安全检测技术课件第3章.ppt

1、第3章安全检测常用传感器 第3章 安全检测常用传感器 3.1 传感器的作用及分类传感器的作用及分类 3.2 结构型传感器结构型传感器 3.3 物性传感器物性传感器 3.4 其他类型传感器其他类型传感器 3.5 传感器的选用原则传感器的选用原则 第3章安全检测常用传感器 3.1 传感器的作用及分类传感器的作用及分类 3.1.1传感器的作用传感器的作用传感器是实现检测与自动控制(包括遥感、遥测、遥控)的首要环节，而传感技术是衡量科学技术现代化程度的重要标志。如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，一切准确的检测与控制将无法实现。当今的世界正处在信息革命的新时代，而信息革命的两大重要支柱是

2、信息采集与信息处理。信息的采集(捕获)与转换主要依赖于各种类型的传感器，信息的处理主要依靠电子技术和各种计算机。计算机与各种智能仪器将很快地在各个科学技术部门发挥巨大作用。然而，如果没有各种类型的传感器去准确地捕获并转换信息，即使最现代化的计算机也无法充分发挥其应有的作用。第3章安全检测常用传感器 目前，传感器的应用已经渗透到各个学科领域，从高新技术直到每个家庭日常生活。如空间技术、海洋开发、资源探测、生物工程、人体科学等高技术领域中许多新的进展和突破，都是以实验检测为基础并与传感器技术的发展密切相关的；工业生产过程的现代化，几乎主要依靠各种传感器来监测与控制生产过程的各种参数，使设备和系统正

3、常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率与高质量；在生活领域中已进人每一个家庭，据不完全统计，现代高级轿车中所应用的传感器可达56种之多。又如目前常用的19种家用电器中，总共应用了53个(21种)传感器。传感器应用的技术水平成为衡量一个国家的科技和工业水平的重要标志。传感器技术已形成一个完整独立的科学体系，相信在不久的将来，对传感器的研究将进人一个崭新的阶段。第3章安全检测常用传感器 3.1.23.1.2传感器的分类传感器的分类1.1.按输入量（被测对象）分类按输入量（被测对象）分类输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。其中，物理量传感器又可

4、分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等等。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据被测对象选择所需要的传感器。第3章安全检测常用传感器 2.2.按转换原理分类按转换原理分类从传感器的转换原理来说，通常分为结构型、物性型两大类。结构型传感器是利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等）实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。第3章安全检测常用传感器

5、3.3.按能量转换的方式分类按能量转换的方式分类 按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等(如磁电式、压电式、光电池、热电偶等)；无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。第3章安全检测常用传感器 4.4.按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式。5.5.按输入和输出的特性分类按输入和输出的特性分类按输入、输出特性，传感器可分为线性和非线性两类。第3章安全检测常用传感器 3.2 结构型传感器结构型传感器 3.2.1 电阻式传感器电

6、阻式传感器 1.电阻式传感器原理电阻式传感器原理 金属体都有一定的电阻，电阻值因金属的种类而异。同样的材料，越细或越薄，则电阻值越大。当加有外力时，金属若变细变长，则阻值增加；若变粗变短，则阻值减小。如果发生应变的物体上安装有（通常是粘贴）金属电阻，当物体伸缩时，金属体也按某一比例发生伸缩，因而电阻值产生相应的变化。第3章安全检测常用传感器 设有一根长度为l，截面积为A，电阻率为的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示：AlR（3-1）从上式可见，若导体的三个参数（电阻率、长度和截面积）中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。例如，若改变长度l，则可形成电位器式传感

7、器；改变l、A和则可做成电阻应变片；改变，则可形成热敏电阻、光导性光检测器等。第3章安全检测常用传感器 2.2.电位器式传感器电位器式传感器电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。电位器式传感器分为线绕式和非线绕式两大类。线绕电位器是最基本的电位器式传感器；非线绕式电阻传感器则是在线绕电位器的基础上，在电阻元件的形式和工作方式上有所发展，包括薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器等。线绕电位器式传感器的核心，即转换元件是精密电位器。它可实现机械位移信号与电信号的模拟转换，是一种重要的机电转换元件。线绕电位器式传感器

