傳感器技術(shù)總復(fù)習(xí)課

總復(fù)習(xí)課

OverallReviewLesson

考試時間：

2012年12月31日周一

下午3:45~5:25(100分鐘）

考試地點：教六-204第0章緒論

Preface

Chapter0:Preface身體與機器人的對應(yīng)關(guān)系傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段廣義定義：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件(device)或裝置(apparatus)。

狹義定義：將外界的輸入信號變換為電信號的一類元件(element)。傳感器來自外界的信號電信號傳感器一般由敏感元件(Sensingelement)、轉(zhuǎn)換元件(Transducingelement)、轉(zhuǎn)換電路(Transformingcircuit)三部分組成：Chapter0:Preface基本定律和法則守恒定律

能量守恒、動量守恒、電荷量守恒場的定律

利用場的定律構(gòu)成的傳感器，其形狀、尺寸（結(jié)構(gòu)）決定了傳感器的量程、靈敏度等主要性能，故此類傳感器可統(tǒng)稱為“結(jié)構(gòu)型傳感器”物質(zhì)定律

基于物質(zhì)定律的傳感器可統(tǒng)稱為“物性型傳感器”

統(tǒng)計法則

統(tǒng)計法則把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來傳感器的發(fā)展趨勢，大致分為如下四個方面：發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)，開發(fā)新材料、新功能。集成化，多功能化，微型化。數(shù)字化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化-智能傳感器向未開發(fā)的領(lǐng)域挑戰(zhàn)—生物傳感器。Chapter0:Preface第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器的靜態(tài)特性

靜態(tài)特性表示傳感器在被測量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入輸出關(guān)系，也即當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時，這一關(guān)系就稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)特性主要考慮非線性和隨機性等因素。線性度

線性度又稱非線性，是表征傳感器輸出-輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線（作為工作直線）之間的吻合（或偏離）程度的指標(biāo)。通常用相對誤差來表示線性度誤差，即1.2傳感器的特性與指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性回差（滯后、遲滯）回差是反映傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^程中輸出-輸入曲線的不重合程度的指標(biāo)。（請注意回差與線性度的差別）重復(fù)性重復(fù)性是衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)。重復(fù)性誤差反映的是校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度，屬隨機誤差

。1.2傳感器的特性與指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性靈敏度分辨力（分辨率）分辨力是指在規(guī)定測量范圍內(nèi)能測出的輸入量的最小變化量。有時用該值相對滿量程輸入值之百分?jǐn)?shù)表示，則稱為分辨率。分辨力與精度和靈敏度不同。1.2傳感器的特性與指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性閾值閾值是指能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，實際上是零位附近的分辨力。穩(wěn)定性又稱長期穩(wěn)定性，即傳感器在相當(dāng)長的時間內(nèi)仍保持其性能的能力。穩(wěn)定性用一段時間后的傳感器輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異來表示，有時也用標(biāo)定的有效期來表示。1.2傳感器的特性與指標(biāo)1.2傳感器的特性與指標(biāo)靜態(tài)誤差（精度）靜態(tài)誤差是評價傳感器的綜合性能指標(biāo)指傳感器在滿量程內(nèi)的任何一點輸出值相對其理論值的可能偏離程度，它表示采用該傳感器進行靜態(tài)測量時所得結(jié)果的不確定度。一般表示為一定置信概率下的相對誤差。漂移漂移是指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出量存在與被測量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移。零點漂移和靈敏度漂移又分為時間漂移和溫度漂移。1.2傳感器的特性與指標(biāo)1.2傳感器的特性與指標(biāo)傳感器的動態(tài)特性

幅頻特性和相頻特性階躍響應(yīng)特性對傳感器進行動態(tài)標(biāo)定需要對它輸入一標(biāo)準(zhǔn)激勵信號，常用的標(biāo)準(zhǔn)激勵信號分為兩類：周期信號：例如正弦波，三角波瞬間信號：例如階躍波，半正弦波第2章電阻應(yīng)變式傳感器2.1.1導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

如圖2-1所示，一根長，截面積為A的金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu)圖2-1導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化2.1.1導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu)當(dāng)電阻絲受到拉力

作用時，l將伸長，橫截面積相應(yīng)減小，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了，從而引起電阻值相對變化量為：

為材料的軸向線應(yīng)變?yōu)殡娮杞z截面積的相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，則其中

r——導(dǎo)體的半徑，受拉時r縮小；μ——導(dǎo)體材料的泊松比2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu)通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量，其表達式為：靈敏系數(shù)K受兩個因素影響：材料幾何尺寸的變化，即1+2μ；材料的電阻率發(fā)生的變化，即（dρ/ρ）/ε。201.金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)對金屬材料來說，電阻絲靈敏度系數(shù)表達式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大很多，所以金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。金屬材料的電阻相對變化與其線應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變-電阻效應(yīng)(stain-resistanceeffect)。對金屬或合金alloy,一般Km=1.8～4.8。2.半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料(semiconductormaterial)，當(dāng)某一軸向受外力作用時，其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。式中：π——半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù);σ——半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力;E——半導(dǎo)體材料的彈性模量Modulusofelasticity;

ε——半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。

2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu)212.半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)(PiezoresistiveEffect)通過上面的推導(dǎo)我們可以得到：由于πE>>(1+2μ)，因此半導(dǎo)體絲材的Ks≈πE?？梢?，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。通常Ks≈100Km。

