1、空军工程大学导弹学院四系发空教研室戴新生一、信息革命的两大支柱n信息采集信息采集；n信息处理信息处理。二、信息采集的关键n传感器传感器；一、一、传感器技术发展迅速的原因传感器技术发展迅速的原因1、电子工业和信息技术促进了传感器产业的电子工业和信息技术促进了传感器产业的相应发展相应发展；2、政府对传感器产业提供资助和大力扶植政府对传感器产业提供资助和大力扶植；3、国防、空间技术和民用产品有广大的传感国防、空间技术和民用产品有广大的传感器市场器市场；4、在许多高新技术领域可获得用于开发传感在许多高新技术领域可获得用于开发传感器的理论和工艺器的理论和工艺。二、传感器的市场结构二、传感器的市场结构1、
2、信息处理与通讯、信息处理与通讯 8%；2、科学仪器仪表、科学仪器仪表 11.7%3、电力与能源、电力与能源 5.3%4、机械制造设备、机械制造设备 18.1%5、家用电器、家用电器 13.9%6、汽车、汽车 7.3%7、运输、运输 1.6%8、空间开发、空间开发 2.7%9、环保气象安全、环保气象安全 10%10、资源与海洋开发、资源与海洋开发 1.4%11、医疗卫生、医疗卫生 11%12、农业渔业、农业渔业 0.7%13、土木建筑与工程、土木建筑与工程 0.7%14、商业金融、商业金融 0.2%15、其他、其他 7.3%三、三、什么是传感器什么是传感器1、微机械加工技术（微机械加工技术（ME
3、MTMEMT）和纳米技术的高度发展，）和纳米技术的高度发展，采用采用MEMTMEMT技术的传感器和微系统，具有体积微小、技术的传感器和微系统，具有体积微小、成本低、高可靠性等独特的优点；成本低、高可靠性等独特的优点；2、新型敏感材料将加速开发，微电子、光电子、生物新型敏感材料将加速开发，微电子、光电子、生物化学、信息处理等各学科的互相交叉、渗透和综合化学、信息处理等各学科的互相交叉、渗透和综合利用，将会研制出一批新颖、先进的传感器利用，将会研制出一批新颖、先进的传感器;3、敏感元件与传感器的应用领域将得到新的开拓，二敏感元件与传感器的应用领域将得到新的开拓，二次传感器和传感器的应用将大幅度增长
4、。次传感器和传感器的应用将大幅度增长。一、传感器的定义一、传感器的定义传感器传感器：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转能够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，通常由敏感元件换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成和转换元件组成;敏感元件敏感元件：是指传感器中能够直接感受或响应被测量是指传感器中能够直接感受或响应被测量（输入）的部分；（输入）的部分；转换元件转换元件：是指传感器中能够将敏感元件感受或响应是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的的被测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。部分。二、传感器
5、组成框图二、传感器组成框图 电 源敏感元件 转换元件被测量输入量信号调节转换电路电 量输出量测量电路图1.1 传感器组成框图一、分类一、分类1 1 1、按依据的效应分按依据的效应分 （1）物理传感器（光、电、声、磁、热）；物理传感器（光、电、声、磁、热）；（2）化学传感器（吸附、选择性化学反应）；化学传感器（吸附、选择性化学反应）；（3）生物传感器（酶、抗体、激素等分子识别和生物传感器（酶、抗体、激素等分子识别和选择功能）。选择功能）。2、按输入量分按输入量分 （1）位移位移；（2）速度速度；（3）温度温度；（4）压力压力；（5）气体成分气体成分；（6）浓度浓度；3、按工作原理分、按工作原理分
6、（1）应变式应变式；（2）电容式电容式；（3）电感式电感式；（4）电磁式电磁式；（5）压电式压电式；（6）热电式热电式；4、按输出信号分按输出信号分（1）模拟式模拟式；（2）数字式数字式；5、按能量关系分按能量关系分（1）能量转换型能量转换型；（2）能量控制型能量控制型。6、按利用场定律还是利用物质定律分按利用场定律还是利用物质定律分（1）结构型（通过敏感元件几何结构参数变化实现信息结构型（通过敏感元件几何结构参数变化实现信息转换）；转换）；（2）物性型（通过敏感元件材料物理性质变化实现信息物性型（通过敏感元件材料物理性质变化实现信息转换）。转换）。7、按是否依靠外加能源分按是否依靠外加能源分
