第2章 典型傳感器

第2章典型傳感器2.1溫度傳感器2.2壓電式傳感器2.3光電傳感器2.4紅外傳感器2.5氣體傳感器2.6速度傳感器2.7數(shù)字傳感器

2.1溫度傳感器

熱敏傳感器是一種比較典型的溫度傳感器,它可以將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號,其轉(zhuǎn)換器件又可以分為有源和無源兩種類型。有源轉(zhuǎn)換器是基于熱釋電效應、熱電效應或半導體結(jié)效應等的原理制作而成的,無源轉(zhuǎn)換器則是利用電阻的熱敏特性進行感知和測量的。

2.1.1溫度傳感器類型

1.熱電偶傳感器

電子論觀點認為,在金屬和半導體中,電流、熱流的形成都與電子的運動有關(guān),所以電位差、溫度差會導致電流、熱流的產(chǎn)生,電流、熱流之間的交叉關(guān)聯(lián)就構(gòu)成了熱電效應。熱電偶傳感器就是基于熱電效應理論設(shè)計制作的,通常滿足以下幾個基本定律。

(1)均質(zhì)導體定律。

當同一種均質(zhì)材料(導體或半導體)兩端焊接組成閉合回路時,導體截面和溫度分布的任何變化都不會產(chǎn)生接觸電勢,溫差電勢相互抵消,使得回路中的總電勢為零。

(2)中間導體定律。

在保證插入導體的兩端溫度相等的條件下,假設(shè)在熱電偶回路中插入多種均質(zhì)導體,插入導體的溫度分布情況對原始熱電偶回路的總電勢不會產(chǎn)生影響,這就是熱電偶的中間導體定律。

(3)標準熱電極定律。

任何兩種不同材料的熱電極都可以組成熱電偶,一般可以通過實驗的方法計算熱電勢與溫度之間的映射關(guān)系。標準熱電極定律是指,如果選定了某一熱電極,分別與其他熱電極進行配對組成不同的熱電偶,并計算出相應的熱電勢,那么當其他熱電極之間重新配對組成新的熱電偶時,該熱電偶的熱電勢值就可以利用相互之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換求得。

(4)中間溫度計算定律。

設(shè)熱電偶兩個電極A、B的測量溫度為(T,T0),則熱電勢可以由兩個電極溫度分別為(T,Tn)和(Tn,T0)時對應的熱電勢計算求得,如公式(2-1)所示:

2.熱電阻傳感器

熱電阻傳感器與熱電偶傳感器均屬于溫度測量中比較常見的接觸式測溫裝置,但是二者的測溫原理和特點卻不同。

熱電阻傳感器的測溫原理是,利用導體或半導體的電阻值會隨著溫度的升高而增大的特性來進行溫度信息感知,建立電阻值與溫度間的映射關(guān)系,這樣溫度就可以通過電阻值

計算求得。電阻值與溫度的關(guān)聯(lián)原理其實也不難理解,溫度升高會加劇金屬材料內(nèi)部原子晶格的振動,增加金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體的阻力,進而導致電阻率的升高以及

總電阻值的增大。

(1)鉑電阻。

鉑電阻的電阻值與溫度之間的關(guān)系會隨著溫度的變化而變化,鉑電阻具有測溫范圍寬、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但它是一種非線性測溫元件,根據(jù)國際電工委員會提供的數(shù)據(jù),鉑電阻與溫度的關(guān)系式如公式(2-2)所示,其中R0和RT分別表示溫度為0℃和T℃時鉑電阻的電阻值,A、B、C均為常數(shù)系數(shù)。

由上式可以發(fā)現(xiàn),在相同的溫度情況下,R0的取值會影響RT的值。目前我國常用的鉑電阻有兩種,根據(jù)分度表可以表示為Pt100和Pt500,分別代表R0為100Ω和500Ω的鉑電阻。

(2)銅電阻。

在測溫范圍較小或?qū)y量精度要求不高的情況下,通?？梢圆捎勉~電阻替代鉑電阻,銅的電阻值與溫度呈線性關(guān)系,如果用R0和RT分別表示溫度為0℃和T℃時的銅電阻的電阻值,α為常數(shù)系數(shù),那么二者的關(guān)系可以表示為式(2-3):

目前,我國工業(yè)上常用的銅電阻有兩種,根據(jù)分度表可以表示為Cu50和Cu100。

熱電偶和熱電阻雖然都能夠?qū)囟冗M行測量,但二者還是存在一定差異的,主要表現(xiàn)為以下方面。

①測溫原理不同:熱電偶的溫度測量是基于熱電效應實現(xiàn)的,而熱電阻是利用導體或半導體的電阻值會隨著溫度的變化而變化的特性來實現(xiàn)測溫功能的。

②測溫材料不同:熱電偶采用的是雙金屬材料,即使用兩種不同的金屬材料,隨著溫度的變化,會在兩個熱電極間產(chǎn)生電勢差;熱電阻采用的是同一種對溫度變化較為敏感的金屬材料。

③測溫信號不同:雖然兩者制成的傳感器都屬于接觸式測溫儀表,但是它們產(chǎn)生的測量信號類型是不同的。熱電阻本身就是一種電阻材料,其溫度的變化會使電阻值產(chǎn)生正向

