第三章常用传感器与敏感元件1

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1、第三章 常用传感器与敏感元件第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器第七节第七节 半导体传感器半导体传感器第十节第十节 传感器的选用原则传感器的选用原则传感器的定义：传感器的定义：传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。定义的解释：定义的解释：1.1.传感器是测量装置传感器是测量装置

2、,能完成检测任务能完成检测任务;2.2.它的输入量是某一被测量它的输入量是某一被测量,可能是物理量可能是物理量(如位移、温度、如位移、温度、力、压力、速度、加速度等力、压力、速度、加速度等),),也可能是化学量、生物量也可能是化学量、生物量等等;3.3.它的输出量是某种物理量它的输出量是某种物理量,这种量要便于这种量要便于传输、转换、处传输、转换、处理、显示理、显示等等,可以是气、光、电量可以是气、光、电量,但主要是但主要是电量电量;4.4.输出与输入有一定的对应关系输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的且应有一定的精确度精确度。传感器的基本组成：传感器的基本组成：1.1.敏感元件敏感元件：

3、直接感受被测量：直接感受被测量,输出与被测量成确定关输出与被测量成确定关系的某一物理量。系的某一物理量。2.2.转换元件转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它它把输入转换成把输入转换成电路参量电路参量 。3.3.转换电路转换电路：把转换元件的电路参量转换为：把转换元件的电路参量转换为便于处理、便于处理、显示、记录或控制显示、记录或控制的有用的电信号。的有用的电信号。其组成如图所示。其组成如图所示。传感器的重要性：传感器的重要性：l 传感器是人类感官的延伸，可以去探测人类无法或不能用传感器是人类感官的延伸，可以去探测人类无法或不能用感官直接感知的事物；感

4、官直接感知的事物；l 传感器是测试系统的第一个环节，其性能直接影响整个测传感器是测试系统的第一个环节，其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。试系统，对测试精度至关重要。第一节第一节 常用传感器的分类常用传感器的分类1 1、按被测物理量分类、按被测物理量分类机械量机械量:长度长度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋转角旋转角,转数转数,质量质量,重量重量,力力,压力压力,真空度真空度,力矩力矩,风速风速,流速流速,流量流量;声声:声压声压,噪声噪声.磁磁:磁通磁通,磁场磁场.温度温度:温度温度,热量热量,比热比热.光：光：亮度，色彩亮度，色彩常见的被测物理量常见的被测物理量

5、2 2、按传感器工作原理分类、按传感器工作原理分类机械式机械式,电气式电气式,光学式光学式,流体式等流体式等.能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型.3 3、按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型能量转换型(无源传感器）无源传感器）:直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作.例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,磁电式加速度计磁电式加速度计.能量控制型（有源传感器）能量控制型（有源传感器）:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.V4 4、按信号

6、变换特征按信号变换特征:物性型物性型:依靠敏感元件材料本身依靠敏感元件材料本身物理性质的变化物理性质的变化来实现信号来实现信号变换变换.如如:水银温度计水银温度计.结构型结构型:依靠传感器依靠传感器结构参数的变化结构参数的变化实现信号转变实现信号转变.例如例如:电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器.第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器 机械式传感器以机械式传感器以弹性体弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、作为敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，

7、借助刻度指弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。示被测量的大小。应用实例：测力计、压力计和温度计。应用实例：测力计、压力计和温度计。测力计压力计温度计弹性膜片弹性膜片波纹管波纹管波登管波登管特点：特点：机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读数直观；读数直观；弹性变形不宜大，以减小线性误差；弹性变形不宜大，以减小线性误差；惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量。惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量。弹性元件具有弹性元件具有蠕变、弹性后效蠕变、弹性后效等现象，影响输出与输等现象，影响输出与输入的线性关

8、系。入的线性关系。第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。电阻式传感器分类：电阻式传感器分类：变阻器式传感器变阻器式传感器 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 固态压阻式传感器固态压阻式传感器1 1、变阻器式传感器、变阻器式传感器变阻器式传感器又称为变阻器式传感器又称为电位器式传感器电位器式传感器。工作原理：工作原理：一个电导体的电阻值：一个电导体的电阻值：式中：式中：R R电阻（电阻（）；）；材料的电阻率（材料的电阻率（mmmm2 2/m/m）；）；

9、l l导体的长度（导体的长度（m m）；）；A A导体的截面积（导体的截面积（mmmm2 2）。）。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。变阻器式传感器有变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型直线位移型、角位移型和非线性型等。等。)(AlR直线位移型直线位移型k kl l为单位长度中的为单位长度中的电阻电阻 。其灵敏度：其灵敏度：角位移型角位移型 灵敏度：灵敏度：触点转角触点转角(rad(rad)；k ka a单位弧度对应的电阻单位弧度对应的电阻值。值。ldxdRkskddRsxkRlkR 非线性型非线性型 输出电阻输出电阻(或电压或电

