传感器原理与应用期末总复习

1、第1章 传感器的基本概念1.1 传感器的定义与组成1.定义根据国家标准（GB7665-1987），传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。2.传感器的组成传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，传感器的组成的细节有较大差异，但总的说来，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部分组成。传感器的组成框图如下：输出信号被测信号敏感元件转换元件信号调节电路辅助电路敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）与检测出被测对象的待测信息（非电量）的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）出的信息转换成适于传

2、输和（或）测量的电信号的部分。（注：并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。）信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。辅助电路通常包括电源，即交、直流供电系统。结构型物性型复合型按工作机理分类物理量传感器化学量传感器生物量传感器按被测量量分类按敏感材料分类有源传感器无源传感器按能量的关系分类其他分类法12 传感器的分类1按工作机理分类（）这种分类方法是以其工作原理划分，将物理、化学和生物等学科的原理、规律、效应作为分类的依据。（1）结构

3、型传感器是利用物理学的定律等构成的，其性能与构成材料关系不大。 这是一类其结构的几何尺寸（如厚度、角度、位置等）在被测量作用下会发生变化，并可获得比例于被测非电量的电信号的敏感元器件或装置。如，电容式传感器、电感式传感器等。（平行板电容器的电容量为 ， 为介质的介电常数）（2）物性型传感器是利用物质的某种和某些客观属性构成的，其性能与构成材料的不同而有明显区别。这是一类由其构成材料的物理特性、化学特性或生物特性直接敏感于被测非电量，并可将被测非电量转换成电信号的敏感元器件或装置。由于他的“敏感体”本来就是材料本身，故不存在显著的结构特征，也无所谓“结构变化”，所以这类传感器通常具有响应快的特点

4、；4按能量的关系分类根据能量关系分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器是将非电能量转换成电能量，称之为能量转换型传感器，也称为换能器。无源传感器又称为能量控制型传感器。它本身不是一个换能装置，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。如，电阻式传感器。14 传感器的数学模型概述1静态模型静态模型是指在静态信号情况下，描述传感器输出与输入量之间的函数关系。2动态模型动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号（输入信号随时间而变化的量）作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。16 传感器的基本特性传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或变化及其

5、缓慢，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入-输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态和动态特性，才能使信号（或能量）按规律准确的转换。1静态特性静态特性表示传感器在被测各量值处于稳定状态时的输出与输入的关系。它主要包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞现象、分辨率、稳定性及漂移。线性度 所谓线性度就是其输出量与输入量之间的实际曲线（校准曲线）偏离（理论拟合）直线的程度。又称为非线性误差。非线性误差可用下式表示：式中，max 输出量和输入量实际曲线（校准曲线）与（

6、理论）拟合直线之间的最大偏差。YFS 输出满量程量。理想的传感器输出与输入呈线性关系。然而，实际的传感器即使在量程范围内，输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的，总存在一定的非线性。校准曲线拟合直线XYmax灵敏度 灵敏度是指稳态时输出量y的增量y和相应输入量x的增量x之比，常用Sn来表示。即线性传感器的灵敏度k为一常数；非线性传感器的灵敏度k是随输入量变化的量。分辨率（或分辨力） 传感器在规定的测量范围内所能检测输入量的最小变化量称为分辨率。有时也该值相对满量程输入值的百 分数（ ）表示。存在分辨率的原因有两个：一是输入的变化量通过传感器内部被吸收，因而反映不到输出端上去。二是传感器输出存

7、在噪声。如果传感器的输出值比噪声电平小，就无法把有用信号和噪声分开。2.动态特性动态特性是描述传感器在被测量随时间变化时的输出和输入的关系。对于加速度等动态测量的传感器必须进行动态特性的研究，通常是用输入阶跃信号和正弦信号时传感器的响应来描述的，因此，对应的方法为阶跃响应法和频率响应法。第2章 电阻式传感器 定义：电阻式传感器是将非电量（如力，位移，形变，速度和加速度等）的变化量，变换成与之有一定关系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。 电阻式传感器主要分为两大类：电位器式电阻传感器以及应变片式电阻传感器。 主要应用：力学参数的测量(位移、压力、荷重、加速度等)。测量

