机械工程测试技术基础机械工程学院仪器系.传感器技术3.1 3.1 传感器的基本概念传感器的基本概念3.2 3.2 电阻式传感器电阻式传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器3.4 3.4 电感式传感器电感式传感器3.5 3.5 压电式传感器压电式传感器3.6 3.6 磁电与热电式传感器磁电与热电式传感器3.7 3.7 光电式传感器光电式传感器3.8 3.8 光纤传感器光纤传感器3.9 3.9 半导体传感器半导体传感器3.10 3.10 其他类型传感器其他类型传感器.人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。同样，如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，同样，如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而而传感器则相当于人的五官部分传感器则相当于人的五官部分。例如，足球机器人。例如，足球机器人。单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中产活动中它们的功能就远远不够它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又传感器是人类五官的延长，又称之为称之为电五官电五官。.传感器与计算机、通信和自动控制技术等一起构成一条从信息采集、处理、传输和应用的完整信息链。深入研究传感器的类型、原理和应用，研制开发新型传感器，对于科学技术和生产过程中的自动控制和智能化发展，以及人类观测研究自然界事物的深度和广度都有重要的实际意义。本章内容主要包括传感器的基本概念、各类传感器（电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、热电式、光电、光纤、半导体等）的工作原理、测量电路及其典型应用。 .3.13.1传感器的基本概念传感器的基本概念3.1.13.1.1定义与组成定义与组成定义：定义：根据我国国家标准（根据我国国家标准（GB/T76652005），传感器），传感器（Transducer/Sensor）的定义为能够感受规定的被测量并按）的定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。感元件和转换元件组成。解释：解释：敏感元件是指传感器中能直接感受和响应被测量的敏感元件是指传感器中能直接感受和响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。 .注意事项：注意事项：并非所有传感器都能明显地区分敏感元件和转并非所有传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件这两部分，如热电偶换元件这两部分，如热电偶 ；只由敏感元件和转换元件组只由敏感元件和转换元件组成的传感器通常输出信号较弱或还不便于处理，此时需通成的传感器通常输出信号较弱或还不便于处理，此时需通过信号调理转换电路将其输出信号放大或转换为便于测量过信号调理转换电路将其输出信号放大或转换为便于测量的电压、电流、频率等电信号。的电压、电流、频率等电信号。.传感器的典型组成：传感器的典型组成：膜盒敏感元件；电感线圈转换元件；信号调理电路.3.1.2 传感器的分类传感器的分类1 1、按被测物理量分类、按被测物理量分类机械量机械量: :位移、速度、加速度、力；位移、速度、加速度、力； 热工量：热工量：温度、热量、流量、压力、液位温度、热量、流量、压力、液位物性参量物性参量: :浓度、粘度、比重等；浓度、粘度、比重等；状态参量状态参量: :裂纹、缺陷、泄露、磨损裂纹、缺陷、泄露、磨损常见的被测物理量常见的被测物理量.2 2、按传感器工作原理分类、按传感器工作原理分类机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. . 机械式传感器以机械式传感器以弹性体弹性体作为敏感元件，输入量可以是作为敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。性变形。弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。指示被测量的大小。应用实例：测力计、压力计、温度计。应用实例：测力计、压力计、温度计。.测力计.压力计温度计弹性膜片弹性膜片波纹管波纹管波登管波登管.3 3、按信号变换特征、按信号变换特征: :结构型结构型: :依靠传感器依靠传感器结构参数的变化结构参数的变化实现信号转变实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身依靠敏感元件材料本身物理性质的变化物理性质的变化来实现信号来实现信号变换变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .4 4、按传感器的能量关系不同分类按传感器的能量关系不同分类能量转换型能量转换型( (无源传感器）无源传感器）: : 直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,磁电式加速度计磁电式加速度计. .能量控制型（有源传感器）能量控制型（有源传感器）: : 从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .V.5、按传感器的输出量不同分类、按传感器的输出量不同分类 模拟式传感器和数字式传感器模拟式传感器和数字式传感器.3.2 3.2 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器，再电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器，再经一定的测量电路实现对测量结果的输出。