10、压)与电刷位移与电刷位移(包括线位移或角位移包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器之间具有非线性函数关系的一种电位器 。变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuopLPpeoxxRRxxuu1变阻器式传感器的优缺点：变阻器式传感器的优缺点：优点：结构简单，性能稳定，使用方便；优点：结构简单，性能稳定，使用方便；缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于2020m m；较；较大的噪声（大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因着等原因）。）。2 2、电阻应变

11、式传感器、电阻应变式传感器 可测参数：可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。应变、力、位移、加速度、扭矩等。电阻应变式传感器电阻应变式传感器:金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体应变片半导体应变片。（1 1）金属电阻应变片）金属电阻应变片 基本工作原理：基本工作原理：当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。主要形式：主要形式：金属电阻应变片有金属电阻应变片有丝式丝式和和箔式箔式两种。两种。金属丝式应变片是用金属丝式应变片是用0.010.010.05mm0.05mm的金属丝绕成敏感的金属丝绕成敏感栅栅 ，粘贴在，粘贴在绝缘的基片和覆盖层绝缘的基片

12、和覆盖层之间，由引出导线接之间，由引出导线接于电路上。于电路上。金属箔式应变片是利用金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术照相制版或光刻技术，将厚约，将厚约为为0.0030.0030.01mm0.01mm的金属箔片制成敏感栅。的金属箔片制成敏感栅。优点：优点：可可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；生产效率高，便于实现自动化生产。生产效率高，便于实现自动化生产。应变计实际中的金属应变片实际中的金属应变片 将将应变片应变片粘贴于弹性元件粘贴于弹性元件或被测构件或被测构件预定部位预定部位的表面。的表面。电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片

13、的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无缺陷目测电阻应变片有无缺陷2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小小3.试件表面处理试件表面处理4.应变片粘贴应变片粘贴5.焊线焊线6.用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，应大于应大于50M欧欧 7.应变片保护应变片保护应变片的使用应变片的使用：2AldAAldAdldRdAARdllRdRAlR公式推导：公式推导：应变片实际使用：应变片实际使用：将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。外将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。外力作用下，金属丝随物体一同变形，电阻值发生变化，将被力

14、作用下，金属丝随物体一同变形，电阻值发生变化，将被测量的变化转换为电阻值的变化。测量的变化转换为电阻值的变化。设设A=rA=r2 2，r r为电阻丝半径，代入上式得为电阻丝半径，代入上式得)2(2322rdrdldlRdrrldrldlrdR电阻的相对变化电阻的相对变化)2(rdrdldlRdR（35）依次代入式（依次代入式（3 35 5），得），得）简化为很小，可忽略。式（而言，引起；对于金属电阻丝由电阻丝的电阻率改变为常数；引起，同一电阻材料，由电阻丝几何尺寸改变8321)21(EE 说明：说明：l S Sg g为应变片系数或灵敏度为应变片系数或灵敏度,金属电阻丝的灵敏度常在金属电阻丝的灵

15、敏度常在1.71.73.63.6之中，常用的金属材料有银、铬镍合金、或铁镍合之中，常用的金属材料有银、铬镍合金、或铁镍合金等。金等。l 电阻丝应变片的标准阻值有电阻丝应变片的标准阻值有6060、120120、350350、600600和和10001000。其中其中120 最为常用。最为常用。（2 2）半导体应变片）半导体应变片 半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。工作原理：工作原理：单晶半导体材料在沿某一轴向受到应力作用时，单晶半导体材料在沿某一轴向受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效

16、应压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体半导体材料的这种效应特别强材料的这种效应特别强。单晶半导体在外力作用下，原单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规则变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变子点阵排列规则变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变化，从而引起电阻率变化。化，从而引起电阻率变化。半导体应变片的优点是半导体应变片的优点是:灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；于测量；分辨率高，例如测量压力时可测出分辨率高，例如测量压力时可测出101020Pa20Pa的微压；的微

17、压；机械滞后小，横向效应小、体积小。机械滞后小，横向效应小、体积小。最大的缺点是最大的缺点是温度误差大温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使，故需温度补偿或恒温条件下使用。用。（3 3）电阻应变片式传感器的应用实例）电阻应变片式传感器的应用实例将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。力或应变。应变片粘贴于应变片粘贴于弹性元件弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测度等

18、物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。出。测量时，基座固定在测量时，基座固定在振动体振动体上。振动加速度使质量块产生惯性上。振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产生弯曲变形。因此，生弯曲变形。因此，梁的应变梁的应变在一定的频率范围内与振动体的在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。加速度成正比。3 3、固体压阻式传感器、固体压阻式传感器l 工作原理工作原理：同半导体应变片，利用半导体材料的压阻

19、效应。：同半导体应变片，利用半导体材料的压阻效应。l 二者的区别二者的区别：u半导体应变片的敏感元件为半导体应变片的敏感元件为半导体电阻半导体电阻；u固体压阻式传感器的敏感元件是固体压阻式传感器的敏感元件是在半导体材料的基片上采用集成在半导体材料的基片上采用集成电路工艺制成的扩散电阻电路工艺制成的扩散电阻，故又称为扩散型半导体应变片。，故又称为扩散型半导体应变片。l 制作工艺：制作工艺：弹性元件：即基底，沿一定晶向切割的弹性元件：即基底，沿一定晶向切割的N N型硅膜片；型硅膜片；敏感元件：即扩散电阻，在基底上扩散的敏感元件：即扩散电阻，在基底上扩散的P P型导电层；型导电层；基底与导电层互相渗

