機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)35課件

3.傳感器原理

3.11光電傳感器光電傳感器也稱光敏傳感器，或光電元件。顧名思義它對光敏感，將光能量轉(zhuǎn)換為電量（產(chǎn)生電能或控制電能）。

依據(jù)光量子理論,光是具有一定能量子的光子所組成,每個(gè)光子所具有的能量E=h與光頻率成正比。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。3.傳感器原理

所謂光電效應(yīng)即是由于物體吸收了能量為E的光子后產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)又可分為：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。不同的光電效應(yīng)分別對應(yīng)不同的光電元件。內(nèi)光電效應(yīng)

光電效應(yīng)外光電效應(yīng)

光生伏打效應(yīng)

能量控制型能量轉(zhuǎn)換型一，光電效應(yīng)1，外光電效應(yīng)在光照作用下，材料內(nèi)的電子從表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電子發(fā)射效應(yīng)。光電管及光電倍增管即是基于這一效應(yīng)。hE著名的愛因斯坦光電效應(yīng)方程式：2，內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)分為兩類：一類是半導(dǎo)體材料在光照的作用下，電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。依據(jù)該效應(yīng)的器件：光敏電阻另一類是PN結(jié)在光照作用下，導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象。依據(jù)該效應(yīng)的器件：光敏二極管、光敏三極管。3.傳感器原理

內(nèi)光電效應(yīng)

半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導(dǎo)電性能增強(qiáng),光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應(yīng)

。光敏電阻內(nèi)光電效應(yīng)器件:光敏二極管光敏晶體管光敏三極管能量控制型傳感器3，光生伏特效應(yīng)在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。基于光生伏特效應(yīng)的光電器件是光電池，它是一個(gè)有源器件。PN結(jié)的電勢壘+++---PN光電倍增管是是在光電陰極和陽極之間裝了若干個(gè)“倍增極”，或稱“次陰極”。倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料，每個(gè)倍增極的電勢依此提高，從而使前一級發(fā)射的電子依此轟擊下一級，形成倍增效應(yīng)。光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)特性光電特性和積分靈敏度真空光電管的光電特性光譜特性真空光電管的光譜特性此外，光電管還有溫度特性、疲勞特性、頻率響應(yīng)、熱穩(wěn)定性、暗電流和衰老等特性指標(biāo)。光電倍增管選擇應(yīng)用時(shí)主要參數(shù)和特性：陰極和陽極的光照響應(yīng)率、光電倍增管的放大倍數(shù)（增益）、暗電流、穩(wěn)定性、時(shí)間特性、2，光敏電阻光敏電阻的典型結(jié)構(gòu)。光敏電阻常做成圖（b）所示的柵形結(jié)構(gòu)，裝在外殼中。兩極間可加直流電壓，也可加交流電壓。圖（c）為光敏電阻在電路中的表示符號。

光敏電阻結(jié)構(gòu)及表示符號3.傳感器原理

光敏電阻的特點(diǎn)是靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬，可從紫外一直延伸到紅外，且體積小，性能穩(wěn)定，因此廣泛用于測試技術(shù)。光敏電阻的材料種類很多，適用的波長范圍也不一樣，如硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）適用于可見光（0.4m0.75m）的范圍，氧化鋅（ZnO）、硫化鋅（ZnS）適用于紫外線范圍，而硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、碲化鉛（PbTe）則適用于紅外線范圍。3，光敏二極管及光敏三極管PN結(jié)受到光照時(shí)，通過PN結(jié)的電流將增大，因此，常規(guī)的二極管和三極管都需要用金屬或其它殼體密封起來，以防止光照。而光敏二極管和三極管則必須將PN結(jié)裝在頂部，上面有一個(gè)透鏡制成的窗口，以便接受最大的光照射。光敏二極管光敏三極管結(jié)構(gòu)與光敏二極管相似，不同的是它具有兩個(gè)PN結(jié)。當(dāng)光照射到光敏三極管的一個(gè)PN結(jié)附近時(shí)，產(chǎn)生與光敏二極管類似的光電流。光電流相當(dāng)于三極管的基極電流，在三極管的電流放大作用下，集電極電流為光電流的倍，因此光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高。光敏三極管有NPN和PNP兩種類型。由于光敏三極管的信號輸入是光輻射，所以一般無需基極引線，因此市場上的光敏三極管往往只有二個(gè)引線，這一點(diǎn)應(yīng)該注意，以免與光敏二極管相混。PIN光敏二極管是在P型區(qū)和N型區(qū)之間設(shè)置有相當(dāng)厚度的本征半導(dǎo)體層，使得原光敏二極管的耗盡層加寬，結(jié)電容減小，時(shí)間常數(shù)隨之減小，特別是當(dāng)反向偏置電壓增大時(shí)，耗盡區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。PIN管可檢測1ns的激光脈沖，頻響達(dá)109Hz。因此PIN光敏二極管也稱快速光敏二極管。4，光電池它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。從用途上講，光電池可分為兩類：一類是把光電池用做電源，既常說的太陽能電池，要求其效率高、成本低、壽命長、功率大等；另一類是把它當(dāng)作光電探測器，稱為測量用光電池，要求它線性好、光譜響應(yīng)范圍合適、響應(yīng)時(shí)間短等。我們在此只討論測量用光電池。常用的光電池有硅光電池、硒光電池，它們分別是以硅和硒材料制成兩種特殊的光電池，即象限光電池和坐標(biāo)光電池：四象限光電池象限光電池主要用于激光準(zhǔn)直、定位、跟蹤等場合5，半導(dǎo)體光電元件的特性

