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1、第5章 新型传感器原理及应用,气敏传感器 湿敏传感器 微传感器 光栅传感器 光电式传感器 光纤传感器 集成化智能传感器,传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题,一气敏传感器,5.1 气敏、湿敏传感器,气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有气体，所以气敏传感器的种类也有很多。近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的
2、是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。,半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化，而使电导率改变。,5.1 气敏、湿敏传感器,SnO2(氧化锡)是目前应用最多的一种气敏元件,半导体气敏传感器一般由三部分
3、组成：敏感元件、加热器和外壳。按其制造工艺来分，有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。,(a)烧结型气敏元器件(b)薄膜型气敏元器件,5.1 气敏、湿敏传感器,1.电阻型半导体气敏传感器的结构,(c)厚膜型器件(d)厚膜型器件结构,它是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成。由这种工艺制成的元件机械强度高，其特性也相当一致，适合大批量生产。这些器件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度。一般加热到200400。,5.1 气敏、湿敏传感器,直热式器件的结构和符号如图所示，
4、器件管芯由SnO2、ZnO等基体材料和加热丝、测量丝三部分组成，加热丝和测量丝都直接埋在基体材料内、工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。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，测量回路与加热回路之间没有隔离，相互影响。,按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。,5.1 气敏、湿敏传感器,旁热式气敏器件的结构和符号如图所示。其管芯增加了一个陶瓷管，管内放加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2等材料。这种结构的器件克服了直热式器件的缺点，其测量极与加热丝分离，加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路与加热回路之间的
5、相互影响，器件热容量大，降低了环境气氛对器件加热温度的影响，所以这类器件的稳定性、可靠性都较直热式器件有所改进。,5.1 气敏、湿敏传感器,2.半导体气敏材料的气敏机理概述当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大。相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子增多，而使电阻下降。空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可得知气体的浓度。,N型半导体吸附气体时的
6、器件阻值变化,5.1 气敏、湿敏传感器,3.SnO2系列气敏器件1)主要特性实验证明SnO2中的添加物对其气敏效应有明显影响，如添加Pt(铂)或Pd(钯)可以提高其灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、器件的烧结温度和工作温度不同，都可以产生不同的气敏效应。例如在同一温度下，含1.5%(重量)Pd的元件，对CO最灵敏，而含0.2%(重量)Pd时，对CH4最灵敏；又如同一含量Pt的元件，在200以下，对CO最灵敏，而400以检测甲烷最佳。,SnO2气敏器件的灵敏度特性,5.1 气敏、湿敏传感器,SnO2气敏器件易受环境温度和湿度的影响，其电阻一温湿度特性如图所示。图中RH为相对湿度，所以在
7、使用时，通常需要加温湿度补偿。以提高仪器的检测精度和可靠性。,5.1 气敏、湿敏传感器,当所测气体浓度变化时，气敏器件的阻值发生变化，从而使输出发生变化。,5.1 气敏、湿敏传感器,SnO2气敏器件检测电路,4.气敏传感器的应用各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。下面给出几个典型实例。1)简易家用气体报警下图是一种最简单的家用气体报警器电路，采用直热式气敏传感器TGS109，当室内可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，
