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目录
4.1 常用传感器分类
4.2 机械式传感器及仪器
4.3 电阻式、电容式与电感式传感器
1.变阻器式传感器
2.电阻应变式传感器
3.固态压阻式传感器
4.典型动态电阻应变仪
4.3.2 电容式传感器
1.变换原理
2.测量电路
3.电容集成压力传感器
4.3.3 电感式传感器
1.自感型
2.互感型——差动变压器式电感传感器
4.4.1 磁电式传感器
1.动圈式
2.磁阻式
4.4.2 压电式传感器
1.压电效应
2.压电材料
3.压电式传感器及其等效电路
4.测量电路
5.压电式传感器的应用
4.4.3 热电式传感器
1.热电偶
2.热电阻传感器
(2)铜电阻
4.5 光电传感器
1.外光电效应
2.内光电效应
3.光生伏特效应
4.5.2 光电元件
1.真空光电管或光电管
2.光电倍增管
3.光敏电阻
4.光敏晶体管
4.5.3 光电传感器的应用
1.模拟量光电传感器
2.开关量光电传感器
工程测量中通常把直接作用于被测量,并能按一定方式将其转换成同种或别种量值输出的器件,称为传感器。
传感器是测试系统的一部分,其作用类似于人类的感觉器官。它把被测量,如力、位移、温度等物理量转换为易测信号或易传输信号,传送给测试系统的调理环节。因而也可以把传感器理解为能将被测量转换为与之对应的,易检测、易传输或易处理信号的装置。直接受被测量作用的元件称为传感器的敏感元件。
传感器也可认为是人类感官的延伸,因为借助传感器可以去探测那些人们无法用或不便用感官直接感知的事物,例如,用热电偶可以测得炽热物体的温度;用超声波换能器可以测得海水深度及水下地貌形态;用红外遥感器可从高空探测地面形貌、河流状态及植被的分布等。因此,可以说传感器是人们认识自然界事物的有力工具,是测量仪器与被测事物之间的接口。
在工程上也把提供与输入量有特定关系的输出量的器件,称为测量变换器。传感器就是输入量为被测量的测量变换器。
传感器处于测试装置的输入端,是测试系统的第一个环节,其性能直接影响整个测试系统,对测试精度至关重要。
4.1 常用传感器分类
传感器有多种分类方法。按被测物理量的不同,可分为位移传感器、力传感器、温度传感器等;按传感器工作原理的不同,可分为机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等;按信号变换特征也可概括分为物性型传感器与结构型传感器;根据敏感元件与被测对象之间的能量关系,也可分为能量转换型传感器与能量控制型传感器;按输出信号分类,可分为模拟式传感器和数字式传感器等。
物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如,水银温度计是利用了水银的热胀冷缩性质;压力测力计利用的是石英晶体的压电效应等。
结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。例如,电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化;电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。
能量转换型传感器也称无源传感器,是直接由被测对象输入能量使其工作的,例如热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情况下,由于被测对象与传感器之间的能量交换,必然导致被测对象状态的变化和测量误差。
图4-1能量控制型传感器工作原理
能量控制型传感器也称有源传感器,是从外部供给能量使传感器工作的(见图4-1),并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如,电阻应变计中电阻接于电桥上,电桥工作能源由外部供给,而由被测量变化所引起电阻变化来控制电桥输出。电阻温度计、电容式测振仪等均属此种类型。
另一种传感器是以外信号(由辅助能源产生)激励被测对象,传感器获取的信号是被测对象对激励信号的响应,它反映了被测对象的性质或状态,例如超声波探伤仪、γ射线测厚仪、X射线衍射仪等。
需要指出的是,不同情况下,传感器可能只有一个,也可能有几个换能元件,也可能是一个小型装置。例如,电容式位移传感器是位移→电容变化的能量控制型传感器,可以直接测量位移。而电容式压力传感器,则经过压力→膜片弹性变形(位移)→电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量→机械量的换能件,由它实现第一次变换;同时它又与另一极板构成电容器,用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速度计(也称力反馈式加速度计),实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统,如图4-2所示。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。
图4-2伺服式加速度计框图
表4-1汇总了机械工程中常用传感器的基本类型及其名称、被测量、性能指标等。
4.2 机械式传感器及仪器
机械式传感器应用很广。在测试技术中,常常以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量,而输出则为弹性元件本身的弹性变形(或应变)。这种变形可转变成其他形式的变量,例如被测量可放大而成为仪表指针的偏转,借助刻度指示出被测量的大小。图4-3便是这种传感器的典型应用实例。
图4-3 典型机械式传感器
机械式传感器做成的机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。但弹性变形不宜大,以减小线性误差。此外,由于放大和指示环节多为机械传动,不仅受间隙影响,而且惯性大,固有频率低,只宜用于检测缓变或静态被测量。
为了提高测量的频率范围,可先用弹性元件将被测量转换成位移量,然后用其他形式的传感器(如电阻、电容、电涡流式等)将位移量转换成电信号输出。
弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象。材料的蠕变与承载时间、载荷大小、环境温度等因素有关。而弹性后效则与材料应力-松弛和内阻尼等因素有关。这些现象最终都会影响到输出与输入的线性关系。因此,应用弹性元件时,应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取有效措施来改善上述诸现象产生的影响。
近年来,在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型探测开关亦被看作机械式传感器。这种开关能把物体的运动、位置或尺寸变化,转换为接通、断开信号。图4-4表示这种开关中的一种。它由两个簧片组成,在常态下处于断开状态。当它与磁性块接近时,簧片被磁化而接合,成为接通状态。只有当钢制工件通过簧片和电磁铁之间时,簧片才会被磁化而接合,从而表达了有一件工件通过。这类开关,可用于探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等。
图4-4 微型探测开关
4.3 电阻式、电容式与电感式传感器
电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。
1.变阻器式传感器
变阻器式传感器亦称为电位计式传感器,它通过改变电位器触点位置,实现将位移转换为电阻R的变化。其表达式为
式中 ρ——电阻率(Ω·mm2/m);
l——电阻丝长度(m);
A——电阻丝截面积(mm2)
如果电阻丝直径和材质一定,则电阻值随导线长度而变化。
常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等,如图4-5所示。图4-5a为直线位移型。触点C沿变阻器移动。若移动x,则C点与A点之间的电阻值为
R=klx
传感器灵敏度为
式中 kl——单位长度的电阻值。
当导线分布均匀时,kl为一常数。这时传感器的输出(电阻)R与输入(位移)x呈线性关系。
图4-5b为角位移型变阻器式传感器,其电阻值随电刷转角而变化。其灵敏度为
式中 α——电刷转角(rad);
kα——单位弧度所对应的电阻值。
图4-5c是一种非线性型变阻器式传感器,或称为函数电位器。其骨架形状根据所要求的输出f(x)来决定。例如,输出f(x)=kx2,其中x为输入位移,为要使输出电阻值R(x)与f(x)呈线性关系,变阻器骨架应做成直角三角形。如果输出要求为f(x)=kx3,则应采用抛物线形骨架。
变阻器式传感器的后接电路,一般采用电阻分压电路,如图4-6所示。在直流激励电压ue的作用下,
传感器将位移变成输出电压的变化。当电刷移动x距离后,传感器的输出电压uo可用下式计算,即
式中 RP——变阻器的总电阻;
xP——变阻器的总长度;
RL——后接电路的输入电阻。
式(4-3)表明,只有当RP/RL趋于零,输出电压uo才与位移呈线性关系。计算表明,当RP/RL<0.1时,非线性误差小于满刻度输出的1.5%。
变阻器式传感器的优点是结构简单、性能稳定、使用方便;缺点是分辨力不高,因为受到电阻丝直径的限制。提高分辨力需使用更细的电阻丝,其绕制较困难。所以变阻器式传感器的分辨力很难小于20μm。
由于结构上的特点,这种传感器还有较大的噪声,电刷和电阻元件之间接触面变动和磨损、尘埃附着等,都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化,从而产生噪声。
变阻器式传感器被用于线位移、角位移测量,在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。
2.电阻应变式传感器
