...wd......wd......wd...第一章引言教學要求1．掌握傳感器的根本概念。2．掌握傳感器的組成框圖〔p2，圖1.1〕。3．掌握傳感器的靜態性能和動態性能。4．了解傳感器的課程性質和課程任務。5．了解傳感器的分類和開展趨勢。教學內容

1.1

傳感器的開展和作用

了解。1.2

什么是傳感器傳感器定義：能夠感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件和裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。根據傳感器的功能要求，它一般應由三局部組成，即：敏感元件、轉換元件、轉換電路。1.3傳感器的分類1．根據被測物理量分類速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。2．按工作原理分類應變式、電壓式、電容式、渦流式、差動變壓器式等。3．按能量的傳遞方式分類有源的和無源的傳感器。1.4傳感器的性能和評價

1.4.1

傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性是指傳感器的輸入信號不隨時間變化或變化非常緩慢時，所表現出來的輸出響應特性，稱靜態響應特性。通常用來描述靜態特性的指標有：測量范圍、精度、靈敏度、穩定性、非線性度、重復性、靈敏閾和分辨力、遲滯。?穩定性傳感器的穩定性，一是指傳感器測量輸出值在一段時間內的變化，即用所謂的穩定度表示；二是指在傳感器外部環境和工作條件變化時而引起輸出值的變化，即用影響量來表示。?靈敏度傳感器靈敏度是表示傳感器的輸入增量與由它引起的輸出增量之間的函數關系。更確切地說，靈敏度k等于傳感器輸出增量與被測量增量之比，是傳感器在穩態輸出輸入特性曲線上各點的斜率。用公式表示為：?靈敏閾與分辨力靈敏閾是指傳感器能夠區分出的最小讀數變化量。對模擬式儀表，當輸入量連續變化時，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個階梯所代表的輸入量的大小。對于數字式儀表，靈敏度閾就是分辨力，即儀表指示數字值的最后一位數字所代表的值。從物理含義看，靈敏度是廣義的增益，而靈敏度閾則是死區或不靈敏度。?遲滯傳感器在正〔輸入量增大〕反〔輸入量減小〕行程中——輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯。?線性度傳感器的輸出——輸入校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，稱為該傳感器的“非線性誤差〞或稱“線性度〞，也稱“非線性度〞。1.4.2傳感器的動態特性動態特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性。只要輸入量是時間的函數，則其輸出量必將是時間的函數。研究動態特性的標準輸入形式有三種，即正弦、階躍和線性，而經常使用的是前兩種。?零階傳感器動態特性指標零階傳感器，其輸入量無論隨時間假設何變化，其輸出量的幅值總是與輸入量成確定的比例關系，在時間上也不滯后，幅角φ等于零。所以零階傳感器的動態特性指標就是靜態特性指標。?一階傳感器動態特性指標一階傳感器動態特性指標有：靜態靈敏度和時間常數τ。如果時間常數τ越小，系統的頻率特性就越好。在彈簧阻尼系統中，就要求系統的阻尼系數小，而彈簧剛度要大。?二階傳感器動態特性指標二階傳感器的傳遞函數：頻率函數為：幅頻特性為：相頻特性為：上面各式中：——系統無阻尼時的固有振動角頻率；——彈簧常數；——質量；——相對阻尼系數；——阻尼器阻尼系數；——靜態靈敏度。由于大多數傳感器均為二階系統，所以我們要專門討論二階系統的階躍響應。根據二階系統相對阻尼系數的大小，將其二階響應分成三種情況：既時過阻尼；時臨界阻尼；時欠阻尼。在一定的值下，欠阻尼系統比臨界阻尼系統更快地到達穩態值；過阻尼系統反響遲鈍，動作緩慢，所以一般傳感器都設計成欠阻尼。一般取值為0.6~0.8。第二章應變式傳感器

教學要求1．掌握電阻應變效應的根本概念。2．掌握電橋原理與電阻應變計橋路。3．掌握應變計的靜態性能和動態性能。4.掌握溫度誤差產生的原因及其補償方法。4．了解應變計的分類和命名規則。5．了解應變計的應用和開展現狀。教學內容2.1電阻應變效應

2.1.1

電阻應變效應定義：導體或半導體材料在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值相應發生變化，這種現象稱為“應變效應〞。設有一段長為l，截面積為A，電阻率為ρ的導體(如金屬絲)，它具有的電阻為：式中：ρ—電阻絲的電阻率；l—電阻絲的長度；A—電阻絲的截面積。2.1.2應變計的分類了解。2.1.3應變計型號命名了解。

2.2

應變計的主要特性2.2.1應變計的靈敏度系數

當具有初始電阻值的應變計粘貼于試件外表時，試件受力引起的外表應變，將傳遞給應變計的敏感柵，使其產生電阻相對變化。實驗證明，在一定的應變范圍內，有以下關系：式中，為電阻應變計的靈敏度系數。必須指出，應變計的靈敏系數并不等于其敏感柵整長應變絲的靈敏度系數，一般情況下，。這是因為，在單向應力產生雙向應變的情況下，除受到敏感柵構造形狀﹑成型工藝﹑粘結劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧局部橫向效應的影響。應變計的靈敏度系數直接關系到應變測量的精度。因此，值通常采用從批量生產中每批抽樣，在規定條件下通過實測確定，該值稱為“標稱靈敏度系數〞。2.2.2橫向效應定義：在單位應力、雙向應變情況下，橫向應變總是起著抵消縱向應變的作用。應變計這種既敏感縱向應變，又同時受橫向應變影響而使靈敏系數及相對電阻比都減小的現象，稱為橫向效應。其大小用橫向效應系數H(百分數)來表示，即：對軸向應變的靈敏度系數；為對橫向應變的靈敏度系數。減小橫向效應的方法：采用直角線柵式應變計或箔式應變計。2.2.3應變計的動態特性實驗說明，機械應變波是以一樣于聲波的形式和速度在材料中傳播的。當它依次通過一定厚度的基底、膠層(兩者都很薄，可忽略不計)和柵長而為應變計所響應時，就會有時間的遲后。應變計的這種響應遲后對動態(高頻)應變測量，就會產生誤差。應變計的動態特性就是指其感受隨時間變化的應變時之響應特性。2.2.4其它特性參數

機械滯后實用中，由于敏感柵基底和粘結劑材料性能，或使用中的過載，過熱，都會使應變計產生剩余變形，導致應變計輸出的不重合。這種不重合性用機械滯后(Zj)來衡量。它是指粘貼在試件上的應變計，在恒溫條件下增(加載)、減(卸載)試件應變的過程中，對應同一機械應變所指示應變量(輸出)之差值，見圖2.1所示。通常在室溫條件下，要求機械滯后Zj＜3～10με。實測中，可在測試前通過屢次重復預加、卸載，來減小機械滯后產生的誤差。圖2.1

