传感器的发展

第一篇：传感器的发展

传感器的发展

摘要

传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为一个国家科学技术水平发展的重要标志。传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化、网络化方向发展。

全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。

一、传感器的定义

现如今，信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:InternationalElectrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。

传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。.无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。因此常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉；声敏传感器——听觉；气敏传感器——嗅觉；化学传感器——味觉；压敏、温敏、流体传感器——触觉。虽然与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。无一例外的，人们对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：高灵敏度、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)、线性以及容易调节(校准简易)；高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性)；可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力；选择性、安全性(传感器应是无污染的)、互换性低成本；宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围。

二、传感器的发展历史

国外发展传感器枝术有两条不同途径,一条是以美国为代表的走先军工后民用、先提高后普及的路子。另一条是以日本为代表的侧重实用化和商品化,先普及后提高,由引进、消化、仿制到自行改进设计创新的路子。前者花钱多,后者花钱少,速度快。据国内专家评估,我国传感器技术与国外先进国家相比,在科研开发上要落后10年,在生产技术上则要落后15年。国外传感器技术发展较快,主要有以下几方面原因：

1、非常重视传感器功能材料研究。2．对传感器技术开发十分重视。3．重视工艺研究。4．重视质量管理与市场分析。当今传感器技术发展大体经历了以下四个阶段：(1)结构型传感器例如应变式位移计。(2)物性型传感器例如固态压阻式压力传感器。(3)智能性传感器例如美国霍尼威尔公司的ST--3000型智能压力传感器,它带有微处理器,具有检测和信息处理功能。自诊断、自适应功能。(4)分子型传感器,它是利用竹子的构形和构象以及由此而表现出电磁现象为理论基而制作的。显著特点：尺寸小到竹子级,并由一个大分子或几个分子器件所构成。

人体是各类传感器会集之处,而且绝大部分生物体内的传感器都是分子传感器。到目前为止,真正的传感器,只有在生物体内能够找到、这就提示我们,可以借助基因工程、生物合成分子传感器系统。而在我国传感器的发展现状却仍旧令人担忧。虽然我国早在20世纪60年代就开始涉足传感器制造业，那时在上海、四川、重庆等地成立的一些企业现在仍然存在。但是今天活跃在国际市场上的仍然是德国、日本、美国、俄国等老牌工业国家。在这些国家里，传感器的应用范围很广，许多厂家的生产都实现了规模化，有些企业的年生产能力能达到几千万只甚至几亿只。相比之下，中国传感器的应用范围较窄，更多的仍然停留在航天航空以及工业测量与控制上。据有关资料显示，我国最大的传感器公司的年产值也仅有55000只。而且，高、精、尖传感器和新型传感器的市场，几乎全被国外品牌或合资企业垄断了。

谈及国内传感器发展水平与国外相差甚远的原因，中国自动化学会的彭瑜先生认为“主要是技术基础薄弱，研究水平不高，缺乏自主知识产权。”我国从事敏感元件与传感器研制生产的企业、单位有1688家，但研制、生产综合实力较强的骨干企业较少，仅占总数的10%左右。我国目前很多企业都是引用国外的芯片加工，自主研发的产品少之甚少，自主创新能力非常薄弱。甚至许多企业仅停留在代理国外产品的水平上，发展空间捉襟见肘。国产传感器企业按照长期依赖国外技术的惯性发展至今，在技术上形成了“外强中干”的局面，不仅失去了中高档产品市场，而且也直接导致自己能生产的产品品种单一，同质化十分严重。甚至有相当一部分国产产品只能模仿别人的外形，即使这样，由于技术水平低，模仿产品的灵敏度、精度和可靠性也差强人意。除此以外，我国传感器行业分布上还不均衡，在第十届中国国际传感器、测试测量展览会上，中国传感器协会副理事长谷荣祥提供了以下情况：国内传感器企业主要集中在陕西省以及东部、沿海地区，西部其他地区以及内陆地区相对较少。但是随着传感器向产业化更积极地迈进，包括通用传感器在内的传感器应用领域和范围的进一步扩大，随着市场化程度的深入和客户采购制度的完善，谷荣祥先生说“未来国内传感器厂商的数量会先增后减”，从而使中国传感器产业走向规范化发展的轨道。在第十届中国国际传感器、测试测量展览会上，我们也看到了国内传感器企业发展可喜的一面。沈阳传感器中心和青鸟元芯在压力芯片制造中取得了突破，我国很多国家级的航天、电子研究所的芯片制造技术相互组合，如果再有市场因素推动，规模生产指日可待。而昆山双桥传感器测控技术有限公司、西安中星测控有限公司、宝鸡麦克传感器有限公司等开始集中力量考虑专项技术问题，并取得了一些成绩。国内也已经有企业跟踪高端传感器的发展，比如MEMS技术，而MEMS已成为全球增长最快的产品之一。

现在我国传感器面临着历史上的最好时刻，市场需求量大，国家政策支持，一方面许多国内企业在努力开发自己的新技术，企业管理模式大大改进，另一方面来自国际的AMA德国传感器协会还参会进行支持。范茂军所长说：“传感器的质量、价格、功能都是将来国内企业要重点提高的方面。

将来国内传感器还要走好从工业过程检测向功能独立的设备仪器转化的过程，比如日常用血压计就属于此类。”大家也都相信国内企业会在取长补短上更有作为，从而争取早日与外企站在同一起跑线上，向传感器微型化、网络化、专业化进军。我们期待未来的中国传感器取得不菲的成绩，而中国传感器企业仍然任重而道远。

