第四章傳感器

第四章常用傳感器第一節(jié)傳感器概述

一傳感器定義能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成。

目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。物理量電量二傳感器的工作機理傳感器的工作機理是基于各種物理學、化學學、生物學的現象和效應，并受相應的定律和法則所支配，來進行能量形式的變換。被測量和它們之間的能量的相互轉換是各種各樣的。機械能光能電磁能化學能熱能作為傳感器工作物理基礎的基本定律有：1）守恒定律。包括能量、動量、電荷量等守恒定律。2）場的定律。包括動力場的運動定律，電磁場的感應定律等。3）物質定律。表示各種物質本身內在性質的定律（歐姆定律等）4）統(tǒng)計定律。是把微觀與宏觀聯系起來的物理法則。三傳感器的構成

傳感器一般由敏感器件與輔助器件（變換元件與信號調理電路）組成。敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并對信號進行轉換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。

dV圖4-3傳感器組成框圖敏感元件變換元件輔助電源信號調理電路被測量電信號非電量電參量

四傳感器的分類

(1)按被測物理量分類:(2)按變換原理分類:(3)按信號變換特征:(4)按敏感元件與被測對象之間的能量關系:位移,力,溫度等.電阻式,電感式,光電式,壓電式等.物性型,結構型.能量轉換型和能量控制型.表1基本被測量和派生被測量基本被測量派生被測量位移線位移長度、厚度、應變、振動、磨損、不平度角位移旋轉角、偏轉角、角振動速度線速度速度、振動、流量、動量角速度轉速、角振動加速度線加速度振動、沖擊、質量角加速度角振動、扭矩、轉動慣量力壓力重量、應力、力矩時間頻率周期、計數、統(tǒng)計分布溫度熱容量、氣體速度、渦流光光通量與密度、光譜分布濕度水氣、水分、露點A物性型與結構型傳感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現信號變換.例如:水銀溫度計,壓電測力計.結構型:依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變.例如:電容式和電感式傳感器.B能量轉換型和能量控制型傳感器能量轉換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.

例如:電阻應變片.第二節(jié)電阻式傳感器

概述

電阻式傳感器是將被測量轉換成電阻變化量，再通過中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進行測量的裝置。電阻式傳感器按工作原理可分為：滑動變阻器（電位器）式、電阻應變片式（彈性電阻式）、熱敏電阻式、磁敏電阻式、氣敏電阻式等。

滑動變阻器式傳感器工作原理

變阻器式傳感器實際是精密線繞電位器，通過

改變電位器觸頭位置將位移轉換為電阻變化。

其中，：電阻率；

l：導體長度；

A：導體橫截面積。顯然，若導體材質和截面積A一定，其阻值隨導線長度l而線性變化。

導體電阻公式：（）

直線位移型

如圖，當改變觸點

C的位置時，AC間

電阻值：

kl：單位長度內的電阻值。當導線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關系。

傳感器靈敏度：（/m）xCxABCR

角位移型

（/rad）

：

角位移；k：單位弧度對應

的電阻值。傳感器靈敏度：

非線性型

分辨率（力）：電位器總匝數的倒數。如：1000匝直線型線繞電位器，分辨率為0.1%，即該電位器僅能檢測到它的總量程1/1000以上的位移量。

線性度：由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻導致階梯特性，增加了傳感器的非線性性。

使用時應注意的特性參數：測量電路、負載誤差

測量電路

對于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器：u0xpxRLuy其中：

R0：變阻器總電阻

Rx：x段的電阻。

令，對直線位移型變阻器，顯然：于是：易知，空載時：由此可見，當接入負載電阻RL后，輸出uy與r不再保持線性關系。若要求在整個行程內誤差不超過1~3%，必須有：

RL>(10~20)R0

負載誤差：由負載效應引起的非線性誤差。

01102030405060m=5m=2m=1m=0.5m=0.1m=0reL特點

優(yōu)點：結構簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸

出信號大，受外界條件影響小。

缺點：因觸點與繞線間存在摩擦，動態(tài)響應

較差。分辨力低，一般小于20m，噪聲大。

特點與應用應用

主要應用于線位移、角位移測量。案例：重量的自動檢測--配料設備重量設定原材料

比較原理用彈簧將力轉換為位移;再用變阻器將位移轉換為電阻的變化案例：玩具機器人（廣州中鳴數碼）原理直接將關節(jié)驅動電機的轉動角度變化轉換為電阻器阻值變化電阻應變式傳感器

工作原理

導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值

隨所受機械變形（應變）的變化而發(fā)生變化的

現象，稱為導體的電阻應變效應。電阻應變片阻值的計算公式為：變形時，、l、A將同時發(fā)生變化，從而導致R改變。若已知、l、A的變化量為d、dl、dA，則：即：對半徑為r的金屬電阻絲有：，從而：

金屬電阻應變片：電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應變。：電阻絲徑向相對變形，或稱橫向應變。橫向應變與縱向應變間的關系為：為泊松比。負號表示兩者變化相反。：電阻絲電阻率相對變化，與電阻絲軸向所受正應力有關，E為電阻絲材料的彈性模量；為壓阻系數，與材質有關。因此：其中，由電阻絲幾何尺寸隨應變改變所引起，對于同一電阻材料，為常數。由電阻率隨應變的改變引起，對金屬電阻絲，很小。從而：即電阻相對變化與應變成正比。比值sg稱為金屬電阻應變片的應變系數或靈敏度。通常sg=1.7~3.6。材料名稱成

分靈敏度電阻率溫度系數線脹系數元素含量

sg·mm2/m×10-6/°C×10-6/°C康

銅CuNi57%43%1.7~2.10.49-20~2014.9鎳鉻合金NiCr80%20%2.1~2.50.9~1.1110~15014.0鎳鉻鋁合金(卡瑪合金)NiCrAlFe73%20%3~4%余量2.4~2.61.33-10~1013.3常用金屬電阻絲材料物理性能絲式應變片

金屬絲式應變片的典型結構：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導線接于電路中。

常用金屬電阻應變片有絲式和箔式兩種。金屬絲式應變片又有回線式和短接式兩種。回線式應變片因圓弧部分參與變形，橫向效應較大；短接式應變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大5～10倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點是克服了橫向效應。絲式應變片制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。絲式應變片安全電流：10~50mA，電阻：50~1000（典型120）。

