4 第四章 信息传感材料与器件

传感器知识要点要点回顾第二章常用传感器基本概念：1--有关传感器的定义、基本组成涵盖框图；2--传感器的基本特性（灵敏度、线性度、重复性、精确度、稳定性、动态特性、环境参数）3--传感器的分类方法和种类，何谓能量控制型传感器（电阻、电容、电感）也称无源型传感器、何谓能量转换型传感器（压电、磁电、热电、光电）也称有源传感器。

4—电阻型传感器要求掌握公式，见书第6页，三个相关参数，对于电阻应变式：电阻应变片的电阻相对变化率是与应变成正比的。

掌握应变选择原则：当测量较小应变时，应选用压阻效应工作的应变片，而测量大应变时，应选用应变效应工作的应变片。

5---对于金属丝应变片在测量被测物体的应变时，电阻的相对变化主要由哪个参数决定的（丝的几何尺寸）来决定的。

6—对于电容式传感器，请掌握其测量原理，相关公式，对应的三个参数的含义，要求掌握变极距有关灵敏度的计算公式：见书第14页2.27，其灵敏度显然是非线性的，其使用时有条件的。

7—对于电感式传感器要掌握测量原理，计算公式，掌握自感式、互感式、差动式结构的特点，请注意实际工程应用的接法。

见书第21页。

图2.23b.反向串联。

掌握电涡流基本原理。

利用涡电流传感器测量物体位移时，如果被测物体是塑料材料，此时可否进行位移测量，如果不能，应采取什么措施才能测量。

8--- 有关压电传感器，要掌握压电效应，何谓正压电效应，何谓逆压电效应，压电效应的等效电路，压电传感器对测量电路的要求，见书第26-27。

压电式传感器可以采用多片压电晶片串联或并联，一般并联接法适宜于测量缓变信号，串联接法适宜于测量高频信号。

为了使输出电压几乎不受电缆长度变化的影响，其前置放大器应采用电荷放大器。

为什么说压电式传感器一般适合动态测量而不适合静态测量?9---对于磁电式传感器，要求掌握测量原理，基本公式，请看书第28页，恒磁通动圈式传感器，输出感应电势与线圈运动的速度成正比，如在测量电路中接入积分电路和微分电路，则可用来测量位移和加速度。

