智能檢測技術與傳感器目錄緒論

測量概論1.1 測量概述1.2 誤差的分析和處理1.3 誤差合成1.4 最小二乘法與線性回歸分析第一章目錄傳感器理論基礎2.1 傳感器的定義和組成2.2 傳感器的分類2.3 傳感器的一般特性2.4 傳感器的標定應變式傳感器3.1 應變式傳感器的工作原理3.2 電阻應變片的特性3.3 應變片的測量電路3.4 應變式傳感器的應用第二章第三章目錄電感式傳感器4.1 自感式傳感器4.2 互感式傳感器4.3 電渦流式傳感器電容式傳感器5.1 電容式傳感器的工作原理5.2 電容式傳感器的測量電路5.3 電容式傳感器的誤差分析5.4 電容式傳感器的應用第四章第五章目錄壓電式傳感器6.1 壓電式傳感器工作原理6.2 測量電路6.3 壓電式傳感器的應用磁電式傳感器7.1 霍爾傳感器7.2 磁電感應式傳感器第六章第七章目錄熱電式傳感器8.1 熱電偶8.2 熱電阻光電式傳感器和超聲波傳感器9.1 光電器件9.2 光纖傳感器9.3 超聲波傳感器第八章第九章目錄智能檢測技術10.1 智能檢測系統10.2 智能檢測方法智能集成傳感器11.1 智能傳感器11.2 微型與集成化傳感器11.3 集成壓阻式傳感器11.4 集成霍爾式傳感器11.5 集成數字式溫度傳感器第十章第十一章目錄生物特征識別傳感器12.1 人體生物特征的識別12.2 人體熱釋電傳感器12.3 紅外熱成像識別12.4 指紋識別傳感器12.5 虹膜識別傳感器傳感器與智能系統13.1 傳感器與物聯網13.2 傳感器與智能載體系統13.3 傳感器與智慧服務 第十二章第十三章緒

論1.智能檢測技術與傳感器 “檢測”“測試”都是指檢驗與測定，即：使用某種方法測試并確定指定的被測對象，是探索未知世界的重要手段之一。檢測包括了為確定被測對象的量值而進行的所有操作過程，具有探索、分析和研究的特征，是測量和檢驗的綜合。 組成測量和檢驗的各個操作過程構成了測試系統，一個典型的測試系統由傳感器、信號調理電路、顯示記錄儀器等三部分組成，如圖0-1所示。

傳感器將被測信號轉換為適合系統后續處理的電信號。

信號調理電路對傳感器輸出的信號做進一步的加工和處理，完成信號間的轉換，如放大、調制解調、濾波等;對于有些測試系統，尤其是智能檢測系統，該部分還包括信息處理，其作用是借助微處理器或計算機完成信號的檢測、判斷、智能分析等處理功能。傳統的測試系統并不包括信息處理部分，但隨著電子技術、計算機技術的飛速發展，已經有越來越多的測試系統具備了信息處理的能力。

顯示記錄儀器將所測得的信號變為一種能為人所理解的形式，供人們觀察和分析，或轉換成應用場合所要求的方式，形成輸出。圖0-1

測試系統組成2.測試的目的和意義 人類對客觀世界的認識和改造活動總是以測試工作為基礎。測試是人類認識自然、掌握自然規律的實踐途徑之一，是科學研究中獲得感性材料、接收自然信息的途徑，是形成、發展和檢驗自然科學理論的實踐基礎。

在工程技術中，許多復雜的工程問題至今還難以進行完善的理論分析和計算，因此必須依靠實驗研究來解決這些現實問題。通過測試工作積累原始數據，是工程設計和研究中非常艱巨但又很重要的一項工作。

信息是關于事物及其運動、變化、規律的知識，包括消息、情報、數據、知識等;信號是帶有信息的某種物理量。信號是表象，是信息表現的載體，信息則為本質。“智能檢測技術與傳感器”就是一門關于怎樣獲取信息及利用信息的學科。信息時代的三大重要支柱是信息的獲取、信息的互聯互通以及信息的利用。傳感器技術、通信技術和計算機技術分別對應信息技術中的采集、傳輸和處理，構成了信息產業的三大支柱，可用圖0-2簡要地表達。圖0-2 信息時代三大支柱及相互關系 采集信息時，獲得原始信息最基本的元件是傳感器，關鍵技術是傳感器技術。因此，傳感器及其相關的應用技術(傳感器、與傳感器相關的電子技術、智能信息處理)是信息領域的源頭技術。

傳感器技術是測量技術、半導體和集成電路技術、計算機技術、信息處理技術、微電子學、光學、聲學、精密機械、仿生學和材料科學等眾多學科相互交叉的綜合性和高新技術密集型前沿技術之一，是現代新技術革命和信息社會的重要基礎，與人工智能密切相關。目前，傳感器及其應用技術已成為我國信息經濟和數字經濟支柱產業的重要組成部分。傳感器應用普及率已被國際社會作為衡量一個國家智能化、數字化、網絡化的重要標志。3.檢測的任務和內容 信息在對象中有時是外顯的，有時是內蘊的，被研究對象的信息量是非常豐富的。檢測或測試工作就是根據一定的目的和要求，獲取有限的、觀察者感興趣的某些特定的信息。例如，研究一個簡單的單自由度彈簧質量系統的微小自由振動，當我們感興趣的是該系統的固有頻率和阻尼比時，可以通過施加一定的激勵并觀察質量塊的運動方式來研究，并不用去研究彈簧的微觀表現;而當我們要研究的問題是彈簧疲勞時，有關彈簧材料性質和缺陷(如微裂紋)的信息就非常重要了。檢測工作總是要用最簡捷的方法獲得和研究任務相聯系的、最有用的、表征其目標特性的有關信息，而不是企圖獲得該事物的全部信息。

信號是信息的載體，信息總是通過某些物理量的形式表現出來，這些物理量就是信號。例如，上述振動系統可以通過質量塊的位移時間關系來描述，質量塊位移的時間歷程(信號)就包含了該系統固有頻率和阻尼比的信息。從信息的獲取、變換、加工、傳輸、顯示和記錄等方面來看，以電量形式表示的電信號最為方便。所以本書中所指的信號，如無特別說明，一般是指隨時間變化的電信號。

信號中雖然攜帶著信息，但是信號中既含有我們所需的信息，也常常含有大量我們不感興趣的其他信息，后者統稱為干擾。相應地，信號也有“有用”信號和“干擾”信號的提法，但這是相對的。在某種場合中我們認為的干擾信號，在另一種場合中卻可能是有用的信號。例如，齒輪噪聲對工作環境是一種“污染”，但是齒輪噪聲是齒輪副傳動缺陷的一種表現，因此可以用來評價齒輪副的運行狀況并用作故障診斷。測試工作的一個任務就是要從復雜的信號中提取有用的信息。

如前所述，測試系統包含了傳感器、信號調理和信息處理、顯示記錄等三個環節，這些環節保證了由獲取信號到提供觀測的最必要的信號流程功能，其目的是將觀察者感興趣的信息以明確的方式表示出來。“智能檢測技術與傳感器”就是一門研究測試系統中最基本的傳感、信號變換、智能處理方法及其在智能系統中應用的課程。

