傳感器技術(shù)和應(yīng)用-教（學(xué)）案和習(xí)題

第一章引言

＞教學(xué)要求

1.掌握傳感器的基本概念。

2.掌握傳感器的組成框圖（p2,圖1.1）o

3.掌握傳感器的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。

4.了解傳感器的課程性質(zhì)和課程任務(wù)。

5.了解傳感器的分類和發(fā)展趨勢(shì)。

＞教學(xué)內(nèi)容

1.1傳感器的發(fā)展和作用

了解。

1.2什么是傳感器

傳感器定義：能夠感受規(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)

的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。顧名思義，傳感器的功能是一

感二傳，即感受被測(cè)信息，并傳送出去。根據(jù)傳感器的功能要求，它一般應(yīng)由三

部分組成，即：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路。

1.3傳感器的分類

1.根據(jù)被測(cè)物理量分類

速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。

2.按工作原理分類

應(yīng)變式、電壓式、電容式、渦流式、差動(dòng)變壓器式等。

3.按能量的傳遞方式分類

有源的和無源的傳感器。

1.4傳感器的性能和評(píng)價(jià)

1.4.1傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎胄盘?hào)不隨時(shí)間變化或變化非常緩慢時(shí)，

所表現(xiàn)出來的輸出響應(yīng)特性，稱靜態(tài)響應(yīng)特性。通常用來描述靜態(tài)特性的指標(biāo)有：

測(cè)量范圍、精度、靈敏度、穩(wěn)定性、非線性度、重復(fù)性、靈敏閾和分辨力、遲滯。

?穩(wěn)定性

傳感器的穩(wěn)定性，一是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量輸出值在一段時(shí)間內(nèi)的變化，即用所謂

的穩(wěn)定度表示；二是指在傳感器外部環(huán)境和工作條件變化時(shí)而引起輸出值的變

化，即用影響量來表示。

?靈敏度

傳感器靈敏度是表示傳感器的輸入增量與由它引起的輸出增量之間的函數(shù)

關(guān)系。更確切地說，靈敏度k等于傳感器輸出增量與被測(cè)量增量之比，是傳感器

在穩(wěn)態(tài)輸出輸入特性曲線上各點(diǎn)的斜率。用公式表示為：

k=*=曙=/'（x）

?靈敏閾與分辨力

靈敏閾是指?jìng)鞲衅髂軌騾^(qū)分出的最小讀數(shù)變化量。

對(duì)模擬式儀表，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是

輸出量的每個(gè)階梯所代表的輸入量的大小。對(duì)于數(shù)字式儀表，靈敏度閾就是分辨

力，即儀表指示數(shù)字值的最后一位數(shù)字所代表的值。

從物理含義看，靈敏度是廣義的增益，而靈敏度閾則是死區(qū)或不靈敏度。

?遲滯

傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中——輸入特性曲線不

重合的程度稱為遲滯。

?線性度

傳感器的輸出——輸入校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器

滿量程輸出之比，稱為該傳感器的“非線性誤差”或稱“線性度”，也稱“非線

性度”。

1.4.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。只要輸入量是時(shí)

間的函數(shù)，則其輸出量必將是時(shí)間的函數(shù)。研究動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)輸入形式有三種，

即正弦、階躍和線性，而經(jīng)常使用的是前兩種。

?零階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)

零階傳感器，其輸入量無論隨時(shí)間如何變化，其輸出量的幅值總是與輸入量

成確定的比例關(guān)系，在時(shí)間上也不滯后，幅角。等于零。所以零階傳感器的動(dòng)

態(tài)特性指標(biāo)就是靜態(tài)特性指標(biāo)。

?一階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)

一階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)有：靜態(tài)靈敏度和時(shí)間常數(shù)T。如果時(shí)間常數(shù)T

越小，系統(tǒng)的頻率特性就越好。在彈簧阻尼系統(tǒng)中，就要求系統(tǒng)的阻尼系數(shù)小，

而彈簧剛度要大。

?二階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)

二階傳感器的傳遞函數(shù)：

K

H(s)=

+殳?+】

頻率函數(shù)為：

K

砥刃）二一y

1-—卜2居——

①6g

幅頻特性為:

叵(〃。)|=—K

相頻特性為:

0（o）_arctg

上面各式中：

系統(tǒng)無阻尼時(shí)的固有振動(dòng)角頻率;

k——彈簧常數(shù)；

m——質(zhì)量；

7——相對(duì)阻尼系數(shù);

c——阻尼器阻尼系數(shù);

K——靜態(tài)靈敏度。

由于大多數(shù)傳感器均為二階系統(tǒng)，所以我們要專門討論二階系統(tǒng)的階躍響

應(yīng)。根據(jù)二階系統(tǒng)相對(duì)阻尼系數(shù)，的大小，將其二階響應(yīng)分成三種情況：既二＞1

時(shí)過阻尼；，=1時(shí)臨界阻尼；，＜1時(shí)欠阻尼。在一定的值下，欠阻尼系統(tǒng)比臨

界阻尼系統(tǒng)更快地達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；過阻尼系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，動(dòng)作緩慢，所以一般傳感