三、传感器如今的发展

苹果新一代手机iPhone 6和智能手表的亮相，让全球众多苹果手机的追随者又有了一次彻夜排队的理由。赋予苹果手机越来越强大功能的，不仅是越来越强大的芯片，更重要的是手机上越来越多、越来越精良的传感器。数年前，当乔布斯拿着苹果手机“晃一晃”就可以让它有所反应的时候，手机的智能化时代真正开始了。几年后，手机从一种通讯工具变成了一个人们离不开的伙伴。让手机具备这样“魔力”的，是触摸屏、陀螺仪、加速度计等各式各样的传感器。

然而不仅仅是手机，在汽车、家用电器、可穿戴设备上，以及工业自动化领域，越来越多的传感器成为机器的“耳目”。普通公众了解甚少的是，即将给人们生活方式带来更大变化的物联网，其最核心的基础技术也是传感器。有科学家预言，传感器将像“人体的五官”一样，在未来充满各个领域和空间。当下，随着物联网时代的开启，各式各样的传感器正成为无处不在的神经元，全球对于传感器的需求也开始呈现爆发性的增长。

“传感器就好像是人的五官。”中科院微系统所传感技术联合国家重点实验室主任李昕欣对财新记者说，人类在计算机的时代，解决了大脑的模拟问题，相当于用0和1实现了信息的数字化，利用布尔逻辑解决问题;现在是后计算机时代，开始模拟五官。

传感器(transducer、sensor)往往又被称为换能器，功用是把其他信息转换为电信号。它通常由敏感元件和转换元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。可以说，是传感器让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

随着人们对自然认识的深化，会不断发现一些新的物理效应、化学效应、生物效应等。利用这些新的效应可开发出相应的新型传感器，从而为提高传感器性能和拓展传感器的应用范围提供新的可能。”

如检测金属产品位置的电感式接近开关，它利用金属物体接近能产生电磁场的振荡感应头时在被测金属上形成的涡流效应来检测金属产品的位置。由于不同金属涡流效应的效果不同，因此不同金属的检测距离是不一样的。面对各类合金时，普通的电感式接近开关就显得力不从心。由于电感式接近开关其内部结构是在铁氧体磁芯上绕制线圈作为电感线圈，而铁氧体磁芯自身的限制使得电感式传感器不可能在已有的设计理念下发展，那么只能在技术上开发出可以替代铁氧体线圈的产品来提高产品的性能。好消息是，国外的一家公司的电感式接近开关就摒弃了铁氧体磁芯，从而去掉了磁芯的限制。这样在检测不同金属时可以通过电路调节提高产品的检测距离，并且全金属检测距离无衰减，抗干扰能力也有所提升。

传感器材料是传感器技术的重要基础，随着材料科学的进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器，光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器，用陶瓷制成压力传感器。

高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。

将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成的等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，具有测湿范围宽、温度范围宽、响应速度快、尺寸小、可用于小空间测湿、温度系数小等特点。陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量的满量程误差不超过0.1%，温漂小，抗过载更可达量程的数百倍。光导纤维的应用是传感材料的重大突破，光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度高、结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便

于实现遥测等。而光纤传感器与集成光路技术的结合，加速了光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件，光纤传感器又具有了高带宽、低信号处理电压、可靠性高、成本低等特点。

四、传感器发展方向

传感器支持工艺是微加工技术,包括微电子和微机械加工技术,传感器技术竞争将从芯片制造工艺转化到封装技术竞争。新的封装工艺诸如阳极粘合、倒装焊接,多芯片组装等工艺将会有新的更大发展。应抓住信息产业的飞速发展和环保生态产业的兴起,21世纪的传感器市场将会有更大发展,抓住传感器发展机遇,不失时机地开发新产品,逐步形成产业,将会形成国民经济新的增长点。

传感器在技术水平和功能上的迅速发展，一方面来自于计算机、检测等技术的发展，另一方面则源于应用领域需求的驱动。在用户需求催生出越来越多传感器新品的同时，厂商也开始越发重视让产品更适用于用户的操作和需要。如何通过对多种智能传感器的组合让用户更简单的使用传感器已经成为公司发展的一个方向。如作为专用于传感器和执行器之间联网通讯的国际标准的AS-I（EN50295），它摒弃了传统接线中，电源必须连接到每只传感器并且信号线必须连到I/O模块中的限制。一个AS-I网络中最多可包含124只简单的传感器或31个可编程的AS-I传感器，用户可组合使用。

而MEMS技术正带动传感器的发展。

半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向导性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制造压力传感器等。基于MEMS硅微加工技术，传感器具有体积小、低功耗等特点，易集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

MEMS技术是物联网产业链中不可或缺的一环。首先微型化的同时降低功耗，将会出现微米甚至纳米级别的微型器件，同时降低功耗;第二，微型化的同时提高精度，将MEMS加速度计做到石英加速度计的噪声特性，保证MEMS陀螺仪小体积的同时获得光纤陀螺仪的零偏稳定性，且可提供远优于光纤陀螺仪的抗冲击特性;第三，集成化及智能化趋势，即MEMS与IC的集成制造技术及多参量MEMS传感器的集成制造技术得到发展，以及在集成化基础上使得信号检测具有一定的自动化。这些趋势要求半导体厂商提供更高精度、稳定性更好、更智能的高集成度MEMS传感器模块。世界各国对微型电子机械系统(MEMS)给予极高重视,美国宇航局(NASA)很早就给予支持,美国国防部高级研究计划局(APPA)等机构每年投资2000万美元,德国每年投资7000万美元,日本通商产业省MITI）则拟订了一个十年内投资2亿美元的计划,美国的硅谷已成为当今世界上MEMS研究中心。随着传感器技术、固态技术、微电子技术、计算技术等学科的飞速发展,一种高精度、低驱动、高可靠性、低功耗、占用空间小、重量轻和快速响应的崭新的微型电子机械系统的传感器即将在世界展现。

