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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（p 2,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输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、转换电路。1.3 传感器的分类1.根据被测物理量分类速度传感器、位移传感器、加速度传感 器、温
2、度传感器、压力传感器等。2 .按工作原理分类应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。3.按能量的传递方式分类有源的和无源的传感器。1.4传感器的性能和评价1.4.1传感器的静态特性传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。通常用来描述静态特性的指标有：测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞。稳定性传感器的稳定性，一是指传感器测量输出值在一段时间内的变化，即用所谓的稳定度表示；二是指在传感器外部环境和工作条件变化时而引起输出值的变化，即用影响量来表示。灵敏度传感器灵敏度是表示传感器的输入增量
3、与由它引起的输出增量之间的函数关系。更确切地说，灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比，是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率。用公式表示为：k=*=曙=/（x）灵敏阈与分辨力灵敏阈是指传感器能够区分出的最小读数变化量。对模拟式仪表，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小。对于数字式仪表，灵敏度阈就是分辨力，即仪表指示数字值的最后一位数字所代表的值。从物理含义看，灵敏度是广义的增益，而灵敏度阈则是死区或不灵敏度。迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输入特性曲线不重合的程度称为迟滞。线性度传感器的输出输入校准曲线与理论拟合直
4、线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为该传感器的“非线性误差”或 称“线性度”，也 称“非线性度”。1.4.2传感器的动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是时间的函数。研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。零 阶传感器动态特性指标零阶传感器，其输入量无论随时间如何变化，其输出量的幅值总是与输入量成确定的比例关系，在时间上也不滞后，幅 角。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：KH(s)=+殳+】频率函数为：砥 刃）二一y1-6K卜2居 g幅频特性为:叵(。)|=K相频特性为:0（o）_ arctg上 面 各 式 中：系统无阻尼时的固有振动角频率;k弹 簧 常 数；m质 量；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，的 大 小，将 其 二 阶 响 应 分 成 三
6、种 情 况：既二1时 过 阻 尼；，=1时 临 界 阻 尼；，1时 欠 阻 尼。在 一 定 的 值 下，欠阻尼系统比临界 阻 尼 系 统 更 快 地 达 到 稳 态 值；过 阻 尼 系 统 反 应 迟 钝，动 作 缓 慢，所以一般传感器 都 设 计 成 欠 阻 尼。一 般 取 值 为0.60.8。word专业整理第二章应变式传感器教学要求1.掌握电阻应变效应的基本概念。2.掌握电桥原理与电阻应变计桥路。3.掌握应变计的静态性能和动态性能。4.掌握温度误差产生的原因及其补偿方法。4.了解应变计的分类和命名规则。5.了解应变计的应用和发展现状。教学内容2.1 电阻应变效应2.1.1 电阻应变效应定
7、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；I 电阻丝的长度；A 电阻丝的截面积。2.1.2 应变计的分类了解。2.1.3 应变计型号命名了解。2.2 应变计的主要特性2.2.1 应变计的灵敏度系数当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：word专业整理式中，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
8、不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏度系数，一般情况下，k 00才;机械出变2GTo t|嬴.图 2.1 应变计的机械滞后特性 图 2.2 应变计的蠕变和零漂特性蠕变和零漂粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。如 图 2.2 中 9 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教学要求1.掌握光导纤维的组成和光在光纤中传播的原理。2.掌握光纤的主要参数。3.掌握强度型光纤传感器和干涉型光纤传感器的基本原理。4.了解各类光纤传感器的结构和应用。教
9、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(S n el l s l aw):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，0 r 0 io n k n2.0 r,Bi间的数学关系为：n,s i n 6 i=n2s i n 9 r(1)当0 r=9 0 9时，6 i仍V90。，此时，出射光线沿界面传播，称为临
