1、黄平捷黄平捷2011年年10月月19日日自动化专业课程自动化专业课程现代传感技术和过程检测系统现代传感技术和过程检测系统浙江大学控制科学与工程学系浙江大学控制科学与工程学系ZJU2011年秋冬学期22.7 光电式检测元件光电式检测元件u原理概述、优点和局限性原理概述、优点和局限性光源、光学元件、光电变换器光源、光学元件、光电变换器光源光源光线光线光学元件光学元件被测对象被测对象光电变换器，光电变换器，被测量被测量光信光信号号电信号电信号优点、不足优点、不足结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快u2.7.1 光电效应光电效应外光电效应外光电效应光线作
2、用下，内部电子逸出物体表面光线作用下，内部电子逸出物体表面内光电效应内光电效应光线作用下，内部原子释放电子，仍在内部，光线作用下，内部原子释放电子，仍在内部，Eu2.7.2 光电器件的基本特性光电器件的基本特性光谱灵敏度光谱灵敏度S()相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度Sr()积分灵敏度积分灵敏度S光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性u2.7.3 光敏元件及特性光敏元件及特性u2.7.4 光电式检测元件的应用光电式检测元件的应用ZJU2011年秋冬学期3序号序号原理原理应用场合应用场合优点优点局限性局限性备注备注光电光电式式物物理量理量光信光信号号直接引起光量
3、变化的非电直接引起光量变化的非电量量光强、光照度、辐射测光强、光照度、辐射测量、气体成分分析；量、气体成分分析；可转换成光量变化的非电可转换成光量变化的非电量量应力、位移、振动、速应力、位移、振动、速度、加速度等度、加速度等结构简单、结构简单、精度高、响精度高、响应快、非接应快、非接触、性能可触、性能可靠等靠等烟道烟尘浊度检烟道烟尘浊度检测（吸收和折射）测（吸收和折射）星载太阳辐射计星载太阳辐射计（跟踪太阳，光电（跟踪太阳，光电池电压差）池电压差）光电式检测元件光电式检测元件ZJU2011年秋冬学期4u2.7.1 光电效应光电效应u光电效应：光光电效应：光 物质上物质上电特性（电子发射、电导率
4、、电位、电流）电特性（电子发射、电导率、电位、电流）光电效应光电效应特点特点类型类型规律规律外光电效外光电效应应（光电发（光电发射效应）射效应）光线作用下，光线作用下，内部电子逸内部电子逸出物体表面出物体表面光电管光电管光电倍增光电倍增管管入射光频谱不变时，入射光频谱不变时，I光强（光子光强（光子数数逸出电子逸出电子）光电子光电子Emax=h-A0光电发射阈值光电发射阈值hA0光电子有初始动能，光电管即使没有光电子有初始动能，光电管即使没有阳极电压也会有阳极电压也会有I内光电效内光电效应应光线作用下，光线作用下，内部原子释内部原子释放电子放电子 ，E 光电导效应光电导效应光敏电阻光敏电阻E光生
5、伏特效应光生伏特效应 光电池、光敏二极管、光敏三光电池、光敏二极管、光敏三极管极管ZJU2011年秋冬学期5u2.7.2 光电器件的基本特性光电器件的基本特性序号序号基本特性基本特性定义特点定义特点备注备注1光谱灵敏度光谱灵敏度S()=dI/d单色辐射通量单色辐射通量,m峰值波长峰值波长2相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度Sr()=S()/S(m)3积分灵敏度积分灵敏度S=I/连续光通量连续光通量4光照特性光照特性I=f(E)S=f(E)输出电流（电压）输出电流（电压）=f(输入光输入光照度）照度）5光谱特性光谱特性Sr=f()6频率特性频率特性Sr=(f)I=(f)振幅随入射光通量调制振幅随入射光
6、通量调制f变化变化的关系的关系7温度特性温度特性S=(T),I=(T)ZJU2011年秋冬学期6u2.7.3 光敏元件及特性光敏元件及特性光电光电效应效应类型类型种类种类原理原理特性特性外光外光电效电效应应光电管光电管真空光真空光电管电管阴极阴极K（-）阳极）阳极A（+），电场，），电场，光，电子被阳极收集光，电子被阳极收集I光电倍光电倍增管增管光电发射、二次电子发射、电子光电发射、二次电子发射、电子光学光学K A间加间加Dn，I=I0n,电流电流=Ik电子电子倍倍增级数增级数9-11级，灵敏度比光电管级，灵敏度比光电管许多许多内光内光电效电效应应光敏电阻光敏电阻光电导光电导效应效应光光导电性
