電能量傳感器

CH5電能量型傳感器5.1熱電偶5.2壓電式傳感器5.3磁電式傳感器5.4光電傳感器5.1熱電偶熱電偶：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路 當(dāng)兩個(gè)接觸端溫度不同時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩種材料的接觸電勢(shì)和單一材料的溫差電勢(shì)決定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1.接觸電勢(shì)Peltier電勢(shì)2.溫差電勢(shì)δ——湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。溫差電勢(shì)（Thomson電勢(shì)）熱電勢(shì)熱電勢(shì)是T和T0的溫度函數(shù)的差。當(dāng)T0=0℃時(shí)，f(T0)=c則有：E與T之間有唯一對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此可以用測量到的熱電勢(shì)E來得到對(duì)應(yīng)的溫度值T，5.1.2熱電偶的基本定律1)勻質(zhì)導(dǎo)體定律2)中間導(dǎo)體定律3)連接導(dǎo)體定律1)勻質(zhì)導(dǎo)體定律由一種勻質(zhì)導(dǎo)體所組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積如何及導(dǎo)體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，在不均勻溫度場中測溫時(shí)將造成測量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一。2)中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入另一種導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體C，只要中間導(dǎo)體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動(dòng)勢(shì)不受中間導(dǎo)體接入的影響。3)連接導(dǎo)體定律（中間溫度定律）把熱電極與其他導(dǎo)體連接構(gòu)成熱電偶回路當(dāng)A與A’，B與B’材料分別相同時(shí)熱電偶的串聯(lián)uT1T2T3T0T0ABABBA熱電偶的并聯(lián)uT1T2T3T0T0ABCDEF例1用J型熱電偶測量一爐壁溫度，假設(shè)參比端溫度為0℃，測得的熱電勢(shì)E=4.725mV，則測量端的溫度是多少。熱電偶分度表是熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表，它給出了當(dāng)參考端為0.00C時(shí)，熱電偶對(duì)應(yīng)于不同溫度的輸出電壓。解：查J型熱電偶分度表有E（90，0）=4.726mV，近似為4.725mV，所以測量端溫度為90℃。S型熱電偶（鉑銠10-鉑）分度表例2用S型熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度T0=30℃，測得的熱電勢(shì)E(T，Tn)=7.502mV，求測量端實(shí)際溫度T。解：根據(jù)連接導(dǎo)體定律已知Tn=30℃,查分度表有E(30，0)=0.173mV反查分度表7.675在830和840之間，測量端實(shí)際溫度=830+10*0.002/0.146=831.4℃5.1.3熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定，通過測量熱電勢(shì)的大小得到熱端的溫度。熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償

當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，必須首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。幾種冷端處理方法

1.補(bǔ)償導(dǎo)線法2.熱電偶冷端溫度恒溫法3.計(jì)算修正法4.冷端補(bǔ)償電橋法1.補(bǔ)償導(dǎo)線法組成：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線功能：其一實(shí)現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了測量成本。補(bǔ)償導(dǎo)線又分為延長型和補(bǔ)償型兩種延長型：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲的名義化學(xué)成分及熱電勢(shì)標(biāo)稱值與配用的熱電偶相同，用字母“Ｘ”附在熱電偶分度號(hào)后表示，補(bǔ)償型：其合金絲的名稱化學(xué)成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢(shì)值在100℃以下時(shí)與配用的熱電偶的熱電勢(shì)標(biāo)稱值相同，有字母“C”附在熱電偶分度號(hào)后表示，

補(bǔ)償導(dǎo)線的型號(hào)、線芯材質(zhì)和絕緣層著色

補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)配用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的線芯材料絕緣層著色正極負(fù)極SC或RC鉑銠10（鉑銠）-鉑SPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KC鎳鉻-鎳硅KPC（銅）KNC（銅鎳）紅藍(lán)KX鎳鉻-鎳硅KPX（銅鎳）KNX（鎳硅）紅黑NX鎳鉻硅-鎳硅NPS（銅鎳）NNX（鎳硅）紅灰EX鎳鉻-銅鎳EPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕JX鐵-銅鎳JPX（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TX銅-銅鎳TPX（銅）TNX（銅鎳）紅白2.計(jì)算修正法在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是0oC，而是環(huán)境溫度，這時(shí)測量出的回路熱電勢(shì)要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點(diǎn)之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢(shì)后才能符合熱電偶分度表的要求。

