常用传感器与敏感元件PPT.ppt

第三章 常用传感器与敏感元件,传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节。,被测机械量与之相应的易于传输、识别、处理的电信号的装置,转化为,完成本章内容的学习后应能做到：1.了解各种传感器的工作原理、测量电路、特性和应用实例；根据被测物理量的特点较合理选用传感器。2.重点了解常用传感器的检测方法，关注其它传感检测方法（包括化工、生物等领域），拓宽获取信息的思路。难点：合理选用传感器。,第三章 常用传感器与敏感元件,一、传感器技术发展史,1、产业革命,2、传感器技术已成为我国国民经济不可或缺的支柱产业的一部分。,3、传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。,第一节 常用传感器分类,4、借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。,5、从八十年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热”。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。每国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。,第三章 常用传感器与敏感元件,二、传感器的作用,从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。,在一个自动化系统中，首先要能检测到信息，才能去进行自动控制，因此传感器是首当其冲的装置。,三、传感器的组成,传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成。,敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。一般把信号调理与转换电路归为辅助器件,例：,智能传感器 具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。,四、常用传感器的分类,物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。,结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。,能量转换型：直接由被测对象输入能量，如：热电偶温度计 直接测量，易误差 也称无源传感器 能量控制型：从外部供给辅助能量，如：电阻应变计中电阻接于电桥上 也称有源传感器,按敏感组件与被测对象之间的能量关系,主要发展动向：一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺。二是实现传感器的智能化,五、传感器的发展方向,用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种 用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。,(2)传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。,(3)发展智能型传感器。,第二节 机械式传感器及仪器,敏感组件：弹性体 输入：力，压力，温度等 输出：弹性组件本身的变形 特点：简单、可靠、使用方便，价低，读 数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜：检测缓变或静态被测量,敏感元件：直接感受被测物理量,弹性后效：是指载荷在停止变化之后，弹性元件在一 段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移,蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随 时间缓慢增长的现象,a)测力计,b)压力计,c)温度计,图 微型探测开关,可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等,第三节 电阻式传感器,一、变阻器式传感器,位移电阻变化,若被测量：,要求：,为使输出的阻值：,骨架当触点在x处时：,：任一位置微小区间内的电阻,所以:骨架形状应为三角形,后接电路：电阻分压电路,时,变阻器式传感器的优点：简单、性能稳定、使用方便缺点：分辨力低，20微米，噪音较大应用：测线位移，角位移,电阻式传感器应用,案例1：重量的自动检测-配料设备,原理：用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化,二电阻应变式传感器 应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等 特点：体积小、动态响应快、精度高、使用方便,（一）金属电阻应变片传感器,工作原理：应变片发生机械变形时引起电阻值变化应变片工作时：粘固在被测物表面上或弹性体上,丝式：康铜或镍铬合金直径0.025mm,几何参数：栅长L和栅宽b，制造厂常用bL表示。,箔式：线条均匀，尺寸准确，粘结情况好，传递试件应变性能好,工作原理：,弹性模量,与材质有关,对于电阻丝：,金属应变片有：丝式、箔式 优点：稳定性和温度特性好 缺点：灵敏度系数小,（二）半导体应变片,工作原理：半导体材料的压阻效应,压阻效应：单晶半导体材料在 沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率 发生较大变化,对半导体：,很小，可略去,灵敏度：,较金属丝电阻应变片大5070倍,金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：,前者利用导体形变引起阻值的变化，后者利用半导体电阻率变化引起阻值的变化。,半导体应变片优点：,灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小,缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大（晶向、杂质 等因素影响），非线性误差大,（三）电阻应变式传感器的应用,直接测结构的应变或应力,将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等,弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由 转变为 的变化，再由后续电路转变为电压的变化,注意：1）应变片的粘接 粘合剂的选择与粘合技术 2）温度的影响，温度补偿 采取适当的温度补偿措施 3）用于动态测量时，要注意应变片的上限 测量频率 一般上限测量频率应在电桥激励电源频 率的五分之一至十分之一以下 基长越短，上限测量频率可以愈高,应用,案例1：桥梁固有频率测量,原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,案例2：电子称,原理：将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,应变片有如下的优点：测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测12，误差小于1。应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量 测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从12。适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。便于多点测量、远距离测量和遥测。价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量各种物理量。,一、变换原理:,被测量电容量的变化,（一）极距变化型,1.工作原理：,第四节 电容式传感器,2.特点：,非接触动态测量,灵敏度高,测较小位移（达0.01),线性误差，杂散电容对灵敏度及测量精度的影响，电子线路复杂；,灵敏度：,(二)面积变化型,角位移型 平面线位移型 圆柱体线位移型,面积变化型传感器的特点：,灵敏度较低,适：较大直线位移及角位移的测量,(三)介质变化型,变 C 变,测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。,二、测量电路,电桥型电路,2.直流极化电路,3.谐振电路：,4.调频电路,5.运算放大器：,电容式传感器应用,案例1：电容传声器,案例2:转速测量,第五节 电感式传感器,、自感型,(一)可变磁阻式,原理：线圈自感量：,当 较小，且不考虑磁路的铁损，,因：铁心磁阻 空气隙的磁阻,灵敏度,所以存在线性误差,时：,此传感器适：测较小位移，约为 0.0011 mm,其它几种常用的可变磁阻式传感器：,面积变化型,机械量,S:较低,2.差动型：初始状态：x=0,将两线圈接于电桥的相邻桥臂，,输出灵敏度 提高一倍，并改善了线性特征,差动连接：,3.单螺管型：灵敏度低 适：较大位移（数毫米）测量,4双螺管线圈差动型：较单螺管型灵敏度 提高一倍，较好的线性,测量范围:0300,分辨力:0.5,(一)涡电流式传感器,涡电流效应：,变换原理：金属导体在交变磁场中的涡电流效应,影响高频线圈阻抗 Z、自感L的因素,1.线圈与金属 2.金属板的 3.金属板的 4.线圈激磁,板间距离,电阻率,磁导率,圆频率,测：位移,振动,厚度,测：材质,探伤,测量电路：,阻抗分压式调幅电路：,变电感 L 变电压u变,涡电流传感器的特点：,动态非接触测量范围:,1mm,10 mm,分辨力：1,简单，使用方便，不受油液等介质的影响；,应用：位移，振动，测厚，探伤，材质鉴别，径向摆动，回转轴误差，转速，零件计数，表面裂纹，缺陷等；,二、互感型差动变压器式电感传感器,工作原理：电磁感应中的互感现象,感应电动势：,M：互感系数（H）,M:大小与相对位置，介质的导磁能力，线圈形状、大小、匝数有关 表明：两线圈之间的耦合程度；,螺管型差动变压器传感器,1.工作原理：,2.测量电路：注意：零点残余电压的补偿；,位移正负的判断：相敏检波,3.