第三章 光電傳感器

1、“傳感器與電子測(cè)量技術(shù)”-應(yīng)用電子技術(shù)教研室吳第5章 熱電式傳感器及應(yīng)用 引言熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便，具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性，溫度測(cè)量范圍寬，在溫度測(cè)量中占有重要的地位。主要內(nèi)容5.1熱電偶工作原理5.2熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及材料5.3熱電偶實(shí)用測(cè)溫線路和溫度補(bǔ)償5.4熱電偶傳感器的應(yīng)用實(shí)例5.1 熱電偶工作原理5.1.1 工作原理 5.1.2 熱電偶的基本定律 5.1.1 工作原理1、熱電效應(yīng) 將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)分別置于不同的溫度場(chǎng)中時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”。 1821年由Seebac

2、k發(fā)現(xiàn)的，故又稱為賽貝克效應(yīng)。2、 熱電偶回路原理 3、熱電勢(shì)由兩部分組成、兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電勢(shì)則稱為“熱電勢(shì)”，熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)稱為測(cè)量端（工作端或熱端），另一個(gè)稱為參考端（自由端或冷端）。、一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。4、 接觸電勢(shì)、當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子密度不同），因此，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。 、假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷

3、，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷。于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A到B的電場(chǎng)。5、 熱電動(dòng)勢(shì)示意圖 6、形成機(jī)理 該電場(chǎng)的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時(shí)，即自導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場(chǎng)作用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)的大小與導(dǎo)體材料、結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長(zhǎng)度及幾何形狀無關(guān)。 7、接觸電勢(shì)大小 其中，nA和nB分別是導(dǎo)體A和導(dǎo)體B的自由電子數(shù)。8、溫差電動(dòng)勢(shì) 將某一導(dǎo)體兩端分別置于不同的溫度

4、場(chǎng)T、T0中，在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)阻止電子從熱端向冷端移動(dòng)，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電勢(shì)，我們稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。 A湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0時(shí)，銅的=2V/。9、 熱電偶回路總電勢(shì) 設(shè)導(dǎo)體A、B組成熱電偶的兩結(jié)點(diǎn)溫度分別為T和T0，熱電偶回路所產(chǎn)生的總電動(dòng)勢(shì)， 在熱電偶回路中接觸電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫差電動(dòng)勢(shì)，所以溫差電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì)。 在導(dǎo)體中自由電子數(shù)很多，以致溫度不能顯著地改變它的自由電子濃度，所

5、以，在同一種導(dǎo)體內(nèi)，溫差電勢(shì)極小，可以忽略。因此，在一個(gè)熱電偶回路中起決定作用的，是兩個(gè)接點(diǎn)處的接觸電勢(shì)。故， 熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)，與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無關(guān)。10、 結(jié)論（1）、如果熱電偶兩材料相同，則無論結(jié)點(diǎn)處的溫度如何，總電勢(shì)為0。（2）、如果兩結(jié)點(diǎn)處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢(shì)為0。（3）、熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)，當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢(shì)便是兩結(jié)點(diǎn)電勢(shì)差。（4）、如果使冷端溫度0保持不變，則熱電動(dòng)勢(shì)便成為熱端溫度的單一函數(shù)。 4.優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)快，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。

6、3.2 光電效應(yīng)1、什么是光電效應(yīng)？光照射在物體上可看成一連串具有能量的光子對(duì)物體的轟擊，物體吸收光子能量產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。2、光子能量其中，f是光的頻率；C是光速；是光的波長(zhǎng)；h=6.626×10-34 J·S，為普朗克常數(shù)。3.3 光電效應(yīng)的分類 通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。3.3.1 外光電效應(yīng)1.外光電效應(yīng)（1887/赫茲/德國）：光照射固體而從表面逸出電子的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）; 2.基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件,有光電管、光電倍增管等。3.光電倍增管的工作原理圖其中，A是光電陽極，D1D6是光電倍