因?yàn)榄h(huán)境溫度一般在0~50oC間，可用半導(dǎo)體溫度傳感器測出環(huán)境溫度T1，再從分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢(shì)E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表可得到準(zhǔn)確的被測溫度值。這是目前智能化熱電偶測溫儀的常用方法。3.熱電偶冷端溫度恒溫法（冰浴法）適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測量和檢定熱電偶時(shí)使用。4.冷端電路補(bǔ)償法利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值

例6.2下圖是利用正溫度系數(shù)的熱敏電阻對(duì)參考結(jié)點(diǎn)進(jìn)行電子補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲囟葴y量電路.圖中熱電偶為J型熱電偶,熱敏電阻的材料常數(shù)B=3546K,25°C時(shí)的電阻值為10kΩ,如果電橋供電電壓是1.35V,試確定其他電阻的阻值.解:假設(shè)補(bǔ)償電橋的產(chǎn)生的電壓為Vb,整個(gè)電路輸出電壓可以寫成:要使環(huán)境溫度對(duì)測量不產(chǎn)生影響,則V=VT根據(jù)中間導(dǎo)體定律,其中,k是熱電偶在10~40°C范圍內(nèi)的靈敏度,為52uV/°C,補(bǔ)償電橋的輸出電壓為:其中電橋靈敏度要求當(dāng)T=25時(shí),dVb/dT=k,則另外,要求在此溫度下,電橋輸出電壓等于參考結(jié)點(diǎn)電壓,即如果取R=100Ω,可以求出R1=22097Ω,R2/R3=2.15x10-25.1.4熱電偶的應(yīng)用標(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際和國家標(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。國際電工委員會(huì)（IEC）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。除標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶外，還有針對(duì)特殊應(yīng)用開發(fā)的非標(biāo)熱電偶。表5.1.2標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號(hào)熱電極識(shí)別E（100,0）（mV）測溫范圍（℃）對(duì)分度表允許偏差（℃）新極性識(shí)別長期短期等級(jí)使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃負(fù)亮白柔軟＞600±0.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃負(fù)柔軟＞1100±0.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃負(fù)稍軟＞800±0.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t負(fù)稍親磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t負(fù)稍親磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠9.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t負(fù)亮黃Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t負(fù)銀白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t負(fù)不親磁

熱電偶結(jié)構(gòu)型式為保證熱電偶的正常工作，熱電偶的兩極之間以及與保護(hù)套管之間都需要良好的電絕緣，而且耐高溫、耐腐蝕和沖擊的外保護(hù)套管也是必不可少的。

1.普通型裝配式結(jié)構(gòu)

2.柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)1.普通型裝配式結(jié)構(gòu)（a）1—接線柱；2—接線座；3—絕緣套管；4—熱電極（b）1—測量端；2—熱電極；3絕緣套管；4—保護(hù)管；5—接線盒2.柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)測量端的熱容量小，響應(yīng)速度快，繞性好，可彎曲，可以安裝在狹窄或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測量場合，耐壓、耐振、耐沖擊5.1熱電偶傳感器5.2壓電式傳感器5.3磁電式傳感器5.4光電傳感器CH5電能量型傳感器PartII傳感器與信號(hào)調(diào)理特點(diǎn)5.2壓電式傳感器電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)電荷力壓電效應(yīng)TE+x壓電效應(yīng)_y逆壓電效應(yīng)圖4-16壓電效應(yīng)原理示意圖5.2.1壓電式傳感器的工作原理1、石英晶體壓電效應(yīng)電軸（X軸）：穿過六棱柱的棱線，垂直于Z軸（光軸）。垂直于此軸面上的壓電效應(yīng)最強(qiáng)。(1)石英晶體的結(jié)構(gòu)機(jī)械軸（Y軸）：垂直于棱柱面。