7、（1）有源型有源型；（2）无源型无源型。8、按使用的敏感材料分按使用的敏感材料分（1）半导体半导体；（2）光纤光纤；（3）陶瓷陶瓷；（4）金属金属；（5）高分子材料高分子材料；（6）复合材料复合材料。二、分类二、分类2 201、压力压力 02、力矩力矩 03、加速度加速度 04、浑浊度浑浊度 05、角度角度 06、速度、速度 07、角速度角速度 08、接近开关接近开关 09、振动振动 10、热能热能 11、编码器编码器 12、磁性开关磁性开关13、湿度湿度 14、温度温度 15、倾斜度倾斜度 16、光电开关光电开关 17、水份水份 18、露点露点 19、电功率电功率 20、角加速度角加速度 2
8、1、流量流量 22、流速流速 23、红外线红外线 24、位移位移（厚度厚度）25、电压电压 26、液位液位 27、电导率电导率 28、力力负荷负荷 29、光纤光纤 30、风速风速二、分类二、分类2 231、电阻率电阻率 32、气体、气体/烟雾烟雾 33、生物、生物 34、电流、电流 35、水溶氧、水溶氧 36、密度、密度/粘度粘度37、离子、离子 38、PH值值 39、紫外线、紫外线 40、图象、图象/颜色颜色 41、触觉、触觉 42、料位、料位 43、超声波、超声波 44、声音、声音/噪声噪声45、激光、激光 46、频率、频率一、传感器性能评价指标一、传感器性能评价指标静态特性静态特性：传感
9、器在稳态（静态或准静态）信号作用传感器在稳态（静态或准静态）信号作用下，输入和输出的对应关系下，输入和输出的对应关系；动态特性动态特性：传感器在动态（周期或暂态）信号的作用传感器在动态（周期或暂态）信号的作用下，输入和输出的对应关系；下，输入和输出的对应关系；二、传感器的静态特性二、传感器的静态特性1、灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度：传感器的输出量的变化值与相应的被测量传感器的输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比。用公式表示为（输入量）的变化值之比。用公式表示为k(x)=输出量的变化值输入量的变化值=yx2、线性度、线性度传感器的输出传感器的输出输入校准曲线与理论拟合直线之间的输入校准
10、曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比称为最大偏差与传感器满量程输出之比称为线性度线性度，也，也称为称为“非线性误差非线性误差”或或“非线性度非线性度”，通常用相对，通常用相对误差表示其大小误差表示其大小（见图见图1.21.2）：）：ef=maxYFS 100%YmaxYXXmaxYFSmax(X0,Y0)标准曲线拟合曲线0图1.2 非线性误差说明根据基准直线的不同，线性度可分为根据基准直线的不同，线性度可分为（1 1）理论线性度：拟合直线为理论直线，通常以理论线性度：拟合直线为理论直线，通常以0%0%作为直线起点，满量程输出作为直线起点，满量程输出100%100%作为终止点；
11、作为终止点；（2 2）端基线性度：以校准曲线的零点输出和满量程端基线性度：以校准曲线的零点输出和满量程输出连成的直线为拟合直线；输出连成的直线为拟合直线；（3 3）独立线性度：作两条与端基直线平行的直线，独立线性度：作两条与端基直线平行的直线，使之恰好包围所有的标定点，以与二直线等距离的使之恰好包围所有的标定点，以与二直线等距离的直线作为拟合直线；直线作为拟合直线；（4 4）最小二乘法线性度：以最小二乘法拟合的直线最小二乘法线性度：以最小二乘法拟合的直线为拟合直线。为拟合直线。3、灵敏度界限灵敏度界限（阀值阀值）输入改变输入改变xx时，输出变化时，输出变化yy，xx变小，变小，yy也变小。也变
12、小。但一般说来，但一般说来，xx小到某种程度时，输出就不变化小到某种程度时，输出就不变化了，这时的了，这时的xx叫做叫做灵敏度界限灵敏度界限，也称为，也称为“灵敏灵敏阀阀”、“门槛灵敏度门槛灵敏度”或或“阀值阀值”。灵敏度界限的存在原因：灵敏度界限的存在原因：（1 1）输入的变化量通过传感器内部被吸收，因而反输入的变化量通过传感器内部被吸收，因而反应不到输出上去。例如：螺纹、齿轮间隙等。应不到输出上去。例如：螺纹、齿轮间隙等。（2 2）传感器的输出存在噪声传感器的输出存在噪声。4、迟滞差迟滞差输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一输输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值