经一定的测量电路实现对测量结果的输出。 电阻式传感器分类：电阻式传感器分类：变阻器式传感器变阻器式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器.3.2.1 3.2.1 变阻器式传感器变阻器式传感器变阻器式传感器又称为变阻器式传感器又称为电位计式传感器电位计式传感器。工作原理：工作原理：一个电导体的电阻值：一个电导体的电阻值：式中：式中：R R电阻（电阻（）；）； 材料的电阻率（材料的电阻率（mmmm2 2/m/m）；）； l l导体的长度（导体的长度（m m）；）； A A导体的截面积（导体的截面积（mmmm2 2）。）。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。变阻器式传感器有变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型直线位移型、角位移型和非线性型等。等。.直线位移型直线位移型 k kl l为单位长度中的为单位长度中的电阻电阻 。其灵敏度：其灵敏度：角位移型角位移型 灵敏度：灵敏度：触点转角触点转角(rad)(rad)；k ka a单位弧度对应的电阻单位弧度对应的电阻值。值。非线性型非线性型 输出电阻输出电阻( (或电压或电压) )与电刷位移与电刷位移( (包括线位移或角位移包括线位移或角位移) )之间具有非线性函数关系的一种电位器之间具有非线性函数关系的一种电位器 。.图3-5 变阻器式传感器a) 直线位移型 b）角位移型 c）非线性型.变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuo.变阻器式传感器的优缺点：变阻器式传感器的优缺点：优点：结构简单，性能稳定，使用方便；优点：结构简单，性能稳定，使用方便；缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于2020m m；较大；较大的噪声（的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因原因）。）。.3.2.2 3.2.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器由电阻应变式传感器由弹性敏感元件弹性敏感元件和和电阻应变片电阻应变片组成。组成。当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力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。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，它可采电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一，它可采用不同的弹性敏感元件形式，构成测量用不同的弹性敏感元件形式，构成测量位移、力、压力、位移、力、压力、加速度等各种参数加速度等各种参数的电阻应变式传感器。的电阻应变式传感器。 .1. 1. 工作原理工作原理图3-7 金属丝电阻应变片1敏感栅 2基底 3覆盖层 4引出线.敏感栅：金属材料（半导体应变片为半导体材料）制成，用来感受应变；基底和覆盖层：（厚度一般在0.03mm左右）用来保护敏感栅、传递应变并使敏感栅和弹性敏感元件（或试件）之间具有良好的绝缘性能，常用材料为纸基和胶基；引出线：将敏感栅接到测量电路中去，它由直径为0.150.30mm的镀银铜丝或镍铬铝丝制成。.l电阻应变片的工作原理是基于金属导体和半导体材料的“电阻应变效应”和“压阻效应”。l电阻应变效应是指电阻材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象；l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现象。 .图3-8 金属丝的应变效应.公式推导：公式推导：则有：.设设A=A=rr2 2，r r为电阻丝半径，代入上式得为电阻丝半径，代入上式得（39）.金属材料：半导体材料：.电阻丝的灵敏度系数：.2. 2. 金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类（1 1）金属电阻应变片：）金属电阻应变片：l丝式应变片：丝式应变片：将一根电阻丝绕成栅状，用胶粘剂贴于基底，将一根电阻丝绕成栅状，用胶粘剂贴于基底，其直径在其直径在0.0120.050mm之间。之间。l箔式应变片：箔式应变片：用光刻、腐蚀等工艺方法制成的一种很薄的用光刻、腐蚀等工艺方法制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在金属箔栅，其厚度一般在0.0030.010mm。它的优点是表面。它的优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，并可做成任意的形状，适于大批量生产。箔式应变片的使并可做成任意的形状，适于大批量生产。箔式应变片的使用范围日益广泛，用范围日益广泛，并有逐渐取代丝式应变片的趋势并有逐渐取代丝式应变片的趋势。 .（2 2）半导体应变片：）半导体应变片：l常用硅、锗等材料做成单根状的敏感栅，使用方法与金属常用硅、锗等材料做成单根状的敏感栅，使用方法与金属电阻应变片相同。