8、非电量变化较大的场合测量非电量变化较小的场合一、线绕式电位器传感器 1.线绕式电位器的结构和工作原理2.1 电位器式电阻传感器图 21 工作原理图等截面线绕式电位器图2-2 电位器负载特性曲线00.10.20.30.40.50.60.70.80.910.10.20.30.40.50.60.70.80.91rY0.010.10.20.510KL = 结论：K L不能太小！ 2.线绕式电位器的阶梯特性及其分辨率xU0 阶梯特性及产生原因图 23 阶梯特性 阶梯特性是由滑动触点(电刷)在移动过程中, 从一匝滑到另一匝时电阻值产生突变所引起的。其阶跃值U为：N 绕线总匝数分类 (构成材料和按敏感栅的结

9、构特点进行分类) 、金属电阻应变片：丝式及箔式 、半导体式电阻应变片 为灵敏度系数，指单位应变所引起的电阻的相对变化。应变效应2.2 应变式电阻传感器 上式说明，灵敏系数由两个因素决定：一个是受力后材料几何尺寸的变化（几何效应）；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化（压阻效应）。 压阻效应：压阻效应几何效应压阻效应：指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。三、电阻应变片应变电阻的测量实际使用中均用电测法，即1直流电桥法当负载电阻R L时，输出电压Uo2-6电桥的平衡条件电压灵敏度 根据电桥的平衡条件，在平衡条件下有：实际应用中，可用电阻应变片来代替R1，设桥臂比n :Uo

10、=0 R1R4-R2R3=0应变片受应变作用，电桥从平衡状态开始， R 1 R 1+R 1， Uo 为：令：又：电桥电压灵敏度讨论,但E 的增大受电阻最大允许功耗的限制。 S V是n 的函数平衡时非线性误差r ： 定义r为 金属应变片R 较小，在要求不高时非线性误差可以忽略，半导体则必须补偿。非线性误差的补偿方法差动电桥法a半桥差动电路由于n = 1 所以输出U o为线性，且灵敏度提高了一倍。2-7b全桥差动电路 输出U 0为也线性，且灵敏度又提高了一倍。2-83电桥输出电压的放大电路 测量放大器（仪器放大器） 应变测量电桥的开路输出电压一般较小，内阻很高所以需要高输入阻抗的放大电路与之配接才

11、能获得较好的线性度。 特点：输入阻抗等于运放的差动输入阻抗(目前运放的差动输入阻抗可以做到1091012)，增益调节方便。是典型仪器放大器电路。共模抑制比高图 2-102.3 应变式电阻传感器的应用一、力（荷重）传感器 1. 柱式力传感器（柱的截面积为A）LFF电阻应变片轴向应变。杨氏模量面积3.1 电容式传感器的结构和工作原理一、基本工作原理1.平行板电容器+-dA平行板电容器电力线忽略了边缘效应第3章 电容式传感器电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。3.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 由以上分析可知, 除变极距型电容传感器外, 其它几种形式传感器的输入量与输出电容量之

12、间的关系均为线性的, 故只讨论变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。 由式（3 - 3）可知, 电容的相对变化量为当时，则上式可按级数展开，故得（3 - 14） 它说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。 由式（3 - 14）可见, 输出电容的相对变化量C/C与输入位移d之间呈非线性关系。当 时，可略去高次项, 得到近似的线性： 电容传感器的灵敏度为（3 - 16）（3 - 15） 由式（3 - 16）与式（3 - 18）可以看出: 要提高灵敏度, 应减小起始间隙d0, 但非线性误差却随着d0的减小而增大。 如果考虑式（3 - 14）中的线性项与二次项, 则（3 -

13、17）由此可得出传感器的相对非线性误差为（3 - 18） 在实际应用中, 为了提高灵敏度, 减小非线性误差, 大都采用差动式结构。图3 - 8 是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。 图3-8 差动平板式电容传感器结构 在差动式平板电容器中, 当动极板位移d时, 电容器C1的间隙d1变为d0-d, 电容器C2的间隙d2变为d0+d, 则 在d/d01 时, 则按级数展开: 电容值总的变化量为电容值相对变化量为（3 - 24）（3 - 22）（3 - 21） 如果只考虑式（3 - 24）中的线性项和三次项, 则电容式传感器的相对非线性误差近似为 比较式（3 - 15）与式（3 - 25）及式