傳感器作為測試系統的第一環節，將被測系統或過程中需要觀測的信息轉化為人們所熟悉的各種信號，這是測試過程必須實現的首要任務。通常，傳感器將被測物理量轉換成以電量為主要形式的電信號。例如，將機械位移轉換為電阻、電容或電感等電參數的變化;將振動或聲音轉換成電壓或電荷的變化。信號調理和信息處理部分的任務是對傳感器輸出的信號進行加工，包括信號轉換、放大濾波和處理等。例如，將傳感器得到的電阻抗、電容值轉變為電壓或電流信號，對電壓或電流信號放大、濾除噪聲等。為了用傳感器輸出的信號進一步推動顯示、記錄儀器和控制器，或者將此信號輸入計算機進行數字分析和處理，需對傳感器輸出的信號做進一步變換。信號調理和信息處理的具體方法很多，例如:用電橋將電路參量(如電阻、電容、電感)轉換為可供傳輸、處理、顯示和記錄的電壓或電流信號;利用濾波電路抑制噪聲，選出有用信號;對傳感器及后續各環節中出現的一些誤差做必要的補償和校正;信號經模/數轉換送入計算機，用計算機進行信息處理以及經計算機處理后信號的數/模轉換;利用微電子和集成電路工藝將傳感器微型化，以及與處理電路和智能算法一體化等。經過這樣的加工使傳感器輸出的信號變為符合實際需要，便于傳輸、顯示或記錄以及可做進一步后續處理的信號，或者直接給出目標輸出和控制信息。 測試系統的三個組成部分只是學術上的定義與劃分，在實際工作中，它們所對應的具體裝置或儀器的伸縮性是很大的。例如，信號變換部分有時可以是由很多儀器組合成的一個完成特定功能的復雜群體，有時卻可能簡單到僅有一個變換電路，甚至可能僅是一根導線。測試系統是要測出被測對象中人們所需要的某些特征性參量信號，不管中間經過多少環節的變換，在這些過程中必須忠實地把所需信息通過其載體信號傳輸到輸出端。整個過程要求既不失真，也不受干擾。這就要求系統本身既具有不失真傳輸信號的能力，又具有在外界各種干擾情況下能提取和辨識信號中所包含的有用信息的能力。 智能檢測技術在人類感官延伸的基礎上，能獲得比人的感官更客觀、更正確的量值，具有更為寬廣的量程，反應更為迅速。不僅如此，信號處理及其相關智能技術近年來的飛速發展還給測試系統賦予了更深的內涵。測試系統經過對所測結果的處理和分析，還能把最能反映研究對象本質特征的量提取出來并加以處理，這就不僅是單純的感官的延伸了，而是具有了選擇、加工、處理以及判斷的能力，所以也可以認為是一種人類智能的延伸。4.傳感器的發展 傳感器的發展過程大體可分為如下三代: 第一代是結構型傳感器，它利用結構參量變化來感受和轉化信號。這類傳感器是最具傳統意義的傳感器，被測量信息的變化最終都通過某種裝置或結構轉換為物理量的變化，并通過轉換電路的形式得到電參量輸出。 第二代是20世紀70年代發展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，是利用材料的某些特性制成，如利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器。 第三代傳感器是近年來剛剛發展起來的智能型傳感器，是微型計算機技術與智能檢測技術相結合的產物，使傳感器具有一定的人工智能。 現代傳感器大量應用了新的材料和新的加工工藝，尤其是集成電路加工工藝，使傳感器技術越來越成熟，傳感器種類越來越多。除了早期使用的半導體材料、陶瓷材料外，光纖以及超導材料的研究成果為傳感器的發展提供了物質基礎。未來還會使用更新的材料，如納米材料，將更加有利于傳感器的小型化。 目前，隨著5G高帶寬、低時延網絡通信技術的應用，人物互聯與萬物互聯將不斷創造出全新的科技與業態，現代傳感器也正從傳統的分立式結構，朝著集成化、智能化、數字化、系統化、免維護、多功能化與網絡化方向發展;在技術指標方面，會更加注重微功耗、高精度、高可靠性、高信噪比和寬量程。 1.1 測量概述 1.2 誤差的分析和處理 1.3 誤差合成 1.4 最小二乘法與線性回歸分析第一章

測量概論1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.1 測量概述2）不等精度測量 不等精度測量是指在不同的測量條件下，如用不同精度的儀表或不同的測量方法，或以不同的測量次數，或在環境條件相差很大時，或由不同的測量者，對同一被測量進行的多次重復測量。 不等精度測量多用于科學研究中的對比測量。1.1 測量概述1.1.3測量誤差分類 測量誤差是指測量值與真實值之間的差值，反映測量質量的好壞。 任何測量過程都存在誤差，而且貫穿于測量過程的始終。因此在測量時不僅需要知道測量值，還需要知道測量值的誤差范圍。只有通過正確的誤差分析，明確哪些量對測量結果影響大，哪些影響小，才能抓住關鍵因素，減小誤差對測量結果的影響，增加測量的可靠性。 不同場合對測量結果可靠性的要求不同。測量結果的準確程度應與測量的目的與要求相適應，要有合理的性價比。例如，在量值傳遞、經濟核算、產品檢驗等場合應保證測量結果的準確度;當測量值用作控制信號時，要保證測量的穩定性和可靠性。 造成測量誤差的主要原因在于，傳感器本身性能不良，測量方法不完善，環境干擾等。 測量誤差的分類如圖1-1所示。圖1-1

測量誤差的分類1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.2 誤差的分析和處理

1.2 誤差的分析和處理

圖1-2

隨機誤差的正態分布曲線1.2 誤差的分析和處理

1.2 誤差的分析和處理

圖1-3

不同σ下隨機誤差的正態分布曲線1.2 誤差的分析和處理

圖1-4

算術平均值的標準差與n的關系曲線1.2 誤差的分析和處理

表1-1

k值及其相應的概率1.2 誤差的分析和處理1.2.2 系統誤差分析和處理 與隨機誤差不同，系統誤差雖不具有抵償性，難以發現，但系統誤差往往固定不變或按一定規律變化，可判斷并消除。因此，找出產生系統誤差的根源是減小或消除系統誤差的關鍵。 為明確產生系統誤差的因素，有必要對測量系統的各環節作全面分析。由于具體條件各不相同，在分析查找誤差根源時，沒有一成不變的方法，但不外乎找原因并消除。1.系統誤差判斷 系統誤差判斷方法主要有理論分析法、實驗對比法、殘差觀察法等。1)理論分析法 理論分析法針對測量方法所引入的誤差，通過理論分析來確定測量方法本身帶來的誤差，并給予修正。如用內阻不高的電壓表測量高內阻的信號源電壓所造成的系統誤差。2)實驗對比法 實驗對比法針對測量條件所引入的誤差，通過進行不同條件的測量，以發現系統誤差。如更換測量儀表，用精度更高一級的測量儀表測量；更換測量人員、環境等。這種方法適用于發現固定的系統誤差。3)殘差觀察法 殘差觀察法是根據殘余誤差的變化規律，判斷系統誤差的有無、類型以及大小等，如圖1-5所示。圖1-5請看下頁1.2 誤差的分析和處理從圖1-5中可以看出：圖（a）中，殘余誤差基本上正負相同，無明顯變化規律，即無系統誤差；圖（b）中，殘余誤差線性遞增，存在累進性系統誤差；圖（c）中，殘余誤差的大小、符號呈周期性變化，存在周期性系統誤差；圖（d）中，殘余誤差周期性遞增，同時存在累進性系統誤差和周期性系統誤差。2.系統誤差消除1）消除系統誤差產生的根源 找出誤差根源，明確產生誤差的因素，采取相應措施修正或消除。可從以下幾方面考慮： （1）檢查傳感器和測量儀表的安裝、調試、放置是否合理，如儀表的水平位置、安裝時是否偏心等； （2）測量方法是否完善，如用電壓表測量電壓，電壓表內阻的影響等； （3）傳感器或儀表是否準確可靠，如靈敏度不足、刻度不準、放大器和變換器的性能存在優劣等； （4）環境條件是否符合要求，如環境溫度、濕度、氣壓等的變化會引起誤差等； （5）測量者的操作是否正確，如讀數時的視差、視覺疲勞等會引起系統誤差等。圖1-5

殘余誤差曲線1.2 誤差的分析和處理2）在測量結果中進行修正 恒值的系統誤差，可直接用修正值對測量結果進行修正；變化的系統誤差，可找出變化的規律，用修正公式對測量結果進行修正；其他未知規律的誤差，可按隨機誤差進行處理。3）在測量系統中采用補償措施 找出系統誤差的規律，在測量過程中自動消除系統誤差。如用熱電偶測溫時，采用冷端補償法進行自動補償；用熱電阻測溫時，對環境溫度實時反饋修正。1.2 誤差的分析和處理

