機(jī)械工程測試 第二章(下)課件

1、本次課內(nèi)容本次課內(nèi)容2.8 光電光電傳感器傳感器2.9 熱電式傳感器熱電式傳感器2.10 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器重點重點：光電式、熱電式等傳感器的工作原理：光電式、熱電式等傳感器的工作原理難點難點：光電效應(yīng)、熱電阻效應(yīng)、熱電效應(yīng)等理解，：光電效應(yīng)、熱電阻效應(yīng)、熱電效應(yīng)等理解，光電編碼類傳感器的用途光電編碼類傳感器的用途2.8 2.8 光電傳感器光電傳感器 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)光電

2、效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 光電效應(yīng)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 能量控制型能量控制型能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型1. 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子電子- -空穴空穴對對, ,使使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)其導(dǎo)電性能增強(qiáng), ,光線愈強(qiáng)，阻值愈低，光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象, ,稱為稱為內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 。內(nèi)光電效應(yīng)分為兩類：內(nèi)光電效應(yīng)分為兩類：一類是半導(dǎo)體材料在光照的作用下，電阻率發(fā)生改一類是半導(dǎo)體材料在光照的作用下，電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，光敏電阻以此為基礎(chǔ)；另一類是變的現(xiàn)象，光

3、敏電阻以此為基礎(chǔ)；另一類是PN結(jié)在結(jié)在光照作用下，導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象，光敏二極光照作用下，導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象，光敏二極管、光敏三極管以此為基礎(chǔ)管、光敏三極管以此為基礎(chǔ) 1）光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于光電效應(yīng)光敏電阻的工作原理是基于光電效應(yīng) . . 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：在玻璃底板上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體在玻璃底板上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。一層漆膜。光敏電阻工作原理示意圖1）光敏電阻 光敏電阻的主要特征參數(shù)：光敏電阻的主要特征參數(shù)： 1 1）光電流、暗電阻、亮電阻）光電流、暗電阻、亮電阻 暗電阻

4、：暗電阻：在未受到光照射條件下呈現(xiàn)的阻在未受到光照射條件下呈現(xiàn)的阻值，兆歐量級值，兆歐量級 暗電流：暗電流：暗電阻時流過的電流暗電阻時流過的電流 亮電阻：亮電阻：在受到某一光照條件下呈現(xiàn)的阻在受到某一光照條件下呈現(xiàn)的阻值，千歐量級值，千歐量級 亮電流：亮電流：亮電阻時流過的電流亮電阻時流過的電流 一般希望暗電阻大，亮電阻小，這樣暗電一般希望暗電阻大，亮電阻小，這樣暗電流小，亮電流大，相應(yīng)的光電流便大。流小，亮電流大，相應(yīng)的光電流便大。光敏電阻 光敏電阻 當(dāng)光敏電阻受當(dāng)光敏電阻受到光照時，到光照時， 阻值減阻值減小。小。（3）光敏電阻實例）光敏電阻實例 硫化鎘（硫化鎘（CdSCdS）、硒化鎘（）

5、、硒化鎘（CdSeCdSe）：）：0.40.4 m m 0.75 0.75 m m可見光可見光范圍范圍氧化鋅（氧化鋅（ZnOZnO）、硫化鋅（）、硫化鋅（ZnSZnS）：適用于紫外線范圍）：適用于紫外線范圍硫化鉛（硫化鉛（PbSPbS）、硒化鉛（）、硒化鉛（PbSePbSe）：適用于紅外線范圍）：適用于紅外線范圍 因此，在選用光敏電阻時，應(yīng)把元件與光源結(jié)合考慮。因此，在選用光敏電阻時，應(yīng)把元件與光源結(jié)合考慮。光照特性、伏安特性、光譜特性光照特性、伏安特性、光譜特性光敏電阻 光敏二極管：相當(dāng)于一個光敏二極管：相當(dāng)于一個P-NP-N結(jié)，結(jié)，處于反向處于反向工作狀態(tài)工作狀態(tài)，沒有光照時不導(dǎo)通，有光照

