传感器技术及应用-教案及习题

第一章引言

＞教学要求

1.掌握传感器的基本概念。

2.掌握传感器的组成框图（p2,图1.1）。

3.掌握传感器的静态性能和动态性能。

4.了解传感器的课程性质和课程任务。

5.了解传感器的分类和发展趋势。

＞教学内容

L1传感器的发展和作用

了解。

1.2什么是传感器

传感器定义：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

的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。顾名思义，传感器的功能是一

感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三

部分组成，即：敏感元件、转换元件、转换电路。

1.3传感器的分类

1.根据被测物理量分类

速度传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。

2.按工作原理分类

应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。

3.按能量的传递方式分类

有源的和无源的传感器。

1.4传感器的性能和评价

1.4.1传感器的静态特性

传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，

所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。通常用来描述静态特性的指标有:

测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞。

•稳定性

传感器的稳定性，一是指传感器测量输出值在一段时间内的变化，即用所谓

的稳定度表示；二是指在传感器外部环境和工作条件变化时而引起输出值的变

化，即用影响量来表示。

•灵敏度

传感器灵敏度是表示传感器的输入增量与由它引起的输出增量之间的函数

关系。更确切地说，灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比，是传感器

在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率。用公式表示为：

卜=寥=鬻=/6）

•灵敏阈与分辨力

灵敏阈是指传感器能够区分出的最小读数变化量。

对模拟式仪表，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是

输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小。对于数字式仪表，灵敏度阈就是分辨

力，即仪表指示数字值的最后一位数字所代表的值。

从物理含义看，灵敏度是广义的增益，而灵敏度阈则是死区或不灵敏度。

•迟滞

传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中——输入特性曲线不

重合的程度称为迟滞。

«线性度

传感器的输出——输入校准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，称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”，也称“非线性度”。

1.4.2传感器的动态特性

动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。只要输入量是时

间的函数，则其输出量必将是时间的函数。研究动态特性的标准输入形式有三种,

即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。

・零阶传感器动态特性指标

零阶传感器，其输入量无论随时间如何变化，其输出量的幅值总是与输入量

成确定的比例关系，在时间上也不滞后，幅角（P等于零。所以零阶传感器的动态

特性指标就是静态特性指标。

•一阶传感器动态特性指标

一阶传感器动态特性指标有：静态灵敏度和时间常数T。如果时间常数T越

小，系统的频率特性就越好。在弹簧阻尼系统中，就要求系统的阻尼系数小，而

弹簧刚度要大。

•二阶传感器动态特性指标

二阶传感器的传递函数：

K

H(s)=7

5~+仝26+1

4

频率函数为:

K

二-7

CD^

15

说

幅频特性为:

相频特性为:

0（o）=arctg

上面各式中:

%——系统无阻尼时的固有振动角频率;

k——弹簧常数；

m----质量；

?——相对阻尼系数;

C一阻尼器阻尼系数;