應變計的機械滯后特性

圖2.2

應變計的蠕變和零漂特性蠕變和零漂粘貼在試件上的應變計，在恒溫恒載條件下，指示應變量隨時間單向變化的特性稱為蠕變。如圖2.2中θ所示。當試件初始空載時，應變計示值仍會隨時間變化的現象稱為零漂。如圖2.2中的P0所示。蠕變反映了應變計在長時間工作中對時間的穩定性，通常要求θ＜3～15μs。引起蠕變的主要原因是，制作應變計時內部產生的內應力和工作中出現的剪應力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產生的“滑移〞所致。選用彈性模量較大的粘結劑和基底材料，適當減薄膠層和基底，并使之充分固化，有利于蠕變性能的改善。應變極限應當知道，應變計的線性(靈敏系數為常數)特性，只有在一定的應變限度范圍內才能保持。當試件輸入的真實應變超過某一限值時，應變計的輸出特性將出現非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差到達10%時的真實應變值，稱為應變極限。如圖2.3所示。應變極限是衡量應變計測量范圍和過載能力的指標，通常要求。影響的主要因素及改善措施，與蠕變根本一樣。

圖2.3應變計的應變極限特性

2.3

應變計的粘貼了解粘貼劑的選用要求，和常用粘合劑的選用原則：有機粘合劑通常用于低溫﹑常溫合中溫，無機粘合劑用于高溫。2.4電橋原理及電阻應變計橋路2.4.1

直流電橋的特性方程及平衡條件電橋的供橋電源電壓為，R1、R2、R3和R4為橋臂，RL為負載內阻，負載電流IL為:2.4直流電橋該方程為直流電橋的特性方程。IL＝0時電橋平衡，則平衡條件為：這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等或相對兩臂電阻的乘積相等。2.4.2

直流電橋的電壓靈敏度應變片工作時，其電阻變化很小，電橋相應輸出電壓也很小。要推動記錄儀工作，須將輸出電壓放大，為此必須了解ΔR/R與電橋輸出電壓的關系。電橋靈敏度定義為：單臂工作應變片的電橋電壓靈敏度為：式中，2.4.3交流電橋的平衡條件和電壓輸出Z1、Z2、Z3、Z4為復阻抗，U為交流電壓源，開路輸出電壓為U0，根據交流電路分析〔和直流電路類似〕可得平衡條件為：設

(i=1,2,3,4)式中

、——各橋臂電阻和電抗；，——各橋臂復阻抗的模和幅角。因此，交流電橋的平衡條件必須同時滿足：

或2.5交流電橋2.6交流電橋分布電容的影響電橋的調平就是確保試件在未受載、無應變的初始條件下，應變電橋滿足平衡條件(初始輸出為零)。在實際的應變測量中，由于各橋臂應變計的性能參數不可能完全對稱，加之應變計引出導線的分布電容〔其容抗與供橋電源頻率有關〕，嚴重影響著交流電橋的初始平衡和輸出特性。因此，交流電橋平衡時，必須同時滿足電阻和電容平衡兩個條件。和

對全等臂電橋，上式即為和

2.5

溫度誤差及其補償2.5.1溫度誤差產生的原因

用應變片測量時，希望其電阻只隨應變而變，而不受其它因素的影響。但實際上環境溫度變化時，也會引起電阻的相對變化，從而產生溫度誤差。應變計的溫度效應及其熱輸出由兩局部組成：前局部為熱阻效應所造成；后局部為敏感柵與試件熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大時，這種熱輸出干擾必須加以補償?！?〕敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度變化產生的溫度誤差〔2〕試件材料與應變絲材料的線膨脹系數不一，使應變絲產生附加形變而造成的電阻變化。式中

——敏感柵材料的電阻溫度系數；——應變計的靈敏系數；——分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數。2.5.2溫度補償方法常采用溫度自補償法和橋路補償法。溫度自補償法這種方法是通過精心選配敏感柵材料與構造參數來實現熱輸出補償的。(1)單絲自補償應變計

由式可知，欲使熱輸出為0，只要滿足條件

(a)絲繞式(b)短接式

雙絲自補償應變計

(2)雙絲自補償應變計

這種應變計的敏感柵是由電阻溫度系數為一正一負的兩種合金絲串接而成，如以以下列圖。應變計電阻R由兩局部電阻Ra和Rb組成，即R=Ra+Rb。當工作溫度變化時，假設Ra柵產生正的熱輸出εat與Rb柵產生負的熱輸出εbt，能大小相等或相近，就可到達自補償的目的。橋路補償法橋路補償法是利用電橋的和、差原理來到達補償的目的。(1)雙絲半橋式這種應變計的構造與雙絲自補償應變計雷同。不同的是，敏感柵是由同符號電阻溫度系數的兩種合金絲串接而成，而且柵的兩局部電阻R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂上：工作柵R1接入電橋工作臂，補償柵R2外接串接電阻RB(不敏感溫度影響)后接入電橋補償臂；另兩臂照例接入平衡電阻R3和R4，如以以下列圖。當溫度變化時，只要電橋工作臂和補償臂的熱輸出相等或相近，就能到達熱補償目的，即:雙絲半橋式熱補償應變計(2)補償塊法這種方法是用兩個參數一樣的應變計R1、R2。R1貼在試件上，接入電橋工作臂，R2貼在與試件同材料、同環境溫度，但不參與機械應變的補償塊上，接入電橋相鄰臂作補償臂(R3、R4同樣為平衡電阻)，如圖2.19所示。這樣，補償臂產生與工作臂一樣的熱輸出，通過差接橋，起了補償作用。這種方法簡便，但補償塊的設置受到現場環境條件的限制。〔3〕熱敏電阻補償熱敏電阻Rt與應變片處在一樣的溫度下，當應變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出電壓。選擇分流電阻R5的值，可以使應變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補償。2.6電阻應變儀電學應變儀應用最廣泛，它采用的電路可以是直流電橋式、交流電橋式或電位計式，應用最多的是交流電橋式電路并帶有載波放大器的形式。采用交流電橋電路的應變儀由電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器和電源局部組成。①電橋：將應變計的電阻變化轉換成電壓或電流信號,以便放大器放大。通常電橋由正弦振蕩器供電,其頻率為500赫～50千赫,較低頻率的被測應變信號對較高的頻率的電橋電壓進展調幅，輸出一個窄頻帶的調幅波信號。②放大器：對電橋輸出的微弱信號進展不失真的放大，并以足夠的功率去推動指示器和記錄器。為提高放大器的穩定性，一般采用交流載波放大器，直流放大器僅用于超動態應變儀。③相敏檢波器：將放大后的調幅波復原為被測應變信號波形，同時反映被測應變信號的方向，通常采用環形相敏檢波器。④濾波器：濾除相敏檢波器輸出信號中的高次諧波分量，以獲得理想的輸出波形。⑤振蕩器：產生一個穩定的振蕩電壓，作為電橋供電電壓和相敏檢波器的參考電壓。2.7應變式傳感器根本概念1、應變：物體在外部壓力或拉力作用下發生形變的現象。2、彈性應變：當外力去除后，物體能夠完全恢復其尺寸和形狀的應變。3、彈性元件：

