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Apr 24, 2025
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专业课，注重传感器的工作原理和分类，偏实用
这门课程虽然是物联网方向的专业课，但上起来像选修课一样，没有作业，没有预习要求，但唯一的不足是还要考试。
本篇内容主要是针对考试大纲从整理的知识点复习，也算是把这门课的笔记给补上了，上完传感器技术这门课，大致的感觉就是，这门课更偏向于去理解各类传感器的工作原理和分类，知道每个传感器有哪些应用场景，对于具体的公式推导和计算并不是非常重视。因此我在复习时也是以实用性的角度来审视这些传感器的，每当看到一个传感器，我都会去思考将来有哪些需求时，这些传感器可以用的上，也希望自己学习这门课不仅仅是为了考试，还能学以致用。我的传感器老师是南理工电光的 康qijie 老师。
传感技术的考点及课件
2025.4.25 考完了这门课程，试卷上是 10 道填空题（10 分）和 15 道简答题（每题 5 分），最后还有一道简单的计算题（5 分）。
简答题占的比重非常大，考完后手已经写不动字了，试卷题目基本上都在上面的知识点里面，但也有几道上面知识点中没有的内容，比如 MEMS 传感器的组成，MEMS 传感器与超声波传感器之间的协作等。
因此大家最后复习完后还是将 ppt 整体看一遍，我就只拣了上面知识点中写出来的部分复习，大概有 15 分左右没有复习到，随便写的😶🌫️，估计有分，但分都得到不太可能。
传感器的定义和组成、分类
狭义的定义：
传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。
因此作为一种功能块的传感器可狭义的定义为：“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。“
严格定义：
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
组成：
传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。
敏感元件：直接感受被测量（非电量），并按一定规律输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：又称传感元件， 将敏感元件的输出量转换成电路参数。
测量电路：将转换元件输出的电路参数转换为便于处理、传输、记录、显示和控制的有用电信号。不同种类的转换元件有不同种类的测量电路与之适应。
分类：
分类原则：① 构成原理；② 据能量转换情况； ③ 以被测量来分；④ 以工作原理来分。
构成原理分
- 结构型；
结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，如动力场的运动定律，电磁场的电磁定律。工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。
- 物性型；
物性型传感器是利用物质定律构成的，如胡克定律、欧姆定律等。 物性型传感器的性能随材料的不同而异。
能量转换情况分
- 能量转换型；
能量转换型传感器（换能器），又称无源型或发生器型传感器， 传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。主要为以磁电效应、压电效应、热电效应为基础的传感器。
- 能量控制型；
能量控制型传感器，在信息变化过程中， 传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源。如电阻、电容、电感等组成的传感器。
以被测量分
以工作原理分
电阻式，电感式，电容式，磁电式，压电式，热电式，光电式（红外式、光导纤维式），谐振式，霍尔式（磁式），阻抗式（电涡流式），超声式，同位素式，电化学式，微波式。
通常以后两种分类来对元件进行命名。
静态特性指标，标定与校准
静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；
动态特性：当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为是动态特性。
静态特性指标
老师上课时说不注重公式的考察，下面的图像可以帮助理解指标含义。
- 线性度（Linearity， 非线性误差）；
表征传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度的指标。
拟合曲线的选取原则：既能反映实际曲线的趋势，又能使非线性误差的绝对值最小，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。
- 迟滞（hysteresis，回差）
传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输入输出曲线不重合程度的指标。
- 重复性（Repeatability）【最基本的指标】
传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。
- 灵敏度
传感器输出的变化量 y 与引起该变化量的输入变化量 x 之比即为其静态灵敏度。
- 分辨力与阈值（Resolution & Threshold）
分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。 输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化。分辨力用绝对值表示。
将 1 与满量程输入的比值称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。
- 稳定性（Stability）
指传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力。用输出值与起始标定值之间的差异来表示。
- 漂移（Drifting）
在外界的干扰下，在一定时间内，传感器输出量发生与输入量无关、不需要的变化。常见的有温漂、时漂。
- 精确度
是精密度与准确度两者的总和， 精确度高表示精密度和准确度都比较高。 在最简单的情况下， 可取两者的代数和。
精密度：传感器输出的分散程度。
准确度：传感器输出与真值的偏离程度。
标定与校准
