現(xiàn)代測試技術(shù)配套課件11章

本章要點：了解現(xiàn)代測試技術(shù)，以及其體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，并知道總線和網(wǎng)絡(luò)將是測試工程師未來關(guān)注的熱點問題，以及測控系統(tǒng)新的發(fā)展方向。

第一章緒論

本講問題:傳感器決定測控系統(tǒng)的功能傳感器的主要發(fā)展方向測控系統(tǒng)的發(fā)展方向信號處理和開發(fā)平臺的發(fā)展趨勢第一章緒論本章內(nèi)容1.1傳感器的發(fā)展

1.2測試手段的發(fā)展1.3測量信號處理的發(fā)展

1.4開發(fā)平臺的發(fā)展趨勢

測試技術(shù)與計算機技術(shù)幾乎是同步、協(xié)調(diào)向前發(fā)展的。計算機技術(shù)是測試技術(shù)的核心，若脫離開計算機、軟件、網(wǎng)絡(luò)、通信發(fā)展的軌道，測試技術(shù)產(chǎn)業(yè)就不可能壯大。對綜合測試技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前軟件的發(fā)展要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硬件，綜合技術(shù)本身的軟件比硬件更重要系統(tǒng)開放化、通信多元化、遠(yuǎn)程智能化、人機交互形式多樣化、測控系統(tǒng)大型化和微型化、數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)化等將成為工業(yè)儀器與測控系統(tǒng)新的發(fā)展方向。圖1.1數(shù)字式圖像傳感器與虛擬儀器構(gòu)成的圖像信號采集與分析系統(tǒng)1.1傳感器的發(fā)展傳感器的作用主要是獲取信息，是信息技術(shù)的源頭?，F(xiàn)代社會中，所有以計算機為核心的測控系統(tǒng)，都需要傳感器，而系統(tǒng)中的信息處理、轉(zhuǎn)換、存儲和顯示等都與計算機直接相關(guān)，屬于共性技術(shù)，唯獨傳感器是千變?nèi)f化、多種多樣的，所以測控系統(tǒng)的功能更多體現(xiàn)在傳感器方面。圖1.2計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展推動測試儀器的更新?lián)Q代傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向如何縱觀傳感器的過去、現(xiàn)在的發(fā)展情況與將來的需要，可以說，一是抓住與傳感器技術(shù)相關(guān)的新效應(yīng)、新材料、新技術(shù)與新工藝的基礎(chǔ)研究；二是在IC(integratedcircuit,集成電路板)、

P（MicroProcessor，微處理器）與

C/OS(MicrocontrollerOperationSystem,微控制器操作系統(tǒng))技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)傳感器的微型化、多功能與智能化；三是繼續(xù)在各個領(lǐng)域里推廣與開拓應(yīng)用各種類型的傳感器，提高生產(chǎn)自動化和改善人類生活的質(zhì)量與水平。新的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)傳感器是傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。每一種新的物理效應(yīng)的應(yīng)用，都會出現(xiàn)一種新型的敏感元件，或者能測量某種新的參數(shù)。新材料與新元件的應(yīng)用，有力地推動了傳感器的發(fā)展，因為敏感元件全賴于敏感功能材料，例如嗅敏、味敏傳感器，集成霍爾元件、集成固態(tài)CCD圖像傳感器等。被開發(fā)的敏感功能材料有半導(dǎo)體、電介質(zhì)(晶體或陶瓷)、高分子合成材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、光導(dǎo)纖維、液晶、生物功能材料、凝膠、稀土金屬等。傳感器技術(shù)的主要發(fā)展方向

1.智能化傳感器傳感器與微計算機結(jié)合，產(chǎn)生了智能傳感器。它能自動選擇量程和增益，自動校準(zhǔn)與實時校準(zhǔn)，進(jìn)行非線性校正、漂移等誤差補償和復(fù)雜的計算處理，完成自動故障監(jiān)控和過載保護(hù)等。2.多傳感器近年來，傳感器由點（零維）到線（一維），由線到面（二維），進(jìn)而由空間（三維）到時空間（四維）發(fā)展。只有傳感器的微細(xì)化、小型化才可能實現(xiàn)多維傳感器。3.多功能化和高精度化現(xiàn)代傳感技術(shù)的另一個發(fā)展趨勢是以傳感器為核心，積極引入各種先進(jìn)技術(shù)和方法。如智能型傳感器，就是利用微處理器來提高傳感器精度和線性度，修正溫漂和時漂的。有的傳感器不僅具有測量功能，還具有選擇和判斷多種信息的功能。

4．傳感器的融合目前，傳感器高精度化和微型化的特長還沒有得到充分體現(xiàn)，特別是在總體的融合方面。大多數(shù)生物體能很自如地把檢測、判斷、控制、行動等實施到最佳狀態(tài)。把握該機理，并作為傳感器信息處理系統(tǒng)在工程上加以實現(xiàn)，這就是“傳感器融合”所要研究的內(nèi)容。

1.2測試手段的發(fā)展自20世紀(jì)90年代后，隨著個人計算機價格的大幅度降低，出現(xiàn)了用“PC機+儀器板卡+應(yīng)用軟件”構(gòu)成的計算機虛擬儀器；虛擬儀器采用計算機開放體系結(jié)構(gòu)來取代傳統(tǒng)的單機測量儀器。

在現(xiàn)階段，測試技術(shù)正向多功能、集成化、智能化方向發(fā)展。1．硬件功能軟件化

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微處理器的速度越來越快，價格越來越低，使得一些實時性要求很高，原本要由硬件完成的功能，可以通過軟件來實現(xiàn)。2．集成化、模塊化大規(guī)模集成電路LSI技術(shù)發(fā)展到今天，集成電路的密度越來越高，體積越來越小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能也越來越強大，從而大大提高了每個模塊進(jìn)而整個儀器系統(tǒng)的集成度。模塊化功能硬件是現(xiàn)代儀器儀表的一個強有力的支持，它使得儀器更加靈活，儀器的硬件組成更加簡潔。

3.參數(shù)整定與修改實時化隨著各種現(xiàn)場可編程器件和在線編程技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表的參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)不必在設(shè)計時就確定，而是可以在儀器使用的現(xiàn)場實時置入和動態(tài)修改。4．硬件平臺通用化

現(xiàn)代儀器儀表強調(diào)軟件的作用，選配一個或幾個帶共性的基本硬件來組成一個通用硬件平臺，通過調(diào)用不同的軟件來擴展或組成各種功能的儀器或系統(tǒng)。

1.3測量信號處理的發(fā)展信號處理芯片是近年來出現(xiàn)的一種用于快速處理信號的器件。它的出現(xiàn)，對簡化信卡處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高運算速度，加快信號處理的實時能力等，有很大影響。目前，信號分析技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是：進(jìn)一步提高在線實時能力；提高分辨力和運算精度；擴大和發(fā)展新的專用功能；專用機結(jié)構(gòu)小型化，性能標(biāo)準(zhǔn)化，價格低廉。

