1、第4章 物性型傳感器,4.1 壓電式傳感器 4.2 超聲波傳感器 4.3 磁敏傳感器 4.4 光電式傳感器 4.5 光纖與激光傳感器,4.1 壓電式傳感器,4.1.1 壓電效應與壓電元件 1. 壓電效應與壓電材料 當某些電介質(zhì)受到一定方向外力作用而變形時， 其內(nèi)部便會產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 在它們的上、 下表面會產(chǎn)生符號相反的等量電荷； 當外力的方向改變時， 其表面產(chǎn)生的電荷極性也隨之改變； 當外力消失后又恢復不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱為壓電效應。 反之， 若在電介質(zhì)的極化方向上施加電場， 也將產(chǎn)生機械形變， 這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應（電致伸縮效應）。 有壓電效應的物質(zhì)很多， 但可用的有石英晶體， 壓電陶

2、瓷， 壓電薄膜等， 其性能見表4-1。,表4-1 常見的壓電材料及性能,2. 石英晶體的壓電效應 1） 石英晶體切片 如圖4-1所示，我們用三條互相垂直的軸來表示石英晶體的各方向。 其中， 縱向軸稱為光軸(z軸)； 經(jīng)過棱線并垂直于光軸的稱為電軸(x軸)； 與光軸、 電軸同時垂直的稱為機械軸(y軸)。 從晶體上切下的一片平行六面體， 稱為壓電晶體切片， 如圖4-1（b）所示。按照與z軸的不同夾角，多種切片可形成一個系列家族，切片長邊平行于y軸的稱為X切族，平行于x軸的稱為Y切族。通常把沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為縱向壓電效應； 而把沿機械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為橫向

3、壓電效應。 在光軸方向受力時不產(chǎn)生壓電效應。,圖4-1 石英晶體 （a) 石英晶體外表； (b) 石英晶體切片,2） 縱向壓電效應 對X切族的晶體切片， 當沿電軸方向有作用力Fx時，在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷。在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，電荷量與力成正比， 可表示為,Qxx=d11Fx,（4-1）,式中，d11稱為縱向壓電系數(shù)CN-1， 典型值為2.31，雙角標第一位表示產(chǎn)生電荷表面所垂直的軸， 第二位表示外力平行的軸，x為1， y為2， z為3。,圖4-2 石英晶體切片受力與電荷極性的關(guān)系示意圖,3） 橫向壓電效應 如果沿y軸施力為Fy時，電荷仍出現(xiàn)在與x軸垂直的平面上， 其電荷量為,（4-2

4、）,式中，d12=-d11為橫向壓電系數(shù);l為壓電片的長度;為壓電片的厚度。 由式（4-2）可以看出， 橫向壓電效應與晶片的幾何尺寸有關(guān)； 橫向壓電效應的方向與縱向壓電效應相反。,3. 壓電陶瓷的壓電效應 壓電陶瓷屬于鐵電體物質(zhì)，是一種人造的多晶體壓電材料。 它由無數(shù)細微的電疇組成。在無外電場時，各電疇雜亂分布， 其極化效應相互抵消，因此原始的壓電陶瓷不具有壓電特性。 只有在一定的高溫(100170)下，對兩個極化面加高壓電場進行人工極化后，陶瓷體內(nèi)部保留有很強的剩余極化強度， 當沿極化方向（定為z軸）施力時，則在垂直于該方向的兩個極化面上產(chǎn)生正、 負電荷，其電荷量Q與力F成正比，即,Q=d3

5、3F,（4-3）,式中，d33稱為縱向壓電系數(shù)，可達幾十至數(shù)百。實用的壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)形式與壓電極性如圖4-3所示。三角牌壓電陶瓷片的特性見表4-2。,圖4-3 壓電陶瓷片,表4-2 三角牌壓電蜂鳴器的特性,4. 高分子壓電材料（PVDF） PVDF有很強的壓電特性，同時還具有類似鐵電晶體的遲滯特性和熱釋電特性， 因此廣泛應用于壓力、 加速度、 溫度、 聲和無損檢測等領(lǐng)域。 尤其在醫(yī)學中， 由于它與人體聲阻抗十分接近， 無需阻抗變換， 且便于和人體貼緊接觸、 安全舒適、 靈敏度高、 頻帶寬， 故廣泛用作脈搏計、 血壓計、 起搏計、 生理移植和胎心音探測器等傳感元件。 PVDF有很好的柔性和加工

6、性能， 可制成有不同厚度和形狀各異的大面積有撓性的膜， 適于做大面積的傳感陣列器件。PVDF分子結(jié)構(gòu)鏈中有氟原子， 使其化學穩(wěn)定性和耐疲勞性高、吸濕性低，并具有良好的熱穩(wěn)定性。,4.1.2 電荷放大器 1. 壓電元件的等效電路和電路符號 如圖4-4所示，當壓電片受力時，在兩電極表面出現(xiàn)等量而極性相反的電荷，根據(jù)電容器原理，它可等效為一個電容器。 當兩極板聚集一定電荷時，兩極板就呈現(xiàn)一定的電壓。因此， 壓電元件可等效為一個電荷源Q和一個電容Ca的并聯(lián)電路；也可等效為一個電壓源Ua和一個電容Ca的串聯(lián)電路。 圖（d）為壓電元件的電路符號。 由于材料存在泄漏電阻Ra，壓電片的電荷不可能長久保存，只有

7、外力以較高頻率不斷作用，傳感器的電荷才能得以補充。因此，壓電式傳感器不適用于靜態(tài)測量， 在測量交變信號時，也應該注意其下限頻率范圍， 常用于加速度和動態(tài)壓力的測量。,圖4-4 壓電元件的等效電路 (a) 原理圖； (b) 電荷源； (c) 電壓源； (d) 電路符號,2. 電荷放大器 壓電式傳感器測量電路的關(guān)鍵是高輸入阻抗的前置放大器， 它有電壓放大器和電荷放大器兩種形式?？紤]到壓電片的泄漏電阻Ra、連接電纜的等效電容Cc、前置放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci，其等效電路如圖4-5的左半部分所示。由于電壓放大器輸出電壓與電纜分布電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。 電荷放大器是一個電容深度負反