电阻应变式传感器可以用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数,具有体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等优点,在航空、船舶、机械、建筑等行业里获得了广泛应用。
图4-7 电阻丝应变片
电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。
(1)金属电阻应变片 常用的金属电阻应变片有丝式、箔式两种。其工作原理是基于应变片发生机械变形时,其电阻值发生变化。
金属丝电阻应变片(又称电阻丝应变片)出现的较早,现仍在广泛使用。其典型结构如图4-7所示。把一根具有高电阻率的金属丝(康铜或镍铬合金,直径约为0.025mm)绕成栅形,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间,由引出线接于后续电路。
金属箔式应变片则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅系用光刻成形,适用于大批量生产。其线条均匀,尺寸准确,阻值一致性好。箔片厚度为1~10μm,散热好,粘接情况好,传递试件应变性能好。因此目前使用的多为金属箔式应变片。箔式应变片还可以根据需要制造成多种不同形式。多栅组合片又称为应变花,图4-8表示几种常用的箔式应变片。
图4-8 箔式应变片
把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下,电阻丝即随同物体一起变形,其电阻值发生相应变化,由此,将被测量的变化转换为电阻变化。由于电阻值R=ρl/A,其长度l、截面积A、电阻率ρ均将随电阻丝的变形而变化。而l、A、ρ的变化将导致电阻R的变化。当每一可变因素分别有一增量dl、dA和dρ时,所引起的电阻增量为
式中 A=πr2,r为电阻丝半径,所以电阻的相对变化为
式中 dl/l=ε——电阻丝轴向相对变形,或称纵向应变;
dr/r——电阻丝径向相对变形,或称横向应变;
——电阻丝电阻的相对变化,与电阻丝轴向所受正应力σ有关。
其中 E——电阻丝材料的弹性模量;
λ——压阻系数,与材质有关。
当电阻丝沿轴向伸长时,必沿径向缩小,两者之间的关系为
式中 ν——电阻丝材料的泊松比。 将式(4-6)、式(4-7)代入式(4-5)中,则有
分析式(4-8),(1+2ν)ε项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的,对于同一种材料,(1+2ν)项是常数。λEε项则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的,对于金属丝来说,λE是很小的,可忽略。这样式(4-8)可简化为
式(4-9)表明了电阻相对变化率与应变成正比。一般用比值Sg表征电阻应变片的应变或灵敏度,即
用于制造电阻应变片的电阻丝的灵敏度Sg多在1.7~3.6之间。几种常用电阻丝材料物理性能见表4-2。
| 材料名称 | 成分质量分数 | 灵敏度 | 电阻率 /Ω·mm2·m-1 | 电阻温度系数 /10-6℃-1 | 线胀系数 /10-6℃-1 | |
| 元素 | % | Sg | ||||
| 康铜 | Cu Ni | 57 43 | 1.7~2.1 | 0.49 | -20~20 | 14.9 |
| 镍铬合金 | Ni Cr | 80 20 | 2.1~2.5 | 0.9~1.1 | 110~150 | 14.0 |
| 镍铬铝合金 | Ni Cr Al Fe | 73 20 3~4 余量 | 2.4 | 1.33 | -10~10 | 13.3 |
表4-2 常用电阻丝应变片材料物理性能
图4-9 半导体应变片
一般市售电阻应变片的标准阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等。其中以120Ω最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。
(2)半导体应变片 半导体应变片最简单的典型结构如图4-9所示。半导体应变片的使用方法与金属电阻应变片相同,即粘贴在被测物体上,随被测试件的应变其电阻发生相应变化。
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时,其电阻率ρ发生变化的现象。
从半导体物理可知,半导体在压力、温度及光辐射作用下,能使其电阻率ρ发生很大变化。
分析表明,单晶半导体在外力作用下,原子点阵排列规律发生变化,导致载流子迁移率及载流子浓度的变化,从而引起电阻率的变化。
根据式(4-8),(1+2ν)ε项是由几何尺寸变化引起的,λEε是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言,λEε项远远大于(1+2ν)ε项,它是半导体应变片的主要部分,故式(4-8)可简化为
这样,半导体应变片灵敏度为
这一数值比金属丝电阻应变片大50~70倍。
以上分析表明,金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于:前者利用导体形变引起电阻的变化,后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。
几种常用半导体材料特性见表4-3,从表中可以看出,不同材料,不同的载荷施加方向,压阻效应不同,灵敏度也不同。
表4-3几种常用半导体材料特性
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高,这为它的应用提供了有利条件。另外,由于机械滞后小、横向效应小以及它本身的体积小等特点,扩大了半导体应变片的使用范围。其最大缺点是温度稳定性能差、灵敏度离散度大(由于晶向、杂质等因素的影响)以及在较大应变作用下,非线性误差大等,这些缺点也给使用带来一定困难。
目前国产的半导体应变片大都采用P型硅单晶制作。随着集成电路技术和薄膜技术的发展,出现了扩散型、外延型、薄膜型半导体应变片。它们在实现小型化、集成化以及改善应变片的特性等方面有积极的促进作用。
近年,已研制出在同一硅片上制作扩散型应变片和集成电路放大器等,即集成应变组件,这对于在自动控制与检测中采用微处理技术将会有一定推动作用。
(3)电阻应变式传感器的应用实例 电阻应变式传感器有以下两种应用方式。
1)直接用来测量结构的应变或应力。例如,为了研究机械结构、桥梁、建筑等的某些构件在工作状态下的受力、变形情况,可利用不同形状的应变片,粘贴在构件的预定部位,可以测得构件的拉、压应力、扭矩及弯矩等,为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的测试数据。几种实用例子如图4-10所示。图4-10a为齿轮轮齿弯矩的测量;图4-10b为飞机机身应力测量;图4-10c为液压立柱应力测量;图4-10d为桥梁构件应力测量。
图4-10构件应力测定的应用实例
2)将应变片贴于弹性元件上,作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下,弹性元件得到与被测量成正比的应变,再由应变片转换为电阻的变化。其中,加速度传感器由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时,基座固定在振动体上。悬臂梁相当于系统的“弹簧”。工作时,梁的应变与质量块相对于基座的位移成正比。在后续内容中将介绍在一定的频率范围内,其应变与振动体加速度成正比。贴在梁上的应变片把应变转换为电阻的变化,再通过电桥转换为电压输出。
必须指出,电阻应变片测出的是构件或弹性元件上某处的应变,而不是该处的应力、力或位移。只有通过换算或标定,才能得到相应的应力、力或位移量。有关应力—应变换算关系可参考有关专门书籍。
电阻应变片必须被粘在试件或弹性元件上才能工作。黏合剂和黏合技术对测量结果有着直接影响。因此,黏合剂的选择,黏合前试件表面加工与清理,黏合的方法和黏合后的固化处理、防潮处理都必须认真做好。
电阻应变片用于动态测量时,应当考虑应变片本身的动态响应特性。其中,限制应变片上限测量频率是所使用的电桥激励电源的频率和应变片的基长。一般上限测量频率应在电桥激励电源频率的1/5~1/10以下。基长越短,上限测量频率可以越高。一般基长为10mm时,上限测量频率可达25kHz。
应当注意到,温度的变化会引起电阻值的变化,从而造成应变测量结果的误差。由温度变化所引起的电阻变化与由应变引起的电阻变化往往具有同等数量级,绝对不能掉以轻心。因此,通常要采取相应的温度补偿措施,以消除温度变化所造成的误差。
电阻应变式传感器已是一种使用方便、适应性强、比较完备的器件。近年来半导体应变片技术日臻完善,使应变片电测技术更具广阔的应用前景。
3.固态压阻式传感器
固态压阻式传感器的工作原理与前述半导体应变片相同,都是利用半导体材料的压阻效应。区别在于,半导体应变片是由单晶半导体材料构成,是利用半导体电阻做成的粘贴式敏感元件。固态压阻式传感器中的敏感元件则是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻,所以亦可称为扩散型半导体应变片。这种元件是以单晶硅为基底材料,按一定晶向将P型杂质扩散到N型硅底层上,形成一层极薄的导电P型层。此P型层就相当于半导体应变片中的电阻条,连接引线后就构成了扩散型半导体应变片。由于基底(硅片)与敏感元件(导电层)互相渗透,结合紧密,所以基本上为一体。在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形状,如圆形杯或长方形梁等。这时基底就是弹性元件,导电层就是敏感元件。当有机械力作用时,硅片产生应变,使导电层发生电阻变化。一般这种元件做成按一定晶向扩散、四个电阻组成的全桥形式,在外力作用下,电桥产生相应的不平衡输出。