1.4開發(fā)平臺的發(fā)展趨勢在測試平臺上，調(diào)用不同的測試軟件就構(gòu)成不同功能的儀器，因此軟件在系統(tǒng)中占有十分重要的地位。在大規(guī)模集成電路迅速發(fā)展的今天，系統(tǒng)的硬件越來越簡化，軟件越來越復(fù)雜；集成電路器件的價格逐年下降，而軟件成本費用則上升。測試軟件不論對大的測試系統(tǒng)還是單臺儀器子系統(tǒng)都是十分重要的，而且是未來發(fā)展和競爭的焦點。

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

明確各種傳感器的定義、組成與分類，以及傳感器最新技術(shù)發(fā)展動向，對傳感器的基本特性有一個深入的認(rèn)識。掌握常規(guī)傳器的作用原理與與基本測量電路，熟悉各種常規(guī)傳感器性能的測試與典型應(yīng)用。通過對常規(guī)傳感器的學(xué)習(xí)，達(dá)到在工作實際中能夠合理選擇和靈活使用傳感器。第2章常規(guī)傳感器

學(xué)習(xí)要求

了解常各種規(guī)傳感器的特征、作用與基本性能，掌握電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、半導(dǎo)體傳感器的作用原理與典型測量電路，熟悉數(shù)字式傳感器、熱電偶傳感器、光纖傳感器、壓磁式傳感器的作用原理與特性，了解各種常規(guī)傳感器的應(yīng)用狀況，為工程中的實際測量工作打下較堅實的基礎(chǔ)。

引例

傳感器是人類獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段，在現(xiàn)代科技中它所起的作用越來越重要。圖2.1汽車用各種傳感器圖2.2加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

第2章常規(guī)傳感器本章內(nèi)容:2.1傳感器概述2.2電阻式傳感器2.3電容式傳感器2.4電感式傳感器2.5壓電式傳感器2.6磁電式傳感器2.7光電式傳感器2.8半導(dǎo)體傳感器2.9數(shù)字式傳感器（digitaltransducer）2.10熱電偶傳感器(ThermocoupleSensors）2.11熱電阻傳感器(ThermalResistiveSensors)

2.12光纖傳感器

2.13傳感器應(yīng)用實例

2.1傳感器概述2.1.1傳感器的作用（Thefunctionofsensor)

傳感器實際上是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號轉(zhuǎn)換成電信號。作為一種功能塊的傳感器可狹義的定義為：“將外界的輸入信號變換為電信號的一類元件。”2.1.2傳感器的定義和組成(DefinitionandComposingofSensors)1.傳感器的定義（Thedefinitionofsensor)傳感器（Transducer/Sensor)的定義是：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或裝置。2.傳感器的組成(Thecomposingofsensor)傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成：（1）敏感元件（Sensitiveelement）：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。（2）轉(zhuǎn)換元件（Transductionelement）：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。（3）轉(zhuǎn)換電路（Transductioncircuit）：上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。2.1.3傳感器的分類及要求(CategoryandRequestofSensors)1.傳感器的分類（Thecategoryofsensor）傳感器種類繁多，目前常用的分類有兩種：一種是以被測量來分，另一種是以傳感器的原理來分。被測量類別

被測量熱工量溫度、熱量、比熱；壓力、壓差、真空度；流量、流速、風(fēng)速機械量位移（線位移、角位移），尺寸、形狀；力、力矩、應(yīng)力；重量、質(zhì)量；轉(zhuǎn)速、線速度；振動幅度、頻率、加速度、噪聲物理和成分量氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分；酸堿度（PH值）、鹽度、濃度、粘度；密度、比重狀態(tài)量顏色、透明度、磨損量、材料內(nèi)部裂縫或缺陷、氣體泄漏、表面質(zhì)量表2.1按被測量來分類

序號工作原理

序號工作原理

1電阻式8光電式（紅外式、光導(dǎo)纖維式）2電感式9諧振式3電容式10霍爾式4阻抗式（電渦流式）11（磁式）超聲式5磁電式12同位素式6熱電式13電化學(xué)式7壓電式14微波式表2.2按傳感器的原理來分類

2.傳感器的一般要求(Therequestofsensor)由于各種傳感器的原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術(shù)指標(biāo)也不可能相同，但是有些一般要求卻基本上是共同的：（1）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）靈敏度高，精度適當(dāng)——即要求其輸出信號與被測信號成確定的關(guān)系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。（3）響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定，可d.使用性和適應(yīng)性強——體積小，重量輕，動作能量小，對被測對象的狀態(tài)影響??；內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標(biāo)準(zhǔn)形式，以便與系統(tǒng)對接。（4）使用經(jīng)濟——成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準(zhǔn)。可靠性好。2.1.4傳感器開發(fā)的新趨勢(TheDevelopmentofSensors)傳感器開發(fā)的新趨向包括社會對傳感器需求的新動向和傳感器新技術(shù)的發(fā)展趨勢這兩個方面。

1.傳感器需求的新動向

圖2.3展示了一些國家對傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及需要量，可作為我們對傳感器產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品開發(fā)的參考。

圖2.3傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及需要量

2.傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢

當(dāng)前，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向，一是開展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。1）新材料的開發(fā)、應(yīng)用2）新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用3）利用新的效應(yīng)開發(fā)新型傳感器4）傳感器的集成化5）傳感器的多維化6）傳感器的多功能化7）傳感器的智能化

2.2電阻式傳感器

2.2.1電阻應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。應(yīng)用范圍：可測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。應(yīng)變式傳感器特點：1.應(yīng)變式傳感器的工作原理1)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)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)。

單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化，也稱為材料的靈敏系數(shù)，記為K0。

（2.1）式中：R—為金屬導(dǎo)體的電阻，dR—為電阻的變化量，ε—為測點處應(yīng)變；ρ—為物質(zhì)的密度，dρ—為密度的變化量，μ—為材料的松泊比。則其相應(yīng)的電阻變化率為（2.2）通常金屬電阻絲的K0=1.7～4.6。

2)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理圖2.4應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

l稱為柵長(標(biāo)距)，b稱為柵寬(基寬)，

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

應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(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，其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可測量應(yīng)變。

2.電阻應(yīng)變片的分類及材料

圖2.6電阻應(yīng)變片的分類

金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式、金屬膜式和半導(dǎo)體式（壓阻式）。按應(yīng)變計的基底分為紙基和膠基，特殊情況下有金屬基底的應(yīng)變計。按被測量應(yīng)力場之不同，可分為測量單向應(yīng)力的應(yīng)變計和測量多向應(yīng)力的應(yīng)變花。

