1、现代代检测技术传感器原理与应用复习题 2011-12-21. 检测技术是以研究检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论与技术为主要内容的一门应用技术学科。检测技术属于信息科学的范畴，与计算机技术、自动控制技术和通讯技术构成完整的信息技术学科。检测技术研究的主要内容是测量原理、测量方法、测量系统和数据处理四个方面 。2. 根据测量手段分类，可分为直接测量间接测量联立测量3. 根据测量方式分类，可分为偏差式测量零位式测量微差式测量4. 检测系统结构框图传感器是将外界信息按一定规律转换成电量的装置，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。信号调理环节信号调理环节是对传感器输出的电信号进行加工，
2、如将信号放大、调制解调、阻抗变换、线性化、将阻抗变换为电压或电流等等，原始信号经这个环节处理后，就转换成符合要求，便于输送、显示、记录、转换以及可作进一步后续处理的中间信号。显示、记录环节显示的方式常用的有：模拟显示、数字显示、图像显示。模拟显示就是利用指针对标尺的相对位置来表示读数。数字显示实际上是一只专用的数字电压表、数字电流表或数字频率计。图像显示使用屏幕显示读数或者被测参数变化的曲线信息分析与处理对于动态信号的出路，即动态测量，常常还需要对测得的信号进行分析、计算和处理，从原始的测试信号中提取表征被测对象某一方面本质信息的特征量，以利于对动态过程作更深入的了解。这个领域中采用的仪器有频
3、谱分析仪、波形分析仪、实时信号分析仪、快速傅立叶变换仪等，但计算机技术在信号处理中已被广泛应用。电源检测系统在设计时需要根据使用现场的供电电源情况及检测系统内部电路的实际需要，统一设计各组稳压电源，给系统各部分电路和器件分别提供它们所需的稳定电源。5.按被测参数分类电气参数：电能、电功率、电压、电流、频率、电 阻、电容、磁场强度、磁通密度等；机械参数：质量、位移、振动、力、应力、力矩、转速、线速度、加速度、噪声、缺陷检查、故障诊断等；过程参数：主要是热工参数，通常可细分为温度、压力、流量、物位、成分分析等。按被测参量的检测转换方法分类电磁转换：电阻式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感式、电
4、容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、霍尔式等；光电转换：光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维等；其他能/电转换：声/电转换（超声波式） 、辐射能/ 电转换（ 射线式、 射线式、 射线式） 、化学能/电转换（各种电化学转换）等。按使用性质分类“标准表” 是各级计量部门专门用于精确计量、校准送检样品和样机的标准仪表。“实验室表” 多用于各类实验室中，它的使用环境条件较好，往往具有特殊的防水、防尘措施。“工业用表” 是长期使用于实际工业生产现场的检测仪表与检测系统。按是否接触被测介质分类 接触式检测仪表的检测元件与被测介质直接接触，感受被测量的作用或变化，从而获得测量信号。非接触式检测仪表不直接
5、接触被测介质，而是间接感受被测量的变化达到检测目的。按仪表各环节连接方式分类开环式仪表中各环节按开环方式连接，系统中前一环节是后一环节的输入，首尾相接形成测量链，信号由输入端到输出端沿一个方向传递。闭环式仪表又称为反馈式仪表，其最大的特点是整个仪表的传递函数只与反馈环节传递函数有关，而与各串联环节无关，故在很大程度上消除或减少了其他环节的影响。 6.仪表的准确度等级只是从整体上反映仪表的误差情况，在使用仪表进行测量时，其测量准确度往往低于仪表的准确度，而且如果被测量的值离仪表的量限愈远，其测量的准确度愈低。因此，为了提高测量准确度，一方面要选择准确度等级 G 合适的仪表，更应该注意根据被测量
6、x 选择量限合适的仪表，一般应使被测量 ，最好使从测量实践可知，在排除了系统误差和粗大误差的情况下，对某一物理量进行等精度的多次测量时，其测得值中还会含有随机误差。对于测量列中的某一个测得值而言，这类误差的出现具有随机性，即误差的大小和符号是不能预先知道的；当测量次数增大，这类误差却又具有统计的规律性，测量次数愈多，这种规律性就表现得愈明显。随机误差的这种统计规律常称为误差分布律。7.设在重复条件下对某一被测量 x（真值为 A0 ）进行无限多次测量，得到一系列测得值 x1，x2 ， xn ，若测量误差符合正态分布，则各值出现的概率密度分布可由下列正态分布的概率密度函数来表达正态分布的测量值 x