1.2 誤差的分析和處理

注意：以上準則以數據呈正態分布為前提，當偏離正態分布或測量次數很少時，判斷的可靠性就降低。表1-4

格拉布斯準則中的G值1.3 誤差合成

1.3 誤差合成

1.3 誤差合成

1.3 誤差合成

圖1-6

測量電阻Rx的平衡電橋原理線路圖1.4 最小二乘法與線性回歸分析

圖1-7

傳感器輸入輸出實驗數據圖1-8

實驗數據對應坐標點及擬合曲線1.4 最小二乘法與線性回歸分析

1.4 最小二乘法與線性回歸分析

1.4 最小二乘法與線性回歸分析

1.4 最小二乘法與線性回歸分析

1.4 最小二乘法與線性回歸分析

圖1-9

用最小二乘法求擬合直線1.4 最小二乘法與線性回歸分析

第二章

傳感器理論基礎 2.1 傳感器的定義和組成 2.2 傳感器的分類 2.3 傳感器的一般特性 2.4 傳感器的標定2.1.1 傳感器的定義

傳感器是能夠感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器的定義有三層含義:

（1）傳感器對規定的被測量有“反應”；

（2）傳感器的輸出與被測量之間建立了有規律的一一對應關系；

（3）傳感器是一個器件或裝置。傳感器有時又被稱為檢測器、轉換器等，這僅僅是在不同的技術領域中使用的不同術語而已。通常，傳感器由敏感元件、轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件的輸出轉換為適合處理或傳輸的電參量或電信號的部分。在某些場合，如在電子技術領域，常把能感受信號的電子元件稱為敏感元件，如熱敏元件、磁敏元件、光敏元件及氣敏元件等，這些元件將被測量直接轉化為電參量或電信號，此時傳感器的敏感元件和轉換元件兩者合二為一，通過轉換電路可以輸出電信號，所以，傳感器又等同為敏感元件。但這些提法在含義上有些狹窄，因此，傳感器一詞是使用最為廣泛而概括的用語。

傳感器輸出的電信號形式很多，有電阻、電感、電容等電參量以及電壓、電流、頻率、脈沖等電信號，輸出信號的形式由傳感器的原理確定。2.1 傳感器的定義和組成

2.1 傳感器的定義和組成圖2-1

傳感器的組成圖2-2

應變式加速度傳感器圖2-3

熱電偶 傳感器的種類繁多，其分類方式也很多，按照其工作原理所屬學科可分為物理、化學、生物傳感器等。本書主要討論物理傳感器，并按照常用的分類方法對其分類。1.按工作原理分類

這種分類方式是以傳感器的工作原理為依據，將傳感器分為電參量式傳感器(電阻、電容、電感)、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、熱電式傳感器、半導體式傳感器以及其他形式的傳感器。2.按被測量類型分類

這種分類方式以傳感器測量對象的物理屬性為依據，將傳感器分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、力/力矩傳感器、流量傳感器以及其他(如CO傳感器、濕度傳感器、接近開關等)形式的傳感器。3.按傳感器的能源分類

根據有的傳感器可以直接產生電信號，有的傳感器則需要外接電源，傳感器又被分為有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器是能量轉換型傳感器，如基于壓電效應、熱電偶的熱電效應等制作的傳感器，當被測量作用于傳感器時，將直接產生電信號。無源傳感器是能量控制型傳感器，如各種電參量式傳感器，當被測量作用于傳感器時，僅發生電參數(如電阻)的變化，沒有能量交換，要輸出對應的電信號，需要外接電源和相應的信號調理電路。

傳感器的三種分類方式中，按工作原理、被測量類型這兩種分類的方式比較常用，前者強調傳感器的物理原理，后者則主要體現傳感器的用途。2.2 傳感器的分類 傳感器的一般特性指的是傳感器輸入、輸出之間的關系特性。當輸入量為常量或變化極慢時，這一關系特性稱為靜態特性；當輸入量隨時間變化得較快時，這一關系特性就稱為動態特性。2.3.1靜態特性 傳感器的靜態特性是指被測量的值處于穩定狀態時，輸出與輸入之間的關系。 圖2-4描述了傳感器輸入與輸出之間的一般關系和影響輸入與輸出特性的各種因素。從圖中可以看出，影響傳感器輸入x和輸出y之間關系的因素很多，既有外部的因素，也有傳感器內部的因素。外部因素對傳感器輸入與輸出造成的影響稱為外界影響，形成了傳感器的干擾，這些干擾包括振動、電磁干擾，供電電源不穩定，非正常變化的溫度等。內部因素主要取決于傳感器本身的性能，主要包括線性度、靈敏度、遲滯、重復性、溫漂、零漂等靜態性能指標和反映輸出對輸入動態變化跟隨能力的動態響應特性，其中大部分指標體現了傳感器的誤差因素。2.3 傳感器的一般特性圖2-4

傳感器輸入/輸出的影響因素

2.3 傳感器的一般特性圖2-5

各種直線擬合方法

2.3 傳感器的一般特性

2.3 傳感器的一般特性圖2-6

遲滯特性圖2-7 重復特性

2.3 傳感器的一般特性圖2-8

零階傳感器的階躍響應

2.3 傳感器的一般特性圖2-9

一階傳感器的階躍響應

2.3 傳感器的一般特性圖2-10

二階傳感器的階躍響應

2.3 傳感器的一般特性圖2-11

動態響應指標

2.3 傳感器的一般特性圖2-12

一階傳感器的幅頻和相頻響應曲線

2.3 傳感器的一般特性圖2-13

二階傳感器的幅頻和相頻響應曲線 傳感器標定是指利用較高等級的標準器具(或儀器、儀表)對傳感器的特性進行刻度標定，或者說通過試驗建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關系。同時，通過標定也確定出不同使用條件下的誤差關系。

傳感器不僅在投入使用前應對其進行標定，以確定輸入和輸出的對應關系及相關的誤差等性能指標，而且要求在使用過程中定期進行檢查，以判斷其性能參數是否偏離初始標定的性能指標，確定是否需要重新標定或停止使用。傳感器的標定分為靜態標定和動態標定。不同的傳感器其標定方法各不相同，但其基本要求和過程是一致的。2.4.1 傳感器靜態特性標定 傳感器靜態標定的目的是確定傳感器的靜態特性指標，如線性度、靈敏度、精度、遲滯和重復性等。所以在標定時，所用的測量器具精度等級應比被標定的傳感器精度等級至少高一級，并且要在一定的標準條件下(通常是指傳感器的額定使用環境中)進行靜態標定。 傳感器靜態標定的過程如下： (1)將傳感器全量程標準輸入量分成若干個間斷點，取各點的值作為標準輸入值。 (2)由小到大一點一點地輸入標準值，待輸出穩定后記錄與各輸入值相對應的輸出值。 (3)由大到小一點一點地輸入標準值，待輸出穩定后記錄與各輸入值相對應的輸出值。 (4)按步驟(2)和(3)所述過程，對傳感器進行正、反行程往復循環多次測試。將所得輸入和輸出數據用表格列出或畫出曲線。 (5)對測試數據進行必要的分析和處理，以確定該傳感器的靜態特性指標。2.4 傳感器的標定

2.4 傳感器的標定圖2-15

S型傳感器外形圖2.4.2傳感器動態特性標定

傳感器動態標定的目的是確定傳感器的動態特性參數，如時間常數、上升時間，或工作頻率、通頻帶等。

與靜態特性標定一樣，各類傳感器動態特性標定的方法各不相同，有時甚至同一類傳感器也有多種標定方法，但基本要求是相通的。為了標定時間常數、上升時間等參數，傳感器的輸入應該是一個標準的階躍激勵函數，根據系統對階躍輸入的動態響應曲線確定各動態性能指標;在標定傳感器的工作頻率、通頻帶等參數時，輸入則為標準的正弦函數。由標準的輸入信號測出輸出信號的時域響應和頻域響應后，畫出特性曲線，并由此標定傳感器的時域或頻域特性參數。2.4 傳感器的標定第三章

應變式傳感器 3.1 應變式傳感器的工作原理 3.2 電阻應變片的特性 3.3 應變片的測量電路 3.4 應變式傳感器的應用

3.1 應變式傳感器的工作原理圖3-1

金屬絲應變效應

3.1 應變式傳感器的工作原理3.2.1 電阻應變片

電阻應變片有金屬應變片和半導體應變片兩種。傳統的金屬應變片又分為絲式和箔式。半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。半導體應變片的靈敏度系數一般遠高于金屬應變片，但穩定性不如金屬應變片。