3.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用舉例（1）將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。（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。

圖2.7測構(gòu)件拉壓應(yīng)力的傳感器

圖2.8位移傳感器

圖2.9加速度傳感器

2.2.2壓阻式傳感器

1.基本工作原理半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。則半導(dǎo)體電阻材料的靈敏系數(shù)k0為：

（2.3）

式中：πL—為半導(dǎo)體電阻材料在受力方向的壓阻系數(shù)，表征壓阻效應(yīng)的強弱；R—為半導(dǎo)體材料的電阻；E—為半導(dǎo)體電阻材料的彈性模量。2.壓阻式傳感器類型與特點壓阻式傳感器有兩種類型：半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器、固態(tài)壓阻式傳感器壓阻式傳感器的特點如下：(1)靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量；(2)分辨率高，例如測量壓力時可測出10～20Pa的微壓；(3)測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高；(4)可測量低頻加速度和直線加速度。

2.2.3變阻式傳感器1.變阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及分類變阻式傳感器又稱為電位器式傳感器。它們是由電阻元件及電刷(活動觸點)兩個基本部分組成。按其結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等，在線繞電位器中又有單圈式和多圈式兩種；按其特性曲線不同，則可分為線性電位器和非線性(函數(shù))電位器。

2.變阻式傳感器的原理與特性

其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.11、圖2.12、圖2.13所示。

（a）直線位移型變阻式傳感器（b）角位移型變阻式傳感器圖2.11變阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖

圖2.12線性電阻器的電阻分壓電路

（1）直線位移型變阻式傳感器如直線位移型變阻式傳感器圖2.11（a）所示，當(dāng)被測位移變化時，觸點C沿電位器移動。如果移至x，則C點與A點之間的電阻為

（2.4）（2）角位移型變阻器式傳感器角位移型變阻器式傳感器如圖2.11（b）所示，其電阻值隨轉(zhuǎn)角而變化，故為角位移型。則其傳感器的靈敏度S為：

（2.6）

（3）線性電阻器的電阻分壓電路線性電阻器的電阻分壓電路如圖2.12所示，其電阻值隨電刷位移x而變化。設(shè)負(fù)載電阻為

，電位器長度為l，總電阻為Ｒ，電刷位移為x，相應(yīng)的電阻為

，電源電壓為U，輸出電壓為U0為:

（2.7）

當(dāng)

時，電壓輸出Uo為：

（2.8）（4）非線性電位器

非線性電位器又稱函數(shù)電位器，如圖2.13所示。是其輸出電阻(或電壓)與電刷位移(包括線位移或角位移)之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，即

，它可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、對數(shù)函數(shù)等各種特定函數(shù)，也可以是其它任意函數(shù)。

圖2.13非線性電位器

2.3電容式傳感器電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。2.3.1工作原理及類型

由物理學(xué)可知，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為

(2.9)式中:ε0—真空的介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m；

ε—極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，在空氣中，ε=1；

S—極板的遮蓋面積（m2）；

δ—兩平行極板間的距離（m)。1.極距變化型電容式傳感器

a)極距變化b)輸出特性圖2.14極距變化型電容式傳感器

如圖2.14所示,在電容器中，如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，則電容量與極距δ呈非線性關(guān)系。當(dāng)兩極板在被測參數(shù)作用下發(fā)生位移，引起電容量的變化為：（2.10）

由此可得到傳感器的靈敏度為：

（2.11）

從式（2.11）可看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。一般通過減小初始極距來提高靈敏度。由于電容量C與極距δ呈非線性關(guān)系，故這將引起非線性誤差。在實際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對測量精度的影響，常常采用差動型電容式傳感器。

2.面積變化型電容式傳感器

面積變化型電容傳感器的工作原理是在被測參數(shù)的作用下來變化極板的有效面積，常用的面積變化型電容傳感器有平板型和圓柱形。

(1)平板型面積變化型電容傳感器平板型面積變化型電容傳感器有角位移型和線位移型兩種，如圖2.15所示。

（a）線位移型（b）角位移型圖2.15平板型變截面積型電式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖線位移型變截面積型電容傳感器的靈敏度為：（2.12）

角位移型變截面積型電容傳感器的靈敏度為：（2.13）

由式（2.12）和（2.13）可知，平板型變截面積型電容傳感器的輸出與輸入為線性關(guān)系。(2)圓柱形面積變化型電容傳感器由于平板型變截面積型電容傳感器的可動極板在極距方向稍有移動，就會對影響測量精度有較大影響。因此，一般情況下，變截面積型電容式傳感器常做成圓柱形,如圖2.16所示。當(dāng)覆蓋長度x變化時，電容量跟隨變化，其靈敏度為（2.5）

（a）單向型變側(cè)面積型（b）雙向變側(cè)面積型圖2.16圓柱形面積變化型電容傳感器3.介電常數(shù)變化型電容傳感器

大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等，如圖2.17所示。

（a）測厚度（b）測位移（c）測液位圖2.17變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理2.3.2特點與應(yīng)用1.電容傳感器的主要優(yōu)點（1）輸入能量小而靈敏度高（2）電參量相對變化大（3）動態(tài)特性好（4）能量損耗?。?）結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好

2.電容傳感器的主要缺點（1）非線性大（2）電纜分布電容影響大

2.3.3電容式傳感器應(yīng)用舉例電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測試中，電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高。圖2.19電容式測厚儀圖2.20所示的電容式測厚儀，用來測量金屬帶材在軋制過程中厚度。圖中C1、C2兩個工作極板與帶材之間形成兩個電容，其總電容為C=C1+C2。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。

2.4電感式傳感器

電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。它是把被測量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動變壓器式）兩種。2.4.1自感型傳感器

1.可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由線圈、鐵芯及銜鐵組成。線圈電感(自感)可用下式計算

（2.10）

如果空氣隙δ較小，而且不考慮磁路的鐵損時，則磁路總磁阻為

（2.11）

1-線圈2-鐵心3-銜鐵a)可變磁阻結(jié)構(gòu)b)特性曲線圖2.21可變磁阻式電感傳感器因為，則

（2.12）因此，自感L可寫為（2.13）公式（2.13）表明，自感L與空氣隙δ成反比，而與空氣隙導(dǎo)磁截面積S0成正比。當(dāng)固定S0不變，變化δ時，L

與δ呈非線性（雙曲線）關(guān)系，如上圖所示。此時，傳感器的靈敏度為靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，δ愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一誤差，通常規(guī)定δ在較小的范圍內(nèi)工作。。故靈敏度S趨于定值，即輸出與輸入近似成線性關(guān)系。

