檢測(cè)技術(shù)期末課件

1、2022-5-16第4章 電壓型傳感器1 第第 4 章章 電電 壓壓 型型 傳傳 感感 器器2022-5-16第4章 電壓型傳感器24.1 磁電式傳感器磁電式傳感器n即感應(yīng)式傳感器即感應(yīng)式傳感器 n利用利用電磁感應(yīng)原理 n將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出n無(wú)需供電電源n直接吸收機(jī)械能電信號(hào)輸出n輸出功率較大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬2022-5-16第4章 電壓型傳感器34.1 磁電式傳感器磁電式傳感器4.1.1 基本原理和組成基本原理和組成dtdNe1磁路系統(tǒng)磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，一般采一般采 用用永久磁鋼永久磁鋼2線(xiàn)線(xiàn) 圈圈 產(chǎn)生感應(yīng)電壓產(chǎn)生感應(yīng)電壓3運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)

2、動(dòng)機(jī)構(gòu)感受被測(cè)運(yùn)動(dòng)感受被測(cè)運(yùn)動(dòng) 2022-5-16第4章 電壓型傳感器44.1.2 結(jié)構(gòu)類(lèi)型結(jié)構(gòu)類(lèi)型1 1、變磁通式、變磁通式永久磁鐵和線(xiàn)圈均不動(dòng)（變磁阻式）永久磁鐵和線(xiàn)圈均不動(dòng)（變磁阻式）鐵芯平移型鐵芯平移型 圖圖4-1-1（a） 鐵芯旋轉(zhuǎn)型鐵芯旋轉(zhuǎn)型 圖圖4-1-1（b） 圖4-1-1 變磁通式結(jié)構(gòu)2cos2eANBt 2022-5-16第4章 電壓型傳感器5n2、恒磁通式恒磁通式永久磁鐵與線(xiàn)圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)永久磁鐵與線(xiàn)圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)n動(dòng)鐵式動(dòng)鐵式圖圖4-1-2（a）n動(dòng)圈式動(dòng)圈式 n平移型平移型 圖圖4-1-2（b） n旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)型型 圖圖4-1-2（c） 2022-5-16第4章 電壓型傳感器6圖

3、4-1-2 恒磁通式結(jié)構(gòu)90sinoeBl vBl v90sinoeBABA2022-5-16第4章 電壓型傳感器74.1.3 接口電路接口電路2022-5-16第4章 電壓型傳感器84.1.3 接口電路接口電路 （圖（圖4-1-3 4-1-3 ）1測(cè)振動(dòng)速度測(cè)振動(dòng)速度雙刀三擲開(kāi)關(guān)置于雙刀三擲開(kāi)關(guān)置于1-12測(cè)振動(dòng)位移測(cè)振動(dòng)位移雙刀三擲開(kāi)關(guān)置于雙刀三擲開(kāi)關(guān)置于2-23測(cè)振動(dòng)加速度測(cè)振動(dòng)加速度雙刀三擲開(kāi)關(guān)置于雙刀三擲開(kāi)關(guān)置于 3-3 2022-5-16第4章 電壓型傳感器94.2 壓電式傳感器壓電式傳感器4.2.1 壓電效應(yīng)及其表達(dá)式 一、壓電效應(yīng)1正壓電效應(yīng)（簡(jiǎn)稱(chēng)壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（簡(jiǎn)稱(chēng)壓電效

4、應(yīng)）某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)的表面上便產(chǎn)生符號(hào)就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)的表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)；當(dāng)作用力作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。 2022-5-16第4章 電壓型傳感器104.2.1 壓電效應(yīng)及其表達(dá)式 一、壓電效應(yīng)2逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)時(shí)，這些電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生變當(dāng)在電

