传感器的转换基础学习知识原理.doc

!- 传感器的转换原理（第二章） 1传感器的概述 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。如在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等，在超声波技术中则强调的是能量的转换，如压电式换能器。这些提法在含义上有些狭窄，而传感器一词是使用最为广泛而概括的用语。 1.1 传感器技术的特点 ① 涉及多学科与技术，包括材料科学，机密机械、微电子、机械加工工艺、材料力学、弹性力学、计算机科学、物理学、生物化学、测试技术等。 ② 品种繁多，被测参数包括热工量、电工量、化学量、物理量、机械量、生物量、状态量等。 ③ 应具有高稳定性、高可靠性、高重复性、低迟滞、快响应和良好的环境适应性。 ④ 应用领域广泛，无论是高兴技术，还是传统产业，都需要应用大量的传感器。 ⑤ 应用要求千差万别，有的量大面广，有的专业性很强，有的要求高精度，有的要求高稳定性，有的要求高可靠性；有的要求耐振动，有的要求防爆等。 ⑥ 发展相对缓慢。研制一旦成熟，其生命力强，如应变式传感技术已有70年的历史，目前仍然占有重要的地位。 1.2 传感器技术发展趋势 近年来传感器技术发展的主要趋势表现在一下5个方面。 1) 新材料、新功能的开发应用 传感器材料是传感器技术的重要基础，无论是何种传感器，都要选择恰当的材料来制作，而且要求多用的材料具有优良的机械特性，不能有材料缺陷。近年来，在传感器技术领域，所应用的新型材料主要有以下几类。 ① 半导体硅材料 包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等。由于硅材料具有相互兼容、优良的电学特性和机械特性，因此面采用硅材料研制出各种类型的硅微结构传感器。 ② 石英晶体材料 包括压电石英晶体和熔凝石英晶体（又称石英玻璃），它具有极高的机械品质因数和非常好的温度稳定性。同时，天然的石英晶体还具有良好的压电特性。因此，可采用石英晶体材料来研制各种微型化的高精密传感器。 ③ 功能陶瓷材料 近年来，一些新型传感器是利用某些精密陶瓷材料的特殊功能来达到测量目的的，因此，探索一直材料的新功能或研究具有新功能的新材料都对研制这类新型配方，制造出多要求性能的功能材料。例如气体传感器的研制，就可以用不同配方混合的原料，在精密调制化学成分的基础上，经高精度成型烧结而成为对某一种气体进行识别的功能识别陶瓷，用以制成新型气体传感器。这种功能陶瓷材料的进步意义非常大，因为尽管半导体硅材料以广泛用于制作各种传感器，但它存在工作上限温度低的缺点，限制了其应用范围。按上述方法可自由配方烧结而成的功能陶瓷材料不仅具有半导体材料的特点，而且其工作温度上限很高，大大拓宽了其应用领域。所以开发新型功能材料是发展传感技术的关键之一。 此外，一些化合物半导体材料、复合材料、薄膜材料、形状记忆合金材料等在传感器技术中叶得到了成功的应用。 2) 微机械加工工艺的发展 传感器有逐渐小型化、微型化的趋势，这些为传感器的应用带来了许多方便。以IC制造技术发展起来的为机械加工工艺可是被加工的敏感材料的尺寸达到微米、亚微米级，并可以批量生产，从而制造出微型化而价格便宜的传感器。为机械加工工艺主要包括以下几类。 ① 平面电子加工工艺技术，如光刻、扩散、沉积、氧化、溅射等。 ② 选择性的三维刻蚀工艺技术，如各向异性腐蚀技术、外延技术、牺牲层技术、LIGA技术（X射线深层光刻，电铸成型，注塑工艺的组合）等。 ③ 固相键合工艺技术，如Si-Si键合，它是通过对两个需要对接基片的表面进行活化处理，在室温下把两个热氧化硅片面对面地接触，再经一定温度退火即可使两硅片键合为一体。键合可以实现一体化结构，且强度、气密性好。 ④ 机械切割技术，制造硅微机械传感器时，是把多个芯片制作在一个基片上，因此，需要将每个芯片用分离切断技术分割开来，以避免损伤和残余应力。 ⑤ 整体封装工艺技术，讲传感器芯片封装于一个合适的腔体内，隔离外加干扰对传感器芯片的影响，使传感器工作于较理想的状态。 3) 传感器的多功能化发展 一般的传感器多为单个参数测量的传感器，近年来，出现了利用一个传感器实现多参数测量的多功能传感器。如一种同时检测Na+，K+，H+离子的传感器，可检测血液中的钠、钾和氢离子的浓度，对诊断心血管疾病非常有意义。