箔式應變片

箔式應變片由厚度為1~10m的康銅箔（金屬制成的薄片）或鎳鉻箔經光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。優(yōu)點：適于大批量生產，可制成多種復雜形狀，線條均勻，敏感柵尺寸準確，柵長最小可到0.2mm；散熱好，允許電流大；橫向效應和機械滯后小，疲勞壽命長;柔性好（可貼于形狀復雜的表面），傳遞試件應變性能好。目前使用的應變片大多是金屬箔式應變片。

半導體應變片利用半導體單晶的壓阻效應使阻值變化。壓阻效應：單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現象。單晶半導體在外力作用下的電阻變化量仍為：對半導體而言，電阻率變化引起的電阻變化，遠遠大于形變引起的電阻變化，從而：半導體應變片的典型結構如圖所示：半導體應變片的靈敏度比金屬絲應變片大50~70倍。不同材料的半導體、不同載荷施加方向，壓阻效應不同，靈敏度也不同。

半導體應變片的優(yōu)點：

靈敏度高

機械滯后小、橫向效應小、體積小

易于集成化

缺點：

溫度穩(wěn)定性能差

靈敏度分散度大

較大應力作用下，非線性誤差大

機械強度低

電阻應變式傳感器的應用

直接用來測量結構的應變或應力

將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位

移、壓力、加速度等物理參數的傳感器

動態(tài)響應特性：動態(tài)測量時應限制其上限測量頻率，一般上限測量頻率應在電橋激勵電源頻率的以下。應變片基長(mm)0.20.51235101520最高工作頻率(KHz)125050025012583.3502516.612.5

粘貼劑的選擇：粘貼劑和粘貼工藝直接影響應變片的線性、滯后等特性。要求粘貼強度高、固化后收縮率小、電氣絕緣阻抗大、耐濕、耐老化、耐疲勞等。

溫度影響：由溫度變化導致的應變片電阻變化與由應變引起的電阻變化往往具有同等數量級，須用適當電路進行溫度補償。

使用注意事項

應變式傳感器的特點

性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在0.1%~1.0%，高精度力傳感器已能達到0.01%

~0.03%。測量范圍廣力：0.1~107N壓力：104~109Pa；

能適應較大的振動和沖擊，抗輻射能力強。案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。

概述

第三節(jié)電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測物理量，如位移等，轉化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型差動變壓器式

自感型

可變磁阻式

工作原理可變磁阻式傳感器的構造如圖，由線圈、鐵芯和銜鐵組成。在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙。由電工學可知，線圈自感量：其中，N：線圈匝數

i：線圈中流過的電流

：通過線圈的磁通量

Rm：磁路的總磁阻

Rm=RF+RRF：鐵芯與銜鐵的磁阻

R：空氣隙磁阻

其中：l1、l2：鐵芯和銜鐵的導磁長度

1、2：鐵芯和銜鐵的磁導率

A1、A2：鐵芯和銜鐵的導磁截面積

：氣隙長度

0：空氣磁導率，0=410-7H/m

A0：空氣隙導磁截面積。若不考慮磁路的損失，且空氣隙較小時：一般，1和2遠遠大于0，即：RF<<R

，因此：從而：上式表明：自感L與氣隙長度成反比，而與氣隙導磁截面積A0成正比。當固定A0，變化時，L與成非線性關系，此時，傳感器靈敏度：即固定A0，變化

時，傳感器靈敏度與氣隙長度的平方成反比。為了提高其靈敏度，減小非線性誤差，通常使這種傳感器在較小間隙范圍內工作。設間隙變化范圍為（0，0+），一般實際應用中，取/00.1。變氣隙長度式電感傳感器適用于微小位移的測量，測量范圍：0.001~1mm。

可變磁阻式傳感器典型結構

可變導磁面積型：線性，靈敏度底

差動變氣隙型：提高靈敏度，改善非線性

差動變氣隙傳感器工作原理

對差動式傳感器，當共用銜鐵位移時，兩線圈的間隙按0、0+變化，即一個線圈自感增加，另一個減?。?/p>

當/0<<1時：差動方式時：靈敏度：，為原來的兩倍。比較：顯然，L大大降低了相對非線性誤差。

渦電流式

工作原理

利用金屬導體在交

變磁場中的渦電流

效應工作，包括高

頻反射式和低頻透

射式兩種。

高頻反射式渦流

傳感器

金屬板置于線圈附近，相互間距為

。當線圈中通入高頻交變電流i時，產生磁通

，此交變磁通作用于鄰近的金屬板（由于趨膚效應，僅作用于金屬板表面的薄層內），使金屬板產生“旋渦狀”的閉合感應電流

i1（稱為渦電流或渦流）。該電流也產生交變磁通1，反作用于線圈，根據楞次定律，渦流的交變磁場變化方向與線圈磁場變化方向相反，1總是抵抗的變化，從而導致原線圈等效阻抗發(fā)生變化。等效阻抗的變化程度與線圈尺寸、距離、金屬板電阻率和磁導率、線圈激勵電流i及其頻率有關。

通常線圈尺寸、激勵電流i及其頻率一定，若金屬板材料一定，變化可以用來測量位移、振動等參量。若一定，變化或可實現材質鑒別或無損探傷。

注意：趨膚效應，即產生的渦流主要集中在被測物體的表面。渦流貫穿深度

：

低頻透射式渦流傳感器

如圖L1和L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈，兩線圈間存在金屬板M，低頻交流電流流經L1產生交變磁場穿過金屬板作用于L2，并產生感應電壓Uo。由于金屬板產生的渦流消耗了一部分磁場能量，從而使Uo有所降低，板越厚，Uo越低。即Uo的大小間接反映了金屬板的厚度。

阻抗分壓式調幅電路傳感器由振蕩器提供高頻電源，當傳感器諧振頻率與電源頻率相同時，輸出電壓

u最大。

渦流傳感器測量電路測量時，傳感器等效電感隨而改變，LC回路失諧，輸出信號頻率雖仍為電源頻率，但幅值隨變化，即對輸出信號存在調幅作用。對此調幅波放大、檢波、濾波即可得的變化信息。