5、介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)時(shí)，這些電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生變形。形。 2022-5-16第4章 電壓型傳感器11二、壓電效應(yīng)方程1、力電表示方法：、力電表示方法： 圖圖4-2-1i電荷產(chǎn)生面電荷產(chǎn)生面 i=1,2,3分別代表分別代表x、y、z面面j外加應(yīng)力方向外加應(yīng)力方向 j=1,2,3 分別代表使分別代表使x、y、z軸伸縮的力軸伸縮的力j=4,5,6分別代表分別代表x、y、z面受剪切的力面受剪切的力 2022-5-16第4章 電壓型傳感器124.2 壓電式傳感器壓電式傳感器4.2.1 壓電效應(yīng)及其表達(dá)式壓電效應(yīng)及其表達(dá)式iijjdT2022-5-16第4章 電壓型傳感器131單一壓電效應(yīng)單一壓電效應(yīng)單一應(yīng)

6、力作用單一應(yīng)力作用圖圖4-2-2（a） i=j 應(yīng)力與電荷面垂直，厚度伸縮應(yīng)力與電荷面垂直，厚度伸縮 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)圖圖4-2-2（b） ，應(yīng)力與電荷面平行，長(zhǎng)，應(yīng)力與電荷面平行，長(zhǎng)寬伸縮寬伸縮 橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)3,jjiiijjdT2022-5-16第4章 電壓型傳感器14圖圖4-2-2（c） ，電荷面受剪切，電荷面受剪切 面切壓電效應(yīng)面切壓電效應(yīng)圖圖4-2-2（d） ，厚度受剪切，厚度受剪切 剪切壓電效應(yīng)剪切壓電效應(yīng)4, 3 jij4, 3 jijiijjdT2022-5-16第4章 電壓型傳感器15圖4-2-2 壓電效應(yīng)的幾種類(lèi)型2022-5-16第4章 電壓型傳感器1

7、62全壓電效應(yīng)全壓電效應(yīng)多應(yīng)力同時(shí)作用多應(yīng)力同時(shí)作用 61,1,2,3iijjjdT i2022-5-16第4章 電壓型傳感器173壓電常數(shù)矩陣壓電常數(shù)矩陣 363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddddij2022-5-16第4章 電壓型傳感器183、力電荷轉(zhuǎn)換公式因?yàn)?所以 令 表示電荷靈敏度則 /jjjTFA/iiiQ AjijiTd iiijjjAQdFAiijjAddAjidFQ 2022-5-16第4章 電壓型傳感器19圖4-2-3 石英晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系11xxQd F1211xyyllQd Fd Fhh

8、 2022-5-16第4章 電壓型傳感器204.2.2 壓電材料壓電材料111114141100000002000000ijdddddd2022-5-16第4章 電壓型傳感器21圖4-2-5 石英晶體的壓電效應(yīng)2022-5-16第4章 電壓型傳感器22圖4-2-6 壓電陶瓷的極化15153131330000000000000ijdddddd2022-5-16第4章 電壓型傳感器23331323331333()(2)dddTddTd T2022-5-16第4章 電壓型傳感器244.2.3 壓電元件壓電元件231238d lQF2022-5-16第4章 電壓型傳感器25圖4-2-9 壓電元件的等效

9、電路2022-5-16第4章 電壓型傳感器263、串并聯(lián)壓電元件堆疊，使各元件均受相同力 圖4-2-10 壓電元件的串并聯(lián)2022-5-16第4章 電壓型傳感器27eQnQeUUeQQeUnU圖4-2-10 壓電元件的串并聯(lián)nCCae圖，)(nCCbe圖，)(2022-5-16第4章 電壓型傳感器284.2.4 接口電路接口電路aciCCCCaiiaR RRRR.IjQ2022-5-16第4章 電壓型傳感器29圖4-2-12 電壓放大器電路10UKU211RKR 2022-5-16第4章 電壓型傳感器3001111iIj QQUCj Cj CRRjRC10200)(11CKQU（一階高通濾波特