固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。
由于固态压阻传感器是用集成电路工艺制成的,测量压力时,有效面积可做得很小,可达零点几毫米,因此这种传感器频响高,可用来测量几十千赫的脉动压力。测量加速度的压阻式传感器,如恰当地选择尺寸与阻尼系数,可用来测量低频加速度与直线加速度。由于半导体材料的温度敏感性,因此,压阻式传感器的温度误差较大,使用时应有温度补偿措施。
4.典型动态电阻应变仪
图4-11表示动态电阻应变仪框图。图中,贴于试件上并接于电桥的电阻应变片在外力x(t)的作用下产生相应的电阻变化。振荡器产生高频正弦信号z(t),作为电桥的工作电压。根据电桥的工作原理可知,它相当于一乘法器,其输出应是信号x(t)与载波信号z(t)的乘积,所以电桥的输出即为调制信号xm(t)。经过交流放大以后,为了得到力信号的原来波形,需要相敏检波,即同步解调。此时由振荡器供给相敏检波器的电压信号z(t)与电桥工作电压同频、同相位。经过相敏检波和低通滤波以后,可以得到与原来极性相同,但经过放大处理的信号x(t)。该信号可以推动仪表或接入后续仪器。
图4-11 动态电阻应变仪框图
4.3.2 电容式传感器
1.变换原理
电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置,它实质上是一个具有可变参数的电容器。
由两个平行极板组成的电容器的电容量C为
式(4-13)表明,当被测量使d、A或ε发生变化时,都会引起电容C的变化。如果保持其中的两个参数不变,而仅改变另一个参数,就可把该参数的变化变换成电容量的变化。根据电容器变化的参数,电容器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三类。在实际应用中,极距变化型与面积变化型的应用较为广泛。
(1)极距变化型 根据式(4-13),如果电容器的两极板相互覆盖面积A及极间介质ε不变,则电容量C与极距δ成非线性关系,如图4-12所示。当极距有一微小变化量dδ时,引起电容的变化量dC为
由此可以得到传感器的灵敏度为
可以看出,灵敏度S与极距的二次方成反比,极距越小,灵敏度越高。显然,由于灵敏度随极距而变化,这将引起非线性误差。为了减小此误差,通常规定在较小的间隙变化范围内工作,以便获得近似线性关系。一般取极距变化范围为Δδ/δ0≈0.1。
极距变化型电容式传感器的优点是可进行动态非接触式测量,对被测系统的影响小;灵敏度高,适用于较小位移(0.01μm~数百微米)的测量。但这种传感器有非线性特性、传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精确度有影响,与传感器配合使用的电子线路也比较复杂,由于这些缺点,其使用范围受到一定限制。
(2)面积变化型 在变换极板面积的电容式传感器中,一般常用的有角位移型与线位移型两种。
图4-13a为角位移型,当动板有一转角时,与定板之间相互覆盖面积就发生变化,因而导致电容量变化。由于覆盖面积
式中 α——覆盖面积对应的中心角; r——极板半径。
所以电容量为
灵敏度为
此种传感器的输出与输入呈线性关系。
图4-13b为平面线位移型电容式传感器。当动板沿x方向移动时,覆盖面积变化,电容量也随之变化。其电容量
式中 b——极板宽度。 灵敏度为
图4-13c为圆柱体线位移型电容式传感器,动板(圆柱)与定板(圆筒)相互覆盖,其电容量为
式中 D——圆筒孔径; d——圆柱外径。 当覆盖长度x变化时,电容量C发生变化,其灵敏度为
面积变化型电容式传感器的优点是输出与输入呈线性关系,但与极距变化型相比,灵敏度较低,适用于较大直线位移及角位移测量。
(3)介质变化型
这是利用介质介电常数变化将被测量转换为电量的一种传感器,可用来测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。图4-14是这种传感器的典型应用实例。图4-14a是在两固定极板间有一个介质层(如纸张、电影胶片等)通过。当介质层的厚度、温度或湿度发生变化时,其介电常数发生变化,引起电极之间的电容量变化。图4-14b是一种电容式液位计,当被测液面位置发生变化时,两电极浸入高度也发生变化,引起电容量的变化。
2.测量电路
电容式传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后,由后续电路转换为电压、电流或频率信号。常用的电路有下列几种。
(1)电桥型电路 将电容式传感器作为桥路的一部分,由电容变化转换为电桥的电压输出,通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。图4-15是一种电感、电容组成的桥路,电桥的输出为一调幅波,经放大、相敏解调、滤波后获得输出,再推动显示仪表。
图4-14介质变化型电容式传感器应用例
(2)直流极化电路
此电路又称为静压电容传感器电路,多用于电容传声器或压力传感器。如图4-16所示,弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移,使电容量发生变化。电容器接于具有直流极化电压E0的电路中,电容的变化由高阻值电阻R转换为电压变化。由图可知,电压输出为
显然,输出电压与膜片位移速度成正比,因此这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度,进而得到压力。
(3)谐振电路 图4-17为谐振电路原理及其工作特性。电容传感器的电容Cx作为谐振电路(L2、C2//Cx或C2+Cx)调谐电容的一部分。此谐振回路通过电压耦合,从稳定的高频振荡器获得振荡电压。当传感器电容量Cx发生变化时,谐振回路的阻抗发生相应变化,并被转换成电压或电流输出,经放大、检波,即可得到输出。为了获得较好的线性,一般工作点应选择在谐振曲线一边的近似线性区域内。这种电路比较灵敏,但缺点是工作点不易选好,变化范围也较窄,传感器连接电缆的分布电容影响也较大。
图4-17 谐振电路的原理及其工作特性
(4)调频电路
如图4-18所示,传感器电容是振荡器谐振回路的一部分,当输入量使传感器电容量发生变化时,振荡器的振荡频率发生变化,频率的变化经过鉴频器变为电压变化,再经过放大后由记录器或显示仪表指示。这种电路具有抗干扰性强、灵敏度高等优点,可测0.01μm的位移变化量。但缺点是电缆分布电容的影响较大,使用中有一些麻烦。
图4-18调频电路的工作原理
图4-19运算放大器电路
(5)运算放大器电路 由前述已知,极距变化型电容传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系,这一缺点使电容传感器的应用受到一定限制。为此采用比例运算放大器电路可以得到输出电压ug与位移量的线性关系,如图4-19所示。输入阻抗采用固定电容C0,反馈阻抗采用电容传感器Cx,根据比例器的运算关系,当激励电压为u0时,有
式中 u0——激励电压。 \
由式(4-22)可知,输出电压ug与电容传感器间隙δ呈线性关系。这种电路用于位移测量传感器。
3.电容集成压力传感器
运用集成电路工艺可以把电容敏感元件与测量电路制作在一起,构成电容集成压力传感器,它的核心部件是一个对压力敏感的电容器,如图4-20a所示。电容器的两个铝电极,一个处在玻璃上,另一个在硅片的薄膜上。硅薄膜是由腐蚀硅片的正面(几微米)和反面(约200μm)形成的,当硅片和玻璃键合在一起之后,就形成了具有一定间隙的电容器。当硅膜的两侧有压力差存在时,硅膜就发生形变使电容器两极的间距发生变化,因而引起电容量的变化。这一工作方式与机械的压力敏感电容没有差别,但是集成工艺可以把间距和尺寸做得很小。例如,间隙可达数微米,硅膜片半径可达数百微米,把这种微小电容与电路集成在一起,工艺上是很复杂的,现在已能采用硅腐蚀技术,硅和玻璃的静电键合以及常规的集成电路工艺技术,制造出这种压力传感器。
图4-20b是一个检出电容变化并把它转换成为电压输出的集成压力传感器的电路原理图。图中Cx为压力敏感电容,C0是一个参考电容,交流激励电压Ue通过耦合电容Cc进入由VD1~VD4构成的二极管桥路。在无压力的初始状态下,使Cx=C0,电路平衡;在工作状态下,Cx与C0不等,其输出端将有一个表达压力变化的电压信号EP,这种电容集成压力传感器的灵敏度很高,约为1μV/Pa。
图4-20电容集成压力传感器的工作原理
图4-21 可变磁阻式电感传感器
4.3.3 电感式传感器
电感式传感器是把被测量,如力、位移等,转换为电感量变化的一种装置,其变换是基于电磁感应原理。按照变换方式的不同,可分为自感型(包括可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压器式)。
1.自感型
(1)可变磁阻式 可变磁阻式电感传感器结构原理如图4-21所示。它由线圈、铁心和衔铁组成,在铁心与衔铁之间有空气隙δ。由电工学得知,线圈自感量L为
式中 N——线圈匝数; Rm——磁路总磁阻(H-1)。 如果空气气隙δ较小,而且不考虑磁路的铁损时,则总磁阻
式中 l——铁心导磁长度(m); μ——铁心磁导率(H/m);
A——铁心磁导截面积(m2);
δ——气隙长度(m);
μ0——空气磁导率,μ0=4π×10-7H/m;
A0——空气气隙导磁截面积(m2)。
因为铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小,计算时可以忽略,故
代入式(4-23)
式(4-26)表明,自感L与气隙δ成反比,而与气隙导磁截面积A0成正比。当固定A0,变化δ时,L与δ成非线性关系(见图4-21),此时传感器的灵敏度为