在電場沿X向作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最大。光軸（Z軸）：垂直于XY。光線沿該軸通過石英晶體時(shí)，無折射，在此方向加外力，無壓電效應(yīng)現(xiàn)象。石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝(2)、力與電荷的關(guān)系

當(dāng)在電軸方向施加作用力時(shí),在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷,其大小為

qx=d11fx

產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸無關(guān)?？v向壓電效應(yīng)。

沿機(jī)械軸y方向施加作用力fy,則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qx,其大小為式中:d12——y軸方向受力的壓電系數(shù),d12=－d11;a、b——晶體切片長度和厚度。產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)。此壓電效應(yīng)為橫向壓電效應(yīng)。2、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷外形

壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。（1）未加電場電疇圖4-20(a)極化處理前自發(fā)極化晶體極化取向一致的微小區(qū)域。直流電場E(b)極化處理中（2）加電場（極化處理）（20～30kV/cm的直流電場）電疇的極化方向轉(zhuǎn)向，基本與電場方向一致。

剩余極化強(qiáng)度，材料具備壓電性能。剩余極化強(qiáng)度剩余伸長(c)極化處理后

（3）去除電場束縛電荷電極自由電荷圖4-21（a）壓電陶瓷內(nèi)束縛電荷與吸附自由電荷示意圖Z陶瓷極化的兩端的束縛電荷與在陶瓷片的電極表面吸附一層外界的自由電荷方向相反，數(shù)值相等。當(dāng)壓電陶瓷受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，剩余極化強(qiáng)度將發(fā)生變化，吸附在其表面的部分自由電荷被釋放。釋放的電荷量的大小與外力成正比關(guān)系，即q=d33F

（3）壓電陶瓷力與電荷的關(guān)系圖4-21（b）正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向－＋5.2.2壓電元件的等效電路及連接方式1、壓電元件的等效電路壓電元件看成一個(gè)靜電發(fā)生器，可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器。＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體Ca圖4-22（a）壓電傳感器等效電路

(a)電荷源(b)電壓源圖4-22(b)壓電傳感器等效電路等效電路2、連接方式

并聯(lián)方式

輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，適合測慢變信號(hào)，以電荷為輸出的場合。（a)并聯(lián)結(jié)構(gòu)

(b)串聯(lián)結(jié)構(gòu)串聯(lián)方式

輸出電壓大，電容、時(shí)間常數(shù)小，適合以電壓為輸出，高輸入阻抗的場合。5.2.3壓電式傳感器的測量電路將壓電傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。前置放大器的作用1)電壓放大器電路。其輸出電壓與輸入電壓成正比.2)電荷放大器電路其輸出電壓與輸入電荷成正比。測量電路的形式－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiU0U0Ua(a)(b)Ua1、電壓放大器圖4-24電壓放大器電路原理及其等效電路圖電壓放大電路輸入端等效放大電路1、電壓放大器壓電元件受到交變力在力的作用下產(chǎn)生的電壓按正弦規(guī)律變化送入放大器輸入端的電壓為輸入端的電壓的幅值是相位差是傳感器的靈敏度為1、壓電傳感器不宜測量靜態(tài)量，適宜測高頻動(dòng)態(tài)量。使用時(shí)應(yīng)該注意的問題2、電纜不宜過長，否則，CC加大，使傳感器的電壓靈敏度下降。3、要使電壓靈敏度為常數(shù)，應(yīng)使壓電片與前置放大器的連接導(dǎo)線為定長，以保證CC不變。4、測量低頻信號(hào)，應(yīng)增大前置放大器的輸入電阻，使測量回路的時(shí)間常數(shù)增大，保證有較高的靈敏度。2、電荷放大器凈輸入電荷-ACfC總電荷輸出電壓為電荷放大器的特點(diǎn)是輸出電壓與電纜電容CC無關(guān)，即與電纜長度無關(guān)。且與輸出電荷成正比。5.2.4壓電式傳感器的應(yīng)用連接方式：采用并聯(lián)接法。1、壓電式加速度傳感器要求：為使壓電片電荷與力之間成線性關(guān)系，壓電片需有一定的預(yù)壓力，保證接觸面均勻接觸。（1）結(jié)構(gòu)

