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1、第一章引言教学要求1 .掌握传感器的基本概念。2 .掌握传感器的组成框图（p2,图1.1） o3 .掌握传感器的静态性能和动态性能。4 . 了解传感器的课程性质和课程任务。5 . 了解传感器的分类和发展趋势。教学内容1. 1传感器的发展和作用了解。1.2 什么是传感器传感器定义：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用榆出信号 的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。顾名思义，传感器的功能是一 感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三 部分组成，即：敏感元件、转换元件、转换电路。1.3 传感器的分类1 .根据被测物理量分类速度传感器、位移传感器、加速度传
2、感 器、温度传感器、压力传感器等。2 .按工作原理分类应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。3 .按能量的传递方式分类有源的和无源的传感器。1.4传感器的性能和评价传感器的静态特性是指传感器的榆入信号不随时间变化或变化非常缓慢时， 所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。通常用来描述静态特性的指标有: 测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞。 稳定性传感器的稳定性，一是指传感器测量输出值在一段时间内的变化，即用所谓 的稳定度表示；二是指在传感器外部环境和工作条件变化时而引起输出值的变 化，即用影响量来表示。 灵敏度传感器灵敏度是表示传感器的输入增量与
3、由它引起的输出增量之间的函数 关系。更确切地说，灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比，是传感器 在稳态榆出输入特性曲线上各点的斜率。用公式表示为：卜=矗=噌=/。） 灵敏阈与分辨力灵敏阈是指传感器能够区分出的最小读数变化量。对模拟式仪表，当榆入量连续变化时，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榆入量的大小。对于数字式仪表，灵敏度阈就是分辨 力，即仪表指示数字值的最后一位数字所代表的值。从物理含义看，灵敏度是广义的增益，而灵敏度阈则是死区或不灵敏度。 迟滞传感器在正（榆入量增大）反（输入量减小）行程中 输入特性曲线不 重合的程度称为迟滞。 线性度传感器的输出 输入校准
4、曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器 满量程输出之比，称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”，也称“非线 性度”。动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。只要输入量是时 间的函数，则其输出量必将是时间的函数。研究动态特性的标准输入形式有三种， 即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。 零阶传感器动态特性指标零阶传感器，其输入量无论随时间如何变化，其输出量的幅值总是与榆入量 成确定的比例关系，在时间上也不滞后，幅角。等于零。所以零阶传感器的动 态特性指标就是静态特性指标。 一阶传感器动态特性指标一阶传感器动态特性指标有：静态灵敏度和时间常数T。如果时间常数T 越小，系统的频
5、率特性就越好。在弹簧阻尼系统中，就要求系统的阻尼系数小， 而弹簧刚度要大。 二阶传感器动态特性指标二阶传感器的传递函数：2频率函数为:1 7 + 2 居一豌 4幅频特性为：K)22+42()2V o。相频特性为:(p(co) = arctg上面各式中:系统无阻尼时的固有振动角频率;k弹簧常数；m质量；7相对阻尼系数;c阻尼器阻尼系数;K静态灵敏度。由于大多数传感器均为二阶系统，所以我们要专门讨论二阶系统的阶跃响 应。根据二阶系统相对阻尼系数0的大小，将其二阶响应分成三种情况：既，1 时过阻尼；4 = 1时临界阻尼；，1时欠阻尼。在一定的值下，欠阻尼系统比临 界阻尼系统更快地达到稳态值；过阻尼系
6、统反应迟钝，动作缓慢，所以一般传感 器都设计成欠阻尼。一般取值为0. 60. 8第二章应变式传感器教学要求1 .掌握电阻应变效应的基本概念。2 .掌握电桥原理与电阻应变计桥路。3 .掌握应变计的静态性能和动态性能。4 .掌握温度误差产生的原因及其补偿方法。5 . 了解应变计的分类和命名规则。6 . 了解应变计的应用和发展现状。教学内容2. 1电阻应变效应2. 1. 1 电阻应变效应定义：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应 发生变化，这种现象称为“应变效应”。设有一段长为I,截面积为A,电阻率 为p的导体（如金属丝），它具有的电阻为：R = p A式中：p电阻丝的电阻率
7、；I电阻丝的长度；A电阻丝的极面积。2. 1.2应变计的分类了解。2. 1.3应变计型号命名了解。2. 2应变计的主要特性2. 2. 1应变计的灵敏度系数当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变， 将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范 围内，有下列关系：R/Rk =式中，k为电阻应变计的灵敏度系数。必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏度系数， 一般情况下，后石。这是因为，在单向应力产生双向应变的情况下，及除受到 敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部 分横向效应的影响。应变计的灵敏度