10、性）（一階高通濾波特性）2022-5-16第4章 電壓型傳感器31.00.201UUKdFFC200)(11CKQUQdF2022-5-16第4章 電壓型傳感器3200/aciUKQ CKQCCCdFQ CdFKU 02022-5-16第4章 電壓型傳感器33圖4-2-13 電荷放大器2022-5-16第4章 電壓型傳感器344.3 熱電偶傳感器熱電偶傳感器4.1 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和和B的兩端分別焊接在一起，形的兩端分別焊接在一起，形成一個(gè)閉合的回路。若兩個(gè)接點(diǎn)處于不同的溫度，回路中就會(huì)成一個(gè)閉合的回路。若兩個(gè)接點(diǎn)處于不同的溫度，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)

11、（稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)），因而在回路中形成電流，這種產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)），因而在回路中形成電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)?，F(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。圖4-3-1 熱電效應(yīng)示意圖0( , )ABET T2022-5-16第4章 電壓型傳感器351、熱電勢(shì)的產(chǎn)生1）單一單一導(dǎo)體的導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì) TTAAdtTTE0),(0所以所以 001100( ,)(, )( , )0( ,)( ,)( ,)AAAAAAE T TE T TE T TE T TE T TE T T 2022-5-16第4章 電壓型傳感器361、熱電勢(shì)的產(chǎn)生2）兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì) 所以所以 BAABNNeKTTEln)(0)()(

12、)()()()(0000TETETETETETEAACBACABBAAB2022-5-16第4章 電壓型傳感器371、熱電勢(shì)的產(chǎn)生3）熱電偶）熱電偶回路總熱電勢(shì)回路總熱電勢(shì)“巡游一周法巡游一周法”從熱端出發(fā)沿?zé)犭娕紡臒岫顺霭l(fā)沿?zé)犭娕蓟芈费不芈费灿斡我恢芤恢?，按照遇到的?dǎo)體和溫度的順序，按照遇到的導(dǎo)體和溫度的順序，依次寫(xiě)出，依次寫(xiě)出各接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)，并將它們相加起來(lái)便是各接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)，并將它們相加起來(lái)便是整個(gè)回路的總熱電勢(shì)：整個(gè)回路的總熱電勢(shì)： ),()(),()(),(0000TTETETTETETTEABABABAB2022-5-16第4章 電壓型傳感器38),()(),()(),

13、(0000TTETETTETETTEABABABAB),()(),()(000TTETETTETEAABBABTTABBAdTNNTTeK0)(ln)(02022-5-16第4章 電壓型傳感器393）熱電偶回路總熱電勢(shì)熱電偶回路總熱電勢(shì) 1、若A=B，則 2、若T=T0，則 0),(0TTEAB0),(0TTEAB結(jié)論結(jié)論：),()(),()(),(0000TTETETTETETTEABABABAB),()(),()(000TTETETTETEAABBABTTABBAdTNNTTeK0)(ln)(02022-5-16第4章 電壓型傳感器40結(jié)論：結(jié)論：1、當(dāng)熱電極材料均勻時(shí)，、當(dāng)熱電極材料均勻

14、時(shí)，EAB(T,T0)與熱電極與熱電極長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，只與材料和端溫長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，只與材料和端溫T，T0有關(guān)。有關(guān)。2、材料不同，、材料不同，NANB，才能作成熱偶。，才能作成熱偶。 3、A、B材料一定，材料一定，NA/NB一定，一定，EAB只與端溫只與端溫有關(guān)，當(dāng)有關(guān)，當(dāng)T0不變，則不變，則EAB（T，T0）=f(t)。利用。利用該特性測(cè)溫。該特性測(cè)溫。2022-5-16第4章 電壓型傳感器414.3.1 熱電效應(yīng)2.熱電偶基本定律1）中間）中間導(dǎo)體定律導(dǎo)體定律若中間導(dǎo)體兩端若中間導(dǎo)體兩端溫度相溫度相同同，則，則圖圖4-3-2(a)為例為例“巡游巡游一周法一周法” ),(),(00TTET