K——静态灵敏度。

由于大多数传感器均为二阶系统，所以我们要专门讨论二阶系统的阶跃响

应。根据二阶系统相对阻尼系数。的大小，将其二阶响应分成三种情况：既？＞1

时过阻尼；。=1时临界阻尼；。＜1时欠阻尼。在一定的值下，欠阻尼系统比临

界阻尼系统更快地达到稳态值；过阻尼系统反应迟钝，动作缓慢，所以一般传感

器都设计成欠阻尼。一般取值为0.6〜0.8。

第二章应变式传感器

第二章应变式传感器

＞教学要求

1.掌握电阻应变效应的基本概念。

2.掌握电桥原理与电阻应变计桥路。

3.掌握应变计的静态性能和动态性能。

4.掌握温度误差产生的原因及其补偿方法。

4.了解应变计的分类和命名规则。

5.了解应变计的应用和发展现状。

＞教学内容

2.1电阻应变效应

2.1.1电阻应变效应

定义：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应

发生变化，这种现象称为“应变效应”。设有一段长为1,截面积为A,电阻率为

p的导体（如金属丝），它具有的电阻为：

R=p-

A

式中：p—电阻丝的电阻率；1—电阻丝的长度；A—电阻丝的截面积。

2.1.2应变计的分类

了解。

2.1.3应变计型号命名

了解。

2.2应变计的主要特性

2.2.1应变计的灵敏度系数

当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，

将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范

围内，有下列关系：

第二章应变式传感器

式中，左为电阻应变计的灵敏度系数。

必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏度系数，

一般情况下，k<kQO这是因为，在单向应力产生双向应变的情况下，上除受到

敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部

分横向效应的影响。应变计的灵敏度系数直接关系到应变测量的精度。因此，值

通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定，该值称为“标称

灵敏度系数”。

2.2.2横向效应

定义：在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消纵向应变的作

用。应变计这种既敏感纵向应变，又同时受横向应变影响而使灵敏系数及相对电

阻比都减小的现象，称为横向效应。其大小用横向效应系数H（百分数）来表示，

即：

〃二*/xIOCM

E对轴向应变的灵敏度系数；吗为对横向应变的灵敏度系数。

减小横向效应的方法：采用直角线栅式应变计或箔式应变计。

2.2.3应变计的动态特性

实验表明，机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它

依次通过一定厚度的基底、胶层（两者都很薄，可忽略不计）和栅长而为应变计所

响应时，就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态（高频）应变测量，就

会产生误差。应变计的动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。

2.2.4其它特性参数

机械滞后

实用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载，过热，都会

第二章应变式传感器

使应变计产生残余变形，导致应变计输出的不重合。这种不重合性用机械滞后（4）

来衡量。它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增（加载）、减（卸载）试件

应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量（输出）之差值，见图2.1所示。

通常在室温条件下，要求机械滞后Zj<3〜10"。实测中，可在测试前通过多次

重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。

c

Cn

3函

囹

划

团H

匕

宓

、

«之

000

力:机械.变中£）

-f"01000*

o时间

图2.1应变计的机械滞后特性图2.2应变计的蠕变和零漂特性

蠕变和零漂

粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的

特性称为蠕变。如图2.2中0所示。

当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂。如图2.2

中的Po所示。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求0

<3~15|iso引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中

出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。选用弹性模

量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕

变性能的改善。

应变极限

应当知道，应变计的线性（灵敏系数为常数）特性，只有在一定的应变限度

范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将

出现非线性。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。如图2.3所示。应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常

要求Jm'8000"。影响Am的主要因素及改善措施，与蠕变基本相同。

第二章应变式传感器

10%真实应变

/|口实应变（好）

0J

图2.3应变计的应变极限特性

2.3应变计的粘贴

了解粘贴剂的选用要求，和常用粘合剂的选用原则：有机粘合剂通常用于低

温、常温合中温，无机粘合剂用于高温。

2.4电桥原理及电阻应变计桥路

2.4.1直流电桥的特性方程及平衡条件

电桥的供桥电源电压为，Ri、R2>R3和七为桥臂，RL为负载内阻，负载电

流II为:

2.4直流电桥

氏1&—氏2&

&(&i+&2)(金+&)+&R式&+&)+&&(g+0)

该

方程为直流电桥的特性方程。

/£=0时电桥平衡，则平衡条件为：舄&_%&=0

这说明要使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等或相对两臂电阻的乘积

相等。

第二章应变式传感器

2.4.2直流电桥的电压灵敏度

应变片工作时，其电阻变化很小，电桥相应输出电压也很小。要推动记录仪

工作，须将输出电压放大，为此必须了解AR/R与电桥输出电压的关系。

，_4

电桥灵敏度定义为:

单臂工作应变片的电桥电压灵敏度为:(1+村式中，

2.4.3交流电桥的平衡条件和电压输出

Zl、Z2、Z3、Z4为复阻抗，U为交流电压源，开路输出电压为U0,根据

交流电路分析（和直流电路类似）可得平衡条件为：Z1Z2=

设&=4+岗=2，"（i=i52,3,4）

式中段、M—各桥臂电阻和电抗；4,6—各桥臂复阻抗的模和

幅角。因此，交流电桥的平衡条件必须同时满足：

z0a=*j*4和钝=6+供

或RtRi-RaR^=XlXi-XiXi和/£,+&£i=&%+&&

2.5交流电桥2.6交流电桥分布电容的影响

电桥的调平就是确保试件在未受载、无应变的初始条件下，应变电桥满足平

衡条件（初始输出为零）。在实际的应变测量中，由于各桥臂应变计的性能参数不

第二章应变式传感器

可能完全对称，加之应变计引出导线的分布电容（其容抗与供桥电源频率有关），

严重影响着交流电桥的初始平衡和输出特性。因此，交流电桥平衡时，必须同时

满足电阻和电容平衡两个条件。

=

RJR3R2R4和R3c2=R4cl

对全等臂电桥，上式即为

R1=R2=R3=R4和C]=C2

2.5温度误差及其补偿

2.5.1温度误差产生的原因

用应变片测量时，希望其电阻只随应变而变，而不受其它因素的影响。但实

际上环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，从而产生温度误差。应变计的

温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅

与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，这种热输出干扰必须加以补

偿。

（1）敏感栅金属丝电阻本身随温度变化产生的温度误差

Rt=4(1+aZ)=7?0+RoaAt

C2）试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一，使应变丝产生附加形变而

造成的电阻变化。

（明

=%△£+K（网—同），卜£

式中at——敏感栅材料的电阻温度系数；

K——应变计的灵敏系数；

A，A—分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数。

2.5.2温度补偿方法

常采用温度自补偿法和桥路补偿法。

第二章应变式传感器

温度自补偿法

这种方法是通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿的。

—=白心£+K(后—4),卜t

(1)单丝自补偿应变计由式可知，欲使热输

出为0,只要满足条件5=一/9一耳)

R,/?»

焊点

(a)丝绕式(b)短接式

双丝自补偿应变计

(2)双丝自补偿应变计这种应变计的敏感栅是由电阻温度系数为一正一负

的两种合金丝串接而成，如图所示。应变计电阻R由两部分电阻Ra和Rb组成，

即R=Ra+Rb。当工作温度变化时，若Ra栅产生正的热输出£at与Rb栅产生负的

热输出电，能大小相等或相近，就可达到自补偿的目的。

桥路补偿法

桥路补偿法是利用电桥的和、差原理来达到补偿的目的。

(1)双丝半桥式

这种应变计的结构与双丝自补偿应变计雷同。不同的是，敏感栅是由同符号

电阻温度系数的两种合金丝串接而成，而且栅的两部分电阻Ri和R2分别接入电

桥的相邻两臂上：工作栅Ri接入电桥工作臂，补偿栅R2外接串接电阻RB(不敏

感温度影响)后接入电桥补偿臂；另两臂照例接入平衡电阻R3和七，如图所示。

当温度变化时，只要电桥工作臂和补偿臂的热输出相等或相近，就能达到热补偿

目的，即:

第二章应变式传感器

双丝半桥式热补偿应变计

（2）补偿块法

这种方法是用两个参数相同的应变计Ri、R2O

RI贴在试件上，接入电桥工作臂，R2贴在与试件同

材料、同环境温度，但不参与机械应变的补偿块上，

接入电桥相邻臂作补偿臂国3、R4同样为平衡电阻），

如图2.19所示。这样，补偿臂产生与工作臂相同的热

输出，通过差接桥，起了补偿作用。这种方法简便，

但补偿块的设置受到现场环境条件的限制。

（3）热敏电阻补偿热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片

的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压随

温度升高而增加，从而提高电桥的输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应

变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。

2.6电阻应变仪

电学应变仪应用最广泛，它采用的电路可以是直流电桥式、交流电桥式或电

位计式，应用最多的是交流电桥式电路并带有载波放大器的形式。采用交流电桥

电路的应变仪由电桥、放大器、相敏检波器、滤波器、振荡器和电源部分组成。

第二章应变式传感器

交流电桥式应变仪束理方胭困

①电桥：将应变计的电阻变化转换成电压或电流信号，以便放大器放大。通

常电桥由正弦振荡器供电，其频率为500赫〜50千赫,较低频率的被测应变信号对

较高的频率的电桥电压进行调幅，输出一个窄频带的调幅波信号。②放大器：

对电桥输出的微弱信号进行不失真的放大，并以足够的功率去推动指示器和记录

器。为提高放大器的稳定性，一般采用交流载波放大器，直流放大器仅用于超动

态应变仪。③相敏检波器：将放大后的调幅波还原为被测应变信号波形，同时反

映被测应变信号的方向，通常采用环形相敏检波器。④滤波器：滤除相敏检波

器输出信号中的高次谐波分量，以获得理想的输出波形。⑤振荡器：产生一个稳

定的振荡电压，作为电桥供电电压和相敏检波器的参考电压。

2.7应变式传感器

基本概念

1、应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。

2、弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变。

3、弹性元件：具有弹性应变特性的物体。

构成

弹性敏感元件，应变计（丝）。

工作原理

当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发

生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的

电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。

2.7.2应变式测力与称重传感器

组成：弹性体，应变计和外壳。

第二章应变式传感器

分类：根据结构形式不同可分为：柱式、桥式、轮辐式、梁式、环式等。

柱式：特点是结构简单、紧凑，易于加工，成本费用低，密封性能良好，对

于潮湿环境很适用，可设计成压式或拉式的，可以承受很大的载荷；其缺点是位

移量小、灵敏度低。

桥式：传感器弹性体为桥式，其两端用两只螺栓紧固到下面的支撑体上，其

弹性体与支撑体之间有一间隙，为弹性体的受力变形空间。该类传感器的特点如

下：由于传感器与秤体之间的连接为要求很低的间隙配合，所以安装方便，维护

简单，重复性好。

轮辐式：高度低、精度高、抗偏心载荷和侧向力强。

剪切梁式：该类传感器有以下特点：输出信号不受称重点位置变化的影响；

线性好、精度高；传感器受拉伸与压缩时，切应力的幅度与分布基本相同，即传

感器的拉伸、压缩灵敏度基本相同，所以特别适用于同时受拉和压的测量；外

形低、体积小、重量轻，易于安装和维修；结构简单易于密封；抗侧向力强。

板环式：特点是输出灵敏度高、受力状态稳定、温度均匀性好、结构简单、

易于加工，可制成拉压2种型号，对于0.5〜30吨的拉压方式称重传感器，这种

方式是很好的。

应变式压力传感器

组成：弹性元件，电阻应变计和外壳及补偿电阻。

分类：应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用

各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。

应变式加速度传感器

加速度传感器的构成如图：包括

了应变片、弹簧片、质量块、外壳

和基座。

2.8几种新型的微应变式传感器

第二章应变式传感器

概念

压阻效应：半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象就

称为压阻效应。

化学气相沉积（CVD）：是半导体技术中一种常用的薄膜生长技术，这种技

术使用化学的方法来沉积薄膜。

第三章光电式传感器

第三章光电式传感器

＞教学要求

1.掌握光电效应的基本概念，内光电效应和外光电效应。

2.掌握光传感器的特性及其表示法。

3.掌握光电管，光电倍增管，光敏电阻，光电耦合器件的原理，结构。

4.了解热释电效应的原理。

5.了解其它光电传感器的组成，原理和发展趋势。

＞教学内容

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化

转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传

感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、

反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，

因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

3.1光电效应

光电效应：它是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物

理现象，可分为外光电效应和内光电效应两类。

外光电效应是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理

现象。

内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两类。光电导效应是指，半导

体材料在光照下禁带中的电子受到能量不低于禁带宽度的光子的激发而跃迁到

导带，从而增加电导率的现象。能量对应于禁带宽度的光子的波长称光电导效应

的临界波长。光生伏特效应是指光线作用能使半导体材料产生一定方向电动势的

现象。光生伏特效应又可分为势垒效应（结光电效应）和侧向光电效应。势垒效

