測試技術(shù) 傳感器的基本類型及其工作原理

測試技術(shù)傳感器的基本類型及其工作原理第1頁/共114頁輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件，是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件，敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器的組成第一節(jié).概述第2頁/共114頁傳感器的分類

第一節(jié).概述（1）按被測物理量分類（2）按測量原理分類（3）按輸出信號性質(zhì)分類被測量為壓力、溫度、速度等物理量，相應(yīng)的為壓力傳感器、溫度傳感器等基于物理學(xué)現(xiàn)象，如電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器等模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器第3頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器

電阻式傳感器：將被測的量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓囊环N傳感器。一、金屬應(yīng)變式傳感器金屬電阻應(yīng)變計效應(yīng)：金屬導(dǎo)體（電阻絲）的電阻值隨其變形（伸長或縮短）而發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象。已知導(dǎo)體（一根圓截面的金屬絲）的電阻：dlF金屬絲的原始電阻金屬絲的原始電阻率金屬絲的原始長度金屬絲的原始橫截面積第4頁/共114頁上式中：為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量；為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量由材料力學(xué)得：

式中：μ為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.3～0.5左右可得到：上式說明：電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變和本身特有的導(dǎo)電性能第二節(jié).電阻式傳感器一、金屬應(yīng)變式傳感器設(shè)金屬絲在外力作用下沿軸線伸長，伸長量設(shè)為△l

，并因此截面積變化△A

，電阻率的變化為△ρ

，相應(yīng)的電阻變化為dR

。對式全微分得電阻變化率dR/R為：第5頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器一、金屬應(yīng)變式傳感器1—引出線2—敏感柵3—覆蓋層4—基底（a）金屬絲短接式；（b）金屬箔式；（c）用于扭矩測量；（d）用于流體壓力測量第6頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器一、金屬應(yīng)變式傳感器—粘貼技術(shù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）第7頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器一、金屬應(yīng)變式傳感器—粘貼技術(shù)（7）（8）（9）（10）（11）（12）第8頁/共114頁為構(gòu)件線脹系數(shù)第二節(jié).電阻式傳感器一、金屬應(yīng)變式傳感器—溫度誤差溫度誤差①溫度變化引起的應(yīng)變片電阻變化②溫度變化引起應(yīng)變片變形，產(chǎn)生附加應(yīng)變附加應(yīng)變的影響構(gòu)件的線脹伸長量為應(yīng)變片處于自由狀態(tài)為應(yīng)變片線脹系數(shù)應(yīng)變片產(chǎn)生附加變形溫度對電阻的影響溫度引起的電阻變化第9頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器一、金屬應(yīng)變式傳感器—溫度補償溫度補償方法①橋路補償法②應(yīng)變片自補償法選擇特定的應(yīng)變片采用雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片熱敏電阻補償應(yīng)變片測量電路取值則有：第10頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器一、金屬應(yīng)變式傳感器—溫度補償?shù)?1頁/共114頁選擇材料時滿足第二節(jié).電阻式傳感器一、金屬應(yīng)變式傳感器—應(yīng)變片自補償①選擇特定的應(yīng)變片②采用雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片選擇材料時滿足則可實現(xiàn)溫度補償雙金屬絲敏感柵③熱敏電阻補償法第12頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器二、半導(dǎo)體式壓阻傳感器很多固體材料受到應(yīng)力作用，電阻率會發(fā)生變化，稱為壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)最為明顯，如硅/鍺壓阻式傳感器ａ）結(jié)構(gòu)圖ｂ）主要元件硅環(huán)

壓力傳感器第13頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器二、半導(dǎo)體式壓阻傳感器壓阻式加速度傳感器當質(zhì)量塊受加速度作用時，硅梁根部受應(yīng)力作用.第14頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器電阻應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變式力傳感器電阻式壓力傳感器電阻式壓力傳感器第15頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器三、電位計式傳感器