8、饋的高增益運算放大器，其原理電路如圖4-5所示。,圖中，Cf為反饋電容，與Cf并聯(lián)的Rf用于為Cf提供電荷泄放回路和為運算放大器反相輸入端的偏置電流提供回路。 Rf的阻值由Cf的放電時間常數(shù)確定。 一般，Rf取10k10 M，Cf在50104pF范圍內(nèi)，電路能穩(wěn)定地工作。由于運算放大器的增益A和輸入電阻Ri都很大，根據(jù)放大電路原理，當（1+A） Cf Ca+Cc+Ci、Cf 1/ Rf時，電荷放大器的輸出電壓為,（4-4）,可見，輸出電壓Uo正比于輸入電荷Q， 放大倍數(shù)僅取決于1/Cf， 與其他因素無關(guān)。但當頻率很低時，1/Rf與Cf相比不可忽略。 當Cf =1/Rf時，電路的下限截止頻率為,

9、（4-5）,圖4-5 電荷放大器的原理電路,4.2 超聲波傳感器,4.2.1 超聲波的傳輸特性 人耳能夠聽到的機械波，頻率在16 Hz20 kHz之間，稱為聲波。人耳聽不到的機械波， 頻率高于20 kHz的稱為超聲波； 頻率低于16 Hz的稱為次聲波。超聲波的頻率越高，就越接近光學的反射、折射等特性。,超聲波可分為縱波、橫波和表面波。質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向一致的波稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播。質(zhì)點的振動方向和波的傳播方面相垂直的波稱為橫波， 它只能在固體中傳播。質(zhì)點的振動介于橫波和縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波。 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決

10、于介質(zhì)密度、 介質(zhì)的彈性系數(shù)及波型。一般來說， 在同一固體中橫波聲速為縱波聲速的一半左右，而表面波聲速又低于橫波聲速。當超聲波在某一介質(zhì)中傳播，或者從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時，遵循如下一些規(guī)律：,（1） 傳播速度：超聲波的傳播速度與波長及頻率成正比， 即聲速為,C=f,（4-6）,式中，為超聲波的波長； f為超聲波的頻率。 （2） 超聲波的衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于聲波的擴散、散射及吸收，能量按指數(shù)規(guī)律衰減。如平面波傳播時的衰減公式可寫作Ix= I0e-2x。其中，I0為聲源處的聲強; Ix為距聲源x處的聲強; 為衰減系數(shù)（單位為110-3dB/mm），水和一般低衰減材料的的取值為14。

11、,（3） 超聲波的反射與折射： 當超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時， 在兩種介質(zhì)的分界面上，會發(fā)生反射與折射。同樣遵循反射定律和折射定律：入射角與反射角、折射角的正弦比等于入射波速與反射波速、折射波速之比。 （4） 超聲波的波形轉(zhuǎn)換： 若選擇適當?shù)娜肷浣牵?使縱波全反射， 那么在折射中只有橫波出現(xiàn)； 如果橫波也全反射， 那么在工件表面上只有表面波存在。 ,4.2.2 超聲波換能器 超聲波換能器也稱為超聲波探頭， 即超聲波傳感器。 按原理有壓電式、 磁致伸縮式、 電磁式等， 其中壓電式最常用。 壓電式利用壓電材料的逆壓電效應制成超聲波發(fā)射頭， 利用壓電效應制成超聲波接收頭。 按照不同的應用目的

12、， 超聲波傳感器有不同的結(jié)構(gòu)形式。 探傷用超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。 診斷及水和空氣中用超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。,圖4-6 探傷用超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)圖 （a） 直探頭；（b） 斜探頭；（c） 雙探頭,圖4-7 診斷及水和空氣中用超聲波傳感器 (a) 診斷用陣列型超聲波傳感器； (b) 水聽器； (c) 空氣中用超聲波傳感器,4.2.3 空氣中傳播的超聲波傳感器及其基本電路 1. 遙控用超聲波傳感器 超聲波遙控電路采用專用的在空氣中傳播的超聲發(fā)射器（用符號T表示）與接收器(用符號R表示)成對配套使用。 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-7（c）所示，采用雙壓電陶瓷晶片結(jié)構(gòu)。 將雙壓電陶

13、瓷晶片固裝在基座上，為了增強其效果，在壓電晶片上面加裝了錐形喇叭，最后將其裝在金屬殼體中并伸出兩根引線。它所發(fā)射的超聲波采用固定的中心頻率，諧振頻率f0一般為40kHz。這種傳感器有一種單峰特性，即在中心頻率f0處靈敏度最高，輸出信號幅度最大，接收器的接收靈敏度最高， 而在中心頻率兩側(cè)則迅速衰減。由于超聲波接收器具有很好的選頻特性， 因此在組成電路系統(tǒng)時，不必另設(shè)選頻網(wǎng)絡(luò)。由于發(fā)射器需要發(fā)射出強度較高的超聲波信號，所以它的靈敏度大于100 dB。接收器應能良好地接收超聲波信號，因此它的靈敏度大于60 dB。,表4-3 T/R40型超聲傳感器的外形與尺寸,2. 超聲波發(fā)射電路 圖4-8是由數(shù)字集

14、成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓通過耦合電容CP供給超聲波振子MA40S2S。CC4049的H1和H2產(chǎn)生與超聲波頻率相對應的高頻電壓信號， H3H6進行功率放大，再經(jīng)過耦合電容CP傳給超聲波振子MA40S2S。超聲波振子若長時間加直流電壓，會使傳感器特性明顯變差， 因此，一般用交流電壓通過耦合電容CP 供給傳感器。該電路通過調(diào)節(jié)R可改變振蕩頻率：,圖4-8 數(shù)字式超聲波振蕩電路,圖4-9是采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路實例。電路中用NPN晶體管V放大頻率可調(diào)振蕩器OSC的輸出信號，放大的信號經(jīng)脈沖變壓器T升壓為較高的交流電壓供給超聲波傳感器MA40S2S。 超聲波傳感器MA4