特点：精度高，可达0.1,线性范围大:达,100,稳定性好，使用方便,4.适于：测直线位移，压力，重量等,螺管型差动变压器传感器,当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。,第六节 磁电式传感器,被测物理量 感应电动势,原理：感应电动势,影响磁通量 的因素,.动圈式,线速度型,感应电动势：,惯性式速度计,2.角速度型,感应电动势：,转速测量,动圈式磁电传感器测量电路：,Z0为线圈电阻，一般Z0=0.1 3K；RL为负载电阻（放大器输入电阻）；Cc为电缆导线的分布电容，一般Cc=70pF/m；Rc为电缆导线电阻，一般Rc=0.03/m。,二.磁阻式传感器,工作原理：线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻，引起磁力 线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。,应用：测频数，转速，偏心测量，振动测量,特点：简单，方便,应用,b)测速电机,a)磁电式车测速传感器,磁电式传感器,变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。,第七节 压电式传感器,应用：力，压力，加速度的测量,工作原理：某些物质的压电效应,一.压电效应,压电效应 逆压电效应压电材料：石英，钛酸钡等,zz:光轴xx:电轴 yy:机械轴,电荷量：,：压电系数，与材质与切片方向有关,：作用力,二、压电式传感器极其等效电路,压电传感器：电荷发生器，又是一个电容器,压电传感器宜：动态测量,实际使用时芯片的连接：,并联：电容大，电荷量 大，时间常数大；适：缓变信号,串联：电容小，输出 电压大；适：以电压输出,压电芯片及等效电路：,：电缆寄生电容,：后续电路的输入 阻抗和传感器中的漏 电阻所形成的泄漏电阻；,三、测量电路,前置放大器 的作用,不同前置放大器的特点：,压电式传感器的应用:测力、压力、振动的加速度,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,压电式传感器,第八节 光电传感器,一 概述 二 外光电效应器件 三 内光电效应器件 四 新型光电传感器 五 光敏传感器的应用举例,光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。,(1)零件的识别与定位,领域：工业、农业、航天、军事等,1、工业检测,例：双目立体视觉检测系统 简单视觉的机器人系统,自动连接引线、对准芯片和封装；,自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自动浇注系统等。,应用,一 概 述,(2)零件尺寸的在线测量,(3)零件外观及内部缺陷检测,芯片定位,芯片管脚检测,钢板厚度的在线测量,(4)产品分类、分组,(5)产品标识、编码识别,苹果分级、分色、配色,商品条码、印鉴、标签,“手-眼”定位：两个摄像机-两幅平面图像-三维场景信息,用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航 无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人,实例：美国Sojourner系列和Rocky系列火星探测移动机器人,2、机器人导航,“机遇”号火星车拍摄火星土壤的显微照片,“勇气”号火星车发回的彩色照片,美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人,3、生物医学图像分析,（1）医学临床诊断：X射线、B超、CT、核磁共振（MRI）,医学影像融合分析,细胞个数统计,CT图像,自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象,三维人体扫描,（2）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析,叶片细胞显微放大图片,转基因大豆孢子,例：水果分类；发芽土豆；杂草识别,4、遥感图像分析：,卫星遥感图像-气象卫星（红外成象-云图-气象状况）资源卫星（多光谱成象-地质、矿藏、森林、灾害）海洋卫星（合成孔径雷达成象-海洋、海浪、海滩）,航空摄影图像-（多目成象-大地测量、测绘）,交通-车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测,安全-指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）,5、监控、安防、交通管理：,6、军事与国防：,超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象,7、办公与家电：,办公设备-数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器-数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃,（一）光谱光波：波长为10106nm的电磁波可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm，波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线，红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。,波数/cm-1,频率/Hz,光子能量/eV,106,105,104,103,5105,5104,5103,1015,51014,1014,51013,100,10,1,50,5,0.5,51015,1016,31018,光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz，的单位为cm。,=31010cm/s,(二)光源（发光器件）1、钨丝白炽灯 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。,2、气体放电灯 定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。,3、发光二极管LED（Light Emitting Diode）由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。,电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则,普朗克常数h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。,hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于,h c/=1.8 eV,普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。,通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使在550900nm间变化，它已经进入红外区。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。,表4.1-1 LED材料,发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。,U/V,I/mA,注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。,-10,-5,0,1,2,GaAsP(红),GaAsP(绿),发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,0,600,700,800,900,1000,GaAsP,p=670nm,p=655nm,GaAsP,p=565nm,GaP,p=950nm,GaAs,发光二极管的光谱特性,/nm,相对灵敏度,4、激光器 激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。,激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。,（1）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。,（2）气体激光器 工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。,（3）半导体激光器 与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。,（4）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。,(三)光电效应 是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类,1、外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。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。,光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：,E=h,h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）,根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理 式中 m电子质量；v0电子逸出速度。,该方程称为爱因斯坦光电效应方程。,光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。,当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，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：（1）光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,2、内光电效应,过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,（2）光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。