光电传感器材料及器件的研发与应用第一章：光电传感器材料的研发光电传感器作为一种重要的电子元件，广泛应用于各个行业领域。

而光电传感器的性能主要依赖于所采用的材料和器件。

本章将重点探讨光电传感器材料的研发。

1.1 光电传感器材料的分类根据光电传感器的工作原理和特性，光电传感器材料可以分为半导体材料、光敏材料和光学材料三大类。

1.1.1 半导体材料半导体材料是光电传感器中最常见的材料，主要包括硅、锗、砷化镓等。

半导体材料具有导电性能优良、能带结构可调控等特点，适用于不同波段的光电传感器。

1.1.2 光敏材料光敏材料是一类特殊的材料，可以通过光的照射而改变其电学、磁学或光学性质。

光敏材料广泛应用于光电传感器中，主要包括硒化铟、硫化铅等。

1.1.3 光学材料光学材料主要指在光学领域中应用的材料，包括透明材料、折射率可调材料等。

光学材料常用于制作光学透镜、光纤等。

1.2 光电传感器材料的性能要求光电传感器作为一种用于检测光信号的器件，其材料需要具备一系列特殊的性能要求。

1.2.1 光电性能光电传感器材料需要有较高的吸收率和光电转换效率，能够将光信号转化为电信号。

1.2.2 压电性能一些特殊的光电传感器如压电光电传感器，需要材料具备压电性能，能够通过压力的作用产生电信号。

1.2.3 线性响应光电传感器材料的输出电信号应该具有良好的线性响应特性，以便于准确测量光信号。

1.2.4 稳定性光电传感器材料需要具备较高的稳定性，能够在长期使用过程中保持良好的性能，不易受到环境变化的影响。

第二章：光电传感器器件的研发光电传感器器件作为光电传感器的核心组成部分，直接决定了光电传感器的性能。

本章将重点探讨光电传感器器件的研发。

2.1 光电传感器器件的分类根据光电传感器的工作原理和应用领域，光电传感器器件可以分为光电二极管、光敏电阻、光电晶体管、光电三极管等多种类型。

2.2 光电传感器器件的制备技术光电传感器器件的制备技术主要包括半导体工艺、薄膜技术、光刻技术等。

光电信息材料与器件专业光电信息材料与器件专业是一门涉及光电材料和光电器件的学科，主要研究光电材料的性能和应用以及光电器件的设计、制备和应用。

本文将从光电信息材料和光电器件两个方面进行介绍和探讨。

光电信息材料是指具有特殊光电性能的材料，包括光学、电学和磁学等方面的性能。

光电信息材料的研究重点是开发新型材料，改善材料的性能，并实现其在光电器件中的应用。

目前，常见的光电信息材料包括光电半导体材料、光学功能材料和光电陶瓷材料等。

光电半导体材料是光电信息材料中的重要组成部分，具有特殊的光电特性。

常见的光电半导体材料有硅、锗、砷化镓、磷化镓等。

这些材料在光电器件中广泛应用，如太阳能电池、光电传感器和光通信器件等。

通过对光电半导体材料的研究，可以改善材料的光电特性，提高器件的效能。

光学功能材料是另一类重要的光电信息材料，具有特殊的光学性能。

这些材料可以通过改变光的传播和调控光的波长等方式实现光电器件的功能。

目前，光学功能材料在光通信、光储存和光显示等领域得到广泛应用。

例如，光纤通信系统中的光纤材料、液晶显示器中的液晶材料以及光存储器中的光敏材料等。

光电陶瓷材料是一种特殊的光电信息材料，具有高温稳定性和优异的光电性能。

这些材料通常是由光电功能材料和陶瓷基质组成，具有特殊的结构和性能。

光电陶瓷材料在高温环境中具有良好的稳定性，可在高温条件下工作。

光电陶瓷材料在光电器件中应用广泛，如高温太阳能电池、高温光纤传感器和高温光通信器件等。

光电器件是光电信息材料的应用载体，是将光电信息材料转化为实际应用的关键组成部分。

光电器件的设计和制备是光电信息材料与器件专业的核心内容之一。

光电器件包括光电传感器、光电调制器、光电存储器、光电调制器等。

这些器件通过改变光的强度、波长或相位等方式实现光电信号的检测、调制和存储等功能。

光电器件的设计和制备需要光电信息材料的支持，同时也需要掌握一定的制备工艺和装备。

例如，在太阳能电池的制备过程中，需要选取合适的光电半导体材料和优化器件的结构，同时还需要掌握先进的制备工艺，如溅射、化学气相沉积和激光刻蚀等。

信息材料绪论HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】第一章信息材料概论信息技术：主要包括传感技术、通信技术、计算机技术和控制技术、存储技术、传输技术及显示技术。

现代信息技术是以微电子技术和光电子技术为基础，以计算机与通信技术为核心，对各种信息进行收集、储存、处理、传递和显示的高技术群。

信息材料就是指与现代信息技术相关的，用于信息的收集、储存、处理、传递和显示的材料。

其是信息技术的基础和先导。

按功能分类，信息材料可分为：1.信息检测和传感材料——指用于信息传感器和探测器的一类对外界信息敏感的材料。

2.信息传输材料——信息定向传输中，用于传输各种携带信息的电磁波的材料，以及为了保证信息传输的质量，对核心传输介质所加以保护的材料。

3.信息存储和显示材料——存储材料指用于记录和存储信息的材料；显示材料指能将各种形式的信息作用于人的视觉而使人感知的材料。

4.信息运算和处理材料——能对加载有信息的信号加以变换或处理，以实现降低信息率或者方便提取有用信息的材料。

信息材料的应用范围十分的广泛：民用器件有：半导体红外器件，电荷耦合器件，半导体激光器件，微波毫米波器件，存储显示器件，集成电路等。

它们可以应用于通信，广播电视设备，工业自动化设备，办公自动化设备，家用电子和光电子器件，医用诊断治疗设备和生物技术用器件，科学研究用实验仪器，水文、地质监测和气象预测预报系统，各种公共场所的电子或光电子器件及其各种集成电路器件。

军用半导体红外器件有：侦察的车载、舰载、机载或单兵手持式热像仪，空中侦察的红外扫描仪、红外热像仪、低空和中空光电传感器，多元双波侧面红外探测器。

军用电荷耦合器件主要有：空间遥感的大面阵CCD，自动导航系统的CCD跟踪器，侦察电子伏击等的CCD摄像机，以及单兵的夜视仪，扫描器，瞄准器等。

军用半导体激光器件：坦克飞机等的连续波调制半导体激光器，各种枪械的瞄准器，激光预警器，卫星对接系统、空间会合和高速干道测距以及常规兵器自动目标识别、修正系统的激光雷达等。