15、0S2S產(chǎn)生40 kHz能量的超聲波。,圖4-9 采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路,3. 超聲波接收電路 由于超聲波傳感器接收到的信號極其微弱，因此，一般要接幾十dB以上的高增益放大器。 如圖4-10所示，采用NPN晶體管V進行放大構(gòu)成超聲波接收電路，超聲波傳感器采用MA40S2R。 超聲波傳感器一般用于檢測反射波，它遠離超聲波發(fā)生源，能量衰減較大，只能接收到幾mV左右的微弱信號。因此，實際應用時要加多級放大器。,圖4-10 晶體管超聲波接收電路,圖4-11是采用運放的超聲波接收電路，電路增益較高。電路輸出為高頻電壓， 實際上后面還要接檢波電路、放大電路以及開關(guān)電路等。,圖4-11 集成運放超聲

16、波接收電路,4. 采用超聲波模塊RS-2410的測距計 圖4-12是采用超聲波模塊RS-2410的測距計， RS-2401模塊內(nèi)有發(fā)送與接收電路以及相應的定時控制電路等。KD-300為數(shù)字顯示電路， 用三位數(shù)字顯示RS-2410的輸出，單位為cm， 因此， 顯示最大距離為999 cm。 這種超聲波測距計能測的最大距離為600 cm左右， 最小距離為2 cm左右， 但應滿足被測物體較大、 反射效率高、入射角與反射角相等的條件。,圖4-12 采用超聲波模塊的測距計,4.3 磁 敏 傳 感 器,4.3.1 霍爾元件 1. 霍爾效應 1879年霍爾發(fā)現(xiàn)， 在通有電流的金屬板上加一勻強磁場， 當電流方向

17、與磁場方向垂直時， 在與電流和磁場都垂直的金屬板的兩表面間出現(xiàn)電勢差， 這個現(xiàn)象稱為霍爾效應。 產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電勢。 其成因可用帶電粒子在磁場中所受到的洛倫茲力來解釋。,如圖4-13（a）所示， 將金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中， 當有電流流過薄片時， 電子受到洛倫茲力FL的作用向一側(cè)偏移，電子向一側(cè)堆積形成電場，該電場對電子又產(chǎn)生電場力。電子積累越多， 電場力越大。洛倫茲力的方向可用左手定則判斷，它與電場力的方向恰好相反。 當兩個力達到動態(tài)平衡時，在薄片的cd方向建立穩(wěn)定電場， 即霍爾電勢。 激勵電流越大，磁場越強， 電子受到的洛侖茲力也越大， 霍爾電勢也就越高。其次，薄片

18、的厚度、半導體材料中的電子濃度等因素對霍爾電勢也有影響?；魻栯妱莸臄?shù)學表達式為,EH=KHIB mV,(4-7),式中，KHmV(mAT)稱為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。 霍爾電勢與輸入電流I、 磁感應強度B成正比，且當I或B的方向改變時， 霍爾電勢的方向也隨之改變。 如果磁場方向與半導體薄片不垂直， 而是與其法線方向的夾角為， 則霍爾電勢為,EH=KHIB cos mV,(4-8),2. 霍爾元件 由于導體的霍爾效應很弱，霍爾元件都用半導體材料制作。 霍爾元件是一種半導體四端薄片，它一般做成正方形，在薄片的相對兩側(cè)對稱地焊上兩對電極引出線。一對稱為激勵電流端， 另外一對稱為霍爾電勢輸出端。 目前常

19、用的霍爾元件材料是N型硅，它的霍爾靈敏度系數(shù)、 溫度特性、 線性度均較好。 銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)、N型鍺(Ge)等也是常用的霍爾元件材料。 銻化銦元件的輸出較大， 受溫度影響也較大； 砷化銦和鍺的輸出不及銻化銦的大， 但溫度系數(shù)小， 線性度好。 砷化鎵(GaAs)是新型的霍爾元件材料， 溫度特性和輸出線性都好，但價格貴。,圖4-13 霍爾元件 （a） 霍爾效應原理圖； （b） 圖形符號； （c）外形,4.3.2 集成霍爾傳感器 集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件、 放大器、穩(wěn)壓電源、功能電路及輸出電路等集成在一起的單片集成傳感器。 集成霍爾傳感器中霍爾元件的材料仍以

20、半導體硅為主，按輸出信號的形式可分為線性型和開關(guān)型兩類，如圖4-14所示。線性集成霍爾傳感器是將霍爾元件、恒流源、線性放大電路等集成在一個芯片上， 輸出模擬電壓與外加磁場呈線性關(guān)系； 開關(guān)集成霍爾傳感器是將霍爾元件、恒流源、施密特電路、 驅(qū)動電路等集成在一個芯片上，驅(qū)動電路為集電極開路的三極管， 輸出具有遲滯特性。線性集成霍爾傳感器用于無觸點電位器、 無刷直流馬達、速度傳感器和位置傳感器等；開關(guān)集成霍爾傳感器用于鍵盤開關(guān)、接近開關(guān)、速度傳感器和位置傳感器?；魻柤呻娐酚斜馄椒庋b，DIP封裝和軟封裝幾種。,圖4-14 霍爾集成電路外形尺寸、內(nèi)部電路和輸出特性 （a） 模擬型；（b）開關(guān)型；（c）

