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第5章 常用物性型传感器 第5章 常用物性型传感器 5.1 压阻式传感器 5.2 压电式传感器 5.3 光电式传感器 5.1 压阻式传感器 5.1.1工作原理 5.1.2 结构与类型 5.1.3 温度补偿原理与方法 5.1 压阻式传感器 压阻式传感器是利用固体的压阻效应制 成的，主要用于测量压力、加速度和载 荷等参数。压阻式传感器有两种类型， 一种是利用半导体材料的体电阻做成粘 贴式的应变片，这在第四章的电阻应变 式传感器中已介绍过。另一种是在半导 体的基片上用集成电路工艺制成扩散型 压敏电阻，用它作为传感元件制成的传 感器，称固态压阻式传感器，也叫扩散 型压阻式传感器。 5.1.1 工作原理 在第4章已讲过，任何材料发生变形时电阻的变化率由下 式决定： 对于半导体材料而言，R/R=(1+2)+/=(1+2)+， 它由两部分组成：前一部分(1+2)表示由尺寸变化所致， 后一部分表示由半导体材料的压阻效应所致。实验表 明：>>1+2，也即半导体材料的电阻值变化主要是由电 阻率变化引起的。因此可有： 其中，表示压阻系数。半导体电阻率随应变所引起的变 化称为半导体的压阻效应。 2. 晶向的表示方法 • 扩散型压阻式传感器的基片是 半导体单晶硅，而单晶硅是各 向异性材料，取向不同时特性 也不一样。取向是用晶向来表 示的，所谓晶向就是晶面的法 线方向，晶向的表示方法有两 种，一种是截距法，另一种是 法线法。 • 对于图5-1所示的平面，如果用 截距法，可表示为 • 如果用法线法，可表示为 3. 压阻系数 半导体材料（一般是单 晶硅），沿三个晶轴方 向取出一微元素，单晶 硅上受到作用力时，微 元素上的应力分量应有9 个（如图5-3所示），但 剪切应力总是两两相等 的，即有：23=32， 13=31，12=21，9 个分量中只有6个是独立 的，即：11、22、 33、23、31、12是 独立的 3. 压阻系数 6个独立应力分量可写成：1、 2、3、4、5、6。有应 力存在就会产生电阻率的变 化。6个独立应力分量分别可 在6个相应的方向产生独立的 电阻率的变化，若电阻率的 变化率/用符号表示，则 6个独立的电阻率的变化率可 写成：1、2、3、4、5、 6。 电阻率的变化率与应力之间 通过压阻系数相联系，6个 独立的电阻率的变化率与6个 独立的应力分量之间的压阻 系数关系如表5-1所示。 3. 压阻系数 压阻系数的矩阵为： 5.1.2 结构与类型 压阻式传感器的结构原理 • 硅压阻式传感器由外壳、硅膜片和引 线组成，其结构原理参见图5-4所示。 其核心部分做成杯状的硅膜片，通常 叫做硅杯。外壳则因不同用途而异。 在硅膜片上，用半导体工艺中的扩散 掺杂法做四个相等的电阻，经蒸镀铝 电极及连线，接成惠斯登电桥，再用 压焊法与外引线相连。膜片的一侧是 和被测系统相连接的高压腔，另一侧 是低压腔，通常和大气相通，也有做 成真空的。 5.1.2 结构与类型 由图5-5可见，均布压力P产生的 应力是不均匀的，且有正应力区 和负应力区。当r =0.635r0时，r =0；当r <0.635r0时，r >0，即 为拉应力；当r >0.635r0时，r <0，即为压应力。当r =0.812r0时， t =0，仅有r存在，且r <0，即 为压应力。利用这一特性，选择 适当的位置布置电阻，使其接入 电桥的四臂中，两两电阻在受力 时一增一减，且阻值增加的两个 电阻和阻值减小的两个电阻分别 对接，形成差动全桥。 5.1.2 结构与类型 压阻式传感器的基本类型 压阻式压力传感器 压阻式加速度传感器 5.1.3 温度补偿原理与方法 由于半导体材料对温度比较 敏感，压阻式传感器的电阻 值及灵敏度系数随温度变化 而改变，将引起零点温度漂 移和灵敏度漂移，因此必须 采取温度补偿措施。 1. 零点温度补偿 零点温度漂移是由于扩散电 阻的阻值及其温度系数不一 致造成的。一般用串、并联 电阻法补偿，如图5-7所示。 2. 灵敏度温度补偿 灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而引起 的。温度升高时，压阻系数变小，温度降低时，压 阻系数变大，说明传感器的灵敏度系数为负值。 温度升高时，若提高电桥的电源电压，使电桥的输 出适当增大，反之，温度降低时，若使电源电压降 低，电桥的输出适当减小，便可以实现对传感器灵 敏度的温度补偿。如图5-7所示，在电源回路中串联 二极管进行温度补偿，电源采用恒压源，当温度升 高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增 加，使其输出增大。 5.2 压电式传感器 5.2.1压电效应及压电材料 5.2.2 等效电路及测量电路 5.2.3 影响压电式传感器性能的主要因素 5.2 压电式传感器 某些介质材料在受力作用下，其表面会有电 荷产生。根据这种现象制成的压电式传感器， 是一种有源的双向机电传感器，具有体积小、 重量轻、工作频带宽等特点，用于各种动态 力、机械冲击与振动的测量，并在声学、医 学、力学、宇航等方面得到了非常广泛的应 用。 