2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu)2.2電阻應(yīng)變計的主要特性

橫向效應(yīng)(transversaleffect)

由于傳感器是多線的，線與線之間連接部分不在測量方向上，引起橫向效應(yīng)。對橫向效應(yīng)分析結(jié)果的應(yīng)用之一是箔式應(yīng)變計,另外，應(yīng)變計的長度要長、橫柵要小。2、橋路補償法（2）補償塊(compensationunit)法

圖2-12補償塊半橋熱補償應(yīng)變計

使用兩個相同的應(yīng)變計。R1貼在試件上，接入電橋工作臂，R2貼在與試件同材料、同環(huán)境溫度，但不參與機械應(yīng)變的補償塊上，接入電橋相鄰臂作補償臂，補償臂產(chǎn)生與工作臂相同的熱輸出，通過電橋，起到補償作用。

2.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償2、橋路補償法（3）差動電橋法

巧妙地安裝應(yīng)變片可以起補償作用并提高靈敏度。

將兩個應(yīng)變片分別貼于測懸梁上下對稱位置，R1、R2特性相同，所以兩電阻變化值相同而符號相反。因而電橋輸出電壓比單片時增加1倍。當(dāng)梁上下溫度一致時，R1與R2可起溫度補償作用。差動電橋法2.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償應(yīng)變電橋(strainbridge)直流電橋(DCbridge)與交流電橋(ACbridge)直流電橋只接入電阻交流電橋可接入LCR平衡電橋(balancedbridge)與不平衡電橋(unbalancedbridge)全等臂(fullequalarm)與半等臂(halfequalarm)2.5測量電路直流電橋及其輸出特性電橋平衡的條件：電壓輸出橋的輸出特性 輸出電壓：2.5測量電路當(dāng)電橋平衡時和差特性只有ΔR很小時，橋路的輸出才為線性2.5測量電路單臂測量時輸出：雙臂差動時輸出：全橋差動時輸出：K為電阻應(yīng)變片的靈敏度第3章變磁阻式傳感器L-線圈電感(inductance)；R-線圈銅耗電阻(copperlossresistance)；Re-鐵心渦流損耗電阻(eddycurrentlossresistance)；R-磁滯損耗電阻(magnetichysteresislossresistance)；C-線圈的寄生電容(parasiticcapacityofthecoil)圖3-1

變氣隙式自感傳感器圖3-2

自感傳感線圈的等效電路3.1傳感器線圈的電氣參數(shù)分析3.1傳感器線圈的電氣參數(shù)分析課本65頁圖3-1為一種簡單的自感式傳感器，它由線圈(coil)、鐵心(core)和銜鐵(armature)等組成。當(dāng)銜鐵隨被測量變化而上、下移動時，鐵心氣隙、磁路磁阻(reluctance)隨之變化，引起線圈電感(inductance)量的變化，然后通過測量電路轉(zhuǎn)換成與位移成比例的電量，實現(xiàn)了非電量到電量的變換?？梢?，這種傳感器實質(zhì)上是一個具有可變氣隙(variableairgap)的鐵心線圈(ironcorecoil)。一.工作原理與輸出特性

如前所述，自感式傳感器(selfinductivesensors)實質(zhì)上是一個帶氣隙的鐵芯(ironcore)線圈(coil)。按磁路幾何參數(shù)(geometricparameter)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有變氣隙式(variableairgap)、變面積式(variablearea)與螺管式(solenoid)三種；按組成方式(compositionmethod)分，有單一式(single)與差動式(differential)兩種。3.2自感式傳感器第二節(jié)自感式傳感器5.相敏檢波電路(phasesensitivecircuit)相敏檢波電路是常用的判別電路。下面以帶二極管式環(huán)形相敏檢波的交流電橋為例介紹該電路的作用。圖3.11

相敏檢波電路(ａ)帶相敏檢波的交流電橋；(ｂ)實用電路3.2自感式傳感器如圖3.11(a)所示，Z1、Z2為傳感器兩線圈的阻抗，Z3＝Z4構(gòu)成另兩個橋臂，U為供橋電壓，U為輸出。當(dāng)銜鐵處于中間位置時，Z1＝Z2＝Z，電橋平衡，U＝0。若銜鐵上移，Z1增大，Z2減小。如供橋電壓為正半周，即A點電位高于B點，二極管D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。在A—E—C—B支路中，C點電位由于Z1增大而降低；在A—F—D—B支路中，D點電位由于Z2減小而增高。因此D點電位高于C點，輸出信號為正3.2自感式傳感器如供橋電壓為負(fù)半周，B點電位高于A點，二極管D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。在B—C—F—A支路中，C點電位由于Z2減小而比平衡時降低；在B—D—E—A支路中，D點電位則因Z1增大而比平衡時增高。因此D點電位仍高于C點，輸出信號仍為正。同理可以證明，銜鐵下移時輸出信號總為負(fù)。于是，輸出信號的正負(fù)代表了銜鐵位移的方向。實際采用的電路如圖3.11(b)所示。L1、L2為傳感器的兩個線圈，C1、C2為另兩個橋臂。電橋供橋電壓由變壓器B的次級提供。R1、R2、R3、R4為四個線繞電阻，用于減小溫度誤差。C3為濾波電容，Rw1為調(diào)零電位器，Rw2為調(diào)倍率電位器，輸出信號由電壓表V指示。3.2自感式傳感器互感式傳感器(mutualinductancesensor)是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器。其原理類似于變壓器(transformer)。不同的是：后者為閉合磁路(closedmagneticcircuit)，前者為開磁路(openmagneticcircuit)；后者初、次級間的互感(mutualinduction)為常數(shù)，前者初、次級間的互感隨銜鐵移動而變，且兩個次級繞組按差動方式工作，因此又稱為差動變壓器。它與自感式傳感器統(tǒng)稱為電感式傳感器。3.3互感式傳感器第三節(jié)互感式傳感器一.工作原理與類型在忽略線圈寄生電容與鐵心損耗的情況下，差動變壓器的等效電路如圖3-22所示。圖3-22