7、增極。（1）組成光電陰極：由半導(dǎo)體材料銻銫制造，入射光在它上面打出光電子。光電倍增極：數(shù)目在414個(gè)不等。光電陽極：收集電子，外電路形成電流輸出。 在工作時(shí),這些電極的電位是逐級(jí)增高的。 陰極K電位最低，陽極A電位最高。各電極之間保持上百伏的電壓差。（2）工作原理： 光 陰極 光電倍增極 陽極 光電流 光線光電陰極(D1正電位作用)加速并打在第一倍增極D1上,產(chǎn)生二次發(fā)射； D1的二次發(fā)射電子(D2正電位作用)加速入射到電極D2上； 這樣逐級(jí)前進(jìn),一直到達(dá)陽極A為止。由上述的工作過程可見,光電流是逐級(jí)遞增的,因此光電倍增管具有很高的靈敏度。（3）特點(diǎn)：產(chǎn)生光電流，對(duì)光電流有放大作用。 如果在光

8、電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個(gè)電子，這個(gè)電子將被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極，設(shè)這時(shí)第一倍增極有個(gè)二次電子，這個(gè)電子又轟擊第二倍增極，而其產(chǎn)生的二次電子又增加倍，經(jīng)過n個(gè)倍增極后，原先的1個(gè)電子將變成n個(gè)電子，這些電子最后被陽極所收集而在光電陰極與陽極之間形成電流。 構(gòu)成倍增極材料的>1，設(shè)4，n10，放大倍數(shù)為410 106 可見，光電倍增管的放大倍數(shù)是很高的。3.3.2 內(nèi)光電效應(yīng)受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。（1）光電導(dǎo)效應(yīng)原理：光 半導(dǎo)體 電子吸收能量 躍遷

9、 電子-空穴對(duì)導(dǎo)電性能電阻值。 基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(光電導(dǎo)型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型)。 a.光敏電阻(光導(dǎo)管)特點(diǎn)：靈敏度高,體積小,重量輕,光譜響應(yīng)范圍寬,機(jī)械強(qiáng)度高,耐沖擊和振動(dòng),壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 原理：電阻器件，加直流偏壓，無極性 無光照-電子-空穴對(duì)很少-電阻大(暗電阻)-暗電流很小 有光照-電子-空穴對(duì)增多-電阻小(亮電阻)-亮電流很大主要參數(shù)：暗電流：光照時(shí)，通過光敏電阻的電流；亮電流：有光照時(shí)，通過光敏電阻的電流；光電流亮電流暗電流b.光敏二極管和光敏三極管光敏管的工作原理與光敏電阻是相似的,其差別只是光照在半導(dǎo)體結(jié)上而已。 （2）.光生伏特

10、效應(yīng)光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。 因此光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的,屬有源器件。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件,硒Se和硅Si是光電池常用的材料,也可以使用鍺。 硅光電池：在N型硅片上摻入P型雜質(zhì)，形成一個(gè)大面積的PN結(jié)。硅光電池光照特性光電池在不同光照強(qiáng)度下，有不同的光生電勢(shì)或光生電流 。3.4 光電傳感器的基本特性光電特性有：光譜、光照、伏安、頻率和溫度特性。 3.4.1 光譜特性光敏電阻的光譜特性是指光電流對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的相對(duì)靈敏度。Cd是鎘;Zn鋅是;Ti是鈦;Pb是鉛。從左到右，按照順序依次是硫化鋅、硫化鎘、硫化鈦、硫化鉛。

11、3.4.2 光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性是指在一定的電壓下，光電流I與光照強(qiáng)度E的關(guān)系 。3.4.3 光敏電阻的頻率特性頻率特性是指光敏電阻上的光電流對(duì)入射光調(diào)制頻率的響應(yīng)特性 。3.4.4 光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性是指在一定強(qiáng)度的光照下，光敏電阻的端電壓與光電流的關(guān)系。3.4.5 光敏電阻的溫度特性溫度特性是指光敏電阻工作特性受溫度的影響。 3.5 光電傳感器的分類由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛

12、的應(yīng)用。按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。3.5.1模擬式光電傳感器1.模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光通量是隨被測(cè)量而變，光電流就成為被測(cè)量的函數(shù)，故稱為光電傳感器的函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和輻射式。2.四種形式的工作方式。被吸收的光通量與被測(cè)物體的透明度有關(guān)。常用來測(cè)物體的混濁度。反射光通量取決于反向表面的性質(zhì)、狀態(tài)和光源之間的距離。主要用于測(cè)量表面粗糙度。光源發(fā)出的光經(jīng)過被測(cè)物體時(shí)被遮擋部分，使得光電元件上的光通量減弱，減弱的程度與被測(cè)物體在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。主要用于測(cè)位移。例如，光電測(cè)微計(jì)。光電測(cè)微計(jì)被測(cè)物體本身就是輻

