传感器与自动检测项目5

传感器与自动检测学学习习目目标标技能目标能利用简单的光敏电阻、光敏三极管等元件，完成能利用简单的光敏电阻、光敏三极管等元件，完成光照度的测量和画出继电器的控制电路光照度的测量和画出继电器的控制电路 能利用霍尔式传感器完成相应参数的测量能利用霍尔式传感器完成相应参数的测量 能利用电涡流式传感器完成相应参数的测量能利用电涡流式传感器完成相应参数的测量知识目标理解光电元件的分类和工作原理理解光电元件的分类和工作原理 掌握光电传感器的应用电路掌握光电传感器的应用电路 理解和掌握霍尔传感器的工作原理、温度补偿方法和理解和掌握霍尔传感器的工作原理、温度补偿方法和应用应用 掌握电涡流式传感器的工作原理、测量电路和应用掌握电涡流式传感器的工作原理、测量电路和应用项目5 速度与位移测量传感器与自动检测任务1 光电传感器测量转速5.1.1 5.1.1 光电效应光电效应 光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为E的光子的轰击，组成这种物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。知识链接传感器与自动检测（1）外光电效应外光电效应在光线作用下，能使电子逸出物体表面电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等，属于玻璃真空管光电器件。传感器与自动检测（1）外光电效应外光电效应在光线作用下，能使电子逸出物体表面电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等，属于玻璃真空管光电器件。（2）内光电效应内光电效应 在光线作用下能使物体电阻率改变物体电阻率改变的现象称为内光电效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等，属于半导体光电器件。（3）光生伏特效应光生伏特效应在光线作用下能使物体产生一定方向电动势物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，也称阻挡层光电效应。基于该效应的光电器件有光电池等，属于半导体光电器件。传感器与自动检测5.1.2 5.1.2 光电器件光电器件1光电管 光电管由一个阴极和一个阳极构成，并密封在一支真空玻璃管内。阳极通常用金属丝弯阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管中央；阴极装在曲成矩形或圆形，置于玻璃管中央；阴极装在玻璃管内壁上并涂有光电发射材料玻璃管内壁上并涂有光电发射材料。光电管的特性主要取决于光电管阴极材料。传感器与自动检测图5.1 光电管的外形、结构图5.2 光电管的结构图、原理图 当光照射在阴极上时，阴极发射出光电子，被具有一当光照射在阴极上时，阴极发射出光电子，被具有一定电位的中央阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。定电位的中央阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。在外电场作用下将形成电流在外电场作用下将形成电流I I，称为光电流，称为光电流。光电流的大小与光电子数成正比，而光电子数又与光照度成正比。传感器与自动检测（1）伏安特性在一定的光照下，对光电管阴极所加的电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。图5.3光电管的伏安特性传感器与自动检测（2）光照特性当光电管的阴极与阳极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光照特性。图5.4光电管的光照特性传感器与自动检测（3）光谱特性 光电管的光谱特性通常指阳极与阴极之间所加电压不变时，入射光的波长（或频率）与其相对灵敏度之间的关系。它主要取决于阴极材料。阴极材料不同的光电管适用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率（即使光强度相同）的入射光，其灵敏度也不同。传感器与自动检测光敏电阻是由具有内光电效应内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻器件。光敏电阻的材料一般由金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体组成。2光敏电阻传感器与自动检测（1）光电流光敏电阻在室温或全暗条件下测得的阻值称为暗电暗电阻阻（暗阻），通常超过1M，此时流过光敏电阻的电流称为暗电流暗电流。光敏电阻在受光照射时的阻值称为亮电阻亮电阻（亮阻），一般在几千欧以下，此时流过光敏电阻的电流称为亮电流亮电流。亮电流与暗电流之差称为亮电流与暗电流之差称为光电流光电流。光电流越大，光敏电阻的灵敏度就越高。但光敏电阻容易受温度的影响，温度升高，暗电阻减小，暗电流增加，灵敏度就要下降。传感器与自动检测当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）传感器与自动检测（2）光照特性在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性。光通量是光源在单位时间内发出的光量总和，单位是流明（lm）。图5.6光敏电阻的光照特性曲线传感器与自动检测（3）光电特性在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。图5.7某型号光敏电阻的光电特性传感器与自动检测（1）光敏二极管3光敏晶体管传感器与自动检测光敏二极管的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，其符号与接线方法如图5.18所示。图5.9光敏二极管传感器与自动检测光敏二极管在没有光照射时反向电阻很大，暗电流很小；当有光照射时，在PN结附近产生光生电子-空穴对，在内电场作用下定向运动形成光电流，且随着光照度的增强，光电流越大。所以，光敏二极管在不受光照射时处于截止状光敏二极管在不受光照射时处于截止状态；受光照射时处于导通状态态；受光照射时处于导通状态。它主要用于光控开关电路和光耦合器中。用欧姆表检测时，先让光照射在光敏二极管管芯上，测出其正向电阻，其阻值与光照强度有关，光照越强，正向阻值越小；然后用一块遮光黑布挡住照射在光敏二极管上的光线，测量其阻值，这时正向电阻应立即变得很大。有光照和无光照下所测得的两个正向电阻值相差越大越好。传感器与自动检测红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形红外发射管红外接收管传感器与自动检测PIN光敏二极管的工作电压高达100V左右，比普通的光电二极管光电转换效率高、灵敏度高、响应频率高，可用做光盘的读出光敏元件。