第三章 新型傳感器原理及應(yīng)用

第三章新型傳感器原理及應(yīng)用第三章新型傳感器原理及應(yīng)用第一節(jié)氣敏電阻傳感器第二節(jié)濕敏電阻傳感器第三節(jié)感應(yīng)同步器第四節(jié)磁柵式傳感器第五節(jié)光柵傳感器第六節(jié)光電式傳感器第七節(jié)光纖傳感器第八節(jié)超聲波傳感器第九節(jié)紅外傳感器第十節(jié)圖像傳感器第十一節(jié)傳感器的智能化與微型化第一節(jié)氣敏電阻傳感器氣敏傳感器可分為半導(dǎo)體氣敏傳感器、固體電解質(zhì)氣敏傳感器、濃差電池型氣敏傳感器和組合電位型氣敏傳感器等多種類(lèi)型。其中實(shí)際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。氣體檢測(cè)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段。如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達(dá)0.8～1.15ml/L時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟?。另外易燃、易爆氣體、酒精等的探測(cè)，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體種類(lèi)及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。半導(dǎo)體式氣敏傳感器：利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生變化的原理來(lái)檢測(cè)特定氣體的成分或者濃度半導(dǎo)體式氣敏傳感器可分為：電阻式非電阻式自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)半導(dǎo)體式氣敏傳感器

電阻式

燒結(jié)型

薄膜型

厚膜型

二極管氣敏傳感器

MOS二極管氣敏傳感器Pd—MOSFET氣敏傳感器非電阻式

半導(dǎo)體式氣敏傳感器的分類(lèi)

分類(lèi)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)一、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)制作氣敏電阻的材料主要有二氧化錫（SnO2）等金屬氧化物半導(dǎo)體，取材和摻雜不同決定了氣敏電阻的類(lèi)型，常用的氣敏電阻有P型、N型兩種。如用SnO2、ZnO、MnO2、Fe2O3等材料制成的氣敏電阻屬于N型，用MoO2、NiO、CoO等材料制成的氣敏電阻屬于P型。氣敏傳感器通常由氣敏元件，加熱器和封裝體三部分組成。氣敏元件從制造工藝可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。常見(jiàn)的氣敏傳感器大都采用燒結(jié)型管芯結(jié)構(gòu)。它們的典型結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。（a）燒結(jié)型氣敏元件；（b）薄膜型氣敏元件；（c）厚膜型氣敏元件加熱器的作用是加速被測(cè)氣體的吸附和脫出過(guò)程燒去氣敏元件表面的油垢或污物，起清潔作用；提高靈敏度和響應(yīng)速度；控制不同的加熱溫度，對(duì)不同被測(cè)氣體有不同的選擇性作用，加熱溫度一般控制在100～4000C由于加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏元件。直熱式氣敏元件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖3-2所示。

這類(lèi)器件制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、功耗小，可以在高電壓回路下使用，但熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，測(cè)量回路和加熱回路間沒(méi)有隔離而相互影響。旁熱式氣敏元件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖3-2c、d所示，它的特點(diǎn)是將加熱絲放置在一個(gè)陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測(cè)量極，在金電極外涂上SnO2等材料。旁熱式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使測(cè)量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測(cè)量回路和加熱回路的相互影響，元件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對(duì)元件加熱溫度的影響，所以這類(lèi)結(jié)構(gòu)的元件穩(wěn)定性、可靠性都較直熱式元件好.氣敏電阻外形煙霧報(bào)警器酒精傳感器

二氧化碳傳感器酒精測(cè)試儀呼氣管家庭用煤氣報(bào)警器家庭用液化氣報(bào)警器一氧化碳傳感器其他氣體傳感器NH3傳感器(氨氣)甲烷傳感器二、氣敏傳感器的工作原理利用半導(dǎo)體氣敏材料，如氧化鋅(ZnO)、二氧化錫(SnO2)、二氧化錳(MnO2)等)，吸附被測(cè)氣體(氫氣、一氧化碳、甲烷、乙醇等)時(shí)，電阻率發(fā)生變化，從而使電阻隨被測(cè)氣體濃度的改變而變化。氣敏效應(yīng)在使用氣敏傳感器時(shí)，必須預(yù)先給加熱絲通電，加熱溫度一般為200～4000C，給器件預(yù)熱，不僅可提高其對(duì)可燃性氣體的檢測(cè)靈敏度，而且可加快響應(yīng)速度。如圖3-3所示。電阻絲通電加熱之后，敏感元件電阻值首先是急劇地下降，一般經(jīng)2～10分鐘過(guò)渡過(guò)程后，阻值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，稱(chēng)這一狀態(tài)為初始穩(wěn)定狀態(tài)。氧化性氣體：若氣敏元件材料的功函數(shù)比被吸附氣體分子的電子親和力小，則被吸附的氣體分子就從氣敏元件表面奪取電子而以陰離子形式吸附。具有陰離子吸附性質(zhì)的氣體有O2和NOx等，被稱(chēng)為氧化性氣體。還原性氣體：若氣敏元件材料的功函數(shù)大于吸附氣體分子的離子理解能，則吸附分子將向氣敏元件釋放電子而形成正離子吸附。如H2、CO等，被稱(chēng)為還原性氣體。規(guī)則總結(jié)：氧化型氣體＋N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加還原型氣體＋N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小氧化型氣體＋P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小還原型氣體＋P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

氣敏電阻式傳感器基本測(cè)量電路如下圖所示。測(cè)量電路包括加熱回路和測(cè)試回路兩部分。(a)QM－N5測(cè)量電路；(b)TGS812測(cè)量電路；(c)TGS109測(cè)量電路三、基本測(cè)量電路自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)（一）袖珍瓦斯報(bào)警器這是一種攜帶方便的瓦斯報(bào)警器，它可以直接安裝在煤礦工人的礦帽內(nèi)（或頭燈里）。當(dāng)井下瓦斯超限時(shí)，能發(fā)出響亮的警笛聲，防止嚴(yán)重隱患事故的發(fā)生。四、氣敏傳感器的應(yīng)用當(dāng)無(wú)瓦斯或瓦斯?jié)舛鹊?，則a,b兩點(diǎn)間的電導(dǎo)率很小，因此RP分壓小于0.7V，晶閘管不導(dǎo)通，報(bào)警器不工作。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，a,b間的電導(dǎo)率增大，則RP分壓增大，當(dāng)大于0.7V，晶閘管導(dǎo)通，四聲語(yǔ)言模擬電路工作，輸出信號(hào)，經(jīng)放大電路放大驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行報(bào)警。這是一個(gè)實(shí)用的室內(nèi)氣控報(bào)警器，在對(duì)有害氣體超濃度報(bào)警的同時(shí)，可自動(dòng)開(kāi)啟換氣扇，及時(shí)排除有害氣體，防止災(zāi)害或事故發(fā)生。（二）帶排風(fēng)的煤氣報(bào)警器主要由氣體檢測(cè)電路、電路開(kāi)關(guān)、聲光發(fā)生器和排風(fēng)控制電路組成，其核心元件是一塊單片多功能集成報(bào)警電路。在潔凈空氣中，a,b間呈高阻抗，A1的門(mén)電路信號(hào)比較端2引腳電壓小于5.4V，此時(shí)比較電路不工作，后級(jí)電路處于等待狀態(tài)。當(dāng)室內(nèi)空氣易燃或有毒氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，a,b間的阻抗減小，RP分壓增大，大于5.4V，此時(shí)比較電路工作，進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)后級(jí)電路工作。使換氣扇工作。工作時(shí)間：受控于R2和C1構(gòu)成的延時(shí)電路。調(diào)節(jié)兩者的大小，使每次報(bào)警、排氣工作不低于2分鐘。C2為防誤報(bào)電容，當(dāng)空氣中瞬時(shí)出現(xiàn)易燃或有害氣體時(shí)，電路不工作。只有在氣體持續(xù)幾秒鐘以后，電路才作出反應(yīng)。由電源、檢測(cè)、定時(shí)報(bào)警輸出三部分組成。電源部分將220V電經(jīng)變壓器降至15V，由VD1～VD4組成的橋式整流電路整流并經(jīng)C2濾波成直流。三端穩(wěn)壓器7810供給煙霧檢測(cè)器件（HQ-2）和運(yùn)算放大器IC1、IC210V直流電源以工作，三端穩(wěn)壓器7805供給5V電壓以加熱。（三）煙霧報(bào)警器電路無(wú)煙霧時(shí)，a,b間的電阻為幾十千歐，在有煙霧時(shí)下降到幾千歐。RP1的分壓隨著有煙霧而增大，IC1正極性電壓大于負(fù)極性，因此進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)VT2導(dǎo)通。此時(shí)，IC2已經(jīng)翻轉(zhuǎn)，VT1是導(dǎo)通的，因此輸出報(bào)警信號(hào)。U報(bào)警時(shí)間由R3和C1決定，改變其值就可以改變報(bào)警輸出時(shí)間。當(dāng)C1充電到達(dá)閥值電壓時(shí)，IC2翻轉(zhuǎn)，VT1截止，停止報(bào)警。當(dāng)煙霧消失后，比較器IC1復(fù)位，C1通過(guò)IC1放電。

濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度：指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3，一般用符號(hào)AH表示。相對(duì)濕度：氣體的絕對(duì)濕度與在同一溫度下，水蒸汽已達(dá)到飽和的氣體的絕對(duì)濕度之比，常表示為％RH。其表達(dá)式為：相對(duì)濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個(gè)無(wú)量綱的量，在實(shí)際使用中多使用相對(duì)濕度這一概念。第二節(jié)濕敏電阻傳感器露點(diǎn)（溫度）在一定大氣壓下，將含有水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)溫度下降到某一特定值時(shí)，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開(kāi)始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱(chēng)為結(jié)露，這一特定溫度就稱(chēng)為露點(diǎn)溫度，相對(duì)濕度為100％RH。如果這一溫度低于0℃時(shí)，水蒸氣將結(jié)霜，又稱(chēng)為霜點(diǎn)溫度。兩者統(tǒng)稱(chēng)為露點(diǎn)?？諝庵兴魵鈮涸叫。饵c(diǎn)越低，因而可用露點(diǎn)表示空氣中的濕度。濕敏傳感器的定義濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過(guò)器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號(hào)的器件。主要由兩個(gè)部分組成：濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，除此之外還包括一些輔助元件，如輔助電源、溫度補(bǔ)償、輸出顯示設(shè)備等。依據(jù)使用材料分類(lèi)：電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。陶瓷型：金屬氧化物多孔陶瓷的阻值對(duì)空氣中水蒸氣的敏感特性。高分子型：有機(jī)高分子感濕膜。單晶半導(dǎo)體型：二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。濕度量程：濕敏傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。全濕度范圍用相對(duì)濕度(0～100)％RH表示。濕敏傳感器的特性參數(shù)1、濕度量程正特性濕敏電阻：濕敏傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大。負(fù)特性濕敏電阻：濕敏傳感器的阻值隨著濕度的增加而減小。濕敏傳感器的感濕特征量有電阻、電容等，通常用電阻比較多。阻濕特性：在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕敏傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線(xiàn)。2、感濕特征量—相對(duì)濕度特性濕敏電容濕敏電阻感濕靈敏度即濕度系數(shù)：在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1％RH時(shí)，濕敏傳感器電參量的變化值或百分率。3、感濕靈敏度環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，所引起的濕敏傳感器的濕度誤差，稱(chēng)為感濕溫度系數(shù)，反映濕敏傳感器溫度特性的一個(gè)比較直觀(guān)、實(shí)用的特性參數(shù)。4、感濕溫度系數(shù)各種不同的濕敏傳感器，對(duì)靈敏度的要求各不相同。低濕型或高濕型傳感器的量程較窄，要求靈敏度要很高。全濕型傳感器，靈敏度的大小要適當(dāng)，并非越大越好。否則，電阻值的動(dòng)態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來(lái)不利。在一定溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕敏傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時(shí)間。一般規(guī)定從起始到終止63％或90％的相對(duì)濕度變化所需要的時(shí)間作為響應(yīng)時(shí)間，也稱(chēng)時(shí)間常數(shù)；反映濕敏傳感器相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)反應(yīng)速度的快慢。響應(yīng)時(shí)間又分為吸濕響應(yīng)時(shí)間和脫濕響應(yīng)時(shí)間。大多數(shù)傳感器的脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間，一般以脫濕響應(yīng)時(shí)間作為濕敏傳感器的響應(yīng)時(shí)間。5、響應(yīng)時(shí)間測(cè)量濕度時(shí)，濕敏傳感器所加測(cè)試電壓不能為直流電壓，需用交流電壓。因?yàn)榧又绷麟妷阂鸶袧耋w內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降。傳感器電阻與外加交流電壓之間存在一定關(guān)系。電壓大時(shí)，產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)傳感器的阻濕特性影響大，因而電壓一般小于10V。6、電壓特性工藝：兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷。材料：ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨濕度增加而下降。正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨濕度增加而增大。（1）負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理水分子中氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí)可俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。1、制作工藝與材料2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理Ｐ型半導(dǎo)體：水分子吸附使表面電勢(shì)下降，吸引更多的空穴到達(dá)表面，表面層的電阻下降。1：ZnO-LiO2-V2O5系2：Si-Na2O-V2O5系3：TiO2-MgO-Cr2O3系濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕敏傳感器，根據(jù)工作方式可分為電阻式和電容式兩類(lèi)。常用的是陶瓷電阻式和陶瓷電容式。一、陶瓷電阻式濕度傳感器（1）負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理Ｎ型半導(dǎo)瓷：水分子吸附使表面電勢(shì)下降，不僅使表面層的電子耗盡，同時(shí)吸引更多的空穴達(dá)到表面層，可使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)表面反型層，這些空穴稱(chēng)為反型載流子。2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理1：ZnO-LiO2-V2O5系2：Si-Na2O-V2O5系3：TiO2-MgO-Cr2O3系反型載流子（空穴）在表面遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特性，使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降。因此，不論是Ｎ型還是Ｐ型半導(dǎo)瓷，電阻率都隨濕度增加而下降。（2）正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理正特性濕敏半導(dǎo)瓷材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性的不同。當(dāng)水分子吸附半導(dǎo)瓷表面使電勢(shì)變負(fù)時(shí)，導(dǎo)致表面層電子濃度下降，但不足以使空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，仍以電子導(dǎo)電為主。電子濃度下降，表面電阻加大。2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理因晶體內(nèi)部存在低阻支路，正特性半導(dǎo)瓷電阻值升高沒(méi)有負(fù)特性的阻值下降那么明顯。Fe3O4半導(dǎo)瓷正濕敏特性因此，這類(lèi)半導(dǎo)瓷材料的表面電阻隨濕度的增加而加大。3、MgCr2O4-TiO2濕敏器件MgCr2O4為Ｐ型半導(dǎo)體，電阻率低，阻值溫度特性好。氧化鎂復(fù)合氧化物—二氧化鈦濕敏材料，制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，為負(fù)特性半導(dǎo)瓷，感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極。金電極與引出線(xiàn)燒結(jié)在一起。電極引線(xiàn)一般采用鉑—銥合金。為了減少測(cè)量誤差，在陶瓷片外設(shè)置由鎳鉻絲制成的加熱線(xiàn)圈，以便對(duì)器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對(duì)器件的污染。整個(gè)器件安在陶瓷基片上。引線(xiàn)多孔性電極多孔陶瓷加熱絲底座塑料外殼引腳圖3-7陶瓷電阻式濕度傳感器結(jié)構(gòu)、外形及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路框圖(a)多孔濕敏陶瓷(b)濕度傳感器(c)外形(d)輸入輸出特性(e)測(cè)量電路框圖陶瓷電阻式濕度傳感器的核心部分是用鉻酸鎂-氧化鈦（MgCr2O4-TiO2）等金屬氧化物以高溫?zé)Y(jié)的工藝制成的多孔陶瓷半導(dǎo)體。它的氣孔率高達(dá)25%以上，具有1μm以下的細(xì)孔分布。與日常生活中常用的結(jié)構(gòu)致密的陶瓷相比，其接觸空氣的表面顯著增大，所以水蒸氣極易被吸附于其表層及孔隙之中，使其電導(dǎo)率下降。

MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器濕度傳感器的結(jié)構(gòu)相對(duì)濕度與電阻的關(guān)系

