機(jī)械電子工程原理第七章傳感器與轉(zhuǎn)換器

機(jī)械電子工程原理第七章傳感器與轉(zhuǎn)換器

7.1概述在許多測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器和轉(zhuǎn)換器都是用來(lái)獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息的。本書采用以下定義，但在使用時(shí)通常不做嚴(yán)格區(qū)分。傳感器──在測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)所測(cè)(特定)物理參數(shù)發(fā)生響應(yīng)的器件。轉(zhuǎn)換器──把能量和信息從系統(tǒng)某一部分傳送到系統(tǒng)另一部分的器件。在傳送過(guò)程的同時(shí)，能量形式也可能發(fā)生變化。2數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)的預(yù)處理和后處理除了傳感器和轉(zhuǎn)換器，測(cè)量系統(tǒng)還包括一個(gè)預(yù)處理級(jí)和后處理級(jí)預(yù)處理級(jí)是在信號(hào)與傳感器接觸之前提取信號(hào)特征，然后對(duì)輸入信號(hào)檢測(cè)、響應(yīng)并將輸入信號(hào)提供給傳感器。從傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)后處理級(jí)的處理后得到最終輸出信號(hào)。3一個(gè)實(shí)例——轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)

從光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)帶有狹縫的圓盤(稱為編碼盤)后產(chǎn)生一系列的脈沖，換能器接收這些脈沖并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖。后處理級(jí)對(duì)一定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并計(jì)算出編碼盤的旋轉(zhuǎn)速度。4可用于信息傳遞的能量形式傳感器傳遞信息的物理基礎(chǔ)是能量轉(zhuǎn)化。有六種能量形式可用于信息傳遞。輻射能──包括所有的電磁波譜。主要參數(shù)有：頻率、相位、強(qiáng)度和極化方向等。機(jī)械能──主要參數(shù)有：距離、速度、尺寸和力等。熱能──可以利用多種溫度效應(yīng)和熱效應(yīng)。主要參數(shù)有熱容、潛熱和相變特性等。電能──主要參數(shù)有電流、電壓、電阻、電容和電感等。磁能──包括磁場(chǎng)參數(shù)，如磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度等?；瘜W(xué)能──涉及到物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為，主要參數(shù)有：濃度、晶體結(jié)構(gòu)和凝聚狀態(tài)等。5無(wú)源和有源傳感器根據(jù)能源利用情況，傳感器可分為無(wú)源(直接式)傳感器和有源(間接式)傳感器。無(wú)源傳感器在轉(zhuǎn)換中不需要外界附加能量。光電轉(zhuǎn)換裝置和熱電偶等直接式傳感器就是直接把輸入能量轉(zhuǎn)換成電能輸出的。有源傳感器在轉(zhuǎn)換中需要外界附加能量。應(yīng)變片和霍爾器件等間接式傳感器則需要附加能量以產(chǎn)生電信號(hào)。6傳感器和轉(zhuǎn)換器的分類根據(jù)功能分類，典型的被測(cè)量如下位移——線位移和角位移。速度——線速度、角速度和流速等。加速度──振動(dòng)。幾何量──位置、長(zhǎng)度、面積、厚度、體積、表面粗糙度等。質(zhì)量——重力、負(fù)載、密度。力——靜力、動(dòng)力、壓差、力矩、功率。其它──硬度、粘度。7傳感器和轉(zhuǎn)換器的分類根據(jù)性能分類