校准：
使用一段时间后（中国计量法规定一般为一年）或经过修理，必须对传感器的主要技术指标进行校准试验，确保传感器的各项性能指标达到要求。
标定：
利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立传感器输出量和输入量之间的对应关系。
标定分为静态标定和动态标定两种。
静态标定针对的是静态特性指标；动态标定确定的是传感器的动态性能，标定时需要有标准信号对传感器进行激励。
应变效应、电阻应变计、静态特性、应变电桥、温度效应及其补偿
导体/半导体材料在外界力(固体内部应力)的作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化，这种现象称为“应变效应” 。
应变电阻效应/压阻效应
应变电阻效应：金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。
压阻效应：指半导体材料的某一轴向受外力作用时，其电阻率 ρ 发生变化的现象。
电阻应变计的结构
敏感栅：实现试件表面应变向电阻转换的传感元件（转换元件）；
基底：保持敏感栅固定的尺寸、位置和形状；
引线：起着敏感栅和测量电路之间过渡连接和引导的作用；
盖层：覆盖在敏感栅上用于保护敏感栅不被腐蚀、破坏的保护层；
粘结剂：用于将敏感栅、盖层与基底粘接，同时也起到传递应变的作用；分为有机粘结剂和无机粘结剂，前者可以工作的温度范围广（低、中、高温），后者一般用于高温。
电阻应变计的类型
- 金属丝式应变片；
成本低，性能稳定，但是横向效应显著，横向效应会抵消一部分主应变，测量误差大。
- 金属箔式应变片；
精度高，横向效应小。
- 半导体应变片；
灵敏系数高，横向效应小，体积小，但是稳定性差。
静态特性
一般轴向被拉伸时，电阻会变大。
静态特性是指应变片感受试件不随时间变化或应变缓慢时的输出特性。
- 灵敏系数 K；
反映的是电阻的相对变化量受轴向应变的敏感程度。公式为 。
- 横向系数及横向效应系数 H；
横向效应：应变片既敏感轴向应变（测量主应变），又同时受横向应变影响，使其灵敏系数及相对电阻比都减少的现象。
理解：电阻应变片的栅型结构中，既包含有轴向（直线）的电阻，也包含有圆弧部分的电阻，当轴向长度变化导致电阻变化时，圆弧部分电阻的长度呈相反方向变化，使得电阻也朝着相反方向变化，阻碍了原电阻的变化情况。
横向效应系数 H：通过 计算得到， 为横栅的敏感系数。横栅半径（圆弧半径）r 愈小，纵栅长度（直线部分） l 愈长，则 H 愈小。
- 机械滞后(回差） ；
在增加或减少机械应变的过程中，对同一机械应变，应变片的（输出）指示值不同。
- 蠕变 θ 与零漂 ；
反映传感器的长期稳定性； 蠕变是输入恒定时传感器随时间的单向变化特性；
零漂是指试件空载时，应变片的指示应变值随时间变化的现象。
- 应变极限；
恒温情况下，使非线性误差达到 10% 时的真实应变值称为是应变极限。
应变电桥
将电阻、电感、电容等参数变化变换为电压或电流输出的一种测量电路。
上述电路中，电阻满足关系
输出电压与电阻网络间的关系（针对输入电压，将网络分成一种并联情况来看；针对输出电压，将网络以输出电压为基准分为并联情况来看）为：
🌟 在桥臂比 时，输出电压的变化量与电阻变化量（四个电阻都有应变）之间的关系为：
若只有某个电阻发生应变，则：
电桥的灵敏度为：
时，电桥的灵敏度为最大。
温度效应及其补偿
由温度变化引起的应变片电阻变化的现象，称为应变片的温度效应。
温度作用下，应变片电阻变化与敏感栅材料的电阻温度系数 αt 、敏感栅材料线膨胀系数 βt 、试件和基底材料体膨胀系数 βs 三者有关。
应变片无应力作用时的温度效应称为是应变片的热输出，又称为是虚假应变。
温度补偿：
- 温度自补偿法；
精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿。实现器件有单丝自补偿应变器和双丝自补偿应变器。
单丝自补偿应变器是让 敏感栅材料的电阻温度系数、材料膨胀系数 与 试件、基底材料体膨胀系数 相匹配，以此达到温度自补偿的结果（有相应的公式证明，这里省略了）；
双丝自补偿应变器顾名思义，就是采用两种电阻丝，两种电阻丝在温度变化时，热输出是相反的，一者为正，则另一者为负，以此达到自补偿的目的。
- 桥路补偿法；
- 双丝桥式法：
- 补偿块法：
分为双丝桥式法和补偿块法两种方法。
利用电桥桥臂两边上电压的和差原理达到补偿目的；
优点是通过调整 值，不仅可使热补偿达到最佳状态，而且还适用于不同线膨胀系数的试件；
缺点是对 要求高，同时也会抵消一部分输入的变化，降低敏感度。
与 受温度的影响相同， 和 为平衡电阻。
例题
对于第二小题，由于桥臂比 且在没有电阻应变时，输出电压 ，因此最终的输出电压为电压的变化量。
自感式传感器的工作原理、变压器电桥、互感式差动变压器、电涡流式传感器工作原理
自感式传感器的工作原理
自感传感器分为变气隙式、变截面式、螺管式和差动式四种。
变气隙式和变截面式自感传感器的工作原理：
电感的计算公式为：
其中， 为气隙的大小， 为截面面积。我们只需要知道电感与截面面积成正比，与气隙大小成反比即可。
变气隙式和变截面式传感器的装置如下：
左侧为变气隙式，右侧为变截面式
依据公式对自感传感器进行分析，对于变气隙式传感器而言，截面面积 S 是不变的，L 是关于 的单值函数，当 增大时，电感减小；
对于变截面式传感器而言，衔铁与铁芯之间的距离 是不变的，L 是关于 的单值函数，当 S 减小时，电感减小。
上述两种自感传感器都是通过改变磁路的磁阻（由衔铁与铁芯的截面面积 S 或衔铁与铁芯的距离 决定）来实现电感的变化的，进一步实现测量的。
螺管式自感传感器的工作原理：
随着铁芯插入深度的不同会引起线圈泄露路径磁阻的变化，进一步影响线圈的电感。通过铁芯插入深度与线圈电感变化的关系即可制作出螺管式传感器。
差动式自感传感器工作原理：
在实际应用中常采用两个相同的传感线圈（上下两个线圈共用）共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。
当衔铁（3）向上移动时，上面两个线圈的 减小，电感增大，下面两个线圈的电感减小，这样做的好处是增大了传感器的灵敏度（提高了一倍），同时线圈受到外界环境的干扰小。
变气隙式传感器的灵敏度分析：
当衔铁与铁芯之间的气隙变化时，电感会发生变化，这里略过推导直接给出结论：
- 当 增大时，；
- 当 减小时，；
综上，灵敏度 。
