常用传感器与敏感元件

第三章常用传感器与敏感元件主要研究内容：1.了解传感器的分类2.常用传感器测量原理3.传感器选用3.1概述1.传感器(Sensor)定义

传感器是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。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的器件或装置。传感器在非电量电测系统中的作用：一是敏感作用：感受并拾取被测对象的信号二是变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号

获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。2.传感器的分类(1)按被测物理量分类:(2)按传感器元件的变换原理分类:位移传感器,流量传感器,温度传感器等.电阻式,电容式,电感式,压电式、光电式等.物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.

例如:水银温度计,压电测力计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.

例如:电容式和电感式传感器.能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.

例如:电阻应变片.能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测.

例如:超声波发生器和接受器.(3)按传感器的能量传递方式分类:3.传感器的性能要求足够的容量匹配性好，转换灵敏度高精度适当，稳定性高反应速度快，工作可靠性高适应性和适用性强3.2机械式传感器（略）如弹簧称，真空表等电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器按工作的原理可分为:热敏式电阻应变式变阻器式光敏式电敏式4.3.1电阻式传感器

电阻应变式传感器--应变片金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。1)工作原理金属应变片的电阻R为(1)

金属应变片（不变）金属应变计(2)半导体应变片（变化）半导体应变计2)金属应变计金属应变计有:丝式和箔式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计3)结构（a）金属丝式（b）金属箔式1－基底；2－敏感栅；3－盖片；4－引线栅长又称格距，一般l＝2～3mm。栅长小的应变片横向效应严重，粘贴和定位较困难，所以常选用栅长大的应变片。栅长小的应变片主要用于应变变化梯度大、频率高、粘贴面受限的场合。a为栅宽，通常10mm。金属丝式:敏感栅常用直径20μm～30μm的康铜或镍铬合金曲折绕成栅状后贴在由浸渍过绝缘材料的纸或合成有机聚合物的基底上。缺点：横向效应比较明显。金属箔式:敏感栅通常是用光刻法在厚度仅为1μm～10μm的金属箔片上刻制而成。如此，不仅可制造出可满足各种不同测试要求的形状复杂的应变片（如图3-5所示），而且刻制出的线条均匀、尺寸精度高，适于大批量制造。弹性元件将被测量转变为应变。3)半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。应变计体型薄膜型扩散型

案例：4)应用案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。德国HBM电阻应变式传感器典型应用拉压力的测量转矩测量流体压力测量加速度测量拉压力测量汽车轴荷仪电子称测挂钩牵引力的拉力传感器转矩测量流体压力的测量还有其他办法吗？温度特性1温度对敏感栅电阻值的影响设测试过程中被测试件的温度变化为，则由此所引起敏感栅电阻值的变化为：

式中：—温度变化引起敏感栅电阻值的变化；

—应变片电阻；

—应变片的电阻温度系数；

—测试过程中被测试件的温度变化值。电阻值的变化折算成相应的应变值为：

式中：—应变片的灵敏度。敏感栅与基底线胀差异引起的附加应变设测试过程中被测试件的温度变化为，则敏感栅与基底线胀差异引起的附加应变为：

式中：—线胀差异引起的附加应变

—分别为敏感栅和基底材料的线胀系数。温度引起的总的应变为：欲消除温度的影响，常用的方法是进行补偿。应变片沾贴确定贴片位置打磨划线表面处理贴片固化引线防护处理3.3.2电容式传感器

1.变换原理:

将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++A

当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。2分类

a)极距变化型;+++c)介质变化型b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.平板平移式圆柱平移式变间距式变介质式差动电容式提高测试系统的灵敏度。消除温升所带来的误差。

