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1、第第2 2章章 有源传感器有源传感器2.2.1 2.2.1 压电效应和压电材料压电效应和压电材料一、物质的一、物质的压电效应压电效应 某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为称为“正压电效应正压电效应” ” 机械能转变为电能机械能转变为电能；反之，在极化方向上；反之，在极
2、化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为为“逆压电效应逆压电效应”电能转变为机械能电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。质）称为压电材料。F FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性2.2 2.2 压电式传感器压电式传感器2.1 2.1 磁电式式传感器磁电式式传感器磁电式压电式传感器课件二、二、压电材料的压电常数压电材料的压电常数 以下讨论忽略外界附加电场、力场
3、的作用和温度、磁场的影响。以下讨论忽略外界附加电场、力场的作用和温度、磁场的影响。 1. 1.石英晶体的压电方程及压电常数矩阵石英晶体的压电方程及压电常数矩阵 石英晶体是一种各向异性的（压电材料）介质，按石英晶体是一种各向异性的（压电材料）介质，按X0X0切型的正六切型的正六面体，在三维直角坐标系内的力面体，在三维直角坐标系内的力 电作用状态如图所示：电作用状态如图所示：X0X0切型石英晶体切片的力切型石英晶体切片的力 电分布电分布xz zF3(1)F2F1F4F6F5(3)(2)(1)(1)(3)(3)(2)(2)i j =d i j Fj i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6y
4、yF1F3分别为沿分别为沿 x、y、z 轴的正轴的正应力（或应力分量），应力（或应力分量），F4F6分分别为绕别为绕 x、y、z轴的切向应力，轴的切向应力，13分别是分别是 x、y、z 表面由于表面由于压电效应而产生的电荷面密度。压电效应而产生的电荷面密度。其压电方程为：其压电方程为：由此可见，由此可见，di j 是矩阵是矩阵 di j 上的元上的元素。素。磁电式压电式传感器课件右旋石英晶体取负号；右旋石英晶体取负号；左旋石英晶体取正号。左旋石英晶体取正号。压电常数矩阵压电常数矩阵压电方程的矩阵表示压电方程的矩阵表示磁电式压电式传感器课件2.压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵压电陶瓷的压电方程及
5、压电常数矩阵 实验表明，钛酸钡压电陶瓷的压电实验表明，钛酸钡压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵为：方程及压电常数矩阵为：( (沿沿Z Z 轴极化轴极化) )在在Z Z 轴方向上存在轴方向上存在d31、d32、d33(x、y、z三个方向的压电效应三个方向的压电效应) )，当，当x、y、z三三个个方向的应力相等均为方向的应力相等均为F 时时( (如在液体中如在液体中) )：压电方程的矩阵形式压电方程的矩阵形式d 3称为体积压称为体积压缩压电常数。缩压电常数。磁电式压电式传感器课件三、压电效应的物理机制与表面电荷计算三、压电效应的物理机制与表面电荷计算 1. 1.物理机制物理机制 石英晶体：石英晶体：
6、如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的图图 5-3 5-3 晶片上电荷极性与受力方向的关系晶片上电荷极性与受力方向的关系( (a a ) )( (b b ) )( (c c ) )( (d d ) )晶体表面出现剩余电晶体表面出现剩余电电荷而产生的。由于电荷而产生的。由于压电常数矩阵中只有压电常数矩阵中只有d11、d12、d14、d25、d26不为零，并且不为零，并且d14、d25、d2
7、6需要切向应力需要切向应力作用往往不便利用，作用往往不便利用，所以通常只利用所以通常只利用d d1111、d12=-d11两个相关的两个相关的应力方向和这两个压应力方向和这两个压电常数。电常数。不受力不受力图图 5-2 5-2 石英晶体压电模型石英晶体压电模型磁电式压电式传感器课件压电陶瓷：压电陶瓷：压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一
8、端为负），度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受
9、到的外力是拉力时，将会出现充电现象。荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。图图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷电极电极束缚电荷束缚电荷磁电式压电式传感器课件 2. 2.表面电荷计算表面电荷计算由由i j =di j Pj ，两边同乘以产生电荷表面的面积，两边同乘以产生电荷表面的面积S，得，得Qi j = Si j =Sdi j Pj，当当i =j时，时，Qi = di i Fj(作用力垂直于产生电荷的表面时作用力垂直于产生电荷的表面时)，如对于石英，如对于石英晶体晶体F （F =S P）平行于）平行于x 轴为