8、原理图如图3-1所示。第3章安全检测常用传感器 图3-1线绕电位器式传感器原理图 第3章安全检测常用传感器 工作时，在电阻元件的两端，即Ui端加上固定的直流工作电压，从Uo端就有电压输出，并且，这个输出电压的大小与电刷所处的位置相关。当电刷臂随着被测量产生位移x时，输出电压也发生相应的变化，这是精密电位器的基本工作原理。易见 ioUlxU（3-2）线绕电位器式传感器又分为直线位移型、角位移型和非线性型等。不管是哪种类型的传感器，都由线圈、骨架和滑动触头等组成。线圈绕于骨架上，触头可在绕线上滑动，当滑动触头在绕线上的位置改变时，即实现了将位移变化转换为电阻变化。第3章安全检测常用传感器 如图3-

9、2所示，线绕电位器主要由骨架、绕组、电刷、导电环及转轴等部分组成。线绕电位器的骨架一般由胶木等绝缘材料或表面覆有绝缘层的金属骨架构成。根据需要，骨架可做成不同的形状，如环带状、弧状、长方体或螺旋状等。绕组即电阻元件，由漆包电阻丝整齐地绕制在骨架上构成，其两个引出端UAB是电压输入端。电刷由电刷头和电刷臂组成（电刷头一般焊接在电刷臂上），电刷被绝缘地固定在电位器的转轴上，绕组与电刷头接触的工作端面用打磨和抛光的方法去掉漆层，以便与电刷接触。另外两个引出端UAC是电压输出端。第3章安全检测常用传感器 图3-2线绕电位器式传感器的组成(a)直线位移型；(b)角位移型；(c)非线性型 第3章安全检测常

10、用传感器 3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电阻的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，从而确定被测量的大小。电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一，它可用于不同的弹性敏感元件形式，构成测量位移、加速度、压力等各种参数的电阻应变式传感器。它的主要优点是：（1）由于电阻应变片尺寸小、重量轻，因而具有良好的动态特性。而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布基本上没有影响，适用于静态和动态测量；第3章安全检测常用传感器（2）测量应变的

11、灵敏度和精度高，可测量12m应变，误差小于1%2%；（3）测量范围上，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形，变形范围从1%20%；（4）能适应各种环境，可在高（低）温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。电阻应变式传感器缺点是输出信号微弱，在大应变状态下具有较明显的非线性等。第3章安全检测常用传感器 1）工作原理及结构参数 电阻应变片的工作原理如图3-3所示。它是基于导体和半导体材料的“电阻应变效应”和“压阻效应”。电阻应变效应是指电阻材料的电阻值随机械变形而变化的物理现象；压阻效应是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的物理现象。下面以单根电阻丝为例说

12、明电阻应变片的工作原理。第3章安全检测常用传感器 图3-3电阻应变片原理图 第3章安全检测常用传感器 设电阻丝的长度为l，截面积为A，电阻率为，其初始电阻值为当电阻丝受到拉伸或压缩时，其几何尺寸和电阻值同时发生变化，对式两边取对数后再微分，即可求得电阻的相对变化为 AlR（3-3）上式中:R为电阻值（）；l为电阻丝的长度（m）；A为电阻丝的截面积（mm2）；为电阻丝的电阻率（mm2/m）。第3章安全检测常用传感器 如果对整条电阻丝长度作用均匀应力，由于l、A、的变化而引起电阻的变化，可通过对式（3-3）的全微分求得 AAllAAlRdddd2（3-4）相对变化量 AdAldldRdR（3-5）

