畢業(yè)設(shè)計論文光電開關(guān)設(shè)計

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1、蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）1. 緒論1. 1 課題背景在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，為使今后的生產(chǎn)系統(tǒng)向自動化，無人化方向發(fā)展，提高安全生產(chǎn)效率，研發(fā)使用半導(dǎo)體材料及光敏器件，傳感器及光控技術(shù)，對提高安全生產(chǎn)效率，實現(xiàn)生產(chǎn)安全無人化管理具有重要的現(xiàn)實意義。光電開關(guān)是以光輻射驅(qū)動的電子開關(guān)，當(dāng)一定強度的光輻射投射到其中的光敏器件上時，它便會產(chǎn)生開關(guān)動作，輸出信號。由于信息技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，導(dǎo)致半導(dǎo)體光敏器件的研究取得了重大進展，制造工藝和質(zhì)量水平也不斷提高，并進入了實際應(yīng)用階段。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前光電開關(guān)已具有多系列、多品種，并在各種機械和生產(chǎn)線中擔(dān)負著重要的“眼睛”作用。隨著工廠

2、自動化(FA)向各個領(lǐng)域的不斷深入，以及柔性加工系統(tǒng)(FMS)的普遍采用，并逐步向計算機綜合生產(chǎn)系統(tǒng)(CIM)過渡，光電開關(guān)不再僅僅具有單純的探測功能，而且還具有內(nèi)部和外部雙重自診斷功能、防止相互干擾功能、外同步功能和鏡面抑制功能等各種附加功能，使光電開關(guān)智能化。目前大量生產(chǎn)的光電開關(guān)由于普遍采用了專用集成電路，使得響應(yīng)速度提高到1ms；數(shù)字積分取代了阻容積分，使得抗干擾能力大大增強；采用專門設(shè)計的一體化成型技術(shù)和塑料殼、模鑄殼并用的保護結(jié)構(gòu)，縮小了體積，提高了防護等級。 采用集成電路技術(shù)和SMT表面安裝工藝而制造的新一代光電開關(guān)器件，具有延時、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定

3、和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開關(guān)是一種采用脈沖調(diào)制的主動式光電探測系統(tǒng)型電子開關(guān)它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍色光等，可非接觸、無損傷地檢測和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動作。 接觸式行程開關(guān)存在響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測容易損壞被檢測物及壽命短等缺點，而晶體管接近開關(guān)的作用距離短，不能直接檢測非金屬材料。但是，新型光電開關(guān)則克服了它們的上述缺點，而且體積小、功能多、壽命長、精度高、響應(yīng)速度快、檢測距離遠以及抗光、電、磁干擾能力強。今后的生產(chǎn)系統(tǒng)都在向自動化、無人化方向發(fā)展，這就要求：1光電開關(guān)進一步提高智能化程度，就是在其內(nèi)部裝置微處理

4、器J通過其本身能進行自身調(diào)節(jié)和故障探測。2提高環(huán)境適應(yīng)性，就是要求能在任何場所都能安裝使用。3采用新技術(shù)、新工藝，加快光電開關(guān)小型化的速度。這就是今后光電開關(guān)開發(fā)的重要課題。1. 2 光電開關(guān)的特點1、用途特點 新穎的光電開關(guān)是采用脈沖調(diào)制的主動式光電探測系統(tǒng)的一種電子開關(guān)，使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光、藍色光等，可非接觸無損傷地檢測各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等 眾所周知，接觸式行程開關(guān)存在響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測容易損壞被檢測物及壽命短等弱點：晶體管接近開關(guān)的特點是作用距離近、不能直接檢測非金屬材料：白熾燈非調(diào)制型光電開關(guān)也有燈絲易斷、抗干擾性能差、功能簡單等不足

5、之處。調(diào)制型光電開關(guān)(MGK)克服了它們的缺點，具有體積小、功能多、壽命長、精度高、響應(yīng)速度快、檢測距離遠，以及抗光、電、磁干擾能力強等優(yōu)點。新一代光電開關(guān)采用專用集成電路和表面安裝工藝，具有延時、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高等特點，在穩(wěn)定工作區(qū)域還具有自診斷等智能化功能。 目前，光電開關(guān)已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)設(shè)備中作物位檢測、棉紗棉條檢測、液位控制、產(chǎn)品計數(shù)、寬度判別、速度監(jiān)測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、彩色標(biāo)志檢出、沖床和剪切機的安全防護、汽車防撞，以及利用紅外線的隱蔽性，在銀行、倉庫、商店、辦公室乃至寓所作為防盜警戒之用。2、工作原理 反射式光電開關(guān)是利用物體對投光

6、器輻射出來的光線所產(chǎn)生的反射的有無或強弱來檢測物體的有無或反射率等；對射式及鏡面反射式光電開關(guān)是以光軸是否被物體遮斷或遮斷量來判斷物體的有無或透射率。圖 11 反射式光電開關(guān)的工作原理框圖圖1-1是反射式光電開關(guān)的工作原理框圖，由振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)發(fā)射回路由發(fā)光管GL輻射出光脈沖，當(dāng)被檢測物體進入受光器作用范圍時，被反射回來的光脈沖進入光敏三極管DU，接收回路將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號，由放大器放大后，經(jīng)同步選通整形，再經(jīng)數(shù)字積分或RC積分濾除干擾后，經(jīng)延時(或不延時)觸發(fā)驅(qū)動器輸出。由于電路具有良好的回差特性，被檢測物在小范圍內(nèi)晃動也不會影響驅(qū)動器的輸出狀態(tài)，使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)。同時，

7、自診斷系統(tǒng)顯示受光狀態(tài)和穩(wěn)定工作區(qū)，監(jiān)視光電開關(guān)的工作。3、MG-K光電開關(guān)的特點 MG-K光電開關(guān)是微電子高技術(shù)產(chǎn)物，也是紅外光電開關(guān)(HGK)和紅外傳感開關(guān)(HWC)的升級換代產(chǎn)品。它與以往的光電開關(guān)的不同之處在于：(1)具有自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示功能，及時告知工作狀態(tài)是否可靠。(2)對射式、反射式都有防止相互干擾的功能，能緊密安裝。(3)ES外同步(外診斷)控制端的設(shè)置，可在運行前預(yù)檢光電開關(guān)是否正常工作，可隨時接受計算機和程控器的中斷或檢測指令。外診斷與自診斷組合使光電開關(guān)具有智能化。(4)響應(yīng)速度高達1ms，更高可達01 ms，每分鐘可檢測30萬次，能檢出高速移動的微小物體。(5)采用

