传感器基础课件

緒

論1.1感測器的地位和作用例1人與機器的機能對應關係定性人通過感官感覺外界對象的刺激，通過大腦對感受的資訊進行判斷、處理，肢體作出相應的反映。定量感測器相當於人的感官，稱“電五官”，外界資訊由它提取，並轉換為系統易於處理的電信號，微機對電信號進行處理，發出控制信號給執行器，執行器對外界對象進行控制。人與機器的機能對應關係圖外界對象感官感測器人腦微機肢體執行器

無論是金屬糧倉還是土倉，為防止黴變，糧食都是分層存放，倉內溫度和濕度不能過高，為此，需在各層安放溫濕度感測器進行檢測。裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖如下。將各層探頭輸出接至溫濕度巡檢儀上，通過巡檢儀監視器監視各點溫濕度情況。通過通風口保持溫濕度在要求範圍內。例2糧倉溫度、濕度檢測裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖通風口探頭通風口通風口例3：開發區海灣公司生產的感溫、感煙火災報警器集控器1中央監控圖1監控系統組成框圖探頭11探頭12探頭1N其監控系統組成框圖如圖2:可在每一房間安放一對感溫、感煙探頭（智能感測器），它們輸出溫度、濃度信號通過串行通訊線送入由微機組成的檢測系統（集控器）；集控器負責信號匯總，匯總各房間的溫度和濃度信號，並監控各房間溫度、煙濃度是否異常，如異常，聲光報警並打開噴淋設備滅火，一層一臺。各層集控器通過CAN匯流排、M-BUS匯流排等現場匯流排將溫度、濃度等信號送入中央監控電腦。值班人員在電腦螢幕上直觀監視各房間情況（溫度、煙霧濃度）。房間、樓道裝配攝像頭，還可通過電視螢幕查看房間、樓道情況。可看出沒有感溫、感煙感測器，就像人缺少感官，系統無法工作。例4：熱軋帶鋼表面溫度的測量用輻射溫度計測量熱軋帶鋼表面溫度的方法巳被廣泛採用。從加熱爐出來的鋼坯最後到卷取機之前的整個軋製線上，如加熱爐出口、粗軋機的入口和出口、精軋機的入口和出口以及在卷取機之前都設有輻射溫度計，用以測量各階段帶鋼的表面溫度。並用此溫度信號來控制軋製速度、軋輥壓下力和冷卻水流量等。

感測器作為整個檢測系統的前哨，它提取資訊的準確與否直接決定著整個檢測系統的精度。一個國家的現代化水準是用其自動化水準來衡量的。而自動化水準是用儀錶及感測器的種類和數量多少來衡量的。資訊化技術包括感測器技術、通訊技術和電腦技術。感測器技術列為資訊技術之首，由此可見一斑。國內高精度、多功能、集成化、智能化感測器急需開發研製。總結1.2感測器的定義與組成一、定義（Sensor）

能夠感受規定的被測量並按一定規律和精度轉換成可用輸出信號的器件或裝置.（GB7665-87）它是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關係的、便於應用的某種物理量的測量裝置。

輸入量是物理量、化學量和生物量。輸出量主要是電量。（電量最便於傳輸、轉換、處理及顯示）輸入輸出的轉換規律（關係）已知，轉換精度要滿足測控系統的應用要求。感測器應用場合（領域）不同，叫法不同。過程控制：變送器。（標準化的感測器）射線檢測：發送器、接收器。探頭。二、組成例如：氣體壓力感測器

由半導體材料製成的物性性感測器基本是敏感元件與轉換元件二合一。直接能將被測量轉換為電量輸出。壓電傳感器、光電池。熱敏電阻等。膜盒差動電感電橋電路氣體壓力感測器組成框圖PSLU0mVTT0BA熱電偶IhfG光電池f+++++–––––Q壓電傳感器RRTR0RU0Ui熱敏電阻感測器1.3感測器的分類與要求分類一.分類1.按輸入量分類常用的有機、光、電和化學等感測器。例如：位移、速度、加速度、力、溫度和流量感測器等2.按輸出量分類參數式：電阻、電感、電容、頻率和離子感測器發電式：壓電式、霍爾式、光電和熱電式感測器3.按輸出信號的性質分類模擬式感測器和數字式感測器。二.一般要求1、穩定性、可靠性一般用平均無故障時間來衡量穩定性、可靠性。在計量、工業生產等領域中穩定性、可靠性至關重要。2、靜態精度測靜態量，感測器精度應滿足系統的精度要求。3、動態性能測動態量，如回應速度、工作頻率、穩定時間等。4、量程測量被測量的範圍。一般量程越大，精度越低。5、抗干擾能力工業現場環境較惡劣，存在溫濕度、電磁等干擾，設計的感測器能克服這些干擾，安全穩定運行。6、體積小、能耗低、成本低結構型感測器向物性型半導體感測器發展。如測人體血壓的電子血壓計。（uWmW級）1.4感測器技術的發展方向1、開發新的敏感、傳感材料在半導體矽材料發現力、熱、光、磁、氣體等物理量都會使其性能改變。製成力敏、熱敏、光敏、磁敏氣敏等敏感元件。基礎研究尋找發現具有新原理、新效應的敏感元件和傳感元件。沒有深入細緻的，就沒有新傳感元件的問世，也就沒有新型感測器，組成不了新型測試系統。2、開發研製新型感測器及組成新型測試系統

(1)MEMS技術要求研製微型感測器。如用於微型偵察機的CCD感測器、用於管道爬壁機器人的力敏、視覺感測器。（2）研製仿生感測器（3）研製海洋探測用感測器（4）研製成分分析用感測器（5）研製微弱信號檢測感測器3、研究新一代的智能化感測器及測試系統

如電子血壓計，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點是感測器與微型電腦有機結合，構成智能感測器。系統功能最大程度地用軟體實現。4、多功能於多參數感測器的研究

如同時檢測壓力、溫度和液位的感測器一逐步走向市場。1.5本課程的任務和目的1、任務：掌握感測器的工作原理、結構、測量電路及典型應用。2、目的：1）合理選擇和使用感測器。2）對感測器技術問題有一定的分析和處理能力。3）知曉感測器的工程設計方法和實驗研究方法。4）瞭解感測器的發展動向。要求1、復習鞏固已學電路、電子等方面的知識。2、多看一些相關參考書及期刊雜誌。參考書：1、檢測與轉換技術常健生吉林工業大學機械工業出版社2、非電量電測技術譚祖根浙江大學3、感測器技術賈伯年東南大學感測器實例溫度感測器壓力感測器

感測器理論基礎1.1感測器基礎

1.1.1感測器的概念

感測器首先是一種測量器件或裝置，它的作用體現在測量上。定義中所謂“可用輸出信號”是指便於傳輸、轉換及處理的信號，主要包括氣、光和電等信號，而“規定的測量量”一般是指非電量信號。感測器的輸入和輸出信號應該具有明確的對應關係，並且應保證一定的精度。1．感測器的組成