差動變壓器的等效電路3.3互感式傳感器差動變壓器的輸出特性與初級線圈對兩個次級線圈的互感之差有關(guān)。結(jié)構(gòu)型式不同，互感的計算方法也不同。圖3-16變氣隙式3.3互感式傳感器四.電感式傳感器的應(yīng)用

電感式傳感器主要用于測量位移與尺寸，也可測量能轉(zhuǎn)換成位移變化的其他參數(shù)，如力force、張力tension、壓力pressure、壓差pressuredifference、振動vibration、應(yīng)變strain、轉(zhuǎn)矩torque、流量flow、比重specificgravity等。3.3互感式傳感器電渦流式傳感器(EddyCurrentSensor)是利用電渦流效應(yīng)進行工作的。由于結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，并能進行非接觸測量，適用范圍廣，它一問世就受到各國的重視。目前，這種傳感器已廣泛用來測量位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度(degreeofhardness)等參數(shù)，以及用于無損探傷(nondestructiveflawdetection)領(lǐng)域。第四節(jié)電渦流式傳感器3.4電渦流式傳感器第3章變磁阻式傳感器一.工作原理圖3-35

電渦流式傳感器的基本原理圖3-36

等效電路

第3章變磁阻式傳感器一、壓磁效應(yīng)(piezomagneticeffect)鐵磁材料在磁場中磁化時，在磁場方向會伸長或縮短，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)(magneto-strictioneffect)。材料隨磁場強度的增加而伸長或縮短不是無限制的，最終會達到飽和(saturation)。各種材料的飽和伸縮比是定值，稱為磁致伸縮系數(shù)(magneto-strictioncoefficient)，用λs表示，即第五節(jié)壓磁式傳感器(3-73)式中——伸縮比。第4章電容式傳感器電容式傳感器(capacitancesensors)是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高(highresolution)、可非接觸測量(contactlessmeasurement)，并能在高溫、輻射(radiation)和強烈振動(strongvibration)等惡劣條件下工作，這是它的獨特優(yōu)點。第4章電容式傳感器由絕緣介質(zhì)(insulationmedium)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器(platecapacitor)，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)(edgeeffect)影響時，其電容量(capacitance)與真空介電常數(shù)(permittivityofvacuum)ε0(8.854×10－12F/m)、極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)(relativepermittivity)εr、極板的有效面積A以及兩極板間的距離δ有關(guān)：

若被測量的變化使式中δ、A、εr三個參量中任意一個發(fā)生變化時，都會引起電容量的變化，再通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型(variableelectrodedistance)、變面積型(variablearea)和變介質(zhì)型(variablemedium)三種類型。第一節(jié)工作原理、結(jié)構(gòu)和特性C=ε0εrA/δ

4.1工作原理、結(jié)構(gòu)及特性(4-1)圖4-1為這種傳感器的原理圖。當(dāng)傳感器的εr和A為常數(shù)，初始極距為δ0，由式(4-1)可知其初始電容量C0為(4-2)4.1.1變極距型電容傳感器

圖4.1變極距型電容傳感器原理圖4.1工作原理、結(jié)構(gòu)及特性近似的線性關(guān)系和靈敏度S分別為

和

如果考慮二次項(quadraticterm)，則

(4-6)(4-7)(4-8)4.1工作原理、結(jié)構(gòu)及特性非線性誤差為（見下頁）：由上討論可知：(1)變極距型電容傳感器只有在|Δδ0/δ0|很小(小測量范圍)時，才有近似的線性輸出；(2)靈敏度S與初始極距δ0的平方成反比，故可用減少δ0的辦法來提高靈敏度。例如在電容式壓力傳感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之間。由于變極距型的分辨力極高，可測小至0.01μm的線位移，故在微位移檢測中應(yīng)用最廣。(4-9)4.1工作原理、結(jié)構(gòu)及特性由式(4-9)可見,δ0的減小會導(dǎo)致非線性誤差增大；δ0過小還可能引起電容器擊穿(breakdown)或短路(shortcircuit)。為此，極板間可采用高介電常數(shù)(permittivity)的材料(云母(Mica)、塑料膜(plasticfilm)等)作介質(zhì)，如圖4.4所示。4.1工作原理、結(jié)構(gòu)及特性如果使用圖4.5所示的差動結(jié)構(gòu)，略去高次項，可得近似的線性關(guān)系(4-12)考慮多一項高次項，則相對非線性誤差ef′為(4-13)上式與前面式(4-6)及式(4-9)相比可知，差動式比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)上的對稱性(symmetryofstructure)，它還能有效地補償溫度變化所造成的誤差。4.1工作原理、結(jié)構(gòu)及特性式中為初始電容。電容的相對變化量為(4-15)4.1工作原理、結(jié)構(gòu)及特性邊緣效應(yīng)(edgeeffect)當(dāng)極板厚度h與極距δ之比相對較大時，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護環(huán)(protectionring)的結(jié)構(gòu)，如圖4-10所示。保護環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位(equipotential)，以保證中間工作區(qū)得到均勻的(even)場強分布(fielddistribution)，從而克服邊緣效應(yīng)的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英(quartz)或陶瓷(ceramics)等非金屬材料，蒸涂(steamcoat)一薄層金屬作為極板。

