傳感器

1、0755-83376489,第2章 有源傳感器,2.2.1 壓電效應(yīng)和壓電材料,一、物質(zhì)的壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時(shí)，隨著形變的產(chǎn)生，會(huì)在其某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”—— 機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；反之，在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個(gè)表面）施加電場(chǎng)，它又會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”——電能轉(zhuǎn)變

2、為機(jī)械能。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電材料。,2.2 壓電式傳感器,2.1 磁電式式傳感器,0755-83376489,二、壓電材料的壓電常數(shù) 以下討論忽略外界附加電場(chǎng)、力場(chǎng)的作用和溫度、磁場(chǎng)的影響。 1.石英晶體的壓電方程及壓電常數(shù)矩陣 石英晶體是一種各向異性的（壓電材料）介質(zhì)，按X0°切型的正六面體，在三維直角坐標(biāo)系內(nèi)的力 —— 電作用狀態(tài)如圖所示：,F1～F3分別為沿 x、y、z

3、 軸的正應(yīng)力（或應(yīng)力分量）， F4～F6分別為繞 x、y、z軸的切向應(yīng)力， σ1～σ3分別是 x、y、z 表面由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷面密度。其壓電方程為：,由此可見，di j 是矩陣[di j]上的元素。,0755-83376489,壓電常數(shù)矩陣,壓電方程的矩陣表示,0755-83376489,,,2.壓電陶瓷的壓電方程及壓電常數(shù)矩陣,實(shí)驗(yàn)表明，鈦酸鋇壓電陶瓷的壓電方程及壓電常數(shù)矩陣為：(沿Z 軸極化)在Z 軸方向上存在d31、d3

4、2、d33(x、y、z三個(gè)方向的壓電效應(yīng))，當(dāng)x、y、z 三個(gè)方向的應(yīng)力相等均為F 時(shí)(如在液體中)：,壓電方程的矩陣形式,d 3稱為體積壓縮壓電常數(shù)。,0755-83376489,,三、壓電效應(yīng)的物理機(jī)制與表面電荷計(jì)算 1.物理機(jī)制 ⑴石英晶體：如圖示，晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導(dǎo)致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的,晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而產(chǎn)生的。由于壓電常數(shù)矩陣

5、中只有d11、d12、d14、d25、d26不為零，并且d14、d25、d26需要切向應(yīng)力作用往往不便利用，所以通常只利用d11、d12 =- d11兩個(gè)相關(guān)的應(yīng)力方向和這兩個(gè)壓電常數(shù)。,0755-83376489,⑵壓電陶瓷： 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機(jī)理與石英晶體大不相同，未經(jīng)極化處理的壓電陶瓷材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)的。壓電陶瓷經(jīng)極化處理后，剩余極化強(qiáng)度會(huì)使與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷（一端為正，另一端為負(fù)），由于這些束縛電荷

6、的作用在陶瓷的兩個(gè)表面吸附一層來(lái)自外界的自由電荷，并使整個(gè)壓電陶瓷片呈電中性。當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)與極化方向平行或垂直的外壓力，壓電陶瓷片將會(huì)產(chǎn)生形變，片內(nèi)束縛電荷層的間距變小，一端的束縛電荷對(duì)另一端異號(hào)的束縛電荷影像增強(qiáng)，而使表面的自由電荷過(guò)剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)所受到的外力是拉力時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)充電現(xiàn)象。,0755-83376489,2.表面電荷計(jì)算由σi j =di j Pj ，兩邊同乘以產(chǎn)生電荷表面的面積S，得 Qi j = Sσi j =

7、Sdi j Pj，當(dāng)i = j 時(shí)， Qi = di i Fj (作用力垂直于產(chǎn)生電荷的表面時(shí)) ，如對(duì)于石英晶體 F （F = S P）平行于 x 軸為Fx 時(shí)， Qx = d11 Fx ；如對(duì)于鈦酸鋇， F 平行于 Z軸為FZ 時(shí)， QZ = d33 FZ 。若i ≠ j ，如石英晶體若i =1， j =2 ， F 平行于 y 軸為Fy 時(shí),在與 x 軸垂直的表面上產(chǎn)生的電荷, [Qx ]y = d12 Sx Py，,⑶ 兩種壓電

8、材料的特點(diǎn) 石英晶體：居里點(diǎn)溫度高（高達(dá)573℃），穩(wěn)定性好，無(wú)熱釋電現(xiàn)象。但壓電常數(shù)小，成本高。 壓電陶瓷：壓電常數(shù)大，成本低。但居里點(diǎn)溫度低，穩(wěn)定性不如石英晶體，有熱釋電現(xiàn)象，會(huì)給傳感器帶來(lái)熱干擾。利用熱釋電現(xiàn)象特性可以制作熱電傳感器，如紅外探測(cè)。,與 x 軸垂直的表面的面積,1→ x ； 2→ y,,,,,3.常用壓電材料 ⑴ 壓電晶體（單晶體）：石英；鈮酸鋰等。 ⑵ 壓電陶