用于角位移和線位移測量的電阻式傳感器

這類傳感器通常以電位計的形式接入測量電路，稱為電位計式傳感器第16頁/共114頁第二節(jié).電阻式傳感器三、電位計式傳感器電位計式傳感器原理圖非線性相對誤差為：令與呈非線性關(guān)系第17頁/共114頁非線性相對誤差第二節(jié).電阻式傳感器三、電位計式傳感器當位移量時,得最大相對誤差為負載電阻越大，相對誤差越小第18頁/共114頁四、氣敏傳感器第二節(jié).電阻式傳感器五、濕敏傳感器

半導(dǎo)體氣敏元件與被測氣體接觸后，會造成半導(dǎo)體性質(zhì)的變化，以此特性來檢測氣體的成分的傳感器，稱為氣敏傳感器。

有些材料的電阻值會隨空氣濕度的變化而變化，利用此原理制成的傳感器，稱為濕敏電阻傳感器。第19頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器

電感式傳感器，利用線圈自感或互感的變化，把被測物理量如位移、振動、壓力、流量等轉(zhuǎn)換為線圈上電感量變化的傳感器。電感式傳感器互感式電感傳感器自感式電感傳感器變氣隙式電感傳感器變截面式電感傳感器螺管式電感傳感器第20頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、自感式電感傳感器—變氣隙式電感傳感器自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)線圈電感量線圈匝數(shù)；磁路的總磁阻如果氣隙厚度較小，則總磁阻值為：第21頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、自感式電感傳感器—變氣隙式電感傳感器靈敏度S為變隙式電壓傳感器的L-δ特性

難度可見δ值越小，靈敏度越高

為了保證線性度，變氣隙式傳感器只能工作在一段比較小的區(qū)域內(nèi)第22頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、自感式電感傳感器—變氣隙式電感傳感器的應(yīng)用變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖第23頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、自感式電感傳感器—變氣隙式電感傳感器的應(yīng)用變隙式差動電感壓力傳感器第24頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、自感式電感傳感器—變截面式電感傳感器123

被測物體帶動銜鐵作線位移或角位移時，磁路中氣隙截面積發(fā)生變化，變化量為△A

上式中，線圈匝數(shù)，氣隙厚度不變，L是氣隙截面積A的函數(shù)

靈敏度變截面式第25頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、自感式電感傳感器—螺管式電感傳感器rx螺旋管鐵心單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖l

螺管型自感傳感器：單線圈和差動式單線圈螺管型傳感器主要包括：螺管線圈和圓柱形鐵芯傳感器工作時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈自感值的變化，當用恒流源激勵時，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)第26頁/共114頁螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線rxl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx（l）

鐵芯在開始插入（x=0）或幾乎離開線圈時的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長度時的靈敏度小得多。這說明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。

第三節(jié).電感式傳感器一、自感式電感傳感器—螺管式電感傳感器第27頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、互感式電感傳感器

把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1-100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。第28頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、互感式電感傳感器—變隙式差動變壓器結(jié)構(gòu)變隙式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖第29頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、互感式電感傳感器—螺線管式差動變壓器螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖第30頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、互感式電感傳感器—變面積式差動變壓器變面積式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖第31頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、互感式電感傳感器—工作原理工作原理變隙式差動變壓器閉磁路變隙式差動變壓器的結(jié)構(gòu)如右圖所示，在A、B兩個鐵芯上繞有W1a=W1b=W1的兩個初級繞組和W2a=W2b=W2兩個次級繞組。兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。第32頁/共114頁第三節(jié).電感式傳感器一、互感式電感傳感器變隙式差動變壓器輸出特性變隙式差動變壓器等效電路

第33頁/共114頁第四節(jié).電容式傳感器

電容式傳感器是將被測物理量的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

上式中：ε0—真空的介電常數(shù)；

s—極板的遮蓋面積；ε—極板間相對介電系數(shù)；δ—兩平行極板間的距離。兩極板間的電容量第34頁/共114頁第四節(jié).電容式傳感器一、變極板間隙型電容傳感器傳感器固定一塊極板，而使另一塊極板移動，從而來改變間隙δ以引起電容的變化設(shè)間隙有一改變量Δδ，則有：

