目录

内容简介

前言

绪论

第1章 测量的基本知识

1.1 测量方法及检测系统的组成

1.2 传感器的测量误差

1.3 传感器的基本特性

1.4 习题

第2章 电阻式传感器

2.1 电阻应变片式传感器

2.2 气敏电阻传感器

2.3 湿敏电阻传感器

2.4 热电阻

2.5 习题

第3章 电感式传感器

3.1 自感式传感器

3.2 互感式传感器

3.3 电感式传感器的应用

3.4 习题

第4章 电容式传感器

4.1 电容式传感器的工作原理及结构形式

4.2 电容式传感器测量电路

4.3 电容式传感器的应用

4.4 习题

第5章 电涡流传感器

5.1 电涡流传感器的工作原理

5.2 电涡流传感器的结构及特性

5.3 电涡流传感器的测量转换电路

5.4 电涡流传感器的应用

5.5 习题

第6章 压电传感器

6.1 压电传感器的工作原理

6.2 压电传感器的等效电路和测量电路

6.3 压电传感器的组成及结构

6.4 压电传感器的应用

6.5 习题

第7章 超声波传感器

7.1 超声波传感器的工作原理

7.2 超声波换能器及耦合技术

7.3 超声波传感器的应用

7.4 习题

第8章 磁电传感器

8.1 磁电传感器

8.2 霍尔传感器

8.3 磁敏电阻器

8.4 习题

第9章 热电偶传感器

9.1 温度测量的基本概念

9.2 热电偶传感器的工作原理

9.3 热电偶的基本定律

9.4 热电偶的种类及结构形式

9.5 热电偶的冷端温度补偿

9.6 热电偶传感器在连铸漏钢中的应用

9.7 集成温度传感器

9.8 DS18B20温度传感器应用实例

9.9 习题

第10章 光电传感器

10.1 光电传感器的工作原理

10.2 光电元件

10.3 光电传感器的组成、结构及类型

10.4 热释电红外传感器

10.5 光电传感器的应用

10.6 习题

附录 热电偶与热电阻分度表

参考文献

版权专有　侵权必究

图书在版编目（CIP）数据

传感器及自动检测技术 / 宋宇，朱伟华主编．—北京：北京理工大学出版社，2013.8（2013.9重印）

ISBN 978-7-5640-7923-9

Ⅰ．①传…　Ⅱ．①宋… ②朱…　Ⅲ．①传感器 ②自动检测　Ⅳ．①TP212 ②TP274

中国版本图书馆CIP数据核字（2013）第159222号

出版发行 / 北京理工大学出版社有限责任公司

社　　址 / 北京市海淀区中关村南大街5号

邮　　编 / 100081

电　　话 / （010）68914775（总编室）

82562903（教材售后服务热线）

68948351（其他图书服务热线）

网　　址 / http://www.bitpress.com.cn

经　　销 / 全国各地新华书店

印　　刷 / 北京慧美印刷有限公司

开　　本 / 787毫米×1092毫米　1/16

印　　张 / 12

字　　数 / 295千字

版　　次 / 2013年8月第1版　2013年9月第2次印刷

责任编辑 / 陈莉华

文案编辑 / 陈莉华

责任校对 / 周瑞红

责任印制 / 马振武

图书出现印装质量问题，请拨打售后服务热线，本社负责调换

内容简介

本书以传感器应用中所必需的基本技术和技能为目标，系统地介绍了传感器的原理及其特性和参数，测量及误差处理的基本知识，传感器的选择与安装调整技术，位移、力、扭矩、荷重、速度、加速度等机械量的检测技术，温度、压力、流量、物位等过程量的检测技术，湿度检测与气体分析技术。书中全面介绍了电阻式、电容式、电感式、电涡流式、压电式、超声波、霍尔式、光电式、光纤、热敏、气敏、湿敏传感器的原理及其特性。本书突出培养学生应用传感器的技能，如接近传感器、压力传感器，红外、超声波、微波探测防盗报警器的安装技术等。另外，书中还列举了较多传感器的实用示例。

本书可作为高职高专院校电气自动化技术、生产过程自动化技术、计算机控制技术、机电一体化技术及相关专业的教材或教学参考书，也可供测控领域的工程技术人员参考。

前言　Foreword

自动检测技术在现代生活和生产中越来越被人们所熟知，它是自动控制技术、计算机科学、微电子学和通信技术的有机结合和综合发展的产物，其内容广泛，包括各种数据采集和处理、自动测量、生产过程控制等知识。自动检测技术不但在国防、航空、航天、铁路、冶金、化工等国民经济的各个行业中得到广泛应用，而且已经渗透到办公自动化、商业自动化、家庭自动化等人类生活的各个领域。本书是将传感器与自动检测技术有机地结合在一起，使学生能够更全面地学习和掌握信号传感、信号采集、信号转换、信号处理和信号传输的整个过程；通过认识传感器的外形、基本结构和性能指标，到详细介绍其测量原理、测量转换电路，再到列举生产生活中的实例，分析检测技术在生产生活中的应用，使学生对这门学科有更深入的理解。

本书由吉林电子信息职业技术学院宋宇、朱伟华担任主编，吉林电子信息职业技术学院董括、梁玉文担任副主编。全书共分10章，由宋宇对全书编制提纲、统稿，绪论由朱伟华老师编写，第1章由钱海月老师编写，第2、3、10章由宋宇老师编写，第4、6章由董括老师编写，第5、9章由梁玉文老师编写，第7章由李俊涛老师编写，第8章、附录部分由杨欣慧老师编写。

本书是根据高职高专培养目标的要求和目前高职学生的特点而编写的，本书在编写过程中，参阅了许多专家的著作、论文和教材；在取材和体系编排上注重理论基础和应用技术相结合，突出实用性和针对性，以有限的篇幅尽量拓宽知识领域。

由于传感器发展较快，编者水平有限，书中难免有遗漏和欠妥之处，敬请广大读者批评指正。我们热忱希望本书能对从事和学习自动检测技术的广大读者有所帮助，并希望您将对本书的意见和建议通过E-mail：smith.ssss@163.com告诉我们，谢谢您的支持。

编　者

绪论

传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器，现代化生产就失去了基础；传感器是边缘学科开发的先驱；传感器已渗透到诸如工业生产、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极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

一、传感器的组成

传感器是一种以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的，便于处理的另一种物理量的测量装置、器件或元件。因此，传感器直接与被测对象发生联系，采集并获取被测对象的信息。由于一般的被测对象是非电信号，如位移、速度、温度、压力、流量等，所以传感器还必须将上述信号转换成便于传输和处理的电信号。

传感器一般由敏感元件和转换元件两部分组成，有时也将转换电路及辅助电源作为传感器的组成部分，其组成框图如图0-1所示。

图0-1　传感器的组成

敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分。在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转换成电量，往往是先变换为另一种便于变成电量的非电量，然后再转换成电量。各种类型的弹性元件常被称为弹性敏感元件。

转换元件是指能将感受到的非电量直接转换成电量的器件或元件。如应变片将应变转换为电阻量。

转换电路是指将无源型传感器输出的电参量转换成电量。常用的转换电路有电桥电路、谐振电路等，它们将电阻、电容、电感等电参量转换成电压、电流或频率。实际上，有些传感器的敏感元件可以直接把被测非电量转换成电量输出，如光电池、压电晶体、热电偶等，它们为有源型传感器。

二、传感器的作用

人们为了从外界获取信息，必须借助感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动时它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此，传感器的作用可包括信息的收集、信息数据的交换及控制信息的采集三大内容。通过传感器对自然界的各种物质信息进行采集。

1. 信息的收集

科学研究中的计量测试，产品制造与销售中所需的计量都要由测量而获得准确的定量数据。对于某种特定的要求，需测量目标物的存在状态，把某状态信息转换为数据。

对系统或装置的运行状态进行检测，也由传感器来实现，发现异常情况时，发出警告信号并启动保护电路工作。这样可以对系统或装置进行正常运行与安全管理。判断产品是否合格或人体各部位的异常诊断都须由传感器的测量来完成。

2. 信息数据的交换

把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据。或者读出在各种媒体上的信息并进行转换。例如，磁盘与光盘的信息读出，磁头就是一种传感器。

3. 控制信息的采集

检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。

三、传感器的应用领域

随着电子计算机、生产自动化、航空、遥测、遥感等科学技术的发展，对传感器的需求量与日俱增，其应用领域已渗入到社会的各个领域，并起着巨大的作用。下面仅将传感器在一些主要领域中的应用做以简介。

1. 传感器在汽车中的应用

目前，家用轿车越来越多，传感器在汽车中的应用已不只局限于对行驶速度、行驶距离、发动机旋转速度等，由于汽车交通事故的不断增多和汽车对环境的危害，传感器在一些新的设施，如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等都得到了实际应用。可以预测，随着汽车电子技术和汽车安全技术的发展，传感器在汽车领域的应用将会更为广泛。

2. 传感器在家用电器中的应用

现代家用电器中普遍应用着传感器。传感器在电子炉灶、自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电熨斗、电风扇、游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、电冰箱、彩色电视机、录像机、录音机、收音机、电唱机及家庭影院等方面得到了广泛的应用。

随着人们生活水平的不断提高，对提高家用电器产品的功能及自动化程度的要求极为强烈。为满足这些要求，首先要使用能检测模拟量的高精度传感器，以获取正确的控制信息，再由微型计算机进行控制，使家用电器的使用更加方便、安全、可靠，并减少能源消耗，为更多的家庭创造一个舒适的生活环境。

目前，家庭自动化的蓝图正在设计之中，未来的家庭将由作为中央控制装置的微型计算机，通过各种传感器代替人监视家庭的各种状态，并通过控制设备进行着各种控制。家庭自动化的主要内容包括：安全监视与报警、空调及照明控制、耗能控制、太阳光自动跟踪、家务劳动自动化及人身健康管理等。家庭自动化的实现，可使人们有更多的时间用于学习、教育或休息娱乐。

3. 传感器在工业检测和自动控制系统中的应用

传感器在工业自动化生产中占有极其重要的地位。在石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业中，传感器在各自的工作岗位上担负着相当于人们感觉器官的作用，它们每时每刻地按需要完成对各种信息的检测，再把大量测得的信息通过自动控制、计算机处理等进行反馈，用以进行生产过程、质量、工艺管理与安全方面的控制。

在自动控制系统中，电子计算机与传感器有机地结合在实现控制的高度自动化方面起到了关键的作用。

4. 传感器在机器人上的应用

目前，在劳动强度大或危险作业的场所，已逐步使用机器人取代人的工作。一些高速度、高精度的工作，由机器人来承担也是非常合适的。但这些机器人多数是用来进行加工、组装、检验等工作，属于生产用的自动机械式的单能机器人（能力比较单一）。

要使机器人和人的功能更为接近，以便从事更高级的工作，要求机器人具有判断能力，这就要给机器人安装物体检测传感器，特别是视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有关的感觉。这类机器人被称为智能机器人，它不仅可以从事特殊的作业，而且一般的生产、事务和家务，全部可由智能机器人去处理。

5. 传感器在医疗及人体医学上的应用

随着医用电子学的发展，仅凭医生的经验和感觉进行诊断的时代将会结束。现在，应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉搏及心音、心脑电波等进行高难度的诊断。显然，传感器对促进医疗技术的高度发展起着非常重要的作用。

为增进全国人民的健康水平，我国医疗制度的改革，将把医疗服务对象扩大到全民。以往的医疗工作仅局限于以治疗疾病为中心，今后，医疗工作将在疾病的早期诊断、早期治疗、远距离诊断及人工器官的研制等广泛的范围内发挥作用，而传感器在这些方面将会得到越来越多的应用。

6. 传感器在遥感技术中的应用

所谓遥感技术，简单地说就是从飞机、人造卫星、宇宙飞船及船舶上对远距离的广大区域的被测物体及其状态进行大规模探测的一门技术。

在飞机及航天飞行器上装用的传感器是近紫外线、可见光、远红外线及微波等传感器。在船舶上向水下观测时多采用超声波传感器。例如，要探测一些矿产资源埋藏在什么地区，就可以利用人造卫星上的红外接收传感器对地面发出的红外线的量进行测量，然后由人造卫星通过微波再发送到地面站，经地面站计算机处理，便可根据红外线分布的差异判断出埋有矿藏的地区。

遥感技术目前已在农林业、土地利用、海洋资源、矿产资源、水利资源、地质、气象、军事及自然灾害等领域得到了应用。

7. 传感器在航空及航天中的应用

在航空及航天的飞行器上广泛地应用着各种各样的传感器。为了解飞机或火箭的飞行轨迹，并把它们控制在预定的轨道上，就要使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量。要了解飞行器飞行的方向，就必须掌握它的飞行姿态。飞行姿态可以使用红外水平线传感器陀螺仪、阳光传感器、星光传感器及地磁传感器等进行测量。此外，对飞行器周围的环境、飞行器本身的状态及内部设备的监控也都要通过传感器进行检测。

8. 传感器在环境保护中的应用

目前，环球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境，这一现状已引起了世界各国的重视。为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。

四、传感器的分类

传感器的种类繁多，目前没有统一的分类方法，常用的分类方法归纳如下。

1. 按传感器转换原理分类

1）结构型传感器

结构型传感器是利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。

2）物性型传感器

物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等）实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。例如，电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热敏、气敏、湿敏传感器等。

3）复合型传感器

复合型传感器是由结构型传感器和物性型传感器组合而成的，兼有两者的特征。

2. 按能量转换的方式分类

1）有源型传感器

有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电式、光电池、热电偶等。

2）无源型传感器

无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。

3. 按照输入量（被测对象）分类

1）物理量传感器

物理量传感器又可分为光学量传感器、力学量传感器、温度学量传感器、电学量传感器、磁学量传感器、位移传感器等。

2）化学量传感器

化学量传感器包括气体传感器、离子传感器和湿度传感器等。

3）生物量传感器

生物量传感器包括生化量传感器和生理量传感器。

4. 按输出信号的形式分类

按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式。

5. 按输入和输出的特性分类

按输入和输出特性，传感器可分为线性和非线性两类。

五、传感器的发展

传感器技术是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，在国外，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键，从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国在20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术必将有较大的发展，概括起来有以下几个方面。

1. 集成化

半导体集成技术与厚、薄膜技术，使传感器集成化成为可能。把信息摄取、放大、变换、传输以及信息处理和存储都制作在同一基片上，它具有反馈功能。传感器的集成化为敏感元件的小型化与薄型化以及为提供高质量、长寿命、低功耗、低售价和特殊功能的新一代敏感元件创造了条件。

传感器集成化的另一含义是把一些同样的单个传感器配置于同一个面上。将一些传感器配成一列，称为一维传感器；将一些传感器配成矩阵，称为二维传感器。

2. 多功能化

传感器的多功能化一般是指传感器本身不仅具有检测功能，而且还兼有信号处理等其他功能。并且，传感器与其他功能复合，从而产生出新的功能，也是多功能化的一种类型。例如，有一种热敏传感器，它是由温度传感器与开关元件集成化而构成的。对这种元件，要将其集电结的反向饱和电流设计成灵敏的随温度而变化、能起控温作用的结构形式。这种器件同时具备温度传感器与开关两种功能。

利用多种物理、化学、生物效应或传感器与相应电子测量电路相结合，使传感器多功能化，这是目前传感器的一种趋势。例如，超微粒热/湿/气敏多功能敏感器件以及集成温度传感器、集成压力传感器、集成磁阻传感器等都属于此类。

3. 智能化

1）提供了过程数据处理功能智能传感器

这种传感器不但能放大信号，并能使信号数字化，再用软件实现信号调节。一般来说，传感器不能输出线性信号，而过程控制却把线性度作为重要的追求目标。智能传感器通过查表方式可使非线性信号线性化。当然对每个传感器要单独编制这种数据表。另外，智能传感器还能通过数字滤波器对数字信号滤波，从而减少噪声和其他相关效应的干扰。还能用软件实现非线性补偿和其他更复杂的补偿，这是因为查询表几乎能产生任意形状的曲线。

有时必须测量和处理几个不同的物理量，这样将给出各自的数据，智能传感器中的微处理器使用户很容易实现多个信号的加、减、乘、除运算。最重要一点是智能传感器可把过程的数据处理放到接近信号产生点进行，这样带来了极大的好处：其一是因为把附加信号发送到控制室成本较高，而智能传感器就省去了附加传感器和引线的成本；其二是由于附加信息是在信息的应用点检测到的，这样就大大降低了长距离传输的负效应，如噪声、电压降等，从而使信号更准确；其三是可以简化主控制器中的软件，提高控制环的速度。

2）自诊断能力

智能传感器提供先进的自诊断功能。一是专为特定物理条件下工作而设计的装置，智能传感器可以监视其工作环境，并当环境条件接近临界条件时能给出报警信号；二是智能光电传感器能通过分析其输入信号状态给出诊断信息，如果反射器校直发生偏移或透镜表面受污染则给出报警信息；三是当传感器内部发生故障时，智能传感器可自己监测出内部出现的临界参数，如果某个参数超出规定的指标，将给出报警信号。通过内部测试环节，传感器可检测出不正常现象或部分故障。

3）组态功能

灵活的组态功能大大减少了用户需要研制和更换必备的不同传感器类型和数目，利用智能传感器的组态功能可使同一类型的传感器工作在最佳状态，并且能在不同的场合从事不同的工作。

4）存储功能

智能传感器可以存储大量的信息，用户可随时查询。

5）数字通信

智能传感器本身带有微控制器，因此属于数字式的，能配置与外部连接的数字串行通信，把串行通信配置到装置上，可以有效地管理信息的传输，使数据只在需要时才输出。

6）自适应技术

自适应技术可延长器件或装置的寿命，同时也扩大其工作领域，因为它能自动适应不同的环境条件。自适应技术提高了传感器的重复性和准确度。因为其校正和补偿数值已不再是一个平均值，而是测量点的真实修正值。

六、传感器的发展动向

随着新型敏感元件材料和采用新的加工工艺的发展，利用微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，使测量精度、自动化水平进一步提高。

1. 开发新型传感器

新型传感器包括采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。

传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般来说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。

2. 开发新材料

传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。如半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。

3. 新工艺的采用

在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。

例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开关，制作出全硅谐振式压力传感器。

4. 集成化、多功能化

为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，做成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。

5. 智能化

对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。

智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感器技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。

第1章　测量的基本知识

测量和检测问题广泛地存在于各行各业，存在于生产、生活等领域，而且随着生产力水平与人类生活水平的不断提高，对测量和检测问题提出了越来越高的要求。一方面要求检测系统具有更高的速度、精度、可靠性和自动化水平，以便尽量减少人力，提高工作效率；另一方面要求检测系统具有更大的灵活性和适应性，并向多功能化、智能化方向发展。传感器的广泛使用使这些要求成为可能。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息，都要通过传感器将其转换成容易传输与处理的电信号。

1.1　测量方法及检测系统的组成

一、测量的基本概念

在科学实验和工业生产中，为了及时了解实验进展情况、生产过程情况以及它们的结果，人们需要经常对一些物理量，如电流、电压、温度、压力、流量、液位等参数进行测量，这时人们就要选择合适的测量装置，采用一定的检测方法进行测量。

测量是指人们借助于专门的设备，通过一定的方法，对被测对象收集信息、取得数据概念的过程。测量的结果可以表现为数值，也可以表现为一条曲线或某种图形等。但不管以什么形式表现，测量结果总包含为数值（大小和符号）和单位两部分。例如，测得某一电流为20A，表明该被测量的数值为20，单位为A（安培）。

二、测量方法

测量方法是指实现测量过程所采用的具体方法。在测量过程中，由于测量对象、测量环境、测量参数的不同，因而采用各种各样的测量仪表和测量方法。针对不同的测量任务进行具体分析，以找出切实可行的测量方法，这对测量工作是十分重要的。

对于测量方法，从不同的角度有不同的分类方法。根据获得测量值的方法可分为直接测量、间接测量和组合测量；根据测量的精度情况可分为等精度测量和非等精度测量；根据测量方式可分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量；根据被测量变化快慢可分为静态测量和动态测量；根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为接触测量和非接触测量；根据测量系统是否向被测对象施加能量可分为主动式测量和被动式测量，等等。

1. 直接测量、间接测量与组合测量

1）直接测量

用事先分度或标定好的测量仪表，直接读取被测量值的方法称为直接测量。例如，用电磁式电流表测量电路的某一支路电流、用电压表测量电压、用温度计测量温度等，都属于直接测量。直接测量是工程技术中大量采用的方法，其优点是测量过程简单而又迅速，但不易达到很高的测量精度。

2）间接测量

首先对与被测量有确定函数关系的几个量进行测量，然后再将测量值代入函数关系式，经过计算得到所需结果，这种测量方法称为间接测量。间接测量手续多，花费时间较长，一般用在直接测量不方便或没有相应直接测量仪表的场合。

3）组合测量

若被测量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果，则这种测量方法称为组合测量。组合测量是一种特殊的精密测量方法，操作手续复杂，花费时间长，多用于科学实验等特殊场合。

2. 等精度测量与不等精度测量

用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量，称为等精度测量。用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量称为非等精度测量。

3. 偏差式测量、零位式测量和微差式测量

1）偏差式测量

在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量值，这种测量方法称为偏差式测量。仪表上有经过标准量具校准过的标尺或刻度盘。在测量时，利用仪表指针在标尺上的示值，读取被测量的数值。偏差式测量简单、迅速，但精度不高，这种测量方法广泛应用于工程测量中。

2）零位式测量

用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表来检测测量系统的平衡状态，从而判定被测量值等于已知标准量的方法称为零位式测量。用天平测量物体的质量、用电位差计测量未知电压都属于零位式测量。在零位式测量中，标准量是一个可连续调节的量，被测量能够直接与标准量相比较，测量误差主要取决于标准量具的误差，因此可获得较高的测量精度。另外，指零结构越灵敏，平衡的判断越准确，越有利于提高测量精度。但这种方法需要平衡操作，测量过程复杂，花费时间长，因此不适用于测量迅速变化的信号。

3）微差式测量

微差式测量综合了偏差式测量和零位式测量的优点。它将被测量先与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法测得此差值。

三、检测系统的组成

在自动检测系统中，各个组成部分是以信息流的过程来划分的。检测时，首先获取被测量的信息，并通过信息的转换把获得的信息变换为电量，然后进行一系列的处理，再用指示仪或显示仪将信息输出，或由计算机对数据进行处理，最后把信息输送给执行机构。所以一个检测系统主要分为信息的获得、信息的转换、信息的处理和信息的输出等几个部分。要完成这些功能主要依靠传感器、信号处理电路、显示装置、数据处理装置和执行机构等。其具体组成框图如图1-1所示。

图1-1　自动检测系统的组成

1. 传感器

传感器是把被测量（如物理量、化学量、生物量等）变换为另一种与之有确定对应关系，并且容易测量的量（通常为电学量）的装置。它是一种获得信息的重要手段，它所获得信息的正确与否，关系到整个检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地位。

2. 信号处理电路

通常传感器输出信号是微弱的，需要由信号处理电路加以放大、调制、解调、滤波、运算以及数字化处理等。信号处理电路的主要作用就是把传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压（或电流）信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。

3. 显示装置

测量的目的是使人们了解被测量的数值，所以必须有显示装置。显示装置的主要作用就是使人们了解检测数值的大小或变化的过程。目前常用的显示方式有模拟显示、数字显示、图像显示3种方式。

（1）模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示被测量数值的大小，如毫伏表、毫安表等，其特点是读数方便、直观，结构简单，价格低廉，在检测系统中一直被大量使用。但这种显示方式的精度受标尺最小分度限制，而且读数时易引入主观误差。

（2）数字显示是指用数字形式来显示测量值，目前大多采用LED发光数码管或液晶显示屏等，如数字电压表。这类检测仪器还可附加打印机，打印记录测量数值，并易于计算机联机，使数据处理更加方便。

（3）图像显示是指用屏幕显示（CRT）读数或被测参数变化的曲线，主要用于计算机自动检测系统中。如果被测量处于动态变化中，用一般的显示仪表读数就十分困难，这时可将输出信号送给计算机进行图像显示或送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，并以之作为检测结果，供分析使用。常用的自动记录仪器有笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪和计算机等。

4. 数据处理装置和执行机构

数据处理装置就是利用微机技术，对被测结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱分析等。在自动测控系统中，经信号处理电路输出的与被测量对应的电压或电流信号还可以驱动某些执行机构动作，为自动控制系统提供控制信号。随着计算机技术的飞跃发展，微机在自动检测系统中已得到了非常广泛的应用。

1.2　传感器的测量误差

一、传感器测量误差的定义

用传感器测量的目的是得到被测事物的真实量——真值，但是，在实际测量中无论用何等精密仪器进行测量，得到的测量值与被测物理量的真值总存在着一定的差值，这个差值被称为测量误差。

二、传感器测量误差的类型

1. 按误差的性质分类

1）系统误差

在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号保持恒定或按某一确定规律变化，此类误差称为系统误差。其误差的数值和符号不变的称为恒值系统误差；按照一定规律变化的，称为变值系统误差。变值系统误差又可分为累进性的、周期性的和按复杂规律变化的等多种类型。检测装置由于本身性能不完善、测量方法不当、对仪器的使用不当、环境条件的变化等原因都可能产生系统误差。

系统误差是有规律的，因此可通过实验或分析的方法，查明其变化规律和产生原因，通过对测量值的修正或者采用一定的预防措施，就能够消除或减小它对测量结果的影响。

2）随机误差

在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差没有固定的大小和符号，呈无规律的随机性，此类误差称为随机误差。

存在有随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，但是多数随机误差都服从正态分布规律。就误差的整体而言，服从一定的统计规律。因此可以通过增加测量次数，利用概率论的一些理论和统计学的一些方法，可以掌握看似毫无规律的随机误差的分布特性，并进行测量结果的数据统计处理。

如图1-2所示，随机误差的分布有以下特性。

图1-2　随机误差分布特性

（1）对称性。绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。

（2）单峰性。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。

（3）有界性。一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定界限。

（4）抵偿性。随测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋于零。

3）粗大误差

明显偏离约定真值的误差称为粗大误差。它主要是由于测量人员的失误所致，如测错、读错或记错等。含有粗大误差的数值称为坏值，应予以剔除。在测量中，若误差大于极限误差，即为粗大误差。

粗大误差主要是人为因素造成的。例如，测量人员工作时的疏忽大意，出现了读数错误、记录错误、计算错误或操作不当等。另外，测量方法不恰当，测量条件意外地突然变化，也可能造成粗大误差。在分析测量结果时，就应先分析有没有粗大误差，先把坏值从测量值中剔除，然后再进行系统误差和随机误差的分析。

2. 按被测量与时间的关系分类

1）静态误差

静态误差是指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本上不变化的测量误差。以上所介绍的测量误差均属于静态误差。

2）动态误差

被测量在随时间变化过程中测得的误差称为动态误差。动态误差是由于检测系统对输入信号响应滞后，或对输入信号中不同频率成分产生不同的衰减和延迟所造成的。

3. 传感器测量误差的表示方法

1）绝对误差

绝对误差是指测量值某被测量的指示值Ax
与真值A0
之间的差值，称之为绝对误差Δ，即：

Δ=Ax
-A0
（1-1）

2）相对误差

（1）实际相对误差。它等于绝对误差与真值的百分比。用γA
表示，即：

（2）示值（标称）相对误差。它等于绝对误差与指示值的百分比。用γx
表示，即：

（3）满度（引用）相对误差。它等于绝对误差与仪表量程值AF.S
的百分比。用γn
表示，即：

1.3　传感器的基本特性

传感器的基本特性是指传感器的输入与输出关系特性，是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。传感器的特性参数有很多，且不同类型的传感器，其特性参数的要求和定义也各有差异，但都可以通过其静态特性和动态特性进行全面描述。

一、传感器的静态特性

静态特性表示传感器在被测各量值处于稳定状态时的输出与输入的关系。主要包括精确度、线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

1. 精确度（精度）

精确度是用来表示仪表测量结果可靠程度最重要的指标。在自动化仪表中，以最大相对百分误差（引用误差）来定义仪表的精度等级，即：

仪表的δ越大，表示它的精确度越低；反之，δ越小，表示它的精确度越高。对于两台测量范围不同的仪表，如果它们的绝对误差相等，则测量范围大的仪表精确度比测量范围小的高。

国家统一规定仪表的精度等级的方法：将仪表允许的最大相对百分误差去掉“±”和“%”，便可用来确定仪表的精度等级。划分的精度等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0。一般来说，精度等级越高测量结果越准确可靠，但价格越贵，维护烦琐。

例1
某台测温仪表的测温范围为200 ℃~700 ℃，校验该表时得到的最大绝对误差为+4℃，试确定该仪表的精度等级。

解：
该仪表的相对百分误差为：

去掉“+”和“%”，数值为0.8。但国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，而且该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，因此该仪表的精度等级为1.0级。

例2
某台测温仪表的测温范围为0℃~1000℃。根据工艺要求，温度指示器的误差不允许超过±7℃，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？

解：
根据工艺要求，仪表允许的最大百分误差为：

去掉“+”和“%”，数值介于0.5~0.7之间。如果选择精度等级为1.0级的仪表，其允许的误差为±1.0%，超过了工艺上允许的数值，因此，应选择0.5级的仪表才能满足工艺要求。

2. 灵敏度

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量Δy与引起该增量的相应输入量增量Δx之比。它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化。显然，灵敏度K值越大，表示传感器越灵敏。

线性传感器的灵敏度K为常数；非线性传感器的灵敏度K是随输入量变化的量。

曲线越陡，灵敏度越高。可以通过作该曲线的切线的方法（作图法）来求得曲线上任一点的灵敏度，用作图法求取传感器的灵敏度如图1-3所示。由切线的斜率可以看出，x1
点的灵敏度比x2
点高。

图1-3　用作图法求取传感器的灵敏度

选用传感器首先要考虑的是灵敏度，如果达不到测量时所必需的灵敏度，这种传感器不能采用。但灵敏度高的传感器不一定是最好的传感器，这是因为它易受噪声的影响。除环境噪声外，还有来自传感器本身的噪声。必须用信号与噪声的相互关系全面来衡量传感器。

3. 线性度

线性度即非线性误差，是传感器的校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差（ΔLmax
）与满量程值（yF.S
）的百分比。即：

拟合直线：对传感器特性线性化，用一条理论直线代替标定曲线，即拟合直线。拟合直线不同，所得线性度也不同。常用的两种拟合直线，即端基拟合直线和独立拟合直线，如图1-4所示。

图1-4　传感器拟合直线示意图

（a）端基拟合直线；（b）独立拟合直线

（1）端基拟合直线是由传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成的一条直线。由此所得的线性度称为端基线性度。这种拟合方法简单直观，应用较广，但拟合精度很低，尤其对非线性比较明显的传感器，拟合精度更差。

（2）独立拟合直线方程是用最小二乘法求得的，在全量程范围内各处误差都最小。独立线性度也称最小二乘法线性度。这种方法拟合精度最高，但计算很复杂。

4. 变差（回差、迟滞）

变差是在外界条件不变的情况下，当输入变量由小变大和由大变小时，仪表对于同一输入所给的两相应输出值不相等，二者在全行程范围内的最大差值即为变差。如图1-5所示。其数值为对应同一输入量的正行程和反行程输出值间的最大偏差ΔHmax
与满量程输出值的百分比。用γH
表示为：

图1-5　传感器迟滞示意图

5. 重复性

如图1-6所示，重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性。从误差的性质讲，重复性误差属于随机误差。

图1-6　传感器重复性示意图

6. 漂移

零漂和温漂：传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一定时间，其输出值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比，即为零漂。温度每升高1℃，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。

7. 测量范围与量程

在允许误差范围内，传感器能够测量的下限值（ymin
）到上限值（ymax
）之间的范围称为测量范围，表示为ymin
~ymax
；上限值与下限值的差称为量程，表示为

yF.S
=ymax
-ymin

如某温度计的测量范围是-20℃~80℃，量程则为100℃。

8. 分辨率和阈值

传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。对于某些传感器，如电位器式传感器，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，分辨力就是仪表指示值的最后一位数字所代表的值。当被测量的变化量小于分辨力时，数字式仪表的最后一位数不变，仍指示原值。当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。

阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则将死区的大小作为阈值；更多情况下，阈值主要取决于传感器噪声的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。

9. 环境特性

周围环境对传感器影响最大的是温度。目前，很多传感材料采用灵敏度高，且信号易处理的半导体。然而，半导体对温度最敏感，实际应用时要特别注意。

除温度外，还有气压、湿度、振动、电源电压及频率等都影响传感器的特性。

10. 稳定性

理想特性的传感器是加相同大小的输入量时，输出量总是大小相同。然而，实际上传感器特性随时间而变化，因此，对于相同大小的输入量，其输出量是变化的。连续工作时，即使输入量恒定，传感器输出量也会朝着一个方向偏移，这种现象称为温漂。需要注意的是，除传感器本身的温漂外，还有安装传感器的机构的温漂，以及电子电路的温漂。

二、传感器的动态特性

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

传感器要检测输入信号随时间而变化，则传感器的特性应能跟踪这个输入信号的变化，这样可以获得准确的输出信号。如果变化太快，就可能跟踪不上，这就是响应特性，即为动态特性。动态特性是传感器的重要特性之一。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

1.4　习题

1. 什么是被测量值的绝对误差、相对误差和引用误差？

2. 用测量范围为0~150kPa的压力传感器测量140kPa压力时，传感器测得示值为142kPa，求该示值的绝对误差、相对误差和引用误差。

3. 什么是随机误差？随机误差具有哪些特征？随机误差产生的原因是什么？

4. 有三台测温仪表，量程均为0℃~600℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5%，选用哪台仪表合理？

5. 有两台测温仪表，测量范围为-300℃~+300℃和0℃~700℃，已知两台仪表的绝对误差最大值都为0.1℃，试问哪台仪表的精度高？

6. 有一测压仪表，测量范围为0~800Pa，准确度为0.5级。现用它测量400Pa的压强，求由仪表引起的绝对误差和相对误差分别是多少？

7. 有一温度计，它的测量范围为0℃~200℃，精度等级为0.5级，求：

（1）该温度计可能出现的最大绝对误差。

（2）当示值分别为20℃、100℃时的示值相对误差。

第2章　电阻式传感器

电阻式传感器的基本原理是将各种被测非电量转换成电阻的变化量，再通过电阻分压电路或电阻电桥电路转换成电压输出。电阻传感器是目前应用最广泛的传感器之一，已广泛地应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中的力、压力、力矩、位移、加速度、温度、湿度、气体成分及浓度等参数的测量。

2.1　电阻应变片式传感器

电阻应变片式传感器可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数，是目前应用最广泛的传感器之一。它的主要优点是结构简单，使用方便，灵敏度高，性能稳定、可靠，测量速度快，适合静态、动态测量。

2.1.1　应变片式传感器的工作原理

应变片式传感器是利用应变效应工作的。应变片式传感器由敏感元件、应变片、电桥组成。电阻应变片粘贴在弹性敏感元件或被测弹性构件上，把弹性元件或构件的应变转换成电阻的变化，再通过电桥把电阻变化转换成电压输出。

取一段金属丝，当金属丝未受力时，原始电阻值为：

式中　R——金属丝的电阻；

ρ——金属丝的电阻率；

L——金属丝的长度；

S——金属丝的截面积；

r——金属丝的截面半径。

当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中ρ、r、L都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。

实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量ΔR/R与材料力学中的轴向应变εx
的关系在很大范围内是线性的，即：

式中　K——电阻应变片的灵敏度。

对于不同的金属材料，K略微不同，一般为K≈2。对于半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率ρ会发生很大变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。

在材料力学中，
称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，通常很小，常用10-6
表示之。

又由材料力学可知：

εx
=F/SE　（2-3）

所以有：

如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积S以及弹性模量E均已知，则只要设法测出ΔR/R的数值，即可获得试件受力F的大小。

电阻应变片式位移传感器的位移测量范围较小，一般在0.1μm~0.1mm，其测量精度小于2%，线性度为0.1%~0.5%。它主要与弹性敏感元件一起构成测力、荷重、压力和加速度等物理量的传感器。常见的电子计价秤一般用的就是应变片式传感器。

2.1.2　电阻应变片式传感器的种类与结构类型

电阻应变片的种类繁多，形式多样，常按照应变片构造的材料进行分类，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。其中，金属应变片又分为箔式、丝式、薄膜式；半导体应变片又分为体型、薄膜型、扩散型、PN型和其他型。下面介绍两种常用的应变片及其特点。

一、金属电阻应变片的结构类型

金属电阻应变片的结构如图2-1所示，图2-1（a）为其结构示意图，敏感栅粘贴在基底上，上面覆盖保护层。基底有纸基和胶基两种。应变片的纵向尺寸为工作长度，反映被测应变，其横向应变将造成测量误差。图2-1（b）为圆角丝栅，其横向应变会引起较大测量误差，但耐疲劳性好，一般用于动态测量。图2-1（c）为直角丝栅，精度高，但耐疲劳性差，适用于静态测量。箔式电阻应变片的丝栅形状可与应力分布相适应，制成各种专用应变片，图2-1（d）为应变片式扭矩传感器专用，图2-1（e）为板式压力传感器专用，图2-1（f）为常用的普通传感器。

