第二章2013(4)

1、2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器2.2.9 9 光電傳感器光電傳感器2.2.1010 熱電式傳感器熱電式傳感器2.2.1111 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器重點：光電式、熱電式等傳感器的工作原理重點：光電式、熱電式等傳感器的工作原理難點：光電效應、熱電阻效應、熱電效應等理解，光電編難點：光電效應、熱電阻效應、熱電效應等理解，光電編碼類傳感器的用途碼類傳感器的用途內(nèi)內(nèi)容容提提要要2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器2.9 光電傳感器光電傳感器基本原理：光電效應，即將光能量變化轉換為電量變化（產(chǎn)生電能或控制電能）內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應 光電效應光電效應外光電效應外光電效應 光生伏特效應光生伏

2、特效應 能量控制型能量控制型能量轉換型能量轉換型2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器一、內(nèi)光電效應一、內(nèi)光電效應 半導體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對，使其導電性能增強，光線愈強，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。內(nèi)光電效應分為兩類內(nèi)光電效應分為兩類： 一類是半導體材料在光照的作用下，電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，光敏電阻以此為基礎； 另一類是PN結在光照作用下，導電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象，光敏二極管、光敏三極管以此為基礎 2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器1、光敏電阻 工作原理：內(nèi)光電效應 (1)光敏電阻工作原理示意圖結構：在玻璃底板上涂一層對光敏感的半導體物質(zhì)，兩端有梳狀金

3、屬電極，然后在半導體上覆蓋一層漆膜。2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器光敏電阻的主要特征參數(shù)：1）光電流、暗電阻、亮電阻 暗電阻：在未受到光照射條件下呈現(xiàn)的阻值，兆歐量級 暗電流：暗電阻時流過的電流 亮電阻：在受到某一光照條件下呈現(xiàn)的阻值，千歐量級 亮電流：亮電阻時流過的電流 一般希望暗電阻大，亮電阻小，這樣暗電流小，亮電流大，相應的光電流便大。2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器硫化鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)：0.4m0.75 m可見光范圍氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)： 適用于紫外線范圍硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)：適用于紅外線范圍2

4、）光照特性、伏安特性、光譜特性因此，在選用光敏電阻時，應把元件與光源結合考慮。因此，在選用光敏電阻時，應把元件與光源結合考慮。 光敏電阻是純電阻元件，阻值隨光照增強而減小，暗電阻為兆歐量級，亮電阻在千歐以下； 靈敏度高，光譜響應范圍寬（從紫外到紅外）；體積小，性能穩(wěn)定。2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器 當光敏電阻受到光照時，阻值減小。光敏電阻實例光敏電阻實例2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器2 2、光敏晶體管、光敏晶體管工作原理：內(nèi)光電效應 (2)PN 結在光照作用下，導電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象 2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器PNGE光敏三極管光敏三極管：在光敏二極管的基礎上，內(nèi)部增加

5、晶體三極管，具有電流放大作用，提高了靈敏度。光敏二極管光敏二極管：相當于一個P-N結，處于反向工作狀態(tài)，沒有光照時不導通，有光照時導通。 由于晶體管的放大作用，通常為幾十倍到幾百倍，因此光敏晶體管的靈敏度比光敏二極管高；光電探測器的頻響可達109Hz量級2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器光敏二極管結構：光敏二極管結構與一般二極管相似，它們都有一個PN結，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉換效率大面積受光，PN結面積比一般二極管大。注：發(fā)光二極管與光敏二極管不同，發(fā)光二極管利用固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將電能轉化為光能的器件，加正向電壓時，在N-P的電子、空穴

6、結合過程中發(fā)射一定頻率的光信號。 2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器光敏三極管結構光敏三極管結構：光敏三極管有兩個PN結。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器光敏晶體管的應用照相機自動曝光2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器二、外光電效應二、外光電效應工作原理：利用外光電效應，器件導電，在某一頻率以上的光照射下，電流大小與光照強度成正比。 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，也稱光電子發(fā)射效應。 外光電效應器件有光