传感器发展的另一大特点是向着集成化、智能化方向发展。集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低成本、增加产量。而智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点，具有判断和信息处理功能，可实现多传感器多参数测量，有自诊断和自校准功能，测量数据可存取，且具有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。把传感器、信号调节电路、单片机集成在一个芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器已经成为一个新的发展趋势。

然后就要考虑数字化和模块化了。在一些控制领域的应用中，往往有很多不同的输入以及多变量的处理，这些复杂的要求只有数字电路应付得过来。然而，在另一些应用中，模拟依旧占主导地位。模拟器件设计相对简单，对应于简单的电路，特别是面对成本控制等诸多因素，模拟都是首选。随着传感器技术的进一步发展，传感器设备集成了越来越多的数字化电路和接口。有专家指出，MEMS与集成电路的结合，可以使工业解决方案的设计摒弃那些需要复杂信号处理的传统技术。而传感器提供了数字输出信号，这需要内部具备集成的电路，如ADC以及串行器。因为制造方式相同，所需材料相同，基于MEMS的传感器就更加适合数字化。

恰似传感器“模拟与数字”的问题，依据应用的场合不同而不同，对于未来传感器的未来，会是数字化和模块化共存的局面。

参考文献

[1]南京航空学院，北京航空学院合编.感器原理.北京：国防工业出版社，１９８０ [2]张福学．光学纤维基础．北京：人民邮电出版社，１９８０

[3]何圣静，陈彪编．新型传感器．北京：兵器工业出版社，１９９３

[4]刘广玉主编．几种新型传感器－设计与应用．北京：国防工业出版社，２００８ [5]安迪生译．生物传感器的现状与展望．国外传感技术，Ｖ０１．１１ＮＯ．３

[6]高桥清，庄庆德．展望２１世纪新技术革命中的传感器．传感器技术，２００１第２０卷第一期

苏州大学电子信息学院

14电信刘曦旻 2014.12.10

第二篇：气体传感器的发展

一、着重于新气敏材料与制作工艺的研究开发

对气体传感器材料的研究表明，金属氧化物半导体材料Zn0，SIlo2，Fe203等己趋于成熟化，特别是在C比，C2H5OH，CO等气体检测方面。这方面的工作主要有两个方向：

1、是利用化学修饰改性方法，对现有气体敏感膜材料进行掺杂、改性和表面修饰等处理，并对成膜工艺进行改进和优化，提高气体传感器的稳定性和选择性;

2、是研制开发新的气体敏感膜材料，如复合型和混合型半导体气敏材料、高分子气敏材料，使得这些新材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳 定性。由于有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作等优点，已成为研究的热点。

二、新型气体传感器的研制

用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料（硅、石英、陶瓷等），采用先进的加工技术和微结构设计，研制新型传感器及传感器系统，如光波 导气体传感器、高分子声表面波和石英谐振式气体传感器的开发与使用，微生物气体传感器和仿生气体传感器的研究。随着新材料、新工艺和新技术的应用，气体传 感器的性能更趋完善，使传感器的小型化、微型化和多功能化具有长期稳定性好、使用方便、价格低廉等优点。

三、气体传感器智能化

随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对 气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械 与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式 的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。

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第三篇：我国传感器的发展

中国传感器行业发展现状及历程回顾

我国传感器行业已经历了50个春秋，20世纪80年代，改革开放的春风给传感器行业带来了生机与活力；90年代，在党和国家关于“大力加强传感器的开发和在国民经济中普遍应用”的决策指引下，传感器行业进入了新的发展时期，经过多年的发展我国传感器行业形成了一定的优势，但是不足之处也比较明显。优势有：已经形成了研究、生产和应用体系、人材队伍和部分传感技术的优势，是进一步发展的基础；有一批先进的成果，如刀具／砂轮监控仪系列成果，石油油井用高温、高压传感检测系统、高精度热敏检测传感等等；有一个量大面广的用户市场；不足之处有：研究开发战略在系统性上的不足，如：传感器与传感系统未能统一布置，形成两套并列，相互脱节的攻关；对传统传感器的革新改进不足，微小型化步子慢，在国内与国际市场上形不成竞争力；加紧特殊环境和工程项目传感技术的研究开发；集成化、智能化和纳米技术与国外差距大。

从总体发展看，传统硅技术将一直延续到2047年，才趋达到芯片特征尺寸的极限和衰退。而当前微电子技术仍将依循“等缩比原理”和“摩尔定律”两条基片规律，在尽力逼近传统硅技术极限中，不断扩展硅的跨学科横向应用（如MEMS等）和突破“非稳态物理器件”（量子、分子器件），这也是当前乃至未来20年传感器技术的主要发展方向。