2.電渦流式傳感器1)渦流傳感器分類渦流傳感器分高頻反射式和低頻透射式兩類

(1)高頻反射式電渦流傳感器。

高頻反射式電渦流傳感器原理如圖2.26所示。當(dāng)高頻電流施加在電感線圈上時，線圈產(chǎn)生的高頻磁場作用于被測金屬導(dǎo)體表面，形成電渦流，電渦流產(chǎn)生的磁場又反作用于線圈，從而改變了線圈的電感。

圖2.26高頻反射式渦流傳感器原理（2）低頻透射式電渦流傳感器。當(dāng)振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓u1加到線圈L1上時，在其周圍產(chǎn)生一個交變磁場。若兩線圈間無金屬導(dǎo)體，則L1的磁力線能較多地穿過L2。若在L1與L2之間插入一金屬板，則在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流，消耗部分能量，u2下降。金屬板厚度δ越大，電渦流損耗越大，u2輸出越小。因此，可根據(jù)接收線圈輸出電壓u2的大小，確定金屬板的厚度。圖2.27低頻透射式電渦流傳感器原理示意圖2)電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2.28所示。1-電渦流線圈；2-殼體；3-殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋；4-印制線路板；5-夾持螺母；6-電源指示；7-閾值指示燈；8-輸出屏蔽電纜線；9-電纜插頭

圖2.28電渦流傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3)電渦流式傳感器的工作原理如圖2.29所示，在金屬導(dǎo)體上方放置一個線圈，當(dāng)線圈中通以電流時，線圈的周圍空間就產(chǎn)生了交變磁場H1，在金屬導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生電渦流，由產(chǎn)生反向電磁場H2，由于H2與H1方向相反，H2抵消了部分原磁場H1，使導(dǎo)電線圈的阻抗發(fā)生了變化。圖2.29電渦流原理圖

5)應(yīng)用渦流式傳感器工程應(yīng)用實例如圖2.30所示。

圖2.30渦流式傳感器的應(yīng)用6)電渦流傳感器的測量電路（1）電橋測量電路。（2）定頻調(diào)幅測量電路。（3）調(diào)頻式測量電路。電橋測量電路如圖2.31所示定頻調(diào)幅測量電路原理如圖2.32所示調(diào)頻式測量電路原理如所圖2.33示。2.4.2互感型（差動變壓器式）傳感器互感型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。由于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器。

（a）變隙式差動變壓器（b）螺線管式差動變壓器圖2.34差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，其輸出特性如圖2.35所示差動變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。(a)輸出特性(b)相位特性圖2.35差動變壓器的輸出特性差動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。2.4.3壓磁式傳感器壓磁式(又稱磁彈式)傳感器是一種力－電轉(zhuǎn)換傳感器。其基本原理是利用某些鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。1.壓磁效應(yīng)鐵磁材料在外力作用下，內(nèi)部發(fā)生變形，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動，使磁疇磁化強度矢量轉(zhuǎn)動，從而也使材料的磁化強度發(fā)生相應(yīng)的變化。這種應(yīng)力使鐵磁材料的磁性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng)。

2.壓磁式傳感器工作原理

如圖2.38所示。在壓磁材料的中間部分開有四個對稱的小孔1、2、3和4，在孔1、2間繞有激勵繞組N12，孔3、4間繞有輸出繞組N34。當(dāng)激勵繞組中通過交流電流時，鐵心中就會產(chǎn)生磁場。若把孔間空間分成A、B、C、D四個區(qū)域，在無外力作用的情況下，A、B、C、D四個區(qū)域的磁導(dǎo)率是相同的。這時合成磁場強度H平行與輸出繞組的平面，磁力線不與輸出繞組交鏈，N34不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如圖2.38（b）所示。

圖2.38壓磁式傳感器工作原理圖

在壓力F作用下，如圖2.38(c)所示，A、B區(qū)域?qū)⑹艿揭欢ǖ膽?yīng)力，而C、D區(qū)域基本處于自由狀態(tài)，于是A、B區(qū)域的磁導(dǎo)率下降、磁阻增大，C、D區(qū)域的磁導(dǎo)率基本不變。這樣激勵繞組所產(chǎn)生的磁力線將重新分布，部分磁力線繞過C、D區(qū)域閉合，于是合成磁場H不再與N34平面平行，一部分磁力線與N34交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e。F值越大，與N34交鏈的磁通越多，e值越大。

圖2.39壓磁式傳感器作用示意圖3.壓磁元件壓磁式傳感器的核心是壓磁元件，它實際上是一個力-電轉(zhuǎn)換元件。壓磁元件常用的材料有硅鋼片、坡莫合金和一些鐵氧體。4.壓磁傳感器的應(yīng)用壓磁式傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強、過載性能好、結(jié)構(gòu)和電路簡單、能在惡劣環(huán)境下工作、壽命長等一系列優(yōu)點。目前，這種傳感器已成功地用在冶金、礦山、造紙、印刷、運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門。例如用來測量軋鋼的軋制力、鋼帶的張力、紙張的張力，吊車提物的自動測量、配料的稱量、金屬切削過程的切削力以及電梯安全保護(hù)等。2.5壓電式傳感器

2.5.1壓電效應(yīng)與壓電材料

1.壓電效應(yīng)某些物質(zhì)(物體)，如石英、鐵酸鋇等，當(dāng)受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會被極化，表面上也會產(chǎn)生電荷;當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)(物體)稱為壓電材料(或稱為壓電元件)。

圖2.42石英晶體

a)六角晶體b)z-光軸y-機械軸x-電軸圖2.43晶體晶軸圖2.42所示為天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐。在晶體學(xué)中，可以把它用三根互相垂直的軸表示，其中，縱軸Z稱為光軸;通過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸;與X-X軸和Z-Z軸垂直的y-y軸(垂直于六棱柱體的棱面)，稱為機械軸，如圖2.43所示。如果從石英晶體中切下一個平行六面體，并使其晶面分別平行于z-z、y-y、x-x軸線，如圖2.44所示。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性，若對其施力，則有幾種不同的效應(yīng)。通常把沿電軸(x鈾)方向的作用力(一般利用壓力)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為"縱向壓電效應(yīng)"；把沿機械軸(y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為"橫向壓電效應(yīng)"；在光軸(z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。圖2.44壓電效應(yīng)模型圖2.壓電材料常用的壓電材料可分為三類：壓電晶體、壓電陶瓷和有機壓電薄膜。2.5.2壓電式傳感器及其等效電路最簡單的壓電式傳感器的工作原理如圖2.46所示。在壓電晶片的兩個工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個電極。圖2.46壓電式傳感器的原理圖其電容量為（2.14）

當(dāng)壓電元件受外力作用時，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓(負(fù)載電阻為無窮大)U為（2.15）

這樣可把壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器C0并聯(lián)的等效電路；同時也可等效為一個電壓源U和一個電容器Ca串聯(lián)的等效電路，如圖2.47所示。