或者負向的變化;熱電偶是基于熱電效應,即感應電壓值隨溫度的變化而變化,可通過測量電壓計算溫度值。

3.熱敏電阻傳感器

熱敏電阻傳感器利用的電阻材料是半導體材料制成的電阻,其阻值可以隨溫度的變化而變化。金屬材質(zhì)導體的電阻值通常會隨著溫度的升高而增大;但是由半導體材質(zhì)制成的

熱敏電阻,電阻值會隨著溫度的升高而急劇減小且呈現(xiàn)非線性特性。

熱敏電阻的種類很多,分類的方法也不同,若按照半導體熱敏電阻的材料劃分,一般可以分為半導體類、金屬類和合金類;若按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性劃分,

可分為正溫度系數(shù)(PTC)電阻、負溫度系數(shù)(NTC)電阻和臨界溫度系數(shù)(CTR)電阻三大類。

1)熱敏電阻特性

熱敏電阻在不同阻值下的電阻—溫度特性是不同的,在常溫下阻值很高,但隨著溫度的升高阻值會出現(xiàn)不同的變化,且具有非常明顯的非線性特性。大部分熱敏電阻都是負溫

度系數(shù)熱敏電阻。如圖2-1所示。圖2-1熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線

2)熱敏電阻基本參數(shù)

?標稱電阻(Rc):一般指熱敏電阻在(25±0.20)℃的環(huán)境溫度下采用規(guī)定范圍內(nèi)的功率測得的實際阻值。

?材料常數(shù):是用來反映熱敏電阻材料物理特性的參數(shù),也是熱靈敏度的重要技術(shù)指標,數(shù)值越大表示熱敏電阻器的靈敏度和電阻率越高。

?電阻溫度系數(shù)(單位為%/℃):表示熱敏電阻在溫度變化1℃時,電阻值的變化率。

?最高工作溫度(Tmax):表示熱敏電阻在規(guī)定技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。

?轉(zhuǎn)變點溫度(Tc):表示熱敏電阻器的電阻—溫度特性曲線上的拐點溫度,在PTC和CTR熱敏電阻中會有標注。

?額定功率(PE):熱敏電阻器在規(guī)定的條件下,長期連續(xù)負荷工作所允許的消耗功率。工作在這個功率下,電阻器自身溫度也不應超過Tmax。

?測量功率(Pc):熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下,由于受到測量電流的加熱而引起的電阻值變化率不超過0.1%時所消耗的功率。

?零功率電阻值(RT):指在規(guī)定溫度T下,采用引起電阻值變化(該變化相對于總的測量值誤差可以忽略不計)的測量功率下測得的電阻值。

?耗散系數(shù)(δ):指在規(guī)定環(huán)境溫度下電阻中耗散功率的變化與受其影響的相應溫度變化之比。

2.1.2-溫度傳感器應用

(1)溫度測量。

熱敏電阻傳感器最基礎(chǔ)的功能就是對溫度的測量,作為測溫應用的熱敏電阻傳感器,其結(jié)構(gòu)較簡單、價格低廉。外面沒有保護層的熱敏電阻一般只能在較為干燥的場景使用,

而經(jīng)過密封處理的熱敏電阻具有抗腐蝕性和耐濕性,可以在一些較為惡劣的環(huán)境使用,而且測量的效果和精度不會受到環(huán)境等外界因素的影響。

(2)溫度補償。

熱敏電阻的高精度和高靈敏度特性使得其得到了廣泛的應用,但是其阻值—溫度的非線性屬性,卻無形中增加了對采集的溫度信號的處理難度。通常為了滿足測量精度的要求,

保障實際的應用效果,熱敏電阻傳感器在設(shè)計中需要考慮在一定的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)對某些元器件的溫度補償。

(3)過熱保護。

在日常生產(chǎn)實踐中,機械或電氣原因可能會導致設(shè)備溫度過高,甚至出現(xiàn)燒毀的情況。溫度保護熱敏電阻能夠敏感地捕捉設(shè)備的溫度變化,通常可以作為監(jiān)測裝置,在一些設(shè)備

的功能管理中發(fā)揮非常關(guān)鍵的作用。

(4)液面測量。

熱敏電阻傳感器除了應用于傳統(tǒng)的測溫環(huán)節(jié),還可以實現(xiàn)對液面的測量。比如,向NTC熱敏電阻傳感器施加一定的加熱電流,將使它的表面溫度高于周圍的空氣溫度,此時它的阻值較小,當液體高度高于傳感器的安裝高度時,液體將帶走傳感器的熱量,使傳感器溫度下降、阻值升高,所以根據(jù)阻值的變化就可以知道液面的高度位置,汽車油箱中的油位報警傳感器就是利用以上原理制作的。

2.2-壓電式傳感器

2.2.1壓電式傳感器原理1.壓電效應當晶體受到某固定方向外力作用的時候,晶體內(nèi)部就會產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在材料相對的表面上產(chǎn)生符號相反的電荷;當外力撤去后,晶體又會恢復到不帶電的狀態(tài);當外力作用方向改變時,電荷的極性也會隨之改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。

(2)逆壓電效應。

對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象稱為逆壓電效應。壓電敏感元件的變形有厚度變形、長度變形、體積變形、面切變形、剪切變形五種基本形式。

