安全监测与监控技术-常用传感器.ppt

第3章安全检测常用传感器 3 1传感器的作用及分类3 2结构型传感器3 3物性传感器3 4其他类型传感器3 5传感器的选用原则 3 1传感器的作用及分类 3 1 1传感器的作用传感器是实现检测与自动控制 包括遥感 遥测 遥控 的首要环节 而传感技术是衡量科学技术现代化程度的重要标志 如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换 一切准确的检测与控制将无法实现 当今的世界正处在信息革命的新时代 而信息革命的两大重要支柱是信息采集与信息处理 信息的采集 捕获 与转换主要依赖于各种类型的传感器 信息的处理主要依靠电子技术和各种计算机 计算机与各种智能仪器将很快地在各个科学技术部门发挥巨大作用 然而 如果没有各种类型的传感器去准确地捕获并转换信息 即使最现代化的计算机也无法充分发挥其应有的作用 目前 传感器的应用已经渗透到各个学科领域 从高新技术直到每个家庭日常生活 如空间技术 海洋开发 资源探测 生物工程 人体科学等高技术领域中许多新的进展和突破 都是以实验检测为基础并与传感器技术的发展密切相关的 工业生产过程的现代化 几乎主要依靠各种传感器来监测与控制生产过程的各种参数 使设备和系统正常运行在最佳状态 从而保证生产的高效率与高质量 在生活领域中已进人每一个家庭 据不完全统计 现代高级轿车中所应用的传感器可达56种之多 又如目前常用的19种家用电器中 总共应用了53个 21种 传感器 传感器应用的技术水平成为衡量一个国家的科技和工业水平的重要标志 传感器技术已形成一个完整独立的科学体系 相信在不久的将来 对传感器的研究将进人一个崭新的阶段 3 1 2传感器的分类1 按输入量 被测对象 分类输入量即被测对象 按此方法分类 传感器可分为物理量传感器 化学量传感器和生物量传感器三大类 其中 物理量传感器又可分为温度传感器 压力传感器 位移传感器等等 这种分类方法给使用者提供了方便 容易根据被测对象选择所需要的传感器 2 按转换原理分类从传感器的转换原理来说 通常分为结构型 物性型两大类 结构型传感器是利用机械构件 如金属膜片等 在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移 将外界被测参数转换成相应的电阻 电感 电容等物理量 它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的 物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理 化学效应 即物质定律 如虎克定律 欧姆定律等 实现非电量的转换 它是以半导体 电介质 铁电体等作为敏感材料的固态器件 3 按能量转换的方式分类 按转换元件的能量转换方式 传感器可分为有源型和无源型两类 有源型也称能量转换型或发电型 它把非电量直接变成电压量 电流量 电荷量等 如磁电式 压电式 光电池 热电偶等 无源型也称能量控制型或参数型 它把非电量变成电阻 电容 电感等量 4 按输出信号的形式分类按输出信号的形式 传感器可分为开关式 模拟式和数字式 5 按输入和输出的特性分类按输入 输出特性 传感器可分为线性和非线性两类 3 2结构型传感器 3 2 1电阻式传感器 1 电阻式传感器原理金属体都有一定的电阻 电阻值因金属的种类而异 同样的材料 越细或越薄 则电阻值越大 当加有外力时 金属若变细变长 则阻值增加 若变粗变短 则阻值减小 如果发生应变的物体上安装有 通常是粘贴 金属电阻 当物体伸缩时 金属体也按某一比例发生伸缩 因而电阻值产生相应的变化 设有一根长度为l 截面积为A 电阻率为 的金属丝 则它的电阻值R可用下式表示 3 1 从上式可见 若导体的三个参数 电阻率 长度和截面积 中的一个或数个发生变化 则电阻值随着变化 因此可利用此原理来构成传感器 例如 若改变长度l 则可形成电位器式传感器 改变l A和 则可做成电阻应变片 改变 则可形成热敏电阻 光导性光检测器等 2 电位器式传感器电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化 从而改变电阻值大小 进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值 电位器式传感器分为线绕式和非线绕式两大类 线绕电位器是最基本的电位器式传感器 非线绕式电阻传感器则是在线绕电位器的基础上 在电阻元件的形式和工作方式上有所发展 包括薄膜电位器 导电塑料电位器和光电电位器等 线绕电位器式传感器的核心 即转换元件是精密电位器 它可实现机械位移信号与电信号的模拟转换 是一种重要的机电转换元件 线绕电位器式传感器原理图如图3 1所示 图3 1线绕电位器式传感器原理图 工作时 在电阻元件的两端 即Ui端加上固定的直流工作电压 从Uo端就有电压输出 并且 这个输出电压的大小与电刷所处的位置相关 当电刷臂随着被测量产生位移x时 输出电压也发生相应的变化 这是精密电位器的基本工作原理 易见 3 2 线绕电位器式传感器又分为直线位移型 角位移型和非线性型等 不管是哪种类型的传感器 都由线圈 骨架和滑动触头等组成 线圈绕于骨架上 触头可在绕线上滑动 当滑动触头在绕线上的位置改变时 即实现了将位移变化转换为电阻变化 如图3 2所示 线绕电位器主要由骨架 绕组 电刷 导电环及转轴等部分组成 线绕电位器的骨架一般由胶木等绝缘材料或表面覆有绝缘层的金属骨架构成 根据需要 骨架可做成不同的形状 如环带状 弧状 长方体或螺旋状等 绕组即电阻元件 由漆包电阻丝整齐地绕制在骨架上构成 其两个引出端UAB是电压输入端 电刷由电刷头和电刷臂组成 电刷头一般焊接在电刷臂上 电刷被绝缘地固定在电位器的转轴上 绕组与电刷头接触的工作端面用打磨和抛光的方法去掉漆层 以便与电刷接触 另外两个引出端UAC是电压输出端 图3 2线绕电位器式传感器的组成 a 直线位移型 b 角位移型 c 非线性型 3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成 当弹性敏感元件受到被测量作用时 将产生位移 应力和应变 则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电阻的变化 这样 通过测量电阻应变片的电阻值变化 从而确定被测量的大小 