第十一章傳感器基礎(chǔ)

第十一章傳感器基礎(chǔ)本章學(xué)習(xí)要求：1、掌握傳感器的基本概念和分類方法，電阻式、壓電式傳感器的工作原理及其應(yīng)用；2、理解其它新型傳感器的工作原理及其應(yīng)用，傳感器的選用原則；3、了解傳感器后接處理電路，傳感器的結(jié)構(gòu)，傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。溫度傳感器

（1）國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的定義：傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)。（2）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的定義：傳感器是能感受規(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。（3）廣義定義：傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件或裝置。（4）狹義定義：傳感器是將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。1.傳感器的定義傳感器的定義包括四個(gè)方面的內(nèi)容：（1）傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)。（2）它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等。（3）它的輸出是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，目前主要是電量。（4）輸出和輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且具有一定的精確度。傳感器在工業(yè)部門的應(yīng)用普及率己被國(guó)際社會(huì)作為衡量一個(gè)國(guó)家智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的重要標(biāo)志。

2.傳感器的重要性(1)人類處于信息時(shí)代，信息技術(shù)的三大支柱是測(cè)控技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，而傳感器技術(shù)是測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)?！皼]有傳感器技術(shù)就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界公認(rèn)。(2)傳感處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口。(3)科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過傳感器轉(zhuǎn)換成容易傳輸和處理的電信號(hào)。(4)科學(xué)技術(shù)越發(fā)達(dá)，其自動(dòng)化程度愈高，對(duì)傳感器的依賴愈大。人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經(jīng)過大腦的思維（信息處理），作出相應(yīng)的動(dòng)作。傳感器則相當(dāng)于人的五官部分。身體與機(jī)器人的對(duì)應(yīng)關(guān)系

傳感器在機(jī)器

人身上的分布

類別檢測(cè)內(nèi)容應(yīng)用目的傳感器件明暗覺是否有光，亮度多少判斷有無對(duì)象，并得到定量結(jié)果光敏管、光電斷續(xù)器色覺對(duì)象的色彩及濃度利用顏色識(shí)別對(duì)象的場(chǎng)合彩色攝影機(jī)、濾色器、彩色CCD位置覺物體的位置、角度、距離物體空間位置，判斷物體移動(dòng)光敏陣列、CCD等形狀覺物體的外形提取物體輪廓及固有特征，識(shí)別物體光敏陣列、CCD等接觸覺與對(duì)象是否接觸，接觸的位置決定對(duì)象位置，識(shí)別對(duì)象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停止，尋徑光電傳感器、微動(dòng)開關(guān)、薄膜接點(diǎn)、壓敏高分子材料壓覺對(duì)物體的壓力、握力、壓力分布控制握力，識(shí)別握持物，測(cè)量物體彈性壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料力覺機(jī)器人有關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩控制手腕移動(dòng)，伺服控制，正確完成作業(yè)應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠接近覺對(duì)象物是否接近，接近距離，對(duì)象面的傾斜控制位置，尋徑，安全保障，異常停止光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器滑覺垂直握持面方向物體的位移，重力引起的變形修正握力，防止打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)球形接點(diǎn)式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、振動(dòng)檢測(cè)器3.傳感器的構(gòu)成

敏感元件(sensingelement)：直接感受被測(cè)量，輸出與被測(cè)量(measured)成確定關(guān)系。

轉(zhuǎn)換元件(transfer

element)

：敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。

轉(zhuǎn)換電路(transfer

circuit)：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號(hào)(electricsignal)轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號(hào)的電路(circuit)。金屬絲電橋電路壓力變形變送器電壓標(biāo)準(zhǔn)電壓敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路電流標(biāo)準(zhǔn)電流輔助電源4、傳感器的基本要求

（1）傳感器要有足夠的容量—傳感器的工作范圍或量程足夠大，具有一定的過載能力；（2）傳感器要與系統(tǒng)匹配性好，靈敏度高—輸出量與被測(cè)量之間具有確定的線性關(guān)系；（3）傳感器實(shí)用性和適應(yīng)性強(qiáng)—對(duì)被測(cè)對(duì)象影響小，內(nèi)部噪聲小而又不受干擾；（4）傳感器反應(yīng)速度快，工作可靠性好；（5）傳感器精度適當(dāng)，穩(wěn)定性好—靜態(tài)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)要滿足要求；（6）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修容易，成本低。第二節(jié)電阻式傳感器(resistancesensor)電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器，可測(cè)量位移、加速度、力、壓力等各種參數(shù)。按工作的原理可分為：變阻器式(電位器式)、電阻應(yīng)變式傳感器兩種。

一、變阻器式傳感器(rheostatsensor)

(1)工作原理：通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。132xxp設(shè)：Rp-總電阻；xp-變阻總長(zhǎng)；x-電刷移動(dòng)量式中：

kR

—電位器的電阻靈敏度。如果電源電壓為U，則相應(yīng)電刷位移x的電壓輸出U0為：式中：

ku—電位器的電壓靈敏度。(線性關(guān)系)等效電路分析：Rp-總電阻；xp-變阻總長(zhǎng)；RL負(fù)載電阻；

Rx-x段包含的電阻；x-電刷移動(dòng)量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx演示:變阻器式傳感器仿真實(shí)驗(yàn)變阻器式傳感器仿真(2)變阻器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等)影響??；可以實(shí)現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關(guān)系；輸出信號(hào)大，一般不需放大。(3)變阻器式傳感器的缺點(diǎn)存在電刷(brush)與線圈(coil)或電阻膜之間摩擦，因此較大的輸入能量；由于磨損(wear)不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測(cè)量精度，分辨力較低；動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測(cè)量變化較緩慢的物理量。(4)應(yīng)用案例：玩具機(jī)器人原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化角位移測(cè)量二、電阻應(yīng)變式傳感器(resistancestrainsensor)電阻應(yīng)變式傳感器簡(jiǎn)稱電阻應(yīng)變計(jì)(resistancestraingage)