圖4-26壓電式加速度傳感器工作原理框圖質(zhì)量塊m壓電元件d,k前置放大Au,Aq提高靈敏度的措施采用較大的壓電常數(shù)的材料。多片壓電片組合。（2）工作原理5.1熱電偶傳感器5.2壓電式傳感器5.3磁電式傳感器5.4光電傳感器CH5電能量型傳感器PartII傳感器與信號(hào)調(diào)理磁電式動(dòng)圈式磁阻式線速度型角速度型5.3磁電式傳感器霍爾傳感器5.5.1.1

磁電式傳感器的工作原理

1、恒磁通磁電傳感器工作原理：法拉第電磁感應(yīng)定律感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線速度或角速度成正比。圖4-30磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖加積分電路可測位移（振幅）；加微分電路可測加速度。RCCRU0eU0e圖4-31(a)積分電路圖4-31(b)微分電路總結(jié)恒磁通式磁電傳感器特點(diǎn)角速度型測速發(fā)電機(jī)動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器1、8-彈簧片2-環(huán)形阻尼器3-永久磁鐵4-鋁框5-芯軸6-工作線圈7-殼體9-引線2、變磁通磁電傳感器結(jié)構(gòu)分類：開磁路和閉磁路。應(yīng)用：測量物體轉(zhuǎn)速。（1）開磁路式磁電傳感器工作原理圖4-32開磁路磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凹凸引起磁阻的變化，使磁通變化，在線圈中感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)速為（4-33）

（r/min）（2）閉磁路式磁電傳感器工作原理圖4-33磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器磁路系統(tǒng)：磁鐵N極→轉(zhuǎn)軸→轉(zhuǎn)子→轉(zhuǎn)定子空氣隙→定子→磁鐵S極。測量時(shí)，當(dāng)定子與轉(zhuǎn)子齒凸凸相對(duì)時(shí)，氣隙最小，磁阻最小，磁通最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子的齒凸凹相對(duì)時(shí)，氣隙最大，磁阻最大，磁通最小。磁阻周期性變化導(dǎo)致磁通周期性地變化，在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，測得感應(yīng)電勢(shì)的頻率即可算出轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)子和定子的環(huán)形端部都均勻銑出等間距的一些齒和槽。要求工作原理（r/min）磁電式車速傳感器3、磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性磁電式傳感器可等效成質(zhì)量-彈簧-阻尼二階機(jī)械系統(tǒng)。m圖4-34磁電傳感器等效機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為傳遞函數(shù)為頻域特性幅頻特性相頻特性合理選取m、c、K，可以提高傳感器的動(dòng)態(tài)特性

5.5.1.2霍爾傳感器1、霍爾傳感器的工作原理1）霍爾效應(yīng)

bIdUHfEvfl圖4-35霍爾效應(yīng)原理圖B

當(dāng)磁場垂直于薄片時(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（2）霍爾效應(yīng)輸出電壓表達(dá)式推導(dǎo)

洛倫茲力正負(fù)電極之間形成電勢(shì)為霍爾電勢(shì)。T1：提高靈敏度的措施？T2：為何用半導(dǎo)體材料做霍爾元件？霍爾集成電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負(fù)載電阻，可以是放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻?；魻栃?yīng)建立的時(shí)間極短（10-12～10-14S），I、即可以是直流，也可以是交流。圖4-36霍爾元件基本電路2、霍爾元件基本電路3、霍爾元件的誤差與補(bǔ)償產(chǎn)生誤差的原因：一是制作工藝、制作水平的限制。二是外界溫度的影響。（1）不等位電勢(shì)U0及其補(bǔ)償

B=0，I≠0，UH=U0≠0。U0為不等位電勢(shì)?，F(xiàn)象產(chǎn)生原因：①霍爾電極、激勵(lì)電極焊接不在等位面上。②制作材料不均勻。結(jié)果等效的極間電阻R1、R2、R3、R4不相等。不等位電勢(shì)補(bǔ)償方法：在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻,使R1R4=R2R3

