【正文】 ??（ 355） （ b）為并聯(lián)接法，其輸出電容 C′ 輸出電壓 U′ 及電荷量 Q′ 與單片間的關(guān)系為 CCUU 2,2 39。39。39。 ???（ 356） 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 329壓電晶片的串、并聯(lián) （ a）串聯(lián)接法；（ b）并聯(lián)接法 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 ４ .壓電傳感器的測(cè)量電路 1） 電壓放大器 （ 阻抗變換器 ） 圖 330是一種電壓放大器（阻抗變換器）電路圖。它具有很高的輸入阻抗（一般 1000MΩ以上）和很低的輸出阻抗（小于 100Ω，頻率范圍 2～ 100KHz）。因此用該阻抗變換器可將高內(nèi)阻的壓電傳感器與一般放大器相匹配。該阻抗變換器第一級(jí)采用 MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成源極輸出器，第二級(jí)是用鍺管構(gòu)成對(duì)輸入端的負(fù)反饋，以提高輸入阻抗，電路中的 R R2是場(chǎng)效應(yīng)管 V的偏置電阻， R3是一個(gè) 100MΩ的大電阻，主要起提高輸入阻抗的作用， R5是場(chǎng)效應(yīng)管的漏極負(fù)載電阻，根據(jù) V漏極電流大小即可確定 R5的數(shù)值（在調(diào)試中確定）， R4是源極接地電阻，也是 VT的負(fù)載。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 R4上的交流電壓通過 C2反饋到場(chǎng)效應(yīng)管的輸入端，使 A點(diǎn)電位提高，保證了較高的交流輸入阻抗。二極管 VD1， VD2起保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管的作用，同時(shí)又可以起溫度補(bǔ)償作用。它是利用二極管的反向電流隨溫度變化來補(bǔ)償場(chǎng)效應(yīng)管泄漏電流 ISG和 IDG隨溫度的變化。由于 V和 VT是直接耦合，所以采用穩(wěn)壓管 VDW起穩(wěn)定 VT的固定偏壓作用， R6是的限流電阻，使 VDW工作在穩(wěn)定區(qū)。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 330阻抗變換器電路圖 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 330中，如果只考慮 V構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)管源極輸出器，則輸入阻抗 21213i RRRRRR???（ 357） 通過 C2從輸出端引入負(fù)反饋電壓后，輸入阻抗為 uiif K1RR ?式中： Ku是加上負(fù)反饋后的源極輸出器的電壓增益 ， 其值接近１ 。 因此加負(fù)反饋后的輸入阻抗可提高到幾百甚至幾千兆歐 ， 以滿足壓電傳感器對(duì)前置放大器的要求 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 330中，如果只考慮場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的源極輸出器，其輸出阻抗為 4m0 R//g1R ?（ 358） 式中 :gm為場(chǎng)效應(yīng)管跨導(dǎo)。由于引入負(fù)反饋，所以使輸出阻抗更為減小。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 2） 電荷放大器 電荷放大器是一個(gè)有反饋電容 Cf的高增益運(yùn)算放大器 。當(dāng)略去 Ra與 Rf并聯(lián)的等效電阻 R后 ， 壓電傳感器和電荷放大器連接的等效電路可用圖 331表示 。 圖中 A是運(yùn)算放大器 。由于放大器的輸入阻抗極高 ， 因此認(rèn)為放大器輸入端沒有分流 。 根據(jù)運(yùn)算放大器的基本特性 ， 當(dāng)工作頻率足夠高時(shí) ， ,忽略 ， 可以求得電荷放大器的輸出電壓 ffC1 ????RfR1)A(1 ?fica0 )1( CACCCAqU?????? （ 359） 式中 :A是運(yùn)算放大器的開環(huán)增益；負(fù)號(hào)表示放大器的輸入和輸出反相。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 331 壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 當(dāng) A１，滿足 (1+A)Cf10(Ca+Cc+Ci)時(shí)，就可以認(rèn)為 f0 CqU ?? （ 3－ 60） 可見 ， 在電荷放大器中 ， 輸出電壓 Uo與電纜電容 Cc無關(guān) ， 而與 q成正比 ， 這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn) 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 1） 分類及特性 半導(dǎo)體熱敏電阻按半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型 ， 即負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻 （ NTC） 、 正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻 （ PTC） 和在某一特性溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻 （ CTR） 。 它們的特性曲線如圖 332所示 。 由圖可見 ， 使用 CTR組成熱控制開關(guān)是十分理想的 ，但在溫度測(cè)量中 ， 則主要采用 NTC， 其溫度特性如下式所示 ????????? 0110TTBt eRR（ 361） 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 332 三種類型熱敏電阻的典型特性 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 若定義熱敏電阻的溫度系數(shù)為 α TRRtdd1t???（ 362） 則由式 (3－ 61)有 22)T1T1B(0ttt TB)T1(BeRR1dTdRR1 0 ??????????