6、時，沒有光照時不導(dǎo)通，有光照時導(dǎo)通。導(dǎo)通。PNGE光敏三極管：在光敏二極管的基礎(chǔ)上，內(nèi)部增光敏三極管：在光敏二極管的基礎(chǔ)上，內(nèi)部增加晶體三極管，具有電流放大作用，提高了靈加晶體三極管，具有電流放大作用，提高了靈敏度。敏度。2） 光敏晶體管 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個PNPN結(jié)，并結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，PNPN結(jié)面積比一般二極管大。結(jié)面積比一般二極管大。注：注：發(fā)光二極管與光敏二極發(fā)光二極管與光敏二極管不同，發(fā)光二極管利用固管不同，發(fā)光二極

7、管利用固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），體材料發(fā)光（電致發(fā)光），材料不同發(fā)光顏色不同，是材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的器一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的器件，加正向電壓時，在件，加正向電壓時，在N-PN-P的電子、空穴結(jié)合過程中發(fā)的電子、空穴結(jié)合過程中發(fā)射一定頻率的光信號。射一定頻率的光信號。 光敏二極管光敏二極管 光敏三極管有兩光敏三極管有兩個個PN結(jié)結(jié)。與普通三極管相似，有電流。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，有引出線，只有正負(fù)（只有正負(fù)（c、e）兩個引腳，所以其外型與光兩個引腳，所以其外型

8、與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。光敏三極管光敏三極管2.2.外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 在光照作用下，材料內(nèi)的電子從表面逸出在光照作用下，材料內(nèi)的電子從表面逸出的現(xiàn)象的現(xiàn)象稱為稱為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)器件有光電管、光電倍增管外光電效應(yīng)器件有光電管、光電倍增管 工作原理：工作原理：利用外光電效應(yīng)，器件導(dǎo)電，在利用外光電效應(yīng)，器件導(dǎo)電，在某一頻率以上的光照射下，電流大小與光照某一頻率以上的光照射下，電流大小與光照強(qiáng)度成正比。強(qiáng)度成正比。2. 2. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)Am21h2 電子逸出物體表面的條件是hA。因此，對每一種光電陰極材料均有一個確定的光頻

9、率閾值0（h0=A）。只有當(dāng)入射光頻率高于該閾值頻率時，才能引發(fā)電子（也稱光電子）發(fā)射。 每個光子具有的能量是：每個光子具有的能量是： Eh愛因斯坦光電效應(yīng)方程式：愛因斯坦光電效應(yīng)方程式： 光電管：光電管：（1）光電管）光電管 光電管是一個抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內(nèi)部有光陰極、光電管是一個抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內(nèi)部有光陰極、陽極，光陰極涂有光敏材料，當(dāng)光線照射在光敏材料上時，如陽極，光陰極涂有光敏材料，當(dāng)光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量果光子的能量E E大于電子的逸出功大于電子的逸出功A A（E EA A），會有電子逸出產(chǎn)），會有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，

10、在光電管內(nèi)形成電生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻子流，電流在回路電阻 R R上上 產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。RUI光 強(qiáng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比。入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比。 主要用于：分光光度計、光電比色計等分析儀器和各種自動裝置。主要用于：分光光度計、光電比色計等分析儀器和各種自動裝置。（2）光電倍增管）光電倍增管 光照很弱時，光電管產(chǎn)生光照很弱時，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。常常使用光電倍增管。 光電倍增管是利用二次電光電倍增

11、管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。3.光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能使材料產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)在光線作用下能使材料產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象象稱為稱為“光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)”。光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的有源器件。光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的有源器件。 從用途上講，光電池可分為兩類：一類是把光電池用做電源，既常說的太陽能電池，要求其效率高、成本低、壽命長、功率大等； 另一類是把它當(dāng)作光電探測器，稱為測量用光電池，要求它線性好、光譜響應(yīng)范圍合適、響應(yīng)時

12、間短等。 +-PN光電池的作用原理：當(dāng)光電池的作用原理：當(dāng)照射至光電池的照射至光電池的PN的的P型面上時，如果光子能型面上時，如果光子能量量h 大于半導(dǎo)體材料的大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在禁帶寬度，則在P型區(qū)每型區(qū)每吸收一個光子便激發(fā)出吸收一個光子便激發(fā)出一個電子一個電子空穴對。在空穴對。在PN結(jié)電場作用下，結(jié)電場作用下，N區(qū)區(qū)的光生空穴被拉向的光生空穴被拉向P區(qū)，區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)。結(jié)果在區(qū)。結(jié)果在N區(qū)便會積聚區(qū)便會積聚負(fù)電荷，在負(fù)電荷，在P區(qū)則積聚正區(qū)則積聚正電荷。這樣在電荷。這樣在N區(qū)和區(qū)和P區(qū)區(qū)便形成電勢區(qū)。便形成電勢區(qū)。光電池光電池光電池光電池外形外形光