5.2.1 压电效应及压电材料 某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时， 内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相 反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作 用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所 产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压 电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将 产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆 压电效应。 2. 压电材料 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般 应考虑以下几个方面： ①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数； ②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度 高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振 动频率； ③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望 减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； ④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得 到宽的工作温度范围； ⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。 2. 压电材料 压电晶体 具有压电特 性的单晶体 统称为压电 晶体。石英 晶体是最典 型而常用的 压电晶体。 2. 压电材料 压电陶瓷 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电 体。材料内部的晶粒由许多自发极化的“电畴” 组成，每一个电畴具有一定的极化方向，从而 存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中 杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消， 压电陶瓷内极化强度为零。 2. 压电材料 新型压电材料 •随着科技的发展，不断出现一些新型的压电材料。20世纪70 年代出现了半导体压电材料，如硫化锌（ZnS）、锑化铬 （CdTe）等，因其既具有压电特性，又具有半导体特性，故 其既可用于压电传感器，又可用于制作电子器件，从而研制 成新型集成压电传感器测试系统；近年来研制成功的有机高 分子化合物，因其质轻柔软、抗拉强度较高、蠕变小、耐冲 击等特点可制成大面积压电元件。为提高其压电性能还可以 掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料（PVF2-PZT）。 5.2.2 等效电路及测量电路 等效电路 • 压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产 生电荷量的大小来反映的，故它相当于一个电荷源。 • 而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个 以压电材料为电介质的电容器，其电容量为： • 式中：S 为极板面积；d 为压电片厚度； 为压电 材料的介电常数；r 为压电材料的相对介电常数； 0 为真空介电常数。 1. 等效电路 • 基于以上分析，压电传感器可以等效成一个与电容相并联 的电荷源，如图5-14(a)所示。在开路状态，输出端电荷 为： • 压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源，如 图5-14(b)所示。在开路状态下，电容器上的电压U为： 1. 等效电路 如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连接 导线的等效电容Cc、前置放大器的输入电阻Ri、放大器的输 入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻R。因此，压电传感器 在测量系统中的实际等效电路参见图5-15所示。 2. 测量电路 • 根据压电元件的工作原理及上节所述两种 等效电路，与压电元件配套的测量电路的 前置放大器也有两种形式： • 电压放大器：其输出电压与输入电压(压电 元件的输出电压)成正比。 • 电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正 比。 2. 测量电路 电压放大器的作用是将压电式传感器 的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗 输出，并将微弱的电压信号进行适当 放大．因此也把这种测量电路称为阻 抗变换器。 2. 测量电路 压电式传感器连接电压放大器的等效电路如图5-16(a) 所示，图5-16(b)为简化的等效电路图。 2. 