10、轴为Fx 时，时，Qx = d11 Fx；如对于钛酸钡，；如对于钛酸钡，F 平行于平行于Z轴为轴为FZ 时时,QZ = d33 FZ。若。若i j，如石英晶体若，如石英晶体若i =1，j =2,F 平行于平行于y 轴为轴为Fy 时时,在与在与x 轴垂直的表面上产生的电荷轴垂直的表面上产生的电荷,Qxy = d12 Sx Py， 两种压电材料的特点两种压电材料的特点 石英晶体：居里点温度高（高达石英晶体：居里点温度高（高达573573），稳定性好，无热释电现），稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，成本高。象。但压电常数小，成本高。 压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如压电陶
11、瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。特性可以制作热电传感器，如红外探测。与与x 轴垂直的表面的面积轴垂直的表面的面积1x ；2y 3. 3.常用压电材料常用压电材料 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。系列）等。压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。磁电式压电式传感
12、器课件图图 5-7 5-7 等效电路等效电路( a )( b )导电层导电层2.2.2 2.2.2 压电传感器的等效电路和测量电路压电传感器的等效电路和测量电路一、等效电路一、等效电路 压电传感器的基片结构如图压电传感器的基片结构如图5-7(a)5-7(a)，几何形状有圆片、方片、圆柱、圆筒等形几何形状有圆片、方片、圆柱、圆筒等形状，在基片的两个相互绝缘状，在基片的两个相互绝缘( (产生电荷产生电荷) )的的表面镀有导电金属膜表面镀有导电金属膜( (如银膜如银膜) )并焊接一对并焊接一对电极而成。由于压电传感器的基片一般具电极而成。由于压电传感器的基片一般具有较大的介电常数，电极间的距离也不大
13、，有较大的介电常数，电极间的距离也不大，所以压电传感器可以等效为一只电容器。所以压电传感器可以等效为一只电容器。 根据高频电子线路的知识我们知道，石英晶体的交流等效回路是根据高频电子线路的知识我们知道，石英晶体的交流等效回路是LCRLCR电路，存在两个谐振频率：串联谐振频率电路，存在两个谐振频率：串联谐振频率S S 和并联谐振频率和并联谐振频率P P 。当当 S S 时阻抗特性为容性；时阻抗特性为容性； S S T0 产生原因：金属导体两端的温产生原因：金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端浓度较大（动相同，温度高的一端浓度较大（动能较大
14、，大于逸出功的电子数目较能较大，大于逸出功的电子数目较多），因此高温端的自由电子将向多），因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，电，低温端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势差：从而形成温差电势差：当这两种金属构成回路，两端的温度分别为当这两种金属构成回路，两端的温度分别为T、T0时则两端的电势时则两端的电势差为：差为：汤姆逊系数汤姆逊系数磁电式压电式传感器课件总温差热电势总温差热电势根据经典电子论，总温差热电势应为接触电势与温差电势之和。根据经典电子论，总温差热电势应为接触电势与温差电势之和。ab赛赛贝贝尔尔（S
15、eebeck）效效应应ABT0T总温差热电势T T0磁电式压电式传感器课件几点讨论几点讨论如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。温度不同也不会产生热电势。组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。温度相同也不会产生热电势。由不同电极材料由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度组成的热电偶，当冷端温度T0恒定恒定时，产生的热电势在时，产生的热电势在一定的温度范围内一定的温度范围内仅是热端温度仅是热端温度T 的单值函的单值函
16、数。数。磁电式压电式传感器课件二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 1. 1.中间导体定律中间导体定律 将由将由A A、B B两种导体组成的热电偶的冷端（两种导体组成的热电偶的冷端（T0 0端）断开而接入的三种端）断开而接入的三种导体导体C C后，只要冷、热端的后，只要冷、热端的T0 0 、T 保持不变，则回路的总热电势不变。保持不变，则回路的总热电势不变。T T0ABT0TT0Cab 此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表必须接入仪表( (第三种材料第三种材料) )，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致，根据此定
17、律，只要仪表两接入点的温度保持一致( (T0 0 ) )仪表仪表的入就不会影响热电势。而且的入就不会影响热电势。而且A A、B B结点的焊接方法也可以是任意的。结点的焊接方法也可以是任意的。磁电式压电式传感器课件 2. 2.参考电极定律（标准电极定律）参考电极定律（标准电极定律） 如果两种导体如果两种导体A A、B B分别与第三种导体分别与第三种导体C C所组成的热电偶所产生的热电所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且证明：证明： 根据根据此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数（与