(a)Q和C0并聯(lián)的等效電路；(b)U和C0串聯(lián)的等效電路圖2.47壓電元件等效電路2.5.3壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式

圖2.48壓電元件并聯(lián)連接和串聯(lián)連接并聯(lián)連接：兩壓電元件的負(fù)極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，此時電容量大，輸出電荷量大，適用于測量緩變信號和以電荷為輸出的場合。串聯(lián)連接：上極板為正極，下極板為負(fù)極，在中間是一元件的負(fù)極與另一元件的正極相連接，此時傳感器本身電容小，輸出電壓大，適用于要求以電壓為輸出的場合

2.5.4測量電路

由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中，見圖2.49所示。圖2.49電荷放大器的等效電路電荷放大器的等效電路如上圖所示，由于忽略了漏電阻，所以電荷量為：

（2.17）

式中，ui為放大器輸入端電壓；uo為放大器輸出端電壓，uo=-kui，其中k為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù)；ci為放大器輸入電容；cf為電荷放大器反饋電容。上式可簡化為：（2.18）

如果放大器開環(huán)增益足夠大，則kCf>>(C+Cf),固上式可簡化為：ey≈-q/Cf上式表明，在一定情況下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜分布電容無關(guān)。2.6磁電式傳感器

磁電式傳感器包括磁感應(yīng)電式傳感器、霍耳式傳感器和磁柵等。2.6.1磁感應(yīng)電式傳感器

1.磁感應(yīng)電式傳感器的工作原理、特點和分類其基本原理為:由電磁感應(yīng)定律,具有N匝線圈的感應(yīng)電動勢e,其大小取決于磁通Φ的變化率,即:也可以寫成:或即磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關(guān)，故若改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。分類：按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動圈式傳感器和磁阻式傳感器。

1.恒定磁通式磁電感應(yīng)式傳感器（動圈式傳感器）恒定磁通磁電感應(yīng)式傳感器一般由永久磁鐵（磁鋼）、線圈、金屬骨架和殼體等組成。磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙是固定不變的，因而氣隙中的磁通也是恒定不變的。它們的運動部件可以是線圈也可以是磁鐵，因此又分為動圈式和動鐵式兩種結(jié)構(gòu)類型。動圈式磁電感應(yīng)式傳感器可以分為線速度型和角速度型等。如圖2.50所示。a)線速度型b)角速度型圖2.50動圈式磁電傳感器工作原理圖若以線圈相對磁場運動的速度v或角速度ω表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e為(2.19)

如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度，見圖2.51示。動圈式磁電傳感器接等效電路，其原理如圖圖2.51所示，其等效電路的輸出電壓：（2.20）圖2.51動圈式磁電傳感器的等效電路

圖2.52為動鐵式磁電感應(yīng)傳感器，動鐵式與動圈式的工作原理相同,只是運動的是磁鐵。

1-金屬骨架2-彈簧3-線圈4-永久磁鐵5-殼體圖2.52動鐵式磁電感應(yīng)傳感器3變磁通式磁電感應(yīng)式傳感器（磁阻式傳感器）變磁通式又稱(變)磁阻式或變氣隙式磁電感應(yīng)傳感器，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度，如圖2.53所示。

圖2.53變磁通式磁電感應(yīng)式傳感器2.6.2霍爾式傳感器

1.霍爾傳感器的特點:霍爾傳感器也是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。

2.霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，如圖2.54所示。

圖2.54霍爾效應(yīng)原理圖

霍爾電勢可用下式表示:（2.21）3.霍爾元件

基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料。霍爾元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右。

霍爾元件：霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。

圖2.55霍爾元件圖霍爾片的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線.其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，其焊接處稱為霍爾電極。4.應(yīng)用舉例1)霍爾式位移傳感器:如圖2.56所示，從a端通人電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，，右半部產(chǎn)生露爾電勢VH2，其方向相反。

2)霍爾乘法器當(dāng)輸入直流激磁電流Im時，形成恒定磁場。如果通入霍爾元件的控制電流為i，則霍爾電勢即霍爾電勢VH正比于i與了Im的乘積，因此霍爾元件可作為乘法器，如圖2.57所示。

(2.22)

圖2.56霍爾式位移傳感器圖2.57霍爾乘法器2.6.3磁阻效應(yīng)傳感器

它的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)(或稱高斯效應(yīng))。圖2.58所示為一種測量位移的磁阻效應(yīng)傳感器。當(dāng)相對于磁場發(fā)生位移時，元件內(nèi)阻R1、R2發(fā)生變化，如果將它們接于電橋，則其輸出電壓比例于電阻的變化。圖2.58阻效應(yīng)傳感器原理圖

產(chǎn)生磁阻效應(yīng)的原理：在洛倫茲力作用下使一些載流子往一邊偏轉(zhuǎn)，改變磁場的強弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。2.7光電式傳感器

2.7.1光電效應(yīng)及光電器件

光電傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量。光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按其作用原理又分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。

1.外光電效應(yīng)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)?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件，有光電管、光電倍增管等。光電管有真空光電管和充氣光電管。2.內(nèi)光電效應(yīng)受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的效應(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)。3.光生伏特效應(yīng)：是指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。

4.光電元件1）真空光電管或光電管，見圖2.60所示。圖2.60真空光電管工作原理：當(dāng)光線照射到光敏材料上便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。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成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。2）光電倍增管光電倍增管的結(jié)構(gòu)如2.63所示。在玻璃管內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，在每個倍增極間均依次增大加速電壓。設(shè)每級的培增率為δ，若有n級，則光電倍增管的光電流倍增率將為nδ。

圖2.63光電倍增管

3）光敏電阻光敏電阻是一種電阻器件，其工作原理如圖2.64所示。光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。圖2.64光敏電阻工作原理圖4）光敏晶體管（1）光敏二極管的P-N結(jié)裝在管的頂部,上面有一個透鏡制成的窗口，以便入射光集中在P-N結(jié)，如圖2.65（a）所示。（2）光敏三極管的結(jié)構(gòu)與光敏二極管相似，不過它有兩個P-N結(jié)，大多數(shù)光敏三極管的基極無引出線，僅有集電極和發(fā)射極兩端引線。如圖2.65（b）所示。光敏二極管NPN型光敏三極管圖2.65光敏晶體管

5）硅光電池硅光電池也稱硅太陽能電池，它是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個大面積的P-N結(jié)。如圖2.66所示。

圖2.66光電池構(gòu)造原理和圖示符號2.7.2光電式傳感器的形式光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。1.工作原理：首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。2.應(yīng)用：它可以用來檢測非電量，也可以用來檢驗?zāi)苻D(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。