性能可以用精度、穩(wěn)定性、線性度、靈敏度、量程等靜態(tài)性能和響應(yīng)特性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)來(lái)評(píng)估。根據(jù)輸出信號(hào)分類

模擬量輸出——產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的輸出信號(hào)，信號(hào)的某些性質(zhì)直接與被測(cè)量大小有關(guān)。數(shù)字量輸出——產(chǎn)生一個(gè)串行的或并行的數(shù)字信號(hào)，信息可以在一些固定的時(shí)間間隔上提取，也可以按要求提取。頻率輸出——產(chǎn)生的信號(hào)頻率是被測(cè)量的函數(shù)，輸出是連續(xù)波形或脈沖波形，可以用計(jì)數(shù)器和定時(shí)器將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字形式。編碼輸出——可以產(chǎn)生各種不同的編碼信號(hào)，包括：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制和脈沖位置調(diào)制。8傳感器的一般要求足夠的容量——傳感器的工作范圍或量程足夠大；具有一定的過(guò)載能力。靈敏度高，精度適當(dāng)——即要求其輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)成確定的關(guān)系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定，可靠性好。使用性和適應(yīng)性強(qiáng)——體積小，重量輕，動(dòng)作能量小，對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)影響小；內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標(biāo)準(zhǔn)形式，以便與系統(tǒng)對(duì)接。使用經(jīng)濟(jì)——成本低，壽命長(zhǎng)，且便于使用、維修和校準(zhǔn)。9傳感器技術(shù)的發(fā)展傳感器技術(shù)的發(fā)展主要有：半導(dǎo)體硅材料傳感器、采用光纖的光學(xué)系統(tǒng)、壓電器件、超聲器件等等。集成化智能傳感器簡(jiǎn)圖10智能傳傳感器器的功功能自補(bǔ)償償能力力自校準(zhǔn)準(zhǔn)功能能自診斷斷功能能自動(dòng)定定時(shí)測(cè)測(cè)量自動(dòng)量量程轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換雙向通通信功功能含義：：兩種種結(jié)合合方式式：傳統(tǒng)的的傳感感器和和微處處理器器（含含采集集單元元）獨(dú)獨(dú)立的的，可可組合合在一一起，，應(yīng)用用維護(hù)護(hù)更換換相對(duì)對(duì)方便便把微處處理器器嵌入入到傳傳感器器中，，半導(dǎo)導(dǎo)體類類傳感感器與與微處處理器器集成成在同同一塊塊芯片片上，，如用用于地地震勘勘探的的加速速度傳傳感器器。11傳感器器技術(shù)術(shù)的發(fā)發(fā)展固態(tài)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器壓電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器超聲轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器超聲轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器為非非接觸觸式測(cè)測(cè)量手手段。。