13、假设电阻丝是圆截面，则A2r，其中r为电阻丝的半径，微分后可得：rdrdA2第3章安全检测常用传感器 则 rdrrrdrAdA222（3-6）令电阻丝轴向相对伸长，即轴向应变为 ldl电阻丝径向相对伸长，即径向应变为dr/r，由材料力学获知，在弹性范围内，金属丝沿长度方向伸长或缩短时，轴向应变和径向应变的关系如下:ldlrdr（3-7）第3章安全检测常用传感器 式中:为金属材料的泊松系数，即径向应变和轴向应变的比例系数。负号表示方向相反，所以 AA2d经整理后得 dRdR21（3-8）定义金属丝的灵敏系数为 ddR/Rk21（3-9）第3章安全检测常用传感器 它的物理意义是单位应变所引起的电阻

14、相对变化。可知，受两个因素影响，一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即（1+2）项；另一个是受力后材料的电阻率发生变化而引起，即d/项。对于确定的材料，（1+2）项是常数，其数值约为12之间，并且由实验证明d/也是一个常数，因此灵敏系数k为常数，则得 kRRd（3-10）上式表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。第3章安全检测常用传感器 导体或半导体材料在外界作用下（如压力等）产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应”。把依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上，则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上，从而使应变片上电阻丝的阻值发生变化，通过测量阻值的变化

15、量，就可反映出外界作用的大小。第3章安全检测常用传感器 2）电阻应变片的分类和结构.电阻应变片的分类 电阻应变片的种类繁多，分类方法也各异。按所选用的敏感材料可分为：金属应变片和半导体应变片。按敏感栅结构可分为：单轴应变片和多轴应变片。第3章安全检测常用传感器 按基底材料可分为：纸质应变片、胶基应变片、金属基底应变片、浸胶基应变片。按制栅工艺可分为：丝绕式应变片、短接式应变片、箔式应变片、薄膜式应变片。按使用温度可分为：低温应变片(-30以下)、常温应变片(-3060)、中温应变片（60350）、高温应变片（350以上）。第3章安全检测常用传感器 按安装方式可分为：粘贴式应变片、焊接式应变片、

16、喷涂式应变片、埋入式应变片。按用途可分为：一般用途应变片、特殊用途应变片（水、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）。按制造工艺可分为：体型半导体应变片、扩散（含外延）型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、N-P元件半导体型应变片。第3章安全检测常用传感器.电阻应变片的结构电阻应变片的结构 电阻应变片(简称应变片）的种类繁多，但基本构造大体相同，都是由敏感栅、基底、覆盖层、引线和粘合剂构成，如图3-4所示。图3-4电阻应变片的基本结构 第3章安全检测常用传感器 敏感栅由金属或半导体材料制成，电阻丝（箔条）是用来感受应变的，是应变片的敏感元件；基底和覆盖层（厚度一般在0.03mm左右）是用来保护敏感栅、

17、传递应变并使敏感栅和被测试件之间具有很好的绝缘性能，它通常根据应用范围的不同而采用不同的材料，常见的有纸基和胶基；引线是将敏感栅接到测量电路中去，它由直径为0.150.30mm镀银铜丝或镍铬铝丝制成。金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。第3章安全检测常用传感器 半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应制成的一种纯电阻性元件。对半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称之为压阻效应。半导体应变片主要有体型、薄膜型和扩散型等三

18、种。体型半导体应变片是将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而制成的应变片。薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成的。第3章安全检测常用传感器 扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。半导体应变片与金属电阻应变片相比其灵敏度高5070倍，另外，其横向效应和机械滞后小。但它的温度稳定性差，在较大应变下，灵敏度的非线性误差大。第3章安全检测常用传感器 3）电阻应变式传感器的测量电路利用应变片可以感受由被测量产生的应变，并得到电阻

19、的相对变化。通常可以通过电桥将电阻的变化转变成电压或电流信号。图3-5给出了常用的全桥电路，Uo为输出电压，R1为受感应变片，其余R2、R3、R4为常值电阻。为便于讨论，假设电桥的输入电源内阻为零，输出为空载。基于上面的假设，电桥的输出电压为 EE43213241433211RRRRRRRRRRRRRRUo（3-11）第3章安全检测常用传感器 图3-5桥式电路第3章安全检测常用传感器 平衡电桥就是指电桥的输出电压Uo为零的情况。当在电桥的输出端接有检流计时，流过检流计的电流为零，即平衡电桥应满足 4321RRRR（3-12）在上述电桥中，R1为受感应变片，即单臂受感。当被测量变化引起应变片的电

