3.1 3.1 传感器的作用及分类传感器的作用及分类 传感器（传感器（TransducerTransducer）是一种将被测的非电量变换成电量的装置，）是一种将被测的非电量变换成电量的装置，是一种是一种获得信息的手段，它在检测与控制系统中占有重要的位置。从广义上讲，获得信息的手段，它在检测与控制系统中占有重要的位置。从广义上讲，传传感器是将被测物理量按一定规律转换为与其对应的另一种感器是将被测物理量按一定规律转换为与其对应的另一种( (或同种或同种) )物理量输物理量输出的装置。出的装置。 3.1.13.1.1传感器的作用传感器的作用传感器是实现检测与自动控制传感器是实现检测与自动控制( (包括遥感、遥测、遥控包括遥感、遥测、遥控) )的首要环节，而的首要环节，而传感技术是衡量科学技术现代化程度的重要标志。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。信息的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。信息的采集采集( (捕获捕获) )与转换主要依赖于各种类型的传感器，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。挥巨大作用。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、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；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，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，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据不完全统计，现代高级轿车中所应用的传感器可达5656种之多。种之多。又如目前常用的又如目前常用的1919种家用电器中，总共应用了种家用电器中，总共应用了5353个个(21(21种种) )传感传感器。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。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，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。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。 1.1.按输入量（被测对象）分类按输入量（被测对象）分类输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量物理量传感器、传感器、 化学量传感器和生物量传感器化学量传感器和生物量传感器三大类。三大类。 其中，其中， 物理物理量传感器又可分为温度传感器、量传感器又可分为温度传感器、 压力传感器、压力传感器、 位移传感器等位移传感器等等等。 2. 2. 按转换原理分类按转换原理分类从传感器的转换原理来说，通常分为从传感器的转换原理来说，通常分为结构型、结构型、 物性型物性型两大类。两大类。结构型传感器结构型传感器是利用机械构件（如金属膜片等）在动力场是利用机械构件（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应的电阻、电感、电容电阻、电感、电容等物理量，它是等物理量，它是利用物理学运动定律或利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。电磁定律实现转换的。 物性型传感器物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、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，化学效应（即物质定律， 如虎克定律、欧姆定律等）实现非电如虎克定律、欧姆定律等）实现非电量的转换。它是以量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的等作为敏感材料的固态器件。固态器件。 3.1.23.1.2传感器的分类传感器的分类3. 3. 按能量转换的方式分类按能量转换的方式分类 按按转转换换元元件件的的能能量量转转换换方方式式，传传感感器器可可分分为为有有源源型型和和无无源源型型两两类类。有有源源型型也也称称能能量量转转换换型型或或发发电电型型，它它把把非非电电量量直直接接变变成成电电压压量量、 电电流流量量、电电荷荷量量等等( (如如磁磁电电式式、压压电电式式、光光电电池池、热热电电偶偶等等) )；无无源源型型也也称称能能量量控控制制型型或或参参数数型型， 它它把把非非电电量量变变成成电电阻阻、 电容、电容、 电感等量电感等量。 4. 4. 按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类按输出信号的形式，按输出信号的形式， 传感器可分为传感器可分为开关式、模拟式和数字式开关式、模拟式和数字式。 5. 5. 按输入和输出的特性分类按输入和输出的特性分类按输入、按输入、 输出特性，输出特性， 传感器可分为传感器可分为线性和非线性线性和非线性两类两类。3.2 3.2 结构型传感器结构型传感器 3.2.1 3.2.1 电阻式传感器电阻式传感器 1. 1. 电阻式传感器原理电阻式传感器原理 金金属属体体都都有有一一定定的的电电阻阻，电电阻阻值值因因金金属属的的种种类类而而异异。 同同样样的的材材料料， 越越细细或或越越薄薄，则则电电阻阻值值越越大大。当当加加有有外外力力时时， 金金属属若若变变细细变变长长，则则阻阻值值增增加加； 若若变变粗粗变变短短，则则阻阻值值减减小小。 如如果果发发生生应应变变的的物物体体上上安安装装有有（通通常常是是粘粘贴贴）金金属属电电阻阻， 当当物物体体伸伸缩缩时时，金金属属体体也也按按某某一一比比例例发发生生伸伸缩缩，因因而而电电阻阻值值产产生相应的变化。生相应的变化。 设有一根长度为设有一根长度为l l，截面积为截面积为A A，电阻率为电阻率为的金属丝，则它的电阻的金属丝，则它的电阻值值R R 可用下式表示：可用下式表示： （3-1） 从上式可见，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。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，例如，若若改变长度改变长度l l，则可形成电位器式传感器；改变，则可形成电位器式传感器；改变l l、A A和和则可做成电阻应变片；则可做成电阻应变片；改变改变，则可形成热敏电阻、光导性光检测器等。，则可形成热敏电阻、光导性光检测器等。 2.2.电位器式传感器电位器式传感器电电位位器器式式传传感感器器通通过过滑滑动动触触点点把把位位移移转转换换为为电电阻阻丝丝的的长长度度变变化化，从从而而改改变变电电阻阻值值大大小小，进进而而再再将将这这种种变变化化值值转转换换成成电电压压或或电电流的变化值。流的变化值。电电位位器器式式传传感感器器分分为为线线绕绕式式和和非非线线绕绕式式两两大大类类。线线绕绕电电位位器器是是最最基基本本的的电电位位器器式式传传感感器器；非非线线绕绕式式电电阻阻传传感感器器则则是是在在线线绕绕电电位位器器的的基基础础上上，在在电电阻阻元元件件的的形形式式和和工工作作方方式式上上有有所所发发展展，包包括括薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器等。等。 线线绕绕电电位位器器式式传传感感器器的的核核心心，即即转转换换元元件件是是精精密密电电位位器器。它它可可实实现现机机械械位位移移信信号号与与电电信信号号的的模模拟拟转转换换，是是一一种种重重要要的的机机电电转转换元件换元件。线绕电位器式传感器原理图如图。线绕电位器式传感器原理图如图3-13-1所示。所示。 图图3-13-1线绕电位器式传感器原理图线绕电位器式传感器原理图 工工作作时时，在在电电阻阻元元件件的的两两端端，即即U Ui i端端加加上上固固定定的的直直流流工工作作电电压压，从从U Uo o端端就就有有电电压压输输出出，并并且且，这这个个输输出出电电压压的的大大小小与与电电刷刷所所处处的的位位置置相相关关。当当电电刷刷臂臂随随着着被被测测量量产产生生位位移移x x时时，输输出出电电压压也也发发生生相相应应的的变变化化，这这是是精精密密电电位位器器的的基基本工作原理。本工作原理。（3-2） 线线绕绕电电位位器器式式传传感感器器又又分分为为直直线线位位移移型型、角角位位移移型型和和非非线线性性型型等等。不不管管是是哪哪种种类类型型的的传传感感器器，都都由由线线圈圈、骨骨架架和和滑滑动动触触头头等等组组成成。线线圈圈绕绕于于骨骨架架上上，触触头头可可在在绕绕线线上上滑滑动动，当当滑滑动动触触头头在在绕绕线线上上的的位位置置改改变变时时，即即实实现现了了将将位位移移变化转换为电阻变化。变化转换为电阻变化。 图图3-23-2线绕电位器式线绕电位器式传感器的组成传感器的组成 (a)(a)直线位移型直线位移型 (b)(b)角位移型；角位移型；(c)(c)非线性型非线性型 如如图图3-23-2所所示示，线线绕绕电电位位器器主主要要由由骨骨架架、绕绕组组、电电刷刷、导导电电环环及及转转轴轴等等部部分分组组成成。线线绕绕电电位位器器的的骨骨架架一一般般由由胶胶木木等等绝绝缘缘材材料料或或表表面面覆覆有有绝绝缘缘层层的的金金属属骨骨架架构构成成。根根据据需需要要，骨骨架架可可做做成成不不同同的的形形状状，如如环环带带状状、弧弧状状、长长方方体体或或螺螺旋旋状状等等。绕绕组组即即电电阻阻元元件件，由由漆漆包包电电阻阻丝丝整整齐齐地地绕绕制制在在骨骨架架上上构构成成，其其两两个个引引出出端端U UABAB是是电电压压输输入入端端。电电刷刷由由电电刷刷头头和和电电刷刷臂臂组组成成（电电刷刷头头一一般般焊焊接接在在电电刷刷臂臂上上），电电刷刷被被绝绝缘缘地地固固定定在在电电位位器器的的转转轴轴上上，绕绕组组与与电电刷刷头头接接触触的的工工作作端端面面用用打打磨磨和和抛抛光光的的方方法法去去掉掉漆漆层层，以以便便与与电电刷刷接接触触。另另外外两两个个引引出出端端U UACAC是是电电压压输出端。输出端。 3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器电电阻阻应应变变式式传传感感器器由由弹弹性性敏敏感感元元件件和和电电阻阻应应变变片片组组成成。当当弹弹性性敏敏感感元元件件受受到到被被测测量量作作用用时时，将将产产生生位位移移、应应力力和和应应变变，则则粘粘贴贴在在弹弹性性敏敏感感元元件件上上的的电电阻阻应应变变片片将将应应变变转转换换成成电电阻阻的的变变化化。这这样样，通通过过测测量量电电阻阻应应变变片片的的电电阻阻值值变变化化，从从而而确确定定被被测测量的大小。量的大小。电电阻阻应应变变式式传传感感器器是是应应用用最最广广泛泛的的传传感感器器之之一一，它它可可用用于于不不同同的的弹弹性性敏敏感感元元件件形形式式，构构成成测测量量位位移移、加加速速度度、压压力力等等各各种参数的电阻应变式传感器。它的种参数的电阻应变式传感器。它的主要优点主要优点是：是：（1 1）由由于于电电阻阻应应变变片片尺尺寸寸小小、重重量量轻轻，因因而而具具有有良良好好的的动动态态特特性性。而而且且应应变变片片粘粘贴贴在在试试件件上上对对其其工工作作状状态态和和应应力力分分布布基基本本上没有影响，适用于上没有影响，适用于静态和动态测量静态和动态测量； （2 2）测测量量应应变变的的灵灵敏敏度度和和精精度度高高，可可测测量量1 12m2m应应变变，误差小于误差小于1%1%2%2%；（3 3）测测量量范范围围上上，既既可可测测量量弹弹性性变变形形，也也可可测测量量塑塑性性变变形形，变形范围从，变形范围从1%1%20%20%；（4 4）能能适适应应各各种种环环境境，可可在在高高（低低）温温、超超低低压压、高高压压、水水下下、强强磁磁场场以以及及辐辐射射和和化化学学腐腐蚀蚀等等恶恶劣劣环环境境下下使使用用。电电阻阻应应变变式式传传感感器器缺缺点点是是输输出出信信号号微微弱弱，在在大大应应变变状状态态下下具具有有较较明明显的显的非线性非线性等。等。 1 1）工作原理及结构参数）工作原理及结构参数电电阻阻应应变变片片的的工工作作原原理理如如图图3-33-3所所示示。它它是是基基于于导导体体和和半半导导体体材材料料的的“电电阻阻应应变变效效应应”和和“压压阻阻效效应应”。电电阻阻应应变变效效应应是是指指电电阻阻材材料料的的电电阻阻值值随随机机械械变变形形而而变变化化的的物物理理现现象象；压压阻阻效效应应是是指指电电阻阻材材料料受受到到载载荷荷作作用用而而产产生生应应力力时时，其其电电阻阻率率发发生生变变化化的的物物理理现现象象。下下面面以以单单根根电电阻阻丝丝为为例例说说明明电电阻阻应应变变片片的的工工作作原原理。理。 图图3-33-3电阻应变片原理图电阻应变片原理图 设设电电阻阻丝丝的的长长度度为为l l，截截面面积积为为A A，电电阻阻率率为为，其其初初始始电电阻阻值值为为当当电电阻阻丝丝受受到到拉拉伸伸或或压压缩缩时时，其其几几何何尺尺寸寸和和电电阻阻值值同同时时发发生生变变化化，对对式式两两边边取取对对数数后后再再微微分分，即即可可求求得得电电阻阻的的相对变化量相对变化量 。（3-33-3） 上上式式中中: :R R为为电电阻阻值值（）；l l为为电电阻阻丝丝的的长长度度（m m）；A A为为电电阻丝的截面积（阻丝的截面积（mmmm2 2）；）；为电阻丝的电阻率（为电阻丝的电阻率（mmmm2 2/m/m）。）。