光敏電阻、光敏二極管和三極管、光電池這三種半導(dǎo)體光電傳感器，各有原理和特征不同，但又有相似之處。在此把它們綜合起來分析介紹。

（1）光電特性：是指光電元件產(chǎn)生的光電流與光照之間的關(guān)系。(a)所示為硒光敏電阻的I-關(guān)系,呈非線性。(b)所示為光敏二極管的光照特性曲線,有較好的線性關(guān)系。(c)表示硅光電池的開路電壓（曲線Ⅲ）與短路電流（曲線Ⅳ）（2）伏安特性：是指光照一定時(shí)，光電元件的端電壓U與電流I的關(guān)系。（4）頻率特性：是指它們的輸出電信號與調(diào)制光頻率的關(guān)系，反映的時(shí)間響應(yīng)，也可用時(shí)間常數(shù)來表示。3.7半導(dǎo)體敏感元件傳感器

6，光電傳感器應(yīng)用中的照明方式光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本照明形式。3.7半導(dǎo)體敏感元件傳感器

3.7半導(dǎo)體敏感元件傳感器

3.7半導(dǎo)體敏感元件傳感器

7，測量電路及應(yīng)用光電倍增管的測量電路光敏電阻的應(yīng)用和器件：

工業(yè)控制、機(jī)電裝備及產(chǎn)品自動測光控制電路:自動照相機(jī)SWBG1BG2BG3BG4DTV’ARPER1R2h光敏電阻快門按鈕開關(guān)SW按下電磁鐵線圈DT通電快門打開一方面使底片嚗光,另一方面光照在光敏電阻RP上,RP阻值下降,C充電C上電壓充到VR2+0.7V時(shí),BG1導(dǎo)通BG1導(dǎo)通后,BG2、BG3也隨之導(dǎo)通BG3導(dǎo)通后，A點(diǎn)電壓V’下降BG4截止DT斷電，關(guān)閉快門，嚗光結(jié)束。從按下SW，打開快門嚗光，到嚗光結(jié)束，取決于電容C的充電時(shí)間t=1.57RvRpCRv=R2/(R1+R2)Rp:光敏電阻值外界入射光強(qiáng)越強(qiáng)Rp越小，嚗光時(shí)間越短外界入射光強(qiáng)越弱Rp越大，嚗光時(shí)間越長SWBG1BG2BG3BG4DTV’ARPER1R2hC光電式邊緣位置檢測裝置光電式轉(zhuǎn)速計(jì)3.7半導(dǎo)體敏感元件傳感器

案例：光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來測量位移。3.7半導(dǎo)體敏感元件傳感器

相機(jī)測距反射式光電傳感器光電碼盤光電碼盤若采用n位碼盤,則能分辨的角度為

3.12光纖傳感器

物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。1）物性型光纖傳感器第三章、傳感器測量原理光纖流速傳感器3.12光纖傳感器

結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器3.12光纖傳感器光纖檢測型光電傳感器作業(yè)件檢測顏色檢測3.12光纖傳感器3.16智能傳感器第三章、傳感器測量原理傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學(xué)量（如濃度、PH值等）、生物量（如細(xì)菌等）等的信息，并將該信息轉(zhuǎn)化為電信息的裝置。智能傳感器是將傳感器與微型計(jì)算機(jī)集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還具有認(rèn)知能力。第三章、傳感器測量原理嵌入式計(jì)算機(jī)智能傾角RS232傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器第三章、傳感器測量原理振動網(wǎng)絡(luò)傳感器智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器第三章、傳感器測量原理3.16傳感器選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個(gè)方面的問題。1、靈敏度

一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問題。a)靈敏度過高引起的干擾問題；b)量程范圍。c)交叉靈敏度問題。2響應(yīng)特性

傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好。3線性范圍

任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。第三章、傳感器測量原理4穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。5精確度

傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。第三章、傳感器測量原理6測量方式

傳感器工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等。第三章、傳感器測量原理第三章作業(yè)3-4,3-5,3-7,3-13思考題1）光電探測元件的工作原理基于哪幾個(gè)效應(yīng)？2）光電探測元件中哪些是能量控制型、哪些是能量轉(zhuǎn)換型器件？3）光敏電阻的基本特性有哪幾個(gè)？4）光敏二極管的偏置電壓極性如何？5）光電池與光敏二極管哪一個(gè)適合探測快速變化信號？第二章習(xí)題參考答案解：

當(dāng)時(shí)，，，

當(dāng)

當(dāng)

2-2用一時(shí)間常數(shù)為0.35s的一階裝置去測量周期分別為1s,2s,5s的正弦信號，問幅值誤差將是多少解：＝0.5cos(10t-)

＝0.179cos(100t-)

=0.5cos(10t-)+0.179cos(100t-)

2-3求周期信號x(t)=0.5cos10t+0.2cos(100t-45°)通過傳遞函數(shù)H(s)=1/(0.005s+1)的裝置后所得到的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。解：

200

取，當(dāng)f＝50HZ,

2-5想用一個(gè)一階系統(tǒng)作100HZ正弦信號的測量，如要求限制振幅誤差在5%以內(nèi)，則時(shí)間常數(shù)應(yīng)取多少？若用該系統(tǒng)測試50HZ信號，問此時(shí)的振幅誤差和相角差是多少？2－9解：，