與接接觸式式測(cè)量量相比比，非非接觸觸式測(cè)測(cè)量有有以下下優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)：減少了了接觸觸爆炸炸性、、放射射性、、毒性性、腐腐蝕性性或易易燃物物質(zhì)的的危險(xiǎn)險(xiǎn)性。。避免了了對(duì)藥藥物或或食物物等被被測(cè)物物的接接觸污污染。。簡(jiǎn)化了了對(duì)傳傳感器器和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器的維維護(hù)。。127.2電阻阻型傳傳感器器電位器器：：最簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的的電阻阻型傳傳感器器電位器器有旋旋轉(zhuǎn)型型和直直線型型兩種種形式式，它它們可可以用用來(lái)測(cè)測(cè)量直直線位位移或或角位位移。。在任何何情況況下，，只要要改變變電位位器的的有效效分壓壓比，，就可可以得得到不不同的的輸出出電壓壓。構(gòu)成電電位器器的主主要部部分是是大量量緊繞繞的電電阻線線圈和和一個(gè)個(gè)滑動(dòng)動(dòng)觸頭頭。因因此，，線圈圈式電電位器器的分分辨率率是單單位長(zhǎng)長(zhǎng)度繞繞圈數(shù)數(shù)的倒倒數(shù)。。要提高高電位位器的的分辨辨率，，可以以使用用金屬屬陶瓷瓷電阻阻或?qū)?dǎo)電塑塑料薄薄膜。。13電位器器與負(fù)負(fù)載阻阻抗當(dāng)把測(cè)測(cè)量?jī)x儀表連連接入入輸出出端時(shí)時(shí)，相相當(dāng)于于給輸輸出加加了一一個(gè)負(fù)負(fù)載，，將會(huì)會(huì)產(chǎn)生生測(cè)量量誤差差。當(dāng)RL>>R2時(shí)，Ro≈R2。因此此，為為了保保證測(cè)測(cè)量精精度，，通常常次級(jí)級(jí)（無(wú)無(wú)論是是測(cè)量量?jī)x表表還是是信號(hào)號(hào)處理理電路路）的的輸入入阻抗抗越大大越好好。a)無(wú)負(fù)載載b)有負(fù)載載14應(yīng)變片片若將某某種導(dǎo)導(dǎo)體或或半導(dǎo)導(dǎo)體材材料沿沿軸向向拉伸伸，則則它的的長(zhǎng)度度將沿沿加載載方向向發(fā)生生變化化，其其電阻阻值也也將隨隨之變變化。。典型的的電阻阻應(yīng)變變片由由一些些電阻阻型金金屬薄薄膜和和基襯襯組成成，基基襯用用來(lái)將將所加加載荷荷傳給給應(yīng)變變片。。如果果沿應(yīng)應(yīng)變片片的軸軸向加加載，，那么么將產(chǎn)產(chǎn)生一一個(gè)應(yīng)應(yīng)變，，使得得應(yīng)變變片的的有效效長(zhǎng)度度發(fā)生生變化化，從從而導(dǎo)導(dǎo)致電電阻變變化。。軸向加加載的的拉伸伸試樣樣電阻應(yīng)應(yīng)變片片15橋式測(cè)測(cè)量電電路應(yīng)變式式電阻阻傳感感器常常用來(lái)來(lái)測(cè)量量力、、轉(zhuǎn)矩矩、壓壓力、、加速速度等等物理理量。。電阻的的變化化（即即應(yīng)變變）通通常是是由橋橋式電電路測(cè)測(cè)量的的。由應(yīng)變變產(chǎn)生生的不不平衡衡電位位為對(duì)于電電阻變變化較較小的的情況況：16應(yīng)變片片的溫溫度補(bǔ)補(bǔ)償溫度的的變化化也會(huì)會(huì)引起起應(yīng)變變片電電阻的的變化化，因因此在在橋路路上安安裝帶帶補(bǔ)償償?shù)膽?yīng)應(yīng)變片片與測(cè)測(cè)量的的應(yīng)變變片具具有相相同的的溫度度特性性，以以消除除溫度度的影影響，，補(bǔ)償應(yīng)應(yīng)變片片應(yīng)安安裝在在離測(cè)測(cè)量應(yīng)應(yīng)變片片最近近的地地方，，這就就需要要將兩兩個(gè)應(yīng)應(yīng)變片片以適適當(dāng)角角度安安裝在在被測(cè)測(cè)件上上。17電阻式式溫度度傳感感器金屬圈圈的熱熱慣量量導(dǎo)致致了其其靈敏敏性較較低、、對(duì)溫溫度變變化響響應(yīng)速速度慢慢等特特點(diǎn)，，因此此它常常用來(lái)來(lái)測(cè)量量穩(wěn)態(tài)態(tài)溫度度。