安全检测与监测

安全检测与监测安全检测与监测

( 北京 )

熊毅

1.2.1 电阻效应1.2.2 电感效应1.2.3 压磁效应

1.2.5 压电效应1.2.4 电容效应

1.2.6 磁电效应

1.2.8 气敏检测技术1.2.7 光电效应

第 1 章安全检测技术原理

利用电阻效应，将被测物理量的变化转换为电阻变化，实现

目标测量。在工作原理上，主要有：

1 、金属材料的电阻应变效应。电阻应变传感器

2 、半导体材料的压阻效应。压阻式传感器

3 、电阻丝的电位效应。变阻式传感器

此外，还有利用温度效应的热电阻，利用光电效应的光电阻等。

第 1 章安全检测技术原理1.2.1 电阻效应

金属导体在受到外力作用而发生机械变形时，其电阻值随着机械变形的变化而发生变化。

设金属丝的长度为 L ，截面积为 A, 电阻率为，在未受力时的电阻为 R, 即：

A

LR

若金属丝沿轴向受拉力作用而变形， L 变化 dL ， A 变化 dA, 电阻率变化 d ，相应的 R 变化 dR ，有：

d

A

dA

L

dL

R

dR


因：

因：

2

,/

AdA

LdL

rdr

rdrLdL

为泊松比，为此：，其中

为径向应变，故：为轴向应变

rdr

Ardr

AdArA 22,2 故：


后项远小于前项，故金属丝灵敏度系数近似为常数 , 大量实验证明，在拉伸比例极限范围内：电阻相对变化率与其轴向变化率成正比 :

/)21(

/

0

dRdRS

,)21(

d

R

dR 或

0

/ SRdR

结构及分类第 1 章安全检测技术原理

1 、应变片基本结构

敏感栅：采用直径 0.025mm 的高电阻率电阻丝排列成栅状，作为敏感元件。

应变片规格表示：栅宽栅长，电阻值

3mm 20mm ， 120


2 、应变片分类及材料：

类别成型方法

特点材料

丝式( 回线

/短接 )

拉制易制作 , 性能稳定 , 价格低 ,

易粘贴 , 回线式横向效应大康铜 /Ni-Cr/Ni-Cr-Al/Pt/Pt-W

合金

泊式制版或光刻

可制成精确、形状复杂的形式，横向效应小，散热好输出灵敏

度高、寿命长。生产率高

康铜 /Ni-Cr 合金

金属膜式

真空蒸发或真空沉

积

应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作温度范围宽

(-197——317°C)



应用可测量位移、加速度、力、力矩、压力等特点：

精度高，测量范围宽；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单、体积小、重量轻；频率响应好，既可静态测量，也可动态测量价格低用途广

