有源传感器资料

有源传感器资料第1页/共93页4/14/20232本章目的：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。本章重点：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第2页/共93页4/14/20233本章对应的实验内容：创新设计性实验（任选一个）：光电报警电路设计与制作热电偶设计与制作第3页/共93页4/14/202347.1光电传感器（Photoelectricsensor）

光电传感器是各种光电检测系统中实现光信号和电信号转换的关键元件，其物理基础是光电效应。

1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

第4页/共93页4/14/20235图光电传感器的组成x1表示被测量能直接引起光量变化；x2表示被测量在光传播过程中引起光量的变化。第5页/共93页4/14/202367.1.1光源（Illuminant）一、光的特性

光是电磁波谱中的一员。光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。电磁波谱图第6页/共93页4/14/20237由光的粒子说，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一种频率f的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为：式中：E：每个光子的能量；h：普郎克常数，h=6.626×10－34J·s；f：光的频率；：光的波长。结论：光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。

第7页/共93页4/14/20238二、常用光源1．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。2．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种。3．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。4．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。激光是相干光源，它具有单色性和方向性，能量高度集中。

第8页/共93页4/14/20239**发光二极管（LED)：发光二极管的结构原理：----++++电场第9页/共93页4/14/20231010发光二极管的主要特点：(1)发光亮度与正向电流之间的关系如图所示。工作电流低于25mA时，两者基本为线性关系;图发光二极管的发光特性第10页/共93页4/14/20231111(2)响应速度极快，时间常数约为l0-6至10-9s;(3)正向电压很低，约2V左右;(4)小巧轻便、耐振动、寿命长和单色性好;(5)缺点：发光效率低，发出短波光(如蓝紫色)的材料极少。第11页/共93页4/14/20231212目前常用的几种发光二极管：1）.磷化镓(GaP)发光二极管发光中心波长为0.69μm，带宽为0.1μm。2）.砷化镓(GaAs)发光二极管

中心波长为0.94μm，带宽为0.04μm。3）.磷砷化镓(GaAs1-x_Px)发光二极管其发光光谱可出0.565μm变化到0.9lμm。第12页/共93页4/14/20231313LED光谱曲线第13页/共93页4/14/2023141.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。2.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。。3.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输出。4.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。三、对常用光源的基本要求第14页/共93页4/14/2023157.1.2光电效应及光电元件

（photoemission

andelements）

一光电效应：

用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf的光子的轰击，组成物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象。第15页/共93页4/14/202316通常把光电效应分为三类：

1）电子逸出物体表面——外光电效应，相应的光电元件有光电管、光电倍增管等。

2）使物体的电阻率改变——光电导效应（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、光敏三极管及光敏晶闸管等。

3）物体产生一定方向电动势——光生伏特效应（属于内光电效应），相应的光电元件有光电池等。第16页/共93页4/14/202317二光电元件1.光电管（phototube

）-基于外光电效应

光电管电路符号第17页/共93页4/14/202318光电管应用：

光电管在各种自动化装置中有很多应用，街道的路灯自动控制开关就是其应用之一。图中A为光电管，B为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯。第18页/共93页4/14/2023192.光敏电阻（photoconductive

resistance

）：

光电导效应暗电流（越小越好）

半导体受到光照时会产生光生电子－空穴对，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。第19页/共93页4/14/202320光敏电阻的主要参数和基本特性光电流：1.光敏电阻在不受光照射时的阻值称“暗电阻”，或称暗阻，此时流过的电流称“暗电流”；2.光敏电阻在受光照射时的阻值称“亮电阻”或称亮阻，此时的电流称“亮电流”。3.亮电流与暗电流之差即为“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。光敏电阻暗阻值兆欧级，亮阻值在几千欧姆以下。思考：如何在实验中测量暗阻和亮阻。第20页/共93页4/14/202321伏安特性：