主要特性與性能（1）電阻一濕度特性

MgCr2O4－TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對(duì)濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對(duì)數(shù)的坐標(biāo)中，電阻—濕度特性近似呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)相對(duì)濕度由0變?yōu)?00％RH時(shí)，阻值從108Ω下降到103Ω，即變化了五個(gè)數(shù)量級(jí)。20406080100103104105106107108相對(duì)濕度/%R/Ω電阻—溫度特性下圖是在不同的溫度環(huán)境下，測(cè)量陶瓷濕度傳感器的電阻—溫度特性。從圖可見(jiàn)，從20℃到80℃各條曲線(xiàn)的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)，其感濕負(fù)溫度系數(shù)為–0.38％RH／℃。如果要求精確的濕度測(cè)量，需要對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。20406080100103104105106107108相對(duì)濕度/%20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的電阻—溫度特性MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間特性如圖。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的規(guī)定，從圖中可知，響應(yīng)時(shí)間小于10s。20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RH

t/s%RH（一）結(jié)構(gòu)陶瓷電容式濕度傳感器由多孔氧化鋁感濕膜、鋁基片和金電極等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。（二）工作原理陶瓷電容式濕度傳感器基于單元?dú)饪椎钠叫邪咫娙萜餍?yīng)，利用器件的電容隨環(huán)境濕度的變化而變化的原理制成。二、陶瓷電容式濕度傳感器

Al2O3薄膜組成的陶瓷電容式濕度傳感器在氣孔中有一定水汽吸附時(shí)，隨著環(huán)境濕度的變化，膜電阻和膜電容都將改變，其特性曲線(xiàn)如圖3-9所示。在低濕度時(shí)，曲線(xiàn)線(xiàn)性良好，到高濕度時(shí)線(xiàn)性變差，若濕度進(jìn)一步提高，特性曲線(xiàn)變得平緩。（三）陶瓷電容式濕度傳感器的特性露點(diǎn)傳感器外形電子濕度計(jì)模塊封裝后的外形電子式溫濕度計(jì)機(jī)械式、電子式溫濕度計(jì)對(duì)比（一）高濕度顯示器圖3-10所示是高濕度顯示器電路。它能在環(huán)境相對(duì)濕度過(guò)高時(shí)顯示，告知人們應(yīng)采取排濕措施。三、濕敏電阻傳感器的應(yīng)用濕敏電阻RH在環(huán)境的相對(duì)濕度20%~90%RH變化時(shí)，它的阻值在幾十兆歐到幾百千歐范圍內(nèi)變化。當(dāng)濕度比較大，電阻減小，則R1分壓增大，VD1導(dǎo)通整流驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通，VT2截止，VT3導(dǎo)通，發(fā)光二極管亮。KSC-6濕度傳感器的應(yīng)用電路如圖所示（二）房間濕度控制器將濕敏電容置于RC振蕩電路中，直接將濕敏元件的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及RC組成雙振蕩器，其中一條支路由固定電阻和濕敏電容組成，另一條支路由多圈電位器和固定電容組成。設(shè)定在0%RH時(shí)，濕敏支路產(chǎn)生脈沖寬度的方波，調(diào)整多圈電位器使其與濕敏支路脈沖方波寬度相同，則兩者信號(hào)差為0，當(dāng)濕度變化時(shí)引起脈沖寬度變化，就會(huì)有信號(hào)差，把信號(hào)差濾波標(biāo)準(zhǔn)化后得到電壓輸出，輸出的電壓隨濕度的變化成線(xiàn)性增加。KSC-6集成溫度傳感器就是采用這一原理。其相對(duì)濕度0%-100%RH對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0-100mV。KSC-6濕度傳感器工作原理第三節(jié)感應(yīng)同步器概述：高精度的轉(zhuǎn)角和線(xiàn)位移測(cè)量元件工作原理：利用兩個(gè)平面形印制繞組的互感隨位置不同而變化的原理工作。激磁電壓頻率一般是1～20kHz。分類(lèi)：直線(xiàn)式測(cè)量直線(xiàn)位移；旋轉(zhuǎn)式測(cè)量轉(zhuǎn)角。結(jié)構(gòu)：固定部件和運(yùn)行部件兩部分，其上各有繞組。優(yōu)點(diǎn)：有很高的精度和分辯率；抗干擾能力強(qiáng)；可以作長(zhǎng)距離位移測(cè)量；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：輸出信號(hào)弱，信號(hào)處理麻煩，配套用于信號(hào)處理的電子設(shè)備（一般稱(chēng)為數(shù)顯表）比較復(fù)雜，價(jià)格高。一、種類(lèi)與結(jié)構(gòu)直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的定尺和滑尺，都由圖中的基板、絕緣層和繞組構(gòu)成，繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接地屏蔽層，如圖所示。（一）直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)?分類(lèi)：長(zhǎng)感應(yīng)同步器：圓感應(yīng)同步器：用于測(cè)量直線(xiàn)位移用于測(cè)量轉(zhuǎn)角位移定尺安裝在靜止的機(jī)械設(shè)備上，與導(dǎo)軌母線(xiàn)平行；滑尺安裝在活動(dòng)的機(jī)械部件上，與定尺之間保持均勻的狹小氣隙?；呦鄬?duì)定尺而移動(dòng)。直線(xiàn)式感應(yīng)同步器定尺和滑尺的基板采用鑄鐵或其他鋼材做成。這些鋼材的線(xiàn)膨脹系數(shù)應(yīng)與安裝感應(yīng)同步器的床身的線(xiàn)膨脹系數(shù)相近，以減小溫度誤差。在定尺和滑尺上腐蝕成印制電路繞組，繞組的材料為銅?？紤]到接長(zhǎng)的要求和安裝的方便，將定尺繞組做成連續(xù)式，由一連串線(xiàn)圈串聯(lián)而成；而將滑尺繞組做成分段式，并分別為正弦繞組（S繞組）和余弦繞組（C繞組），它們?cè)诳臻g位置上錯(cuò)開(kāi)而形成90°相位差，如圖所示。感應(yīng)同步器定尺、滑尺感應(yīng)同步器的解剖圖2．直線(xiàn)感應(yīng)同步器種類(lèi)直線(xiàn)式帶型標(biāo)準(zhǔn)型窄型三重型直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的尺寸和精度一覽表種類(lèi)定尺尺寸（mm）滑尺尺寸（mm）測(cè)量周期（mm）精度(μm)標(biāo)準(zhǔn)型250×58×9.5100×73×9.521.5～2.5窄型250×30×9.575×35×9.522.5～5帶型(200～2000)×19－210帶型定尺的基板改用鋼帶，滑尺為滑標(biāo)式，直接套在定尺上。它適用于安裝在表面不易加工的設(shè)備上。帶型感應(yīng)同步器外形圖（參考東方仿真）（4）三重型定尺和滑尺繞組上有粗、中、細(xì)三組平面繞組。定尺的粗、中繞組相對(duì)于位移垂直方向傾斜不同的角度，滑尺的粗、中繞組與位移方向平行，定滑尺的細(xì)繞組與標(biāo)準(zhǔn)式相同。（二）圓感應(yīng)同步器圓感應(yīng)同步器也稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器，由轉(zhuǎn)子和定子組成。如圖3-13所示，轉(zhuǎn)子為單繞組，定子做成正弦、余弦繞組形式，兩繞組的電相位角相差π/2。轉(zhuǎn)子定子圓感應(yīng)同步器與角度數(shù)顯表外形圖（參考航天數(shù)顯中心）二、感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理