調頻電路

以LC振蕩回路的諧振頻率作為輸出量。

渦流傳感器的特點

動態(tài)非接觸測量

靈敏度高

分辨力高，檢測范圍：1mm~10mm，

最高分辨力可達滿量程的0.1%。

結構簡單，使用方便，不受油液等介質

影響

渦流傳感器的應用

案例：測厚案例：零件計數

互感型——差動變壓器式電感傳感器

工作原理

由互感現象，傳感器初級線圈W1輸入交流電流時，次級線圈W2產生感應電動勢，其大小與初級線圈電流的變化率成正比,即：M為兩線圈的互感，其大小與兩線圈的相對位置及周圍介質的導磁能力等因素有關。當中間的銜鐵上下移動時，傳感器兩線圈的互感改變，導致輸出相應改變。實際的互感傳感器通常采用兩個結構、參數完全相同的次級線圈W1、W2，并接成差動式，即W1、W2反極性串接，輸出eo=e1e2，故又稱為差動變壓器式傳感器。鐵芯P位于中心位置：e1=e2，eo=0鐵芯P上移：e1

>e2，eo與e1同相。

鐵芯P下移：e1

<e2，eo0，eo與e2同相。兩點說明

存在零點殘余電壓（鐵芯位于中心處時,eo0）

傳感器輸出電壓包含了位移的大小及方向，

但因其為交流信號，只有接入相應電路（相

敏檢波），才能提取出這兩種信息。

下圖為用于小位移測量的差動相敏檢波電路，其中R用于調節(jié)零點殘余電壓的大小。

特點

精度高(0.1m數量級，最高可達0.01m)，高

精度型非線性誤差可減小到0.1%線性范圍大（可達100mm）

穩(wěn)定性好，結構簡單，使用方便

因包含機械結構，頻率響應較低，不宜測量高

頻動態(tài)參量

應用:主要測量位移、力；也可測厚度,表面粗糙度;張力;振動,速度,加速度等.案例：板的厚度測量~案例：張力測量

變換原理第四節(jié)電容式傳感器

A電容式傳感器實質是一具有可變參數的電容器。中間充滿介質的兩塊平行金屬極板構成的電容器，其電容量為：式中，：介質相對真空的介電常數，空氣1；

0：真空的介電常數，0=8.8510-12F/m；

：極板間距；A：極板面積。當被測量使、A或發(fā)生變化時，都會引起C的變化。實際使用中，通常僅改變一個參數，根據變化參數的不同，可分為三類：

改變極板間距的極距變化型

改變極板相互遮蓋面積的面積變化型

改變極板間介質的介質變化型（改變）

極距變化型初始電容：顯然，C與極距成反比（如圖）。當極板間距減小時，電容為：電容增量為：當/0<<1時，有：（近似線性）

忽略非線性項，得：相對非線性誤差為：=可見，靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距減小受極板間擊穿電壓的限制。此外，為了減小因靈敏度隨極距變化導致的非線性誤差，通常極距變化范圍/00.1。因此，此類電容傳感器僅適于微小位移的測量（0.01m~數百微米）。

靈敏度：當極板間距增加時，同理可以求得：實際應用中，為了提高靈敏度、線性性及克服某些外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對測量精度的影響常采用差動式（如右圖）。此時靈敏度提高一倍，相對非線性誤差減小為：而

面積變化型

包括線位移型（平面線位移和圓柱體線位移）和角位移型兩種。

角位移型

1—動板2—定板其中，：覆蓋面積對應的中心角；

r：極板半徑。

平面線位移型1—動板2—定板其中，b：極板寬度。

圓柱線位移型

1—動板2—定板其中，D：圓筒孔徑；

d：圓柱外徑。面積變化型電容傳感器輸入輸出成線性關系，但靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測量。

介質變化型

如右圖，厚度為2

的介質（2

為其相對介電常數）在電容器中左右運動，由于電容器中介質的介電常數改變，電容量改變。設電容器極板寬度為b，介質2的寬度大于等于b。

當極板間無介質2時，存在介質時，C=CA+CB（并聯）其中：1=-2顯然，靈敏度為常數，輸入輸出成線性關系。從而：

特點輸入能量小（極板間靜電引力?。?、靈敏度高

動態(tài)特性好（可動質量小，固有頻率高）

發(fā)熱小，能量損耗小

結構簡單、適應性好，可在高、低溫、強輻射

環(huán)境中工作

可實現非接觸測量

一般傳感器兩極板間電容很?。◣灼し▇幾十

皮法），不僅導致低頻輸出阻抗很大（幾十甚

至上百M），負載能力弱，而且電纜分布電

容（大且不穩(wěn)定）影響大

測量電路

電橋型電路振蕩器C1L1L2C2Cx放大檢波輸出諧振電路~L1L2C1C2放大相敏解調濾波運放電路放大器C0Cxuyu0調頻電路限幅鑒頻放大輸出Cx傳感器調頻振蕩器被測物體概述第五節(jié)磁電式傳感器

磁電式傳感器將被測物理量轉換為感應電動勢，也稱為（電磁）感應式或電動式傳感器。

根據法拉第電磁感應定律，運動線圈在磁場中切割磁力線或線圈所在磁場磁通變化時，線圈兩端會產生感應電動勢，其大小和方向為：

其中，N：線圈匝數，：通過線圈的磁通量

磁通的變化率主要與下列因素有關：

線圈與磁場間的相對運動速度磁路中磁阻的大小線圈的面積磁場強度的大小

因此，只要改變其中的任一參數，都會改變線圈的感應電勢。按照結構方式不同，磁電式傳感器可分為的動圈式和變磁阻的磁阻式兩種。

動圈式

線速度型：e=NBlvsin角速度型：e=kNBA其中，N：線圈的匝數B：磁場的磁感應強度；

l：單匝線圈的有效長度；

v：線圈與磁場的相對運動速度；

：線圈運動方向與磁場方向的夾角；

A：單匝線圈的截面積；

：角速度；

k：與結構有關的系數，k<1。當傳感器結構一定時，B、l、、A、k為常數，e與線圈運動的線速度（角速度）成正比。

顯然，磁電式傳感器可用于動態(tài)速度測量。根據位移、速度、加速度間的積分、微分關系，因此，磁電式傳感器經過一定的信號處理電路也可用來測量位移與加速度。應用：動圈磁電式傳感器測量電路測量電路:其中，Z0為線圈阻抗，Rc為電纜電阻（不長時可忽略）