7、 的概率密度 f(x)为8。检测系统（传感器）特性主要是指输出与输入之间的关系。一个测量系统（仪表或装置） ，由于输入信号的这种不同性质，就有所谓静态特性和动态特性。201Aexf9。电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容 )之一，利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件称为电容式传感器。电容式传感器已在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，是很有发展前途的。10。名词解释直接测量：在使用仪表进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量
8、所需要的结果，称为直接测量。 例如，用磁电式电流表测量电路的支路电流。用弹簧管式压力表测量锅炉压力等。间接测量:有的被测量无法或不便于直接测量，这就要求在使用仪表进行测量时，首先对与被测物理量有确定函数关系的几个量进行测量，然后将测量值带入函数关系式，经过计算得到所需的结果，这种方法称为间接测量。联立测量:在应用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果，则称这样的测量为联立测量。偏差式测量: 在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏角）决定被测量值，这种测量方式称为偏差式测量。零位式测量: 用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表来检测测量系统的平衡状态，从
9、而判断被测量值等于已知标准量的方法称为零位式测量。微差式测量:微差式测量法综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点，而提出的测量方法。这种方法是将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值，然后用偏差法测得此差值。所谓真值，是指在观测一个量时，该量本身所具有的真实大小。真值有理论真值和约定真值之分。被测量的测得值是由所使用的测量器具读数装置所指示出来的，也称为示值 x。所谓误差就是测得值与被测量的真值之间的差，可用下式表示：误差=测得值-真值测量误差的表示方法有以下三种：绝对误差: 某量值的测得值和真值之差为绝对误差，通常简称为误差，即 绝对误差=测得值-真值测得值与实际值之差称为示值误差。
10、示值误差=测得值 -实际值为消除系统误差用代数法而加到测量结果上的值称为修正值。将测得值加上修正值后可视为近似的真值，即真值测得值+ 修正值相对误差: 绝对误差与被测量的真值之比称为相对误差。因测得值与真值接近，故也可近似用绝对误差与测得值之比值作为相对误差，即 灵敏度灵敏度是检测系统在稳态下的输出变化与输入变化比值，用 K 来表示，即若检测系统是由灵敏度不同的 多个相互独立的环节串联而成时，该检测系统的总灵敏度为各组成环节的灵敏度的乘积。32Lx输 入 量 的 变 化 量输 出 量 的 变 化 量dxyK 分辨力与分辨率a) 1、分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量 。b) 2、
11、分辨率：全量程中最大的 即 与满量程 L 之比的百分数。c) 3、阙值：即零位附近的分辨力 ，也就是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值。分辨率与分辨力都是用来表示仪表或装置能够检测被测量的最小量值的性能指标。前者是以最大量程的百分数来表示，是一个无量纲的比率的量。后者是以最小量程的单位值来表示，是一个有量纲的量值。 稳定性与漂移稳定性：在一定工作条件下，保持输入信号不变时，输出信号随时间或温度的变化而出现缓慢变化的程度。时漂：在输入信号不变的情况下，检测系统的输出随着时间变化的现象。温漂：随着环境温度变化的现象（通常包括零位温漂、灵敏度温漂） 。 稳定性与漂移稳定性：在一定工作
12、条件下，保持输入信号不变时，输出信号随时间或温度的变化而出现缓慢变化的程度。时漂：在输入信号不变的情况下，检测系统的输出随着时间变化的现象。温漂：随着环境温度变化的现象（通常包括零位温漂、灵敏度温漂） 。金属丝的电阻应变效应电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应，即当金属丝在外力下作用发生机械变形时，其电阻值将发生变化。电感式传感器:电感式传感器的基本原理是利用磁路磁阻变化，引起传感器线圈的自感和线圈间的互感的变化来实现非电量电测的一种装置。利用这种转换原理可以测量位移、振动、压力、应变、流量、相对密度等参数。电感式传感器根据转换原理，可以分为自感式和互感式两类。按照结构形式，自感式传感
