第七章 機(jī)械量的測(cè)量

第七章機(jī)械量的測(cè)量2023/9/61第1頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)位移的測(cè)量第二節(jié)轉(zhuǎn)速的測(cè)量第三節(jié)加速度的測(cè)量第七章機(jī)械量的測(cè)量2023/9/62第2頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)位移的測(cè)量常用位移傳感器的性能和特點(diǎn)（P121）2023/9/63第3頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電渦流效應(yīng)演示

當(dāng)電渦流線(xiàn)圈與金屬板的距離x減小時(shí)，電渦流線(xiàn)圈的等效電感L減小，等效電阻R增大。感抗XL的變化比R的變化大得多，流過(guò)電渦流線(xiàn)圈的電流i1增大。二、電渦流傳感器當(dāng)金屬導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中自行閉合電渦流2023/9/64第4頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工作原理:交變電流傳感器線(xiàn)圈被測(cè)導(dǎo)體交變磁場(chǎng)H1電渦流交變磁場(chǎng)H2參數(shù)變化(電感、阻抗、品質(zhì)因素等)輸出信號(hào)2023/9/65第5頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/66第6頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/67第7頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電渦流的應(yīng)用

——在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅礁蓛簟⒏咝У碾姶艩t2023/9/68第8頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)與激勵(lì)源頻率f、工件的電導(dǎo)率

、磁導(dǎo)率

等有關(guān)。頻率f越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。

圖4-1是電渦流傳感器工作原理示意圖。當(dāng)高頻（100kHz左右）信號(hào)源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個(gè)靠近金屬導(dǎo)體附近的電感線(xiàn)圈L1時(shí)，將產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)H1。如被測(cè)導(dǎo)體置于該交變磁場(chǎng)范圍之內(nèi)時(shí)，被測(cè)導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流i2。i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱(chēng)為集膚效應(yīng)（也稱(chēng)趨膚效應(yīng)）。

2023/9/69第9頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、等效阻抗分析

檢測(cè)深度與激勵(lì)源頻率有何關(guān)系？

電渦流線(xiàn)圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)表達(dá)式為：

Z=R+jωL=f（ρ、

、x、ω、i1、r）

（7-6）

如果控制上式中的i1、f、

、

、r不變，電渦流線(xiàn)圈的阻抗Z就成為哪個(gè)非電量的單值函數(shù)？屬于接觸式測(cè)量還是非接觸式測(cè)量？

2023/9/610第10頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月等效阻抗與非電量的測(cè)量

檢測(cè)深度的控制：由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測(cè)導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測(cè)深度。激勵(lì)源頻率一般設(shè)定在100kHz~1MHz。頻率越低，檢測(cè)深度越深。

間距x的測(cè)量：如果控制上式中的i1、f、

、

、r不變，電渦流線(xiàn)圈的阻抗Z就成為間距x的單值函數(shù)，這樣就成為非接觸地測(cè)量位移的傳感器。

多種用途：如果控制x、i1、f不變，就可以用來(lái)檢測(cè)與表面電導(dǎo)率ρ有關(guān)的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來(lái)檢測(cè)與材料磁導(dǎo)率

有關(guān)的材料型號(hào)、表面硬度等參數(shù)。

2023/9/611第11頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線(xiàn)圈第12頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電磁爐的工作原理高頻電流通過(guò)勵(lì)磁線(xiàn)圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開(kāi)鍋內(nèi)的食物。2023/9/613第13頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性

電渦流探頭外形交變磁場(chǎng)高頻反射式、低頻投射式2023/9/614第14頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高頻反射式電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—電渦流線(xiàn)圈2—探頭殼體3—?dú)んw上的位置調(diào)節(jié)螺紋4—印制線(xiàn)路板5—夾持螺母6—電源指示燈7—閾值指示燈8—輸出屏蔽電纜線(xiàn)9—電纜插頭

2023/9/615第15頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CZF-1系列傳感器的性能分析上表請(qǐng)得出結(jié)論：探頭的直徑與測(cè)量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？

