常用传感器与敏感元件课件

常用传感器与敏感元件

1.传感器定义

传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。

物理量电量

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装置。传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。3.1

常用传感器分类(Classification)2.传感器的构成

传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。dV3.传感器的分类1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,

旋转角,转数,质量,重量,力,

压力,真空度,力矩,风速,流速,

流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩机械式,电气式,光学式,流体式等.2)按工作的物理基础分类:能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征: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.4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: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.如:水银温度计.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.微型探测开关测力计压力计温度计

机械式传感器常常以弹性体为传感器的敏感元件，其输入量可以是力、压力温度等物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形（或应变）。3.2

机械式传感器及仪器(Themechanical

sensorandinstrument)

一、电阻式传感器：将被测量转换成电阻变化量，再通过中间变换电路将电阻变化变换为电压或电流进行测量。电阻式传感器按工作原理可分为：（5）气敏电阻式（6）光敏电阻式等（1）变阻器（电位器）式（2）应变片式（弹性电阻式）（3）热敏电阻（4）磁敏电阻式3.3

电阻、电容与电感式传感器(Resistor,

inductorandcapacitor

sensor)1.变阻器式传感器（1）变阻器式传感器的结构和原理变阻器式传感器实际是精密线绕电位器，通过改变电位器触头位置将位移转换为电阻变化。导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。变阻器式传感器除可以测量线位移和角位移，还可以测量任何可以转换为位移的物理参数，如压力、加速度等。1）直线位移型改变触点C的位置时，AC间电阻值为1、变阻器式传感器（1）工作原理1）直线位移型

xCxABCR改变触点C的位置时，AC间电阻值为k1：单位长度的电阻值，

/m。传感器灵敏度：当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。

线性度线性度

是指由于电阻丝本身的不均匀性或间隔的不均匀导致阶梯特性非理想阶梯，增加了传感器的非线性。uexpxRLu0对于后接电阻分压电路的变阻器式传感器：式中：Rp

—变阻器总电阻；

Rx

—x段的电阻。RpRx负载特性于是空载时，式中：由此可见，接入负载电阻RL后，输出u0与x不再保持线性关系。由负载特性引起的非线性误差。01102030405060m=5m=2m=1m=0.5m=0.1m=0reL若RL

→∞。令2）角位移型

—角位移；K

—单位弧度电阻值,

/rad

。传感器灵敏度：ACB3）非线性型xACB阶梯输出特性

是指电位器触点的最小位移为线圈的一匝，每当触点移动一个节距，输出电阻产生一匝电阻值的跳跃，即输出电阻值不是位移的连续函数，而是阶梯形折线。理想电位器每个阶梯大小均相同，通过每个阶梯中点的直线即为理论特性曲线。xR01）阶梯输出特性（2）变阻器式传感器的特性变阻器式传感器具有阶梯特性和负载效应。因触点与绕线间存在摩擦，动态响应较差。分辨力低，一般小于20

m。噪声大。主要应用于线位移、角位移测量。或作为伺服记录仪或电子电位差计。（3）变阻器式传感器特点优点：结构简单，性能稳定，使用方便，输出信号大，受外界条件影响小。缺点：（4）变阻器式传感器的应用阶梯误差是指理想阶梯特性线对理论直线的最大偏差。

阶梯误差式中：n为总匝数。显然，减小ej必须增加n，当骨架长度不变时，只有减小线径。

分辨率（力）定义为电位器总匝数的倒数。分辨率例：1000匝直线型线绕电位器，分辨率为0.1%，即该电位器仅能检测到它的总量程1/1000以上的位移量。变阻器式传感器产品案例：重量的自动检测--配料设备

比较重量设定原材料原理：弹簧->力->位移

->电位器->电阻案例：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝->收线圈数

->电位器

->电阻案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理：电机->转角

->电位器

->电阻

金属导体材料在外力作用下产生机械变形（应变），其电阻值发生相应变化的现象称为电阻应变效应。（1）电阻应变效应与压阻效应

半导体材料在外力作用下产生应变，导体的导电性能（电阻率）发生了相应变化，从而使电阻值也发生变化，这一现象称为半导体材料的效应。2、电阻应变式传感器1）概述：电阻应变式传感器由电阻应变片、弹性元件和测量电路的部分构成。电阻应变片又称电阻应变计，一般由敏感元件、基底、引线、和覆盖层组成。2）敏感元件也叫敏感栅。根据其材料不同，应变片可分为：金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类。3）工作原理：应用时将应变片粘结在被测试件表面上，当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随之变形，引起应变片电阻变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。3）电阻应变式传感器工作原理电阻应变效应设金属丝长度为l，截面积为A，电阻率为

，则其阻值为金属丝变形时，

、l、A将同时发生变化，从而导致R改变。若

、l、A的变化量为d

、dl、dA，则即：对半径为r的金属电阻丝有：，：电阻丝轴向相对变形，或称轴向应变。：电阻丝径向相对变形，或称径向应变。径向应变与轴向应变间的关系为式中

为泊松比：径向应变/轴向应变。负号表示两者变化相反。：电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力