8、可直接驱动峰鸣器BZ报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。,5.1 气敏、湿敏传感器,酒精检测报警,打开电源，预热5分钟。用浸透酒精的小棉球，靠近传感器，并吹2次气，使酒精挥发进入传感器金属网内，观察电压表读数变化,2)有害气体鉴别、报警与控制电路MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器，无有害气体时阻值较高(10k左右)，有有害气体或烟雾进入时阻值急剧下降。,5.1 气敏、湿敏传感器,MQS2B阻值,UB及TWH8788的5脚,接排气扇,声光报警,开关集成电路导通,3)防止酒后开车控制器图为防止酒后开车控制器原理图。图中QMJ1为酒敏元件
9、。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，Ua为高电平，U1低电平，U3高电平，继电器K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火启动发动机。,5.1 气敏、湿敏传感器,若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1高电平，U3低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法启动发动机。若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处于准备工作的状态。5G1555为集成定时器。
10、,5.1 气敏、湿敏传感器,工作原理：,二湿敏传感器,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。绝对湿度是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；相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。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。,5.1 气敏、湿敏传感器,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。湿度检测较之其他物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少
11、得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。,5.1 气敏、湿敏传感器,下面介绍一些现已发展比较成熟的几类湿敏传感器。1.氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、
12、感湿层与电极组成。氯化锂(LiCl)通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂的溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定湿度场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使溶液浓度降低，因此，其溶液电阻率增高；反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。,5.1 气敏、湿敏传感器,氯化锂湿敏元件的优点是滞后小、不受测试环境风速影响、检测精度高(达+5%)，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。,氯化锂湿敏元件在150时的电阻-湿度特性曲线如图所示。
13、由图可知，在50%80%相对湿度范围内，电阻的对数与湿度的变化为线性关系。,5.1 气敏、湿敏传感器,通常，用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，这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(以下简称半导瓷)。,1ZnO-LiO2-V2O5；2Si-Na2O-V2O5；3TiO2-MgO-Cr2O3,Fe3O4半导瓷正湿敏特性图,5.1 气敏、湿敏传感器,2.半导体陶瓷湿敏电阻,1
14、)负特性湿敏半导瓷的导电原理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。若该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表面电动势下降较多，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，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是N型还是P型半
15、导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。,5.1 气敏、湿敏传感器,正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。,5.1 气敏、湿敏传感器,2)正特性湿敏半导瓷的导电原理,3.典型半导瓷湿敏元件1)MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为P型半导体，它的电阻率低，电阻-湿度