图2-1　金属电阻应变片

箔式电阻应变片的电阻值分散度小，可做成任意形状，易于大量生产，成本低，散热性好，允许通过大的电流，灵敏度高，耐蠕变和耐漂移能力强。薄膜应变片是采用真空镀膜技术在很薄的绝缘基底上蒸镀金属电阻材料薄膜，再加上保护层形成的。其优点是灵敏度高，允许通过大的电流。

二、半导体应变片的结构类型

随着硅扩散技术的发展，扩散型半导体应变片已成为主流。半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型等型式。扩散型半导体应变片是在硅片上用扩散技术制成4个电阻并构成电桥，利用硅材料本身作为弹性敏感元件，还可以把补偿电路和其他信号处理电路集成在一起，构成集成力敏传感器。

体型半导体应变片结构如图2-2所示，表2-1列出了几种应变片的主要技术参数。

图2-2　半导体应变片结构

1—基片；2—条状半导体；3—引线

表2-1　应变片的主要技术参数

2.1.3　测量转换电路

电阻式传感器可以用直流或交流电桥作为转换电路。电桥可用作电阻、电容和电感式传感器的测量电路，在电桥平衡时读出被测参数，称为平衡电桥。电桥在初始状态是平衡的，输出电压等于零；当桥臂参数变化时才输出电压，称为不平衡电桥，其特性是非线性的。

一、电阻应变片的输出电压

直流电阻电桥如图2-3（a）、（b）、（c）所示，其初始状态可通过RP1

调零。若采用交流供电，则称为交流电桥，如图2-3（d）所示，可通过RP1

和RP2

调零。当电桥平衡时输出电压Uo
=0。电桥的平衡条件是对边桥臂电阻乘积相等，即：

R1
R3
=R2
R4
（2-5）

由于通常4个电阻不可能刚好满足平衡条件，因此电桥都设置有调零电路。调零电路由RP1

及R5
组成。当电桥不平衡时，将有电压输出。根据电路原理，可得输出电压为：

图2-3　常用电桥电路

当4个桥臂电阻R1
、R2
、R3
、R4
分别发生ΔR1
、ΔR2
、ΔR3
、ΔR4
的变化量时，式（2-6）分母中将有变量ΔR项，分子中将含有（ΔR）2
项，因此电桥为非线性的。在满足式（2-5）条件下，略去分母中的ΔR项和分子中（ΔR）2
的项，整理可得：

若4个桥臂都是电阻应变片时，可将
代入式（2-7）中可得：

二、应变电桥的工作方式

对于应变片式传感器，其电桥电路可分为全桥、单臂电桥和双臂电桥工作方式。全桥和双臂电桥还可构成差动工作方式。式（2-7）和式（2-8）为全桥的电压输出表达式。

1. 半桥单臂工作方式

如图2-3（a）所示R1
为电阻应变片，R2
、R3
、R4
为固定电阻，由式（2-7）和式（2-8）得：

2. 半桥双臂工作方式

如图2-3（b）所示，R1
、R2
均为电阻应变片，R3
、R4
为固定电阻，同理可得：

3. 差动电桥

式（2-9）中，相邻桥臂间为相减关系，相对桥臂间为相加关系。因此，构成差动电桥的条件为：相邻桥臂应变片的应变方向应相反，相对桥臂应变片的应变方向应相同。如果各应变片的应变量相等，则称为对称电桥。式（2-10）和式（2-7）可改写为：

式（2-11）为对称差动半桥的输出电压表达式，式（2-12）为对称差动全桥的输出电压表达式。可见，差动电桥可提高电桥的灵敏度。由于消除或减少了分母中的ΔR项和分子中的（ΔR）2
项，因此减少了电桥的非线性。同时相邻桥臂对相同方向的变化有补偿作用，因此可实现温度补偿。

2.1.4　电阻应变片传感器的应用

应变效应的应用十分广泛。除了可以测量应变外，还可以测量应力、弯矩、加速度、位移等物理量。

一、测力传感器

电阻应变片式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域。测力传感器按其量程大小和测量精度不同而有很多规格，他们的主要差别是弹性元件的结构形式不同，以及应变片在弹性元件上粘贴的位置不同。常用的测力传感器的弹性元件有柱式和梁式两种。

1. 柱式力传感器

圆柱式传感器的弹性元件，如图2-4所示。

图2-4　应变片粘贴在柱形弹性元件上

设圆柱的有效面积为S、泊松比为μ、弹性模量为E，4片相同特性的应变片贴在圆筒的外表面，再接成全桥形式。若外加荷重为F，R1
、R3
受压应力，ε1
、ε3
为负；R2
、R4
受拉应力，ε2
、ε4
为正，则传感器的输出为：

将ε1
=ε3
=εx
，ε2
=ε4
=εy
=-μεx
代入上式得：

由此可见，输出Uo
正比于荷重F。用柱式力传感器可制成称重式料位计。

2. 悬臂梁式力传感器

悬臂梁式力传感器是一种结构简单、高精度、应变片容易粘贴、抗偏抗侧性能优越的称重测力传感器，最小可以测量几十克、最大可以测几十吨的质量，精度可达到0.02%F.S（满量程）。悬臂梁式力传感器采用弹性梁及电阻应变片作为敏感转换元器件，接成全桥电路。当垂直正压力或拉力作用在弹性梁时，应变片随弹性梁一起变形，其应变使应变仪、数字电压表或其他二次仪表显示或记录质量或力。利用这种方法，可制成称重电子秤、加速度传感器等。悬臂梁有两种：一种为等截面型，另一种为等强度型。

等截面梁就是悬臂梁的横截面处处相等的梁。当外力作用在梁的自由端时，在固定端产生的应变最大。等截面梁适合于5000N以下的载荷测量。其传感器结构简单，灵敏度高。

等强度梁是一种特殊形式的悬臂梁，其特点是，沿梁长度方向的界面按一定规律变化，当外力F作用在自由端时，距作用点任何距离截面上的应力相等。

等强度梁的优点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度高。主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉、压力。在同一截面正反两面粘贴应变片，并应粘在该界面中性轴的对称表面上。图2-5为应变片粘贴到悬臂梁上的位置。

图2-5　应变片粘贴到悬臂梁上的位置

二、压力传感器

电阻应变压力传感器主要用于测量流体压力，有时也用于测量土壤压力。根据其弹性体的结构形式可分为单一式和组合式两种。

1. 单一式压力传感器

单一式是指应变片直接粘贴在受压弹簧膜片（或筒）上。图2-6（a）所示为筒式弹性元件，图2-6（b）所示为应变片布片，工作应变片R1
、R3
沿筒外壁周向粘贴，温度补偿应变片R2
、R4
贴在筒的外壁，并接成全桥。当应变筒内壁感受压力P时，筒外壁产生周向应变，从而改变电桥的输出。

图2-6　筒式弹性元件及应变片布片

（a）筒式弹性元件；（b）应变片布片

2. 组合式压力传感器

组合式压力传感器由受压弹性元件（膜片、膜盒或波纹管）和应变弹性元件（各种梁）组合而成。前者承受压力，后者粘贴应变计。两者之间通过传力件传递压力作用。这种结构的优点是受压弹性元件能对流体高温、腐蚀等影响起到隔离作用，使应变片具有良好的工作环境。

2.2　气敏电阻传感器

在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制，等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。图2-7所示为几种常用的气体传感器。

图2-7　常用气体传感器

（a）可燃性气体传感器；（b）酒精传感器

2.2.1　接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器可用于坑内沼气、化工厂的可燃性气体量的探测，城市煤气泄漏报警，对半导体敏感元件不适合的空气污染厉害的餐馆等。

接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃~400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。

接触燃烧式气体传感器的测量电路如图2-8所示。图中采用的是桥式电路。它是将铂丝阻值的变化转换为电压的变化，以达到测量气体的密度的目的。图2-8中F1
是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度和电源电压变化等因素所引起的偏差。

图2-8　接触燃烧式气体传感器的测量电路

当检测元件F1
与可燃性气体接触时，由于氧化作用，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。由电路分析可得：

式中　ΔRF1

——因温度变化而引起的铂丝电阻值变化的大小。

如果令：

k=E0
·R1
/（RF1

+RF2

）（R1
+R2
）　（2-16）

则有：

可以看出A、B两点间的电位差E近似地与ΔRF1

成正比。

又：

式中　ρ——检测元件的电阻温度系数；

ΔT——由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；

ΔH——可燃性气体接触燃烧的发热量；

C——检测元件的热容量；

Q——可燃性气体的燃烧热；

m——可燃性气体的浓度，%（Vol）；

α——由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。

ρ、C、α的数值与检测元件的材料、形状、结构和表面处理方法等因素有关。Q由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，它们都是确定的常数。

则当检测元件F1
和补偿元件F2
的电阻比RF1

/RF2

接近于1时有：

E=k·m·b　（2-19）

其中，
。

由此可得：A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。

如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得A、B间的电位差E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度，若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号。

工作时，要求在F1
和F2
上保持有100~200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1
上发生氧化反应（接触燃烧）所需要的热量。

另外，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件都是在铂丝线圈外面涂覆一层氧化物触媒，这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的相应特性。

2.2.2　电化学气敏传感器

电化学气敏传感器利用气敏电极或者气体扩散电极等构成一系列电池测量各种气体含量，其中气敏电极测量一些溶解在溶液中气体的含量或者用于环境监测：如O2
、CO2
、SO2
、NH3
、HCN、HF等气体，尤其是固体电解质气敏传感器能适应高温、高压等恶劣环境和高浓度的场合。这些气敏传感器结构简单，选择性好，而且能快速响应，便于自动测量和控制。本节以氧化锆氧气传感器为例来讲解。

一、氧化锆测量原理

氧化锆氧传感器是采用氧化锆固体电解质组成的氧浓度差电池来测氧的传感器。它是20世纪60年代才兴起的，属于固体离子学中一个重要应用方面。这类氧传感器已在国内外广泛用于工业炉窑优化燃烧，产生了显著的节能效果；广泛用于汽车尾气测量，明显地改善了城市环境污染；广泛用于钢液测氧，大大提高了优质钢的质量和产量；广泛用于惰性气体中测氧，其灵敏度和测氧范围非其他氧量计可比。

ZrO2
是典型的离子晶体，ZrO2
中添加二价或三价立方对称氧化物，如CaO、MgO、Y2
O3
和其他三价稀土氧化物时，在适当加热和冷却条件下可以使ZrO2
在600℃以上时成为氧的快离子导体，人们称它为固体电解质。这种陶瓷材料对氧具有高度的敏感性，选择性亦十分好，用它做成的氧探头（又称氧传感器）广泛应用于工业炉和环境保护。ZrO2
固体电解质是离子导电体，它是通过晶格内的氧离子空位来实现导电的，锆的导价金属氧化物的加入在ZrO2
晶格中产生了大量的氧离子空位，如图2-9所示。每加入两个锆离子就建立一个氧离子空位，ZrO2
的缺陷浓度主要决定于添加剂的加入量，而与温度和环境气氛无关。ZrO2
的离子导电就是通过ZrO2
内氧离子的迁移来实现的。

图2-9　氧化锆固体电解质的导电机理

在氧化锆电解质（ZrO2
管）的两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极，在一定温度下，当电解质两侧氧浓度不同时，高浓度侧（Ⅱ侧Pref
）的氧分子被吸附在铂电极上与电子（4e）结合形成氧离子O2-
，使该电极带正电，O2-
离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧（Ⅰ侧PO2

）的Pt电极上放出电子，转化成氧分子，使该电极带负电。两个电极的反应式分别为：

在Ⅱ侧：

O2
+4e→2O2-
（2-20）

在Ⅰ侧：

2O2-
→O2
+4e　（2-21）

这样在两个电极间便产生了一定的电动势，氧化锆电解质、Pt电极及两侧不同氧浓度的气体组成氧探头，即所谓氧化锆浓差电池。这种电池电动势产生的原动力是两侧电极上氧的化学位差。1933年Wagner确立了原电池电动势与两侧化学位之间的关系为：

式中　n——电极反应得失数，这里n=4e；

F——法拉第常数；

分别为低氧浓度和高氧浓度侧电极氧的化学位；

t1
——离子迁移数。

如把氧气看成理想气体，则有：

式中
——氧的标准化学位；

R——气体常数；

T——绝对温度；

PO2

——氧分压。

假定t1
，对式（2-22）积分并将式（2-23）代入，经整理可得：

此式即著名的能斯特关系式。它是氧探头测氧的基础。

在氧探头中，高浓度侧气体用已知氧浓度（Pref
）的气体作为参比气，如用空气，则Pref
=20.6%。将此值及式（2-24）中的常数项合并，则得参比气为空气的能斯特公式：

E=0.021 5Tln（0.209 5/PO2

）　（2-25）

可见，如能测出氧探头的输出电动势E和被测气体的绝对温度T，即可算出被测气体的氧分压（浓度）PO2

。

在实际应用中，通过检测气体的氧电势及温度，通过以能斯特公式为基础的数学模型，就可以推算出被测气体的氧含量（百分比）。这就是氧化锆氧探头的基本检测原理。

二、氧化锆的结构类型及安装方式

氧化锆氧浓差电池用于实际检测中，主要需要解决的问题是，氧化锆检测头，反应电极及将被测气体与参比气（空气）严格隔离的问题（也叫作氧探头的密封问题）。实际应用过程中，最难以解决的是密封问题和反应电极问题。

下面对一些氧探头的结构类型加以说明。以检测方式不同分，氧化锆氧探头基本上可以分为两大类：采样检测式氧探头及直插式氧探头。

1. 采样检测式氧传感器

采样检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测室。检测室通过加热元件把氧化锆加热到工作温度（750℃以上）。氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极（见图2-10）。采样检测的优点是不受检测气氛温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气氛中的氧含量。由于采样式检测方式的灵活性，因此运用在许多工业在线检测上。采样检测的缺点是反应时间长；结构复杂，容易影响检测精度；在被检测气氛杂质较多时，采样管容易堵塞；多孔铂电极容易受到气氛中的硫、砷等的腐蚀以及细小粉尘的堵塞而失效；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。

图2-10　多孔铂电极氧化锆传感器

在被检测气体温度较低（0℃~650℃），或被测气氛较清洁时，采样式检测方式工作较好，如制氮机测氧，实验室测氧等。

2. 直插式检测方式

直插式检测是将氧化锆直接插入高温被测气体，直接检测气体中的氧含量。这种检测方式应用在被检测气氛温度在700℃~1150℃时（特殊结构还可以用于1400℃的高温），利用被测气氛的高温使氧化锆达到工作温度，不另外用加热器（见图2-11）。直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高温密封问题和电极问题。

图2-11　直插式氧化锆氧探头结构原理图

以下列举了几种直插式氧探头的结构形式。

1）整体氧化锆管式

这种形式是从采样检测方式上采用的氧化锆管的形式上发展起来的。就是将原来的氧化锆管加长，使氧化锆可以直接伸到高温被测气体中。这种结构不存在高温密封问题，很容易解决密封问题。

2）直插式氧化锆氧传感器

由于直插式氧探头的工作环境恶劣，且对其检测精度、工作稳定性和工作寿命都要求较高，需采用新的技术，克服传统氧化锆氧探头的不足。

由于需要将氧化锆直接插入检测气氛中，对氧探头的长度有较高要求，一般直插式氧探头的有效长度在500~1000mm，特殊的环境长度可达1500mm。因此直插式氧探头很难采用传统氧化锆氧探头的整体氧化锆管状结构，而多采取技术要求较高的氧化锆和氧化铝管连接的结构。因此密封性能是这种氧化锆氧探头的最关键技术之一。目前国际上最先进的连接方式，是将氧化锆与氧化铝管永久地焊接在一起，其密封性能极佳。与采样式检测方式比，直插式检测有显而易见的优点：氧化锆直接接触气氛，检测精度高，反应速度快，维护量较小。

三、氧化锆使用寿命的影响因素

氧化锆氧传感器有两种基础材料：基体ZrO2
固体电解质和反应电极。这两种材料长期在高温（600℃）还原性气氛下工作时，其性能会逐步劣化而影响使用寿命。因此世界上科技工作者都关注着这两个材料问题。

1. 多孔Pt电极的问题

ZrO2
氧传感器国内普遍存在稳定性差和寿命短的现象，即使国外已完全实用化了的产品也常常出现电势异常、响应劣化、电极中毒或脱落现象，这一切都与ZrO2
氧传感器的多孔Pt电极的特性有关。

1）电极形貌及其影响因素

氧探头反应电极过去一直用多孔Pt制成，因为它的催化能力强，现在还有不少成品用多孔Pt电极。多孔Pt电极的表面积极大，是一种热力学不稳定状态，特别是由于氧传感器长期在高温下，例如渗碳炉中的氧传感器的工作环境温度为860℃~940℃，在这种工作条件下，多孔Pt电极的电极表面分布着的小孔尺寸会不断增大而响应电极反应。

ZrO2
氧传感器的电极反应是多相催化反应，其中Pt电极的重要作用之一就是作为反应催化剂。对于一定的催化剂而言，催化剂的能力与其的表面积有关，一般而言，增加催化剂的表面积，是提高反应效率的有效手段之一，提高催化剂表面积的最好方法是“造孔”，催化剂的比表面主要是由微孔的内表面积提供的，因此，长期在高温下工作的多孔Pt电极将会减小Pt电极的比表面，从而降低其催化能力。另外，电极电孔数的变化，会显著地改变Pt-ZrO2
-气三相界面影响速度。

2）Pt/ZrO2
界面问题

（1）元素互扩散。

Pt/ZrO2
界面是氧传感器的关键部位，该界面的电化学性能、化学反应以及平衡决定着传感器的特性。

界面极为粗糙，Pt和ZrO2
在各处互相咬合一起。由于涂制电极及电极使用温度很高，在高温下，Pt、ZrO2
之间总是会产生成分的相互扩散，以降低界面能，界面在900℃工作温度下的成分相互扩散程度已经十分严重。多孔Pt电极与连续块状合金电极相比，有以下3个特点。

① 具有很高的缺陷浓度，因而加快了扩散过程。

② 晶粒度小，因而晶界面积大，原子沿晶界的扩散比晶内快得多。

③ 含有大量的孔洞，因而其表面积极大。这3个特点都为原子扩散提供了有利条件。

（2）转晶。

Zr离子在强还原性气氛中会转化为金属Zr，并溶解于Pt中形成Pt-Zr固溶体，达到溶解极限后，开始形成Pt3
Zr金属间化合物，破坏了原始组织结构。

此外，Pt/ZrO2
黏结力不好而脱膜也是经常发生的现象。

（3）积炭。

多孔Pt电极在渗碳炉中致命的弱点是炭黑堆积在Pt电极的孔洞内，特别在高碳势的情况下更为严重，炭黑在多孔Pt电极小孔内的堆积，使得Pt-ZrO2
-气相三相催化反应界面处的状态发生变化而使电极反应不稳定，输出氧势波动或偏高等现象。

（4）堵塞。

多孔Pt电极的小孔在加热炉烟道中应用时，经常被尘灰堵塞而影响炉气向三相界面的扩散，最终使氧探头输出信号减弱而测不准。

近些年来，连续块状合金电极有替代多孔电极的趋势。实用表明，其催化性能可与多孔Pt电极媲美，而在高温还原性气氛下的工作寿命合金块状电极比多孔Pt电极好。

2. ZrO2
固体电解质的时效问题

ZrO2
固体电解质作为工业炉用氧探头往往长期在700℃以上的高温下进行工作，如果不考虑气氛的影响，这个工作温度对由Y2
O3
固溶为立方相结构的ZrO2
固体电解质来讲，是一个高温时效过程，这是氧探头不稳定和失效的另一个主要原因。

ZrO2
中掺入Y2
O3
的目的有两个：产生氧离子空位和建立全稳定立方相结构。

纯ZrO2
有3种晶体结构，3种不同的晶体结构与其转变温度有关，对氧探头来讲，立方相ZrO2
结构存在大量的八面体间隙，氧离子在其中能够快速扩散，由此增加氧化锆制成氧头后的离子导电率和响应速度，因此人们制作氧探头时，往往使锆头的ZrO2
做成立方相结构。

从热力学角度看，这种全稳定立方相ZrO2
是一种亚稳相，在一定的温度条件下会发生时效相变，宏观表现为电解质内阻增加，输出氧电势不稳定或下降。

近几年来，为了解决立方相高温热震性差的问题，已经开始用部分稳定ZrO2
（相对全稳定立方相而言）固体电解质制作氧探头，其晶体结构为四方ZrO2
和单斜ZrO2
的混合体，在一定温度或应力作用下，四方ZrO2
按马氏体相变方式向单斜ZrO2
转化，此时需吸收能量。这就是陶瓷材料领域中的所谓部分稳定ZrO2
有相变增韧的特性，这种机制和金属材料中的TRIP钢韧化机制完全一样。部分稳定ZrO2
制作的钢液测氧探头是完全认可的，因为这种氧探头是一次性使用，在炼钢冶金炉上应用已经成熟。可控气氛氧探头使用时间要求超过一年，用部分稳定ZrO2
制作可控气氛氧探头目前已在生产实践中成功应用。

四、氧探头的工业应用

工业用氧传感器可分为通用性强的氧分析器和根据用途不同而设计的专用氧探头两种。

1. 在工业锅炉、加热炉上的氧量分析应用

作此用途的氧传感器多采用管状结构，此管可以两端开口，也可以单端开口，目前市场出现最多的是后一种。ZrO2
管内外壁上涂有多孔Pt电极，由内外电极分别向管端引伸并在端部接出Ni-Cr丝作信号输出用。

氧传感器使用时，引入被测气体的方式有直插式和扩散式两种。直插式响应时间短，不需要加热器，结构简单，小型轻便，但要求同时检测被测气体的温度。扩散式由于氧探头的温度由加热器控制，因此测量精度高，工作可靠，但响应时间取决于气体的流量。

这种氧分析器在国外已广泛应用在锅炉和加热炉烟气含氧量的测定，从而控制燃烧系统实现低氧燃烧，达到降低热能损失、节约能源的目的。据国外报导，在钢铁厂加热炉中，将烟气中的氧含量从3%降到1%，排气损失减少24%，燃料节约8%。

我国也开展了这方面的工作，效果显著。鞍山钢铁公司第二初轧厂均热工段第21坑采用低氧控制，仅半年，平均吨钢燃耗比全厂降低6.3×104
卡，节约燃料率为24.14%，单坑产量比全厂平均提高16.26%。望亭电厂的三十万千瓦机组锅炉用氧探头使烟气氧含量从原来的6%下降到1%，节约燃料800吨/年，节电5万度/年。天津动力试验研究所在天津军粮城发电厂进行热平衡计算时表明：锅炉排烟含氧量减少1%，锅炉效率约提高0.48%，机组热耗下降16.5卡/度。按此最保守数据计算，该厂每台5万千瓦发电机配套的230吨/小时煤粉炉每年将节约766吨标准煤。

在陶瓷窑炉中，用氧探头控制炉气氛，不仅节能，减少污染，而且能提高产品质量。如一种含有少量氧化铜的釉，在用氧探头控制的三种不同还原气氛中烧结，可得到三种不同的颜色：在轻还原气氛中呈淡绿色；在中等还原气氛中呈淡棕色；而在重还原气氛中又呈淡红色。可见用氧探头控制气氛是保证陶瓷质量的重要手段。

2. 在热处理可控气氛炉上的碳势控制应用

氧探头在渗碳、碳氮共渗、保护气氛无氧化加热等热处理工艺上的应用要比在工业炉、汽车上应用复杂得多，因为炉内的气氛控制与氧探头输出的氧量信号没有直接的数学关系。它是通过氧探头测量出热处理炉内气氛中的氧量，再由热处理炉内气氛的化学平衡原理计算出对应的碳势，达到监视或控制炉内的碳势，这就要求在大量生产实践的基础上收集大量可靠的实验数据，建立起与实际更接近的数学模式。

渗碳炉中气氛碳势的测量与控制，1950年前后主要用氯化锂露点仪，1970年前后大多采用红外线气体分析仪。20世纪70年代中期美国率先在热处理行业引进氧探头进行碳势控制，并获得巨大的成功。氧探头直接插入炉内测量，具有结构简单、响应速度快、精度高等优点，得以迅速在发达国家推广使用。到20世纪80年代中期，欧、美、日等都已全部改用氧探头测量和控制碳势。

氧探头的使用范围很广，一般说来适用于高温渗碳、碳氮共渗、非平衡渗碳（或高碳势），以及氮基气氛渗碳等。

使用氧探头带来的效益是很显著的。首先是产品质量提高，基本上消除了废品；其次是缩短了渗碳时间，减少了渗剂的消耗，节约了能源。据使用厂家反映，利用氧探头可缩短20%工时，减少50%~70%的渗剂消耗；再次是可避免炭黑的形成，减轻了清理工作。

多数热处理气氛是含CO、CO2
、CH4
、H2
、H2
O等的混合气体，目前发展起来的N2
基气氛中，N2
只作为载气并不参加反应，这里不予考虑。

简单地讲，平衡条件下，气氛中CO和H2
的含量是稳定的，一般的碳势控制都是比较容易实现的，但到高温或高碳势（>1.2%℃）时，气氛CO和H2
O含量非常小，当气氛被引出炉并冷却后，气氛的平衡被严重破坏，这导致CO2
红外仪和露点法给出的碳势与实际碳势的偏差经常达到100%以上，而氧探头是直接插入炉中测量的，反映的是炉内真实状况，精度很高。

2.2.3　半导体气敏传感器

半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。像SnO2
金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导体，在200℃~300℃时，它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃性气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃性气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。若可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。本节主要介绍测量还原性气体的MQN型气敏电阻以及TiO2
氧浓度气敏电阻。

一、还原性气体传感器

所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子、化合价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。

测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2
、ZnO或Fe2
O3
等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂及其他添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。图2-12所示是MQN型气敏电阻的结构及测量转换电路简图。

图2-12　MQN型气敏电阻的结构及测量转换电路简图

（a）气敏烧结体；（b）气敏电阻外形；（c）基本测量转换电路

1—引脚；2—塑料底座；3—烧结体；4—不锈钢网罩；5—加热电极；

6—工作电极；7—加热回路电源；8—测量回路电源

MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（图2-12（c）中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。

气敏电阻工作时必须加热到200℃~300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。

气敏电阻的工作原理十分复杂，涉及材料的微晶结构、化学吸附及化学效应，有不同的解释模式。简单地说，当N型半导体的表面在高温下遇到离解能较小（易失电子）的还原性气体（可燃性气体）时，气体分子中的电子将向气敏电阻表面转移，使气敏电阻中的自由电子密度增加，电阻率下降，电阻减少。还原性气体浓度越高，电阻下降就越多。这样，就把气体的浓度信号转换成电信号。气敏电阻使用时应尽量避免置于油雾、灰尘环境中，以免老化。

气敏半导体的灵敏度较高，在被测气体浓度较低时有较大的电阻变化，而当被测气体浓度较大时，其电阻率的变化逐渐趋缓，有较大的非线性。这种特性较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。控制烧结体的化学成分及加热温度，可以改变它对不同气体的选择性。例如，制成煤气报警器，可对居室或地下数十米深处的漏点进行检漏。还可制成酒精检测仪，以防止酒后驾车。目前，气敏电阻传感器已广泛应用于石油、化工、电力、家居等各种领域。图2-13所示为MQN型气敏电阻对不同气体的灵敏度特性曲线。

图2-13　MQN型气敏电阻对不同气体的灵敏度特性曲线

二、二氧化钛氧浓度传感器

常用氧浓度传感器如图2-14所示。

图2-14　氧浓度传感器

半导体材料二氧化钛（TiO2
）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。上述过程是可逆的，当氧气浓度下降时，氧原子析出，电阻值减小。

图2-15所示是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减少时，TiO2
的阻值减小。

图2-15　氧浓度传感器结构图及测量转换电路

（a）结构；（b）测量转换电路

1—外壳（接地）；2—安装螺栓；3—搭铁线；4—保护管；5—补偿电阻；

6—陶瓷片；7—TiO2
气敏电阻；8—进气口；9—引脚

在图2-15（b）中，与TiO2
气敏电阻串联的热敏电阻Rt
起温度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2
气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt
也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo
不受温度影响，减少了测量误差。事实上，Rt
与TiO2
气敏电阻是由相同材料制作的，只不过Rt
用陶瓷密封起来，以免与燃烧尾气直接接触。

TiO2
气敏电阻必须在上百度的高温下才能工作。汽车之类的燃烧器刚启动时，排气管的温度较低，TiO2
气敏电阻无法工作，所以还必须在TiO2
气敏电阻外面套一个加热电阻丝（图中未画），进行预热以激活TiO2
气敏电阻。

2.3　湿敏电阻传感器

随着现代工业技术的发展，纤维、造纸、电子、建筑、食品、医疗等部门提出了高精度、高可靠性测量和控制湿度的要求。用于湿度的检测与控制在现代科研、生产和生活中的地位越来越重要，例如，粗粮仓库中的湿度超过某一程度时，谷物会发芽或霉变；纺织厂湿度应保持在60%~70%RH；在农业生产中，湿室育苗、使用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。因此各种湿敏元件不断出现。利用湿敏电阻传感器（简称湿敏电阻）对湿度进行测量和控制，则灵敏度高、体积小、寿命长，不需维护，可以进行遥测和集中控制。

一、湿敏电阻的工作原理

湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理制成的。湿敏电阻有不同的结构形式。常用的有金属氧化物陶瓷湿敏电阻，金属氧化物膜型湿敏电阻、高分子材料湿敏电阻。

1. 金属氧化物陶瓷湿敏传感器

陶瓷湿敏电阻传感器的核心部分是用铬酸镁-二氧化钛（MgCr2
O4
-TiO2
）等金属氧化物以高温烧结工艺制成的多孔陶瓷半导体。其气孔率高达25%以上，具有1μm以下的细孔分布。与日常生活中常用的结构紧密的陶瓷相比，其接触空气的表面显著增大，所以水蒸气极易被吸附于表面及空隙之中，使其电导率下降。当相对湿度从1%RH变化到95%RH时，其电阻率的变化高达4个数量级以上，所以在测量电路中必须考虑采用对数压缩手段。图2-16为陶瓷湿敏传感器特性曲线。

图2-16　陶瓷湿敏传感器特性曲线

多孔陶瓷置于空气中易被灰尘、油烟污染，从而使感湿面积下降。如果将湿敏陶瓷加热到400℃以上，就可使污物挥发或烧掉，使陶瓷恢复到初期状态，所以必须定期给加热丝通电。陶瓷湿敏传感器吸湿快（10s左右），而脱湿要慢许多，从而产生滞后现象，称为湿滞。当吸附的水分子不能全部脱出时，会造成重现性误差及测量误差，有时可用重新加热脱湿的方法来解决，即每次使用前应先加热1min左右，待其冷却至室温后，方可进行测量。陶瓷湿敏电阻的湿度——电阻的标定比温度传感器的标定困难得多。它的误差较大，稳定性也较差，使用时还应考虑温度补偿（温度每上升1℃，电阻下降引起的误差约为1%RH）。陶瓷湿敏电阻应采用交流供电（例如50Hz）。若长期采用直流供电，会使湿敏材料极化、吸附的水分子电离，导致灵敏度降低，性能变坏。

2. 金属氧化物膜型湿敏传感器

Cr2
O3
、Fe2
O3
、Fe3
O4
、Al2
O3
、Mg2
O3
、ZnO及TiO等金属氧化物的细粉吸湿后导电性增加，电阻下降。吸附或释放水分子的速度比上述多孔陶瓷快许多倍。

在陶瓷基片上先制作钯金梳状电机，然后采用丝网印刷等工艺，将调制好的金属氧化物糊状物印刷在陶瓷基片上，采用烧结或烘干的方法使之固化成膜。这种膜在空气中能吸附或释放水分子，而改变其自身的电阻值。通过测量两电极间的电阻值即可检测相对湿度。其响应时间小于1min。

3. 高分子湿敏传感器

高分子电阻湿敏传感器是目前发展迅速、应用较广的一类新型湿敏电阻传感器。它的外形与金属氧化物膜型湿敏传感器相似，只是吸湿材料用可吸湿电离的高分子材料制作。例如高氯酸锂-聚氯乙烯、有亲水基的有机硅氧烷、四乙基硅烷的共聚膜等。

高分子湿敏电阻具有响应快、线性好、成本低等特点。

2.4　热电阻

利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而变化的特性来测量温度的感温元件称为热电阻。它可用于测量-200℃~500℃范围内的温度。大多数金属导体和半导体的电阻率都随温度发生变化，纯金属有正的电阻温度系数，半导体有负的电阻温度系数。用金属导体或半导体制成的传感器，分别称为金属电阻温度计和半导体温度计。

随着科学技术的发展，热电阻的应用范围已扩展到1~5kΩ的超低温领域，同时在1000℃~1200℃范围内也有足够好的特性。

2.4.1　金属热电阻

绝大多数金属具有正的电阻温度系数α，温度越高，电阻越大。要求作为测量用的热电阻材料必须满足以下要求。

（1）高温度系数，电阻随温度变化保持单值并且最好呈线性关系。

（2）热容量小。

（3）高电阻率，这样可以在同样灵敏度情况下使元件尺寸做得小一些。

（4）在工作范围内，物理和化学性能稳定，保证了热电阻测量的准确性。

（5）工艺性能良好，容易获得较纯物质，材料复制性好，价格便宜。

一、铂热电阻

铂的特点有：

（1）在氧化性介质中，甚至在高温下，铂的物理、化学性质都很稳定。

（2）在还原性介质中，特别是在高温下，很容易被氧化物中还原成金属的金属蒸气所玷污，以致使铂丝变脆，并改变电阻与温度关系特性。

（3）铂是贵金属，价格较贵。

对于（2）可以用保护套管设法避免或减轻。因此，从对热电阻的要求来衡量，铂在极大程度上能满足上述要求，所以它是制造基准热电阻、标准热电阻和工业用热电阻的最好材料。

铂热电阻与温度的关系，在0℃~630.74℃以内为：

Rt
=R0
（1+At+Bt2
）　（2-26）

在-190℃~0℃以内为：

Rt
=R0
［1+At+Bt2
+C（t-100）3
］　（2-27）

式中　Rt
——温度为t℃时的电阻值；

R0
——温度为t0
℃时的电阻值；

t——任意温度；

A，B，C——分度系数。A=3.96847×10-3
/℃，B=-5.847×10-7
/℃，C=-4.22×10-12
/℃。

铂热电阻的电阻体是用纯度高达99.995%~99.9995%、直径为0.02~0.07mm的铂丝，按一定规律绕在云母、石英或陶瓷支架上而制成，用银导线作为引出线。工业用铂热电阻体的结构如图2-17所示。

图2-17　铂热电阻体结构

二、铜电阻

在测量精度不高、测量范围不大的情况下，可采用铜热电阻来代替铂热电阻，这样可降低成本（因为铂为贵金属）。在温度为-50℃~150℃范围内，铜热电阻与温度呈线性关系，可用特性方程表示：

Rt
=R0
（1-αCu
t）　（2-28）

式中　Rt
——温度为t℃时的电阻值；

R0
——温度为t0
℃时的电阻值；

αCu
——铜的电阻温度系数，αCu
=4.25×10-3
/℃~4.28×10-3
/℃。

铜热电阻的优点是：

（1）输出-输入特性近似线性。

（2）工艺性好，价格便宜。

其缺点是：

（1）电阻率小，仅为铂的1/6，故体积大，热惯性大。

（2）当温度高于100℃时，易氧化，测量范围小，不适于在腐蚀性介质或高温下工作。

铜热电阻的结构如图2-18所示，通常用直径为0.1mm的漆包线或丝包线双线绕制在绝缘基片上，浸以酚醛树脂成为铜电阻体，再以镀银铜线作引出线。

图2-18　铜热电阻的结构

2.4.2　热电阻测量电路

采用热电阻作为测温元件时，温度的变化转化为电阻的变化，对温度的测量转化为对电阻的测量。一般以热电阻作为电桥的一臂通过电桥把电阻的变化转变为电压的变化，再由动圈式仪表直接测量或经放大器输出实现自动测量或记录。但在工业用热电阻安装生产现场，与其安装在控制室指示或记录仪表之间的引线很长，如果仅用两根导线接在热电阻两端，导线本身的阻值必然和热电阻的阻值串联在一起，由于热电阻的阻值变化较小，势必造成较大的测量误差。且导线阻值是随其所处环境温度而变的，这种误差很难修正。因此，两线制连接方式不宜在工业热电阻上应用。

通常，热电阻采用三线制和四线制的测量电路来解决此问题。

1. 三线制

所谓三线制接法，即热电阻的一端与一根导线相接，另一端同时接两根导线。三线制的接法如图2-19说明。图中连接热电阻Rt
的三根导线，直径和长度均相同，阻值都是r，其中一根串联在电桥的电源上，对电桥的平衡与否毫无影响，另外两根分别串联在电桥的相邻两臂里，则相邻两臂的电阻都增加相同的阻值。

图2-19　热电阻的三线制接法

当电桥平衡时，可写出下列关系式，即：

（Rt
+r）R1
=（R4
+r）R2
（2-29）

由此可以得出：

设计电桥时如满足R1
=R2
，则有Rt
=R4
，这种情况下连线电阻r对桥路平衡毫无影响，即可以消除热电阻测量过程中r的影响。但必须注意，只有在对称电桥（R1
=R2
），且在平衡状态下才如此。