，常用來測(cè)量位移、壓力、加速度等參量。1、電阻應(yīng)變式傳感器特點(diǎn):

①精度高，測(cè)量范圍廣，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。②使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠,價(jià)格低廉，品種多樣；③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕；④頻率響應(yīng)較好，可用于靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。⑤應(yīng)變片粘貼在試件上對(duì)其工作狀態(tài)和應(yīng)力分布沒有影響⑥缺點(diǎn)：大應(yīng)變狀態(tài)下有較明顯的非線性；輸出信號(hào)較弱2、電阻應(yīng)變式傳感器工作原理設(shè)有一長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面積為A，電阻率為ρ的金屬絲，其電阻為：

取全微分：

是長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用應(yīng)變表示：

截面積相對(duì)變化量為：電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的形變效應(yīng)或半導(dǎo)體(semiconductor)的壓阻效應(yīng)。(1)形變效應(yīng)(distortioneffect)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，稱為金屬的形變效應(yīng)。(2)壓阻效應(yīng)(piezoresistiveeffect)半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率(resistivity)會(huì)發(fā)生變化而導(dǎo)致電阻改變，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。常見金屬應(yīng)變片材料

3、金屬電阻應(yīng)變片應(yīng)變計(jì)敏感元件：金屬導(dǎo)體工作原理：形變效應(yīng)

K=1.7～3.6(1)金屬電阻應(yīng)變片分類：①金屬絲式應(yīng)變片(wirestraingauge)敏感元件：柵狀金屬絲②金屬箔式應(yīng)變片(foilstraingauge)敏感元件：柵狀金屬箔片(2)金屬電阻應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性和溫度特性好(3)金屬電阻應(yīng)變片的缺點(diǎn)：靈敏度系數(shù)小，通常金屬電阻絲的K0=1.7～3.6。應(yīng)變計(jì)應(yīng)變計(jì)應(yīng)變計(jì)（一）金屬絲式電阻應(yīng)變片由敏感柵、引線、基底和履蓋層四部分組成。

敏感柵(sensitivegrid)它是應(yīng)變片的核心部分，是應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換元件。金屬絲應(yīng)變片是用直徑0.01-0.05mm的電阻絲(由康銅、銅鎳、鎳鉻、鉑銀合金、鉑鎢合金等)盤曲成柵狀。

基底(基片)和覆蓋層(蓋片)基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，覆蓋層(蓋片)既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵。常用的基底材料有紙基、布基和玻璃纖維布基等。

bl電阻絲式敏感柵引線覆蓋層(蓋片)基底(基片）Lb柵長(zhǎng)柵寬

粘接劑用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。常用的粘接劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類，有機(jī)粘接劑用于低溫，常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚酰亞胺等。無機(jī)粘接劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽等。

引線它是從應(yīng)變片的敏感柵引出的細(xì)金屬線。常用直徑約0.1-0.15mm的鍍錫銅線或扁帶形的其他金屬材料制成。對(duì)引線材料的性能要求為：電阻率低，電阻溫度系數(shù)小，抗氧化性能好，易于焊接。b×L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：3×20mm2，120Ω。（二）金屬箔式電阻應(yīng)變片主要是敏感柵的制造方法不同金屬箔式應(yīng)變片則是在0.003-0.01mm金屬箔上經(jīng)光刻腐蝕的方法做成柵狀，金屬箔的材料常用康銅和鎳鉻合金等。箔式應(yīng)變片具有如下優(yōu)點(diǎn):①可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸更準(zhǔn)確的敏感柵，其柵長(zhǎng)最小可做到0.2mm，以適應(yīng)不同的測(cè)量要求；②橫向效應(yīng)小；③散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；④蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)；⑤生產(chǎn)效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變片應(yīng)變計(jì)（一）原理：壓阻效應(yīng)

單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。

4、半導(dǎo)體應(yīng)變片

（二）材料制造半導(dǎo)體應(yīng)變片的材料有鍺、硅、銻化銦、磷化銦等，常見的半導(dǎo)體式應(yīng)變片的敏感柵多為鍺或硅。壓阻效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關(guān)，還與晶向有關(guān)。主要用于測(cè)量壓力和加速度等物理量。5、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(1)將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形情況，可利用形狀不同的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測(cè)部位，可測(cè)得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力校核或構(gòu)件破壞的預(yù)測(cè)等提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。橋梁應(yīng)力的測(cè)定

壓力和力的測(cè)定(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。這種傳感器常用來測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測(cè)量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。撓度與應(yīng)變情況成正比

應(yīng)變與振動(dòng)體的加速度成正比

位移傳感器

加速度計(jì)

電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。懸臂梁應(yīng)變式電子秤溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗1、電熨斗中的溫度傳感器對(duì)溫度的控制：1）達(dá)到設(shè)定溫度后將不再升溫；2）使用中溫度降低后自動(dòng)升溫到設(shè)定溫度；3）根據(jù)衣物不同設(shè)定不同的溫度。2、電熨斗中的傳感器：雙金屬片溫度傳感器3、電熨斗的結(jié)構(gòu)：上層金屬片的熱膨脹系數(shù)大于下層的金屬片。作用：控制電路的通斷雙金屬片溫度傳感器思考：雙金屬片溫度傳感器的作用是什么？實(shí)驗(yàn)研究：報(bào)廢的日光燈的啟動(dòng)器，去掉外殼，在充有氖氣的玻璃泡內(nèi)，可以看到一個(gè)U形的雙金屬片(動(dòng)觸片)，其旁邊有一根直立的金屬絲(靜觸片)。常溫下兩觸片處于分離，敲碎玻璃泡，用火焰靠近雙金屬片，其形狀發(fā)生變化，并與直立的金屬絲接觸；移走火焰，雙金屬片恢復(fù)原狀，兩者分開?！喈?dāng)于一個(gè)由溫度控制通斷的開關(guān)電熨斗中的雙金屬片工作原理根據(jù)熱脹冷縮，利用兩種金屬的膨脹性能的不同，常溫下兩觸點(diǎn)接觸，電路連通，電熱絲加熱。升溫后雙金屬片形狀發(fā)生變化，上層比下層膨脹大，雙金屬片向下彎曲，兩觸點(diǎn)處于分離，電路斷開，電熱絲停止加熱。這樣不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制溫度的目的。常溫下，上、下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的還是分離的？當(dāng)溫度過高時(shí)，雙金屬片將怎樣起作用？電熨斗中的雙金屬片工作原理熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設(shè)定不同的溫度，這是如何使用調(diào)溫旋鈕來實(shí)現(xiàn)的？根據(jù)衣物的不同，調(diào)節(jié)調(diào)溫旋鈕，使升降螺絲上下移動(dòng)，帶動(dòng)彈性銅片的升降，從而改變了兩觸點(diǎn)接觸的難易程度，實(shí)現(xiàn)控制溫度不同的目的。溫度傳感器的應(yīng)用——電飯鍋1、電飯鍋中的溫度傳感器：主要元件是感溫鐵氧體2、感溫鐵氧體是用氧化錳MnO2、氧化鋅ZnO和氧化鐵Fe2O3粉末混合燒結(jié)而成，特點(diǎn)是常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引；升溫后，約達(dá)103℃