Cc為電纜電容，RL為負載電阻。

上式忽略了Rc，Cc，且RL>>Z0。

注意：

上面討論的速度是指線圈與磁場的相對速度，而非線圈或磁場的絕對速度。

磁電式傳感器工作原理可逆，作為傳感器它處于發(fā)電狀態(tài)；相反，若對線圈施加交流激勵電壓，線圈將在磁場中振動，此時可作為激振器。線圈運動產生感應電動勢后，線圈中將有電流流過，此電流產生的交變磁通會削弱原磁場的磁通，使傳感器靈敏度降低，導致非線性誤差（必要時可采用補償裝置減小非線性）。磁阻式

磁阻式傳感器線圈與磁鐵彼此無相對運動，而是由運動的導磁物體改變磁路磁阻，引起磁力線的增強或減弱，使線圈產生感應電動勢。

第六節(jié)壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機械能轉變?yōu)殡娔?，又能將電能轉變成機械能。其工作原理是利用一些物質的壓電效應。

壓電效應

工作原理某些晶體在外力作用下，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內部發(fā)生極化，在其表面產生電荷，形成電場；去掉外力后又重新回到不帶電的平衡狀態(tài)，這種現象稱為壓電效應。

與壓電效應相反，如果將具有壓電效應的晶體置于電場中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外電場作用導致物體機械變形現象稱為逆壓電效應或稱為電致伸縮效應。具有壓電效應的晶體稱為壓電晶體。

石英晶體的壓電效應結晶形狀：中間為六角形棱柱，兩端為對稱的棱錐，共30個晶面。

光軸：

z軸，與晶體縱軸方向一致。光線沿

z軸方向通過晶體不發(fā)生雙折射。而且，沿光軸的作用力不產生壓電效應，故又稱為中性軸。電軸：

x軸，通過兩個相對的六角棱線并垂直于光軸的軸線。

垂直于此軸的晶面上有最強的壓電效應。

機械軸：y軸，垂直于x軸和z軸所在平面的軸線。在電場作用下，y軸具有最明顯的機械變形。石英晶體z軸僅一個，x軸和y軸各有3個?？v向壓電效應：沿x軸施加作用力，晶體表面產生電荷的現象。電荷出現在與x軸相垂直的表面上。產生的電荷量為：

qx=dxFx其中，dx：縱向壓電常數；Fx：作用力。

橫向壓電效應：沿

y軸施加作用力，晶體表面產生電荷的現象。電荷仍出現在與

x軸相垂直的表面上。產生的電荷量為：

其中，dy：橫向壓電常數；

Fy：作用力；

sx、sy

：分別為與x軸、y軸相垂直的表面

面積；

a：x軸向厚度；

b：y軸向長度。由于力所施加的表面與感生電荷的表面不同，電荷量與晶體尺寸有關。根據石英晶體軸對稱的條件，dy=dx，從而：即橫向壓電效應產生的電荷與縱向壓電效應產生的電荷極性相反。切向壓電效應：沿x軸或y軸施加剪切力，晶體表面產生電荷的現象。沿x軸的剪切力產生的電荷出現在與y軸垂直的表面上；沿y軸的剪切力產生的電荷出現在與x軸垂直的表面上（電荷量與剪切力成正比，與晶片尺寸無關）。

壓電材料

壓電單晶：石英（SiO2）天然或人工合成。具有良好的機械強度和壓電效應。雖壓電系數較?。╠x=2.310-12C/N），但壓電系數的時間和溫度穩(wěn)定性好。在20~200C內，溫度每升高1C，壓電系數僅減小0.016%，升高到200C時，僅減小5%，達到573C時，失去壓電特性，此溫度稱為石英的居里點。相對介電常數為4.5。

居里點1210C，具有良好的壓電性，適用于高溫環(huán)境，但比石英脆，抗沖擊性差。鈮酸鋰（LiNbO3）

居里點666C，壓電常數為石英的3倍鉭酸鋰（LiTaO3）壓電系數較大（dx=310-9C/N），但機械強度、電阻率、居里點均較低，易受潮，性能不穩(wěn)定。酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O64H2O）

多晶壓電陶瓷

由多種材料經燒結而成，制作方便，成本低。原始壓電陶瓷須經強電場極化處理后才具有壓電性。壓電陶瓷的壓電常數一般比石英高數百倍?，F代壓電元件，大多采用壓電陶瓷。

鈦酸鋇（BaTiO3）

碳酸鋇BaCO3和二氧化鈦TiO2按1：1混合燒結而成。壓電常數約為石英的50倍，相對介電常數高達1200，居里點約120C。鋯鈦酸鉛（PZT）系列壓電陶瓷

居里點300C左右，壓電常數70~80010-12C/N，性能和穩(wěn)定性均超過鈦酸鋇。其中有些產品可耐高溫、高壓。

高分子有機壓電材料

聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。壓電特性并不很好，但易于大量生產、面積大、柔軟不易破碎，可制成陣列器件。壓電半導體

具有壓電和半導體兩種特性，易于集成。

壓電式傳感器及其等效電路

b)等效電荷源壓電器件相當于具有一定電容的電荷源，其電容：電容兩極板間開路電壓為：金屬膜FFa)壓電晶片CaRaq若考慮負載（等效電路），等效電路如下：a)電荷源等效電路假設一恒定力F作用于壓電器件，產生電量q，則輸出電壓：其中，Cc、Ci分別為電纜寄生電容及后續(xù)測量電路的輸入電容。CcRiCiCaRaqUi忽略泄漏電流由于晶片漏電阻Ra及后續(xù)電路輸入電阻Ri不可能無限大，所以電路將按指數規(guī)律放電，造成測量誤差。電路放電時間常數