绪论一、传感器的定义、组成、分类、发展趋势能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件构成。

如果传感器信号经信号调理后，输出信号为规定的标准信号（0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…），通常称为变送器，分类：按照工作原理分，可分为：物理型、化学型与生物型三大类。

物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。

按照输入量信息：按照应用范围：传感器技术: 是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术.发展趋势: 一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。

1．发现新现象；2．发明新材料；3．采用微细加工技术；4．智能传感器；5．多功能传感器；6．仿生传感器。

二、信息技术的三大支柱现在信息科学（技术）的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通信技术和计算机技术。

课后习题1、什么叫传感器，它由哪几部分组成？它们的作用与相互关系？传感器(transducer/sensor)：能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或装置（国标GB7665—2005）。

通常由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量(一般为非电量)部分。

转换元件：指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号(一般为电信号)部分。

信号调理电路(Transduction circuit) ：由于传感器输出电信号一般较微弱，而且存在非线性和各种误差，为了便于信号处理，需配以适当的信号调理电路，将传感器输出电信号转换成便于传输、处理、显示、记录和控制的有用信号。

第一章传感器的一般特性1.传感器的基本特性动态特性静态特性2.衡量传感器静态特性的性能指标（1）测量范围、量程（2）线性度%100max⨯∆±=⋅SF L y δ 传感器静态特性曲线及其获得的方法传感器的静态特性曲线是在静态标准条件下进行校准的。

第一章传感与检测技术理论基础1．什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。

可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。

在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。

在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。

采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相对误差比较客观地反映测量精度。

引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。

2．用测量范围为-50～+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、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。

解：绝对误差2140142=-=∆kPa 实际相对误差%43.1%100140140142=⨯-=δ标称相对误差%41.1%100142140142=⨯-=δ引用误差%1%10050150140142=⨯---=）（γ3．什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。

随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素），如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。

通过增加测量次数估计随机误差可能出现的大小，从而减少随机误差对测量结果的影响。

第二章传感器概述2-1什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何？答：传感器是能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或装置。

通常由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部份；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部份。

第一章 传感器的概述1.传感器的定义能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置叫做传感器。

2.传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量（位移、速度、加速度、力等）转换成 电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。

3.传感器的组成：传感器由有敏感元件、转换元件、信号调理电路、辅助电源组成。

传感器基本组成有敏感元件和 转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。

第二章 传感器的基本特性1.传感器的基本特性：静态特性、动态特性。

2.衡量传感器静态特性的主要指标有：线性度 、灵敏度 、分辨率迟滞 、重复性 、漂移。

3.迟滞产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等。

4.产生漂移的原因：①传感器自身结构参数老化；②测试过程中环境发生变化。

5.例题：1．用某一阶环节传感器测量100Hz 的正弦信号，如要求幅值误差限制在±5%以内，时间常数应取多少？如果用该传感器测量50Hz 的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少？ 解：一阶传感器的频率响应特性： 幅频特性：2.在某二阶传感器的频率特性测试中发现，谐振发生在频率为216Hz 处，并得到最大福祉比为1.4比1，试估算该传感器的阻尼比和固有频率的大小。

3.玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水银，可用一阶微分方程来表示。

现已知某玻璃水银温度计特性的微分方1)(1)(+=ωτωj j H )(11)(ωτω+=A s rad f n n /135********.014.121)(A )(4)(1)(A n max n 21222=⨯=======⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-ππωωξξωωωωωξωωω所以，时共振，则当解：二阶系统程是x y dtdy310224-⨯=+ ，y 代表水银柱的高度，x 代表输入温度（℃）。

求该温度计的时间常数及灵敏度。

解：原微分方程等价于：x y dt dy3102-=+所以：时间常数T=2S, 灵敏度Sn=10-3第三章 电阻式传感1.应变式电阻传感器的特点： 1）优点：①结构简单，尺寸小，质量小，使用方便，性能稳定可靠；②分辨力高，能测出极微小的应变；③灵敏度 高，测量范围广，测量速度快，适合静、动态测量；④易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距离 测量和遥测；⑤价格便宜，品种多样，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量多种物理量。

第一部分填空题第一章1、衡量传感器静态特性的重要指标是_灵敏度______、__线性度_____、____迟滞___、___重复性_____ 等。

2、通常传感器由＿＿敏感元件＿＿、＿＿转换元件＿＿＿＿、＿转换电路＿＿＿＿三部分组成，是能把外界＿非电量＿＿＿＿＿转换成＿＿＿电量＿＿＿器件和装置。

3、仪表的精度等级是用仪表的＿＿＿引用误差＿＿＿＿来表示的。

4.传感器的＿＿标定＿＿＿是通过实验建立传感器起输入量与输出量之间的关系，并确定不同使用条件下的误差关系。

5．测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为粗大、系统和随机误差三类，其中随机误差可以通过对多次测量结果求平均的方法来减小它对测量结果的影响。