灵敏度S与气隙长度的二次方成反比,δ越小,灵敏度越高。由于S不是常数,故会出现非线性误差。为了减小这一误差,通常规定在较小间隙变化范围内工作。设间隙变化范围为(δ0,δ0+Δδ)。一般实际应用中,取Δδ/δ0≤0.1。这种传感器适用于较小位移的测量,一般为0.001~1mm。
图4-22列出了几种常用可变磁阻式传感器的典型结构。
图4-22a是可变导磁面积型,其自感L与A0呈线性关系,这种传感器灵敏度较低。 图4-22b是差动型,衔铁位移时,可以使两个线圈的间隙分别按δ0+Δδ、δ0-Δδ变化。一个线圈的自感增加,另一个线圈的自感减小。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时,其输出灵敏度可提高一倍,并改善了线性特性。
图4-22c是单螺管线圈型。当铁心在线圈中运动时,将改变磁阻,使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易,但灵敏度低,适用于较大位移(数毫米)测量。
图4-22d是双螺管线圈差动型,较之单螺管型有较高灵敏度及线性,被用于电感测微计上,常用测量范围为0~300μm,最小分辨力为0.5μm。这种传感器的线圈接于电桥上(见图4-23a),构成两个桥臂,线圈电感L1、L2随铁心位移而变化,其输出特性如图4-23b所示。
图4-22 可变磁阻式电感传感器的典型结构
(2)涡流式 涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应,如图4-24所示的线圈是一个高频反射式涡电流传感器的工作原理。
图4-23双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性
图4-24 高频反射式涡流传感器的工作
原理
金属板置于一只线圈的附近,相互间距为δ。当线圈中有一高频交变电流i通过时,便产生磁通Φ。此交变磁通通过邻近的金属板,金属板表层上便产生感应电流i1。这种电流在金属体内是闭合的,称之为“涡电流”或“涡流”。这种涡电流也将产生交变磁通Φ1,根据楞次定律,涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反,Φ1总是抵抗Φ的变化。由于涡流磁场对导磁材料的作用以及气隙对磁路的影响,使原线圈的等效阻抗Z发生变化,变化程度与距离δ有关。
分析表明,影响高频线圈阻抗Z的因素,除了线圈与金属板间距离δ以外,还有金属板的电阻率ρ、磁导率μ以及线圈励磁圆频率ω等。当改变其中某一因素时,即可达到不同的变换目的。例如,变化δ,可作为位移、振动测量;变化ρ或μ值,可作为材质鉴别或探伤等。
涡流式传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路。图4-25是用于涡流测振仪上的分压式调幅电路原理,图4-26是其谐振曲线及输出特性。传感器线圈L和电容C组成并联谐振回路,其谐振频率为
\图4-25 分压式调幅电路原理
图4-26 分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性
电路中由振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电源频率相同时,输出电压uo最大。测量时,传感器线圈阻抗随间隙δ而改变,LC回路失谐,输出信号uo(t)频率虽然仍为振荡器的工作频率f,但幅值随δ而变化(见图4-26b),它相当于一个被δ调制的调幅波,再经放大、检波、滤波后,即可以得到间隙δ的动态变化信息。
图4-27 调频电路的工作原理
调频电路的工作原理如图4-27所示。这种方法也是把传感器线圈接入LC振荡回路,与调幅法不同之处是取回路的谐振频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离δ发生变化时,将引起线圈电感变化,从而使振荡器的振荡频率f发生变化,再通过鉴频器进行频率-电压转换,即可得到与δ成比例的输出电压。
涡流式传感器可用于动态非接触测量,测量范围视传感器结构尺寸、线圈匝数和励磁频率而定,一般为±(1~10)mm不等,最高分辨力可达0.1μm。此外,这种传感器具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等优点。因此,近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用。实际上,这种传感器在径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量,以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都有应用。
图4-28表示了涡流式传感器的工程应用实例
2.互感型——差动变压器式电感传感器
这种传感器利用了电磁感应中的互感现象。如图4-29所示,当线圈W1输入交流电流i1时,线圈W2产生感应电动势e12,其大小与电流i1变化率成正比,即
式中 M——比例系数,称为互感(H),其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关,它表明两线圈之间的耦合程度。
互感型传感器就是利用这一原理,将被测位移量转换成线圈互感的变化。这种传感器实质上就是一个变压器,其一次绕组接入稳定交流电源,二次绕组感应产生输出电压。当被测参数使互感M变化时,二次绕组输出电压也产生相应变化。由于常常采用两个二次绕组组成差动式,故又称为差动变压器式传感器。实际应用较多的是螺管形差动变压器,其工作原理如图4-30a、b所示。变压器由一次绕组W和两个参数完全相同的二次绕组W1、W2组成,线圈中心插入圆柱形铁心,二次绕组W1及W2反极性串联,当一次绕组W加上交流电压时,二次绕组W1及W2分别产生感应电动势e1和e2,其大小与铁心位置有关,当铁心在中心位置时,e1=e2,输出电压e0=0;铁心向上运动时,e1>e2;向下运动时,e1<e2,随着铁心偏离中心位置,e0逐渐增大,其输出特性如图4-30c所示。
图4-30 差动变压器式传感器的工作原理和输出特性
差动变压器的输出电压是交流量,其幅值与铁心位移成正比,其输出电压如用交流电压表指示,输出值只能反映铁心位移的大小,不能反映移动的方向性。其次,交流电压输出存在一定的零点残余电压。零点残余电压是由于两个二次绕组结构不对称,以及一次绕组铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电容等原因形成。所以,即使铁心处于中间位置时,输出也不为零。为此,差动变压器式传感器的后接电路形式,需要采用既能反映铁心位移方向性,又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。
图4-31差动相敏检波电路原理
图4-31是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。在没有输入信号时,铁心处于中间位置,调节电阻R,使零点残余电压减小;当有输入信号时,铁心移上或移下,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大小和方向。
差动变压器式电感传感器具有精确度高(最高分辨力可达0.1μm)、线性范围大(可扩展到±100mm)、稳定性好和使用方便的特点,被广泛用于直线位移测定。但其实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。
借助于弹性元件可以将压力、重量等物理量转换为位移的变化,故也将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。
4.4.1 磁电式传感器
磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器,又称电磁感应式或电动力式传感器。
从电工学已知,对于一个匝数为N的线圈,当穿过该线圈的磁通Φ发生变化时,其感应电动势为
可见,线圈感应电动势的大小,取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关,故若改变其中一个因素,都会改变线圈的感应电动势。按照结构不同,磁电式传感器可分为动圈式与磁阻式。
图4-32 动圈磁电式传感器的工作原理
1.动圈式
动圈式又可分为线速度型与角速度型。图4-32a表示线速度型传感器的工作原理。在永久磁铁产生的直流磁场内,放置一个可动线圈,当线圈在磁场中做直线运动时,它所产生的感应电动势为
式中 B——磁场的磁感应强度;
l——单匝线圈有效长度;
N——线圈匝数;
v——线圈与磁场的相对运动速度;
θ——线圈运动方向与磁场方向的夹角。
当θ=90°时,式(4-31)可写为
e=NBlv(4-32)
此式表明,当N、B、l均为常数时,感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比,这就是一般常见的惯性式速度计的工作原理。
图4-32b是角速度型传感器的工作原理,线圈在磁场中转动时产生的感应电动势为e=kNBAω(4-33)
式中 ω——角速度;
A——单匝线圈的截面积;
k——与结构有关的系数,k<1。
式(4-33)表明,当传感器结构一定时,N、B、A均为常数,感应电动势e与线圈相对磁场的角速度成正比,这种传感器用于转速测量。
将传感器中线圈产生的感应电动势通过电缆与电压放大器连接时,其等效电路如图4-33所示。图中,e是发电线圈的感应电动势;Z0是线圈阻抗;RL是负载电阻(放大器输入电阻);CC是电缆导线的分布电容;RC是电缆导线的电阻。RC甚小可忽略,故等效电路中的输出电压为
图4-33动圈磁电式传感器的等效电路
如果不使用特别加长电缆时,CC可忽略,并且如果RL>>Z0,放大器输出电压uL≈e。感应电动势经放大、检波后即可推动指示仪表,显示速度值。如果经过微分或积分网络,可以得到加速度或位移。
