CH4常用傳感器2

1、第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器4.7 磁電傳感器磁電傳感器主要有主要有磁電感應(yīng)傳感器磁電感應(yīng)傳感器、霍爾傳感器霍爾傳感器等。等。 一、磁電感應(yīng)傳感器一、磁電感應(yīng)傳感器(又稱又稱感應(yīng)傳感器感應(yīng)傳感器、電動傳感器電動傳感器） 它把被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樗驯粶y物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動勢感應(yīng)電動勢，是一種，是一種機機-電能量電能量轉(zhuǎn)換型傳感器轉(zhuǎn)換型傳感器。不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，。不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，頻率響應(yīng)范圍一般為輸出阻抗小，頻率響應(yīng)范圍一般為101000Hz，適用于振動、，適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。缺點：缺點：尺

2、寸和質(zhì)量較大。尺寸和質(zhì)量較大。 1、工作原理及分類、工作原理及分類deWdt 理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)穿過線圈的磁通量穿過線圈的磁通量 磁通變化率磁通變化率與與磁場強度磁場強度、磁路磁阻磁路磁阻、線圈的運動速度線圈的運動速度有關(guān)，有關(guān)，改變其中之一，即可改變線圈的感應(yīng)電動勢改變其中之一，即可改變線圈的感應(yīng)電動勢e。 按工作原理，感應(yīng)傳感器分為：按工作原理，感應(yīng)傳感器分為：恒定磁通式恒定磁通式和和變磁通式變磁通式。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 2、恒定磁通式感應(yīng)傳感器、恒定磁通式感應(yīng)傳感器v線圈相對磁場運動的速度；線圈相對磁場運動的速度

3、；線圈相對磁場運動的角速度；線圈相對磁場運動的角速度；l每匝線圈的平均長度；每匝線圈的平均長度；B線圈所在磁場的磁感應(yīng)強度；線圈所在磁場的磁感應(yīng)強度；A每匝線圈的每匝線圈的平均截面積平均截面積(非導(dǎo)線截面積非導(dǎo)線截面積)k傳感器結(jié)構(gòu)系數(shù)。傳感器結(jié)構(gòu)系數(shù)。eWBlvekWBA 當(dāng)當(dāng) k 確定后，確定后，B、l、W、A均為定值，均為定值，e與與v或或成正比，故這種傳感器基本上是成正比，故這種傳感器基本上是速度傳感速度傳感器器，可直接測量線速度或角速度。，可直接測量線速度或角速度。 若在測量電路中接入若在測量電路中接入積分積分或或微分電路微分電路，可用來測量位移或加速，可用來測量位移或加速度。由其工

4、作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量度。由其工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量. 上述結(jié)構(gòu)類型為上述結(jié)構(gòu)類型為動圈式結(jié)構(gòu)動圈式結(jié)構(gòu)，還有，還有動鐵式結(jié)構(gòu)動鐵式結(jié)構(gòu)類型。二者工作類型。二者工作原理相同，只是運動部件為原理相同，只是運動部件為動鐵動鐵。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器 絕對絕對速度傳感器速度傳感器殼體振動殼體振動磁鋼隨之振動磁鋼隨之振動芯軸芯軸相對靜止相對靜止線圈切割磁力線線圈切割磁力線線線圈中感應(yīng)電勢圈中感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢E=kVE=kV，式中，式中k k為取決于磁為取決于磁感應(yīng)強度、線圈長度和匝數(shù)感應(yīng)強度、線圈長

5、度和匝數(shù),V,V為為絕對振動速度絕對振動速度彈簧片彈簧片芯軸芯軸線圈線圈磁鋼磁鋼阻尼環(huán)阻尼環(huán)殼體殼體第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 3、變磁阻傳感器、變磁阻傳感器(即即變磁通式傳感器變磁通式傳感器，又稱，又稱變氣隙式變氣隙式) （1）開路變磁通式）開路變磁通式 線圈和磁鐵靜止不動，測量齒輪（線圈和磁鐵靜止不動，測量齒輪（導(dǎo)磁材料導(dǎo)磁材料制成）安裝在被測旋轉(zhuǎn)制成）安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，每轉(zhuǎn)過一個齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電體上，每轉(zhuǎn)過一個齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的變化頻率等于測量齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。動勢的變化頻率等于測量齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。

