机械工程测试 第二章(下)

本次(běncì)课内容2.8光电传感器2.9热电式传感器2.10计数(jìshù)编码类传感器重点：光电式、热电式等传感器的工作原理难点：光电效应、热电阻效应、热电效应等理解，光电编码类传感器的用途精品资料2.8光电传感器光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理(yuánlǐ)是基于一些物质的光电效应。内光电效应(ɡuānɡdiànxiàoyìng)光电效应外光电效应

光生伏特效应

能量控制型能量转换型精品资料1.内光电效应(ɡuānɡdiànxiàoyìng)半导体材料受到光照(guāngzhào)时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照(guāngzhào)后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。内光电效应分为两类：一类是半导体材料在光照的作用下，电阻率发生改变的现象，光敏电阻以此为基础；另一类是PN结在光照作用下，导电性能发生改变的现象，光敏二极管、光敏三极管以此为基础

精品资料1）光敏电阻(ɡuānɡmǐndiànzǔ)光敏电阻的工作原理是基于(jīyú)光电效应.结构：在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。光敏电阻工作原理示意图精品资料1）光敏电阻(ɡuānɡmǐndiànzǔ)精品资料光敏电阻的主要特征参数：1）光电流、暗电阻、亮电阻暗电阻：在未受到光照射条件(tiáojiàn)下呈现的阻值，兆欧量级暗电流：暗电阻时流过的电流亮电阻：在受到某一光照条件(tiáojiàn)下呈现的阻值，千欧量级亮电流：亮电阻时流过的电流一般希望暗电阻大，亮电阻小，这样暗电流小，亮电流大，相应的光电流便大。光敏电阻(ɡuānɡmǐndiànzǔ)精品资料光敏电阻(ɡuānɡmǐndiànzǔ)当光敏电阻受到光照(guāngzhào)时，阻值减小。（3）光敏电阻实例精品资料硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）：0.4m0.75m可见光范围氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）：适用于紫外线范围硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）：适用于红外线范围因此，在选用光敏电阻(ɡuānɡmǐndiànzǔ)时，应把元件与光源结合考虑。光照(guāngzhào)特性、伏安特性、光谱特性光敏电阻

精品资料光敏二极管：相当于一个P-N结，处于反向工作(gōngzuò)状态，没有光照时不导通，有光照时导通。PNGE光敏三极管：在光敏二极管的基础上，内部增加晶体三极管，具有(jùyǒu)电流放大作用，提高了灵敏度。2）光敏晶体管

精品资料光敏二极管结构(jiégòu)与一般二极管相似，它们都有一个P—N结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。注：发光二极管与光敏二极管不同，发光二极管利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色不同，是一种将电能转化为光能的器件，加正向电压时，在N-P的电子、空穴结合过程中发射一定频率(pínlǜ)的光信号。PN光RL

光PN光敏二极管精品资料光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有(zhǐyǒu)正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。光敏三极管精品资料2.外光电效应(ɡuānɡdiànxiàoyìng)在光照作用下，材料内的电子从表面逸出的现象称为外光电效应。外光电效应器件有光电管、光电倍增管工作原理：利用外光电效应，器件导电，在某一频率以上的光照射(zhàoshè)下，电流大小与光照强度成正比。精品资料2.外光电效应(ɡuānɡdiànxiàoyìng)电子逸出物体表面的条件是h>A。因此，对每一种(yīzhǒnɡ)光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值0（h0=A）。只有当入射光频率高于该阈值频率时，才能引发电子（也称光电子）发射。每个光子具有的能量是：

爱因斯坦光电效应方程式：精品资料光电管：精品资料（1）光电管光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时(shànɡshí)，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。入射光的频谱成分(chéngfèn)不变时，产生的光电子与光强成正比。精品资料主要(zhǔyào)用于：分光光度计、光电比色计等分析仪器和各种自动装置。精品资料（2）光电倍增(bèizēnɡ)管光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。

光电倍增管是利用(lìyòng)二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。精品资料入射光阴极(yīnjí)K第一(dìyī)倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A精品资料3.光生(ɡuānɡshēnɡ)伏特效应在光线作用下能使材料产生(chǎnshēng)一定方向的电动势的现象称为“光生伏特效应”。光电池是基于光生伏特效应制成的有源器件。从用途上讲，光电池可分为两类：一类是把光电池用做电源，既常说的太阳能电池，要求其效率高、成本低、寿命长、功率大等；另一类是把它当作光电探测器，称为测量用光电池，要求它线性好、光谱响应范围合适、响应时间短等。精品资料+++---PN光电池的作用原理：当照射至光电池的PN的P型面上时，如果光子能量h大于半导体材料的禁带宽度，则在P型区每吸收一个光子便激发出一个电子(diànzǐ)—空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子(diànzǐ)被拉向N区。结果在N区便会积聚负电荷，在P区则积聚正电荷。这样在N区和P区便形成电势区。光电池精品资料光电池外形(wàixínɡ)光敏面精品资料光敏元件的基本(jīběn)特性1）光照(guāngzhào)特性精品资料2）伏安(fúān)特性：精品资料3）光谱(guāngpǔ)特性精品资料4）温度(wēndù)特性精品资料5）频率特性响应时间常数(shíjiānchánɡshù)一般为：10-4s~10-5s适合快速(kuàisù)测量精品资料图像(túxiànɡ)传感器图像(túxiànɡ)传感器主要指的是CCD和CMOS这两类固态图像(túxiànɡ)传感器CCD是电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice）的缩写；CMOS是互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）CCD和CMOS使用的都是一种PN结半导体光敏感器，能够将入射光线的光子转换成为与之数量成比例的电子。图像传感器被广泛应用于机器视觉、模式识别与人工智能、安防监控、工业检测等领域