该传感器的尺寸为2.5mm0.5mm0.5mm，可直接用导管送到心脏内进行检测。 4) 传感器的智能化发展 对着微处理器技术的进步，传感器技术正在向智能化方向发展，这也是信息技术发展的必然趋势。所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的功能与微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起的传感器。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，股可以方便的对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等；同时实现必要的自我诊断、自检测，以及通信与控制等功能。 此外，近年来，一些专家、学者提出了模糊传感器、符号传感器等新概念。 5) 传感器模型及其仿真技术 针对传感器技术的发展特点，传感器技术充分体现了综合性。涉及敏感元件输入输出特性规律的参数越来越多、影响传感器输入输出特性的环节越来越多。因此，分析、研究传感器的特性，设计、研制传感器的过程，甚至在选用、对比传感器时，都要对传感器的工作机理经行有针对性的建立模型和进行深入细致的模拟计算。 总之，近年来传感器技术得到了较快的发展，同时推动者各个领域的发展与进步。有理由相信：传感器技术的发展，必将为信息技术领域及其他技术领域的新发展、新进步带来新的动力和活力。 2 信息获取与信息感知 2.1 信息获取 2.1.1 信息获取的基本概念 信息是事物运动的状态与方式，是事物的一种属性。自然界的一切都在运动着，都在不停地传递着各种各样的信息。所谓信息获取是指人类从自然界或潜在的信息源获取信息，经感知、转换、处理、传输、识别、理解、判断、归纳等过程，转化为人们认识信息源运动状态与方式的依据。人类依靠五官获取信息，而传感器作为五官的延伸，成为获取信息的工具。 信息理论是研究信息的产生、获取、度量、变换、传输、处理、识别和应用的一门科学。信息的产生与获取主要依赖于信息源。按照信息论分类，信息源主要分三类： ① 自然信息源 自然信息员是物理、化学、生物、天体和和地学现象产生的自然信息。自然信息的获取主要 依赖于传感器或传感系统与装备。 ② 社会信息源 社会信息源包括经济、政治、金融、管理和市场等各种信息。社会信息主要靠社会调查，并经数学方法处理后获得。 ③ 知识信息源 知识信息源是古今中外留存下来的知识和专家的经验中包含的大量信息。主要靠各种记录媒 介和知识工程方法获取。 2.1.2 传感器的任务是信息感知 传感器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期间或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是感知信息源信息的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受到的信息转换成适于传输或测量的电信号部分。所以，传感器的任务是感知信息，是遵循一定的规律将信息源的信号转换成便于识别和分析处理的物理量或信号的装置。大多数传感器是将各种自然信息转换成电气量，如电压或电流信号等。 传感器作为实用的器件，应该满足一些必须的条件： ① 输出信号与被测对象之间具有唯一确定的英国关系； ② 输出信号是被测对象参数的单值函数； ③ 输出信号具有尽可能宽的动态范围和良好的响应特性； ④ 输出信号具有足够高的分辨率，可以获得被测的预选对象微小变化的信息； ⑤ 输出信号具有比较高的信号噪声比； ⑥ 对被测对象的扰动尽可能小，尽可能不消耗被测系统的能量，不改变被测系统原有状态； ⑦ 输出信号能够与电子学系统或光学系统匹配，是与传输和处理； ⑧ 性能稳定，不受非测量参数因素的影响； ⑨ 便于加工制造。 2.2 传感器涉及的基础理论 2.2.1 传感技术正在成为多学科交汇点 传感技术是关于自然信息源获得信息，并对之进行处理和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划涉及、开发、制造、测试、应用及评价改进等活动。现实世界的信息是通过传感器获得的，与人们的生活息息相关。各种物理量、化学量或生物量的传感器已大举进入工业自动化、汽车工业、航天、生物、医学、军事等应用领域，且在无线通信、消费品、农业领域也有着广泛的发展空间。