1、传感器及应用 第2章,要点： 1.各种传感器的位移转换原理、特性、基本测量电路及变换为其他物理量的测量。 2.电桥电路的特性。,第2章 线性位移传感器及应用, 2.1 电阻式传感器 2.2 电容式传感器,位移是制造业中最常见的被测物理量之一。线性位移传感器也是构成其他各种机械量传感器和流体压力、液位传感器的基础。,5.电位器的位移转换原理 6.电容式传感器的类型与特点 7.电容式传感器的转换电路,1.应变式传感器的组成 2.电阻应变片的灵敏度 3.电阻应变片的结构类型 4. 应变电桥的特性,主要内容：,2.1 电阻式传感器,2.1.1 应变式传感器1.应变式传感器的组成,示例： 应变式角位移传
2、感器,2. 电阻应变片的灵敏度 （1）金属电阻应变片的灵敏度,式中，K为应变灵敏度系数。由表2-1可以看出，金属应变片K2 。 （2）半导体的压阻效应与压阻系数,式中，E为半导体材料的弹性模量，l为半导体材料的压阻系数。半导体应变片又称压阻元件，其灵敏度K约为几十甚至几百，远大于金属电阻的应变灵敏度。但其温度稳定性远不如金属电阻应变片。,3.电阻应变片的结构类型,（1）金属电阻应变片的结构类型 如图2-3所示，金属电阻应变片有丝式、箔式和薄膜式。图a为其结构示意图，敏感栅粘贴在基底上，上面覆盖保护层。基底有纸基和胶基两种。应变片的纵向尺寸为工作长度，反映被测应变，其横向应变将造成测量误差。,图
3、b为圆角丝栅，其横向应变会引起较大测量误差，但耐疲劳性好，一般用于动态测量。图c为直角丝栅，精度高，但耐疲劳性差，适用于静态测量。,箔式电阻应变片的丝栅形状可与应力分布相适应，制成各种专用应变片，如图d为应变式扭矩传感器专用，图f为板式压力传感器专用。,箔式电阻应变片的电阻值分散度小，可做成任意形状，易于大量生产，成本低，散热性好，允许通过大的电流，灵敏度高，耐蠕变和耐漂移能力强。,薄膜应变片是采用真空镀膜技术在很薄的绝缘基底上蒸镀金属电阻材料薄膜，再加上保护层形成的。其优点是灵敏度高，允许通过大的电流。（2）半导体应变片的结构类型 半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型等型式。扩散型半导体应变片
4、是在硅片上用扩散技术制成4个电阻并构成电桥，利用硅材料本身作为弹性敏感元件，还可以把补偿电路和其他信号处理电路集成在一起，构成集成力敏传感器。,体型半导体应变片结构示意图，1-基片， 2-条状半导体， 3-引线。,表2-1 应变片主要技术参数,4. 转换电路,a）单臂 b）双臂,电桥可用作电阻、电容和电感式传感器的测量电路。电桥在初始状态是平衡的，输出电压等于零；当桥臂参数变化时才输出电压，称为不平衡电桥，其特性是非线性的。,c）全桥 d)交流电桥,（1）电阻电桥的输出电压,式中，相邻桥臂间为相减关系，相对桥臂间为相加关系。,（2）应变电桥的工作方式 对于应变式传感器，其电桥电路可分为全桥、单
5、臂电桥和双臂电桥工作方式。全桥和双臂电桥还可构成差动工作方式。,半桥单臂工作方式：R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻,半桥双臂工作方式：R1、R2均为电阻应变片，R3、R4为固定电阻,差动电桥： 构成差动电桥的条件为： 相邻桥臂应变片的应变方向应相反，相对桥臂应变片的应变方向应相同。 如果各应变片的应变量相等，则称为对称电桥。,差动电桥可提高电桥的灵敏度。由于消除或减小了分母中的R项和分子中的R2项，因此减小了电桥的非线性。同时相邻桥臂对相同方向的变化有补偿（相互抵消）作用，因此还可实现温度补偿。,对称差动半桥的输出电压,对称差动全桥的输出电压,2.1.2 电位器式传感器原理,VOL