在测量应力时，应根据实际应力场的性质，选择应变片的结构形式。


应用第 1 章安全检测技术原理

案例：力传感器原理

将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。

应用第 1 章安全检测技术原理

案例：加速度传感器

压阻效应半导体材料也具有电阻应变效应，在所不同是 , 在此情况下，电阻率相对变化对电阻相对变化的贡献远远大于轴向应变的贡献，因此：

半导体材料的弹性模量—

的应力沿某晶向—

半导体材料压阻系数—式中，

半导体的灵敏度系数：

由半导体理论：

E

L

ERdR

S

Ed

ddRdR

L

L

LL

/

/

//)21(/

0


最常用半导体电阻材料为硅和锗，半导体的压阻效应与于掺杂度、温度、材料类型和半导体的晶向有关。

系数远高于金属丝显然，半导体的灵敏度而普通电阻丝的

。故

，）（对半导体硅，

;6.4~67.1

100~50,/1067.1

/1080~40

0

0211

211

S

ESNmE

Nm

L

L


1.2.2 电感效应利用电磁感应，将被测物理量如位移等转换为电感量变化，

实现目标测量。依据转换方式不同，可分为：

1 、自感式

可变磁阻式

涡流式

2 、互感式（差动变压器）


自感式传感器一、可变磁阻式传感器

1 、工作原理：


2

2,

/

/

000

20

0

2

因而：

故：由于

空气隙导磁横截面积，—

空气隙磁导率，—空气隙长度，—

，铁芯导磁横截面积，—

铁芯磁导率，—其中， l -铁芯长度， m

在空气隙较小且不考虑磁路铁损时，磁路总磁阻为：

AR

mA

mHm

baAmA

mH

线圈匝数—式中：W

m

磁路总磁阻—Rm

2002

AWL

00

2

AAl

Rm

/RWL m


1 、自感 L 与空气隙成反比，与气隙横截面积成正比，可以有两种途径达到改变自感的目的： a,改变空气隙长度，b，改变空气隙横截面积；

2 、传感器的灵敏度与空气隙长度成双曲线关系，空气隙长度越小，灵敏度越高；

实际上，为减小非线性误差，一般取空气隙相对变化率 <=0.1 ，这类传感器适合于小位移测量（ 0.001-1mm)

传感器的灵敏度：

2 2

002

AW

d

dLS

由上式可有如下结论：


2 、类型及应用特点（ 1）可变导磁面积型，灵敏度较低（ 2）差动型，采用电桥连接，灵敏度可提高一倍（ 3）单螺旋管线圈型，灵敏度低，适合大位移测量（ 4）双螺旋管线圈型，灵敏度高，可用于电感测微仪

（范围 0-300m ，最小分辨力 0.5 m)


双螺旋管线圈的电桥电路及输出特性曲线


二、涡流式传感器1 、工作原理：当金属板置于变化磁场中或在磁场中运动时，在金属板中会产生闭合的感应电流，即涡流。产生涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度、金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。

因此，若固定其它参数，仅改变其中某一参数，就可以依据涡流大小测定该参数。

2 、分类及结构（ 1）高频反射式涡流传感器（ 2）低频透射式涡流传感器


高频反射式涡流传感器将高频（数兆赫兹）激励电流施加于邻近金属板的线圈上，致使线圈产生作用于金属板表面的高频电磁场，从而在金属板表面薄层内产生涡流。涡流又产生反向磁场，反作用于线圈上。由此引起线圈自感或阻抗的变化。


线圈阻抗的变化程度取决于线圈与金属板的距离、金属板的电阻率、磁导率、激励电流的幅值与角频率等；在被测位移发生的变化引起线圈与金属板间距离的变化，导致线圈阻抗的变化，由阻抗转换电路，可测定位移变化。高频反射式涡流传感器主要用于位移测量。


低频透射式涡流传感器：

低频电压施加于发射线圈两端，在周围空间产生交变磁场，并在被测材料上产生涡流，由于涡流损耗部分能量，导致贯穿接收线圈的磁力线减少，从而使其产生的感应电动势减小 . 接收线圈感应电动势的大小与材料厚度及性质有关。理论和实验证明，接收线圈感应电动势随材料厚度增加按负指数规律减小。因此依据该电动势的变化可测定材料的厚度。


3 、应用特点： (1)用于非接触动态测量，测量范围 0-2mm ，分辨力达 1m; (2)结构简单、安装方便，灵敏度高，抗干扰和介质影响强。4 、用途：（ 1）以位移 x为变换量，可用作位移、厚度、振动、转速传感器，也可用作接近开关、计数器；（ 2）以材料电阻率为变换量，可用作温度、材质判别传感器（ 3）以材料磁导率为变换量，可作为应力、硬度等传感器；（ 4）利用磁导率、电阻率和位移的综合影响，可用作探伤装置。


涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用


互感型传感器一、结构与工作原理：差动变压器

利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。

变压器结构：•初级线圈：接入交流电源•次级线圈：为感应线圈•一般采用差动变压器结构 :一个初级线圈 +两个次级线圈组成差动形式


差动式变压器及其输出特性W—初级线圈，W1 、W2参数完全相同、反极性串联的次级线圈初级线圈接通交流电，若 e1=e2 ，则输出 e0=0当铁芯向上运动， e1>e2,

当铁芯向上运动， e1<e2,铁芯偏离中心越大，输出 e0越大

x

e

e0

e1e2

o

c ）输出特性


差动相敏检波电路工作原理差动相敏检波电路工作原理R—R—调节零点残余电压；调节零点残余电压；放大器：交流信号放大放大器：交流信号放大相敏检波：实现检波及滤波，输出直流信号相敏检波：实现检波及滤波，输出直流信号振荡器：提供交流输入及参比相位振荡器：提供交流输入及参比相位


