第七章有源传感器ppt课件

1、Harbin Engineering University第七章第七章 有源传感器有源传感器 光电传感器、热电偶传感器、压电传感器等。光电传感器、热电偶传感器、压电传感器等。此类传感器无需任何电源便能由被测对象产生电此类传感器无需任何电源便能由被测对象产生电信号。为测量温度、力、压力和加速度提供另一信号。为测量温度、力、压力和加速度提供另一种可供选择的方法。种可供选择的方法。本章主要内容本章主要内容光电传感器光电传感器热电偶传感器热电偶传感器本章目的：本章目的：掌握光电传感器基本工作原理。掌握光电传感器基本工作原理。掌握热电偶传感器基本工作原理。掌握热电偶传感器基本工作原理。本章重点：本章重点

2、：光敏元件结构及典型工作电路光敏元件结构及典型工作电路热电偶基本定律和冷端温度补偿原理热电偶基本定律和冷端温度补偿原理本章对应的实验内容：本章对应的实验内容：创新设计性实验任选一个）：创新设计性实验任选一个）：光电报警电路设计与制作光电报警电路设计与制作热电偶设计与制作热电偶设计与制作7.1 7.1 光电传感器光电传感器Photoelectric Photoelectric sensorsensor） 光电传感器是各种光电检光电传感器是各种光电检测系统中实现光信号和电信测系统中实现光信号和电信号转换的关键元件，其物理号转换的关键元件，其物理基础是光电效应。基础是光电效应。 19051905年德

3、国物理学家爱因年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光斯坦用光量子学说解释了光电效应，并为此而获得电效应，并为此而获得19211921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 图图 光电传感器的组成光电传感器的组成x1x1表示被测量能直接引起光量变化；表示被测量能直接引起光量变化；x2x2表示被测量在光传播过程中引起光量的变化。表示被测量在光传播过程中引起光量的变化。7.1.1 7.1.1 光源光源IlluminantIlluminant）一、光的特性一、光的特性 光是电磁波谱中的一员。光是电磁波谱中的一员。光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性

4、质。等性质。电磁波谱图电磁波谱图由光的粒子说，光是以光速运动着的粒子光子由光的粒子说，光是以光速运动着的粒子光子流，一种频率流，一种频率f f的光由能量相同的光子所组成，每个的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为：光子的能量为：式中：式中：E E：每个光子的能量；：每个光子的能量；h h：普郎克常数，：普郎克常数，h=6.626h=6.626101034 Js34 Js；f f：光的频率；：光的频率； ：光的波长。：光的波长。1Ehfh结论：光的频率愈高即波长愈短），结论：光的频率愈高即波长愈短），光子的能量愈大。光子的能量愈大。 二、常用光源二、常用光源1 1白炽光源：电流流经导电物体

5、，使之在高温下辐白炽光源：电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能。包括白炽灯和钨丝灯两种。射光能。包括白炽灯和钨丝灯两种。2 2气体放电光源：电流流经气体或金属蒸气，使之气体放电光源：电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光。有弧光放电和辉光放电两产生气体放电而发光。有弧光放电和辉光放电两种。种。3 3发光二极管：一种电致发光的半导体器件，电场发光二极管：一种电致发光的半导体器件，电场作用下，使固体物质发光，电能直接转变为光能。作用下，使固体物质发光，电能直接转变为光能。4 4激光：是高亮度光，由各类气体、固体或半导体激光：是高亮度光，由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光。激

6、光是相干光源，激光器产生的频率单纯的光。激光是相干光源，它具有单色性和方向性，能量高度集中。它具有单色性和方向性，能量高度集中。 发光二极管的结构原理：发光二极管的结构原理：-+电场电场11发光二极管的主要特点：发光二极管的主要特点：(1)(1)发光亮度与正向电流之间的关系如图所示。工发光亮度与正向电流之间的关系如图所示。工作电流低于作电流低于25mA25mA时，两者基本为线性关系时，两者基本为线性关系; ;图 发光二极管的发光特性 12(2)(2)响应速度极快，时间常数约为响应速度极快，时间常数约为l0-6l0-6至至10-9s;10-9s;(3)(3)正向电压很低，约正向电压很低，约2V2

