传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 赵勇 第4章 常用传感器

LOGO 第四章 常用传感器 4.1 应变效应与应变式传感器 v4.1.1 基本概念 对于长度、截面积一定的金属丝，其阻值可用下式表 示 (4-1) 式中 L电阻丝的长度； A电阻丝的截面积； 电阻丝的电阻率，取决于导体材料的性质。 若导体的三个参数中的任一或数个参数发生变化，则电阻 值也随之变化。这种金属电阻丝在外力作用下发生机械变 形，其电阻值也发生变化的现象称为电阻应变效应。 4.1 应变效应与应变式传感器 对式(4-1)全微分，可得： 式中的 代表电阻丝的轴向相对伸长，称为应变 。 由材料力学知识可知： 代入上式，可得 或 (4-5) 式(4-5)表示单位应变引起电阻丝的电阻变化率，称为电 阻丝的灵敏系数。 对于金属而言， 以(1+2)为主； 而对于半导体材料， 值主要由电阻率相对变化所决定。 4.1 应变效应与应变式传感器 用 表示，即 的大小受两个因素影响： (1+2)为电阻丝受力后几何尺寸变化； 为材料的电阻率相对变化。 4.1 应变效应与应变式传感器 1. 金属应变片的基本结构及类型 图4-1 金属应变片的结构 1引线 2覆盖层 3敏感栅 4基底 图4-2 金属应变片的类型 按敏感栅的结构形式，金属应变片可分： (1)丝绕式应变片，如图4-1所示。 (2)短接丝式应变片，如图4-2(a)所示。 (3)箔式应变片，如图4-2(b)所示。 4.1 应变效应与应变式传感器 2. 金属应变片的主要特性参数 (1)几何尺寸 应变片敏感栅的尺寸 反映了应变片的有效工作面积 。 (2)电阻值 (3)最大工作电流 指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。 (4)灵敏系数S 对于金属应变片，电阻变化率S与应变之间的关系可以 用下式表示： 4.1 应变效应与应变式传感器 3. 金属应变片的温度误差 因温度变化导致电阻变化的主要原因有： (1)电阻温度系数的影响 在温度变化时，敏感栅的电阻丝阻值随温度变化而变化 ， 其相对电阻增量 应变片敏感栅的电阻温度系数，指温度变化1时， 电阻的相对变化； t环境温度的变化量。 4.1 应变效应与应变式传感器 (2)试件材料和敏感栅材料线膨胀系数的影响 当两者线膨胀系数不一致时，环境温度变化会使敏感栅 产生附加变形，其电阻值也会改变。 其相对电阻增量 S应变片的灵敏系数； 、 分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数。 因此，由温度变化引起的总的相对电阻增量为 或 2) 应变片的自补偿，它是从电阻应变片的敏感栅材料及 制造工艺上采取措施，使应变片在一定的温度范围内 满足的 关系； 4.1 应变效应与应变式传感器 即使在常温下测量，环境温度很难保持恒定，所以必须采 取一定的措施减小或消除温度变化的影响，即温度补偿。 常用的温度补偿方法有三种： 1) 桥路补偿法，它主要是通过贴片和接桥方法消除温度 的影响，补偿原理和方法将在后文中详细介绍； 3) 热敏电阻法，利用热敏电阻的特性和选择合适的分流 电阻达到温度补偿的目的。 4.1 应变效应与应变式传感器 v4.1.2 传感器的设计 以电阻应变计为转换元件的电阻应变式传感器，主要 由弹性元件和粘贴于其上的电阻应变计构成。其工作 原理是，由于被测物理量（如载荷、位移、压力等） 能够在弹性元件上产生弹性变形（应变），而粘贴在 弹性元件表面的电阻应变计可以将感受到弹性变形转 变成电阻的变化，这样电阻应变式传感器就将被测物 理量的变化转换成电信号的变化。 传感器中感受被测物理量的弹性元件是其关键部分， 结构形式有多样，旨在提高感受被测物理量的灵敏性 和稳定性。常用的弹性元件的结构形式有：受拉压的 直杆、受弯曲的梁、受扭转的圆轴、受均布压力的薄 圆板、受内压的圆筒、受径向载荷的圆环以及受轴向 载荷的剪切轮辐式结构等。 4.1 应变效应与应变式传感器 v4.1.3 应变式传感器应用举例 作为测力传感器的弹性元件， 其形式多种多样，常见的有 a)柱形、b)环形、c)悬臂梁形、 d)双孔梁形、e) “S”形、 f)轮辐形等 1. 应变式力传感器 在测力传感器中有一个弹性元件，利用它可把被测力的 变化转换成应变量的变化。由于弹性元件上粘贴有应变 片，因而可把应变量的变化转换成应变片电阻的变化。 图4-3 应变式测力传感器的弹性元件 4.1 应变效应与应变式传感器 2. 应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用于测量液体、气体的压力。 下图为组合式压力传感器结构。 其中：1为弹性膜片，2为薄壁圆筒 图4-4 组合压力传感器 4.1 应变效应与应变式传感器 3. 应变式加速度传感器 加速度传感器通常由悬臂梁、质量块和壳体组成。 图4-5 应变式加速度传感器 测量时将传感器的壳体与被测对象刚性连接，在一定的 频率范围内，质量块产生的加速度与被测加速度相等。 应变式加速度传感器常用于低频振动测量。 4.1 应变效应与应变式传感器 4. 应变式扭矩传感器 扭矩传感器采用实心圆柱或空心 圆柱形式的弹性元件。其应变片 按45方向粘贴在圆柱外表面上 ，通常贴4片组成全桥，这样既 可以提高灵敏度，又可以消除弯 曲产生的影响。 