8、系数直接关系到应变测量的精度。因此，值 通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定，该值称为“标称 灵敏度系数”。2. 2.2横向效应定义：在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消纵向应变的作 用。应变计这种既敏感纵向应变，又同时受横向应变影响而使灵敏系数及相对电 阻比都减小的现象，称为横向效应。其大小用横向效应系数H（百分数）来表示， 即：对轴向应变的灵敏度系数；K、,为对横向应变的灵敏度系数。减小横向效应的方法：采用直角线栅式应变计或箔式应变计。2. 2. 3应变计的动态特性实验表明，机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它 依次通过一定厚度的基底、胶层
9、（两者都很薄，可忽略不计）和栅长而为应变计所 响应时，就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态（高频）应变测量，就 会产生误差。应变计的动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。2. 2. 4其它特性参数机械滞后实用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载，过热，都会使应变计产生残余变形，导致应变计输出的不重合。这种不重合性用机械滞后（Z） 来衡量。它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增（加载）、减（卸载）试件 应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量（输出）之差值，见图2.1所示。 通常在室温条件下，要求机械滞后Z,V310. E o实测中，可在测试前通过多 次重
10、复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。iXx 机变(Uf)时间图2.1 应变计的机械滞后特性零漂特性图2. 2 应变计的蠕变和端变和零漂粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的 特性称为蠕变。如图2.2中e所示。当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂。如图2. 2 中的P。所示。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求e I 1 O/VA Jj I、I IO/VA fu I 光谱特性在入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化, 种材料只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光谱特性。频率特性表征光电器件的动态性能，反映
11、了交变光照下器件的输出特性，用响应时间 来表7H o伏安特性在一定的光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系称为伏安特 性。它是传感器设计时选择电参数的依据。使用时应注意不要超过器件最大允许 的功耗。温度特性光电器件随所处环境温度的变化，其光电效应的外在表现会发生变化。3.5 光电传感器3. 5. 1光电管光电管原理是光电效应。一种是半导体材料类型的光电管，它的工作原理光 电二极管又叫光敏二极管，是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。当光照 强度增加时，PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多， 如果二极管反偏，则反向电流增大，因此，光电二极管的反向电流随光照的增加 而
12、上升。光电二极管是一种特殊的二极管，它工作在反向偏置状态下。常见的半 导体材料有硅、错等。如我们楼道用的光控开关。还有一种是电子管类型的光电 管，它的工作原理用碱金属（如钾、钠、艳等）做成一个曲面作为阴极，另一个 极为阳极，两极间加上正向电压，这样当有光照射时，碱金属产生电子，就会形 成一束光电子电流，从而使两极间导通，光照消失，光电子流也消失，使两极间 断开。3.5.2光电倍增管光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件。它 是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电 子倍增极及电子收集极（阳极）等组
13、成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可 分为端窗式和侧窗式两种类型。图1所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图。其 主要工作过程如下：入射光方向末倍谱报 管针电子倍增极 光阴报（打余板）r- 芯柱 阳城2聚焦极二次电子图1端窗型光电倍增管的剖面图当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极 电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的 电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外 区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍 增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。3.