7、電管、光電倍增管。2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器 電子逸出物體表面的條件是 hA。因此，對每一種光電陰極材料均有一個確定的光頻率閾值0（h0=A）。只有當入射光頻率高于該閾值頻率0時，才能引發(fā)電子（也稱光電子）發(fā)射。 入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子與光強成正比。1 1、外光電效應、外光電效應愛因斯坦光電效應方程電子動能一個光子的能量212hmvA逸出功 式中：h 普朗克常數(shù) m 電子質(zhì)量 入射光頻率 v 電子逸出材料時的初速度 A 材料（光電陰極）的逸出功 2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器2 2、光電管、光電管光電管結構：光電管是一個抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內(nèi)部有光陰極、陽

8、極，光陰極涂有光敏材料，當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（EA），會有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻 R上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器主要用于：分光光度計、光電比色計等分析儀器和各種自動裝置。光電陰極 特性參數(shù)： 頻譜靈敏度、閾值波長、逸出功材料：金屬（紅限低，紫外區(qū)） 半導體（紅限高）RUI 光 強 入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子與光強成正比。 2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器3 3、光電倍增管光電倍增管光照很弱時，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管

9、。光電倍增管是利用二次電子釋放效應，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進行放大。2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器光電倍增管適合探測微弱光信號，注意不能接受強光刺激2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器三、光生伏特效應三、光生伏特效應 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。 根據(jù)工作機理不同，光生伏特效應可分為三種：即金屬-半導體接觸光生伏特效應、P-N結光生伏特效應、丹培效應。 2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器 光電池是基于光生伏特效應制成的有源器件 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

10、、壽命長、功率大等； 另一類是把它當作光電探測器，稱為測量用光電池，要求它線性好、光譜響應范圍合適、響應時間短等。 光電器件：光電池（特指測量用光電池）2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器+-PN光電池的作用原理： 當照射至光電池的PN的P型面上時，如果光子能量h大于半導體材料的禁帶寬度，則在P型區(qū)每吸收一個光子便激發(fā)出一個電子空穴對。在PN結電場作用下，N區(qū)的光生空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)。結果在N區(qū)便會積聚負電荷，在P區(qū)則積聚正電荷。這樣在N區(qū)和P區(qū)便形成電勢區(qū)。線性好，光譜響應范圍合適，響應時間短2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器光電池光電池外形外形光敏面光敏面2.9 2

11、.9 光電傳感器光電傳感器四、光電傳感器的基本特性四、光電傳感器的基本特性光敏元件的基本特性光敏元件的基本特性1) 光電特性光電特性2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器2) 伏安特性伏安特性2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器3) 光譜特性光譜特性2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器4) 溫度特性溫度特性2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器適合快速測量5) 頻率特性頻率特性 響應時間常數(shù)一般為：響應時間常數(shù)一般為：10-4s10-5s2.9 2.9 光電傳感器光電傳感器五、圖像傳感器五、圖像傳感器圖像傳感器主要指的是CCD和CMOS這兩類固態(tài)圖像傳感器 CCD是電荷耦合器件（Charge Co

12、upled Device）CMOS是互補金屬氧化物半導體 （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor） CCD和CMOS使用的都是一種PN結半導體光敏感器，能夠?qū)⑷肷涔饩€的光子轉換成為與之數(shù)量成比例的電子。 圖像傳感器被廣泛應用于機器視覺、模式識別與人工智能、安防監(jiān)控、工業(yè)檢測等領域 2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器2.102.10 熱電式傳感器分 類基本原理：溫度變化轉換為電能變化2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器一、一、熱電阻電阻靈敏度，一定范圍內(nèi)當作常數(shù)，0.3%0.6% 金屬的電阻隨溫度的升高而增加靈敏度： 0(/)td RR

13、Sdt001()tRRtt電阻變化原理：金屬熱電阻效應溫度變化熱電阻效應：幾乎所有物質(zhì)的電阻都隨其本身溫度的變化而變化2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器常用的金屬熱電阻有：鉑熱電阻、銅熱電阻等 鉑熱電阻值分別為值分別為100100和和5050 （Pt100Pt100和和Pt50Pt50）銅: 銅熱電阻有兩種初始電阻值，R0=50和R0=100,分度號分別為u50和u100鉑：在很廣的范圍內(nèi)保持良好線性，靈敏閾410C2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器二、二、熱敏電阻基本原理：半導體熱電阻效應 負溫度系數(shù) NTC 正溫度系數(shù) PTC 臨界溫度 CTR PTC和CTR為劇變型，