18、标准电极此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数（与标准电极C C间的间的aAC、bAC），方便热电偶电极的选配。），方便热电偶电极的选配。磁电式压电式传感器课件磁电式压电式传感器课件 3. 3.连接导体与中间温度定律连接导体与中间温度定律 在热电偶回路中，如果电极在热电偶回路中，如果电极A A、B B在热端（温度为在热端（温度为 T ）相连接，而在）相连接，而在温度较低的一侧分别与导线温度较低的一侧分别与导线A A| |、B B| |相连接，接点温度均为相连接，接点温度均为Tn， A A| |、B B| |在冷在冷端（温度为端（温度为T0 ）相连接，则回路的总）相连接，则回路的总热电势将
19、等于热电偶的热电势将等于热电偶的A A、B B的热电势的热电势ABAB( (T ，Tn) )与连接导线在与连接导线在( (Tn 、T0) )下的热电势下的热电势A A| |B B| | ( (Tn，T0) )的代数和，即：的代数和，即：证明：证明：由于：由于：磁电式压电式传感器课件所以：所以：证毕。证毕。利用这一特点可以允许热电偶的冷端不受利用这一特点可以允许热电偶的冷端不受T0=0的限制而成为的限制而成为自由端自由端(温度可为任意的温度可为任意的TnT )，测得，测得AB(T，Tn)后，可以用另后，可以用另一个已知的电动势一个已知的电动势A|B| (Tn，T0)来修正来修正由于由于Tn可测得
20、，所以可测得，所以A|B| (Tn，T0)也是已知的，可以方便使用。因为在很多测量现场，也是已知的，可以方便使用。因为在很多测量现场，T0=0的条件不能得到很好的满足，利用此规律，只要的条件不能得到很好的满足，利用此规律，只要Tn可测得可测得就可以进行精确测温。就可以进行精确测温。磁电式压电式传感器课件磁电式压电式传感器课件三、工业热电偶的结构三、工业热电偶的结构 1 1结构结构工工业业用用热热电电偶偶是是要要进进行行封封装装保保护护的的处处理理的的，普普通通型型工工业业用用热热电电偶偶的的封封装装形形式式如如图图6-56-5所所示示。主主要要有有热热电电极极（热热电电偶偶电电极极），绝绝缘缘
21、材材料料，保保护护套套管管和和接接线线盒盒等等组组成成。为为了了便便于于安安装装，在在保保护护套管上一般还设有安装法兰盘。套管上一般还设有安装法兰盘。 2 2常用热电偶常用热电偶可可以以根根据据测测温温范范围围将将热热电电偶偶分分为为高高温温型型和和常常温温型型两两大大类类；也也可可以以根根据据组组成成热电偶的材料将热电偶分为普通热电偶的材料将热电偶分为普通金属热电偶和贵金属热电偶两大类。一般情况下，高温型热电偶大多是金属热电偶和贵金属热电偶两大类。一般情况下，高温型热电偶大多是由贵金属材料构成的。同时贵金属热电偶的性能比较稳定，常常用来作由贵金属材料构成的。同时贵金属热电偶的性能比较稳定，常
22、常用来作为基准来使用。而普通金属热电偶虽然温差电系数比较大，但由于存在为基准来使用。而普通金属热电偶虽然温差电系数比较大，但由于存在高温氧化等原因，测温范围一般都比较小。如康铜高温氧化等原因，测温范围一般都比较小。如康铜 铜热电偶的一铜热电偶的一次项温差电系数可达次项温差电系数可达40.86540.8651010-6-6 V/ V/，但由于二次项温差电系数达，但由于二次项温差电系数达7.667.661010-8-8 V/ V/，切与一次项的温差电系数符号相反，所以当测温范围，切与一次项的温差电系数符号相反，所以当测温范围超过超过533.5533.5后，热电势便不再是温度的单值函数了。后，热电势
23、便不再是温度的单值函数了。磁电式压电式传感器课件1.1.测量电路基本原理测量电路基本原理 根据中间导体定律，把第三种电极根据中间导体定律，把第三种电极C C换成毫伏表及其连接线，并保持换成毫伏表及其连接线，并保持C C及及C C的的两个结点温度一致且为两个结点温度一致且为T T0 0，就可以测量温，就可以测量温度度T T了。此时在一定的温度范围内，热电了。此时在一定的温度范围内，热电势为的势为的T T单值函数。如右上图所示，当容单值函数。如右上图所示，当容器内充满冰水混合液时，器内充满冰水混合液时，T T0 0=0=0。2.单点测温的基本电路单点测温的基本电路 如右下图所示。在实际应用中，由如
24、右下图所示。在实际应用中，由于测量仪表常常要远离被测量的场所，于测量仪表常常要远离被测量的场所，即从热电偶到测量仪表的连线（如图中即从热电偶到测量仪表的连线（如图中的的C C、D D）较长。而热电偶的材料）较长。而热电偶的材料A A、B B往往往是贵金属，所以连接导线通常不采用往是贵金属，所以连接导线通常不采用与热电偶相同的材料。虽然只要保证测与热电偶相同的材料。虽然只要保证测量仪表、连接导线和连接导线与热电偶量仪表、连接导线和连接导线与热电偶的结点温度相同（的结点温度相同（T T0 0），测量仪表和连接），测量仪表和连接导线就不会对测温产生任何影响，这种导线就不会对测温产生任何影响，这种等温
