第一章引言

＞教學要求

1.掌握傳感器的基本概念。

2.掌握傳感器的組成框圖（p2,圖1.1）。

3.掌握傳感器的靜態性能和動態性能。

4.了解傳感器的課程性質和課程任務。

5.了解傳感器的分類和發展趨勢。

＞教學內容

L1傳感器的發展和作用

了解。

1.2什么是傳感器

傳感器定義：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

的器件和裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。顧名思義，傳感器的功能是一

感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。根據傳感器的功能要求，它一般應由三

部分組成，即：敏感元件、轉換元件、轉換電路。

1.3傳感器的分類

1.根據被測物理量分類

速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。

2.按工作原理分類

應變式、電壓式、電容式、渦流式、差動變壓器式等。

3.按能量的傳遞方式分類

有源的和無源的傳感器。

1.4傳感器的性能和評價

1.4.1傳感器的靜態特性

傳感器的靜態特性是指傳感器的輸入信號不隨時間變化或變化非常緩慢時，

所表現出來的輸出響應特性，稱靜態響應特性。通常用來描述靜態特性的指標有:

測量范圍、精度、靈敏度、穩定性、非線性度、重復性、靈敏閾和分辨力、遲滯。

?穩定性

傳感器的穩定性，一是指傳感器測量輸出值在一段時間內的變化，即用所謂

的穩定度表示；二是指在傳感器外部環境和工作條件變化時而引起輸出值的變

化，即用影響量來表示。

?靈敏度

傳感器靈敏度是表示傳感器的輸入增量與由它引起的輸出增量之間的函數

關系。更確切地說，靈敏度k等于傳感器輸出增量與被測量增量之比，是傳感器

在穩態輸出輸入特性曲線上各點的斜率。用公式表示為：

卜=寥=鬻=/6）

?靈敏閾與分辨力

靈敏閾是指傳感器能夠區分出的最小讀數變化量。

對模擬式儀表，當輸入量連續變化時，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是

輸出量的每個階梯所代表的輸入量的大小。對于數字式儀表，靈敏度閾就是分辨

力，即儀表指示數字值的最后一位數字所代表的值。

從物理含義看，靈敏度是廣義的增益，而靈敏度閾則是死區或不靈敏度。

?遲滯

傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中——輸入特性曲線不

重合的程度稱為遲滯。

?線性度

傳感器的輸出——輸入校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器

滿量程輸出之比，稱為該傳感器的“非線性誤差”或稱“線性度”，也稱“非線性度”。

1.4.2傳感器的動態特性

動態特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性。只要輸入量是時

間的函數，則其輸出量必將是時間的函數。研究動態特性的標準輸入形式有三種,

即正弦、階躍和線性，而經常使用的是前兩種。

?零階傳感器動態特性指標

零階傳感器，其輸入量無論隨時間如何變化，其輸出量的幅值總是與輸入量

成確定的比例關系，在時間上也不滯后，幅角（P等于零。所以零階傳感器的動態

特性指標就是靜態特性指標。

?一階傳感器動態特性指標

一階傳感器動態特性指標有：靜態靈敏度和時間常數T。如果時間常數T越

小，系統的頻率特性就越好。在彈簧阻尼系統中，就要求系統的阻尼系數小，而

彈簧剛度要大。

?二階傳感器動態特性指標

二階傳感器的傳遞函數：

K

H(s)=7

5~+仝26+1

4

頻率函數為:

K

二-7

CD^

15

說

幅頻特性為:

相頻特性為:

0（o）=arctg

上面各式中:

%——系統無阻尼時的固有振動角頻率;

k——彈簧常數；

m----質量；

?——相對阻尼系數;

C一阻尼器阻尼系數;

