第三章 常用传感器

第 45 页 共 45 页第三章 常用传感器1.传感器的定义传感器是与人的感觉器官相对应的元件。GB7665一87对传感器下的定义是:能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。由此定义知：传感器是一种测量装置，能完成检测任务；其功用是：感受被测信息,并传送出去。2.传感器的组成构成传感器的基本元件有敏感元件、转换元件（见下图）。敏感元件:是指传感器中能直接感受或响应被测量(输入量)的部分，如力测量中的弹性梁；转换元件:是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和(或)测量的电信号的部分，如力测量中的应变片。 实际上，有些传感器并不能明显区分敏感元件和转换元件两个部分，而是二者合为一体。例如，压电传感器、热电偶等，没有中间转换环节，直接将被测量转换成电信号。第一节常用传感器的分类 传感器种类繁多，功能各异。由于同一被测量可用不同转换原理实现探测，利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器，而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域，故传感器有不同的分类法。 (1)根据传感器感知外界信息所依据的基本效应，可以将传感器分成三大类：基于物理效应如光、电、声、磁、热等效应进行工作的物理传感器；基于化学反应如化学吸附、选择性化学反应等进行工作的化学传感器；基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。(2)按工作原理分类，可分为应变式、电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式等传感器。 (3)根据传感器使用的敏感材料分类，可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等等。 (4)按照被测量分类，可分为力学量传感器、热量传感器、磁传感器、光传感器、放射线传感器、气体成分传感器、液体成分传感器、离子传感器和真空传感器等等。 (5)按能量关系分类，可分为能量控制型和能量转换型两大类。能量控制型（有源型） 依靠外部提供辅助能源来工作，由被测量来控制该能量的变化如。如电容式、电感式等。能量转换型（无源型） 直接由被测量输入能量使传感器工作的。如热电效应中的热电偶，当温度变化时，直接引起输出电势改变。(6)按输出量是模拟量还是数字量，可分为模拟量传感器和数字量传感器。第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器依靠弹性敏感元件受被测物理量作用产生机械变形，并把这种变形直接转换为仪表指针的偏转，借助刻度而指示出。属于此类传感器的有：测力用的圆环测力计、弹簧称，测流体压力的波纹膜片、波纹管，测温度用的双金属片等（参见图3-3、4）。机械式传感器结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。但惯性大，固有频率低，只适用于检测缓变或静态被测量，且信号不易远距离传递。第三节 电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器是-种把被测垃转换为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。1.变阻器式传感器1） 结构类型按结构形式分：绕线式、薄膜式；按特性分：线性、函数型（见图3-5）2）工作原理（以图3.5）为例）变阻器式传感器亦称为电位计式传感器，通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻R的变化。根据式知，在电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线长度而变化。当图中触点C沿变阻器的点移动到图示位置时，则C点与点之间的电阻值为传感器灵敏度式中k1单位长度的电阻值。 若导线分布均匀，k1为一常数，则传感器的输出(电阻)R与输入 (位移)成线性关系。 类似的得图3-5b示回转型变阻式传感器，其电阻值随电刷转角而变化。其灵敏度为式中单位弧度所对应的电阻值。 图3-5C示的非线性变阻器式传感器，其骨架形状根据所要求的输出f(x)来决定。可为f(x)kx2、f(x)kx3型等。3）工作特性(参见图3-6)（1）空载特性（无负载Rl）输出电压u0与的关系为即空载时，传感器的输出电压与电刷位移成正比。（2）负载特性设负载电阻为Rl，则输出电压u0与的关系为即有负载时，传感器的输出电压与电刷位移成为非线性关系，为减小非线性误差，应适当提高负载电阻RL,使RLRP。4） 性能特点变阻器式传感器的优点是结构简单、性能稳定、使用方便。缺点是分辨力不高，一般20m，噪声较大。 5）应用变阻器式传感器主要用于位移测最，也用于压力、速度等测量。2.电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种能将试件表面的应变转换为电阻变换的传感元件。1） 类型分为金属式与半导体式（1）金属电阻应变片常用的金属电阻应变片有丝式、箔式两种。结构形状如下（2）半导体式结构形状如上2）工作原理（1）金属丝电阻应变片应变片工作时是粘接在被测物体表面上的。在外力作用下，电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化。设应变片原始阻值为，受力后，应变丝的、A均因应变丝的形变而变化，称此种变化为导体的应变效应。