20、阻产生R1的变化时，上述平衡关系被破坏，检流计有电流通过。EE432114143321111RRRRRRRRRRRRRRRUoE113412111134RRRRRRRRRR（3-13）（3-14）第3章安全检测常用传感器 ERRnnU112o1设桥臂比为，nRR12由于R1R1，则分母中 11RR项可忽略。考虑到初始电桥平衡时 可得到,4321RRRR（3-15）电桥电压灵敏度定义为 EnnRRUK211ov1（3-16）第3章安全检测常用传感器 分析发现：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，电桥供电电压愈高，电桥电压灵敏度愈高，但是供桥电压的升高受到应变片允许功耗的限制，所以一般供桥电压应适当

21、选择；电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值的函数，因此必须恰当地选择桥臂比的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。下面分析当供桥电压确定后，应取何值，电桥电压灵敏度才最高。第3章安全检测常用传感器 令，可得 0nKv01142nnnKv（3-17）求得当n=1时，Kv有最大值。即当，电桥的灵敏度最高。由式（3-15）可知，电桥的输出电压和电源电压及电阻相对变化成正比，而与各桥臂阻值大小无关。13412RRRR第3章安全检测常用传感器 3.2.2电容式传感器电容式传感器1.电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器常用的是平板电容器和圆筒形电容器。1）平板电容器 平板电容器由两个金

22、属平行板组成，通常以空气为介质，如图3-6所示。第3章安全检测常用传感器 图3-6平行板电容器 第3章安全检测常用传感器 在忽略边缘效应时，平行板电容器的电容为 dACr0（3-18）m/F10854.8m/pF6.31m/F1094112110(3-19)式中:C电容量（F）；0真空介电常数；r极板间介质的相对介电常数；A极板的有效面积（m2）；d两平行极板间的距离（m）。第3章安全检测常用传感器 2)圆筒形电容器 圆筒形电容器由内外两个金属圆筒组成，设动极筒的外半径为r，定极筒的内半径为R，动极筒伸进定极筒的长度为l，如图3-7所示。则圆筒形电容器的电容为 rRlCrln20（3-20）当

23、被测非电量使得式（3-18）中的A、d或发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅仅改变另一个参数，就可把被测参数的变化转换为电容量的变化。因此，电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。这样，电容式传感器可依此划分为三种类型，即变间隙型（d变化）、变面积型（A变化）和变介质型（变化）。第3章安全检测常用传感器 图3-7圆筒形电容器第3章安全检测常用传感器 2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器变极距型电容传感器如图3-8所示，它有一个固定极板和可动极板，其间为空气介质。当传感器的0和A为常数、初始极距为d时，其初始电容量为 dACr0（3-21）一般地，取C=20300pF

24、，d=0.0251mm。第3章安全检测常用传感器 图3-8变极距型电容传感器(a)移动型；(b)感应型；(c)差动型 第3章安全检测常用传感器 当动极板因被测量变化而向上移动使d减小d时，电容量增大C，则有 dd-CddACCr110等式两边同时除以C，有 dd-ddCC11（3-22）第3章安全检测常用传感器 如果满足d/d，满足(1+A)Cf10(Ca+Cc+Ci)时，就可以认为 f0CqU（360）可见，在电荷放大器中，输出电压Uo与电缆电容Cc无关，而与q成正比，这是电荷放大器的突出优点。第3章安全检测常用传感器 3.3.2半导体敏感元件半导体敏感元件1.半导体热敏电阻半导体热敏电阻1