21、 UGN3501M,線性集成霍爾傳感器分為單端輸出和雙端輸出（差分輸出）兩種。 UGN-3501為典型的單端輸出集成霍爾傳感器， 是一種扁平塑料封裝的三端元件，腳1（UCC），2（GND），3（OUT），有T、U兩種型號，其區(qū)別僅是厚度不同。T型厚度為2.03 mm，U型厚度為1.45 mm。UGN-3501T在0.15T0.15T磁感應強度范圍內(nèi)有較好的線性，超過此范圍則呈飽和狀態(tài)。 典型的雙端輸出集成霍爾傳感器型號為UGN-3501M， 8腳DIP封裝， 腳1和8（差動輸出），2（空），3（UCC），4（GND）， 5、6、7間接一調(diào)零電位器，對不等位電勢進行補償，還可以改善線性，但靈敏度

22、有所降低。根據(jù)測試，當?shù)?腳和第6腳間的外接電阻R5-6=100 時，電路有良好的線性。 隨R5-6阻值的減小， 輸出電壓升高，但線性度下降。因此，若允許不等位電勢輸出， 則可不接電位器。,國內(nèi)外常見的集成霍爾傳感器有SL-N3000系列（中）， SH100、300系列（中），DN830、 6830系列（日）， SAS200系列開關(guān)UGN3000系列（美）等線性和開關(guān)型， SAS200系列（德）開關(guān)型等。表4-44-7列出了部分集成霍爾傳感器的參數(shù)。,表4-4 國產(chǎn)開關(guān)集成霍爾傳感器的參數(shù),表4-5 美國開關(guān)集成霍爾傳感器,表4-6 國產(chǎn)線性集成霍爾傳感器的參數(shù),表4-7 美國、日本線性集成霍

23、爾傳感器的參數(shù),4.3.3 霍爾式傳感器的應用領(lǐng)域 由式(4-8)可得出霍爾式傳感器具有以下幾個方面的應用： （1） 維持激勵電流I不變，可構(gòu)成磁場強度計、霍爾轉(zhuǎn)速表、角位移測量儀、磁性產(chǎn)品計數(shù)器、霍爾式角編碼器以及基于測量微小位移的霍爾式加速度計、微壓力計等。 （2） 當I、B兩者都為變量時，可構(gòu)成模擬乘法器、功率計等。 保持磁感應強度B恒定， 可做成過電流檢測裝置等。,4.4 光電式傳感器,4.4.1 光與光電效應 1. 光的知識 （1） 光的電磁說： 光是一種電磁波， 其頻譜如圖4-15所示。 可見光只是電磁波譜中的一小部分，波長在780380 nm之間， 紅光頻率最低， 紫光頻率最高。

24、 光的頻率越高， 攜帶的能量越大。,圖4-15 電磁波譜,（2） 光的量子說： 光是一種帶有能量的粒子（稱為光子）所形成的粒子流。光子的能量為Weh。式中，h=6.6310-34Js為普朗克常數(shù)；為光的頻率。它是光電元件的理論基礎(chǔ)。,2. 光電效應 1） 外光電效應 外光電效應即光電子發(fā)射效應， 在光的作用下使電子逸出物體表面。 基于外光電效應的光電元件有光電二極管和光電倍增管及紫外線傳感器等。 根據(jù)能量守恒定律， 要使電子逸出并具有初速度， 光子的能量必須大于物體表面的電子逸出功。 這一原理可用愛因斯坦光電效應方程來表示，即,(4-9),式中，m為電子的質(zhì)量；A為物體的電子表面逸出功。,由于

25、光子的能量與光的頻率成正比， 因此要使物體發(fā)射光電子， 光的頻率必須高于某一限值。 這個能使物體發(fā)射光電子的最低光頻率稱為紅限頻率。 小于紅限頻率的入射光， 光再強也不會激發(fā)光電子； 大于紅限頻率的入射光， 光再弱也會激發(fā)光電子。 單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)稱為光電流， 它與入射光的光強成正比。 對光電管， 即使陽極電壓為零也會有光電流產(chǎn)生。 欲使光電流為零必須加負向的截止電壓， 截止電壓應與入射光的頻率成正比。,2） 內(nèi)光電效應 （1） 光電導效應：在光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料的電阻率降低?；谶@種效應的光電元件有光敏電阻。 （2） 光電動勢效應：當光照

26、射PN結(jié)時，在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子空穴對。 基于該效應的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管等。如一只玻璃封裝的二極管， 接一只50A的電流表，便不難驗證：二極管受光照時有電流輸出，無光照時無電流輸出。 （3） 光的熱電效應：利用人體輻射的紅外線的熱效應制成熱釋電（人體）傳感器。,4.4.2 光電元件 1. 光電倍增管 光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理如圖4-16所示，它由光電陰極K， 陽極A和倍增極(也稱打拿極)D組成。光電陰極發(fā)射的光電子在電場作用下被加速， 以高速射入倍增極， 倍增極表面逸出加倍的電子，稱為二次發(fā)射。 倍增極數(shù)目一般為414個，增益G=106108。常見的光電倍增管按進

27、光部位可分為側(cè)窗式和端窗式兩類；按管內(nèi)電極構(gòu)造形狀又可分聚焦式、百葉窗式和盒柵式等。 光電倍增管噪聲小、增益高、頻帶響應寬，在探測微弱光信號領(lǐng)域是其他光電傳感器所不能取代的。使用和存放時必須特別注意： 絕對避免強光照射光陰極面，以防損壞光電陰極。,圖4-16 光電倍增管結(jié)構(gòu)原理圖,2. 紫外線傳感器 紫外線傳感器是一種專門用來檢測紫外線的光電器件。 它的光譜響應為85260 nm， 對紫外線特別敏感，尤其對燃燒時產(chǎn)生的紫外線反應更為強烈，甚至可以檢測5m以內(nèi)打火機火焰發(fā)出的紫外線。 它除了會受到高壓水銀燈、射線、 閃電及焊接弧光的干擾外， 對可見光不敏感。 此外， 它還具有靈敏度高、 受光角度

