第七章有源传感器-2011.ppt

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1、8/26/2019,1,Harbin Engineering University,第七章 有源传感器,光电传感器、热电偶传感器、压电传感器等。此类传感器无需任何电源便能由被测对象产生电信号。为测量温度、力、压力和加速度提供另一种可供选择的方法。,8/26/2019,2,本章主要内容 光电传感器 热电偶传感器,8/26/2019,3,本章目的： 掌握光电传感器基本工作原理。 掌握热电偶传感器基本工作原理。,本章重点： 光敏元件结构及典型工作电路 热电偶基本定律和冷端温度补偿原理,8/26/2019,4,本章对应的实验内容： 创新设计性实验（任选一个）： 光电报警电路设计与制作 热电偶设计与制作

2、,8/26/2019,5,7.1 光电传感器（Photoelectric sensor）,光电传感器是各种光电检测系统中实现光信号和电信号转换的关键元件，其物理基础是光电效应。 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。,8/26/2019,6,图 光电传感器的组成,x1表示被测量能直接引起光量变化； x2表示被测量在光传播过程中引起光量的变化。,8/26/2019,7,7.1.1 光源（Illuminant）,一、光的特性,光是电磁波谱中的一员。 光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。,电磁波谱图,8/26/2019,8,由光

3、的粒子说，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一种频率f的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为：,式中： E：每个光子的能量； h：普郎克常数，h=6.6261034 Js； f：光的频率； ：光的波长。,结论：光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。,8/26/2019,9,二、常用光源 1白炽光源：电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能。包括白炽灯和钨丝灯两种。 2气体放电光源：电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光。有弧光放电和辉光放电两种。 3发光二极管：一种电致发光的半导体器件，电场作用下，使固体物质发光，电能直接转变为光能。 4激光：是高亮度光，由各类气体、固体或半

4、导体激光器产生的频率单纯的光。激光是相干光源，它具有单色性和方向性，能量高度集中。,8/26/2019,10,*发光二极管（LED)：,发光二极管的结构原理：,8/26/2019,11,11,发光二极管的主要特点： (1)发光亮度与正向电流之间的关系如图所示。工作电流低于25mA时，两者基本为线性关系;,图 发光二极管的发光特性,8/26/2019,12,12,(2)响应速度极快，时间常数约为l0-6至10-9s; (3)正向电压很低，约2V左右; (4)小巧轻便、耐振动、寿命长和单色性好; (5)缺点：发光效率低，发出短波光(如蓝紫色)的材料极少。,8/26/2019,13,13,目前常用的

5、几种发光二极管： 1）.磷化镓 (GaP)发光二极管 发光中心波长为0.69m，带宽为0.1m。 2）.砷化镓 (GaAs)发光二极管 中心波长为0.94m，带宽为0.04m。 3）.磷砷化镓 (GaAs1-x_Px)发光二极管 其发光光谱可出0.565m变化到0.9lm。,8/26/2019,14,14,LED光谱曲线,8/26/2019,15,1.对光谱特性的要求：光源发出的光应在光电元件接收灵敏度最高的频率范围内。 2.对发光强度的要求：强度太高造成饱和与非线性；太弱则会处于死区。 3.对稳定性的要求：一般要求时，可采用稳压电源供电；当要求较高时，可采用稳流电源供电；当有更高要求时，可对

6、发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。 4.其它方面：任何发出光辐射（紫外光、可见光和红外光）的物体都可以叫作光辐射源。把发出可见光为主的物体叫作光源，而把发以非可见光为主的物体叫做辐射源。,三、对常用光源的基本要求,8/26/2019,16,7.1.2 光电效应及光电元件 （photoemission and elements ）,一 光电效应： 用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf 的光子的轰击，组成物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象。,8/26/2019,17,通常把光电效应分为三类： 1）电子逸出物体表面外光电效应，相应的光电元件有光电管、光电倍增管等。

7、2）使物体的电阻率改变光电导效应（属于内光电效应），相应的光电元件有光敏电阻、反相偏置工作的光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。 3）物体产生一定方向电动势光生伏特效应（属于内光电效应），相应的光电元件有光电池等。,8/26/2019,18,二 光电元件,1.光电管（phototube ）-基于外光电效应,光电管电路符号,8/26/2019,19,光电管应用：,光电管在各种自动化装置中有很多应用，街道的路灯自动控制开关就是其应用之一。 图中A为光电管，B为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯。,8/26/2019,20,2.光敏电阻（photoconductive resistance ）：