当前我国正在重点开发的MEMS（微电子与微机械的结合）、MOMES（MEMS与微光学的结合）、智能传感器（MEMS与CPU、信息控制技术的结合）、生物化学传感器（MEMS与生物技术、电化学的结合）等以及今后将大力开发的网络化传感器（MEMS网络技术的结合）、纳米传感器（纳米技术与传感器技术的结合）均是多学科、多种新技术交叉融合的新一代传感器。

不过，我国传感器的技术水平仍落后于世界水平5～10年，规模化生产与国外有较大差距。

中国传感器发展历程阶段回顾

“十一五”——2006年十届全国人大四次会议表决通过了关于国民经济和社会发展

第十一个五年计划纲要。自此拉开了“十一五”的大幕。“十一五”规划纲要中着重强调了

推进工业结构优化升级，其中提升电子信息制造业，培育生物产业，推进航空航天产业，发展新材料产业等计划的提出，以及对传统制造业和新能源开发等项目的实施无疑为中

国传感器的技术发展和市场空间的开拓提供了有力的支持。

前阶段工信部下发了《信息产业科技发展“十一五”规划和2020年中长期规划纲要》

中明确的指出新型元器件技术开发将重点围绕敏感元件和传感器等。并且对于传感器产

业化发展提供了规划和政策支持。从“十一五”规划纲要至今从中国传感器市场虽然经历

了金融危机的冲击，但是总体保持着强势快速度发展格局，最新传感器技术大多首先在国外发展起来，但是真正的应用却往往首先在中国实现，这正是源于中国庞大而多样的传感器市场特点。相信通过“十一五”重要的发展期中国传感器技术将有进一步跃升，逐

步缩短与世界先进传感器技术国家间的差距。

“十五”其间，为了发展先进制造与振兴机械工业的要求和国内外发展趋势的分析，传感技术攻关的目标是：提高传统传感技术等级、可靠性和可应用性水平，增强竞争力；积极创新系统，开发新产品，缩小差距，支持和促进我国先进制造技术的发展，振兴制造业。传感器技术国家指定的科技攻关范围较小，仅选择了少数项目，集中在几个单位内进行，MEMS等5项新型传感器已列入研究开发的重点；国家计委决定从2002年开始组织实施的新型电子元器件产业化专项中有5项新型敏感元件与传感器已经启动；一些省、市新建立的“传感器产业基地”、“MEMS科技股份有限公司”，呈现出良好的发展态势。我国开发新一代的高、精、尖传感器已具备条件，如光纤、红外、超声波、生物、智能及模糊控制传感器，采用MEMS技术制作微传感器等，这些新产品逐步实现了CAD设计、全部实现可靠性设计，质量分析及质量信息管理均采用计算机化。

“九五”其间，通过科技攻关，传感器技术领域水平得到较大的提高。主要以工业自动控制、机电一体化、科学测试仪器为服务领域,以市场需求为导向，以提高敏感元件及传感器的技术水平、可靠性水平和产业孵化为目标,安排工程化研究、新产品、共性关键技术攻关三个层次内容。传感器技术研究国家重点科技攻关项目取得了51个品种86个规格的新产品。初步建立了敏感元件与传感器产业。产品已进入到亿万人民的家庭生活中，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用。

在研发主力军的建设方面，主要表现在：建立了“传感技术国家重点实验室”、“微米/纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工程中心”等研究开发基地。全国已有1688家企事业从事传感器的研制、生产和应用，其中从事MEMS研制生产的已有50多家。

“八五”以来，在国家的支持下，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步。在学术交流方面，1989年10月由敏感元器件与传感器分会发起主办的“STC〞89 首届全国敏感元件与传感器学术会议”已延续至今，每逢活动不但国内学者、企业家云集且有不少其它国家的人士参加。目前，其论值组织机构为：“全国敏感元件与传感器学术团体联合组织委员会”。在原电子工业部的努力及敏感元器件与传感器分会的积极组织下，实施的“双加工程”即：加快力度加快发展，的方针指导下，建立了我国敏感元器件与传感器生产基地。

“安徽基地”，主要是建立力、光敏规模经济。

“陕西基地”，主要是建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济。

“黑龙江基地”主要建立气、湿敏规模经济。

多年来，三大基地在发展过程中虽然兴衰不一，它对我国敏感元件与传感器行业的建设起到了一定的推动作用。

第四篇：电弧传感器发展现状及未来

目录

前言.......................................错误！未定义书签。

一、电弧传感器的原理........................................2

二、电弧传感技术的研究及应用现状.............................3 2.1、基于三种电弧传感器的焊缝跟踪技术..........................3

2.11 并列双丝电弧传感器...................................3

2.12 摆动式扫描电弧传感器..................................3

2.13 旋转式扫描电弧传感器..................................3 2.2 基于其他类型电弧传感器的焊缝跟踪技术........................5

2.21 电磁高速振动电弧传感焊缝跟踪...........................5

2.22 双丝电弧传感焊缝跟踪控制..............................5

三、面临的问题.............................................5

四、结语...................................................6 参考文献...................................................6

电弧传感技术的研究现状及应用前景

摘要：目前基于电弧传感器的焊缝跟踪技术是目前焊接领域的一个重要研究方向。综述了摆动式、各种旋转式电弧传感器的结构及其跟踪技术研究与应用现状及面临的发展问题, 并对未来的研究方向进行了展望。

