這種效應(yīng)制成的應(yīng)變片粘貼于被測(cè)材料上，則被測(cè)材料受外界作用所產(chǎn)生的應(yīng)變就會(huì)傳送到應(yīng)變片上，從而使應(yīng)變片上電阻絲的阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量阻值的變化量，就可反映出外界作用的大小。 2）電阻應(yīng)變片的分類和結(jié)構(gòu).電阻應(yīng)變片的分類電阻應(yīng)變片的種類繁多，分類方法也各異。按所選用的敏感材料可分為：金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。按敏感柵結(jié)構(gòu)可分

11、為：?jiǎn)屋S應(yīng)變片和多軸應(yīng)變片。按基底材料可分為：紙質(zhì)應(yīng)變片、膠基應(yīng)變片、金屬基底應(yīng)變片、浸膠基應(yīng)變片。按制柵工藝可分為：絲繞式應(yīng)變片、短接式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、薄膜式應(yīng)變片。按使用溫度可分為：低溫應(yīng)變片(-30以下)、常溫應(yīng)變片(-3060)、中溫應(yīng)變片（60350）、高溫應(yīng)變片（350以上）。 按安裝方式可分為：粘貼式應(yīng)變片、焊接式應(yīng)變片、噴涂式應(yīng)變片、埋入式應(yīng)變片。按用途可分為：一般用途應(yīng)變片、特殊用途應(yīng)變片（水、疲勞壽命、抗磁感應(yīng)、裂縫擴(kuò)展等）。按制造工藝可分為：體型半導(dǎo)體應(yīng)變片、擴(kuò)散（含外延）型半導(dǎo)體應(yīng)變片、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片、N-P元件半導(dǎo)體型應(yīng)變片。 .電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片(簡(jiǎn)

12、稱應(yīng)變片）的種類繁多，但基本構(gòu)造大體相同，都是由敏感柵、基底、覆蓋層、引線和粘合劑構(gòu)成，如圖3-4所示。 圖3-4電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 3.2.2電容式傳感器1.電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器常用的是平板電容器和圓筒形電容器。1）平板電容器平板電容器由兩個(gè)金屬平行板組成，通常以空氣為介質(zhì)，如圖3-6所示。 圖3-6平行板電容器 在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平行板電容器的電容為 （3-18） (3-19) 式中:C電容量（F）；0真空介電常數(shù)；r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；A極板的有效面積（m2）；d兩平行極板間的距離（m）。 2)圓筒形電容器圓筒形電容器由內(nèi)外兩個(gè)金屬圓筒組成，設(shè)動(dòng)極筒的外半徑為

13、r，定極筒的內(nèi)半徑為R，動(dòng)極筒伸進(jìn)定極筒的長(zhǎng)度為l，如圖3-7所示。則圓筒形電容器的電容為 （3-20） 當(dāng)被測(cè)非電量使得式（3-18）中的A、d或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變而僅僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把被測(cè)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此，電容量變化的大小與被測(cè)參數(shù)的大小成比例。這樣，電容式傳感器可依此劃分為三種類型，即變間隙型（d變化）、變面積型（A變化）和變介質(zhì)型（變化）。 圖3-7圓筒形電容器2.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器如圖3-8所示，它有一個(gè)固定極板和可動(dòng)極板，其間為空氣介質(zhì)。當(dāng)傳感器的0和A為常數(shù)、初始極距為d時(shí)，其初始電容量為 （3-21

14、） 一般地，取C=20300pF，d=0.0251mm。 圖3-8變極距型電容傳感器 (a)移動(dòng)型；(b)感應(yīng)型；(c)差動(dòng)型 當(dāng)動(dòng)極板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)使d減小d時(shí)，電容量增大C，則有 等式兩邊同時(shí)除以C，有 （3-22） 如果滿足d/d1時(shí)，則式（3-22）可用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)成 （3-23） 略去高次非線性項(xiàng)，則可得近似線性關(guān)系和靈敏度Kc，其關(guān)系式分別為 （3-24） （3-25） 圖3-9變極距型電容傳感器的特性曲線 Kc稱為電容傳感器的靈敏系數(shù)。其物理意義是單位位移引起電容量相對(duì)變化的大小。其輸出特性曲線如圖3-9所示。如果考慮式（3-23）的前兩項(xiàng)，則 （3-26） 其非線性誤差

15、為 （3-27） 此部分內(nèi)容為了解 4.電容式傳感器測(cè)量電路 電容式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電容量的變化，但由于電容及其變化量均很小（pF級(jí)），因此必須借助測(cè)量電路檢測(cè)出這一微小電容及增量，并將其轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率，以便于顯示、記錄或傳輸。電容式傳感器的測(cè)量電路種類很多，除前面介紹的電橋電路外，還可采用運(yùn)算放大器電路、調(diào)頻電路和差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路等。 1）運(yùn)算放大器電路為克服電容式傳感器極距的變化呈非線性關(guān)系缺點(diǎn)，最方便、簡(jiǎn)單的辦法就是把變極距型電容傳感器作為比例運(yùn)算放大器的反饋環(huán)節(jié)，如圖3-12所示。圖中，運(yùn)算放大器的輸入端為電容C0，其反饋環(huán)節(jié)為變極距式電容傳感器Cx，亦為電容，根據(jù)比例