6、FA位移传感器外形,电位器的位移电压转换原理,2.2 电容式传感器原理,电容式传感器可分为改变两金属板间的距离式、改变两金属板的相对有效面积式和改变电介质 式三种结构类型。,根据平行金属板间的电容量公式,2.2.1 电容式传感器的类型,由图b可知其特性为非线性，但若很小时，则可以近似为线性特性，而且具有很高的灵敏度,1.改变极板间距离的平板电容式传感器,因此，变极距式用于微小位移的测量及构成压力、加速度等传感器。,如图c所示为差动式结构，可以提高灵敏度、减小非线性。,2.改变极板间有效面积的电容式传感器,结构形式：有平板式、扇形平板式、柱面板式、圆筒面式四种，及差动式。其中，平板式和圆筒面式用
7、以测量直线位移，扇形平板和柱面板式用以测量角位移。,3.改变电极间介质的电容式传感器,由于电容量与面积变化成正比，因此，变面积式电容传感器的特性为线性特性，测量范围宽，但灵敏度较低。,传感器的电容增量与被测介质高度成正比。故电容式传感器常用来测量液位和料位的高度。,式中,2.2.2 电容式传感器的转换电路 1.桥式电路,图2-9 电容传感器桥式转换电路 a)单臂电容电桥 b)差动电容电桥 c)双T电桥,图c为双T形电桥原理图，激励电源为稳频、稳幅的高频对称方波，它利用二极管控制传感器电容Cx和电容C的充放电，当Cx=C时，负载RL上流过的平均电流为零；当Cx变化时，负载RL上得到与电容变化成比
8、例的信号电压。,2.差动脉冲调宽电路,变极距差动电容传感器输出,变面积差动电容传感器输出,2.2.3 电容式位移传感器的实用结构 电容式位移传感器的位移测量范围为在1m10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2，变面积式和变介质式电容传感器的测量位移大、精度较高，其分辨率可达0.3m。如图2-11所示是一个大位移变介质式电容位移传感器的实用结构。,小结： 1.应变式传感器的组成 2.电阻应变片的灵敏度 3.电阻应变片的结构类型 4.应变电桥的特性 5.电位器的位移转换原理 6.电容式传感器的类型与特点 7.电容式传感器的转换电路作业：2-1、2-3、2-7、2-8, 2.3 电感式传感器
9、 2.4 电涡流式传感器 主要内容： 1.自感式电感传感器的结构与特性 2.差动变压器的结构与特性 3.电涡流传感器的结构与特性 4.电涡流传感器的使用注意事项,2.3 电感式传感器,2.3.1 自感式传感器 自感式传感器的结构形式分为闭磁路（变气隙）型和开磁路（螺管）型两种。 1.变气隙式（闭磁路式）自感传感器,由铁心、线圈、衔铁、测杆及弹簧等组成。,（1）变气隙长度式电感传感器 电感L与l0气隙长度成反比，因此，其线性度差、示值范围窄、自由行程小，常用于直线小位移的测量，及结合弹性敏感元件构成压力传感器、加速度传感器等。 （2）变气隙截面式电感传感器 L与S0成正比。因此，变截面式传感器具
10、有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，通常用来测量比较大的直线位移和角位移。 （3）差动式结构 为了扩大示值范围和减小非线性误差，可采用差动结构，差动式有两个线圈L1和L2，将它们接在电桥的相邻臂，构成差动电桥，不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大为减小。,（H）,线圈的自感系数L与线圈的匝数N和两个空气间隙的参数之间的关系为,2.螺管式（开磁路式）自感式传感器,螺管式自感传感器在螺线管中插入圆柱形铁心而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。,3.电感传感器的转换电路,电感式传感器常用交流阻抗电桥和谐振电路实现信号转换。如图2-15所示为电感式传感器常用的交流阻抗
