常用感測(cè)器與敏感元件§1感測(cè)器概述與分類(lèi)被測(cè)量易測(cè)、傳輸信號(hào)易處理信號(hào)感測(cè)器（測(cè)量變送器）常把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量如：熱電耦、超聲波轉(zhuǎn)換器、紅外遙感器電能量信號(hào)（U,I）電量信號(hào)電參數(shù)信號(hào)(R,L,C)敏感元件§2機(jī)械式感測(cè)器（簡(jiǎn)介）1.概念：力、壓力彈性變形溫度等（應(yīng)變）2.特點(diǎn)：慣性大、固有頻率低、蠕變、彈性後效，適宜緩變、靜態(tài)測(cè)量。3.應(yīng)用：

1)轉(zhuǎn)換成指針偏轉(zhuǎn)、刻度指示：測(cè)力計(jì)、壓力計(jì)、溫度計(jì)；

2)轉(zhuǎn)換成位移量，通過(guò)其他感測(cè)器轉(zhuǎn)換成電量；

3)微型探測(cè)開(kāi)關(guān)：通過(guò)兩個(gè)簧片磁化接通。彈性元件§3電阻、電容與電感式感測(cè)器§3.1電阻式感測(cè)器被測(cè)量電阻式感測(cè)器電阻變化測(cè)量電路電壓變阻式(電位計(jì))、電阻應(yīng)變式、敏感電阻式感測(cè)器一、變阻式感測(cè)器改變電阻長(zhǎng)度線、角位移、非線性改變電阻靈敏度：後測(cè)電路：電阻分壓電路線性輸出條件Rp/RL很小二、電阻應(yīng)變式感測(cè)器（一）應(yīng)變片的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)1.絲式應(yīng)變片：電阻絲（高電阻率康銅絲）、基底（絕緣）覆蓋層、引出線應(yīng)變片特性比較

金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片原理：導(dǎo)體形變R變化；壓阻效應(yīng)ρ

R變化優(yōu)點(diǎn)：非線性誤差??；S高，機(jī)械滯後、體積小

缺點(diǎn)：S低；非線性誤差大，溫度穩(wěn)定性差

應(yīng)用：較大變形；小變形

其他應(yīng)變片感測(cè)器

固態(tài)壓阻式感測(cè)器：基本同半導(dǎo)體應(yīng)變片，但集成度更高，更小，主要用於壓力、加速度測(cè)量。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀：應(yīng)變片＋測(cè)量處理電路集成動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀電阻式應(yīng)變片感測(cè)器的應(yīng)用方法電阻應(yīng)變片直接應(yīng)用實(shí)例二、電容式感測(cè)器（一）變換原理與分類(lèi)被測(cè)參數(shù)電容量的變化（二）極距變化型電容式感測(cè)器S高，非線性誤差大，用於動(dòng)態(tài)非接觸式小位移（0.01～數(shù)百微米）測(cè)量（三）面積變化型電容式感測(cè)器(四）介質(zhì)變化型電容式感測(cè)器介電常數(shù)變化C變化，用於測(cè)量介質(zhì)的厚度、溫度、濕度或液位的變化。（五）電容感測(cè)器的測(cè)量電路1.電橋型電路：將電容感測(cè)器作為橋路的一部分，由電容的變化電壓的輸出2.直流極化電路3.諧振電路4.調(diào)頻電路5.運(yùn)算放大器電路（利用比例運(yùn)算放大器可轉(zhuǎn)化成線性關(guān)係）6.電容集成壓力感測(cè)器：電容敏感元件＋測(cè)量電路集成（六）電容式感測(cè)器的特點(diǎn)與應(yīng)用3.介質(zhì)型電容感測(cè)器：測(cè)量介質(zhì)的變化（溫度、濕度、厚度等）和液位三、電感式感測(cè)器

被測(cè)量(力、位移)電感量(自感L、互感M)(一)自感型電感感測(cè)器Ⅰ、可變磁阻式後接電路Ⅱ、渦流式電感感測(cè)器後接電路分壓式調(diào)幅、調(diào)頻電路（二）互感型－－差動(dòng)變壓器式電感感測(cè)器雙螺管線圈差動(dòng)型、差動(dòng)變壓器式感測(cè)器返復(fù)習(xí)五4.差動(dòng)變壓器式感測(cè)器的後接電路：（三）電感式感測(cè)器的特點(diǎn)與應(yīng)用§4磁電、壓電與熱電式感測(cè)器一、磁電式感測(cè)器

被測(cè)量電磁感應(yīng)感應(yīng)電勢(shì)

動(dòng)圈式、磁阻式磁電傳感器（一）動(dòng)圈式磁電傳感器線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線線速度、角速度型動(dòng)圈式感測(cè)器應(yīng)用：測(cè)量速度（二）磁阻式磁電傳感器

改變磁路磁阻感應(yīng)電勢(shì)磁阻式磁電傳感器應(yīng)用二、壓電式感測(cè)器力參數(shù)壓電材料電能量信號(hào)（電荷）超聲波壓電效應(yīng)6.測(cè)量電路

