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传感器与检测技术
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《传感器与检测技术》中职配套PPT课件,传感器与检测技术,传感器,检测,技术,配套,PPT,课件
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传感器与检测技术论文1、 传感器的定义、组成、分类及基本特征。传感器源自“感觉”一词。人类的“五官”可以说就是最原始的传感器。它是一种能够感受被测量信息同时又能够将感受到的被测量信息按照一定的规律转换或电、信号或其他所需形式的信号输出，以达到便于传输、处理、显示和控制等目的的检测装置。 从各行各业到日常生活，传感器几乎是无处不在，无处不用，其主要作用就是信息的采集和获取。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器也称为变换器、换能器、变松器、发送器与探测器等，由于传感器元件的输出信号往往都非常微弱，传感器在除敏感元件两大组成部分之外，所以还必须加入转换电路以便对弱小的信号进行放大。另外，还应有辅助电源，以供传感器和转换电路工作。随着集成电路技术在传感器应用中的深入，传感器的各个组成部分可以集成在同一半导体芯片上，构成集成传感器。传感器种类众多，原理各异分类方式也不尽相同。按输入被测量进行分类，一般可分为速度传感器、温度传感器、位移传感器、压力传感器等。这种分类方法直接反应了检测的目的；按输出量形式可分为数字传感器与模拟传感器两类；按工作机理可分为结构型和物性型；按转换原理可分为电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式、热点式传感器等；按信息的传递方式可分为能量转换传感器与能量控制型传感器两类。随着计算机辅助设计，辅助制造技术，集成电路技术和微机械电子系统技术等新技术以及新工艺、新材料的应用，出现了精度更高，性能更优、用途更广的现代传感器。现代化传感器正在向智能化、集成化、多功能化方向发展。传感器有其基本特性，可分为静态特性和动态特性。静态特性是指静态信号作用下的输出输入关系特性，而所谓动态特性是指动态信号下的输入输出关系特性。衡量传感器其静态特性优劣的重要性能指标线是性灵敏度、迟滞、重复性、分辨率与稳定性。传感器它是一种能够感受被测量信息的，在检测系统中传感器有着广泛的应用，现代自动检测是以计算机技术为核心，以传感器技术为基础构成的。检测系统的各个组成部分是以信息流的过程进行划分的。传感器处于整个系统的第一个环节，其作用是将直接感受到的被测量转换为容易进行测试的电信号或其他所需形式的信号。检测技术是科学实验中必不可少的手段。任何一项现代自然科学成就或技术发明，总是通过检测技术获取大量准确的数据。检测技术能够涉及的测量范围与能够达到的测量精度，很大程度上决定着现代科技进步的深度与广度。如在国防科技中，没有检测技术，导弹发射与卫星上天是不可能的。利用检测技术处理获取的数据信息，能对产品的质量和性能做出客观的评价，为工艺人员进行制造工艺提供依据。在现在大工业生产中，如果没有检测技术，新设备的研制以及复杂工艺流程的具体实现是不可能的。传感器的应用作为自动检测的首要环节，进行正确的选用是首先要考虑的。在选用传感器时，不能片面追求其线性度好、灵敏度高、迟滞小、重复性优、分辨力强，而是应该根据检测的具体要求和条件，保证主要性能指标满足要求即可，即选用时应遵循下列几项原则：考虑检测系统内部的要求；考虑检测系统外部的条件；考虑传感器自身的技术指标。传感器作为感知、获取和检测信息的窗口，提供着人类赖以进行判断、决策与处理所必需的原始数据。若没有它，测量难以转换为电信号，其他仪表和装备也就失去了存在的意义。虽然目前自动检测和自动控制技术正经历着重大变革，但缺少传感器一切都是无法实现的。2.传感器技术状的发展现状我国电子信息业在上世纪八十年代第一次腾飞后，随着国民经济信息化进程的加快，之后又进入持续快速发展的新时期。这个时期电子信息产业的主要特征表现为：一是正在从单一的制造业转变为物质生产与知识生产，装备制造与系统集成，硬件制造与软件制造，工业生产与信息服务相结合的现代信息产业；二是产业结构，产品结构，企业结构，运行机制，管理模式等方面发生了深刻变化；三是我国信息产业成为国民经济的支柱产业和先导产业，是新世纪的战略产业，为国民经济和社会信息化建设提供主要技术和物质支撑。传感器技术及其产业的特点是：基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、产业两大分散。基础、应用两头依附，是指传感器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，传感器技术难以为继。应用依附是指传感器技术基本上属于应用技术，其市场开发多依赖于检测装置和自动控制系统的应用，才能真正体现出它的高附加效益并形成现实市场。也即发展传感器技术要以市场为导向，实行需求牵引。技术、投资两个密集技术密集是指传感器在研制和制造过程中技术的多样性、边缘性、综合性和技艺性。它是多种高技术的集合产物。由于技术密集也自然要求人才密集。投资密集是指研究开发和生产某一种传感器产品要求一定的投资强度，尤其是在工程化研究以及建立规模经济生产线时，更要求较大的投资。增加投资和正确的投资方向是提高传感器产业水平的主要条件之一，也是企事业决策者谋求最佳经济效益的重要手段。产品、产业两大分散，产品结构和产业结构的两大分散是指传感器产品门类品种繁多，生产、研究单位分布在除地方外有12个部委（电子、机械、科学院、航空航天、教委、冶金、船舶、铁道、轻工、化工、煤炭等），其应用渗透到各个产业部门，它的发展既是各产业发展的推动力。