7、能导电性能电阻率电阻率硫化镉、硫硫化镉、硫化铅、硫化化铅、硫化铊、硒化镉、硒化铅铊、硒化镉、硒化铅暗电阻暗电流暗电阻暗电流亮电阻亮电流亮电阻亮电流光电流光电流=亮亮-暗暗暗暗R1-100M亮亮R几千几千I=f(E)I=f(U)Sr=f()I=f(T)光电池光电池光生伏光生伏特效应特效应硅光电池，硅光电池，P型硅片，型硅片，N型杂质，型杂质，PN结，电子结，电子-空穴，光照空穴，光照 II=f(E)开路电压曲线开路电压曲线 短路电流曲线短路电流曲线 Sr=f()Ir=(f)Ir=高频高频I/低频低频ImaxI=f(T)开路电压开路电压 短路电流与短路电流与T关系关系光敏晶体光敏晶体管管光敏二光敏
8、二极管极管可接受光照的可接受光照的PN结，反向偏置工结，反向偏置工作状态，暗电流极小，有光作状态，暗电流极小，有光反反向饱和电流向饱和电流 I，1000倍暗倍暗I线性好，频率特性好（比光电池好）线性好，频率特性好（比光电池好）光敏三光敏三极管极管2个个PN结，入射光于结，入射光于b e Ib，Ic=Ib 比光敏二极管灵敏度更高比光敏二极管灵敏度更高ZJU2011年秋冬学期7真空光电管结构图光电倍增管原理图ZJU2011年秋冬学期8光敏电阻结构光敏电阻结构ZJU2011年秋冬学期9光敏电阻的光照特性光敏电阻的伏安特性0.200.150.100.050.00-50 -30 -10 +10 +30
9、+50 光敏电阻温度特性 光敏电阻结构光敏电阻光谱特性 硫化铅光敏电阻光谱温度特性 非线性非线性线性线性可见光和可见光和近红外处近红外处往往往往K峰值往往峰值往往ZJU2011年秋冬学期10硅光电池结构图 光电池的频率特性硅电池的光照特性 光电池的光谱特性光电池的温度特性1硒光电池；2.硅光电池；PN结结1 光生电动光生电动势势E与照度与照度2 光生电流光生电流IE与照度与照度 RL=0局部线性局部线性硒光硒光电池电池硅光硅光电池电池I相对相对=If高高/Imaxf低低电流源电流源 RL小好小好硅光电池硅光电池f特性宽特性宽ZJU2011年秋冬学期11光电二极管反向偏置工作状态 光电三极管的伏
10、安特性反向反向饱和饱和电流电流ZJU2011年秋冬学期122.8 磁电式检测元件磁电式检测元件ZJU2011年秋冬学期13磁电式检测元件磁电式检测元件u概述概述电磁感应原理，将运动速度、转速等电磁感应原理，将运动速度、转速等感应电势感应电势机械能机械能电信号，是一种有源传感器电信号，是一种有源传感器也称电动式传感器、感应式传感器也称电动式传感器、感应式传感器u2.8.1 磁电感应式检测元件磁电感应式检测元件e=-Nd/dt，d磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度决定磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度决定恒磁阻式、变磁阻式恒磁阻式、变磁阻式u2.8.2 霍尔检测元件霍尔检测元件霍尔效应霍尔效应半导体，
11、置于垂直磁场半导体，置于垂直磁场B中，当有电流通过时，中，当有电流通过时，UHZJU2011年秋冬学期14u磁感应式检测元件磁感应式检测元件恒磁阻式恒磁阻式动圈式动圈式动铁式动铁式e=NBlv积分器积分器求位移；微分器求位移；微分器求加速度求加速度变磁阻式变磁阻式线圈和磁铁之间无相对运动，运动着的被测物体来改变磁路的磁阻线圈和磁铁之间无相对运动，运动着的被测物体来改变磁路的磁阻de转速式，感应电势的转速式，感应电势的f为输出量为输出量n开磁路式开磁路式pf=zn 频率频率=齿数齿数*转速转速n闭磁路式闭磁路式p内外齿轮的相对运动内外齿轮的相对运动 使磁路气隙发生变化导致磁阻变化使磁路气隙发生变
12、化导致磁阻变化den下限频率下限频率f 开磁路开磁路50Hz 闭磁路闭磁路30Hz闭磁路式转速检测元件原理图 1-转轴；2-内齿轮；3a、3b-外齿轮；4-线圈；5-永久磁铁 ZJU2011年秋冬学期15磁电感应式检测元件的误差及补偿磁电感应式检测元件的误差及补偿磁电感应式检测元件的等效电路磁电感应式检测元件的等效电路（1）温度误差）温度误差（2）永久磁铁不稳定误差）永久磁铁不稳定误差（3）非线性误差）非线性误差磁电感应式检测元件的等效电路内阻内阻负载负载电电源源LiORReiu0LiLLORReRRiu0e=NBlv电流灵敏度电流灵敏度Si和电压灵敏度和电压灵敏度SvLioiRRNBltxi