如如果果对对整整条条电电阻阻丝丝长长度度作作用用均均匀匀应应力力，由由于于l l、A A、的的变化而引起电阻的变化，可通过对式（变化而引起电阻的变化，可通过对式（3-33-3）的全微分求得）的全微分求得 （3-43-4） 相对变化量相对变化量 （3-53-5） 假设电阻丝是圆截面，则假设电阻丝是圆截面，则A A2r2r，其中其中r r为电阻丝的半为电阻丝的半径，微分后可得：径，微分后可得： 则则 （3-63-6） 令电阻丝轴向相对伸长，即令电阻丝轴向相对伸长，即轴向应变轴向应变为为 电电阻阻丝丝径径向向相相对对伸伸长长，即即径径向向应应变变为为d dr r/ /r r，由由材材料料力力学学获获知知，在在弹弹性性范范围围内内，金金属属丝丝沿沿长长度度方方向向伸伸长长或或缩缩短短时时，轴向应变和径向应变的关系如下轴向应变和径向应变的关系如下: : （3-73-7） 式式中中: :为为金金属属材材料料的的泊泊松松系系数数，即即径径向向应应变变和和轴轴向向应应变变的的比例系数。负号表示方向相反比例系数。负号表示方向相反，所以，所以 经整理后得经整理后得 （3-8） 定义定义金属丝的灵敏系数金属丝的灵敏系数为为 （3-9） 它它的的物物理理意意义义是是单单位位应应变变所所引引起起的的电电阻阻相相对对变变化化。可可知知，受受两两个个因因素素影影响响，一一个个是是受受力力后后材材料料的的几几何何尺尺寸寸变变化化所所引引起起的的，即即（1+21+2）项项；另另一一个个是是受受力力后后材材料料的的电电阻阻率率发发生生变变化化而而引引起起，即即d d/ /项项。对对于于确确定定的的材材料料，（1+21+2）项项是是常常数数，其其数数值值约约为为1 12 2之之间间，并并且且由由实实验验证证明明d d/ /也也是一个常数，因此灵敏系数是一个常数，因此灵敏系数k k为常数，则得为常数，则得 （3-103-10） 上式表示上式表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。比。 导体或半导体材料在外界作用下（如压力等）产生机导体或半导体材料在外界作用下（如压力等）产生机械变形械变形, ,其阻值将发生变化，这种现象称为其阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应应变效应”。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，通过使应变片上电阻丝的阻值发生变化，通过测量阻值的变化测量阻值的变化量，就可反映出外界作用的大小量，就可反映出外界作用的大小。 2 2）电阻应变片的分类和结构）电阻应变片的分类和结构（1 1）. .电阻应变片的分类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。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：按所选用的敏感材料可分为：金属应变片和半导体应变片金属应变片和半导体应变片。按敏感栅结构可分为：按敏感栅结构可分为：单轴应变片和多轴应变片单轴应变片和多轴应变片。 按基底材料可分为：按基底材料可分为：纸质应变片、胶基应变片、金属基底应纸质应变片、胶基应变片、金属基底应变片、浸胶基应变片。变片、浸胶基应变片。按制栅工艺可分为：按制栅工艺可分为：丝绕式应变片、短接式应变片、箔式应丝绕式应变片、短接式应变片、箔式应变片、薄膜式应变片。变片、薄膜式应变片。按使用温度可分为：按使用温度可分为：低温应变片低温应变片(-30(-30以下以下) )、常温应变片、常温应变片(-30(-3060)60)、中温应变片（、中温应变片（6060350350）、高温应变片（）、高温应变片（350350以上）。以上）。 按按安安装装方方式式可可分分为为：粘粘贴贴式式应应变变片片、焊焊接接式式应应变变片片、喷涂式应变片、埋入式应变片喷涂式应变片、埋入式应变片。按按用用途途可可分分为为：一一般般用用途途应应变变片片、特特殊殊用用途途应应变变片片（水、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）。（水、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）。按按制制造造工工艺艺可可分分为为：体体型型半半导导体体应应变变片片、扩扩散散（含含外外延延）型型半半导导体体应应变变片片、薄薄膜膜型型半半导导体体应应变变片片、N-PN-P元元件件半半导体型应变片。导体型应变片。 （2 2）. .电阻应变片的结构电阻应变片的结构电电阻阻应应变变片片( (简简称称应应变变片片）的的种种类类繁繁多多，但但基基本本构构造造大大体体相相同同，都都是是由由敏敏感感栅栅、基基底底、覆覆盖盖层层、引引线线和和粘粘合合剂剂构构成成，如图如图3-43-4所示。所示。 图图3-43-4电阻应变片的基本结构电阻应变片的基本结构 敏敏感感栅栅由由金金属属或或半半导导体体材材料料制制成成，电电阻阻丝丝（箔箔条条）是是用用来来感感受受应应变变的的，是是应应变变片片的的敏敏感感元元件件；基基底底和和覆覆盖盖层层（厚厚度度一一般般在在0.03mm0.03mm左左右右）是是用用来来保保护护敏敏感感栅栅、传传递递应应变变并并使使敏敏感感栅栅和和被被测测试试件件之之间间具具有有很很好好的的绝绝缘缘性性能能，它它通通常常根根据据应应用用范范围围的的不不同同而而采采用用不不同同的的材材料料，常常见见的的有有纸纸基基和和胶胶基基；引引线线是是将将敏敏感感栅栅接接到到测测量量电电路路中中去去，它它由由直直径径为为0.150.150.30mm0.30mm镀银铜丝或镍铬铝丝制成。镀银铜丝或镍铬铝丝制成。金金属属薄薄膜膜应应变变片片是是采采用用真真空空蒸蒸镀镀或或溅溅射射式式阴阴极极扩扩散散等等方方法法，在在薄薄的的基基底底材材料料上上制制成成一一层层金金属属电电阻阻材材料料薄薄膜膜以以形形成成应应变变片片。这这种种应应变变片片有有较较高高的的灵灵敏敏度度系系数数，允允许许电电流流密密度大，工作度大，工作温度范围较广。温度范围较广。 半半导导体体应应变变片片是是利利用用半半导导体体材材料料的的压压阻阻效效应应制制成成的的一一种种纯纯电电阻阻性性元元件件。对对半半导导体体材材料料的的某某一一轴轴向向施施加加一一定定的的载载荷荷而而产产生生应应力力时时，它它的的电电阻阻率率会会发发生生变变化化，这这种种物物理理现现象象称称之之为为压压阻阻效效应应。半半导导体体应应变变片片主主要要有有体体型型、薄薄膜膜型型和和扩扩散散型型等等三三种。种。体体型型半半导导体体应应变变片片是是将将半半导导体体材材料料硅硅或或锗锗晶晶体体按按一一定定方方向向切切割割成成片片状状小小条条，经经腐腐蚀蚀压压焊焊粘粘贴贴在在基基片片上上而而制制成成的的应应变变片。片。薄膜型半导体应变片薄膜型半导体应变片是利用是利用真空沉积真空沉积技术将半导体材料技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成的。沉积在带有绝缘层的试件上而制成的。 扩扩散散型型半半导导体体应应变变片片是是将将P P型型杂杂质质扩扩散散到到N N型型硅硅单单晶晶基基底底上上，形形成成一一层层极极薄薄的的P P型型导导电电层层，再再通通过过超超声声波波和和热热压压焊焊法法接接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。上引出线就形成了扩散型半导体应变片。半半导导体体应应变变片片与与金金属属电电阻阻应应变变片片相相比比其其灵灵敏敏度度高高50507070倍倍，另另外外，其其横横向向效效应应和和机机械械滞滞后后小小。但但它它的的温温度度稳稳定定性性差差，在较大应变下，在较大应变下，灵敏度的非线性误差大灵敏度的非线性误差大。 3 3）电阻应变式传感器的测量电路）电阻应变式传感器的测量电路利利用用应应变变片片可可以以感感受受由由被被测测量量产产生生的的应应变变，并并得得到到电电阻阻的的相相对对变变化化。通通常常可可以以通通过过电电桥桥将将电电阻阻的的变变化化转转变变成成电电压压或或电电流流信号。信号。图为常用全桥电路，图为常用全桥电路，Uo为输出电压，为输出电压，R1为受感应变片为受感应变片，其余，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。零，输出为空载。图图3-53-5桥式电路桥式电路基于上面的假设，电桥的输出电压为基于上面的假设，电桥的输出电压为 （3-113-11） 平平衡衡电电桥桥就就是是指指电电桥桥的的输输出出电电压压U Uo o为为零零的的情情况况。当当在在电电桥桥的的输输出出端端接接有有检检流流计计时时，流流过过检检流流计计的的电电流流为为零零，即即平平衡衡电桥应满足电桥应满足 （3-123-12） 在在上上述述电电桥桥中中，R R1 1为为受受感感应应变变片片，即即单单臂臂受受感感。当当被被测测量量变变化化引引起起应应变变片片的的电电阻阻产产生生R R1 1的的变变化化时时，上上述述平平衡衡关关系系被被破坏，检流计有电流通过。破坏，检流计有电流通过。 （3-133-13） （3-143-14） 设桥臂比为设桥臂比为 ， 由于由于R R1 1R R1 1 ，则分母中则分母中 项可忽略。考虑到初始电桥平衡时项可忽略。考虑到初始电桥平衡时 （3-153-15） 电桥电压灵敏度定义为电桥电压灵敏度定义为 （3-163-16） 分分析析发发现现：电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度正正比比于于电电桥桥供供电电电电压压，电电桥桥供供电电电电压压愈愈高高，电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度愈愈高高，但但是是供供桥桥电电压压的的升升高高受受到到应应变变片片允允许许功功耗耗的的限限制制，所所以以一一般般供供桥桥电电压压应应适适当当选选择择；电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度是是桥桥臂臂电电阻阻比比值值的的函函数数，因因此此必必须须恰恰当当地地选选择择桥桥臂臂比比的的值值，保保证证电电桥桥具具有有较较高高的的电电压压灵灵敏敏度度。下下面面分分析析当当供供桥桥电电压压确确定定后后，应应取取何何值值，电电桥桥电电压压灵灵敏敏度才最高。度才最高。 令令，可得可得 （3-173-17） 求得求得当当n n=1=1时，时，K Kv v有最大值有最大值。即当。即当，电电桥桥的的灵灵敏敏度度最最高高。由由式式（3-153-15）可可知知，电电桥桥的的输输出出电电压压和和电电源源电压及电阻相对变化成正比，而与各桥臂阻值大小无关。电压及电阻相对变化成正比，而与各桥臂阻值大小无关。 图图3-63-6平行板电容器平行板电容器 3.2.2 3.2.2 电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器常用的是电容式传感器常用的是平板电容器平板电容器和和圆筒形电容器圆筒形电容器。1 1）平板电容器平板电容器平板电容器由平板电容器由两个金属平行板组成两个金属平行板组成，通常以空气为介，通常以空气为介质，如图质，如图3-63-6所示。所示。 在忽略边缘效应时，平行板电容器的电容为在忽略边缘效应时，平行板电容器的电容为 （3-183-18） (3-19)(3-19) 式中式中:C:C电容量（电容量（F F）；）；0 0真空介电常数；真空介电常数；r r极板间介质的相对介电常数；极板间介质的相对介电常数；A A极板的有效面积（极板的有效面积（m m2 2）；）；d d两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（m m）。）。 圆圆筒筒形形电电容容器器由由内内外外两两个个金金属属圆圆筒筒组组成成，设设动动极极筒筒的的外外半半径径为为r r，定定极极筒筒的的内内半半径径为为R R，动动极极筒筒伸伸进进定定极极筒筒的的长度为长度为l l，如图如图3-73-7所示。所示。2)圆筒形电容器圆筒形电容器图图3-73-7圆筒形电容器圆筒形电容器当当被被测测非非电电量量使使得得式式（3-183-18）中中的的A A、d d或或发发生生变变化化时时，电电容容量量C C也也随随之之变变化化。如如果果保保持持其其中中两两个个参参数数不不变变而而仅仅仅仅改改变变另另一一个个参参数数，就就可可把把被被测测参参数数的的变变化化转转换换为为电电容容量量的的变变化化。因因此此，电电容容量量变变化化的的大大小小与与被被测测参参数数的的大大小小成成比比例例。这这样样，电电容容式式传传感感器器可可依依此此划划分分为为三三种种类类型型，即即变变间间隙隙型型（d d变变化化）、变面积型变面积型（A A变化）和变化）和变介质型变介质型（变化）。变化）。 则圆筒形电容器的电容为则圆筒形电容器的电容为（3-203-20） 变变极极距距型型电电容容传传感感器器如如图图3-83-8所所示示，它它有有一一个个固固定定极极板板和和可可动动极极板板，其其间间为为空空气气介介质质。当当传传感感器器的的0 0和和A A为为常常数数、初初始极距为始极距为d d时，其初始电容量为时，其初始电容量为 （3-213-21） 一般地，取一般地，取C C=20=20300pF300pF，d d=0.025=0.0251mm1mm。 2.2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器图图3-83-8变极距型电容传感器变极距型电容传感器 (a)(a)移动型；移动型；(b)(b)感应型；感应型；(c)(c)差动型差动型 当动极板因被测量变化而向上移动使当动极板因被测量变化而向上移动使d d减小减小d d时，电时，电容量增大容量增大C C，则有则有 等式两边同时除以等式两边同时除以C C，有有 （3-223-22） 如果满足如果满足d d/ /dd，满足满足(1+(1+A A) )C Cf f10(10(C Ca a+ +C Cc c+ +C Ci i) )时，就可以认为时，就可以认为 （360） 可可见见，在在电电荷荷放放大大器器中中，输输出出电电压压U Uo o与与电电缆缆电电容容C Cc c无无关关，而与而与q q成正比，这是电荷放大器的突出优点。成正比，这是电荷放大器的突出优点。 1.1.