传感器的种类繁多，传感技术几乎涉及现代科技的所有领域的各种理论知识。 2.2.2 自然规律是传感技术的理论依据 传感器的任务是信息感知，其理论依据是涉及现实感受并转换信息、增强感受信息、提升识别理解信息的能力的各种自然规律以及物理、化学、生物、数学等学科中与信息提取相关的定律、定理。它们可以归纳为四个方面： ① 自然界普遍适用的自然规律； ② 物质相互作用的效应原理； ③ 实现效应的功能材料； ④ 相关技术学科的前沿技术。 2.2.3 传感理论基础 传感器要正确执行其功能，获得良好的性能，必须遵守和利用多种自然科学规律。凡是不符合自然科学规律的，是不可能成为传感器的。归纳已有的传感器情况，涉及的自然定律和基础理论有： 1) 自然界普遍适用的自然规律 ① 守恒定律。它包括能量守恒定律、动量守恒定律、电荷守恒定律等。 ② 关于场的定律。它包括动力场的运动定律、电磁感应定律和光的电磁场干涉定律等。 ③ 物质定律。它包括力学、热学、梯度流动的传输和量子现象等。 ④ 统计物理学法则。 2) 物质相互作用的效应原理及功能材料 传感技术涉及材料的研究开发工作，可以归纳为下述三个方向： ① 在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后是它们能够在传感器技术中得到实际适用。 ② 探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。 ③ 在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。 3) 测量及误差理论 传感器是一种测量器件，一个理想的传感器我们希望它们具有线性的输入输出关系。但由于敏感元件材料的物理性质缺陷和处理电路噪声等因素的影响，实际传感器输入输出总是存在非线性关系，存在着各式各样的误差。在测量系统中，传感器作为前段器件，其误差将直接影响测量系统的测量精度，所以传感器与测量及误差理论息息相关。 4) 信息论、系统论与控制论 系统论要求把食物当做一个整体或系统来研究，并用数学模型去描述和确定系统的结构和行 为；控制论事研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋势，控制系统的稳定，揭示不同系统的共同控制规律，是系统按照预定目标运行的科学技术；信息论是由美国数学家香农创立的，它是用概率论和数理统计方法，从量的方面来研究系统的信息是如何获取、加工、处理、传输和控制的一门科学。 5) 非线性科学理论 非线性科学目前有六个主要的研究领域，即：混沌、分形、模式形成、孤立子、元胞自动机 和复杂系统，而构筑多种多样学科的共同主题乃是所研究系统的非线性。 6) 相关学科定理、方法及其最新成果 传感技术是一个综合性交叉 ，它的应用更是无所不在，所以从物理、化学、生物、数学等基础学科到所有工程技术学科中涉及信息能量交换、信号处理的理论、定律、方法及其最新发展成果都将影响传感技术的发展。 3 传感器的组成和分类 3.1 传感器的组成 传感器的输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中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分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此，信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。传感器组成框图如图1 - 1所示。 图1 传感器组成框图 3.2 传感器的分类 从量值变换这个观点出发，对每一种（物理）效应都可在理论上或原理上构成一类传感器，因此，传感器的种类繁多。在对非电量的测试中，有的传感器可以同时测量多种参量，而有时对一种物理量又可用多种不同类型的传感器进行测量。目前采用较多的传感器分类方法主要有以下几种。 1）按被测物理量分类 这种方法明确表明了传感器的用途，便于使用者选择，如位移传感器用于位移测量等。 2）按传感器工作原理分类 这种方法表明了传感器的工作原理，有利于传感器学习和设计，如电感式传感器、电容式传感器等。 3）按传感器转换能量的情况分类 ①能量转换型 又称发电型，不需外加电源而被测能量转换成电能输出，这类传感器有压电式、热电偶、光电池等。 ②能量控制性 又称参量型，需外加电源才能输出电能量。