【正文】 一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。(其中，測量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。壓電傳感器的實際等效電路 （a） 電壓源。當考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖515所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。 （b） 電荷源 當兩極板聚集異性電荷時，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為 因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖 (b)。4﹑壓電加速度傳感器的等效電路當壓電晶體承受應力作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。固有共振頻率3﹑壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種。式中，——電荷值；——壓電常數(shù)；——質(zhì)量塊質(zhì)量；——物體振動加速度；——重力加速度；——晶片電極面面積；——恒應力下的介電常數(shù)。式中——電荷值；——壓電常數(shù)；——質(zhì)量塊質(zhì)量；——物體振動加速度；——重力加速度。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。 壓電加速度傳感器1﹑壓電加速度傳感器的工作原理當加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)， 即 F=ma式中：F—質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力；m—質(zhì)量塊的質(zhì)量；a—加速度。1﹑壓電效應在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機械力而產(chǎn)生變形時，就會引起它內(nèi)部正負電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導致其兩個相對表面(極化面)上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，這種效應稱為壓電效應。 教學內(nèi)容4. 了解各類壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應用。2．掌握掌握常用壓電材料。壓電傳感器216。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系, 所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓, 即可得知被測壓力的大小。 圖48 變隙電感式傳感器結(jié)構(gòu)圖當被測壓力進入C形彈簧管時, C形彈簧管產(chǎn)生變形, 其自由端發(fā)生位移, 帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動, 使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、 符號相反的變化, 即一個電感量增大, 另一個電感量減小。當壓力進入膜盒時, 膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。 螺管形差動變壓器非電量測量中, 應用最多的是螺線管式差動變壓器, 它可以測量1～100mm范圍內(nèi)的機械位移, 并具有測量精度高, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)簡單, 性能可靠等優(yōu)點。Π形差動變壓器的輸出特性差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙式、 變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。 五﹑差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。 為了使輸出特性能得到有效改善, 構(gòu)成差動的兩個變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、 材料、電氣參數(shù)等方面均應完全一致。當銜鐵往上移動Δδ時, 兩個線圈的電感變化量ΔLΔL2分別由及表示, 當差動使用時, 兩個電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂, 另兩個橋臂由電阻組成, 電橋輸出電壓與ΔL有關(guān), 其具體表達式為 靈敏度K0為 比較單線圈和差動兩種變間隙式電感傳感器的特性, 可以得到如下結(jié)論:  ① 差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。為了減小非線性誤差, 實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。 二、輸出特性設(shè)電感傳感器初始氣隙為, 初始電感量為, 銜鐵位移引起的氣隙變化量為, 從式，可知與δ之間是非線性關(guān)系, 特性曲線如圖表示。 通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻, 即則磁阻可近似為聯(lián)立式以上各式, 可得 上式表明, 當線圈匝數(shù)為常數(shù)時, 電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù), 只要改變δ或S0均可導致電感變化, 因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積S0的傳感器。對于變隙式傳感器, 因為氣隙很小, 所以可以認為氣隙中的磁場是均勻的。 根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定: 式中：—線圈總磁鏈；—通過線圈的電流；—線圈的匝數(shù)；Φ—穿過線圈的磁通。鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成, 在鐵芯和銜鐵之間有氣隙, 氣隙厚度為δ, 傳感器的運動部分與銜鐵相連。 教學內(nèi)容一、工作原理變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。4. 了解電動式傳感器的原理。2．掌握差動式電感傳感器的工作原理。變磁阻式傳感器216。4. 光纖電流傳感器（了解）第五章 變磁阻式傳感器第五章光纖聲壓傳感器利用了雙路光纖干涉原理制成的。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。光纖耦合器可分標準耦合器 （雙分支，單位12，亦即將光訊號分成兩個功率）、星狀／樹狀耦合器、以及波長多工器（WDM，若波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬於DWDM），制作方式則有燒結(jié)（Fuse）、微光學式（Micro Optics）、光波導式（Wave Guide）三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)（約有90％）。這些分開的光束沿不同光路傳輸之后，又重新合路并激勵光敏檢測器。特點：結(jié)構(gòu)上都由空氣光路和多個光學器件（分光束和平面鏡）組合而成。 相位調(diào)制型光纖傳感器 基本原理基本換能機理：在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒猓虼郎y能量場的作用，而產(chǎn)生相位調(diào)制。 反射型光纖傳感器的結(jié)構(gòu) 圖2 位移——輸出信號曲線 光纖測壓傳感器 移動光柵光纖傳感器 微彎光纖傳感器以上各節(jié)要求了解。利用這條特性曲線可以通過對光強的檢測得到位移量。顯然，當光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強為零。原理：光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接受到的光源與反射體表面性質(zhì)、反射體到光纖探頭距離有關(guān)。光纖傳感器結(jié)構(gòu)：反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。相位型光纖傳感器的優(yōu)點是靈敏度高，但其機構(gòu)及檢測手段復雜。3﹑從傳感器機理上來說：光纖傳感器可分為振幅型（也叫強度型）和相位型（也叫干涉儀型）兩種。1﹑按折射率變化類型分類：階躍折射率光纖和漸變折射率光纖。3. 傳播損耗光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光強發(fā)生衰減，通常用傳播率A來表示傳播損耗:式中為光纖長度，為輸出端光強，為輸入端光強。光纖V值越大,則光纖所能擁有的,即允許傳輸?shù)哪Ｊ?不同的離散波)數(shù)越多。～13176。數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響。