安全检测技术第3章传感器课件.ppt

1、第3章 安全检测常用传感器v3.1 传感器的作用及分类v3.2 结构性传感器v3.3 物性传感器v3.4 其他类型传感器v3.5 传感器的选用原则3.1 传感器的作用及分类传感器的作用及分类国家标准（国家标准（GB7665-87）中传感器的定义：）中传感器的定义： 传感器：传感器：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。用输出信号的器件或装置。传感器名称：传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、换能器、探测器发送器、传送器、变送器、检测器、换能器、探测器传感器功用：传感器功用：一感二传，即感受被测信息，并传送出去。一感二传

2、，即感受被测信息，并传送出去。3.1 传感器的作用及分类传感器的作用及分类1、按工作机理：、按工作机理：物理型、化学型、生物型等物理型、化学型、生物型等 2、按构成原理：、按构成原理：结构型与物性型两大类结构型与物性型两大类 3、根据能量转换：能量控制型和能量转换型传感器、根据能量转换：能量控制型和能量转换型传感器4、按照用途分类、按照用途分类 ：位移、压力、振动、温度等传感器位移、压力、振动、温度等传感器6、根据输出信号：、根据输出信号：模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 5、根据输入输出特性、根据输入输出特性 ：线性和非线性：线性和非线性7、根据是否使用电源：有源传感器和无源传感器、根据

3、是否使用电源：有源传感器和无源传感器 传感器的分类传感器的分类1 电阻式传感器电阻式传感器AlR3.2 结构型传感器结构型传感器工作原理 金属体有一定电阻，电阻值因金属的种类而不同。AlR 如果发生应变的物体上有金属电阻，当物体伸缩时，金属体按一定比例发生伸缩，因而电阻值产生变化。3.2 结构型传感器结构型传感器2 电位器式传感器电位器式传感器iU0UlxRiUlxU0 工作时，在电阻原件两端即 端加上固定的直流工作电压，从 端就有电压输出，并且输出电压的大小与电刷的位置相关，当电刷臂随着被测量产生位移x时输出电压就发生相应的变化。0UiU应变式传感器的核心元应变式传感器的核心元件：件：电阻应

4、变片电阻应变片，试件上的，试件上的应力变化转换成电阻变化。应力变化转换成电阻变化。 应变效应应变效应: :导体或半导体在导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。现象称为应变效应。 一、工作原理一、工作原理对于一长为对于一长为L L、横截面积为、横截面积为A A、电阻率为电阻率为的金属丝，其电阻值的金属丝，其电阻值R R为为 / ALR如果对电阻丝长度作用均匀如果对电阻丝长度作用均匀应力，则应力，则、L L、A A的变化的变化(d(d

5、、dLdL、dAdA) )将引起电阻将引起电阻R R变化变化dRdR。通。通过对上式的全微分可得过对上式的全微分可得dRdR为为dAALdALdLAdR2金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF3.2 结构型传感器结构型传感器3 电阻应变式传感器3.2 结构型传感器结构型传感器若电阻丝是圆形的，则若电阻丝是圆形的，则A=rA=r , ,对对r r 微分得微分得dA=2r drdA=2r dr，则，则 在弹性范围内金属丝受拉力在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为则轴向应变和径向应变的关系为y=-x为

6、金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。定义：定义：K KS S为金属丝的灵敏系为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化，则有的相对变化，则有金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF 222rdrrrdrAdA金属的径向应变金属的轴向应变令yxrdrLdL/ / xxSdRdRK/)21 (/一、工作原理一、工作原理根据应力根据应力和应变和应变的关系的关系: 应力应力=E， 应变应变dR，dR。金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FFxxSdRdRK/)21 (/确定的确定的金属金属材料，材料，(1

7、+2)项项是常数，其数值约在是常数，其数值约在12之间，之间，实验证明实验证明d/x 也是常数。也是常数。 / xSxSRdRKKRdR，金属的电阻相对变化与应金属的电阻相对变化与应变成正比关系。变成正比关系。通过弹性元件通过弹性元件，可，可将应力转将应力转换为应变，这是换为应变，这是应变式传感器测应变式传感器测量应量应力力的基本原理的基本原理。3.2 结构型传感器结构型传感器一、工作原理一、工作原理二、测量电路二、测量电路 4332110RRRRRREUERRRRRRRRRRU)1)(1 (34121134110 433211110RRRRRRRREU3.2 结构型传感器结构型传感器二、测量

