現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)課件：常規(guī)傳感器(121張課件)

1、學(xué)習(xí)目標(biāo)： 明確各種傳感器的定義、組成與分類，以及傳感器最新技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，對(duì)傳感器的基本特性有一個(gè)深入的認(rèn)識(shí)。掌握常規(guī)傳器的作用原理與與基本測(cè)量電路，熟悉各種常規(guī)傳感器性能的測(cè)試與典型應(yīng)用。通過(guò)對(duì)常規(guī)傳感器的學(xué)習(xí)，達(dá)到在工作實(shí)際中能夠合理選擇和靈活使用傳感器。 常規(guī)傳感器 學(xué)習(xí)目標(biāo)：常規(guī)傳感器 學(xué)習(xí)要求 了解常各種規(guī)傳感器的特征、作用與基本性能，掌握電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、半導(dǎo)體傳感器的作用原理與典型測(cè)量電路，熟悉數(shù)字式傳感器、熱電偶傳感器、光纖傳感器、壓磁式傳感器的作用原理與特性，了解各種常規(guī)傳感器的應(yīng)用狀況，為工程中的實(shí)際測(cè)量工作打下較堅(jiān)實(shí)的基

2、礎(chǔ)。 學(xué)習(xí)要求引例 傳感器是人類獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段，在現(xiàn)代科技中它所起的作用越來(lái)越重要。 圖2.1汽車用各種傳感器 圖2.2加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 引例 圖2.1汽車用各種傳感器 圖2.2加速度傳感器在汽車中第2章 常規(guī)傳感器 本章內(nèi)容:2.1 傳感器概述 2.2 電阻式傳感器2.3 電容式傳感器 2.4 電感式傳感器2.5 壓電式傳感器 2.6 磁電式傳感器 2.7 光電式傳感器第2章 常規(guī)傳感器 本章內(nèi)容:2.8 半導(dǎo)體傳感器2.9 數(shù)字式傳感器（digital transducer） 2.10 熱電偶傳感器( Thermocouple Sensors） 2.11 熱電

3、阻傳感器(Thermal Resistive Sensors) 2.12 光纖傳感器 2.13 傳感器應(yīng)用實(shí)例 2.8 半導(dǎo)體傳感器2.1 傳感器概述2.1.1傳感器的作用（The function of sensor) 傳感器實(shí)際上是一種功能塊，其作用是將來(lái)自外界的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。作為一種功能塊的傳感器可狹義的定義為：“將外界的輸入信號(hào)變換為電信號(hào)的一類元件?！?2.1.2 傳感器的定義和組成 (Definition and Composing of Sensors)1.傳感器的定義（The definition of sensor) 傳感器（Transducer/Sensor) 的定

4、義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。 2.1 傳感器概述2.1.1傳感器的作用（The funct2.傳感器的組成(The composing of sensor)傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成：（1）敏感元件（Sensitive element）：直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。（2）轉(zhuǎn)換元件（Transduction element）：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。（3）轉(zhuǎn)換電路（Transduction circuit）：上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。 2.傳感器的組成(T

5、he composing of sens2.1.3 傳感器的分類及要求 (Category and Request of Sensors) 1.傳感器的分類（The category of sensor）傳感器種類繁多，目前常用的分類有兩種：一種是以被測(cè)量來(lái)分，另一種是以傳感器的原理來(lái)分。 被測(cè)量類別 被測(cè)量熱工量溫度、熱量、比熱；壓力、壓差、真空度；流量、流速、風(fēng)速 機(jī)械量位移（線位移、角位移），尺寸、形狀；力、力矩、應(yīng)力；重量、質(zhì)量；轉(zhuǎn)速、線速度；振動(dòng)幅度、頻率、加速度、噪聲物理和成分量氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分；酸堿度（PH值）、鹽度、濃度、粘度；密度、比重 狀態(tài)量顏色、透明度、磨損量、

6、材料內(nèi)部裂縫或缺陷、氣體泄漏、表面質(zhì)量 表2.1按被測(cè)量來(lái)分類 2.1.3 傳感器的分類及要求 (Category and 序號(hào)工作原理 序號(hào)工作原理 1電阻式8光電式（紅外式、光導(dǎo)纖維式）2電感式9諧振式3電容式10霍爾式4阻抗式（電渦流式）11（磁式）超聲式5磁電式12同位素式6熱電式13電化學(xué)式7壓電式14微波式表2.2按傳感器的原理來(lái)分類 序號(hào)工作原理 序號(hào)工作原理 1電阻式8光電式（紅外式、光導(dǎo)纖2.傳感器的一般要求(The request of sensor)由于各種傳感器的原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術(shù)指標(biāo)也不可能相同，但是有些一般要求卻基本上是共同的：（1）足

7、夠的容量傳感器的工作范圍或量程足夠大；具有一定的過(guò)載能力。 （2）靈敏度高，精度適當(dāng)即要求其輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)成確定的關(guān)系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。（3）響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定，可d.使用性和適應(yīng)性強(qiáng)體積小，重量輕，動(dòng)作能量小，對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)影響?。粌?nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標(biāo)準(zhǔn)形式，以便與系統(tǒng)對(duì)接。（4）使用經(jīng)濟(jì)成本低，壽命長(zhǎng)，且便于使用、維修和校準(zhǔn)?？煽啃院谩?2.傳感器的一般要求(The request of sens2.1.4 傳感器開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì) (The Development of Sensors)傳感器

8、開(kāi)發(fā)的新趨向包括社會(huì)對(duì)傳感器需求的新動(dòng)向和傳感器新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)這兩個(gè)方面。 1.傳感器需求的新動(dòng)向 圖2.3展示了一些國(guó)家對(duì)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及需要量，可作為我們對(duì)傳感器產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的參考。 圖2.3 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及需要量 2.1.4 傳感器開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì) (The Developme2.傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)前，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)向，一是開(kāi)展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。1）新材料的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用2）新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用 3）利用新的效應(yīng)開(kāi)發(fā)新型傳感器 4）傳感器的集成化 5）傳感器的多維化 6）傳感器的多功能化 7）傳感器的智能化

