傳感與檢測技術(shù)(周杏鵬)第五章

第5章

常用物性型傳感器第5章常用物性型傳感器

5.2壓電式傳感器5.1壓阻式傳感器

5.3光電式傳感器5.1壓阻式傳感器

5.1.3溫度補(bǔ)償原理與方法5.1.1工作原理5.1.2結(jié)構(gòu)與類型

壓阻式傳感器是利用固體的壓阻效應(yīng)制成的，主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。壓阻式傳感器有兩種類型，一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式的應(yīng)變片，這在第四章的電阻應(yīng)變式傳感器中已介紹過。另一種是在半導(dǎo)體的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散型壓敏電阻，用它作為傳感元件制成的傳感器，稱固態(tài)壓阻式傳感器，也叫擴(kuò)散型壓阻式傳感器。5.1壓阻式傳感器5.1.1工作原理

在第4章已講過，任何材料發(fā)生變形時電阻的變化率由下式?jīng)Q定：

對于半導(dǎo)體材料而言，R/R=(1+2)+/=(1+2)+，它由兩部分組成：前一部分(1+2)表示由尺寸變化所致，后一部分表示由半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致。實(shí)驗(yàn)表明：>>1+2，也即半導(dǎo)體材料的電阻值變化主要是由電阻率變化引起的。因此可有：

其中，表示壓阻系數(shù)。半導(dǎo)體電阻率隨應(yīng)變所引起的變化稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。2.晶向的表示方法擴(kuò)散型壓阻式傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅，而單晶硅是各向異性材料，取向不同時特性也不一樣。取向是用晶向來表示的，所謂晶向就是晶面的法線方向，晶向的表示方法有兩種，一種是截距法，另一種是法線法。對于圖5-1所示的平面，如果用截距法，可表示為如果用法線法，可表示為

半導(dǎo)體材料（一般是單晶硅），沿三個晶軸方向取出一微元素，單晶硅上受到作用力時，微元素上的應(yīng)力分量應(yīng)有9個（如圖5-3所示），但剪切應(yīng)力總是兩兩相等的，即有：23=32，13=31，12=21，9個分量中只有6個是獨(dú)立的，即：11、22、33、23、31、12是獨(dú)立的3.壓阻系數(shù)6個獨(dú)立應(yīng)力分量可寫成：1、2、3、4、5、6。有應(yīng)力存在就會產(chǎn)生電阻率的變化。6個獨(dú)立應(yīng)力分量分別可在6個相應(yīng)的方向產(chǎn)生獨(dú)立的電阻率的變化，若電阻率的變化率/用符號表示，則6個獨(dú)立的電阻率的變化率可寫成：1、2、3、4、5、6。電阻率的變化率與應(yīng)力之間通過壓阻系數(shù)相聯(lián)系，6個獨(dú)立的電阻率的變化率與6個獨(dú)立的應(yīng)力分量之間的壓阻系數(shù)關(guān)系如表5-1所示。3.壓阻系數(shù)3.壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)的矩陣為：返回5.1.2結(jié)構(gòu)與類型硅壓阻式傳感器由外殼、硅膜片和引線組成，其結(jié)構(gòu)原理參見圖5-4所示。其核心部分做成杯狀的硅膜片，通常叫做硅杯。外殼則因不同用途而異。在硅膜片上，用半導(dǎo)體工藝中的擴(kuò)散摻雜法做四個相等的電阻，經(jīng)蒸鍍鋁電極及連線，接成惠斯登電橋，再用壓焊法與外引線相連。膜片的一側(cè)是和被測系統(tǒng)相連接的高壓腔，另一側(cè)是低壓腔，通常和大氣相通，也有做成真空的。壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理

由圖5-5可見，均布壓力P產(chǎn)生的應(yīng)力是不均勻的，且有正應(yīng)力區(qū)和負(fù)應(yīng)力區(qū)。當(dāng)r=0.635r0時，r=0；當(dāng)r<0.635r0時，r>0，即為拉應(yīng)力；當(dāng)r>0.635r0時，r<0，即為壓應(yīng)力。當(dāng)r=0.812r0時，t=0，僅有r存在，且r<0，即為壓應(yīng)力。利用這一特性，選擇適當(dāng)?shù)奈恢貌贾秒娮?，使其接入電橋的四臂中，兩兩電阻在受力時一增一減，且阻值增加的兩個電阻和阻值減小的兩個電阻分別對接，形成差動全橋。5.1.2結(jié)構(gòu)與類型壓阻式傳感器的基本類型壓阻式壓力傳感器壓阻式加速度傳感器返回5.1.2結(jié)構(gòu)與類型由于半導(dǎo)體材料對溫度比較敏感，壓阻式傳感器的電阻值及靈敏度系數(shù)隨溫度變化而改變，將引起零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度漂移，因此必須采取溫度補(bǔ)償措施。1.零點(diǎn)溫度補(bǔ)償零點(diǎn)溫度漂移是由于擴(kuò)散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的。一般用串、并聯(lián)電阻法補(bǔ)償，如圖5-7所示。5.1.3溫度補(bǔ)償原理與方法靈敏度溫度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。溫度升高時，壓阻系數(shù)變小，溫度降低時，壓阻系數(shù)變大，說明傳感器的靈敏度系數(shù)為負(fù)值。溫度升高時，若提高電橋的電源電壓，使電橋的輸出適當(dāng)增大，反之，溫度降低時，若使電源電壓降低，電橋的輸出適當(dāng)減小，便可以實(shí)現(xiàn)對傳感器靈敏度的溫度補(bǔ)償。如圖5-7所示，在電源回路中串聯(lián)二極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償，電源采用恒壓源，當(dāng)溫度升高時，二極管的正向壓降減小，于是電橋的橋壓增加，使其輸出增大。2.靈敏度溫度補(bǔ)償返回首頁5.2壓電式傳感器

