數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)（第2版）課件：傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)3.1概述3.2位移傳感器3.3力傳感器3.4溫度傳感器3.5光電傳感器3.6微機械傳感器

3.1概述

傳感器是將被測量的某一物理量(或信號)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為另外一種(或同種)與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的物理量(或信號)輸出的器件或裝置。傳感器的輸出信號有很多形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，輸出信號的形式由傳感器的原理確定。

3.1.1傳感器的組成

一般來講，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的物

理量部分。

由于傳感器輸出信號一般都很微弱，因而需要由信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路將其放大或轉(zhuǎn)換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，

傳感器的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路可能安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路以及所需電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。傳感器的

組成框圖如圖3.1所示。圖3.1傳感器的組成

3.1.2傳感器的分類

傳感器的種類繁多，因此也就具有多種不同的分類方法。下面將總結(jié)傳感器的分類方法以及相應(yīng)的分類結(jié)果。

1.按被測量分類

這種分類方法是按被測量的物理量命名的，具體可以分為以下幾類傳感器:

·長度/線位移傳感器。

·角度/角位移傳感器。

·振動傳感器。

·速度傳感器。

·加速度傳感器。

·力傳感器。

·溫度傳感器。

·流量傳感器。

·光傳感器。

2.按工作原理分類

這種分類方法是按傳感器的工作原理命名的，具體可以分為以下幾類傳感器:

·電阻式:利用電阻參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

·電容式:利用電容參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

·電感式:利用電感參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

·壓電式:利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

·磁電式:利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

·熱電式:利用熱電效應(yīng)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

·光電式:利用光電效應(yīng)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

·光纖式:利用光纖特性參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

3.按輸出信號分類

這種分類方法是按傳感器的輸出信號命名的，具體可以分為以下兩類傳感器:

·模擬式:輸出量為模擬信號(電壓、電流等)。

·數(shù)字式:輸出量為數(shù)字信號(脈沖、編碼等)。

4.按能量關(guān)系分類

這種分類方法是按傳感器工作的能量關(guān)系命名的，具體可以分為以下兩類傳感器:

·能量轉(zhuǎn)換型:傳感器輸出量直接由被測量能量轉(zhuǎn)換而來。

·能量控制型:傳感器輸出量能量由其他能源提供，但受輸入量控制。

3.1.3傳感器的特征描述

傳感器的輸出與輸入關(guān)系特性是傳感器的基本特性。從誤差角度去分析輸出與輸入特性是測量技術(shù)所要研究的主要內(nèi)容之一。輸出與輸入特性雖是傳感器的外部特性，但與其

內(nèi)部參數(shù)又有著密切關(guān)系。因為傳感器不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)決定它具有不同的外部特性，所以測量誤差也是與內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)的。

傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式:一種是穩(wěn)態(tài)(靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài))的形式，這種信號不隨時間變化(或變化很緩慢);另一種是動態(tài)(周期變化或瞬態(tài))的形式，這種信號是隨時間變化而變化的。由于輸入物理量狀態(tài)不同，傳感器所表現(xiàn)出來的輸出與輸入特性也不同，因此存在所謂的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。由于不同傳感器具有不同的內(nèi)部參數(shù)，它們

的靜態(tài)特性和動態(tài)特性也表現(xiàn)出不同的持點，對測量結(jié)果的影響也各不相同。一個高精度傳感器，必須要有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，這樣它才能完成信號的無失真轉(zhuǎn)換。

1.傳感器的靜態(tài)特征

傳感器在穩(wěn)態(tài)信號作用下，其輸出與輸入關(guān)系稱為靜態(tài)特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。

1)線性度

傳感器的線性度是指傳感器輸出與輸入之間的線性程度。傳感器的理想輸出與輸入特性是線性的。

實際上許多傳感器的輸出與輸入特性都是非線性的，一般可用下列多項式表示傳感器的輸出與輸入特性:

式中，

y是輸出量，

a0為零位輸出，

x

為輸入量，a1

為線形系數(shù)(靈敏度)，其余為待定系數(shù)。

傳感器線性度的描述通常使用傳感器的非線性誤差來度量。一般取標(biāo)定誤差中的最大偏離誤差與輸出滿度值之比作為評價非線性誤差(或線性度)的指標(biāo)(如圖3.2所示)。

非線性度的定義如下:

式中，

e表示線性度;Δmax

表示最大非線性絕對誤差;Y

max

表示滿量程。圖3.2輸出與輸入的非線性

2)靈敏度

靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對輸入變化的比值。靈敏度常用Sn

來表示，即

式中，

dy

是輸出變化量，

dx是輸入變化量。

對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，即Sn

=y/x。非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，為一變量。

3)遲滯

遲滯是指傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程期間輸出與輸入持性曲線不重合的程度。也就是說，對應(yīng)于同一大小的輸入信號，傳感器正反行程的輸出信號大小不

相等，如圖3.3所示，這就是遲滯現(xiàn)象。產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的主要原因是傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動、材料的內(nèi)摩擦、積塵等。