在光敏电阻的两端所加电压和电流的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性，加的电压越高，光电流愈大，且没有饱和现象在给定的电压下，光电流的数值将随光照的增强而增加。勒克斯（lx）：光照度单位。表示距离光源1米处，1平方米面积接受1lm光通量时的照度。白炽灯：15（流明/瓦）白色LED：80-200

日光灯：50

节能灯：60-80流明（lm）：光通量单位,是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力。第21页/共93页4/14/202322光谱特性

–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系曲线。硫化镉的峰值在可见光区域硫化铅的峰值在红外线区域在选用光敏电阻时应当把元件和光源结合起来考虑第22页/共93页4/14/202323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。影响它的光谱特性曲线。相对灵敏度峰值随温度上升向短波方向移动为提高元件的灵敏度，或为能接受远红外光而采取降温措施第23页/共93页4/14/202324光敏电阻应用电路

a）UＯ与光照变化趋势相同的电路b）UＯ与光照变化趋势相反的电路

光敏电阻电路符号第24页/共93页4/14/202325光敏电阻CDS系列是种薄膜的电子元器件，阻值随着光源强度而变化。包含5mm，12mm，and20mm三种规格。特点：环氧树脂或金属密封封装；光谱特性好，可靠性好；灵敏度高，体积小。应用：－照相机自动测光；－工业控制，光电控制；－光控开关，电子玩具。实验用CDS（硫化镉）系列光敏电阻第25页/共93页4/14/2023263.光敏二极管（photoconductive

diode）：光电导效应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。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。

第26页/共93页4/14/202327光敏二极管应用电路

用光敏二极管设计的一种适合TTL电平输出的光电开关电路。光敏二极管电路符号第27页/共93页4/14/2023284.光敏三极管（photoconductive

triode

）：光电导效应

光敏三极管是一个bc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，该电流信号被晶体三极管放大。当晶体管增益为β时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大β倍。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。第28页/共93页4/14/202329光敏三极管应用电路光控继电器:自己思考!光敏三极管电路符号第29页/共93页4/14/2023305.光电池（photovoltaiccell

）：光生伏特效应在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结。光电池与外电路的连接方式

a)开路电压输出b)短路电流输出第30页/共93页4/14/202331光电池的光电特性：

一个典型的硅光电池的光电特性1—开路电压曲线2—短路电流曲线开路电压为对数特性短路电流为线性特性第31页/共93页4/14/2023321.也称硅太阳能电池，为有源器件。2.P层极薄能使光线穿透到PN结上。3.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。4.转换效率较低，适宜在可见光波段工作。硅光电池第32页/共93页4/14/202333光电池应用电路-报警电路NPNPNP光电池电路符号第33页/共93页4/14/2023347.1.3光电传感器

(photoelectricsensor)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。知识回顾光电传感器的物理基础？光电效应的分类？-重点！常用的光电元件？-重点！第34页/共93页4/14/202335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

辐射式(radiation

)：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了光源的某些物理参数。1.模拟式(analog)一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。第35页/共93页4/14/202336

透射式(transmission

)：恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数。第36页/共93页4/14/202337反射式(reflection)：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，光电元件的输出反映了被测物的某些参数。第37页/共93页4/14/202338投射式(projektion

)

：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。利用光电元件受光照或无光照时“有”“无”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，线性要求不高。2.开关式(shift)第38页/共93页4/14/202339

循迹要求：反射式光电传感器用于小车循迹和避障二光电传感器应用1.循迹你能想出什么办法！我想到的！白色表面黑色表面第39页/共93页4/14/202340

传感器基本组成：

红外发光二极管+光敏三极管1）红外发光二极管：选择红外辐射效率高的材料GaAs（砷化镓）半导体制成。发出的红外线波长为940nm左右。外形与普通φ5mm发光二极管相同，颜色不同,有透明、黑色和深蓝色三种。最大辐射强度在光轴的正前方，随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。第40页/共93页4/14/2023412）光敏三极管（红外接收管）：使用时红外接收管需加反向偏压。电阻为上拉电阻。不受光照射时，输出高电平；受光照射时，输出低电平。当光照强度发生变化时，输出电平的电压大小也会发生变化。第41页/共93页4/14/202342