变压器电桥（测量电路）
变压器电桥的电路图如下所示：
在上面的电路中，当衔铁向下移动时，线圈 的阻抗增大，线圈 的阻抗减小，对应到作图就是 增大， 减小。
而电路的输出电压 ，因此电路的输出电压就会减小。当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。
变压器电桥使用元件少，输出阻抗小，电桥开路时电路呈线性变化，因此应用较为广泛。
互感式差动变压器
互感式差动变压器主要有变气隙式、变截面式和螺管式三种。
互感式传感器与变压器的区别：
- 后者为闭合磁路，前者为开磁路；
- 后者初、次级间的互感为常数，前者初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压。
变气隙式差动变压器（Π 形差动变压器 ）原理：
如上图所示，当衔铁处于正中间时，输出的电压 和 是相等且反向的，抵消后 为 0；
当衔铁向上移动时，衔铁与上半部分的变压器间距减小，磁通 增加，互感 L 增大， 增大，同理， 减小，此时输出电压 为正。
这种方式的输出与变压器电桥相似，输出电压 与衔铁位移量成正相关。
变截面式差动变压器原理：
变截面式的差动变压器主要用于测量角位移的大小，可以看到图中的旋子是两侧长，两侧短的，同时原级线圈与副级线圈在四个凸起处都有缠绕。
当旋子长的两端靠近某两个凸起时，凸起的互感值增大，而另外两个凸起的互感值减小，造成输出电压的变化。
螺管式差动变压器原理：
铁芯在线圈中的位置不同，次级线圈互感的大小也不同，进而导致最终的输出电压不同。
电涡流式传感器工作原理
电涡流式传感器的工作电路图如下：
其中，传感器和被测导体组成一个导体系统，当传感器线圈通以电流 时，会产生磁场 ，此时将被测导体靠近传感器线圈，被测导体受到 的影响会感应出电流 。电流 会产生反向的磁场 ， 反作用于线圈使得线圈的电感、阻抗、品质因数等发生变化。
电涡流式传感器主要会受到被测体电阻率 、磁导率 、几何形状（尺寸因子 r）、线圈的电流频率 f 以及线圈与被测体之间距离 x 的影响。
也就是说，传感器线圈的阻抗 ，因此可以利用传感器线圈阻抗与其中某个参量的关系（此时控制其他参量不变）来实现对该参量的测量。
电容式传感器的工作原理
电容式传感器可以将非电量的变化转换为电容的变化，进而转换为电压、电流的变化，由此实现测量。电容式传感器的好处是能够实现非接触式的测量。
电容式传感器的类型主要有变极距型、变面积型和变介质型三种。
电容的计算式过去学过，还是比较好理解的：
电容式传感器的三种类型都是以上述公式为基础的。
变极距型
电容的初始值为 ，初始的极距为 ，当电容中的动极板受到外界的变化而上下移动时，产生的位移为 。
位移量与变化的电容值之间的关系如上图所示，我们只需要将这张图记住，有一个分析的直觉即可。只有在 很小时，变化的电容值 与变化的极距 间才会有近似的线性关系（公式都不用记忆，只要有一个大致的直觉就行，极距的变化量越大，电容值的变化量也会越大）：
在此基础上，经过推导可以得出变极距型电容传感器的灵敏度为：
从公式中可以看出，当初始的极距越小时，电容式传感器的灵敏度越高，但极距也并非是越小越好，因为过小的极距会导致极板更容易被击穿。
为了使电容式的灵敏度尽量高，需要在极距尽量小的情况下降低极板被击穿的概率，可以考虑在电容极板间插入电介质（如云母）。
【灵敏度的提高可以侦测到更微小的位移，电容式传感器能够侦测的位移能够达到 0.01 um 量级】
既然是极距的变化，根据我们前面接触过的传感器的分析经验，直觉上告诉我们变极距型的电容传感器也可以通过差动来提高灵敏度。
初始时极板位于中间， 和 相等。当极板朝着某个方向移动时，极距的变化一定是一方增大，另一方减小的，进而引起电容的一方增大，另一方减小。
如果你对电容式传感器的直觉还没有消散，那么你应该能感觉到，当极板向上移动的时候，上方的电容值是增大的，下方的电容值是缩小的，而从变化量的角度上来看，电容的变化量 无论是上方还是下方都是增大的。因此，我们大约能够感受出差动式变极距型传感器的灵敏度似乎增大了两倍，实际上也是如此，具体的公式如下：
同样地，只有在 很小时，变化的电容值 与变化的极距 间才会有上述近似的线性关系。
变面积型
变面积型的电容式传感器主要有以下几类：
板状线位移型
首先介绍板状线位移型，它的图示如下：
固定极板是不动的，动极板用于感受外界的变化。动极板移动的距离为 ，动极板的移动引起的是电容器相对面积的变化。动极板移动的越多，面积越小，电容值越小。
经过推导，我们可以得出下面的公式：
与变极距型一样，位移的变化量与电容的变化量是呈线性的，位移变化量增大时，电容的变化量也就增大了。
可以进一步得到灵敏度的变化关系：
同样，初始极距的大小会影响传感器灵敏度的大小，因此也可以考虑加入电介质。不过这里还有一个量，极板的宽度 也会对灵敏度产生影响。
在动极板进行水平位移时，我们必须保证极距 是不变的（控制变量法），为了更精确的控制极距，可以采用中间级移动的结构。
因为动极板的移动对上下两块极板的电容值影响是相同的，相当于是两倍的灵敏度，而极板的上下运动造成的 变化会使得动极板与上下两块极板的电容变化相反，一方增大，另一方减小，因此可以平衡极板上下波动对精度造成的影响。
角位移变面积型
角位移与电容之间的关系：
角位移的变化量与电容变化量之间是呈线性关系的。
筒状电容传感器
筒状物的位移与电容之间的关系：
筒状物的位移与电容之间的关系也是线性的。向下的位移会使得极板面积变小，从而使得电容值变小。
差动变面积型
这里的差动体现在动极板 C 移动时，在 A 和 B 之间引起的电容变化总是相反的，一方电容值增大，另一方电容值就减小。
初始时，C 与 A 和 B 的电容值必须相等。
变介质型
在变介质型的传感器中，变化的是介质的位置，极板是不动的，当介质插入电容器中时，电容实际上就被分为了两部分，第一部分电容有电介质，电容为 ；第二部分没有介质，电容为 。最终得到的电容大小为 和 的并联。
电介质的位置会影响最终电容的大小，电介质的位移量与电容的变化量之间是呈线性的。
应用场景（水位的测量）：
有时候容器并不是透明的，无法从外面测得水位的高度，可以采用这种方法测量。
电容式传感器具有结构简单、温度稳定性好、精度高等特点，同时可以实现非接触式测量。
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器属于是能量转换型传感器，它无需外加电源激励，而是利用电磁感应将外界的变化转换为电动势的变化。因此也被称为是电动势传感器、感应式传感器。