具有彈性應變特性的物體。構成彈性敏感元件，應變計〔絲〕。工作原理當被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發生變形，產生相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的應變片，引起應變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。2.7.2應變式測力與稱重傳感器

組成：彈性體，應變計和外殼。分類：根據構造形式不同可分為：柱式﹑橋式﹑輪輻式﹑梁式﹑環式等。柱式：特點是構造簡單、緊湊，易于加工，本錢費用低，密封性能良好，對于潮濕環境很適用，可設計成壓式或拉式的，可以承受很大的載荷；其缺點是位移量小、靈敏度低。橋式：傳感器彈性體為橋式，其兩端用兩只螺栓緊固到下面的支撐體上，其彈性體與支撐體之間有一間隙，為彈性體的受力變形空間。該類傳感器的特點如下：由于傳感器與秤體之間的連接為要求很低的間隙配合，所以安裝方便，維護簡單，重復性好。輪輻式：高度低、精度高、抗偏心載荷和側向力強。剪切梁式：該類傳感器有以下特點：輸出信號不受稱重點位置變化的影響；線性好、精度高；傳感器受拉伸與壓縮時，切應力的幅度與分布根本一樣，即傳感器的拉伸、壓縮靈敏度根本一樣，所以特別適用于同時受拉和壓的測量；外形低、體積小、重量輕，易于安裝和維修；構造簡單易于密封；抗側向力強。板環式：特點是輸出靈敏度高、受力狀態穩定、溫度均勻性好、構造簡單、易于加工，可制成拉壓2種型號，對于0.5～30噸的拉壓方式稱重傳感器，這種方式是很好的。應變式壓力傳感器

組成：彈性元件，電阻應變計和外殼及補償電阻。分類：應變式壓力傳感器所用彈性元件可根據被測介質和測量范圍的不同而采用各種型式，常見有圓膜片、彈性梁、應變筒等。應變式加速度傳感器

加速度傳感器的構成如圖：包括了應變片﹑彈簧片﹑質量塊﹑外殼和基座。2.8幾種新型的微應變式傳感器概念壓阻效應：半導體材料受到應力作用時，其電阻率會發生變化，這種現象就稱為壓阻效應。化學氣相沉積〔CVD〕：是半導體技術中一種常用的薄膜生長技術，這種技術使用化學的方法來沉積薄膜。第三章光電式傳感器

教學要求1．掌握光電效應的根本概念，內光電效應和外光電效應。2．掌握光傳感器的特性及其表示法。3．掌握光電管，光電倍增管，光敏電阻，光電耦合器件的原理，構造。4．了解熱釋電效應的原理。5．了解其它光電傳感器的組成，原理和開展趨勢。教學內容光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三局部組成。光電檢測方法具有精度高、反響快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的構造簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。

3.1光電效應

光電效應：它是光照射到某些物質上，使該物質的電特性發生變化的一種物理現象，可分為外光電效應和內光電效應兩類。外光電效應是指，在光線作用下物體內的電子逸出物體外表向外發射的物理現象。內光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應兩類。光電導效應是指，半導體材料在光照下禁帶中的電子受到能量不低于禁帶寬度的光子的激發而躍遷到導帶，從而增加電導率的現象。能量對應于禁帶寬度的光子的波長稱光電導效應的臨界波長。光生伏特效應是指光線作用能使半導體材料產生一定方向電動勢的現象。光生伏特效應又可分為勢壘效應〔結光電效應〕和側向光電效應。勢壘效應的機理是在金屬和半導體的接觸區(或在PN結)中，電子受光子的激發脫離勢壘〔或禁帶〕的束縛而產生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下電子移向N區外側，空穴移向P區外側，形成光生電動勢。側向光電效應是當光電器件敏感面受光照不均勻時，受光激發而產生的電子空穴對的濃度也不均勻，電子向未被照射局部擴散，引起光照局部帶正電、未被光照局部帶負電的一種現象?；谕夤怆娦墓怆娒舾衅骷泄怆姽芎凸怆姳对龉?。基于光電導效應的有光敏電阻。基于勢壘效應的有光電二極管和光電三極管。基于側向光電效應的有反轉光敏二極管。3.2熱釋電效應所謂熱釋電效應是指該種材料中自發極化的強度隨溫度的變化而變化的效應。電介質在外加電場的作用下會產生電極化的現象即會使電介質的一個外表帶有正電荷而另一個外表帶有負電荷。3.3光的吸收系數了解。3.4光傳感器的特性表示法光電探測器的性能參數主要的有：積分靈敏度R，光譜靈敏度Rλ，頻率靈敏度Rf，量子效率η，通量閾Pth和噪聲等效功率NEP，歸一化探測度D*等。光譜靈敏度R：,如果是常數，則相應的探測器為無選擇性探測器，如：光熱探測器；反之，則為選擇性探測器，如光子探測器。頻率靈敏度Rf:如果入射光是強度調制的，在其他條件不變下，光電流將隨調制頻率f的升高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf。量子效率表示探測器吸收的光子數和激發的電子書之比。通量閾指探測器所能探測的最小光信號功率。通常認為當信號光電流等于噪聲電流時，剛剛能測量到光電流存在。噪聲等效功率NEP，單位信噪比時的信號光功率。噪聲等效功率越小，探測器探測微弱信號的能力越強。光譜特性在入射光照度一定時，光電元件的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種材料只對一定波長范圍的人射光敏感，這就是光譜特性。頻率特性表征光電器件的動態性能，反映了交變光照下器件的輸出特性，用響應時間來表示。伏安特性在一定的光照下，對光電器件所加端電壓與光電流之間的關系稱為伏安特性。它是傳感器設計時選擇電參數的依據。使用時應注意不要超過器件最大允許的功耗。溫度特性光電器件隨所處環境溫度的變化，其光電效應的外在表現會發生變化。3.5光電傳感器3.5.1光電管

