《电压型传感器》PPT课件.ppt

第5章电压型传感器基本要求：基本要求：了解电压型传感器的常见类型理解常见电压型传感器的基本工作原理掌握常见电压型传感器的测量电路主要内容5.1磁电式传感器5.2压电式传感器5.3热电偶传感器5.4光电传感器5.5霍尔传感器霍尔传感器5.1磁电式传感器通过电磁感应原理将被测量（如振动、转速、扭矩）转换成电势信号。利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势；属于机-电能量变换型传感器优点:不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小一、基本原理一、基本原理磁电式传感器是基于电磁感应原理的传感器。根据电磁感应定律可得：即回路中产生的感应电势与磁通量对时间的变化律成正比二、基本组成二、基本组成1磁路系统产生恒定直流磁场，一般用永久磁铁 2线圈产生感应电压3运动机构感受被测运动三、结构类型三、结构类型1.1.变磁通式结构变磁通式结构:线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。圈中产生感应电动势。(a)铁芯平移型铁芯平移型 e与 成正比这种结构可做成测线速度(b)(b)铁心旋转型铁心旋转型这种结构可做成测角速度三、结构类型三、结构类型2 2 恒磁通结构恒磁通结构:工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永久工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线产磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线产生。生。分为分为：动铁式和动圈式：动铁式和动圈式动铁式动铁式动动圈圈式式基本原理基本原理如果在线圈运动部分的磁场强度如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的，是均匀的，则当线圈与磁场的相对速度为则当线圈与磁场的相对速度为时，线圈的感应电动势：时，线圈的感应电动势：为运动方向与磁场方向间夹角，当为运动方向与磁场方向间夹角，当90，线圈的感应电动，线圈的感应电动势为：势为：当当N、B和和la恒定不变时，恒定不变时，E与与=dx/dt成正比，成正比，根据感应电动势根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。的大小就可以知道被测速度的大小。四、测量电路四、测量电路 磁电式传感器直接输出感应电势，常具有较磁电式传感器直接输出感应电势，常具有较高灵敏度，一般不需要高增益放大器。高灵敏度，一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则要配用积分或微分测位移或加速度信号，则要配用积分或微分电路。电路。5.2压电式传感器压电器件压电器件压电器件压电器件受力、表面形变受力、表面形变受力、表面形变受力、表面形变电荷电荷电荷电荷原理原理材料受力变形时材料受力变形时,表面产生电荷，实现非电量测量；表面产生电荷，实现非电量测量；特点特点体积小、重量轻、工作频带宽等；体积小、重量轻、工作频带宽等；应用应用动态力、动态力、机械冲击、振动声学、机械冲击、振动声学、医学、宇航。医学、宇航。5-1 压电效应和压电材料压电效应和压电材料一、压电效应一、压电效应一、压电效应一、压电效应1 1、正（顺）压电效应、正（顺）压电效应、正（顺）压电效应、正（顺）压电效应 正压电效应正压电效应某些材料沿一定方向施力变形，内部产生某些材料沿一定方向施力变形，内部产生极化现象，两表面产生极性相反的电荷，外力去掉后，表面又极化现象，两表面产生极性相反的电荷，外力去掉后，表面又回到不带电状态。回到不带电状态。压电介质压电介质压电介质压电介质正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应Q(E)Q(E)电电电电能能能能T(S)T(S)机械能机械能机械能机械能逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应2 2、逆压电效应（电致伸缩）、逆压电效应（电致伸缩）、逆压电效应（电致伸缩）、逆压电效应（电致伸缩）逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应在电介质的极化方向上施加电场，电在电介质的极化方向上施加电场，电介质也会产生变形。介质也会产生变形。二、压电效应表达式二、压电效应表达式 i面上产生的电荷密度j方向的外加应力j方向应力引起i面产生电荷时的压电常数压电常数矩阵TjPa牛顿/米2C/N库仑/牛顿(1)(1)应力与电荷面垂直应力与电荷面垂直纵向压电效应纵向压电效应(2)(2)应力与电荷面平行直应力与电荷面平行直横向压电效应横向压电效应(3)(3)电荷面受到剪切电荷面受到剪切面切压电效应面切压电效应(4)(4)电荷面厚度受到剪切电荷面厚度受到剪切剪切压电效应剪切压电效应三、力三、力电荷转换公式电荷转换公式灵敏度为常数四、压电材料压电材料具有压电效应的电介质，包括石英晶体和压电陶瓷。