、A的变化又引起的变化，其变化关系如下：对两边取对数再求全微分，得因为 ,所以，又、及代入（3-4）式，得：（3-8）式中E电阻丝材料的弹性模量;压阻系数，与材质有关。而相则是由电阻丝儿何尺寸改变所引起的，是一常数；则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的，对于金属丝来说，远小于，可忽略。这样(3-8)式可简化为式(3-9)表明，电阻相对变化率与应变成正比。把称为应变片的灵敏度系数，sg之值约为（1.73.6）。电阻应变片的标准阻值有的60、120、350。(2)半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。在式 (3-8)中，电阻的相对变化dR/R是由两部分构成，其中项是由儿何尺寸变化引起的，是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言，它是半导体应变片的主要部分，故式 (3-8)可简化为其灵敏度约为金属丝电阻应变片50-70倍。以上分析表明，金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阳的变化。半导体应变片的优点是灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小等。最大缺点是温度稳定性能差、灵敏度离散度大 (由于晶向、杂质等四素的影响)以及在较大应非线性误差大等。3)电阻应变式传感器的应用电阻应变式动态响应快、测量精确度高、使用简便等，可用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。实例 （1）直接用来测定结构的应变或应力（2）贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。 4）应用注意点（1）应变片只有粘在试件上才能工作，粘接剂质量，粘接质量、防潮、固化等均会影响测量质量，应妥善处理；（2）温度会造成很大的测量误差，应予以消除；（3）动态测量时，应考虑片子的动态响应特性。3.固态压阻式传感器固态压阻式传感器的工作原理与半导体应变片相同，都是利用半导体材料的压阻效应。区别在于，半导体应变片是由单晶半导体材料构成，是粘贴在敏感元件上。固态压阻式传感器中的敏感元件则是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，所以亦可称为扩散型半导体应变片。固态压阻式传感器主要用于测拉压力与加速度。4.典型动态电阻应变仪（在调理电路部分介绍）二、电容式传感器电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置。1.结构由两极板组成，分为线位移型（平面线位移、圆柱体线位移）、角位移型。2.变换原理（以平板电容器为例说明）从物理学可知，由两个平行极板组成的电容器其电容量为： 式(3-13)表明，当被测量使、A或发生变化时，都会引起电容C的变化。工作时，仅仅改变、A或中某-个参数，就可把该参数的变化变换成电容量的变化。根据电容器变化的参数，电容器可分为极距变化型、面积变化型刑介质变化型三类。（1）极距变化型 工作特性对式 (3-13)，令、不变，改变， C与极距的关系可由对式 (3-13)求微分而得：灵敏度（双曲线） 因为与极距2成反比，所以输出与输入关系为非线性； 改善非线性的方法.缩小量程：取；.采用差动结构；.采用以电容为反馈元件的比例运算放大器。（见后述） 应用可进行非接触式测量，适于小位移测量（）。2)面积变化型 分角位移型与线位移型两种（见图3-13）。 角位移型（图3-1 3a），当动板有-转角时，改变了两极板之间相互覆盖面积导致电容量变化。因为覆盖面积所以灵敏度结论 传感器的输出与输入成线性关系。平面线位移型（图3-13b）电容与动极板位移之间的关系为：灵敏度结论 传感器的输出与输入成线性关系。圆柱体线位移型（图3-13）电容与圆柱体位移之间的关系为：灵敏度面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。3）介质变化型 通过改变介质介电常数而使电容改变以达到测量目的，可测液位、温度、湿度和厚度等。图3-14a是在两固定极板间有一个介质层 (如纸张、电影胶片等)通过。当介质层的厚度、温度或湿度发生变化时，其介电常数发生变化，引起电极之间的电容贸变化。图3-14b是一种电容式液位汁，当被测液面位置发生变化时，两电极浸人高度也发生变化，引起电容量的变化。 3.测量电路电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后，由后续电路转换为电压、电流或频率信号。常用的电路有下列5种。(1)电桥型电路 将电容传感器作为桥路的-部分，由电容变化转换为电桥的电压输此 通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。图3-15是一种电感、电容组成的桥路，电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，再推动显示仪表。(2)直流极化电路 此电路又称为静压电容传感器电路。如图3-16所示，弹性膜片在外力 (气压、液压等)作用下发生位移，使电容量发生变化。电容器接于具有直流极化电压Eo的电路中，电容的变化由高阻值电阻R转换为电压变化。由图可知，电路输出为输出电压与膜片位移速度成正比。这种传感器可以测量气流 (或液流)的振动速度，进而得到压力。(3)谐振电路 图3-I7为谐振电路原理及其工作特性。电容传感器的电容C，作为谐振电路 ()调谐电容的一部分。此谐振回路通过电压藕合，从稳定的高频振荡器获得振荡电压。当传感器电容量发生变化时，谐振回路的阻抗发生相应变化，并被转换成电压或电流输出，经放大、检波，即可得到输出。