第二章 基本传感器3.ppt

1、第6节光电传感器将把光能(可见光或者不可见光)的变化转换为电量(电阻、电流、电压等)的变化的器件称为光电池、光电晶体管等光电器件。 将要测量的物理量(长度、宽度等)通过一个或多个光电设备转换为电量的装置称为光电传感器。 光子效应和光热效应是指光电管和光电倍增管的光阻抗接合型光电器件、光电传感器、光子效应是指单光子性质产生的直接作用于光电的一种光电效应。 探针吸收光子时，直接引起原子和分子的内部电子状态的变化。 光子能量的大小直接影响内部电子的状态变化的大小。 由于光子能量是h，h是普朗克常数，光波频率，所以光子效应对光波的破坏率显示出选择性，在光子直接与电子相互作用的储存状况下，其响应速度一般

2、较快。 光电传感光热效应。 探针元件吸收光放射能时，将吸收的光能转化为光栅的热能，引起探针元件的温度上升，温度上升的结果，使探针元件的电性质和其他物理性质发生变化。 因此，光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。 原则上光热效应对光波频率没有选择性。 不过，在红外波段材料吸收率高，光热效应也强，因此被广泛应用于红外辐射的检测。 由于温度上升是热积累的作用，光热效应的响应速度比较慢，容易受到环境温度变化的影响。 光电传感器、热电：材料的自发极化电荷量与温度有关。 的双曲馀弦值。 只有在居里温度以下才会发生热电现象。 强度变化的光照射热电体时，热电体的温度变化，Pj也变化，面电荷从原来的平衡值变化

3、。 热电体表面附近的自由电荷对对置电荷的中和作用比较慢，一般为l000秒级。 好的热电体，这个过程很慢。 热电体表面在来不及中和之前显示与温度变化相应的面电荷变化。 将热电体放入一个电容器极板之间，将一个电流校正与电容器的两端连接，流过电流校正的称为短路热电电流。 光电传感器、光子效应和光热效应、光电传感器、光电效应、光电传感器的作用是，光源产生光束，光束的残奥仪表由被测量对象控制，然后光电器件接收并转换成电表的变化来进行测量。 光电器件的基础是光电效应。 从光的粒子说来，光可以看作是由一定能量的粒子组成的。 各光子具有的能量e的粒子撞击物体。 光电效应是指物体吸收能量e的光子产生的电效应。

4、光电传感应该从变换器的角度将光电效应分为3种。 外光电效应是指在光照射下材料中的电子从表面逃逸的现象。 光电管和光电倍增管都属于这一类。 这些发光极光阴极是由这种特性的材料制成的。 内部光电效应是指材料的电阻率随光的照射而变化的现象。 在这里，因为电子不会从物质释放到外部，所以只改变物质的内阻，称为内部光电效应。 光传感除了金属以外还有很多绝缘体和半导体存在这种现象，其中半导体尤为显着，一般是用半导体材料制作光电导体和光导电器件，这些器件也称为光电阻。 PN结、PIN结、肖特基结以及具有异质结势垒(势垒)的光电元件半导体PN结或具有势垒的元件受光时，吸收光子的能量产生载流子，PN结(势垒)产生

5、电动势，增加PN结的光电流的现象利用光电效应制作的光电元件有光电电池、光电二极管、光电元件。光电传感、光电管的模式及其连接、光电传感、光电管和光电倍增管在成为真空的玻璃泡内，放置2个电极光阳极和光阴极(图a、b )，将该装置称为光电管。阳极用细长的金属线弯成圆形或矩形，放置在玻璃泡的中央，引线到达引脚。 所谓阴极，就是在玻璃泡沫上涂上阴极材料，或者放入涂有一定形状涂料的金属板。 图c展示了光电管的符号和连接线路。 由于光电管阳极a通过电阻Rb与电源正连接，阳极k与电源负连接，所以在光电管内生成阳极为正、阴极为负的电场。 光电传感、光电管的模式及其连接、对阴极照射光线时产生光电效应释放电子，电子

6、通过电场聚集于阳极形成光电流I。 光线强度变化时光电流I及负载电阻Rb上的电压变化，光信号变化为对应的电信号。 除真空光电管外，还有在玻璃泡内填充氩、氖等惰性气体的充气光电管。 在电子流向阳极的过程中，运动的电子与惰性气体碰撞电离，产生更多的电子，提高光电转换灵敏度。 通常，充气光电管的灵敏度比真空光电管高510倍，但充气光电管的非线性也增加了很多。 一般的精密测量不使用充气光电管。 光电传感、光电管特性、光电特性、光通量、光电流和阳极电压的关系。 光电特性呈线性关系。 阳极电压越大，阳极吸引电子的能力越强，因此光电转换灵敏度越高。 (图a )。 光谱特性、入射光的光谱与转换灵敏度的关系。 特