11、电桥，电桥的平衡也可用如图2-4d所示的电路来调节。,2.3.2 差动变压器,1.差动变压器的结构与原理 如图2-16a所示，在差动螺管式自感传感器中间加一组一次侧线圈，即构成差动变压器两个绕组为二次侧绕组。,图2-16 差动变压器的结构与原理图 a）结构与原理图 b）等效电路 1一次侧线圈 2二次侧线圈 3衔铁,2.差动变压器的特性,（1）主要技术指标 WY系列差动变压器式位移传感器的主要技术指标见表2-2。,0.11500,0.1,0.1,1600,0.5,（2）输出特性曲线 在线性范围内，输出电动势随衔铁正、负位移而线性增大。,（3）零点残余电压 由于工艺上的原因，差动变压器两个二次绕组
12、不可能完全对称，其次由于线圈中的铜损、磁性材料的铁损和材质的不均匀性、线圈匝间分布电容的存在、以及导磁材料磁化特性的非线性引起电流波形畸变而产生的高次谐波，使励磁电流与所产生的磁通不同相，当位移x为零时输出电动势e不等于零，这个不为零的输出电动势称零点残余电压，如图2-17b所示。,消除零点残余电压的方法：除了从设计和工艺上采取措施外，常采用相敏检波电路和适当的补偿电路（参阅第10章）。相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁的移动方向，而且有利于消除零点残余电压，其特性如图2-17c所示。,图2-17 差动变压器的输出特性 a)理想特性 b)零点残余电压 c)相敏检波后特性,（4）灵敏度与激励电源的关系
13、 差动变压器的灵敏度用(mV/mm)/V来表示，它与激励电动势和频率有关。e1越大，灵敏越高。但e1过大，会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，e1常取38V；激励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，常选410kHz。 （5）灵敏度与二次绕组匝数的关系 二次绕组匝数越多，灵敏度越高，两者成线性关系。但是匝数增加，零点残余电压也随之变大。,3.差动变压器的差动整流电路,图2-18 差动整流电路 a）全波电流输出 b）半波电流输出 c)全波电压输出 d）半波电压输出,2.4 电涡流式传感器,电涡流在用电中是有害的，应尽量避免，如电机、变压器的铁心用相互绝缘的硅钢片叠成，以切断电涡流的通路；而在
14、电加热方面却有着广泛应用，如金属热加工的400Hz中频炉、表面淬火的2MHz高频炉、烹饪用的电磁炉等。在检测领域，电涡流式传感器结构简单，其最大特点是可以实现非接触测量，因此在工业检测中得到了越来越广泛的应用。例如位移、厚度、振动、速度、流量和硬度等，都可以使用电涡流式传感器来测量。,2.4.1 电涡流式传感器的工作原理,由电涡流所造成的能量损耗将使线圈电阻有功分量增加，由电涡流产生反磁场的去磁作用等效于使线圈电感量减小，从而引起线圈等效阻抗Z及等效品质因数Q值的变化。,所以凡是能引起电涡流变化的非电量，例如金属的电导率、磁导率、几何形状、线圈与导体的距离等，均可通过测量线圈的等效电阻R、等效
15、电感L、等效阻抗Z及等效品质因数Q来测量。,2.4.2 电涡流式传感器的结构,电涡流式传感器的结构主要是一个绕制在框架上的线圈。,图2-20 CZF-l型传感器的结构图 1线圈 2框架 3框架衬套4支座 5电缆 6插头,2.4.3 电涡流传感器的转换电路,电涡流式传感器可以采用谐振电路来转换。谐振电路的输出也是调制波，控制幅值变化的称调幅波，控制频率变化的称调频波。调幅波要经过幅值检波，调频波要经过鉴频才能获得被测量的电压。如图2-21所示,晶体振荡器输出频率固定的正弦波，经限流电阻R接电涡流传感器线圈与电容器的并联电路。当LC谐振频率等于晶振频率时输出电压幅度最大，偏离时输出电压幅度随之减小
