第三章 新型传感器原理及应用

第三章新型传感器原理及应用第三章新型传感器原理及应用第一节气敏电阻传感器第二节湿敏电阻传感器第三节感应同步器第四节磁栅式传感器第五节光栅传感器第六节光电式传感器第七节光纤传感器第八节超声波传感器第九节红外传感器第十节图像传感器第十一节传感器的智能化与微型化第一节气敏电阻传感器气敏传感器可分为半导体气敏传感器、固体电解质气敏传感器、浓差电池型气敏传感器和组合电位型气敏传感器等多种类型。其中实际使用最多的是半导体气敏传感器。气体检测是保护和改善生态居住环境不可缺少手段。如生活环境中一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。另外易燃、易爆气体、酒精等的探测，气敏传感器发挥着极其重要的作用。是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。半导体式气敏传感器：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度半导体式气敏传感器可分为：电阻式非电阻式自动检测技术半导体式气敏传感器

电阻式

烧结型

薄膜型

厚膜型

二极管气敏传感器

MOS二极管气敏传感器Pd—MOSFET气敏传感器非电阻式

半导体式气敏传感器的分类

分类自动检测技术一、气敏传感器的结构制作气敏电阻的材料主要有二氧化锡（SnO2）等金属氧化物半导体，取材和掺杂不同决定了气敏电阻的类型，常用的气敏电阻有P型、N型两种。如用SnO2、ZnO、MnO2、Fe2O3等材料制成的气敏电阻属于N型，用MoO2、NiO、CoO等材料制成的气敏电阻属于P型。气敏传感器通常由气敏元件，加热器和封装体三部分组成。气敏元件从制造工艺可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。常见的气敏传感器大都采用烧结型管芯结构。它们的典型结构如图3-1所示。（a）烧结型气敏元件；（b）薄膜型气敏元件；（c）厚膜型气敏元件加热器的作用是加速被测气体的吸附和脱出过程烧去气敏元件表面的油垢或污物，起清洁作用；提高灵敏度和响应速度；控制不同的加热温度，对不同被测气体有不同的选择性作用，加热温度一般控制在100～4000C由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏元件的结构及符号如图3-2所示。

这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下使用，但热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。旁热式气敏元件的结构及符号如图3-2c、d所示，它的特点是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上SnO2等材料。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，元件热容量大，降低了环境温度对元件加热温度的影响，所以这类结构的元件稳定性、可靠性都较直热式元件好.气敏电阻外形烟雾报警器酒精传感器

二氧化碳传感器酒精测试仪呼气管家庭用煤气报警器家庭用液化气报警器一氧化碳传感器其他气体传感器NH3传感器(氨气)甲烷传感器二、气敏传感器的工作原理利用半导体气敏材料，如氧化锌(ZnO)、二氧化锡(SnO2)、二氧化锰(MnO2)等)，吸附被测气体(氢气、一氧化碳、甲烷、乙醇等)时，电阻率发生变化，从而使电阻随被测气体浓度的改变而变化。气敏效应在使用气敏传感器时，必须预先给加热丝通电，加热温度一般为200～4000C，给器件预热，不仅可提高其对可燃性气体的检测灵敏度，而且可加快响应速度。如图3-3所示。电阻丝通电加热之后，敏感元件电阻值首先是急剧地下降，一般经2～10分钟过渡过程后，阻值达到稳定状态，称这一状态为初始稳定状态。氧化性气体：若气敏元件材料的功函数比被吸附气体分子的电子亲和力小，则被吸附的气体分子就从气敏元件表面夺取电子而以阴离子形式吸附。具有阴离子吸附性质的气体有O2和NOx等，被称为氧化性气体。还原性气体：若气敏元件材料的功函数大于吸附气体分子的离子理解能，则吸附分子将向气敏元件释放电子而形成正离子吸附。如H2、CO等，被称为还原性气体。规则总结：氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降，电阻增加还原型气体＋N型半导体：载流子数增加，电阻减小氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加，电阻减小还原型气体＋P型半导体：载流子数下降，电阻增加自动检测技术

气敏电阻式传感器基本测量电路如下图所示。测量电路包括加热回路和测试回路两部分。(a)QM－N5测量电路；(b)TGS812测量电路；(c)TGS109测量电路三、基本测量电路自动检测技术（一）袖珍瓦斯报警器这是一种携带方便的瓦斯报警器，它可以直接安装在煤矿工人的矿帽内（或头灯里）。当井下瓦斯超限时，能发出响亮的警笛声，防止严重隐患事故的发生。四、气敏传感器的应用当无瓦斯或瓦斯浓度低，则a,b两点间的电导率很小，因此RP分压小于0.7V，晶闸管不导通，报警器不工作。当瓦斯浓度超限时，a,b间的电导率增大，则RP分压增大，当大于0.7V，晶闸管导通，四声语言模拟电路工作，输出信号，经放大电路放大驱动扬声器进行报警。这是一个实用的室内气控报警器，在对有害气体超浓度报警的同时，可自动开启换气扇，及时排除有害气体，防止灾害或事故发生。（二）带排风的煤气报警器主要由气体检测电路、电路开关、声光发生器和排风控制电路组成，其核心元件是一块单片多功能集成报警电路。在洁净空气中，a,b间呈高阻抗，A1的门电路信号比较端2引脚电压小于5.4V，此时比较电路不工作，后级电路处于等待状态。当室内空气易燃或有毒气体达到一定浓度时，a,b间的阻抗减小，RP分压增大，大于5.4V，此时比较电路工作，进行声光报警，同时启动后级电路工作。使换气扇工作。工作时间：受控于R2和C1构成的延时电路。调节两者的大小，使每次报警、排气工作不低于2分钟。C2为防误报电容，当空气中瞬时出现易燃或有害气体时，电路不工作。只有在气体持续几秒钟以后，电路才作出反应。由电源、检测、定时报警输出三部分组成。电源部分将220V电经变压器降至15V，由VD1～VD4组成的桥式整流电路整流并经C2滤波成直流。三端稳压器7810供给烟雾检测器件（HQ-2）和运算放大器IC1、IC210V直流电源以工作，三端稳压器7805供给5V电压以加热。（三）烟雾报警器电路无烟雾时，a,b间的电阻为几十千欧，在有烟雾时下降到几千欧。RP1的分压随着有烟雾而增大，IC1正极性电压大于负极性，因此进行翻转，驱动VT2导通。此时，IC2已经翻转，VT1是导通的，因此输出报警信号。U报警时间由R3和C1决定，改变其值就可以改变报警输出时间。当C1充电到达阀值电压时，IC2翻转，VT1截止，停止报警。当烟雾消失后，比较器IC1复位，C1通过IC1放电。

湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度：指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示。相对湿度：气体的绝对湿度与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度之比，常表示为％RH。其表达式为：相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。第二节湿敏电阻传感器露点（温度）在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度，相对湿度为100％RH。如果这一温度低于0℃时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。湿敏传感器的定义湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等。依据使用材料分类：电解质型：以氯化锂为例，极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：金属氧化物多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性。高分子型：有机高分子感湿膜。单晶半导体型：二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。湿度量程：湿敏传感器工作性能的一项重要指标，指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度(0～100)％RH表示。湿敏传感器的特性参数1、湿度量程正特性湿敏电阻：湿敏传感器的电阻值随湿度的增加而增大。负特性湿敏电阻：湿敏传感器的阻值随着湿度的增加而减小。湿敏传感器的感湿特征量有电阻、电容等，通常用电阻比较多。阻湿特性：在规定的工作湿度范围内，湿敏传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线。2、感湿特征量—相对湿度特性湿敏电容湿敏电阻感湿灵敏度即湿度系数：在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1％RH时，湿敏传感器电参量的变化值或百分率。3、感湿灵敏度环境温度每变化1℃时，所引起的湿敏传感器的湿度误差，称为感湿温度系数，反映湿敏传感器温度特性的一个比较直观、实用的特性参数。4、感湿温度系数各种不同的湿敏传感器，对灵敏度的要求各不相同。低湿型或高湿型传感器的量程较窄，要求灵敏度要很高。全湿型传感器，灵敏度的大小要适当，并非越大越好。否则，电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利。在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿敏传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般规定从起始到终止63％或90％的相对湿度变化所需要的时间作为响应时间，也称时间常数；反映湿敏传感器相对湿度发生变化时反应速度的快慢。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数传感器的脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿敏传感器的响应时间。5、响应时间测量湿度时，湿敏传感器所加测试电压不能为直流电压，需用交流电压。因为加直流电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下降。传感器电阻与外加交流电压之间存在一定关系。电压大时，产生的焦耳热对传感器的阻湿特性影响大，因而电压一般小于10V。6、电压特性工艺：两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。材料：ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。负特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增加而下降。正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增加而增大。（1）负特性湿敏半导瓷的导电机理水分子中氢原子具有很强的正电场，水在半导瓷表面吸附时可俘获电子，使半导瓷表面带负电。1、制作工艺与材料2、湿敏半导瓷的导电机理Ｐ型半导体：水分子吸附使表面电势下降，吸引更多的空穴到达表面，表面层的电阻下降。1：ZnO-LiO2-V2O5系2：Si-Na2O-V2O5系3：TiO2-MgO-Cr2O3系湿敏元件是最简单的湿敏传感器，根据工作方式可分为电阻式和电容式两类。常用的是陶瓷电阻式和陶瓷电容式。一、陶瓷电阻式湿度传感器（1）负特性湿敏半导瓷的导电机理Ｎ型半导瓷：水分子吸附使表面电势下降，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，可使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现表面反型层，这些空穴称为反型载流子。2、湿敏半导瓷的导电机理1：ZnO-LiO2-V2O5系2：Si-Na2O-V2O5系3：TiO2-MgO-Cr2O3系反型载流子（空穴）在表面迁移而表现出电导特性，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。因此，不论是Ｎ型还是Ｐ型半导瓷，电阻率都随湿度增加而下降。（2）正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷材料的结构、电子能量状态与负特性的不同。当水分子吸附半导瓷表面使电势变负时，导致表面层电子浓度下降，但不足以使空穴浓度增加到出现反型程度，仍以电子导电为主。电子浓度下降，表面电阻加大。2、湿敏半导瓷的导电机理因晶体内部存在低阻支路，正特性半导瓷电阻值升高没有负特性的阻值下降那么明显。Fe3O4半导瓷正湿敏特性因此，这类半导瓷材料的表面电阻随湿度的增加而加大。3、MgCr2O4-TiO2湿敏器件MgCr2O4为Ｐ型半导体，电阻率低，阻值温度特性好。氧化镁复合氧化物—二氧化钛湿敏材料，制成多孔陶瓷型“湿—电”转换器件，为负特性半导瓷，感湿体是一个多晶多相的混合物。在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。金电极与引出线烧结在一起。电极引线一般采用铂—铱合金。为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安在陶瓷基片上。引线多孔性电极多孔陶瓷加热丝底座塑料外壳引脚图3-7陶瓷电阻式湿度传感器结构、外形及测量转换电路框图(a)多孔湿敏陶瓷(b)湿度传感器(c)外形(d)输入输出特性(e)测量电路框图陶瓷电阻式湿度传感器的核心部分是用铬酸镁-氧化钛（MgCr2O4-TiO2）等金属氧化物以高温烧结的工艺制成的多孔陶瓷半导体。它的气孔率高达25%以上，具有1μm以下的细孔分布。与日常生活中常用的结构致密的陶瓷相比，其接触空气的表面显著增大，所以水蒸气极易被吸附于其表层及孔隙之中，使其电导率下降。

MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器湿度传感器的结构相对湿度与电阻的关系

主要特性与性能（1）电阻一湿度特性

MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100％RH时，阻值从108Ω下降到103Ω，即变化了五个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%R/Ω电阻—温度特性下图是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻—温度特性。从图可见，从20℃到80℃各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为–0.38％RH／℃。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。20406080100103104105106107108相对湿度/%20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性响应时间响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于10s。20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RH

t/s%RH（一）结构陶瓷电容式湿度传感器由多孔氧化铝感湿膜、铝基片和金电极等构成，其结构如图3-8所示。（二）工作原理陶瓷电容式湿度传感器基于单元气孔的平行板电容器效应，利用器件的电容随环境湿度的变化而变化的原理制成。二、陶瓷电容式湿度传感器

Al2O3薄膜组成的陶瓷电容式湿度传感器在气孔中有一定水汽吸附时，随着环境湿度的变化，膜电阻和膜电容都将改变，其特性曲线如图3-9所示。在低湿度时，曲线线性良好，到高湿度时线性变差，若湿度进一步提高，特性曲线变得平缓。（三）陶瓷电容式湿度传感器的特性露点传感器外形电子湿度计模块封装后的外形电子式温湿度计机械式、电子式温湿度计对比（一）高湿度显示器图3-10所示是高湿度显示器电路。它能在环境相对湿度过高时显示，告知人们应采取排湿措施。三、湿敏电阻传感器的应用湿敏电阻RH在环境的相对湿度20%~90%RH变化时，它的阻值在几十兆欧到几百千欧范围内变化。当湿度比较大，电阻减小，则R1分压增大，VD1导通整流驱动VT1导通，VT2截止，VT3导通，发光二极管亮。KSC-6湿度传感器的应用电路如图所示（二）房间湿度控制器将湿敏电容置于RC振荡电路中，直接将湿敏元件的电容信号转换为电压信号。由双稳态触发器及RC组成双振荡器，其中一条支路由固定电阻和湿敏电容组成，另一条支路由多圈电位器和固定电容组成。设定在0%RH时，湿敏支路产生脉冲宽度的方波，调整多圈电位器使其与湿敏支路脉冲方波宽度相同，则两者信号差为0，当湿度变化时引起脉冲宽度变化，就会有信号差，把信号差滤波标准化后得到电压输出，输出的电压随湿度的变化成线性增加。KSC-6集成温度传感器就是采用这一原理。其相对湿度0%-100%RH对应的输出电压为0-100mV。KSC-6湿度传感器工作原理第三节感应同步器概述：高精度的转角和线位移测量元件工作原理：利用两个平面形印制绕组的互感随位置不同而变化的原理工作。激磁电压频率一般是1～20kHz。分类：直线式测量直线位移；旋转式测量转角。结构：固定部件和运行部件两部分，其上各有绕组。优点：有很高的精度和分辩率；抗干扰能力强；可以作长距离位移测量；结构简单、工作可靠、使用寿命长。缺点：输出信号弱，信号处理麻烦，配套用于信号处理的电子设备（一般称为数显表）比较复杂，价格高。一、种类与结构直线式感应同步器的定尺和滑尺，都由图中的基板、绝缘层和绕组构成，绕组的外面包有一层与绕组绝缘的接地屏蔽层，如图所示。（一）直线式感应同步器的结构•分类：长感应同步器：圆感应同步器：用于测量直线位移用于测量转角位移定尺安装在静止的机械设备上，与导轨母线平行；滑尺安装在活动的机械部件上，与定尺之间保持均匀的狭小气隙。滑尺相对定尺而移动。直线式感应同步器定尺和滑尺的基板采用铸铁或其他钢材做成。这些钢材的线膨胀系数应与安装感应同步器的床身的线膨胀系数相近，以减小温度误差。在定尺和滑尺上腐蚀成印制电路绕组，绕组的材料为铜。考虑到接长的要求和安装的方便，将定尺绕组做成连续式，由一连串线圈串联而成；而将滑尺绕组做成分段式，并分别为正弦绕组（S绕组）和余弦绕组（C绕组），它们在空间位置上错开而形成90°相位差，如图所示。感应同步器定尺、滑尺感应同步器的解剖图2．直线感应同步器种类直线式带型标准型窄型三重型直线式感应同步器的尺寸和精度一览表种类定尺尺寸（mm）滑尺尺寸（mm）测量周期（mm）精度(μm)标准型250×58×9.5100×73×9.521.5～2.5窄型250×30×9.575×35×9.522.5～5带型(200～2000)×19－210带型定尺的基板改用钢带，滑尺为滑标式，直接套在定尺上。它适用于安装在表面不易加工的设备上。带型感应同步器外形图（参考东方仿真）（4）三重型定尺和滑尺绕组上有粗、中、细三组平面绕组。定尺的粗、中绕组相对于位移垂直方向倾斜不同的角度，滑尺的粗、中绕组与位移方向平行，定滑尺的细绕组与标准式相同。（二）圆感应同步器圆感应同步器也称为旋转式感应同步器，由转子和定子组成。如图3-13所示，转子为单绕组，定子做成正弦、余弦绕组形式，两绕组的电相位角相差π/2。转子定子圆感应同步器与角度数显表外形图（参考航天数显中心）二、感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理