7、V左右左右; ;(4)(4)小巧轻便、耐振动、寿命长和单色性好小巧轻便、耐振动、寿命长和单色性好; ;(5)(5)缺点：发光效率低，发出短波光缺点：发光效率低，发出短波光( (如蓝紫色如蓝紫色) )的材的材料极少。料极少。13目前常用的几种发光二极管：目前常用的几种发光二极管：1 1）. .磷化镓磷化镓 (GaP)(GaP)发光二极管发光二极管发光中心波长为发光中心波长为0.69m0.69m，带宽为，带宽为0.1m0.1m。2 2）. .砷化镓砷化镓 (GaAs)(GaAs)发光二极管发光二极管 中心波长为中心波长为0.94m0.94m，带宽为，带宽为0.04m0.04m。3 3）. .磷砷化

8、镓磷砷化镓 (GaAs1-x_Px)(GaAs1-x_Px)发光二极管发光二极管其发光光谱可出其发光光谱可出0.565m0.565m变化到变化到0.9lm0.9lm。14LEDLED光谱曲线光谱曲线1.1.对光谱特性的要求：光源发出的光应在光电元件接对光谱特性的要求：光源发出的光应在光电元件接收灵敏度最高的频率范围内。收灵敏度最高的频率范围内。 2.2.对发光强度的要求：强度太高造成饱和与非线性；对发光强度的要求：强度太高造成饱和与非线性；太弱则会处于死区。太弱则会处于死区。3.3.对稳定性的要求：一般要求时，可采用稳压电源供对稳定性的要求：一般要求时，可采用稳压电源供电；当要求较高时，可采用

9、稳流电源供电；当有更高电；当要求较高时，可采用稳流电源供电；当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的要求时，可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。输出。4.4.其它方面：任何发出光辐射紫外光、可见光和红其它方面：任何发出光辐射紫外光、可见光和红外光的物体都可以叫作光辐射源。把发出可见光为外光的物体都可以叫作光辐射源。把发出可见光为主的物体叫作光源，而把发以非可见光为主的物体叫主的物体叫作光源，而把发以非可见光为主的物体叫做辐射源。做辐射源。三、对常用光源的基本要求三、对常用光源的基本要求7.1.2 7.1.2 光电效应及光电元件光电效应及光电元件（photoemission

10、photoemission and elements and elements ） 通常把光电效应分为三类：通常把光电效应分为三类： 1 1电子逸出物体表面电子逸出物体表面外光电效应，外光电效应，相应的光电元件有光电管、光电倍增管等。相应的光电元件有光电管、光电倍增管等。 2 2使物体的电阻率改变使物体的电阻率改变光电导效应光电导效应属于内光电效应），相应的光电元件有光敏属于内光电效应），相应的光电元件有光敏电阻、反相偏置工作的光敏二极管、光敏三极电阻、反相偏置工作的光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。管及光敏晶闸管等。 3 3物体产生一定方向电动势物体产生一定方向电动势光生伏光生伏特效应属

11、于内光电效应），相应的光电元件特效应属于内光电效应），相应的光电元件有光电池等。有光电池等。二二 光电元件光电元件1.1.光电管光电管phototube phototube ）- -基于外光电效应基于外光电效应 光电管电路符光电管电路符号号光电管应用：光电管应用： 光电管在各种自动化装置中有很多应用，街道的光电管在各种自动化装置中有很多应用，街道的路灯自动控制开关就是其应用之一。路灯自动控制开关就是其应用之一。 图中图中A A为光电管，为光电管，B B为电磁继电器，为电磁继电器，C C为照明电路，为照明电路，D D为路灯。为路灯。 暗电流越小越好）暗电流越小越好） 半导体受到光半导体受到光照时

12、会产生光生照时会产生光生电子空穴对，电子空穴对，使导电性能增强，使导电性能增强，光线愈强，阻值光线愈强，阻值愈低。愈低。 u光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性u光电流：光电流：u1.1.光敏电阻在不受光照射时的阻值称光敏电阻在不受光照射时的阻值称“暗电阻暗电阻”，或称暗阻，此时流过的电流称或称暗阻，此时流过的电流称“暗电流暗电流”；u2.2.光敏电阻在受光照射时的阻值称光敏电阻在受光照射时的阻值称“亮电阻或亮电阻或称亮阻，此时的电流称称亮阻，此时的电流称“亮电流亮电流”。u3.3.亮电流与暗电流之差即为亮电流与暗电流之差即为“光电流光电流”。u希望暗阻愈大愈好，而亮阻越小