16、，是一种调幅波。该调幅信号经高频放大、检波、滤波后输出与被测量相应变化的直流电压信号。,图2-21 CZF-1型电涡流传感器测量电路框图,2.4.4 电涡流式传感器使用注意事项,充分利用电涡流以获得准确的测量效果，使用时应注意：,1.电涡流轴向贯穿深度的影响,（1）导体厚度的选择 利用电涡流式传感器测距离时，应使导体的厚度远大于电涡流的轴向贯穿深度；采用透射法测厚度时，应使导体的厚度小于轴向贯穿深度。 （2）励磁电源频率的选择 导体材料确定之后，可以改变励磁电源频率来改变轴向贯穿深度。电阻率大的材料应选用较高的励磁频率，电阻率小的材料应选用较低的励磁频率。,涡流在金属导体中的轴向衰减深度t可以
17、表示为,2.电涡流的径向形成范围,线圈电流所产生的磁场不能涉及到无限大的范围，电涡流密度也有一定的径向形成范围。在线圈轴线附近，电涡流的密度非常小，愈靠近线圈的外径处，电涡流的密度愈大，在等于线圈外径1.8倍处,电涡流密度将衰减到最大值的5。为了充分利用涡流效应，被测金属导体的横向尺寸应大于线圈外径的1.8倍；对圆柱形被测物体，其直径应大于线圈外径的3.5倍。,电涡流强度随着距离与线圈外径比值的增加而减少,当线圈与导体之间距离大于线圈半径时，电涡流强度已很微弱。为了能够产生相当强度的电涡流效应，通常取距离与线圈外径的比值为0.050.15。,3.电涡流强度与距离的关系,4.非被测金属物的影响,
18、由于任何金属物体接近高频交流线圈时都会产生涡流，为了保证测量精度，测量时应禁止其它金属物体接近传感器线圈。,2.4.5 电涡流式传感器测位移,图2-22 位移测量原理图 1试件 2传感器,小结： 1.自感式电感传感器的结构与特性 2.差动变压器的结构与特性 3.电涡流传感器的结构与特性 4.电涡流传感器的使用注意事项作业：思考2-4、2-5,2.5 压电式传感器,压电式传感器是一种典型的有源传感器（或发电型传感器）。它利用压电效应把非电量转换为电量。压电式传感器是一种力敏元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、加速度等，均可测量。同时，它又是一种可逆型换能器，常用作超声波发射与接收装置。
19、这种传感器具有体积小，重量轻，精确度高和灵敏度高等优点。, 2.5 压电式传感器 2.6 超声波传感器 2.7 磁敏传感器 主要内容： 1.压电效应 2.压电材料及其压电特性,3.电荷放大器 4.超声波的性质 5.超声波探头 6.霍尔式传感器 7.磁敏电阻传感器,2.5.1 压电材料与压电效应,当某些电介质受到一定方向外力作用而变形时，其内部便会产生极化现象，在它们的上、下表面会产生符号相反的等量电荷；当外力的方向改变时，其表面产生的电荷极性也随之改变；当外力消失后又恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。反之，若在电介质的极化方向上施加电场，也将产生机械形变，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效
20、应）。有压电效应的物质很多，但可用的有石英晶体，压电陶瓷，压电薄膜等，其性能见表2-4。,1.石英晶体的压电效应,（1）石英晶体切片,光轴(z轴),电轴(x轴),机械轴(y轴),切片长边平行于y轴的称为X切族，平行于x轴的称为Y切族。,“纵向压电效应”：沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应；,“横向压电效应”：沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应,光轴方向受力时不产生压电效应。,式中，d11称为纵向压电系数，典型值为2.31。双角标第1位表示产生电荷表面所垂直的轴，第2位表示外力平行的轴，x为1，y为2，z为3。 由式（2-21）可以看出，纵向压电效应与晶片的尺寸无关。,（2）纵向压电效
