常用傳感器與敏感元件

1.傳感器定義

傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成另一種信息的裝置。

物理量電量

目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個測試裝置的工作質量。3.1

常用傳感器分類(Classification)2.傳感器的構成

傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續儀表接入。dV3.傳感器的分類1)按被測物理量分類常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,

旋轉角,轉數,質量,重量,力,

壓力,真空度,力矩,風速,流速,

流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩機械式,電氣式,光學式,流體式等.2)按工作的物理基礎分類:能量轉換型和能量控制型.3)按信號變換特征:能量轉換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應變片.4)按敏感元件與被測對象之間的能量關系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現信號變換.如:水銀溫度計.結構型:依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變.

例如:電容式和電感式傳感器.微型探測開關測力計壓力計溫度計

機械式傳感器常常以彈性體為傳感器的敏感元件，其輸入量可以是力、壓力溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形（或應變）。3.2

機械式傳感器及儀器(Themechanical

sensorandinstrument)

一、電阻式傳感器：將被測量轉換成電阻變化量，再通過中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進行測量。電阻式傳感器按工作原理可分為：（5）氣敏電阻式（6）光敏電阻式等（1）變阻器（電位器）式（2）應變片式（彈性電阻式）（3）熱敏電阻（4）磁敏電阻式3.3

電阻、電容與電感式傳感器(Resistor,

inductorandcapacitor

sensor)1.變阻器式傳感器（1）變阻器式傳感器的結構和原理變阻器式傳感器實際是精密線繞電位器，通過改變電位器觸頭位置將位移轉換為電阻變化。導體材質和截面積一定，其阻值隨導線長度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任何可以轉換為位移的物理參數，如壓力、加速度等。1）直線位移型改變觸點C的位置時，AC間電阻值為1、變阻器式傳感器（1）工作原理1）直線位移型

xCxABCR改變觸點C的位置時，AC間電阻值為k1：單位長度的電阻值，

/m。傳感器靈敏度：當導線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關系。

線性度線性度

是指由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻導致階梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性。uexpxRLu0對于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器：式中：Rp

—變阻器總電阻；

Rx

—x段的電阻。RpRx負載特性于是空載時，式中：由此可見，接入負載電阻RL后，輸出u0與x不再保持線性關系。由負載特性引起的非線性誤差。01102030405060m=5m=2m=1m=0.5m=0.1m=0reL若RL

→∞。令2）角位移型

—角位移；K

—單位弧度電阻值,

/rad

。傳感器靈敏度：ACB3）非線性型xACB階梯輸出特性

是指電位器觸點的最小位移為線圈的一匝，每當觸點移動一個節距，輸出電阻產生一匝電阻值的跳躍，即輸出電阻值不是位移的連續函數，而是階梯形折線。理想電位器每個階梯大小均相同，通過每個階梯中點的直線即為理論特性曲線。xR01）階梯輸出特性（2）變阻器式傳感器的特性變阻器式傳感器具有階梯特性和負載效應。因觸點與繞線間存在摩擦，動態響應較差。分辨力低，一般小于20

m。噪聲大。主要應用于線位移、角位移測量?；蜃鳛樗欧涗泝x或電子電位差計。（3）變阻器式傳感器特點優點：結構簡單，性能穩定，使用方便，輸出信號大，受外界條件影響小。缺點：（4）變阻器式傳感器的應用階梯誤差是指理想階梯特性線對理論直線的最大偏差。

階梯誤差式中：n為總匝數。顯然，減小ej必須增加n，當骨架長度不變時，只有減小線徑。

分辨率（力）定義為電位器總匝數的倒數。分辨率例：1000匝直線型線繞電位器，分辨率為0.1%，即該電位器僅能檢測到它的總量程1/1000以上的位移量。變阻器式傳感器產品案例：重量的自動檢測--配料設備

比較重量設定原材料原理：彈簧->力->位移

->電位器->電阻案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲原理：鋼絲->收線圈數

->電位器

->電阻案例：玩具機器人（廣州中鳴數碼）原理：電機->轉角

->電位器

->電阻

金屬導體材料在外力作用下產生機械變形（應變），其電阻值發生相應變化的現象稱為電阻應變效應。（1）電阻應變效應與壓阻效應

半導體材料在外力作用下產生應變，導體的導電性能（電阻率）發生了相應變化，從而使電阻值也發生變化，這一現象稱為半導體材料的效應。2、電阻應變式傳感器1）概述：電阻應變式傳感器由電阻應變片、彈性元件和測量電路的部分構成。電阻應變片又稱電阻應變計，一般由敏感元件、基底、引線、和覆蓋層組成。2）敏感元件也叫敏感柵。根據其材料不同，應變片可分為：金屬電阻應變片和半導體電阻應變片兩大類。3）工作原理：應用時將應變片粘結在被測試件表面上，當試件受力變形時，應變片的敏感柵也隨之變形，引起應變片電阻變化，通過測量電路將其轉換為電壓或電流信號輸出。3）電阻應變式傳感器工作原理電阻應變效應設金屬絲長度為l，截面積為A，電阻率為

，則其阻值為金屬絲變形時，

、l、A將同時發生變化，從而導致R改變。若

、l、A的變化量為d

、dl、dA，則即：對半徑為r的金屬電阻絲有：，：電阻絲軸向相對變形，或稱軸向應變。：電阻絲徑向相對變形，或稱徑向應變。徑向應變與軸向應變間的關系為式中

為泊松比：徑向應變/軸向應變。負號表示兩者變化相反。：電阻率相對變化，與電阻絲軸向所受正應力

有關。兩邊同除E為電阻絲材料的彈性模量；

為壓阻系數，與材質有關。受力后電阻絲幾何尺寸變化所引起，對于同一材料（1+2

）為常數。受力后電阻率的改變引起，對金屬材料，

E很小。

在電阻絲拉伸比例范圍內，電阻相對變化與其所受的軸向應變成正比。且電阻應變片的應變系數或靈敏度S0定義為通常，S0=1.7~3.6。（2）應變片的基本結構及測量原理典型結構：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導線接于電路中。測量原理：將應變片粘貼于彈性體表面或者直接將應變片粘貼在被測件上，被測物變形通過基底和粘結劑傳遞給敏感柵—