在如圖圖所示示的典典型應(yīng)應(yīng)用中中，使使電阻阻溫度度計(jì)成成為電電橋的的一個(gè)個(gè)臂。。因?yàn)闉闊犭婋娮璧牡淖柚抵岛苄⌒?，而而由溫溫度變變化引引起的的阻值值變化化也非非常小小，所所以由由?dǎo)線線電阻阻和接接觸電電阻引引入的的誤差差就不不能忽忽略，，電阻溫溫度計(jì)計(jì)是阻阻性溫溫度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器的基基礎(chǔ)，，它包包括由由一段段鉑絲絲做成成的小小軸心心，軸軸心被被空心心軸包包圍。。18三線電電橋電電阻溫溫度計(jì)計(jì)電路路因此改改用如如圖所所示的的三線線連接接。圖圖中，，電阻阻溫度度計(jì)為為Rt，導(dǎo)線線電阻阻為r1、r2、r3，一般般R1=R2=R為兩橋橋臂電電阻，，R3是調(diào)整整電橋橋的精精密電電阻。。通常，，連接接在a、b端的的測(cè)量量?jī)x表表的內(nèi)內(nèi)阻很很大，，故流流過(guò)r3的電流流近似似于零零。當(dāng)當(dāng)ua=ub時(shí)，電電橋平平衡，，流過(guò)過(guò)r3的電流流為零零，流流過(guò)r1的電流流也要要流過(guò)過(guò)r2，抵消消其電電壓降降，如如果讓讓r1=r2，并調(diào)整整R3=Rt，即可以以消除由由導(dǎo)線電電阻和接接觸電阻阻引起的的誤差。。19半導(dǎo)體熱熱敏元件件半導(dǎo)體熱熱敏元件件是一種種半導(dǎo)體體電阻元元件，其其熱性能能已知，，通常用用來(lái)測(cè)量量范圍在在-30℃～200℃℃的溫度度。由于于它體積積小、熱熱慣量小小，所以以通常用用來(lái)測(cè)量量動(dòng)態(tài)溫溫度。必須注意意，在使使用半導(dǎo)導(dǎo)體熱敏敏元件時(shí)時(shí)，由于于熱敏元元件本身身的發(fā)熱熱會(huì)帶來(lái)來(lái)誤差。。半導(dǎo)體熱熱敏元件件的主要要缺點(diǎn)是是它的非非線性特特性，這這限制了了它的應(yīng)應(yīng)用范圍圍。但是是，由于于測(cè)量系系統(tǒng)使用用微處理理機(jī)，這這種固有有的非線線性可以以用軟件件來(lái)克服服，使得得半導(dǎo)體體熱敏元元件的應(yīng)應(yīng)用范圍圍大大增增加。20217.3電電容容式傳感感器平行板電電容器的的電容量量ε0為真空狀狀態(tài)的介介電常數(shù)數(shù)，ε0=8.854××10-12F/m，，一般運(yùn)運(yùn)算中將將干燥空空氣的介介電常數(shù)數(shù)取為真真空狀態(tài)態(tài)的介電電常數(shù)ε0；εr為絕緣材材料的相相對(duì)介電電系數(shù)；；A為平行板板的有效效正對(duì)面面積；δ為兩平行行板之間間的距離離。22電容式傳傳感器的的分類根據(jù)其改改變參數(shù)數(shù)不同，，可將電電容式傳傳感器分分為下三三種：改變極板板之距離離（間隙隙δ)的極距距型傳感感器;改變極板板遮蓋面面積（A）的面積積型傳感感器；改變電介介質(zhì)之介介電常數(shù)數(shù)（εr）的介質(zhì)質(zhì)型傳感感器電容式傳傳感器若若按極板板的形狀狀來(lái)分，，可分為為平板形形和圓柱柱形兩種種。圓柱型電電容器的的電容量量23電容傳感感器的非非線性電容量C與兩極板板間隙δ呈非線性性關(guān)系。。24變極距型型電容傳傳感器a)、b)變極極式c)差動(dòng)動(dòng)變極式式1—固定定極板2—可可動(dòng)極板板3——被測(cè)物物體25變面積型型電容傳傳感器a)平板板平移式式b)半可調(diào)調(diào)式c)筒式式d)差動(dòng)筒筒式1、3——固定極極2——可動(dòng)極極26變介電常常數(shù)型電電容傳感感器a)測(cè)厚厚度b)測(cè)位位移c)測(cè)液液量d)測(cè)容容量27實(shí)例——測(cè)量量液面高高度用變介質(zhì)質(zhì)式的圓圓柱電容容器測(cè)量量液面高高度當(dāng)液面高高度變化化時(shí)，會(huì)會(huì)引起極極間不同同介質(zhì)ε0和εr的界面發(fā)發(fā)生變化化，從而而導(dǎo)致電電容的變變化，且且輸出電電容與液液面高度度的數(shù)學(xué)學(xué)表達(dá)式式是一個(gè)個(gè)線性關(guān)關(guān)系。