为了获得较好的线性，一般工作点应选择在谐振曲线边的线性区域内。这种电路比较灵敏，缺点是工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的分布电容影响也较大。(4)调频电路 如图3-18所示，传感器电容是振荡器谐振回路的一部分，当输入量使传感器电容量发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经过放大后由记录器或显示仪表指示。这种电路具有抗干扰性强、灵敏度高等优点，可测的位移变化最。缺点是电缆分布电容的影响较大，使用中较麻烦。(5)运算放大器电路 采用此电路，可解决前述的极距变化型传感器的非线性问题。如图3-19所示。电路中C0为固定电容，Cx(电容传感器电容)作为反馈电容，根据比例器的运算关系， 有 可见，输拙电压ug雨电容传感株间隙成线性关系。 4.电容集成压力传感器 电容集成压力传感器是运用集成电路工艺把电容敏感元件与测量电路制作在-起而构成的,如图3-20所示。其核心部件是-个对压力敏感的电容器，电容器的两个铝电极，一个处在玻璃上，另-个在硅片的薄膜上。在硅片和玻璃键合在一起之后，就形成了具有一定间隙的电容器。当硅膜的两侧有压力差存在时，硅膜就发生形变使电容器两极的间距发生变化，因而引起电容量的变化。图3-20b)是-个检出电容变化并把它转换成为电压输出的集成压力传感器的电路原理图。图中Cx为压力敏感电容，C0是一个参考电容，交流激励电压Ue通过隅合电容Cc进人由VD1VD4构成的二极管桥路。在无压力的初始状态下，使Cx=CO，电路平衡;在工作状态下，Cx与CO不等，其输出端将有一个表达压力变化的电压信号p，这种电容集成压力传感器的灵敏度很高，约为1V/Pa.三、电感式传感器电感式传感器是把被测量，如力、位移等，转换为电感量变化的一种装置，其变换是基于电磁感应原理。1.类型按照变换方式的不同，可分为自感型 (包括可变磁阻式与涡流式)与互感型 (差动变压器式)2.工作压力及应用1）自感型(1)可变磁阻式 结构原理如图3-21所示。由线圈、铁心和衔铁组成，由电工学得知，线圈自感为 当不存虑磁路的铁损及空气气隙较小时，则总磁阻因为铁心磁阻远小于空气气隙的磁阻相比很小，计算时可以忽略，故代人式 (3-23)，则式 (3-26)表明，自感L与气隙成反比，而与气隙导磁截面积AO成正比。当固定如AO，变化时，L与呈非线性关系 (见图3-21)，此时传感器的灵敏度S与2成反比，因为S不是常数，故会出现非线性误差。为了减小误差，可采用如下形式：传感器应工作在较小间隙变化范围内，一般，故可测量较小，约0.0010.01采用差动工作方式，此时两个线圈按和变化，一个自感减小，一个自感增大，将两线圈接入电桥两相邻臂，即可使灵敏度提高一倍，又可使非线性得到改善。几种结构形式：（1）电涡流式 结构 涡流式传感器的结构入图3-24所示， 工作原理 依据电涡流效应工作。 电涡流效应 根据法拉第电磁感应定律，置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动的块状金属导体，产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，此现象称为电涡流效应。图示金属板置于一线圈附近，相互间距为，当线圈通以高频交变电流时，线圈周围空间便产生交变磁通，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流i1，i1又产生新的交变磁场1。根据楞次定律，1的作用将反抗原磁场，由于磁场1与的相互作用，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。电涡流效应既与被测体的电阻率、磁阻率以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率f 有关，同时还与线圈与导体间的距离有关。当改变其中某一参数时，即可达到不同的变换目的。例如，变化作，可测位移、振动；变化或，可作为材质鉴别或探伤。 测量电路有二种阻抗分压式调幅电路及调频电路阻抗分压式调幅电路（图3-26）传感器线圈L和电容C组成并联谐振回路，其谐振频率为电路中由振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电源频率相同时，输出电压最大。测量时，当间隙改变，传感器线圈阻抗改变，LC回路失谐，输出信号频率不变但幅值随而变，为一调幅波，经放大、检波、滤波后，即可以得到间隙的动态变化信息。 调频电路（图3-27）高频振荡器以传感器线圈和电容组成的C振荡回路的振荡频率作为输出量，当变化时，使线圈变化，从而使振荡频率发生变化，再经与调幅法不同之处是取问路的谐振鉴频器进行频率-电压转换，即可得到与成比例的输出电厌。应用涡流式传感器可用于动态非接触测量，测量范围最高分辨力达。图3-28为构成应用例。2.互感型差动变压器式电感传感器1）结构如图3-29，3-302）工作原理依据电磁感应中的互感现象工作。如圈3-29所示，当线圈W1输入交流电流i1时，线圈W2产生感应电势e12，其大小与电流i1的变化率成正比，即式中 M互感系数，其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的隅合程度。此即互感现象，据此现象，当改变两衔铁的相对位置则线圈互感改变，改变则e12改变，即e12的改变与衔铁位置有关。常用结构工作原理传感器的常用结构如图3-30a)、b)所示的螺管差动型。其中为初级线圈，W1、W2为两个参数完全相同的次级线圈，位置与W对称，W1与W2反相连接。当W中通一交流电压时，传感器输出互感电压e0=e1-e2(差动)铁心初始处于结构对称处，此时e1e2，输出e0=0，改变位置使之向上， e1e2，向下，e1Z0，则uL e。