第二章基本传感器3教学教案

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1、第六节光电传感器,把光能（可见光或不可见光）的变化转化为电量（电阻、电流、电压等）变化的器件称为光电器件如光电池、光三极管等。用一个或几个光电器件把欲测量的物理量（长度、宽度等）转换成电量的装置称为光电传感器。 光子效应和光热效应 光电管与光电倍增管 光敏电阻 结型光电器件,光电传感,光子效应，是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为，光子能量是h，h是普朗克常数，是光波频率，所以光子效应就对光波颠率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的储况下，其响应速度一般比较快。

2、,光电传感,光热效应。探测元件吸收光辐射能量后，是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度比较慢，而且容易受环境温度变化助影响。,光电传感,光子效应和光热效应,光电传感,光电效应,光电传感器的作用是：光源产生光通量，光通量的参数受被测对象控制，然后由光电器件接收再转变为电参量的变化进行测量。而光电器件的基础

3、是光电效应。 由光的粒子学说知道光可以被看成是由一定能量的粒子组成。而每个光子所具有的能量E的粒子轰击在物体上。光电效应就是由于物体吸收了能量为E的光子后产生的电效应。,光电传感,从变换器的角度看光电效应应分为三类。 外光电效应 是指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管与光电倍增管均属于这一类。它们的光电发射极光阴极就是用这种特性的材料制成的。 内光电效应 是指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。由于这里没有电子自物质向外发射，仅改变物质内部电阻，称之为内光电效应。,光电传感,除金属外，大多数绝缘体和半导体都在这种现象，其中以半导体较显著，一般用半导体材料制成光 电导管或光电

4、导器件，这类器件又称为光敏电阻。 有PN结、PIN结、肖特基结以及异质结阻挡层（势垒）的光电器件 半导体PN结或有阻挡层的器件受光照时，吸收光子的能量产生载流子，使PN结（阻挡层）产生电动势，或使PN结的光电流增加，称这种现象为PN结的光电效应。利用光电效应制成的光电器件有光伏电池、光敏二极管和光敏三极管。,光电传感,光电管的示意及其连接,光电传感,光电管与光电倍增管,在抽成真空的玻璃泡内，放置两个电极光阳极和光阴极（图a,b）,这种装置称为光电管。阳极是用一细长金属丝弯成圆形或矩形，放在玻璃泡中央，引线至管脚。阴极是在玻璃泡上涂上阴极材料，或放入一定形状的涂有涂料的金属板。图C给出了光电管的

5、符号及联接线路。光电管阳极A通过电阻Rb接电源正极，阳极K接电源负极，因此光电管内建立了一个阳极为正，阴极为负的电场。,光电传感,光电管的示意及其连接,阴极受到光线照射时，产生光电效应而发射电子，电子在电场的作用下被阳极收集形成光电流i。 当光线强度改变时，光电流i及负载电阻Rb上的电压随之发生变化，光信号就转变为对应的电信号了。 除真空光电管外，有充气光电管，后者玻璃泡内充有惰性气体如氩、氖等。当电子流向阳极的过程中，运动着的电子轰击惰性气体，使其电离，产生更多的电子，提高光电变换灵敏度。通常充气光电管的灵敏度比真空光电管高510倍，但是充气光电管的非线性也增加很多。一般精密测量不用充气光电

6、管。,光电传感,光电管特性,光电特性，光通量、光电流和阳极电压关系。光电特性成线性关系。阳极电压越大，阳极吸引电子能力越强，因此光电变换灵敏度越高。（图a）。 光谱特性，入射光的光谱与变换灵敏度的关系。特性与阴极材料有关，普通光电管最大灵敏度在近红外，而且红外光谱范围内也有较大的灵敏度（图b中曲线1）；,光电管特性 （a）光电特性 （b）光谱特性,锑铯阴极光电管的最大灵敏度在紫蓝光谱范围（图b中曲线2）；含有多种成分（如锑、钾、钠和铯等）的光阴极，在较宽的可见光谱范围内有较高的灵敏度（图b中曲线3）。 从图b可看出,不同的光阴极,对应于最大灵敏度波长不同。选择光电器件时,应使其最大灵敏度在需要