1.1.石英晶体石英晶体单晶结构，结晶形状为六角晶柱，是一个正六面体。光轴光轴光轴光轴机械机械机械机械轴轴轴轴电轴电轴电轴电轴纵轴线z光轴穿过棱线且垂直z轴的x轴电轴（压电效应最强）垂直棱面的y轴力轴（机械轴）（机械形变最明显）石英晶体的压电常数：x方向存在纵向压电效应 ，横向压电效应 和面切向压电效应 。y方向有面切压电效应 和剪切压电效 若 改变受力方向，表面极性也相应改变；z方向表面不产生电荷。石英晶体的特点天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度而改变，稳定性好。2.2.压电陶瓷压电陶瓷 多晶体压电材料，压电系数高，灵敏度较石英材料高，但工作温度低，温度稳定性和机械强度都不如石英。未极化前：不具压电性未极化前：不具压电性未极化前：不具压电性未极化前：不具压电性加外电场加外电场加外电场加外电场E E撤销外电场撤销外电场撤销外电场撤销外电场原始压电陶瓷材料没有压电性，极化后具有压电性。压电常数为：钛酸钡常见压电陶瓷：（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。五、压电式传感器(1)被测量直接转换为电荷输出；(2)适用于动态测量：电荷只在无泄漏情况下保存，需要测量回路输入阻抗无限大，不适于静态测量。交变力作用下，电荷不断补充，供给回路一定的电流；(3)必须有一定的预应力。1.等效电路 晶片相对介电常数；真空介电常数；S 工作面面积；h晶片厚度不同于普通电容器，力消失，电荷消失两种等效电路：注意：不受外力，压电元件只等效为一个电容器注意：不受外力，压电元件只等效为一个电容器Ca。2.2.压电元件的串并联压电元件的串并联 并联并联相邻两片压电元件按极化方向相反粘贴。相邻两片压电元件按极化方向相反粘贴。串联串联相邻两片压电元件按极化方向相同粘贴。相邻两片压电元件按极化方向相同粘贴。n n个元件并联：个元件并联：n n个元件串联：个元件串联：适合电荷输出，低频信号适合电压输出，高频信号3.3.压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路前置放大器的作用阻抗变换作用：高阻抗低阻抗放大传感器输出的微弱信号前置放大器电压放大器电荷放大器实际等效电路：为连接电缆，为放大器输入电阻，为输入电容，为压电传感器泄露电阻，Ca为压电元件的电容。.（1 1）电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）在压电元件上的力为正弦变化的力 ，有 压电元件产生电荷：（1 1）wwww0 0，认为输出与频率无关；，认为输出与频率无关；（2 2）低频段，应减少）低频段，应减少w w0 0，必须增大，必须增大R R，前置放大器输入，前置放大器输入阻抗应高；阻抗应高；（3 3）w w0 0，输出为，输出为0 0，不能测静态力；，不能测静态力；（4 4）C CC C改变，输出会变，连接电缆不能随意更换，否改变，输出会变，连接电缆不能随意更换，否则有测量误差。则有测量误差。（2 2）电荷放大器）电荷放大器由一个反馈电容 和高增益运算放大器构成。略去 和 并联电阻。运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流。与电缆电容无关A A不是很大，产生误差不是很大，产生误差结论：结论：1 1、压电传感器不能测量静态参数；、压电传感器不能测量静态参数；2 2、采用电压放大器，更换电缆时，须重新、采用电压放大器，更换电缆时，须重新校正；校正；3 3、采用电荷放大器，更换电缆时，无须重采用电荷放大器，更换电缆时，无须重新校正新校正。六、应用六、应用11压电式单向测力传感器压电式单向测力传感器压电压电式式压压力力传传感器感器型型号号:MYD-8553:MYD-8553应应用用领领域域：高高频动频动态压态压力力测测量，量，风风洞洞压压力力测测量等量等。2 2 交通监测交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。3 玻璃破碎报警玻璃破碎报警将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出振动，并将电压信号传送给集中报警系统。粘贴粘贴位置位置使用时，用瞬干胶将其使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q Q ，在两，在两个输出引脚之间产生窄个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。脉冲报警信号。例题：例题：某压电式传感器为两片石英晶体并联，每片厚度某压电式传感器为两片石英晶体并联，每片厚度t t0.2mm0.2mm，圆片半径，圆片半径r r1cm1cm，x x切型切型。当。当0.1MPa0.1MPa的压强垂直作于与的压强垂直作于与x x平面时，求传感器输出电荷平面时，求传感器输出电荷QQ与电极间电压与电极间电压U Ua a的值。