1.1.2感測器的組成和分類

感測器組成框圖敏感元件(sensingelement)：直接感受被測量的變化，並輸出與被測量成確定關係的某一物理量的元件，是感測器的核心。

轉換元件(transductionelement)：將敏感元件輸出的物理量轉換成適於傳輸或測量的電信號。

測量電路(measuringcircuit)：將轉換元件輸出的電信號進行進一步的轉換和處理，如放大、濾波、線性化、補償等，以獲得更好的品質特性，便於後續電路實現顯示、記錄、處理及控制等功能。2．感測器的分類

按工作原理分類：可分為電參數式(電阻式、電感式和電容式)感測器、壓電式感測器、光電式感測器、熱電式感測器等。按被測量分類：可分為力、位移、速度、加速度感測器等。按結構分類：可分為結構型、物性型和複合型感測器。按能量轉換關係分類：可分為能量控制型和能量轉換型感測器兩大類。

感測器的基本特性是指系統的輸出輸入關係特性，即系統輸出信號之間的關係。與輸入信號(被測量)1.1.3感測器的基本特性感測器系統1．靜態特性

當感測器的輸入信號是常量，不隨時間變化(或變化極緩慢)時，其輸出輸入關係特性稱為靜態特性。感測器的靜態特性主要由下列幾種性能來描述。1）測量範圍(measuringrange)

感測器所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的範圍稱為感測器的測量範圍。2)量程(span)感測器測量範圍的上限值與下限值的代數差稱為量程。，3)精度(accuracy)感測器的精度是指測量結果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映。

工程技術中為簡化感測器精度的表示方法，引用了精度等級的概念。精度等級以一系列標準百分比數值分檔表示，代表感測器測量的最大允許誤差（相對誤差）。4)線性度(linearity)

所謂感測器的線性度是指其輸出量與輸入量之間的關係曲線偏離理想直線的程度，又稱為非線性誤差。

在不考慮遲滯、蠕變等因素的情況下，其靜態特性可用下列多項式代數方程來表示：其中：—輸出量；

—輸入量；

—零點輸出；

—理論靈敏度；

—非線性項係數

在不考慮零位輸出的情況下，感測器的線性度可分為以下幾種情況：感測器的非線性

採用直線擬合的方法來線性化時，輸入—輸出的校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差，稱為非線性誤差，通常用相對誤差來表示：

——

非線性最大誤差；——

滿量程輸出值。

在非線性誤差不太大的情況下，通常採用直線擬合的方法來線性化。

常用的擬合方法：理論擬合、過零旋轉擬合、端點擬合、端點平移擬合、最小二乘法擬合等。各種直線擬合方法5)靈敏度(sensitivity)

靈敏度是指感測器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比，即感測器的靈敏度6)解析度和閾值(resolutionandthreshold)

解析度當分辨力以滿量程輸出的百分數表示時則稱為解析度。

分辨力感測器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。

閾值是指能使感測器的輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。7)重複性(repeatability)

重複性是指感測器在輸入量按同一方向作全量程連續多次變動時所得特性曲線間不一致的程度。感測器的重複性8)遲滯(hysteresis)

遲滯特性表明感測器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出與輸入曲線不重合的程度。感測器的遲滯特性9)穩定性(stability)

穩定性表示感測器在一個較長的時間內保持其性能參數的能力。穩定性一般以室溫條件下經過一規定時間間隔後，感測器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，稱為穩定性誤差。穩定性誤差可用相對誤差表示，也可用絕對誤差來表示。10)漂移(drift)

感測器的漂移是指在外界的干擾下，在一定時間間隔內，感測器輸出量發生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。感測器的漂移2．動態特性

動態特性是指感測器對於隨時間變化的輸入信號的回應特性，是感測器的重要特性之一。感測器的動態特性與其輸入信號的變化形式密切相關，最常見、最典型的輸入信號是階躍信號和正弦信號。對於階躍輸入信號，感測器的回應稱為階躍回應或瞬態回應，對於正弦輸入信號，則稱為頻率回應或穩態回應。可從時域和頻域兩個方面採用瞬態回應法和頻率回應法來分析動態特性。

動態特性的數學描述：微分方程實際感測器較複雜，動態回應特性一般並不能直接給出其微分方程，可通過實驗給出感測器與階躍回應曲線和幅頻特性曲線上的某些特徵值來表示儀器的動態回應特性。大部分感測器的動態特性可近似用一階或二階系統來描述，其動態分析方法詳見《自控原理》相關內容。

動態特性好的感測器應具有較短的暫態回應時間和較寬的頻率回應特性。1.1.4感測器的命名、代號和圖形符號1.感測器的命名感測器的全稱應由“主題詞+四級修飾語”組成，即主題詞——

感測器。

一級修飾語——

被測量，包括修飾被測量的定語。二級修飾語——

轉換原理，一般可尾碼以“式”字。三級修飾語——

特徵描述，指必須強調的感測器結構、性能、材料特徵、敏感元件及其他必要的性能特徵，一般可尾碼以“型”字。四級修飾語——

主要技術指標(如量程、精度、靈敏度等)。2．感測器的代號一種感測器的代號應包括以下四部分：a——

主稱(感測器)；

b——

被測量；c——

轉換原理；d——

序號。感測器產品代號的編制格式3．感測器的圖形符號

感測器的圖形符號是電氣圖用圖形符號的一個組成部分。按GB/T14479—93《感測器圖用圖形符號》規定，感測器的圖形符號由符號要素正方形和等邊三角形組成正方形——轉換元件三角形——敏感元件感測器的圖形符號

表示轉換原理的限定符號應寫進正方形內，表示被測量的限定符號應寫進三角形內。感測器圖形符號的說明(1)

—

被測量符號；*—

轉換原理當無須強調具體的轉換原理時，感測器的圖形符號可以簡化。感測器圖形符號的說明(2)

對角線—

內在的能量轉換功能；(A)、(B)—

輸入、輸出信號

對於感測器的電氣引線，應根據接線圖設計需要，從正方形的三條邊線垂直引出。感測器圖形符號的說明(3)

對於某些轉換原理難以用圖形符號簡單、形象地表達時，也可用文字符號替代。感測器圖形符號的說明(4)

幾種典型感測器的圖形符號1.1.5感測器的發展趨勢發現利用新現象、新效應開發新材料採用高新技術拓展應用領域提高感測器的性能感測器的微型化與低功耗感測器的集成化與多功能化感測器的智能化與數位化感測器的網路化1.2檢測技術理論基礎1.2.1檢測技術

檢測技術是以研究檢測系統中的資訊提取、資訊轉換以及資訊處理的理論與技術為主要內容的一門應用技術學科。檢測技術主要研究被測量的測量原理、測量方法、檢測系統和數據處理等方面的內容。不同性質的被測量要採用不同的原理去測量，測量同一性質的被測量也可採用不同測量原理。1.2.2測量方法1.測量