二、应用特点：1 、测量精度高，可达 0.1m;

2 、线性范围大，可至 100mm ；

3 、稳定性好，使用方便；

4 、广泛应用于直线位移测量或可能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量


1.2.3 压磁效应一、压磁效应

1 、磁化：铁磁材料在晶格形成时形成了磁畴，各磁畴的磁化强度矢量是随机的。在无外磁场作用时，各磁畴相互均衡，材料总磁场强度为零。当有外磁场作用时，磁畴的磁化强度矢量向外磁场方向转动，材料呈现磁化。当外磁场足够大时，所有磁畴场强矢量均转向与外磁场平行，磁化达到饱和。

2 、磁致伸缩效应：在磁化过程中，因磁畴间的界限发生移动而导致材料机械变形的现象。

1.2.3 压磁效应 3 、压磁效应：应力作用导致铁磁材料的磁性发生改变的现象。

即，外力作用磁材内部变形磁畴界限位移场强矢量方向转动场强改变。

压磁效应工作原理：（ 1）当材料受压时，作用力方向的磁导率减小，而垂直作用

力方向的磁导率略增；受拉时则情况相反；（ 2）当作用力取消时，材料的磁导率复原；（ 3）材料的压磁效应与外磁场有关，为保持磁感应强度与应

力间的单值关系，必须保证外磁场强度数值一定。

二、压磁传感器工作原理：

利用铁磁材料的压磁效应，在外力作用时因铁磁材料内部产生应力或应力变化而引起材料磁导率变化，进而引起绕在铁磁材料上的二次线圈阻抗变化或线圈间耦合系数的变化，从而使输出电动势发生改变。如此可测量外作用力的大小。

在无外力作用时， A 、 B、 C、D四区域的磁导率相同，由 12孔激励绕组引起的合成磁场强度平行与 34 输出绕组的平面，因磁力线与 34绕组不交链而无感应电动势输出

在外力 F作用下， A 、 B区域因有应力作用导致磁导率下降， C、 D区域磁导率基本不变，由 12孔激励绕组引起的合成磁场强度不再与 34 输出绕组平面平行 ,部分磁力线与 34绕组交链产生感应电动势 ,F 越大，交链磁通越多，感应电动势越大。

三、压磁元件（ 1）材料：硅钢片、坡莫合金、铁氧体（ 2）结构：冲压片叠合。

四、应用特点1 、输出功率大；2 、抗干扰能力强；3 、过载性能好；4 、结构和电路简单5 、寿命长6 、可在恶劣环境下工作7 、广泛要于测张力、压力、重量、切削力等

1.2.4 电容效应

—— 将被测量（尺寸、压力等）的变化转换成电容量的变化的一类传感器；

—— 广泛用于位移、压力、流量、液面、介质等测试中，适合于恶劣环境。

工作原理在忽略边缘效应的情况下，平板电容的电容量为：

由此可知，使平板电容发生改变的三种途径为：1 、改变板的极距，极距变化型传感器；2 、改变极板覆盖面积，面积变化型传感器；3 、改变极板间的介电常数，介电常数变化型传感器。

m

mA

两极板间的距离，极板的覆盖面积，

常数，在空气中极板间介质的相对介电真空介电常数，其中，

2

120

1

F/m 10854.8

FA

C 0

)(

一、极距变化型传感器：在板间覆盖面积和板间介质不变的情况下，电容量与板极距成双曲线关系，当板极距发生变化时引起电容的变化为：

C

00

C

可见：1.板极距越小，传感器的灵敏度越高；2. 为减小非线性误差，应使 /00.1 ，使 S近似为常数；3. 为提高 S,增大线性工作范围 ,减小环境影响，常用差动结构。