2023/9/616第16頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月低頻投射式2023/9/617第17頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月大直徑電渦流探雷器2023/9/618第18頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、電渦流測(cè)量轉(zhuǎn)換電路（1）電橋電路2023/9/619第19頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、電渦流測(cè)量轉(zhuǎn)換電路（2）諧振調(diào)幅式（AM）電路石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz~1MHz）用于激勵(lì)電渦流線(xiàn)圈。金屬材料在高頻磁場(chǎng)中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線(xiàn)圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對(duì)電渦流線(xiàn)圈的影響（例如兩者之間的距離等參數(shù)）。2023/9/620第20頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月部分常用材料對(duì)振蕩器振幅的衰減系數(shù)人的手、泥土或裝滿(mǎn)水的玻璃杯能對(duì)振蕩器的振幅產(chǎn)生明顯的衰減嗎？為什么？

2023/9/621第21頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）諧振調(diào)頻（FM）式電路(100kHz~1MHz）

當(dāng)電渦流線(xiàn)圈與被測(cè)體的距離x改變時(shí)，電渦流線(xiàn)圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計(jì)算機(jī)測(cè)量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使用鑒頻器，將

f轉(zhuǎn)換為電壓

Uo。

2023/9/622第22頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）諧振調(diào)頻（FM）式電路(100kHz~1MHz）

2023/9/623第23頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月并聯(lián)諧振回路的諧振頻率設(shè)電渦流線(xiàn)圈的電感量L=0.8mH，微調(diào)電容C0=200pF，求振蕩器的頻率f。2023/9/624第24頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鑒頻器特性

使用鑒頻器可以將

f轉(zhuǎn)換為電壓

Uo鑒頻器的輸出電壓與輸入頻率成正比機(jī)械工業(yè)出版社2023/9/625第25頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鑒頻器在調(diào)頻式電路中的應(yīng)用設(shè)電路參數(shù)如上頁(yè)，計(jì)算電渦流線(xiàn)圈未接近金屬時(shí)的鑒頻器輸出電壓Uo0；若電渦流線(xiàn)圈靠近金屬后，電渦流探頭的輸出頻率f上升為500kHz，

f為多少？輸出電壓Uo又為多少？2023/9/626第26頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/627第27頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電渦流傳感器應(yīng)用位移檢測(cè)2023/9/628第28頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電渦流傳感器應(yīng)用厚度檢測(cè)2023/9/629第29頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、光柵傳感器1.光柵傳感器原理(莫爾條紋)

構(gòu)成：疊合主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動(dòng)條紋寬度：W-柵距，a-線(xiàn)寬，b-縫寬W=a+b，a=b=W/2

主光柵---標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵---動(dòng)光柵第30頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月莫爾條紋特性：

方向性：垂直于角平分線(xiàn)→與光柵移動(dòng)方向垂直同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距→莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距放大性：夾角θ很小→B>>W→光學(xué)放大→提高靈敏度準(zhǔn)確性：誤差平均效應(yīng)→克服個(gè)別/局部誤差→提高精度三、光柵傳感器2023/9/631第31頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.光柵傳感器特點(diǎn)

①精度高：測(cè)長(zhǎng)±(0.2+2×10-6L)μm，測(cè)角±0.1″②量程大：透射式---光柵尺長(zhǎng)（<1米），反射式--->幾十米③響應(yīng)快：可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量④增量式：增量碼測(cè)量→計(jì)數(shù)斷電→數(shù)據(jù)消失⑤要求高：對(duì)環(huán)境要求高→溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)、移動(dòng)精度⑥成本高：電路復(fù)雜2023/9/632第32頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.光柵傳感器結(jié)構(gòu)1–主光柵尺（定光柵）2–指示光柵（動(dòng)光柵）3–光電元件4–透鏡5–光源透射式結(jié)構(gòu)：反射式結(jié)構(gòu)：光源→指示光柵→透射→主光柵→光電元件光源→主光柵→反射→指示光柵→光電元件2023/9/633第33頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.代表性產(chǎn)品：德國(guó)Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1m開(kāi)放式：量程1440mm，分辨力0.01m開(kāi)放式：量程270mm分辨力1nm三、光柵傳感器2023/9/634第34頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月英國(guó)Renishaw（雷尼紹）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所：量程：1000mm分辨力：0.01m精度：2