15、TEABABC2022-5-16第4章 電壓型傳感器42),()(),()(),(0nncnBCnBABABCTTETETTETETTE),()(),()(000TTETETTETEABAnBnCB因?yàn)橐驗(yàn)?),(),(),(00TTETTETTEBnBnB0),(nncTTE0)()(nCBnBCTETE， 所以所以0000( ,)( )( ,)( )( , )ABCABBBAAET TETE T TETE T T),(0TTEAB2022-5-16第4章 電壓型傳感器43圖4-3-2 熱電偶回路接入第三導(dǎo)體00( ,)( ,)ABCABET TET T2022-5-16第4章 電壓型傳感器

16、44圖4-3-3 開(kāi)路熱電偶的使用2022-5-16第4章 電壓型傳感器454.3.1 熱電效應(yīng)2.熱電偶基本定律 2）中間）中間溫度定律溫度定律應(yīng)用應(yīng)用：制作分度表：制作分度表 與測(cè)量端攝氏溫度與測(cè)量端攝氏溫度T的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表 ),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB)0 ,(TEAB)0 ,()0 ,(),(00TETETTEABABAB2022-5-16第4章 電壓型傳感器464.3.1 熱電效應(yīng)2.熱電偶基本定律 3）標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)電極定律電極定律應(yīng)用：簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作應(yīng)用：簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作圖圖4-3-4通常標(biāo)準(zhǔn)電極通常標(biāo)準(zhǔn)電極C選用純度很高、物理化學(xué)性能

17、非常穩(wěn)選用純度很高、物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定的鉑制成，稱(chēng)為定的鉑制成，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電極標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電極。),(),(),(000TTETTETTEBCACAB2022-5-16第4章 電壓型傳感器47圖4-3-4 3種導(dǎo)體分別組成的熱電偶000( ,)( ,)( ,)ABACBCET TET TET T2022-5-16第4章 電壓型傳感器484.3.2 熱電偶的材料、型號(hào)及結(jié)構(gòu)熱電偶的材料、型號(hào)及結(jié)構(gòu)2022-5-16第4章 電壓型傳感器494.3.3冷端恒溫式熱電偶測(cè)溫電路 1.測(cè)溫原理和方法理論依據(jù)理論依據(jù))(),(00TfTTETAB恒定（T的單值函數(shù)）的單值函數(shù)） 2022-5-16第4章

18、電壓型傳感器504.3.3 冷端恒溫式熱電偶測(cè)溫電路2022-5-16第4章 電壓型傳感器51測(cè)溫方法 查表法（儀表按電查表法（儀表按電壓刻度）壓刻度）直讀法（儀表按分度直讀法（儀表按分度表標(biāo)成溫度數(shù)值）表標(biāo)成溫度數(shù)值）T0=01.儀表儀表測(cè)出測(cè)出EAB（T，0）2.查查分度表求出與分度表求出與EAB（T，0）對(duì)應(yīng)的）對(duì)應(yīng)的T儀表直接讀出儀表直接讀出T值值T00（T0為已知）為已知）1.儀表儀表測(cè)出測(cè)出EAB（T，T0）2.查查分度表求出分度表求出EAB（T0，0）3.計(jì)算計(jì)算EAB（T，0）=EAB（T，T0）+EAB（T0，0）4.查查分度表求分度表求EAB（T，0）對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的T儀表讀取

19、值儀表讀取值T（指示值）（指示值）查表求與查表求與T對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的K值值計(jì)算計(jì)算T（真實(shí)溫度值）（真實(shí)溫度值）T=T+KT02022-5-16第4章 電壓型傳感器524.3.3 冷端恒溫式熱電偶測(cè)溫電路 2.熱電偶的冷端處理1）冷端）冷端恒溫方式：恒溫方式：n1冰浴法冰浴法n2恒溫槽法恒溫槽法n3簡(jiǎn)易法簡(jiǎn)易法2022-5-16第4章 電壓型傳感器534.3.3 熱電偶測(cè)溫電路 2.熱電偶的冷端處理 2）冷冷端的延伸端的延伸使冷端遠(yuǎn)離被測(cè)熱源使冷端遠(yuǎn)離被測(cè)熱源 圖圖4-3-A、B 熱電偶熱電偶 AB補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn) C 儀表連線(xiàn)儀表連線(xiàn)2022-5-16第4章 電壓型傳感器54圖4-3-7 熱電偶

