電壓型傳感器

電壓型傳感器第1頁(yè)/共146頁(yè)主要內(nèi)容

5.1磁電式傳感器

5.2壓電式傳感器

5.3熱電偶傳感器

5.4光電傳感器

5.5霍爾傳感器第2頁(yè)/共146頁(yè)

5.1磁電式傳感器

通過(guò)電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩）轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)。 利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電勢(shì)；屬于機(jī)-電能量變換型傳感器

優(yōu)點(diǎn):

不需要供電電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小第3頁(yè)/共146頁(yè)一、基本原理

磁電式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理的傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得：

即回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)與磁通量對(duì)時(shí)間的變化律成正比

第4頁(yè)/共146頁(yè)二、基本組成

1．磁路系統(tǒng)——產(chǎn)生恒定直流磁場(chǎng)，一般用永久磁鐵

2．線圈——產(chǎn)生感應(yīng)電壓

3．運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)——感受被測(cè)運(yùn)動(dòng)

第5頁(yè)/共146頁(yè)三、結(jié)構(gòu)類型

1.變磁通式結(jié)構(gòu):

線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測(cè)物連接而運(yùn)動(dòng)的部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運(yùn)動(dòng)中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。第6頁(yè)/共146頁(yè)(a)鐵芯平移型

e與成正比

第7頁(yè)/共146頁(yè)這種結(jié)構(gòu)可做成測(cè)線速度第8頁(yè)/共146頁(yè)(b)鐵心旋轉(zhuǎn)型

這種結(jié)構(gòu)可做成測(cè)角速度第9頁(yè)/共146頁(yè)三、結(jié)構(gòu)類型2恒磁通結(jié)構(gòu):

工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于永久磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)－線圈切割磁力線產(chǎn)生。分為：動(dòng)鐵式和動(dòng)圈式第10頁(yè)/共146頁(yè)動(dòng)鐵式動(dòng)圈式第11頁(yè)/共146頁(yè)基本原理如果在線圈運(yùn)動(dòng)部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度B是均勻的，則當(dāng)線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)速度為υ時(shí)，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：α為運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向間夾角，當(dāng)α＝90°，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：當(dāng)N、B和la恒定不變時(shí)，E與υ=dx/dt成正比，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小就可以知道被測(cè)速度的大小。第12頁(yè)/共146頁(yè)四、測(cè)量電路

磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢(shì)，常具有較高靈敏度，一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測(cè)位移或加速度信號(hào)，則要配用積分或微分電路。

第13頁(yè)/共146頁(yè)第14頁(yè)/共146頁(yè)5.2壓電式傳感器壓電器件受力、表面形變電荷原理——材料受力變形時(shí),表面產(chǎn)生電荷，實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量；特點(diǎn)——體積小、重量輕、工作頻帶寬等；應(yīng)用——?jiǎng)討B(tài)力、機(jī)械沖擊、振動(dòng)聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、宇航。

第15頁(yè)/共146頁(yè)§5-1壓電效應(yīng)和壓電材料一、壓電效應(yīng)1、正（順）壓電效應(yīng)

正壓電效應(yīng)——某些材料沿一定方向施力變形，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，兩表面產(chǎn)生極性相反的電荷，外力去掉后，表面又回到不帶電狀態(tài)。第16頁(yè)/共146頁(yè)壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)Q(E)電能T(S)機(jī)械能逆壓電效應(yīng)2、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）逆壓電效應(yīng)——在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形。

第17頁(yè)/共146頁(yè)二、壓電效應(yīng)表達(dá)式第18頁(yè)/共146頁(yè)——i面上產(chǎn)生的電荷密度

——j方向的外加應(yīng)力——j方向應(yīng)力引起i面產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電常數(shù)

壓電常數(shù)矩陣

Tj——Pa

牛頓/米2

—C/N庫(kù)侖/牛頓

第19頁(yè)/共146頁(yè)(1)應(yīng)力與電荷面垂直——縱向壓電效應(yīng)(2)應(yīng)力與電荷面平行直——橫向壓電效應(yīng)(3)電荷面受到剪切——面切壓電效應(yīng)(4)電荷面厚度受到剪切——剪切壓電效應(yīng)第20頁(yè)/共146頁(yè)第21頁(yè)/共146頁(yè)三、力——電荷轉(zhuǎn)換公式