5.2.1壓電效應(yīng)及壓電材料5.2.2等效電路及測量電路

5.2.3影響壓電式傳感器性能的主要因素

某些介質(zhì)材料在受力作用下，其表面會有電荷產(chǎn)生。根據(jù)這種現(xiàn)象制成的壓電式傳感器，是一種有源的雙向機(jī)電傳感器，具有體積小、重量輕、工作頻帶寬等特點(diǎn)，用于各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動的測量，并在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。5.2壓電式傳感器某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。5.2.1壓電效應(yīng)及壓電材料2.壓電材料選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個方面：①轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；②機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率；③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；④溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)、以期望得到寬的工作溫度范圍；⑤時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。具有壓電特性的單晶體統(tǒng)稱為壓電晶體。石英晶體是最典型而常用的壓電晶體。2.壓電材料壓電晶體壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體。材料內(nèi)部的晶粒由許多自發(fā)極化的“電疇”組成，每一個電疇具有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。2.壓電材料壓電陶瓷隨著科技的發(fā)展，不斷出現(xiàn)一些新型的壓電材料。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了半導(dǎo)體壓電材料，如硫化鋅（ZnS）、銻化鉻（CdTe）等，因其既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性，故其既可用于壓電傳感器，又可用于制作電子器件，從而研制成新型集成壓電傳感器測試系統(tǒng)；近年來研制成功的有機(jī)高分子化合物，因其質(zhì)輕柔軟、抗拉強(qiáng)度較高、蠕變小、耐沖擊等特點(diǎn)可制成大面積壓電元件。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料（PVF2-PZT）。2.壓電材料新型壓電材料返回5.2.2等效電路及測量電路壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，故它相當(dāng)于一個電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當(dāng)于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：式中：S為極板面積；d為壓電片厚度；

為壓電材料的介電常數(shù)；r為壓電材料的相對介電常數(shù)；0為真空介電常數(shù)。等效電路1.等效電路基于以上分析，壓電傳感器可以等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖5-14(a)所示。在開路狀態(tài)，輸出端電荷為：壓電傳感器也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源，如圖5-14(b)所示。在開路狀態(tài)下，電容器上的電壓U為：如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測量儀器連接時，則應(yīng)考慮連接導(dǎo)線的等效電容Cc、前置放大器的輸入電阻Ri、放大器的輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻R。因此，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路參見圖5-15所示。1.等效電路2.測量電路根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測量電路的前置放大器也有兩種形式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。

電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號進(jìn)行適當(dāng)放大．因此也把這種測量電路稱為阻抗變換器。2.測量電路壓電式傳感器連接電壓放大器的等效電路如圖5-16(a)所示，圖5-16(b)為簡化的等效電路圖。2.測量電路2.測量電路由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測量的電荷放大器，目前它巳被公認(rèn)是一種較好的沖擊測量放大器。(2)電荷放大器電荷放大器是另一種專用的前置放大器，是一個具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其等效電路如圖5-18(a)所示。由于放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有電流，故可略去R、Ri并聯(lián)電阻的影響，等效電路如圖5-18(b)返回(2)電荷放大器

壓式電傳感器可以廣泛應(yīng)用于力、以及可以轉(zhuǎn)換為力的物理量的測量，如可以制成測力傳感器、加速度傳感器、金屬切削力測量傳感器等等，也可制成玻璃破碎報警器，廣泛用于文物保管、貴重商品保管等等。5.2.3影響壓電式傳感器性能的主要因素壓電式傳感器的應(yīng)用