=(Ra//Ri)C

RiC（一般Ra>>Ri），為了減小誤差，Ri越大越好。顯然，電荷泄漏使得利用壓電傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)量非常困難。通常壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。++++++++++----------FFa)串接壓電式傳感器有電荷及電壓兩種輸出方式。為了增大輸出值，壓電傳感器往往用兩個（較多見）或兩個以上的晶體串接或并接：

n個晶體串接時，輸出電荷量與單片晶體電荷相同，總電容為單片晶體電容的1/n，

輸出電壓為單片晶體電壓的

n倍。

串接時，輸出電壓大、電容小、時間常數小，適宜測量迅變信號和以電壓輸出的場合。

++++++++++----------FFb)并接

n個晶體并接時，輸出電荷量為單片晶體電荷n倍，總電容為單片晶體電容n倍，輸出電壓等于單片晶體電壓。

并接時，輸出電荷量大、電容大、時間常數大，適宜測量緩變信號和以電荷輸出的場合。

壓電式傳感器測量電路

對應于壓電式傳感器的兩種輸出方式，可以采用具有高輸入阻抗的前置放大器：電壓放大器或電荷放大器，對傳感器輸出的電壓或電荷信號進行放大處理，并實現阻抗變換，將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榉糯笃鞯牡妥杩馆敵?。因為壓電式傳感器的輸出信號是很微弱的，而且傳感器本身有很大的內阻?ACaRa電壓放大電路uaCcRiCiuiuo

電壓放大器

設作用于壓電晶片上的力F=F0sint。則：

而：q=dcF=dcF0sint，其中，R=Ra//Ri，C=Ca+Cc

+Ci。

q即：從而：輸入端電壓幅值：定義壓電傳感器輸出電壓靈敏度：

，穩(wěn)態(tài)解，則：當作用力頻率與電路時間常數RC足夠大時，

Uim和Sui與Cc有關，當改變電纜長度或布線

方法時，Uim和Sui都會改變，從而導致測量

誤差。

結論：若壓電器件上作用靜態(tài)力（=0），Uim和

Sui均等于0。即壓電傳感器不能測量靜態(tài)力。若要測的話，必須采用極高阻抗的負載。

對動態(tài)測量，較大，易滿足(RC)2>>1，

此時Uim和Sui近似與

無關，即壓電傳感器

具有良好的高頻響應特性。電荷放大器是一個高增益帶電容負反饋的運算放大器，其輸入阻抗極高（1012以上）。

電荷放大器

Cf電荷放大電路-AuiuoCcRiCiCaRaq同樣可求得輸入端電壓幅值：其中，R=Ra//Ri，C=Ca+Cc

+Ci

+(1+A)Cf

。

若，則：從而：若A足夠大（一般為100以上），則：(1+A)Cf

>>Ca+Cc

+Ci上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與外力成正比，與反饋電容成反比，而與Ca、Cc和Ci無關。優(yōu)點：電纜分布電容變化不會影響傳感器靈敏度及測量結果。缺點：由于采用電容負反饋，電荷放大器對直流工作點相當于開環(huán)，因此零點漂移較大。為了減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯一個大的反饋電阻Rf（約1010~1014）。電荷放大器電路復雜，價格昂貴，電壓放大器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜分布電容有關，選用時宜綜合考慮。

壓電式傳感器的特點及應用

特點

能量轉換型（發(fā)電型）傳感器靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠。而且對應用縱向壓電效應的傳感器，電荷量與晶體的變形無關，因而靈敏度與傳感器剛度無關。有比較理想的線性，且通常沒有滯后現象低頻特性較差，主要用于動態(tài)測量。

盡量采用低電容、低噪聲電纜。

工作原理可逆。

應用：沖擊、振動加速度及動態(tài)力的測量。注意：壓電式傳感器一般用來測量沿其軸線的作用力（x軸），但其他方向的作用力也會產生輸出（稱為橫向輸出），橫向輸出是一種干擾，是產生測量誤差的主要原因之一。與橫向輸出對應的靈敏度稱為橫向靈敏度。應用時，應該使用橫向靈敏度小的傳感器。壓電式傳感器結構

壓電測力傳感器的結構通常為荷重墊圈式。圖所示為YDS-781型壓電式單向傳感器結構，它由底座、傳力上蓋、片式電極、石英晶片、絕緣件及電極引出插座等組成。當外力作用時，上蓋將力傳遞到石英晶片，石英晶片實現力—電轉換，電信號由電極傳送到插座后輸出。1-傳力上蓋；2-壓電片；3-片式電極；4-電極引出插頭；5-絕緣材料；6-底座YDS-781型壓電式單向力傳感器結構應用實例：煤氣灶電子點火器煤氣灶電子點火裝置如圖3-40所示，是讓高壓跳火來點燃氣。當使用者將開關往里壓時，把氣閥打開；將開關旋轉，則使彈簧往左壓，此時，彈簧有一個很大的力撞擊壓電晶體，產生高壓放電，導致燃燒盤點火。煤氣灶電子點火裝置

壓電式玻璃破碎報警器

BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內部電路見圖所示。傳感器把振動波轉換成電壓輸出，輸出電壓經放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。傳感器的最小輸出電壓為100mV，內阻抗為15～20KΩ。報警器的電路框圖見圖所示。

(a)外形；(b)內部電路BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器

壓電式玻璃破碎報警器電路框圖

指套式電子血壓計指套式電子血壓計是利用放在指套上的壓力傳感器，把手指的血壓變?yōu)殡娦盘枺呻娮訖z測電路處理后直接顯示出血壓值的一種微型測量血壓裝置。圖所示是指套式血壓計的外形圖，它由指套、電子電路及壓力源三部分組成。指套的外圈為硬性指環(huán)，中間為柔性氣囊。它直接和壓力源相連，旋動調節(jié)閥門時，柔性氣囊便會被充入氣體，使產生的壓力作用到手指的動脈上。電子血壓計的電路框圖如圖

所示。

指套式電子血壓計外形圖

指套式電子血壓計電路框圖

時鐘放大器壓電傳感器門控觸發(fā)移位寄存器幅值比較器移位寄存器幅值比較器A/D轉換器譯碼驅動顯示器顯示器譯碼驅動S第七節(jié)熱電式傳感器一熱電偶傳感器

熱電偶在溫度的測量中應用十分廣泛。它構造簡單，使用方便，測溫范圍寬，并且有較高的精確度和穩(wěn)定性。

熱電效應及測溫原理1.熱電效應兩種不同材料的導體組成一個閉合回路時，若兩接點溫度不同，則在該回路中會產生電動勢。這種現象稱為熱電效應，該電動勢稱為熱電勢。

熱電效應2.兩種導體的接觸電勢假設兩種金屬A、B的自由電子密度分別為nA和nB,且nA>nB。當兩種金屬相接時，將產生自由電子的擴散現象。達到動態(tài)平衡時，在A、B之間形成穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢eAB，如圖所示。