16、放大的運(yùn)算關(guān)系 （3-35） 故可得 （3-36） 上式表明，若激勵(lì)電壓Ui與輸入電容C0保持不變，則輸出電壓Uo與極距成線性關(guān)系。此電路常用于位移測(cè)量傳感器。 3.2.3電感式傳感器電感式傳感器有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn)，工作可靠，壽命較長(zhǎng)；（）靈敏度和分辨率高，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出；（）線性度和重復(fù)性比較好，在一定位移（如幾十微米至幾毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差可做到0.050.1，并且穩(wěn)定性好。 1.自感式電感傳感器1）自感式電感傳感器原理自感式電感傳感器主要用來(lái)測(cè)量位移或者是可以轉(zhuǎn)換成位移的被測(cè)量，如振動(dòng)、厚度、壓力、流量等。工作時(shí)，銜鐵通過(guò)測(cè)桿與

17、被測(cè)物體相接觸，被測(cè)物體的位移將引起線圈電感量的變化，當(dāng)傳感器線圈接入測(cè)量轉(zhuǎn)換電路后，電感的變化將被轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，從而完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換。 由電工知識(shí)可知，線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)，即線圈的自感系數(shù)L=/I=N/I（H）。=N為磁鏈，為磁通（I為流過(guò)線圈的電流，N為線圈匝數(shù)。根據(jù)磁路歐姆定律：=NIS/l，為磁導(dǎo)率，S為磁路截面積，l為磁路總長(zhǎng)度。令Rm=l/S為磁路的磁阻，可得線圈的電感量為 （3-41） 磁路的總長(zhǎng)度包括鐵芯長(zhǎng)度li1、銜鐵長(zhǎng)度li2和兩個(gè)空氣間隙l0的長(zhǎng)度。因鐵芯和銜鐵均為導(dǎo)磁材料，磁阻可忽略不計(jì)，則式（3-41）可改寫(xiě)為 （3

18、-42） 2）變氣隙長(zhǎng)度式電感傳感器變氣隙長(zhǎng)度式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-17（a）所示。由式（3-41）可知，若S為常數(shù)，則L=f（l），即電感L是氣隙厚度l的函數(shù)，故稱這種傳感器為變氣隙截面式電感傳感器。由于電感量L與氣隙厚度l成反比，故輸入/輸出是非線性關(guān)系，輸出特性如圖3-18（a）所示。 圖3-17自感式電感傳感器結(jié)構(gòu)示意圖（a）變氣隙長(zhǎng)度式;（b）變氣隙截面式;（c）螺管式 圖3-18電感式傳感器的輸出特性（a）變氣隙長(zhǎng)度式輸出特性；（b）變氣隙截面式輸出特性 可見(jiàn)，l越小，靈敏度越高。為提高靈敏度，保證一定的線性度，變這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，測(cè)量范圍約在0.0011mm左右

19、。由于行程小，而且銜鐵在運(yùn)行方向上受鐵芯限制，制造裝配困難，所以近年來(lái)較少使用該類傳感器。 3）變氣隙截面式電感傳感器變氣隙截面式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-17（b）所示。由式（3-41）可知，若保持氣隙厚度l為常數(shù)，則L=f（S），即電感L是氣隙截面積S的函數(shù)，故稱這種傳感器為變截面式電感傳感器。但是，由于漏感等原因，變截面式電感傳感器在S=0時(shí)，仍有一定的電感，所以其線性區(qū)較小，為了提高靈敏度，常將l做得很小。變截面式傳感器靈敏度比變間隙型小，但線性較好，量程也比變間隙式大，使用比較廣泛。輸出特性如圖圖3-18（b）所示。 4）螺管式電感傳感器螺管式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-17（c）所示。螺

20、管型電感式傳感器結(jié)構(gòu)由一柱型銜鐵插入螺管圈內(nèi)構(gòu)成。其銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入深度有關(guān)。理論上，電感相對(duì)變化量與銜鐵位移相對(duì)變化量成正比，但由于線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿軸線分布不均勻。所以實(shí)際上它的輸出仍有非線性。設(shè)線圈長(zhǎng)度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為n、銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度為la、銜鐵的半徑為ra、鐵芯的有效磁導(dǎo)率為m，則線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度la的關(guān)系為 （3-43） 由上式可知，螺管型電感式傳感器的靈敏度較低，但由于其量程大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作和批量生產(chǎn)，因此它是使用最廣泛的一種電感式傳感器。 5）差

21、動(dòng)電感傳感器以上三種類型的傳感器，由于線圈中流過(guò)負(fù)載的電流不等于零，存在起始電流，非線性較大，而且有電磁吸力作用于活動(dòng)銜鐵；易受外界干擾的影響，如電源電壓和頻率的波動(dòng)、溫度變化等都將使輸出產(chǎn)生誤差，所以不適用于精密測(cè)量，只用在一些繼電信號(hào)裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，廣泛采用的是將兩個(gè)電感式傳感器組合在一起，形成差動(dòng)式傳感器。 圖3-19差動(dòng)E型自感傳感器結(jié)構(gòu)原理 2.互感式電感傳感器互感式電感傳感器是利用線圈的互感作用將位移轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢(shì)的變化。互感式電感傳感器實(shí)際上是一個(gè)具有可動(dòng)鐵芯和兩個(gè)次級(jí)線圈的變壓器。變壓器初級(jí)線圈接入交流電源時(shí)，次級(jí)線圈因互感作用產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)互感變化時(shí)，輸出電勢(shì)亦發(fā)生變