圖4-10帶有保護環(huán)的電容傳感器原理結(jié)構(gòu)第5章磁電式傳感器

MagnetoelectricSensors第5章磁電式傳感器

磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)(electromagneticinduction)原理，將輸入運動速度(speedofmovement)變換成感應(yīng)電勢(inductiveelectricpotential)輸出的傳感器。它不需要輔助電源(auxiliarypower)，就能把被測對象的機械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種自源(selfpowered)傳感器。磁電式傳感器有時也稱作電動式(electrodynamic)或感應(yīng)式(inductive)傳感器，它只適合進行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位(zeropoint)及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為10～1000Hz。第一節(jié)基本原理和結(jié)構(gòu)型式5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式

磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換(two-waytransform)特性，利用其逆轉(zhuǎn)換(inversetransform)效應(yīng)可構(gòu)成力(矩)發(fā)生器和電磁激振器(electromagneticvibrationexciter)等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律(thelawofelectromagneticinduction)，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場內(nèi)運動時，設(shè)穿過線圈的磁通(magneticflux)為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：(5-1)根據(jù)這一原理，可以設(shè)計成變磁通式(variablemagneticflux)和恒磁通式(constantmagneticflux)兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測量線速度或角速度的磁電式傳感器。圖5-1所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動速度測量的變磁通式結(jié)構(gòu)。圖5-1

變磁通式結(jié)構(gòu)(a)旋轉(zhuǎn)型；(b)平移型5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式其中永久磁鐵(permanentmagnet)1(俗稱“磁鋼”)與線圈(coil)4均固定，動鐵心3(銜鐵)(armature)的運動使氣隙(airgap)5和磁路磁阻(reluctanceofmagneticcircuit)變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(inductiveelectricpotential)，因此變磁通式結(jié)構(gòu)又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)(variablereluctancestructure)。

在恒磁通式結(jié)構(gòu)(constantmagneticfluxstructure)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運動——線圈切割磁力線(linesofmagnetization)而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有兩種：動圈式和動鐵式，如圖5-2所示。5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式

圖5-2恒磁通式結(jié)構(gòu)

(a)動圈式(movingcoil)；(b)動鐵式(movingarmature)

5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式圖5-2中的磁路系統(tǒng)由圓柱形(cylindrical)永久磁鐵和極掌(palm)、圓筒形磁軛(magneticyoke)及空氣隙組成。氣隙中的磁場均勻分布，測量線圈繞在筒形骨架(barrelframe)上，經(jīng)膜片彈簧(diaphragmspring)懸掛于氣隙磁場中。

當(dāng)線圈與磁鐵間有相對運動(relativemovement)時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為(5-3)式中

B——氣隙磁通密度(magneticfluxdensity)(T)；

l——氣隙磁場中有效匝數(shù)為W的線圈總長度(m)l＝la·W(la為每匝線圈的平均長度)

v——線圈與磁鐵沿軸線方向的相對運動速度(ms-1)。5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式(5-3)中B、la、W都為常數(shù)，感應(yīng)電勢e僅與相對速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為

為提高靈敏度，應(yīng)選用具有磁能積(magneticenergyproduct)較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度(magneticfluxdensity)B；增加ｌa和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻(internalresistance)及工作頻率等因素的限制。為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場內(nèi)運動。設(shè)計者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。

(5-4)5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式一.非線性誤差(errorofnonlinearity)

磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是，由于傳感器線圈輸出電流i變化產(chǎn)生的附加磁通Φi疊加與永久磁鐵產(chǎn)生的氣隙磁通Φ之上，使恒定的氣隙磁通變化。當(dāng)傳感器的線圈相對運動的速度和方向改變時，附加磁場的作用也隨之改變，從而使傳感器的靈敏度隨被測速度的大小和方向的改變而變化。顯然，傳感器的靈敏度越高，線圈中的電流越大，這種非線性將越嚴(yán)重。

為補償附加磁場的干擾，可以在傳感器中加入補償線圈。適當(dāng)選擇補償線圈的參數(shù)，可以使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感器線圈本身產(chǎn)生的交變磁通

氣隙磁場不均勻也是造成傳感器非線性誤差的原因之一。第三節(jié)磁電式傳感器的誤差及補償5.3磁電式傳感器的誤差及補償二.溫度誤差(erroroftemperature)

溫度的變化將導(dǎo)致線圈匝長(lengthofcoilwires)的變化，導(dǎo)線電阻率的變化、磁阻的變化以及磁導(dǎo)率的變化。有時候溫度變化帶來的相對誤差是可觀的，需要進行溫度補償。通常采用熱磁補償合金(thermalmagnetismcompensationalloy)來實現(xiàn)補償，保證氣隙磁感應(yīng)強度B不隨溫度而變化。三.永久磁鐵的穩(wěn)定性(stabilityofpermanentmagnet)