半导体热敏电阻半导体热敏电阻1 1）分类及特性分类及特性半半导导体体热热敏敏电电阻阻按按半半导导体体电电阻阻随随温温度度变变化化的的典典型型特特性性分分为为三三种种类类型型，即即负负电电阻阻温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻（NTCNTC）、正正电电阻阻温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻（PTCPTC）和和在在某某一一特特性性温温度度下下电电阻阻值值会会发发生生突突变变的的临临界界温温度度电电阻阻（CTRCTR）。它它们们的的特特性性曲曲线线如如图图3-323-32所所示示。由由图图可可见见，使使用用CTRCTR组组成成热热控控制制开开关关是是十十分分理理想想的的，但在温度测量中，则主要采用但在温度测量中，则主要采用NTCNTC，其温度特性如下式所示其温度特性如下式所示 （3-61） 3.3.23.3.2半导体敏感元件半导体敏感元件图图3-323-32三种类型热敏电阻的典型特性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若定义热敏电阻的温度系数为 （3-62） 则由式则由式(3(361)61)有有 2 2）使用时的注意事项）使用时的注意事项.热敏电阻温度特性的非线性热敏电阻温度特性的非线性由由式式3-613-61可可知知，热热敏敏电电阻阻随随温温度度变变化化呈呈指指数数规规律律，也也就就是是说说，其其非非线线性性是是十十分分严严重重的的。当当需需要要进进行行线线性性转转换换时时，就应考虑其线性化处理。常用的线性化方法如下：就应考虑其线性化处理。常用的线性化方法如下：(1)(1)线性化网络。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）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。来代替单个的热敏电阻。 图图3-333-33温度温度- -频率转换电路频率转换电路 (2)(2)利用电子装置中其他部件的特性进行综合修正。利用电子装置中其他部件的特性进行综合修正。图图3-333-33是是一一个个温温度度- -频频率率转转换换电电路路。它它实实际际是是一一个个三三角角波波- -方方波波变变换换器器，电电容容C C的的充充电电特特性性是是非非线线性性特特性性。适适当当地地选选取取线线路路中中的的电电阻阻r r和和R R加加上上R Rt t可可以以在在一一定定的的温温度度范范围围内内，得得到到近似于线性的温度近似于线性的温度- -频率转换特性。频率转换特性。 （3-63） (3)(3)计算修正法计算修正法。.热敏电阻器特性的稳定性和老化问题热敏电阻器特性的稳定性和老化问题现现在在已已研研制制出出精精度度优优于于热热电电偶偶，并并具具有有互互换换性性的的热热敏敏电电阻阻，而而且且还还能能制制造造出出300300以以下下可可忽忽略略老老化化影影响响的的产产品品。但但不不同同厂厂家家产品质量差异还比较大，使用时仍应认真选择。产品质量差异还比较大，使用时仍应认真选择。一一般般地地说说，正正温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻器器和和临临界界温温度度热热敏敏电电阻阻器器特特性性的的均均匀匀性性要要差差于于负负温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻器器。在在辐辐射射热热检检测测器器中中，人人们们采采用用薄薄膜膜式式金金属属电电阻阻和和热热敏敏电电阻阻薄薄膜膜，构构成成热热量量型型检检测测器器，将辐射热转换成电阻的变化。将辐射热转换成电阻的变化。 3 3）应用举例）应用举例电电动动机机过过热热保保护护装装置置组组成成电电路路原原理理如如图图3-343-34所所示示。把把三三只只特特性性相相同同的的负负温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻（如如RRC6RRC6型型，经经过过测测试试，阻阻值值在在2020时时为为10k10k；100100时时为为1k1k；110110时时为为0.6k)0.6k)放放置置在在电电动动机机内内绕绕组组旁旁，紧紧靠靠绕绕组组，每每相相各各放放置置一一只只，用用万万能能胶胶固固定定。当当电电动动机机正正常常运运转转时时，温温度度较较低低，热热敏敏电电阻阻阻阻值值较较高高，三三极极管管V V1 1截截止止，继继电电器器K K不不动动作作。当当电电动动机机过过负负荷荷，或或断断相相，或或一一相相通通地地时时，电电动动机机温温度度急急剧剧上上升升，热热敏敏电电阻阻阻阻值值急急剧剧减减小小，小小到到一一定定值值，使使三三极极管管V V1 1完完全全导导通通，继继电电器器K K动动作作，使使S S闭合，红灯亮，起到报警保护作用。闭合，红灯亮，起到报警保护作用。 图图3-343-34电动机过热保护装置组成电路原理电动机过热保护装置组成电路原理 2.2.气敏电阻气敏电阻 气气敏敏电电阻阻是是由由金金属属氧氧化化物物烧烧结结而而成成的的半半导导体体电电阻阻元元件件，当当环环境境中中气气体体的的成成分分或或浓浓度度发发生生变变化化时时，导导致致气气敏敏电电阻阻的的阻阻值发生变化，其变化范围在值发生变化，其变化范围在10103 310105 5数量级之间。数量级之间。气敏电阻半导体材料亦分为气敏电阻半导体材料亦分为N N型半导体与型半导体与P P型半导体两种。型半导体两种。N N型材料如型材料如SnOSnO2 2、ZnOZnO、CdOCdO、W W2 2O O3 3、Mn0Mn02 2、ThOThO2 2、TiOTiO2 2等；等；P P型型材料如材料如MoOMoO2 2、NiONiO、CoOCoO、CuCu2 2O O、CrCr2 2O O3 3等，均为金属氧化物。等，均为金属氧化物。 其其工工作作机机理理主主要要是是由由于于各各种种可可燃燃性性气气体体的的离离解解能能比比较较小小，容容易易失失去去电电子子，在在遇遇到到N N型型半半导导体体材材料料时时，由由于于其其晶晶格格氧氧离离子子缺缺位位，气气体体中中的的电电子子向向半半导导体体移移动动，使使半半导导体体中中载载流流子子浓浓度度增增加加，内内阻阻减减小小；当当遇遇到到P P型型导导体体材材料料时时，由由于于其其阳阳离离子子缺缺位位，呈呈空空穴穴导导电电性性，使使半半导导体体中中载载流流子子浓浓度度下下降降，内内阻阻增增加。加。气气敏敏电电阻阻的的结结构构如如图图3-353-35所所示示。图图中中1 1为为气气敏敏半半导导体体材材料料，体体积积很很小小，直直径径在在1mm1mm以以内内；2 2为为加加热热电电极极；3 3为为引引出出端端电电极极，均均为为0.05mm0.05mm铂铂电电阻阻丝丝。在在四四个个电电极极的的支支撑撑下下封封装装在在不锈不锈钢防爆网内，构成气敏电阻。钢防爆网内，构成气敏电阻。 图图3-353-35气敏电阻气敏电阻 11气敏半导体材料；气敏半导体材料；22为加热电极；为加热电极；33为引出端电极为引出端电极 图图3-363-36气敏传感器在各种气体浓度气敏传感器在各种气体浓度q q下电路输出电压下电路输出电压U U的曲线的曲线 1.1.光的特性光的特性（1 1）光光的的电电磁磁说说。光光是是一一种种电电磁磁波波，由由电电磁磁理理论论可可知知，光光是是电电磁磁波波谱谱中中的的一一员员，不不同同波波长长光光的的分分布布如如图图3-273-27所所示示。这这些些光光的的频频率率（波波长长）各各不不相相同同，但但都都具具有有反反射射、折折射射、散散射射、衍衍射射、干干涉涉和和吸吸收收等等特特性性。可可见见光光只只是是电电磁磁波波谱谱中中的的一一小小部部分分，波波长长在在380380780nm780nm之之间间，红红光光频频率率最最低低，紫紫光光频频率率最最高高。光光的的频频率率越越高高，携携带带的的能能量量越大。越大。 图图3-373-37电磁波电磁波频谱图频谱图 3.3.3 3.3.3 光电传感器光电传感器（2 2）光光的的量量子子说说。光光是是一一种种带带有有能能量量的的粒粒子子（称称为为光光子子）所所形形成成的的粒粒子子流流。由由光光的的粒粒子子说说可可知知，光光又又是是由由具具有有一一定定能能量量、动动量量和和质质量量的的粒粒子子所所组组成成，这这种种粒粒子子称称为为光光子子。光光是是以以光光速速运运动动的的光光子子流流。每每个个光光子子都都具具有有一一定定的的能能量量，其其大大小与它的频率成正比，即小与它的频率成正比，即 （3-64） 式中：式中：h h为普朗克常数，为普朗克常数，h h =6.626 10 =6.626 10-34-34JsJs；v v为光子为光子的频率（的频率（s s-1-1）；）；c c为光速，为光速，c=310c=3108 8m/sm/s；为光的波长为光的波长（m m）。）。当物质受光照后，物质的电子吸收了光子的能量当物质受光照后，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。所产生的电现象称为光电效应。它是光电元器件的理论基它是光电元器件的理论基础。础。 可可见见，不不同同频频率率和和波波长长的的光光具具有有不不同同的的能能量量，光光的的频频率率愈愈高高（即即波波长长愈愈短短），光光子子的的能能量量就就愈愈大大，光光的的能能量量就就是是光光子子能能量量的的总总和和。光光照照射射在在物物体体上上可可以以看看成成一一连连串串具具有有一一定定能能量量的的光光子子轰轰击击这这些些物物体体。根根据据爱爱因因斯斯坦坦假假说说：一一个个光光子子的的能能量量只只能能给给一一个个电电子子，因因此此电电子子增增加加的的能能量量为为hh。电电子子获获得得能能量量后后释释放放出出来来，参参加加导导电电。这这种种物物体体吸吸收收光光的的能能量量后后产产生生电电效效应应的的现现象象叫叫做做光光电电效效应应。光光电电效效应应可可以以分分为以下三种类型。为以下三种类型。 1 1）外光电效应）外光电效应在在光光的的作作用用下下，物物体体内内的的电电子子逸逸出出物物体体表表面面、向向外外发发射射的的现现象象叫叫外外光光电电效效应应。物物体体中中的的电电子子吸吸收收的的入入射射光光子子能能量量若若足足以以克克服服逸逸出出功功，电电子子就就逸逸出出物物体体表表面面，产产生生光光电电发发射射。如如果果逸逸出出电电子子的的能能量量为为mvmv2 2/2/2，m m为为电电子子质质量量，v v为为逸逸出出速速度度。则则有有 （3-65） 式式（3-653-65）称称为为爱爱因因斯斯坦坦光光电电效效应应方方程程式式，为为逸逸出出功功。可可见见, ,只只有有当当光光子子能能量量大大于于逸逸出出功功，即即hh时时，才才有有电电子子发发射射出出来来; ;当当光光子子的的能能量量等等于于逸逸出出功功，即即hh时时，逸逸出出的的电电子子初初速速度度为为零零，此此时时光光子子的的频频率率为为该该物物质质产产生生外外光光电效应的最低频率，称为红限频率。电效应的最低频率，称为红限频率。 由由于于光光子子的的能能量量与与光光的的频频率率成成正正比比，因因此此要要使使物物体体发发射射光光电电子子，光光的的频频率率必必须须高高于于红红限限频频率率。小小于于红红限限频频率率的的入入射射光光，光光再再强强也也不不会会激激发发光光电电子子；大大于于红红限限频频率率的的入入射射光光，光光再再弱弱也也会会激激发发光光电电子子。单单位位时时间间内内发发射射的的光光电电子子数数称称为为光光电电流流，它它与与入入射射光光的的光光强强成成正正比比。对对光光敏敏管管，即即使使阳阳极极电电压压为为零零也也会会有有光光电电流流产产生生。欲欲使使光光电电流流为为零零必必须须加加负负向向的的截截止止电电压压，截截止止电电压压应应与与入入射射光光的的频频率率成成正正比比。利利用用外外光光电电效效应应制制成成的的光光电电器器件件有有真真空空光光电电管管、充充气气光光电电管管和和光电倍增管。光电倍增管。 2 2）光电导效应）光电导效应在在光光的的作作用用下下，电电子子吸吸收收光光子子能能量量从从键键合合状状态态过过渡渡到到自自由由状状态态，引引起起物物体体电电阻阻率率的的变变化化，这这种种现现象象称称为为光光电电导导效效应应。由由于于这这里里没没有有电电子子从从物物体体向向外外发发射射，仅仅改改变变物物体体内内部部的的电电阻阻或或电电导导，与与外外光光电电效效应应对对照照，有有时时也也称称为为内内光光电电效效应应。光光电电导导效效应应是是由由于于在在光光线线的的照照射射下下，半半导导体体中中的的原原子子受受激激发发成成为为自自由由电电子子或或空空穴穴，它它们们参参加加导导电电使使半半导导体体的的电电导导率率增增加加了了。与与外外光光电电效效应应一一样样，要要产产生生光光电电导导效效应应，也也要要受受到到红红限限频频率率限制。利用光电导效应可制成半导体光限制。利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。敏电阻。 3 3）光生伏特效应）光生伏特效应在在光光的的作作用用下下，能能够够使使物物体体内内部部产产生生一一定定方方向向的的电电动动势势的的现现象象叫叫光光生生伏伏特特效效应应。光光生生伏伏特特效效应应是是由由于于在在光光线线照照射射下下，结结附附近近被被束束缚缚的的价价电电子子吸吸收收光光子子能能量量，受受激激发发产产生生电电子子空空穴穴对对。在在内内电电场场的的作作用用下下，空空穴穴移移向向区区，电电子子移移向向区区，使使区区带带正正电电，区区带带负负电电，于于是是在在区区和和区区之之间间产产生生电电动动势势。利利用用光光生生伏伏特特效效应应制制成成的的光光电电器器件件有光敏二极管、光敏三极有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。管和光电池等。 2.2.光电器件的基本特性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各种光电器件的基本特性包括以下几方面。1 1）光电流光电流光光敏敏元元件件的的两两端端加加上上一一定定偏偏置置电电压压后后，在在某某种种光光源源的的特特定定照度下产生或增加的电流称为光照度下产生或增加的电流称为光电流。电流。 