感应同步器工作时，定尺和滑尺相互平行、相对安放，它们之间保持一定的间隙（0.25±0.05mm）。一般情况下，定尺固定、滑尺可动。当定尺通以励磁电流时，在滑尺的正、余弦绕组上将感应出相位差为的感应电压；反之，当滑尺的正、余弦绕组分别加上相同频率（通常为10kHz）的正、余弦电压励磁时，定尺绕组中也会有相同频率的感应电动势产生，其幅值是定、滑尺相对位置的函数。电磁耦合原理工作时，在滑尺上的绕组上通励磁电压由于电磁耦合作用，在定尺绕组上产生感应电压当滑尺和定尺之间发生相对位移时由于电磁耦合的变化，定尺上感应绕组中的感应电压也发生变化感应电压的变化与相对位移之间有一定的关系通过测量定尺绕组中的感应电压，借以进行位移量的检测感应同步器原理动画演示如果在滑尺的余弦绕组上单独施加正弦励磁电压，感应同步器定尺的感应电动势与两绕组相对位置的关系如图3-15所示。图3-15感应电动势与两绕组相对位置的关系定尺的感应电动势随滑尺的相对移动呈现周期性变化，这样便把机械位移和感应电动势相互联系起来。假设在滑尺的正弦或余弦绕组上单独施加的正弦励磁电压为则正弦和余弦绕组在定尺上相应产生的感应电动势分别为以图3-12所示长感应同步器采用滑尺励磁为例，从定尺上输出的感应电动势，可以通过鉴别输出感应电动势的相位和幅值确定相对位移量。1、鉴别相位方式在滑尺的分段绕组上加以频率相同、相位差90°的交流励磁电压，正弦绕组励磁电压为,余弦绕组励磁电压为。三、输出信号的鉴别方式按叠加原理在定尺（连续绕组）上总感应电动势为：两个励磁绕组分别在定尺绕组上感应出电动势，其值分别为：感应电动势的相位角，W为节距，Ku为电磁耦合系数。图鉴相型若加到滑尺分段绕组上的交流励磁电压为和，则分别在定尺绕组上感应出的电动势为（二）鉴别幅值方式定尺（连续绕组）上总感应电动势为采用函数变压器使滑尺的分段绕组交流励磁电压幅值为，；为励磁电压的相位角，,则总感应电动势为设在起始状态下，则e=0。然后滑尺相对尺有一位移Δx，使感应电动势的相位角，即定尺与滑尺间相对位移角有一增量，则总应电动势增量为在较小的情况下（），感应电动势增量的幅值与成正比，通过鉴别可测出相对位移大小。图鉴幅型实际应用时，利用了施密特触发器。当位移X达到一定值，如Δx=0.01mm，就使Δe幅值超过电平门槛值，触发一次，输出一个脉冲信号（计数）。同时用此脉冲自动改变励磁电压幅值us和uc，使新的θd跟上新的θx，形成θx=θd新的起始点。这样，把位移量转换为脉冲数，既可以用数字显示，又便于微机控制。这种方法是正弦波励磁-函数变压器数模转换方式。对感应同步器的基本要求：正弦和余弦绕组在空间相位差900应准确；要尽可能消除感应耦合中的高次谐波；要尽可能减小因平面绕组横向段产生的环流电动势；要尽量减小安装误差等。一次绕组的励磁电压频率一般在1~20kHZ范围内选择；f低些，绕组感抗小，有利于提高精度；f高些，输出感应电动势增加，允许测量速度大些。下图为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图。脉冲发生器输出频率一定的脉冲序列，经过脉冲—相位变换器进行N分频后，输出参考信号方波θ0和指令信号方波θ1。参考信号方波θ0经过激磁供电线路，转换成振幅和频率相同而相位差为90°的正弦、余弦电压，给感应同步器滑尺的正弦、余弦绕组激磁。感应同步器定尺绕组中产生的感应电压，经放大和整形后成为反馈信号方波θ2。指令信号θ1和反馈信号θ2同时送给鉴相器，鉴相器既判断θ2和θ1相位差的大小，又判断指令信号θ1的相位超前还是滞后于反馈信号θ2的相位。四、感应同步器的应用图鉴相测量方式数字位移测量装置方框图假定开始时θ1=θ2，当感应同步器的滑尺相对定尺平行移动时，将使定尺绕组中的感应电压的相位θ2（即反馈信号的相位）发生变化。此时θ1≠θ2，由鉴相器判别之后，将有相位差Δθ=θ2-θ1作为误差信号，由鉴相器输出给门电路。此误差信号Δθ控制门电路“开门”的时间，使门电路允许脉冲发生器产生的脉冲通过。通过门电路的脉冲，一方面送给可逆计数器去计数并显示出来；另一方面作为脉冲—相位变换器的输入脉冲。在此脉冲作用下，脉冲—相位变换器将修改指令信号的相位θ1，使θ1随θ2而变化。当θ1再次与θ2相等时，误差信号Δθ=0，从而门被关闭。当滑尺相对定尺继续移动时，又有Δθ=θ2-θ1作为误差信号去控制门电路的开启，门电路又有脉冲输出，供可逆计数器去计数和显示，并继续修改指令信号的相位θ1，使θ1和θ2在新的基础上达到θ1=θ2。因此在滑尺相对定尺连续不断地移动过程中，就可以实现把位移量准确地用可逆计数器计数和显示出来。鉴幅型感应同步器数显表图直线感应同步器数显装置系统联接示意图感应同步器鉴幅位移测量装置如图所示，它由感应同步器和数显表两部分组成，前置放大器、匹配变压器与感应同步器一起安装在机床上。SF2P型感应同步器数显表通用型前置放大器，激磁匹配器感应同步器定尺、滑尺直线感应同步器数显装置系统第四节磁栅式传感器一、磁栅磁栅是一种有磁化信息的标尺，它是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.02mm厚的Ni-Co-P型磁性薄膜，并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长λ录上磁性刻度线而构成的，因此又把磁栅称为磁尺。磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。大尺寸磁栅尺外形图磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按NS、SN、NS…的状态排列起来，如图3-17所示。磁栅的种类可分为单面型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅等。录制磁信息时，要使磁尺固定，磁头根据来自激光波长的基准信号，以一定的速度在其长度方向上边运行边流过一定频率的相等电流，这样，就在磁尺上记录了相等节距的磁化信息而形成磁栅。磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。l－磁尺；2－尺基；3－磁性薄膜；4－铁心；5－磁头二、磁栅位移传感器的结构和工作原理磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔磁尺磁栅外观图磁头德国SIKO