13、不相等，这种现象叫迟滞现象。入值时的输出值不相等，这种现象叫迟滞现象。迟滞差迟滞差表示这种不相等的程度。其值以满量程的表示这种不相等的程度。其值以满量程的输出的百分比表示输出的百分比表示。或者或者et=maxYFS100%et=max2YFS100%YXYFSmax05、稳定度稳定度 稳定度稳定度表示传感器在一个较长的时间内保持其表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。性能参数的能力。三、传感器的动态特性三、传感器的动态特性1、传递函数传递函数（1 1）定义定义：初始条件为零时，输出量（响应函数）：初始条件为零时，输出量（响应函数）的拉氏变换与输入量（激励函数）的拉氏变换之比。的拉氏
14、变换与输入量（激励函数）的拉氏变换之比。传递函数表示系统本身的的传输、转换特性，与激励及系传递函数表示系统本身的的传输、转换特性，与激励及系统的初始状态无关。同一传递函数可能表征着两个完全不同统的初始状态无关。同一传递函数可能表征着两个完全不同的物理（或其他）系统，但说明它有相似的传递特性。的物理（或其他）系统，但说明它有相似的传递特性。G(s)=Y(s)X(s)bmsm+bm-1sm-1.+b1s1+b0s0+an-1sn-1.+a1s1+a0s0ansn（2）串联和并联串联和并联 两个各有两个各有G1G1（s s）和）和G2G2（s s）传递函数的系统串联）传递函数的系统串联后，如果它们的
15、阻抗匹配合适，相互之间不影响彼后，如果它们的阻抗匹配合适，相互之间不影响彼此的工作状态，其传递函数为此的工作状态，其传递函数为 图1.4 两个系统的串联G(s)=Y(s)X(s)=Z(s)X(s)Y(s)Z(s)=G1(s)*G2(s)*G1(s)G2(s)X(s)Y(s)Z(s)G(s)对对n n个系统串联组成的新系统，其传递函数为个系统串联组成的新系统，其传递函数为（3）零阶、一阶和二阶（传感器）系统零阶、一阶和二阶（传感器）系统 当传递函数中，只有当传递函数中，只有a0a0与与b0b0不为零时不为零时 a0y=b0 x 即即 G(s)=Gi(s)ni=1y=xb0a0=kx称为称为零阶系
16、统零阶系统（传感器传感器）。这种传感器输出能精确地跟踪输入，电位器式传这种传感器输出能精确地跟踪输入，电位器式传感器就是一种零阶系统。感器就是一种零阶系统。除系数除系数a1a1、a0a0与与b0b0外，其它系数均为零的系统称外，其它系数均为零的系统称为为一阶系统一阶系统。RCRC回路、液体温度计等属于一阶系统。回路、液体温度计等属于一阶系统。只有只有a1a1、a0a0与与b0b0、b0b0不为零的系统称为不为零的系统称为二阶系统二阶系统。由弹簧、质量和阻尼组成的机械系统就是典型的二由弹簧、质量和阻尼组成的机械系统就是典型的二阶传感器、电动式振动传感器、阶传感器、电动式振动传感器、RLCRLC谐
17、振线路也为谐振线路也为二阶系统二阶系统。（4）传递函数的分解传递函数的分解 传感器一般可以近似为集总参数的、线性的、传感器一般可以近似为集总参数的、线性的、特性不随时间变化的系统。其一般形式的传递特性不随时间变化的系统。其一般形式的传递函数如式函数如式1.11.1所示。所示。假设假设 bm=bm-1=b1=0其中分母是其中分母是s s 的实系数多项式。方程式的实系数多项式。方程式 G(s)=Y(s)X(s)b0+an-1sn-1.+a1s1+a0s0ansn+an-1sn-1.+a1s1+a0s0ansn=0的根有的根有n n个。因为是实系数，所以复根有偶数个（共个。因为是实系数，所以复根有偶
18、数个（共轭复根组成），剩下的是实根。因而分母多项式总轭复根组成），剩下的是实根。因而分母多项式总可以分解为一次和二次的实系数因子，传递函数可可以分解为一次和二次的实系数因子，传递函数可写成写成上式中，每一个因子可以看成一个子系统的传递函数。上式中，每一个因子可以看成一个子系统的传递函数。其中其中A A是零阶系统的传递函数是零阶系统的传递函数；是一阶是一阶系统的系统的传递函数；而是二阶系统的传递函数。传递函数；而是二阶系统的传递函数。G(s)=Ari=1()*1s+pi(n-r)/2j=1()1s+2 s+2jnj2nj()*1s+pi 由此可见，一个复杂的高阶总可看成是由若干个由此可见，一个复
19、杂的高阶总可看成是由若干个零阶、一阶和二阶系统串联而成。零阶、一阶和二阶系统串联而成。另一方面，如果将上式右边作部分分式展开，则另一方面，如果将上式右边作部分分式展开，则将得到另一种等价形式：将得到另一种等价形式：上式表示一个高阶系统，也可以看成是若干个一阶和上式表示一个高阶系统，也可以看成是若干个一阶和二阶系统并联而成的。二阶系统并联而成的。G(s)=ri=1()+qis+pi(n-r)/2j=1()ai+js+2 s+2jnj2nj（5）传递函数的功用）传递函数的功用a.在方块图中用作表示系统的图示符号，如图所示在方块图中用作表示系统的图示符号，如图所示：b.当组成系统的各个元件或环节的传