由于传动轴是转动的，因而不能直接从应变片引出信号，可采用电 刷式集流环、水银槽式集流环将应变信号由旋转轴引到静止的导线 和仪器上。也可以采用非接触式测量方法（如感应式或遥测式）。 图4-6 应变式扭矩传感器 1.集流环 2.应变片 3.旋转轴 4.电刷 4.2 电容、电感式传感器 v4.2.1 电容式传感器 1. 电容式传感器工作原理 两平行极板组成的电容器，其电容量 若A、或任一参数发生变化，电容C也随之变化。在交 流电路中，电容C的变化改变了容抗 ，从而使输出电 流或电压发生变化。 若极板面积为A，初始间隙为 ，介电常数为，则初 始电容量 4.2 应变效应与应变式传感器 2. 电容传感器类型 (1)变极距式 图4-7 变极距式电容传感器的原理图 1.定极板 2.动极板 略去展开式的非线性项(高次项)，则电容的变化量 与被测位移 近似成正比关系，即 4.2 应变效应与应变式传感器 当动极板向上运动时，极板间的距离，电容的增量 当 时， 4.2 应变效应与应变式传感器 其灵敏度 (4-16) 由此产生的相对误差 (4-17) 由公式(4-16)可以看出，若要提高灵敏度，应减小初始 间隙过小容易引起电容器击穿，同时由公式(4-17)还可 以看出，随着相对位移的增加，相对误差也会增大。 因此，实际应用中，为提高灵敏度，减小测量误差以及 克服某些外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化 对测量精度的影响，常常采用差动结构。 4.2 应变效应与应变式传感器 在差动式电容传感器中，如果一个电容器的电容量随位 移量增加，另一个电容器的电容量则减小，即 电容量总的变化量 其灵敏度 相对误差 图4-8 差动式变极距式传感器的原理图 1、3.定极板 2.动极板 4.2 应变效应与应变式传感器 (2) 变面积式 图4-9 变面积式电容传感器 (a)角位移型 (b)直线位移型 (c)直线位移圆筒型 a)图所示为角位移电容传感器的原理图，由半圆形定极 板和动极板构成电容器，其电容量 4.2 应变效应与应变式传感器 当动极板有一角位移时，则电容量发生变化，电容变化量 其灵敏度 b)图所示为直线位移平板电容器原理图，当动极板移 动后，覆盖面积发生变化，由此产生的电容变化量 其灵敏度 4.2 应变效应与应变式传感器 c)图所示是直线位移圆筒电容传感器的示意图。它由 两个同心圆筒构成，其电容量 当覆盖长度变化时，电容的变化量 灵敏度 4.2 应变效应与应变式传感器 (3) 变介电常数式 图4-10 变介电常数式电容传感器 (a)测量电介质厚度 (b)测量电介质位置 (c)测量电介质液位 (d)测量电介质温度、湿度 4.2 应变效应与应变式传感器 图(a)、(b)、(c)所示传感器的电容量与被测量的关系分别 是 应该指出：在上述测量方法中，当电极间存在导电物质 时，电极表面应涂盖绝缘层（如涂0.1mm厚的聚四氟乙 烯等），防止电极间短路。 4.2 应变效应与应变式传感器 3. 电容传感器的应用 (1)电容式压差传感器 图4-11 电容式压差传感器 1.硅油 2.隔离膜 3.焊接密封圈 4.测量膜片（动电极） 5.固定电极 薄金属膜片夹在两片镀金属的中 凹玻璃之间。当两个腔的压差增 加时，膜片弯向低压腔的一边。 这一微小的位移改变了每个玻璃 圆片之间的电容，所以分辨率很 高，可以测量00.75的小压力， 响应速度为100。 4.2 应变效应与应变式传感器 (2)电容式加速度传感器 图4-12 电容式加速度传感器 1. 极板2.振动体 3.质量块 4.弹簧片 质量块由两根弹簧片支撑 于壳体内。测量时，将传 感器外壳固定在被测振动 物体上，振动体的振动使 质量块相对于壳体运动， 相对运动的位移正比于质 量块所产生的惯性力，在 一定的频率范围内，惯性 力与被测振动加速度成正 比。 4.2 应变效应与应变式传感器 (3)电容式测厚仪 图4-13 电容式测厚仪 1.带材 2.轧辊 3.工作极板 在被测带材的上下两侧各设置一块面积相等、与带材距离 相等的极板，工作极板与带材之间形成两个电容 、 。 若两块极板用导线连接作为传感器的一个电极板，带材本 身则是电容传感器的另一个极板，总电容为 。带材 在轧制过程中若发生厚度变化，将引起电容的变化。 4.2 电容、电感式传感器 v4.2.2 电感式传感器 电感式传感器是应用电磁感应原理，将被测机械量转 换成线圈自感或互感量变化的一种装置，可用来测量位移 、压力、振动等参数。电感传感器的类型很多，根据转换 原理不同，可分为自感式、互感式、电涡流式、压磁式等 。 1. 自感式传感器 线圈自感系数 当线圈匝数一定时，磁路中任何参数的变化都将引起自感 系数的变化。 4.2 应变效应与应变式传感器 (1)变气隙式自感传感器 线圈的自感系数 图4-14 变气隙式自感传感器结构原理图 1.线圈 2.铁芯 3.衔铁 由上式可知，当铁芯和线圈一定时，自感系数与气隙长 度成反比，改变气隙长度，自感系数也发生变化。 4.2 应变效应与应变式传感器 设初始气隙长度为 ，当衔铁向上移动时，自感系数的 变化量 自感系数的相对变化量 灵敏度 4.2 应变效应与应变式传感器 为了改善传感器的特性，通常将它做成图4-15所示的差 动结构。 图4-15 差动变气隙式自感传感器 1.5.线圈 2.4.铁芯 3.衔铁 6.导杆 4.2 应变效应与应变式传感器 (2)螺管式自感传感器 图4-16 螺管式自感传感器 (a)一般螺管式自感传感器 (b)差动结构的螺管式自感传感器 当衔铁在线圈中作轴向移动时，线圈的自感将发生变化。 