常用传感器与敏感元件演示幻灯片

1,常用传感器与敏感元件,第一节常用传感器分类第二节机械式传感器及仪器第三节电阻、电容与电感式传感器第四节磁电、压电与热电式传感器第五节光电传感器第六节光纤传感器第七节半导体传感器第八节红外测试系统第九节激光测试传感器第十节传感器的选用原则,2,将被测量转换为与之对应的，易检测、易传输或易处理信号的装置，称为传感器。直接受被测量作用的元件称为传感器的敏感元件。,传感器处于测试装置的输入端，是测试系统的第一个环节，其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。,第一节常用传感器分类,工程中常用传感器的种类繁多，往往一种物理量可用多种类型的传感器来测量，而同一种传感器也可用于多种物理量的测量。,按被测物理量的不同分：,位移传感器、力传感器、温度传感器等。,传感器有多种分类方法。,3,按传感器工作原理的不同分：,机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等。,按信号变换特征分：,物性型传感器与结构型传感器。,物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如，水银温度计是利用了水银的热胀冷缩性质；压力测力计利用的是石英晶体的压电效应等。,结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。,按敏感元件与被测对象之间的能量关系分：,能量转换型传感器与能量控制型传感器。,4,按输出信号类型分：,模拟式传感器和数字式传感器等。,能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情况下，由于被测对象与传感器之间的能量交换，必然导致被测对象状态的变化和测量误差。,能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由被测量变化所引起电阻变化来控制电桥输出。电阻温度计、电容式测振仪等均属此种类型。,另一类传感器是以外信号(由辅助能源产生)激励被测对象，传感器获取的信号是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。例如，超声波探伤仪、射线测厚仪、X射线衍射仪等。,5,需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个，也可能有几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式位移传感器是位移-电容变化的能量控制型传感器，可以直接测量位移。而电容式压力传感器，则经过压力-膜片弹性变形(位移)-电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量-机械量的换能件，由它实现第一次变换；同时它又与另一极板构成电容器，用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速度计（也称力反馈式加速度计），实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。,6,表3-1汇总了机械工程中常用传感器的基本类型及其名称、被测量、性能指标等。,7,第二节机械式传感器及仪器,机械式传感器应用很广。在测试技术中，常常以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形(或应变)。这种变形可转变成其他形式的变量。例如被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。,优点：具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。,缺点：惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。,近年来，在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型探测开关亦被看做机械式传感器。这种开关能把物体的运动、位置或尺寸变化，转换为接通、断开信号。,8,a）测力计b）压力计c）温度计,9,a）测力计b）压力计c）温度计,10,1工件2电磁铁3导槽4簧片开关5电极6惰性气体7簧片,11,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阻式传感器,电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。,1变阻器式传感器,a）直线位移型b）角位移型c）非线性型,12,变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻的变化。其表达式为,直线位移型,灵敏度,角位移型,灵敏度,13,非线性型,为了使输出电阻值与呈线性关系，变阻器骨架应做成直角三角形。,变阻器骨架应做成抛物线形。,变阻器式传感器的后接电路一般采用电阻分压电路。,优点：是结构简单、性能稳定、使用方便。缺点：是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。