的值。5.3热电偶型传感器热电偶型传感器热电偶热电偶热电偶热电偶 温度温度温度温度电压电压电压电压特点特点：结构简单，制造容易，使用方便结构简单，制造容易，使用方便。测量时，可以不要测量时，可以不要外加电源；外加电源；测温范围广测温范围广，-269T1800。测量精确度较高；测量精确度较高；便于远距离测量、自动记录及多点测量。便于远距离测量、自动记录及多点测量。5.3.1 5.3.1 热电效应热电效应 热电效应热电效应两种不同的金属导体两种不同的金属导体A、B串接成一个闭串接成一个闭合回路合回路。当两个结点处于不同温度时，导体在回路中产当两个结点处于不同温度时，导体在回路中产生热电势和相应的热电流生热电势和相应的热电流。热端热端（工作（工作端端）通常通常用于对被测介质温度测量用于对被测介质温度测量；冷端冷端（参考端）（参考端）通常保持为某一恒定温度或室温通常保持为某一恒定温度或室温；热电势热电势 k k 玻耳兹曼常数；玻耳兹曼常数；T T 接触面的绝对温度；接触面的绝对温度；e e 单位电荷量；单位电荷量；N NA A金属电极金属电极A A的自由电子密度的自由电子密度N NB B金属电极金属电极B B的自由电子密度的自由电子密度接触电势接触电势一、热电势的产生一、热电势的产生1 两种导体的接触电势两种导体的接触电势2 2 单一导体的温差电势单一导体的温差电势:汤姆逊系数，温度为汤姆逊系数，温度为1时所产生的电动势值，与材料的性质有时所产生的电动势值，与材料的性质有关。关。温差电势温差电势（汤姆逊电势）（汤姆逊电势）3 3 热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势 温度温度T，T0函数函数二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律1 1 中间导体定律中间导体定律中间导体定律中间导体定律导体导体导体导体A A、B B组成的热电偶中插入第三种导体组成的热电偶中插入第三种导体组成的热电偶中插入第三种导体组成的热电偶中插入第三种导体C C，若导体，若导体，若导体，若导体C C两端温两端温两端温两端温度相同，则热点偶总热电势无改变。度相同，则热点偶总热电势无改变。度相同，则热点偶总热电势无改变。度相同，则热点偶总热电势无改变。意义：意义：意义：意义：可用电器测量仪表直接测量。可用电器测量仪表直接测量。可用电器测量仪表直接测量。可用电器测量仪表直接测量。2 2、连接导体定律、连接导体定律、连接导体定律、连接导体定律热电偶导体热电偶导体热电偶导体热电偶导体A A、B B分别与分别与分别与分别与连接导线连接导线连接导线连接导线C C、D D相接，相接，相接，相接，总热电势为两部分的代总热电势为两部分的代总热电势为两部分的代总热电势为两部分的代数和。数和。数和。数和。意义：意义：意义：意义：运用补偿导线法进行温度测量的理论基础运用补偿导线法进行温度测量的理论基础运用补偿导线法进行温度测量的理论基础运用补偿导线法进行温度测量的理论基础3 3、中间温度定律、中间温度定律、中间温度定律、中间温度定律若导体若导体若导体若导体A A与与与与C C、B B与与与与D D的材料分别相同，则：的材料分别相同，则：的材料分别相同，则：的材料分别相同，则：意义：意义：意义：意义：为制定分度表奠定了理论基础为制定分度表奠定了理论基础为制定分度表奠定了理论基础为制定分度表奠定了理论基础分度表：已知温度分度表：已知温度分度表：已知温度分度表：已知温度T T0 0=0=0 时的热电势时的热电势时的热电势时的热电势-温度关系，可求得参考温度关系，可求得参考温度关系，可求得参考温度关系，可求得参考温度不为温度不为温度不为温度不为0 0 时的热电势。时的热电势。时的热电势。时的热电势。4 4、参考电极定律、参考电极定律、参考电极定律、参考电极定律若两种导体若两种导体若两种导体若两种导体A A、B B分别与第三种导体分别与第三种导体分别与第三种导体分别与第三种导体C C组成热电偶的热电势已知，组成热电偶的热电势已知，组成热电偶的热电势已知，组成热电偶的热电势已知，则则则则A A、B B组成的热电偶也已知。组成的热电偶也已知。组成的热电偶也已知。组成的热电偶也已知。标准电极：铂标准电极：铂例：例：例：例：已知已知已知已知求：求：求：求：5.3.2 热电偶的材料、型号及结构热电偶的材料、型号及结构一、热电偶材料一、热电偶材料要求：求：（1 1）热电性质稳定，物理化学性能稳定；）热电性质稳定，物理化学性能稳定；（2 2）导电率高，电阻温度系数小；）导电率高，电阻温度系数小；（3 3）热电势随温度的变化率大，且接近常数；）热电势随温度的变化率大，且接近常数；（4 4）机械强度高，复制性好，复制工艺简单，价格便宜。）机械强度高，复制性好，复制工艺简单，价格便宜。二二 标准化热电偶标准化热电偶 标准化热电偶：标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。