传感与检测技术(周杏鹏)第五章精选.ppt

第5章  常用物性型传感器 基于压电效应的压电传感器，它的灵敏度、频响特性等是衡量其工作性能的主要指标。影响压电传感器工作性能的因素很多，如横向灵敏度、安装差异、环境温度、湿度的变化、以及传感器重量的负载影响、电磁场、基座应变带来的影响等等。 5.2.3 影响压电式传感器性能的主要因素 压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示；称为横向灵敏度比。 5.2.3 影响压电传感器工作性能的主要因素 横向灵敏度 环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化。压电材料不同，温度影响的程度也不同。当温度低于400℃时，其压电常数和介电常数都很稳定。环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。如果传感器长期在高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。 5.2.3 影响压电传感器工作性能的主要因素 环境温度和湿度的影响 安装方式的不同及安装质量的差异，对传感器频响特性影响很大。此外试件表面的任何受力应变，都将通过传感器基座直接传给压电元件，从而产生与被测信号无关的假信号输出。 5.2.3 影响压电传感器工作性能的主要因素 安装差异及基座应变 为了减小这种噪声。可使用特制的低噪声电缆，同时将电缆固紧，以免产生相对运动。在测试系统中接有多种测量仪器，如果各仪器与传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪声。防止这种噪声的有效办法是整个测量系统在一点接地。而且选择指示器的输入端为接地点。 5.2.3 影响压电传感器工作性能的主要因素 噪声 光电器件是将光信号的变化转换为电信号的一种传感器件，其工作的物理基础是光电效应。 5.3 光电式传感器 5.3.1光电效应及光电器件 5.3.2 光电器件的特性 5.3.3 光电式传感器与新型光电检测器 由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量与其频率大小成正比。光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量的粒子轰击在物体上，这时物体吸收了光子能量后将引起电效应。这种因为吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应就称为光电效应，可分为外光电效应、内光电效应和阻挡层光电效应三种类型。 5.3.1光电效应及光电器件 在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。 5.3.1光电效应及光电器件 2. 内光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化，引起电阻率或电导改变的现象称为内光电效应，也称光电导效应。 在光线作用下，半导体材料吸收了入射的光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性能增加，阻值降低。这种因光照而使其电阻率发生变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管和光敏三极管。 3. 阻挡层光电效应 在光线作用下，物体产生一定方向的电动势的现象，称为阻挡层光电效应，也称为光生伏特效应。 光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。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。硅和硒是光电池的最常用的材料，在一块N型硅片上用扩散方法渗入一些P型杂质,从而形成一个大面积PN结，P层极薄能使光线穿透到PN结上。光电池与外电路的连接方式有两种，一种是开路电压输出，开路电压与光照度之间呈非线性关系；另一种是把PN结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，也称为光电池的短路输出电流，其大小与光强成正比；光照度大于1000Lx时呈现饱和特性。 3. 阻挡层光电效应 光电器件的灵敏度可用光照特性来表征，它是指半导体光电器件产生的光电流（光电压）与光照之间的关系。 光敏电阻的光照特性一般呈非线性，如图5-27(a)所示，因此不宜作线性检测元件，但可在自动控制系统中用作开关元件。 光敏晶体管的光照特性如图5-27(b)所示。它的灵敏度和线性度较好，在军事、工业自动控制和民用电器中应用极广，既可作线性转换元件，也可作开关元件。 光电池的光照特性如图5-27(c)所示。 5.3.2 光电器件的特性 1. 光照特性 5.3.2 光电器件的特性 伏安特性是指光照一定时，这些光电元件的 端电压U与电流I之间的关系。 2. 伏安特性 半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同的，因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。 3. 光谱特性 半导体光电元件的频率特性是指它们的输出电信号与调制光频率变化的关系。 4. 频