6、 （2）閉合磁路變磁通式結(jié)構(gòu)）閉合磁路變磁通式結(jié)構(gòu) 被測轉(zhuǎn)軸帶動橢圓形鐵心在磁場中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度周期被測轉(zhuǎn)軸帶動橢圓形鐵心在磁場中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度周期性變化性變化磁路磁阻周期性變化磁路磁阻周期性變化磁通周期性變化磁通周期性變化線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢動勢其頻率其頻率f為橢圓形鐵心轉(zhuǎn)速的為橢圓形鐵心轉(zhuǎn)速的2倍。倍。 變磁阻式傳感器對環(huán)境條件要求不高，可在變磁阻式傳感器對環(huán)境條件要求不高，可在-15090下工作，下工作，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約50Hz，上限可達，上限可達1

7、00Hz。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 二、霍爾傳感器二、霍爾傳感器 基于霍爾效應(yīng)原理將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種磁電式基于霍爾效應(yīng)原理將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種磁電式傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的能力，傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的能力，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬而且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微從直流到微波波)、動態(tài)范圍大、動態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達輸出電勢變化范圍可達1000:1)、壽命長等特、壽命長等特點點. 應(yīng)用廣泛，例如，用于將位移、力、加速度等的測量；在計算應(yīng)用廣泛，例如，用于將位

8、移、力、加速度等的測量；在計算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運算器技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運算器. 1、霍爾效應(yīng)、霍爾效應(yīng) 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)將將金屬或半導(dǎo)體金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的物理現(xiàn)象過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的物理現(xiàn)象. abcd第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 霍爾效應(yīng)的原理霍爾效應(yīng)的原理 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子(電子電子)受洛受洛倫茲力倫茲力FL作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)半導(dǎo)半導(dǎo)體的后端面上電子積累帶負電，而前端面缺

9、少電子帶正電體的后端面上電子積累帶負電，而前端面缺少電子帶正電前前后端面間形成電場后端面間形成電場電場力電場力FE阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)當(dāng)當(dāng)FE和和FL相相等時，電子積累達到動態(tài)平衡等時，電子積累達到動態(tài)平衡前后端面間前后端面間(即垂直于電流和磁即垂直于電流和磁場的方向場的方向)建立的電場稱為建立的電場稱為霍爾電場霍爾電場，相應(yīng)的電動勢為，相應(yīng)的電動勢為霍爾電勢霍爾電勢.HHHIBeRK IBd磁感應(yīng)強度，磁感應(yīng)強度，T電流，電流，ARH為霍爾常數(shù)為霍爾常數(shù)，由材料的物，由材料的物理性質(zhì)決定理性質(zhì)決定KH為為靈敏度，與載靈敏度，與載流材料的物理性質(zhì)流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，和幾

10、何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電強度和單位控制電流時的霍爾電勢的流時的霍爾電勢的大小大小 霍爾片厚度霍爾片厚度cosHHeK IB 如果磁場和薄片法線有如果磁場和薄片法線有角，則角，則第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強度、磁感應(yīng)強度B成正比，且成正比，且當(dāng)當(dāng)B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。 霍爾元件一般由鍺霍爾元件一般由鍺(Ge)(Ge

11、)、銻化銦銻化銦(InSb)(InSb)等半導(dǎo)體材料制等半導(dǎo)體材料制成。成?；魻栐魻栐苫魻柶?、四根由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。將引線和殼體組成，如圖示。將霍爾片、穩(wěn)壓電源、溫度補償霍爾片、穩(wěn)壓電源、溫度補償電路和信號處理電路集成在同電路和信號處理電路集成在同一個芯片上，即構(gòu)成線性霍爾一個芯片上，即構(gòu)成線性霍爾傳感器。傳感器。 第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 霍爾傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動輸出）兩種電路。霍爾傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動輸出）兩種電路。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器線性型霍爾特性線性型霍爾特性 右圖示出了具有雙端差右圖示出了具有雙端