如圖3-2(a)、(b)、(c)所示分別是絲式應變片、箔式應變片和半導體應變片的結構。絲式應變片、箔式應變片的結構特點是將敏感應變的電阻絲用不同的工藝方法制作成柵狀。

金屬應變片對電阻絲材料有較高的要求，一般要求靈敏系數大，電阻溫度系數小，具有優良的機械加工和焊接性能等。康銅是目前應用最廣泛的應變絲材料。針對應變片的不同的應變測試方向，應變片有多種結構形式，主要有正向、切向、45度方向、圓周方向等型式的應變片。

3.2 電阻應變片的特性圖3-2

金屬電阻和半導體應變片的結構

3.2 電阻應變片的特性

3.2 電阻應變片的特性圖3-3

應變片軸向受力及橫向效應

3.2 電阻應變片的特性

3.2 電阻應變片的特性

3.2 電阻應變片的特性圖3-4

單臂電橋轉換電路

3.3 應變片的測量電路圖3-5

電橋轉換電路

3.3 應變片的測量電路

3.3 應變片的測量電路圖3-6

差動電橋轉換電路

3.3 應變片的測量電路

3.3 應變片的測量電路圖3-8

交流電橋

3.3 應變片的測量電路圖3-9

交流電橋的調零

3.4 應變式傳感器的應用圖3-10

柱(筒)式力傳感器

3.4 應變式傳感器的應用圖3-11

液位高度或液體重量傳感器第四章

電感式傳感器 4.1 自感式傳感器 4.2 互感式傳感器 4.3 電渦流式傳感器

4.1 自感式傳感器圖4-1

自感式傳感器的結構及電感量與氣隙厚度的關系曲線

4.1 自感式傳感器

4.1 自感式傳感器

4.1 自感式傳感器

4.1 自感式傳感器圖4-2

差動變隙式自感傳感器的結構原理圖

4.1 自感式傳感器

4.1 自感式傳感器圖4-3

交流電橋式測量電路圖4-4

變壓器電橋式測量電路

4.1 自感式傳感器圖4-5

諧振式調幅電路及輸出電壓與電感的關系曲線

4.1 自感式傳感器

4.2 互感式傳感器圖4-7

螺管式差動變壓器的結構圖4-8

差動變壓器式傳感器的等效電路

4.2 互感式傳感器圖4-9

差動變壓器輸出電壓的特性曲線4.2.2 差動變壓器的應用 差動變壓器式傳感器的應用非常廣泛。凡是與位移有關的物理量均可經過它轉換成電量輸出，常用于測量振動、厚度、應變、壓力、加速度等各種物理量。 圖4-10是差動變壓器式加速度傳感器結構原理和測量電路方框圖。用于測定振動物體的頻率和振幅時，其激磁頻率必須是振動頻率的10倍以上，這樣可以得到精確的測量結果。可測量的振幅范圍為0.1mm～5mm，振動頻率一般為0Hz～150Hz。4.2 互感式傳感器圖4-10

差動變壓器式加速度傳感器

4.3 電渦流式傳感器圖4-11

電渦流式傳感器的原理圖圖4-12

電渦流式傳感器的簡化模型

4.3 電渦流式傳感器圖4-13

電渦流式傳感器等效電路

4.3 電渦流式傳感器

4.3 電渦流式傳感器圖4-14

電渦流密度J與半徑r的關系曲線

4.3 電渦流式傳感器圖4-16

電渦流密度軸向分布曲線

4.3 電渦流式傳感器圖4-17

電渦流式傳感器轉速測量示意圖第五章

電容式傳感器 5.1 電容式傳感器的工作原理 5.2 電容式傳感器的測量電路 5.3 電容式傳感器的誤差分析 5.4 電容式傳感器的應用

5.1 電容式傳感器的工作原理

5.1 電容式傳感器的工作原理圖5-1

變極距型電容式傳感器

圖5-2

電容量與極板間距的關系

5.1 電容式傳感器的工作原理

5.1 電容式傳感器的工作原理圖5-3

放置云母片的電容器

5.1 電容式傳感器的工作原理圖5-4

差動式變極距型電容式傳感器原理圖

5.1 電容式傳感器的工作原理

5.1 電容式傳感器的工作原理圖5-5

變面積型電容傳感器原理圖圖5-6

電容式角位移傳感器原理圖

5.1 電容式傳感器的工作原理圖5-7

極板間變介質型電容式液位變換器結構原理圖

5.1 電容式傳感器的工作原理5.2.1 調頻電路 調頻電路工作原理如圖5-9所示。傳感器電容作為振蕩器諧振回路的一部分，當被測量使傳感器電容量發生變化時，振蕩器的振蕩頻率也隨之變化(調頻信號)，其輸出經限幅、放大、鑒頻后變成電壓輸出。 為了防止干擾使調頻信號產生寄生調幅，在鑒頻器前常加一個限幅器，將干擾及寄生調幅削平，使進入鑒頻器的調頻信號是等幅的。鑒頻器的作用是將調頻信號的瞬時頻率變化恢復成原調制信號電壓的變化，它是調頻信號的解調器。 調頻電路具有抗干擾性強、靈敏度高等優點，其缺點是寄生電容對測量精度的影響較大，因此必須采取適當的措施來減小或消除寄生電容的影響。常用的措施包括縮短傳感器和測量電路之間的電纜、采用專用的驅動電纜或者將傳感器與測量電路做成一體等。5.2 電容式傳感器的測量電路圖5-9

調頻電路工作原理圖

5.2 電容式傳感器的測量電路圖5-10

運算放大器式電路原理圖

5.2 電容式傳感器的測量電路圖5-11

脈沖寬度調制電路及波形

5.2 電容式傳感器的測量電路

(2)不需要解調電路，只要經過低通濾波器就可以得到直流輸出； (3)調寬脈沖頻率的變化對輸出無影響； (4)由于采用直流穩壓電源供電，因此不存在對其波形及頻率的要求。 所有這些特點都是其他電容測量電路無法比擬的。5.2 電容式傳感器的測量電路

電容式傳感器將被測量轉換成相應的電容的變化量，具有高靈敏度、高精度、高分辨力和穩定可靠等優點，但在實際應用中，容易受到如溫度、濕度、電場邊緣效應、寄生與分布電容等因素的影響，使得特性不穩定，嚴重時甚至無法工作。因此，在設計和應用電容式傳感器時必須予以考慮。5.3.1 溫度誤差

環境溫度變化會引起電容式傳感器內部零件形狀、尺寸、大小及零件材料的線膨脹系數的變化，從而產生測量誤差。在設計電極支架時，應當選用溫度系數小、幾何尺寸穩定、絕緣性高以及低吸潮性的材料，如果溫度不太高，也可用聚四氟乙烯材料。在選擇電介質時，應該選擇介電常數的溫度系數接近零的材料，否則會因為溫度改變而產生測量誤差。如果可能，傳感器盡量采用差動對稱結構，以減少溫度引起的誤差。

下面以圖5-12所示電容式測壓傳感器為例，對溫度誤差進行分析。5.3 電容式傳感器的誤差分析圖5-12

電容式測壓傳感器

5.3 電容式傳感器的誤差分析

5.3 電容式傳感器的誤差分析

5.3 電容式傳感器的誤差分析圖5-13

帶有等位環的平行板電容器圖5-14

帶有等位環的平板電容傳

感器結構示意圖5.3.3 寄生電容與分布電容的影響 電容式傳感器除了在極板間產生電容外，極板與其周圍的其他元器件甚至人體間也會產生一定的附加電容(包括引線的分布電容)，這種電容稱為寄生電容。由于傳感器本身的電容量非常小，寄生電容又極不穩定，因此它的存在改變了電容式傳感器的電容量，直接導致了傳感器的不穩定，在很大程度上影響了傳感器的正常工作。為了消除和減小寄生電容對電容式傳感器的影響，提高儀器的測量精度，可采用以下幾種方法：(1)增加傳感器自身的原始電容值。 可采用減小傳感器極板或極筒間的距離(一般來說平板式極板間距為0.2mm～0.5mm，圓筒式極筒間距為0.15mm)，增加測量面積或長度等方法來增大傳感器的原始電容值，從而降低寄生電容的影響。但該方法受限于傳感器的結構、裝配工藝、擊穿電壓、精度及量程等外在條件。(2)集成化。 將傳感器與測量電路的前置級裝在一個殼體內，省去從傳感器至前置級的電纜引線，這樣寄生電容會大幅度減小并且易保持固定不變，使儀器能夠穩定工作。但這種集成化的傳感器會因其電子元器件產生溫度漂移而難以應用于高溫、低溫或其他環境惡劣的場景。5.3 電容式傳感器的誤差分析