2）暗电流）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，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。选择暗电流小的光电器件。 3 3）光照特性）光照特性当当光光敏敏元元件件加加一一定定电电压压时时，光光电电流流与与光光敏敏元元件件上上光光照照度度之间的关系，称为光照特性。一般可表示为之间的关系，称为光照特性。一般可表示为I I= =f f( (E E) )。4 4）光谱特性光谱特性当当光光敏敏元元件件加加一一定定电电压压时时，如如果果照照射射在在光光敏敏元元件件上上的的是是一一单单色色光光，且且入入射射光光功功率率不不变变，光光电电流流随随入入射射光光波波长长变变化化而而变变化化的的关关系，称为光谱特性。系，称为光谱特性。光光谱谱特特性性对对选选择择光光电电器器件件和和光光源源有有重重要要意意义义。当当光光电电器器件件的的光光谱谱特特性性与与光光源源的的光光谱谱分分布布协协调调一一致致时时，光光电电传传感感器器的的性性能能较较好好，效效率率也也高高。在在检检测测中中，应应选选择择最最大大灵灵敏敏度度在在需需要要测测量量的的光光谱谱范范围围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。5 5）伏安特性）伏安特性在在一一定定照照度度下下，光光电电流流与与光光敏敏元元件件两两端端的的电电压压的的关关系系I I= =f f( (U U) )称称为为伏伏安安特特性性。同同晶晶体体管管的的伏伏安安特特性性一一样样，光光敏敏元元件件的的伏伏安安特特性性可可以以用用来来确确定定光光敏敏元元件件的的负负载载电电阻阻，设设计计应应用用电路。电路。6 6）频率特性频率特性在在相相同同的的电电压压和和相相同同幅幅值值的的光光强强度度下下，当当入入射射光光受受不不同同的的正正弦弦交交变变频频率率调调制制时时，光光敏敏元元件件输输出出的的光光电电流流和和灵灵敏敏度度随调制频率随调制频率变化的关系变化的关系I I= =f f1 1( (f f) )，K K= =f f2 2( (f f) )称为频率特性。称为频率特性。 7 7）温度特性）温度特性环环境境温温度度变变化化后后，光光敏敏元元件件的的光光学学性性质质也也将将随随之之改改变变，这这种种现现象象称称为为温温度度特特性性。温温度度升升高高时时，电电子子热热运运动动增增强强，引引起起光光敏敏元元件件的的光光电电流流及及光光谱谱特特性性等等变变化化。温温度度超超过过一一定定值值时时，光电器件的性质会有显著地改变。光电器件的性质会有显著地改变。光光电电器器件件都都有有极极限限工工作作条条件件，正正常常使使用用时时都都不不允允许许超超过过这这些些指指标标，否否则则会会影影响响光光电电器器件件的的正正常常工工作作，甚甚至至使使器器件件损损坏坏。通通常常各各种种光光电电器器件件都都规规定定了了工工作作电电压压、工工作作电电流流、工工作作温度温度等的允许范围，使用时要注意。等的允许范围，使用时要注意。 3.3.光电管光电管）结构和工作原理结构和工作原理 典典型型的的光光电电管管有有真真空空光光电电管管和和充充气气光光电电管管两两类类，两两者者结结构构相相似似，图图3-383-38（a a）所所示示为为光光电电管管的的结结构构示示意意图图，它它由由一一个个阴阴极极和和一一个个阳阳极极构构成成，它它们们一一起起装装在在一一个个被被抽抽成成真真空空的的玻玻璃璃泡泡内内，阴阴极极装装在在光光电电管管玻玻璃璃泡泡内内壁壁或或特特殊殊的的薄薄片片上上，光光线线通通过过玻玻璃璃泡泡的的透透明明部分投射到阴极。部分投射到阴极。图图3-383-38光电管结构示意图和连接电路光电管结构示意图和连接电路 要要求求阴阴极极镀镀有有光光电电发发射射材材料料，并并有有足足够够的的面面积积来来接接受受光光的的照照射射。阳阳极极要要既既能能有有效效地地收收集集阴阴极极所所发发射射的的电电子子，而而又又不不妨妨碍碍光光线线照照到到阴阴极极上上，因因此此是是用用一一细细长长的的金金属属丝丝弯弯成成圆圆形形或或矩矩形形制制成成，放在玻璃管的中心。放在玻璃管的中心。 光光电电管管的的连连接接电电路路图图如如图图3-383-38（b b）所所示示。光光电电管管的的阴阴极极K K和和电电源源的的负负极极相相连连，阳阳极极A A通通过过负负载载电电阻阻R RL L接接电电源源正正极极，当当阴阴极极受受到到光光线线照照射射时时，电电子子从从阴阴极极逸逸出出，在在电电场场作作用用下下被被阳阳极极收收集集，形形成成光光电电流流I I，该该电电流流及及负负载载电电阻阻R RL L上上的的电电压压将将随随光光照照的的强强弱弱而而改变，达到把光信号变化转换为电信号变化的目的。改变，达到把光信号变化转换为电信号变化的目的。 充充气气光光电电管管的的结结构构基基本本与与真真空空光光电电管管相相同同，只只是是管管内内充充以以少少量量的的惰惰性性气气体体，如如氖氖气气等等。当当光光电电管管阴阴极极被被光光线线照照射射产产生生电电子子后后，在在趋趋向向阳阳极极的的过过程程中中，由由于于电电子子对对气气体体分分子子的的撞撞击击，将将使使惰惰性性气气体体分分子子电电离离，从从而而得得到到正正离离子子和和更更多多的的自自由由电电子子，使使电电流流增增加加，提提高高了了光光电电管管的的灵灵敏敏度度。但但充充气气光光电电管管的的频频率率特特性性较较差差，温温度度影影响响大大，伏伏安安特特性性为为非非线线性性等等，所所以以在自动检在自动检测仪表中多采用真空光电管。测仪表中多采用真空光电管。 ）主要特性）主要特性.光电管的伏安特性光电管的伏安特性在在一一定定的的光光照照下下，对对光光电电管管阴阴极极所所加加电电压压与与阳阳极极所所产产生生的的电电流流之之间间的的关关系系称称为为光光电电管管的的伏伏安安特特性性。真真空空光光电电管管和和充充气气光光电电管管的的伏伏安安特特性性分分别别如如图图3-393-39（a a）、（b b）所所示示，它它们们是是光光电电传感器的主要参数依据，充气光电管的灵敏度更高。传感器的主要参数依据，充气光电管的灵敏度更高。 图图3-393-39光电管的伏安特性光电管的伏安特性（a）真空光电管真空光电管;（b）充气光电管充气光电管 .光电管的光照特性光电管的光照特性当当光光电电管管的的阳阳极极和和阴阴极极之之间间所所加加电电压压一一定定时时，光光通通量量与与光光电电流流之之间间的的关关系系称称为为光光照照特特性性。图图3-403-40为为光光电电管管的的光光照照特特性性，曲曲线线1 1是是氧氧铯铯阴阴极极光光电电管管的的特特性性，光光电电流流I I与与光光通通量量呈呈线线性性关关系系；曲曲线线2 2是是锑锑铯铯阴阴极极光光电电管管的的光光照照特特性性，呈呈非非线线性性关关系系。光光照照特特性性曲曲线线的的斜斜率率（光光电电流流与与入入射射光光光光通通量量之之比比）称称为光电管的灵敏度。为光电管的灵敏度。 图图3-403-40光电管光电管的光照特性的光照特性 图3-41光电管的光谱特性 .光电管的光谱特性光电管的光谱特性一一般般对对于于光光电电阴阴极极材材料料不不同同的的光光电电管管，它它们们有有不不同同的的红红限限频频率率0 0，因因此此，它它们们可可用用于于不不同同的的光光谱谱范范围围。除除此此之之外外，即即使使照照射射在在阴阴极极上上的的入入射射光光的的频频率率高高于于红红限限频频率率0 0，并并且且强强度度相相同同，随随着着入入射射光光频频率率的的不不同同，阴阴极极发发射射的的光光电电子子的的数数量量还还会会不不同同，即即同同一一光光电电管管对对于于不不同同频频率率的的光光的的灵灵敏敏度度不不同同，这这就就是是光光电电管管的的光光谱谱特特性性。所所以以，对对各各种种不不同同波波长长区区域域的的光光，应应选选用用不不同同材材料料的的光光电电阴阴极极。图图3-413-41为为光光电电管管的的光光谱谱特特性性。国国产产GD-4GD-4型型的的光光电电管管，阴阴极极是是用用锑锑铯铯材材料料制制成成的的，其其红红限限为为7000nm7000nm，它它对对可可见见光光范范围围的的入入射射光光灵灵敏敏度度比比较较高高，转转换换效效率率可达可达252530%30%。 这这种种管管子子适适用用于于白白光光光光源源，因因而而被被广广泛泛地地应应用用于于各各种种光光电电式式自自动动检检测测仪仪表表中中。对对红红外外光光源源，常常用用银银氧氧铯铯阴阴极极，构构成成红红外外传传感感器器。对对紫紫外外光光源源，常常用用锑锑铯铯阴阴极极和和镁镁锅锅阴阴极极。另另外外，锑锑、钾钾、钠钠、铯铯阴阴极极的的光光谱谱范范围围较较宽宽，为为300030008500nm8500nm，灵灵敏敏度度也也较较高高，与与人人的的视视觉觉光光谱谱特特性性很很接接近近，是是一一种种新新型型的的光光电电阴阴极极。但但也也有有些些光光电电管管的的光光谱谱特特性性和和人人的的视视觉觉光光谱谱特特性性有有很很大大差差异异，因因而而在在测测量量和和控控制制技技术术中中，这这些些光光电电管管可可以以担担负负人人眼眼所所不不能能胜胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。 4.4.光电倍增管光电倍增管当当入入射射光光很很微微弱弱时时，普普通通光光电电管管产产生生的的光光电电流流很很小小，只只有有零零点点几几个个微微安安，很很不不容容易易探探测测。这这时时, ,常常用用光光电电倍倍增增管管对对电流进行放大，图电流进行放大，图3-423-42是光电倍增管的外形和工作原理图。是光电倍增管的外形和工作原理图。 图3-42光电倍增管的外形和工作原理图 1 1）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构光光电电倍倍增增管管由由光光阴阴极极、次次阴阴极极（倍倍增增电电极极）以以及及阳阳极极三三部部分分组组成成。光光电电倍倍增增管管由由光光电电阴阴极极K K、倍倍增增电电极极D D以以及及阳阳极极A A组组成成，倍倍增增电电极极上上涂涂有有电电子子轰轰击击下下能能发发射射更更多多电电子子的的材材料料，其其形形状状和和位位置置设设计计得得正正好好使使前前一一级级发发射射的的电电子子继继续续轰轰击击下下一一级级，倍倍增增级级多多的的可可达达3030级级，通通常常为为12121414级级。光光阴阴极极是是由由半半导导体体光光电电材材料料锑锑铯铯做做成成，次次阴阴极极是是在在镍镍或或铜铜一一被被的的衬衬底底上上涂涂上上锑锑铯铯材材料料而而形形成成的的。阳阳极极是是最最后后用用来来收收集集电电子的，它输出的是电压脉冲。子的，它输出的是电压脉冲。 2 2）工作原理）工作原理光光电电倍倍增增管管除除光光电电阴阴极极外外，还还有有若若干干个个倍倍增增电电极极。使使用用时时在在各各个个倍倍增增电电极极上上均均匀匀加加上上电电压压。阴阴极极电电位位最最低低，从从阴阴极极开开始始，各各个个倍倍增增电电极极的的电电位位依依次次升升高高，阳阳极极电电位位最最高高。同同时时这这些些倍倍增增电电极极用用次次阴阴极极发发射射材材料料制制成成，这这种种材材料料在在具具有有一一定定能能量量的的电电子子轰轰击击下下，能能够够产产生生更更多多的的“次次级级电电子子”。由由于于相相邻邻两两个个倍倍增增电电极极之之间间有有电电位位差差，因因此此存存在在加加速速电电场场，对对电电子子加加速速。从从阴阴极极发发出出的的光光电电子子，在在电电场场的的加加速速下下，打打到到第第一一个个倍倍增增电电极极上上，引引起起二二次次电电子子发发射射。每每个个电电子子能能从从这这个个倍倍增增电电极极上上打打出出3 36 6倍倍个个次次级级电电子子；被被打打出出来来的的次次级级电电子子再再经经过过电电场场的的加加速速后后，打打在在第第二二个个倍倍增增电电极极上上，电电子子数数又又增增加加3 36 6倍倍，如如此此不不断断倍倍增增，阳阳极极最最后后收收集集到到的的电电子子数数将将达达到到阴阴极极发发射射电电子子数数的的10105 510106 6倍倍。即即光光电电倍倍增增管管的的放放大大倍倍数数可可达达几几万万倍倍到到几几百百万万倍倍。光光电电倍倍增增管管的的灵灵敏敏度度就就比比普普通通光光电电管管高高几几万万倍到几百万。倍到几百万。 3 3）主要参数）主要参数.倍增系数倍增系数M倍倍增增系系数数M M等等于于各各倍倍增增电电极极的的二二次次电电子子发发射射系系数数i i的的乘乘积积。如果如果n n个倍增电极的个倍增电极的i i相等，则相等，则，阳极电流阳极电流I I为为，式中，式中，i i是光电阴极的光电流。是光电阴极的光电流。光电倍增管的电流放大系数光电倍增管的电流放大系数为为 （3-66） 倍倍增增系系数数M M与与所所加加电电压压有有关关，一一般般阳阳极极和和阴阴极极之之间间的的电电压压为为100010002500V2500V，两个两个相邻倍增电极的电位差为相邻倍增电极的电位差为5050100V100V。 .光电特性光电特性图图3-433-43（a a）是是光光电电倍倍增增管管的的光光电电特特性性，当当光光通通量量不不大大时时，阳阳极极电电流流I I和和光光通通量量之之间间有有良良好好的的线线性性关关系系，但但当当光光通通量量很很大大时时（0.010.01lmlm时时，出出现现严严重重的的非非线线性性。光光电电倍倍增增管管的的光光谱谱特特性与相同材料的光电管的光谱特性相似。性与相同材料的光电管的光谱特性相似。 图3-43光电倍增管的特性曲线（a）光电特性；（b）光谱特性；（c）伏安特性 .光谱特性光谱特性图图3-433-43（b b）是是锑锑钾钾铯铯光光电电阴阴极极的的光光电电倍倍增增管管的的光光谱谱特特性。性。.伏安特性伏安特性光光电电倍倍增增管管的的阳阳极极电电流流与与最最后后一一级级倍倍增增极极和和阳阳极极电电压压的的关关系系，称称为为光光电电倍倍增增管管的的伏伏安安特特性性。图图3-433-43（c c）为为光光电电倍倍增增管管的的伏伏安安特特性性，此此时时其其余余各各电电极极的的电电压压保保持持恒恒定定。由由图图可可见见，实实际际照照到到光光电电阴阴极极上上的的光光通通量量愈愈大大，相相应应地地达达到到饱饱和和时时的阳极电流也愈大。使用时，应工作的阳极电流也愈大。使用时，应工作在特性曲线的饱和区。在特性曲线的饱和区。 .