1、2022-8-171第七章第七章 机械量的测量机械量的测量 本章学习本章学习位移、速度、加位移、速度、加速度速度、机械震动、力及力矩等、机械震动、力及力矩等机械量机械量。2022-8-172第一节第一节 位移的测量位移的测量第二节第二节 转速的测量转速的测量第三节第三节 加速度的测量加速度的测量第七章第七章 机械量的测量机械量的测量2022-8-173第一节第一节 位移的测量位移的测量 1.常用位移传感器的性能和特点（常用位移传感器的性能和特点（P121）2022-8-174电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流线圈当电涡流线圈与金属板的距离与金属板的距离x 减减小时，电涡流线圈小时，电涡流线
2、圈的等效电感的等效电感L 减小，减小，等效电阻等效电阻R 增大。增大。感抗感抗XL 的变化比的变化比 R 的变化的变化 大大 得得 多，流多，流过电涡流线圈的电过电涡流线圈的电流流 i1 增大。增大。二、电涡流传感器二、电涡流传感器当金属导体置于交变磁场或在磁场当金属导体置于交变磁场或在磁场中运动时，在导体中会产生感生电中运动时，在导体中会产生感生电流，这种电流在导体中自行闭合流，这种电流在导体中自行闭合电涡流电涡流2022-8-175工作原理工作原理:交变电流交变电流传感器线圈传感器线圈被测导体被测导体交变磁场交变磁场H1电涡流电涡流交变磁场交变磁场H2参数变化参数变化(电感、阻抗、电感、阻
3、抗、品质因素等品质因素等)输出信号输出信号2022-8-1762022-8-1772022-8-178电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到 干净、干净、高效的高效的 电磁炉电磁炉2022-8-179集肤效应集肤效应 集肤效应与激励源频率集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、工件的电导率、磁导率、磁导率 等有关。频率等有关。频率f越高，电涡流的越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。图图4-1是电涡流传感器工作原理示意图。当高频是电涡流传感器工作原理示意图。当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到
4、一个靠左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。（也称趋肤效应）。2022-8-17102、等效阻抗分析、等效阻抗分析 检测深度与检测深度与激励源频率有何关系？激励源频率有何关系？电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗
5、电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的的函数表达式为：函数表达式为：Z=R+jL=f（、x、i1、r）（7-6）如果控制上式中的如果控制上式中的i1、f、r不变，电不变，电涡流线圈的阻抗涡流线圈的阻抗Z就成为哪个非电量的单值函数？就成为哪个非电量的单值函数？属于接触式测量还是非接触式测量？属于接触式测量还是非接触式测量？2022-8-1711等效阻抗与非电量的测量等效阻抗与非电量的测量 检测深度的控制：检测深度的控制：由于存在集肤效应，电由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f，可控制检测深度。激励源频率一般设定在可控制检测深度。激
6、励源频率一般设定在100kHz1MHz。频率越低，。频率越低，检测深度越深检测深度越深。间距间距x的测量：的测量：如果控制上式中的如果控制上式中的i1、f、r不不变，电涡流线圈的阻抗变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距就成为间距x的单值函数，这的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。样就成为非接触地测量位移的传感器。多种用途：多种用途：如果控制如果控制x、i1、f不变，就可以用来检不变，就可以用来检测与表面电导率测与表面电导率有关的有关的表面温度、表面裂纹等参数表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率或者用来检测与材料磁导率 有关的有关的材料型号、表面硬材料型号、表面硬度度等参数
7、。等参数。电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈2022-8-1713电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高高频电流通过频电流通过励磁线圈，励磁线圈，产生交变磁产生交变磁场，在铁质场，在铁质锅底会产生锅底会产生无数的电涡无数的电涡流，使锅底流，使锅底自行发热，自行发热，烧开锅烧开锅 内内 的的 食食 物。物。2022-8-1714电涡流传感器结构及特性电涡流传感器结构及特性 电涡流探头电涡流探头外形外形交变磁场交变磁场高频反射式、低频投射式高频反射式、低频投射式2022-8-1715高频反射式电涡流探头高频反射式电涡流探头内部结构内部结构 1电涡流线圈电涡流线圈 2探头壳体探头壳体 3壳体上的
8、位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4印制线路板印制线路板 5夹持螺母夹持螺母 6电源指示灯电源指示灯 7阈值指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9电缆插头电缆插头 2022-8-1716CZF-1系列传感器的性能系列传感器的性能 分析上表请得出结论：分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？有何关系？2022-8-1717低频投射式低频投射式2022-8-1718大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 2022-8-17193 3、电涡流测量转换电路、电涡流测量转换电路 （1）电桥电路）电桥电路2022-8-17203 3、电涡流