关键词：电弧传感技术；焊缝跟踪；旋转电弧；发展方向

前言：

焊接是现代制造业中的关键技术之一, 因此保证焊接产品质量的稳定, 提高生产率, 减轻劳动强度和改善劳动环境, 已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。提高焊接生产的自动化程度是解决上述问题的主要途径，随着电子技术、计算机技术、数控、机器人技术及控制理论的发展，为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并取得了大量的科技成果，从21世纪先进制造技术的【1】发展要求看，焊接自动化生产已是必然趋势。

焊接传感技术是实现焊缝自动跟踪的前提条件。焊接传感器根据传感方式的不同可以分为附加式传感器和电弧传感器两大类。传统的焊缝跟踪传感器多数是

【2~6】附加式的, 例如接触式传感器、电磁传感器和各种光学传感器 , 这类传感器共同的问题就是传感器与电弧是分离的, 传感器的检测点离开电弧有一定距离, 在焊接大弧度的焊缝时会严重影响跟踪效果。然而电弧传感器却直接利用焊接过程中的电弧电流或电压的变化来获得电弧中心是否偏离焊缝中心作为传感信息, 实用性强, 效果好。它的最大优势在于抗弧光、高温及强磁场的能力很强, 同时与焊接电弧总是统一的整体, 简单紧凑,成本较低。目前电弧传感器作为一种焊接传感手段倍受各国重视, 国外许多焊接设备研究和制造机构都在努力开发这一领域。工业发达国家起步较早, 己研制多种电弧扫描形式的电弧传感器, 如双丝并列、摆动和旋转等, 适合于埋弧焊、TIG和MIG/MAG等不同的焊接方法，【6】有些已成功地应用于焊接生产。早期的电弧传感器多采用摆动式,后来又开发了双丝并列的电弧传感器【7】和旋转电弧传感器【8】。

一、电弧传感器的原理

以电或机械方法使焊接电弧摆动, 检测焊接电流、电压的变化, 来判断摆动中心是否偏离坡口中心, 并进行修正。使电弧摆动的方法有机械式、电磁式和射流式。摆动轨迹可分为直线往复运动、圆弧运动和旋转运动在使用双丝并列焊接时, 也可不作摆动。

图1说明了焊枪导电嘴与工件表面距离变化引起焊接参数变化的过程。以缓降外特性电源为例，在稳定焊接状态时，电弧工作点为A0，弧长l0，干伸长L1，电流I0，当焊枪与工件表面距离H0 发生阶跃变化增大到H1 时，弧长突然被拉长为l1，此时L1 还来不及变化，电弧随即在新的工作点燃烧，电流突变为I1，但经过一定时间的电弧自调节作用，弧长逐渐变短，干伸长增大，最后电弧稳定在一个新的工作点A2，弧长l2，干伸长L2，电流I2，结果是干伸长和弧长都比原来增加。在上述变化中，有两个状态过程即调节过程的动态变化(△ID)和新的稳定点建立后的静态变化(△Is)。动态变化的原因是焊丝熔化速度受到限制，不能跟随焊枪高度的突变；静态变化的原因是由于电弧的自调节特性。由以上所述，当电弧沿

着焊缝的垂直方向扫描，焊接电流将随着扫描引起的焊枪高度变化而变化，从而

获得焊缝坡口信息达到传感的目的。

二、电弧传感技术的研究及应用现状

2.1 基于三种电弧传感器的焊缝跟踪技术，焊缝跟踪系统示意图 2.11 并列双丝电弧传感器

利用两个彼此独立的并列电弧对工件进行施焊，当焊枪的中心线未对准坡口中心时，其左右两焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个焊接电流不相等，因此

根据两个电流差值即可进行左右跟踪，根据两个电流之和即可进行高低跟踪。这种传感方式是利用电弧静态特性参数的变化作为传感信号。2.12 摆动式扫描电弧传感器

摆动式扫描电弧传感需要一套摆动装置，机构较复杂，在弧焊机器人上比较容易实现摆动，不需要特殊的装置，通过机器人手臂带动焊枪作横向摆动即可，目前许多国家所生产的弧焊机器人上均配有摆动式电弧传感跟踪装置，已达到实用化阶段。摆动式电弧传感器受机械方面限制，摆动频率一般较低，限制了电弧传感器在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。2.13 旋转式扫描电弧传感器

旋转电弧传感器的原理是, 在直流电动机的驱动下, 利用导电嘴上的偏心孔使得焊丝和电弧旋转, 来实现电弧的高速扫描, 一般扫描频率为15一35 Hz。这种设计能克服 机械式的低扫描频率带来的一系列问题（图2）。

旋转式电弧传感器以其扫描频率高, 机械振动小, 具有良好的动态品质和能够改善焊缝成形等优点, 逐渐成为电弧传感器的新宠。

旋转扫描式焊炬最早出现在日本NKK的关于窄间隙焊

文献中用来改善两侧熔合和角焊缝及多道焊的成形, 后来发现高速旋转电弧还可用于焊接跟踪传感, 且灵敏度更高, 就

积极致力于高速旋转电弧在传感跟踪上的发展, 研究成功了高速旋转电弧传感器。其原理是: 在电动机驱动下, 导电嘴绕自身转动, 利用导电嘴上的偏心孔使得焊丝端头和电弧旋转, 来实现电弧的高速旋转扫描。