12、差動輸出特性的線性霍爾器動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場為零時，它的輸出電壓場為零時，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為等于零；當(dāng)感受的磁場為正向（磁鋼的正向（磁鋼的S S極對準(zhǔn)霍爾極對準(zhǔn)霍爾器件的正面）時，器件的正面）時， 輸出為輸出為正；磁場反向時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負。負。 第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器霍爾式接近開關(guān)霍爾式接近開關(guān) 當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作。接近開關(guān)動作。 3、霍爾傳感器的應(yīng)用、霍爾傳感器的應(yīng)用第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器電

13、流傳感器電流傳感器/ /鉗形表鉗形表 當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。集，然后用霍爾器件進行檢測。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器霍爾鉗形電流表（交直流兩用）霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌壓舌豁口豁口第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器霍爾鉗形電流表的使用霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形被測電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵

14、心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開張開將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中形表的環(huán)形鐵心中第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器霍爾式電流諧霍爾式電流諧波分析儀波分析儀 被測電流的諧被測電流的諧波頻譜波頻譜鐵心的鐵心的 開開合縫隙合縫隙 鐵心的鐵心的 杠桿壓舌杠桿壓舌第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器汽車速度測量汽車速度測量 當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。之

15、，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用）中的應(yīng)用 若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型帶有微型磁鐵的霍磁鐵的霍爾傳感器爾傳感器鋼質(zhì)鋼質(zhì)霍爾霍爾第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器鐵磁材料裂紋檢測鐵磁材料裂紋檢測 NS第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器案例：案例：輸油管檢測用管道豬輸油管檢測用管道

16、豬( (PiggingPigging) )第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器霍爾元件霍爾元件可以用來測量磁場強度、位移、力、速度、角度等。可以用來測量磁場強度、位移、力、速度、角度等。其特點是體積小、使用簡便、無接觸測量，但受溫度影響較大，其特點是體積小、使用簡便、無接觸測量，但受溫度影響較大，在做精密測量時應(yīng)作溫度補償。在做精密測量時應(yīng)作溫度補償。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 第八節(jié)第八節(jié) 光電傳感器光電傳感器 (photoelectric sensor) 一、光電效應(yīng)及光電器件一、光電效應(yīng)及光電器件 光電傳感器光電傳感器能敏感到紫外能敏感到紫外-紅外的光能量，將其轉(zhuǎn)換紅外

17、的光能量，將其轉(zhuǎn)換成電信號的器件。成電信號的器件。 光電效應(yīng)光電效應(yīng)物質(zhì)（金屬或半導(dǎo)體）在光的作用下發(fā)射電物質(zhì)（金屬或半導(dǎo)體）在光的作用下發(fā)射電子的現(xiàn)象。子的現(xiàn)象。 單個光子的能量為：單個光子的能量為：普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62610-34Js光的頻率，光的頻率，HzhvE 第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 1、外光電效應(yīng)、外光電效應(yīng) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象面向外發(fā)射的現(xiàn)象 根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)：根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)：一個光子的能量只給一個電子一個光子的能量只給一個電子，因，因此，如果要使一個電子從

18、物質(zhì)表面逸出，光子具有的能量必須此，如果要使一個電子從物質(zhì)表面逸出，光子具有的能量必須大于該物質(zhì)表面的逸出功大于該物質(zhì)表面的逸出功A0 紅限頻率：紅限頻率：不同材料具有不同的逸出功，對某種材料而言不同材料具有不同的逸出功，對某種材料而言便有一個頻率限。當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強便有一個頻率限。當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限多大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時，即使光線微弱也能激發(fā)出電子，此頻率限即頻率時，即使光線微弱也能激發(fā)出電子，此頻率限即紅限頻率紅限頻率. 基于基于外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)的光電器

19、件屬于的光電器件屬于光電發(fā)射型器件光電發(fā)射型器件，有，有光電光電管管、光電倍增管光電倍增管等。等。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 （1）光電管）光電管 真空光電管：真空光電管：在一個真空的玻在一個真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極，一個是光璃泡內(nèi)裝有兩個電極，一個是光電陰極，一個是光電陽極。電陰極，一個是光電陽極。 工作原理：工作原理：光電陰極通常采用光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料逸出功小的光敏材料(如銫如銫Cs)。當(dāng)。當(dāng)光線照射到光敏材料上便有電子光線照射到光敏材料上便有電子逸出，這些電子被具有正電位的逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空