IEC共推荐了共推荐了8种标准化热电偶种标准化热电偶；标准化热电偶热电势和温度的关系标准化热电偶热电势和温度的关系 三三 热电偶的结构热电偶的结构1 普通热电偶普通热电偶1普通装配型热电偶的外形普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装螺纹安装法兰安装法兰普通装配型热电普通装配型热电偶的结构放大图偶的结构放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹（出厂时用固定螺纹（出厂时用塑料包裹）塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管不锈钢保护管 2 铠装热电偶铠装热电偶铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护保护套管（铠体）套管（铠体）BA绝缘绝缘 材料材料法兰3 3 其他其他热电偶外形热电偶外形小形小形K K型热电偶型热电偶5.3.3 热电偶测温热电偶测温一、测温的原理与方法一、测温的原理与方法 单值函数单值函数1 1.仪表测出仪表测出仪表测出仪表测出E EABAB（T T，T T0 0）2.2.查分度表得查分度表得查分度表得查分度表得T T0 0对应对应对应对应 E EABAB(T T0 0，0 0)3.3.计算计算计算计算E EABAB(T T，0 0)=E=EABAB(T T，T T0 0)+E+EABAB(T T0 0，0 0)4 4.查分度表得查分度表得查分度表得查分度表得E EABAB(T T，0 0)对应对应对应对应T T 查表法（仪表按电压刻度）查表法（仪表按电压刻度）直读（仪表按分度表刻度）直读（仪表按分度表刻度）T0=0仪表直接读出仪表直接读出T值值仪表读取值仪表读取值仪表读取值仪表读取值T T(指示值指示值指示值指示值)查表求与查表求与查表求与查表求与T T对应的对应的对应的对应的KK值值值值计算计算计算计算T T（真实温度值）：（真实温度值）：（真实温度值）：（真实温度值）：T=TT=T+K+KT T0 0 T T0 00 0 (T T0 0为已知为已知为已知为已知)1 1.仪表测出仪表测出仪表测出仪表测出E EABAB（T T，0 0）2 2.查表求与查表求与查表求与查表求与E EABAB（T T，0 0）对应）对应）对应）对应T T 1 1 冷端恒温方式：冷端恒温方式：冷端恒温方式：冷端恒温方式：将热点偶冷端置于将热点偶冷端置于将热点偶冷端置于将热点偶冷端置于0 0的恒温器内，测出电势后查分度表得的恒温器内，测出电势后查分度表得的恒温器内，测出电势后查分度表得的恒温器内，测出电势后查分度表得到热端温度值。主要用于实验室测温和热电偶的标定。到热端温度值。主要用于实验室测温和热电偶的标定。到热端温度值。主要用于实验室测温和热电偶的标定。到热端温度值。主要用于实验室测温和热电偶的标定。2 2 2 2 冷端的延伸（冷端补偿导线法）冷端的延伸（冷端补偿导线法）冷端的延伸（冷端补偿导线法）冷端的延伸（冷端补偿导线法）一般热电偶的最大长度为一米，一般热电偶的最大长度为一米，一般热电偶的最大长度为一米，一般热电偶的最大长度为一米，测量测量测量测量高温时，冷端温度高温时，冷端温度高温时，冷端温度高温时，冷端温度T T0 0受热受热受热受热端温度影响极大端温度影响极大端温度影响极大端温度影响极大；补偿导线法是采用一种专用补偿导线来延长热电偶，使冷端移补偿导线法是采用一种专用补偿导线来延长热电偶，使冷端移补偿导线法是采用一种专用补偿导线来延长热电偶，使冷端移补偿导线法是采用一种专用补偿导线来延长热电偶，使冷端移到不受热端温度影响的远处，获得温度较为稳定的冷端温度到不受热端温度影响的远处，获得温度较为稳定的冷端温度到不受热端温度影响的远处，获得温度较为稳定的冷端温度到不受热端温度影响的远处，获得温度较为稳定的冷端温度T T0 0。二、二、热电偶的冷端处理热电偶的冷端处理 A，B热电偶热电偶 AB补偿导线补偿导线 C仪表连线仪表连线（1 1）补偿导线的热电特性与所配用的热电偶热电特性相同：）补偿导线的热电特性与所配用的热电偶热电特性相同：）补偿导线的热电特性与所配用的热电偶热电特性相同：）补偿导线的热电特性与所配用的热电偶热电特性相同：（2 2 2 2）各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用）各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用）各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用）各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用；（3 3 3 3）补偿导线与热电偶连接点温度，不得超过使用温度范围；）补偿导线与热电偶连接点温度，不得超过使用温度范围；）补偿导线与热电偶连接点温度，不得超过使用温度范围；）补偿导线与热电偶连接点温度，不得超过使用温度范围；（4 4 4 