第10章-辐射式测温

传感与检测技术非接触式测温§8.1

非接触式测温上一页下一页返回

高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。 任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。 测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。 非接触测温仪表分类：光学高温计、辐射式温度计常用非接触式测温方法1热辐射基本定理2光学高温计3光电高温计4辐射温度计5比色温度计上一页下一页返回一、

热辐射基本定理

辐射换热是三种基本的热交换形式之一

波长范围：10-3m～10-8m在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线。随着温度的升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向短的方向移动，在5000C左右时。辐射光谱包括了部分可见光；到8000C时可见光大大增加，即呈现“红热”；如果到30000C时，辐射光谱包括更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度，这就是上一页下一页返回热辐射基本定理(1)热辐射的重要参数(2)辐射能的分配(3)基尔霍夫定律(4)黑体辐射定律上一页下一页返回(1)热辐射的重要参数①辐射能Q

以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，单位为焦耳(J)。②辐射能通量是辐射能随时间的变化率，又称辐射率：

(6.4.1)

其单位是瓦特(W)。③辐射强度I

在给定方向上的立体角单元内，离开点辐射源(或辐射源面单元)的辐射功率除以该立体角单元，称为该方向上的辐射强度，其单位为瓦/球面度(W/sr)。上一页下一页返回(1)热辐射的重要参数④辐射出射度M

离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，即

(6.4.2)

辐射出射度的单位为瓦/米2(W/m2)。⑤辐射亮度L和光谱辐射亮度表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为该方向的辐射亮度L。辐射亮度实际上包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量则称为在此波长下的光谱辐射亮度。上一页下一页返回(2)辐射能的分配当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射α―吸收率；τ―透射率；ρ―反射率。上一页下一页返回物体分类：

黑体（绝对黑体）： 照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射。 透明体： 照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。 镜体、白体： 照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”或者简称为“白体”。上一页下一页返回在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。一般固体和液体的τ值很小或等于零，而气体的τ值较大。对于一般工程材料来讲，τ＝0而α+ρ=1，称为灰体

从传热学角度看，可以人为制造黑体上一页下一页返回(3)基尔霍夫定律各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，和物体的性质无关，是物体的温度和发射波长的函数式中：M0(λ,T),M1(λ,T),M2(λ,T)―物体的单色(λ)辐射出射度；

α0(λ,T),α2(λ,T),α2(λ,T)―物体的单色(λ)吸收率。上一页下一页返回若物体A0绝对黑体，那么α0(λ,T)，根据基氏定律物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样的温度下，相同波长时的辐射出射度。这是基氏定律的另一种说法。设M(λ,T)为物体A在波长为λ

，温度为T下的辐射出射度。式中，ε称为物体A的单色辐射率，或称为单色黑度系数。它表明了在一定的温度和波长下，物体A的辐射出射度与相同温度和波长下黑体的辐射出射度之比。基尔霍夫定律说明，物体的辐射能力与它的吸收能力是相同的上一页下一页返回在全波长内，任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射出射度在全波长内的积分式中，A(T)－物体A在温度T下的全吸收率，

M0(T)－黑体在温度T下的全辐射出射度。基氏定律的积分形式为它表明了在一定的温度T下，物体A的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射度之比。一般物体的εT<1，εT越接近1,表明它与黑体的辐射能力越接近。上一页下一页返回(4)黑体辐射定律①普朗克定律(单色辐射强度定律)②维恩公式③斯蒂芬－波尔兹曼定律（全辐射强度定律，也称为四次方定律）上一页下一页返回①普朗克定律(单色辐射强度定律)温度为T的单位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为λ的辐射出射度为式中，c―光速；

h―普朗克常数，6.626176×10-34J·s；

k―波尔兹曼常数，1.38066244×10-23J/K；

C1―第一辐射常数，＝3.7418×10-16W·m2；

C2―第二辐射常数，＝1.4388×10-12m·K；

T―绝对温度。公式结构比较复杂，但是它对于低温与高温都是适用的上一页下一页返回②维恩公式理论上说明了黑体在各种温度下能量、波长分布的规律公式简单，但是仅适用于不超过3000K的温度范围黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波长一定时，黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，即上式就是光学高温计和比色高温计测温的理论根据