13、敏面光敏面光敏元件的基本特性 1 1）光照特性）光照特性 2 2）伏安特性：）伏安特性： 3 3）光譜特性）光譜特性 4）溫度特性 5）頻率特性 響應(yīng)時間常數(shù)一般為：10-4s10-5s適合快速測量圖像傳感器圖像傳感器圖像傳感器主要指的是圖像傳感器主要指的是CCD和和CMOS這兩類固態(tài)圖像傳感器這兩類固態(tài)圖像傳感器 CCD是電荷耦合器件（Charge Coupled Device）的縮寫；CMOS是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）CCD和和CMOS使用的都是一種使用的都是一種PN結(jié)半導(dǎo)體光敏感器，能夠?qū)⑷虢Y(jié)半導(dǎo)體光敏感器，能

14、夠?qū)⑷肷涔饩€的光子轉(zhuǎn)換成為與之?dāng)?shù)量成比例的電子射光線的光子轉(zhuǎn)換成為與之?dāng)?shù)量成比例的電子。 圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺、模式識別與人工智能、安防監(jiān)控、工業(yè)檢測等領(lǐng)域 2.9 熱電式傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。置。常用的熱電阻、熱敏電阻和熱電偶熱電阻、熱敏電阻和熱電偶溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電式傳感器稱為熱電阻，將溫度轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器稱為熱電偶。 熱電阻 熱電阻效應(yīng)熱電阻效應(yīng)：幾乎所有物質(zhì)的電阻都隨其本身溫度的變化而變化物質(zhì)的電阻都隨其本身溫度的變化而變化以熱電阻效應(yīng)為工作原理的溫度敏感元件稱為熱電阻式傳感

15、器，或簡稱熱電阻。 靈敏度靈敏度 dtdRR1St0)tt(1RR00t電阻與溫度關(guān)系電阻與溫度關(guān)系 熱電阻 常用的金屬熱電阻有：鉑熱電阻、銅熱電阻等 鉑熱電阻值分別為值分別為100和和50 （Pt100和和Pt50）銅熱電阻有兩種初始電阻值，銅熱電阻有兩種初始電阻值，R0=50和和R0=100 ,分度號分分度號分別為別為u50和和u100熱敏電阻 熱敏電阻是利用熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫的的特性實現(xiàn)測溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得

16、很小，故動態(tài)特其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態(tài)特性好，特別適于在性好，特別適于在-100-100300300之間測溫。之間測溫。玻璃殼玻璃殼熱敏電阻熱敏電阻引線引線聚脂塑料封裝聚脂塑料封裝熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻的應(yīng)用熱電偶 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體將兩種不同材料的導(dǎo)體A A和和B B串接成一個閉合回路，串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)。T T：熱端；：熱端；T T0 0：冷端：冷端溫差電動勢溫差電動勢E EABA

17、B= = ABAB T T， T=T-TT=T-T0 0 ABAB稱為溫差電動勢率稱為溫差電動勢率靈敏度取決于靈敏度取決于 ABAB，也就取決于兩種不同材料的搭配，也就取決于兩種不同材料的搭配EABTT0i恒溫恒溫?zé)犭娕紲y溫基本定律熱電偶測溫基本定律1)1)中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶熱電偶AB的熱電勢僅取決于熱電偶的材料的熱電勢僅取決于熱電偶的材料和兩個結(jié)點的溫度，而與溫度沿?zé)犭姌O的分布和兩個結(jié)點的溫度，而與溫度沿?zé)犭姌O的分布以及熱電極的參數(shù)和形式無關(guān)以及熱電極的參數(shù)和形式無關(guān) 。)T,T(E)T,T(E)T,T(E0cABcAB0AB熱電偶測溫基本定律熱電偶測溫基本定律2)中間導(dǎo)體定律

18、中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。路的總熱電動勢。3)3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體A,BA,B分別與參考電極分別與參考電極C C組成熱電偶，如組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A A和和B B兩極配對后兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：的熱電動勢可用下式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACABAABB1T2TTE0T0TAB0T 3T1E2E3E儀