28、寬（視角范圍達120）、 響應速度快的特點。 因此， 紫外線傳感器主要用作火災報警敏感元件， 故又稱它為火災報警傳感器。它可以廣泛地用于石油、氣體燃料的火災報警，也可以用于賓館、飯店、辦公室、倉庫等重要場合的火災報警。,紫外線傳感器的外形結(jié)構(gòu)如圖4-17所示， 其中(a)為頂式結(jié)構(gòu)， (b)為臥式結(jié)構(gòu)。 紫外線傳感器的結(jié)構(gòu)和光電管的結(jié)構(gòu)非常相似，在玻璃管內(nèi)有兩個電極， 陰極和陽極。 在石英玻璃管內(nèi)封入了特殊的氣體。 在陰極和陽極間加約350V的電壓，當紫外線照射在光電陰極上時， 陰極就會發(fā)射光電子。 在強電場的作用下，光電子高速向陽極運動， 與管內(nèi)氣體分子相碰撞而使氣體分子電離，氣體電離產(chǎn)生的

29、電子再與氣體分子相碰撞， 最終使陰極和陽極間被大量的光電子和離子所充斥， 造成輝光放電現(xiàn)象， 電路中形成很大的電流值。 紫外線傳感器的這種工作狀態(tài)與光電倍增管很相似。當沒有紫外線照射時， 陰極和陽極間沒有電子和離子的流動，陰極和陽極間呈現(xiàn)相當高的阻抗。,圖4-17 紫外線傳感器的外形結(jié)構(gòu)圖 (a) 頂式； (b) 臥式,如圖4-18所示， 紫外線傳感器的基本電路是由RC構(gòu)成的充放電回路， 其時間常數(shù)稱為阻尼時間， 電極間殘留離子的衰變時間一般為510ms；當入射紫外線光通量低于某值時， 從輸出端可以得到與入射光量成正比的脈沖數(shù)， 但若光通量大于此值時， 由于電容的放電， 管內(nèi)電流就飽和了。 因

30、此紫外線傳感器適合作光電開關(guān)，不適合作精密的紫外線測量。,圖4-18 紫外線傳感器基本電路及輸出波形 （a） 基本電路； （b） 輸出波形,3.光敏電阻 光敏電阻又稱光導管，是一種均質(zhì)半導體光電元件，當光照射時其電阻值降低。將其與一電阻串聯(lián)并接到電源上， 便可把光信號變成電信號。 按光譜特性及最佳工作波長范圍分類， 可有紫外光、 可見光及紅外光光敏電阻類。 CdS光敏電阻覆蓋了紫外光和可見光范圍，其典型結(jié)構(gòu)如圖4-19所示。 將CdS粉末燒結(jié)在陶瓷襯底上，形成一層CdS膜，用兩根引線引出。為防止光敏電阻芯片受潮，均需采用密封結(jié)構(gòu)，常用金屬外殼、塑料或防潮涂料等密封。常用光敏電阻的性能參數(shù)見表4

31、-8。,圖4-19 光敏電阻的結(jié)構(gòu) (a) 電路符號； (b) 結(jié)構(gòu)圖,表4-8 MG型光敏電阻的性能參數(shù),4. 光電池 光電池也稱太陽能電池， 有硒光電池、 硅光電池及砷化鎵光電池等。目前發(fā)展最快， 應用最廣的是單晶硅及非晶硅光電池。其形狀有圓形、 方形、矩形、 三角形或六角形等。 硅光電池的頻率特性優(yōu)于硒光電池。 硅光電池的光譜響應峰值波長約為800 nm，適于接受紅外光； 硒光電池的光譜響應峰值波長在540 nm，適于接受可見光； 砷化鎵光電池光譜響應特性與太陽光最吻合， 適合用作宇航電源。,常用的硅光電池是在N型硅片上擴散硼形成P型層，分別引出電極，再將受光面氧化以形成SiO2保護膜即

32、成。當光照射PN結(jié)時，如果光子能量足夠大，就在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對， 載流子的運動平衡被打破，P區(qū)電子進入N區(qū)，N區(qū)空穴進入P區(qū)，N區(qū)因電子集結(jié)帶負電，P區(qū)因空穴集結(jié)帶正電，兩端出現(xiàn)電位差， 即光生電動勢。應用最廣的2CR為N型單晶硅，2DR為P型單晶硅。 圖4-20(b)是硅光電池開路電壓及短路電流與光照度的關(guān)系曲線，可見開路電壓U與照度E間成非線性關(guān)系。當E1000 Lx時，光生電壓開始進入飽和狀態(tài), 用于低照度檢測并使負載電阻盡量大；而短路電流I與光照度E之間成線性關(guān)系，可用于高照度檢測并使負載電阻應盡量接近短路狀態(tài)。,圖4-20 硅光電池的電路符號與光照特性 (a) 電路符號；

33、(b) 光照特性,表4-9 2CR型硅光電池的特性參數(shù),5. 光敏管 1）光敏二極管 光敏二極管與普通半導體二極管的主要區(qū)別在于PN結(jié)面積較大、 距表面較淺， 上電極較小， 利于接受光照射以提高光電轉(zhuǎn)換效率。 如前所述， 它的工作機理是光生電動勢效應， 即當受到光照時，半導體本征載流子濃度增加，在P區(qū)和N區(qū)均為少數(shù)載流子，在PN結(jié)勢壘作用下，分別向?qū)Ψ絽^(qū)域漂移。 此時若將兩端短路，便構(gòu)成短路光電流；若兩端開路或接負載， 則輸出光生電勢； 若加外電場， 則反向飽和電流增加。,光敏二極管正向伏安特性與普通二極管相似， 光電流不明顯； 反向特性受光照控制。 因此， 光敏二極管一般加反向偏置電壓， 利