永久磁鐵磁感應(yīng)強度的穩(wěn)定性直接影響工作氣隙中磁感應(yīng)強度的穩(wěn)定性。為了保證磁電式傳感器的精度和可靠性，一般采取如下幾種穩(wěn)磁(magneticstabilization)處理措施。 （1）時間穩(wěn)定性(timestability)；

矯頑力(coercivity)越高、尺寸比(sizeproportion)越大越穩(wěn)定。為了在使用過程中保持穩(wěn)定，用少量交流強制退磁(demagnetization)的辦法可以獲得良好的效果。5.3磁電式傳感器的誤差及補償三.永久磁鐵的穩(wěn)定性(stabilityofpermanentmagnet)

（2）溫度穩(wěn)定性(temperaturestabiltiy)； 為了使傳感器能在非室溫條件下使用，必須進行高低溫時效穩(wěn)磁處理，實際上就是對永磁材料及磁路內(nèi)各材料進行溫度沖擊(impact)。經(jīng)過這種處理后，雖然磁感應(yīng)強度Bm的數(shù)值減小了，但隨溫度的變化也減小了。

（3）外磁場作用下的穩(wěn)定性(stabilityunderexternalfield)； 傳感器工作環(huán)境中會有一些外磁場源，如變壓器、通電線圈等。而且充磁后的永磁體在存放、運輸和裝配過程中，總是處在永磁體互相產(chǎn)生的磁場中。為使其能長期穩(wěn)定工作，應(yīng)進行”人工老化(artificialageing)“，即選一個比工作過程中遇到的最大干擾磁場大數(shù)倍的交流磁場作用到永磁體上，強迫其工作點穩(wěn)定下來，從而增強抗外磁場干擾的能力。 為了防止永磁體與鐵磁性物質(zhì)接觸而引起磁性能減小，應(yīng)該用非磁性材料制成的防護把它屏蔽起來。屏蔽材料(shieldmaterial)通常用塑料和黃銅(brass)。5.3磁電式傳感器的誤差及補償三.永久磁鐵的穩(wěn)定性 （4）機械振動作用下的穩(wěn)定性(stabilityundermechanicalvibration)； 沖擊(shock)和振動(vibration)都能引起永久磁鐵的退磁。由沖擊、振動而引起的退磁程度和永磁體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。一般將充磁后的永久磁鐵按一定技術(shù)要求先經(jīng)受約千次的振動和沖擊試驗，振動和沖擊值取今后工作中可能遇到的最大。5.3磁電式傳感器的誤差及補償式中：為霍爾系數(shù)；為元件的控制電流。5.5霍爾傳感器一.霍爾效應(yīng)(Halleffect)1879年美國物理學(xué)家E.H.Hall首先發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。如課本圖5-11模型所示，當(dāng)在長方形半導(dǎo)體片的長度方向通以直流(DC)電流I時,若在其厚度方向存在一磁場B,那么在該半導(dǎo)體片的寬度方向就會產(chǎn)生電位差UH，此即霍爾效應(yīng)。

把式(5-20)改寫為(5-20)式中：稱為霍爾元件的靈敏度(5-21)第6章壓電式傳感器

Piezoelectricsensors何為壓電傳感器?壓電式傳感器(Piezoelectricsensors)是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器。它既可以將機械能(mechanicalenergy)轉(zhuǎn)換為電能(electricenergy)

（壓電效應(yīng)）。

，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能（電致伸縮效應(yīng)）。壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電器件為核心組成的傳感器。第6章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)及材料壓電效應(yīng)（PiezoelectricEffect）

一些離子型晶體(ioniccrystal)的電介質(zhì)(dielectric)不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象(polarization)。且其電位移(electricdisplacement)D(在MKS單位制中即電荷密度σ-densityofelectriccharge)與外應(yīng)力張量(externalstresstensor)T成正比：

D=dT

(6-1)

式中d—壓電常數(shù)矩陣(piezoelectricconstantmatrix)

當(dāng)外力消失，電介質(zhì)又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性(polarity)隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。第一節(jié)壓電效應(yīng)及材料逆壓電效應(yīng)(Conversepiezoelectriceffect)

若對上述電介質(zhì)(dielectric)施加電場(electricfield)作用時，同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其應(yīng)變S與外電場強度(intensityofelectricfield)E成正比：

S=dtE

（6-2）

式中dt——逆壓電常數(shù)矩陣(它是d的轉(zhuǎn)置矩陣-transposedmatrix)。

這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮(Electrostriction)。

6.1壓電效應(yīng)及材料壓電材料的主要特性參數(shù):壓電常數(shù)(PiezoelectricConstant)

彈性常數(shù)(ElasticConstant)介電常數(shù)(DielectricConstant)機電耦合系數(shù)(ElectromechanicalCouplingCoefficient)電阻(Resistance)居里點(CuriePoint)6.1壓電效應(yīng)及材料壓電材料(Piezoelectricmaterials)壓電晶體(單晶)Piezoelectriccrystal(singlecrystal):包括壓電石英晶體(quartzcrystal)和其他壓電單晶壓電陶瓷(多晶)