有关。两边同除E为电阻丝材料的弹性模量；

为压阻系数，与材质有关。受力后电阻丝几何尺寸变化所引起，对于同一材料（1+2

）为常数。受力后电阻率的改变引起，对金属材料，

E很小。

在电阻丝拉伸比例范围内，电阻相对变化与其所受的轴向应变成正比。且电阻应变片的应变系数或灵敏度S0定义为通常，S0=1.7~3.6。（2）应变片的基本结构及测量原理典型结构：将一根高电阻率金属丝（康铜、镍铬、卡玛合金等，直径0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路中。测量原理：将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴在被测件上，被测物变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅—

阻值变化—

转换电路转换为电压或电流信号。3、压阻式传感器（1）基本工作原理

是指半导体材料受到应力作用时，其电阻率发生变化的现象。压阻效应单晶半导体在外力作用下的电阻变化量仍为对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化

E远远大于形变引起的电阻变化(1+2

)

，则

实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：

——前者利用导体形变引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。灵敏度：由半导体理论E——半导体材料的弹性模量。

L——沿某晶向L的压阻系数；

——沿某晶向L的应力；半导体电阻材料的灵敏度比金属丝要高50～70倍。例：对于半导体硅，

L=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011Pa,则S0=

LE＝50～100。（2）压阻式传感器类型与特点

压阻式传感器有两种类型1）利用半导体材料的体电阻制成粘贴式的应变片，其使用方法与电阻应变片类似。2）在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，测量压力和加速度等物理量。

压阻式传感器的优点缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。1）灵敏度非常高。2）分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压。3）测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高。4）可测量低频加速度和直线加速度。应变计■

金属电阻应变片——应变效应为主（多在1.7~3.6之间）■

半导体应变片（多在60~150之间）

半导体应变片的灵敏度高、体积小，但温度稳定性和重复性不如金属应变片，非线性误差大。——压阻效应为主（3）结构金属电阻应变片的结构半导体应变片的结构4、

测量电路VER1R2R3R4令：金属丝应变片：V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变。S■

半桥单臂连接■

半桥双臂连接■

全桥连接

当时，电桥的输出电压为齿轮轮齿弯矩x位移传感器m质块加速度传感器F柱式测力传感器如果把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，可以构成各种不同的传感器。5、电阻应变片的分类及材料金属电阻应变片分为丝式、箔式和膜式。（1）丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式两种。回线式短接式丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大。短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。安全电流：10~50mA，电阻：50~1000

（典型120

）。2）箔式应变片箔式应变片由厚度为3~10

m

的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔片。

大批量生产，可制成多种复杂形状。

散热好，允许电流大。

横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。

柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。3）膜式应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。

应变灵敏度大。

允许电流密度大。

工作范围广，可达-197～317℃。6、电阻应变片的特点及应用（1）电阻应变片的特点

性能稳定、精度高，综合误差在1.0%~0.1%，高精度力传感器已能达到0.03%~0.01%。

测量范围广压力：104~109Pa；力：0.1~107N。

能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强。

测量结构的应变或应力。

将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。（2）电阻应变片的应用及注意事项注意事项应变极限：机械滞后：零漂和蠕变：零漂：恒定温度，无机械应变时，应变片阻值随时间变化的特性。蠕变：恒定温度、恒定应变时，应变片阻值随时间变化的特性。

应变大—输出非线性大。误差为10%时对应的应变作为应变片的应变极限。

敏感栅、底基及胶粘层承受机械应变后，一般都会存在残余变形，造成应变片的机械滞后。动态响应特性应变片栅长/mm0.20.51235101520最高工作频率/kHz125050025012583.3502516.612.5温度影响：温度变化导致应变片电阻变化与由应变引起的电阻变化往往具有同等数量级，须用适当电路进行温度补偿。（3）应用举例：a)直接用来测定结构的应变或应力b)将应变片贴于弹性元件上，作为：测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。应变片在悬臂梁上的粘贴及应变实例示例1：电子秤FR1R2R4示例2：应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FFFF荷重传感器原理演示

荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。

示例3：汽车衡汽车衡称重系统示例5：应变式数显扭矩扳手

可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。示例6：压阻式固态压力传感器

利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。

隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。

内部结构信号处理电路压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器（续）示例7：桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试二、

电容式传感器

(CapacitanceTransducer)1.工作原理及分类电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器。A

电容式传感器实质是一具有可变参数的电容器。电容量为—介质相对真空的介电常数，空气

1。

0—真空的介电常数，

0=8.8510-12F/m。

—极板间距。A—极板面积。

、A或

发生变化都会引起C变化。实际使用中，通常仅改变一个参数，根据变化参数的不同，可分为三类：

改变极板间距的极距变化型；

改变极板相互遮盖面积的面积变化型；

改变极板间介质的介质变化型（改变

）。（1）极距变化型电容式传感器++++++普通式差动式

当极板间距减小

时，电容为C与极距成反比，一般取：灵敏度灵敏度S与极距平方成反比，输入输出呈非线性关系δεs动极板定极板C极距变化型电容传感器求△C与△δ之间是什么关系？

/

0<<1时，

C/C0展开为级数形式:

因

/

0<<1，忽略高次项

上式表明，在

/

0<<1条件下，电容的变化与极板间距变化量近似是线性关系。①欲提高灵敏度，应减小间隙δ，但受电容器击穿电压的限制；②非线性随相对位移的增加而增加，为保证一定的线性度，应限制动极板的相对位移量。③为改善非线性，可以采用差动式。

0

动极板上移Δδ

1，则C1增大，C2减小，初始电容用C0来表示，则：差动电容器输出：忽略高次项：

灵敏度提高一倍，非线性误差减小。

2

1

产品.陶瓷电容压力传感器

液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。

压力变送器角位移型平面线位移型柱面线位移型（2）变面积型电容传感器（2）面积变化型电容式传感器该传感器的工作原理是在被测参数的作用下来变化极板的有效面积，常分为角位移型和线性位移型。1）角位移型式中：—覆盖面积对应的中心角；

r—

极板半径。1—动板；2—定板122）平面线位移型式中：b—极板宽度。xx∆xb121—动板；2—定板3）圆柱线位移型式中：D—圆筒孔径；

d—圆柱外径。面积变化型电容传感器输入输出呈线性关系，但灵敏度较低，适用较大直线位移及角位移测量。dD12xl01—动板；2—定板（3）介质变化型电容式传感器

两电容极板之间的介质变化引起电容变化，常见有两种情况：一是两电容极板之间只有一种介质，介质的介电常数随被测非电量（如温度、湿度）而变化，电容式温度传感器和电容式湿度传感器就属于这种情况；二是两电容极板之间有两种介质，两介质的位置或厚度变化，电容式位移传感器、电容式厚度传感器、电容式物（液）位传感器就属于这种情况。（3）介质变化型电容式传感器变介电常数型电容传感器——主要测量厚度、液位、介值的温度和湿度等）

被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。 ε1－液体介质介电常数；

ε0－空气中介电常数（F/m）；

h－电极板总长度（m）；

r－内电极板外径（m）；

R－外电极板内径（m）；

x－液面高度（m）。

可见，输出电容C与液面高度x成线性关系。xh2r2Rε0ε1类型1：液面高度类型2：δd面积S气隙

当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质参数之间的关系为：

d—运动介质的厚度（m）可见：①若厚度d保持不变，介电常数εr

改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；②若εr不变，可做成测厚传感器

可实现非接触测量；

一般传感器两极板间电容很小（几皮法~几十皮法）

导致低频输出阻抗很大（几十甚至上百M

）、负载能力弱，电缆分布电容（大且不稳定）影响大。2.特点与应用

输入能量小（极板间静电引力小），灵敏度、高动态特性好（可动质量小，固有频率高）；（1）特点

将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出。通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥，如上图所示。（1）电桥型电路3测量电路(2)谐振电路

电容传感器的电容Cx作为谐振回路（L2、C2、Cx）调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得振荡回路的阻抗发生相应的变化，被转换为电压或电流，再经过方大、检波即可得到相应的输出。（3）调频电路调频振荡器限幅鉴频放大输出Cx传感器

调频电路(4)运算放大器电路这种电路用于位移测量传感器输出电压ug与电容传感器间隙δ成线性关系g电容式传感器的应用电容式传感器的优点：（1）输入能量小而灵敏度高（2）精度高达0.01%。（3）动态特性好，适合测量动态参数。（4）能量损耗小。（5）结构简单，环境适应性好（高温、辐射等）缺点：电缆分布电容影响大。集成电路、双屏蔽传输电缆等——降低分布电容的影响。应用1

电容式测厚轧辊工作极板被测带材12341—齿轮2—定极3—电容传感器4—频率计应用2振荡电路被测物体感应电极被测电容

转速测量-电容式接近开关测量头2构成电容器的一个极板，另一个极板是物体1本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。应用3：电容式压力传感器工作原理将测量膜片与电容极板之间的电容差经振荡器振荡、调制解调、放大器放大、电压电流转换成标准信号。用

途用于气体、液体、蒸气压力的测量高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器1—高压侧进气口

2—低压侧进气口

3—过滤片

4—空腔

5—柔性不锈钢波纹隔离膜片

6—导压硅油

7—凹形玻璃圆片

8—镀金凹形电极

9—弹性平膜片

10—

腔电容式差压变送器内部结构各种电容式差压变送器外形法兰应用4电容式液位传感器（液位计/料位计）应用4、电容式液位计

棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套

液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。液位限位传感器的设定

智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯应用5：硅微加工加速度传感器

图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：≤1%硅微加工加速度传感器结构

1—加速度测试单元

2—信号处理电路

3—衬底

4—底层多晶硅（下电极）

5—多晶硅悬臂梁

6—顶层多晶硅（上电极）

当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。

如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。加速度传感器在汽车中的应用

加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器的假人气囊汽车气囊的保护作用

使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。

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式涡流式互感型（差动变压器式）三、

电感式传感器

(InductanceTransducer)1自感型（可变磁阻、涡流）（1）--可变磁阻式（变间隙、变面积）可变导磁面积型差动型原理:电磁感应。自感自感L与A0成线性关系，灵敏度较低灵敏度提高一倍µ0