工业热电阻有时用不平衡电桥指示温度，例如动圈仪表是不平衡电桥原理指示温度的。这种情况下，三线制接法并不能完全消除连接导线电阻r对测温的影响，但会减少它的影响。

2. 四线制

所谓四线制就是在热电阻两端各用两根导线连到仪表上。一般是用直流电位差计作为指示或记录仪表，其接线方式如图2-20所示。

图2-20　热电阻的四线制接法

由恒流源供给已知电流I流过热电阻Rt
，用电位差计测出在其上产生压降U，再利用欧姆定律得：

此处为热电阻供给电流和测量其上电压分别使用了四根导线，尽管导线有电阻r，但电流在导线①②上形成的压降r·I不在测量范围之内。导线③④上虽有电阻但无电流，因为电位差计测量时不取电流，所以四根导线的电阻r对测量均无影响。与电位差计配合的四线制测量热电阻是比较完善的方法，它不受任何条件的约束，总能消除连接导线电阻对测量的影响。在此恒流源是关键，必须保证电流I的稳定不变，而且其值的精确度应该和Rt
的测量精度相适应。

2.4.3　热敏电阻

热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件，其电阻值随温度的变化而显著变化，因此，热敏电阻能直接将温度的变化转换为电量的变化输出。

热敏电阻的主要特点是：

（1）电阻温度系数大，灵敏度高。通常温度变化1℃，阻值变化1%~6%，电阻温度系数绝对值比一般金属电阻大10~100倍。

（2）结构简单，体积小。珠形热敏电阻探头的最小尺寸为0.2mm，能测量热电偶和其他温度传感器无法测量的空隙、腔体、内孔等处的点温度。如人体血管内温度等。

（3）电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。

（4）使用方便。热敏电阻阻值范围在10~105
范围内可任意挑选，不必考虑线路引线电阻和接线方式，容易实现远距离测量，功耗小。

（5）阻值与温度变化呈非线性关系。

（6）稳定性和互换性较差。

一、热敏电阻的工作原理

金属导电是靠自由电子在电场力作用下做定向运动，当温度升高时，自由电子的数目不增加，只有自由电子杂乱无章的动能增加了。因此，在一定电场力作用下，使自由电子做定向运动时就会遇到更大的阻力，即电阻值增加了。而半导体参加导电的是载流子（为自由电子和空穴两种异性电荷），由于半导体中的载流子数目要比原子的数目少几千倍到几万倍，相邻自由电子之间的距离是原子之间距离的几十倍到几百倍，所以在一般情况下它的电阻值很大。当温度升高时，半导体中更多的价电子获得热能而激发，挣脱核束缚成为载流子，因而参加导电的载流子数目增加了，所以，半导体的电阻值随温度升高而急剧减小，且按指数规律下降，呈非线性。热敏电阻的温度特性如图2-21所示。

图2-21　热敏电阻温度特性

热敏电阻正是利用半导体这种载流子数随温度变化而显著变化的特性制成的一种温度敏感元件。在一定的测温范围内，根据所测量的热敏电阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。

二、热敏电阻的结构形式和基本类型

热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴、镍、锰等的氧化物，采用不同的比例配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状，其结构形式如图2-22所示。它主要由热敏探头、引线和壳体3部分组成。

图2-22　热敏电阻的结构、符号及种类

（a）热敏电阻的结构与符号；（b）热敏电阻的种类

根据电阻率随温度变化的典型特性不同，热敏电阻基本分为三种类型：负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度热敏电阻（CTR），它们的特性曲线如图2-23所示。

图2-23　热敏电阻类型及温度特性

1. 负温度系数热敏电阻（NTC）

电阻率随着温度升高而均匀减小的电阻，称负温度系数（NTC）热敏电阻。NTC热敏电阻一般采用负电阻温度系数很大的固体多晶半导体氧化物的混合物制成。例如铜、铁、铝、锰、钴、镍、铼等氧化物，取其中两种或两种以上，按一定的比例混合进行研磨后，烧结成坚固的整块，最后烧上金属粉末，作为焊接引线的接触点。改变这些混合物的成分和配比，就可获得测温范围、阻值和温度系数不同的NTC热敏电阻。

NTC热敏电阻的温度特性符合指数规律：

式中　Rt
，R0
——热敏电阻在绝对温度T，T0
时的阻值；

T0
，T——介质的起始温度和变化温度（K）；

t0
，t——介质的起始温度和变化温度（℃）；

B——热敏电阻材料常数，一般为2000~6000K，其大小取决于热敏电阻的材料。

热敏电阻本身温度变化1℃时，电阻值的相对变化量为：

式中　α——热敏电阻的电阻温度系数。

可见，α随温度降低而迅速增大。α决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。热敏电阻的测温灵敏度比金属丝的高得多。例如B值为4000K，当T=293.15K（20℃）时，热敏电阻的α=4.7%/℃，约为铂热电阻的12倍。NTC热敏电阻具有精度高、可靠性好、体积小、响应快、成本低以及引线电阻影响小等优点，非常适合测量微小温度变化，因而使其在工业、农业、科技、医学、通信、家电等领域得到广泛应用。但是，热敏电阻非线性严重，所以，实际测量时要对其进行线性化处理。

2. 正温度系数热敏电阻（PTC）

电阻率随温度升高而减小，但过某一温度后急剧增加的电阻称为正温度系数（PTC）热敏电阻。它的基本材料是强电介质材料钛酸钡（BaTiO3
），在掺杂后具有导电性。其居里点为120℃，通常掺铅或锶部分取代钡离子后，可以在一个很宽的范围内调节居里点。这类电阻材料是陶瓷材料，在室温下是半导体，所以又称为半导体陶瓷。

由于PTC热敏电阻具有正温度系数，可以利用其自控作用，做成各种恒温器、限流保护元件或温控开关，还可以组成发热元件，功率一般为几瓦到数百瓦。

3. 临界温度热敏电阻（CTR）

当温度接近某一数值（约68℃）时，电阻率下降产生突变的电阻，称为临界温度热敏电阻（CTR）。突变数量级为2~4。CTR热敏电阻是以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气体中混合烧制而成，呈玻璃状。通常，CTR热敏电阻用树脂包封成珠状或厚膜形使用，其阻值在1kΩ~10MΩ。它随温度变化的特性，不能像NTC热敏电阻那样用于宽范围内的温度控制，只能在特定温区内实现温度控制。

在温度测量中，主要采用NTC和PTC型热敏电阻。在温控开关中使用最多的是CTR热敏电阻。

三、热敏电阻的主要参数与特性

1. 热敏电阻的主要参数

（1）标称电阻值R（Ω）。指环境温度为25℃时的电阻值，亦称次序电阻。其大小取决于材料和几何尺寸。

（2）电阻温度系数α（%/℃）。通常指在25℃时的温度系数。表示温度变化1℃（或K）时的阻值变化率。一般热敏电阻其值在-3%~-7%。

（3）时间常数t（s）。它是描述热敏电阻惯性的参数，描述热敏电阻吸热和冷却的速度。其定义为：温度为T0
的热敏电阻突然置于温度为T1
的介质中，热敏电阻的温度变化ΔT=0.63（T0
-T1
）时所需的时间。也可以这样定义：如果设0℃及100℃时的热敏电阻阻值分别为R0
和R100
，当把0℃时的热敏电阻突然放于温度为100℃的介质中，热敏电阻阻值从R0
减小到（R0
-R100
）×60%所需的时间。t=C/H，它与热敏电阻的热容量C成正比，与耗散系数H成反比。t越小，说明热敏电阻的热惯性越小。

（4）额定功率Pe
（W）。指在标准压力（750mmHg
①

）和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过其额定功率。

（5）耗散系数H（mW/℃）。热敏电阻的温度与周围介质温度相差1℃时，热敏电阻能耗散的功率。

（6）能量灵敏度C（W/%R0
）。为使热敏电阻的阻值改变1%所需要的耗散功率。

（7）测量功率Pc
（W）。在规定的环境温度下，电阻体受到测量电流的加热而引起电阻值变化不超过0.1%时所消耗的功率。

2. 热敏电阻的电阻-温度特性（R-T）

热敏电阻的阻值与温度之间的关系，称为热敏电阻的热电特性。它是热敏电阻测量温度的基础。根据阻值与温度之间的关系不同，分为以下两种。

（1）负温度系数热敏电阻。对于负温度系数热敏电阻，在温度不太宽的范围内，可由下式确定：

式中　RT
——绝对温度时的电阻值；

R0
——参考温度T0
（K）时的电阻值；

B——热敏电阻的负温度材料系数。

（2）正温度系数热敏电阻。对于正温度系数热敏电阻，在温度不太宽的范围内，可由下式确定：

式中　A——热敏电阻的温度材料系数。

3. 热敏电阻的伏安特性

在稳定状态下，通过热敏电阻的电流I与其两端电压降UT
的关系，称为热敏电阻的伏安特性。

热敏电阻的伏安特性是指在某一确定的温度（一般为25℃）下，静止空气中热敏电阻的端电压（直流或交流50Hz）与外加稳态电流之间的关系。根据温度系数不同分以下两种。

图2-24　热敏电阻的伏安特性

（a）负温度系数热敏电阻；（b）正温度系数热敏电阻

1）负温度系数热敏电阻的伏安特性

负温度系数热敏电阻的典型伏安特性如图2-24（a）所示。热敏电阻的端电压UT
与通过热敏电阻的电流I有如下关系：

式中　T——参考温度（环境温度），一般取25℃；

ΔT——热敏电阻的温升。

由上式及图2-24（a）可以看出：

在曲线Oa段，由于电流很小，温升ΔT可以忽略不计。这时UT
=IR0
，即UT
与I保持线性关系，遵循欧姆定律，这一区域是线性区。在曲线ab段，ΔT随电流增加逐渐增加，使RT
的增加放慢，曲线呈非线性。这一工作区呈非线性正阻区，不遵循欧姆定律。

在曲线b点，对应的电流Im
处，电压升到最大值，此时RT
急剧下降，微分电阻Rd
=0。在曲线bd段，温升ΔT增加快，RT
降低的速度超过电流I增加的速度，微分电阻Rd
为负值，这一区域称为负阻区。

2）正温度系数热敏电阻的伏安特性

正温度系数热敏电阻的静态伏安特性如图2-24（b）所示。与负温度系数热敏电阻一样，曲线起始段Oa近似为直线，这是由于此时通过热敏电阻的电流很小，由功耗引起热敏电阻的温升可以忽略不计；当热敏电阻的耗散功率继续增加时，热敏电阻体的温度超过了环境温度，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。当电压增至Im
时，存在最大电流，如果电压继续增加，由于温升引起的电阻值的增加速度超过了电压增加的速度，电流反而减小，斜率由正变负。

热敏电阻的伏安特性曲线，是表征其工作状态的一个重要特性，它有助于我们正确选择热敏电阻的正常工作范围。一般地，当热敏电阻工作在线性区时，用于测温、控制温度和对温度的变化进行补偿；当热敏电阻工作在负阻区时，用于测量流量、真空度和流速。

4. 热敏电阻的电流-时间特性

图2-25为热敏电阻的电流-时间特性。它表明电压一定时，热敏电阻的电流达到稳定值需要一段时间，这段时间是热敏电阻的质量（热容量）和作用电压的函数。适当地选择热敏电阻的种类和组合电路，可以得到从0.001s到几小时的时间常数。对于小的热敏电阻，时间常数一般为0.5~0.1s。

图2-25　热敏电阻的电流-时间特性

四、热敏电阻输出特性的线性化处理

热敏电阻的阻值是随温度变化呈指数规律，也就是说，非线性十分严重。当需要线性变换时，就应考虑其线性化处理。常用的方法有以下几种。

1. 线性化网络

对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络（常称线性化网络）代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。图2-26表示两种最简单的线性化方法。

图2-26　常用补偿电路

（a）串联补偿电路；（b）并联补偿电阻

图2-26（a）中热敏电阻RT
与补偿电阻rc
串联，串联后的等效电阻R=RT
+rc
，只要rc
的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数呈线性关系，所以电流I与温度T呈线性关系。

图2-26（b）中热敏电阻RT
与补偿电阻rc
并联，其等效电阻
。由图可知，R与温度的关系曲线变得比较平坦，因此可以在某一温度范围内得到线性输出特性。

并联补偿的线性电路常用电桥测量电路，如图2-27所示。当电桥平衡时，R1
=R4
，R3
=RT
//rc
，电压U=0。这时对应某一温度T0
，当温度变化时，RT
变化，使得电桥失去平衡，电压U≠0，输出的电压值就对应了变化的温度值。

图2-27　并联补偿桥式电路

2. 计算修正法

大部分传感器的输出特性都存在非线性，因此实际使用时都必须对其进行线性化处理，其方法有硬件法（电子线路）和软件法（程序）。在带有微处理机的测量系统中，就可以用此法对传感器进行处理。当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时，可采用线性插值等方法将特性分段，可把分段点存放在计算机的内存中，计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计算，给出要求的输出值。

2.5　习题

1. 金属电阻在外力的作用下发生机械形变，导致其_____发生变化是金属电阻应变片工作的物理基础。应变片式传感器在外力作用下主要是_____发生变化，压阻式传感器在外力作用下主要是_____发生变化，两者都引起_____发生变化。

2. 电阻应变片式传感器按制造材料可分为_____材料和_____材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中金属材料的电阻变化主要是由电阻_____形成的，而半导体材料的电阻变化主要是由_____造成的。_____传感器的灵敏度大。

3. 金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称为_____；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称为_____。直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为_____。

4. 导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形变时，其电阻值发生相应变化的现象，称为（　　）。

A. 应变效应

B. 光电效应

C. 压电效应

D. 霍尔效应

5. 将电阻应变片贴在（　　）上，就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感器。

A. 质量块

B. 导体

C. 弹性元件

D. 机器组件

6. 应变测量中，希望灵敏度高、线性好、有温度自补偿功能，应选择（　　）测量转换电路。

A. 单臂半桥

B. 双臂半桥

C. 四臂全桥

D. 独臂

7. 图2-28为一直流应变电桥，E=4V，R1
=R2
=R3
=R4
=350Ω，求：

① R1
为应变片，其余为外接电阻，R1
增量为ΔR1
=3.5Ω时输出Uo
为多少？。

② R1
、R2
是应变片，感受应变极性大小相同，其余为电阻，电压输出Uo
为多少？

③ R1
、R2
感受应变极性相反，输出Uo
为多少？

④ R1
、R2
、R3
、R4
都是应变片，对臂同性，邻臂异性，电压输出Uo
为多少？

图2-28　习题7的图

8. 某直流电桥测量电阻Rx
，当电桥平衡时，3个桥臂电阻分别为R3
=100Ω，R2
=50Ω，R4
=25Ω。求电阻Rx
等于多少？

9. MQN气敏电阻可测量_____。TiO2
气敏电阻可测量_____。

10. 湿敏电阻传感器按结构形式分为_____、_____、_____。

11. MQN气敏电阻使用时一般随气体浓度增加，电阻（　　）。

A. 减小

B. 增大

C. 不变

12. TiO2
气敏电阻使用时一般随气体浓度增加，电阻（　　）。

A. 减小

B. 增大

C. 不变

13. MQN气敏电阻可测量（　　）的浓度，TiO2
气敏电阻可测量（　　）的浓度。

A. CO2

B. N2

C. 气体打火机间的有害气体

14. 湿敏电阻利用交流电作为激励源是为了（　　）。

A. 提高灵敏度

B. 防止产生极化、电解作用

C. 减小交流电桥平衡难度

15. 热电阻是利用导体的电阻率随温度的变化这一物理现象来测量温度的。几乎所有的物质都具有这一特性，但作为测温用的热电阻应该具有以下特性。（　　）

A. 电阻值与温度变化具有良好的线性关系。

B. 电阻温度系数大，便于精确测量

C. 电阻率高，热容量小，反应速度快

D. 在测温范围内具有稳定的物理性质和化学性质

E. 材料质量要纯，容易加工复制，价格便宜

F. 应具有A、B、C、D、E全部特性

16. 热电阻测量转换电路采用三线制是为了（　　）。

A. 提高测量灵敏度

B. 减小非线性误差

C. 提高电磁兼容性

D. 减小引线电阻的影响

①
1 mmHg=0.133 kPa。

第3章　电感式传感器

电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的自感或互感变化的机电转换装置。它也常用来检测位移、振动、力、应变、流量、比重等物理量。

电感式传感器的种类很多。根据传感器转换原理不同，可分为自感式、互感式、涡流式、压磁式和感应同步器等。根据结构形式不同，可分为气隙式和螺管式两种。根据改变的参数不同，又分为变气隙厚度式、变气隙面积式、变铁芯导磁率式3种。

电感传感器具有以下优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好；性能稳定，重复性好；输出阻抗小，输出功率大；抗干扰能力强，适合在恶劣环境中工作。电感传感器的缺点是：频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量；存在交流零位信号；要求附加电源的频率和幅值的稳定度高；其灵敏度、线性度和测量范围相互制约，测量范围越大，灵敏度越低。

本节主要介绍自感式和互感式两种传感器。

3.1　自感式传感器

3.1.1　工作原理

变磁阻式传感器的结构如图3-1所示。它由线圈、铁芯和衔铁3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δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，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。

图3-1　变磁阻式传感器

1—线圈；2—铁芯；3—衔铁

根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：

式中　ψ——线圈总磁链；

I——通过线圈的电流；

W——线圈的匝数；

Φ——穿过线圈的磁通。

由磁路欧姆定律
和磁动势定义F=IW得：

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：

式中　μ1
——铁芯材料的导磁率；

μ2
——衔铁材料的导磁率；

l1
——磁铁通过铁芯的长度；

l2
——磁铁通过衔铁的长度；

S1
——铁芯的截面积；

S2
——衔铁的截面积；

μ0
——空气的导磁率；

S0
——气隙的截面积；

δ——气隙的厚度。

通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即：

忽略铁芯和衔铁的磁阻，则：

联立式（3-1）、式（3-2）、式（3-5）可得：

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δ或S0
均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙δ厚度的传感器和变气隙面积S0
的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度（δ）式电感传感器。

3.1.2　输出特性

设电感传感器初始气隙为δ0
，初始电感量为L0
，衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ，从式（3-6）可知，L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图3-2表示，初始电感量为：

图3-2　变隙式电感传感器的L-δ特性

当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0
-Δδ，则此时输出电感为L=L0
+ΔL，代入式（3-6）并整理得：

当
时，可将式（3-8）用泰勒级数展开成级数形式，即：

由式（3-9）可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0
的表达式为：

同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有：

对式（3-11）、式（3-13）做线性处理（忽略高次项），可得：

灵敏度为：

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。

图3-3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图可知，差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ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。

图3-3　差动变隙式传感器

1—线圈；2—铁芯；3—衔铁；4—导杆

当衔铁往上移动Δδ时，两个线圈的电感变化量ΔL1
、ΔL2
分别由式（3-10）及式（3-12）表示，当差动使用时，两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂由电阻组成，电桥输出电压与ΔL有关，其具体表达式为：

对上式进行线性处理（忽略高次项），得：

比较单线圈和差动两种变隙式电感传感器的特性，可以得到如下结论：

（1）差动式比单线圈式的灵敏度高1倍。

（2）差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以Δδ/δ0
因子，因为
，所以，差动式的线性度得到明显改善。

为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。

3.1.3　测量电路

电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。

1. 交流电桥式测量电路

图3-4　交流电桥式测量电路

图3-4所示为交流电桥式测量电路，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1
和Z2
，另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替，对于高Q值（Q=ωL/R）的差动式电感传感器，当传感器衔铁上移时，即Z1
=Z+ΔZ，Z2
=Z-ΔZ，其输出电压为：

式中　L0
——衔铁在中间位置时单个线圈的电感；

ΔL——两线圈电感的差量。

将ΔL=2L0
（Δδ/δ0
）代入式（3-19）得：

由此可见，电桥输出电压与Δδ有关。

2. 变压器式测量电路

图3-5　变压器式测量电路

变压器式测量电路如图3-5所示，电桥两臂Z1
和Z2
为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为：

当传感器的衔铁处于中间位置时，即Z1
=Z2
=Z，此时有
，电桥平衡。

当传感器衔铁上移时，即Z1
=Z+ΔZ，Z2
=Z-ΔZ，此时：

当传感器衔铁下移时，即Z1
=Z-ΔZ，Z2
=Z+ΔZ，此时：

从式（3-21）及式（3-22）可知，衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小相等，但方向相反，由于
是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。

3. 谐振式测量电路

谐振式测量电路有谐振式调幅电路（见图3-6）和谐振式调频电路（见图3-7）。

图3-6　谐振式调幅电路

图3-7　谐振式调频电路

调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化，一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率为：

当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。图3-7（b）表示f与L的特征，它具有明显的非线性关系。

3.2　互感式传感器

前面介绍的自感式传感器是基于用电感线圈的电感变化代替被测量的变化，从而实现对非电量参数的测量，互感式传感器则是把被测量的变化转换为线圈互感变化的传感器。由于其原理类似变压器，但其副边接成差动式，所以称为差动变压器。

差动变压器的结构形式很多，按工作方式分类有变气隙式、变面积式和螺管式；按结构形式分类有五段式、四段式、三段式和两段式等。目前应用最广泛的是螺管形差动变压器。它可以测量1~100mm的机械位移，并且有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点，因此被广泛应用于非电量的测量。

3.2.1　互感式传感器的结构与工作原理

螺管形差动变压器结构如图3-8所示。它由初级线圈P，两个次级线圈S1
、S2
，骨架和插入线圈中央的圆柱形铁芯b四部分组成。初级线圈，亦称原边，或称一次线圈；次级线圈，亦称副边，或称二次线圈。副边有两个，相互反接，构成差动式。原、副边线圈绕于骨架上，骨架用塑料制成。可动部分铁芯，由良导磁材料（软铁和坡莫合金）制成，与被测对象相连接。

图3-8　差动变压器结构

差动变压器线圈的电气连接如图3-9所示。次级线圈S1
、S2
反极性连接。当初级线圈P加上某一频率的正弦电压
后，次级线圈产生感应电压
和
，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关。
和
反极性连接，所以输出电压
为两电压之差，即

。

图3-9　差动变压器原理

（1）当铁芯位于线圈中心位置时：

（2）当铁芯向上移动时：

（3）当铁芯向下移动时：

由上述分析可知，当铁芯偏离中心位置时，输出电压
随铁芯偏离中心位置而变化，
和
逐渐加大，但相位相差180°，如图3-10所示。即输出电压
不仅与铁芯位移大小有关，而且与位移的方向有关。当铁芯处于中间平衡位置时，
。但实际上
，而是
，则
即为零点残余电压。
一般在数十毫伏以下，在实际使用时，必须设法减小
，否则会影响传感器的测量结果。

图3-10　差动变压器输出电压波形

3.2.2　互感式传感器等效电路

互感式传感器之所以又称为差动变压器，是因为它与一般变压器存在异同之处。二者相同之处在于：结构相同，都有铁芯，骨架和原、副边线圈；工作原理相同，都是利用电磁感应定律，将线圈互感转换为电压输出。二者有以下几点不同之处。

（1）磁路不同。普通变压器的磁路在铁芯内形成闭合回路，分别与原、副边线圈耦合；差动变压器的磁路不在铁芯内形成闭合回路，而是经铁芯，空气隙与原、副边形成闭合回路，分别与原、副边线圈耦合。

（2）互感系数M不同。普通变压器原、副边线圈的互感系数M是常数；而差动变压器的原、副边线圈的互感系数M是变量，随铁芯位置变化而变化。

（3）副边线圈不同。普通变压器的副边线圈有一组或多组，彼此独立；而差动变压器的副边线圈只有两组，彼此反接。

差动变压器是利用电磁感应定律制作的。制作时，理论计算结果与实际制作后的参数相差很大。在忽略其涡流损耗、磁滞损耗和寄生（耦合）电容等因素后，其等效电路如图3-11所示。

图3-11　差动变压器等效电路

图3-11中，LP
，RP
为初级线圈电感和损耗电阻；M1
、M2
为初级线圈与两次级线圈间的互感系数；
为初级线圈激励电压；
为输出电压，LS1

、LS2

为两次级线圈电感；RS1

、RS2

为两次级线圈的损耗电阻；ω为激励电压的频率。

根据变压器工作原理，当次级线圈开路时，设初级线圈通入交流
，则：

两次级线圈交链的磁通分别为：

分别与两次级线圈产生的互感

分别在两个次级线圈中产生的感应电压为：

则输出电压为：

输出电压幅值为：

上式便为差动变压器的输出特性。

输出阻抗为：

Z=（R21
+R22
）+jω（L21
+L22
）

或：

下面分3种情况进行分析。

（1）铁芯处于中间平衡位置，若两次级线圈参数与磁路尺寸对称时：

（2）铁芯偏离中间位置向上移动时：设M1
=M+ΔM，M2
=M-ΔM，则：

说明
与
反极性，与
同极性。

（3）铁芯偏离中间位置向下移动时：M2
=M+ΔM，M1
=M-ΔM，则：

说明
与
同极性，与
反极性。

主要参数与特性如下：

（1）灵敏度K。

差动变压器灵敏度K是指差动变压器在单位电压激励下铁芯移动单位距离时的输出电压。一般差动变压器的灵敏度K>50mV/mm。

提高灵敏度的方法：

① 提高线圈QP
值，使QP
→∞，则
。而要提高QP
值，根据
就要提高LP
值。这样便会增加差动变压器的尺寸，使制造困难。且LP
过大，K反而会下降，故增加LP
值，只能适可而止。

② 选择较高的激磁电源频率ω，但也不是ω越大越好。进一步研究发现，ω太大时，K与ω无关，ω过大，K甚至会下降。

③ 增加铁芯直径，使之接近线圈骨架内径，减小磁路损失，两段式差动变压器铁芯长度为骨架长度的60%~80%，即lC
=（60%~80%）l。

④ 铁芯选μ高、铁损小的良导磁材料，如硅钢、软铁、坡莫合金等。

⑤适当提高原边导线线径，使Rμ
减小，QP
增加；在不使初级线圈过热的前提下，适当提高激磁电压Uo
。

（2）频率特性。

此时输出电压Uo
与灵敏度K均比较小，但它们均与激磁频率ω呈线性增加。

此时输出Uo
、灵敏度K均与ω无关。

③ 当ω很大时，由于趋肤效应，使导线有效阻值增加，QP
值减小，且高频使铁损和耦合电容的影响增加，从而使输出电压Uo
和灵敏度K均下降，如图3-12所示。

图3-12　差动变压器的频率特性

3.2.3　互感式传感器测量电路

差动变压器输出的是交流电压，若用交流模拟电压表测量，只能反映铁芯位移的大小，不能反映移动的方向。另外，测量值中还含有零点残余电压。为了达到既能辨别移动方向又能消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用两种测量电路：差动整流电路和相敏检波电路。

1. 差动整流电路

这种电路是把差动变压器的两个次级电压分别整流，然后将它们的整流电压或电流的差值作为输出。现以电压输出型全波差动整流电路为例说明其工作原理。电路连接如图3-13所示。

图3-13　全波差动整流电路

由图3-13可知，无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经两个电阻R的电流总是从a到b，从d到c，故整流电路的输出电压为：

如果铁芯处于中间平衡位置时，e21
=e22
，则Uo
=0。

如果存在零点残余电压，即铁芯处于中间平衡位置时e21
≠e22
，Uo
≠0。

为了消除零点残余电压，则在输出端接调零电阻RP
，（如图中虚线所示），此时：

当铁芯处于中间平衡位置时，如果e21
=e22
，则电位器RP
的滑动触头置于RP
的中间位置，RP1

=RP2

，使Uo
=0；

如果e21
>e22
，产生零点残余电压，使Uo
>0，则将滑动触头上移，使RP1

<RP2

，调至Uo
=0，消除零点电压；

如果e21
<e22
，产生零位电压，使Uo
<0，则将滑动触头下移，使RP1

>RP2

，调至Uo
=0，消除零点电压。

调零后，RP
的滑动触头固定不动。因此，采用差动整流电路可以消除零点电压。

2. 二极管差动相敏检波电路

图3-14　相敏检波电路

图3-14为二极管全波差动相敏检波电路：
为差动变压器输入电压；
为参考电压；
与
同频率，
，U2
≈（3~5）U1
，二极管D1
~D4
性能相同，导通时有：

RD1

=RD2

=RD3

=RD4

=RD

则：

工作原理分析：

① 当
=0时，即铁芯处于中间平衡位置，此时只有
作用。

在正半周时，D3
、D4
处于正向偏置，电流i3
和i4
以不同方向流过电表M，只要

，且D3
、D4
性能相同，通过电表M的电流Im
=0，所以输出为零。在负半周时，D1
、D2
导通，i1
和i2
相反，通过电表M的电流Im
=0，所以输出为零。如果存在零位电压，则可调节F点，使Im
=0。

② 当
时，分两种情况来分析。

首先讨论
与
同相位情况：

图3-15　相敏检波电路（
≠0）

正半周时，电路中电压极性如图3-15所示，由于
，故仍旧以
为基准进行讨论。D3
、D4
仍然导通，但作用于D4
两端的信号是
，因此i4
较大，而作用于D3
两端的电压为
，所以i3
较小，则Im
为正、负半周时，D1
、D2
导通，此时，在此
和
作用下，i1
增加而i2
减小，流过M的电流Im
为正。故在一周内流过M的电流Im
为正。

当
与
反相时，
为正半周，
为负半周，D3
、D4
仍然导通，但i3
将增加而i4
减小，通过M的电流Im
是负的。而
为负半周、
为正半周时，i2
将增加而i1
减小，通过M的电流Im
也是负的。故在一周内流过M的电流Im
是负的。

所以，上述相敏检波电路可以由流过电表的平均电流的大小和方向判别差动变压器的位移大小和方向。

3. 集成化的相敏检波电路

随着集成电路技术的发展，相继出现了各种性能的集成电路相敏检波器，例如LZXI单片相敏检波电路。LZXI为全波相敏检波放大器，它与差动变压器的连接如图3-16所示。

图3-16　差动变压器与LZXI的连接电路

相敏检波电路要求参考电压和差动变压器次级电压同频率，相位相同或相反，因此，需要在线路中接入移相电路。如果位移量很小，差动变压器输出端还要接入放大器，将放大后的信号输入到LZXI的输入端。

通过LZXI全波相敏检波输出的信号，还须经过低通滤波器，滤去调制时引入的高频信号，只让与x位移信号对应的直流电压信号通过。该输出电压信号Uo
与位移量x的关系可用图3-17表示。输出电压是通过零点的一条直线，+x位移则输出正电压，-x位移输出负电压。电压的正负表明了位移方向。

图3-17　输出电压与位移量的关系

3.3　电感式传感器的应用

电感式传感器主要用于测量微位移，凡是能转化成位移量变化的参数，如压力、力、压差、加速度、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。

3.3.1　位移测量

图3-18是中原量仪厂生产的轴向式电感测微器结构图。测量时红宝石（或钨钢）测端10接触被测物，被测物尺寸的微小变化使衔铁3在差动线圈中产生位移，造成差动线圈电感量的变化，此电感变化通过电缆接到电桥，电桥的电压输出反应了被测体尺寸的变化，精度为0.1%左右。

图3-18　轴向电感测微器

1—引线电缆；2—固定磁筒；3—衔铁；4—线圈；5—测力弹簧；6—防转销；7—钢球导轨（直线轴承）；

8—测杆；9—密封套；10—测端；11—被测工件；12—基准面

图3-19是induNCDT系列位移传感器的外形图，它主要用于位移、振动、转速测量。传感器的前置放大器被集成安装在传感器壳体里，其输出信号与测量位移成正比。在传感器测量量程内线性精度优于2%。

图3-19　induNCDT系列位移传感器的外形图

AP035系列差动变压器式位移传感器是由差动变压器和基本电路组成。它对生产过程中位移、形变参数进行快速、准确可靠的测量。并可配用微机和其他装置进行打印或自动控制。该传感器还具有灵敏度高、稳定性好、连续工作时间长等一系列优点，因而它被广泛用于冶金、建筑、石化、纺织、电站等各个部门。

3.3.2　振动检测

RS9300低频振动速度传感器属于惯性式传感器，其外形如图3-20所示。它是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定着磁铁，惯性质量（线圈组件）用弹簧元件悬挂于壳体上。工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时且在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压信号正比于被测物体的振动速度值，对该信号进行积分放大处理即可得到信号位移。

图3-20　RS9300低频振动速度传感器

RS9300低频振动速度传感器适用于水轮发电机组低频转动机械、工程建筑及桥梁的绝对振动测量，测量频率范围为0.5~20Hz，抗干扰性能强，能长期稳定可靠地工作于恶劣环境中。

RS9300低频振动速度传感器的使用特点如下。

（1）传感器有很低的使用频率，可以用于低转速的转动机器。

（2）相对于其他类型的振动传感器而言，RS9300传感器有较低的输出阻抗，较好的信噪比，它同一般通用交流电压表或示波器配合就能工作。对输出插头和传输电缆也无特殊要求，使用方便。

（3）传感器设计中取消了有摩擦的活动元件，因此使用寿命相对很长。传感器有一定抗横向振动能力（不大于10g）。

3.3.3　位置控制

如图3-21所示为电感式接近开关，它由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个变交磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。目标离传感器越近，线圈内的阻尼就越大，阻尼越大，传感器振荡器的电流越小。

图3-21　电感式接近开关结构图

3.3.4　压力测量

图3-22所示为差动变压器式压力变送器的结构及原理图。它适用于测量各种生产流程中液体、水蒸气及气体压力。在该图中能将压力转换为位移的弹性敏感元件称为膜盒。膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为位移。波纹膜片比平面膜片柔软得多，因此多用于测量较小压力的弹性敏感元件。

图3-22　差动变压器式压力变送器的结构及原理图

（a）结构；（b）原理图

1—输入口；2—膜盒；3—底座；4—线路板；5—差分变压器；

6—衔铁；7—量壳；8—插头；9—通孔

为了进一步提高灵敏度，常把两个膜片周边焊在一起，制成膜盒。它中心的位移量为单个膜片的两倍。由于膜盒本身是一个封闭的整体，所以密封性好，周边不需固定，给杆状带来方便，它的应用比波纹膜片广泛得多。

当被侧压力未导入传感器时，膜盒2无位移。这时，活动衔铁在差动线圈的中间位置，因而输出电压为零。当被测压力从输入口1导入膜盒2时，膜盒在被测介质的压力作用下，其自由端产生正比于被测压力的位移，测杆使衔铁向上位移，在差动变压器的二次绕组中产生的感应电动势发生变化而有电压输出，此电压经过安装在线路板4上的电子线路处理后，送给二次仪表，加以显示。将压力转换成位移的弹性敏感元件除了膜盒之外，还有波纹管、弹簧管、等截面薄板、薄壁圆通、薄壁半球等，后者的灵敏度最低，适合较大压力的测量。

3.3.5　电感式滚柱直径分选装置

用人工测量和分选轴承用滚柱的直径是一项十分费时且容易出错的工作。图3-23是电感式直径分选装置的示意图。

图3-23　电感式直径分选装置

1—气缸；2—活塞；3—推杆；4—被测滚柱；5—落料管；6—电感测微器；

7—钨钢测头；8—限位挡板；9—电磁翻板；10—容器（料斗）

由机械排序装置（振动料斗）送来的滚柱按顺序进入落料管5。电感测微器的测杆在电磁铁的控制下，先是提升到一定的高度，气缸推杆3将滚柱推入电感测微器测头正下方（电磁限位挡板8决定滚柱的前后位置），电磁铁释放，钨钢测头7向下压住滚柱，滚柱的直径决定了衔铁的位移量。电感传感器的输出信号经相敏检波后送到计算机，计算出直径的偏差值。

完成测量后，测杆上升，限位挡板8在电磁铁的控制下移开，测量好的滚柱在推杆3的再次推动下离开测量区域。这时相应的电磁翻板9打开，滚柱落入与其直径偏差相对应的容器（料斗）10中。同时，推杆3和限位挡板8复位。从图3-23中的虚线可以看到，批量生产的滚柱直径偏差概率符合随机误差的正态分布。上述测量和分选步骤均是在计算机控制下进行的。若在轴向再增加一只电感传感器，还可以在测量直径的同时，将滚柱的长度一并测出。

3.3.6　电感式仿形机床

在加工复杂机械零件时，采用仿形加工是一种较简单和经济的办法，图3-24所示是电感式（差动变压器式）仿形机床的示意图。

图3-24　电感式（差动变压器式）仿形机床的示意图

1—标准靠模样板；2—测端（靠模轮）；3—电感测微器；4—铣刀龙门框架；

5—立柱；6—伺服电动机；7—铣刀；8—毛坯

设被加工的工件为凸轮。机床的左边转轴上固定一只已加工好的标准凸轮，毛坯固定在右边的转轴上，左、右两轴同步旋转。铣刀和电感测微器安装在由伺服电动机驱动的、可以顺着立柱的导轨上下移动的龙门架上。电感测微器的硬质合金测端与标准凸轮外表轮廓接触。当衔铁不是处于差动电感线圈的中心位置时，测微器有输出。输出电压经伺服放大器放大后，驱动伺服电动机正转（或反转），带动龙门框架上移（或下降），直至测微器的衔铁恢复到差动电感线圈的中间位置。龙门架的上下位置决定了铣刀的切削深度。当标准凸轮转过一个微小的角度时，衔铁可能被顶高（或下降），测微器必然有输出，伺服电动机转动，使铣刀架上升（或下降），从而减少（或增加）切削深度。这个过程一直持续到加工出与标准凸轮完全一样的工件为止。