4）补偿导线与电极材料）补偿导线与电极材料）补偿导线与电极材料）补偿导线与电极材料的的的的两连接点温度必须相同两连接点温度必须相同两连接点温度必须相同两连接点温度必须相同；3 3、冷端温度波动的自动补偿、冷端温度波动的自动补偿电桥补偿法电桥补偿法 补偿条件：1）时，2）时，补偿结果：5.3.3 热电偶的测量电路热电偶的测量电路一、热电偶的串联电路一、热电偶的串联电路一、热电偶的串联电路一、热电偶的串联电路二、测量平均温度二、测量平均温度三、三、热电偶测温差电路热电偶测温差电路 EE=E EABAB(T T1 1，T T0 0)-E-EABAB (T T2 2，T T0 0)=E=EABAB (T T1 1，T T2 2)KK(T T1 1-T-T2 2)例例：用镍铬一镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度用镍铬一镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度to30，在，在直流电位差计上测得的电动势直流电位差计上测得的电动势EAB(t,30)=38500mV，求炉温，求炉温为多少为多少?镍铬一镍硅热电偶分度表（自由端温度为镍铬一镍硅热电偶分度表（自由端温度为0 ）解：查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：根据中间温度定律得：查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：休休 息息 一一 下下5.4光电式传感器 将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。效应。光波：波长为10106nm的电磁波可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm，波长300380nm称为近紫外线波长200300nm称为远紫外线波长10200nm称为极远紫外线，红外线：波长780106nm波长3m（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3m的红外线称为远红外线。光源介绍光源介绍5.4.1 5.4.1 光电器件光电器件一、一、外光电效应外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的现象称为外光电效应。光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。下式确定。若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A A0 0时，电时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量光子能量hh必须超出逸出功必须超出逸出功A A0 0 ，超过部分的能量，表现为逸出，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即电子的动能。即常见光电器件：光电管、光电倍增管。常见光电器件：光电管、光电倍增管。光电效应方程二二.光导效应光导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。这种效应称为光电导效应。常见光电器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。三：光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。光敏晶体管等。常见光电器件：光电池。常见光电器件：光电池。四：四：光电发射型光电器件光电发射型光电器件 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。生了电流。1：光电管：光电管组成：组成：阴极阴极：接电源负极：接电源负极 阳极阳极：接电源正极：接电源正极真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管:构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高。所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，其灵敏度其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差 2.2.光电倍增管光电倍增管 光电阴极光电阴极光电阴极光电阴极半导体光电材料锑半导体光电材料锑半导体光电材料锑半导体光电材料锑-铯制造。铯制造。铯制造。铯制造。组成组成组成组成 若干倍增极若干倍增极若干倍增极若干倍增极4 4 4 414141414个不等，并加上一定的电压。个不等，并加上一定的电压。个不等，并加上一定的电压。个不等，并加上一定的电压。阳极阳极阳极阳极收集电子，外电路形成电流输出。收集电子，外电路形成电流输出。收集电子，外电路形成电流输出。收集电子，外电路形成电流输出。