14、 5.3光敏电阻结构：通常由光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组成的。特性：光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线 十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。它在无光照射 时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。作用与应用：广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动 报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机的自动曝光控制 等）及各种测量仪器中。光敏电阻器种类：1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉（CdS）、硒 化镉（CdSe）、硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锦化锢（InSb）光敏电阻器等
15、。2）按光谱特性分类： 可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机、光 报警等地。 紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。 红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统。光敏电阻器的主要参数1）亮电阻（kQ）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。2）暗电阻（MQ）：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。3）最高工作电压（V）：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压。4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。5）暗电流（mA）：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的 电流。6）时间常数（s）:指光敏电阻器从光照
16、跃变开始到稳定亮电流的63%时 所需的时间。7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变时，其电阻值的相对 变化。8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。3. 5. 4 光电二极管和光电三极管光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和 普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明 的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。光电 三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为 VTo光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚 线。同光电二极管一样，光电三
17、极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。光电二极管与光电三极管外壳形状基本相同，其判定方法如下：遮住窗口，选用万用表R*1K挡，测两管脚引线间正、反向电阻，均为无穷 大的为光电三极管。正、反向阻值一大一小者为光电二极管。光电二极管检测：首先根据外壳上的标记判断其极，外壳标有色点的管脚或 靠近管键的管脚为正极，另一管脚为负载。如无标记可用一块黑布遮住其接收光 线信号的 窗口，将万用表置R*1 K挡测出正极和负极，同时测得其正向电阻应 在10K20K间，其反向电阻应为无穷大，表针不动。然后去掉遮光黑布，光电二 极管接收窗口对着光源，此时万用表表针应向右偏转，偏转角度大小说明其灵敏 度高低，偏转角
18、度越大，灵敏度越高。光电三极管检测：光电三极管管脚较长的是发射极，另一管脚是集电极。检 测时首先选一块黑布遮住起接收窗口，将万用表置R*1K挡，两表笔任意接两管 脚，测得结果其表针都不动（电阻无穷大），在移去遮光布，万用表指针向右偏 转至15K35K,其向又偏转角度越大说明其灵敏度越高。光电二极管和三极管的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时 间、温度特性和频率特性等来描述。光电管的基本特性光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光 电流之间的关系。曲线1表示氧艳阴极：光照特性成线性关系曲线2表示锦艳阴 极：光照特性成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入
19、射光光通量之间 比）称为光电管的灵敏度。光电管的光照特性光谱特性：由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保 持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系称为光电管的光谱特 性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，有不同的红限频率vO,对应于不同 的光谱范围。同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。光谱特性：对不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极光谱响应 范围。例如：锌艳阴极，其红限入0=700nm,它对紫外线和可见光范围的入射光 灵敏度比较高，适用于白光光源和紫外光源。对红外光源，常用氧宛阴极。1009080706050403020100可见光200400600800
20、光波长/nm1 000I为氧的阴极光谱特性，II为睇艳阴极光谱特性，Ill为正常人的眼睛视觉特性10-2-3伏安特性：在一定的光照射下，对光电管的阴极所加电压与阳极所产生的电 流之间的关系是应用光电传感器的主要依据参数O当极间电压高于50V时，光电流开始饱和，所有的光电子都达到了阳极。真 空光电管一般工作于饱和部分。3. 5. 5 光电池光电池是利用光生伏特效应直接把光能转变成电能的器件，又称为太阳能电 池。光电池常用的材料是硅和硒，也可以使用错、硫化镉、碑化镇和氧化亚铜等。 目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。结构：硅光电池是用单晶硅制成，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些 P型杂质
21、而形成一个大面积的P-N结，P层做得很薄，从而使光线能穿透照到P-N 结上。工作原理：当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发 出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出 现电位差 光生电动势。基本特性1、光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋 向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。短路电流：指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。负载电阻RL越小，光电流与照度的线性关系越好，且线性范围越宽。.3.2J4日、馒把珏米20004000光照度/lxA/图衽科* 6 4 2 O.O.O.硅光电池光照特性与