8、电路二、测量电路01120U1RRnnEU21101nnERRUKUEKU41max3.2 结构型传感器结构型传感器3.2 结构型传感器结构型传感器4 电容式传感器3.2 结构型传感器结构型传感器3.2 结构型传感器结构型传感器电容极板间介质的介电常数，电容极板间介质的介电常数，0为为真空介电常数，真空介电常数，r极板间介质的相对介极板间介质的相对介电常数；电常数；A两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积；d两两平行板之间的距离。平行板之间的距离。 两个平行金属板组成的平板电容器，两个平行金属板组成的平板电容器，不考虑边缘效应时电容量为不考虑边缘效应时电容量为 一、基本工作原理一、基本工作

9、原理dAdACr0d d极板极板1极板极板2被测参数变化被测参数变化A、d或或发生变化发生变化时，电容量时，电容量C也随之变化也随之变化。仅 改 变 一 个 参仅 改 变 一 个 参数，该参数的数，该参数的变化可变化可转 换 为 电 容 量 的 变转 换 为 电 容 量 的 变化，通过测量电路就化，通过测量电路就可转换为电量输出。可转换为电量输出。3.2 结构型传感器结构型传感器若电容器极板间距离由初始若电容器极板间距离由初始值值d0缩小了缩小了d，电容量增大了，电容量增大了C，则有则有200000000111 ddddCddCddSCCCrd/d01时，时，1-(d/d0)21，则，则000

10、ddCCCC与与d近似呈线性关系。变极距近似呈线性关系。变极距型电容式传感器只有在型电容式传感器只有在d/d0很小很小时，才有近似的线性关系。时，才有近似的线性关系。二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器3.2 结构型传感器结构型传感器电容的相对变化量为电容的相对变化量为 0011ddCC当当|d/d0|1时，级数展开有时，级数展开有 输出电容的相对变化量与输输出电容的相对变化量与输入位移之间成非线性关系入位移之间成非线性关系。传感器的相对非线性误差：传感器的相对非线性误差： 30200001ddddddddCC%100%100|/|)/(0020dddddd二、变极距型电容传感器二、变

11、极距型电容传感器3.2 结构型传感器结构型传感器电容传感器的灵敏度为电容传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器001/ddCCK单位输入位移所引起的输出单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与电容相对变化的大小与d0呈反比呈反比关系。关系。 当当|d/d0|1时有近似线性关时有近似线性关系系 00ddCC要提高灵敏度，应减小起始要提高灵敏度，应减小起始间隙间隙d0，但非线性误差却随着，但非线性误差却随着d0的减小而增大。的减小而增大。 一般变极板间距离电容式传一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在感器的起始电容在20100pF之间，之间，极板间距离在极板间距离在25

12、200m的范围内。的范围内。最大位移应小于间距的最大位移应小于间距的1/10。变极距电容式传感器在微位变极距电容式传感器在微位移测量中应用最广。移测量中应用最广。 3.2 结构型传感器结构型传感器在差动式平板电容器中，当动极在差动式平板电容器中，当动极板位移板位移d时，电容器时，电容器C1的间隙的间隙d1变为变为d0-d，电容器，电容器C2的间隙的间隙d2变为变为d0+d，则则 三、差动变极距型电容传感器三、差动变极距型电容传感器在实际应用中，为了提高灵敏度，在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结减小非线性误差，大都采用差动式结构。构。002001/11/11ddCCd

13、dCCC1 d1C2 d23.2 结构型传感器结构型传感器三、差动变极距型电容传感器三、差动变极距型电容传感器C1 d1C2 d2电容值相对变化量为电容值相对变化量为 40200012ddddddCC 503000212ddddddCCCC002ddCC略去高次项，则略去高次项，则C/C0与与d/d0近似线性关系为近似线性关系为电容值总的变化量为电容值总的变化量为 差动式传感器的灵敏度为差动式传感器的灵敏度为差动式传感器的相对非线性误差差动式传感器的相对非线性误差近似为近似为 %100%100|/|2|)/( |220030 ddddddC1 d1C2 d2002/ddCCK差动式结构的电容传

