工业机器人视觉与传感技术 课件 ch05 电势式传感器

高等院校公共课系列精品教材工业机器人视觉与传感技术第五章电势式传感器内容摘要14253压电式传感器磁电式传感器光电式传感器热电式传感器霍尔传感器磁电式传感器磁电式传感器的工作原理磁电式传感器是依据电磁感应定律而工作的。法拉第电磁感应定律：通过回路中的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率的负值成正比，如式（5-1）所示。磁电式传感器磁电式传感器的种类及应用变磁通型磁电式传感器恒磁通型磁电式传感器光电式传感器光电式传感器的工作原理及光电元件光电元件是光电式传感器的重要部件，常见的有真空光电元件和半导体光电元件两类。它们的工作原理都是基于光电效应。根据光的波粒二象性，认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子的能量为可用式（5-5）表示。光电式传感器光电式传感器的工作原理及光电元件（1）外光电效应的工作原理光电管和光电倍增管是利用外光电效应制成的。光电管有真空光电管和充惰性气体光电管两种类型，均由阴极和阳极构成。阴极一般镀上光电发射材料，并需要足够的面积接受光的照射，阳极用细金属丝弯成圆形或矩形，放在玻璃管的中心，如图5-3所示。当光照强度较弱时，光电管产生的光电流很小（零点几微安），为了提高灵敏度，常用光电倍增管。光电倍增管的原理图和结构示意冬如图5-4所示。光电式传感器光电式传感器的工作原理及光电元件（2）内光电效应的工作原理光敏电阻（又称为光电导管）是采用半导体材料制成的，利用内光电效应工作的光电元件。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，此时电路中的电流（暗电流）很小。有光照时，光敏电阻值（亮电阻）变小，此时，电路中的电流（亮电流）变大。一般情况下希望暗电阻越大越好，亮电阻值越小越好。光敏电阻的结构图示意图、电极及接线图如图5-5所示。光电式传感器光电式传感器的工作原理及光电元件（2）内光电效应的工作原理光敏二极管的结构与普通二极管相似，PN结包装在透明的玻璃外壳中，如图5-6所示。光敏晶体管（又称为光敏三极管）具有两个PN结，其电路如图5-7所示。集电区做得很大，便于光的照射，基极一般无引出线。光电编码器，又称为手轮脉冲发生器，简称手轮，是一种通过光电转换原理将输出轴的机械几何位移量转换为脉冲或数字量的传感器，主要应用于各种数控设备，是目前应用最多的传感器之一光电式传感器光电式传感器的工作原理及光电元件（3）光电池的工作原理光电池是一种将光能转换成电能的光电元件，其基于光生伏特效应，实质是一个大面积的PN结。当光照射到PN结的一个面，例如p面，若光子的能量大于半导体的禁带宽度，那么P区每吸收一个光子就产生一个电子一空穴对，这种浓度差的存在，使得电子一空穴对从表面向内部扩散，在电场的作用下，光生电子聚集到N区，光生空穴聚集到p区。这样N区带负电，p区带正电。若用导线连接P和N极，则电路中就有光电流。硅光电池的结构示意图和等效电路如图5-11所示。热电偶的工作原理热电偶的工作原理及其相关概念（1）热电效应热电偶电路是两种不同成分的导体组成的一个闭合回路，如图5-12所示。热电偶的工作原理热电偶的工作原理及其相关概念（2）接触电动势A、B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，导体A扩散到导体B的电子数要多于导体B扩散到导体A的电子数。所以，在A、B的接触区形成了从A到B的电场。该电场方向与扩散方向相反，它将吸引电子向A移动，即阻碍扩散的进行。当扩散作用与阻碍扩散作用达到平衡时，A、B便处于一种动态平衡。动态平衡下，A、B两导体接触处就产生了电动势差，称为接触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接触点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度分别为T和T0的两个接点可以得式（5-6）和式（5-7）。热电偶的工作原理热电偶的工作原理及其相关概念（3）温差电动势导体A、B的两端分别置于不同的温度场T和T0（T>T0）中，在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能而向冷端移动，这样，热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷：导体两端就产生了电场，该电场阻止电子从热端继续向冷端移动并吸引电子向热端移动，最后达到一种动态平衡。因此，导体两端就产生了电动势差，称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度，如式（5-8）和式（5-9）所示。热电偶的工作原理热电偶的工作原理及其相关概念（4）热电偶的总电动势将导体A、B头尾相接组成回路，设导体A的电子密度大于导B的电子密度，且两接触点的温度分别为和(T>T0),则在热电偶回路中存在四个电动势。热电偶回路的总电动势如式（5-10）所示。热电偶的工作原理热电偶的基本定律(2)中间导体定律用热电偶测量温度，须在回路中引入导线和仪表。接入导线和仪表后，是否影响回路中的热电动势呢？在热电偶测温回路中，接入第三种导体时，只要第三种导体两端温度相同，则对回路的总热电势没影响，这就是中间导体定律。接入中间导体的热电偶回路如图5-13所示。(1)均值定律两种均质导体组成的热电偶，其热电势的大小只与材料及两接触点的温度有关，与热电偶的尺寸、形状及材料的温度分布无关，这就是均值定律。该定律说明，抹电偶须由两种不同性质的均质材料组成。热电偶的工作原理热电偶的基本定律(4)中间温度定律热电偶在两接触点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在接触点温度分别为T、Tn和为Tn、T时的相应热电动势的代数和，这就是中间温度定律，如式（5-5）所示。(3)标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成热电偶所产生的热电动势己知，则由这两种导体组成的热电动势可以计算得到。压电式传感器压电传感器的工作原理（1）压电效应某些晶体，在一定方向上受到外力作用时，内部产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生极性相反的电荷；当外力除去后，又恢复到不带电的状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称为压电效应。（2）石英晶体的压电效应石英晶体是一种应用广泛的压电晶体，它是二氧化硅单晶，属于六角晶体，如图5-14所示。石英晶体是规则的六角棱柱体，z轴称为光轴，它与晶体的纵轴方向一致；x轴称为电轴，它通过六面体相对的两个棱线，并垂直于光轴；y轴称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。压电式传感器压电传感器的工作原理（3）压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种多晶铁电体，是具有电畴结构的压电材料。在一定温度下，对压电陶瓷进行极化处理（用强电场使电畴规则排列），这时压电陶瓷就有了压电性。在极化电场除去后，电畴基本保持不变，留下很强的剩余极化，如图5-15所示。霍尔传感器导体或半导体薄片置于磁场中，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电动势。霍尔效应原理图如图5-16所示。霍尔传感器当没有磁场时（B=0），在半导体的左右两端通过电流I