20、冷端的延伸2022-5-16第4章 電壓型傳感器55必須注意：（1）A與與A，B與與B接點(diǎn)溫度相同，均為接點(diǎn)溫度相同，均為T(mén)n，且在，且在 允許允許范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，Tn=0100（2）不同的熱電偶要求配用不同的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)，補(bǔ)償導(dǎo)不同的熱電偶要求配用不同的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的熱電特性在一定范圍內(nèi)（一般為線(xiàn)的熱電特性在一定范圍內(nèi)（一般為0100），），要與所配用的熱電偶的熱電特性相同，即滿(mǎn)足要與所配用的熱電偶的熱電特性相同，即滿(mǎn)足 （3）A與與A相接，相接，B與與B相接不可接反相接不可接反。),(),(),(00TTETTETTEEABnBAnAB),(),(00TTETTEnABnBA2022-5

21、-16第4章 電壓型傳感器564.3.4 4.3.4 冷端補(bǔ)償式熱電偶測(cè)溫電路冷端補(bǔ)償式熱電偶測(cè)溫電路 1.冷端自動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑砝涠俗詣?dòng)補(bǔ)償?shù)脑?022-5-16第4章 電壓型傳感器57 圖中冷端補(bǔ)償器是由溫度傳感器組成的冷端補(bǔ)圖中冷端補(bǔ)償器是由溫度傳感器組成的冷端補(bǔ)償電路，其溫度傳感器與熱電偶冷端所處溫度相償電路，其溫度傳感器與熱電偶冷端所處溫度相同，均為同，均為T(mén) T0 0。只要在允許波動(dòng)范圍內(nèi)冷端補(bǔ)償器輸。只要在允許波動(dòng)范圍內(nèi)冷端補(bǔ)償器輸出電壓出電壓U UCOMPCOMP(T)(T)滿(mǎn)足一下條件：滿(mǎn)足一下條件：當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 溫度溫度Tn稱(chēng)為稱(chēng)為補(bǔ)償基準(zhǔn)溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)溫度或

22、或校準(zhǔn)溫度校準(zhǔn)溫度。0TTnCOMP00()(,0)ABUTET0TTn1.冷端自動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑砝涠俗詣?dòng)補(bǔ)償?shù)脑鞢OMP00()(,0)ABUTET 2022-5-16第4章 電壓型傳感器58 2022-5-16第4章 電壓型傳感器590CO M P000( , )( )( , )( ,0)( ,0)ABABABABE TTUTE TTE TE T當(dāng)當(dāng)T0=Tn時(shí)，將冷端補(bǔ)償器輸出電壓與熱電偶的輸出電壓時(shí)，將冷端補(bǔ)償器輸出電壓與熱電偶的輸出電壓EAB(T,T0)相加，依據(jù)中間溫度定律，可得到：相加，依據(jù)中間溫度定律，可得到： 對(duì)冷端溫度波動(dòng)的自動(dòng)補(bǔ)償實(shí)質(zhì)上就是給熱電偶補(bǔ)加一對(duì)冷端溫度波動(dòng)的自動(dòng)