电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一 它可用于不同的弹性敏感元件形式 构成测量位移 加速度 压力等各种参数的电阻应变式传感器 它的主要优点是 1 由于电阻应变片尺寸小 重量轻 因而具有良好的动态特性 而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布基本上没有影响 适用于静态和动态测量 2 测量应变的灵敏度和精度高 可测量1 2 m应变 误差小于1 2 3 测量范围上 既可测量弹性变形 也可测量塑性变形 变形范围从1 20 4 能适应各种环境 可在高 低 温 超低压 高压 水下 强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用 电阻应变式传感器缺点是输出信号微弱 在大应变状态下具有较明显的非线性等 1 工作原理及结构参数 电阻应变片的工作原理如图3 3所示 它是基于导体和半导体材料的 电阻应变效应 和 压阻效应 电阻应变效应是指电阻材料的电阻值随机械变形而变化的物理现象 压阻效应是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时 其电阻率发生变化的物理现象 下面以单根电阻丝为例说明电阻应变片的工作原理 图3 3电阻应变片原理图 设电阻丝的长度为l 截面积为A 电阻率为 其初始电阻值为当电阻丝受到拉伸或压缩时 其几何尺寸和电阻值同时发生变化 对式两边取对数后再微分 即可求得电阻的相对变化为 3 3 上式中 R为电阻值 l为电阻丝的长度 m A为电阻丝的截面积 mm2 为电阻丝的电阻率 mm2 m 如果对整条电阻丝长度作用均匀应力 由于l A 的变化而引起电阻的变化 可通过对式 3 3 的全微分求得 3 4 相对变化量 3 5 假设电阻丝是圆截面 则A 2 r 其中r为电阻丝的半径 微分后可得 则 3 6 令电阻丝轴向相对伸长 即轴向应变为 电阻丝径向相对伸长 即径向应变为dr r 由 材料力学 获知 在弹性范围内 金属丝沿长度方向伸长或缩短时 轴向应变和径向应变的关系如下 3 7 式中 为金属材料的泊松系数 即径向应变和轴向应变的比例系数 负号表示方向相反 所以 经整理后得 3 8 定义金属丝的灵敏系数为 3 9 它的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化 可知 受两个因素影响 一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的 即 1 2 项 另一个是受力后材料的电阻率发生变化而引起 即d 项 对于确定的材料 1 2 项是常数 其数值约为1 2之间 并且由实验证明d 也是一个常数 因此灵敏系数k为常数 则得 3 10 上式表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比 导体或半导体材料在外界作用下 如压力等 产生机械变形 其阻值将发生变化 这种现象称为 应变效应 把依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上 则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上 从而使应变片上电阻丝的阻值发生变化 通过测量阻值的变化量 就可反映出外界作用的大小 2 电阻应变片的分类和结构 电阻应变片的分类 电阻应变片的种类繁多 分类方法也各异 按所选用的敏感材料可分为 金属应变片和半导体应变片 按敏感栅结构可分为 单轴应变片和多轴应变片 按基底材料可分为 纸质应变片 胶基应变片 金属基底应变片 浸胶基应变片 按制栅工艺可分为 丝绕式应变片 短接式应变片 箔式应变片 薄膜式应变片 按使用温度可分为 低温应变片 30 以下 常温应变片 30 60 中温应变片 60 350 高温应变片 350 以上 按安装方式可分为 粘贴式应变片 焊接式应变片 喷涂式应变片 埋入式应变片 按用途可分为 一般用途应变片 特殊用途应变片 水 疲劳寿命 抗磁感应 裂缝扩展等 按制造工艺可分为 体型半导体应变片 扩散 含外延 型半导体应变片 薄膜型半导体应变片 N P元件半导体型应变片 电阻应变片的结构 电阻应变片 简称应变片 的种类繁多 但基本构造大体相同 都是由敏感栅 基底 覆盖层 引线和粘合剂构成 如图3 4所示 图3 4电阻应变片的基本结构 敏感栅由金属或半导体材料制成 电阻丝 箔条 是用来感受应变的 是应变片的敏感元件 基底和覆盖层 厚度一般在0 03mm左右 是用来保护敏感栅 传递应变并使敏感栅和被测试件之间具有很好的绝缘性能 它通常根据应用范围的不同而采用不同的材料 常见的有纸基和胶基 引线是将敏感栅接到测量电路中去 它由直径为0 15 0 30mm镀银铜丝或镍铬铝丝制成 金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法 在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片 这种应变片有较高的灵敏度系数 允许电流密度大 工作温度范围较广 半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应制成的一种纯电阻性元件 对半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时 它的电阻率会发生变化 这种物理现象称之为压阻效应 半导体应变片主要有体型 薄膜型和扩散型等三种 体型半导体应变片是将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小条 经腐蚀压焊粘贴在基片上而制成的应变片 薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成的 扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上 形成一层极薄的P型导电层 再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片 半导体应变片与金属电阻应变片相比其灵敏度高50 70倍 另外 其横向效应和机械滞后小 但它的温度稳定性差 在较大应变下 灵敏度的非线性误差大 3 