電容傳感器的靈敏度

實際應(yīng)用中為提高傳感器的靈敏度，常采用差動式結(jié)構(gòu)第35頁/共114頁第四節(jié).電容式傳感器二、變面積型電容傳感器改變電容器極板面積獲取電容傳感器輸出變化第36頁/共114頁第四節(jié).電容式傳感器三、變介電常數(shù)型電容傳感器輸出電容C與液面高度成線性關(guān)系容器內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)容器上面氣體介質(zhì)介電常數(shù)第37頁/共114頁第四節(jié).電容式傳感器此方法可用來對不同材料如紙、塑料膜、合成纖維等的厚度進行測定三、變介電常數(shù)型電容傳感器—應(yīng)用此方法可用來測量位移第38頁/共114頁第五節(jié).壓電式傳感器一些物質(zhì)在外力作用下表面會產(chǎn)生電荷；壓電傳感器工作原理，基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)；壓電傳感器是力敏感元件，主要用于測量可轉(zhuǎn)換成力的物理量，如壓力、加速度等。一、工作原理—壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。壓電材料受力變形，在表面產(chǎn)生電荷—正壓電效應(yīng)

壓電材料通電壓，材料變形—逆壓電效應(yīng)

壓電材料壓電晶體壓電陶瓷第39頁/共114頁第五節(jié).壓電式傳感器F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－一、工作原理—壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)示意圖壓電效應(yīng)的可逆性逆壓電效應(yīng)電能機械能正壓電效應(yīng)第40頁/共114頁第五節(jié).壓電式傳感器(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片一、工作原理—

石英晶體x方向,為電軸；y方向,為力軸；Z方向,為光軸.第41頁/共114頁第五節(jié).壓電式傳感器二、工作原理—壓電元件連接方式(a)相同極性端粘結(jié)(b)不同極性端粘結(jié)

并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。

串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。第42頁/共114頁第五節(jié).壓電式傳感器二、工作原理—壓電傳感器的測量電路

壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。前置放大器作用：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。

壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。第43頁/共114頁第五節(jié).壓電式傳感器二、工作原理—電壓放大器等效等效電阻傳感器的電容值傳感器的絕緣電阻傳感器的分布電容放大器的輸入電阻放大器的輸入電容等效電容第44頁/共114頁第五節(jié).壓電式傳感器二、工作原理—電壓放大器壓電常數(shù)總電荷量經(jīng)電阻R

漏掉，獲得電壓e

，作用在晶片上的交變力使電容C充電獲得電壓e，第45頁/共114頁第五節(jié).壓電式傳感器二、工作原理—電壓放大器作用在壓電晶片上的是交變力解微分方程得不適合測靜態(tài)信號輸出隨F

變化，高頻特性好

與成正比，低頻特性差第46頁/共114頁第五節(jié).壓電式傳感器二、工作原理—電荷放大器電荷放大器是與輸出電荷量成正的前置放大器。將壓電傳感器視為電荷源。放大器的輸入端電壓放大器的輸出端電壓輸出僅與電荷量Q

和反饋電容Cf

有關(guān)，與增益A

和分布電容Cc

無關(guān).第47頁/共114頁第六節(jié).磁電式傳感器磁電式傳感器，把被測參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的傳感器。具有匝線圈的感應(yīng)電動勢的值，取決于穿過線圈的磁通量的變?nèi)A率，即感應(yīng)電動勢磁通量變化率線圈匝數(shù)磁場強度磁路磁阻線圈的運動速度第48頁/共114頁第六節(jié).磁電式傳感器（1）傳感器線圈在磁場中作直線運動，感應(yīng)電動勢為：