287.4電電感感式傳感感器電感式傳傳感器的的優(yōu)點(diǎn)：：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單(因?yàn)闉闆](méi)有活活動(dòng)電觸觸點(diǎn)，所所以工作作可靠)測(cè)量范圍圍寬(可可達(dá)幾百百毫米)靈敏度高高(微米米級(jí))重復(fù)性好好29電感式位位移傳感感器電感式位移傳感感器具有有無(wú)滑動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)，，工作時(shí)時(shí)不受灰灰塵等非非金屬因因素的影影響，并并且低功功耗，長(zhǎng)長(zhǎng)壽命，，可使用用在各種種惡劣條條件下。。線性可調(diào)調(diào)差動(dòng)變變壓器線性可調(diào)調(diào)電感傳傳感器感應(yīng)同步步器30線性可調(diào)調(diào)電感傳傳感器這種傳感感器使用用線圈擾擾流器進(jìn)進(jìn)行工作作。在100Hz或更更高頻率率下對(duì)線線圈激磁磁，這時(shí)時(shí)擾流器器中感生生的渦流流會(huì)改變變線圈的的有效電電感，且且此電感感是關(guān)于于擾流器器位置的的函數(shù)。。由于這種種轉(zhuǎn)換器器沒(méi)有用用磁性材材料，因因此與其其它電感感轉(zhuǎn)換器器相比，，它受雜雜散磁場(chǎng)場(chǎng)的影響響較小，，且消除除了磁滯滯及磁場(chǎng)場(chǎng)非線性性，測(cè)量量位移的的范圍可可達(dá)220mm。a)內(nèi)內(nèi)置式擾擾流器b)外外置式擾擾流器31感應(yīng)同步步器直線式感感應(yīng)同步步器包括括一個(gè)固固定導(dǎo)軌軌（可達(dá)達(dá)幾米長(zhǎng)長(zhǎng)）和一一個(gè)滑塊塊。兩者者由厚度度為0.1～0.15mm的的空氣隔隔開(kāi)，它它們之間間存在磁磁耦合。?；瑝K上上裝有一一對(duì)繞組組，兩繞繞組的相相對(duì)距離離成1/4節(jié)距距，即90°電電角度。。當(dāng)在滑軌軌線圈上上加一正正弦信號(hào)號(hào)時(shí)（頻頻率達(dá)幾幾千赫）），滑塊塊繞組上上將產(chǎn)生生兩個(gè)電電壓，兩兩個(gè)電壓壓的相位位差是90°，，且電壓壓的大小小隨滑塊塊位置的的改變而而改變，，因?yàn)槔@繞組間的的耦合是是變化的的，這種種傳感器器的輸出出電壓，，在一定定條件下下是呈正正弦變化化的。在在幾毫米米的距離離內(nèi)，其其分辨能能力可達(dá)達(dá)2～3μm。。32直線式感感應(yīng)同步步器直線式感感應(yīng)同步步器33電感式速速度傳感感器永久磁鐵鐵相對(duì)于于線圈移移動(dòng)，而而線圈的的感生電電動(dòng)勢(shì)是是磁鐵運(yùn)運(yùn)動(dòng)速度度及線圈圈尺寸的的函數(shù)。。當(dāng)需要測(cè)測(cè)量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度時(shí)時(shí)可以采采用直流流或交流流轉(zhuǎn)速表表，其輸輸出電壓壓即直接接與所測(cè)測(cè)角速度度成正比比。34電感式傳傳感器的的應(yīng)用357.5熱熱電電傳感器器常用的熱熱電傳感感器有熱熱電阻與與熱電偶偶。當(dāng)導(dǎo)體所所處的環(huán)環(huán)境溫度度發(fā)生變變化時(shí)，，導(dǎo)體的的電阻值值也會(huì)隨隨著溫度度的變化化而變化化，熱電電阻傳感感器就是是根據(jù)這這一特性性來(lái)測(cè)量量溫度的的。