5.3 電容式傳感器的誤差分析圖5-15

“驅動電纜”技術電原理圖圖5-16

差動電容式傳感器交流電

橋的整體屏蔽系統示意圖

5.4 電容式傳感器的應用圖5-17

差動式電容式加速度傳感器結構圖

5.4 電容式傳感器的應用圖5-18

電容式傳聲器第六章

壓電式傳感器 6.1 壓電式傳感器工作原理 6.2 測量電路 6.3 壓電式傳感器的應用

6.1 壓電式傳感器的工作原理圖6-1

壓電材料的受壓情況

圖6-2

壓電材料微單元及其受壓分析

6.1 壓電式傳感器的工作原理

6.1 壓電式傳感器的工作原理

6.1 壓電式傳感器的工作原理圖6-3

石英的晶體結構及切片方向

6.1 壓電式傳感器的工作原理圖6-4

石英的壓電機理分析

6.1 壓電式傳感器的工作原理圖6-5

壓電陶瓷的極化

6.1 壓電式傳感器的工作原理

6.1 壓電式傳感器的工作原理圖6-6

壓電式傳感器及等效電路

6.2 測量電路圖6-7

壓電式傳感器的電壓放大電路

6.2 測量電路

6.2 測量電路圖6-8

電壓放大電路的幅頻響應

6.2 測量電路圖6-9

電荷放大器的等效電路圖6-10

電荷放大器的簡化電路圖6-11

電荷放大器簡化電路的等效圖

6.2 測量電路 壓電元件受力產生電荷后，需要由鍍附在表面的電極完成輸出。壓電元件是一個電荷源，同時也是一個以壓電材料為介質的電容。電荷只有在電容無泄漏的情況下才能保存，壓電元件和后續放大器的輸入阻抗盡管很高，但還是不能保證電荷的不泄漏，只是泄漏的速度有快有慢，因此壓電式傳感器不適宜做靜態測量。壓電式傳感器一般用來檢測交變的力信號，如機床切削力的動態測量和振動的測量(壓電加速度傳感器)。

單片壓電元件產生的電荷很小，為了提高響應的靈敏度，在實際使用中常采用兩片或多片同類壓電元件疊放的結構。由于壓電元件產生的電荷是有極性的，因此有串聯、并聯兩種接法。如圖6-12所示，圖(a)是兩片壓電元件的負端接在一起，中間插入金屬電極，成為壓電傳感器負端輸出，外側的兩個正端短接形成壓電傳感器的正端輸出，這種接法類似兩個電容的并聯，稱為并聯接法。圖(b)是兩片壓電元件的不同極性的端面接在一起，另外兩側形成壓電傳感器的正、負端輸出，這種接法類似兩個電容的串聯，稱為串聯接法。6.3 壓電式傳感器的應用圖6-12

多片壓電元件的組合接法

6.3 壓電式傳感器的應用

6.3 壓電式傳感器的應用圖6-13

單向壓電式力傳感器

6.3 壓電式傳感器的應用圖6-14

壓電式三向力傳感器的結構及壓電片的受力分析

6.3 壓電式傳感器的應用圖6-15

壓電式加速度傳感器的結構

6.3 壓電式傳感器的應用圖6-16

壓電式玻璃破碎報警器電路原理圖第七章

磁電式傳感器 7.1 霍爾傳感器 7.2 磁電感應式傳感器

7.1 霍爾傳感器圖7-1

霍爾效應原理圖

7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器圖7-2

霍爾元件 圖7-3 霍爾元件的等效電路模型

7.1 霍爾傳感器7.1.3 特性參數1.額定激勵電流和最大允許激勵電流 當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流，元件允許最大溫升所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流的增加而線性增加，所以，使用中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知道元件的最大允許激勵電流。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。2.輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻和輸出電阻值是在磁感應強度為零且環境溫度在20℃±5℃時確定的。3.不等位電勢和不等位電阻 當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置的磁感應強度為零，則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。產生這一現象的原因有： (1)霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上。 (2)半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻。 (3)激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器圖7-4

霍爾元件的基本測量電路

7.1 霍爾傳感器圖7-5

不等位電勢補償電路

7.1 霍爾傳感器圖7-6

恒流溫度補償電路

7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器圖7-7

霍爾式位移傳感器的結構及磁場變化曲線2.霍爾式轉速傳感器 圖7-8所示為幾種不同結構的霍爾式轉速傳感器。磁性轉盤的輸入軸與被測轉軸相連，當被測轉軸轉動時，磁性轉盤隨之轉動，固定在磁性轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產生一個相應的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數，便可計算出被測轉速。磁性轉盤上小磁鐵數目的多少決定了傳感器測量轉速的分辨率。7.1 霍爾傳感器圖7-8

幾種霍爾式轉速傳感器的結構

7.2 磁電感應式傳感器圖7-9

變磁通式磁電傳感器結構圖 圖7-9(a)所示為開磁路變磁通式磁電傳感器，線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉體上，隨被測體一起轉動。每轉動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產生感應電勢，其變化頻率等于被測轉速與測量齒輪上齒數的乘積。這種傳感器結構簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速的旋轉體。 圖7-9(b)所示為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉軸上的內齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成，內外齒輪齒數相同。當轉軸連接到被測轉軸上時，外齒輪不動，內齒輪隨被測軸的轉動而轉動，內、外齒輪的相對轉動使氣隙磁阻產生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內產生周期性變化的感應電勢。顯然，感應電勢的頻率與被測轉速成正比。 圖7-10所示為恒磁通式磁電傳感器典型結構圖。它由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。

7.2 磁電感應式傳感器圖7-10

恒磁通式磁電傳感器結構圖

7.2 磁電感應式傳感器

7.2 磁電感應式傳感器圖7-11

磁電式振動速度傳感器結構第八章

熱電式傳感器 8.1 熱電偶 8.2 熱電阻

8.1 熱電偶圖8-1

熱電偶結構示意圖

8.1 熱電偶

8.1 熱電偶圖8-2

回路總電勢示意圖

8.1 熱電偶圖8-3

熱電偶測溫系統簡圖

8.1 熱電偶圖8-4

熱電偶中間導體定律示意圖

8.1 熱電偶圖8-5

熱電偶參考電極定律示意圖圖8-6

熱電偶中間溫度定律示意圖

8.1 熱電偶

8.1 熱電偶表8-1

鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表(冷端溫度:0℃;熱電勢單位:mV)8.1.3 常用熱電耦 理論上講,任何兩種不同材料的導體或半導體都可以組成熱電偶,但為了測量可靠,對熱電偶的材料有以下基本要求：①測溫范圍內,熱電性質穩定,物理化學性質穩定,不易氧化、腐蝕；②電阻溫度系數小,導電率高,比熱小；③測溫時,產生的熱電勢大,且熱電勢與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數關系；④材料復制性好,機械強度高,制造工藝簡單,價格便宜。1.熱電偶類型1）鉑銠鉑熱電偶：S型熱電偶 S型熱電偶的特點是復制精度高,測量準確性高,可用于精密測量,可作為標準熱電偶。在氧化性和中性介質中物理、化學性質穩定。但S型熱電偶熱電勢小,高溫時易變質。2）鎳鉻鎳硅熱電偶：K型熱電偶 K型熱電偶是最常用的一種熱電偶,其特點是穩定性高,復制性好,線性好,產生的熱電勢大,價格便宜。但其精度偏低,在還原性介質中易受腐蝕。3）鎳鉻考銅熱電偶：E型熱電偶 E型熱電偶的特點是靈敏度高,價格便宜,但測溫范圍窄而低,多用于常溫測量,不易得到均勻的線性關系。4）鉑銠30-鉑銠6熱電偶：B型熱電偶 B型熱電偶的特點是精度高,性能穩定,適用于氧化性或中性介質中使用,冷端熱電勢小,40℃以下可不修正。但價格高,輸出小。5）銅-康銅熱電偶：T型熱電偶 T型熱電偶的特點是低溫穩定性好,但復制性差。8.1 熱電偶2.熱電偶的結構形式 為了適應不同的測溫要求和條件,熱電偶的結構形式有普通型熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶等。1）普通型熱電偶 普通型熱電偶在工業上應用最多,如圖8-7所示,由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。2）鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶,如圖8-8所示。它是由熱電極、絕緣材料和金屬套管拉伸而成的組合體,可以制成細長形狀,使用中能任意彎曲。其特點是測溫端熱容量小,動態特性好,機械強度高,撓性好,適用于復雜安裝結構。3）薄膜熱電偶 薄膜熱電偶是一種特殊熱電偶,如圖8-9所示,它是通過將兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學涂附等方法蒸鍍到絕緣基板上制成的。其特點是熱接點小,熱容量小,響應速度快,適用于微小面積上的溫度測量和動態溫度測量。8.1 熱電偶圖8-7