，磁場氣隙磁感應(yīng)強度；，線圈導(dǎo)線總的長度；，線圈和磁鐵間相對運動的線速度；，運動方向和磁感應(yīng)矢量間的夾角。

第49頁/共114頁（2）傳感器線圈在磁場中作旋轉(zhuǎn)運動，感應(yīng)電動勢為：第六節(jié).磁電式傳感器

，磁場氣隙磁感應(yīng)強度；，線圈導(dǎo)線總的截面積；，線圈和磁鐵間相對運動的角速度；，運動方向和磁感應(yīng)矢量間的夾角。

第50頁/共114頁（3）傳感器的輸出以感應(yīng)電動勢的頻率表示：

，輸出信號頻率；，被測件的轉(zhuǎn)速(r/min)

；，圓周上的齒數(shù)。第六節(jié).磁電式傳感器第51頁/共114頁

幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨本身溫度的變化而變化—熱電阻效應(yīng)根據(jù)電阻和溫度之間的函數(shù)關(guān)系，可以將溫度變化量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電參量，從而實現(xiàn)溫度的電測量利用這一原理制成的溫度敏感元件稱為熱電阻熱電阻材料可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻熱電式傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的傳感器。第七節(jié).熱電式傳感器最常用的兩種：①熱電阻：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器②熱電偶：將溫度變化轉(zhuǎn)化為電動勢變化一、熱電阻式傳感器第52頁/共114頁一、熱電阻式傳感器—金屬熱電阻第七節(jié).熱電式傳感器金屬熱電阻阻值，溫度為t

時電阻值在0～630.74℃范圍內(nèi)可用下式表示，溫度為0時電阻值，導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)金屬熱電阻例—鉑電阻在-190～0℃范圍內(nèi)為第53頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器金屬熱電阻例—銅電阻銅電阻阻值在-50～150℃的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度呈線性關(guān)系，其電阻與溫度的函數(shù)表達式為

熱電阻的結(jié)構(gòu)：（1）普通熱電阻（2）鎧裝熱電阻（3）薄膜熱電阻第54頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器一、熱電阻式傳感器—半導(dǎo)體熱電阻半導(dǎo)體熱電阻阻值，隨溫度升高而以指數(shù)關(guān)系急劇下降半導(dǎo)體電阻阻值，在某一溫度時的電阻值，絕對溫度為T

時的電阻值，常數(shù)

按物理特性，可分為三類：（１）負溫度系數(shù)的熱敏電阻，多用于溫度測量和補償；（２）正溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于恒溫、加熱控制或溫度開關(guān)；（３）臨界溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于溫度開關(guān)。第55頁/共114頁熱電效應(yīng)原理圖

熱電效應(yīng)：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路，將兩個接點中的一個進行加熱，使其溫度為T，而另一點置于室溫T0中，則在回路中會產(chǎn)生熱電勢，形成熱電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)

熱電偶：通常把兩種不同金屬的這種組合叫做熱電偶，A、B叫做熱電極，溫度高的接點叫做熱端或工作端，而溫度低的接點叫做冷端或自由端BAT0T第七節(jié).熱電式傳感器二、熱電偶第56頁/共114頁接觸電勢溫差電勢熱電勢

EAB(T,T0)ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)閉合回路總的熱電勢第七節(jié).熱電式傳感器二、熱電偶—熱電勢第57頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器二、熱電偶—四條基本定律均質(zhì)材料定律

如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢均為零；反之，如果有熱電動勢產(chǎn)生，兩個熱電極的材料則一定是不同的。

根據(jù)這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料的成分是否相同（稱為同名極檢驗法），也可以檢查熱電極材料的均勻性。第58頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器T0T0BTACT1CT0T1TBA材料C在A和B之間材料C在某一種導(dǎo)體中間2.中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。二、熱電偶—四條基本定律第59頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器二、熱電偶—四條基本定律BBATnT