在工工業(yè)應(yīng)用用中，熱熱電阻傳傳感器常常被用來(lái)來(lái)測(cè)量-200℃～500℃℃范圍的的溫度。。溫度傳感感器是實(shí)實(shí)現(xiàn)溫度度檢測(cè)和和控制的的重要器器件。在在種類繁繁多的傳傳感器中中，溫度度傳感器器是應(yīng)用用最廣泛泛、發(fā)展展最快的的傳感器器之一。。36377.6光光電傳感感器從紅外到到紫外的的譜范圍圍內(nèi)，都都能用光光轉(zhuǎn)換器器進(jìn)行測(cè)測(cè)量，在在大多數(shù)數(shù)情況下下其測(cè)量量都是非非接觸式式的，并并且能在在惡劣的的環(huán)境（（諸如超超高溫和和電磁干干擾嚴(yán)重重的場(chǎng)合合）中工工作。電磁波譜譜38光電測(cè)量量系統(tǒng)由光電傳傳感器構(gòu)構(gòu)成的光光電測(cè)量量系統(tǒng)的的主要組組成部分分有將其其他能量量轉(zhuǎn)換為為光的光光源、光光傳輸介介質(zhì)、能能夠?qū)⑤斴斎胛锢砝砹康哪苣芰哭D(zhuǎn)換換為對(duì)光光能特性性進(jìn)行修修正的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器、、監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)產(chǎn)生的光光能特性性變化的的檢測(cè)器器。39光電探測(cè)測(cè)器光電探測(cè)測(cè)器的理理論基礎(chǔ)礎(chǔ)是光電電效應(yīng)，，光電效效應(yīng)可分分為三種種不同的的類型。。在光的照照射下，，物體的的電阻（（或電導(dǎo)導(dǎo)）發(fā)生生變化的的現(xiàn)象被被稱為電導(dǎo)效應(yīng)應(yīng)或內(nèi)光光電效應(yīng)應(yīng)，相應(yīng)的的元件有有光敏電阻阻；在光的照照射下，，電子逸逸出物質(zhì)質(zhì)表面的的現(xiàn)象被被稱為光電發(fā)射射效應(yīng)或或外光電電效應(yīng)，此類器器件有光電管、、光電倍倍增管等等；在光的照照射下，，半導(dǎo)體體PN結(jié)結(jié)產(chǎn)生電電動(dòng)勢(shì)或或光電流流增加的的現(xiàn)象被被稱為光伏效應(yīng)應(yīng)，光電池、、光敏二二極管和和光敏三三極管都屬于光光伏效應(yīng)應(yīng)的器件件。40光電探測(cè)測(cè)器熱敏光電電探測(cè)器器通過(guò)監(jiān)監(jiān)測(cè)入射射的輻射射熱在探探測(cè)器中中所產(chǎn)生生的熱進(jìn)進(jìn)行工作作。典型型的裝置置（例如如電阻式式輻射熱熱測(cè)量計(jì)計(jì)或熱電電偶）響響應(yīng)波長(zhǎng)長(zhǎng)范圍為為0.3～30μm，，但其靈靈敏性較較差、響響應(yīng)時(shí)間間長(zhǎng)。。量子光電電探測(cè)器器利用入入射光在在探測(cè)器器中產(chǎn)生生電子空空穴對(duì)來(lái)來(lái)進(jìn)行工工作。硅硅材料的的量子光光電探測(cè)測(cè)器利用用光電效效應(yīng)或光光導(dǎo)效應(yīng)應(yīng)工作。。光電效效應(yīng)是在在PN結(jié)結(jié)上產(chǎn)生生一個(gè)電電壓，而而光敏效效應(yīng)則是是利用入入射能來(lái)來(lái)改變材材料的導(dǎo)導(dǎo)電性能能。41光電效應(yīng)應(yīng)探測(cè)器器當(dāng)適當(dāng)波波長(zhǎng)的光光線照射射到如圖圖a)所所示的PN結(jié)的的耗盡層層上時(shí)，，會(huì)在PN結(jié)上上產(chǎn)生一一個(gè)正比比于光強(qiáng)強(qiáng)的電位位差。a)受光光照的PN結(jié)b)光光電特性性42光敏電阻阻當(dāng)光線照照射N型型材料時(shí)時(shí)，其導(dǎo)導(dǎo)電性發(fā)發(fā)生顯著著變化，，這可以以通過(guò)電電橋來(lái)檢檢測(cè)。。