兩種導體的接觸電勢3.單一導體的溫差電勢對于單一導體，如果兩端溫度分別為T、TO，且T>TO，如圖4所示。

單一導體溫差電勢

導體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散，在導體兩端產生了電勢，這個電勢稱為單一導體的溫差電勢。勢電偶回路中產生的總熱電勢，由圖可知：EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)或EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO)

式中：EAB(T,TO):熱電偶回路中的總電動勢；eAB(T):熱端接觸電勢；eB(T,TO):B導體溫差電勢；eAB(TO):冷端接觸電勢；eA(T,TO):A導體溫差電勢。接觸電勢示意圖在總電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為：

EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)

對于已選定的熱電偶，當參考端溫度TO恒定時，EAB(TO)=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即：

EAB(T,TO)=eAB(T)-c

=f(T)

實際應用中，熱電勢與溫度之間的關系是通過熱電偶分度表來確定。分度表是在參考端溫度為00C時，通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數值對應關系。４.熱電偶的基本定律(1)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種導體，只要該導體兩端溫度相等，則熱電偶產生的總熱電勢不變。

EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)

根據這個定律，我們可采取任何方式焊接導線，將熱電勢通過導線接至測量儀表進行測量，且不影響測量精度。中間導體定律示意圖(2)中間溫度定律在熱電偶測量回路中，測量端溫度為T，自由端溫度為TO，中間溫度為ＴO′，則T，TO熱電勢等于T，TO′與TO′，TO熱電勢的代數和。即EAB(T,TO)=EAB(T,TO′)+EAB(TO′,TO)

運用該定律可使測量距離加長，也可用于消除熱電偶自由端溫度變化影響。中間溫度定律示意圖(3)參考電極定律（也稱組成定律）已知熱電極A、B與參考電極C組成的熱電偶在結點溫度為(T，T0)時的熱電動勢分別為EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，則相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電動勢EAB(T，T0)可按下面公式計算：

EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)

參考電極定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作。參考電極定律示意圖

例

當T為100℃，T0為0℃時，鉻合金—鉑熱電偶的E（100℃，0℃）=+3.13mV，鋁合金—鉑熱電偶E（100℃，0℃）為-1.02mV，求鉻合金—鋁合金組成熱電偶的熱電勢E（100℃，0℃）。解：

設鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C。即EAC（100℃，0℃）=+3.13mVEBC（100℃，0℃）=-1.02mV則EAB(100℃,0℃)=+4.15mV熱電偶的結構形式及熱電偶材料1.普通型熱電偶普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。

1-熱電極;2-絕緣瓷管;3-保護管;4-接線座;5-接線柱;6-接線盒直形無固定裝置普通工業(yè)用熱電偶2.鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）鎧裝熱電偶也稱纜式熱電偶，是將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物溶鑄在一起，外表再套不銹鋼管等構成。這種熱電偶耐高壓、反應時間短、堅固耐用。

1-熱電極;2-絕緣材料;3-金屬套管;4-接線盒;5-固定裝置

鎧裝熱電偶3.薄膜熱電偶用真空鍍膜技術或真空濺射等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構成的熱電偶稱為薄膜熱電偶。

薄膜熱電偶4.熱電偶組成材料為了準確可靠地進行溫度測量，必須對熱電偶組成材料嚴格選擇。目前工業(yè)上常用的四種標準化熱電偶材料為:

鉑銠30－鉑銠6、鉑銠10－鉑、鎳鉻－鎳硅鎳鉻－銅鎳（我國通常稱為鎳鉻－康銅）。組成熱電偶的兩種材料寫在前面的為正極，后面的為負極。熱電偶的熱電動勢與溫度之關系表，稱之為分度表。熱電偶測溫及參考端溫度補償1.熱電偶測溫基本電路如圖所示，圖（a）表示了測量某點溫度連接示意圖。圖（b）表示兩個熱電偶并聯測量兩點平均溫圖（c）為兩熱電偶正向串聯測兩點溫度之和。圖（d）為兩熱電偶反向串聯測量兩點溫差。熱電偶串、并聯測溫時，應注意兩點：第一，必須應用同一分度號的熱電偶；第二，兩熱電偶的參考端溫度應相等。

常用的熱電偶測溫電路示意圖2.熱電偶參考端的補償熱電偶分度表給出的熱電勢值的條件是參考端溫度為0℃。如果用熱電偶測溫時自由端溫度不為0℃，必然產生測量誤差。應對熱電偶自由端（參考端）溫度進行補償。例如：用K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測爐溫時，參考端溫度t0=30℃，由分度表可查得E(30℃,0℃)=1.203mv，若測爐溫時測得E(t,30℃)=28.344mv，則可計算得E(t,0℃)=E(t,30℃+E(30℃,0℃)=29.547mv

由29.547mv再查分度表得t=710℃，是爐溫。二金屬熱電阻傳感器

金屬熱電阻傳感器一般稱作熱電阻傳感器，是利用金屬導體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理進行測溫的。金屬熱電阻的主要材料是鉑和銅。熱電阻廣泛用來測量-220～+850℃范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K（-272℃），高溫可測量至1000℃。最基本的熱電阻傳感器由熱電阻、連接導線及顯示儀表組成，如圖所示。金屬熱電阻傳感器測量示意圖熱電阻的溫度特性

熱電阻的溫度特性，是指熱電阻Rt隨溫度變化而變化的特性。1.鉑熱電阻的電阻—溫度特性鉑電阻的特點是測溫精度高，穩(wěn)定性好，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。鉑電阻的應用范圍為-200～+850℃。鉑電阻的電阻—溫度特性方程，在-200～0℃的溫度范圍內為：

Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

在0～+850℃的溫度范圍內為：

Rt=RO(1+At+Bt2)2.銅熱電阻的電阻溫度特性由于鉑是貴金屬，在測量精度要求不高，溫度范圍在-50～+150℃時普遍采用銅電阻。銅電阻與溫度間的關系為

Rt=R0(1+α1t+α2t2+α3t3)由于α2、α3比α1小得多，所以可以簡化為

Rt≈R0(1+α1t)熱電阻傳感器的結構熱電阻傳感器由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒等組成，如圖所示。