器都設(shè)計(jì)成欠阻尼。一般取值為0.6~0.8。

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第二章應(yīng)變式傳感器

＞教學(xué)要求

1.掌握電阻應(yīng)變效應(yīng)的基本概念。

2.掌握電橋原理與電阻應(yīng)變計(jì)橋路。

3.掌握應(yīng)變計(jì)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。

4.掌握溫度誤差產(chǎn)生的原因及其補(bǔ)償方法。

4.了解應(yīng)變計(jì)的分類和命名規(guī)則。

5.了解應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀。

＞教學(xué)內(nèi)容

2.1電阻應(yīng)變效應(yīng)

2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)

定義：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)

發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。設(shè)有一段長(zhǎng)為I,截面積為A,電阻率

為p的導(dǎo)體（如金屬絲），它具有的電阻為：

R—p—

A

式中：p—電阻絲的電阻率；I—電阻絲的長(zhǎng)度；A—電阻絲的截面積。

2.1.2應(yīng)變計(jì)的分類

了解。

2.1.3應(yīng)變計(jì)型號(hào)命名

了解。

2.2應(yīng)變計(jì)的主要特性

2.2.1應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)

當(dāng)具有初始電阻值的應(yīng)變計(jì)粘貼于試件表面時(shí)，試件受力引起的表面應(yīng)變，

將傳遞給應(yīng)變計(jì)的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化。實(shí)驗(yàn)證明，在一定的應(yīng)變范

圍內(nèi)，有下列關(guān)系：

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式中，k為電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)。

必須指出，應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長(zhǎng)應(yīng)變絲的靈敏度系數(shù)，

一般情況下，k<k0o這是因?yàn)椋趩蜗驊?yīng)力產(chǎn)生雙向應(yīng)變的情況下，女除受到

敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部

分橫向效應(yīng)的影響。應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)直接關(guān)系到應(yīng)變測(cè)量的精度。因此，值

通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下通過實(shí)測(cè)確定，該值稱為“標(biāo)稱

靈敏度系數(shù)”。

2.2.2橫向效應(yīng)

定義：在單位應(yīng)力、雙向應(yīng)變情況下，橫向應(yīng)變總是起著抵消縱向應(yīng)變的作

用。應(yīng)變計(jì)這種既敏感縱向應(yīng)變，又同時(shí)受橫向應(yīng)變影響而使靈敏系數(shù)及相對(duì)電

阻比都減小的現(xiàn)象，稱為橫向效應(yīng)。其大小用橫向效應(yīng)系數(shù)H（百分?jǐn)?shù)）來表示，

即：

Kv對(duì)軸向應(yīng)變的靈敏度系數(shù)：K、,為對(duì)橫向應(yīng)變的靈敏度系數(shù)。

減小橫向效應(yīng)的方法：采用直角線柵式應(yīng)變計(jì)或箔式應(yīng)變計(jì)。

2.2.3應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性

實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)械應(yīng)變波是以相同于聲波的形式和速度在材料中傳播的。當(dāng)它

依次通過一定厚度的基底、膠層（兩者都很薄，可忽略不計(jì)）和柵長(zhǎng)而為應(yīng)變計(jì)所

響應(yīng)時(shí)，就會(huì)有時(shí)間的遲后。應(yīng)變計(jì)的這種響應(yīng)遲后對(duì)動(dòng)態(tài)（高頻）應(yīng)變測(cè)量，就

會(huì)產(chǎn)生誤差。應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性就是指其感受隨時(shí)間變化的應(yīng)變時(shí)之響應(yīng)特性。

2.2.4其它特性參數(shù)

機(jī)械滯后

實(shí)用中，由于敏感柵基底和粘結(jié)劑材料性能，或使用中的過載，過熱，都會(huì)

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使應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生殘余變形，導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)輸出的不重合。這種不重合性用機(jī)械滯后（Zj）

來衡量。它是指粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在恒溫條件下增（加載）、減（卸載）試件

應(yīng)變的過程中，對(duì)應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變量（輸出）之差值，見圖2.1所示。

通常在室溫條件下，栗求機(jī)械滯后ZjV3?10口E。實(shí)測(cè)中，可在測(cè)試前通過多

次重復(fù)預(yù)加、卸載，來減小機(jī)械滯后產(chǎn)生的誤差。

三

G

3國(guó)

而?

笆W

匕

器

￡

(>00

才;機(jī)械出變2G

To￡t|嬴.

圖2.1應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后特性圖2.2應(yīng)變計(jì)的蠕變和

零漂特性

蠕變和零漂

粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在恒溫恒載條件下，指示應(yīng)變量隨時(shí)間單向變化的

特性稱為蠕變。如圖2.2中9所示。

當(dāng)試件初始空載時(shí)，應(yīng)變計(jì)示值仍會(huì)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象稱為零漂。如圖2.2

中的P。所示。蠕變反映了應(yīng)變計(jì)在長(zhǎng)時(shí)間工作中對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性，通常要求e

<3~15nSo引起蠕變的主要原因是，制作應(yīng)變計(jì)時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和工作中

出現(xiàn)的剪應(yīng)力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的“滑移”所致。選用彈性

模量較大的粘結(jié)劑和基底材料，適當(dāng)減薄膠層和基底，并使之充分固化，有利于

蠕變性能的改善。

應(yīng)變極限

應(yīng)當(dāng)知道，應(yīng)變計(jì)的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性，只有在一定的應(yīng)變限度

范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過某一限值時(shí)，應(yīng)變計(jì)的輸出特性將

出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變

極限。如圖2.3所示。應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變計(jì)測(cè)量范圍和過載能力的指標(biāo)，通常