7、测定的光谱范围内。 频率特性：灵敏度与光强频率的关系。真空光电管工作在频率1兆赫以上仍能保持很高的灵敏度。而充气光电管的放电需要一定时间,故工作频率只能低于1千赫。,光电倍增管的结构与原理,利用二次电子发射现象,使光电转换灵敏度大大增加。 在玻璃管内除装光电阴极和阳极外, 装有若干倍增极。倍增极上涂以在电子轰击下可发射更多次级电子的材料, 当有光落到光阴极K上,阴极发射的电子移向倍增极D1,这些电子在D1表面上打出更多的二次电子。 这些二次电子再移向D2,再由D2表面打出电子,依次下去,直到阳极。,光电倍增管构造原理,光电倍增管的主要参数:,倍增系数， 如果每极的倍增率为,有n极,则倍增系数M

8、=Cn ,其中C为收集系数,它反映倍增极收集电子的效率.一般光电倍增管的M值可在105-107之间。稳定性为1%。 暗电流， 当光电倍增管用来测量微弱光强时,暗电流影响较大。一般光电管可忽略暗电流,而倍增管中暗电流在微安数量级,其值随温度与加速电压有关。,光电特性， 在光通量不很大的范围内,光电特性的线性很好,光电灵敏度高达每毫流明几毫安。因此光通量稍大一点就会出现饱和现象,而且会使电极迅速进入疲劳状态或损坏。必须注意,在工作时不能有强光照射倍增管的阴极。 工作范围， 10-510-16lm。10-9lm以下微弱光，可见一个一个的光电子脉冲序列。,光敏电阻,结构与原理 光敏电阻是用具有内光电效

9、应的光导材料制成,是纯电阻元件,其阻值随光照度增加而减小。光敏电阻是在半导体材料上蒸镀上金属电极,形成交错排列成梳状电极如图a。这种几何排列使得间距很近的电极间,具有较大的光敏面积。从而获得高的灵敏度。 光敏电阻的符号和联接见图b,使用时可加直流电压或交流电压。当光敏电阻RG的阻值随光照强度而变，通过负载电阻RL的电流及其两端的电压亦随之改变。,光敏电阻 （a）光敏电阻的结构 （b）光敏电阻的符号和连接,光敏电阻的特性,暗电阻、亮电阻及光电流 光敏电阻在黑暗时的电阻值一般大于10M,此时电阻值称为暗电阻；若它被光线照射,电阻值显著降低,称为亮阻,其阻值为K数量级。暗阻与亮阻之比在102-106

10、之间,这一比值越大,光敏电阻越灵敏。 在固定电压下,光敏电阻在全暗和光照射两种条件下,电流值的变化量称为光电流,此值愈大愈好。,光谱特性：光敏电阻的光谱特性与所用的材料有关。例如硫化镉的光谱响应峰值落在可见光区,硫化铝的光谱响应峰值落在近红外区。 有下列优点: 体积小,重量轻,结构简单牢固,允许光电流大,工作寿命长。 其缺点是: 型号相同的光敏电阻的参数也参差不齐, 光照特性非线性,工作频率不高。 有些光敏电阻对红外敏感, 是红外探测中很重要的一类光电器件。,结型光电器件,基本原理 从晶体管原理可知,当把N型半导体和P型半导体结合在一起,N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴就会相应扩散,结果

11、在PN交界面附近形成一个很薄的空间电荷区,方向为N区指向P区。 图是结型光电器件在不同照度下的伏安特性曲线。曲线1是没有光照射下的曲线,与普通二极管伏安特性曲线完全一样，当有光照射时PN结产生的光电流迭加在曲线1上,形成按照强度等距离增加的曲线族。曲线2、3就是照度成比例增加的伏安曲线。,结型光电器件原理,结型光电器件伏安特性曲线族,结型光电器件工作于伏安特性曲线的第四象限时,称为光伏电池或光电池。第四象限的电压为正,电流为负,意味着发生功率或产生电流。若在外电路接一电阻做为光电池的负载,就把光能变成了电能。 结型光电器件工作与第三象限称为光敏二极管。第三象限的电流、电压都为负值,表明光敏二极