,14,应用：用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。,2电阻应变式传感器,电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。,（1）金属电阻应变片,工作原理：应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。,金属丝电阻应变片,1一电阻丝2基片3一覆盖层4引出线,15,金属箔式应变片,a）单轴b）测扭矩c）多轴d）平行轴多栅e）同轴多栅,电阻丝的电阻值,电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化,或,16,是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种材料，项是常数。,项则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的，对于金属丝来说，是很小的，可忽略。上式可简化为,灵敏度,17,一般市售电阻应变片的标准阻值有60、120、350、600和1000等。其中以120最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。,优点：体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。,应用：用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。,缺点：温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。,（2）半导体应变片,1胶膜衬底2P-Si3内引线4焊接板5外引线,18,工作原理:是基于半导体材料的压阻效应。,压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率变化的现象。,在电阻相对变化的表达式中，项是由几何尺寸变化引起的，是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言，项远远大于项，它是半导体应变片的主要部分，故电阻相对变化的表达式可简化为,灵敏度,19,优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等特点。,缺点：温度稳定性能差、灵敏度离散度大，非线性误差大等。,应用：用于压力、加速度等参数的测量。,电阻应变式传感器有以下两种应用方式：,1)直接用来测定结构的应变或应力。,2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。,3固态压阻式传感器,工作原理:是基于半导体材料的电阻效应。,20,固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料，按一定晶向将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层。此P型层就相当于半导体应变片中的电阻条，连接引线后就构成了扩散型半导体应变片。由于基底(硅片)与敏感元件(导电层)互相渗透，结合紧密，所以基本上为一体。在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形状，如圆形杯或长方形梁等。这时基底就是弹性元件，导电层就是敏感元件。当有机械力作用时，硅片产生应变，使导电层发生电阻变化。一般这种元件做成按一定晶向扩散、四个电阻组成的全桥形式，在外力作用下，电桥产生相应的不平衡输出。,应用：固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。,4典型动态电阻应变仪,21,22,二、电容式传感器,1变换原理,电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。,平行极板电容器的电容量,根据电容器变化的参数，电容器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三类。,（1）极距变化型,23,a）极距变化b）输出特性,灵敏度,24,为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。,优点：可进行动态非接触式测量，灵敏度高。,缺点：非线性误差大、杂散电容对灵敏度和测量精确度有影响，配用的电子线路较复杂。,应用：适用于较小位移(001m数百微米)的测量。,（2）面积变化型,角位移型,灵敏度,25,a）角位移型b）平面线位移型c）柱体线位移型1动板2定板,平面线位移型,灵敏度,26,圆柱体线位移型,灵敏度,优点：输出与输入成线性关系。,缺点：灵敏度较低。,应用：适用于较大直线位移及角位移测量。,（3）介质变化型,灵敏度,27,a）介质厚度、温度、湿度计b）介质液位计,应用：测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。,2测量电路,电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后，由后续电路转换为电压、电流或频率信号。