遲滯大小一般要由實驗方法確定，常用最大輸出差值ΔHmax

對滿量程輸出YFS的百分比表示:圖3.3遲滯現(xiàn)象

4)重復(fù)性

重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次標(biāo)定時所得特性曲線不一致性的程度，如圖3.4所示。多次重復(fù)測試的曲線重復(fù)性越好，誤差就越小。

重復(fù)性的好壞是與許多因素有關(guān)的，與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象具有相同的原因。重復(fù)性誤差屬于隨機誤差，表示測量結(jié)果偶然誤差的大小，而不表示與真值之間的差別。有時重復(fù)性雖

然很好，但可能遠(yuǎn)離真值。圖3.4重復(fù)性誤差

2.傳感器的動態(tài)特征

傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對激勵(輸入)的響應(yīng)(輸出)特性。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時間變化的規(guī)律(變化曲線)將能同時再現(xiàn)輸入隨時間變化的規(guī)律，即具有相同的時間函數(shù)。這就是動態(tài)測量中對傳感器提出的要求。但實際上除了具有理想的比例特性的環(huán)節(jié)外，輸出信號將不會與輸入信號具有完全相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸入之

間的差異就是所謂的動態(tài)誤差，也就是失真。

研究動態(tài)特性可以從時域和頻域兩個方面分別采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。由于輸入信號的時間函數(shù)形式是多種多樣的，因此在時域內(nèi)研究傳感器的響應(yīng)特性時，只

能研究幾種特定的輸入時間函數(shù)，如階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等的響應(yīng)特性。在頻域內(nèi)研究動態(tài)特性，一般是采用正弦函數(shù)得到頻率響應(yīng)特性。動態(tài)特性好的傳感器暫態(tài)響

應(yīng)時間很短或者頻率響應(yīng)范圍很寬。這兩種分析方法內(nèi)部存在必然的聯(lián)系，在不同場合，根據(jù)實際需要解決的問題不同而選擇不同的方法。

在對傳感器進(jìn)行動態(tài)特性的分析和動態(tài)標(biāo)定時，為了便于比較和評價，常常采用正弦信號和階躍信號作為輸入信號。

圖3.5所示為典型的階躍響應(yīng)時域曲線。在采用階躍輸入研究傳感器的時域動態(tài)特性時，為表征傳感器的動態(tài)特性，常用上升時間

tr、響應(yīng)時間ts(穩(wěn)定時間)、超調(diào)量ΔM等參數(shù)來綜合描述。上升時間tr

是指輸出指示值從最終穩(wěn)定值的5%或10%變到最終穩(wěn)定值的95%或90%所需要的時間。響應(yīng)時間ts是指從輸入量開始起作用到輸出指示值進(jìn)入穩(wěn)定位所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時間。最終穩(wěn)定值的允許范圍通常取5%或2%。超調(diào)量Δ

M是指輸出第一次達(dá)到穩(wěn)定值后又超出穩(wěn)定值而出現(xiàn)的最大偏差，常用相對于最終穩(wěn)定值的百分比來表示。圖3.5典型的階躍響應(yīng)動態(tài)過程曲線

在采用正弦輸入研究傳感器頻域動態(tài)特性時，常用幅頻特性和相頻特性來描述傳感器的動態(tài)特性，其重要指標(biāo)是頻帶寬度，簡稱帶寬。帶寬是指增益變化不超過某一規(guī)定分貝

值的頻率范圍。

3.2位移傳感器

3.2.1電容式傳感器電容式傳感器是利用被測量的變化引起傳感電容量的變化來工作的。電容式傳感器除了可用于位移量的測量以外，還廣泛應(yīng)用于振動、加速度等機械量的精密測量。

電容式傳感器的特點如下:

·輸入量小而靈敏度高。

·電參量相對變化大。

·動態(tài)特性好。

·非接觸式測量。

·能量損耗小。

·結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好。

電容傳感器的不足是:非線性大和電纜分布電容影響大。

電容式傳感器根據(jù)其測量原理不同又可分為三種:變極距式、變面積式和變介質(zhì)式。

1.變極距式電容傳感器

變極距式電容傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。

傳感器的初始電容C0

為

式中，

ε為介質(zhì)的介電常數(shù)(本章下文中如無特殊說明，

ε都為介電常數(shù))，

A為電容板的面積(本節(jié)下文中如無特殊說明，

A都為電容板面積)，

δ0為電容板間初始極距(本節(jié)下文中如無特殊說明，

δ·為電容板極距，下標(biāo)不同表示狀態(tài)不同)。

當(dāng)傳感器的動極板相對于定極板有相對位移時，傳感器的電容量就發(fā)生相應(yīng)的變化。例如，當(dāng)動極板與定極板間的距離減小了Δδ

時，電容量就相應(yīng)地增大，此時的電容為

為了提高靈敏度，變極距式電容傳感器可以做成差動式的，如圖3.7所示。圖3.6變極距式電容傳感器的結(jié)構(gòu)圖3.7差動式變極距型電容傳感器

2.變面積式電容傳感器

變面積式電容傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。圖3.8變面積式電容傳感器的結(jié)構(gòu)

傳感器的初始電容為

其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3.8所示，當(dāng)極板板間有相對位移Δl時，傳感器電容量減小，此時的電容量為