20、間電子流，在外電路產(chǎn)生電流。間電子流，在外電路產(chǎn)生電流。若在外電路串入一定阻值的電若在外電路串入一定阻值的電阻，則電阻上的壓降或電路中的阻，則電阻上的壓降或電路中的電流大小與光強成函數(shù)關(guān)系，從電流大小與光強成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換. 光電管有光電管有真空光電管真空光電管和和充氣光電管充氣光電管。 第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 （2）光電倍增管）光電倍增管 工作原理：工作原理：在光電陰極和陽極之間加入在光電陰極和陽極之間加入D1、D2、等若干個光等若干個光電倍增極電倍增極(又稱二次發(fā)射極又稱二次發(fā)射極)。這些倍增極涂有。這些倍增極涂有Sb-Cs(銻銻-銫銫)或或Ag

21、-Mg(銀銀-鎂鎂)等光敏物質(zhì)。工作時，等光敏物質(zhì)。工作時，這些電極的電位是逐級增高的這些電極的電位是逐級增高的。當(dāng)光線照射到光電陰極后，產(chǎn)生的光電子受第一級倍增極當(dāng)光線照射到光電陰極后，產(chǎn)生的光電子受第一級倍增極D1正電正電位作用，加速并打在位作用，加速并打在D1上，產(chǎn)生二次發(fā)射電子；在更高電位的上，產(chǎn)生二次發(fā)射電子；在更高電位的D2極作用下，又將加速入射到電極極作用下，又將加速入射到電極D2上，在上，在D2上又產(chǎn)生二次發(fā)射上又產(chǎn)生二次發(fā)射這樣逐級前進，一直到達陽極為止。光電倍增管有很高的靈敏度這樣逐級前進，一直到達陽極為止。光電倍增管有很高的靈敏度. 陰極陰極陽極陽極第第 4 4 章章 常

22、用傳感器常用傳感器 2、內(nèi)光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料受光的照射后，其電導(dǎo)率發(fā)生變半導(dǎo)體材料受光的照射后，其電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象?；虍a(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象。 按工作原理，內(nèi)光電效應(yīng)分按工作原理，內(nèi)光電效應(yīng)分光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)兩種兩種. （1）光電導(dǎo)效應(yīng)）光電導(dǎo)效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體材料受到光照時半導(dǎo)體材料受到光照時電阻率電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)發(fā)生變化的現(xiàn)象?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻象。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(光電導(dǎo)型光電導(dǎo)型)和反向工和反向工作的光敏二極管、光敏三極管作的光敏二極管、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型

23、光電導(dǎo)結(jié)型)。 光敏電阻（又稱光導(dǎo)管）光敏電阻（又稱光導(dǎo)管）第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 光敏電阻（又稱光導(dǎo)管）光敏電阻（又稱光導(dǎo)管） 工作原理：工作原理：無光照時阻值很大，無光照時阻值很大，一般為兆歐量級。當(dāng)受到光照并且一般為兆歐量級。當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時，光導(dǎo)材料禁光輻射能量足夠大時，光導(dǎo)材料禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度度Eg的光子激發(fā)，由價帶越過禁的光子激發(fā)，由價帶越過禁帶而躍遷到導(dǎo)帶，使其導(dǎo)帶的電子帶而躍遷到導(dǎo)帶，使其導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，電阻率變小。和價帶的空穴增加，電阻率變小。亮電阻：受光照時的阻值，一般為亮電阻：受