上一页下一页返回③斯蒂芬－波尔兹曼定律

（全辐射强度定律，四次方定律）温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比。式中，σ―斯蒂芬－波尔兹曼常数，5.66961×10-3W/(m2·K4)。上式就是辐射式温度计测温的理论根据。全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。上一页下一页返回二、光学高温计

精密光学高温计用于科学实验中的精密测试；

标准光学高温计用于量值的传递，例如，在物质熔点、热容量和相变点的测定中使用。 光学高温计可用来测量800～32000C的高温。 由于采用用肉眼进行色度比较，所以测量误差与人的经验有关。 光学高温计测量的温度称为亮度温度(TL)，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。上一页下一页返回工业用光学高温计分类隐丝式 利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。恒定亮度式 利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所以应用广泛。上一页下一页返回隐丝式光学高温计光学系统 红色滤波片，造成一个较窄的有效波长 吸收玻璃，目的是扩展量程 目镜和物镜是一套光学系统电测系统包括指示仪表、灯泡、电源和调节电阻四部分。光学高温灯泡：标准辐射源 电源、调节电阻和指示仪表组成测量电路原理一般有电压表式，电流表式以及不平衡电桥和平衡电桥式四种。上一页下一页返回WGG2-201型光学高温计1－物镜；2－吸收玻璃；3－灯泡；4－红色滤波片；5－目镜；6－指示仪器；7－滑线电阻；E－电源；K－开关；R1－刻线调整电阻上一页下一页返回亮度温度

为了校正光学高温计测量非黑体的温度比真实温度偏低的偏差。定义：当被测物体为非黑体，在同一波长下的光谱辐射亮度同绝对黑体的光谱辐射亮度相等时，则黑体的温度称为被测物体在波长为λ时的亮度温度。左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度上一页下一页返回根据维恩公式有对上式两边取对数，并加以整理，得式中，ελT―被测物体在温度为T，波长为时的单色黑度系数；

T―被测物体的真实温度；

TL―被测物体的亮度温度。已知物体的单色黑度系数，就可以通过亮度温度求出物体的真实温度。上一页下一页返回三、

光电高温计光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能进行连续测量和记录，当被测温度低于8000C时，光学高温计对亮度无法进行平衡。光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上发展起来的一种新型测温仪表。它采用新型的光电器件，自动进行平衡，达到连续测量的目的。上一页下一页返回主要特点：①采用光敏电阻或者光电池作为感受辐射源的敏感元件来代替人眼的观察；②采用一参考辐射源与被测物体进行亮度比较，由光敏元件和电子放大器组成鉴别和调整环节，使参考辐射源在选定的波长范围内的亮度自动跟踪被测物体的辐射亮度，当达到平衡时即可得到测量值；③在平衡式测量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有变化，对测量结果影响较小，参考辐射源选用钨丝灯泡，能保持较高的稳定性，因此具有较高的精度和连续测量的特性；④设计了手动值修正环节，可显示物体的真实温度；⑤采用新型光敏元件，测量范围宽，约为200～16000C。上一页下一页返回WDL-31型光电高温计的工作原理1－物镜；2－同步信号发生器；3－调制镜；4－微电机；5－反光镜；6－聚光镜；7－参比灯；8－探测元件上一页下一页返回(1)瞄准光路由物镜对0.5m～处被测物体调焦成像在分划板上。通过目镜组可清晰地观察到被测物体的瞄准部位1－调制镜；2－微电机；3－反光镜；4－可变光阑；5－聚光镜组；6－参比灯；7-目镜组8、9-保护窗；10－物镜；11-入射光瞳；12-衰减玻璃；13－探测元件；14-滤光片；15-保护光阑；16-分划板；17－透镜玻璃；18-出射光阑；19-保护玻璃上一页下一页返回(2)工作原理为了减少硅光电池性能参数的变化及电源电压波动对测量结果的影响，WDL型光电高温计采用负反馈原理进行工作。

首先利用硅光电池将被测对象与标准灯泡的亮度分别转换为电信号，再经放大或送往检测系统进行测量、比较。当两个电信号之差等于零，即说明被测对象与标准灯泡的光谱辐射亮度LA.和LB相等,则标准灯泡的亮度温度即为被测对象的亮度温度。四、