Piezoelectricceramics(polycrystal)新型壓電材料:其中有壓電半導(dǎo)體和有機高分子(organicmacromolecule)壓電材料兩種。在傳感器技術(shù)中，目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的石英晶體和壓電多晶中的鈦酸鋇與鈦酸鉛系列壓電陶瓷。6.1壓電效應(yīng)及材料壓電石英的主要性能特點是：（1）壓電常數(shù)小，其時間和溫度穩(wěn)定性極好，常溫下幾乎不變，在20～200℃范圍內(nèi)其溫度變化率僅為－0.016％/℃；（2）機械強度和品質(zhì)因素(qualityfactor)高，許用應(yīng)力高達（6.8～9.8）×107Pa，且剛度(rigidity)大，固有頻率高，動態(tài)特性好；（3）居里點573℃，無熱釋電性，且絕緣性(insulativity)、重復(fù)性(repeatability)均好。天然石英的上述性能尤佳。因此，它們常用于精度和穩(wěn)定性要求高的場合和制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器。6.1壓電效應(yīng)及材料沿X軸施加力FX，并在X軸方向的晶體表面(即垂直于X軸的晶體表面)上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“縱向壓電效應(yīng)”(longitudinalpiezoelectriceffect)。沿X軸施加力FX，而在Y軸或Z軸方向的晶體表面(即垂直于Y軸或Z軸的晶體表面)上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“橫向壓電效應(yīng)”

(transversepiezoelectriceffect)。6.1壓電效應(yīng)及材料

壓電晶體的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是對應(yīng)存在的，哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)，而且力-電之間呈線性關(guān)系。

石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應(yīng)6.2壓電方程及壓電常數(shù)

壓電陶瓷(piezoelectricceramic)

壓電陶瓷是人工多晶鐵電體(multi-crystalferroelectrics)，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性(isotropy)不具有壓電性，因此，必須作極化處理(Polarizationprocess)，即在一定溫度下對其施加強直流電場，迫使電疇(electricdomain)趨向外電場方向作規(guī)則排列；極化電場去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強的剩余極化(residualpolarization)

，從而呈現(xiàn)出壓電性。6.1壓電效應(yīng)及材料壓電陶瓷極化圖6-4BaTiO3壓電陶瓷的極化6.1壓電效應(yīng)及材料第7章熱電式傳感器

ThermoelectricSensors7.1熱電阻傳感器熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進行檢測的裝置。其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器(thermalresistancesensor)；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器(thermocouplesensor)。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻(thermalresistor)，后者簡稱熱敏電阻(thermistor)。第一節(jié)熱電阻傳感器第7章熱電式傳感器

熱電偶傳感器(thermocouplesensors)在溫度測量中應(yīng)用極為廣泛，因為它結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號便于遠(yuǎn)傳。一.熱電效應(yīng)及其工作定律1.熱電效應(yīng)(pyroelectriceffect)

將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A、B組成閉合回路(closedloopcircuit)，如圖7.4所示。若節(jié)點(1)、(2)處于不同的溫度(T≠T0)時，兩者之間將產(chǎn)生一熱電勢，在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。第二節(jié)熱電偶傳感器第7章熱電式傳感器

其電勢由接觸電勢Contactpotential(珀爾帖電勢Peltierpotential)和溫差電勢Thermoelectricpotential(湯姆遜電勢Thomsonpotential)兩部分組成。

圖7-8熱電效應(yīng)示意圖第7章熱電式傳感器Ⅰ接觸電勢(contactpotential)

當(dāng)兩種金屬接觸在一起時，由于不同導(dǎo)體的自由電子密度(densityofelectron)不同，在結(jié)點(conjunctionpoint)處就會發(fā)生電子遷移擴散(diffusion)。失去自由電子的金屬呈正電位(positivepotential)，得到自由電子的金屬呈負(fù)電位(negativepotential)。當(dāng)擴散達到平衡時，在兩種金屬的接觸處形成電勢，稱為接觸電勢。其大小除與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)外，還與結(jié)點溫度有關(guān)。第7章熱電式傳感器在溫度為T時的接觸電勢：

式中EAB(T)——A、B兩種金屬在溫度T時的接觸電勢；

k——波爾茲曼常數(shù)(Boltzmann’sconstant)，

k=1.38×10-23(J/K)；

e——電子電荷，e=1.6×10-19(C)；

NA、NB——金屬A、B的自由電子密度；

T——結(jié)點處的絕對溫度。(7-7)第7章熱電式傳感器Ⅱ溫差電勢(thermaldifferentialpotential)

對于單一金屬，如果兩端的溫度不同，則溫度高端的自由電子向低端遷移，使單一金屬兩端產(chǎn)生不同的電位，形成電勢，稱為溫差電勢。其大小與金屬材料的性質(zhì)和兩端的溫差有關(guān)，可表示為

式中EA(T,T0)——金屬A兩端溫度分別為T與T0時的溫差電勢；

σA——溫差系數(shù)(temperaturedifferentialcoefficient)；

T、T0——高、低溫端的絕對溫度。(7-8)第7章熱電式傳感器圖7-8所示A、B兩種導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路，總的溫差電勢為