8、專用集成電路和EM：P表面安裝工藝，有很高可靠性。(6)價格經(jīng)濟的電源內(nèi)部一體型，使用交流電源，輸出繼電器直接驅(qū)動負載，取代接觸式位控開關(guān)。(7)遠距型鏡反射和擴散反射式光電開關(guān)檢出距離達到10 m以上，適宜自動門防盜警戒、汽車防撞報警和遠距檢出。(8)雙光源標(biāo)志傳感器的出現(xiàn)，極大方便了包裝、印刷、食品、醫(yī)藥等機械設(shè)備的現(xiàn)場實時操作。1. 3 光電開關(guān)的分類及術(shù)語解釋1. 3. 1 光電開關(guān)的分類 1、按結(jié)構(gòu)分類光電開關(guān)按結(jié)構(gòu)可分為放大器分離型、放大器內(nèi)藏型和電源內(nèi)藏型三類。(1)放大器分離型 這種光電開關(guān)的放大器(含電源)與傳感器分離；交流、直流電源通用；具有接通和斷開延時功能；設(shè)置亮暗自動

9、切換開關(guān)；可控制六種輸出狀態(tài)；兼有接點和電平兩種輸出。 (2)放大器內(nèi)藏型 其放大器與傳感器于一體，安裝十分方便；使用直流工作電源；響應(yīng)速度快，有01ms和1ms兩種，能檢出微小物和高速運動物；改變電源極性可置換亮暗動；兼有電平輸出和電流輸出；設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈；有防止互擾功能，能緊密安裝；采用專用集成電路和表面安裝工藝。 (3)電源內(nèi)藏型 放大器、傳感器與電源裝置于一體；輸出有SSR固態(tài)繼電器，或繼電器常開常閉一組接點；使用交流工作電源，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場取代接觸式行程開關(guān)，可直接用于強電控制回路；設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈；有防止互擾功能，能緊密安裝；采用專用集成電路和表面安裝工藝。2

10、、按檢測方式分類 (1)對射式主要檢測不透明體，有以下幾種型式： a擴散型，檢測距離遠，也可檢測半透明物體的密度(透過率)。b狹界型，光束發(fā)散角小，抗鄰組干擾能力強。c細束型，擅長檢出細微的孔徑、線形和條狀物。d槽型，光軸固定不需調(diào)節(jié)，工作位置精度高。e光纖型，適宜空間狹小、電磁干擾大、溫差大、需防爆的危險環(huán)境。 (2)反射式可以檢測透明體和不透明體，主要有以下幾種型式： a限距型，工作距離限定在光束交點附近，可避免背景影響。b狹角型，特點同限距型相同，可檢測透明物后面的物體。c標(biāo)志型，能檢測顏色標(biāo)記和孔隙、液滴、氣泡，也可測電表、水表轉(zhuǎn)速。d擴散型，檢測距離遠，可檢出所有物體，通用性強。e光

11、纖型，同對射式光纖型功能相同。 (3)鏡面反射式可以遠距離檢測透明體和不透明體。表1-1給出了光電開關(guān)的檢測分類方式及特點說明。表1-1 按檢測方式分類檢測方式光路特點對射式擴散檢測不透明體檢測距離遠，也可檢測半透明物體的密度（透過率）狹角光束發(fā)散角小，抗鄰組干擾能力強細束擅長檢出細微的孔徑、線形和條狀物槽型光軸固定不需調(diào)節(jié)，工作位置精度高光纖適宜空間狹小、電磁干擾大、溫差大、需防爆的危險環(huán)境反射式限距檢測透明和不透明體工作距離限定在光束交點附近，可避免背景影響?yīng)M角特點同限距型，并可透檢透明物后面的物體標(biāo)志顏色標(biāo)記和孔隙、液滴、氣泡檢出、測電表、水表轉(zhuǎn)速擴散檢測距離遠，可檢出所有物體，通用性強

12、光纖適宜空間狹小、電磁干擾大、溫差大、需防爆的危險環(huán)境鏡面反射式反射距離大，適宜遠距檢出，還可檢出透明、半透明物體1. 3. 2術(shù)語解釋常見的術(shù)語示意圖如圖12 所示。圖 12 開關(guān)術(shù)語示意圖（：指向角）(1)檢測距離：是指檢測體按一定方式移動，當(dāng)開關(guān)動作時測得的基準(zhǔn)位置（光電開關(guān)的感應(yīng)表面）到檢測面的空間距離。額定動作距離指接近開關(guān)動作距離的標(biāo)稱值。(2)回差距離：動作距離與復(fù)位距離之間的絕對值。(3)響應(yīng)頻率：在規(guī)定的1s 的時間間隔內(nèi)，允許光電開關(guān)動作循環(huán)的次數(shù)。(4)輸出狀態(tài)：分常開和常閉。當(dāng)無檢測物體時，常開型的光電開關(guān)所接通的負載由于光電開關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截止而不工作，當(dāng)檢測到

13、物體時，晶體管導(dǎo)通，負載得電工作。(5)檢測方式：根據(jù)光電開關(guān)在檢測物體時發(fā)射器所發(fā)出的光線被折回到接收器的途徑的不同，可分為漫反射式、鏡反射式、對射式等。(6)輸出形式：分NPN 二線、NPN 三線、NPN四線、PNP 二線、PNP 三線、PNP 四線、AC 二線、AC 五線（自帶繼電器），及直流NPN/PNP/常開/常閉多功能等幾種常用的輸出形式。(7)指向角：見光電開關(guān)的指向角示意圖,即如圖4 的下部三個小圖所示。(8)表面反射率：漫反射式光電開關(guān)發(fā)出的光線需要經(jīng)檢測物表面才能反射回漫反射開關(guān)的接受器，所以檢測距離和被檢測物體的表面反射率將決定接受器接收到光線的強度。粗糙的表面反射回的光