靈敏度為常數(shù)第22頁(yè)/共146頁(yè)四、壓電材料

壓電材料——具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)，包括石英晶體和壓電陶瓷。

第23頁(yè)/共146頁(yè)1.石英晶體

單晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶形狀為六角晶柱，是一個(gè)正六面體。光軸機(jī)械軸電軸縱軸線z——光軸穿過(guò)棱線且垂直z軸的x軸——電軸（壓電效應(yīng)最強(qiáng)）垂直棱面的y軸——力軸（機(jī)械軸）（機(jī)械形變最明顯）

第24頁(yè)/共146頁(yè)石英晶體的壓電常數(shù)：x方向——存在縱向壓電效應(yīng)，橫向壓電效應(yīng)和面切向壓電效應(yīng)。

y方向——有面切壓電效應(yīng)和剪切壓電效若改變受力方向，表面極性也相應(yīng)改變；

z方向——表面不產(chǎn)生電荷。

第25頁(yè)/共146頁(yè)石英晶體的特點(diǎn)

天然晶體，壓電系數(shù)d11＝2.31×10－12C/N；莫氏硬度為7、熔點(diǎn)為1750℃、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550℃（壓電系數(shù)不隨溫度而改變，穩(wěn)定性好。第26頁(yè)/共146頁(yè)2.壓電陶瓷

多晶體壓電材料，壓電系數(shù)高，靈敏度較石英材料高，但工作溫度低，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。

未極化前：不具壓電性加外電場(chǎng)E撤銷外電場(chǎng)第27頁(yè)/共146頁(yè)原始?jí)弘娞沾刹牧蠜](méi)有壓電性，極化后具有壓電性。

壓電常數(shù)為：鈦酸鋇第28頁(yè)/共146頁(yè)常見(jiàn)壓電陶瓷：（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（Zr·Ti）O3系壓電陶瓷（PZT） 壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小。（3）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN） 具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。第29頁(yè)/共146頁(yè)五、壓電式傳感器

(1)被測(cè)量直接轉(zhuǎn)換為電荷輸出；(2)適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量：電荷只在無(wú)泄漏情況下保存，需要測(cè)量回路輸入阻抗無(wú)限大，不適于靜態(tài)測(cè)量。交變力作用下，電荷不斷補(bǔ)充，供給回路一定的電流；(3)必須有一定的預(yù)應(yīng)力。

第30頁(yè)/共146頁(yè)1.等效電路

——晶片相對(duì)介電常數(shù)；——真空介電常數(shù)；S——工作面面積；h——晶片厚度

不同于普通電容器，力消失，電荷消失第31頁(yè)/共146頁(yè)兩種等效電路：注意：不受外力，壓電元件只等效為一個(gè)電容器Ca。第32頁(yè)/共146頁(yè)2.壓電元件的串并聯(lián)

并聯(lián)——相鄰兩片壓電元件按極化方向相反粘貼。串聯(lián)——相鄰兩片壓電元件按極化方向相同粘貼。第33頁(yè)/共146頁(yè)n個(gè)元件并聯(lián)：n個(gè)元件串聯(lián)：適合電荷輸出，低頻信號(hào)適合電壓輸出，高頻信號(hào)第34頁(yè)/共146頁(yè)3.壓電式傳感器的測(cè)量電路

前置放大器的作用

阻抗變換作用：高阻抗－低阻抗放大傳感器輸出的微弱信號(hào)

前置放大器電壓放大器電荷放大器第35頁(yè)/共146頁(yè)實(shí)際等效電路：

為連接電纜，為放大器輸入電阻，為輸入電容，為壓電傳感器泄露電阻，Ca為壓電元件的電容。.第36頁(yè)/共146頁(yè)第37頁(yè)/共146頁(yè)（1）電壓放大器（阻抗變換器）

