机械工程测试技术基础35课件

3.传感器原理

3.11光电传感器光电传感器也称光敏传感器，或光电元件。顾名思义它对光敏感，将光能量转换为电量（产生电能或控制电能）。

依据光量子理论,光是具有一定能量子的光子所组成,每个光子所具有的能量E=h与光频率成正比。光电传感器的工作基础是光电效应。3.传感器原理

所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光子后产生的电效应。光电效应又可分为：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。不同的光电效应分别对应不同的光电元件。内光电效应

光电效应外光电效应

光生伏打效应

能量控制型能量转换型一，光电效应1，外光电效应在光照作用下，材料内的电子从表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电子发射效应。光电管及光电倍增管即是基于这一效应。hE著名的爱因斯坦光电效应方程式：2，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。依据该效应的器件：光敏电阻另一类是PN结在光照作用下，导电性能发生改变的现象。依据该效应的器件：光敏二极管、光敏三极管。3.传感器原理

内光电效应

半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应

。光敏电阻内光电效应器件:光敏二极管光敏晶体管光敏三极管能量控制型传感器3，光生伏特效应在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件是光电池，它是一个有源器件。PN结的电势垒+++---PN光电倍增管是是在光电阴极和阳极之间装了若干个“倍增极”，或称“次阴极”。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料，每个倍增极的电势依此提高，从而使前一级发射的电子依此轰击下一级，形成倍增效应。光电倍增管的基本结构特性光电特性和积分灵敏度真空光电管的光电特性光谱特性真空光电管的光谱特性此外，光电管还有温度特性、疲劳特性、频率响应、热稳定性、暗电流和衰老等特性指标。光电倍增管选择应用时主要参数和特性：阴极和阳极的光照响应率、光电倍增管的放大倍数（增益）、暗电流、稳定性、时间特性、2，光敏电阻光敏电阻的典型结构。光敏电阻常做成图（b）所示的栅形结构，装在外壳中。两极间可加直流电压，也可加交流电压。图（c）为光敏电阻在电路中的表示符号。

光敏电阻结构及表示符号3.传感器原理

光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽，可从紫外一直延伸到红外，且体积小，性能稳定，因此广泛用于测试技术。光敏电阻的材料种类很多，适用的波长范围也不一样，如硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）适用于可见光（0.4m0.75m）的范围，氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）适用于紫外线范围，而硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）则适用于红外线范围。3，光敏二极管及光敏三极管PN结受到光照时，通过PN结的电流将增大，因此，常规的二极管和三极管都需要用金属或其它壳体密封起来，以防止光照。而光敏二极管和三极管则必须将PN结装在顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便接受最大的光照射。光敏二极管光敏三极管结构与光敏二极管相似，不同的是它具有两个PN结。当光照射到光敏三极管的一个PN结附近时，产生与光敏二极管类似的光电流。光电流相当于三极管的基极电流，在三极管的电流放大作用下，集电极电流为光电流的倍，因此光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高。光敏三极管有NPN和PNP两种类型。由于光敏三极管的信号输入是光辐射，所以一般无需基极引线，因此市场上的光敏三极管往往只有二个引线，这一点应该注意，以免与光敏二极管相混。PIN光敏二极管是在P型区和N型区之间设置有相当厚度的本征半导体层，使得原光敏二极管的耗尽层加宽，结电容减小，时间常数随之减小，特别是当反向偏置电压增大时，耗尽区进一步扩大。PIN管可检测1ns的激光脉冲，频响达109Hz。因此PIN光敏二极管也称快速光敏二极管。4，光电池它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。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。我们在此只讨论测量用光电池。常用的光电池有硅光电池、硒光电池，它们分别是以硅和硒材料制成两种特殊的光电池，即象限光电池和坐标光电池：四象限光电池象限光电池主要用于激光准直、定位、跟踪等场合5，半导体光电元件的特性