22、负载硅光电池的光照特性2、光谱特性的关系光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在500nm附近，适宜测 可见光。硅光电池应用的范围400nm1200nm,峰值波长在800nm附近，因此可在很宽的范围内应用。400 600 800 1000 1 200 光的波bc/nm01 5003 0004 5006 000光的频率/Hz10-4-5光电池的光谱特性3、频率特性光电池的频率特性光电池作为测量、计数、接收元件时常采用调制光输入。光电池的频率特性 就是指输出电流随调制光频率变化的关系。频率特性与材料、结构尺寸和使用条 件等有关。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。硅光电
23、池具有较高的频率响应，而硒光电池则较差。4、温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压与短路电流均随温度而变 化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主 要指标。当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。硅光电池的温度特性曲线3.5.6PIN型硅光电二极管3. 5.7雪崩式光电二极管(APD)3. 5.8半导体色敏传感器3. 5.9光电闸流晶体管3. 5. 10热释电传感器3. 5. 11达林顿光电三极管3.5. 13光导摄像管以上各节均做了解。3. 5. 12 光电耦合器件光电耦合器：发光元件和光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成
24、的 转换元件。以光为媒介进行耦合来传递电信号，可实现电隔离，在电气上实现绝 缘耦合，因而提高了系统的抗干扰能力。由于它具有单向信号传输功能，因此适 用于数字逻辑中开关信号的传输和在逻辑电路中作为隔离器件及不同逻辑电路 间的接口。光电耦合器的特点：(a)结构简单、成本低，通常用于工作频率50kHz以下的装置。(b)采用高速开关管构成的高速光电耦合器，适用于较高频率的装置中。(c)采用放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较 低频率的装置中。组成与结构：玻璃绝缘(。金属封装(b)塑料封装11633.5. 14 CCD图像传感器电荷藕合器件图像传感器CCD (Charge Coup
25、 I ed Device),它使用一种高 感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数 字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因 而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要 和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD 表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所 产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。第四章 光纤传感器教学要求1 .掌握光导纤维的组成和光在光纤中传播的原理。2 .掌握光纤的主要参数。3 .掌握强度型光纤传感器和干涉型光纤传感器的基本
26、原理。4 . 了解各类光纤传感器的结构和应用。教学内容4. 1光导纤维(光纤)4. 1. 1光纤的结构1 .纤芯：石英玻璃，直径5-75um,材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。2 .包层：直径100 200um,折射率略低于纤芯。3 .涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光。4 .护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。4. 1.2光在光纤中的传播斯涅尔定理(Snel Is law):光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，其 折射角大于入射角，即n1n2时，6 r 6 i n1, n2, 6 r、6 i间的数学关系 为：n,sin 9 i =n2sin 0 r(1)当9 r=902时，6
27、i仍V90。，此时，出射光线沿界面传播，称为临界状态。临界角 6 io为：0 i0=arcsin(n2/ni)(2)当e i e i。并继续增大时，e r90?,这时便发生全反射现象，其 出射光不再折射而全部反射回来。4. 1.3 光纤的几个重要参数1、数值孔径NA入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。定义为：NA = J一-吗2,“为纤芯折射率,巧为包层折射率。数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的 大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT建议多模光纤的数值 孔径取值范围为0.
28、180.23,其对应的光纤端面接收角6c=10 13。2、传播模式采用“V值”表述光在阶跃型折射率光纤中的传播特性：2%a222V=（V-2）A）a为纤芯半径，入0为入射光在真空中的波长。光纤V值越大，则光纤所能拥 有的，即允许传输的模式（不同的离散波）数越多。当V值低于2. 404时，只允许一 波或模式在光纤中传输。3.传播损耗光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光强发生衰减，通常用传播率A 来表示传播损耗：-101g /A =式中/为光纤长度，人为输出端光强，为输入端光强。4. 1.4 光纤的类型1、按折射率变化类型分类：阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。2、按传播模式的多少：单模光纤和多模
29、光纤。3、从传感器机理上来说:光纤传感器可分为振幅型（也叫强度型）和相位型（也叫干涉仪型）两种。 振幅型光纤传感器具有结构简单、与多模光纤技术的相容性好、信号检测较容易 等优点，但其灵敏度较低。相位型光纤传感器的优点是灵敏度高，但其机构及检 测手段复杂。强度型（振幅型）光纤传感器4. 2.1反射式光纤位移传感器结构：反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图4. 1 所示：光纤采用丫型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为 两支，分别作为光源光纤和接收光纤。原理：光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到 接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反 射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤 探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接 收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加, 到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。图4. 2所示就是反射式光纤位移传 感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。位移（mm）图2位移输出信号曲线特点：反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度 快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检 测。