22、化。由于它的兩個(gè)次級(jí)線圈常接成差動(dòng)的形式，故又稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，下面介紹目前廣泛采用的螺管式差動(dòng)變壓器。 1）工作原理螺管式差動(dòng)變壓器主要由線圈框架A、繞在框架上的一組初級(jí)線圈W和兩個(gè)完全相同的次級(jí)線圈W1、2及插入線圈中心的圓柱形鐵芯B組成，如圖3-20（a）所示。 圖3-20差動(dòng)變壓器（a）結(jié)構(gòu)原理;（b）等效電路;(c）輸出特性 當(dāng)初級(jí)線圈W加上一定的交流電壓時(shí)，次級(jí)線圈W1和W2由于電磁感應(yīng)分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e1和e2，其大小與鐵芯在線圈中的位置有關(guān)。把感應(yīng)電勢(shì)e1和e2反極性串聯(lián)，則輸出電勢(shì)為 次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 （3-44）

23、式中:M初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間的互感；i流過(guò)初級(jí)線圈的激磁電流。 以上分析表明，差動(dòng)變壓器輸出電壓的大小反映了鐵芯位移的大小，輸出電壓的極性反映了鐵芯運(yùn)動(dòng)的方向。從特性曲線看出，差動(dòng)變壓器輸出特性的非線性得到很大的改善。實(shí)際上，當(dāng)鐵芯位于中間位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓eo并不等于零，把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因主要是傳感器在制作時(shí)兩個(gè)次級(jí)線圈的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等問(wèn)題引起的，零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小零點(diǎn)殘余電壓，否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。 2）測(cè)量電路差動(dòng)變壓器的輸出是一個(gè)調(diào)幅波，且存在

24、一定的零點(diǎn)殘余電壓，因此為了判別鐵芯移動(dòng)的大小和方向，必須進(jìn)行解調(diào)和濾波。另外，為消除零點(diǎn)殘余電壓的影響，差動(dòng)變壓器的后接電路常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。差動(dòng)整流電路就是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別整流，然后將整流后的兩個(gè)電壓或電流的差值作為輸出。現(xiàn)以電壓輸出型全波差動(dòng)整流電路為例來(lái)說(shuō)明其工作原理，電路連接如圖3-21（a）所示。 圖3-21差動(dòng)變壓器測(cè)量電路及波形（a）電路圖;（b）波形圖 由圖3-21（a）可見(jiàn)，無(wú)論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流過(guò)兩個(gè)電阻R的電流總是從a到b，從d到c，故整流電路的輸出電壓 （3-45） 其波形圖如圖3-21（b）所示，當(dāng)鐵芯在

25、零位時(shí)，uo=0，鐵芯在零位以上或零位以下時(shí)，輸出電壓的極性相反，于是零點(diǎn)殘余電壓會(huì)自動(dòng)抵消。差動(dòng)變壓器具有測(cè)量精度高、線性范圍大（100mm）、靈敏度高、穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于直線位移的測(cè)量。 3.2.4磁電式傳感器1.磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是一種機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換型傳感器，不需要供電電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率范圍（一般為101000Hz），適應(yīng)于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)或穿過(guò)線圈的磁通量變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與磁通的變化率

26、有如下關(guān)系： （3-46） 在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，磁通量的變化是關(guān)鍵。進(jìn)入線圈的磁通量越大，d也越大，如果相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越快，即v或越大，相當(dāng)于dt越小，就越大。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e還與線圈匝數(shù)N成正比。不同類型的磁電感應(yīng)式傳感器，實(shí)現(xiàn)磁通量變化的方法不同，有恒磁通的動(dòng)圈式與動(dòng)鐵式磁電感應(yīng)式傳感器，有變磁通的（變磁阻）的開(kāi)磁路式或閉磁路式磁電感應(yīng)式傳感器。 磁電感應(yīng)式傳感器的直接應(yīng)用是測(cè)量線速度v和角速度，如圖3-22所示。其中圖（a）為測(cè)線速度v，圖（b）為測(cè)角速度。當(dāng)線圈垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入量轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢(shì)輸出的一種傳感器。由于不需要輔助電源，所以是一種有

27、源傳感器，也被稱為感應(yīng)式傳感器或電動(dòng)式傳感器。 圖3-22磁電感應(yīng)式傳感器 若線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線時(shí)，則線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為 （3-47） 式中：B磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；x線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移；線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度；線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；N線圈的有效匝數(shù)；l每匝線圈的平均長(zhǎng)度。 當(dāng)90（線圈垂直切割磁力線）時(shí)，式（3-47）可寫(xiě)成 若線圈相對(duì)磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，則線圈的感應(yīng)電勢(shì)為 （3-49） （3-48） 式中：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)角速度，；S每匝線圈的截面積；線圈平面的法線方向與磁場(chǎng)方向的夾角。 當(dāng)時(shí)，式（3-49）可寫(xiě)成 （3-50） 由式（3-

28、48）和式（3-50）可知，當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，B、S、N、l均為定值，因此，感應(yīng)電勢(shì)與相對(duì)速度（或）成正比。從磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理可知，它只適宜于動(dòng)態(tài)測(cè)量。如果在其測(cè)量電路中接入積分電路，輸出的感應(yīng)電勢(shì)就會(huì)與位移成正比；如果接入微分電路，輸出的感應(yīng)電勢(shì)就與加速度成正比。因此，磁電感應(yīng)式傳感器還可用來(lái)測(cè)位移和加速度。 2.變磁阻式磁電式傳感器1）開(kāi)磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器傳感器由永久磁鐵、感應(yīng)線圈、軟鐵、齒輪組成，如圖3-23所示。齒輪安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由齒輪的凹凸引起磁阻變化，以使磁通發(fā)生變化，因而在線圈中感應(yīng)出交變電勢(shì)，其頻率等于齒輪的齒數(shù)z和轉(zhuǎn)速n的乘