對(duì)于一定定波長(zhǎng)的的光線來(lái)來(lái)說(shuō)，在在一層二二氧化硅硅（SiO2）上加上上特殊的的材料就就構(gòu)成了了光敏電電阻。常常用的材材料有銻銻化銦（（InSb）（（適合于于波長(zhǎng)為為7μm的光線線）和硫硫化鎘（（CdS）（適適合于波波長(zhǎng)為0.7μμm的光光線）。。a)結(jié)結(jié)構(gòu)b)用光光敏電阻阻構(gòu)成的的電橋43光電池光電池是是一種直直接把光光能轉(zhuǎn)換換為電能能的光電電元件，，許多材材料都能能制成光光電池，，但硅光光電池由由于其一一系列的的優(yōu)點(diǎn)用用得最多多。硅光電池池價(jià)格便便宜，轉(zhuǎn)換效率率高，壽壽命長(zhǎng)，，適于接接受紅外外光。硒光電池池光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率低(0.02％)、、壽命短短，適于于接收可可見(jiàn)光(響應(yīng)峰峰值波長(zhǎng)長(zhǎng)0.56μm)，最最適宜制制造照度度計(jì)。砷化鎵光光電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率比硅光光電池稍稍高，光光譜響應(yīng)應(yīng)特性則則與太陽(yáng)陽(yáng)光譜最最吻合。。且工作作溫度最最高，更更耐受宇宇宙射線線的輻射射。因此此，它主主要用于于宇宙飛飛船、衛(wèi)衛(wèi)星、太太空探測(cè)測(cè)器等的的電源。。硅光電池池是在一一塊N型型硅片上上，用擴(kuò)擴(kuò)散的辦辦法摻入入一些P型雜質(zhì)質(zhì)，形成成一個(gè)大大面積的的PN結(jié)結(jié)，當(dāng)PN結(jié)受受到的照照射光達(dá)達(dá)到一定定光強(qiáng)時(shí)時(shí)，就會(huì)會(huì)在P區(qū)區(qū)和N區(qū)區(qū)之間產(chǎn)產(chǎn)生一定定的電壓壓，即光光生電動(dòng)動(dòng)勢(shì)。44光電二極極管光電二極極管一般般處于反反向工作作狀態(tài)，，在沒(méi)有有光照射射的時(shí)候候，光電電二極管管的反向向電阻很很大、反反向電流流很小。。而當(dāng)光線線照射到到反向偏偏置PN結(jié)的耗耗盡層或或耗盡層層的附近近時(shí)，耗耗盡層中中會(huì)產(chǎn)生生電子空空穴對(duì)，，偏置電電壓和內(nèi)內(nèi)電場(chǎng)使使電子和和空穴運(yùn)運(yùn)動(dòng)而形形成光電電流。a)結(jié)結(jié)構(gòu)b)應(yīng)應(yīng)用45光電三極極管（光光敏晶體體管）光電三極極管可以以看成是是一個(gè)光光敏二級(jí)級(jí)管與一一個(gè)晶體體管組成成，兩管管共用一一個(gè)基極極。光電電二極管管產(chǎn)生的的反向電電流成為為三級(jí)管管的基極極電流，，三級(jí)管管將其相相應(yīng)地放放大。光光電三級(jí)級(jí)管由于于有了放放大功能能，因此此其靈敏敏性得到到了提高高。a)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)b)應(yīng)應(yīng)用用46增量量式式直直線線編編碼碼器器增量量式式直直線線編編碼碼器器通通常常利利用用莫莫爾爾條條紋紋干干涉涉帶帶進(jìn)進(jìn)行行工工作作。。在在一一塊塊長(zhǎng)長(zhǎng)條條型型的的光光學(xué)學(xué)玻玻璃璃上上均均勻勻地地刻刻上上明明暗暗相相間間、、寬寬度度相相等等的的線線條條，，就就構(gòu)構(gòu)成成了了一一條條光光柵柵。。光光柵柵相相對(duì)對(duì)來(lái)來(lái)說(shuō)說(shuō)比比較較便便宜宜，，且且分分辨辨率率能能達(dá)達(dá)到到微微米米數(shù)數(shù)量量級(jí)級(jí)。。把兩兩個(gè)個(gè)相相同同的的光光柵柵疊疊在在一一起起，，并并使使它它們們以以一一個(gè)個(gè)角角度度θ相交交，，則則會(huì)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生生一一個(gè)個(gè)明明暗暗相相間間的的條條紋紋，，即即莫莫爾爾條條紋紋。。