13、越好，即光电流希望暗阻愈大愈好，而亮阻越小越好，即光电流尽可能大，灵敏度就高。尽可能大，灵敏度就高。u光敏电阻暗阻值兆欧级，亮阻值在几千欧姆以下。光敏电阻暗阻值兆欧级，亮阻值在几千欧姆以下。u考虑：如何在实验中测量暗阻和亮阻。考虑：如何在实验中测量暗阻和亮阻。伏安特性：伏安特性： 在光敏电阻的两端所加电压和电流的关系曲线，称在光敏电阻的两端所加电压和电流的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性，为光敏电阻的伏安特性， n加的电压越高，光电流愈大，且没有饱和现象加的电压越高，光电流愈大，且没有饱和现象n在给定的电压下，光电流的数值将随光照的增强而增加。在给定的电压下，光电流的数值将随光照的增强而增加。

14、勒克斯勒克斯lxlx）：光照度单位。表示）：光照度单位。表示距离光源距离光源1 1米处，米处，1 1平方米面积接受平方米面积接受1lm1lm光通量时的照度。光通量时的照度。白炽灯：白炽灯：1515流明流明/ /瓦）瓦）白色白色LEDLED：80-20080-200日光灯：日光灯：5050节能灯：节能灯：60-80 60-80 流明流明lmlm）：光通量单位）：光通量单位, ,是描述单是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力。弱的能力。光谱特性光谱特性 很重要很重要光敏电阻对于不同波长的入射光与其相对灵敏度关光敏电阻对于不同波长的入射光与其相对灵敏度关系曲线。

15、系曲线。n 硫化镉的峰值在可硫化镉的峰值在可见光区域见光区域n 硫化铅的峰值在红硫化铅的峰值在红外线区域外线区域n 在选用光敏电阻时在选用光敏电阻时应当把元件和光源应当把元件和光源结合起来考虑结合起来考虑 光谱温度特性光谱温度特性 光敏电阻随着温度的升高，暗阻和灵敏度都下降。光敏电阻随着温度的升高，暗阻和灵敏度都下降。影响它的光谱特性曲线。影响它的光谱特性曲线。n 相对灵敏度峰值随温相对灵敏度峰值随温度上升向短波方向移度上升向短波方向移动动n 为提高元件的灵敏度，为提高元件的灵敏度，或为能接受远红外光或为能接受远红外光而采取降温措施而采取降温措施u光敏电阻应用电路光敏电阻应用电路 a aU U

16、与光照变化趋势相同的电路与光照变化趋势相同的电路 b bU U与光照变化趋势相反的电路与光照变化趋势相反的电路 光敏电阻电路光敏电阻电路符号符号u光敏电阻光敏电阻 CDS CDS 系列是种薄膜的系列是种薄膜的电子元器件，阻值随着光源强度电子元器件，阻值随着光源强度而变化。而变化。u包含包含 5 mm5 mm， 12 mm12 mm， and 20 and 20 mm mm 三种规格。三种规格。u特点：环氧树脂或金属密封封特点：环氧树脂或金属密封封装；光谱特性好，可靠性好；灵装；光谱特性好，可靠性好；灵敏度高，体积小。敏度高，体积小。 u应应 用：照相机自动测光；用：照相机自动测光；工业控制，光

17、电控制；光控开工业控制，光电控制；光控开关，电子玩具。关，电子玩具。u实验用实验用CDSCDS硫化镉系列光敏电阻硫化镉系列光敏电阻3.3.光敏二极管光敏二极管photoconductive diodephotoconductive diode）：光电导效）：光电导效应应u光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。电源负极，负极接电源正极。u不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。照射时，光敏二极管处于导通状态。 u光敏二极管应用电路光敏二极管应用电路

18、用光敏二极管设计的用光敏二极管设计的一种适合一种适合TTLTTL电平输出电平输出的光电开关电路。的光电开关电路。 光敏二极管电光敏二极管电路符号路符号4.4.光敏三极管光敏三极管photoconductive triode photoconductive triode ）：光电）：光电导效应导效应 光敏三极管是一个光敏三极管是一个bcbc结为光敏二极管的三极管。结为光敏二极管的三极管。 光照下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，光照下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，该电流信号被晶体三极管放大。该电流信号被晶体三极管放大。 当晶体管增益为当晶体管增益为时，光敏三极管的光电流要比时，光敏三极管