(稱為居里溫度或居里點(diǎn))時(shí)，就會(huì)失去磁性，不能被磁體吸引。3、電飯鍋的結(jié)構(gòu)：1、開始煮飯時(shí)，用手壓下開關(guān)按鈕，利用感磁體常溫下的鐵磁性，可知永磁體與感溫磁體將相吸，手松開后，按鈕不再恢復(fù)到圖示狀態(tài)，即觸點(diǎn)連通。2、水沸騰后，鍋內(nèi)保持100℃不變，故感溫磁體仍與永磁體相吸，繼續(xù)加熱，鍋內(nèi)大致保持100℃不變。3、飯熟后，水分被大米吸收，鍋底溫度升高，當(dāng)溫度升至“居里點(diǎn)103℃”時(shí)，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點(diǎn)分離，切斷電源，從而停止加熱。當(dāng)溫度降低后，再次感溫磁體與永磁體相吸，繼續(xù)加熱······電飯鍋中的感溫磁體工作原理請(qǐng)問生活中能用電飯鍋燒開水嗎？思考與討論

如果用電飯鍋燒水，水沸騰后，鍋內(nèi)保持1000C不變，溫度低于“居里點(diǎn)1030C”，電飯鍋不能自動(dòng)斷電，只有水燒干后，溫度升高到大約1030C時(shí)才能自動(dòng)斷電。第五節(jié)壓電式傳感器(piezoelectric

sensor)

一、壓電效應(yīng)(piezoelectric

effect)

某些物質(zhì)，如石英，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，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。1、正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

如果施加于壓電晶片的外力不變，積聚在極板上的電荷又無泄漏，那么在外力繼續(xù)作用時(shí)，電荷量將保持不變。這時(shí)在極板上積聚的電荷與力的關(guān)系為

：式中，q為電荷量；F為作用力(N)；D為壓電常數(shù)(C/N)，與材質(zhì)及切片的方向有關(guān)。2、逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)是指對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變器可用于電聲和超聲工程。

常見的壓電材料可分為兩類：即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。

壓電單晶體有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等);

多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(piezoelectric

ceramics)、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。天然形成的石英晶體外形壓電陶瓷外形壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測(cè)量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力壓電式傳聲器

金屬膜片與雙壓電晶體彎曲梁相連，膜片受到聲壓作用而變形時(shí)，雙壓電元件也產(chǎn)生變形，在壓電元件梁端面產(chǎn)生電荷。通過變換電路可以輸出電信號(hào)。第七節(jié)熱電式傳感器

溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。處于熱平衡狀態(tài)的所有熱力學(xué)系統(tǒng)都具有共同的宏觀性質(zhì)。這一宏觀特性用溫度表示即一切互為熱平衡的系統(tǒng)具有相同的溫度。溫度的微觀概念是大量分子運(yùn)動(dòng)平均強(qiáng)度的表示。分子運(yùn)動(dòng)愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過程都與溫度緊密相關(guān)。溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測(cè)量和控制的一個(gè)重要物理量。

溫度的測(cè)量方法通常分為兩大類，即接觸式測(cè)溫法和非接觸式測(cè)溫法。1、接觸式測(cè)溫法接觸式測(cè)溫是使被測(cè)物體與溫度計(jì)的感溫元件直接接觸，使其溫度相同，便可以得到被測(cè)物體的溫度。接觸式測(cè)溫時(shí)，由于溫度計(jì)的感溫元件與被測(cè)物體相接觸，吸收被測(cè)物體的熱量，往往容易使被測(cè)物體的熱平衡受到破壞。所以，對(duì)感溫元件的結(jié)構(gòu)要求苛刻，這是接觸法測(cè)溫的缺點(diǎn)，因此不適于小物體的溫度測(cè)量。2、非接觸式測(cè)溫法非接觸式測(cè)溫是溫度計(jì)的感溫元件不直接與被測(cè)物體相接觸，而是利用物體的熱輻射原理得到被測(cè)物體的溫度。

非接觸法測(cè)溫時(shí)，溫度計(jì)的感溫元件與被測(cè)物體有一定的距離，是靠接收被測(cè)物體的輻射能實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，所以不會(huì)破壞被測(cè)物體的熱平衡狀態(tài)，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度。但非接觸測(cè)量的精度較低。紅外線輻射溫度計(jì)用于食品溫度測(cè)量紅外線輻射溫度計(jì)用于人體額溫測(cè)量按照溫度測(cè)量范圍，可分為超低溫、低溫、中高溫和超高溫溫度測(cè)量。

超低溫一般是指0～10K；

低溫指10～800K；

中溫指800～1900K；

高溫指1900～2800K的溫度；

超高溫2800K以上的溫度。二、熱電偶溫度計(jì)1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小（又說明什么？）。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB熱電偶是當(dāng)前熱電測(cè)溫中普遍使用的一種感溫元件，它的工作原理是基于熱電效應(yīng)．1、熱電效應(yīng)由A、B兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密地接在一起，組成一個(gè)閉合回路。當(dāng)1、2兩接點(diǎn)的溫度不等（T>T0