20、递函数已知时，当组成系统的各个元件或环节的传递函数已知时，可以用传递函数来确定该系统的总特性，可用单可以用传递函数来确定该系统的总特性，可用单个环节的传递函数的乘积表示系统的传递函数，个环节的传递函数的乘积表示系统的传递函数，如图所示：如图所示：bmsmansn+bm-1sm-1.+b1s1+b0s0+an-1sn-1.+a1s1+a0s0X(s)X(t)Y(s)Y(t)s+1K1K2K120+s 2 s20+1被测量电量电量记录笔运动c.对于复杂系统的求解，我们可以将其化成简单系统对于复杂系统的求解，我们可以将其化成简单系统的组合，其解则为简单系统解的组合。的组合，其解则为简单系统解的组合。
21、2、一阶（惯性）系统的动态响应、一阶（惯性）系统的动态响应 一阶系统的传递函数为一阶系统的传递函数为 式中，式中，k=b0k=b0 /a0/a0是系统的是系统的静态灵敏度静态灵敏度，=a1/=a1/a0a0为为时间常数时间常数。进一步写为。进一步写为=G(s)Y(s)X(s)=b0a1s+a0=s+1b0a0a1a0=ks+1G(s)=k/s+1/1）一阶系统的冲击响应一阶系统的冲击响应设输入信号为设输入信号为函数，即函数，即且且其输出称为其输出称为冲击响应冲击响应。因为因为 LL(t)=1(t)=1 所以所以（t）=0 ，t=0，t=0(t)dt=1+-（为单位脉冲函数）G(s)=k/s+1
22、/Y(s)=G(s)*X(s)=求变换得求变换得其相应的曲线如图其相应的曲线如图1.71.7所示所示y(t)=ke1t1.01.00tk/y(t)图1.7 一阶系统的冲激响应曲线由图可知：由图可知：。2）一阶系统的阶跃响应一阶系统的阶跃响应一个起始静止的传感器若输入一单位阶跃信号一个起始静止的传感器若输入一单位阶跃信号其输出信号称为其输出信号称为阶跃响应阶跃响应。因为因为 Lu(tLu(t)=1/s)=1/s则则 u（t）=1 ，t 00，t 0k/*(s+1/)sY(s)=G(s)*X(s)=1由拉氏变换得由拉氏变换得其响应曲线如图其响应曲线如图1.81.8所示所示y(t)=k(1-)e1t
23、1.020tky(t)0.632134图1.8一阶系统的阶跃响应曲线 由上式和上图由上式和上图1.81.8可知，稳态响应是输入阶跃值可知，稳态响应是输入阶跃值的的k k倍，暂态响应是指数函数，倍，暂态响应是指数函数，t t趋于无穷时才能趋于无穷时才能达到最终的稳态。当达到最终的稳态。当t=t=时，时，y(ty(t)=0.632k)=0.632k，即达，即达到稳态的到稳态的63.2%63.2%。由此可知由此可知越小，响应曲线就越越小，响应曲线就越接近于阶跃曲线，所以时间常数接近于阶跃曲线，所以时间常数是反映一阶系是反映一阶系统动态响应的关键参数统动态响应的关键参数。3）一阶系统的频率响应一阶系统
24、的频率响应 一定振幅的周期信号输入传感器时，如果这些信一定振幅的周期信号输入传感器时，如果这些信号振幅是在传感器的线性范围之内，那么传感器号振幅是在传感器的线性范围之内，那么传感器的输出可以通过传递函数求出。由于周期信号可的输出可以通过传递函数求出。由于周期信号可用傅立叶级数表示，因此可以把输入信号看成是用傅立叶级数表示，因此可以把输入信号看成是正弦或余弦函数。系统响应正弦或余弦函数。系统响应y(ty(t)包括瞬态响应成包括瞬态响应成分和稳态响应成分。瞬态响应随时间推移会逐渐分和稳态响应成分。瞬态响应随时间推移会逐渐消失直到稳定，因此瞬态响应可忽略消失直到稳定，因此瞬态响应可忽略不计。不计。将
25、各频率不同而幅度相同的正弦信号输入传感器，将各频率不同而幅度相同的正弦信号输入传感器，其输出信号的幅度及相位与频率之间的关系，就称其输出信号的幅度及相位与频率之间的关系，就称为为频率响应特性频率响应特性。频率响应特性可由频率响应函数表示，由频率响应特性可由频率响应函数表示，由幅幅-频频和和相相-频频特性组成。特性组成。稳态响应为稳态响应为 表示为表示为 y(t)=H()Sin(t+y(t)=H()Sin(t+)y(t)=1+22kSin(t+)其中其中幅幅-频频特性为特性为 相相-频频特性为特性为 ()=-arctan(t()=-arctan(t)将将H(H()和和()绘成曲线，如图绘成曲线，
26、如图1.91.9所示，图中纵坐所示，图中纵坐标增益采用分贝值，横坐标标增益采用分贝值，横坐标采用对数坐标，但直采用对数坐标，但直接标注接标注值。这种图又称值。这种图又称波特图波特图。H()=k1+2200-20-10-45-90110110。20lgkH()/dB图1.9 一阶系统的波特图 由图可知，一阶系统只有在由图可知，一阶系统只有在很小的时候才近似很小的时候才近似等于零阶系统特性（即等于零阶系统特性（即H H（）=k=k，（）=0=0）。）。当当=1=1时，传感器灵敏度下降了时，传感器灵敏度下降了3dB3dB。如果取灵敏。如果取灵敏度度 下降到下降到3dB3dB时的频率为工作频带的上限，