2.壓電材料

具有壓電效應的材料稱為壓電材料,這種材料可以實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換,并且具有一定的可逆性,如圖2-2所示。壓電材料是壓電式傳感器的敏感材料,一般,比較常見的壓電材料有石英晶體和壓電陶瓷。圖2-2-壓電材料的可逆性

(1)石英晶體。

天然結(jié)構(gòu)的石英晶體是一個正六面體,其外形如圖2-3所示。石英晶體各個方向的特性不同,可以用三個相互垂直的軸來表示,其中縱向軸z稱為光軸(中性軸),經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸,與x

和z軸同時垂直的y軸稱為機械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為縱向壓電效應,把沿機械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為橫向壓電效應,而沿光軸z方向的力不產(chǎn)生壓電效應。圖2-3石英晶體圖2-4石英晶體壓電模型

(2)壓電陶瓷。

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料,材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化取向一致的微小區(qū)域,即電疇,它有一定的極化方向,從而使晶體存在電場。在無外電場作用時,電疇在晶體中雜亂分布,各電疇的極化效應相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)部的極化強度為零,所以原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì),如圖2-5(a)所示;當施加一定的外電場后,電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動,并且趨向于沿外電場方向排列,完成材料極化,使壓電陶瓷具有壓電效應;在外電場強度大到使極化達到飽和程度時,所有的電疇極化方向都會與外電場方向一致,如圖2-5(b)所示;在去掉外電場后,電疇的極化方向仍保持不變,即剩余極化強度很大,這時的材料才具有壓電特性,如圖2-5(c)所示。圖2-5壓電陶瓷的極化

前面也提到過,壓電式傳感器中的壓電元件,按其受力和變形方式的不同,可以分為厚度變形、長度變形、體積變形、面切變形和剪切變形五種形式,如圖2-6所示。目前最常使用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種。圖2-6壓電元件變形方式

3.壓電式傳感器測量電路

1)壓電式傳感器等效電路

壓電元件可以看作以壓電材料為介質(zhì)的電容器,在外力作用下,壓電晶片的兩個表面會產(chǎn)生大小相等、方向相反的電荷,聚集正負電荷的兩個晶片表面就相當于電容器的兩個極板,極板間的物質(zhì)等效于一種介質(zhì),那么壓電元件的電容量可以表示為式(2-4)的形式:

上式中,A表示壓電晶片的面積,d表示壓電晶片的厚度,εr為壓電材料的相對介電常數(shù),ε0為真空的介電常數(shù)。在使用壓電式傳感器進行電性能測量時,可以將其等效為一個與電容Ca相串聯(lián)的電壓源模型(如圖2-7(a)所示),電壓源的電壓表示為Ua,電荷量表示為q,三者的關(guān)系可以表示為式(2-5):

當壓電式傳感器被等效為一個與電容Ca相并聯(lián)的電荷源時,等效電路模型如圖2-7(b)所示。圖2-7壓電式傳感器的等效電路

當壓電式傳感器與測量儀器相連,或者接入測量電路后,還需要考慮測量電路的輸入電容Ci、輸入電阻Ri、連接電纜的等效寄生電容Cc、壓電傳感器自泄漏電阻Ra,實際的等

效電路如圖2-8所示。圖2-8壓電傳感器實際等效電路

2)壓電式傳感器測量電路

針對壓電式傳感器的兩種等效模型,前置放大器也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式。從圖2-8的等效電路可以看出,如果使用電壓放大器形式,那么其輸出電壓Ui與電容

C(C=Ca+Ci+Cc)密切相關(guān)。

電荷放大器是由一個帶有反饋電容Cr的高增益運算放大器組成的,由于傳感器的漏電阻和電荷放大器的輸入電阻很大,而運算放大器輸入阻抗又極高,在其輸入端幾乎沒有

分流,在測量計算中這部分的影響可以忽略不計。壓電式傳感器與電荷放大器組成的檢測電路的等效電路如圖2-9所示。圖2-9壓電式傳感器和電荷放大器組成的檢測電路的等效電路

2.2.2-壓電式傳感器應用

(1)壓電式壓力傳感器。

圖2-10為一種比較典型的壓電式壓力傳感器——壓電式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖,這種傳感器主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及機座組成。傳感器上蓋為傳力元件,當有

外力作用時,它將產(chǎn)生彈性變形,并將力傳遞到石英晶片上,石英晶片采用xy切型,可以利用其縱向壓電效應實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。這種傳感器的測力范圍為0~50N,最小分辨率可以達到0.01N,固有頻率通常在50~60kHz范圍內(nèi)。圖2-10壓力式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖

(2)壓電式加速度傳感器。

圖2-11為壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖,其主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預壓彈簧、螺栓、機座及外殼組成。壓電式加速度傳感器的壓電元件是壓電晶體,整個部件裝在外殼區(qū)域內(nèi)部,擰緊螺栓,加以安裝固定。圖2-11壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

壓電晶體能夠基于正壓電效應將機械能轉(zhuǎn)換為電能,用來測量振動加速度信號。當加速度傳感器用來測量被測對象振動大小時,需要將其安裝在合適的測試點上,這樣加速度傳感器就會和被測對象一起受到?jīng)_擊并發(fā)生振動。壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用,根據(jù)牛頓第二定律,振動方程用公式(2-10)表示,其中F表示質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力,m表示質(zhì)量塊的質(zhì)量,a表示加速度。