）時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)，通常稱為熱電效應(yīng)。相應(yīng)的熱電勢(shì)稱為溫差電勢(shì)，通常稱為熱電勢(shì)。接點(diǎn)1稱為工作端或熱端(T)，測(cè)量時(shí)，將其置于被測(cè)的溫度場(chǎng)中。接點(diǎn)2稱為自由端或冷端（T0），測(cè)量時(shí)，其溫度應(yīng)保持恒定。

八種國(guó)際通用熱電偶：B:鉑銠30—鉑銠6

R:鉑銠13—鉑S:鉑銠10—鉑K:鎳鉻—鎳硅

N:鎳鉻硅—鎳硅E:鎳鉻—銅鎳J:鐵—銅鎳T:銅—銅鎳

幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì)

分度號(hào)

名稱

測(cè)量溫度范圍

1000C熱電勢(shì)/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——?熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法我國(guó)從1991年開始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國(guó)際溫標(biāo)”（簡(jiǎn)稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對(duì)應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。下頁(yè)附錄列出了工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。K熱電偶

的分度表

比較查出的3個(gè)熱電勢(shì)，可以看出熱電勢(shì)是否線性？普通裝配型

熱電偶外形安裝螺紋安裝法蘭演示：熱電偶結(jié)構(gòu)接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護(hù)管

6、熱電偶分類

普通熱電偶：普通熱電偶主要用于測(cè)量液體和氣體的溫度。鎧裝熱電偶：也稱纜式熱電偶，其特點(diǎn)是測(cè)量結(jié)熱容量小、熱慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、撓性好、強(qiáng)度高、抗震性好，適于用普通熱電偶不能測(cè)量的空間溫度。

薄膜熱電偶：用于測(cè)量固體表面小面積瞬時(shí)變化的溫度。其特點(diǎn)是熱容量小、時(shí)間常數(shù)小、反應(yīng)速度快。并聯(lián)熱電偶：它是把幾個(gè)同一型號(hào)的熱電偶的同性電極參考端并聯(lián)在一起，而各個(gè)熱電偶的測(cè)量結(jié)處于不同溫度下，其輸出電動(dòng)勢(shì)為各熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的平均值，所以這種熱電偶可用于測(cè)量平均溫度。

串聯(lián)熱電偶：這種熱電偶又稱熱電堆，它是把若干個(gè)同一型號(hào)的熱電偶串聯(lián)在一起，所有測(cè)量端處于同一溫度丁之下，所有連接點(diǎn)處于另一溫度之下，輸出電動(dòng)勢(shì)是每個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)之和。三、熱電阻溫度計(jì)熱電阻溫度計(jì)是利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的感溫電阻，把溫度的變化轉(zhuǎn)換成電阻值變化的傳感器。與電位器和應(yīng)變片不同，熱電阻和熱敏電阻正是利用電阻率的溫度系數(shù)，隨溫度的變化而變化的特點(diǎn)而工作的。

熱電阻溫度計(jì)被廣泛地用于低溫及中溫（-200～500℃）范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，隨著科技的發(fā)展，目前應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到1～5K的超低溫領(lǐng)域。同時(shí)，在1000～1200℃的高溫范圍內(nèi)，也具有較好特性。純金屬有正的溫度系數(shù)，溫度每升高1℃,電阻約增加0.4～0.6%，而半導(dǎo)體電阻率卻隨溫度升高而減少，即有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。在20℃時(shí)，溫度每變化1℃，電阻率卻要變化約-2%～-6%，它們都可用來制造熱電阻或熱敏電阻。

1.金屬電阻溫度計(jì)對(duì)于絕大多數(shù)金屬，電阻隨溫度升高而增大的特性方程為:式中：Rt,Rt0—分別為熱電阻在t℃和t0℃時(shí)的電阻值；a1,a2,......,an—熱電阻的溫度系數(shù)（1/℃）。

溫度系數(shù)ai在一定的溫度范圍內(nèi)，可以近似認(rèn)為為一個(gè)常數(shù)，不同的金屬導(dǎo)體，ai取值的范圍不同。通常情況下，它是溫度的函數(shù)。2.鉑熱電阻溫度計(jì)鉑絲在0℃以上，其電阻值與溫度之間具有較好的線性度。當(dāng)t=0～850℃時(shí)，鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系為:當(dāng)t=-200～0℃時(shí)，鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系為:式中：A,B,C為常數(shù).PT100,CU50熱電阻,K,E型熱電偶分度表Rt—溫度為t時(shí)的阻值；R0—溫度為0℃時(shí)的阻值；3.銅熱電阻溫度計(jì)銅熱電阻的阻值和溫度的關(guān)系為:

由此可見，銅熱電阻的線性主要取決于溫度t0時(shí)的電阻溫度系數(shù)a0。所以其線性較好。4.半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)半導(dǎo)體熱敏電阻與金屬熱電阻比較，有如下優(yōu)點(diǎn):(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，可測(cè)量微小的溫度變化值。例如，可以測(cè)出0.001℃—0.005℃的溫度變化。(2)體積小，熱慣性小，響應(yīng)快。例如，直徑可小到0.5mm，響應(yīng)時(shí)間可短到毫秒級(jí)。(3)元件本身的電阻值可達(dá)3—700kΩ，當(dāng)遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，導(dǎo)線電阻的影響可不考慮。(4)在-50℃—350℃時(shí)的溫度范圍內(nèi)，具有較好的穩(wěn)定性。由于半導(dǎo)體熱敏電阻比金屬熱電阻具有更高的電阻溫度系數(shù)，所以它有較高的靈敏度。同時(shí)，具有較好的動(dòng)態(tài)特性。半導(dǎo)體熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)（NTC）、臨界溫度系數(shù)（CTR）熱敏電阻等幾類。正溫度系數(shù)（PTC）：最高溫度<140℃