14、線強度必將小于光滑表面反射回的強度,而且，被檢測物體的表面必須垂直于光電開關(guān)的發(fā)射光線。常用材料的反射率如表1-2所示。表1-2常用材料的反射率材料反射率材料反射率白畫紙90%不透明黑色塑料14%報紙55%黑色橡膠4%餐巾紙47%黑色布料3%包裝箱硬紙板68%未拋光白色金屬表面130%潔凈松木70%光澤淺色金屬表面150%干凈粗木板20%不銹鋼200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人的手掌心75%(9)環(huán)境特性：光電開關(guān)應(yīng)用的環(huán)境亦會影響其長期工作可靠性。當(dāng)光電開關(guān)工作于最大檢測距離狀態(tài)時，由于光學(xué)透鏡會被環(huán)境中的污物粘住，甚至?xí)灰恍娝嵝晕镔|(zhì)

15、腐蝕，以至其使用參數(shù)和可靠性降低。較簡便的解決方法就是根據(jù)光電開關(guān)的最大檢測距離（Sn）降額使用來確定最佳工作距離。1. 4光電開關(guān)的發(fā)展趨勢近幾年，在工廠自動化(FA)方面，對相當(dāng)于人視覺的傳感器需求量日益增多。其中光電傳感器自60年代產(chǎn)業(yè)界投放市場以來，一直以高達20%30的年增長率持續(xù)發(fā)展，光日本就有200億日元的市場。 和圖像傳感器相比，單純的檢測功能，簡便，價廉；和限位開關(guān)相比，不接觸，使用壽命長；和接近開關(guān)相比，檢測距離長，幾乎所有物體都能檢測；作為公式翻譯程序監(jiān)督系統(tǒng)(FMS)中PC的輸入器，已成為不可缺少的一種傳感器。特別是以光纖為代表，有力地促進了“輕、薄、短、小”的進展。今

16、后要考慮到，市場對功能、耐環(huán)境性等的強烈要求?？偟膩碚f，光電開關(guān)今后的發(fā)展趨勢是：小型化，多功能化。隨著光學(xué)技術(shù)，微電子技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)光電傳感器的高精度，高可靠性。由簡單的對物體大小，顏色等特性的檢測，更接近于人眼識別及判斷能力的復(fù)雜二維特性，以至三維特性檢測方向發(fā)展。2. 傳感器技術(shù)基礎(chǔ)在本設(shè)計開始之前，首先應(yīng)掌握傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)知識。這一章主要包括以下幾方面的內(nèi)容：傳感器的基本概念；傳感器的數(shù)學(xué)模型和基本特性指標(biāo)；改善傳感器性能的技術(shù)途徑；2. 1 傳感器的基本概念2. 1. 1 傳感器的定義 關(guān)于傳感器，至今尚無一個比較全面的定義，不過，對以下提法大家似乎不持異議，傳感器有時也被稱為換能

17、器、變換器或探測器，其主要特征是能感知和檢測某一形態(tài)的信息，并將這一信息轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。 傳感器（Transducer 或 Sensor）是將感受到的外界信息，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成所需的有用信息的裝置。它獲取的信息可以是各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也有各種形式。例如，電、光、溫度、聲、位移、壓力等物理量可以通過傳感器互相轉(zhuǎn)換。 從信息技術(shù)的角度來看，傳感器是獲取和轉(zhuǎn)換信息的一種工具，這些信息包括電、磁、光、聲、熱、力、位移、振動、流量、濕度、濃度、成分等。傳感器的核心部件是敏感元件，它是傳感器中用來感知外界信息和轉(zhuǎn)換成有用信息的元件。傳感器技術(shù)是傳感器與敏感元件、材料、制造

18、加工的一門綜合性技術(shù)。 傳統(tǒng)的傳感器有：由純機械結(jié)構(gòu)組成的，例如金屬彈性元件在壓力變化時引起形變制成的壓力計；金屬片因溫度變化引起形變制成的溫度計；差動變壓器、電感線圈、可變電容器、電位器因被測物位置變化引起電量變化制作成的位移、力、加速度等力學(xué)量傳感器。這種直接以機械量輸出或電量輸出的傳統(tǒng)式傳感器稱之為機電型傳感器。 在工程技術(shù)領(lǐng)域里，可以把傳感器看成是人體五官的工程模擬物。于是，可以將傳感器定義為：把特定的被測量信息按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置。這里的“可用信號”是指便于處理、傳輸?shù)男盘?，就目前的科技發(fā)展水平而言，這種便于處理、傳輸?shù)摹翱捎眯盘枴?，就是電信號。因此，在有?/p>

19、書上，將傳感器狹義地定義為“把外界非電量信息轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的電量輸出的器件或裝置”。當(dāng)然，我們可以想象，隨著光技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)人類跨入光電子時代，光信號將成為最便于處理和傳輸?shù)男盘?。那時，傳感器的概念句隨之發(fā)展成為：“把外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為信號輸出的器件”。所以，傳感器的概念是一個發(fā)展的概念，它隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步而發(fā)展。這也是傳感器沒有一個確定、統(tǒng)一定義的原因。 由于傳感器起到的是一個“轉(zhuǎn)換”作用，因此，傳感器也叫做變換器、換能器或探測器。 隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)、微米和納米技術(shù)的發(fā)展，近年產(chǎn)生了微傳感器與微執(zhí)行系統(tǒng)（Micromachined Transducers Syst

20、em）。微傳感器與微執(zhí)行系統(tǒng)是在微米量級內(nèi)設(shè)計和制造基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它集成了多種元件，包括傳感器、信息單元、執(zhí)行器和通信/接口單元等而組成的一個系統(tǒng)。微米和納米技術(shù)的發(fā)展將對傳感器技術(shù)的發(fā)展起到巨大的推動作用。2. 1. 2 傳感器的物理規(guī)律 這里所說的傳感器的物理規(guī)律，是指在傳感器的設(shè)計和使用過程中所必須遵循的物理定律，它們都是物理學(xué)的基本定律，可分為四大類：守恒定律、統(tǒng)計法則、場的定律和物理規(guī)律。 （1） 守恒定律 表示物理量隨著空間和時間的移動，其總量保持不變。包括能量守恒、動量守恒和電荷守恒等定律。傳感器與被測量之間能量轉(zhuǎn)換是必須遵守守恒定律。 （2） 統(tǒng)計法則 是分子、原子、電子等