27、则一阶时的频率为工作频带的上限，则一阶系统的上截止频率为系统的上截止频率为HH=1/=1/，所以时间常数，所以时间常数越越小，则工作频带越宽。小，则工作频带越宽。综上所述，用一阶系统描述的传感器，其动态响综上所述，用一阶系统描述的传感器，其动态响应特性的优劣也主要取决于时间常数应特性的优劣也主要取决于时间常数。越小越越小越好，好，小时，则阶跃响应的上升过程快，而频率响小时，则阶跃响应的上升过程快，而频率响应的上截止频率高。应的上截止频率高。2.二阶（振荡）系统的动态响应二阶（振荡）系统的动态响应弹簧、质量和阻尼系统（如图弹簧、质量和阻尼系统（如图1.101.10所示）及所示）及RLCRLC串联
28、串联电路是典型的二阶系统。电路是典型的二阶系统。其微分方程如下其微分方程如下Cmk图1.10 二阶系统示意图md y2dt2cdydt+ky=F+Ld q2dt2Rdqdt+y=e+C1二阶系统的传递函数为二阶系统的传递函数为式中，式中，k=b0/a0 k=b0/a0 为为静态灵敏度静态灵敏度，为为无阻尼固有频率无阻尼固有频率，为为阻尼比阻尼比。s+2 s+2n2n2nkG(s)=b0a2s+a1s+a0=2n =a0a2=a12a2a01）二阶系统的冲激响应）二阶系统的冲激响应 当当111时，为过阻尼；时，为过阻尼；0.20.41086420.80.6-0.2-0.4-0.6nty(t)/n
29、k011=1图1.11 二阶系统冲激响应曲线2 2）二阶系统的阶跃响应）二阶系统的阶跃响应 3 3）二阶系统的频率响应）二阶系统的频率响应当时，在当时，在nn附近振幅具有峰值，即产生共振现象，附近振幅具有峰值，即产生共振现象，越小峰值越高。越小峰值越高。=n=n时，相位有时，相位有9090滞后，最滞后，最大相位滞后为大相位滞后为180180，越大，相位滞后变化越平越大，相位滞后变化越平稳。稳。1.21.41086421.81.60.80.60.4nty(t)/nk0.201.02.0=00.20.61.01.5图1.12 二阶系统阶跃响应曲线4）任意输入作用下的传感器动态响应）任意输入作用下的
30、传感器动态响应 tf(t)f(0)0nf(t)系统f(t)h(t)图1.13 任意输入函数看作许多连接着的梯形脉冲 应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，是常用的传感器之一。它的核心元件是是电阻应变是常用的传感器之一。它的核心元件是是电阻应变计。计。电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种能电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种能将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的传感将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的传感元件。图元件。图2.12.1为其构造简图。排列成网状的高阻金为其构造简图。排列成网状的高阻金属丝，山庄金属波或半导体片构成的敏感栅属
31、丝，山庄金属波或半导体片构成的敏感栅1 1，用，用粘合剂粘在绝缘的基片粘合剂粘在绝缘的基片2 2上。敏感栅上粘有盖片上。敏感栅上粘有盖片(即即保护片保护片)3)3。电阻丝较细，一般在。电阻丝较细，一般在0.0150.06mm0.0150.06mm，其，其两端焊有局的低阻镀锡铜丝两端焊有局的低阻镀锡铜丝(0.10.2mm)4(0.10.2mm)4作为引线，作为引线，以便与测量电路连接。图以便与测量电路连接。图2.12.1中，中，l l成为应变计的标成为应变计的标距，也成距，也成(基基)栅长，栅长，a a称为称为(基基)栅宽，栅宽，l l*a a称为应变称为应变计的使用面积。计的使用面积。1234
32、la图2.1 电阻应变计构造简图 使用时，用粘合剂将应变计贴在被测事件表使用时，用粘合剂将应变计贴在被测事件表面上。试件形变时，应变计的敏感栅与试件一面上。试件形变时，应变计的敏感栅与试件一同变形，使其电阻发生变化，由测量电路将电同变形，使其电阻发生变化，由测量电路将电阻变化转化为电压或电流的变化，再由显示器阻变化转化为电压或电流的变化，再由显示器纪录仪将其显示纪录。应变计的电阻变化是与纪录仪将其显示纪录。应变计的电阻变化是与型变成比例的，因此，由显示纪录的电压或电型变成比例的，因此，由显示纪录的电压或电流的变化，可得知被测试件应变的大小。流的变化，可得知被测试件应变的大小。阻应变计的工作原理