1990年, 清华大学给出了圆锥摆动方案。导电杆作圆锥摆动, 而不绕自身转动, 这样避免了焊丝与导电嘴之间的摩擦。1993年有了进一步发展,采用了空心马达结构设计, 使得结构更加简单, 减小了振动和噪声, 体积也大大减小, 其设计的旋转扫描焊炬的外径只有80 mm, 可以像正常焊炬一样使用, 并申请了中国专利。南昌大学又在其基础上作了进一步的改进, 使旋转扫描焊炬的结构更为紧凑, 其外径减为45mm , 体积减小10%, 重量减轻20%, 使减振性能更好。并已应用在弧焊机器人上, 向实用化迈进了一大步。

通过旋转电弧传感器采集到电弧电压或电流等信号后, 通过计算机测控系统来实现高精度的焊缝跟踪, 关键在于焊缝偏差的识别。目前焊缝偏差的识别包括高度偏差和横向偏差2个方向。高度偏差的识别主要采用焊枪旋转一周后将采集的焊接电流或电弧电压平均值与给定值作比较, 得到偏差信息。而横向偏差的识别方法比较多, 目前主要有直接测位法、极值差值法、左右区域积分差值法、频谱法4种。其中极值差值法和左右区域积分差值法应用较多。

文献【7】 介绍了直接测位法, 直接对检测的电流波形找到极小值点来得到横向偏差信息。该方法直观明显, 但需进行大量数据的分析比较。然而在数字系统中, 信号的随机干扰使得极值点位置的这种求法不可靠, 事实上采样所得数据尽管经过了滤波, 但可能存在各种“毛刺”, 即会有许多极值点。所以直接对焊接电流波形峰值点的粗略分析, 虽得到焊枪相对焊接接头的横向偏差, 但不可靠, 精度较低。

在文献【7】中还介绍了极值差值法, 它利用了焊枪位于最左和最右位置的高度差来判定横向偏差值。由于只选2点的采样值, 易受干扰, 可靠性较差, 灵敏度较低。通过左右两边的电流积分差值反映V形坡口或角焊缝对中情况即左右区域积分差值法【8】。以焊枪旋转至左侧部分的电流积分(求和), 与右侧部分采样值积分之差来表征焊枪横向偏差。频谱法是通过特征谐波来检测焊缝偏差。它通过快速傅氏变换(FFT)将时域信号变换到频域来分析, 寻找各种坡口条件下反映焊缝与焊枪之间偏差的特征谐波分量, 特征谐波幅值反映了焊缝偏差的大小, 特征谐波的相位反映了偏差的方向, 由于傅氏变换的性质, 基于输入函数(高度信号)研究得到的特征量经系统传输后, 依然保持空间的正交性, 在对响应电流信号处理时, 保持着特征分量的可操作性, 而不依赖于系统的传输特性【9】。

前3种方法抗干扰能力差, 对应用场合的要求较高, 受到限制。谐波法利用了快速傅氏变换, 实现从时域到频域的变换, 但最后得到的函数关系十分复杂, 给应用带来不便。

随着智能控制技术的发展, 人们将神经网络、模糊控制等智能方法引入到焊缝偏差的识别中。文献【10】中, 日本Kenji Ohshima等人提出了一种神经电弧传感器, 将焊接电流与电弧电压通过神经网络进行信息融合, 神经网络的训练数据通过数值模拟获得, 能识别焊枪高度、姿态及与焊缝中心的偏差, 实时性好。但由于神经网络本身理论上是基于无穷样本建立起来的, 而实际训练数据总是有限的, 因此这种传感器精度也是有限的。

文献【11】 中, 韩国的Jeong Sang和KwunLee Gunyou等人构造了一种新的焊缝跟踪算法, 把电弧传感器旋转的每一周分成前、后、左、右4个区间, 求出该4个区间的电流均值, 采用指数平滑法滤除电流中的噪声, 利用每旋转一周的4个电流均值之差来识别焊缝偏差, 从而实现焊缝跟踪。

文献【12】中, 南昌大学的张华等人建立了一个基于高速旋转电弧传感器的实时焊缝模糊跟踪系统。通过大量试验数据建立了一套模糊控制规则, 经试验验证能满足弧焊机器人的要求。

综观上述各种焊缝偏差的识别方法可知, 它们大都是针对焊缝二维偏差的, 未能很好地实现焊缝三维跟踪。为了在各种具体条件下更好地发挥电弧传感跟踪控制的作用, 人们发展了一些不同形式的电弧传感焊缝跟踪控制方法, 它们的传感与控制基本原理相同,都是设法在电弧与焊缝接触时, 使电弧参数发生某些变化来直接提供电弧中心是否偏离焊缝的信息, 仅诱发电弧参数变化的方式不同。

2.2 基于其他类型电弧传感器的焊缝跟踪技术 2.21 电磁高速振动电弧传感焊缝跟踪

靠一种特制的焊枪来实现高速振动【13】, 可振动的导电杆两侧镶有磁铁, 在焊枪外壳上装有激磁线圈及磁极, 当激磁线圈接通一定频率的交变电流时, 则导电杆会产生一定频率的振动, 从而使焊丝也产生高速振动。利用振动时的焊接电流、电弧电压波形变化来获得电弧中心是否偏离焊缝的信息。它的特点是: 实现电弧高速摆动是在焊枪外壳不动的情况下进行的,焊枪结构相对来说比较简单, 更适合安装在焊接机器人上应用。2.22 双丝电弧传感焊缝跟踪控制