,28,（1）电桥型电路,将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。,（2）直流极化电路,29,（3）谐振电路,（4）调频电路,30,三、电感式传感器,电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的一种装置，其变换是基于电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分为自感型(包括可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压器式)。,1自感型,（1）可变磁阻式,a）可变磁阻结构b）特性曲线1一线圈2铁心3一衔铁,灵敏度,31,a）可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动型,32,a）电桥电路b）输出特性,双螺管线圈差动型，较之单螺管型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，常用测量范围为0300m，最小分辨力为05m。,33,（2）涡流式,一块金属导体置于一只扁平线圈附近，相互间距为x。当线圈中通有高频交变电流i1时，在线周围产生交变磁通1；此交变磁通1通过邻近的金属导体产生感应电流i2（这种电流在金属体内是闭合的，称之为“涡电流”）。涡电流i2也将产生交变磁通2。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，即2总是抵抗1的变化；从而使线圈中的电流i1的大小和相位均发生变化，即线圈中的等效阻抗发生变化。这就是电涡流效应。线圈等效阻抗的变化程度与线圈的半径r，激励电流i1的频率、金属导体的电阻率、磁导率以及线圈到金属板间距离x等有关。,电涡流效应,当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如，变化x，可作为位移、振动测量；变化或值，可作为材质鉴别或探伤等。,34,等效电路分析,35,由上式可看出：由于涡流效应的作用，线圈的阻抗由变成了，比较Z0与Z可知：电涡流影响的结果使等效阻抗Z的实部增大，虚部减小。即等效品质因数Q值减小了，即涡电流会消耗电能，在导体中产生热量。,36,涡流式传感器的测量电路分压式调幅电路及调频电路。传感器线圈和电容组成并联谐振回路，其谐振频率为,分压式调幅电路,由振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电源频率相同时，输出电压最大。测量时，传感器线圈阻抗随间隙而改变，LC回路失谐，输出信号频率虽然仍为振荡器的工作频率，但幅值随而变化，它相当于一个被调制的调幅波，再经放大、检波、滤波后，即可以得到间隙的动态变化信息。,37,38,调频电路,调频电路是将传感器线圈接入LC振荡回路，与调幅法不同之处是取回路的谐振频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离发生变化时，将引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率发生变化，再通过鉴频器进行频率-电压转换，即可得到与成比例的输出电压。,优点：动态非接触测量、分辨力高（01m)、结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等。,缺点：测量范围较小、灵敏度受被测材料性质和面积影响。,39,应用：电涡流传感器通常可用来测量：位移、振幅；转速；表面裂纹、厚度；材料分选、表面不平度等，还可以进行零件计数。,电涡流传感器在使用时应保证被测导体的面积要比线圈的面积大，否则灵敏度下降。另外，对于不同的材料，由于磁导率、电导率不同，也会导致灵敏度不同，因此，在使用前应对传感器进行标定。,40,a）径向振摆测量b）轴心轨迹测量c）转速测量d）穿透式测厚e）零件计数器f）表面裂纹测量,41,2互感型差动变压器式电感传感器,工作原理：这种传感器利用了电磁感应中的互感现象，实质上就是一个变压器。其一次侧线圈接入稳定交流电源，二次侧线圈感应产生输出电压。当被测参数使互感变化时，二次侧线圈输出电压也产生相应变化。由于常常采用两个二次侧线圈组成差动式，故又称为差动变压器式传感器。实际应用较多的是螺管形差动变压器。,42,传感器开路输出电压为两次级线圈感应电动势之差,测量电路：一般采用反串电路和桥路两种。下图是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。,43,优点：精确度高（最高分辨力可达01m）、线性范围大（可扩展到100mm）、稳定性好和使用方便。,缺点：实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。,应用：广泛用于直线位移测定。借助于弹性元件可以将压力、重量等物理量转换为位移的变化，故也将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。