由于电磁感应需要线圈中的磁通不断发生变化才能产生电压和电流输出，因此磁电式传感器只适合于动态测量。
常见的磁电式传感器有变磁通式传感器和恒磁通式传感器两种。
变磁通式传感器
变磁通指的是磁路中的磁阻是变化的，进而引起磁通的变化。因此也称为是变磁阻式结构。
变磁通式传感器主要有旋转型和平移型两种，其中平移型的传感器在之前介绍变气隙式自感传感器的时候介绍过，当时是需要在线圈两侧外加电源来实现值的测量的。
在本节中，自感线圈两侧无需串联电源，当上方的板子上下运动时，板子与磁体之间的气隙宽度会发生变化，导致磁路中磁阻发生变化，进而在电感中产生电动势。但要注意它们各自的使用条件，变气隙式自感传感器可以实现静态位移的测量，而作为变磁通式的传感器则只能测量动态位移，也就是实现运动速度的测量。
旋转型的变磁通式传感器可以用于测量外界旋子的角速度，旋子的旋转会引起动铁心的旋转，进而切割磁感应线，旋转得越快，感应电动势越大。利用这个关系可以对角速度进行测量。
恒磁通式传感器
恒磁通式即内部的磁通是恒定的（磁场强度和磁阻是恒定的），线圈切割磁感线引起电压或电流的变化。
恒磁通式的传感器分为动圈式和动铁式两种。动圈式，顾名思义就是线圈动，永久磁铁不动；而动铁式就是线圈不动，永久磁铁动。
无论是动圈式还是动铁式，都会引起线圈切割磁感线，进而产生感应电动势。
在恒磁通式传感器中，位移的变化会引起感应电动势的变化，位移的变化通过速度来进行表示，因此速度与感应电动势之间具有相关性。
切割磁感线产生的感应电动势的大小为：
于是，可以得到传感器的灵敏度为：
霍尔元件的工作原理、霍尔常数
霍尔元件在高中物理中就已经学过了，这里再回忆一下：
在没有外加磁场的作用下，将金属板接入电路中，电路的电场力会驱使金属板中的自由电子移动形成电流 ；
在外加磁场 B 的作用下，金属板中的自由电子会受到洛伦兹力的作用发生偏转，正电荷和负电荷会聚集在板子的两侧（与电流方向和磁场方向垂直），形成板子的内电场；
内电场力的方向与洛伦兹力的方向相反，因此当内电场达到一定大小时，电子受到的内电场力与洛伦兹力的大小相等，此时金属板中的电子在外电场力的作用下继续向前移动而不会偏移。
上述过程中，由于电子聚集形成的内电场就是霍尔电场（），由于洛伦兹力的大小为 ，霍尔电场力的大小为 ，因此 ，于是得到：
又因为霍尔电场 ，因此可以计算出 的大小为：
现在表达式中还有电子运动速度 是未知的，由于电流的微观定义式中，，于是得到电子运动速度：
将霍尔电压的大小与电子运动速度结合，得到：
这样，我们就可以通过流过霍尔元件的磁场和电流来得到霍尔元件两侧的电压了。
在公式中，由于特定金属中电子的电荷量和载流子浓度 n（单位体积内的自由电荷载流子数量）是固定的，因此使用霍尔常数来进行表示：
我们将金属片本身的霍尔常数与金属片本身的高度 d 表示为霍尔元件的灵敏度（公式中的电流和磁场都是外加的），用 表示：
因此，公式变为：
从公式中我们可以得出灵敏度的物理含义，灵敏度 表示霍尔元件在单位电流和单位磁感应强度作用下产生的电压大小为 。
霍尔传感器的应用场景：
- 可以作为位移传感器；
初始时，将霍尔元件放在两个磁体的中间位置，当磁体受到外界作用发生位移时，磁场的变化会使霍尔元件两端的电压 发生变化，进而实现对位移的测量。
位移的变化量与电压 的变化量之间是线性的。
- 齿轮转速的检测；
将霍尔元件靠近齿轮，由于每个齿轮都是有凸起和凹陷的部分的，因此当齿轮转动时，霍尔元件正对的齿轮位置的距离会发生周期性的变化，距离的变化会引起磁阻的变化，进一步引起通过霍尔元件的磁场的变化。磁场的变化会让霍尔元件两侧的霍尔电压 发生变化。因此可以利用霍尔电压变化的周期大小计算出齿轮的转速。
压电效应、压电材料、石英晶体产生压电效应的原理
压电效应
压电效应就是对某些电介质施加力的作用的时候，表面上会聚集正负电荷，产生电场，当撤去力的作用时，正负电荷分散，电场又消失的现象。
本质上是因为外加力的作用使得电介质内部产生极化现象。
压电效应分为正压电效应和逆压电效应两种，正压电效应指的是在外加力的作用下使电介质产生电场（力→电）；逆压电效应指的是在电场作用下，电介质变形，出现压缩或拉伸（电→力）。
压电材料
压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷两种。
压电晶体最常见的就是二氧化硅了，它的介电常数和温度系数的温度稳定性都很好，而且可以在高温下使用，居里点为 573℃（居里点为使压电晶体失去压电效应的临界温度）。
对于压电陶瓷，初始的压电陶瓷是不具有压电效应的，因此需要进行极化处理。极化处理后的压电陶瓷内的极化强度总是会以电偶极矩的形式表现出来，使压电陶瓷自发的吸引外界的自由电荷附着在表面，与压电陶瓷内部的束缚电荷相互抵消，屏蔽了压电陶瓷内的极化电荷对外界的作用。
当压电陶瓷受到外界力的作用（力的方向需要与极化方向一致）时，会引发压电陶瓷的压电效应。如果力的作用使压电陶瓷被压缩，压电陶瓷表面的极化电荷会减小，从而释放一部分附着在表面的自由电荷，这种情况称之为是放电；当力的作用撤销使得压电陶瓷恢复形变时，压电陶瓷表面的极化电荷增加，会吸引一部分自由电荷继续附着，这种情况就称为是充电。上述的充放电现象都是压电陶瓷的正压电效应。
当压电陶瓷受到与极化方向一致的电场时，极化电荷之间的距离增大，会使压电陶瓷产生逆压电效应，出现拉伸形变；如果与计划方向相反，则会出现压缩形变。
目前流行的压电材料还有压电半导体（ZnS、ZnO 等），一些有机高分子材料也被作为是压电材料。
石英晶体产生压电效应的原理
首先，需要明白石英晶体的结构，一般天然的石英晶体都是正六面体，我们使用三个方向来表示石英晶体：
这三个方向的位置很有讲究，观察上图可以发现，x 轴正半轴是从石英晶体的某一条棱中穿出的，而 y 轴正半轴是从石英晶体的某个面穿出的。至于三个轴的名称为什么这么叫可以先不用管。
我们将石英晶体从上往下看（也就是从 z 轴正半轴往下看），可以得到如下图所示的微观结构：
其中绿色的圈表示的是负的氧离子，粉红色的圈表示的是正的硅离子。
现在，针对这个投影后的图像进行分析，在石英晶体未受到外力的作用时，整体上是呈电中性的。我们从原点出发，从负电荷指向正电荷，可以得到三个电偶极距 。此时 。
当石英晶体受到沿着 x 轴方向的外力作用拉伸时， 方向的电偶极矩变大， 和 方向的电偶极距减小，此时石英晶体的电中性被破坏， ，因此在 x 轴正向会聚集负电荷，但 y z 方向没有电荷聚集 。