熱電阻結構三半導體熱敏電阻

半導體熱敏電阻簡稱熱敏電阻，是一種新型的半導體測溫元件。熱敏電阻是利用某些金屬氧化物或單晶鍺、硅等材料，按特定工藝制成的感溫元件。熱敏電阻可分為三種類型，即：正溫度系數（PTC）熱敏電阻負溫度系數（NTC）熱敏電阻在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTR）。

熱敏電阻的（Rt—t）特性1-突變型NTC；2-負指數型NTC；3-線性型PTC；4-突變型PTC

各種熱敏電阻的特性曲線熱敏電阻一般具有負的電阻溫度系數負溫度系數(NTC)熱敏電阻是一種氧化物的復合燒結體，其電阻值隨溫度的增加而減小。其特點是：（1）電阻溫度系數大，約為金屬熱電阻的10倍。（2）結構簡單、體積小，可測點溫。（3）電阻率高，熱慣性小，適用于動態(tài)測量。（4）易于維護和進行遠距離控制。（5）制造簡單、使用壽命長。（6）互換性差，非線性嚴重。

負溫度系數(NTC)熱敏電阻結構負溫度系數熱敏電阻溫度方程熱敏電阻值RT和R0與溫度TT和T0的關系為：

負溫度系數熱敏電阻主要特性（1）標稱阻值廠家通常將熱敏電阻25℃時的零功率電阻值作為R0

，稱為額定電阻值或標稱阻值，記作R25

，85℃時的電阻值R85作為RT

。標稱阻值常在熱敏電阻上標出。

R85也由廠家給出。（2）B值將熱敏電阻25℃時的零功率電阻值R0和85℃時的零功率電阻值RT

，以及25℃和85℃的絕對溫度T0＝298K和TT＝358K代入負溫度系數熱敏電阻溫度方程，可得:

B值稱為熱敏電阻常數，是表征負溫度系數熱敏電阻熱靈敏度的量。

B值越大，負溫度系數熱敏電阻的熱靈敏度越高。（3）電阻溫度系數σ

熱敏電阻在其自身溫度變化1℃時，電阻值的相對變化量稱為熱敏電阻的電阻溫度系數σ。

可知：①熱敏電阻的溫度系數為負值。②溫度減小，電阻溫度系數σ增大。在低溫時，負溫度系數熱敏電阻的溫度系數比金屬熱電阻絲高得多，故常用于低溫測量（－100～300℃）。

霍爾元件——半導體磁電轉換傳感器

置于均勻磁場中的通電半導體（鍺、銻化銦、砷化銦等），在垂直于電場和磁場的方向產生橫向電場的現象稱為霍爾效應，相應電場稱為霍爾電場。

第八節(jié)霍爾傳感器

霍爾效應的產生是運動電荷受磁場中洛倫磁力作用的結果。假設一通以固定電流i的N型半導體薄片置于與薄片厚度方向平行的磁場B中，則其中運動的載流子（電子）將受到洛倫磁力FL的作用向一邊偏移，并形成電子累積，另一邊積累正電荷，產生電場。該電場對電子產生電場力FE，阻止運動電子的繼續(xù)偏轉，當FE=FL時，電子積累達到動態(tài)平衡。此時電場即為霍爾電場。

VH=kHiBsin其中，kH：霍爾常數，取決于材質、溫度、元

件尺寸（厚度）

：

電流與磁場方向的夾角。顯然，改變i或B，即可改變VH。運用這一特性，就可把被測參數轉換為電壓量的變化。霍爾電場對應的電勢稱為霍爾電勢（VH），其大小為：1、霍爾元件的結構霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖所示。2、霍爾元件的符號應用實例：1、霍爾元件測量位移測量原理：將霍爾元件置于兩個相鄰而方向相反的磁場內，由于每點磁感應強度B值不同，當元件x沿方向移動時，可由霍爾電勢的變化反映出位移量。2、霍爾元件檢測鋼絲繩斷絲情況。測量原理：永久磁鐵使鋼絲繩磁化，當鋼絲繩有斷絲時，在斷口處出現漏磁場，霍爾元件通過此漏磁場將獲得一個脈動電壓信號，此信號經放大、濾波、A/D變換后進入計算機分析，可識別出斷絲根數和斷口位置。3霍耳汽車無觸點點火器

如圖所示，磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點。發(fā)動機主軸帶動磁輪鼓轉動時，霍耳器件感受的磁場極性交替改變，輸出一連串與汽缸活塞運動同步的脈沖信號去觸發(fā)晶體管功率開關，點火線圈兩端產生很高的感應電壓，使火花塞產生火花放電，完成汽缸點火過程。

霍耳點火裝置示意圖1-磁輪鼓2-開關型霍耳集成電路3-晶體管功率開關4-點火線圈5-火花塞

4霍耳無刷直流電機如圖所示。電機由永久磁鐵做轉子。在定子上安有12只霍耳元件，各與前方相差90°的一個定子電樞線圈相連，線圈被安放在定子糟中。各定子線圈由霍耳元件輸出的霍耳電壓激勵，產生的定子磁場，與對應的霍耳元件相差90°，即超前于轉子磁場90°。永久磁鐵的轉子被定子磁場吸引而向前轉動。當轉子轉動通過霍耳元件時，永久磁鐵磁通使霍耳元件輸出電壓極性反相，相應的電樞線圈磁場也產生極性轉換，使定子磁場始終超前于轉子磁場90°，吸引轉子，轉子則沿原方向繼續(xù)向前轉動。

霍耳無刷電機的結構圖1--軸2—外殼3—電路4—定子5—線圈6—霍耳元件7—永磁轉子5自動供水裝置

如圖所示。鍋爐中的水由電磁閥控制流出與關閉。電磁閥的打開與關閉，則受控于控制電路。打水時，需將鐵制的取水卡從投放口投入，取水卡沿非磁性物質制作的滑槽向下滑行，當滑行到磁傳感部位時，傳感器輸出信號經控制電路驅動電磁閥打開，讓水從水龍頭流出。延時一定時間后，控制電路使電磁閥關閉，水流停止。1—鍋爐2—電磁閥3—投卡口4—水龍頭5—水瓶6—收卡箱7—磁鐵8—磁傳感器