要求5m"8000”。影響與小的主要因素及改善措施與蠕變基本相同。

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圖2.3應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變極限特性

2.3應(yīng)變計(jì)的粘貼

了解粘貼劑的選用要求，和常用粘合劑的選用原則：有機(jī)粘合劑通常用于低

溫、常溫合中溫，無機(jī)粘合劑用于高溫。

2.4電橋原理及電阻應(yīng)變計(jì)橋路

2.4.1直流電橋的特性方程及平衡條件

電橋的供橋電源電壓為，R2、R3和&為橋臂，Ri為負(fù)載內(nèi)阻，負(fù)載電流

4為：

2.4直流電橋

1_-RRT7

R[(R\+&)(&+&)+&R式&+&)+&&(號(hào)+&)

該

方程為直流電橋的特性方程。

4=0時(shí)電橋平衡，則平衡條件為：&&_&&=°

這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等或相對(duì)兩臂電阻的乘積

相等。

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2.4.2直流電橋的電壓靈敏度

應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小。要推動(dòng)記錄儀

工作，須將輸出電壓放大，為此必須了解AR/R與電橋輸出電壓的關(guān)系。

電橋靈敏度定義為:

單臂工作應(yīng)變片的電橋電壓靈敏度為:

2.4.3交流電橋的平衡條件和電壓輸出

Z1、Z2、Z3、Z4為復(fù)阻抗，U為交流電壓源，開路輸出電壓為U0,根據(jù)交

流電路分析（和直流電路類似）可得平衡條件為：ZiZ2=-^3^4

設(shè)4=舄+/泥=4。為

式中舄、xi——各橋臂電阻和電抗；4,用——各橋臂復(fù)阻抗的模

和幅角。因此，交流電橋的平衡條件必須同時(shí)滿足:

和的+仍=外+四

或&舄-冬&=W星3-X*和號(hào)工3+&星1=艮/+&工2

2.5交流電橋2.6交流電橋分布電容的影響

電橋的調(diào)平就是確保試件在未受載、無應(yīng)變的初始條件下，應(yīng)變電橋滿足平

衡條件（初始輸出為零）。在實(shí)際的應(yīng)變測(cè)量中，由于各橋臂應(yīng)變計(jì)的性能參數(shù)不

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可能完全對(duì)稱，加之應(yīng)變計(jì)引出導(dǎo)線的分布電容(其容抗與供橋電源頻率有關(guān))，

嚴(yán)重影響著交流電橋的初始平衡和輸出特性。因此，交流電橋平衡時(shí)，必須同時(shí)

滿足電阻和電容平衡兩個(gè)條件。

和R3c2=R4cl

對(duì)全等臂電橋，上式即為

RI=R2=R3=R4和CI=Cz

2.5溫度誤差及其補(bǔ)償

2.5.1溫度誤差產(chǎn)生的原因

用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，希望其電阻只隨應(yīng)變而變，而不受其它因素的影響。但實(shí)

際上環(huán)境溫度變化時(shí)，也會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生溫度誤差。應(yīng)變計(jì)的

溫度效應(yīng)及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應(yīng)所造成；后部分為敏感柵

與試件熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大時(shí)，這種熱輸出干擾必須加以補(bǔ)

償。

(1)敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度變化產(chǎn)生的溫度誤差

R,=凡(1+abt)=&+R“abt

(2)試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不一，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加形變而

造成的電阻變化。

=a心+玄(月-A)■垃

式中a,——敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；

K——應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)；

(3s,13,——分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)。

2.5.2溫度補(bǔ)償方法

常采用溫度自補(bǔ)償法和橋路補(bǔ)償法0

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溫度自補(bǔ)償法

這種方法是通過精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)熱輸出補(bǔ)償

的。

—=a+K(月—月)-bit

(1)單絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)由式可知，欲使熱

輸出為0,只要滿足條

件%="(網(wǎng)-自)

雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)

(2)雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)這種應(yīng)變計(jì)的敏感柵是由電阻溫度系數(shù)為一正一

負(fù)的兩種合金絲串接而成，如圖所示。應(yīng)變計(jì)電阻R由兩部分電阻凡和《組成，

即R=R,+Rb。當(dāng)工作溫度變化時(shí)，若R,柵產(chǎn)生正的熱輸出與凡柵產(chǎn)生負(fù)的熱

輸出Ebt,能大小相等或相近，就可達(dá)到自補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

橋路補(bǔ)償法

橋路補(bǔ)償法是利用電橋的和、差原理來達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

(1)雙絲半橋式

這種應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)與雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)雷同。不同的是，敏感柵是由同符號(hào)

電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串接而成，而且柵的兩部分電阻R,和Rz分別接入電

橋的相鄰兩臂上：工作柵R接入電橋工作臂，補(bǔ)償柵比外接串接電阻RB(不敏感

溫度影響)后接入電橋補(bǔ)償臂；另兩臂照例接入平衡電阻R3和如圖所示。當(dāng)

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溫度變化時(shí)，只要電橋工作臂和補(bǔ)償臂的熱輸出相等或相近，就能達(dá)到熱補(bǔ)償目

的，即：

雙絲半橋式熱補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)