14、（3 - 18）与式（3 - 25）可见, 电容传感器做成差动式之后, 灵敏度提高一倍, 而且非线性误差大大降低了。 （3 - 25）课本上灵敏度的定义： 输出灵敏度的定义：电容量的变化C与引起该变化的机械位移L (d )的比值: 1. 平板型变极距型电容式传感器的输出灵敏度 2. 平板型变面积的线位移传感器的输出灵敏度3.3 电容式传感器的测量电路 电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示, 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量, 并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。 电容转换电

15、路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。 一、 调频测量电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率就发生变化。 式中: L振荡回路的电感; C振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0C。 其中, C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容; C0C为传感器的电容。 图中调频振荡器的振荡频率为: 当被测信号为0时, C =0, 则C =C1+C2+C0, 所以振荡器有一个固有频率f0, (3 - 28) 当被测信号不为 0 时, C0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为 二、 运算放大器式

16、电路 运算放大器的放大倍数K非常大, 而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。 图 3 - 10 是运算放大器式电路原理图。Cx ：为电容式传感器, ：是交流电源电压, ：是输出信号电压;-KCxC0U0U运算放大器测量电路a由运算放大器工作原理可得式中 “-” 号表示输出电压 的相位与电源电压 反相。 式（3 - 31）说明运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求Zi及K足够大。 为保证仪器精度, 还要求电源电压 的幅值和固定电容C值稳定。 （3 - 31） 四、 脉

17、冲宽度调制电路 脉冲宽度调制电路如下图所示。 图中C1、C2为差动式电容传感器，电阻R1=R2，A1、A2为比较器。A1A2UrR1R2C1D1D2C2QQACBDA3+V-VU0R-S 触发器脉冲宽度调制电路1、工作过程： 设加电初态 则C1充电。开始时刻，VC、VD Ur A2输出低电平 C1 经D1放电 VC Ur A1输出低电平 C2 经D2放电 VD Ur， A1恢复高电平。同时C1充电。 C1充电时间T1 C2充电时间T2图 各点电压波形图第4章 电感式传感器本章主要介绍：自感式、互感式、电涡流式三种传感器原理：x(位移、流量、振动）L(自感）或M（互感）U（I）（具有线圈绕组）电

18、磁感应4.1 变磁阻式传感器（自感传感器）一、结构及工作原理 基本结构（如图）,其电感量 L:铁芯线圈衔铁 可见，自感Lf (A，) 如果S保持不变，则L为的单值函数，构成变隙式自感传感器； 若保持不变，使 A 随位移变化，则构成变截面式自感传感器。图 变间隙式电感传感器L-特性三、输出特性 具有非线性的输出特性。1-铁芯；2-线圈；3-衔铁；L1L2四、差动自感传感器(非线性补偿)1结构和工作原理 75502505075100L/mH/mm10025LD3211234-结论：差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍。非线性减小。简单式电感传感器非线性误差 ， 差动电感传感器的非线性误差为 。克服

19、温度等外界共模信号干扰。4.2 互感式传感器(差动变压器式传感器） 在自感式传感器中不能太大，否则漏磁的影响将使输出性能严重劣化。所以大位移测量时常采用互感式传感器。一、结构、工作原理及等效电路b初级线圈次级线圈铁芯1、螺管式差动变压器的结构-活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为W1初级绕组；-匝数为W2a的次级绕组；-匝数为W2b的次级绕组2、电原理图：二、零点残余电压 当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造

20、成零点附近的不灵敏区；0e2x-xe20消除零点残余电压方法：1从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。 2选用合适的测量线路 差动整流电路相敏检波电路 4.3 电涡流式传感器 根据法拉第电磁感应原理, 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时, 导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 按照电涡流在导体内的贯穿情况,