34、用反向飽和電流隨光照強弱而變化進行工作。 光敏二極管的種類很多。 按制作材料來分， 有硅光敏二極管(2CU、2DU類)， 鍺光敏二極管（2AU類）； 按不同峰值波長來分，有近紅外光硅光敏二極管， 如對紅外光最敏感的鋰漂移性硅光敏二極管， 藍光光敏二極管等； 其他還有用于激光的PIN型硅光敏二極管（日本產(chǎn)SPD、 S、MP、 MBC、 SP、 PP、 TP、 PD、 PH、 TPS、 M等多種系列，國產(chǎn)2CU101、 2CU201等）和靈敏度更高的雪崩光敏二極管等。 國產(chǎn)光敏二極管一般有2CU和2DU兩種， 常用2CU型。 表4-10給出了幾種類型的光敏二極管的主要技術(shù)參數(shù)及其主要用途。,表4-

35、10 一些國產(chǎn)光敏二極管的主要技術(shù)參數(shù),圖4-21 光敏二極管電路符號和外形,圖4-22 光敏二極管應用電路 （a) 亮通電路； （b) 暗通電路,2） 光敏晶體管 光敏晶體管與普通晶體管類似，但發(fā)射區(qū)較小，當光照射到發(fā)射結(jié)上時，產(chǎn)生基極光電流IL，集電極電流ICIL， 顯然集電極電流IC正比于照射光的強度。 光敏三極管的電路符號及基本應用電路如圖4-23所示。 國產(chǎn)光敏三極管的型號主要有3AU、 3DU、 ZL系列，日本型號有TPS、 PT、 PPT、 PH、 PS、 PN、 T等系列。 表4-11列出了國產(chǎn)光敏三極管的特性參數(shù)。,圖4-23 光敏三極管電路符號及應用電路 （a） 電路符號；

36、 （b） 基本應用電路,表4-11 國產(chǎn)光敏三極管的特性參數(shù),3） 光敏晶閘管 光敏晶閘管和普通晶閘管的惟一不同之處就是門極控制信號。 普通晶閘管的門極控制信號為一外加正向電壓， 而光敏晶閘管的門極控制信號為光照， 如圖4-24所示。當光照射PN結(jié)時， 由光電流控制晶閘管導通； 當無光照時，晶閘管在陽極電流小于維持電流或陽極電壓過零時關(guān)斷。,圖4-24 光敏晶閘管 （a） 結(jié)構(gòu)圖； （b） 電路符號； （c） 使用方法； （d）、 （e） 外形圖,表4-12 部分光敏晶閘管的技術(shù)參數(shù),6. 紅外光傳感器 1） 熱釋電傳感器（PIR） 如4.1節(jié)介紹的壓電陶瓷等， 這類電介質(zhì)在電極化后能保持極化

37、狀態(tài)， 稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化隨溫度升高而減小， 在居里點溫度降為零。因此，當這種材料受到紅外輻射而溫度升高時， 表面電荷將減少，相當于釋放了一部分電荷，故稱為熱釋電。將釋放的電荷經(jīng)放大器可轉(zhuǎn)換為電壓輸出。這就是熱釋電傳感器的工作原理。,熱釋電傳感器常用的陶瓷材料是熱電系數(shù)高的鋯鈦酸鉛（PZT）系、鉭酸鋰（LiTaO3）、 硫酸三甘鈦（TGS）等。 將這種熱釋電元件、 結(jié)型場效應管、 電阻等封裝在避光的殼體內(nèi)， 并配以濾光鏡片透光窗口， 便組成熱釋電傳感器。 如圖4-25所示為LN074B型熱釋電傳感器的外形及內(nèi)部組成。,圖4-25 LN074B型熱釋電傳感器的外形及內(nèi)部組成 （a） 外形圖；

38、 （b）內(nèi)部組成圖,濾光片對于太陽和熒光燈的短波長具有高的反射率， 而對人體發(fā)出來的紅外熱源有高的透過性， 其光譜響應為6 m以上。 人體溫度為36.5時， 輻射紅外線波長為9.36 m； 38時， 輻射紅外線波長為9.32 m。 因此熱釋電傳感器又稱人體紅外傳感器， 被廣泛應用于防盜報警、 來客告知及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。 當輻射繼續(xù)作用于熱釋電元件， 使其表面電荷達到平衡時， 便不再釋放電荷。 因此， 熱釋電傳感器不能探測恒定的紅外輻射， 也不能測量居里點以上的溫度。 實際應用中， 對于恒定的紅外輻射進行調(diào)制（或稱斬光）， 使其變成交變輻射， 不斷引起探測器的溫度變化， 才能導致熱釋電產(chǎn)生

39、， 并輸出不變的電信號。,圖4-26 HN911應用電路,熱釋電元件同樣具有壓電效應， 使用時應避免振動。 將兩個特性相同的熱釋電元件反極性串接， 可補償外界環(huán)境溫度和振動的影響。 二元型熱釋電傳感器有TO-5金屬封裝的P228（LiTaO3）、 LS-064、 LN-074B、SDO2（PZT）等。此外， 用于測溫的熱釋電紅外傳感器， 其測溫范圍可達-801500。,HN911是一個將熱釋電傳感器、 放大器、 信號處理電路、 延時電路和高低電平輸出電路集成在一起的熱釋電紅外探測模塊，其典型應用電路如圖4-26所示。平時1端輸出低電平，2端輸出高電平，當檢測到人體移動時，則1端高、2端低。 用

40、菲涅耳透鏡與熱釋電傳感器配套，可以把熱釋電傳感器的檢測距離擴大到1015 m， 視野角擴展到84135。平面型為壁掛式，如S-136； 球狀型為吸頂式，如S-99、 RS-8等。,2） 量子型紅外光敏器件的結(jié)構(gòu)及工作原理 （1） PbS紅外光敏元件：其結(jié)構(gòu)如圖4-27所示。它是先在玻璃基板上制成金電極，然后蒸鍍PbS薄膜，再引出電極線即成。為防止PbS氧化，一般要將PbS光敏元件封入真空容器內(nèi)， 并用玻璃或藍寶石做光窗。 PbS紅外光敏元件對近紅外光到3 m波長的紅外光有較高的靈敏度， 并可在室溫下工作。當紅外光照射在PbS光敏元件上時， 由于光電導效應， PbS光敏元件的阻值將發(fā)生變化， 電