电阻应变片相同。l优点：优点：灵敏度很大，是金属电阻应变片的灵敏度很大，是金属电阻应变片的5070倍（可参考倍（可参考表表3-1和表和表3-2），可测微小应变，尺寸小，横向效应和机械），可测微小应变，尺寸小，横向效应和机械滞后也小。滞后也小。l缺点：缺点：温度稳定性差，测量较大应变时，非线性严重，必温度稳定性差，测量较大应变时，非线性严重，必须采取补偿措施。须采取补偿措施。.图3-10 半导体应变片结构1-半导体敏感条 2-基底 3-引出线.3. 3. 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用（1 1）直接测定结构的应变或应力。直接测定结构的应变或应力。例如，为了研究机械、例如，为了研究机械、桥梁、建筑等的某些构件在工作状态下的受力、变形情况，桥梁、建筑等的某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应变片，粘贴在构件的预定部位，可以可利用不同形状的应变片，粘贴在构件的预定部位，可以测得测得构件的拉压应力、扭矩及弯矩构件的拉压应力、扭矩及弯矩等，为结构设计、应力等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测提供可靠测试数据。校核或构件破坏的预测提供可靠测试数据。 .（2 2）电阻应变片）电阻应变片和弹性敏感元件配合制成各种电阻应变式和弹性敏感元件配合制成各种电阻应变式传感器，用来测量传感器，用来测量力、压力、扭矩、加速度力、压力、扭矩、加速度等物理量。等物理量。l 圆柱式力传感器圆柱式力传感器 ：R R1 1、R R3 3串联，串联，R R2 2、R R4 4串联并置于相对位串联并置于相对位置的臂上，以减小弯矩的影响。横向贴片作温度补偿用。置的臂上，以减小弯矩的影响。横向贴片作温度补偿用。 .图图3-13 3-13 圆柱面展开及电桥圆柱面展开及电桥a a）圆柱面展开图）圆柱面展开图 b b）桥路连接图）桥路连接图.l 膜片式压力传感器膜片式压力传感器 ：切向应变切向应变t切向应变始终为正值，中心处最大；切向应变始终为正值，中心处最大；径向应变径向应变r有正有负，在中心处和切向应变相等，在边有正有负，在中心处和切向应变相等，在边缘处最大；缘处最大；一般在膜片圆心处沿切向贴两片（一般在膜片圆心处沿切向贴两片（R1、R4）感受）感受t，因，因为圆心处切向应变最大；在边缘处沿径向贴两片（为圆心处切向应变最大；在边缘处沿径向贴两片（R2、R3）感受）感受r，因为边缘处径向应变最大；，因为边缘处径向应变最大；四个应变片接成四个应变片接成全桥测量电路全桥测量电路，以提高灵敏度和实现温，以提高灵敏度和实现温度补偿。度补偿。 .图图3-14 膜片式压力传感器膜片式压力传感器a）应力变化）应力变化 b）应变片粘贴位置）应变片粘贴位置.l 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 ：悬臂梁、质量块、螺钉固定在壳体；悬臂梁、质量块、螺钉固定在壳体；梁的上下两面粘贴应变片，传感器内部充满硅油；梁的上下两面粘贴应变片，传感器内部充满硅油；测量加速度时，将壳体刚性连接在被测体上，由于梁的测量加速度时，将壳体刚性连接在被测体上，由于梁的刚度很大，刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动惯性质量块也以同样的加速度运动，其产生，其产生的惯性力作用在梁的端部使梁产生变形，应变片的阻值的惯性力作用在梁的端部使梁产生变形，应变片的阻值也发生相应变化；也发生相应变化；为了防止传过载破坏，质量块上下端面安装限位块。为了防止传过载破坏，质量块上下端面安装限位块。 .图图3-15 3-15 应变式加速度传感器应变式加速度传感器1-1-质量块质量块 2-2-悬臂梁悬臂梁 3-3-硅油硅油 4-4-限位块限位块 5-5-应变片应变片 6-6-壳体壳体.3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器n电容式传感器是将非电量的变化转换为电容式传感器是将非电量的变化转换为电容量变化电容量变化的一的一种装置。种装置。n优点：优点：结构简单、体积小、动态响应快、温度稳定性好、结构简单、体积小、动态响应快、温度稳定性好、易实现非接触测量等。易实现非接触测量等。n缺点：缺点：易受外界干扰和分布电容影响，随着电子技术的易受外界干扰和分布电容影响，随着电子技术的发展，其缺点不断得以克服。发展，其缺点不断得以克服。n应用：应用：可测量位移、振动、角度、加速度，以及压力、可测量位移、振动、角度、加速度，以及压力、压差、液位、成份含量等。压差、液位、成份含量等。 .3.3.1 3.3.1 工作原理及类型工作原理及类型 公式：公式：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：.各参数含义：各参数含义：A 极板面积（极板面积（m2）；）； 两极板间距离（两极板间距离（m） r极板间介质的介电常数，当介质为空气时极板间介质的介电常数，当介质为空气时r=1；0真空介电常数真空介电常数,0=8.8510-1 2(F/m);结论：结论：被测量使被测量使、A或或r变化，均会引起电容变化，均会引起电容C变化。保持变化。保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。变化变换成电容量的变化。分类：分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应用三种，前两种应用较广。较广。 .