m三、光柵傳感器2023/9/635第35頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、角度及角位移檢測(cè)（補(bǔ)充）1、絕對(duì)碼光電編碼器原理：平行光源→碼盤(pán)→光電元件→電信號(hào)輸出碼盤(pán)：光學(xué)玻璃，透光/不透光→照相腐蝕要求：分度準(zhǔn)確（工藝）、明暗交替邊緣陡峭（工藝、材質(zhì)）光源：LED→光學(xué)系統(tǒng)→平行光→投影精確光電元件：硅光電池，光電晶體管滯后→響應(yīng)速度碼道：位數(shù)→每個(gè)碼道對(duì)應(yīng)一個(gè)光電元件→分辨率角度分辨率：α=360o/2nn-碼道數(shù)（位數(shù)）組成：光源、碼盤(pán)、光電元件增加碼道、增大碼盤(pán)尺寸→有限提高精度光學(xué)細(xì)分→附加碼道2023/9/636第36頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)量電路：編碼碼制：十進(jìn)制碼---0123456789二進(jìn)制碼---00000001001000110100格雷碼---循環(huán)碼：相鄰兩數(shù)只有一位不同每次只有一位變化→轉(zhuǎn)換放大→足夠電平，驅(qū)動(dòng)整形→接近理想方波細(xì)分→提高分辨率（光學(xué)+電路）多位碼同時(shí)動(dòng)作→同步誤差→錯(cuò)碼讀數(shù)直觀，不易電路處理直觀，易于后續(xù)電路和計(jì)算機(jī)處理四、角度及角位移檢測(cè)（補(bǔ)充）2023/9/637第37頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月角度位置二進(jìn)制碼十進(jìn)制碼格雷碼0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位絕對(duì)碼光電編碼器碼制2023/9/638第38頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：摩擦輪編碼器小范圍絕對(duì)位置測(cè)量---角度、直線(xiàn)位置小范圍位移、速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、分辨率高，可靠性好，應(yīng)用：例：直線(xiàn)→旋轉(zhuǎn)<360o直接數(shù)字量輸出---數(shù)字傳感器，絕對(duì)碼---絕對(duì)角位置傳感器測(cè)量范圍有限（360o），速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分），怕振動(dòng)---丟數(shù)連接---彈性連軸結(jié)四、角度及角位移檢測(cè)（補(bǔ)充）2023/9/639第39頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、增量碼光電編碼器結(jié)構(gòu)：與絕對(duì)編碼器類(lèi)似碼道：最外---增量碼道：透光扇形區(qū)→分辨率中間---辨向碼道：錯(cuò)開(kāi)半個(gè)扇形區(qū)最內(nèi)---零位碼道：透光狹縫→基準(zhǔn)脈沖應(yīng)用：相對(duì)位置測(cè)量---角度、直線(xiàn)位置，位移、速度測(cè)量特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、分辨率高，可靠性好，脈沖數(shù)字輸出，測(cè)量范圍無(wú)限速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分）怕振動(dòng)---丟數(shù)2023/9/640第40頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、圓光柵傳感器光柵工作原理：莫爾條紋技術(shù)類(lèi)型：(1)直線(xiàn)莫爾條紋：條紋---直線(xiàn)(2)圓型莫爾條紋：條紋---圓型RENISHAW圓光柵：角度分辨率為0.01″系統(tǒng)精度為±0.7″(a)徑向光柵---圓弧形莫爾條紋光柵：兩塊，徑向刻線(xiàn)，柵距角相同，偏心疊合條紋寬度不是定值，隨位置不同而不同。在位于偏心的垂直位置上，條紋近似垂直于柵線(xiàn)，稱(chēng)橫向莫爾條紋在沿著偏心方向上，條紋近似地平行于柵線(xiàn)，稱(chēng)縱向莫爾條紋其他位置上上，稱(chēng)為斜向莫爾條紋條紋：在不同區(qū)域柵線(xiàn)的交角不同，不同曲率半徑圓弧2023/9/641第41頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光柵：兩塊完全相同，環(huán)形刻線(xiàn)，偏心疊合，(b)切向光柵---環(huán)形莫爾條紋光柵：兩塊，切向刻線(xiàn)，切向相同，柵距角相同，基圓半徑不同，柵線(xiàn)面相對(duì)同心疊合，條紋：是以光柵中心為圓心的同心圓簇，寬度也不是定值，隨位置不同而不同。特點(diǎn)：具有全光柵平均效應(yīng)，用于高精度角度測(cè)量和分度。(c)環(huán)形光柵---輻射形莫爾條紋條紋：近似直線(xiàn)并成輻射方向，稱(chēng)為輻射形莫爾條紋。