K——靜態靈敏度。

由于大多數傳感器均為二階系統，所以我們要專門討論二階系統的階躍響

應。根據二階系統相對阻尼系數。的大小，將其二階響應分成三種情況：既？＞1

時過阻尼；。=1時臨界阻尼；。＜1時欠阻尼。在一定的值下，欠阻尼系統比臨

界阻尼系統更快地達到穩態值；過阻尼系統反應遲鈍，動作緩慢，所以一般傳感

器都設計成欠阻尼。一般取值為0.6?0.8。

第二章應變式傳感器

第二章應變式傳感器

＞教學要求

1.掌握電阻應變效應的基本概念。

2.掌握電橋原理與電阻應變計橋路。

3.掌握應變計的靜態性能和動態性能。

4.掌握溫度誤差產生的原因及其補償方法。

4.了解應變計的分類和命名規則。

5.了解應變計的應用和發展現狀。

＞教學內容

2.1電阻應變效應

2.1.1電阻應變效應

定義：導體或半導體材料在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值相應

發生變化，這種現象稱為“應變效應”。設有一段長為1,截面積為A,電阻率為

p的導體（如金屬絲），它具有的電阻為：

R=p-

A

式中：p—電阻絲的電阻率；1—電阻絲的長度；A—電阻絲的截面積。

2.1.2應變計的分類

了解。

2.1.3應變計型號命名

了解。

2.2應變計的主要特性

2.2.1應變計的靈敏度系數

當具有初始電阻值的應變計粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應變，

將傳遞給應變計的敏感柵，使其產生電阻相對變化。實驗證明，在一定的應變范

圍內，有下列關系：

第二章應變式傳感器

式中，左為電阻應變計的靈敏度系數。

必須指出，應變計的靈敏系數并不等于其敏感柵整長應變絲的靈敏度系數，

一般情況下，k<kQO這是因為，在單向應力產生雙向應變的情況下，上除受到

敏感柵結構形狀、成型工藝、粘結劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部

分橫向效應的影響。應變計的靈敏度系數直接關系到應變測量的精度。因此，值

通常采用從批量生產中每批抽樣，在規定條件下通過實測確定，該值稱為“標稱

靈敏度系數”。

2.2.2橫向效應

定義：在單位應力、雙向應變情況下，橫向應變總是起著抵消縱向應變的作

用。應變計這種既敏感縱向應變，又同時受橫向應變影響而使靈敏系數及相對電

阻比都減小的現象，稱為橫向效應。其大小用橫向效應系數H（百分數）來表示，

即：

〃二*/xIOCM

E對軸向應變的靈敏度系數；嗎為對橫向應變的靈敏度系數。

減小橫向效應的方法：采用直角線柵式應變計或箔式應變計。

2.2.3應變計的動態特性

實驗表明，機械應變波是以相同于聲波的形式和速度在材料中傳播的。當它

依次通過一定厚度的基底、膠層（兩者都很薄，可忽略不計）和柵長而為應變計所

響應時，就會有時間的遲后。應變計的這種響應遲后對動態（高頻）應變測量，就

會產生誤差。應變計的動態特性就是指其感受隨時間變化的應變時之響應特性。

2.2.4其它特性參數

機械滯后

實用中，由于敏感柵基底和粘結劑材料性能，或使用中的過載，過熱，都會

第二章應變式傳感器

使應變計產生殘余變形，導致應變計輸出的不重合。這種不重合性用機械滯后（4）

來衡量。它是指粘貼在試件上的應變計，在恒溫條件下增（加載）、減（卸載）試件

應變的過程中，對應同一機械應變所指示應變量（輸出）之差值，見圖2.1所示。

通常在室溫條件下，要求機械滯后Zj<3?10"。實測中，可在測試前通過多次

重復預加、卸載，來減小機械滯后產生的誤差。

c

Cn

3函

囹

劃

團H

匕

宓

、

?之

000

力:機械.變中￡）

-f"01000*

o時間

圖2.1應變計的機械滯后特性圖2.2應變計的蠕變和零漂特性

蠕變和零漂

粘貼在試件上的應變計，在恒溫恒載條件下，指示應變量隨時間單向變化的

特性稱為蠕變。如圖2.2中0所示。

當試件初始空載時，應變計示值仍會隨時間變化的現象稱為零漂。如圖2.2

中的Po所示。蠕變反映了應變計在長時間工作中對時間的穩定性，通常要求0

<3~15|iso引起蠕變的主要原因是，制作應變計時內部產生的內應力和工作中

出現的剪應力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產生的“滑移”所致。選用彈性模

量較大的粘結劑和基底材料，適當減薄膠層和基底，并使之充分固化，有利于蠕

變性能的改善。

應變極限

應當知道，應變計的線性（靈敏系數為常數）特性，只有在一定的應變限度

范圍內才能保持。當試件輸入的真實應變超過某一限值時，應變計的輸出特性將

出現非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達到10%時的真實應變值，稱為應變

極限。如圖2.3所示。應變極限是衡量應變計測量范圍和過載能力的指標，通常

要求Jm'8000"。影響Am的主要因素及改善措施，與蠕變基本相同。

第二章應變式傳感器

10%真實應變

/|口實應變（好）

0J

圖2.3應變計的應變極限特性

2.3應變計的粘貼

了解粘貼劑的選用要求，和常用粘合劑的選用原則：有機粘合劑通常用于低

溫、常溫合中溫，無機粘合劑用于高溫。

2.4電橋原理及電阻應變計橋路

2.4.1直流電橋的特性方程及平衡條件

電橋的供橋電源電壓為，Ri、R2>R3和七為橋臂，RL為負載內阻，負載電

流II為:

2.4直流電橋

氏1&—氏2&

&(&i+&2)(金+&)+&R式&+&)+&&(g+0)

該

方程為直流電橋的特性方程。

/￡=0時電橋平衡，則平衡條件為：舄&_%&=0

這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等或相對兩臂電阻的乘積

相等。

第二章應變式傳感器

2.4.2直流電橋的電壓靈敏度

應變片工作時，其電阻變化很小，電橋相應輸出電壓也很小。要推動記錄儀

工作，須將輸出電壓放大，為此必須了解AR/R與電橋輸出電壓的關系。

，_4

電橋靈敏度定義為:

單臂工作應變片的電橋電壓靈敏度為:(1+村式中，

2.4.3交流電橋的平衡條件和電壓輸出

Zl、Z2、Z3、Z4為復阻抗，U為交流電壓源，開路輸出電壓為U0,根據

交流電路分析（和直流電路類似）可得平衡條件為：Z1Z2=

設&=4+崗=2，"（i=i52,3,4）

式中段、M—各橋臂電阻和電抗；4,6—各橋臂復阻抗的模和

幅角。因此，交流電橋的平衡條件必須同時滿足：

z0a=*j*4和鈍=6+供

或RtRi-RaR^=XlXi-XiXi和/￡,+&￡i=&%+&&

2.5交流電橋2.6交流電橋分布電容的影響

電橋的調平就是確保試件在未受載、無應變的初始條件下，應變電橋滿足平

衡條件（初始輸出為零）。在實際的應變測量中，由于各橋臂應變計的性能參數不

第二章應變式傳感器

可能完全對稱，加之應變計引出導線的分布電容（其容抗與供橋電源頻率有關），

嚴重影響著交流電橋的初始平衡和輸出特性。因此，交流電橋平衡時，必須同時

滿足電阻和電容平衡兩個條件。

=

RJR3R2R4和R3c2=R4cl

對全等臂電橋，上式即為

R1=R2=R3=R4和C]=C2

2.5溫度誤差及其補償

2.5.1溫度誤差產生的原因

用應變片測量時，希望其電阻只隨應變而變，而不受其它因素的影響。但實

際上環境溫度變化時，也會引起電阻的相對變化，從而產生溫度誤差。應變計的

溫度效應及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應所造成；后部分為敏感柵

與試件熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大時，這種熱輸出干擾必須加以補

償。

（1）敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度變化產生的溫度誤差

Rt=4(1+aZ)=7?0+RoaAt

C2）試件材料與應變絲材料的線膨脹系數不一，使應變絲產生附加形變而

造成的電阻變化。

（明

=%△￡+K（網—同），卜￡

式中at——敏感柵材料的電阻溫度系數；

K——應變計的靈敏系數；

A，A—分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數。

2.5.2溫度補償方法

常采用溫度自補償法和橋路補償法。

第二章應變式傳感器

溫度自補償法

這種方法是通過精心選配敏感柵材料與結構參數來實現熱輸出補償的。

—=白心￡+K(后—4),卜t

(1)單絲自補償應變計由式可知，欲使熱輸

出為0,只要滿足條件5=一/9一耳)

R,/??

焊點

(a)絲繞式(b)短接式

雙絲自補償應變計

(2)雙絲自補償應變計這種應變計的敏感柵是由電阻溫度系數為一正一負

的兩種合金絲串接而成，如圖所示。應變計電阻R由兩部分電阻Ra和Rb組成，

即R=Ra+Rb。當工作溫度變化時，若Ra柵產生正的熱輸出￡at與Rb柵產生負的

熱輸出電，能大小相等或相近，就可達到自補償的目的。

橋路補償法

橋路補償法是利用電橋的和、差原理來達到補償的目的。

(1)雙絲半橋式

這種應變計的結構與雙絲自補償應變計雷同。不同的是，敏感柵是由同符號

電阻溫度系數的兩種合金絲串接而成，而且柵的兩部分電阻Ri和R2分別接入電

橋的相鄰兩臂上：工作柵Ri接入電橋工作臂，補償柵R2外接串接電阻RB(不敏

感溫度影響)后接入電橋補償臂；另兩臂照例接入平衡電阻R3和七，如圖所示。

當溫度變化時，只要電橋工作臂和補償臂的熱輸出相等或相近，就能達到熱補償

目的，即:

第二章應變式傳感器

雙絲半橋式熱補償應變計

（2）補償塊法

這種方法是用兩個參數相同的應變計Ri、R2O

RI貼在試件上，接入電橋工作臂，R2貼在與試件同

材料、同環境溫度，但不參與機械應變的補償塊上，

接入電橋相鄰臂作補償臂國3、R4同樣為平衡電阻），

如圖2.19所示。這樣，補償臂產生與工作臂相同的熱

輸出，通過差接橋，起了補償作用。這種方法簡便，

但補償塊的設置受到現場環境條件的限制。

（3）熱敏電阻補償熱敏電阻Rt與應變片處在相同的溫度下，當應變片

的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓隨

溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出電壓。選擇分流電阻R5的值，可以使應

變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補償。

2.6電阻應變儀

電學應變儀應用最廣泛，它采用的電路可以是直流電橋式、交流電橋式或電

位計式，應用最多的是交流電橋式電路并帶有載波放大器的形式。采用交流電橋

電路的應變儀由電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器和電源部分組成。

第二章應變式傳感器

交流電橋式應變儀束理方胭困

①電橋：將應變計的電阻變化轉換成電壓或電流信號，以便放大器放大。通

常電橋由正弦振蕩器供電，其頻率為500赫?50千赫,較低頻率的被測應變信號對

較高的頻率的電橋電壓進行調幅，輸出一個窄頻帶的調幅波信號。②放大器：

對電橋輸出的微弱信號進行不失真的放大，并以足夠的功率去推動指示器和記錄

器。為提高放大器的穩定性，一般采用交流載波放大器，直流放大器僅用于超動

態應變儀。③相敏檢波器：將放大后的調幅波還原為被測應變信號波形，同時反

映被測應變信號的方向，通常采用環形相敏檢波器。④濾波器：濾除相敏檢波

器輸出信號中的高次諧波分量，以獲得理想的輸出波形。⑤振蕩器：產生一個穩

定的振蕩電壓，作為電橋供電電壓和相敏檢波器的參考電壓。

2.7應變式傳感器

基本概念

1、應變：物體在外部壓力或拉力作用下發生形變的現象。

2、彈性應變：當外力去除后，物體能夠完全恢復其尺寸和形狀的應變。

3、彈性元件：具有彈性應變特性的物體。

構成

彈性敏感元件，應變計（絲）。

工作原理

當被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發

生變形，產生相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的應變片，引起應變片的

電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。

2.7.2應變式測力與稱重傳感器

組成：彈性體，應變計和外殼。

第二章應變式傳感器

分類：根據結構形式不同可分為：柱式、橋式、輪輻式、梁式、環式等。

柱式：特點是結構簡單、緊湊，易于加工，成本費用低，密封性能良好，對

于潮濕環境很適用，可設計成壓式或拉式的，可以承受很大的載荷；其缺點是位

移量小、靈敏度低。

橋式：傳感器彈性體為橋式，其兩端用兩只螺栓緊固到下面的支撐體上，其

彈性體與支撐體之間有一間隙，為彈性體的受力變形空間。該類傳感器的特點如

下：由于傳感器與秤體之間的連接為要求很低的間隙配合，所以安裝方便，維護

簡單，重復性好。

輪輻式：高度低、精度高、抗偏心載荷和側向力強。

剪切梁式：該類傳感器有以下特點：輸出信號不受稱重點位置變化的影響；

線性好、精度高；傳感器受拉伸與壓縮時，切應力的幅度與分布基本相同，即傳

感器的拉伸、壓縮靈敏度基本相同，所以特別適用于同時受拉和壓的測量；外

形低、體積小、重量輕，易于安裝和維修；結構簡單易于密封；抗側向力強。

板環式：特點是輸出靈敏度高、受力狀態穩定、溫度均勻性好、結構簡單、

易于加工，可制成拉壓2種型號，對于0.5?30噸的拉壓方式稱重傳感器，這種

方式是很好的。

應變式壓力傳感器

組成：彈性元件，電阻應變計和外殼及補償電阻。

分類：應變式壓力傳感器所用彈性元件可根據被測介質和測量范圍的不同而采用

各種型式，常見有圓膜片、彈性梁、應變筒等。

應變式加速度傳感器

加速度傳感器的構成如圖：包括

了應變片、彈簧片、質量塊、外殼

和基座。

2.8幾種新型的微應變式傳感器

第二章應變式傳感器

概念

壓阻效應：半導體材料受到應力作用時，其電阻率會發生變化，這種現象就

稱為壓阻效應。

化學氣相沉積（CVD）：是半導體技術中一種常用的薄膜生長技術，這種技

術使用化學的方法來沉積薄膜。

第三章光電式傳感器

第三章光電式傳感器

＞教學要求

1.掌握光電效應的基本概念，內光電效應和外光電效應。

2.掌握光傳感器的特性及其表示法。

3.掌握光電管，光電倍增管，光敏電阻，光電耦合器件的原理，結構。

4.了解熱釋電效應的原理。

5.了解其它光電傳感器的組成，原理和發展趨勢。

＞教學內容

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化

轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳

感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、

反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，

因此，光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。

3.1光電效應

光電效應：它是光照射到某些物質上，使該物質的電特性發生變化的一種物

理現象，可分為外光電效應和內光電效應兩類。

外光電效應是指，在光線作用下物體內的電子逸出物體表面向外發射的物理

現象。

內光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應兩類。光電導效應是指，半導

體材料在光照下禁帶中的電子受到能量不低于禁帶寬度的光子的激發而躍遷到

導帶，從而增加電導率的現象。能量對應于禁帶寬度的光子的波長稱光電導效應

的臨界波長。光生伏特效應是指光線作用能使半導體材料產生一定方向電動勢的

現象。光生伏特效應又可分為勢壘效應（結光電效應）和側向光電效應。勢壘效

應的機理是在金屬和半導體的接觸區（或在PN結）中，電子受光子的激發脫離勢

壘（或禁帶）的束縛而產生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下電子移向N

區外側，空穴移向P區外側，形成光生電動勢。側向光電效應是當光電器件敏

感面受光照不均勻時，受光激發而產生的電子空穴對的濃度也不均勻，電子向未

被照射部分擴散，引起光照部分帶正電、未被光照部分帶負電的一種現象。