測量是檢測技術的重要組成部分，是以確定被測對象量值為目的的一系列操作。

測量是將被測量與同種性質的標準量進行比較，從而確定被測量對標準量的倍數。它可由下式表示：

——

被測量值；——

標準量，即測量單位；——

數值(比值)，含有測量誤差。

式中

2.測量方法1)直接測量、間接測量和組合測量(1)直接測量在使用儀錶進行測量時，對儀錶讀數不需要經過任何運算，就能直接表示測量所需要的結果，稱為直接測量。(2)間接測量有的被測量無法或不便於直接測量，這就要求在使用儀錶進行測量時，首先對與被測物理量有確定函數關係的幾個量進行測量，然後將測量值代入函數關係式，經過計算得到所需的結果，這種方法稱為間接測量。

經過求解聯立方程組，才能得到被測物理量的最後結果，則稱這樣的測量為組合測量。(3)組合測量(又稱聯立測量)2)偏差式測量、零位式測量與微差式測量

用儀錶指針的位移(即偏差)決定被測量的量值。用指零儀錶的零位指示檢測測量系統的平衡狀態，在測量系統平衡時，用已知的標準量決定被測量的量值的測量方法。微差式測量是綜合了偏差式測量與零位式測量的優點而提出的一種測量方法。它將被測量與已知的標準量相比較，取得差值後，再用偏差法測得此差值。3)等精度測量與非等精度測量

在整個測量過程中，若影響和決定測量精度的全部因素(條件)始終保持不變，即在同樣的環境條件下，對同一被測量進行多次重複測量，稱為等精度測量。用不同精度的儀錶或不同的測量方法，或在環境條件相差很大的情況下對同一被測量進行多次重複測量稱為非等精度測量。

被測量在測量過程中認為是固定不變的，這種測量稱為靜態測量。若被測量在測量過程中是隨時間不斷變化的，這種測量稱為動態測量。4)靜態測量與動態測量

在實際測量過程中，一定要從測量任務的具體情況出發，經過認真的分析後，再決定選用哪種測量方法。1.2.3檢測系統1.檢測系統的構成檢測系統的原理結構框圖2.開環檢測系統與閉環檢測系統1)開環檢測系統

開環檢測系統，結構較簡單，但各環節特性的變化都會造成測量誤差。2)閉環檢測系統

當>>1時，則系統的輸入輸出關係為≈經整理得

此系統的輸入輸出關係由回饋環節的特性決定，放大器等環節特性的變化不會造成測量誤差，或造成的誤差很小。1.2.4測量誤差及數據處理1.測量誤差

測量誤差就是測量值與真實值之間的差值，它反映了測量的精度。1)測量誤差的表示方法(1)絕對誤差和相對誤差

絕對誤差表示測量值與被測量真實值(真值)之間的差值，即

對測量值進行修正時，被測量真實值應等於測量值加上修正值，即A=x+c。其中修正值c是與絕對誤差大小相等、符號相反的值。

在實際應用中更多地是用相對誤差來代替絕對誤差表示測量結果，這樣可以更客觀地反映測量的準確性。①

實際相對誤差

②

示值(標稱)相對誤差③引用(滿度)相對誤差它是指測量儀錶中相對儀錶滿量程的一種相對誤差。

儀錶的精度等級是根據引用誤差來確定的。我國電工儀錶的精度等級按的大小分為七級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0。(2)基本誤差和附加誤差

基本誤差是指儀錶在規定的標準條件下所具有的誤差。標準條件一般指檢測系統在標定刻度時所保持的電源電壓(220±5)V、電網頻率(50±2)Hz、環境溫度(20±5)℃、濕度(65%±5%)RH。附加誤差是指當儀錶的使用條件偏離標準條件時出現的誤差。(3)工具誤差和方法誤差

工具誤差是指由於測量工具本身不完善引起的誤差。方法誤差也稱理論誤差，是指測量方法不精確、理論依據不嚴密及對被測量定義不明確等因素所產生的誤差。2)誤差的性質(1)系統誤差(簡稱系差)

在一定的條件下，對同一被測量進行多次重複測量，如果誤差按照一定的規律變化，則把這種誤差稱為系統誤差。

系統誤差決定了測量的準確度。系統誤差是有規律性的，因此可以通過實驗或引入修正值的方法一次修正給以消除。(2)隨機誤差(簡稱隨差，又稱偶然誤差)由大量偶然因素的影響而引起的測量誤差稱為隨機誤差。

對同一被測量進行多次重複測量時，隨機誤差的絕對值和符號將不可預知地隨機變化，但總體上服從一定的統計規律。隨機誤差決定了測量的精密度。隨機誤差不能用簡單的修正值法來修正，只能通過概率和數理統計的方法去估計它出現的可能性。

精密度、準確度和精確度三者的關係

系統誤差越小，測量結果準確度越高；隨機誤差越小，測量結果精密度越高。如果一個測量數據的準確度和精密度都很高，就稱此測量的精確度很高。打靶彈著點分佈圖(3)粗大誤差(簡稱粗差，又稱疏忽誤差)

在一定測量條件下，測量值明顯偏離實際真實值所形成的誤差稱為粗大誤差。含有粗大誤差的測量值稱為壞值。壞值不能反映被測量的真實結果。對於粗大誤差，首先應設法判斷是否存在，如存在，則需將壞值剔除。2.測量數據的估計和處理1)隨機誤差的統計處理

隨機誤差的分佈可以在大量重複測量數據的基礎上總結出來，當測量次數足夠多時，測量過程中產生的誤差服從正態分佈規律。

——

概率密度；σ——

標準誤差(均方根准誤差)；δ——

隨機誤差。

正態分佈規律曲線為一條鐘形的曲線。

隨機誤差分佈規律的特點①

集中性。②有限性。③對稱性。④抵償性。正態分佈曲線

由於隨機誤差的出現是符合正態分佈曲線的，因此它的出現概率就是該曲線下所包圍的面積，該面積是全部隨機誤差出現的概率之和，也就是應該等於1。(2)隨機誤差的評價指標①算術平均值

在實際測量時，真值一般無法得到。可以證明，隨著測量次數的增多，算術平均值越來越接近真值，當無限大時，測量值的算術平均值就是真值。②標準誤差(又稱均方根誤差)

算術平均值是反映隨機誤差的分佈中心，而標準誤差則反映隨機誤差的分佈範圍。標準誤差越大，測量數據的分散範圍也越大，標準誤差可以描述測量數據和測量結果的精度，是評價隨機誤差的重要指標。三種不同的正態分佈曲線

標準誤差的求法（貝賽爾(Bessel)公式）

通常利用殘餘誤差(簡稱殘差又稱剩餘誤差)來求得標準誤差。所謂殘差，是指測量值與該被測量的算術平均值之差，用表示，即貝賽爾(Bessel)公式

殘差有一個重要特性，即

將多次測量的算術平均值作為測量結果時，其精度參數用算術平均值的標準誤差來表示，即

一個被測量的測量結果，一般用下式表示隨機誤差的影響，即式中Z稱為置信係數，一般取1～3。可以證明，這時概率P如下：置信概率與置信區間評定隨機誤差時一般以為極限誤差，如某項測量值的殘差超出則認為此項測量值中含有粗大誤差，數據處理時應舍去。2)系統誤差的檢查及消除(1)實驗對比法