8、光电导效应,暗电流（越小越好）,半导体受到光照时会产生光生电子空穴对，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。,8/26/2019,21,光敏电阻的主要参数和基本特性 光电流： 1.光敏电阻在不受光照射时的阻值称“暗电阻”，或称暗阻，此时流过的电流称“暗电流”； 2.光敏电阻在受光照射时的阻值称“亮电阻”或称亮阻，此时的电流称“亮电流”。 3.亮电流与暗电流之差即为“光电流”。 希望暗阻愈大愈好，而亮阻越小越好，即光电流尽可能大，灵敏度就高。 光敏电阻暗阻值兆欧级，亮阻值在几千欧姆以下。 思考：如何在实验中测量暗阻和亮阻。,8/26/2019,22,伏安特性： 在光敏电阻的两端所加电压和电流的关系

9、曲线，称为光敏电阻的伏安特性，,加的电压越高，光电流愈大，且没有饱和现象 在给定的电压下，光电流的数值将随光照的增强而增加。,勒克斯（lx）：光照度单位。表示距离光源1米处，1平方米面积接受1lm光通量时的照度。,白炽灯：15（流明/瓦） 白色LED：80-200 日光灯：50 节能灯：60-80,流明（lm）：光通量单位,是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力。,8/26/2019,23,光谱特性 很重要 光敏电阻对于不同波长的入射光与其相对灵敏度关系曲线。,硫化镉的峰值在可见光区域 硫化铅的峰值在红外线区域 在选用光敏电阻时应当把元件和光源结合起来考虑,8/26/2019,24,光

10、谱温度特性 光敏电阻随着温度的升高，暗阻和灵敏度都下降。影响它的光谱特性曲线。,相对灵敏度峰值随温度上升向短波方向移动 为提高元件的灵敏度，或为能接受远红外光而采取降温措施,8/26/2019,25,光敏电阻应用电路,a）U与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路,光敏电阻电路符号,8/26/2019,26,光敏电阻 CDS 系列是种薄膜的电子元器件，阻值随着光源强度而变化。 包含 5 mm， 12 mm， and 20 mm 三种规格。 特点：环氧树脂或金属密封封装；光谱特性好，可靠性好；灵敏度高，体积小。 应 用：照相机自动测光；工业控制，光电控制；光控开关，电子玩具。,实

11、验用CDS（硫化镉）系列光敏电阻,8/26/2019,27,3.光敏二极管（photoconductive diode）：光电导效应,光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。 不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。,8/26/2019,28,光敏二极管应用电路,用光敏二极管设计的一种适合TTL电平输出的光电开关电路。,光敏二极管电路符号,8/26/2019,29,4.光敏三极管（photoconductive triode ）：光电导效应,光敏三极管是一个bc结为光敏二极管的三极管。 光照下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，该电

12、流信号被晶体三极管放大。 当晶体管增益为时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大倍。 不受光照射时，光敏三极管输出高电平；受光照射时，光敏三极管输出低电平。,8/26/2019,30,光敏三极管应用电路,光控继电器: 自己思考!,光敏三极管电路符号,8/26/2019,31,5.光电池（photovoltaic cell ）：光生伏特效应,在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结。,光电池与外电路的连接方式,a)开路电压输出 b)短路电流输出,8/26/2019,32,光电池的光电特性：,一个典型的硅光电池的光电特性 1开路电压曲线 2短路电流曲线,开路电压为

13、对数特性,短路电流为 线性特性,8/26/2019,33,1.也称硅太阳能电池，为有源器件。 2.P层极薄能使光线穿透到PN结上。 3.硅光电池使用轻便、简单，不会产生气体污染或热污染，特别适用于宇宙飞行器作仪表电源。 4.转换效率较低，适宜在可见光波段工作。,硅光电池,8/26/2019,34,光电池应用电路-报警电路,NPN,PNP,光电池电路符号,8/26/2019,35,7.1.3 光电传感器 (photoelectric sensor),采用光电元件作为检测元件的传感器。 首先把被测量转换成光信号，然后借助光电元件将光信号转换成电信号。 由光源、光学通路和光电元件三部分组成。,知识回