14、感器非线性差动式结构的电容传感器非线性误差大大降低，灵敏度增加了一倍。误差大大降低，灵敏度增加了一倍。 3.2 结构型传感器结构型传感器三、差动变极距型电容传感器三、差动变极距型电容传感器电容式传感器测量电路：运算放大器电路、电桥型电路、调频电路、脉冲宽度调制电路。3.2 结构型传感器结构型传感器5 电感式传感器变磁阻式传感器即自感式电感传感器：变磁阻式传感器即自感式电感传感器：利用线圈自感量的变化来实现测量的。利用线圈自感量的变化来实现测量的。传感器结构：传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部线圈、铁芯和衔铁三部分组成。分组成。线圈中电感量：线圈中电感量：MRNINL2线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁工作

15、原理：工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分，传感器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。线圈的电感量变化。因此只要能测出这种电感量的变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定就能确定衔铁位移量的大小和方向衔铁位移量的大小和方向。一、工作原理一、工作原理3.2 结构型传感器结构型传感器3.2 结构型传感器结

16、构型传感器一、工作原理一、工作原理MRNINL2RRF2202ANRNLAR02222111AlAlRFRRRFMARRm02线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁l1l23.2 结构型传感器结构型传感器变磁阻式传感器即自感式电感传感器变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：的基本类型：线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁（1 1）变气隙厚度式）变气隙厚度式（2 2）变气隙面积式）变气隙面积式螺管式螺管式线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁移动方向衔铁移动方向3.2 结构型传感器结构型传感器6 磁电式传感器磁电感应式传感器：磁电感应式传感器：利用电磁感应原理将被测利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号

17、的一种量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。传感器。无源传感器：无源传感器：不需要辅助电源，就能把被测对不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。象的机械量转换成易于测量的电信号。特点：特点：输出功率大，性能稳定，具有一定的工输出功率大，性能稳定，具有一定的工作带宽（作带宽（101000 Hz）。）。3.3 物性传感器物性传感器1 压电式传感器 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的双向有源传感器。当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲

18、击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。3.3 物性传感器物性传感器压电效应： 某些电介质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上生成符号相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。 具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英，钛酸钡等。 压电效应是可逆的。逆压电效应： 在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或叫做电致伸缩效应。3.3 物性传感器物性传感器ZXY(a)(b)ZYX一、石英晶体的压电

19、效应 石英晶体是最常用的压电晶体之一。 其化学成分为SiO2，是单晶体结构。它理想的几何形状为正六面体晶柱，如图所示。 3.3 物性传感器物性传感器 经过正六面体（两相对）棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴，如图所示。 通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”; 把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为“横向压电效应”。作用力为剪切力时称为“切向压电效应”。 3.3 物性传感器物性传感器 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等

20、效为图(b)中正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。(a)XY硅氧离子的排列示意图(a) 硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影(b)+-YX+一、石英晶体的压电效应3.3 物性传感器物性传感器 当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 当晶体受到沿X方向的压力（FX0在Y、Z方向上的电偶极矩分量为0Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0+-P1P2P3一、石英晶体的压电

21、效应3.3 物性传感器物性传感器（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+ 当晶体受到沿X方向的拉力（FX0）作用时，其 变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为在在X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。一、石英晶体的压电效应3.3 物性传感器物性传感器 可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。 晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X

22、方向产生压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。一、石英晶体的压电效应Y+-X-+FXFXP2P3P1+3.3 物性传感器物性传感器石英晶体3.3 物性传感器物性传感器3.3 物性传感器物性传感器 二、等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的

23、电容器，如图(b)。 其电容量为 qq电极压电晶体Ca(b)(a) 压电传感器的等效电路hShSCra0 当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为 因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。aaCqU qCaUaUaq/ Caq UaCaCa（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路压电传感器等效原理3.3 物性传感器物性传感器二、等效电路2 半导体敏感元件3.3 物性传感器物性传感器一、半导体热敏电阻 半导体热敏电阻是利用半导体材料的热敏特性工作的半导体电阻。它是用对温度变化极为敏感的半导