20、透，结合紧密，可视为一体。基底与导电层互相渗透，结合紧密，可视为一体。N N型硅膜片型硅膜片扩散电阻扩散电阻4 4、动态电阻应变仪、动态电阻应变仪 基本组成：基本组成：交流电桥（含应变片）交流电桥（含应变片）放大电路放大电路相敏检波相敏检波低通滤波低通滤波显示记录显示记录二、电容式传感器二、电容式传感器1 1、变换原理、变换原理 定义：定义：电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。物理量的变化转换为电容量的变化。公式：公式：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：FAC0各参数含

21、义：各参数含义：极板间介质的介电常数，当介质为空气时极板间介质的介电常数，当介质为空气时=1=1；0 0真空介电常数真空介电常数,0 0=8.85=8.851010-1 2-1 2(F/m);(F/m);A A极板面积（极板面积（m m2 2）；）；两极板间距离（两极板间距离（m m）。）。结论：结论：被测量使被测量使、A A或或变化，均会引起电容变化，均会引起电容C C变化。保变化。保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。数的变化变换成电容量的变化。分类分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为：根

22、据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应三种，前两种应用较广。用较广。（1 1）极距变化型）极距变化型极距有一微小变化量极距有一微小变化量d d时，引起电容变化量时，引起电容变化量dCdC为为dAdC20灵敏度为灵敏度为20AddCS结论：结论：（2 2）面积变化型）面积变化型a)a)角位移型角位移型电容量电容量灵敏度灵敏度结论：输出与输入成线性关系。结论：输出与输入成线性关系。b)b)平面线位移型平面线位移型c)c)圆柱体线位移型圆柱体线位移型（3 3）介质变化型）介质变化型 大多用于测量电介质的厚度、位移、

23、液位，还可根据极大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。测量温度、湿度、容量等。图解：图解：图图3 324a24a，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿 度发生变化时，介电常数变，导致电容量变；度发生变化时，介电常数变，导致电容量变；图图3 324b24b，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入高度变化，电容量变化。高度变化，电容量变化。2 2、测量电路、测量电路 电容式传感器将被测量转

24、换为电容量的变化后再由后续电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。电路转换成电压、电流或频率等输出量。（1 1）电桥型电路）电桥型电路 电容传感器作为电桥的一部分，电容变化转换为电桥电容传感器作为电桥的一部分，电容变化转换为电桥电压输出。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的输电压输出。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。（2 2）直流极化电路）直流极化电路 又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。传

25、感器。组成：组成：弹性膜片、电容器、直流极化电压弹性膜片、电容器、直流极化电压E E0 0、高阻值、高阻值电阻电阻R R。输出电压：输出电压：被测量：被测量：测量气流（或液流）振动速度，进而测其压测量气流（或液流）振动速度，进而测其压力。力。dtdAREdtdREUCg2000（3 3）谐振电路）谐振电路（4 4）调频电路）调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率谐振频率f f为：为：式中式中L L振荡回路电感。振荡回路电感。当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变

26、化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录器或显示仪表指示。器或显示仪表指示。LCf21调频电路工作原理调频电路工作原理(5(5）运算放大电路）运算放大电路 输出电压和位移量的关系：输出电压和位移量的关系：xgCCuu00ACuug000则有则有 式中式中u u0 0信号源电压；信号源电压；u ug g运放输出电压；运放输出电压；c co o固定电容；固定电容；c cx x传感器等效电容。传感器等效电容。输出电压输出电压u uo o与电容传感器间隙与电容传感器间隙成正比关系。成正比关系。0ugu3 3、电容集成压力传感器、电容集成压力传

27、感器l 传感器的基本组成：传感器的基本组成：电容敏感元件和测量电路。电容敏感元件和测量电路。l 压力敏感电容器的结构：压力敏感电容器的结构：铝电极、硅膜片、玻璃；铝电极、硅膜片、玻璃；l 压力敏感电容器的工作原理：压力敏感电容器的工作原理：硅膜两侧有压差，硅膜发生硅膜两侧有压差，硅膜发生形变使电容器两极间距变化，导致电容变化。形变使电容器两极间距变化，导致电容变化。l 主要优点：主要优点：微小电容微小电容，间隙数微米，硅膜半径数百微米。，间隙数微米，硅膜半径数百微米。l 传感器制作采用的技术：传感器制作采用的技术：硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键合、常规的集成电路工艺。