9、瓷：鈦酸鋇；鋯鈦酸鉛系列（PZ系列）等。 ⑶ 壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料（含壓電薄膜）等。,0755-83376489,2.2.2 壓電傳感器的等效電路和測(cè)量電路,一、等效電路 壓電傳感器的基片結(jié)構(gòu)如右圖(a)，幾何形狀有圓片、方片、圓柱、圓筒等形狀，在基片的兩個(gè)相互絕緣(產(chǎn)生電荷)的表面鍍有導(dǎo)電金屬膜(如銀膜)并焊接一對(duì)電極而成。由于壓電傳感器的基片一般具有較大的介電常數(shù)，電極間的距離也不大，所以壓電傳感器可以

10、等效為一只電容器。,根據(jù)高頻電子線路的知識(shí)我們知道，石英晶體的交流等效回路是LCR電路，存在兩個(gè)諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率ωS 和并聯(lián)諧振頻率ωP 。當(dāng)ω<ωS 時(shí)阻抗特性為容性； ωS <ω<ωP 時(shí)阻抗特性為感性，ωS ～ωP (工作區(qū)間)很窄。常用的壓電材料的彈性模量較大，慣性質(zhì)量較小，所以固有頻率較高，頻響特性較好。但由于輸出阻抗太高，所以對(duì)測(cè)量電路要求也很高。,0755-83376489,二、測(cè)量電路及系統(tǒng)等效電

11、路分析 1.系統(tǒng)等效電路 壓電元件是一種換能器件，屬有源傳感器，它在系統(tǒng)中有兩種等效形式： ⑴ 電壓源 U，與其等效電容Ce串聯(lián)； ⑵ 電荷源 q ，與其等效電容Ce并聯(lián)。,,,0755-83376489,2.測(cè)量電路（變換電路、前置電路） ⑴ 前置電路的必要性 ① 高內(nèi)阻，須作阻抗變換。 ② 輸出功率小，分布參數(shù)及干擾影響大。 可以用電壓、電荷放大器作為前置變

12、換電路：從電壓源 U等效的觀點(diǎn)看可以使用電壓放大器；從電荷源q 等效的觀點(diǎn)看可以使用電荷放大器。 ⑵ 電壓放大器(阻抗變換器) 根據(jù)系統(tǒng)等效電路的簡(jiǎn)化電路有：當(dāng)壓電元件為壓電陶瓷、施加的外力為交變力：元件輸出：R和C的并聯(lián)阻抗：,,,,,0755-83376489,0755-83376489,MOS管加自舉,高輸入阻抗運(yùn)放,,,0755-83376489,⑶ 電荷放大器（電荷源等效） 用電壓放大器作為

13、前置變換電路使得輸出Ui 不僅與電荷量有關(guān)，還與連接電纜等分布參數(shù)如CC有關(guān)，所以系統(tǒng)的互換性不好，采用電荷放大器就可以較好地解決這個(gè)問題。,①基本電路（ A無(wú)限大、Ri無(wú)限大的理想放大器）,分壓,②系統(tǒng)的實(shí)際等效電路分析（ A有限大、C=Cc + Ce + Ci ）,,A為運(yùn)放的開環(huán)增益，一般為104～106。結(jié)果與C無(wú)關(guān)。,,,,,0755-83376489,③ 電荷放大器的實(shí)際電路舉例 設(shè)計(jì)電荷放大器時(shí)，為了基本滿足Ri

14、近似無(wú)限大的條件，所選運(yùn)算放大器的輸入阻抗應(yīng)大于1010Ω，至少不應(yīng)小于109Ω ；開環(huán)增益一般應(yīng)達(dá)到90dB。本例中200MΩ和Rf 電阻是為了防止放大器飽和而加入的，22KΩ電阻可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入端的保護(hù)作用。,,0755-83376489,2.2.3 壓電傳感器的應(yīng)用 石英晶體和壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域中，有一個(gè)十分重要的領(lǐng)域就是諧振器和濾波器（電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域）；在傳感器技術(shù)中最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域是聲波（超聲波）換能器，

15、對(duì)此將在本課程中專門介紹。本節(jié)主要就力學(xué)量的測(cè)量方面舉幾個(gè)實(shí)際例子。 一、壓電式力傳感器 Q = d33F (壓電陶瓷),由于壓電常數(shù)隨作用力的作用方向的不同而不同，且不同的方向作用力亦可在相同及不同切面表面產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，所以壓電式力傳感器可以由同時(shí)測(cè)量不同方向上的力的測(cè)量能力。,使用電荷放大器：,0755-83376489,三、壓電式加速度傳感器 可由F = ma（a —— 加速度，m —— 質(zhì)量塊質(zhì)