3.3.7　电感式圆度计

图3-25所示为测量轴类工件圆度的示意图。电感测温头围绕工件旋转，也可以使测头固定不动，工件绕轴芯旋转，耐磨测端（多为钨钢或红宝石）与工件接触，通过杠杆，将工件不圆度引起的位移传递给电感测头的衔铁，从而使差动电感有相应的输出。信号经计算机处理后给出如图3-25（b）所示图形。该图形按一定的比例放大工件的圆度，以便用户分析测量结果。

图3-25　电感式圆度计

（a）测量装置；（b）计算机处理过的结果

1—被测物；2—耐磨测端；3—电感测端

3.4　习题

1. 分析图3-26所示自感传感器，当铁芯左右移动时（x1
、x2
发生变化时）自感L的变化情况。已知空气隙的长度为x1
、x2
，空气隙的面积为S，磁导率为μ，线圈匝数W不变。

图3-26　习题1的图

2. 差动变压器式传感器工作时，如果铁芯做一定频率的往复运动，其输出电压是_____波。

3. 差动变压器式位移传感器是将被测位移量的变化转化成线圈_____系数的变化，两个次级线圈要求_____串接。

4. 交流电桥的平衡条件为_____和_____，因此，当桥路相邻两臂全为电阻时，则外侧两个桥臂应接入_____性质的元件才能平衡。

5. 自感式传感器通过改变_____、_____和_____从而改变线圈的自感量，可将该类传感器分为_____、_____和_____。

6. 为什么电感式传感器一般都采用差动形式？

7. 调制和解调的目的是什么？

8. 为什么交流电桥输出的调幅波不能简单地用二极管检波来解调，而必须用相敏检波来解调？

第4章　电容式传感器

电容式传感器是将被测量非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器，实际上，它的敏感部分就是一个可变电容器。它具有结构简单、灵敏度高、适应性强、抗过载能力强、温度稳定性好、动态性能好及价格低等特点，不但广泛应用于位移、加速度、振动、角度等机械量的精密测量，而且还可以实现压力、流量、物位、湿度及成分含量等参数的测量。但是电容式传感器的泄露电阻和非线性等缺点也限制了它的应用，随着电子技术的发展，这些缺点逐渐得到了克服，现今电容式传感器的应用也非常广泛，有很大的发展潜力。

本章主要介绍电容式传感器的原理、结构类型、测量电路及工程应用。

4.1　电容式传感器的工作原理及结构形式

一、电容式传感器的工作原理

图4-1　平板电容器

用两块金属平行板作电极，就可以构成最简单的平板电容器，如图4-1所示。两极板相互覆盖的有效面积为S，两极板间的距离为d，两极板间的介质介电常数为ε，在忽略边缘效应的条件下，平板电容器的电容C为：

式中　ε0
——真空介电常数，ε0
=8.85×10-12
F/m；

εr
——极板间介质的相对介电常数（F/m）。

由式（4-1）可以看出，ε、S、d三个参数都直接影响电容C的大小。如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容就会发生变化，通过测量电路就会转换成电量输出。这就是电容式传感器的基本原理。根据发生变化的参数不同，电容式传感器可以分为3种：改变极板面积的变面积型电容式传感器、改变极板距离的变间隙型电容式传感器和改变介电常数的变介电常数型电容式传感器。

二、电容式传感器的类型及结构形式

1. 变面积型电容式传感器

通常变面积型电容式传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板；另一个是可移动的，称为动极板。根据动极板相对于定极板的移动情况，变面积型电容式传感器又分为直线位移型和角位移型两种。

1）直线位移型电容式传感器

图4-2　直线位移型电容式传感器

图4-2是直线位移型电容式传感器的示意图。

当动极板移动Δx后，覆盖面积就发生了变化，电容也随之改变，其值为：

式中　ε——介质介电常数；

a——电容极板的宽度；

b——电容极板的长度；

Δx——电容可动极板位移的变化量；

C0
——电容的初始容量。

电容因位移而产生的变化量为：

其灵敏度为：

由式（4-4）可以看出，减小两极板间的距离d，增加极板的宽度b可提高传感器的灵敏度。

2）角位移型电容式传感器

角位移型电容式传感器的工作原理如图4-3所示。当被测量的变化引起动极板有一角位移θ时，两极板间相互覆盖的面积发生变化，从而引起电容的变化。

图4-3　角位移型电容式传感器

当θ=0时，初始电容为：

当θ≠0时，电容就变为：

电容产生的变化量为：

其灵敏度为：

变面积型传感器的电容变化是线性的，灵敏度是一个常数。

变面积型传感器还可以做成其他许多形式，如图4-4所示，常用来检测位移、振动等参量。为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中多采用差动式结构，如图4-4（c）所示即为圆筒变面积型差动电容式传感器，其灵敏度可提高一倍。

这一类传感器多用于检测位移、角位移、尺寸等参量。

图4-4　变面积型电容式传感器的其他形式

（a）齿形极板型；（b）圆筒型；（c）圆筒差动型

2. 变间隙型电容式传感器

变间隙型电容式传感器的原理如图4-5所示。当只改变电容两极板间的距离时，电容量发生变化。

图4-5　变间隙型电容式传感器的原理

设ε和S不变，电容两极板间的初始距离为d0
，电容器的容量为：

如图4-5所示，电容器由于受到外力作用，两极板间距减小了Δd，则电容大小变为：

由上式可以得出，增大S和减小d0
都可提高传感器的灵敏度，但要受到传感器体积和击穿电压的限制，并且也会引起较大的非线性误差，差动结构的变间隙型电容式传感器就可以解决这些问题，差动结构的变间隙型电容式传感器原理见图4-6。

图4-6　差动结构的变间隙型电容式传感器

3. 变介电常数型电容式传感器

当电容式传感器中的电介质发生改变时，其介电常数变化，从而引起电容量发生变化。这种电容式传感器的结构形式很多，有介质本身的介电常数并没有发生变化，但是极板之间的介质成分发生了变化［见图4-7（a）］，这类传感器就可以测量电介质的厚度变化、测量位移变化［见图4-7（b）］、测量液位［见图4-7（c）］等；也有介质本身的介电常数由于受到环境影响而发生变化的，如图4-7（d）所示，这类传感器可以测量环境的温度、湿度等。

图4-7　常见变介电常数型电容式传感器

表4-1中列出了几种介质的相对介电常数。

表4-1　几种介质的相对介电常数

介质名称

相对介电常数εr

真空

1

空气

略大于1

其他气体

1~1.2

变压器油

2~4

硅油

2~3.5

聚丙烯

2~2.2

聚苯乙烯

2.4~2.6

聚四氟乙烯

2.0

聚偏二氟乙烯

3~5

玻璃釉

3~5

SiO2

38

云母

5~8

干的纸

2~4

干的谷物

3~5

环氧树脂

3~10

高频陶瓷

10~160

低频陶瓷、压电陶瓷

1 000~10 000

纯净的水

80

4.2　电容式传感器测量电路

一、电容式传感器的测量电路

电容式传感器的输出电容通常都很小（几皮法到几十皮法左右），不便于直接显示和记录，因此，需要借助一些测量电路来检测出这一微小的电容变化量，并转换为与其相适应的电量（电压、电流和频率等）。测量电路的种类很多，目前较常采用的有调频电路、运算放大器电路、差动脉宽调制电路、二极管双T型电桥电路等。

1. 调频电路

图4-8是调频测量电路的原理框图。该电路的基本原理是将电容式传感器接入高频振荡器的LC谐振回路中，作为回路的一部分，当被测量使电容发生变化时，谐振回路的振荡频率也随之发生变化。因为振荡器的振荡频率受电容式传感器输出电容的调制，所以称之为调频电路。

图4-8　调频测量电路的原理框图

图4-9所示为调频电路原理图，其中C1
为振荡回路固有电容，Ci
为传感器引线分布电容，ΔC为被测量变化而引起的电容变化量，则谐振回路的电容为C=C1
+Ci
+C0
+ΔC，外接电容
，当被测信号为0时，ΔC=0，则C=C1
+Ci
+C0
，所以振荡器有一个固有频率f0
，其表示式为：

当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为：

图4-9　调频电路原理图

虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示器或记录仪记录下来。

调频电容式传感器测量电路具有抗干扰能力强、灵敏度高等优点，可以测量高至0.01μm级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通信，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的；其缺点是寄生电容对测量精度的影响较大。

2. 运算放大器电路

图4-10　运算放大器测量电路原理图

运算放大器的放大倍数很大，输入阻抗很高，输出电阻很小，所以运算放大器作为电容式传感器的测量电路是比较理想的。图4-10所示是运算放大器测量电路的原理图，图中Cx
为电容式传感器电容，C为固定电容，
是交流电源电压，
是输出信号电压，∑是虚地点。由运算放大器工作原理可得：

式中，“-”号表示输出电压的相位与电源电压反相。式（4-19）说明运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系。运算放大器测量电路解决了单个变间隙式电容传感器的非线性问题。但是实际的运算放大器当然不能完全满足理想运放的条件，仍具有一定的非线性误差，不过只要其输入阻抗及放大器增益足够大，这种误差也可以忽略。为了保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容C的值必须稳定。

3. 差动脉宽调制电路

图4-11所示即为差动脉宽调制电路的原理图，该测量电路通常用于测量差动结构的电容传感器的电容变化，它利用传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容的电容量变化而变化，然后通过低通滤波就可以得到对应被测量变化的直流信号。电路主要由比较器A1
、A2
，双稳态触发器和电容充放电回路构成。UC
为参考电压，R1
、R2
为充电电阻，一般取R1
=R2
，C1
、C2
为差动式电容器，电路的输出就是双稳态触发器的两个输出端。

图4-11　差动脉宽调制电路原理图

当双稳态触发器处于某一状态，Q=1，
，A点高电位通过R1
对C1
充电，时间常数为t1
=R1
C1
，直至F点电位高于参考电位UC
，比较器A1
输出正跳变信号；同时，因
，电容器C2
上已充电流通过D2
迅速放电至零电平。比较器A1
输出正跳变信号激励触发器翻转，使Q=0，
，于是A点为低电位，C1
通过D1
迅速放电，而B点高电位通过R2
对C2
充电，时间常数为t2
=R2
C2
，直至G点电位高于参考电位UC
，比较器A2
输出正跳变信号，使触发器发生翻转。上述过程中，电路各点波形如图4-12所示。当差动电容C1
=C2
时，波形如图4-12（a）所示，此时A、B两点间的平均电压值为零；当差动电容C1
≠C2
时，由于充放电时间常数变化，电路中各点电压波形产生相应改变，波形如图4-12（b）所示，此时A、B两点电位波形宽度不等，一个周期（T1
+T2
）时间内的平均电压值不为零。

图4-12　差动脉宽调制电路各点电压波形

电压uAB
经低通滤波器滤波后，可得输出Uo
为：

式中　UA
，UB
——A点和B点矩形脉冲的直流分量；

T1
，T2
——C1
、C2
充电至UC
时所需的时间；

U1
——触发器输出高电平。

由于：

设R1
=R2
=R，将上述两式带入式（4-20）得：

可见输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。

设电容C1
、C2
的极板间距和面积分别为d1
、d2
和S1
、S2
，将平板电容公式代入式（4-22），对差动式变间隙型和变面积型电容式传感器可得：

差动脉宽调制电路适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定性高，不需要稳频和波形纯度，也不需要相敏检波与解调，对元件无线性要求，经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。

4. 二极管双T形电桥电路

图4-13（a）是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源，它提供了幅值为U的对称方波，D1
、D2
为特性完全相同的两只二极管，假设固定电阻R1
=R2
=R，C1
、C2
为差动电容式传感器。

图4-13　二极管双T形交流电桥电路原理图

当传感器没有输入时，C1
=C2
。其电路工作原理如下：当e为正半周时，二极管D1
导通、D2
截止，于是电容C1
充电，其等效电路如图3-13（b）所示；在随后负半周出现时，电容C1
上的电荷通过电阻R1
和负载电阻RL
放电，流过RL
的电流为I1
。当e为负半周时，D2
导通、D1
截止，则电容C2
充电，其等效电路如图3-13（c）所示；在随后出现正半周时，C2
通过电阻R2
、负载电阻RL
放电，流过RL
的电流为I2
。根据上面所给的条件，则电流I1
=I2
，且方向相反，在一个周期内流过RL
的平均电流为零。

若传感器输入不为0，则C1
≠C2
，I1
≠I2
，此时在一个周期内通过RL
上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为：

式中　f——电源频率。

当RL
为已知时，则
为一常数，所以式（4-25）又可以写成：

由式（4-26）可见，输出电压不仅与电源电压U的幅值大小有关，而且还与电源频率有关。因此，为保证输出电压正比于电容量的变化，除了要稳压外，还须稳频。这种电路的最大优点是线路简单，不需附加其他相敏整流电路，可直接得到直流输出电压。

二、电容式传感器的特点

1. 结构简单，适应性强

电容式传感器结构简单，易于制造，精度高，可以做得很小，以实现某些特殊的测量，驻极体电容传声器就是利用电容式传感器的原理而工作的；电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，能承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等；能测量超高压。

2. 分辨率高

由于传感器的带电极板间的引力极小，需要的输入能量小，所以特别适合用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001μm甚至更小的位移。

3. 动态响应好

电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特适合于动态测量；可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如振动等。

4. 温度稳定性好

电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。

5. 可实现非接触测量、具有平均效应

如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等，采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

电容式传感器的不足之处是输出阻抗高，负载能力差，电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象；寄生电容影响大，电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度，破坏了稳定性，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。

4.3　电容式传感器的应用

随着新工艺、新材料的问世，特别是电子技术的发展，电容式传感器得到了越来越广泛的应用。利用变面积原理，可测量直线位移、角位移；利用变间隙原理，可测量振动、压力；利用变介电常数原理，可测量湿度、液位、密度等，在自动检测与控制系统中广泛应用。

一、电容式测厚仪

电容式测厚仪用于测量金属板材在轧制过程中的厚度变化，C1
、C2
放在板材两边，板材是电容的动极板，总电容为C1
+C2
，作为一个桥臂。电容式测厚仪传感器的安装结构示意图如图4-14所示。

图4-14　电容式测厚仪传感器的安装结构示意图

如果板材只是上下波动，电容的增量一个增加一个减少，总的电容量Cx
=C1
+C2
不变；如果板材的厚度变化使电容Cx
变化，电桥将该信号变化输出为电压，经放大器、整流电路的直流信号送出处理显示，显示为厚度变化。

图4-15所示为测厚原理，由于被测物3是非绝缘体，特别是在线测量时，由于工件加工中存在振幅为Δx的振动，所以采用差动测量的方法，使其表面分别与传感器1、2构成电容器，由此形成对其厚度变化量Δh的实时监测，即当给定传感器2的相对位置和板材初始厚度h时，板材厚度变化Δh，则有Δh=Δha
+Δhb
，传感器引起电压的变化为：

图4-15　测厚原理示意图

式中　ε——极板间介电常数；

S——极板有效覆盖面积。

Δa=Δha
+Δx　（4-29）

Δb=Δhb
-Δx　（4-30）

可得总的变化电压：

由此，差动测量方法有效地解决了工件加工过程中的振动问题。

至此，输出信号通过放大、整流、差放电路和指示仪表即可显示板材的厚度，其原理图如图4-16、图4-17所示。

图4-16　电容测厚仪电路原理框图

图4-17　电容测厚传感器在板材轧制装置中应用的原理图

由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用；动态响应好；温度稳定性好。电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。缺点是输出阻抗高，负载能力差，电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象；寄生电容影响大。

二、电容式荷重传感器

图4-18所示为电容式荷重传感器的结构示意图。它是在镍铬钼钢块上，加工出一排尺寸相同且等距的圆孔，在圆孔内壁上粘接有带绝缘支架的平板电容器，然后将每个圆孔内的电容器并联。当钢块端面承受重量F作用时，圆孔将产生变形，从而使每个电容器的极板间距变小，电容量增大。电容器容量的增值正比于被测载荷F。

图4-18　电容式荷重传感器结构示意图

这种传感器的主要优点是由于受接触面的影响小，因此测量精度较高。另外，电容器放于钢板的孔内也提高了抗干扰能力。它在地球物理、表面状态检测以及自动检验和控制系统中得到了应用。

三、电容式加速度传感器

电容式加速度传感器的结构示意图如图4-19所示。质量块4由两个弹簧片3支撑置于充满空气的壳体2内，弹簧较硬使系统的固有频率较高，因此构成惯性式加速度计的工作状态。当测量垂直方向上的加速度时，传感器壳体固定在被测振动体上，振动体的振动使壳体相对质量块运动，因而壳体2固定在一起的两固定极板1、5相对质量块4运动，致使上固定极板5与质量块4的A面（磨平抛光）组成的电容C1
的值以及下固定极板1与质量块4的B面（磨平抛光）组成的电容C2
的值一个增大，一个减小，它们的差值正比于被测加速度。由于采用空气阻尼，气体黏度、湿度系数比液体小得多，因此这种加速度传感器的精度较高、频率响应范围宽、量程大，可以测很大的加速度值。

图4-19　电容式加速度传感器结构示意图

1—下固定极板；2—壳体；3—弹簧片；4—质量块；

5—上固定极板；6—绝缘体

四、电容式液位传感器

图4-20为电容式油量表的示意图，可以用于测量油箱中的油位。

图4-20　电容式油量表示意图

1—油箱；2—圆柱形电容器；3—伺服电动机；4—减速箱；5—油量表

当油箱中无油时，电容式传感器的电容量Cx
=Cx0
，调节匹配电容使C0
=Cx0
，R4
=R3
；并使调零电位器RP
的滑动臂位于0点，即RP
的电阻值为0。此时，电桥满足Cx
/C0
=R4
/R3
的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角θ=0。

当油箱中注满油时，液位上升至h处，Cx
=Cx0
+ΔCx
，而ΔCx
与h成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Uo
经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP
的滑动臂移动，从而使RP
阻值增大，Rcd
=R3
+RP
也随之增大。当RP
阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo
=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为θ处。

由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，RP
的阻值与θ间存在着确定的对应关系，即θ正比于RP
的阻值，而RP
的阻值又正比于液位高度h，因此可直接从刻度盘上读得液位高度h。

当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP
的滑动臂移动，使RP
阻值减小。当RP
阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo
=0，于是伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转角θ处。

从以上分析得到涉及“闭环控制”的结论：放大器的非线性及温漂对测量精度影响不大。

五、电容式压力传感器

1. 电容式差压变送器

如图4-21所示，差动电容式差压变送器结构的核心部分是一个变极距差动电容式传感器。

图4-21　差动电容式差压变送器结构示意图

（a）结构；（b）外观

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（定极板）；9—弹性平膜片；

10—δ腔；11—铝合金外壳；12—限位波纹盘；13—过压保护悬浮波纹膜片；

14—公共参考端（地电位）；15—螺纹压力接头；16—测量转换

电路及显示器铝合金盒；17—信号电缆

它以热胀冷缩系数很小的两个凹形玻璃（或绝缘陶瓷）圆片上的镀金薄膜作为定极板，两个凹形镀金薄膜与夹紧在它们中间的弹性平膜片组成C1
和C2
。

当被测压力p1
、p2
由两侧的内螺纹压力接头进入各自的空腔时，该压力通过不锈钢波纹隔离膜和导压硅油，传导到“δ腔”。弹性平膜片由于受到来自两侧的压力之差，而向压力小的一侧凸起。在δ腔中，弹性膜片与两侧的镀金定极之间的距离很小（为0.5mm左右），所以微小的位移（不大于0.1mm）就可以使电容量变化100pF以上。测量转换电路（相敏检波器）将此电容量的变化转换成4~20mA的标准电流信号，通过信号电缆线输出到二次仪表。

差动电容的输入激励源通常做在信号处理壳中，其频率通常选取100kHz左右，幅值为10V左右。经变送器内部的CPU线性化后，差压变送器的输出精度一般可达到1%左右。

对额定量程较小的差动电容式差压变送器来说，当某一侧突然失压时，巨大的差压有可能将很薄的平膜片压破，所以设置了安全悬浮膜片和限位波纹盘，起过压保护作用。

2. 变面积式压力传感器

图4-22　变面积式压力传感器原理结构图

1—金属膜片；2—中心柱；3—支撑弹簧；4—可动电极；5—固定电极；6—中心柱；7—绝缘支架；8—环形槽

变面积式压力传感器的结构如图4-22（a）所示。被测压力作用在金属膜片1上，通过中心柱2、支撑弹簧3使可动电极4随膜片中心位移而动作。可动电极4和固定电极5都是由金属材质切削成的同心环形槽8构成的，有套筒状突起，端面呈梳齿形，两电极交错重叠部分的面积决定电容量。

固定电极板的中心柱6和外壳间有绝缘支架7，可动电极4和外壳连通，压力引起的极间电容变化由智能更新柱6引至电子线路，变为直流信号输出。电子线路与上述可变电容安装在同一外壳中，整体结构紧凑。

该种传感器可利用软导线悬挂在被测介质中，如图4-22（b）所示，也可用螺纹或法兰安装在容器壁上，如图4-22（c）所示。

这种传感器的测量范围固定，不能随意迁移，而且因其膜片背面为无防腐能力的封闭空间，不可与被测介质接触，故只限于测量压力，不能测差压。

六、电容式温度传感器

电容式温度传感器是属于变介质型电容式传感器，主要利用电容器的中间介质的介电常数随温度变化而改变的原理进行测量。有一种以BaSrTiO3
为主的陶瓷电容器，其介电常数ε在温度超过居里点之后，会随着温度的上升成反比地下降，如图4-23所示。若将这种电容器与电感组成谐振回路，则其谐振频率会有规律地随温度变化。用频率计测出其频率，经过换算可求得温度。

图4-23　BaSrTiO3
陶瓷电容的电容量与温度的关系

这种温度传感器的分辨率较高，但这种陶瓷电容量在高温、高湿下会随湿度变化而发生变化，因此不能用在潮湿的场合。

4.4　习题

1. 将收音机中的可变电容器的动片旋出一些，和没有旋出时相比（　　）。

A. 电容器的电容一定减小

B. 电容器的电容一定增加

C. 电容器的电容一定不变

D. 电容器的电容可能增大也可能减小

2. 传感器是把非电学量（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学量变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用。如图4-24所示是一种测定液面高度的电容式传感器的示意图。金属芯线与导电液体形成一个电容器，从电容C大小的变化就能反映液面的升降情况，两者的关系是（　　）。

图4-24　习题2的图

A. C增大表示h增大

B. C增大表示h减小

C. C减小表示h减小

D. C减小表示h增大

3. 传感器是一种采集信息的重要器件。如图4-25所示是一种测定压力的电容式传感器，A为固定电极，B为可动电极，组成一个电容大小可变的电容器。可动电极两端固定，当待测压力施加在可动电极上时，可动电极发生形变，从而改变了电容器的电容。现将此电容式传感器与零刻度在中央的灵敏电流表和电源串联成闭合电路，已知电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏转。当待测压力增大时，有下列说法，其中正确的是（　　）。

（1）电容器的电容将减小；

（2）电容器的电量将增加；

（3）灵敏电流表指针向左偏转；

（4）灵敏电流表指针向右偏转。

图4-25　习题3的图

A.（2）（3）

B.（1）（3）

C.（2）（4）

D.（1）（2）

4. 随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭，洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作，是因为（　　）

A. 改变了湿度

B. 改变了温度

C. 改变了磁场

D. 改变了电容

第5章　电涡流传感器

电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。

5.1　电涡流传感器的工作原理

一、电涡流效应

电涡流传感器的基本工作原理是电涡流效应。根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。电流在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的漩涡状感应电流称为电涡流。这种现象称为电涡流效应，而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。

电涡流传感器由电涡流线圈和被测金属组成，如图5-1所示，对电涡流线圈施加一个高频电压信号，高频振荡电流i1
在探头头部的线圈中产生交变的磁场H1
。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电涡流电流i2
，电涡流i2
也将产生一个与原磁场方向相反的新的交变磁场H2
。这两个磁场相互作用将使通电线圈L1
的等效阻抗Z发生变化。电涡流传感器就是利用电涡流效应将被测量转换为传感器线圈阻抗Z变化的一种装置。

图5-1　电涡流传感器原理图

（a）工作原理；（b）等效电路

二、影响线圈等效阻抗的因素

线圈等效阻抗与金属导体的电导率ρ、磁导率μ、几何形状、线圈的几何参数r、激磁电流频率f以及线圈到金属导体的距离x等参数有关。假定金属导体是均质的，其性质是线性和各向同性，线圈的阻抗可用式（5-1）函数表示：

Z=f（f,μ,ρ,r,x）　（5-1）

如果控制上式中的f、μ、ρ、r恒定不变，只改变其中的一个参数x，这样阻抗Z就成为间距x的单值函数。被测导体与电涡流线圈的距离发生变化，线圈的等效阻抗也会发生变化，这就是采用电涡流传感器进行位移非接触测量的基本原理。

5.2　电涡流传感器的结构及特性

一、电涡流探头结构

电涡流传感器的传感元件是一个线圈，俗称为电涡流探头。电涡流探头结构如图5-2所示。

图5-2　电涡流探头结构

1—电涡流线圈；2—探头壳体；3—壳体上的位置调节螺纹；

4—印制电路板；5—夹持螺母；6—电源指示灯；

7—阈值指示灯；8—输出屏蔽电缆线；9—电缆插头

随着电子技术的发展，现在已能将测量转换电路安装到探头的外壳体中，它具有输出信号大，不受输出电缆分布电容影响等优点。

二、电涡流传感器的特性

1. 被测材料对测量的影响

被测体的电导率越高，则灵敏度也越高，但被测体为磁性体时，导磁率效果与涡流损耗效果呈相反作用，因此与非磁性体相比，灵敏度低。所以被测体在加工过程中遗留下来的剩磁需要进行消磁处理。

2. 被测体几何形状和大小对测量的影响

为了充分有效地利用电涡流效应，被测体的半径应大于线圈半径，否则将致使灵敏度降低。一般涡流传感器，涡流影响范围约为传感器线圈直径的3倍。被测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要有0.2mm以上的厚度，则测量不受影响。

3. 被测体材料对传感器的影响

传感器特性与被测体的电导率ρ、磁导率μ有关，当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流效应减弱，即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料（如铜、铝、合金钢等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高。

4. 被测体表面平整度对传感器的影响

不规则的被测体表面，会给实际的测量带来附加误差，因此对被测体表面应该平整光滑，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，对于振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4~0.8μm；对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4~1.6μm。

5. 被测体表面磁效应对传感器的影响

电涡流效应主要集中在被测体表面，如果由于加工过程中形成残磁效应，以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。在进行振动测量时，如果被测体表面残磁效应过大，会出现测量波形畸变。

6. 被测体表面镀层对传感器的影响

被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料，视其镀层的材质、厚薄，传感器的灵敏度会略有变化。

7. 被测体表面尺寸对传感器的影响

由于探头线圈产生的磁场范围是一定的，而被测体表面形成的涡流场也是一定的。这样就对被测体表面大小有一定要求。通常，当被测体表面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上；当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上，否则传感器的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。实验测试时，当被测体表面大小与探头头部直径相同，其灵敏度会下降到72%左右。被测体的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深度由频率及材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄，将会造成电涡流作用不够，使传感器灵敏度下降。一般要求厚度大于0.1mm以上的钢等导磁材料及厚度大于0.05mm以上的铜、铝等弱导磁材料，其灵敏度不会受其厚度的影响。

8. 对被测体的要求

为了防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出，安装时传感器头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间，如果在某一部位要同时安装两个以上的传感器，就必须考虑是否会产生交叉干扰，两个探头之间一定要保持规定的距离，被测体表面积应为探头直径3倍以上，当无法满足3倍的要求时，可以适当减小，但这是以牺牲灵敏度为代价的，一般是探头直径等于被测体表面积时，灵敏度降低至70%，所以当灵敏度要求不高时可适当缩小测量表面积。

9. 对工作温度的要求

一般进口涡流传感器最高温度不大于180℃，而国产的只能达到120℃，并且这些数据来源于生产厂家，其中有很大的不可靠性，据相关的各种资料分析，实际上，工作温度超过70℃时，电涡流传感器的灵敏度会显著降低，甚至会造成传感器的损坏，在核电站工业、涡轮发动机制造、火箭发射、汽车发动机检验、冶金钢铁熔炉等领域必要的耐高温的电涡流传感器耐受性必须很高，据悉英国真尚有集团电涡流传感器设计工程师成功研发出了能够耐受上千摄氏度的此类传感器。电涡流传感器的灵敏度受温度的影响，在轴振测量中安装使用电涡流传感器应尽量远离气缸，只有特制的耐高温传感器如高低温电涡流传感器才能用于安装在气缸附近。

10. 对探头支架的要求

电涡流传感器安装在固定支架上，因此支架的好坏直接决定测量的效果，这就要求支架应有足够的刚度以提高自振频率，避免或减小被测体振动时支架也同时受激自振，资料表明，支架的自振频率至少应为机械旋转速度的10倍，支架应与被测表面切线方向平行，传感器垂直安装在支架上，虽然探头的中心线在垂直方向偏15°角时对系统特性没有影响，但最好还是保证传感器与被测面垂直。

11. 对初始间隙的要求

各种型号电涡流传感器，都在一定的间隙电压值下，它的读数才有较好的线性度，所以在安装传感器时必须调整好合适的初始间隙，对每一套产品都要进行特性试验，绘出相应的特性曲线。工程技术人员在使用传感器的时候必须仔细研究配套的校验证书，认真分析特性曲线，以确定传感器是否满足所要测量的间隙。一般传感器直径越大所测量间隙也越大。

5.3　电涡流传感器的测量转换电路

电涡流传感器将被测金属与探头线圈之间的位移变化转换为线圈等效阻抗Z的变化，通过测量转换电路可以将阻抗Z的变化转变成电压或频率的变化。并通过仪表显示。常用的测量电路有电桥电路、谐振电路等。电桥电路通常用于差动式电涡流传感器。下面重点讲述调幅法和调频法。

一、调幅法

图5-3　定频调幅式测量转换电路原理框图

定频调幅式测量转换电路原理框图如图5-3所示，图中Lx
为传感器线圈电感，与一个微调电容C0
组成并联谐振回路，晶体振荡器提供高频激励信号。在电涡流探头远离被测导体时，调节C0
，使Lx
C0
并联谐振回路调谐频率等于晶体振荡器频率f0
。这时谐振回路阻抗最大，Lx
C0
并联谐振回路的压降Uo
也最大。以振荡器的频率f作为输出量，由电工学知识可知，并联谐振回路的谐振频率为：

此频率可以通过F/V转换器（又称鉴频器），将Δf转换为电压ΔUo
，由电压表显示。也可以直接将频率信号（TTL电平）送到计算机的计数器，测量出频率的变化。

AM：以输出固定频率信号的幅度来反映调制信号的大小。例如中波、短波广播电台的信号。当被测体为金属时，探头线圈的等效电感L减小、R增大，引起Q值下降。当并联谐振回路的谐振频率f1
>f0
时，处于失谐状态，输出电压
大大降低。

二、调频法

当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压Uo
相应变小。这样，在一定范围内，输出电压幅值与位移成近似线性关系。由于输出电压的频率f0
始终恒定，因此称为定频调幅式。

FM：以输出固定幅度、频率上下波动的信号来反映调制信号的大小。例如调频广播电台的信号。

在电涡流传感器中，以LC振荡器的频率f作为输出量。当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可以通过F/V转换器（又称为鉴频器），将Δf转换为电压ΔUo
，由表头显示出电压值。也可以直接将频率信号（TTL电平）送到计算机的计数/定时器，测量出频率的变化。

调频式测量转换电路的原理框图如图5-4（a）所示，鉴频器特性如图5-4（b）所示。

图5-4　调频式测量转换电路原理框图及特性

（a）原理框图；（b）鉴频器特性

定频调幅电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。因此，人们又研究了一种变频调幅电路，这种电路的基本原理与上面介绍的调频电路相似。当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生变化，变频调幅电路利用振荡的变化来检测线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。

5.4　电涡流传感器的应用

电涡流传感器是20世纪70年代以来得到迅速发展的一种传感器，由于它具有结构简单、灵敏度高、线性范围大、频率响应范围宽、抗干扰能力强等优点，并能进行非接触测量位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等非接触式连续测量，在科学领域和工业生产中得到广泛使用。下面介绍电涡流传感器的几种典型应用。

1. 位移和振动

电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。

在测量位移方面，除可直接测量金属零件的动态位移、汽轮机主轴的轴向窜动等位移量外，它还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度等可变换成位移量的参量。在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状并绘出振型图。

电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素，因此电涡流传感器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性测量，即使要用作定量测量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。

电涡流传感器可用来测量各种金属试件的微小位移量，如图5-5所示。

图5-5　电涡流传感器位移测量

（a）汽轮机主轴的轴向位移测量示意图；（b）磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图；

（c）金属试件的热膨胀系数测量示意图

1—被测部件；2—电涡流传感器

电涡流传感器振动测量如图5-6所示。

图5-6　电涡流传感器振动测量

（a）汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴径向振动的示意图；（b）测量发动机涡轮

叶片振幅的示意图；（c）通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近

1—被测部件；2—电涡流传感器

2. 电涡流探伤

保持传感器与被测导体的距离不变，还可实现电涡流探伤。探测时如果遇到裂纹，导体电阻率和导磁率就发生变化，电涡流损耗，从而输出电压也相应改变。通过对这些信号的检验就可确定裂纹的存在和方位。

3. 偏心测量

偏心是在低转速的情况下，电涡流传感器系统可对轴弯曲的程度进行测量，这些弯曲可由下列情况引起：

偏心的测量，对于评价旋转机械全面的机械状态，是非常重要的。特别是对于装有透平监测仪表系统（TSI）的汽轮机，在启动或停机过程中，偏心测量已成为不可少的测量项目。它使你能看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。转子的偏心位置，也叫轴的径向位置，它经常用来指示轴承的磨损，以及加载荷的大小。如由不对中导致的偏心，它同时也用来决定轴的方位角，方位角可以说明转子是否稳定。

4. 胀差测量

对于汽轮发电机组来说，在其启动和停机时，由于金属材料的不同，热膨胀系数的不同，以及散热的不同，轴的热膨胀可能超过壳体膨胀；有可能导致透平机的旋转部件和静止部件（如机壳、喷嘴、台座等）的相互接触，导致机器的破坏。因此胀差的测量是非常重要的。

5. 转速测量

图5-7　转速测量

（a）带有凹槽的转轴；（b）带有凸槽的转轴

对于所有旋转机械而言，都需要监测旋转机械轴的转速，转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。转速测量如图5-7所示。转速测量通常有以下几种传感器可选：电涡流转速传感器、无源磁电转速传感器、有源磁电转速传感器等。

式中　f——频率值（Hz）；

n——旋转体的槽（齿）数；

N——被测轴的转速（r/min）。

无源磁电式传感器是针对测齿轮而设计的发电型传感器（无源），不适合测零转速和较低转速，因低频时，幅值信号小，抗干扰能力差，它不需要供电。有源磁电式传感器采用了电源供电，输出波形为矩形波，具有负载驱动能力，适合测量0.03Hz以上转速信号。

而电涡流传感器测量转速的优越性是其他任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速。对于被测体转轴的转速发生装置要求也很低，被测体齿轮数可以很小，被测体也可以是一个很小的孔眼，一个凸键，一个小的凹键。电涡流传感器测转速，传感器输出的信号幅值较高（在低速和高速整个范围内），抗干扰能力强。

6. 轴的径向振动测量

当需要测量轴的径向振动时，要求轴的直径大于探头直径的3倍以上。每个测点应同时安装两个传感器探头，两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上，相隔90°±5°。由于轴承盖一般是水平分割的，因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45°，从原动机端看，分别定义为X探头（水平方向）和Y探头（垂直方向），X方向在垂直中心线的右侧，Y方向在垂直中心线的左侧。

在进行轴的径向振动测量时探头的安装位置应该尽量靠近轴承，如图5-8所示，否则由于轴的挠度，得到的值会有偏差。

图5-8　主轴的径向振动监控

1—被测主轴；2—传感器探头

7. 涡流厚度传感器

电涡流传感器可以无接触地实现金属板或非金属板镀层厚度的测量，测量原理如图5-9~图5-11所示。

图5-9　透射式涡流传感器原理

图5-10　线圈感应电势与厚度关系曲线

图5-11　电涡流传感器厚度测量

测厚的依据：E的大小间接反映了M的厚度l，如图5-9中L1
和L2
分别为发射线圈和接收线圈，两线圈间存在金属板M，低频交流电流流经L1
产生交变磁场穿过金属板M作用于L2
，并产生感应电压Uo
。由于金属板产生的涡流消耗了一部分磁场能量，从而使Uo
有所降低，板越厚，Uo
越低。Uo
的大小间接反映了金属板的厚度。