41、阻的變化也將引起PbS光敏元件兩電極間電壓的變化。,圖4-27 PbS紅外線光敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖,（2） ZnSb紅外光敏元件： 其結(jié)構(gòu)如圖4-28所示， 它和具有PN結(jié)的光敏二極管相似， 是把雜質(zhì)Zn等用擴散法滲入N型半導體中形成P層， 構(gòu)成PN結(jié)， 然后再引出引線制成的。,圖4-28 ZnSb紅外光敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖,當紅外光照射在ZnSb光敏元件的PN結(jié)上時，由于光生伏特效應，在ZnSb光敏元件兩端產(chǎn)生電勢，此電勢的大小與光照強度成比例。ZnSb紅外光敏元件的靈敏度高于PbS紅外光敏元件， 能在室溫下工作，也可在低溫下工作。若在低溫下工作時， 可采用液態(tài)氮進行冷卻。 紅外光傳感器的選擇可

42、參見表4-13。,表4-13 國產(chǎn)紅外探測器的性能,7. CCD圖像傳感器 電荷耦合器（Charge Coupled Devices，CCD）具有存儲、 轉(zhuǎn)移并逐一讀出信號電荷的功能。 利用電荷耦合器件的這種功能，可以制成圖像傳感器、數(shù)據(jù)存儲器、延遲線等， 在軍事、 工業(yè)和民用產(chǎn)品領(lǐng)域內(nèi)都有著廣泛的應用。 電荷耦合器的基本結(jié)構(gòu)如圖4-29所示，在一硅片上有一系列并排的MOS電容，這些MOS電容的電極以三相方式聯(lián)結(jié)， 即： 電極1、4、7與時鐘1相連， 電極2、 5、 8與時鐘2相連，電極3、 6、 9與時鐘3相連。只要在電極上加上電壓，硅片上就會形成一系列勢阱。 有光照時，這些勢阱都能收集光生

43、電荷。只要電極上的電壓不去掉，這些代表信息的電荷就一直存儲在那里。通常把這些被收集在勢阱中的信號電荷稱為電荷包。,圖4-29 電荷耦合器的結(jié)構(gòu)原理,直接采用MOS電容感光的CCD圖像傳感器對藍光的透過率差、 靈敏度低。 現(xiàn)在CCD圖像傳感器已采用光敏二極管作為感光元件，如圖4-30所示， 它是一種家用攝像機CCD圖像傳感器的外形圖。它像一個大規(guī)模集成電路， 在它的正面有一個長方形的感光區(qū)，感光區(qū)中有幾十萬至幾百萬個像素單元， 每一個像素單元上有一光敏二極管。 這些光敏二極管在受到光照時， 便產(chǎn)生與入射光強度相對應的電荷， 再通過電注入法將這些電荷引入CCD器件的勢阱中， 便成為用光敏二極管感光

44、的CCD圖像傳感器。 它的靈敏度極高， 在低照度下也能獲得清晰的圖像， 在強光下也不會燒傷感光面。 目前它不僅在家用攝像機中得到了應用， 而且在廣播、 專業(yè)攝像機中也取代了攝像管。,圖4-30 CCD圖像傳感器的外形圖,8. 光電位置探測器 光電位置探測器（Position Sensing Detector， PSD）是一種能測量光點在探測器表面上連續(xù)位置的光學探測器。 PSD由P襯底、PIN光電二極管及表面電阻組成， 如圖4-31所示， P型層在表面，N型層在底面，I層在中間。落在PSD上的入射光轉(zhuǎn)換成光電子后由P型兩端電極輸出光電流I1和I2。因電荷通過的P型層是一均勻的電阻，所以光電流與

45、光的入射點到電極間的距離成反比。 若以幾何中心為坐標原點，則有,(4-10),若以一端為坐標原點，則有,(4-11),圖4-31 PSD光電位置探測器的原理圖 （a） 原理； （b） 結(jié)構(gòu),9. 色彩傳感器與色彩識別 1） 雙結(jié)色彩傳感器 如圖4-32所示，雙結(jié)色彩傳感器是在一個外殼內(nèi)封裝有兩個光敏二極管VD1和VD2的雙結(jié)二極管結(jié)構(gòu)。VD1和VD2有著不同光譜特性， 其短路電流比與入射光的波長有著一定的比例關(guān)系，只要測出短路電流的比值，就能知道入射光的波長，也就確定了入射光的色譜。,圖4-32 雙結(jié)色彩傳感器的原理圖 （a） 內(nèi)部結(jié)構(gòu)； （b） 等效電路,2） 全色色彩傳感器 如圖4-33所

46、示為全色色彩傳感器的結(jié)構(gòu)原理、等效電路、 外形尺寸和頻譜響應特性。該傳感器在非晶態(tài)硅的基片上平排做了三個光電二極管， 并在各個光電二極管上分別加上紅(R)、綠(G)、藍(B)濾色鏡， 將來自物體的反射光分解為三種顏色，根據(jù)R、G、B的短路電流輸出大小，通過電子線路及計算機可以識別12種以上的顏色。它也叫非晶態(tài)色彩傳感器。 AN3301系列集成色彩傳感器的頻譜響應特性（相對靈敏度與波長的關(guān)系）如圖4-33（d）所示， 其特性如表4-14所示。,圖4-33 全色色彩傳感器 （a） 結(jié)構(gòu)原理；（b） 等效電路；（c） 外形；（d） 光譜響應特性,表4-14 AN3301系列集成色彩傳感器的特性,非晶