9、测量转换电路、电涡流测量转换电路 （2）谐振调幅式（）谐振调幅式（AM）电路）电路 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。两者之间的距离等参数）。2022-8-1721部分常用材料对振荡器振幅的
10、衰减系数部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数 人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡振荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？2022-8-1722（3）谐振调频（）谐振调频（FM）式电路）式电路(100kHz1MHz）当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流改变时，电涡流线圈的电感量线圈的电感量L 也随之改变，引起也随之改变，引起LC 振荡器的输出振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将拟仪表进行显示
11、或记录时，必须使用鉴频器，将 f转转换为电压换为电压 Uo 。2022-8-1723（3）谐振调频（）谐振调频（FM）式电路）式电路(100kHz1MHz）2022-8-1724并联谐振回路的谐振频率并联谐振回路的谐振频率 设电涡流线圈的电感量设电涡流线圈的电感量L=0.8mH，微调电容微调电容C0=200pF，求振荡器的频率，求振荡器的频率f 。01 4-32fLC2022-8-1725鉴频器特性鉴频器特性 使用使用鉴频器可鉴频器可以将以将 f 转转换为电压换为电压 Uo鉴频器的输出电压与输入频率成正比鉴频器的输出电压与输入频率成正比2022-8-1726鉴频器在调频式电路中的应用鉴频器在调
12、频式电路中的应用 设电路参数如上页，设电路参数如上页，计算电涡流线圈未接近计算电涡流线圈未接近金属时的鉴频器输出电金属时的鉴频器输出电压压Uo0；若电涡流线圈靠；若电涡流线圈靠近金属后，电涡流探头近金属后，电涡流探头的的输出频率输出频率f 上升为上升为500kHz，f 为多少？输为多少？输出电压出电压Uo又为多少？又为多少？2022-8-17272022-8-1728电涡流传感器应用电涡流传感器应用位移检测位移检测2022-8-1729电涡流传感器应用电涡流传感器应用厚度检测厚度检测三、光栅传感器三、光栅传感器1.光栅传感器原理光栅传感器原理(莫尔条纹莫尔条纹)构成：构成：叠合叠合主光栅主光栅
13、指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动条纹宽度：条纹宽度：WWB)2/sin(2W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W=a+b，a=b=W/2 主光栅主光栅-标尺光栅，定光栅；标尺光栅，定光栅；指示光栅指示光栅-动光栅动光栅2022-8-1731莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：方向性：方向性：垂直于角平分线垂直于角平分线 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：同步性：光栅移动一个栅距光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距莫尔条纹移动一个间距放大性：放大性：夹角夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度准确性：准确性：误差平均效应误差平
14、均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 三、光栅传感器三、光栅传感器2022-8-17322.2.光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+2(0.2+21010-6-6L L)m)m，测角，测角0.10.1量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（光栅尺长（1-几几十米十米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、温度、湿度、灰尘、振动、移动精度移动精度成本高：电路复杂成本高：电路复杂 2022-8-17333.光
15、栅传感器结构光栅传感器结构 1 主光栅尺（定光栅）主光栅尺（定光栅）2 指示光栅（动光栅）指示光栅（动光栅）3 光电元件光电元件4 透镜透镜5 光源光源透射式结构：透射式结构：反射式结构：反射式结构：光源光源 指示光栅指示光栅 透射透射 主光栅主光栅 光电元件光电元件光源光源 主光栅主光栅 反射反射 指示光栅指示光栅 光电元件光电元件2022-8-17344.4.代表性产品：代表性产品：德国德国Heidenhain（海德汉）：（海德汉）：封闭式：量程封闭式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m开放式：量程开放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m开放式：量程开放式：量程270mm