必须注意,上面所讨论的速度(v或ω)指的是线圈与磁场(壳体)的相对速度,而不是壳体本身的绝对速度。
磁电式传感器的工作原理也是可逆的。作为测振传感器,它工作于发电机状态。若在线圈上加以交变激励电压,则线圈就在磁场中振动,成为一个激振器(电动机状态)。
2.磁阻式
磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动,由运动着的物体(导磁材料)改变磁路的磁阻,而引起磁力线增强或减弱,使线圈产生感应电动势。其工作原理及应用实例如图4-34所示。此种传感器是由永久磁铁及缠绕其上的线圈组成。图4-34a可测旋转体频数,当齿轮旋转时,齿的凸凹引起磁阻变化,使磁通量变化,在线圈中感应出交流电动势,其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积。
磁阻式传感器使用简便、结构简单,在不同场合下可用来测量转速、偏心量、振动等。
图4-34磁阻式传感器的工作原理及应用实例
4.4.2 压电式传感器
压电式传感器是一种可逆型换能器,既可以将机械能转换为电能,又可以将电能转换为机械能。这种性能使它被广泛用于压力、应力、加速度测量,也被用于超声波发射与接收装置。在用作加速度传感器时,可测频率范围为
0.1Hz~20kHz,可测振动加速度按其不同结构可达10-2~105m·s-2。用于测力传感器时,其灵敏度可达10-3N。这种传感器具有体积小、质量小、精确度及灵敏度高等优点。现在与其配套的后续仪器,如电荷放大器等的技术性能日益提高,使这种传感器的应用越来越广泛。
压电式传感器的工作原理是利用某些物质的压电效应。
1.压电效应
某些物质,如石英、钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)等晶体,当受到外力作用时,不仅几何尺寸发生变化,而且内部极化,某些表面上出现电荷,形成电场。晶体的这一性质称为压电性,具有压电效应的晶体称为压电晶体。
压电效应是可逆的,即将压电晶体置于外电场中,其几何尺寸也会发生变化。这种效应称之为逆压电效应(电致伸缩效应)。
许多天然晶体都具有压电性,例如石英、电气石、闪锌矿等。由于天然晶体不易获得且价格昂贵,故研制了多种人造晶体,如酒石酸钾钠(罗谢耳盐)、磷酸二氢胺(ADP)、磷酸二氢钾(KDP)、酒石酸乙二胺(KDT)、酒石酸乙二钾(DKT)、硫酸锂等。这些人造晶体中除硫酸锂外,其他的都还具有“铁电性”。
图4-35石英晶体
所谓铁电性是指某些晶体存在自发极化特点,即晶胞正负电重心不重合,并且这种自发极化可以在电场作用下转向。与铁磁物质相似,铁电晶体是由许多几微米至几十微米的电畴组成,而每个电畴具有自发极化和自发应变。电畴的极化方向各不相同。在电场作用下,电畴的边界可以移动并能够转向。铁电晶体最典型的特征是它具有电滞回线特性。铁电性是1921年首先在罗谢耳盐上发现的。
下面以α-石英(SiO2)晶体为例,介绍其压电效应。
天然石英结晶形状为六角形晶柱,如图4-35a所示,两端为一对称的棱锥,六棱柱是它的基本结构。z轴与石英晶体的上、下顶连线重合,x轴与石英晶体横截面的对角线重合,则y轴依据右手坐标系规则确定。
晶体中,在应力作用下,其两端能产生最强电荷的方向称为电轴。α-石英中的x轴为电轴。z轴称为光轴,当光沿z轴入射时不产生双折射。通常把y轴称作机械轴,如图4-35b所示。
如果从晶体上沿轴线切下一个平行六面体切片,使其晶面分别平行于z、y、x轴,这个晶片在正常状态下不呈现电性。切片在受到沿不同方向的作用力时会产生不同的极化作用,如图4-36所示。沿x轴方向加力产生纵向压电效应,沿y轴加力产生横向压电效应,沿相对两平面加力产生切向压电效应。
图4-36压电效应模型
实验证明,压电效应和逆压电效应都是线性的。即晶体表面出现的电荷的多少和形变的大小成正比,当形变改变符号时,电荷也改变符号;在外电场作用下,晶体形变的大小与电场强度成正比,当电场反向时,形变改变符号。以石英晶体为例,当晶片在电轴x方向受到压应力σxx作用时,切片在厚度方向产生变形并极化,极化强度Pxx与应力σxx成正比,即
式中 Fx——沿晶轴Ox方向施加的压力;
d11——石英晶体在x方向力作用下的压电常数,石英晶体的d11=2.3×10-23C·N-1;
ly——切片的长;
lz——切片的宽。
当石英晶体切片受x向压力时,所产生的电荷量qxx与作用力Fx成正比,而与切片的几何尺寸无关。当沿着机械轴y方向施加压力时,产生的电荷量与切片的几何尺寸有关,且电荷的极性与沿电轴x方向施加压力时产生的电荷极性相反,如图4-36b所示。
若压电体受到多方向的作用力,晶体内部将产生一个复杂的应力场,会同时出现纵向效应和横向效应。压电体各表面都会积聚电荷。
2.压电材料
常用的压电材料大致可分为三类:压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。压电单晶为单晶体,常用的有α-石英(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等。压电陶瓷多为多晶体,常用的有钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PZT)等。
石英是压电单晶中最具有代表性的,应用广泛。除天然石英外,还大量应用人造石英。石英的压电常数不高,但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。其他压电单晶的压电常数为石英的2.5~3.5倍,但价格较贵。水溶性压电晶体,如酒石酸钾钠(NaKO4H4O5·4H2O)压电常数较高,但易受潮,机械强度低,电阻率低,性能不稳定。
现代声学技术和传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。压电陶瓷制作方便,成本低。
压电陶瓷由许多铁电体的微晶组成,微晶再细分为电畴,因而压电陶瓷是许多电畴形成的多畴晶体。当加上机械应力时,它的每一个电畴的自发极化会产生变化,但由于电畴的无规则排列,因而在总体上不现电性,没有压电效应。为了获得材料形变与电场呈线性关系的压电效应,在一定温度下对其进行极化处理,即利用强电场(1~4kV/mm)使其电畴规则排列,呈现压电性。极化电场去除后,电畴取向保持不变,在常温下可呈压电性。压电陶瓷的压电常数比单晶体高得多,一般比石英高数百倍。现在的压电元件大多数采用压电陶瓷。
钛酸钡是使用最早的压电陶瓷。其居里温度(材料温度达到该点电畴将被破坏,失去压电特性)低,约为120℃。现在使用最多的是锆钛酸铅(PZT)系列压电陶瓷。PZT是一材料系列,随配方和掺杂的变化可获得不同的材料性能。它具有较高的居里点(350℃)和很高的压电常数(70~590pC/N)。
高分子压电薄膜的压电特性并不很好,但它易于大批量生产,且具有面积大、柔软不易破碎等优点,可用于微压测量和机器人的触觉。其中以聚偏二氟乙烯(PVdF)最为著名。
近年来压电半导体也开发成功。它具有压电和半导体两种特性,很容易发展成新型的集成传感器。
3.压电式传感器及其等效电路
在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀,形成金属膜,构成两个电极,如图4-37所示。当晶片受到外力作用时,在两个极板上将积聚数量相等、而极性相反的电荷,形成了电场。因此压电传感器可以看作一个电荷发生器,又是一个电容器,其电容量C为
式中 ε——压电材料的相对介电常数,石英晶体ε=4.5F/m;钛酸钡ε=1200F/m;
δ——极板间距,即晶片厚度;
A——压电晶片工作面的面积。
图4-37 压电晶片及其等效电路
如果施加于晶片的外力不变,积聚在极板上的电荷无内部泄漏,外电路负载无穷大,那么在外力作用期间,电荷量将始终保持不变,直到外力的作用终止时,电荷才随之消失。如果负载不是无穷大,电路将会按指数规律放电,极板上的电荷无法保持不变,从而造成测量误差。因此,利用压电式传感器测量静态或准静态量时,必须采用极高阻抗的负载。在动态测量时,变化快、漏电量相对比较小,故压电式传感器适宜进行动态测量。
实际压电传感器中,往往用两个和两个以上的晶片进行串联或并联。并联时(见图4-37b),两晶片负极集中在中间极板上,正电极在两侧的电极上。并联时电容量大、输出电荷量大、时间常数大,易于测量缓变信号,适宜于以电荷量输出的场合。串联时(见图4-37c),正电荷集中在上极板,负电荷集中在下极板。串联法传感器本身电容小、输出电压大,适用于以电压作为输出信号。
压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。电容器上的开路电压u0与电荷q、传感器电容Ca存在下列关系
当压电式传感器接入测量电路,连接电缆的寄生电容就形成传感器的并联寄生电容Ca,后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄漏电阻R0,如图4-37d所示。为了防止漏电造成电荷损失,通常要求R0>1011Ω,因此传感器可近似视为开路。
电容上的电压值为
式(4-38)表明压电元件的电压输出还受回路的时间常数R0C的影响。在测试动态量时,为了建立一定的输出电压并实现不失真测量,压电式传感器的测量电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电容Ci以加大时间常数R0C。但并联电容过大也会使输出电压降低过多,降低了测量装置的灵敏度。
4.测量电路
由于压电式传感器的输出电信号是很微弱的电荷,而且传感器本身有很大内阻,故输出能量甚微,这给后接电路带来一定困难。为此,通常把传感器信号先输到具有高输入阻抗的前置放大器,经过阻抗变换以后,方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。