傳感器的靈敏度K為

變面積式電容傳感器的特點為:①傳感器輸出為線性;②傳感器的靈敏度與初始極距成反比，減小極距可以提高靈敏度;③可做成差動結(jié)構(gòu)，提高靈敏度。

電容傳感器的結(jié)構(gòu)可以很靈活，并不拘泥于一種形式，如圖3.9和圖3.10所示。圖3.9差動式扇形平板電容傳感器圖3.10差動式柱面板型電容傳感器

3.變介質(zhì)型電容傳感器

變介質(zhì)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.11所示。圖3.11變介質(zhì)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)

如圖3.11所示，傳感器電容量為

上式中各參數(shù)的含義如圖3.11所示?？梢妭鞲衅鞯碾娙萘緾是l的函數(shù)。

4.電容式傳感器的應(yīng)用

電容傳感器可以直接測量的非電量為直線位移、角位移及介質(zhì)的幾何尺寸。用于這三類非電參數(shù)變換測量的傳感器器一般說來原理比較簡單，無需再作任何預(yù)變換。

用來測量金屬表面狀況、尺寸、振幅等量的傳感器，往往采用單極式變極距式電容傳感器，使用時常將被測物作為傳感器的一個極板，而另一個電極板在傳感器內(nèi)。近年來已采用這種方法測量油膜等物質(zhì)的厚度。這類傳感器的測量范圍均比較小，約為十分之幾毫米，而靈敏度則在很大程度上取決于選材、結(jié)構(gòu)的合理性及寄生參數(shù)的影響。精度可達(dá)到0.1μm，分辨力達(dá)到0.025μm，實現(xiàn)了非接觸測量，它加給被測對象的力極小，可忽略不計。

電容式傳感器還可用于測量原油中的含水量、糧食中的含水量等。當(dāng)電容傳感器用于測量其他物理量時，必須進(jìn)行預(yù)變換，將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成極距d

、面積S或介電常數(shù)ε

的變化。例如在測量壓力時，要用彈性元件先將壓力轉(zhuǎn)換成極距d

的變化。

3.2.2電感式傳感器

電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，利用線圈自感或互感的改變來實現(xiàn)非電量的測量。根據(jù)工作原理的不同，電感式傳感器可分為自感型、互感型等幾類。它可以

把輸入的物理量如位移、振動、壓力、流量、比重等參數(shù)，轉(zhuǎn)換為線圈的自感系數(shù)L和互感系數(shù)M的變化，而L和M的變化在電路上又轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即將非電量轉(zhuǎn)

換成電信號量輸出。電感式傳感器具有以下特點:

·工作可靠，壽命長。

·靈敏度高，分辨力高(位移變化為0.01μm，角度變化為0.1°)。

·精度高、線性好(非線性誤差可達(dá)0.05%~0.1%)。

·性能穩(wěn)定，重復(fù)性好。

電感式傳感器的缺點是存在交流零位信號，不適于高頻動態(tài)信號測量。

1.自感型電感傳感器

自感型電感傳感器有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。

1)氣隙型

氣隙型電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3.12所示，傳感器主要由線圈、銜鐵和鐵芯等組成。圖3.12中點劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為lδ

。工作時銜鐵與被測體接觸，被測體的位移引起氣隙磁阻的變化，從而使線圈電感變化。當(dāng)傳感器線圈與測量電路連接后，可將電感的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，完成從非電量到電量的轉(zhuǎn)換。圖3.12氣隙型電感傳感器

氣隙型電感傳感器的特性曲線如圖3.13所示，當(dāng)氣隙減少時電感增大，氣隙增加時電感減小。但是相同的氣隙變化引起的電感變化不一樣，即轉(zhuǎn)換是非線性的。

由于轉(zhuǎn)換原理的非線性和銜鐵正、反方向移動時電感變化量的不對稱性，因此氣隙型電感傳感器為了保證一定的線性精度，只能工作在很小的區(qū)域，故只能用于微小位移的測量。圖3.13氣隙型電感傳感器的特性曲線

為了提高氣隙型電感傳感器的靈敏度以及改善非線性，常把氣隙型電感傳感器做成差動式的。差動式的靈敏度比單邊的高一倍。一般差動變隙式電感傳感器Δlδ

/lδ

=0.1~0.2

時，可使傳感器的非線性誤差在3%左右。

差動變隙式電感傳感器的工作行程也很小，若取lδ

=2mm，則行程為0.2~0.4mm。較大行程的位移測量常常利用螺管式電感傳感器。

2)螺管型

單線圈螺管型電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.14所示，其主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈電感值的變化。當(dāng)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)。

為了提高靈敏度與線性度，常采用差動螺管式電感傳感器，如圖3.15所示。圖3.14單線圈螺管型電感傳感器結(jié)構(gòu)圖圖3.15差動螺管型電感傳感器

差動螺管型電感傳感器比單個螺管式電感傳感器的靈敏度高一倍。為了使靈敏度增大，應(yīng)使線圈與鐵芯尺寸比值

l/lc

和r/rc趨于1，且選用鐵芯磁導(dǎo)率大的材料。這種差動螺管型電感傳感器的測量范圍為5~50mm，非線性誤差在±0.5%左右。

2.互感型電感傳感器

互感型電感傳感器的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化量。由于常采用兩個次級線圈組成差動式，因而又稱差動變壓器型傳感器，