阻值變化—

轉換電路轉換為電壓或電流信號。3、壓阻式傳感器（1）基本工作原理

是指半導體材料受到應力作用時，其電阻率發生變化的現象。壓阻效應單晶半導體在外力作用下的電阻變化量仍為對半導體而言，電阻率變化引起的電阻變化

E遠遠大于形變引起的電阻變化(1+2

)

，則

實際上，任何材料都不同程度地呈現壓阻效應，但半導體材料的這種效應特別強。金屬絲電阻應變片與半導體應變片的主要區別：

——前者利用導體形變引起電阻的變化，后者利用半導體電阻率變化引起電阻的變化。靈敏度：由半導體理論E——半導體材料的彈性模量。

L——沿某晶向L的壓阻系數；

——沿某晶向L的應力；半導體電阻材料的靈敏度比金屬絲要高50～70倍。例：對于半導體硅，

L=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011Pa,則S0=

LE＝50～100。（2）壓阻式傳感器類型與特點

壓阻式傳感器有兩種類型1）利用半導體材料的體電阻制成粘貼式的應變片，其使用方法與電阻應變片類似。2）在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，作為測量傳感元件，測量壓力和加速度等物理量。

壓阻式傳感器的優點缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。1）靈敏度非常高。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，故頻率響應高。4）可測量低頻加速度和直線加速度。應變計■

金屬電阻應變片——應變效應為主（多在1.7~3.6之間）■

半導體應變片（多在60~150之間）

半導體應變片的靈敏度高、體積小，但溫度穩定性和重復性不如金屬應變片，非線性誤差大?！獕鹤栊獮橹鳎?）結構金屬電阻應變片的結構半導體應變片的結構4、

測量電路VER1R2R3R4令：金屬絲應變片：V與應變成線形關系，可以用電橋測量電壓測量應變。S■

半橋單臂連接■

半橋雙臂連接■

全橋連接

當時，電橋的輸出電壓為齒輪輪齒彎矩x位移傳感器m質塊加速度傳感器F柱式測力傳感器如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉換為應變，可以構成各種不同的傳感器。5、電阻應變片的分類及材料金屬電阻應變片分為絲式、箔式和膜式。（1）絲式應變片金屬絲式應變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式短接式絲式應變片制作簡單、性能穩定、成本低、易粘貼。回線式應變片因圓弧部分參與變形，橫向效應較大。短接式應變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大5～10倍的鍍銀絲短接而成，其優點是克服了橫向效應。安全電流：10~50mA，電阻：50~1000

（典型120

）。2）箔式應變片箔式應變片由厚度為3~10

m

的康銅箔或鎳鉻箔經光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。

大批量生產，可制成多種復雜形狀。

散熱好，允許電流大。

橫向效應、蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。

柔性好（可貼于形狀復雜的表面），傳遞試件應變性能好。3）膜式應變片采用真空蒸發或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。

應變靈敏度大。

允許電流密度大。

工作范圍廣，可達-197～317℃。6、電阻應變片的特點及應用（1）電阻應變片的特點

性能穩定、精度高，綜合誤差在1.0%~0.1%，高精度力傳感器已能達到0.03%~0.01%。

測量范圍廣壓力：104~109Pa；力：0.1~107N。

能適應較大的振動和沖擊，抗輻射能力強。

測量結構的應變或應力。

將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數的傳感器。（2）電阻應變片的應用及注意事項注意事項應變極限：機械滯后：零漂和蠕變：零漂：恒定溫度，無機械應變時，應變片阻值隨時間變化的特性。蠕變：恒定溫度、恒定應變時，應變片阻值隨時間變化的特性。

應變大—輸出非線性大。誤差為10%時對應的應變作為應變片的應變極限。

敏感柵、底基及膠粘層承受機械應變后，一般都會存在殘余變形，造成應變片的機械滯后。動態響應特性應變片柵長/mm0.20.51235101520最高工作頻率/kHz125050025012583.3502516.612.5溫度影響：溫度變化導致應變片電阻變化與由應變引起的電阻變化往往具有同等數量級，須用適當電路進行溫度補償。（3）應用舉例：a)直接用來測定結構的應變或應力b)將應變片貼于彈性元件上，作為：測量力、位移、壓力、加速度等物理參數的傳感器。應變片在懸臂梁上的粘貼及應變實例示例1：電子秤FR1R2R4示例2：應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FFFF荷重傳感器原理演示

荷重傳感器上的應變片在重力作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。

示例3：汽車衡汽車衡稱重系統示例5：應變式數顯扭矩扳手

可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。示例6：壓阻式固態壓力傳感器

利用擴散工藝制作的四個半導體應變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態響應快。

隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開來。

內部結構信號處理電路壓阻式固態壓力傳感器小型壓阻式固態壓力傳感器高壓進氣口低壓進氣口絕對壓力傳感器呼吸、透析和注射泵設備中用的壓力傳感器p1進氣管p2進氣管固態壓力傳感器小型壓阻式固態壓力傳感器（續）示例7：橋梁固有頻率測量原理在橋中設置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應變片測量橋梁動態變形，得到橋梁固有頻率。材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試二、

電容式傳感器

(CapacitanceTransducer)1.工作原理及分類電容式傳感器是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。A

電容式傳感器實質是一具有可變參數的電容器。電容量為—介質相對真空的介電常數，空氣

1。

0—真空的介電常數，

0=8.8510-12F/m。

—極板間距。A—極板面積。

、A或

發生變化都會引起C變化。實際使用中，通常僅改變一個參數，根據變化參數的不同，可分為三類：

改變極板間距的極距變化型；

改變極板相互遮蓋面積的面積變化型；

改變極板間介質的介質變化型（改變

）。（1）極距變化型電容式傳感器++++++普通式差動式

當極板間距減小

時，電容為C與極距成反比，一般?。红`敏度靈敏度S與極距平方成反比，輸入輸出呈非線性關系δεs動極板定極板C極距變化型電容傳感器求△C與△δ之間是什么關系？

/

0<<1時，

C/C0展開為級數形式:

因

/

0<<1，忽略高次項

上式表明，在

/

0<<1條件下，電容的變化與極板間距變化量近似是線性關系。①欲提高靈敏度，應減小間隙δ，但受電容器擊穿電壓的限制；②非線性隨相對位移的增加而增加，為保證一定的線性度，應限制動極板的相對位移量。③為改善非線性，可以采用差動式。

0

動極板上移Δδ

1，則C1增大，C2減小，初始電容用C0來表示，則：差動電容器輸出：忽略高次項：

靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。

2

1

產品.陶瓷電容壓力傳感器

液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產生位移。

壓力變送器角位移型平面線位移型柱面線位移型（2）變面積型電容傳感器（2）面積變化型電容式傳感器該傳感器的工作原理是在被測參數的作用下來變化極板的有效面積，常分為角位移型和線性位移型。1）角位移型式中：—覆蓋面積對應的中心角；

r—

極板半徑。1—動板；2—定板122）平面線位移型式中：b—極板寬度。xx?xb121—動板；2—定板3）圓柱線位移型式中：D—圓筒孔徑；

d—圓柱外徑。面積變化型電容傳感器輸入輸出呈線性關系，但靈敏度較低，適用較大直線位移及角位移測量。dD12xl01—動板；2—定板（3）介質變化型電容式傳感器

兩電容極板之間的介質變化引起電容變化，常見有兩種情況：一是兩電容極板之間只有一種介質，介質的介電常數隨被測非電量（如溫度、濕度）而變化，電容式溫度傳感器和電容式濕度傳感器就屬于這種情況；二是兩電容極板之間有兩種介質，兩介質的位置或厚度變化，電容式位移傳感器、電容式厚度傳感器、電容式物（液）位傳感器就屬于這種情況。（3）介質變化型電容式傳感器變介電常數型電容傳感器——主要測量厚度、液位、介值的溫度和濕度等）

被測液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱型電極間變化時，引起極間不同介電常數的高度發生變化，導致電容的改變。 ε1－液體介質介電常數；

ε0－空氣中介電常數（F/m）；

h－電極板總長度（m）；

r－內電極板外徑（m）；

R－外電極板內徑（m）；

x－液面高度（m）。

可見，輸出電容C與液面高度x成線性關系。xh2r2Rε0ε1類型1：液面高度類型2：δd面積S氣隙

當某種介質在兩固定極板間運動時，電容輸出與介質參數之間的關系為：

d—運動介質的厚度（m）可見：①若厚度d保持不變，介電常數εr

改變（如濕度變化），可做成濕度傳感器；②若εr不變，可做成測厚傳感器

可實現非接觸測量；

一般傳感器兩極板間電容很?。◣灼し▇幾十皮法）

導致低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百M

）、負載能力弱，電纜分布電容（大且不穩定）影響大。2.特點與應用

輸入能量?。O板間靜電引力小），靈敏度、高動態特性好（可動質量小，固有頻率高）；（1）特點

將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉換為電橋的電壓輸出。通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋，如上圖所示。（1）電橋型電路3測量電路(2)諧振電路

電容傳感器的電容Cx作為諧振回路（L2、C2、Cx）調諧電容的一部分。諧振回路通過電感耦合，從穩定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當傳感器電容發生變化時，使得振蕩回路的阻抗發生相應的變化，被轉換為電壓或電流，再經過方大、檢波即可得到相應的輸出。（3）調頻電路調頻振蕩器限幅鑒頻放大輸出Cx傳感器

調頻電路(4)運算放大器電路這種電路用于位移測量傳感器輸出電壓ug與電容傳感器間隙δ成線性關系g電容式傳感器的應用電容式傳感器的優點：（1）輸入能量小而靈敏度高（2）精度高達0.01%。（3）動態特性好，適合測量動態參數。（4）能量損耗小。（5）結構簡單，環境適應性好（高溫、輻射等）缺點：電纜分布電容影響大。集成電路、雙屏蔽傳輸電纜等——降低分布電容的影響。應用1

電容式測厚軋輥工作極板被測帶材12341—齒輪2—定極3—電容傳感器4—頻率計應用2振蕩電路被測物體感應電極被測電容

轉速測量-電容式接近開關測量頭2構成電容器的一個極板，另一個極板是物體1本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化.接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。應用3：電容式壓力傳感器工作原理將測量膜片與電容極板之間的電容差經振蕩器振蕩、調制解調、放大器放大、電壓電流轉換成標準信號。用

途用于氣體、液體、蒸氣壓力的測量高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器1—高壓側進氣口

2—低壓側進氣口

3—過濾片

4—空腔

5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片

6—導壓硅油

7—凹形玻璃圓片

8—鍍金凹形電極

9—彈性平膜片

10—

腔電容式差壓變送器內部結構各種電容式差壓變送器外形法蘭應用4電容式液位傳感器（液位計/料位計）應用4、電容式液位計

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。聚四氟乙烯外套

液位限位傳感器與液位變送器的區別在于：它不給出模擬量，而是給出開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。液位限位傳感器的設定

智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發出報警信號和控制信號。智能化液位限位傳感器的設定按鈕超限燈正常工作指示燈設定按鈕電源指示燈應用5：硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細加工技術為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。微加工三軸加速度傳感器技術指標：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%硅微加工加速度傳感器結構

1—加速度測試單元

2—信號處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）

當它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將ΔC轉換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質量很輕，所以頻率響應可達1kHz以上，允許加速度范圍可達10g以上。

如果在殼體內的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。加速度傳感器在汽車中的應用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設定值時，微處理器據此判斷發生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。裝有傳感器的假人氣囊汽車氣囊的保護作用

使用加速度傳感器可以在汽車發生碰撞時，經控制系統使氣囊迅速充氣。

電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻式渦流式互感型（差動變壓器式）三、

電感式傳感器

(InductanceTransducer)1自感型（可變磁阻、渦流）（1）--可變磁阻式（變間隙、變面積）可變導磁面積型差動型原理:電磁感應。自感自感L與A0成線性關系，靈敏度較低靈敏度提高一倍μ0