T0AAB3.中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度分別為T、T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T、Tn和接點溫度分別為Tn、T0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。即：第60頁/共114頁二、熱電偶—四條基本定律第七節(jié).熱電式傳感器4.標準電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就可知T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC三種導(dǎo)體分別組成的熱電偶第61頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器二、熱電偶—常用熱電偶的結(jié)構(gòu)（1）普通裝配式熱電偶接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲1323214（2）鎧裝熱電偶（3）薄膜熱電偶第62頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器二、熱電偶—對熱電極材料的要求①測溫范圍內(nèi)熱電性能穩(wěn)定，測量結(jié)果不隨時間變化②測量范圍內(nèi)，電極材料有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性③熱電勢大，并與溫度成單值線性關(guān)系④電阻溫度系數(shù)?、莶牧蠌?fù)制性好，制造簡單，價格便宜材料熱電性質(zhì)

純金屬容易復(fù)制，但熱電動勢小

合金的熱電動勢不大，復(fù)制也困難

半導(dǎo)體熱電勢大，電阻的溫度系數(shù)太小，復(fù)制也較困難第63頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器二、熱電偶—熱電偶冷端溫度補償

當冷端溫度恒定，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只隨熱端（工作端T）溫度的變化而變化，一定的熱電動勢對應(yīng)著一定的溫度冷端T0受周圍環(huán)境溫度的影響，難以自行保持為0℃或某一定值。因此，為減小測量誤差，需對熱電偶冷端采取補償措施，使其溫度恒定BAT0T熱電效應(yīng)原理圖第64頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器二、熱電偶—冷端恒溫法mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管熱電偶冰點槽冰水溶液T0儀表冷端恒溫法—冰點槽法第65頁/共114頁二、熱電偶—補償導(dǎo)線法第七節(jié).熱電式傳感器mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液T0儀表補償導(dǎo)線補償導(dǎo)線法第66頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器二、熱電偶—冷端補償器法T0I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT0BU

回路輸出電壓為:U=E(T，T0)+(UA－UB)

只要能滿足下式即可達到自動補償?shù)哪康?/p>

第67頁/共114頁二、熱電偶—冷端溫度校正法第七節(jié).熱電式傳感器

若冷端溫度恒定，但并非0℃，要使測出的熱電動勢只反映熱端的實際溫度Tl

，則必須對溫度進行修正。

修正公式如下：查表查表實測第68頁/共114頁第七節(jié).熱電式傳感器二、熱電偶—熱電動勢的測量TnT0T0TnRiMRLERtT測溫電壓計單點測溫線路

流過測溫電壓計的電流為：第69頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器一、工作原理

光電傳感器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器

工作原理，利用某些金屬或半導(dǎo)體物質(zhì)的光電效應(yīng)特性光電效應(yīng)分為三類：①外光電效應(yīng)，在光線作用下電子逸出物質(zhì)表面，如光電管、光電AA倍增管②內(nèi)光電效應(yīng)，在光線作用下物體電阻率改變，光敏電阻③光生伏特效應(yīng)，在光線作用下物特產(chǎn)生一定方向電動勢，光電AA池、光敏晶體管第70頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器一、工作原理—光電傳感器的幾種形式①

輻射源A發(fā)出的光通量直接作用到光電元件上，并轉(zhuǎn)換為電信號應(yīng)用，光電高溫計、比色高溫計②

光通量通過被測物體B

到達光電元件上，光電元件上的光通量反映了被測物體對光的吸收程度應(yīng)用，透光式煙度計第71頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器一、工作原理—光電傳感器的幾種形式③

物體表面C反射光通量，光電元件感受反射的光通量度應(yīng)用，測量物體表面粗糙度④

光線被物體D所阻擋，光電元件感受的光通量隨物體D的位移發(fā)生變化應(yīng)用，測量位移⑤

光電元件反應(yīng)出在單位時間內(nèi)，通過光脈沖的數(shù)量應(yīng)用，光電轉(zhuǎn)速計第72頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光電管

光陽極光電陰極光窗光電管結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)：光電管它們由陰極和陽極構(gòu)成，密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，涂有光電發(fā)射材料。陽極置于玻璃管的中央