如果有慣性力F作用于壓電元件上,則當傳感器選定后,m為常數(shù),就可以直接計算出加速度a的大小。

(3)壓電式雨滴傳感器。

壓電式雨滴傳感器通常由振動板、壓電元件、放大器、殼體及阻尼橡膠組成。振動板接收雨滴的沖擊能量,并且按照自身固有的振動頻率產(chǎn)生彎曲振動,同時將振動信息傳遞到測量元件上,實現(xiàn)形變—電壓的轉(zhuǎn)換過程。值得注意的是,當振動板出現(xiàn)機械形變時,在兩側(cè)的電極上就會產(chǎn)生電壓,所以當雨滴滴落在振動板上時,壓電元件上就會產(chǎn)生電壓,電

(4)壓電式玻璃破碎報警器。

利用壓電元件對振動比較敏感的特性來感知玻璃受到撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波,這種類型的傳感器就是壓電式報警器中比較典型的一種——壓電式玻璃破碎報警器。玻璃破

碎時會產(chǎn)生幾千赫茲至幾十千赫茲的振動波,壓電式玻璃破碎報警器的原理是,將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上,用來感受玻璃破碎時的振動信息,然后通過電纜使其和報警電路相連,實現(xiàn)了壓電信號與報警系統(tǒng)對這種振動波的感知與傳遞。

2.3光電傳感器

2.3.1光電傳感器原理1.光電效應光電效應是光電傳感器實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ),指的是一束光線照射到物質(zhì)上時,物質(zhì)的電子吸收了光子的能量而產(chǎn)生電效應的現(xiàn)象。具有光電效應的物質(zhì)稱為光電材料,這種材料經(jīng)過光的照射后會產(chǎn)生電阻率變化、電子逸出、電動勢變化等現(xiàn)象。

(1)外光電效應。

當光線照射到光電材料上時,材料表面電子會吸收光子的能量,當光子能量達到某闕值時,電子就會掙脫束縛從物體表面逸出。此時,電子將吸收的光子能量轉(zhuǎn)化為兩部分,一部分用于克服正離子的束縛,另一部分轉(zhuǎn)化為其自身能量。當光子能量大于逸出功約束時,電子才能夠逸出光電材料表面。光電管、光電倍增管等材料就是利用外光電效應進行光電轉(zhuǎn)換的。

(2)內(nèi)光電效應。

當光線照射到光電材料上時,材料內(nèi)部的原子會釋放出電子,與外光電效應不同的是,此時的電子將停留在材料內(nèi)部但并不逸出材料表面,這就使得材料的電阻率發(fā)生變化進而

產(chǎn)生電動勢。光敏二極管、光電池等光電元件就是基于內(nèi)光電效應原理制作而成的。

2.光敏元件

1)光電管

光電管是基于外光電效應的光電轉(zhuǎn)換器件,可以實現(xiàn)光信號與電信號的轉(zhuǎn)換,如圖2-12所示,光電管由玻璃殼、兩個電極、引出插腳組成。圖2-12-光電管的典型結(jié)構(gòu)

當光通量恒定時,陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系可以用一條曲線來表示,通常稱為伏安特性曲線。圖2-13(a)為真空光電管的伏安特性曲線,圖2-13(b)為充氣光電管的伏安特性曲線,通過對比不難發(fā)現(xiàn),兩種光電管的曲線變化趨勢存在一定的規(guī)律性。在一定陽極電壓范圍內(nèi),陽極電流不會隨陽極電壓的變化而變化,也就是說陽極電流達到了比較穩(wěn)定的飽和狀態(tài)。一般會在陽極電流飽和區(qū)域內(nèi)選擇光電管的工作參數(shù)點。圖2-13光電管的伏安特性曲線

2)光電倍增管

相較于光電管,光電倍增管的靈敏度很高,可以將微弱光信號轉(zhuǎn)變成電信號并進行放大處理,其典型結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2-14所示。從結(jié)構(gòu)圖中可以看到,光電倍增管主要由玻璃殼、光陰極K、陽極A、倍增極D、引出插腳等組成,需要根據(jù)要求選用指定性能的玻璃殼進行真空封裝。根據(jù)封裝方式的不同,光電倍增管可以分為端窗式和側(cè)窗式兩種,端窗式如圖2-14(a)所示,可以通過管殼的端面接受入射光,陰極通常為透射式陰極;側(cè)窗式光電倍增管的工作原理如圖2-14(b)所示,可以通過管殼的側(cè)面接收入射光,陰極通常為反射式陰極。圖2-14光電倍增管的典型結(jié)構(gòu)和工作原理

圖2-15是光電倍增管的測量原理圖,從圖中可以看到,聚光系統(tǒng)將標準光源發(fā)出的光聚焦在單色儀的入射狹縫S1上,光通過單色儀的色散作用在出射狹縫S2-處形成單色光,再經(jīng)過光電倍增管的放大作用,在陽極上就形成可以由數(shù)字電壓表直接讀出的電信號。圖2-15光電倍增管的測量原理圖