13、器又可分为变气隙式，变截面式和螺管式等形式，互感式传感器也有变气隙式和螺管式等结构。电感式传感器优、缺点 结构简单，可靠，测量力小,当衔铁重力为 (0.5-200）*10 4N 时，电磁吸力为 (1-10）*10 4N ； 分辨率高，最小刻度值可达 0.1m ； 零点稳定，漂移最小可达 0.1m ； 测量精度高，输出线性可达0.1% ； 输出功率较大，即使不用放大器，一般也有(0.1-5)V/mm 的输出值。 电感式传感器的缺点主要是：传感器本身频率响应较低，所以它不能用于快速动态信号的测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围愈大，分辨率愈低 11.问答题 A1). 检测技术的发展趋势
14、 不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围 微电子技术、微处理器与传感器结合，使仪器智能化 研究多维化、多功能化的仪器 研究无接触测量技术nK32 研究新型原理的传感器 综合测试系统。 2).实际相对误差：实际相对误差是用绝对误差与被测量的实际值的百分比值来表示的相对误差。示值相对误差：示值相对误差是用绝对误差与器具的示值的百分比值来表示的相对误差。3)引用误差用绝对误差与器具的满度值（全量程）的百分比值来表示的相对误差，称为满度相对误差，又称满度误差。4).检测仪器的精度等级仪表的精度等级（准确度等级）就是用仪表的最大引用（满度）误差 来表示，并以 的大小来划分仪表的精度等级 G，其定义为：
15、即5).误差的分类: 根据测量误差的性质及产生的原因，可分为三类：随机误差: 在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时，测量误差的大小和正负符号以不可预知的方式变化，这种误差叫做随机误差，又称偶然误差。随机误差是由很多复杂因素的微小变化的总和所引起的，因此分析比较困难。系统误差: 当在一定的相同条件下，对同一物理量进行多次测量时，误差的大小和正负总保持不变或者误差按一定的规律变化，这种误差叫做系统误差。引起系统误差的因素主要有：材料、零部件及工艺缺陷；环境温度、湿度、压力的变化以及其它外界干扰等。可以利用修正值来减小或消除系统误差。粗大误差: 在相同的条件下，多次重复测量同一量时，明显地歪曲了
16、测量结果的误差，称为粗大误差，简称粗差。粗差是由于疏忽大意，操作不当，或测量条件的超常变化而引起的。含有粗大误差的测量值称为坏值，所有的坏值都应去除，但不是主观或随便去除，必须科学地舍弃。正确的实验结果不应该包含有粗大误差。6).在对大量的随机误差进行统计分析后，可以总结出随机误差分布的如下几点特点：对称性。随机误差可正可负，但绝对值相等的正、负误差出现的次数相同，或者是概率密度分布曲线 对称于纵轴。抵偿性。相同条件下，当测量次数 时，全体误差的代数和为 0，亦即 ，或者说，正误差与负误差相互抵消。当测量次数无限多时，误差的算术平均值趋近于零，也就是数学期望为零。这是随机误差最本质的特性。%1
17、010测 得 值绝 对 误 差真 值绝 对 误 差相 对 误 差 10实 际 值绝 对 误 差实 际 相 对 误 差 %示 值绝 对 误 差示 值 相 对 误 差 10全 量 程示 值 误 差引 用 误 差 %10%maxaxL10maxLG单峰性。绝对值小的误差出现的次数多，绝对值大的误差出现的次数少。换言之，绝对值小的误差比绝对值大的误差的概率密度大，在 处概率最大，即 。有界性。绝对值很大的误差几乎不出现，故可认为随机误差有一定的界限。7). 随机误差的数值特征主要有：算术平均值对某一量进行一系列等精度测量，由于存在随机误差，其测得值皆不相同，应以全部测得值的算术平均值作为最后测量结果。
18、设 x1，x 2 ，x n 为 次测量所得的值，则算术平均值 为标准误差 对于全体测量值（等精度的无限测量列）来说，其标准误差 是方差 Dx 的均方根值，可以表示为对于等精度的有限测量列，其标准误差的计算方法略有不同。当可知真值 A0 时，标准误差的计算公式与等精度的无限测量列情况类似，仅 n 为有限值而已。算术平均值的标准偏差为置信系数 取不同典型值时，当 Z=1 时，置信区间为 2 倍的标准误差的宽度，即 ；置信概率为置信水平为 当 Z=2 时，置信区间为 ，当 Z=3 时，置信区间为 ，系统误差的产生原因:系差产生的原因是较复杂的，它可以是某个原因引起的，也可以是几个因素综合影响的结果。
19、主要有： 由于测量设备、试验装置不完善，或安装、调整、使用不得当引起的误差。如测量仪表未经校准投入使用。 由于外界环境影响而引起的误差。如温度漂移、测量现场电磁场的干扰等。 由于测量方法不正确，或测量方法所赖以存在的理论本身不完善引起的误差。如使用大惯性仪表测量脉动气流的压力，则测量结果不可能是气流的实际压力，甚至也不是真正的均值。 测量人员方面因素引起误差。如测量者在刻度上估计读数时，习惯偏于某一方向；动态测量时，记录某一信号有滞后的倾向。按系统误差的特点，可以分为恒定系统误差和变化系统误差nixx121niniinxAxD12120lmlmi12nx)(32687.0dfPZ13.1Z8)