原理：光電管的陰極受光照射后，向真空發(fā)射光電子，光電子向陽極作加速運動，形成空間電子流，光電流的數(shù)值取決于陰極的靈敏度與光強第73頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光電管基本特性①光譜特性，不同波長的光照射光電管，光電管上產(chǎn)生大小不同的光電流，光電流I

與光波長λ

的關(guān)系曲線稱為光譜特性曲線②光電特性，光電管在固定陽極電壓下，光通量Φ

與光電流I之間的關(guān)系，稱為光電特性③伏安特性，光電管在光通量Φ

一定的情況下，陽極電壓與陽極電流的關(guān)系，稱為伏安特性第74頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光敏電阻光導(dǎo)效應(yīng)，由于光線照射強弱而導(dǎo)致半導(dǎo)體電阻值變化的現(xiàn)象暗電阻，光敏電阻在室條件下，無光照時具有的電阻值，稱為暗電阻（>1MΩ），此時流過的電流稱為暗電流亮電阻，光敏電阻在一定光照下所具有的電阻稱其為在該光照下的亮電阻（<1kΩ），此時流過的電流稱為亮電流光電流

=亮電流暗電流第75頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光敏電阻①光照特性，在一定的偏壓下，光敏電阻的光電流與照射光強之間的關(guān)系，稱為光敏電阻的光照特性②光譜特性，表征光敏電阻對不同波長的光其靈敏度不同的性質(zhì)第76頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光敏電阻③溫度特性，光照一定的條件下，光敏電阻的阻值隨溫度的升高而下降④伏安特性，在一定光照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與其光電流之的關(guān)系，稱為伏安特性第77頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光敏電阻⑤頻率特性光敏電阻光電流的變化存在一定慣性，用時間常數(shù)表示。時間常數(shù)，光敏電阻由黑暗突然受光照，其電導(dǎo)率變化到終值的63.2%

所需的時間不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數(shù)，其頻率特性也不相同第78頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光電池

光電池它有較大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/VIsc/mA短路電流①光照特性

開路電壓曲線，光生電動勢與照度之間的特性曲線

短路電流曲線，電流與照度之間的特性曲線

短路電流，指外接負載相對于光電池內(nèi)阻而言很小第79頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光電池204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm1—硒光電池2—硅光電池②光譜特性光電池的光譜特性決定于材料。從右圖中曲線可看出，硒光電池適用于λ=0.3-0.6μm，硅光電池適用于λ=0.4-1.1μm

實際使用中可根據(jù)光譜特性，選擇光電池第80頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光電池③頻率特性，光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。204060801000I/%1234512f/kHz1—硒光電池2—硅光電池第81頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光電池④溫度特性，指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，影響到測量或控制精度等主要指標當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC—開路電壓ISC—短路電流第82頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光敏二極管PPNbecRLE光敏二極管符號光敏二極管接線

光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好工作原理，受光照射時載流子增加第83頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光敏晶體管PN光RL

光PN光敏晶體管符號光敏晶體管接線

光敏三極管結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益，它的發(fā)射結(jié)一邊做的很大，以擴大光的照射面積，且其基極不接引線。第84頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光敏晶體管特性光敏晶體管的光照特性I/mAE/103lx0.51.01.52.02.000.51.01.5①

光照特性它給出了光敏三極管的輸出電流I

和照度E

之間的關(guān)系，它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。第85頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光敏晶體管特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?400080001200016000100806040200②光譜特性光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長入射光的波長增加時，光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對相對靈敏度要下降入射光的波長縮短時，光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，相對靈敏度也下降第86頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光敏晶體管特性0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080U/V③伏安特性

光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性

將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管第87頁/共114頁第八節(jié).光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)換元件—光敏晶體管特性0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調(diào)制頻率/HZ相對靈敏度/%④頻率特性光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng)。第88頁/共114頁第九節(jié).霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)進行測量AA的一種傳感器一、霍爾效應(yīng)

在置于磁場的導(dǎo)體或半導(dǎo)體時通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)。第89頁/共114頁第九節(jié).霍爾傳感器一、霍爾效應(yīng)設(shè)霍爾元件通電流I