19、的光电流要比相应的光敏二极管大相应的光敏二极管大倍。倍。 不受光照射时，光敏三极管输出高电平；受光照不受光照射时，光敏三极管输出高电平；受光照射时，光敏三极管输出低电平。射时，光敏三极管输出低电平。 u光敏三极管应用电路光敏三极管应用电路光控继电器光控继电器: :自己思考自己思考! !光敏三极管电路符号光敏三极管电路符号5.5.光电池光电池photovoltaic cell photovoltaic cell ）：光生伏特效应）：光生伏特效应在一块在一块N N型硅片上用扩型硅片上用扩散的办法掺入一些散的办法掺入一些P P型型杂质而形成一个大面积杂质而形成一个大面积的的PNPN结。结。u光电池与

20、外电路的连接方式光电池与外电路的连接方式 a)开路电压输出 b)短路电流输出光电池的光电特性：光电池的光电特性： 一个典型的硅光电池的光电特性一个典型的硅光电池的光电特性11开路电压曲线开路电压曲线 22短路电流曲线短路电流曲线开路电压为开路电压为 对数特性对数特性短路电流为短路电流为 线性特性线性特性1.1.也称硅太阳能电池，为有源器件。也称硅太阳能电池，为有源器件。2.P2.P层极薄能使光线穿透到层极薄能使光线穿透到PNPN结上。结上。3.3.硅光电池使用轻便、简单，不会产生气体污染或硅光电池使用轻便、简单，不会产生气体污染或热污染，特别适用于宇宙飞行器作仪表电源。热污染，特别适用于宇宙飞

21、行器作仪表电源。4.4.转换效率较低，适宜在可见光波段工作。转换效率较低，适宜在可见光波段工作。 u硅光电池硅光电池u光电池应用电路光电池应用电路- -报警电路报警电路NPNNPNPNPPNP光电池电光电池电路符号路符号7.1.3 7.1.3 光电传感器光电传感器 (photoelectric sensor)(photoelectric sensor) 采用光电元件作为检测元件的传感器。采用光电元件作为检测元件的传感器。 首先把被测量转换成光信号，然后借助光电首先把被测量转换成光信号，然后借助光电元件将光信号转换成电信号。元件将光信号转换成电信号。 由光源、光学通路和光电元件三部分组成。由光源

22、、光学通路和光电元件三部分组成。依被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可以依被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可以将模拟式光电传感器分为下述几种类型将模拟式光电传感器分为下述几种类型 辐射式辐射式(radiation )(radiation )：光源本身是被测物，被测物：光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。了光源的某些物理参数。1.1.模拟式模拟式(analog)(analog)一一 光电传感器类型光电传感器类型按输出量性质可分为两大类：模拟式和开关式。按输出量性质可分为两大类：模拟式和开关

23、式。 透射式透射式(transmission )(transmission )：恒光源发射的光通量穿：恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数。光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数。反射式反射式(reflect ion)(reflect ion)：恒光源发出的光通量投射到：恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数。电元件的输出反映了被测物的某些参数。投射式投射式(projek

24、tion ) (projektion ) ：恒光源发出的光通量在到：恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸。物的尺寸。利用光电元件受光照或无光照时利用光电元件受光照或无光照时“有有”“”“无无电信号输出的特性将被测量转换成断续变电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。光电元件灵敏度要求高，线化的开关信号。光电元件灵敏度要求高，线性要求不高。性要求不高。2.2.开关式开关式(shift)(shift) 循迹要求：

25、循迹要求：二二 光电传感器应用光电传感器应用白色表面黑色表面 传感器基本组成：传感器基本组成： 红外发光二极管红外发光二极管+ +光敏三极管光敏三极管1 1红外发光二极管：红外发光二极管：选择红外辐射效率高的材料选择红外辐射效率高的材料GaAsGaAs砷化镓半导体制成。砷化镓半导体制成。发出的红外线波长为发出的红外线波长为940nm940nm左右。左右。外形与普通外形与普通5mm5mm发光二极发光二极管相同，颜色不同管相同，颜色不同, ,有透明、有透明、黑色和深蓝色三种。黑色和深蓝色三种。最大辐射强度在光轴的正前最大辐射强度在光轴的正前方，随辐射方向与光轴夹角方，随辐射方向与光轴夹角的增加而减