灵敏度灵敏度一一个个光光子子在在阴阴极极上上能能够够打打出出的的平平均均电电子子数数叫叫做做光光电电阴阴极极的的灵灵敏敏度度。而而一一个个光光子子在在阳阳极极上上产产生生的的平平均均电电子子数数叫叫光光电电倍倍增增管管的的总总灵灵敏敏度度。光光电电倍倍增增管管的的灵灵敏敏度度高高，频频率率特特性性好好，频频率率可可达达1010HzHz，甚甚至至更更高高，但但它它需需要要高高压压直直流流电电源源，价价格格贵贵、体积大，经不起机械冲击。体积大，经不起机械冲击。 .暗电流暗电流光光电电倍倍增增管管由由于于环环境境温温度度、热热辐辐射射等等因因素素的的影影响响，即即使使没没有有光光信信号号输输入入，加加上上电电压压后后仍仍有有电电流流，这这种种电电流流称称为为暗暗电电流流。光光电电倍倍增增管管的的暗暗电电流流对对于于测测量量微微弱弱的的光光强强和和确确定定管管子子灵灵敏敏度度的的影影响响很很大大，产产生生暗暗电电流流的的主主要要原原因因是是光光电电阴阴极极和和倍倍增增极极的的热热电电子子发发射射，它它随随温温度度增增加加而而增增加加。一一般般在在使使用用光光电电倍倍增增管管时时，必必须须将将其其放放在在暗暗室室里里避避光光使使用用，只只对对入入射射光光起起作作用用。这这种种暗暗电电流流通通常常可可以以用用补补偿偿电电路路加加以以消消除除。表表3-13-1为为常常见见光光电倍增管的特性参数。电倍增管的特性参数。 表表3-1常见光电倍增管的特性参数常见光电倍增管的特性参数 5.光敏电阻1 1）结构和原理结构和原理光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单，如图成。光敏电阻的结构较简单，如图3-443-44所示。在玻璃底板上均匀所示。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就射就能改变电路中电流的大小，如图能改变电路中电流的大小，如图3-453-45所示为接线电路。所示为接线电路。 图图3-443-44光敏电阻结构光敏电阻结构 图图3-453-45光敏电阻接线电路光敏电阻接线电路 半半导导体体的的导导电电能能力力完完全全取取决决于于半半导导体体导导带带内内载载流流子子数数目目的的多多少少。当当光光敏敏电电阻阻受受到到光光照照时时，若若光光子子能能量量大大于于该该半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度，则则价价带带中中的的电电子子吸吸收收光光子子能能量量后后跃跃迁迁到到导导带带，成成为为自自由由电电子子，同同时时产产生生空空穴穴，电电子子空空穴穴对对的的出出现现使使电电阻阻率率变变小小。光光照照愈愈强强，光光生生电电子子空空穴穴对对就就越越多多，阻阻值值就就愈愈低低。入入射射光光消消失失，电电子子空空穴穴对对逐逐渐渐复复合合，电电阻阻也也逐逐渐渐恢恢复复原原值值。光光敏敏电电阻阻在在受受到到光光的的照照射射时时，由由于于内内光光电电效效应应使使其其导导电电性性能能增增强强，电电阻阻R R下下降降，所所以以流流过过负负载载电电阻阻R R的的电电流流及及其其两两端端的的电电压压也也随随之之变变化化。光光线线越越强强，电电流流越越大大。当当光光照照停停止止时时，光光电电效效应应消消失失，电电阻阻恢恢复复原原值值，因因而而可可将将光信号转换为电信号。光信号转换为电信号。 2 2）光敏电阻种类）光敏电阻种类 光光敏敏电电阻阻是是一一个个纯纯电电阻阻性性两两端端器器件件，适适用用于于交交、直直流流电电路路，因因而而应应用用广广泛泛，种种类类很很多多。对对光光照照敏敏感感的的半半导导体体光光敏敏元元件件都都可可以以制制成成光光敏敏电电阻阻，目目前前人人类类已已开开发发应应用用的的光光波波频频谱谱范范围围为为0.10.1lOlO2121HzHz，相相应应的的波波长长为为3103109 9m m0.3pm0.3pm。半半导导体体光光敏敏元元件件的的敏敏感感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围可分为三类。光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围可分为三类。 .对紫外光敏感元件对紫外光敏感元件紫外光是指紫外线（波长紫外光是指紫外线（波长=10=10380nm380nm）的内侧光波，波的内侧光波，波长约长约300-380nm300-380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌（对这类光敏感的材料有氧化锌（Zn0Zn0）、）、硫化硫化锌（锌（ZnSZnS）、）、硫化镉（硫化镉（CdSCdS）、）、硒化镐（硒化镐（CdSeCdSe）等，这类敏感元等，这类敏感元件适于作件适于作、射线检测及光电控制电路。射线检测及光电控制电路。 .对可见光敏感元件对可见光敏感元件可可见见光光波波长长范范围围约约（波波长长=380=380760nm760nm），对对这这类类光光敏敏感感的的材材料料有有硒硒（SeSe）、硅硅（SiSi）、锗锗（GeGe）及及硫硫化化铊铊（TlSTlS）、硫硫化化镉镉（CdSCdS）等等，尤尤其其是是TlSTlS光光敏敏元元件件，它它既既适适用用于于可可见见光光，也也适适用用于于红红外外光光。这这类类敏敏感感元元件件适适用用于于光光电电计计数数、光光电电耦耦合合、光光电控制等场合。电控制等场合。.对红外光敏感元件对红外光敏感元件红红外外光光是是红红外外线线（波波长长=760=76010106 6nmnm）的的内内侧侧光光波波，波波长长约约7607606000nm6000nm。对对这这类类光光敏敏感感的的材材料料有有硫硫化化铅铅（PbSPbS）、硒硒化化铅铅（PbSePbSe）、锑锑化化铟铟（InSbInSb）等等，这这类类敏敏感感元元件件主主要要用用来来探探测测不可见目标。不可见目标。 3 3）光敏电阻的特性）光敏电阻的特性.暗电阻、亮电阻与光电流暗电阻、亮电阻与光电流光光敏敏电电阻阻在在未未受受到到光光照照射射时时的的阻阻值值称称为为暗暗电电阻阻，此此时时流流过过的的电电流流称称为为暗暗电电流流; ;在在受受到到光光照照射射时时的的电电阻阻称称为为亮亮电电阻阻，此此时时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。一一般般暗暗电电阻阻越越大大，亮亮电电阻阻越越小小，光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度越越高高。光光敏敏电电阻阻的的暗暗电电阻阻的的阻阻值值一一般般在在兆兆欧欧数数量量级级，亮亮电电阻阻在在几几千千欧欧以以下下。暗暗电电阻阻与与亮亮电电阻阻之之比比一一般般在在10102 210106 6之之间间，这这个个数数值值是是相当可观的。相当可观的。 .光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性一一般般光光敏敏电电阻阻如如硫硫化化铅铅、硫硫化化铊铊的的伏伏安安特特性性曲曲线线如如图图3-463-46所所示示。由由曲曲线线可可知知，所所加加的的电电压压越越高高，光光电电流流越越大大，而而且且没没有有饱饱和和现现象象。在在给给定定的的电电压压下下，光光电电流流的的数数值值将将随随光照增强而光照增强而增大。增大。 图图3-46光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 .光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性光光敏敏电电阻阻的的光光照照特特性性用用于于描描述述光光电电流流I I和和光光照照强强度度之之间间的的关关系系，绝绝大大多多数数光光敏敏电电阻阻光光照照特特性性曲曲线线是是非非线线性性的的，如如图图3-473-47所所示示。不不同同光光敏敏电电阻阻的的光光照照特特性性是是不不相相同同的的。光光敏敏电电阻不宜作线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。阻不宜作线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。 图3-47光敏电阻的光照特性 .光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性几几种种常常用用光光敏敏电电阻阻材材料料的的光光谱谱特特性性，如如图图3-483-48所所示示。对对于于不不同同波波长长的的光光，光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度是是不不同同的的。从从图图中中看看出出，硫硫化化镉镉的的峰峰值值在在可可见见光光区区域域，而而硫硫化化铅铅的的峰峰值值在在红红外外区区域域。因因此此，在在选选用用光光敏敏电电阻阻时时，应应当当把把元元件件和和光光源源的的种种类类结结合合起起来来考考虑虑，才能获得满意的结果才能获得满意的结果。 图图3-48光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 .光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性随随着着温温度度不不断断升升高高，光光敏敏电电阻阻的的暗暗电电阻阻和和灵灵敏敏度度都都要要下下降降，同同时时温温度度变变化化也也影影响响它它的的光光谱谱特特性性。图图3-493-49表表示示出出硫硫化化铅铅的的光光谱谱温温度度特特性性曲曲线线。从从图图中中可可以以看看出出，它它的的峰峰值值随随着着温温度度上上升升向向波波长长短短的的方方向向移移动动。因因此此，有有时时为为了了提提高高元元件件的的灵灵敏敏度度，或或为为了能够接受较长波段的红了能够接受较长波段的红外辐射，而采取一些致冷措施。外辐射，而采取一些致冷措施。 图图3-493-49光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性 .光敏电阻的响应时间和频率特性光敏电阻的响应时间和频率特性实实验验证证明明，光光敏敏电电阻阻的的光光电电流流不不能能立立刻刻随随着着光光照照量量的的改改变变而而改改变变，即即光光敏敏电电阻阻产产生生的的光光电电流流有有一一定定的的延延迟迟性性，这这个个延延迟迟性性通通常常用用时时间间常常数数t t来来描描述述。所所谓谓时时间间常常数数，即即为为光光敏敏电电阻阻自自停停止止光光照照起起到到电电流流下下降降为为原原来来的的63%63%所所需需要要的的时时间间，因因此此，时时间间常常数数越越小小，响响应应越越迅迅速速。但但大大多多数数光光敏敏电电阻阻的的时时间间常常数数都较大，这是它的缺点之一。都较大，这是它的缺点之一。 6.光敏二极管和光敏三极管1 1）结构及工作原理结构及工作原理.光敏二极管光敏二极管光光敏敏二二极极管管的的结结构构与与一一般般二二极极管管相相似似，它它装装在在透透明明玻玻璃璃外外壳壳中中，PNPN结结位位于于管管顶顶，可可直直接接受受到到光光照照射射。光光敏敏二二极极管管在在电电路路中中一一般般处处于于反反向向工工作作状状态态，见见图图3-503-50（a a）。在在没没有有光光照照射射时时，反反向向电电阻阻很很大大，反反向向电电流流很很小小，反反向向电电流流也也叫叫暗暗电电流流，这这时时光光敏敏二二极极管管处处于于截截止止状状态态。当当光光照照射射时时，光光敏敏二二极极管管处处于于导导通通状状态态，工工作作原原理理与与光光电电池池类类似似。图图3-503-50（b b）是是光光敏敏二二极极管管的的符符号号图。图。 图3-50光敏二极管符号图 图图3-513-51光敏二极管接线法光敏二极管接线法 .光敏三极管光敏三极管光光敏敏三三极极管管的的结结构构与与一一般般三三极极管管很很相相似似，有有PNPPNP型型和和NPNNPN型型两两种种，只只是是它它的的发发射射极极一一边边做做得得很很大大，以以扩扩大大光光的的照照射射面面积积，且且基基极极往往往往不不接接引引线线。如如图图3-523-52所所示示，光光敏敏三三极极管管也也有有两两个个PNPN结结，因因此此具具有有电电流流增增益益。以以NPNNPN型型为为例例，当当集集电电极极加加上上正正电电压压，基基极极开开路路时时，集集电电结结处处于于反反向向偏偏置置状状态态。当当光光线线照照在在发发射射结结时时，会会产产生生电电子子- -空空穴穴对对，光光生生电电子子被被拉拉到到集集电电极极，基基区区留留下下空空穴穴，使使基基极极相相对对发发射射极极电电位位升升高高，这这样样便便有有大大量量的的电电子子流流向向集集电电极极，形形成成输输出出电电流流，且且集集电电极极电电流流为为光光电电流流的的倍。倍。 图图3-523-52光敏三极管符号图及工作电路光敏三极管符号图及工作电路 2 2）光敏二极管的主要特性）光敏二极管的主要特性 .光谱特性光谱特性光光敏敏二二极极管管和和光光敏敏晶晶体体管管都都是是由由硅硅或或锗锗材材料料作作敏敏感感元元件件，这这两两种种敏敏感感元元件件的的光光谱谱特特性性如如图图3-533-53所所示示。锗锗管管的的敏敏感感波波长长范范围是围是5005001800nm1800nm，峰值波长约为峰值波长约为1500nm1500nm。显然显然, ,锗锗管管的的光光敏敏感感范范围围比比硅硅管管大大。由由于于锗锗管管温温度度性性能能比比较较差差，因因而而测可见光时，主要用硅管；探测红外测可见光时，主要用硅管；探测红外光时，主要用锗管。光时，主要用锗管。 图图3-53 3-53 光敏二极管的光谱特性光敏二极管的光谱特性.光照特性光照特性光光敏敏二二极极管管与与光光敏敏晶晶体体管管的的光光照照特特性性有有明明显显不不同同，以以硅硅管管为为例例，如如图图3-543-54所所示示。光光敏敏二二极极管管的的光光照照特特性性近近似似为为线线性性关关系系；光光敏敏晶晶体体管管的的光光照照特特性性为为非非线线性性。光光照照度度E(E(单单位位：勒勒克克司司lx)lx)较较小小时时，光光电电流流随随光光照照度度加加强强而而缓缓慢慢增增加加；当当光光照照度度较较大大时时，光光电流又趋于饱和。电流又趋于饱和。 