16、 分辨力分辨力1nm三、光栅传感器三、光栅传感器2022-8-1735英国英国Renishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）：量程：任意量程：任意分辨力：分辨力：0.1 m 0.01 m中国长春光机所：中国长春光机所：量量 程：程：1000mm分辨力：分辨力：0.01 m精精 度：度：2 m三、光栅传感器三、光栅传感器2022-8-1736四、角度及角位移检测（补充）四、角度及角位移检测（补充）1 1、绝对码光电编码器、绝对码光电编码器原理：平行光源原理：平行光源码盘码盘 光电元件光电元件电信号输出电信号输出 码盘：光学玻璃，透光码盘：光学玻璃，透光/不透光不透光 照相腐蚀照相腐蚀 要求：分度准确（工
17、艺）、明暗交替边缘陡峭（工艺、材质）要求：分度准确（工艺）、明暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光源：光源：LED 光学系统光学系统 平行光平行光 投影精确投影精确 光电元件：硅光电池，光电晶体管光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后滞后 响应速度响应速度 码道：位数码道：位数每个码道对应一个光电元件每个码道对应一个光电元件分辨率分辨率 角度分辨率：角度分辨率：=360/2n n-码道数（位数）码道数（位数）组成：组成：光源、码盘、光电元件光源、码盘、光电元件 增加码道、增大码盘尺寸增加码道、增大码盘尺寸 有限有限提高精度提高精度光学细分光学细分 附加码道附加码道2022-8-1737测量电路：测量电
18、路：编码码制：编码码制：十进制码十进制码-0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二进制码二进制码-0000 0001 0010 0011 0100 格格 雷雷 码码-循环码：相邻两数只有一位不同循环码：相邻两数只有一位不同 每次只有一位变化每次只有一位变化转换转换 放大放大 足够电平足够电平，驱动，驱动整形整形 接近理想方波接近理想方波 细分细分 提高分辨率（光学提高分辨率（光学+电路）电路）多位码同时动作多位码同时动作同步误差同步误差错码错码读数直观，不易电路处理读数直观，不易电路处理直观，易于后续电路和计算机处理直观，易于后续电路和计算机处理四、角度及角位移检测（补充）四、角度及角位移检
19、测（补充）2022-8-1738角度位置二进制码十进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位绝对码光电编码器码制位绝对码光电编码器码制2022-8
20、-1739特点：特点：摩擦轮摩擦轮编码器编码器小范围绝对位置测量小范围绝对位置测量-角度、直线位置角度、直线位置小范围位移、速度检测小范围位移、速度检测结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，应用：应用：例：直线例：直线 旋转旋转 360 直接数字量输出直接数字量输出-数字传感器，数字传感器，绝对码绝对码-绝对角位置传感器绝对角位置传感器测量范围有限（测量范围有限（360），），速度不高（最高几千转速度不高（最高几千转/分），怕振动分），怕振动-丢数丢数360Dx 连接连接-弹性连轴结弹性连轴结四、角度及角位移检测（补充）四、角度及角位移检测（补充）2022
21、-8-17402、增量码光电编码器、增量码光电编码器结构结构：与绝对编码器类似与绝对编码器类似码道码道：最外：最外-增量码道：透光扇形区增量码道：透光扇形区分辨率分辨率 中间中间-辨向码道：错开半个扇形区辨向码道：错开半个扇形区 最内最内-零位码道：透光狭缝零位码道：透光狭缝基准脉冲基准脉冲应用应用：相对位置测量：相对位置测量-角度、直线位置，角度、直线位置，位移、速度测量位移、速度测量 特点特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，脉冲数字输出，测量范围无限脉冲数字输出，测量范围无限 速度不高（最高几千转速度不高（最高几千转/分）分）怕振动怕振动-丢
22、数丢数2022-8-17413、圆光栅传感器、圆光栅传感器光栅工作原理光栅工作原理：莫尔条纹技术：莫尔条纹技术类型类型：(1)直线莫尔条纹：条纹直线莫尔条纹：条纹-直线直线(2)圆型莫尔条纹：条纹圆型莫尔条纹：条纹-圆型圆型RENISHAW 圆光栅：圆光栅：角度分辨率为0.01 系统精度为 0.7(a)径向光栅径向光栅-圆弧形莫尔条纹圆弧形莫尔条纹光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直
23、于栅线，称横向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹其他位置上上，称为斜向莫尔条纹其他位置上上，称为斜向莫尔条纹条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径 圆弧圆弧2022-8-1742光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，(b)(b)切向光栅切向光栅 -环形莫尔条纹环形莫尔条纹光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同 ，基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，基圆半径不同，栅线面相对同心叠合
24、，条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇，条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇，宽度也不是定值，随位置不同而不同。宽度也不是定值，随位置不同而不同。特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。(c)环形光栅环形光栅-辐射形莫尔条纹辐射形莫尔条纹条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔 条纹。条纹。四、角度及角位移检测（补充）四、角度及角位移检测（补充）2022-8-1743五、激光测距五、激光测距2、激光测距传感器、激光测距传感器(1)激光测距特点：激光测距特点：测量距离可达几公里甚至几十公里（主