25、）分类及特性半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型，即负电阻温度系数热敏电阻（NTC）、正电阻温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻（CTR）。它们的特性曲线如图3-32所示。由图可见，使用CTR组成热控制开关是十分理想的，但在温度测量中，则主要采用NTC，其温度特性如下式所示 0110T-TBteRR（3-61）第3章安全检测常用传感器 图3-32三种类型热敏电阻的典型特性第3章安全检测常用传感器 若定义热敏电阻的温度系数为 TRRtdd1t（3-62）则由式(361)有 22)T1-T1B(0tttTB)T1(BeRR1dTdRR10

26、第3章安全检测常用传感器 2）使用时的注意事项.热敏电阻温度特性的非线性热敏电阻温度特性的非线性 由式3-61可知，热敏电阻随温度变化呈指数规律，也就是说，其非线性是十分严重的。当需要进行线性转换时，就应考虑其线性化处理。常用的线性化方法如下：(1)线性化网络。利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻。第3章安全检测常用传感器 图3-33温度-频率转换电路 第3章安全检测常用传感器(2)利用电子装置中其他部件的特性进行综合修正。图3-33是一个温度-频率转换电路。它实际是一个三角波-方波变换器，电容C的充电特性是非线性特性。适当地选取线路中的电阻r和R加上Rt可以在一

27、定的温度范围内，得到近似于线性的温度-频率转换特性。rRRCRTt21ln21（3-63）第3章安全检测常用传感器(3)计算修正法。.热敏电阻器特性的稳定性和老化问题热敏电阻器特性的稳定性和老化问题 现在已研制出精度优于热电偶，并具有互换性的热敏电阻，而且还能制造出300以下可忽略老化影响的产品。但不同厂家产品质量差异还比较大，使用时仍应认真选择。一般地说，正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器。在辐射热检测器中，人们采用薄膜式金属电阻和热敏电阻薄膜，构成热量型检测器，将辐射热转换成电阻的变化。第3章安全检测常用传感器 3）应用举例 电动机过热保护装置组

28、成电路原理如图3-34所示。把三只特性相同的负温度系数热敏电阻（如RRC6型，经过测试，阻值在20时为10k；100时为1k；110时为0.6k)放置在电动机内绕组旁，紧靠绕组，每相各放置一只，用万能胶固定。当电动机正常运转时，温度较低，热敏电阻阻值较高，三极管V1截止，继电器K不动作。当电动机过负荷，或断相，或一相通地时，电动机温度急剧上升，热敏电阻阻值急剧减小，小到一定值，使三极管V1完全导通，继电器K动作，使S闭合，红灯亮，起到报警保护作用。第3章安全检测常用传感器 图3-34电动机过热保护装置组成电路原理 第3章安全检测常用传感器 2.2.气敏电阻气敏电阻 气敏电阻是由金属氧化物烧结而

29、成的半导体电阻元件，当环境中气体的成分或浓度发生变化时，导致气敏电阻的阻值发生变化，其变化范围在103105数量级之间。气敏电阻半导体材料亦分为N型半导体与P型半导体两种。N型材料如SnO2、ZnO、CdO、W2O3、Mn02、ThO2、TiO2等；P型材料如MoO2、NiO、CoO、Cu2O、Cr2O3等，均为金属氧化物。第3章安全检测常用传感器 其工作机理主要是由于各种可燃性气体的离解能比较小，容易失去电子，在遇到N型半导体材料时，由于其晶格氧离子缺位，气体中的电子向半导体移动，使半导体中载流子浓度增加，内阻减小；当遇到P型导体材料时，由于其阳离子缺位，呈空穴导电性，使半导体中载流子浓度下

30、降，内阻增加。气敏电阻的结构如图3-35所示。图中1为气敏半导体材料，体积很小，直径在1mm以内；2为加热电极；3为引出端电极，均为0.05mm铂电阻丝。在四个电极的支撑下封装在不锈钢防爆网内，构成气敏电阻。第3章安全检测常用传感器 图3-35气敏电阻 第3章安全检测常用传感器 图3-36气敏传感器在各种气体浓度q下电路输出电压U的曲线 第3章安全检测常用传感器 3.3.33.3.3光电传感器光电传感器 1.1.光的特性光的特性（1）光的电磁说。光是一种电磁波，由电磁理论可知，光是电磁波谱中的一员，不同波长光的分布如图3-27所示。这些光的频率（波长）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、