時，受洛倫茲力靜電場的作用力流過霍爾元件的電流為，霍爾系數(shù)，霍爾靈敏度第90頁/共114頁第九節(jié).霍爾傳感器一、霍爾元件圖形符號外形結(jié)構(gòu)示意圖基本測量電路

直流激勵交流激勵

第91頁/共114頁第九節(jié).霍爾傳感器一、霍爾傳感器的典型應(yīng)用—轉(zhuǎn)速測量1—霍爾元件；2—永久磁體；3—被測物體第92頁/共114頁第九節(jié).霍爾傳感器一、霍爾傳感器的典型應(yīng)用—位移測量霍爾位移傳感器原理圖

霍爾元件處在極性相反、磁場強度相AA同的兩個磁鋼氣隙中

元件的控制電流

I

恒定時，沿x

方向AA的磁感應(yīng)強度的變化梯度d為常數(shù)

霍爾電動勢的變化與位移量AA成線性關(guān)系第93頁/共114頁第九節(jié).霍爾傳感器一、霍爾傳感器的典型應(yīng)用—接近開關(guān)1—霍爾傳感器2—永久磁鐵3—運動部件

永磁鐵與霍爾傳感器的軸線處于同一直線上永磁鐵隨動動部件移動到距傳感器一定距離時，傳感器的輸出由高電平變成低電平第94頁/共114頁第十節(jié).數(shù)字式傳感器

數(shù)字式傳感器，把被測模擬量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出AA的裝置，可直接與計算機系統(tǒng)相連數(shù)字式傳感器具有以下優(yōu)點：測量精度和分辨率高；抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；易于和計算機連接，便于信號處理和實現(xiàn)自動化測量；適宜于遠距離傳輸。第95頁/共114頁第十節(jié).數(shù)字式傳感器

數(shù)字傳感器編碼形式產(chǎn)生數(shù)字信號的代碼型計數(shù)型輸出離散脈沖的計數(shù)型代碼型代碼型計數(shù)型用計數(shù)器對脈沖進行計數(shù)第96頁/共114頁第十節(jié).數(shù)字式傳感器

數(shù)字傳感器，如角數(shù)字編碼器、光柵傳感器、感應(yīng)同步器

角數(shù)字編碼器增量式角數(shù)字編碼器絕對式角數(shù)字編碼器一、增量式角數(shù)字編碼器計數(shù)系統(tǒng)

增量式角數(shù)字編碼器具有計數(shù)系統(tǒng)，對脈沖信號進行加減，測量角位移或轉(zhuǎn)速第97頁/共114頁第十節(jié).數(shù)字式傳感器二、絕對式角數(shù)字編碼器

絕對式角數(shù)字編碼器將被測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，指示SS其絕對位置絕對式編碼器有接觸式、光電式和磁電式三種

右圖接觸式編碼器有四圈數(shù)字碼道，在圓周范圍內(nèi)編碼數(shù)為24=16個角度分辨率為：第98頁/共114頁第十節(jié).數(shù)字式傳感器格雷碼盤8421碼盤缺點：存在接觸摩擦，影響其使用壽命，還會AAAA產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電刷的跳動現(xiàn)象第99頁/共114頁二、絕對式角數(shù)字編碼器—光電編碼器第十節(jié).數(shù)字式傳感器1－光源4－狹縫板2－柱面透鏡5－光電元件3－編碼盤用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件第100頁/共114頁第十一節(jié).傳感器信號處理電路典型測量系統(tǒng)的組成直流電源測量系統(tǒng)信號調(diào)理電路現(xiàn)場物理量傳感器可用信號顯示裝置信號發(fā)生器示波器控制裝置模擬傳感器的輸出信號測量并顯示信號為系統(tǒng)各部分供電第101頁/共114頁第十一節(jié).傳感器信號處理電路傳感器的輸出信號往往很微弱，且波形不適當，不能直接用于工業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)