25、要手段）测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）(2)激光测距方法：飞行时间法、相位差法激光测距方法：飞行时间法、相位差法(a)飞行时间法：飞行时间法：2/ctd 被测距离被测距离:c-光速光速 t-往返飞行时间往返飞行时间(b)相位差法：相位差法：被测距离被测距离:c-光速光速 f0-脉冲频率脉冲频率 -相位差相位差激光激光器器被测目标被测目标原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲激光激光器器被测目被测目标标0042fccD特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离 （地
26、球-月球：分辨力达到1m）特点：测量精度高，测量范围大（短距离特点：测量精度高，测量范围大（短距离 超长距离）超长距离）（相机自动调焦）2022-8-1744范围：范围：0.2 300m 分辨力：分辨力：3mm德国俫卡手持式：德国俫卡手持式：范围：范围：0.2 200m分辨力：分辨力：0.2mm美国美国bushwell 单目军用单目军用范围：范围：1000m分辨力：分辨力：1m2022-8-1745六、超声测距传感器六、超声测距传感器超声测距原理：超声测距原理：2/ctd 被测距离被测距离:c-声速声速 t-往返飞行时间往返飞行时间应用：适于大目标、近距离、一般精度测距应用：适于大目标、近距离
27、、一般精度测距 手持测距仪手持测距仪-盲人导盲盲人导盲 汽车倒车雷达汽车倒车雷达-汽车安全汽车安全 工业应用工业应用-超声测量液位、物位超声测量液位、物位特点：超声波束发散，测量范围小特点：超声波束发散，测量范围小 波束聚焦困难，测量精度低波束聚焦困难，测量精度低 测量目标不能太小；测量目标不能太小；超生探头超生探头被测目标被测目标超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。2022-8-
28、1746 第二节第二节 转速的测量转速的测量 一、概述一、概述 1.1.常用速度传感器性能和特点（常用速度传感器性能和特点（P130P130）二、光电式传感器二、光电式传感器1.光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应2022-8-1747光电效应及光电元件光电效应及光电元件 用光照射某一物体，可以看作物体受到一用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为连串能量为hf hf 的光子的轰击，组成这物体的的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。象称为光电
29、效应。外光电效应：在光线的作用下外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。光电摄像管等。2022-8-1748光电效应及光电元件光电效应及光电元件 内光电效应：半导体材料受到光照时，其中处内光电效应：半导体材料受到光照时，其中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子空穴对。
30、生电子空穴对。内光电效应按工作原理可分为：光电导效应和内光电效应按工作原理可分为：光电导效应和光生伏特效应。光生伏特效应。基于光电导效应的光电元件有光敏电阻、光敏基于光电导效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。二极管、光敏三极管等。基于光生伏特效应的光电元件有光电池。基于光生伏特效应的光电元件有光电池。2022-8-1749 紫外管外形紫外管外形 当入射紫外当入射紫外线照射在紫外管线照射在紫外管阴极板上时，电阴极板上时，电子克服金属表面子克服金属表面对它的束缚而逸对它的束缚而逸出金属表面，形出金属表面，形成电子发射。紫成电子发射。紫外管多用于紫外外管多用于紫外线测量、火焰监线测量
31、、火焰监测等。测等。紫外线紫外线2022-8-1750光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到当光敏电阻受到光照时，光照时，阻值减小。阻值减小。2022-8-1751光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏当光敏电阻受到光电阻受到光照时，照时，光生光生电子电子空穴空穴对增加，对增加，阻阻值减小，电值减小，电流增大。流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性P133 图图7-19(a)2022-8-1752光敏二极管光敏二极管 将光敏二极管的将光敏二极管的PN 结设置在透明管结设置在透明管壳顶部的正下方，光壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的照射到光敏二极管的PN结时，电子结时
32、，电子-空穴空穴对数量增加，光电流对数量增加，光电流与照度成正比。与照度成正比。2022-8-1753光敏二极管外形光敏二极管外形 光敏二极管阵列光敏二极管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件元件的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。于分光镜。2022-8-1754红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管光敏二极管光照特性光敏二极管光照特性P133 图图7-19（b）2022-8-1755PIN光电二极管光电二极管 PIN光电二极管是在光电二极管是在P区和区和N区之间插入一层电阻区之间插入一层电阻率很大的率很大的I层，
