第三章 光电传感器.

第5章热电式传感器及应用引言热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。

它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。

主要内容5.1热电偶工作原理5.2热电偶的结构形式及材料5.3热电偶实用测温线路和温度补偿5.4热电偶传感器的应用实例5.1 热电偶工作原理5.1.1 工作原理5.1.2 热电偶的基本定律5.1.1 工作原理1、热电效应将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个结点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，这种现象称为“热电效应”。

1821年由Seeback发现的，故又称为赛贝克效应。

2、热电偶回路原理3、热电势由两部分组成①、两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。

②、一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。

4、接触电势 ①、当A 和B 两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。

②、假设导体A 的自由电子密度大于导体B 的自由电子密度，则导体A 扩散到导体B 的电子数要比导体B 扩散到导体A 的电子数大。

所以导体A 失去电子带正电荷，导体B 得到电子带负电荷。

于是，在A 、B 两导体的接触界面上便形成一个由A 到B 的电场。

5、热电动势示意图6、形成机理该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。

当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A 扩散到导体B 的自由电子数与在电场作用下自导体B 到导体A 的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。

在这种状态下，A 与B 两导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。

接触电势的大小与导体材料、结点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。

7、接触电势大小其中，nA 和nB 分别是导体A 和导体B 的自由电子数。

8、温差电动势将某一导体两端分别置于不同的温度场T 、T0中，在导体内部，热端自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。

这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场，该静电场阻止电子AAB B()ln n kT e T e n从热端向冷端移动，最后达到动态平衡。

这样，导体两端便产生了电势，我们称为温差电动势。

σA ——汤姆逊系数，表示导体A 两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。

9、热电偶回路总电势 设导体A 、B 组成热电偶的两结点温度分别为T 和T0，热电偶回路所产生的总电动势，在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势，所以温差电动势可以忽略不计。

在导体中自由电子数很多，以致温度不能显著地改变它的自由电子浓度，所以，在同一种导体内，温差电势极小，可以忽略。

因此，在一个热电偶回路中起决定作用的，是两个接点处的接触电势。

故，热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关，与热电偶的长度、粗细无关。

10、结论 （1）、如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总电势为0。

（2）、如果两结点处的温度相同，尽管A 、B 材料不同，总热电势为0。

（3）、热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差。

（4）、如果使冷端温度Ｔ0保持不变，则热电动势便成为热端温度Ｔ的单一函数。

4.优点结构简单、体积小、响应快，可靠性高、抗干扰能力强。

3.2 光电效应1、什么是光电效应？0A 0A ()d TT e T T Tσ=⎰、AB 0AB AB 0A 0B 0()()()()()E T T e T e T e T T e T T =--+、、、A A AAB 0AB AB 00B B Bk k k ()()()ln ln ()ln e e e n T n n T E T T e T e T T Τn n n =-==０、--)()()()(),(000T e T e T e T e T T E BA AB AB AB AB +=-=光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸收光子能 量产生相应的电效应。

2、光子能量 其中，f 是光的频率；C 是光速；λ是光的波长；h=6.626×10-34 J·S ，为普朗克常数。

3.3 光电效应的分类通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为外光电效应和内光电效应。

3.3.1 外光电效应1.外光电效应（1887/赫兹/德国）：光照射固体而从表面逸出电子的现象，称为外光电效应（光电发射效应）;2.基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件,有光电管、光电倍增管等。

3.光电倍增管的工作原理图其中，A 是光电阳极，D 1~D 6是光电倍增极。

（1）组成①．光电阴极：由半导体材料锑－铯制造，入射光在它上面打出光电子。

②．光电倍增极：数目在4～14个不等。

③．光电阳极：收集电子，外电路形成电流输出。

在工作时,这些电极的电位是逐级增高的。

阴极K 电位最低，阳极A 电位最高。

各电极之间保持上百伏的电压差。

（2）工作原理：光 → 阴极 → 光电倍增极→ 阳极 → 光电流光线→光电阴极(D 1正电位作用)→加速并打在第一倍增极D 1上,产生二次发射；λCh f h E ⋅=⋅=D1的二次发射电子(D2正电位作用)→加速入射到电极D2上；…这样逐级前进,一直到达阳极A为止。

由上述的工作过程可见,光电流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。

（3）特点：产生光电流，对光电流有放大作用。

如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有σ个二次电子，这σ个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加σ倍，经过n个倍增极后，原先的1个电子将变成σn个电子，这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。

构成倍增极材料的σ>1，设σ＝4，n＝10，放大倍数为σ＝410≈106可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。

3.3.2 内光电效应受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。

内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。

（1）光电导效应原理：光→半导体→电子吸收能量→跃迁→电子-空穴对→导电性能→电阻值。

基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。

a.光敏电阻(光导管)特点：灵敏度高,体积小,重量轻,光谱响应范围宽,机械强度高,耐冲击和振动,寿命长等优点。

原理：电阻器件，加直流偏压，无极性无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻)---暗电流很小有光照---电子-空穴对增多---电阻小(亮电阻)---亮电流很大主要参数：暗电流：光照时，通过光敏电阻的电流；亮电流：有光照时，通过光敏电阻的电流；光电流＝亮电流－暗电流b.光敏二极管和光敏三极管光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是光照在半导体结上而已。

（2）.光生伏特效应光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。

因此光生伏特型光电器件是自发电式的,属有源器件。

以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件,硒Se和硅Si是光电池常用的材料,也可以使用锗。

硅光电池：在N型硅片上掺入P型杂质，形成一个大面积的PN结。

硅光电池光照特性光电池在不同光照强度下，有不同的光生电势或光生电流。

3.4 光电传感器的基本特性光电特性有：光谱、光照、伏安、频率和温度特性。

3.4.1 光谱特性光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波长单色光的相对灵敏度。

Cd是镉;Zn锌是;Ti是钛;Pb是铅。

从左到右，按照顺序依次是硫化锌、硫化镉、硫化钛、硫化铅。

3.4.2 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。

3.4.3 光敏电阻的频率特性频率特性是指光敏电阻上的光电流对入射光调制频率的响应特性。

3.4.4 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。

3.4.5 光敏电阻的温度特性温度特性是指光敏电阻工作特性受温度的影响。

3.5 光电传感器的分类由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。

3.5.1模拟式光电传感器1.模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。

它的形式有吸收式、反射式、遮光式和辐射式。

2.四种形式的工作方式。

被吸收的光通量与被测物体的透明度有关。

常用来测物体的混浊度。

反射光通量取决于反向表面的性质、状态和光源之间的距离。

主要用于测量表面粗糙度。

光源发出的光经过被测物体时被遮挡部分，使得光电元件上的光通量减弱，减弱的程度与被测物体在光学通路中的位置有关。

主要用于测位移。

例如，光电测微计。

光电测微计被测物体本身就是辐射源，所发出的光直接照在光电元件上，（或经过一定的光通路照在光电元件上），辐射强度与温度具有一定的关系。

常用于做高温计。

例如，比色测温计。

3.5.2脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即"通"与"断"的开关状态，所以也称为光电元件的开关运用状态。

例如，光电转速计、天幕靶等。

直射式光电转速传感器的结构见下图。

工作原理：开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速。

即：其中，n ——转速； f ——脉冲频率； m ——圆盘开孔数。

min /60r m f n3.6 光电传感器的应用3.6.1条形码扫描笔当扫描笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管的光线将被黑线吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗，处于截止状态。

当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管的基极，光敏三极管产生光电流而导通。

整个条形码被扫描过之后，光敏三极管将条形码变形一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成脉冲列，再经计算机处理，完成对条形码信息的识别。