图图3-543-54硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性（a）光敏二极管光敏二极管;（b）光敏晶体管光敏晶体管 .伏安特性伏安特性图图3-553-55为为硅硅光光敏敏管管在在不不同同照照度度下下的的伏伏安安特特性性。由由图图可可见见，光光敏敏管管的的输输出出电电流流与与所所加加的的偏偏置置电电压压关关系系不不大大，具具有有近近似似的的恒恒流流特特性性；光光敏敏晶晶体体管管比比光光敏敏二二极极管管的的光光电电流流大大近近百百倍倍，因因而而具具有有更更高高的的灵灵敏敏度度；光光敏敏二二极极管管在在零零偏偏压压下下就就有有一一定定的的电电流流输输出出，光光敏敏晶晶体管却有一段死区电体管却有一段死区电压。压。 图图3-55硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性 .频率特性频率特性光光敏敏二二极极管管的的频频率率特特性性较较好好，是是半半导导体体光光敏敏器器件件中中最最好好的的一一种种，其其响响应应速速度度达达0.1s0.1s，截截止止频频率率高高，适适用用于于快快速速变变化化的的光光调调制制信信号号。光光敏敏晶晶体体管管由由于于基基区区面面积积大大，载载流流子子穿穿越越基基区区所所需需的的时时间间长长，因因而而其其频频率率特特性性比比二二极极管管差差。无无论论是是哪哪一一类类光光敏敏管管，其其负负载载电电阻阻越越大大，频频率率特特性性越越差差。锗锗光光敏敏管管比比硅光敏管频率特性差。硅光敏管频率特性差。 .温度特性温度特性无无论论是是硅硅管管还还是是锗锗管管，对对温温度度的的变变化化都都比比较较敏敏感感，温温度度升升高高，热热激激发发产产生生的的电电子子空空穴穴对对增增加加，使使暗暗电电流流上上升升。尤尤其其是是锗锗管管，其其暗暗电电流流较较大大，温温度度特特性性较较差差，如如图图3-563-56（a a）所所示示。温温度度升升高高对对光光电电流流影影响响不不大大，如如图图3-563-56（b b）所所示示。对对于于在在高高温温低低照照度度下下工工作作的的光光敏敏晶晶体体管管，此此时时暗暗电电流流上上升升、亮亮电电流流下下降降，使使信信噪噪比比减减小。为了提高信噪比，应采取相应的小。为了提高信噪比，应采取相应的温度补偿或降温措施。温度补偿或降温措施。 图图3-563-56光敏管的温度特性光敏管的温度特性（a）暗电流与温度关系暗电流与温度关系;（b）光电流与温度关系光电流与温度关系 1.1.霍尔效应霍尔效应18791879年年，霍霍尔尔发发现现在在通通有有电电流流的的金金属属板板上上加加一一匀匀强强磁磁场场，当当电电流流方方向向与与磁磁场场方方向向垂垂直直时时，在在与与电电流流和和磁磁场场都都垂垂直直的的金金属属板板的的两两表表面面间间出出现现电电势势差差，这这个个现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应，这这个个电电势势差差称称为为霍霍尔尔电电动动势势，其其成成因因可可用用带带电电粒粒子子在在磁磁场场中中所所受受到到的的洛洛仑仑兹兹力力来来解解释释。如如图图3 35757（a a）所所示示，将将金金属属或或半半导导体体薄薄片片置置于于磁磁感感应应强强度度为为B B的的磁磁场场中中，当当有有电电流流流流过过薄薄片片时时，电电子子受受到到洛洛仑仑兹兹力力f fL L的的作作用用向向一一侧侧偏偏移移，电电子子向向一一侧侧堆堆积积形形成成电电场场，该该电电场场对对电电子子又又产产生生电电场场力力。电电子子积积累累越越多多，电电场场力力越越大大。洛洛仑仑兹兹力力的的方方向向可可用用左左手手定定则则判判断断，它它与与电电场场力力的的方方向向恰恰好好相相反反。当当两两个个力力达达到到动动态态平平衡衡时时，在在薄薄片片的的cdcd方方向向建建立立稳稳定定电电场场，即即霍霍尔尔电动势。电动势。 3.3.4 3.3.4 霍尔传感器霍尔传感器图3-57霍尔效应原理图及符号（a）霍尔效应原理图;（b）图形符号 霍霍尔尔效效应应的的产产生生是是由由于于电电荷荷受受磁磁场场中中洛洛仑仑兹兹力力作作用用的的结结果果。如如图图3-573-57（a a）所所示示，一一块块长长为为L L，宽宽为为b b、厚厚度度为为d d的的N N型型半半导导体体薄薄片片（称称为为霍霍尔尔基基片片），沿沿基基片片长长度度通通以以电电流流I I（称称激激励励电电流流或或控控制制电电流流），在在垂垂直直于于半半导导体体薄薄片片平平面面的的方方向向上上加加以以磁磁B B，则则半半导导体体中中的的载载流流子子电电子子要要受受到到洛洛仑仑兹兹力力的作用，由物理学知的作用，由物理学知 （3-67） 式中式中: :q q电子的电荷量电子的电荷量, ,q q=1.60210=1.60210-19-19C C；v v半导体中电子运动速度；半导体中电子运动速度；B B外磁场的磁感应强度。外磁场的磁感应强度。 在力在力f fL L的作用下，电子被推向半导体的一侧并在该侧的作用下，电子被推向半导体的一侧并在该侧面积累负电荷，而在另一侧面积累正电荷，这样在基片两面积累负电荷，而在另一侧面积累正电荷，这样在基片两侧面间建立起静电场，电子又受到电场力侧面间建立起静电场，电子又受到电场力f fE E的作用，且的作用，且 （3-68） 式中式中E EH H静电场的电场强度。静电场的电场强度。 f fE E将阻止电子继续偏移，当将阻止电子继续偏移，当f fE E= =f fL L时，时，qvBqvB= =qEqEH H。 EH=vB （3-69） 电电荷荷积积累累处处于于动动态态平平衡衡，即即基基片片宽宽度度两两侧侧面面间间由由于于电电荷荷积积累累形形成成的的电电位位差差U UH H，称称为为霍霍尔尔电电势势。它它与与霍霍尔尔电电场场强强度度E EH H的关系为的关系为 （3-70） 将上式代入式（将上式代入式（3-693-69）得）得 （3-71） 假设流过基片的电流假设流过基片的电流I I分布均匀，则有分布均匀，则有 （3-72） 式中式中 n nN N型半导体载流子浓度（单位体积中的电子数）；型半导体载流子浓度（单位体积中的电子数）；bdbd与电流方向垂直的截面积。与电流方向垂直的截面积。 将将 （3-713-71）式与）式与 （3-723-72）式合并整理得）式合并整理得 （3-73） 式中式中 R RH H霍尔系数霍尔系数，它是由材料性质决定的常数，对，它是由材料性质决定的常数，对N N型型半导体有半导体有 。 令 ，则有 （3-74） 比比例例系系数数K KH H表表征征霍霍尔尔元元件件的的特特性性，称称为为霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度。由由上上式式可可见见，霍霍尔尔电电势势U UH H正正比比于于激激励励电电流流I I和和磁磁感感应应强强度度B B，且且当当I I或或B B的的方方向向改改变变时时，霍霍尔尔电电动动势势的的方方向向也也随随之之改改变变。电电流流越越大大，磁磁场场越越强强，电电子子受受到到的的洛洛仑仑兹兹力力也也越越大大，霍霍尔尔电电动动势势也也就就越越高高。其其次次，薄薄片片的的厚厚度度、半半导导体体材材料料中中的的电电子子浓浓度度等等因因素素对对霍霍尔尔电电动势也有影响。动势也有影响。如果磁场方向与半导体薄片不垂直，而是与其法线方向的如果磁场方向与半导体薄片不垂直，而是与其法线方向的夹角为夹角为，则霍尔电动势为则霍尔电动势为 （3-75） 2.霍尔元件由由于于导导体体的的霍霍尔尔效效应应很很弱弱，霍霍尔尔元元件件都都用用半半导导体体材材料料制制作作。目目前前常常用用的的霍霍尔尔元元件件材材料料是是N N型型硅硅，它它的的霍霍尔尔灵灵敏敏度度系系数数、温温度度特特性性、线线性性度度均均较较好好。锑锑化化铟铟（InSbInSb）、砷砷化化铟铟（InAsInAs）、N N型型锗锗（GeGe）等等也也是是常常用用的的霍霍尔尔元元件件材材料料。锑锑化化铟铟元元件件的的输输出出较较大大，受受温温度度影影响响也也较较大大；砷砷化化铟铟和和锗锗输输出出不不及及锑锑化化铟铟大大，但但温温度度系系数数小小，线线性性度度好好。砷砷化化镓镓（GaAsGaAs）是是新新型型的的霍霍尔尔元元件件材材料料，温温度特性和输出线性都好，但价格贵，今后将逐渐得到应用。度特性和输出线性都好，但价格贵，今后将逐渐得到应用。 霍霍尔尔元元件件是是一一种种半半导导体体四四端端薄薄片片，它它一一般般做做成成正正方方形形，在在薄薄片片的的相相对对两两侧侧对对称称的的焊焊上上两两对对电电极极引引出出线线。一一对对称称极极为为激激励励电电流流端端，另另外外一一对对称称极极为为霍霍尔尔电电动动势势输输出出端端。霍霍尔尔元元件件的的结结构构很很简简单单，它它由由霍霍尔尔片片、引引线线和和壳壳体体组组成成。霍霍尔尔片片是是一一块块半半导导体体（多多采采用用N N型型半半导导体体）矩矩形形薄薄片片，见见图图3-583-58（a a）。在在短短边边的的两两个个端端面面上上焊焊上上两两根根控控制制电电流流端端（称称控控制制电电极极或或激激励励电电极极）引引线线1 1和和11，在在元元件件长长边边的的中中间间以以点点的的形形式式焊焊上上两两根根霍霍尔尔输输出出端端（称称霍霍尔尔电电极极）引引线线2 2和和22。在在焊焊接接处处要要求求接接触触电电阻阻小小，而而且且呈呈纯纯电电阻阻性性质质（欧欧姆姆接接触触）。霍霍尔尔片片一一般般用用非非磁磁性性金金属属、陶陶瓷瓷或或环环氧氧树树脂脂封封装装。在在电电路路中中霍霍尔尔元元件件可可用用两两种种符符号号表表示示，见见图图3-3-5858（b b）。 图3-58霍尔元件符号及电路图 1 1）利用）利用U UH H与与I I的关系的关系当当磁磁场场恒恒定定时时，在在一一定定温温度度下下，霍霍尔尔电电势势U UH H与与控控制制电电流流I I呈呈很很好好的的线线性性关关系系，利利用用这这一一特特性性，霍霍尔尔元元件件可可用用于于直直接接测量电流，也可用于测量能转换为电流的其他物理量测量电流，也可用于测量能转换为电流的其他物理量。 2 2）利用）利用U UH H与与B B的关系的关系当当控控制制电电流流一一定定时时，霍霍尔尔电电势势与与磁磁感感应应强强度度成成正正比比。利利用用这这个个关关系系可可以以测测量量交交、直直流流磁磁感感应应强强度度、磁磁场场强强度度等等。利利用用霍霍尔尔元元件件制制作作的的钳钳形形电电流流表表可可以以在在不不切切断断电电路路的的情情况况下下，通通过过测测量量电电流流产产生生的的磁磁场场而而测测得得该该电电流流值值，可可测测最最大大电电流流达达100kA100kA以以上上。如如果果保保持持霍霍尔尔元元件件的的激激励励电电流流不不变变，而而让让它它在在一一个个均均匀匀梯梯度度的的磁磁场场中中移移动动时时，则则其其输输出出的的霍霍尔尔电电势势就就取取决决于于它它在在磁磁场场中中的的位位置置。利利用用这这一一原原理理可可以以测测量量微微位位移移和和可可转转换换为为微微位位移移的的其其他量如压力、加速度、振动等。他量如压力、加速度、振动等。利利用用霍霍尔尔元元件件的的“U UH H-B”-B”关关系系还还研研制制出出霍霍尔尔式式罗罗盘盘、方方位位传传感感器器、转转速速传传感感器器、接接近近开开关关、无无触触点点开开关关、导导磁磁产产品品计计数数器器等。等。 3 3）利用）利用U UH H与与I I、B B的关系的关系如如果果控控制制电电流流为为I I1 1，磁磁感感应应强强度度B B由由励励磁磁电电流流I I2 2产产生生，则则据式（据式（3-763-76），霍尔电势可表示为），霍尔电势可表示为 （3-76） 利利用用上上述述乘乘法法关关系系，将将霍霍尔尔元元件件与与激激励励线线圈圈、放放大大器器等等组组合合起起来来，可可以以做做成成模模拟拟运运算算的的乘乘法法器器、开开方方器器、平平方方器器、除除法法器器等等各各种种运运算算器器。同同样样道道理理，依依据据式式（3-763-76）也也可可利利用用霍霍尔尔元元件件进进行行功率测量功率测量。 3.3.集成霍尔传感器集成霍尔传感器集集成成霍霍尔尔传传感感器器是是利利用用硅硅集集成成电电路路工工艺艺将将霍霍尔尔元元件件、放放大大器器、稳稳压压电电源源、功功能能电电路路及及输输出出电电路路等等集集成成在在一一起起的的单单片片集集成成传传感感器器。集集成成霍霍尔尔传传感感器器中中霍霍尔尔元元件件的的材材料料仍仍以以半半导导体体硅硅为为主主，按按输输出出信信号号的的形形式式可可分分为为线线性性型型（又又称称模模拟拟型型）和和开开关关型型两两类类。霍霍尔尔集集成成电电路路有有扁扁平平封封装装、双双列列直直插封装和软封装几种。插封装和软封装几种。 1 1）线性集成霍尔传感器）线性集成霍尔传感器线线性性集集成成霍霍尔尔传传感感器器是是将将霍霍尔尔元元件件、恒恒流流源源、线线性性放放大大电电路路等等集集成成在在一一个个芯芯片片上上，输输出出模模拟拟电电压压与与外外加加磁磁场场呈呈线线性性关关系系，输输出出电电压压较较高高（伏伏级级），使使用用非非常常方方便便。线线性性集集成成霍霍尔尔传传感感器器用用于于无无触触点点电电位位器器、无无刷刷直直流流电电动动机机、速速度度传传感感器器和和位位置置传传感感器等。器等。UGN3501MUGN3501M是是具具有有双双端端差差动动输输出出的的线线性性霍霍尔尔器器件件，其其外外形形、内内部部电电路路框框图图如如图图3-593-59所所示示。当当感感受受的的磁磁场场为为零零时时，输输出出电电压压等等于于零零；当当感感受受的的磁磁场场为为正正向向（磁磁钢钢的的S S极极对对准准UGN3501MUGN3501M的的正正面面）时时，输输出出为为正正；磁磁场场反反向向时时，输输出出为为负负，因因此此使使用用起起来来非非常常方方便便。它它的的第第5 5、6 6、7 7脚脚外外接接一一微微调调电电位位器器，可可以以进进行行微微调调并并消消除除不等位电势引起的差动输出零点漂移不等位电势引起的差动输出零点漂移。 图图3-613-61霍尔微位移测量示意图霍尔微位移测量示意图 图图3-623-62霍尔接近开关特性霍尔接近开关特性 图3-59差动输出线性霍尔集成传感器 2 2）开关型霍尔集成传感器）开关型霍尔集成传感器开开关关型型霍霍尔尔集集成成传传感感器器由由霍霍尔尔元元件件、稳稳压压器器、差差分分放放大大器器、施施密密特特触触发发器器、OCOC门门（集集电电极极开开路路输输出出门门）等等电电路路做做在在同同一一芯芯片片上上组组成成。