⑵補(bǔ)償塊法

這種方法是用兩個(gè)參數(shù)相同的應(yīng)變計(jì)凡、R2OR,

貼在試件上，接入電橋工作臂，為貼在與試件同材料、

同環(huán)境溫度，但不參與機(jī)械應(yīng)變的補(bǔ)償塊上，接入電

橋相鄰臂作補(bǔ)償臂但3、%同樣為平衡電阻)，如圖2.19

所示。這樣，補(bǔ)償臂產(chǎn)生與工作臂相同的熱輸出，通

過差接橋，起了補(bǔ)償作用。這種方法簡(jiǎn)便，但補(bǔ)償塊

的設(shè)置受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的限制。

(3)熱敏電阻補(bǔ)償熱敏電阻孔與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片

的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，熱敏電阻R,的阻值下降，使電橋的輸入電壓隨

溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出電壓。選擇分流電阻Rs的值，可以使應(yīng)

變片靈敏度下降對(duì)電橋輸出的影響得到很好的補(bǔ)償。

2.6電阻應(yīng)變儀

電學(xué)應(yīng)變儀應(yīng)用最廣泛，它采用的電路可以是直流電橋式、交流電橋式或電

位計(jì)式，應(yīng)用最多的是交流電橋式電路并帶有載波放大器的形式。采用交流電橋

電路的應(yīng)變儀由電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器和電源部分組成。

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交流電格式應(yīng)變儀柬理方根圖

①電橋：將應(yīng)變計(jì)的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，以便放大器放大。通

常電橋由正弦振蕩器供電，其頻率為500赫?50千赫，較低頻率的被測(cè)應(yīng)變信號(hào)

對(duì)較高的頻率的電橋電壓進(jìn)行調(diào)幅，輸出一個(gè)窄頻帶的調(diào)幅波信號(hào)。②放大器：

對(duì)電橋輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，并以足夠的功率去推動(dòng)指示器和記錄

器。為提高放大器的穩(wěn)定性，一般采用交流載波放大器，直流放大器僅用于超動(dòng)

態(tài)應(yīng)變儀。③相敏檢波器：將放大后的調(diào)幅波還原為被測(cè)應(yīng)變信號(hào)波形，同時(shí)反

映被測(cè)應(yīng)變信號(hào)的方向，通常采用環(huán)形相敏檢波器。④濾波器：濾除相敏檢波

器輸出信號(hào)中的高次諧波分量，以獲得理想的輸出波形。⑤振蕩器：產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)

定的振蕩電壓，作為電橋供電電壓和相敏檢波器的參考電壓。

2.7應(yīng)變式傳感器

基本概念

1、應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。

2、彈性應(yīng)變：當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變。

3、彈性元件：具有彈性應(yīng)變特性的物體。

構(gòu)成

彈性敏感元件，應(yīng)變計(jì)（絲）。

工作原理

當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)

生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的

電阻值變化，通過測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。

2.7.2應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器

組成：彈性體，應(yīng)變計(jì)和外殼。

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分類：根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同可分為：柱式、橋式、輪輻式、梁式、環(huán)式等。

柱式：特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于加工，成本費(fèi)用低，密封性能良好，對(duì)

于潮濕環(huán)境很適用，可設(shè)計(jì)成壓式或拉式的，可以承受很大的載荷；其缺點(diǎn)是位

移量小、靈敏度低。

橋式：傳感器彈性體為橋式，其兩端用兩只螺栓緊固到下面的支撐體上，其

彈性體與支撐體之間有一間隙，為彈性體的受力變形空間。該類傳感器的特點(diǎn)如

下：由于傳感器與秤體之間的連接為要求很低的間隙配合，所以安裝方便，維護(hù)

簡(jiǎn)單，重復(fù)性好。

輪輻式：高度低、精度高、抗偏心載荷和側(cè)向力強(qiáng)。

剪切梁式：該類傳感器有以下特點(diǎn)：輸出信號(hào)不受稱重點(diǎn)位置變化的影響；

線性好、精度高；傳感器受拉伸與壓縮時(shí)，切應(yīng)力的幅度與分布基本相同，即傳

感器的拉伸、壓縮靈敏度基本相同，所以特別適用于同時(shí)受拉和壓的測(cè)量；外

形低、體積小、重量輕，易于安裝和維修；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于密封；抗側(cè)向力強(qiáng)。

板環(huán)式：特點(diǎn)是輸出靈敏度高、受力狀態(tài)穩(wěn)定、溫度均勻性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

易于加工，可制成拉壓2種型號(hào)，對(duì)于0.5?30噸的拉壓方式稱重傳感器，這種

方式是很好的。

應(yīng)變式壓力傳感器

組成：彈性元件，電阻應(yīng)變計(jì)和外殼及補(bǔ)償電阻。

分類：應(yīng)變式壓力傳感器所用彈性元件可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和測(cè)量范圍的不同而采用

各種型式，常見有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等。

應(yīng)變式加速度傳感器

加速度傳感器的構(gòu)成如圖：包括

了應(yīng)變片、彈簧片、質(zhì)量塊、外殼

和基座。

2.8幾種新型的微應(yīng)變式傳感器

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概念

壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就

稱為壓阻效應(yīng)。

化學(xué)氣相沉積(CVD):是半導(dǎo)體技術(shù)中一種常用的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，這種技術(shù)

使用化學(xué)的方法來沉積薄膜。

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第三章光電式傳感器

＞教學(xué)要求

1.掌握光電效應(yīng)的基本概念，內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。

2.掌握光傳感器的特性及其表示法。

3.掌握光電管，光電倍增管，光敏電阻，光電耦合器件的原理，結(jié)構(gòu)。

4.了解熱釋電效應(yīng)的原理。

5.了解其它光電傳感器的組成，原理和發(fā)展趨勢(shì)。

＞教學(xué)內(nèi)容

光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化

轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳

感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、

反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，

因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。

3.1光電效應(yīng)