只有按照市场需求，不断调整产业结构和产品结构，才能实现传感器产业的全面、协调、持续发展。在国家的支持下，“八五”以来，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，固定每两年召开一次，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”。3.光电式传感器的工作原理、测量电路、应用。理论基础光电效应 光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内光电效应类传感器。l 外光电效应光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律： 式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,w为逸出功。由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hvw。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为式中，c为光速，w为逸出功。l 内光电效应 当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hEg（ Eg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限能量,即E=h0=Eg,其中0是低频限(即极限频率0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示,即0=hcEg。入射光的频率大于0或波长小于0时,才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间(即图1中每个能带的细线间)跃迁。光电器件及其特性l 光敏电阻1)光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。2)光敏电阻的伏安特性测量图1 光敏电阻伏安特性测试电路（1）按原理图1连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，即,同时算出此时光敏电阻的阻值。以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行56次不同光强实验数据测量。 在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。l 光敏二极管1）光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。2）光敏二极管的伏安特性测量图2 光敏二极管特性测试电路（1）按原理图2接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压012V（可调）。（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其中光电流：(l.00K为取样电阻R），以后逐步调大相对光强（56次），重复上述实验。 光电二极管的在一定光强下，其光电流保持一定值，并不随光电压得增大而增大。l 光敏三极管1） 光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。2） 图3 光敏三极管特性测试实验（1）按原理图3接好实验线路，将光敏三极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压012V（可调）。（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定光照条件下，测出加在光敏三极管的偏置电压UCE与产生的光电流IC的关系数据。其中光电流(l.00K为取样电阻R）。 在较弱光强下，光明三极管的光电流并不随光电压变化，随着光强的增大，其光电流在一定范围内随着电压的增大二增大，而后保持一定值不变。l 硅光电池1） 硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN 结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。2） 硅光电池的伏安特性测量图4 硅光电池特性测试电路（1）实验线路见图4，电阻箱调到0。（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出硅光电池的开路电压Uoc和短路电流IS，其中短路电流为（取样电阻R为10.00），以后逐步调大相对光强（56次），重复上述实验。 在光强一定时，硅光电池的光电流随着光电压的增大先保持不变，后逐渐减小，且减小速度越来越快。光电传感器的应用 光敏电阻可用于进行光的测量和光的控制，测量方面主要是用于测量光强，控制方面最常见的就是路灯控制和楼道感应灯的控制，在电路接通的状态下，路灯会随着周围光强的变化而变化，楼道中的灯白天不亮晚上亮也利用了光敏电阻的对光的感应特点。光敏电阻还被应用于海上导航，通常海上的浮标用的就是光敏电阻作为航道灯的开关，到晚上光敏电阻阻值变小，接通控制电路，将灯打开；白天光敏电阻增大将控制电路断开，关掉电灯。光敏管大体有开关作用，环境光检测作用，
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