第4章 信号检测传感器

第4章信号检测传感器第2

页传感器概述电阻应变片式传感器电感式传感器

电容式传感器热电偶传感器热电阻传感器光电式传感器内容提纲

红外线传感器光纤传感器压电式传感器霍尔传感器其他传感器传感器智能化与发展厚德弘毅博学笃行第3

页第一部分传感器概述厚德弘毅博学笃行第4

页传感器是一种将物理、化学、生物等非电量信息通过一定的规则转化成处理器更容易处理的电量信号的器件。通常情况下，传感器基本结构一般由敏感元件和变换元件两个基本环节组成，如图所示：厚德弘毅博学笃行第5

页传感器的性能要求主要体现在以下三个方面：（1）能够测出反映设备状态特征量的信号，具有良好的静态特性和动态特性。（2）对被测设备无影响或影响很微弱，即吸收待测设备的能量极小，并且传感器的输出和后级处理单元能够很好地实现匹配。（3）工作稳定、可靠性好、寿命长。传感器性能要求厚德弘毅博学笃行第6

页传感器的应用传感技术在各个领域都得到了广泛的应用，例如：（1）自动门检测装置（2）烟雾报警器（3）数码相机和照相机，利用光学传感器来捕获图像。（4）电子称，利用应变片的变化，达到测量重量的目的。此外，现代化起居室中的温度、湿度、亮度、防火防盗等，以及工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等的测试与控制，以至各种复杂的工程系统，几乎都离不开各式各样的传感器。厚德弘毅博学笃行第7

页第二部分电阻应变片传感器

电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。

当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。4.2.1电阻应变片式传感器原理及特性当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为化简后得到：金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数K称为金属丝的应变灵敏系数。物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。由两部分组成：（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（压阻效应）。电阻应变片式传感器的分类（1）丝绕式丝绕式电阻片是通过将电阻丝盘绕在电阻片上而制成的，其封装大多采用纸底或纸盖形状，价格低廉，适于实验室使用，但测量精度较差，横向效应系数比较大。（2）短接式短接式电阻片的制作则相对比较容易，即采用一排拉直的电阻丝，并在预定的标距上用较粗的导线相间地造成短路，其封装可采用纸底，也可用胶底形状，其几何形状稳定，且横向效应系数趋于零。（3）箔式箔式电阻片是首先通过在合金箔（康铜箔或镍铬箔）的一面涂胶形成胶底，然后在箔面上采用照相腐蚀成形而制成的，其几何形状和尺寸都非常精密、粘贴牢固、散热性能好、横向效应系数也较低。（1）灵敏系数金属应变片的主要特性在很宽范围内是线性的（2）横向效应短接式：（3）机械效应产生原因：

①应变片在承受机械应变后，其内部会产生参与变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化。

②制造或粘贴应变片时，敏感栅收到不适当的变形或者粘贴剂固化不充分。（4）零点漂移产生原因：

①敏感栅通电后的温度变化；

②应变片的内应力逐渐变化；

③粘贴剂固化不充分（5）应变极限10%εlimμε应变计的线性特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持，在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。（6）动态响应电阻应变片式传感器的测量及应用厚德弘毅博学笃行第19

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电阻应变片式传感器除了可以用于测量应力和应变之外，还可用于测量如压力、转矩、位移、振动、加速度等，其比较典型的应用有以下三种：1）应变测试仪应变测试仪的种类有很多，根据其应变变化频率又可以分为静态应变仪、静动态应变仪、动态应变仪及超动态应变仪等。电阻应变仪结构框图厚德弘毅博学笃行第20

页2）薄壁圆环式力传感器3）应变式加速度传感器如图所示为应变式加速度传感器的结构图。它通常由惯性质量1、弹性元件2、壳体及基座3、应变片4等组成。它适用于低频振动（10～60Hz）的加速度测量，不适于频率较高的振动和冲击加速度的测量。应变式加速度传感器结构图第三部分电感式传感器厚德弘毅博学笃行厚德弘毅博学笃行第22

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电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，从而实现非电量到电量的转换过程。其具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等优点，目前在冶金、化工、煤炭等行业应用非常广泛。本章节主要以自感式传感器、差动变压器式传感器和涡流式传感器的原理特性和测量应用为例来对电感式传感器作进一步说明。厚德弘毅博学笃行第23

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自感式传感器是电感式传感器的一种，又可以分为简单自感和差动自感传感器。自感式传感器变气隙型变截面型螺管型简单自感传感器结构示意图厚德弘毅博学笃行第24

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简单自感传感器虽然结构简单，制作方便，但也存在有初始电感、线圈流向负载的电流不为零、衔铁时刻都受吸力影响、线圈电阻受温度影响、灵敏度低等缺点，因此，在实际中应用的相对较少，一般都将上述三种自感传感器构成差动结构来进行测量应用。自感式传感器厚德弘毅博学笃行第25

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差动变压器式传感器的工作原理也是将被测量的变化转换成线圈互感量的变化。由于传感器本身是互感系数可变的变压器，故又称互感式传感器，由于其二次线圈又接成差动形式，所以也称为差动变压器式传感器。差动变压器式传感器与电感式传感器结构类似，具有许多共同的特点，其应用主要有：①差压计②差动变压器式加速度传感器③差动变压器式角位移传感器差动变压器式传感器厚德弘毅博学笃行第26

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涡流式传感器的工作原理是金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如下图所示，涡流式传感器由一个通电线圈和一块金属板组成，其中线圈的主要电气参数有电感、电阻、阻抗及品质系数等。涡流式传感器结构图厚德弘毅博学笃行第27

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如下图所示为涡流式传感器实物图，其特点是结构简单、易于进行非接触测量，灵敏度较高，实用性强，在测量位移、厚度、振幅、转速、温度、应力等方面得到了广泛应用，其中，利用位移作为变换量做成的振幅和转速的测量是涡流式传感器简单而常见的应用。涡流式传感器第四部分电容式传感器厚德弘毅博学笃行厚德弘毅博学笃行第29

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电容测量技术近几年有了很大进展，不仅广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，还逐步扩大应用，向测量于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量发展。电容式传感器具有一系列突出优点，如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。随着电子技术迅速发展，特别是集成电路的出现，这些优点得到进一步的体现，分布电容、非线性等缺点不断得到克服，使得电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛应用。厚德弘毅博学笃行第30