8. 温度测量

利用导体的电阻率与温度的关系，保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变，就可以测量金属材料的表面温度，还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度。电涡流测温是非接触式测量，适用于测低温到常温的范围，且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点。

电涡流传感器测量温度原理如图5-12所示，传感器线圈对着被测金属表面，传感器线圈与电容组成振荡电路。当金属表面温度发生变化时，金属导体的电阻率随之变化，从而改变了电涡流强度，使线圈的电感量改变，振荡器的振荡频率发生变化，通过计数器测出振荡频率就可测出金属表面温度。

图5-12　电涡流传感器温度测量

9. 电涡流式通道安全检查门

安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软X光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。

5.5　习题

1. 什么是涡流效应？

2. 影响线圈等效阻抗的因素有哪些？

3. 电涡流传感器适于做定量分析吗？为什么？

4. 电涡流传感器如何测量温度？

第6章　压电传感器

压电传感器是一种典型的发电传感器（亦称有源传感器），它是以某些物质受力后在其表面产生电荷的压电效应的压电器件为核心组成的传感器，它主要用于力的测量以及最终变换为力的那些非电量的测量。因此，压电元件是一种力敏感元件，可以测量那些最终能转换为力的非电物理量，例如力、压力、加速度、力矩等。

压电式传感器具有灵敏度高、频带宽、质量轻、结构简单、体积小、工作可靠等优点。随着配套的二次仪表及低噪声、小电容、高绝缘电缆出现，使压电传感器使用更为方便。因而，压电传感器不仅在工程力学、生物医学、电声学中得到应用，而且在超声、通信、宇航、雷达和引爆等领域也应用广泛。

6.1　压电传感器的工作原理

一、压电效应

压电效应有正压电效应和逆压电效应之分。1880年，法国人居里兄弟发现了这两种效应。压电效应是晶体的物理现象，它具有方向性。

1. 正压电效应

科学家在研究中发现，某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电荷的极化现象，同时它的两个相对表面上出现正负相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称作压电效应。具有压电效应的材料称作压电材料。图6-1分别绘出了某种压电材料晶体在各种受力条件下所产生的电荷情况。从图中可以看出，改变压电材料的变形方向，可以改变其产生的电荷极性。实验表明，压电材料的线应变、剪应变、体积应变都可以引起压电效应，利用这些效应可以制造出感受各种外力的传感元件。用压电材料制造的传感元件称作压电元件。

图6-1　晶片上电荷极性与受力方向的关系

2. 逆压电效应（电致伸缩效应）

压电效应是可逆的，图6-2示出了逆压电效应的实验过程。当在压电元件上沿着电轴的方向施加电场，压电元件将产生机械形变或机械应力，当外加电场撤去时，这些形变或应力也随之消失。如果外加电场的大小、方向发生变化，压电元件的机械形变的大小、方向也随之相应变化，这种现象称作逆压电效应，也称电致伸缩效应。可以想象，当外加电场以很高的频率按正弦规律变化时，压电元件的机械形变也将按正弦规律快速变化，使压电元件产生机械振动，超声波发射元件就是利用这种效应制作的。

图6-2　电致伸缩效应

（a）无电场，无形变；（b）向下电场，形变x<0；（c）向上电场，形变x>0

利用正压电效应制成的压电传感器，可将力、压力、振动、加速度等非电量转换为电量，从而进行精密测量。正压电效应还可应用于扬声器、电唱头等电声器件，把机械振动（声波）转换为电振动。利用逆压电效应可制成超声波发生器、声发射传感器、压电扬声器、频率高度稳定的晶体振荡器等。利用正、逆压电效应可制成压电超声波探头、压电表面波传感器、压电陀螺等。

由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。

二、压电材料

在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，只是十分微弱。随着人们对材料的深入研究，发现压电效应比较明显的压电材料有天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等。迄今已出现的压电材料可分为三大类：一是压电晶体，它是一种单晶体，包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷，它是一种人工制造的多晶体，例如锆钛酸铅、钛酸钡、铌酸锶等；三是新型压电材料，其中比较重要的有压电半导体和有机高分子压电材料两种，压电半导体有氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。

压电传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。它们都具有较大的压电系数，机械性能优良（强度高、固有振荡频率稳定）、时间稳定性好、温度稳定性好，所以它们是较理想的压电材料。

压电材料的主要特性参数有：

① 压电常数。这是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压力输出灵敏度。

② 弹性常数。压电材料的弹性常数（刚度）决定着压电器件的固有频率和动态特性。

③ 介电常数。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

④ 机电耦合系数。它定义为：在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。

⑤ 电阻。压电材料的绝缘电阻将减小电荷的泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。

⑥ 居里点。即压电材料开始丧失压电特性的温度。

1. 石英晶体

常见的压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，俗称水晶，其化学成分为SiO2
（二氧化硅）。石英晶体是一种性能良好的压电晶体。其突出的优点是性能非常稳定，介电常数与压电系数的温度稳定性特别好，且居里点高，可以达到575℃。此外，石英晶体还具有机械强度高、绝缘性能好、动态响应快、线性范围宽、迟滞小等优点。但石英晶体压电系数较小（d11
=2.31×10-12
C/N），灵敏度较低，且价格较贵，所以只在标准传感器、高精度传感器或高温环境下工作的传感器中作为压电元件使用。石英晶体分为天然与人造两种，天然石英晶体性能优于人造石英，但天然石英价格更高。

天然结构石英晶体的外形如图6-3所示，是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中z轴称为光轴；x轴称为电轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。

图6-3　石英晶体外形图及晶轴示意图

从晶体上沿轴线方向切下的薄片称为晶体切片，简称晶片，如图6-4所示。当沿着电轴x方向对压电晶片施加力的作用时，将在垂直于x轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着机械轴y方向施加力的作用时，电荷仍出现在与x轴垂直的表面上，这种现象称为横向压电效应，其原理如图6-5所示。当沿着光轴z方向施加力的作用时不产生压电效应。

图6-4　石英晶体切片图及示意图

图6-5　石英晶体压电效应工作原理

石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。

除了天然和人造压电晶体材料外，还有水溶性压电晶体。它有单斜晶系列和正斜晶系列两种类型。属单斜晶系的有酒石酸钾钠（NaKC4
H4
O6
·4H2
O）、酒石酸乙烯二胺（C6
H4
N2
O6
）等；属于正斜晶系的有磷酸二氢钾（KH2
PO4
）、磷酸二氢铵（NH4
H2
PO4
）等。还有一些其他压电单晶、锂盐类压电单晶和铁电单晶，如铌酸锂（LiNbO3
）、钽酸锂（LiTaO3
）、锗酸锂（LiGeO3
）、镓酸锂（LiGaO3
）和锗酸铋（BiGeO3
）等材料。近年来，以铌酸锂为典型代表的这类压电晶体在传感技术中日益得到广泛应用。

铌酸锂是一种无色或浅黄色透明铁电晶体。从结构看，它是一种多畴单晶。它必须通过极化处理后才能成为单畴单晶，从而呈现出类似单晶体的特点，即机械性能各向异性。它的时间稳定性好，居里点高达1200℃；在高温强辐射条件下，仍具有良好的压电特性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，还具有良好的光电、声光效应，因此在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。我国研制此种材料的水平居国际领先地位。

2. 压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。与石英晶体相比，压电陶瓷的压电系数很高，制造成本很低。因此，在实际中使用的压电传感器，大都采用压电陶瓷材料。压电陶瓷的弱点是，居里点较石英晶体要低200℃~400℃，性能没有石英晶体稳定。但随着材料科学的发展，压电陶瓷的性能正在逐步提高。主要有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷等。

（1）钛酸钡（BaTiO3
）。钛酸钡具有较高的压电系数（d33
=190×10-12
C/N）和介电常数，但居里点很低（120℃），机械强度也不如石英晶体，目前已较少使用。

（2）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）。锆钛酸铅系列压电陶瓷的压电系数大，d33
=200~500×10-12
C/N，居里点较高（300℃），工作温度可达250℃。且各项机电参数的温度稳定性好，性能远优于钛酸钡压电陶瓷，是目前应用最为广泛的压电材料。

硬度压电陶瓷的压电常数比石英晶体高，如钛酸钡的压电常数d33
=10×10-11
C/N。但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异，可根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器，这是一种很有发展前途的压电元件。

压电陶瓷内部的晶粒有许多自发极化的电畴，有一定的极化方向，从而存在一定电场。在没有外电场时，电畴杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质，如图6-6（a）所示。在陶瓷上施加外电场时，材料得到极化。外电场越强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场去掉时，剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性，如图6-6（b）所示。

图6-6　压电陶瓷的极化

（a）未极化；（b）电极化

极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时。电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化，即极化面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。声控电路中的声音传感器就可以利用压电陶瓷片来实现。

压电陶瓷具有压电常数大、灵敏度高、烧制方便、易成形、耐湿、耐高温的优点；制造工艺成熟，可以通过合理配方和掺杂等人工控制方法来达到所要求的性能；成形工艺性好，成本低廉，得到了广泛的应用。

3. 新型压电材料

1）压电半导体

有些晶体材料既有半导体性质，又有压电效用，如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者结合，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。近些年，就有利用氧化锌的压电效应来制作纳米发电机，实现纳米机器的自我供电。

2）高分子压电材料

某些合成高分子聚合物经延展拉伸和电场极化后，形成具有一定压电性能的薄膜，称之为高分子压电薄膜。目前常见的压电薄膜有聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）和尼龙11等。与传统的压电材料相比，这些材料的优点是质轻柔软，抗拉强度较高、蠕变小、耐冲击，体电阻达1012
Ω·m，击穿强度为150~200kV/mm，声阻抗近于水和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，易制成任意形状及面积不等的片或管等，且便于大批生产和大面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。在力学、声学、光学、电子、测量、红外、安全报警、医疗保健、军事、交通、信息工程、办公自动化、海洋开发、地质勘探等技术领域应用十分广泛。

另一类是在高分子化合物中掺有压电BaTiO3
粉末，制成高分子压电薄膜。这种复合压电材料同样既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电特性和机电耦合系数。

6.2　压电传感器的等效电路和测量电路

一、压电晶片的连接方式

压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件，如图6-7（a）所示。当压电元件受力时，就会在两个电极上产生等量的正、负电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质，使其又相当于一个电容器，如图6-7（b）所示。

图6-7　压电元件等效电路

（a）压电元件；（b）等效电路

制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘连在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，故连接方式有两种：串联式与并联式。

1. 串联式接法

图6-8　压电晶体连接方式

（a）串联连接方式；（b）并联连接方式

两个压电片不同的极性端黏结在一起，从电路上看是串联的；中间黏结处电荷中和，电荷量与单片相同，电容量为单片的一半，输出电压增大了一倍。串联接法输出电压大，适用于以电压做输出信号，并且测量电路输入阻抗高的场合。如图6-8（a）所示，上正下负（上“+”下“-”），中间为负、正，所以相当于两个晶片串联在一起。输出电压为单片的2倍，输出电荷等于单片电荷，输出电容为单电容的1/2，即：

2. 并联式接法

两个压电片的负端连在一起，中间插入的金属电极为压电片负极，正电极在两边的电极上，类似于两个电容的并联。并联接法输出电荷为单片的2倍，电容量增加一倍，输出电压与单片相同，适用在测量慢变信号并以电荷作为输出量的场合。如图6-8（b）所示，上正下正（上“+”下“+”），中间为负，两个晶片并联，输出电压为单片电压，输出电荷为单片的2倍，输出电容为单片的2倍，即：

U′=U　q′=2q　C′=2C　（6-2）

在压电式传感器中，为了提高灵敏度，常用的是并联连接。使用时，两片压电晶片上必须有一定的预紧力，以保证压电元件在工作中始终受到压力作用，同时可消除两片压电晶片因接触不良而引起的非线性误差，保证输出信号与输入作用力之间的线性关系。

二、压电传感器的等效电路

为了更进一步分析和更有效地使用压电传感器，有必要引入压电元件的等效电路。如前所述，当压电传感器的压电元件受力时，在电极表面就会出现电荷。且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，从功能上讲，压电传感器相当于一个静电荷发生器，而压电元件本身在这一过程中可以看成是一个电容器。从性能上讲，压电传感器相当于一个有源电容器，其电容量Ca
为：

式中　Ca
——压电元件内部电容；

εr
——压电材料的相对介电常数；

ε0
——真空的介电常数；

S——压电元件电极面积；

h——压电晶片厚度。

因此压电传感器的等效电路有以下两种。

（1）当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个电荷源与电容器相并联的电荷等效电路，如图6-9（a）所示。在开路状态下，其输出端电荷和电荷灵敏度为：

q=Ua
Ca
（6-4）

式中　Ua
——极板电荷形成的电压；

F——作用在压电晶片上的外力。

图6-9　压电传感器等效电路

（a）电荷等效电路；（b）电压等效电路

（2）当需要压电传感器输出电压时，可以把压电元件等效为一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路，如图6-9（b）所示。在开始状态，其输出电压和电压灵敏度分别为：

但是，必须指出，上述等效电路及其输出，只有在压电元件本身为理想绝缘（即Ra
=∞）、外电路负载无穷大（RL
=∞）、内部无泄漏时，受力产生的电压才能长期不变。实际上，负载不可能无穷大，则电路就要以时间常数t= RL
Ca
按指数规律放电。因此，对于测量静态信号以及低频准静态信号时极为不利，必然会带来测量误差。所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，以供给测量电路一定的电流，故压电传感器只宜作动态测量。

由于压电元件的输出信号非常微弱，—般要把其输出信号经配套的二次仪表进行信号放大与阻抗变换，所以还应考虑转换电路的输入电阻与输入电容，以及连接电缆的传输电容等因素的影响。实际的等效电路如图6-10所示，其中图6-10（a）为电荷等效电路，图6-10（b）为电压等效电路。其中有：前置放大器输入电阻Ri
，输入电容Ci
；连接电缆的传输电容Cc
；压电传感器的绝缘电阻Ra
。

图6-10　压电式传感器在测量系统中的实际等效电路

（a）电荷等效电路；（b）电压等效电路

由图6-10可知，若要压电元件上的电荷长时间保存，必须使压电元件绝缘电阻与测量电路输入电阻为无穷大，以保证没有电荷泄漏回路。而实际上这是不可能的，所以压电传感器不能用于静态测量。当压电元件在交变力的作用下，电荷量可以不断更新与补充，给测量电路提供一定的电流，故适用于动态测量。不过，随着电子技术的发展，转换电路的低频特性越来越好，已经可以在频率值低于1 Hz的条件下进行测量。

3. 压电传感器的测量电路

由于压电传感器是一个有源电容器，就必然存在与电容式传感器相同的弱点，即高内阻、小功率，因此必须加以解决。

第一，由于压电传感器的内阻极高，使得压电传感器难以直接使用一般放大器，通常应将传感器的输出信号输入到测量电路的高输入阻抗前置放大器中变换成低阻抗输出信号，然后再送到测量电路的放大、检波、数据处理电路或显示设备。

第二，由于输出功率小，因此必须进行前置放大，且要求放大倍数大、灵敏度高、输入阻抗Ri
大。由此可见，压电传感器测量电路中的关键部分是前置放大器，而这个前置放大器必须具备两个功能：一是放大，把压电传感器的微弱信号放大；二是阻抗变换，把压电传感器的高阻抗输出变换为前置放大器的低阻抗输出。

总之，压电传感器的输出端必须先接入一个输入阻抗很高的前置放大器，再接一般放大器。

压电式传感器的测量电路有电荷型与电压型两种，相应的前置放大器也有电荷型与电压型两种形式。

（1）电压放大器（又称阻抗变换器）。

压电传感器相当于一个静电荷发生器或电容器。为了尽可能保持压电传感器的输出电压（或电荷）不变，要求电压放大器具有很高的输入阻抗（大于1000MΩ）和很低的输出阻抗（小于100MΩ）。图6-11（a）是压电式传感器与电压放大器连接后的等效电路，图6-11（b）是进一步简化后的电路图。

图6-11　压电传感器电压放大器

（a）等效电路；（b）简化电路

图6-11（b）中的等效电阻R为：

等效电容C为：

C=Cc
∥Ci
∥Ca
=Cc
+Ci
+Ca
（6-9）

压电传感器的开路电压为：

由上式可见：电荷放大器的输出电压Uo
与电缆电容Cc
无关（更换连接电缆时不会影响传感器的灵敏度），且与q成正比。这是电荷放大器的最大特点，因此使用较多。但最初因运算放大器价格昂贵，应用受到了限制。随着集成运算放大器价格的降低，目前生产的压电传感器越来越多地使用电荷放大器。

电压放大器电路简单，元件便宜；但电缆长度对测量精度影响较大，不宜太长。要特别注意的是：这两种放大器电路的输入端都要加过载保护电路，以免在传感器过载时，产生过高的输出电压。

随着集成运放价格的降低，20世纪90年代以后生产的仪器越来越多地使用下面将介绍的电荷放大器。

（2）电荷放大器。

电荷放大器实际上是一个高增益放大器，其与压电传感器连接后的等效电路如图6-12 所示。

图6-12　电荷放大器

由于运算放大器的输出采用了场效应晶体管，因此放大器的输入阻抗极高，Ri
可达1010
~1012
Ω，而Ra
本身很大，可近似视为无穷大，所以图6-12中未再画出。Ri
是直流反馈电阻，作用是稳定放大器的直流工作点。Cf
为反馈电容，Ca
、Cc
、Ci
同前。反馈电容折算到放大器输入端的等效电容为（1+k）Cf
，则放大的输出电压Uo
为：

由于k很大（一般k为104
~106
），可使
，则Uo
近似为：

由上式可以看出，电荷放大器的输出电压只与反馈电容有关，而与连接电缆的传输电容无关，更换连接电缆尺寸不会影响传感器的灵敏度，这是电荷放大器的最突出的优点。

在实际电路中，考虑到被测物理量的不同量程，反馈电容的容量选为可调的，范围一般在100~1000pF。电荷放大器的测量下限主要由反馈电容与反馈电阻决定，即fL
=1/2（2πRf
Cf
）。一般Rf
取值在1010
Ω以上，则fL
可小于1 Hz。所以，电荷放大器的低频响应也比电压放大器好很多，可用于变化缓慢的力的测量。

6.3　压电传感器的组成及结构

压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力-电转换装置。压电式力传感器的种类很多，在工程实际应用中，根据其测力的情况，分为单分量力传感器与多分量力传感器。压电式力传感器多为荷重垫圈式结构，它由底座、传力上盖、压电晶片、电极、绝缘套、电极引出端子构成。

图6-13为压电式单向测力传感器的结构示意图。两块压电晶片反向叠在一起，电极3为负极，底座与传力上盖形成正极，绝缘套使正负极隔离。压电元件采用并联接法，提高了传感器的电荷灵敏度。

图6-13　压电式单向测力传感器

1—上盖；2—晶片；3—中心电极；4—引出端子；5—绝缘套；6—底座

被测力通过传力上盖使压电元件受压力作用而产生电荷。由于传力上盖的弹性形变部分的厚度很薄，只有0.1~0.5mm，因此灵敏度非常高。这种力传感器体积小，质量轻（为10克左右），分辨力可达10-3
g，固有频率为50~60 kHz，主要用于频率变化小于20kHz的动态力的测量。其典型应用有：在机床动态切削力的测试中作力传感器；在表面粗糙度测量仪中作力传感器；在测轴承支座反力时作力传感器。

使用时，压电元件装配时必须施加较大的预紧力，以消除各部件与压电元件之间、压电元件与压电元件之间因加工粗糙造成接触不良而引起的非线性误差，使传感器工作在线性范围。表6-1给出了YDS-78型压电式力传感器的性能参数。

表6-1　YDS-78型压电式力传感器的性能指标

测力范围

0~500kg

最小分辨力

0.1g

绝缘电阻

2×1014
Ω

固有频率

50~60 kHz

非线性误差

<±1%

重复性误差

<1%

电荷灵敏度

38~44 pC/kg

质量

10g

6.4　压电传感器的应用

一、常见压电传感器的应用

1. 力测量

压电传感器主要利用石英晶体的纵向和剪切的压电效应，因为石英晶体刚度大、滞后小、灵敏度高、线性好、工作频率宽、热释电效应小。力传感器除可测单向作用力外还可利用不同切割方向的多片晶体依靠其不同的压电效应测量多方向力，如空间作用力3个方向的分力Fx
、Fy
、Fz
。

2. 压力测量

压电式压力传感器主要利用弹性元件（膜片、活塞等）收集压力变成作用于晶体片上的力，因为弹性元件所用材料的性能对传感器的特性有很大影响。

3. 加速度测量

压电式加速度传感器是利用质量块m由预紧力压在晶体片上，当被测加速度a作用时，晶体处会受到惯性力F=ma，由此产生压电效应，因此质量块的质量决定了传感器的灵敏度，也影响着传感器的高频响应。

二、压电传感器应用

1. 加速度测量

压电式加速度传感器是输出电荷与加速度成正比的转换装置。由于它具有结构简单、工作可靠、精度较高的优点，目前已成为冲击振动测量技术中使用非常广泛的一种传感器。

图6-14是压电式加速度传感器的结构原理图。图中压电元件由两片压电晶片并联连接组成；压电元件放在底座上，上面用硬弹簧或螺帽将一个质量块压紧在压电晶片上。

图6-14　压电式加速度传感器

（a）原理图；（b）结构图

1—底座；2—电极；3—压电晶片；4—质量块；5—弹性元件；6—外壳

测量时，将底座与被测量加速度的构件刚性地连接在一起，使质量块感受与构件完全相同的运动。当构件产生加速度时，质量块将产生惯性力F1
，其方向与加速度方向相反，大小为F1
=ma。此惯性力与预紧力F0
叠加后作用在压电元件上，使得作用在压电元件上的压力F为：

F=F0
+F1
=F0
+ma　（6-13）

压电元件上产生与加速度a对应的电荷，即：

Q=d11
F=d11
（F0
+ma）　（6-14）

式中　d11
——压电系数；

m——质量块质量；

a——构件加速度。

图6-15　Q-f（F）关系曲线

图6-15给出了Q=f（F）的函数关系。从图中可以看到，Q0
为静态工作点电荷量，与ma对应的是电荷的增量ΔQ，即：

ΔQ=d11
ma　（6-15）

工作时，将压电元件产生的电荷输出给电荷放大器，则电荷放大器的输出电压的增量ΔUo
为：

由上式可知，电荷放大器的输出电压的增量ΔUo
与加速度a成正比。因此，只要将ΔUo
测出，即可测出构件的加速度。如果在电路中增加一级或两级积分电路，则还可测出构件的速度或位移量。

2. 振动测量

用压电式加速度传感器可以进行振动测量，如图6-16所示。压电式加速度传感器量程大、频带宽、体积小、质量轻，因此广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、车辆、机床等系统的振动测量、冲击测试、动平衡校准等方面。例如，在波音747等大型客运飞机上，为了保证飞行安全，安装了数百个监测用压电式加速度传感器，监测各个部件的振动情况。在火力发电厂，为了监测汽轮机组的主轴工作情况，可以通过压电式加速度传感器监测主轴的动平衡状况。

图6-16　压电传感器振动连接方式

（a）双头螺丝固定；（b）磁铁吸附；（c）胶水黏结；（d）手持探针式

1—压电式加速度传感器；2—双头螺栓；3—磁钢；4—粘接剂；5—顶针

3. 膜片式压力测量

膜片式压电压力传感器主要由壳体、弹性敏感元件、压电元件组成。图6-17为膜片式压电压力传感器的结构示意图。其弹性敏感元件采用了弹性膜片，使结构紧凑。为保证传感器在较高的环境温度条件下能长时间稳定地工作，采用石英晶片作压电元件。装配时应通过拧紧芯体而施加一定的预紧力，使传感器能感受交变压力。这种传感器结构紧凑、动态质量小，因而具有很高的谐振频率，可以适应很高频率的动态压力测量。

图6-17　压电式压力传感器结构示意图

工作时气体或流体压力作用在膜片上，经过传力块作用到压电元件上。设流体压力为P，膜片工作面积为A，则有：

Q=2d11
F=2d11
PA　（6-17）

即电荷Q与压力成正比，实现了流体压力的电测量。

与传统的压力仪表相比，压电式压力传感器能在复杂条件下工作。例如在航空发动机燃烧室内压力测量、内燃机气缸压力测量、大型液压系统的冲击压力测量、液压轴承油膜压力测量中，都得到了广泛的应用，而使用传统压力传感器是很难在这么复杂的条件下正常工作的。

4. 单向力测量

压电式单向测力传感器主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元件，当外力作用时，它将产生弹性形变，将力传递到石英晶片上，利用其压电效应，实现力电转换。配以适当的放大器即可测量动态或静态力。图6-18是一种用于机床动态切削力测量的单向压电石英力传感器的结构示意图。它用两块晶片作为传感元件，被测力通过传力上盖使石英晶片沿电轴方向受压力作用，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷，两块晶片沿电轴方向叠加，负电荷由片形电极输出，压电晶片正电荷一侧与底座连接。两片并联可提高其灵敏度。压力元件弹性形变部分的厚度较薄，其厚度由测力大小决定。这种结构的单向传感器体积小，质量轻（仅10g），固有频率高（为50~60kHz），可检测高达5000N的动态力。

图6-18　压电式单向测力传感器结构图

图6-19是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。

图6-19　压电式刀具切削力测量示意图

5. 压电电源

利用正压电效应研制的压电电源，如煤气灶、热水器、汽车发动机的自动点火装置。在它们简单的结构中，都有一块经过极化处理的压电陶瓷。如果用落下的铁球冲击压电陶瓷，受冲击的压电陶瓷就会产生上万伏的电压，同时进行放电。

6. 电子血压计

用压电陶瓷来作血压计的传感器，人体的脉搏发出强弱的跳动，受感应的压电陶瓷便把振动转为电能。

7. 蜂鸣器、麦克风、扬声器等

蜂鸣器、麦克风、扬声器等是利用压电陶瓷逆压电效应。

安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片，就会使薄片两端电极上产生电荷，其大小和符号随着声音的变化而变化。这种压电晶片上电荷的变化，再通过电子装置，可以变成无线电波传到遥远的地方。这些无线电波为收音机所接收，并通过安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动，又变成声音回荡在空中。

8. 石英晶体谐振器

石英晶体谐振器的原理是在石英晶片两面的金属电相上施加电压，利用石英晶体的逆压电效应使石英晶片产生机械振动，从而得到特定的频率。

三、高分子压电材料的应用

1. 玻璃打碎报警装置

玻璃破碎时会发出几千赫兹的振动。将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动，图6-20为高分子压电薄膜振动感应片示意图。高分子薄膜厚约0.2mm，用聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜制成10mm×20mm大小。在它的正、反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，也可以用热印制工艺制作铝薄膜电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线，并用保护膜覆盖。使用时，用胶将其粘贴在玻璃上，当玻璃遭到暴力打碎时，压电薄膜感受到剧烈振动。在两个输出引脚之间产生窄脉冲信号，该信号经放大后，用电缆输送到集中报警装置，产生报警信号。由于感应片很小且透明，不易察觉，所以可安装于贵重物品柜台、展览橱窗等。

图6-20　高分子压电薄膜振动感应片

1—正面透明电极；2—PVDF薄膜；3—反面透明电极；

4—保护膜；5—引脚

2. 压电式周界报警系统

将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行，对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。周界报警系统中常用的传感器有地音传感器、高频辐射漏泄电缆、红外激光遮断式、微波多普勒式、高分子压电电缆等。压电式周界报警系统如图6-21所示。在警戒区的四周埋设多根以高分子压电材料为绝缘物的单芯屏蔽电缆。屏蔽层接大地，它与电缆芯线之间以PVDF为介质而构成分布电容，当入侵者踩到电缆上面的柔性地面时，该压电电缆受到挤压，产生压电脉冲，引起报警。通过编码电路，还可以判断入侵者的大致方位。压电电缆可长达数百米，可警戒较大的区域，不易受电、光、雾等的干扰，费用也比采用微波等方法便宜。

图6-21　压电周界报警系统

（a）原理框图；（b）高分子压电电缆

1—铜芯线（分布电容内电极）；2—管状高分子压电塑料绝缘层；

3—铜网屏蔽层（分布电容外电极）；4—橡胶保护层（承压弹性元件）

3. 交通监测

将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。

6.5　习题

1. 简述压电效应与电致伸缩效应，说明它们适用于制作什么器件。

2. 常用的压电材料有哪几种？试比较它们的优缺点及适用范围。

3. 画出压电元件的两种等效电路图。

4. 分析对比电压放大器与电荷放大器的电路特点，指出电荷放大器最主要的优点是什么。

5. 压电式传感器在使用之前为什么必须施加预紧力？

6. 试述压电式加速度传感器的工作原理。

第7章　超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

7.1　超声波传感器的工作原理

一、波概述

1. 声波

声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。声波是一种机械波。

可闻声波：其频率在16~2×104
Hz，能为人耳所闻的机械波；

次声波：低于16 Hz的机械波；

超声波：高于2×104
Hz的机械波；

微波：频率在3×108
~3×1011
Hz的波。

2. 声波的波型

声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：

① 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播。

② 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播。

③ 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。

3. 波的折射和反射

图7-1　波的折射与反射

由物理学知，当波在界面上产生反射时，如图7-1所示，入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1
与折射波在第二介质中的波速c2
之比，即：

二、超声波传感器工作原理

超声波传感器是将声信号转换成电信号的声电转换装置，习惯上又称为超声波换能器或超声波探头，它是利用超声波产生、传播及接收的物理特性工作的。

1. 超声波传感器的类型

超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。

2. 超声波传感器的组成结构

图7-2　超声波探头结构

超声波探头结构如图7-2所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。

阻尼块的作用：降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。

还有部分超声波传感器采用对射式的检测模式。一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间持续保持“收听”。位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而使传感器产生开关信号。

7.2　超声波换能器及耦合技术

超声波换能器有时又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等，超声波探头结构示意图如图7-3所示。

图7-3　超声波探头结构示意图

（a）单晶直探头；（b）双晶直探头；（c）斜探头

1—接插件；2—外壳；3—阻尼吸收块；4—引线；5—压电晶体；6—保护膜；

7—隔离层；8—延迟块；9—有机玻璃斜楔块；10—试件；11—耦合剂

一、以固体为传导介质的超声探头

1. 单晶直探头

发射超声波时，将500V以上的高压电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出一束频率落在超声范围内、持续时间很短的超声振动波。

超声波到达被测物底部后，超声波的绝大部分能量被底部界面所反射。反射波经过一短暂的传播时间回到压电晶片。利用压电效应，晶片将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。由于衰减等原因，该电压通常只有几十毫伏，还要加以放大，才能在显示器上显示出该脉冲的波形和幅值。

超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片，但时间上有先后之分，所以单晶直探头是处于分时工作状态，必须用电子开关来切换这两种不同的状态。

2. 双晶直探头

双晶直探头是由两个探头组合而成，装配在同一壳体内，其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。

3. 斜探头

为了使超声波能倾斜入射到被测介质中，可使压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30°、45°等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去。

4. 聚焦探头

由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头，如图7-4所示。

图7-4　聚焦探头的原理与结构

聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。

二、以空气为传导介质的超声探头

发射器的压电片上必须粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声、提高接收效率，如图7-5所示。

图7-5　空气传导型超声发生、接收器结构

（a）超声发射器；（b）超声接收器

1—外壳；2—金属丝网罩；3—锥形共振盘；4—压电晶片；

5—引脚；6—阻抗匹配器；7—超声波束

空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围可以从几米至几十米。

三、耦合剂

超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学糨糊等。

7.3　超声波传感器的应用

一、超声波探伤

超声波探伤是利用超声波在物理介质（如被检测材料或结构）中传播时，通过被检测材料或结构内部存在的缺陷处，超声波会产生折射、反射、散射或剧烈衰减等，通过分析这些特性，就可以建立缺陷与超声波的强度、相位、频率、传播时间、衰减特性等之间的相互关系，由于超声波的传播特性与被检测材料或结构有着密切的关系，因此通常需要根据被检测对象选择相应的超声检测方法。

对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。

1. 穿透法探伤

穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头（见图7-6），置于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。

图7-6　穿透法探伤示意图

2. 反射法探伤

反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。下面以纵波一次脉冲反射为例，说明检测原理。高频脉冲发生器产生的脉冲（发射波）加在探头上，如图7-7所示，激励压电晶体振荡，使之产生超声波。超声波以一定的速度向工件内部传播。一部分超声波遇到缺陷F时反射回来；另一部分超声波继续传至工件底面B，也反射回来。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉冲。发射波T、缺陷波F及底波经放大后，在显示器荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线为扫描线（时间基准），其长度与时间成正比。由发射波、缺陷波及底波在扫描线的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件无缺陷时，荧光屏上只有T、B波，没有F波。

图7-7　反射法探伤示意图

超声波探伤的优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。然而，超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主、客观因素的影响，以及探伤结果不便保存等，使超声波探伤也有其局限性。

超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。

3. 超声波探伤分类

超声波探伤可分为A、B、C等几种类型。

1）A型超声波探伤

A型探伤的结果以二维坐标图形式给出。它的横坐标为时间轴，纵坐标为反射波强度。可以从二维坐标图上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但较难识别缺陷的性质、类型。A型超声波探伤采用超声脉冲反射法。A型超声波探伤仪外形如图7-8所示。

图7-8　A型超声波探伤仪外形

（a）台式A型探伤仪；（b）便携式A型探伤仪

1—电缆插头座；2—工作方式选择；3—衰减细调；4—衰减粗调；5—发射波T；

6—第一次底反射波B1
；7—第二次底反射波B2
；8—第五次底反射波B5
；9—扫描时间调节；

10—扫描时间微调；11—脉冲x轴移位；12—报警扬声器；13—直探头

测试前，先将探头插入探伤仪的连接插座上。探伤仪面板上有一个荧光屏，通过荧光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷位置。工作时探头放于被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。探头发出的超声波，以一定速度向工件内部传播，如工件中没有缺陷，则超声波传到工件底部便产生反射，反射波到达表面后再次向下反射，周而复始，在荧光屏上出现始脉冲T和一系列底脉冲B1
、B2
、B3
、…（见图7-8）。B波的高度与材料对超声波的衰减有关，可以用于判断试件的材质、内部晶体粗细等微观缺陷。纵波探伤示意图如图7-9所示。

图7-9　纵波探伤示意图

（a）无缺陷时超声波的反射及显示波形；（b）有缺陷时超声波的反射及显示波形

2）B型超声波探伤

B型超声波探伤的原理类似于医学上的B超。它将探头的扫描距离作为横坐标，探伤深度作为纵坐标，逐次照射物体的不同区域，并接收声束所达区域内物体的散射声信号，将声信号幅度调制成荧光屏上相应位置的光点亮度，从而获得声束扫描断面内与声波散射信号幅度对应的图像。扫描方式主要有线扫描和扇形扫描两种，可以绘制被测材料的纵截面图形。探头的扫描可以是机械式的，更多的是用计算机来控制一组发射晶片阵列（线阵）来完成与机械式移动探头相似的扫描动作，但扫描速度更快，定位更准确。

3）C型超声波探伤

目前发展最快的是C型探伤，它类似于医学上的CT扫描原理。计算机控制探头中的三维晶片阵列（面阵），使探头在材料的纵、深方向上扫描，因此可绘制出材料内部缺陷的横截面图，这个横截面与扫描声束相垂直。横截面图上各点的反射波强通过相对应的几十种颜色，在计算机的高分辨率彩色显示器上显示出来。经过复杂的算法，可以得到缺陷的立体图像和每一个断面的切片图像。

C型超声波探伤的特点：

利用三维动画原理，分析员可以在屏幕上控制该立体图像，以任意角度来观察缺陷的大小和走向。当需要观察缺陷的细节时，还可以对该缺陷图像进行放大（放大倍数可达几十倍），并显示出图像的各项数据，如缺陷的面积、尺寸和性质。对每一个横断面都可以做出相应的解释和评判其是否超出设定标准。每一次扫描的原始数据都可记录并存储，可以在以后的任何时刻调用，并打印探伤结果。

二、超声波流量传感器

超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。

1. 时间差式超声波流量计

超声波在流动着的液体中传播时，如顺流方向传播，则声波的速度会增大，当逆流方向传播时，则声波的速度会减少，从而会有不同的传播时间。时间差式超声波流量计正是根据这样一个基本的物理现象而工作的。通过测量两种不同的传播时间，就可以推算出管道中流体的流速。在工程实际中，为了更好地估算平均流速和平均体积流量，采用的传声通道已多达四个。

这种超声流量传感器的工作原理如图7-10所示。在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收器（F1
，T1
）、（F2
，T2
），其中F1
、T1
的超声波是顺流传播的，而F2
、T2
的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。

图7-10　传播时间式超声流量计原理图

超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。

根据这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收器上超声波传播的时间差，就可测量出流体的平均流速及流量。在这种方法中，流量与声速有关，而声速一般随介质的温度变化而变化，因此会造成温度漂移。为克服此缺点，可用频率差法测量流量。

2. 频率差式超声波流量计

频率差法测量流量的原理图如图7-11所示。F1
、F2
是完全相同的超声波探头，安装在管壁的外面，通过电子开关的控制交替地作为超声波发射器和接收器使用。

图7-11　频率差法测量流量原理图

（a）透射式；（b）反射式

首先由F1
发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁后被F2
接收，此信号经放大后再次去触发F1
的驱动电路，使F1
发射第二个超声脉冲，以此类推。设在一个时间间隔t1
内，F1
共发射了n1
个脉冲，脉冲的发生频率f1
=n1
/t1
。