16、量），將加速度轉(zhuǎn)換成力來(lái)測(cè)量。,1. 工作原理(壓電陶瓷),二、壓電式壓力傳感器 可由F = PS（P —— 壓力，S —— 受壓面積），將壓力轉(zhuǎn)換成力來(lái)測(cè)量。（動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量）,,0755-83376489,得系統(tǒng)的幅頻特性[輸入為a ( t ) ， x1( t )的加速度],,2. 動(dòng)態(tài)特性 ⑴ 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 應(yīng)變式加速度傳感器的模型 [質(zhì)量塊的相對(duì)位移x( t ),激勵(lì)為x1( t ) ],0755-

17、83376489,⑵ 傳感器接入測(cè)量電路的動(dòng)態(tài)特性（使用電荷放大器）,幅頻特性為常量，所以質(zhì)量塊的相對(duì)位移為，,因而作用在壓電晶體上的力F(t)為,所以電荷放大器的輸出與激勵(lì)加速度的關(guān)系為：,電荷靈敏度：,,實(shí)際應(yīng)用中，由于壓電式傳感器的x( t )很小（x1m 很?。琺也很小，而 k 很大，所以壓電式加速度傳感器的ωn很大（頻帶較寬），優(yōu)于應(yīng)變式傳感器，所以應(yīng)用較廣泛。,0755-83376489,,0755-83376489,,,

18、,0755-83376489,一、熱電效應(yīng) 1.賽貝爾（Seebeck）效應(yīng)(熱電勢(shì)) 1821年賽貝爾發(fā)現(xiàn)了銅、鐵這兩種金屬的溫差電現(xiàn)象。即在這兩種金屬構(gòu)成的閉合回路中，對(duì)兩個(gè)接頭的中一個(gè)加熱即可產(chǎn)生電流。在冷接頭處，電流從鐵流向銅。由于冷、熱兩個(gè)端（接頭）存在溫差而產(chǎn)生的電勢(shì)差ε，就是溫差熱電勢(shì)。這種由兩種不同的金屬構(gòu)成的能產(chǎn)生溫差熱電勢(shì)的裝置稱為熱電偶。 實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)A、B兩種不同的金屬所構(gòu)成的熱電偶的兩端

19、溫度分別為T（熱端溫度）和T0（冷端溫度）時(shí)，溫差熱電勢(shì)為：,2.3.1 熱電偶的熱電效應(yīng),2.3 熱電偶熱電偶屬熱電式傳感器的一種,用于溫度測(cè)量。測(cè)溫傳感器還有熱電阻、數(shù)字與模擬半導(dǎo)體溫度傳感器等,0755-83376489,多數(shù)的金屬材料εAB在10-2 V～10-3 V 。而其 a 約為10-6伏/度，b 約為10-8伏/度，所以在即在。溫度不太高溫差不太大、精度要求不高時(shí)可以近似認(rèn)為：,2.溫差熱電勢(shì)的物理基礎(chǔ)（經(jīng)典電子論

20、） ⑴ 接觸電勢(shì)（電位差）珀耳帖（Peltier）電勢(shì),,產(chǎn)生原因： ① 不同金屬的逸出功(電勢(shì))不同。 ② 不同金屬單位體積內(nèi)自由電子數(shù)目不同。,0755-83376489,⑵ 溫差電勢(shì) ——湯姆遜（Thomoson）電勢(shì),,產(chǎn)生原因：金屬導(dǎo)體兩端的溫度不同，則其自由電子的濃度亦不相同，溫度高的一端濃度較大（動(dòng)能較大，大于逸出功的電子數(shù)目較多），因此高溫端的自由電子將向低溫端擴(kuò)散，高溫端失去電

21、子帶正電，低溫端得到多余的電子帶負(fù)電，從而形成溫差電勢(shì)差：,當(dāng)這兩種金屬構(gòu)成回路，兩端的溫度分別為T、T0時(shí)則兩端的電勢(shì)差為：,湯姆遜系數(shù),,,0755-83376489,,⑶ 總溫差熱電勢(shì) 根據(jù)經(jīng)典電子論，總溫差熱電勢(shì)應(yīng)為接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)之和。,,,,,,0755-83376489,⑷ 幾點(diǎn)討論 ① 如果組成熱電偶的兩個(gè)電極的材料相同，即使是兩結(jié)點(diǎn)的溫度不同也不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。 ② 組成熱電偶的