它是靠2个相隔一定距离的焊丝产生2个电弧排列在V形坡口焊缝的两侧, 2个电弧参数的差值提供2个电弧的中线是否偏离焊缝的信息, 从而实现焊缝跟踪的控制。根据2个电弧参数和参考值比较的差值可实现对导电嘴与工件表面距离的控制。但它要求2个焊丝之间要有良好的电绝缘, 并且间距应不小于8 mm,以避免2个电弧产生相互的磁场干扰。它虽然完全排

除了摆动电弧传感或旋转电弧传感所必需的机械运动机构的麻烦。但由于采用双丝, 带来了送丝系统及焊枪结构较复杂的缺点。

三、面临的问题

虽然对电弧传感器已经有了大量的研究, 但是电弧传感器的应用特别是在国内的应用还不能达到使人满意的程度, 目前仅限于某些特殊场合的焊缝跟踪。其一, 由电弧传感器的原理可知, 它要求焊枪摆动, 为此要有一套控制摆动的装置, 而且有些场合不宜采用摆动。对I 形坡口或无间隙对接焊则不能获得满意的效果。在现有的工业应用中, 成功的例子还都是在V 形坡口和角焊缝上完成的。这些都限制了电弧传感器的应用范围。其二, 对电弧

传感器信号的处理也是难点之一, 因为弧焊过程有许多对信号采集与处理不利的因素, 像短路电流的干扰, 熔池液态金属波动或流动的干扰等, 这对获得完整的坡口形状信号带来了很大的困难。如何去除这些干扰从而获得良好的信号, 虽然有过很多的研究, 但是还没有一个较好的解决方案。其三, 控制方法的选择, 传统的PID控制已经无法满足复杂、非线性的焊接过程, 而采用自组织模糊控制是一个比较好的解决方法, 但实现起来又会遇到运算量大等问题, 对简单处理器无法实现实时控制。而采用PC机, 则增加了成本, 无法满足企业对经济效益的要求。

电弧传感器技术的特点非常有利于焊接智能控制的实现, 而智能控制对确保焊接质量有着十分重要的意义。解决上述三方面的问题, 将是今后焊接自动化、智能化的研究热点。

四、结语 世纪我国的数控切割行业面临各种新的挑战, 国际市场竞争更加激烈。我们应瞄准世界先进水平, 不断开发研制新产品, 带动国内同行业技术水平的普遍提高, 只.有这样才能淘汰低档、劣质产品, 净化市场, 带动行业厂家转变经营理念;同时在加强科研开发、技术创新与质量管理上下功夫,使我国数控切割行业迅速达到世界先进水平, 从而振兴民族工业, 提高我国的综合国力。

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第五篇：传感器复习资料..

1.1、金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同? 答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。1.2、直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别? 答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，如电阻应变片，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件，如电阻应变片、电容。1.3、简述电阻应变式传感器产生横向误差的原因。

粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片 , 如图2-3所示，其敏感栅是有多条直线和圆弧部

图2－3 横向效应

分组成。这时，各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变x,电阻值将增加。但在圆弧段上，沿各微段轴向(即微段圆弧的切向)的应变与直线段不相等，因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同，最明显的在/2处圆弧段上，按泊松关系，在垂直方向上产生负的压应变y，因此该段的电阻是最小的。而在圆弧的其它各段上，其轴向感受的应变由 +x变化到-y。由此可见 , 将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。

应变片横向效应表明 , 当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数 k 时的标定规则不同时,实际 k 值要改变,由此可能产生较大测量误差，当不能满足测量精确度要求时，应进行必要的修正。

1.4、采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1 000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。

KUKU421062106/V，应解：单臂时U0，所以应变为1时U0444KU421032103/V； 变为1000时应为U044KUKU421064106/V，应变为双臂时U0，所以应变为1时U0222KU421034103/V； 1000时应为U022全桥时U0KU，所以应变为1时U08106/V，应变为1000时应为U08103/V。从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。1.5、差动电桥有哪些有优点？

答：差动电桥比单臂电桥的灵敏度高，此外，还可以有效地改善电桥的温度误差、非线性误差。

1.6、如图所示为一直流电桥，供电电源电动势E=3V，R3=R4=100Ω，R1和R2为同型号的电阻应变片，其电阻均为50Ω，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为5000με，试求此时电桥输出端电压Uo。

题2.5图

KU23510315mV 解：此电桥为输出对称电桥，故U0222.1、电容式传感器有哪些类型？

解：电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

2.2、试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度?为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题? 解：以变面积式电容传感器为例进行说明，如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。

Δxbxda直线位移型电容式传感器

当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为

C=εb（a-△x）/d=C0-εb·△x/d（1）

电容因位移而产生的变化量为

CCC0其灵敏度为 KbdxC0x aCb xd可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。

2.3、为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征? 解：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离d发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C。

1d21–固定极板 2--活动极板

设极板面积为A，其静态电容量为CAd，当活动极板移动x后，其电容量为

xAd(1)CC0dxx212d1当x<

xx2121 则CC0(1)(2)

dd由式（1）可以看出电容量C与x不是线性关系，只有当 x<

2.4、变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如题4.8图所示。C0=200pF，传感器的起始电容量Cx0=20pF,定动极板距离d0=1.5mm,运算放大器为理想放大器（即K→∞,Zi→∞）,Rf极大,输入电压ui=5sinωtV。求当电容传感动极板上输入一位移量△x=0.15mm使d0减小时,电路输出电压uo为多少？