電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡(jiǎn)稱PTC熱敏阻器。它的主要材料是摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷。負(fù)溫度系數(shù)（NTC）：溫度范圍：（-50～300℃）電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器簡(jiǎn)稱NTC熱敏電阻器。它的材料主要是一些過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷。熱敏電阻式溫度傳感器多數(shù)屬于此類。臨界溫度系數(shù)（CTR）：不適合寬度范圍溫度測(cè)量。該類電阻器的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。溫度特性是熱敏電阻的基本特性，反映了其阻值與溫度之間關(guān)系這一基本性質(zhì)。NTC熱敏電阻與溫度之間的關(guān)系近似符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律，即:負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻的溫度特性:式中：T—被測(cè)溫度（K）；T0—參考溫度（K）；RT,R0—溫度分別為T和T0時(shí)的熱敏電阻值；B—熱敏電阻的材料常數(shù)，通?？捎蓪?shí)驗(yàn)獲得，一般B=2000－6000K，在高溫下使用時(shí)，B值將增大。NTC單晶金剛石、Ge、Si金剛石熱敏電阻多晶遷移金屬氧化物復(fù)合燒結(jié)體

、無缺陷形金屬氧化燒結(jié)體多結(jié)晶單體

、固溶體形多結(jié)晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物燒結(jié)體、ZrY氧化物燒結(jié)體、還原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物濺射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有機(jī)物芳香族化合物聚酰亞釉表面活性添加劑液體電解質(zhì)溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系熱電特性的一個(gè)重要指標(biāo)是熱敏電阻的溫度系數(shù)，即熱敏電阻在其本身溫度變化1℃時(shí)電阻值的相對(duì)變化量，用aT表示。

熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬絲的高很多，所以它的靈敏度較高。應(yīng)用溫控器熱敏電阻光電傳感器(photoelectric

sensor)通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)(photoelectric

effect)。

1905年德國(guó)－美國(guó)物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

第八節(jié)光電傳感器

超市收銀臺(tái)用激光掃描器檢測(cè)商品的條形碼是利用光電傳感器檢測(cè)原理.激光掃描器發(fā)出激光并被條形碼反射

在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。光電子逸出時(shí)所具有的初始動(dòng)能Ek與光的頻率有關(guān)，頻率高則動(dòng)能大。由于不同材料具有不同頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時(shí)，即使光線微弱也會(huì)有光電子發(fā)射出來，這個(gè)頻率限稱為“紅限頻率”。

由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。1、外光電效應(yīng)(external

photoelectric

effect)

基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射(photoemission)型器件，有光電管、光電倍增管等。光電管有真空光電管(photoelectric

tube)和充氣光電管。真空光電管工作原理光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料(如銫Cs)。當(dāng)光線照射到光敏材料(陰極)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)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流（光電流）。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。

K為光電陰極,A為光電陽(yáng)極,在二者之間又加入D1、D2、D3…等若干個(gè)光電倍增極(又稱二次發(fā)射極),這些倍增極涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏物質(zhì)。在工作時(shí),這些電極的電位是逐級(jí)增高的,當(dāng)光線照射到光電陰極后,它產(chǎn)生的光電子受第一級(jí)倍增極D1正電位作用,加速并打在這個(gè)倍增極上,產(chǎn)生二次發(fā)射;由第一倍增極D1產(chǎn)生的二次發(fā)射電子,在更高電位的D2極作用下,又將加速入射到電極D2上,在D2極上又將產(chǎn)生二次發(fā)射…,這樣逐級(jí)前進(jìn),一直到達(dá)陽(yáng)極A為止。由上述的工作過程可見,光電流是逐級(jí)遞增的,因此光電倍增管具有很高的靈敏度。光電倍增管(photomultiplier)工作原理

K受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化(即電阻值發(fā)生改變)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)。（1）光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(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(光電導(dǎo)型)和反向工作的光敏二極管(又稱光電二極管)、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型)。

2、內(nèi)光電效應(yīng)(internalphotoelectriceffect)

①光敏電阻(光導(dǎo)管)：光敏電阻(photosensitive

resistance)是一種電阻元件，具有靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬,機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。下圖為光敏電阻的工作原理圖。在黑暗的環(huán)境下,它的阻值很高,當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時(shí),電阻率變小。光敏電阻

②光敏二極管(photosensitive

diode)和光敏三極管(photosensitivetransistor)光敏二極管光敏二極管的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕ぷ鲿r(shí)應(yīng)加上反向電壓。當(dāng)無光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，只有很微弱的暗電流，此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止。當(dāng)有光照射時(shí)，反向電阻降低，反向電流大大增加，形成光電流。光照越強(qiáng)，光電流越大大。光電流通過負(fù)載RL時(shí)，在電阻兩端將得到隨入射光變化的電壓信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)光電功能轉(zhuǎn)換。

(2)光生伏特效應(yīng)(photovoltaic

effect)：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)。因此光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的，屬有源器件。以可見光作光源的光電池(photocell)是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光電池常用的材料，也可以使用鍺。3、光電式傳感器的應(yīng)用

光電式傳感器可以用來檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成份分析等，也可以用來檢驗(yàn)?zāi)苻D(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和相應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。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，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。被測(cè)量光信號(hào)電壓或電流光電元件被測(cè)物體位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測(cè)定被測(cè)參數(shù)。如測(cè)量液體、氣體的透明度、混濁度，對(duì)氣體進(jìn)行成分分析，測(cè)定液體中某種物質(zhì)的含量，測(cè)量厚度等。分類：按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。(1)模擬式光電傳感器光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、反射式、遮光式、輻射式四種基本形式。打開穿透式測(cè)厚儀原理-光電式演示恒定光源發(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)。例如測(cè)量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。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,減弱的程度與被測(cè)物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。利用這一原理可以測(cè)量長(zhǎng)度、厚度、線位移、角位移、振動(dòng)等。

光源發(fā)出的光，通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出。開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通過測(cè)量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測(cè)轉(zhuǎn)速，即