。使靈敏度系數(shù)KH及霍爾元件內(nèi)阻Ri變化。（2）霍爾元件溫度誤差及補(bǔ)償

當(dāng)溫度變化時(shí),霍爾元件的載流子濃度n、遷移率μ、電阻率ρ及系數(shù)KH都將發(fā)生變化,致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。溫度誤差產(chǎn)生原因溫度誤差影響結(jié)果恒流源：B、I一定，KHt變化，UH變化；恒壓源：B、Ui一定時(shí)，Rit變化，I變化，UH亦變化。溫度變化時(shí)對(duì)測量結(jié)果的影響補(bǔ)償思想H圖4-38并聯(lián)電阻溫度補(bǔ)償電路補(bǔ)償方法采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻溫度時(shí)溫度為t時(shí)為了使霍爾電勢(shì)不隨溫度而變化，必須保證補(bǔ)償原理4、霍爾元件的類型（1）線性霍爾元件圖4-39線性霍爾器件電路圖4-40開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路（2）開關(guān)型霍爾元件5、霍爾式傳感器的應(yīng)用（1）霍爾式位移傳感器①霍爾元件右移,Δx>0，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度B向上,B≠0，UH>0②霍爾元件左移，Δx<0，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度B向下,B≠0，UH<0。圖4-41霍爾位移傳感器電路（2）電流傳感器

當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測?；魻栥Q形電流表演示直流200A量程被測電流的導(dǎo)線未放入鐵心時(shí)示值為零70.9A70.9A被測電流的導(dǎo)線放入鐵心時(shí)示值為70.9A。（3）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

在電子水表、煤氣表中作為流量檢測元件。車速測量。原理式

霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器案例：汽車速度測量5.1熱電傳感器5.2壓電傳感器5.3磁電傳感器5.4光電傳感器CH5電能量型傳感器PartII傳感器與信號(hào)調(diào)理NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen97光電檢測的特點(diǎn)非接觸測量、精度高、可靠性高、反應(yīng)快。5.4光電傳感器NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen98光電探測元件光電管光電倍增管硅光電池(photovoltaiccell)光電二極管和光電三極管其它(光敏電阻,光電開關(guān))光電二極管陣列光電位置傳感器(positionsensitivedetector)光電成像器件(e.g.CCD,CMOS)NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen99

Inthephotoelectriceffect,electronsareemittedfrommatter(metalsandnon-metallicsolids,liquidsorgases)asaconsequenceoftheirabsorptionofenergyfromelectromagneticradiation(電磁輻射）ofveryshortwavelength,suchasvisibleorultraviolet

light.

外光電效應(yīng)5.4.1外光電效應(yīng)與器件光子的能量：E=hf,h=6.62*10-34(J.S)光電光電效應(yīng)方程：

hf=mv2/2+A0NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen100光電管(Phototube)

分為真空光電管(vacuumtube)和充氣光電管(gas-filledtube).

真空光電管一般由陰極(cathode),陽極(anode)和真空玻璃管(vacuumtube)組成。

5.4.1外光電效應(yīng)與器件NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen101光電倍增管（PMT）PMTareextremelysensitivedetectorsoflightintheultraviolet,visible,andnear-infraredrangesoftheelectromagneticspectrum.當(dāng)陰極受到光線照射后發(fā)射出光電子,光電子在極間電場的作用下打在第一個(gè)倍增極上(Dynode)，激發(fā)出多個(gè)光電子,這些光電子接著打到第二個(gè)倍增極,產(chǎn)生更多的光電子,如此經(jīng)過幾個(gè)倍增極后，電子流迅速增大,最后被陽極吸收,從陽極電路輸出。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen103

入射光子在物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，這些光生載流子引起物質(zhì)電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為內(nèi)量子效應(yīng)。如光電導(dǎo)效應(yīng)(photoconductiveeffect)，光生伏特效應(yīng)(photovoltaiceffect)。光電導(dǎo)效應(yīng)

半導(dǎo)體吸收光子的能量，通過本征激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這時(shí)在外電場作用下通過的電流會(huì)增大,即半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大。典型器件有光敏電阻。5.4.2內(nèi)光電效應(yīng)與器件NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen104