22、兩個(gè)電極的材料雖然不相同，但是兩結(jié)點(diǎn)的溫度相同也不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。 ③ 由不同電極材料A、B組成的熱電偶，當(dāng)冷端溫度 T0 恒定時(shí)，產(chǎn)生的熱電勢(shì)在一定的溫度范圍內(nèi)僅是熱端溫度 T 的單值函數(shù)。,,,,0755-83376489,,二、熱電偶的基本定律 1.中間導(dǎo)體定律 將由A、B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶的冷端（T0端）斷開而接入的三種導(dǎo)體C后，只要冷、熱端的T0 、T 保持不變，則回路的總熱電勢(shì)不變。,此定律

23、具有特別重要的實(shí)用意義，因?yàn)橛脽犭娕紲y(cè)溫時(shí)必須接入儀表(第三種材料)，根據(jù)此定律，只要儀表兩接入點(diǎn)的溫度保持一致(T0 )儀表的入就不會(huì)影響熱電勢(shì)。而且A、B結(jié)點(diǎn)的焊接方法也可以是任意的。,0755-83376489,2.參考電極定律（標(biāo)準(zhǔn)電極定律） 如果兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C所組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)是已知的，則這兩種導(dǎo)體所組成的熱電偶的熱電勢(shì)也是已知的，且,證明：,根據(jù)此定律，可以便于給出所有熱電偶材料的有關(guān)參數(shù)

24、（與標(biāo)準(zhǔn)電極C間的aAC、bAC），方便熱電偶電極的選配。,0755-83376489,,,0755-83376489,,,3.連接導(dǎo)體與中間溫度定律 在熱電偶回路中，如果電極A、B在熱端（溫度為 T ）相連接，而在溫度較低的一側(cè)分別與導(dǎo)線A|、B|相連接，接點(diǎn)溫度均為Tn， A|、B|在冷端（溫度為T0 ）相連接，則回路的總熱電勢(shì)將等于熱電偶的A、B的熱電勢(shì)εAB(T ，Tn )與連接導(dǎo)線在(Tn 、T0 )下的熱電勢(shì)ε

25、A|B| (Tn，T0 )的代數(shù)和，即：,證明：,由于：,0755-83376489,利用這一特點(diǎn)可以允許熱電偶的冷端不受T0=0℃的限制而成為自由端(溫度可為任意的Tn < T )，測(cè)得εAB(T ，Tn )后，可以用另一個(gè)已知的電動(dòng)勢(shì)εA|B| (Tn，T0 )來(lái)修正 —— 由于Tn可測(cè)得，所以εA|B| (Tn，T0 ) 也是已知的，可以方便使用。因?yàn)樵诤芏鄿y(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，T0=0℃的條件不能得到很好的滿足，利用此規(guī)律，只要Tn可

26、測(cè)得就可以進(jìn)行精確測(cè)溫。,,0755-83376489,,,,,,,0755-83376489,三、工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu) 1．結(jié)構(gòu) 工業(yè)用熱電偶是要進(jìn)行封裝保護(hù)的處理的，普通型工業(yè)用熱電偶的封裝形式如圖6-5所示。主要有熱電極（熱電偶電極），絕緣材料，保護(hù)套管和接線盒等組成。為了便于安裝，在保護(hù)套管上一般還設(shè)有安裝法蘭盤。 2．常用熱電偶 可以根據(jù)測(cè)溫范圍將熱電偶分為高溫型和常溫型兩大類；也可以根據(jù)組成熱電偶的材料將熱電偶分

27、為普通,金屬熱電偶和貴金屬熱電偶兩大類。一般情況下，高溫型熱電偶大多是由貴金屬材料構(gòu)成的。同時(shí)貴金屬熱電偶的性能比較穩(wěn)定，常常用來(lái)作為基準(zhǔn)來(lái)使用。而普通金屬熱電偶雖然溫差電系數(shù)比較大，但由于存在高溫氧化等原因，測(cè)溫范圍一般都比較小。如康銅 —— 銅熱電偶的一次項(xiàng)溫差電系數(shù)可達(dá)40.865×10-6 V/℃，但由于二次項(xiàng)溫差電系數(shù)達(dá)7.66×10-8 V/℃，切與一次項(xiàng)的溫差電系數(shù)符號(hào)相反，所以當(dāng)測(cè)溫范圍超過(guò)533.5

28、℃后，熱電勢(shì)便不再是溫度的單值函數(shù)了。（教材此處有誤）,,0755-83376489,,1.測(cè)量電路基本原理 根據(jù)中間導(dǎo)體定律，把第三種電極C換成毫伏表及其連接線，并保持C及C的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度一致且為T0，就可以測(cè)量溫度T了。此時(shí)在一定的溫度范圍內(nèi)，熱電勢(shì)為的T單值函數(shù)。如右上圖所示，當(dāng)容器內(nèi)充滿冰水混合液時(shí)，T0=0℃。   2.單點(diǎn)測(cè)溫的基本電路 在實(shí)際應(yīng)用中，由于測(cè)量?jī)x表常常要遠(yuǎn)離被測(cè)量的場(chǎng)所