14、顾 光电传感器的物理基础？ 光电效应的分类？-重点！ 常用的光电元件？-重点！,8/26/2019,36,依被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可以将模拟式光电传感器分为下述几种类型 辐射式(radiation )：光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。,1.模拟式(analog),一 光电传感器类型,按输出量性质可分为两大类：模拟式和开关式。,8/26/2019,37,透射式(transmission )：恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数。,8/26/2019,38,

15、反射式(reflect ion)：恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数。,8/26/2019,39,投射式(projektion ) ：恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸。,利用光电元件受光照或无光照时“有”“无”电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。光电元件灵敏度要求高，线性要求不高。,2.开关式(shift),8/26/2019,40,循迹要求：,反射式光电传感器用于小车循迹和避障,二 光电传感器应用,1.循迹,你能想出什么

16、办法！,我想到的！,白 色 表 面,黑 色 表 面,8/26/2019,41,传感器基本组成： 红外发光二极管+光敏三极管,1）红外发光二极管：,选择红外辐射效率高的材料GaAs（砷化镓）半导体制成。发出的红外线波长为940nm左右。 外形与普通5mm发光二极管相同，颜色不同,有透明、黑色和深蓝色三种。 最大辐射强度在光轴的正前方，随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。,8/26/2019,42,2）光敏三极管（红外接收管）：,使用时红外接收管需加反向偏压。 电阻为上拉电阻。 不受光照射时，输出高电平；受光照射时，输出低电平。 当光照强度发生变化时，输出电平的电压大小也会发生变化。,8/26/20

17、19,43,单管红外发送、接收基本电路：,注意：由于红外发光管的发射功率较小，红外接收管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。现在大都采用成品的一体化接收头。,8/26/2019,44,器件结构：三只引脚：电源正VDD、电源负(GND)和数据输出(Out)。,主要参数： 工作电压：4.85.3V 工作电流：1.72.7mA 接收频率：38kHz 峰值波长：980nm 静态输出：高电平 输出低电平：0.4V 输出高电平：接近工作电压,一体化红外接收头：,红外线一体化接收头:集红外接收、放大、滤波和解调、输出等功能为一体的模块，性能稳定、可靠。,8/26/2019,45,HS0038型

18、：直立侧面收光型，接收频率38kHz。,HS0038 信号电平-数字输出： 当接收到38kHz 红外光时：OUT低电平输出； 当接收不到38kHz 红外光时：OUT高电平输出。,8/26/2019,46,问题1：为什么一体化接收件要以38kHz这一特定的频率接收红外线？ 问题2：发射管怎么才能发出这个特定的频率的红外线？,8/26/2019,47,一般红外遥控原理：,红外遥控电路由发送电路和接收电路两个组成部分： 1）发送端： 将待发送的二进制编码信号（调制信号），作用于晶振或振荡器产生的38kHz的高频信号（载波信号）上，进行调制。 经调制后，输出一系列频率为38kHz的脉冲串信号。 脉冲串

19、信号作用在红外发射管上发射红外信号。,8/26/2019,48,载波信号：频率为38kHz的脉冲信号,此为调制信号。不同编码代表不同的遥控功能！遵循：红外编码通讯协议,此为载波信号，可由晶振分频得到；也可由振荡器产生。,此为调制后输出的信号，特点：脉冲串信号，每个脉冲串频率为38kHz。,8/26/2019,49,回答：为什么要以特定的频率发射红外线呢？,由于所有物体只要温度高于零摄氏度，都会向外发送红外线，且太阳光和日光灯中最强，所以红外发光二极管发出的红外光很容易受到外界干扰。,8/26/2019,50,2）接收端： 采用一体化红外接收件，仅接收38kHz的红外信号； 然后对此红外信号进行

20、放大、检波、滤波，输出遥控编码脉冲。 3）系统总体结构图：,8/26/2019,51,小车循迹中红外发送、接收原理：,由发送和接收两部分组成： 1）发送端： 单片机定时器产生频率为38kHz的高频信号，加在红外发光二极管上，发送控制信号使红外发光二极管以38kHz的发射频率发射红外信号。,2）接收端： 采用一体化接收器件，完成对红外信号接收、放大、检波整形，并解调出低频脉冲信号。,思考：为什么这里没有调制？,8/26/2019,52,3）实际电路：,单片机定时器产生的38kHz载波信号,三极管：驱动作用,调节发光管的发光强度,控制端：高电平发射载波信号,发光管,一体式红外线接收件,上拉电阻,限