16、特性好。,1加热线圈；2湿敏陶瓷片；3电极；4引线圈电极；5底板；6引线；3.典型半导瓷湿敏元件,MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度与电阻关系,5.1 气敏、湿敏传感器,1引线；2滤网；3外壳；4烧结元件；5电极；6树脂固封,2)ZnO-Cr2O3湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中，用树脂固定，其结构如图5.16所示。ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无需加热除污装置，因此功耗低于0.5W，体积小、成本低，是一种常用测湿传感器。,5.1 气敏、湿敏传感器,3)四氧化三铁(
17、Fe3O4)湿敏器件Fe3O4湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成。器件结构如图5.17所示。Fe3O4湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，有较为一致的湿敏特性和较好的温度一湿度特性，但器件有较明显的湿滞现象，响应时间长，吸湿过程(60%RH98%RH)需要2 min，脱湿过程(98%RH12%RH)需5 min7 min。,5.1 气敏、湿敏传感器,4.湿敏传感器的应用1)湿度检测器图示的是湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH等组成多谐振荡器，在振荡器的输出端接有电容器C2，它将多谐振荡器输出的方波信号变为三角波。当相对湿度变化时，湿度传感器CH的电容
18、量将随着改变，它将使多谐振荡器输出的频率及三角波的幅度都发生相应的变化，输出的信号经VD1，VD2整流和C4滤波后，可从电压表上直接读出与相对湿度相应的指数来。Rp电位器用于仪器的调零。,5.1 气敏、湿敏传感器,气敏、湿敏传感器,2)高湿度显示器它能在环境相对湿度过高时作出显示，告知人们应采取排湿措施了。湿度传感器采用SMOL-A型湿敏电阻，当环境的相对湿度在(20%90%)RH变化时，它的电阻值在几十千欧到几百欧范围内改变。为防止湿敏电阻产生极化现象，采用变压器降压供给检测电路9V交流电压，湿敏电阻RH和电阻R1串联后接在它的两端。当环境湿度增大时，RH阻值减小，电阻R1两端电压会随之升高
19、，这个电压经D1整流后加到由VT1和VT2组成的施密特电路（施密特触发器属于电平触发，输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压。）中，使VT1导通，VT2截止，VT3随之导通，发光二极管D4发光。高湿度显示电路可应用于蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿度要求比较严格的场合。,5.2 微 传 感 器,MEMS微机电系统与微型传感器,微型压力传感器,微型加速度计,MEMS微机电系统与微型传感器,微型压力传感器,微型加速度计,MEMS微机电系统与微型传感器,微型压力传感器,一MEMS微机电系统与微型传感器,微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，简称为ME
20、MS)，专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。是融合了硅微加工、光刻铸造成型(LIGA)和精密机械加工等多种微加工技术制作的微传感器(Microsensors)、微执行器(Microactuators)和微系统(Microsystems)。通过将微型的电机、电路、传感器、执行器等装置和器件集成在半导体芯片上形成的微型机电系统，不仅能搜集、处理和发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。,5.2 微 传 感 器,1.MEMS的特点微型化：MEMS器件
21、体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，形成微传感器或微执行器阵列甚至可以把多种器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器或微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化MEMS。多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学、和生物等多种学科。同时MEMS也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。,5.2 微 传 感 器,5.2 微 传 感 器,2.MEMS技术发展概况,1959年12月美国物理学家，诺贝尔奖得主Richard Feynman这样来描述MEM
22、S技术：“如果有一天可以按人们的意志安排一个个原子，那将会产生什么样的奇迹呢？”三年以后，硅微力传感器问世。,2.MEMS技术发展概况,1987年，美国加州大学伯克利分校研制出转子直径仅60m-120m的静电电机。,1987年，美国UCBerkeley发明的微马达，在国际学术界引起轰动。,2.MEMS技术发展概况,1.压阻式微型压力传感器 压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效应。用扩散法将压敏电阻制作到弹性膜片里，也可以沉积在膜片表面上。这些电阻通常接成电桥电路以便获得最大输出信号及进行温度补偿等。此类压力传感器的优点是制造工艺简单、线性度高、可直接输出电压信号。存在的主要问题是对温度敏感，