24、体材料制作成的，其电阻值随温度变化而发生极为明显的变化。半导体热敏电阻半导体热敏电阻随温度变化典型特性可分为三种类型:（1）负温度系数热敏电阻(NTC)（2）正温度系数热敏电阻(PTC)（3）临界温度热敏电阻(CTR)。 在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而急剧增大，负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而急剧减小。临界温度热敏电阻是在特定温度下电阻值发生突变。 在温度测量中，主要采用NTC，其温度特性如：)11(00TTBteRRtR0RBT ， 为温度为 和 时的热敏电阻值； 为被测温度； 为热敏电阻的材料常数。T0T热敏电阻的温度系数a定义如下a是随温度降低而迅速增大2tt

25、1TBdTdRR3.3 物性传感器物性传感器1、灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化； 2、工作温度范围宽，常温器件适用于 55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355； 3、体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度； 4、使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择； 5、易加工成复杂的形状，可大批量生产； 6、稳定性好、过载能力强 3.3 物性传感器物性传感器热敏电阻主要特点热敏电阻主要特点3.3 物性传感器物性传感器二、气敏电阻工作机理： 由于各种可燃性气体的离解能比较小

26、，容易失去电子，在遇到N型半导体时。 正常情况下，N型半导体是处于氧离子缺位的状态。因此，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，内阻减小，因此电导率增加。而对于P型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其内阻增加，电导率减小。 N型材料有型材料有SnO2、ZnO、TiO等，等，P型材料有型材料有MoO2、CrO3等。等。3.3 物性传感器物性传感器二、气敏电阻从图上可以看出： 对乙醇、乙醚和氢气的灵敏度较高，对甲烷的灵敏度最低。酒酒精测试仪精测试仪 3.3 物性传感器物性传感器家庭用煤气报警器家庭用煤气报警器家庭用液化气报警器家庭用液化气报警器一氧化碳传感器一氧

27、化碳传感器甲烷传感器甲烷传感器3.3 物性传感器物性传感器3 光电传感器光波：光波：波长波长10106nm电磁波。电磁波。可见光波长：可见光波长：380780nm；紫外线波长：紫外线波长：10380nm；红外线波长：红外线波长：780106nm。一、光的特性一、光的特性hE 光具有反射、折射、散射、衍光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。射、干涉和吸收等性质。光的粒子性：光的粒子性：光是以光速运动光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为着的粒子（光子）流，一束频率为v的光由能量相同的光子所组成，每的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为个光子的能量为光的频率愈高（即波长愈短）

28、，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。光子的能量愈大。电磁波谱图电磁波谱图3.3 物性传感器物性传感器一、光的特性一、光的特性电磁波谱图电磁波谱图3.3 物性传感器物性传感器二、光电效应二、光电效应3.3 物性传感器物性传感器外光电效应：外光电效应：物体内的电子逸物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。出物体表面向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。02021Amh（3）逸出的光电子具）逸出的光电子具有动能。有动能。（4）从光照至发射电）从光照至发射电子，时间子，时间 10-9 s。爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦

29、光电效应方程： （1）光电子能否产生，取决）光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。面电子逸出功。（2）入射光频谱成分入射光频谱成分一定时，一定时，产生的光电流和光强成正比。产生的光电流和光强成正比。3.3 物性传感器物性传感器内光电效应：内光电效应：当光照在物体上，当光照在物体上，使物体的电导率发生变化或产生光使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应。生电动势的效应。光电导效应和光生伏特效应。光电导效应和光生伏特效应。基于这种效应的光电器件基于这种效应的光电器件有光敏电阻等。有光敏电阻等。在光线作用下，电子吸收光子在光线作用下，电子吸

30、收光子能量从键合状态过度到自由状态，能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强且光辐射能量又足够强,光电材料价光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。使光导体的电导率变大。光电导效应光电导效应 h在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管等。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管等。