第二章1、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__应变_____效应；半导体或固体受到作用力后_电阻率______要发生变化，这种现象称__压阻_____效应。

直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度下降了，这种现象称为____横向___效应。

2、在压阻式传感器的测量桥路中，补偿灵敏度温漂可以利用在电源回路__串并联电阻______的方法实现。

3、产生应变片温度误差的主要因素有＿电阻温度系数的影响、＿试验材料和电阻丝材料的线性膨胀系数的影响＿。

4.应变片温度补偿的措施有＿＿＿电桥补偿法＿、＿应变片的自补偿法＿。

5. 在电桥测量中，由于电桥接法不同，输出电压的灵敏度也不同，_全桥__接法可以得到最大灵敏度输出。

6．半导体应变片工作原理是基于压阻效应，它的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数大十倍。

7、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除线性误差同时还能起到温度补偿的作用。

第三章1.变间隙式自感传感器的＿测量范围＿和＿灵敏度及线性度＿是相互矛盾的，因此在实际测量中广泛采用＿差动＿结构的变隙电感传感器。

2.电感式传感器是利用被测量改变磁路的＿磁阻＿，导致＿线圈电感量＿变化的。

传感器基础教材总序我们所处的时代被称为信息时代信息科学与技术的迅速发展和广泛应用深深地改变着人类生产生活的各个方面人类社会生产力发展和人们生活质量的提高越来越得益于和依赖于信息科学与技术的发展自动化科学与技术涉及到信息的检测分析处理控制和应用等各个方面是信息科学与技术领域的重要组成部分在我国经济建设的进程中工业化是不可逾越的发展阶段面对全面建设小康社会的发展目标党和国家提出走新型工业化道路的战略决策这是一条我国当代工业化进程的必由之路实现新型工业化就是要坚持走科技含量高经济效益好资源消耗低环境污染少人力资源优势得到充分发挥的可持续发展的科学发展之路在这个过程中自动化科学与技术起着不可替代的重要作用高等学校的自动化学科肩负着人才培养和科学研究的光荣的历史使命我国高等教育中工科在校大学生数占在校大学生总数的 35～40 其中自动化类的学生是工科各专业中学生人数最多的专业之一在我国高等教育已走进大众化阶段的今天人才培养模式多样化已成为必然的趋势其中应用型人才是我国经济建设和社会发展需求最多的一大类人才为了促进自动化领域应用型人才培养发挥院校之间相互合作的优势北京大学出版社组织了此套《21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材》参加这一系列教材编写的基本上都是来自地方工科院校自动化学科的专家学者由此确定了教材的使用范围也为实用教材的定位找到了落脚点本系列教材具有如下特点1 注重实用性地方工科院校的人才培养规格大多定位在高级应用型对这一大类人才的培养要注重面向工程实践培养学生理论联系实际解决实际问题的能力从这一教学原则出发本系列教材注重实用性注意引用工程中的实例培养学生的工程意识和工程应用能力因此将更适合地方工科院校的教学要求2 体现新颖性更新教材内容跟进时代加入一些新的先进实用的知识同时淘汰一些陈旧过时的内容3 院校间合作交流的成果每一本教材都有几所院校的教师参加编写北大出版社事先在西安市和长春市召开了编写计划会和审纲会来自各院校的教师比较充分地交流了情况在相互借鉴取长补短的基础上形成了编写大纲确定了编写原则因此这一系列教材可以反映出各参编院校一些好的经验和做法4 这一系列教材几乎涵盖了自动化类专业从技术基础课到专业课的各门课程到目前为止列入计划的已有 30 多门教材门数多参与的院校多参加编写人员多前言现代化生产与自动控制系统是以计算机为核心以传感器为基础组成的传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节没有好的传感器就没有精确可靠的自动检测和控制系统近年来随着科学技术的发展各种类型的传感器已广泛应用到工业生产与控制的各个领域中要及时准确地获取各种信息解决工程生产及科研中遇到的各种具体的检测问题就必须了解和熟悉传感器同时也要学会合理选择和应用各种传感器及传感技术本书是自动化系列教材之一书中内容丰富全面原理描述由浅入深浅显易懂应用实例广泛实用全书以传统的典型传感器为主同时增加了新型的传感器主要介绍传感器的原理结构特点测量电路以及传感器在工业生产日常生活中的实际应用本书共分 12 章包括三个单元第一单元介绍传感器的基础知识第二单元介绍各种传感器的原理结构及应用第三单元介绍传感器的补偿和抗干扰技术书中每章内容具有独立性使用本教材时可根据不同专业的要求和特点有选择性地进行教学本书由北华大学赵玉刚长春工业大学邱东任主编长春大学曹昕燕武汉理工大学徐沪萍长春工业大学崔利娜任副主编赵玉刚编写第 