23、灵敏度较低，不适合超低压差的精确测量。,二 微 压力传感器,微 传 感 器,2.电容式微型压力传感器 电容式微型压力传感器通常是将活动电极固连在膜片表面上，膜片受压变形导致极板间距变化，形成电容变化值。这类传感器曾被用于紧急输血时的血压计，或用作眼内压力监测器，以检测青光眼等眼球内压反常升高的疾病等。图为通过体加工工艺得到的电容式微型压力传感器。由各向异性刻蚀单晶硅制作出敏感膜片，通过膜片周围的固定部分与两玻璃片键合在一起。为减小应力，硅材料与键合玻璃片的热膨胀系数要近似匹配。弹性膜片固连的活动电极和玻璃片上的固定极板构成电容器，同时膜片周围的固定部分与玻璃片之间还形成不受压力变形影响的参考电
24、容。测量电路制作在同一硅片上，从而形成机电单片集成的微型传感器。该传感器芯片的平面尺寸约为8mm6mm。,3.谐振式微型压力传感器图示为一种商业化的谐振式压力传感器。由两平行梁构成的H形谐振器集成在压力敏感膜片上，其中一根梁通激励电流，在磁场中受洛伦兹力影响而发生振动。另一根梁也处于磁场中，可以利用感应电压对振动进行检测，从而确定膜片的应力状态，进一步得到被测压力值。该谐振器工作在局部真空状态，减少了空气阻尼影响，获得高的Q值。,二 微 压力传感器,三微型加速度计,微型加速度计和微机械陀螺都属于惯性传感器，均已大量产品化。在汽车上，微型加速度传感器用来启动包括气囊在内的安全系统或用于自动刹车等
25、，以提高汽车的安全稳定性和切断电路。此外，微型加速度计还用于一些可发挥其低成本和小尺寸特点的场合，例如生物医学领域的活动监控，便携式摄像机的图像稳定性控制等。微型加速度计通常由弹性元件(如弹性梁)将惯性质量块悬接在参考支架上。加速度引起参考支架与惯性质量块间发生相对位移，通过压敏电阻或可变电容器进行应变或位移测量，从而得到加速度值。,5.2 微 传 感 器,三 微 加速度传感器,微 传 感 器,1.压阻式微型加速度计最早的MEMS加速度计是美国斯坦福大学在20世纪70年代制造的压阻式微型加速度计，被用于生物医学移植和测量心壁加速度等。该传感器的中间硅片厚200m，键合芯片总体积为2mm3mm0
26、.6mm3，质量为20mg，测量总范围是200g(g是重力加速度)，最大过载量是600g，分辨率为0.001g。谐振频率为2.33kHz。图示，大的惯性质量块有利于获得高灵敏度和低噪声，故采用了体加工技术，并形成玻璃-硅-玻璃的夹层结构。中间层为包含悬臂梁和惯性质量块结构的硅片。两个经各向同性腐蚀的玻璃片键合在硅片外面，构成使硅敏感结构有活动余量的封闭腔，并可限制冲击和适当减震。中间硅片由双面腐蚀制作而成，惯性质量块通过悬臂梁支撑并连接在外围结构(参考支架)上，扩散形成的压敏电阻集成在悬臂梁上。,2.电容式微型加速度计图示为平板电容式微型加速度计系统原理图。悬臂梁支撑下的惯性质量块上固连可动电
27、极，两玻璃盖板的内表面上都制作固定极板，三者键合形成可检测活动极板相对位置运动的差动电容。中间硅摆片尺寸为3.2mm5mm，由双面体硅刻蚀加工而成。,5.2 微 传 感 器,5.3 光栅数字传感器,光栅传感器实际上是光电传感器的一个特殊应用。由于光栅测量具有结构简单、测量精度高、易于实现自动化和数字化等优点，因而得到了广泛的应用。,一 光栅的结构和类型,光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在活动部件上，如机床的工作台或丝杆上。光栅读数头则安装在固定部件上，如机床的底座上。当活动部件移动时，读数头和标尺光栅也就随之做相对的移动。,光栅的结构：长光栅,光栅的结构：圆光栅,1
28、.光栅尺标尺光栅和光栅读数头中的指示光栅构成光栅尺，如图所示，其中长的一块为标尺光栅，短的一块为指示光栅。两光栅上均匀地刻有相互平行、透光和不透光相间的线纹，这些线纹与两光栅相对运动的方向垂直。从图上光栅尺线纹的局部放大部分来看，白的部分b为透光线纹宽度，黑的部分a为不透光线纹宽度，设栅距为W，则W=a+b，一般光栅尺的透光线纹和不透光线纹宽度是相等的，即a=b。常见长光栅的线纹宽度为(25，50，100，125，250)线/mm。,5.3 光栅数字传感器,2.光栅读数头光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。光栅按其形状和用途可以分为长光栅和圆光栅两类，长光栅用于长度测量，
29、又称直线光栅，圆光栅用于角度测量；按光线的走向可分为透射光栅和反射光栅。,5.3 光栅数字传感器,二光栅传感器的工作原理,如两块栅距相等的光栅叠合在一起，并使它们的刻线之间的夹角为时，这时光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。,5.3 光栅数字传感器,三辨向与细分电路,1.辨向原理在实际应用中，被测物体的移动方向往往不是固定的。无论主光栅向前或向后移动，在一固定点观察时，莫尔条纹都是作明暗交替变化。因此，只根据一条莫尔条纹信号，则无法判别光栅移动方向，也就不能正确测量往复移动时的位移。为了辨向，需要两个一定相位差（90）的莫尔条纹信号。,5.3 光栅数字传感器,A方向，U01产生