（1 1）极距变化型）极距变化型极距有一微小变化量极距有一微小变化量d d时，引起，引起电容容变化量化量dCdC为.灵敏度为灵敏度为.差动式电容传感器：差动式电容传感器：灵敏度提高了一倍，线性工作区扩大。灵敏度提高了一倍，线性工作区扩大。 .总结：总结：极距变化型电容传感器的优点是极距变化型电容传感器的优点是灵敏度高灵敏度高，可进行，可进行非非接触式测量接触式测量，对被测系统的影响小，适用于，对被测系统的影响小，适用于微小位移微小位移（0.01m数百微米数百微米）的测量）的测量。但这种传感器具有非线性特。但这种传感器具有非线性特性、传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精度有影响，与性、传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂，由于这些缺点，传感器配合使用的电子线路也比较复杂，由于这些缺点，其使用范围受到一定限制。其使用范围受到一定限制。 .（2 2）面积变化型）面积变化型图图3-19 3-19 面积变化型电容传感器面积变化型电容传感器a a）角位移型）角位移型 b b）平面线位移型）平面线位移型 c c）圆柱体线位移型）圆柱体线位移型1 1动板动板 2 2定板定板.a)a)角位移型角位移型电容量电容量灵敏度灵敏度结论：输出与输入成线性关系。结论：输出与输入成线性关系。.b)b)平面线位移型平面线位移型电容量电容量灵敏度灵敏度.c)c)圆柱体线位移型圆柱体线位移型电容量电容量灵敏度灵敏度式中 D圆筒孔径； d 圆柱外径。.总结：总结：面积变化型电容传感器的优点是面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性输出与输入成线性关系关系，但与极距变化型相比，但与极距变化型相比，灵敏度较低灵敏度较低，适用于较大直，适用于较大直线位移及角位移测量。线位移及角位移测量。（3 3）介质变化型）介质变化型图图3 320a20a，介质液位计，液面位置变动，两电极侵入，介质液位计，液面位置变动，两电极侵入高度变化，电容量变化。高度变化，电容量变化。图图3 320b20b，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿度发生变化时，介电常数变，导致电容量变化。度发生变化时，介电常数变，导致电容量变化。.3.3.2 3.3.2 工作原理及类型工作原理及类型 电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。电路转换成电压、电流或频率等输出量。（1 1）变压器式交流电桥）变压器式交流电桥 电桥两臂电桥两臂C C1 1、C C2 2为差动式电容传感器，另外两臂为交流变为差动式电容传感器，另外两臂为交流变压器二次绕组阻抗的一半，即压器二次绕组阻抗的一半，即L L1 1和和L L2 2。图示为电感、电容组。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解成的交流电桥。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。调、滤波后输出。.（2 2）直流极化电路）直流极化电路 又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。传感器。 组成：组成：弹性膜片、电容器、直流极化电压弹性膜片、电容器、直流极化电压E E0 0、高阻值、高阻值电阻电阻R R。 输出电压：输出电压： 被测量：被测量：测量气流（或液流）振动速度，进而测其压测量气流（或液流）振动速度，进而测其压力。力。.（3 3）调频电路）调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率谐振频率f f为：为： 式中式中L L振荡回路电感。振荡回路电感。 当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录器或显示仪表指示。器或显示仪表指示。.调频电路工作原理调频电路工作原理 .( (4 4）运算放大电路）运算放大电路 输出电压和位移量的关系：输出电压和位移量的关系：则有则有 式中式中u u0 0信号源电压；信号源电压；u ug g运放输出电压；运放输出电压；c co o固定电容；固定电容；c cx x传感器等效电容。传感器等效电容。输出电压输出电压u uo o与电容传感器间隙与电容传感器间隙成正比关系。成正比关系。 .3.3.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用实例实例1：电容式传声器电容式传声器.l传声器由很薄的传声器由很薄的金属膜片金属膜片和紧靠它的固定极板组成，二者和紧靠它的固定极板组成，二者之间留有空气薄层，构成空气介质电容器。之间留有空气薄层，构成空气介质电容器。l当声压作用在膜片上时，膜片内外产生压差，使膜片产生当声压作用在膜片上时，膜片内外产生压差，使膜片产生与外界声波信号一致的振动，导致膜片与固定极板之间的与外界声波信号一致的振动，导致膜片与固定极板之间的距离改变，引起电容量的变化，通过测量电路变成电压输距离改变，引起电容量的变化，通过测量电路变成电压输出。出。 .实例实例2：电容式振动位移传感器电容式振动位移传感器 .l平面测端电极平面测端电极1 1作为电容器的一个极板，通过作为电容器的一个极板，通过电极座电极座5 5由引由引线接入电路，另一极是被测物体表面。线接入电路，另一极是被测物体表面。l金属壳体金属壳体3 3与测端电极与测端电极1 1之间有之间有绝缘衬套绝缘衬套2 2使彼此绝缘。使彼此绝缘。