修改3項(xiàng)目3測(cè)距儀的制作

項(xiàng)目3測(cè)距儀的制作

——速度與位移檢測(cè)廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代傳感技術(shù)知識(shí)目標(biāo)：掌握電容傳感、壓電傳感器的工作原理、測(cè)量電路和應(yīng)用。了解光電元件的分類及應(yīng)用。了解霍爾傳感器的工作原理、溫度補(bǔ)償方法及應(yīng)用。能力目標(biāo)：能熟練使用電容傳感器進(jìn)行微距測(cè)量。能熟練使用壓電式傳感器、霍爾式傳感器完成相應(yīng)參數(shù)的測(cè)量。

素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)耐心細(xì)致的工作態(tài)度。培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)扎實(shí)的工作作風(fēng)。培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的合作能力。項(xiàng)目項(xiàng)目目標(biāo)：項(xiàng)目項(xiàng)目?jī)?nèi)容導(dǎo)航知識(shí)點(diǎn)：1、電容傳感器2、壓電傳感器3、光電傳感器4、霍爾傳感器電路組裝與調(diào)試考核拓展訓(xùn)練1、優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、體積小、抗高溫能力強(qiáng)、可非接觸測(cè)量。2、缺點(diǎn)：電容式傳感器非線性、所需測(cè)量電路復(fù)雜等缺點(diǎn)也給它的應(yīng)用帶來一定的局限。3、應(yīng)用：廣泛用于非電測(cè)量和自動(dòng)監(jiān)測(cè)。位移角度加速度壓力成分含量物理量電容變化什么是電容式傳感器？知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器1電容式傳感器的原理與類型2電容式傳感器的常用測(cè)量電路3電容式傳感器的應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器1電容式傳感器的原理與類型

+++dAd、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。所以電容式傳感器可以分為三種類型：1、改變極板面積的變面積式；2、改變極板距離的變間隙式；3、改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。

知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器1.1變面積式電容傳感器（1）直線位移型其靈敏度為bL（1）直線位移型（2）角位移型（3）圓柱型知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器角位移型+++（2）角位移型知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器（3）圓柱型電容傳感器下圖是圓柱型，當(dāng)動(dòng)極板有一線位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化。總之：變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)。知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器變面積式傳感器舉例：位移測(cè)量1.2變間隙式電容傳感器

1）下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起移動(dòng)時(shí)，兩極板之間的電容量C就改變了。

設(shè)極板面積為A，其靜態(tài)電容量為當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng)x后，其電容量為

則靈敏系數(shù)為知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器1、電容量C與x不是線性關(guān)系，只有當(dāng)

x＜＜d時(shí)，才可認(rèn)為是近似線形關(guān)系。2、如何提高靈敏度？3、當(dāng)d過小時(shí)，又容易引起擊穿，同時(shí)加工精度要求也高了。4、一般極板間距在25～200um范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于微位移測(cè)量。

2）討論變間隙式傳感器的特性：知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器3）變間隙式傳感器舉例：電容式傳聲器知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器1.3變介電常數(shù)式電容傳感器

1）當(dāng)電介質(zhì)改變時(shí)，電容量也會(huì)變化。這種傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測(cè)量溫度、濕度、容量(圖d)等。

知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器變介電常數(shù)式傳感器舉例：油量測(cè)量傳感器當(dāng)燃油增大，h2增大，△C也增大，即傳感器的電容增大；燃油減少，h2減少，△C也減小，即傳感器的電容減少。這樣傳感器就把油量的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化，通過測(cè)量電容的大小就能知道油量的多少。知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器振蕩電路感應(yīng)電極被測(cè)物體變介電常數(shù)式應(yīng)用舉例：電容式接近開關(guān)當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。由此便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷;接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器小結(jié)重點(diǎn)掌握內(nèi)容

1.電容式傳感器的分類

2.電容式傳感器的靈敏系數(shù)知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器1電容式傳感器的原理與類型2電容式傳感器的常用測(cè)量電路3電容式傳感器的應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器2常用測(cè)量電路