直接输出的感应动势uL，显示速度值，如果经过微分或积分网络可以得到加速度域位移。2.磁阻式磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体 (导磁材料)改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。其工作原理及应用实例如图3-34所示。此种传感器是由永久磁铁及缠绕其上的线圈组成。图3-34a可测旋转体频数，当齿轮旋转时，齿的凸凹引起磁阻变化，使磁通虽变化，在线圈中感应出交流电动势，其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积。磁阻式传感器使用简便、结构简单，在不同场合下可用来测量转速、偏心量、振动等。二、压电式传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器，也是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。1.工作原理压电式传感器的工作原理是利用某些物质的压电效应而工作。某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅 (PZT)等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料重新回复到原来状态，这种现象称为压电效应。相反，如果将这些物质置于电场中，其几何尺寸会发生变化，这种由于外电场作用导致物质机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。压电效应及逆压电效应均是线性的。具有压电效应的材料称之为压电材料。2.压电材料在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。而石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料则具有优良的压电特性。 常用的压电材料大致分为三类：压电晶体、压电陶瓷和高分子压电薄膜。（1）石英晶体 石英是压电单晶中最有代表性的，应用广泛。除天然石英外，大量应用人造石英。石英具有较好的机械强度和时间、温度稳定度。石英晶体（SiO2）是单晶体结构。图3-35(a)表示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。其各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产也电荷的压电效应称为横向压电效应，沿相对两平行平面加力产生电荷的压电效应称为“切向效应” (见图3-36)。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。当沿x方向施加作用力Fx时，在与x垂直的平面上产生电荷为当石英晶体切片受向性力时，所产生的电荷量qxx与作用力Fx成正比，而与切片的几何尺寸无关。当沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为式中，d12y轴方向受力的压电系数， a、b一晶体切片的长度和厚度。 电荷qxx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。(2)压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质，如图2-51（a）所示。 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性，如图所示。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡(BaTiO3)。压电系数约为石英的50倍，但居里点温度(压电材料开始丧失压电特性的温度)只有115C，使用温度不超过70C，温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT)系列，它是钛酸铅和锆酸铅组成的。居里点300C以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数。(3)高分子压电薄膜高分子压电薄膜的压电特性并不很好，但它易于大批量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。其中以聚偏二氟乙烯 (PVdF)最为著名。3.压电式传感器及其等效电路压电式传感器的压电元件是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极，如图3-37所示。当晶片受到外力作用时，在两个极板上将积聚数量相等、而极性相反的电荷，形成了电场。因此压电传感器可以看作是-个电荷发生器，又是一个电容器，其电容量C为如果施加于晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷无内部泄漏，外电路负载无穷大，那么在外力作用期间，电荷量将始终保持不变，直到外力的作用终止时，电荷才随之消失。如果负载不是无穷大，电路将会按指数规律放电，极板上的电荷无法保持不变，从而造成测量误差。因此，利用压电式传感器测量静态或准静态量时，必须采用极高阻抗的负载。在动态测量时，变化快、漏电量相对比较小，故压电式传感器适宜作动态测量。实际压电传感器中，往往用两个和两个以上的进行串接或并接。并接时 (见图3-37b)，两晶片负极集中在中间极板上，正电极在两侧的电极上。并接时电容量大、输出电荷量大、时间常数大，宜于测量缓变信号，适宜于以电荷量输出的场合。