實際常用的為差動螺管型變壓器。

互感型電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖3.16所示。傳感器由初級線圈和兩個參數(shù)完全相同的次級線圈組成。線圈中心插入圓柱形銜鐵。次級線圈反極性串聯(lián)。圖3.16互感型電感傳感器的結(jié)構(gòu)

互感型電感傳感器的電路原理如圖3.17所示，當(dāng)初級線圈加上交流電壓時，如果銜鐵正好位于中心位置，則兩個次級線圈的電壓相等，總的輸出電壓為0;當(dāng)運動時，兩個次級線圈的電壓不等，輸出電壓與銜鐵位置有關(guān)，其輸出特性如圖3.18所示。圖3.17互感型電感傳感器的電路原理圖3.18互感型差動傳感器的輸出特性

3.2.3光電式傳感器

1.脈沖盤

脈沖盤可用于測量轉(zhuǎn)角，也可以間接測量直線位移。脈沖盤式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.19所示，在一圓盤周圍分成相等的透明與不透明部分(或開有槽縫，或在光學(xué)玻璃上進(jìn)行噴涂、照相、腐蝕而成)，當(dāng)圓盤與工作軸一起轉(zhuǎn)動時，光電元件上受到的光時通時斷，因而產(chǎn)生脈沖，經(jīng)放大、整形后送到計數(shù)器，根據(jù)脈沖數(shù)目即可測出工作軸的轉(zhuǎn)角。如果測量其脈沖頻率，則可測量工作軸的轉(zhuǎn)速。圖3.19脈沖盤式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

用單個的光電元件不能判斷轉(zhuǎn)向，為了判斷轉(zhuǎn)向，需要采用兩個光電元件。此時，兩個光電元件的安裝距離應(yīng)為節(jié)距的1/4，如圖3.20所示，使兩個光電元件的輸出信號電角度(相位)相差90°。

脈沖盤式測角系統(tǒng)屬于增量式測量裝置，通過可逆計數(shù)器計算脈沖的增減，然后計算出轉(zhuǎn)角的增減。但它不能測出轉(zhuǎn)角的絕對位置，要測量轉(zhuǎn)角的絕對位置，可以使用編碼盤。圖3.20光電元件的安裝位置

2.編碼盤

光電式編碼盤是應(yīng)用較多的一種編碼盤。編碼盤有兩種編碼方式:二進(jìn)制編碼和循環(huán)碼編碼(又稱格雷碼)，如圖3.

21所示。二進(jìn)制碼直觀，易于后續(xù)電路處理和計算機計算，

但二進(jìn)制碼多位碼同時動作，容易出現(xiàn)錯碼;循環(huán)碼每次只有一位變化，消除了非單值誤差。

在圖3.21中，陰影部分表示不透光，而空白處表示透光，碼盤共分6個碼道，在每圈碼道上都裝有光電系統(tǒng)，光被遮擋表示1

，不被遮擋表示0。整個碼盤可劃分為64(=26)個角度位置，每個角度位置對應(yīng)一個6位代碼。圖3.21碼盤的兩種編碼方式(a)6位二進(jìn)制碼盤;(b)6位循環(huán)碼碼盤

上述編碼盤僅能區(qū)分64個不同的角度位置，自然是很粗糙的。要想使編碼盤反映更精確的角度位置，就要增加碼道數(shù)目，但這必然帶來工藝上的困難，因而其精度受到一定限制。解決的辦法是用組合碼盤。例如用兩個6位碼盤組合起來，一個作粗測，一個作精測;精盤轉(zhuǎn)一圈，粗盤轉(zhuǎn)一格，這就可獲得12位的碼盤。精盤與粗盤之間可用精密齒輪傳動，其傳動比可取64(=26

)。

光學(xué)碼盤式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、精度高、分辨率高、可靠性好，且直接輸出數(shù)字量，絕對值測量，但其缺點是光源壽命較短。

3.感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器是一種高精度的位置檢測裝置，有直線式(又稱感應(yīng)同步尺)和旋轉(zhuǎn)式兩種。由于它具有精度高、成本低、受環(huán)境溫度影響小等一系列優(yōu)點，因而獲得廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)同步尺的分辨率可達(dá)1~10μm，旋轉(zhuǎn)式的可達(dá)1″(角秒)以下。

直線式與旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的工作原理均與旋轉(zhuǎn)變壓器相似。感應(yīng)同步尺相當(dāng)于一個展開了的旋轉(zhuǎn)變壓器，如圖3.22所示。它由定尺與動尺兩部分組成，動尺上印制有正弦、

余弦兩個激磁繞組，兩個繞組空間相差1/4節(jié)距(相當(dāng)于電角度90°)，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器的定子上兩個空間上相互垂直的激磁繞組;定尺上印有感應(yīng)繞組，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器的副邊。在安裝時，兩尺保持平行，且有一定活動間隙(0.5~0.25mm)，節(jié)距一般為2mm。圖3.22感應(yīng)同步尺結(jié)構(gòu)