19、表儀表3R2R1R3321EEEET),(),(),(31030201TTETTETTEABABAB 這種并聯(lián)熱電偶可用于測量平均溫度這種并聯(lián)熱電偶可用于測量平均溫度 AABBTTTE0TABT儀表儀表0T0T0TCCCDDD 把幾個相同型號的熱電偶串聯(lián)在一起，又稱熱電堆。所有測量端處于同一溫度T之下，所有連接點處于另一溫度T0之下，輸出電動勢是每個熱電動勢之和 安裝螺紋安裝螺紋安裝法蘭安裝法蘭2.10 計數(shù)編碼類傳感器計數(shù)編碼類傳感器 將轉(zhuǎn)換后的電量按開關(guān)量（或脈沖）計數(shù)或編碼等將轉(zhuǎn)換后的電量按開關(guān)量（或脈沖）計數(shù)或編碼等數(shù)字形式輸出，從而提高了傳感器的抗外界干擾能力數(shù)字形式輸出，從而提高了

20、傳感器的抗外界干擾能力 包括感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、光電編碼器等包括感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、光電編碼器等 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是基于電磁感應(yīng)原理來測量直線或角位移的器件。感應(yīng)同步器是基于電磁感應(yīng)原理來測量直線或角位移的器件。測量直線位移的稱為直線感應(yīng)同步器，測量角位移的稱為圓感測量直線位移的稱為直線感應(yīng)同步器，測量角位移的稱為圓感應(yīng)同步器。應(yīng)同步器。光柵傳感器光柵傳感器 1 1、莫爾條紋與光柵測量方程、莫爾條紋與光柵測量方程 WNL21光柵莫爾條紋的形成 式中：N為條紋變化數(shù)，W為柵距，1、2為起點和終點不足一個柵距的部分。W22sinWBH光柵測量方程莫爾條紋寬度莫爾條紋寬度B

21、BH H 式中：兩光柵夾角（rad） W光柵柵距（mm） BH莫爾條紋寬度（mm）。2、莫爾條紋的類型u橫向莫爾條紋 u光閘莫爾條紋 u斜向莫爾條紋 3、莫爾條紋的性質(zhì) n莫爾條紋移動與光柵運動有對應(yīng)關(guān)系n莫爾條紋具有位移放大作用 n莫爾條紋具有誤差平均效應(yīng) 4、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)組成 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)組成1-光源 2-聚光透鏡 3-主光柵 4-指示光柵 5-光電元件 6-莫爾條紋 7-光強(qiáng)分布磁柵傳感器磁柵傳感器 1、概念 磁柵傳感器是一種位移傳感器，可分為長磁柵和圓磁柵傳感器，分別用來測量線位移和角位移。 2、特點 磁柵式位移傳感器具有較高精度，可以達(dá)到0.01mm/m，分辨率為15m；但磁

22、信號的均勻性、一致性及穩(wěn)定性對磁柵式位移測量的精度的精度影響較大。光電編碼器光電編碼器 絕對式光電編碼器工作原理 編碼器又稱碼盤，是一種數(shù)字式角位移傳感器。其優(yōu)點是編碼器又稱碼盤，是一種數(shù)字式角位移傳感器。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，在空間技術(shù)、數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)等方面有廣結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，在空間技術(shù)、數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)等方面有廣泛應(yīng)用。按其工作原理可分為電觸式、電容式、感應(yīng)式、光電泛應(yīng)用。按其工作原理可分為電觸式、電容式、感應(yīng)式、光電式等。光電編碼器有增量式和絕對式兩種。式等。光電編碼器有增量式和絕對式兩種。 光電編碼器光電編碼器 絕對式光電編碼器工作原理絕對式光電編碼器工作原理 本章小結(jié)本章小結(jié)傳感器概念、分類、靜態(tài)及動態(tài)特性傳感器概念、分類、靜態(tài)及動態(tài)特性各種傳感器的工作原理各種傳感器的工作原理 應(yīng)變效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、渦流效應(yīng)、壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、渦流效應(yīng)、壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光電效應(yīng)、熱點效應(yīng)、莫爾條紋等光電效應(yīng)、熱點效應(yīng)、莫爾條紋等3.電阻應(yīng)變式傳感器、電橋測量電路的類型、輸入