13、SddLiLovRRNBlRtxuSddiiRRllBBSSddddrT,B 振动，冲击振动，冲击 S 测测量误差量误差ZJU2011年秋冬学期16磁电感应式检测元件的误差及补偿方法磁电感应式检测元件的误差及补偿方法误差类型误差类型产生误差的原理产生误差的原理补偿措施补偿措施备注备注温度误差温度误差磁场磁场B（-T），），线圈线圈l，电阻，电阻R（+T）热磁分流器，热磁分流器，T，h,保持保持了空气隙中的工作了空气隙中的工作磁通的总体恒定，磁通的总体恒定，SC是误差主要来源是误差主要来源，温度系数温度系数*h*T=温度温度系数系数*T，根据磁通分，根据磁通分流比，流比，h=(1+A0/Ah)T
14、温度系数要够大温度系数要够大永久磁铁不永久磁铁不稳定误差稳定误差磁性会随时间变磁性会随时间变化（内应力）化（内应力）RiRL,Sv=NBLr=dSv/dS=dB/B+dl/l（dl小，小，dB大）大）充磁前进行退火处充磁前进行退火处理，消除内应力，理，消除内应力，充磁后进行老化处充磁后进行老化处理理非线性误差非线性误差线圈内部线圈内部i生成生成d1削弱永久磁铁削弱永久磁铁,v，S非线性非线性补偿线圈补偿线圈 反馈电反馈电流流ik=Ai，d2补偿补偿d1 调整放大系数调整放大系数AZJU2011年秋冬学期17u2.8.2 霍尔检测元件霍尔检测元件磁感应磁感应强度强度电流电流霍尔霍尔电势电势+-左
15、手定则左手定则 FL=evB电场力电场力FE=eEH =eUH/aEH霍尔电场霍尔电场动态平衡时动态平衡时FL=FEevB=eEH=eUH/a设设n为电子浓度为电子浓度I=-n*体积体积=-n*e*vadV=-I/(nead)UH=vaB=IB/(ned)=RH*IB/d=KHIB霍尔系数霍尔系数 RH=1/（ne）半导体材料决定半导体材料决定灵敏度灵敏度 KH=1/（ned）跟几何尺寸有关）跟几何尺寸有关控制电控制电流引线流引线霍尔电压霍尔电压引出线引出线ZJU2011年秋冬学期18u霍尔元件及其特性霍尔元件及其特性由锗、硅、锑化铟和砷化铟等半导体材料制成由锗、硅、锑化铟和砷化铟等半导体材料
16、制成 霍尔元件的几何形状为长方形。长宽比为霍尔元件的几何形状为长方形。长宽比为2：1。两组引线纯电阻特性（欧姆接触）两组引线纯电阻特性（欧姆接触）UH=IBKH B0.5T if B交变交变 then UH交变交变 fxKHz霍尔元件的内阻随着磁场的绝对值增加而增加霍尔元件的内阻随着磁场的绝对值增加而增加u霍尔元件的应用霍尔元件的应用UH=IBKHI不变不变 B变化变化 感应感应 位置位置 角度角度 激励电流的变化激励电流的变化 测量测量 磁场、微位移磁场、微位移I，B为变量为变量 乘积关系，乘法器、功率计乘积关系，乘法器、功率计B不变不变 回转器、隔离器回转器、隔离器霍尔位移传感器霍尔位移传
17、感器ZJU2011年秋冬学期19u霍尔集成器件霍尔集成器件将霍尔元件、放大器、施密特触发器、输出电路等集成将霍尔元件、放大器、施密特触发器、输出电路等集成优点：紧凑、补偿、响应快、无抖动、稳定性好、功耗低优点：紧凑、补偿、响应快、无抖动、稳定性好、功耗低两种类型两种类型线性集成器件线性集成器件n霍尔元件、放大器、差分输出电路、稳压电源霍尔元件、放大器、差分输出电路、稳压电源 U=KIB n单端输出、双端输出单端输出、双端输出霍尔开关器件霍尔开关器件n霍尔元件、差分放大器、施密特触发器、功率放大输出、稳压源等霍尔元件、差分放大器、施密特触发器、功率放大输出、稳压源等n由于有施密特电路，使得开关特
18、性具有切换差（回差），具有较好抗干扰性由于有施密特电路，使得开关特性具有切换差（回差），具有较好抗干扰性ZJU2011年秋冬学期20序号序号原理原理应用场合应用场合优点优点局限性局限性备注备注磁电磁电感应感应式式电磁电磁感应感应原理原理动态测量，振动，转动态测量，振动，转速，扭矩速，扭矩不需要供电电源，电路简不需要供电电源，电路简单，性能稳定，频率响应单，性能稳定，频率响应范围宽，适用于动态测量范围宽，适用于动态测量霍尔霍尔效应效应霍尔霍尔效应效应磁敏传感器，将电流、磁敏传感器，将电流、磁场、位移、压力等磁场、位移、压力等转换为霍尔电压转换为霍尔电压结构简单、工艺成熟、线结构简单、工艺成熟、线性好、频带宽、体积小、性好、频带宽、体积小、使用寿命长等使用寿命长等磁电式检测元件磁电式检测元件ZJU2011年秋冬学期21