普通型熱電偶結構圖8-8

鎧裝熱電偶結構圖8-9

薄膜熱電偶結構

8.1 熱電偶

8.1 熱電偶表8-2

鎳鉻-鎳硅熱電偶修正系數表圖8-10

補償電橋8.1.5 熱電偶的應用1.熱電偶測溫系統 典型熱電偶測溫系統的結構框圖如圖8-11所示，圖(a)是普通測溫結構，圖(b)是帶有補償器的測溫結構，圖(c)是具有溫度變送器的測溫結構，圖(d)是帶有一體化溫度變送器的測溫結構。8.1 熱電偶圖8-11

典型熱電偶測溫系統結構框圖

8.1 熱電偶圖8-12

熱電偶冷端補償電路 圖8-13 熱電偶串聯和并聯電路

8.2 熱電阻

8.2 熱電阻

8.2 熱電阻圖8-14

汽車水箱溫度檢測電路 圖8-15 晶體管靜態工作點補償電路第九章

光電式傳感器和

超聲波傳感器 9.1 光電器件 9.2 光纖傳感器 9.3 超聲波傳感器

9.1 光電器件

9.1 光電器件9.1.1 光敏電阻1.光敏電阻的原理與結構 光敏電阻又稱光導管，由半導體材料制成，是純電阻器件，其結構原理如圖9-1所示。光敏電阻不受光照時，電阻值很大，電路中電流很小；受到一定波長的光照射時，阻值急劇減小。 光敏電阻在不受光照射時的電阻稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流；在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。 通常，暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，即光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。 圖9-1(a)所示是金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結構示意圖。玻璃底板上均勻涂敷了一層薄薄的半導體物質，形成光導層；金屬電極安裝在半導體兩端，由電極引線引出，形成光敏電阻；為防止周圍介質的影響，光導層上覆蓋漆膜，但漆膜的成分應保證在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大。圖9-1(b)所示是光敏電阻電極的形式，為提高靈敏度，采用梳狀電極。圖9-1(c)所示是光敏電阻接線簡圖。9.1 光電器件圖9-1

光敏電阻結構原理圖2.光敏電阻的基本特性1)伏安特性 伏安特性是指在一定照度下，光敏電阻兩端的電壓與電流的關系。 硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線如圖9-2所示。可見，IU曲線在一定的電壓范圍內呈直線，說明阻值與電壓、電流無關，只與入射光量有關。2)光譜特性 光譜特性也稱光譜響應，指光敏電阻的相對靈敏度與入射波長的關系。 幾種不同材料光敏電阻的光譜特性如圖9-3所示。可見，對于不同的波長，光敏電阻的靈敏度也不同。硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光區域，常用于光度量測量，如照度計；硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區，常用于火焰探測器。9.1 光電器件圖9-2

硫化鎘光敏電阻的伏安特性

圖9-3

光敏電阻的光譜特性3)溫度特性 溫度特性反映的是溫度變化對光敏電阻的光譜響應、光敏電阻的靈敏度、暗電阻等的影響。 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線如圖9-4所示。可見，該光敏電阻受溫度影響很大，其峰值隨著溫度的上升向波長短的方向移動，故該光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。4)光照特性 光照特性描述光電流和光照強度之間的關系。 硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線如圖9-5所示。可見，光照特性曲線呈非線性，因此不宜作為測量元件，多用于開關信號的傳遞。不同材料的光敏電阻，其光照特性也不同。5)頻率特性 多數光敏電阻的光電流不能隨光強改變而立即變化，有一定的惰性，即時間常數較大。不同材料的光敏電阻，其時間常數也不同。硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性曲線如圖9-6所示。 可見，光敏電阻允許的光電流大，光譜特性好，靈敏度高，但參數一致性較差，光照特性為非線性，常用于對精度要求不高的場合。9.1 光電器件圖9-4

硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性圖9-5

硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線圖9-6

光敏電阻的頻率特性9.1.2 光敏二極管和晶體管1.結構及工作原理1）光敏二極管 光敏二極管的結構簡圖和符號如圖9-7所示。光敏二極管裝在透明玻璃外殼中,PN結裝在管的頂部,可以直接受到光照射。 光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態,如圖9-8所示。無光照射時,反向電阻很大,反向電流很小；光照射在PN結上時,PN結附近產生光生電子和光生空穴對,在PN結處內電場的作用下做定向運動,形成光電流。光的照度越大,光電流越大。 因此,光敏二極管在不受光照射時,處于截止狀態；受光照射時,處于導通狀態。9.1 光電器件圖9-7

光敏二極管結構簡圖和符號 圖9-8 光敏二極管接線圖

9.1 光電器件圖9-9

NPN型光敏晶體管結構簡圖和基本電路2.基本特性1）伏安特性 硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線如圖9-10所示。光敏晶體管在不同照度下的伏安特性和晶體管在不同基極電流下的輸出特性一樣。 圖9-10（a）所示是硅光敏二極管的伏安特性。反向電流隨光照強度的增大而增大,不同照度下,曲線幾乎平行,不受偏壓影響。 圖9-10（b）所示是硅光敏晶體管的伏安特性。和圖9-10（a）相比,由于晶體管的放大作用,同樣的照度下,光敏晶體管輸出的光電流比相同管型的二極管大上百倍。2）光譜特性 光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖9-11所示,峰值處靈敏度最大。可見,硅的峰值波長約為0.9μm,鍺的峰值波長約為1.5μm,都在近紅外區域。當入射光的波長自峰值處增加或縮短時,硅和鍺的相對靈敏度均下降。實際應用時,可見光或熾熱狀態物體的探測,一般都用硅管；對紅外光的探測,鍺管較適合。相對而言,鍺管的暗電流較大,性能較差。9.1 光電器件圖9-10

硅光敏管的伏安特性圖9-11

光敏二極管(晶體管)的光譜特性3）頻率特性 頻率特性指光敏管輸出的相對靈敏度或光電流隨頻率變化的關系。光敏晶體管的頻率特性如圖9-12所示。 可見,光敏晶體管的頻率特性和負載電阻相關,減小負載電阻可提高頻率響應范圍,但輸出電壓響應亦減小。在半導體光電器件中,光敏二極管的頻率特性最好,普通的響應時間就可達10μs。4）溫度特性 溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關系。光敏晶體管的溫度特性如圖9-13所示。 可見,溫度變化對光電流影響很小,對暗電流影響很大。故在電子線路中應對暗電流進行溫度補償,否則將導致輸出誤差。9.1 光電器件圖9-12

光敏晶體管的頻率特性 圖9-13 光敏晶體管的溫度特性9.1.3 光電池 光電池可直接將光能轉換為電能，是光線作用下的電源。1.結構及工作原理 光電池的工作原理就是光生伏特效應，如圖9-14（a）所示，等效電路如圖9-14（b）所示。當入射光照射PN結時，若光子的能量大于半導體材料的禁帶寬度，則可以在PN結內產生電子空穴對，并從表面向內迅速擴散，在結電場的作用下，空穴移向P型區，電子移向N型區，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。2.光電池的基本特性1）光譜特性 硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線如圖9-15所示。9.1 光電器件圖9-14