可以采用光譜響應率來表示不同波長的入射光對光電倍增管的響應能力。在給定波長光信號的單位輻射功率照射下,所產(chǎn)生的陽極電流大小被稱為光電倍增管的絕對光譜響應率S(λ),可由公式(2-11)表示。

其中,P(λ)為入射到光陰極上的單色輻射功率,I(λ)表示在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流。

3)光敏電阻

光敏電阻的外形及結(jié)構(gòu)如圖2-16所示。圖2-16光敏電阻的外形及結(jié)構(gòu)

光敏電阻的主要特性。

①伏安特性。在一定光照強度下,加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。

②光照特性。該特性指的是光敏電阻輸出的電信號會隨著光照強度的變化而變化的特性。

③光譜特性。當光敏電阻兩端施加的電壓一定時,輸出電流與入射光波長之間存在一定的關(guān)系,這種關(guān)系被稱為光譜特性。

④時間響應特性。光線照射光敏電阻一段時間后,光電流才能達到穩(wěn)態(tài)值,當光照停止后,光電流也不會立刻為零,這種現(xiàn)象就是光敏電阻的時間響應特性。

光敏電阻的主要性能指標有暗電阻與暗電流、亮電阻與亮電流、光電流、靈敏度等。

①暗電阻與暗電流。暗電流是指光敏電阻在一定的外加電壓作用下,當沒有光照射的時候流過的電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻。

②亮電阻與亮電流。光敏電阻在一定的外加電壓作用下,當有光照射時流過的電流稱為亮電流。外加電壓與亮電流之比稱為亮電阻。

③光電流。光電流是指亮電流與暗電流的差值,兩者的差值越大,光電流就越大,靈敏度越高。

④靈敏度。靈敏度表示光敏電阻不受光照射時的電阻值(暗電阻)與受光照射時的電阻值(亮電阻)的相對變化值。

4)光敏二極管和光敏三極管

如圖2-17所示圖2-17光敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理與光敏二極管類似,可以分為NPN和PNP型兩種,但是在結(jié)構(gòu)上都具有兩個PN結(jié)。如圖2-18所示圖2-18光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

光敏二極管和光敏三極管的伏安特性曲線如圖2-19所示圖2-19光敏二極管和光敏三極管的伏安特性曲線

光敏二極管和光敏三極管的光照特性如圖2-20所示圖2-20光敏二極管和光敏三極管的光照特性

2.3.2-光電傳感器應用

1)輸出為連續(xù)變化光電流的光電傳感器

經(jīng)過光電傳感器測量系統(tǒng),被測量被轉(zhuǎn)化為連續(xù)變化的光電流,輸出與輸入之間呈現(xiàn)單值對應關(guān)系,如圖2-21所示,測量時通常有如下四種應用方式。圖2-21光電元件的工作原理

①測量光源。被測物本身作為光源,其發(fā)出的光通量可以直接照射在光電元件上,多用于光電比色高溫計中,其光通量和光譜的強度分布與被測溫度呈函數(shù)關(guān)系。

②測量物質(zhì)的透明度。采用白熾燈(或其他任何光源)作為恒光源,發(fā)出的光通量穿過被測物被部分吸收后最終到達光電元件,多用于測量液體、氣體的透明度、渾濁度的光電比色計中。

③測量表面光潔度。恒光源發(fā)出的光通量到達被測物,經(jīng)過被測物表面反射后投射到光電元件上,多用于測量物體表面光潔度、粗糙度,被測物體表面的性質(zhì)或狀態(tài)取決于表

面反射條件。

④測量物體遮蔽情況。恒光源發(fā)出的光通量一部分被被測物擋住,從而改變了照射到光電元件上的光通量,多用于測量尺寸或振動情況。

2)輸出為斷續(xù)變化光電流的光電傳感器

(1)光電耦合器。

光電耦合器的結(jié)構(gòu)分為金屬密封型和塑料密封型兩種,如圖2-22所示。圖2-22(a)表示的是金屬密封型結(jié)構(gòu),由金屬外殼和絕緣玻璃兩部分對接組成,采用環(huán)焊的方式將發(fā)光二極管和光敏三極管對準,以保證器件的靈敏度。圖2-22(b)表示的是塑料密封型結(jié)構(gòu),采用雙立直插式塑料封裝的結(jié)構(gòu),管心首先安裝于管腳上,中間再用具有集光作用的透明樹脂固定,以進一步提高器件的靈敏度。圖2-22-光電耦合器結(jié)構(gòu)圖

光電耦合器的特性曲線可表示為發(fā)光元件的輸入與光電元件的輸出之間的函數(shù)關(guān)系,如圖2-23所示,IF和IC分別代表光電耦合器的輸入量和輸出量,二者均為直流電流。圖中器件的線性度較差,如果想要得到更為精準的測量結(jié)果,還需要通過反饋等其他技術(shù)手段對非線性失真情況進行校正。圖2-23光電耦合器的特性曲線

(2)光電轉(zhuǎn)速計。

光電轉(zhuǎn)速計的工作原理圖如圖2-24所示,圖2-24光電轉(zhuǎn)速計原理圖

(3)光電開關(guān)。

光電開關(guān)同樣是應用光電轉(zhuǎn)換原理制成的,即接收元件接收到發(fā)光元件發(fā)出的光線并完成光電轉(zhuǎn)換后,經(jīng)過放大裝置最終輸出開關(guān)控制信號。光電開關(guān)主要有透射式和反射式