势垒效应（结光电效应）。接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。,侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。,利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。,二 外光电效应器件,（一）光电管及其基本特性,光电管的结构示意图,光,阳极,光电阴极,光窗,1.结构与工作原理,光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。,（二）光电倍增管,当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几A，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。,由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子。,103,104,105,106,25,50,75,100,125,极间电压/V,放大倍数,光电倍增管的特性曲线,利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件。常见的有光敏电阻光电池和光敏晶体管等。,三 内光电效应器件,(一）光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。,1.光敏电阻的工作原理和结构,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。,1-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。,RG,1,2,3,4,5,6,7,(a)结构,(b)电极,(c)符号,图（c）是光敏电阻的代表符号。,CdS光敏电阻的结构和符号,光敏电阻常用的半导体材料有：硫化镉(CdS，Eg=2.4eV硒化镉(CdSe，Eg=1.8eV)。,光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示，,光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。,2.光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。光电流：亮电流与暗电流之差。,光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。,（2）光照特性,下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。,不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。,（3）光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,（4）伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。,但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,（5）频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，,f/Hz,电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。,（6）稳定性 图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。,光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。,（7）温度特性 其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,二、光电池,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。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。命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。,硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。,硅光电池的结构如图所示。工作原理：它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。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。,1.光电池的结构和工作原理,若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。,I,U,Id,U,I,RL,I,(a),(b),(c),图 光电池符号和基本工作电路,20,40,60,80,100,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0.2,I/%,1,2,/m,(2)光谱特性 光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,1硒光电池2硅光电池,(3)频率特性 光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。,20,40,60,80,100,0,I/%,1,2,3,4,5,1,2,f/kHz,1硒光电池2硅光电池,（4）温度特性 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,20,0,40,60,90,40,60,UOC/mV,T/C,ISC,UOC,ISC/A,600,400,200,UOC开路电压,ISC 短路电流,硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线,三、光敏二极管和光敏三极管 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。,国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线。2DU系列光电二极管有三条引线。,1.光敏二极管 光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,P,N,光,光敏二极管符号,RL,光,P,N,光敏二极管接线,光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。,2.光敏三极管 光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图所示。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益，只是它的发射极一边做的很大，以扩大光的照射面积，且其基极不接引线。,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,RL,E,e,c,工作原理：当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便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倍。,光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,（1）光谱特性,相对灵敏度/%,硅,锗,入射光,/,4000,8000,12000,16000,100,80,60,40,20,0,硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,0,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,2,4,6,20,40,60,80,光敏晶体管的伏安特性,（2）伏安特性,光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,U/V,光敏晶体管的光照特性,I/A,L/lx,200,400,600,800,1000,0,1.0,2.0,3.0,（3）光照特性 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,暗电流/mA,光电流/mA,10,20,30,40,50,60,70,T/C,25,0,50,100,0,200,300,400,10,20,30,40,50,60,70,80,T/C,光敏晶体管的温度特性,（4）温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,（5）光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,0,100,1000,500,5000,10000,20,40,60,100,80,RL=1k,RL=10k,RL=100k,入射光调制频率/HZ,相对灵敏度/%,图4.3-15光敏晶体管的频率特性,四、光电耦合器 光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。,绝缘玻璃,发光二极管,透明绝缘体,光敏三极管,塑料,发光二极管,光敏三极管,透明树脂,1.光电耦合器的结构,采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。,(a)金属密封型,(b)塑料密封型,采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结