機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ).ppt

1、3. 傳感器原理,3.11 光電傳感器,光電傳感器也稱光敏傳感器，或光電元件。顧名思義它對(duì)光敏感，將光能量轉(zhuǎn)換為電量（產(chǎn)生電能或控制電能）。,依據(jù)光量子理論,光是具有一定能量子的光子所組成,每個(gè)光子所具有的能量 E=h 與光頻率成正比。 光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。,3. 傳感器原理,所謂光電效應(yīng)即是由于物體吸收了能量為E的光子后產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)又可分為：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。不同的光電效應(yīng)分別對(duì)應(yīng)不同的光電元件。,一，光電效應(yīng),1，外光電效應(yīng) 在光照作用下，材料內(nèi)的電子從表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電子發(fā)射效應(yīng)。光電管及光電倍增管即是基于這一效應(yīng)。,著名的愛(ài)

2、因斯坦光電效應(yīng)方程式：,由光電效應(yīng)方程式可知： （1）光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該材料的電子表面逸出功。 （2）低于“紅限”的光入射，且保持頻率成分不變，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光光強(qiáng)成正比。 （3）當(dāng)hA時(shí)，光電子逸出就具有初始動(dòng)能，即使陽(yáng)極電壓為零，也會(huì)產(chǎn)生光電流。,基于外光電效應(yīng)的器件：光電管及光電倍增管,2，內(nèi)光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)分為兩類： 一類是半導(dǎo)體材料在光照的作用下，電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。 依據(jù)該效應(yīng)的器件：光敏電阻 另一類是PN結(jié)在光照作用下，導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象。 依據(jù)該效應(yīng)的器件：光敏二極管、光敏三極管。,3. 傳感器原理,內(nèi)光電效應(yīng),半導(dǎo)體材料受到光

3、照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),使其導(dǎo)電性能增強(qiáng),光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應(yīng) 。,光敏電阻 內(nèi)光電效應(yīng)器件: 光敏二極管 光敏晶體管 光敏三極管,能量控制型傳感器,3，光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(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)的光電器件是光電池，它是一個(gè)有源器件。,PN結(jié)的電勢(shì)壘,二，光電器件及其特性,1，光電管及光電倍增管,真空光電管的結(jié)構(gòu)形式,光電管的光電轉(zhuǎn)換靈敏度一般不高，在光電管的基礎(chǔ)上發(fā)展了光電倍增管。,光電倍增管是是在光電陰極和陽(yáng)極之間裝了若干個(gè)“倍增極”，或稱“次陰極”。倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的

4、材料，每個(gè)倍增極的電勢(shì)依此提高，從而使前一級(jí)發(fā)射的電子依此轟擊下一級(jí)，形成倍增效應(yīng)。,光電倍增管的基本結(jié)構(gòu),特性,光電特性和積分靈敏度,真空光電管的光電特性,光譜特性,真空光電管的光譜特性,伏安特性,真空光電管的伏安特性,此外，光電管還有溫度特性、疲勞特性、頻率響應(yīng)、熱穩(wěn)定性、暗電流和衰老等特性指標(biāo)。 光電倍增管選擇應(yīng)用時(shí)主要參數(shù)和特性：陰極和陽(yáng)極的光照響應(yīng)率、光電倍增管的放大倍數(shù)（增益） 、暗電流 、穩(wěn)定性 、時(shí)間特性 、,2，光敏電阻 光敏電阻的典型結(jié)構(gòu)。光敏電阻常做成圖（b）所示的柵形結(jié)構(gòu)，裝在外殼中。兩極間可加直流電壓，也可加交流電壓。圖（c）為光敏電阻在電路中的表示符號(hào)。,光敏電阻結(jié)

5、構(gòu)及表示符號(hào),3. 傳感器原理,3. 常用傳感器,光敏電阻元件產(chǎn)品,光敏電阻的特點(diǎn)是靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬，可從紫外一直延伸到紅外，且體積小，性能穩(wěn)定，因此廣泛用于測(cè)試技術(shù)。 光敏電阻的材料種類很多，適用的波長(zhǎng)范圍也不一樣，如硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）適用于可見(jiàn)光（0.4m 0.75m）的范圍，氧化鋅（ZnO）、硫化鋅（ZnS）適用于紫外線范圍，而硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、碲化鉛（PbTe）則適用于紅外線范圍。,3，光敏二極管及光敏三極管,PN結(jié)受到光照時(shí)，通過(guò)PN結(jié)的電流將增大，因此，常規(guī)的二極管和三極管都需要用金屬或其它殼體密封起來(lái)，以防止光照。而光敏二極管和三極管