10、界状态。临界角 B i。为：0 i0=arcsin(h2/ni)(2)当8 i 6 i并继续增大时，9 r905,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N A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人word专业整理射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。定义为：乂4=/-序，4为纤芯折射率，应为包层折射率。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。C CIT T 建议多模光纤的数值孔径取值范围为0.180.2 3,其对应的光纤端面接收角6c
11、=10-1 3 。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：V=(n,2-n22)1A)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。当丫值低于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=-h(dB/km)式中/为光纤长度，乙为输出端光强，/(,为输入端光强。4.1.4 光纤的类型1、按折射率变化类型分类：阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。2、按传播模式的多少：单模光纤和多模光纤。3 从传感
12、器机理上来说:word专业整理光纤传感器可分为振幅型（也叫强度型）和 相 位 型（也叫干涉仪型）两种。振幅型光纤传感器具有结构简单、与多模光纤技术的相容性好、信号检测较容易等优点，但其灵敏度较低。相位型光纤传感器的优点是灵敏度高，但其机构及检测手段复杂。强度型（振幅型）光纤传感器4.2.1反射式光纤位移传感器结构：反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其 原 理 如 图4.1所示：光纤采用Y型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。原理：光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的
13、光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。图4.2所示就是反射式光纤位移传感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。特点：反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。.O.502 52110.)王岳汨建位移（mm）图4.1反射型光纤传感器的结构图2位移
14、输出信号曲线4.2.2光纤测压传感器4.2.3移动光栅光纤传感器4.2.4微弯光纤传感器word专业整理以上各节要求了解。他们均属于强度调制型传感器。4.3相位调制型光纤传感器4.3.1基本原理基本换能机理：在一段单模光纤中传输的相干光，因待测能量场的作用，而产生相位调制。测量机构分类：迈克尔逊、马赫-泽德、萨格奈克和法布里-珀罗。特点：结构上都由空气光路和多个光学器件（分光束和平面镜）组合而成。在每种传感器中，光源的输出光束均被分成两束或两束以上的光。这些分开的光束沿不同光路传输之后，又重新合路并激励光敏检测器。4.3.2光 纤（强度）干涉仪光纤耦合器：光纤耦合器（Coup I er）又 称
15、 分 歧 器（Spl itter）,是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到。光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单 位1 X 2,亦即将光讯号分成两个功率）、星状/树状耦合器、以及波长多工器（W DM,若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属於DW DM）,制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（M icro O ptics）光波导式（W ave Guide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有9 0%）o4.4光纤传感器的应用举例1、相位检测其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数
16、发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sag nac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。word专业整理2.光纤声传感器通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器。光纤声压传感器利用了双路光纤干涉原理制成的。3.光纤磁传感器利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器。4.光纤电流传感器（了解）word专
17、业整理第五章 变磁阻式传感器教学要求1.掌握变磁阻式传感器的原理。2.掌握差动式电感传感器的工作原理。3.掌握差动变压器式传感器的基本原理。4.了解电动式传感器的原理。教学内容一、工作原理变磁阻式传感器的结构如图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚 度 为 8,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气 隙 厚 度 5 发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：LT _ 桢 _卬 yrrword专
18、业整理式中：平一线圈总磁链；/一 通过线圈的电流；W一 线圈的匝数；一穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得式中：七一磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为E=JN S 4 2 s 2 4 0 so式中：从一铁芯材料的导磁率；4 一衔铁材料的导磁率；乙一磁通通过铁芯的长度；4 一磁通通过衔铁的长度；S,铁芯的截面积；S 2 一衔铁的截面积;o一空气的导磁率；S o 一气隙的截面积；5 一气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即空2WQ L?Q40 so“2$2则磁阻力,可近似为RniU0SQ联立式以上各式，可得word