自動供水裝置構造示意圖第九節(jié)光電式傳感器1光電效應光電元件的理論基礎是光電效應。光可以認為是由一定能量的粒子（光子）所形成，每個光子具有的能量hγ正比于光的頻率γ（h為普朗克常數）。用光照射某一物體，可以看做物體受到一連串能量為hγ的光子所轟擊。物體材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現象稱為光電效應。1.1外光電效應光照射于某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現象稱為外光電效應，也稱光電發(fā)射。逸出來的電子稱為光電子。外光電效應可由愛因斯坦光電方程來描述：

一個光子的能量只能給物體中的一個自由電子，使自由電子能量增加hγ，這些能量一部分用于克服逸出功A，另一部分作為光電子逸出時的初動能：

1.2內光電效應光照射于某一物體上，使其導電能力發(fā)生變化，這種現象稱為內光電效應，也稱光電導效應。硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛等在受到光照時均會出現電阻下降的現象。電路中反偏的PN結在受到光照時也會在該PN結附近產生光生載流子（電子-空穴對）。利用上述現象可制成光敏電阻，光敏二極管，光敏三極管，光敏晶閘管等光電轉換器件。1.3光生伏打效應在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏打效應。具有該效應的材料有硅、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷化鎵等。例如，當一定波長的光照射PN結時，就產生電子-空穴對，在PN結內電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，于是P區(qū)和N區(qū)之間產生電壓，即光生電動勢。利用該效應可制成各類光電池。

2光電器件2.1光電管和光電倍增管光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應制成的光電轉換器件。1.光電管光電管的外形如圖

所示。金屬陽極A和陰極K封裝在一個玻璃殼內，當入射光照射在陰極時，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當電子獲得的能量足夠大時，逸出金屬表面形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。23614

5

一種常見的光電管外形1-陽極A2-陰極K3-玻璃外殼4-管座5-電極引腳6-定位銷

光電管符號及測量電路IφUL

ROE（+50~+70）V光電管的圖形符號及測量電路如圖

所示。2.光電倍增管

光電倍增管有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。如圖是光電倍增管結構示意圖。U0RLD1D3KAD2D4φ

光電倍增管結構及工作原理2光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。光敏電阻的材料有金屬硫化物、硒化物、碲化物等半導體材料。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成了光敏電阻，如圖

所示。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀，

a)

φ

mA

Iφ

光敏電阻機構示意圖及圖形符號

a）原理圖

b)

光敏電阻機構示意圖及圖形符號

b）外形圖

c)

光敏電阻機構示意圖及圖形符號

c）圖形符號2.3光敏二極管和光敏三極管1.光敏二極管光敏二極管是一種利用PN結單向導電性的結型光電器件，與一般半導體二極管不同之處在于其PN結裝在透明管殼的頂部，以便接受光照，光電流與光照度成正比。還有一種雪崩式光敏二極管（APD）。光照φ

P

N

a)

+–RLEU0IφμAb)

光敏二極管

a)結構示意圖及圖形符號b）基本應用電路2.光敏三極管光敏三極管有兩個PN結，從而可以獲得電流增益。

+CNNP-eJcJea)CIc=βIcboIcboeb)Cec)

光敏三極管

a)結構b)等效電路c）圖形符號

d)+UCC

U0=UCC

－IcRLIcRLRL+UCC

（3~20）VU0=ICRLIceCe)

光敏三極管

d)應用電路e)光敏達林頓管

2.4光電池光電池的工作原理是基于光生伏打效應。當光照射在光電池上時，可以直接輸出電動勢及光電流。應用最廣的是硅光電池，優(yōu)點：性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射、價格便宜等。焊點N型硅

–

+金屬鍍層電極光P型硅PN結a)b)

硅光電池

a)結構示意圖b)圖形符號

光傳感器應用實例1自動照明燈電路如圖所示。D1為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約為30V左右。白天，光敏電阻的阻值低，A點分壓低于30V，觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無觸發(fā)電流，T1、T2之間呈斷開狀態(tài)。晚上天黑，光敏電阻的阻值增加，A點電壓大于30V，觸發(fā)二極管導通，雙向可控硅呈導通狀態(tài)，電燈亮。220V~T2T1D1GC2R2A

R1

C1GR

自動照明燈電路

2光電式數字轉速表如圖

（a）所示，在電機的轉軸上涂上黑白相間的兩色條紋。當電機軸轉動時，反光與不反光交替出現，所以光電元件間斷的接收光的反射信號，輸出電脈沖。再經過放大整形電路，輸出整齊的方波信號，由數字頻率計測出電機的轉速。圖(b)是在電機軸上固定一個調制盤，上面開一些固定間隔的孔洞，當電機轉軸轉動時將發(fā)光二極管發(fā)出的恒定光調制成隨時間變化的調制光。同樣經光電元件接收，放大整形電路整形，輸出整齊的方波脈沖信號。每分鐘轉速n與輸出的方波脈沖頻率f以及孔數或黑白條紋數N的關系如下：

a)發(fā)光二極管電機

數字頻率計光電元件放大整形電路

光電式數字轉速表工作原理圖

b)發(fā)光二極管電機數字頻率計光電元件放大整形電路調制盤調制盤

光電式數字轉速表工作原理圖3物體長度及運動速度的檢測生產上經常需要檢測工件的運動速度。圖

所示是利用光電元件檢測工件運動速度的示意圖和電路簡圖。當工件自左向右運動時，首先遮斷光源A的光線，經過設定的S0距離后再遮斷光源B的光線，經光敏元件和RS觸發(fā)器輸出高頻脈沖，計數器進行計數。設高頻脈沖計數器所計脈沖數為n和脈沖周期為T，則可計算物體平均運動速度為：

S0LEDBLEDAQLυ7＆689清零信號

VAVBSR－－

3

14

25圖

光電檢測運動物體的速度示意圖1-光源A

；2-光敏元件VA

；3-運動物體；4-光源B

；

5-光敏元件VB

；6-RS觸發(fā)器；7-高頻脈沖信號源；8-計數器；9-顯示器4紅外自動干手器

如圖所示。反相器F1、F2、晶體管VT1及紅外發(fā)射二極管VL1等組成紅外光脈沖信號發(fā)射電路。紅外光敏二極管VD2及后續(xù)電路組成紅外光脈沖的接收、放大、整形、濾波及開關電路。當將手放在干手器的下方10～15cm時，由VL1發(fā)射的紅外光線經人手反射后被紅外光敏二極管VD2接收，電路