－空气的磁导率；A0

－空气隙的截面积；δ

－空气隙的长度由电工学可知，线圈自感量：

i

—线圈中流过的电流。

—通过线圈的磁通量。

Rm

—磁路的总磁阻（H-1），Rm=

RF

+

R

，其中RF为

铁心与衔铁的磁阻；R

为空气隙磁阻。ix123L01—线圈；2—铁心；3—衔铁式中：N—线圈匝数；可变磁阻式传感器由线圈、铁心和衔铁组成，在铁心与衔铁之间存在气隙

。a)变气隙式自感传感器式中：l1、l2

—铁心和衔铁的导磁长度；

1、

2

—铁心和衔铁的磁导率；

A1、A2

—铁心和衔铁的导磁截面积；

—气隙长度；

0

—空气磁导率，

0=410-7H·m-1

；

A0

—空气隙导磁截面积。若不考虑磁路的铁损，且空气隙

较小时：一般，

1和

2远远大于

0，即：RF

<<R

，因此，ix123L01—线圈；2—铁心；3—衔铁

自感L与气隙

成反比，与气隙导磁截面积A0成正比。当固定A0，变化

时，L与

成非线性关系，传感器灵敏度:传感器灵敏度与气隙长度的平方成反比。L0δδ0L0◆输出特性非线性:为获得较高灵敏度,气隙的初始值δ0不宜过大。◆为获得较好的线性关系,须限制测量范围,使衔铁位移在较小范围内变化(Δδ<<δ0),一般取Δδ=(0.1～0.2)δ0◆变气隙式传感器适用于微小位移的测量,测量范围：0.001～1mm。电感式接近传感器（金属）c)螺管式自感传感器工作原理：当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。特点：结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移（数毫米）测量。d、差动式自感传感器

两个结构完全相同的自感线圈组合在一起形成差动结构，可提高灵敏度，改善输出特性的非线性，实际中常用。差动变气隙传感器工作原理对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按

0

、

0+

变化，即一个线圈自感增加，另一个减小。~x当(Δδ/δ<<1)时，可将上式展开成级数：差动方式时：

灵敏度，为原来的两倍。非差动方式时，

显然，若不考虑包括2次项以上的高次项，则ΔL与Δδ成比例关系，因此高次项的存在是造成非线性的原因。差动式自感传感器的特性：★当气隙相对变化Δδ/δ0<<1时，高次项迅速减小，非线性得到改善。然而，这会使传感器的测量范围变小，因此对输出特性线性的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的。这正是取Δδ/δ0＝0.1～0.2的原因。★当构成差动式电感传感器时，输出与ΔL1+ΔL2有关，它不存在偶次项，因此差动式电感传感器的非线性明显改善。b)变面积式自感传感器灵敏度:◆输出特性为线性，因此测量范围大。◆要提高灵敏度，气隙厚度δ不能过大。

将传感器两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了非线性特性，补偿干扰影响。a)电桥电路b)输出特性双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性(2)电涡流式传感器原理:涡流效应

电涡流传感器可以测量位移、厚度、转速、振动、硬度等参数，还可以进行无损探伤，是一种应用广泛且有发展前途的传感器。电涡流传感器是利用电涡流效应原理，将位移等非电量转换为阻抗的变化（或电感的变化，或Q值的变化），从而进行非电量电测的。H1H2~

一个通有交变电流的线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场H1，当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生改变。——线圈等效外半径涡流式传感器分为高频反射式涡流传感器和低频透射式传感器。高频反射式电涡流式传感器：

高频反射式电涡流式传感器多用于位移及与位移相关的厚度、振动等测量。高频（>1MHz）激励电流

金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为为δ，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量Φ金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流"。

涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h，金属板与线圈的距离δ，激励电流角频率ω等参数有关。若改变其中某2个参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。2）低频透射式电涡流式传感器：音频（<20kHz）激励电流

低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。

发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈ω2产生感应电动势e2。

但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。基本特性涡流形成范围：径向为线圈外径的1.8~2.5倍，且分布不均匀；涡流贯穿深度有限，深度一般可用经验公式求得

涡流强度与x的关系：非线性特性，x/R<<1可改善线性，提高灵敏度。

一般要求，被测金属的最小尺寸大于传感器线圈直径的2倍；被测物为圆柱体时，其直径要求大于线圈直径的3.5倍。ρ——电阻率2、测量电路：谐振电路

传感器线圈L与电容C共同组成并联谐振电路，谐振频率为：

线圈等效电感改变，必然导致回路阻抗或谐振频率变化，从而可间接测量被测参数，对应测量电路：——调幅电路——调频电路调幅电路

传感器由振荡器提供高频电源，当传感器谐振频率与电源频率相同时，输出电压u最大。

测量时，传感器等效电感随x而改变，LC回路失谐，输出信号频率虽仍为电源频率，但幅值随x变化，即x对输出信号存在调幅作用。调频电路以LC振荡回路的谐振频率作为输出量。鉴频器：将调频信号转换为电压信号输出。3）影响涡流传感器灵敏度的因素