33、从而减小了层，从而减小了PN结的电容，提高了工作结的电容，提高了工作频率。频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关频带小信号开关、中波频带中波频带到到1000MHZ之间电流控制、可变之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收
34、发天线的衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和高频功率开关切换和RF领域的高领域的高速开关等。特殊结构的速开关等。特殊结构的PIN二极二极 管还可用于测量紫外线或射线等管还可用于测量紫外线或射线等。2022-8-1756APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）光敏二极管（雪崩光敏二极管）硅雪崩光电二极管是可见光和近红外探测器，硅雪崩光电二极管是可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。光测距
35、、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。2022-8-1757GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数系列硅雪崩光电二极管的特性参数 参数参数单位单位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直径光敏面直径mm0.20.50.8工作电压工作电压V100150100150150250暗电流暗电流nA152535响应度响应度V/w606060上升时间上升时间ns134噪声等效功率噪声等效功率 Pw/Hz1/20.050.070.09结电容结电容pF11.52使用温度范围使用温度范围-20+40-20+40-20+40封装形式封装形式 TO型型 光纤型光纤型TO型型TO型型2022-8
36、-1758光敏二极管的反向光敏二极管的反向偏置接法偏置接法 在没有光照时，由在没有光照时，由于二极管反向偏置，所于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射饱和漏电流。当光照射在二极管的在二极管的PNPN结（又称结（又称耗尽层）上时，在耗尽层）上时，在PNPN结结附近产生的电子附近产生的电子-空穴空穴对数量也随之增加，光对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电电流也相应增大，光电流与照度成正比。流与照度成正比。2022-8-1759 光敏二极管的反向偏置接线光敏二极管的反向偏置接
37、线（参考上页图）及光电特性演示（参考上页图）及光电特性演示 在没有光照时，由于二在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。（暗电流）很小。当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比关系。比关系。光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照2022-8-1760光敏三极管光敏三极管 光敏三极管有两个光敏三极管有两个PNPN结。与普通三极管相似，结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（三极管的基极没有引出线，只有正负（
38、c c、e e）两）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。上很难区别。2022-8-1761光敏三极管外形光敏三极管外形 2022-8-1762光敏三极管内部结构光敏三极管内部结构 a)内部组成内部组成 b)管芯结构管芯结构 c）结构简化图结构简化图 1集电极引脚集电极引脚 2管芯管芯 3外壳外壳 4玻璃聚光镜玻璃聚光镜 5发射极引脚发射极引脚 6N+衬底衬底 7N型集电区型集电区 8SiO2保护圈保护圈 9集电结集电结 10P型基区型基区 11N型发射区型发射区 12发射结发射结 2022-8-1763硅光敏晶体管的光谱特性硅光敏晶
39、体管的光谱特性 电磁波频谱电磁波频谱2022-8-1764光电特性光电特性 0光照光照 光光电电流流光敏光敏 三极管三极管光敏光敏 二极管二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低请判断灵敏度的高低0.3mA请计算当请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流I IE2022-8-1765光敏晶闸管光敏晶闸管 光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极、阴极k和门极和门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当
40、有一定照度的光信号通过负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达
41、数百伏，因敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。此输出功率大，可用于工业自动检测控制。2022-8-1766光敏晶闸管外形光敏晶闸管外形光敏面光敏面2022-8-1767基于光生伏特效应的光电元件基于光生伏特效应的光电元件 光电池光电池 在在N型衬底上制造一薄层型衬底上制造一薄层P型层作为光型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光型区每吸收一个光子就产生一对光生电子子就产生一对光生电子空穴对，空穴对，光生电光生电子子空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运
