第02章常用传感器详解.ppt

* 由于压电传感器本身是一个电容器，因而是一个具有一定电容的电荷源。电容器开路电压e0与电荷量Q 、电容Ca存在下列关系式 电荷量Q与压电传感器的压电系数D、作用力F=F0·sinωt大小有关，即： 压电式传感器 2) 等效电路及输出特性 当压电传感器接入电路后，等效电路图见图2.62 图2.62 压电传感器等效电路 Ca为传感器电容；Cc为电缆电容；R0为后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻形成的泄漏电阻；Ci为外接电路的输入端电容；i为泄漏电流。 * 压电式传感器 令C=Ca+Cc+Ci，则由电荷平衡可知： 因此，求解上述方程可得电容上的电压值为： ① 测量静态参数，即ω=0时，则e=0，因此它不能测量静态参数。 ② 输出电压与时间常数R0C有关，当R0C很大时，ωCR0＞＞1，此时：即输出电压与电荷量成正比，与频率无关。因此，这时若增大C，则灵敏度就减小，而C中还包含连接导线电容Cc，而连接导线电容随连接导线的使用情况不同而不同，这样就会引起测量误差，为减小误差，一般需要接入一个固定电容，并固定导线的长度和规格。 ③ 测量低频时，即在ωCR0＜＜1时，e=QR0ω，即输出电压是频率的函数，且随频率下降而下降。 * 2.5.3 光电式传感器 1. 光电效应 因光照而引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。光电效应可分为外光电效应和内光电效应两种。 光照物体向真空发射电子的现象称为外光电效应。金属中存在大量的具有一定能 量的自由电子，在平常温度条件下不能离开金属表面。当受光辐射时，金属吸收 光子，使内部的电子被激发到高能状态，并向表面运动。到达表面的电子能克服 位垒而逸出，从而将光辐射能转换为逸出电子的电磁能。利用外光电效应制成的 变换元件一般为光电管和光电倍增管。 光照物体的电导率发生变化或产生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应分 为光导效应和光生伏特效应。 物体在光照下吸收一部分光能，而使内部的原子释放出电子，导致物体导电性增 加的现象称为光导效应。基于光导效应而制成的电阻称为光敏电阻，用光敏电阻 制成的器件称为光导管。 光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象称为 光生伏特效应。依据光生伏特效应而制成的光电器件称为光电池。 * 光电式传感器 2. 光电元件 1) 光电管和光电倍增管 图2.68 典型光电管结构 在真空玻璃泡内装入两个电极——光阴极和光阳极，光阴极可以是柱面形金属板，也可以是涂在玻璃泡内壁上的阴极涂料。在阴极前置入环形金属丝或柱形金属丝即为光阳极。 当光阴极受到适当波长的光线照射时便会发射电子，这些电子被加有一定电位的阳极吸收，从而在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串入适当阻值的电阻，则在此电阻上将有正比于光电管中空间电流的电压降，见图2.69。 图2.69 光电管电路 制造光电阴极常用的材料有锑-铯、银-氧-铯，银-铋-氧-铯等，光阴极对不同波长的光线有不同的灵敏度，叫频谱灵敏度。如氧-银-铯光电阴极在红光和红外光区具有较高的灵敏度，而锑铯光电阴极频谱灵敏度的峰值在紫外区。 * 光电式传感器 当入射光极其微弱时，光电管产生的电流很小，即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大，为此可采用光电倍增管。工作原理见图2.70。 它由光电阳极A、阴极C和若干倍增极组成。倍增极的数目在4~14个之间，在各倍增极上加一定电压，可使电子逐步加速。入射光首先使光阴极激发出电子，发射的电子轰击第一倍增极。放出电子，被D1、D2间电场加速，射向第二倍增极D2，并再次产生二次电子发射。如此下去，每经一次二次电子发射，电子数量有所增加，最后被阳极吸收，在光电阴极和光电阳极之间形成电流。 图2.70 光电倍增管 * 光电式传感器 2) 光敏电阻 光敏电阻是一种匀质半导体光电器件。它是由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，见图2.71。 图2.71 光敏电阻 在黑暗的环境下，其阻值很高，但受到足够强的光照时，其导电性大大增强，并且光照越强，阻值越低；光照停止，阻值又恢复原值。 应用在可见光范围内应用最为广泛是光敏电阻有硫 化镉、硒化镉，紫外波段大多用氧化锌、硫化锌等 红外波段用硫化铅、硒化铅等。 光敏电阻在使用时不能使光电流超过许用值，以免 烧坏器件。 * 光电式传感器 3) 光电池 光电池是一种直接将光能转换成电能的元件，其工作原理是基于光生伏特效应。 常用的光电池有两种：一种是金属半导体型，如硒光电池；另一种是PN结型，如硅光电池。除此之外，还有硅太阳能电池、硫化