被测物材质

被测物形状和大小

电涡流产生的涡流环的直径也一定。因此对板状被测物的最小尺寸有要求。

电导率越高，灵敏度越大；磁性材料涡流损耗大，导致灵敏度降低。

在传感器周围磁场范围内，不应有非被测对象的金属物体，否则，会产生干扰，导致灵敏度下降和线性范围减小。实测表明，非被测金属离传感器线圈的距离必须大于线圈的直径。一般要求，被测金属的最小尺寸大于传感器线圈直径的1.8倍；被测物为圆柱体时，其直径要求大于线圈直径的3.5倍。

安装位置电涡流式传感器的特点◆非接触测量，抗干扰能力强◆高灵敏度高◆分辨力高，位移检测范围：±1mm～±10mm，最高分辨力0.1%。◆结构简单，使用方便，不受油夜等介质影响。5）涡流传感器的应用

回转轴振动测试。

回转轴误差测量。

厚度测量。

零件计数。

接近开关。

表面裂纹或缺陷检测。

材质判别。应用1：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应用2：测厚应用3：零件计数表面裂缝检测径向振动测量轴心轨迹测量转速测量2互感式电感传感器

互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测量转换成线圈互感的变化。

由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。实际中多采用螺管线圈型差动变压器。互感型--差动变压器

当被测量转换为衔铁位移时，传感器两线圈的互感改变，导致输出相应改变。工作原理（2）差动变压器式实际的互感传感器通常采用两个二次线圈，并接成差动式，故称为差动变压器式传感器。RLei~e2L2e1L1~R1R2eo=e1-e2M1M2变压器由一次线圈L和两个结构参数完全相同的二次线圈L1、L2组成。

铁心P位于中心位置：M1=M2，eo=0。

铁心P上移：M1

=M+

M，M2

=M

M（M为初始平衡互感），e1

>e2，eo与e1同相。

铁芯P下移：M1

=M

M，M2

=M+M，e1

<e2，eo0，eo与e2同相。

eo与

M成正比。——传感器输出电压反映了位移的大小及方向2、测量电路但因为交流纤毫，只有接入相应电路（相敏检波、差动整流等），才能提取出这两种信息。传感器输出存在一定的零点残余电压，即衔铁位于中间位置时输出不为零。因此，其后接电路应采用既能反映铁芯位移大小及极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。全波差动整流电路及波形图(a)电路图(b)波形图差动变压器测量电路一种利用小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图差动变压器式传感器特点：◆精度高(0.1um数量级，最高可达0.01um)，高精度型非线性误差可达0.1%。◆线性范围达(可达±100mm)。◆稳定性好，结构简单，使用方便。◆因包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量。◆广泛应用于直线位移，或能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量。差动变压器位移传感器案例：张力测量一、

磁电式传感器•

磁电感应式传感器是利用电磁感应原理将被测量的变化转换为感应电动势。磁电传感器应式有:磁电感应式、霍尔效应式等。感应线圈的感应电动势e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，都会改变感应电动势。

磁场强度磁路电阻线圈速度磁通变化率3.4磁电、压电与热电式传感器（Magnetic,

piezoelectric

andpyroelectric

sensor)•基本工作原理：线圈在磁场中运动切割

磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中将产生感应电动势。一、磁电式传感器的分类磁阻式磁电式动圈式线速度型角速度型按工作原理不同，感应传感器可分为恒定磁通式（动圈式）和变磁通式N1、动圈式（恒磁通型）•

由磁路系统产生的磁通本身是恒定的。

线圈（导体）与磁场发生相对运动，使线圈切割磁力线，而在线圈（导体）两端输出感应电动势。

.(a)直钱运动（b）旋转运动图4恒定磁通式磁电感应传感器的结构原理图线速度型角速度型动圈式传感器线速度型

角速度型测速电机

当线圈在垂直于磁场方向作直线运动（a）或旋转运动（b)时,若以线圈相对磁场运动的速度∝v或角速度ω表示，所产生的惑应电动势e为：e

=

NBlve=

kNBAω式中：l—每匝线圈的平均长度；B—线圈所在磁场的磁感应强度；A—每匝线圈的平均截面积；k—传感器结构系数。–—–—（速度计）（转速计）磁场强度磁路电阻线圈速度磁通变化率变磁阻传感器即变磁通式传感器，又称变气隙式.常用来测量旋转物体的角速度，其结构原里如图4.30（a、b）所示为：开路变磁通式—线圈和磁铁静止不动，测量齿轮（导磁材料制成）安装在被测旋转体上，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化1次,线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮的齿数和转速的乘积2、变磁阻式传感器(a)开路变磁通式图4.30（b）为闭合磁路变磁通式结构示意图，被测转轴带动椭圆形铁心在磁场中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势的频率f为椭圆形铁心转速的2倍闭合磁路变磁通式变磁通恒磁通l：每匝线圈的平均长度B：磁感应强度A：每匝线圈的平均截面积k：传感器结构系数