29、積，即 （3-51） 式中：z齒輪的齒數(shù)；n被測(cè)軸轉(zhuǎn)速(rpm)；f感應(yīng)電勢(shì)頻率(-1)。 圖3-23開(kāi)磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 2）閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-24所示。它是由安裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和永久磁鐵、外齒輪及線圈構(gòu)成的。內(nèi)、外齒輪的齒數(shù)相等。測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)軸與被測(cè)軸相連，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)、外齒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使磁路氣隙發(fā)生變化，從而磁阻發(fā)生變化，并使貫穿于線圈的磁通量變化，在線圈中感應(yīng)出電勢(shì)。與開(kāi)磁路相同，也可通過(guò)感應(yīng)電勢(shì)頻率測(cè)量轉(zhuǎn)速。 圖3-24閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 能源與水利學(xué)院3.3 物性傳感器 3.3.1壓電式傳感器 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ?/p>

30、使它變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。逆向壓電效應(yīng)是指當(dāng)某晶體沿一定方向受到電場(chǎng)作用時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶軸方向?qū)a(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，又稱電致伸縮效應(yīng)。當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后，晶體內(nèi)部的應(yīng)力或變形也隨之消失。 能源與水利學(xué)院1.壓電效應(yīng)石英是典型的壓電晶體，其化學(xué)成分是二氧化硅（SiO2），壓電系數(shù)較低，d112.310-12C/N。它的壓電效應(yīng)在幾百度的溫度范圍內(nèi)不隨溫度而變化，但到573時(shí)，完全喪失壓電性質(zhì)，這是它的居里點(diǎn)。石英具有很大的機(jī)械強(qiáng)度，在研磨質(zhì)量好時(shí)，

31、可以承受7001000Ncm2的壓力，并且機(jī)械性質(zhì)也較穩(wěn)定。 能源與水利學(xué)院圖3-25石英晶體的理想外形及坐標(biāo)系 光軸電軸機(jī)械軸縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)能源與水利學(xué)院圖3-26壓電效應(yīng)原理圖 能源與水利學(xué)院當(dāng)壓電晶片受到沿x軸方向的力Fx時(shí)，就在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qx為 （3-52） 式中：d11為壓電系數(shù)，而石英晶體d112.310-12C/N。若在同一壓電晶片上的作用力是沿y軸方向，電荷仍在與x軸垂直的平面上出現(xiàn)，電荷大小為 （3-53） 能源與水利學(xué)院2.壓電材料1）壓電晶體石英是典型的壓電晶體，其化學(xué)成分是二氧化硅（SiO2），壓電系數(shù)較低，d112.31012C

32、N。它在幾百度的溫度范圍內(nèi)不隨溫度而變，但到573時(shí)，完全喪失壓電性質(zhì)，這是它的居里點(diǎn)。石英具有很大的機(jī)械強(qiáng)度，在研磨質(zhì)量好時(shí)，可以承受7001000kgmm2的壓力，并且機(jī)械性質(zhì)也較穩(wěn)定。除天然石英和人造石英晶體外，近年來(lái)鈮酸鋰LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、鍺酸鋰LiGeO3等許多壓電單晶在傳感技術(shù)中也獲得廣泛應(yīng)用。 能源與水利學(xué)院具有壓電效應(yīng)的材料能源與水利學(xué)院2）多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶體，主要有極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛等。鈦酸鋇是使用最早的壓電陶瓷，它具有較高的壓電常數(shù)，約為石英晶體的50倍。但它的居里點(diǎn)低，約為120，機(jī)械強(qiáng)度和溫度穩(wěn)定性都不

33、如石英晶體。鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT），隨配方和摻雜的變化可獲得不同的性能。它的壓電常數(shù)很高，約為（200500）10-12，居里點(diǎn)約為310，溫度穩(wěn)定性比較好，是目前使用最多的壓電陶瓷。由于壓電陶瓷的壓電常數(shù)大，靈敏度高，價(jià)格低廉，在一般情況下，都采用它作為壓電式傳感器的壓電元件。 能源與水利學(xué)院多晶壓電陶瓷能源與水利學(xué)院3）新型壓電材料新型壓電材料主要有有機(jī)壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體等。有機(jī)壓電薄膜是由某些高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后形成的具有壓電特性的薄膜，如聚仿氟乙烯、聚氟乙烯等。有機(jī)壓電薄膜具有柔軟、不易破碎、面積大等優(yōu)點(diǎn)，可制成大面積陣列傳感器和機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。能源與水利學(xué)

34、院3.壓電傳感器等效電路當(dāng)壓電晶片受力時(shí)，在它的兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生極性相反、電量相等的電荷。這樣可以把壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器。兩個(gè)極板上聚集電荷，中間為絕緣體，它又可以看成一個(gè)電容器，如圖3-27（a）所示。其電容量為 （3-54） 式中：S極板面積；d壓電晶片厚度；介質(zhì)介電常數(shù)； 能源與水利學(xué)院0真空介電常數(shù)（0=8.8510-12F/m）；r壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)（石英晶體為4.85）。由于電容器上的開(kāi)路電壓Ua電荷量Q與電容Ca三者之間存在以下關(guān)系： 可見(jiàn)壓電式傳感器可以等效為一個(gè)電壓源Ua和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路，如圖3-27（b）所示。也可以等效為一個(gè)電流源I和一個(gè)電容Ca的并聯(lián)