20、.恒定系统误差消除法代替法: 代替法的实质是在测量装置上对被测量测量后不改变测量条件，立即用一个标准量代替被测量，放到测量装置上再次进行测量，从而求出被测量与标准量的差值，即 被测量=标准量 +差值抵消法: 这种方法要求进行两次测量，以便使两次读数时出现的系统误差大小相等，符号相反，取两次测得值的平均值，作为测量结果，即可消除系统误差。交换法: 这种方法是根据误差产生原因，将某些条件交换，以消除系统误差。9). 粗大误差的产生原因 测量人员的主观原因：在测量时不小心、不耐心、不仔细等，从而造成了错误的读数或错误的记录，这是产生粗大误差的主要原因。 客观外界条件的原因：由于测量条件意外地改变（如
21、机械冲击、外界振动等） ，引起仪器示值或被测对象位置的改变而产生粗大误差10). 在判别某个测得值是否含有粗大误差时，要特别慎重，应作充分的分析和研究，并根据判别准则予以确定。 拉依达准则拉依达准则表达式为： 格拉布斯准则11).传感器的定义及组成传感器的国家标准定义为能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器的通常定义为“能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置” 。传感器由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，如图 3-1 所示。12).传感器的分类 按基本效应传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规
22、律设计而成的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。化学型传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。生物型传感器是利用生物活性物质选择性，识别和测定生物和化学物质的传感器。 按构成原理按照构成原理，物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。物性型传感器是利用其物理特性变化实现信号转换，例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩现象把温度的变化转换成水银柱的高低，实现温度的测量。结构型传感器是利用其结构参数变化实现信号转换，例如变极距型电容式传感器是利用极板间距离的变化来实现测量的。 按能量转换原理根据能量转换原理可分为有源传感器和无源传感器。有
23、源传感器将非电量转换为电能量（如电动势、电荷式传感器等） ，也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和放大电路，如光电式传感器、热电式传感器均属于此类传感器； 无源传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，也称为能量控制型传感器。如电阻式、电感式及电容式传感器等。 按输出信号的性质根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器输出连续变化的模拟信号，数字式传感器输出数字信号。 按输入物理量根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及流量传感器等。 按工作原理根据工作原理可分为电阻式、电感式、电容式及光电式等。 按测量方式分为接触式传感
24、器和非接触式传感器。接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感器和压电式传感器。非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感器、红外线传感器、涡流传感器和超声波传感器等。传感器工作要求主要要求：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；工作可靠；抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单、使用维护方便、功耗低等。电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。 这类传感器的种类很多，例如电位器式传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器、气敏电阻和湿敏电阻等。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。电阻应变式传感器由电阻应变片和测量线