21、運動的微觀世界與能被直接觀察的宏觀世界相結(jié)合的定律，如熱力學(xué)第二定律。這些統(tǒng)計法則常和傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)。 （3） 場的定律 描述電場、磁場、物質(zhì)場、重力場等在空間和時間上的變化規(guī)律。這些變化規(guī)律可由物理方程給出，這些物理方程可作為傳感器工作的數(shù)學(xué)模型。例如，利用靜電場定律研制的電容式傳感器，利用電磁感應(yīng)定律研制的電感式傳感器等。利用場的定律構(gòu)成的傳感器稱為結(jié)構(gòu)型傳感器。 （4） 物質(zhì)定律 表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在客觀性質(zhì)的定律。如虎克定律（F=kx）、歐姆定律（U=R*I）等。這些客觀性物質(zhì)常用來表示物質(zhì)固有性質(zhì)的物理常數(shù)加以描述，常數(shù)的大小決定著傳感器的主要性能。如虎克定律中的彈性系數(shù)k和歐

22、姆定律中的電阻R。利用半導(dǎo)體物質(zhì)法則壓阻、熱阻、光阻、濕阻等效應(yīng)，可分別做成壓敏、熱敏、光敏、濕敏等傳感器件?；谖镔|(zhì)定律構(gòu)成的傳感器稱為物性型傳感器。2. 1. 3 傳感器的組成 傳感器由敏感元件、傳感元件和其它輔助部件組成，如圖21所示。敏感元件 直接感受被測非電量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測非電量具有確定關(guān)系的有用非電量。傳感元件 又稱變換器，將敏感元件感受到的有用非電量直接轉(zhuǎn)換成電量。信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路 把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用的電信號。輔助電路 包括電源等環(huán)節(jié)。對于結(jié)構(gòu)型和物性型傳感器而言，其傳感器的組成是不同的。 對于物性型傳感器，其組成環(huán)節(jié)比較簡

23、單，如圖22所示。它沒有敏感元件，傳感元件能直接感受被測非電量而輸出電量。例如，對于半導(dǎo)體壓敏傳感器，被測非電量“壓力”作用在傳感元件上時，傳感元件直接將它轉(zhuǎn)換為電阻（率）的變化，即直接轉(zhuǎn)換成了有用電量輸出。這里，傳感器組成中就沒有敏感元件。 對于結(jié)構(gòu)型傳感器，一般則包括敏感元件和傳感元件兩個環(huán)節(jié)，即被測非電量通過敏感元件轉(zhuǎn)換為有用非電量，再由傳感元件轉(zhuǎn)換為有用電量輸出，如圖23所示。2. 1. 4 傳感器的分類 傳感器的種類很多，同一原理的傳感器，可以同時測量多種非電量，而一種被測量，又可以用幾種不同的傳感器來測量，因此，傳感器的分類方法很多。了解傳感器的分類，旨在加深理解，便于應(yīng)用。 （1

24、） 按輸入物理量的性質(zhì)分類 根據(jù)輸入量的性質(zhì)進行分類，如位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等。它是以輸入物理量命名的，比較明確地指出了傳感器的用途，便于使用者選用。同時，這種方法將種類繁多的物理量分為兩大類，即基本量和派生量。 （2） 按工作原理分類 按工作原理分類是以傳感器對信號轉(zhuǎn)換的作用原理命名的，如應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器等。這種分類方法較清楚地反映出了傳感器的工作原理，有利于對傳感器的深入研究分析。 （3） 按能量關(guān)系分類 根據(jù)能量關(guān)系分類，可將傳感器分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型，能量轉(zhuǎn)換型傳感器的輸出量直接由被測輸入量的能量轉(zhuǎn)換而得，又稱為有源傳感器。外源

25、型傳感器的輸出量能量必須由外加電源供給，只是受被測輸入量的調(diào)節(jié)和控制，是能量控制型傳感器，又稱為無源傳感器。 （4） 按輸出信號的性質(zhì)分類 根據(jù)輸出信號為模擬信號或數(shù)字信號，可將傳感器分為模擬式和數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器便于與計算機聯(lián)網(wǎng)，且抗干擾較強，如光柵傳感器等。 （5） 按構(gòu)成原理分類 按構(gòu)成原理不同，可將傳感器分為結(jié)構(gòu)型和物性型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是以其轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的，而物性型傳感器是以其轉(zhuǎn)換元件物理特性的變化而實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的。 （6） 按構(gòu)成傳感器的功能材料分類 按構(gòu)成傳感器的功能材料不同，可將傳感器分為半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、光纖傳感器、高分子薄膜傳感器等

26、。 （7） 按某種高新技術(shù)命名的傳感器分類 有些傳感器是根據(jù)某種高新技術(shù)命名的，如集成傳感器、智能傳感器、機器人傳感器、仿生傳感器等。2. 2 傳感器的數(shù)學(xué)模型及其基本特性 根據(jù)傳感器的定義，傳感器感受被測輸入量，并將感受到的被測輸入量，按一定的規(guī)律輸出為有用信號。因此，我們有必要研究傳感器的輸入輸出關(guān)系，來指導(dǎo)傳感器的設(shè)計、制造、校準(zhǔn)及使用。 描述傳感器輸入輸出關(guān)系的方法有兩種：一是傳感器的數(shù)學(xué)模型；二是傳感器的各種基本特性。兩者都可用于描述傳感器的輸入輸出關(guān)系及其特性。在設(shè)計、研究傳感器時，常常用到傳感器的數(shù)學(xué)模型來準(zhǔn)確完整地反映傳感器的輸入輸出特性；而在制造和使用傳感器時，常根據(jù)傳感器生

27、產(chǎn)廠商給出的各種基本特性指標(biāo)，來選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳌?2. 2. 1 傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型 傳感器的靜態(tài)模型是指在靜態(tài)條件下得到的傳感器的數(shù)學(xué)模型。所謂的“靜態(tài)條件”是指被測輸入量對時間t的各階導(dǎo)數(shù)為零。當(dāng)被測輸入量為準(zhǔn)靜態(tài)量時，也可用靜態(tài)數(shù)學(xué)模型來近似地描述。 傳感器的靜態(tài)模型可以用代數(shù)方程和特性曲線來描述。1、代數(shù)方程 在不考慮傳感器滯后及蠕變的情況下，傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型可以用一個代數(shù)方程來表示，即 （21）式中 x輸入量 y輸出量 傳感器的靜態(tài)模型有三種特殊形式，其代數(shù)方程可表示為 （22） （23） （24）這里式（22）表示傳感器的輸入輸出關(guān)系呈嚴(yán)格的線性關(guān)系，而式（23）、式（24