页根据物理学基本理论可知：物体间的电容量与构成电容元件的两个极板的形状、大小、相互位置以及极板间的介电常数有关，即：式中，为电容；为极板间距离；为极板间相互覆盖的面积；为极板间介质的相对介电常数电容式传感器厚德弘毅博学笃行第31

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如图所示为平板电容器结构原理图，电容式传感器结构方案基本分为平行板式和圆柱同轴式两类，平行板式较为常用。

在影响电容量的三个参数中保持任意两个参数不变，另一个参数随被测量的变化而变化，可将电容式传感器分为变介电常数式电容传感器、变气隙式电容传感器和变面积式电容传感器三种类型。平板电容器结构原理图厚德弘毅博学笃行第32

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变气隙式电容传感器可以用来测量微小的线位移（≤0.01μm），根据下式可知：电容量与极板间的气隙成反比，具有较大的非线性，在实际工作中，动极板通常只能在极板间气隙的较小范围内工作。变气隙式电容传感器

实际应用中，为改善非线性、提高灵敏度和减少外界因素影响，通常将电容式传感器做成差分形式。厚德弘毅博学笃行第33

页如下图所示为平行极板变面积式电容传感器示意图，不考虑其边缘效应，电容特性方程表达式为：

变面积式电容传感器具有线性特性，灵敏度为一常数，增大或减小时，增大。极板宽度不影响，但影响边缘效应。变面积式电容传感器厚德弘毅博学笃行第34

页变介电常数式电容传感器该类传感器多用来测量电介质的厚度、位移、液位等，在一些高分子陶瓷材料中，介电常数与环境温度、绝对湿度等有确定的函数关系，利用其特性可制成温度传感器或湿度传感器。厚德弘毅博学笃行第35

页电容式传感器将被测量转换成电路参数，为使信号能传输、放大、运算、处理等，还需将电路参数转换成电压、电流、频率等电量参数，目前，此类电路主要有：1）调频电路2）差动脉冲调宽电路3）运算放大器电路随着新工艺、新材料的问世，特别是电子技术的发展，电容式传感器得到越来越广泛的应用，如直线位移、角位移、振动振幅等，下面简单介绍了电容式加速度和应变计传感器的应用。如图所示为电容式加速度传感器在不同加速度状态下的示意图，该传感器可用于测量振动的物体绝对加速度，由惯性质量块、弹簧片、固定极板1和固定极板2构成，惯性质量块作为可动极板，与固定极板1和固定极板2分别构成变间距式电容器和，且为差动形式。厚德弘毅博学笃行第36

页在左图初始状态下，惯性质量块所受惯性力为零，惯性质量块与固定极板1和固定极板2的间距相等。在右图中，传感器所测的垂直方向的加速度时，惯性质量块在惯性力和弹簧片的作用下发生位移并达到新的平衡状态，其位移与加速度成正比，此时电容和均变化，且一个增大，一个减小。厚德弘毅博学笃行第37

页如图所示为电容式应变计结构示意图，主要由两个镍合金或不锈钢材料制作的拱弧片和两个方形极板组成。拱弧片具有不同曲率，极板分别固定在拱弧片的中心位置，且保持平行关系，构成变间距式电容变换器。将拱弧片的固定点分别固定在被测物体表面。当被测物体发生形变时，固定点间距的变化引起拱弧片曲率变化，使得两个极板的间距发生变化，改变电容值，电容式应变计一般可用于高温环境下物体应力分析实验。厚德弘毅博学笃行第38

页第五部分热电偶传感器厚德弘毅博学笃行厚德弘毅博学笃行第40

页热电偶是一种感温元件可直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶的基本工作原理是导体或半导体的热电效应。利用热电偶作为敏感元件进行温度测量是应用非常广泛的方法。其主要优点包括结构简单、准确度高、测量范围宽、敏感度优良、使用方便等。厚德弘毅博学笃行第41

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如图所示为热电偶工作原理图，它把两个接点分别置于温度为及（设）的热源中，并接成闭合回路，在回路中将产生一个电动势，称为热电动势，或称塞贝克电动势，这种现象称为热电效应或赛贝克效应。图中的两种导体叫热电极，一个接点称为工作端或热端，另一个接点称为自由端或冷端，由这两种导体组成并将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，其热电动势大小与两种导体的材料及接点的温度有关。

热电偶传原理及特性厚德弘毅博学笃行第42

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根据热电偶组成结构的不同，一般可以将传感器分为普通热电偶传感器、铠装热电偶传感器和薄膜热电偶传感器三种形式。（1）普通热电偶传感器如图所示为普通热电偶传感器实物图，一般由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分组成。为了保护热电极不受机械损伤和被测介质的化学腐蚀，将它装入一个保护套管中，构成带套管的插入式结构。热电偶传原理及特性厚德弘毅博学笃行第43

页（2）铠装热电偶传感器铠装热电偶传感器主要由金属保护管、绝缘材料和热电极等部分组成，其套管直径为0.25～12mm，可以弯曲或做得很长。热电极和金属套管之间采用Al2O3或MgO等氧化物粉末形成绝缘层，与普通热电偶相比，具有体积小、性能稳定、热容量小、寿命长、结构牢固可靠、抗辐射、抗震、响应快等优点，广泛应用于航空、原子能、电力、冶金、机械、化工等行业，如图所示为铠装热电偶传感器测量端结构图。

铠装热电偶传感器测量端结构图厚德弘毅博学笃行第44

页（3）薄膜热电偶传感器薄膜热电偶是将两种金属薄膜连接在一起形成的特殊结构的热电偶。其热电极的制作方法包括真空蒸镀、化学涂层和电泳等，测量端小而薄，厚度可达到0.01～0.1µm，热容量很小，响应速度快，时间常数可达µs级，适用于测量微小面积上的瞬变温度。其基本结构有片状热电偶、针状热电偶和热电极直接蒸镀在被测表面的热电偶等。

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如图所示为几种常见的热电偶测温电路结构框图，用热电偶测温时，与其配用的仪表有动圈式仪表、电子电位差计、直流电位差计、示波器及数字式测温仪表等，把热电偶与相应的仪表连接，可构成不同的测温电路。热电偶传感器测量及应用