2.1雙T電橋電路

1）測(cè)量電路電路原理如圖所示。圖中C1、C2為差動(dòng)電容式傳感器的電容，RL為負(fù)載電阻，D1、D2為理想二極管，R1、R2為固定電阻。2）原理分析見下圖圖3.2.1雙T電橋電路

常用電路有:雙T電橋電路、運(yùn)算放大器測(cè)量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++圖3-14二極管雙T形電路(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若將二極管理想化，則正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電容C1被以極短的時(shí)間充電至UE

，電容C2的電壓初始值為UE

，電源經(jīng)R1以i1向RL供電，而電容C2經(jīng)R2、RL放電，流過RL

的放電電流為i2，流過RL

的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻R2以i1

向負(fù)載電阻RL供電，與此同時(shí)，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL

放電，流過RL

的放電電流為i2。流過RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器根據(jù)一階電路時(shí)域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流i2如下：在時(shí),電流i2的平均值I2可寫成知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器電容C1上的平均電流為:故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：當(dāng)RL已知時(shí)，為常數(shù)，設(shè)為K，則輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2

的函數(shù)。

知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器2.2運(yùn)算放大器式測(cè)量電路

電路的原理如上圖所示。其輸出電壓uiuo知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器2.3脈沖調(diào)制電路

這種電路根據(jù)差動(dòng)電容C1和C2的大小控制直流電壓的通斷，所得方波與C1和C2有確定的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)C1=C2時(shí)，兩個(gè)電容充電時(shí)間常數(shù)相等，兩個(gè)輸出脈沖寬度相等輸出電壓的平均值為零。反之不為零，且T1正比于C1，而T2正比于C2，輸出電壓為

可見，輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系。

知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器當(dāng)電容變化時(shí)導(dǎo)致振蕩頻率變化，再通過監(jiān)頻電路將其轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大后即可顯示，這種方法稱為調(diào)頻法。2.4調(diào)頻電路知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器1電容式傳感器的原理與類型2電容式傳感器的常用測(cè)量電路3電容式傳感器的應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器3電容式傳感器的應(yīng)用

聚四氟乙烯外套棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器一、電容式液位計(jì)電容式液位限位傳感器

液位限位傳感器與液位計(jì)傳感器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器二、電容式加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

利用慣性質(zhì)量塊在外加速度的作用下與被檢測(cè)電極間的空隙發(fā)生改變從而引起等效電容的變化來測(cè)定加速度。加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

假人氣囊知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器汽車氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。

知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器三、濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器頻率f=1/T=1/(t1+t2)=1/C(2R2+R4)ln2

占空比D=tl/T=t1/t1+t2=R2+R4/(2R2+R4)輸出頻率范圍是7351-6033Hz，所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度為0～100%。當(dāng)RH=55%時(shí)，f=6660Hz。四、電容式油量表

當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在滿偏。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器五、電容式接近開關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器電容式接近開關(guān)在液位物位測(cè)量控制中的使用知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器六、電容式鍵盤常規(guī)的鍵盤有機(jī)械式按鍵和電容式按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化。此種鍵盤即利用極距式電容傳感器以實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器七、指紋識(shí)別指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有數(shù)萬個(gè)金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器八、電容傳聲器傳聲器（Microphone）俗稱話筒，音譯作麥克風(fēng)，是一種聲－電換能器件，目前廣播、電視和娛樂等方面使用的傳聲器，絕大多數(shù)是動(dòng)圈式和電容式。

電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。它能提供非常高的音響質(zhì)量，頻率響應(yīng)寬而平坦，是高性能傳聲器.

駐極體電容傳聲器大膜片電容傳聲器知識(shí)點(diǎn)1電容式傳感器九、電容式轉(zhuǎn)速傳感器十、測(cè)量金屬帶材的厚度第一節(jié)壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量。

壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

在壓電材料的兩個(gè)電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效應(yīng)”，也叫做“逆壓電效應(yīng)”。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失。

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器石英晶體的壓電效應(yīng)演示

當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與力的頻率相同。知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器第二節(jié)壓電材料的分類及特性

壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器天然形成的石英晶體外形知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器石英晶體振蕩器（晶振）晶振知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器（二）壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器壓電陶瓷外形