磁栅尺磁头与磁尺相对运动时的输出波形二、磁栅传感器的工作原理1．基本工作原理磁栅传感器工作原理动画演示工作原理是电磁感应原理，当线圈在一个周期性磁体表面附近匀速运动时，线圈上就会产生不断变化的感应电动势。其大小与线圈的运动度和磁性体与线圈接触时的磁性大小及变化率有关。根据感应电动势的变化情况，就可获得线圈与磁性体相对位置和运动的信息磁尺是检测位移的基准尺，磁头用来读取磁尺上的记录信号。按读取方式不同，磁头分为动态磁头和静态磁头两种。动态磁头测量位移较简单，磁头输出为正弦信号，在N、N相接处达到正向峰值，在S、S相接处为负向峰值，如图3-18所示。图3-18动态磁头输出波形与磁栅位置关系动态磁头只有一个输出绕组，只有当磁头和磁尺相对运动时才有信号输出，因此动态磁头又称为速度响应磁头。速度不同，输出信号的大小和周期也不同。（一）动态磁头当磁头与磁栅发生相对运动位移为x时，磁头线圈中感应电动势为由上式可知，磁头与磁栅间有不同相对位移量x值，就有不同的电动势e产生，线圈中e的大小，就反映了位移量的变化。若以计数的方式，通过计数磁尺的磁节距个数也可知道磁头与磁尺间的相对位移量式中：n为正弦波周期个数（磁节距个数）；W是磁节距。静态磁头是一种调制式磁头，磁头上有两个绕组，一个是激励绕组，加以激励电源电压，另一个是输出绕组。即使在磁头与磁尺之间处于相对静止时，也会因为有交流激励信号使输出绕组有感应电压信号输出。（二）静态磁头图3-19静态磁头结构及输出波形检测电路主要用来供给磁头励磁电压和把磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出并以数字形式显示出来。磁头总的输出信号为可见输出信号是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置变化而变化的信号，可用鉴相电路测出该调相信号的相位为，从而测出位移x。三、信号处理方式为了能检测位移大小和方向，必须使用两个磁头来读出磁栅上的磁信号，它们的间距为，其中n为正整数，W为信号的节距，也就是两个磁头在信号角度上布置成相差90°，其信号处理方式分为鉴幅型和鉴相型两种。图3-19静态磁头结构及输出波形两个磁头输出相差90°，其输出电压分别为经检测器检波及滤波器滤去高频载波后，可得它们是两个幅值与磁头位置x成比例的信号，通过细分辨向后，输出计数脉冲。（一）鉴幅型信号处理方式将两磁头之一的激磁电压相移45°（或将输出信号相移90°），则两个磁头的输出电压分别为再将上述两电压相加得总输出电压为由上式可知，输出信号是一个幅值恒定、相位随磁头与磁栅之间相对位移x而变化的信号，这种方法称为鉴相法。（二）鉴相型信号处理方式压板磁头磁尺四、磁栅式传感器的应用数显磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺2．应用实例3、鉴相型磁栅数字位移显示装置（简称为磁栅数显表）框图如图3-20所示。

图3-20鉴相型磁栅数显表框图第五节光栅传感器

1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。测量长度从1m、3m达到30m和100m。

计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅。均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。按光栅的形状和用途分为：长光栅——线位移

分辨率0.001

0.1μm；测量范围米。

圆光栅——角位移

角度分辨率0.01″光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等、相互平行的刻线，形成透光（没有刻线的地方）与不透光（刻线的地方）相间排列的光电器件。栅线——光栅上的刻线，宽度a，缝隙宽度b