(a)直接配用显示仪表

(b)补偿器加显示仪表

(c)远程变送器加显示仪表

(d)本地变送器加显示仪表厚德弘毅博学笃行第46

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在图（a）中，热电偶与冷端延长线直接配用，将冷端移至显示仪表位置，远离测量现场，使冷端温度保持恒定，并由显示仪表直接显示测量结果。在图（b）和图（c）中，热电偶通过冷端延长线分别与补偿器和温度变送器连接，经过冷端补偿或信号变送，由显示仪表显示测量结果。在图（d）中，通过本地温度变送器将测量结果信号转换后送至显示仪表进行显示。厚德弘毅博学笃行第47

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热电偶传感器是最常用的非线性测温元件，与数字仪表配合测温时，必须对其进行线性化处理。在实际应用过程中，为便于温度测量，必须保证其冷端温度恒定，才能确保输出热电势为被测温度的单一函数。热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表都以冷端温度为零为标准。在工程测量中，冷端温度一般为室温或某个波动的温区，要得到实际被测温度值，必须进行冷端温度补偿或修正。常用的冷端温度补偿方法有0℃恒温法、热电势计算修正法、温度修正法、热电偶补偿法、电桥补偿法、冷端延长线法、仪表机械零点调整法等。厚德弘毅博学笃行第48

页（1）0℃恒温法将热电偶冷端置于冰水混合物或0℃恒温容器中，从而保证冷端温度恒为0℃，使热电偶输出的热电势与分度表的分度值一致。这种方法精度较高，适用于实验室或精密测量中。（2）热电势计算修正法在实际使用中很难保持冷端温度为0℃不变，更多地是使其温度为某一恒定温度，为此可根据中间温度定律，采用热电势计算修正法进行冷端温度补偿。此补偿方法比较精确，但需要多次查表，使用不便。

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页（3）温度修正法设热电偶测温仪表的指示值为，热电偶冷端温度为，则被测温度的真实值为：

其中，为修正系数，后一项表示的平均热电势率，前一项表示的平均热电势率，k值可查表获得。第六部分热电阻传感器厚德弘毅博学笃行厚德弘毅博学笃行第51

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热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在工业上广泛应用的是热电阻温度计，其特点是：精度高、适用于低温测量，也适用于对温度检测精度要求比较高的场合。热电阻传感器的基本工作原理是物质的热电阻效应。大多数金属的电阻随温度的升高而增加，原因是：温度增加时，自由电子的动能增加，改变了自由电子的运动方式，形成定向运动所需要的能量增加，反映在电阻上，阻值就会增加。热电阻传感器主要有以下优点：测量精度高、测量范围大、适用于远距离测量等。热电阻传感器厚德弘毅博学笃行第52

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目前，构成热电阻传感器的热电阻材料应用最广泛的是铂和铜，并且已做成标准测温热电阻。热电阻传感器一般可以分为金属热电阻（铂热电阻、铜热电阻等）传感器和半导体热敏电阻（正、负温度系数热敏电阻）传感器。（1）铂热电阻铂材料的优点为：物理、化学性能极为稳定，尤其是耐氧化能力很强，在很宽的温度范围内（1200℃以下）均可保持上述特性，易提纯，复制性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔，电阻率较高。缺点为：电阻温度系数较小，在还原介质中工作时易被沾污变脆，而且价格较高。热电阻传感器分类厚德弘毅博学笃行第53

页（2）铜热电阻铜丝在-50~150℃范围内性能稳定，电阻与温度的关系接近线性。目前工业上使用的标准铜热电阻有分度号为，和三种。其阻值分别为53Ω、50Ω、100Ω，灵敏电阻比铂电阻高，为(4.25-4.28)×10-3(1/℃2)。在工业生产使用中易得到高纯度材料，价格低廉，但易被氧化，一般只用于150℃以下无水分和无侵蚀性的低温环境。（3）其它电阻金属铁和镍的电阻温度系数较铂和铜高，电阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的电阻温度计，其缺点是易氧化，不易提纯，且电阻值与温度的关系为非线性，仅用于测量-50~100℃范围内的温度，目前应用较少；由于铂、铜电阻不适于做超低温测量，近年来一些新颖的热电阻相继被采用：热电阻传感器分类厚德弘毅博学笃行第54

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如铟电阻适宜在-269~-258℃范围内使用，测量精度高，灵敏度高，是铂电阻的10倍，但重现性差；锰电阻适宜在-271~-210℃范围内使用，灵敏度高，但脆性高易损坏；碳电阻适宜在-273~-268.5℃范围内使用，热容量小、灵敏度高、价格低廉、操作简便，但是热稳定性较差。厚德弘毅博学笃行第55

页在实际温度测量场合，如工业现场中，测量点（现场）与仪表（机房）之间的距离往往较远。左图所示的测量方式中，热电阻到电桥之间连接导线的电阻较大，且受到现场温度影响，往往不断发生变化。这部分电阻与热电阻叠加串联到测量电桥的桥臂中，产生较大的测量误差。

热电阻传感器测量及应用厚德弘毅博学笃行第56

页通常采用三线连接法和四线连接法消除由导线电阻及其变化引起的测量误差，如左图和右图所示分别为三线和四线连接测量电桥电路图。热电阻传感器测量及应用三根导线的电阻中有两个分别接入电桥的两个桥臂，只要两条导线的长度及电阻温度系数相等，其电阻变化不影响电桥状态，另一根导线的电阻接入检流计或电源回路中，其电阻变化即不影响电桥的平衡状态，也消除了由于长导线电阻随温度变化所产生的温度误差。四线连接调零电位器中间触点的接触电阻与检流计串联，其不稳定性不会影响电桥的平衡和工作状态，进一步提高了测量电桥的稳定性。厚德弘毅博学笃行第57

页热电阻传感器具有电阻温度系数大、热容量小、易加工、价格便宜等特点，应用主要体现在以下四个方面：1）温度检测及指示2）温度补偿3）过热保护4）液面温度的测量热电阻传感器测量及应用厚德弘毅博学笃行第58