当当外外加加磁磁场场强强度度达达到到或或超超过过规规定定的的工工作作点点时时，OCOC门门由由高高阻阻态态变变为为导导通通状状态态，输输出出为为低低电电平平；当当外外加加磁磁场场强强度度低低于于释释放放点点时时，OCOC门门重重新新变变为为高高阻阻态态，输输出出变变为为高高电电平平。开开关关集集成成霍霍尔尔传传感感器器用用于于键键盘盘开开关关、接接近近开开关关、速速度度传传感器和位感器和位置传感器。置传感器。 开开关关型型霍霍尔尔集集成成传传感感器器有有单单稳稳态态和和双双稳稳态态两两种种，如如UGNUGN（S S）3019T3019T和和UGNUGN（S S）3020T3020T均均属属于于单单稳稳开开关关型型霍霍尔尔器器件件，而而UGNUGN（S S）3030T3030T和和UGNUGN（S S）3075T3075T为为双双稳稳开开关关型型霍霍尔尔器器件件。双双稳稳开开关关型型霍霍尔尔器器件件内内部部包包含含双双稳稳态态电电路路，其其特特点点是是当当外外加加磁磁场场强强度度达达到到规规定定的的工工作作点点时时，霍霍尔尔器器件件导导通通，磁磁场场消消失失后后器器件件仍仍保保持持导导通通状状态态。只只有有施施加加反反向向极极性性的的磁磁场场，而而且且磁磁场场强强度度达达到到规规定定的的工工作作点点时时，器器件件才才能能回回到到关关闭闭状状态态，也也就就是是说说，具具有有“锁锁键键”功功能能。因因此此，这这类类器器件件又又称称为为锁锁键键型型霍霍尔尔集成传感器。开关型霍尔集成传感器如图集成传感器。开关型霍尔集成传感器如图3-603-60所示。所示。 图3-60开关型霍尔集成传感器 4.4.霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用保保持持霍霍尔尔元元件件的的控控制制电电流流不不变变，使使其其在在一一个个均均匀匀梯梯度度的的磁磁场场中中移移动动时时，其其输输出出的的霍霍尔尔电电势势只只取取决决于于它它在在磁磁场场中中的的位位移移量量。利利用用这这个个原原理理，即即可可进进行行微微位位移移的的测测量量。如如图图3-613-61所所示示，在在极极性性相相反反、磁磁场场强强度度相相同同的的两两个个磁磁钢钢气气隙隙中中放放置置一一块块霍霍尔尔片片，当当霍霍尔尔元元件件沿沿x x方方向向移移动动时时，霍霍尔尔电电势势的变化为的变化为 UH=Kx 式中式中: :K K为霍尔位移传感器输出灵敏度。为霍尔位移传感器输出灵敏度。 可可见见，霍霍尔尔电电势势与与位位移移量量x x成成线线性性关关系系（如如图图3-623-62所所示示），并并且且霍霍尔尔电电势势的的极极性性反反映映元元件件位位移移的的方方向向。实实践践证证明明，磁磁场场变变化化率率越越大大，灵灵敏敏度度越越高高；磁磁场场变变化化率率越越小小，线线性性度度越越好好。上上式式还还表表示示当当霍霍尔尔元元件件位位于于磁磁钢钢中中间间位位置置时时，即即x x=0=0时时，U UH H=0=0，这这是是由由于于在在此此位位置置元元件件同同时时受受到到方方向向相相反反、大大小小相相等等的的磁磁通通作作用用的的结结果果。基基于于霍霍尔尔效效应应制制成成的的位位移移传传感感器器一般可以测量一般可以测量1 12mm2mm的小位移。的小位移。 习题：习题：1818，2020，2222 习习题题与与思思考考题题3.4 3.4 其他类型传感器其他类型传感器 1.1.超声波传感器超声波传感器超超声声波波探探头头常常用用的的材材料料是是压压电电晶晶体体和和压压电电陶陶瓷瓷，这这种种探探头头统统称称为为压压电电式式超超声声波波探探头头，它它是是利利用用压压电电材材料料的的压压电电效效应应来来工工作作的的。逆逆压压电电效效应应将将高高频频电电脉脉冲冲转转换换成成高高频频机机械械振振动动，以以产产生生超超声声波波，可可作作为为发发射射探探头头；而而利利用用正正压压电电效效应应则则将将接接收收的的超超声声振振动动转转换换成成高高频频电电脉脉冲冲电电信信号号，可可作作为为接接收收探探头头。超超声声波波探探头头的具体结构如图的具体结构如图3-633-63所示所示。 图图3-633-63超声波探头结构超声波探头结构 (a)(a)发射探头发射探头; ;(b)(b)接收探头接收探头 2.2.微波传感器微波传感器由由发发射射天天线线发发出出的的微微波波，遇遇到到被被测测物物体体时时将将被被吸吸收收或或反反射射，使使功功率率发发生生变变化化。若若利利用用接接收收天天线线接接收收通通过过被被测测物物或或由由被被测测物物反反射射回回来来的的微微波波，并并将将它它转转换换成成电电信信号号，再再由由测测量量电电路路处处理理，就就实实现现了了微微波波检检测测。根根据据这这一一原原理理，微微波波传传感感器器可可分分为为反反射射式式与遮断与遮断式两种。式两种。(1)(1)反反射射式式传传感感器器通通过过检检测测被被测测物物反反射射回回来来的的微微波波功功率率或或经经过时间间隔过时间间隔，来表达被测物的位置、厚度等参数。，来表达被测物的位置、厚度等参数。(2)(2)遮遮断断式式传传感感器器通通过过检检测测接接收收天天线线接接收收到到的的微微波波功功率率的的大大小小，来来判判断断发发射射天天线线与与接接收收天天线线间间有有无无被被测测物物或或被被测测物物的的位位置置等参数。等参数。 3.3.红外探测器红外探测器1 1）反射式红外探测器反射式红外探测器反反射射式式光光学学系系统统的的红红外外探探测测器器的的结结构构如如图图3-643-64所所示示。它它由由凹凹面面玻玻璃璃反反射射镜镜组组成成，其其表表面面镀镀金金、铝铝和和镍镍铬铬等等红红外外波波段段反反射射率率很很高高的的材材料料构构成成反反射射式式光光学学系系统统。为为了了减减小小像像差差或或使使用用上上的的方方便便，常常另另加加一一片片次次镜镜，使使目目标标辐辐射射经经两两次次反反射射聚聚集集到到敏敏感感元元件件上上，敏敏感感元元件件与与透透镜镜组组合合一一体体，前前置置放放大大器器接接收收热热电电转转换换后后的电信号，并对其进行放大。的电信号，并对其进行放大。 图图3-643-64反射式红外探测器示意图反射式红外探测器示意图 11浸没透镜浸没透镜 22敏感元件敏感元件 33前置放大器前置放大器 44聚乙烯薄膜聚乙烯薄膜 55次反射镜次反射镜 66主反射镜主反射镜(a) (b)(a) (b)2 2）透射式红外探测器）透射式红外探测器透透射射式式光光学学系系统统的的红红外外探探测测器器如如图图3-653-65所所示示。透透射射式式光光学学系系统统的的部部件件用用红红外外光光学学材材料料做做成成，不不同同的的红红外外光光波波长长应应选选用用不不同同的的红红外外光光学学材材料料：在在测测量量700700以以上上的的高高温温时时，用用波波长长为为0.750.753m3m范范围围内内的的近近红红外外光光，用用一一般般光光学学玻玻璃璃和和石石英英等等材材料料作作透透镜镜材材料料；当当测测量量100100700700范范围围的的温温度度时时，一一般般用用3 35m5m的的中中红红外外光光，多多用用氟氟化化镁镁、氧氧化化镁镁等等热热敏敏材材料料；测测量量100100以以下下的的温温度度用用波波为为5 514m14m的的中中远远红红外外光光，多多采采用用锗锗、硅硅、硫硫化化锌锌等等热热敏敏材材料料。获获取取透透射射红红外外光光的的光光学学材材料料一一般般比比较较困困难难，反反射射式式光光学系统可避免这一困难，所以，反射光学系统用学系统可避免这一困难，所以，反射光学系统用得较多得较多。 图图3-65透射式红外探测器示意图透射式红外探测器示意图 1光管光管 2保护窗口保护窗口 3光栅光栅 4透镜透镜 5浸没透镜浸没透镜 6敏感元件敏感元件 7前置放前置放大器大器4.4.射线式传感器射线式传感器射射线线式式传传感感器器主主要要由由放放射射源源和和探探测测器器组组成成，利利用用射射线线式式传传感感器器进进行行测测量量时时，都都要要有有可可发发射射出出粒粒子子、或或射射线线的的辐辐射射源源。选选择择射射线线源源应应尽尽量量提提高高检检测测灵灵敏敏度度和和减减小小统统计计误误差差。为为避避免免经经常常更更换换放放射射源源，要要求求采采用用的的同同位位素素有有较较长长的的半半衰衰期期及及合合适适的的放放射射强强度度。因因此此，尽尽管管放放射射性性同同位位素素种种类类很很多多，但但能能用用于于测测量量的的有有二二十十种左右。种左右。放放射射线线源源的的结结构构应应使使射射线线从从测测量量方方向向射射出出，而而其其他他方方向向则则必必须须使使射射线线的的剂剂量量尽尽可可能能小小，以以减减少少对对人人体体的的危危害害。射射线线辐辐射射源源一一般般为为圆圆盘盘状状，射射线线辐辐射射源源一一般般为为丝丝状状、圆圆柱柱状状或或圆圆片片状状。图图3-663-66所所示示为为厚厚度度计计辐辐射射源源容容器器，射射线线出出口口处处装装有有辐辐射射薄薄膜膜，以以防灰尘浸入，并能防止放射源受到意外损伤而造成污染。防灰尘浸入，并能防止放射源受到意外损伤而造成污染。 图图3-663-66辐射源容器辐射源容器 5.5.离子敏传感器离子敏传感器离离子子敏敏传传感感器器是是一一种种对对离离子子具具有有选选择择敏敏感感作作用用的的场场效效应应晶晶体体管管，它它是是由由离离子子选选择择性性电电极极(ISE)(ISE)与与金金属属氧氧化化物物半半导导体体场场效效应应晶晶体体管管(MOSFET)(MOSFET)组组合合而而成成的的，简简称称ISFETISFET。ISFETISFET是是用用来来测测量量溶溶液液( (或或体体检检) )小小离离子子浓浓度度的的微微型型固固态态电电化化学学敏敏感感器器件件。如如果果将将普普通通MOSFETMOSFET的的金金属属栅栅去去掉掉，让让绝绝缘缘氧氧化化层层直直接接与与溶溶液液相相接接触触，或或者者将将栅栅极极用用铂铂膜膜作作引引出出线线，并并在在铂铂膜膜上上涂涂覆一层覆一层离子敏感膜，就构成了一只离子敏感膜，就构成了一只ISFETISFET，如图如图3-673-67所示。所示。 图图3-673-67敏感膜涂覆在敏感膜涂覆在MOSFETMOSFET栅极的栅极的ISFETISFET示意图示意图1一敏感膜；一敏感膜；2一铂膜；一铂膜；3一一MOSFET 离离子子敏敏传传感感器器的的工工作作原原理理是是MOSMOS场场效效应应。晶晶体体管管是是利利用用金金属属栅栅上上所所加加电电压压大大小小来来控控制制漏漏源源电电流流的的，ISFETISFET则则是是利利用用其其对对溶溶液液中中离离子子有有选选择择作作用用而而改改变变栅栅极极电电位位，以以此此来来控控制制漏漏源源电电流流变变化化的的。当当将将ISFETISFET插插入入溶溶液液时时，在在测测溶溶液液与与敏敏感感膜膜接接触触处处会会产产生生一一定定的的界界面面电电势势，其其大大小小取取决决于于溶溶液液中中被被测测离离子的浓度。子的浓度。 3.5 3.5 传感器的选用原则传感器的选用原则 3.5.1 3.5.1 传感器的选用指标传感器的选用指标1.1.灵敏度灵敏度一一般般来来讲讲，检检测测精精度度越越高高，就就要要求求传传感感器器具具有有较较高高的的灵灵敏敏度度。然然而而要要考考虑虑到到，当当灵灵敏敏度度高高时时，与与测测量量信信号号无无关关的的外外界界噪噪声声也也容容易易混混入入，并并且且噪噪声声也也会会被被放放大大系系统统放放大大。因因此此，必必须须考考虑虑既既要要求求检检测测微微小小量量值值，又又要要噪噪声声小小。为为保保证证此此点点，往往往往要要求求信信噪噪比比越越大大越越好好，即即要要求求传传感感器器本本身身噪噪声声小小，且且不不易易从从外外界界引引入入干干扰扰噪噪声声。当当输输入入量量增增大大时时，除除非非有有专专门门的的非非线线性性校校正正措措施施，传传感感器器不不应应进进入入非非线线性性区区，更更不不能能进进入入饱饱和和区区域域。有有些些检检测测工工作作在在较较强强的的噪噪声声干干扰扰下下进进行行，这这时时对对传传感感器器来来讲讲，其其输输入入量量不不仅仅包包括括被被测测量量，也也包包括括干干扰扰量量，两两者者的的叠叠加加不不能能进进入入非非线线性性区区。显显然然，过过高高的的灵灵敏敏度将会影响度将会影响其适用测量范围。其适用测量范围。 2.2.响应特性响应特性传传感感器器的的响响应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内保保持持不不失失真真的的测测量量条条件件。实实际际传传感感器器的的响响应应总总有有一一定定的的延延迟迟，但但希希望望延延迟迟时时间间越小越好。越小越好。一一般般来来讲讲，利利用用光光电电效效应应、压压电电效效应应等等制制作作的的物物性性型型传传感感器器，其其响响应应时时间间短短，可可工工作作频频率率范范围围宽宽。而而结结构构型型（如如电电感感、电电容容、磁磁电电式式）传传感感器器等等，由由于于受受结结构构特特性性的的影影响响，以以及及机机械械系统惯性质量的限制，其固有频率较低。系统惯性质量的限制，其固有频率较低。在在动动态态测测量量中中，传传感感器器的的响响应应特特性性对对测测试试结结果果有有直直接接影影响响。在在选选用用时时，应应充充分分考考虑虑到到被被测测物物理理量量的的变变化化特特点点（如如稳稳态态、瞬瞬变、随机等）。变、随机等）。 3.3.线性范围线性范围任任何何传传感感器器都都有有一一定定的的线线性性范范围围，在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系。传传感感器器工工作作在在线线性性区区域域内内，是是保保证证测测量量精精度度的的基基本本条件。条件。线性范围越宽，表明传感器的工作量程越大。线性范围越宽，表明传感器的工作量程越大。然然而而，任任何何传传感感器器都都不不容容易易保保证证其其绝绝对对线线性性，某某些些情情况况下下，在在保保证证检检测测精精度度的的前前提提下下，可可利利用用其其近近似似线线性性区区。例例如如，变变间间隙隙型型电电容容传传感感器器、电电感感式式传传感感器器等等，均均采采用用在在初初始始间间隙隙附附近近的的近近似似线线性性区区内内工工作作。选选用用时时必必须须考考虑虑被被测测物物理理量量的的变变化化范范围围，令令其其非非线线性性误误差差在在允允许许的的范范围围之之内内。