42、空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到动被拉到N型区，空穴留在型区，空穴留在P区，所以区，所以N区带区带负电，负电，P区带正电。如果光照是连续的，经区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。电动势输出。2022-8-1768光电池光电池外形外形光敏面光敏面2022-8-1769能提供较大电流的能提供较大电流的大面积光电池大面积光电池外形外形2022-8-1770光电池的光电特性光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性一个典型的硅光电池的光电特性 1 1开路电压曲线开路电压曲线 2 2短路电流曲线短路电流曲线
43、开路电压为开路电压为 对数特性对数特性短路电流为短路电流为 线性特性线性特性2022-8-1771其他其他光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池2022-8-1772光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能 硅光电池板硅光电池板2022-8-1773光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电太阳能发电2022-8-1774光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用2022-8-1775
44、2.光电器件特性光电器件特性n光照特性光照特性n光谱特性光谱特性n相应时间相应时间n温度特性温度特性n伏安特性伏安特性3.光电传感器光电传感器n模拟式：辐射式、吸收式、反射式、遮光式模拟式：辐射式、吸收式、反射式、遮光式n开关式（脉冲式）开关式（脉冲式）2022-8-1776数字式光电转速计数字式光电转速计nP135 图图7-222022-8-1777 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势场的方向上将产生电动势EH，这
45、种现象称为，这种现象称为霍尔效应霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b霍尔传感器霍尔传感器2022-8-1778磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示：EH=KH IB2022-8-1779霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端方向的端面之间建立起
46、霍尔电势。面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b2022-8-1780磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是与其法不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即量，即B Bcoscos，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 E EH H=K KH HIBIBcoscos 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感
47、应强度B成正成正比，且当比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。频率的交变电势。2022-8-17812022-8-1782霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数2022-8-1783霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数2022-8-1784霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？高斯至正的
48、多少高斯？线性区线性区2022-8-1785霍尔集成电路霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如如UGN3501等。等。线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路2022-8-1786线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双端差动输出特性的线性端差动
49、输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁感受的磁场为正向（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时，的正面）时，输出为输出为正；磁场反向时，输出正；磁场反向时，输出为负。为负。请画出线性范围请画出线性范围2022-8-1787开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。电极开路输出门）等电路做
50、在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如尔器件如UGN3020等。等。2022-8-1788开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路的外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VccVcc2022-8-1789开关型霍
