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1、第4章 常用传感器,4.7 光电传感器,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。,由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同， 通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、 内光电效应。,在光线作用下,物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象, 称为外光电效应。,物体表面受到光的照射时，表面内的电子与光子碰撞，就发生能量转移，光子把全部能量转移给电子，使电子的能量增加。如果电子的能量超过逸出功时，电子就逸出物体表面产生光电发射。,基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件,有光电管、光电倍增管等。,
2、光电管结构,光电管分真空光电管和充气光电管两种 光电管是将球形玻璃壳抽成真空，在内 半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放 置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充 低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在 飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体 电离，可增加光电管的灵敏度。用作光电阴 极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合 不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大 、易破损，已被固体光电器件所代替。,第4章 常用传感器,当光照射到光阴极时，光 阴极向真空中激发出光电子。 这些光电子按聚焦极电场进入 倍增系统，并通过进一步的二 次发射得到倍增放大。然后 把放大后的电子用阳极收集作 为信号输出。,因为
3、采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。,广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。,第4章 常用传感器,2、内光电效应及其光电器件,受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。 内光电效应按其工作原理分为：光电导效应和光生伏特效应。,1)光电导效应 半导体材料受到光照时
4、会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。,光敏电阻(光导管)： 在黑暗的环境下,它的阻值很高, 当受到光照并且光辐射能量足够大时，使其导带的电子和价带的空穴增加,电阻率变小。 光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉(CdS）和硒化镉(CdSe)。,第4章 常用传感器,光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使 其导电性能增强，电阻RG值下降，所以流过负载电阻 RL的电流及其两端电压也随之变化。 光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消 失，电阻恢复原值，因而可将光信号转换
5、为电信号。,光敏电阻的光谱特性 使用不同材料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性。,对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对 灵敏度是不相同的。因此在选用光敏电阻 时应当把元件和光源的种类结合起来考虑， 才能获得满意的结果。,第4章 常用传感器,光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光敏电阻的光电流I与照射光通量的关系称为光 电特性。,光敏电阻的光电特性具有非线性。,光敏电阻主要用于相机自动测光、室内光线控制、工业及光电控制、光控开关、光控灯以及电动玩具等。,因此不适宜做检测元件，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。,第4章 常用传感器,光敏二极管和光敏三极管：,光敏二极管 光敏二极管又称光电二极
6、管，它与普通半导体二极管在结构上是类似的。,光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大， 反向电流很小，该反向电流称之为暗电流。当光照射在PN结上，光子打在PN 结附近，使PN结附近产生光生电子及光生空穴，因此使PN结的反向电流增大。,第4章 常用传感器,光敏三极管 光敏三极管有PNP型和NPN型两种。 与光敏二极管相比，灵敏度高，且具 有放大作用。,光敏三极管的光谱特性 光敏三极管存在一个最佳灵敏 度的峰值波长。当入射光的波长 增加时，相对灵敏度要下降,第4章 常用传感器,光敏三极管的光照特性,光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。 它们之间呈近似线性关系。当光照足够大（
7、几千勒克斯）时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关转换元件。 光敏二极管、光敏三极管主要用于光电检测、光电控制方面，如光电耦合器等。,第4章 常用传感器,光电池是在光线照射下，直接 能将光量转变为电动势的光电元件。 实质上它就是电压源。 光电池的种类很多，有硒光电池、 氧化亚铜光电池、硫化镉光电池、 锗光电池、硅光电池、砷化镓光电 池等。 硅光电池：最广泛，适合红外波长 硒光电池：适合可见光 砷化镓光电池：光谱响应与太阳光谱 吻合，耐宇宙射线,光电池的光谱特性,光电池,光生伏特效应指半导体材料P-N结 受到光照后产生一定方向的电动势的 效应。,第4章 常用传感器,光
8、电池的光照特性 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。,短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。,第4章 常用传感器,由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。 按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。 模拟式光电传感器其光通量随被测量而变，光电流是被测量