28、）表示的輸入輸出關(guān)系均為非線性關(guān)系，必須采取線性化補償措施。2、特性曲線 表示傳感器輸入輸出關(guān)系的曲線稱為傳感器的特性曲線。代數(shù)方程式（21）、式（22）、式（23）和式（24）可分別用特性曲線描述為圖（24）的（a）、（b）、（c）和（d）四種情況。圖 24 傳感器的靜態(tài)特性曲線從圖24中可看出，圖（b）為理想線性特性，其它的圖（a）、（c）、（d）都出現(xiàn)非線性的情況，且圖（d）具有奇次方的代數(shù)方程，它在相當(dāng)大的輸入范圍內(nèi)有較寬的準(zhǔn)線性。2. 2. 2 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯現(xiàn)象、分辨率、穩(wěn)定性、漂移等，其中，線性度、遲滯現(xiàn)象和重復(fù)性是三個較為

29、重要的指標(biāo)，傳感器的靜態(tài)誤差就可以由這三個指標(biāo)綜合給出。1、線性度所渭傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度。又稱為非線性誤差。非線性誤差可用下式表示： （25）式中 輸出量與輸出量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差； 滿量程輸出值。圖 25 傳感器線性度的表示 顯然，選定的擬合直線不同，得到的傳感器的線性度就不同，如圖（25），因此，擬合直線的選定非常重要，選定擬合直線的過程，就是傳感器線性化的過程。擬合直線選定的原則是：保證盡量小的非線性誤差，同時使計算與使用方便。2、靈敏度傳感器的靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸出增量y與輸入增量x的比值常用Sn來表示,即對于線性傳感器，其

30、靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖2-6(a)所示。即非線性傳感器的靈敏度是一個變量，如圖26(b)所示，即用表示傳感器在其一工作點的靈敏度。圖 26 靈敏度的定義3、重復(fù)性重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度(見圖27)。多次按相同輸入條件測試的輸出特性曲線越重合，其重復(fù)性越好,誤差也越小。傳感器輸出特性的不重復(fù)性主要由傳感器機械部分的磨損、間隙、松動、部件的內(nèi)摩擦、積塵以及輔助電路老化和漂移等原因產(chǎn)生。圖 27 重復(fù)性不重復(fù)性一般采用下式的極限誤差式表示：式中 max 輸出最大不重復(fù)誤差； 滿量程輸出值。不重復(fù)性誤差一般屬于隨機誤差性質(zhì)，按極限誤

31、差公式計算不太合理。不重復(fù)性誤差可以通過校推測得。根據(jù)隨機誤差的性質(zhì)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度隨校準(zhǔn)次數(shù)不同而不同，其最大偏差值也不一樣。因此，重復(fù)性誤差Ex?？砂聪率接嬎悖菏街袨闃?biāo)準(zhǔn)偏差。如果誤差服從高斯分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差可以按貝塞爾公式計算式中 某次測量值； 各次測量值的平均值，； n 測量次數(shù)。4、遲滯(回差滯環(huán))現(xiàn)象遲滯特性能表明傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輸出輸入特性曲線不重合的程度，如圖28所示。圖 28 遲滯現(xiàn)象對于同一大小的輸入信號x，在x連續(xù)增大的行程中，對應(yīng)某一輸出量為，在x連續(xù)減小過程中，對應(yīng)于輸出量為之間的差值叫做滯環(huán)誤差，這就是所謂的遲滯現(xiàn)象。該

32、誤差用E表示為在整個測量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用m表示，它與滿量程輸出值的比值稱為最大滯環(huán)率，即產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因類似重復(fù)誤差的原因。5、分辨率 傳感器的分辨宰是在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測輸入量的最小變化量。有時，也用該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)()表示。6、穩(wěn)定性 穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。對于傳感器常用長期穩(wěn)定性描述其穩(wěn)定性。所謂傳感器的穩(wěn)定性是指在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔，如一天、一月或一年、傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異。因此，通常又用其不穩(wěn)定度來表征傳感器輸出的穩(wěn)定程度。7、漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂

33、移包括零點漂移和靈敏度漂移等。零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的漂移。2. 2. 3 傳感器的動態(tài)模型 動態(tài)模型是指傳感器在準(zhǔn)動態(tài)信號或動態(tài)信號(輸人信號隨時間而變化的量)作用下，描述其輸出和輸入情號的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。動態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)等來描述。1、微分方程 絕大多數(shù)傳感器都屬模擬(連續(xù)變化)系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。在實際的模型建立過程中，一般采用線性時不變系統(tǒng)理論描述傳感器的動態(tài)特性，即用線性常系數(shù)微分方程表示傳感器輸出量y和輸入量x的關(guān)系

34、。其通式如下：（26）式中和為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(是常量)。對于傳感器. 除外，一般取為0。 對于復(fù)雜的系統(tǒng)，其微分方程的建立求解都是很困難的；但是一旦求解出微分方程的解，就能分清其暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定響應(yīng)。為了求解的方便，常采用拉普拉斯變換(簡稱拉氏變換)，將式(26)變?yōu)樗阕觭的代數(shù)式或采用下面將要介紹的傳遞函數(shù)研究傳感器動態(tài)特性。2、傳遞函數(shù)如果y(t)在t0時，y(t)0，則y(t)的拉氏變換可定義為式中 。對式(2-6)兩邊取拉氏變換，則得我們定義輸出y(t)的拉氏變換y(s)和輸入x(t)的拉氏變換x(s)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)： （27）對y(t)進行拉氏變換的初始條件是t0，y

35、(t)0。這對于傳感器被激勵之前所有的儲能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件均符合上述初始條件。從式(27)可知，它與輸人量x(t)無關(guān)只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因此，H(S)可以簡單而恰當(dāng)?shù)孛枋銎漭敵雠c輸入關(guān)系。只要知道Y（S），X(S)，H(S)三者的任意兩者，第三者便可方便地求出。這時可見，無需了解復(fù)雜系統(tǒng)的具體內(nèi)容，只要給系統(tǒng)一個激勵信號x(t)，使可得到系統(tǒng)的響應(yīng)y(t)，系統(tǒng)特性就能被確定。它們可用圖29(a)框圖表示。圖 29 傳感器的傳遞函數(shù)框圖表示法對于多環(huán)節(jié)串、并聯(lián)組成的傳感器，如果各個環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng)，可忽略相互間的影響，則傳感器的等效傳遞函數(shù)可按下列代數(shù)方式求得：若傳感器由r