25、条件实际中是难以满足的。等温条件实际中是难以满足的。图6-6A测温原理示意图2.3.2热电偶测量电路热电偶测量电路磁电式压电式传感器课件 两种解决办法：两种解决办法： C C、D D采采用用相相同同的的导导线线来来连连接接。使使用用中中，只只要要保保证证连连接接导导线线与与热热电电偶偶的的两两个个连连接接点点的的温温度度均均为为T T1 1，测测量量仪仪表表及及仪仪表表与与连连接接导导线线结结点点的的温温度均为度均为T T0 0，此时测得的温差热电势为。（证明留给同学们做），此时测得的温差热电势为。（证明留给同学们做） C C、D D使用使用“补偿导线补偿导线” ” 来连接。要求补偿导线的冷端
26、温差热电来连接。要求补偿导线的冷端温差热电势特性与热电偶的冷端温差热电势特性相同，即，此时测得的温差热电势特性与热电偶的冷端温差热电势特性相同，即，此时测得的温差热电势为，相当于将热电偶的冷端延长到了势为，相当于将热电偶的冷端延长到了T T0 0端。可以利用端。可以利用中间温度定律证中间温度定律证明。明。 3 3两点间温度差的测量两点间温度差的测量 图图6-76-7所示的是一种测量两个温度所示的是一种测量两个温度T T1 1、T T2 2之差的实用电路。要求使用两只之差的实用电路。要求使用两只完全相同的热电偶，配用相同的连接导完全相同的热电偶，配用相同的连接导线，按图线，按图6-76-7的结线
27、方式连接，即可测的结线方式连接，即可测得两个热电势之差，从而得到它们的温度差。仪表读数得两个热电势之差，从而得到它们的温度差。仪表读数: :磁电式压电式传感器课件 4 4测量仪表测量仪表 由于热电偶的热电势较小，对测量仪表的要求相应较高，不能使用由于热电偶的热电势较小，对测量仪表的要求相应较高，不能使用内阻并不太高的普通电压表。所以实验室中常用电位差计来测量热电偶内阻并不太高的普通电压表。所以实验室中常用电位差计来测量热电偶的热电势（电位差计在补偿状态下内阻为无穷大）；工业现场一般可用的热电势（电位差计在补偿状态下内阻为无穷大）；工业现场一般可用自动补偿式电位差计或数字式仪表，目前数字式电压表
28、的内阻可达自动补偿式电位差计或数字式仪表，目前数字式电压表的内阻可达10109 9以上，可认为内阻是无穷大的，并具有放大功能，目前已获得广泛的应以上，可认为内阻是无穷大的，并具有放大功能，目前已获得广泛的应用。虽然利用用。虽然利用中间温度定律来对自由端温度进行补偿的方法比较繁琐，中间温度定律来对自由端温度进行补偿的方法比较繁琐，但由于其补偿精确，在计算机技术普及的今天，是可以轻而易举地实现。但由于其补偿精确，在计算机技术普及的今天，是可以轻而易举地实现。 热电偶的温差热电势很小，如铜热电偶的温差热电势很小，如铜 康铜热电偶的热电势灵敏度在康铜热电偶的热电势灵敏度在0 0附近附近约为约为0.03
29、9mV/0.039mV/，在，在2525附近附近为为0.041mV/0.041mV/，所以当需要对此，所以当需要对此电势进行放大时，放大器的输入失调电压和输入失调电压的漂移必须很电势进行放大时，放大器的输入失调电压和输入失调电压的漂移必须很小才行，否则将会引入较大的测温误差。所以放大器的器件应使用特殊小才行，否则将会引入较大的测温误差。所以放大器的器件应使用特殊元件。元件。磁电式压电式传感器课件斩波稳零高精度运算放大器斩波稳零高精度运算放大器IC7650的主要性能指标：（典型值）的主要性能指标：（典型值）失调电压：失调电压：0.5V失调电压温漂：失调电压温漂：0.01V/失调电压时漂：失调电压
30、时漂：0.1V/M输入阻抗：输入阻抗：1012开环增益：开环增益：120dB高精度低漂移运算放大器高精度低漂移运算放大器OP07的的主要性能指标：（典型值）主要性能指标：（典型值）失调电压：失调电压：10V失调电压温漂：失调电压温漂：0.1V/失调电压时漂：失调电压时漂：0.2V/M输入阻抗：输入阻抗：8107开环增益：开环增益：110dB 1403 1403为精密电压基准源为精密电压基准源(8(8脚，现较少使用脚，现较少使用) )。在本图中分别调节。在本图中分别调节W2和和W1使：使： 设：设：AD590AD590的温度灵敏度为的温度灵敏度为KP， 则：则： 即可。即可。磁电式压电式传感器课
31、件2.4 2.4 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。自动控制等各个领域中。 2.4.1光电效应及器
32、件光电效应及器件 根根据据爱爱因因斯斯坦坦的的光光子子假假说说：光光是是一一粒粒一一粒粒运运动动着着的的粒粒子子流流，这这些些光光粒粒子子称称为为光光于于。每每一一个个光光子子具具有有一一定定的的能能量量其其大大小小等等于于普普朗朗克克常常数数h h乘乘以以光光的的频频率率。所所以以不不同同频频率率的的光光子子具具有有不不同同的的能能量量。光光的的频频率率越越高高，其其光光子子能能量量就就越越大大。当当具具有有一一定定能能量量的的光光子子作作用用到到某某些些物物体体上上转转化化为为该该物物体中一些电子的能量而产生电效应，这种现象称为光电效应。体中一些电子的能量而产生电效应，这种现象称为光电效应
33、。 光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应三类。光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应三类。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件( (或或称光敏元件称光敏元件) )。 磁电式压电式传感器课件一、外光电效应一、外光电效应 光光线线照照射射在在某某些些物物体体上上，而而使使电电子子从从这这些些物物体体表表面面逸逸出出的的现现象象称称为为外光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。外光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。光光照照射射在在物物体体上上可可以以看看成成一一连连串