21、应,对X切族的晶体切片，当沿电轴方向有作用力Fx时，在与电轴垂直的平面上产生电荷。在晶体的线性弹性范围内，电荷量与力成正比,石英晶体的受力方向与产生电荷极性的关系如图2-24所示，当施加压缩力时，在x轴正方向的一面产生正电荷，另一面则产生负电荷；当施加拉伸力时，电荷的极性相反。,图2-24 石英晶体切片受力与电荷极性示意图,（3）横向压电效应 如果沿y轴施力为Fy时，电荷仍出现在与x轴垂直的平面上，其电荷量为,式中，d12=为横向压电系数，l为压电片的长度，为压电片的厚度。由式（2-22）可以看出，横向压电效应与晶片的几何尺寸有关；横向压电效应的方向与纵向压电效应相反。,压电陶瓷属于铁电体物质
22、，是一种人造的多晶体压电材料，在一定的高温(100170)下，对两个极化面加高压电场进行人工极化后，陶瓷体内部保留有很强的剩余极化强度，当沿极化方向（定为z轴）施力时，则在垂直于该方向的两个极化面上产生正、负电荷，其电荷量Q与力成正比，即,2.压电陶瓷的压电效应,式中，d33称为纵向压电系数，可达几十至数百。,3.高分子压电材料（PVDF）PVDF有很强的压电特性，同时还具有类似铁电晶体的迟滞特性和热释电特性，因此广泛应用于压力、加速度、温度、声和无损检测等。尤其在医学领域中，由于它与人体声阻抗十分接近，无须阻抗变换，且便于和人体贴紧接触、安全舒适，灵敏度高、频带宽，广泛用作脉搏计、血压计、起
23、搏计、生理移植和胎心音探测器等传感元件。PVDF有很好的柔性和加工性能，可制成有不同厚度和形状各异的大面积有挠性的膜，适于做大面积的传感阵列器件。PVDF分子结构链中有氟原子，使其化学稳定性和耐疲劳性高、吸湿性低，热稳定性良好。,2.5.2 电荷放大器 1.压电元件的等效电路和电路符号,2.电荷放大器,电路的下限截止频率为,实际的电荷放大器由电荷转换级、适调放大级、低通滤波级、电压放大级、过载指示电路和功放级六部分组成。,2.6 超声波传感器超声波是一种机械波，它方向性好，穿透力强，遇到杂质或分界面会产生显著的反射。利用这些物理性质，可把一些非电量转换成声学参数，通过压电元件转换成电量，然后测
24、量。 2.6.1 超声波的传输特性人耳能够听到的机械波，频率在16Hz20kHz之间，称为声波。人耳听不到的机械波，频率高于20kHz的称为超声波；频率低于16Hz的称为次声波。超声波的频率越高，就越接近光学的反射、折射等特性。超声波可分为纵波、横波和表面波。质点的振动方向和波的传播方向一致的波称为纵波，它能在固体，液体和气体中传播。质点的振动方向和波的传播方面相垂直的波称为横波，它只能在固体中传播。质点的振动介于横波和纵波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。,超声波在介质中的传播速度取决于介质密度、介质的弹性系数及波型。般来说，在同一固体中横波声速为纵波声速的一半
25、左右，而表面波声速又低于横波声速。当超声波在某一介质中传播，或者从一种介质传播到另一介质时，遵循如下一些规律。,（1）传播速度,（2）超声波的衰减,（3）超声波的反射与折射 当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，会发生反射与折射。同样遵循反射定律和折射定律：入射角与反射角、折射角的正弦比等于入射波速与反射波速、折射波速之比。,（4）超声波的波形转换 若选择适当的入射角，使纵波全反射，那么在折射中只有横波出现；如果横波也全反射，那么在工件表面上只有表面波存在。,2.6.2 超声波换能器,1.直探头 直探头可发射和接收纵超声波，其基本结构如图2-28a所示。压电片多制成圆板形
26、，其厚度与固有频率成反比。为避免压电片与被测体接触而磨损，在压电片下粘一层保护膜，但这会降低固有频率。阻尼块又称吸收块，用于吸收声能。如果没有阻尼块，电振荡脉冲过后压电片因惯性作用继续振动，加长了超声波的脉冲宽度，导致分辨率下降。,2.斜探头 斜探头用作发射和接收横超声波，其基本结构如图2-28b所示。与直探头不同的是它将压电片产生的纵波经波导楔（斜楔块）以一定的,角度斜射到被测工件表面，利用纵波的全反射，转换为横波进入工件。如果把直探头放入液体中，使纵波倾斜入射到被测工件，也能产生横波。当入射角增大到某一角度，使工件中的横波的折射角为90时，在工件上产生表面波，从而形成表面波探头。因此，表面