这类传感器有电阻、电感、霍尔式等传感器，以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等。 4）按传感器工作机理分类 ①结构型 被测参数变化引起传感器的结构变化，使输出电量变化，利用物理学中场的定律和运动定律等构成，如电感式、电容式。 ②物性型 利用某些物质的某种性质随被测参数变化的原理构成。传感器的性能和材料密切相关，如压电传感器、各种半导体传感器等。 5）按传感器输出信号的形式分类 ①模拟式 传感器输出为模拟量。 ②数字式 传感器输出为数字量，如编码器式传感器。 3.2.1 基于自然规律的传感器 传感器是信息的源头技术，传感器之所以能够正确传递信息，具有信息转换功能，是因为它利用了自然规律中得各种定律、法则和效应。 3.2.1.1 守恒定律 守恒定律是自然界最重要也是最基本的定律，它是自然界普遍遵守的定律之一。即某一种物理量，它既不会自己产生，也不会自行消失，其总量守恒。包括：能量守恒定律、质量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、电荷守恒定律及信息守恒定律等。它们的具体定义这里就不在赘述。 利用守恒定律可以构成传感器，器基本测量原理是以能量守恒定律、伯努利方程和流动连续性方程（皮托管）为基础。例如皮托管式风速传感器和螺旋桨风速传感器。 1．皮托管式风速传感器 皮托管是测压管，由于其结构简单，使用方便，理论研究完善而得到广泛应用。皮托管根据流体流动引起的压差进行流速检测。 标准皮托管是一根弯成直角的金属细管，它由感测头、外管、内管、管柱与全压、静压引出导管等组成。在皮托管头部的顶端，迎着来流开有一个小孔，小孔平面与流体流动方向垂直。在皮托管头部靠下游的地方，环绕管壁的外侧又开了多个小孔，流体流动的方向与这些小孔的孔面相切。顶端的小孔与侧面的小孔分别与两条互不相通的管路相连。进入皮托管顶端小孔的气流压力 (称为全压) ，除了流体本身的静压，还含有流体滞止后由动能转变来的那部分压力，而进入皮托管侧面小孔的气流压力仅仅是流体的静压，根据全压和静压即可求出动压，从而求出风速。 用皮托管只能测量某一点处的流速，而流体在管道中流动时，同一截面上各点的流速各不相同。在变风量末端装置中，由于管道截面较大，测量某一点的流速不能反映该截面的平均流速。实际上，人们采用一种变形的皮托管即均速管来测量流经末端装置的风速，对被测截面上各测点的动压取平均值，求取平均流速。 均速管也称为阿纽巴。一般用于圆形管道，用一根细的管子插入变风量装置的入口，将被测截面分成若干区域，在每个区域中心位置的细管上开小孔作为测点，迎着气流方向，这些孔就是全压测孔，同时,在另一根相同截面的细管的背流方向开一个或多个静压测压孔。变风量末端装置的皮托管式风速传感器本身不输出电信号，只能输出压差信号。用皮托管式风速传感器测出的压差与空气流速呈二次曲线关系，其数学表达式为： 式中：Δp——皮托管式风速传感器的输出压差，Pa； K ——皮托管式风速传感器放大系数，K值最大为3，一般 K ≤2； v ——测点处气流的速度，m/ s ; ——流体密度， 皮托管式风速传感器由铜管或不锈钢管制成，其外径越小对气流干扰越小，测量精度越高。一般来说，全压测孔的总面积应小于测压管总面积的3% ，为了保证传感器具有足够的刚度，一般测压管的外径与管道内径之比在0.04～0.09之间，测压管上全压测孔的直径应是测压管内径的0.2 ～0.3倍，且应在0.5～1.5mm 之间。 皮托管式风速传感器应具有抗堵塞性、抗偏流性和抗破坏性的能力。 在我国常用的几种皮托管式风速传感器的基本结构和特点见表1 基本结构及特点 结构一 平均风速十字分布 ,4 测孔布置 ,全压、静压测管重合 ,中心抽出压差测管 结构二 等面积十字分布 ,多测孔布局 ,全压、静压测管呈 45错位 , 中心 抽出压差测管 结构三 等面积一字分布 ,多测孔布局 ,全压、静压测管呈 90错位 ,端头 抽出压差测管 , 采用大开孔 ,不易造成测孔堵塞 ,测管直径随装置入口直径而变化 ,增加了传感器抗碰抗拉能力 结构四 等面积十字分布 ,多测孔布局 ,全压、静压测管重合 ,端头抽出压差测管 ,采用大开 孔 ,不易造成测孔堵塞 ,测管直径随装置入口直径而变化 ,增加了传感器抗碰抗拉能力。 结构五 半径中部十字分布 ,多测孔布局 ,中心抽出压差测管 注 :表中所列风速传感器的测压管材质均为铝合金。 