工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)與傳感技術(shù) 課件 ch05 電勢(shì)式傳感器

高等院校公共課系列精品教材工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)與傳感技術(shù)第五章電勢(shì)式傳感器內(nèi)容摘要14253壓電式傳感器磁電式傳感器光電式傳感器熱電式傳感器霍爾傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器的工作原理磁電式傳感器是依據(jù)電磁感應(yīng)定律而工作的。法拉第電磁感應(yīng)定律：通過(guò)回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量對(duì)時(shí)間的變化率的負(fù)值成正比，如式（5-1）所示。磁電式傳感器磁電式傳感器的種類及應(yīng)用變磁通型磁電式傳感器恒磁通型磁電式傳感器光電式傳感器光電式傳感器的工作原理及光電元件光電元件是光電式傳感器的重要部件，常見(jiàn)的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩類。它們的工作原理都是基于光電效應(yīng)。根據(jù)光的波粒二象性，認(rèn)為光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這種粒子稱為光子。每個(gè)光子的能量為可用式（5-5）表示。光電式傳感器光電式傳感器的工作原理及光電元件（1）外光電效應(yīng)的工作原理光電管和光電倍增管是利用外光電效應(yīng)制成的。光電管有真空光電管和充惰性氣體光電管兩種類型，均由陰極和陽(yáng)極構(gòu)成。陰極一般鍍上光電發(fā)射材料，并需要足夠的面積接受光的照射，陽(yáng)極用細(xì)金屬絲彎成圓形或矩形，放在玻璃管的中心，如圖5-3所示。當(dāng)光照強(qiáng)度較弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的光電流很?。泓c(diǎn)幾微安），為了提高靈敏度，常用光電倍增管。光電倍增管的原理圖和結(jié)構(gòu)示意冬如圖5-4所示。光電式傳感器光電式傳感器的工作原理及光電元件（2）內(nèi)光電效應(yīng)的工作原理光敏電阻（又稱為光電導(dǎo)管）是采用半導(dǎo)體材料制成的，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，此時(shí)電路中的電流（暗電流）很小。有光照時(shí)，光敏電阻值（亮電阻）變小，此時(shí)，電路中的電流（亮電流）變大。一般情況下希望暗電阻越大越好，亮電阻值越小越好。光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖示意圖、電極及接線圖如圖5-5所示。光電式傳感器光電式傳感器的工作原理及光電元件（2）內(nèi)光電效應(yīng)的工作原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，PN結(jié)包裝在透明的玻璃外殼中，如圖5-6所示。光敏晶體管（又稱為光敏三極管）具有兩個(gè)PN結(jié)，其電路如圖5-7所示。集電區(qū)做得很大，便于光的照射，基極一般無(wú)引出線。光電編碼器，又稱為手輪脈沖發(fā)生器，簡(jiǎn)稱手輪，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換原理將輸出軸的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字量的傳感器，主要應(yīng)用于各種數(shù)控設(shè)備，是目前應(yīng)用最多的傳感器之一光電式傳感器光電式傳感器的工作原理及光電元件（3）光電池的工作原理光電池是一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電元件，其基于光生伏特效應(yīng)，實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積的PN結(jié)。當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，例如p面，若光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，那么P區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一個(gè)電子一空穴對(duì)，這種濃度差的存在，使得電子一空穴對(duì)從表面向內(nèi)部擴(kuò)散，在電場(chǎng)的作用下，光生電子聚集到N區(qū)，光生空穴聚集到p區(qū)。這樣N區(qū)帶負(fù)電，p區(qū)帶正電。若用導(dǎo)線連接P和N極，則電路中就有光電流。硅光電池的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路如圖5-11所示。熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理及其相關(guān)概念（1）熱電效應(yīng)熱電偶電路是兩種不同成分的導(dǎo)體組成的一個(gè)閉合回路，如圖5-12所示。熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理及其相關(guān)概念（2）接觸電動(dòng)勢(shì)A、B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子密度不同），設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要多于導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)。所以，在A、B的接觸區(qū)形成了從A到B的電場(chǎng)。該電場(chǎng)方向與擴(kuò)散方向相反，它將吸引電子向A移動(dòng)，即阻礙擴(kuò)散的進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用達(dá)到平衡時(shí)，A、B便處于一種動(dòng)態(tài)平衡。