24、光照時的阻值，一般為千歐以下。千歐以下。 響應(yīng)時間響應(yīng)時間一般為一般為250ms 光譜特性：光譜特性：可見光可見光硫化鎘硫化鎘(CdS，Eg=2.4eV)，硒化鎘，硒化鎘(CdSe，Eg=1.8eV)；紫外光；紫外光氧化鋅氧化鋅(ZnO)，硫化鋅，硫化鋅(ZnS)；紅外光紅外光硫化鉛硫化鉛(PbS)，硒化鉛，硒化鉛(PbSe)。 非線性光照特性非線性光照特性不適宜做檢測光通量變化的元件，常用不適宜做檢測光通量變化的元件，常用作開關(guān)式光電傳感器。作開關(guān)式光電傳感器。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器照相機自動測光照相機自動測光工業(yè)控制工業(yè)控制自動照明自動照明光敏電阻光敏電阻 第第 4 4

25、章章 常用傳感器常用傳感器 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏晶體管是一種利用受光照時光敏晶體管是一種利用受光照時載流子增加的半導(dǎo)體光電元件，載流子增加的半導(dǎo)體光電元件，具具有一個有一個P-N結(jié)的稱為光敏二極管，具結(jié)的稱為光敏二極管，具有兩個有兩個P-N結(jié)的稱為光敏三極管結(jié)的稱為光敏三極管。 光敏二極管光敏二極管光光 透鏡透鏡 光敏二極管光敏二極管P-NP-N結(jié)結(jié) 光生載流子光生載流子 光電流光電流 與光敏電阻相比，光敏二極管具有暗電流小，靈敏度高等優(yōu)點。與光敏電阻相比，光敏二極管具有暗電流小，靈敏度高等優(yōu)點。一般在可見光作光源時，采用硅管；探測紅外線時，采用鍺管。一般在可見光

26、作光源時，采用硅管；探測紅外線時，采用鍺管。光敏二極管光敏二極管第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 案例：案例：光電鼠標(biāo)光電鼠標(biāo)就是利用就是利用LED與光敏晶體管組合來測與光敏晶體管組合來測量位移。量位移。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 光敏三極管光敏三極管 光敏三極管光敏三極管有兩個有兩個PN結(jié)結(jié)。與普通三極管相似，有電。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，極沒有引出線，只有正負只有正負（c、e）兩個引腳兩個引腳，所以其外，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。型與光敏二極

27、管相似，從外觀上很難區(qū)別。 第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 11集電極引腳集電極引腳 22管芯管芯 33外殼外殼 44玻璃聚光鏡玻璃聚光鏡 55發(fā)射極引發(fā)射極引腳腳 6N+襯底襯底 77N型集電區(qū)型集電區(qū) 88SiO保護圈保護圈 99集電結(jié)集電結(jié) 1010P型基區(qū)型基區(qū) 1111N型發(fā)射區(qū)型發(fā)射區(qū) 1212發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)(a) 內(nèi)部組成內(nèi)部組成(b)管芯結(jié)構(gòu)管芯結(jié)構(gòu)(c)結(jié)構(gòu)簡化圖結(jié)構(gòu)簡化圖第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 光電池原理：光電池原理：在在N型襯底上制造一薄層型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感型層作為光照敏感面，形成一個大面積

28、面，形成一個大面積P-N結(jié)。當(dāng)入射光子的能量足夠大時，結(jié)。當(dāng)入射光子的能量足夠大時，P型型區(qū)內(nèi)原子受激發(fā)產(chǎn)生電子區(qū)內(nèi)原子受激發(fā)產(chǎn)生電子- -空穴對，即光生電子空穴對，即光生電子- -空穴對。它們在空穴對。它們在P-N結(jié)電場結(jié)電場的作用下，電子被推向的作用下，電子被推向N區(qū)，區(qū)，而空穴留在而空穴留在P區(qū)，結(jié)果區(qū)，結(jié)果P區(qū)積累了大量的過?？昭?，而區(qū)積累了大量的過剩空穴，而N區(qū)積累了大量的過剩電子，使區(qū)積累了大量的過剩電子，使N區(qū)帶負電，區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢

29、輸出. . +-PN 用于光電池的半導(dǎo)體材料：用于光電池的半導(dǎo)體材料：硅，硅，硒，鍺，硫化鎘等。硒，鍺，硫化鎘等。 硅光電池應(yīng)用廣泛，性能穩(wěn)定，硅光電池應(yīng)用廣泛，性能穩(wěn)定，光譜范圍寬光譜范圍寬(0.41.1um)，頻率特性好，頻率特性好，響應(yīng)時間為響應(yīng)時間為s至數(shù)十至數(shù)十s。 硅光電池可做成檢測元件，用于測量光線的強弱；也可制成硅光電池可做成檢測元件，用于測量光線的強弱；也可制成電源使用，如太陽能硅光電池。電源使用，如太陽能硅光電池。 （2）光生伏特效應(yīng)）光生伏特效應(yīng)第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器光敏面光敏面光電池應(yīng)用：光電池應(yīng)用： （1 1）可作成檢測元件用來測量光線的強弱可作成檢

30、測元件用來測量光線的強弱。 （2 2）作為能源可組合成電池組，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，可作）作為能源可組合成電池組，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，可作為人造衛(wèi)星、野外燈塔、無人氣象站等的永久性電源。為人造衛(wèi)星、野外燈塔、無人氣象站等的永久性電源。 第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器能提供較大電流的大能提供較大電流的大面積光電池面積光電池外形外形第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器其他其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用光電池及在照度測量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池柔光罩下面為圓形光電池第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器光電池在動力方面的應(yīng)用光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能賽車太陽能電動機模

31、型太陽能電動機模型太陽能太陽能 硅光電池板硅光電池板第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 二、光電傳感器的應(yīng)用二、光電傳感器的應(yīng)用 1、光電傳感器的工作形式、光電傳感器的工作形式 按接收狀態(tài)可分為按接收狀態(tài)可分為模擬式模擬式光電傳感器和光電傳感器和脈沖脈沖光電傳感器。光電傳感器。 （1）模擬式光電傳感器）模擬式光電傳感器 吸收式吸收式 被測物位于恒定光源被測物位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測物對光與光電元件之間，根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ψV線的選擇來測定的吸收程度或?qū)ψV線的選擇來測定被測參數(shù)。如測量液體、氣體的透被測參數(shù)。如測量液體、氣體的透明度、混濁度明度、混濁度,對氣體進行成分分

32、析對氣體進行成分分析,測定液體中某種物質(zhì)的含量等。測定液體中某種物質(zhì)的含量等。 反射式反射式 恒定光源發(fā)出的光投恒定光源發(fā)出的光投射到被測物上，被測物把部分光通射到被測物上，被測物把部分光通量反射到光電元件上，根據(jù)反射的量反射到光電元件上，根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例如測量零件的表面粗糙度、性質(zhì)。例如測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。表面缺陷、表面位移等。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器 遮光式遮光式 被測物體位于恒定光源與光被測物體位于恒定光源與光電元件之間，光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物電元件之間，光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮去一

33、部分，使作用在光電元件上的光通遮去一部分，使作用在光電元件上的光通量減弱，減弱的程度與被測物在光學(xué)通路量減弱，減弱的程度與被測物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。利用這一原理可以測量長中的位置有關(guān)。利用這一原理可以測量長度、厚度、線位移、角位移、振動等。度、厚度、線位移、角位移、振動等。 輻射式輻射式 被測物體本身就是輻射源，被測物體本身就是輻射源，它可直接照射在光電元件上，也可經(jīng)過一它可直接照射在光電元件上，也可經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件上。光電高溫定的光路后作用在光電元件上。光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。這種方式也可用于防火報均屬于

34、這一類。這種方式也可用于防火報警和構(gòu)成光照度計等。警和構(gòu)成光照度計等。 （2）脈沖式光電傳感器）脈沖式光電傳感器 光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通通”、“斷斷”的開的開關(guān)狀態(tài)。這類傳感器關(guān)狀態(tài)。這類傳感器要求光電元件靈敏度高要求光電元件靈敏度高，而對光電特性的，而對光電特性的線性要求不高。主要用于零件或產(chǎn)品的自動計數(shù)、光控開關(guān)、線性要求不高。主要用于零件或產(chǎn)品的自動計數(shù)、光控開關(guān)、電子計算機的光電輸入設(shè)備、光電編碼器及光電報警裝置等方電子計算機的光電輸入設(shè)備、光電編碼器及光電報警裝置等方面。面。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器輻射式輻射式應(yīng)用實例