7、性与阴极材料相关，通常光电管的最大灵敏度为近红外，且在红外光谱范围内也具有大的灵敏度(图b中的曲线1 )，光电管特性(a )、光电特性(b )的光谱特性、锑铯阴极光电管的最大灵敏度为紫蓝光谱范围(图b中的曲线2 )亚。 如可以从图b中看到的，不同的光阴极对应于不同的最大灵敏度波长。 请选择光电元件，使最大灵敏度在需要测量的光谱范围内。 频率特性：灵敏度与光强频率的关系。 真空光电管在频率1兆赫以上也能保持高灵敏度。 另一方面，由于充气光电管的放电需要一定的时间，所以工作频率只在1千赫以下。 光电倍增管的结构和原理，利用二次电子发射现象，大大增加光电转换灵敏度。 玻璃管内除光电阴极和阳极外，还有

8、几个倍增极。 在倍增极上涂布能够通过电子冲击放出更多的二次电子的材料，当光落入光阴极k时，从阴极放出的电子向倍增极D1移动，这些电子向D1表面放出更多的二次电子。 这些二次电子再次向D2移动，进而从D2表面发射电子，依次下降到阳极。光电倍增管的构造原理、光电倍增管的主要残奥仪表：倍增系数、每1极的倍增率如果有n极，则倍增系数M=Cn，这里c是收集系数，倍增极反映收集电子的效率。 稳定性为1%。 当光电倍增管用于测量微弱的光强时，暗电流的影响很大。 一般的光电管可以忽略暗电流，但倍增管中的暗电流是微安级，其值根据温度而依赖于加速电压。 在光通量不太宽的范围内，光电特性的线性良好，光电灵敏度每毫米

9、高达数毫安。 因此，光束稍大时会发生饱和现象，电极会变成疲劳状态或破损。 作业时要注意不要让倍增管的阴极受到强光照射。 工作范围，10-510-16lm。 10-9lm以下的微弱光可看到一个一个的光电子脉冲序列。 受光电阻、结构和原理的受光电阻由具有内部光电效应的导光体构成，是电阻值随着照度变高而减少的纯电阻元件。 光电寄存器是在半导体材料上蒸镀金属电极，形成排列成锯齿状的梳形电极。 该几何排列确保了节距相近的电极之间具有较大的光接收面积。 得到高灵敏度。 受光电阻的符号和连接参照图b，可以施加直流电压或交流电压使用。当受光电阻RG的电阻值根据光的强度而变化时，通过负载电阻RL的电流和其两端的

10、电压也发生变化。 光电电阻(a )光电电阻的结构(b )与光电电阻的符号连接，光电电阻的特性、暗电阻、亮电阻及光电电流光电电阻的暗时的电阻值一般大于10M，当此时的电阻值被称为暗电阻的光照射时，电阻值显着降低，被称为亮电阻，其电阻值为k级。 暗电阻与亮电阻之比在102-106之间，该比越大，受光电阻越敏锐。 在固定电压下，受光电阻在全暗和光照射双方的条件下将电流值的变化量称为光电流，该值越大越好。 光谱特性：受光电阻的光谱特性与使用的材料有关。 例如，硫化镉的光谱响应峰位于可见光区，而硫化铝的光谱响应峰位于近红外区。 具有以下优点的：体积小、重量轻、结构简单坚固、光电流大、寿命长。 其缺点是与

11、：模型相同的光阻抗的残奥仪表也有偏差，照明特性是非线性的，工作频率不高。 有些光电阻对红外敏感，是红外检测中重要的一种光电元件。 由结型光生伏打元件、基本原理晶体管的原理可知，将n型半导体与p型半导体结合后，n型半导体中的电子与p型半导体中的空穴与之对应地扩散，其结果，在PN界面附近形成薄的空间电荷区域，n区域朝向p区域。 图为结型光电元件在不同照度下的伏安特性曲线。 曲线1是没有光照射的曲线，与通常的二极管伏安特性曲线完全相同，形成有光照射时在PN结产生的光电流与曲线1重叠，根据强度等距离地增加的曲线族。 曲线2、3是与照度成比例增加的伏安图。 接合型光电元件的原理、接合型光电元件的伏安特性

12、曲线族、接合型光电元件在伏安特性曲线的第四象限时动作，被称为光电电池或光电池。 第四象限的电压为正，电流为负，意味着产生功率或者产生电流。 如果在外部电路上连接电阻作为光电池的负荷的话，可以把光能变成电能。 接合型光电元件的动作和第3象限称为光电二极管。 第三象限的电流、电压都是负值，表示光电二极管在反向偏置条件下工作，其工作原理与一般的晶体管相似。 光电池的光电动势根据光照射而不同，下图b示出硅光电池的开路电压及短路电流与照度的关系曲线。 可知短路电流与照度呈线性关系，开路电压与照度呈非线性关系(实际上为对数关系)。 因此，将光电池作为测量元件使用时，请尽量在接近短路状态的状态下进行动作。