l使用时壳体使用时壳体3 3为夹持部分，传感器通过为夹持部分，传感器通过螺母螺母7 7被夹持在标准被夹持在标准台架或其他支承上。壳体台架或其他支承上。壳体3 3接大地可起屏蔽作用。接大地可起屏蔽作用。l弹簧卡圈弹簧卡圈4 4和和盘形弹簧盘形弹簧6 6起固定作用。起固定作用。l这种传感器可测振动位移，还可测量转轴的回转精度和轴这种传感器可测振动位移，还可测量转轴的回转精度和轴心动态偏摆等。心动态偏摆等。 .实例实例3：差动式电容加速度传感器差动式电容加速度传感器 .l两个两个固定极板固定极板，中间质量块的两个端面作为，中间质量块的两个端面作为动极板动极板。l当测量垂直方向上的直线加速度时，传感器壳体固定在被当测量垂直方向上的直线加速度时，传感器壳体固定在被测振动体上，质量块因惯性相对静止，因此将导致固定电测振动体上，质量块因惯性相对静止，因此将导致固定电极与动极板间的距离发生变化，一个增加、另一个减小，极与动极板间的距离发生变化，一个增加、另一个减小，可证明可证明两个电容的差值正比于被测加速度两个电容的差值正比于被测加速度。l这种加速度传感器的特点是频率响应快、量程大、精度较这种加速度传感器的特点是频率响应快、量程大、精度较高。高。 .3.4 3.4 电感式传感器电感式传感器电感式传感器的工作原理是把被测量如位移等，转换为线电感式传感器的工作原理是把被测量如位移等，转换为线圈自感或互感变化的一种装置。圈自感或互感变化的一种装置。可测物理量：位移、振动、压力、加速度等。可测物理量：位移、振动、压力、加速度等。按工作原理分类：按工作原理分类：自感式、互感式和电涡流式。自感式、互感式和电涡流式。3.4.1 3.4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器结构组成：线圈、铁心和衔铁；后续测量电路。结构组成：线圈、铁心和衔铁；后续测量电路。类型：变气隙型、变面积型、螺管型。类型：变气隙型、变面积型、螺管型。 .由电磁感应原理，线圈自感由电磁感应原理，线圈自感L L为为N-N-线圈匝数，线圈匝数，R Rm m- -磁路总磁阻磁路总磁阻HH-1-1 。当不考虑磁路的铁损且当气隙当不考虑磁路的铁损且当气隙较小时，则该磁路的总磁阻较小时，则该磁路的总磁阻（328）.式中式中 l l铁芯的导磁长度铁芯的导磁长度(m);(m);铁芯磁导率铁芯磁导率 (H/m);(H/m);A A铁芯导磁截面积铁芯导磁截面积,A=a,A=ab(mb(m2 2););气隙宽气隙宽(m);(m);0 0空气导磁率空气导磁率, , 0 0=4=41010-7-7(H/m);(H/m);A A0 0空气隙导磁横截面积空气隙导磁横截面积(m(m2 2) )铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁阻铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁阻R Rm m近似为近似为 .代入代入3 32828，得，得当当A A0 0固定，变化固定，变化时，时，L L与与成非线性变化关系，此时传成非线性变化关系，此时传感器灵敏度感器灵敏度.灵敏度灵敏度S与与的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生非线性误差。因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围非线性误差。因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。中常选取内工作。中常选取/0.1。这种传感器适宜于测量小位。这种传感器适宜于测量小位移，一般为移，一般为0.0011mm。实际应用中，为了提高自感式传感器的灵敏度，增大其线性实际应用中，为了提高自感式传感器的灵敏度，增大其线性工作范围，常将两个结构相同的自感线圈组合在一起形成差工作范围，常将两个结构相同的自感线圈组合在一起形成差动式自感传感器。动式自感传感器。.差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按 变化。一个线圈自感增加，另一个线圈变化。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵自感减小。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。敏度可提高一倍，并改善了线性特性。 .变面积型自感传感器：变面积型自感传感器：自感自感L L与与A A0 0成线性关系，这种传感器成线性关系，这种传感器灵敏度较低灵敏度较低。 .被用于电感测微计上，其测量范围为被用于电感测微计上，其测量范围为0 0300m300m，最小分，最小分辨力为辨力为0.5m0.5m。差动式螺管型自感传感器：差动式螺管型自感传感器：.这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L L1 1、L L2 2随铁芯位移而变化，其输出特性如图所示。随铁芯位移而变化，其输出特性如图所示。 .3.4.2 3.4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器n工作原理：工作原理： 利用电磁感应中的利用电磁感应中的互感现象互感现象，图，图3-32.3-32.n传感器实质是一个变压器传感器实质是一个变压器，初级线圈接入稳定交流电源，次，初级线圈接入稳定交流电源，次级线圈感应产生输出电压。级线圈感应产生输出电压。M M变化，副线圈输出电压变化。由变化，副线圈输出电压变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传差动变压器式传感器感器，简称，简称差动变压器差动变压器。.