感測技術(shù)--ch4-2

1、一、溫敏晶閘管的工作原理一、溫敏晶閘管的工作原理結(jié)構(gòu)與等效電路結(jié)構(gòu)與等效電路：可控硅是個四層PNPN結(jié)構(gòu)的三端半導(dǎo)體器件，包括3個PN結(jié)J1、J2、J3，外層P1區(qū)引出陽極A，N2區(qū)引出陰極K，N1區(qū)和P2區(qū)分別引出兩個柵極G1和G2，可控硅可看作由一個PNP和NPN晶體管組合而成，PNP集電極總是與NPN的基區(qū)連接在一起。第三節(jié)第三節(jié) 溫敏溫敏晶閘管晶閘管( (可控硅可控硅) )工作原理工作原理：當(dāng)晶閘管處于正向偏置時， J1和J3正偏，J2反偏， IA很小，晶閘管處于高阻態(tài)，稱斷態(tài) ； ， 形成正反饋。如果反饋回路的增益足夠大，器件可以由正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)向正向?qū)顟B(tài)。在正向偏置下的晶閘管，

2、通過控制柵極電流 Ig ，可使它由斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)。可作為理想開關(guān)器件。 當(dāng)晶閘管處于反向偏置時， J1和J3反偏，J2正偏， J1 幾乎承受所有的反向電壓， 流過的反向電流很 小晶閘管處于反向 阻斷狀態(tài)。gCII221CBII 電流電流-電壓特性電壓特性：特性曲線 （0）（1）為正向阻斷區(qū)，即關(guān)斷； （1）（3）為通態(tài)； （0）（4） （5）為反向區(qū)；（2）為保持點(diǎn)，電壓 Vh 和電流 Ih 稱保持電壓和保持電流； 處于通態(tài)的晶閘管，當(dāng)電流小于 Ih 時，由通態(tài)轉(zhuǎn)換為斷態(tài)； Vs 和 Is 是關(guān)態(tài)電壓和電流。二、溫敏晶閘管的溫度特性二、溫敏晶閘管的溫度特性 溫度升高時，J2結(jié)的反向漏電流指數(shù)增大

3、，因?yàn)檎答伒玫椒糯?的陽極電流，電流增益 隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度升高到兩管電流增益之和近似為1時，晶閘管由斷態(tài)進(jìn)入通態(tài)，此溫度稱開關(guān)溫度。 原來處于正向阻斷狀態(tài)的晶閘管可在溫度觸發(fā)下實(shí)現(xiàn)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)溫度開關(guān)。 ：兩管電流增益dTdIdTdIA0211121,三、溫敏晶閘管的應(yīng)用 溫度開關(guān)溫度開關(guān)：當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，溫控晶閘管導(dǎo)通，半波整流電流流過負(fù)載；溫度繼續(xù)上升，仍導(dǎo)通。 當(dāng)溫度低于開關(guān)溫度時，當(dāng)電壓到達(dá)零交叉點(diǎn)時，溫控晶閘管斷開。 集成溫度傳感器集成溫度傳感器：將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一個芯片上的溫度傳感器，具有理想的線性輸出，即輸出結(jié)果（電流、電壓、頻率）與絕對溫度成正比。

4、 集成溫度傳感器采用對管差分電路第四節(jié)第四節(jié) 集成溫度傳感器集成溫度傳感器TTvvSvvSeIeII/) 1()/ln(/STIIvvSSTIIqkTIIvvln)/ln(cebeIIqkTVln集成溫度傳感器的輸出有電流、電壓和頻率三種類型。一、電壓型集成溫度傳感器 BG3、BG4、BG5完全相同， BG3與BG4組成恒流源兩者射極電流相同（電流鏡），BG5的射極電流與BG4相同。lnqkTVbeln11qRkTI ln120qRkTRV二、電流型集成溫度傳感器AD590 基本原理基本原理：輸出電流與絕對溫度成正比。T3與T4作為恒流源，使T1與T2的電流相等總電流為： ln221qRkTI

5、IT實(shí)用電路實(shí)用電路：T1-T2和T3-T4成為恒流源，使流過T9和T11的電流相等，T10為T7和T8的恒流負(fù)載，流過它的電流與T11相等。69959112RIVRIVbebe)2(569911RRIVVVbebebe)2(ln3)2(3356569RRqkTRRVIIbe總基本應(yīng)用電路基本應(yīng)用電路：圖1（b）是AD590用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kW時，輸出電壓VO隨溫度的變化為1mV/K。 如圖，電位器R2用于調(diào)整零點(diǎn)，R4用于調(diào)整運(yùn)放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0時調(diào)整R2，使輸出VO=0，然

6、后在100時調(diào)整R4使VO=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0時，VO=0mV，100時VO=100mV為止。 AD581是高精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V，輸出10V。此電路的用途是什么？攝氏攝氏溫度溫度測量測量電路電路 要用于測量華氏溫度（符號為），怎么設(shè)計(jì)華氏溫度等于熱力學(xué)溫度減去255.4再乘以9/5，若要求輸出為1mV/，則調(diào)整反饋電阻約為180kW，使得溫度為0時，VO=17.8mV；溫度為100時，VO=197.8mV 在圖示的溫控電路中，AD590、RD、R、R1 、R2 、R3構(gòu)成測溫電橋，調(diào)節(jié)R2設(shè)定T0的電壓。當(dāng)T低于T0時，V- V+，V0輸出低電平，T1、T2