－空氣的磁導率；A0

－空氣隙的截面積；δ

－空氣隙的長度由電工學可知，線圈自感量：

i

—線圈中流過的電流。

—通過線圈的磁通量。

Rm

—磁路的總磁阻（H-1），Rm=

RF

+

R

，其中RF為

鐵心與銜鐵的磁阻；R

為空氣隙磁阻。ix123L01—線圈；2—鐵心；3—銜鐵式中：N—線圈匝數；可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，在鐵心與銜鐵之間存在氣隙

。a)變氣隙式自感傳感器式中：l1、l2

—鐵心和銜鐵的導磁長度；

1、

2

—鐵心和銜鐵的磁導率；

A1、A2

—鐵心和銜鐵的導磁截面積；

—氣隙長度；

0

—空氣磁導率，

0=410-7H·m-1

；

A0

—空氣隙導磁截面積。若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙

較小時：一般，

1和

2遠遠大于

0，即：RF

<<R

，因此，ix123L01—線圈；2—鐵心；3—銜鐵

自感L與氣隙

成反比，與氣隙導磁截面積A0成正比。當固定A0，變化

時，L與

成非線性關系，傳感器靈敏度:傳感器靈敏度與氣隙長度的平方成反比。L0δδ0L0◆輸出特性非線性:為獲得較高靈敏度,氣隙的初始值δ0不宜過大?！魹楂@得較好的線性關系,須限制測量范圍,使銜鐵位移在較小范圍內變化(Δδ<<δ0),一般取Δδ=(0.1～0.2)δ0◆變氣隙式傳感器適用于微小位移的測量,測量范圍：0.001～1mm。電感式接近傳感器（金屬）c)螺管式自感傳感器工作原理：當鐵芯在線圈中運動時，將改變磁阻，使線圈自感發生變化。特點：結構簡單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移（數毫米）測量。d、差動式自感傳感器

兩個結構完全相同的自感線圈組合在一起形成差動結構，可提高靈敏度，改善輸出特性的非線性，實際中常用。差動變氣隙傳感器工作原理對差動式傳感器，當共用銜鐵位移時，兩線圈的間隙按

0

、

0+

變化，即一個線圈自感增加，另一個減小。~x當(Δδ/δ<<1)時，可將上式展開成級數：差動方式時：

靈敏度，為原來的兩倍。非差動方式時，

顯然，若不考慮包括2次項以上的高次項，則ΔL與Δδ成比例關系，因此高次項的存在是造成非線性的原因。差動式自感傳感器的特性：★當氣隙相對變化Δδ/δ0<<1時，高次項迅速減小，非線性得到改善。然而，這會使傳感器的測量范圍變小，因此對輸出特性線性的要求和對測量范圍的要求是相互矛盾的。這正是取Δδ/δ0＝0.1～0.2的原因?！锂敇嫵刹顒邮诫姼袀鞲衅鲿r，輸出與ΔL1+ΔL2有關，它不存在偶次項，因此差動式電感傳感器的非線性明顯改善。b)變面積式自感傳感器靈敏度:◆輸出特性為線性，因此測量范圍大。◆要提高靈敏度，氣隙厚度δ不能過大。

將傳感器兩線圈接于電橋的相鄰橋臂時，其輸出靈敏度可提高一倍，并改善了非線性特性，補償干擾影響。a)電橋電路b)輸出特性雙螺管線圈差動型電橋電路及輸出特性(2)電渦流式傳感器原理:渦流效應

電渦流傳感器可以測量位移、厚度、轉速、振動、硬度等參數，還可以進行無損探傷，是一種應用廣泛且有發展前途的傳感器。電渦流傳感器是利用電渦流效應原理，將位移等非電量轉換為阻抗的變化（或電感的變化，或Q值的變化），從而進行非電量電測的。H1H2~

一個通有交變電流的線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產生一個交變磁場H1，當被測導體置于該磁場范圍之內，被測導體內便產生電渦流，電渦流也將產生一個新磁場H2，H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導致線圈的電感量、阻抗和品質因數發生改變?！€圈等效外半徑渦流式傳感器分為高頻反射式渦流傳感器和低頻透射式傳感器。高頻反射式電渦流式傳感器：

高頻反射式電渦流式傳感器多用于位移及與位移相關的厚度、振動等測量。高頻（>1MHz）激勵電流

金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為為δ，當線圈輸入一交變電流i時，便產生交變磁通量Φ金屬板在此交變磁場中會產生感應電流i1，這種電流在金屬體內是閉合的，所以稱之為“渦電流”或“渦流"。

渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導率μ、厚度h，金屬板與線圈的距離δ，激勵電流角頻率ω等參數有關。若改變其中某2個參數，而固定其他參數不變，就可根據渦流的變化測量該參數。2）低頻透射式電渦流式傳感器：音頻（<20kHz）激勵電流

低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度。

發射線圈ω1和接收線圈ω2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場集膚效應小，滲透深，當低頻(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，所產生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈ω2產生感應電動勢e2。

但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應電動勢e2減少，當金屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質有關，試驗表明，e2隨材料厚度h的增加按負指數規律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。基本特性渦流形成范圍：徑向為線圈外徑的1.8~2.5倍，且分布不均勻；渦流貫穿深度有限，深度一般可用經驗公式求得

渦流強度與x的關系：非線性特性，x/R<<1可改善線性，提高靈敏度。

一般要求，被測金屬的最小尺寸大于傳感器線圈直徑的2倍；被測物為圓柱體時，其直徑要求大于線圈直徑的3.5倍。ρ——電阻率2、測量電路：諧振電路

傳感器線圈L與電容C共同組成并聯諧振電路，諧振頻率為：

線圈等效電感改變，必然導致回路阻抗或諧振頻率變化，從而可間接測量被測參數，對應測量電路：——調幅電路——調頻電路調幅電路

傳感器由振蕩器提供高頻電源，當傳感器諧振頻率與電源頻率相同時，輸出電壓u最大。

測量時，傳感器等效電感隨x而改變，LC回路失諧，輸出信號頻率雖仍為電源頻率，但幅值隨x變化，即x對輸出信號存在調幅作用。調頻電路以LC振蕩回路的諧振頻率作為輸出量。鑒頻器：將調頻信號轉換為電壓信號輸出。3）影響渦流傳感器靈敏度的因素