第38頁(yè)/共146頁(yè)在壓電元件上的力為正弦變化的力，有

壓電元件產(chǎn)生電荷：

第39頁(yè)/共146頁(yè)（1）w>w0，認(rèn)為輸出與頻率無(wú)關(guān)；（2）低頻段，應(yīng)減少w0，必須增大R，前置放大器輸入阻抗應(yīng)高；（3）w＝0，輸出為0，不能測(cè)靜態(tài)力；（4）CC改變，輸出會(huì)變，連接電纜不能隨意更換，否則有測(cè)量誤差。第40頁(yè)/共146頁(yè)（2）電荷放大器由一個(gè)反饋電容和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。略去和并聯(lián)電阻。運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流。第41頁(yè)/共146頁(yè)與電纜電容無(wú)關(guān)A不是很大，產(chǎn)生誤差第42頁(yè)/共146頁(yè)結(jié)論：1、壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)參數(shù)；2、采用電壓放大器，更換電纜時(shí)，須重新校正；

3、采用電荷放大器，更換電纜時(shí)，無(wú)須重新校正。

第43頁(yè)/共146頁(yè)六、應(yīng)用1壓電式單向測(cè)力傳感器第44頁(yè)/共146頁(yè)壓電式壓力傳感器型

號(hào):MYD-8553應(yīng)用領(lǐng)域：高頻動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量，風(fēng)洞壓力測(cè)量等。第45頁(yè)/共146頁(yè)2交通監(jiān)測(cè)

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場(chǎng)滑行道等。第46頁(yè)/共146頁(yè)高分子壓電電纜的應(yīng)用演示

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來(lái)測(cè)量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

第47頁(yè)/共146頁(yè)3玻璃破碎報(bào)警將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。

粘貼位置使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷Q

，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號(hào)。第48頁(yè)/共146頁(yè)第49頁(yè)/共146頁(yè)例題：某壓電式傳感器為兩片石英晶體并聯(lián)，每片厚度t＝0.2mm，圓片半徑r＝1cm，，x切型。當(dāng)0.1MPa的壓強(qiáng)垂直作于與x平面時(shí)，求傳感器輸出電荷Q與電極間電壓Ua的值。第50頁(yè)/共146頁(yè)5.3熱電偶型傳感器熱電偶溫度電壓特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，使用方便。測(cè)量時(shí)，可以不要外加電源；②測(cè)溫范圍廣，-269℃<T<1800℃。③測(cè)量精確度較高；④便于遠(yuǎn)距離測(cè)量、自動(dòng)記錄及多點(diǎn)測(cè)量。第51頁(yè)/共146頁(yè)5.3.1熱電效應(yīng)

熱電效應(yīng)——兩種不同的金屬導(dǎo)體A、B串接成一個(gè)閉合回路。當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，導(dǎo)體在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)和相應(yīng)的熱電流。熱端（工作端）——通常用于對(duì)被測(cè)介質(zhì)溫度測(cè)量；冷端（參考端）——通常保持為某一恒定溫度或室溫；熱電勢(shì)——

第52頁(yè)/共146頁(yè)k——

玻耳茲曼常數(shù)；T——

接觸面的絕對(duì)溫度；e——

單位電荷量；NA——金屬電極A的自由電子密度NB——金屬電極B的自由電子密度接觸電勢(shì)一、熱電勢(shì)的產(chǎn)生1

兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)第53頁(yè)/共146頁(yè)2

單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)δ:湯姆遜系數(shù)，溫度為1℃時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，與材料的性質(zhì)有關(guān)。溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）

第54頁(yè)/共146頁(yè)3

熱電偶回路的總熱電勢(shì)