感應(yīng)同步器工作時(shí)，定尺和滑尺相互平行、相對(duì)安放，它們之間保持一定的間隙（0.25±0.05mm）。一般情況下，定尺固定、滑尺可動(dòng)。當(dāng)定尺通以勵(lì)磁電流時(shí)，在滑尺的正、余弦繞組上將感應(yīng)出相位差為的感應(yīng)電壓；反之，當(dāng)滑尺的正、余弦繞組分別加上相同頻率（通常為10kHz）的正、余弦電壓勵(lì)磁時(shí)，定尺繞組中也會(huì)有相同頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，其幅值是定、滑尺相對(duì)位置的函數(shù)。電磁耦合原理工作時(shí)，在滑尺上的繞組上通勵(lì)磁電壓由于電磁耦合作用，在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓當(dāng)滑尺和定尺之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)由于電磁耦合的變化，定尺上感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓也發(fā)生變化感應(yīng)電壓的變化與相對(duì)位移之間有一定的關(guān)系通過(guò)測(cè)量定尺繞組中的感應(yīng)電壓，借以進(jìn)行位移量的檢測(cè)感應(yīng)同步器原理動(dòng)畫(huà)演示如果在滑尺的余弦繞組上單獨(dú)施加正弦勵(lì)磁電壓，感應(yīng)同步器定尺的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與兩繞組相對(duì)位置的關(guān)系如圖3-15所示。圖3-15感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與兩繞組相對(duì)位置的關(guān)系定尺的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨滑尺的相對(duì)移動(dòng)呈現(xiàn)周期性變化，這樣便把機(jī)械位移和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互聯(lián)系起來(lái)。假設(shè)在滑尺的正弦或余弦繞組上單獨(dú)施加的正弦勵(lì)磁電壓為則正弦和余弦繞組在定尺上相應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為以圖3-12所示長(zhǎng)感應(yīng)同步器采用滑尺勵(lì)磁為例，從定尺上輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可以通過(guò)鑒別輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位和幅值確定相對(duì)位移量。1、鑒別相位方式在滑尺的分段繞組上加以頻率相同、相位差90°的交流勵(lì)磁電壓，正弦繞組勵(lì)磁電壓為,余弦繞組勵(lì)磁電壓為。三、輸出信號(hào)的鑒別方式按疊加原理在定尺（連續(xù)繞組）上總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別在定尺繞組上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，其值分別為：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位角，W為節(jié)距，Ku為電磁耦合系數(shù)。圖鑒相型若加到滑尺分段繞組上的交流勵(lì)磁電壓為和，則分別在定尺繞組上感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)為（二）鑒別幅值方式定尺（連續(xù)繞組）上總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為采用函數(shù)變壓器使滑尺的分段繞組交流勵(lì)磁電壓幅值為，；為勵(lì)磁電壓的相位角，,則總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為設(shè)在起始狀態(tài)下，則e=0。然后滑尺相對(duì)尺有一位移Δx，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位角，即定尺與滑尺間相對(duì)位移角有一增量，則總應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增量為在較小的情況下（），感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增量的幅值與成正比，通過(guò)鑒別可測(cè)出相對(duì)位移大小。圖鑒幅型實(shí)際應(yīng)用時(shí)，利用了施密特觸發(fā)器。當(dāng)位移X達(dá)到一定值，如Δx=0.01mm，就使Δe幅值超過(guò)電平門(mén)檻值，觸發(fā)一次，輸出一個(gè)脈沖信號(hào)（計(jì)數(shù)）。同時(shí)用此脈沖自動(dòng)改變勵(lì)磁電壓幅值us和uc，使新的θd跟上新的θx，形成θx=θd新的起始點(diǎn)。這樣，把位移量轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)，既可以用數(shù)字顯示，又便于微機(jī)控制。這種方法是正弦波勵(lì)磁-函數(shù)變壓器數(shù)模轉(zhuǎn)換方式。對(duì)感應(yīng)同步器的基本要求：正弦和余弦繞組在空間相位差900應(yīng)準(zhǔn)確；要盡可能消除感應(yīng)耦合中的高次諧波；要盡可能減小因平面繞組橫向段產(chǎn)生的環(huán)流電動(dòng)勢(shì)；要盡量減小安裝誤差等。一次繞組的勵(lì)磁電壓頻率一般在1~20kHZ范圍內(nèi)選擇；f低些，繞組感抗小，有利于提高精度；f高些，輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增加，允許測(cè)量速度大些。下圖為感應(yīng)同步器鑒相測(cè)量方式數(shù)字位移測(cè)量裝置方框圖。脈沖發(fā)生器輸出頻率一定的脈沖序列，經(jīng)過(guò)脈沖—相位變換器進(jìn)行N分頻后，輸出參考信號(hào)方波θ0和指令信號(hào)方波θ1。參考信號(hào)方波θ0經(jīng)過(guò)激磁供電線(xiàn)路，轉(zhuǎn)換成振幅和頻率相同而相位差為90°的正弦、余弦電壓，給感應(yīng)同步器滑尺的正弦、余弦繞組激磁。感應(yīng)同步器定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，經(jīng)放大和整形后成為反饋信號(hào)方波θ2。指令信號(hào)θ1和反饋信號(hào)θ2同時(shí)送給鑒相器，鑒相器既判斷θ2和θ1相位差的大小，又判斷指令信號(hào)θ1的相位超前還是滯后于反饋信號(hào)θ2的相位。四、感應(yīng)同步器的應(yīng)用圖鑒相測(cè)量方式數(shù)字位移測(cè)量裝置方框圖假定開(kāi)始時(shí)θ1=θ2，當(dāng)感應(yīng)同步器的滑尺相對(duì)定尺平行移動(dòng)時(shí)，將使定尺繞組中的感應(yīng)電壓的相位θ2（即反饋信號(hào)的相位）發(fā)生變化。此時(shí)θ1≠θ2，由鑒相器判別之后，將有相位差Δθ=θ2-θ1作為誤差信號(hào)，由鑒相器輸出給門(mén)電路。此誤差信號(hào)Δθ控制門(mén)電路“開(kāi)門(mén)”的時(shí)間，使門(mén)電路允許脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖通過(guò)。通過(guò)門(mén)電路的脈沖，一方面送給可逆計(jì)數(shù)器去計(jì)數(shù)并顯示出來(lái)；另一方面作為脈沖—相位變換器的輸入脈沖。在此脈沖作用下，脈沖—相位變換器將修改指令信號(hào)的相位θ1，使θ1隨θ2而變化。當(dāng)θ1再次與θ2相等時(shí)，誤差信號(hào)Δθ=0，從而門(mén)被關(guān)閉。當(dāng)滑尺相對(duì)定尺繼續(xù)移動(dòng)時(shí)，又有Δθ=θ2-θ1作為誤差信號(hào)去控制門(mén)電路的開(kāi)啟，門(mén)電路又有脈沖輸出，供可逆計(jì)數(shù)器去計(jì)數(shù)和顯示，并繼續(xù)修改指令信號(hào)的相位θ1，使θ1和θ2在新的基礎(chǔ)上達(dá)到θ1=θ2。因此在滑尺相對(duì)定尺連續(xù)不斷地移動(dòng)過(guò)程中，就可以實(shí)現(xiàn)把位移量準(zhǔn)確地用可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)和顯示出來(lái)。鑒幅型感應(yīng)同步器數(shù)顯表圖直線(xiàn)感應(yīng)同步器數(shù)顯裝置系統(tǒng)聯(lián)接示意圖感應(yīng)同步器鑒幅位移測(cè)量裝置如圖所示，它由感應(yīng)同步器和數(shù)顯表兩部分組成，前置放大器、匹配變壓器與感應(yīng)同步器一起安裝在機(jī)床上。SF2P型感應(yīng)同步器數(shù)顯表通用型前置放大器，激磁匹配器感應(yīng)同步器定尺、滑尺直線(xiàn)感應(yīng)同步器數(shù)顯裝置系統(tǒng)第四節(jié)磁柵式傳感器一、磁柵磁柵是一種有磁化信息的標(biāo)尺，它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.02mm厚的Ni-Co-P型磁性薄膜，并用錄音磁頭沿長(zhǎng)度方向按一定的激光波長(zhǎng)λ錄上磁性刻度線(xiàn)而構(gòu)成的，因此又把磁柵稱(chēng)為磁尺。磁柵優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低于光柵、制作簡(jiǎn)單、復(fù)制方便；測(cè)量范圍寬（從幾十毫米到數(shù)十米）、不需接長(zhǎng)；易安裝和調(diào)整、抗干擾能力強(qiáng)。大尺寸磁柵尺外形圖磁柵錄制后的磁化結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)個(gè)小磁鐵按NS、SN、NS…的狀態(tài)排列起來(lái)，如圖3-17所示。磁柵的種類(lèi)可分為單面型直線(xiàn)磁柵、同軸型直線(xiàn)磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等。錄制磁信息時(shí)，要使磁尺固定，磁頭根據(jù)來(lái)自激光波長(zhǎng)的基準(zhǔn)信號(hào)，以一定的速度在其長(zhǎng)度方向上邊運(yùn)行邊流過(guò)一定頻率的相等電流，這樣，就在磁尺上記錄了相等節(jié)距的磁化信息而形成磁柵。磁柵傳感器是由磁柵（磁尺）、磁頭、檢測(cè)電路組成。l－磁尺；2－尺基；3－磁性薄膜；4－鐵心；5－磁頭二、磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理磁柵的外形及結(jié)構(gòu)圖磁尺靜態(tài)磁頭去信號(hào)處理電路固定孔磁尺磁柵外觀(guān)圖磁頭德國(guó)SIKO