光電效應(yīng)：它是光照射到某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)的電特性發(fā)生變化的一種物

理現(xiàn)象，可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類。

外光電效應(yīng)是指，在光線作用下物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的物理

現(xiàn)象。

內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。光電導(dǎo)效應(yīng)是指，半導(dǎo)

體材料在光照下禁帶中的電子受到能量不低于禁帶寬度的光子的激發(fā)而躍迂到

導(dǎo)帶，從而增加電導(dǎo)率的現(xiàn)象。能量對(duì)應(yīng)于禁帶寬度的光子的波長(zhǎng)稱光電導(dǎo)效應(yīng)

的臨界波長(zhǎng)。光生伏特效應(yīng)是指光線作用能使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的

現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)又可分為勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）和側(cè)向光電效應(yīng)。勢(shì)壘效

應(yīng)的機(jī)理是在金屬和半導(dǎo)體的接觸區(qū)（或在PN結(jié)）中，電子受光子的激發(fā)脫離勢(shì)

壘（或禁帶）的束縛而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下電子移向N

區(qū)外側(cè)，空穴移向P區(qū)外側(cè)，形成光生電動(dòng)勢(shì)。側(cè)向光電效應(yīng)是當(dāng)光電器件敏

感面受光照不均勻時(shí)，受光激發(fā)而產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的濃度也不均勻，電子向未

被照射部分?jǐn)U散，引起光照部分帶正電、未被光照部分帶負(fù)電的一種現(xiàn)象。

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基于外光電效應(yīng)的光電敏感器件有光電管和光電倍增管?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的

有光敏電阻?；趧?shì)壘效應(yīng)的有光電二極管和光電三極管。基于側(cè)向光電效應(yīng)的

有反轉(zhuǎn)光敏二極管。

3.2熱釋電效應(yīng)

所謂熱釋電效應(yīng)是指該種材料中自發(fā)極化的強(qiáng)度隨溫度的變化而變化的效

應(yīng)。電介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象即會(huì)使電介質(zhì)的一個(gè)表面帶

有正電荷而另一個(gè)表面帶有負(fù)電荷。

3.3光的吸收系數(shù)

了解。

3.4光傳感器的特性表示法

光電探測(cè)器的性能參數(shù)主要的有：積分靈敏度R,光譜靈敏度Ri,頻率靈敏

度R『，量子效率T1,通量閾4和噪聲等效功率NEP,歸一化探測(cè)度D*等。

光譜靈敏度R:R=—,如果是此常數(shù)，則相應(yīng)的探測(cè)器為無選擇性探

A明

測(cè)器，如：光熱探測(cè)器；反之，則為選擇性探測(cè)器，如光子探測(cè)器。

頻率靈敏度Rf：如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流將隨

調(diào)制頻率f的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf。

量子效率表示探測(cè)器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子書之比。

通量閾指探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)功率。通常認(rèn)為當(dāng)信號(hào)光電流i,等于

噪聲電流時(shí)，剛剛能測(cè)量到光電流存在。定義通量閾：Plh=-^(w)

&

噪聲等效功率NEP,單位信噪比時(shí)的信號(hào)光功率。噪聲等效功率越小，探測(cè)

器探測(cè)微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)。NEP=的加(w)

光譜特性

在入射光照度一定時(shí)，光電元件的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一

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種材料只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感，這就是光譜特性。

頻率特性

表征光電器件的動(dòng)態(tài)性能，反映了交變光照下器件的輸出特性，用響應(yīng)時(shí)間

來表o

伏安特性

在一定的光照下，對(duì)光電器件所加端電壓與光電流之間的關(guān)系稱為伏安特

性。它是傳感器設(shè)計(jì)時(shí)選擇電參數(shù)的依據(jù)。使用時(shí)應(yīng)注意不要超過器件最大允許

的功耗。

溫度特性

光電器件隨所處環(huán)境溫度的變化，其光電效應(yīng)的外在表現(xiàn)會(huì)發(fā)生變化。

3.5光電傳感器

3.5.1光電管

光電管原理是光電效應(yīng)。一種是半導(dǎo)體材料類型的光電管，它的工作原理光

電二極管又叫光敏二極管，是利用半導(dǎo)體的光敏特性制造的光接受器件。當(dāng)光照

強(qiáng)度增加時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增多，

如果二極管反偏，則反向電流增大，因此，光電二極管的反向電流隨光照的增加

而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態(tài)下。常見的半

導(dǎo)體材料有硅、錯(cuò)等。如我們樓道用的光控開關(guān)。還有一種是電子管類型的光電

管，它的工作原理用堿金屬（如鉀、鈉、鈍等）做成一個(gè)曲面作為陰極，另一個(gè)

極為陽(yáng)極，兩極間加上正向電壓，這樣當(dāng)有光照射時(shí)，堿金屬產(chǎn)生電子，就會(huì)形

成一束光電子電流，從而使兩極間導(dǎo)通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間

斷開。

3.5.2光電倍增管

光電倍增管是一種能將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器件。它

是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測(cè)器件。

光電倍增管是一種真空器件。它由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電

子倍增極及電子收集極（陽(yáng)極）等組成。典型的光電倍增管按入射光接收方式可

分為端窗式和側(cè)窗式兩種類型。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結(jié)構(gòu)圖。其