4 章第 5 章和第 10 章邱东编写第 1 章第 2 章和第 11 章曹昕燕编写第 6 章和第 7 章徐沪萍编写第 3 章和第 9 章崔利娜编写第 8 章和第 12 章该书在编写过程中得到了许多同行的支持和帮助他们提出了许多宝贵意见同时也得到了北京大学出版社第六事业部和中国林业出版社编辑的指导和支持对他们的悉心指导和帮助表示真挚的谢意对本书参考文献中的有关作者致以衷心的感谢由于编者水平有限书中错误和不妥之处在所难免恳请广大读者批评指正提出宝贵意见编者2006 年 6 月目录第 1 章传感器理论基础 1 思考题与习题 6111 传感器基础 1 第 3 章电感式传感器 63com 传感器的概念 131 自感式传感器 63com 传感器的组成和分类 2com 工作原理 63com 传感器的基本特性 4com 电感计算及输出特性分析 65com 传感器的命名代号和图形com 测量电路 67符号 1032 差动变压器式传感器 70com 传感器的发展趋势 12 com 工作原理及特性 7012 检测技术理论基础 15com 测量电路 73com 检测技术 15com 零点残余电压及消除方法 74com 测量方法 1533 电涡流式传感器 76com 检测系统 17com 工作原理 76com 测量误差及数据处理 19 com 测量电路 79本章小结 3034 电感式传感器的应用 81思考题与习题 30com 自感式传感器的应用 81第 2 章电阻式传感器 32 com 差动变压器式传感器的应用 83com 电涡流式传感器的应用 8521 电位器式电阻传感器 32本章小结 87com 工作原理 32思考题与习题 88com 结构与材料 3722 应变式电阻传感器 39 第 4 章电容式传感器 89com 应变效应和工作原理 3941 工作原理和结构类型 89com 电阻应变片的种类材料com 工作原理 89及粘贴 41com 结构类型 89com 电阻应变片的主要特性 4442 转换电路 93com 电阻应变片的温度误差com 等效电路 93及补偿 47com 测量电路 93com 测量电路 4943 电容式传感器的主要性能特点 9823 压阻式传感器 53com 主要性能 98com 工作原理 53com 特点 100com 影响压阻系数的因素 54 44 电容式传感器的应用 100com 压阻式传感器的材料 55 com 电容式压力传感器 10024 电阻式传感器的应用 57com 电容式加速度传感器 102本章小结 61·VI · 传感器基础com 电容式测厚传感器103 com CCD 图像传感器 134com 电容式液位传感器103 com 图像传感器的应用 137com 电容式温度传感器104 本章小结 138本章小结 105 思考题与习题 138思考题与习题 105第 7 章光纤传感器 140第 5 章压电式传感器10771 光导纤维 14051 工作原理 107 com 光纤的结构 140com 压电效应及压电材料107 com 光纤的分类 140com 压电式传感器111 com 光纤的传光原理 14152 等效电路和测量电路112 72光纤传感器概述 143com 等效电路 112 com 光纤传感器的组成 143com 测量电路 113 com 光纤传感器的性能特点 14353 压电式传感器的应用115 com 光纤传感器的分类 143com 压电式测力传感器115 com 光纤传感器的工作原理 144com 压电式加速度传感器115 73 光纤传感器的应用 146com 压电式报警器116 com 光纤加速度传感器 146com 压电式测量均匀压力com 光纤速度传感器 146传感器 117 com 光纤压力传感器 147本章小结 117 com 光纤温度传感器 148思考题与习题 118 com 光纤声传感器148com 光纤光电传感器 149第 6 章光电式传感器119com 光纤图像传感器 15061 光电效应 119 本章小结 150com 外光电效应 119 思考题与习题150com 内光电效应119第 8 章热电式传感器 15162 外光电效应器件 121com 光电管 121 81 热电偶温度传感器151com 光电倍增管 122 com工作原理 151com 外光电效应器件的应用123 com 基本定律 15463 光电导器件 125 com 热电偶的材料结构及常用com 光敏电阻 125 热电偶 155com 光电导器件的应用126 com 热电偶冷端温度补偿 15864 光生伏特器件 129 82 热电阻温度传感器 160com 光敏二极管 129 com热电阻测温原理及类型 160com 光敏三极管 130 com热电阻的结构 161com 光电池 131 com 测量电路161com 