螺管型差动变压器：螺管型差动变压器：.工作原理：工作原理：当铁心在中间位置时，由于两线圈互感系数相当铁心在中间位置时，由于两线圈互感系数相等等M M1 1= =M M2 2，感应电动势，感应电动势e e1 1= =e e2 2，故输出电压，故输出电压e e0 0=0=0；铁心向上运；铁心向上运动时，动时，M M1 1 M M2 2，则，则e e1 1 e e2 2；铁心向下运动时，；铁心向下运动时，M M1 1 M M2 2，则，则e e1 1 A A。因此，对。因此，对每一种光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值。当每一种光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值。当入入射光频率低于该值射光频率低于该值时，无论入射光的光强多大，均不能时，无论入射光的光强多大，均不能引起光电子发射。反之，引起光电子发射。反之，入射光频率高于阈值频率入射光频率高于阈值频率，即，即使光强较小，也会引发光电子发射。对应于此频率的波使光强较小，也会引发光电子发射。对应于此频率的波长长，称为某种光电器件或光电阴极的，称为某种光电器件或光电阴极的“红限红限”，其值，其值为为.当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数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。光愈强，意味着入射光子数目大，与入射光光强成正比。光愈强，意味着入射光子数目大，逸出的光电子数也愈多。逸出的光电子数也愈多。外光电效应器件：外光电效应器件：光电管光电管、光电倍增管光电倍增管。.2 2、内光电效应、内光电效应（1 1）定义：）定义：在光照作用下，某些半导体材料的电阻率发生在光照作用下，某些半导体材料的电阻率发生改变的现象称光电导效应。改变的现象称光电导效应。l半导体材料在半导体材料在黑暗的环境黑暗的环境下，内部电子为原子所束缚，处于价带上，下，内部电子为原子所束缚，处于价带上，不能自由移动，半导体的电阻值很高。不能自由移动，半导体的电阻值很高。l某些半导体材料（如硫化镉等）某些半导体材料（如硫化镉等）受到光照受到光照时，若其时，若其光子能量光子能量 h h 大于本征半导体材料的禁带宽度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，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空穴对，于是降低了材料的电阻率，增强了导电性能。率，增强了导电性能。l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，电阻也恢复原来的值。重新复合，电阻也恢复原来的值。.导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg电子跃迁条件：电子跃迁条件：h hEEg g.3 3、光生伏特效应、光生伏特效应定义：定义：在无光照射下，在无光照射下，PNPN结内存在内部自建电场结内存在内部自建电场E E，当光，当光照射在照射在PNPN结时，在能量足够大的光子作用下，在结区及其结时，在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近产生少数载流子（电子、空穴对）。这些载流子在结附近产生少数载流子（电子、空穴对）。这些载流子在结区外时，靠扩散进入结区；在结区内，因电场区外时，靠扩散进入结区；在结区内，因电场E E的作用，电的作用，电子漂移到子漂移到N N区，空穴漂移到区，空穴漂移到P P区。结果使区。结果使N N区带负电荷，区带负电荷，P P区区带正电荷带正电荷，产生附加电动势，这种现象称为光生伏特效应。，产生附加电动势，这种现象称为光生伏特效应。 基于光生伏打效应的器件有光电池、光敏二极管、光敏晶基于光生伏打效应的器件有光电池、光敏二极管、光敏晶体管。体管。.光生伏特效应示意图.3.7.2 3.7.2 光电器件光电器件光电管光电管结构：结构：光电阴极光电阴极用逸出功小的光敏材料（如铯）涂敷在用逸出功小的光敏材料（如铯）涂敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔；玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔；光电阳光电阳极极为位于阴极轴心的一根金属丝，有效接收阴极发射的为位于阴极轴心的一根金属丝，有效接收阴极发射的电子。电子。.光谱特性：光谱特性：阴极材料不同，对不同波长的光辐射有不同阴极材料不同，对不同波长的光辐射有不同灵敏度。灵敏度。图图3-61 3-61 光电管的光谱特性光电管的光谱特性-氧铯阴极氧铯阴极 -锑铯阴极锑铯阴极 -正常人的眼睛视觉正常人的眼睛视觉.光照特性：光照特性：在恒定工作电压和入射光的频率成分条件下，在恒定工作电压和入射光的频率成分条件下，光电管接收的入射光通量值光电管接收的入射光通量值 与其输出与其输出 光光 电电 流流 I 之间的之间的比例关系，如图。比例关系，如图。.伏安特性：伏安特性：在恒定的入射光的频率成分和强度条件下，光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之间的关系。由图可见，光通量电管的光电流与阳极电压之间的关系。由图可见，光通量一定，阳极电压增加，光电流趋于饱和，光电管工作点一一定，阳极电压增加，光电流趋于饱和，光电管工作点一般在该区域。