感應(yīng)同步器有以下兩種工作方式，分別是鑒幅式和鑒相式。

(1)鑒幅式工作時，動尺的兩個激磁繞組電壓的頻率及相位都一樣，但幅值不同，感應(yīng)繞組輸出電壓的頻率、相位與激磁電壓一樣，而幅值隨動尺的移動作周期變化。

(2)鑒相式工作時，感應(yīng)同步器兩個激磁繞組供電的頻率及幅值都相同，但相位相差90°;感應(yīng)繞組的輸出電壓為一幅值不變的正弦電壓，但其相位隨動尺位置而變化。

4.光柵傳感器

光柵是一種將等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件。光柵傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.23所示，它由光源、長光柵、短光柵、光電元件組成。光柵上刻線之間的距離(即節(jié)距τ)根據(jù)需要的精度確定，一般每毫米刻50、100、200條線。長光柵可移動，稱做標(biāo)尺光柵，短光柵固定不動，稱為指示光柵，二者互相平行，它們之間保持一定間隙(0.5~0.1mm等)。一對長、短光柵刻線的密度是一樣的。圖3.23光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

當(dāng)兩塊光柵十分接近、刻線互相傾斜一個很小的角度θ時，光源通過長、短光柵后就會出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，如圖3.24所示，這種條紋在物理學(xué)上叫做莫爾條紋。莫爾條紋的方向幾乎與刻線的方向垂直。莫爾條紋的間隔W可表示如下:圖3.24莫爾條紋

莫爾條紋的特性:

·方向性:垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時，莫爾條紋與光柵的運動方向垂直。

·同步性:光柵移動一個柵距，莫爾條紋移動一個間距。

·放大性:夾角θ很小，莫爾條紋間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光柵間距。

·可調(diào)性:夾角θ減小，莫爾條紋間距W增加。

·準(zhǔn)確性:大量刻線導(dǎo)致誤差具有平均效應(yīng)，克服了個別/局部誤差，提高了精度。

光柵傳感器的特點:

·精度高:測長為±0.2μm，測角為±0.1°。

·量程大:可達(dá)數(shù)米級。

·響應(yīng)快:可用于動態(tài)測量。

·增量式:通過計數(shù)增量碼測量。

·要求高:對環(huán)境要求高。

·成本高:電路復(fù)雜。

5.光電位置檢測傳感器

1)原理

光電位置檢測傳感器(PositionSensitiveDetector，

PSD)的基本結(jié)構(gòu)如圖3.25所示。圖3.25所示是一維PSD的截面圖，在高阻半導(dǎo)體一面或兩面形成均勻電阻層，在電阻層

兩端安裝用于取出信號的一對電極。半導(dǎo)體表面形成PN結(jié)，因光電效應(yīng)而生成光電流。光入射位置處的光生電荷形成與光入射能量成比例的光電流，該電流流向電阻層，電流的大小與到各電極的電阻成反比，從電極A和B各自取出的電流為IA和IB

。這樣，根據(jù)IA

和IB

的比值就能檢測到光的入射位置，而與光的入射能量無關(guān)。圖3.25一維PSD截面圖

2)激光測距

PSD可作為距離傳感器，用一維PSD作為距離傳感器檢測距離時可利用三角測距的原理。如圖3.26所示是一個利用PSD作為敏感元件的激光距離傳感器的原理圖。

半導(dǎo)體激光源射出的光束由激光棱鏡聚焦成光點，照射到被測對象上，其表面上的一部分反射光從受光棱鏡聚焦在位置檢測元件上形成光點。當(dāng)被測對象從O點移動到A或

B時，位置檢測元件上光點的位置也相應(yīng)地從O'移動到A'或B'。根據(jù)PSD就可以計算出被測對象的位移量。根據(jù)傳感器的上述性質(zhì)，應(yīng)使傳感器的發(fā)射光線與被測表面盡量垂

直，同時保證傳感器與被測表面保持適當(dāng)間距。圖3.26激光距離傳感器工作原理

激光測距的特點是非接觸、不易劃傷表面、結(jié)構(gòu)簡單、測量距離大、抗干擾、測量點小(幾十微米)、測量準(zhǔn)確度高;缺點是精度受光學(xué)元件本身精度的影響，同時還受環(huán)境溫度、

激光束的光強和直徑大小以及被測物體表面特征的影響。

3.3力傳感器

3.3.1電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，可構(gòu)成直接測量應(yīng)變(應(yīng)力)的電阻應(yīng)變式傳感器。

電阻應(yīng)變式傳感器具有以下特點:

·精度高，測量范圍廣。

·使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠。

·結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕。

·頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量。

·價格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。

1.電阻應(yīng)變式傳感器的基本原理

金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。

若金屬的長度為L，截面積為A，電阻率為ρ，其未受力時的電阻為R，根據(jù)歐姆定理

如果金屬絲沿軸向方向受拉力變形，其長度L

、截面積A、電阻率ρ

都會發(fā)生變化。

實驗證明，在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)電阻的相對變化d

R/R與應(yīng)變ε(ε=dL/L)是成正比的。因而可以有以下關(guān)系:

式中，

Ks

為一常數(shù)，稱為金屬絲(或應(yīng)變片)的靈敏系數(shù)。

2.電阻絲應(yīng)變片的測試原理

電阻絲應(yīng)變片一般是用直徑為0.025mm左右、具有高電阻率的電阻絲制成的。為獲得高的電阻值，將電阻絲排列成柵狀(如圖3.27所示)，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的機座上。

應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或直接將應(yīng)變片粘貼于被測試件上。彈性體或試件的變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，使其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，并通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，即可測量應(yīng)變。圖3.27電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)

如果應(yīng)用儀器測出應(yīng)變片的電阻值變化量ΔR，則根據(jù)式(3.14)可以得到被測對象的應(yīng)變值ε

，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系式(3.15)可以得到應(yīng)力值。

式中，

σ為試件的應(yīng)力，ε為試件的應(yīng)變。

通過彈性敏感元件的轉(zhuǎn)換作用，將位移、力、力矩、加速度、壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，可以將應(yīng)變片由測量應(yīng)變擴展到測量上述參數(shù)，從而形成各種電阻應(yīng)變式傳感器。

3.電阻應(yīng)變式傳感器的分類

金屬電阻應(yīng)變片分為四種:絲式、箔式、金屬膜式和半導(dǎo)體式(壓阻式)。

金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種。回線式應(yīng)變片是將電阻絲繞制成敏感柵粘結(jié)在各種絕緣基底上而制成的，它是一種常用的應(yīng)變片。短接式應(yīng)變片是將敏感柵平行安放，兩端用直徑比柵絲直徑大5~10倍的鍍銀絲短接起來而構(gòu)成的。這種應(yīng)變片的突出優(yōu)點是克服了回線式應(yīng)變片的橫向效應(yīng)，但由于焊點多，在沖擊、振動試驗條件下，易在焊接點處出現(xiàn)疲勞破壞，且制造工藝要求高。

金屬箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻腐蝕的方法，將厚約為0.003~0.01mm的金屬箔片制成敏感柵而成的應(yīng)變片。這種應(yīng)變片具有很多優(yōu)點，在測試中得到了日益廣泛的應(yīng)用，在常溫條件下，已逐步取代了線繞式應(yīng)變片。它的主要優(yōu)點是:①可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，其柵長最小可做到0.2mm，以適應(yīng)不同的測量要求;②橫向效應(yīng)好;③散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度;④蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長;⑤生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，其厚度在0.1μm以下。它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形式敏感柵而形成的應(yīng)變片。這種應(yīng)變片靈敏系數(shù)高，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片，但是目前尚難控制其電阻對溫度和時間的變化關(guān)系。

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”。所有材料在某種程度都呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體的這種效應(yīng)特別顯著，能直接反映出很微小的應(yīng)變。常見的半導(dǎo)體應(yīng)變片是用鍺和硅等半導(dǎo)體材料作為敏感柵，一般為單根狀。根據(jù)壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體和金屬絲一樣可以把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。

3.3.2壓電式傳感器

1.壓電效應(yīng)

壓電式傳感器是利用壓電效應(yīng)來測量力的。某些介電物質(zhì)，在沿一定方向?qū)ζ涫┘訅毫蚶κ怪冃魏?，在它的表面上會產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉時，又回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如圖3.28所示，當(dāng)在x軸方向上對壓電晶體施加一壓力

Fx時，在垂直于x

軸的晶體表面上產(chǎn)生電荷Q

。電荷Q的大小可以表示為

式中，

d為x軸方向受壓時的壓電系數(shù)，它表征壓電材料性能。同一材料在不同的受力和變形方式下其d值也不同。

反過來，如果在壓電晶體上垂直于x軸平面加上電場，會使晶片產(chǎn)生機械變形;如果加交流電壓，則切片沿電極方向有伸縮而產(chǎn)生機械振動，這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效應(yīng)”或“逆電壓效應(yīng)”。

壓電材料可分為兩類:一類叫做壓電晶體，如石英晶體(即二氧化硅)、酒石酸鈉等;再一類叫壓電陶瓷，如鈦酸鋇、銑太酸鉛、鈮酸鉛等。一般壓電陶瓷有比較高的壓電系數(shù)，

如鈮鎂酸鉛d=(800~900)×10-12C/N。

2.壓電傳感器

壓電晶體受力而使晶體的兩個表面產(chǎn)生正負(fù)電荷，要進(jìn)行靜態(tài)測量必然會引起電荷的泄漏(除非測量回路輸入阻抗為無窮大)。由于壓電材料在交變力作用下，電荷可以不斷得到補充，因而可供給測量回路一定的電流，故適于動態(tài)測量。壓電晶體受力時，在一個極上出現(xiàn)正電荷，另一個極上出現(xiàn)等量的負(fù)電荷，而中間為絕緣體，因此可把它看做是一個電容器。