31、干涉和吸收等特性。可见光只是电磁波谱中的一小部分，波长在380780nm之间，红光频率最低，紫光频率最高。光的频率越高，携带的能量越大。第3章安全检测常用传感器 图3-37电磁波频谱图 第3章安全检测常用传感器（2）光的量子说。光是一种带有能量的粒子（称为光子）所形成的粒子流。由光的粒子说可知，光又是由具有一定能量、动量和质量的粒子所组成，这种粒子称为光子。光是以光速运动的光子流。每个光子都具有一定的能量，其大小与它的频率成正比，即 hchE（3-64）式中：h为普朗克常数，h=6.626 10-34Js；v为光子的频率（s-1）；c为光速，c=3108m/s；为光的波长（m）。当物质受光照后

32、，物质的电子吸收了光子的能量所产生的电现象称为光电效应。它是光电元器件的理论基础。第3章安全检测常用传感器 可见，不同频率和波长的光具有不同的能量，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量就愈大，光的能量就是光子能量的总和。光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假说：一个光子的能量只能给一个电子，因此电子增加的能量为h。电子获得能量后释放出来，参加导电。这种物体吸收光的能量后产生电效应的现象叫做光电效应。光电效应可以分为以下三种类型。第3章安全检测常用传感器 1）外光电效应 在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面、向外发射的现象叫外光电效应。物体中的电子吸收的入

33、射光子能量若足以克服逸出功，电子就逸出物体表面，产生光电发射。如果逸出电子的能量为mv2/2，m为电子质量，v为逸出速度。则有 0221Amvhv（3-65）式（3-65）称为爱因斯坦光电效应方程式，为逸出功。可见,只有当光子能量大于逸出功，即h时，才有电子发射出来;当光子的能量等于逸出功，即h时，逸出的电子初速度为零，此时光子的频率为该物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。第3章安全检测常用传感器 由于光子的能量与光的频率成正比，因此要使物体发射光电子，光的频率必须高于红限频率。小于红限频率的入射光，光再强也不会激发光电子；大于红限频率的入射光，光再弱也会激发光电子。单位时间内发射的光

34、电子数称为光电流，它与入射光的光强成正比。对光敏管，即使阳极电压为零也会有光电流产生。欲使光电流为零必须加负向的截止电压，截止电压应与入射光的频率成正比。利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。第3章安全检测常用传感器 2）光电导效应在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。由于这里没有电子从物体向外发射，仅改变物体内部的电阻或电导，与外光电效应对照，有时也称为内光电效应。光电导效应是由于在光线的照射下，半导体中的原子受激发成为自由电子或空穴，它们参加导电使半导体的电导率增加了。与外光电效应一样，要产生光电导

35、效应，也要受到红限频率限制。利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。第3章安全检测常用传感器 3）光生伏特效应 在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。光生伏特效应是由于在光线照射下，结附近被束缚的价电子吸收光子能量，受激发产生电子空穴对。在内电场的作用下，空穴移向区，电子移向区，使区带正电，区带负电，于是在区和区之间产生电动势。利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。第3章安全检测常用传感器 2.2.光电器件的基本特性光电器件的基本特性各种光电器件的基本特性包括以下几方面。1）光电流 光敏元件的两端加上一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下

36、产生或增加的电流称为光电流。第3章安全检测常用传感器 2）暗电流 光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。暗电流在电路设计中被认为是一种噪声电流。在高照度情况下，由于光电流与暗电流的比值大，还不会产生问题；但在低照度时，因光电流与暗电流的比值较小，如果电路各级间没有耦合电容隔断直流电流，则容易使线路产生误动作。因此，暗电流对测量微弱光强及精密测量的影响很大。在选择时，应选择暗电流小的光电器件。第3章安全检测常用传感器 3）光照特性 当光敏元件加一定电压时，光电流与光敏元件上光照度之间的关系，称为光照特性。一般可表示为I=f(E)。4）光谱特性 当光敏元件加一定电压时，如果照射在光