磁柵尺磁頭與磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸出波形二、磁柵傳感器的工作原理1．基本工作原理磁柵傳感器工作原理動(dòng)畫(huà)演示工作原理是電磁感應(yīng)原理，當(dāng)線(xiàn)圈在一個(gè)周期性磁體表面附近勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈上就會(huì)產(chǎn)生不斷變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其大小與線(xiàn)圈的運(yùn)動(dòng)度和磁性體與線(xiàn)圈接觸時(shí)的磁性大小及變化率有關(guān)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化情況，就可獲得線(xiàn)圈與磁性體相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)的信息磁尺是檢測(cè)位移的基準(zhǔn)尺，磁頭用來(lái)讀取磁尺上的記錄信號(hào)。按讀取方式不同，磁頭分為動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭兩種。動(dòng)態(tài)磁頭測(cè)量位移較簡(jiǎn)單，磁頭輸出為正弦信號(hào)，在N、N相接處達(dá)到正向峰值，在S、S相接處為負(fù)向峰值，如圖3-18所示。圖3-18動(dòng)態(tài)磁頭輸出波形與磁柵位置關(guān)系動(dòng)態(tài)磁頭只有一個(gè)輸出繞組，只有當(dāng)磁頭和磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)才有信號(hào)輸出，因此動(dòng)態(tài)磁頭又稱(chēng)為速度響應(yīng)磁頭。速度不同，輸出信號(hào)的大小和周期也不同。（一）動(dòng)態(tài)磁頭當(dāng)磁頭與磁柵發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移為x時(shí)，磁頭線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為由上式可知，磁頭與磁柵間有不同相對(duì)位移量x值，就有不同的電動(dòng)勢(shì)e產(chǎn)生，線(xiàn)圈中e的大小，就反映了位移量的變化。若以計(jì)數(shù)的方式，通過(guò)計(jì)數(shù)磁尺的磁節(jié)距個(gè)數(shù)也可知道磁頭與磁尺間的相對(duì)位移量式中：n為正弦波周期個(gè)數(shù)（磁節(jié)距個(gè)數(shù)）；W是磁節(jié)距。靜態(tài)磁頭是一種調(diào)制式磁頭，磁頭上有兩個(gè)繞組，一個(gè)是激勵(lì)繞組，加以激勵(lì)電源電壓，另一個(gè)是輸出繞組。即使在磁頭與磁尺之間處于相對(duì)靜止時(shí)，也會(huì)因?yàn)橛薪涣骷?lì)信號(hào)使輸出繞組有感應(yīng)電壓信號(hào)輸出。（二）靜態(tài)磁頭圖3-19靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)及輸出波形檢測(cè)電路主要用來(lái)供給磁頭勵(lì)磁電壓和把磁頭檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出并以數(shù)字形式顯示出來(lái)。磁頭總的輸出信號(hào)為可見(jiàn)輸出信號(hào)是一個(gè)幅值不變、相位隨磁頭與磁柵相對(duì)位置變化而變化的信號(hào)，可用鑒相電路測(cè)出該調(diào)相信號(hào)的相位為，從而測(cè)出位移x。三、信號(hào)處理方式為了能檢測(cè)位移大小和方向，必須使用兩個(gè)磁頭來(lái)讀出磁柵上的磁信號(hào)，它們的間距為，其中n為正整數(shù)，W為信號(hào)的節(jié)距，也就是兩個(gè)磁頭在信號(hào)角度上布置成相差90°，其信號(hào)處理方式分為鑒幅型和鑒相型兩種。圖3-19靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)及輸出波形兩個(gè)磁頭輸出相差90°，其輸出電壓分別為經(jīng)檢測(cè)器檢波及濾波器濾去高頻載波后，可得它們是兩個(gè)幅值與磁頭位置x成比例的信號(hào)，通過(guò)細(xì)分辨向后，輸出計(jì)數(shù)脈沖。（一）鑒幅型信號(hào)處理方式將兩磁頭之一的激磁電壓相移45°（或?qū)⑤敵鲂盘?hào)相移90°），則兩個(gè)磁頭的輸出電壓分別為再將上述兩電壓相加得總輸出電壓為由上式可知，輸出信號(hào)是一個(gè)幅值恒定、相位隨磁頭與磁柵之間相對(duì)位移x而變化的信號(hào)，這種方法稱(chēng)為鑒相法。（二）鑒相型信號(hào)處理方式壓板磁頭磁尺四、磁柵式傳感器的應(yīng)用數(shù)顯磁柵在磨床測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用磁尺2．應(yīng)用實(shí)例3、鑒相型磁柵數(shù)字位移顯示裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)為磁柵數(shù)顯表）框圖如圖3-20所示。

圖3-20鑒相型磁柵數(shù)顯表框圖第五節(jié)光柵傳感器

1950年德國(guó)Heidenhain首創(chuàng)DIADUR復(fù)制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制工藝，這才能制造高精度、價(jià)廉的光柵刻度尺，光柵計(jì)量?jī)x器才能為用戶(hù)所接受，進(jìn)入商品市場(chǎng)。光柵在柵式測(cè)量系統(tǒng)中的占有率已超過(guò)80%，光柵長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的分辨力已覆蓋微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)，測(cè)量速度從60m/min，到480m/min。測(cè)量長(zhǎng)度從1m、3m達(dá)到30m和100m。

計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵。均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。按光柵的形狀和用途分為：長(zhǎng)光柵——線(xiàn)位移

分辨率0.001

0.1μm；測(cè)量范圍米。

圓光柵——角位移

角度分辨率0.01″光柵是在一塊長(zhǎng)條型（圓形）光學(xué)玻璃（或金屬）上均勻刻上許多寬度相等、相互平行的刻線(xiàn)，形成透光（沒(méi)有刻線(xiàn)的地方）與不透光（刻線(xiàn)的地方）相間排列的光電器件。柵線(xiàn)——光柵上的刻線(xiàn)，寬度a，縫隙寬度b

柵距w=a+b（也稱(chēng)光柵常數(shù)）（一）光柵目前國(guó)內(nèi)常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條等線(xiàn)條。尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵掃描頭（與移動(dòng)部件固定）光柵尺可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）光柵傳感器測(cè)量位移是利用莫爾條紋原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。光柵傳感器作為一個(gè)完整的測(cè)量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩個(gè)部分。（二）光柵傳感器的組成1、光柵讀數(shù)頭光柵由光源、透鏡、光柵副和光電接收元件組成。光柵副是光柵傳感器的主要部分。主光柵(標(biāo)尺光刪)指示光柵標(biāo)尺光柵的有效長(zhǎng)度決定了傳感器的有效測(cè)量長(zhǎng)度和范圍。

反射式光柵透射式光柵透射式圓光柵固定光柵讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量，因而對(duì)位移是的測(cè)量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向。為了辨別位移的方向，進(jìn)一步提高測(cè)量的精度以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的目的，必須把光柵讀數(shù)頭的輸出信號(hào)送入數(shù)顯表作進(jìn)一步的處理。光柵數(shù)顯表由整形放大電路、細(xì)分電路、辨向電路及數(shù)字顯示電路等組成。2、光柵數(shù)顯表二、莫爾條紋及特點(diǎn)形成莫爾條紋必須有兩塊光柵組成：主光柵作標(biāo)準(zhǔn)器，指示光柵作為取信號(hào)用。把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵相對(duì)疊合在一起(片間留有很小的間隙)，并使兩者柵線(xiàn)(光柵刻線(xiàn))之間保持很小的夾角

，于是在近于垂直柵線(xiàn)的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋。（一）莫爾條紋在a-a線(xiàn)上兩光柵的柵線(xiàn)彼此重合，光線(xiàn)從縫隙中通過(guò)，形成亮帶；在b-b線(xiàn)上，兩光柵的柵線(xiàn)彼此錯(cuò)開(kāi)，形成暗帶。這種明暗相間的條紋稱(chēng)為莫爾條紋。莫爾條紋方向與刻線(xiàn)方向垂直，故又稱(chēng)橫向莫爾條紋。當(dāng)移動(dòng)時(shí)，形成的莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光電接收元件將莫爾條紋亮暗變化的光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，并用標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵數(shù)字顯示，從而測(cè)量出標(biāo)尺光柵的移動(dòng)距離。莫爾條紋的形成原理播放動(dòng)畫(huà)由圖可以看出，式中，α為亮(暗)帶的傾斜角；θ為兩光柵的柵線(xiàn)夾角。BH為橫向莫爾條紋之間的距離；W為光柵常數(shù)。2.莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)莫爾條紋測(cè)位移具有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）位移放大作用（2）運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系（3）誤差平均作用