光敏电阻、光敏二极管和三极管、光电池这三种半导体光电传感器，各有原理和特征不同，但又有相似之处。在此把它们综合起来分析介绍。

（1）光电特性：是指光电元件产生的光电流与光照之间的关系。(a)所示为硒光敏电阻的I-关系,呈非线性。(b)所示为光敏二极管的光照特性曲线,有较好的线性关系。(c)表示硅光电池的开路电压（曲线Ⅲ）与短路电流（曲线Ⅳ）（2）伏安特性：是指光照一定时，光电元件的端电压U与电流I的关系。（4）频率特性：是指它们的输出电信号与调制光频率的关系，反映的时间响应，也可用时间常数来表示。3.7半导体敏感元件传感器

6，光电传感器应用中的照明方式光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本照明形式。3.7半导体敏感元件传感器

3.7半导体敏感元件传感器

3.7半导体敏感元件传感器

7，测量电路及应用光电倍增管的测量电路光敏电阻的应用和器件：

工业控制、机电装备及产品自动测光控制电路:自动照相机SWBG1BG2BG3BG4DTV’ARPER1R2h光敏电阻快门按钮开关SW按下电磁铁线圈DT通电快门打开一方面使底片嚗光,另一方面光照在光敏电阻RP上,RP阻值下降,C充电C上电压充到VR2+0.7V时,BG1导通BG1导通后,BG2、BG3也随之导通BG3导通后，A点电压V’下降BG4截止DT断电，关闭快门，嚗光结束。从按下SW，打开快门嚗光，到嚗光结束，取决于电容C的充电时间t=1.57RvRpCRv=R2/(R1+R2)Rp:光敏电阻值外界入射光强越强Rp越小，嚗光时间越短外界入射光强越弱Rp越大，嚗光时间越长SWBG1BG2BG3BG4DTV’ARPER1R2hC光电式边缘位置检测装置光电式转速计3.7半导体敏感元件传感器

案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。3.7半导体敏感元件传感器

相机测距反射式光电传感器光电码盘光电码盘若采用n位码盘,则能分辨的角度为

3.12光纤传感器

物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。1）物性型光纤传感器第三章、传感器测量原理光纤流速传感器3.12光纤传感器

结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。2）结构型光纤传感器3.12光纤传感器光纤检测型光电传感器作业件检测颜色检测3.12光纤传感器3.16智能传感器第三章、传感器测量原理传感器一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、PH值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电信息的装置。智能传感器是将传感器与微型计算机集成在一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。第三章、传感器测量原理嵌入式计算机智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器第三章、传感器测量原理振动网络传感器智能压力网络传感器第三章、传感器测量原理3.16传感器选用原则

选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1、灵敏度

一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。2响应特性

传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。3线性范围

任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。第三章、传感器测量原理4稳定性

稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5精确度

传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。第三章、传感器测量原理6测量方式

传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。第三章、传感器测量原理第三章作业3-4,3-5,3-7,3-13思考题1）光电探测元件的工作原理基于哪几个效应？2）光电探测元件中哪些是能量控制型、哪些是能量转换型器件？3）光敏电阻的基本特性有哪几个？4）光敏二极管的偏置电压极性如何？5）光电池与光敏二极管哪一个适合探测快速变化信号？第二章习题参考答案解：

当时，，，

当

当

2-2用一时间常数为0.35s的一阶装置去测量周期分别为1s,2s,5s的正弦信号，问幅值误差将是多少解：＝0.5cos(10t-)

＝0.179cos(100t-)

=0.5cos(10t-)+0.179cos(100t-)

2-3求周期信号x(t)=0.5cos10t+0.2cos(100t-45°)通过传递函数H(s)=1/(0.005s+1)的装置后所得到的稳态响应。解：

200

取，当f＝50HZ,

2-5想用一个一阶系统作100HZ正弦信号的测量，如要求限制振幅误差在5%以内，则时间常数应取多少？若用该系统测试50HZ信号，问此时的振幅误差和相角差是多少？2－9解：，