第三章光電式傳感器

基于外光電效應的光電敏感器件有光電管和光電倍增管。基于光電導效應的

有光敏電阻。基于勢壘效應的有光電二極管和光電三極管。基于側向光電效應的

有反轉光敏二極管。

3.2熱釋電效應

所謂熱釋電效應是指該種材料中自發極化的強度隨溫度的變化而變化的效

應。電介質在外加電場的作用下會產生電極化的現象即會使電介質的一個表面帶

有正電荷而另一個表面帶有負電荷。

3.3光的吸收系數

了解。

3.4光傳感器的特性表示法

光電探測器的性能參數主要的有：積分靈敏度R,光譜靈敏度RQ頻率靈

敏度Rf,量子效率中通量閾P昂和噪聲等效功率NEP,歸一化探測度D*等。

光譜靈敏度R：（=3,如果是（常數，則相應的探測器為無選擇性探

dP/

測器，如：光熱探測器；反之，則為選擇性探測器，如光子探測器。

頻率靈敏度Rf：如果入射光是強度調制的，在其他條件不變下，光電流將隨

調制頻率f的升高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf。

量子效率表示探測器吸收的光子數和激發的電子書之比。

通量閾指探測器所能探測的最小光信號功率。通常認為當信號光電流％等于

噪聲電流"時，剛剛能測量到光電流存在。定義通量閾：七=紅（歷

Ri

噪聲等效功率NEP,單位信噪比時的信號光功率。噪聲等效功率越小，探

測器探測微弱信號的能力越強。NEP=^=刃（SNRH=Pj（SNR"l（W）

光譜特性

在入射光照度一定時，光電元件的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一

第三章光電式傳感器

種材料只對一定波長范圍的人射光敏感，這就是光譜特性。

頻率特性

表征光電器件的動態性能，反映了交變光照下器件的輸出特性，用響應時間

來表示。

伏安特性

在一定的光照下，對光電器件所加端電壓與光電流之間的關系稱為伏安特

性。它是傳感器設計時選擇電參數的依據。使用時應注意不要超過器件最大允許

的功耗。

溫度特性

光電器件隨所處環境溫度的變化，其光電效應的外在表現會發生變化。

3.5光電傳感器

3.5.1光電管

光電管原理是光電效應。一種是半導體材料類型的光電管，它的工作原理光

電二極管又叫光敏二極管，是利用半導體的光敏特性制造的光接受器件。當光照

強度增加時，PN結兩側的P區和N區因本征激發產生的少數載流子濃度增多，

如果二極管反偏，則反向電流增大，因此，光電二極管的反向電流隨光照的增加

而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態下。常見的半

導體材料有硅、錯等。如我們樓道用的光控開關。還有一種是電子管類型的光電

管，它的工作原理用堿金屬（如鉀、鈉、葩等）做成一個曲面作為陰極，另一個

極為陽極，兩極間加上正向電壓，這樣當有光照射時，堿金屬產生電子，就會形

成一束光電子電流，從而使兩極間導通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間

斷開。

352光電倍增管

光電倍增管是一種能將微弱的光信號轉換成可測電信號的光電轉換器件。它

是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件。

光電倍增管是一種真空器件。它由光電發射陰極（光陰極）和聚焦電極、電

子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。典型的光電倍增管按入射光接收方式可

分為端窗式和側窗式兩種類型。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結構圖。其

主要工作過程如下：

第三章光電式傳感器

,聚焦報

'二次電子末倍增報管針

入射光方卑

\電子倍辯極芯柱

、光陽圾（打拿學）陽極

圖1端窗型光電倍增管的剖面圖

當光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發出光電子。這些光電子按聚焦極

電場進入倍增系統，并通過進一步的二次發射得到的倍增放大。然后把放大后的

電子用陽極收集作為信號輸出。

因為采用了二次發射倍增系統，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外

區的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍

增管還具有響應快速、成本低、陰極面積大等優點。

3.5.3光敏電阻

結構：通常由光敏層、玻璃基片（或樹枝防潮膜）和電極等組成的。

特性：光敏電阻器是利用半導體光電導效應制成的一種特殊電阻器，對光線

十分敏感，它的電阻值能隨著外界光照強弱（明暗）變化而變化。它在無光照射

時，呈高阻狀態；當有光照射時，其電阻值迅速減小。

作用與應用：廣泛應用于各種自動控制電路（如自動照明燈控制電路、自動

報警電路等）、家用電器（如電視機中的亮度自動調節，照相機的自動曝光控制

等）及各種測量儀器中。

光敏電阻器種類：

1）按制作材料分類：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（CdS）、

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

2）按光譜特性分類：

?可見光光敏電阻器：主要用于各種光電自動控制系統、電子照相機、光報

警等地。

?紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線探測儀器。

?紅外光光敏電阻器：主要用于天文、軍事等領域的有關自動控制系統。

第三章光電式傳感器

光敏電阻器的主要參數

1）亮電阻（k。）：指光敏電阻器受到光照射時的電阻值。

2）暗電阻（MQ）：指光敏電阻器在無光照射（黑暗環境）時的電阻值。

3）最高工作電壓（V）：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。

4）亮電流：指光敏電阻器在規定的外加電壓下受到光照射時所通過的電流。

5）暗電流（mA）：指在無光照射時，光敏電阻器在規定的外加電壓下通過的

電流。

6）時間常數（s）：指光敏電阻器從光照躍變開始到穩定亮電流的63%時

所需的時間。

7）電阻溫度系數：指光敏電阻器在環境溫度改變時，其電阻值的相對

變化。

8）靈敏度：指光敏電阻器在有光照射和無光照射時電阻值的相對變化。

354光電二極管和光電三極管

光電二極管、光電三極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。光電二極管和

普通二極管一樣具有一個PN結，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，實現光電轉換，在電路圖中文字符號一般為VD。光電