:n=60f/Z式中：n—轉(zhuǎn)速

f—脈沖頻率

Z—圓盤開孔數(shù)。案例8、光電測(cè)速方案一方案二問題：旋轉(zhuǎn)機(jī)械測(cè)量轉(zhuǎn)速有何意義？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)過一定的光路后作用在光電元件上。光電高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。這種方式也可以用于防火報(bào)警和構(gòu)成光照度計(jì)等。第十節(jié)其他傳感器一、氣敏電阻傳感器

氣敏傳感器是一種化學(xué)型傳感器，將檢測(cè)到的氣體成份和濃度后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器?？捎糜诨どa(chǎn)中氣體成份的檢測(cè)與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)與報(bào)警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測(cè)；煤氣泄漏；火災(zāi)報(bào)警；燃燒情況的檢測(cè)與控制等等。煙霧報(bào)警器酒精傳感器二氧化碳傳感器氣敏傳感器的種類較多，主要包括有:敏感氣體種類的氣敏傳感器、敏感氣體量的真空度氣敏傳感器，以及檢測(cè)氣體成分的氣體成分傳感器。由于半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用很廣。半導(dǎo)體氣敏傳感器大體上可分為兩類:電阻式和非電阻式。電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器工作原理

電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫(SnO2)、氧化錳(MnO2)等金屬氧化物制成敏感元件，當(dāng)它們吸收了可燃?xì)怏w的煙霧，如氫、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然氣、沼氣等時(shí)，發(fā)生還原反應(yīng)，放出熱量，使元件溫度增高，電阻發(fā)生變化。利用半導(dǎo)體材料的這種特性，將氣體的成分和濃度變換成電信號(hào)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。二、CCD圖象傳感器(image

sensor)

電荷耦合器(CCD：chargecoupleddevice)分為線陣器件和面陣器件兩種，其基本組成部分是MOS光敏元列陣和讀出移位寄存器。在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會(huì)感生出一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光生電荷圖像。這就是電荷耦合器件的光電效應(yīng)的基本原理。CCD傳感器用于非電量的測(cè)量，主要用途大致歸納為以下三個(gè)方面：(1)組成測(cè)試儀器可測(cè)量物位、尺寸、工件損傷、自動(dòng)焦點(diǎn)等。

(2)作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)(OCR)圖像識(shí)別技術(shù)、光譜測(cè)量及空間遙感技術(shù)等方面。

(3)作自動(dòng)流水線裝置中的敏感器件，例加可用于機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)車以自動(dòng)監(jiān)視裝置等方面。三、熱輻射檢測(cè)傳感器

絕對(duì)零度以上的物體都有輻射，其強(qiáng)度依賴于物體的溫度(K)，在此僅考慮黑體(blackbody)也稱全輻射體的輻射能和波長(zhǎng)的關(guān)系，即輻射輝度L(λ，T)。根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達(dá)式：

式中T為物體的溫度(K)，λ是熱輻射波長(zhǎng)(m)，C1,C2為普朗克第1、第2常數(shù)。應(yīng)用：

冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)的檢測(cè)問題。四、超聲波檢測(cè)傳感器

當(dāng)試件受外力或內(nèi)應(yīng)力作用時(shí)，缺陷處或結(jié)構(gòu)異常部位因應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形，其儲(chǔ)存能量的一部分以彈性應(yīng)力波的形式釋放出來，這種現(xiàn)象叫聲發(fā)射。利用聲發(fā)射信號(hào)來對(duì)材料或構(gòu)件缺陷進(jìn)行預(yù)報(bào)、判斷和評(píng)價(jià)。聲發(fā)射應(yīng)用范圍很廣，比較成功的應(yīng)用主要是壓力容器的安全評(píng)價(jià)。此外，聲發(fā)射技術(shù)還用作絕大部分金屬或非金屬材料性能研究，設(shè)備工況監(jiān)視、地下管道泄漏探測(cè)等。

1、聲波及其分類(1)次聲波infrasonicwave:振動(dòng)頻率低于20Hz的機(jī)械波次聲波人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。(2)聲波acousticwave:振動(dòng)頻率在20Hz-20KHz之間的機(jī)械波

美妙的音樂可使人陶醉。(3)超聲波ultrasonic:高于20KHz的機(jī)械波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。蝙蝠依靠超聲波捕食超聲波與聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。

超聲波霧化器

超聲波加濕器2、超聲波的物理性質(zhì)超聲波與一般聲波比較，振動(dòng)頻率高，波長(zhǎng)短，因而具有束射特性，方向性強(qiáng)，可以定向傳播，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的一般聲波，并具有很高的穿透能力。例如，在鋼材中甚至可穿透10米以上。超聲波在均勻介質(zhì)中按直線方向傳播，但到達(dá)界面或者遇到另一種介質(zhì)時(shí)，也像光波一樣產(chǎn)生反射和折射，并且服從幾何光學(xué)的反射、折射定律。超聲波在反射、折射過程中，其能量及波型都將發(fā)生變化。3、超聲波傳感器的類型

以超聲波為檢測(cè)手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器(實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換)。習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器(或稱壓電式超聲波探頭)和磁致式超聲波傳感器。(1)壓電式超聲波傳感器壓電材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變，產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)；相反，對(duì)這種材料施以外力，則會(huì)在表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷（內(nèi)部形成一定方向的電場(chǎng)），是正壓電效應(yīng)

。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f。的交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。(2)磁致式超聲波傳感器磁致式超聲波傳感器主要由鐵磁材料和線圈組成。超聲波的發(fā)射原理是：把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)射出超聲波，這是磁致伸縮效應(yīng)。其接收原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時(shí)，使磁致材料振動(dòng)，從而引起磁導(dǎo)率的改變，磁阻也相應(yīng)發(fā)生變化，這是壓磁效應(yīng)。繼而引起內(nèi)部磁場(chǎng)變化，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，使線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)輸出。4、超聲波傳感器的應(yīng)用