12、管工作在反向偏置条件下,它的工作原理与一般晶体三极管相似。,光 电 池,光谱特性 典型的光谱特性示于下图a中. 光照特性 光电池在不同光照下光生电动势不同,下图b给出了硅光电池的开路电压及短路电流与光照度的关系曲线。可见短路电流与光照度成线性关系，而开路电压与照度则成非线性关系(实际上是对数关系)。因此光电池作为测量元件使用时,应尽量使其工作在接近短路状态。,a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法,光电池特性 （a）光谱特性 （b）光照特性,红外摄象,新型光电传感,高灵敏 雪崩管 PIN管 带宽可达100GHz，足目前响应速度最快的一种光电二极,3.7 半导体敏感元件传感器

13、,应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。,3.7 半导体敏感元件传感器,3.7 半导体敏感元件传感器,3.7 半导体敏感元件传感器,色敏传感,光电开关与光电耦合器,为用于气体成份分析的FabryPerot干涉仪，白光由多模光纤经自聚焦透镜进入FP腔，腔体两端镀有高反射膜，且是一个气体通道，光束在两反射膜之间产生多 次反射以形成多光束干涉，再经自聚焦透镜会聚进入输出光纤，又经探测器探测，当气体成分、浓度不同会引起干涉条纹的变化，相应得到其测量值。,利用多相流体中各相介质折射率不同而调制光纤探针中光的强度，得出相应的参数。分辨率高，响应速度快

14、，可广泛应用于多相流体份额、比例的测定、空泡率、流线轨迹以及液体折射率测定，并且可两个探针联合使用相关测定流量。,光学传感技术,光纤传感技术 激光衍射法 激光扫描法 全息法 莫尔法 散斑法 激光测距 激光多普勒测速技术,第七节常用物理量 的检测,本节是在已讨论过基本传感器的基础上，从应用的角度出发，讨论如何用基本传感器组成各种物理量的检测系统。实际的工程实践和科学研究中所需的物理量很多，但通过物理量检测的分析可对物理量测试的基本思路有一明晰的概念。 线或角位移、速度和加速度检测 力测量 粉、块状物料流量测量,线或角位移、速度和 加速度检测,位移和加速度的检测是最基本的物理量检测，许多参量都可转

15、换成这些运动参数。 运动参数可以分解为长度和时间两个基本量，因此只要测得位移和时间关系可以得到速度和加速度。 几乎每一类传感器都可用于位移量的检测（参表2.3），可根据使用要求来选择。 一般精度高，速度不大的场合采用差动变压比较合适；而一般高频振动及高速位移的场合则首先应考虑非接触量，如涡流传感器和电容传感器。,此外还需考虑被测对象的输出能量，应远远大于传感过程中传感器从被测对象吸取的能量，即保证传感器的工作又不影响被测对象自身的运动。 例如，考虑测量天平称盘位移检测选用传感器。首先对外力作用十分敏感，因此传感器对称盘的作用力应极小；此外天平位移测量应精确，稳定性好，零点漂移小。考虑到天平称量

16、运动缓慢，对动态特性不做要求。综合上述因素，可以选择差动变压器作为天平称盘的位移传感器。,位移测量,实际测量中应用各种传感器测量位移的方法很多，举例如下。检测物品的尺寸,上图所示的例子，是检测送料槽中流动着的产品尺寸的设计。圆柱形的产品沿槽流动，经过测量头时，其位移由差动变压器读出，换算成直径。差动变压器的精度按实际需要选用。如果产品不能进行接触测量；例如产品机械强度不够，（如陶瓷产品的瓷胚等），产品温度高速度快（如拉丝机拉出的金属丝等轧钢机轧出的钢材）应考虑采用非接触测量，如上图的方式。由于遮光面积不同，反映出直径的变化。,下图所示是一种检测角度和倾斜的水平仪式的装置。其原理是气泡在气泡中遮断光线时光电传感器就给出相应的信号。这种测量装置的主要由气泡管决定。 检测角位移的方法 (a) 水平的检测；,转角测量原理 A固定传感器脉冲； B转动传感器初始脉 冲；C转动传感器同向转动脉冲；,转角测量,检测齿定速转动，轮齿通过电磁感应传感器时，传感器输出固频率的脉冲号（下图a）。若转动传感器的初始位置是两输出脉冲信号相位相同，转