9、2.傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 2.2電阻式傳感器 2.2.1 電阻應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。應(yīng)用范圍：可測(cè)量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。應(yīng)變式傳感器特點(diǎn)： 1.應(yīng)變式傳感器的工作原理1)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 2.2電阻式傳感器 2.2.1 電阻應(yīng)變式傳感器 單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化，也稱為材料的靈敏系數(shù)，記為K0。 （2.1）式中：R為金屬導(dǎo)體的電阻， dR為電阻的變化量 ，為測(cè)點(diǎn)處應(yīng)

10、變；為物質(zhì)的密度 ， d為密度的變化量，為材料的松泊比。則其相應(yīng)的電阻變化率為 （2.2）通常金屬電阻絲的K0=1.74.6。 單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化，也稱為材料的靈敏系數(shù)，2) 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理圖2.4應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) l稱為柵長(zhǎng)(標(biāo)距)，b稱為柵寬(基寬)， bl稱為應(yīng)變片的使用面積。應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用面積和電阻值表示，如320mm2，120 應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)試件上。彈性體或試件的變形通過(guò)基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可測(cè)量應(yīng)變。 2) 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理圖

11、2.4應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 2.電阻應(yīng)變片的分類及材料 圖2.6電阻應(yīng)變片的分類 金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式、金屬膜式和半導(dǎo)體式（壓阻式）。按應(yīng)變計(jì)的基底分為紙基和膠基，特殊情況下有金屬基底的應(yīng)變計(jì)。 按被測(cè)量應(yīng)力場(chǎng)之不同，可分為測(cè)量單向應(yīng)力的應(yīng)變計(jì)和測(cè)量多向應(yīng)力的應(yīng)變花。 2.電阻應(yīng)變片的分類及材料 圖2.6電阻應(yīng)變片的分類 金屬電3.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用舉例 （1）將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。 （2）應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。 圖2.7測(cè)構(gòu)件拉壓應(yīng)力的傳感器 圖2.8 位移傳感器 圖2.9加速度傳感器 3.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用舉例

12、 圖2.7測(cè)構(gòu)件拉壓應(yīng)力的傳感2.2.2 壓阻式傳感器 1.基本工作原理 半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 則半導(dǎo)體電阻材料的靈敏系數(shù)k0為： （2.3） 式中：L為半導(dǎo)體電阻材料在受力方向的壓阻系數(shù)，表征壓阻效應(yīng)的強(qiáng)弱；R為半導(dǎo)體材料的電阻； E為半導(dǎo)體電阻材料的彈性模量。 2.2.2 壓阻式傳感器 （2.3） 式中：L為半導(dǎo)2.壓阻式傳感器類型與特點(diǎn)壓阻式傳感器有兩種類型：半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器、固態(tài)壓阻式傳感器壓阻式傳感器的特點(diǎn)如下： (1)靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大可直接用于測(cè)量；(2)分辨率高，例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出1020Pa的微壓；(3)

13、測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高；(4)可測(cè)量低頻加速度和直線加速度。 2.壓阻式傳感器類型與特點(diǎn)2.2.3 變阻式傳感器 1.變阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及分類 變阻式傳感器又稱為電位器式傳感器。它們是由電阻元件及電刷(活動(dòng)觸點(diǎn))兩個(gè)基本部分組成。 按其結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等，在線繞電位器中又有單圈式和多圈式兩種；按其特性曲線不同，則可分為線性電位器和非線性(函數(shù))電位器。 2.2.3 變阻式傳感器 2.變阻式傳感器的原理與特性 其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.11、圖2.12、圖2.13所示。 （a） 直線位移型變阻式傳感器（b） 角位移型變阻式傳感器圖2.11 變阻式傳感器的

14、結(jié)構(gòu)原理圖 圖2.12 線性電阻器的電阻分壓電路 2.變阻式傳感器的原理與特性 （a） 直線位移型變阻式傳感器（1）直線位移型變阻式傳感器 如直線位移型變阻式傳感器圖2.11（a）所示，當(dāng)被測(cè)位移變化時(shí)，觸點(diǎn)C沿電位器移動(dòng)。如果移至x，則C點(diǎn)與A點(diǎn)之間的電阻為 （2.4） （2）角位移型變阻器式傳感器 角位移型變阻器式傳感器如圖2.11（b）所示， 其電阻值隨轉(zhuǎn)角而變化，故為角位移型。則其傳感器的靈敏度S為： （2.6） （1）直線位移型變阻式傳感器（2.4） （2）角位移型變阻（3）線性電阻器的電阻分壓電路 線性電阻器的電阻分壓電路如圖2.12所示，其電阻值隨電刷位移x而變化。設(shè)負(fù)載電阻為

15、，電位器長(zhǎng)度為l，總電阻為，電刷位移為x，相應(yīng)的電阻為 ，電源電壓為U，輸出電壓為U0為: （2.7） 當(dāng) 時(shí)，電壓輸出Uo為： （2.8） （3）線性電阻器的電阻分壓電路（2.7） 當(dāng) （4）非線性電位器 非線性電位器又稱函數(shù)電位器，如圖2.13所示。是其輸出電阻(或電壓)與電刷位移(包括線位移或角位移)之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，即 ，它可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)等各種特定函數(shù)，也可以是其它任意函數(shù)。 圖2.13 非線性電位器 （4）非線性電位器圖2.13 非線性電位器 2.3 電容式傳感器 電容式傳感器是將被測(cè)量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。2.