35、應(yīng)用實例 光的照度表示受照物體被照亮的程度，可以用照度計測量。光的照度表示受照物體被照亮的程度，可以用照度計測量。 光電池（外光電池（外加柔光罩）加柔光罩） 2、光電傳感器的應(yīng)用、光電傳感器的應(yīng)用第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器案例：案例：光電鼠標(biāo)就是利用光電鼠標(biāo)就是利用LEDLED與光敏晶體管組合來測量位移。與光敏晶體管組合來測量位移。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器煙霧報警器外形煙霧報警器外形 無煙霧時，光敏元件無煙霧時，光敏元件接收到接收到LED發(fā)射的恒定紅發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時，外光。而在火災(zāi)發(fā)生時，煙霧進入檢測室，遮擋

36、了煙霧進入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)閾管的輸出信號減弱，經(jīng)閾值判斷電路后，發(fā)出報警值判斷電路后，發(fā)出報警信號。信號。 煙霧煙霧報警報警吸收式吸收式應(yīng)用實例應(yīng)用實例 第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器無線無線煙霧報警器內(nèi)部結(jié)構(gòu)煙霧報警器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 可發(fā)出高分貝笛鳴可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器聲的蜂鳴器第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器光電式帶材跑偏檢測光電式帶材跑偏檢測控制器原理控制器原理1 被測帶材被測帶材 2卷取電機卷取電機 3卷取輥卷取輥 4液壓缸液壓缸 5活塞活塞 6滑臺滑臺 7光電檢測裝置光電檢測裝置 8光源光源 9、10透鏡

37、透鏡 11-光敏電阻光敏電阻R1 12遮光罩遮光罩 遮光式遮光式應(yīng)用實例應(yīng)用實例 第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器反射式反射式 煙霧報警器煙霧報警器 在沒有煙霧在沒有煙霧時，由于紅外對時，由于紅外對管相互垂直，煙管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所色吸光材料，所以紅外以紅外LEDLED發(fā)出發(fā)出的紅外光無法到的紅外光無法到達紅外光敏三極達紅外光敏三極管。管。 當(dāng)煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對當(dāng)煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達光敏三極管，有射示意），使部分紅外

38、光到達光敏三極管，有光電流輸出。光電流輸出。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器. .光電式轉(zhuǎn)速表光電式轉(zhuǎn)速表 光電式轉(zhuǎn)光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射速表屬于反射式光電傳感器，式光電傳感器，它可以在距被它可以在距被測物數(shù)十毫米測物數(shù)十毫米外非接觸地測外非接觸地測量其轉(zhuǎn)速。量其轉(zhuǎn)速。 n =60( f /z ) 第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器光電自動門光電自動門自動門光電傳感器自動門光電傳感器放大圖放大圖有效檢測區(qū)域有效檢測區(qū)域第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器遮斷型遮斷型光電開關(guān)外形光電開關(guān)外形光電開關(guān)光電開關(guān) 光電開關(guān)是由紅外光電開關(guān)是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收線發(fā)射元件與光敏接收

39、元件組成元件組成 光電開關(guān)可分為遮斷光電開關(guān)可分為遮斷型和反射型兩大類。型和反射型兩大類。第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器ObjectReceiver 遮斷式光電開關(guān)由相遮斷式光電開關(guān)由相互分離且相對安裝的光發(fā)互分離且相對安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測物體位于發(fā)射器和被檢測物體位于發(fā)射器和接受器之間時，光線被阻接受器之間時，光線被阻斷，接受器接受不到紅外斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關(guān)信號。線而產(chǎn)生開關(guān)信號。被檢測物體光發(fā)射器光接收器遮斷式光電開關(guān)原理遮斷式光電開關(guān)原理第第 4 4 章章 常用傳感器常用傳感器送料器定區(qū)域式光電開關(guān)定區(qū)域式光電開關(guān)咖啡罐咖啡罐流水線運行方向流水線運行方向罐裝高度檢測罐裝高度檢測儲料倉儲料倉落料口落料口遮斷式光電開關(guān)遮斷式光電開關(guān)（計數(shù)）（計數(shù)）光