电阻应变式传感器的测量电路利用应变片可以感受由被测量产生的应变 并得到电阻的相对变化 通常可以通过电桥将电阻的变化转变成电压或电流信号 图3 5给出了常用的全桥电路 Uo为输出电压 R1为受感应变片 其余R2 R3 R4为常值电阻 为便于讨论 假设电桥的输入电源内阻为零 输出为空载 基于上面的假设 电桥的输出电压为 3 11 图3 5桥式电路 平衡电桥就是指电桥的输出电压Uo为零的情况 当在电桥的输出端接有检流计时 流过检流计的电流为零 即平衡电桥应满足 3 12 在上述电桥中 R1为受感应变片 即单臂受感 当被测量变化引起应变片的电阻产生R1的变化时 上述平衡关系被破坏 检流计有电流通过 3 13 3 14 3 15 电桥电压灵敏度定义为 3 16 分析发现 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压 电桥供电电压愈高 电桥电压灵敏度愈高 但是供桥电压的升高受到应变片允许功耗的限制 所以一般供桥电压应适当选择 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值 的函数 因此必须恰当地选择桥臂比 的值 保证电桥具有较高的电压灵敏度 下面分析当供桥电压 确定后 应取何值 电桥电压灵敏度才最高 令 可得 3 17 求得当n 1时 Kv有最大值 即当 电桥的灵敏度最高 由式 3 15 可知 电桥的输出电压和电源电压 及电阻相对变化成正比 而与各桥臂阻值大小无关 3 2 2电容式传感器1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器常用的是平板电容器和圆筒形电容器 1 平板电容器平板电容器由两个金属平行板组成 通常以空气为介质 如图3 6所示 图3 6平行板电容器 在忽略边缘效应时 平行板电容器的电容为 3 18 3 19 式中 C 电容量 F 0 真空介电常数 r 极板间介质的相对介电常数 A 极板的有效面积 m2 d 两平行极板间的距离 m 2 圆筒形电容器 圆筒形电容器由内外两个金属圆筒组成 设动极筒的外半径为r 定极筒的内半径为R 动极筒伸进定极筒的长度为l 如图3 7所示 则圆筒形电容器的电容为 3 20 当被测非电量使得式 3 18 中的A d或 发生变化时 电容量C也随之变化 如果保持其中两个参数不变而仅仅改变另一个参数 就可把被测参数的变化转换为电容量的变化 因此 电容量变化的大小与被测参数的大小成比例 这样 电容式传感器可依此划分为三种类型 即变间隙型 d变化 变面积型 A变化 和变介质型 变化 图3 7圆筒形电容器 2 变极距型电容传感器变极距型电容传感器如图3 8所示 它有一个固定极板和可动极板 其间为空气介质 当传感器的 0和A为常数 初始极距为d时 其初始电容量为 3 21 一般地 取C 20 300pF d 0 025 1mm 图3 8变极距型电容传感器 a 移动型 b 感应型 c 差动型 当动极板因被测量变化而向上移动使d减小 d时 电容量增大 C 则有 等式两边同时除以C 有 3 22 如果满足 d d 1时 则式 3 22 可用泰勒级数展开成 3 23 略去高次非线性项 则可得近似线性关系和灵敏度Kc 其关系式分别为 3 24 3 25 图3 9变极距型电容传感器的特性曲线 Kc称为电容传感器的灵敏系数 其物理意义是单位位移引起电容量相对变化的大小 其输出特性曲线如图3 9所示 如果考虑式 3 23 的前两项 则 3 26 其非线性误差为 3 27 图3 10变极距型电容传感器的非线性特性 由上述讨论可知 1 变极距型电容传感器只有在 d很小时 即小测量范围内时 才有近似的线性输出 2 极距d越小 灵敏度越高 故可用减小极距的办法来提高灵敏度 3 但是 极距d过小会带来两个问题 一是使非线性误差 增加 如图3 10所示 二是易造成极板间介质击穿 并增加极板的加工与安装的难度 解决这两个问题的办法 1 既要提高灵敏度 又要减小非线性误差 可采用差动法解决 2 既要提高灵敏度 又不使极板介质击穿 可在两极板之间加固定介质 3 差动变极距型电容传感器差动变极距型电容传感器结构如图3 11所示 上下为定极板 中间为动极板 在初始位置时 d1 d2 d C1 C2 C 图3 11差动变极距型电容传感器 这种传感器工作时 如果动极板上移 d 则 3 28 3 29 3 30 电容总的变化为 3 31 电容的相对变化为 3 32 略去高次项 则与的近似线性关系式为 3 33 则差动电容传感器的灵敏度为 3 34 4 电容式传感器测量电路 电容式传感器将被测量转换成电容量的变化 但由于电容及其变化量均很小 pF级 因此必须借助测量电路检测出这一微小电容及增量 并将其转换成电压 电流或频率 以便于显示 记录或传输 电容式传感器的测量电路种类很多 除前面介绍的电桥电路外 还可采用运算放大器电路 调频电路和差动脉冲宽度调制电路等 1 运算放大器电路 为克服电容式传感器极距的变化呈非线性关系缺点 最方便 简单的办法就是把变极距型电容传感器作为比例运算放大器的反馈环节 如图3 12所示 图中 运算放大器的输入端为电容C0 其反馈环节为变极距式电容传感器Cx 亦为电容 根据比例放大的运算关系 3 35 故可得 3 36 上式表明 若激励电压Ui与输入电容C0保持不变 则输出电压Uo与极距 成线性关系 此电路常用于位移测量传感器 图3 12运算放大器电路 2 电桥型电路 电桥型电路通常将电容传感器接入电桥 作为桥路的一部分 如图3 13所示 差动电容C1 C2作为相邻两臂接入电桥 另一相邻两臂为电感 构成电容传感器变压器电桥 电桥的输出是调幅波 经交流放大后 需经过相敏检波和滤波便可得到与电容量变化相应的直流输出 此电路要求电源电压和频率一定要非常稳定 否则会产生测量误差 另外 电容的变化范围亦不能太大 过大会使电桥输出产生非线性失真 造成较大误差 图3 13电容传感器变压器电桥型电路 3 调频电路 图3 14所示为电容式传感器作为调频振荡器中谐振回路的一部分 当物体的振动作为输入量时便引起电容传感器的电容量发生相应的变化 导致振荡器的振动频率的变化并输出相应的调频波 再由鉴频器转换为相应的电压变化 最后放大输出 此种电路具有抗干扰性强 灵敏度高等优点 可测0 01 m的位移变化量 其缺点是电缆的分布电容影响较大 对电路设计要求较高 图3 14电容传感器调频电路 图3 15脉冲宽度调制电路 图3 16脉冲宽度调制电路波形 a 