(1)位移的放大作用

當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距W時(shí)，莫爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度BH，如果光柵作反向移動(dòng)，條紋移動(dòng)方向也相反。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線(xiàn)紋夾角θ之間的關(guān)系為：

θ越小，BH越大，這相當(dāng)于把柵距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，這相當(dāng)于把柵距放大了573倍，說(shuō)明光柵具有位移放大作用，從而提高了測(cè)量的靈敏度。如主光柵沿著刻線(xiàn)垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著指示光柵的柵線(xiàn)向上移動(dòng)；反之，當(dāng)主光柵向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著指示光柵的柵線(xiàn)向下移動(dòng)。因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)光柵的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。(2)莫爾條紋運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

光電元件接收的并不只是固定一點(diǎn)的條紋，而是在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)所有刻線(xiàn)產(chǎn)生的條紋，這樣對(duì)于光柵刻線(xiàn)的誤差起到了平均作用。

莫爾條紋由光柵的大量刻線(xiàn)形成，對(duì)線(xiàn)紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除局部誤差和短周期誤差的影響。(3)誤差的平均效應(yīng)因此，就有可能得到比光柵本身的刻度精度高的測(cè)量精度，這也是光柵測(cè)量和普通標(biāo)尺測(cè)量的主要差別。三、辨向原理及辨向電路（一）辨向的原理

原因：當(dāng)指示光柵無(wú)論向前或向后移動(dòng)時(shí)，在一固定點(diǎn)安裝的光電元件只能接收到莫爾條紋明暗交替的變化，后面的數(shù)字電路都將發(fā)生同樣的計(jì)數(shù)脈沖，從而無(wú)法辨別光柵移動(dòng)的方向，也不能正確測(cè)量出有往復(fù)移動(dòng)時(shí)位移的大小。因而必須在測(cè)量電路中加入辨向電路。為辨別主光柵的移動(dòng)方向,需要有兩個(gè)具有相差的莫爾條紋信號(hào)同時(shí)輸入來(lái)辨別移動(dòng)方向,且兩個(gè)莫爾條紋信號(hào)相差90°相位。

實(shí)現(xiàn)的方法是在相隔B／4條紋間隔的位置上安裝兩只光敏元件,當(dāng)莫爾條紋移動(dòng)時(shí)兩個(gè)狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣,得到相位相差π／2的正弦電信號(hào)u1和u2。滯后還是超前完全取決于光柵的運(yùn)動(dòng)方向。這種區(qū)別運(yùn)動(dòng)方向的方法稱(chēng)為位置細(xì)分辨向原理。然后送到辨向電路中處理.

1、2－光電元件；3－指示光柵；4－莫爾條紋；

A－光柵移動(dòng)方向；B－莫爾條紋移動(dòng)方向；

U1－元件AB對(duì)應(yīng)的輸出電壓；

U2－元件CD對(duì)應(yīng)的輸出電壓；AB與CD兩個(gè)狹縫在結(jié)構(gòu)上相差π／2,所以它們?cè)诠怆娫先〉玫男盘?hào)必是相差π／2。AB為主信號(hào),CD為門(mén)控信號(hào)。當(dāng)主光柵作正向運(yùn)動(dòng)時(shí),CD產(chǎn)生的信號(hào)只允許AB產(chǎn)生的正脈沖通過(guò),門(mén)電路在可逆計(jì)數(shù)器中作加法運(yùn)算；當(dāng)主光柵作反方向移動(dòng)時(shí),則CD產(chǎn)生的負(fù)值信號(hào)只讓AB產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過(guò),門(mén)電路在可逆計(jì)數(shù)器中作減法運(yùn)算。辯向電路原理圖3-27辯向電路各點(diǎn)波形圖主光柵正向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上移動(dòng)，這時(shí)光電元件2的輸出電壓波形如圖（a）中曲線(xiàn)u2所示。光電元件1的輸出電壓波形如曲線(xiàn)u1所示，顯然U1超前U290°相角。U1”是U1’反相后得到的方波。U1W’和U1W”是U1’和U1”兩個(gè)方波經(jīng)微分電路后得到的波形。由圖(a)可見(jiàn)，對(duì)于與門(mén)Y1，由于U1W’處于高電平時(shí)，U2’總是處于低電平，因此Y1輸出為零；對(duì)于與門(mén)Y2，U1W”處于高電平，U2’處于高電平，因此與門(mén)Y2有信號(hào)輸出。使加減控制觸發(fā)器置1，可逆計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)。主光柵反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋下移動(dòng)，這時(shí)光電元件2的輸出電壓波形如圖（b）中曲線(xiàn)u2所示。光電元件1的輸出電壓波形如U1曲線(xiàn)所示，顯然U2超前U190°相角。與正向移動(dòng)時(shí)情況相反。整形放大后的U2’仍超前U1’90°。

U1”是U1’反相后得到的方波。

U1W’和U1W”是U1’和U1”兩個(gè)方波經(jīng)微分電路后得到的波形。由圖(b)可見(jiàn)，對(duì)于與門(mén)Y1，由于U1W’處于高電平時(shí)，U2’也處高電平，因此Y1有輸出；對(duì)于與門(mén)Y2，U1W”處于高電平，U2’處于低電平，因此與門(mén)Y2沒(méi)有信號(hào)輸出。因此加減控制觸發(fā)器置0，可逆計(jì)數(shù)器做減法計(jì)數(shù)。正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加，反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可以辨向，因而可以進(jìn)行正確的測(cè)量。為了提高分辨率和測(cè)量比柵距更小的位移量，可采用細(xì)分技術(shù)。所謂細(xì)分，就是在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量，如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n個(gè)脈沖，即可使測(cè)量精度提高到n倍，而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來(lái)柵距的1/n。

1、機(jī)械細(xì)分機(jī)械細(xì)分常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4，四細(xì)分可用4個(gè)光電元件依次安裝在相距BH/4的位置上，如圖3-28（a）所示。這樣可以獲得依次有相位差的4個(gè)正弦交流信號(hào)。用鑒零器分別鑒取4個(gè)信號(hào)的零電平，即在每個(gè)信號(hào)由負(fù)到正過(guò)零點(diǎn)時(shí)發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，如圖3-28（b）。(二)莫爾條紋細(xì)分技術(shù)圖3-28四倍頻機(jī)械細(xì)分法2、電子細(xì)分電子細(xì)分包括四倍頻細(xì)分法、電阻電橋細(xì)分法和電阻鏈細(xì)分法等。常用的是四倍頻細(xì)分法。由上述辨向原理可知，在相差BH/4位置上安裝兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相位相差的正弦交流電信號(hào)。若將這兩個(gè)信號(hào)反相就可以得到四個(gè)依次相差的信號(hào)，它們分別經(jīng)RC微分電路，得到尖脈沖信號(hào)。在計(jì)數(shù)器的輸出端能得到四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，每個(gè)脈沖表示的是1/4柵距的位移，如圖3-29所示。圖3-29四倍頻細(xì)分電路四、光柵傳感器的應(yīng)用（一）萬(wàn)能比長(zhǎng)儀圖3-30萬(wàn)能比長(zhǎng)儀工作原理1-燈泡；2-聚光鏡；3-光柵；4-物鏡；5，8-反射棱鏡；6-光電元件；7-偏振片；9-分光棱鏡；10，11-光電元件；12-永久磁鐵；13-動(dòng)圈。（二）坐標(biāo)檢測(cè)光柵部件的工作原理如圖3-31所示。圖3-31光柵部件的工作原理1-發(fā)光二極管；2-長(zhǎng)光柵；3-長(zhǎng)光柵刻線(xiàn)；4-零位刻線(xiàn)；5-指示光柵；6-指示光柵刻線(xiàn)；7-光電晶體管。

光柵細(xì)分舉例

有一直線(xiàn)光柵，每毫米刻線(xiàn)數(shù)為50，細(xì)分?jǐn)?shù)為4細(xì)分，則：分辨力

=W/4

=（1mm/50）/4=0.005mm=5

m

采用細(xì)分技術(shù)，在不增加光柵刻線(xiàn)數(shù)（成本）的情況下，將分辨力提高了3倍。為光柵設(shè)計(jì)的專(zhuān)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計(jì)數(shù)卡）內(nèi)部包含以下電路：放大、整形、細(xì)分、辨向、報(bào)警、阻抗變換等。為光柵設(shè)計(jì)的專(zhuān)用信號(hào)處理單元（光柵插補(bǔ)器）功能同上頁(yè)光柵在機(jī)床上的安裝位置（2個(gè)自由度）光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個(gè)自由度）數(shù)顯表光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個(gè)自由度）（續(xù)）2自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Z（Y）位移顯示3自由度光柵數(shù)顯表光柵數(shù)顯表（續(xù)）三座標(biāo)數(shù)顯表安裝有直線(xiàn)光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況