無光照時(shí),PN結(jié)內(nèi)存在一個(gè)自建電場.當(dāng)光照射PN結(jié)及其附近時(shí)，在結(jié)區(qū)附近產(chǎn)生少數(shù)載流子，這些載流子在自建場的作用下分別向P區(qū)和N區(qū)移動(dòng)，在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生附加光勢(shì)壘，即光生電勢(shì)。這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)(photo-voltaiceffect)遷移區(qū)域P型N型導(dǎo)帶價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)PN結(jié)的光電效應(yīng)hv光生伏特效應(yīng)的入射光臨界波長決定于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen105光電效應(yīng)存在臨界波長。臨界波長由材料的禁帶寬度決定。以硅光敏傳感器為例，硅的禁帶寬度Eg=1.11eV,1eV=1.6*10-19焦耳。所以硅敏傳感器的臨界波長為：而CdS的禁帶寬度Eg=2.42eV，其臨界波長為：NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen106

光電池廣泛用于光電轉(zhuǎn)換、光探測和光能應(yīng)用領(lǐng)域。有硒光電池，硅光電池，硫化銀光電池等。其中硅光電池目前最為常見。硅光電池峰值波長為0.8um。有2DR型和2CR型。

2DR型：基片是P型硅，上面擴(kuò)散磷形成N型薄膜， 受光面是N型層；

2CR型：N型基片，上面擴(kuò)散有硼形成P型層，受光面 為P型層。P型層基片電極N型層PN結(jié)柵狀電極2DR型光電池(Photovoltaiccell)N型層基片電極P型層PN結(jié)柵狀電極2CR型NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen107RFVo硅光電池工作電路硅光電池工作時(shí)不需要外加偏置電壓，使用比較方便。缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen109

國產(chǎn)硅光敏二極管有2CU和2DU兩種系列。2CU以N型硅為基底，2DU型以P型硅為基底。 半導(dǎo)體材料采用硅。Eg=1.12eV管芯電極NP管芯斷面光敏二極管(photodiode)RL普通光敏二極管的基本結(jié)構(gòu)NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen110光敏二極管的特性光照特性反向電壓/V2500lux2000lux1500lux1000lux1000lux25015010050200102030光電流uA151052050100150200照度/lxNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen111國產(chǎn)光敏二極管的特性NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen112帶運(yùn)放的接口電路+12V--+Rf0.1uF10uFR1R2基于BJT的接口電路NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen113--+U=Is*RfcfRfLF411CN不加反向偏壓的光電管的電流檢測工作方式NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen114具有高帶寬的光敏二極管互阻放大接口電路NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen115PIN型光敏二極管(PINphotodiode)PIN-PD在P區(qū)和N區(qū)中間加入一個(gè)本征的I區(qū),I層是高阻區(qū)，外加偏壓大部分落在I區(qū)，使耗盡區(qū)(depletionregion)變寬，增大了光電轉(zhuǎn)換的有效區(qū)域,提高了靈敏度；耗盡區(qū)變寬,增加了二極管的反向阻抗,從而保證二極管有一個(gè)較高的反向擊穿電壓；耗盡區(qū)變寬使PN結(jié)的結(jié)電容減小,可以提高器件的響應(yīng)速度。N+光IP+NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen116材料摻雜均勻，PN結(jié)面積較大，減少表面漏電流。原理在一個(gè)較高的反向偏置電壓作用下，光生載流子在強(qiáng)電場作用下，加速運(yùn)動(dòng)，碰撞產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，使輸出信號(hào)倍增。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高；缺點(diǎn)：對(duì)溫度特別敏感，每個(gè)APD放大倍數(shù)各不相同。雪崩二極管APD(Avalanchephotodiode)P光N+Al電極（+）-SO2NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen117RFVo過壓檢測和保護(hù)電路高反壓電源（帶溫度補(bǔ)償功能）限流電阻（1M歐以上）APDAPD接口電路的基本形式NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen118

光電三極管有NPN型和PNP型。結(jié)構(gòu)與三極管相似，具有電流增益。只是發(fā)射極很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且基極沒有引出線。國產(chǎn)硅光三極管有3CU（PNP）和3DU（NPN）系列。NNPcbeecbec光電三極管(photo-transistor)結(jié)構(gòu)原理圖符號(hào)光耦光電耦合器件是由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號(hào)的電-光-電轉(zhuǎn)換器件。光電開關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號(hào)的器件。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen122