当石英晶体受到沿着 x 轴方向的外力作用压缩时， 方向的电偶极矩变小， 和 方向的电偶极距增大，此时石英晶体的电中性也会被破坏， ，因此在 x 轴正向会聚集正电荷，但 y z 方向没有电荷聚集 。
上述这种沿 x 轴施加力，在垂直于 x 轴晶面上产生电荷的现象即为纵向压电效应。
当石英晶体在 y 轴方向受到外力作用拉伸时，等效于在 x 轴方向受到外力作用压缩，此时 x 轴的正向会聚集正电荷，y z 方向仍然没有电荷聚集。
当石英晶体在 y 轴方向受到外力作用压缩时，等效于在 x 轴方向受到外力作用拉伸，此时 x 轴的正向会聚集负电荷，y z 方向没有电荷聚集。
上述沿 y 轴方向施加力，而在垂直于 x 轴方向的晶面上产生电荷的现象即为横向压电效应。
在 z 轴方向上施加力的作用，晶体不产生压电效应。
石英晶体的压电效应主要有以下特点：
- 石英晶体并不是在哪个方向上都有压电效应的；
- 石英晶体在哪个方向上有正压电效应，则在哪个方向上就一定有逆压电效应；
- 石英晶体的正逆压电效应是均为线性的，即作用力与电场强度之间呈线性关系。
压电式传感器的主要应用场景
- 加速度的测量；
当压电式传感器与质量块一起以某一加速度向前运动时，压电式传感器会受到力的作用，进而产生电场，根据电场即可实现加速度的测量；
- 压力的测量；
热电阻传感器、热电效应、热电偶基本定律
热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。
将温度变化转换为电阻变化的热电式传感器称为是热电阻；将温度变化转换为电势变化的热电式传感器称为是热电偶；
热电阻传感器
热电阻传感器分为金属热电阻式（热电阻）和半导体热电阻式（热敏电阻）两大类。
热电阻常用的材料有铂、铜、铁、镍。其中铂和铜应用又最为广泛，铁和镍存在非线性失真严重的问题，而且不易提纯。
铂热电阻常用的主要有 Pt50 和 Pt100（0 ℃ 时阻值为 100 Ω） 两种。
热敏电阻主要有负温度系数的热敏电阻（NTC，negative temperature coefficient）、正温度系数的热敏电阻（PTC，positive temperature coefficient）和临界温度系数的热敏电阻（CTR，critical temperature resistor）三类。
三类热敏电阻的温度与阻值变化关系如下图所示：
对 NTC 而言，当电阻中有小电流流过时，近似服从欧姆定律；随着时间推移，电阻温度升高，阻值减小，流过电阻的电流增大，但此时电流增大对电阻的影响大于减小的阻值，电阻两端的电压会缓慢上升；当电阻的温度进一步升高时，阻值进一步减小，电阻减小对电阻电压的影响逐渐大于电流的增大，电压开始下降，于是 NTC 两端的电压和电流之间呈现下图所示的关系：
从图中可以看出，在电流比较大的时候，热敏电阻表现出严重的非线性，在实际应用中需要采用补偿电阻进行补偿，将热敏电阻串联上一个温度系数很小的精密电阻，如下图所示：
NTC 既可用于温度测量，也可用于电子系统的控制器件；
对于 PTC 而言，由于温度升高，电阻值会增大，因此常用作电气设备的过热保护，或者作为限流器件使用；
对于 CTR 而言，主要用于制作温控开关。
热电效应
热电效应是由两种不同的金属首尾相接后，对首端或尾端接点进行加热，而另一端放置在室温下，由此在回路中产生热电势的现象。
将两种不同的金属组合称为是热电偶，将金属 A 或金属 B 称为是热电极，将两种金属的接点中温度高的一个称为是热端或工作端，温度低的一个称为是冷端或自由端。
热电偶中产生的热电势分为接触电势和温差电势两种，其中接触电势一般会大于温差电势。
接触电势是在两种金属的接点处产生的，由于两种金属的自由电子浓度不同，在进行拼接时，自由电子浓度高的金属会扩散更多电子，带正电，而浓度低的金属最终会得到电子，带负电。于是就形成了接触电势。虽然课件中没有说明，但我个人认为，当将两种金属首尾相接后，若两端温度相等，接触电势其实是大小相等方向相反的，因此会相互抵消。
温差电势是对同一金属而言的，当同一金属两端的温度不同时，温度高的一端自由电子更加活跃，会向温度低的一端扩散电子，于是温度高的一端最终带正电，而温度低的一端最终带负电，形成温差电势。
由于金属连接确定后，接触电势一般是不会变化的，而温差电势受到接点处温度的影响，因此最终总的热电势是接点处温度的单值函数。
可以使用 表示在工作端温度为 ，自由端温度为 时热电势的大小，热电势的计算式为：
热电偶热电势仅与材料及冷热端温度有关，与导体粗细长度等无关，在实际应用中，通常也不会使用上面的公式来计算热电势，而是通过查询热电偶分度表来查询热电势。
不同材料组成的热电偶也会有不同的热电偶分度表，在热电偶分度表中，冷端的温度都是 0 ℃。
镍镉-镍硅合金的热电偶分度表如下所示：
热电偶基本定理
- 只有由化学成分不同的两种金属组成的热电偶才能够产生热电势，且热电势的大小仅与金属的材料和两端接点的温度有关，与导体的形状、大小等无关；
- 化学成分不同的金属组成的热电偶，在两端接点温度相同时，热电势为 0；
- 对于由两种相同成分金属组成的热电偶，其总热电势的大小为 0（无论接点端温度如何），据此可以判断两种金属是否一致；
- 在热电偶的接点处中接入第三种材料时，如果第三种材料与热电偶相接处的温度是相同的，那么对热电偶的热电势不产生影响（中间导体定律）；
这条性质具有实际的意义，因为利用热电偶来测量温度时，必须在热电偶中接入电气测量仪表。
- 中间温度定律：
利用这条定律，在自由端温度不为 0 时也能够测量出热电势的大小。
光看上述公式可能不太理解，举个例子就明白了。比如热端温度为 ，而自由端温度 ，则：
在上述公式中， 可以通过测量仪器测出， 可以通过查询热电偶分度表得出，由此就可以得到 的大小了，通过反向查询热电偶分度表即可得到当前工作端的温度 。
- 补偿导线的特性。由于 ① 工作端温度的变化会影响自由端的温度； ② 自由端与工作端距离过远需要节约导线，可以通过补偿导线将热电偶的自由端移动到较远的位置。
补偿导线指的是在一定温度范围内，热电性能与热电偶的热电性能相同的廉价导线，通过使用补偿导线可以大大节约成本。补偿导线的存在对于热电势没有什么影响。
- 参考电极定律。如果在相同工作端温度和自由端温度的条件下，两种导体分别与第三种导体连接，且连接后组成的热电偶的热电势已知，则两种导体相互连接时的热电势便可以计算出来。
如上图所示，A 与 C 以及 B 与 C 之间的热电势已知，分别为 和 ，则 A 与 B 之间的热电势 的大小为：