三極管除具有光電轉換的功能外，還具有放大功能，在電路圖中文字符號一般為

VTo光電三極管因輸入信號為光信號，所以通常只有集電極和發射極兩個引腳

線。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個透明窗口，以接收光線照射。

光電二極管與光電三極管外殼形狀基本相同，其判定方法如下：

遮住窗口，選用萬用表R*1K擋，測兩管腳引線間正、反向電阻，均為無窮

大的為光電三極管。正、反向阻值一大一小者為光電二極管。

光電二極管檢測：首先根據外殼上的標記判斷其極，外殼標有色點的管腳或

靠近管鍵的管腳為正極，另一管腳為負載。如無標記可用一塊黑布遮住其接收光

線信號的窗口，將萬用表置R*1K擋測出正極和負極，同時測得其正向電阻應

在10K?20K間，其反向電阻應為無窮大，表針不動。然后去掉遮光黑布，光電

二極管接收窗口對著光源，此時萬用表表針應向右偏轉，偏轉角度大小說明其靈

敏度高低，偏轉角度越大，靈敏度越高。

第三章光電式傳感器

光電三極管檢測：光電三極管管腳較長的是發射極，另一管腳是集電極。檢

測時首先選一塊黑布遮住起接收窗口，將萬用表置R*1K擋，兩表筆任意接兩管

腳，測得結果其表針都不動（電阻無窮大），在移去遮光布，萬用表指針向右偏

轉至15K?35K,其向又偏轉角度越大說明其靈敏度越高。

光電二極管和三極管的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應時

間、溫度特性和頻率特性等來描述。

光電管的基本特性

光照特性：通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光

電流之間的關系。曲線1表示氧葩陰極：光照特性成線性關系曲線2表示錨能陰

極：光照特性成非線性關系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間

比）稱為光電管的靈敏度。

光電管的光照特性

光譜特性：由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保

持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關系稱為光電管的光譜特

性。

一般對于光電陰極材料不同的光電管，有不同的紅限頻率vO,對應于不同

的光譜范圍。

同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。

光譜特性：對不同波長區域的光，應選用不同材料的光電陰極一光譜響應

范圍。例如：睇能陰極，其紅限M）=700nm,它對紫外線和可見光范圍的入射光

靈敏度比較高，適用于白光光源和紫外光源。對紅外光源，常用氧鈉陰極。

第三章光電式傳感器

I為氧艷陰極光譜特性，n為鐳鈉陰極光譜特性，ni為正常人的眼睛視覺特性

10-2-3

伏安特性：在一定的光照射下，對光電管的陰極所加電壓與陽極所產生的電

流之間的關系——是應用光電傳感器的主要依據參數。

當極間電壓高于50V時，光電流開始飽和，所有的光電子都達到了陽極。

真空光電管一般工作于飽和部分。

3.5.5光電池

光電池是利用光生伏特效應直接把光能轉變成電能的器件，又稱為太陽能電

池。光電池常用的材料是硅和硒，也可以使用錯、硫化鎘、碎化錢和氧化亞銅等。

目前，應用最廣、最有發展前途的是硅光電池。

第三章光電式傳感器

結構：硅光電池是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴散的方法摻入一

些P型雜質而形成一個大面積的P-N結，P層做得很薄，從而使光線能穿透照到

P-N結上。

工作原理：當光照到PN結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發

出電子-空穴對，在N區聚積負電荷，P區聚積正電荷，這樣N區和P區之間出

現電位差——光生電動勢。

基本特性

1、光照特性

開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為20001X時趨

向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。

短路電流：指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。

負載電阻RL越小，光電流與照度的線性關系越好，且線性范圍越寬。

3

OS.os../6>

、

田

2

2出

O.S用

1米

20004000

光照度/lx

硅光電池的光照特性硅光電池光照特性與負載

的關系

2,光譜特性

光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波長在500nm附近，適宜

測可見光。硅光電池應用的范圍400nm—1200nm,峰值波長在800nm附近，因

此可在很寬的范圍內應用。

1500300045006000

40060080010001200光的頻率;Hz

光的波長/?■!IG-4-5

第三章光電式傳感器

光電池的光譜特性光電池的頻率特性

3、頻率特性

光電池作為測量、計數、接收元件時常采用調制光輸入。光電池的頻率特性

就是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系。頻率特性與材料、結構尺寸和使用條

件等有關。由于光電池PN結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。硅光電

池具有較高的頻率響應，而硒光電池則較差。

4、溫度特性

開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。開路電壓與短路電流均隨溫度而變

化，它將關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主

要指標。當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。

硅光電池的溫度特性曲線

3.5.6PIN型硅光電二極管

3.5.7雪崩式光電二極管(APD)

3.5.8半導體色敏傳感器

3.5.9光電閘流晶體管

3.5.10熱釋電傳感器

3.5.11達林頓光電三極管

3.5.13光導攝像管

以上各節均做了解。

3512光電耦合器件