19、专业整理丁=M 40soR.2 b上 式 表 明，当线圈匝数为常数时，电 感L仅 仅 是 磁 路 中 磁 阻R m的函数，只要改 变6或S。均可导致电感变化，因 此 变 磁 阻 式 传 感 器 又 可 分 为 变 气 隙 厚 度6的 传 感 器 和 变 气 隙 面 积S。的 传 感 器。使 用 最 广 泛 的 是 变 气 隙 厚 度6式电感传感 器。二、输出特性设 电 感 传 感 器 初 始 气 隙 为 品，初 始 电 感 量 为4，衔铁位移引 起 的 气 隙 变 化量为从式心=贮=忙2，可 知L与5之 间 是 非线性关系，特性曲线如R,“23图表示。-AL%一 A Q)。怎 十 (在A b很
20、 小 时，电 感 的 相 对 变 化 量 为、=，灵敏度为:乙0%)=1一 厂心word专业整理由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。三、差动电感传感器差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈I、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。当衔铁往上 移 动 5时，两个线圈的电感变化
21、量、4L 2分别由及表示，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AL有关，其具体表达式为AL c 短灵敏度Ko为ALAJ oQ比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性，可以得到如下结论：差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。差 动 式 的 非 线 性 项 等 于 单 线 圈 非 线 性 项 乘 以A3/不 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。四、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。word专业
22、整理五、差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。5.3.1 F1形差动变压器的输出特性口形差动变压器的灵敏度表达式K&旦 必3%N可知传感器的灵敏度将随电源电压U”.和变压比组的增大而提高，随起始间隙增大而降低。5.3.2螺管形差动变压器非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1 100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。六、变
23、磁阻式传感器的应用变隙电感式压力传感器由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。word专业整理图4-8 变隙电感式传感器结构图当被测压力进入C 形弹簧管时，C 形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使 线 圈 1 和 线 圈 2 中的电感发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力
24、之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。word专业整理第六章压电传感器 教学要求1.掌握压电效应的原理。2 .掌握掌握常用压电材料。3.掌握声表面波现象的基本原理。4.了解各类压电传感器的结构和应用。教学内容6.1 晶体的压电效应1 压电效应在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，这种效应称为压电效应。2、压电材料目前压电材料可分为三大类：一是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷（多晶半导瓷）；三是新型压电材料，又可
25、分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。6.2压电加速度传感器1 压电加速度传感器的工作原理当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即F=ma式中：质量块产生的惯性力；m质量块的质量；a加速度。此时惯性力尸作用于压电元件上，因而产生电荷g,当传感器选定后，加为常数，则传感器输出电荷为q=d“F=d“ma与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大word专业整理小。2、压电加速度传感器的参数电荷灵敏度对式Q=%M a，当a=g 时得到的电荷Q值，称为电荷灵敏度。式中Q-电荷值：d3i-压电常数；M-
26、质量块质量；a-物体振动加速度；g-重力加速度。电压灵敏度对式乎，当q=g 时即为灵敏度的电压表示法，单位为V/g。式中,U-电荷值；43-压电常数；M-质量块质量：a-物体振动加速度;g-重力加速度；A-晶片电极面面积；塌-恒应力下的介电常数。劲度系数式中E 为压电晶片的杨氏模量。固有共振频率3、压电加速度传感器的结构其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的。4、压电加速度传感器的等效电路当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器，其电容量为：_S _ raS一 厂3word专
27、业整理等 效 电 路 为（a）:压电元件的等效电路（a）电压源；（b）电荷源当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为U=工G因此，压电传感器还可以等效为电压源%和一个电容器&的串联电路，如图(b)0实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻R a以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图5-15所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（b）o这两种等效电路是完全等效的。（a）（b）压电传感器的实际等效电路（a）电压源；（b）电荷源由于压电式传感器的输出电信号