通常采用 铂 作为参考电极（也就是作为 C）。
内外光电效应及光电器件、四类应用形式
物体吸收了光以后，将光能转换为电能的现象称为是光电效应。光电效应分为内光电效应和外光电效应。
外光电效应
外光电效应主要指的是物体受到光照射后，电子逸出物体表面向外发射的现象。
这个效应的原理在高中的时候也接触过，爱因斯坦据此提出了光电效应方程。他假定每个电子只接收一个光子，光子的能量只要大于电子的逸出功，就会使电子从物体表面发射出去，光子大于逸出功部分的能量会转化为电子的起始动能，逃逸的电子称为是光电子。光子的能量为 ，因此光电效应方程为：
能够使物体中的电子逸出的最小的光子频率称为是红限频率，低于红限频率的光子无法使电子逸出，高于该频率的光子，即便光强比较低也能够使电子逸出。
光强指的是单位时间内通过单位面积的光子数目，光强越大，产生的光电子越多，最终引起的光电流就越大。
内光电效应
当光照射到物体上，使得物体的电阻率发生变化或产生光生电动势的现象就叫做内光电效应，多发生于半导体内部。
内光电效应分为光电导效应（电阻率发生变化）和光生伏特效应（产生电动势）。
光电导效应：
基于光电导效应制作的光电器件称为是光敏电阻。
在光线作用下，电子吸收光子能量后从价带跨越禁带抵达导带，最终引起材料电导率变化的现象称为是光电导效应。要让电子跨越禁带，入射的光子的能量必须要大于等于禁带宽度 ，即 。
光生伏特效应：
基于光生伏特效应制作的光电器件主要有光电池和光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。
在光照作用下能够使物体在一定方向上产生电动势的现象叫做光生伏特效应。光生伏特效应可以通过 ① 侧向光电效应 和 ② 势垒效应 产生。
侧向光电效应具体的原理为，当物体表面受到非均匀光照照射（在空间上具有梯度）时，光子将能量传递给照射区域的电子，产生电子-空穴对（电子从价带跨越到导带后，价带中就会出现空穴，同时导带多出一个电子，两者合并称为电子-空穴对）。
电子-空穴对的产生使得区域内的电子浓度提升，在半导体器件中出现电子的浓度梯度。光照射部分区域的电子向非光照射部分扩散，使得光照射部分区域带正电，未被光照射部分区域带负电，这样就形成了电势差。
注意与外光电效应区分，外光电效应是受到均匀光照射使电子逸出，而光生伏特效应中电子没有逸出，且受到的是非均匀的光照。
势垒效应主要体现在 PN 结这样的器件上，众所周知，PN 结是具有耗尽层的，因此会形成内建电场，方向是由 N 区指向 P 区。当光照射到 PN 结的耗尽层时，若光子能量大于禁带宽度，耗尽层中的电子就会转换为电子-空穴对。
在内建电场的作用下，被光激发的 N 区电子就会被推向 N 区外侧（黄框部分区域），使 N 区外侧带负电；被光激发的 P 区空穴就会被推向 P 区外侧（绿框部分区域），使 P 区外侧带正电，于是就形成了光电动势。
光电器件
对光电器件的特性研究一般都会围绕几个方向： ① 光电器件在不同光照强度下的表现； ② 光电器件在不同频率光入射下的表现；③ 光电器件采用的材料对其特性的影响。
光电管
光电管有真空光电管和充气光电管两大类。
真空光电管由一个阳极和阴极构成，阳极位于光电管的内部，阴极装在玻璃管内壁上，内壁上涂有逸出功比较小的光敏材料，当有光照射到光电管时，光敏材料释放出光电子，光电子被阳极吸引，于是就会有电流产生。
充气光电管内部会填充有少量的惰性气体，当光照射到充气光电管时，光电子仍然会向阳极靠拢，但靠拢过程中可能会撞击到惰性气体，使惰性气体电离，增大光电流；但这样做的缺点是光照强度与光电流的大小就是不成比例的了，稳定性较差。
特性：
- 光电管的伏安特性曲线。是选取光电传感器的主要参数。
在入射光比较微弱时，只需要较小的极间电压就可以产生光电流并使其达到饱和。在入射光比较强时，能够产生的光电流的大小比光强小时要大。
在光电流达到饱和时，由于动态阻抗非常大，因此可以作为是恒流源使用。
充气光电管不具备真空光电管的伏安特性曲线，当达到某个阈值时，光电流会极速升高，因此充气光电管的灵敏度也会比较高。
- 光电管的光照特性。
当光电管的阴极与阳极之间的电压固定的时候，入射光光通量与光电流大小的关系如下：
图中曲线的斜率就是光电管的灵敏度。灵敏度越高，当入射光光通量较小时，产生的光电流会较大。2 的灵敏度高于 1 的。
- 同一光电管对不同频率的光的灵敏度也会不同。
光电倍增管
在入射光比较微弱的时候，普通光电管产生的电流也会比较小，不容易测量（几微安），因此可以采用光电倍增管提高输出的光电流大小。
光电倍增管由光阴极、次阴极和阳极组成，光阴极用于接收微弱的光电子，次阴极用于对光电子进行倍增，次阴极数量多的可达 30 级；阳极是最后用于接收倍增后的电子的。通过光电倍增管，光电子的放大倍数可达 。
光电倍增管主要关注以下几个参数：
- 阴极灵敏度；
一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做叫做光电管的阴极灵敏度。
- 总灵敏度；
一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。极间电压越高，总灵敏度越高。
- 暗电流和本底脉冲；
一般在使用光电倍增管时，必须将光电倍增管放置在较暗的环境下，使其只对入射光起作用。但在将光电管接入电路中且无入射光时，会观察到光电管仍然有电流产生，这种电流就称为是暗电流。暗电流可以通过补充电路消除。如果光电倍增管与闪烁体（将高能粒子转换为可见光或紫外光的材料）放在一处， 在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流 ，其值大于暗电流。
光敏电阻
光敏电阻是利用光电导效应制作的，阻值随着光照的增大而减小。
当有光照射到光敏电阻上时，照射区域的电子吸收光子能量，如果光子能量大于电子的禁带宽度，使得电子从价带跃入导带，产生电子空穴对。于是光敏电阻中的自由电子数目增多，光敏电阻的电导率升高，电阻降低。
由于光敏电阻受环境湿度影响比较大，因此需要将光敏电阻封装到玻璃壳体中。
光敏电阻具有灵敏度高，体积小，重量轻，价格便宜的优点，光谱范围可以从红外区分布到紫外区，应用过程中需要和外部电源连接，由于是电阻，因此在工作过程中也会有发热。
特性：
- 暗电流、亮电流和光电流；
光敏电阻在室温条件下，若放置在全暗的环境中一段时间，能够测量出它的暗电阻，此时在两端加上电压，即可测出暗电流；
光敏电阻在室温条件下被某个光照射一段时间，能够测量出它的亮电阻，此时两端加上电压后产生的电流即为亮电流；