溫度T，T0函數(shù)第55頁(yè)/共146頁(yè)二、熱電偶基本定律1

中間導(dǎo)體定律導(dǎo)體A、B組成的熱電偶中插入第三種導(dǎo)體C，若導(dǎo)體C兩端溫度相同，則熱點(diǎn)偶總熱電勢(shì)無(wú)改變。意義：可用電器測(cè)量?jī)x表直接測(cè)量。第56頁(yè)/共146頁(yè)2、連接導(dǎo)體定律熱電偶導(dǎo)體A、B分別與連接導(dǎo)線C、D相接，總熱電勢(shì)為兩部分的代數(shù)和。意義：運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線法進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)第57頁(yè)/共146頁(yè)3、中間溫度定律若導(dǎo)體A與C、B與D的材料分別相同，則：意義：為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)分度表：已知溫度T0=0℃時(shí)的熱電勢(shì)-溫度關(guān)系，可求得參考溫度不為0℃時(shí)的熱電勢(shì)。第58頁(yè)/共146頁(yè)4、參考電極定律若兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶的熱電勢(shì)已知，則A、B組成的熱電偶也已知。標(biāo)準(zhǔn)電極：鉑例：已知求：第59頁(yè)/共146頁(yè)5.3.2熱電偶的材料、型號(hào)及結(jié)構(gòu)一、熱電偶材料要求：（1）熱電性質(zhì)穩(wěn)定，物理化學(xué)性能穩(wěn)定；（2）導(dǎo)電率高，電阻溫度系數(shù)??；（3）熱電勢(shì)隨溫度的變化率大，且接近常數(shù)；（4）機(jī)械強(qiáng)度高，復(fù)制性好，復(fù)制工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

第60頁(yè)/共146頁(yè)二標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。IEC共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶；第61頁(yè)/共146頁(yè)名稱

分度號(hào)

代號(hào)

測(cè)溫范圍特點(diǎn)

鉑銠30-鉑銠6

B（LL-2）WRR50～18200.033熔點(diǎn)高，測(cè)溫上限高，性能穩(wěn)定，精度高，電動(dòng)勢(shì)??；只適用于高溫域的測(cè)量

鉑銠13-鉑

R（PR）

——50～17680.647精度較高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好；但熱電動(dòng)勢(shì)較小，不能在金屬蒸汽和還原性氣氛中使用，

鉑銠10-鉑

S（LB-3）

WRP—50～17680.646同上，性能不如R熱電偶。長(zhǎng)期以來(lái)曾作為國(guó)際溫標(biāo)的法定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶

鎳鉻-鎳硅

K（EU-2）

WRN—270～13704.096熱電動(dòng)勢(shì)大，線性好，穩(wěn)定性好，廉價(jià)；但材質(zhì)較硬，在1000℃以上長(zhǎng)期使用會(huì)引起熱電動(dòng)勢(shì)漂移；多用于工業(yè)測(cè)量鎳鉻硅-鎳硅

N——270～13702.0774是一種新型熱電偶，各項(xiàng)性能比K熱電偶更好，適宜于工業(yè)測(cè)量

鎳鉻-銅鎳（康銅）

E（EA-2）

WRK—270～8006.319熱電動(dòng)熱比K熱電偶大50％左右，線性好，耐高濕度，價(jià)廉；但不能用于還原性氣氛；多用于工業(yè)測(cè)量

第62頁(yè)/共146頁(yè)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶熱電勢(shì)和溫度的關(guān)系

第63頁(yè)/共146頁(yè)三熱電偶的結(jié)構(gòu)1普通熱電偶第64頁(yè)/共146頁(yè)1普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭第65頁(yè)/共146頁(yè)普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出線套管

固定螺紋（出廠時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）不銹鋼保護(hù)管

第66頁(yè)/共146頁(yè)2鎧裝熱電偶鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA絕緣材料法蘭第67頁(yè)/共146頁(yè)3

其他熱電偶外形小形K型熱電偶第68頁(yè)/共146頁(yè)5.3.3熱電偶測(cè)溫一、測(cè)溫的原理與方法單值函數(shù)第69頁(yè)/共146頁(yè)

1.儀表測(cè)出EAB（T，T0）2.查分度表得T0對(duì)應(yīng)EAB(T0，0)3.計(jì)算EAB(T，0)=EAB(T，T0)

+EAB(T0，0)

4.查分度表得EAB(T，0)對(duì)應(yīng)T

查表法（儀表按電壓刻度）直讀（儀表按分度表刻度）T0=0℃儀表直接讀出T值儀表讀取值——T′(指示值)查表求與T′對(duì)應(yīng)的K值計(jì)算T——（真實(shí)溫度值）：

T=T′+K·T0

T0≠0℃

(T0為已知)

1.儀表測(cè)出EAB（T，0）2.查表求與EAB（T，0）對(duì)應(yīng)T

第70頁(yè)/共146頁(yè)

1

冷端恒溫方式：

將熱點(diǎn)偶冷端置于0℃的恒溫器內(nèi)，測(cè)出電勢(shì)后查分度表得到熱端溫度值。主要用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)溫和熱電偶的標(biāo)定。