利利用用光光柵柵具具有有莫莫爾爾條條紋紋的的特特性性，，可可以以通通過(guò)過(guò)測(cè)測(cè)量量莫莫爾爾條條紋紋的的移移動(dòng)動(dòng)數(shù)數(shù)來(lái)來(lái)測(cè)測(cè)量量?jī)蓛蓚€(gè)個(gè)光光柵柵的的相相對(duì)對(duì)移移動(dòng)動(dòng)。。指示示光光柵柵和和標(biāo)標(biāo)尺尺光光柵柵組組成成光光柵柵副副。。固固定定后后者者，，前前者者安安裝裝在在運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)部部件件上上47位置置式式(絕絕對(duì)對(duì)式式)編編碼碼器器位置置式式編編碼碼器器不不像像增增量量式式編編碼碼器器，，它它不不需需要要任任何何外外部部參參照照。。在在需需要要隨隨時(shí)時(shí)了了解解物物體體確確切切位位置置的的場(chǎng)場(chǎng)合合下下，，常常用用這這種種編編碼碼器器。。但但是是，，當(dāng)編編碼碼器器用用于于轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)超超過(guò)過(guò)一一周周時(shí)時(shí)，，就就需需要要一一個(gè)個(gè)記記錄錄轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)的的計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器。如圖圖a)所所示示為為一一個(gè)個(gè)典典型型的的采采用用雷雷格格編編碼碼（（反反射射碼碼））的的8位位旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式式位位置置編編碼碼器器，，它它比比圖圖b)所所示示的的二二進(jìn)進(jìn)制制編編碼碼器器更更為為優(yōu)優(yōu)越越，，因因?yàn)闉槎M(jìn)進(jìn)制制編編碼碼在在任任何何變變化化時(shí)時(shí)只只有有一一位位發(fā)發(fā)生生變變化化，，這這就就有有可可能能在在變變化化時(shí)時(shí)因因錯(cuò)錯(cuò)讀讀位位而而產(chǎn)產(chǎn)生生誤誤差差。。48實(shí)際際編編碼碼器器的的碼碼盤盤增量量式式旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)編編碼碼器器的的碼碼盤盤絕對(duì)對(duì)式式旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)編編碼碼器器的的碼碼盤盤49直線線編編碼碼器器的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)和和光光柵柵混合合式式光光柵柵原原理理圖圖增量量式式光光柵柵絕對(duì)對(duì)-混混合合式式光光柵柵絕對(duì)對(duì)式式條條紋紋增量量式式條條紋紋507.8壓壓電電傳傳感感器器和和超超聲聲換換能能器器壓電電器器件件加速速度度的的測(cè)測(cè)量量濕度度的的測(cè)測(cè)量量超聲聲系系統(tǒng)統(tǒng)超聲聲波波源源超聲聲波波的的耦耦合合超聲聲波波接接收收器器超聲聲法法測(cè)測(cè)流流量量多普普勒勒流流量量計(jì)計(jì)傳遞遞時(shí)時(shí)間間流流量量計(jì)計(jì)超聲聲法法測(cè)測(cè)距距離離51壓電電器器件件某些些材材料料的的晶晶體體和和某某些些聚聚合合物物在在受受到到外外力力的的作作用用而而變變形形時(shí)時(shí)會(huì)會(huì)在在一一些些特特定定的的晶晶面面之之間間產(chǎn)產(chǎn)生生電電荷荷，，這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為壓壓電電效效應(yīng)應(yīng)。。這這類類材材料料有有石石英英、、酒酒石石酸酸