27、波探头属于斜探头的特例。,3.双探头 双探头又称组合式探头，在一个探头内安装两块压电片，分别用于发射和接收，如图2-24c所示。探头内装有延迟块，使超声波延迟一段时间再射入工件，适用于探测离探头近的物件。,4.空气中传播的超声波传感器,图2-29 诊断及水和空气中用超声波传感器 a）诊断用阵列型超声波传感器 b）水听器 c）空气中用超声波传感器 1吸音材料 2晶片 3橡胶盒 4电缆 5端子板 6喇叭 7滤网,表2-6 T/R40型超声传感器的外形与尺寸,2.7 磁敏传感器,磁敏传感器是指物性型磁传感器，它是利用导体或半导体的磁电转换原理，将磁场信息变换成相应电信号的元器件。目前应用最广泛的是半
28、导体磁敏元器件，包括霍尔元件，磁阻元件，磁敏二极管，磁敏晶体管及磁敏集成电路等。此外，强磁性金属制作的磁敏元件，韦干特磁敏传感器及超导金属制成的约瑟夫逊超导量子干涉器件(SQUID)等，也是近年来开发的极重要的磁敏传感器。,2.7.1 霍尔式传感器,图2-30 霍尔元件 a)霍尔效应原理图 b)图形符号 c)外形,1.霍尔效应与霍尔元件 （1）霍尔效应,霍尔电势,（2）霍尔元件,2.集成霍尔传感器集成霍尔传感器输出信号的形式可分为线性型和开关型两类。如图2-31所示，线性集成霍尔传感器输出模拟电压与外加磁场呈线性关系；开关集成霍尔传感器输出具有迟滞特性，驱动电路为集电极开路的三极管。线性集成霍
29、尔传感器用于无触点电位器、无刷直流马达、速度传感器和位置传感器等；开关集成霍尔传感器用于键盘开关、接近开关、速度传感器和位置传感器。霍尔集成电路有扁平封装，DIP封装和软封装几种。,线性集成霍尔传感器分单端输出和双端输出（差分输出）两种。UGN-3501为典型的单端输出集成霍尔传感器，是一种扁平塑料封装的三端元件，脚1（VCC）、2（GND）、3（OUT），有T、U两种型号，其区别仅是厚度不同。T型厚2.03mm，U型厚1.45mm。UGN-3501T在0.15T磁感应强度范围有较好的线性，超过此范围呈饱和状态。典型的双端输出集成霍尔传感器型号为UGN-3501M，8脚DIP封装，脚1和8（差
30、动输出），2（空），3（VCC），4（地），5、6、7间接一调零电位器，对不等位电势进行补偿，还可以改善线性，但灵敏度有所降低。根据测试，当第5脚和第6脚间外接电阻R5-6=100 时，电路有良好的线性。随R5-6阻值减小，电路的输出电压升高，但线性度下降。因此，若允许不等位电势输出，则可不接电位器。,图2-31 霍尔集成电路外型尺寸、内部电路和输出特性 a）模拟型 b）开关型 c)UGN3501M,3.霍尔式传感器的应用领域 由式(2-27)可得出霍尔式传感器具有以下几个方面的应用。 维持激励电流I不变，可构成磁场强度计、霍尔转速表、角位移测量仪、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于测量微
31、小位移的霍尔式加速度计、微压力计等。 当I、B两者都为变量时，可构成模拟乘法器、功率计等。保持磁感应强度B恒定，可做成过电流检测装置等。,4.霍尔式位移传感器利用霍尔元件构成位移传感器的关键是建立一个线性变化的磁场，如图2-31所示。若保持控制电流I不变，则输出霍尔电势的变化为：,式中，K与霍尔灵敏度系数、控制电流、梯度磁场成正比。可见，输出霍尔电势与位移量x成线性关系，且其极性反映位移的方向，适用于微位移测量。若将霍尔片与压力弹性元件相连，可构成微压力传感器。,2.7.2 集成磁敏电阻传感器（阅读）,小结： 1.压电效应 2.压电材料及其压电特性 3.电荷放大器 4.超声波的性质 5.超声波