13、射源，所發(fā)出的光直接照在光電元件上，（或經(jīng)過一定的光通路照在光電元件上），輻射強(qiáng)度與溫度具有一定的關(guān)系。常用于做高溫計(jì)。例如，比色測(cè)溫計(jì)。3.5.2脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即"通"與"斷"的開關(guān)狀態(tài)，所以也稱為光電元件的開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)。例如，光電轉(zhuǎn)速計(jì)、天幕靶等。直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)見下圖。工作原理：開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通過測(cè)量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測(cè)轉(zhuǎn)速。 即：其中，n轉(zhuǎn)速； f脈沖頻率； m圓盤開孔數(shù)。3.6 光電傳感

14、器的應(yīng)用3.6.1條形碼掃描筆 當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遇到白色間隔時(shí)，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。 整個(gè)條形碼被掃描過之后，光敏三極管將條形碼變形一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，完成對(duì)條形碼信息的識(shí)別。3.6.2簡(jiǎn)易感光報(bào)警器當(dāng)無光照時(shí)，硅光電池?zé)o電壓產(chǎn)生，此時(shí)硅光電池相當(dāng)于一個(gè)電阻串接在放大器的基極電路上。當(dāng)有光照時(shí)，硅光電池產(chǎn)生電壓，該電壓與R2上的電壓一起加在VT1管的基極，于是VT1導(dǎo)通，VT2、V

15、T3也隨之導(dǎo)通，繼電器K工作，其觸點(diǎn)被吸合，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲響。3.6.3產(chǎn)品計(jì)數(shù)器產(chǎn)品在傳送帶上運(yùn)行時(shí)，不斷地遮擋光源到光敏器件間的光路，使光電脈沖電路隨產(chǎn)品的有無產(chǎn)生一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)。產(chǎn)品每遮光一次，光電脈沖電路便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目。該脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)并由顯示電路顯示出來。3.6.4 光電式煙霧報(bào)警器沒有煙霧時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線直線傳播，光電三極管沒有接收信號(hào)，沒有輸出；有煙霧時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線被煙霧顆粒折射，使三極管接受到光線，有信號(hào)輸出，發(fā)出報(bào)警。3.6.5防盜報(bào)警電路將光電斷路器安裝于抽屜的背后，并設(shè)一電源開關(guān)置于隱蔽的地方，當(dāng)需要防盜時(shí)

16、，將開關(guān)合上。平時(shí)由于擋板插入槽口，光電三極僅有暗電流，BG不導(dǎo)通，繼電器J不吸合。當(dāng)小偷撬開抽屜時(shí)，一拉開抽屜則擋板離開槽口，光電三極管的光電流使R2上產(chǎn)生接近電源的電壓，BG導(dǎo)通，繼電器吸合，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。3.6.6公共汽車關(guān)門安全指示器當(dāng)車門關(guān)好時(shí)，擋板插入光電斷路器槽口，光電三極管無工作電流，其輸出為高電平；當(dāng)三個(gè)車門全關(guān)好時(shí)，則相應(yīng)地輸出三個(gè)高電平信號(hào)。則與門的輸出為高電平 ，綠燈亮。若其中有一個(gè)車門沒關(guān)好（或沒關(guān)嚴(yán)），則與門輸出為低電平，使紅燈亮。3.6.7測(cè)光文具盒測(cè)光文具盒融文具盒與學(xué)生閱讀書寫環(huán)境照度監(jiān)視器為一體，可有效指導(dǎo)學(xué)生在合適的光線下學(xué)習(xí)，以保護(hù)視力。 測(cè)光文具盒的測(cè)光電路如上圖所示。電路中采用2CRll硅光電池作為測(cè)光元件，它被安裝在文具盒的表面，直接感受光的強(qiáng)弱。VD，和VD，為兩只發(fā)光二極管，用來指示光的強(qiáng)弱。當(dāng)光照度小于10Olx(較暗)時(shí)，硅光電池產(chǎn)生的電壓較小，VT1管壓降較大或處