這種方法是通過改變產生系統誤差的條件，進行不同條件的測量，來發現系統誤差的，此種方法適用於發現固定的系統誤差。

(2)殘餘誤差法

這種方法是根據測量值的殘餘誤差的大小和符號的變化規律，直接由誤差數據或誤差曲線來判斷有無系統誤差。(3)理論計算法

馬利科夫準則

馬利科夫準則適用於判別測量數據中是否存在累進性系統誤差。不含累進性系統誤差；如與值相當或更大，則說明測量值中存在累進性系統誤差。近似為零或明顯小於，則說明上述測量值中

阿卑—赫梅特(Abbe—Helmert)準則

阿卑－赫梅特準則適用於判別測量數據中是否存在週期性系統誤差。＞當存在

則認為測量數據中含有週期性系統誤差。3)粗大誤差的判別(1)拉依達準則（準則）

將等於的誤差作為極限誤差，如果一組測量數據中某個測量值的殘餘誤差的絕對值＞，則該測量值為壞值，應剔除。

(2)肖維勒準則

肖維勒準則是以正態分佈為前提的，假設多次重複測量所得的個測量值中，某個測量值的殘餘誤差＞，則剔除此數據。為判別係數。實用中＜3，所以在一定程度上彌補了準則的不足。

(3)格拉布斯(Grubbs)準則

格拉布斯準則也是以正態分佈為前提的，當某個測量值的殘餘誤差的絕對值＞，則可判斷此測量值中含有粗大誤差，應予以剔除。為判別係數，值與重複測量次數和置信概率有關。4)測量數據的處理①利用修正值等方法，對測量值進行修正，減小恒值系統誤差的影響。②將一系列等精度測量讀數(＝1，2，…，)按先後順序列成表格(在測量時應盡可能消除系統誤差)。③計算測量讀數的算術平均值。④在每個測量讀數旁列出相應的殘餘誤差。⑤檢查的條件是否滿足，若不滿足，說明計算有誤，需重新計算。⑥在每項殘餘誤差旁列出，然後由貝賽爾公式求出標準誤差。⑦

依照已知條件和實際要求，可根據拉依達準則檢查是否有＞的測量值；或根據肖維勒準則，檢查是否有＞的測量值；或根據格拉布斯準則，檢查是否有的測量值；如果有，則應認為該測量值為壞值，舍去此值，然後重複完成③～⑦的步驟，直到沒有壞值為止。⑧判斷有無變值系統誤差。⑨計算測量值的算術平均值的標準誤差。⑩根據實際要求，寫出最後測量結果()。5)誤差的合成與分配

在測量中，已知各測量值的誤差(或局部誤差)，求總的誤差，稱為誤差合成(也稱誤差綜合)；反之，確定了總的誤差後，計算各環節(或各部分)具有多大誤差才能保證總的誤差值不超過規定值，稱為誤差的分配。(1)誤差的合成

在實際測量中，當系統誤差遠大於隨機誤差的影響時，基本上可按系統誤差的合成來處理，當系統誤差較小或已修正時，則可按隨機誤差合成來處理。一般情況下系統誤差和隨機誤差的影響差不多，二者均不可忽略，此時，誤差的合成可根據具體情況，分別按不同的方法處理。(2)誤差的分配

如果說由各測量值的誤差合成總誤差是誤差傳播的正向過程，那麼給定總誤差後，如何將這個總誤差分配給各環節，就可以說是誤差傳播的反向過程。

常見的誤差分配原則

①等精度分配。

②等作用分配。

③按主要誤差進行分配。

被測量↕→電阻↕

輸出

電阻式感測器的種類繁多，應用廣泛，主要應用於測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等檢測系統。目前已成為生產過程檢測以及實現生產自動化不可缺少的手段之一。測量電路

電阻式感測器2.1電位器式電阻感測器

特點：結構簡單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號大、性能穩定並容易實現任意函數；但要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。

分類：根據輸入—輸出特性的不同，分為線性電位器和非線性電位器兩種；根據結構形式的不同，分為繞線式、薄膜式、光電式等。

是一種把機械的線位移或角位移輸入量轉換為與它成一定函數關係的電阻或電壓輸出的傳感元件。2.1.1工作原理

當被測量發生變化時，通過電刷觸點在電阻元件上產生移動，該觸點與電阻元件間的電阻值就會發生變化，即可實現位移(被測量)與電阻之間的線性轉換。1)線性電位器

角位移式電位器感測器原理圖

線性直線位移式電位器工作原理示意圖2)非線性電位器

輸入量位移和輸出電壓之間呈現某種函數規律的非線性變化，可以實現任意函數，常用的非線性電位器有變骨架式、變節距式、分路電阻式和電位給定式等四種。變骨架式非線性電位器

電阻靈敏度為電壓靈敏度為2.基本特性1)階梯特性

當電刷在多匝導線上移動時，電位器的阻值和輸出電壓不是連續變化，而是階躍式地變化。電刷每移動過一匝線圈，電阻就突然增加一匝阻值，輸出電壓就產生一次階躍。

線性電位器的階梯特性曲線圖

當電刷從m-1匝移至m匝時，電刷瞬間使相鄰兩匝線圈短接，於是電位器的總匝數從n匝減少到n-1匝，則：

在理想情況下，特性曲線各個階梯的大小完全相同，則穿過每個階梯中點的直線即是理論直線，階梯曲線圍繞它上下波動從而產生一定的偏差，這種偏差就是階梯誤差。理想階梯特性曲線圖

電位器的階梯誤差通常用理想階梯特性曲線對理論直線最大偏差值與最大輸出電壓值之比的百分數表示，即

階梯誤差2)負載特性帶負載的電位器電路

電位器的負載電阻為，則此電位器的輸出電壓為：設電阻的相對變化負載係數則電位器相對輸出電壓為

可見，當m≠0，即RL

不是無窮大時，Y

與r

為非線性關係。

電位器的負載特性曲線

負載特性曲線（m≠0）均為下垂曲線，說明負載輸出電壓比空載輸出電壓低，這種偏差即為負載誤差。

電位器負載特性曲線負載誤差對於線性電位器有線性電位器負載誤差曲線

故

可見，無論為何值，電刷在起始位置和最大位置時，負載誤差都為零，當電刷處於行程中心位置時，負載誤差最大。

2.1.2結構與材料1.繞線式電位器常用的繞線式電位器通常由電阻絲、電刷及骨架構成。1)電阻絲

要求：電阻係數高，電阻溫度係數小，強度高，延展性好，對銅的熱電勢盡可能小，耐磨耐腐蝕，焊接性好。常用材料：銅鎳合金類、銅錳合金類、鉑銥合金類、鎳鉻絲、卡瑪絲及銀鈀絲等。