34、串具具有有一一定定能能量量的的光光子子轰轰击击这这些些物物体体。根根据据爱爱因因斯斯坦坦假假设设：一一个个光光子子的的能能量量只只能能传传递递给给一一个个电电子子，因因此此单单个个光光子子把把全全部部能能量量传传给给物物体体中中的的一一个个自自由由电电子子。使使自自由由电电子子的的能能量量增增加加h h。这这些些能能量量一一部部分分用用作作电电子子逸逸出出物物体体表表面面的的逸逸出出功功A A，另另一一部部分分变变电电子子的的初动能。即初动能。即 1 1当当光光子子能能且且大大于于选选出出功功时时，才才会会有有光光电电子子发发射射出出来来，才才会会产产生生外外光光电电效效应应；当当光光了了能能
35、量量小小于于逸逸出出功功时时，不不能能产产生生外外光光电电效效应应；当当光光子子的的能能量量恰恰好好等等于于逸逸出出功功时时，光光电电子子的的初初速速度度0 0，可可以以产产生生此此光光电电子子的的单单色色光光频频率率为为0 0，则则。式式中中0 0为为该该物物质质产产生生光光电电效效应应的的最最低低频频率率，称称其其为为红红限限频频率率。显显然然，如如果果入入射射光光的的频频率率低低与与于于红红限限频频率率，不不论论入入射射光光的的强强度度有有多多大大，也也不不会会使使物物质质发发射射光光电电子子。而而对对于于高高于于红红限限频频率率入入射射光光，即即使是光线很弱也会产生光电子。使是光线很弱
36、也会产生光电子。 2 2当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。 3 3由由于于电电子子逸逸出出时时具具有有一一定定的的初初动动能能可可以以形形成成光光电电流流，为为使使光光电电流流为为零需加反向电压才能使其截止。零需加反向电压才能使其截止。磁电式压电式传感器课件二、外光电效应的器件二、外光电效应的器件 1 1光电管及其结构光电管及其结构 根据外光电效应制成的光电管类型很多，最典型的是真空光电管。根据外光电效应制成的光电管类型很多，最典型的是真空光电管。也有充气光电管，但由于线性不好在传感器中用得较少。真空光电管的也有充气光电
37、管，但由于线性不好在传感器中用得较少。真空光电管的结构如图结构如图7-27-2所示，它由一个阴极所示，它由一个阴极K和一个阳极和一个阳极A构成，共同封装在一个构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，一个阳极和电源负极相联，一个阳极A 通过负载电阻同电通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。当光照射阴极时、电子便从阴极逸出，源正极相接，因此管内形成电场。当光照射阴极时、电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流在电场作用下被阳极收集，形成电流I I，该电流及负载，该电流及负载RL L上的电压将随上的电压将随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电传
38、号的目的。光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电传号的目的。 磁电式压电式传感器课件 2 2真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 真真空空光光电电管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线如如图图7-37-3所所示示，其其饱饱和和光光电电流流与与入入射射光的强度成正比（已在物理实验课中获得验证）。光的强度成正比（已在物理实验课中获得验证）。 教材中的伏安特性曲线遗漏了反向区。教材中的伏安特性曲线遗漏了反向区。阳极饱和光电流阳极饱和光电流入射光的强度入射光的强度阳极饱和光电流与入射光强度的关系阳极饱和光电流与入射光强度的关系磁电式压电式传感器课件 3 3光电倍增管光电倍增管 当当入入射射光光很很微微
39、弱弱时时，光光电电管管产产生生的的光光电电流流很很小小，不不易易检检测测，这这时时常常用用光光电电倍倍增增管管对对光光电电流流放放大大以以提提高高灵灵敏敏度度。如如图图7-57-5所所示示。在在光光电电管管的的阴阴极极与阳极之间安装若干个倍增极与阳极之间安装若干个倍增极D1D1、D2D2、DnDn，就构成了光电倍增管。，就构成了光电倍增管。 光光电电倍倍增增管管的的工工作作原原理理建建立立在在光光电电发发射射和和二二次次发发射射的的基基础础之之上上。工工作作时时倍倍增增极极电电位位是是逐逐级级增增高高的的，当当入入射射光光照照射射光光电电阴阴极极K K时时，立立刻刻有有电电子子逸逸出出，逸出的
40、电子受到第一倍增极逸出的电子受到第一倍增极D1D1正电位作用，使之加速打在正电位作用，使之加速打在D1D1倍增极倍增极上上，产产生生二二次次电电子子发发射射。同同理理D1发发射射的的电电子子在在D2更更高高正正电电位位作作用用下下，再再次次被被加加速速打打在在D2极极上上，D2又又会会产产生生二二次次电电子子发发射射，这这样样逐逐级级前前进进，直直到到电电子子被被阳阳极极A A收收集集为为止止。通通常常光光电电倍倍增增管管的的阳阳极极与与阴阴极极间间的的电电压压为为100010002500V2500V，两两个个相相邻邻倍倍增增电电极极的的电电位位差差为为5050100V100V，其其灵灵敏敏度