3.分類：按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖式電傳感器。1）模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性,這一類光電傳感器有吸收式、反射式、遮光式、輻射式等幾種工作方式，見圖2.67所示。（b）反射式如圖2.67（a）所示中，光源與光電元件之間,根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)。如圖2.67（b）所示中，恒定光源發(fā)出的光投射到被測物體上,被測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定被測物表面狀態(tài)和性質(zhì)。（a）吸收式（c）遮光式（d）輻射式圖2.67模擬式光電傳感器工作方式如圖2.67（c）所示中，被測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)被測物遮去其一部分,使作用在光電元件上的光通量減弱。如圖2.67（d）所示中，被測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。

2）脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài),也就是“通”、“斷”的開關(guān)狀態(tài),所以也稱為光電元件的開關(guān)運用狀態(tài)。

2.8半導(dǎo)體傳感器

2.8.1氣敏傳感器

1.氣敏傳感器及其分類氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成份和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。

表2.3氣敏傳感器分類表2.半導(dǎo)體氣敏傳感器工作原理半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導(dǎo)體(主要是金屬氧化物)表面接觸時，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物性變化來檢測氣體。3.氣敏元件目前國產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式，加熱絲和測量電極一同燒結(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)體管芯內(nèi)；旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底，管內(nèi)穿加熱絲，管外側(cè)有兩個測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。圖2.69氣敏元件測試電路2.8.2濕敏傳感器

1.濕度的表示方法

濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度是指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3，一般用符號AH表示；相對濕度是指氣體的絕對濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，一般用符號%RH表示。

2.濕敏傳感器的工作原理

其濕敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.70，其感濕特性見圖2.71，其阻抗隨吸濕量的增加而快速下降。

圖2.70濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖圖2.71電阻-濕度特性比較成熟的幾類濕敏傳感器:

1)氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻：氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。2)半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻

通常，用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷，這些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等2.8.3半導(dǎo)體色敏傳感器

1.簡介半導(dǎo)體色敏傳感器是一種半導(dǎo)體光敏感器件。它是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探測器件。這是近年來出現(xiàn)的一種新型光敏器件，其實物圖如圖2.73所示。

圖2.73色敏傳感器實物圖2.工作原理

在圖2.74中所表示的P＋-N-P不是晶體管,而是結(jié)深不同的兩個P-N結(jié)二極管,淺結(jié)的二極管是P＋-N結(jié);深結(jié)的二極管是P-N結(jié)。當(dāng)有入射光照射時,P＋、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收,但效果不同。測定不同波長的光照射下,該器件中兩只光電二極管短路電流的比值ＩSD2／ＩSD1,ＩSD1是淺結(jié)二極管的短路電流,它在短波區(qū)較大。ＩSD2是深結(jié)二極管的短路電流,它在長波區(qū)較大,因而二者的比值與入射單色光波長的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)定的曲線,實測出某一單色光時的短路電流比值,即可確定該單色光的波長。

圖2.74半導(dǎo)體色敏傳感器機構(gòu)和等效電路

3.半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征

1)光譜特性半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍,不同型號之間略有差別。圖2.75（a）給出了國產(chǎn)CS—１型半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性,其波長范圍是400~1000nm。

（a）光譜特性（b）短路電流比-波長特性圖2.75半導(dǎo)體色敏感件特性2)短路電流比—波長特性短路電流比—波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力,是賴以確定被測波長的基本特性。圖2.75（b）表示上述CS-１型半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比—波長特性曲線。

3)溫度特性由于半導(dǎo)體色敏器件測定的是兩只光電二極管短路電流之比,而這兩只光電二極管是做在同一塊材料上的,具有相同的溫度系數(shù),這種內(nèi)部補償作用使半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比對溫度不十分敏感,所以通?？刹豢紤]溫度的影響。2.9數(shù)字式傳感器（digitaltransducer）

數(shù)字式傳感器：把被測參量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器。它是測量技術(shù)、微電子技術(shù)和計算技術(shù)的綜合產(chǎn)物，是傳感器技術(shù)的發(fā)展方向之一。數(shù)字式傳感器一般是指那些適于直接地把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器，包括光柵式傳感器、磁柵式傳感器、碼盤、諧振式傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、感應(yīng)同步器等。數(shù)字式傳感器的優(yōu)點如下：（1）具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；（2）抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；（3）信號易于處理、傳送和自動控制；（4）便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀；（5）安裝方便，維護(hù)簡單，工作可靠性高。2.9.1編碼器

1.分類編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被廣泛用于各種位移測量。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式四種編碼器。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種編碼器。按結(jié)構(gòu)形式可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種編碼器。

2.旋轉(zhuǎn)式光電編碼器圖2.77所示為光電絕對編碼器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.77光電絕對編碼器結(jié)構(gòu)示意圖

3.增量編碼器

a)碼盤正轉(zhuǎn)時b)碼盤反轉(zhuǎn)時圖2.78增量編碼器的輸出波形增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A.B和Z相；A.B兩組脈沖相位差90°從而可以方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖,用于基準(zhǔn)點定位,如圖2.78所示。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。

2.9.2光柵傳感器光柵的種類很多，工作原理分，有物理光柵和計量光柵兩種，前者用于光譜儀器做色散元件，后者主要用于精密測量和精密機械的自動控制中。衍射現(xiàn)象；用于光譜分析、波長測量等。1.結(jié)構(gòu)光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的，主要用于線位移和角位移的測量。光柵傳感器一般由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成，光電接收元件常采用光電池或光敏三極管，如圖2.80所示。圖2.80光柵傳感器的組成2.原理在圖2.81所示中，a為刻度寬度，b為刻度線間的縫隙寬度，a+b=W稱為光柵的柵距（或稱光柵常數(shù)），通常a=b=W/2；或a:b=1.1:0.9,常見的光柵規(guī)格有：10、25、50、100線/mm。圖2.81光柵圖2.82莫爾條紋工作原理圖光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵相對疊合在一起片間留有很小的問隙,并使兩者柵線之阿保持很小的夾角（

），于是在近乎垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋,如圖圖2.82所示在一線上兩光柵的柵線彼此重合,光線從縫隙中通過,形成亮紋在一線上,兩光線的柵線彼此錯開,形成暗紋,這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋由圖可以看出,莫爾條紋的斜率為：

(2.23)4.光柵傳感器的測量電路1）光柵的輸出信號主光柵與指示光柵作相對位移產(chǎn)生莫爾條紋，光電元件在固定位置觀測莫爾條紋移動的光強變化，并將光強轉(zhuǎn)換成電信號輸出。光電元件輸出電壓u0與位移量x成近似正弦關(guān)系。光電元件輸出電壓u0可表示為

(2.24)

式中：Uav—輸出信號的平均直流分量；Um—輸出信號的幅值，Um=Uav。光柵輸出信號的光電轉(zhuǎn)換電路及其輸出信號波形如圖2.83所示。

2）光柵傳感器測位移x的原理當(dāng)位移量x變化一個柵距W時，其輸出信號uo變化一個周期，若對輸出正弦信號uo整形成變化一個周期輸出一個脈沖，則位移量x為x=NW。式中，N—脈沖數(shù)；W—光柵柵距。