材料：要與電阻絲材料配合選擇，通常是使電刷材料的硬度與電阻絲材料的硬度相近或稍高些，而且要保證電刷觸點具有良好的抗氧化能力、接觸電勢要小。常用的電刷觸頭材料有銀、鉑銥、鉑銠等金屬。2)電刷

結構：由具有彈性的金屬薄片或金屬絲製成，末端彎曲形成弧形。3)骨架

材料：形狀穩定，電氣絕緣好，有足夠的強度和剛度，散熱性好，耐潮濕，易加工。2.非線繞式電位器

1)薄膜電位器碳膜電位器：在絕緣骨架表面上噴塗一層均勻的電阻液，經烘乾聚合後而製成電阻。

優點：解析度高、耐磨性較好、工藝簡單、成

本較

低、線性度較好。缺點：接觸電阻大、雜訊大。

金屬膜電位器：在玻璃或膠木基體上，用高溫蒸鍍或電鍍方法，塗覆一層金屬膜而製成。

優點：溫度係數小，可在高溫環境下工作。缺點：耐磨性差、功率小、阻值不高(1kΩ～2kΩ)。

這種電位器由塑膠粉及導電材料粉(合金、石墨、炭黑等)壓制而成，它又稱為實心電位器。

優點：耐磨性較好、壽命較長、電刷允許的接觸壓力

較大，適用於振動、衝擊等惡劣條件下工作，且阻值範圍大，能承受較大的功率。

缺點：溫度影響較大、接觸電阻大、精度不高。

2)導電塑膠電位器3)光電電位器光電電位器原理圖

優點：耐磨性好，精度、解析度高，壽命長(可達億萬次迴圈)、可靠性好，阻值範圍寬(500～15M)等。缺點：輸出電流較小，需配備高輸入阻抗放大器工作，工作溫度的範圍比較窄，線性度不高。此外，光電電位器需要照明光源和光學系統，其結構較複雜，體積和重量較大。

2.2應變式電阻感測器2.2.1應變效應和工作原理

應變效應：導體或半導體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時，將產生機械變形，機械變形會導致其電阻值變化。金屬絲伸長後幾何尺寸變化設電阻絲在外力F的作用下被拉伸(或壓縮)，則：用相對變化表示對於半徑為的電阻絲，截面面積則：令電阻絲的軸向(縱向)應變為徑向(橫向)應變為則由材料力學泊松定律可知：經整理得如用增量表示，有：進一步整理得設則：

為電阻絲的靈敏係數，它受兩個因素的影響：一是它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對某種材料來說，它是常數；另一個是，它是由電阻絲電阻率的改變而引起的，對於金屬材料，其值也是常數，但往往比小很多，可以忽略，故對於金屬材料，靈敏係數將保持不變，即值是恒定的。因此：≈結論2.2.2電阻應變片的種類、材料及粘貼1.電阻應變片的種類、結構與材料

種類金屬電阻應變片：絲式、箔式和薄膜式。半導體應變片2)結構絲式：

電阻絲式應變片的基本結構

箔式

敏感柵是由很薄的金屬箔片用光刻、腐蝕等技術製作。與絲式應變片相比，金屬箔式應變片具有散熱性能好，允許電流大，靈敏度高，壽命長，可製成任意形狀，易加工，生產效率高等優點，因此應用範圍日益擴大，已逐漸取代絲式應變片而占主要的地位。

箔式應變片的基本結構

對金屬電阻應變片敏感柵材料的基本要求是：①靈敏係數

值大，並且在較大應變範圍內保持常數。②電阻溫度係數小。③電阻率大。④機械強度高，且易於拉絲或輾薄。⑤與銅絲的焊接性好，與其他金屬的接觸熱電勢小。

薄膜應變片

採用真空蒸發或真空沉積的方法，將金屬敏感材料直接鍍制於彈性基片上。相對於金屬粘貼式應變片而言，薄膜應變片的應變傳遞性能得到了極大的改善，幾乎無蠕變，並且具有應變靈敏係數高，穩定性好、可靠性高、工作溫度範圍寬(-100℃～180℃)、使用壽命長、成本低等優點，是一種很有發展前途的新型應變片。3)材料金屬電阻應變片常用的敏感柵材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金、鉑、鉑鎢合金等。

2.電阻應變片的粘貼

電阻應變片應用時用粘合劑粘貼到試件表面上，粘合劑的性能及粘結工藝的品質直接影響著應變片的工作特性，因此必須合理選擇粘合劑，遵循正確的粘結工藝，保證粘貼品質，這與電阻應變片的測量精度有著極其重要的關係。

此外粘貼時還要考慮到應變片的工作條件，如溫度、相對濕度、穩定性要求、粘貼時間長短的要求以及貼片固化時加熱加壓的可能性等。

2.2.3電阻應變片的主要特性1.靈敏係數

靈敏係數表示安裝在被測試件上的應變在其軸向受到單向應力時，引起的電阻相對變化與其單向應力引起的試件表面軸向應變之比。應變片的靈敏係數值的準確性直接關係到應變測量的精度，其誤差大小是衡量應變片品質優劣的重要標誌。一般要求值儘量大而穩定。需要指出，應變片的靈敏係數並不等於其敏感柵整長電阻絲的靈敏係數，一般情況下，＜

將直的電阻絲繞成敏感柵後，雖然長度不變，應變狀態相同，但在的圓弧處，除受縱向的拉應變外，由泊松關係，還存在橫向的負應變（），造成電阻的減小，因而其靈敏係數較整長電阻絲的靈敏係數小，這種現象稱為應變片的橫向效應。2.橫向效應應變片軸向受力及橫向效應3.機械滯後、零漂和蠕變

機械滯後應變片安裝在試件上以後，在加載和卸載過程中，對同一機械應變量，兩過程的特性曲線並不重合，卸載時的指示應變高於加載時的指示應變，這種現象稱為應變片的機械滯後。產生機械滯後的主要原因是敏感柵、基底和粘合劑在承受機械應變之後留下的殘餘變形所致。機械滯後

已粘貼在試件上的應變片，在溫度保持恒定，試件上沒有機械應變的情況下，應變片的指示會隨著時間增長而逐漸變化，這就是應變片的零點漂移，簡稱零漂。

零漂

已粘貼的應變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機械應變長時間作用下，應變片的指示會隨時間的變化而變化，這種現象稱為蠕變。一般來說，蠕變的方向與原來應變量變化的方向相反。應變片工作時，零漂和蠕變是同時存在的。

蠕變4.溫度效應

當環境溫度變化時，會引起電阻的相對變化，產生虛假應變，這種現象稱為溫度效應。影響：

a.感柵材料的電阻溫度係數

b.敏感材料和試件材料的膨脹係數不同

因此，由於環境溫度變化形成總的電阻相對變化為：相應地如消除此項誤差，要採取溫度補償措施。5.應變極限、疲勞壽命

應變片的應變極限是指在一定溫度下，應變片的指示應變與試件的真實應變的相對誤差達到規定值(一般為10%)時的真實應變值。對於已安裝的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續工作而不產生疲勞損壞的迴圈次數N稱為應變片的疲勞壽命。應變極限