CA

d

dCS

dA

dC

20

20

则传感器的灵敏度为：

二、面积变化型传感器：

在被测参数作用下改变极板的有效面积，依结构分为：

1 、平面线位移型电容传感器

x

b

定板

动板


常数 b

dx

dCS

0

bxC

0

定板

动板

2 、平面角位移型电容传感器

常数


2

2

20

20

r

d

dCS

rC

22rA

3 、圆柱型电容传感器平板型电容传感器的的精度易受动板沿极距方向位移的影响，故一般情况下，变面积型传感器作成圆柱型。此时：

显然，变面积型电容传感器的输入与输出成线性关系，但与变极距型传感器相比灵敏度低，适合于较大角位移及直线位移的测量。

其中， x -外筒与内筒覆盖部分长度， r1 ， r2-外筒内半径与内筒外半径

传感器的灵敏度为：rrdx

dCS

)/ln(2

12

0 常数

2 rr

xC

)/ln(

2

1

0

三、介电常数变化型电容传感器 —用于测量电介质的厚度、位移、液位以及温度、湿度和容量等。

若忽略边缘效应，有：

//)( 0 xx

lbC

厚度测量时：

内外圆筒的工作半径—、物进入两极板中的长度固定极板长、宽及被测—、、

面高度及介电常数被测物的厚度、被测液—、、气介电常数

极间高度及间隙中的空两固定极板间的距离、—、、其中，

21 rr

abl

h

h

x

xx

/液位测量时：

12

0

12

0

)/ln(

)(2

)ln(

2

rr

h

rr

hC x

位移测量时：00 /

)(

//)(

albbaC

x

xx

x

特点及应用优点：

1 、输入能量小、灵敏度高，精度达 0.01%2 、电参量相对变化大； C/C100%—200%3 、动态特性好，可用于动态参数测量4 、能耗低，电容变化不产生热量5 、结构简单，适应性好

缺点：1 、非线性大—采用差动结构或使用比例放大器2 、电缆分布电容大—测量电路集成于传感器内或采用双屏蔽电缆，适当降低电缆电容的影响

u0

C0

Cx

uy

使用比例运算放大器电路改善电容传感器的非线性

A

Cu

C

Cuu

xy

0

00

00

1.2.5 压电效应以某些物质的压电效应 ,进行检测主要特点：

具有自发电与可逆双重特性体积小、重量轻、结构简单、工作可靠固有频率高灵敏度高、信噪比高

应用：敏感元件属于力敏元件，用于力、压力、加速度、机械冲击与振动等；广泛应用于机械、声学、医学、航天等领域

压电效应：对某些物质，当沿着一定方向施加力而使其变形时，在一

定表面上将产生电荷，外力去掉后又重新回到不带电状态的现象。

反之，如在这些物质的极化方向施加电场，这些物质又在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时这些变形或应力则随之消失，这种现象为逆压电效应或电致伸缩效应。

压电材料：具有明显压电效应的一类材料压电单晶体：石英、酒石酸钾钠等多晶压电陶瓷：钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅压电高分子材料：偏聚二氟乙烯（ PVDF)

石英晶体结构：六角形晶柱，两端

为一对称的棱锥。构成六棱柱。Z-Z: 光轴；X-X: 电轴；Y-Y: 机械轴

FxFx

FY

FY

FY

FY

Z

Y

X

Z

Y

X

Z

Y

X

纵向压电效应横向压电效应切向压电效应

石英晶体的压电效应现象

+Si-O-O

+Si+Si-O

+Si -O-O

+Si+Si -O

－－－－－－－－

+ + + + + + + + +

1

3456 2

A

B

+Si

-O-O

+Si+Si-O

+ + + + + + + +

－－－－－－－－

石英晶体： SiO2

一个晶体单元由三Si ＋４和六个 O-2组成，一个Si离子与两个O离子交替排列；无力作用时，正负离子分布在正六边形上，呈电中性

在沿 X方向受压缩时， Si离子 1和 O离子 4 被挤入相邻的两个离子中间，正六边形受压变形，在 A 、 B面上分别呈现负和正电荷，出现纵向压电效应

在沿 y方向受压缩时， Si离子 3 、 5和 O离子 2 、 6 向内移动相同距离， Si离子 1和氧离子4推出，在 A 、 B面上分别呈现正和负电荷，出现横向压电效应

压电传感器及其等效电路压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，电极由在两工作面上蒸镀的金属膜构成，形成了一个电容，即：

m

mA

AC

rr

r

ra

压电材料厚度，压电元件工作面面积，

；钛酸钡石英晶体数，压电材料的相对介电常

真空介电常数，其中，

2

120

0

1200,5.4

F/m 10854.8

/

在受到外力作用时 ,两表面产生等效的正负电荷 Q，压电元件的开路电压为：

>作静态或准静态测试时，必须采取措施，减小电荷自压电元件经测量电路的泄漏；>动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流。压电元件更适合作动态测量。