30、上升沿脉冲时，u02为1，反相时，u02为0,整形,辨向,2.细分技术,5.3 光栅数字传感器,当光栅相对移动一个栅距W，则莫尔条纹移过一个间距B，与门输出一个计数脉冲。这样其分辨率为W。为了能分辨比W更小的位移量，就必须对电路进行处理，使之能在移动一个W内等间距地输出若干个计数脉冲，这种方法就称为细分。由于细分后计数脉冲的频率提高了，故又称为倍频。通常采用的细分方法有四倍频细分、电桥细分、复合细分等。,选取不同R1/R2值，就可以得到任意的值，即在一个节距W以内的任何地方经过零触发器输出一个脉冲。,5.3 光栅数字传感器,下面简要介绍电桥细分法:电桥细分法的基本原理可以用下面的电桥电路来说明
31、。图示的电桥电路和分别为从光电元件得到的两个莫尔条纹信号，R1和R2是桥臂电阻，RL为过零触发器负载电阻。,五光栅传感器的应用,光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等,5.3 光栅数字传感器,辨向,长光栅测量动画,圆光栅测量动画,顾名思义，光电式传感器就是将光信号转化成电信号的一种器件，简称光电器件。要将光信号转化成电信号，必须经过两个步骤：一是先将非电量的变化转化成光量的变化；二是通过光电器件的作用，将光量的变化转化成电量的变化。这样就实现了将非电量的变化转化成电量的变化。由于光电器件的物理基础是光电效应，光电器件是有响应速度快、可靠
32、性较高、精度高、非接触式、结构简单等特点，因此光电式传感器在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。,5.4 光电式传感器,光电效应,光电器件,光源及光学元件,光电式传感器的应用,光纤传感器,图像传感器,红外传感器,5.4 光电式传感器,一光电效应,光电效应就是指一束光线照射到物质上时，物质的电子吸收了光子的能量而发生了相应的电效应现象。根据光电效应现象的不同特征，可将光电效应分为三类。(1)外光电效应：在光线照射下，使电子从物体表面逸出的现象。如光电管、光电倍增管等。(2)内光电效应：在光线照射下，使物体的电阻率发生改变的现象。如光敏电阻等。(3)光生伏特效应：在光线照射下，使物体产生一定方向的
33、电动势的现象。如光敏二极管、光敏三极管、光电池等。,5.4 光电式传感器,二光电器件,根据光电效应制作的器件称为光电器件，也称光敏器件。光电器件的种类很多，但其工作原理都是建立在光电效应这一物理基础上的。光电器件的种类主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电耦合器件。,5.4 光电式传感器,1.光电管由玻璃壳、两个电极(光电阴极K和阳极A)、引出插脚等组成。是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂上一层光电材料作为阴极K，球心放置小球形或小环形金属作为阳极A。当阴极K受到光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极A吸引，朝阳极A方向移动，这样就在光电管内产生了电
34、子流，当然，在外电路中便产生了电流。,通过观察这两种伏安特性曲线图，在阳极电压的一段范围内，阳极电流不随阳极电压的变化而变化，达到了比较稳定的饱和区。这就是光电管的工作静态点。选择光电管的工作参数点时，就应选在光电流与阳极电压无关的区域内。,5.4 光电式传感器,光电管的伏安特性曲线：,饱和区,在饱和区，阳极电流仅仅与光通量有关，而与阳极电压无关，作为光电管工作在饱和区,2.光电倍增管1)光电倍增管的结构和工作原理光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，顾名思义是把微弱光信号转变成电信号且进行放大的器件，光电倍增管的典型结构和工作原理如图所示。,5.4 光电式传感器,倍增极的数目可以有81
35、3个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集，其电子数目可达光阴极K发射光电子数的146倍以上。这使光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多，可用来检测微弱光信号。,1)光敏电阻的工作原理与结构 在光敏电阻的两端加直流或交流工作电压的条件下，当无光照射时，光敏电阻电阻率变大，从而光敏电阻值(RG)很大，在电路中电流很小；当有光照射时，由于光敏材料吸收了光能，光敏电阻率变小，从而(RG)呈低阻状态，在电路中电流很大。光照越强，阻值越小，电流越大。当光照射停止时，(RG)又逐渐恢复高电阻值状态，电路中只有微弱的电流。,5.4 光电式传感器,3.光敏电阻,光电导层；玻璃；金属壳；电极；绝缘衬底；
36、黑色绝缘玻璃；引线,光敏电阻的工作 光敏电阻的外型与结构,光敏电阻具有灵敏度高，可靠性好以及光谱特性好，精度高、体积小、性能稳定、价格低廉等特点。因此，广泛应用于光探测和光自控领域。如：照相机、验钞机、石英钟、音乐杯、礼品盒、迷你小夜灯、光声控开关、路灯自动开关以及各种光控动物玩具，光控灯饰灯具等方面。,5.4 光电式传感器,2)光敏电阻的基本特性(1)伏安特性,5.4 光电式传感器,在外加电压一定时，光电流的大小随光照的增强而增加,使用时光敏电阻受耗散功率的限制，其两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由它可以确定光敏电阻的正常工作电压。,lx照度单位，单位面积上的光通量,