串接时 (见图3-37C)，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。串接法传感器本身电容小、输出电压大，适用于以电压作为输出信号。压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。电容器上的开路电压u0与电荷q)传感器电容C，存在下列关系现把压电式传感器接入测量电路，设连接电缆电容为Cc,外接电路输入端电容为Ci, 外接电路的输入阻抗与传感器的漏电阻的等效阻抗为Ro,则传感器的等效电路如如图3-37d)所示，由图所建立的电荷平衡方程为：（）设外力为，则从而电容上的电压为;式 (3-38)表明压电元件的电压输出还受回路的时间常数R0C的影响。在测试动态量时，为了建立一定的输出电压并实现不失真测量，压电式传感器的测量电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电容C;以加大时间常数R0。但并联电容过大也会使输出电压降低过多，降低了测量装置的灵敏度。4.测量电路压电式传感器的输出电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。前置放大器电路的主要用途有两点：1）将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出;2）放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式:其一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压 (即传感器的输出)成正比;另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 使用电压放大器时，放大器的输入电压如式 (3-38)所示，由于电容C包括了电缆电容，故电缆电容对整个测量影响大。应用中应使用专用电缆，但电压放大器电缆较简单。 电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器，当略去传感器漏电阻及电荷放大器输人电阻时，它的等效电路如图3-38所示。图中忽略了漏电阻Ro。由图得故有：如果放大器开环增益足够大，有ACfC+Cf，故上式可简化为：可见，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点。但与电压放大器相比，其电路复杂，价格昂贵。5.压电式传感器的应用压电式传感器使用频带宽，灵敏度高，信噪比高，结构简单，重量轻，在工程力学、生物力学、电学、声学的技术领域得到广泛应用。可测的量为力、压力、加速度、声强等。测力范围10-3N104kN, 动态范围一般为60d，测加速度范围10-2105-2，频率范围0.1Hz20kHz.应用中可将压电传感器串联或并联。三、热电式传感器热电式传感器是把被测量 (主要是温度)转换为电量变化的一种装置，其变换是基于金属的热电效应。按照变换方式的不同，可分为热电偶与热电阻传感器。1.热电偶传感器（1）工作原理 把两种不同的导体或半导体连接成 图3-39图3-39所示的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度为T及To(假定TTo)的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称为热电效应。热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。温差电动势指在同-导体的两端因其温度不同而产生的一种热电动势。由于高温端(T)的电子能量比低温端的电子能量大，故由高温端运动到低温端的电子数较由低温端运动到高温端的电子数多，使得高温端带正电，而低温端带负电，从而在导体两端形成一个电势差，即温差电动势。接触电动势指当电子密度不同的两种不同材料的导体A、B连接在一起时，在连接点1、2两处，分别会发生电子扩散，电子扩散使得接触处形成了电位差，即接触电动势。所以，当热电偶材料一定时，热电偶的总热电动势EAB(T，T0)成为温度T和T0的函数差。即 (3-40)如果使冷端温度T0固定，则对一定材料的热电偶，其总热电动势就只与温度T成单值函数关系 (3-41)式中 C由固定温度盯决定的常数。由上可知，1) 若组成热电偶的回路的两种导体相同，则热电动势为零;2）若热电偶两接点温度相同，则热电动势为零;3) 热电偶AB的热电动势与导体材料A、B的中间温度无，只与节点温度有关。关于热电偶回路有以下几个定律、特点:1)中间温度定律 在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在两接点温度为T、Tn和Tn、T0时所产生的热电动势之代数和，即 式中 Tn中间温度。 2)中间导体定律 在热电偶测温回路中，只要接入的第三导体两端温度相同，则对回路的总的热电势没有影响。 3)标准电极定律 如果已知热电偶的两个电极A、B分别与另一电极C组成的热电偶的热电动势为EAC(T，T0)和EBC(T，T0)，则在相同接点温度 (T， T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电动势EAB(T，T0)为这一规律称为标准电极定律，电极C称为标准电极。 (2)热电偶分类 理论上讲，任何两种不同的材料都可组成热电偶，但这些材料并非都达到工程中对热电偶性能的要求，即：热电势大，热电势与温度的关系尽量是线性的，理、化性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。