47、態(tài)色彩傳感器的入射光線的照度與輸出電壓的關(guān)系如圖4-34所示。在負載電阻為100 k時，其照度與輸出電壓取用對數(shù)刻度時具有良好的線性度，并且其斜率接近于1；若將負載電阻接成1 M以上時，電壓幾乎成開路狀態(tài)，其輸出呈非線性并進入飽和狀態(tài)。因此，傳感器上有時并聯(lián)有一個100 k的電阻， 其放大電路如圖4-35所示。,圖4-34 照度特性,圖4-35 放大電路,4.4.3 光電傳感器的類型 1. 光電檢測的組合形式 光電傳感器按輸出信號有開關(guān)型和模擬型， 開關(guān)型用于轉(zhuǎn)速測量、 模擬開關(guān)、 位置開關(guān)等；模擬型用于光電式位移計、 光電比色計等。 光電檢測必須具備光源、 被測物和光電元件。 按照光源、被測

48、物和光電元件三者的關(guān)系，光電傳感器可分為四種類型，如圖4-36所示。,圖4-36 光電傳感器的類型 （a） 被測物發(fā)光； （b） 被測物透光； （c） 被測物反光； （d） 被測物遮光,（1） 被測物發(fā)光：被測物為光源，可檢測發(fā)光物的某些物理參數(shù)。如光電比色高溫計、光照度計等。 （2） 被測物反光：可檢測被測物體表面性質(zhì)參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)， 如光潔度計和白度計等。 （3） 被測物透光：可檢測被測物與吸收光或透射光特性有關(guān)的某些參數(shù)，如濁度計和透明度計等。 （4） 被測物遮光： 檢測被測物體的機械變化， 如測量物體的位移、 振動、 尺寸、 位置等。,2. 光耦合器件 1） 光電耦合器 如圖4-37所

49、示，光電耦合器是把發(fā)光器件和光敏器件組裝在同一蔽光殼體內(nèi)，或用光導纖維把二者連接起來構(gòu)成的器件。 當輸入端加電信號，發(fā)光器件發(fā)光，光敏器件受光照后， 輸出光電流， 實現(xiàn)以光為媒介質(zhì)的電信號傳輸，從而實現(xiàn)輸入和輸出電流的電氣隔離， 所以可用它代替繼電器，變壓器和斬波器等。 它廣泛應用于隔離線路、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、 長線傳輸、 過流保護、 高壓控制等方面。,圖4-37 光電耦合器 （a） 結(jié)構(gòu)； （b） 外形； （c） 圖形符號,2） 光斷續(xù)器 （1） 直射型光斷續(xù)器：如圖4-38所示，主要用于光電控制和光電計量等電路中及檢測物體的有無、運動方向、 轉(zhuǎn)速等。 （2） 反射型光斷續(xù)器：

50、如圖4-39所示，主要用于光電式接近開關(guān)、 光電自動控制、 物體識別等。一些國產(chǎn)光斷續(xù)器的技術(shù)特性可參見表4-15。,圖4-38 直射型光斷續(xù)器,圖4-39 反射型光斷續(xù)器,表4-15 一些國產(chǎn)光斷續(xù)器的技術(shù)特性,3. 集成光電傳感器ULN3330 ULN3330是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的集成光電傳感器。 它是一種新穎的光電開關(guān)， 將光敏二極管、 低電平放大器、 電平探測器、 輸出功率驅(qū)動器和穩(wěn)壓電路等五部分都集成在了一塊11.8(mmmm)的硅片上， 形成一種具有驅(qū)動能力的光敏功率器件。 該器件可用于眾多使用光敏器件的場合， 使光敏器件的應用變得更簡單、 可靠。,1） 工作原理 ULN3330

51、的內(nèi)電路框圖如圖4-40所示。光敏二極管的光敏區(qū)域約為1.11.1(mmmm)，峰值波長為880 nm。 當它受到光照時，會產(chǎn)生微安數(shù)量級的光電流。低電平放大器是一種低噪聲小電流放大器，能對微安級的光電流進行放大、電平位移，最后輸出可供電平探測器進行鑒別的電平。 電平探測器是由施密特電路構(gòu)成的，它具有約20的“滯后”特性。 輸出功率驅(qū)動器是NPN中功率晶體管，最大可通過100 mA的電流，可以直接驅(qū)動各種負載。 穩(wěn)壓電路可確保當電壓在415 V范圍內(nèi)變化時電路也能穩(wěn)定地工作。ULN3330D接上電源與負載后， 不需要其他元件就能工作。當器件頂部受到大于50 Lx的光照時， 就輸出高電平，負載上

52、沒有電流；當光照不足45 Lx時，器件就輸出低電平，負載上有電流通過。,圖4-40 ULN3330內(nèi)電路框圖,表4-16 ULN3330集成電路的主要電參數(shù),2） 引腳排列和電參數(shù) ULN3330集成電路有三種封裝形式， ULN3330D采用帶玻璃窗的圓形金屬封裝；ULN3330T采用平透明塑料封裝； ULN3330Y采用半橢圓透明塑料封裝，圖4-41是它們的外形底視圖。,圖4-41 ULN3330系列外形底視圖,4.5 光纖與激光傳感器,4.5.1 光纖傳感器,1. 光導纖維及其導光原理 1） 光纖的構(gòu)造 光纖斷面構(gòu)造如圖4-42所示。纖芯為石英玻璃等材料制成的導光纖維細絲，直徑在5125 m范圍內(nèi)；包層材料的折射率n2略低于纖芯材料的折射率n1，包層外徑在125350 m范圍內(nèi)。包層外面涂敷硅樹酯之類的緩沖層，最外層包有起保護及屏蔽作用的尼龍?zhí)坠堋?光纖呈圓柱形，兩端面為平面。,圖4-42 光纖斷面構(gòu)造及光在光纖中的傳輸 （a） 光纖斷面構(gòu)造； （b）光纖中的光的傳輸,2） 光在光纖中的傳輸原理 如圖4-42（b）所示，當空氣中一束光線自光纖端面中心點O以i角射入纖芯時，光線產(chǎn)生折射。光以折射角0在纖芯中行進，至纖芯與包層界面時，可能折射進入包層，也可能繼續(xù)在纖芯中行進反射。根據(jù)斯乃爾定理：當光由光密物質(zhì)(折射率大)射入光疏物質(zhì)