29、，即從熱電偶到測(cè)量?jī)x表的連線（如右下圖中的C、D）較長(zhǎng)。而熱電偶的材料A、B往往是貴金屬，所以連接導(dǎo)線通常不采用與熱電偶相同的材料。雖然只要保證測(cè)量?jī)x表、連接導(dǎo)線和連接導(dǎo)線與熱電偶的結(jié)點(diǎn)溫度相同（T0），測(cè)量?jī)x表和連接導(dǎo)線就不會(huì)對(duì)測(cè)溫產(chǎn)生任何影響，這種等溫條件實(shí)際中是難以滿足的。,測(cè)溫原理示意圖,2.3.2 熱電偶測(cè)量電路,,0755-83376489,兩種解決辦法： ⑴ C、D采用相同的導(dǎo)線來(lái)連接。使用中，只要保

30、證連接導(dǎo)線與熱電偶的兩個(gè)連接點(diǎn)的溫度均為T1，測(cè)量?jī)x表及儀表與連接導(dǎo)線結(jié)點(diǎn)的溫度均為T0即可。（連接導(dǎo)體與中間溫度定律） ⑵ C、D使用“補(bǔ)償導(dǎo)線” 來(lái)連接。要求補(bǔ)償導(dǎo)線的冷端溫差熱電勢(shì)特性與熱電偶的冷端溫差熱電勢(shì)特性相同，即，此時(shí)測(cè)得的溫差熱電勢(shì)為，相當(dāng)于將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到了T0端。可以利用中間溫度定律證明。,3．兩點(diǎn)間溫度差的測(cè)量 右圖所示的是一種測(cè)量?jī)蓚€(gè)溫度T1、T2之差的實(shí)用電路。要求使用兩只完全相同的熱電偶，

31、配用相同的連接導(dǎo)線，按圖示的結(jié)線方式連接，即可測(cè)得兩個(gè),熱電勢(shì)之差，從而得到它們的溫度差。儀表讀數(shù):,,,,0755-83376489,4．測(cè)量?jī)x表 由于熱電偶的熱電勢(shì)較小，對(duì)測(cè)量?jī)x表的要求相應(yīng)較高，不能使用內(nèi)阻并不太高的普通電壓表。所以實(shí)驗(yàn)室中常用電位差計(jì)來(lái)測(cè)量熱電偶的熱電勢(shì)（電位差計(jì)在補(bǔ)償狀態(tài)下內(nèi)阻為無(wú)窮大）；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般可用自動(dòng)補(bǔ)償式電位差計(jì)或數(shù)字式儀表，目前數(shù)字式電壓表的內(nèi)阻可達(dá)109Ω以上，可認(rèn)為內(nèi)阻是無(wú)窮大的，并具有

32、放大功能，目前已獲得廣泛的應(yīng)用。雖然利用中間溫度定律來(lái)對(duì)自由端溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ū容^繁瑣，但由于其補(bǔ)償精確，在計(jì)算機(jī)技術(shù)普及的今天，是可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)。 熱電偶的溫差熱電勢(shì)很小，如銅 — 康銅熱電偶的熱電勢(shì)靈敏度在0℃附近約為0.039mV/℃，在25℃附近為0.041mV/℃，所以當(dāng)需要對(duì)此電勢(shì)進(jìn)行放大時(shí)，放大器的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓的漂移必須很小才行，否則將會(huì)引入較大的測(cè)溫誤差。所以放大器的器件應(yīng)使用特殊元件。,07

33、55-83376489,斬波穩(wěn)零高精度運(yùn)算放大器IC7650的主要性能指標(biāo)：（典型值） 失調(diào)電壓：0.5μV 失調(diào)電壓溫漂：0.01μV/℃ 失調(diào)電壓時(shí)漂：0. 1μV/M 輸入阻抗：1012Ω 開環(huán)增益：120dB,1403為精密電壓基準(zhǔn)源(8腳，現(xiàn)較少使用)。在本圖中分別調(diào)節(jié)W2 和W1使： 設(shè)：AD

34、590的溫度靈敏度為KP ， 則： 即可。,,絕對(duì)溫度與攝氏溫度間的換算,,由于tP = 0℃時(shí)，UB = UP，所以， t = 0℃時(shí)OP07輸出為零。,高精度低漂移運(yùn)算放大器OP07的主要性能指標(biāo)：（典型值） 開環(huán)增益：110dB 失調(diào)電壓：10μV