光電管原理是光電效應。一種是半導體材料類型的光電管，它的工作原理光電二極管又叫光敏二極管，是利用半導體的光敏特性制造的光承受器件。當光照強度增加時，PN結兩側的P區和N區因本征激發產生的少數載流子濃度增多，如果二極管反偏，則反向電流增大，因此，光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態下。常見的半導體材料有硅、鍺等。如我們樓道用的光控開關。還有一種是電子管類型的光電管，它的工作原理用堿金屬〔如鉀、鈉、銫等〕做成一個曲面作為陰極，另一個極為陽極，兩極間加上正向電壓，這樣當有光照射時，堿金屬產生電子，就會形成一束光電子電流，從而使兩極間導通，光照消失，光電子流也消失，使兩極連續開。3.5.2光電倍增管光電倍增管是一種能將微弱的光信號轉換成可測電信號的光電轉換器件。它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件。光電倍增管是一種真空器件。它由光電發射陰極〔光陰極〕和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極〔陽極〕等組成。典型的光電倍增管按入射光接收方式可分為端窗式和側窗式兩種類型。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面構造圖。其主要工作過程如下：當光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統，并通過進一步的二次發射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為采用了二次發射倍增系統，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應快速、本錢低、陰極面積大等優點。3.5.3

光敏電阻

構造：通常由光敏層、玻璃基片〔或樹枝防潮膜〕和電極等組成的。特性：光敏電阻器是利用半導體光電導效應制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感，它的電阻值能隨著外界光照強弱〔明暗〕變化而變化。它在無光照射時，呈高阻狀態；當有光照射時，其電阻值迅速減小。作用與應用：廣泛應用于各種自動控制電路〔如自動照明燈控制電路、自動報警電路等〕、家用電器〔如電視機中的亮度自動調節,照相機的自動曝光控制等〕及各種測量儀器中。光敏電阻器種類：

1〕按制作材料分類：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘〔CdS〕、硒化鎘(CdSe)、硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、銻化銦(InSb)光敏電阻器等。

2〕按光譜特性分類：

●可見光光敏電阻器：主要用于各種光電自動控制系統、電子照相機、光報警等地。

●紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線探測儀器。

●紅外光光敏電阻器：主要用于天文、軍事等領域的有關自動控制系統。光敏電阻器的主要參數1〕亮電阻〔kΩ〕：指光敏電阻器受到光照射時的電阻值。2〕暗電阻(MΩ)：指光敏電阻器在無光照射〔黑暗環境〕時的電阻值。3〕最高工作電壓(V)：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。4〕亮電流：指光敏電阻器在規定的外加電壓下受到光照射時所通過的電流。5〕暗電流(mA)：指在無光照射時，光敏電阻器在規定的外加電壓下通過的電流。6〕時間常數〔s〕：指光敏電阻器從光照躍變開場到穩定亮電流的63％時所需的時間。7〕電阻溫度系數：指光敏電阻器在環境溫度改變1℃時，其電阻值的相對變化。8〕靈敏度：指光敏電阻器在有光照射和無光照射時電阻值的相對變化。3.5.4

光電二極管和光電三極管光電二極管、光電三極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。光電二極管和普通二極管一樣具有一個PN結，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現光電轉換，在電路圖中文字符號一般為VD。光電三極管除具有光電轉換的功能外，還具有放大功能，在電路圖中文字符號一般為VT。光電三極管因輸入信號為光信號，所以通常只有集電極和發射極兩個引腳線。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個透明窗口，以接收光線照射。光電二極管與光電三極管外殼形狀根本一樣，其判定方法如下：遮住窗口，選用萬用表R*1K擋，測兩管腳引線間正、反向電阻，均為無窮大的為光電三極管。正、反向阻值一大一小者為光電二極管。光電二極管檢測：首先根據外殼上的標記判斷其極，外殼標有色點的管腳或靠近管鍵的管腳為正極，另一管腳為負載。如無標記可用一塊黑布遮住其接收光線信號的窗口，將萬用表置R*1K擋測出正極和負極，同時測得其正向電阻應在10K~20K間，其反向電阻應為無窮大，表針不動。然后去掉遮光黑布，光電二極管接收窗口對著光源，此時萬用表表針應向右偏轉，偏轉角度大小說明其靈敏度上下，偏轉角度越大，靈敏度越高。光電三極管檢測：光電三極管管腳較長的是發射極，另一管腳是集電極。檢測時首先選一塊黑布遮住起接收窗口，將萬用表置R*1K擋，兩表筆任意接兩管腳，測得結果其表針都不動〔電阻無窮大〕，在移去遮光布，萬用表指針向右偏轉至15K~35K，其向又偏轉角度越大說明其靈敏度越高。光電二極管和三極管的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應時間、溫度特性和頻率特性等來描述。光電管的根本特性光照特性：通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關系。曲線1表示氧銫陰極：光照特性成線性關系曲線2表示銻銫陰極：光照特性成非線性關系。光照特性曲線的斜率(光電流與入射光光通量之間比)稱為光電管的靈敏度。光電管的光照特性光譜特性：由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關系稱為光電管的光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，有不同的紅限頻率v0，對應于不同的光譜范圍。同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。光譜特性：對不同波長區域的光，應選用不同材料的光電陰極——光譜響應范圍。例如：銻銫陰極，其紅限λ0=700nm，它對紫外線和可見光范圍的入射光靈敏度比照高，適用于白光光源和紫外光源。對紅外光源，常用氧銫陰極。伏安特性：在一定的光照射下，對光電管的陰極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系——是應用光電傳感器的主要依據參數。當極間電壓高于50V時，光電流開場飽和，所有的光電子都到達了陽極。真空光電管一般工作于飽和局部。3.5.5

光電池光電池是利用光生伏特效應直接把光能轉變成電能的器件，又稱為太陽能電池。光電池常用的材料是硅和硒，也可以使用鍺、硫化鎘、砷化鎵和氧化亞銅等。目前，應用最廣、最有開展前途的是硅光電池。構造：硅光電池是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴散的方法摻入一些P型雜質而形成一個大面積的P-N結，P層做得很薄，從而使光線能穿透照到P-N結上。工作原理：當光照到PN結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發出電子-空穴對，在N區聚積負電荷，P區聚積正電荷，這樣N區和P區之間出現電位差——光生電動勢。根本特性1﹑光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為2000lx時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。短路電流：指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。負載電阻RL越小，光電流與照度的線性關系越好，且線性范圍越寬。硅光電池的光照特性 硅光電池光照特性與負載的關系2﹑光譜特性光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波長在500nm附近，適宜測可見光。硅光電池應用的范圍400nm—1200nm，峰值波長在800nm附近，因此可在很寬的范圍內應用。光電池的光譜特性 光電池的頻率特性3﹑頻率特性光電池作為測量、計數、接收元件時常采用調制光輸入。光電池的頻率特性就是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系。頻率特性與材料、構造尺寸和使用條件等有關。由于光電池PN結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。硅光電池具有較高的頻率響應，而硒光電池則較差。4﹑溫度特性開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標。當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。SHAPE硅光電池的溫度特性曲線3.5.6