31、光生伏特效应光生伏特效应三、光电器件的基本特性三、光电器件的基本特性1 光电流：光敏原件的两端加上一定偏置电压后，在某种光源的特定光电流：光敏原件的两端加上一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。照度下产生或增加的电流称为光电流。2 暗电流：光敏原件在无光照时，两端加电压后产生的电流。暗电流：光敏原件在无光照时，两端加电压后产生的电流。3 光照特性：当光敏原件加一定电压时，光电流与光照度之间的关系。光照特性：当光敏原件加一定电压时，光电流与光照度之间的关系。4 光谱特性：当光敏原件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是光谱特性：当光敏原件加一定电压时，如果照射在光敏元

32、件上的是一单色光，且入射光功率不变，光电流随入射光波长变化而变化的关一单色光，且入射光功率不变，光电流随入射光波长变化而变化的关系。系。5 伏安特性：在一定照度下，光电流与光敏元件两端的电压的关系。伏安特性：在一定照度下，光电流与光敏元件两端的电压的关系。6 频率特性：在相同的电压和相同幅值的光强度下，当入射光受不同频率特性：在相同的电压和相同幅值的光强度下，当入射光受不同的正弦交变频率调制时，光敏元件输出的光电流和灵敏度随调制频率的正弦交变频率调制时，光敏元件输出的光电流和灵敏度随调制频率变化的关系。变化的关系。7 温度特性：环境温度变化后，光敏元件的光学性质也随之改变。温度特性：环境温度变

33、化后，光敏元件的光学性质也随之改变。3.3 物性传感器物性传感器四、光电管四、光电管3.3 物性传感器物性传感器光电管：外光电效应器件。光电管：外光电效应器件。光强IUout当光线照射在光敏材料上当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量大于电子的时，如果光子的能量大于电子的逸出功，会有电子逸出产生电子逸出功，会有电子逸出产生电子发射。发射。电子被带有正电的阳极吸电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻流在回路电阻RL上产生正比于电上产生正比于电流大小的压降。流大小的压降。3.3 物性传感器物性传感器光照很弱时，光电管产生的电光照很弱时，光电管产

34、生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。电倍增管。如核仪器中闪烁探测器多使用如核仪器中闪烁探测器多使用光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管光电倍增管光电倍增管工作原理：光电倍增管工作原理：利用二利用二次电子释放效应，高速电子撞击固次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。在管内进行放大。光电倍增管结构：光电倍增管结构：由阴极、次由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。次阴极（倍增电极）、阳极组成。次阴极可达阴极可达30级，通常为级，通常为1214级。级。3.3 物性传感器

35、物性传感器光敏电阻：内光电效应器件。光敏电阻：内光电效应器件。五、光敏电阻五、光敏电阻基本结构：基本结构：在玻璃底版上涂一层对在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，在半导体上覆盖一层漆膜。电极，在半导体上覆盖一层漆膜。梳状电极光电导梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AA（1 1）基本结构与工作原理）基本结构与工作原理工作原理：工作原理：光电导效应。当光敏电光电导效应。当光敏电阻受到光照时，光生电子阻受到光照时，光生电子空穴对增加，空穴对增加，阻值减小，电流增大。阻值减小，电流增大。3.3 物性传感器物性传感器（a）暗电阻、暗电

36、流、亮电阻、）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流亮电流、光电流暗电阻：暗电阻：光敏电阻在未受到光照时光敏电阻在未受到光照时的阻值，此时流过的电流为的阻值，此时流过的电流为暗电流暗电流。亮电阻：亮电阻：在受到光照时的电阻，此在受到光照时的电阻，此时的电流称为时的电流称为亮电流亮电流。光电流：光电流：亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差。五、光敏电阻五、光敏电阻（2 2）主要参数和基本特性）主要参数和基本特性)(lm入射光通量)(mA光电流光敏电阻的光照特性（b）光照特性）光照特性描述光电流与光照强度之间的关系。描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，多数是非线性

