传感器教学PPT.ppt

其他传感器,§2.7 光电传感器,光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。,光敏电阻,§2.7.1 光源与光谱,钨丝白炽灯； 发光二极管LED； 激光器； 气体放电灯,光电传感器常用的光源,§2.7.1 光谱与光源,红外发射管,峰值波长p决定发光颜色；峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。,发光二极管LED,§2.7.2 光电效应及光电器件,根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为 E=h · 式中， 为光波频率；h为普朗克常数， h6.63×10-34 J/Hz,光电效应,在光线作用下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电元件有光电管、光电倍增管等； 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等； 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。,用光照射某一物体，光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。,光电效应,光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出； 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,外光电效应,光电管：光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似,外光电效应,内光电效应,§2.7.2 光电效应及光电器件,光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。,内光电效应,光电元件的主要特性,§2.7.2 光电效应及光电器件,§2.7.2 光电效应及光电器件,分类：根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。 用途：光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。,§2.7.2 光电效应及光电器件,光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻，此时流过的电流称为暗电流； 光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流； 亮电流与暗电流之差称为光电流； 光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。,（1） 光敏电阻的主要参数和基本特性,（2）光照特性,下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。,（3）光谱特性 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，才能获得满意的效果。,（4） 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的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,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，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。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,（5）频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏,电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。,（6）温度特性 其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。,光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程； 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态； 光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。,内光电效应,结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。比光敏二极管具有更高的灵敏度,光电计数器,§2.7.3 光电传感器的应用,2,色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊类型。它是两只结深不同的的光电二极管组合体。,§2.7.4 其它光电传感器,浅结对紫外光有较高灵敏度；深结对红外光有较高的灵敏度；利用不同结深二极管的组合，即可构成测定波长的半导体色敏传感器。,西门子：SIMATIC MV220颜色传感器,典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。 CCD的突出特点是以电荷作为信号，它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。,CCD与CMOS的对比,光电转换,电荷收集,像元的光敏区,电荷转移,垂直和水平CCD,水平CCD后放大器,电荷-电压转换/放大,微型信号线,电压传递,CCD 图像传感器,CMOS图像传感器,像元内放大器,电荷-电压转换/放大,电磁波谱图,§2.8 红外传感器,不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质； 具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区；红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。 红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。不同的气体对其吸收程度各不相同； 自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。,§2.8.1 红外线主要特征,1斯忒藩 玻尔兹曼定律 物体温度越高，它辐射出来的能量越大。可用下面公式表示： 式中 ：E 某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量； 斯忒藩 玻尔兹曼常数(5.6697×10-12W/cm2K4； 比辐射率，即物表表辐射本领与黑体辐射本领之比值，黑体的=1；T 物体的绝对温度。 该定律表明，物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度的四次方成正比，并与成正比。物体温度越高，其表面所辐射的能量就越大。,§2.8.2 红外辐射基本定律,2维恩位移定律 热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。实验证明，物体峰值辐射波长m与物体的自身的绝对温度 T 成反比。即,峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温度不很高时，峰值辐射波长在红外区域。,§2.8.2 红外辐射基本定律,能将红外辐射量变化转换成电量的变换装置称为红外探测器(红外传感器)； 红外探测器是根据热效应和光子效应制成的。前者为热敏探测器，后者为光子探测器； 从理论上讲，热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器。光子探测器常用的光子效应有外光电效应、内光电效应(光生伏特效应、光电导效应)和光电磁效应。,§2.8.3 红外传感器基本原理,1. 热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。,§2.8.3 红外传感器基本原理,2. 光子探测器 光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起光子效应。,1、被动式人体移动检测仪,§2.8.4 红外传感器的应用,§2.8.4 红外传感器的应用,2. 红外测温仪 红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。 当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。,§2.8.4 红外传感器的应用,3. 光学高温计,§2.8.4 红外传感器的应用,4. 红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同。,§2.8.4 红外传感器的应用,几种气体对红外线的透射光谱,§2.9 光纤传感器,光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量,§2.9 光纤传感器,§2.9.1 光纤传感器基本原理,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。,光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即 A电场E的振幅矢量；光波的振动频率； 光相位；t光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。,§2.9.1 光纤传感器基本原理,§2.9.2 光纤传感器的基本构成与分类,1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。,§2.9.2 光纤传感器的基本构成与分类,2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。,§2.9.2 光纤传感器的基本构成与分类,采用弹性元件的光纤压力传感器,§2.9.3 光纤传感器的应用,3）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,§2.9.2 光纤传感器的基本构成与分类,§2.9.3 光纤传感器的应用,§2.9.3 光纤传感器的应用,§2.10 智能传感器,所谓智能式传感器就是一种装有微处理器的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。,HoneyWell ST3000 智压力能变送器的结构框图,DS18B20单线数字温度传感器,由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。,§2.10 智能传感器,瑞士Sensirion 公司 SHT11数字式温湿度传感器,§2.10 智能传感器,§2.10 智能传感器,网络化智能传感器,§2.10 智能传感器,感知能力计算能力通信能力 体积小、能耗低,无线网络传感器,The End,光电传感器通常由_、 _和_三部分组成； 设计或使用光电传感器时应把握光电器件的哪些基本特性？ 如果需要采用模拟式光电传感器测量分析液体的成分，需要采用何种工作方式？,内容：介绍某一自己感兴趣的传感器及其应用 10-15页的PPT制作，10分钟讲解（1-6人/组） 挑选58名优秀作品课堂讲解（可自荐） 4月15日20：00前以班为单位邮寄至hugoliuvip.sina.com,作业,四、CCD与CMOS的对比,