33、是基于电阻应变效应阻应变计的工作原理是基于电阻应变效应的，下面加以介绍。的，下面加以介绍。应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，是常用的传感器之一。它的核心元件是是电阻应变是常用的传感器之一。它的核心元件是是电阻应变计。计。电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种能电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种能将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的传感将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的传感元件。图元件。图2.12.1为其构造简图。排列成网状的高阻金为其构造简图。排列成网状的高阻金属丝，山庄金属波或半导体片构成的敏感栅属丝，山庄金属波或半导体片构
34、成的敏感栅1 1，用，用粘合剂粘在绝缘的基片粘合剂粘在绝缘的基片2 2上。敏感栅上粘有盖片上。敏感栅上粘有盖片(即即保护片保护片)3)3。电阻丝较细，一般在。电阻丝较细，一般在0.0150.06mm0.0150.06mm，其，其两端焊有局的低阻镀锡铜丝两端焊有局的低阻镀锡铜丝(0.10.2mm)4(0.10.2mm)4作为引线，作为引线，以便与测量电路连接。图以便与测量电路连接。图2.12.1中，中，l l成为应变计的标成为应变计的标距，也成距，也成(基基)栅长，栅长，a a称为称为(基基)栅宽，栅宽，l l*a a称为应变称为应变计的使用面积。计的使用面积。长为长为l l，截面积为，截面积为
35、A A，电阻率为，电阻率为的金属或半导的金属或半导体丝，电阻体丝，电阻1、电阻应变效应、电阻应变效应 光电式传感器是蒋光信号转换为电信号的光敏光电式传感器是蒋光信号转换为电信号的光敏器件。它可用于检测直接一起光强变化的非电量，器件。它可用于检测直接一起光强变化的非电量，如光强，辐射测温，气体成分分析等；也可用来能如光强，辐射测温，气体成分分析等；也可用来能转换成光亮变化的其他非电量，如零件线度，表面转换成光亮变化的其他非电量，如零件线度，表面粗糙度，位移，速度，加速度等。光电式传感器具粗糙度，位移，速度，加速度等。光电式传感器具有非接触，相应快，性能可靠等优点，因而得到广有非接触，相应快，性能
36、可靠等优点，因而得到广泛应用。光电式传感器是目前产量最多应用最广的泛应用。光电式传感器是目前产量最多应用最广的传感器之一。传感器之一。关点是传感器的物理基础是光电效应，即半导体材料关点是传感器的物理基础是光电效应，即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类，即外光电效应和内光电效应。通常分为两大类，即外光电效应和内光电效应。一一.外光电效应外光电效应 在光照射下，电子溢出物体表面向外发射的现象称为光在光照射下，电子溢出物体表面向外发射的现象称为光电效应，亦称光电发射效应。它是在电效应，亦称光电发射效应。它是在1
37、8871887年由德国科学家年由德国科学家赫兹发现的。基于这种效应的光电器有光电管，光电培管赫兹发现的。基于这种效应的光电器有光电管，光电培管等。等。每个光子具有的能量为每个光子具有的能量为 Q=hv式中，式中，h=6.626h=6.626*J.S,J.S,为普朗克常数，为普朗克常数，v v为光的频率。物体在光为光的频率。物体在光照射下，电子吸收了入射的光子能量后，一部分由于克服照射下，电子吸收了入射的光子能量后，一部分由于克服物质对电子的束缚，另一部分转化为溢出电子的动能。如物质对电子的束缚，另一部分转化为溢出电子的动能。如果光子的能量果光子的能量Q Q大于电子的溢出功大于电子的溢出功A A
38、，则电子溢出。溢出功，则电子溢出。溢出功A A也成为也成为功函数，是一个电子从金属或半导体表面溢出时克服表面势功函数，是一个电子从金属或半导体表面溢出时克服表面势垒所需做的功，其值于材料有关，还和材料的表面状态有关。垒所需做的功，其值于材料有关，还和材料的表面状态有关。若溢出电子的动能为若溢出电子的动能为,择优能量守恒定律有：择优能量守恒定律有：m m 为电子的静止质量，为电子溢出物体时得出速。上是即为为电子的静止质量，为电子溢出物体时得出速。上是即为爱因斯坦光电效应方程式。可知：爱因斯坦光电效应方程式。可知：1.1.光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表光电效应能否产生，取决于光