主要工作過程如下：

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圖1端窗型光電倍增管的剖面圖

當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極

電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的

電子用陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出。

因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測(cè)紫外、可見和近紅外

區(qū)的輻射能量的光電探測(cè)器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍

增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。

3.5.3光敏電阻

結(jié)構(gòu)：通常由光敏層、玻璃基片（或樹枝防潮膜）和電極等組成的。

特性：光敏電阻器是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對(duì)光線

十分敏感，它的電阻值能隨著外界光照強(qiáng)弱（明暗）變化而變化。它在無光照射

時(shí)，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光照射時(shí)，其電阻值迅速減小。

作用與應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)

報(bào)警電路等）、家用電器（如電視機(jī)中的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，照相機(jī)的自動(dòng)曝光控制

等）及各種測(cè)量?jī)x器中。

光敏電阻器種類：

1）按制作材料分類：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（CdS）、硒

化鎘（CdSe）、硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、錦化鈿（InSb）光敏電阻器等。

2）按光譜特性分類：

?可見光光敏電阻器：主要用于各種光電自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子照相機(jī)、光

報(bào)警等地。

?紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線探測(cè)儀器。

?紅外光光敏電阻器：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

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光敏電阻器的主要參數(shù)

1）亮電阻（kQ）：指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。

2）暗電阻（MQ）：指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時(shí)的電阻值。

3）最高工作電壓（V）：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。

4）亮電流：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時(shí)所通過的電流。

5）暗電流（mA）：指在無光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的

電流。

6）時(shí)間常數(shù)（s）:指光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63%時(shí)

所需的時(shí)間。

7）電阻溫度系數(shù)：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1℃時(shí)，其電阻值的相對(duì)

變化。

8）靈敏度：指光敏電阻器在有光照射和無光照射時(shí)電阻值的相對(duì)變化。

3.5.4光電二極管和光電三極管

光電二極管、光電三極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。光電二極管和

普通二極管一樣具有一個(gè)PN結(jié)，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明

的窗口以接枚光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，在電路圖中文字符號(hào)一般為VD。光電

三極管除具有光電轉(zhuǎn)換的功能外，還具有放大功能，在電路圖中文字符號(hào)一般為

VTo光電三極管因輸入信號(hào)為光信號(hào)，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個(gè)引腳

線。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個(gè)透明窗口，以接收光線照射。

光電二極管與光電三極管外殼形狀基本相同，其判定方法如下：

遮住窗口，選用萬用表R*1K擋，測(cè)兩管腳引線間正、反向電阻，均為無窮

大的為光電三極管。正、反向阻值一大一小者為光電二極管。

光電二極管檢測(cè)：首先根據(jù)外殼上的標(biāo)記判斷其極，外殼標(biāo)有色點(diǎn)的管腳或

靠近管鍵的管腳為正極，另一管腳為負(fù)載。如無標(biāo)記可用一塊黑布遮住其接收光

線信號(hào)的窗口，將萬用表置R*1K擋測(cè)出正極和負(fù)極，同時(shí)測(cè)得其正向電阻應(yīng)

在10K~20K間，其反向電阻應(yīng)為無窮大，表針不動(dòng)。然后去掉遮光黑布，光電二

極管接收窗口對(duì)著光源，此時(shí)萬用表表針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度大小說明其靈敏

度高低，偏轉(zhuǎn)角度越大，靈敏度越高。

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光電三極管檢測(cè)：光電三極管管腳較長(zhǎng)的是發(fā)射極，另一管腳是集電極。檢

測(cè)時(shí)首先選一塊黑布遮住起接收窗口，將萬用表置R*1K擋，兩表筆任意接兩管

腳，測(cè)得結(jié)果其表針都不動(dòng)（電阻無窮大），在移去遮光布，萬用表指針向右偏

轉(zhuǎn)至151r35K,其向又偏轉(zhuǎn)角度越大說明其靈敏度越高。

光電二極管和三極管的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)

間、溫度特性和頻率特性等來描述。

光電管的基本特性

光照特性：通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光

電流之間的關(guān)系。曲線1表示氧匏陰極：光照特性成線性關(guān)系曲線2表示錦匏陰

極：光照特性成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間

比）稱為光電管的靈敏度。

光電管的光照特性

光譜特性：由于光陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性。保

持光通量和陰極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系稱為光電管的光譜特

性。

一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，有不同的紅限頻率vO,對(duì)應(yīng)于不同

的光譜范圍。

同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同。

光譜特性：對(duì)不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極——光譜響應(yīng)

范圍。例如：錦憲陰極，其紅限入0=700nm,它對(duì)紫外線和可見光范圍的入射光

靈敏度比較高，適用于白光光源和紫外光源。對(duì)紅外光源，常用氧鈍陰極。

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%

、

知

野

球

女

云

I為氧艷陰極光譜特性，II為睇鈉陰極光譜特性，111為正常人的眼睛視覺特性

10-2-3

伏安特性：在一定的光照射下，對(duì)光電管的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電

流之間的關(guān)系——是應(yīng)用光電傳感器的主要依據(jù)參數(shù)。

當(dāng)極間電壓高于50V時(shí)，光電流開始飽和，所有的光電子都達(dá)到了陽(yáng)極。真

空光電管一般工作于飽和部分。

硅光電池構(gòu)造原理和圖示符號(hào)

3.5.5光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)變成電能的器件，又稱為太陽(yáng)能電

池。光電池常用的材料是硅和硒，也可以使用錯(cuò)、硫化鎘、碑化鎮(zhèn)和氧化亞銅等。

目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。

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結(jié)構(gòu)：硅光電池是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些

P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的P-N結(jié)，P層做得很薄，從而使光線能穿透照到P-N

結(jié)上。

工作原理：當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)

出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出

現(xiàn)電位差——光生電動(dòng)勢(shì)。

基本特性

1、光照特性

開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨

向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。

短路電流：指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。

負(fù)載電阻RL越小，光電流與照度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。

V

日O..46

、O.