,44,第四节磁电、压电与热电式传感器,一、磁电式传感器,工作原理：根据电磁感应定理，一个匝数为W的线圈，当穿过该线圈的磁通发生变化时，其感应电动势的大小为：,线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按照结构不同，磁电式传感器可分为动圈式与磁阻式。,1动圈式,动圈式又可分为线速度型与角速度型。,45,a）线速度型b）角速度型,线速度型,角速度型,46,测量电路,传感器输出电压,注意：上面所讨论的速度指的是线圈与磁场（壳体）的相对速度，而不是壳体本身的绝对速度。,47,2磁阻式,工作原理：一般通过改变传感器到被测对象间的气隙厚度等方法来改变磁路磁阻。,a）测频数b）测转速c）偏心测量d）振动测量,48,二、压电式传感器,工作原理：利用某些物质的压电效应。,正压电效应：某些物质在沿一定方向受外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又恢复到不带电的状态。这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时电荷的极性也随之改变。,逆压电效应：当在这种物质的极化方向上施加电场时，其几何尺寸也会发生变化。电场去掉后，其变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。,1压电效应,49,2压电材料,常用的压电材料大致可分为三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。,压电单晶为单晶体，常用的有-石英(Si02)、铌酸锂(LiNb03)、钽酸锂(UTa03)等。除天然石英外，还大量应用人造石英。石英的压电常数不高，但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。,Z光轴Y机械轴X电轴,50,石英晶体切片,石英晶体的化学式是Si02，是单晶体结构。其的最大特点是各向异性。,51,当石英晶体切片受X向压力时，所产生的电荷量与作用力成正比，而与切片的几何尺寸无关。,压电系数,电荷极性与受力方向有关。,52,当沿着Y轴方向施加压力时，则仍在与X轴垂直的平面上产生电荷，产生的电荷量与切片的几何尺寸有关，且电荷的极性与沿电轴X方向施加压力时产生的电荷极性相反。,压电系数,53,当沿着Z轴方向施加压力时，由于晶体沿X轴和Y轴方向产生同样的变形，石英晶体不会产生压电效应，即d13=0。,石英晶体的特性与其内部结构有关。,54,压电陶瓷由许多铁电体的微晶组成，微晶再细分为电畴，因而压电陶瓷是许多畴形成的多畴晶体。当加上机械应力时，它的每一个电畴的自发极化会产生变化，但由于电畴的无规则排列，因而在总体上不现电性，没有压电效应。为了获得材料形变与电场呈线性关系的压电效应，在一定温度下对其进行极化处理，即利用强电场(14kVmm)使其电畴规则排列，呈现压电性。极化电场去除后，电畴取向保持不变，在常温下可呈压电性。压电陶瓷的压电常数比单晶体高得多，一般比石英高数百倍。现在的压电元件大多数采用压电陶瓷。如锆钛酸铅(PZT)系列压电陶瓷。,55,高分子压电薄膜的压电特性并不很好，但它易于大批量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。其中以聚偏二氟乙烯(PVdF)最为著名。,3压电式传感器及其等效电路,在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当晶片受到外力作用时，在两个极板上将积聚数量相等、而极性相反的电荷，形成了电场。因此压电传感器可以看作是一个电荷发生器，又是一个电容器，其电容量C为,56,并接,实际压电传感器中，往往用两个和两个以上的进行串接或并接。,并接时，两晶片负极集中在中间极板上，正电极在两侧的电极上。并接时电容量大、输出电荷量大、时间常数大，宜于测量缓变信号，适宜于以电荷量输出的场合。,等效电荷源,57,由于压电式传感器的输出电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。,前置放大器电路的主要作用有两点：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其次是放大传感器输出的微弱电信号。,前置放大器电路有两种形式：其一是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比；另一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出）成正比。,电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器，当略去传感器漏电阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如下图所示。,58,如果放大器开环增益足够大，则，上式可简化为,59,电荷放大器的优点是输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化。,串接时，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。串接法传感器本身电容小、输出电压大，适用于以电压作为输出信号。