16、3.1 工作原理及類型 由物理學(xué)可知，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為 (2.9) 式中 :0真空的介電常數(shù)，0=8.85410-12F/m； 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，在空氣中，=1； S極板的遮蓋面積（m2）； 兩平行極板間的距離（m)。 2.3 電容式傳感器 電容式傳感器是將被測(cè)量（如尺寸、壓1.極距變化型電容式傳感器 a)極距變化 b) 輸出特性圖2.14 極距變化型電容式傳感器 如圖2.14所示,在電容器中，如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，則電容量與極距呈非線性關(guān)系。當(dāng)兩極板在被測(cè)參數(shù)作用下發(fā)生位移，引起電容量的變化為： （2.10） 1.極距變化型電容式傳感器 a

17、)極距變化 b由此可得到傳感器的靈敏度為： （2.11） 從式（2.11）可看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。一般通過(guò)減小初始極距來(lái)提高靈敏度。由于電容量C與極距呈非線性關(guān)系，故這將引起非線性誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對(duì)測(cè)量精度的影響，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。 由此可得到傳感器的靈敏度為： （2.11） 從式（2.11）2.面積變化型電容式傳感器 面積變化型電容傳感器的工作原理是在被測(cè)參數(shù)的作用下來(lái)變化極板的有效面積，常用的面積變化型電容傳感器有平板型和圓柱形。 (1)平板型面積變化型電容傳

18、感器 平板型面積變化型電容傳感器有角位移型和線位移型兩種，如圖2.15所示。 （a）線位移型 （b） 角位移型圖2.15 平板型變截面積型電式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 2.面積變化型電容式傳感器 （a）線位移型 線位移型變截面積型電容傳感器的靈敏度為：（2.12） 角位移型變截面積型電容傳感器的靈敏度為：（2.13） 由式（2.12）和（2.13）可知，平板型變截面積型電容傳感器的輸出與輸入為線性關(guān)系。線位移型變截面積型電容傳感器的靈敏度為：（2.12） 角位(2)圓柱形面積變化型電容傳感器 由于平板型變截面積型電容傳感器的可動(dòng)極板在極距方向稍有移動(dòng)，就會(huì)對(duì)影響測(cè)量精度有較大影響。因此，一般情況下，

19、變截面積型電容式傳感器常做成圓柱形, 如圖2.16所示。 當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度x變化時(shí)，電容量跟隨變化，其靈敏度為（2.5） （a）單向型變側(cè)面積型 （b） 雙向變側(cè)面積型 圖2.16 圓柱形面積變化型電容傳感器(2)圓柱形面積變化型電容傳感器（2.5） （a）單向型變側(cè)3.介電常數(shù)變化型電容傳感器 大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量等，如圖2.17所示。 （a）測(cè)厚度 （b）測(cè)位移 （c）測(cè)液位圖2.17變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理3.介電常數(shù)變化型電容傳感器（a）測(cè)厚度 （b2.3.2特點(diǎn)與應(yīng)用 1.電容傳感器的主

20、要優(yōu)點(diǎn) （1）輸入能量小而靈敏度高 （2）電參量相對(duì)變化大 （3）動(dòng)態(tài)特性好 （4）能量損耗小 （5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好 2. 電容傳感器的主要缺點(diǎn) （1）非線性大 （2）電纜分布電容影響大 2.3.2特點(diǎn)與應(yīng)用2.3.3電容式傳感器應(yīng)用舉例 電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測(cè)試中，電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高。圖2.19電容式測(cè)厚儀圖2.20所示的電容式測(cè)厚儀，用來(lái)測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中厚度。圖中C1、C2兩個(gè)工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容， 其總電容為C= C1+C2 。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化。通過(guò)檢測(cè)電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯

21、示出帶材的厚度。 2.3.3電容式傳感器應(yīng)用舉例圖2.19電容式測(cè)厚儀圖2.22.4電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。它是把被測(cè)量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）兩種。 2.4.1 自感型傳感器 1.可變磁阻式傳感器 可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由線圈、鐵芯及銜鐵組成。2.4電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。它線圈電感(自感)可用下式計(jì)算 （2.10） 如果空氣隙較小，而且不考慮磁路的鐵損時(shí)，則磁路總磁阻為 （2.11） 1-線圈 2-鐵心 3-銜鐵a) 可變磁阻結(jié)構(gòu)

22、b)特性曲線圖2.21 可變磁阻式電感傳感器 線圈電感(自感)可用下式計(jì)算 （2.10） 如果空氣隙較小因?yàn)?，則 （2.12） 因此，自感L可寫(xiě)為 （2.13） 公式（2.13）表明，自感L與空氣隙成反比，而與空氣隙導(dǎo)磁截面積S0成正比。當(dāng)固定S0不變，變化時(shí)，L 與呈非線性（雙曲線）關(guān)系，如上圖所示。此時(shí)，傳感器的靈敏度為 靈敏度S與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比，愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的范圍內(nèi)工作。 故靈敏度S趨于定值，即輸出與輸入近似成線性關(guān)系。 因?yàn)?，則 （2.12） 因此，自感L可寫(xiě)為2.電渦流式傳感器 1)渦流傳感器分類 渦

23、流傳感器分高頻反射式和低頻透射式兩類 (1)高頻反射式電渦流傳感器。 高頻反射式電渦流傳感器原理如圖2.26所示。當(dāng)高頻電流施加在電感線圈上時(shí)，線圈產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于被測(cè)金屬導(dǎo)體表面，形成電渦流，電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)又反作用于線圈，從而改變了線圈的電感。 圖2.26 高頻反射式渦流傳感器原理2.電渦流式傳感器 高頻反射式電渦流傳感器原理如圖2（2）低頻透射式電渦流傳感器。 當(dāng)振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓u1加到線圈L1上時(shí)，在其周圍產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。若兩線圈間無(wú)金屬導(dǎo)體，則L1的磁力線能較多地穿過(guò)L2。若在L1與L2之間插入一金屬板，則在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流，消耗部分能量，u2下降。金屬板厚度越大，電渦流