表1 如采用标准皮托管，取空气密度= 1. 2，放大系数K = 0. 97，v = 1 m/ s时，测得的压差值是0.582Pa 。要将如此小的压差信号变送为电信号，还要保持其精度，就要采用昂贵的微压差传感器。因此不同厂家对皮托管式风速传感器均采用不同的压差输出增幅技术。当 K = 3，压差测量范围为0～200 Pa，测量精度为全量程 3%时，其误差值是6 Pa，折合成风速为1. 8 m/ s。对于放大系数为3的传感器，1. 8m/ s 以下的风速信号没有意义。同样，当 K = 3，压差测量范围为0～400Pa，测量精度为全量程 3 %时，风速传感器的误差值为 12 Pa。所测量的风速低于2. 58m/s时，其所测得的风速信号没有意义。皮托管式风速传感器的测量范围为 0 < p < 0. 4 kPa，当风速在4～16 m/ s 范围内时可保证适当的测量精度。 采用皮托管作为流速传感器，应满足下列要求： 1) 被测流体的流速不能太小 ,一般要求其全压测孔处雷诺数大于200； 2) 应避免皮托管对被测流体的干扰过大 ,保证皮托管的直径与被测管道的直径之比在 0. 04～0. 09 之间； 3) 被测管道的相对粗糙度应不大于 0. 01； 4) 测量时应保证全压测孔迎着流体的流动方向,并使其轴线与流体流动方向一致； 5) 防止测压孔堵塞。 2. 螺旋桨风速传感器 螺旋桨风速传感器由螺旋桨叶片、传感器轴、传感器支架及磁感应线圈等组成。它利用流动空气的动能来推动传感器的螺旋桨旋转，然后通过螺旋桨的转速求出流过末端装置的空气流速。螺旋桨风速传感器可以分成平行轴式和垂直轴式两种形式。 图2是一种平行轴式风速传感器，它由四片叶片组成。传感器支架内侧设置两组N 极和 S 极间隔排列的磁性物质，在不旋转的螺旋桨支架内侧的轴上设置一个固定磁极，当螺旋桨旋转时，固定磁极就可根据其感知的磁力线的变化，测出螺旋桨在单位时间内的旋转次数，从而根据传感器旋转次数与风速的关系计算出流过末端装置的风速。图3为该传感器转子的转速与迎面风速的关系曲线。 图2 螺旋桨风俗传感器基本构造 图3螺旋桨风俗传感器转子的转速与迎面风速的关系曲线 螺旋桨风速传感器属于非接触性传感器，它不受重力的影响,可安装在任何位置。且不像皮托管式风速传感器的测压孔可能被空气中的灰尘堵塞而失去测速作用，可靠性高。螺旋桨叶片的形状和表面光洁度，转子的质量以及转子轴承的阻力均影响风速测量性能。 螺旋桨风速传感器具有下列特点： 1) 利用磁石环抗磁芯子，不用接触就能检测出螺旋桨转子的转速，有良好的可靠性和耐久性，使用寿命长； 2) 利用飞散效果使空气中的尘粒无法附着在叶轮上，使尘粒对传感器部件的影响减至最小； 3) 轴承采用性能良好的树脂制作，在制造阶段进行了特殊处理，润滑油分散在轴承中，不需添加润滑油就可使用，使得轴承和叶轮长轴之间几乎没有磨损； 4) 几乎不需维护和保养。螺旋桨风速传感器的量程为1～10m/s，全量程范围内测量精度为1. 5%，最大误差为0.15 m/s。 3.2.1.2 场的定律——关于物质作用的定律 物理学上“场”的概念最早是由英国物理学家法拉第和麦克斯韦在电磁场理论的研究中确立的。场的定律，如电磁场感应定律、光电磁场干涉现象、动力场运动定律等，都是关于物质左右的客观规律。这些规律所揭示的是物体在空间排列和分布状态与某一时刻的作用有关的客观规律，一般可用物理方程给出。这些方程就是某些传感器工作的数学模型，而与这些定律有关的参数通常与物质的内部结构无关，与物质在空间的位置及分布状态与某时刻的左右有关。 利用场的定律构成的传感器，其性能由定律决定，与使用材料无关，下面就以差动变压器为例，简要介绍一下基于场定律的传感器工作原理。 1. 差动变压器 差动变压器是一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压装置。用于测量位移、压力、振动等非电量参量。它既可用于静态测量，也可用于动态测量。差动变压器的基本组成部分包括一个线框和一个铁心。 在线框上设置一个原绕组和两个对称的副绕组，铁心放在线框中央的圆柱形孔中。在原绕组中施加交流电压时，两个副绕组中就会产生感应电动势e1和e2。如果两个副绕组按反向串联(图1),则它的总输出电压u2=u21－u22≈e1－e2。当铁心处在中央位置时，由于对称关系，e1=e2，输出电压u2为零。