,串接,等效电压源,60,电压放大器是一个高增益的运算放大器，当略去传感器漏电阻及电压放大器输入电阻时，它的等效电路如下图所示。,61,由于电缆对地电容Cc比Ca和Ci都大，故整个测量系统对电缆对地电容Cc的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态变化会引起Cc的变化，导致传感器输出电压的变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化。,5压电式传感器的应用,应用：压电式传感器常用来测量应力、压力、振动的加速度，也用于声、超声和声发射等测量。,优点：灵敏度、分辨率高，线性范围大，体积小，动态响应范围宽等。,缺点：由于电荷的泄漏，使压电式传感器实际上低端工作频率无法达到直流，难以精确测量常值力。,62,三、热电式传感器,热电式传感器是把被测量(主要是温度)转换为电量变化的一种装置，其变换是基于金属的热电效应。按照变换方式的不同，可分为热电偶与热电阻传感器。,1热电偶传感器,热电效应：把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度为T及T0（假定TT0）的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称为热电效应。所产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。,（1）热电偶的工作原理：基于金属的热电效应。,63,接触电势：A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生接触电势：,波尔茨曼常数e电子电荷量A、B导体A、B的自由电子密度绝对温度。,64,温差电势：当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。,汤奴逊系数，与材料性质及导体两端平均温度有关。,所以，当两种材料AB组成一个闭合回路时，设0时，回路中总电势为,实验和理论均已证明：热电偶回路的热电势主要是由接触电势电势引起的，又由于EAB(T)和EAB(T0)的极性相反，所以回路总电势为,65,1）若组成热电偶的回路的两种导体相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路中的总热电动势为零；,3）热电偶产生的热电动势只与材料、接点处的温度有关，而与材料的尺寸、几何形状无关；,2）若热电偶两接点温度相同，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路中的总热电动势也为零；,4）若A、B材料确定，热电偶的总热电动势EAB(T,T0)成为温度T和T0的函数差；,如果使冷端温度T0固定，f(T0)=C（常数），则热电动势就只是工作端温度T的单值函数,结论：,66,热电偶基本定理,中间导体定律：在由A、B两种导体组成的热电偶回路中，将冷端断开，接入第三种或更多种导体，只要保证接入端的温度相同，则回路总电势不变。,67,证明：,68,中间温度定理,中间温度定理为制定热电偶分度表奠定了基础。根据中间温度定理，只需列出冷端为0时各工作端温度与热电势的关系表。若冷端不为0时，此时所产生的热电势就可按上式计算。,69,标准电极定理,有时热电偶的两个极AB的分度表不知，但知道AC、BC的分度表，根据标准电极定理就可以获得A、B的分度表。,导体C称作参考电极,70,3）镍铬-考铜热电偶(WREA)由镍铬材料与镍、铜合金材料组成，用符号EA表示。热偶丝直径一般为1220mm。镍铬为正极，考铜为负极。适宜于还原性或中性介质，长期使用温度在600以下，短期测量可达800。EA热电偶的特点是热电灵敏度高、价格便宜，但测温范围低且窄，考铜合金易受氧化而变质。,4）铂铑30-铂铑6(WRLL)热电偶这种热电偶以铂铑30丝为正极，铂铑6丝为负极，用符号LL表示。可长期测量1600的高温。LL热电偶性能稳定、精度高，适于在氧化性或中性介质中使用。但它产生的热电动势小，且价格昂贵。LL热电偶由于在低温时热电动势极小，因此冷端在40以下时，对热电动势可不必修正。,在测量时，为使热电偶与被测温度间呈单值函数关系，需要一些特定的处理手段或补偿使热电偶冷端的温度保持恒定。,71,2热电阻传感器,几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化，这种现象称为热电阻效应。利用热电阻效应制成的传感器叫热电阻传感器，它主要用于对温度和与温度有关的参数测定。按热电阻的性质来分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。,热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成，其中，电阻体是热电阻的最主要部分。,（1）铂电阻,电阻与温度之间的关系（经验公式）,特点：是精度高、稳定性好、性能可靠。,72,Rt、R0温度为t和0时的电阻值（）；A常数，A=3.9684710-3/；B常数，B=-5.84710-7/2；C常数，C=-4.2210-12/4。,铂电阻体是用很细的铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上做成的。