前置放大器电路的主要用途有两点: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:一种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;另一种是带电容反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。
图4-38 电荷放大器的等效电路
使用电压放大器时,放大器的输入电压如式(4-38)所表达。由于电容C包括了Ca、Ci和Cc,其中电缆对地电容Cc比Ca和Ci都大,故整个测量系统对电缆对地电容Cc的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态变化会引起Cc的变化,导致传感器输出电压u的变化,从而使仪器的灵敏度也发生变化。
电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器,当略去传感器漏电阻及电荷放大器输入电阻时,它的等效电路如图4-38所示。由于忽略漏电阻,故
式中 ui——放大器输入端电压;
uy——放大器输出电压,uy=-Aui;
Cf——电荷放大器反馈电容;
A为电荷放大器开环放大倍数,故有
如果放大器开环增益足够大,则ACf>>(C+Cf),上式可简化为
式(4-39)表明,在一定条件下,电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比,并且与电缆分布电容无关。因此,采用电荷放大器时,即使连接电缆长度达百米以上时,其灵敏度也无明显变化,这是电荷放大器突出的优点。但与电压放大器相比,其电路复杂,价格昂贵。
5.压电式传感器的应用
压电式传感器常用来测量应力、压力、振动的加速度,也用于声、超声和声发射等测量。
压电效应是一种力—电荷变换,可直接用作力的测量。现在已形成系列的压电式力传感器,测量范围从微小力值10-3N到104kN,动态范围一般为60dB;测量方向有单方向的,也有多方向的。
压电式力传感器有两种形式。一种是利用膜片式弹性元件,通过膜片承压面积将压力转换为力。膜片中间有凸台,凸台背面放置压电片。力通过凸台作用于压电片上,使之产生相应的电荷量。另一种是利用活塞的承压面承受压力,并使活塞所受的力通过在活塞另一端的顶杆作用在压电片上。测得此作用力便可推算出活塞所受的压力。
现在广泛采用压电式传感器来测量加速度。此种传感器的压电片处于其壳体和一质量块之间,用强弹簧(或预紧螺栓)将质量块、压电片紧压在壳体上。运动时,传感器壳体推动压电片和质量块一起运动。在加速时,压电片承受由质量块加速而产生的惯性力。
压电式传感器按不同需要做成不同灵敏度、不同量程和不同大小,形成系列产品。大型高灵敏度加速度计灵敏阈可达10-6gn(gn——标准重力加速度,作为一个加速度单位,其值为gn=9.80665m/s2),但其测量上限也很小,只能测量微弱振动。而小型的加速度计仅重0.14g,灵敏度虽低,但可测量上千g的强振动。
压电式传感器的工作频率范围广,理论上其低端从直流开始,高端截止频率取决于结构的连接刚度,一般为数十赫到兆赫的量级,这使它广泛用于各领域的测量。压电式传感器内阻很高,产生的电荷量很小,易受传输电缆杂散电容的影响,必须采用前面已谈到的阻抗变换器或电荷放大器。已有将阻抗变换器和传感器集成在一起的集成传感器,其输出阻抗很低。
由于存在电荷的泄漏,使压电式传感器实际上无法测量直流信号,因此难以精确测量常值力。在低频振动时,压电式加速度计的振动圆频率小,受灵敏度限制,其输出信号很弱,信噪比差。尤其在需要通过积分网络来获取振动的速度和加速度值的情况下,网络中运算放大器的漂移及低频噪声的影响,使得难于在小于1Hz的低频段中应用压电式加速度计。
压电式传感器一般用来测量沿其轴向的作用力,该力对压电片产生纵向效应并产生相应的电荷,形成传感器通常的输出。然而,垂直于轴向的作用力,也会使压电片产生横向效应和相应的输出,称为横向输出。与此相应的灵敏度,称为横向灵敏度。对于传感器而言,横向输出是一种干扰和产生测量误差的原因。使用时,应该选用横向灵敏度小的传感器。一个压电式传感器各方向的横向灵敏度是不同的。为了减少横向输出的影响,在安装使用时,应力求使最小横向灵敏度方向与最大横向干扰力方向重合。显然,关于横向干扰的讨论,同样适用于压电式加速度计。
环境温度、湿度的变化和压电材料本身的时效,都会引起压电常数的变化,导致传感器灵敏度的变化。因此,经常校准压电式传感器是十分必要的。
压电式传感器的工作原理是可逆的,施加电压于压电晶片,压电片便产生伸缩。所以压电片可以反过来做“驱动器”。例如对压电晶片施加交变电压,则压电片可作为振动源,可用于高频振动台、超声发生器、扬声器以及精密的微动装置。
4.4.3 热电式传感器
1.热电偶
(1)热电偶工作原理 热电偶属于A型结构传感器,由于它有许多优点,至今仍在测温领域里得到广泛应用。
图4-39 热电偶回路
把两种不同的导体或半导体连接成图4-39所示的闭合回路,如果将它们的两个接点分别置于温度为T及T0(假定T>T0)的热源中,则在该回路内就会产生热电动势,这种现象称为热电效应。
在图4-39所示的热电偶回路中,所产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。温差电动势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电动势。由于高温端(T)的电子能量比低温端的电子能量大,故由高温端运动到低温端的电子数较由低温端运动到高温端的电子数多,使得高温端带正电,而低温端带负电,从而在导体两端形成一个电势差,即温差电动势(关于热电偶的工作原理详见参考文献[15])。
所以,当热电偶材料一定时,热电偶的总热电动势EAB(T,T0)成为温度T和T0的函数差,即
如果使冷端温度T0固定,则对一定材料的热电偶,其总热电动势就只与温度T成单值函数关系,即
式中 C——由固定温度T0决定的常数。
热电偶回路有以下特点:
1)若组成热电偶的回路的两种导体相同,则无论两接点温度如何,热电偶回路中的总热电动势为零。
2)若热电偶两接点温度相同,则尽管导体A、B的材料不同,热电偶回路中的总热电动势也为零。
3)热电偶AB的热电动势与导体材料A、B的中间温度无关,而只与接点温度有关。
4)热电偶AB在接点温度T1、T3时的热电动势,等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和。
5)在热电偶回路中接入第三种材料的导线,只要第三种导线的两端温度相同,第三种导线的引入不会影响热电偶的热电动势,这一性质称为中间导体定律。
图4-40 开路热电偶的使用
从实用观点来看,中间导体定律很重要。利用这个性质,我们才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等,而不必担心会对热电动势有影响,而且也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶。同时应用这一性质还可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量(见图4-40),只要保证两热电极A、B接入处温度一致,则不会影响整个回路的总热电动势。
6)当温度为T1、T2时,用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的和,即
EAB(T1,T2)=EAC(T1,T2)+ECB(T1,T2)(4-42)
导体C称为标准电极(一般由铂制成),故把这一性质称为标准电极定律。
(2)热电偶分类 目前,在我国被广泛使用的热电偶有以下几种:
1)铂铑—铂热电偶(WRLB)由ϕ0.5mm的纯铂丝和同直径的铂铑丝(铂质量分数为90%,铑质量分数为10%)制成,用符号LB表示。括号中符号WR指热电偶。在LB热电偶中,铂铑丝为正极,纯铂丝为负极。此种热电偶在1300℃以下范围可长时间使用,在良好的使用环境下可短期测量1600℃高温。由于容易得到高纯度的铂和铂铑,故LB热电偶的复制精度和测量精度较高,可用于精密温度测量和作为基准热电偶。LB热电偶在氧化性或中性介质中具有较高的物理化学稳定性。其主要缺点是热电动势较弱;在高温时易受还原性气体所发出的蒸气和金属蒸气的侵害而变质;铂铑丝中的铑分子在长期使用后因受高温作用而产生挥发现象,使铂丝受到污染而变质,从而引起热电偶特性变化,失去测量准确性;LB热电偶的材料系贵重金属,成本较高。
2)镍铬—镍硅(镍铬—镍铝)热电偶(WREU) 由镍铬与镍硅制成,用符号EU表示。热电偶丝直径为ϕ1.2~2.5mm。镍铬为正极,镍硅为负极。EU热电偶化学稳定性较高,可在氧化性或中性介质中长时间地测量900℃以下的温度,短期测量可达1200℃;如果用于还原性介质中,则会很快受到腐蚀,在此情况下只能用于测量500℃以下温度。EU热电偶具有复制性好,产生热电动势大,线性好,价格便宜等优点。虽然测量精度偏低,但能满足大多数工业测量的要求,是工业测量中最常用的热电偶之一。
3)镍铬—考铜热电偶(WREA) 由镍铬材料与镍、铜合金材料组成,用符号EA表示。热偶丝直径一般为ϕ1.2~2.0mm。镍铬为正极,考铜为负极,适宜于还原性或中性介质,长期使用温度在600℃以下,短期测量可达800℃。EA热电偶的特点是热电灵敏度高、价格便宜,但测温范围低且窄,考铜合金易受氧化而变质。
图4-41热电偶的热电动势E与温度T的关系曲线
4)铂铑30—铂铑6(WRLL)热电偶 以铂铑30丝(铂质量分数70%,铑质量分数30%)为正极,铂铑6丝(铂质量分数94%,铑质量分数6%)为负极,可长期测量1600℃的高温,短期测量可达1800℃。LL热电偶性能稳定、精度高,适于在氧化性或中性介质中使用。但它产生的热电动势小,且价格昂贵。LL热电偶由于在低温时热电动势极小,因此冷端在40℃以下时,对热电动势可不必修正。