栅距w=a+b（也称光栅常数）（一）光栅目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。尺身尺身安装孔反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅传感器测量位移是利用莫尔条纹原理来实现的。光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两个部分。（二）光栅传感器的组成1、光栅读数头光栅由光源、透镜、光栅副和光电接收元件组成。光栅副是光栅传感器的主要部分。主光栅(标尺光删)指示光栅标尺光栅的有效长度决定了传感器的有效测量长度和范围。

反射式光栅透射式光栅透射式圆光栅固定光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量，因而对位移是的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨别位移的方向，进一步提高测量的精度以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。2、光栅数显表二、莫尔条纹及特点形成莫尔条纹必须有两块光栅组成：主光栅作标准器，指示光栅作为取信号用。把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起(片间留有很小的间隙)，并使两者栅线(光栅刻线)之间保持很小的夹角

，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹。（一）莫尔条纹在a-a线上两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹方向与刻线方向垂直，故又称横向莫尔条纹。当移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用标尺光栅相对于指示光栅数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。莫尔条纹的形成原理播放动画由图可以看出，式中，α为亮(暗)带的倾斜角；θ为两光栅的栅线夹角。BH为横向莫尔条纹之间的距离；W为光栅常数。2.莫尔条纹技术的特点莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点：（1）位移放大作用（2）运动对应关系（3）误差平均作用

(1)位移的放大作用

当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为：

θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。如主光栅沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着指示光栅的栅线向上移动；反之，当主光栅向左移动时，莫尔条纹沿着指示光栅的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅的运动进行辨向。(2)莫尔条纹运动对应关系

光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹，这样对于光栅刻线的误差起到了平均作用。

莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除局部误差和短周期误差的影响。(3)误差的平均效应因此，就有可能得到比光栅本身的刻度精度高的测量精度，这也是光栅测量和普通标尺测量的主要差别。三、辨向原理及辨向电路（一）辨向的原理

原因：当指示光栅无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。为辨别主光栅的移动方向,需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向,且两个莫尔条纹信号相差90°相位。

实现的方法是在相隔B／4条纹间隔的位置上安装两只光敏元件,当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样,得到相位相差π／2的正弦电信号u1和u2。滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。然后送到辨向电路中处理.

1、2－光电元件；3－指示光栅；4－莫尔条纹；

A－光栅移动方向；B－莫尔条纹移动方向；

U1－元件AB对应的输出电压；

U2－元件CD对应的输出电压；AB与CD两个狭缝在结构上相差π／2,所以它们在光电元件上取得的信号必是相差π／2。AB为主信号,CD为门控信号。当主光栅作正向运动时,CD产生的信号只允许AB产生的正脉冲通过,门电路在可逆计数器中作加法运算；当主光栅作反方向移动时,则CD产生的负值信号只让AB产生的负脉冲通过,门电路在可逆计数器中作减法运算。辩向电路原理图3-27辩向电路各点波形图主光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，这时光电元件2的输出电压波形如图（a）中曲线u2所示。光电元件1的输出电压波形如曲线u1所示，显然U1超前U290°相角。U1”是U1’反相后得到的方波。U1W’和U1W”是U1’和U1”两个方波经微分电路后得到的波形。由图(a)可见，对于与门Y1，由于U1W’处于高电平时，U2’总是处于低电平，因此Y1输出为零；对于与门Y2，U1W”处于高电平，U2’处于高电平，因此与门Y2有信号输出。使加减控制触发器置1，可逆计数器做加法计数。主光栅反向移动时，莫尔条纹下移动，这时光电元件2的输出电压波形如图（b）中曲线u2所示。光电元件1的输出电压波形如U1曲线所示，显然U2超前U190°相角。与正向移动时情况相反。整形放大后的U2’仍超前U1’90°。

U1”是U1’反相后得到的方波。

U1W’和U1W”是U1’和U1”两个方波经微分电路后得到的波形。由图(b)可见，对于与门Y1，由于U1W’处于高电平时，U2’也处高电平，因此Y1有输出；对于与门Y2，U1W”处于高电平，U2’处于低电平，因此与门Y2没有信号输出。因此加减控制触发器置0，可逆计数器做减法计数。正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可以辨向，因而可以进行正确的测量。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。

1、机械细分机械细分常用的细分数为4，四细分可用4个光电元件依次安装在相距BH/4的位置上，如图3-28（a）所示。这样可以获得依次有相位差的4个正弦交流信号。用鉴零器分别鉴取4个信号的零电平，即在每个信号由负到正过零点时发出一个计数脉冲，如图3-28（b）。(二)莫尔条纹细分技术图3-28四倍频机械细分法2、电子细分电子细分包括四倍频细分法、电阻电桥细分法和电阻链细分法等。常用的是四倍频细分法。由上述辨向原理可知，在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差的正弦交流电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差的信号，它们分别经RC微分电路，得到尖脉冲信号。在计数器的输出端能得到四个计数脉冲，每个脉冲表示的是1/4栅距的位移，如图3-29所示。图3-29四倍频细分电路四、光栅传感器的应用（一）万能比长仪图3-30万能比长仪工作原理1-灯泡；2-聚光镜；3-光栅；4-物镜；5，8-反射棱镜；6-光电元件；7-偏振片；9-分光棱镜；10，11-光电元件；12-永久磁铁；13-动圈。（二）坐标检测光栅部件的工作原理如图3-31所示。图3-31光栅部件的工作原理1-发光二极管；2-长光栅；3-长光栅刻线；4-零位刻线；5-指示光栅；6-指示光栅刻线；7-光电晶体管。