35、 失調(diào)電壓溫漂：0. 1μV/℃ 失調(diào)電壓時(shí)漂：0. 2μV/M 輸入阻抗：8×107Ω,tP 為熱電偶的自由端溫度。,,,,,,0755-83376489,2.4 光電式傳感器,光電式傳感器是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。光電式傳感器由于反應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成

36、等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于軍事、宇航、通信、檢測(cè)與工業(yè)自動(dòng)控制等各個(gè)領(lǐng)域中。,2.4.1 光電效應(yīng)及器件,根據(jù)愛因斯坦的光子假說(shuō)：光是一粒一粒運(yùn)動(dòng)著的粒子流，這些光粒子稱為光于。每一個(gè)光子具有一定的能量．其大小等于普朗克常數(shù)h乘以光的頻率ν。所以不同頻率的光子具有不同的能量。光的頻率越高，其光子能量就越大。當(dāng)具有一定能量的光子作用到某些物體上轉(zhuǎn)化為該物體中一些電子的能量而產(chǎn)生電效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)

37、、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三類。后兩類又稱為內(nèi)光電效應(yīng)，根據(jù)這些效應(yīng)可制成不同的光電轉(zhuǎn)換器件(或稱光敏元件)。,,是無(wú)源傳感器,,0755-83376489,一、外光電效應(yīng) 光線照射在某些物體上，而使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電子發(fā)射，逸出的電子稱為光電子。 光照射在物體上可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊這些物體。根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：一個(gè)光子的能量只能傳遞給一個(gè)電子，因此單個(gè)光子把全部能量傳給物

38、體中的一個(gè)自由電子。使自由電子的能量增加hν。這些能量一部分用作電子逸出物體表面的逸出功A，另一部分變電子的初動(dòng)能。即,,1．當(dāng)光子能且大于選出功時(shí)，才會(huì)有光電廣發(fā)射出來(lái)，才會(huì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)；當(dāng)光了能量小于逸出功時(shí)，不能產(chǎn)生外光電效應(yīng)；當(dāng)光子的能量恰好等于逸出功時(shí)，光電子的初速度υ＝0，可以產(chǎn)生此光電子的單色光頻率為ν0，則。式中ν0為該物質(zhì)產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率，稱其為紅限頻率。顯然，如果入射光的頻率低與于紅限頻率，不論入射光的強(qiáng)度有

39、多大，也不會(huì)使物質(zhì)發(fā)射光電子。而對(duì)于高于紅限頻率入射光，即使是光線很弱也會(huì)產(chǎn)生光電子。 2．當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。 3．由于電子逸出時(shí)具有一定的初動(dòng)能可以形成光電流，為使光電流為零需加反向電壓才能使其截止。,0755-83376489,二、外光電效應(yīng)的器件 1．光電管及其結(jié)構(gòu) 根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光電管類型很多，最典型的是真空光電管。也有充氣光電管，但由于線性不好在傳感器中用得較少

40、。真空光電管的結(jié)構(gòu)如圖所示，它由一個(gè)陰極K和一個(gè)陽(yáng)極A構(gòu)成，共同封裝在一個(gè)真空玻璃泡內(nèi)，陰極K和電源負(fù)極相聯(lián)，一個(gè)陽(yáng)極A 通過(guò)負(fù)載電阻同電源正極相接，因此管內(nèi)形成電場(chǎng)。當(dāng)光照射陰極時(shí)、電子便從陰極逸出，在電場(chǎng)作用下被陽(yáng)極收集，形成電流I，該電流及負(fù)載R L上的電壓將隨光照強(qiáng)弱而變化，從而實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電傳號(hào)的目的。,,0755-83376489,2．真空光電管的伏安特性 真空光電管的伏安特性曲線如右下圖所示，其飽和光電流與入

41、射光的強(qiáng)度成正比（已在物理實(shí)驗(yàn)課中獲得驗(yàn)證）。 教材中的伏安特性曲線遺漏了反向區(qū)。,,,0755-83376489,3．光電倍增管 當(dāng)入射光很微弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的光電流很小，不易檢測(cè)，這時(shí)常用光電倍增管對(duì)光電流放大以提高靈敏度。如圖7-5所示。在光電管的陰極與陽(yáng)極之間安裝若干個(gè)倍增極D1、D2、…Dn，就構(gòu)成了光電倍增管。 光電倍增管的工作原理建立在光電發(fā)射和二次發(fā)射的基礎(chǔ)之上。工作時(shí)倍增極電位是逐級(jí)增高的，當(dāng)入射光