/ aCQU

为保证产生足够多的表面电荷，压电元件一般采用两片以上的组合结构，压电元件的连接方式有：1、并联连接：电容量大、输出电荷量大，适合缓变信号测试和以电荷为输出的场合。2、串联连接：传感器自身电容量小，输出电压大，适合以电压为输出的场合，要求测量电路有较高的输入阻抗。

++++++++++++++++

--------------------------------------------------------------------

++++++++++++++++

++++++++++++++++

----------------------------------

----------------------------------

++++++++++++++++

并联构造串联构造

压电元件使用注意事项：1、必须有一定的预紧力，保证在作用力变化时，压电元件始终受到压力；2、保证压电元件与作用力之间的全面均匀接触，以获得电压与作用力之间的线性关系。

霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直

于电流和磁场的方向上将产生电动势。

设薄片为 N型半导体 ,在薄片两端通以控制电流 I时，半导体中的电子沿于电流相反的方向运动，但由于外磁场B的存在，电子受到洛伦兹力 FL 常作用而发生偏转，结果在半导体后端电子积聚而带负电，前端面由于缺少电子而带正电，从而在前后端面间形成电场。当由该电场产生的电场力 FE 阻止电子偏移 ,当 FE 与 FL 相等时，电子积累达到动平衡，此时在半导体前后两端形成的电场为霍尔电场 EH 。

1.2.6 磁电效应

llbb

BB

IIUUHH

FFEE

FFLL

vv

++++++++++++++++++++++++

- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -

何尺寸有关料的物理性质和几灵敏度系数，与载流材的物理性质有关霍尔系数，与载流材料

H

H

HHH

S

R

IBSdIB

RU

二、霍尔元件一种基于霍尔效应工作的半导体元件1 、多采用 N型半导体材料，常用材质为 Ge、 Si、 InSb、 InAs;

2 、元件厚度越小，灵敏度越高，薄膜元件 1m3 、采用两组共四线制连接，一组为控制电极连线，一组

为霍尔电极连线4 、使用非导磁金属、陶瓷和环氧树脂封装。

RL

R

UH

E结构符号基本电路

三、应用举例1 、用作位移传感器

2 、霍尔乘法器

磁阻效应传感器

元件长宽比越小，元件的磁阻效应越大。主要用作位移、力、加速度测量

利用半导体材料的磁阻效应（高斯效应）：当置于磁场中的半导体薄片有控制电流通过时，沿电流方向的电阻发生改变。

1.2.7 光电效应光电效应有如下几种：

1 、外光电效应2 、内光电效应（ 1）光电导效应》光敏电阻》光电二极管与光电三极管

（ 2）光生伏特效应

显然，光电子逸出时具有的初始动能与光的频率有关。特定材料具有特定的逸出功，存在一个入射光的极限频率（红限频率），仅当入射光频率大于该频率时，才会有电子逸出。

光的频率普朗克常数

电子逸出时的初速度电子质量；式中：--

--

-==

u

u

21

0

020

h

vm

AhmvEk

一、外光电效应在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象。要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量必须大于该物质表面的逸出功 A0 ，这时逸出表面的电子具有的动能为：

真空光电管真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。为防止氧化，将管内抽成真空。光电阴极 (半导体光电发射材料 )涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集阴极发射出来的电子。特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达 20～ 200μA/lm ；暗电流小，最低可达 10-14A；光电发射弛豫过程极短。缺点：体积较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等。

外光电效应器件主要有：---光电真空（充气）管---光电倍增管

二、内光电效应受光照物体（通常为半导体材料）电导率发生变化或产生光电动势的效应。1 、光电导效应：半导体材料受光照后由于产生电子 -空穴对而使导电性增强，即电阻率发生变化的现象。2 、光生伏特效应半导体材料 P-N结受到光照后产生沿一定方向的电动势的现象。光生伏特器件属自发电的有源器件。