21、 此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类, 但从基本工作原理上来说仍是相似的。 电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量, 另外还具有体积小，灵敏度高， 频率响应宽等特点， 应用极其广泛。 二、 基本特性 电涡流传感器简化模型如下图所示。模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中 h 由以下公式求得导体电阻率(cm)；r导体相对磁导率；f交变磁场频率(Hz)。第5章 热电式传感器热电式传感器是将温度变化转换成电量变化的装置。电阻铂电阻、热敏电阻电势热电偶晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管

22、特性变化 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。 这种现象早在1821年首先由赛贝克（Seebeck）发现,所以又称赛贝克效应。5.1 热电偶 回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热电偶原理图TT0AB热端冷端 一、工作原理由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 回路总电

23、势NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。EAB(T,T0)=eAB(T )-eAB(T0 )=f(T )-C=g(T )在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：EAB(T, T0)= eAB(T)-eAB(T0) = eAB(T)-eAB(0)-eAB(T0)-eAB(0) = eAB(T，0)-eAB(T0，0) 热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。忽略温差电势使为T0常数导体材料确定后，热电势的大小只与

24、热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。结论： 在热电偶AB回路中插入第三种材料C ，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总热电势没有影响。EAB（T1, T2）=eAB（T1）-eAB（T2）(a)(b)T2T1AaBC23EABAT023ABEAB

25、T1T2 CT0T0T0第三种材料接入热电偶回路图2. 中间导体定律 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB3、标准电极定律如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：4、中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，

26、则BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引

27、入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为方法 冰点槽法 计算修正法 补正系数法 零点迁移法 冷端补偿器法 软件处理法四、冷端处理及补偿原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。1. 冰点槽法 把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。四、冷端处理及补偿mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰

28、水溶液T05. 冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。 设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。 冷端补偿器的作用注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0 Ua Uab EAB(T,T0)供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新

29、调整。5.2 热电阻 热电阻是利用导体的电阻随温度的变化而变化的特性测量温度的。做热电阻的材料必须具备以下特点：1、电阻温度系数要尽可能的大和稳定2、电阻率高3、电阻与温度最好成线性，并在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质。在0630.74范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为 式中 R0、Rt温度为0及t时的铂电阻的电阻值； A、B、C分度系数，其中： A= 3.94010-2-1 B= 5.8410-7-2 C=4.2210-12-4Rt=R0（1+At+Bt2）一、铂电阻温度传感器图 热电阻测温电桥的三线连接法（图中G为指示电表、R1，R2、R3为固定电阻、Ra为零位调节电阻）5.2

30、.2 测量电路热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路Rt为热电阻, r1 、r2、r3为引线电阻, R1 、R2为两桥臂电阻,R1=R2 ,R3为调整电桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似为零。当UA=UB时电桥平衡。若使r1=r2 ,则R3=Rt,就可消除引线电阻的影响。r1ER1R2R3Rtr3r2ABM图 三线接法5.3 热敏电阻热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：1正温度系数热敏电阻器（PTC） 电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。2负温度系数热敏电阻器（NTC） 电阻值随温度

31、升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。3突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。一、IC温度传感器的分类模拟信号输出型IC温度传感器电压型IC温度传感器；电流型IC温度传感器;数字信号输出型IC温度传感器5.4 IC温度传感器模拟信号输出型IC温度传感器：电压型IC温度传感器是将温度传感器、基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上，制成一四端器件。因器件有放大器，故输出电压高。另外，由于其具有输出阻抗低的特性，故不适合长线传输

32、。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。电流型IC温度传感器的输出电流正比于热力学温度，即1A/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10M。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。（二）电流型温度传感器 AD5901伏安特性工作电压：4V30V，I 为一恒流值输出，ITk，即KT标定因子，AD590的标定因子为1A/ I = KT TK 550 150 273.2AI/ ATC / CAD590温度特性曲线2温度特性其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有:Tc摄氏温度；I 的单位为A。 可见，当温度为0时，输出电流为273.2A。在

33、常温25时，标定输出电流为298.2A。I=KTTc273.2（三）数字输出型IC温度传感器美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。、 DS1820的特性单线接口：仅需一根口线与MCU连接；无需外围元件

34、；由总线提供电源；测温范围为-55125，精度为0.5；九位温度读数；A/D变换时间为200ms；用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。6.1 压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。 第6章 压电式传感器 反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力