由于壓電傳感器的輸出信號非常微弱，一般要將電信號進(jìn)行放大才能測量，然而壓電片內(nèi)阻相當(dāng)高，因此，通常傳感器的輸出先由低噪聲電纜送入高輸入阻抗的前置放大器，前置放大器的主要作用是將壓電傳感器的高阻抗輸出變成低阻抗輸出(即阻抗變換)，然后再經(jīng)過一般的放大、檢波或通過功率放大至數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如圖3.29所示。圖3.29壓電傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4溫度傳感器

3.4.1熱敏電阻利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測。按電阻的性質(zhì)來分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類。半導(dǎo)體熱電阻又稱熱敏電阻，不同的材料燒結(jié)的熱敏電阻特性也不同。熱敏電阻大致可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻

NTC)、正向特性熱敏電阻(PTC)和臨界溫度電阻器(CTR)三類。這三種熱敏電阻的溫度特性如圖3.30所示。圖3.30三種熱敏電阻的溫度特性

在某一特定的溫度值下，

PTC和CTR的電阻值會發(fā)生急劇的變化，因此不能用于寬范圍溫度的測量，而適于特定溫度的檢測。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)一般為

(-2~-6)%/℃，而開關(guān)型則大于10%/℃。

熱敏電阻傳感器可用于液體、氣體、固體、固熔體等方面的溫度測量，測量范圍一般為-10~300℃，也可以做到-200~10℃和300~1200℃。通常使用電橋(如圖3.31所示)

作為傳感器的量測電路，因為電橋能精確地測量電阻的微小變化。圖3.31用于熱敏電阻傳感器中的橋式測量電路

3.4.2熱敏二極管

熱敏二極管的使用溫度范圍在-50~+150℃。在規(guī)定的使用溫區(qū)內(nèi)，這種溫度敏感器件具有線性度好、靈敏度高、體積小、響應(yīng)快和輸出電阻低等特點。使用時，給熱敏二極

管加一個恒定的電流(例如100μA)，則在熱敏二極管兩端得到一個隨溫度呈線性變化的電壓。熱敏二極管直接輸出的電壓較低，一般只有零點幾伏，需經(jīng)放大電路放大。

圖3.32所示為熱敏二極管的典型應(yīng)用。其中電源+V經(jīng)R1

、R2

及穩(wěn)壓管VD

供給熱敏器件VT

一個較為穩(wěn)定的電流，

A1是跟隨器，

A2是反相放大器。V輸出即傳感器的輸出，它的值與溫度成一定的線性關(guān)系。圖3.32一個典型的熱敏二極管的應(yīng)用測量電路

在使用熱敏二極管時，除了應(yīng)保持器件與被測物體之間有良好的接觸外，器件應(yīng)避免強光照射、放射性輻射以及強磁場干擾的測量環(huán)境，必要時可用屏蔽式探頭。此外，器件

作控溫使用時，應(yīng)注意器件測溫的滯后性(器件時間常數(shù)為0.1~2s)。

3.4.3熱電偶

如圖3.33所示，把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個節(jié)點保持不同溫度時將產(chǎn)生熱電動勢(塞貝克效應(yīng))，將此熱電動勢用于溫度測量的元件稱為熱電偶。圖3.33熱電偶原理

熱電偶回路中的熱電勢由兩部分組成:接觸電勢和溫差電勢。接觸電勢產(chǎn)生的原因是，當(dāng)兩種導(dǎo)體接觸時，由于兩者電子密度不同，電子密度大的導(dǎo)體的電子向另一導(dǎo)體擴散的速率高，結(jié)果丟失電子多的導(dǎo)體帶正電荷，得到電子的導(dǎo)體帶負(fù)電荷，這樣就形成接觸電勢。接觸電勢的大小取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點的溫度。

溫差電勢是同一導(dǎo)體兩端因溫度不同(例如T>T0)產(chǎn)生的。高溫端的電子能量比低溫端電子能量大，因此，從高溫端流向低溫端的電子數(shù)目比從低溫端流向高溫端的多，結(jié)

果失去電子的高溫端帶正電荷，得到電子的低溫端帶負(fù)電荷。

在熱電勢中，接觸電勢占的比例大于溫差電勢。熱電勢總電勢是溫度T

和T0的函數(shù)，若令冷端溫度T0固定，則總電勢只與熱端溫度T

成單值函數(shù)關(guān)系。

構(gòu)成熱電偶的兩個導(dǎo)體必須是不同的金屬材料，如鉑銠鉑，鎳鉻鉛鎳，銅康銅，鐵考銅，銥銥銠等。否則，無論兩節(jié)點溫度如何，熱電偶回路總電勢將為零。

在熱電偶回路接入第三種材料的導(dǎo)體時，只要第三種導(dǎo)體兩端與熱電偶接觸的地方溫度相同，則第三種導(dǎo)體的引入不會影響熱電勢，這一性質(zhì)稱做“中間導(dǎo)體定律”。根據(jù)這一性質(zhì)，才可以在回路中接入各種儀表及連接線，也允許用任意的焊接方法來焊制熱電偶的節(jié)點，而不必?fù)?dān)心它們是否會對熱電勢有影響。根據(jù)這一性質(zhì)，可以采用圖3.34所示的測量結(jié)構(gòu)。