3）輸出信號靈敏度輸出電壓信號的斜率為：（a）光柵輸出信號（b）輸出信號波形圖2.83光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖(2.25)4）辨向原理

圖2.84光柵辨向原理圖

正向移動如圖2.84（a）所示的箭頭指向A時，經(jīng)過整形后輸出方波信號u1′，再經(jīng)Y1輸出脈沖信號u1w′，計數(shù)器作加法計數(shù)；反向移動圖2.84（a）所示的箭頭指向時，經(jīng)過整形后輸出方波信號u2′,再經(jīng)Y2輸出脈沖信號u2w′，計數(shù)器作減法計數(shù)。光柵正向移動時u1超前u2為90°，反向移動時u2超前u1為90°，故通過電路辨相可確定光柵運動方向，進(jìn)行位移的正確測量。在相距B/4位置設(shè)置兩個光電元件1和2，得到兩個相位差

/2的莫爾條紋正弦電壓信號u1和u2，然后送到辨向電路中去處理。

5）細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)就是當(dāng)Moire條紋變化一個周期時，輸出若干個計數(shù)脈沖，減小脈沖當(dāng)量以提高分辨力。（1）機械細(xì)分(位置細(xì)分或直接細(xì)分)

在一個Moire條紋間距上相距B/4依此設(shè)置四個光電元件。當(dāng)Moire條紋變化一個周期時，可以獲得依此相差

/2的四個正弦信號，從而依此獲得四個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)四細(xì)分。（2）電子細(xì)分（正、余弦組合技術(shù)）電子細(xì)分只需在一個Moire條紋間距上相距B/4的位置設(shè)置兩個光電元件，獲得相差

/2的兩個正弦信號u1=Umsin(2

x/W)；u2=Umcos(2

x/W)（2.26）①四倍頻細(xì)分由u1、u2及其各自的反相信號u3、u4，可以獲得依此相差

/2的四個正弦信號，從而獲得四個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)四細(xì)分。②電阻電橋細(xì)分圖2.85所示為電阻電橋細(xì)分電路，u1、u2分別為式所示兩光電元件輸出的兩個莫爾（Moire）條紋電壓信號，設(shè)電橋負(fù)載電阻無窮大，則電橋輸出電壓u0為電橋平衡條件，則

R2u1+R1u2=0（2.27）令2

x/W=

，則式（2.26）改寫為u1=Umsin

和u2=Umcos

，代入式（2.27），得

tan

=

R1/R2，

由R1/R2→

→x，則

x=W

/2

=Wtan-1(-R1/R2)/2

（2.28）圖2.85電阻電橋細(xì)分電路

③電阻鏈細(xì)分法電阻鏈細(xì)分實質(zhì)上也是電橋細(xì)分，只是結(jié)構(gòu)形式不同而已。如圖2.86所示，對任一輸出電壓為零時，有如下關(guān)系(2.27)

圖2.86電阻鏈細(xì)分電路2.9.3感應(yīng)同步器1.結(jié)構(gòu)與原理感應(yīng)同步器是利用電磁原理將線位移和角位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。根據(jù)用途，可將感應(yīng)同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于測量線位移和角位移，如圖2.87和圖2.88所示。

圖2.87直線式感應(yīng)同步器示意圖

圖2.88旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器示意圖（1）直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器的構(gòu)造見圖2.88所示，其定尺和滑尺基板是由與機床熱臌脹系數(shù)相近的鋼板做成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼以鋼箔，并利用照像腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。從圖2.88所示可以看出，如果把定尺繞組和滑尺繞組B對準(zhǔn)，那么滑尺繞組正好和定尺繞組相差1/4節(jié)距。感應(yīng)同步器的定尺和滑尺尺座分別安裝在機床上兩個相對移動的部件上（如工作臺和床身），當(dāng)工作臺移動時，滑尺在定尺移動。

圖2.88直線式同步感應(yīng)器構(gòu)造圖（2）旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由定子基板、定子繞組板、轉(zhuǎn)子基板、轉(zhuǎn)子繞組板靜電屏蔽層等組成，見圖2.89所示。

圖2.89旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)圖圖2.90感應(yīng)電動勢原理圖其工作原理為：旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理相同，旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的轉(zhuǎn)子共有N個導(dǎo)片。如圖2.90所示，設(shè)感應(yīng)線圈的中心從勵磁線圈中心右移的距離為x，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度θ時，定子繞組A和B分別感應(yīng)輸出電勢：（2.28）

感應(yīng)同步器有鑒幅型和鑒相型兩種工作方式。①鑒相法如果滑尺的正、余弦繞組中的激勵電壓不是前面簡化假設(shè)的“直流”情況，而是交流激勵電壓，則在定尺中的感應(yīng)電動勢es和ec將不再是幅值Em恒定、與相對位移成正、余弦關(guān)系，而是幅值交變的正、余弦關(guān)系。實際應(yīng)用時，在滑尺的正、余弦繞組上供給頻率相同、相位差

/2的交流激勵電壓，即正弦繞組激磁電壓us=Umsin

t（2.29）余弦繞組激磁電壓uc=Umcos

t（2.30）式中，Um—激磁電壓幅值。由于定尺和滑尺都是平面繞圈，這種“線圈”又是由導(dǎo)體往復(fù)曲折構(gòu)成的“匝”，它并不是平面螺線，更不是柱形螺管，所以感抗L是非常小的，可以略去L而只考慮其電阻R，于是上列兩激勵電壓在各自的線圈中產(chǎn)生的電流是（2.31）

這種激勵電流在定尺中所感應(yīng)出的電動勢分別為（2.32)式中ks和kc分別為正、余弦繞組與定尺繞組間的耦合系數(shù)。定尺繞組中感應(yīng)電動勢為滑尺的正、余弦繞組共同產(chǎn)生的，為（2.33）當(dāng)ks=kc=k時，上式可以寫成：（2.34）