页第七部分光电式传感器厚德弘毅博学笃行第59

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光电式传感器的工作原理是利用光电元件的光电效应将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的变化。它一般由光源、光学元件和光电元件三部分构成，具有结构紧凑、抗干扰性强、非接触、高精度等优点，既可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测量、气体成分分析等，也可用于检测能间接转化成光量变化的其它非电量如直径、表面粗糙度、应变位移、振动、速度、加速度以及物体形状、工作状态的识别等，应用范围十分广泛。

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光电效应是指当光照射在物体上，物体受到一连串具有能量光子的轰击，于是物体中的电子吸收了光子的能量而产生光电效应，光电效应可分为外光电效应和内光电效应。1）外光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象，这种现象称为外光电效应。把向外发射的光子作为光电子，基于光电发射效应的光电元件有光电管和光电倍增管。2）内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化或产生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应可分为光电导效应和光伏特效应两类。光电式传感器原理厚德弘毅博学笃行第61

页1）光电特性及光照特性当电压一定时，将光电流与入射光通量之间的关系称为光电元件的光电特性，将光电流与光电元件上照度间的关系称为光电元件的光照特性。2）光谱特性光电元件的光谱特性指的是光电流与入射光波长之间的关系。它主要取决于光电阴极的材料属性，不同的阴极材料属性对同一种波长的光有不同的灵敏度，同理，同一种阴极材料对不同入射光波长的灵敏度也不同。3）伏安特性伏安特性是指在入射光的频谱及光通量一定时，光电流与光电元件两端电压之间的关系，根据伏安特性曲线，就可以确定光电元件的最大功率点。4）频率特性光电元件的频率特性是指电压和光强度相同条件下，光电流与入射光正弦调制频率之间的关系，通过它可以确定光电元件有效的频率范围。光电式传感器特性厚德弘毅博学笃行第62

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根据构成光电式传感器光电元件的材料和结构的不同，可以将光电元件分为光电管、光电倍增管、光电池、光敏二极管、光敏晶体管、光控晶体闸流管以及光耦合器等。光电式传感器分类厚德弘毅博学笃行第63

页光电式传感器按其接收状态可分为模拟和脉冲式光电传感器两大类，其中应用较为广泛的主要有以下四种：（1）光电照度计光电照度计采用硅电池作为变换器，用电流计显示光电流的大小来确定其被测光的照度，而光电放大检流计也是利用这个原理制成的，其灵敏度高达10-12A。（2）光电转速计光电转速计是利用光敏二极管或光敏三极管作为光电变换器，通过在转动轴的端面粘贴反光标记，由光源发射的光线经光学系统照射在该端面上时将在反光标记处形成反射，光电元件通过对反射光进行检测，随着转动轴的转动，其输出信号为电脉冲，经整形和计数，最终换算出轴的转速。光电式传感器的应用厚德弘毅博学笃行第64

页（3）光电拨码盘如图所示为光电拨码盘原理图，它是由光学玻璃材料制成的，并在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光电元件接收，光电元件的排列与码道一一对应，且光电元件在亮区和暗区的输出信号分别为“1”和“0”，当码盘旋转在不同位置时，光电元件输出信号的组合反映出一定规律的数字量，即代表了码盘轴的角位移。通常也将光电码盘应用于轴的转速测量和角位移测量。光电拨码盘的原理图厚德弘毅博学笃行第65

页（4）高温计如图所示为利用光电元件进行辐射高温测量原理框图，它由光电元件、放大器以及检流计等构成，其光电元件在光学高温计、光亮度高温计、光电比色高温计中也有着广泛的应用。辐射高温测量的原理图厚德弘毅博学笃行第66

页第八部分红外线传感器第67

页一般地，红外线所占电磁波波长范围为0.76～1000µm，当它在大气中传播时，大气会有选择地吸收红外辐射而使之衰减，仅有三个较小的波段（1～2.5µm，3～5µm，8～14µm），也将它们称为红外线的大气透射窗口且能穿透大气。红外线传感器的工作原理就是通过接收这些波段的红外辐射，并将它们转换为相应的电信号，从而测得物体的温度。它是一种非接触式的温度测量，具有测温速度快、范围广、灵敏度高、对被测温度场无干扰等优点，因此广泛应用于测量各种物体的温度，包括液面和微小的、运动的、远距离的目标。厚德弘毅博学笃行第68

页红外线传感器原理及特性

根据物理学可知，物体时刻在向周围辐射能量的同时也在吸收周围物体辐射的能量，希尔霍夫定律认为处于同一温度下的各种物体的辐射本领正比于它的吸收本领。红外线传感器是一种利用红外性质来进行测量的传感器，又称红外光，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能对外辐射出红外线，且红外线传感器测量时与被测物体之间为非接触，因而具有灵敏度高，反应快的特点。厚德弘毅博学笃行第69

页红外线传感器分类

红外线传感器的结构一般包含有光学系统、检测元件和转换电路等。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类；检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件；其中，热敏元件应用最多的是热敏电阻，它受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。若按机理又可以将其分为红外和光子探测器两类。厚德弘毅博学笃行第70

页（1）红外热探测器如图所示为红外热探测器的结构和测量电路图，热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化或气体体积与压强变化等，通过测量这些量的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。红外热探测器的结构和测量电路（2）光子探测器如图所示为光子探测器结构示意图，光子探测器吸收光子后，自身表面电子状态将发生改变，根据光电效应的原理即可测定被吸收的光子数。光子探测器的结构示意图厚德弘毅博学笃行第72

页红外线传感器的应用红外线传感器常用于非接触式温度的测量，且在医学、军事、空间技术和环境工程等领域都得到了广泛的应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等；利用红外传感器制成的望远镜还常用于军事行动中。此外，利用红外测温原理制成的红外测温仪和热释电红外传感器的应用也比较普遍。厚德弘毅博学笃行第73

页第九部分光纤传感器厚德弘毅博学笃行第74

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光纤传感器的研究时间较早，起源于光纤通信技术领域，至今已日趋成熟，这一新技术的应用也非常广泛。光纤传感器不仅灵敏度较高，几何形状也具有多方面的适应性，因此，可以制造出传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件，并且它还可用于高压、电器噪声、高温、腐蚀或其他的恶劣环境。目前研制的多种不同的光纤传感器主要集中在磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光、电流和应变等物理量的测量上，随着全光通信网络和光纤传感技术的发展光纤传感器将会发挥越来越重要的作用。厚德弘毅博学笃行第75