28、合、常规的集成电路工艺。l 电路原理图。电路原理图。4 4、电容式传感器的应用：、电容式传感器的应用：电容式传感器广泛应用在电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位位移、压力、流量、液位等的测等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度达达0.01%0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种电容式传感器已有商品出现，如一种250mm250mm量程的量程的电容式位移传感器，精度可达电容式位移传感器，精度可达5m5m。（1 1）电容式测厚仪）电容式测厚仪:测量金属带材在轧制过程中厚度测量金属带材在轧制过程中厚度 C C1 1、C C

29、2 2工作极板与带材之间形成两个电容，工作极板与带材之间形成两个电容，其总电容为其总电容为C=CC=C1 1+C+C2 2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。换和显示出带材的厚度。（2 2）电容式转速传感器）电容式转速传感器 当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数

30、为z z,频率为频率为f f,则转速为则转速为:min)/r(zf60n 三、电感式传感器三、电感式传感器 电感式传感器的工作原理是把被测量如位移等，转换为电电感式传感器的工作原理是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为按照转换方式的不同，可分为自感型自感型（包括可变磁阻式与（包括可变磁阻式与涡流式）和涡流式）和互感型互感型（差动变压器式）两种。（差动变压器式）两种。1 1、自感型、自感型（1 1）可变磁阻式）可变磁阻式 组成：线圈、铁心和衔铁。组成：线圈、铁心和衔铁。由电磁感应原理，线圈自感由电磁感应原理，线圈自感L L为为N-N-线圈匝

31、数，线圈匝数，R Rm m-磁路总磁阻磁路总磁阻HH-1-1。当不考虑磁路的铁损且当气隙当不考虑磁路的铁损且当气隙较小时，则该磁路的总磁阻较小时，则该磁路的总磁阻mRNL2002AAlRm（323）式中式中 l l铁芯的导磁长度铁芯的导磁长度(m);(m);铁芯磁导率铁芯磁导率 (H/m);(H/m);A A铁芯导磁截面积铁芯导磁截面积,A=a,A=ab(mb(m2 2););气隙宽气隙宽(m);(m);0 0空气导磁率空气导磁率,0 0=4=41010-7-7(H/m);(H/m);A A0 0空气隙导磁横截面积空气隙导磁横截面积(m(m2 2)铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总

32、磁铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁阻阻R Rm m近似为近似为 002ARm代入代入3 32323，得，得2002ANL 当当A A0 0固定，变化固定，变化时，时，L L与与成非线性变化关系，此时传成非线性变化关系，此时传感器灵敏度感器灵敏度20022ANddLS灵敏度灵敏度S S与与的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生非线性误差。因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围非线性误差。因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。当气隙变化甚小即内工作。当气隙变化甚小即0 0时，灵敏度时，灵敏度S S近似为近似为200022ANSS S

33、此时为一定值，输出与输入近似成线性关系。实际应用中常此时为一定值，输出与输入近似成线性关系。实际应用中常选取选取/0.1/0.1。这种传感器适宜于测量小位移，一般为。这种传感器适宜于测量小位移，一般为0.0010.0011mm1mm。几种常用可变磁阻式传感器的典型结构几种常用可变磁阻式传感器的典型结构自感自感L L与与A A0 0成线性关系，这种传感器成线性关系，这种传感器灵敏度较低灵敏度较低。差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按 变化。一个线圈自感增加，另一个线圈变化。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，

34、其输出灵自感减小。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。敏度可提高一倍，并改善了线性特性。单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米数毫米)测量。测量。双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为性，被用于电感测微计上，其测量范围为0 0300m300m，最，

35、最小分辨力为小分辨力为0.5m0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感两个桥臂，线圈电感L L1 1、L L2 2随铁芯位移而变化，其输出特随铁芯位移而变化，其输出特性如图所示。性如图所示。（2 2）涡流式）涡流式n 涡电流式传感器变换原理：利用金属导体在交变磁场中的涡电流式传感器变换原理：利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应涡电流效应。n 高频反射式涡流传感器工作原理：高频反射式涡流传感器工作原理：涡流产生：涡流产生：当线圈中通以一当线圈中通以一交变高频电流交变高频电流i i时，会引起时，会引起一一交变磁通交变磁通。在靠近线圈的金属表面内

36、部产生一。在靠近线圈的金属表面内部产生一感感应电流应电流i i1 1，该电流，该电流i i1 1即为涡流。即为涡流。抵抗作用：抵抗作用：根据楞次定律，由该涡电流产生的根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁交变磁通通1 1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即将与线圈产生的磁场方向相反，亦即1 1将抵抗将抵抗的变化。的变化。线圈的阻抗变化及影响因素：线圈的阻抗变化及影响因素：由于该涡流磁场的作用，由于该涡流磁场的作用，会使线圈的会使线圈的等效阻抗等效阻抗发生变化，其变化的程度除了与发生变化，其变化的程度除了与两者间的两者间的距离距离有关外，还与金属导体的有关外，还与金属导体的电阻率电阻率、磁导率磁导率以