32、探头 6.霍尔式传感器 作业：思考2-10、2-11、2-12、2-13、2-14,2.8 光电式传感器 要点： 1.光电效应 2.光电元件 3.光电传感器的类型,2.8.1 光的知识 1.光的电磁说,2.光的量子说,2.8.2 光电效应 当物质受光照后，物质的电子吸收了光子的能量所产生的电现象称为光电效应。光电效应分外光电效应和内光电效应。 1.外光电效应,外光电效应即光电子发射效应，在光的作用下使电子逸出物体表面。基于外光电效应的的光电元件有光电二极管和光电倍增管及紫外线传感器等。,2.内光电效应 内光电效应有光电导效应、光电动势效应及热电效应。 （1）光电导效应 在光作用下，电子吸收光子
33、能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料的电阻率降低。基于这种效应的光电元件有光敏电阻。 （2）光电动势效应 当光照射PN结时，在结区附近激发出电子-空穴对。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。如一只玻璃封装的二极管，接一只50微安的电流表，便不难验证：二极管受光照时有电流输出，无光照时无电流输出。 （3）光的热电效应 利用人体辐射的红外线的热效应制成热释电（人体）传感器。,2.8.3 光电元件 1.光电倍增管,图2-36 光电倍增管结构原理图,2.紫外线传感器,图2-37 紫外线传感器的外形结构图 a）顶式 b）卧式 1阳极 2阴极 3石英玻璃管 4引脚,图
34、2-38 紫外线传感器基本电路及输出波形 a）基本电路 b）输出波形,紫外线传感器的基本电路,3.光敏电阻,图2-39 光敏电阻的结构 a）电路符号 b）结构图 1电极 2Cds 3树脂涂层 4陶瓷 5引线,4.光电池,图2-40 硅光电池的电路符号与光照特性 a）电路符号 b）光照特性,5.光敏二极管,图2-41光敏二极管电路符号和外形,图2-42 光敏二极管应用电路 a)亮通电路 b)暗通电路,光敏二极管应用电路,图2-43 光敏三极管电路符号及应用电路 a)电路符号 b)基本应用电路,6.光敏晶体管,7.光敏晶闸管,图2-44 光敏晶闸管 a）结构图 b）电路符号 c）使用方法 d）、e
35、）外形图,8.红外光传感器,（1）热释电传感器（PIR）,图2-45 LN074B热释电传感器的外形及内部组成图,（2）PbS和ZnSb量子型红外光敏元件,图2-46 PbS红外 光敏元件结构示意图 1PbS元件 2电极 3玻璃基板 4引线 5引脚,图2-47 ZnSb红外 光敏元件结构示意图 1ZnSb元件 2引线 3玻璃光窗 4外壳 5引脚,9.CCD图像传感器,图2-48 电荷耦合器的结构原理,图2-49 CCD图像传感器的外形图,10.光电位置探测器,图2-50 PSD光电位置探测器原理图 a）原理 b）结构 1窗口 2PN结 3外封装 4引脚,11.色彩传感器与色彩识别,图2-51
36、双结色彩传感器原理 a）内部结构 b）等效电路 1绝缘膜 2、3、4电极1、2、3,（1）双结色彩传感器,（2）全色色彩传感器,图2-52 全色色彩传感器 a)结构原理 b)等效电路 c)外形 1树脂 2引线 3非晶态硅 4导电膜 5玻璃板 6滤色镜,2.8.4 光电传感器的类型 1.光电检测的组合形式,图2-55 光电传感器的类型 a）被测物发光 b）被测物透光 c）被测物反光 d）被测物遮光 1被测物 2光敏元件 3恒光源,2.光耦合器件 （1）光电耦合器,图2-56 光电耦合器 a）结构 b）外形 c）图形符号 1透明树脂 2发光二极管 3黑色塑料 4光敏管,（2）光断续器,图2-57 直射型光断续器,图2-58 反射型光断续器,小结： 1.光电效应 2.光电元件 3.光电传感器的类型作业：2-15、2-16、2-17、2-18,