在在进进行行自自动动检检测测的的情情况况下下，可可利利用用微微机机系系统统，通通过过软软件件对对传传感感器器的的输输出出特特性性进进行行线线性性补补偿偿，往往往往可可以使其线性范围扩大很多。以使其线性范围扩大很多。 4.4.稳定性稳定性稳稳定定性性表表示示传传感感器器经经过过长长时时间间使使用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能，和和传传感感器器在在正正常常工工作作条条件件下下，环环境境参参数数（如如温温度度、湿湿度度、大大气气压压力力等等）的的变变化化对对其其输输出出特特性性影影响响程程度度的的指指标标。因而，因而，影响传感器稳定性的因素是时间与环境影响传感器稳定性的因素是时间与环境。为为了了保保证证稳稳定定性性，在在选选定定传传感感器器之之前前，应应对对使使用用环环境境进进行行调调查查，以以选选择择较较合合适适的的传传感感器器类类型型。例例如如湿湿度度会会影影响响电电阻阻应应变变式式传传感感器器的的绝绝缘缘性性能能；温温度度的的变变化化将将产产生生零零点点漂漂移移；长长期期使使用用会会发发生生蠕蠕变变现现象象等等。又又如如: :变变间间隙隙型型电电容容传传感感器器，环环境境湿湿度度或或油油剂剂侵侵入入间间隙隙时时，相相当当于于电电容容器器的的介介质质发发生生变变化化；光光电电式式传传感感器器感感光光表表面面有有尘尘埃埃或或水水汽汽时时，要要导导致致灵灵敏敏度度下下降降；磁磁电电式式传传感感器器在电场或磁场中工作时，亦会带来测量误差等等。在电场或磁场中工作时，亦会带来测量误差等等。 5.5.精确度精确度传传感感器器的的精精确确度度表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测测量量的的对对应应程程度度。传传感感器器处处于于检检测测系系统统的的输输入入端端，因因此此，传传感感器器能能否否真真实实地地反反映映被被测测量值，对整个系统具有直接影响。量值，对整个系统具有直接影响。在在实实际际工工作作中中，并并非非要要求求传传感感器器的的精精确确度度越越高高越越好好。传传感感器器的的精精确确度度越越高高价价格格也也越越昂昂贵贵。因因此此应应考考虑虑到到经经济济性性从从实实际际出出发发来来选择。选择。 在在确确定定传传感感器器的的精精确确度度时时，首首先先应应了了解解检检测测的的目目的的和和要要求求，判判定定是是定定性性分分析析还还是是定定量量分分析析。如如果果是是属属于于相相对对比比较较性性的的试试验验研研究究，只只需需获获得得相相对对比比较较值值即即可可，那那么么要要求求传传感感器器的的精精密密度度高高，而而无无需需要要求求绝绝对对量量值值。如如果果是是进进行行定定量量分分析析，那那就就必必须须获获得得精精确确量量值值，因而要求因而要求传感器要有足够高的精确度传感器要有足够高的精确度。6.6.测量方式测量方式在在实实际际检检测测工工作作中中，传传感感器器的的工工作作方方式式（如如接接触触测测量量、在在线线测测量量与与非非在在线线测测量量等等）也也是是选选用用传传感感器器时时应应考考虑虑的的重重要要因因素素。条条件的不同，对传感器的要求也不同。件的不同，对传感器的要求也不同。在在机机械械系系统统中中，运运动动部部件件的的被被测测参参数数（例例如如回回转转轴轴的的运运动动误误差差、振振动动、扭扭矩矩等等）往往往往采采用用接接触触测测量量，有有许许多多实实际际因因素素，诸诸如如测测量量头头的的磨磨损损、接接触触状状态态的的变变动动等等都都不不易易妥妥善善解解决决，也也易易造造成成测测量量误误差差，同同时时给给信信号号的的采采集集带带来来困困难难。若若采采用用电电容容式式、电电涡涡流流式式等等非非接接触触传传感感器器，将将带带来来很很大大方方便便。若若选选用用电电阻阻应应变变片片时时，则则需需配以遥测应变仪。配以遥测应变仪。 在在某某些些情情况况下下，有有时时要要求求对对测测试试件件进进行行破破坏坏性性检检验验，如如果果合合理理地地选选择择检检测测方方法法，可可以以把把破破坏坏性性检检测测用用非非破破坏坏性性检检测测（如如涡涡流流探探伤伤、超超声声探探伤伤、核核辐辐射射探探伤伤、测测厚厚等等）来来代代替替。由由于于非非破破坏坏性性检检测测可可带带来来直直接接经经济济效效益益，最最好好尽尽可可能能地地选选用用非非破破坏坏性性检检测测方方法法在在线线实实时时检检测测是是与与实实际际情情况况更更接接近近一一致致的的检检测测方方法法。特特别别是是实实现现自自动动化化过过程程的的控控制制与与检检测测系系统统，往往往往对对真真实实性性与与可可靠靠性性要要求求很很高高，因因此此必必须须进进行行在在线线实实时时检检测测才才能能达达到到检检测测的的要要求求。而而实实现现在在线线实实时时检检测测是是比比较较困困难难的的，对对传传感感器器和和测测试试系系统统都都有有一一定定的的特特殊殊要要求求。例例如如在在加加工工过过程程中中进进行行表表面面粗粗糙糙度度的的检检测测时时，以以往往的的静静态态检检测测方方法法（如如光光切切法法、触触针针法法、干干扰扰法法等等）都都无无法法运运用用，而而需需要要采采用用激激光光检检测测法法。各各种种新新型型在在线线实实时时检检测测传传感感器器的的研研制制，是是当当前前检检测测技技术发展的一个重要方向。术发展的一个重要方向。 1.1.传感器的选择与方法传感器的选择与方法如如何何根根据据具具体体的的测测量量目目的的、测测量量对对象象以以及及测测量量环环境境合合理理地地选选用用传传感感器器，是是在在进进行行某某个个量量测测量量时时首首先先要要解解决决的的问问题题。当当传传感感器器确确定定之之后后，与与之之相相配配套套的的测测量量方方法法和和测测量量设设备备也也就就可可以以确确定定了了。测测量量结结果果的的成成败败，在在很很大大程程度度上上取取决决于于传传感感器器的的选选用用是是否否合合理理。为为此此，要要从从系系统统总总体体考考虑虑，明明确确使使用用的的目目的的以以及及采采用用传传感感器器的的必必要要性性，绝绝对对不不要要采采用用不不适适宜宜的的传传感感器器与与不不必必要要的的传传感感器器。因因此此，有有必必要要根根据据不不同同的的测测试试目目的的，规规定定选选择择传传感感器器的的某某些些标标准准。选选择择传传感感器器所所应应考考虑虑的的项项目目是是各各种种各各样样的的，可可是是要要满满足足所所有有项项目目要要求求也也未未必必是是必必要要的的。应应根根据据传传感感器器实实际际使使用用目目的的、指指标标、环环境境条条件件和和成成本本，从从不不同同的的侧侧重重点点，优优先先考考虑虑几几个个重重要要的的条条件件就就可可以以了了。选选择择的的标标准准主主要要考考虑虑以以下下因因素素：传传感感器器的的性性能能、传传感感器器的的可可用用性性、能量消耗、成本、环境能量消耗、成本、环境条件以及与购置有关的项目等条件以及与购置有关的项目等。 3.5.2 3.5.2 传感器的选择与应用传感器的选择与应用1 1）测试条件与目的）测试条件与目的（1 1）测试的目的；）测试的目的；（2 2）被测量的选择；）被测量的选择；（3 3）测量范围；）测量范围；（4 4）过载的发生频度；）过载的发生频度；（5 5）输入信号的频带；）输入信号的频带；（6 6）测量要求精度；）测量要求精度；（7 7）测量时间。）测量时间。 2 2）传感器的性能）传感器的性能（1 1）精度；）精度；（2 2）稳定性；）稳定性；（3 3）响应速度；）响应速度；（4 4）输出信号类型（模拟或数字）输出信号类型（模拟或数字）（5 5）静态特性、动态特性和环境特性；）静态特性、动态特性和环境特性；（6 6）传感器的工作寿命或循环寿命；）传感器的工作寿命或循环寿命；（7 7）标定周期；）标定周期；（8 8）信噪比。）信噪比。 3 3）传感器的使用条件）传感器的使用条件（1 1）所测量的流体、固体对传感器的影响；）所测量的流体、固体对传感器的影响；（2 2）传感器对被测对象的质量（负荷）效应；）传感器对被测对象的质量（负荷）效应；（3 3）安装）安装现场条件及环境条件现场条件及环境条件（温度、湿度、振动等）；（温度、湿度、振动等）；（4 4）信号的传输距离；）信号的传输距离；（5 5）传感器的）传感器的输出端的连接方式输出端的连接方式；（6 6）传感器对所测量物理量的实际值的影响；）传感器对所测量物理量的实际值的影响；（7 7）传感器是否符合国家标准或工业规范；）传感器是否符合国家标准或工业规范；（8 8）传感器的失效形式；）传感器的失效形式；（9 9）传感器的维护、安装、使用工作人员所具备的最低技术能力；）传感器的维护、安装、使用工作人员所具备的最低技术能力；（1010）传感器的）传感器的标定方法标定方法；（1111）传感器的安装方式；）传感器的安装方式；（1212）过载保护。）过载保护。 4 4）传感器所接数据采集系统及辅助设备）传感器所接数据采集系统及辅助设备（1 1）传感器所连接数据采集系统的一般性质；）传感器所连接数据采集系统的一般性质；（2 2）数数据据系系统统主主要要单单元元的的性性质质，其其中中包包括括数数据据传传输输连连接接方方式、数据处理方法、数据存储方法、数据显示方式；式、数据处理方法、数据存储方法、数据显示方式；（3 3）数据系统的）数据系统的精确性和频率的响应精确性和频率的响应特性；特性；（4 4）传感器系统的负荷阻抗特性；）传感器系统的负荷阻抗特性；（5 5）传传感感器器的的输输出出是是否否需需要要进进行行频频率率滤滤波波和和幅幅值值变变换换及及其其处理方法；处理方法；（6 6）数据采集系统对传感器输出误差检测或校正能力。）数据采集系统对传感器输出误差检测或校正能力。 5 5）关于购置与维护项目）关于购置与维护项目（1 1）传感器的）传感器的价格价格；（2 2）出厂日期；）出厂日期；（3 3）服务体制；）服务体制；（4 4）备件备件；（5 5）保修期间。）保修期间。 2.2.传感器的应用及注意事项传感器的应用及注意事项每一个传感器都每一个传感器都有自己的性能和使用条件有自己的性能和使用条件，因此对于特定，因此对于特定传感器的适应性很大程度上取决于传感器的使用方法。传感器传感器的适应性很大程度上取决于传感器的使用方法。传感器的种类繁多，应用场合也各种各样，不可能将各种传感器的使的种类繁多，应用场合也各种各样，不可能将各种传感器的使用方法及注意事项一一列举，因此，用户在使用传感器之前应用方法及注意事项一一列举，因此，用户在使用传感器之前应特别注意阅读较详细的说明书特别注意阅读较详细的说明书。这里列出传感器一些常见的使用方法这里列出传感器一些常见的使用方法: :(1(1）使用前必须要认真阅读使用说明书。使用前必须要认真阅读使用说明书。 (2(2）正正确确地地选选择择安安装装点点和和正正确确安安装装传传感感器器都都是是非非常常重重要要的的环环节节。若若在在安安装装环环节节失失误误，轻轻者者影影响响测测量量精精度度，重重者者会会影影响响传传感感器器的的使使用用寿寿命命，甚甚至至损损坏坏传传感感器器。安安装装固固定定传传感感器器的的方方式式要要简简单单可可靠靠。在在某某一一周周期期内内，传传感感器器的的功功能能将将会会达达到到连连续续可可靠靠，该该周周期期长长达达3030天天。传传感感器器在在工工业业环环境境下下至至少少工工作作两两年或更长，在合理的费用基础之上进行更新和替换。年或更长，在合理的费用基础之上进行更新和替换。(3(3）一一定定要要注注意意传传感感器器的的使使用用安安全全性性，比比如如传传感感器器自自身身和和操操作作人人员员的的安安全全性性，特特别别是是注注意意在在说说明明书书中中所所标标注注的的“注注意意”和危险项目。和危险项目。 (4(4）传感器和测量仪表必须可靠连接，系统应有良好的传感器和测量仪表必须可靠连接，系统应有良好的接地，远离强电场、强磁场。接地，远离强电场、强磁场。传感器和仪表应远离强腐蚀性传感器和仪表应远离强腐蚀性物体，远离易燃、易爆物品。物体，远离易燃、易爆物品。(5(5）仪器输入端与输出端必须保持干燥和清洁仪器输入端与输出端必须保持干燥和清洁。传感器。传感器在不用时，保持传感器的插头和插座的清洁。在不用时，保持传感器的插头和插座的清洁。(6(6）传感器通过插头与供电电源和二次仪表连接时，应传感器通过插头与供电电源和二次仪表连接时，应注意引线号不能接错、颠倒，注意引线号不能接错、颠倒，连接传感器与测量仪表之间的连接传感器与测量仪表之间的连接电缆必须符合传感器及使用条件的要求。连接电缆必须符合传感器及使用条件的要求。(7(7）精度较高的传感器都需要定期校准精度较高的传感器都需要定期校准，一般来说，需，一般来说，需要要3 36 6周校准一次。周校准一次。 (8(8）各各种种传传感感器器都都有有一一定定的的过过载载能能力力，但但使使用用时时应应尽尽量量不要超量程。不要超量程。(9(9）在在插插拔拔仪仪表表与与外外部部设设备备连连接接线线前前，必必须须先先切切断断仪仪表表及相应设备电源。及相应设备电源。(10(10）传传感感器器不不使使用用时时，应应存存放放在在温温度度为为10103535，相相对湿度不大于对湿度不大于85%85%，无酸、无碱和无腐蚀性气体的房间内，无酸、无碱和无腐蚀性气体的房间内。(11(11）传感器如果出现异常或故障应及时与厂家联系，传感器如果出现异常或故障应及时与厂家联系，不得擅自拆卸传感器不得擅自拆卸传感器。 1.1.传感器作用与分类传感器作用与分类（传感器、结构型、物性型传感器、结构型、物性型 、有源型、无源型、有源型、无源型 ）2.2.结构型传感器结构型传感器（电阻式传感器电阻式传感器 、电容式传感器、电感式传感器、磁、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器）电式传感器） 1) 1) 工作原理工作原理 2 2）分类、应用特点）分类、应用特点 3 3）测量电路）测量电路3.3.物性传感器物性传感器（压电式传感器、霍尔传感器压电式传感器、霍尔传感器） 1 1）压电效应、等效电路、测量电路）压电效应、等效电路、测量电路 2 2）霍尔效应、等效电路、测量电路）霍尔效应、等效电路、测量电路4.4.传感器的选用原则传感器的选用原则 1 1）传感器的选用指标）传感器的选用指标 2 2）传感器的选择与方法）传感器的选择与方法 3 3）传感器的）传感器的应用及注意事项应用及注意事项 本本章章重重点点内内容容