测量电路 (2) 电荷放大器 由于电压放大器使所配接的压电式传感器 的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器 自身电容的变化而变化，而且电缆的更换 得引起重新标定的麻烦，为此又发展了便 于远距离测量的电荷放大器，目前它巳被 公认是一种较好的冲击测量放大器。 (2) 电荷放大器 电荷放大器是另一种专用的前置放大器，是一个具有深度负 反馈的高增益放大器，其等效电路如图5-18(a)所示。由于放 大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有电流，故可略 去R、Ri并联电阻的影响，等效电路如图5-18(b) 5.2.3 影响压电式传感器性能的主要因素 压电式传感器的应用 压式电传感器可以广泛应用于力、以及可以转换为力的物理 量的测量，如可以制成测力传感器、加速度传感器、金属切 削力测量传感器等等，也可制成玻璃破碎报警器，广泛用于 文物保管、贵重商品保管等等。 5.2.3 影响压电式传感器性能的主要因素 基于压电效应的压电传感器，它的灵敏度、频响 特性等是衡量其工作性能的主要指标。影响压电 传感器工作性能的因素很多，如横向灵敏度、安 装差异、环境温度、湿度的变化、以及传感器重 量的负载影响、电磁场、基座应变带来的影响等 等。 5.2.3 影响压电传感器工作性能的主要因素 横向灵敏度 压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速 度传感器感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向) 垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用 它与主轴向灵敏度的百分比来表示；称为横 向灵敏度比。 5.2.3 影响压电传感器工作性能的主要因素 环境温度和湿度的影响 环境温度的变化对压电材料的压电常数和介 电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度 发生变化。压电材料不同，温度影响的程度 也不同。当温度低于400℃时，其压电常数 和介电常数都很稳定。环境湿度对压电式传 感器性能的影响也很大。如果传感器长期在 高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小， 低频响应变坏。 5.2.3 影响压电传感器工作性能的主要因素 安装差异及基座应变 安装方式的不同及安装质量的差异，对 传感器频响特性影响很大。此外试件表 面的任何受力应变，都将通过传感器基 座直接传给压电元件，从而产生与被测 信号无关的假信号输出。 5.2.3 影响压电传感器工作性能的主要因素 噪声 为了减小这种噪声。可使用特制的低噪声 电缆，同时将电缆固紧，以免产生相对运 动。在测试系统中接有多种测量仪器，如 果各仪器与传感器分别接地，各接地点又 有电位差，这便在测量系统中产生噪声。 防止这种噪声的有效办法是整个测量系统 在一点接地。而且选择指示器的输入端为 接地点。 5.3 光电式传感器 光电器件是将光信号的变化转换为电信号的一种 传感器件，其工作的物理基础是光电效应。 5.3.1光电效应及光电器件 5.3.2 光电器件的特性 5.3.3 光电式传感器与新型光电检测器 5.3.1光电效应及光电器件 由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一 定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能 量与其频率大小成正比。光照射在物体上就可 看成是一连串的具有能量的粒子轰击在物体上， 这时物体吸收了光子能量后将引起电效应。这 种因为吸收了光能后转换为该物体中某些电子 的能量而产生的电效应就称为光电效应，可分 为外光电效应、内光电效应和阻挡层光电效应 三种类型。 5.3.1光电效应及光电器件 在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的 现象称为外光电效应。基于外光电效应原理工作的光电器 件有光电管和光电倍增管。 2. 内光电效应 • 在光线作用下，物体的导电性能发生变化，引起 电阻率或电导改变的现象称为内光电效应，也称 光电导效应。 • 在光线作用下，半导体材料吸收了入射的光子能 量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽 度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加， 半导体的导电性能增加，阻值降低。这种因光照 而使其电阻率发生变化的现象称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置 工作的光敏二极管和光敏三极管。 3. 阻挡层光电效应 • 在光线作用下，物体产生一定方向的电动势的现象， 称为阻挡层光电效应，也称为光生伏特效应。 • 光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有 源器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上 时，在结的两端出现电动势。硅和硒是光电池的最 常用的材料，在一块N型硅片上用扩散方法渗入一 些P型杂质,从而形成一个大面积PN结，P层极薄能 使光线穿透到PN结上。