1、第四章 常用传感器,4.1 应变效应与应变式传感器,4.1.1 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
2、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
3、 (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
4、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
5、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,4.1.2 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
6、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,4.1.3 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
7、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
8、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,4.2.1 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
9、.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
10、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
11、.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
12、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
13、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,4.2.2 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
14、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、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
16、 (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
17、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
18、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
19、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,4.3.1压电效应的概念,
20、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
21、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,4.3.2
22、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
23、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,4.4.1 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
24、，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
25、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,4.4.2 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
26、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,4.5.1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
27、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
28、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,4.5.2 热电偶的冷端温度处理,热电偶的热电势大小与热
29、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）
30、，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,4.6.1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
31、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
32、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
33、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,4.6.2 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
34、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,
35、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M
36、OS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
37、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
38、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
39、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
40、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
41、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
42、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。,4.6.3 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
43、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,4.7.1 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
44、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,4.7.2 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
45、： (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,4.7.3 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,4.7.4 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
46、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,4.7.5 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
47、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
48、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,4.8.1 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。,