这种传感器的线性取决于螺管线圈的长径比，长径比越大 ，线性工作范围越大。 4.2 应变效应与应变式传感器 2. 差动变压器式传感器 (1)结构与工作原理 当初级线圈通入交流电后，在相距较近的次级线圈中就 会有感应电势输出，感应电势的大小与线圈之间的互感 成正比 图4-17 差动变压器传感器 (a)结构 (b)等效电路 1.初级线圈 2.3.次级线圈 4.衔铁 4.2 应变效应与应变式传感器 3. 电涡流传感器。 (1)基本工作原理 电涡流传感器是利用涡流效应将被测机械量的变化 转换成线圈阻抗的变化，从而进行位移、厚度、转速等 参数的测量。 把一扁平线圈置于金属板的附近并通以高频电流i，交变 磁场通过附近的金属板产生电涡流，由于涡流效应，线 圈的等效阻抗Z将发生变化。 图4-18 电涡流效应原理 1.线圈 2.金属板 3.涡流 4.2 应变效应与应变式传感器 阻抗Z与被测材料的电阻率、磁导率、激励频率以及 涡流传感器(即扁平线圈)与金属板之间的距离x有关，可 用函数式表示如下： 当电源频率f以及另外两参量为恒定时，则金属板之间的 距离x将与阻抗呈单值函数，例如当材料一定时，可写 成： 因而可以进行位移的非接触测量。 4.2 应变效应与应变式传感器 (2)被测物体对传感器灵敏度的影响 由 可知，线圈阻抗的变化，不仅和线圈与 金属板之间的距离有关，还与被测物体的材料有关。因此， 当被测物体(金属板)材料不同时，其灵敏度也不同，必须对 传感器的灵敏度重新标定。 传感器的线圈一般做成扁平状，若被测物体为平板，则 被测物体的长、宽应大于线圈外径的1.8倍；当被测物体为 圆柱体，被测表面是圆柱面时，被测表面的直径应大于线圈 外径的3.5倍，否则，灵敏度会有不同程度的下降。 涡流形成的深度对传感器灵敏度也有影响，因此，被测 物体的厚度应在0.2以上。若被测物体为非金属，可在其上 贴金属片，厚度也不应太薄。 4.2 应变效应与应变式传感器 (3)涡流传感器的应用 图4-19 涡流传感器结构简图 1.线圈 2.框架 3.框架衬套 4.支架 5.电缆 涡流传感器通常用来测量位移及其它可转换成位移的参 数。还可检测金属表面裂纹、热处理裂纹及进行焊接处 探伤等。 4.2 应变效应与应变式传感器 4. 压磁式传感器 (1)压磁效应 当铁磁材料受外力作用时，在其内部产生应变，从而引 起磁导率的变化。当外力取消后，铁磁材料的磁导率复 原。通常把机械变形引起的磁性质变化的效应叫压磁效 应。铁磁材料的压磁效应规律是：铁磁材料受到拉力时 ，在作用力方向磁导率增加，而在与作用力垂直的方向 ，磁导率略有降低；铁磁材料受压力作用时，其效果相 反。 压磁式传感器是测力传感器的一种，它利用铁磁材料的压 磁效应将被测力引起磁导率的变化转换为电信号。 4.2 应变效应与应变式传感器 (2)压磁传感器的工作原理 图4-20 压磁传感器原理图 (a)压磁传感器 (b)没有外力作用时 (c)有外力作用时 当有外力作用时，由于各向磁导率的变化，受压方向磁 导率下降，磁阻增大，磁场分布呈椭圆形且一部分通过 了测量线圈，如图(c)所示。压力越大，通过测量线圈的 磁通越多，故测量线圈输出的感应电势将随压力的变化 而变化。 4.3 压电效应及压电式传感器 v4.3.1压电效应的概念 某些晶体材料，在沿着某一方向施加外力而使之变 形时，内部就会产生电荷；当外力去掉之后，电荷也随 之消失，这种现象称为正压电效应。反之，如对晶体施 加外电场时，晶体本身将产生机械变形，这种现象称为 逆压电效应。压电传感器大都是利用压电材料的正压电 效应工作的。 常用的有天然压电材料石英晶体、人工合成的压电 陶瓷、压电膜等。 4.3 压电效应及压电式传感器 石英晶体内部存在3种正压电效应：纵向压电效应、 横向压电效应、切向压电效应。下图是几种压电效应的 示意图。 图4-21 压电效应示意图 (a)纵向压电效应 (b)横向压电效应 (c)切向压电效应 4.3 压电效应及压电式传感器 (1) 纵向压电效应 当晶体材料受到沿X方向施加的压力时，晶体发生厚度变 化而产生极化现象，称为纵向压电效应。 在垂直于X轴平面产生的电荷为 K纵向压电系数； 沿X轴方向施加的外力。 纵向压电效应使晶面产生的电荷量和外力成正比而与晶 片几何尺寸无关。 4.3 压电效应及压电式传感器 (2)横向压电效应 当晶体受到沿Y方向施加的压力时，电荷仍在垂直于X轴 的平面上出现，称为横向压电效应。 所产生的电荷为 上式中负号表示 产生的电荷与产生的电荷极性相反。 电荷量不仅与的大小有关，也与晶片的几何尺寸有关。 (3)切向压电效应 当沿晶片相对两平面施加外力时，晶体表面便产生电荷 ，这种现象称为切向压电效应。 4.3 压电效应及压电式传感器 v4.3.2 压电传感器及其等效电路 1. 压电传感器的等效电路 图4-22 压电晶体膜片及等效电路 (a)压电晶片的两个电极 (b)并联接法 (c)串联接法 (d)等效电路 4.3 压电效应及压电式传感器 当晶片受到外力作用时，在两个极板上积聚数量相等、 极性相反的电荷，形成了电场。因此压电传感器可以看 作是一个电荷发生器，也是一只平行极板介质电容器。 其电容： 式中压电材料的介电常数； 极板间距，即晶片的厚度； A压电晶片工作面的面积。 4.3 压电效应及压电式传感器 2. 