36、個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，如圖29(b)所示，其等效傳遞函數(shù)為若傳感器由p個環(huán)節(jié)并聯(lián)而成，如圖29(c)所示,其等效傳遞函數(shù)為其中H(S)為各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。2. 2. 4 傳感器的動態(tài)特性1、傳感器的動態(tài)特性 傳感器的動態(tài)特性是傳感器在測量中非常重要的問題，它是傳感器對輸入激勵的輸出響應(yīng)特性。一個動態(tài)持性好的傳感器，隨時間變化的輸出曲線能同時再現(xiàn)輸入隨時間變化的曲線，即輸出-輸入具有相同類型的時間函數(shù)。在動態(tài)的輸入信號情況下，輸出信號一般來說不會與輸入信號具有完全相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸人間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。不難看出，有良好的靜態(tài)特性的傳感器，未必有良好的動態(tài)特性。這是由于在動態(tài)(快速變

37、化)的輸入信號情況下，要有較好的動態(tài)特性，不僅要求傳感器能精確地測量信號的幅值大小，而且需要能測量出信號變化過程的波形，即要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)信號幅值變化和無失真地再現(xiàn)被測信號隨時間變化的波形。 影響動態(tài)特性的“固有因素”任何傳感器都有，只不過表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。研究傳感器的動態(tài)特性主要是為了從測量誤差角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因以及提出改善措施。具體研究時，通常從時域或頻域兩方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。由于激勵傳感器信號的時間函數(shù)是多種多樣的，在時域內(nèi)研究傳感器的響應(yīng)特性，同自動控制系統(tǒng)分析一樣。只能通過對幾種特殊的輸入時間函數(shù)，如階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等來研究其

38、響應(yīng)特性。在頻域內(nèi)通常利用正弦函數(shù)研究傳感器的頻率響應(yīng)特性。為了便于比較或評價、或動態(tài)定標(biāo)，最常用的輸入信號為階躍信號和正弦信號。因此,對應(yīng)的方法為階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。2、階躍響應(yīng)當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號時，其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。衡量階躍響應(yīng)特性的幾項指標(biāo)，如圖（210）所示。(1)最大超調(diào)量最大超調(diào)量就是響應(yīng)曲線偏離階躍曲線的最大值，常用百分?jǐn)?shù)表示。最大百分比超調(diào)量 。 最大超調(diào)量能說明傳感器的相對穩(wěn)定性。 (2)延滯時間是階躍響應(yīng)達到穩(wěn)態(tài)值50所需要的時間。(3)上升時間它有幾種定義：響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%90%；從穩(wěn)態(tài)值的595%；從零上升到第一次到達穩(wěn)態(tài)值所

39、需的時間。對有振蕩的傳感器常用，對無振蕩的傳感器常用描述。(4)峰值時間 響應(yīng)曲線到第一個峰值所需的時間。 (5)響應(yīng)時間響應(yīng)曲線衰減到穩(wěn)態(tài)值之差不超過5或土2時所需要的時間，有時稱為過渡過程時間。上述是時域響應(yīng)的主要指標(biāo)。對于一個傳感器，并非每一個指標(biāo)均要提出往往只要提出幾個被認(rèn)為是重要的性能指標(biāo)就可以了。由于傳感器的動態(tài)參數(shù)測量的特殊性，如果不注意控制這些誤差，將會導(dǎo)致嚴(yán)重的測量誤差。3、頻率響應(yīng)特性在定常線性系統(tǒng)中，根據(jù)信號與系統(tǒng)一書的知識，拉氏變換是廣義的傅氏變換取中的，則即拉氏變換局限于S平面的虛軸，則得到傅氏變換，那么式(27)變?yōu)橥瑯佑?則 H()稱為傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)(頻率響

40、應(yīng))。頻率H()是一個復(fù)函數(shù)，它可以用指數(shù)形式表示，即式中，即稱為傳感器的幅頻特性，也稱為傳感器的動態(tài)靈敏度(或增益)。A()表示傳感器的輸出與輸入的幅度比值隨頻率而變化的大小。若以分別為H()的實部和虛部，則頻率特性的相位角對于傳感器,通常為負的，表示傳感器輸出滯后于輸入的相位角度。而且隨而變，故稱之為傳感器的相頻特性。由于相頻特性與幅頻特性之間有一定的內(nèi)在關(guān)系，所以，研究傳感器的頻域特性時主要用幅頻特性。2. 3 傳感器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢傳感器是測量系統(tǒng)中直接作用于被測量(包括物理、生物、化學(xué)量等)的器件，通過它將被測量變換成容易處理，容易與標(biāo)準(zhǔn)量比較的物理量(如位移、頻率、電流、電阻、電壓

41、等量)。傳感器通常是依據(jù)有關(guān)的物理、化學(xué)和生物效應(yīng)進行工作的。各種功能材料是傳感技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。傳感器技術(shù)的研究開發(fā),不僅要求原理正確，選材合適，而且要求有先進的加工工藝技術(shù)。近年來,根據(jù)社會生產(chǎn)、科研和生活的需要,在工業(yè)生產(chǎn)自動化和節(jié)約資源、災(zāi)害預(yù)測、安全防衛(wèi)、環(huán)境保護、醫(yī)療診斷等方面研制了各種用途的傳感器，為檢測、自動控制、環(huán)保以及電子計算機的應(yīng)用等方面創(chuàng)造了十分有利的條件。世界各工業(yè)發(fā)達國家對于開發(fā)研究傳感器不僅在思想認(rèn)識上給予高度重視而且投入了大量人力和物力，它已被列為新技術(shù)革命的核心技術(shù)之一。今后它必將在我國現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮日益重要的作用。 2. 3. 1 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域傳感器