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器無鉛壓電陶瓷

（上海硅酸鹽研究所研制）

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器（三）高分子壓電材料

典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，壓電系數(shù)高，不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)（以1K時(shí)幅度為參考值）范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器壓電式腳踏報(bào)警器知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器兩個(gè)壓電片的聯(lián)結(jié)方式（a）“并聯(lián)”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的地方，（b）“串聯(lián)”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號(hào)。上一頁下一頁返回知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器上一頁下一頁返回第三節(jié)壓電傳感器的測(cè)量電路

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器6.3.1壓電式傳感器的等效電路(a)等效為一個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容Ca并聯(lián)的電路(b)等效成一個(gè)電源U=Q/Ca

和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路上一頁下一頁返回知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器

6.3.2基本測(cè)量電路

壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號(hào)微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器6.3.2.1.電壓放大器

壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如下圖a所示。圖b是簡(jiǎn)化后的等效電路，其中，ui為放大器輸入電壓；C=CC+Ci；；ua=Q/Ca。

如果壓電傳感器受力為:F=Fmsinωt；則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為

a)b)知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器而在放大器輸入端形成的電壓為

當(dāng)時(shí)，放大器的輸入電壓為知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器6.3.2.2電荷放大器

電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。它實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器。圖6.3.4是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中Cf為放大器的反饋電容，其余符號(hào)的意義與電壓放大器相同。

(6-3-6)

圖6.3.4電荷放大器等效電路知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為：Qi=Q-Qf

式中，A為開環(huán)放大系數(shù)。所以有

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器故放大器的輸出電壓為當(dāng)A>>1，而(1+A)Cf>>時(shí)，放大器輸出電壓可以表示為知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器

由式中可以看出，由于引入了電容負(fù)反饋，電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量及放大器的反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素對(duì)靈敏度的影響可以忽略不計(jì)。電荷放大器的靈敏度為

(6-3-7)

放大器的輸出靈敏度取決于Cf。在實(shí)際電路中，是采用切換運(yùn)算放大器負(fù)反饋電容Cf的辦法來調(diào)節(jié)靈敏度的。Cf越小則放大器的靈敏度越高。

知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器四通道電荷放大器外形知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)

（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計(jì)算機(jī)或手動(dòng)焊接式電荷放大器知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器其他電荷放大器外形面板式電荷放大器知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器

電荷放大器的輸出電壓Uo僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，與電纜電容C無關(guān)，也就是說與電纜的長(zhǎng)度等因素的影響很小，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。內(nèi)部包括電荷放大器的便攜式測(cè)振儀，外形如圖3.7所示。1一量程選擇開關(guān)；2一壓電傳感器輸入信號(hào)插座；3一多路選擇開關(guān)；4一帶寬選擇開關(guān)；

5一帶背光點(diǎn)陣液晶顯示器；6一電池盒；7一可變角度支架圖3.7便攜式測(cè)振儀外形知識(shí)點(diǎn)2壓電式傳感器1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電傳感器知識(shí)點(diǎn)3光電式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的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件，原理如下圖。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hv的光子的轟擊，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電傳感器光電效應(yīng)的分類：（1）在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。（2）在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等。（3）在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。

1.1光電管和光電倍增管1.1.1結(jié)構(gòu)原理光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件如下圖所示：半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加hv。當(dāng)電子能量大于陰極材料的逸出功A時(shí)，它就逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子。紅限

當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。

光電管紫外線光電傳感器由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝。K量子效率若倍增電極有n級(jí)，各級(jí)的倍增率為б，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是бn，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。1.1.2與測(cè)量有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)(1)暗電流光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會(huì)有一個(gè)很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。(2)光譜響應(yīng)特征光電倍增管對(duì)不同波長(zhǎng)的光入射的響應(yīng)能力是不相同的，這一特性可用光譜響應(yīng)率表示。在給定波長(zhǎng)的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)率，表示為：