39、子的能量是否大于该物质表面的电子溢出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频面的电子溢出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值，成为红限频率（对应的光波长称为临界波长）。光的阀值，成为红限频率（对应的光波长称为临界波长）。光的频率小于红限频率，光子的能量不足以使物体的电子溢出，频率小于红限频率，光子的能量不足以使物体的电子溢出，因而小于红限频率的光，光强再大也不产生光电发射。反之，因而小于红限频率的光，光强再大也不产生光电发射。反之，入射光频率高于红限频率，即使光强微弱也会有电子发射出入射光频率高于红限频率，即使光强微弱也会有电子发射出来。来。Amvhv202/1 2.2.若入射光的光频
40、为若入射光的光频为v,v,光功率为光功率为P,P,则每秒钟到达的光子数为则每秒钟到达的光子数为p/hvp/hv.假设这些光子中只有一部分（假设这些光子中只有一部分（）能激发电子，则入）能激发电子，则入射光在光电面激发的光电流密度为射光在光电面激发的光电流密度为 式中，式中，是量子效率，定义为光强生成的载流子数与入射光是量子效率，定义为光强生成的载流子数与入射光子数之比，它是波长的函数，并与光电面的反射率，吸收稀子数之比，它是波长的函数，并与光电面的反射率，吸收稀疏，发射电子的深度，表面亲和力等因素有关，疏，发射电子的深度，表面亲和力等因素有关，e e为电子电为电子电荷量。荷量。3.3.光电子溢
41、出物体表面具有初始动能。因此光电管即使未加光电子溢出物体表面具有初始动能。因此光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。为使光电流为零，必须加负阳极电压，也会有光电流产生。为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。hvePip 二二.内光电效应内光电效应 内光电效应分为两类，光电导效应和光电伏特效应。内光电效应分为两类，光电导效应和光电伏特效应。1光电导效应光电导效应 入射光强改变物质导电率的物理现象，叫光电导效应。入射光强改变物质导电率的物理现象，叫光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由于，在入射这种效应几
42、乎所有高电阻率半导体都有。这是由于，在入射光作用下，电子吸收光子的能量，从价带激发到导带，过渡光作用下，电子吸收光子的能量，从价带激发到导带，过渡到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，致使导带的电到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，致使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起材料电阻率减小。为使电子子和价带的空穴浓度增大，引起材料电阻率减小。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量从价带激发到导带，入射光子的能量E E应大于禁带宽度应大于禁带宽度E,E,如如图，即光的波长应小于某一临界波长图，即光的波长应小于某一临界波长 。000/123900/AEEhcgg 式中，为电子伏（式中，为电子伏
43、（eVeV）为单位（）为单位（1eV=1.601eV=1.60*10 J10 J）,c,c 为光为光速速(m/s(m/s).).也称为截止波长也称为截止波长.根据半导体材料的禁带宽度可根据半导体材料的禁带宽度可得相应的临界波长得相应的临界波长.本征半导体（纯半导体）的本征半导体（纯半导体）的 大于掺杂大于掺杂质半导体。质半导体。图图3.23.2为光电导元件工作示意图。当光电导元件在一定强度为光电导元件工作示意图。当光电导元件在一定强度的光的连续照射下，元件达到平衡状态时，输出的短路电流的光的连续照射下，元件达到平衡状态时，输出的短路电流密度为：密度为：可以看出，在波长决定之后与可以看出，在波长
44、决定之后与p p成正比，在成正比，在 一定时，与一定时，与光波长光波长 成反比。还可以看出，要增加光电流密度要选择载成反比。还可以看出，要增加光电流密度要选择载流子寿命长、迁移率大的材料而且应该尽量缩短两极间的距流子寿命长、迁移率大的材料而且应该尽量缩短两极间的距离和提高外加电压。随着光能的增强，光生载流子浓度也增离和提高外加电压。随着光能的增强，光生载流子浓度也增大，但同时电子与空穴间的复合速度也加快，因此光能量与大，但同时电子与空穴间的复合速度也加快，因此光能量与光电流之间的关系不是线性的。基于光电导效应的光电器件光电流之间的关系不是线性的。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。有光敏电阻。