(a)外形结构(b)剖面图1－矩形窗口，2－测量装置，3－金属带，4－发射电极，5－接收电极容栅式扩大测量范围（量程）电容式传感器的应用特点体积小、功耗低、精度高、性能稳定及所需要驱动力小。应用广泛用于测量位置、位移、压力、振动、噪声和倾角等。原理:振动时，质量块便上、下振动，两差动联接的电容器C1和C2便向外输出与振动加速度相对应的电容量。传感器采用空气作为阻尼介质（气体粘度的温度系数比液体小得多），因此测试精度较高,通频带宽，可测较高频率的振动加速度。1－下固定极板；2－外壳；3－弹性支承钢片；4－质量块；5－上固定极板；6－绝缘垫；A、B－上、下活动极板电容式加速度传感器电容式加速度传感器原理:随着倾角的改变，电容器两极板被液体介质浸泡的面积随之改变，即介电常数随之发生变化,传感器的输出电容随倾角的变化而变化，如此便实现了倾角的测量。1、3－分别是电容器的两个极板；2－不导电的液体介质1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2.位移，移动，位置，膨胀3.挠度，变形，波动，倾斜4.尺寸，公差，分选，零件识别5.冲击，应变，轴向振动6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心3.3.3电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型1自感型--可变磁阻式a)变间隙型原理:电磁感应b)变面积型c）螺线管型d)差动型2涡流式原理:涡流效应原线圈的等效阻抗Z变化：a)高频反射式：（集肤效应）b)低频透射式：（互感原理）案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测案例：测厚案例：零件计数3变压器式--差动变压器工作原理:互感现象.应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;

压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,

应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：板的厚度测量

~案例：张力测量3.4.1磁电式传感器

1.变换原理:

磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势U为

磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

2分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3动圈式传感器K与结构有关的系数，K<1；N线圈的匝数；B磁场强度；A线圈中导线的截面积4磁阻式传感器5应用a)磁电式车速传感器

式中：m—脉冲个数；

t—时间，；

Z—信号齿盘的齿数。b)测速电机3.4.2压电式传感器

1.变换原理:

压电效应某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。压电效应q=DFF+2、测量电路

a)电压放大器

b)电荷放大器F+3应用b)压力变送器a)加速度计，力传感器

压电式传感器案例：飞机模态分析3.4.3热电式传感器

接触测量热电偶热敏电阻非接触测量红外测温仪热电效应在两种不同的导体材料所组成的闭合回路中，若两接触点的温度T0，T不同，在回路中便会产生电动势，此电动势称为热电动势。中间导体定理若在热电偶中接入第三种导体，只要该导体两端的温度相等，则热电偶产生的热电动势不变，同理，接入第四，第五种导体，只要两端的温度相等，同样不会影响电路中的总电动势中间温度定理在热电偶测量电路中，若测量端温度为T，参考端温度为T0。中间温度为T0’。则：参考电极定理已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为T,T0

时的热电动势分别为、，则在相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势为：用处：为获得不同材料组成热电偶的分度表提供了方便，即只需测量少数几种导体组成热电偶的热电动势与温度的关系，便可获得其它各种不同材料所组成的热电偶分度表。热电偶温度传感器的特点(1)热电偶的大小和形状可按需要进行配置，因此使用方便。(2)热电偶的测温范围为-270℃～1000℃，如此宽的测温范围是许多温度传感器不易做到的。(3)测量数据易于实现远距离传输。应用：汽车零部件进行热处理的温度控制，汽车烤漆房的温度控制，测排气温度等。常用热电偶铂铑——铂连续1300℃,短时：1600℃镍铬——镍硅氧化性气体长时900℃,短时1200℃冷端处理办法冷端恒温法导线补偿法传感器补偿法镍铬——考铜还原性或中性气体长时600℃,短时800℃铂铑30——铂铑6

长时1600℃,短时1800℃热敏电阻式温度传感器原理：利用某些金属氧化物或单晶锗、单晶硅等材料的电阻值随温度的变化而变化的特性工作的PTCNTCCTR电阻值随温度的上升而上升电阻值随温度的上升而下降在某一特定温度，电阻值发生突变R—热敏电阻的电阻值；A、B—与热敏电阻材料和制造工艺有关的常数；

T—被测温度。测发动机温度、进气温度、过热保护等红外测温仪原理：任何物体的温度只要高于绝对零度（即-273.16℃）就处于“热状态”。处于热状态的物质分子和原子不断振动、旋转并发生电子跃迁，从而产生电磁波。这些电磁波的波长处于可见光的红光之外，因此称为“红外光”或称“红外线”。物体红外热辐射的强度和波长分布取决于物体的温度和辐射率。斯蒂芬－玻尔茨曼(Stefan-Boltzmann)定律：物体的温度与红外线辐射功率的关系