1 C2时各点的电压波形 b 1 C2时各点的电压波形 输出电压uAB经低通滤波后 便可得到一直流输出电压Uo 其值为A B两点电压平均值UA与UB之差 即 式中 T1 T2 C1 C2充至Uc需要的时间 即A点和B点的脉冲宽度 U1 触发器输出的高电位 由于U1的大小是固定的 因此 输出直流电压Uo随T1和T2而变 即随uA和uB的脉冲宽度而变 而电容C1和C2分别与T1和T2成正比 在电阻R1 R1 R时 3 38 由此可知 直流输出电压Uo与电容C1和C2之差成比例 极性可正可负 对于极距变化型差动电容传感器 3 39 对于面积变化型差动电容传感器 3 40 根据以上分析可知 电容传感器测量电路具有如下特点 1 不论是极距变化型或面积变化型 其输入与输出变化量都呈线性关系 而且脉冲宽度调制电路对传感元件的线性要求不高 2 不需要解调电路 只要经过低通滤波器就可以得到直流输出 3 调宽脉冲频率的变化对输出无影响 4 由于采用直流稳压电源供电 不存在对其波形及频率的要求 3 2 3电感式传感器电感式传感器有如下几个特点 结构简单 无活动电触点 工作可靠 寿命较长 灵敏度和分辨率高 电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出 线性度和重复性比较好 在一定位移 如几十微米至几毫米 内 传感器非线性误差可做到0 05 0 1 并且稳定性好 1 自感式电感传感器1 自感式电感传感器原理 自感式电感传感器主要用来测量位移或者是可以转换成位移的被测量 如振动 厚度 压力 流量等 工作时 衔铁通过测杆与被测物体相接触 被测物体的位移将引起线圈电感量的变化 当传感器线圈接入测量转换电路后 电感的变化将被转换成电压 电流或频率的变化 从而完成非电量到电量的转换 由电工知识可知 线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数 即线圈的自感系数L I N I H N 为磁链 为磁通 I为流过线圈的电流 N为线圈匝数 根据磁路欧姆定律 NIS l 为磁导率 S为磁路截面积 l为磁路总长度 令Rm l S为磁路的磁阻 可得线圈的电感量为 3 41 磁路的总长度包括铁芯长度li1 衔铁长度li2和两个空气间隙l0的长度 因铁芯和衔铁均为导磁材料 磁阻可忽略不计 则式 3 41 可改写为 3 42 2 变气隙长度式电感传感器 变气隙长度式电感传感器的结构如图3 17 a 所示 由式 3 41 可知 若S为常数 则L f l 即电感L是气隙厚度l的函数 故称这种传感器为变气隙截面式电感传感器 由于电感量L与气隙厚度l成反比 故输入 输出是非线性关系 输出特性如图3 18 a 所示 图3 17自感式电感传感器结构示意图 a 变气隙长度式 b 变气隙截面式 c 螺管式 图3 18电感式传感器的输出特性 a 变气隙长度式输出特性 b 变气隙截面式输出特性 可见 l越小 灵敏度越高 为提高灵敏度 保证一定的线性度 变这种传感器适用于较小位移的测量 测量范围约在0 001 1mm左右 由于行程小 而且衔铁在运行方向上受铁芯限制 制造装配困难 所以近年来较少使用该类传感器 3 变气隙截面式电感传感器 变气隙截面式电感传感器的结构如图3 17 b 所示 由式 3 41 可知 若保持气隙厚度l为常数 则L f S 即电感L是气隙截面积S的函数 故称这种传感器为变截面式电感传感器 但是 由于漏感等原因 变截面式电感传感器在S 0时 仍有一定的电感 所以其线性区较小 为了提高灵敏度 常将l做得很小 变截面式传感器灵敏度比变间隙型小 但线性较好 量程也比变间隙式大 使用比较广泛 输出特性如图图3 18 b 所示 4 螺管式电感传感器 螺管式电感传感器的结构如图3 17 c 所示 螺管型电感式传感器结构由一柱型衔铁插入螺管圈内构成 其衔铁随被测对象移动 线圈磁力线路径上的磁阻发生变化 线圈电感量也因此而变化 线圈电感量的大小与衔铁插入深度有关 理论上 电感相对变化量与衔铁位移相对变化量成正比 但由于线圈内磁场强度沿轴线分布不均匀 所以实际上它的输出仍有非线性 设线圈长度为l 线圈的平均半径为r 线圈的匝数为n 衔铁进入线圈的长度为la 衔铁的半径为ra 铁芯的有效磁导率为 m 则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系为 3 43 由上式可知 螺管型电感式传感器的灵敏度较低 但由于其量程大且结构简单 易于制作和批量生产 因此它是使用最广泛的一种电感式传感器 5 差动电感传感器 以上三种类型的传感器 由于线圈中流过负载的电流不等于零 存在起始电流 非线性较大 而且有电磁吸力作用于活动衔铁 易受外界干扰的影响 如电源电压和频率的波动 温度变化等都将使输出产生误差 所以不适用于精密测量 只用在一些继电信号装置 在实际应用中 广泛采用的是将两个电感式传感器组合在一起 形成差动式传感器 图3 19差动E型自感传感器结构原理 2 互感式电感传感器 互感式电感传感器是利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的变化 互感式电感传感器实际上是一个具有可动铁芯和两个次级线圈的变压器 变压器初级线圈接入交流电源时 次级线圈因互感作用产生感应电动势 当互感变化时 输出电势亦发生变化 由于它的两个次级线圈常接成差动的形式 故又称为差动变压器式电感传感器 简称差动变压器 差动变压器的结构形式较多 下面介绍目前广泛采用的螺管式差动变压器 1 工作原理螺管式差动变压器主要由线圈框架A 绕在框架上的一组初级线圈W和两个完全相同的次级线圈W1 2及插入线圈中心的圆柱形铁芯B组成 如图3 20 a 所示 图3 20差动变压器 a 结构原理 b 等效电路 c 输出特性 当初级线圈W加上一定的交流电压时 次级线圈W1和W2 由于电磁感应分别产生感应电势e1和e2 其大小与铁芯在线圈中的位置有关 把感应电势e1和e2反极性串联 则输出电势为 次级线圈产生的感应电势为 3 44 式中 M 初级线圈与次级线圈之间的互感 i 流过初级线圈的激磁电流 以上分析表明 差动变压器输出电压的大小反映了铁芯位移的大小 输出电压的极性反映了铁芯运动的方向 从特性曲线看出 差动变压器输出特性的非线性得到很大的改善 实际上 当铁芯位于中间位置时 差动变压器输出电压eo并不等于零 