PIN型硅光電二極管

3.5.7

雪崩式光電二極管(APD)

3.5.8

半導體色敏傳感器

3.5.9

光電閘流晶體管

3.5.10

熱釋電傳感器

3.5.11

達林頓光電三極管3.5.13

光導攝像管

以上各節均做了解。3.5.12

光電耦合器件

光電耦合器：發光元件和光電傳感器同時封裝在一個外殼內組合而成的轉換元件。以光為媒介進展耦合來傳遞電信號，可實現電隔離，在電氣上實現絕緣耦合，因而提高了系統的抗干擾能力。由于它具有單向信號傳輸功能，因此適用于數字邏輯中開關信號的傳輸和在邏輯電路中作為隔離器件及不同邏輯電路間的接口。光電耦合器的特點：(a)構造簡單、本錢低，通常用于工作頻率50kHz以下的裝置。(b)采用高速開關管構成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。(c)采用放大三極管構成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅動和較低頻率的裝置中。組成與構造：3.5.14CCD圖像傳感器電荷藕合器件圖像傳感器CCD〔ChargeCoupledDevice〕，它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器芯片轉換成數字信號，數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD外表受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。第四章

光纖傳感器教學要求1．掌握光導纖維的組成和光在光纖中傳播的原理。2．掌握光纖的主要參數。3．掌握強度型光纖傳感器和干預型光纖傳感器的根本原理。4.了解各類光纖傳感器的構造和應用。教學內容4.1

光導纖維(光纖)4.1.1

光纖的構造1.纖芯：石英玻璃，直徑5－75um，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。2.包層：直徑100－200um，折射率略低于纖芯。3.涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光。4.護套：尼龍或其他有機材料，提高機械強度，保護光纖。4.1.2光在光纖中的傳播斯涅爾定理(Snell'slaw)：光由光密介質入射到光疏介質時發生折射，其折射角大于入射角，即n1>n2時，θr＞θi。n1、n2、θr、θi間的數學關系為：n1sinθi=n2sinθr〔1〕當θr=90o時，θi仍＜90o，此時，出射光線沿界面傳播，稱為臨界狀態。臨界角θi0為：θi0=arcsin(n2/n1)〔2〕當θi＞θi0并繼續增大時，θr＞90o，這時便發生全反射現象，其出射光不再折射而全部反射回來。4.1.3

光纖的幾個重要參數

1﹑數值孔徑NA入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數值孔徑。定義為：。數值孔徑是多模光纖的重要參數，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數值孔徑取值范圍為0.18～0.23，其對應的光纖端面接收角θc=10°～13°。2﹑傳播模式采用“V值〞表述光在階躍型折射率光纖中的傳播特性：a為纖芯半徑，λ0為入射光在真空中的波長。光纖V值越大,則光纖所能擁有的,即允許傳輸的模式(不同的離散波)數越多。當V值低于2.404時,只允許一波或模式在光纖中傳輸。3.傳播損耗光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光強發生衰減，通常用傳播率A來表示傳播損耗:式中為光纖長度，為輸出端光強，為輸入端光強。4.1.4

光纖的類型

1﹑按折射率變化類型分類：階躍折射率光纖和漸變折射率光纖。2﹑按傳播模式的多少：單模光纖和多模光纖。3﹑從傳感器機理上來說：光纖傳感器可分為振幅型〔也叫強度型〕和相位型〔也叫干預儀型〕兩種。振幅型光纖傳感器具有構造簡單、與多模光纖技術的相容性好、信號檢測較容易等優點，但其靈敏度較低。相位型光纖傳感器的優點是靈敏度高，但其機構及檢測手段復雜。強度型(振幅型)

光纖傳感器4.2.1反射式光纖位移傳感器構造：反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖4.1所示：光纖采用Ｙ型構造，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。原理：光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電轉換器接收，轉換器承受到的光源與反射體外表性質、反射體到光纖探頭距離有關。當反射外表位置確定后，接收到的反射光光強隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加，到達最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。圖4.2所示就是反射式光纖位移傳感器的輸出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過對光強的檢測得到位移量。特點：反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應速度快，測量線性化〔在小位移范圍內〕等優點，可在小位移范圍內進展高速位移檢測。圖4.1反射型光纖傳感器的構造圖2位移——輸出信號曲線4.2.2光纖測壓傳感器4.2.3移動光柵光纖傳感器4.2.4微彎光纖傳感器以上各節要求了解。他們均屬于強度調制型傳感器。4.3相位調制型光纖傳感器4.3.1根本原理根本換能機理：在一段單模光纖中傳輸的相干光，因待測能量場的作用，而產生相位調制。測量機構分類：邁克爾遜﹑馬赫-澤德﹑薩格奈克和法布里-珀羅。特點：構造上都由空氣光路和多個光學器件〔分光束和平面鏡〕組合而成。在每種傳感器中，光源的輸出光束均被分成兩束或兩束以上的光。這些分開的光束沿不同光路傳輸之后，又重新合路并鼓勵光敏檢測器。4.3.2光纖〔強度〕干預儀光纖耦合器：光纖耦合器〔Coupler〕又稱分歧器〔Splitter〕，是將光訊號從一條光纖中分至多條光纖中的元件，屬于光被動元件領域，在電信網路、有線電視網路、用戶回路系統、區域網路中都會應用到。光纖耦合器可分標準耦合器〔雙分支，單位1×2，亦即將光訊號分成兩個功率〕、星狀／樹狀耦合器、以及波長多工器〔WDM，假設波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬於DWDM〕，制作方式則有燒結〔Fuse〕、微光學式〔MicroOptics〕、光波導式〔WaveGuide〕三種，而以燒結式方法生產占多數〔約有90％〕。4.4光纖傳感器的應用舉例1﹑相位檢測其根本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數發生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產生的干預條紋發生變化，通過檢測干預條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克〔Sagnac〕效應的旋轉角速度傳感器〔光纖陀螺〕等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統，因此本錢高。2.光纖聲傳感器通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器。光纖聲壓傳感器利用了雙路光纖干預原理制成的。3.光纖磁傳感器利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器。4.光纖電流傳感器〔了解〕第五章