辐射温度计根据全辐射强度定理，即物体的总辐射强度与物体温度的四次方成正比的关系来进行测量的。

组成：辐射感温器和显示仪表两部分 可用于测量400～20000C的高温，多为现场安装式结构。为适应现场高温环境的要求，可在辐射感温器外加装水冷夹套。辐射高温计测量的温度称为辐射温度，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。上一页下一页返回WFT-202型辐射感温器结构1－物镜；2－外壳；3－补偿光阑；4－座架；5－热电堆；6－接线柱；7－穿线套；8－盖；9－目镜；10－校正片；11－小齿轴上一页下一页返回辐射温度

对于辐射式温度计，它是以绝对黑体的辐射能为基准对仪器进行分度的，所以仪器测出的值称为辐射温度。 辐射温度的定义：黑体的总辐射能等于非黑体的总辐射能时，此黑体的温度即为非黑体的辐射温度。根据全辐射强度定理，总辐射能相等，则有：因为非黑体εT<1，则TF<T因此用辐射温度计测出的温度要比物体的真实温度低。上一页下一页返回辐射温度计由辐射感温器、显示仪表及辅助装置构成，其工作原理：被测物体的热辐射能量，经物镜聚集在热电堆（由一组微细的热电偶串联而成）上并转换成热电势输出，其值与被测物体的表面温度成正比，用显示仪表进行指示记录。五、

比色温度计

原理：通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度。

特点：准确度高，响应快，可观察小目标(最小可到2mm)。 因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数的数值相差很大，但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数和来说，其比值的变化却很小。所以用比色温度计测得的温度称为比色温度，它与物体的真实温度很接近，一般可以不进行校正。上一页下一页返回比色温度计比色温度计原理结构上一页下一页返回§8.2光电检测技术1.光敏电阻(LDR)WhenLDRwasexposedtolight,itgotalowerresistancevalue,thephenomenoniscalledInternalphotoelectriceffect(内光电效应)(当光敏电阻受到光照时，阻值减小。)

DemoofLDR当光敏电阻(LDR)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(Darkcurrent)（越小越好）2.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（lightcurrent）与照度（illuminationintensity)成正比。不同的外部形式的光敏二极管光敏二极管阵列

光敏二极管的反向偏置接法

在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。

演示的反向偏压连接光敏二极管和光电特性

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。

BackwardbiasconnectionofphotosensitivediodeUO+—

light3.PhotosensitiveTriode(光敏三极管)

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。)

ExternalformsofPhotosensitiveTriodes

(光敏三极管外形

)InternalstructureofPhotosensitiveTriodes(光敏三极管内部结构)

a)

internalstructureb)管芯结构c）结构简化图

1—pinofcollectorjunction(集电极引脚)7—N-typecollectorregion(N型集电区)

2—管芯8—SiO2保护圈

3—shell(外壳)9—collectorjunction(集电结)4—collectingglassmirror(玻璃聚光镜)10—P-typebaseregion(P型基区)5—pinofemitterjunction(发射极引脚)11—(N-typeemitterregion)N型发射区

6—N+substrate(N+衬底)12—emitterjunction(发射结)

Photoelectriccharacteristic0Light

photocurrent(光电流)PhotosensitiveTriode(光敏三极管)Photosensitivediode(光敏二极管)3000lx4mA请判断灵敏度的高低0.3mA请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流IΦ

IΦE4.Photoelectriccomponent（光电元件)basedonphotovoltaiceffect

（光生伏特效应）

——photocell(光电池)

在N型衬底(substrate)上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子(incidentphoton)的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。

ExternalformsofphotocellsPhotosensitivesurface能提供较大电流的大面积光电池外形OtherphotocellsandApplicationinilluminationintensitymeasuring(其他光电池及在照度测量中的应用)柔光罩下面为圆形光电池Photocell---Applicationinpower-relatedfield(光电池在动力方面的应用)Solar-poweredcars(太阳能赛车）Amodelofsolar-poweredmotor太阳能电动机模型Solarsiliconphotocellpanels(太阳能硅光电池板)Photocell---Applicationinpower-relatedfield(光电池在动力方面的应用)Solarelectricalenergygeneration(太阳能发电）Photocell---Applicationinpower-relatedfield(光电池在动力方面的应用)Applicationinman-madesatellitesPhotoelectriccharacteristicofphotocell