被測物材質

被測物形狀和大小

電渦流產生的渦流環的直徑也一定。因此對板狀被測物的最小尺寸有要求。

電導率越高，靈敏度越大；磁性材料渦流損耗大，導致靈敏度降低。

在傳感器周圍磁場范圍內，不應有非被測對象的金屬物體，否則，會產生干擾，導致靈敏度下降和線性范圍減小。實測表明，非被測金屬離傳感器線圈的距離必須大于線圈的直徑。一般要求，被測金屬的最小尺寸大于傳感器線圈直徑的1.8倍；被測物為圓柱體時，其直徑要求大于線圈直徑的3.5倍。

安裝位置電渦流式傳感器的特點◆非接觸測量，抗干擾能力強◆高靈敏度高◆分辨力高，位移檢測范圍：±1mm～±10mm，最高分辨力0.1%?！艚Y構簡單，使用方便，不受油夜等介質影響。5）渦流傳感器的應用

回轉軸振動測試。

回轉軸誤差測量。

厚度測量。

零件計數。

接近開關。

表面裂紋或缺陷檢測。

材質判別。應用1：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測油管檢測應用2：測厚應用3：零件計數表面裂縫檢測徑向振動測量軸心軌跡測量轉速測量2互感式電感傳感器

互感型傳感器的工作原理是利用電磁感應中的互感現象，將被測量轉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。實際中多采用螺管線圈型差動變壓器?；ジ行?-差動變壓器

當被測量轉換為銜鐵位移時，傳感器兩線圈的互感改變，導致輸出相應改變。工作原理（2）差動變壓器式實際的互感傳感器通常采用兩個二次線圈，并接成差動式，故稱為差動變壓器式傳感器。RLei~e2L2e1L1~R1R2eo=e1-e2M1M2變壓器由一次線圈L和兩個結構參數完全相同的二次線圈L1、L2組成。

鐵心P位于中心位置：M1=M2，eo=0。

鐵心P上移：M1

=M+

M，M2

=M

M（M為初始平衡互感），e1

>e2，eo與e1同相。

鐵芯P下移：M1

=M

M，M2

=M+M，e1

<e2，eo0，eo與e2同相。

eo與

M成正比。——傳感器輸出電壓反映了位移的大小及方向2、測量電路但因為交流纖毫，只有接入相應電路（相敏檢波、差動整流等），才能提取出這兩種信息。傳感器輸出存在一定的零點殘余電壓，即銜鐵位于中間位置時輸出不為零。因此，其后接電路應采用既能反映鐵芯位移大小及極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。全波差動整流電路及波形圖(a)電路圖(b)波形圖差動變壓器測量電路一種利用小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理圖差動變壓器式傳感器特點：◆精度高(0.1um數量級，最高可達0.01um)，高精度型非線性誤差可達0.1%。◆線性范圍達(可達±100mm)?！舴€定性好，結構簡單，使用方便?！粢虬瑱C械結構，頻率響應較低，不宜測量高頻動態參量?！魪V泛應用于直線位移，或能轉換為位移變化的壓力、重量等參數的測量。差動變壓器位移傳感器案例：張力測量一、

磁電式傳感器?

磁電感應式傳感器是利用電磁感應原理將被測量的變化轉換為感應電動勢。磁電傳感器應式有:磁電感應式、霍爾效應式等。感應線圈的感應電動勢e為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。

磁場強度磁路電阻線圈速度磁通變化率3.4磁電、壓電與熱電式傳感器（Magnetic,

piezoelectric

andpyroelectric

sensor)?基本工作原理：線圈在磁場中運動切割

磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中將產生感應電動勢。一、磁電式傳感器的分類磁阻式磁電式動圈式線速度型角速度型按工作原理不同，感應傳感器可分為恒定磁通式（動圈式）和變磁通式N1、動圈式（恒磁通型）?

由磁路系統產生的磁通本身是恒定的。

線圈（導體）與磁場發生相對運動，使線圈切割磁力線，而在線圈（導體）兩端輸出感應電動勢。

.(a)直錢運動（b）旋轉運動圖4恒定磁通式磁電感應傳感器的結構原理圖線速度型角速度型動圈式傳感器線速度型

角速度型測速電機

當線圈在垂直于磁場方向作直線運動（a）或旋轉運動（b)時,若以線圈相對磁場運動的速度∝v或角速度ω表示，所產生的惑應電動勢e為：e

=

NBlve=

kNBAω式中：l—每匝線圈的平均長度；B—線圈所在磁場的磁感應強度；A—每匝線圈的平均截面積；k—傳感器結構系數。–—–—（速度計）（轉速計）磁場強度磁路電阻線圈速度磁通變化率變磁阻傳感器即變磁通式傳感器，又稱變氣隙式.常用來測量旋轉物體的角速度，其結構原里如圖4.30（a、b）所示為：開路變磁通式—線圈和磁鐵靜止不動，測量齒輪（導磁材料制成）安裝在被測旋轉體上，每轉過一個齒，傳感器磁路磁阻變化1次,線圈產生的感應電動勢的變化頻率等于測量齒輪的齒數和轉速的乘積2、變磁阻式傳感器(a)開路變磁通式圖4.30（b）為閉合磁路變磁通式結構示意圖，被測轉軸帶動橢圓形鐵心在磁場中等速轉動，使氣隙平均長度周期性變化，因而磁路磁阻也周期性變化，磁通同樣周期性變化，則在線圈中產生感應電動勢的頻率f為橢圓形鐵心轉速的2倍閉合磁路變磁通式變磁通恒磁通l：每匝線圈的平均長度B：磁感應強度A：每匝線圈的平均截面積k：傳感器結構系數

動圈磁電式傳感等效電路變磁阻傳感器對環境條件要求不高，能在-150~90°C的溫度下工作，不影響測量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作但它的工作頻率下限較高，約為50Hz,上限可達100Hz

磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對運動。由運動著的物體改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強或減弱，使線圈產生感應電動勢。磁阻式傳感器