26、小。的增加而减小。2 2光敏三极管红外接收管）：光敏三极管红外接收管）： 使用时红外接收管需加使用时红外接收管需加反向偏压。反向偏压。 电阻为上拉电阻。电阻为上拉电阻。 不受光照射时，输出高不受光照射时，输出高电平；受光照射时，输电平；受光照射时，输出低电平。出低电平。 当光照强度发生变化时，当光照强度发生变化时，输出电平的电压大小也输出电平的电压大小也会发生变化。会发生变化。 单管红外发送、接收基本电路：单管红外发送、接收基本电路：注意：由于红外发光管的发射功率较小，红外接收注意：由于红外发光管的发射功率较小，红外接收管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益管收到的信号较弱，所以接收端就要

27、增加高增益放大电路。现在大都采用成品的一体化接收头。放大电路。现在大都采用成品的一体化接收头。 器件结构：三只引脚：电源正器件结构：三只引脚：电源正VDDVDD、电源负、电源负(GND)(GND)和数和数据输出据输出(Out)(Out)。主要参数：主要参数： 工作电压：工作电压：4.84.85.3V5.3V 工作电流：工作电流：1.71.72.7mA2.7mA 接收频率：接收频率：38kHz38kHz 峰值波长：峰值波长：980nm980nm 静态输出：高电平静态输出：高电平 输出低电平：输出低电平：0.4V0.4V 输出高电平：接近工作电压输出高电平：接近工作电压一体化红外接收头：一体化红外

28、接收头：红外线一体化接收头红外线一体化接收头: :集红外接收、放大、滤波和解集红外接收、放大、滤波和解调、输出等功能为一体的模块，性能稳定、可靠。调、输出等功能为一体的模块，性能稳定、可靠。HS0038HS0038型：直立侧面收光型，接收频率型：直立侧面收光型，接收频率38kHz38kHz。HS0038 HS0038 信号电平信号电平- -数字输出：数字输出： 当接收到当接收到38kHz 38kHz 红外光时：红外光时：OUTOUT低电平输出；低电平输出； 当接收不到当接收不到38kHz 38kHz 红外光时：红外光时：OUTOUT高电平输出。高电平输出。 一般红外遥控原理：一般红外遥控原理：

29、红外遥控电路由发送电路和接收电路两个组成部分：红外遥控电路由发送电路和接收电路两个组成部分：1 1发送端：发送端：将待发送的二进制编码信号调制信号），作用于晶将待发送的二进制编码信号调制信号），作用于晶振或振荡器产生的振或振荡器产生的38kHz38kHz的高频信号载波信号的高频信号载波信号上，进行调制。上，进行调制。经调制后，输出一系列频率为经调制后，输出一系列频率为38kHz38kHz的脉冲串信号。的脉冲串信号。脉冲串信号作用在红外发射管上发射红外信号。脉冲串信号作用在红外发射管上发射红外信号。载波信号：频率为载波信号：频率为38kHz38kHz的脉冲信号的脉冲信号由于所有物体只要温度高于零

30、摄氏度，都会向外由于所有物体只要温度高于零摄氏度，都会向外发送红外线，且太阳光和日光灯中最强，所以红发送红外线，且太阳光和日光灯中最强，所以红外发光二极管发出的红外光很容易受到外界干扰。外发光二极管发出的红外光很容易受到外界干扰。2 2接收端：接收端：采用一体化红外接收件，仅接收采用一体化红外接收件，仅接收38kHz38kHz的红外的红外信号；信号；然后对此红外信号进行放大、检波、滤波，输然后对此红外信号进行放大、检波、滤波，输出遥控编码脉冲。出遥控编码脉冲。3 3系统总体结构图：系统总体结构图： 小车循迹中红外发送、接收原理：小车循迹中红外发送、接收原理：由发送和接收两部分组成：由发送和接收