光电池的光电特性

photoelectriccharacteristicsofatypicalsiliconphotocell(硅光电池）

1—curveofopencircuitvoltage2—curveofshortcircuitcurrentOpencircuitvoltage(开路电压)beingalogarithmicperformanceShortcircuitcurrent(短路电流)beinga

linearperformanceII.Applicationcircuitofphotoelectriccomponent

(光电元件的基本应用电路

)1.Basicapplicationcircuitofphotosensitiveresistor(光敏电阻的基本应用电路)

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

2.Applicationcircuitofphotocell

——shortcircuitcurrentmeasuringcircuitof

photocell(光电池短路电流测量电路)

outputvoltageUoisproportionaltophotocurrentIΦinI/Uchange-overcircuit.

转换电路的输出电压Uo与光电流IΦ成正比。若光电池用于微光测量时，IΦ可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。

Applicationofphotoelectricsensor

(光电传感器的应用)

1.光源本身是被测物的应用实例光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计（Illuminometer)来测量。光电池（外加柔光罩）

Infraredradiationthermometer

(红外线辐射温度计)

Infraredradiationthermometercanbeusedformeasuringhightemperatureaswellaslowtemperaturebelowthefreezingpoint,itisthedevelopmentaltendencyofradiationthermometer.Infraredradiationthermometersonsalecanmeasurethetemperaturebetweenminus30degreesCelsiusand3000degreesCelsius,manyspecificationsareprovidedandyoucanchoosetherighttypeaccordingtoyourrequest.(红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-30℃~3000℃，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。）Eternalformsofinfraredradiationthermometers

(红外线辐射温度计外形)

laser

(激光）

is

onlyusedforaimingEternalformsofinfraredradiationthermometers

(红外线辐射温度计外形)

usedtomeasurefoodstemperatureInfraredradiationthermometer

--applicationsinnon-contactbodytemperature

measuring(非接触体温测量中的应用）耳温仪

Infraredradiationthermometer

--Applicationinmeasuringforehead

temperature红外辐射温度计

Infraredradiationthermometer--Applicationin

non-contacttemperature

measuring(非接触温度测量中的应用）集成IC温度测量利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）Temperatureacquisitionsystem(温度采集系统)(2)Pyroelectricopticaltransducer

（热释电传感器)

---Applicationinbodydetectionandalarm

systems热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。

热释电元件外形Pyroelectricopticaltransducer（热释电传感器）

热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等……

InteriorcircuitofpyroelectricopticaltransducerSeries-opposingconnection(反向串联）

oftwopyroelectricopticalmicro-chips.(两块反向串联的热释电晶片)Field-effecttube(场效应管)Operationalprincipleofpyroelectricopticaltransducer(热释电传感器工作原理)热释电晶片(pyroelectricopticalmicro-chips)表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜(Fresnellens)，每一透镜单元都只有一个不大的视场角(angleoffield)，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号(agroupofACpulsesignals)。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。

ExternalformofFresnellens(菲涅尔透镜)

传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。PyroelectricopticalkitPyroelectricopticalAlarm(热释电报警器)

Fresnellens设定按钮高分贝喇叭Pyroelectricopticalalarm(热释电报警器)

（续）

FresnellensΦ5mm接插件pyroelectricopticalalarm(热释电报警器)（续）

ceiling-mountedpyroelectricopticalalarm(吸顶式热释电报警器)Applicationofpyroelectricopticaltransducer热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗热释电传感器的感应范围Pyroelectricopticalsenselight(热释电感应灯)PyroelectricopticaltransducerAutomaticsenselight(自动感应灯)

（参考施特朗公司资料）Pyroelectricopticaltransducer---applicationin

intelligentair-conditioner

智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。

空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。上下范围左右范围OperationalprincipleofphotoelectricNephelometer(光电式浊度计)1—constantcurrentsource(恒流源)5—watersampletobemeasured(被测水样)

2—semiconductorlaser(半导体激光器)6、9—photocell(光电池）3—半反半透镜

7、10—I/Uconverter(电流/电压转换器)

4—reflectingmirror(反射镜)8—standardwatersample(标准水样)