光電耦合器：發光元件和光電傳感器同時封裝在一個外殼內組合而成的轉換

第三章光電式傳感器

元件。以光為媒介進行耦合來傳遞電信號，可實現電隔離，在電氣上實現絕緣耦

合，因而提高了系統的抗干擾能力。由于它具有單向信號傳輸功能，因此適用于

數字邏輯中開關信號的傳輸和在邏輯電路中作為隔離器件及不同邏輯電路間的

接口。

光電耦合器的特點：

(a)結構簡單、成本低，通常用于工作頻率50kHz以下的裝置。

(b)采用高速開關管構成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。

(c)采用放大三極管構成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅動和較

低頻率的裝置中。

3.5.14CCD圖像傳感器

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

光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器芯片轉換成數字

第三章光電式傳感器

信號，數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存，因而

可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據需要和

想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD

表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所

產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。

第四章光纖傳感器

第四章光纖傳感器

>教學要求

1.掌握光導纖維的組成和光在光纖中傳播的原理。

2.掌握光纖的主要參數。

3.掌握強度型光纖傳感器和干涉型光纖傳感器的基本原理。

4.了解各類光纖傳感器的結構和應用。

>教學內容

4.1光導纖維(光纖)

4.1.1光纖的結構

1.纖芯：石英玻璃，直徑5—75um,材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。

2.包層：直徑100—200um,折射率略低于纖芯。

3.涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光。

4.護套：尼龍或其他有機材料，提高機械強度，保護光纖。

4.1.2光在光纖中的傳播

斯涅爾定理(SneWslaw)：光由光密介質入射到光疏介質時發生折射，其折

射角大于入射角，即nl>n2時，0r>0ionl、n2^Or、0i間的數學關系為：

nisin0i=n2sin0r

(1)當0r=90。時，比仍V90。，止匕時，出射光線沿界面傳播，稱為臨界狀態。

臨界角Oio為：0io=arcsin(n2/ni)

(2)當％>0i0并繼續增大時，9r>90°,這時便發生全反射現象，其出射光

不再折射而全部反射回來。

4.1.3光纖的幾個重要參數

1、數值孔徑NA

入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內的入

第四章光纖傳感器

射光才可以。這個角度就稱為光纖的數值孔徑。定義為：

=J短—〃勺為纖芯折射率,為為包層折射率。

數值孔徑是多模光纖的重要參數，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的

大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數

值孔徑取值范圍為0.18-0.23,其對應的光纖端面接收角0c=10°~13°o

2、傳播模式

采用“V值”表述光在階躍型折射率光纖中的傳播特性：

a為纖芯半徑，M）為入射光在真空中的波長。光纖V值越大，則光纖所能擁

有的，即允許傳輸的模式（不同的離散波）數越多。當V值低于2.404時，只允許一

波或模式在光纖中傳輸。

3.傳播損耗

光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光強發生衰減，通常用傳播率A

來表示傳播損耗：

-ioig^

A=----------（dB/km）

式中/為光纖長度，乙為輸出端光強，為輸入端光強。

4.1.4光纖的類型

1、按折射率變化類型分類：階躍折射率光纖和漸變折射率光纖。

2、按傳播模式的多少：單模光纖和多模光纖。

3、從傳感器機理上來說:

第四章光纖傳感器

光纖傳感器可分為振幅型（也叫強度型）和相位型（也叫干涉儀型）兩種。

振幅型光纖傳感器具有結構簡單、與多模光纖技術的相容性好、信號檢測較容易

等優點，但其靈敏度較低。相位型光纖傳感器的優點是靈敏度高，但其機構及檢

測手段復雜。

強度型（振幅型）光纖傳感器

4.2.1反射式光纖位移傳感器

結構：反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖4.1所

示：光纖采用Y型結構，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩

支，分別作為光源光纖和接收光纖。

原理：光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到

接收光纖，最后由光電轉換器接收，轉換器接受到的光源與反射體表面性質、反

射體到光纖探頭距離有關。當反射表面位置確定后，接收到的反射光光強隨光纖

探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當光纖探頭緊貼反射片時，接收器接

收到的光強為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加,

到達最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。圖4.2所示就是反射式光纖位移傳

感器的輸出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過對光強的檢測得到位移量。

特點：反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應速度

快，測量線性化（在小位移范圍內）等優點，可在小位移范圍內進行高速位移檢

測。

>

)