利用超聲波反射、折射、衰減等物理性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)液位、流量、粘度、厚度、距離以及探傷等參數(shù)的測(cè)量。所以，超聲波傳感器已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)療等各技術(shù)領(lǐng)域。超聲波探傷起始波缺陷反射波底波工件缺陷疊放高度測(cè)量

胎兒的

B超影像超聲波在醫(yī)學(xué)

檢查中的應(yīng)用圖所示為用超聲波傳感器(或稱超聲波探頭)測(cè)厚的工作原理，主控制器控制發(fā)射電路，按一定頻率發(fā)射出脈沖信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過放大后，一方面加于示波器上，另一方面激勵(lì)探頭，發(fā)出超聲波，至試件底面反射回來，再由同一探頭接收，接收到的超聲波信號(hào)也經(jīng)放大后與標(biāo)記發(fā)生器發(fā)出的定時(shí)脈沖信號(hào)同時(shí)輸入示波器，在示波器熒光屏上可以直接觀察到發(fā)射脈沖和接收脈沖信號(hào)，根據(jù)橫軸上的標(biāo)記信號(hào)，可以測(cè)出從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t,如果已知超聲波在試件中的傳播速度c，那么試件厚度h很容易求得,即h=ct/2。

打開進(jìn)行演示

五、濕度傳感器濕度傳感器(濕度計(jì)：hygrometer)是利用濕敏元件進(jìn)行濕度測(cè)量和控制的。濕敏元件利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化的原理而制成的。分類：氯化鋰濕敏元件、半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件、熱敏電阻濕敏元件、高分子膜濕敏元件等。高分子膜濕度傳感器工作原理

高分子膜濕度傳感器是以隨高分子膜吸收或放出水份而引起電導(dǎo)率或電容變化測(cè)量環(huán)境相對(duì)濕度的裝置。六、水份傳感器

水份是存在于物質(zhì)中水的數(shù)量，以百分比表示。該項(xiàng)指標(biāo)是掌握物質(zhì)保存狀態(tài)和質(zhì)量管理的指標(biāo)。水份傳感器是將水份量(即含水量)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)定和表示的傳感器。分類：水份傳感器(水份計(jì))有直流電阻型、高頻電阻型、電容率型、氣體介質(zhì)型、近紅外型、中子型和核磁共振型等，可根據(jù)被測(cè)物質(zhì)的種類、使用目的選用。七、光纖傳感器(optical

fiber

sensor)

由于光纖傳感器具有不受電磁場(chǎng)干擾、傳輸信號(hào)安全、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，而且具有高靈敏度、高精度、高速度、高密度、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下使用以及非破壞性和使用簡(jiǎn)便等等一些優(yōu)點(diǎn)。無論是在電量(電流、電壓、磁場(chǎng))的測(cè)量，還是在非電物理量(位移、溫度、壓力、速度、加速度、液位、流量等)的測(cè)量方面，都取得了驚人的進(jìn)展。光纖傳感器一般由三個(gè)環(huán)節(jié)組成，即信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的傳輸、信號(hào)的接收與處理。(1)信號(hào)的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成為便于傳輸?shù)墓庑盘?hào)。(2)信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)：利用光導(dǎo)纖維的特性將轉(zhuǎn)換的光信號(hào)進(jìn)行傳輸。(3)信號(hào)的接收與處理環(huán)節(jié)：將來自光導(dǎo)纖維的信號(hào)送入測(cè)量電路，由測(cè)量電路進(jìn)行處理并輸出。

光纖的全反射物性型光纖傳感器是利用光纖對(duì)環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號(hào)。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等等改變時(shí)，其傳光特性改變，如相位與光強(qiáng)，會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。因此，如果能測(cè)出通過光纖的光相位、光強(qiáng)變化，就可以知道被測(cè)物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。1）物性型光纖傳感器光纖傳感器分為物性型傳感器(或功能型functional

fiber

sensor)與結(jié)構(gòu)型傳感器(或非功能型nonfunctional

fiber

sensor)兩類。光纖傳感器的分類：圖(a)所示為光纖在均衡壓力作用下，由于光彈性效應(yīng)而引起光纖折射率、形狀和尺寸的變化，從而導(dǎo)致光纖傳播光的相位變化和偏振面旋轉(zhuǎn);圖(b)所示為光纖在點(diǎn)壓力作用下，"引起光纖局部變形，使光纖由于折射率不連續(xù)變化導(dǎo)致傳播光散亂而增加損耗，從而引起光振幅變化。

光纖流速傳感器由多模光纖、光源、銅管、光電二極管及測(cè)量電路所組成。多模光纖插入順流而置的銅管中，由于流體流動(dòng)而使光纖發(fā)生機(jī)械變形，從而使光纖中傳播的各模式光的相位發(fā)生變化，光纖的發(fā)射光強(qiáng)出現(xiàn)強(qiáng)弱變化。其振主幅的變化與流速成正比。

結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測(cè)元件與光纖傳輸回路及測(cè)量電路所組成的測(cè)量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。多普勒頻率△f與被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度ν成比例變化關(guān)系，從頻率分檢器中測(cè)得△f后，即可得到物體的運(yùn)動(dòng)速度。2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器光纖傳感器應(yīng)用相當(dāng)廣泛，尤其在下列情況下特別適應(yīng):(1)在高壓、電磁感應(yīng)噪音條件下的測(cè)試；(2)在危險(xiǎn)和環(huán)境惡劣條件下的測(cè)試；(3)在機(jī)器設(shè)備內(nèi)部的狹小間隙中的測(cè)試；(4)在遠(yuǎn)距離的傳輸中的測(cè)試。以光纖傳感器為核心的遠(yuǎn)距離測(cè)試系統(tǒng)在過程檢測(cè)和控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為當(dāng)前的重點(diǎn)研究課題。八、激光(laser)檢測(cè)技術(shù)當(dāng)激光照射到相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體上時(shí)，被物體散射（或反射）的光的頻率將發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)(Doppler

effect)。相應(yīng)地，將散射（或反射）的光的頻率與光源光頻率的差值稱為多普勒頻移。

多普勒頻移：

V：反射表面運(yùn)動(dòng)速度；λ：光源光波波長(zhǎng)；θ：物體運(yùn)動(dòng)速度方向與激光傳播方向夾角。由激光器發(fā)射出的單色平行光，經(jīng)透鏡聚集到被測(cè)流體內(nèi)。由于流體中存在著運(yùn)動(dòng)粒子，一些光被散射，散射光與未散射光之間產(chǎn)生頻移，它與流體速度成正比。圖中散射光由透鏡收集，未散射光由透鏡收集，最后在光電倍增管中進(jìn)行混頻后輸出交流信號(hào)。該信號(hào)輸入到頻率跟蹤器內(nèi)進(jìn)處理，獲得與多普勒頻移相應(yīng)的模擬信號(hào)，從測(cè)得的值可得到粒子運(yùn)動(dòng)速度，從而獲得流體流速。