光电池与外电路的连接方式 有两种，一种是开路电压输出，开路电压与光照度 之间呈非线性关系；另一种是把PN结的两端通过外 导线短接，形成流过外电路的电流，也称为光电池 的短路输出电流，其大小与光强成正比；光照度大 于1000Lx时呈现饱和特性。 3. 阻挡层光电效应 + P N － P N I1 V mA (a) (b) 5.3.2 光电器件的特性 1. 光照特性 光电器件的灵敏度可用光照特性来表征，它是指半导体光 电器件产生的光电流（光电压）与光照之间的关系。 光敏电阻的光照特性一般呈非线性，如图5-27(a)所示， 因此不宜作线性检测元件，但可在自动控制系统中用作开 关元件。 光敏晶体管的光照特性如图5-27(b)所示。它的灵敏度和 线性度较好，在军事、工业自动控制和民用电器中应用极 广，既可作线性转换元件，也可作开关元件。 光电池的光照特性如图5-27(c)所示。 5.3.2 光电器件的特性 2. 伏安特性 伏安特性是指光 照一定时，这些 光电元件的 端电 压U与电流I之间 的关系。 3. 光谱特性 半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是 不同的，因为只有能量大于半导体材料禁带宽 度的那些光子才能激发出光生电子空穴对。而 光子能量的大小与光的波长有关。 4. 频率特性 半导体光电元件的频率特性是指它们的输 出电信号与调制光频率变化的关系。 5. 温度特性 半导体材料易受温度的影响，它直接影响光电流的 值。因此需要讨论这些光电元件的温度特性，以便 选用合适的工作温度。 5.3.3 光电式传感器与新型光电检测器 • 1. 光电传感器的类型 • 光电传感器按其接收状态可分为模拟和开关式光电传感器 两类。 （1）模拟式光电传感器 模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性， 其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数， 故称为光电传感器的函数运用状态。有吸收式、反射式、 遮光式、辐射式 5.3.3 光电式传感器与新型光电检测器 光源 光源 被测物 光电元件 被测物 光电元件 (a)吸收式 光源 被测物 (c)遮光式 (b)反射式 光电元件 光电元件 被测物 (d)辐射式 (2) 开关式光电传感器 开关式光电传感器利用光电元件受光照或无 光照时“有/无”电信号输出的特性，将被测 量转换成断续变化的开关信号。开关式光电 传感器对光电元件灵敏度要求较高，而对光 照特性的线性性要求不高。此类传感器主要 应用于零件或产品的自动记数、光控开关、 电子计算机的光电输入设备、光电编码器以 及光电报警装置等方面。 (2) 开关式光电传感器 2. 其他光电检测器 电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，它是1970 年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发明的，它与光敏 二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图象 传感器。它不仅作为高质量固体化的摄象器件成功地应用 于广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生产过程自 动检测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨大的潜力。 CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生长一层 很薄的SiO2，再在SiO2薄层上依次序沉积金属电极，这种 规则排列的MOS电容阵列再加上两端的输入及输出二极管 就构成了CCD芯片。CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。 每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高 低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光 敏元的位置，这就起到图象传感器的作用。 (1) 尺寸自动检测 通常，快速自动检测工件尺寸的系统有一 个测量台，在其上装有光学系统、图象传 感器、和微处理机等。被测工件成像在 CCD图象传感器的光敏阵列上，产生工件 轮廓的光学边缘。时钟和扫描脉冲电路对 每个光敏元顺次询问，视频输出馈送到脉 冲计数器，并把时钟选送入脉冲计数器， 启动阵列扫描的扫描脉冲也用来把计数器 复位到零，复位之后。计数器计算和显示 由视频脉冲选通的总时钟脉冲数。显示数N 就是工件成象覆盖的光敏元数目，根据该 数目来计算工件尺寸。 (1) 尺寸自动检测 (2) 缺陷检测 当光照射物体时，使不透明物体的表面缺 陷或透明物体的体内缺陷(杂质)与其材料 背景相比有足够的反差，只要缺陷面积大 于两个光敏元时，CCD图像传感器就能够发 现它们。例如用于检查磁带时可发现磁带 上的小孔；也可采用透射光，检查玻璃中 的针孔、气泡和夹杂物等。 (2) 缺陷检测 •图5-35所示为钞票票面 状况检查系统原理图。 将两列被检钞票分别通 过两个图像传感器的视 场，并使其成像，从而 输出两列视频信号，把 这两列视频信号送到比 较器进行处理。如果其 中一张有缺陷，则两列 视频信号将有显著不同 的特征，经过比较器就 会发现这一特征而检测 到缺陷的存在。