光电流为亮电流与暗电流之差，当暗电阻越大，亮电阻越小时，光电流越大，性能越好，灵敏度越高。
- 光敏电阻的光照特性是非线性的，因此通常用作光电开关，而不宜用作定量测量元件。
- 不同材料制作的光敏电阻对不同波形的灵敏度也是不同的，因此需要根据实际的使用场景来确定光敏电阻。
- 在光照强度一定时，光敏电阻本身的伏安特性。
光照强度一定时，光敏电阻的电导率是一定的，此时光敏电阻的伏安特性曲线为一条直线，当光敏电阻两端的电压越高时，产生的光电流也会越大（且不会饱和），光敏电阻的阻值是固定的。但是正如普通电阻有额定电压一样，光敏电阻也会有额定电压，超过该电压会使光敏电阻损坏。
- 不同光敏电阻对不同频率光的响应能力。
图中横轴表示的是入射光的频率，纵轴表示的是电流响应频率，这个值越大，表示响应速度越快。
上图中，硫化镉在入射光频率比较大的时候电流的响应频率比较低，说明光敏电阻在此时的时延效应比较显著，不适合用在需要快速响应的场合。
- 光敏电阻的稳定性。
光敏电阻在最初制成时，内部还没有达到平衡，性能是不稳定的。但当光敏电阻使用了一到两周后（老化），其阻值有的会上升，有的会下降，阻值变化完成后，其性能趋于稳定，在密封条件良好的情况下使用寿命可达无限长。
- 在温度较低的情况下，光敏电阻的灵敏度会提高，暗电阻也会变大。因此光敏电阻有时也会降温使用。
光电池
光电池利用的就是光生伏特效应，主要是使用 PN 结来制作。当光照射到 PN 结上时，由于 P 区会聚集正电荷，N 区会聚集负电荷（在前面光生伏特部分有介绍），因此会形成电势差，如果将测量器件与光电池连接，那么能够测出电势差的大小。
特性：
- 光电池接阻值不同的电阻时，光照强度与电流之间的线性关系。
如上图所示，在负载电阻的阻值越小的情况下，光电流与光照强度的线性关系要更好。
- 在入射光频率不同时，不同材料制成的光电池的灵敏度也不同。
上图中横坐标表示的是光电池的波长，纵坐标表示的是光电池对不同波长光的灵敏度，材料不同，对不同波长光的灵敏度也不同。
光敏二极管
光敏二极管和光敏三极管都是以 PN 结为基础构成的，光敏二极管一般工作在反向电压下。光敏二极管和光敏三极管的频率特性相较于光电池好，但是其输出电流却比光电池要小，只有几微安到几十微安。
光敏二极管在电路中的表示如下：
在没有光照射到光电二极管时，光电二极管的反向阻抗大，此时有微弱的反向电流，称为是暗电流；
当有光照射到 PN 结的耗尽层时，P 区和 N 区耗尽层处都会产生电子空穴对，使得 P 区的少子（电子）数量和 N 区的少子（空穴）数量增多，在反向电压的作用下，P 区的少子会向 N 区移动，N 区的电子会向 P 区移动，反向电流大大增加。
光敏二极管的光照特性是线性的，也就是说，随着光照的增强，光电流也会线性增大。
雪崩光电二极管是利用 PN 结在反向击穿下的雪崩效应制作的二极管，其工作电压很高，在 100~200 V 左右，光生电子可以在强电场作用下得到极大的加速，电流增益高，响应速度快，但缺点是噪声比较大，雪崩反应是随机的，因此稳定性稍差，是目前光通信的一个研究方向。
光敏三极管的结构和简单电路示意图如下：
在光线照射到三极管的 PN 结时，会产生电子-空穴对，由于发射区和集电区材料的电子浓度不同，因此电子更多的会被拉向集电极，形成电流。
光敏三极管特性：
- 光敏三极管对不同频率光的灵敏度。
- 光敏三极管的伏安特性曲线与普通三极管相似，光敏三极管可以将光信号转换为电信号，同时产生较大的输出电流。
- 光敏三极管输出的光电流与光照强度之间呈近似的线性关系，因此既可以做开关元件，又可以做线性转换元件（光信号→电信号）。
光电传感器的四种应用形式
- 辐射式；
光电器件本身不发出光，被测物会发出光，光电器件测量被测物发出的光的大小。
应用场景：非接触式高温测量（可能高温物体发出的光与低温是不同的）、光照度计；
- 吸收式；
光电器件本身不发出光，被测物会吸收一部分光，光源隔着被测物向光电器件发出光照，被吸收的光量与被测物透明度有关。
应用场景：透明度计、浊度计。
- 遮光式；
光源发出的光照被被测物遮挡了一部分，使光电器件的光照减弱。
应用场景：非接触式测位置、工件尺寸测量。
- 反射式；
光源发出的光经被测物发射后抵达光电器件，反射的光与发射表面的性质、状态有关。
应用场景：振动测试、工件表面的粗糙度测试。
光纤基础、光调制与解调（强度、相位）
光纤基础
光纤的主要结构如上图所示，主要由纤芯和包层组成，其中纤芯的折射率比包层的折射率大（）。
要想让光纤传输光信号，就需要利用到光的全反射。光在光纤中进行传播时，在包层与纤芯之间会发生折射和反射，由于纤芯的折射率大，因此光信号具有在交界面处发生全反射的可能性。由折射定律：
可以得到全反射的公式为：
此时的 就称为是临界角，只要入射的角度大于临界角 ，那么光就能够以全反射的形式进行传输，全反射的好处是光的能量不会通过折射的方式损失。
上面讨论的是在光纤内部的全反射条件，接下来讨论光从空气中进入光纤时入射角的要求。
光线由外部介质射入纤芯时，全反射的角度满足：
若外部介质是空气，则 ，公式中的 NA 就称为是“数值孔径”，在购买的光纤手册中一般只会有关于 NA （数值孔径）的说明。
只有当入射的角度小于 的时候，入射的光才能够以全反射的形式传输。NA 是判断光纤集光能力的一个标准，NA 越大，集光能力越强。
光纤传感器的分类：
- 功能型传感器；
将光纤本身作为是敏感元件，又称为是传感型光纤传感器。
- 非功能型传感器；
光纤仅作为传输介质，由其他元件作为敏感元件，又称为是传光型光纤传感器。
框架
光强度调制
课件中并未讲述解调的方式。
光的强度调制主要分为以下几种：
- 光模式强度调制；
- 反射式强度调制（外调制式）；
- 透射式强度调制（外调制式）；
- 折射率强度调制；
- 吸收系数强度调制；
外调制技术的调制环节通常在光纤外部，光纤只起到传输的作用。
光模式强度调制：
将光纤放入两块平行的周期性波纹微弯板（周期性微弯板能够在发生位移时使光纤产生周期性的弯曲）中构成调制器，由于光在弯曲的光纤中进行传播时，可能会不满足全反射的条件，使一部分光折射到包层损失，最终让抵达测量设备的光的能量低于全反射情形下的光的能量，由此实现微弯板位移的测量。微弯板位移量不同，光纤的弯曲程度不同，最终抵达测量设备的能量也不同。据此可以制作出温度、压力、振动、位移、应变等光纤传感器。
反射式强度调制：
在上述装置中，光纤分为发送光纤和接收光纤两种，发送光纤将接收到的光发送给反射器，反射器反射后通过接收光纤传递给测量装置。