2.1光敏電阻2.1.1工作原理

光敏電阻是一種光電效應(yīng)半導(dǎo)體器件，應(yīng)用于光存在與否的感應(yīng)（數(shù)字量）以及光強(qiáng)度的測(cè)量（模擬量）等領(lǐng)域。它的體電阻系數(shù)隨照明強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小，容許更多的光電流流過。光敏電阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底襯上覆一層光電半導(dǎo)體材料。金屬接觸點(diǎn)蓋在光電半導(dǎo)體面下部。這種光電半導(dǎo)體材料薄膜元件有很高的電阻。所以在兩個(gè)接觸點(diǎn)之間，做的狹小、交叉，使得在適度的光線時(shí)產(chǎn)生較低的阻值。

暗電流（越小越好）光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。光電傳感器2.2光敏二極管和三極管2.2.1基本原理其結(jié)構(gòu)如下圖所示，只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上，有光照時(shí)反向?qū)ā⒐饷舳O管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。光敏二極管光電傳感器光敏二極管外形

光電傳感器光敏三極管也是基于內(nèi)光電效應(yīng)制成的光敏元件。光敏三極管結(jié)構(gòu)與一般三極管不同，通常只有兩個(gè)PN結(jié)，但只有正負(fù)（C,E）兩個(gè)引腳。它的外形與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別.光敏三極管光電傳感器

2.2.2主要特性1)光譜特性在入射光照度一定時(shí)，光敏晶體管的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一種光敏晶體管只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感，這就是光敏晶體管的光譜特性。2)伏安特性光敏三極管在不同照度下的伏安特性，就象普通三極管在不同基極電流下的輸出特性一樣，在這里改變光照就相當(dāng)于改變一般三極管的基極電流，從而得到一簇輸出曲線。

3)光電特性它指外加偏置電壓一定時(shí)，光敏晶體管的輸出電流和光照度的關(guān)系。4)頻率特性光敏晶體管受調(diào)制光照射時(shí)，相對(duì)靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特性。3光電池3.1工作原理

它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻人一些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積PN結(jié)，當(dāng)光照射P區(qū)時(shí)，在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子.空穴對(duì)，P區(qū)表面吸收的光子最多，激發(fā)的電子空穴最多，越向內(nèi)部越少，這種濃度差便形成內(nèi)部電場(chǎng)。在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子—空穴對(duì)，光生電子—空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。光電池光電傳感器能提供較大電流的大面積光電池外形光電傳感器3.2主要特性

1)光譜特性

光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的。下圖是硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從中可知，不同材料的光電池適用的入射光波長(zhǎng)范圍也不相同。2)光電特性光電池在不同的光照度下，光生電動(dòng)勢(shì)和光電流是不相同的。硅光電池的光電特性如圖所示。其中曲線1是負(fù)載電阻無窮大時(shí)的開路電壓特性曲線，曲線2是負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的短路電流特性曲線。

3)溫度特性光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。如圖所示，從中可看出硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降，溫度上升1℃，開路電壓約降低3mV。4光電傳感器系統(tǒng)的組成

光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，如圖所示。圖中，Ф1是光源發(fā)出的光信號(hào)，Ф2是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號(hào)I。光電傳感器在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。1.

光電傳感器的類型1）模擬式光電傳感器這種傳感器中光電元件接受的光通量隨被測(cè)量連續(xù)變化的，通常有以下四種結(jié)構(gòu)形式。1)光源本身是被測(cè)物，如右圖所示。這種型式的光電傳感器可用于照度計(jì)。

2)恒定光源發(fā)射的光穿過被測(cè)物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，如右圖所示?？捎糜跍y(cè)量透明度、混濁度。3)恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測(cè)物上，由被測(cè)物表面反射后再投射到光電元件上，如左圖所示?？捎糜跍y(cè)量工件表面粗糙度、紙張的白度等。4)從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達(dá)光電元件的途中受到被測(cè)物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的尺寸或位置。如右圖所示。這種傳感器可用于工件尺寸測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量等場(chǎng)合。2.脈沖式光電傳感器

在這種傳感器中，光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號(hào)，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量等場(chǎng)合。

光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測(cè)物數(shù)十毫米外非接觸地測(cè)量其轉(zhuǎn)速。