常用的WZB型铂电阻体是由直径为003007mm的铂丝绕在云母片制成的平板型支架上，铂丝绕组的出线端与银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加以绝缘和保护。,1铂丝2铆钉3银导线4绝缘片5夹持件6骨架,我国标准化铂热电阻分度号有BA1、BA2和BA3，相应的记为Pt50、Pt100和Pt300。,73,（2）铜电阻,电阻与温度之间的关系（经验公式）,电阻温度系数，取值范围(425428)10-3/,我国生产的铜热电阻的代号为WZC，按其初始电阻R0的不同，有50和100两种，分度号为Cu50和Cu100。,优点：线性度好、电阻温度系数高以及价格便宜等。,缺点：是电阻率小，当温度超过100时，铜容易氧化，因此它只能在低温和没有浸蚀性介质中工作。,74,铜电阻体是一个铜丝绕组(包括锰铜补偿部分)，它是由直径约为01mm的绝缘铜丝双绕在圆形塑料支架上，如下图所示。,1线圈骨架2铜热电阻丝3补偿绕组4铜引出线,75,第五节光电传感器,光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器。若用这种传感器测量其他非电量时，只需将这些非电量的变化先转换为光信号的变化。这种测量方法具有结构简单、可靠性高、精度高、非接触和反应快等优点，被广泛用于各种自动检测系统中。,一、光电测量原理,光电传感器的物理基础是光电效应。用光照射某一物体，即为光子与物体的能量交换过程，这一过程中产生的电效应称为光电效应。光电效应按其作用原理分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。,1外光电效应,在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应。在这一过程中光子所携带的电磁能转换为光电子的动能。,76,当物体受到光辐射时，其中的电子吸收了一个光子的能量hv，该能量的一部分用于使电子由物体内部逸出所作的逸出功A，另一部分则为逸出电子的动能mv2/2，即,由上式可知：,1）光电子逸出表面的必要条件是hvA。因此，对每一种光电阴极材料，均有一个确定的光频率阈值。当入射光频率低于该值时，无论入射光的强度多大，均不能引起光电子发射。反之，入射光频率高于阈值频率，即使光强极小，也会有光电子发射，且无时间延迟。对应于此阈值频率的波长0，称为某种光电器件或光电阴极的“红限”，其值为,c光速，c=3108m/s,h普朗克常数h=66262010-34Jsm电子质量；v电子逸出速度；A物体的逸出功。,77,2）当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光光强成正比。光强愈大，意味着入射光子数多，逸出的光电子数亦愈多。,3）对于外光电效应器件来说，只要光照射在器件阴极上，即使阴极电压为零，也会产生光电流。这是因为光电子逸出时具有初始动能。要使光电流为零，必须使光电子逸出物体表面时的初速度为零。为此要在阳极加一反向截止电压U0，使外加电场对光电子所作的功等于光电子逸出时的动能，即,e电子电荷，e=160210-19C。,外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。,反向截止电压U0仅与入射光频率成正比，与入射光光强无关。,78,2内光电效应,在光照作用下，物体内部的原子吸收光能量，获得能量的电子摆脱原子束缚成为物体内部的自由电子，从而使物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应(光导效应)。,内光电效应器件主要为光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管。,发生内光电效应的临界波长由下式确定,Eg材料的禁带宽度。锗为0.75eV，硅为1.2eV。,3光生伏打效应,光线照射在半导体的P-N结上时，在结附近激发出电子空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动，使P区剩下空穴，从而N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。这种现象称为光生伏打效应。,79,光生伏打效应器件主要有光电池，光敏三极管，二极管等。,二、光电元件,1光电管,光电管主要两种结构形式,a）金属底层光电阴极光电管b）光透明阴极光电管,80,光电管的特性主要取决于光电阴极材料，不同的阴极材料对不同波长的光辐射有不同的灵敏度。表征光电阴极材料特性的主要参数是它的频谱灵敏度、红限和逸出功。,光电管的光电特性是指在恒定工作电压和入射光频率成分条件下，光电管接收的入射光通量与其输出光电流I之间的比例关系。,1锑铯光电阴极的光电管2氧铯光电阴极的光电管,81,光电管的伏安特性是光电管的另一个重要性能指标，指在恒定的入射光的频率成分和强度条件下，光电管的光电流I与阳极电压Ua之间的关系。,82,2光电倍增管,a）结构b）电路1入射光2第一倍增极3第三倍增极4阳极A5第四倍增极6第二倍增极7阴极K,83,光电倍增管阳极电流I与阴极电流I0之间的关系,每极的倍增率（一个电子能轰击产生出个次级电子）；C各次阴极电子收集率；n次阴极数。