變磁阻式傳感器教學要求1．掌握變磁阻式傳感器的原理。2．掌握差動式電感傳感器的工作原理。3．掌握差動變壓器式傳感器的根本原理。4.了解電動式傳感器的原理。教學內容一、工作原理變磁阻式傳感器的構造如以以下列圖。它由線圈、鐵芯和銜鐵三局部組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成,在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ,傳感器的運動局部與銜鐵相連。當銜鐵移動時,氣隙厚度δ發生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。根據電感定義，線圈中電感量可由下式確定:式中：—線圈總磁鏈；—通過線圈的電流；—線圈的匝數；Φ—穿過線圈的磁通。由磁路歐姆定律,得式中：—磁路總磁阻。對于變隙式傳感器,因為氣隙很小,所以可以認為氣隙中的磁場是均勻的。假設忽略磁路磁損,則磁路總磁阻為式中：—鐵芯材料的導磁率；—銜鐵材料的導磁率；—磁通通過鐵芯的長度；—磁通通過銜鐵的長度；S1——鐵芯的截面積；S2—銜鐵的截面積；—空氣的導磁率；S0—氣隙的截面積；δ—氣隙的厚度。通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻,即則磁阻可近似為聯立式以上各式,可得上式說明,當線圈匝數為常數時,電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數,只要改變δ或S0均可導致電感變化,因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積S0的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式電感傳感器。二、輸出特性設電感傳感器初始氣隙為,初始電感量為,銜鐵位移引起的氣隙變化量為,從式，可知與δ之間是非線性關系,特性曲線如圖表示。在很小時，電感的相對變化量為，靈敏度為：由此可見,變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比照準確的。為了減小非線性誤差,實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。三﹑差動電感傳感器差動變隙式電感傳感器由兩個一樣的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成,測量時,銜鐵通過導桿與被測位移量相連,當被測體上下移動時,導桿帶動銜鐵也以一樣的位移上下移動,使兩個磁回路中磁阻發生大小相等,方向相反的變化,導致一個線圈的電感量增加,另一個線圈的電感量減小,形成差動形式。當銜鐵往上移動Δδ時,兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由及表示,當差動使用時,兩個電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂,另兩個橋臂由電阻組成,電橋輸出電壓與ΔL有關,其具體表達式為靈敏度K0為比照單線圈和差動兩種變間隙式電感傳感器的特性,可以得到如下結論:①差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。②差動式的非線性項等于單線圈非線性項乘以因子,因為,所以,差動式的線性度得到明顯改善。為了使輸出特性能得到有效改善,構成差動的兩個變隙式電感傳感器在構造尺寸、材料、電氣參數等方面均應完全一致。四、測量電路電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。五﹑差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據變壓器的根本原理制成的,并且次級繞組都用差動形式連接,故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器構造形式較多,有變隙式、變面積式和螺線管式等,但其工作原理根本一樣。5.3.1

Π形差動變壓器的輸出特性

形差動變壓器的靈敏度表達式可知傳感器的靈敏度將隨電源電壓和變壓比的增大而提高，隨起始間隙增大而降低。5.3.2螺管形差動變壓器非電量測量中,應用最多的是螺線管式差動變壓器,它可以測量1～100mm范圍內的機械位移,并具有測量精度高,靈敏度高,構造簡單,性能可靠等優點。六、變磁阻式傳感器的應用變隙電感式壓力傳感器由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成,銜鐵與膜盒的上端連在一起。當壓力進入膜盒時,膜盒的頂端在壓力P的作用下產生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發生移動,從而使氣隙發生變化,流過線圈的電流也發生相應的變化,電流表指示值就反映了被測壓力的大小。圖4-8變隙電感式傳感器構造圖當被測壓力進入C形彈簧管時,C形彈簧管產生變形,其自由端發生位移,帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動,使線圈1和線圈2中的電感發生大小相等、符號相反的變化,即一個電感量增大,另一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關系,所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓,即可得知被測壓力的大小。第六章

壓電傳感器教學要求1．掌握壓電效應的原理。2．掌握掌握常用壓電材料。3．掌握聲外表波現象的根本原理。4.了解各類壓電傳感器的構造和應用。教學內容6.1

晶體的壓電效應

1﹑壓電效應在這些電介質的一定方向上施加機械力而產生變形時，就會引起它內部正負電荷中心相對轉移而產生電的極化，從而導致其兩個相對外表(極化面)上出現符號相反的束縛電荷，這種效應稱為壓電效應。2﹑壓電材料目前壓電材料可分為三大類：一是壓電晶體(單晶)，它包括壓電石英晶體和其他壓電單晶；二是壓電陶瓷(多晶半導瓷)；三是新型壓電材料，又可分為壓電半導體和有機高分子壓電材料兩種。6.2壓電加速度傳感器1﹑壓電加速度傳感器的工作原理當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數，即F=ma式中：F—質量塊產生的慣性力；m—質量塊的質量；a—加速度。此時慣性力F作用于壓電元件上，因而產生電荷q，當傳感器選定后，m為常數，則傳感器輸出電荷為q=d11F=d11與加速度a成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。2﹑壓電加速度傳感器的參數電荷靈敏度對式，當時得到的電荷Q值，稱為電荷靈敏度。式中——電荷值；——壓電常數；——質量塊質量；——物體振動加速度；——重力加速度。電壓靈敏度對式，當時即為靈敏度的電壓表示法，單位為。式中，——電荷值；——壓電常數；——質量塊質量；——物體振動加速度；——重力加速度；——晶片電極面面積；——恒應力下的介電常數。勁度系數，式中為壓電晶片的楊氏模量。固有共振頻率3﹑壓電加速度傳感器的構造其構造一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種。縱向效應是最常見的。4﹑壓電加速度傳感器的等效電路當壓電晶體承受應力作用時，在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個電荷源與一個電容并聯的電荷發生器，其電容量為：等效電路為〔a〕：壓電元件的等效電路〔a〕電壓源;〔b〕電荷源當兩極板聚集異性電荷時，板間就呈現出一定的電壓，其大小為因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯電路，如圖(b)。實際使用時，壓電傳感器通過導線與測量儀器相連接，連接導線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對電路的影響就必須一起考慮進去。當考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖5-15所示的電壓等效電路〔a〕和電荷等效電路〔b〕。這兩種等效電路是完全等效的。壓電傳感器的實際等效電路〔a〕電壓源;〔b〕電荷源由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測量電路的關鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。〕前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號。前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反響的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反響的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器應用日益廣泛。5﹑壓電傳感器接放大器的等效電路電壓放大器〔阻抗變換器〕〔a〕放大器電路;〔b〕等效電路電荷放大器等效電路〔a〕放大器電路;〔b〕等效電路6.3壓電諧振式傳感器原理：以石英晶體諧振器作為敏感元件的諧振式傳感器。石英晶體諧振器是用石英晶體經過適當切割后制成，當被測參量發生變化時，它的固有振動頻率隨之改變，用基于壓電效應的鼓勵和測量方法就可獲得與被測參量成一定關系的頻率信號。特點：石英晶體諧振式傳感器的精度高，響應速度較快，常用于測量溫度和壓力。