压电式传感器的应用 图4-23 压电加速度传感器结构形式 图中1为基座，2为压电元件，3为质量块，4为有较大刚度的压紧块 (1)压电式加速度传感器 4.3 压电效应及压电式传感器 (2)压电式力传感器 通常使用的压电式力传感器是荷重垫圈式，它由基座、 盖板、石英晶片、绝缘套以及信号引出插座等组成。 图4-24 单向压电力传感器 1.基座 2.盖板 3.压电晶息 4.绝缘套 5.插座 4.4 电磁效应及磁电式传感器 v4.4.1 基本工作原理和结构 磁电式传感器又称为感应式传感器或电动式传感器。它利 用电磁感应原理，将被测机械量转换成线圈中的感应电动 势输出。 对于一个匝数为的线圈，当穿过该线圈的磁通发生变化时， 其感应电势 线圈感应电势的大小，取决于线圈匝数和穿过线圈的磁通变 化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相 对运动速度有关，故磁电式传感器只适用于动态测量。 4.4 电磁效应及磁电式传感器 按照结构方式不同，磁电式传感器可分为变磁通式和恒 磁通式两种。 图4-25 变磁通式磁电传感器原理 1.线圈 2.磁钢 3.可动铁芯 当可动铁芯转动时，磁路的磁 阻发生周期性的变化，其变化 频率 f 为可动铁芯转速 的2倍，即磁路的磁通以同样的 频率f变化，因而线圈中输出感 应电势，其频率等于磁通的频 率f。故可以通过测量感应电势 的频率进行转速测量。 1. 变磁通式 4.4 电磁效应及磁电式传感器 2. 恒磁通式 图4-26 恒磁通动圈式磁电传感 器原理图 (a)线速度型(b)角速度型 对于(a)图所示线速度型传感 器，在永久磁铁产生的直流 磁场内，放置一个可动线圈 ，当线圈在磁场中作直线运 动时，它所产生的感应电势 当B、W、l 均为常数时，感 应电势的大小与线圈运动速 度成正比。 4.4 电磁效应及磁电式传感器 对于B图所示角速度型传感器。线圈在磁场中旋转时产生 的感应电势 当传感器结构一定时，B、W、A均为常数，感应电势的 频率和幅值均与被测转速成正比。 式中 A、W分别为线圈的截面积和匝数； 线圈平面的法线与磁感应强度之间的夹角； 线圈转动的角速度。 4.4 电磁效应及磁电式传感器 v4.4.2 磁电式振动速度传感器 这是一种恒磁通动圈式 磁电传感器。其可动部 分包括芯杆、阻尼器和 工作线圈，通过弹簧片 与传感器外壳连接。 图4-27 磁电式振动速度传感器 1.引线 2. 7. 弹簧片 3. 工作线圈 4.芯杆 5.永久磁铁 6. 阻尼器 8.外壳 将两种不同材料的导体A与B 组成一个闭合回路时，若两端 结点温度不同，则回路中就会 产生电势，同时在回路中产生 电流，其电流的大小与导体材 料的性质和结点温度 有 关，这一现象称为热电效应。 相应的输出电势称做热电势， 回路中产生的电流则称做热电 流。 4.5 热电效应及热电式传感器 v4.5.1热电效应的概 念 图4-28 热电效应示意图 、 分别为结点1和结点2处产生的接触电势 4.5 热电效应及热电式传感器 (1)接触电势 接触电势是由于互相接触的两种金属导体内自由电子的 密度不同造成的。当两种不同的金属、接触在一起时， 在金属、的接触处将会发生电子扩散，扩散的速度与自 由电子密度及结点处所处的温度有关。当电子扩散达到 动态平衡时，将具有一定的稳定接触电势，两结点处的 接触电势分别为 4.5 热电效应及热电式传感器 (2)温差电势 在组成热电偶的每种材料中，若同一材料两端温度不同， 则高温端自由电子就会向低温端扩散，高温端因失去电子 而带正电，而低温端因得到电子而带负电，从而形成了温 差电热。 两种金属内产生的温差电势分别为 4.5 热电效应及热电式传感器 由A、B两种金属组成的热电偶，其总热电势为各个接触 电势和温差电势的代数和，即 由上式可知，若组成热电偶回路的两种导体相同，不论 其截面、长度如何以及各处温度分布如何，都不会产生 热电势（称为均质导体定律）；若两结点处温度相同， 则尽管导体、的材料不同，热电偶回路内的总电势亦为 零。 即 4.5 热电效应及热电式传感器 中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种材料的导线， 只要第三种导线两端温度相同，则第三种导线的引入不会 产生附加的热电势输出。 同理，即使热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入 的每种导体的两端温度相同，则对热电势都没有影响。由 于这个性质的存在，我们才可以在回路中引入各种测量仪 表、连接导线等，不必担心对热电势有影响，而且也允许 采用任意的焊接方法来焊制热电偶。 4.5 热电效应及热电式传感器 v4.5.2 热电偶的冷端温度处 理 热电偶的热电势大小与热电极材料及两结点温度有关。为 了保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须保持冷端 温度为恒定。常用方法： (1) 0恒温法 把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低 于冰屑面，然后把热电偶的冷端置于其中，这时热电偶输 出的热电势与分度值一致。 (2)热电势修正法 当冷端温度保持在某一恒定温度 时，可采用热 电势修正法进行修正： 式中 实测值； 修正值，是冷端为0时，工作端为 区段的热电势； 修正后的输出值。 被测温度T按 从分度表中查出。 4.5 热电效应及热电式传感器 4.5 热电效应及热电式传感器 (3)电桥补偿法 该方法是通过在热电偶与显示仪表之间接入一个直流不 平衡电桥。