防護(hù)罩內(nèi)為直線(xiàn)光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部光電器件

被測(cè)非電量電信號(hào)測(cè)量電路U、I

第八章光電式傳感器

光電式傳感器的定義

以光電器件或傳播光路為敏感元件，將被測(cè)量通過(guò)光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化的傳感器。光電式傳感器的物理基礎(chǔ)和組成物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。光源、光學(xué)元件和光電元件三部分。光電式傳感器的感測(cè)量

位移、振動(dòng)、壓力、加速度、液位、成分含量等。

光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。光波：波長(zhǎng)為10—106nm的電磁波可見(jiàn)光：波長(zhǎng)380—780nm紫外線(xiàn)：波長(zhǎng)10—380nm，波長(zhǎng)300—380nm稱(chēng)為近紫外線(xiàn)波長(zhǎng)200—300nm稱(chēng)為遠(yuǎn)紫外線(xiàn)波長(zhǎng)10—200nm稱(chēng)為極遠(yuǎn)紫外線(xiàn)，紅外線(xiàn)：波長(zhǎng)780—106nm

波長(zhǎng)3μm（即3000nm）以下的稱(chēng)近紅外線(xiàn)波長(zhǎng)超過(guò)3μm的紅外線(xiàn)稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外線(xiàn)。光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。光的特性1000,000nm10nm780nm380nm可見(jiàn)光紅外光紫外光1905年，愛(ài)因斯坦提出了光子假設(shè)：光在空間傳播時(shí)，是不連續(xù)的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，愛(ài)因斯坦把這些不連續(xù)的量子稱(chēng)為“光量子”。1926年，美國(guó)物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱(chēng)為“光子”，并沿用至今。每個(gè)光子的能量為

E=hf可見(jiàn)，光的頻率愈高，光子的能量愈大。由光的粒子性：光是以光速運(yùn)動(dòng)著的粒子（光子）流，一束頻率為ν的光由能量相同的光子所組成，每個(gè)光子的能量為h——普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；f——光的頻率（單位s-1）。可見(jiàn)，光的頻率愈高（即波長(zhǎng)愈短），光子的能量愈大。一、光電效應(yīng)

定義：對(duì)不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串光子轟擊在這個(gè)物體上，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(chēng)為光電效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電效應(yīng)可分為：光電導(dǎo)效應(yīng)(1)外光電效應(yīng)在光線(xiàn)作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱(chēng)外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。

每個(gè)光子具有的能量是：

——普朗克常數(shù)()

——光的頻率（Hz），波長(zhǎng)短，頻率高，能量大

J.S

fh光---電一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子由能量守恒定律有：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程A—電子的逸出功；一個(gè)電子逸出的動(dòng)能（能量）；（3）逸出的光電子具有動(dòng)能。（4）從光照至發(fā)射電子，時(shí)間<10-9s。（1）光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功。（2）入射光頻譜成分一定時(shí)，產(chǎn)生的光電流和光強(qiáng)成正比?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管紫外管外形當(dāng)入射紫外線(xiàn)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(xiàn)測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。紫外線(xiàn)

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類(lèi)：(2)內(nèi)光電效應(yīng)1、光電導(dǎo)效應(yīng)：入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱(chēng)光電導(dǎo)效應(yīng)這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有，由于在入射光作用下電子吸收光子能量，從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶過(guò)度到自由狀態(tài)，同時(shí)價(jià)帶也因此形成自由空穴，使導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴濃度增大引起電阻率減小。為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量E0應(yīng)大于禁帶寬度的能量Eg?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。導(dǎo)帶價(jià)帶電子吸收光子能量禁帶光E0自由狀態(tài)Eg〈E0電子光電導(dǎo)效應(yīng)基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。2、光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。為什么PN結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？下面分兩種情況討論：不加偏壓時(shí)的PN結(jié)處于反偏時(shí)的PN結(jié)PN電子空穴---+++-+光源不加偏壓時(shí)的PN結(jié)(勢(shì)壘效應(yīng)/結(jié)光電效應(yīng)）

當(dāng)光照射在PN結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度（E0＞Eg）,可激發(fā)出電子——空穴對(duì)在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向P區(qū)，而電子移向N區(qū)使P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)勢(shì).基于這種效應(yīng)的器件有光電池PN電子空穴---+++-+光源處于反偏時(shí)的PN結(jié)：無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，在PN結(jié)電場(chǎng)作用下，電子N，空穴P運(yùn)動(dòng)，形成光電流；光電二極管一般反向連接。電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。具有這種性能的器件有：光敏二極管、光敏晶體管從原理上講，不加偏壓的光電二極管就是光電池。EPN電子空穴---++++-光源I二、光電器件（一）光電管光電管的外形如圖3-32所示由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光電陰極對(duì)不同頻率的入射光有不同的靈敏度，人們可以根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是可見(jiàn)光或紫外光而選擇不同陰極材料的光電管。2023/8/20162外光電效應(yīng)光電管主要用于：分光光度計(jì)、光電比色計(jì)等分析儀器和各種自動(dòng)裝置。（二）光電倍增管光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測(cè)器都使用的是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。光電倍增管結(jié)構(gòu)：由陰極、次陰極（倍增電極）、陽(yáng)極組成。次陰極可達(dá)30級(jí)，通常為12~14級(jí)。入射光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽(yáng)極A外光電效應(yīng)光電倍增管的光電特性如圖所示，從圖中可知，在光通量為10-14lm～10-8lm（流明），光電特性基本上是一條直線(xiàn)。2023/8/20168（三）光敏電阻光敏電阻是一種利用內(nèi)光電效應(yīng)（光導(dǎo)效應(yīng)）制成的光電元件。它具有精度高、體積小、性能穩(wěn)定、價(jià)格低等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化技術(shù)中作為開(kāi)關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。

1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)與材料光敏電阻由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導(dǎo)體組成，電極和半導(dǎo)體之間呈歐姆接觸，使用時(shí)在它的兩電極上施加直流或交流工作電壓，如圖3-34所示。2023/8/20169結(jié)構(gòu)：在玻璃底板上涂一層對(duì)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)體上覆蓋一層漆膜。AE電極半導(dǎo)體玻璃底板RLEIRG光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線(xiàn)電極引線(xiàn)光電導(dǎo)體限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案，結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。光敏電阻當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。光敏電阻主要是硫化鎘，為提高其光靈敏度，在硫化鎘中再摻入銅、銀等雜質(zhì)。光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖3-35所示。

2023/8/201731--光導(dǎo)層;2--玻璃窗口;3--金屬外殼;4--電極;5--陶瓷基座;6--黑色絕緣玻璃;7--電阻引線(xiàn)。RG1234567(a)結(jié)構(gòu)

(b)電極

(c)符號(hào)光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)2.光敏電阻的主要參數(shù)(1)暗電阻

光敏電阻置于室溫、全暗條件下，經(jīng)一段時(shí)間穩(wěn)定后測(cè)得的阻值稱(chēng)為暗電阻。這時(shí)在給定的工作電壓下測(cè)得的電流稱(chēng)為暗電流。(2)亮電阻

光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱(chēng)為亮電阻。(3)光電流

亮電流和暗電流之間的差稱(chēng)為光電流

。光敏電阻的暗電阻越大，而亮度電阻越小，則性能越好。也就是說(shuō)，暗電流要小，光電流要大，這樣的光敏電阻的靈敏度就高。光敏電阻演示當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）3.光敏電阻的主要特性(1)光照特性

是指光敏電阻的光電流

與光通量

的關(guān)系。不同的光敏電阻，其光照特性不同，但多數(shù)光敏電阻的光照特性為如圖所示的曲線(xiàn)形狀。2023/8/20176(2)光譜特性

指光敏電阻對(duì)于不同波長(zhǎng)