般在该区域。.光电倍增管光电倍增管基本结构：基本结构：光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干个个“倍增极倍增极” 。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料，多电子的材料，倍增极的形状和位置设计成正好使前一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级倍增极反射的电子继续轰击后一级倍增极。各倍增极电压由电阻各倍增极电压由电阻R1R5分压获得，流经负载分压获得，流经负载RA的放的放大电流造成的压降，给出输出电压。一般阳极与阴极之大电流造成的压降，给出输出电压。一般阳极与阴极之间的电压为间的电压为10002000V，两个相邻倍增极之间的电位差，两个相邻倍增极之间的电位差为为50100V。 .光敏电阻光敏电阻光敏电阻又称光导管；光敏电阻又称光导管；光电导效应只限于光照的表面薄层，所以光电半导体材光电导效应只限于光照的表面薄层，所以光电半导体材料一般都做成薄片并封装在带有透明窗的外壳中。料一般都做成薄片并封装在带有透明窗的外壳中。硫化镉（硫化镉（CdSCdS）光敏电阻：管心是一块安装在绝缘衬底）光敏电阻：管心是一块安装在绝缘衬底上的带有两个欧姆接触电极的光电导体，为了提高灵敏上的带有两个欧姆接触电极的光电导体，为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如3-653-65（b b）所示。光敏电阻的代表符号见图所示。光敏电阻的代表符号见图3-653-65（c c）。）。常用的光敏电阻的材料有：硫化镉（常用的光敏电阻的材料有：硫化镉（CdSCdS）、硒化镉）、硒化镉（CdSeCdSe）；氧化锌（）；氧化锌（ZnOZnO）、硫化锌（）、硫化锌（ZnSZnS）；硫化铅）；硫化铅（PbSPbS）、硒化铅（）、硒化铅（PbSePbSe）、碲化铅（）、碲化铅（PbTePbTe）等。）等。.RGRLEI.光敏电阻的特性：光敏电阻的特性：（1）光电流、暗电阻、亮电阻）光电流、暗电阻、亮电阻 光敏电阻在未受到光照条件下呈现的阻值称为光敏电阻在未受到光照条件下呈现的阻值称为“暗电暗电阻阻”，此时流过的电流称，此时流过的电流称“暗电流暗电流”。 光敏电阻在受到某一光照条件下呈现的阻值称光敏电阻在受到某一光照条件下呈现的阻值称“亮电亮电阻阻”，此时流过的电流称，此时流过的电流称“亮电流亮电流”。 亮电流与暗电流之差称为亮电流与暗电流之差称为“光电流光电流”。光电流的大小。光电流的大小表征了光敏电阻的灵敏度大小。表征了光敏电阻的灵敏度大小。.（2）光照特性：）光照特性：光敏电阻的光电流光敏电阻的光电流I I与光通量的关系曲线与光通量的关系曲线称光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光照特性曲线呈非称光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光照特性曲线呈非线性。线性。.（3 3）伏安特性：）伏安特性：在一定照度下，加在光敏电阻两端的电在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。在一定的光照度下，压与电流之间的关系称为伏安特性。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。最高工作电压和额定电流的限制。.（4 4）光谱特性：）光谱特性：光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域。的灵敏度，峰值在红外区域。.光电池光电池l光电池是基于光生伏特效应工作的，它可直接将光能光电池是基于光生伏特效应工作的，它可直接将光能转换为电能。制造光电池的材料很多，主要有转换为电能。制造光电池的材料很多，主要有硅、硒、硅、硒、锗、砷化镓、硫化镉、硫化铊锗、砷化镓、硫化镉、硫化铊等，其中硅光电池由于等，其中硅光电池由于光电转换率高、性能稳定、光谱范围宽、价格便宜而光电转换率高、性能稳定、光谱范围宽、价格便宜而应用最为广泛。应用最为广泛。 .l硅光电池结构：硅光电池结构：N N 型硅片上进行硼扩散以形成型硅片上进行硼扩散以形成 P P型层，再型层，再用引线将用引线将 P P型和型和 N N 型层引出在形成正、负极，便形成了一型层引出在形成正、负极，便形成了一个光电池。接受光照时，在两极间接上负载便会有电流通个光电池。接受光照时，在两极间接上负载便会有电流通过。过。.l光电池的光照特性：光电池的光照特性： 光电池的开路电压和短路电流与光照度之间的关系。光电池的开路电压和短路电流与光照度之间的关系。 短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（负载电阻压（负载电阻R RL L无限大时）与光照度的关系是非线性的。无限大时）与光照度的关系是非线性的。 光电池作为测量元件时，应把它当作光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式电流源的形式来使来使用，不宜用作电压源。用，不宜用作电压源。 .l光电池的光谱特性：光电池的光谱特性： 硒光电池响应区段在硒光电池响应区段在300700nm波长间，峰值波长在波长间，峰值波长在500nm左右；硅光电池响应区间在左右；硅光电池响应区间在4001200nm波长间，峰波长间，峰值波长在值波长在800nm左右。左右。 .