37、的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。一般用做开关式的光电转换器。3.3 物性传感器物性传感器（c）光谱特性）光谱特性光谱响应：光敏电阻灵敏度与光谱响应：光敏电阻灵敏度与入射波长有关。入射波长有关。 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关。的材料有关。 材料与相对灵敏度峰位波长：材料与相对灵敏度峰位波长：硫化镉，硫化镉，300800nm，在可见，在可见光区域，常被用作光度量测量（照光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。度计）的探头。 硫化铅，硫化铅，10002500nm，响应，响应于近红外和中红外区于近红外和中红外区, 常用做火焰常用做火焰探测器的探

38、头。探测器的探头。五、光敏电阻五、光敏电阻（2 2）主要参数和基本特性）主要参数和基本特性)(um入射光波长%相对灵敏度光敏电阻的光谱特性硫化镉硫化铊硫化铅选用时要综合考虑元件和光源选用时要综合考虑元件和光源3.3 物性传感器物性传感器（d）伏安特性）伏安特性所加电压越高，光电流越大，而且所加电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。但受最大功耗限制。没有饱和的现象。但受最大功耗限制。 在给定的电压下，光电流的数值将在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。随光照增强而增大。（e）温度特性）温度特性光敏电阻硫化铅的温度光敏电阻硫化铅的温度特性，峰值随温度上升向波特性，峰值随温度上升向波长

39、短的方向移动。长短的方向移动。五、光敏电阻五、光敏电阻（2 2）主要参数和基本特性）主要参数和基本特性)(VU电压)(uAI电流硫化铅硫化铊)(um入射波长)(uAI电流C20C203.3 物性传感器物性传感器（f） 稳定性稳定性初制成的光敏电阻，由于电阻体初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏后达到稳

40、定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、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。使用合理的情况下几乎是无限长的。 五、光敏电阻五、光敏电阻（2 2）主要参数和基本特性）主要参数和基本特性3.3 物性传感器物性传感器（a）光敏二极管）光敏二极管结构与一般二极管相似。在透明玻璃外壳中，结构与一般二极管相似。在透明玻璃外壳中，PN结装在管的顶部，可直接受到光照射。结装在管的顶部，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，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；光在没有光照射时

41、反向电流很小，称为暗电流；光照射在照射在PN结上，结上，PN结附近产生光生电子结附近产生光生电子空穴空穴对，在对，在PN结处内电场作用下定向运动，形成光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。电流。光的照度越大，光电流越大。光敏晶体管工作原理：基于光生伏特效应。光敏晶体管工作原理：基于光生伏特效应。 六、光敏二极管和光敏三极管六、光敏二极管和光敏三极管 （1 1）结构与原理）结构与原理入射光玻璃透镜管壳引脚管芯PNLR因此，光敏二极管在不受光照射时处于截止因此，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。状态，受光照射时处于导通状态。 3.3 物性传感

42、器物性传感器（b）光敏三极管）光敏三极管与一般晶体管相似，具有两个与一般晶体管相似，具有两个PN结，结，只是发射极一边做得很大，以扩大光的照只是发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。射面积。六、光敏二极管和光敏三极管六、光敏二极管和光敏三极管 1 1、结构与原理、结构与原理PNNec光敏二极管光敏二极管PNN2SiO入射光光敏三极管光敏三极管大多数光敏晶体管的基极无引出线，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，在结附近产生电子照射在集电结时

43、，在结附近产生电子空空穴对，会有大量的电子流向集电极，形成穴对，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输出电流，且集电极电流为光电流的倍，倍，所以光敏晶体管有放大作用。所以光敏晶体管有放大作用。 3.3 物性传感器物性传感器（a）光谱特性）光谱特性 光敏管的光谱特性是指在一定光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的对灵敏度表示）与入射光波长的关系。关系。硅和锗光敏管光谱特性曲线：硅和锗光敏管光谱特性曲线：硅的峰值波长约为硅的峰值波长约为0.9m，锗，锗的峰值波长约为的峰值波长约为1.5m，此时灵敏，此

44、时灵敏度最大，当入射光波长增长或缩度最大，当入射光波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。短时，相对灵敏度都会下降。六、光敏二极管和光敏三极管六、光敏二极管和光敏三极管 （2 2）基本特性）基本特性)(nm入射光波长%相对灵敏度硅光敏三极管锗光敏三极管一般锗管的暗电流较大，因此一般锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。状态物体时，一般都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较但对红外光的探测，用锗管较为适宜。为适宜。3.3 物性传感器物性传感器（b）伏安特性）伏安特性硅光敏晶体管的伏安特性，硅光敏晶体管的伏安特性，纵坐标为光电流，横