25、路两部分组成。目前应用最广的电阻应变片有两种：金属应变片和半导体应变片。应用金属应变片的传感器就称为电阻应变式传感器，基于金属的电阻应变效应原理。应用半导体应变片的传感器称为压阻式传感器，基于压阻效应原理。电阻应变传感器是将被测量的力(压力、荷重、扭力等) 通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。优点精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，尺寸小，重量轻，因此在测试 时，对工件工作状态及应力分析影响小；频率响应特性好，应变片响应时间约为；可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作;应变片种类繁多、价格便宜。缺点在大应变状态下具有较
26、大非线性；输出信号微弱；不适用于高温环境中（以上） ；应变片实际测出的只是某一面积上的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的情况。12、应用应变片的基本结构根据应变片原材料形状和制造工艺的不同，它的结构 形式有丝绕式、箔式和薄膜式三种。电阻应变片的结构形式各异，但其结构大体相同，一般由敏感栅、引出线、基底、覆盖层、粘合剂等组成。若达到完全的补偿，需满足下列三个条件 R1 和 R是属于同一批号制造的，即它们的电阻温度系数 、线膨胀系数 、应变灵敏系数都相同，两片的初始电阻值也要求一样。 粘贴补偿片的构件材料和粘贴工作片的材料必须一样，即要求两者的线膨胀系数一样。 两应变片处于同一温度场。四个桥
27、臂阻抗达到某一关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，故电桥能够精确地测量微小的电阻变化单一式螺管型自感传感器变压器电桥差动变压器其工作原理基于变压器的原理。差动变压器主要由一个线框和一个铁心组成。在线框上绕有一组一次线圈作为输入线圈，一次线圈（初级线圈）上加交变的激励电压，在同一框架上另绕两组二次线圈作为输出线圈，二次线圈（次级线圈）即产生电动势，在负载上输出相应的电压。在线框中央圆柱孔中放入铁心，如下图 5-12a 所示。图 5-12 差动变压器差动变压器零点残余电压产生的原因由于两个二次线圈结构上的不对称，引起两个二次电压的幅值平衡点与相位平衡点两者不重合。由铁心
28、材料 B 一 H 曲线的弯曲部分导致输出电压中含高次谐波。励磁电压波形中有高次谐波。消除零点残余电方法从设计和工艺上尽量保证线路和磁路对称、结构上采用磁路可调形式；选用高 N 、低H 、低 B 的导磁材料，使用经过热处理的导磁体，以消除残余应力，提高磁性能的均匀性和稳定性；磁路工作点应在线性区。采用相敏检波电路，相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁移动方向，亦可消除零残电压中的高次谐波成分。选用补偿线路，消除零点残余电压可以采用各种形式如图 5-15。归纳起来，加串联电阻消除基波同相成分；并联电容，改变相移，消除高次谐波分量；加并联电阻消除基波中正交成分；加反馈绕组和反馈电容补偿基波及高次谐波分量。差
29、动变压器有以下特点：结构简单，工作可靠，寿命长；稳定性，重复性和线性度都比较好；测量范围宽；灵敏度高；分辨力高；存在零位输出电压（即零点残余电压） ，给测量造成误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不宜用于高频动态测量。电涡流式传感器 成块的金属置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，称为电涡流。电涡流式传感器就是在这种电涡流效应的基础上建立起来的。电涡流的形成范围 在金属导体上形成的电涡流的分布是不均匀的，电涡流密度不仅是距离的函数，而且电涡流只能在金属导体的表面薄层内形成，在半径方向也只能在有限的范围内形成电涡流。差动
30、式变极距型电容式传感器电容液面计图 7-9 电容液面计1、 2圆柱状极板电容式（位移式）差压传感器图 7-18 电容式差压传感器的两种结构 非导电介质的液位测量图 7-19 非导电液位测量 1内电极 2外电极 3绝缘材料13、原理压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，上述这种现象称为正压电效应。当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质会产生变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电
31、效应，也称为电致伸缩效应。具有压电效应的物质很多，常用压电材料如天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷等。压电元件的连接方式在 8-3a 图中，两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，这种接法称为并联。其输出电容 C为单片电容 C 的两倍，但输出电压 U等于单片电压，即 C=2C，U=U，q =2q图 8-3b 的接法是正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。从图中可知，输出的总电荷 q等于单片电荷 q，输出电压 U为单片电压口 U 的两倍，总电容 C为单片电容 C 的一半，即：q=q，U=2U， C=C