（也称作冷端补偿器），利用不平衡电桥产 生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势 的变化值。 图4-29 冷端温度补偿线路图 4.5 热电效应及热电式传感器 (4)延伸导线法 延伸导线法又称为补偿导线法。热电偶一般做得较短， 这样，热电偶的冷端距被测对象很近，使得冷端不仅温 度较高且波动较大。下图所示为延伸导线在测温回路中 的连接方式。 图4-30 延伸导线原理图 它的作用是将热电偶冷端移至离热源较远并且环境温度 较稳定的地方，从而消除冷端温度变化带来的影响。 4.6 光电效应及光电式传感器 v4.6.1热电效应的概念 光电式传感器的核心是光电器件，光电器件的基础是光电 效应。光电效应有外光电效应、内光电效应及广生伏特效 应。 图4-31光敏电阻 1.透明玻璃 2.电极 3.光电半导体 4.外壳 5.引线 在光的照射下，材料的导电性增 加，电阻率下降的现象叫内光电 效应。基于内光电效应的光电器 件有光敏电阻。当有光照时，光 敏电阻阻值随光照射的强弱而变 化。 1. 内光电效应和光敏电阻 4.6 光电效应及光电式传感器 2. 光生伏特效应和光敏管、光电池 光敏二极管是一种利用结单向导电性的结型光电器件。 通常在电路中工作在反向偏置状态。 图4-32 光敏二极管和光敏三级管 (a)光敏二极管 (b)光敏三级管 在光线作用下，能够使物体产生一定方向电动势的现象 叫光生伏特效应。 4.6 光电效应及光电式传感器 光敏三极管具有光敏二极管同样的光电特性，只是它在 将光信号变为电信号的同时，可将信号电流放大，其放 大作用与晶体三极管相似。 光电池是一种直接将光能转换成电能的光电元件。主要 有硅光电池和硒光电池。 注意： 各种光电器件均具有不同的光谱特性，即光电器件（或 光电材料）对不同波长的光线具有不同的灵敏度，因而 在选用时，要注意与一定波长的光源配合使用。 4.6 光电效应及光电式传感器 3. 光电传感器的应用 图4-33 光电转速传感器 1.光源 2.光电器件 3.被测旋转轴 4.圆盘 左图为直射式光电转速传 感器。被测轴上装有圆盘 式光栅，圆盘两侧分别设 置发光管（光源）和光电 器件，当被测轴转动时， 光电器件不断地接收光脉 冲而产生电脉冲，该电脉 冲与转速成正比，因而可 以用输出电脉冲的频率换 算轴的转速。 4.6 光电效应及光电式传感器 1.基本结构和工作原理 (1)基本结构 v4.6.2 CCD图像传感 器 图4-34 CCD单元结构 4.6 光电效应及光电式传感器 (2) 电荷存储的原理 以其建构的P型硅半导体为例。当在金属电极（或称栅 极）上加正偏向电压Ug时（衬底接地），正电压Ug超 过MOS晶体管的开启电压，由此形成的电场穿过氧化物 （SiO）薄层，在Si-SiO界面处的表面势能发生相应的 变化，半导体内的电子吸引到界面处来，从而在表面附 近形成一个带负电荷的耗尽区，也称为表面势阱。对带 负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。如果此 时有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了 电子-空穴对，由此产生的光生电子就被附近的势阱所吸 收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近 的光强成正比，存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同 时产生的空穴被电场排斥出耗尽区。 4.6 光电效应及光电式传感器 (3) 电荷转移 电荷在两栅极间转移的过程： 右图a)为三相时钟脉冲随时间变 化波形图，左图b)为三相时钟脉 冲控制转移存储电荷的过程。 以三相时钟脉冲为例，把MOS光 敏元电极分为三组，在左图b)中 ，MOS元电极序号1，4由时钟 脉冲控制；2，5由时钟脉冲控制 ，3，6由时钟脉冲控制。 图4-35 电荷转移过程 4.6 光电效应及光电式传感器 2. 电荷的注入和输出 (1) 电荷的注入方法 CCD电荷的注入方法有电注入和光注入两种。 图4-36 电荷注入方法 a)背面光注入 b)电注入 4.6 光电效应及光电式传感器 (2)电荷的输出方法 CCD的信号电荷传输到输出端被读出的方法有以下两种： 1)利用二极管的输出结构 图4-37 利用二极管的输出结构 4.6 光电效应及光电式传感器 (2)浮置栅MOS管输出结构 在时钟脉冲的作用下，信号电荷包通过输出栅OG被浮置扩散结收 集，所收集的信号电荷成为控制MOS场效应晶体管的（集成在基 片上）的栅极电压，于是在MOS管组成的源极跟随器的输出端获 得随信号电荷变化的输出电压。 图4-38 浮置栅MOS管输出结构 a) 浮置栅MOS放大器电压法 b) 输出级原理电路 4.6 光电效应及光电式传感器 3.线阵与面阵图像传感器 (1)线阵CCD图像传感器 线阵CCD传感器由光敏区、转移栅、模拟位移寄存器、 偏置电荷电路、输出栅和信号读出（检测）电路等几部 分组成。 图4-39 线阵CCD图像传感器结构 4.6 光电效应及光电式传感器 (2)面阵CCD图像传感器 由于传输与读出方式不同，面阵图像传感器有许多类型， 常见的方式有行传输、帧传输和行间传输三种。