35、電路，如圖3-27（c）所示。 能源與水利學(xué)院圖3-27壓電傳感器（a）壓電元件;（b）電壓等效電路;（c）電荷等效電路 能源與水利學(xué)院由等效電路可知，只有在外電路負(fù)載無(wú)窮大，內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損”時(shí)，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存下來(lái)。但事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷能得以補(bǔ)充時(shí)才適于使用，因此壓電晶片不適合于靜態(tài)測(cè)量。 能源與水利學(xué)院3.3.2半導(dǎo)體敏感元件1.半導(dǎo)體熱敏電阻1）分類及特性半導(dǎo)體熱敏電阻按半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型，即負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻

36、（PTC）和在某一特性溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻（CTR）。它們的特性曲線如圖3-32所示。由圖可見(jiàn)，使用CTR組成熱控制開(kāi)關(guān)是十分理想的，但在溫度測(cè)量中，則主要采用NTC，其溫度特性如下式所示 （3-61） 能源與水利學(xué)院圖3-32三種類型熱敏電阻的典型特性能源與水利學(xué)院若定義熱敏電阻的溫度系數(shù)為 （3-62） 則由式(361)有 能源與水利學(xué)院2）使用時(shí)的注意事項(xiàng).熱敏電阻溫度特性的非線性由式3-61可知，熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律，也就是說(shuō)，其非線性是十分嚴(yán)重的。當(dāng)需要進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換時(shí)，就應(yīng)考慮其線性化處理。常用的線性化方法如下：(1)線性化網(wǎng)絡(luò)。利用包含有熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(luò)（

37、常稱線性化網(wǎng)絡(luò)）來(lái)代替單個(gè)的熱敏電阻。 能源與水利學(xué)院圖3-33溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路 能源與水利學(xué)院(2)利用電子裝置中其他部件的特性進(jìn)行綜合修正。圖3-33是一個(gè)溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路。它實(shí)際是一個(gè)三角波-方波變換器，電容C的充電特性是非線性特性。適當(dāng)?shù)剡x取線路中的電阻r和R加上Rt可以在一定的溫度范圍內(nèi)，得到近似于線性的溫度-頻率轉(zhuǎn)換特性。 （3-63） 能源與水利學(xué)院(3)計(jì)算修正法。.熱敏電阻器特性的穩(wěn)定性和老化問(wèn)題現(xiàn)在已研制出精度優(yōu)于熱電偶，并具有互換性的熱敏電阻，而且還能制造出300以下可忽略老化影響的產(chǎn)品。但不同廠家產(chǎn)品質(zhì)量差異還比較大，使用時(shí)仍應(yīng)認(rèn)真選擇。一般地說(shuō)，正溫度系數(shù)熱敏電阻

38、器和臨界溫度熱敏電阻器特性的均勻性要差于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。在輻射熱檢測(cè)器中，人們采用薄膜式金屬電阻和熱敏電阻薄膜，構(gòu)成熱量型檢測(cè)器，將輻射熱轉(zhuǎn)換成電阻的變化。 能源與水利學(xué)院3）應(yīng)用舉例電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)裝置組成電路原理如圖3-34所示。把三只特性相同的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（如RRC6型，經(jīng)過(guò)測(cè)試，阻值在20時(shí)為10k；100時(shí)為1k；110時(shí)為0.6k)放置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)繞組旁，緊靠繞組，每相各放置一只，用萬(wàn)能膠固定。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，溫度較低，熱敏電阻阻值較高，三極管V1截止，繼電器K不動(dòng)作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷，或斷相，或一相通地時(shí)，電動(dòng)機(jī)溫度急劇上升，熱敏電阻阻值急劇減小，小到一定值，使三極管V

39、1完全導(dǎo)通，繼電器K動(dòng)作，使S閉合，紅燈亮，起到報(bào)警保護(hù)作用。 能源與水利學(xué)院圖3-34電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)裝置組成電路原理 能源與水利學(xué)院 2.氣敏電阻 氣敏電阻是由金屬氧化物燒結(jié)而成的半導(dǎo)體電阻元件，當(dāng)環(huán)境中氣體的成分或濃度發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致氣敏電阻的阻值發(fā)生變化，其變化范圍在103105數(shù)量級(jí)之間。氣敏電阻半導(dǎo)體材料亦分為N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體兩種。N型材料如SnO2、ZnO、CdO、W2O3、Mn02、ThO2、TiO2等；P型材料如MoO2、NiO、CoO、Cu2O、Cr2O3等，均為金屬氧化物。 能源與水利學(xué)院圖3-35氣敏電阻 可燃性氣體： 遇見(jiàn)N型材料時(shí)，內(nèi)阻減小； 遇見(jiàn)P型材料時(shí)，內(nèi)

40、阻增加。能源與水利學(xué)院圖3-36氣敏傳感器在各種氣體濃度q下電路輸出電壓U的曲線 能源與水利學(xué)院車(chē)用酒精氣體報(bào)警器能源與水利學(xué)院光電報(bào)警器光電傳感器能源與水利學(xué)院3.3.3光電傳感器1.光的特性（1）光的電磁說(shuō)。光是一種電磁波，由電磁理論可知，光是電磁波譜中的一員，不同波長(zhǎng)光的分布如圖3-27所示。這些光的頻率（波長(zhǎng)）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等特性。可見(jiàn)光只是電磁波譜中的一小部分，波長(zhǎng)在380780nm之間，紅光頻率最低，紫光頻率最高。光的頻率越高，攜帶的能量越大。 能源與水利學(xué)院圖3-37電磁波頻譜圖 X射線無(wú)線電波能源與水利學(xué)院（2）光的量子說(shuō)。光是一種帶有能量

