機械工程測試 第二章(下)

本次(běncì)課內(nèi)容2.8光電傳感器2.9熱電式傳感器2.10計數(shù)(jìshù)編碼類傳感器重點：光電式、熱電式等傳感器的工作原理難點：光電效應(yīng)、熱電阻效應(yīng)、熱電效應(yīng)等理解，光電編碼類傳感器的用途精品資料2.8光電傳感器光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理(yuánlǐ)是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)(ɡuānɡdiànxiàoyìng)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)

能量控制型能量轉(zhuǎn)換型精品資料1.內(nèi)光電效應(yīng)(ɡuānɡdiànxiàoyìng)半導(dǎo)體材料受到光照(guāngzhào)時會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導(dǎo)電性能增強,光線愈強，阻值愈低，這種光照(guāngzhào)后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(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，光敏電阻以此為基礎(chǔ)；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，光敏二極管、光敏三極管以此為基礎(chǔ)

精品資料1）光敏電阻(ɡuānɡm(xù)ǐndiànzǔ)光敏電阻的工作原理是基于(jīyú)光電效應(yīng).結(jié)構(gòu)：在玻璃底板上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。光敏電阻工作原理示意圖精品資料1）光敏電阻(ɡuānɡm(xù)ǐndiànzǔ)精品資料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(tiáojiàn)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(tiáojiàn)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(yīng)的光電流便大。光敏電阻(ɡuānɡm(xù)ǐndiànzǔ)精品資料光敏電阻(ɡuānɡm(xù)ǐndiànzǔ)當(dāng)光敏電阻受到光照(guāngzhào)時，阻值減小。（3）光敏電阻實例精品資料硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）：0.4m0.75m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）：適用于紅外線范圍因此，在選用光敏電阻(ɡuānɡm(xù)ǐndiànzǔ)時，應(yīng)把元件與光源結(jié)合考慮。光照(guāngzhào)特性、伏安特性、光譜特性光敏電阻

精品資料光敏二極管：相當(dāng)于一個P-N結(jié)，處于反向工作(gōngzuò)狀態(tài)，沒有光照時不導(dǎo)通，有光照時導(dǎo)通。PNGE光敏三極管：在光敏二極管的基礎(chǔ)上，內(nèi)部增加晶體三極管，具有(jùyǒu)電流放大作用，提高了靈敏度。2）光敏晶體管

精品資料光敏二極管結(jié)構(gòu)(jiégòu)與一般二極管相似，它們都有一個P—N結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，PN結(jié)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(zhuǎn)化為光能的器件，加正向電壓時，在N-P的電子、空穴結(jié)合過程中發(fā)射一定頻率(pínlǜ)的光信號。PN光RL

光PN光敏二極管精品資料光敏三極管有兩個PN結(jié)。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(zhǐyǒu)正負(fù)（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。光敏三極管精品資料2.外光電效應(yīng)(ɡuānɡdiànxiàoyìng)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)。外光電效應(yīng)器件有光電管、光電倍增管工作原理：利用外光電效應(yīng)，器件導(dǎo)電，在某一頻率以上的光照射(zhàoshè)下，電流大小與光照強度成正比。精品資料2.外光電效應(yīng)(ɡuānɡdiànxiàoyìng)電子逸出物體表面的條件是h>A。因此，對每一種(yīzhǒnɡ)光電陰極材料均有一個確定的光頻率閾值0（h0=A）。只有當(dāng)入射光頻率高于該閾值頻率時，才能引發(fā)電子（也稱光電子）發(fā)射。每個光子具有的能量是：

愛因斯坦光電效應(yīng)方程式：精品資料光電管：精品資料（1）光電管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、陽極，光陰極涂有光敏材料，當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shànɡshí)，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（E＞A），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。入射光的頻譜成分(chéngfèn)不變時，產(chǎn)生的光電子與光強成正比。精品資料主要(zhǔyào)用于：分光光度計、光電比色計等分析儀器和各種自動裝置。精品資料（2）光電倍增(bèizēnɡ)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。

光電倍增管是利用(lìyòng)二次電子釋放效應(yīng)，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(jìn)行放大。精品資料入射光陰極(yīnjí)K第一(dìyī)倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽極A精品資料3.光生(ɡuānɡshēnɡ)伏特效應(yīng)在光線作用下能使材料產(chǎn)生(chǎnshēng)一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為“光生伏特效應(yīng)”。光電池是基于光生伏特效應(yīng)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、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)時間短等。精品資料+++---PN光電池的作用原理：當(dāng)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(dǎo)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(diànzǐ)—空穴對。在PN結(jié)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(diànzǐ)被拉向N區(qū)。結(jié)果在N區(qū)便會積聚負(fù)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)。光電池精品資料光電池外形(wàixínɡ)光敏面精品資料光敏元件的基本(jīběn)特性1）光照(guāngzhào)特性精品資料2）伏安(fúān)特性：精品資料3）光譜(guāngpǔ)特性精品資料4）溫度(wēndù)特性精品資料5）頻率特性響應(yīng)時間常數(shù)(shíjiānchánɡshù)一般為：10-4s~10-5s適合快速(kuàisù)測量精品資料圖像(túxiànɡ)傳感器圖像(túxiànɡ)傳感器主要指的是CCD和CMOS這兩類固態(tài)圖像(túxiànɡ)傳感器CCD是電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice）的縮寫；CMOS是互補金屬氧化物半導(dǎo)體（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）CCD和CMOS使用的都是一種PN結(jié)半導(dǎo)體光敏感器，能夠?qū)⑷肷涔饩€的光子轉(zhuǎn)換成為與之?dāng)?shù)量成比例的電子。圖像傳感器被廣泛應(yīng)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(lǐng)域