利用光刻技術(shù)，將一整塊的圓形或方形光敏器件敏感面分成若干個(gè)面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱的區(qū)域，各分隔面引出導(dǎo)線，就構(gòu)成象限探測器。功能用來確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。典型器件 四象限光電二極管，四象限硅光電池，四象限光電倍增管等。缺點(diǎn)分辯率和精度有限，存在測量死區(qū)。四象限探測器NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen123 PSD(PositionSensitiveDevice)可以輸出與入射光點(diǎn)在光敏感面上的位置相關(guān)的電信號(hào)，而且能同時(shí)輸出入射光的光強(qiáng)。其精度和分辨率都較象限探測器高。光電位置傳感器(PSD)NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen124P層I層N層123I2I1I0LL左圖為PIN型PSD的斷面示意圖，包含有三層。P層既是光敏層，也是一個(gè)均勻的電阻層。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen125入射光在入射位置產(chǎn)生與光能成比例的電荷數(shù)。電荷作為光電流通過電阻層由電極輸出。電極1和電極2的輸出電流分別與光點(diǎn)到各電極的距離成反比。電極3處于中心點(diǎn)位置，其電流等于電極1和電極2的電流和。P層I層N層123I2I1I0LLXANorthChinaUniversityofTechnology/XuFen126One-dimensionPSD如S1545,用來測量光點(diǎn)在一維方向上的位置。感光面一般為細(xì)長矩形條。其等效電路如左圖所示。入射光點(diǎn)的位置計(jì)算如下1RDRshIpVDCj23NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen127Two-dimensionPSD用來測量光點(diǎn)在平面上的二維坐標(biāo)。感光面是方形的。有兩對(duì)電極，在上下兩個(gè)表面上，互相垂直。其等效電路如左圖所示。入射光點(diǎn)的位置計(jì)算如下RDRshIpVDCj12RD343124NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen128

光敏管陣列將多個(gè)光敏管集成在一個(gè)硅片上，各管的同一極端連接在一起，另一端各自單獨(dú)引出。陣列中的每一個(gè)光電管成為像元。每個(gè)像元有獨(dú)自的信號(hào)處理和放大電路。光敏陣列(Photodetectorarray)NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen129

當(dāng)光敏管中的像元數(shù)目較多時(shí)，一般采用自掃描光電二極管陣列(SSPD)。SSPD內(nèi)部集成了數(shù)字移位寄存器等電路。其工作方式為電荷存儲(chǔ)方式，通過對(duì)結(jié)電容的不斷充電、放電，輸出該像元上的光照度大小。NPSiO2柵極漏極源極Al膜左圖為SSPD像元的結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)類似于普通的MOSFET,但其氧化層部分裸露，以便光線透過氧化層照射到PN結(jié)上。P型層與N硅襯底之間形成一個(gè)PN結(jié)型光電二極管。Xi’anJiaotongUniversity

圖像傳感器圖像傳感器是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，分為真空管圖像傳感器和半導(dǎo)體圖像傳感器。其中半導(dǎo)體固態(tài)圖像傳感器可以在一個(gè)器件上完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、傳輸和處理。半導(dǎo)體圖像傳感器類型電荷耦合器件（CCD）互補(bǔ)式金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）型NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen131P-SiSiO2金屬UgMOSCapacitorCCD結(jié)構(gòu)示意圖P-Si輸入柵輸出柵CCD的基本單元是像素。每個(gè)像素由光敏區(qū)和電荷輸出區(qū)組成。光敏區(qū)越大，則填充因子大，像素靈敏度越高。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen132MOSCapacitor123412341234耗盡層反型層半導(dǎo)體氧化物金屬電子能量耗盡層(勢(shì)阱）1-導(dǎo)帶底能量Ec2-禁帶中央能級(jí)Ei3-費(fèi)米能級(jí)Ef4-價(jià)帶頂能級(jí)Ev不同偏置下理想MOS結(jié)構(gòu)能帶圖CCD是在MOS電容器未達(dá)到熱平衡之前，利用深耗盡區(qū)來存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信號(hào)。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen133CCD的電極結(jié)構(gòu) 電極即MOS結(jié)構(gòu)的柵極，每位的電極數(shù)稱為‘相’。電極結(jié)構(gòu)有二相、三相、四相，分別需要二相、三相、四相驅(qū)動(dòng)時(shí)序。三相驅(qū)動(dòng)CCD