13、(a )不接通外部电源；(b )接通反向外部电源；(c) 2DU环接合法，光电池特性；(a )分光特性；(b )光照特性；红外摄像、新型光电传感、高灵敏度雪崩管PIN管带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的3.7半导体传感器3.7半导体传感器、颜色传感器、光电开关和光电耦合器、气体成分分析用的FabryPerot干涉校正、白光从多模光纤通过自聚焦透镜进入FP腔室，在腔室的两端镀有高反射膜，光束在两反射膜之间多次反射用自聚焦透镜聚光后进入输出光纤，再用检测器检测，如果气体成分、浓度不同，则会引起干涉条纹的变化，与此相应得到其测量值。 利用多相流体中各相介电体的折射率不同，对光纤探头中的光的强

14、度进行调制，得到相应的残奥仪表。 分辨率高，响应速度快，广泛应用于多相流体的份额、比例测定、空泡率、流线轨迹及液体折射率的测定，并且可结合两个探针测定相关测定流量。、光传感技术、光纤传感技术激光衍射法激光扫描法全息法散斑法激光测距激光多普勒速度技术，第7节常用物理量检测，本节在探讨基本传感器的基础上，从应用的角度，用基本传感器构成各种物理量检测系统实际的工程实践和科学研究需要的物理量很多，但通过物理量检查的分析可以明确物理量检查的基本想法。 线或角位移，速度和加速度检测输出的检测粉，块状材料流量的检测，线或角位移，速度和加速度的检测，位移和加速度的检测是最基本的物理量检测，许多残奥仪可以转换为

15、这些运动残奥仪。 因为运动残奥表可以分解为长度和时间两个基本量，所以测量位移和时间的关系可以得到速度和加速度。 几乎所有种类的传感器都可用于位移量的检测(参照表2.3 )，可根据使用要求进行选择。 一般的精度高，速度不大的情况下适合采用差动变压，另一方面，高频振动和高速位移的情况下，首先需要考虑涡电流传感器和静电电容传感器等的非接触量。 另外，必须考虑被测量对象的输出能量。 传感检测中传感器从被测量对象吸取的能量大得多，也就是说传感器的动作必须不影响被测量对象自身的动作。 例如，考虑测量天平的盘位移检测选择传感器。 首先由于对外力的作用非常敏感，所以传感器对称盘的作用力极小，另外天平位移的测量

16、准确，稳定性好，零点漂移小。 考虑到天平称重运动缓慢，不要求动态特性。 综合这些因素，可以选择差动变压器作为天平对称盘的位移传感器。 位移测量、实际测量中使用各种传感器测量位移的方法很多，示例如下所示。 检测物品尺寸、上图所示的例子是检测进给槽中流动的产品尺寸的设定修订。 圆柱形的产品沿着沟槽流动，通过测头后，其位移由差动变压器读出，换算为直径。 差动变压器的精度根据实际需要进行选择。 在产品不能接触测定的情况下，例如，在产品的机械强度不足(例如，陶瓷产品的瓷胚等)、产品的温度高、速度快(例如，抽线机引出的钢丝等轧制机轧制而成的钢材)的情况下，应该如上图那样非接触地进行测定。 根据遮光面积，反

17、映直径的变化。 下图表示检测角度和倾斜的水平式装置。 其原理是，当气泡在气泡中遮挡光时，光电传感器发出相应的信号。 这种测量装置主要由气泡管决定。 检测角位移的方法(a )检测电平、旋转角测量原理a固定传感器脉冲b旋转传感器的初始脉冲c旋转传感器的同方向旋转脉冲、旋转角测量、检测齿的恒速旋转，齿通过电磁感应传感器后，传感器输出固定频率的脉冲编号(下图a )。 如果旋转传感器的初始位置两输出脉冲信号相位相同，则当旋转传感器向齿轮旋转方向旋转角度时，输出脉冲仅延迟原脉冲相位，反之，使输出脉冲相位提前。 齿轮有k个齿，以角速度旋转。 脉冲频率f=K。 两个脉冲之间的相位差为3600。 如果相当于旋转

18、角m=3600/K，则两个传感器的相位差相当于传感器b的旋转角：转速的测定，测定装置稍微改变可测定的齿轮的转速。 由于齿轮的旋转速度与传感器输出脉冲的频率相对应，因此一个传感器不知道旋转方向，必须同时使用两个传感器。 初始a、b传感器定位使输出有相位差。 当齿轮正转时，即相当于下图a的展开图v方向运动时，b传感器信号延迟a相(参照图b的b脉冲)。 若向反方向移动，则b进行a、b的相位差判断运动方向，根据a或b的脉冲频率得到齿轮旋转速度，可得到完全的旋转速度测量信息。 旋转速度的测量、运动速度的测量、运动速度的测量包括直线速度和角速度。 运动速度测量包括直接测量和间接测量。直接使用磁电式等速度传感器测定的运动速度的间接测定，可以通过实时测定距离值并进行微分修正来获得速度。 通常，直接测量可以得到瞬时速度，而间接测量可以得到某一时间间隔内的平均速度。 直接测速，最常用的方法是使用磁电式