W—单位面积的红外热辐射功率

—斯蒂芬－玻尔茨曼常数，＝5.67×10-8；

—比辐射率，黑体的＝1，非黑体的<1；

T—热力学温度，。3.5光电式传感器

外光电效应内光电效应光生伏特效应在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应，又称为光电子发射效应。器件有光电管、光电倍增管等。在光照作用下，物体的导电性能发生变化的现象称为内光电效应，又称为光导效应。器件有：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管在光照作用下，某些特殊物质（如硅、硒、砷化镓、硫化镉等）可产生一定方向的电动势，这种现象称为光生伏特效应。能产生光生伏特效应的材料称为光电池应用

测转速透光式烟度计1－换向阀；2－采样头；3－测量室；4－取样泵；5－光电元件；6－测试管；7－光源

被测物体的红外线辐射经光学系统2聚焦在光栅调制盘上，经光栅盘调制成一定频率的光能入射到红外探测器上，红外探测器将其转换为交变的电信号经放大后送到显示或记录设备。光栅调制器由两块光栅片组成，一块为定片，另一块为动片。动片受光栅调制电路控制，由微电机4驱动，其按一定的频率转动，实现光路的开（光透过）和关（光不透过），从而使入射光被调制成具有一定频率的辐射信号作用于红外探测器上。1－被测物体；2－光学系统；3－红外探测器；4－微电机；5－光栅调制盘；6－放大器；7－显示器光纤传感器FOS(FiberOpticalSensor)是20世纪70年代发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。①电绝缘；②抗电磁干扰高电压大电流，强磁场噪声,强辐射；③非侵入性；

④高灵敏度;⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量3.6光纤传感器各种装饰性光导纤维

发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。上海东方明珠一、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,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、斯乃尔定理（Snell'sLaw）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，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。n1n2θrθi光的折射示意图

可见，入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。n1、n2、θr、θi之间的数学关系为n1sinθi=n2sinθr

当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，如图，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：θi0——临界角θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90º＝1n1n2θrθi

光全反射示意图n1n2θrθi

临界状态示意图

当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图，称为临界状态。这时有

2、光纤结构光纤呈圆柱形，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以及护套组成。

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。

光纤结构光的全反射实验

3、光纤的主要参数（1）传播损耗光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等,它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。（2）光纤模式是光波沿光纤传播的途径和方式。

（3）色散表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映传输带宽，影响通讯信息的容量和质量。①多模色散

②材料色散和波导结构色散

（4）光纤强度

二、光纤传感器结构原理及分类

1、光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。见图(a)。光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。见图(b)。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率；φ——光相位；t——光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。

传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型

2、光纤传感器的分类（1）按光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。

1）功能型（全光纤型）光纤传感器

FF（FunctionFibre

OptilSensor）利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器

2）非功能型（或称传光型）光纤传感器

NFF（Non-FunctionFibre

OptilSensor）光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成,光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤

3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象

（2）根据光受被测对象的调制形式形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。

1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。

2）偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。

3）频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。

4）相位调制传感器其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。

三、光纤传感器的应用

（一）温度的检测光纤温度传感器有功能型和传光型两种。

1、遮光式光纤温度计下图为一种简单利用水银柱升降温度的光纤温度开关。用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。

1234水银柱式光纤温度开关1浸液2自聚焦透镜3光纤4水银下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。

光源接收热双金属式光纤温度开关121遮光板2双金属片

2、透射型半导体光纤温度传感器当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,λg称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即因λ＝c/v，则产生本征吸收条件h——普朗克常数；v——光频率因此，对于波长大于λg的光，能透过半导体，而波长小于λg的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20℃)时,120μm厚的GaAs材料的透射率曲线。

由图看出，GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm左右，半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同而不同，Eg与温度t的关系可表示为式中：Eg（0）——绝对零度时半导体的禁带宽度；