當(dāng)柵極處于高電平控制時(shí)，其下的勢(shì)阱很深，信號(hào)電荷儲(chǔ)存其中，當(dāng)柵極由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，勢(shì)阱變淺，信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移。如此在三相時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，信號(hào)電荷逐漸從一個(gè)柵極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)柵極。 完成信號(hào)電荷從第一位傳到第二位，需要一個(gè)時(shí)鐘周期。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen135

線陣CCD

分單通道型和雙通道型。在單通道型中，移位寄存器分布在光敏區(qū)的一側(cè)，轉(zhuǎn)移次數(shù)多。在雙通道型中，移位寄存器分排在光敏區(qū)的兩側(cè)，在相同光敏單元數(shù)情況下，轉(zhuǎn)移次數(shù)減小一半，因此轉(zhuǎn)移效率更高。從應(yīng)用方面來劃分，CCD有線陣(lineararray)和面陣(areaarray)兩大類。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen136面陣CCD

面陣CCD的結(jié)構(gòu)形式主要有幀轉(zhuǎn)移(FrameTransfer)和行間轉(zhuǎn)移(InterlineTransfer)方式。FT型CCD包括光敏區(qū)、暫存區(qū)和轉(zhuǎn)移區(qū)。暫存區(qū)與光敏區(qū)結(jié)構(gòu)相同，但是覆蓋有金屬層遮光。在感光時(shí)間結(jié)束后，敏感區(qū)的信號(hào)一次平移到暫存區(qū)，敏感區(qū)可以開始另一次積分，而暫存區(qū)的信號(hào)則逐行地轉(zhuǎn)移到水平輸出寄存器，由輸出寄存器一行一行地輸出。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen137

在InterlineTransferCCD圖象傳感器中，每列光敏單元的右邊是一個(gè)垂直移位寄存器，光敏元與轉(zhuǎn)移單元間一一對(duì)應(yīng)，之間的轉(zhuǎn)移由轉(zhuǎn)移柵控制。底部是一個(gè)水平輸出寄存器，單元數(shù)等于垂直寄存器個(gè)數(shù)。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen138CCD芯片不能區(qū)分不同光譜的顏色，為了區(qū)分光譜的RGB三基色，常采用兩種方式：1）三CCD結(jié)構(gòu)：利用三棱鏡組將圖像分為RGB三基色圖像，分別投影到三片CCD芯片上。圖片質(zhì)量高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen1392）彩色濾波陣列—Bayer濾波器模式彩色濾波馬賽克；犧牲分辨率，簡化結(jié)構(gòu)，降低價(jià)格；通過反馬賽克算法從Bayer模式圖像恢復(fù)出RGB模式圖像。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen140CCD長寬比為4：3，常見規(guī)格有：Xi’anJiaotongUniversity1.響應(yīng)度（靈敏度）：光電轉(zhuǎn)換效率，輸出電信號(hào)與輸入光信號(hào)能量之比；與入射光波長有關(guān)，因此分為光譜響應(yīng)度（對(duì)特定波長入射光）和積分響應(yīng)度（對(duì)連續(xù)波長輻射光）；2.光譜特性：響應(yīng)度與入射光頻率或波長的關(guān)系（光譜峰值）；

CCD硅晶片對(duì)400nm至1060nm的光波都很敏感，為使CCD和人眼對(duì)外界圖像的感應(yīng)盡可能一致，常在CCD前方加入紅外濾波器（Infra-RedFilter）。在機(jī)器視覺中，可將IR濾波器去掉，或加入特定光譜濾波器，制成紅外光感應(yīng)器。CCD的基本特性參數(shù)Xi’anJiaotongUniversityCCD的光譜特性Xi’anJiaot