兩種,工作原理如圖2-25所示。圖2-25光電開關(guān)原理圖

2.4紅外傳感器

2.4.1紅外傳感器原理紅外傳感系統(tǒng)是以紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng),一般由光學接收器、紅外調(diào)制器、紅外探測器、前置放大器、信號處理器、顯示單元組成,如圖2-26所示。圖2-26紅外傳感系統(tǒng)組成框圖

(1)熱紅外探測器。

熱紅外探測器的工作原理是,紅外輻射通過紅外物鏡后,照射到探測器敏感材料上,引起此敏感材料的某些可測物理量的變化,通過計算物理參數(shù)的變化,計算探測器所吸收的紅外輻射量。熱紅外探測器響應波段寬,響應范圍可擴展到整個紅外區(qū)域,適合于室溫環(huán)境下的測量工作。

(2)光子紅外探測器。

利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中電子的相互作用,改變電子的能量狀態(tài),引起測量材料電子性質(zhì)變化的現(xiàn)象稱為光子效應。

2.4.2-紅外傳感器應用

(1)紅外測距傳感器。

紅外測距傳感器是利用紅外信號距障礙物距離不同,反射強度也不同的原理制作的,可以用來進行障礙物距離的測量。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管,

發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號,接收管接收這種頻率的紅外信號。當紅外信號的檢測方向遇到障礙物遮擋時,紅外信號被反射后再被接收管接收,接收到的反射信號經(jīng)過預處理操作后傳遞到中央處理單元,進而實現(xiàn)利用紅外信號的返回信號來識別周圍環(huán)境狀態(tài)的目的。

(2)紅外測溫儀。

紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、紅外探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。其工作原理圖如圖2-27所示。圖2-27紅外測溫儀工作原理圖

(3)紅外氣體分析儀。

紅外氣體分析儀是基于某些氣體對紅外線的選擇性吸收原理設(shè)計制作的。工業(yè)用紅外氣體分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外探測器及電子電路等部分組成,如圖2-28所示。圖2-28紅外氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖

(4)紅外無損檢測。

利用聲、光、磁、電等特性,在不損害或不影響被測對象使用性能的前提下,檢測被測對象中是否存在缺陷或不均勻性,同時給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息,從而判定被測對象所處技術(shù)狀態(tài)(如合格與否、剩余壽命等)的所有技術(shù)手段統(tǒng)稱為無損檢測。

(5)醫(yī)用紅外熱像儀。

人體是一個天然的生物發(fā)熱體,由于解剖結(jié)構(gòu)、組織代謝、血液循環(huán)及神經(jīng)狀態(tài)的不同,機體各部位溫度也不同,這就形成了不同的熱場。紅外熱像儀可以通過光學電子系統(tǒng)

聚集人體輻射的遠紅外光波,經(jīng)過濾波、調(diào)制、光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,將光信號轉(zhuǎn)換為更加便于測量的電信號,最后利用多媒體圖像處理技術(shù),以偽彩色熱圖的形式顯示人體的

溫度場。

2.5氣體傳感器

2.5.1氣體傳感器類型1.氣體傳感器分類(1)半導體氣體傳感器。半導體氣體傳感器是基于氣體在半導體表面的氧化還原反應會導致敏感元件阻值發(fā)生變化的原理而制成的。

(2)電化學式氣體傳感器。

電化學式氣體傳感器是基于電化學原理制作而成的,兩電極系統(tǒng)是這類傳感器中最為簡單的結(jié)構(gòu)形式,傳感器的兩個電極由一個薄層電解液阻隔,經(jīng)由一個很小的電阻與外部電路相連。

(3)紅外吸收式氣體傳感器。

吸收峰是指氣體吸收的紅外光能量所處的特定波段,氣體分子對紅外光具有特定的吸收峰,它不受其他氣體吸收峰的干擾,吸收的能量與氣體在紅外光區(qū)的濃度有關(guān)。

紅外吸收式氣體傳感器的原理是,當紅外光通過待測氣體時,特征頻率譜光線被氣體吸收,導致該頻率的光能量減弱,其吸收關(guān)系服從Lambert-Beer吸收定律,表示為式(2-12),這樣就可以通過光強的變化測量出氣體的濃度信息。

式中,αm表示摩爾分析吸收系數(shù),L表示光程長度,C表示氣體濃度,β表示瑞利散射系數(shù),γ表示米氏散射系數(shù),δ表示氣體密度波動造成的吸收系數(shù),I0和I為輸入、輸出的光強。

(4)熱催化氣體傳感器。

熱催化氣體傳感器由敏感元件、補償元件及電極引線和透氣性良好的金屬防爆外殼等組成。其中,敏感元件和補償元件均由測溫鉑絲電阻外包裹球形疏松多孔氧化鋁制成,它

們的結(jié)構(gòu)完全一致,二者被分別置于兩個隔離的對稱分布空腔內(nèi),空腔的熱分布邊界條件一致。二者的差異在于敏感元件載體上添加有催化劑,被測氣體在敏感元件上可以無煙燃