把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压 零点残余电压产生的原因主要是传感器在制作时两个次级线圈的电气参数与几何尺寸不对称 以及磁性材料的非线性等问题引起的 零点残余电压一般在几十毫伏以下 在实际应用时 应设法减小零点残余电压 否则将会影响传感器的测量结果 2 测量电路 差动变压器的输出是一个调幅波 且存在一定的零点残余电压 因此为了判别铁芯移动的大小和方向 必须进行解调和滤波 另外 为消除零点残余电压的影响 差动变压器的后接电路常采用差动整流电路和相敏检波电路 差动整流电路就是把差动变压器的两个次级线圈的感应电动势分别整流 然后将整流后的两个电压或电流的差值作为输出 现以电压输出型全波差动整流电路为例来说明其工作原理 电路连接如图3 21 a 所示 图3 21差动变压器测量电路及波形 a 电路图 b 波形图 由图3 21 a 可见 无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何 流过两个电阻R的电流总是从a到b 从d到c 故整流电路的输出电压 3 45 其波形图如图3 21 b 所示 当铁芯在零位时 uo 0 铁芯在零位以上或零位以下时 输出电压的极性相反 于是零点残余电压会自动抵消 差动变压器具有测量精度高 线性范围大 100mm 灵敏度高 稳定性好和结构简单等优点 被广泛用于直线位移的测量 3 2 4磁电式传感器1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势 是一种机 电能量转换型传感器 不需要供电电源 电路简单 性能稳定 输出阻抗小 又具有一定的频率范围 一般为10 1000Hz 适应于振动 转速 扭矩等测量 根据法拉第电磁感应定律 N匝线圈在磁场中作切割磁力线运动或穿过线圈的磁通量变化时 线圈中产生的感应电动势e与磁通的变化率有如下关系 3 46 在电磁感应现象中 磁通量的变化是关键 进入线圈的磁通量越大 d 也越大 如果相对运动速度越快 即v或 越大 相当于dt越小 就越大 感应电动势e还与线圈匝数N成正比 不同类型的磁电感应式传感器 实现磁通量 变化的方法不同 有恒磁通的动圈式与动铁式磁电感应式传感器 有变磁通的 变磁阻 的开磁路式或闭磁路式磁电感应式传感器 磁电感应式传感器的直接应用是测量线速度v和角速度 如图3 22所示 其中图 a 为测线速度v 图 b 为测角速度 当线圈垂直于磁场方向运动时 磁电式传感器是利用电磁感应原理 将输入量转换成线圈中的感应电势输出的一种传感器 由于不需要辅助电源 所以是一种有源传感器 也被称为感应式传感器或电动式传感器 图3 22磁电感应式传感器 若线圈在恒定磁场中作直线运动 并切割磁力线时 则线圈两端产生的感应电势e为 3 47 式中 B 磁场的磁感应强度 x 线圈与磁场相对运动的位移 线圈与磁场相对运动的速度 线圈运动方向与磁场方向之间的夹角 N 线圈的有效匝数 l 每匝线圈的平均长度 当 90 线圈垂直切割磁力线 时 式 3 47 可写成 若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线 则线圈的感应电势为 3 49 3 48 式中 旋转运动的相对角速度 S 每匝线圈的截面积 线圈平面的法线方向与磁场方向的夹角 当 时 式 3 49 可写成 3 50 由式 3 48 和式 3 50 可知 当传感器的结构确定后 B S N l均为定值 因此 感应电势 与相对速度 或 成正比 从磁电感应式传感器的工作原理可知 它只适宜于动态测量 如果在其测量电路中接入积分电路 输出的感应电势就会与位移成正比 如果接入微分电路 输出的感应电势就与加速度成正比 因此 磁电感应式传感器还可用来测位移和加速度 2 变磁阻式磁电式传感器1 开磁路变磁阻式转速传感器 传感器由永久磁铁 感应线圈 软铁 齿轮组成 如图3 23所示 齿轮安装在被测转轴上 与转轴一起旋转 当齿轮旋转时 由齿轮的凹凸引起磁阻变化 以使磁通发生变化 因而在线圈中感应出交变电势 其频率等于齿轮的齿数z和转速n的乘积 即 3 51 式中 z 齿轮的齿数 n 被测轴转速 rpm f 感应电势频率 1 图3 23开磁路变磁阻式转速传感器 2 闭磁路变磁阻式转速传感器 闭磁路变磁阻式转速传感器的结构如图3 24所示 它是由安装在转轴上的内齿轮和永久磁铁 外齿轮及线圈构成的 内 外齿轮的齿数相等 测量时 转轴与被测轴相连 当旋转时 内 外齿的相对运动使磁路气隙发生变化 从而磁阻发生变化 并使贯穿于线圈的磁通量变化 在线圈中感应出电势 与开磁路相同 也可通过感应电势频率测量转速 图3 24闭磁路变磁阻式转速传感器 3 3物性传感器 3 3 1压电式传感器某些电介质 当沿着一定方向对其施力而使它变形时 内部就产生极化现象 同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷 当外力去掉后 又重新恢复不带电状态 这种现象称为压电效应 当作用力方向改变时 电荷极性也随着改变 逆向压电效应是指当某晶体沿一定方向受到电场作用时 相应地在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力 又称电致伸缩效应 当外加电场撤去后 晶体内部的应力或变形也随之消失 1 压电效应下面以石英单晶压电晶体为例 说明压电效应原理 石英是典型的压电晶体 其化学成分是二氧化硅 SiO2 压电系数较低 d11 2 3 10 12C N 它的压电效应在几百度的温度范围内不随温度而变化 但到573 时 完全丧失压电性质 这是它的居里点 石英具有很大的机械强度 在研磨质量好时 可以承受700 1000N cm2的压力 并且机械性质也较稳定 图3 25表示了天然结构石英晶体的理想外形 它是一个正六面体 在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示 其中纵向轴z z称为光轴 经过正六面体棱线 并垂直于光轴的x x轴 x x轴称为电轴 与x x轴和z z轴同时垂直的y y轴 垂直于正六面体的棱面 称为机械轴 通常把沿电轴x 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 y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 横向压电效应 沿光轴z