磁阻式傳感器

磁電式車速傳感器磁阻式傳感器

磁電式測速傳感器二、壓電式傳感器

某些物質，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發生變化，而且內部會被極化，表面產生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態，這種現象稱為壓電效應。

壓電式傳感器是以具有壓電效應的器件為核心組成的傳感器。壓電效應具有自發電和可逆性，因此壓電器件是一種典型的雙向有源傳感器件。壓電效應是可逆的---逆壓電效應

石英（SiO2)晶體結晶形狀為六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐，六棱柱是它的基本組織，縱軸z-z稱為光軸，通過六棱線垂直于光軸的軸線x-x軸稱做電軸，垂直于棱面的軸線y-y稱做機械軸。Z—光軸Y—機械軸X—電軸1、壓電效應及壓電材料

某些晶體不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產生極化現象。(1)壓電效應壓電介質正壓電效應逆壓電效應Q（E）T（S）機械能電能壓電效應模型a)縱向效應

b)橫向效應

c)切向效應切下在常態下不呈現電性。當施加外力時，將沿x-x方向形成成電場，其電荷分布在垂直于x-x軸的平面上。沿x軸加力產生縱向效應；沿y軸加力產生橫向效應；沿相對兩平面加力產生切向效應如圖a)、b）、c）所示。a.正壓電效應

在電介質的一定方向上施加機械力而產生變形時，就會引起它內部正負電荷中心相對轉移而產生電的極化，從而導致其兩個極化面上出現大小相等符號相反的電荷Q，其電位移D（或電荷密度

）與外應力張量T成正比。d：壓電常數b.逆壓電效應（電致伸縮）

若對上述電介質施加電場作用，同樣會引起電介質內部正負電荷中心相對轉移而導致電介質產生變形，且其應變S與外電場E成正比。dt：逆壓電常數++++++++++----------Q極化面TT-+壓電式傳感器及其等效電路實驗證明：壓電效應和逆壓電效應都是線性的。壓電晶片并聯串聯等效電荷源使用特點：1）適宜作動態測量，作靜態測量時必須采用極高阻抗的負載。2）并聯結構適宜于電荷量輸出的場合3）串聯結構適宜于電壓作為輸出信號二、等效電路和測量電路1、等效電路

從功能上講，壓電器件實際上是一個電荷發生器，又可將其視為具有電容Ca的電容器。++++++++++----------δ極化面(電極)-+Axzy極化方向電荷源CaUa電壓源CaUa并聯結構串聯結構1）電荷放大器等效電路>>

壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經過阻抗變換后，方可輸入到后續顯示儀表中。

2、壓電材料及其特點

壓電晶體：石英晶體（SiO2）其它壓電晶體（LiNbO3、LiTaO3、LiGeO3）

壓電常數小，時間與溫度穩定性高。

壓電陶瓷：二元系壓電陶瓷（BaTiO3-PbTiO3）三元系壓電陶瓷（PbMg3Nb3O3-PbTiO3-PbZrO3）

壓電常數大，穩定性相對較差。

新型壓電材料：壓電半導體（ZnS、CdTe、ZnO）

既有壓電特性，又有半導體特性。

有機高分子壓電材料—高分子聚合物（PVF、PVC）

質輕柔軟，耐沖擊，體電阻大，批量生產，人工皮膚。

壓電薄膜（高分子化合物滲雜壓電陶瓷粉末）

既柔軟，又有較高的壓電特性和轉換效率。壓電傳感器的應用：壓力、應力、振動加速度測量，聲、超聲測量。壓電傳感器的特點：體積小、重量輕、固有頻率高；難以測量低頻信號，信噪比差；環境溫度、濕度的變化會引起壓電常數的變化，需要經常校準靈敏度。超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫用B超換能器用晶片3、實際產品加速度計力傳感器壓力變送器應用1：飛機模態分析靈敏度：100mV/g量程：50g頻率范圍：0.5-8000Hz（±10%)分辨率：0.0002g線性：≤1%橫向靈敏度：≤5%典型值：≤3%溫度范圍：-40~+120℃用途：模態試驗LC0101LC0106

靈敏度：1000mV/g量程：5g頻率范圍：0.04-1500Hz（±10%)分辨率：0.00002g重量：200gm安裝螺紋：M5mm線性：≤1%橫向靈敏度：≤5%典型值：≤3%溫度范圍：-40～+120℃用途：超低頻、小g測量ULT25系列壓電石英力傳感器ULT25系列產品可用于測量動態、短期靜態的振動和沖擊力，機械結構的拉伸和壓縮力。與激振器配合，能夠測量和控制激振力。與加速度、速度傳感器配合，可測量機械阻抗。ULT0501ULT0502ULT0503

壓電式腳踏報警器玻璃打碎報警裝置先看一個實驗結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢,即溫差電勢.熱電效應熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB三、熱電式傳感器1、熱電偶：熱電效應

1、熱電偶：熱電效應

(1)熱電效應熱電偶溫度傳感器是以熱電效應為基礎的，將任意兩種不同的導體A-B組成一個閉合回路，只要它們的兩個接點t1，t2的溫度不同，在回路里就會產生熱電動勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。ABTT0k——玻耳茲曼常數，e——電子電荷量，T——接觸處的溫度NA，NB——分別為導體A和B的自由電子密度。玻爾茲曼常量系熱力學的一個基本常量，記為“K”，數值為：K=1.3806488(13)×10^-23J/K（2）熱電偶測溫基本定律1)均質導體定律由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。TT02)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V3)參考電極定律

兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學性質穩定、人們多采用鉑作為參考電極。EAB(T,Tn)=EAB(T)-EAB(Tn)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(Tn)-EAB(0)]=EAB(T，0)-EAB(Tn，0)EAB(T，0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn，0)(5)實際工程計算應用即在實際應用中，熱電偶的參比端往往不是冰點溫度，而是環境溫度Tn；這時測量出的回路熱電勢EAB(T,Tn)要小，因此必須加上環境溫度Tn與冰點之間溫差所產生的熱電勢EAB(Tn，0)后才能符合熱電偶分度表的要求。可用室溫計測出環境溫度Tn，從分度表中查出的E(Tn,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,Tn)，得到E(Tn,0)值，反查分度表即可得到準確的被測溫度值。實際工程應用常用實驗的方法得出溫度與熱電勢的關系并做成表格，以供備查。例:用（S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度Tn=30℃，測得的熱電勢E(T,Tn)=7.5mV，求測量端實際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，測量端實際溫度為830℃[例]用鎳鉻—鎳硅熱電偶測量爐溫時，當冷端溫度Tn=30℃時，測得熱電勢E(T,Tn)=38.52mv，求實際爐溫。作業7用鎳鉻--鎳硅(K型)熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度為20℃。測得的熱電勢為28mV，求熱端溫度。（3）常見熱電偶型號：鉑銠－鉑熱電偶（WRLB）：復制精度和重復精度高，穩定性好；熱電勢較弱，成本高。鎳鉻－鎳硅熱電偶（WREU）：熱電勢大、線性好，價格便宜；精度較低。工業中最常用的熱電偶之一。鎳鉻－考銅熱電偶（WREA）：熱電靈敏度高、價格便宜；測溫范圍窄，易氧化變質。鉑銠30－鉑銠6熱電偶（WRLL）：性能穩定、精度高、適合在氧化或中性介質中使用；熱電勢小，價格高。(4)熱電偶的種類普通型熱電偶結構

國際IEC向世界各國推薦8種標準化熱電偶（已列入工業標準化文件中，具有統一的分度表）。我國已采用IEC標準生產熱電偶，并按標準分度表生產與之相配的顯示儀表。

優點：測溫端熱容量小，動態響應快；機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上。鎧裝型熱電偶標準化熱電偶的主要性能和特點利用直流不平衡電橋產生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值（5）測量：冷端補償電橋法2熱敏電阻傳感器

半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鈷、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數，隨溫度上升而阻值下降。RT產品溫控器應用汽車發動機傳感器水溫感應塞還廣泛應用于空調、暖氣、電子體溫計等即便在氧化性介質中，其物理、化學性能都很穩定；易提純，復現性好，有良好的工藝性；有較高的電阻率；在還原性介質中性能易受影響；電阻溫度系數不太高；價格貴。鉑電阻的特點3熱電阻傳感器

鉑電阻的主要技術指標等級分度號測溫范圍/

C允許偏差/

C電阻比R100/R0名義值允許誤差APt10-200~850±(0.15+0.002|t|)1.385±0.001Pt100BPt10±(0.30+0.005|t|)Pt100幾種鉑電阻WZP系列裝配式鉑電阻

及鎧裝電阻芯

用于一般工業場測溫

使用溫度-200℃～700℃

高強度石英管測溫鉑電阻

溫度范圍-100°C至+500°C

適用于鍍鋅鍋爐、耐酸、耐堿等強腐蝕場合

注:不耐氫氟酸及磷酸精密溫度傳感器

PtWD－1A型-100℃～300℃

誤差小于0.1℃，精度為超A級

天燃氣流量計

溫度補償用鉑電阻

天燃氣渦輪流量計等用油浸變器用鉑電阻醫療器械鉑電阻薄模鉑電阻元件用于汽車工業、白色家電，食品加工業、醫療行業。

尺寸：2.3mm×2.1mm×0.9mm（長×寬×高）

線長10mm

防水封裝鉑電阻核心元件：德國進口精密鉑電阻（PT100PT1000）

元件精度：±0.15℃(A級)±0.30℃(B級)

封裝材料：鍍鎳銅管或不銹鋼管

管料尺寸：?4*25mm

連接線：PVC包膠電纜線（可選擇耐高溫型的）銅電阻的主要技術指標分度號測溫范圍/

C允許偏差/

C電阻比R100/R0名義值允許誤差Cu50-50~150±(0.30+0.006|t|)1.428±0.002Cu100銅電阻的特點電阻率小；容易氧化；價格便宜。WZC-111/Φ12*1000mmCu50

（3）其他電阻體1）銦電阻—一種高精度低溫熱電阻。缺點是材料很軟，復制性差。2）錳電阻—電阻隨溫度變化很大，靈敏度高；受磁場的影響小，且有規律。錳電阻的缺點是脆性大，難以拉制成絲。3）碳電阻—適合作液氦溫閾溫度計。其缺點是熱穩定性差。3.5光電傳感器（photoelectricsensor)—光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉換成電信號的器件?！獞眠@種器件檢測時，是先將其物理量的變化轉換為光量的變化，再通過光電器件轉化為電量，其工作原理是利用物質的光電效應。物質(金屬或半導體）在光的作用下發射電子的現象稱為光電效應

愛因斯坦假設光束中的能量以聚集成一粒一粒的形式在空間行進的，這一粒-粒的能量稱為光子,單個光子的能量為：E=hv式中：h——普朗克常數6.626x10-34

J?s；v——光的頻率.Hz。當光照射到某一物體時，可以看做該物體受到一連串能量為E的光子的轟擊；光電效應就是構成物體的材料能吸收到光子能量的結果。由于被光照射的物體材料的不同，所產生的光電效應也不同；通常光照射到物體表面后產生的光電效應分為外光電效應和內光電效應

兩類。1.外光電效應在光照作用下，物體內的電子從物體表面逸出的現象稱為外光電效應。根據愛因斯坦的假設，一個光子的能量只給一個電子，因此，如果要使一個電子從物質表面逸出，光子具有的能量hv必須大于該物質的表面逸出功A,這時逸出表面的電子就具有動能EKEK

=hv-A

(3.46)其中EK=

?mv2由上式可見，光電子逸出時的初始動能與光的頻率有關，頻率高則動能大。由于不同材料的逸出功不同，所以對某種材料而言有一個頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發出電子。反之，當入射光的頻率髙于此極限頻率時，即使光線微弱也會有光電子發射出來，這個頻率限稱為“紅限頻率”外光電效應的光電器件屬于光電發射型器件，有光電管，光電倍增管等。真空光電管結構陰極陽極陰極陽極光電管有真空光電管和充氣光電管。真空光電管的結構如圖所示。在一個真空的玻璃泡內裝有兩個電極：陰極和陽極.光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料（如銫Cs)。當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，