石英晶體溫度-頻率傳感器材料：在發現具有線性溫度－頻率特性的石英晶體切型后，這種溫度傳感器的諧振器采用LC切型的平凸透鏡石英晶體塊制成，其直徑約為數毫米，凸面曲率半徑約為100毫米以上。原理：諧振器封裝于充氦氣的管殼內,在傳感器電路中利用它的壓電效應和固有振動頻率隨溫度變化的特性構成熱敏振蕩器，它的根本諧振頻率為28兆赫。電路中另有一個振蕩頻率為2.8兆赫的基準振蕩器,它通過十倍頻后輸出一個28兆赫的參照頻率。兩個振蕩器的輸出經門電路相加送往混頻器得到差頻輸出信號，它是被測溫度與基準溫度〔即基準振蕩器的溫度〕之差與1000赫／℃〔溫度系數〕的乘積，因此該差頻輸出信號記錄了被測溫度的變化。由時間選擇開關產生不同的時間控制信號作為選通脈沖，以獲得不同的分辨率。應用：線性石英晶體－頻率傳感器可用于熱過程流動速度不高、間隔時間較長的各種高精度溫度測量的場合以及多路遙控系統、水底探測等方面，還可用它制成高分辨率的直讀式數字自動溫度計。石英晶體諧振式壓力傳感器材料：這種傳感器所采用的諧振器是用厚度切變振動模式AT切型石英晶體制作的。諧振器可制成包括圓片形振子和受力機構的整體式或別離式構造。振子有扁平形、平凸形和雙凸形三種，受力機構為環繞圓片的環形或圓筒形。原理：振子和圓筒由一整塊石英晶體加工而成，諧振器的空腔被抽成真空，振動兩側上各有一對電極。圓筒和端蓋嚴格密封。石英圓筒能有效地傳遞周圍的壓力。當電極上加以鼓勵電壓時，利用逆壓電效應使振子振動，同時電極上又出現交變電荷，通過與外電路相連的電極來補充這種電和機械等幅振蕩所需的能量。當石英振子受靜態壓力作用時，振動頻率發生變化，并且與所加壓力成線性關系。在此過程中石英的厚度切變模量隨壓力的變化起了主要作用。特點：別離式構造相比整體式構造的主要優點是滯后小、頻率穩定性極佳。但它的構造復雜、加工困難、本錢也高。振梁式：壓力傳感器的諧振器還有振梁式，也是由AT切型石英晶體制成，振梁橫跨于諧振器中央。在振梁的兩端上下對稱設置四個電極，用于鼓勵振動和拾取頻率信號。當振梁受拉伸力時,其諧振頻率提高,反之則頻率降低。因此輸出頻率的變化可反映輸入力的大小。這種傳感器的優點是對溫度、振動、加速度等外界干擾不敏感、穩定性好、品質因數高、動態響應特性好等。6.4聲外表波傳感器

6.4.1

SAW傳感器的根本原理

聲外表波―聲外表波〔SurfaceAcousticWave，SAW〕是一種沿彈性基體外表傳播的聲波，其振幅隨壓電基體材料深度的增大按指數規律衰減。聲外表波傳感器——將被測量的變化轉換為聲外表波振蕩器振蕩頻率的變化，這樣就構成了相應用途的聲外表波傳感器，它是一種新型的頻率式傳感器。1979年Wohltjen和Dessy首次提出了將聲外表波SAW用作氣體傳感器，經過20年的研究與開展，目前已研制出SO2、NO2、H2S、水蒸氣、丙酮、甲醇等多種SAW氣體傳感器，廣泛應用于有害氣體環境監測、臨床分析、雷達通訊、電子對抗等軍用、民用領域。6.4.2

SAW壓力傳感器

原理：當傳感器外表有壓力作用時，SAW壓力傳感器的壓電薄膜就會產生形變，薄膜材料的應變會使得聲外表波傳播速度發生變化，從而使聲外表波的中心諧振頻率發生變化。通過檢測SAW壓力傳感器的中心諧振頻率變化，就能得到壓力變化的數據。6.4.3

SAW熱敏傳感器

利用SAW振蕩器振蕩頻率隨溫度變化的原理構成的溫度傳感器，稱為SAW熱敏傳感器。6.4.4SAW氣敏傳感器聲外表波器件之波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。聲外表波氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體外表涂覆一層選擇性吸附氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用〔化學作用或生物作用，或者是物理吸附〕，使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發生變化時，引起壓電晶體的聲外表波頻率發生漂移；氣體濃度不同，膜層質量和導電率變化程度亦不同，即引起聲外表波頻率的變化也不同。通過測量聲外表波頻率的變化就可以準確的反響氣體濃度的變化。6.4.5

SAW電力傳感器〔了解〕

6.4.6

SAW加速度傳感器〔了解〕

6.4.7

SAW流量傳感器〔了解〕第七章

壓電聲傳感器

換能器及其分類：聲傳感器常稱為換能器。按照轉換原理可將換能器分為電動式換能器﹑電磁式換能器﹑電容式換能器﹑壓電式換能器﹑磁致伸縮換能器和電致伸縮換能器等。第八章

半導體傳感器教學要求1．掌握半導體溫度﹑濕度﹑氣體和磁敏傳感器的根本原理。2．掌握霍爾效應及其霍爾電壓的計算。3．了解半導體傳感器的應用現狀。教學內容8.1

半導體溫度傳感器熱敏電阻是根據半導體材料的電導率與溫度有很強的依賴關系而制成的一種器件。從使用上，熱敏電阻可分為接觸型和非接觸型。8.1.1

接觸型半導體傳感器

1.半導體熱敏電阻特點：①靈敏度較高，其電阻溫度系數要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃〔目前最高可到達2000℃〕，低溫器件適用于-273℃～55℃主要參數：

1〕標稱阻值2〕材料常數：是反響熱敏電阻器熱靈敏度的指標。通常，該值越大，熱敏電阻器的靈敏度和電阻率越高。

3〕電阻溫度系數：表示熱敏電阻器在零功率條件下，其溫度每變化1℃所引起電阻值的相對變化量。熱敏電阻的電阻值與溫度的關系為：A，B是與半導體材料有關的常數，T為絕對溫度，根據定義，電阻溫度系數為：Rt是在溫度為t時的電阻值。4〕熱時間常數：指熱敏電阻器的熱惰性。即在無功功率狀態下，當環境溫度突變時，電阻體溫度由初值變化到最終溫度之差的63.2％所需的時間。