应的机理是在金属和半导体的接触区（或在PN结）中，电子受光子的激发脱离势

垒（或禁带）的束缚而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下电子移向N

区外侧，空穴移向P区外侧，形成光生电动势。侧向光电效应是当光电器件敏

感面受光照不均匀时，受光激发而产生的电子空穴对的浓度也不均匀，电子向未

被照射部分扩散，引起光照部分带正电、未被光照部分带负电的一种现象。

第三章光电式传感器

基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。基于光电导效应的

有光敏电阻。基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管。基于侧向光电效应的

有反转光敏二极管。

3.2热释电效应

所谓热释电效应是指该种材料中自发极化的强度随温度的变化而变化的效

应。电介质在外加电场的作用下会产生电极化的现象即会使电介质的一个表面带

有正电荷而另一个表面带有负电荷。

3.3光的吸收系数

了解。

3.4光传感器的特性表示法

光电探测器的性能参数主要的有：积分灵敏度R,光谱灵敏度RQ频率灵

敏度Rf,量子效率中通量阈P昂和噪声等效功率NEP,归一化探测度D*等。

光谱灵敏度R：（=3,如果是（常数，则相应的探测器为无选择性探

dP/

测器，如：光热探测器；反之，则为选择性探测器，如光子探测器。

频率灵敏度Rf：如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流将随

调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf。

量子效率表示探测器吸收的光子数和激发的电子书之比。

通量阈指探测器所能探测的最小光信号功率。通常认为当信号光电流％等于

噪声电流"时，刚刚能测量到光电流存在。定义通量阈：七=红（历

Ri

噪声等效功率NEP,单位信噪比时的信号光功率。噪声等效功率越小，探

测器探测微弱信号的能力越强。NEP=^=刃（SNRH=Pj（SNR"l（W）

光谱特性

在入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一

第三章光电式传感器

种材料只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光谱特性。

频率特性

表征光电器件的动态性能，反映了交变光照下器件的输出特性，用响应时间

来表示。

伏安特性

在一定的光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系称为伏安特

性。它是传感器设计时选择电参数的依据。使用时应注意不要超过器件最大允许

的功耗。

温度特性

光电器件随所处环境温度的变化，其光电效应的外在表现会发生变化。

3.5光电传感器

3.5.1光电管

光电管原理是光电效应。一种是半导体材料类型的光电管，它的工作原理光

电二极管又叫光敏二极管，是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。当光照

强度增加时，PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多，

如果二极管反偏，则反向电流增大，因此，光电二极管的反向电流随光照的增加

而上升。光电二极管是一种特殊的二极管，它工作在反向偏置状态下。常见的半

导体材料有硅、错等。如我们楼道用的光控开关。还有一种是电子管类型的光电

管，它的工作原理用碱金属（如钾、钠、葩等）做成一个曲面作为阴极，另一个

极为阳极，两极间加上正向电压，这样当有光照射时，碱金属产生电子，就会形

成一束光电子电流，从而使两极间导通，光照消失，光电子流也消失，使两极间

断开。

352光电倍增管

光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件。它

是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。

光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电

子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可

分为端窗式和侧窗式两种类型。图1所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图。其

主要工作过程如下：

第三章光电式传感器

,聚焦报

'二次电子末倍增报管针

入射光方卑

\电子倍辩极芯柱

、光阳圾（打拿学）阳极

图1端窗型光电倍增管的剖面图

当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极

电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的

电子用阳极收集作为信号输出。

因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外

区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍

增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。

3.5.3光敏电阻

结构：通常由光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组成的。

特性：光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线

十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。它在无光照射

时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。

作用与应用：广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动

报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机的自动曝光控制

等）及各种测量仪器中。

光敏电阻器种类：

1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉（CdS）、

硒化镉（CdSe）、硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锦化锢（InSb）光敏电阻器等。

2）按光谱特性分类：