光電式轉(zhuǎn)速表光電傳感器5光電傳感器的常用光源

光源是許多光電傳感器的重要組成部分，要使光電傳感器很好地工作，除了合理選用光電元件外，還必須配備合適的光源。常用光源有以下幾種。1.發(fā)光二極管

這是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。2.鎢絲燈泡

這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對(duì)紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，可有效防止其他光線的干擾。3.激光

激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點(diǎn)。二、光電轉(zhuǎn)換電路

半導(dǎo)體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備放大器。右下圖為帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饷舳O管橋式測(cè)量電路。當(dāng)入射光強(qiáng)度緩慢變化時(shí)，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的。

光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可以配以放大電路，如下左圖所示。由于光敏電池即使在強(qiáng)光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級(jí)晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如下右圖所示。

半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光敏二極管通過集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度，如下左圖所示。下右圖給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運(yùn)放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點(diǎn)，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓U0=2IФRF。

三、應(yīng)用中的光電傳感器1.透射式光電傳感器在煙塵濁度監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等，以相對(duì)的方向裝在中間帶槽的支架上，如圖所示。適用于光電控制、光電計(jì)量等電路中，可檢測(cè)物體的有無、運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速等。

下圖是吸收式煙塵濁度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成框圖：為了檢測(cè)出煙塵中對(duì)人體危害性最大的亞微米顆粒的濁度和避免水蒸氣與二氧二碳對(duì)光源衰減的影響，選取可見光作光源。光檢測(cè)器光譜響應(yīng)范圍為400到600nm的光電管，獲取隨濁度變化的相應(yīng)電信號(hào)。報(bào)警電路由多諧振蕩器組成，當(dāng)運(yùn)算放大器輸出濁度信號(hào)超過規(guī)定時(shí)，多諧振蕩器工作，輸出信號(hào)經(jīng)放大后推動(dòng)喇叭發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

被測(cè)物吸收光通量

光電式濁度計(jì)和含沙量測(cè)量將裝有濁水的試管插入儀器中光電傳感器2.漫反射型光電傳感器

漫射型光電傳感器有時(shí)也稱作接近傳感器。在這種傳感器中，發(fā)光器和接收器裝在同一個(gè)機(jī)殼中。發(fā)光器發(fā)出的光線射到目標(biāo)物體上，目標(biāo)物體光線反射回來，什么角度的反射光都有。

1)具有電子式背景光抑制功能的漫射型傳感器，在傳感器中使用一只位置敏感元件(PSD)

,如下圖所示。發(fā)光器發(fā)出一束光線，光束反射回來，從目標(biāo)物體反射回來的光線和從背景物體反射回來的光線到達(dá)位置敏感元件的兩個(gè)不同位置。2）鏡面反射式光電傳感器它的發(fā)光器和接收器裝在同一個(gè)機(jī)殼中，這與漫射型傳感器是一樣的。但是它使用一只反射鏡把發(fā)光器產(chǎn)生的光線反射到接收器上。如下圖所示與漫射型傳感器相比，鏡面反射式傳感器的敏感距離比較大。

下圖是鏡面反射式光電傳感器使用示意圖：應(yīng)先將傳感器和反射鏡面對(duì)面安裝后，連接電源；后再調(diào)節(jié)傳感器或反射鏡面的上下左右位置，使傳感器的指示燈變亮；最后可靠安裝兩者后，并校對(duì)使其檢測(cè)到目標(biāo)；如果被測(cè)物的反射率比發(fā)射鏡面高，它會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，在傳感器和被測(cè)物留有足夠的空間，或把被測(cè)物和光軸成30度的角度。

應(yīng)用案例包裝充填物高度檢測(cè)下圖所示為借助光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度的原理，當(dāng)充填高度ｈ偏差太大時(shí)，光電接頭沒有電信號(hào)，即由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將包裝物品推出進(jìn)行處理。利用光電開關(guān)還可以進(jìn)行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、對(duì)裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，例如灌裝時(shí)瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼，以及送料機(jī)構(gòu)是否斷料等。