光生伏特器件的应用132 83 热敏电阻温度传感器 16265 图像传感器134 com 热敏电阻测温原理 162·VI ·目录·VII ·com 结构与材料和特性162 com 红外传感器 208com 热敏电阻的应用165 com 核辐射式传感器 20984 集成温度传感器 166 com 辐射式传感器的应用 213com 工作原理 166 本章小结 214com 集成温度传感器的应用167 思考题与习题 215本章小结 169第 11 章智能传感器 216思考题与习题 170111 智能传感器概述 216第 9 章半导体式传感器171com 智能传感器的概念 21691 半导体气敏传感器 171 com智能传感器的功能 217com 半导体气敏传感器的分类171 com 智能传感器的特点 217com 电阻型半导体气敏传感器172 112 智能传感器的实现途径 218com 气敏传感器的应用174 com 非集成化实现 21892 半导体湿敏传感器 176 com集成化实现 219com 概述 176 com 混合实现 221com 湿敏电阻的类型及原理178 113 集成化智能传感器 222com 湿敏传感器的应用181 com 集成化智能传感器的几种93 半导体磁敏传感器182 形式 222com 磁敏电阻器 182 com 集成智能传感器实例 223com 霍耳式传感器186 114 智能传感器的发展方向 22594 离子敏传感器 192 本章小结 228com ISFET 传感器的结构和工作思考题与习题 229原理 192第 12 章传感器的补偿和抗干扰技术 230com ISFET 传感器的应用195本章小结 197 121 传感器的补偿技术 230思考题与习题 198 com 非线性误差及补偿230com 温度误差及补偿 232第 10 章波式和辐射式传感器199122 传感器的标定 233101 超声波传感器 199 123 抗干扰技术 235com 超声波的测量原理199 com 干扰的产生 235com 超声波传感器的应用201 com 干扰的类型 236102 微波传感器 204 com 干扰信号的耦合方式 236com 微波传感器的原理204 com 常用的抑制干扰的措施 239com 微波传感器的组成和分类205 本章小结 241com 微波传感器的应用206 思考题与习题 241103 辐射式传感器 208参考文献 242·VII ·第 1 章传感器理论基础在系统学习各类传感器之前首先应该掌握传感器的基本理论及检测技术的相关知识主要包括传感器的概念分类和基本特性检测系统的组成与功能基本测量方法测量误差及数据处理等内容为后续知识的学习打下基础11 传感器基础在当今的信息时代人们越来越迫切地希望能准确地掌握自然界和生产领域更多的各类信息而传感器则是人们获取这些信息的主要途径和手段因此传感器与人们的关系越来越密切传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节它对于提高生产的自动化程度促进现代科学技术的发展具有极其重要的作用com 传感器的概念关于传感器的概念我国国家标准 GB 7665 1987 规定传感器 sensor 是能感受规定的测量量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置也就是说传感器是一种按一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的便于应用的某种物理量的测量器件或装置用于满足系统信息传输存储显示记录及控制等要求①传感器首先是一种测量器件或装置它的作用体现在测量上例如我们常见的发电机它是一种可以将机械能转变成电能的转换装置从能量转换的角度看它是一种发电设备不能称之为传感器但从另一个角度看人们可以通过发电机发电量的大小来测量调速系统的机械转速这时发电机就可看成是一种用于测量转速的测量装置是一种速度传感器通常称之为测速发电机应用传感器的目的就是为了获得被测量的准确信息这也是本课程的学习目的②传感器定义中所谓可用输出信号是指便于传输转换及处理的信号主要包括气光和电等信号现在一般就是指电信号如电压电流电势及各种电参数等而规定的测量量一般是指非电量信号主要包括各种物理量化学量和生物量等在工程中常需要测量的非电量信号有力压力温度流量位移速度加速度转速浓度等正是由于这类非电量信号不能像电信号那样可由电工仪表和电子仪器直接测量所以就需要利用传感器技术实现由非电量到电量的转换③传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系并且应保证一定的精度④关于传感器这个词目前国外还有许多提法如变换器 transducer 转换器converter 检测器 detector 和变送器 transmitter 等而根据我们国家的规定传感器定名为 