24、損耗越大，u2輸出越小。因此，可根據(jù)接收線圈輸出電壓u2的大小，確定金屬板的厚度。圖2.27低頻透射式電渦流傳感器原理示意圖（2）低頻透射式電渦流傳感器。 金屬板厚度越大，電渦流損耗2) 電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2.28所示。1-電渦流線圈；2-殼體；3-殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋；4-印制線路板；5-夾持螺母；6-電源指示；7-閾值指示燈；8-輸出屏蔽電纜線；9-電纜插頭 圖2.28電渦流傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2) 電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2.28所示。1-電渦流線圈；3)電渦流式傳感器的工作原理 如圖2.29所示，在金屬導(dǎo)體上方放置一個(gè)線圈，當(dāng)線圈中通以電流 時(shí)，線圈的周圍空間就產(chǎn)生了交變磁場(chǎng)H1，

25、在金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生電渦流 ，由 產(chǎn)生反向電磁場(chǎng)H2，由于H2與H1方向相反，H2抵消了部分原磁場(chǎng)H1，使導(dǎo)電線圈的阻抗發(fā)生了變化。圖2.29 電渦流原理圖 3)電渦流式傳感器的工作原理圖2.29 電渦流原理圖 5)應(yīng)用 渦流式傳感器工程應(yīng)用實(shí)例如圖2.30所示。 圖2.30 渦流式傳感器的應(yīng)用 5)應(yīng)用圖2.30 渦流式傳感器的應(yīng)用 6)電渦流傳感器的測(cè)量電路 （1）電橋測(cè)量電路。（2）定頻調(diào)幅測(cè)量電路。（3）調(diào)頻式測(cè)量電路。電橋測(cè)量電路如圖2.31所示定頻調(diào)幅測(cè)量電路原理如圖2.32所示調(diào)頻式測(cè)量電路原理如所圖2.33示。 6)電渦流傳感器的測(cè)量電路 電橋測(cè)量電路如圖2.31所示定頻2.4

26、.2 互感型（差動(dòng)變壓器式）傳感器 互感型傳感器的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。由于常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式，故又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。 （a） 變隙式差動(dòng)變壓器 2.4.2 互感型（差動(dòng)變壓器式）傳感器（a） 變隙式差動(dòng)變 （b） 螺線管式差動(dòng)變壓器圖2.34 差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，其輸出特性如圖2.35所示 差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。 （b） 螺線管式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的 (a)輸出特性 (b)相位特性 圖2.35

27、差動(dòng)變壓器的輸出特性 差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 2.4.3壓磁式傳感器 壓磁式(又稱磁彈式)傳感器是一種力電轉(zhuǎn)換傳感器。其基本原理是利用某些鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。1.壓磁效應(yīng) 鐵磁材料在外力作用下，內(nèi)部發(fā)生變形，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動(dòng)，使磁疇磁化強(qiáng)度矢量轉(zhuǎn)動(dòng)，從而也使材料的磁化強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)的變化。這種應(yīng)力使鐵磁材料的磁性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng)。 2.4.3壓磁式傳感器 2.壓磁式傳感器工作原理 如圖2.38所示。在壓磁材料的中間部分開(kāi)有四個(gè)對(duì)稱的小孔1、2、3和4，在孔1、2間繞有激勵(lì)繞組N12

28、，孔3、4間繞有輸出繞組N34。當(dāng)激勵(lì)繞組中通過(guò)交流電流時(shí)，鐵心中就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。若把孔間空間分成A、B、C、D四個(gè)區(qū)域，在無(wú)外力作用的情況下，A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的磁導(dǎo)率是相同的。這時(shí)合成磁場(chǎng)強(qiáng)度H平行與輸出繞組的平面，磁力線不與輸出繞組交鏈，N34不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖2.38（b）所示。 圖2.38 壓磁式傳感器工作原理圖2.壓磁式傳感器工作原理 圖2.38 壓磁式傳感器工作原理圖 在壓力F作用下，如圖2.38(c)所示，A、B區(qū)域?qū)⑹艿揭欢ǖ膽?yīng)力，而C、D區(qū)域基本處于自由狀態(tài)，于是A、B區(qū)域的磁導(dǎo)率下降、磁阻增大，C、D區(qū)域的磁導(dǎo)率基本不變。這樣激勵(lì)繞組所產(chǎn)生的磁力線將重新分布，部分磁

29、力線繞過(guò)C、D區(qū)域閉合，于是合成磁場(chǎng)H不再與N34平面平行，一部分磁力線與N34交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。F值越大，與N34交鏈的磁通越多，e值越大。 圖2.39 壓磁式傳感器作用示意圖 在壓力F作用下，如圖2.38(c)所示，A、B區(qū)域?qū)⑹?.壓磁元件 壓磁式傳感器的核心是壓磁元件，它實(shí)際上是一個(gè)力-電轉(zhuǎn)換元件。壓磁元件常用的材料有硅鋼片、坡莫合金和一些鐵氧體。4.壓磁傳感器的應(yīng)用 壓磁式傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)、過(guò)載性能好、結(jié)構(gòu)和電路簡(jiǎn)單、能在惡劣環(huán)境下工作、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前，這種傳感器已成功地用在冶金、礦山、造紙、印刷、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)工業(yè)部門(mén)。例如用來(lái)測(cè)量軋鋼的軋制力、鋼帶的

30、張力、紙張的張力，吊車提物的自動(dòng)測(cè)量、配料的稱量、金屬切削過(guò)程的切削力以及電梯安全保護(hù)等。3.壓磁元件2.5 壓電式傳感器 2.5.1 壓電效應(yīng)與壓電材料 1.壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)(物體)，如石英、鐵酸鋇等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會(huì)被極化，表面上也會(huì)產(chǎn)生電荷;當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之為壓電效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)(物體)稱為壓電材料(或稱為壓電元件)。 2.5 壓電式傳感器 2.5.1 壓電效應(yīng)與壓電材料圖2.42 石英晶體 a) 六角晶體 b) z-光軸 y-機(jī)械軸 x-電軸 圖2.43 晶體晶軸 圖2.42所示為天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀

31、為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱棱錐。在晶體學(xué)中，可以把它用三根互相垂直的軸表示，其中，縱軸Z稱為光軸;通過(guò)六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸;與X-X軸和Z-Z軸垂直的y-y軸 (垂直于六棱柱體的棱面)，稱為機(jī)械軸，如圖2.43所示。圖2.42 石英晶體 a) 六角晶體 b) z-光軸 y-如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶面分別平行于z-z、y-y、x-x軸線，如圖2.44所示。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性，若對(duì)其施力，則有幾種不同的效應(yīng)。通常把沿電軸(x鈾)方向的作用力(一般利用壓力)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)；把沿機(jī)械軸 (y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)；在光軸

32、(z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。圖2.44 壓電效應(yīng)模型圖 如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶面分別平行于z-2.壓電材料 常用的壓電材料可分為三類：壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)壓電薄膜。2.5.2 壓電式傳感器及其等效電路最簡(jiǎn)單的壓電式傳感器的工作原理如圖2.46所示。在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。圖2.46 壓電式傳感器的原理圖 2.壓電材料圖2.46 壓電式傳感器的原理圖 其電容量為 （2.14） 當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開(kāi)路電壓(負(fù)載電阻為無(wú)窮大)U為（2.15） 其

33、電容量為 （2.14） 當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生 這樣可把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器C0并聯(lián)的等效電路；同時(shí)也可等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路，如圖2.47所示。 (a)Q和C0并聯(lián)的等效電路； (b) U和C0串聯(lián)的等效電路 圖2.47 壓電元件等效電路 這樣可把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器C0并聯(lián)2.5.3壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式 圖2.48 壓電元件并聯(lián)連接和串聯(lián)連接并聯(lián)連接：兩壓電元件的負(fù)極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，此時(shí)電容量大，輸出電荷量大，適用于測(cè)量緩變信號(hào)和以電荷為輸出的場(chǎng)合。串聯(lián)連接：上極板為正極，下極板為負(fù)極

34、，在中間是一元件的負(fù)極與另一元件的正極相連接，此時(shí)傳感器本身電容小，輸出電壓大，適用于要求以電壓為輸出的場(chǎng)合 2.5.3壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式 圖2.48 壓電元件并聯(lián)連2.5.4測(cè)量電路 由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中，見(jiàn)圖2.49所示。圖2.49 電荷放大器的等效電路2.5.4測(cè)量電路圖2.49 電荷放大器的等效電路 電荷放大器的等效電路如上圖所示，由于忽略了漏電阻，所以電荷量為： （2.17） 式中，ui為放大器輸入端電壓；uo為放大器輸出端電壓，uo=-k

35、ui，其中k為電荷放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)；ci為放大器輸入電容；cf為電荷放大器反饋電容。上式可簡(jiǎn)化為：（2.18） 如果放大器開(kāi)環(huán)增益足夠大，則kCf(C+Cf),固上式可簡(jiǎn)化為：ey-q/Cf 上式表明，在一定情況下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜分布電容無(wú)關(guān)。 電荷放大器的等效電路如上圖所示，由于忽略了漏電阻，所2.6 磁電式傳感器 磁電式傳感器包括磁感應(yīng)電式傳感器、霍耳式傳感器和磁柵等。2.6.1磁感應(yīng)電式傳感器 1.磁感應(yīng)電式傳感器的工作原理、特點(diǎn)和分類 其基本原理為: 由電磁感應(yīng)定律,具有N匝線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e,其大小取決于磁通的變化率,即: 也可以寫(xiě)成: 或

36、2.6 磁電式傳感器 磁電式傳感器包括磁感應(yīng)電式傳感 即磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，故若改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 分類：按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動(dòng)圈式傳感器和磁阻式傳感器。 1.恒定磁通式磁電感應(yīng)式傳感器（動(dòng)圈式傳感器） 恒定磁通磁電感應(yīng)式傳感器一般由永久磁鐵（磁鋼）、線圈、金屬骨架和殼體等組成。磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙是固定不變的，因而氣隙中的磁通也是恒定不變的。 即磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān) 它們的運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈也可以是磁鐵，因此又分為動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種結(jié)構(gòu)類型

37、。動(dòng)圈式磁電感應(yīng)式傳感器可以分為線速度型和角速度型等。如圖2.50所示。a)線速度型 b)角速度型 圖2.50 動(dòng)圈式磁電傳感器工作原理圖若以線圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速度v或角速度表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為 (2.19) 它們的運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈也可以是磁鐵，因此又分為動(dòng)圈式如果在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來(lái)測(cè)量位移或加速度，見(jiàn)圖2.51示。動(dòng)圈式磁電傳感器接等效電路，其原理如圖圖2.51所示，其等效電路的輸出電壓：（2.20） 圖2.51 動(dòng)圈式磁電傳感器的等效電路 如果在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來(lái)測(cè)量圖2.52為動(dòng)鐵式磁電感應(yīng)傳感器，動(dòng)鐵式與動(dòng)圈

38、式的工作原理相同,只是運(yùn)動(dòng)的是磁鐵。 1-金屬骨架 2-彈簧 3-線圈 4-永久磁鐵 5-殼體 圖2.52 動(dòng)鐵式磁電感應(yīng)傳感器 3 變磁通式磁電感應(yīng)式傳感器（磁阻式傳感器）變磁通式又稱(變)磁阻式或變氣隙式磁電感應(yīng)傳感器，常用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度，如圖2.53所示。 圖2.53 變磁通式磁電感應(yīng)式傳感器 圖2.52為動(dòng)鐵式磁電感應(yīng)傳感器，動(dòng)鐵式與動(dòng)圈式的工作原理相2.6.2 霍爾式傳感器 1.霍爾傳感器的特點(diǎn): 霍爾傳感器也是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。 2.霍爾效應(yīng) 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁

39、場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，如圖2.54所示。 圖2.54 霍爾效應(yīng)原理圖 霍爾電勢(shì)可用下式表示: （2.21） 2.6.2 霍爾式傳感器圖2.54 霍爾效應(yīng)原理圖 霍爾電勢(shì)3.霍爾元件 基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料?；魻栐奖?d越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度只有1m左右。 霍爾元件：霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。 圖2.55 霍爾元件圖 霍爾片的長(zhǎng)度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線.其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對(duì)稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，其焊接處稱為霍爾電極。

40、3.霍爾元件圖2.55 霍爾元件圖 霍爾片的長(zhǎng)度方向兩端面上4.應(yīng)用舉例 1)霍爾式位移傳感器: 如圖2.56所示，從a端通人電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)VH1，右半部產(chǎn)生露爾電勢(shì)VH2，其方向相反。 2)霍爾乘法器 當(dāng)輸入直流激磁電流Im時(shí)，形成恒定磁場(chǎng)。如果通入霍爾元件的控制電流為i，則霍爾電勢(shì)即霍爾電勢(shì)VH正比于i與了Im的乘積，因此霍爾元件可作為乘法器，如圖2.57所示。 (2.22) 圖2.56 霍爾式位移傳感器 圖2.57 霍爾乘法器 4.應(yīng)用舉例即霍爾電勢(shì)VH正比于i與了Im的乘積，因此霍爾元2.6.3 磁阻效應(yīng)傳感器 它的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)(或稱高斯

41、效應(yīng))。 圖2.58所示為一種測(cè)量位移的磁阻效應(yīng)傳感器。當(dāng)相對(duì)于磁場(chǎng)發(fā)生位移時(shí)，元件內(nèi)阻R1、R2發(fā)生變化，如果將它們接于電橋，則其輸出電壓比例于電阻的變化。圖2.58 阻效應(yīng)傳感器原理圖 產(chǎn)生磁阻效應(yīng)的原理：在洛倫茲力作用下使一些載流子往一邊偏轉(zhuǎn)，改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。2.6.3 磁阻效應(yīng)傳感器 圖2.58所示為一種測(cè)量位移的磁2.7 光電式傳感器 2.7.1光電效應(yīng)及光電器件 光電傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量。光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按其作用原理又分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。 1.外光電效應(yīng) 在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物

42、體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件，有光電管、光電倍增管等。光電管有真空光電管和充氣光電管。 2.內(nèi)光電效應(yīng) 受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。2.7 光電式傳感器 2.7.1光電效應(yīng)及光電器件 3.光生伏特效應(yīng)：是指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。 4.光電元件 1）真空光電管或光電管，見(jiàn)圖2.60所示。圖2.60 真空光電管工作原理：當(dāng)光線照射到光敏材料上便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空

43、間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。若在外電路串入一定阻值的電阻，則在該電阻上的電壓降或電路中的電流大小都與光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 3.光生伏特效應(yīng)：是指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生 2）光電倍增管 光電倍增管的結(jié)構(gòu)如2.63所示。在玻璃管內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽(yáng)極外，在每個(gè)倍增極間均依次增大加速電壓。設(shè)每級(jí)的培增率為，若有n級(jí)，則光電倍增管的光電流倍增率將為n。 圖2.63 光電倍增管 3）光敏電阻光敏電阻是一種電阻器件，其工作原理如圖2.64所示。光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。圖

44、2.64 光敏電阻工作原理圖 2）光電倍增管 圖2.63 光電倍增管 3）光敏電阻4）光敏晶體管 （1）光敏二極管的P-N結(jié)裝在管的頂部,上面有一個(gè)透鏡制成的窗口，以便入射光集中在P-N結(jié)，如圖2.65（a）所示。 （2）光敏三極管的結(jié)構(gòu)與光敏二極管相似，不過(guò)它有兩個(gè)P-N結(jié)，大多數(shù)光敏三極管的基極無(wú)引出線，僅有集電極和發(fā)射極兩端引線。如圖2.65（b）所示。光敏二極管 NPN型光敏三極管圖2.65 光敏晶體管4）光敏晶體管光敏二極管 5）硅光電池 硅光電池也稱硅太陽(yáng)能電池，它是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的P-N結(jié)。如圖2.66所示。 圖2.66

45、 光電池構(gòu)造原理和圖示符號(hào) 2.7.2光電式傳感器的形式光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。1.工作原理：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。2.應(yīng)用：它可以用來(lái)檢測(cè)非電量，也可以用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)苻D(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。 5）硅光電池圖2.66 光電池構(gòu)造原理和圖示符號(hào) 2 3.分類：按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖式電傳感器。 1）模擬式光電傳感器 模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性,這一類光電傳感器有吸收式、反射式、遮光式、輻射式等幾種工作方式，見(jiàn)圖2.67所示。（b）反射式如圖2.67（a）所示中，光源與光電元件之間,根

46、據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來(lái)測(cè)定被測(cè)參數(shù)。如圖2.67（b）所示中，恒定光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物體上,被測(cè)物體把部分光通量反射到光電元件上,根據(jù)反射的光通量多少測(cè)定被測(cè)物表面狀態(tài)和性質(zhì)。 （a） 吸收式 3.分類：按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖式電（c） 遮光式 （d）輻射式 圖2.67 模擬式光電傳感器工作方式 如圖2.67（c）所示中，被測(cè)物體位于恒定光源與光電元件之間,光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物遮去其一部分,使作用在光電元件上的光通量減弱。如圖2.67（d）所示中，被測(cè)物體本身就是輻射源，它可以直接照射在光電元件上，也可以經(jīng)過(guò)一定的光路后作用在光電元件上。 2）脈沖式