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光纤传感器的原理及特性光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号源，通过光纤送入光探测器，解调后，获得被测参数。光纤是一种参数周期变化的光波导，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式中去改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入射基模既可以被耦合成向前传输模式，也可以被耦合成向后传输模式，这要依赖于光栅以及不同传播常数决定的相位条件，即：厚德弘毅博学笃行第76

页式中，

为光栅周期；

、

分别为模式1和模式2的传播常数。在这种情况下得到的光纤周期较小，一般小于1微米，把这种短周期光栅称为Bragg光栅，其基本特性表现为一个反射式的光学滤波器，反射峰值波长称为Bragg波长，记为

。式中，

为光纤的有效折射率。

如图所示为光纤基本结构示意图，光纤的基本结构是两层圆柱状媒质，内层为纤芯，外层为包层；纤芯的折射率比包层的折射率稍大。当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播，实际的光纤在包层外面还有一层涂覆层，其用途是保护光纤免受环境污染和机械损伤。

光纤基本结构示意图厚德弘毅博学笃行第77

页光纤传感器的分类（1）按测量原理划分根据其测量原理的不同主要分为以下三种：1）物性型光纤传感器

如图所示为物性型光纤传感器工作原理框图，它是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。物性型光纤传感器工作原理框图厚德弘毅博学笃行第78

页2）结构型光纤传感器

如图所示为结构型光纤传感器工作原理框图，它是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。结构型光纤传感器工作原理框图厚德弘毅博学笃行第79

页3）拾光型光纤传感器

如图所示为拾光型光纤传感器工作原理框图，它用光纤作为探头，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。拾光型光纤传感器工作原理框图厚德弘毅博学笃行第80

页（2）按工作原理划分

按工作原理可以将光纤传感器分为以下两类：1）非功能型光纤传感器

利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制，它的优点是无需特殊光纤及其它特殊技术；比较容易实现，成本低；缺点是灵敏度较低。2）功能型光纤传感器

利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤，它的优点是结构紧凑，灵敏度高；缺点是需用特殊光纤，成本高。厚德弘毅博学笃行第81

页

光纤传感器的应用

当温度、应力等环境条件变化时，可引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些变化产生的温度、应力等物理量的大小，根据这些原理研制的主要光纤传感器有：光纤温度传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器、光纤压力传感器、光纤化学传感器等，以下以应用较多的光纤温度和应变传感器为例进行具体说明。（1）光纤温度传感器

传统的温度测量技术在各个领域的应用已很成熟，如热电偶、热敏电阻、光学高温计、半导体以及其他类型的温度传感器，它们的敏感特性都是以电信号为工作基础的，即温度信号被电信号调制；而在特殊工作情况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、具有腐蚀性气体、厚德弘毅博学笃行第82

页液体，以及要求快速响应、非接触等场合，光纤温度测量技术具有独到的优越性，它具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射、便于实现遥测等优点。光纤温度传感器结构原理图厚德弘毅博学笃行第83

页

如上图所示为光纤温度传感器结构原理图，它是一个实用化的设计方案，采用了两个光源，一个是铝镓砷发光二极管，波长为

=0.88µm；另一个是铟镓砷磷发光二极管，波长

=1.27µm。敏感头对

光的吸收随温度而变化，对

光不吸收，故取

光作为参考信号，用雪崩光电二极管作为光探测器。经采样放大器后，得到两个正比于脉冲宽度的直流信号，再由除法器以参考光信号

为标准将与温度相关的光信号

归一化。于是，除法器的输出只与温度T有关。采用单片机进行信息处理即可显示温度。这种传感器的测量范围是-10～300℃，精度可达±1℃。厚德弘毅博学笃行第84

页（2）光纤应变传感器

光纤应变传感器是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输信号，它的优点是电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、高灵敏度、容易实现对被测信号的远距离监控、耐腐蚀，防爆、光路有可挠曲性，便于与计算机联接、结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。应变直接影响波长的漂移，在工作环境较好或是待测结构要求精小传感器的情况下，人们将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面或者是埋设在结构的内部，由于光纤光栅比较脆弱，容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用，其常见封装形式主要有：基片式封装、嵌入式封装、金属管式封装等。厚德弘毅博学笃行第85

页

在传感器设计中，弹性元件材料的优劣是影响传感器性能好坏的一个重要因素。由于不同材料的物理性质和化学性质不同，因此，需要针对具体应用场合选择合适的材料。常用的弹性元件材料主要有铝合金，铜合金，钛合金等几类，例如50CrMnA铬锰弹簧钢、30CrMnSiA、铍青铜等。

其中30CrMnSiA具有加工变形小、强度高、抗疲劳、加工性好等优点，是理想的弹性元件材料，其力学性能参数如表所示。30CrMnSiA力学特性参数厚德弘毅博学笃行第86

页

如图所示为光纤应变传感器实体结构，它主要由光纤光栅应变片、弹性基体组成，采用工字型封装。在弹性基体的两端均具有金具安装孔，方便现场传感器的安装，在基体的中心位置开有细槽，光纤光栅平行粘附在细槽中。当基体发生弹性形变时，光纤光栅随之形变。经研究表明，采用30CrMnSiA作为弹性基体时，其波长和应变的相关系数可达到90%以上。因此，采用30CrMnSiA封装光纤光栅应变片具有良好的应变传感性能。光纤应变传感器实体结构

此外，光纤传感器在军事、航空、医学、环境监测、土木工程、电子系统等很多领域都有广泛的应用，尤其适用于高压、远距离、强电磁场等特殊环境。厚德弘毅博学笃行第87

页第十部分压电传感器厚德弘毅博学笃行第88

页

压电式传感器的基本原理是基于某些晶体材料的压电效应。常用的压电材料有石英(SiO2)、人工合成的多晶陶瓷（如钛酸钡、锆钛酸铅）等。压电式传感器由于具有体积小、重量轻、工作频带宽等优点，在声学、动态力、机械冲击、振动测量中得到了广泛的应用。例如，压电式加速度传感器应用在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中，特别是在航空和宇航领域中具有不可替代的作用。厚德弘毅博学笃行第89

页压电式传感器的原理及特性

压电式传感器是一种自发电式和机电转换式传感器，它的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器与测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。（1）压电效应