如下图所 示： 图4-40 面阵CCD图像传感器的结构 a)行传输（LT）b)帧传输（FT） c)行间传输（ILT） 4.6 光电效应及光电式传感器 4. CCD图像传感器的特性参数 CCD器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、信噪比、光 谱响应、动态范围、暗电流等。 (1)光电转换特性 图4-41 CCD光电转换特性 曝光量等于光强乘以积分时间 4.6 光电效应及光电式传感器 (2) 灵敏度和灵敏度不均匀性 CCD传感器的灵敏度或称量子效率标志着器件光敏区的 光电转换效率，用在一定光谱范围内，单位曝光量下器 件输出的电流或电压表示。 由于半导体材料不均匀和工艺条件因素的影响，在均匀光 照下，CCD器件的输出幅度出现不均匀现象。通常用NU 值表示其不均匀性，定义如下： 4.6 光电效应及光电式传感器 (3) 光谱响应特性 光谱响应特性表示CCD对于各种单色光的相对响应能力 ，其中响应度最大的波长称为峰值响应波长。通常把响 应度等于峰值响应50%所对应的波长范围称为波长响应 范围。下图给出了使用硅衬底的不同像源的光谱响应曲 线。 图4-42 CCD的光谱响应特性 1光电二极管像源2光电MOS管像源3人眼 4.6 光电效应及光电式传感器 (4) 暗电流特性和动态范围 CCD器件在既无光注又无电注入的情况下的输出信号称 为暗信号，它是由暗电流引起的。 产生暗电流的原因在于半导体的热激发，主要包括3部 分：耗尽层产生复合中心的热激发；耗尽层边缘的 少数载流子的热扩散；界面上产生中心的热激发。其 中第项的影响是主要的，所以暗电流受温度的强烈影 响且与积分时间成正比。为了减少暗电流的影响，应当 尽量缩短信号电荷的积分时间和转移时间。 CCD传感器的动态范围DR是指饱和输出信号与按信号 的比值。 4.6 光电效应及光电式传感器 (5) 分辨率 分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。分 辨率通常有两种不同的表示方法：一种是极限分辨率； 另一种是调制传递函数。 为了客观地表示CCD传感器的分辨率，一般采用调制传 递函数MTF来表示。 MTF定义为：在各个空间频率下，CCD器件的输出信号 的调制度与输入信号的调制度的比值，即 式中，v为空间频率。 CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时转移效 率定义为： 式中： -转移一次后的电荷量； -原始电荷量。 同样可定义转移损耗为 当信号电荷进行N次转移时,总效率为 4.6 光电效应及光电式传感器 (6)转移效率和工作效率 1)转移效率 2)工作效率 CCD器件的下限工作频率主要受暗电流限制。电荷从一 个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于载流子的 寿命。对于三相CCD，转移时间为 即 CCD器件的上限工作频率主要受电荷转移快慢限制。电 荷在CCD相邻像元之间移动所需要的平均时间，称为转 移时间。为了使电荷有效转移，对于三相CCD，其转移 时应为 即 4.6 光电效应及光电式传感器 4.6 光电效应及光电式传感器 (7)CCD的噪声 CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、暗电流噪声和 转移噪声。 散粒噪声：光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看作 是独立、均匀连续发生的随机过程。单位时间内光产生 的信号电荷数并非绝对不变，而是在一个平均值上作微 小波动，这一微小的起伏便形成散粒噪声，又称白噪声 。散粒噪声与频率无关，在很宽的范围内都有均匀的功 率分布。 4.6 光电效应及光电式传感器 5. CCD应用举例 (1)尺寸自动检测 玻璃管像的两条暗带最外的边界距离为玻璃管外径成像 的大小，中间亮带反映了玻璃管内径像的大小，而暗带 则是玻璃管壁厚的像。 图4-44 CCD应用于尺寸检测 4.6 光电效应及光电式传感器 (2)文字和图像识别 利用线阵CCD的自扫描特性，可以实现文字和图像识别 ，从而组成一个功能很强的扫描识别系统。 下图所示 为邮政编码识别系统。 图4-45 邮政编码的识别系统 4.6 光电效应及光电式传感器 (3)射线成像检测 射线经过构建后直接 由射线可见光转换 屏转换，而后由CCD 相机获取转换后的图 像，经过数字图像处 理系统处理后，转换 为数字图像进行分析 处理和识别，从而完 成构建缺陷的射线实 时检测。 图4-46 X射线成像检测系统 4.6 光电效应及光电式传感器 光电位置敏感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏 感的光电器件，其输出信号与光点在光敏面上的位置有 关。 v4.6.3 PSD位置传感 器 图4-47 PIN型PSD的端面结构示意图 图4-47 PIN型PSD的端面结构示意图 图4-47 PIN型PSD的端面结构示意图 当入射光照射到PSD的光敏层时，在入射位置上就产生 了与光能成比例的电荷，此电荷作为光电流通过电阻层 由电极输出。设左右电极距离光敏面中心点的距离都为 L，左右电极输出的光电流分别为 和 ，总电流为 ， 则有 若以PSD的中心点位置作为原点，光点离中心点的距离 为x，则有 即可确定光斑能量中心的位置。 