41、的粒子（稱為光子）所形成的粒子流。由光的粒子說(shuō)可知，光又是由具有一定能量、動(dòng)量和質(zhì)量的粒子所組成，這種粒子稱為光子。（3-64） 式中：h為普朗克常數(shù)，h =6.626 10-34Js；v為光子的頻率（s-1）；c為光速，c=3108m/s；為光的波長(zhǎng)（m）。能源與水利學(xué)院1）外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面、向外發(fā)射的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。物體中的電子吸收的入射光子能量若足以克服逸出功，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生光電發(fā)射。如果逸出電子的能量為mv2/2，m為電子質(zhì)量，v為逸出速度。則有 （3-65） 式（3-65）稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程式，為逸出功。可見(jiàn),只有當(dāng)光子能量大于逸出功

42、，即h時(shí)，才有電子發(fā)射出來(lái);當(dāng)光子的能量等于逸出功，即h時(shí)，逸出的電子初速度為零，此時(shí)光子的頻率為該物質(zhì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的最低頻率，稱為紅限頻率。 能源與水利學(xué)院2）光電導(dǎo)效應(yīng)在光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，引起物體電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。由于這里沒(méi)有電子從物體向外發(fā)射，僅改變物體內(nèi)部的電阻或電導(dǎo)，與外光電效應(yīng)對(duì)照，有時(shí)也稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)是由于在光線的照射下，半導(dǎo)體中的原子受激發(fā)成為自由電子或空穴，它們參加導(dǎo)電使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加了。與外光電效應(yīng)一樣，要產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，也要受到紅限頻率限制。利用光電導(dǎo)效應(yīng)可制成半導(dǎo)體光敏電阻。 能源與水利學(xué)院3）光

43、生伏特效應(yīng)在光的作用下，能夠使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。利用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有光敏二極管、光敏三極管和光電池等。 價(jià)電子吸收能量能源與水利學(xué)院2.光電器件的基本特性各種光電器件的基本特性包括以下幾方面。1）光電流光敏元件的兩端加上一定偏置電壓后，在某種光源的特定照度下產(chǎn)生或增加的電流稱為光電流。 有光照！能源與水利學(xué)院2）暗電流光敏元件在無(wú)光照時(shí)，兩端加電壓后產(chǎn)生的電流稱為暗電流。暗電流在電路設(shè)計(jì)中被認(rèn)為是一種噪聲電流。在高照度情況下，由于光電流與暗電流的比值大，還不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題；但在低照度時(shí)，因光電流與暗電流的比值較小，如果電路各級(jí)間沒(méi)有耦合電容隔斷直流電流，

44、則容易使線路產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此，暗電流對(duì)測(cè)量微弱光強(qiáng)及精密測(cè)量的影響很大。在選擇時(shí)，應(yīng)選擇暗電流小的光電器件。 無(wú)光照！能源與水利學(xué)院3）光照特性當(dāng)光敏元件加一定電壓時(shí)，光電流與光敏元件上光照度之間的關(guān)系，稱為光照特性。一般可表示為I=f(E)。4）光譜特性當(dāng)光敏元件加一定電壓時(shí)，如果照射在光敏元件上的是一單色光，且入射光功率不變，光電流隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的關(guān)系，稱為光譜特性。光譜特性對(duì)選擇光電器件和光源有重要意義。當(dāng)光電器件的光譜特性與光源的光譜分布協(xié)調(diào)一致時(shí)，光電傳感器的性能較好，效率也高。在檢測(cè)中，應(yīng)選擇最大靈敏度在需要測(cè)量的光譜范圍內(nèi)的光敏元件，才有可能獲得最高靈敏度。能源與水利學(xué)院

45、5）伏安特性在一定照度下，光電流與光敏元件兩端的電壓的關(guān)系I=f(U)稱為伏安特性。同晶體管的伏安特性一樣，光敏元件的伏安特性可以用來(lái)確定光敏元件的負(fù)載電阻，設(shè)計(jì)應(yīng)用電路。6）頻率特性在相同的電壓和相同幅值的光強(qiáng)度下，當(dāng)入射光受不同的正弦交變頻率調(diào)制時(shí)，光敏元件輸出的光電流和靈敏度隨調(diào)制頻率變化的關(guān)系I=f1(f)，K=f2(f)稱為頻率特性。 能源與水利學(xué)院7）溫度特性環(huán)境溫度變化后，光敏元件的光學(xué)性質(zhì)也將隨之改變，這種現(xiàn)象稱為溫度特性。溫度升高時(shí)，電子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，引起光敏元件的光電流及光譜特性等變化。溫度超過(guò)一定值時(shí)，光電器件的性質(zhì)會(huì)有顯著地改變。光電器件都有極限工作條件，正常使用時(shí)都不允

46、許超過(guò)這些指標(biāo)，否則會(huì)影響光電器件的正常工作，甚至使器件損壞。通常各種光電器件都規(guī)定了工作電壓、工作電流、工作溫度等的允許范圍，使用時(shí)要注意。 能源與水利學(xué)院3.光電管）結(jié)構(gòu)和工作原理典型的光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者結(jié)構(gòu)相似，圖3-38（a）所示為光電管的結(jié)構(gòu)示意圖，它由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，它們一起裝在一個(gè)被抽成真空的玻璃泡內(nèi)，陰極裝在光電管玻璃泡內(nèi)壁或特殊的薄片上，光線通過(guò)玻璃泡的透明部分投射到陰極。要求陰極鍍有光電發(fā)射材料，并有足夠的面積來(lái)接受光的照射。陽(yáng)極要既能有效地收集陰極所發(fā)射的電子，而又不妨礙光線照到陰極上，因此是用一細(xì)長(zhǎng)的金屬絲彎成圓形或矩形制成，放在玻璃管的中