6、則必須將PN結(jié)裝在頂部，上面有一個(gè)透鏡制成的窗口，以便接受最大的光照射。,光敏二極管,光敏三極管 結(jié)構(gòu)與光敏二極管相似，不同的是它具有兩個(gè)PN結(jié)。當(dāng)光照射到光敏三極管的一個(gè)PN結(jié)附近時(shí)，產(chǎn)生與光敏二極管類似的光電流。光電流相當(dāng)于三極管的基極電流，在三極管的電流放大作用下，集電極電流為光電流的倍，因此光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高。光敏三極管有NPN和PNP兩種類型。,由于光敏三極管的信號(hào)輸入是光輻射，所以一般無(wú)需基極引線，因此市場(chǎng)上的光敏三極管往往只有二個(gè)引線，這一點(diǎn)應(yīng)該注意，以免與光敏二極管相混。,在光敏二極管的基礎(chǔ)上，發(fā)展產(chǎn)生了APD管、PIN管這兩種光電探測(cè)器。 APD管也稱為雪崩光敏

7、二極管 ：二極管反向偏置且反向電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)部電場(chǎng)的電位差增加到極限值，光子入射產(chǎn)生的載流子被此高電壓電場(chǎng)加速，在與其它原子碰撞時(shí)給予它們能量，產(chǎn)生新的載流子。,一個(gè)硅雪崩光敏二極管的典型數(shù)據(jù)為：雪崩增益系數(shù)103，在=0.9m上的靈敏度100A/W，時(shí)間常數(shù)0.5ns，等效噪聲功率約為10-15W。,PIN光敏二極管是在P型區(qū)和N型區(qū)之間設(shè)置有相當(dāng)厚度的本征半導(dǎo)體層，使得原光敏二極管的耗盡層加寬，結(jié)電容減小，時(shí)間常數(shù)隨之減小，特別是當(dāng)反向偏置電壓增大時(shí)，耗盡區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。 PIN管可檢測(cè)1ns的激光脈沖，頻響達(dá)109Hz。因此PIN光敏二極管也稱快速光敏二極管。,4，光電池 它

8、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)。 從用途上講，光電池可分為兩類：一類是把光電池用做電源，既常說(shuō)的太陽(yáng)能電池，要求其效率高、成本低、壽命長(zhǎng)、功率大等；另一類是把它當(dāng)作光電探測(cè)器，稱為測(cè)量用光電池，要求它線性好、光譜響應(yīng)范圍合適、響應(yīng)時(shí)間短等。 我們?cè)诖酥挥懻摐y(cè)量用光電池。 常用的光電池有硅光電池、硒光電池，它們分別是以硅和硒材料制成,兩種特殊的光電池，即象限光電池和坐標(biāo)光電池：,四象限光電池,象限光電池主要用于激光準(zhǔn)直、定位、跟蹤等場(chǎng)合,坐標(biāo)光電池又稱位置敏感探測(cè)器（PSD），有一維和二維之分。,一維和二維PSD,5，半導(dǎo)體光電元件的特性 光敏電阻、光敏二極管和三

9、極管、光電池這三種半導(dǎo)體光電傳感器，各有原理和特征不同，但又有相似之處。在此把它們綜合起來(lái)分析介紹。,（1）光電特性：是指光電元件產(chǎn)生的光電流與光照之間的關(guān)系。,(a)所示為硒光敏電阻的I-關(guān)系,呈非線性。,(b)所示為光敏二極管的光照特性曲線,有較好的線性關(guān)系。,(c)表示硅光電池的開(kāi)路電壓（曲線）與短路電流（曲線）,（2）伏安特性：是指光照一定時(shí)，光電元件的端電壓U與電流I的關(guān)系。,（3）光譜特性：指光電元件靈敏度對(duì)不同波長(zhǎng)光的選擇性。,光敏電阻,硅、鍺光敏晶體管,硅、硒光電池,（4）頻率特性：是指它們的輸出電信號(hào)與調(diào)制光頻率的關(guān)系，反映的時(shí)間響應(yīng)，也可用時(shí)間常數(shù)來(lái)表示。,3.7 半導(dǎo)體敏