四、角度及角位移檢測(cè)（補(bǔ)充）2023/9/642第42頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、激光測(cè)距2、激光測(cè)距傳感器(1)激光測(cè)距特點(diǎn)：測(cè)量距離可達(dá)幾公里甚至幾十公里（主要手段）(2)激光測(cè)距方法：飛行時(shí)間法、相位差法(a)飛行時(shí)間法：被測(cè)距離:c---光速t---往返飛行時(shí)間(b)相位差法：被測(cè)距離:c-光速f0-脈沖頻率

-相位差激光器被測(cè)目標(biāo)原理：激光器發(fā)出單個(gè)激光脈沖原理：激光器發(fā)出連續(xù)激光脈沖激光器被測(cè)目標(biāo)特點(diǎn)：對(duì)時(shí)間測(cè)量精度要求高，適于測(cè)量超長(zhǎng)距離（地球-月球：分辨力達(dá)到1m）特點(diǎn)：測(cè)量精度高，測(cè)量范圍大（短距離–超長(zhǎng)距離）

（相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦）2023/9/643第43頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月范圍：0.2~300m分辨力：3mm德國(guó)俫卡手持式：范圍：0.2~200m分辨力：0.2mm美國(guó)bushwell單目軍用范圍：1000m分辨力：1m2023/9/644第44頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六、超聲測(cè)距傳感器超聲測(cè)距原理：被測(cè)距離:c---聲速t---往返飛行時(shí)間應(yīng)用：適于大目標(biāo)、近距離、一般精度測(cè)距手持測(cè)距儀---盲人導(dǎo)盲汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)---汽車(chē)安全工業(yè)應(yīng)用---超聲測(cè)量液位、物位特點(diǎn)：超聲波束發(fā)散，測(cè)量范圍小波束聚焦困難，測(cè)量精度低測(cè)量目標(biāo)不能太小；超生探頭被測(cè)目標(biāo)超聲波傳感器（超聲波探頭），是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置（超聲換能器）這種裝置能夠發(fā)射超聲波，同時(shí)還可以接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。2023/9/645第45頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)轉(zhuǎn)速的測(cè)量

一、概述1.常用速度傳感器性能和特點(diǎn)（P130）二、光電式傳感器1.光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)2023/9/646第46頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電效應(yīng)及光電元件

用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)：在光線(xiàn)的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。

2023/9/647第47頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電效應(yīng)及光電元件

內(nèi)光電效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，其中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，通過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價(jià)帶內(nèi)空穴增多，即激發(fā)出光生電子－空穴對(duì)。內(nèi)光電效應(yīng)按工作原理可分為：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等?；诠馍匦?yīng)的光電元件有光電池。

2023/9/648第48頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月紫外管外形當(dāng)入射紫外線(xiàn)照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線(xiàn)測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。

紫外線(xiàn)2023/9/649第49頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。2023/9/650第50頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）光敏電阻光照特性P133圖7-19(a)2023/9/651第51頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管

將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。2023/9/652第52頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管外形

光敏二極管陣列包含1024個(gè)InGaAs元件的線(xiàn)性光電二極管陣列，可用于分光鏡。2023/9/653第53頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管光敏二極管光照特性P133圖7-19（b）2023/9/654第54頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PIN光電二極管