如果铁心向右移动，则穿过副绕组 2的磁通将比穿过副绕组1的磁通多，于是感应电动势e2>e1，差动变压器输出电压u2不等于零,而且输出电压的大小与铁心位移x之间基本成线性关系,其特性如图2所示，呈V字形。用适当的测量电路测量,可以得到差动变压器输出与位移x成比例的线性读数。最常用的测量电路是差动整流电路，它把两个次级电压分别整流后，以它们的差作为输出。差动整流电路有电流输出型和电压输出型，前者用于连接低阻抗负载 的场合；电压输出型差动整流电路则用于连接高阻抗负载的场合。 2.差动变压器式位移变送器 　　由同心分布在线圈骨架上一初级线圈P，二个级线圈S1和S2组成，线圈组件内有一个可自由移动的杆装磁芯（铁芯），当铁芯在线圈内移动时，改变了空间的磁场分布,从而改变了初次级线圈之间的互感量M，当初级线圈供给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生了感应电动势，随着铁芯的位置不同，次级产生的感应电动势也不同，这样，就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。 差动变压器式传感器的优点是：测量精度高，可达0.1μm；线性范围大，可到100mm；稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移，或可能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量差动就是利用微小的变化放大成灵敏的信号，便于检测。 3.2.1.3 物质定律 物质定律是指各种物质本身内在的性质定律、法则、规律等。它们通常以固有的物理常数加以描述。如胡克定律、欧姆定律，各种效应等。这些定律都含有物质所固有的常数，即定律是定义各种物理常数的公式。 与物质所固有的物理常数有关的各种现象可以分为三大类：热平衡现象、传输现象和量子现象。 （1）热平衡现象 一个系统在没有外界影响的条件下，即外界对系统既不做功，又不传热的情况下，系统各个部分之间的能量以热量的形式而不是以功的形式进行交换，经过一定时间后，系统各部分将达到一种宏观物理量具有的不随时间变化的状态，这种现象就称为热平衡。 通过麦克斯韦关系式我们可知热平衡分为热平衡型一次效应和热平衡型二次效应。一次效应是由不同种类的能量所构成的关系是可逆的，而二次效应是没有逆效应的。 （2）传输现象 当系统中存在有强度量的差或者梯度时，相应的广延量就随时间而变化，即广延量流动，这种现象成为传输现象。例如，道题两端有点位差时，就有电流流动；物体有温度差时，就有热流流动；电容两端有电位差时，就有电荷累计等。这里以电容式传感器为例来介绍一下基于传输现象的传感器的工作原理。 x M a b d N 图4 电容式传感器，顾名思义，指的是电容与传感器的组合。它是传感器的其中一种，因而也是由敏感元件、传感元件、测量电路组成。所不同的是，它以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量的变化转化为电容量的变化，再经测量电路转换为电压、电流或频率，以达到检测或控制的目的。在过去，电容式传感器主要应用于位移、加速度、角度和振动等机械量的精密测量；现在多用于压力、压差、液位、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是：测量范围大；灵敏度高；动态响应好；小功率、高阻抗；机械损失小；结构简单，适应性强；但寄生电容影响大，而且变间隙式电容传感器存在非线性误差。 电容式传感器的分类也是多种多样的，按工作原理可分为变间隙式（变极距型）、变面积式、变介电常数式（变介质型）；按极板结构分为平板式和圆柱式；按被测量分为位移、压力、应力、湿度、温度等类型。 现在以平板电容器为例来说明其工作原理。 如图4所示，其电容为： x 0 C 当极板间距减小△d（令：△d=x）后的电容为: C1 = εS / (do – x) △ C / Co = (C1-C0) / C0 = x / (do – x ) 这是实际非线性关系。 灵敏度Sn= (△ C / Co) /x=1/(d0-x )当 x 相 对于 do 很小时可以近似为 : do – x ≈do 时， △ C / Co = x / do ，这是理想的线性关系。 理想情况下：Sn=1/d0 非线性误差： 图5 变极距型传感器的特性曲线 由上述可知，可以通过提高灵敏度和减小非线性误差的方法来改善电容式传感器的性能。