37、由图可见，该曲线是非线性的。因此光敏电阻不宜测量元件，而常在自动控制中用做光电开关。,5.4 光电式传感器,(2)光照特性,lm是光通量单位，“流明”,（3）光谱特性,5.4 光电式传感器,温度特性是指在一定的光照下，光敏电阻的阻值、灵敏度或光电流受温度的影响。随着温度的升高，暗电阻和灵敏度都下降。显然，光敏电阻的温度系数越小越好，但不同材料的光敏电阻，温度系数是不同的。因此使用光敏电阻时应考虑采用降温措施，改善光敏电阻的温度系数。,5.4 光电式传感器,(4)温度特性,4)光敏电阻的检测 首先将万用表置RX lk挡，其次置光敏电阻于光源近处，可测得光敏电阻的亮电阻；最后用黑布遮住光敏电阻的表
38、面，可测得光敏电阻的暗阻值。若亮阻值为几千欧到几十千欧，暗阻值为几兆欧至几十兆欧，则说明是好的光敏电阻。,5.4 光电式传感器,4.光敏二极管和光敏三极管,5.4 光电式传感器,1)工作原理与结构光敏二极管的结构与一般的二极管相似，其 PN 结对光敏感。将其 PN 结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在 PN 结上。光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光电器件。光敏二极管的工作原理和结构如图所示。光敏二极管工作时外加反向工作电压，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，此时光敏二极管处于截止状态。当有光照射时，在PN结附近产生光生电子和空穴对，从而形成由N区指
39、向P区的光电流，此时光敏二极管处于导通状态。当入射光的强度发生变化时，光生电子和空穴对的浓度也相应发生变化，因而通过光敏二极管的电流也随之发生变化，光敏二极管就实现了将光信号转变为电信号的输出。在家用电器、照相机中光敏二极管用来作自动测光器件。,光敏三极管有NPN和PNP型两种，是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通晶体三极管，外形与光电二极管相似。光敏三极管工作原理与光敏二极管很相似。光敏三极管的工作原理和结构如图所示，具有两个PN结。当光照射在基极-集电结上时，就会在集电结附近产生光生电子-空穴对，从而形成基极光电流。集电极电流是基极光电流的倍。这一过程与普通三极管放大基极电流
40、的作用很相似。所以光敏三极管放大了基极光电流，它的灵敏度比光敏二极管高出许多。,5.4 光电式传感器,2)光敏二极管的检测首先将万用表置Rlk挡，其次用黑布遮住光敏二极管的窗口，测量其阻值，此时正向电阻立即变得很大。置光敏二极管于光源近处，测出其正向电阻，正向阻值变小；光照越强，正向阻值越小；则说明是好的光敏二极管。有光照和无光照下所测得的两个正向电阻值相差越大越好。,5.4 光电式传感器,3)光敏三极管的检测首先将万用表置R lk挡，其次用黑布遮住光敏三极管的窗口，测量两管脚间的正、反向电阻，均为无限大时，则为光敏三极管。置光敏三极管于光源近处，测量两管脚间的正、反向电阻为几千欧到几十千欧，
41、则说明是好的光敏三极管。万用表指针向右偏转越大说明其灵敏度越高。,5.4 光电式传感器,5.光电池1)工作原理与结构光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件，光电池的工作原理及符号如图所示。硅光电池是在一块N型(或P)硅片上，用扩散的方法掺入一些P型(或N)杂质，而形成一个大面积的PN结。当入射光照在PN结上时，PN结附近激发出电子空穴对，在PN结势垒电场作用下，将光生电子拉向N区，光生空穴推向P区，形成P区为正、N区为负的光生电动势。若将PN结与负载相连接，则在电路上有电流通过。,5.4 光电式传感器,(1)光电池的光谱特性 光电池的光谱特性是指相对灵敏度和入射光波长之间的关系。如图所示为
42、硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线。从曲线上可以看出，不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的，例如，硅光电池可在0.45gm1.1gm范围内使用，而硒光电池只能在0.34gm0.57gm范围内应用。,5.4 光电式传感器,2)光电池的基本特性,(2)光电池的光照特性 光电池的光照特性是指光生电动势与照度之间的特性曲线。如图所示为硅光电池的光照特性曲线。从图中可以看出，短路电流在很大范围内与光照度成线性关系；开路电压与光照度的关系是非线性的。,5.4 光电式传感器,(3)光电池的频率特性 光电池的频率特性是指光的调制频率和输出电流之间的关系。图给出了光的调制频率和输出电流的关系曲线。可以看出，硅光
43、电池具有较高的频率响应，而硒光电池较差。,5.4 光电式传感器,光电池的温度特性是指光电池的开路电压和短路电流随温度变化的关系，如图所示。光电池的温度特性是描述光电池的开路电压、短路电流随温度变化的曲线。从图中可以看出，开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而增加的速度却很缓慢。因此，用光电池作为敏感元件时，在自动检测系统设计时就应考虑到温度的漂移，需采取相应的措施进行补偿。,5.4 光电式传感器,(4)光电池的温度特性,6.光电耦合器件,5.4 光电式传感器,光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元