32、/2晶片上电荷极性与受力方向的关系光电式传感器光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器，一般都是由光源、光学元件和光电元件三个部分组成。光电阻传感器是将光信号转换为电阻变化的一种传感器。此种测量方法具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反映快等特点。在检测和控制领域获得了广泛的应用。光电式传感器基本分类1.光电转换系统的输出端为“有”或“无”电信号两种稳定状态，亦即为“通”或“断”的开关状态。属于这一类的为光电式转速表、光电继电器等。2.光电转换系统中，当光作用在光电元件上时，产生的光电流是光通量的函数。属于这一类的为光电式位移计、光电式测振计等。3.光电转换系统将被测体
33、的形状直接反映出来，这一类的传感器是利用电荷耦合摄象器件（CCD）作为光电元件的，主要用于再线的图案检查、文字识别等。普通的电光源可以分为四类：热辐射光源，即白炽灯；气体放电灯，如氖泡，日光灯；固体发光光源（电致发光器件),如发电二极管，场致发光灯；激光器。光学元件与光路 在光电式传感器中，必须采用一定的光学元件，并按照一些光学定律和原理构成各种各样的光路。常用的光学元件有各种反射镜和透镜。光电元件 光电元件在光电式传感器中是用来把光量变换成电量的一种器件。常用的有光敏电阻，光电池，光敏晶体管，光电倍增管。以及一些新型半导体光电器件，如电荷耦合摄像器（CCD） ，光电位置敏感器件（PSD）等。
34、 传统的光电器件是利用各种光电效应制成的器件。光电器件的理论基础是光电效应。 所谓光电效应即是由于物体吸收能量 E 为的光后产生的电效应。光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻的工作原理在黑暗的环境下它的电阻是很高的，但当它受到光线照射时，若光子能量 hy 大于本征半导体材料的禁带宽度 Eg，同禁带中的电子吸收一个光子后就足以跃迁到导带，激发出电子空穴对，从而加强了导电性能，使阻值降低，且照射的光线愈强阻值也愈低。光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，电阻有恢复原值。这种由于光线照射强弱而导致半导体电阻值变化的现象，称为光导效应。具有光导效应的材
35、料就称为“光敏电阻” 用光敏电阻制成的器件称为光导管，但通常也叫光敏电阻。光敏电阻的结构及表示符号光电流。光敏电阻在不受光照射的阻值称“暗电阻” ，此时流过的电流称“暗电流” ；光敏电阻在受光照射时的阻值称“亮电阻” ，此时的电流称“亮电流” 。而亮电流与暗电流之差即为“光电流” 。当然，希望暗阻愈大愈好，而亮阻愈小愈好，也即光电流要尽可能大，这样光敏电阻的灵敏度就高。光敏电阻的伏安特性。在光敏电阻的两端所加电压和电流的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性。它是一条直线，所加电压 U 越高，光电流 I 也越大，而且没有饱和现象。在给定的光照下，电阻值与外加电压无关；在给定的电压下光电流值随光照的增
36、加而增加。光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光电流和光强的关系曲线称光敏电阻的光照特性。由于光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，因此不适宜做线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。光敏电阻的光谱特性。光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度也是不同的。只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。光敏电阻的频率特性。在使用光敏电阻时，就应注意，它的光电流并不是随光强改变而立刻作出相应的变化，而是具有一定的惰性，这也是光敏电阻的缺点之一。光敏电阻的光谱温度特性。光敏电阻随着温度的升高，其暗阻和灵敏度都下降。同时温度变化也影响其光谱特性。光电池是基于光