28、很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。（其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）word专业整理前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。5、压电传感器接放大器的等效电路电压放大器(阻抗变
29、换器)电荷放大器等效电路(a)放大器电路;(b)等效电路6.3 压电谐振式传感器原理：以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成，当被测参量发生变化时，它的固有振动频率随之改变，用基于压电效应的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。word专业整理特点：石英晶体谐振式传感器的精度高，响应速度较快，常用于测量温度和压力。石英晶体温度-频率传感器材料：在发现具有线性温度一频率特性的石英晶体切型后，这种温度传感器的谐振器采用LC切型的平凸透镜石英晶体块制成，其直径约为数毫米，凸面曲率半径约为100毫米以上。原理：谐振器封装于充氮气的管壳内
30、，在传感器电路中利用它的压电效应和固有振动频率随温度变化的特性构成热敏振荡器，它的基本谐振频率为2 8兆赫。电路中另有一个振荡频率为2.8兆赫的基准振荡器，它通过十倍频后输出一个28兆赫的参照频率。两个振荡器的输出经门电路相加送往混频器得到差频输出信号，它是被测温度与基准温度（即基准振荡器的温度）之 差 与1000赫/（温度系数）的乘积，因此该差频输出信号记录了被测温度的变化。由时间选择开关产生不同的时间控制信号作为选通脉冲，以获得不同的分辨率。应用：线性石英晶体一频率传感器可用于热过程流动速度不高、间隔时间较长的各种高精度温度测量的场合以及多路遥控系统、水底探测等方面，还可用它制成高分辨率的
31、直读式数字自动温度计。石英晶体谐振式压力传感器材料：这种传感器所采用的谐振器是用厚度切变振动模式AT切型石英晶体制作的。谐振器可制成包括圆片形振子和受力机构的整体式或分离式结构。振子有扁平形、平凸形和双凸形三种，受力机构为环绕圆片的环形或圆筒形。原理：振子和圆筒由一整块石英晶体加工而成，谐振器的空腔被抽成真空，振动两侧上各有一对电极。圆筒和端盖严格密封。石英圆筒能有效地传递周围的压力。当电极上加以激励电压时，利用逆压电效应使振子振动，同时电极上又出现交变电荷，通过与外电路相连的电极来补充这种电和机械等幅振荡所需的能量。当石英振子受静态压力作用时，振动频率发生变化，并且与所加压力成线性关系。在此
32、过程中石英的厚度切变模量随压力的变化起了主要作用O特点：分离式结构相比整体式结构的主要优点是滞后小、频率稳定性极佳。但它的结构复杂、加工困难、成本也高。振梁式：压力传感器的谐振器还有振梁式，也是由AT切型石英晶体制成，振梁横跨于谐振器中央。在振梁的两端上下对称设置四个电极，用于激励振动和拾取频率信号。当振梁受拉伸力时，其谐振频率提高，反之则频率降低。因此输出word专业整理频率的变化可反映输入力的大小。这种传感器的优点是对温度、振动、加速度等外界干扰不敏感、稳定性好、品质因数高、动态响应特性好等。6.4声表面波传感器6.4.1 SAW传感器的基本原理声表面波一声表面波(Surface Acou
33、stic Wave,SAW)是一种沿弹性基体表面传播的声波，其振幅随压电基体材料深度的增大按指数规律衰减。声表面波传感器 将被测量的变化转换为声表面波振荡器振荡频率的变化，这样就构成了相应用途的声表面波传感器，它是一种新型的频率式传感器。1979年Woh 11 je n和Dessy首次提出了将声表面波SAW用作气体传感器,经过2 0年的研究与发展，目前已研制出SO?、NO?、H2S、水蒸气、丙酮、甲醇等多种SAW气体传感器，广泛应用于有害气体环境监测、临床分析、雷达通讯、电子对抗等军用、民用领域。6.4.2 SAW压力传感器原理：当传感器表面有压力作用时，SAW压力传感器的压电薄膜就会产生形变
34、，薄膜材料的应变会使得声表面波传播速度发生变化，从而使声表面波的中心谐振频率发生变化。通过检测SAW压力传感器的中心谐振频率变化，就能得到压力变化的数据。6.4.3 SAW热敏传感器利 用SAW振荡器振荡频率随温度变化的原理构成的温度传感器，称 为SAW热敏传感器。6.4.4 SAW气敏传感器声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。声表面波气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用，或者是物理吸附)，使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量
35、和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。word专业整理6.4.56.4.66.4.7SA W电力传感器（了解）SA W加速度传感器（了解）SA W流量传感器（了解）word专业整理第七章 压电声传感器换能器及其分类：声传感器常称为换能器。按照转换原理可将换能器分为电动式换能器、电磁式换能器、电容式换能器、压电式换能器、磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器等。word专业整理第八章 半导体传感器教学要求1.掌握半导体温度、湿 度、气体和磁敏传感器的基本原理。2.掌握霍尔效应及其霍尔电压的计算。3.了解半导体传感器的应用现状。教