前置放大器作用：阻抗匹配（高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩梗┓糯笪⑷跣盘?hào)類(lèi)型：電阻回饋電壓放大器、電容回饋電荷放大器電荷放大器7.壓電式感測(cè)器的應(yīng)用

用於測(cè)量動(dòng)態(tài)的力參數(shù)（壓力、應(yīng)力、加速度）和超聲波的發(fā)射、接收

1)2)3)4)壓電式感測(cè)器的可逆應(yīng)用：加交變電壓，晶片產(chǎn)生伸縮變形，可作為振動(dòng)源。三、熱電式感測(cè)器

溫度金屬（熱電偶、熱電阻）電量熱電效應(yīng)（一）熱電偶1.工作原理：熱電動(dòng)勢(shì)＝溫差電動(dòng)勢(shì)＋接觸電動(dòng)勢(shì)

EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)=f(T)－C2.特點(diǎn)：1)A、B材料相同，接點(diǎn)溫度不同(T與T0)，EAB=02)接點(diǎn)溫度相同(T與T0)，A、B材料不同，EAB=03)EAB與中間溫度無(wú)關(guān)，只與接點(diǎn)溫度和A、B材料有關(guān)；4)EAB(T3,T1)=EAB(T3,T2)＋

EAB(T2,T1)5)中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中，接入第三種導(dǎo)體（兩端溫度相同），不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)；用於在熱電偶中接儀錶、導(dǎo)線，開(kāi)路熱電偶測(cè)量6)標(biāo)準(zhǔn)(參考)電極定律：熱電偶的選配

EAB(T2,T1)=EAC(T2,T1)＋ECB(T2,T1),c為參考電極開(kāi)路熱電偶3.熱電偶分類(lèi)和選用1)鉑銠－鉑(WRLB)：＋極－－鉑銠2)鎳鉻－鎳矽(WREU)：＋極－－鎳鉻3)鎳鉻－考銅(WREA)：＋極－－鎳鉻4)鉑銠30－鉑銠6(WRLL)：＋極－－鉑銠30

各種熱電偶的特點(diǎn)和選用（測(cè)量溫度範(fàn)圍T高低、電動(dòng)勢(shì)大小、S高低價(jià)格高低）（二）熱電阻感測(cè)器

溫度變化(金屬)熱電阻(半導(dǎo)體)熱敏電阻電阻1.鉑電阻：2.銅電阻：ρ小，細(xì)長(zhǎng)，測(cè)低溫和無(wú)浸蝕介質(zhì)3.其他熱電阻：銦電阻、錳電阻、碳電阻4.熱敏電阻：半導(dǎo)體感測(cè)器，非線性，靈敏度高§5光電感測(cè)器測(cè)量量變化光信號(hào)變化光電效應(yīng)電信號(hào)一、光電效應(yīng)1.外光電效應(yīng)(光電子發(fā)射效應(yīng))光電材料內(nèi)電子光照逸出物體表面成自由電子光電流（光電子發(fā)射效應(yīng)）光子能量＝電子動(dòng)能＋逸出功1)條件：hv>A，光的閥值頻率、光的閥值波長(zhǎng)λ0（光電材料的紅限）2)逸出光電子數(shù)入射光子數(shù)（入射光強(qiáng)度）3)反向截止電壓U0：與入射光頻率成正比，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。應(yīng)用：光電管、光電倍增管2.內(nèi)光電效應(yīng)（光導(dǎo)效應(yīng)）物體內(nèi)部電子光照(吸收能量)內(nèi)部自由電子物體導(dǎo)電性能變化應(yīng)用：光敏電阻、光導(dǎo)管3.光生伏打效應(yīng)光電材料(光電池)光線電動(dòng)勢(shì)（電子－空穴對(duì)）應(yīng)用：光電池(矽、硒、砷化鎵等)二、光電元件1.光電管1)結(jié)構(gòu)：光電陰極k(發(fā)射電子)、陽(yáng)極A(接收電子)2)特性參數(shù)：頻譜靈敏度、紅限、逸出功3)特性曲線：光電特性曲線、伏安特性曲線2.光電倍增管結(jié)構(gòu)：光電陰極、光電陽(yáng)極、倍增極(次陰極)作用：增加光電管的靈敏度3.光敏電阻：1)原理(內(nèi)光電效應(yīng))：光電能量hv>禁帶寬度，光敏電阻內(nèi)電子躍遷，激發(fā)空穴－電子對(duì)，降低電阻率，提高導(dǎo)電性能。2)特點(diǎn)：S高，光譜回應(yīng)範(fàn)圍寬(紫外－－紅外)3)特徵參數(shù)：

1)亮(暗)電阻、亮(暗)電流、光電流

2)光照特性：I=f(F),I光電流，F(xiàn)光通量

3)伏安特性：U=f(I)，光照強(qiáng)度一定

4)光譜特性：S隨入射光波長(zhǎng)變化

5)回應(yīng)時(shí)間特性：光照時(shí)間常數(shù)光電流

6)光譜溫度特性：溫度對(duì)I、S、光譜特性等4.光敏電晶體：光照後，光子打在PN結(jié)上，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，形成光電流光敏二極體、光敏電晶體導(dǎo)通。光敏電晶體的靈敏度是光敏二極體的β倍光敏電晶體的基本特性：光照特性、伏安特性、光譜特性、溫度特性、回應(yīng)時(shí)間等。四、光電感測(cè)器應(yīng)用（一）脈衝盤(pán)式角度－數(shù)字編碼器（二）碼盤(pán)式角度－數(shù)字編碼器角位移編碼盤(pán)、光電元件數(shù)字信號(hào)§6光纖感測(cè)器