37、生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。光电池是把光直接转变为电能的器件。由于它广泛用于把太阳能直接变电能，因此又称为太阳电池。光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化镉、锗、硅光电池等。其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射等，以硅光电池为例。光生伏特效应利用光势垒效应，光势垒效应是指在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。光电池的工作原理硅光电池是在一块 N 型硅片上用扩散的办法掺入一些 P 型杂质而形成一个大面积的 PN 结。当光照射 P 型面时，若光子能量 hy 大于半导体材料的禁带宽度 Eg，则在 P 型区每吸收一个光子
38、便产生一个自由电子空穴对。在表面对光子的吸收最多，激发出的电子空穴对最多，越向内部越小，由于浓度差便形成了从表面向体内扩散的自然趋势。空穴是 P 型区的多数载流子，入射光所产生的空穴浓度比原有产生空穴要少得多，而入射光所产生的电子则向内部扩散。若能在它复合之前到达 PN 结过渡区，就相当于在结电场作用下正好将电子推向 N 型区。这样光照射所产生的电子空穴对。 光敏晶体管是一种利用受光照时载流子增加的半导体光电元件，它与普通的晶体管一样，也具有 P-N 结。通常，我们把有一个 P-N 结的叫做光敏二极管，而把有两个 P-N 结的叫做光敏三极管。光敏三极管不一定有三根引出线，有时常常只装两根引出线
39、。光敏二极管的 PN 结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时反向电阻很大，反向电流很小。当光照射光敏二极管时，光子打在 PN 结附近，使 PN 结附近产生光生电子空穴对，它们在 PN 结处的内电场作用下定向运动形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。光敏三极管的工作原理：当光照射到 PN 结附近时，使 PN 结附近产生光生电子空穴对，它们在 PN 结处于内电场作用下，作定向运动，形成光电流，因此 PN 结的反向电流大大增加，由于光照射发射产生的光电流相当于三极管的
40、基极电流，所以集电极电流是光电流的 倍。因此光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。光敏二极管光敏三极管从所使用的材料来看，凡是使用半导体为材料的传感器都属于半导体式传感器，如霍尔元件、光敏、磁敏、二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。霍尔效应半导体薄片，若在它的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向上(即霍尔输出端之间 )将产生电动势(霍尔电动势或称霍尔电压)，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。如图 10-1 中一块长为，宽为，厚度为的 N 型半导体薄片，
41、沿其长度方向（控制电流端）通过电流，那么，半导体中的载流子(电子)将沿着与电流相反的方向运动，若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场，则由于洛伦兹力的作用，电子向一边偏转，并使该边积累电子，而另一边则积累电荷，于是产生电场，该电场阻止运动电子的继续偏转当电场作用在运动电子上的电场力与洛伦兹力相等时，电子积累便达到动态平衡。霍尔元件的结构和符号霍尔元件的基本电路气敏传感器气敏电阻是利用半导体与气体接触而电阻发生变化的效应制成的气敏元件。半导体陶瓷与气体接触时电阻发生变化，当接触氧化性气体时，气敏电阻的阻值将增大；当接触还原性气体时，气敏电阻的阻值将减小；被测气体浓度越大，电阻变化越大。材料半导
42、体陶瓷是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料。在诸多的半导体气敏元件中，由于用氧化锡 制成的元件有一系列优点，故应用最为广泛。(1)气敏元件阻值随检测气体浓度具有指数变化关系，因此这种器件非常适用于微量低浓度气体的检测。(2) 材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型气敏元件(如接触燃烧式气敏元件)相比， 气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。(3) 气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短时间使用。 (4)元件结构简单，成本低，可靠性高，力学性能良好。 (5)对气体检测不需要复杂的处理设备。待检测气体可通过元件电阻变化直接转变为电信号，且元件电阻率变化大，因此信号处理可不用高倍数放大
43、电路就可实现。 由于上述特点， 半导体气敏元件一直是目前世界上生产量大、应用面广的气敏元件。 半导体气敏元件一直是目前世界上生产量大、应用面广的气敏元件。结构气敏元件主要有三种类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟、应用最广泛的元件。湿度传感器依据使用材料分类：电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附