•可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机、光报

警等地。

•紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。

•红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统。

第三章光电式传感器

光敏电阻器的主要参数

1）亮电阻（k。）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。

2）暗电阻（MQ）：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。

3）最高工作电压（V）：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压。

4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。

5）暗电流（mA）：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的

电流。

6）时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63%时

所需的时间。

7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变时，其电阻值的相对

变化。

8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。

354光电二极管和光电三极管

光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和

普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明

的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。光电

三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为

VTo光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚

线。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。

光电二极管与光电三极管外壳形状基本相同，其判定方法如下：

遮住窗口，选用万用表R*1K挡，测两管脚引线间正、反向电阻，均为无穷

大的为光电三极管。正、反向阻值一大一小者为光电二极管。

光电二极管检测：首先根据外壳上的标记判断其极，外壳标有色点的管脚或

靠近管键的管脚为正极，另一管脚为负载。如无标记可用一块黑布遮住其接收光

线信号的窗口，将万用表置R*1K挡测出正极和负极，同时测得其正向电阻应

在10K〜20K间，其反向电阻应为无穷大，表针不动。然后去掉遮光黑布，光电

二极管接收窗口对着光源，此时万用表表针应向右偏转，偏转角度大小说明其灵

敏度高低，偏转角度越大，灵敏度越高。

第三章光电式传感器

光电三极管检测：光电三极管管脚较长的是发射极，另一管脚是集电极。检

测时首先选一块黑布遮住起接收窗口，将万用表置R*1K挡，两表笔任意接两管

脚，测得结果其表针都不动（电阻无穷大），在移去遮光布，万用表指针向右偏

转至15K〜35K,其向又偏转角度越大说明其灵敏度越高。

光电二极管和三极管的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时

间、温度特性和频率特性等来描述。

光电管的基本特性

光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光

电流之间的关系。曲线1表示氧葩阴极：光照特性成线性关系曲线2表示锚能阴

极：光照特性成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间

比）称为光电管的灵敏度。

光电管的光照特性

光谱特性：由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保

持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系称为光电管的光谱特

性。

一般对于光电阴极材料不同的光电管，有不同的红限频率vO,对应于不同

的光谱范围。

同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。

光谱特性：对不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极一光谱响应

范围。例如：睇能阴极，其红限M）=700nm,它对紫外线和可见光范围的入射光

灵敏度比较高，适用于白光光源和紫外光源。对红外光源，常用氧钠阴极。

第三章光电式传感器

I为氧艳阴极光谱特性，n为镭钠阴极光谱特性，ni为正常人的眼睛视觉特性

10-2-3

伏安特性：在一定的光照射下，对光电管的阴极所加电压与阳极所产生的电

流之间的关系——是应用光电传感器的主要依据参数。

当极间电压高于50V时，光电流开始饱和，所有的光电子都达到了阳极。

真空光电管一般工作于饱和部分。

3.5.5光电池

光电池是利用光生伏特效应直接把光能转变成电能的器件，又称为太阳能电

池。光电池常用的材料是硅和硒，也可以使用错、硫化镉、碎化钱和氧化亚铜等。

目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。

第三章光电式传感器

结构：硅光电池是用单晶硅制成，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一

些P型杂质而形成一个大面积的P-N结，P层做得很薄，从而使光线能穿透照到

P-N结上。

工作原理：当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发

出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出

现电位差——光生电动势。

基本特性

1、光照特性

开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为20001X时趋

向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。

短路电流：指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。