36、学内容8.1 半导体温度传感器热敏电阻是根据半导体材料的电导率与温度有很强的依赖关系而制成的一种器件。从使用上，热敏电阻可分为接触型和非接触型。8.1.1 接触型半导体传感器1.半导体热敏电阻特点：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10 100倍以上，能检测出 的 温 度 变 化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315,高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000）,低温器件适用于-27355:体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1 100kQ间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。主要参数：1）标
37、称阻值2）材料常数：是反应热敏电阻器热灵敏度的指标。通常，该值越大，热敏电阻器的灵敏度和电阻率越高。3）电阻温度系数：表示热敏电阻器在零功率条件下，其温度每变化1所引起电阻值的相对变化量。热敏电阻的电阻值与温度的关系为：R=AeB,T(1)A,8是与半导体材料有关的常数，7为绝对温度，根据定义，电阻温度系数为：word专业整理1 dRa=-&dT凡是在温度为t时的电阻值。4）热时间常数：指热敏电阻器的热惰性。即在无功功率状态下，当环境温度突变时，电阻体温度由初值变化到最终温度之差的63.2%所需的时间。5）散热系数：指热敏电阻器的温度每增加1所耗散的功率。6）最高工作温度：指热敏电阻器在规定的
38、标准条件下，长期连续工作时所允许承受的最高温度。类型：半导体温度传感器分为两类：接触型和非接触型。接触型又分为热敏电阻与PN结型两种。随着温度的变化，半导体感温器件电阻会发生较大的变化，这种器件称为热敏电阻。常用的热敏电阻为陶瓷热敏电阻，分为负温度系数（NTC）热敏电阻、正温度系数（PTC）热敏电阻和临界温度电阻（CTR）。热敏电阻一般指NTC热敏电阻。第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系。第二类为突变型，又称临界温度型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。正温度系数热敏电阻器结构用 钛 酸 领（BaTiO3）、锂（Sr）、错（Zr）等材料制成的。属直热式
39、热敏电阻器。特性电阻值与温度变化成正比关系，即当温度升高时电阻值随之增大。在常温下，其电阻值较小，仅有几欧姆几十欧姆；当流经它的电流超过额定值时，其电阻值能在几秒钟内迅速增大至数百欧姆数千欧姆以上。作用与应用广泛应用于彩色电视机消磁电路、电冰箱压缩机启动电路及过热或过电流保护等电路中、还可用于电驱蚊器和卷发器、电热垫、暖器等小家电中。负温度系数热敏电阻器结构用 镒（Mn）、钻（Co）、镶（Ni）、铜（Cu）、铝（AI）等金属氧化 物（具有半导体性质）或 碳 化 硅（SiC）等材料采用陶瓷工艺制成的。特性电阻值与温度变化成反比关系，即当温度升高时，电阻值随之减小Oword专业整理作用与应用广泛应
40、用于电冰箱、空调器、微波炉、电烤箱、复印机等家电及办公产品中，作温度检测、温度补偿、温度控制、微波功率测量及稳压控制用。热敏电阻测温的基本电路：掌 握P 171,图8.5热敏电阻的基本联接法，并能计算桥路的输出电压。2.PN结型热敏器件P N结温度传感器是一种利用半导体二极管、三极管的特性与温度的依赖关系制成的温度传感器。P N结作测温器件的半导体传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积小等特点，特别在温度测量数字化、控温应用以及用计算机进行温度实时采集和处理等方面，具有其他温度传感器所不能相比的优越性.因此P N结的测温器件正逐步成为现代温度测量数字化的新型测温元件。3.集 成(I C)温
41、度传感器设计原理：对于集电极电流比一定的两个晶体管，其UBE之差AUBE与温度有关。kT ICiq 4.半导体光纤温度传感器(了解)8.1.2 非接触型半导体温度传感器原理：非接触型温度传感器可检出被测物体发射电磁波的能量。传感器可以是将放射能直接转换为电能的半导体物质，也可以先将放射能转换为热能，使温度升高，然后将温度变化转换成电信号而检出。这可用来测量一点的温度，如测温度分布，则需进行扫描。8.2 半导体湿度传感器当半导体表面或界面吸附气体分子或水分子时，半导体表面或界面的能带发生变化。利用这种半导体电阻的变化可检测气体或湿度。半导体湿度传感器具有体积小、重量轻的特点，实用的有Z nO-C
42、r2 O 3系、Ti02-V 2 05系陶瓷湿度传感器。Z n0-Cr2 03系陶瓷湿度传感器用于室内空调，可精密控制湿度，与微机结合能自动去湿，节省电能。Ti02-V 2 05系陶瓷湿度传感器耐热性好，可测量60以上的环word专业整理境湿度，还可用于医药、合成纤维工厂中存在有机物蒸气时的湿度测量。8.2.1 湿度的定义湿度：也称绝对湿度，是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米。绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度。p jv V相对湿度：相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高。”=4 x 1 0 0%露点温度：在一定的空气压力下，逐渐降
43、低空气的温度，当空气中所含水蒸气达到饱和状态，开始凝结形成水滴时的温度叫做该空气在空气压力下的露点温度。8.3 半导体气体传感器1.半导体气敏传感器工作机理气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化，如：氧气等具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气体电子接收性气体；氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附倾向的气体,被称为还原型气体电子供给性气体。当氧化型气体吸附到N型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升；当氧化型气体吸附到P型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；当还原型气体吸附到N型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；当还原型气体吸附到P型半导体上，