第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 2） Ⅰ . 由式 361可知 ， 熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律 ， 也就是說 ， 其非線性是十分嚴(yán)重的 。 當(dāng)需要進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換時(shí) ，就應(yīng)考慮其線性化處理 。 (1)線性化網(wǎng)絡(luò) 。 利用包含有熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(luò)（常稱線性化網(wǎng)絡(luò)）來代替單個(gè)的熱敏電阻。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 333溫度 頻率轉(zhuǎn)換電路 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 (2)利用電子裝置中其他部件的特性進(jìn)行綜合修正 。 圖 333是一個(gè)溫度 頻率轉(zhuǎn)換電路 。 它實(shí)際是一個(gè)三角波 方波變換器 ， 電容 C的充電特性是非線性特性 。 適當(dāng)?shù)剡x取線路中的電阻 r和 R加上 Rt可以在一定的溫度范圍內(nèi) ， 得到近似于線性的溫度 頻率轉(zhuǎn)換特性 。 ?????? ???rRRCRT t21ln21（ 363） 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 (3)計(jì)算修正法 。 Ⅱ . 現(xiàn)在已研制出精度優(yōu)于熱電偶 ， 并具有互換性的熱敏電阻 ， 而且還能制造出 300℃ 以下可忽略老化影響的產(chǎn)品 。 但不同廠家產(chǎn)品質(zhì)量差異還比較大 ， 使用時(shí)仍應(yīng)認(rèn)真選擇 。 一般地說 ， 正溫度系數(shù)熱敏電阻器和臨界溫度熱敏電阻器特性的均勻性要差于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器 。 在輻射熱檢測(cè)器中 ， 人們采用薄膜式金屬電阻和熱敏電阻薄膜 ， 構(gòu)成熱量型檢測(cè)器 ， 將輻射熱轉(zhuǎn)換成電阻的變化 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 3） 電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)裝置組成電路原理如圖 334所示 。 把三只特性相同的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 （ 如 RRC6型 ， 經(jīng)過測(cè)試 ，阻值在 20℃ 時(shí)為 10kΩ； 100℃ 時(shí)為 1kΩ； 110℃ )放置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)繞組旁 ， 緊靠繞組 ， 每相各放置一只 ， 用萬能膠固定 。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) ， 溫度較低 ， 熱敏電阻阻值較高 ， 三極管 V1截止 ， 繼電器 K不動(dòng)作 。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷 ，或斷相 ， 或一相通地時(shí) ， 電動(dòng)機(jī)溫度急劇上升 ， 熱敏電阻阻值急劇減小 ， 小到一定值 ， 使三極管 V1完全導(dǎo)通 ， 繼電器 K動(dòng)作 ， 使 S閉合 ， 紅燈亮 ， 起到報(bào)警保護(hù)作用 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 334電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)裝置組成電路原理 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 氣敏電阻是由金屬氧化物燒結(jié)而成的半導(dǎo)體電阻元件 ，當(dāng)環(huán)境中氣體的成分或濃度發(fā)生變化時(shí) ， 導(dǎo)致氣敏電阻的阻值發(fā)生變化 ， 其變化范圍在 103～ 105Ω 數(shù)量級(jí)之間 。 氣敏電阻半導(dǎo)體材料亦分為 N型半導(dǎo)體與 P型半導(dǎo)體兩種。N型材料如 SnO ZnO、 CdO、 W2O Mn0 ThO TiO2等；P型材料如 MoO NiO、 CoO、 Cu2O、 Cr2O3等，均為金屬氧化物。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 其工作機(jī)理主要是由于各種可燃性氣體的離解能比較小 ，容易失去電子 ， 在遇到 N型半導(dǎo)體材料時(shí) ， 由于其晶格氧離子缺位 ， 氣體中的電子向半導(dǎo)體移動(dòng) ， 使半導(dǎo)體中載流子濃度增加 ， 內(nèi)阻減??；當(dāng)遇到 P型導(dǎo)體材料時(shí) ， 由于其陽離子缺位 ， 呈空穴導(dǎo)電性 ， 使半導(dǎo)體中載流子濃度下降 ， 內(nèi)阻增加 。 氣敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖 335所示 。 圖中 1為氣敏半導(dǎo)體材料 ， 體積很小 ， 直徑在 1mm以內(nèi)； 2為加熱電極； 3為引出端電極 ， 均為 Φ 。 在四個(gè)電極的支撐下封裝在不銹鋼防爆網(wǎng)內(nèi) ， 構(gòu)成氣敏電阻 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 335氣敏電阻 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 336 氣敏傳感器在各種氣體濃度 q下電路輸出電壓 U的曲線 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 （ 1） 光的電磁說 。 光是一種電磁波 ， 由電磁理論可知 ， 光是電磁波譜中的一員 ， 不同波長(zhǎng)光的分布如圖 327所示 。 這些光的頻率 （ 波長(zhǎng) ） 各不相同 ， 但都具有反射 、 折射 、 散射 、衍射 、 干涉和吸收等特性 。 