负载电阻RL越小，光电流与照度的线性关系越好，且线性范围越宽。

3

OS.os../6>

、

田

2

2出

O.S用

1米

20004000

光照度/lx

硅光电池的光照特性硅光电池光照特性与负载

的关系

2,光谱特性

光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在500nm附近，适宜

测可见光。硅光电池应用的范围400nm—1200nm,峰值波长在800nm附近，因

此可在很宽的范围内应用。

1500300045006000

40060080010001200光的频率;Hz

光的波长/«■!IG-4-5

第三章光电式传感器

光电池的光谱特性光电池的频率特性

3、频率特性

光电池作为测量、计数、接收元件时常采用调制光输入。光电池的频率特性

就是指输出电流随调制光频率变化的关系。频率特性与材料、结构尺寸和使用条

件等有关。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。硅光电

池具有较高的频率响应，而硒光电池则较差。

4、温度特性

开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压与短路电流均随温度而变

化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主

要指标。当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。

硅光电池的温度特性曲线

3.5.6PIN型硅光电二极管

3.5.7雪崩式光电二极管(APD)

3.5.8半导体色敏传感器

3.5.9光电闸流晶体管

3.5.10热释电传感器

3.5.11达林顿光电三极管

3.5.13光导摄像管

以上各节均做了解。

3512光电耦合器件

光电耦合器：发光元件和光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换

第三章光电式传感器

元件。以光为媒介进行耦合来传递电信号，可实现电隔离，在电气上实现绝缘耦

合，因而提高了系统的抗干扰能力。由于它具有单向信号传输功能，因此适用于

数字逻辑中开关信号的传输和在逻辑电路中作为隔离器件及不同逻辑电路间的

接口。

光电耦合器的特点：

(a)结构简单、成本低，通常用于工作频率50kHz以下的装置。

(b)采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。

(c)采用放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较

低频率的装置中。

3.5.14CCD图像传感器

电荷藕合器件图像传感器CCD(ChargeCoupledDevice),它使用一种高感

光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字

第三章光电式传感器

信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而

可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和

想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD

表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所

产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

第四章光纤传感器

第四章光纤传感器

>教学要求

1.掌握光导纤维的组成和光在光纤中传播的原理。

2.掌握光纤的主要参数。

3.掌握强度型光纤传感器和干涉型光纤传感器的基本原理。

4.了解各类光纤传感器的结构和应用。

>教学内容

4.1光导纤维(光纤)

4.1.1光纤的结构

1.纤芯：石英玻璃，直径5—75um,材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。

2.包层：直径100—200um,折射率略低于纤芯。

3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光。

4.护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。

4.1.2光在光纤中的传播

斯涅尔定理(SneWslaw)：光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，其折

射角大于入射角，即nl>n2时，0r>0ionl、n2^Or、0i间的数学关系为：

nisin0i=n2sin0r

(1)当0r=90。时，比仍V90。，止匕时，出射光线沿界面传播，称为临界状态。

临界角Oio为：0io=arcsin(n2/ni)

(2)当％>0i0并继续增大时，9r>90°,这时便发生全反射现象，其出射光

不再折射而全部反射回来。

4.1.3光纤的几个重要参数

1、数值孔径NA

入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入

第四章光纤传感器

射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。定义为：

=J短—〃勺为纤芯折射率,为为包层折射率。

数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的

大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT建议多模光纤的数

值孔径取值范围为0.18-0.23,其对应的光纤端面接收角0c=10°~13°o

2、传播模式

采用“V值”表述光在阶跃型折射率光纤中的传播特性：

a为纤芯半径，M）为入射光在真空中的波长。光纤V值越大，则光纤所能拥

有的，即允许传输的模式（不同的离散波）数越多。当V值低于2.404时，只允许一

波或模式在光纤中传输。

3.传播损耗

光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光强发生衰减，通常用传播率A

来表示传播损耗：

-ioig^

A=----------（dB/km）

式中/为光纤长度，乙为输出端光强，为输入端光强。

4.1.4光纤的类型

1、按折射率变化类型分类：阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。

2、按传播模式的多少：单模光纤和多模光纤。

3、从传感器机理上来说:

第四章光纤传感器

光纤传感器可分为振幅型（也叫强度型）和相位型（也叫干涉仪型）两种。

振幅型光纤传感器具有结构简单、与多模光纤技术的相容性好、信号检测较容易

等优点，但其灵敏度较低。相位型光纤传感器的优点是灵敏度高，但其机构及检

测手段复杂。

强度型（振幅型）光纤传感器

4.2.1反射式光纤位移传感器

结构：反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图4.1所

示：光纤采用Y型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两

支，分别作为光源光纤和接收光纤。

原理：光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到

接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反

射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤

探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接

收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加,

到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。图4.2所示就是反射式光纤位移传

感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。

特点：反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度

快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检

测。

>

)

阴

整

汨1.5

解

O1.0

.25

位移(mm)

图4.1反射型光纤传感器的结构图2位移——输出信号曲线

4.2.2光纤测压传感器

4.2.3移动光栅光纤传感器

4.2.4微弯光纤传感器

第四章光纤传感器

以上各节要求了解。他们均属于强度调制型传感器。

4.3相位调制型光纤传感器

4.3.1基本原理

基本换能机理：在一段单模光纤中传输的相干光，因待测能量场的作用，而

产生相位调制。

测量机构分类：迈克尔逊、马赫-泽德、萨格奈克和法布里-珀罗。

特点：结构上都由空气光路和多个光学器件（分光束和平面镜）组合而成。

在每种传感器中，光源的输出光束均被分成两束或两束以上的光。这些分开的光

束沿不同光路传输之后，又重新合路并激励光敏检测器。

4.3.2光纤（强度）干涉仪

光纤耦合器：光纤耦合器（Coupler）又称分歧器（Splitter）,是将光讯号

从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线

电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到。光纤耦合器可分标准耦合器

（双分支，单位卜2,亦即将光讯号分成两个功率）、星状/树状耦合器、以及

波长多工器（WDM,若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属於DWDM）,

制作方式则有烧结（Fuse）微光学式（MicroOptics）、光波导式（WaveGuide）

三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90%）。

4.4光纤传感器的应用举例

1、相位检测

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。

第四章光纤传感器

2.光纤声传感器

通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器。光纤声压传感器利用了

双路光纤干涉原理制成的。

3.光纤磁传感器

利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器。

4.光纤电流传感器（了解）

第五章变磁阻式传感器

第五章变磁阻式传感器

＞教学要求

1.掌握变磁阻式传感器的原理。

2.掌握差动式电感传感器的工作原理。

3.掌握差动变压器式传感器的基本原理。

4.了解电动式传感器的原理。

＞教学内容

一、工作原理

变磁阻式传感器的结构如图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯

和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚

度为&，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度6发生改变，引

起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感

量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：

中_皿_皿

7=_r=_r

第五章变磁阻式传感器

式中：中一线圈总磁链；/—通过线圈的电流；w—线圈的匝数；①一穿过线

圈的磁通。

由磁路欧姆定律，得

式中：&一磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为

气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为

工+工+*

41sl42s240so

式中：从一铁芯材料的导磁率；上一衔铁材料的导磁率；右一磁通通过铁芯

的长度；4—磁通通过衔铁的长度；Si——铁芯的截面积；S2一衔铁的截面

积；为一空气的导磁率；So—气隙的截面积；8—气隙的厚度。

通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即

28L

---»--

、

--2-6-»—L—

J/QSQ

则磁阻片可近似为

R

m

U0S0

联立式以上各式，可得

第五章变磁阻式传感器

上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，只要

改变8或So均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度8

的传感器和变气隙面积So的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度8式电感传

感器。

、输出特性

设电感传感器初始气隙为伪，初始电感量为右，衔铁位移引起的气隙变化

量为Ab,从式£=日=.%。5。,可知L与&之间是非线性关系，特性曲线如图

q+AL

o'----：~~^―।-------

%一八%~4+%

在Ab很小时，电感的相对变化量为空=纯，灵敏度为:

△3缶

第五章变磁阻式传感器

由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以

变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误

差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。

三、差动电感传感器

差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈I、n和磁路组成，测量时,

衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同

的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一

个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。当衔铁往上移

动靖时，两个线圈的电感变化量AL