2冷端的延伸（冷端補(bǔ)償導(dǎo)線法）

一般熱電偶的最大長(zhǎng)度為一米，測(cè)量高溫時(shí)，冷端溫度T0受熱端溫度影響極大；補(bǔ)償導(dǎo)線法是采用一種專用補(bǔ)償導(dǎo)線來(lái)延長(zhǎng)熱電偶，使冷端移到不受熱端溫度影響的遠(yuǎn)處，獲得溫度較為穩(wěn)定的冷端溫度T0。

二、

熱電偶的冷端處理

第71頁(yè)/共146頁(yè)A，B——熱電偶A′B′——補(bǔ)償導(dǎo)線C——儀表連線

第72頁(yè)/共146頁(yè)（1）補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特性與所配用的熱電偶熱電特性相同：（2）各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶匹配使用；（3）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接點(diǎn)溫度，不得超過(guò)使用溫度范圍；

（4）補(bǔ)償導(dǎo)線與電極材料的兩連接點(diǎn)溫度必須相同；第73頁(yè)/共146頁(yè)3、冷端溫度波動(dòng)的自動(dòng)補(bǔ)償――電橋補(bǔ)償法

補(bǔ)償條件：1）

時(shí)，

2）

時(shí)，

補(bǔ)償結(jié)果：第74頁(yè)/共146頁(yè)5.3.3熱電偶的測(cè)量電路一、熱電偶的串聯(lián)電路第75頁(yè)/共146頁(yè)二、測(cè)量平均溫度第76頁(yè)/共146頁(yè)三、熱電偶測(cè)溫差電路

ΔE=EAB(T1，T0)-EAB

(T2，T0)=EAB

(T1，T2)≈K(T1-T2)

第77頁(yè)/共146頁(yè)例：用鎳鉻一鎳硅熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，其冷端溫度to＝30℃，在直流電位差計(jì)上測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)EAB(t,30)=38．500mV，求爐溫為多少?鎳鉻一鎳硅熱電偶分度表（自由端溫度為0℃）第78頁(yè)/共146頁(yè)解：①查鎳鉻一鎳硅熱電偶K分度表得：②根據(jù)中間溫度定律得：③查鎳鉻一鎳硅熱電偶K分度表得：℃第79頁(yè)/共146頁(yè)休息一下第80頁(yè)/共146頁(yè)5.4光電式傳感器

將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。第81頁(yè)/共146頁(yè)光波：波長(zhǎng)為10—106nm的電磁波可見(jiàn)光：波長(zhǎng)380—780nm紫外線：波長(zhǎng)10—380nm，波長(zhǎng)300—380nm稱為近紫外線波長(zhǎng)200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長(zhǎng)10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長(zhǎng)780—106nm

波長(zhǎng)3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長(zhǎng)超過(guò)3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。

光源介紹第82頁(yè)/共146頁(yè)5.4.1光電器件一、外光電效應(yīng)

在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能力由下式確定。第83頁(yè)/共146頁(yè)若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個(gè)電子逸出，則光子能量hν必須超出逸出功A0，超過(guò)部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。即常見(jiàn)光電器件：光電管、光電倍增管。

光電效應(yīng)方程第84頁(yè)/共146頁(yè)二.光導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。常見(jiàn)光電器件：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。第85頁(yè)/共146頁(yè)三：光生伏特效應(yīng)

在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。常見(jiàn)光電器件：光電池。

第86頁(yè)/共146頁(yè)四：光電發(fā)射型光電器件當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。1：光電管第87頁(yè)/共146頁(yè)組成：陰極：接電源負(fù)極陽(yáng)極：接電源正極第88頁(yè)/共146頁(yè)真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高。所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體，其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差第89頁(yè)/共146頁(yè)2.光電倍增管