压电式传感器工作的理论基础就是压电效应，压电效应可以分为正压电效应和逆压电效应两种。

正压电效应，即某些晶体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，或者说晶体内部的应力或应变引起晶体内部产生电场。当外力消失后，它又会恢复到不带电的状态，内部电场消失，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。厚德弘毅博学笃行第90

页

逆压电效应，即当在晶体的极化方向上施加电场，这些晶体也会发生变形，即在一定的晶轴方向产生机械变形或机械应力，电场去掉后，晶体的应力或变形随之消失。

压电式传感器大多都是利用正压电效应制成的，用逆压电效应制成的变送器可用于电声和超声的测量。（2）压电材料特性

最常用的压电材料就是石英晶体，下面就以石英晶体为例说明压电材料的特性。如图4-67所示为石英晶体的晶轴及其切片结构示意图，它的理想外形是正六面体，其特性与晶轴方向有关，因此定义三条晶轴，即垂直于石英晶体的棱柱并平分两棱边的夹角的轴为

轴，由于在垂直于

轴的晶面产生电荷，所以

轴又称为电轴；垂直于六边形的棱边的轴称为

轴，在电场作用下，

轴方向的机械变形最明显，所以

轴又称为机械轴。垂直于

、

轴的纵轴为

轴，

轴没有压电效应，所以

轴又称为中性轴或光轴。厚德弘毅博学笃行第91

页(a)晶轴(b)切片

石英晶体的晶轴及其切片结构示意图厚德弘毅博学笃行第92

页(a)(b)(c)(d)

石英晶体的电荷极性及受力示意图厚德弘毅博学笃行第93

页压电式传感器的分类

由于构成压电式传感器的具有压电效应的材料很多，其材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料，而压电式传感器中用得最多的是压电单晶中的压电晶体和压电多晶中的各类压电陶瓷。（1）压电晶体压电晶体一般可以分为石英晶体和水溶性压电晶体。1）石英晶体

它具有良好的压电效应，压电系数为

(C/N)；其压电系数和介电常数的温度稳定性良好，机械强度高，绝缘性好。但是天然石英晶体资源较少，价格昂贵，常在标准传感器中使用。厚德弘毅博学笃行第94

页2）水溶性压电晶体

最早发现的水溶性压电晶体是酒石酸钾钠，压电系数为

(C/N)。其灵敏度较高，但易受潮，机械强度低，绝缘性能差，故只限于在室温和较干燥的场合使用。（2）压电陶瓷

由于压电晶体的天然资源较少，故大部分的传感器都使用压电陶瓷。压电陶瓷是人造陶瓷的一种，其在烧制时，对两根电极的极化面加高电压进行极化，使单晶体排列整齐，才具有压电特性。压电陶瓷的种类繁多，常用的除钛酸钡和锆钛酸铅的压电陶瓷外，还有铌酸盐系列和铌镁酸铝系列的压电陶瓷等。厚德弘毅博学笃行第95

页1）钛酸钡

钛酸钡的压电系数为

(C/N)，是石英晶体的数十倍，有较强的机械强度，介电常数较高，绝缘性能良好，性能稳定，因此应用十分广泛。2）锆钛酸铅

其压电系数为

(C/N)，且机电参数随温度和时间等外界因素的变化很小，性能稳定，工作温度可达200℃，也是常用的压电陶瓷之一。厚德弘毅博学笃行第96

页压电式传感器的测量及应用（1）等效电路

如图所示为构成压电式传感器的压电元件等效电路图，压电式传感器对被测量量的变化是通过其压电元件受力时产生电荷的大小来反映的，它相当于一个电荷发生器，可将压电元件看作为一个电容器，其电容量为：式中，

为真空介电常数

，

为压电材料的相对介电常数，

为压电片的面积

，

为压电片的厚度

，

为压电元件的等效电容

，

为压电片的介电常数。厚德弘毅博学笃行第97

页

（a）（b）（c）压电元件的等效电路图厚德弘毅博学笃行第98

页

压电元件由于本身具有绝缘性，可等效为一电阻

，故可将压电元件等效成一个电流源

与电容

和电阻

并联，见图4-69（b），也可以等效成一个电压源

与电容

串联电路，见图4-69（c），图中电压源为

为：

压电元件必须与测量电路相连，必须考虑连接电缆的分布电容

和放大器的输入电容

及输入电阻

，因此压电传感器的电流源等效电路及其简化电路如图4-70所示。厚德弘毅博学笃行第99

页令

和

。(a)等效电路(b)简化等效电路

压电传感器的电流源等效电路及其简化电路

(a)等效电路(b)简化等效电路

压电传感器的电压源等效电路及其简化电路厚德弘毅博学笃行第100

页

同理，如图4-71所示为压电传感器的电压源等效电路及其简化等效电路，压电元件的电荷或电压要通过

进行放电，经过时间

后压电元件表面的电荷或电压将会下降至零。如图4-72所示为压电传感器的频率响应曲线，若被测量是交变物理量，压电元件表面的电荷或电压会得到不断的补充，因此在一个周期内的平均电荷或电压不为零，如图4-72（b）和4-72（c）所示。其中，图4-72（b）为被测量频率较低的情况，其平均电荷或电压较小；图4-72（c）为高频被测量，其平均电荷或电压较大，且被测量的频率愈高，压电元件的平均电荷或电压的幅值愈大。厚德弘毅博学笃行第101

页

(a)直流或静态被测量(b)低频被测量(c)高频被测量

压电传感器的频率响应曲线厚德弘毅博学笃行第102

页

由此可见，压电传感器不能测量直流或静态的物理量，只能测量具有一定频率的交变物理量，这说明压电传感器的低频响应较差，而高频响应较好，适用于测量高频物理量。当提高测量电路的时间常数

时，可提高压电元件表面的平均电荷或电压，从而提高测量精度。由于增加电容

C会使压电传感器的灵敏度下降，故提高

的唯一方法是提高放大器的输入电阻

，一般

，故要求

MΩ。（2）测量电路

由于压电式传感器要求测量电路具有极高的输入阻抗，因此，通常采用电荷放大器作为其测量电路，如图所示为电荷放大电路图，它的基本特性是输出电压正比于输入电荷量。厚德弘毅博学笃行第103