23、補(bǔ)償實(shí)質(zhì)上就是給熱電偶補(bǔ)加一個(gè)等于或近似等于個(gè)等于或近似等于EAB(T0,0)的電壓。的電壓。 若不加冷端補(bǔ)償器，此時(shí)熱電偶的輸出電壓為若不加冷端補(bǔ)償器，此時(shí)熱電偶的輸出電壓為EAB(T,T0),與冷端恒定為與冷端恒定為0 時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T,0)相差相差EAB(T0,0)，誤，誤差較大。差較大。2022-5-16第4章 電壓型傳感器60圖4-3-10 采用熱電阻電橋冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y(cè)溫電路0000( ,)( ,)(,0)( ,0)ABabABABABUET TUET TETET2.冷端補(bǔ)償器電路冷端補(bǔ)償器電路圖4-3-10 采用熱電阻電橋冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y(cè)溫電路2022-5-

24、16第4章 電壓型傳感器614.4 光電式傳感器 光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。傳感器。光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。4.4.1 光電效應(yīng)及各類(lèi)光電器件光電效應(yīng)及各類(lèi)光電器件1.外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電發(fā)射光電發(fā)射n在光線(xiàn)照射下，物體內(nèi)在光線(xiàn)照射下，物體內(nèi)的電子逸出物體表的電子逸出物體表面的面的現(xiàn)象稱(chēng)為現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子稱(chēng)為。向外發(fā)射的電子稱(chēng)為光光電子電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱(chēng)為，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱(chēng)為光電材料光電材料。2022-5-16第4章 電壓型傳感器62n愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)

25、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程方程 nhf每個(gè)光子每個(gè)光子的能量的能量nA逸出功逸出功nm電子質(zhì)量電子質(zhì)量nV電子逸出物體表面時(shí)初速度電子逸出物體表面時(shí)初速度212h fmvA2022-5-16第4章 電壓型傳感器63外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電發(fā)射光電發(fā)射n能使光電材料產(chǎn)生光電子的光的最低頻率稱(chēng)能使光電材料產(chǎn)生光電子的光的最低頻率稱(chēng)為為紅紅限頻率限頻率 ，其值為，其值為 n結(jié)論：光電發(fā)射的條件：入射光的頻率高于結(jié)論：光電發(fā)射的條件：入射光的頻率高于紅紅限頻率，限頻率， 光電流與入射光強(qiáng)度成正比光電流與入射光強(qiáng)度成正比關(guān)關(guān)系。系。0/fA h2022-5-16第4章 電壓型傳感器64光電發(fā)射光電發(fā)射型光電

26、器件型光電器件n光電管光電管 最典型的是真空光電管和充氣光電管最典型的是真空光電管和充氣光電管 圖圖4-4-22022-5-16第4章 電壓型傳感器65n真空光電管適合于真空光電管適合于要求溫度影響小和靈敏度要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定穩(wěn)定的場(chǎng)合；的場(chǎng)合；n充氣光電管充氣光電管 適合于要求靈敏度高適合于要求靈敏度高的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。n光電倍增管（自學(xué)）光電倍增管（自學(xué)）2022-5-16第4章 電壓型傳感器662 2、內(nèi)光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體，受光絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體，受光照射吸收光照射吸收光子能量子能量后，會(huì)產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電的后，會(huì)產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象

27、?，F(xiàn)象。也稱(chēng)光導(dǎo)效應(yīng)。也稱(chēng)光導(dǎo)效應(yīng)。紅紅限頻率限頻率 0gEfh2022-5-16第4章 電壓型傳感器67光導(dǎo)光導(dǎo)型光電器件型光電器件n光敏電阻光敏電阻不受光照時(shí)的電阻值不受光照時(shí)的電阻值暗阻，一般在兆歐數(shù)量級(jí)，暗阻，一般在兆歐數(shù)量級(jí)，受光照時(shí)的電阻值受光照時(shí)的電阻值亮阻。一般在幾千歐以下。亮阻。一般在幾千歐以下。n光敏二極管、光敏三極管（第光敏二極管、光敏三極管（第5章章 半導(dǎo)體傳感器）半導(dǎo)體傳感器）2022-5-16第4章 電壓型傳感器683.光光生生伏特效應(yīng)伏特效應(yīng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射半導(dǎo)體的適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)，由于結(jié)電場(chǎng)的作結(jié)，由于結(jié)電場(chǎng)的作用，引起用，引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)