基于壓電效應(yīng)的壓電傳感器，它的靈敏度、頻響特性等是衡量其工作性能的主要指標(biāo)。影響壓電傳感器工作性能的因素很多，如橫向靈敏度、安裝差異、環(huán)境溫度、濕度的變化、以及傳感器重量的負(fù)載影響、電磁場、基座應(yīng)變帶來的影響等等。5.2.3影響壓電式傳感器性能的主要因素壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當(dāng)加速度傳感器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動時的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示；稱為橫向靈敏度比。5.2.3影響壓電傳感器工作性能的主要因素橫向靈敏度環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化。壓電材料不同，溫度影響的程度也不同。當(dāng)溫度低于400℃時，其壓電常數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定。環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳感器長期在高濕度環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會減小，低頻響應(yīng)變壞。5.2.3影響壓電傳感器工作性能的主要因素環(huán)境溫度和濕度的影響安裝方式的不同及安裝質(zhì)量的差異，對傳感器頻響特性影響很大。此外試件表面的任何受力應(yīng)變，都將通過傳感器基座直接傳給壓電元件，從而產(chǎn)生與被測信號無關(guān)的假信號輸出。5.2.3影響壓電傳感器工作性能的主要因素安裝差異及基座應(yīng)變?yōu)榱藴p小這種噪聲?？墒褂锰刂频牡驮肼曤娎|，同時將電纜固緊，以免產(chǎn)生相對運(yùn)動。在測試系統(tǒng)中接有多種測量儀器，如果各儀器與傳感器分別接地，各接地點(diǎn)又有電位差，這便在測量系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲。防止這種噪聲的有效辦法是整個測量系統(tǒng)在一點(diǎn)接地。而且選擇指示器的輸入端為接地點(diǎn)。5.2.3影響壓電傳感器工作性能的主要因素噪聲返回首頁

光電器件是將光信號的變化轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器件，其工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。5.3光電式傳感器5.3.1光電效應(yīng)及光電器件5.3.2光電器件的特性5.3.3光電式傳感器與新型光電檢測器

由光的粒子學(xué)說可知，光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個光子所具有的能量與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量的粒子轟擊在物體上，這時物體吸收了光子能量后將引起電效應(yīng)。這種因?yàn)槲樟斯饽芎筠D(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)就稱為光電效應(yīng)，可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和阻擋層光電效應(yīng)三種類型。5.3.1光電效應(yīng)及光電器件在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)原理工作的光電器件有光電管和光電倍增管。5.3.1光電效應(yīng)及光電器件2.內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化，引起電阻率或電導(dǎo)改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，半導(dǎo)體材料吸收了入射的光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增加，阻值降低。這種因光照而使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管和光敏三極管。3.阻擋層光電效應(yīng)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象，稱為阻擋層光電效應(yīng)，也稱為光生伏特效應(yīng)。光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式有源器件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。硅和硒是光電池的最常用的材料，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散方法滲入一些P型雜質(zhì),從而形成一個大面積PN結(jié)，P層極薄能使光線穿透到PN結(jié)上。光電池與外電路的連接方式有兩種，一種是開路電壓輸出，開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系；另一種是把PN結(jié)的兩端通過外導(dǎo)線短接，形成流過外電路的電流，也稱為光電池的短路輸出電流，其大小與光強(qiáng)成正比；光照度大于1000Lx時呈現(xiàn)飽和特性。返回3.阻擋層光電效應(yīng)光電器件的靈敏度可用光照特性來表征，它是指半導(dǎo)體光電器件產(chǎn)生的光電流（光電壓）與光照之間的關(guān)系。光敏電阻的光照特性一般呈非線性，如圖5-27(a)所示，因此不宜作線性檢測元件，但可在自動控制系統(tǒng)中用作開關(guān)元件。光敏晶體管的光照特性如圖5-27(b)所示。它的靈敏度和線性度較好，在軍事、工業(yè)自動控制和民用電器中應(yīng)用極廣，既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。光電池的光照特性如圖5-27(c)所示。5.3.2光電器件的特性1.光照特性5.3.2光電器件的特性伏安特性是指光照一定時，這些光電元件的端電壓U與電流I之間的關(guān)系。2.伏安特性

半導(dǎo)體光電元件對不同波長的光，其靈敏度是不同的，因?yàn)橹挥心芰看笥诎雽?dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子空穴對。而光子能量的大小與光的波長有關(guān)。3.光譜特性

半導(dǎo)體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信號與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。4.頻率特性5.溫度特性半導(dǎo)體材料易受溫度的影響，它直接影響光電流的值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性，以便選用合適的工作溫度。返回5.3.3光電式傳感器與新型光電檢測器1.光電傳感器的類型光電傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬和開關(guān)式光電傳感器兩類。（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，其光通量是隨被測量而變，光電流就成為被測量的函數(shù)，故稱為光電傳感器的函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)。有吸收式、反射式、遮光式、輻射式5.3.3光電式傳感器與新型光電檢測器開關(guān)式光電傳感器利用光電元件受光照或無光照時“有/無”電信號輸出的特性，將被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的開關(guān)信號。開關(guān)式光電傳感器對光電元件靈敏度要求較高，而對光照特性的線性性要求不高。此類傳感器主要應(yīng)用于零件或產(chǎn)品的自動記數(shù)、光控開關(guān)、電子計(jì)算機(jī)的光電輸入設(shè)備、光電編碼器以及光電報警裝置等方面。(2)開關(guān)式光電傳感器(2)開關(guān)式光電傳感器電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器，它是1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室的W·S·Boyle和G·E·Smith發(fā)明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的CCD圖象傳感器。它不僅作為高質(zhì)量固體化的攝象器件成功地應(yīng)用于廣播電視、可視電話和無線電傳真，而且在生產(chǎn)過程自動檢測和控制等領(lǐng)域已顯示出廣闊的前景和巨大的潛力