光電陰極——半導(dǎo)體光電材料銻-銫制造。組成

若干倍增極——4～14個(gè)不等，并加上一定的電壓。陽(yáng)極——收集電子，外電路形成電流輸出。

光電倍增管特點(diǎn)：靈敏度高，穩(wěn)定性好，頻響很快，且線性好，頻率特性好，但體積大，需要高壓供電（1000v-2500v）。

第90頁(yè)/共146頁(yè)五：光導(dǎo)型光電器件1.光敏電阻當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很??；當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加；暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時(shí)光敏電阻的靈敏度高，光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí),亮電阻在幾千歐以下。用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒(méi)有極性,純粹是一個(gè)電阻器件,使用時(shí)既可加直流電壓,也可以加交流電壓。第91頁(yè)/共146頁(yè)1.玻璃2.光電導(dǎo)層3.電極4.絕緣襯底5.金屬殼6.黑色絕緣玻璃7.引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。光敏電阻結(jié)構(gòu)第92頁(yè)/共146頁(yè)

光敏電阻的主要參數(shù)

（1）暗電阻和暗電流光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)流過(guò)的電流，稱為暗電流。（2）亮電阻光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。

（3）光電流亮電流與暗電流之差，稱為光電流。第93頁(yè)/共146頁(yè)2.光敏二極管

光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它的PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光的照射。

光敏二極管一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。光敏二極管不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)體狀態(tài)。

第94頁(yè)/共146頁(yè)3：光敏三級(jí)管光電三極管比具有相同有效面積的光電二極管的光電流大幾十至幾百倍，但相應(yīng)速度較二極管差。基極開(kāi)路，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí),在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì),電子在結(jié)電場(chǎng)的作用下，由P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成基極電流，放大β倍形成集電極電流（光電流）,所以光電三極管有放大作用。

第95頁(yè)/共146頁(yè)

光敏二極管和光敏三極管的特點(diǎn)

1、光敏二極管特點(diǎn)：靈敏度一般，穩(wěn)定性好，頻響應(yīng)快，（t=10-7s），體積小。

2、光敏三極管特點(diǎn)：靈敏度比二極管高，但穩(wěn)定性差，響應(yīng)速度較二極管差，其它與二極管相同。

第96頁(yè)/共146頁(yè)六、光伏型光電器件——光電池

光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。因此這種器件不需要外加電源。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

第97頁(yè)/共146頁(yè)把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池(或太陽(yáng)能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應(yīng)用最廣是硅光電池。硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02％)、壽命短，適于接收可見(jiàn)光(響應(yīng)峰值波長(zhǎng)0.56μm)，最適宜制造照度計(jì)。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽(yáng)光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。特點(diǎn)：靈敏度低，穩(wěn)定性好，頻響較慢，受光面積大，不需外加電源，頻率特性差。

第98頁(yè)/共146頁(yè)

光伏發(fā)電技術(shù)——利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。第99頁(yè)/共146頁(yè)5.4.2光電傳感器的基本組成和類型一、光電式傳感器的基本組成

1、光源

：被測(cè)量X1直接對(duì)光源作用，使光通量Φ1的某一參數(shù)發(fā)生變化；2、光學(xué)通路：被測(cè)量X2作用于光學(xué)通路中，對(duì)傳播過(guò)程中的光通量進(jìn)行調(diào)制；3、光電器件：檢測(cè)照射其上的光通量；4、測(cè)量電路：把光電器件輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)換成后繼電路可用的電信號(hào)。

第100頁(yè)/共146頁(yè)二、光電傳感器的基本類型

按照被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電器件的入射光通量變化的形式，光電傳感器可分為以下幾類：

透射式反射式輻射式遮擋式第101頁(yè)/共146頁(yè)透射式：被測(cè)對(duì)象置于光源與光電器件之間，根據(jù)被測(cè)對(duì)象對(duì)光的吸收、散射或?qū)︻l譜的選擇來(lái)測(cè)氣體、液體等的透明度、混濁度及某種物質(zhì)的含量。例如：光電煤塵測(cè)定儀、激光瓦斯檢定器等第102頁(yè)/共146頁(yè)反射式：由恒光源發(fā)出的光投射到檢測(cè)物上，利用光電器件測(cè)量光的反射通量，由反射光的多少來(lái)檢測(cè)被測(cè)對(duì)象表面的性質(zhì)和狀態(tài)。第103頁(yè)/共146頁(yè)輻射式：被測(cè)對(duì)象就是輻射源-----------光電高溫計(jì)第104頁(yè)/共146頁(yè)遮擋式：被測(cè)對(duì)象置于光源與光電器件之間，根據(jù)被測(cè)對(duì)象阻擋光通量的多說(shuō)來(lái)測(cè)量其孔徑、長(zhǎng)度、厚度等幾何參量。第105頁(yè)/共146頁(yè)