动圈磁电式传感等效电路变磁阻传感器对环境条件要求不高，能在-150~90°C的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作但它的工作频率下限较高，约为50Hz,上限可达100Hz

磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动。由运动着的物体改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。磁阻式传感器

磁阻式传感器

磁电式车速传感器磁阻式传感器

磁电式测速传感器二、压电式传感器

某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；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。

压电式传感器是以具有压电效应的器件为核心组成的传感器。压电效应具有自发电和可逆性，因此压电器件是一种典型的双向有源传感器件。压电效应是可逆的---逆压电效应

石英（SiO2)晶体结晶形状为六角形晶柱，两端为一对称棱锥，六棱柱是它的基本组织，纵轴z-z称为光轴，通过六棱线垂直于光轴的轴线x-x轴称做电轴，垂直于棱面的轴线y-y称做机械轴。Z—光轴Y—机械轴X—电轴1、压电效应及压电材料

某些晶体不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。(1)压电效应压电介质正压电效应逆压电效应Q（E）T（S）机械能电能压电效应模型a)纵向效应

b)横向效应

c)切向效应切下在常态下不呈现电性。当施加外力时，将沿x-x方向形成成电场，其电荷分布在垂直于x-x轴的平面上。沿x轴加力产生纵向效应；沿y轴加力产生横向效应；沿相对两平面加力产生切向效应如图a)、b）、c）所示。a.正压电效应

在电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个极化面上出现大小相等符号相反的电荷Q，其电位移D（或电荷密度

）与外应力张量T成正比。d：压电常数b.逆压电效应（电致伸缩）

若对上述电介质施加电场作用，同样会引起电介质内部正负电荷中心相对转移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场E成正比。dt：逆压电常数++++++++++----------Q极化面TT-+压电式传感器及其等效电路实验证明：压电效应和逆压电效应都是线性的。压电晶片并联串联等效电荷源使用特点：1）适宜作动态测量，作静态测量时必须采用极高阻抗的负载。2）并联结构适宜于电荷量输出的场合3）串联结构适宜于电压作为输出信号二、等效电路和测量电路1、等效电路

从功能上讲，压电器件实际上是一个电荷发生器，又可将其视为具有电容Ca的电容器。++++++++++----------δ极化面(电极)-+Axzy极化方向电荷源CaUa电压源CaUa并联结构串联结构1）电荷放大器等效电路>>

压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。

2、压电材料及其特点

压电晶体：石英晶体（SiO2）其它压电晶体（LiNbO3、LiTaO3、LiGeO3）

压电常数小，时间与温度稳定性高。

压电陶瓷：二元系压电陶瓷（BaTiO3-PbTiO3）三元系压电陶瓷（PbMg3Nb3O3-PbTiO3-PbZrO3）

压电常数大，稳定性相对较差。

新型压电材料：压电半导体（ZnS、CdTe、ZnO）

既有压电特性，又有半导体特性。

有机高分子压电材料—高分子聚合物（PVF、PVC）

质轻柔软，耐冲击，体电阻大，批量生产，人工皮肤。

压电薄膜（高分子化合物渗杂压电陶瓷粉末）

既柔软，又有较高的压电特性和转换效率。压电传感器的应用：压力、应力、振动加速度测量，声、超声测量。压电传感器的特点：体积小、重量轻、固有频率高；难以测量低频信号，信噪比差；环境温度、湿度的变化会引起压电常数的变化，需要经常校准灵敏度。超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用B超换能器用晶片3、实际产品加速度计力传感器压力变送器应用1：飞机模态分析灵敏度：100mV/g量程：50g频率范围：0.5-8000Hz（±10%)分辨率：0.0002g线性：≤1%横向灵敏度：≤5%典型值：≤3%温度范围：-40~+120℃用途：模态试验LC0101LC0106

灵敏度：1000mV/g量程：5g频率范围：0.04-1500Hz（±10%)分辨率：0.00002g重量：200gm安装螺纹：M5mm线性：≤1%横向灵敏度：≤5%典型值：≤3%温度范围：-40～+120℃用途：超低频、小g测量ULT25系列压电石英力传感器ULT25系列产品可用于测量动态、短期静态的振动和冲击力，机械结构的拉伸和压缩力。与激振器配合，能够测量和控制激振力。与加速度、速度传感器配合，可测量机械阻抗。ULT0501ULT0502ULT0503

压电式脚踏报警器玻璃打碎报警装置先看一个实验结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势,即温差电势.热电效应热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB三、热电式传感器1、热电偶：热电效应