题4.8图

解：由测量电路可得

u0C0C0200uiui5sint45sintV Cx0d0201.5Cx1.50.15d0x2.5、如图3-22所示正方形平板电容器,极板长度a=4cm,极板间距离δ=0.2mm.若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气,08.8510-12F/m。

ax 解：这是个变面积型电容传感器，共有4个小电容并联组成。

C040a24161048.85101228.32 /pF

2103C0kx28.3270.8x(x的单位为米)

40ax)Cx40a(ax)CCxC0

CxC040a48.8510124102K70.8 /pF x2103CxpF4030201004123xcm

3.1、试述影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？

解：影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是：传感器几何尺寸、线圈电气参数的对称性、磁性材料的残余应力、测量电路零点残余电动势等。

3.2、试述电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？它的主要优点是什么？ 解：电涡流式传感器的灵敏度主要受导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离等因素影响。电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。

4.1、为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量？

解：如作用在压电组件上的力是静态力，则电荷会泄露，无法进行测量。所以压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量。

4.2、压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题?

解：压电式传感器的产生的电量非常小，内阻很高。测量电路的作用是进行阻抗变换和放大，即要求测量电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低，通常用高输入阻抗运放。其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。

4.3、某加速度计的校准振动台，它能作50Hz和1g的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K＝100mV／g，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。解：此加速度计的灵敏度为 K913091.3 mV/g 100标定系统框图如下：

加速度计阻抗变换器电压放大器晶体管毫伏表

4.4、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pC/g,电荷放大器灵敏度为50mV/pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V,试求该机器的振动加速度。

已知：ka=5pC/g，kq=50mV/pC，Vomax=2V 求：amax=？ 解：

因为： kaQ/a；kqV0/Q 则有： V0kakqa 所以： amaxV0max8g kakq4.5、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器振动，已知，加速度计灵敏度为5pC/g；电荷放大器灵敏度为50mV/pC，最大加速度时输出幅值2V，试求机器振动加速度。解：KK1K2550250mV/g

KUU2000a4g aK2504.6、什么叫正压电效应？什么叫逆压电效应？常用压材料有哪几种？

答：某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。这种机械能转化成电能的现象，称为正压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。应用于压电式传感器中的压电材料通常有三类：一类是压电晶体，它是单晶体，如石英晶体、酒石酸钾钠等；另一类是经过极化处理的压电陶瓷，它是人工合成的多晶体，如钛酸钡等；第三类是有机压电材料，是新型的压电材料，如聚偏二氯乙烯等。4.7、一只x切型的石英晶体压电元件，其，相对介电常数，横截面积A=5cm2，厚度t=0.5cm。求：

（1）沿石英晶体电轴方向施加力的作用，产生电荷的压电效应称为什么？若沿电轴方向受Fx=9.8N的压力作用时两电级间输出电压值为多大？

（2）若此元件与高输入阻抗运放连接时连接电缆的电容为Cc=4pF，该压电元件的输出电压值为多大？

解：（1）沿石英晶体电轴方向施加力的作用，产生电荷的压电效应称为纵向压电效应。对于x切型的石英晶体压电元件，纵向受力时，产生的电荷量为

压电元件的电容量为

两电极间的输出电压值为

（2）此元件与高输入阻抗运放连接时，连接电缆的电容与压电元件本身的电容相并联，输出电压将改变为

5.1、光电效应有哪几种?与之对应的光电元件各有哪些? 答：光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等；基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等；基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。

5.2、常用的半导体光电元件有哪些?它们的电路符号如何? 答：常用的半导体光电元件有光敏二极管、光敏三极管和光电池三种。它们的电路符号如下图所示：

光敏二极管 光敏三极管 光电池

5.3、什么是光电元件的光谱特性? 答：光电元件的光谱特性是指入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光电元件只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光电元件的光谱特性。5.4、光电传感器由哪些部分组成?被测量可以影响光电传感器的哪些部分? 答：光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图所示。图中Ф1是光源发出的光信号，Ф2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。

光源Φ1光学通路Φ2光电元件Ix1x2x3

5.5、模拟式光电传感器有哪几种常见形式? 答：模拟式光电传感器主要有四种。一是光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，如图a所示。这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计；二是恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数。如图b所示。可用于测量透明度、混浊度；三是恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如图c所示。反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等；四是从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如图d所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。

31122a)a)被测量是光源b)b)被测量吸收光通量 c)被测量是有反射能力的表面2c)d)被测量遮蔽光通量d)133121-被测物 2-光电元件 3-恒光源

6.2超声波有哪些传播特性? 答：超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的。振荡源在介质中可产生两种形式的振荡，即横向振荡和纵向振荡。横向振荡只能在固体中产生，而纵向振荡可在固体、液体和气体中产生。

超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时，产生折射和反射现象，超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而减弱。

9.2（1）如图所示为光纤传感器中光线传播原理，请推导入射角的临界入射角与空气折射率n0、纤芯折射率n1及包层折射率n2的关系式。

（2）解释光纤数值孔径的物理意义。

解：（1）

在纤芯和包层界面A处，当入射角逐渐增大到临界角时，折射角等于90度，此时

光线由折射率为0n的空气，从界面O处射入纤芯时实现全反射的临界角为

9.3试计算n1=1.48和n2=1.46的阶跃折射率光纤的数值孔径。如果外部是空气n0=1，试问：对于这种光纤来说，最大入射角是多少？

解：根据光纤数值孔径NA定义