31、两部分组成：1 1发送端：发送端： 单片机定时器产生频率为单片机定时器产生频率为38kHz38kHz的高频信号，的高频信号，加在红外发光二极管上，发送控制信号使加在红外发光二极管上，发送控制信号使红外发光二极管以红外发光二极管以38kHz38kHz的发射频率发射红的发射频率发射红外信号。外信号。2 2接收端：接收端： 采用一体化接收器件，完成对红外信号接采用一体化接收器件，完成对红外信号接收、放大、检波整形，并解调出低频脉冲收、放大、检波整形，并解调出低频脉冲信号。信号。考虑：为什么这里没有调制？考虑：为什么这里没有调制？3 3实际电路：实际电路： 基于光电传感器的小车循迹过程分析基于光电传感

32、器的小车循迹过程分析红外发光管以红外发光管以38kHz38kHz频率发射出红外线。频率发射出红外线。当反射面地面是白颜色时，红外光被反射，当反射面地面是白颜色时，红外光被反射，接收管接收到接收管接收到38kHz38kHz红外线，输出低电平。红外线，输出低电平。当反射面轨迹是黑色时，光线被吸收，接收当反射面轨迹是黑色时，光线被吸收，接收管接收不到红外信号，输出高电平。管接收不到红外信号，输出高电平。 避障要求：避障要求：模拟输出的光电传感器避障原理模拟输出的光电传感器避障原理数字输出的光电传感器避障原理数字输出的光电传感器避障原理注意：调制的一体化接收头，输出的是数字注意：调制的一体化接收头，输

33、出的是数字信号，通过检测传感器输出信号的强弱来计信号，通过检测传感器输出信号的强弱来计算距离的方法行不通。算距离的方法行不通。但是我们能知道：如果保持红外传感器和障碍但是我们能知道：如果保持红外传感器和障碍物之间的距离待测距离不变，那么：物之间的距离待测距离不变，那么： 当改变发射管发出的红外信号的强度当改变发射管发出的红外信号的强度 能控制接收头接收的红外信号的强度能控制接收头接收的红外信号的强度 会导致当发射管发出的红外信号强度为某会导致当发射管发出的红外信号强度为某个特定值时，接收管刚好接收不到红外信号。个特定值时，接收管刚好接收不到红外信号。如何改变发射管发出的红外信号的强度？如何改变

34、发射管发出的红外信号的强度？最简单的方法：调节可调电阻最简单的方法：调节可调电阻RP1的阻值就的阻值就可以改变输出信号的幅度。可以改变输出信号的幅度。小车避障距离的确定！小车避障距离的确定！1 1确定小车避障的最远距离，如确定小车避障的最远距离，如10cm10cm；2 2将传感器和障碍物之间距离调整为将传感器和障碍物之间距离调整为10cm10cm；3 3调节发光管强度调整电阻调节发光管强度调整电阻RP1RP1，使得接收管，使得接收管刚好能接收到此红外信号；刚好能接收到此红外信号；4 4当避障距离小于当避障距离小于10cm10cm时，信号强度会更高，时，信号强度会更高，所以接收管始终能接收到红外

35、信号，输出所以接收管始终能接收到红外信号，输出高电平；高电平；5 5当避障距离大于当避障距离大于10cm10cm时，信号强度会变弱，时，信号强度会变弱，所以接收管接收不到红外信号，输出变为所以接收管接收不到红外信号，输出变为低电平。低电平。本部分内容结束了！本部分内容结束了！重点：重点：光电效应种类及相应的光电元件。光电效应种类及相应的光电元件。典型光电元件的应用电路分析。典型光电元件的应用电路分析。光电传感器用于小车循迹和避障的基本原光电传感器用于小车循迹和避障的基本原理。理。n 属于自发电型传感器：其输出可直接驱属于自发电型传感器：其输出可直接驱动动圈式仪表；动动圈式仪表；n 测温范围广：

36、下限可达测温范围广：下限可达-270-270C C ，上限，上限可达可达18001800C C以上；以上；n 各温区中的热电势均符合国际计量委员各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。会的标准。7.2 7.2 热电偶传感器热电偶传感器thermocouple sensorthermocouple sensor先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 7.2.1 7.2.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 热电效应：两种不同的金属材料组成一个闭热电效应：两种不同的金属材