41、度比比普普通通真真空空光光电电管管高高几几万万到到几几百百万万倍倍，因因此此在在很很微微弱弱的的光光照照下也能产生很大的光电流。下也能产生很大的光电流。磁电式压电式传感器课件三、光电导效应和光生伏特效应三、光电导效应和光生伏特效应 物物体体受受光光照照射射后后，其其内内部部的的原原子子释释放放出出电电子子并并不不逸逸出出物物体体表表面面，而而仍仍留留在在内内部部，使使物物体体的的电电阻阻率率发发生生变变化化或或产产生生光光电电动动势势的的现现象象称称为为内内光光电电效效应应。前前者者称称为为光光电电导导效效应应，后后者者称称为为光光生生伏伏打打效效应应。半半导导体体材材料料在在光线作用下电导率
42、增加的现象就是光电导效应。光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应。 1 1光敏电阻光敏电阻 光光敏敏电电阻阻是是一一种种用用光光电电导导材材料料制制成成的的没没有有极极性性的的光光电电元元件件，也也称称光光导导管管。它它基基于于半半导导体体光光电电导导效效应应工工作作。由由于于光光敏敏电电阻阻没没有有极极性性，工工作作时时可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻值可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻值( (暗电阻暗电阻) )很很大大。电电路路中中电电流流很很小小。当当它它受受到到一一定定波波长长范范围围的的光光照照射射时时，其其阻阻值值( (亮亮电电阻阻) )急急剧剧减减
43、小小，电电路路中中电电流流迅迅速速增增加加，用用电电流流表表可可以以测测量量出出电电流流。根根据据电电流流值值的的变变化化，即即可推算出照射光强的大小。可推算出照射光强的大小。暗电阻、亮电阻暗电阻、亮电阻光敏电阻未受光照时的阻值光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻，受强光照射时的阻称为暗电阻，受强光照射时的阻值称为亮电阻。暗电阻越大，亮值称为亮电阻。暗电阻越大，亮电阻越小灵敏度越高。电阻越小灵敏度越高。磁电式压电式传感器课件光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性如如图图7-8所所示示。在在一一定定光光照照下下，所所加加的的电电压压越越高高，电电流流越越大大；在在一一定定的的电电压作用下，入射光的照
44、度越强，电流越大，但并不一定是线性关系。压作用下，入射光的照度越强，电流越大，但并不一定是线性关系。光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 如如图图7-10所所示示。对对于于不不同同波波长长的的光光，光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度是是不不同同的的。在在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。光敏电阻的响应时间和（调制）频率特性光敏电阻的响应时间和（调制）频率特性光光电电器器件件的的响响应应时时间间反反映映它它的的动动态态特特性性。响响应应时时间间越越短短，表表示示动动态态特特性性越越好好。对对于于采采用用调调制制光光的的光光电电器器件件，调调制制频频率率的的
45、上上限限受受相相应应时时间间的的限限制制。光敏电阻的响应时间一般为光敏电阻的响应时间一般为10-110-3s,光敏二极管的响应时间约光敏二极管的响应时间约210-5s。磁电式压电式传感器课件光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性随随着着温温度度的的升升高高，光光敏敏电电阻阻的的暗暗电电阻阻和和灵灵敏敏度度都都要要下下降降，温温度度的的变变化化也也会会影影响响光光谱谱特特性性曲曲线线。硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻等等光光电电器器件件随随着着温温度度的的升升高高光光谱响应的峰值将向短波方向移动，所以红外探测器往往采取制冷措施。谱响应的峰值将向短波方向移动，所以红外探测器往往采取制冷措施。2光敏二极管
46、和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管光敏二极管光敏二极管半半导导体体光光敏敏二二极极管管与与普普通通二二极极管管相相比比，有有许许多多共共同同之之处处，它它们们都都有有一一个个PN结结，均均属属单单向向导导电电性性的的非非线线性性元元件件。光光敏敏二二极极管管一一般般在在负负偏偏压压情情况况下下使使用用，它它的的光光照照特特性性是线性的，所以适合检测等方面的应用。是线性的，所以适合检测等方面的应用。光光敏敏二二极极管管在在没没有有光光照照射射时时，反反向向电电阻阻很很大大，反向电流，反向电流(暗电流暗电流)很小很小(处于载止状态处于载止状态)。受光照射时，。受光照射时，结区产生电子结区产生电子空
47、穴对，在空穴对，在结电场的作用下，电子向结电场的作用下，电子向N区区运动、空穴向运动、空穴向P区运动而形成区运动而形成光电流光电流,光敏二极管的光电流光敏二极管的光电流I I与照度之间呈线性关系。与照度之间呈线性关系。磁电式压电式传感器课件光敏三极管的结构与原理光敏三极管的结构与原理光光敏敏三三极极管管是是一一种种相相当当于于在在基基极极和和集集电电极极之之间间接接有有光光电电二二极极管管的的普普通通三三极极管管。在在正正常常工工作作情情况况下下，此此二二极极管管应应反反向向偏偏置置。因因此此，不不管管是是P-N-P还还是是N-P-N型型光光敏敏三三极极管管，一一般般用用基基极极集集电电极极结