45、hcdUePicc202光生伏特效应光生伏特效应 光生伏特效应就是半导体材料吸收光能后，在光生伏特效应就是半导体材料吸收光能后，在 PNPN结上产结上产生电动势的效应。若在生电动势的效应。若在 N N 型硅片掺入型硅片掺入P P 型杂质可行成一型杂质可行成一PNPN结，结，如图如图3 3。3 3所示。所示。为什么为什么PNPN结会产生光生伏特效应呢？这是因为：当光照结会产生光生伏特效应呢？这是因为：当光照射到距表面很近的射到距表面很近的PNPN结上时，如果光足够大，光子能量大于结上时，如果光足够大，光子能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能够从价带跃迁到导带，成半导体材料的禁带宽度，电子就能够
46、从价带跃迁到导带，成为自由电子，而价带则相应成为自由空穴。这些电子为自由电子，而价带则相应成为自由空穴。这些电子空空穴对在穴对在 PNPN结的内部电场作用下，电子被推向结的内部电场作用下，电子被推向N N区外侧，空穴区外侧，空穴被推向被推向P P区外侧，使区外侧，使N N区带上负电，区带上负电，P P区带上正电。这样，区带上正电。这样，N N区区和和P P区之间就出现了电位差，于是区之间就出现了电位差，于是PNPN结两侧便产生了光生电动结两侧便产生了光生电动势，如图势，如图3 3。3 3所示。如果把所示。如果把PNPN结两端用导线连接起来，电路结两端用导线连接起来，电路中便会产生电流。由于光生
47、电子、空穴在扩散过程中会分别中便会产生电流。由于光生电子、空穴在扩散过程中会分别与半导体中的空穴、电子复合，因此载流子的寿命与扩散长与半导体中的空穴、电子复合，因此载流子的寿命与扩散长度有关。只有使度有关。只有使PNPN结距表面的厚度小于扩散长度，才能形成结距表面的厚度小于扩散长度，才能形成光电流产生光生电动势。光电流产生光生电动势。PNPN结用做整流时，其电压结用做整流时，其电压电流特性如图电流特性如图3.43.4中的曲线（中的曲线（1 1）所示。这时外加电压所示。这时外加电压U U（以正方向为正）与电流（以正方向为正）与电流 的关系为：的关系为：当光照射到当光照射到PNPN结上时，由于光生
48、伏特效应产生的短路电流与结上时，由于光生伏特效应产生的短路电流与光电导效应（光电导效应（3.13.1）式相类似，即）式相类似，即这个电流与（这个电流与（3.33.3）式所示电流方向相反，所以流经结点的电）式所示电流方向相反，所以流经结点的电流二者之差，即流二者之差，即由此可见，当有光照射时，电压由此可见，当有光照射时，电压电流特性向下方平行移动，电流特性向下方平行移动，如图（如图（3.43.4）中的曲线（）中的曲线（2 2）所示。当）所示。当I=0I=0时，对时，对U U求解，得开求解，得开路电压为路电压为 dI)1(expkTeUIIsd0)1(expIkTeUIIs)1ln(00sIIek
49、TU如果入射光较弱，如果入射光较弱，则有，则有 可见，当波长一定时可见，当波长一定时 ，光电压与，光电压与P P呈正比，如果呈正比，如果 一定，光一定，光电压与波长呈正比。基于光生伏特效应的光电器件有光电二电压与波长呈正比。基于光生伏特效应的光电器件有光电二极管、光电三极管和光电池等。极管、光电三极管和光电池等。SII 0hcIPkTUS0 利用热效应的光电传感器包含光利用热效应的光电传感器包含光-热、热热、热-电两个阶电两个阶段的信息变换过程。光段的信息变换过程。光-热阶段是物质吸收了光以后温热阶段是物质吸收了光以后温度升高，热电阶段是利用某种效应将热转变为电信号。热度升高，热电阶段是利用某
50、种效应将热转变为电信号。热释电就是这种效应之一。释电就是这种效应之一。热释电材料有晶体、陶瓷和塑料等。使用最早的是热释热释电材料有晶体、陶瓷和塑料等。使用最早的是热释电晶体。热释电晶体能够自发极化，在垂直晶体极轴的两电晶体。热释电晶体能够自发极化，在垂直晶体极轴的两个端面上具有大小相等、符号相反的束缚电荷。当温度变个端面上具有大小相等、符号相反的束缚电荷。当温度变化时，温度的变化与自由电荷的变化成正比。热释电晶体化时，温度的变化与自由电荷的变化成正比。热释电晶体如铌酸锂、钽酸锂等，热释电陶瓷如钛酸钡、锆钛酸铅等、如铌酸锂、钽酸锂等，热释电陶瓷如钛酸钡、锆钛酸铅等、热释电塑料如聚偏二氟乙烯等。通