被測(cè)量光學(xué)量電量一、分類(lèi)1.按光波調(diào)製方式：強(qiáng)度、頻率、相位、偏振調(diào)製光纖感測(cè)器。2.按光纖作用：功能型（傳光元件、敏感元件）、傳光型（傳光元件）光纖感測(cè)器

光電元件光纖感測(cè)器二、光纖導(dǎo)光原理1.光纖的全反射：大於臨界入射角2.光纖結(jié)構(gòu)：芯子（n1大折射率）包層（n2小折射率）保護(hù)層（n3大折射率）數(shù)值孔徑NA（0.2~0.4）臨界入射角三、光纖感測(cè)器應(yīng)用光纖位移感測(cè)器（位移、溫度、壓力、振動(dòng)）測(cè)聲壓、水壓反射式光纖感測(cè)器測(cè)小位移、振動(dòng)、表面狀態(tài)（三座標(biāo)測(cè)量機(jī)）四、光纖感測(cè)器特點(diǎn)1.光波傳遞資訊，不受電磁影響；2.不會(huì)燃燒、爆炸，可在特殊環(huán)境下測(cè)量；3.工作性能優(yōu)於傳統(tǒng)感測(cè)器；4.小、輕、可繞性好，宜狹窄空間工作；5.具有良好幾何形狀適應(yīng)性；6.頻帶寬、動(dòng)態(tài)範(fàn)圍大；7.宜遠(yuǎn)距離測(cè)控?！?半導(dǎo)體感測(cè)器原理：非電量半導(dǎo)體材料電量

(光,熱,力,磁,氣)特點(diǎn)：物性型、重量輕、體積小、敏感、回應(yīng)快;

輸出非線性、分散性大、溫度影響大。一、磁敏感測(cè)器1.霍爾元件1)霍爾效應(yīng)：

2)霍爾元件結(jié)構(gòu)：(敏感部分＋變換電路)集成3)霍爾元件應(yīng)用：微小位移測(cè)量為基礎(chǔ)2.磁敏元件3.磁敏管二、熱敏感測(cè)器1.熱敏電阻原理：

2.特點(diǎn)：1)靈敏度高：－20～－150Ω/℃，比熱電偶、金屬電阻高很多；2)可做各種形狀、體積小、熱回應(yīng)快；3)熱敏電阻本身阻值大：100～106Ω；4)可測(cè)範(fàn)圍大：－200～＋1000℃；5)非線性大，對(duì)環(huán)境溫度敏感。三、氣敏感測(cè)器1.原理：氣敏元件表面吸附氣體導(dǎo)電率變化2.結(jié)構(gòu)：氣敏元件＋電極＋加熱絲3.應(yīng)用：有毒和可燃?xì)怏w檢測(cè)四、濕敏感測(cè)器1.原理：濕度吸附層水分解導(dǎo)電離子R2.應(yīng)用：濕度測(cè)量五、固態(tài)圖像感測(cè)器1.原理：光像分解小單元(像素)電信號(hào)2.結(jié)構(gòu)：電荷耦合器件CCD

（chargecoupleddevice）3.應(yīng)用：1)物位、尺寸、形狀、工件損傷

2)光學(xué)資訊處理輸入環(huán)境六、集成感測(cè)器1.原理：（感測(cè)器＋後續(xù)電路）集成2.特點(diǎn)：1)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

2)智能感測(cè)器（具有條件調(diào)節(jié)和溫度補(bǔ)償能力，通信能力，自診斷能力、邏輯判斷能力）§8紅外測(cè)試系統(tǒng)一、紅外輻射（紅外線）1.電磁波波譜：紅外線波長(zhǎng)：0.76~1000μm近紅外：0.76~2.5中：2.5~25遠(yuǎn)：25~10002.紅外線的特點(diǎn)（1)斯蒂芬－玻耳茲曼定律：反映物體的紅外線輻射功率與物體溫度(2)普朗克定律：物體溫度與波長(zhǎng)關(guān)係絕對(duì)溫度2000k以下的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射，輻射的峰值點(diǎn)隨溫度降低而轉(zhuǎn)向長(zhǎng)波長(zhǎng)。（3)不同物體對(duì)紅外線有不同的吸收（衰減）能力。三、紅外探測(cè)器

紅外輻射能電能1.熱探測(cè)器：紅外輻射探測(cè)元件溫度變化電量熱電偶型、氣動(dòng)型、熱釋電型2.光子探測(cè)器：紅外輻射半導(dǎo)體材料光電效應(yīng)電量四、紅外測(cè)試應(yīng)用：1.輻射溫度計(jì)：紅