反射式强度调制的敏感元件就是反射器，当反射器与光纤测头之间的距离发生变化时，光探测器接收到的光强度也就发生了变化。
透射式强度调制：
图中，发射光纤与接收光纤是对准的，遮光屏能够上下移动，遮光屏位置不同，接收光纤接收到的光强也不同，进而实现光强的调制。
折射率强度调制：
图中蓝色部分为纤芯，绿色部分为包层，橙色部分为反射介质。
折射率强度调制分为三种： ① 光纤折射率变化型； ② 渐逝波耦合型；③ 反射系数型。
光纤折射率变化型主要利用的是纤芯和包皮不同的折射率温度系数，在温度恒定时，纤芯和包皮的折射率差值是固定的，在温度发生变化时，折射率差值会发生变化。
可以利用不同温度下折射率的不同，选择某个温度下的折射率为基准，侦测温度的变化。
渐逝波耦合型是利用光信号泄漏来实现的，光信号在光纤中正常全反射时，实际上会有一小部分光信号进入包皮，这部分信号称为是渐逝波，通常深入几个波长后能量就会衰减为 0。但当两段光纤（光纤一中有光信号传输，光纤二无光信号）距离足够近时，光纤一中的渐逝波进入到光纤二中且能量还未耗尽，此时在光纤二处发生全反射，原来光纤一中的全反射由于渐逝波的存在被抑制（能量减少了）。在光纤二接收端接上一个光探测器即可测到光纤一中泄漏的渐逝波，根据渐逝波的强度就能够判断出两端光纤间的距离。
反射系数型是在光纤入口和出口位置加入一个反射面，当纤芯中的光信号从入口处出发抵达出口处的反射面时，光信号会先垂直射入包层中再沿原路返回，返回到入口处经过入口处的反射面将光信号传递给光探测器。当出口处反射面由于温度、压力等变化发生变形时，反射光强也会相应地发生变化，最终使光探测器测出的光强与无形变时的光强不同。利用这个特性可以制作压力、温度传感器。
吸收系数强度调制：
X 射线、 射线等宇宙射线照射到光纤表面时，会使得光纤材料的吸收损耗增加，使光信号通过光纤后功率大大降低，构成了幅度调制型的光纤传感器。利用光纤强度与射线大小之间的关系，可以通过测出的光纤强度推测辐射强度或辐射信号。
光相位调制与解调
相位光纤传感器的基本原理为通过被测能量场的作用，使敏感的单模光纤内的光波相位发生变化，再用干涉测量技术将相位变化转换为强度变化，从而检测出待测的物理量。
光纤中光的相位由光线的长度、折射率、横向尺寸等都有关系。
相位调制主要有两种方式 —— ① 应力应变效应；② 热胀冷缩效应。
应力应变效应是利用光纤的长度、直径和折射率三个量来影响光的相位，最简单有效的方法是将光纤绕在 PZT 圆环上，通过驱动信号控制圆环的直径来实现光纤长度、直径的调节，由于光纤在圆环直径变化时，也会受到应力的作用，因此折射率也会发生变化，进而引起光相位的变化。
热胀冷缩效应指的是温度的变化会引起光线长度的变化，进而影响光纤中光的相位。
相位解调：
将两束相干光同时照射到一个光探测器上，如果两束干涉光是正交的，那么很容易能够把相位变化提取出来并转换为幅度的变化，这种方式叫做零差检测。
光栅类型、莫尔条纹、增量编码器、绝对编码器
光栅类型：
光栅分为物理光栅和计量光栅两种。物理光栅的刻线比计量光栅更加细密，主要用于光谱分析和波长测定。
计量光栅主要利用莫尔条纹的现象，用于精密位移的测量与控制中。计量光栅按实现原理分分为透射光栅和反射光栅两种；按照实现用途分可以分为测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。
莫尔条纹：
首先介绍一下普通的光栅条纹，如下图所示的条纹就是普通的光栅条纹，其中 a 和 b 一般是相等的，因此 ，W 称为是栅距。
而莫尔条纹就是将两片栅距 W 相等的光栅叠在一起，并错开角度 后形成的明暗相间的四棱形条纹。如下图所示：
相比于普通的光栅条纹，采用莫尔条纹测位移的好处如下：
- 光栅间距的放大作用。莫尔条纹的宽度与光栅栅距之间的关系为：
公式中，错开角度 越小， 越大，相当于莫尔条纹将原来的栅距放大了 倍。
- 莫尔条纹移动方向。
假设两光栅叠放时，一个光栅竖直放置，另一个光栅以角度 放置在前一个光栅上面形成莫尔条纹，现在将上方的光栅沿其垂直方向移动（如下图蓝线所示）时，上方光栅每向右或向左移动一个刻度间隔，相当于是莫尔条纹垂直向上或向下移动了一个条纹。因此可以通过莫尔条纹的移动方向判断光栅的移动方向。
- 误差的平均效应。
由于莫尔条纹是两个光栅的叠加，由于每个光栅的误差都是随机分布且互不相关的，光栅 1 可能第 3 个条纹和第 4 个条纹之间有误差，而光栅 2 则是第 7 个和第 8 个之间，这样就使得两个光栅在叠加后，莫尔条纹的每个菱形中最多只会有一个光栅存在误差，相当于误差就被缩小了。
例题：
增量编码器和绝对编码器：
增量编码器和绝对编码器都是旋转式光电编码器的一种，用于测量角位移的大小。它会将模拟的角位移量转换为数字式的角位移量。
绝对编码器：
如上图所示，每个角度都对应一个二进制码。绝对式编码器能够分辨的最小角度和分辨率计算公式如下：
编码器的二进制码设置可以采用格雷码，这样可以减小误码的概率。
增量式编码器：
移动部件每移动一个基本的长度单位（每移动一个缝隙宽度），位置传感器便会发出一个测量信号（LED 就能够透过缝隙照射到光敏元件，进而产生测量信号），测量信号是脉冲状的，通过对脉冲数量进行计数，将数量乘以缝隙宽度就能够得到角位移量。
其最小能够分辨的角度和分辨率的计算公式如下：
传感器总结
电子开关：
光电管、光敏电阻（不适用于需要快速响应的场合）、光敏三极管
位移传感器：
电阻应变计；
变气隙式自感传感器、变截面式自感传感器、螺管式自感传感器、差动式自感传感器；
变压器电桥、变气隙式差动变压器、螺管式差动变压器；
电涡流式传感器；
（0.01 um 量级）： 变极距型电容式传感器、板状线位移型电容式传感器、筒状电容传感器、变介质型电容式传感器（水位的测量）；
霍尔传感器；
光模式型强度调制光纤、透射式强度调制光纤、反射式强度调制光纤、折射率强度调制光纤（渐逝波耦合型）、折射率强度调制光纤（反射系数型）；
温度传感器：
电阻应变计；
热敏电阻、热电偶；
光模式型强度调制光纤、折射率强度调制型光纤（光纤折射率变化型）、
角位移传感器：
变截面式差动变压器；
角位移变面积型电容式传感器、差动变面积型电容式传感器；
速度传感器：
平移型变磁通式传感器；
角速度传感器：
旋转型变磁通式传感器；
霍尔传感器；
力传感器：
电阻应变计；
压电式传感器；
温度测量传感器：
热电偶传感器；
恒流源：
真空光电管；
光照强度测量：
光敏三极管
如果本篇笔记对你有用，能否『请我吃根棒棒糖🍭 』🤠…