28、結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象的現(xiàn)象。光電池光電池直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)的光電器件。的光電器件。圖圖4-4-3 PN結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖2022-5-16第4章 電壓型傳感器694.4.2 光電器件的基本特性光電器件的基本特性一一、光電特性和光照特性、光電特性和光照特性n光電特性：當(dāng)光電器件電極上的電壓一定時(shí)，光電光電特性：當(dāng)光電器件電極上的電壓一定時(shí)，光電流流I與與入射于光電器件上的光通量入射于光電器件上的光通量間的關(guān)系即間的關(guān)系即I=F()。n光照特性：當(dāng)光電器件電極上的電壓一定時(shí)，光電光照特性：當(dāng)光電器件電極上的電壓一定時(shí)，光電流流I與光電器件上照度與光

29、電器件上照度E的關(guān)系即的關(guān)系即I=F(E)。 n光電特性和光照特性曲線(xiàn)光電特性和光照特性曲線(xiàn) 圖圖4-4-8。要求：曲線(xiàn)斜率要大，且斜率最好是常數(shù)。要求：曲線(xiàn)斜率要大，且斜率最好是常數(shù)。2022-5-16第4章 電壓型傳感器702022-5-16第4章 電壓型傳感器71n二、光譜特性二、光譜特性n光譜特性：光電流光譜特性：光電流(一般以最大值的百分?jǐn)?shù)或相對(duì)一般以最大值的百分?jǐn)?shù)或相對(duì)靈敏度表示靈敏度表示)與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系I=F() 當(dāng)光電器件的光譜特性與光源輻射能量的光譜分布當(dāng)光電器件的光譜特性與光源輻射能量的光譜分布協(xié)調(diào)一致時(shí)，光電傳感器的性能較好，效率較高。協(xié)調(diào)一致時(shí)，光

30、電傳感器的性能較好，效率較高。 在檢測(cè)時(shí)，光電器件的最佳靈敏度最好在需要測(cè)量在檢測(cè)時(shí)，光電器件的最佳靈敏度最好在需要測(cè)量的波長(zhǎng)處。的波長(zhǎng)處。2022-5-16第4章 電壓型傳感器72圖圖4-4-5 光譜特性曲線(xiàn)光譜特性曲線(xiàn)2022-5-16第4章 電壓型傳感器73三三、伏安特性、伏安特性n伏安特性：在給定的光通量或照度下，光電流伏安特性：在給定的光通量或照度下，光電流I與與光電器件光電器件兩端電壓兩端電壓U的關(guān)系即的關(guān)系即I=F(U)n應(yīng)用：幫助我們計(jì)算選擇光電元件的負(fù)載電阻，應(yīng)用：幫助我們計(jì)算選擇光電元件的負(fù)載電阻，設(shè)設(shè)計(jì)整個(gè)計(jì)整個(gè)線(xiàn)路。線(xiàn)路。 2022-5-16第4章 電壓型傳感器74圖圖

31、4-4-6 伏安特性曲線(xiàn)伏安特性曲線(xiàn)2022-5-16第4章 電壓型傳感器75n光電器件光電器件的基本特性的基本特性 n四、頻率特性四、頻率特性n頻率特性：在同樣的電壓和同樣幅值的光強(qiáng)度下頻率特性：在同樣的電壓和同樣幅值的光強(qiáng)度下，光電器件光電器件輸出的光電流輸出的光電流I或靈敏度或靈敏度S隨入射光強(qiáng)度變隨入射光強(qiáng)度變化頻率化頻率f的關(guān)系的關(guān)系I=F1(f)或或S=F2(f)。n頻率特性曲線(xiàn)頻率特性曲線(xiàn) 圖圖4-4-7n要求要求：曲線(xiàn)平直，且頻帶寬。：曲線(xiàn)平直，且頻帶寬。 2022-5-16第4章 電壓型傳感器76 圖圖4-4-7 頻率特性曲線(xiàn)頻率特性曲線(xiàn)2022-5-16第4章 電壓型傳感器