目前，比较好的热电偶材料只有几种，国际电工委员会（IEC）推荐使用的有8种，所谓标准化热电偶指已有相应的工业标准，具有统一的分度表。我国已经采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之配套的显示仪表。目前，在我国被广泛使用的热电偶有5种，其类型特性如下。(1)铂铑10-铂热电偶，性能稳定，准确度高，可用于基准和标准热电偶。热电动势较低，价格昂贵，不能用于金属蒸气和还原性气体中。 (2) 铂铑30铂铑6热电偶，较铂铑10-铂热电偶更具较高的稳定性和机械强度，最高温度可达1800C，室温下热电动势较低，可作标准热电偶，一般情况下，不需要作进行补偿和修正处理。由于其热电动势较低，需要采用高灵敏度和高精度的仪表。 （3）镍铬-镍硅或镍铬-镍铅热电偶，热电动势较高，热电特性线性度较好，化学性能稳定，具有较强的抗氧化性和抗腐蚀性，稳定性稍差，测量精度不高。 (4)镍铬-考铜热电偶，热电动势较高，电阻率小，适合于还原性和中性气氛下测量，价格便宜，测量上限较低。 (5)镍铬-康铜热电偶，热电动势较高，价格低，高温下易氧化，适于低温和超低温测量。其中（1）、（3）、（4）型的性能如图3-41。2.热电阻传感器利用电阻随温度变化的特点制成的传感器叫热电阻传感器，它主要用于对温度和与温度有关的参数测定。按热电阻的性质来分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者称为热电阻，后者称为热敏电阻 (见本章第七节)。热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成，其中，电阻体是热电阻的最主要部分。(1)铂电阻 铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。铂在氧化性介质中，特别是在高温下的物理、化学性质都非常稳定。但是，在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所污染，会使铂丝变脆，并改变其电阻与温度间的关系。铂电阻的温度关系（经验公式）为 铂电阻体是用很细的铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上做成的。常用的WZB型铂电阻体是由直径为0.03-0.07mm的铂丝绕在云母片制成的平板型支架上 (见图3-42所示)，铂丝绕组的出线端与银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加以绝缘和保护。(2)铜电阻 铂是贵重金属，在一些测量精度要求不高且温度范围较低的场合，一般采用铜电阻，其测量范围为-50150C。铜电阻具有线性度好、电阻温度系数高以及价格便宜等优点。在其正常测量范围内，有 铜热电阻的缺点是电阻率小，当温度超过100C时，铜容易氧化，因此它只能在低温和没有浸蚀性介质中工作。铜电阻体是一个铜丝绕组 (包括锰铜补偿部分)，它是由直径约为0.1mm的绝缘铜丝双绕住圆形塑料支架上，如图3-43所示。第五节 光电传感器光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器。一、光电测量原理光电传感器的工作基础是光电效应。光电效应按其作用原理分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。1.外光电效应在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应，亦称光电子发射效应。在这一过程中光子所携带的电磁能转换为光电子的动能。金属中存在大量的自由电子，通常，它们在金属内部作无规则的热运动，不能离开金属表面。但当电子从外界获取到等于或大于电子逸出功的能量时，便可离开金属表面。为使电子在逸出时具有一定的速度，就必须使电子具有大于逸出功的能量。这一过程的定量分析如下。一个光子具有的能量当物体受到光辐射时，其中的电子吸收了一个光子的能量h，该能量的一部分用于使电子由物体内部逸出所作的逸出功A，另一部分则为逸出电子的动能，即式(3-46)称为爱因斯坦光电效应方程式，它阐明了光电效应的基本规律。由上式可知:1)光电子逸出表面的必要条件是hA。因此，对每一种光电阴极材料，均有一个确定的光频率阀值。当入射光频率低于该值时，无论入射光的强度多大，均不能引起光电子发射。反之，入射光频率高于阀值频率，即使光强极小，也会有光电子发射，且无时间延迟。对应于此阀值频率的波长，称为某种光电器件或光电阴极的红限，其值为2)当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光光强成正比。光强愈大，意味着人射光子数多，逸出的光电子数亦愈多。3)对于外光电效应器件来说，只要光照射在器件阴极上，即使阴极电压为零，也会产生光电流，这是因为光电子逸出时具有初始动能。要使光电流为零，必须使光电子逸出物体表面时的初速度为零。为此要在阳极加一反向截止电压U0，使外加电场对光电子所作的功等于光电子逸出时的动能，即反向截止电压U0仅与人射光频率成正比，与人射光光强无关。外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。 2.内光电效应在光照作用下，物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应，又称光导效应。原因是某些半导体材料 (如硫化镉等)受到光照时，若光子能量大于本征半导体材料的禁带宽度，价带中的电子吸收一个光子后便可跃迁到导带，从而激发出电子-空穴对，于是降低了材料的电阻率，增强了导电性能。阻值的大小随光照的增强而降低，且光照停止后，自由电子与空穴重新复合，电阻恢复原来的值。