3.遮光式光電傳感器

這種傳感器需要兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)殼，一個(gè)機(jī)殼中安裝發(fā)光器，另一個(gè)機(jī)殼中安裝接收器。當(dāng)有目標(biāo)物體把光線擋住時(shí)，接收器的輸出便發(fā)生變化。遮光式光電傳感器有很多類型。光電式帶材跑偏檢測(cè)器原理如下圖所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡1會(huì)聚為平行光束,投向透鏡2,隨后被會(huì)聚到光敏電阻上。在平行光束到達(dá)透鏡2的途中,有部分光線受到被測(cè)帶材的遮擋,使傳到光敏電阻的光通量減少。

應(yīng)用案例被測(cè)物遮擋光通量光電式帶材跑偏檢測(cè)器

光電傳感器下圖是其測(cè)量電路簡(jiǎn)圖。當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減少，光敏電阻Ｒ1阻值減少，電橋失去平衡。輸出電壓為負(fù)值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之，輸出正電壓信號(hào)。一方面由顯示器顯示出來，另一方面被送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號(hào)。

光電池（外加柔光罩）4.光源本身是被測(cè)物的光電傳感器光電傳感器光敏二極管的應(yīng)用

光電路燈控制電路：無光照時(shí)，光敏二極管反向截止，R1上的壓降VA很小，T1和T2截止，繼電器J不動(dòng)作，路燈保持亮；有光照時(shí)，光敏二極管反向電阻下降，VA上升T1和T2導(dǎo)通，J動(dòng)作常閉端打開，路燈滅。白天燈滅，晚上燈亮，起到自動(dòng)控制的作用。補(bǔ)充：光敏三極管的應(yīng)用

脈沖編碼器：Vi是電源，V0是輸出電壓，A和B是光敏二極管的發(fā)射端和光敏三極管的接收端。光電數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器：原理如下圖，接收光信號(hào)的是光敏二極管或三極管。由脈沖編碼器原理，n=2f/N，用頻率計(jì)測(cè)出f，就可得到轉(zhuǎn)速n。光電式煙塵濃度計(jì)：光敏三極管6和7輸出電壓U1和U2由遠(yuǎn)算器8算出U1和U2的比值，進(jìn)一步算出濃度。

電子蠟燭：接通電源后，當(dāng)光敏三極管3DU無光照時(shí)可控硅VS觸發(fā)端G因無觸發(fā)電流而關(guān)斷，燈ZD不亮。當(dāng)點(diǎn)燃火柴并靠近3DU時(shí)，其c、e極間電阻迅速降低，VS導(dǎo)通，燈亮。當(dāng)火柴熄滅后，由于VS有自鎖功能，燈一直亮著。若對(duì)著氣動(dòng)開關(guān)SA1吹氣，SA1的動(dòng)片被吹離觸點(diǎn)，切斷了燈和VS的電源，燈滅。由于VS有自鎖功能，SA1復(fù)原接通電源，燈也不會(huì)亮，只有再點(diǎn)燃火柴用光照光敏三極管才行。燈就象電子蠟燭。案例基于光學(xué)傳感器的智能玩具小車設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)智能小車系統(tǒng)原理是，將三維坐標(biāo)傳感器安裝在小車上，小車即具有智能感知功能，就會(huì)隨著目標(biāo)物的前后左右移動(dòng)而跟著移動(dòng)。系統(tǒng)主要有3個(gè)組件：一為三維坐標(biāo)光感傳感器（ETOMS-ET21X111）,用于采集目標(biāo)物的移動(dòng)坐標(biāo)，該傳感器使用非常簡(jiǎn)單；二為MCU（EMC-EM78P156），讀取傳感器數(shù)據(jù)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，EM78P156是市面上常見的MCU，使用簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；三是馬達(dá)，馬達(dá)選用普通直流馬達(dá)即可。

圖1系統(tǒng)整體框架

該設(shè)計(jì)的整體功能簡(jiǎn)單概括起來就是：讓小車能夠跟著人（或是目標(biāo)物）走。分開來講需要實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)小功能：傳感器能夠正確讀取X、Y、Z的坐標(biāo)值，這是首要條件。MCU能夠正確判斷X、Z坐標(biāo)值的大小變化，這是關(guān)鍵。MCU根據(jù)坐標(biāo)值的大小變化控制馬達(dá)轉(zhuǎn)向，這是結(jié)果。傳感器的設(shè)計(jì)技巧