37、料组成一个闭合电路，如果两个接点的温度不同，则在回合电路，如果两个接点的温度不同，则在回路中有电势存在，这种现象叫。路中有电势存在，这种现象叫。 产生的电势叫热电势，表示为：产生的电势叫热电势，表示为： 。 构成的结构称为：热电偶。构成的结构称为：热电偶。 热电极热电极A A测量端工测量端工作端、热端）作端、热端） 自由端参自由端参考端、冷端）考端、冷端） 0( ,)ABET T 产生的热电势由两部分组成：接触电势和温产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。差电势。 000( ,)( )()lnTAABABABBTnKET TeTeTdten)0()()()(),(00CfTfTfTfT

38、TEoAB00( ,)( ,)ABBAET TET T和结论：结论：1) 1) 热电势大小只与构成热电偶的材料热电势大小只与构成热电偶的材料(nA,nB)(nA,nB)和两端和两端的温度的温度(T,T0)(T,T0)有关；有关；2) 2) 若两个热电极材料相同，回路不会产生热电势；若两个热电极材料相同，回路不会产生热电势；3) 3) 材料选定后，热电势的大小只与热电偶两端点的材料选定后，热电势的大小只与热电偶两端点的温度有关；温度有关；4 4当参考端温度选定后一般取当参考端温度选定后一般取0 0摄氏度），热电势摄氏度），热电势的大小只与测量端的温度有关；的大小只与测量端的温度有关；5 5可以通

39、过测量热电势的大小，测量被测温度。可以通过测量热电势的大小，测量被测温度。6 6因为温度与热电势之间的关系不是线性关系，所因为温度与热电势之间的关系不是线性关系，所以热电偶测温一般采用分度表。以热电偶测温一般采用分度表。结论：利用这个定律可以将第三导体换成连接导线结论：利用这个定律可以将第三导体换成连接导线和毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完和毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。成热电势的测量而不影响热电偶的输出。应用：是工业上运用补偿导线测温的理论基础应用：是工业上运用补偿导线测温的理论基础 00( ,)( ,)(,) ABB AnABnA

40、BnET T TET TET T 在热电偶测温时，当接入得连接导线和测量仪表距离在热电偶测温时，当接入得连接导线和测量仪表距离热电偶较远时，会产生两个接点温度热电偶较远时，会产生两个接点温度TnTn和和T0T0。 回路总的热电势等于热电偶的热电势与连接导线的热回路总的热电势等于热电偶的热电势与连接导线的热电势的代数和。电势的代数和。应用：制定热电偶分度表的理论根据。应用：制定热电偶分度表的理论根据。00( ,)( ,)(,) ABB AnABnA BnET T TET TET T当导体当导体A A与连接导线与连接导线AA、导体、导体B B与连接导线与连接导线BB的的热电特性相同时，那么：热电特

41、性相同时，那么： 00( ,)( ,)(,)ABBAnABnABnET T TET TET TTnTn：被称为中间温度，此时称为中间温度定律。：被称为中间温度，此时称为中间温度定律。一一 热电偶的结构热电偶的结构1.1.普通装配型热电偶的外形普通装配型热电偶的外形7.2.3 7.2.3 热电偶的结构及材料热电偶的结构及材料不锈钢保护管；不锈钢保护管；管径：管径：2020、1616、1212、8 8、6mm6mm；长度一般从长度一般从75mm-3m75mm-3m；时间常数约为时间常数约为1.5-4min1.5-4min。 2.2.铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形管径：管径：2mm2mm到到8mm

42、 8mm ；长度：长度：0.05m0.05m到百米；到百米；时间常数约为时间常数约为0.01s0.01s3.3.表面热电偶表面热电偶时间常数约为时间常数约为10ms10ms二二 热电偶的材料热电偶的材料1.1.热电偶传感器对材料要求：热电偶传感器对材料要求： 在同样温度下产生的热电势要大，且热电势在同样温度下产生的热电势要大，且热电势与温度间应成线性或近似线性关系；与温度间应成线性或近似线性关系； 耐高温和抗辐射性能好，在较宽的温度范围耐高温和抗辐射性能好，在较宽的温度范围内，化学及物理性能稳定；内，化学及物理性能稳定； 电导率高，电阻温度系数小，比热小；电导率高，电阻温度系数小，比热小； 价