在紧接下去的另一个相同的时间间隔t2
（t1
=t2
）内，与上述过程相反，由F2
发射超声波脉冲，而F1
作接收器。同理可以测得F2
的脉冲重复频率为f2
。经推导，顺流发射频率n1
与逆流发射频率n2
的频率差Δf为：

Δf只与被测流速成正比，而与声速无关，所以频率差法的温度漂移较小。

超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、高黏度的流体，还是浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量。还用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。

三、超声波液位传感器

超声波液位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。图7-12为几种超声液位传感器的结构原理示意图，图7-13为超声波液位计原理图。

超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。

图7-12　几种超声波液位传感器的结构原理示意图

（a）超声波在液体中传播；（b）超声波在空气中传播

图7-13　超声波液位计原理图

1—液面；2—直管；3—空气超声探头；4—反射小板；5—电子开关

超声波测量方法有很多其他方法不可比拟的优点：

（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长。

（2）其响应时间短，可以方便地实现无滞后的实时测量。

四、超声波测量厚度

图7-14　超声波测量厚度原理图

超声测厚原理（见图7-14）是双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度δ：

五、超声波的清洗作用原理

超声波的清洗作用是一个十分复杂的过程，在这里只做一简单介绍。超声波作用包括超声波本身具有的能量作用、空穴破坏时放出的能量作用以及超声波对媒液的搅拌流动作用等。

当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，由于超声波以正压和负压重复交替变化的方式向前传播，负压时在媒液中造成微小的真空洞穴，这时溶解在媒液中的气体会很快进入空穴并形成气泡；而在正压阶段，空穴气泡被绝热压缩，最后被压破，在气泡破裂的瞬间对空穴周围会形成巨大的冲击，使空穴附近的液体或固体都会受到上千个大气压的高压。放出巨大的能量。这种现象在低频率范围的超声波领域激烈地产生。当空穴突然爆破时，能把物体表面的污垢薄膜击破而达到去污的目的。

另外超声波不仅有帮助媒液加快溶解污垢的作用，而且也起到搅拌作用，使媒液发生运动，新鲜媒液不断作用于污垢加速溶解。所以超声波强大的冲击力如果作用发挥适当，可促使顽固附着的污垢解离，而且清洗力不均匀的情况得以避免。但由于超声波使用过程中存在对清洗对象造成损伤的可能性，所以当清洗对象很脆弱的情况不宜采用超声波清洗。

超声波清洗器适用于：电子器件、半导体硅片、电路板、电镀件、光学镜片、音频磁头、化纤喷丝头、打印机喷墨医疗器械、手术器械、玻璃器皿、照相器械、通信器械、金银首饰、精密机械零件的清洗。同时在生化化学、医学方面广泛应用。

六、超声防盗报警器

图7-15为超声报警电路，图上部分为发射部分，图下部分为接收部分的电原理框图。它们装在同一块线路板上。发射器发射出频率f=40kHz左右的连续超声波（空气超声探头选用40kHz工作频率可获得较高灵敏度，并可避开环境噪声干扰）。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移Δf。

图7-15　超声防盗报警器原理框图

1. 多普勒效应

物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低；波源的速度越高，所产生的效应越大。

2. 产生原因

声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音音调，是由观察者接收到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变。在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大。同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小。

七、超声波测距

空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。

超声波传感器使得驾驶员可以安全地倒车，其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告，其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样，在狭窄的地方不管是泊车还是开车，借助倒车障碍报警检测系统，驾驶员心理压力就会减少，并可以游刃有余地采取必要的动作。

7.4　习题

1. 超声波传感器的工作原理是什么？

2. 超声波传感器中的阻尼块有什么作用？

3. 以固体为传导介质的超声探头有哪几种？各有什么特点？

4. 超声波耦合剂有什么作用？

5. 超声波探伤有哪几种方式？

6. 时间差法和频率差法超声波流量计有什么区别？

第8章　磁电传感器

磁电传感器是利用电磁感应定律原理，将输入速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换为易于测量的电信号，是一种有源传感器。有时也称为电动式或感应式传感器。制作磁电式传感器的材料有导体、半导体、磁性体、超导体等。利用导体和磁场的相对运动产生感应电动势的电磁感应原理，可制成各种类型的磁电式传感器和磁记录装置；利用强磁性体金属的各向异性磁阻效应，可制成强磁性金属磁敏器件；利用半导体材料的霍尔效应可制成霍尔器件；利用半导体材料的磁阻效应可制成磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管等。

8.1　磁电传感器

一、磁电感应式传感器的工作原理

磁电感应式传感器简称为感应式传感器，也可称为电动式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势，是一种机-电能量转换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率范围（一般为10~1000Hz），适应于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。

根据电磁感应定律，线圈两端的感应电势e正比于线圈的磁通变化率，即：

式中　Φ——通过线圈的磁通；

W——线圈匝数。

若线圈在恒定磁场中做直线运动并切割磁力线时，则线圈两端产生的感应电势e为：

式中　B——磁场的磁感应强度；

x——线圈与磁场相对运动的位移；

v——线圈与磁场相对运动的速度；

θ——线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；

W——线圈的有效匝数；

l——每匝线圈的平均长度。

当θ=90°（线圈垂直切割磁力线）时，式（8-2）可写成：

e=WBlv　（8-3）

若线圈相对磁场做旋转运动切割磁力线，则线圈的感应电势为：

式中　ω——旋转运动的相对角速度
；

S——每匝线圈的截面积；

θ——线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。

当θ=90°，式（8-4）可写成：

e=WBSω　（8-5）

由式（8-3）和式（8-5）可知，当传感器的结构确定后，B、S、W均为定值，因此，感应电势e与相对速度v（或ω）成正比。

二、磁电感应式传感器的分类

如前所述，我们可以利用改变磁通或用线圈切割磁力线产生感应电动势，所以磁电感应式传感器可以分为变磁通式和恒磁通式两种类型。

1. 变磁通式磁电传感器

这一类磁电式传感器中，产生磁场的永久磁铁与线圈都不动，感应电动势是由变化的磁通产生的。图8-1所示是两种较为常见的变磁通式磁电传感器。

图8-1　变磁通式磁电传感器

（a）衔铁（动铁芯）上下振动结构；（b）衔铁旋转结构

1—永久磁铁（磁钢）；2—磁轭；3—动铁芯（衔铁）；4—线圈；5—气隙

2. 恒磁通式磁电传感器

这一类磁电式传感器中，工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电动势是由于工作气隙中的线圈相对永久磁铁运动，并切割磁力线产生的，输出感应电动势与相对速度成正比。恒定磁通式磁电传感器一般应用于振动测量。此类磁电传感器按照活动部件是磁铁还是线圈，又分为动钢式和动圈式两种，如图8-2所示。

图8-2　恒磁通式磁电传感器

（a）动钢式磁电传感器；（b）、（c）动圈式磁电传感器

1—外壳；2—线圈；3—框架；4—永久磁铁；5—弹簧；6—磁轭；7—补偿线圈；8—运动部分

壳体随被振物体一起振动，当振动频率远大于传感器的固有频率时，运动部件质量大，产生的惯性很大，来不及随振动体一起振动，认为其静止；振动能量被弹簧吸收，磁铁与线圈的相对运动速度接近振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势e。

磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。

三、磁电式传感器的结构组成

磁电感应式传感器有两个基本系统：一个是产生恒定直流磁场的磁路系统，包括工作气隙和磁铁；另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。因此，必须合理地选择它们的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器的基本性能要求。磁电感应式传感器的基本要求如下。

1. 工作气隙

工作气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器的灵敏度就高。但气隙大，磁路系统的磁感应强度就低，传感器灵敏度也越低，而且气隙大易造成气隙磁场分布不均匀，导致传感器输出特性为非线性。为了使传感器具有较高的灵敏度和较好的线性度，必须在保证足够大的窗口面积所需加工安装精度的前提下，尽量减小工作气隙d。工作气隙宽度ld
也与传感器的灵敏度、线性度有关。ld
越大，灵敏度越高，线性度就越好，但传感器体积和重量就较大，因此，一般取d/ld
≈1/4。

2. 永久磁铁

永久磁铁是用永磁合金材料制成的，可提供工作气隙磁能的能源。不同的永磁合金的磁性能不相同。为了提高传感器的灵敏度和减小传感器的体积，应选用具有较大磁能面积的永磁合金。永久磁铁必须进行各种稳定性处理，如时间、温度、组织结构等稳定性处理，以使其磁性能稳定，否则将直接影响传感器的精度。

3. 线圈组件

线圈组件由线圈和线圈骨架组成。通常线圈骨架由金属材料，如铜、铝、不锈钢等制成，起到与磁场发生相对作用时产生电磁阻尼作用。但当传感器精度要求较高时，因电磁阻尼使传感器的非线性增加，所以必须采用其他阻尼器。这时改用非金属材料，如有机玻璃等做线圈骨架。为减小尺寸，也可以不用线圈骨架。

当线圈组件工作气隙相对于永久磁铁运动时，要保证两者间没有摩擦。除此之外，还必须保证在测量范围内，传感器灵敏度恒定。最后还应核算线圈的测量是否还在允许的范围内。

四、磁电式传感器的应用

磁电式传感器主要用于振动测量，其结构原理如图8-3所示。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。

图8-3　磁电式振动传感器的结构原理图

1，8—弹簧片；2—永久磁铁；3—阻尼器；4—引线；5—芯杆；6—外壳；7—线圈

常用的测振传感器有动铁式振动传感器、动圈式振动速度传感器等。

航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备，以及各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。

该传感器在使用时，把它与被测物体紧固在一起，当物体振动时，传感器外壳随之振动，此时线圈、阻尼环和芯杆的整体由于惯性而不随之振动，因此它们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间的线圈就切割磁力线，于是线圈就产生正比于振动速度的感应电动势。该电动势与速度成一一对应关系，可直接测量速度，经过积分或微分电路便可测量位移或加速度。

除上述应用外，磁电式传感器还常用于扭矩、转速等测量。

8.2　霍尔传感器

一、霍尔效应与工作原理

霍尔传感器是利用霍尔效应来实现磁电转换的一种传感器。由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点，所以它已广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。

1. 霍尔效应和工作原理

1）霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势。这种物理现象称为霍尔效应。从物理本质上说，霍尔效应是半导体中的载流子受磁场中洛仑兹力作用而产生的。

2）工作原理

将一块N型半导体薄片，置于磁感应强度为B的磁场中，使磁场方向垂直于薄片，如图8-4所示。若在薄片左右两端通以电流I（称为控制电流），那么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流I的相反方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到磁场力FL
（洛仑兹力）作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上产生电子积累而带负电，前端面因缺少电子而带正电。在前后端面形成电场。该电场产生的电场力FH
阻止电子继续偏转。当FL
与FH
相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后端之间（即垂直于电流和磁场方向）建立电场，称为霍尔电场EH
，相应的电动势称为霍尔电势UH
。

图8-4　霍尔效应示意图

若电子都以均一的速度v按图8-4所示方向运动，那么在磁场的作用下，半导体的电子受到磁场中的洛仑兹力FL
的大小为：

FL
=-qvB　（8-6）

式中　q——电子的电荷量，q=1.602×10-19
C；

v——半导体中电子运动速度；

B——外磁场的磁感应强度。

使电子向垂直于磁场和电子运动的方向偏转，其方向符合右手规则。电子运动的结果便形成电荷积累，产生静电场，亦称霍尔电场EH
。

同时，电场EH
作用于电子的力FH
大小为：

FH
=-q0
EH
（8-7）

式中，负号表示力的方向与电场方向相反。

3）霍尔系数与灵敏度

为霍尔器件的灵敏度［V/（A·T）］，它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。

如果磁场方向与薄片法线方向有α角，那么：

UH
=KH
IBcosα　（8-8）

二、霍尔元件

霍尔片是矩形半导体单晶薄片，一般为4 mm×2 mm×0.1mm。

霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块半导体（多用N型半导体）矩形薄片，见图8-5（a）。在短边的两个端面上焊上两根控制电流端（称控制电极或激励电极）引线a和b，在元件长边的中间以点的形式焊上两根霍尔输入端（称霍尔电极）引线c和d。在焊接处要求接触电阻小，而且呈纯电阻性质（欧姆接触）。

图8-5　霍尔元件外形、结构及其符号

（a）外形；（b）结构；（c）符号

霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，见图8-5（c）。霍尔元件多用N型半导体材料制备。霍尔元件越薄（即d越小），KH
就越大，所以通常霍尔元件都较薄，霍尔元件的厚度只有1μm左右。虽然，金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率较低；而绝缘材料的电阻很高，但其载流子迁移率很低，故两者都不适宜于做霍尔元件。只有半导体材料为最佳霍尔元件材料。

霍尔电势除了与材料的载流子迁移率和电阻率有关外，同时还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好；霍尔元件的厚度d与KH
成反比，因此，霍尔元件的厚度越小，其灵敏度越高。

霍尔元件有分立型和集成型两类。分立型有单晶和薄膜两种；集成型有线性霍尔电路和开关霍尔电路两种。

（1）单晶霍尔元件。单晶霍尔元件采用锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）和锑化铟（InSb）等单晶半导体材料，采用平面工艺制造，用金属合金化学制作方法制作电极。随着半导体技术的发展，可利用离子注入或外延生长技术，在高阻砷化镓单晶片上制作极薄的N型层，然后用光刻、腐蚀等方法得到厚度d很小的高灵敏度超微型霍尔元件，这种分立器件是一种四端型器件。

（2）薄膜霍尔元件。这类霍尔元件都是用锑化铟薄膜制作的。因锑化铟的电子迁移率比其他材料都大，因此既制作单晶霍尔元件也可制作薄膜霍尔元件。利用镀膜工艺可得到厚度d=1μm左右的薄膜，再经光刻、腐蚀以及制作电极和焊接引线等工艺制成薄膜霍尔元件。

（3）线性霍尔集成传感器。它是将霍尔元件、放大器、电压调整、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等部分集成在一块芯片上，其特点是输出电压随外磁场感应强度B呈线性变化。霍尔集成传感器分单端输出和双端输出两种，它们的电路结构如图8-6（a）、（b）所示。

图8-6　线性霍尔集成传感器的电路结构

（a）SL350IT型结构（单端输出）；（b）SL350IM型结构（双端输出）

（4）开关霍尔集成传感器。它是以硅为材料，利用平面工艺制造而成。因为N型硅的外延层材料很薄，故可以提高霍尔电压UH
。如果应用硅平面工艺技术将差分放大器、施密特触发器及霍尔元件集成在一起，就可以大大提高传感器的灵敏度。其内部结构框图如图8-7所示。

图8-7　开关霍尔集成传感器

霍尔效应片产生的电势由差分放大器进行放大，随后被送到施密特触发器。当外加磁场B小于霍尔元件磁场的工作点BOP
（0.03~0.48T）时，差分放大器的输出电压不足以开启施密特触发电路，故驱动晶体管截止，霍尔元件处于关闭状态。当外加磁场B大于或等于BOP
时，差分放大器输出增大，启动施密特触发电路，使晶体管导通，霍尔元件处于开启状态。若此时外加磁场逐渐减弱，霍尔开关并不立即进入关闭状态，而是减弱至磁场释放点BrP
，使差分放大器输出电压降到施密特电路的关闭阈值，晶体管才由导通变为截止。

霍尔元件的磁场工作点BOP
和释放点BrP
之差称为磁感应强度的回差宽度ΔB。BOP
和ΔB是霍尔元件的两个重要参数。BOP
越小，元件的灵敏度越高，ΔB越大，元件抗干扰能力显著提高，外来杂散磁场干扰不易使其产生误动作。

三、霍尔传感器的组成与基本特性

利用霍尔效应实现磁电转换的传感器称为霍尔式传感器，它应有几个基本组成部分：霍尔元件、加于激励电极两端的激励电源、与霍尔电极输出端相连的测量电路、产生某种具有磁场特性的装置。

1. 电路部分

图8-8　霍尔元件的基本测量电路

传感器中的基本电路如图8-8所示。激励电流I由电源E供给，可以是直流电源或交流电源，电位器RP
调节激励电流I的大小。RL
是霍尔元件输出端的负载电阻，它可以是显示仪表或放大电路的输入电阻。霍尔电势一般在毫伏数量级，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此输出电路有如图8-9所示的两种结构。

图8-9　霍尔元件的输出电路

（a）线性应用；（b）开关应用

为了增加输出的霍尔电压或功率，在直流激励的情况下，可采用图8-10（a）的叠加连接方式，控制电流端并联，由RP1

和RP2

调节两个元件的输出霍尔电势，AB端输出电势为单块的2倍。在交流供电情况下，采用图8-10（b）的连接方式，控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。

图8-10　霍尔元件输出叠加连接方式

（a）直流供电；（b）交流供电

2. 磁路部分

用于非电量检测的霍尔传感器，通常是通过弹性元件和其他传动机构将待测非电量（如力、压力、应变和加速度等）转换为霍尔元件在磁场中的微小位移。为了获得霍尔电压随位移变化的线性关系，传感器的磁场应具有均匀的梯度变化的特性。这样当霍尔元件在这种磁场中移动时，如使激励电流I保持恒定，则霍尔电压就只取决于它在磁场中的位移量，并且磁场梯度越大，灵敏度越高，梯度变化越均匀，霍尔电压与位移的关系越接近于线性。

3. 基本特性

由霍尔传感器的组成不难看出，霍尔传感器的灵敏度和线性度等基本特性主要取决于它的磁路系统和霍尔元件的特性，即磁场梯度的大小和均匀性、霍尔元件的材料、几何尺寸、电极的位置与宽度等。另外，提高磁场的磁感应强度B和增大激励电流I，也可获得较大的霍尔电势。但I的增大受到元件发热的限制。由于霍尔式传感器的可动部分只有霍尔元件，而霍尔元件具有小型、坚固、结构简单、无触点、磁电转换惯性小等特点，所以霍尔传感器动态性能好，只有在10Hz以上的高频时，才需要考虑频率对输出的影响。

四、测量误差

由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度而带来误差。

五、集成霍尔传感器

集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的新型霍尔传感器。它具有可靠性高、体积小、质量轻、功耗低等优点，正越来越受到人们重视。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。

六、霍尔传感器的应用

1. 微位移和压力的测量

霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。霍尔传感器可用于位移、力、压力、应变、机械振动、加速度等参数的测量，如图8-11、图8-12所示。

图8-11　霍尔式位移传感器

图8-12　霍尔式压力传感器

1—弹簧管；2—磁铁；3—霍尔片

2. 磁场的测量

在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。

UH
=KH
BIcosθ　（8-9）

霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。可应用于霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器。

3. 霍尔转速表

在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘，如图8-13所示。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。

图8-13　霍尔转速表示意图

当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。

霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用，如图8-14所示。若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。

图8-14　汽车防抱死装置示意图

4. 霍尔式无刷电动机

霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。

5. 霍尔式接近开关

当磁铁的有效磁极接近并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。

当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。

6. 霍尔电流传感器

将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔，如图8-15所示。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁芯内，并在铁芯的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。

图8-15　霍尔式电流传感器外形

图8-16给出了霍尔元件用于测量电流时的工作原理图。标准圆环铁芯有一个缺口，用于安置霍尔元件，圆环上绕有线圈，当检测电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器就有信号输出。若采用传感器为UGN-3501M，当线圈为9匝、电流为20A时，其电压输出约为7.4V。利用这种原理，也可制成电流过载检测器或过载保护装置。

图8-16　电流测量原理

7. 位移的测量

霍尔元件也常用于微位移测量。用它来测量微位移有惯性小、频响高、工作可靠、使用寿命长等优点。工作原理如图8-17（a）所示。将磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置；将线性霍尔元件置于两块磁铁的中间，其磁感应强度为零，这个位置可以取为位移零点，故在Z=0时，B=0，输出电压等于零。当霍尔元件沿Z轴有位移时，则有一电压输出。测量输出电压，就可得到位移的数值。其特性如图8-17（b）所示。这种位移传感器一般可用来测量l~2mm的位移。以测量这种微位移为基础，可以对许多与微位移有关的非电量进行检测，如力、压力、加速度和机械振动等。

图8-17　位移测量原理

（a）工作原理；（b）输出特性

8. 角位移测量

利用霍尔器件的开关特性可以对角速度进行测量，如图8-18所示，霍尔器件与被测物联动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电势反映了转角的变化。

图8-18　角位移测量原理

1—极靴；2—霍尔元件；3—励磁线圈

9. 运动位置的测量

霍尔元件在检测运动部件工作状态位置中的应用主要是霍尔式接近开关。在图8-19（a）所示，磁极的轴线与霍尔器件的轴线在同一直线上，当磁铁随运动部件移动到距霍尔式接近开关几毫米时，霍尔式接近开关的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动。

图8-19　运动位置测量原理

（a）接近式；（b）滑过式；（c）分流翼片式

1—运动部件；2—软铁分流翼片

在图8-19（b）中，磁铁随运动部件运动，当磁铁和霍尔式接近开关的距离小于某一数值时，霍尔式接近开关输出由高电平跳变为低电平。与图8-19（a）不同的是，当磁铁继续运动时，与霍尔式接近开关的距离又重新拉大，霍尔式接近开关输出重新跳变为高电平，且不存在损坏霍尔式接近开关的可能。

在图8-19（c）中，磁铁和霍尔式接近开关保持一定的间隙，均固定不动，软铁制作的分流翼片与运动部件联动，当它移动到磁铁与霍尔式接近开关之间时，磁力线被屏蔽（分流），无法到达霍尔式接近开关，所以此时霍尔式接近开关输出跳变为高电平。改变分流翼片的宽度即可以改变霍尔式接近开关的高电平与低电平的占空比。

霍尔传感器的用途还有许多。例如，可利用廉价的霍尔元件制作电子琴的琴键；可利用低温漂的霍尔集成电路制作霍尔式电压传感器、霍尔式电流传感器、霍尔式电度表、霍尔式高斯计、霍尔式液位计和霍尔式加速度计等。

8.3　磁敏电阻器

磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻器的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。

一、磁阻效应

当通有电流的半导体或磁性金属薄片置于与电流垂直的外磁场中，由于磁场的作用力使载流子运动路径弯曲，即外加电场方向的电流分量减小，使其电阻值增大的物理现象称为磁阻效应。霍尔元件内阻随磁场强度增加而增加的磁阻效应降低霍尔电压的输出。当半导体中仅存在一种载流子（电子或空穴）时，磁阻效应几乎可以忽略。两种载流子都存在的半导体，其磁阻效应则很强，适于作磁阻元件。

二、磁敏电阻器的分类、结构及工作原理

磁敏电阻器简称MR元件，是一种高性能的磁敏感元件。当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。理论推导出来的磁阻效应方程为：

式中　ρ0
——零磁场下的电阻率；

μn
——电子的迁移率；

μp
——空穴的迁移率；

P——半导体中空穴载流子数量；

N——半导体中电子载流子的数量；

B——磁感应强度。

当电阻率变化为Δρ=ρB
-ρ0
时，电阻率的相对变化为：

由式（8-11）可知，磁场一定时，迁移率越高的半导体材料，如InSb、InAs和NiSb等，磁阻效应越明显。其主要性能表现在对磁敏电阻施加磁场，电阻值比未加磁场时变化更明显。

1. 磁敏电阻器的分类

磁敏电阻主要分为半导体磁敏电阻和金属薄膜型磁敏电阻两大类。半导体磁敏电阻适用于较强永久磁体的各种传感器中，具有原始信号强、灵敏度高、后序处理电路简单等特点。金属薄膜型磁敏电阻是将坡莫合金沉积在衬底上形成薄膜，经光刻制成各种型号的芯片。由于坡莫合金材料是各向异性，在外加磁场下，与通电电流平行和垂直的两个方向所体现的电阻率不同，导致芯片的交流电阻变化。金属薄膜电阻对弱磁场很敏感，但电阻变化率较低。该器件温度系数比半导体低，成本低，易于实现批量生产和集成化处理。

2. 磁敏电阻器的结构

磁敏电阻器通常用两种方法来制作：一种是在较长的元件基片上用真空镀膜法制成，如图8-20（a）所示的许多短路电极（光栅状）的元件；另一种是在结晶过程中有方向性地析出金属而制成的磁敏电阻器，如图8-20（b）所示。磁敏电阻器大多制成圆盘结构，中心和边缘各有一电极，如图8-20（c）所示。磁敏电阻器的符号如图8-20（d）所示。

图8-20　磁敏电阻器的结构

（a）短路电极；（b）在结晶中有方向性地析出金属；（c）圆盘结构；（d）符号

磁敏效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻器的形状有关，若考虑其形状的影响，电阻率的相对变化与磁场强度和迁移率的关系可表达为：

式中　l，b——分别为电阻的长和宽；

f（l/b）——形状效应系数。

在恒定磁感应强度下，其长度l比宽度b越小，则Δρ/ρ0
越大。各种形状的磁敏电阻器，其磁阻与磁感应强度的关系如图8-21示。

图8-21　InSb磁敏电阻与特性

（a）基本结构；（b）电阻与磁场特性曲线

由图可见，圆盘形磁敏电阻的磁阻最大。

3. 磁敏电阻器的工作原理

在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量如图8-22（a）所示。当外磁场垂直作用在磁阻元件表面时电流密度矢量偏移电场方向θ角，如图8-22（b）所示。这样就使电流所流通的路径变长，元件两端金属电极间的电阻值也就增大了。

图8-22　磁敏电阻工作原理示意图

（a）无磁场时；（b）有磁场时

4. 磁敏电阻器的基本特性

① B-R特性。磁敏电阻器的B-R特性用无磁场时的电阻R0
和磁场强度为B时的电阻RB
来表示。R随元件的形状不同而异，为数十欧至数千欧；RB
随磁感应强度的变化而变化。图8-23为磁敏电阻器的R-B特性曲线。

图8-23　磁敏电阻器的R-B特性

② 灵敏度K。磁敏电阻的灵敏度K可由下式表示：

式中　R3
——B=0.3 T时的RB
值；

R0
——无磁场时的电阻值。

一般来说，K≥2.7。

由于磁敏电阻器具有低阻抗、阻值随磁场变化率大、非接触式测量、频率响应好及噪声小等特点，故可广泛用于无触点开关、压力开关、旋转编码器、角度传感器、转速传感器等。

三、磁敏二极管和磁敏三极管

上述霍尔元件和磁敏电阻器均是用N型半导体材料制成的体型元件。而磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的磁敏元件。它们具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积小等特点，因而比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测与控制。

1. 磁敏二极管

1）磁敏二极管的结构

磁敏二极管（SMD）的结构如图8-24所示。磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的高纯本征区，本征区的一面磨成光滑的复合表面（为I区），I区的长度远远大于载流子扩散的长度。另一面打毛，设制成高复合区（为r区），其目的是因为电子-空穴对在粗糙的r区复合速率较大。当通以正向电流后就会在P、N结之间形成电流。由此可见，磁敏二极管是PIN型的。

图8-24　锗磁敏二极管

（a）结构；（b）电路符号

2）磁敏二极管的工作原理

当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，在正向电压（P+
区接高电位，N+
区接低电位）作用下，P+
区向I区注入空穴，N+
区向I区注入电子。由于不受到外磁场作用，大部分空穴从P+
区通过I区直接进入N+
区，同时大部分电子从N+
区通过I区直接进入P+
区形成电流，只有很少量的电子和空穴在I区复合掉，如图8-25（a）所示。此时I区有固定的电阻值，器件呈稳定状态。

图8-25　磁敏二极管的工作原理

（a）无磁场，B=0；（b）加正向磁场B+
；（c）加反向磁场B-

若给磁敏二极管加正向磁场B+
时，空穴和电子在洛仑兹力的作用下向r区偏转，如图8-25（b）所示。由于空穴和电子在r区复合速率大，因此复合掉的载流子比没受磁场作用时要多得多，从而使I区的载流子数目减少，电阻值增大，电压降增加，P+
、N+
结压降减小，导致注入I区的载流子减少，其结果使I区的电阻值和压降继续增大，形成正反馈过程，直到进入某一动态平衡状态为止。当给磁敏二极管加一反向磁场B-
时，在洛仑兹力的作用下，载流子均偏离复合区r，如图8-25（c）所示。由于电子空穴复合速率明显变小，则磁敏二极管的正向电流增大，电阻值减小。

由此可以看出，磁敏二极管是采用电子与空穴双重注入效应及复合效应原理工作的。在磁场作用下，两效应是相乘的，再加上正反馈作用，磁敏二极管具有很高的灵敏度（为一般霍尔元件的100倍左右）。由于磁敏二极管在正负磁场作用下，其输出信号增量方向不同，因此可以利用它判别磁场方向。

3）磁敏二极管的主要特性

（1）磁电特性Uo
=f（B）。在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电特性。

磁敏二极管通常有单只使用和互补使用两种方式。单只使用时，正向灵敏度大于反向灵敏度。互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。

（2）伏安特性Uo
=f（I）。磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关系称为磁敏二极管的伏安特性。实验证明，磁敏二极管在不同的磁场强度H的作用下，其伏安特性是不一样的。锗磁敏二极管的伏安特性曲线比较陡；而硅磁敏二极管的伏安特性在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦，当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加，伏安曲线上升很快，表现其动态电阻比较小。另外，硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻特性，即电流急剧增加的同时，偏压突然跌落。其原因是这一种高阻硅的热平衡载流子较少，注入的载流子未填满复合中心区之前，不会产生较大的电流；当填满复合中心区之后，电流才开始急增，同时，本征区I的压降要减小，故呈现负阻特性。

（3）温度特性Uo
=f（t）。一般情况下，磁敏二极管受温度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量ΔU，或在无磁场作用下时，中点电压Um
随温度变化较大。因此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。常用的温度补偿电路有互补式、差分式、全桥式和热敏电阻4种补偿电路。

4）磁敏二极管的应用

磁敏二极管可应用于磁敏二极管漏磁探伤仪，磁敏二极管漏磁探伤仪如图8-26所示。

图8-26　磁敏二极管漏磁探伤仪原理

1—工件；2—激磁线圈；3—铁芯；4—磁敏二极管探头

2. 磁敏三极管

1）磁敏三极管的结构

磁敏三极管的结构如图8-27（a）所示。它是在高阻本征半导体材料I上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其结构最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合率的r区和本征I区，发射区和集电区分别设置在它的上、下表面。磁敏三极管符号如图8-27（b）所示。

图8-27　PNP型锗磁敏三极管结构和电路符号

（a）结构；（b）电路符号

2）磁敏三极管的工作原理

当磁敏三极管未受到磁场作用时，如图8-28（a）所示，由于基区长度大于载流子有效扩散长度，从发射极注入I区的电子在横向电场Ube
的作用下，其中大部分与I区中的空穴复合形成基极电流，少数载流子输入到c极，显然，这时基极电流大于集电极电流，使β=Ic
/Ib
<1。

图8-28　磁敏三极管的工作原理

（a）无外磁场作用；（b）有外磁场B+
作用；（c）有外磁场B-
作用

当受到正向磁场B+
作用时，洛仑兹力使载流子向复合区r方向偏转，结果使注入集电区的电子数和流向基区的电子数的比例发生变化，原来进入集电区部分的电子改为进入基区，使基极电流增加，而集电极电流减小。又由于流入基区的电子经过高复合r区时大量地与空穴复合，使I区载流子浓度大大减小而成为高阻区。高阻区又使发射结上电压减小，从而使注入I区的电子数大量减少，导致集电极电流进一步显著减小，如图8-28（b）所示。

当受到反向磁场B-
的作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大，如图8-28（c）所示。

由此可知，磁敏三极管在正、反向磁场作用下，会引起集电极电流明显变化。这样就可以利用磁场方向控制集电极电流的增加或减少，用磁场的强弱控制集电极电流的变化量。

3）磁敏三极管的主要特性

（1）磁电特性ΔIr
=f（B）。

磁敏三极管的磁电特性是应用的基础。例如，国产NPN型3BCM锗磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近呈一条直线，如图8-29所示。

图8-29　3BCM磁敏三极管的磁电特性

（2）伏安特性ΔIr
=f（Uce
）。

磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。图8-30（a）为不受磁场作用时的磁敏三极管伏安特性曲线，图8-30（b）是磁场为±1 kGs，基极电流为3mA时，集电极电流的变化。由图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。

图8-30　磁敏三极管的伏安特性

（3）温度特性及其补偿。

磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行温度补偿。对于锗磁敏三极管，例如3ACM、3BCM，其灵敏度的温度系数为0.8%/℃；硅磁敏三极管，如3CCM，其磁灵敏度的温度系数为-0.6%/℃。对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通硅晶体管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。具体补偿电路如图8-31（a）所示。当温度升高时，普通晶体管VT集电极电流Ic
增加，导致磁敏三极管VTm
集电极电流Ic
也增加，从而补偿了磁敏三极管VTm
。

图8-31　磁敏三极管的温度补偿电路

（a）具体补偿电路；（b）锗磁敏二极管作负载的补偿电路；（c）差分补偿电路

图8-31（b）是利用锗磁敏二极管Rt
电流随温度升高而增加的这一特性，使其作硅磁敏三极管VTm
的负载，从而当温度升高时，弥补了硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成的差分电路，如图8-31（c）所示。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿。它是一种行之有效的温度补偿电路。

4）开磁路磁阻式转速传感器

开磁路磁阻式转速传感器结构（见图8-32）比较简单，但输出信号较小，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。

图8-32　开磁路磁阻式传感器结构

1—永久磁铁；2—软铁；3—感应线圈；4—齿轮

8.4　习题

1. 磁电感应式传感器的工作原理是什么？

2. 磁电感应式传感器可以分为哪两类？

3. 什么是霍尔效应？

4. 影响霍尔元件的因素有哪些？

5. 磁敏电阻元件有哪些？

6. 磁敏电阻的工作原理是什么？

第9章　热电偶传感器

热电偶是工业上最常用的一种利用热电效应制成的温度传感器。具有信号易于传输和变换、测温范围宽、测温上限高等优点。新近研制的钨铼系列热电偶的测温上限可达2800℃以上。在机械工业的多数情况下，这种温度传感器主要用于500℃~1500℃范围内的温度测量。

9.1　温度测量的基本概念

温度是一个和人们生活密切相关的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制7个基本量之一。研究温度测量的学科称为温度计量学，或称测温学。温度计量学起源于欧洲，于17世纪随着热力学和统计力学的发展而逐渐形成了一门学科。

9.1.1　温度的概念

温度概念是以热平衡为基础的，如果两个相接触的物体的温度不相同，他们之间就会产生热交换，热量将从温度高的物体向温度低的物体传递，直到两个物体达到相同的温度为止。因此，温度是表征物体冷热程度的物理量。

从微观上讲，温度表示物质内部分子热运动平均动能的大小。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈，内部分子平均动能越大；温度越低，其内部分子的平均动能就越小。

9.1.2　温标的基本知识

衡量温度高低的标尺叫作温度标尺，简称温标。它是温度的数值表示方法，是温度定量测量的基准，规定了温度的读数起点（即零点）和测量温度的基本单位。人们一般是借助于随温度变化而变化的物理量和某些温度固定的点来定义温度的数值，建立温标和制造温度测量仪表的，下面简要介绍几种常用温标。

1. 摄氏温标（℃）

摄氏温标的创制者是瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯（Celsius），经法国人克里斯廷修订，规定在一个大气压下，冰水混合物的温度为0℃，水的沸点为100℃；两者之间分为100等份，每一等份为一摄氏度，用符号℃表示。

2. 热力学温标（K）

19世纪中叶，由英国人开尔文（Kelvin）以热力学第二定律为基础提出的，建立了温度仅与热量有关而与物质无关的热力学温标，亦称开氏温标。国际权度大会采纳其为国际统一的基本温标，符号为T，单位为开尔文（K）。

热力学温标规定分子运动停止（即没有热存在）时的温度为绝对零度，水的三相点（气、液、固三态同时存在且进入平衡状态时的温度）的温度为273.16K，把从绝对零度到水的三相点之间的温度均匀分为273.16格，每格为1K。

3. 华氏温标（F）

华氏温标由德国物理学家华伦海特（Fahrenheit）提出。规定在标准大气压下纯水的冰点温度为32°F，水的沸点温度为212°F，中间划分180等份，每一等份为一华氏度，由符号°F表示。西方国家在日常生活中普遍使用华氏温标。

华氏温标与摄氏温标之间的转换公式为：

9.2　热电偶传感器的工作原理

取两种不同材料的金属导线A和B，按图9-1（a）的样子连接好，当温度t≠t0
时，回路中就有电压或电流产生，其大小可由图9-1（b）和图9-1（c）所示的电路测出。实验表明，测得的电压值随温度t的升高而升高。由于回路中的电压或电流与两接点的温度t和t0
有关，所以在测温仪表术语中就称它们为热电势或热电流。

图9-1　热电回路及热电势的检测

一般来说，将任意两种不同材料的导体A和B首尾依次相接就构成了一个闭合回路，当两接触点温度不同时，在回路中就会产生热电势，这种现象称为热电效应。这两种不同导体的组合就称为热电偶，A、B称为热电极，温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端），形成的回路称为热电回路。热电势由两种导体的接触电势（帕尔帖电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）组成。