21、流电阻,滤波,接收输出端：低电平表示收到信号,8/26/2019,53,基于光电传感器的小车循迹过程分析,红外发光管以38kHz频率发射出红外线。 当反射面（地面）是白颜色时，红外光被反射，接收管接收到38kHz红外线，输出低电平。 当反射面（轨迹）是黑色时，光线被吸收，接收管接收不到红外信号，输出高电平。,8/26/2019,54,避障要求：,2.避障,如何用光电传感器实现避障哪？,8/26/2019,55,模拟输出的光电传感器避障原理,8/26/2019,56,数字输出的光电传感器避障原理,注意：调制的一体化接收头，输出的是数字信号，通过检测传感器输出信号的强弱来计算距离的方法行不通。,但

22、是我们能知道：如果保持红外传感器和障碍物之间的距离（待测距离）不变，则： 当改变发射管发出的红外信号的强度 能控制接收头接收的红外信号的强度 会导致当发射管发出的红外信号强度为某个特定值时，接收管刚好接收不到红外信号。,8/26/2019,57,如何改变发射管发出的红外信号的强度？ 最简单的方法：调节可调电阻RP1的阻值就可以改变输出信号的幅度。,8/26/2019,58,小车避障距离的确定！,1）确定小车避障的最远距离，如10cm； 2）将传感器和障碍物之间距离调整为10cm； 3）调节发光管强度调整电阻RP1，使得接收管刚好能接收到此红外信号； 4）当避障距离小于10cm时，信号强度会更高

23、，所以接收管始终能接收到红外信号，输出高电平； 5）当避障距离大于10cm时，信号强度会变弱，所以接收管接收不到红外信号，输出变为低电平。,8/26/2019,59,本部分内容结束了！ 重点： 光电效应种类及相应的光电元件。 典型光电元件的应用电路分析。 光电传感器用于小车循迹和避障的基本原理。,8/26/2019,60,属于自发电型传感器：其输出可直接驱动动圈式仪表； 测温范围广：下限可达-270C ，上限可达1800C以上； 各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。,7.2 热电偶传感器 thermocouple sensor,8/26/2019,61,先看一个实验热电偶工作原理演示,

24、结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,7.2.1 热电偶的工作原理,8/26/2019,62,热电效应：两种不同的金属材料组成一个闭合电路，如果两个接点的温度不同，则在回路中有电势存在，这种现象叫。 产生的电势叫热电势，表示为： 。 构成的结构称为：热电偶。,热电极A,测量端（工作端、热端）,自由端（参考端、冷端）,热电极B,8/26/2019,63,产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。,接触电势 温差电势,8/26/2019,64,回路总电势：,两个接触电势 ，两个温差电势,注意：实际中，接触电势远大于温差电势,思考： 相同吗？,8/26/2019,65,结论： 1)

25、 热电势大小只与构成热电偶的材料(nA,nB)和两端的温度(T,T0)有关； 2) 若两个热电极材料相同，回路不会产生热电势； 3) 材料选定后，热电势的大小只与热电偶两端点的温度有关； 4）当参考端温度选定后（一般取0摄氏度），热电势的大小只与测量端的温度有关； 5）可以通过测量热电势的大小，测量被测温度。 6）因为温度与热电势之间的关系不是线性关系，所以热电偶测温一般采用分度表。,8/26/2019,66,7.2.2 热电偶的几个基本定律-重点呀！,1.中间导体定律 在热电偶中，当接入第三种导体时，只要被接入的中间导体所形成的两个新接点温度相同，则对回路热电势没有影响。,结论：利用这个定律

26、可以将第三导体换成连接导线和毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。,8/26/2019,67,2.连接导体定律,应用：是工业上运用补偿导线测温的理论基础,在热电偶测温时，当接入得连接导线和测量仪表距离热电偶较远时，会产生两个接点温度Tn和T0。 回路总的热电势等于热电偶的热电势与连接导线的热电势的代数和。,8/26/2019,68,3.中间温度定律,应用：制定热电偶分度表的理论根据。,当导体A与连接导线A、导体B与连接导线B的热电特性相同时，则：,Tn：被称为中间温度，此时称为中间温度定律。,8/26/2019,69,4.匀质导体定律： 由一种均匀导体组

27、成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中都不会产生热电势；反之如果有热电势，则此材料一定是非均匀的。 应用：可以检查热电偶材料的均匀性。,8/26/2019,70,一 热电偶的结构 1.普通装配型热电偶的外形,7.2.3 热电偶的结构及材料,不锈钢保护管； 管径：20、16、12、8、6mm； 长度一般从75mm-3m； 时间常数约为1.5-4min。,8/26/2019,71,2.铠装型热电偶外形,管径：2mm到8mm ； 长度：0.05m到百米； 时间常数约为0.01s,8/26/2019,72,3.表面热电偶,时间常数约为10ms,8/26/2019,73,二 热电偶的材料,1.