37、及线圈的以及线圈的激磁电流圆频率激磁电流圆频率等有关。等有关。主要应用：主要应用：变化变化，可作为位移、振动测量；变化，可作为位移、振动测量；变化，可作为材质鉴别；变化可作为材质鉴别；变化，可用于探伤。，可用于探伤。n 涡流式传感器的测量电路：涡流式传感器的测量电路：阻抗分压式调幅电路，阻抗分压式调幅电路，图图3 31616是用于是用于涡流测振仪涡流测振仪上上的分压式调幅电路原理；图的分压式调幅电路原理；图3 31717为谐振曲线和输出为谐振曲线和输出特性特性调频电路：调频电路：n涡电流式传感器应用：涡电流式传感器应用：动态非接触测量动态非接触测量u涡电流式位移和振动测量仪涡电流式位移和振动测

38、量仪u测厚仪测厚仪u无损探伤无损探伤u径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量u零件计数、表面裂纹和缺陷测量零件计数、表面裂纹和缺陷测量径向振动测量 轴心轨迹测量 转速测量 零件计数器 表面裂纹测量 穿透式测厚 2 2、互感型差动变压器式电感传感器、互感型差动变压器式电感传感器n 互感型传感器的工作原理：互感型传感器的工作原理：利用电磁感应中的利用电磁感应中的互感现象互感现象，将被测，将被测位移量位移量转换成转换成线线圈互感的圈互感的变化。变化。n传感器实质是一个变压器传感器实质是一个变压器，初级线圈接入稳定交流电源，次，初级线圈接入稳定交流电源，次级线

39、圈感应产生输出电压。级线圈感应产生输出电压。M M变化，副线圈输出电压变化。由变化，副线圈输出电压变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传差动变压器式传感器感器。工作原理如图。工作原理如图3 32020。n差动变压器后续电路形式：差动变压器后续电路形式：差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔同时，交流电压

40、输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。铁位于中间位置时，输出也不为零。差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。差动相敏检波电路工作原理图。差动相敏检波电路工作原理图。n差动变压器式传感器的优点是：差动变压器式传感器的优点是：测量精度高，可达测量精度高，可达0.1m0.1m；线性范围大，可到线性范围大，可到100100mmmm；稳定性好，使用方便。稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移因而被广泛应用于直线位移,

41、或借助弹性元件将压力、重或借助弹性元件将压力、重量等参数转换为位移变化，实现间接测量。量等参数转换为位移变化，实现间接测量。第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器 概念：一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，亦称概念：一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，亦称电磁感应式或电动力式传感器。电磁感应式或电动力式传感器。由电磁感应定律可知，当穿过一个线圈的磁通由电磁感应定律可知，当穿过一个线圈的磁通发生变化发生变化时，线圈中所感应产生的电动势时，线圈中所感应产生的电动势dtdNe结论：结论：线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的线圈感

42、应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度运动速度有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应电动势。电动势。1 1、动圈式、动圈式u线速度型工作原理：线速度型工作原理：由线位移式装置的工作原理可知，当弹簧片敏感有由线位移式装置的工作原理可知，当弹簧片敏感有一速度时，线圈则在磁场中作直线运动，从而切割磁力线，一速度时，线圈则在磁场中作直线运动，从而切割磁力线，因此它所产生的感应电动势因此它所产生的感应电动势式中式中B B磁场的磁感应强度（磁场的磁感应强

43、度（T T）；）；l l单匝线圈的有效长度（单匝线圈的有效长度（m m）；）；N N有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数；的线圈匝数；v v线圈相对于磁场的速度（线圈相对于磁场的速度（m/sm/s）;线圈运动方向与磁场方向的夹角。线圈运动方向与磁场方向的夹角。sinNBlve 当线圈运动方向与磁场方向垂直亦即当线圈运动方向与磁场方向垂直亦即=90=90时，上式可时，上式可写为写为 NBlve 上式表明：上式表明：当传感器的结构参数（当传感器的结构参数（B B，l l，N N）选定，则感应电动）选定，则感应电动势势e e的大小使正比于线圈

44、的运动速度的大小使正比于线圈的运动速度v v。将被测到的速度经微分和积分运算又可得到运动物体将被测到的速度经微分和积分运算又可得到运动物体的加速度和位移，因此速度传感器又可用来测量运动的加速度和位移，因此速度传感器又可用来测量运动物体的位移和加速度。物体的位移和加速度。u角速度型工作原理：角速度型工作原理：对于角速度型动圈式传感器结构，线圈在磁场中转动时，对于角速度型动圈式传感器结构，线圈在磁场中转动时，产生的感应电动势产生的感应电动势式中式中线圈转动的角频率；线圈转动的角频率；A A单匝线圈的截面积（单匝线圈的截面积（m m2 2）；）；k k依赖于结构的参数，依赖于结构的参数，k1k A

45、A。因此，对。因此，对每一种光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值。当每一种光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值。当入入射光频率低于该值射光频率低于该值时，无论入射光的光强多大，均不能时，无论入射光的光强多大，均不能引起光电子发射。反之，引起光电子发射。反之，入射光频率高于阈值频率入射光频率高于阈值频率，即，即使光强较小，也会引发光电子发射。对应于此频率的波使光强较小，也会引发光电子发射。对应于此频率的波长长，称为某种光电器件或光电阴极的，称为某种光电器件或光电阴极的“红限红限”，其值，其值为为当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数与入射