内光电效应与外光电效应不同，外光电效应产生于物体表面层，在光辐射作用下，物体内部的自由电子逸出到物体外部，而内光电效应则不发生电子逸出。这时，物体内部的原子吸收光能量，获得能量的电子摆脱原子束缚成为物体内部的自由电子，从而使物体的导电性发生改变。内光电效应器件主要为光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管。 3.光生伏打效应在光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏打效应。作用原理:当光幅射至PN结的P型面上时，如果光子能量h大于半导体材料的禁带宽度，则在P型区每吸收一个光子便激发一个电子-空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴将被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区。结果，在N区便会积聚负电荷，在P区则积聚正电荷。这样，在P区和N区之间形成电势差，若将PN结两端以导线连接起来，电路中就会有电流流过。二、光电元件1.光电池（基于光生伏打效应）广泛用于把太阳能直接转换成电能，亦称为太阳能电池。光电池种类很多，有硅、硒、砷化镓、等光电池等。其中硅光电池由于其转换效率高、寿命长、价格便宜而应用最为广泛。硅光电池较适宜于接收红外光。硒光电池适宜于接收可见光，但其转换效率低 (仅有0.02%)、寿命低。但价格便宜，因此仍被用来制作照度计。砷化镓光电池的光电转换效率稍高干硅光电池，其光谱响应特性与太阳光谱接近，且其工作温度最高，耐受宇宙射线的辐射，因此可作为宇航电源。常用的硅光电池结构如图3-44所示。往电阻率为0.1-1的N型硅片上进行硼扩散以形成p型层，在用引线将P型和N型层引出形成正、负极，便形成了一个光电池。接受光辐射时，在两极间接上负载便会有电流通过。 光电池的基本特性包括光照特性、频率响应、光谱特性和温度特性等。常用的硅光电池和硒光电池的光谱特性见上图。2.真空光电管或光电管1)结构光电管主要两种结构形式 (见图3-45)，图a中光电管的光电阴极K由半圆筒形金属片制成，用于在光照射下发射电子。阳极A为位于阴极轴心的一根金属丝，用于接收阴极发射电子。阴极和阳极被封装于-个抽真空的玻璃罩内。2）光电管的基本特性（1）光谱特性不同的阴极材料对不同波长的光辐射有不同的灵敏度。表征光电阴极材料特性的主要参数是它的频谱灵敏度、红限和逸出功。如银氧铯 (Ag-Cs20)阴极在整个可见光区域均有一定的灵敏度，其频谱灵敏度曲线在近紫外光区和近红外光区分别有两个峰值。因此常用来作为红外光传感器， 它的红限约为7103A，逸出功为0.74eV，是所有光电阴极材料中最低的。（2）光电特性真空光电管的光电特性是指在恒定工作电压和入射光频率成分条件下，光电管接收的入射光通量与其输出光电流之间的比例关系 (见图3-46)。图3-46a给出两种光电阴极的真空光电管的光电特性。其中氧铯光电阴极的光电管在很宽的入射光通量范围上都具有良好的线性度，因而氧铯光电管在光度测量中获得广泛的应用。（3)伏安特性 光电管的伏安特性指在恒定的入射光的频率成分和强度条件下，光电管的光电流与阳极电压U之间的关系 (见图3-46)。由图可见，光通量一定时，当阳极电压U增加时，管电流趋于饱和，光电管的工作点一般选在该区域中。3.光电倍增管1)结构光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干个 倍增极，或叫次阴极。倍增极上涂有在电子轰击下能反射更多电子的材料，倍增极的形状和位置设计成正好使前一-级倍增极反射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间依次增大加速电压，如图3-47a所示。2）工作原理设每极的倍增率为（一个电子能轰击产生出个次级电子)，若有n次阴极，则总的光电流倍增系数 (C为各次阴极电子收集率)，即光电倍增管阳极电流I与阴极电流I0 之间满足关系，倍增系数与所加电压有关。常用的光电倍增管的基本电路如图3-47b所示，各倍增极电压由电阻分压获得，流经负载电阻RA的放大电流造成的压降，给出输出电压。一般阳极与阴极之间的电压为10002000V,两个相邻倍增电极的电位差为50100V。 电压越稳定越好，以减少由倍增系数的波动引起 的测量误差。由于光电倍增管的灵敏度高，所以 适合在微弱光下使用，但不能接受强光刺激，否则易于损坏。4.光敏电阻1）工作原理基于内光电效应工作，无光照时，电阻很高，有光照时电阻很低2）光敏电阻的主要特征参数有:(1)光电流、暗电阻、亮电阻 光敏电阻未受到光照时呈现的阻值称为 暗电阻，此时通过的电流称为 暗电流。光敏电阻在特定光照条件下呈现的阻值称为 亮电阻，此时通过的电流称为 亮电流。亮电流与暗电流之差称为 光电流。光电流的大小表征了光敏电阻的灵敏度大小。一般希望暗电阻大，亮电阻小，这样暗电流小，亮电流大，相应的光电流大。光敏电阻的暗电阻大多很高，为兆欧量级，而亮电阻则在千欧以下。 (2)光照特性 光敏电阻的光电流I与光通量F的关系曲线称为光敏电阻的光照特性。一般说来光敏电阻的光照特性曲线呈非线性，且不同材料的光照特性不同。(3)伏安特性 在-定光照下，光敏电阻两端所施加的电压与光电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性。当给定偏压时，光照度越大，光电流也越大。而在-定的照度下，所加电压越大，光电流也就越大，且无饱和现象。但电压实际上受到光敏电阻额定功率、额定电流的限制，因此不可能无限制地增加。(4)光谱特性 对不同波长的人射光，光敏电阻的相对灵敏度是不一样的。光敏电阻的光谱与材料性质、制造工艺有关。如硫化镉光敏电阻随着掺铜浓度的增加其光谱峰值从500nm移至640nm;而硫化铅光敏电阻则随材料薄层的厚度减小其峰值也朝短波方向移动。