14、適合在某一較窄的溫度范圍內(nèi)用作溫度開關或檢測元件； NTC為緩變型，適合在稍寬的溫度范圍內(nèi)用作測量元件，是目前使用的主要的熱敏電阻主要的熱敏電阻2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器NTC的負指數(shù)規(guī)律：0110BTTTRR e尺寸可以做得很??；可測微小區(qū)域的溫度，且響應時間短溫度系數(shù)： 溫度變化 1K 時，電阻變化值室溫下約為鉑熱電阻溫度系數(shù)的10倍以上，但隨溫度變化21TTTdRBRdTT 2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器半導體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態(tài)特性好，特別適于在-100 300之間測溫。玻璃殼玻璃殼熱敏電阻熱

15、敏電阻引線引線2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器聚脂塑料封裝聚脂塑料封裝熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻的應用熱敏電阻的應用2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器三、三、熱電偶1、基本原理熱電效應：帕爾貼效應 + + 湯姆遜效應 將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電效應2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器（1）帕爾貼效應：兩種不同材料的導體相互緊密連接在一起時，由于自由電子的濃度不同，因而導致在接觸處形

16、成電位差，稱為接觸電動勢或帕爾貼熱電動勢。( )( )ln( )AABBn TkTeTen T10-2V量級（2）湯姆遜效應：當單一均質(zhì)導體兩端溫度不同時，由于溫度較高一端的電子能量高于溫度較低一端的電子能量，因而產(chǎn)生了電子擴散，形成了溫差電動勢，或稱湯姆遜熱電動勢。00( ,)TAATe TTdT 10-5V量級熱電偶工作機理：帕爾貼效應 + + 湯姆遜效應2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器1）必須采用兩種不同材料作為熱電極；2）熱電偶的熱端和冷端必須具有不同的溫度熱電偶工作機理：帕爾貼效應 + + 湯姆遜效應T：熱端：熱端T0：冷端：冷端EABTT0i恒溫恒溫溫差電動勢溫差電動勢

17、 EAB=AB T ( T=T-T0 ) AB 稱為溫差電動勢率靈敏度靈敏度取決于取決于 AB，也就取決于兩種不同材料的搭配，也就取決于兩種不同材料的搭配2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器2、熱電偶基本定律（1）中間溫度定律 熱電偶AB的熱電動勢僅取決于熱電偶的材料和兩個結點的溫度，而與溫度沿熱電極的分布以及熱電極的參數(shù)和形式無關。00( ,)( ,)(,)ABABCABCETTETTETT 制定熱電偶分度表2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器（2）中間導體定律 在熱電偶AB回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相同，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。測量導

18、線和儀表不會影響測量2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器（3）標準電極定律： 當熱電偶回路的兩個節(jié)點溫度為T和T0時，用導體AB組成的熱電偶的熱電動勢等于熱電偶AC和熱電偶CB的熱電動勢的代數(shù)和。000( ,)( ,)( ,)ABACCBETTETTETT 以標準鉑電極為參照物（熱電偶（熱電偶AC和熱電偶和熱電偶CB為兩種導體為兩種導體A、B分別與參考電極分別與參考電極C組成的熱電偶）組成的熱電偶）2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器3、熱電偶的串、并聯(lián)（1）并聯(lián)并聯(lián)熱電偶可用于測量平均溫度（2）串聯(lián)： 所有測量端處于同一溫度T下，所有參考端處于另一溫度T0下輸出電動勢是每個熱

19、電動勢之和AABB1T2TTE0T0TAB0T 3T1E2E3E儀表儀表3R2R1R3321EEEET),(),(),(31030201TTETTETTEABABAB AABBTTTE0TABT儀表儀表0T0T0TCCCDDD2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器安裝螺紋安裝螺紋安裝法蘭安裝法蘭2.10 2.10 熱電式傳感器熱電式傳感器4、熱電偶的誤差及溫度補償（1）要求：熱電極材料一定，參考端溫度T0恒定；特別地，熱電偶分度表針對T0 = 0。（2）測量誤差來源：參考端溫度隨環(huán)境變化（3）補償方法：1）零度恒溫法：使用不便2）計算修正法：使用不便3）電橋補償法：冷端溫度變化補償4）延