47、光電傳感器脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài),也就是“通”、“斷”的開(kāi)關(guān)狀態(tài),所以也稱為光電元件的開(kāi)關(guān)運(yùn)用狀態(tài)。 （c） 遮光式 2.8半導(dǎo)體傳感器 2.8.1氣敏傳感器 1.氣敏傳感器及其分類 氣敏傳感器是一種將檢測(cè)到的氣體成份和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。 表2.3氣敏傳感器分類表 2.8半導(dǎo)體傳感器 2.8.1氣敏傳感器 表2.3氣敏傳感器 2.半導(dǎo)體氣敏傳感器工作原理 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體 (主要是金屬氧化物)表面接觸時(shí)，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物性變化來(lái)檢測(cè)氣體。 3.氣敏元件 目前國(guó)產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式，加熱絲和測(cè)量電極一同燒結(jié)在金屬氧化物

48、半導(dǎo)體管芯內(nèi)；旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底，管內(nèi)穿加熱絲，管外側(cè)有兩個(gè)測(cè)量極，測(cè)量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。圖2.69 氣敏元件測(cè)試電路 2.半導(dǎo)體氣敏傳感器工作原理圖2.69 氣敏元件測(cè)試2.8.2濕敏傳感器 1.濕度的表示方法 濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度是指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3，一般用符號(hào)AH 表示；相對(duì)濕度是指氣體的絕對(duì)濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度之比，一般用符號(hào)%RH 表示。 2.濕敏傳感器的工作原理 其濕敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2.70，其感濕特性見(jiàn)圖

49、2.71，其阻抗隨吸濕量的增加而快速下降。 2.8.2濕敏傳感器 圖2.70 濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖 圖2.71電阻-濕度特性 比較成熟的幾類濕敏傳感器: 1)氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻：氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。 2)半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常，用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷，這些材料有ZnO-LiO2-V2O5 系、Si-Na2O-V2O5 系、TiO2-MgO-Cr2O3 系和Fe3O4 等 圖2.70 濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖 圖2.71電阻-濕度特性 比2.8.3 半導(dǎo)體色敏傳感器 1.簡(jiǎn)介 半導(dǎo)體色敏傳感器是一種半導(dǎo)體光敏感

50、器件。 它是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器件。 這是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型光敏器件，其實(shí)物圖如圖2.73所示。 圖2.73 色敏傳感器實(shí)物圖2.8.3 半導(dǎo)體色敏傳感器 圖2.73 色敏傳感器實(shí)物圖 2.工作原理 在圖2.74中所表示的P-N-P不是晶體管, 而是結(jié)深不同的兩個(gè)P-N結(jié)二極管, 淺結(jié)的二極管是P-N結(jié); 深結(jié)的二極管是P-N結(jié)。 當(dāng)有入射光照射時(shí), P、N、P三個(gè)區(qū)域及其間的勢(shì)壘區(qū)中都有光子吸收, 但效果不同。測(cè)定不同波長(zhǎng)的光照射下, 該器件中兩只光電二極管短路電流的比值SD2SD1, SD1是淺結(jié)二極管的短路電流, 它在短波區(qū)較大。SD2是深結(jié)二極管的短路電流

51、, 它在長(zhǎng)波區(qū)較大, 因而二者的比值與入射單色光波長(zhǎng)的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)定的曲線, 實(shí)測(cè)出某一單色光時(shí)的短路電流比值, 即可確定該單色光的波長(zhǎng)。 圖2.74 半導(dǎo)體色敏傳感器機(jī)構(gòu)和等效電路 2.工作原理圖2.74 半導(dǎo)體色敏傳感器機(jī)構(gòu)和等效電路 3.半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征 1)光譜特性 半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性是表示它所能檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍, 不同型號(hào)之間略有差別。圖2.75（a）給出了國(guó)產(chǎn)CS型半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性, 其波長(zhǎng)范圍是4001000 nm。 （a）光譜特性 （b） 短路電流比-波長(zhǎng)特性 圖2.75 半導(dǎo)體色敏感件特性 3.半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征 （a）光譜特性 2)短

52、路電流比波長(zhǎng)特性 短路電流比波長(zhǎng)特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對(duì)波長(zhǎng)的識(shí)別能力, 是賴以確定被測(cè)波長(zhǎng)的基本特性。圖2.75（b）表示上述CS-型半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比波長(zhǎng)特性曲線。 3)溫度特性 由于半導(dǎo)體色敏器件測(cè)定的是兩只光電二極管短路電流之比, 而這兩只光電二極管是做在同一塊材料上的, 具有相同的溫度系數(shù), 這種內(nèi)部補(bǔ)償作用使半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比對(duì)溫度不十分敏感, 所以通?？刹豢紤]溫度的影響。 2)短路電流比波長(zhǎng)特性2.9 數(shù)字式傳感器（digital transducer） 數(shù)字式傳感器：把被測(cè)參量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器。它是測(cè)量技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的綜合產(chǎn)物，是傳感器技術(shù)

53、的發(fā)展方向之一。數(shù)字式傳感器一般是指那些適于直接地把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器，包括光柵式傳感器、磁柵式傳感器、碼盤(pán)、諧振式傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、感應(yīng)同步器等。數(shù)字式傳感器的優(yōu)點(diǎn)如下： （1）具有高的測(cè)量精度和分辨率，測(cè)量范圍大； （2）抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好； （3）信號(hào)易于處理、傳送和自動(dòng)控制； （4）便于動(dòng)態(tài)及多路測(cè)量，讀數(shù)直觀； （5）安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性高。2.9 數(shù)字式傳感器（digital transducer）2.9.1編碼器 1.分類 編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被廣泛用于各種位移測(cè)量。根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式四種編碼器。根

54、據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種編碼器。按結(jié)構(gòu)形式可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種編碼器。 2.旋轉(zhuǎn)式光電編碼器 圖2.77所示為光電絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2.77 光電絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)示意圖2.9.1編碼器圖2.77 光電絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)示意圖 3.增量編碼器 a)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí) b) 碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí) 圖2.78 增量編碼器的輸出波形 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A.B和Z相；A.B兩組脈沖相位差90從而可以方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖,用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位,如圖2.78所示。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠

55、性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。 3.增量編碼器 a)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí) 2.9.2 光柵傳感器 光柵的種類很多，工作原理分，有物理光柵和計(jì)量光柵兩種，前者用于光譜儀器做色散元件，后者主要用于精密測(cè)量和精密機(jī)械的自動(dòng)控制中。衍射現(xiàn)象；用于光譜分析、波長(zhǎng)測(cè)量等。1.結(jié)構(gòu) 光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的，主要用于線位移和角位移的測(cè)量。光柵傳感器一般由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成，光電接收元件常采用光電池或光敏三極管，如圖2.80所示。圖2.80光柵傳感器的組成2.9.2 光柵傳感器圖2.80光柵傳感器的組成2.原理在圖2.81所示中，a為刻度寬

56、度，b為刻度線間的縫隙寬度，a+b=W稱為光柵的柵距（或稱光柵常數(shù)），通常a=b=W/2；或a:b=1.1:0.9, 常見(jiàn)的光柵規(guī)格有：10、25、50、100線/mm。 圖2.81 光柵圖2.82 莫爾條紋工作原理圖2.原理在圖2.81所示中，a為刻度寬度，b為刻度線間的縫隙 光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵相對(duì)疊合在一起片間留有很小的問(wèn)隙, 并使兩者柵線之阿保持很小的夾角（），于是在近乎垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋, 如圖圖2.82所示在一線上兩光柵的柵線彼此重合, 光線從縫隙中通過(guò), 形成亮紋在一線上, 兩光線的柵線彼此錯(cuò)開(kāi), 形成暗紋, 這種明暗

57、相間的條紋稱為莫爾條紋由圖可以看出, 莫爾條紋的斜率為： (2.23) 光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的把光柵常數(shù)相等的主光4.光柵傳感器的測(cè)量電路 1）光柵的輸出信號(hào) 主光柵與指示光柵作相對(duì)位移產(chǎn)生莫爾條紋，光電元件在固定位置觀測(cè)莫爾條紋移動(dòng)的光強(qiáng)變化，并將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。光電元件輸出電壓u0與位移量x成近似正弦關(guān)系。光電元件輸出電壓u0可表示為 (2.24) 式中：Uav輸出信號(hào)的平均直流分量；Um輸出信號(hào)的幅值，Um=Uav。光柵輸出信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換電路及其輸出信號(hào)波形如圖2.83所示。 4.光柵傳感器的測(cè)量電路(2.24) 式中： 2）光柵傳感器測(cè)位移x的原理 當(dāng)位移量x變化一個(gè)

58、柵距W時(shí)，其輸出信號(hào)uo變化一個(gè)周期，若對(duì)輸出正弦信號(hào)uo整形成變化一個(gè)周期輸出一個(gè)脈沖，則位移量x為x=NW。 式中，N脈沖數(shù)；W光柵柵距。 3）輸出信號(hào)靈敏度 輸出電壓信號(hào)的斜率為： （a）光柵輸出信號(hào) （b）輸出信號(hào)波形 圖2.83 光電轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)示意圖 (2.25) 2）光柵傳感器測(cè)位移x的原理（a）光柵輸出信號(hào) （ 4）辨向原理 圖2.84光柵辨向原理圖 正向移動(dòng)如圖2.84（a）所示的箭頭指向A時(shí)，經(jīng)過(guò)整形后輸出方波信號(hào)u1，再經(jīng)Y1輸出脈沖信號(hào)u1w，計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)；反向移動(dòng)圖2.84（a）所示的箭頭指向時(shí)，經(jīng)過(guò)整形后輸出方波信號(hào)u2,再經(jīng)Y2輸出脈沖信號(hào)u2w，計(jì)數(shù)器作減法計(jì)

59、數(shù)。光柵正向移動(dòng)時(shí)u1超前u2為 90，反向移動(dòng)時(shí)u2超前u1為 90，故通過(guò)電路辨相可確定光柵運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)行位移的正確測(cè)量。 在相距B/4位置設(shè)置兩個(gè)光電元件1和2，得到兩個(gè)相位差/2的莫爾條紋正弦電壓信號(hào)u1和u2，然后送到辨向電路中去處理。 4）辨向原理 圖2.84光柵辨向原理圖 正向移動(dòng)如圖2 5）細(xì)分技術(shù) 細(xì)分 技術(shù)就是當(dāng)Moire條紋變化一個(gè)周期時(shí)，輸出若干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，減小脈沖當(dāng)量以提高分辨力。 （1）機(jī)械細(xì)分(位置細(xì)分或直接細(xì)分) 在一個(gè)Moire條紋間距上相距B/4依此設(shè)置四個(gè)光電元件。當(dāng)Moire條紋變化一個(gè)周期時(shí)，可以獲得依此相差/2的四個(gè)正弦信號(hào)，從而依此獲得四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖

60、，實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。 （2）電子細(xì)分（正、余弦組合技術(shù)） 電子細(xì)分只需在一個(gè)Moire條紋間距上相距B/4的位置設(shè)置兩個(gè)光電元件，獲得相差/2的兩個(gè)正弦信號(hào) u1=Umsin(2x/W)； u2=Umcos(2x/W) （2.26） 四倍頻細(xì)分 由u1、u2及其各自的反相信號(hào)u3、u4，可以獲得依此相差/2的四個(gè)正弦信號(hào)，從而獲得四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。 5）細(xì)分技術(shù) 電阻電橋細(xì)分 圖2.85所示為電阻電橋細(xì)分電路，u1、u2分別為式所示兩光電元件輸出的兩個(gè)莫爾（Moire）條紋電壓信號(hào)，設(shè)電橋負(fù)載電阻無(wú)窮大，則電橋輸出電壓u0為電橋平衡條件，則 R2u1+R1u2=0 （2.27） 令2x/W