于是，回路的總熱電勢為

(7-9)(7-10)第7章熱電式傳感器由此可以得出如下結(jié)論：(1)如果熱電偶兩電極的材料相同，即NA=NB，σA＝σB，雖然兩端溫度不同，但閉合回路的總熱電勢仍為零。因此，熱電偶必須用兩種不同材料作熱電極。(2)如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫度相同，即T＝T0，閉合回路中也不產(chǎn)生熱電勢。第7章熱電式傳感器2.工作定律(lawsofoperation)(1)中間導(dǎo)體定律(lawofmiddleconductor)設(shè)在圖7-8的T0處斷開，接入第三種導(dǎo)體C，如圖7.9所示。若三個結(jié)點溫度均為T0，則回路中的總電勢為(僅有接觸電勢，沒有溫差電勢)

若A、B結(jié)點溫度為T，其余結(jié)點溫度為T0，而且T＞T0，則回路中的總熱電勢為三個接觸電勢與三個溫差電勢之和：(7-11)(7-12)顯然第7章熱電式傳感器由式(7-11)可得

將式(7-13)代入式(7-12)可得(7-13)(7-14)(7-14)式為中間導(dǎo)體定律的數(shù)學(xué)表達式。由此得出結(jié)論：導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時，只要保持其兩端溫度相同，則對回路總熱電勢無影響，這就是中間導(dǎo)體定律。利用這個定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個接點溫度一致就可以完成熱電勢的測量而不影響熱電偶的輸出。第7章熱電式傳感器(2)連接導(dǎo)體定律(lawofconnectingconductor)和中間溫度定律(lawofmiddletemperature)如課本168頁圖7-10所示，在熱電偶回路中，若導(dǎo)體A、B分別與導(dǎo)線A’、B’相接，接點溫度分別為T、Tn、T0，則回路的總電勢為的T0處斷開，接入第三種導(dǎo)體C，如圖7.9所示。若三個結(jié)點溫度均為T0，則回路中的總熱電勢為

(7-15)其中，上面四個為接觸電勢，下面四個為溫差電勢。(7-16)第7章熱電式傳感器(7-18)將式(7-16)代入式(7-15)，我們得到：當(dāng)導(dǎo)體A與A’、B與B’材料分別相同時，則式(7-18)可寫為：(7-19)式(7-19)為中間溫度定律的數(shù)學(xué)表達式，即回路的總熱電勢等于與的代數(shù)和。Tn稱為中間溫度。中間溫度定律為制定分度表(indexingtable)奠定了理論基礎(chǔ)，只要求得參考溫度為0℃的“熱電勢—溫度”關(guān)系，就可以根據(jù)式(7-19)求出參考溫度不等于0℃的熱電勢。式(7-18)為連接導(dǎo)體定律的數(shù)學(xué)表達式。第7章熱電式傳感器(3)參考電極定律(lawofreferenceelectrode)如課本169頁圖7-11所示的參考電極定律示意圖，C為參考電極，接在熱電偶A、B之間，形成三個熱電偶組成的回路。

(7-21)(7-20)因為：于是：(7-22)式中：同理：第7章熱電式傳感器因此：(7-23)(7-23)式為參考電極定律的數(shù)學(xué)表達式。這表明兩電極A、B配對后的熱電勢為它們分別與參考電極C配對時的熱電勢之差。利用該定律可大大簡化熱電偶選配工作，只要已知有關(guān)電極與標(biāo)準(zhǔn)電極配對的熱電勢，即可求出任何兩種熱電極配對的熱電勢而不需要測定。第8章光電式傳感器

Photoelectricsensors光電式傳感器通常由光源、光通路、光電元件和測量電路四部分組成，如圖8-1X1表示被測量能直接引起光量變化的檢測方式；

X2表示被測量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測方式。

光電傳感器是各種光電檢測(photoelectricinspection)系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換(optoelectronictransformation)的關(guān)鍵元件，它是把光信號轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。

圖8-1光電傳感器的組成形式8.1概述一、光譜（spectrumoflight）光波：波長為10—106nm的電磁波(electromagneticwave)可見光(visiblelights)：波長380—780nm第二節(jié)光源(lightsources)8.2光源

光是電磁波譜(Electromagneticwavespectrum)中的一員;

這些光的頻率(波長)各不相同;

都具有反射(reflection)、折射(refraction)、散射(dispersion)、衍射(diffraction)、干涉(interference)和吸收(absorption)等性質(zhì)。發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由半導(dǎo)體PN結(jié)(PNjunction)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。在半導(dǎo)體PN結(jié)中，P區(qū)的空穴(hole)由于擴散而移動到N區(qū)，N區(qū)的電子(electron)則擴散到P區(qū)，在PN結(jié)處形成勢壘(barrier)，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散(diffuse)。當(dāng)PN結(jié)上加有正向(forward)電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時伴隨著以光子(photon)形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。8.2光源

電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量Eg等于PN結(jié)的禁帶寬度。13.5激光檢測一.激光檢測的物理基礎(chǔ)激光的形成條件：(1)具有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(PopulationInversion)狀態(tài)的工作物質(zhì)——增益介質(zhì)(GainMedium)；(2)具有供給能量的激勵源(StimulationSource)；(3)具有提供反復(fù)進行受激輻射場所的光學(xué)諧振腔(OpticalResonanceCavity)。

激光的特性:(1)方向性強，亮度高(Greatdirectivity,highbrightness)

(2)單色性好(Goodmonochromaticity)