44、半导体的载流子减少，电阻率上升；word专业整理N型半导体与气体接触时的氧化还原反映按半导体的物理特性，气敏传感器可分为电阻型和非电阻型。2.电阻型半导体气敏传感器电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件。结构：敏感元件、加热器、外壳；按制造工艺分为：烧结型、薄膜型、厚膜型。气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加敏感材料和催化剂烧结，金属氧化物有：N 型半导体，如：Sn02,Fe2 03,Z nO,TiOP 型 半 导 体,如：Co02,P bO,M nO2,CrO3这些金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后显示气敏特性。通常器件工作在空气中，由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（N型半导
45、体）材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料的传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态；当气敏元件与被测气体接触时，会与吸附的氧发生反应，将束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。空气中氧化作用氧被电子吸附电子减少高阻状态；气体接触吸附氧发生反应电子释放电导增加电阻减气敏元件的加热作用:电阻型气敏元件通常工作在高温状态（2 000C45000,目的是为了加速气word专业整理体吸附和上述的氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度；另外使附着在壳面上的油雾、尘埃烧掉。在常温下，电导率变化不大，达不到检测目的，因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器。加热时间23分钟，加热电源一般为5V。加
46、热方式分为内热式和旁热式。气敏传感器测量电路3.非电阻型半导体气敏器件非电阻型气敏传感器，是利用MOS二极管的电容一电压特性变化；MOS场效应管的阈值电压的变化；肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。MOS二极管气敏元件在P型硅上集成一层二氧化硅(Si02)层。在氧化层蒸发一层把(Pd)金属膜作电极。氧 化 层(Si02)电容Ca固定不变。而硅片与Si02层电容Cs是外加电层的功函数。总电容C也是偏压的函数。曲线CU特性中，MOS二极管的等效电容C随电压U变化。金 属 铝(Pd)对 氢 气(H2)特别敏感。当Pd吸附以后，使Pd的功函数下降，使MOS管CU特性向左平移(向负方向偏移)，
47、利用这一特性用于测定的浓度。word专业整理MOS二极管气敏元件结构和等效电路MOSFET气敏元件钮PdMOSFET管结构如图所示。Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上引起 的Pd功函数降低。MOSFET管 当 栅 极（G）、源 极（S）间加正向偏压UGS,UGSUT阀值时，栅极氧化层下的硅从P变为N型，N型区将S（源）和D（漏）连接起来，形成导电 通 道（N型沟道）。此时MOSFET进入工作状态，在SD间加电压UDS,SD间有电流IDS流过，IDS随UDS、UGS变化。当UGSVUT时，沟道没形成，无漏源 电 流IDS=0oUT（阀值）电压大小与金属与半导体间的功函数有关。PdMOSFE
48、T器件就是利用H2在铝栅极吸附后改变功函数使UT下降，检 测H2浓度。oPdG （栅）S（源）D（漏）0|I .匚 J-0N+N+Si02P-S i4巴PdMOSFET管结构肖特基二极管肖特基二极管金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管。管子加正偏压，半导体金属的电子流增加，加负偏压，几 乎 无 电 流。当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化（金属与半导体界面吸附气体，影响禁带宽度Eg）o在正向偏压条件下，气体浓度增大，电流增大，输出电压增大。测试电流电压值可知气体浓度。非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度测量。8.4 半导体磁敏传感器主要知识点：霍尔传感器、磁
49、敏电阻器、磁敏晶体管的结构、工作原理；各类磁敏传感器的测量和转换电路及其典型应用。重点：霍尔传感器、磁敏电阻器、磁敏晶体管的结构、工作原理。word专业整理难点：霍尔传感器的应用。1.霍尔传感器霍尔效应一块半导体薄片，如果在其相对的两边通入电流I,且电流与磁场垂直，则在半导体的另两边将会产生一个电势差UH,这种现象就是霍尔效应，产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件。霍尔传感器霍尔传感器中的霍尔元件都是由半导体材料制成的。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，所以霍尔元件一般采用N 型半导体材料。定义霍尔系数为：RH=一式中，为电子浓度，-e 为电子所带的电荷。定义
50、霍尔灵敏度为:式中，4 为薄片厚度。霍尔电压定义为：8.3 磁敏电阻器磁阻效应若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。这种现象称为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。磁阻效应是伴随着霍尔效应同时发生的，磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏器件。主要特性1.灵敏度特性word专业整理磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。一般半导体磁阻元件在弱磁场中呈现平方特性，而在强磁场中呈现线性变化。2.电 阻 一 温 度 特 性元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。word专业整理第九章电位器式传感