光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管l光敏二极管的光敏二极管的PNPN结安装在管子顶部，可直接接受光照射，结安装在管子顶部，可直接接受光照射，在电路中一般处于反向工作状态。在无光照时，暗电流在电路中一般处于反向工作状态。在无光照时，暗电流很小。在有光照时，光子打在很小。在有光照时，光子打在PN PN 结附近，从而在结附近，从而在PNPN结结附近产生电子附近产生电子- -空穴对。它们空穴对。它们在内电场作用下作定向运在内电场作用下作定向运动，形成光电流动，形成光电流。光电流随光照度的增加而增加。因此。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，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。二极管导通。.l光敏晶体管光敏晶体管NPN和和PNP两种类型。两种类型。lNPN型，其结构与普通三极管相似，只是它的基区做得型，其结构与普通三极管相似，只是它的基区做得很大，以便扩大光照面积。很大，以便扩大光照面积。l电路连接图：基极一般不接引线，当集电极加上相对于电路连接图：基极一般不接引线，当集电极加上相对于发射极为正的电压时，集电结处于反向偏置状态。发射极为正的电压时，集电结处于反向偏置状态。l当光线照射到集电结附近的基区，会产生光生电子空穴当光线照射到集电结附近的基区，会产生光生电子空穴对，它们在内电场作用下形成光电流，这相对于三极管对，它们在内电场作用下形成光电流，这相对于三极管的基极电流，因此集电极的电流为光电流的的基极电流，因此集电极的电流为光电流的倍，所以倍，所以光敏晶体管的灵敏度要高于光敏二极管光敏晶体管的灵敏度要高于光敏二极管。 .l光照特性：光照特性：外加偏置电压一定时，光电流外加偏置电压一定时，光电流I I与光照度之间的与光照度之间的关系关系 。.l光谱特性：光谱特性：硅管的响应区间在硅管的响应区间在4001000nm波长范围内，峰波长范围内，峰值波长在值波长在800nm附近；锗管的响应区间在附近；锗管的响应区间在5001700nm波长波长范围内，峰值波长在范围内，峰值波长在1400nm附近。因此在探测附近。因此在探测红外光，多红外光，多采用锗管采用锗管，而探测，而探测可见光，都采用硅管可见光，都采用硅管。 .3.7.3 光电式传感器及其应用光电式传感器及其应用1 1、类型、类型（1 1）模拟量光电传感器）模拟量光电传感器 特点：将特点：将被测量转换为连续变化的光电流被测量转换为连续变化的光电流.n辐射式：被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件。辐射式：被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件。光电高温比色计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。光电高温比色计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。.高温计属非接触测量，量程为8002000，精度为0.5. .n吸收式：恒光源辐射的光穿过被测物体，部分被吸收，根吸收式：恒光源辐射的光穿过被测物体，部分被吸收，根据被测物对光的吸收程度测定被测参数。如测量液体、气据被测物对光的吸收程度测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度体的透明度、混浊度, ,对气体进行成分分析对气体进行成分分析, ,测定液体中某测定液体中某种物质的含量等。种物质的含量等。.n反射式：根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性反射式：根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。.n遮光式：光源发出的光通量经被测物遮去其一部分遮光式：光源发出的光通量经被测物遮去其一部分, ,使作用使作用在光电元件上的光通量减弱在光电元件上的光通量减弱, ,减弱的程度与被测物在光学通减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。位移、角位移、振动等。.（2 2）开关量光电传感器）开关量光电传感器l特点：特点：将被测量转换为断续变化的光电流。将被测量转换为断续变化的光电流。光源和光电光源和光电器件之间，有物体时，为器件之间，有物体时，为“0 0”状态；无物体时，为状态；无物体时，为“1 1”状态。状态。l应用：应用：零件或产品的自动记录、光控开关、光电编码、零件或产品的自动记录、光控开关、光电编码、光电报警，以及线位移、角位移、线速度、角速度（转光电报警，以及线位移、角位移、线速度、角速度（转速）测量等。速）测量等。 .2 2、应用、应用（1 1）光电式边缘位置传感器）光电式边缘位置传感器n光学通路结构；光学通路结构；n光敏三极管的信号变化特点：接在输入桥路的一臂上，因光敏三极管的信号变化特点：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，电桥则处于平衡状态，此当带钢位于平行光束中间位置时，电桥则处于平衡状态，输出为零。当带钢左、右偏移时，遮光面积或减小、或增输出为零。当带钢左、右偏移时，遮光面积或减小、或增加，从而使角矩阵反射镜反射回的光通量增加或减小，于加，从而使角矩阵反射镜反射回的光通量增加或减小，于是输出电流变为是输出电流变为 +i+i或或 -i-i，该电流变化信号经放大后，该电流变化信号经放大后，可用以作为防止带钢跑偏的控制信号。可用以作为防止带钢跑偏的控制信号。.（2 2）光电转速计）光电转速计.