上式表明定尺繞組中的感應(yīng)電動勢e0的相位是感應(yīng)同步器相對位置

角(或位置x)的函數(shù)，位移每經(jīng)過一個節(jié)距W，感應(yīng)電動勢e0則變化一個周期(2

)。檢測e0的相位，就可以確定感應(yīng)同步器的相對位置。因此，這種方法稱為鑒相法。

②鑒幅法如果滑尺繞組的激勵電壓分別為正弦繞組us=Umcos

cos

t（2.35）余弦繞組uc=Umsin

cos

t（2.36）則在定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的總和為

e0=eC+es=kUmsin

tsin

cos

kUmsin

tcos

sin

=kUmsin(

)sin

t=Emsin(

)sin

t（2.37）

式子表明，激勵電壓的電相角

值與感應(yīng)同步器的相對位置

角有對應(yīng)關(guān)系。調(diào)整激勵電壓的

值，使輸出感應(yīng)電動勢eo的幅值為零，此時，激勵電壓的

值就反映了感應(yīng)同步器的相對位置

。通過檢測感應(yīng)電動勢的幅值來測量位置狀態(tài)或位移的方法稱為鑒幅法。

2.感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器已被廣泛應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動態(tài)測量中，例如用于三坐標(biāo)測量機、程控數(shù)控機床及高精度重型機床及加工中心測量裝置等。感應(yīng)同步器利用電磁耦合原理實現(xiàn)位移檢測具有明顯的優(yōu)勢：可靠性高，抗干擾能力強，對工作環(huán)境要求低，在沒有恒溫控制和環(huán)境不好的條件下能正常工作，適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。2.10熱電偶傳感器(ThermocoupleSensors）2.10.1熱電偶傳感器簡介利用轉(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(jìn)行檢測，將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。熱電偶傳感器在溫度測量中應(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。

2.10.2熱電偶工作原理將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A、B組成閉合回路，如圖2.91所示。若節(jié)點1和節(jié)點2處于不同的溫度(即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)。其電勢由接觸電勢(佩爾捷電勢)和溫差電勢(湯姆孫電勢)兩部分組成。

圖2.91熱電偶回路1.接觸電勢當(dāng)兩種金屬接觸在一起時，由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在結(jié)點處就會發(fā)生電子遷移擴散。失去自由電子的金屬呈正電位，得到自由電子的金屬呈負(fù)電位。當(dāng)擴散達(dá)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),在溫度為T時的接觸電勢：(2.36)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)，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。2.溫差電勢對于單一金屬，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，圖2.92所示。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:

(2.37)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)；T、T0——高、低溫端的絕對溫度。圖2.92鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖

對于圖2.93所示A、B兩種導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路，總的溫差電勢為:

(2.38)于是，回路的總熱電勢為:

(2.39)圖2.93片狀薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)圖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。（均質(zhì)導(dǎo)體定律）(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。(3)熱電偶AB的熱電動勢與導(dǎo)體材料Ａ、Ｂ的中間溫度無關(guān)，而只與接點溫度有關(guān)。(4)中間溫度定律：熱電偶AB在接點溫度、的熱電動勢，等于熱電偶在接點溫度為、和、時的熱電動勢總和。（5）中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線的兩端溫度相同，第三種導(dǎo)線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢，這一性質(zhì)稱為中間導(dǎo)體定律。根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見圖2.94所示。（6）標(biāo)準(zhǔn)電極定律：當(dāng)測量兩接點溫度為、時的熱電動勢，用導(dǎo)體Ａ、Ｂ組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的和，見圖2.95所示。即

EAB(T1、T2)=EAC(T1、T3)+ECB(T3、T2)

(2.40)圖2.94電位計接入熱電偶回路導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極（一般由鉑制成），故把這一性質(zhì)稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。表明參考電極C與各種電極配對時的總熱電勢為兩電極A、B配對后的電勢之差。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。圖2.95利用中間導(dǎo)體的熱電偶回路

適于制作熱電偶的材料有300多種，到目前為止，國際電工委員會已將其中七種推薦為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，分別為：

貴金屬類有：鉑銠10-鉑、鉑銠13-鉑、鉑銠30-鉑銠6；一般金屬類有：銅-康（考）銅、鐵-康銅鎳鉻-康銅、鎳鉻-鎳硅（鋁）。下面對幾種廣泛使用的熱電偶進(jìn)行介紹：(1)鉑銠10-鉑熱電偶：由φ0.5mm的純鉑絲和相同直徑的鉑銠絲制成，用符號LB表示。鉑銠絲為正極，純鉑絲為負(fù)極。這種熱電偶可在1300℃以下范圍內(nèi)長期使用，短期可工作在1600℃高溫。由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故LB熱電偶的復(fù)制精度和測量準(zhǔn)確性高。(2)鎳鉻-鎳硅(鎳鉻-鎳鋁)熱電偶：鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極，熱偶絲直徑為φ1.2mm～2.5mm，符號用EU。EU熱電偶化學(xué)穩(wěn)定性較高，測量范圍為-50～+1312℃。

它由鎳鉻與鎳硅制成，化學(xué)穩(wěn)定性較高，可用于900℃以下溫度范圍。(3)鉑銠30-鉑銠6熱電偶：這種熱電偶可以測1600℃以下的高溫，其性能穩(wěn)定，精確度高，但產(chǎn)生的熱電勢小，價格高。由于其熱電勢在低溫時極小，因而冷端在40℃以下范圍時，對熱電勢值可以不必修正。(4)鎳鉻-考銅熱電偶：熱電偶靈敏度高，價廉，測溫范圍在800℃以下。(5)銅-康銅熱電偶：銅-康銅熱電偶的兩種材料易于加工成漆包線，而且可以拉成細(xì)絲，因而可以做成極小的熱電偶，時間常數(shù)很小為ms級。其測量低溫性極好，可達(dá)-270℃。測溫范圍為-270～400℃，而且熱電靈敏度也高。它是標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶中準(zhǔn)確度最高的一種，在0～100℃范圍可以達(dá)到0.05℃(對應(yīng)熱電勢為2μV左右)，它在醫(yī)療方面得到廣泛的應(yīng)用。

2.10.3熱電偶傳感器的應(yīng)用由熱電偶測溫原理可知，熱電偶的輸出熱電勢是熱電偶兩端溫度t和t0差值的函數(shù)，當(dāng)冷端溫度t0不變時，熱電勢與工作端溫度成單值函數(shù)關(guān)系。各種熱電偶溫度與熱電勢關(guān)系的分度表都是在冷端溫度為0℃時作出的，因此用熱電偶測量時，若要直接應(yīng)用熱電偶的分度表，就必須滿足t0=0℃的條件。常見的表面熱電偶如表面熱電偶NR-81535A/B，如圖2.101所示。分度號：K、E

導(dǎo)線長度：2000㎜

手柄材質(zhì)：電木/膠木

使用溫度范圍：-50℃～500℃應(yīng)用：多用于對冷凍設(shè)備、或產(chǎn)品表面與外壁溫度的測量。圖2.101NR81535A/B熱電偶

為了提高測量精度，常需要采用一定的方法消除或補償,冷端溫度損失的補償方法1）冷端恒溫法常用的方法是將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在0℃不變。

2）計算修正法當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0

0℃時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以用下式計算并修正測量誤差EAB（t，0℃）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0℃）

3）儀表機械零點調(diào)整法當(dāng)熱電偶與動圈式儀表配套使用時，若熱電偶的冷端溫度比較恒定