42、的應(yīng)用領(lǐng)域(見表21)表21 傳感器應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng) 用 領(lǐng) 域具 體 要 求 內(nèi) 容主 要 配 用 傳 感 器交通運輸（汽車、飛機、船舶）節(jié)約燃燒，監(jiān)測排出廢氣、可靠性、安全要求、交通的集中管理溫度、壓力、轉(zhuǎn)數(shù)、速度、位移、流量傳感器工業(yè)測量控制組建自動化控制系統(tǒng)、節(jié)約能源、保證安全生產(chǎn)、減輕勞動強度溫度、壓力、流量、液位、速度、位移、狀態(tài)等傳感器醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療電子化、各種治療手段和檢驗儀器溫度、壓力、光、磷、超聲波、同位素傳感器防火安全技術(shù)各種報警裝置、水庫水位、地震預(yù)測流床流量、煤氣泄露溫度、流量、液位、氣體、紅外線、超音波傳感器動力資源開發(fā)物理探礦、風(fēng)力利用、地?zé)衢_發(fā)、太陽能設(shè)備溫度、磁、光、

43、紅外超聲波傳感器糧食生產(chǎn)加工農(nóng)業(yè)工業(yè)化、輻照食品、農(nóng)林生態(tài)檢測、冷凍食品加工溫度、濕度、紅外線、磁、成分、超聲波傳感器公害防治大氣、河川、海水有害物質(zhì)檢測、工業(yè)三廢利用氣體、化學(xué)、成分傳感器機械制造加工 加工過程異常檢測、工具磨損檢測、自動選料、自動夾具、自動倉庫 外形、尺寸、位移、振動、速度傳感器科學(xué)計量測試 標(biāo)準(zhǔn)傳遞、高精度測量、特殊參數(shù)測試力、壓力、頻率、電壓、磁、長度傳感器信息通訊處理 流程信息傳輸、綜合信息管理、圖像傳輸、廣播通訊光、磁、色、圖像、頻率傳感器其他領(lǐng)域土木建筑、商業(yè)流通、教育 振動、位移、光傳感器2. 3. 2 傳感器的檢測參數(shù)目前，傳感器的檢測參數(shù)以機械量為最多，其次

44、是光學(xué)量、化學(xué)量、溫度、生物量、濕度等。共所占比例見表22。表 22 檢測參數(shù)所占比例檢測參數(shù)比例（%）檢測參數(shù)比例（%）溫 度紅外線壓 力濕 度位 置成 分生物體化學(xué)量流 量可見光離子濃度磁 場照 度位 移轉(zhuǎn) 角10.05.95.75.55.04.82.82.72.72.72.02.01.81.8生物體機械量應(yīng) 變角 度力流 速形 狀電 流速 度轉(zhuǎn) 矩聲 波阻 抗水 分化驗化學(xué)量其 它1.41.21.21.21.21.21.21.11.11.11.11.11.129.42. 3. 3 傳感器的變換功能表23所示為目前研究開發(fā)的傳感器所依存的各種變換功能。可以看到，與物理有關(guān)的變換功能占大多數(shù)

45、，其中以光電勢效應(yīng)、光導(dǎo)電效應(yīng)為代表的光電變換功能最引人注目，其次是壓電變換、熱電變換和磁電變換。上述四種變換功能幾乎占了一半以上。表 23 傳感器的變換功能所占比例（%）變換功能（%）具體效應(yīng)及原理與化學(xué)有關(guān)14.4氧化還原反應(yīng)光化學(xué)反應(yīng)離子交換反應(yīng)觸媒反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)其它3.40.20.72.74.82.7化學(xué)吸附引起阻抗變化離子導(dǎo)電引起阻抗變化伽伐尼電池與物理有關(guān)74.6熱電變換光電變換壓電變換磁電變換熱磁變換光磁變換磁應(yīng)變換熱光變換壓光變換熱壓變換其它10.122.615.37.70.20.70.51.10.51.114.8熱電勢效應(yīng)、熱電阻效應(yīng)光電勢效應(yīng)、光電子效應(yīng)、光電效應(yīng)壓電效應(yīng)、

46、壓電阻效應(yīng)霍爾效應(yīng)、磁阻抗效應(yīng)居里點磁特性變化法拉第效應(yīng)應(yīng)變引起導(dǎo)磁率變化熱輻射光彈性效應(yīng)熱膨脹引起流量變化應(yīng)變、共振頻率變化與生物有關(guān)5.2免疫反應(yīng)酶反應(yīng)微生物組織其它0.82.80.41.1抗原體反應(yīng)脫碳酸反應(yīng)呼吸功能其它5.85.82. 3. 4 傳感器的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，傳感器的研制和生產(chǎn)已經(jīng)提到日程上來了， “頭腦(計算機)發(fā)達，感覺(傳感器)遲鈍”的情況再也不允許存在下去了。因此近年來傳感器的地位受到廣泛重視，被普通的認(rèn)為是八十年代科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的一個重要方面。傳感器技術(shù)所涉及的知識非常廣泛，滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域。但是它們的共性是利用物理定律和物質(zhì)的物理特性，將非電

47、量轉(zhuǎn)換成電量。所以如何采用新技術(shù)、新工藝、新材料以及探索新理論，以達到高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換效能，是總的發(fā)展途徑。由于科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，在傳感器領(lǐng)域內(nèi)，目前實際使用得最多的仍然是結(jié)構(gòu)型傳感器，例如用力平衡式、電容式、電感式、振弦式等傳感器來測量壓力、位移、流量、溫度等。隨著新型材料的開發(fā)，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用以及制造工藝的改進，傳感器技術(shù)的發(fā)展具有以下特點：1、固態(tài)化 目前，發(fā)展最快的固態(tài)物性型傳感器，主要是半導(dǎo)體、電介質(zhì)和強磁性體三類。其中半導(dǎo)體傳感器最引人注目，它不僅容易接受外界信息的作用并轉(zhuǎn)換為電量，而且響應(yīng)速度快，體積小，重量輕，便于實現(xiàn)傳感器的集成化和功能化。例如有一種新型固態(tài)傳感器，在一塊芯片上同

48、時集成了差壓、靜壓、溫度三種傳感器，使差壓傳感器具有溫度、壓力補償功能。除半導(dǎo)體外，還開發(fā)了壓電體、熱釋電體、鐵電體、強磁性等固態(tài)傳感器。2、多功能、集成化 隨著傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，借助于半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù)、擴散技術(shù)、光刻技術(shù)，精密細微加工以及組裝技術(shù)等，使傳感器已從單一元件、單一功能向多功能、集成化方向發(fā)展。所謂多功能化就是使傳感器具有多種參數(shù)檢測功能，而集成化就是把傳感器部分與信息處理或轉(zhuǎn)換部分及電源等利用半導(dǎo)體技術(shù)制作在同一芯片上。目前已出現(xiàn)集成電路壓力傳感器、集成電路溫度傳感器、磁敏傳感器、多功能氣體傳感器、全固態(tài)化CCD型攝像器件等。3、向圖像傳感器方向發(fā)展目前傳感器的研究不僅作