44、件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光耦合器等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。,图(a)所示的组合形式结构简单，成本较低，且输出电流较大，可达100 mA，响应时间为3s4s。图(b)所示的形式结构简单，成本较低、响应时间快，约为1s，但输出电流小，在50A300A之间。图(c)所示的形式传输效率高，但只适用于较低频率的装置中。图(d)所示的是一种高速、高传输效率的新颖器件。对图中所示无论何种形式，为保证其有较佳的灵敏度，都考虑了发光与接收波长的匹配。,5.4 光电式传感器,光电耦合器光电耦合器的发
45、光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。耦合器常见的组合形式如图所示。,光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。图(a)所示的是一种透射式的光电开关，图(b)所示是一种反射式的光电开关。,5.4 光电式传感器,2)光电开关,三光源及光学元件(了解),光电式传感器的工作原理是建立在光电效应的基础上，而要发生光电效应现象是需要有一定的光源照射在光电器件上。光电传感器中使用的光源种类很多，按照光的相干性可分为非相干光源和相干光源。非相干光源包括白炽灯，气体导电灯和发光二极管；
46、相干光源包括各种激光器。要实现将光源进行有效利用的措施，就是要用好光学元件。光学元件有透镜、滤光片、光阑、光楔、反射镜、光通量调制器、光栅及光导纤维等，主要是对光参数进行选择、调整和处理。对光源的选择及参数的要求，如亮度、光谱特性、光电转换持性和相干性等，必须根据具体系统来决定。对光源的基本要求是：有足够大的功率、足够大的信噪比、稳定的光强等。,5.4 光电式传感器,1白炽灯白炽光源主要有各种钨丝灯和卤钨灯等。是最流行的可见光谱辐射源，连续发射光谱分布，并有大量红外光谱成分。白炽灯近似于一个黑体辐射。通过玻璃泡的光线波长为0.4m3.0m，其能量损失较大，可见辐射仅占6%12%，寿命短。卤钨灯
47、与白炽灯相比，体积只是同功率白炽灯体积的0.5%3%，光通量稳定，工作效率为白炽灯的23倍，寿命长，但价格昂贵，管壁温度高。卤钨灯必须在高温下工作，否则卤素循环就会完全停止。钨丝灯是一种常用光源，虽然发光和光的利用效率低、功耗大，但功率大，具有丰富的红外线。2气体导电灯在许多气体导电灯中，主要是汞、锰、氖、钠等金属卤素灯。汞蒸气灯是非常有用的光源，其光谱可从紫外光扩展到可见光波段。,5.4 光电式传感器,3电弧灯或石英灯在测量液体中悬浮的化学药品含量时常用这种光源，能产生紫外线。4发光二极管(LED)发光二极管是一种利用PN结把电能转变成光能的半导体器件，产生的是非相干荧光。辐射波长在可见或红
48、外光区域。LED发光二极管独特的优点：驱动电路比较简单、输出功率无反馈控制，可在很宽的温度范围内工作；发光角度大，输出功率小，体积小，功耗低，寿命长，价格低廉，能和集成电路相匹配。因此，LED发光二极管是光纤通信、光纤传感、光传感系统的重要光源。5激光器激光器是一种新型光源，能发出与普通光源在特性上截然不同的光。激光的特点是高方向性、高单色性、高稳定性、相干性好，是很理想的光源。特别是半导体激光器，更适合与光敏元件匹配。,5.4 光电式传感器,四光电式传感器的应用,光电式传感器在自动化技术中应用十分广泛，如利用光电导元件制成光电探测器。它能探测到任何目标的存在，在工业自动化中起着“眼睛”作用。
49、这种功能使它可以用于大量的自动监视、控制、警戒等场合。光电探测器另外一个重要应用是，它能“看”到目标的热或温度特征，比较它们的冷热，测量其温度，进行无接触测量。光电探测技术在遥感中的应用也十分广泛，利用光电探测和扫描成像原理制成的行扫描仪在卫星和航空遥感技术中得到广泛应用。光电式传感器基本上可分为模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器。,5.4 光电式传感器,1.模拟式光电传感器的应用 模拟式光电传感器的作用原理是基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数。即对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数，
50、这类传感器大都用于测量位移、表面粗糙度、振动等参数。根据被测物、光源、光电器件三者之间的关系，模拟式光电传感器通常有所示的四种测量方式：吸收式，反射式，遮光式，辐射式。,5.4 光电式传感器,(1)吸收式：光源发射的光量穿过被测物。一部分光量由被测物吸收，剩余的光量照射到光电器件上，被吸收的光量与被测物透明度有关，如图(a)所示。典型应用如透明度计、浊度计等。(2)反射式：光源发射的光量照射到被测物上，被测物将部分光反射到光电器件上，反射的光通量与反射表面的性质、状态和光源间的距离有关，如图(b)所示。典型应用如位移、振动测试、工件表面的粗糙度等。,5.4 光电式传感器,图5.60 模拟式光电