動(dòng)態(tài)平衡下，A、B兩導(dǎo)體接觸處就產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)差，稱為接觸電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的材料、接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長(zhǎng)度及幾何形狀無(wú)關(guān)。對(duì)于溫度分別為T和T0的兩個(gè)接點(diǎn)可以得式（5-6）和式（5-7）。熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理及其相關(guān)概念（3）溫差電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)體A、B的兩端分別置于不同的溫度場(chǎng)T和T0（T>T0）中，在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能而向冷端移動(dòng)，這樣，熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷：導(dǎo)體兩端就產(chǎn)生了電場(chǎng)，該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)向冷端移動(dòng)并吸引電子向熱端移動(dòng)，最后達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。因此，導(dǎo)體兩端就產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)差，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。溫差電動(dòng)勢(shì)的大小取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫度，如式（5-8）和式（5-9）所示。熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理及其相關(guān)概念（4）熱電偶的總電動(dòng)勢(shì)將導(dǎo)體A、B頭尾相接組成回路，設(shè)導(dǎo)體A的電子密度大于導(dǎo)B的電子密度，且兩接觸點(diǎn)的溫度分別為和(T>T0),則在熱電偶回路中存在四個(gè)電動(dòng)勢(shì)。熱電偶回路的總電動(dòng)勢(shì)如式（5-10）所示。熱電偶的工作原理熱電偶的基本定律(2)中間導(dǎo)體定律用熱電偶測(cè)量溫度，須在回路中引入導(dǎo)線和儀表。接入導(dǎo)線和儀表后，是否影響回路中的熱電動(dòng)勢(shì)呢？在熱電偶測(cè)溫回路中，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)影響，這就是中間導(dǎo)體定律。接入中間導(dǎo)體的熱電偶回路如圖5-13所示。(1)均值定律兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電勢(shì)的大小只與材料及兩接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀及材料的溫度分布無(wú)關(guān)，這就是均值定律。該定律說(shuō)明，抹電偶須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料組成。熱電偶的工作原理熱電偶的基本定律(4)中間溫度定律熱電偶在兩接觸點(diǎn)溫度分別為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接觸點(diǎn)溫度分別為T、Tn和為Tn、T時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，這就是中間溫度定律，如式（5-5）所示。(3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)己知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電動(dòng)勢(shì)可以計(jì)算得到。壓電式傳感器壓電傳感器的工作原理（1）壓電效應(yīng)某些晶體，在一定方向上受到外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生極性相反的電荷；當(dāng)外力除去后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。（2）石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體，它是二氧化硅單晶，屬于六角晶體，如圖5-14所示。石英晶體是規(guī)則的六角棱柱體，z軸稱為光軸，它與晶體的縱軸方向一致；x軸稱為電軸，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線，并垂直于光軸；y軸稱為機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。壓電式傳感器壓電傳感器的工作原理（3）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，是具有電疇結(jié)構(gòu)的壓電材料。在一定溫度下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理（用強(qiáng)電場(chǎng)使電疇規(guī)則排列），這時(shí)壓電陶瓷就有了壓電性。在極化電場(chǎng)除去后，電疇基本保持不變，留下很強(qiáng)的剩余極化，如圖5-15所示?；魻杺鞲衅鲗?dǎo)體或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)。霍爾效應(yīng)原理圖如圖5-16所示?；魻杺鞲衅鳟?dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)（B=0），在半導(dǎo)體的左右兩端通過(guò)電流I