的入射光，其相對(duì)靈敏度

不同的特性。各種不同材料的光譜特性曲線(xiàn)如圖所示。(3)伏安特性

表示光敏電阻兩端所加電壓與流過(guò)光敏電阻的電流之間的關(guān)系。如圖所示（4)響應(yīng)時(shí)間

指光敏電阻中光電流的變化滯后于光的變化的時(shí)間。(5)溫度特性指光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件一樣升高，它的暗電阻與靈敏度都下降的特性。光敏電阻的光譜特性曲線(xiàn)光敏電阻的伏安特性曲線(xiàn)2023/8/20177（四）光敏二極管和光敏晶體管1.光敏二極管結(jié)構(gòu)及工作原理光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管不同之處在于它的PN結(jié)裝在透明管殼的頂部，可以直接受到光的照射。圖(a)為其結(jié)構(gòu)示意圖，圖(b)為光敏二極管在電路中處于反向偏置的狀態(tài)。2023/8/20178光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，在沒(méi)有光照射時(shí)反向電流很小，稱(chēng)為暗電流；光照射在PN結(jié)上，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，在PN結(jié)處內(nèi)電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此，光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。光敏二極管將光敏二極管的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。光敏二極管的反向偏置接線(xiàn)及光電特性在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照2、光敏三極管與一般晶體管相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，只是發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。光敏三極管大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引出線(xiàn)，當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，會(huì)有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。普通三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP光敏三極管ICeECIERCcNNPb光敏三極管：基區(qū)很薄，基極一般不接引線(xiàn)；集電極面積較大。3、達(dá)林頓光敏管光敏晶體管的光電靈敏度雖然比光敏二極管高得多，但在需要高增益或大電流輸出的場(chǎng)合，需采用達(dá)林頓光敏管。達(dá)林頓光敏管的等效電路：一個(gè)光敏晶體管和一個(gè)晶體管以共集電極連接方式構(gòu)成的集成器件。增加了一級(jí)電流放大，輸出電流能力大大加強(qiáng)，甚至可不必經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大，便可直接驅(qū)動(dòng)靈敏繼電器。但無(wú)光照時(shí)暗電流也增大，因此適合于開(kāi)關(guān)狀態(tài)或位式信號(hào)的光電變換。（五）光敏晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏晶閘管（LCR）也稱(chēng)為光控晶閘管，如圖3-38所示。圖3-38（c）是它的典型應(yīng)用電路，光敏晶閘管的陽(yáng)極接正極，陰極接負(fù)極，控制極通過(guò)電阻RG與陰極相連接。這時(shí)，J1、J3正偏，J2反偏，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。圖3-38光敏晶閘管(a)結(jié)構(gòu)(b)圖形符號(hào)(c)應(yīng)用電路光敏晶閘管外形光敏面光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光能直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。光電池可把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此又稱(chēng)為太陽(yáng)能電池。光電池有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。故光電池是有源元件。光電池有硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。（六）光電池硅光電池的價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可見(jiàn)光。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽(yáng)光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙射線(xiàn)的輻射。因此，在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等的電源方面應(yīng)用最廣。光電池硅光電池的結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PN結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。基本結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理：當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子—空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。一般可產(chǎn)生0.2～0.6V電壓50mA電流。

硒光電池的結(jié)構(gòu)光生伏特效應(yīng)光電池的工作原理示意圖RLI---mAV+++

PN當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線(xiàn)連起來(lái)，電路中就有電流流過(guò)。若將外電路斷開(kāi)，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。

(2）基本特性1)光譜特性故硒光電池適用于可見(jiàn)光，常用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表。如用照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波長(zhǎng)λ/nm040060080010001200相對(duì)靈敏度/%光電池的光譜特性2)光照特性①不同光照射下有不同光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。②短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線(xiàn)性關(guān)系。光電池的光照特性開(kāi)路電壓0.10.30.2照度/lx020004000光生電流/mA0.20.60.4光生電壓/V短路電流③開(kāi)路電壓與光強(qiáng)是非線(xiàn)性的，且在2000lx時(shí)趨于飽和。④光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它作為電流源的形式來(lái)使用，不宜用作電壓源，且負(fù)載電阻越小越好。3)頻率特性硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面光電池的頻率特性是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系光電池的頻率特性20406080100硒光電池硅光電池015003000450060007500相對(duì)光電流/%入射光調(diào)制頻率/Hz4)溫度特性主要描述光電池的開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。開(kāi)路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。

短路電流隨溫度升高而緩慢增加。

因此作測(cè)量元件時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)行溫補(bǔ)。光電池的溫度特性開(kāi)路電壓溫度/℃光生電流/mA1.82.22.0光生電壓/V短路電流100200300400500020406080100太陽(yáng)能手機(jī)充電器太陽(yáng)能供電LED警示太陽(yáng)能電池小結(jié)：對(duì)于光敏電阻器，因其靈敏度高而光照特性呈非線(xiàn)性，一般用于自動(dòng)控制中作開(kāi)關(guān)元件；光敏二極管的光照特性為線(xiàn)性，適于做檢測(cè)元件；光敏三極管即可做檢測(cè)元件也可以做開(kāi)關(guān)元件。元件材料不同，所能響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)也不同。因此，應(yīng)根據(jù)光譜特性來(lái)確定光源與光電器件的最佳匹配

光敏電阻器的頻率特性較差，這是由于存在光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象的緣故；光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光敏元件中最好的；光敏三極管的頻率特性比光敏二極管差。溫度對(duì)光敏元件的暗電流有影響，因此應(yīng)考慮溫度補(bǔ)償。不同光敏器件的響應(yīng)時(shí)間有所不同，如光敏電阻較慢，約為10-1～10-3s，工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為10-5～10-7s左右，光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間比二極管約慢一個(gè)數(shù)量級(jí)。五、光電式傳感器應(yīng)用1．帶材跑偏檢測(cè)儀

這種裝置可以用來(lái)檢測(cè)帶材在加工過(guò)程中偏離正確位置的大小和方向。如圖3-40所示。2023/8/20199（二）光電式煙塵濃度計(jì)工廠(chǎng)煙囪煙塵的排放是環(huán)境污染的重要來(lái)源，為了控制和減少煙塵的排放量，對(duì)煙塵的監(jiān)測(cè)是必要的。如圖3-41所示為光電式煙塵濃度計(jì)工作原理圖。

（三）光電測(cè)速計(jì)工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要檢測(cè)工件的運(yùn)動(dòng)速度。圖3-42所示是利用光敏元件檢測(cè)運(yùn)動(dòng)速度的示意圖和電路簡(jiǎn)圖。設(shè)高頻脈沖的頻率f=1MHz，周期T=1μs，計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖為n，則可判斷出物體通過(guò)已知距離S0所經(jīng)歷的時(shí)間為t=nT（單位為μs），則運(yùn)動(dòng)物體的平均速度為4、光電式轉(zhuǎn)速計(jì)光電式轉(zhuǎn)速傳感器分為反射式和直射式兩種。反射式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理如圖3-43(a)所示。直射型光電轉(zhuǎn)速計(jì)的工作原理見(jiàn)圖3-43(b)

圖3-43光電式轉(zhuǎn)速計(jì)工作原理(a)反射式(b)直射式光電池主要有兩大類(lèi)型的應(yīng)用：將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽(yáng)能電池。這是人們探索新能源的一個(gè)重要研究課題。將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不必需要像太陽(yáng)電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類(lèi)光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。光電池應(yīng)用舉例如下：

三、光電池應(yīng)用（1）太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制器太陽(yáng)電池方陣直流負(fù)載逆變器交流負(fù)載發(fā)電裝置：?jiǎn)误w太陽(yáng)能電池——太陽(yáng)電池組件——陣列調(diào)節(jié)控制器：充放電自動(dòng)控制阻塞二極管：避免蓄電池對(duì)太陽(yáng)電池放電光電池作為光電探測(cè)使用時(shí)，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。（2）光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用光電開(kāi)關(guān)下圖所示電路為光電開(kāi)關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無(wú)光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開(kāi)關(guān)目的。門(mén)窗防盜控制自動(dòng)扶梯自動(dòng)啟停其他應(yīng)用——對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)汽車(chē)通過(guò)檢測(cè)汽車(chē)噴涂控制鑒別不同高度物體高度判別缺件剔除料位控制對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)圍墻監(jiān)護(hù)警戒遠(yuǎn)距對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)庫(kù)房衛(wèi)士安全警戒擴(kuò)散反射式光電開(kāi)關(guān)料位控制煙霧報(bào)警帶材對(duì)中控制缺料檢測(cè)斜度檢測(cè)擴(kuò)散反射式光電開(kāi)關(guān)裂縫檢測(cè)鏡面反