1. 接触电势

由于各种金属导体都存在大量的自由电子，不同的金属，其自由电子密度是不同的。当A、B两种金属接触在一起时，在接点处就要发生电子扩散，即电子浓度大的金属中的自由电子就向电子浓度小的金属中扩散，这样电子浓度大的金属因失去电子而带正电。相反，电子浓度小的金属由于接收了扩散来的多余电子而带负电。这时在接触面两侧的一定范围内形成一个电场，电场的方向由A指向B，如图9-2（a）所示，该电场将阻碍电子的进一步扩散。最后达到了动态平衡状态，从而得到一个稳定的接触电势。如图9-2（b）所示，当接触点温度为t时，该接触电势用eAB
（t）表示。

图9-2　接触电势的形成过程

2. 温差电势

图9-3　温差电势的形成过程

单一导体中，如果两端温度不同，在两端间会产生电势，即单一导体的温差电势。这是由于导体内高温端（设温度为t）的自由电子具有较大的动能，因而向低温端扩散，结果高温端因失去电子带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场，如图9-3所示。该电场反过来阻碍自由电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在导体两端便产生一个相应的电位差，该电位差称为温差电势，其大小表示为：

式中　eA
（t，t0
）——导体A两端温度为t、t0
时形成的温差电势；

σ——汤姆逊系数。

3. 热电偶回路热电势

对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，产生热电势可用图9-4表示。当温度t>t0
，导体A的自由电子密度nA
大于导体B的自由电子密度nB
时，闭合回路的总热电势：

图9-4　电热回路

EAB
（t，t0
）=［EAB
（t）-EAB
（t0
）］+［-EA
（t，t0
）+EB
（t，t0
）］　（9-3）

实际上，在同一种金属体内，温差电势极小，可以忽略，因此该回路中总的热电势可表示为：

EAB
（t，t0
）=eAB
（t）+eBA
（t0
）　（9-4）

或：

EAB
（t，t0
）=eAB
（t）-eAB
（t0
）　（9-5）

上式表明，热电偶回路中总的热电势为两接点热电势的代数和。当热电极材料确定后，热电偶的总的热电势EAB
（t，t0
）成为温度t和t0
的函数之差。如果使冷端温度固定不变，则热电势就只是温度t的单值函数了。这样只要测出热电势的大小，就能判断测温点温度t的高低，这就是利用热电现象测温的基本原理。

同时可得如下结论：

（1）如果热电偶两电极材料相同，虽两端温度不同，但总输出电势仍为零，因此，必须由两种不同的金属材料才能构成热电偶。

（2）如果热电偶两接点温度相同，则回路中的总电势必然等于零。

（3）热电势的大小只与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。应注意，如果热电极本身性质为非均匀的，由于温度梯度存在将会有附加电势产生。

9.3　热电偶的基本定律

在实际测温时，热电偶回路中必然要引入测量热电势的显示仪表和连接导线。因此，理解了热电偶的测温原理之后，还要进一步掌握热电偶的一些基本定律，并在实际测温中灵活而熟练地应用。

1. 均质导体定律

由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度如何，都不能产生热电势。

这条定律说明：

（1）热电偶必须由两种材料不同的均质热电极组成。

（2）热电势与热电极的几何尺寸（长度、截面积）无关。

（3）由一种导体组成的闭合回路中存在温差时，如果回路中产生了热电势，那么该导体一定是不均匀的，由此可检查热电极材料的均匀性。

（4）两种均质导体组成的热电偶，其热电势只决定于两个接点的温度，与中间温度的分布无关。

2. 中间温度定律

图9-5　中间温度定律

如图9-5所示，一支热电偶的测量端和参考端的温度分别为t和t1
时，其热电势为EAB
（t，t1
）；温度分别为t1
和t0
时，其热电势为EAB
（t1
，t0
）；温度分别为t和t0
时，该热电偶的热电势EAB
（t，t0
）为前二者之和，这就是中间温度定律，其中t1
称为中间温度。即有：

EAB
（t，t0
）=EAB
（t，t1
）+EAB
（t1
，t0
）　（9-6）

由此定律可以得到如下结论：

（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可以在另外的冷端温度下使用。这就为制定和使用热电偶分度表奠定了理论基础。

（2）为使用补偿导线提供了理论依据。一般把在0℃~100℃的范围内和所配套使用的热电偶具有同样热电特性的两根廉价金属导线称为补偿导线。则有：

① 当热电偶回路中分别引入与材料A、B有同样热电性质的材料A′、B′，即引入所谓的补偿导线，也就是：

EAB
（t′0
，t0
）=EA′B′
（t′0
，t0
）

② 回路总电势为：

EAB
（t，t0
）=EAB
（t，t′0
）+EA′B′
（t′0
，t0
）=EAB
（t，t′0
）+EAB
（t′0
，t0
）　（9-7）

③ 只要t、t0
不变，接A′、B′后不论接点温度如何变化，都不会影响总热电势，这就是引入补偿导线的原理。

3. 中间导体定律

图9-6　中间导体连接的测温系统

该定律也称第三导体定律，由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，在回路中热电势的总和等于零。图9-6中的导体C即为接入的第三种导体。在这种情况下共有3个接点，所以回路中的热电势为：

EABC
（t，t0
）=eAB
（t）+eBC
（t0
）+eCA
（t0
）　（9-8）

由此定律可以得到如下结论：

在热电偶回路中，接入第三、第四种，或者更多种均质导体，只要接入的导体两端温度相等，则它们对回路中的热电势没有影响。利用热电偶测温时，只要热电偶连接显示仪表的两个接点温度相同，那么仪表的接入对热电偶的热电势没有影响。而且对于任何热电偶接点，只要它接触良好，温度均匀，不论用何种方法构成接点，都不影响热电偶回路的热电势。

根据这条定律，只要仪表处于稳定的环境温度中，我们就可以在热电偶回路中接入显示仪表、冷端温度补偿装置、连接导线等，组成热电偶温度测量系统，也表明两个电极间可以用焊接的方式构成测量端而不必担心它们会影响回路的热电势。在测量一些等温导体温度时，甚至可以借助该导体本身连接作为测量端。

9.4　热电偶的种类及结构形式

根据热电效应，只要是两种不同性质的导体都可配制成热电偶，但在实际情况下，因为还要考虑到灵敏度、准确度、可靠性、稳定性等条件，故作为热电极的金属材料，一般应满足如下要求。

（1）在同样的温差下产生的热电势大，且其热电势与温度之间呈线性或近似线性的单值函数关系。

（2）耐高温，抗辐射性能好，在较宽的温度范围内其化学、物理性能稳定。

（3）电导率高，电阻温度系数和比热容小。

（4）复制性和工艺性好。

（5）材料来源丰富，价格低廉。

但目前还没有能够满足上述全部要求的材料，因此，在选择热电极材料时，只能根据具体情况，按照不同测温条件和要求选择不同的材料。

根据热电偶的用途、材料、结构和安装形式等可分为多种类型的热电偶。

1. 按热电偶材料划分

并不是所有的材料都能作为热电偶材料，也即热电极材料。国际上公认的热电极材料只有几种，已列入标准化文件中。按照国际计量委员会规定的《1990年国际温标》的标准，规定了8种通用热电偶，其特性见表9-1。

表9-1　8种国际通用热电偶特性表

下面简单介绍我国常用的几种热电偶，其具体特点及适用范围可参见相关手册或文献资料。

（1）铂铑10—铂热电偶（分度号为S）。正极：铂铑合金丝（由90%铂和10%铑冶炼而成）；负极：铂丝。

（2）镍铬-镍硅热电偶（分度号为K）。正极：镍铬合金；负极：镍硅合金。

（3）镍铬-康铜热电偶（分度号为E）。正极：镍铬合金；负极；康铜（铜、镍合金冶炼而成）。该热电偶也称为镍铬-铜镍合金热电偶。

（4）铂铑30-铂铑6热电偶（分度号为B）。正极：铂铑合金（由70%铂和30%铑冶炼而成）；负极：铂铑合金（由94%铂和6%铑冶炼而成）。

（5）钨铼热电偶。正极：钨铼合金（由95%钨和5%铼冶炼而成）；负极：钨铼（由80%钨和20%铼冶炼而成）。它是目前测温范围最高的一种热电偶。测量温度长期为2800℃，短期可达3000℃。高温抗氧化能力差，可使用在真空、惰性气体介质或氢气介质中。热电势和温度的关系近似直线，在高温为2000℃时，热电势接近30mV。

标准热电偶有统一分度表，而非标准化热电偶没有统一的分度表，在应用范围和数量上不如标准化热电偶。但这些热电偶一般是根据某些特殊场合的要求而研制的，例如，在超高温、超低温、核辐射、高真空等场合，一般的标准化热电偶不能满足需求，此时必须采用非标准化热电偶。使用较多的非标准化热电偶有钨铼、镍铬-金铁等。钨铼热电偶在高温测量方面具有特别良好的性能。

其他种类的热电偶丝材料还有很多，在此不一一列举。

2. 按热电偶结构形式划分

为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下。

① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固。

② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路。

③ 补偿导线与热电偶自由端的连接更方便可靠。

④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

热电偶结构形式很多，按热电偶结构划分有普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、表面热电偶等。

1）普通热电偶

如图9-7所示，工业上常用的热电偶一般由热电极、绝缘管、保护套管、接线盒、接线盒盖组成。这种热电偶主要用于气体、蒸汽、液体等介质的测温。这类热电偶已经制成标准形式，可根据测温范围和环境条件来选择合适的热电极材料及保护套管。

图9-7　普通热电偶

1—热电极；2—绝缘管；3—保护套管；

4—接线管；5—接线盒盖

2）铠装热电偶

如图9-8所示，根据测量端结构形式，可分为碰底型、不碰底型、裸露型、帽型等。

图9-8　铠装热电偶结构示意图

（a）碰底型；（b）不碰底型；（c）裸露型；（d）帽型

铠装热电偶由热电偶丝、绝缘材料（氧化铁）、不锈钢保护管经拉制工艺制成。其主要优点是：外径细、响应快、柔性强，可进行一定程度的弯曲；耐热、耐压、耐冲击性强。

3）薄膜热电偶

薄膜式热电偶是用真空蒸镀的方法，将热电极材料蒸镀到绝缘基板上而成的热电偶。因采用蒸镀工艺，所以热电偶可以做得很薄，而且尺寸可做得很小。其结构可分为片状、针状等。图9-9所示为片状结构示意图，这种热电偶的特点是热容量小、动态响应快，适宜测微小面积和瞬变温度。测温范围为-200℃~300℃。

图9-9　片状薄膜热电偶结构图

1—测量接点；2—薄膜A；3—薄膜B；4—补底；5—接头夹

4）表面热电偶

有永久性安装和非永久性安装两种。主要用来测金属块、炉壁、涡轮叶片、轧辊等固体的表面温度。

5）快速消耗式热电偶

这是一种专门为测量铜水、钢水、铝水及熔融合金的温度而设计的特殊热电偶，热电极由直径0.05~0.1mm的铂铑10-铂铑30（或钨铼6-钨铼20）等材料制成，且装在外径为1mm的U形石英管内，构成测温的敏感元件。其外部有绝缘良好的纸管、保护管及高温绝热水泥加以保护和固定。它的特点是：当其插入钢水后，保护帽瞬间熔化，热电偶工作端即刻暴露在刚水中，由于石英管和热电偶热容量都很小，因此能很快反映出钢水的温度，反应时间一般为4~6s。在测出温度后，热电偶和石英保护管都被烧坏，因此它只能一次性使用。这种热电偶可直接用补偿导线接到专用的快速电子电位差计上，直接读取钢水温度。

9.5　热电偶的冷端温度补偿

用热电偶测温时，热电势的大小决定于冷热端温度之差。如果冷端温度固定不变，则决定于热端温度。如冷端温度是变化的，将会引起测量误差。为此，必须采用一定的措施来消除冷端温度变化所产生的影响。

1. 冷端恒温法

恒温法是人为制成一个恒温装置，把热电偶的冷端置于其中，保证冷端温度恒定。常用的恒温装置有冰点槽和电热式恒温箱两种。

一般热电偶定标时，冷端温度是以0℃为标准。因此，常常将冷端置于冰水混合物中，使其温度保持为恒定的0℃。在实验室条件下，通常是把冷端放在盛有绝缘油的试管中，如图9-10所示，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使冷端保持0℃。为防止短路和改善传热条件，两只热电极的冷端分别插在盛有变压器油的试管中，这种方法测量准确度高，但使用麻烦，只适用于实验室中。

图9-10　冷端恒温法

1—油；2—补偿导线；3—铜导线；

4—测温毫伏计；5—冰水混合物

在现场，常使用电加热式恒温箱。这种恒温箱通过接点控制或其他控制方式维持箱内温度恒定（常为50℃）。

2. 冷端温度校正法

由于热电偶的温度分度表是在冷端温度保持0℃的情况下得到的，与它配套使用的测量电路或显示仪表又是根据这一关系曲线进行刻度的，因此冷端温度不等于0℃时，就需对仪表指示值加以修正。如冷端温度高于0℃，但恒定于t℃，则测得的热电势要小于该热电偶的分度值，为求得真实温度，可利用中间温度法则，即下式进行修正：

EAB
（t，0）=EAB
（t，t0
）+EAB
（t0
，0）　（9-9）

3. 补偿导线法

为了使热电偶冷端温度保持恒定（最好为0℃），当然可将热电偶做得很长，使冷端远离工作端，并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动比较小的地方，但这种方法一方面使安装使用不方便，另一方面也可能耗费许多贵重的金属材料。因此，一般是用一种称为补偿导线的连接线将热电偶冷端延伸出来，如图9-11所示，这种导线在一定温度范围内（0℃~150℃）具有和所连接的热电偶相同的热电性能，若是廉价金属制成的热电偶，则可用其本身材料的导线作补偿导线将冷端延伸到温度恒定的地方。

图9-11　补偿导线法

必须指出，只有冷端温度恒定或配用仪表本身具有冷端温度自动补偿时，应用补偿导线才有意义。热电偶和补偿导线连接端所处的温度一般不应超出100℃，否则也会由于热电特性不同带来新的误差。

4. 补偿电桥法

补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。补偿电桥现已标准化，如图9-12所示。不平衡电桥（即补偿电桥）是由电阻R1
、R2
、R3
和及RCu
组成，其中R1
=R2
=R3
=1Ω；RS
是用温度系数很小的锰铜丝绕制而成的；RCu
是由温度系数较大的铜线绕制而成的补偿电阻。0℃时，RCu
=1Ω，RS
的值可根据所选热电偶的类型计算确定。此桥串联在热电偶测量回路中，热电偶冷端与电阻RCu
感受相同的温度，在某一温下（通常取0℃）调整电桥平衡，即R1
=R2
=R3
=RCu
，当冷端温度变化时，RCu
随温度改变，破坏了电桥平衡，产生一不平衡电压ΔU，此电压则与热电势相叠加，一起送入测量仪表。适当选择RS
的数值，可使电桥产生的不平衡电压ΔU在一定温度范围内基本上能够补偿由于冷端温度变化而引起的热电势变化值。这样，当冷端温度有一定变化时，仪表仍然可给出正确的温度示值。

图9-12　补偿电桥法度

9.6　热电偶传感器在连铸漏钢中的应用

漏钢是连铸生产中一种灾难性的事故，漏钢会损坏设备，降低作业率，给企业造成很大的经济损失。连铸漏钢可分为黏结漏钢、夹渣漏钢、裂纹漏钢等，漏钢与钢水成分、温度、状况、保护渣性以及操作水平有密切联系。生产过程中的漏钢事故一般为铸坯出生壳在结晶器内发生黏结或其他异常情况没有得到补救，出结晶器时没有达到足够的安全厚度而导致漏钢。为了减少漏钢事故发生，人们一直致力于开发漏钢预报系统。通过在结晶器铜板中埋入温度传感器热电偶对铜板进行热监控，镭目科技有限责任公司通过对影响漏钢预报系统准确率因素的研究，采取了一系列的改进措施，成功研制出一种高准确率的漏钢预报系统，目前该系统已经在国内多家钢厂成功运行，得到了广泛的好评。

漏钢预报系统，是一种可以通过分析分布在结晶器壁上的热电偶采集到的温度变化，得知坯壳破裂处及其扩展，从而检测出漏钢趋势并进行报警的设备。RAMON漏钢预报系统主要由以下几部分组成：现场操作箱、控制柜、工控机、热电偶模块、连接器、热电偶、热电偶保护套管、离线检测装置等部分组成，如图9-13所示。

图9-13　RAMON漏钢预报系统

正常浇铸情况下，由于结晶器内新生高温坯壳的不断向下运动，上排热电偶的温度大于下排热电偶的温度；当坯壳因发生黏结被拉断时，补入的钢水直接和铜板接触，上排热电偶温度升高，拉断处会形成薄弱的坯壳并将继续向下运动，在钢水静压力的作用下紧贴铜壁，使下排的热电偶温度也随之上升。当黏结严重时，会使两个热电偶的温升达到一定值，如果温升超过允许值，系统便发出漏钢报警，报警原理如图9-14所示。

图9-14　粘结漏钢报警原理

预报系统可分为手动操作和自动控制。当选择人工控制时，操作人员根据系统画面及报警，手动控制相应系统；在自动状态下，当出现非正常状态时，系统自动降低相应流的拉速并发出警报，相应流自动减速，以便使裂口愈合。提供的愈合时间是根据不同钢种预先设定的。自发生报警回复至正常状态，不需人工操作。

影响预报准确度的因素：在连铸生产过程中，结晶器内实际没有黏结，但是由于某些原因导致热电偶温度曲线波动过大而产生漏钢预报即误报；但结晶器内实际发生了粘结，而由于热电偶没有检测到等原因使漏钢预报系统没有预报而发生漏钢事故，就是漏报。经过现场实验分析确定误报、漏报发生的原因主要有以下几种。

（1）热电偶线下检测质量不合格，热电偶存在质量问题。在使用过程中热电偶性能不稳定或失去热电特性，温度曲线波动过大，造成误报，若误报频繁则系统被迫关闭，将产生漏报。

（2）热电偶装配方式不够合理或者密封不好，使用一段时间后，热电偶与结晶器安装槽不能紧密接触，进水及油污将使测量温度与实际温度偏差大，温度曲线呈波动状，造成误报。

（3）电气设计不合理、电磁干扰严重，在热电偶信号传输过程中发生失真现象，使温度曲线波动，将产生误报和漏报。

（4）漏钢预报系统中，相应钢种组报警参数设置较小或较大，也会产生误报和漏报。

（5）算法不合理，也将产生误报和漏报。

9.7　集成温度传感器

集成电路温度传感器是将作为敏感元件的温敏晶体管及其辅助电路集成在一块芯片上的集成化温度传感器。与分立元件的温度传感器相比，这种新型温度传感器的最大优点是小型化、使用方便、成本低。因此，在最近十几年内集成电路温度传感器得到迅速发展，成为现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，商品化的集成电路温度传感器已经广泛应用于温度监测、控制和补偿的许多场合。

集成电路温度传感器的典型工作范围是-50℃~+150℃（即223~423K）。目前大量生产和应用的集成电路温度传感器按输出量不同可分为电压型和电流型两大类。此外，近年来也开发了频率输出型。电压输出型的优点是直接输出电压，且输出阻抗低，易于读出或控制电路接口。电流输出型的输出阻抗极高，因此可以简单地使用双股绞线进行数百米远的精密温度遥感或遥测，而不必考虑长馈线上引起的信号损失和噪声问题；也可以用于多点温度测量系统中，而不必考虑选择开关或多路转换引入的接触电阻造成的误差。频率输出型具有与电流输出型相似的优点。

一、基本原理与核心电路

1. 基本原理

晶体管的基极-发射极电压在集电极电流恒定条件下，可以认为与温度呈线性关系。但是，严格地说，这种线性关系还是不完全的，即关系式中也还存在非线性项。另外，这种关系也不直接与任何温标（绝对、摄氏、华氏或其他温标）相对应。实际上，随着温度升高，基极-发射极电压反而下降。此外，即使是同一型号同一批次的晶体管，其基极-发射极电压值也可能有±100mV的离散性。鉴于上述原因，集成化的温度传感器几乎无一例外地采用如图9-15所示的差分电路形式，这种电路给出直接正比于绝对温度的严格线性输出。

图9-15　差分对管电路

在电路中，两只晶体管VT1
和VT2
的结构性能完全相同，它们分别在不同的集电极电流Ic1
和Ic2
下工作。由图可见，UBE2
+ΔUBE
-UBE1
=0，即电阻R1
上得到的电压为两管基极-发射极电压差：

由于两管集电极面积相等，因此集电极电流比应等于集电极电流密度比，所以上式可改写为：

式中　Jc1
——VT1
管的集电极电流密度；

Jc2
——VT2
管的集电极电流密度。

由此可见，只要设法保持两管的集电极电流密度之比不变，那么电阻R1
上的电压ΔUBE
将正比于绝对温度，这样就确保ΔUBE
与温度呈线性关系。

若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电极电流等于发射极电流，故有：

ΔUBE
=R1
Ic2
（9-12）

由此可知，VT2
的集电极电流Ic2
也正比于绝对温度，并因此也使R2
上的电压正比于绝对温度。为了保持两管集电极电流之比不变，电流源流过VT1
的电流Ic1
也必须正比于绝对温度，于是流过的总电流Ic1
+Ic2
正比于绝对温度。由此可见，图9-15所示差分对管电路可以给出正比于绝对温度的电流。图9-16所示电路常被称为PTAT（Proportional To Absolute Temperature）核心电路。

图9-16　PTAT核心电路

2. 电流镜PTAT核心电路

对于PTAT核心电路，关键在于保证两管的集电极电流密度之比不随温度变化。只有实现了这一点，电路才会有正比于温度的电压或电流输出。为此设计了如图9-16所示的电流镜PTAT核心电路。该电路在一般PTAT核心电路的基础上，用两只PNP型管分别与VT1
和VT2
串联组成所谓的电流镜。由于VT1
、VT2
具有完全相同的结构和性能，且发射极偏压相同，所以使得流过温敏差分对管VT1
、VT2
的集电极电流在任何温度下始终相等。由前面可知：我们对PTAT核心电路作了两管增益无穷大的假设，因此才可以忽略集电极电压UBE
的变化和基极电流的影响。

为了使VT1
和VT2
工作在不同的集电极电流密度下，两管必须采用不同的发射极面积来保证上述正比关系。

在图9-16所示的PTAT核心电路的基础上增加一个与VT3
和VT4
相同的PNP晶体管VT5
和一只电阻R2
，如图9-17所示，就构成了一种电压输出型的集成温度传感器的基本电路。

图9-17　电压型PTAT电路

由于VT5
的发射极电压及面积与VT3
、VT4
相同，所以流过VT5
和R2
支路电流相等，因此输出电压为：

式中　n——集电极电流密度比。

由此可见，只要R2
∶R1
为一常数，就可以得到正比于绝对温度的输出电压Uo
。输出电压的温度灵敏度可由R1
∶R2
及n来调整。

二、电压输出型集成电路温度传感器

1. 四端电压输出型

早期研制的集成电压输出型温度传感器是四端结构，经由PTAT核心电路、参考电压源和运算放大器3部分组成，其4个端子分别为U+
、U-
、输入和输出，如图9-18所示。

图9-18　四端电压输出型电路

典型的传感器型号有LX5600/5700、LM3911、μP515A/616A—C和μP3911等。它们的主要性能是：最大工作温度范围为-40℃~+125℃，灵敏度为10mV/K，线性偏差为0.5%~2%，长期稳定性和重复性为0.3%，测量精度为±4K。

基本应用电路如图9-19所示的两种形式，由于输入端和输出端短接，作为三端器件，传感器在U+
端和输出端之间给出正比于绝对温度的电压输出Uo
，其温度灵敏度是10mV/K，在内部参考电压的钳位作用下，U+
和U-
端之间电压保持为6.85V，传感器实际是一个电压源，所以传感器必须和一个电阻R1
串联，而所加电压UCC
要大于6.85V，常取±15V。传感器电路电流通常选在1mA左右，因此R1
值可由下式确定：

图9-19　基本应用电路

（a）正电源接法；（b）负电源接法

2. 三端电压输出型

三端电压输出型集成温度传感器是一种精密的、易于定标的集成电路温度传感器。当它们作为两端器件工作时，相当于一个稳压二极管，其击穿电压正比于绝对温度，灵敏度为10mV/K。作为电压源，当工作电流在0.4~5mA范围内变化时，并不影响传感器的性能，因为它的动态电阻低于1Ω。如果在25℃下定标，在100℃宽的温度范围内误差小于1℃，具有良好的输出线性。

三端电压输出型集成电路温度传感器的型号是LM135、LM235、LM335系列。其工作温度范围分另别为-55℃~+150℃、-40℃~+125℃和-10℃~+100℃。图9-20给出了LM135系列封装接线图。这种传感器内部电路的基本部分是一个PTAT核心电路和一个运算放大器。外部一个端子接U+
，一个端子接U-
，第三个端子为调整端，供传感器作外部定标时用。

图9-20　三端电压输出型基本电路

（a）基本测温电路；（b）可定标的测温电路

三、电流输出型集成电路温度传感器

电流输出型集成电路温度传感器是继电压输出型传感器之后发展的一种新型传感器，其典型代表是AD590。这种传感器在一定的温度下，相当于一个恒流源，因此，它具有不易受接触电阻、引线电阻和电压噪声干扰的特点。同样具有很好的线性特性。这种传感器以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度灵敏度是1μA/K。它是一种两端器件，使用非常方便。作为一种电流源，没有电压输出型传感器遥测或遥控应用的长馈线上的电压损失和噪声干扰问题，故特别适合远距离测量或控制。同样，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。由于电路结构独特，并利用薄膜电阻激光微调技术作最后定标，故电流输出型比电压输出型精度更高。另外，电流输出可通过一个外加电阻很容易地变为电压输出。

AD590的主要性能：电源电压为4~30V，工作温度范围为-50℃~+150℃，线性电流输出为1μA/K，两端器件即电压输入、电流输出，激光微调可使定标精度达±0.5℃（如AD590M），整个工作范围内非线性误差小于±0.5℃（如AD590M），重复性为±0.1℃，长期温度漂移为±0.1℃/月，器件本身与外壳绝缘。

9.8　DS18B20温度传感器应用实例

DS18B20是美国DALLAS公司生产的新型单总线数字式温度传感器，以其突出优点广泛使用于恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计或任何热敏感系统中。DS18B20集温度测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，传输距离远，可以很方便地实现多点测量，硬件电路结构简单，与单片机接口几乎不需要外围元件。

一、DS18B20功能介绍

1. DS18B20的特点

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire，即单总线器件。其体积小，线路简单，增强了系统抗干扰能力。具体特点如下。

（1）采用单总线专用技术，既可通过串行口，也可通过其他I/O口与微处理器进行接口，无须经过其他变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）。

（2）测量温度范围在-55℃~+125℃，测量分辨率为0.0625℃。

（3）内含64位经过激光修正的只读存储器ROM。

（4）DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

（5）应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

（6）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

（7）内部有温度上、下限告警设置。

（8）最远测量距离为150m。

2. DS18B20的内部结构及引脚

DS18B20的内部结构如图9-21所示，它主要由4部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL、高速暂存器。

图9-21　DS18B20的内部结构图

64位光刻ROM是出厂前已被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。

不同的器件地址序列号不一样，64位地址序列号的构成如表9-2所示。

表9-2　64位地址序列号

8位产品系列号

48位产品序号

8位CRC编码

8位产品系列号代表产品的系列，48位产品序号代表同一系列产品的不同产品，8位CRC编码的计算公式为：

CRC=x8
+x5
+x3
+1　（9-15）

主CPU根据ROM前56位来计算CRC的值，并与存入DS18B20中的数据进行比较，以判断主CPU接收到的ROM数据是否正确。

DS18B20 RAM数据寄存器共有9个，如表9-3所示。

表9-3　DS18B20数据寄存器

DS18B20采用3脚TO-92封装或8脚的SOIC封装，如图9-22所示。各引脚的功能：GND为接地；DQ为单数据总线；UDD
为电源电压；NC为空引脚。

图9-22　DS18B20引脚图

3. DS18B20的工作原理

如图9-23所示，低温度系数振荡器产生稳定的频率f0
，高温度系数振荡器则相当于T/F转换器，能将被测温度T转换成频率信号f。图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲f进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定。每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器、温度寄存器中。在计数门关闭之前若计数器已减至零，温度寄存器中的数值就增加0.5℃。只要计数门仍未关闭，就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。这就是DS18B20的测温原理。斜率累加器能对振荡器的非线性予以补偿，提高测量准确度。

图9-23　DS18B20温度测量原理框图

下面以12位转化为例，说明温度高低字节存放形式及计算：

12位转化后得到的16位数据，存储在DS18B20的两个高低8位的RAM中，如表9-4所示，二进制中的前面5位是符号位，用S来表示。如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘以0.5（0.5是DS18B20最低有效值）；如果测得的温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘以0.5，才能得到实际温度。

表9-4　温度高、低字节表示

例如，若温度高字节为：00000000B（00H）；

温度低字节为：11111010B（FAH）。

由温度高字节中高5位为0知所测温度为正。

实测温度值=+（0×163
+0×162
+15×161
+10×160
）×0.5=+125（℃）

4. DS18B20的控制命令

1）寄存器命令

访问DS18B20的寄存器共有6条命令，如表9-5所示。

表9-5　DS18B20寄存器命令

指令

约定代码

操作说明

温度转换

44H

启动DS18B20进行温度转换

读寄存器

BEH

读寄存器9个字节内容

写寄存器

4EH

将数据写入寄存器TH、TL

复制寄存器

48H

将寄存器TH、TL数据写入E2RAM

重新调E2RAM

B8H

将E2RAM中的TH、TL数据写入寄存器TH、TL

读电源供电方式

B4H

启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU

2）对ROM的5种操作命令

读ROM命令（代码为33H）：该命令允许主CPU读取DS18B20中的8位产品系列编码、48位产品序列号及8位CRC值。该命令只适用于总线上只接一片DS18B20的情况，对总线上挂有多片DS18B20时就不适用了。

符合ROM命令（代码为55H）：该指令适合在一总线上挂有多片DS18B20的情况。具体应用是这样，主CPU先向总线发这条命令，然后再发64位ROM数据。在总线上，只有符合所发的64位ROM的DS18B20才有操作的权利。这样就实现了单总线上的寻址。

寻找ROM命令（代码为F0H）：这条命令用于对单总线上的多个DS18B20进行初始化操作。

跳过ROM命令（代码为CCH）：该命令用于对连在总线上的所有器件进行操作，实际上主要用于发布温度转换命令。

寻找报警命令（代码为ECH）：该命令用于对总线上的报警器件进行寻找，其用法与寻找ROM一样。

5. DS18B20的访问流程

CPU对DS18B20访问总的工作流程是：先对DS18B20进行初始化，再发ROM操作命令，最后才能对存储器及数据进行操作。DS18B20每一步操作都在严格的工作时序和通信协议下进行。例如，主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通信协须经三个步骤：第一步是复位，第二步是发送ROM命令，第三步是发送RAM命令。值得注意的是，每一次读写之前都要对DS18B20进行复位。下面详细说明DS18B20的操作过程。

1）DS18B20初始化

DS18B20的所有操作均从初始化开始，初始化的过程是首先由CPU发出一个复位脉冲，复位脉冲的时间为480~960μs，然后由从属器件发出应答脉冲。初始化时主CPU发出一个复位信号，将数据总线上的所有DS18B20复位，然后释放总线，改成接收状态。由于接有上拉电阻，在释放总线时有15~60μs的时间间隙，在此之后的60~240μs时间内，如果CPU检测到总线为低电平，则说明DS18B20初始化成功。DS18B20初始化时序波形如图9-24所示。

图9-24　DS18B20初始化时序波形

2）发送ROM命令

ROM的操作命令为8位二进制数，CPU对ROM的操作有读ROM命令、符合ROM命令、搜索ROM命令、跳过ROM命令、报警搜索命令共5种。其中符合ROM命令是用来识别同时连在总线上的DS18B20芯片，其过程是主CPU发出符合ROM命令（代码为55H）后，接着送出64位的ROM数据序列，从而使主CPU实现对单总线上的特定DS18B20进行寻址，只有与64位序列严格相符的DS18B20才能对后续的操作发出响应，符合ROM命令只对同时挂在总线上的多片DS18B20适用。读写ROM的操作时序如图9-25所示。

图9-25　读写ROM的操作时序

3）发送RAM命令

RAM命令是暂存器操作命令，共有6条，在前面已列出，其功能是实现温度转换、读/写、复制暂存器的内容等功能。

二、由DS18B20构成的智能温度控制系统

1. 系统组成

由DS18B20构成的智能温度测量装置由四部分组成：DS18B20温度传感器、微处理器（AT89C51）、液晶显示模块1602和直流电机控制电路。

产品的主要技术指标：

（1）测量范围：-55℃~+125℃。

（2）测量精度：0.5℃。

（3）反应时间≤500ms。

（4）测温距离<150m。

（5）电机转速受温度控制。

2. 工作原理

由DS18B20单总线温度传感器构成的智能温度控制系统如图9-26所示。温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以16位补码形式，占两个字节），传感器可置于离装置150m以内的任何地方，输出脚I/O直接与单片机的P3.3相连，传感器采用外部电源供电；AT89C51是整个装置的控制核心，AT89C51内带2KB的FLASHROM，用来存放用户程序；显示模块使用的是液晶显示器1602，占用CPU的P0口传输数据，P2.0~P2.2口分别控制液晶模块的寄存器选择、读写控制和液晶使能控制；直流电动机的控制使用的控制芯片是L298，而该芯片使用CPU的P1.0~P1.2口来分别控制电动机的正转、反转和电动机的转速。

图9-26　由DS18B20单总线温度传感器构成的智能温度控制系统

3. 控制程序流程图

主程序的流程图如图9-27所示。

图9-27　主程序的流程图

9.9　习题

1. 什么是金属导体的热电效应？试说明热电偶的测温原理。

2. 试分析金属导体产生接触电动势和温差电动势的原因。

3. 简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。

4. 试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。

5. 用镍铬-镍硅（K）热电偶测量温度，已知冷端温度为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV，求被测点的温度。

6. 已知铂铑10-铂（S）热电偶的冷端温度t0
=25℃，现测得热电动势E（t，t0
）=11.712mV，求热端温度是多少？

7. 已知镍铬-镍硅（K）热电偶的热端温度t=800℃，冷端温度t0
=25℃，求E（t，t0
）是多少毫伏？

8. 现用一支镍铬-康铜（E）热电偶测温。其冷端温度为30℃，动圈显示仪表（机械零位在0℃）指示值为400℃，则认为热端实际温度为430℃，对不对？为什么？正确值是多少？

9. 如图9-28所示之测温回路，热电偶的分度号为K，毫伏表的示值应为多少？

图9-28　习题9的图

10. 用镍铬-镍硅（K）热电偶测量某炉温的测量系统如图9-29所示，已知：冷端温度固定在0℃，t0
=30℃，仪表指示温度为210℃，后来发现由于工作上的疏忽把补偿导线A′和B′相互接错了，问：炉温的实际温度t为多少？

图9-29　习题10的图

第10章　光电传感器

光电传感器是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

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，光电传感器在检测和控制中应用非常广泛。

10.1　光电传感器的工作原理

光电传感器是将被测量的变化转换为光量的变化。再通过光电元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置，它的转换原理基于光电效应。

所谓光电效应是指物体吸收了光能以后，转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。简单地说，物质在光的照射下释放电子的现象称为光电效应。被释放的电子称为光电子。光电子在外电场中运动所形成的电流称为光电流。光电效应的实验规律为：

（1）光电流的大小与入射光的强度成正比。

（2）光电子的初动能只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关。

（3）当入射光的频率低于某一极限频率时，不论光的强弱、照射时间的长短，均无光电流产生。

（4）从光照开始到光电子被释放出来，整个过程所需的时间小于10-9
s。

能产生光电效应的光电材料主要有硫化镉（CdS）、锑化铟（InSb）、硒（Se）和半导体等。光电效应一般可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应3种。

一、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称为外光电效应，又称光电子发射效应。基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。

光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量可由式（10-1）确定，即：

式中　h——普朗克常数，h=6.626×10-34
J·s；

ν——光子的频率（s-1
）；

c——光速，c=3×108
m/s；

λ——光的波长（m）。

可见，不同频率和波长的光具有不同的能量，光的频率越高（即波长越短），光子的能量就越大，光的能量就是光子能量的总和。

物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功A0
时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。如果一个电子要想逸出，光子能量必须超过逸出功A0
，超过部分表现为逸出电子的动能。

二、内光电效应

在光线作用下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发载流子，但这些载流子仍留在物质内部，而使其导电性或物体内部的电荷分布发生变化的现象称为内光电效应。内光电效应有两种：光电导效应和光生伏特效应。

1. 光电导效应

物体受光照后，物质吸收入射光子的能量使其内部载流子被激发而使其导电率增加、电阻值下降的现象称为光电导效应。

绝大多数高电阻半导体都具有内光电效应。基于内光电效应的光电器件有光敏电阻（亦称光电导管），其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）、非晶硅（O-Si：H）等。