燒放熱,導致敏感元件溫度升高、鉑絲電阻增大,根據(jù)敏感元件鉑絲的阻值變化就可以感知可燃性氣體及其濃度;而補償元件上沒有催化劑,被測氣體在補償元件上不發(fā)生反應。

(5)熱導式氣體傳感器。

熱導式氣體傳感器是指能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或者器件,屬于電學類氣體傳感器的一種。傳感器可以將與氣體種類和濃度相關(guān)的信息轉(zhuǎn)換為電信號,具有檢測范圍廣、工作穩(wěn)定性高、使用壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用維護方便等優(yōu)勢,但是受到檢測精度及靈敏度較低、溫度漂移較大等劣勢的影響,熱導式氣體傳感器的應用范圍受限。

2.典型氣體傳感器

下面根據(jù)檢測對象的不同,主要介紹幾種典型的用于檢測有毒氣體、大氣污染氣體、可燃燒性氣體的氣體傳感器。

(1)CO傳感器。

CO傳感器采用密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要由電極、過濾器、透氣膜、電解液、電極引出線(管腳)、殼體等部分組成,當CO氣體通過外殼上的氣孔,經(jīng)透氣膜擴散到工作電極表面時,在工作電極的催化作用下,就會在工作電極上發(fā)生氧化反應,從而實現(xiàn)對氣體及濃度的感知。另外,CO還是一種具有還原特性的氣體,可以與氧化物發(fā)生還原反應而生成其他顏色的化合物。比色法就是利用CO的還原性,無需耗電就可以測定氣體的濃度,操作簡單、方便快捷。

(2)CO2-傳感器。

CO2-傳感器被廣泛應用于家庭網(wǎng)絡(luò)、通風系統(tǒng)、控制器、機器人、汽車等領(lǐng)域,完成對空氣質(zhì)量的檢測任務。CO2-傳感器的主要類型有紅外吸收型、電化學型、熱導型和半導體型等。紅外吸收型CO2-傳感器基于氣體的吸收光譜會隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成,其靈敏度高、分析速度快、穩(wěn)定性好。

是目前CO2-傳感器研究的重點方向之一。

(3)CH4傳感器。

CH4傳感器的檢測元件一般是載體催化元件,傳感器在測量使用中會產(chǎn)生一個與CH4含量成比例的微弱信號,信號經(jīng)過多級放大電路放大后生成一個供模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集的模

擬輸入量,再轉(zhuǎn)換為便于單片機使用的數(shù)字信號,通過單片機的信號處理過程,提供顯示和報警等擴展功能。

2.5.2-氣體傳感器應用

1)在潛水中的應用

2)在酒精檢測中的應用

3)在安全檢測中的應用

4)在煙氣檢測中的應用

2.6速度傳感器

2.6.1速度傳感器類型速度指單位時間內(nèi)位移的增量,一般包括線速度和角速度。用于測量線速度或角速度的傳感器就叫做線速度傳感器或角速度傳感器,也可以統(tǒng)稱為速度傳感器。

旋轉(zhuǎn)速度傳感器還可以按照安裝形式分為接觸式和非接觸式兩類。

(1)接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器。

接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器與運動物體直接接觸,當運動物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時,摩擦力會帶動傳感器的滾輪一起轉(zhuǎn)動,安裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動脈沖傳感器,就會發(fā)出一連串的脈沖信號,每個脈沖信號就代表著一定的距離值,通過對脈沖信號的測量就能計算得到線速度信息。

(2)非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器。

非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器與運動物體無直接接觸,這種傳感器的測量原理很多,較為常見的是光電流速傳感器和光電風速傳感器兩種。光電流速傳感器葉輪的葉片邊緣會貼上

反射膜,流體的流動會帶動葉輪的旋轉(zhuǎn),葉輪每轉(zhuǎn)動一周,光纖傳輸會反光一次,進而產(chǎn)生一個電脈沖信號,這樣就可根據(jù)檢測到的脈沖數(shù)來計算流速。

2.6.2-速度傳感器應用

在車輛的檢測應用中,速度傳感器為車輛的安全行駛保駕護航,可以使駕駛員準確及時地掌握車輛的行駛速度和狀態(tài),以對駕駛行為進行有效安全的調(diào)整。其實,車輛中使用的速度傳感器類型也很多,如車輪轉(zhuǎn)速傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、減速傳感器、車速傳感器等。車輪轉(zhuǎn)速傳感器主要用來檢測車輪的轉(zhuǎn)速,在汽車制動控制和驅(qū)動控制兩方面應用

較多;發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器用來檢測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速,利用曲軸位置傳感器來檢測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速,重點應用于燃油噴射量、點火提前角、動力傳動控制等方面;減速傳感器用來檢測汽車

在減速時的速度和加速度,主要在汽車制動控制和驅(qū)動控制兩方面使用;車速傳感器通過直接或間接的形式檢測汽車輪胎的轉(zhuǎn)速,組成及原理相對復雜。

(1)磁電式速度傳感器。

磁電式速度傳感器主要是利用磁阻元件阻抗值會隨著磁場的強弱而變化這一特性實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的。磁電式速度傳感器內(nèi)部安裝有磁鐵,使得傳感器預先就帶有一定的磁場,當金屬的檢測齒輪靠近傳感元件時,齒輪的齒頂與齒谷所產(chǎn)生的磁場變化會導致傳感元件磁阻抗的變化。