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，红外接收管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。现在大都采用成品的一体化接收头。第42页/共93页4/14/202343器件结构：三只引脚：电源正VDD、电源负(GND)和数据输出(Out)。主要参数：

工作电压：4.8～5.3V

工作电流：1.7～2.7mA

接收频率：38kHz

峰值波长：980nm

静态输出：高电平

输出低电平：≤0.4V

输出高电平：接近工作电压一体化红外接收头：红外线一体化接收头: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。第43页/共93页4/14/202344HS0038型：直立侧面收光型，接收频率38kHz。HS0038信号电平-数字输出：

当接收到38kHz

红外光时：OUT低电平输出；

当接收不到38kHz

红外光时：OUT高电平输出。第44页/共93页4/14/202345问题1：为什么一体化接收件要以38kHz这一特定的频率接收红外线？问题2：发射管怎么才能发出这个特定的频率的红外线？第45页/共93页4/14/202346

一般红外遥控原理：红外遥控电路由发送电路和接收电路两个组成部分：1）发送端：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38kHz的高频信号（载波信号）上，进行调制。经调制后，输出一系列频率为38kHz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。第46页/共93页4/14/202347载波信号：频率为38kHz的脉冲信号此为调制信号。不同编码代表不同的遥控功能！遵循：红外编码通讯协议此为载波信号，可由晶振分频得到；也可由振荡器产生。

此为调制后输出的信号，特点：脉冲串信号，每个脉冲串频率为38kHz。

第47页/共93页4/14/202348回答：为什么要以特定的频率发射红外线呢？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，所以红外发光二极管发出的红外光很容易受到外界干扰。第48页/共93页4/14/2023492）接收端：采用一体化红外接收件，仅接收38kHz的红外信号；然后对此红外信号进行放大、检波、滤波，输出遥控编码脉冲。3）系统总体结构图：第49页/共93页4/14/202350

小车循迹中红外发送、接收原理：由发送和接收两部分组成：1）发送端：

单片机定时器产生频率为38kHz的高频信号，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38kHz的发射频率发射红外信号。2）接收端：

采用一体化接收器件，完成对红外信号接收、放大、检波整形，并解调出低频脉冲信号。思考：为什么这里没有调制？第50页/共93页4/14/2023513）实际电路：单片机定时器产生的38kHz载波信号三极管：驱动作用调节发光管的发光强度控制端：高电平发射载波信号发光管一体式红外线接收件上拉电阻限流电阻滤波接收输出端：低电平表示收到信号第51页/共93页4/14/202352

基于光电传感器的小车循迹过程分析红外发光管以38kHz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，接收管接收到38kHz红外线，输出低电平。当反射面（轨迹）是黑色时，光线被吸收，接收管接收不到红外信号，输出高电平。第52页/共93页4/14/202353

避障要求：2.避障如何用光电传感器实现避障哪？第53页/共93页4/14/202354模拟输出的光电传感器避障原理第54页/共93页4/14/202355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。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，则：

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。第55页/共93页4/14/202356如何改变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RP1的阻值就可以改变输出信号的幅度。第56页/共93页4/14/202357小车避障距离的确定！！！1）确定小车避障的最远距离，如10cm；2）将传感器和障碍物之间距离调整为10cm；3）调节发光管强度调整电阻RP1，使得接收管刚好能接收到此红外信号；4）当避障距离小于10cm时，信号强度会更高，所以接收管始终能接收到红外信号，输出高电平；5）当避障距离大于10cm时，信号强度会变弱，所以接收管接收不到红外信号，输出变为低电平。第57页/共93页4/14/202358本部分内容结束了！重点：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。光电传感器用于小车循迹和避障的基本原理。第58页/共93页4/14/202359

属于自发电型传感器：其输出可直接驱动动圈式仪表；测温范围广：下限可达-270C，上限可达1800C以上；各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。7.2热电偶传感器

thermocouplesensor第59页/共93页4/14/202360先看一个实验——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。