光栅细分举例

有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为4细分，则：分辨力

=W/4

=（1mm/50）/4=0.005mm=5

m

采用细分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。为光栅设计的专用信号处理单元（光栅插补器）功能同上页光栅在机床上的安装位置（2个自由度）光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表光栅在机床上的安装位置（3个自由度）（续）2自由度光栅数显表X位移显示Z（Y）位移显示3自由度光栅数显表光栅数显表（续）三座标数显表安装有直线光栅的数控机床加工实况

防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部光电器件

被测非电量电信号测量电路U、I

第八章光电式传感器

光电式传感器的定义

以光电器件或传播光路为敏感元件，将被测量通过光信号的变化转换为电信号变化的传感器。光电式传感器的物理基础和组成物理基础：光电效应。光源、光学元件和光电元件三部分。光电式传感器的感测量

位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。

光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm，波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线，红外线：波长780—106nm

波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。光的特性1000,000nm10nm780nm380nm可见光红外光紫外光1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。每个光子的能量为

E=hf可见，光的频率愈高，光子的能量愈大。由光的粒子性：光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为ν的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为h——普朗克常数，6.626×10-34J·s；f——光的频率（单位s-1）。可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。一、光电效应

定义：对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现象称为光电效应。光生伏特效应内光电效应外光电效应光电效应可分为：光电导效应(1)外光电效应在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

每个光子具有的能量是：

——普朗克常数()

——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大

J.S

fh光---电一个光子的能量只能给一个电子由能量守恒定律有：爱因斯坦光电效应方程A—电子的逸出功；一个电子逸出的动能（能量）；（3）逸出的光电子具有动能。（4）从光照至发射电子，时间<10-9s。（1）光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。（2）入射光频谱成分一定时，产生的光电流和光强成正比。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管紫外管外形当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线

当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：(2)内光电效应1、光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，由于在入射光作用下电子吸收光子能量，从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起电阻率减小。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度的能量Eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。导带价带电子吸收光子能量禁带光E0自由状态Eg〈E0电子光电导效应基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2、光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？下面分两种情况讨论：不加偏压时的PN结处于反偏时的PN结PN电子空穴---+++-+光源不加偏压时的PN结(势垒效应/结光电效应）

当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0＞Eg）,可激发出电子——空穴对在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.基于这种效应的器件有光电池PN电子空穴---+++-+光源处于反偏时的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，电子N，空穴P运动，形成光电流；光电二极管一般反向连接。电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管从原理上讲，不加偏压的光电二极管就是光电池。EPN电子空穴---++++-光源I二、光电器件（一）光电管光电管的外形如图3-32所示由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象是可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。2023/8/20162外光电效应光电管主要用于：分光光度计、光电比色计等分析仪器和各种自动装置。（二）光电倍增管光照很弱时，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。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管是利用二次电子释放效应，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。光电倍增管结构：由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。次阴极可达30级，通常为12~14级。入射光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A外光电效应光电倍增管的光电特性如图所示，从图中可知，在光通量为10-14lm～10-8lm（流明），光电特性基本上是一条直线。2023/8/20168（三）光敏电阻光敏电阻是一种利用内光电效应（光导效应）制成的光电元件。它具有精度高、体积小、性能稳定、价格低等特点，所以被广泛应用在自动化技术中作为开关式光电信号传感元件。

1.光敏电阻的结构与材料光敏电阻由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，电极和半导体之间呈欧姆接触，使用时在它的两电极上施加直流或交流工作电压，如图3-34所示。2023/8/20169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。AE电极半导体玻璃底板RLEIRG光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，结构见下图。光敏电阻当光敏电阻受到光照时，阻值减小。光敏电阻主要是硫化镉，为提高其光灵敏度，在硫化镉中再掺入铜、银等杂质。光敏电阻的结构如图3-35所示。

2023/8/201731--光导层;2--玻璃窗口;3--金属外壳;4--电极;5--陶瓷基座;6--黑色绝缘玻璃;7--电阻引线。RG1234567(a)结构

(b)电极

(c)符号光敏电阻的结构和符号2.光敏电阻的主要参数(1)暗电阻

光敏电阻置于室温、全暗条件下，经一段时间稳定后测得的阻值称为暗电阻。这时在给定的工作电压下测得的电流称为暗电流。(2)亮电阻

光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻。(3)光电流

亮电流和暗电流之间的差称为光电流

。光敏电阻的暗电阻越大，而亮度电阻越小，则性能越好。也就是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻的灵敏度就高。光敏电阻演示当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）3.光敏电阻的主要特性(1)光照特性

是指光敏电阻的光电流

与光通量

的关系。不同的光敏电阻，其光照特性不同，但多数光敏电阻的光照特性为如图所示的曲线形状。2023/8/20176(2)光谱特性

指光敏电阻对于不同波长

的入射光，其相对灵敏度

不同的特性。各种不同材料的光谱特性曲线如图所示。(3)伏安特性

表示光敏电阻两端所加电压与流过光敏电阻的电流之间的关系。如图所示（4)响应时间

指光敏电阻中光电流的变化滞后于光的变化的时间。(5)温度特性指光敏电阻和其他半导体器件一样升高，它的暗电阻与灵敏度都下降的特性。光敏电阻的光谱特性曲线光敏电阻的伏安特性曲线2023/8/20177（四）光敏二极管和光敏晶体管1.光敏二极管结构及工作原理光敏二极管结构与一般二极管不同之处在于它的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光的照射。图(a)为其结构示意图，图(b)为光敏二极管在电路中处于反向偏置的状态。2023/8/20178光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，在没有光照射时反向电流很小，称为暗电流；光照射在PN结上，PN结附近产生光生电子—空穴对，在PN结处内电场作用下定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。内光电效应当光照射时，光敏二极管处于导通状态。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。光敏二极管将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。光敏二极管的反向偏置接线及光电特性在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。