参比通道

2.smokedetector/alarm

（参考南京千里通公司无线烟雾报警器资料）

无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。

smoke报警Internalstructureofwirelesssmokedetector

(无线烟雾报警器内部结构)

可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器(buzzer)无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。无线发射器的报警距离在空旷地可以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到20米。3被测物体反射光通量(Luminousflux)的应用实例

(1)反射式烟雾报警器

(reflexsmokedetector)在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（diffusereflection)（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。

(2)photoelectrictachometer(光电式转速表)

光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。

n=60(f/z)

水泵转速测量Externalformofphotoelectrictachometer(3)色标传感器

色饱和图(colorsaturation)色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。人眼对各色光的敏感程度产品包装色彩检测、分选（4）光电自动门Photoelectricsensorofautomaticdoor(自动门光电传感器)放大图有效检测区域4被测物遮挡光通量的应用实例

（1）光电式带材跑偏检测器

光电传感器带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。

当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。

光电开关在流水线(productionline)上的应用送料器定区域式光电开关Coffeecan流水线运行方向罐装高度检测储料仓(bunker)落料口遮断式光电开关（计数）定区域反射式光电开关原理定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域（detectingarea)，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。检测距离检测距离反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜集发射、接收器于一身反射镜反射型光电开关工作原理反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。反射板反射镜(reflector)被测物体偏振光(polarizedlight)发射光(emittedlight)被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线(rayofdiffusereflection)反射光线(Reflectionray)被检测物体光发射器(lightemitter)和光接受器(lightreceiver)发射光线(rayofincidentlight)

漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。额定距离(nominaldistance)智能化光电开关的自学习过程示意图阈值开关学习指示灯设定距离安装距离表面反射率(surfacealbedo)对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。Applicationofphotoelectricswitch(光电开关应用)（续）透明度测量、控制质量检测Applicationofphotoelectricswitch(光电开关应用)（续）加工控制Applicationofphotoelectricswitch(光电开关应用)（续）机械手定位Applicationofphotoelectricswitch(光电开关应用)（续）商标方向检测（4）光电断续器(photoelectricinterrupter)光电断续器可分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测。反射式光电断续器光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。光电断续器的发光二极管可以直接用直流电驱动，亦可用40kHz尖脉冲电流驱动；红外LED的正向压降约为1.1~1.3V，驱动电流控制在20mA以内。光电断续器外形光电断续器外形（续）红色光柱

齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。Applicationofphotoelectricinterruptern

当工件经过光电断续器时，接收器即产生一个计数脉冲。Applicationofphotoelectricinterrupter（续）光电传感器的其他用途（续）断裂检测电梯自动运行条件判断一、Halleffectsensor

Inthischapter,wewilllearntheworkingtheoryofHalleffectsensor,thecharacteristicofHalleffectsensoranditsapplications.A4-portHalleffectcomponent§8.3霍尔检测技术Structureandworkingtheory

ofHalleffectcomponent

TheHalleffectconsistsofthegenerationofadifferenceinelectricpotentialacrossacurrent-carryingconductororsemiconductorwhileinamagneticfieldperpendiculartothecurrent.EdwinH.Halldiscoveredthiseffectingoldin1879.

磁感应强度B为零时的情况cdabUH=0

IncreasetheappliedmagneticfieldB,theHallvoltageUHincreases.UH=KHIB

i:primarycurrent.

UHDemoofHalleffect当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力(LorentzForce)的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势(Hallelectricpotential)cdabUH磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度

时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，这时的霍尔电势为

UH=KHIBcos

结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。

霍尔元件的主要外特性参数

最大磁感应强度BM

上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？（1T=10000G）线性区霍尔元件的主要外特性参数（续）

最大激励电流IM:由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。

II.HalleffectIC(霍尔集成电路)

霍尔集成电路可分为线性型(linear)和开关型(on-off)两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路线性型霍尔特性右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。请画出线性范围开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OC门施密特触发电路双端输入、单端输出运放霍尔元件.VccCharacteristicofOn-offHallIC(开关型霍尔集成电路的史密特输出特性)

磁滞（回差）（hysteresis)越大，抗振动干扰能力就越强。

当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？IIIApplicationofHalleffectsensor

(霍尔传感器的应用)