一種比較典型的磁電式速度傳感器的原理圖如圖2-29所示圖2-29磁電式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖

(2)霍爾式速度傳感器。

雖然霍爾效應自1879年發(fā)現(xiàn)以來,距今已有100多年的發(fā)展歷史,但是隨著1978年微電子時代的到來和快速發(fā)展,霍爾效應才被人們重視和推廣使用,不斷地開發(fā)出多種霍爾元件。

霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛應用于非電量測量、自動控制、計算機裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個工業(yè)領(lǐng)域。

采用霍爾結(jié)構(gòu),基于霍爾效應的磁電傳感器被稱為霍爾式速度傳感器,這種傳感器對磁場敏感度高、輸出信號穩(wěn)定、頻率響應高、抗電磁干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,在

汽車速度的測量應用中使用較為廣泛。該類傳感器由特定磁極對數(shù)的永久磁鐵(一般為4對或8對)、霍爾元件、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及輸入/輸出插件等組成,工作原理是,當傳感器的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在外驅(qū)動的作用下旋轉(zhuǎn)時,會帶動永久磁鐵的旋轉(zhuǎn),使得穿過霍爾元件的磁場產(chǎn)生周期性變化,引發(fā)霍爾元件輸出電壓的變化,再通過信號處理電路的作用,形成穩(wěn)定的脈沖電壓信號并以此作為速度傳感器的輸出信號。

此外,集成了高效自動測量、軟件計算、圖形或數(shù)表顯示的集成化、智能化測試系統(tǒng)越來越受到汽車速度傳感器生產(chǎn)企業(yè)的青睞,這種測試系統(tǒng)測試精度高、數(shù)據(jù)通信可靠、抗干擾能力強、檢測過程簡單直觀、用戶界面美觀友好、系統(tǒng)開發(fā)成本低,在車輛速度檢測應用方面具有較好的推廣市場和應用前景。

2.7數(shù)字傳感器

數(shù)字傳感器是指將傳統(tǒng)的模擬式傳感器加裝或改造模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,使之成為輸出數(shù)字量(或數(shù)字編碼)信號的傳感器,主要包括放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲器、通信接口、溫度測試電路等。隨著微處理器和傳感器制作成本的逐漸降低,從環(huán)境中獲取的信息類型和信息內(nèi)容更加多樣化,很多全自動或半自動系統(tǒng)已經(jīng)基于這些信息擴展出更多的智能性功能。

1)頻率式數(shù)字傳感器

頻率式數(shù)字傳感器是利用諧振原理,將被測量的變化轉(zhuǎn)換成諧振頻率變化的一種傳感器。頻率式數(shù)字傳感器的敏感元件(諧振元件)可以是被張緊的金屬絲(振弦)、金屬膜片(振

膜)或薄壁圓筒(振筒)等機械式諧振元件,也可以是壓電諧振元件(壓電振子)。此類傳感器使用敏感元件的振動頻率、相位和幅值等作為敏感參數(shù),實現(xiàn)對壓力、位移、密度等被測參數(shù)進行測量的目的。

(1)振弦式傳感器。

振弦式傳感器是基于諧振技術(shù)的傳感器,輸出的是周期信號,只需利用簡單的數(shù)字電路即可將信號轉(zhuǎn)換為便于微處理器接收處理的數(shù)字信號。如果將振弦置于永磁磁場中以電

流方式引起激振,當激勵電流流經(jīng)振弦時,可以把振弦等效為LC并聯(lián)電路,由于振弦在振動過程中受到的空氣摩擦阻力較小,可以忽略不計,所以施加在振弦上的電流i所產(chǎn)生的激振電磁作用力F將會被振弦的慣性反作用力FC和彈性反作用力FL所平衡,如公式(2-13)所示。

如果將激振電流i分解成對應于FC與FL的兩個電流分量iC與iL,式(2-13)可進一步推導為式(2-14)的形式。其中,l為振弦置于磁場中的有效長度,B為永磁磁場的磁感應強度。

(2)壓電式諧振傳感器。

壓電式諧振傳感器是利用逆壓電效應將加在振子電極上的輸入電壓轉(zhuǎn)換成振子的機械振動這一原理制成的,由振子、振子表面敷層、緊固件和周圍介質(zhì)等結(jié)構(gòu)元件組成,核心部

件是用壓電材料制成的振子。上述這些結(jié)構(gòu)元件會在振動時發(fā)生相互作用而產(chǎn)生能量交換,決定著作為電路元件的壓電諧振器的性能及幅頻特性。

根據(jù)壓電式諧振傳感器的感知原理,非常適合用來完成稱重任務,壓電式諧振稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2-30所示,在稱重過程中壓電諧振器受到重物作用力F的影響而產(chǎn)生形變,機械應力的性質(zhì)和大小決定著頻率的變化,頻率變化Δf與外加作用力ΔF呈線性關(guān)系,一般可以用式(2-15)來表示,其中,k為力頻靈敏度系數(shù)。圖2-30壓電式諧振稱重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

壓電式諧振稱重傳感器電子線路原理圖如圖2-31所示,振蕩電路用于激勵壓電諧振器進行振蕩并產(chǎn)生信號輸出,差頻整形電路將壓電諧振器的輸出頻率f1與基準頻率f0