42、照射光電陰極K時(shí)，立刻有電子逸出，選出的電子受到第一倍增極D1正電位作用，使之加速打在D1倍增極上，產(chǎn),生二次電子發(fā)射。同理D1發(fā)射的電子在D2更高正電位作用下，再次被加速打在D2極上，D2又會(huì)產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這樣逐級(jí)前進(jìn)，直到電子被陽(yáng)極A收集為止。通常光電倍增管的陽(yáng)極與陰極間的電壓為1000～2500V，兩個(gè)相鄰倍增電極的電位差為50～100V，其靈敏度比普通真空光電管高幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)倍，因此在很微弱的光照下也能產(chǎn)生很大的光電流。,,

43、0755-83376489,三、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng) 物體受光照射后，其內(nèi)部的原子釋放出電子并不逸出物體表面，而仍留在內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。前者稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，后者稱為光生伏打效應(yīng)。半導(dǎo)體材料在光線作用下電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象就是光電導(dǎo)效應(yīng)。 1．光敏電阻 光敏電阻是一種用光電導(dǎo)材料制成的沒有極性的光電元件，也稱光導(dǎo)管。它基于半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)工作。由于光敏電阻沒有極性，工作

44、時(shí)可加直流偏壓或交流電壓。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的阻值(暗電阻)很大。,電路中電流很小。當(dāng)它受到一定波長(zhǎng)范圍的光照射時(shí)，其阻值(亮電阻)急劇減小，電路中電流迅速增加，用電流表可以測(cè)量出電流。根據(jù)電流值的變化，即可推算出照射光強(qiáng)的大小。 ⑴ 暗電阻、亮電阻 光敏電阻未受光照時(shí)的阻值稱為暗電阻，受強(qiáng)光照射時(shí)的阻值稱為亮電阻。暗電阻越大亮電阻越小靈敏度越高。,,0755-83376489,⑵ 光敏電阻的伏安特性如下圖所

45、示。在一定光照下，所加的電壓越高，電流越大；在一定的電壓作用下，入射光的照度越強(qiáng)，電流越大，但并不一定是線性關(guān)系。 ⑶ 光敏電阻的光譜特性 對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時(shí)必須充分考慮到這種特性。 ⑷ 光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間和（調(diào)制）頻率特性光電器件的響應(yīng)時(shí)間反映它的動(dòng)態(tài)特性。響應(yīng)時(shí)間越短，表示動(dòng)態(tài)特性越好。對(duì)于采用調(diào)制光的光電器件，調(diào)制頻率的上限受相應(yīng)時(shí)間的限制。

46、光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間一般為10-1～10-3s,光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間約2×10-5s。,,,,0755-83376489,⑸ 光敏電阻的溫度特性 隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會(huì)影響光譜特性曲線。硫化鉛光敏電阻等光電器件隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動(dòng)，所以紅外探測(cè)器往往采取制冷措施。,2．光敏二極管和光敏三極管 ⑴ 光敏二極管 半導(dǎo)體光敏二極管與普通二

47、極管相比，有許多共同之處，它們都有一個(gè)PN結(jié)，均屬單向?qū)щ娦缘姆蔷€性元件。光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用，它的光照特性是線性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大,，反向電流(暗電流)很小(處于載止?fàn)顟B(tài))。受光照射時(shí)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子 — 空穴對(duì)，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)、空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)而形成光電流,光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系。,,,,0755-83376489,⑵光敏三極管的結(jié)構(gòu)與原

48、理 光敏三極管是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光電二極管的普通三極管。在正常工作情況下，此二極管應(yīng)反向偏置。因此，不管是P-N-P還是N-P-N型光敏三極管，一般用基極 — 集電極結(jié)作為受光結(jié)。當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正電壓且基極開路時(shí)，基極 — 集電極結(jié)處于反向偏壓下，它的工作機(jī)理完全與反偏壓的光敏二極管相同。這里，入射光子在基區(qū)及收集區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子 — 空穴對(duì)，形成光生電壓。由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從

49、而在集電極回路中得到一個(gè)放大了的信號(hào)電流。因此，從這點(diǎn)可以更明確地說(shuō)，光敏三極管是一種相當(dāng)于將基極集電極光敏二極管的電流加以放大的普通晶體管放大器。,,0755-83376489,⑶光敏三極管的光譜特性 與光敏電阻類似，光敏三極管也存在最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。硅管的峰值波長(zhǎng)約為900nm，鍺管的峰值波長(zhǎng)約為1500nm。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行

50、探測(cè)時(shí)，則采用鍺管較合適。,⑷光敏三極管的伏安特性 光敏三極管在不同的照度下的伏安特性與一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性類似。因此，只要將入射的強(qiáng)度看作是三極管的基極電流ib，就可將光敏三極管看成一般的晶體管。光敏三極管不僅能把光信號(hào)變成電信號(hào)、而且輸山的電信號(hào)較大。,,,0755-83376489,⑸光敏三極管的光照特性 光敏三極管的光照特性如右圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們