10、感元件傳感器,6，光電傳感器應(yīng)用中的照明方式,光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本照明形式。,3.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器,3.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器,3.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器,7，測(cè)量電路及應(yīng)用,光電倍增管的測(cè)量電路,光敏電阻的應(yīng)用和器件： 工業(yè)控制、機(jī)電裝備及產(chǎn)品,自動(dòng)測(cè)光控制電路:自動(dòng)照相機(jī),光敏電阻,快門(mén)按鈕,開(kāi)關(guān)SW按下電磁鐵線圈DT通電快門(mén)打開(kāi)一方面使底片嚗光,另一方面光照在光敏電阻RP上, RP阻值下降,C充電 C上電壓充到VR2+0.7V 時(shí),BG1導(dǎo)通 BG1導(dǎo)通后, BG2、 BG3也隨之導(dǎo)通 BG3導(dǎo)通后，A點(diǎn)電壓V下降

11、 BG4截止 DT斷電，關(guān)閉快門(mén)，嚗光結(jié)束。,從按下SW，打開(kāi)快門(mén)嚗光，到嚗光結(jié)束，取決于電容C的充電時(shí)間 t=1.57Rv Rp C Rv=R2/(R1+R2) Rp:光敏電阻值 外界入射光強(qiáng)越強(qiáng)Rp越小，嚗光時(shí)間越短 外界入射光強(qiáng)越弱Rp越大，嚗光時(shí)間越長(zhǎng),光電式邊緣位置檢測(cè)裝置,光電式轉(zhuǎn)速計(jì),3.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器,案例：光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來(lái) 測(cè)量位移。,3.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器,相機(jī)測(cè)距反射式光電傳感器,光電碼盤(pán),光電碼盤(pán),若采用n位碼盤(pán),則能分辨的角度為,3.12 光纖傳感器,物性型光纖傳感器是利用光纖對(duì)環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號(hào)。

12、,1）物性型光纖傳感器,第三章、傳感器測(cè)量原理,光纖流速傳感器,3.12 光纖傳感器,結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測(cè)元件與光纖傳輸回路及測(cè)量電路所組成的測(cè)量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。,2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器,3.12 光纖傳感器,光纖檢測(cè)型光電傳感器,作業(yè)件檢測(cè),顏色檢測(cè),3.12 光纖傳感器,3.16 智能傳感器,第三章、傳感器測(cè)量原理,傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學(xué)量（如濃度、PH值等）、生物量（如細(xì)菌等）等的信息，并將該信息轉(zhuǎn)化為電信息的裝置。,智能傳感器是將傳感器與微型計(jì)算機(jī)集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術(shù)和信息處

13、理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還具有認(rèn)知能力。,第三章、傳感器測(cè)量原理,嵌入式計(jì)算機(jī),智能傾角RS232傳感器,IC總線數(shù)字溫度傳感器,第三章、傳感器測(cè)量原理,振動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳感器,智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器,第三章、傳感器測(cè)量原理,3.16 傳感器選用原則,選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面的問(wèn)題。,1、靈敏度,一般說(shuō)來(lái)，傳感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。 a)靈敏度過(guò)高引起的干擾問(wèn)題； b)量程范圍。 c)交叉靈敏度問(wèn)題。,2 響應(yīng)特性,傳感器的響應(yīng)特性是指在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測(cè)量條件。 實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不

14、可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好。,3 線性范圍,任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精度的基本條件。,第三章、傳感器測(cè)量原理,4 穩(wěn)定性,穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。,5 精確度,傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。,第三章、傳感器測(cè)量原理,6 測(cè)量方式,傳感器工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與非破壞性測(cè)量、在線與非在線測(cè)量等。,第三章、傳感器測(cè)量

15、原理,第三章作業(yè) 3-4,3-5,3-7,3-13,思考題,1）光電探測(cè)元件的工作原理基于哪幾個(gè)效應(yīng)？ 2）光電探測(cè)元件中哪些是能量控制型、哪些是能量轉(zhuǎn)換型器件？ 3）光敏電阻的基本特性有哪幾個(gè)？ 4）光敏二極管的偏置電壓極性如何？ 5）光電池與光敏二極管哪一個(gè)適合探測(cè)快速變化信號(hào)？,第二章習(xí)題參考答案,2-2用一時(shí)間常數(shù)為0.35s的一階裝置去測(cè)量周期分別為1s,2s,5s的正弦信號(hào)，問(wèn)幅值誤差將是多少,2-3求周期信號(hào)x(t)=0.5cos10t+0.2cos(100t-45)通過(guò)傳遞函數(shù)H(s)=1/(0.005s+1)的裝置后所得到的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。,2-5想用一個(gè)一階系統(tǒng)作100HZ正弦信號(hào)的測(cè)量，如要