4.6 光电效应及光电式传感器 4.7 磁光效应及磁光式传感器 v4.7.1 法拉第效应 当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时， 其偏振面发生旋转的现象称为磁致旋光效应，通常又称 为法拉第旋转效应。 图4-48 法拉第磁光效应原理图 4.7 磁光效应及磁光式传感器 对于给定的介质，振动面的转角与介质的长度L 和磁场 强度H 成正比，即VHL，比例系数V 叫做维尔德系数 。 法拉第效应可分为右旋和左旋两种：当线偏振光沿着磁 场方向传播时，振动面向左旋； 当光束逆着磁场方向传 播时，振动面将向右旋。因此，如果一束光正、反向两 次通过磁场后，旋转角度为2。 4.7 磁光效应及磁光式传感器 v4.7.2 磁光克尔效 应 磁光克尔效应指的是一束线偏振光在磁化了的介质表面 反射时，反射光将是椭圆偏振光, 而以椭圆的长轴为标 志的“偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的 角度。这个角度通常被称为克尔转角，记作 图4-49 克尔效应 4.7 磁光效应及磁光式传感器 按照磁化强度取向，磁光克尔效应又大致分为三种情况： (1) 极向克尔效应，即磁化强度M与介质表面垂直时的克尔 效应； (2) 横向克尔效应，即M与介质表面平行，但垂直于光的入 射面时的克尔效应； (3) 纵向克尔效应，即M既平行于介质表面又平行于光入射 面时的克尔效应。 在磁光存储技术中主要应用的是极向克尔效应。 4.7 磁光效应及磁光式传感器 v4.7.3 塞曼效应 当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂为 几条具有完全偏振态的谱线，分裂的条数随能级的类别 而不同，后人称此现象为塞曼效应。 塞曼效应证实了原子具有磁矩和在磁场空间取向量子化 。 4.7 磁光效应及磁光式传感器 v4.7.4 磁致线性双折射效 应 在磁场中的介质，当光以不同于磁场的方向通过它时， 也会出现象单轴晶体那样的双折射现象，称为磁致线双 折射效应，它又包括科顿穆顿效应（CottonMouton effect）和瓦格特效应（Voigt effect）。 通常把铁磁和亚铁磁介质中的磁致线性双折射称为科顿 穆顿效应，反铁磁介质中的磁致线双折射称为瓦格特 效应。 4.7 磁光效应及磁光式传感器 v4.7.5 磁光效应的应用 利用磁光效应原理研制新型的电压、电流传感器。这种 传感器采用光纤作为测量信号传输介质，被测电流线路 和测量装置没有电气连接。 图4-50 基于磁光效应的光纤电流传感器结构 磁光电流传感器是根据磁光效应原理工作的。把磁光材 料置于被测电流所产生的磁场中，光源发出的光经光纤 进入磁光材料。若光传播方向与磁场方向平行，由于磁 光效应作用，已预起偏的偏振光的偏振方向发生旋转， 旋转角度决定于磁场强度，入射光旋角 和母线电流I（ ）关系如下： 设起偏器、检偏器德偏振化方向互成45角，如果入射 光强为 ，出射光强为，根据马吕斯定律，出射光强 为： 4.7 磁光效应及磁光式传感器 4.7 磁光效应及磁光式传感器 由以上两式得： 可见，光强的变化量反映了被测电流的大小，输出光信 号通过另一光纤后，被光电转换电路转化成一个调幅电 压信号，信号幅度变化包含了被测电流的幅值信息，再 经解调电路把被测电流的信息从调幅信号中恢复出来。 绝对湿度还可以用水的蒸汽压来表示。设空气的水汽密 度为 ,对应的水蒸气分压为 ，则由理想气体状态方 程有 (1)绝对湿度 绝对湿度是指单位体积空气中所含水蒸气的含量，即 空气中水蒸气的密度，可用“ ”表示。绝对湿度 也称水汽浓度或水汽密度。 1. 湿度的表示方法 湿度是指大气中的水蒸气含量。通常用绝对湿度、相对 湿度、露点等表示。 4.8 湿敏传感器 v4.8.1 概述 4.8 湿敏传感器 相对湿度为某一被测蒸汽压（ ）与相同温度下的饱 和蒸汽压（ ）的比值的百分数，即 通常用“ ”表示相对湿度，这是一个无量纲的值。当 温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以，即使气 体中水蒸气气压相同，其相对湿度也会发生变化。绝对 湿度给出空气内水分的具体含量，而相对湿度则指出了 大气的潮湿程度，日常生活中所说的空气湿度，实际上 就是指相对湿度。 (2)、相对湿度 4.8 湿敏传感器 (3) 露点 保持压力一定，当待测气体的温度降至某一数值时，该 气体中的水蒸气达到饱和状态，开始结露或结霜，此时 的温度称为此气体的露点或霜点（）。气温和露点的 差越小，表示空气越接近饱和。 (4) 水蒸气分压 水蒸气分压是将含湿空气看做理想气体混合物时的水蒸 汽压数值。该量目前不能直接测出，可由温度与饱和水 蒸汽压的关系，如公式(4-69)查出。 4.8 湿敏传感器 温度为t时，绝对湿度AH与该种含湿空气或气体所含 水蒸气分压e之间的关系为 比湿指1含湿气体中所含水蒸气的质量，单位常用 、g、表示，有时也用、g、表示。 (4-69) (5) 比湿 4.8 湿敏传感器 (6) 饱和度 饱和度为1干燥气体中所含水蒸气的量与同温度下1 气体所能含的饱和水蒸气量的比值，常用百分比来表示 。 (7) 饱和差 气体的水蒸气分压与同温度下饱和水蒸气压的差值，或 者其绝对湿度与同温度下饱和状态的绝对湿度之差称为 饱和差。 4.8 湿敏传感器 2. 湿度的测量方法 主要有伸缩式湿度计、干湿球湿度计、露点计等。 