32、77光電器件光電器件的基本特性的基本特性 n五、溫度特性五、溫度特性n 溫度特性：光電器件的光電特性和光譜特性隨溫溫度特性：光電器件的光電特性和光譜特性隨溫度變化。度變化。 結(jié)論：結(jié)論：n1）對(duì)溫度的影響可采取溫度補(bǔ)償或）對(duì)溫度的影響可采取溫度補(bǔ)償或修正措施；修正措施；n2）可通過(guò)控制工作環(huán)境溫度，達(dá)到）可通過(guò)控制工作環(huán)境溫度，達(dá)到最大靈敏度。最大靈敏度。2022-5-16第4章 電壓型傳感器78圖圖4-4-8 溫度變化對(duì)元件特性的影響溫度變化對(duì)元件特性的影響2022-5-16第4章 電壓型傳感器79圖圖4-4-18 光電傳感器的基本組成光電傳感器的基本組成4.4.5 光電式傳感器的基本組成和

33、類(lèi)型光電式傳感器的基本組成和類(lèi)型 1、光電式傳感器的基本組成、光電式傳感器的基本組成 2022-5-16第4章 電壓型傳感器80圖4-4-19 透射式光電傳感器 應(yīng)用：測(cè)量透明度和混濁度。應(yīng)用：測(cè)量透明度和混濁度。2、光電傳感器的基本類(lèi)型、光電傳感器的基本類(lèi)型 2022-5-16第4章 電壓型傳感器81圖4-4-20 反射式光電傳感器 應(yīng)用：測(cè)量表面粗糙度應(yīng)用：測(cè)量表面粗糙度2022-5-16第4章 電壓型傳感器82圖4-4-21 輻射式光電傳感器 應(yīng)用：光電高溫計(jì)和爐子燃燒監(jiān)視裝置。應(yīng)用：光電高溫計(jì)和爐子燃燒監(jiān)視裝置。2022-5-16第4章 電壓型傳感器83圖4-4-22 遮擋式光電傳感器

34、 應(yīng)用：測(cè)量物體面積、尺寸和位移等應(yīng)用：測(cè)量物體面積、尺寸和位移等2022-5-16第4章 電壓型傳感器84例4-4-1圖 路燈自動(dòng)控制電路2022-5-16第4章 電壓型傳感器854.5 霍爾傳感器4.5.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)，相應(yīng)，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)被稱(chēng)為的電動(dòng)勢(shì)被稱(chēng)為霍爾電動(dòng)勢(shì)霍爾電動(dòng)勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱(chēng)為霍爾片或，半導(dǎo)體薄片稱(chēng)為霍爾片或霍霍爾元件爾元件。 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于電荷受磁場(chǎng)中霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲力洛倫茲力作用的作用的結(jié)果。結(jié)果。2022-5-16第4章 電壓型傳感器86圖圖4-5-1 霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖n洛倫茲洛倫茲力力 n電場(chǎng)力電場(chǎng)力 n平衡時(shí)，平衡時(shí)， n所以所以BVqFHqEF FFBVEHBVbEbUHH基片寬度兩側(cè)面間由于電荷積累形成的電位差，稱(chēng)為基片寬度兩側(cè)面間由于電荷積累形成的電位差，稱(chēng)為霍爾電壓霍爾電壓。2022-5-16第4章 電壓型傳感器87n控制電流控制電流 nnN型半導(dǎo)體載流子濃度型半導(dǎo)體載流子濃度n所以所以 n霍爾靈敏度霍爾靈敏度n霍爾霍爾電勢(shì)表達(dá)式電勢(shì)表達(dá)式 VbdqnII