46、光光强成正比与入射光光强成正比。光愈强，意味着入射光子数目大，。光愈强，意味着入射光子数目大，逸出的光电子数也愈多。逸出的光电子数也愈多。对于外光电效应器件来说，只要光照射在器件阴极上，对于外光电效应器件来说，只要光照射在器件阴极上，即使阴极电压为零，也会产生光电流即使阴极电压为零，也会产生光电流，这是因为光电子，这是因为光电子逸出时具有初始动能。要使光电流为零，必须使光电子逸出时具有初始动能。要使光电流为零，必须使光电子逸出物体表面时的初速度为零。为此要在逸出物体表面时的初速度为零。为此要在阳极加一反向阳极加一反向截止电压截止电压 UaUa，使外加电场对光电子所作的功等于光电，使外加电场对光

47、电子所作的功等于光电子逸出时的动能，即子逸出时的动能，即（5 5）外光电效应器件：）外光电效应器件：真空光电管或光电管真空光电管或光电管两种结构：两种结构：a a图光电阴极图光电阴极K K由半圆筒形金属片制成，用于由半圆筒形金属片制成，用于在入射光照下发射光电子。阳极在入射光照下发射光电子。阳极A A为位于阴极轴心的一为位于阴极轴心的一根金属丝，有效接收阴极发射的电子；根金属丝，有效接收阴极发射的电子；b b图中阴极直接图中阴极直接做在玻璃壳内壁上，入射光穿过玻璃可直接投射到阴极做在玻璃壳内壁上，入射光穿过玻璃可直接投射到阴极上。上。光电管的特性取决于光电阴极材料，光电管的特性取决于光电阴极材

48、料，材料不同，对不同材料不同，对不同波长的光辐射有不同灵敏度。银氧铯阴极在整个可见光波长的光辐射有不同灵敏度。银氧铯阴极在整个可见光区域均有一定的灵敏度，且在在近紫外光区区域均有一定的灵敏度，且在在近紫外光区（4.54.510103 3A A）和近红外光区和近红外光区（7.57.510103 3 A A 8 810103 3A A）分别有两个峰值，分别有两个峰值，常用来作为红外光传感器。常用来作为红外光传感器。光电特性：光电特性：在恒定工作电压和入射光的频率成分条件下，在恒定工作电压和入射光的频率成分条件下，光电管接收的入射光通量值光电管接收的入射光通量值 与其输出与其输出 光光 电电 流流

49、I I 之间的比例关系，如图。之间的比例关系，如图。1-锑铯阴极锑铯阴极 2-氧铯阴极氧铯阴极 伏安特性：伏安特性：在恒定的入射光的频率成分和强度条件下，光在恒定的入射光的频率成分和强度条件下，光电管的光电流与阳极电压之间的关系。由图可见，光通量电管的光电流与阳极电压之间的关系。由图可见，光通量一定，阳极电压增加，管电流趋于饱和，光电管工作点一一定，阳极电压增加，管电流趋于饱和，光电管工作点一般在该区域。般在该区域。光电倍增管光电倍增管基本结构：基本结构：光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干个光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干个“倍增倍增极极”，或叫，或叫“次阴极次阴极”。倍增极上涂有在

50、电子轰击下能发射更多电。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料，子的材料，倍增极的形状和位置设计成正好使前一级倍增极反射的倍增极的形状和位置设计成正好使前一级倍增极反射的电子继续轰击后一级倍增极电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。在每个倍增极间均依次增大加速电压。阳极电流计算：阳极电流计算：设每极的倍增率为（一个电子能轰击产生出设每极的倍增率为（一个电子能轰击产生出 个个次级电子），若有次级电子），若有 n n个次阴极，则总的光电流倍增系数个次阴极，则总的光电流倍增系数M M将为（将为（CC）n n（这里（这里 C C 为各次阴极电子收集效率），即光电倍增管阳极电

51、流为各次阴极电子收集效率），即光电倍增管阳极电流I I与阴极电流与阴极电流I I0 0的关系为的关系为I=II=I0 0M=IM=I0 0（CC）n n，倍增系数与所加的电，倍增系数与所加的电压有关。压有关。2 2、内光电效应、内光电效应（1 1）定义：）定义：在光照作用下，物体的导电性能如电阻率发生在光照作用下，物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应，又称改变的现象称内光电效应，又称光导效应光导效应。（2）与外光电效应区别：）与外光电效应区别：外光电效应产生于物体表面层，外光电效应产生于物体表面层，在光照作用下，物体内部的自由电子逸出到物体外部。而在光照作用下，物体内部的自由电子逸