這個角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。光纖的幾個重要參數(shù)臨界角θi0為：θi0=arcsin(n2/n1)（2）當θi＞θi0并繼續(xù)增大時，θr＞90186。時，θi仍＜90186。s law)：光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即n1n2時，θr＞θi。：尼龍或其他有機材料，提高機械強度，保護光纖。：直徑100－200um，折射率略低于纖芯。216。3．掌握強度型光纖傳感器和干涉型光纖傳感器的基本原理。 教學要求1．掌握光導纖維的組成和光在光纖中傳播的原理。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。(c)采用放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動和較低頻率的裝置中。光電耦合器的特點：(a) 結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于工作頻率50kHz以下的裝置。以光為媒介進行耦合來傳遞電信號，可實現(xiàn)電隔離，在電氣上實現(xiàn)絕緣耦合，因而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。熱釋電傳感器光電閘流晶體管半導體色敏傳感器 當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。4﹑溫度特性開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。光電池的頻率特性就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。硅光電池應用的范圍400nm—1200nm，峰值波長在800nm附近，因此可在很寬的范圍內(nèi)應用。負載電阻RL越小，光電流與照度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。工作原理：當光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差——光生電動勢。目前，應用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。光電池光電池是利用光生伏特效應直接把光能轉(zhuǎn)變成電能的器件，又稱為太陽能電池。真空光電管一般工作于飽和部分。伏安特性：在一定的光照射下，對光電管的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系——是應用光電傳感器的主要依據(jù)參數(shù)。例如：銻銫陰極，其紅限λ0=700nm，它對紫外線和可見光范圍的入射光靈敏度比較高，適用于白光光源和紫外光源。同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系稱為光電管的光譜特性。光照特性曲線的斜率(光電流與入射光光通量之間比)稱為光電管的靈敏度。光電管的基本特性光照特性：通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系。檢測時首先選一塊黑布遮住起接收窗口，將萬用表置R*1K擋，兩表筆任意接兩管腳，測得結(jié)果其表針都不動（電阻無窮大），在移去遮光布，萬用表指針向右偏轉(zhuǎn)至15K~35K，其向又偏轉(zhuǎn)角度越大說明其靈敏度越高。然后去掉遮光黑布，光電二極管接收窗口對著光源，此時萬用表表針應向右偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度大小說明其靈敏度高低，偏轉(zhuǎn)角度越大，靈敏度越高。光電二極管檢測：首先根據(jù)外殼上的標記判斷其極，外殼標有色點的管腳或靠近管鍵的管腳為正極，另一管腳為負載。光電二極管與光電三極管外殼形狀基本相同，其判定方法如下：遮住窗口，選用萬用表R*1K擋，測兩管腳引線間正、反向電阻，均為無窮大的為光電三極管。 光電三極管因輸入信號為光信號，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個引腳線。光電二極管和普通二極管一樣具有一個PN結(jié)，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，在電路圖中文字符號一般為VD。7）電阻溫度系數(shù)：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1℃時，其電阻值的相對變化。5）暗電流(mA)：指在無光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。3）最高工作電壓(V)：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。光敏電阻器的主要參數(shù)1）亮電阻（kΩ）：指光敏電阻器受到光照射時的電阻值。 ● 紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線探測儀器。 1）按制作材料分類：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（CdS）、硒化鎘(CdSe) 、硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、銻化銦(InSb) 光敏電阻器等。作用與應用：廣泛應用于各種自動控制電路（如自動照明燈控制電路、自動報警電路等）、家用電器（如電視機中的亮度自動調(diào)節(jié),照相機的自動曝光控制等）及各種測量儀器中。特性：光敏電阻器是利用半導體光電導效應制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感，它的電阻值能隨著外界光照強弱（明暗）變化而變化。 因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統(tǒng)，并通過進一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結(jié)構(gòu)圖。它由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件。還有一種是電子管類型的光電管，它的工作原理用堿金屬（如鉀、鈉、銫等）做成一個曲面作為陰極，另一個極為陽極，兩極間加上正向電壓，這樣當有光照射時，堿金屬產(chǎn)生電子，就會形成一束光電子電流，從而使兩極間導通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間斷開。常見的半導體材料有硅、鍺等。當光照強度增加時，PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增多，如果二極管反偏，則反向電流增大，因此，光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升。光電管原理是光電效應。使用時應注意不要超過器件最大允許的功耗。伏安特性在一定的光照下，對光電器件所加端電壓與光電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。光譜特性在入射光照度一定時，光電元件的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種材料只對一定波長范圍的人射光敏感，這就是光譜特性。噪聲等效功率NEP，單位信噪比時的信號光功率。通量閾指探測器所能探測的最小光信號功率。頻率靈敏度Rf: 如果入射光是強度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流將隨調(diào)制頻率f的升高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf 。 光傳感器的特性表示法光電探測器的性能參數(shù)主要的有：積分靈敏度R，光譜靈敏度Rλ，頻率靈敏度Rf，量子效率η，通量閾Pth和噪聲等效功率NEP，歸一化探測度D* 等。電介質(zhì)在外加電場的作用下會產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象即會使電介質(zhì)的一個表面帶有正電荷而另一個表面帶有負電荷?；趥?cè)向光電效應的有反轉(zhuǎn)光敏二極管?；诠怆妼挠泄饷綦娮琛?cè)向光電效應是當光電器件敏感面受光照不均勻時，受光激發(fā)而產(chǎn)生的電子空穴對的濃度也不均勻，電子向未被照射部分擴散，引起光照部分帶正電、未被光照部分帶負電的一種現(xiàn)象。光生伏特效應又可分為勢壘效應（結(jié)光電效應）和側(cè)向光電效應。能量對應于禁帶寬度的光子的波長稱光電導效應的臨界波長。內(nèi)光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應兩類。光電效應：它是光照射到某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)的電特性發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象，可分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩類。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)