硅光電池結構原理圖及等效電路 圖9-15 硅、硒光電池的光譜特性

9.1 光電器件圖9-16

硅光電池的光照特性 圖9-17 硅、硒光電池的頻率特性4）溫度特性 溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況，如圖9-18所示。 可見，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量器件應用時，關系到儀器和設備的溫度漂移、測量精度和控制精度，最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。 硅光電池的最大開路電壓約為600mV，在照度相等的情況下，光敏面積越大，輸出的光電流也越大。硅光電池性能穩定，光譜范圍寬，頻率特性好，轉換效率高，耐高溫輻射。9.1 光電器件圖9-18

硅光電池的溫度特性

9.1 光電器件圖9-19

MOS電容器

9.1 光電器件圖9-20

電荷注入方法

9.1 光電器件圖9-21

三相CCD時鐘電壓與電荷轉移的關系

9.1 光電器件圖9-22

CCD輸出結構

9.1 光電器件圖9-23

光電轉速傳感器工作原理圖 圖9-24 光電轉換電路

9.1 光電器件圖9-25

光控水龍頭電路圖

9.1 光電器件圖9-26

細絲直徑檢測系統結構

9.2 光纖傳感器圖9-27

光纖的基本結構圖9-28

光纖的傳光原理

9.2 光纖傳感器

9.2 光纖傳感器9.2.2 光纖傳感器的工作原理及應用1.光纖傳感器的工作原理及組成1）工作原理 光纖傳感器的工作原理是：通過外界信號（溫度、壓力、應變、位移、振動等）對光進行調制，引起光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等性質的變化，即光被外界參數調制。 光纖傳感器一般分為功能型（傳感型）傳感器和非功能型（傳光型）傳感器兩類。 （1）功能型傳感器：又稱為傳感型傳感器，利用光纖本身的特性或功能把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內傳輸的光進行調制，使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化，再通過對被調制過的信號進行解調，從而得出被測信號。 （2）非功能型傳感器：又稱為傳光型傳感器，利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖作為信息的傳輸介質。2）組成結構 如圖9-29所示，光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖、非光纖）、光探測器、信號處理系統及光纖組成。9.2 光纖傳感器圖9-29

光纖傳感器組成示意圖3）工作過程 光源發出的光，通過光纖傳到敏感元件；被測參數作用于敏感元件，在光的調制區內，光的某一性質受到被測量的調制；調制后的光經接收光纖耦合到光探測器，將光信號轉換為電信號，然后進行相應的信號處理后得到被測量值。2.光纖傳感器的應用1）光纖傳感器的液位檢測 采用光纖傳感器檢測液位的工作原理如圖9-30所示。系統采用兩組光纖傳感器，一組完成液面上限控制，另一組完成液面下限控制，分別按某一角度裝在玻璃筒的兩側。 當投光光纖與光纖傳感器之間有液體時，由于液體對光的折射，光纖傳感器接收到光信號，并由放大器內的光敏元件轉換成電信號輸出。無液體時，光纖傳感器接收不到投光光纖發出的光。液面的控制精度可達±1mm。9.2 光纖傳感器圖9-30

液位檢測原理圖

9.2 光纖傳感器圖9-31

光纖旋渦流量傳感器結構示意圖

9.3 超聲波傳感器圖9-32

機械波的頻率界限圖

9.3 超聲波傳感器

9.3 超聲波傳感器圖9-33

超聲波的反射和折射

9.3 超聲波傳感器

聲波在介質中傳播時，能量衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關。擴散衰減指因聲波傳播距離的增加而引起的聲能減弱；散射衰減指固體介質中的顆粒界面或流體介質中的懸浮粒子改變了部分聲能的傳播方向而造成的能量損耗；吸收衰減是由于介質具有粘滯性，使超聲波傳輸時引起質點間的摩擦，從而使一部分聲能轉換成熱能，導致損耗。 在理想介質中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散。5.超聲波傳感器的類型和結構 超聲傳感器按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中壓電式最為常用。 壓電式超聲波傳感器的敏感元件多采用壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓電效應進行工作。發射探頭利用了逆壓電效應，將高頻電振動轉換成高頻機械振動，形成超聲波發射；接收探頭利用正壓電效應，將超聲波振動轉換成電信號，即接收了超聲波。 超聲波探頭按敏感元件結構不同可分為兩種，即只能發射或只能接收的單向敏感元件和既可發射又可接收的可逆敏感元件。 壓電式超聲波傳感器的結構如圖9-34所示，由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜、接線片等組成。 超聲波頻率f與壓電晶片厚度δ成反比，壓電晶片兩面鍍銀，作為導電極板。阻尼塊的作用是吸收聲能量，提高分辨率。9.3 超聲波傳感器圖9-34

壓電式超聲波傳感器結構

9.3 超聲波傳感器圖9-35

超聲波流量檢測計的原理圖9-36

超聲波流量傳感器安裝示意圖2.超聲波探傷1）透射式 透射式探傷是根據超聲波穿透工件后能量的變化來判斷工件內部質量。透射式探傷工作原理如圖9-37所示，兩探頭置于工件相對兩面，一個發射，一個接收。發射波可以是連續波，也可以是脈沖波。 工件內無缺陷時，接收能量大，因而輸出電壓也大；工件內有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，因而輸出電壓也小。由此可判斷有無缺陷。 此法靈敏度較低，無法識別小缺陷，也無法定位，對兩探頭的相對距離和位置要求較高。2）反射式 反射式探傷是以聲波在工件中反射后能量的不同來探測缺陷，其原理如圖9-38所示。 高頻脈沖發生器通過探頭產生超聲波，向工件內部傳播，一部分被缺陷反射回來，另一部分傳至工件底面也被反射回來，被探頭接收后變為電壓脈沖。發射波T、缺陷波F及底波B被放大后，在熒光屏上顯示。熒光屏上的水平亮線為掃描線（時間基準），其長度與時間成正比。根據發射波、缺陷波及底波在掃描線上的位置，可求出缺陷位置。由缺陷波的幅值，可判斷缺陷大小。當缺陷截面積大于聲束面時，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T波、F波，沒有B波。當工件無缺陷時，熒光屏上只有T波、B波，沒有F波。9.3 超聲波傳感器圖9-37

透射式探傷原理圖圖9-38

反射式探傷原理圖第十章

智能檢測技術 10.1 智能檢測系統 10.2 智能檢測方法10.1.1 智能檢測系統的組成 智能檢測系統的典型結構如圖10-1所示，其主要由傳感器、信號采集調理系統、計算機、基本I/O系統、交互通信系統、控制系統等組成。 傳感器是智能檢測系統的信息來源，是能夠感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。 信號采集調理系統接收和采集來自傳感器的各種信號和信息，經過計算分析和判斷處理，輸出相應信號給計算機。信號采集調理系統的硬件主要包括前置放大器、抗混疊低通濾波器、采樣/保持器和多路模擬開關、程控放大器、A/D轉換器等。輸入按輸入信號的不同可分為模擬量輸入和數字量輸入。模擬量輸入是檢測系統中最常用的也是最復雜的，被測信號經傳感器拾取后變成電信號，再經信號采集調理系統對輸入信號進行放大、濾波、非線性補償、阻抗匹配等功能性調節后送入計算機。數字量輸入則通過通道測量、采集各種狀態信息，將這些信息轉換為字節或字的形式后送入計算機。由于信號可能存在瞬時高壓、過電壓、噪聲及觸點抖動，因此數字輸入電路通常包括信號轉換、濾波、過壓保護、電隔離及消除抖動等電路，以消除這些因素對信號的影響。10.1 智能檢測系統圖10-1