(3)相干性好(Goodcoherency)

激光(LASER)光電效應(yīng)Photoelectriceffect是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)(Externalphotoelectriceffect)和內(nèi)光電效應(yīng)(Internalphotoelectriceffect)兩大類。1、外光電效應(yīng)(Externalphotoelectriceffect)

在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出escape物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個光子(Photon)的能量：E=hνh—普朗克Planck常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率(s-1)8.3光電器件及特性

根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功(surfaceescapingwork)，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物(Metaloxide)，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。8.3光電器件及特性光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強(lightintensity)成正比。即光強愈大，入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。8.3光電器件及特性

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率(Resistivity)ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)(Photoconductivityeffect)和光生伏特效應(yīng)(Photovoltaiceffect)兩類：（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(Photoresistance)。2、內(nèi)光電效應(yīng)(Internalphotoelectriceffect)8.3光電器件及特性材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，電阻下降。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。

為了實現(xiàn)能級的躍遷(Transition)，入射光子(Incidencephoton)的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即8.3光電器件及特性（2）光生伏特效應(yīng)(Photovoltaiceffect)

在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池(Photoelectricbattery)和光敏二極管(Photodiode)、三極管(Phototransistor)。8.3光電器件及特性外光電效應(yīng)器件

利用物質(zhì)在光照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管(Photocell)和光電倍增管(Photomultipliertube)

。8.3光電器件及特性內(nèi)光電效應(yīng)器件

利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)(Electricconductivity)性能改變或產(chǎn)生電動勢(Electricpotential)的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。第9章光纖傳感器

Fiberopticsensors9.1.1光纖波導(dǎo)(waveguide)原理§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)

光纖的結(jié)構(gòu)一光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)構(gòu)成的光通路。光纖的結(jié)構(gòu)比較簡單，通常由纖芯(core)、包層(cladding)、涂覆層(coating)、護套(protectingsleeve)組成（如上圖所示）。其核心是由折射率(Refractiveindex)n1較大(光密介質(zhì)Opticallydensermedium)的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質(zhì)Opticallythinnermedium)的包層構(gòu)成的雙層同心(concentric)圓柱(column)結(jié)構(gòu)。纖芯直徑約為5～150微米。

光的全反射(totalreflection)現(xiàn)象是光纖傳光原理的基礎(chǔ)?！?.1光纖傳感器基礎(chǔ)

傳光原理二圖9-1根據(jù)幾何光學(xué)(GeometricOptics)原理，當(dāng)光線以較小入射角(Angleofincidence)θ1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(n1＞n2)時(見圖9.2)，一部分入射光以折射角(Angleofrefraction)θ2折射入介質(zhì)2，其余部分仍以θ1反射回介質(zhì)1。依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有：§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)圖9-2§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)圖9.2當(dāng)θ1角逐漸增大直至θ1=θc時，透射入介質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面(interface)傳播(θ2=90°)。對應(yīng)于θ2=90°時的入射角θ1稱為臨界角(Criticalangle)

θc；由式(9-1)有因此，當(dāng)θ1＞θc時，光線將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)(纖芯)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ)?！?.1光纖傳感器基礎(chǔ)圖9-1由Snell定律可導(dǎo)出光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角Initialmaximumangelofincidence)?！?.1光纖傳感器基礎(chǔ)

因此，光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角(CriticalAngle)(始端最大入射角)§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)NA定義為“數(shù)值孔徑(NumericalAperture)”，是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無論光源發(fā)射功率多大，只有2θc0張角內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖集光能力(lightcollectingcapability)愈強。（9-3）2、塑料光纖Plasticfiber1、玻璃光纖Glassfiber

光纖的種類三按材料性質(zhì)分§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)1、階躍型階躍型纖芯的折射率不隨半徑而變，但在纖芯與包層界面處有突變。2、漸變型折射率沿徑向由中心向外由大漸小，至界面處與包層折射率一致。因此，這類光纖有聚焦作用；光線傳播軌跡近似于正弦波。按折射率分圖9.4§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)圖9.3§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)按傳播模式分1、單模光纖多用于功能型（FF）光纖傳感器。2、多模光纖多用于非功能型（NF)光纖傳感器。引起光纖損耗的因素可歸結(jié)為吸收損耗(Absorptionloss)和散射損耗(Dispersionloss)兩類。物質(zhì)的吸收作用使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光功能的損失。散射損耗是由于光纖的材料及其不均勻性或其幾何尺寸的缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率隨機性變化所致。光導(dǎo)纖維的彎曲也會造成散射損耗?！?.1光纖傳感器基礎(chǔ)光纖的色散是表征光纖傳輸特征的一個重要參數(shù)，它反映傳輸帶寬(TransmissionBandWidth)，關(guān)系到通訊信息的容量和品質(zhì)。光纖的色散就是輸入脈沖在光纖傳輸過程中，由于光波的群速度(GroupVelocity)不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象(PulseExpansion)。光纖色散使傳輸?shù)男盘柮}沖發(fā)生畸變(Distortion)

，從而限制了光纖的傳輸帶寬。光纖色散分三種：

材料色散(MaterialDispersion)

、波導(dǎo)色散(WaveguideDispersion)

、多模色散(MultimodeDispersion)

色散(Chromaticdispersion)二§9.1光纖傳感器基礎(chǔ)材料色散(MaterialChromaticDispersi