6.絕緣電阻和最大工作電流

應變片的絕緣電阻是指已粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值。通常要求在50MΩ

～100MΩ以上。絕緣電阻下降將使測量系統的靈敏度降低，使應變片的指示應變產生誤差。對於已安裝的應變片，最大工作電流是指允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。工作電流的選取要根據試件的導熱性能及敏感柵形狀和尺寸來決定。7.應變片的電阻值

指應變片在未經安裝也不受外力的情況下，於室溫測得的電阻值。目前常用的電阻系列有：60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等，其中以120Ω最常用。

即利用自身具有溫度補償作用的應變片進行補償。

1)選擇式自補償法(又稱單絲自補償法)只需：

這種的自補償應變片容易加工，成本低，缺點是只適用特定材料，溫度補償範圍也較窄。2.2.4電阻應變片的溫度誤差及補償1.自補償法敏感柵由兩種不同溫度係數的電阻絲組成（1）二者具有不同符號的電阻溫度係數即：組合式自補償法之一可通過調節兩種電阻絲的長度來控制應變片的溫度補償。2)組合式自補償(又稱雙絲自補償法)組合式自動補償法之二（2）二者具有相同符號的電阻溫度係數滿足條件求得：

可使兩橋臂由於溫度引起的電阻變化相等或接近，實現溫度自補償。2.線路補償法常用電橋補償法電橋補償法R1——工作應變片，安裝在被測試件上；RB——補償應變片，安裝在補償塊上，與被測試件溫度相同，但不承受應變。

R1、RB

接入電橋相鄰兩臂，因，故輸出電壓Uo不受溫度變化影響。

①R1和RB兩個應變片應具有相同的電阻溫度係數α、線膨脹係數β、應變靈敏度係數K和初始電阻值Ro。

②粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹係數相同。

③兩應變片應處於同一溫度場。

應當指出，若要實現完全補償，必須滿足以下三個條件：

在應變測試的某些條件下，可通過改變應變片的粘貼位置，實現溫度補償，同時還可提高應變片的靈敏係數。差動電橋補償法

測量時可將RＢ貼在被測試件的下麵，接入電橋電路中。由於在外力F的作用下,RB與R1的變化值大小相等符號相反,電橋的輸出電壓增加一倍。此時RB既起到了溫度補償作用，又提高了靈敏度，同時可補償非線性誤差。當，或時，電橋平衡

1.直流電橋

1)

直流電橋平衡條件當RL→∞時，電橋輸出電壓為

欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等，或相對兩臂電阻的乘積應相等。2.2.5測量電路2)電壓靈敏度

應變片工作時，其電阻值變化很小，電橋相應輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進行放大。由於放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時仍視電橋為開路情況。當受應變時，若應變片電阻變化為ΔR，其他橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡。輸出電壓為：

設橋臂比n=R2/R1，由於ΔR1<<R1，並考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，則上式可寫為：電橋電壓靈敏度定義為：

由分析可知：

①電橋電壓靈敏度正比於電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應變片允許功耗的限制，所以要作適當選擇。

②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數，恰當地選擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。由dKU/dn=0，求KU的最大值，得

求得n=1時，KU為最大值。即當R1=R2=R3=R4時，電橋電壓靈敏度最高，此時有：

從上述可知，當電源電壓U和電阻相對變化量ΔR1/R1一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關。當U值確定後，n取何值時才能使KU最高：

3)非線性誤差及其補償方法

可見與ΔR1/R1的關係是非線性的，如果是四等臂電橋，R1=R2=R3=R4，即n=1，則非線性誤差為

為了減小和克服非線性誤差，常採用差動電橋：如圖若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得

電路優點：

Uo與ΔR1/R1成線性關係，差動電橋無非線性誤差；電壓靈敏度KU=U/2，是單臂工作時的兩倍；具有溫度補償作用該電橋輸出電壓為

若將電橋四臂接入四片應變片，即兩個受拉應變，兩個受壓應變，將兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路。

電路優點：

Uo與ΔR1/R1成線性關係，差動電橋無非線性誤差；電壓靈敏度KU=U/4，是單臂工作時的四倍；具有溫度補償作用若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則：

當負載為有限值時：電橋內阻輸出電流2.交流電橋由於供橋電源為交流電源，引線分佈電容使得二橋臂應變片呈現複阻抗特性：由交流電路分析可得：要滿足電橋平衡條件，即Uo=0，則有：Z1Z4=Z2Z3

將Z1、Z2、Z3、Z4運算式代入，可得：整理得：

其實部、虛部應分別相等，並整理可得交流電橋的平衡條件為：及常見交流電橋平衡調節電路2.3壓阻式感測器

20世紀50年代中期出現，由半導體應變片製成，其靈敏係數比金屬電阻式感測器高幾十倍，而且具有體積小、解析度高、工作頻帶寬、機械遲滯小、感測器與測量電路可實現一體化等優點，在實際中應用廣泛。2.3.1工作原理

基於半導體材料的壓阻效應原理：當對半導體材料施加應力作用時，半導體材料的電阻率將隨著應力的變化而發生變化，進而反映到電阻值也發生變化。

其中由材料幾何尺寸變化而引起電阻的變化很小，可忽略不計，而一項很大，也就是說，半導體材料電阻的變化主要由半導體材料電阻率的變化所造成的，即：對半導體應變片：≈又彈性模量故：

可見，當半導體應變片受到外界應力的作用時，其電阻(率)的變化與受到應力的大小成正比，這就是壓阻感測器的工作原理。2.3.2影響壓阻係數的因素1.應力的作用方向半導體的晶向

由於半導體材料的各向異性，在實際應用中，隨著外界應力施加方向的不同其壓阻係數也是不同的。通常根據外界應力相對晶軸的方向，分為縱向應力

和橫向應力

，當半導體同時受到兩向應力作用時，有：

2.擴散雜質的表面濃度

可見壓阻係數隨擴散雜質濃度的增加而減小，表面雜質濃度相同時，P型矽的壓阻係數值比N型矽的(絕對)值高。壓阻係數與表面雜質的濃度的關係

3.環境溫度壓阻係數與溫度的關係2.3.3壓阻式感測器的材料

一般半導體應變片是沿所需的晶向將矽單晶體切成條形薄片，在矽條兩端先真空鍍膜蒸發一層黃金，再用細金絲分別與兩電極焊接。

常用於製作半導體應變片的半導體材料主要有：矽、鍺、銻化銦、砷化鎵等。

由半導體材料製成的壓阻式感測器的靈敏係數比金屬電阻應變片要大幾十倍，其應變係數的符號隨單晶材料的導電類型而異，一般P型為正，N型為負，而金屬絲應變片的靈敏係數均為正值。此外，半導體材料(如單晶矽)是各向異性材料，它的壓阻係數與晶向有關。壓阻式感測器的主要不足：一是溫度穩定性差(電阻值隨溫度變化)；二是靈敏度的非線性較大，可造成測量體具有±3%～5%的誤差，因此在使用時需採用溫度補償和非線性補償等措施。