7.2.1热电偶的工作原理

第60页/共93页4/14/202361热电效应：两种不同的金属材料组成一个闭合电路，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。。。产生的电势叫热电势，表示为：

。构成的结构称为：热电偶。

热电极A测量端（工作端、热端）

自由端（参考端、冷端）

热电极B第61页/共93页4/14/202362

产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。

接触电势温差电势

第62页/共93页4/14/202363回路总电势：两个接触电势，两个温差电势注意：实际中，接触电势远大于温差电势

思考：相同吗？

第63页/共93页4/14/202364结论：1)热电势大小只与构成热电偶的材料(nA,nB)和两端的温度(T,T0)有关；2)若两个热电极材料相同，回路不会产生热电势；3)材料选定后，热电势的大小只与热电偶两端点的温度有关；4）当参考端温度选定后（一般取0摄氏度），热电势的大小只与测量端的温度有关；5）可以通过测量热电势的大小，测量被测温度。6）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。第64页/共93页4/14/2023657.2.2热电偶的几个基本定律-重点呀！

1.中间导体定律在热电偶中，当接入第三种导体时，只要被接入的中间导体所形成的两个新接点温度相同，则对回路热电势没有影响。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，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。第65页/共93页4/14/2023662.连接导体定律应用：是工业上运用补偿导线测温的理论基础

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Tn和T0。

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。第66页/共93页4/14/2023673.中间温度定律应用：制定热电偶分度表的理论根据。当导体A与连接导线A′、导体B与连接导线B′的热电特性相同时，则：

Tn：被称为中间温度，此时称为中间温度定律。第67页/共93页4/14/2023684.匀质导体定律：由一种均匀导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中都不会产生热电势；反之如果有热电势，则此材料一定是非均匀的。应用：可以检查热电偶材料的均匀性。第68页/共93页4/14/202369一热电偶的结构

1.普通装配型热电偶的外形7.2.3热电偶的结构及材料不锈钢保护管；管径：20、16、12、8、6mm；长度一般从75mm-3m；时间常数约为1.5-4min。第69页/共93页4/14/2023702.铠装型热电偶外形管径：2mm到8mm；长度：0.05m到百米；时间常数约为0.01s第70页/共93页4/14/2023713.表面热电偶时间常数约为10ms第71页/共93页4/14/202372二热电偶的材料1.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，在较宽的温度范围内，化学及物理性能稳定；电导率高，电阻温度系数小，比热小；价格便宜。第72页/共93页4/14/202373八种国际通用热电偶：B:铂铑30—铂铑6

、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、J:铁—铜镍、T:铜—铜镍用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝第73页/共93页4/14/2023742.几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C抗氧化性能强、精度等级最高。与S分度号相比：热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同。热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。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。热电动势最大，即灵敏度最高。第74页/共93页4/14/2023753.热电偶的分度表–重点呀！热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法!我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）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束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。第75页/共93页4/14/202376K热电偶的分度表

比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？第76页/共93页4/14/2023777.2.4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；节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。型号配用热电偶正-负导线外皮颜色正-负SC铂铑10-铂红-绿KC镍铬-镍硅红-蓝WC5/26钨铼5-钨铼26

红-橙

补偿导线在0～100C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。第77页/共93页4/14/202378补偿导线型号型号配用热电偶正-负型号导线外皮颜色

正-负100C时的热电势/mVRCR（铂铑13—铂）RC红-绿0.647NCN（镍铬硅—镍硅）NC红-黄2.744EXE（镍铬—铜镍）EX红-棕6.319JXJ（铁—铜镍）JX红-紫5.264TXT（铜—铜镍）TX红-白4.279第78页/共93页4/14/202379补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层第79页/共93页4/14/2023807.2.5热电偶的冷端温度补偿

-重点呀！1.冷端温度补偿的必要性用热电偶的分度表查毫伏-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，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0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。第80页/共93页4/14/2023812.冷端温度补偿的方法

冷端恒温法：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0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C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。第8