但是影响电容式传感器的因素很多，温度、电容电场边缘效应和寄生或分布电容等等都会对电容式传感器产生影响。我们可以采取相应的措施来减少这些影响，如增大初始电容和加装等位环，静电屏蔽，电缆驱动...... 图6 运算放大器式电路原理图 图7差动式电容压力传感器结构图 电容式传感器的运放测量电路原理图如图6所示，图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压;Uo是输出信号电压; Σ是虚地点。（传感器为平板电容，Cx=εS/d）由运算放大器工作原理可得 此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。 电容式传感器的应用比较广，主要用于测量位移、压力、速度、介质、浓度、物位等物理量。相应地，产生了很多类型的电容式传感器，如电容式位移传感器、电容式压力传感器、电容式加速度传感器、电容式液位传感器等等。 现以电容压力传感器为例说明其应用。如图7中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 （3）量子现象 分子、原子、电子、光子、中子等微观客体遵循的物理学规律是微观规律，它所具有的各种现象，如物质分子和原子的能量是离散跳跃的，核磁共振、隧道效应、核辐射等，成为量子现象。根据量子相应可以设计制作量子电子器件。当半导体超晶格与量子井微结构的尺寸小于电子的德布罗意波长时，电子的量子波动行为就会表现出来，此时可产生处各种量子效应，如量子尺寸效应、量子隧道效应和量子干涉效应等。以此产生了如隧道二极管一类的量子电子器件。 3.2.2 基于基础效应的传感器 物质性传感器是利用某些物质的物理性质随外界待测量的作用而发生变化的原理制成的。它利用了诸多的效应和物理现象，如利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏等效应，把应变、适度、温度、唯一、磁场、煤气等被测量变换成电量。 3.2.2.1 光电效应 光电式传感器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光电效应一般分为外光电效应、 光电导效应和光生伏特效应。 1）外光电效应 在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。 众所周知，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量可由下式确定： E = hν 式中 h——普朗克常数， h = 6.62610-34(J. s) ν ——一光的频率 (s-1 ) 。 物体在光的照射下，电子吸收光子的能量后，一部分用于克服物质对电子的束缚，另一部分转化为逸出电子的动能。设电子质量为 m(m =9.109110-31 kg)，电子逸出物体表面时的初速度为v ，电子逸出功为 A，则据能量守恒定律有 E=1/2mv2+A 这个方程称为爱因斯坦的光电效应方程。从式可以看出，只有当光子的能量E大于电子逸出功 A时，物质内的电子才能脱离原子核的吸引向外逸出。 由于不同的材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言便有一个频率限，这个频率限称为红限频率。当入射光的频率低于红限频率时，无论入射光多强，照射时间多久，都不能激发出光电子；当入射的光频率高于红限频率时，不管它多么微弱，也会使被照射的物体激发电子。而且光越强，单位时间里入射的光子数就越多，激发出的电子数目越多，因而光电流就越大。光电流与入射的光强度成正比关系。 2）内光电效应 在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。 ①光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应。这种效应绝大多数的高电阻率半导体材料都存在，因为当光照射到半导体材料上时，材料中处于价带的电子吸收光子能量后，从价带越过禁带激发到导带，从而形成自由电子，同时，价带也会因此形成自由空穴，即激发出电子——空穴对，从而使导带的电子和价带的空穴浓度增加，引起材料的电阻率减小，导电性能增强，如图8所示。 