47、心。 能源與水利學(xué)院光電管的連接電路圖如圖3-38（b）所示。光電管的陰極K和電源的負(fù)極相連，陽(yáng)極A通過(guò)負(fù)載電阻RL接電源正極，當(dāng)陰極受到光線照射時(shí)，電子從陰極逸出，在電場(chǎng)作用下被陽(yáng)極收集，形成光電流I，該電流及負(fù)載電阻RL上的電壓將隨光照的強(qiáng)弱而改變，達(dá)到把光信號(hào)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化的目的。 圖3-38光電管結(jié)構(gòu)示意圖和連接電路 充氣光電管的結(jié)構(gòu)基本與真空光電管相同，只是管內(nèi)充以少量的惰性氣體，如氖氣等。當(dāng)光電管陰極被光線照射產(chǎn)生電子后，在趨向陽(yáng)極的過(guò)程中，由于電子對(duì)氣體分子的撞擊，將使惰性氣體分子電離，從而得到正離子和更多的自由電子，使電流增加，提高了光電管的靈敏度。但充氣光電管的頻率特性

48、較差，溫度影響大，伏安特性為非線性等，所以在自動(dòng)檢測(cè)儀表中多采用真空光電管。 ）主要特性.光電管的伏安特性在一定的光照下，對(duì)光電管陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。真空光電管和充氣光電管的伏安特性分別如圖3-39（a）、（b）所示，它們是光電傳感器的主要參數(shù)依據(jù)，充氣光電管的靈敏度更高。 圖3-39光電管的伏安特性（a）真空光電管;（b）充氣光電管 .光電管的光照特性當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光照特性。圖3-40為光電管的光照特性，曲線1是氧銫陰極光電管的特性，光電流I與光通量呈線性關(guān)系；曲線2是銻銫陰極光電管的光照特性，呈

49、非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之比）稱為光電管的靈敏度。 圖3-40光電管的光照特性 圖3-41光電管的光譜特性 .光電管的光譜特性一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率0，因此，它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會(huì)不同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。圖3-41為光電管的光譜特性。國(guó)產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的，其紅限為7000nm，它對(duì)可見(jiàn)光

50、范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)2530%。 這種管子適用于白光光源，因而被廣泛地應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測(cè)儀表中。對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鍋陰極。另外，銻、鉀、鈉、銫陰極的光譜范圍較寬，為30008500nm，靈敏度也較高，與人的視覺(jué)光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極。但也有些光電管的光譜特性和人的視覺(jué)光譜特性有很大差異，因而在測(cè)量和控制技術(shù)中，這些光電管可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車(chē)的夜視鏡等。 4.光電倍增管當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾個(gè)微安，很不容易探測(cè)。這時(shí),常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大，

51、圖3-42是光電倍增管的外形和工作原理圖。 圖3-42光電倍增管的外形和工作原理圖 1）光電倍增管的結(jié)構(gòu)光電倍增管由光陰極、次陰極（倍增電極）以及陽(yáng)極三部分組成。光電倍增管由光電陰極K、倍增電極D以及陽(yáng)極A組成，倍增電極上涂有電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料，其形狀和位置設(shè)計(jì)得正好使前一級(jí)發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊下一級(jí)，倍增級(jí)多的可達(dá)30級(jí)，通常為1214級(jí)。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅一被的襯底上涂上銻銫材料而形成的。陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。 2）工作原理光電倍增管除光電陰極外，還有若干個(gè)倍增電極。使用時(shí)在各個(gè)倍增電極上均勻加上電壓。陰極電位最低，從陰極開(kāi)

52、始，各個(gè)倍增電極的電位依次升高，陽(yáng)極電位最高。同時(shí)這些倍增電極用次陰極發(fā)射材料制成，這種材料在具有一定能量的電子轟擊下，能夠產(chǎn)生更多的“次級(jí)電子”。由于相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場(chǎng)，對(duì)電子加速。從陰極發(fā)出的光電子，在電場(chǎng)的加速下，打到第一個(gè)倍增電極上，引起二次電子發(fā)射。每個(gè)電子能從這個(gè)倍增電極上打出36倍個(gè)次級(jí)電子；被打出來(lái)的次級(jí)電子再經(jīng)過(guò)電場(chǎng)的加速后，打在第二個(gè)倍增電極上，電子數(shù)又增加36倍，如此不斷倍增，陽(yáng)極最后收集到的電子數(shù)將達(dá)到陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)。 3）主要參數(shù).