,3光敏电阻,某些半导体材料(如硫化镉等)受到光照时，若光子能量hv大于本征半导体材料的禁带宽度，价带中的电子吸收一个光子后便可跃迁到导带，从而激发出电子-空穴对，于是降低了材料的电阻率，增强了导电性能。阻值的大小随光照的增强而降低，且光照停止后，自由电子与空穴重新复合，电阻恢复原来的值。,84,光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽，可从紫外一直到红外，且体积小、性能稳定。,光敏电阻的材料种类很多，适用的波长范围也不同。如硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)适用于可见光(04075m)的范围；氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)适用于紫外光范围；而硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)则适用于红外光范围。,85,光敏电阻的主要特征参数：,（1）光电流、暗电阻、亮电阻,（2）光照特性,（4）光谱特性,（3）伏安特性,（5）响应时间特性,（6）光谱温度特性,86,4光敏晶体管,光敏二极管的PN结安装在管子顶部，可直接接受光照，在电路中一般处于反向工作状态。在无光照时，暗电流很小。当有光照时，光子打在PN结附近，从而在PN结附件产生电子-空穴对。它们在内电场作用下作定向运动，形成光电流。光电流随光照度的增加而增加。因此在无光照时，光敏二极管处于截止状态，当有光照时，二极管导通。,a）光敏二极管符号b）光敏二极管的连接,87,光敏晶体管有NPN型和PNP型两种。当光照到三极管的PN结附近时，在PN结附件有电子-空穴对产生，它们在内电场作用下作定向运动，形成光电流。这样使PN结的反向电流大大增加。由于光照发射极所产生的光电流相当于晶体管的基极电流，因此集电极的电流为光电流的倍，因此光敏晶体管的灵敏度比光敏二极管的灵敏度高。,88,光敏晶体管的基本特性有：,（1）光照特性,（2）伏安特性,（3）光谱特性,（4）温度特性,（5）响应时间,5光电池,光电池种类很多，有硅、硒、砷化镓、硫化镉、硫化铊光电池等。其中硅光电池由于其转换效率高、寿命长、价格便宜而应用最为广泛。,89,光电池的工作原理：当光辐射至PN结的P型面上时，如果光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则在P型区每吸收一个光子便激发一个电子-空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴将被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区。结果，在N区便会积聚负电荷，在P区则积聚正电荷。这样，在P区和N区之间形成电势差，若将PN结两端以导线连接起来，电路中就会有电流流过。,光电池的基本特性包括光照特性、频率响应、光谱特性和温度特性等。常用的硅光电池的光谱范围为04511m，在800左右有一个峰值；而硒光电池的光谱范围为034057m，比硅光电池的范围窄得多，它在500左右有一个峰值。此外，硅光电池的灵敏度为68nAmm-2lx-1，响应时间为数微秒至数十微秒。,90,三、光电传感器的应用,1模拟量光电传感器,把被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值对应关系。属于这一类的光电元件有以下几种形式：,1）光源本身是被测物（见图3-50a）其能量辐射到光电元件上。这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计中，它的光辐射的强度和光谱的强度分布都是被测温度的函数。,2）恒光源所辐射的光穿过被测物，部分被吸收，而后到达光电元件上（见图3-50b）。吸收量取决于被测物质的被测参数。例如，测液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、混浊度计的传感器等。,91,92,93,3）恒光源所辐射的光照到被测物，由被测物反射到达光电元件上。表面反射状态取决于该表面的性质，因此成为被测非电量的函数。如测量表面粗糙度等仪器的传感器。,94,4）恒光源所辐射的光遇到被测物，部分被遮挡，而后到达光电元件上，由此改变了照射到光电元件上的光通量。在某些检测尺寸或振动的仪器中，常采用这类传感器。,95,2开关量光电传感器,把被测量转换成断续变化的光电流，而自动检测系统输出的为开关量或数字电信号。属于这一类的传感器大多用在光机电结合的检测装置中。如转速表的光电传感器与用于精确角度测量的光电式编码器。,（1）脉冲盘式角度-数字编码器,脉冲盘式角度数字编码器的结构。,96,在一个圆盘的边缘上开有相等角距的狭缝（分成透明及不透明的部分），在开缝圆盘的两边分别安装光源及光敏元件。使圆盘随工作轴一起转动，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，经过光敏元件，就产生一次电信号的变化，再经整形放大，可以得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号。脉冲数等于转过的缝隙数。若将得到的脉冲信号送到计数器中，则计