光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照2、光敏三极管与一般晶体管相似，具有两个PN结，只是发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏三极管大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，在结附近产生电子—空穴对，会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。普通三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP光敏三极管ICeECIERCcNNPb光敏三极管：基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。3、达林顿光敏管光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。达林顿光敏管的等效电路：一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。增加了一级电流放大，输出电流能力大大加强，甚至可不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但无光照时暗电流也增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。（五）光敏晶闸管的结构及工作原理光敏晶闸管（LCR）也称为光控晶闸管，如图3-38所示。图3-38（c）是它的典型应用电路，光敏晶闸管的阳极接正极，阴极接负极，控制极通过电阻RG与阴极相连接。这时，J1、J3正偏，J2反偏，晶闸管处于正向阻断状态。图3-38光敏晶闸管(a)结构(b)图形符号(c)应用电路光敏晶闸管外形光敏面光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的光电器件。光电池可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。光电池有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。（六）光电池硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。光电池硅光电池的结构基本结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。基本结构和工作原理工作原理：当光照射PN结的一个面时，电子—空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2～0.6V电压50mA电流。

硒光电池的结构光生伏特效应光电池的工作原理示意图RLI---mAV+++

PN当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。

(2）基本特性1)光谱特性故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波长λ/nm040060080010001200相对灵敏度/%光电池的光谱特性2)光照特性①不同光照射下有不同光电流和光生电动势。②短路电流在很大范围内与光强成线性关系。光电池的光照特性开路电压0.10.30.2照度/lx020004000光生电流/mA0.20.60.4光生电压/V短路电流③开路电压与光强是非线性的，且在2000lx时趋于饱和。④光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。3)频率特性硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系光电池的频率特性20406080100硒光电池硅光电池015003000450060007500相对光电流/%入射光调制频率/Hz4)温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。开路电压随温度升高而下降的速度较快。

短路电流随温度升高而缓慢增加。

因此作测量元件时应考虑进行温补。光电池的温度特性开路电压温度/℃光生电流/mA1.82.22.0光生电压/V短路电流100200300400500020406080100太阳能手机充电器太阳能供电LED警示太阳能电池小结：对于光敏电阻器，因其灵敏度高而光照特性呈非线性，一般用于自动控制中作开关元件；光敏二极管的光照特性为线性，适于做检测元件；光敏三极管即可做检测元件也可以做开关元件。元件材料不同，所能响应的峰值波长也不同。因此，应根据光谱特性来确定光源与光电器件的最佳匹配

光敏电阻器的频率特性较差，这是由于存在光电导的弛豫现象的缘故；光敏二极管的频率特性是半导体光敏元件中最好的；光敏三极管的频率特性比光敏二极管差。温度对光敏元件的暗电流有影响，因此应考虑温度补偿。不同光敏器件的响应时间有所不同，如光敏电阻较慢，约为10-1～10-3s，工业用的硅光敏二极管的响应时间为10-5～10-7s左右，光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级。五、光电式传感器应用1．带材跑偏检测仪

这种装置可以用来检测带材在加工过程中偏离正确位置的大小和方向。如图3-40所示。2023/8/20199（二）光电式烟尘浓度计工厂烟囱烟尘的排放是环境污染的重要来源，为了控制和减少烟尘的排放量，对烟尘的监测是必要的。如图3-41所示为光电式烟尘浓度计工作原理图。

（三）光电测速计工业生产中，经常需要检测工件的运动速度。图3-42所示是利用光敏元件检测运动速度的示意图和电路简图。设高频脉冲的频率f=1MHz，周期T=1μs，计数器所计脉冲为n，则可判断出物体通过已知距离S0所经历的时间为t=nT（单位为μs），则运动物体的平均速度为4、光电式转速计光电式转速传感器分为反射式和直射式两种。反射式转速传感器的工作原理如图3-43(a)所示。直射型光电转速计的工作原理见图3-43(b)

图3-43光电式转速计工作原理(a)反射式(b)直射式光电池主要有两大类型的应用：将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将太阳能转换成电能，即太阳能电池。这是人们探索新能源的一个重要研究课题。将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。光电池应用举例如下：

三、光电池应用（1）太阳能电池电源系统调节控制器太阳电池方阵直流负载逆变器交流负载发电装置：单体太阳能电池——太阳电池组件——阵列调节控制器：充放电自动控制阻塞二极管：避免蓄电池对太阳电池放电光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。（2）光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电开关下图所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。门窗防盗控制自动扶梯自动启停其他应用——对射式光电开关汽车通过检测汽车喷涂控制鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制对射式光电开关围墙监护警戒远距对射式光电开关库房卫士安全警戒扩散反射式光电开关料位控制烟雾报警带材对中控制缺料检测斜度检测扩散反射式光电开关裂缝检测镜面反