还有一些用于特殊测量的超高温热电偶(测温可达2000℃,精度±1%)、低温热电偶(可在2~273K低温范围内使用,灵敏度为10μV/℃)、快速测量壁面温度的薄膜热电偶(测量厚度0.01~0.1mm)和非金属材料热电偶。利用石墨和难熔化合物作为高温热电偶材料可以解决金属热电偶材料无法解决的问题。这些非金属材料熔点高,而且在2000℃以上的高温下也很稳定。
综上所述,各种热电偶都具有不同的优缺点,因此在选用时应根据测温范围、测温状态和介质情况综合考虑。
在测量时,为使热电偶与被测温度间呈单值函数关系,需要一些特定的处理手段或补偿使热电偶冷端的温度保持恒定。
2.热电阻传感器
利用电阻随温度变化的特点制成的传感器叫热电阻传感器,它主要用于对温度和与温度有关的参数测定。按热电阻的性质来分,可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类,前者通常简称为热电阻,后者称为热敏电阻(见本章4.7)。
热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成,其中,电阻体是热电阻的最主要部分。
(1)铂电阻
铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。铂在氧化性介质中,特别是在高温下的物理、化学性质都非常稳定。但是,在还原性介质中,特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸气所污染,会使铂丝变脆,并改变其电阻与温度间的关系,通常可用经验公式描述铂电阻的温度关系,即
Rt=R0(1+At+Bt2)(4-43)
式中 Rt——温度为t(℃)时的电阻值;
R0——温度为0℃时的电阻值;
A——常数,A=α(1+δ/100℃)(根据1968年国际温标规定:
α=3.9259668×10-8℃-1,δ=1.496334℃);
B——常数,B=-1×10-4αδ℃-2。
铂的纯度常 以来表示,根据1968年国际温标规定,其值不得小于1.3925。一般工业上常用的铂电阻,我国分度号为BA1、BA2,其中 值为1.391。
铂电阻体是用很细的铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上做成的。常用的WZB型铂电阻体是由直径为0.03~0.07mm的铂丝绕在云母片制成的平板型支架上(见图4-42),铂丝绕组的出线端与银丝引出线相焊,并穿上瓷套管加以绝缘和保护。
图4-42 WZB型铂电阻体
(2)铜电阻
铂是贵重金属,在一些测量精度要求不高且温度范围较低的场合,一般采用铜电阻,其测量范围为-50~150℃。铜电阻具有线性度好、电阻温度系数高以及价格便宜等优点。在其正常测量范围内,有
Rt=R0(1+αt)(4-44)
式中 α——电阻温度系数,取值范围为(4.25~4.28)×10-8℃-1(铂的电阻温度系数在0~100℃之间的平均值为3.9×10-8℃-1)。
铜热电阻的缺点是电阻率小,ρCu=1.7×10-8Ω·m(ρPt=9.81×10-8Ω·m),所以制成一定阻值的电阻时,与铂材料相比,铜电阻丝要细,导致机械强度不高;或者增加电阻丝的长度,使得电阻体积较大。另外,当温度超过100℃时,铜容易氧化,因此它只能在低温和没有浸蚀性介质中工作。铜电阻体是一个铜丝绕组(包括锰铜补偿部分),它是由直径约为0.1mm的绝缘铜丝双绕在圆形塑料支架上,如图4-43所示。
图4-43 铜电阻体
(3)其他热电阻
近年来,伴随着低温技术的发展,一些新型热电阻得到应用。
1)铟电阻。这是一种高精度低温热电阻。铟的熔点约为429K,在4.2~15K温度范围内灵敏度比铂高10倍,故可用于铂电阻不能使用的低温范围。用99.999%高纯度铟丝制成的热电阻,在4.2K到室温的整个范围内,测量精度可达±0.001K。其缺点是材料很软,复制性很差。
2)锰电阻。在2~63K的低温范围内,锰电阻随温度变化很大,灵敏度高,在2~16K的温度范围内电阻率随温度的二次方变化,掺以α—锰,这个二次方关系可以扩展到21K;磁场对锰电阻影响不大,且有规律。锰电阻的缺点是脆性大,难以拉制成丝。
3)碳电阻。碳电阻在低温下灵敏度高、热容量小,适合用作液氦温阈的温度计。碳电阻对磁场不敏感、价格便宜、操作方便,其缺点是热稳定性较差。
光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器。若用这种传感器测量其他非电量时,只需将这些非电量的变化先转换为光信号的变化。这种测量方法具有结构简单、可靠性高、精度高、非接触和反应快等优点,被广泛用于各种自动检测系统中。
4.5 光电传感器
4.5.1 光电测量原理
光电传感器的工作基础是光电效应。每个光子具有的能量为hv(v为光的频率,h=6.62620×10-34J·s,为普朗克常数)。用光照射某一物体,即为光子与物体的能量交换过程,这一过程中产生的电效应称为光电效应。光电效应按其作用原理又分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。
1.外光电效应
在光照作用下,物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应,亦称光电子发射效应。在这一过程中光子所携带的电磁能转换为光电子的动能。
金属中存在大量的自由电子,通常,它们在金属内部做无规则的热运动,不能离开金属表面。但当电子从外界获取到等于或大于电子逸出功的能量时,便可离开金属表面。为使电子在逸出时具有一定的速度,就必须使电子具有大于逸出功的能量。这一过程的定量分析如下。
一个光子具有的能量为
E=hν(4-45)
当物体受到光辐射时,其中的电子吸收了一个光子的能量hν,该能量的一部分用于使电子由物体内部逸出所做的逸出功A,另一部分则为逸出电子的动能 mv2,即
hν= mv2+A(4-46)
式中 m——电子质量;v——电子逸出速度;A——物体的逸出功。
式(4-46)称为爱因斯坦光电效应方程式,它阐明了光电效应的基本规律。由式(3-46)可知:
1)光电子逸出表面的必要条件是hν>A。因此,对每一种光电阴极材料,均有一个确定的光频率阈值。当入射光频率低于该值时,无论入射光的强度多大,均不能引起光电子发射。反之,入射光频率高于阈值频率,即使光强极小,也会有光电子发射,且无时间延迟。对应于此阈值频率的波长λ0,称为某种光电器件或光电阴极的“红限”,其值为
λ0= 
(4-47)
式中 c——光速,c=3×108m·s-1。
2)当入射光频率成分不变时,单位时间内发射的光电子数与入射光光强成正比。光强越大,意味着入射光子数越多,逸出的光电子数亦越多。
3)对于外光电效应器件来说,只要光照射在器件阴极上,即使阴极电压为零,也会产生光电流,这是因为光电子逸出时具有初始动能。要使光电流为零,必须使光电子逸出物体表面时的初速度为零。为此要在阳极加一反向截止电压U0,使外加电场对光电子所做的功等于光电子逸出时的动能,即
式中 e——电子的电荷,e=1.602×10-19C。
反向截止电压U0仅与入射光频率成正比,与入射光光强无关。
外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。
2.内光电效应
在光照作用下,物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应,又称光导效应。内光电效应与外光电效应不同,外光电效应产生于物体表面层,在光辐射作用下,物体内部的自由电子逸出到物体外部,而内光电效应则不发生电子逸出。这时,物体内部的原子吸收光能量,获得能量的电子摆脱原子束缚成为物体内部的自由电子,从而使物体的导电性发生改变。
内光电效应器件主要为光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管。
3.光生伏特效应
在光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的器件有光电池,可见光电池也是一种有源器件。它广泛用于把太阳能直接转换成电能,亦称为太阳能电池。光电池种类很多,有硅、硒、砷化镓、硫化镉、硫化铊光电池等。其中硅光电池由于其转换效率高、寿命长、价格便宜而应用最为广泛。硅光电池较适宜于接收红外光。硒光电池适宜于接收可见光,但其转换效率低(仅有0.02%)、寿命低。它的最大优点是制造工艺成熟、价格便宜,因此仍被用来制作照度计。砷化镓光电池的光电转换效率稍高于硅光电池,其光谱响应特性与太阳光谱接近,且其工作温度最高,耐受宇宙射线的辐射,因此可作为宇航电源。
常用的硅光电池结构如图4-44所示。在电阻率为0.1~1Ω·cm的N型硅片上进行硼扩散以形成P型层,再用引线将P型和N型层引出形成正、负极,便形成了一个光电池。接受光辐射时,在两极间接上负载便会有电流通过。
光电池的作用原理:当光辐射至PN结的P型面上时,如果光子能量hν大于半导体材料的禁带宽度,则在P型区每吸收一个光子便激发一个电子-空穴对。在PN结电场作用下,N区的光生空穴将被拉向P区,P区的光生电子被拉向N区。结果,在N区便会积聚负电荷,在P区则积聚正电荷。这样,在P区和N区之间形成电势差,若将PN结两端以导线连接起来,电路中就会有电流流过。
光电池的基本特性包括光照特性、频率响应、光谱特性和温度特性等。常用的硅光电池的光谱范围为0.45~1.1μm,在80nm左右有一个峰值;而硒光电池的光谱范围为0.34~0.57μm,比硅光电池的范围窄得多,它在50nm左右有一个峰值。此外,硅光电池的灵敏度为6~8nA·mm-2·lx-1,响应时间为数微秒至数十微秒。
图4-44 硅光电池的结构
4.5.2 光电元件
1.真空光电管或光电管
光电管主要有两种结构形式(见图4-45),图4-45a中光电管的光电阴极K由半圆筒形金属片制成,用于在光照射下发射电子。阳极A为位于阴极轴心的一根金属丝,用于接收阴极发射电子。