因此在选用光敏电阻时，应当把元件与光源结合起来考虑，才能获得所希望的效果。(5)响应时间特性 光敏电阻的光电流对光照强度的变化有一定的响应时间，通常用时间常数来描述这种响应特性。光敏电阻自光照停止到光电流下降至原值的63%时所经过的时间称为光敏电阻的时间常数。不同的光敏电阻的时间常数不同，因而其响应时间特性也不相同。(6)光谱温度特性 与其他半导体材料相同，光敏电阻的光学与化学性质也受温度影响。温度升高时，暗电流和灵敏度下降。温度的变化也影响到光敏电阻的光谱特性。因此有时为提高光敏电阻对较长波长光照 (如远红外光)的灵敏度，要采用降温措施。光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽，可从紫外一直到红外，且体积小、性能稳定，因此广泛用于测试技术。光敏电阻的材料种类很多，适用的波长范围也不同。如硫化镉 (CdS)、硒化镉 (CdSe)适用于可见光 （0.40.75m)的范围;氧化锌 （ZnO)、硫化锌 (ZnS)适用于紫外光范围;而硫化铅 (PbS)、硒化铅 (phSe)d等则适用于红外光范围。 5.光敏晶体管光敏晶体管分光敏二极管和光敏晶体管两类。1）光敏二极管其结构如图3-48。光敏二极管的PN结安装在管子顶部，可直接接受光照，在电路中一般处于反向工作状态 (见图3-48b)。在无光照时，暗电流很小。当有光照时，光子打在PN结附近，从而在PN结附件产生电子-空穴对。它们在内电场作y用下作定向运动，形成光电流。光电流随光照度的增加而增加。因此在无光照时，光敏二极管处于截止状态，当有光照时，二极管导通。2）光敏品体管结构如图3-49所示，有NPN型相PNP型两种，结构与一般晶体三极管相似。由于光敏晶体管是由光致导通的，因此它的发射极通常做得很小，以扩大光的照射面积。当光照到三极管的PN结附近时，在PN附件有电子-空穴对产生，它们在内电场作用下作定向运动，形成光电流。这样使PN结的反向电流大大增加。由于光照发射极所产生的光电流相对于晶体管的基极电流，因此集电极的电流为光电流的倍，因此光敏晶体管的灵敏度比光敏二极管的灵敏度高。3）光敏管的基本特性有:(1)光照特性 光敏二极管特性曲线的线性度要好于光敏晶体管，这与三极管的放大特性有关。(2)伏安特性 在不同照度下，光敏二极管和光敏晶体管的伏安特性曲线跟一般晶体管在不同基极电流时的输出特性一样。并且光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管的光电流大数百倍。由于光敏二极管的光生伏打效应使得光敏二极管即使在零偏压时仍有光电流输出。(3)光谱特性 当人射波长增加时，光敏晶体管的相对灵敏度均下降，这是由于光子能量太小，不足以激发电子-空穴对。而当入射波长太短时，灵敏度也会下降，这是由于光子在半导体表面附近激发的电子-空穴对不能到达PN结的缘故。(4)温度特性 光敏晶体管的暗电流受温度变化的影响较大，而输出电流受温度变化的影响较小。使用应考虑温度因素的影响，采取补偿措施。(5)响应时间 光敏管的输出与光照之间有一定的响应时间，一般锗管的响应时间为2xI10-4左右，硅管为110-5左右。三、光电传感器的应用光电传感器可应用于多种非电量检测。其工作机理如下; 1)光源本身是被测物 (见图3-50a)其能量辐射到光电元件上。这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计中，它的光辐射的强度和光谱的强度分帘都是被测温度的函数。2)恒光源所辐射的光穿过被测物，部分被吸收，而后到达光电元件上 (见图3-50b)。吸收量取决于被测物质的被测参数。例如，测液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、混浊度计的传感器等。3)恒光源所辐射的光照到被测物 (见图3-50。)，由被测物反射到达光电元件上。表面反射状态取决于该表面的性质，因此成为被测非电量的函数。如测量表面粗糙度等仪器的传感器。4)恒光源所辐射的光遇到被测物，部分被遮挡，而后到达光电元件上 (见图3-50U，由此改变了照射到光电元件上的光通量。在某些检测尺寸或振动的仪器中，常采用这类传感器。5) 把被测量转换成断续变化的光电流，而自动检测系统输出的为开关量或数字电信号。属于这一类的传感器大多用在光机电结合的检测装置中。如电子计算机的光电输入机、转速表、光电式编码器。四、应用实例冷扎钢带跑偏监测 图3-55为一种利用光电传感器进行边缘位置检测的装置，用于带钢冷扎过程中控制带钢的移动位置纠偏。由白炽灯发出的光经山透镜汇聚、分光镜反射后冉经平凸透镜汇聚成平行光，该光束被行进中的带钢遮挡掉一部分，另一部分则入射至角矩阵反射镜，经该角矩阵反射镜反射的光再经平凸透镜、分光镜和山透镜汇聚到光敏电阻上。角矩阵反射镜用于防止平面反射镜因倾斜或不平而出现的漫反射。由于光敏电阻接在输入桥路的一臂上，因此当带钢位于平行光束中间位置时，电桥处于平衡状态，输出为零。当带钢左、右偏移时，遮光面积发生减小或增大的变化，则光敏电阻接收的光通量会增大或减小，于是输出电流为或，该电流信号经放大后呵作为带钢纠偏控制信号。第六节 光纤传感器光纤传感器是20世纪70年代发展起来的新型传感器，和前面所介绍的传统传感器相比 有着重大差别。传统传感器以机-电转换为基础，以电信号为变换和传输载体，利用导线传输电信号。光纤传感器则以光学量为转换基础，以光信号为变换和传输载体，利用光导纤维传输光信号。1.组成光纤传感器主要由光源、光纤、光检测器和附加装置等组成。其中，单根光纤结构如下，它是由纤芯、包层组成，纤芯直径为几微米到几百微米，二者由石英、玻璃或塑料等光透过率高的材料制成，两者材料的折射率不同，纤芯折射率1稍大于包层折射率n2，外敷一