52、出到物体外部。而内光电效应则不发生电子逸出，在光照下，物体内部原子内光电效应则不发生电子逸出，在光照下，物体内部原子吸收能量释放电子，这些吸收能量释放电子，这些电子仍停留在物体内部，从而使电子仍停留在物体内部，从而使物体的导电性能发生改变物体的导电性能发生改变。（3 3）内光电效应器件）内光电效应器件光敏电阻光敏电阻半导体材料在半导体材料在黑暗的环境黑暗的环境下，内部电子为原子所束缚，下，内部电子为原子所束缚，处于价带上，不能自由移动，半导体的电阻值很高。处于价带上，不能自由移动，半导体的电阻值很高。某些半导体材料（如硫化镉等）某些半导体材料（如硫化镉等）受到光照受到光照时，若其时，若其光子光

53、子能量能量 hh 大于本征半导体材料的禁带宽度大于本征半导体材料的禁带宽度，价带中的，价带中的电子吸收一个光子后便可跃迁到导带，从而激发出电子电子吸收一个光子后便可跃迁到导带，从而激发出电子-空穴对，于是降低了材料的电阻率，增强了导电性能。空穴对，于是降低了材料的电阻率，增强了导电性能。阻值的大小随光照的增强而降低，且光照停止后，自由阻值的大小随光照的增强而降低，且光照停止后，自由电子与空穴重新复合，电阻也恢复原来的值。电子与空穴重新复合，电阻也恢复原来的值。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg电子跃迁条件：电子跃迁条件：hhEEg gA金属封装的硫化镉光敏电阻结构

54、图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体RGRLEI光敏电阻特点：灵敏度高，光谱响应范围宽，可从紫外一光敏电阻特点：灵敏度高，光谱响应范围宽，可从紫外一直到红外，且体积小，性能稳定。直到红外，且体积小，性能稳定。不同材料光敏电阻的适用波长范围：硫化镉（不同材料光敏电阻的适用波长范围：硫化镉（CdSCdS）、硒）、硒化镉（化镉（CdSeCdSe）适用于）适用于可见光（可见光（0.4m 0.4m 0.75m0.75m）的范）的范围围；氧化锌（；氧化锌（ZnOZnO）、硫化锌（）、硫化锌（ZnSZnS）适用于）适用于紫外光线范围紫外光线范围；硫化铅（硫化铅（PbSPbS）、硒化铅（）、硒化铅（PbS

55、ePbSe）、碲化铅（）、碲化铅（PbTePbTe）则适）则适用于用于红外线范围红外线范围。光敏电阻的特征参数：光敏电阻的特征参数：n 光电流、暗电阻、亮电阻：光电流、暗电阻、亮电阻：光敏电阻在未受到光照条件下呈现的光敏电阻在未受到光照条件下呈现的阻值称为阻值称为“暗电阻暗电阻”，此时流过的电流称，此时流过的电流称“暗电流暗电流”。光敏电阻。光敏电阻在受到某一光照条件下呈现的阻值称在受到某一光照条件下呈现的阻值称“亮电阻亮电阻”，此时流过的电，此时流过的电流称流称“亮电流亮电流”。亮电流与暗电流之差称为。亮电流与暗电流之差称为“光电流光电流”。光电流。光电流的大小表征了光敏电阻的灵敏度大小的大

56、小表征了光敏电阻的灵敏度大小n 光照特性：光照特性：光敏电阻的光电流光敏电阻的光电流I I与光通量与光通量F F的关系曲线称光敏电阻的关系曲线称光敏电阻的光照特性。图的光照特性。图4 4示为硫化镉（示为硫化镉（CdSCdS）光敏电阻的光照特性。一般）光敏电阻的光照特性。一般来说，光敏电阻的光照特性曲线呈非线性，且不同材料的光照特来说，光敏电阻的光照特性曲线呈非线性，且不同材料的光照特性均不一样。性均不一样。012345I/mA L/lx2000n 伏安特性：伏安特性：在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线的关系称

57、为伏安特性。图中曲线1 1、2 2分别表示照度为分别表示照度为零零及照度为及照度为某值某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。501001502001202040I/AU/Vn 光谱特性：光谱特性：光谱特性与光敏电

58、阻的材料有关。从图中可知，硫化光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。获得满意的效果。204060801004008001200160020002400/nm312相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅光敏二极管光敏二极管 光敏二极管的光敏二极管

59、的PNPN结安装在管子顶部，可直接接受光照射，结安装在管子顶部，可直接接受光照射，在电路中一般处于反向工作状态。在无光照时，暗电流在电路中一般处于反向工作状态。在无光照时，暗电流很小。在有光照时，光子打在很小。在有光照时，光子打在PN PN 结附近，从而在结附近，从而在PNPN结结附近产生电子附近产生电子-空穴对。它们空穴对。它们在内电场作用下作定向运在内电场作用下作定向运动，形成光电流动，形成光电流。光电流随光照度的增加而增加。因此。光电流随光照度的增加而增加。因此在无光照时，光敏二极管处于截止状态，当有光照时，在无光照时，光敏二极管处于截止状态，当有光照时，二极管导通。二极管导通。光敏三极