打開進(jìn)行演示

九、核輻射檢測(cè)技術(shù)核輻射檢測(cè)技術(shù)是利用放射性同位素所發(fā)射的α、β、γ等射線與被測(cè)物質(zhì)的作用，如反散、吸收、電離或使物質(zhì)激發(fā)而射出新的射線（如X射線），若測(cè)得電離程度或接收反射后射線的強(qiáng)度及X射線的能譜和強(qiáng)度等，即可得到與被測(cè)物有關(guān)的物理量。

核輻射檢測(cè)系統(tǒng)一般有產(chǎn)生射線的放射源，檢測(cè)與物質(zhì)作用前后射線強(qiáng)度變化的探測(cè)器，對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行加工處理的測(cè)量電路和顯示裝置。核輻射檢測(cè)是基于以下原理工作：1．利用放射源的標(biāo)記作用將放射源放在被測(cè)物體上，若放射源和核輻射探測(cè)器間的距離變化，將使探測(cè)器接收的射線強(qiáng)度發(fā)生變化，根據(jù)射線強(qiáng)度變化可確定被測(cè)物的位置和運(yùn)動(dòng)情況。利用這一原理可測(cè)線位移、角位移、液位、流量和轉(zhuǎn)速等參數(shù)。2．利用被測(cè)物質(zhì)與核輻射的相互作用

核輻射與被測(cè)物質(zhì)有多種效應(yīng)。利用射線的透射效應(yīng)或熒光效應(yīng)能測(cè)物體厚度、流體密度和溫度、線位移和角位移等；用α、β射線的電離效應(yīng)可測(cè)量位移、氣體壓力和速度等；用中子和物質(zhì)的相互作用測(cè)厚度、液位、溫度和流速等。

3．射線攝影術(shù)

γ射線照射到被測(cè)物體，經(jīng)物體透射后的射線照射到底片上，進(jìn)行射線攝影。材料缺陷狀況能在底片的對(duì)比度中反映出來。4．利用穆斯鮑爾效應(yīng)

穆斯鮑爾效應(yīng)，即原子核對(duì)低能γ射線的無反沖共振吸收或共振發(fā)射現(xiàn)象。利用該效應(yīng)可進(jìn)行位移、速度、加速度、溫度、應(yīng)力的測(cè)量以及材料檢測(cè)等。十、生物傳感器

生物傳感器是近幾十年內(nèi)發(fā)展起來的一種新的傳感器技術(shù)。有人把21世紀(jì)稱為生命科學(xué)的世紀(jì)，也有人把21世紀(jì)稱為信息科學(xué)的世紀(jì)。生物傳感器正是在生命科學(xué)和信息科學(xué)之間發(fā)展起來的一個(gè)交叉學(xué)科。用固定化生物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器（biosensor）。

生物傳感器與傳統(tǒng)的各種物理傳感器和化學(xué)傳感器的最大區(qū)別，在于生物傳感器的感受器中含有生命物質(zhì)。例如，將一定的植物細(xì)胞或動(dòng)物細(xì)胞作為感覺器，可以制成各種細(xì)胞傳感器；用生物組織作感受器可制成組織傳感器（或稱為組織電極）；將一些特定的細(xì)胞器從細(xì)胞里分離出來作為感受器，可制成細(xì)胞器傳感器；將微生物作為感受器可制成生物傳感器；而將生物分子如蛋白質(zhì)、核酸等作為感受器，更成為當(dāng)代生物傳感器發(fā)展的主流。生物傳感器由分子識(shí)別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成，以分子識(shí)別部分去識(shí)別被測(cè)目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識(shí)別部分是生物傳感器選擇性測(cè)定的基礎(chǔ)。生物體中能夠選擇性地分辯特定物質(zhì)的物質(zhì)有酶、抗體、組織、細(xì)胞等。這些分子識(shí)別功能物質(zhì)通過識(shí)別過程可與被測(cè)目標(biāo)結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原的結(jié)合，酶與基質(zhì)的結(jié)合。在設(shè)計(jì)生物傳感器時(shí)，選擇適合于測(cè)定對(duì)象的識(shí)別功能物質(zhì)，是極為重要的前提。要考慮到所產(chǎn)生的復(fù)合物的特性。根據(jù)分子識(shí)別功能物質(zhì)制備的敏感元件所引起的化學(xué)變化或物理變化，去選擇換能器，是研制高質(zhì)量生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)。敏感元件中光、熱、化學(xué)物質(zhì)的生成或消耗等會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化量。根據(jù)這些變化量，可以選擇適當(dāng)?shù)膿Q能器。生物傳感器主要有下面兩種分類命名方式1．根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件即敏感元件可分為五類：酶?jìng)鞲衅鳎╡nzymesensor），微生物傳感器（microbialsensor），細(xì)胞傳感器（organallsensor），組織傳感器（tis-suesensor）和免疫傳感器（immunolsensor）。顯而易見，所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個(gè)體、細(xì)胞器、動(dòng)植物組織、抗原和抗體。2．根據(jù)生物傳感器的換能器即信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類有：生物電極（bioelectrode）傳感器，半導(dǎo)體生物傳感器（semiconductbiosensor），光生物傳感器（opticalbiosensor），