37、敏元件上的是一单色光，且入射光功率不变，光电流随入射光波长变化而变化的关系，称为光谱特性。光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义。当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。第3章安全检测常用传感器 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I=f(U)称为伏安特性。同晶体管的伏安特性一样，光敏元件的伏安特性可以用来确定光敏元件的负载电阻，设计应用电路。6）频率特性 在相同的电压和相同幅值的光强度下，当入射光受不同的正弦交变频率调制时，光敏元件输出的光电流和

38、灵敏度随调制频率变化的关系I=f1(f)，K=f2(f)称为频率特性。第3章安全检测常用传感器 7）温度特性 环境温度变化后，光敏元件的光学性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。温度升高时，电子热运动增强，引起光敏元件的光电流及光谱特性等变化。温度超过一定值时，光电器件的性质会有显著地改变。光电器件都有极限工作条件，正常使用时都不允许超过这些指标，否则会影响光电器件的正常工作，甚至使器件损坏。通常各种光电器件都规定了工作电压、工作电流、工作温度等的允许范围，使用时要注意。第3章安全检测常用传感器 3.3.光电管光电管）结构和工作原理 典型的光电管有真空光电管和充气光电管两类，两者结构相似，图

39、3-38（a）所示为光电管的结构示意图，它由一个阴极和一个阳极构成，它们一起装在一个被抽成真空的玻璃泡内，阴极装在光电管玻璃泡内壁或特殊的薄片上，光线通过玻璃泡的透明部分投射到阴极。要求阴极镀有光电发射材料，并有足够的面积来接受光的照射。阳极要既能有效地收集阴极所发射的电子，而又不妨碍光线照到阴极上，因此是用一细长的金属丝弯成圆形或矩形制成，放在玻璃管的中心。第3章安全检测常用传感器 光电管的连接电路图如图3-38（b）所示。光电管的阴极K和电源的负极相连，阳极A通过负载电阻RL接电源正极，当阴极受到光线照射时，电子从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成光电流I，该电流及负载电阻RL上的电压

40、将随光照的强弱而改变，达到把光信号变化转换为电信号变化的目的。第3章安全检测常用传感器 图3-38光电管结构示意图和连接电路 第3章安全检测常用传感器 充气光电管的结构基本与真空光电管相同，只是管内充以少量的惰性气体，如氖气等。当光电管阴极被光线照射产生电子后，在趋向阳极的过程中，由于电子对气体分子的撞击，将使惰性气体分子电离，从而得到正离子和更多的自由电子，使电流增加，提高了光电管的灵敏度。但充气光电管的频率特性较差，温度影响大，伏安特性为非线性等，所以在自动检测仪表中多采用真空光电管。第3章安全检测常用传感器）主要特性.光电管的伏安特性光电管的伏安特性 在一定的光照下，对光电管阴极所加电压

41、与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如图3-39（a）、（b）所示，它们是光电传感器的主要参数依据，充气光电管的灵敏度更高。第3章安全检测常用传感器 图3-39光电管的伏安特性（a）真空光电管;（b）充气光电管 第3章安全检测常用传感器.光电管的光照特性光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光照特性。图3-40为光电管的光照特性，曲线1是氧铯阴极光电管的特性，光电流I与光通量呈线性关系；曲线2是锑铯阴极光电管的光照特性，呈非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度

42、。第3章安全检测常用传感器 图3-40光电管的光照特性 第3章安全检测常用传感器 图3-41光电管的光谱特性 第3章安全检测常用传感器.光电管的光谱特性光电管的光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率0，因此，它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。图3-41为光电管的光谱特性。国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的，其红限为7000n

43、m，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率可达2530%。第3章安全检测常用传感器 这种管子适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁锅阴极。另外，锑、钾、钠、铯阴极的光谱范围较宽，为30008500nm，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极。但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。第3章安全检测常用传感器 4.4.光电倍增管光电倍增管当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电