页

电荷放大器由开环放大倍数为

的运算放大器、反馈电阻

和反馈电容

等组成。若放大器为理想放大器（即开环放大倍数无穷大，输入电阻无穷大），则放大器反相端流入电流为0，电压也为0（虚地）。等效电阻

和等效电容

两端电位相等，没有电流流过，其电路方程表达式为：由上式可得：若反馈电阻取得足够大，上式可近似为：厚德弘毅博学笃行第104

页在运算放大器的开环增益

和反馈电阻

足够大时，电荷放大器电路的输出电压与输入电荷量

成正比。电荷放大器电路图厚德弘毅博学笃行第105

页（3）应用

压电传感器具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、高频特性好、灵敏度和信噪比高等特点，因此被广泛地应用于电子、通信、电气测试和测量力以及与力有关的物理量（例如，压力、物位、流量、应力、速度、加速度、扭矩、振动、位移等），并且随着电子技术的发展，微型化、集成化和智能化的新型压电式传感器正在被研发出来。目前，应用较多的是压电式力学传感器和压电式加速度传感器。1）压电式力学传感器

它是利用正压电效应制成的，即在沿着一定方向切割的石英晶体上下表面喷涂上金属膜，构成两个电极，就形成了一个压电式力传感器，其输入为作用力，输出为电荷量，其结构及等效电路如图所示。厚德弘毅博学笃行第106

页

(a)结构(b)等效电路

结构及等效电路图厚德弘毅博学笃行第107

页

如图所示为单向压电式力传感器的结构图，它由基座、上盖、晶片、绝缘套、插座等部分构成。其中，上盖为传力元件，绝缘套用于绝缘和固定，晶片为圆形石英晶片，其直径尺寸为8mm，此类传感器主要用于机床动态切削力的测量。

单向压电式力传感器结构图厚德弘毅博学笃行第108

页2）压电式加速传感器

如图所示为压电式加速度传感器的机械结构图，它的工作原理是通过二阶机械系统将加速度转换成作用力，并作用在压电元件上，其产生的电荷正比于被测加速度，通过测量电荷量的大小就可以测得加速度。压电式加速度传感器的机械结构图

(a)(b)第109

页第十一部分霍尔传感器厚德弘毅博学笃行第110

页霍尔传感器是一种磁场传感器，通过它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作原理，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器，其具有对磁场敏感、结构简单牢固、体积小、重量轻、功耗小、频率响应宽、输出电压变化大、使用寿命长、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等污染或腐蚀等优点，在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。第111

页霍尔传感器的原理及特性如图所示为霍尔效应结构原理图，将物体置于磁场中的静止载流体中，若电流方向与磁场方向不同，则在载流体平行于电流和磁场方向所组成的两个侧面上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。

(a)结构

(b)符号

霍尔效应结构原理图第112

页霍尔传感器的分类霍尔传感器一般可以分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

输出电压与外加磁场强度关系曲线第113

页

输出电压与外加磁场强度关系曲线第114

页霍尔传感器的测量及应用随着微电子的发展，目前霍尔元件与测量电路已融为一体，其测量电路主要有开关型和线性测量电路。1）开关型测量电路如图所示为开关型测量电路内部框图，它由放大器、施密特触发电路和输出电路组成，为了提高共模干扰能力，放大器多为两级直接耦合的对称输入输出的差分放大器。2、3引脚是功能完全相同的两根输出信号引脚，它们为集电极开路的晶体三极管的集电极，应用时二者选一，2或3引脚到1引脚间要外接达到数千欧的上拉电阻。开关型测量电路内部框图第115

页

线性型测量电路内部框图第116

页3）应用随着霍尔传感器技术的发展，其在磁场（霍尔式子磁罗盘）、微位移和压力的测量方面的应用越来越多。同时，在日常生活中霍尔传感器的应用也随处可见，如基于霍尔传感器的防盗报警器、公共汽车门状态显示器等。其中，基于霍尔传感器的防盗报警器的电路如图所示。图中，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，两者靠近时，即门处于关闭状态时，输出端3为低电平；当门被非法撬开时，磁铁远离霍尔传感器，霍尔传感器输出端3为高电平，非门输出端为低电平，使继电器吸合，闭合，蜂鸣器发出报警声音。基于霍尔传感器的防盗报警器的电路图第117

页第十二部分其他传感器第118

页在电气测试技术中，除了上述传感器应用的较为普遍外，还有可能会用到一些其它的传感器，如振动、烟雾、日照强度、半导体式以及雷达等传感器等，本节将对其作简单介绍。烟雾传感器烟雾传感器主要用来监测火灾的发生，例如森林、楼房、商场等场所的烟雾检测及消防预警。烟雾传感器通常有气敏电阻类、离子化类和光电感应类等。下面主要介绍气敏电阻类烟雾传感器。第119

页1）工作原理

(a)阻值随时间变化曲线

(b)管脚烟雾传感器阻值变化曲线和管脚示意图第120

页

烟雾报警器电路图第121

页采用带回滞的电压比较器电路，可以防止干扰，提高报警器的可靠性，其实物图如图所示。烟雾传感器实物图第122

页日照强度传感器日照强度传感器实物图日照强度传感器是用来测量日照强度幅值的，主要用于输电线路动态增容、微气象监测装置中，其种类分为：直接辐射表、总辐射表、散射式辐射表、旋转式辐射表和双金属片日照传感器等，其实物图如图所示。半导体式传感器半导体式传感器是利用半导体的压阻效应，即电阻率随应力变化的性质所制成的压力传感器，具有灵敏度高、动态响应快、测量准确度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化和批量生产的特点，已经广泛地应用于航空、化工、电气测试、航海、动力和医疗等方面。目前，应用较多的是半导体压阻式传感器、硅压阻式力学传感器、扩散型压阻式压力传感器以及扩散型压阻式加速度传感器四种。第124

页1）半导体压阻式传感器压阻效应被用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器，把力学量转换成电信号，用于压力、拉力、压力差和可以转变为力学变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、电气测试、气象、地质、地震测量等各个领域。压阻式传感器可有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面也都广泛应用了压阻式传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。第125

页2）硅压阻式力学传感器早期的硅压阻式力学传感器是半导体应变计式的，后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥，制成芯片，但芯片仍需粘贴在弹性元件上才能对压力的变化敏感，采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。第126