1、热电偶：热电效应

(1)热电效应热电偶温度传感器是以热电效应为基础的，将任意两种不同的导体A-B组成一个闭合回路，只要它们的两个接点t1，t2的温度不同，在回路里就会产生热电动势，形成电流，此现象称为热电效应。ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。玻尔兹曼常量系热力学的一个基本常量，记为“K”，数值为：K=1.3806488(13)×10^-23J/K（2）热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V3)参考电极定律

两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。EAB(T,Tn)=EAB(T)-EAB(Tn)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(Tn)-EAB(0)]=EAB(T，0)-EAB(Tn，0)EAB(T，0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn，0)(5)实际工程计算应用即在实际应用中，热电偶的参比端往往不是冰点温度，而是环境温度Tn；这时测量出的回路热电势EAB(T,Tn)要小，因此必须加上环境温度Tn与冰点之间温差所产生的热电势EAB(Tn，0)后才能符合热电偶分度表的要求。可用室温计测出环境温度Tn，从分度表中查出的E(Tn,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,Tn)，得到E(Tn,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。实际工程应用常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。例:用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃[例]用镍铬—镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度Tn=30℃时，测得热电势E(T,Tn)=38.52mv，求实际炉温。作业7用镍铬--镍硅(K型)热电偶测温，热电偶参比端温度为20℃。测得的热电势为28mV，求热端温度。（3）常见热电偶型号：铂铑－铂热电偶（WRLB）：复制精度和重复精度高，稳定性好；热电势较弱，成本高。镍铬－镍硅热电偶（WREU）：热电势大、线性好，价格便宜；精度较低。工业中最常用的热电偶之一。镍铬－考铜热电偶（WREA）：热电灵敏度高、价格便宜；测温范围窄，易氧化变质。铂铑30－铂铑6热电偶（WRLL）：性能稳定、精度高、适合在氧化或中性介质中使用；热电势小，价格高。(4)热电偶的种类普通型热电偶结构

国际IEC向世界各国推荐8种标准化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表）。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。

优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。铠装型热电偶标准化热电偶的主要性能和特点利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值（5）测量：冷端补偿电桥法2热敏电阻传感器

半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。RT产品温控器应用汽车发动机传感器水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等即便在氧化性介质中，其物理、化学性能都很稳定；易提纯，复现性好，有良好的工艺性；有较高的电阻率；在还原性介质中性能易受影响；电阻温度系数不太高；价格贵。铂电阻的特点3热电阻传感器

铂电阻的主要技术指标等级分度号测温范围/

C允许偏差/

C电阻比R100/R0名义值允许误差APt10-200~850±(0.15+0.002|t|)1.385±0.001Pt100BPt10±(0.30+0.005|t|)Pt100几种铂电阻WZP系列装配式铂电阻

及铠装电阻芯

用于一般工业场测温

使用温度-200℃～700℃

高强度石英管测温铂电阻

温度范围-100°C至+500°C

适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合

注:不耐氢氟酸及磷酸精密温度传感器

PtWD－1A型-100℃～300℃

误差小于0.1℃，精度为超A级

天燃气流量计

温度补偿用铂电阻

天燃气涡轮流量计等用油浸变器用铂电阻医疗器械铂电阻薄模铂电阻元件用于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。

尺寸：2.3mm×2.1mm×0.9mm（长×宽×高）

线长10mm

防水封装铂电阻核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100PT1000）

元件精度：±0.15℃(A级)±0.30℃(B级)

封装材料：镀镍铜管或不锈钢管

管料尺寸：ø4*25mm

连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）铜电阻的主要技术指标分度号测温范围/

C允许偏差/

C电阻比R100/R0名义值允许误差Cu50-50~150±(0.30+0.006|t|)1.428±0.002Cu100铜电阻的特点电阻率小；容易氧化；价格便宜。WZC-111/Φ12*1000mmCu50

（3）其他电阻体1）铟电阻—一种高精度低温热电阻。缺点是材料很软，复制性差。2）锰电阻—电阻随温度变化很大，灵敏度高；受磁场的影响小，且有规律。锰电阻的缺点是脆性大，难以拉制成丝。3）碳电阻—适合作液氦温阈温度计。其缺点是热稳定性差。3.5光电传感器（photoelectricsensor)—光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转换成电信号的器件。—应用这种器件检测时，是先将其物理量的变化转换为光量的变化，再通过光电器件转化为电量，其工作原理是利用物质的光电效应。物质(金属或半导体）在光的作用下发射电子的现象称为光电效应

爱因斯坦假设光束中的能量以聚集成一粒一粒的形式在空间行进的，这一粒-粒的能量称为光子,单个光子的能量为：E=hv式中：h——普朗克常数6.626x10-34

J•s；v——光的频率.Hz。当光照射到某一物体时，可以看做该物体受到一连串能量为E的光子的轰击；光电效应就是构成物体的材料能吸收到光子能量的结果。由于被光照射的物体材料的不同，所产生的光电效应也不同；通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为外光电效应和内光电效应

两类。1.外光电效应在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应。根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只给一个电子，因此，如果要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量hv必须大于该物质的表面逸出功A,这时逸出表面的电子就具有动能EKEK