9、的函数。这类光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。（教材P124),第4章 常用传感器,开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出 的电脉冲个数等于圆盘的开孔数。 被测转速,式中n转速； f脉冲频率； N圆盘开孔数。,脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状 态，即“通”与“断”的开关状态。,第4章 常用传感器,第4章 常用传感器,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。（仿真试验）,第4章 常用传感器,亮度传感器： 通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。,灯光亮度控
10、制器可按照环境光照强度自动调节白炽灯或荧光灯的亮度，从而使室内的照明自动保持在最佳状态，避免人们产生视觉疲劳。 控制器主要由环境光照检测电桥、放大器、积分器、比较器、过零检测器、锯齿波形成电路、双向晶闸管等组成。过零检测器对50Hz市电电压的每次过零点进行检测，并控制锯齿波形成电路使其产生与市电同步的锯齿波电压，该电压加在比较器的同相输入端。,第4章 常用传感器,由光敏电阻与电阻组成的电桥将环境光照的变化转换成直流电压的变化，该电压经放大并由积分电路积分后加到比较器的反相输入端，其数值随环境光照的变化而缓慢地成正比例变化。,两个电压的比较结果，便可从比较器输出端得到随环境光照强度变化而脉冲宽度
11、发生变化的控制信号，该控制信号的频率与市电频率同步，其脉冲宽度反比于环境光照，利用这个控制信号触发双向晶闸管，改变其导通角，便可使灯光的亮度随环境光照做相反的变化，从而达到自动控制环境光照不变的目的。,第4章 常用传感器,4.8 热敏传感器,1.双金属温度计,把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。,优点： 结构简单 牢固 可靠 防爆,第4章 常用传感器,2.热电偶(热电温度计) （教材P260）,1）热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,
12、第4章 常用传感器,接触电动势（不同导体）（主要） 热电势 温差电动势（同一导体）,EAB(T,T0)= f(T),回路热电势与热电极材料A、B有关，与两个接点温度（“热”端、“冷”端温差）有关。 若电极材料确定，冷端温度保持恒定，此时,均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,2）热电偶测温基本定律,第4章 常用传感器,中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,第4章 常用传感器,中间温度定律 热电偶A、B在接点温度t,t0时 的热电势等于该热电偶在接点
13、温度 t,t1 与t1,t0时的热电势之和。 即： EAB(t,t0)= EAB(t,t1)+ EAB(t1,t0) 教材P263 例,第4章 常用传感器,标准电极定律 如果已知热电偶的两个电极A、B分别与另一电极C组成的热电偶的热电势为EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，则在相同接点温度( T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势EAB(T,T0)为 EAB(T,T0)= EAC(T,T0)- EBC(T,T0) C称为标准电极 由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高、易提纯，人们多采用铂作为标准电极。 标准电极定律为热电偶电极的选配提供了方便。 3）标准化热电偶 按照工业标准，热电偶
14、可分为标准化热电偶和非标准化热电偶。,第4章 常用传感器,标准化热电偶指已大量生产和使用，工艺稳定，性能符合专业标准或国 家标准，具有统一分度表的热电偶。,8种标准化热电偶型号 标志 材料 使用温度 S 铂铑10铂 -501768 R 铂铑13铂 -501768 B 铂铑30铂铑6 601820 K 镍铬镍硅 -2701372 N 镍铬硅镍硅 -2701300 E 镍铬 铜镍合金（康铜） -2701000 J 铁铜镍合金（康铜） -2101200 T 铜铜镍合金（康铜） -270400 特点：教材P264 分度表：t0=0 时，不同t时的热电势（mv级）表,4)冷端温度补偿,第4章 常用传感器
15、,（1）0C恒温法,（2）电桥补偿法,（3）延伸引线法,（4）冷端温度补偿器,第4章 常用传感器,第4章 常用传感器,3、热电阻传感器 基本工作原理是热阻效应。 当温度变化时，物质的电阻率随温度变化而变化，热电阻材料的电阻值 随温度而变化。用测量电路可将变化的电阻值转换成电信号输出，从而得 到被测温度。 从敏感元件材料分，热电阻传感器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。半导体热电阻又称热敏电阻。,大多数金属材料的电阻随温度的升高而增加，但作为热电阻的金属材料，其电阻温度系数值要高且保持常值，电阻率要高，以减小热惯性（元件尺寸小），在使用温度范围内，材料的物理化学性能稳定，工艺性好。 常用的金
16、属热电阻材料有铂、铜、镍、铟、锰、铁等。其中铂、铜为标准的热电阻。（教材P265),金属热电阻传感器,在国际实用温标中，从 温度范围内，以铂电阻温度计作为标准仪器。,第4章 常用传感器,第4章 常用传感器,热电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路。为消除引线引起的测量误差，一般采用三线连接法。,三线法,热敏电阻传感器,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，元件可制成球状、片状、圆柱状等。,它有负温度系数热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻PTC和临界温度系数 热敏电阻CTR 三种类型。,多数热敏电阻具有负的温度系数，即随温度上升阻值下降， 同时灵敏度也下降，这个特性限制了它在高温条件下使用。,第4章 常用传感器,热敏电阻不宜用于较宽的温度