页3）扩散型压阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器可制成硅杯式、硅梁式、硅柱式和片簧式等，其硅杯式变换器结构如左图所示，压阻式压力传感器如右图所示。

硅杯式结构原理

压阻式压力传感器第127

页4）扩散型压阻式加速度传感器如图所示为扩散型压阻式加速度传感器结构原理图，它由外壳、悬臂梁、质量块等构成。悬臂梁用单晶硅半导体制成，梁的一端固定在传感器基座上，另一端悬挂质量块，在硅梁根部集成4个应变片构成压阻桥（其布置与电桥相似）。当传感器装在被测物体上随之运动时，传感器具有与被测件相同的加速度，质量块按牛顿定律（第二定律）产生力作用于硅梁上形成应力，引起电阻桥阻值变化，将四个应变片电阻接成全电桥形式，则电桥的电压输出值表征了物体的加速度。压阻式加速度传感器结构原理图第128

页雷达传感器随着电网的迅速发展，人为或自然环境对电网破坏的几率大大增加，在输电线路上，存在如输电线路导线的舞动，微风振动，绝缘子污秽等危害，人们已经意识到监测的必要性。将雷达传感器运用于输电线路的防外力监测已经被列入相应防范措施以及相应的监测解决方案中。如图所示为雷达传感器监控单元结构原理图及其实物图。雷达传感监控单元结构原理图IVS-179雷达传感器实物图第129

页此监测系统主要用来对输电线路中容易存在的一些安全隐患进行监测，如预防非工作人员攀爬铁塔：当有人或者异物靠近铁塔时，就会进入雷达传感器的预警范围，雷达传感器立刻检测到此信号，并由监测主机提取信号的特征，从而得到靠近物体距离铁塔的距离和相对速度。然后监测主机控制拍照单元进行拍照，将速度、距离、照片信息传送到监控中心，并通知声光报警单元报警。第130

页采用的IVS-179雷达传感器工作于调频连续波(FMCW)模式下。如图所示为雷达传感器的原理框图，它的工作过程为：雷达压控振荡器VCO发出经三角波调制、频率在24.000GHz～24.250GHz之间变化的调频连续波，一路经90°的移相，分成同相与正交两路信号进入混频器，另一路经由发射天线向外辐射，目标的反射波被接收天线接收以后，经由雷达射频前置放大进入混频器，同时与同相/正交两路发射波混频，经滤波作用，产生幅度相同但相位相差90°的两路中频信号，再经带通放大，得到带有目标信息的输出信号IF1和IF2。IF1为同相信号，IF2为正交信号。IVS-179雷达传感器原理框图第131

页第十三部分传感器的智能化

与发展第132

页智能传感器，即是由传统传感器（信号采集调理单元）与微处理器（信号分析处理及决策判断单元）组成的，兼有多种信息采集处理决策功能的新型传感器。目前，智能传感器已应用到汽车、农业和航空航天等生活的方方面面，并且在国民经济及日常生活中发挥着巨大的作用。第133

页智能传感器原理与特性智能传感器充分利用微处理器的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并对它的内部行为进行调节。如图4-95所示为智能传感器的原理框图，主要包括传感器、信号调理电路和微处理器。微处理器是智能传感器的核心，不但可以对传感器测量数据进行计算和存储，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理器充分发挥着各种软件功能，故能提高传感器性能，并有效降低制造难度，降低成本。

智能传感器原理框图第134

页智能传感器的主要功能包括：（1）自动调零、自校准、自标定功能；（2）逻辑判断和信息处理能力。能对被测量信号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等；（3）自诊断功能。通过自检软件，能对传感器和系统的工作状态进行检测，诊断出故障的原因和位置并做出必要的响应；（4）组态功能。用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能；（5）数据存储和记忆功能，能随时存取检测数据；（6）双向通信功能。能通过各种标准总线接口、无线协议等直接与微型计算机及其它传感器、执行器进行通信。与传统传感器相比，智能传感器具有以下特点：1）精度高智能传感器通过软件可以修正各种确定性系统误差，例如：通过自动校零标定零点；与标准参考实时对比以自动进行整体系统标定；对整体系统的非线性等系统误差进行自动校正；通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响等，保证了智能传感器的高精度。2）高信噪比、高分辨力智能传感器通过软件可进行数字滤波、相关分析等处理，能够去除输入数据中的噪声；通过数据融合、神经网络技术，可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力。3）高可靠性与高稳定性智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后所引起的系统特性的漂移，如温度变化产生的零点和灵敏度漂移。当被测参数变化后能自动改换量程，能实时、自动地对系统进行自我检验，分析、判断所采集的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理（报警或故障提示）。4）自适应性强智能传感器具有判断、分析与处理功能，能根据系统工作情况决策各部分的供电情况和与上位计算机的数据传送速率，使系统工作在最优低功耗状态和传送效率优化的状态。5）低功耗智能传感器普遍采用大规模或超大规模CMOS电路，使传感器的耗电量大为降低，部分可用叠层电池甚至钮扣电池供电。传感器不进行测量时，还可用待机模式将功耗降至更低。6）超小型化、微型化为满足航空、航天及国防需求，同时也为一般工业和民用设备的小型化、便携发展创造条件，智能传感器正朝着小和轻的方向发展，汽车电子技术的发展便是一例。智能微尘(SmartMicroDust)是一种具有电脑功能的超微型传感器。以肉眼观察，等同于一颗沙粒，但内部却包含了从信息采集、处理到发送所必需的全部元器件。7）性价比高智能传感器通过与微处理器、微计算机相结合，采用低价的集成电路工艺、芯片以及强大的软件来实现上述的高性能，因此其性价比高。智能传感器的实现非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。其框图如图所示。非集成化智能传感器框图第139

页信号调理电路将传感器输出信号进行放大并转换为数字信号后输入微处理器，再由微处理器通过数字总线接口挂接在现场数字总线上，是一种实现智能传感器系统的最快途径。美国罗斯蒙特公司、SMART公司生产的电容式智能压力（差）变送器系列产品，就是在原有传统式非集成化电容式变送器基础上附加一块带数字总线接口的微处理器插板后组装而成。同时，开发并配备了可进行通信、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件，从而实现传感器的智能化。第140

页2）集成化实现这种智能化传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微