35、也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。图6-2 压电效应的可逆性 逆压电效应电能机械能正压电效应 常见的压电材料可分为两类，即压电晶体和压电陶瓷。3. 作用力与电荷的关系（a）yxzOxazybc（b） 若从晶体上沿y方向切下一块如图6-6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力x时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力x 成正比。 即：d11压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；b、c石英晶片的长度和宽度。而P11在数值上等于晶面上的电荷密度 将以上两式联立，得 (6-3) (6-2) (6

36、-1) 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。6.1.3 压电

37、陶瓷的压电效应在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，在是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，如图6-12（a）所示，其电荷量q与作用力Fz成正比，即式中： d33 压电陶瓷的

38、压电系数； F作用力。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。 6.4 压电式传感器的测量电路6.4.1 压电晶片的连接方式 在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。 并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。(a)并联+

39、 串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。 (b)串联+ 在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。 而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。 6.4.2 压电传感器的等效电路压电传感器的基片结构如右图(a)，几何形状有圆片、方片、圆柱、圆筒等形状，在基片的两个相互绝缘(产生电荷)的表面镀有导电金属膜(如银膜)并焊接一对电极而成。由于压电传感器的基片一般具有较大的介电常

40、数，电极间的距离也不大，所以压电传感器可以等效为一只电容器。等效电路( a )( b )导电层当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。(a)qCa其电容量为：当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为 因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图 (b)。UaCa(b)值得注意的是： 利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压

41、电传感器适宜作动态测量。6.4.3 压电传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。 其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷

42、放大器应用日益广泛。第7章 光电式传感器光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。7.1 光电效应光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类1、外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子

43、只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。E=h根据能量守恒定理式中 m电子质量；v0电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。 光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成

44、正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。2、内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：（1） 光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。过程：当光照射

45、到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中、分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即（2） 光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器

46、件有光电池和光敏二极管、三极管。 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1） 光电管的伏安特性2. 主要性能 在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。 它是应用光电传感器参数的主要依据。图 光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极电压/VIA/ A二、光电倍增管及其基本特性 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几A，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。1. 结构和工作

47、原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。光电倍增管的测量电路1. 光敏二极管 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接

48、线二、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流。当光照射时，光敏二极管的工作原理:受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。三、光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。 由于它可把太阳能直接变电

49、能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。 命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。2. 基本特性（1）光照特性 开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。 短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。(a) 硅光电池(b)硒光电池3照度/klx照度/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc /V0.10.20.30.40.

50、50.30.101245Uoc/VIsc /mAIsc/mA开路电压短路电流短路电流短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mA照度/klx50 10010005000RL=07.4光纤传感器一、光导纤维导光的基本原理 光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,

51、可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。 1、斯奈尔定理（Snells Law）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1n2时，ri。 n1n2ri(a)光的折射示意图 可见，入射角i增大时，折射角r也随之增大，且始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为 n1sini=n2sinr 当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：i0临界角i0=arcsin(n2/n1) sini0=n2/n1 sinr

52、sin901n1n2ri(c)光全反射示意图in1n2r(b)临界状态示意图 当r=90时，i仍90，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有 2、光纤结构分析光纤导光原理，除了应用斯奈尔定理外还须结合光纤结构来说明。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成。 纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 2R2rn2n1nn2n1纤芯包层光纤结构 3、光纤导光原理及数值孔径NA入射光线AB与纤维轴线OO相交角为i，入射后折射(折射角为j)至纤芯与包层

53、界面C点，与C点界面法线DE成k角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为r。则n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因j=90k 所以 EjikrABCDFGKOOn0n2n1光纤导光示意图n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率。当n=1时上式sini0为“数值孔径” NA(NumericalAperture)。当r=90的临界状态时，i=i0当rNA，iarcsin NA，光线消失。这说明arcsinNA是一临界角,凡入射角iarcsinNA的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角iarcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播 当r=90时当r90时，光线发生全反射，则sini0=NA i0=arcsin NAii0=arcsin NA7.5 光栅传感器 莫尔条纹的光学放大作用 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在两光