53、倍增系數(shù)M倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)i的乘積。如果n個(gè)倍增電極的i相等，則，陽(yáng)極電流I為，式中，i是光電陰極的光電流。光電倍增管的電流放大系數(shù)為 （3-66） 倍增系數(shù)M與所加電壓有關(guān)，一般陽(yáng)極和陰極之間的電壓為10002500V，兩個(gè)相鄰倍增電極的電位差為50100V。 .光電特性圖3-43（a）是光電倍增管的光電特性，當(dāng)光通量不大時(shí)，陽(yáng)極電流I和光通量之間有良好的線性關(guān)系，但當(dāng)光通量很大時(shí)（0.01lm時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性。光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性相似。 圖3-43光電倍增管的特性曲線（a）光電特性；（b）光譜特性；（c）伏安特性 .光譜特性圖3-4

54、3（b）是銻鉀銫光電陰極的光電倍增管的光譜特性。.伏安特性光電倍增管的陽(yáng)極電流與最后一級(jí)倍增極和陽(yáng)極電壓的關(guān)系，稱為光電倍增管的伏安特性。圖3-43（c）為光電倍增管的伏安特性，此時(shí)其余各電極的電壓保持恒定。由圖可見(jiàn)，實(shí)際照到光電陰極上的光通量愈大，相應(yīng)地達(dá)到飽和時(shí)的陽(yáng)極電流也愈大。使用時(shí)，應(yīng)工作在特性曲線的飽和區(qū)。 .靈敏度一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的靈敏度高，頻率特性好，頻率可達(dá)10Hz，甚至更高，但它需要高壓直流電源，價(jià)格貴、體積大，經(jīng)不起機(jī)械沖擊。 .暗電流光電倍增管由于環(huán)境溫度、熱輻射

55、等因素的影響，即使沒(méi)有光信號(hào)輸入，加上電壓后仍有電流，這種電流稱為暗電流。光電倍增管的暗電流對(duì)于測(cè)量微弱的光強(qiáng)和確定管子靈敏度的影響很大，產(chǎn)生暗電流的主要原因是光電陰極和倍增極的熱電子發(fā)射，它隨溫度增加而增加。一般在使用光電倍增管時(shí)，必須將其放在暗室里避光使用，只對(duì)入射光起作用。這種暗電流通常可以用補(bǔ)償電路加以消除。表3-1為常見(jiàn)光電倍增管的特性參數(shù)。 表3-1常見(jiàn)光電倍增管的特性參數(shù) 5.光敏電阻1）結(jié)構(gòu)和原理光敏電阻又稱為光導(dǎo)管。光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成。光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，如圖3-44所示。在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導(dǎo)體層可

56、靠地電接觸，然后，將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周?chē)橘|(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，如圖3-45所示為接線電路。 圖3-44光敏電阻結(jié)構(gòu) 圖3-45光敏電阻接線電路 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力完全取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，若光子能量大于該半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子空穴對(duì)的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強(qiáng)，光生電子空穴對(duì)就越多，阻值就愈低。入射光消失，電子空穴

57、對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值。光敏電阻在受到光的照射時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻R下降，所以流過(guò)負(fù)載電阻R的電流及其兩端的電壓也隨之變化。光線越強(qiáng)，電流越大。當(dāng)光照停止時(shí)，光電效應(yīng)消失，電阻恢復(fù)原值，因而可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 2）光敏電阻種類 光敏電阻是一個(gè)純電阻性兩端器件，適用于交、直流電路，因而應(yīng)用廣泛，種類很多。對(duì)光照敏感的半導(dǎo)體光敏元件都可以制成光敏電阻，目前人類已開(kāi)發(fā)應(yīng)用的光波頻譜范圍為0.1lO21Hz，相應(yīng)的波長(zhǎng)為3109m0.3pm。半導(dǎo)體光敏元件的敏感光波長(zhǎng)為納米波，按其最佳工作波長(zhǎng)范圍可分為三類。 .對(duì)紫外光敏感元件紫外光是指紫外線（波長(zhǎng)=10380nm）

58、的內(nèi)側(cè)光波，波長(zhǎng)約300-380nm。對(duì)這類光敏感的材料有氧化鋅（Zn0）、硫化鋅（ZnS）、硫化鎘（CdS）、硒化鎬（CdSe）等，這類敏感元件適于作、射線檢測(cè)及光電控制電路。 .對(duì)可見(jiàn)光敏感元件可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍約（波長(zhǎng)=380760nm），對(duì)這類光敏感的材料有硒（Se）、硅（Si）、鍺（Ge）及硫化鉈（TlS）、硫化鎘（CdS）等，尤其是TlS光敏元件，它既適用于可見(jiàn)光，也適用于紅外光。這類敏感元件適用于光電計(jì)數(shù)、光電耦合、光電控制等場(chǎng)合。.對(duì)紅外光敏感元件紅外光是紅外線（波長(zhǎng)=760106nm）的內(nèi)側(cè)光波，波長(zhǎng)約7606000nm。對(duì)這類光敏感的材料有硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、

59、銻化銦（InSb）等，這類敏感元件主要用來(lái)探測(cè)不可見(jiàn)目標(biāo)。 3）光敏電阻的特性.暗電阻、亮電阻與光電流光敏電阻在未受到光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流;在受到光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般暗電阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度越高。光敏電阻的暗電阻的阻值一般在兆歐數(shù)量級(jí)，亮電阻在幾千歐以下。暗電阻與亮電阻之比一般在102106之間，這個(gè)數(shù)值是相當(dāng)可觀的。 .光敏電阻的伏安特性一般光敏電阻如硫化鉛、硫化鉈的伏安特性曲線如圖3-46所示。由曲線可知，所加的電壓越高，光電流越大，而且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨

60、光照增強(qiáng)而增大。 .光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性用于描述光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的，如圖3-47所示。不同光敏電阻的光照特性是不相同的。光敏電阻不宜作線性測(cè)量元件，一般用做開(kāi)關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。 圖3-46光敏電阻的伏安特性 圖3-47光敏電阻的光照特性 .光敏電阻的光譜特性幾種常用光敏電阻材料的光譜特性，如圖3-48所示。對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。從圖中看出，硫化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。 .光敏電阻的溫度特性隨著溫度不斷升高