51、之間呈近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾千勒克斯)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。因而在大照度時(shí)，光敏三極管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。,⑹光敏三極管的溫度特性 溫度特性反映了光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從曲線看，溫度變化對(duì)光電流和暗電流都有影響，對(duì)暗電流的影響更大。所以精密測(cè)量時(shí)，電子線路中應(yīng)采取溫度補(bǔ)償措施，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。,,,0755-83376489,⑺光敏三極管的（調(diào)制）頻率特性 光敏三

52、極管的頻率特性曲線如下圖所示。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)。光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。實(shí)驗(yàn)證明，光敏三極管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關(guān)系。如果要求截比頻率高，那么基區(qū)就要??；但基區(qū)變薄，光電靈敏度將降低，在制造時(shí)要適當(dāng)兼顧兩者。,,0755-83376489,4. 光電池 光電池是根據(jù)

53、光生伏特效應(yīng)制成的將光能直接轉(zhuǎn)變成電能的一種器件。其種類繁多，早期出現(xiàn)的有氧化亞銅光電池，因轉(zhuǎn)換效率低已很少使用。 目前應(yīng)用較多的是硒光電池和硅光電池。曬光電池因光譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表、照度計(jì)等分析、測(cè)量?jī)x器。硅光電池與其它半導(dǎo)體光電池相比，不僅性能穩(wěn)定，還是目前轉(zhuǎn)換效率最高(達(dá)到17％)的幾乎接近理論極限的一種光電池。此外，還有薄膜光電池、紫光電池、異質(zhì)結(jié)光電池等。薄膜光電池是把硫化鎘等材料制成

54、薄膜結(jié)構(gòu)，以減輕重量、簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)，提高抗輻射能力和降低成本。紫光電池是把硅光電池的PN結(jié)減薄至結(jié)深為0.2～0.3μm，光譜響應(yīng)峰值移到600nm左右，來(lái)提高短波響應(yīng)，以適應(yīng)外層空間使用。 異質(zhì)結(jié)光電池利用不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料做成異質(zhì)PN結(jié)，入射光幾乎全透過(guò)寬禁帶材料一側(cè)，而在結(jié)區(qū)窄禁帶材料中被吸收，產(chǎn)生電子 — 空穴對(duì)。利用這種“窗口”效應(yīng)提高入射光的收集效率，以獲得高于同質(zhì)結(jié)硅光電池的轉(zhuǎn)換效率，理論上最大可達(dá)30％

55、，但目前因工藝尚未成熟，轉(zhuǎn)換效率仍低于硅光電池。,0755-83376489,光電池核心部分是一個(gè)PN結(jié)，一般做成面積較大的薄片狀，來(lái)接收更多的入射光。左下圖所示的是硒光電池的結(jié)構(gòu)。制造工藝是：先在鋁片上覆蓋一層P型硒，然后蒸發(fā)一層鎘，加熱后生成N型硒化鎘，與原來(lái)P型硒形成一個(gè)大面積PN結(jié)，最后涂上半透明保護(hù)層，焊上電極，鋁片為正極，硒化錦為鎘極。 硅光電池是用單晶硅組成的（目前也有非晶硅的產(chǎn)品）。在一塊N型硅片上擴(kuò)散P

56、型雜質(zhì)(如硼)，形成一個(gè)擴(kuò)散PN（P+N）結(jié)；或在P型硅片擴(kuò)散N型雜質(zhì)(如磷)，形成N+P的PN結(jié)，然后焊上兩個(gè)電極。P端為光電池正極，N端為負(fù)極，一般在地面上應(yīng)用作光電探測(cè)器的多為P+N型。如國(guó)產(chǎn)2CR型。N+P型硅光電池具有較強(qiáng)的抗輻射能力，適合空間應(yīng)用，可作為航天的太陽(yáng)能電池，如國(guó)產(chǎn)2DR型。,,,0755-83376489,(1) 光電池的光譜特性 硒光電池和硅光電他的光譜特性曲線如下圖所示。從曲線上可以看出，不同的

57、光電池，光譜峰值的位置不同。例如硅光電池在800nm附近，硒光電池在540nm附近。硅光電池的光譜范圍廣，在450～1100nm之間，硒光電池的光譜范圍在340～750nm之間。因此硒光電池適用于可見光，常用于照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。,(2) 光電池的光照持性 光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。從曲線可以看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽

58、和了。因此把光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)做電流源的形式來(lái)使用，不宜用作電壓源。,,,0755-83376489,(3) 光電池的頻率特性 光電池在作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)，常用交變光照射。光電池的頻率特性就是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系，硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用在高速計(jì)數(shù)、有聲電影等方面。這是硅光電池在所有光電元件中最為突出的優(yōu)點(diǎn)。 (4) 光電池的溫度特性 光電他的溫度特性主要描述光