特殊结构的PIN光敏二极管还可以用于测量紫外线、射线及短距离光纤通信用。传感器与自动检测 APD光敏二极管，又称雪崩光敏二极管，具有内部倍增放大作用，工作电压高达上百伏，工作频率达几千兆赫，非常适用于微光信号检测和长距离光纤通信等。传感器与自动检测（2）光敏三极管光敏三极管结构与一般三极管不同，通常只有两个PN结，但只有正负（C、E）两个引脚。它的外形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。光线通过透明窗口落在基区及集电结上，使PN结产生光生电子-空穴对，在内电场作用下做定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加。由于光照射发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，集电极电流是光电流的倍。因此光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高得多，但光敏三极管的频率特性比二极管差，暗电流也大。传感器与自动检测传感器与自动检测（a）光敏三极管图形符号（b）光敏达林顿三极管图形符号（c）光敏三极管图5.12光敏三极管符号传感器与自动检测 a)内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+衬底7N型集电区 8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结图5.13光敏三极管结构示意图传感器与自动检测光谱特性。光敏三极管对于不同波长的入射光，其相对灵敏度Kr是不同的。如图5.23所示为光敏三极管在三种波长下的光所对应的光谱特性曲线，由于锗管的暗电流比硅管大，故一般锗管的性能比较差。所以在探测可见光或赤热状态物体时，都采用硅管；但当探测红外光时，锗管比较合适。图5.14光敏三极管的光谱特性曲线图传感器与自动检测伏安特性。光敏三极管在不同照度Ee下的伏安特性与一般三极管在不同的基极电流时的输出特性一样，只要将入射光在发射极与基极之间的PN结附近所产生的光电流看做基极电流，就可将光敏三极管看做是一般的三极管。光电特性。如图5.24所示为光敏晶体管的光电特性曲线，其输出电流I与照度E之间的关系可近似看做是线性关系。显然，光敏三极管的灵敏度高于光敏二极管。1光敏二极管光电特性；2光敏三极管光电特性图5.15光敏晶体管的光电特性曲线传感器与自动检测温度特性。温度特性是指温度与暗电流及温度与输出电流之间的关系。如图5.25所示为锗管的温度特性曲线。温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定；而暗电流随温度变化很大，所以应用时应在线路上采取温度补偿措施。图5.16光敏三极管的温度特性曲线传感器与自动检测光敏三极管的检测方法。用一块黑布遮住照射光敏三极管的光，选用万用表的Rk挡，测量其两引脚引线间的正、反向电阻，若均为无限大时则为光敏三极管；拿走黑布，则万用表指针向右偏转到1530k处，偏转角越大，说明其灵敏度越高。传感器与自动检测4.光电池光电池能将入射光能量转换成电压和电流将入射光能量转换成电压和电流，它属于光生伏特效应元件，是自发电式有源器件。它既可以作为输出电能的器件，也可以作为一种自发电式的光电传感器，用于检测光的强弱及能引起光强变化的其他非电量。光电池的种类很多，其中应用最多的是硅光电池、硒光电池、砷化钾硅光电池、硒光电池、砷化钾光电池和锗光电池光电池和锗光电池等，具有性能稳定、频率特性好、光谱范围宽和耐高温辐射等优点。传感器与自动检测光敏面光敏面传感器与自动检测能提供较大电流的大面积光电池外形传感器与自动检测其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩柔光罩下面为圆形光电池下面为圆形光电池传感器与自动检测在大面积的N型衬底上制造一P型薄层作为光照敏感面，就构成了最简单的光电池。当光照射在PN结上时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，它的内电场（N区带正电，P区带负电）使扩散到PN结附近的电子-空穴对分离，电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。传感器与自动检测（1）光谱特性光电池的相对灵敏度Kr与入射光波长之间的关系称为光谱特性。不同材料光电池的光谱峰值位置是不同的，硅光电池的在0.451.1m范围内，而硒光电池的在0.340.57m范围内。在实际使用时，可根据光源性质选择光电池。但要注意，光电池的峰值不仅与制造光电池的材料有关，而且也与使用温度有关。图5.17光电池的光谱特性曲线图传感器与自动检测（2）光电特性硅光电池的负载电阻不同，输出电压和电流也不同。开路电压与光照度之间呈近似于对数的非线性关系。由实验测得，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好。当负载短路时，光电流在很大程度上与照度呈线性关系，因此当测量与光照度成正比的其他非电量时，应把光电池作为电流源使用；当被测非电量是开关量时，可以把光电池作为电压源使用。1开路电压曲线；2短路电流曲线图5.18某系列硅光电池的光电特性传感器与自动检测（3）光照特性光生电动势U与照度Ee之间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee之间的特性曲线称为短路电流曲线。图5.19硅光电池的光照特性曲线传感器与自动检测（4）温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压U、短路电流I随温度t变化的曲线。图5.20光电池的温度特性传感器与自动检测5.1.3 5.1.3 光电式传感器光电式传感器光电式传感器是将光量的变化转变为电量变化的一种变换器，属于非接触式测量，其理论基础是光电效应。依据被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可以将光电传感器分为下述四种类型：光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。传感器与自动检测恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数。恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数。恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量被遮蔽