28、热电偶传感器对材料要求： 在同样温度下产生的热电势要大，且热电势与温度间应成线性（或近似线性）关系； 耐高温和抗辐射性能好，在较宽的温度范围内，化学及物理性能稳定； 电导率高，电阻温度系数小，比热小； 价格便宜。,8/26/2019,74,八种国际通用热电偶： B:铂铑30铂铑6 、R:铂铑13铂 、S:铂铑10铂 、 K:镍铬镍硅 、N:镍铬硅镍硅 、E:镍铬铜镍、 J:铁铜镍 、T:铜铜镍,用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝,8/26/2019,75,2.几种常用热电偶的测温范围及热电势,抗氧化性能强、精度等级最高。,与S分度号相比：热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同。,热电动势极小

29、，故在测量时一般不用补偿导线。,抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用最广泛。,热电动势最大，即灵敏度最高。,8/26/2019,76,3.热电偶的分度表 重点呀！,热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法!,我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定相应分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。,直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。,8/26/2019,77,K热电偶的分度表,8/26/2019,78,7.2.4 热电偶冷端的延长,作用：可延长热电偶的冷端，使之远

30、离高温区；节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。,补偿导线在0100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。,8/26/2019,79,补偿导线型号,8/26/2019,80,补偿导线外形,A,B,屏蔽层,保护层,8/26/2019,81,7.2.5 热电偶的冷端温度补偿 -重点呀！,1.冷端温度补偿的必要性 用热电偶的分度表查毫伏-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。 一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。,8/26/2019,82,

31、2.冷端温度补偿的方法,冷端恒温法： 将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0C不变。 此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。,8/26/2019,83,冰浴法,在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。,8/26/2019,84,计算修正法-重点呀！,当热电偶的冷端温度t0 0C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB(t,t0)EAB(t,0C)。 若t0 0C ，则EAB(t,t0)EAB(t,0C)。 利用中间温度定律计算并修正测量误差： EABBA(t,0C)=EA

32、B(t,t0)+EAB(t0,0C),8/26/2019,85,计算修正法举例：,用镍铬-镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度为40C，用高精度毫伏表测得这时的热电势为29.186mV，求被测点温度。,8/26/2019,86,7.2.6 热电偶的测温线路,在工业生产中，热电偶常与毫伏表连用或与电子电位差计连用，后者精度高些且能自动记录。另外也可通过温度变送器经放大后再接指示仪表或作为控制用的信号。,8/26/2019,87,1测量单点温度测温线路,补偿导线,毫伏计或数字仪表,8/26/2019,88,2测量两点温度差的测温线路,测量时，用两只同型号的热电偶，并配有相同的补偿导线。,8/26/

33、2019,89,3测量平均温度的测温线路,4测量几点温度之和的测温线路,典型应用：热电堆,8/26/2019,90,7.2.7 热电偶应用,在工业生产中，热电偶主要用于温度的测量。,1. 利用热电偶监测燃气热水器的火焰,2. 用侵入式热电偶测量熔融金属,8/26/2019,91,1光电传感器的物理基础是什么？光电效应有哪些种类？ 2光电器件中的光照特性、光谱特性分别描述的是光电器件的什么性能？ 3常用的光电元件有哪些？各自有什么特点？,4. 说明下图将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平的原理。,本章作业,8/26/2019,92,6什么叫热电势、接触电势和温差电势？ 7. 说明热电偶几个工作定律的典型应用。 8热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？为消除冷端温度影响可采用哪些措施？ 9分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。 10用镍铬-镍硅热电偶测得介质温度为800，若参考端温度为25，问介质的实际温度为多少?,5. 说明光敏三极管用作控继电器工作原理。,8/26/2019,93,本课程结束了！ 谢谢大家！,