特性總結2.4電阻式感測器的應用

電阻式感測器應用範圍很廣，主要用於檢測力、壓力、扭矩、位移、加速度等參數。1.電位器式壓力感測器

電位器式壓力感測器是利用彈性元件(如彈簧管、膜片或膜盒)把被測的壓力信號變換為彈性元件的位移，然後再將此位移轉換為電刷觸點的移動，從而引起輸出電壓或電流相應的變化。YCD—150型遠程壓力感測器原理圖

膜盒電位器式壓力感測器原理圖2.壓阻式壓力感測器固態壓力感測器結構圖矽杯上法線[110]晶向的膜片3.應變式測力感測器1)柱(筒)式力感測器

柱式感測器分為柱形和圓筒形兩種，應變片一般對稱地貼在應力均勻的圓柱表面的中間部分，可對稱地粘貼多片，構成差動式，提高了靈敏度，橫向粘貼的應變片同時作為溫度補償。

在F作用下軸向應變為：E為楊氏模量（N/m2）

柱式力感測器的截面積隨載荷改變可導致非線性，需對此進行補償。筒式結構可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來，改善了應力線分佈，同時在筒壁上還能開孔，可減少偏心載荷、非均布載荷的影響，從而使引起的誤差更小。

特點：2)懸臂梁式感測器

懸臂梁式感測器是一種高精度、抗偏、抗側性能優越的稱重測力感測器。採用彈性梁及電阻應變片作敏感轉換元件，組成全橋電路。當垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時，電阻應變片隨金屬彈性梁一起變形，其應變使電阻應變片的阻值變化，因而應變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號。配以相應的應變儀，數字電壓表或其他二次儀錶，即可顯示或記錄重量(或力)。

(a)等截面梁(b)等強度梁(c)雙孔梁(d)S型彈性元件懸臂梁感測器

在距固定端較近的表面順著梁的長度方向分別貼上R1、R2和R3、R4四個電阻應變片。若R1、R4受拉力,則R2、R3將受到壓力，兩者應變相等，但極性相反。將它們組成差動全橋，則電橋的靈敏度為單臂工作時的4倍。

等截面梁就是懸臂梁的橫截面處處相等的梁，當外力P作用在梁的自由端時，在固定端產生的應變最大，粘結應變計處的應變為：

等強度梁是一種特殊形式的懸臂梁。其特點是：沿梁長度方向的截面按一定規律變化，當集中力P作用在自由端時，距作用點任何距離截面上的應力相等。這種梁的優點是在長度方向上粘貼應變片的要求不嚴格。

在自由端有力P作用時，在梁表面整個長度方向上產生大小相等的應變。應變大小可由下式計算：

懸臂梁式感測器一般可測0.5kg以下的載荷，最小可測幾十克重。也可達到很大的量程，如鋼制工字懸臂梁結構感測器量程為0.2～30t，精度可達0.02%FS。懸臂梁式感測器具有結構簡單、應變片容易粘貼，靈敏度高等特點。4.應變式壓力感測器

該類感測器的彈性敏感元件為一周邊固定的圓形金屬平膜片，當膜片一面受壓力P作用時，膜片的另一面上的徑向應變和切向應變為：

應變式壓力感測器5.應變式加速度感測器

加速度是運動參數，在測量時首先要經過品質彈簧的慣性系統將加速度轉換為力F，再作用於彈性元件上。光電式感測器

將光量轉換為電量的器件稱為光電感測器或光電元件。光電式感測器的工作原理是：首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然後通過光電轉換元件變換成電信號。光電感測器的工作基礎是光電效應。2.1光電效應概述

光電效應按其作用原理可分為外光電效應和內光電效應。一.外光電效應在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面，向外發射的現象稱為外光電效應。基於外光電效應的光電器件由光電管、光電倍增管等。我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能力由下式確定。若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時，電子就逸出物體表面，產生電子發射。故要使一個電子逸出，則光子能量hν必須超出逸出功A0，超過部分的能量，表現為逸出電子的動能。即二.內光電效應

受光照的物體導電率發生變化，或產生光生電動勢的效應叫內光電效應。內光電效應又可分為以下兩大類。1）光電導效應。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電阻率變化，這種效應稱為光電導效應。基於這種效應的器件有光敏電阻等。2）光生伏特效應。在光線作用下能夠使物體產生一定方向電動勢的現象叫光生伏特效應。基於該效應的器件有光電池和光敏電晶體等。一.普通光電管在一個真空泡內裝有兩個電極：光電陰極和光電陽極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內壁上做成，其感光面對准光的照射孔。當光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內形成空間電子流，在外電路就產生電流。2.2光電管二.光電倍增管1.結構與原理由於真空光電管的靈敏度較低，因此人們便研製了光電倍增管，其工作原理如圖。2.主要參數1）倍增係數M

電流放大倍數M與所加電壓有關，一般在105－108之間。一般陽極和陰極的電壓為1000V－2500V，兩個相鄰的倍增電極的電壓差為50V－100V。2）陰極靈敏度和總靈敏度

一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數焦作光電陰極的靈敏度。而一個光子在陽極上產生的平均電子數焦灼光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的放大倍數或總靈敏度如圖所示。

光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實質就是電源,電路中有了這種器件就不需要外加電源。

一.結構與工作原理

光電池的工作原理是基於“光生伏特效應”。它實質上是一個大面積的PN結,當光照射到PN結的一個面,例如p型面時,若光子能量大於半導體材料的禁帶寬度,那麼p型區每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴,電子空穴對從表面向內迅速擴散,在結電場的作用下,最後建立一個與光照強度有關的電動勢。2.3光電池二.光電池的基本特性1.光譜特性

硒光電池和矽光電池的光譜特性如左圖不同的光電池，光譜峰值的位置不同。例如，矽光電池在8000A附近，硒光電池在5400A附近。2.光照特性

光照度定義為電位面積上所接收的光的輻射能通量。單位勒克斯。Lx(W/m2)

反映短路電流、開路電壓與光照度的關係。短路電流在很大範圍內與光照強度成線性關係,光電池工作於短路電流狀態，可做檢測元件。開路電壓（負載電阻RL無限大時）與光照度的關係是非線性的,並且當照度在2000lx時就趨於飽和了。光電池工作於開路電壓狀態，可做開關元件。3.溫度特性

溫度特性主要描述開路電壓與短路電流隨溫度變化的情況。如圖所示.