目

想.3O.

鉀5

.2J2

知

州

果

米

20004000

光照度/lx

硅光電池的光照特性硅光電池光照特性與負(fù)載

的關(guān)系

2、光譜特性

光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在500nm附近，適宜測(cè)

可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1200nm,峰值波長(zhǎng)在800nm附近，因此可

在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。

0I500300045006000

400600800I0001200光的頻率/Hz

光的波長(zhǎng)/nm10-4-5

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光電池的光譜特性光電池的頻率特性

3、須率特性

光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常采用調(diào)制光輸入。光電池的頻率特性

就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。頻率特性與材料、結(jié)構(gòu)尺寸和使用條

件等有關(guān)。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。硅光電

池具有較高的頻率響應(yīng)，而硒光電池則較差。

4、溫度特性

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，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主

要指標(biāo)。當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。

硅光電池的溫度特性曲線

3.5.6PIN型硅光電二極管

3.5.7雪崩式光電二極管（APD）

3.5.8半導(dǎo)體色敏傳感器

3.5.9光電間流晶體管

3.5.10熱釋電傳感器

3.5.11達(dá)林頓光電三極管

3.5.13光導(dǎo)攝像管

以上各節(jié)均做了解。

3.5.12光電耦合器件

光電耦合器：發(fā)光元件和光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的

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轉(zhuǎn)換元件。以光為媒介進(jìn)行耦合來傳遞電信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)電隔離，在電氣上實(shí)現(xiàn)絕

緣耦合，因而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于它具有單向信號(hào)傳輸功能，因此適

用于數(shù)字邏輯中開關(guān)信號(hào)的傳輸和在邏輯電路中作為隔離器件及不同邏輯電路

間的接口。

光電耦合器的特點(diǎn)：

(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用于工作頻率50kHz以下的裝置。

(b)采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器，適用于較高頻率的裝置中。

(c)采用放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較

低頻率的裝置中。

組成與結(jié)構(gòu)：

(a)金屬封裝(b)塑料封裝

1163

3.5.14CCD圖像傳感器

電荷藕合器件圖像傳感器CCD(ChargeCoupIedDevice),它使用一種高

感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)

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字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因

而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需栗

和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD

表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所

產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。

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第四章光纖傳感器

>教學(xué)要求

1.掌握光導(dǎo)纖維的組成和光在光纖中傳播的原理。

2.掌握光纖的主要參數(shù)。

3.掌握強(qiáng)度型光纖傳感器和干涉型光纖傳感器的基本原理。

4.了解各類光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。

>教學(xué)內(nèi)容

4.1光導(dǎo)纖維(光纖)

4.1.1光纖的結(jié)構(gòu)

1.纖芯：石英玻璃，直徑5—75um,材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。

2.包層：直徑100—200um,折射率略低于纖芯。

3.涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光。

4.護(hù)套：尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。

4.1.2光在光纖中的傳播

斯涅爾定理(Snell'slaw):光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，其

折射角大于入射角，即n1>n2時(shí)，0r>0ionkn2.0r,Bi間的數(shù)學(xué)關(guān)系

為：n,sin6i=n2sin9r

(1)當(dāng)0r=909時(shí)，6i仍V90。，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨

界狀態(tài)。臨界角Bi。為：0i0=arcsin(h2/ni)

(2)當(dāng)8i>6i°并繼續(xù)增大時(shí)，9r>905,這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其

出射光不再折射而全部反射回來。

4.1.3光纖的幾個(gè)重要參數(shù)

1、數(shù)值孔徑NA

入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個(gè)角度范圍內(nèi)的人

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射光才可以。這個(gè)角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。定義為：

乂4=>/①-序，4為纖芯折射率，應(yīng)為包層折射率。

數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的

大小要兼顧光纖接收光的能力和對(duì)模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數(shù)值

孔徑取值范圍為0.18?0.23,其對(duì)應(yīng)的光纖端面接收角6c=10°-13°。

2、傳播模式

采用“V值”表述光在階躍型折射率光纖中的傳播特性：

221

V=^(n,-n2)

A)

a為纖芯半徑，入0為入射光在真空中的波長(zhǎng)。光纖V值越大，則光纖所能擁

有的，即允許傳輸?shù)哪Ｊ?不同的離散波)數(shù)越多。當(dāng)丫值低于2.404時(shí)，只允許一

波或模式在光纖中傳輸。

3.傳播損耗

光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光強(qiáng)發(fā)生衰減，通常用傳播率A

來表示傳播損耗：

-101g/

A=---------h(dB/km)