48、结作作为为受受光光结结。当当集集电电极极加加上上相相对对于于发发射射极极为为正正电电压压且且基基极极开开路路时时，基基极极集集电电极极结结处处于于反反向向偏偏压压下下，它它的的工工作作机机理理完完全全与与反反偏偏压压的的光光敏敏二二极极管管相相同同。这这里里，入入射射光光子子在在基基区区及及收收集集区区被被吸吸收收而而产产生生电电子子空空穴穴对对，形形成成光光生生电电压压。由由此此产产生生的的光光生生电电流流由由基基极极进进入入发发射射极极，从从而而在在集集电电极极回回路路中中得得到到一一个个放放大大了了的的信信号号电电流流。因因此此，从从这这点点可可以以更更明明确确地地说说，光光敏敏三三极极
49、管管是是一一种种相当于将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。相当于将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。磁电式压电式传感器课件 光敏三极管的光谱特性光敏三极管的光谱特性与与光光敏敏电电阻阻类类似似，光光敏敏三三极极管管也也存存在在最最佳佳灵灵敏敏度度的的峰峰值值波波长长。硅硅管管的的峰峰值值波波长长约约为为900nm，锗锗管管的的峰峰值值波波长长约约为为1500nm。由由于于锗锗管管的的暗暗电电流流比比硅硅管管大大，因因此此锗锗管管的的性性能能较较差差。故故在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体时时，一般都选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用
50、锗管较合适。一般都选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用锗管较合适。光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性光光敏敏三三极极管管在在不不同同的的照照度度下下的的伏伏安安特特性性与与一一般般晶晶体体管管在在不不同同的的基基极极电电流流时时的的输输出出特特性性类类似似。因因此此，只只要要将将入入射射的的强强度度看看作作是是三三极极管管的的基基极极电电流流ib，就就可可将将光光敏敏三三极极管管看看成成一一般般的的晶晶体体管管。光光敏敏三三极极管管不不仅仅能能把把光光信信号号变变成电信号、而且输山的电信号较大成电信号、而且输山的电信号较大。磁电式压电式传感器课件 光敏三极管的光照特性光敏三极管的光照特
51、性光光敏敏三三极极管管的的光光照照特特性性如如图图7-24所所示示。它它给给出出了了光光敏敏三三极极管管的的输输出出电电流流I和和照照度度之之间间的的关关系系。它它们们之之间间呈呈近近似似线线性性关关系系。当当光光照照足足够够大大(几几千千勒勒克克斯斯)时时，会会出出现现饱饱和和现现象象。因因而而在在大大照照度度时时，光光敏敏三三极极管管不不能能作作线线性性转转换元件，但可以作开关元件使用。换元件，但可以作开关元件使用。光敏三极管的温度特性光敏三极管的温度特性温温度度特特性性反反映映了了光光敏敏三三极极管管的的暗暗电电流流及及光光电电流流与与温温度度的的关关系系。从从曲曲线线看看,温温度度变变
52、化化对对光光电电流流和和暗暗电电流流都都有有影影响响,对对暗暗电电流流的的影影响响更更大大。所所以以精密测量时精密测量时,电子线路中应采取温度补偿措施电子线路中应采取温度补偿措施,否则将会导致输出误差。否则将会导致输出误差。磁电式压电式传感器课件光敏三极管的（调制）频率特性光敏三极管的（调制）频率特性光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性曲曲线线如如图图7-26所所示示。光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性受受负负载载电电阻阻的的影影响响，减减小小负负载载电电阻阻可可以以提提高高频频率率响响应应。一一般般来来说说。光光敏敏三三极极管管的的频频率率响响应应比比光光敏敏二二极极管管差差。对对
53、于于锗锗管管，入入射射光光的的调调制制频频率率要要求求在在5000Hz以以下下，硅硅管管的的频频率率响响应应要要比比锗锗管管好好。实实验验证证明明，光光敏敏三三极极管管的的截截止止频频率率和和它它的的基基区区厚厚度度成成反反比比关关系系。如如果果要要求求截截比比频频率率高高，那那么么基基区区就就要薄；但基区变薄，光电灵敏度将降低，在制造时要适当兼顾两者。要薄；但基区变薄，光电灵敏度将降低，在制造时要适当兼顾两者。磁电式压电式传感器课件4.光电池光电池光光电电池池是是根根据据光光生生伏伏特特效效应应制制成成的的将将光光能能直直接接转转变变成成电电能能的的一一种种器器件件。其其种种类类繁繁多多，早
54、早期期出出现现的的有有氧氧化化亚亚铜铜光光电电池池，因因转转换换效效率率低低已已很少使用。很少使用。目目前前应应用用较较多多的的是是硒硒光光电电池池和和硅硅光光电电池池。晒晒光光电电池池因因光光谱谱特特性性与与人人眼眼视视觉觉很很相相近近，频频谱谱较较宽宽，故故多多用用于于曝曝光光表表、照照度度计计等等分分析析、测测量量仪仪器器。硅硅光光电电池池与与其其它它半半导导体体光光电电池池相相比比，不不仅仅性性能能稳稳定定，还还是是目目前前转转换换效效率率最最高高(达达到到17)的的几几乎乎接接近近理理论论极极限限的的一一种种光光电电池池。此此外外，还还有有薄薄膜膜光光电电池池、紫紫光光电电池池、异异