在圖3.34所示的測量結(jié)構(gòu)中，用一種導(dǎo)線將冷端延伸出來，把延伸的冷端連同測量儀表一起放在恒溫或溫度波動小的地方，這種導(dǎo)線稱為“補償導(dǎo)線”。這種補償導(dǎo)線在一定溫度范圍內(nèi)應(yīng)具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能。圖3.34熱電偶測量

3.5光電傳感器

光電傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。光電傳感器的敏感波長一般在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進(jìn)行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。光電傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位。最普遍的光敏傳感器是光敏電阻和光電二極管，下面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.5.1光敏電阻

光敏電阻器(photovaristor)又叫光感電阻，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，當(dāng)入射光強增強時，電阻減小;當(dāng)入射光減弱時，電阻增大。光敏電阻器一般用于光強測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換(將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化)。

通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當(dāng)光敏傳感器受到光的照射時，半導(dǎo)體片(光敏層)內(nèi)就激發(fā)出電子空穴對參與導(dǎo)電，使電路中的電流增強。一般光敏電阻器的結(jié)構(gòu)及其實物圖如圖3.35所示。圖3.35光敏電阻器結(jié)構(gòu)及其實物圖(a)光敏電阻器的結(jié)構(gòu);(b)電路中圖形符號;(c)實物圖

用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶能量，則價

帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從

而造成光敏電阻阻值下降，即光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。

根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為如下三種光敏電阻器:

紫外光敏電阻器:對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。

紅外光敏電阻器:主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，以及紅外通信等國防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

可見光光敏電阻器:包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等，主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護(hù)裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。

光敏電阻的應(yīng)用非常廣泛，例如:照相機自動測光、光電控制、室內(nèi)光線控制、報警器、工業(yè)控制、光控開關(guān)、光控?zé)?、電子玩具、光控音樂、電子驗鈔機等。

用光敏電阻做光電開關(guān)電路，其靈敏度是相當(dāng)高的，圖3.36為光控繼電器原理圖。照度較低時，三極管不導(dǎo)通;當(dāng)有一定照度的光照射時，光敏電阻阻值變小，三極管獲得足夠的基極電流而導(dǎo)通，產(chǎn)生較大的集電極電流，使繼電器K吸合。圖3.36光控繼電器

3.5.2光電二極管

光電二極管和普通二極管一樣，也是由一個PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。光電二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PN結(jié)，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，在電路圖中文字符號一般為VD

。光電二極管在電路中不是用它作整流元件，而是通過它把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。那么，它是怎樣把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的呢?我

們知道，普通二極管在反向電壓作用在處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計和制作時盡量使PN結(jié)的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫做暗電流;有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電二極管的示意圖見圖3.37。

光電二極管是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。它的核心部分也是一個PN結(jié)，與普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接收入射光照，

PN結(jié)面積盡量做得大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1μm。

光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時，反向電流很小(一般小于0.1μA)，稱為暗電流。當(dāng)有光照，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子空穴對，稱為光生載流子。

光生載流子在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大。光的強度越大，反向電流也越大，這種特性稱為“光電導(dǎo)”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。圖3.37光電二極管示意圖

光電二極管可以以兩種模式工作，一是零偏置工作(光伏模式，如圖3.38(a)所示)，一是反偏置工作(光導(dǎo)模式，如圖3.38(b)所示)。在光伏模式時，光電二極管可非常精確地實現(xiàn)線性工作;而在光導(dǎo)模式時，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲線性。在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流，叫做暗電流(無照電流)。在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管噪聲基本上是分路電阻產(chǎn)生的熱噪聲。在反偏置時，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源，因此在設(shè)計光電二極管過程中，通常是針對光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計。

實際上，光電二極管不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦裕憩F(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。圖3.38光電二極管工作模式(a)光伏模式;(b)光導(dǎo)模式

將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為可用電壓的簡便方法，是用一個運算放大器作為電流——電壓轉(zhuǎn)換器(如圖3.39所示)。二極管偏置由運算放大器的虛地維持在零電壓，短路電流即被

轉(zhuǎn)換為電壓。在最高靈敏度時，該放大器必須能檢測30pA的二極管電流。這意味著反饋電阻必須非常大，而放大器偏置電流必須極小。例如，對30pA的偏置電流，

1000MΩ反

饋電阻將產(chǎn)生30mV的相應(yīng)電壓。因為再大的電阻是不切實際的，所以對于最高靈敏度的情況使用1000MΩ。這樣對于10pA的二極管電流，放大器將給出10mV輸出電壓;而對

于10nA的二極管電流，輸出電壓為10V，這樣便給出0dB的動態(tài)范圍。對于更大的光強值，必須使用較小的反饋電阻來降低電路增益。

另外一種重要的光電二極管是雪崩式光電二極管。雪崩式光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約00~200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百分貝。

當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)106dB，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應(yīng)是隨機的，因此它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以致無法使用。圖3.39光電二極電流電壓轉(zhuǎn)換電路

3.6微機械傳感器

微機電系統(tǒng)(Micro-electroMechanicalSystems，

MEMS)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，全世界有大約600家單位從事MEMS的研制和生產(chǎn)工作，已