43、格便宜。价格便宜。八种国际通用热电偶：八种国际通用热电偶：B:B:铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6 、R:R:铂铑铂铑1313铂铂 、S:S:铂铑铂铑1010铂铂 、 K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 、N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 、E:E:镍铬镍铬铜镍、铜镍、 J:J:铁铁铜镍铜镍 、T:T:铜铜铜镍铜镍 用于制造铂热电偶用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝的各种铂热电偶丝2.2.几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度分度号号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 10001000 C C热电势热电势/ mV/ mVB B铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 650501820 18

44、20 C C4.8344.834R R铂铑铂铑1313铂铂-50-501768 1768 C C10.50610.506S S铂铑铂铑1010铂铂-50-501768 1768 C C9.5879.587K K镍铬镍铬镍铬镍铬 ( (铝铝) ) -270-2701370 1370 C C41.27641.276E E镍铬铜镍镍铬铜镍 ( (康康 铜铜) )270270800 800 C C抗氧化性能强、精度等级最高。抗氧化性能强、精度等级最高。 与与S S分度号相比：热电动势大分度号相比：热电动势大15%15%左右，其它性能几乎完全相同。左右，其它性能几乎完全相同。 热电动势极小，故在测量时热

45、电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。一般不用补偿导线。 抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用最广泛。气氛中连续使用，使用最广泛。 热电动势最大，即灵敏度最高。热电动势最大，即灵敏度最高。 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法! !我国从我国从19911991年开始采用国际计量委员会规定的年开始采用国际计量委员会规定的“19901990年国际温标年国际温标”（简称（简称ITS-90ITS-90的新标准。按此标准，的新标准。按此标准，制定相应分度表，并且有相应的线性化集成电路与之制定相应分度表，并且有相应的线性

46、化集成电路与之对应。对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端冷端温度必须为束条件是：自由端冷端温度必须为0 0C C。K K热电偶的分度表热电偶的分度表 比较查出的比较查出的3 3个个热电势，可以热电势，可以看出热电势是看出热电势是否线性？否线性？7.2.4 7.2.4 热电偶冷端的延长热电偶冷端的延长 作用：可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；节作用：可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。型号型号配用热电偶配用热电偶正正- -负负导线外皮颜色导线外皮颜色

47、 正正- -负负SCSC铂铑铂铑1010- -铂铂红红- -绿绿KCKC镍铬镍铬 - - 镍硅镍硅红红- -蓝蓝WCWC5/265/26钨铼钨铼5 5- -钨铼钨铼2626 红红- -橙橙 补偿导线在补偿导线在0 0100100C C范围内的热电势与配套的范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。补偿导线型号补偿导线型号型型号号配用热电偶配用热电偶正正- -负负型型号号导线外皮颜色导线外皮颜色 正正- -负负100100 C C时的时的热电势热电势/ mV/ mVRCRCR R（铂铑（铂铑1313铂）铂）RCRC红红- -绿绿 0.6

48、47 0.647NC NC N N（镍铬硅（镍铬硅镍镍硅）硅）NC NC 红红- -黄黄2.7442.744EXEXE E（镍铬（镍铬铜镍）铜镍）EXEX红红- -棕棕6.3196.319JXJXJ J（铁（铁铜镍）铜镍）JXJX红红- -紫紫5.2645.264TXTXT T（铜（铜铜镍铜镍 ）TXTX红红- -白白4.2794.279补偿导线外形补偿导线外形 AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层1.1.冷端温度补偿的必要性冷端温度补偿的必要性 用热电偶的分度表查毫伏用热电偶的分度表查毫伏- -温度时，必须温度时，必须满足满足t0=0t0=0C C的条件。在实际测温中，冷端的条件。在实际测温中，冷端

49、温度常随环境温度而变化，这样温度常随环境温度而变化，这样t0t0不但不不但不是是0 0C C，而且也不恒定，因此将产生误差。，而且也不恒定，因此将产生误差。 一般情况下，冷端温度均高于一般情况下，冷端温度均高于0 0C C，热电，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失的冷端损失 。2.2.冷端温度补偿的方法冷端温度补偿的方法 冷端恒温法：冷端恒温法： 将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在温容器中，使冷端的温度保持在0 0C C不变。不变。 此法也称冰浴法，它消除了此法也称冰浴法，它消除了t0t0不等于不等于0 0C C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。适用于实验室中。 冰浴法冰浴法在冰瓶中，冰水混合物的温度在冰