光电倍增管特点：灵敏度光电倍增管特点：灵敏度光电倍增管特点：灵敏度光电倍增管特点：灵敏度高，稳定性好，频响很快，高，稳定性好，频响很快，高，稳定性好，频响很快，高，稳定性好，频响很快，且线性好，频率特性好，且线性好，频率特性好，且线性好，频率特性好，且线性好，频率特性好，但体积大，需要高压供电但体积大，需要高压供电但体积大，需要高压供电但体积大，需要高压供电（1000v-2500v1000v-2500v1000v-2500v1000v-2500v）。五：光导型光电器件五：光导型光电器件1.光敏电阻光敏电阻当无光照时，光敏电阻值当无光照时，光敏电阻值(暗电阻暗电阻)很大，电路中电流很小很大，电路中电流很小 ；当有光照时，光敏电阻值当有光照时，光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少，电流迅速增加急剧减少，电流迅速增加；暗电阻越大越好暗电阻越大越好,亮电阻越小越好亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高此时光敏电阻的灵敏度高，光敏电阻的光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。亮电阻在几千欧以下。用半导体材料制成的用半导体材料制成的光电器件。光电器件。光敏电阻没有光敏电阻没有极性极性,纯粹是一个电阻器纯粹是一个电阻器件件,使用时既可加直流电使用时既可加直流电压压,也可以加交流电压。也可以加交流电压。1.玻璃玻璃 2.光电导层光电导层 3.电极电极 4.绝缘衬底绝缘衬底 5.金属壳金属壳 6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃 7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。光敏电阻结构 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流亮电流与暗电流之差，称为光电流。2.2.光敏二极管光敏二极管 光敏二极管结构与一般二极管相似，它的光敏二极管结构与一般二极管相似，它的PNPN结装在管的结装在管的顶部，可以直接受到光的照射。顶部，可以直接受到光的照射。光敏二极管一般是处于反光敏二极管一般是处于反向工作状态，如图所示。向工作状态，如图所示。光敏二极管不受光照射时光敏二极管不受光照射时处于截止状态，受光照射处于截止状态，受光照射时处于导体状态。时处于导体状态。3：光敏三级管：光敏三级管 光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。基基极极开开路路，集集电电极极与与发发射射极极之之间间加加正正电电压压。当当光光照照射射在在集集电电结结上上时时,在在结结附附近近产产生生电电子子-空空穴穴对对,电电子子在在结结电电场场的的作作用用下下，由由P P区区向向N N区区运运动动，形形成成基基极极电电流流，放放大大倍倍形形成成集电极电流（光电流）集电极电流（光电流）,所以光电三极管有放大作用。所以光电三极管有放大作用。光敏二极管和光敏三极管的特点光敏二极管和光敏三极管的特点1、光敏二极管特点：灵敏度一般，稳定性好，频响应快，（t=10-7s），体积小。2、光敏三极管特点：灵敏度比二极管高，但稳定性差，响应速度较二极管差，其它与二极管相同。六、光伏型光电器件光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。因此这种器件不需要外加电源。当光照射到PN结上时，会在PN结两端产生电动势。把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广是硅光电池。l硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光转换效率高，寿命长，适于接受红外光。l硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。l砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。特点：灵敏度低，稳定性好，频响较慢，受光面积大，不需外加特点：灵敏度低，稳定性好，频响较慢，受光面积大，不需外加特点：灵敏度低，稳定性好，频响较慢，受光面积大，不需外加特点：灵敏度低，稳定性好，频响较慢，受光面积大，不需外加电源，频率特性差。电源，频率特性差。电源，频率特性差。电源，频率特性差。光伏发电技术光伏发电技术利用半利用半导体界面的光生伏特效导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。太阳能电池经应而将光能直接转变为电能的一种技术。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。5.4.2光电传感器的基本组成和类型一、光电式传感器的基本组成一、光电式传感器的基本组成 1、光源：被测量X1直接对光源作用，使光通量1的某一参数发 生变化；2、光学通路：被测量X2作用于光学通路中，对传播过程中的光通 量进行调制；3、光电器件：检测照射其上的光通量；4、测量电路：把光电器件输出电信号转换成后继电路可用的电信 号。