45、坐标为集纵坐标为光电流，横坐标为集电极电极-发射极电压。发射极电压。 与一般晶体管在不同的基与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只极电流时的输出特性一样。只需把光通量看作基极电流即可。需把光通量看作基极电流即可。晶体管具有放大作用，在晶体管具有放大作用，在同样照度下，光电流比相应的同样照度下，光电流比相应的二极管大上百倍。二极管大上百倍。 )(mAI)(VUcelm500lm1000lm1500lm2000lm2500六、光敏二极管和光敏三极管六、光敏二极管和光敏三极管 3.3 物性传感器物性传感器（c）频率特性）频率特性 光敏管的频率特性是指光光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流

46、（或相对灵敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间普通光敏二极管频率响应时间达达10s。光敏三极管的频率特性受光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应范围，但阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小。输出电压响应也减小。 光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性 六、光敏二极管和光敏三极管六、光敏二极管和光敏三极管 3.3 物性传感器物性传感器（d）温度特性）温度特性光敏管的温度特

47、性是指光敏管的光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。暗电流及光电流与温度的关系。从光敏晶体管的温度特性曲线可从光敏晶体管的温度特性曲线可看出：温度变化对光电流影响很小，看出：温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。而对暗电流影响很大。因此，光敏晶体管作为测量元件因此，光敏晶体管作为测量元件时，在电子线路中应该对暗电流进行时，在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。温度补偿，否则将会导致输出误差。 （2 2）基本特性）基本特性六、光敏二极管和光敏三极管六、光敏二极管和光敏三极管 3.3 物性传感器物性传感器（e）光照特性）光照特性光敏三极管的光照特性近

48、似线性关光敏三极管的光照特性近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。系。但光照足够大时会出现饱和现象。故光敏三极管既可做线性转换元件，故光敏三极管既可做线性转换元件， 也可做开关元件。也可做开关元件。（2 2）基本特性）基本特性)(lx入射光照度)(mA光电流六、光敏二极管和光敏三极管六、光敏二极管和光敏三极管 4 霍尔传感器3.3 物性传感器物性传感器霍尔：霍尔：1879年年设霍尔元件为设霍尔元件为N型半导体，型半导体，当通电流当通电流I时时FL = qvB一、霍尔效应一、霍尔效应UHbldIFFvB当电场力与洛仑兹力相等时，当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，有达到动态平衡，有qE

49、H=qvB霍尔电场的强度为霍尔电场的强度为EH=vB霍尔电压霍尔电压UH可表示为可表示为UH = EH b = vBb流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbdUH=BI/nqd；若取；若取RH = 1/nq则有则有dIBRUHH3.3 物性传感器物性传感器RH被定义为霍尔元件的霍尔被定义为霍尔元件的霍尔系数。系数。霍尔系数由半导体材料性质霍尔系数由半导体材料性质决定，反映材料霍尔效应的强弱。决定，反映材料霍尔效应的强弱。UHbldIFFvB霍尔电压为霍尔电压为霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度： 一个霍尔元件在单位控制电流一个霍尔元件在单位控制电流和单

50、位磁感应强度时产生的霍尔电和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。压的大小。dIBRUHHdRKHHIBKUHHnqRH1nqdKH1KH即为霍尔元件的灵敏度。即为霍尔元件的灵敏度。霍尔电压与材料的性质有关霍尔电压与材料的性质有关；与元件的尺寸有关与元件的尺寸有关。一、霍尔效应一、霍尔效应3.3 物性传感器物性传感器霍尔元件：霍尔元件：基于霍尔效应工基于霍尔效应工作的半导体器件。作的半导体器件。霍尔元件材料：霍尔元件材料：多采用多采用N型型半导体材料。半导体材料。霍尔元件组成：霍尔元件组成：霍尔片、四霍尔片、四根引线和壳体。根引线和壳体。最常用的霍尔元件材料有：最常用的霍尔元件材料有：锗锗(G