20、引熱電極法：將冷端移至溫度變化比較平緩的環(huán)境中之后，再用上述方法測量導線的影響？2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器分 類基本原理：將轉換后的電量按開關量（或脈沖）計數(shù)或編碼等數(shù)字形式輸出，從而提高傳感器的抗干擾能力2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器 感應同步器是基于電磁感應原理來測量直線或角位移的器件。測量直線位移的稱為直線感應同步器，測量角位移的稱為圓感應同步器。一、感應同步器一、感應同步器2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器二、光柵傳感器二、光柵傳感器 光柵是一種在基體（金屬或玻璃）上刻

21、有等間距均勻分布刻線的光學元件，此處僅關注計量光柵計量光柵基于莫爾條紋這一幾何光學現(xiàn)象2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器莫爾條紋的形成：兩光柵的遮光和透光效應 計量光柵由標尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，兩者的刻線寬度和間距完全一樣。將其疊合在一起，保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。將標尺光柵固定不動，而指示光柵安裝在運動部件上，所以兩者之間可以形成相對運動。2sin2WWBB遠大于W，因此能夠被光敏元件識別莫爾條紋2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器當指示光柵自左向右移動時，莫爾條紋的亮帶和暗帶將按順序自下而上不斷地掠過光敏元件（在演示中就是我們的

22、眼睛）。光敏元件“觀察”到莫爾條紋的光強變化近似于正弦波變化。光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期。2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器莫爾條紋的特性（1）莫爾條紋移動與光柵運動有對應關系（2）莫爾條紋具有位移放大作用，大大提高了測量靈敏度（3）莫爾條紋具有誤差平均效應，綜合柵距誤差為N 莫爾條紋的測量光信號電信號辨向電路可逆計數(shù)器較高的測量精度和測量范圍，可動態(tài)測量，讀數(shù)顯示數(shù)字化；長度：精度0.1mm，分辨率0.05mm；角度：精度0.15，分辨率0.1運動2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器4、光柵傳感器的結構組成 光柵傳感器的結構組成1-光源 2-聚光透

23、鏡 3-主光柵 4-指示光柵 5-光電元件 6-莫爾條紋 7-光強分布2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器 1、概念 磁柵傳感器是一種位移傳感器，可分為長磁柵和圓磁柵傳感器，分別用來測量線位移和角位移。 2、特點 磁柵式位移傳感器具有較高精度，可以達到0.01mm/m，分辨率為15m；但磁信號的均勻性、一致性及穩(wěn)定性對磁柵式位移測量的精度的精度影響較大。三、磁柵傳感器三、磁柵傳感器2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器四、光電編碼器四、光電編碼器基本原理 編碼器又稱碼盤，是一種數(shù)字式角位移傳感器，有增量式和絕對式兩種增量式光電編碼器只能反映相對于上次轉動角度的增量

24、；需要一個計數(shù)和辨向系統(tǒng)，以判斷方向和角位移角位移周期性的電信號計數(shù)脈沖A、B信號超前滯后辨向2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器絕對式光電編碼器2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器絕對式光電編碼器將被測角轉換為相應代碼，指示其絕對位置碼盤7801111000格雷碼編碼盤從一個計數(shù)狀態(tài)轉到下一個計數(shù)狀態(tài)時，只有1位二進制碼改變，所以能把誤差控制在一個數(shù)單位以內(nèi)，提高了可靠性，而且避免使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖二進制碼盤循環(huán)編碼盤結構復雜，分辨率低2.11 2.11 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器傳感器概念、分類、靜態(tài)及動態(tài)特性傳感器概念、分類、靜態(tài)及動態(tài)特性各種傳感器的工作原理各種傳感器的工作原理 應變效應、壓阻效應、渦流效應、壓電效應、逆壓電效