式中/為光纖長(zhǎng)度，乙為輸出端光強(qiáng)，/(,為輸入端光強(qiáng)。

4.1.4光纖的類型

1、按折射率變化類型分類：階躍折射率光纖和漸變折射率光纖。

2、按傳播模式的多少：?jiǎn)文９饫w和多模光纖。

3>從傳感器機(jī)理上來說:

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光纖傳感器可分為振幅型（也叫強(qiáng)度型）和相位型（也叫干涉儀型）兩種。

振幅型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與多模光纖技術(shù)的相容性好、信號(hào)檢測(cè)較容易

等優(yōu)點(diǎn)，但其靈敏度較低。相位型光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但其機(jī)構(gòu)及檢

測(cè)手段復(fù)雜。

強(qiáng)度型（振幅型）光纖傳感器

4.2.1反射式光纖位移傳感器

結(jié)構(gòu)：反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖4.1

所示：光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為

兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。

原理：光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到

接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接受到的光源與反射體表面性質(zhì)、反

射體到光纖探頭距離有關(guān)。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖

探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射片時(shí)，接收器接

收到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加，

到達(dá)最大值點(diǎn)后又隨兩者的距離增加而減小。圖4.2所示就是反射式光纖位移傳

感器的輸出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)得到位移量。

特點(diǎn)：反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測(cè)量，具有探頭小，響應(yīng)速度

快，測(cè)量線性化（在小位移范圍內(nèi)）等優(yōu)點(diǎn)，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢

測(cè)。

2

1

>

).O

王.5

岳10

汨

建

0.25

位移（mm）

圖4.1反射型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)圖2位移——輸出信號(hào)曲線

4.2.2光纖測(cè)壓傳感器

4.2.3移動(dòng)光柵光纖傳感器

4.2.4微彎光纖傳感器

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以上各節(jié)要求了解。他們均屬于強(qiáng)度調(diào)制型傳感器。

4.3相位調(diào)制型光纖傳感器

4.3.1基本原理

基本換能機(jī)理：在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒猓虼郎y(cè)能量場(chǎng)的作用，而

產(chǎn)生相位調(diào)制。

測(cè)量機(jī)構(gòu)分類：邁克爾遜、馬赫-澤德、薩格奈克和法布里-珀羅。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)上都由空氣光路和多個(gè)光學(xué)器件（分光束和平面鏡）組合而成。

在每種傳感器中，光源的輸出光束均被分成兩束或兩束以上的光。這些分開的光

束沿不同光路傳輸之后，又重新合路并激勵(lì)光敏檢測(cè)器。

4.3.2光纖（強(qiáng)度）干涉儀

光纖耦合器：光纖耦合器（CoupIer）又稱分歧器（Splitter）,是將光訊

號(hào)從一條光纖中分至多條光纖中的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域，在電信網(wǎng)路、有

線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路中都會(huì)應(yīng)用到。光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合

器（雙分支，單位1X2,亦即將光訊號(hào)分成兩個(gè)功率）、星狀/樹狀耦合器、

以及波長(zhǎng)多工器（WDM,若波長(zhǎng)屬高密度分出，即波長(zhǎng)間距窄，則屬於DWDM）,

制作方式則有燒結(jié)（Fuse）、微光學(xué)式（MicroOptics）＞光波導(dǎo)式（WaveGuide）

三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)（約有90%）o

4.4光纖傳感器的應(yīng)用舉例

1、相位檢測(cè)

其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播

常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，

通過檢測(cè)干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。

通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)

傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效

應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用

特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。

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2.光纖聲傳感器

通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器。光纖聲壓傳感器利用了

雙路光纖干涉原理制成的。

3.光纖磁傳感器

利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器。

4.光纖電流傳感器（了解）

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第五章變磁阻式傳感器

＞教學(xué)要求

1.掌握變磁阻式傳感器的原理。

2.掌握差動(dòng)式電感傳感器的工作原理。

3.掌握差動(dòng)變壓器式傳感器的基本原理。

4.了解電動(dòng)式傳感器的原理。

＞教學(xué)內(nèi)容

一、工作原理

變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯

和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙

厚度為8,傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度5發(fā)生改

變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這

種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定：

T_楨＞_卬①

Ly~~r~~r

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式中：平一線圈總磁鏈；/一通過線圈的電流；W一線圈的匝數(shù)；①一穿過

線圈的磁通。

由磁路歐姆定律，得

式中：七一磁路總磁阻。對(duì)于變隙式傳感器，因?yàn)闅庀逗苄。钥梢哉J(rèn)為

氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為

E=J

N\S\42s240so

式中：從一鐵芯材料的導(dǎo)磁率；4一銜鐵材料的導(dǎo)磁率；乙一磁通通過鐵芯

的長(zhǎng)度；4一磁通通過銜鐵的長(zhǎng)度；S,——鐵芯的截面積；S2一銜鐵的截面積;

〃o一空氣的導(dǎo)磁率；So一氣隙的截面積；5一氣隙的厚度。

通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即

空〉＞2

WQL?Q

40so“2$2

則磁阻力,可近似為

Rni

U0SQ

聯(lián)立式以上各式，可得

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丁=M40so

R...2b

上式表明，當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，只要

改變6或S。均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度6

的傳感器和變氣隙面積S。的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度6式電感傳

感器。

二、輸出特性

設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙槠罚跏茧姼辛繛?，銜鐵位移引起的氣隙變化

量為從式心=貯=忙2，可知L與5之間是非線性關(guān)系，特性曲線如