7、 截止，停止加熱。第五節(jié)第五節(jié) 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 由于光纖傳感器及技術(shù)具有較其它傳感器無法比擬的特點(diǎn)，所以近幾年來，光纖傳感器與測量技術(shù)發(fā)展成為儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向，而新型光纖傳感器不外乎有以下特點(diǎn)：* 光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗很小，目前損耗能達(dá)到0.2 dB/km的水平。* 光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)行超高速測量，靈敏度和線性度好。* 光纖傳感器體積很小，重量輕，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測量。 還具有靈敏度高、可靠性好、原材料硅資源豐富、抗電磁干擾，抗腐蝕、耐高壓、電絕緣性能好、可繞曲、防爆、頻帶寬、損耗低等特點(diǎn)。同時，它還便于與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)

8、現(xiàn)智能化和遠(yuǎn)距離監(jiān)控。對傳統(tǒng)的傳感器起到擴(kuò)展提高的作用，不少情況下能夠完成前者很難完成甚至不能完成的仟務(wù)。 正是由于光纖傳感器具有許多獨(dú)特優(yōu)勢，可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題， 故自從它問世以來，就被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、電力、機(jī)械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各個領(lǐng)域。 一、光纖傳感器組成與類型光纖傳感器組成與類型 光纖傳感器一般是由光源、接口、光纖、光調(diào)制機(jī)構(gòu)、光電探測器和信號處理系統(tǒng)等部分組成。來自光源的光線，通過接口進(jìn)入光纖，然后將檢測的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微處理器進(jìn)行信息處理。概括光纖傳感器一般由三部分組成，除光纖之外，還必須有光源和光探測器兩個重

9、要部件，見圖1所示。 光纖溫度傳感器按工作原理分為兩大類，一類是傳感型光纖溫度傳感器，這類傳感器中，光纖不僅起傳光作用，而且利用外界因素使其傳光特性發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)傳感測量。第二類是傳光型光纖溫度傳感器，在這類傳感器中，光纖僅僅作為傳光的媒介，對待測對象的調(diào)制功能是依仗其它物理性質(zhì)的敏感元件來實(shí)現(xiàn)的。目前，國內(nèi)外以傳光型光纖溫度傳感器應(yīng)用較廣。 適用于測溫的主要調(diào)制器有以下幾類：（1）半導(dǎo)體吸收式半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器，它是利用GaAs、CdTe等半導(dǎo)體材料的光吸收特性與溫度的關(guān)系構(gòu)成，這類溫度傳感器國內(nèi)已有研制報(bào)道；（2）熒光輻射式熒光輻射式光纖溫度傳感器，這種傳感器是利用物質(zhì)的熒光輻射

10、現(xiàn)象構(gòu)成。通常設(shè)在光纖的一端固結(jié)著微量稀土磷化合物，受紫外光照射后，激勵其發(fā)出熒光。此熒光強(qiáng)度隨溫度變化而變化。如美國培安公司的微波消解系統(tǒng)就是采用這類傳感器測溫的； （3）光纖熱色熱色溫度傳感器，可在光纖端面上配置液晶芯片，利用液晶獨(dú)有的熱色效應(yīng)，即溫度不同時液晶顏色不同的原理來測量溫度；（4）光纖輻射光纖輻射溫度傳感器，為非接觸測量，如國內(nèi)有報(bào)道用國產(chǎn)氟化物光纖及硒化鉛探測器構(gòu)成光纖測溫儀；（5）干涉型干涉型光纖溫度傳感器，屬于傳感型光纖傳感器。溫度變化可引起干涉儀相位變化，通過光纖干涉儀來檢測相位的變化可測待測溫度。 傳光型光纖傳感器中的光纖僅作為傳輸光的介質(zhì)，只起傳輸光波的作用，對外界

11、信息的“感覺”功能是依靠其它物質(zhì)的敏感元件來完成的，因此必須在光纖端面或中間加裝其它敏感元件才能構(gòu)成傳感器。這樣，傳感器中的光纖中間是中斷的、不連續(xù)的，中斷部分要接上其它介質(zhì)的敏感元件。傳光型光纖溫度傳感器：傳光型光纖溫度傳感器： 圖2(a)為半導(dǎo)體吸光型(傳光型)光纖溫度傳感器示意圖。將一根切斷的光導(dǎo)纖維裝在細(xì)鋼管內(nèi)，光纖兩端面間夾有一塊半導(dǎo)體感溫薄片(如GaAs或InP)，這種半導(dǎo)體感溫薄片透射光強(qiáng)隨被測溫度而變化。當(dāng)光纖一端輸入一恒定光強(qiáng)的光時，由于半導(dǎo)體感溫薄片透射能力隨溫度變化，光纖另一端接收元件所接受的光強(qiáng)也隨被測溫度而改變。于是通過測量光探測器輸出的電量，便能遙測到感溫探頭2(b

12、)處的溫度。 分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的技術(shù)原理是什么？分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的技術(shù)原理是什么？該技術(shù)主要依據(jù)光纖的光時域反射(OTDR)和光纖的背向喇曼散射溫度效應(yīng)。激光脈沖射入光纖內(nèi)部，光子與光纖材料分子在內(nèi)部相互作用，一部分光被反射回來，反射光攜帶著被散射光子運(yùn)動的熱信息。因此，被反射回來光的光譜攜帶了光纖的溫度信息，可以測量沿光纖每一點(diǎn)的溫度。光譜的分析包括激光在光纖中的傳播速率，通常（像雷達(dá)原理）和光的速度一樣，用很短的時間間隔（比如1米）去掃描整個光纖的長度，根據(jù)這樣沿光纖的溫度分布就可以決定了。需要提出的是所測得的每一點(diǎn)溫度是一段光纖上的平均溫度。由于光的速度很快，因此一條數(shù)千米長的光纖可以在不到一秒的時間內(nèi)掃描完畢。 分布光纖溫度傳感技術(shù)設(shè)備包括兩部分：傳感光纜和主機(jī)。光纜里面通常有若干根光纖組成，光纖是溫度敏感材料，因此