把光電池作為測量器件應用時,應保證溫度恒定或採取溫度補償措施。JMJ112V2A51KL39K470uf～三.光電池的應用1.自動幹手器手放入幹手器時，手遮住燈泡發出的光，光電池不受光照，電晶體基極正偏而導通，繼電器吸合。風機和電熱絲通電，熱風吹出烘手。手幹抽出後，燈泡發出光直接照射到光電池上，產生光生電動勢，使三極管基射極反偏而截止，繼電器釋放，從而切斷風機和電熱絲的電源。2.路燈控制器2.4光敏電阻為了防止周圍介質的影響,在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長範圍內透射率最大。1.光敏電阻的結構它是塗於玻璃底板上的一薄層半導體物質,半導體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻就通過引出線端接入電路。2.光敏電阻的工作原理

光敏電阻又稱光導管,它幾乎都是用半導體材料製成的光電器件。光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無光照時,光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長範圍的光照時,它的阻值（亮電阻）急劇減少,電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級,亮電阻在幾千歐以下。3．光敏電阻的主要參數１）暗電阻光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流。２）亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻,此時流過的電流稱為亮電流。３）光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。

4．光敏電阻的基本特性

1）伏安特性：在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關係①一定光照，R一定，I正比於U。②一定電壓，I隨著光照E增強而增大。

E↑→R↓→I↑。2)光照特性（I～E）

光敏電阻的光照特性為非線性，不宜作檢測元件，主要用於自動控制中。3）光譜特性（Kr%）光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關係稱為光譜特性。亦稱為光譜回應。①不同材料，其峰值波長不同。②同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同，回應電流不同。應根據光源的性質，選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相對靈敏度。4）溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜回應。

硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線,它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對於可見光的光敏電阻,其溫度影響要小一些。5.光敏電阻的應用1.光照度計農作物日照時數測定。輸出接單片機的I/O口，每2分鐘對此口查詢1次，為高電平，計數一次，為低電平，不計數。1天查詢720次。無光照V0=VL。有光照V0=VH。2.環境照度監視器3.帶材跑偏檢測儀2.5光敏二極體與三極管一.光敏二極體1.工作原理與結構光敏二極體的結構與普通二極體一樣，都有一個PN結，兩根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向導電性。不同之處在於光敏二極體的PN結狀在管殼的頂部，可直接受到光的照射，其結構和電路如圖所示。沒有光照射時，處於反向偏置的光敏二極體，工作於截止狀態,這時只有少數載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。這時反向電阻很大。當光照射在PN結上時,光子打在PN結附近,PN結附近產生光生電子和光生空穴對。從而使P區和N區的少數載流子濃度大大增加，因此在反向外加電壓和內電場的作用下,P區的少數載流子渡越阻擋層進入N區，N區的少數載流子渡越阻擋層進入P區，從而使通過PN結的反向電流大為增加，形成光電流。這時二極體處於導通狀態。光的照度越大,光電流越大。2.光敏二極體的基本特性1）光譜特性在入射度一定時，輸出的光電流（或相對靈敏度）隨光波波長的變化而變化。一種光敏二極體只對一定波長的入射光敏感，這就是它的光譜特性。如圖所示。2）伏安特性3）光照特性4）溫度特性溫度變化對光敏二極體輸出電流影響較小,但對暗電流的影響卻十分顯著.3.光敏二極體的應用1）光電路燈控制電路2）光強測量電路二.光敏三級管光電三極管比具有相同有效面積的光電二極體的光電流大幾十至幾百倍，但相應速度較二極體差。1.工作原理與結構基極開路，集電極與發射極之間加正電壓。當光照射在集電結上時,在結附近產生電子-空穴對,電子在結電場的作用下，由P區向N區運動，形成基極電流，放大β倍形成集電極電流（光電流）,所以光電三極管有放大作用。2.光敏三極管的基本特性1）光譜特性與伏安特性光譜特性與二極體相同，伏安特性如圖。2）溫度特性與光照特性

溫度特性與光敏二極體相同，光照特性如圖3.光敏三極管的應用1.脈衝編碼器2.轉速感測器2.6光電耦合器件一．光電耦合器

光電耦合器的發光和接收元件都封裝在一個外殼內,一般有金屬封裝和塑膠封裝兩種。發光元件為發光二極體，受光元件為光敏三極管或光敏可控矽。它以光為媒介，實現輸入電信號耦合到輸出端。

特點：①強弱電隔離。輸入輸出極之間絕緣電阻很高。耐壓達2000V以上。能避免輸出端對輸入端地線等的干擾。②對系統內部雜訊有很強的抑制作用。發光二極體為電流驅動元件，動態電阻很小，對系統內部的雜訊有旁路作用。（濾除雜訊）

光電耦合器的組合形式應用於自動控制電路中的強弱電隔離。二.光電開關

光電開關在製造業自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。可實現限位控制、產品計數,料位檢測，越限安全報警及電腦輸入介面等用途。1.光電開關結構透射式和反射式的光電開關。

利用輸出電平的狀態判斷有無被測物。2.基本電路（透射式）如圖（a)(c)無被測物，輸出高電平；有被測物，輸出低電平。(b)無被測物，輸出低電平；有被測物，輸出高電平。2.7色敏光電感測器1.結構與基本原理

色敏光電感測器相當於兩支結構不同的光電二極體的組合，故又稱光電雙結二極體2.基本特性1）光譜特性2）短路電流比－波長特性

短路電流比－波長特性是表徵半導體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。3.色敏光電感測器的應用色彩信號處理電路2.8紅外光感測器紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由於是位於可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長範圍大致在0.76-1000μm,紅外線在電磁波譜中的位置如下圖。二.紅外光感測器的工作原理與結構

紅外光感測器按工作原理可分為光量子型和熱電型兩大類。光量子型可直接把紅外光轉換成電能。如，紅外光敏電阻和紅外PN結型光生伏特器件，用於遙感成像方面。熱電型吸收紅外光後變為熱能，使材料的溫度升高，電學性能發生變化，人們利用這個現象製成了測量光輻射的器件。如紅外熱釋電傳感器。1.熱釋電效應

對於某些材料(如鋯鈦酸鉛系陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘肽等)，具有自發極化的特徵。自發極化與溫度有很大關系。若溫度因吸收紅外光而升高，則極化強度減少，使單位面積上極化電荷減少，釋放一定量的吸附電荷；若與一個電阻連成回路，會形成電流，如圖所示。由實驗證實，電阻上壓降的變化為由於dT/dt與紅外線強度的變化成正比，結合上式，可得出輸出電壓正比與紅外線強度的變化。2.單元件熱釋電傳感器的結構和等效電路3.雙元件（雙元型）紅外感測器

此感測器專門用來檢測人體輻射的紅外線能量。市場上常見有國產的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美國的P2288等。

SD02由敏感單元、場效應管、高阻抗變換管、濾光窗等組成，並在氦氣環境下封裝而成。三.紅外光感測器的應用1.無線報警系統2.衛生間節水控制器3.紅外測溫儀4.紅外氣體分析儀2.9固態CCD圖像感測器

固態圖像感測器按其結構可分為三類：電荷耦合器件（簡稱CCD）、MOS圖像感測器（簡稱SSPA）和電荷注入器件（簡稱CID）。目前，前兩種用得較多。廣泛用於圖像傳輸與識別。例如，攝像機、數碼照相機、掃描器、影印機和機器人的眼睛等。在本節中僅說明CCD圖像感測器的工作原理與特性一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱CCD），它將光敏二極體陣列和讀出移位寄存器集成為一體，構成具有自掃描功能的圖