3. 湿敏传感器的技术要求 (1) 使用寿命长，长期工作的稳定性好； (2) 测量温、湿使用范围宽，湿度和温度系数小； (3) 灵敏度高，感湿特性线性度好； (4) 湿滞回差小； (5) 响应速度快，时间短； (6) 一致性和互换性好，制造工艺简单，易于批生产，转 换电路 简单，成本低廉； (7) 能在恶劣环境（如腐蚀、低温、高温等）下工作。 4.8 湿敏传感器 1感湿特性曲线 感湿特性曲线是指湿敏传感器的 输出量（或称感湿特征量）与被 测环境湿度间的关系曲线。右图 所示为二氧化钛-五氧化二钒湿敏 传感器的湿特性曲线，此种传感 器的输出量为电阻。 由湿敏传感器的感湿特性曲线可 以了解该传感器的最佳使用范围 、线性度、灵敏度等性能参数。 图4-51 二氧化钛-五氧化二钒 湿敏传感器的感湿特性曲线 v4.8.2 湿敏传感器的主要参数 4.8 湿敏传感器 2.测湿量程 测湿量程是指湿敏传感器能以规定的精度测量的最大范 围。由于各种湿敏传感器所采用的功能材料以及传感器 工作所依据的物理效应和化学反应各不相同，故往往只 能在一定的湿度范围内才有可供实用的感湿特性和所要 求测量精度。 3.灵敏度 由于大多数湿敏传感器的感湿特性曲线是非线性的，在 不同的湿度范围内具有不同的斜率。我们常用感湿特性 曲线的斜率来定义灵敏度，也即灵敏度是输出量增量与 输入量增量之比，它反映被测湿度发生单位值变化时所 引起的感湿特征量的变化程度。 4.8 湿敏传感器 4.湿度温度系数 湿度传感器的特性往往随环境的 变化而变化，即在不同的环境温 度下有不同的感湿特性曲线。 常用湿度温度系数来描述湿敏传 感器的特性曲线随环境温度变化 的情况，它定义为 式中 湿度温度系数，单位为RH ； K感湿特征量。 图4-52 湿敏传感器的 感湿特性曲线随环境温度变化的 曲线 4.8 湿敏传感器 5.响应时间 当环境湿度改变时，湿敏传感器完成吸湿或脱湿以及动 态平衡（感湿特征量达到稳定值）过程所需要的时间， 称为其响应时间。感湿特征量的变化滞后于环境湿度的 变化，这种现象称为滞后现象。 一般情况下，当被测相对湿度发生 的变化时，输 出的感湿特征量将随时间呈指数规律变化，即 式中为对应于的感湿特征量的稳定值，称为时间常数。 4.8 湿敏传感器 当t=时0.632，即此时的输出 量为最终稳定值的63.2。在 实际应用中，常将作为湿敏传 感器响应时间的量度，也就是 说，从相对湿度发生变化开始 ，到输出感湿特征量达到稳定 值的63.2所经历的时间称为 气敏传感器的响应时间。典型 的K2O-FeO3湿敏元件的响应 特性曲线右图所示。 图4-53 响应特性曲线 4.8 湿敏传感器 6.湿滞回线和湿滞回差 湿敏传感器在吸湿和脱湿情况下 的特性曲线是不重合的，会形成 所示的一条封闭回线。湿敏传感 器的这种性质称为湿滞特性，右 图中的回线称为湿滞回线。 湿敏传感器处于吸湿和脱湿两种 情况下，当输出相同的感湿特征 量时所对应的环境湿度的最大差 值称为湿滞回差。很显然，希望 湿敏传感器的湿滞回差越小越好 。 图4-54 湿滞回线 4.8 湿敏传感器 7.电压特性 由于直流电压会造成水分子的电解，会导致电导率随时 间下降，测试电压应采用交流电压。湿敏传感器的电压 特性是指感湿特征量与外加交流电压的关系。当所加交 流电压较大时，会产生较大热量，进而对湿敏传感器的 特性产生较大影响。 4.8 湿敏传感器 1. 烧结型半导体陶瓷湿敏元件 (1) 工作原理 烧结型半导体陶瓷材料，一般是具有多孔结构的多晶体 ，而且在其形成过程中伴有半导体化过程。半导体化过 程通常是通过调整配方、进行掺杂，或通过控制烧结气 氛来故意造成氧元素过剩或不足而实现的。 根据湿敏半导体陶瓷材料的电阻随湿度的规律，可将其 分为负感湿特性和正感湿特性两类。前者的感湿特性是 其电阻值随湿度的增加而减小，而后者的电阻值随湿度 的增加而增大。 v4.8.3 湿敏元件 图4-55 半导体陶瓷湿敏 原件结构示意图 1- 感湿陶瓷 2-陶瓷基片 3-镀镁丝引出线4-金短路环 5-镍铬丝加热 清洗线圈 6-金电极 (2) 半导体陶瓷湿敏元件 将湿敏元件安装在一 种高致密的、疏水性 的陶瓷基片上。在电 极和四周安置了 金短路环，以便消除 测量电极和之间 由于吸湿和沾污而引 起的漏电。和为 加热清洗线圈的引出 线。 4.8 湿敏传感器 半导体陶瓷湿敏 元件的感湿特性曲线如图4- 56所示，图中列出了松下- 、松下-、SM-1型湿敏 元件的感湿特性曲线。湿度 范围为1%-100%RH,元件阻 值范围为 。 4.8 湿敏传感器 图4-56 半导体陶瓷湿元 件感湿特性曲线 4.8 湿敏传感器 由于湿敏元件多在较为恶劣的气氛中工作，元件上会吸附环 境中油雾、粉尘以及有害气体，结果导致元件的有效感湿表 面积减小，使元件的感湿性能退化，精度降低，甚至会导致 感湿功能丧失。在元件使用过程中需要对其进行加热清洗， 以便恢复对水汽的吸附能力。SM-1型湿敏元件的加热清洗 时阻值的瞬态变化曲线如图4-57 所示。 图4-57 SM-1型湿敏元件的加热清洗时阻值的瞬态变化曲线 (3) 湿-气多功能传感器元件 由于 半导体陶瓷为多孔结构，它不仅吸附 水汽，而且在高温下某些氧化或还原性气体可以在陶 瓷晶粒表面上产生化学吸附，从而改变陶瓷体的导电 能力。因此，这种半导体陶瓷既可测量湿度，也可检 测某些还原性气体，利用此测量可制成湿-气多功能元 件。 此种元件结构的电极材料选用多孔的 ，平均孔径约 1m。电