α——经验常数(eV／K)；β——经验常数(K)。8508009009501000010203040t=20℃波长λ/nmGaAs的光谱透射率曲线透射率(%)对于GaAs材料，由实验得到α=5.8×10-4eV/Kβ=300K由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的λg(t)相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1<T2<T3T3T1T2相对发光强度半导体透射测量原理透射率波长（二）压力的检测

种类：强度调制型、相位调制型和偏振调制型三类。

1、采用弹性元件的光纤压力传感器利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。膜片反射式光纤压力传感器示意图光源接收121Y形光纤束2壳片3膜片3P弹性膜片材料是恒弹性金属，如殷钢、铍青铜等。但金属材料的弹性模量有一定的温度系数，因此要考虑温度补偿。若选用石英膜片，则可减小温度的影响。膜片的安装采用周边固定，焊接到外壳上。对于不同的测量范围，可选择不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm～0.2mm之间为宜。对于周边固定的膜片，在小挠度(y＜0.5t，t为膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度y为R—膜片有效半径；t—膜片厚度；

p—外加压力；E－膜片材料的弹性模量；μ—为膜片的泊松比。可见，在一定范围内，膜片中心挠度与所加的压力呈线性关系。若利用Y形光纤束检测位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。

改进型的膜片反射式光纤压力传感器的结构如图(a),这里采用了特殊结构的光纤束，光纤束的一端分成三束,其中一束为输入光纤,两束为输出光纤。三束光纤在另一端结合成一束,并且在端面成同心环排列分布,如图(b)。其中最里面一圈为输出光纤束1,中间一圈为输入光纤束,外面一圈为输出光纤束2。当压差为零时，膜片不变形,反射到两束输出光纤的光强相等,即I1＝I2。当膜片受压变形后,使得处于里面一圈的光纤束,接收到的反射光强减小,而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大,形成差动输出。

4

p>0P=0P<0(a)传感器结构

(b)探头截面结构(c)测量原理PI2I1I02(外圈)1(内圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23(输入)可见，输出光强比I2／Il与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。将上式两边取对数且满足(Ap)2≤1时,等式右边展开后取第一项，得到这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。因此，若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70μm,包层厚度为3.5μm,纤芯和包层折射率分别为1.52和1.62,则该传感器可获得115dB的动态范围,线性度为0.25％。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可获得不同的测量范围。

两束输出光的光强之比为A——与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p——待测量压力。

2、光弹性式光纤压力传感器

晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为光弹性效应。利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。发自LED的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45º的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。

(b)传感器结构12345P(a)检测原理1光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜P67891011偏振光线偏振光椭圆偏振光为了提高传感器的精度和稳定性，下图为另一种检测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个相互垂直方向的偏振分量；并将这两个分量经“差／和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为103Pa～106Pa，精度为±1％，理论上分辨力可达1.4Pa。这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。

输出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驱动123456I1I2PD1PD2光弹性式光纤压力传感器的另一种结构1光纤2起偏器3光弹性元件41/4波长板5偏振分光镜6反射镜p

3.7半导体传感器

3.7.1霍尔式传感器霍尔效应:某些半导体材料，如砷化锢（InAs）、锑化锢（InSb）、砷化镓（GaAs）、锗（Ge）等，若将其置于一磁场中，若在与磁场垂直的方向上加一控制电流，则在与磁场和电流垂直的方向上便会产生霍尔电压，这一现象是一位名叫霍尔的工程师发现的，因此称之为霍尔效应。能产生霍尔效应的半导体器件称为霍尔元件。

——控制电流，；

——带电粒子的电荷＝1.602×10-19；

——磁场强度；

——半导体的厚度；

——电子浓度。应用：它可用来测量速度、转速、位置、位移等多种不同的物理量，还可用来制做各种非接触式行程开关。1－信号转子；2－永磁体；3－霍尔元件3.7.2半导体气体传感器气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。1、半导体气敏元件的特性参数（1）气敏元件电阻值

将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。测定固有电阻值Ｒａ时,要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。（2）气敏元件灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种

（a）电阻比灵敏度K（b）气体分离度RC1—气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值：RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。（c）输出电压比灵敏度KVVa:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出

Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值（4）气敏元件响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。

（3）气敏元件分辨率表示气敏元件对被测气