当光照射到光电半导体上时，若这个光电半导体是本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，半导体材料价带上的电子将被激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。

材料的光导性能决定于禁带宽度，入射光子的能量应大于禁带宽度Eg
，即：

2. 光生伏特效应

在光线作用下，能够使物体在一定方向上产生电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应根据其产生电势的机理又可分为以下几种。

1）侧向光生伏特效应

当半导体光电器件的光灵敏度面受光照不均匀时，由载流子浓度梯度而产生光电效应称为侧向光生伏特效应，又称殿巴（丹倍）（Dember）效应。其工作机理是，半导体受光照部分吸收入射光子能量产生电子-空穴对，使部分载流子浓度高于未被光照部分，因而出现浓度梯度，形成载流子的扩散。电子的迁移率比空穴大，从而首先向未被光照部分扩散，致使受光照部分带正电，未受光照部分带负电，两部分之间产生光电动势。基于侧向光生伏特效应工作的光电器件有半导体位置敏感器件（简称PSD），或称反转光敏二极管。

2）PN结光生伏特效应

光照到距表面很近的半导体PN结时，PN结及附近的半导体所吸收的光能量大于禁带宽度，则价电子跃迁到导带，成为自由电子，而价带则相应成为自由空穴，形成电子-空穴对。在PN结的电场作用下，电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，结果使得P区带正电，N区带负电，形成光电动势。PN结光生电流正比于入射光照度，光生电压正比于入射光照度对数。光电池、太阳电池、光敏二极管、光敏三极管等器件的工作原理都基于PN结光生伏特效应。

3）光电磁效应（简称PEM效应）

半导体受强光照射并在光垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端之间产生电动势的现象称为光电磁效应，可视之为光扩散电流的霍尔效应。

4）贝克勒尔（Bequerl）效应

贝克勒尔效应是液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个同样电极中的任意一个电极时，在两个电极间产生电势的现象称为贝克勒尔效应。感光电池的工作原理基于此效应。

10.2　光电元件

一、外光电效应器件

基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。

（一）光电管

1. 光电管的结构

光电管有真空光电管和充气光电管两种，二者结构相似，它们由一个涂有光电材料的阴极K和一个阳极A封装在真空玻璃壳内，如图10-1所示。光电管的特性主要取决于光电管阴极材料。光电管阴极材料有：银氧铯、锑铯、铋银氧铯以及多碱光电阴极等。

图10-1　光电管的结构

2. 光电管的工作原理

将阳极A接电源正极，阴极K接电源负极，无光照时，因光电管阴极不发射光电子，电路不通，I=0。当入射光照射在阴极上时，光电管阴极就发射光电子，由于阳极的电位高于阴极，阳极便会收集由阴极发射来的电子，在光电管组成的回路中形成光电流I，并在负载RL
上输出电压Uo
。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压与入射光通量成正比。

3. 光电管的主要特性

光电管的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。下面仅对其主要性能做简单介绍。

1）伏安特性

光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，其阳极和阴极之间的电压UAK
与电流I之间的关系，如图10-2所示。

图10-2　光电管的伏安特性曲线

（a）真空光电管的伏安特性；（b）充气光电管的伏安特性

充气光电管的构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高。所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差。当阳极电压UA
较小时，阴极发射的光电子只有一部分被阳极收集，其余部分仍返回阴极。因此，随着阳极电压UA
的升高，阳极在单位时间收集到的光电子数增多，光电流I增大，此时伏安特性呈线性关系。当阳极电压UA
升高到一定数值时，阴极发射的光电子全部被阳极收集，称为饱和状态。这时，阳极电压再升高，光电流也不再增加。

2）光谱特性

光电管的光谱特性通常指阳极和阴极之间所加电压不变时，入射光的波长λ（或频率ν）与其绝对灵敏度的关系。它主要取决于阴极材料。阴极材料不同的光电管适用于不同的光谱范围。另一方面，同一光电管对于不同频率（即使光强度相同）的入射光，其灵敏度也不同。

3）光电特性

指在光电管阳极电压和入射光频谱不变的条件下，入射光的光通量Φ与光电流之间的关系。在光电管阳极电压U足够大，使光电管工作在饱和状态下，入射光通量和光电流呈线性关系。如图10-3所示：曲线1为氧铯阴极光电管的光电特性，曲线2为锑铯阴极光电特性，曲线的斜率称为光电管的灵敏度K。

图10-3　光电管的光电特性

（二）光电倍增管

光电管的灵敏度很低，当入射光微弱时，光电管产生的光电流很小，只有几十微安，造成测量误差，甚至无法检测。为提高光电管灵敏度，在光电阴极K与阳极A之间安装一些倍增极，就构成了光电倍增管。

1. 光电倍增管的结构

如图10-4所示，光电倍增管由光电阴极K、倍增电极E1
~E4
以及阳极A三部分组成。光电阴极由半导体光电材料锑铯做成。倍增电极是在镍或铜-铍衬底上涂锑铯材料而形成。通常有12~14级，多者达30级，阳极用来最后收集电子。

图10-4　光电倍增管的结构

2. 工作原理

倍增管中各倍增电极上均加有电压，阴极电位最低。各倍增电极的电位依次升高。由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场对电子加速。从阴极发出的光电子，在电场加速下，打在电位比阴极高的第一倍增极上，打出3~6倍的二次电子；被打出来的二次电子再经加速电场加速，又打在比第一倍增电极电位高的第二倍增电极上，电子数又增加3~6倍；如此不断连续倍增，直到最后一级倍增电极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止。其电子数将达到阴极发射电子数的105
~106
（100万）倍。可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。因此，在很微弱的光照时，它能产生很大的光电流。

将光电倍增管置于黑暗中，管上施加正常电压，则管中有微小电流流过，此电流便称为暗电流。

倍增管产生暗电流的原因有：光电阴极和倍增电极的热电子发射；阴极与其他各电极之间的漏电流；产生漏电流的原因有二：一是多余的铯原子沉积于各电极之间，导致绝缘电阻下降；二是管基受潮，使玻璃内硅酸盐水解形成电解液，导致绝缘电阻下降、离子反馈和光反馈、场致发射。

减小倍增管的暗电流的方法是：尽量减小光电阴极与倍增电极的热电子发射；消除管内多余的铯原子和保持管壳干燥；将管内抽成真空，清除离子反馈和光反馈；将管内电极边缘转弯、尖角修圆，减小场致发射。

3. 光电倍增管的伏安特性和光电特性

其伏安特性与光电管相类似，也有线性区和饱和区，如图10-5所示。图10-6为光电倍增管的光电特性。

图10-5　光电倍增管的伏安特性

图10-6　光电倍增管的光电特性

二、内光电效应器件

（一）光敏电阻

光敏电阻（见图10-7）是基于半导体光电导效应制成的光电器件，又称光导管。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可以加直流电压，也可以加交流电压。当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当有光照时，光敏电阻值（亮电阻）急剧减少，电流迅速增加。

图10-7　光敏电阻示意图

1. 光敏电阻的结构和工作原理

光敏电阻的结构及表示符号如图10-8所示。

图10-8　光敏电阻的结构及表示符号

比较简单，如图10-9（a）所示，在玻璃基板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，如硫化镉（CdS）等，然后在半导体的两端装上金属电极，再将其封装在塑料壳体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接在外电路中，在外加电压作用下，光照能改变电路中电流的大小，如图10-9（b）所示。

图10-9　光敏电阻结构与接线光敏电阻的结构

当无光照时，光敏电阻的电阻值很大，大多数光敏电阻的阻值在100MΩ以上，电路的暗电流很小；当受到一定波长范围内的光照射时，其电阻值急剧地减小，光照越强，阻值越小，电路电流随之迅速增加。根据电流表测出的电流变化值，便可得知照射光的强弱。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值。

光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可以从紫外区一直到红外区，而且体积小，质量轻，使用寿命长，稳定性能高，价格便宜，制造工艺简单，因此广泛应用于照相机、防盗报警、火灾报警以及自动化技术中。

2. 光敏电阻的主要参数与基本特性

1）光敏电阻的主要参数

（1）暗电阻与暗电流。在室温条件下，光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。

（2）亮电阻与亮电流。光敏电阻在受到某一束光照射时的阻值称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。

（3）光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，则性能越好。也就是说，暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。光敏电阻的暗电阻的阻值一般为兆欧数量级，亮电阻在几千欧以下。暗电阻与亮电阻之比一般在102
~106
Ω。

2）光敏电阻的基本特性

（1）光敏电阻的伏安特性。在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系，称为伏安特性。如图10-10所示。

图10-10　光敏电阻的伏安特性

由直线可知，在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定的光照度下，所加电压越大，光电流也就越大，而且没有饱和现象。但也不能无限制地提高电压，任何光敏电阻都有最大额定功率、最大工作电压和最大额定电流。光敏电阻的最高功率是由耗散功率决定的，而光敏电阻的耗散功率又和面积大小以及散热条件等因素有关。

（2）光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光电流与光照强度之间的关系，称为光敏电阻的光照特性。不同类型的光敏电阻的光照特性是不同的，但绝大多数的光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，如图10-11所示。因此，它不宜作为定量检测元件，一般在自动控制系统中常常用作开关式光电传感器。

图10-11　光敏电阻的光照特性

（3）光敏电阻的光谱特性。光敏电阻对不同的光，其灵敏度是不同的，几种常用的光敏电阻材料的光谱特性如图10-12所示。从图中可以看出，硫化镉光敏电阻的光谱响应峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域。因此，在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。

图10-12　光敏电阻的光谱特性
①

（4）光敏电阻的温度特性。光敏电阻受温度影响较大，当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降，同时温度变化也影响它的光谱特性。从图中可看出。随着温度的升高，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。图10-13为硫化铅光敏电阻的温度特性曲线。

图10-13　硫化铅的光敏温度特性

（a）硫化铅光敏电阻的温度特性；（b）硫化铅光敏电阻的光谱温度特性

光敏电阻的温度特性一般用温度系数α来表示。温度系数的定义为：在一定光照下，温度每变化1℃，光敏电阻阻值的平均变化率。

不同材料的光敏电阻，温度系数是不同的。温度不仅影响光敏电阻的灵敏度，同时对光谱特性也有很大影响。由图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，有时为了提高元件的灵敏度或为了能够接受较长波段的红外辐射，就采取一些降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。

（5）响应时间和频率特性。实验证明，光敏电阻的光电流不能立刻随着光照量的改变而立即改变，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零。这个惰性通常称为时间常数，用t来表示。光敏电阻自光照起电流上升到稳定值的63%所需时间为t1
，停止光照到电流下降为原来的37%所需要的时间为t2
。如图10-14（a）所示，上升和下降时间是表征光敏电阻性能的重要参数之一。上升和下降时间小，表示光敏电阻的惰性小，对信号响应越迅速。但大多数光敏电阻的时间常数都较大，这是它的缺点之一。

图10-14（b）所示为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。硫化铅的使用范围最大，目前已通过工艺改进来改善各种材料光敏电阻频率特性。

图10-14　光敏电阻的响应曲线和频率特性

（6）稳定性。初制成的电阻，由于其内部的组织结构不稳定以及其他原因，光电特性是不稳定的。当受到光照和接负载后，其灵敏度会明显下降。在人为地加温、光照和加负载情况下，经过一至两星期的老化，光电性能逐渐趋向稳定了。

（二）光电池

光电池是在光照下，直接能将光量转变为电动势的光电元件，实际上它就是电压源。光电池的种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池等。其中最受重视的是硅光电池和硒光电池。下面着重以这两种光电池为例加以介绍。

1. 光电池的结构与工作原理

图10-15（a）为硅光电池的结构、外形及电路符号。在一块N型硅片上，用扩散方法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结，当入射光子的能量hν足够大时，P区每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，光生电子-空穴对的浓度由表面向内部迅速下降，形成由表及里扩散的自然趋势。在PN结内电场作用下，使扩散到PN结附近的电子-空穴对分离，电子被拉到N型区，空穴则留在P型区，使N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂时间后，新的平衡建立，PN结两侧就有一个稳定的光电流或光生电动势输出。

图10-15　光电池结构示意图

（a）硅光电池；（b）硒光电池；（c）等效电路

硒光电池是在铝基底上涂硒，再用溅射工艺在硒层上形成一层半透明的氧化镉。在正反两面喷上低熔合金作为电极，如图10-15（b）所示。在光照下，镉材料带负电，铝材料带正电，形成光电流或光电势。

2. 光电池的主要特性

1）光电池的光谱特性

由于光电池受光照射产生电子-空穴对，光照消失后电子-空穴对的复合，都需要一定时间，因此，当入射光的频率太高时，光电池输出的电流将下降。如图10-16所示，不同的光电池其光谱峰值不同。硅光电池的工作频率上限约为数10kHz，其光谱峰值在0.8~0.95μm附近，光谱范围在0.45~1.1μm，灵敏度为6~8nA/（mm2
.lx），响应时间为10-3
~10-4
s，转换效率为6%~12%，使用温度范围为-65℃~+125℃，不稳定性小于0.02%。

图10-16　光电池的光谱特性

硒光电池频率特性较差，上限只有几千赫兹。光谱范围为0.38~0.75μm，光谱响应峰值为0.56μm，它的等效电容通常为0.03~0.05μF/cm2
，频率响应较差，界限是0~6kHz。硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。但硒光电池特别是大面积的硒光电池，稳定性和均匀性不太好，温度对硒光电池的性能和寿命有较大影响。

2）光电池的光照特性

光电池在不同的光照强度下可产生不同的光电流和光生电动势。硅光电池的光照特性如图10-17（a）所示。从该曲线可以看出，短路电流在很大范围内与光强呈线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当光照度在200lx（勒）时趋于饱和。因此，把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源来使用，不宜作电压源。

图10-17　硅光电池的光照特性

所谓光电池的短路电流，就是反映负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。而光电池的内阻是随着照度的增加而减小的，所以在不同的照度下可用大小不同的负载电阻为近似“短路”条件。从实验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好，且线性范围越宽，对不同的负载电阻，可以在不同的照度范围内，使光电流与光强保持线性关系。如图10-17（b）所示，当负载电阻为100Ω时，照度在0~1000lx范围内变化，光照特性还是比较好的，而负载超过200Ω以上，其线性逐渐变坏。因此，应用光电池作测量元件时，所用负载电阻的大小，应根据光强的具体情况而定。总之，负载电阻越小越好。

3）光电池的频率特性

光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照。光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。如图10-18所示。从该曲线可以看出，硅光电池有很高的频率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。

图10-18　光电池的频率特性

4）光电池的温度特性

光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由于它关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量精度和控制精度等重要指标，因此，温度特性是光电池的重要特性之一。

图10-19为硅光电池在1000lx（勒）照度下的温度特性曲线。由图可知，开路电压随温度上升而下降很快，当温度上升1℃时，开路电压约降低了3mV，这个变化是比较大的。但短路电流随温度的变化却是缓慢增加的，温度每升高1℃，短路电流只增加2×10-6
A。

图10-19　光电池的温度特性

由于温度对光电池的工作有很大的影响，因此当它作测量器件应用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。

5）稳定性

当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的。使用寿命很长，而硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关以外，在很大程度上还与使用环境条件有密切关系。如在高温和强光照射下，会使光电池的性能变坏，而且降低使用寿命，这在使用中要特别注意。

（三）光敏二极管

1. 光敏二极管的结构与工作原理

光敏二极管又称为光电二极管，是最常见的光传感器。它的结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中，如图10-20所示。光敏二极管与普通二极管不同之处在于它的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光照，为增加受光面积，PN结的面积做得较大。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，并与负载电阻相串联，它的符号及其在电路中的接法如图10-20（c）、（d）所示。

图10-20　光敏二极管的结构与工作原理

（a）外形结构；（b）内部结构；（c）符号；（d）工作电路；（e）工作原理

当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴对，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参与导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

当有光照时，PN结附近受光电子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量，产生电子-空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，并在PN结形成的电场作用下做定向运动而形成光电流。光照度越大，光电流就越大。故光敏二极管不受光照时处于截止状态，受光照时处于导通状态。光电流通过负载电阻RL
时，在电阻两端将得到随入射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样来完成光电转换的。

2. 光敏二极管的主要技术参数

（1）最高反向工作电压。指光敏二极管在无光照条件下，反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压。

（2）暗电流。指光敏二极管在无光照、最高反向电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。一般锗二极管的暗电流较大，约为几个μA，硅光敏二极管的暗电流则小于0.1μA。

（3）光电流。指光敏二极管受一定光照、在最高反向电压下产生的电流，其值越大越好。

（4）灵敏度。反映光敏二极管对光的敏感程度的一个参数，由在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示。其值越高，说明光敏二极管对光的反映就越灵敏。

（5）响应时间。表示光敏二极管将光信号转换成电信号所需的时间。响应时间越短，说明其光电转换速度越快，即工件频率越高。

除此之外，还有结电容、正向压降、光谱范围和峰值波长等参数。

（四）光敏三极管

1. 光敏三极管的结构与工作原理

光敏三极管有PNP型和NPN型两种。它在结构上与普通三极管类似，通常只有两个电极（也有3个的），如图10-21所示。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较小，并在基区边缘，以避免发射极引线遮住基区影响灵敏度。大概尺寸为：基区面积为1mm×0.5mm，发射区为Φ0.08mm的圆形。管子的芯片被装在带有玻璃透镜的金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片的集电结上。入射光主要被基区吸收。

图10-21　光敏三极管的结构和工作原理

（a）内部组成；（b）管芯结构；（c）结构简化图

1—集电极引脚；2—管芯；3—外壳；4—玻璃聚光镜；5—发射极引脚；6—N+
衬底；

7—N型集电区；8—SiO2
保护圈；9—集电结；10—P型基区；11—N型发射区；12—发射结

将光敏三极管接在如图10-21所示的电路中，在正常情况下，集电结为受光结（相当于一个光敏二极管）。集电极相当于基区一个发射极，为正电压；而基极开路，则集电结处于反向位置。无光照射时，由热激发产生少数载流子（电子-空穴对），电子从基极进入集电极，空穴从集电极移向基极，在外电路中有暗电流（正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流）Iceo
流过，其大小为：

式中
——共射极直流放大系数；

Icbo
——集电极与基极间的反向饱和电流。

当光照射在光敏面（集电结）上时，光照激发产生的光生电子-空穴对增加了少数载流子的浓度，由于集电结处于反向偏置，使内电场增强。在内电场的作用下，光生电子漂移到集电区，在基区留下空穴，使基极电位升高，促使发射区有大量电子经基区被集电区收集而形成放大的集电极光电流，即：

式中　Is
——bc结的光生电流；

——光敏三极管的直流放大系数。

可以看出，光敏三极管利用类似普通半导体三极管的放大作用放大了
倍。所以，光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。

光敏三极管都是由硅或锗制作的。由于硅器件暗电流较小，温度系数较低，又便于平面工艺批量生产，尺寸易于控制。因此，使用较多的是硅光敏三极管。

2. 光敏三极管的主要技术特性

1）光谱特性

与光敏二极管相同，其光谱特性曲线如图10-22所示。从曲线可以看出，当入射光的波长增加时，相对灵敏度下降。因为光子能量太小，不足以激发电子-空穴对。当入射光的波长缩小时，相对灵敏度也下降。这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，透入深度小，在表面激发的电子-空穴对不能到达P区，因而灵敏度下降。由图可知，硅光敏二极管、光敏三极管的响应光谱的波长为11000Å，锗为18000Å，而短波一般在4000~5000Å附近。两者的峰值波长约为9000Å和15000Å，因为锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或赤热状态物体时，一般都用硅管。但在红外光进行探测时，则用锗管较为适宜。

图10-22　硅和锗光敏三极（晶体）管的光谱特性曲线

2）伏安特性

指光敏三极管在给定的光线照度下，光敏三极管上电压与电流的关系，其伏安特性曲线如图10-23（a）所示。

图10-23　光敏三极管的伏安特性

3）光电特性

指光敏三极管的输出电流I和光照度之间的关系，如图10-23（b）所示。当光照不太强时，二者之间近似线性关系；当光照足够强（几千勒克斯）时，会出现饱和现象。从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。

4）温度特性

反映光敏三极管的暗电流、光电流与温度的关系，如图10-24所示。从温度特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大。所以电路中应当对暗电流进行温度补偿，不然会导致温度误差。

图10-24　光敏三极管的温度特性

5）时间常数

光敏三极管由于存在发射结电容，加之载流子通过面积较大的基区时间较长，因此，它的时间常数比光敏二极管要长，一般在10-5
~10-4
s。

6）频率特性

指相对灵敏度与入射光频率的关系，如图10-25所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻值可以提高频率响应。

图10-25　光敏三极的频率

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三极管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo
=（1+β）Icbo
（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib
增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic
=（1+β）Ib
，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

特性光敏三极管和光敏二极管一样，应用非常广泛，它们在光电编码器、光电控制、自动化生产、复印机、记录器、条形码读出器、机床安全设施等许多装置上起到“眼睛”的作用，已成为机电一体化不可缺少的元件。

（五）光敏晶闸管

光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管（或光控可控硅），由光辐射触发而导通，其结构如图10-26所示。它有3个引出电极，分别为阳极A、阴极K、控制极G；它有3个PN结，即J1
、J2
、J3
。与普通晶闸管不同之处在于，光敏晶闸管的顶部有一个玻璃透镜，它能把光线集中照射到J2
结上。当阳极A接电源正极、阴极K接电源负极时，J1
结与J3
结处于正向偏置，J2
结处于反向偏置，控制极通过电阻RG
与阴极相连，如图10-26（d）所示，这时，晶闸管处于正向阻断状态。当一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到J2
结上时，受光能激发，在J2
附近产生大量电子-空穴对，它们在外电场作用下穿过J2
阻挡层，产生控制极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。电阻RG
为光敏晶闸管灵敏度调节电阻，调节RG
的大小可使晶闸管在设定的照度下导通。

图10-26　光敏晶闸管的结构及等效电路

（a）原理结构；（b）符号；（c）等效电路；（d）应用电路

光敏晶闸管的伏安特性和技术特性与一般晶闸管类似，不同的是它用光照进行控制。

（六）光敏集成器件

1. 达林顿光电管

光敏三极管的光电灵敏度比光敏二极管大得多，为进一步提高光敏器件的灵敏度而设计了达林顿光电管，即一只光敏三极管和一只普通三极管共用集电极组合成达林顿组态。由于增加一级电流放大，光电流又放大了β倍，输出电流能力大大增强。同时，无光照的暗电流也加大，使得响应速度减慢。

2. 光电耦合器件

光电耦合器件是将发光元件与受光器件装在同一个密封体内的组合器件，实现了发光元件和受光器件及信号处理电路集成在一块芯片上。工作时，将电信号加到输入端，使发光元件发光，照射到受光器件使之输出光电流，从而实现电-光-电两次转换，通过光实现了输入端和输出端之间的耦合。

由于光电耦合器件是以光为传输信号的媒介，因此，它独具下列特点。

（1）光电耦合器件实现了以光为媒介的传输，因而保证了输入端和输出端之间的绝缘电阻都很高，一般大于1010
Ω，耐压也很高，具有优良的隔离性。

（2）具有信号单向传输不可逆性。信号只能从发光源单向传输到受光器件而不会可逆传输，传输信号不会影响输入端。

（3）发光源使用砷化镓发光二极管，它具有低阻抗的特点，可以抑制干扰，消除噪声。

（4）响应速度快，可用于高频电路。

（5）结构简单，无触点，体积小，寿命长。

基于上述特点，光电耦合器件广泛用于电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器上。

10.3　光电传感器的组成、结构及类型

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，由三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，如发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管，光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴成0°~25°的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

1. 槽型光电传感器

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽型光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽型开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

2. 对射型光电传感器

若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大，一个发光器和一个收光器组成对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。对射式光电开关的检测距离可达几米乃至几十米。使用对射式光电开关时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

3. 反光板型光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置内，在前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用，称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。正常情况下，发光器发出的光源被反光板反射回来再被收光器收到；一旦被检测物挡住光路，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

4. 扩散反射型光电开关

扩散反射型光电开关的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但扩散反射型光电开关前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。在检测时，当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。

光源是光电传感器的一个重要组成部分，大多数光电传感器都离不开光源。光电传感器对光源的选择要考虑很多的因素，例如波长、频谱分布、相干性、体积、造价和功率等。

10.4　热释电红外传感器

1. 光的特性

光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，也称可见光谱。在科学上的定义，光是指所有的电磁波谱，如图10-27所示。光是由光子为基本粒子组成的，具有粒子性与波动性，称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。对于可见光的范围没有一个明确的界限，一般人的眼睛所能接受的光的波长在380~760nm。人们看到的光来自于太阳或借助于产生光的设备，包括白炽灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫等。因为光是人类生存不可或缺的物质。

图10-27　电磁波频谱图

2. 热释电传感器工作原理

热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。白炽灯就是一种典型的热辐射光源。白炽光源中最常用的是钨丝灯，它产生的光，谱线较丰富，包含可见光和红外光。使用时，常加滤色片来获得不同窄带频率的光。

热释电人体红外传感器为20世纪90年代出现的新型传感器，专用于检测人体辐射的红外能。用它可以做成主动式（检测静止或移动极慢的人体）和被动式（检测运动人体）的人体传感器，与各种电路配合，广泛应用于安全防范领域及控制自动门、灯、水龙头等场合。

热释电人体红外传感器有多种型号，但结构、外形和电参数大致相同，一般可互换。其典型外形见图10-28。图中的顶视图中，矩形为滤光窗，两个虚线框为矩形敏感单元。

图10-28　热释电人体红外传感器外形图

1—漏极；2—源极；3—地

热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到20世纪60年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动，等等。

3. 热释电传感器的结构组成

热释电人体红外传感器的内部结构及原理见图10-29所示。该传感器由敏感元件、场效应管、阻抗变换器和滤光窗等构成，并在氮气环境下封装。

图10-29　热释电人体红外传感器原理图

（a）结构图；（b）电路图

敏感单元一般采用热释电材料锆钛酸铅（PZT）制成，这种材料在外加电场撤除后，仍然保持极化状态，也即存在自发极化，且自发极化强度PS
随温度升高而下降。

制作敏感单元时，先把热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串联的有极性的小电容，因此由温度的变化而输出的热释电信号也是有极性的。由于把两个极性相反的热释电敏感单元做在同一晶片上，当环境的影响使整个晶片产生温度变化时，两个传感单元产生的热释电信号相互抵消，起到补偿作用；当热释电传感器在使用时，前面要安装透镜，使外来的红外线辐射只会聚在一个传感单元上，这时产生的信号不会抵消。

热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱形透镜所组成菲涅尔透镜，如图10-30所示，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。

图10-30　菲涅尔透镜结构

通常，敏感单元材料阻抗非常高，因此要用场效应管进行阻抗变换后才能实际使用。电路中高阻值电阻Rg
的作用是释放栅极电荷，使场效应管正常工作；采用源极输出时，要外接源极电阻RS
，源极电压为0.4~1.0V。

制成敏感单元的PZT是一种广谱材料，能探测各种波长辐射。为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作窗口。滤光片使人体辐射的红外线最强的波长正好落在滤光窗响应波长的中心处，所以滤光窗能有效地让人体所辐射的红外线通过，而阻止太阳光、灯光等可见光中的红外线通过，以免引起干扰。

为提高传感器的灵敏度，可在传感器前1~5cm处放置菲涅尔透镜，使探测距离从一般的2m提高到10~20m。在实验室做实验时，可不加菲涅尔透镜。

热释电人体红外传感器的特点是，它只在由于外界的辐射而引起本身温度变化时，才给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就不再有信号输出。所以，热释电信号与它本身的温度变化率成正比，即热释电传感器只对运动的人体敏感。

智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。

在实际应用中，传感器往往需要预热，这是由传感器本身决定的。一般被动红外探测器需要一分钟左右的预热时间。

10.5　光电传感器的应用

光电传感器具有很多优良特性，例如，具有频谱宽、不受电磁干扰的影响、非接触测量、体积小、质量轻、造价低等优点。特别是20世纪60年代以来，随着激光、光纤、CCD技术的起步与发展，光电传感器也得到了飞速发展，广泛地应用在生物、化学、物理和工程技术等各个领域中。

1. 光电传感器的应用方法

光电传感器由光源、光学元器件和光电元器件组成光路系统，结合相应的测量转换电路而构成。常用的光源有各种白炽灯和发光二极管，常用光学元件有各种反射镜、透镜和半反半透镜等。

光电传感器按其输出量不同分为模拟式和脉冲式两大类。模拟式光电传感器是基于光电元器件的光电流随光通量而发生变化，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。影响光电元器件接收量的因素可能是光源本身的变化，也可能是由光学通路所造成的，模拟式光电传感器通常有如图10-31所示的几种形式。

图10-31　光电传感器的形式

（a）吸收式；（b）反射式；（c）遮光式；（d）辐射式

如图10-31（a）所示，恒光源发射的光到达光电元件的路径上，受到被测物的遮蔽，因此照射到光电元件上的光通量发生了变化，根据被测对象阻挡光通量的多少来测量被测对象的几何尺寸（如长度、厚度等）或运动状态（如线位移、角位移）。

如图10-31（b）所示，恒光源发出的光通量先到达被测物，再用光电元件接收从被测物表面反射出来的光。由于反射光通量的多少决定于被测对象的表面性质和状态，因此它可以测量机械加工零件的表面光洁度、表面粗糙度等。

如图10-31（c）所示，恒光源穿过被测物，部分被吸收，而后到达光电元件上。可根据被测对象对辐射的吸收量或对频谱的选择性来测量液体、气体的透明度或浑浊度，或者对气体进行成分分析，或对液体中某种物质含量进行测定等。

如图10-31（d）所示，由被测物发出的光通量直接照射到光电元件上，通过测量光能量的强度可知被测物的温度。如光电比色高温计。

2. 反射型光电开关

反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。

反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。

反射镜反射型光电开关集光发射器和光接收器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。

光电开关的LED多采用中频（40kHz左右）窄脉冲电流驱动，从而发射40kHz调制光脉冲。相应地，接收光电元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，又可减小发射LED的功耗。

常规反射型光电开关的动作距离是不变的（与型号有关），当检测流水线上的漫反射物体时，必须调节安装距离，十分不方便。自学习型光电开关上设置了一只阈值开关，当流水线上的被检测物体到达光电开关面前时，按下阈值开关数秒，待“学习”指示灯闪亮停止后，内部的微处理器就记住了两者之间的距离，就能在一定的允许范围内，可靠地对之后来到的被检测物体做出反应。当流水线上的被检测品种改变时，只需再次“学习”，而不必调节机械安装螺丝。

对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。

3. 光电断续器

光电断续器可分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字形结构，如图10-32所示。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U形槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过U形槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测。

图10-32　光电断续器的结构

（a）遮断型；（b）反射型

1—发光二极管；2—红外光；3—光电元器件；

4—槽；5—被测物

光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。例如，在复印和打印机中，光电断续器被用作检测纸的有无；在流水线上检测细小物体的通过及透明物体的暗色标记；检测印刷电路板元件是否漏装以及是否有检测物体靠近等。图10-33所示为其应用实例。

图10-33　光电断续器的应用

（a）用于防盗门的位置检测；（b）印刷机械上的进纸检测；（c）线料断续的检测

（d）瓶盖及标签的检测；（e）用于物体接近与否的检测

光电断续器的发光二极管可以直接用直流电驱动，亦可用40kHz尖脉冲电流驱动；红外LED的正向压降为1.1~1.3V，驱动电流控制在20mA以内。

4. 光电式转速计

光电式转速传感器分为反射式和透射式两种，如图10-34所示。

图10-34　光电式转速传感器

（a）反射式；（b）透射式

1—被测转轴；2—透镜；3—光源；4—光电元件；5—聚焦透镜；

6—半透膜片；7—聚焦透镜；8—指示盘；9—旋转盘

反射式转速传感器的工作原理如图10-34（a）所示。用金属箔或反射纸在被测转轴1上，贴出一圈黑白相间的反射面，光源3发射的光线经透镜2、半透膜6和聚焦镜7投射在转轴反射面上，反射光经聚焦镜5会聚后，照射在光电元件4上产生光电流。该轴旋转时，黑白相间的反射面造成反射光强弱变化，形成频率与转速及黑白间隔数有关的光脉冲，使光电元件产生相应电脉冲。当黑白间隔数m一定时，电脉冲的频率f便与转速n成正比。

透射式光电转速传感器的工作原理如图10-34（b）所示。固定在被测转轴上的旋转盘9的圆周上开有m道径向透光的缝隙，不动的指示盘8具有和旋转盘相同间距的缝隙，两盘缝隙重合时，光源3发出的光线使经透镜2照射在光电元件4上，形成光电流。当旋转盘随被测轴转动时，每转过一条缝隙，光电元件接收的光线就发生一次明暗变化，因而输出一个电脉冲信号。由此产生的电脉冲的频率f在缝隙数目m确定后与轴的转速n成正比。采用这种结构可以大大增加旋转盘上的缝隙数目，使被测轴每转一圈产生的电脉冲数增加，从而提高转速测量精度。

5. 烟尘浊度监测仪

防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的，如图10-35所示。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。

图10-35　吸收式烟尘浊度检测系统原理图

6. 条形码扫描笔

扫描笔的结构如图10-36所示，前方为光电读入头，当扫描笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管发出的光线将被黑线吸收，光敏三极管接受不到反射光，呈现高阻抗，处于截止状态；当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管，光敏三极管产生光电流而导通。整个条形码被扫描笔扫过之后，光敏三极管将条形码变成了一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成了脉冲串，再经计算机处理后，完成对条形码信息的识读。

图10-36　条形码扫描笔

7. 产品计数器

产品在传送带上运行时，不断地遮挡光源到光电传感器的光路，使光电脉冲电路产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次，光电传感器电路便产生一个脉冲信号，因此，输出的脉冲数即代表产品的数目，该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来。

8. 光电式烟雾报警器

无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阈值判断电路后，发出报警信号，如图10-37所示。

图10-37　烟雾报警器

（a）结构；（b）电路

无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节9V层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为15μA，报警发射时工作电流为20μA。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90dB的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。无线发射器的报警距离在空旷地可以达到200m，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到20m。

9. 光电式带材跑偏检测装置

不论是钢带薄板，还是塑料薄膜、纸张、胶片等，在加工过程中极易偏离正确位置而产生所谓跑偏现象。带材过程中的跑偏不仅影响其尺寸精度，还会造成卷边、毛刺等质量问题。带材跑偏检测装置就是用来检测带材在加工过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制机构电路提供一个纠偏信号，其工作原理和测量电路如图10-38所示。

图10-38　带材跑偏检测装置

（a）原理示意图；（b）测量电路；（c）外形结构图

1—光源；2，3—透镜；4—光敏电阻R1
；5—被测带材；6—遮光罩

光源1发出的光经透镜2会聚成平行光束后，再经透镜3会聚入射到光敏电阻4（R1
）上。透镜2、3分别安置在带材合适位置的上、下方，在平行光束到达透镜2的途中，将有部分光线受到被测带材的遮挡，而使光敏电阻受照的光通量减小。只R1
、R2
是同型号的光敏电阻，R1
作为测量元件安置在带料下方，R2
作为量度补偿元件用遮光罩覆盖。R1
~R4
组成一个电桥电路，当带材处于正确位置（中间位置）时，通过预调电桥平衡，使放大器输出电压Uo
为零。如果带材在移动过程中左偏时，遮光面积减小，光敏电阻的光照增加，阻值变小，电桥失衡，放大器输出负压Uo
；若带材右偏，则遮光面积增大，光敏电阻的光照减弱，阻值变大，电桥失衡，放大器输出正压Uo
。输出电压Uo
的正负及大小，反映了带材走偏的方向及大小。输出电压Uo
一方面由显示器显示出来，另一方面被送到纠偏控制系统，作为驱动执行机构产生纠偏动作的控制信号。

10. 光电池应用

（1）光电池主要有两大类型的应用：

将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将太阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。

（2）将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。

10.6　习题

1. 光电效应有哪几种？与之对应的光电元件有哪些？

2. 什么是光敏电阻？什么是光敏晶体管的光谱特性？

3. 光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管在实际应用时各有什么特点？

4. 光电耦合器分为哪两类？各有什么用途？

5. 热释电传感器的工作原理是什么？

①
1 Å=10-10
m。

附录　热电偶与热电阻分度表

附表1　铂铑10-铂热电偶分度表（分度号为S，冷端温度为0℃，mV）

附表2　铂铑13-铂热电偶分度表（分度号为R，冷端温度为0℃，mV）

附表3　铂铑30-铂铑6热电偶分度表（分度号为B，冷端温度为0℃，mV）

附表4　镍铬-镍硅（镍铝）热电偶分度表（分度号为K，冷端温度为0℃，mV）

附表5　镍铬-康铜热电偶分度表（分度号为E，冷端温度为0℃，mV）

附表6　铁-康铜热电偶分度表（分度号为T，冷端温度为0℃，mV）

附表7　铜-康铜热电偶分度表（分度号为T，冷端温度为0℃，mV）

附表8　铂热电阻分度表

附表9　铂热电阻分度表

附表10　铜热电阻分度表（R0
=50Ω，a=0.004 280 ℃-1
，分度号为Cu50，Ω）

附表11　铜热电阻分度表（R0
=100Ω，a=0.004 280 ℃-1
，分度号为Cu100，Ω）

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