49、為某一點的參數(shù)測量，而且可從維、二維、三維甚至四維來考慮，已成功地研制出各種二維圖像傳感器。例如CCD（電荷耦合器件)固態(tài)攝像器件，BBID(顫斗式耦合器件)及MOSID(雙校MOS器件)攝像器件等。4、智能化利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，使傳感部分與其后的信號處理部分等組合在一起以強化傳感器的功能。其特點是：(1)多功能，使傳感器具有自我診斷功能，非線性補償功能以及測量范圍選擇功能； (2)高精確度，由于使用微處理器以及進行數(shù)字化運算處理，使測量誤差減?。?(3)信息便于傳遞，由于在傳感器一端已進行了必要的運算處理，故使接收端的負載減輕； (4)擴展功能時只需改變軟件，即可實現(xiàn)功能擴展，這樣會進一

50、步使傳感器具有視、嗅、觸、味、聽覺功能以及存儲，思維等功能。5、光學(xué)化在傳感器技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，目前正愈來愈多地應(yīng)用微光電子技術(shù)，它不僅用于信息的接收、顯示，而且用于信號的轉(zhuǎn)換和遠距離傳輸，利用光固有的特性如振幅、波長、相位、偏振角等參數(shù)，以及光在傳播中的反射、吸收、折射、散射、干涉等現(xiàn)象和效應(yīng)，已研究開發(fā)了多種用途的光傳感器。目前已在產(chǎn)品形狀、表面光潔度、在線計數(shù)、缺陷檢測、成分分析、生物測量以及地貌測量中得到應(yīng)用。3. 光電傳感器光電傳感器是一種將光量的變化轉(zhuǎn)換成電量變化的傳感器，其組成如圖31所示，一般包括光源、光通路、光電元件及測量電路等部分。其中，表示被測量直接引起的光源光量變化，則表示被

51、測量在光傳播過程中調(diào)制光量，引起光量的相應(yīng)變化。圖 31 光電式傳感器的組成3. 1 光 電 效 應(yīng)光電元件是光電傳感器中最重要的部件，常見的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩大類。它們的工作原理都基于不同形式的光電效應(yīng)。根據(jù)光的波粒二象性，我們可以認(rèn)為光是一種以光速運動的粒子流，這種粒子稱為光子。每個光子具有的能量為 (6-1)式中， h 普朗克常數(shù)， ； 光的頻率（） 。物體中的電子吸收入射光子的能量，當(dāng)足以克服材料的逸出功時，電子就逸出物體表面產(chǎn)生電子發(fā)射。如果電子要逸出，所吸收的光子能量h必須大于等于逸出功，超出部分的能量表現(xiàn)為逸出的光電子的動能，根據(jù)能量守恒原理得式中 m 電子質(zhì)量 ；

52、 電子逸出速度 。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程 由此可見，對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串能量為Au的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，我們把這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為三類： (1)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。 (2)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電

53、元件有光敏電阻、光敏晶體管等。 (3)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。3. 2 光電傳感器的類型按照光電傳感器中光電元件輸出電信號的形式可以將光電傳感器分為模擬式和脈沖式兩大類。1、模擬式光電傳感器 這種傳感器中光電元件接受的光通量隨被測量連續(xù)變化，因此，輸出的光電流也是連續(xù)變化的，并與被測量呈確定的函數(shù)關(guān)系，這類傳感器通常有以下四種形式。 (1)光源本身是被測物，它發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)，如圖3-2（a）所示。這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計和照度計。圖 32 模擬式光電傳感器

54、的常見形式a）被測量是光源 b）被測量吸收光通量 c）被測量是有反射能力的表面 d）被測量遮蔽光通量1被測物 2光電元件 3恒光源(2)恒定光源發(fā)射的光通量穿過被測物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，吸收量取決于被測物的某些參數(shù)。如圖3-2（b）所示?？捎糜跍y量透明度、混濁度。 (3)恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測物上，由被測物表面反射后再投射到光電元件上，如圖3-2（c）所示。反射光的強弱取決于被測物表面的性質(zhì)和狀態(tài)，因此可用于測量工件表面粗糙度、紙張的白度等。(4)從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達光電元件的途中受到被測物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映

55、了被測物的尺寸或位置。如圖3-2（d）所示。這種傳感器可用于工件尺寸測量、振動測量等場合。2、脈沖式光電傳感器 在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。 3. 3 光電傳感器的常用光源光源是許多光電傳感器的重要組成部分，要使光電傳感器很好地工作，除了合理選用光電元件外，還必須配備合適的光源。常用光源有以下幾種。1、發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于

56、計算機、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。2、鎢絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。3、激光 激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點，是很理想的光源。 3. 4 光電轉(zhuǎn)換電路由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當(dāng)?shù)臏y量電路。測量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件的電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測量電路也不相同。下面介紹幾種半導(dǎo)體光電元件常用的測量電路。半導(dǎo)體光

57、敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備放大器。在要求較大的輸出功率時，可用圖3-3所示的電路。圖33 光敏電阻測量電路圖 34 光敏晶體管測量電路a）光敏二極管測量電路 b）光敏三極管測量電路圖3-4（a）給出帶有溫度補償?shù)墓饷舳O管橋式測量電路。當(dāng)入射光強度緩慢變化時，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進行補償。圖中一個光敏二極管作為檢測元件，另一個裝在暗盒里，置于相鄰的橋臂中，溫度的變化對兩只光敏二極管的影響相同，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖

58、3-4（b）所示。 由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖3-5（a）所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻。或者像圖3-5（b）所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖3-5（c）所示。圖 35 光電池測量電路半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖3-6（a）所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的

59、光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖3-6（b）給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 。圖 36 使用運算放大器的光敏元件放大電路a）硅光敏二極管放大電路 b）硅光電池放大電路3. 5 光電器件及其特性3. 5. 1 光電管、光電倍增管光電管和光電倍增管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件。下面簡要介紹它們的結(jié)構(gòu)和工作原理。 1、光電管光電管的外形和結(jié)構(gòu)如圖3-7所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為根據(jù)能量守恒定律有式中 m 電子質(zhì)量 ；