在光電管內形成空間電子流，在外電路就產生電流?？墒闺娏鞔笮《寂c光強成函數關系.從而實現光電轉換。光電倍增管工作原理如圖所示，在光電陰極和陽極之間加入D1、D2、D3、…若干個光電倍增極，這些倍增極涂有Sb（銻?[tī]

）-Cs或Ag-Mg等光敏物質。工作時，這些電極的電位逐級增高。當光線照射到光電陰極時，產生的光電子受第一級倍增極D1正電位作用.加速并打在該倍增極上產生二次發射。在更高電位的D2極作用下

又將加速打到D2…一直到達陽極光電倍增管陽極光電陰極入射光第一倍增級第二倍增級第n倍增級

半導體材料受到光照時會產生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強，阻值愈低，受光照物體（通常為半導體材料）電導率發生變化或產生光電動勢的效應稱為內光電效應

。光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管2.內光電效應

內光電效應按其工作原理分為兩種：光電導效應和光生伏特效應。1）光電導效應半導體材料受到光照時電阻率發生變化的現象.稱為光電導效應?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻（光電導型）和反向工作的光敏二極管、光敏三極管（光電導結型）1）光敏電阻

工作原理：在無光照時，光敏電阻的阻值是很高的，當受到光線作用時，半導體材料受到光照時會產生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強，阻值愈低，提高了材料的導電性能。光照停止后，自由電子和空穴復合，導電性能下降，電阻恢復原值。光敏二極管：光敏三極管：

光敏電阻具有靈敏度高，光譜響應范圍寬，體積小，重量輕，機械強度高，耐沖擊，抗過載能力強，耗散功率大，以及壽命長等特點。由于光電導效應只限于光照的表面薄層，因此光電半導體一般都作成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。光導體電極照相機自動測光光控燈工業控制應用3：亮度傳感器通過檢測周圍環境的亮度，再與內部設定值相比較，調整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節約電能的目的。2）光生伏特效應（光電池）

光生伏特效應：是指半導體材料P-N結受到光照后產生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。+++---PN（2）光生伏特效應及器件光生伏特效應又可分為兩種：

1．結光電效應：PN結，當光線照射結區，便在結區兩部分之間引起光生電動勢叫結光電效應。

2．側向光電效應：靈敏面局部受光照時，由載流子濃度梯度產生電動勢，稱為側向光電效應。光電池的工作原理就是基于光生伏特效應。

硅光電池是在N型硅片滲入P型雜質形成的一個大面積的PN結，它可以將光能直接變成電能。3、光電傳感器及其應用（1）模擬式光電傳感器

將被測量轉換成連續變化的光電流，要求光電元件的光照特性為單值線形，光源的光照均勻恒定。光電傳感器在工業上的應用可歸納為輻射式（直射）、吸收式、遮光式、反射式、時間差式五種基本形式。b.被測物體位于恒定光源與光電元件之間，根據被測物體對光吸收程度或對其譜線的選擇來測定被測參數。如氣體、液體的透明度，分析氣體、液體的成分等。a.被測物體本身是光輻射源，由它釋放的光射向光電元件。如：光電高溫計、紅外遙感、紅外偵察等。c.被測物體位于恒定光源與光電元件之間，根據被測物體阻擋光通量多少來測定被測參數。如：測量零件的長度、厚度、線位移、角位移、角速度等。d.恒定光源釋放出的光投射到被測物體上，再從其表面反射到光電元件上，根據反射的光通量多少測定被測物體的表面性質和狀態。如：測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。應用1：鼠標就是利用LED與光敏晶體管組合來測量位移。e.時差測距。恒定光源發出的光投射到目的物，然后反射至光電元件，根據發射與接收之間的時間差測出距離。如：光電測距儀。相機測距反射式光電傳感器2、開關式光電傳感器

利用光電元件受光照或無光照時“有”、“無”電信號輸出的特性，將被測量轉換成斷續變化的開關信號。要求光電元件的靈敏度高，對光照特性的線形度要求不高。用于零件的自動記數、光控開關、計算機光電輸入設備、光電編碼器等。前香港中文大學校長高錕（美籍華人）和GeorgeA.Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸的設想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學獎。此發明徹底改變了人類通訊的模式，為今天通信、網絡的迅猛發展奠定基礎。被譽為世界“光纖之父”3.6光纖式傳感器（Opticalfibersensor

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微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。光纖利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理達成光傳導。光纖傳感器是基于光導纖維導光的原理制成的。光導纖維是一種特殊結構的光學纖維，當光線以一定角度從它的一端射入時，它能把入射的大部分光線傳送到另一端這種能傳輸光線的纖維稱為光導纖維，簡稱光纖。光纖傳感器與以電為基礎的傳感器相比有本質區別。光纖傳感器是用光而不是用電作為敏感信息的載體，用光纖而不是用導線作為傳遞敏感信息的媒質。光纖傳感器一般由三個環節組成，即信號的轉換、信號的傳輸、信號的接收與處理。信號的轉換環節：將被測參數轉換成為便于傳輸的光信號。信號的傳輸環節：利用光導纖維的特性將轉換的光信號進行傳輸。

信號的接收與處理環節：將來自光導纖維的信號送入測量電路，由測量電路進行處理并輸出。光纖傳感器分為功能型(或稱物性型)與非功能型(或稱結構型)兩類。

光纖自20世紀60年代問世以來，就在傳遞圖像和檢測技術等方面得到了應用。利用光導纖維作為傳感器的研究始于20世紀70年代中期。由于光纖傳感器具有不受電磁場干擾、傳輸信號安全、可實現非接觸測。而且具有高靈敏度、高精度、高速度、高密度、適應各種惡劣環境下使用以及非破壞性和使用簡便等一些優點。2、光纖傳感器的基本形式(1)功能型光纖傳感器功能型傳感器，又稱FF傳感型光纖傳感器功能型：FF光纖傳感器是利用光纖對環境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。其工作原理基于光纖的光調制效應，即光纖在外界環境因素(如溫度、壓力、電場、磁場等)改