图4-45 光电管的结构形式
阴极和阳极被封装于一个抽真空的玻璃罩内。
光电管的特性主要取决于光电阴极材料,不同的阴极材料对不同波长的光辐射有不同的灵敏度。表征光电阴极材料特性的主要参数是它的频谱灵敏度、红限和逸出功。如银氧铯(Ag-Cs2O)阴极在整个可见光区域均有一定的灵敏度,其频谱灵敏度曲线在近紫外光区(450nm)和近红外光区(750~800nm)分别有两个峰值。因此常用来作为红外光传感器。它的红限约为700nm,逸出功为0.74eV(1eV=1.60×10-19J),是所有光电阴极材料中最低的。
真空光电管的光电特性是指在恒定工作电压和入射光频率成分条件下,光电管接收的入射光通量Φ与其输出光电流IΦ之间的比例关系。图4-46a给出两种光电阴极的真空光电管的光电特性。其中氧铯光电阴极的光电管在很宽的入射光通量范围上都具有良好的线性度,因而氧铯光电管在光度测量中获得广泛的应用。
光电管的伏安特性是光电管的另一个重要性能指标,指在恒定的入射光的频率成分和强度条件下,光电管的光电流IΦ与阳极电压Ua之间的关系(见图4-46b)。由图可见,光通量一定时,当阳极电压Ua增加时,管电流趋于饱和,光电管的工作点一般选在该区域中。
图4-46 真空光电管特性
2.光电倍增管
光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干个“倍增极”,或叫“次阴极”。倍增极上涂有在电子轰击下能反射更多电子的材料,倍增极的形状和位置设计成正好使前一级倍增极反射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间依次增大加速电压,如图4-47a所示。设每极的倍增率为δ(一个电子能轰击产生出δ个次级电子),若有n次阴极,则总的光电流倍增系数M=(Cδ)n(C为各次阴极电子收集率),即光电倍增管阳极电流I与阴极电流I0之间满足关系I=I0M=I0(Cδ)n,倍增系数与所加电压有关。常用的光电倍增管的基本电路如图4-47b所示,各倍增极电压由电阻分压获得,流经负载电阻RA的放大电流造成的压降,给出输出电压。一般阳极与阴极之间的电压为1000~2000V,两个相邻倍增电极的电位差为50~100V。电压越稳定越好,以减少由倍增系数的波动引起的测量误差。由于光电倍增管的灵敏度高,所以适合在微弱光下使用,但不能接受强光刺激,否则易于损坏。
图4-47 光电倍增管的结构及电路
3.光敏电阻
某些半导体材料(如硫化镉等)受到光照时,若光子能量hv大于本征半导体材料的禁带宽度,价带中的电子吸收一个光子后便可跃迁到导带,从而激发出电子-空穴对,于是降低了材料的电阻率,增强了导电性能。阻值的大小随光照的增强而降低,且光照停止后,自由电子与空穴重新复合,电阻恢复原来的值。
光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽,可从紫外一直到红外,且体积小、性能稳定,因此广泛用于测试技术。光敏电阻的材料种类很多,适用的波长范围也不同。如硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)适用于可见光(0.4~0.75μm)的范围;氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)适用于紫外光范围;而硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)则适用于红外光范围。
光敏电阻的主要特征参数有以下几种:
(1)光电流、暗电阻、亮电阻 光敏电阻在未受到光照条件下呈现的阻值称为“暗电阻”,此时通过的电流称为“暗电流”。光敏电阻在特定光照条件下呈现的阻值称为“亮电阻”,此时通过的电流称为“亮电流”。亮电流与暗电流之差称为“光电流”。光电流的大小表征了光敏电阻的灵敏度大小。一般希望暗电阻大,亮电阻小,这样暗电流小,亮电流大,相应的光电流大。光敏电阻的暗电阻大多很高,为兆欧量级,而亮电阻则在千欧以下。
(2)光照特性 光敏电阻的光电流I与光通量Φ的关系曲线称为光敏电阻的光照特性。一般说来光敏电阻的光照特性曲线呈非线性,且不同材料的光照特性不同。
(3)伏安特性 在一定光照下,光敏电阻两端所施加的电压与光电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性。当给定偏压时,光照度越大,光电流也越大。而在一定的照度下,所加电压越大,光电流也就越大,且无饱和现象。但电压实际上受到光敏电阻额定功率、额定电流的限制,因此不可能无限制地增加。
(4)光谱特性 对不同波长的入射光,光敏电阻的相对灵敏度是不一样的。光敏电阻的光谱与材料性质、制造工艺有关。如硫化镉光敏电阻随着掺铜浓度的增加其光谱峰值从500nm移至640nm;而硫化铅光敏电阻则随材料薄层的厚度减小其峰值也朝短波方向移动。因此在选用光敏电阻时,应当把元件与光源结合起来考虑,才能获得所希望的效果。
(5)响应时间特性 光敏电阻的光电流对光照强度的变化有一定的响应时间,通常用时间常数来描述这种响应特性。光敏电阻自光照停止到光电流下降至原值的63%时所经过的时间称为光敏电阻的时间常数。不同的光敏电阻的时间常数不同,因而其响应时间特性也不相同。
(6)光谱温度特性 与其他半导体材料相同,光敏电阻的光学与化学性质也受温度影响。温度升高时,暗电流和灵敏度下降。温度的变化也影响到光敏电阻的光谱特性。因此有时为提高光敏电阻对较长波长光照(如远红外光)的灵敏度,要采用降温措施。
4.光敏晶体管
光敏晶体管分光敏二极管和光敏晶体管,其结构原理分别如图4-48、图4-49所示。光敏二极管的PN结安装在管子顶部,可直接接受光照,在电路中一般处于反向工作状态(见图4-48b)。在无光照时,暗电流很小。当有光照时,光子打在PN结附近,从而在PN结附件产生电子-空穴对。它们在内电场作用下做定向运动,形成光电流。光电流随光照度的增加而增加。因此在无光照时,光敏二极管处于截止状态,当有光照时,二极管导通。
光敏晶体管有NPN型和PNP型两种,结构与一般晶体管相似。由于光敏晶体管是由光致导通的,因此它的发射极通常做得很小,以扩大光的照射面积。当光照到晶体管的PN结附近时,在PN结附件有电子-空穴对产生,它们在内电场作用下做定向运动,形成光电流。这样使PN结的反向电流大大增加。由于光照发射极所产生的光电流相对于晶体管的基极电流,因此集电极的电流为光电流的β倍,因此光敏晶体管的灵敏度比光敏二极管的灵敏度高。
光敏晶体管的基本特性有:
(1)光照特性 光敏二极管特性曲线的线性度要好于光敏晶体管,这与晶体管的放大特性有关。
(2)伏安特性 在不同照度下,光敏二极管和光敏晶体管的伏安特性曲线跟一般晶体管在不同基极电流时的输出特性一样。并且光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管的光电流大数百倍。由于光敏二极管的光生伏打效应使得光敏二极管即使在零偏压时仍有光电流输出。
(3)光谱特性 当入射波长增加时,光敏晶体管的相对灵敏度均下降,这是由于光子能量太小,不足以激发电子-空穴对。而当入射波长太短时,灵敏度也会下降,这是由于光子在半导体表面附近激发的电子-空穴对不能到达PN结的缘故。
(4)温度特性 光敏晶体管的暗电流受温度变化的影响较大,而输出电流受温度变化的影响较小。使用应考虑温度因素的影响,采取补偿措施。
(5)响应时间 光敏管的输出与光照之间有一定的响应时间,一般锗管的响应时间为2×10-4s左右,硅管为1×10-5s左右。
4.5.3 光电传感器的应用
光电传感器可应用于检测多种非电量。由于光通量对光敏元件作用方式的不同所涉及的光学装置是多种多样的,按其输出性质可分为两类:
1.模拟量光电传感器
把被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值对应关系。属于这一类的光敏元件有以下几种形式:
图4-50 应用光敏元件的几种形式
1)光源本身是被测物(见图4-50a),其能量辐射到光敏元件上。这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计中,它的光辐射的强度和光谱的强度分布都是被测温度的函数。
2)恒光源所辐射的光穿过被测物,部分被吸收,而后到达光敏元件上(见图4-50b)。吸收量取决于被测物质的被测参数。例如,测液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、混浊度计的传感器等。
3)恒光源所辐射的光照到被测物(见图4-50c),由被测物反射到达光敏元件上。表面反射状态取决于该表面的性质,因此成为被测非电量的函数。如测量表面粗糙度等仪器的传感器。
4)恒光源所辐射的光遇到被测物,部分被遮挡,而后到达光敏元件上(见图4-50d),由此改变了照射到光敏元件上的光通量。在某些检测尺寸或振动的仪器中,常采用这类传感器。
2.开关量光电传感器
把被测量转换成断续变化的光电流,而自动检测系统输出的为开关量或数字电信号。属于这一类的传感器大多用在光机电结合的检测装置中。如电子计算机的光电输入机、转速表的光电传感器与用于精确角度测量的光电式编码器。
1)能借助于微电子技术,达到足够高的精度,避免人为的读数误差。
2)易于实现系统的快速、自动和数字化。
3)测量系统量程大,长度可达数米甚至更长,可在360°范围内进行角度测量。
4)测量系统安装方便、使用维护简单、工作性能可靠。
由于上述优点,已在机床业的数控、自动化以及计量业中广泛应用。本节着重介绍角度-数字编码器。
角度-数字编码器结构最为简单,广泛用于简易数控机械系统中。按工作原理加以区分,可分为脉冲盘式和码盘式两种。
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