55、质质结结光光电电池池等等。薄薄膜膜光光电电池池是是把把硫硫化化镉镉等等材材料料制制成成薄薄膜膜结结构构，以以减减轻轻重重量量、简简化化阵阵列列结结构构，提提高高抗抗辐辐射射能能力力和和降降低低成成本本。紫紫光光电电池池是是把把硅硅光光电电池池的的PN结结减减薄薄至至结结深深为为0.20.3m，光光谱谱响响应应峰峰值值移移到到600nm左左右右，来来提提高高短短波波响响应应，以以适适应应外外层层空空间间使使用。用。异异质质结结光光电电池池利利用用不不同同禁禁带带宽宽度度的的半半导导体体材材料料做做成成异异质质PN结结，入入射射光光几几乎乎全全透透过过宽宽禁禁带带材材料料一一侧侧，而而在在结结区区
56、窄窄禁禁带带材材料料中中被被吸吸收收，产产生生电电子子空空穴穴对对。利利用用这这种种“窗窗口口”效效应应提提高高入入射射光光的的收收集集效效率率，以以获获得得高高于于同同质质结结硅硅光光电电池池的的转转换换效效率率，理理论论上上最最大大可可达达30，但但目目前前因因工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池。磁电式压电式传感器课件光光电电池池核核心心部部分分是是一一个个PN结结，一一般般做做成成面面积积较较大大的的薄薄片片状状，来来接接收收更更多多的的入入射射光光。图图7-14所所示示的的是是硒硒光光电电池池的的结结构构。制制造造工工艺艺是是：先先在在铝铝片片上上
57、覆覆盖盖一一层层P型型硒硒，然然后后蒸蒸发发一一层层镉镉，加加热热后后生生成成N型型硒硒化化镉镉，与与原原来来P型型硒硒形形成成一一个个大大面面积积PN结结，最最后后涂涂上上半半透透明明保保护护层层，焊焊上上电电极极，铝铝片片为正极，硒化锦为镉极。为正极，硒化锦为镉极。硅硅光光电电池池是是用用单单晶晶硅硅组组成成的的（目目前前也也有有非非晶晶硅硅的的产产品品）。在在一一块块N型型硅硅片片上上扩扩散散P型型杂杂质质(如如硼硼)，形形成成一一个个扩扩散散PN（P+N）结结；或或在在P型型硅硅片片扩扩散散N型型杂杂质质(如如磷磷)，形形成成N+P的的PN结结，然然后后焊焊上上两两个个电电极极。P端端
58、为为光光电电池池正正极极，N端端为为负负极极，一一般般在在地地面面上上应应用用作作光光电电探探测测器器的的多多为为P+N型型。如如国国产产2CR型型。N+P型型硅硅光光电电池池具具有有较较强强的的抗抗辐辐射射能能力力，适适合合空空间间应应用用，可作为航天的太阳能电池，如国产可作为航天的太阳能电池，如国产2DR型。型。磁电式压电式传感器课件(1)光电池的光谱特性光电池的光谱特性硒硒光光电电池池和和硅硅光光电电他他的的光光谱谱特特性性曲曲线线如如图图7-15所所示示。从从曲曲线线上上可可以以看看出出，不不同同的的光光电电池池，光光谱谱峰峰值值的的位位置置不不同同。例例如如硅硅光光电电池池在在800
59、nm附附近近，硒硒光光电电池池在在540nm附附近近。硅硅光光电电池池的的光光谱谱范范围围广广，在在4501100nm之之间间，硒硒光光电电池池的的光光谱谱范范围围在在340750nm之之间间。因因此此硒硒光光电电池池适适用用于于可可见见光光，常用于照度计测定光的强度。常用于照度计测定光的强度。(2)光电池的光照持性光电池的光照持性光光电电池池在在不不同同的的光光强强照照射射下下可可产产生生不不同同的的光光电电流流和和光光生生电电动动势势。从从曲曲线线可可以以看看出出,短短路路电电流流在在很很大大范范围围内内与与光光强强成成线线性性关关系系。开开路路电电压压随随光光强强变变化化是是非非线线性性
60、的的,并并且且当当照照度度在在2000lx时时就就趋趋于于饱饱和和了了。因因此此把把光光电电池池作为测量元件时作为测量元件时,应把它当做电流源的形式来使用应把它当做电流源的形式来使用,不宜用作电压源。不宜用作电压源。磁电式压电式传感器课件(3)光电池的频率特性光电池的频率特性光光电电池池在在作作为为测测量量、计计数数、接接收收元元件件时时，常常用用交交变变光光照照射射。光光电电池池的的频频率率特特性性就就是是反反映映光光的的交交变变频频率率和和光光电电池池输输出出电电流流的的关关系系，硅硅光光电电池池有有很很高高的的频频率率响响应应，可可用用在在高高速速计计数数、有有声声电电影影等等方方面面。
61、这这是是硅硅光光电电池池在所有光电元件中最为突出的优点。在所有光电元件中最为突出的优点。(4)光电池的温度特性光电池的温度特性光光电电他他的的温温度度特特性性主主要要描描述述光光电电池池的的开开路路电电压压和和短短路路电电流流随随温温度度变变化化的的情情况况。由由于于它它关关系系到到应应用用光光电电池池设设备备的的温温度度漂漂移移，影影响响到到测测量量精精度度或或控控制制精精度度等等主主要要指指标标，因因此此它它是是光光电电池池的的重重要要特特性性之之一一。开开路路电电压压随随温温度度升升高高而而下下降降，而而短短路路电电流流随随温温度度升升高高而而增增加加。因因此此当当光光电电池池作作测测量量元件时，在设计中应该考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。元件时，在设计中应该考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。磁电式压电式传感器课件返回返回磁电式压电式传感器课件