PIN光電二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF頻帶小信號(hào)開(kāi)關(guān)、中波頻帶到1000MHZ之間電流控制、可變衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線(xiàn)的高頻功率開(kāi)關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開(kāi)關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管還可用于測(cè)量紫外線(xiàn)或射線(xiàn)等。2023/9/655第55頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）硅雪崩光電二極管是可見(jiàn)光和近紅外探測(cè)器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測(cè)、長(zhǎng)距離光纖通信、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對(duì)抗系統(tǒng)。2023/9/656第56頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GD3250系列硅雪崩光電二極管的特性參數(shù)

參數(shù)單位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直徑mm0.20.50.8工作電壓V100~150100~150150~250暗電流nA≤15≤25≤35響應(yīng)度V/w606060上升時(shí)間ns≤1≤3≤4噪聲等效功率Pw/Hz1/20.050.070.09結(jié)電容pF≤1≤1.5≤2使用溫度范圍℃-20~+40-20~+40-20~+40封裝形式

TO型

光纖型TO型TO型2023/9/657第57頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管的反向偏置接法

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱(chēng)耗盡層）上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

2023/9/658第58頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管的反向偏置接線(xiàn)（參考上頁(yè)圖）及光電特性演示

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照2023/9/659第59頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏三極管

光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線(xiàn)，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。2023/9/660第60頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏三極管外形

2023/9/661第61頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

a)

內(nèi)部組成b)管芯結(jié)構(gòu)c）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡5—發(fā)射極引腳6—N+襯底7—N型集電區(qū)8—SiO2保護(hù)圈9—集電結(jié)10—P型基區(qū)11—N型發(fā)射區(qū)12—發(fā)射結(jié)

2023/9/662第62頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅光敏晶體管的光譜特性

電磁波頻譜2023/9/663第63頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電特性

0光照光電流光敏三極管光敏二極管3000lx4mA請(qǐng)判斷靈敏度的高低0.3mA請(qǐng)計(jì)算當(dāng)E=100lx時(shí)，光敏二極管的光電流IΦ

IΦE2023/9/664第64頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏晶閘管光敏晶閘管有三個(gè)引出電極，即陽(yáng)極a、陰極k和門(mén)極g。它的頂部有一個(gè)玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽(yáng)極與負(fù)載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負(fù)極，門(mén)極可懸空。當(dāng)有一定照度的光信號(hào)通過(guò)玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時(shí)，將產(chǎn)生門(mén)極電流，從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。要切斷已觸發(fā)導(dǎo)通的光敏晶閘管，必須使陽(yáng)極與陰極的電壓反向，或使負(fù)載電流小于其維持電流。光敏晶閘管的特點(diǎn)是：導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)控制。2023/9/665第65頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光敏晶閘管外形光敏面2023/9/666第66頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基于光生伏特效應(yīng)的光電元件

——光電池在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子—空穴對(duì)，光生電子—空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。

2023/9/667第67頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電池外形光敏面2023/9/668第68頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月能提供較大電流的大面積光電池外形2023/9/669第69頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電池的光電特性

一個(gè)典型的硅光電池的光電特性1—開(kāi)路電壓曲線(xiàn)2—短路電流曲線(xiàn)

開(kāi)路電壓為對(duì)數(shù)特性短路電流為線(xiàn)性特性2023/9/670第70頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其他光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池2023/9/671第71頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用太陽(yáng)能賽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型太陽(yáng)能硅光電池板2023/9/672第72頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽(yáng)能發(fā)電2023/9/673第73頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用2023/9/674第74頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.光電器件特性光照特性光譜特性相應(yīng)時(shí)間溫度特性伏安特性3.光電傳感器模擬式：輻射式、吸收式、反射式、遮光式開(kāi)關(guān)式（脈沖式）2023/9/675第75頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計(jì)P135圖7-222023/9/676第76頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab霍爾傳感器2023/9/677第77頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：

EH=KHIB2023/9/678第78頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月霍爾效應(yīng)演示當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cdab2023/9/679第79頁(yè)，課件共92頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線(xiàn)成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線(xiàn)方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為

EH=KHIBcos

結(jié)論