z方向受力但不产生压电效应 图3 25石英晶体的理想外形及坐标系 石英晶体所以具有压电效应 是与它的内部结构分不开的 组成石英晶体的硅离子和氧离子O在M平面投影 如图3 26所示 为讨论方便 将这些硅 氧离子等效为图中正六边形排列 图中 代表Si4 离子 代表2O2 离子 下面讨论石英晶体受外力作用时晶格的变化情况 当无作用力Fx时 正 负离子正好分布在正六边形顶角上 形成三个互成120 夹角的偶极矩 如图3 26 a 所示 此时正负电荷中心重合 电偶极矩的矢量和等于零 当沿电轴x x施加作用力Fy时 在上方正离子局部占优 在下方负离子局部占优 于是上方带正电 下方带负电 如图3 26 b 所示 当沿机械轴y y轴施加作用力Fx时 在上方负离子局部占优 在下方正离子局部占优 于是上方带负电 下方带正电 如图3 26 c 所示 图3 26压电效应原理图 将沿电轴x轴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轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应 沿光轴z轴方向受力则不会产生压电效应 当压电晶片受到沿x轴方向的力Fx时 就在与x轴垂直的平面上产生电荷Qx为 3 52 式中 d11为压电系数 而石英晶体d11 2 3 10 12C N 若在同一压电晶片上的作用力是沿y轴方向 电荷仍在与x轴垂直的平面上出现 电荷大小为 3 53 2 压电材料1 压电晶体石英是典型的压电晶体 其化学成分是二氧化硅 SiO2 压电系数较低 d11 2 3 10 12C N 它在几百度的温度范围内不随温度而变 但到573 时 完全丧失压电性质 这是它的居里点 石英具有很大的机械强度 在研磨质量好时 可以承受700 1000kg mm2的压力 并且机械性质也较稳定 除天然石英和人造石英晶体外 近年来铌酸锂LiNbO3 钽酸锂LiTaO3 锗酸锂LiGeO3等许多压电单晶在传感技术中也获得广泛应用 2 多晶压电陶瓷 多晶压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体 主要有极化的铁电陶瓷 钛酸钡 锆钛酸铅等 钛酸钡是使用最早的压电陶瓷 它具有较高的压电常数 约为石英晶体的50倍 但它的居里点低 约为120 机械强度和温度稳定性都不如石英晶体 锆钛酸铅系列压电陶瓷 PZT 随配方和掺杂的变化可获得不同的性能 它的压电常数很高 约为 200 500 10 12 居里点约为310 温度稳定性比较好 是目前使用最多的压电陶瓷 由于压电陶瓷的压电常数大 灵敏度高 价格低廉 在一般情况下 都采用它作为压电式传感器的压电元件 3 新型压电材料 新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等 有机压电薄膜是由某些高分子聚合物 经延展拉伸和电场极化后形成的具有压电特性的薄膜 如聚仿氟乙烯 聚氟乙烯等 有机压电薄膜具有柔软 不易破碎 面积大等优点 可制成大面积阵列传感器和机器人触觉传感器 压电半导体是指既具有半导体特性又具有压电特性的材料 如硫化锌 氧化锌 硫化钙等 由于同一材料上兼有压电和半导体两种物理性能 故可以利用压电性能制作敏感元件 又可以利用半导体特性制成电路器件 研制成新型集成压电传感器 3 压电传感器等效电路当压电晶片受力时 在它的两个电极上会产生极性相反 电量相等的电荷 这样可以把压电传感器看成一个静电发生器 两个极板上聚集电荷 中间为绝缘体 它又可以看成一个电容器 如图3 27 a 所示 其电容量为 3 54 式中 S 极板面积 d 压电晶片厚度 介质介电常数 0 真空介电常数 0 8 85 10 12F m r 压电材料的相对介电常数 石英晶体为4 85 由于电容器上的开路电压Ua电荷量Q与电容Ca三者之间存在以下关系 可见压电式传感器可以等效为一个电压源Ua和一个电容Ca的串联电路 如图3 27 b 所示 也可以等效为一个电流源I和一个电容Ca的并联电路 如图3 27 c 所示 图3 27压电传感器 a 压电元件 b 电压等效电路 c 电荷等效电路 由等效电路可知 只有在外电路负载无穷大 内部信号电荷无 漏损 时 压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存下来 但事实上 传感器内部不可能没有泄漏 外电路负载也不可能无穷大 只有外力以较高频率不断地作用 传感器的电荷能得以补充时才适于使用 因此压电晶片不适合于静态测量 如果把压电式传感器和测量仪表连接时 还需考虑连接导线的等效电容Cc 前置放大器的输入电阻Ri 输入电容Ci Ra为压电传感器绝缘电阻 Ca为压电式传感器的等效电容 因此 压电传感器完整的等效电路如图3 28所示 图3 28压电传感器完整的等效电路 在压电式传感器中 往往采用多片压电晶片粘结在一起 其连接方式有两种 如图3 29所示 a 为串联接法 其输出电容C 输出电压U 及电荷量Q 与单片间的关系为 3 55 b 为并联接法 其输出电容C 输出电压U 及电荷量Q 与单片间的关系为 3 56 图3 29压电晶片的串 并联 a 串联接法 b 并联接法 压电传感器的测量电路1 电压放大器 阻抗变换器 图3 30是一种电压放大器 阻抗变换器 电路图 它具有很高的输入阻抗 一般1000M 以上 和很低的输出阻抗 小于100 频率范围2 100KHz 因此用该阻抗变换器可将高内阻的压电传感器与一般放大器相匹配 该阻抗变换器第一级采用MOS场效应管构成源极输出器 第二级是用锗管构成对输入端的负反馈 以提高输入阻抗 电路中的R1 R2是场效应管V的偏置电阻 R3是一个100M 的大电阻 主要起提高输入阻抗的作用 R5是场效应管的漏极负载电阻 根据V漏极电流大小即可确定R5的数值 在调试中确定 R4是源极接地电阻 也是VT的负载 R4上的交流电压通过C2反馈到场效应管的输入端 使A点电位提高 保证了较高的交流输入阻抗 二极管VD1 VD2起保护场效应管的作用 同时又可以起温度补偿作用 它是利用二极管的反向电流随温度变化来补偿场效应管泄漏电流ISG和IDG随温度的变化 由于V和VT是直接耦合 所以采用稳压管VDW起稳定VT的固定偏压作用 R6是的限流电阻 使VDW工作在稳定区 图3 30阻抗变换器电路图 图3 30中 如果只考虑V构成的场效应管源极输出器 则输入阻抗 3 57 通过C2从输出端引入负反馈电压后 