5〕散熱系數：指熱敏電阻器的溫度每增加1℃所耗散的功率。

6〕最高工作溫度：指熱敏電阻器在規定的標準條件下，長期連續工作時所允許承受的最高溫度。

類型：半導體溫度傳感器分為兩類：接觸型和非接觸型。接觸型又分為熱敏電阻與PN結型兩種。隨著溫度的變化，半導體感溫器件電阻會發生較大的變化，這種器件稱為熱敏電阻。常用的熱敏電阻為陶瓷熱敏電阻,分為負溫度系數(NTC)熱敏電阻、正溫度系數(PTC)熱敏電阻和臨界溫度電阻(CTR)。熱敏電阻一般指NTC熱敏電阻。第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數關系。第二類為突變型，又稱臨界溫度型〔CTR〕。當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降。●正溫度系數熱敏電阻器構造——用鈦酸鋇〔BaTiO3〕、鍶〔Sr〕、鋯〔Zr〕等材料制成的。屬直熱式熱敏電阻器。特性——電阻值與溫度變化成正比關系，即當溫度升高時電阻值隨之增大。在常溫下，其電阻值較小，僅有幾歐姆～幾十歐姆；當流經它的電流超過額定值時，其電阻值能在幾秒鐘內迅速增大至數百歐姆～數千歐姆以上。作用與應用——廣泛應用于彩色電視機消磁電路、電冰箱壓縮機啟動電路及過熱或過電流保護等電路中、還可用于電驅蚊器和卷發器、電熱墊、暖器等小家電中?！褙摐囟认禂禑崦綦娮杵鳂嬙臁缅i〔Mn〕、鈷〔Co〕、鎳〔Ni〕、銅〔Cu〕、鋁〔Al〕等金屬氧化物〔具有半導體性質〕或碳化硅〔SiC〕等材料采用陶瓷工藝制成的。特性——電阻值與溫度變化成反比關系，即當溫度升高時，電阻值隨之減小。作用與應用——廣泛應用于電冰箱、空調器、微波爐、電烤箱、復印機等家電及辦公產品中，作溫度檢測、溫度補償、溫度控制、微波功率測量及穩壓控制用。熱敏電阻測溫的根本電路：掌握P171,圖8.5熱敏電阻的根本聯接法，并能計算橋路的輸出電壓。2.PN結型熱敏器件PN結溫度傳感器是一種利用半導體二極管、三極管的特性與溫度的依賴關系制成的溫度傳感器。PN結作測溫器件的半導體傳感器具有靈敏度高、線性好、熱響應快和體積小等特點，特別在溫度測量數字化、控溫應用以及用計算機進展溫度實時采集和處理等方面，具有其他溫度傳感器所不能相比的優越性．因此PN結的測溫器件正逐步成為現代溫度測量數字化的新型測溫元件。3.集成〔IC〕溫度傳感器設計原理：對于集電極電流比一定的兩個晶體管，其之差與溫度有關。4.半導體光纖溫度傳感器〔了解〕8.1.2

非接觸型半導體溫度傳感器原理：非接觸型溫度傳感器可檢出被測物體發射電磁波的能量。傳感器可以是將放射能直接轉換為電能的半導體物質，也可以先將放射能轉換為熱能，使溫度升高，然后將溫度變化轉換成電信號而檢出。這可用來測量一點的溫度，如測溫度分布，則需進展掃描。8.2

半導體濕度傳感器當半導體外表或界面吸附氣體分子或水分子時，半導體外表或界面的能帶發生變化。利用這種半導體電阻的變化可檢測氣體或濕度。半導體濕度傳感器具有體積小、重量輕的特點,實用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器。ZnO-Cr2O3系陶瓷濕度傳感器用于室內空調，可精細控制濕度，與微機結合能自動去濕,節省電能。TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器耐熱性好,可測量60℃以上的環境濕度,還可用于醫藥、合成纖維工廠中存在有機物蒸氣時的濕度測量。8.2.1

濕度的定義

濕度：也稱絕對濕度，是一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質量，一般其單位是克/立方米。絕對濕度的最大限度是飽和狀態下的最高濕度。相對濕度：相對濕度是絕對濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。露點溫度：在一定的空氣壓力下，逐漸降低空氣的溫度，當空氣中所含水蒸氣到達飽和狀態，開場凝結形成水滴時的溫度叫做該空氣在空氣壓力下的露點溫度。

8.3

半導體氣體傳感器1.半導體氣敏傳感器工作機理氣敏傳感器是利用氣體在半導體外表的氧化和復原反響，導致敏感元件阻值變化，如：氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體，被稱為氧化型氣體——電子接收性氣體；氫、碳氧化合物、醇類等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱為復原型氣體——電子供給性氣體。當氧化型氣體吸附到N型半導體上，半導體的載流子減少，電阻率上升；當氧化型氣體吸附到P型半導體上，半導體的載流子增多，電阻率下降；當復原型氣體吸附到N型半導體上，半導體的載流子增多，電阻率下降；當復原型氣體吸附到P型半導體上，半導體的載流子減少，電阻率上升；

N型半導體與氣體接觸時的氧化復原反映

按半導體的物理特性，氣敏傳感器可分為電阻型和非電阻型。2.電阻型半導體氣敏傳感器電阻型氣敏傳感器是目前使用較廣泛的一種氣敏元件。構造：敏感元件、加熱器、外殼；按制造工藝分為：燒結型、薄膜型、厚膜型。氣敏電阻的材料是金屬氧化物，合成時加敏感材料和催化劑燒結，金屬氧化物有：N型半導體，如：SnO2，Fe2O3，ZnO，TiOP型半導體，如：CoO2，PbO，MnO2，CrO3這些金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導體后顯示氣敏特性。通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導體〔N型半導體〕材料的電子吸附負電荷，結果半導體材料的傳導電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態；當氣敏元件與被測氣體接觸時，會與吸附的氧發生反響，將束縛的電子釋放出來，敏感膜外表電導增加，使元件電阻減小。空氣中——氧化作用——氧被電子吸附——電子減少——高阻狀態；氣體接觸——吸附——氧發生反響——電子釋放——電導增加——電阻減小。氣敏元件的加熱作用：電阻型氣敏元件通常工作在高溫狀態〔2000C—4500C〕，目的是為了加速氣體吸附和上述的氧化復原反響，提高靈敏度和響應速度；另外使附著在殼面上的油霧、塵埃燒掉。在常溫下，電導率變化不大，達不到檢測目的，因此以上構造的氣敏元件都有電阻絲加熱器。加熱時間2—3分鐘，加熱電源一般為5V。加熱方式分為內熱式和旁熱式。氣敏傳感器測量電路3.非電阻型半導體氣敏器件非電阻型氣敏傳感器，是利用MOS二極管的電容—電壓特性變化；MOS場效應管的閾值電壓的變化；肖特基金屬半導體二極管的勢壘變化進展氣體檢測。MOS二極管氣敏元件在P型硅上集成一層二氧化硅〔SiO2〕層。在氧化層蒸發一層鈀〔Pd〕金屬膜作電極。