44、着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和 MOSFET 湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。氯化化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。氯化锂溶液的当量电导随着溶液浓度的增高而下降。环境的相对湿度高，氯化锂溶液将因吸收水份而浓度降低；反之，环境的相对湿度低，则氯化锂溶液的浓度就高。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现了湿度的测量。温度是表征物体冷热程度的一种物理量，是工业生产和科学实验中最普遍、最重要的热工参数之一
45、。 温度不能直接进行测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性，来进行间接的测量。 根据测温的方式可以分为接触式测温法与非接触式测温法两大类。热电偶在温度测量中虽有许多不同测量方法，但利用热电偶作为测温元件应用最为广泛，其主要优点为：结构简单，其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的。具有较高的准确度。测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到 ，高温可测达到 左右，配以特殊材料的热电极，最低可测 ，最高可达 的温度。具有良好的敏感度。使用方便。热电效应两种不同材料的导体或半导体 A、B 串接成一个闭合回路，并使结点
46、 1 和 2 处于不同的温度 T、 ，那么回路中会存在热电势 ，因而就有电流产生，这一现象称为热电效应。热电势的产生 热电偶产生的热电势 是由两种导体的接触电势 和单一导体的温差电势组成的。温差电势热电偶的温差电势只与热电极的材料和两结点的温度有关，而与热电极的几何尺寸无关。 单一导体的温差电势 在一根匀质的导体中，如果两端温度不同，则在导体的内部也会产生电势，这种电势称为温差电势。 热电偶基本定律均质导体定律由一种均质导体（或半导体）组合的闭合回路，不论导体（或半导体）的截面和长度如何以及各处的温度如何，都不能产生热电势。由均质导体 A 组成的闭合回路如下： 中间导体定律 中间导体定律是指，
47、在热电偶回路中，只要中间导体两端的两端温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。该叙述可表示为： 标准电极定律 标准电极定律是指：如果将导体 C（热电极，一般为纯铂丝）作为标准电极，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（ 、 ）下，任意两导体 A、B 组成的热电偶，其热电势可由下式求得： 连接导体定律和中间温度定律 连接导体定律指出，在热电偶回路中，如果热电极 A、B 分别与连接导线A、B 相连接，结点温度分别为 连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。一、热电偶的材料对热电偶的电极材料主要要求是：配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望
48、热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。能在较宽的温度范围内使用，并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。电导率要求高，电阻温度系数要小。易于复制，工艺简单，价格便宜。二、热电偶的型号标准化热电偶国际电工委员会（IEC）推荐的工业标准热电偶为八种，我国均已采用。工业标准化热电偶，工艺成熟，应用广泛，性能良好稳定，能成批生产，同一型号可以互换，统一分度，并有配套显示仪表。工作端温度高于参考端时，前一导体为热电势的正极，后一种为负极，即前者材料的电子密度大于后者。铂铑 10-铂热电偶（分度号 S）铂铑 30- 铂铑 6 热电偶（分度号 B) 铂铑 13-铂热电偶（分度号 R) 镍铬-镍硅热电偶（分度号 K）镍铬-康铜热电偶（分度号 E）镍铬硅-镍硅热电偶（分度号 N）铜-康铜热电偶（分度号 T）铁-康铜热电偶（分度号 J） 非标准化热电偶除了上述标准热电偶之外，在某些特殊条件下，例如超高温、超低温等，也应用一些特殊热电偶，因目前还没有达到国际标准化程度，非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表。铱铑 40-铱热电偶是当前唯一能在氧化气氛中测到 200