输入阻抗为 式中 Ku是加上负反馈后的源极输出器的电压增益 其值接近 因此加负反馈后的输入阻抗可提高到几百甚至几千兆欧 以满足压电传感器对前置放大器的要求 图3 30中 如果只考虑场效应管构成的源极输出器 其输出阻抗为 3 58 式中 gm为场效应管跨导 由于引入负反馈 所以使输出阻抗更为减小 2 电荷放大器电荷放大器是一个有反馈电容Cf的高增益运算放大器 当略去Ra与Rf并联的等效电阻R后 压电传感器和电荷放大器连接的等效电路可用图3 31表示 图中A是运算放大器 由于放大器的输入阻抗极高 因此认为放大器输入端没有分流 根据运算放大器的基本特性 当工作频率足够高时 忽略 可以求得电荷放大器的输出电压 3 59 式中 A是运算放大器的开环增益 负号表示放大器的输入和输出反相 图3 31压电传感器与电荷放大器连接的等效电路 当A 满足 1 A Cf 10 Ca Cc Ci 时 就可以认为 3 60 可见 在电荷放大器中 输出电压Uo与电缆电容Cc无关 而与q成正比 这是电荷放大器的突出优点 3 3 2半导体敏感元件1 半导体热敏电阻1 分类及特性半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型 即负电阻温度系数热敏电阻 NTC 正电阻温度系数热敏电阻 PTC 和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻 CTR 它们的特性曲线如图3 32所示 由图可见 使用CTR组成热控制开关是十分理想的 但在温度测量中 则主要采用NTC 其温度特性如下式所示 3 61 图3 32三种类型热敏电阻的典型特性 若定义热敏电阻的温度系数为 3 62 则由式 3 61 有 2 使用时的注意事项 热敏电阻温度特性的非线性 由式3 61可知 热敏电阻随温度变化呈指数规律 也就是说 其非线性是十分严重的 当需要进行线性转换时 就应考虑其线性化处理 常用的线性化方法如下 1 线性化网络 利用包含有热敏电阻的电阻网络 常称线性化网络 来代替单个的热敏电阻 图3 33温度 频率转换电路 2 利用电子装置中其他部件的特性进行综合修正 图3 33是一个温度 频率转换电路 它实际是一个三角波 方波变换器 电容C的充电特性是非线性特性 适当地选取线路中的电阻r和R加上Rt可以在一定的温度范围内 得到近似于线性的温度 频率转换特性 3 63 3 计算修正法 热敏电阻器特性的稳定性和老化问题 现在已研制出精度优于热电偶 并具有互换性的热敏电阻 而且还能制造出300 以下可忽略老化影响的产品 但不同厂家产品质量差异还比较大 使用时仍应认真选择 一般地说 正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器 在辐射热检测器中 人们采用薄膜式金属电阻和热敏电阻薄膜 构成热量型检测器 将辐射热转换成电阻的变化 3 应用举例 电动机过热保护装置组成电路原理如图3 34所示 把三只特性相同的负温度系数热敏电阻 如RRC6型 经过测试 阻值在20 时为10k 100 时为1k 110 时为 0 6k 放置在电动机内绕组旁 紧靠绕组 每相各放置一只 用万能胶固定 当电动机正常运转时 温度较低 热敏电阻阻值较高 三极管V1截止 继电器K不动作 当电动机过负荷 或断相 或一相通地时 电动机温度急剧上升 热敏电阻阻值急剧减小 小到一定值 使三极管V1完全导通 继电器K动作 使S闭合 红灯亮 起到报警保护作用 图3 34电动机过热保护装置组成电路原理 2 气敏电阻气敏电阻是由金属氧化物烧结而成的半导体电阻元件 当环境中气体的成分或浓度发生变化时 导致气敏电阻的阻值发生变化 其变化范围在103 105 数量级之间 气敏电阻半导体材料亦分为N型半导体与P型半导体两种 N型材料如SnO2 ZnO CdO W2O3 Mn02 ThO2 TiO2等 P型材料如MoO2 NiO CoO Cu2O Cr2O3等 均为金属氧化物 其工作机理主要是由于各种可燃性气体的离解能比较小 容易失去电子 在遇到N型半导体材料时 由于其晶格氧离子缺位 气体中的电子向半导体移动 使半导体中载流子浓度增加 内阻减小 当遇到P型导体材料时 由于其阳离子缺位 呈空穴导电性 使半导体中载流子浓度下降 内阻增加 气敏电阻的结构如图3 35所示 图中1为气敏半导体材料 体积很小 直径在1mm以内 2为加热电极 3为引出端电极 均为 0 05mm铂电阻丝 在四个电极的支撑下封装在不锈钢防爆网内 构成气敏电阻 图3 35气敏电阻 图3 36气敏传感器在各种气体浓度q下电路输出电压U的曲线 3 3 3光电传感器 1 光的特性 1 光的电磁说 光是一种电磁波 由电磁理论可知 光是电磁波谱中的一员 不同波长光的分布如图3 27所示 这些光的频率 波长 各不相同 但都具有反射 折射 散射 衍射 干涉和吸收等特性 可见光只是电磁波谱中的一小部分 波长在380 780nm之间 红光频率最低 紫光频率最高 光的频率越高 携带的能量越大 图3 37电磁波频谱图 2 光的量子说 光是一种带有能量的粒子 称为光子 所形成的粒子流 由光的粒子说可知 光又是由具有一定能量 动量和质量的粒子所组成 这种粒子称为光子 光是以光速运动的光子流 每个光子都具有一定的能量 其大小与它的频率成正比 即 3 64 式中 h为普朗克常数 h 6 626 10 34J s v为光子的频率 s 1 c为光速 c 3 108m s 为光的波长 m 当物质受光照后 物质的电子吸收了光子的能量所产生的电现象称为光电效应 它是光电元器件的理论基础 可见 不同频率和波长的光具有不同的能量 光的频率愈高 即波长愈短 光子的能量就愈大 光的能量就是光子能量的总和 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体 根据爱因斯坦假说 一个光子的能量只能给一个电子 因此电子增加的能量为h 电子获得能量后释放出来 参加导电 这种物体吸收光的能量后产生电效应的现象叫做光电效应 光电效应可以分为以下三种类型 1 外光电效应 在光的作用下 物体内的电子逸出物体表面 向外发射的现象叫外光电效应 物体中的电子吸收的入射光子能量若足以克服逸出功 电子就逸出物体表面 产生光电发射 如果逸出电子的能量为mv2 2 m为电子质量 v为逸出速度 则有 3 65 式 3 65 称为爱因斯坦光电效应方程式 为逸出功 可见 