精品資料2.9熱電式傳感器

熱電式傳感器是一種(yīzhǒnɡ)將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。常用的熱電阻、熱敏電阻和熱電偶溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電式傳感器稱為熱電阻，將溫度轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器稱為熱電偶。精品資料熱電阻熱電阻效應(yīng)：幾乎(jīhū)所有物質(zhì)的電阻都隨其本身溫度的變化而變化以熱電阻效應(yīng)為工作原理的溫度(wēndù)敏感元件稱為熱電阻式傳感器，或簡稱熱電阻。靈敏度

電阻與溫度關(guān)系精品資料熱電阻常用(chánɡyònɡ)的金屬熱電阻有：鉑熱電阻、銅熱電阻等鉑熱電阻值分別(fēnbié)為100Ω和50Ω（Pt100和Pt50）銅熱電阻有兩種初始電阻值，R0=50Ω和R0=100Ω,分度號分別為Ｃu50和Ｃu100精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度(wēndù)的變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度(wēndù)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。玻璃殼熱敏電阻引線（a）珠狀

（b）片狀

（c）桿狀

（d）墊圈狀優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可測點溫度；（2）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高（10倍）；（3）電阻率高、熱慣性小、適宜動態(tài)測量。精品資料聚脂塑料(sùliào)封裝熱敏電阻熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的應(yīng)用精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)體溫表精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)用于CPU的溫度測量精品資料熱電偶熱電效應(yīng)(rèdiànxiàoyìng)將兩種不同(bùtónɡ)材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同(bùtónɡ)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(yīng)。精品資料T：熱端；T0：冷端溫差電動勢EAB=ABT，T=T-T0AB稱為(chēnɡwéi)溫差電動勢率靈敏度取決于AB，也就取決于兩種不同材料的搭配EABTT0i恒溫(héngwēn)精品資料熱電偶測溫基本定律1)中間溫度定律熱電偶AB的熱電勢僅取決于熱電偶的材料和兩個結(jié)點的溫度，而與溫度沿?zé)犭姌O的分布以及熱電極的參數(shù)和形式(xíngshì)無關(guān)。精品資料熱電偶測溫基本定律2)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端(liǎnɡduān)的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。精品資料3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律兩種導(dǎo)體(dǎotǐ)A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：精品資料測量(cèliáng)平均溫度（熱電偶并聯(lián)）儀表缺點：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時，不易(bùyì)察覺。這種并聯(lián)熱電偶可用于測量平均溫度精品資料測量(cèliáng)幾點溫度之和（熱電偶串聯(lián)）儀表把幾個相同型號的熱電偶串聯(lián)在一起，又稱熱電堆。所有測量端處于同一(tóngyī)溫度T之下，所有連接點處于另一溫度T0之下，輸出電動勢是每個熱電動勢之和精品資料普通裝配(zhuāngpèi)型熱電偶外形安裝(ānzhuāng)螺紋安裝法蘭精品資料2.10計數(shù)(jìshù)編碼類傳感器將轉(zhuǎn)換后的電量按開關(guān)量（或脈沖）計數(shù)(jìshù)或編碼等數(shù)字形式輸出，從而提高了傳感器的抗外界干擾能力包括感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、光電編碼器等精品資料感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是基于(jīyú)電磁感應(yīng)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(yīng)同步器，測量角位移的稱為圓感應(yīng)同步器。精品資料精品資料光柵(guāngshān)傳感器1、莫爾條紋與光柵(guāngshān)測量方程光柵莫爾條紋的形成式中：N為條紋變化數(shù)，W為柵距，1、2為起點和終點不足一個柵距的部分。光柵測量方程莫爾條紋寬度BH

式中：——兩光柵夾角（rad）

W——光柵柵距（mm）

BH——莫爾條紋寬度（mm）。精品資料2、莫爾條紋(tiáowén)的類型橫向莫爾條紋光閘莫爾條紋斜向莫爾條紋3、莫爾條紋(tiáowén)的性質(zhì)莫爾條紋移動與光柵運動有對應(yīng)關(guān)系莫爾條紋具有位移放大作用莫爾條紋具有誤差平均效應(yīng)精品資料4、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)組成光柵傳感器的結(jié)構(gòu)組成1-光源2-聚光透鏡(tòujìng)3-主光柵4-指示光柵5-光電元件6-莫爾條紋7-光強分布精品資料磁柵傳感器1、概念(gàiniàn)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(dá)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。精品資料光電編碼器

絕對(juéduì)式光電編碼器工作原理編碼器又稱碼盤，是一種數(shù)字式角位移傳感器。其優(yōu)點(yōudiǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，在空間技術(shù)、數(shù)控機械系統(tǒng)等方面有廣泛應(yīng)用。按其工作原理可分為電觸式、電容式、感應(yīng)式、光電式等。光電編碼器有增量式和絕對式兩種。精品資料光電編碼器

絕對式光電編碼器工作(gōngzuò)原理精品資料本章(běnzhānɡ)小結(jié)傳感器概