光電式傳感器的應(yīng)用

三：直接檢測(cè)——用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)量、氣體成分分析等。間接檢測(cè)——用于檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其它非電量，如直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度以及物體形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。特點(diǎn)——結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、響應(yīng)快、非接觸、性能可靠等。第106頁(yè)/共146頁(yè)1：光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表第107頁(yè)/共146頁(yè)第108頁(yè)/共146頁(yè)第109頁(yè)/共146頁(yè)3：光強(qiáng)測(cè)量電路第110頁(yè)/共146頁(yè)4：光電煙霧式傳感器在沒(méi)有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無(wú)法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射，使部分紅外光到達(dá)光敏三極管。煙霧越大，接收到光也越強(qiáng)流過(guò)光敏三極管的電流也越大。

第111頁(yè)/共146頁(yè)休息一下第112頁(yè)/共146頁(yè)5.5霍爾傳感器霍爾傳感器磁場(chǎng)電能工作原理：半導(dǎo)體材料中的自由電子及空穴隨磁場(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)方向

第113頁(yè)/共146頁(yè)一、霍爾效應(yīng)

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab第114頁(yè)/共146頁(yè)磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高。霍爾電勢(shì)EH可用下式表示：

EH=KHIB第115頁(yè)/共146頁(yè)霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cdab第116頁(yè)/共146頁(yè)磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為

EH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。

第117頁(yè)/共146頁(yè)二、霍爾元件

結(jié)構(gòu)：霍爾片、四根引線、殼體材料：多采用N型半導(dǎo)體材料兩種表示符號(hào)：引線1和1‘稱為激勵(lì)電極；引線2和2’稱為霍爾電極。

第118頁(yè)/共146頁(yè)三、霍爾傳感器組成與基本特性

基本組成：霍爾元件、激勵(lì)電源、測(cè)量電路、磁路1.電路部分

（1）基本電路激勵(lì)電流I由電源供給，電阻用來(lái)調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。為輸出霍爾電勢(shì)的負(fù)載電阻。第119頁(yè)/共146頁(yè)（2）、霍爾元件的輸出電路

第120頁(yè)/共146頁(yè)（3）、輸出疊加連接方式

第121頁(yè)/共146頁(yè)2.磁路部分（檢測(cè)非電量）為了獲得霍爾電壓隨位移變化的線性關(guān)系，磁場(chǎng)應(yīng)具有均勻的梯度變化特性。

產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)：霍爾片沿x方向移動(dòng)時(shí)，若控制電流I保持不變，則霍爾電勢(shì)為：

第122頁(yè)/共146頁(yè)3、傳感器基本特性

(1)霍爾傳感器的靈敏度和線性度主要取決于磁路系統(tǒng)和霍爾元件的特性。(2)提高磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和增大激勵(lì)電流I，也可獲得較大霍爾電勢(shì)。但I(xiàn)的增大受到元件發(fā)熱的限制。

3)霍爾傳感器動(dòng)態(tài)性能好。

第123頁(yè)/共146頁(yè)四、測(cè)量誤差及其補(bǔ)償方法

1、不等位電壓及其補(bǔ)償

不等位電壓U0——B=0時(shí)的空載霍爾電勢(shì)產(chǎn)生原因：1°制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，使兩電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上；

2°霍爾元件電阻率或厚度不均勻使等位面歪斜，使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)。

第124頁(yè)/共146頁(yè)第125頁(yè)/共146頁(yè)補(bǔ)償辦法

第126頁(yè)/共146頁(yè)2、溫度誤差及其補(bǔ)償

（1）溫度誤差產(chǎn)生原因

霍爾元件由半導(dǎo)體材料制成，因此它的輸入和輸出電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。

（2）溫度誤差補(bǔ)償電路

采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻合理選取負(fù)載電阻RL的阻值采用溫度補(bǔ)償元件

選用溫度系數(shù)小的霍爾元件采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻第1