陰

整

汨1.5

解

O1.0

.25

位移(mm)

圖4.1反射型光纖傳感器的結構圖2位移——輸出信號曲線

4.2.2光纖測壓傳感器

4.2.3移動光柵光纖傳感器

4.2.4微彎光纖傳感器

第四章光纖傳感器

以上各節要求了解。他們均屬于強度調制型傳感器。

4.3相位調制型光纖傳感器

4.3.1基本原理

基本換能機理：在一段單模光纖中傳輸的相干光，因待測能量場的作用，而

產生相位調制。

測量機構分類：邁克爾遜、馬赫-澤德、薩格奈克和法布里-珀羅。

特點：結構上都由空氣光路和多個光學器件（分光束和平面鏡）組合而成。

在每種傳感器中，光源的輸出光束均被分成兩束或兩束以上的光。這些分開的光

束沿不同光路傳輸之后，又重新合路并激勵光敏檢測器。

4.3.2光纖（強度）干涉儀

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

從一條光纖中分至多條光纖中的元件，屬于光被動元件領域，在電信網路、有線

電視網路、用戶回路系統、區域網路中都會應用到。光纖耦合器可分標準耦合器

（雙分支，單位卜2,亦即將光訊號分成兩個功率）、星狀/樹狀耦合器、以及

波長多工器（WDM,若波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬於DWDM）,

制作方式則有燒結（Fuse）微光學式（MicroOptics）、光波導式（WaveGuide）

三種，而以燒結式方法生產占多數（約有90%）。

4.4光纖傳感器的應用舉例

1、相位檢測

其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播

常數發生變化,而導致光的相位變化,使兩束單色光所產生的干涉條紋發生變化,

通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。

通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場

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

應的旋轉角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用

特殊光纖及高精度檢測系統，因此成本高。

第四章光纖傳感器

2.光纖聲傳感器

通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器。光纖聲壓傳感器利用了

雙路光纖干涉原理制成的。

3.光纖磁傳感器

利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器。

4.光纖電流傳感器（了解）

第五章變磁阻式傳感器

第五章變磁阻式傳感器

＞教學要求

1.掌握變磁阻式傳感器的原理。

2.掌握差動式電感傳感器的工作原理。

3.掌握差動變壓器式傳感器的基本原理。

4.了解電動式傳感器的原理。

＞教學內容

一、工作原理

變磁阻式傳感器的結構如圖所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯

和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚

度為&，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度6發生改變，引

起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感

量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

根據電感定義，線圈中電感量可由下式確定：

中_皿_皿

7=_r=_r

第五章變磁阻式傳感器

式中：中一線圈總磁鏈；/—通過線圈的電流；w—線圈的匝數；①一穿過線

圈的磁通。

由磁路歐姆定律，得

式中：&一磁路總磁阻。對于變隙式傳感器，因為氣隙很小，所以可以認為

氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為

工+工+*

41sl42s240so

式中：從一鐵芯材料的導磁率；上一銜鐵材料的導磁率；右一磁通通過鐵芯

的長度；4—磁通通過銜鐵的長度；Si——鐵芯的截面積；S2一銜鐵的截面

積；為一空氣的導磁率；So—氣隙的截面積；8—氣隙的厚度。

通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即

28L

---?--

、

--2-6-?—L—

J/QSQ

則磁阻片可近似為

R

m

U0S0

聯立式以上各式，可得

第五章變磁阻式傳感器

上式表明，當線圈匝數為常數時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數，只要

改變8或So均可導致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度8

的傳感器和變氣隙面積So的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度8式電感傳

感器。

、輸出特性

設電感傳感器初始氣隙為偽，初始電感量為右，銜鐵位移引起的氣隙變化

量為Ab,從式￡=日=.%。5。,可知L與&之間是非線性關系，特性曲線如圖

q+AL

o'----：~~^―?-------

%一八%~4+%

在Ab很小時，電感的相對變化量為空=純，靈敏度為:

△3缶

第五章變磁阻式傳感器

由此可見，變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，所以

變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。為了減小非線性誤

差，實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。

三、差動電感傳感器

差動變隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈I、n和磁路組成，測量時,

銜鐵通過導桿與被測位移量相連，當被測體上下移動時，導桿帶動銜鐵也以相同

的位移上下移動，使兩個磁回路中磁阻發生大小相等，方向相反的變化，導致一

個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動形式。當銜鐵往上移

動靖時，兩個線圈的電感變化量AL