=hv-A

(3.46)其中EK=

½mv2由上式可见，光电子逸出时的初始动能与光的频率有关，频率高则动能大。由于不同材料的逸出功不同，所以对某种材料而言有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子。反之，当入射光的频率髙于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管，光电倍增管等。真空光电管结构阴极阳极阴极阳极光电管有真空光电管和充气光电管。真空光电管的结构如图所示。在一个真空的玻璃泡内装有两个电极：阴极和阳极.光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料（如铯Cs)。当光线照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，

在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。可使电流大小都与光强成函数关系.从而实现光电转换。光电倍增管工作原理如图所示，在光电阴极和阳极之间加入D1、D2、D3、…若干个光电倍增极，这些倍增极涂有Sb（锑[tī]

）-Cs或Ag-Mg等光敏物质。工作时，这些电极的电位逐级增高。当光线照射到光电阴极时，产生的光电子受第一级倍增极D1正电位作用.加速并打在该倍增极上产生二次发射。在更高电位的D2极作用下

又将加速打到D2…一直到达阳极光电倍增管阳极光电阴极入射光第一倍增级第二倍增级第n倍增级

半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，受光照物体（通常为半导体材料）电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应

。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管2.内光电效应

内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。1）光电导效应半导体材料受到光照时电阻率发生变化的现象.称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻（光电导型）和反向工作的光敏二极管、光敏三极管（光电导结型）1）光敏电阻

工作原理：在无光照时，光敏电阻的阻值是很高的，当受到光线作用时，半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，提高了材料的导电性能。光照停止后，自由电子和空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。光敏二极管：光敏三极管：

光敏电阻具有灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小，重量轻，机械强度高，耐冲击，抗过载能力强，耗散功率大，以及寿命长等特点。由于光电导效应只限于光照的表面薄层，因此光电半导体一般都作成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。光导体电极照相机自动测光光控灯工业控制应用3：亮度传感器通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。2）光生伏特效应（光电池）

光生伏特效应：是指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+++---PN（2）光生伏特效应及器件光生伏特效应又可分为两种：

1．结光电效应：PN结，当光线照射结区，便在结区两部分之间引起光生电动势叫结光电效应。

2．侧向光电效应：灵敏面局部受光照时，由载流子浓度梯度产生电动势，称为侧向光电效应。光电池的工作原理就是基于光生伏特效应。

硅光电池是在N型硅片渗入P型杂质形成的一个大面积的PN结，它可以将光能直接变成电能。3、光电传感器及其应用（1）模拟式光电传感器

将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件的光照特性为单值线形，光源的光照均匀恒定。光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式（直射）、吸收式、遮光式、反射式、时间差式五种基本形式。b.被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物体对光吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如气体、液体的透明度，分析气体、液体的成分等。a.被测物体本身是光辐射源，由它释放的光射向光电元件。如：光电高温计、红外遥感、红外侦察等。c.被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物体阻挡光通量多少来测定被测参数。如：测量零件的长度、厚度、线位移、角位移、角速度等。d.恒定光源释放出的光投射到被测物体上，再从其表面反射到光电元件上，根据反射的光通量多少测定被测物体的表面性质和状态。如：测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。应用1：鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。e.时差测距。恒定光源发出的光投射到目的物，然后反射至光电元件，根据发射与接收之间的时间差测出距离。如：光电测距仪。相机测距反射式光电传感器2、开关式光电传感器

利用光电元件受光照或无光照时“有”、“无”电信号输出的特性，将被测量转换成断续变化的开关信号。要求光电元件的灵敏度高，对光照特性的线形度要求不高。用于零件的自动记数、光控开关、计算机光电输入设备、光电编码器等。前香港中文大学校长高锟（美籍华人）和GeorgeA.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。此发明彻底改变了人类通讯的模式，为今天通信、网络的迅猛发展奠定基础。被誉为世界“光纤之父”3.6光纤式传感器（Opticalfibersensor

）

微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。光纤利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理达成光传导。光纤传感器是基于光导纤维导光的原理制成的。光导纤维是一种特殊结构的光学纤维，当光线以一定角度从它的一端射入时，它能把入射的大部分光线传送到另一端这种能传输光线的纤维称为光导纤维，简称光纤。光纤传感器与以电为基础的传感器相比有本质区别。光纤传感器是用光而不是用电作为敏感信息的载体，用光纤而不是用导线作为传递敏感信息的媒质。光纤传感器一般由三个环节组成，即信号的转换、信号的传输、信号的接收与处理。信号的转换环节：将被测参数转换成为便于传输的光信号。信号的传输环节：利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输。

信号的接收与处理环节：将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。光纤传感器分为功能型(或称物性型)与非功能型(或称结构型)两类。

光纤自20世纪60年代问世以来，就在传递图像和检测技术等方面得到了应用。利用光导纤维作为传感器的研究始于20世纪70年代中期。由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测。而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等一些优点。2、光纤传感器的基本形式(1)功能型光纤传感器功能型传感器，又称FF传感型光纤传感器功能型：FF光纤传感器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。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素(如温度、压力、电场、磁场等)改