智能檢測系統的典型結構 計算機是整個智能檢測系統的核心，對整個系統起監督、管理、控制作用，同時進行復雜信號的處理、控制決策、產生特殊的檢測信號、控制整個檢測過程等。此外，利用計算機強大的信息處理能力和高速的運算能力，可實現命令識別、邏輯判斷、非線性誤差修正、系統動態特性的自校正以及系統自學習、自適應、自診斷、自組織等功能。智能檢測系統通過機器學習、人工神經網絡、數據挖掘等人工智能技術，可實現環境識別處理和信息融合，從而達到高級智能化水平。 基本I/O系統用于實現人機對話、輸入或修改系統參數、改變系統工作狀態、輸出測試結果、動態顯示測控過程以及以多種形式輸出、顯示、記錄、報警等功能。 交互通信系統用于實現與其他儀器儀表等系統的通信與互連。依靠交互通信系統可根據實際問題需求靈活構造不同規模、不同用途的智能檢測系統，如分布式測控系統、集散型測控系統等。通信接口的結構及設計方法與采用的總線技術、總線規范有關。 控制系統實現對被測對象、被測試組件、測試信號發生器，甚至對系統本身和測試操作過程的自動控制。根據實際需要，大量接口以各種形式存在于系統中，接口的作用是完成與它所連接的設備之間的信號轉換(如進行信號功率匹配、阻抗匹配、電平轉換和匹配)和交換、信號(如控制命令、狀態數據信號、尋址信號等)傳輸、信號拾取，以及對信號進行必要的緩沖或鎖存，以增強智能檢測系統的功能。10.1 智能檢測系統10.1.2 智能檢測系統中的傳感器 傳感器作為智能檢測系統的主要信息來源，其性能決定了整個檢測系統的性能。傳感器技術是關于傳感器的設計、制造及應用的綜合技術，它是信息技術(傳感與控制技術、通信技術和計算機技術)的三大支柱之一。傳感器的工作原理多種多樣，種類繁多，近年來隨著新技術的不斷發展，涌現出了各種類型的新型智能傳感器，使傳感器不僅有視、嗅、觸、味、聽覺的功能，還具有存儲、邏輯判斷和分析等人工智能，從而使傳感器技術提高到了一個新的水平。智能傳感器是傳感器技術發展的必然趨勢。 本節從智能檢測應用角度介紹常用傳感器和智能傳感器的功能及應用特點。1.常用傳感器 (1)應變式傳感器：利用電阻應變效應將被測量轉換成電阻的相對變化的一種裝置，它是目前最常用的一種測量力和位移的傳感器，在航空、船舶、機械、建筑等領域里獲得了廣泛應用。 (2)電感式傳感器：利用電磁感應原理將被測量轉換成電感量變化的一種裝置，其廣泛應用于位移測量以及能轉換成位移的各種參量(如壓力、流量、振動、加速度、比重、材料損傷等)的測量。其中，電渦流式電感傳感器還可進行非接觸式連續測量。這種傳感器能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業自動控制系統中被廣泛采用。 (3)電容式傳感器：將被測量轉換成電容量變化的一種裝置，其廣泛應用于壓力、差壓、液位、振動、位移、加速度、成分含量等方面的測量。10.1 智能檢測系統 (4)壓電式傳感器：利用某些材料的壓電效應將力轉變為電荷或電壓輸出的一種裝置，其在各種動態力、機械沖擊與振動測量，以及聲學、醫學、力學、宇航等方面得到了非常廣泛的應用。 (5)磁電式傳感器：通過電磁感應原理將被測量轉換為電信號的一種裝置，其廣泛應用于電磁、壓力、加速度、振動等方面的測量。 (6)光電式傳感器：利用光電元件將光能轉換成電能的一種裝置，可用于檢測許多非電量。由于光電式傳感器響應快、結構簡單、使用方便，而且具有較高的可靠性，因此在檢測、自動控制及計算機等方面應用非常廣泛。 (7)熱電傳感器：一種將溫度轉換成電量的裝置，包括電阻式溫度傳感器、熱電偶傳感器、集成溫度傳感器等。熱電偶傳感器是工程上應用最廣泛的溫度傳感器，其構造簡單，使用方便，具有較高的準確度、穩定性及復現性，溫度測量范圍寬，動態性能好，在溫度測量中占有重要的地位。 (8)超聲波傳感器：利用超聲波的傳播特性進行工作，已廣泛應用于超聲波探傷及液位、厚度等的測量。超聲波探傷是無損探傷的重要工具之一。2.智能傳感器 智能傳感器集成了微處理器，具有檢測、判斷、信息處理、信息記憶和邏輯思維等功能。它主要由傳感器、微處理器及相關電路組成。微處理器能按照給定的程序對傳感器實施軟件控制，把傳感器從單一功能變成多功能，具有自診斷、自校準、自適應性功能；能夠自動采集數據，并對數據進行預處理；能夠自動進行檢驗、自選量程、自尋故障等。10.1 智能檢測系統 智能傳感器與傳統的傳感器相比具有以下特點： (1)擴展了測量范圍和功能，組態功能可實現多傳感器多參數綜合測量。 (2)具有邏輯判斷、信息處理功能，可對檢測數據進行分析、修正和誤差補償，大大提高了測量精度。 (3)具有自診斷、自校準、自適應性以及數據存儲功能，能夠進行選擇性的測量和排除外界的干擾，提高了測量的穩定性和可靠性。 (4)在相同精度的需求下，多功能智能傳感器與單一功能普通傳感器相比，性價比明顯提高。 (5)具有數據通信接口，能夠直接將數據送入遠程計算機進行處理，具有多種數據輸入形式，適配各種應用系統。 智能傳感器是微電子技術、計算機技術和自動測試技術的結晶，其特點是能輸出測量數據及相關的控制量，適配各種微控制器。它是在硬件的基礎上通過軟件來實現檢測功能，軟件在智能傳感器中占據了主要成分，智能傳感器通過各種軟件對測量過程進行管理和調節，使之工作在最佳狀態，并對傳感器測量數據進行各種處理和存儲，提高了傳感器性能指標。智能傳感器的智能化程度與軟件的開發水平成正比，利用軟件能夠實現硬件難以實現的功能，以軟件代替了部分硬件，降低了傳感器的制造難度。10.1 智能檢測系統10.1.3 智能檢測系統中的硬件 典型的智能檢測系統硬件由傳感器、前置放大器、抗混疊低通濾波器、采樣/保持電路和多路開關、A/D轉換器、RAM、EPROM、調理電路控制器、信息總線等組成，如圖10-2所示。 前置放大器的主要作用是將來自傳感器的低電壓信號放大到系統所要求的電壓，同時可以提高系統的信噪比，減少外界干擾。

10.1 智能檢測系統圖10-2

典型智能檢測系統硬件構成

10.1 智能檢測系統10.1.4 智能檢測系統中的軟件1.軟件組成

智能檢測系統中的軟件取決于智能檢測系統的硬件支持和檢測功能的復雜程度。智能檢測系統中的軟件按功能一般可包括數據采集、數據處理、數據管理、系統控制、系統管理、網絡通信、虛擬儀器等，如圖10-3所示。 數據采集軟件有初始化系統、收集實驗信號與采集數據等功能，將所需的數據參數提取至檢測系統中。 數據處理軟件將數據進行實時分析、信號處理、識別分類，包括對數據進行數字濾波、去噪、回歸分析、統計分析、特征提取、智能識別、幾何建模與仿真等功能模塊。數據管理軟件包括對采集數據進行顯示、打印、存儲、回放、查詢、瀏覽、更改、刪除等功能模塊。系統控制軟件可根據預定的控制策略通過控制參數設置進而實現控制整個系統。控制軟件的復雜程度取決于系統的控制任務。計算機控制任務按設定值性質可分為恒值調節、伺服控制和程序控制三類。常見的控制策略有程序控制、PID控制、前饋控制、最優控制與自適應控制等。系統管理軟件包括系統配置、系統功能測試診斷、傳感器標定校準功能模塊等。其中系統配置軟件對配置的實際硬件環境進行一致性檢查，建立邏輯通道與物理通道的映射關系，生成系統硬件配置表。 網絡通信軟件完成檢測系統的內外部通信。10.1 智能檢測系統圖10-3

智能檢測系統中的軟件組成2.虛擬儀器 隨著計算機技術的高速發展，傳統儀器開始向計算機化方向發展。以計算機為核心，計算機軟件技術與測試軟件系統的有機結合，產生了虛擬儀器。美國國家儀器公司NI在20世紀80年代提出了虛擬儀器(VI)的概念，它是指通過應用程序將通用計算機與功能化硬件結合起來，用戶可通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像在操作自己定義和設計的一臺單個儀器一樣，從而完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、數據存儲等。與傳統儀器一樣，虛擬儀器同樣劃分為數據采集、數據分析處理、顯示結果三大功能模塊，如圖