只有当光子能量大于逸出功 即h 时 才有电子发射出来 当光子的能量等于逸出功 即h 时 逸出的电子初速度为零 此时光子的频率为该物质产生外光电效应的最低频率 称为红限频率 由于光子的能量与光的频率成正比 因此要使物体发射光电子 光的频率必须高于红限频率 小于红限频率的入射光 光再强也不会激发光电子 大于红限频率的入射光 光再弱也会激发光电子 单位时间内发射的光电子数称为光电流 它与入射光的光强成正比 对光敏管 即使阳极电压为零也会有光电流产生 欲使光电流为零必须加负向的截止电压 截止电压应与入射光的频率成正比 利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管 充气光电管和光电倍增管 2 光电导效应在光的作用下 电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态 引起物体电阻率的变化 这种现象称为光电导效应 由于这里没有电子从物体向外发射 仅改变物体内部的电阻或电导 与外光电效应对照 有时也称为内光电效应 光电导效应是由于在光线的照射下 半导体中的原子受激发成为自由电子或空穴 它们参加导电使半导体的电导率增加了 与外光电效应一样 要产生光电导效应 也要受到红限频率限制 利用光电导效应可制成半导体光敏电阻 3 光生伏特效应 在光的作用下 能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应 光生伏特效应是由于在光线照射下 结附近被束缚的价电子吸收光子能量 受激发产生电子空穴对 在内电场的作用下 空穴移向 区 电子移向 区 使 区带正电 区带负电 于是在 区和 区之间产生电动势 利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管 光敏三极管和光电池等 2 光电器件的基本特性各种光电器件的基本特性包括以下几方面 1 光电流 光敏元件的两端加上一定偏置电压后 在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流 2 暗电流 光敏元件在无光照时 两端加电压后产生的电流称为暗电流 暗电流在电路设计中被认为是一种噪声电流 在高照度情况下 由于光电流与暗电流的比值大 还不会产生问题 但在低照度时 因光电流与暗电流的比值较小 如果电路各级间没有耦合电容隔断直流电流 则容易使线路产生误动作 因此 暗电流对测量微弱光强及精密测量的影响很大 在选择时 应选择暗电流小的光电器件 3 光照特性 当光敏元件加一定电压时 光电流 与光敏元件上光照度 之间的关系 称为光照特性 一般可表示为I f E 4 光谱特性 当光敏元件加一定电压时 如果照射在光敏元件上的是一单色光 且入射光功率不变 光电流随入射光波长变化而变化的关系 称为光谱特性 光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义 当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时 光电传感器的性能较好 效率也高 在检测中 应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件 才有可能获得最高灵敏度 5 伏安特性 在一定照度下 光电流 与光敏元件两端的电压 的关系I f U 称为伏安特性 同晶体管的伏安特性一样 光敏元件的伏安特性可以用来确定光敏元件的负载电阻 设计应用电路 6 频率特性 在相同的电压和相同幅值的光强度下 当入射光受不同的正弦交变频率调制时 光敏元件输出的光电流 和灵敏度 随调制频率 变化的关系I f1 f K f2 f 称为频率特性 7 温度特性 环境温度变化后 光敏元件的光学性质也将随之改变 这种现象称为温度特性 温度升高时 电子热运动增强 引起光敏元件的光电流及光谱特性等变化 温度超过一定值时 光电器件的性质会有显著地改变 光电器件都有极限工作条件 正常使用时都不允许超过这些指标 否则会影响光电器件的正常工作 甚至使器件损坏 通常各种光电器件都规定了工作电压 工作电流 工作温度等的允许范围 使用时要注意 3 光电管 结构和工作原理 典型的光电管有真空光电管和充气光电管两类 两者结构相似 图3 38 a 所示为光电管的结构示意图 它由一个阴极和一个阳极构成 它们一起装在一个被抽成真空的玻璃泡内 阴极装在光电管玻璃泡内壁或特殊的薄片上 光线通过玻璃泡的透明部分投射到阴极 要求阴极镀有光电发射材料 并有足够的面积来接受光的照射 阳极要既能有效地收集阴极所发射的电子 而又不妨碍光线照到阴极上 因此是用一细长的金属丝弯成圆形或矩形制成 放在玻璃管的中心 光电管的连接电路图如图3 38 b 所示 光电管的阴极K和电源的负极相连 阳极A通过负载电阻RL接电源正极 当阴极受到光线照射时 电子从阴极逸出 在电场作用下被阳极收集 形成光电流I 该电流及负载电阻RL上的电压将随光照的强弱而改变 达到把光信号变化转换为电信号变化的目的 图3 38光电管结构示意图和连接电路 充气光电管的结构基本与真空光电管相同 只是管内充以少量的惰性气体 如氖气等 当光电管阴极被光线照射产生电子后 在趋向阳极的过程中 由于电子对气体分子的撞击 将使惰性气体分子电离 从而得到正离子和更多的自由电子 使电流增加 提高了光电管的灵敏度 但充气光电管的频率特性较差 温度影响大 伏安特性为非线性等 所以在自动检测仪表中多采用真空光电管 主要特性 光电管的伏安特性 在一定的光照下 对光电管阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性 真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如图3 39 a b 所示 它们是光电传感器的主要参数依据 充气光电管的灵敏度更高 图3 39光电管的伏安特性 a 真空光电管 b 充气光电管 光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时 光通量与光电流之间的关系称为光照特性 图3 40为光电管的光照特性 曲线1是氧铯阴极光电管的特性 光电流I与光通量呈线性关系 曲线2是锑铯阴极光电管的光照特性 呈非线性关系 光照特性曲线的斜率 光电流与入射光光通量之比 称为光电管的灵敏度 图3 40光电管的光照特性 图3 41