sensor 当传感器的输出信号为标准信号 1V ～5V 4mA ～20mA 时称为变送器transmitter 注意二者不要混淆·2 ·传感器基础com 传感器的组成和分类1 传感器的组成传感器的种类繁多其工作原理性能特点和应用领域各不相同所以结构组成差异很大但总的来说传感器通常由敏感元件转换元件及测量电路组成有时还加上辅助电源如图 11 所示图 11 传感器组成框图1 敏感元件 sensing element敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件敏感元件是传感器的核也是研究设计和制作传感器的键如图 12所示是一气体压力传感器的示意图膜盒 2 的下半部与壳体 1 固定上半部通过连杆与磁芯 4 相连磁芯 4 置于两个电感线圈 3 中后者接入测量电路 5 这里的膜盒就是敏感元件其外部与大气压力 p a 相通内部感受被测压力 p 当p 变化时引起膜盒上半部移动即输出相应的位移量图 12 气体压力传感器1壳体2膜盒3电感线圈4磁芯5测量电路2 转换元件 transduction element转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分在图 12 中转换元件是可变电感线圈 3它把输入的位移量转换成电感的变化需要指出的是并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分有的传感器转换元件不止一个需要经过若干次的转换有的则是二者合二为一3 测量电路 measuring circuit测量电路又称转换电路或信号调理电路它的作用是将转换元件输出的电信号进行进·2 ·第 1 章传感器理论基础·3 ·一步的转换和处理如放大滤波线性化补偿等以获得更好的品质特性便于后续电路实现显示记录处理及控制等功能测量电路的类型视传感器的工作原理和转换元件的类型而定一般有电桥电路阻抗变换电路振荡电路等2 传感器的分类通常一种传感器可以检测多种参数一种参数又可以用多种传感器测量所以传感器的分类方法也很多至今尚无统一规定归纳起来一般有以下几种1 按工作原理分类这是传感器最常见的分类方法这种分类方法将物理化学生物等学科的原理规律和效应作为分类的依据有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深入研究与分析本书主要就是按这一分类方法作为编写体系介绍各种类型的传感器按照传感器工作原理的不同传感器可分为电参数式传感器包括电阻式电感式和电容式传感器压电式传感器光电式传感器包括一般光电式光纤式激光式和红外式传感器等热电式传感器半导体式传感器波式和辐射式传感器等这些类型的传感器大部分是分别基于其各自的物理效应原理命名的2 按被测量分类按被测量的性质进行分类有利于准确表达传感器的用途对人们系统地使用传感器很有帮助为更加直观清晰地表述各类传感器的用途将种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量见表 1-1对于各派生被测量的测量亦可通过对基本被测量的测量来实现表 1- 1 基本被测量和派生被测量基本被测量派生被测量线位移长度厚度应变振动磨损平面度位移角位移旋转角偏转角角振动线速度振动流量速度角速度转速角振动线加速度振动冲击质量加速度角加速度角振动转矩转动惯量力压力质量应力力矩时间频率周期计数光光通量与密度光谱温度热容湿度水汽含水量露点浓度气液体成分黏度3 按结构分类按传感器的结构构成可分为结构型物性型和复合型传感器结构型传感器是依靠传感器结构参数如形状尺寸等的变化利用某些物理规律·3 ··4 ·传感器基础实现信号的变换从而检测出被测量它是目前应用最多最普遍的传感器这类传感器的特点是其性能以传感器中元件相对结构位置的变化为基础而与其材料特性关系不大物性型传感器则是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换成电量的传感器例如热电偶传感器就是利用金属导体材料的温差电动势效应和不同金属导体间的接触电动势效应实现对温度的测量的而利用压电晶体制成的压力传感器则是利用压电材料本身所具有的压电效应实现对压力的测量这类传感器的敏感元件就是材料本身无所谓结构变化因此通常具有响应速度快的特点而且易于实现小型化集成化和智能化复合型传感器则是结构型和物性型传感器的组合同时兼有二者的特征4 按能量转换关系分类按照传感器的能量转换情况传感器可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类所谓能量控制型传感器是指其变换的能量是由外部电源供给的而外界的变化即传感器输入量的变化只起到控制的作用如电阻电感电容等电参数传感器霍耳传感器等都属于这一类传感器能量转换型传感器主要由能量变换元件构成它不需要外电源如基于压电效应热电效应光电效应等的传感器都属于此类传感器此外根据被测量的性质可以将传感器分成物理型化学型和生物型传感器三大类根据传感器的使用材料也可以将传感器分为半导体传感器陶瓷传感器金属材料传感器复合材料传感器高分子材料传感器等根据应用领域的不同还可分为工业用农用民用医用及军用等不同类型根据具体的使用目的又可分为测量用监视用检查用诊断用控制用和分析用传感器等com 