可見光只是電磁波譜中的一小部分 ， 波長(zhǎng)在 380～ 780nm之間 ， 紅光頻率最低 ， 紫光頻率最高 。光的頻率越高 ， 攜帶的能量越大 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 337電磁波頻譜圖 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 （ 2） 光的量子說 。 光是一種帶有能量的粒子 （ 稱為光子 ） 所形成的粒子流 。 由光的粒子說可知 ， 光又是由具有一定能量 、 動(dòng)量和質(zhì)量的粒子所組成 ， 這種粒子稱為光子 。 光是以光速運(yùn)動(dòng)的光子流 。 每個(gè)光子都具有一定的能量 ， 其大小與它的頻率成正比 ， 即 λhch νE ??（ 364） 式中： h為普朗克常數(shù)， h = 1034Js； v為光子的頻率（ s1）； c為光速， c=3 108m/s； λ為光的波長(zhǎng)（ m）。當(dāng)物質(zhì)受光照后，物質(zhì)的電子吸收了光子的能量所產(chǎn)生的電現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。它是光電元器件的理論基礎(chǔ)。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 可見 ， 不同頻率和波長(zhǎng)的光具有不同的能量 ， 光的頻率愈高 （ 即波長(zhǎng)愈短 ） ， 光子的能量就愈大 ， 光的能量就是光子能量的總和 。 光照射在物體上可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊這些物體 。 根據(jù)愛因斯坦假說：一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子 ， 因此電子增加的能量為 hν。電子獲得能量后釋放出來 ， 參加導(dǎo)電 。 這種物體吸收光的能量后產(chǎn)生電效應(yīng)的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng) 。 光電效應(yīng)可以分為以下三種類型 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 1） 在光的作用下 ， 物體內(nèi)的電子逸出物體表面 、 向外發(fā)射的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng) 。 物體中的電子吸收的入射光子能量若足以克服逸出功 ， 電子就逸出物體表面 ， 產(chǎn)生光電發(fā)射 。 如果逸出電子的能量為 mv2/2， m為電子質(zhì)量 ， v為逸出速度 。 則有 0221 Amvhv ??（ 365） 式 （ 365） 稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式 ， Ａ ０ 為逸出功 。 可見 ,只有當(dāng)光子能量大于逸出功 ， 即 hν＞ Ａ ０ 時(shí) ， 才有電子發(fā)射出來 。當(dāng)光子的能量等于逸出功 ， 即 hν＞０＝ Ａ ０ 時(shí) ， 逸出的電子初速度為零 ， 此時(shí)光子的頻率為該物質(zhì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的最低頻率 ， 稱為紅限頻率 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 由于光子的能量與光的頻率成正比 ， 因此要使物體發(fā)射光電子 ， 光的頻率必須高于紅限頻率 。 小于紅限頻率的入射光 ， 光再強(qiáng)也不會(huì)激發(fā)光電子；大于紅限頻率的入射光 ， 光再弱也會(huì)激發(fā)光電子 。 單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)稱為光電流 ， 它與入射光的光強(qiáng)成正比 。 對(duì)光敏管 ， 即使陽極電壓為零也會(huì)有光電流產(chǎn)生 。 欲使光電流為零必須加負(fù)向的截止電壓 ， 截止電壓應(yīng)與入射光的頻率成正比 。 利用外光電效應(yīng)制成的光電器件有真空光電管 、 充氣光電管和光電倍增管 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 2） 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光的作用下 ， 電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài) ， 引起物體電阻率的變化 ， 這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng) 。由于這里沒有電子從物體向外發(fā)射 ， 僅改變物體內(nèi)部的電阻或電導(dǎo) ， 與外光電效應(yīng)對(duì)照 ， 有時(shí)也稱為內(nèi)光電效應(yīng) 。 光電導(dǎo)效應(yīng)是由于在光線的照射下 ， 半導(dǎo)體中的原子受激發(fā)成為自由電子或空穴 ， 它們參加導(dǎo)電使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加了 。與外光電效應(yīng)一樣 ， 要產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng) ， 也要受到紅限頻率限制 。 利用光電導(dǎo)效應(yīng)可制成半導(dǎo)體光敏電阻 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 3） 在光的作用下 ， 能夠使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng) 。 光生伏特效應(yīng)是由于在光線照射下 ， ＰＮ結(jié)附近被束縛的價(jià)電子吸收光子能量 ， 受激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì) 。 在內(nèi)電場(chǎng)的作用下 ， 空穴移向Ｐ區(qū) ， 電子移向Ｎ區(qū) ， 使Ｐ區(qū)帶正電 ， Ｎ區(qū)帶負(fù)電 ， 于是在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) 。 利