44、流很小，只有零点几个微安，很不容易探测。这时,常用光电倍增管对电流进行放大，图3-42是光电倍增管的外形和工作原理图。第3章安全检测常用传感器 图3-42光电倍增管的外形和工作原理图 第3章安全检测常用传感器 1）光电倍增管的结构 光电倍增管由光阴极、次阴极（倍增电极）以及阳极三部分组成。光电倍增管由光电阴极K、倍增电极D以及阳极A组成，倍增电极上涂有电子轰击下能发射更多电子的材料，其形状和位置设计得正好使前一级发射的电子继续轰击下一级，倍增级多的可达30级，通常为1214级。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜一被的衬底上涂上锑铯材料而形成的。阳极是最后用来收集电子的，它输出的

45、是电压脉冲。第3章安全检测常用传感器 2）工作原理 光电倍增管除光电阴极外，还有若干个倍增电极。使用时在各个倍增电极上均匀加上电压。阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。同时这些倍增电极用次阴极发射材料制成，这种材料在具有一定能量的电子轰击下，能够产生更多的“次级电子”。由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打到第一个倍增电极上，引起二次电子发射。每个电子能从这个倍增电极上打出36倍个次级电子；被打出来的次级电子再经过电场的加速后，打在第二个倍增电极上，电子数又增加36倍，如此不断倍增，阳极最后收集到的

46、电子数将达到阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万。第3章安全检测常用传感器 3）主要参数.倍增系数M 倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数i的乘积。如果n个倍增电极的i相等，则，阳极电流I为，式中，i是光电阴极的光电流。光电倍增管的电流放大系数为 niMniiI niiI（3-66）倍增系数M与所加电压有关，一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻倍增电极的电位差为50100V。第3章安全检测常用传感器.光电特性光电特性 图3-43（a）是光电倍增管的光电特性，当光通量不大时，阳极电流I

47、和光通量之间有良好的线性关系，但当光通量很大时（0.01lm时，出现严重的非线性。光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性相似。第3章安全检测常用传感器 图3-43光电倍增管的特性曲线（a）光电特性；（b）光谱特性；（c）伏安特性 第3章安全检测常用传感器.光谱特性光谱特性 图3-43（b）是锑钾铯光电阴极的光电倍增管的光谱特性。.伏安特性伏安特性 光电倍增管的阳极电流与最后一级倍增极和阳极电压的关系，称为光电倍增管的伏安特性。图3-43（c）为光电倍增管的伏安特性，此时其余各电极的电压保持恒定。由图可见，实际照到光电阴极上的光通量愈大，相应地达到饱和时的阳极电流也愈大。使用时，应工作

48、在特性曲线的饱和区。第3章安全检测常用传感器.灵敏度灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的灵敏度高，频率特性好，频率可达10Hz，甚至更高，但它需要高压直流电源，价格贵、体积大，经不起机械冲击。第3章安全检测常用传感器.暗电流暗电流 光电倍增管由于环境温度、热辐射等因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后仍有电流，这种电流称为暗电流。光电倍增管的暗电流对于测量微弱的光强和确定管子灵敏度的影响很大，产生暗电流的主要原因是光电阴极和倍增极的热电子发射，它随温度增加而增加。一般在使用光电倍增管时，必须

49、将其放在暗室里避光使用，只对入射光起作用。这种暗电流通常可以用补偿电路加以消除。表3-1为常见光电倍增管的特性参数。第3章安全检测常用传感器 表表3-1常见光电倍增管的特性参数常见光电倍增管的特性参数 第3章安全检测常用传感器 5.5.光敏电阻光敏电阻1）结构和原理 光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单，如图3-44所示。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射

50、率最大。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，如图3-45所示为接线电路。第3章安全检测常用传感器 图3-44光敏电阻结构 第3章安全检测常用传感器 图3-45光敏电阻接线电路 第3章安全检测常用传感器 半导体的导电能力完全取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，若光子能量大于该半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子空穴对就越多，阻值就愈低。入射光消失，电子空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应