传感器的基本特性为了更好地掌握和使用传感器必须充分地了解传感器的基本特性传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性即系统输出信号 y t 与输入信号被测量 x t 之间的系如图 13 所示图 13 传感器系统根据传感器输入信号 x t 是否随时间变化其基本特性分为静态特性和动态特性它们是系统对外呈现出的外部特性但与其内部参数密切相关不同的传感器内部参数不同因此其基本特性也表现出不同的特点一个高精度传感器必须具有良好的静态特性和动态特性才能保证信号无失真地按规律转换1 静态特性当传感器的输入信号是常量不随时间变化或变化极缓慢时其输出输入关系特性称为静态特性传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述·4 ·第 1 章传感器理论基础·5 ·1 测量范围 measuring range传感器所能测量到的最小输入量 xmin 与最大输入量 x 之间的范围称为传感器的测量范围2 量程 span传感器测量范围的上限值x 与下限值xmin 的代数差x xmin 称为量程3 精度 accuracy传感器的精度是指测量结果的可靠程度是测量中各类误差的综合反映测量误差越小传感器的精度越高传感器的精度用其量程范围内的最大基本误差与满量程输出之比的百分数表示其基本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差由系统误差和随机误差两部分组成如用 S 表示传感器的精度则ΔS × 100 1-1y FS式中Δ测量范围内允许的最大基本误差y FS 满量程输出 FS 是英文 Full Scale 满量程的缩写工程技术中为简化传感器精度的表示方法引用了精度等级的概念精度等级以一系列标准百分比数值分档表示代表传感器测量的最大允许误差如果传感器的工作条件偏离正常工作条件还会带来附加误差温度附加误差就是最主要的附加误差4 线性度 linearity所谓传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度又称为非线性误差如不考虑迟滞蠕变等因素一般传感器的输出输入特性关系可用 n 次多项式表示为y a a x a x2 a xn 1-20 1 2 n式中x 为输入量 y 为输出量 a 为零输入时的输出也叫零位输出 a 为传感器线性1项系数也称为线性灵敏度 a2 a3 an 为非线性项系数在不考虑零位输出的情况下传感器的线性度可分为以下几种情况1 理想线性特性当式 1-2 中a 为常数而 a a a a 0 时即1 023 ny a x 1-31称为理想线性特性如图 14 a 所示这时传感器的线性最好也是我们最希望传感器所具有的特性具有该特性的传感器的灵敏度为直线y a x 的斜率即1yk a1 常数1-4x2 仅有偶次非线性项传感器的输出输入特性为y a a x 2 a x 4 a nx 2n n 0 1 2 1-50 2 4 2由于没有对称性此特性线性范围较窄线性度较差如图 14 b 所示一般传感器设计很少采用这种特性·5 ··6 · 传感器基础3 仅有奇次非线性项传感器的输出输入特性为y a a x 3 a x 5 a n x 2n1 n 0 1 2 1-61 3 52 1此传感器特性相对于坐标原点对称其线性范围较宽线性度较好如图 14 c 所示是比较接近于理想直线的非线性特性4 普遍情况一般情况下传感器的输出输入特性为y a x a x2 a x3 a x n 1-71 2 3 n如图 14 d 所示图 14 传感器的非线性在实际使用非线性传感器时如果非线性项的次数不高则在输入量变化范围不大的情况下可采用直线近似地代替实际输入输出特性曲线的某一段使传感器的非线性特性得到线性化处理这里所采用的直线称为拟合直线实际输入输出特性曲线与拟合直线的最大相对误差就是非线性误差用γ L 来表示即ΔLγL ± × 100 1-8y FS式中ΔL 非线性最大误差y FS 满量程输出值目前常用的拟合方法有理论拟合过零旋转拟合端点拟合端点平移拟合及最小二乘拟合等在图 15 a 中拟合直线为传感器的理论特性与实际测试值无关这种方法称为理论拟合应用十分简便但一般说来ΔL 很大图 15 b 为过零旋转拟合常用于校正特性曲线过零的传感器拟合时使ΔL ΔL1 2ΔL 这种方法也比较简单非线性误差比前一种小很多图 15 c 所示的端点拟合是把实际特性曲线两端点的连线作为拟合直线这种方法比较简便但ΔL 较大。