精品资料2.9热电式传感器

热电式传感器是一种(yīzhǒnɡ)将温度变化转换为电量变化的装置。常用的热电阻、热敏电阻和热电偶温度转换为电阻值大小的热电式传感器称为热电阻，将温度转换为电势大小的热电式传感器称为热电偶。精品资料热电阻热电阻效应：几乎(jīhū)所有物质的电阻都随其本身温度的变化而变化以热电阻效应为工作原理的温度(wēndù)敏感元件称为热电阻式传感器，或简称热电阻。灵敏度

电阻与温度关系精品资料热电阻常用(chánɡyònɡ)的金属热电阻有：铂热电阻、铜热电阻等铂热电阻值分别(fēnbié)为100Ω和50Ω（Pt100和Pt50）铜热电阻有两种初始电阻值，R0=50Ω和R0=100Ω,分度号分别为Ｃu50和Ｃu100精品资料热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度(wēndù)的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度(wēndù)系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在-100℃～300℃之间测温。玻璃壳热敏电阻引线（a）珠状

（b）片状

（c）杆状

（d）垫圈状优点：（1）结构简单、体积小、可测点温度；（2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）；（3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。精品资料聚脂塑料(sùliào)封装热敏电阻热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)的应用精品资料热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)体温表精品资料热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)用于CPU的温度测量精品资料热电偶热电效应(rèdiànxiàoyìng)将两种不同(bùtónɡ)材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同(bùtónɡ)时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。精品资料T：热端；T0：冷端温差电动势EAB=ABT，T=T-T0AB称为(chēnɡwéi)温差电动势率灵敏度取决于AB，也就取决于两种不同材料的搭配EABTT0i恒温(héngwēn)精品资料热电偶测温基本定律1)中间温度定律热电偶AB的热电势仅取决于热电偶的材料和两个结点的温度，而与温度沿热电极的分布以及热电极的参数和形式(xíngshì)无关。精品资料热电偶测温基本定律2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端(liǎnɡduān)的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。精品资料3)标准电极定律两种导体(dǎotǐ)A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：精品资料测量(cèliáng)平均温度（热电偶并联）仪表缺点：当有一只热电偶烧断时，不易(bùyì)察觉。这种并联热电偶可用于测量平均温度精品资料测量(cèliáng)几点温度之和（热电偶串联）仪表把几个相同型号的热电偶串联在一起，又称热电堆。所有测量端处于同一(tóngyī)温度T之下，所有连接点处于另一温度T0之下，输出电动势是每个热电动势之和精品资料普通装配(zhuāngpèi)型热电偶外形安装(ānzhuāng)螺纹安装法兰精品资料2.10计数(jìshù)编码类传感器将转换后的电量按开关量（或脉冲）计数(jìshù)或编码等数字形式输出，从而提高了传感器的抗外界干扰能力包括感应同步器、光栅、磁栅、光电编码器等精品资料感应同步器感应同步器是基于(jīyú)电磁感应原理来测量直线或角位移的器件。测量直线位移的称为直线感应同步器，测量角位移的称为圆感应同步器。精品资料精品资料光栅(guāngshān)传感器1、莫尔条纹与光栅(guāngshān)测量方程光栅莫尔条纹的形成式中：N为条纹变化数，W为栅距，1、2为起点和终点不足一个栅距的部分。光栅测量方程莫尔条纹宽度BH

式中：——两光栅夹角（rad）

W——光栅栅距（mm）

BH——莫尔条纹宽度（mm）。精品资料2、莫尔条纹(tiáowén)的类型横向莫尔条纹光闸莫尔条纹斜向莫尔条纹3、莫尔条纹(tiáowén)的性质莫尔条纹移动与光栅运动有对应关系莫尔条纹具有位移放大作用莫尔条纹具有误差平均效应精品资料4、光栅传感器的结构(jiégòu)组成光栅传感器的结构组成1-光源2-聚光透镜(tòujìng)3-主光栅4-指示光栅5-光电元件6-莫尔条纹7-光强分布精品资料磁栅传感器1、概念(gàiniàn)磁栅传感器是一种位移传感器，可分为长磁栅和圆磁栅传感器，分别用来测量线位移和角位移。2、特点磁栅式位移传感器具有较高精度，可以达到0.01mm/m，分辨率为15m；但磁信号的均匀性、一致性及稳定性对磁栅式位移测量的精度的精度影响较大。精品资料光电编码器

绝对(juéduì)式光电编码器工作原理编码器又称码盘，是一种数字式角位移传感器。其优点(yōudiǎn)是结构简单、可靠性高，在空间技术、数控机械系统等方面有广泛应用。按其工作原理可分为电触式、电容式、感应式、光电式等。光电编码器有增量式和绝对式两种。精品资料光电编码器

绝对式光电编码器工作(gōngzuò)原理精品资料本章(běnzhānɡ)小结传感器概