二、光电传感器的基本类型按照被测信号转换为光电器件的入射光通量变化的形式，光电传感器可分为以下几类：透射式反射式辐射式遮挡式透射式：透射式：被测对象置于光源与光电器件之间，根据被测对象对光的吸收、散射或对频谱的选择来测气体、液体等的透明度、混浊度及某种物质的含量。例如：光电煤尘测定仪、激光瓦斯检定器等反射式：反射式：由恒光源发出的光投射到检测物上，利用光由恒光源发出的光投射到检测物上，利用光电器件测量光的反射通量，由反射光的多少来检测被测对电器件测量光的反射通量，由反射光的多少来检测被测对象表面的性质和状态。象表面的性质和状态。辐射式：辐射式：被测对象就是辐射源-光电高温计遮挡式：遮挡式：被测对象置于光源与光电器件之间，根据被测对象阻挡光通量的多说来测量其孔径、长度、厚度等几何参量。光电式传感器的应用光电式传感器的应用三：直接检测用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测量、气体成分分析等。间接检测用于检测能转换成光量变化的其它非电量，如直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度以及物体形状、工作状态的识别等。特点结构简单、精度高、响应快、非接触、性能可靠等。1 1：光电式数字转速表：光电式数字转速表 3：光强测量电路光强测量电路4：光电烟雾式传感器在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射，使部分红外光到达光敏三极管。烟雾越大，接收到光也越强流过光敏三极管的电流也越大。休休 息息 一一 下下5.5霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器磁场磁场磁场磁场电能电能电能电能工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：半导体材料中的自由电子及空穴半导体材料中的自由电子及空穴半导体材料中的自由电子及空穴半导体材料中的自由电子及空穴 随磁场随磁场随磁场随磁场改变其运动方向改变其运动方向改变其运动方向改变其运动方向 一、霍尔效应一、霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势场的方向上将产生电动势EH。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B越越强强，霍霍尔尔电电势势也也就就越越高。霍尔电势高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示：EH=KH IB霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍方向的端面之间建立起霍尔电势。尔电势。c cd da ab b磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于霍霍尔尔元元件件，而而是是与与其其法法线线成成某某一一角角度度 时时，实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向（与与薄薄片片垂垂直直的的方方向向）的的分分量量，即即B Bcoscos，这这时时的的霍霍尔尔电势为电势为 E EH H=K KH HIBIBcoscos 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正比，且当成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。二、霍尔元件二、霍尔元件结构：霍尔片、四根引线、壳体材料：多采用N型半导体材料两种表示符号：引线1和1称为激励电极；引线2和2称为霍尔电极。三、霍尔传感器组成与基本特性三、霍尔传感器组成与基本特性基本基本组成组成：霍尔元件、激励电源、测量电路、：霍尔元件、激励电源、测量电路、磁路磁路1.1.电路部分电路部分（1）基本电路激励电流I由电源 供给，电阻 用来调节激励电流I的大小。为输出霍尔电势 的负载电阻。（2）、霍尔元件的输出电路（3）、输出叠加连接方式2.2.磁路部分磁路部分（检测非电量）（检测非电量）为了获得霍尔电压随位移变化的线性关系，磁场应具有均匀的梯度变化特性。产生梯度磁场：霍尔片沿x方向移动时，若控制电流I保持不变，则霍尔电势为：3 3、传感器基本特性、传感器基本特性(1)霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性。(2)提高磁场的磁感应强度B和增大激励电流I，也可获得较大霍尔电势。但I的增大受到元件发热的限制。3)霍尔传感器动态性能好。四、测量误差及其补偿方法四、测量误差及其补偿方法1 1、不等位电压及其补偿、不等位电压及其补偿 不等位电压U0B=0时的空载霍尔电势产生原因：产生原因：1制造工艺不可