图8 电子能级示意图 为了使电子从价带跃迁到导带，入射光的能量必须大于光电材料的禁带宽度Eg ，即光的波长应小于某一临界波长 λ0,λ0称为截止波长。 λ0 =hc/Eg 式中，Eg 以电子伏(eV)为单位 ( 1eV =1.601019 J) ；c 为光速(m /s)；h为普朗克常数，h=6.626 10-34 (Js)。 ②光生伏特效应 在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起 PN 结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。 当 PN结两端没有外加电压时，在 PN结势垒区存在着内电场，其方向是从 N区指向 P 区，如图9所示。当光照射到 PN结上时，如果光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能够从价带激发到导带成为自由电子，价带成为自由空穴。从而在 PN 结内产生电 子——空穴对。这些电子——空穴对在 PN 结的内部电场作用下，电子移向 N 区，空穴移向 P 区，电子在 N 区积累，空穴在 P区积累，从而使 PN 结两端形成电位差，PN 结两端便产生了光生电动势。 图 9 PN 结产生光生伏特效应 光电式传感器是将光信号转换成电信号的光敏器件，它由光源、光学通路、光电元件构成。它可用于检测直接引起光强变化的非电量，如光强、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光电式传感器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在检测和控制领域获得广泛应用。 下面就介绍几种基于光电效应的传感器。 1. 光电管 ①光电管的结构 光电管由一个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央。真空光电管的结构如图10所示。 图 10 真空光电管的结构 ② 光电管的工作原理 当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串入一适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成电流Iφ，并在负载电阻RL上产生输出电压UOUT。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压UOUT与入射光通量Φ成正比，如图11所示。 图 11 光电管电路 2. 光电倍增管 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几微安，很不容易探测。为了提高光电管的灵敏度，这时常用光电倍增管对电流进行放大。 ① 光电倍增管的结构 光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成，如图12所示。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜—铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30 级，通常为 12 级～14 级。阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。 图 12 光电倍增管的结构 ② 光电倍增管的工作原理 光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电子叫做二次电子。 光电倍增管的光电转换过程为：当入射光的光子打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又打在电位较高的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极产生的二次电子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在整个回路里形成光电流IA，如图 13所示。 ③ 倍增系数M 倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数δi的乘积。 如果n个倍增电极的δi都一样，则 M=δin 因此，阳极电流I 为 I=iδin 式中:i—