60、管光敏三极管 光敏三极管有光敏三极管有 NPN NPN 和和 PNPPNP两种类型，结构与一般晶体两种类型，结构与一般晶体三极管相似。由于光敏三极管是光致导通的，因此它的三极管相似。由于光敏三极管是光致导通的，因此它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。当光照射发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。当光照射到光敏三极管的到光敏三极管的 PN PN 结附近时，结附近时，PN PN 结附近便产生电子结附近便产生电子-空穴对，这些电子空穴对，这些电子-空穴对在内电场作用下做定向运动空穴对在内电场作用下做定向运动从而形成光电流。这样便使从而形成光电流。这样便使 PN PN 结的反向电流大大增加。

61、结的反向电流大大增加。由于光照射发射极所产生的光电流相当于三极管的基极由于光照射发射极所产生的光电流相当于三极管的基极电流，因此集电极电流为光电流的电流，因此集电极电流为光电流的倍。倍。3 3、光生伏特效应、光生伏特效应定义：定义：光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏打效应。称为光生伏打效应。应用：应用：基于光生伏打效应的器件有光电池，可见光电池也基于光生伏打效应的器件有光电池，可见光电池也是一种有源器件。由于它广泛用于把太阳能直接转换成电是一种有源器件。由于它广泛用于把太阳能直接转换成电能，故亦称太阳能电池。能，故亦称太阳能电池。

62、光电池种类及特点：光电池种类及特点：硅、硒、砷化镓、硫化镉、硫化铊光硅、硒、砷化镓、硫化镉、硫化铊光电池等。电池等。l硅光电池硅光电池由于其转化效率高、寿命长、价格低廉而应由于其转化效率高、寿命长、价格低廉而应用最为广泛。硅光电池较用最为广泛。硅光电池较适宜于接收红外光适宜于接收红外光。l硒光电池硒光电池适宜于适宜于接收可见光接收可见光，但其转换效率低（仅有，但其转换效率低（仅有 0.02%0.02%），寿命低。它的最大优点是制造工艺成熟，），寿命低。它的最大优点是制造工艺成熟，价格低廉，因此仍被用来制造照度计。价格低廉，因此仍被用来制造照度计。l砷化镓光电池砷化镓光电池的光电转换效率理论上稍

63、高于硅光电池，的光电转换效率理论上稍高于硅光电池，其光谱响应特性与太阳光谱接近，且其工作温度最高，其光谱响应特性与太阳光谱接近，且其工作温度最高，耐受宇宙射线的辐射耐受宇宙射线的辐射，因此可作为，因此可作为宇航电源宇航电源。硅光电池结构：硅光电池结构：在电阻率为在电阻率为0.10.1cm cm 11cmcm的的 N N 型型硅片上进行硼扩散以形成硅片上进行硼扩散以形成 P P型层，再用引线将型层，再用引线将 P P型和型和 N N 型层引出形成正、负极，便形成了一个光电池。接受光照型层引出形成正、负极，便形成了一个光电池。接受光照时，在两极间接上负载便会有电流通过。一般为防止表面时，在两极间接

64、上负载便会有电流通过。一般为防止表面的光反射和提高转换效率，常将器件表面氧化处理形成的光反射和提高转换效率，常将器件表面氧化处理形成 SiOSiO2 2 保护膜。保护膜。硅光电池作用原理：硅光电池作用原理：当光照射至光电池的当光照射至光电池的PNPN结的结的P P型面上型面上时，如果光子能量时，如果光子能量hh大于半导体材料的禁带宽度，则在大于半导体材料的禁带宽度，则在 P P型区每吸收一个光子便激发一个电子型区每吸收一个光子便激发一个电子-空穴对。在空穴对。在PN PN 结结电场作用下，电场作用下，N N区的光生空穴将被拉向区的光生空穴将被拉向P P区，区，P P区的光生电区的光生电子被拉向

65、子被拉向N N区。结果，在区。结果，在N N区便会积聚负电荷，在区便会积聚负电荷，在P P区则积区则积聚正电荷。这样在聚正电荷。这样在N N区和区和P P区间便形成电势区。若将区间便形成电势区。若将PNPN结两结两端用导线连接起来，电路中便会有电流流过，方向为从端用导线连接起来，电路中便会有电流流过，方向为从P P区流向外电路至区流向外电路至N N区。区。三、光电传感器的应用三、光电传感器的应用1 1、模拟量光电传感器、模拟量光电传感器 将将被测量转换为连续变化的光电流被测量转换为连续变化的光电流n 辐射式：被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件。辐射式：被测物体本身就是辐射源，直接照射在

66、光电元件。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这一类。n 吸收式：恒光源辐射的光穿过被测物体，部分被吸收，根吸收式：恒光源辐射的光穿过被测物体，部分被吸收，根据被测物对光的吸收程度测定被测参数。如测量液体、气据被测物对光的吸收程度测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析对气体进行成分分析,测定液体中某测定液体中某种物质的含量等。种物质的含量等。n 反射式：根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性反射式：根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。n 遮光式：光源发出的光通量经被测物遮去其一部分遮光式：光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作使作用在光电元件上的光通量减弱用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。线