（ 1）光敏电阻一种半导体电阻。在黑暗条件下，电阻很大；在一定波长范围的光照且光辐射能量足够大时，光敏电阻吸收了能量，内部释放出电子，使载流子密度或迁移率增加，从而导致电导率增加，电阻下降。制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化铟、硫化铅、硒化镉、硒化铅等。硫化镉光敏电阻对可见光敏感，用硫化镉单晶制造的光敏电阻对 X射线、 γ射线也敏感；硫化铅和锑化铟对红线外线光敏感。利用这些光敏电阻可以制成各种光探测器。感光面积大的光敏电阻，可以获得较大的明暗电阻差。如国产 625-A 型硫化镉光敏电阻，其光照电阻小于 50千欧，暗电阻大于 50兆欧。光敏电阻具有灵敏度高、体积小、重量轻、光谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击振动、寿命长等特点。

常用光电导材料

光电导材料禁带宽度 /eV 光谱响应范围 /nm

峰值波长 /nm

硫化镉 (CdS) 2.45 400～ 800 515～ 550硒化镉 (CdS

e) 1.74 680～ 750 720～ 730

硫化铅 (PbS) 0.40 500～ 3000 2000

碲化铅 (PbTe) 0.31 600～ 4500 2200

硒化铅 (PbSe) 0.25 700～ 5800 4000

硅 (Si) 1.12 450～ 1100 850

锗 (Ge) 0.66 550～ 1800 1540

锑化铟 (InSb) 0.16 600～ 7000 5500

砷化铟 (InAs) 0.33 1000～ 4000 3500

在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。

（（ 22）光电二极管）光电二极管光电二极管的管芯是一个光电二极管的管芯是一个 PNPN结，只是结面积比普通二极管结，只是结面积比普通二极管大，便于接收光线。但和普通二极管不同，光电二极管是在反大，便于接收光线。但和普通二极管不同，光电二极管是在反向电压下工作的。它的暗电流很小，只有向电压下工作的。它的暗电流很小，只有 0.10.1微安左右。在光微安左右。在光线照射下产生的电子线照射下产生的电子 --------空穴对叫光生载流子，它们参加导电空穴对叫光生载流子，它们参加导电会增大反向饱和电流。光生载流子的数量与光强度有关，因此，会增大反向饱和电流。光生载流子的数量与光强度有关，因此，反向饱和电流会随着光强的变化而变化，从而可以把光信号的反向饱和电流会随着光强的变化而变化，从而可以把光信号的变化转为电流及电压的变化。变化转为电流及电压的变化。光电二极管主要用于近红外探测器及光电转换的自动控制仪光电二极管主要用于近红外探测器及光电转换的自动控制仪器中，还可以作为光导纤维通信的接收器件。器中，还可以作为光导纤维通信的接收器件。光电二极管具有体积小、频率特性好，弱光下灵敏度低等特光电二极管具有体积小、频率特性好，弱光下灵敏度低等特点。点。

2CU系列以 N-Si为衬底， 2DU系列 2CU系列光电二极管只有两个引出线； 2DU系列以 P-Si为衬底，有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极，用于减少暗电流和噪声。

光电二极管的用法有两种：一种是不加外电压，直接与负载相接。另一种是加反向电压。不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。

（（ 33）光电三极管（光电晶体管））光电三极管（光电晶体管）

结构与普通三极度管相同，但基区面积较大，便于接收更多结构与普通三极度管相同，但基区面积较大，便于接收更多的入射光线。入射光在基区激发出电子的入射光线。入射光在基区激发出电子 --------空穴时，形成基极空穴时，形成基极电流，而集电极电流是基极电流电流，而集电极电流是基极电流 ββ倍，因此光照便能有效地控倍，因此光照便能有效地控制集电极电流。在结构上有光窗、集电极引出线、发射极引出制集电极电流。在结构上有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线（有的没有）。材料一般为半导体硅，管型为线和基极引出线（有的没有）。材料一般为半导体硅，管型为NPNNPN型。型。

具有较高的灵敏度，输出电流大（毫安级）。但光电特性不具有较高的灵敏度，输出电流大（毫安级）。但光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。光电晶体管多用作光电开关元件或光电逻辑元件。系。光电晶体管多用作光电开关元件或光电逻辑元件。

光电晶体管原理性结构图使用时，集电极加正电压，集电结反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流 Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流 Ic 〔＝ Ie＝（ 1＋β） Ip 〕， β为电流放大倍数。因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。

（（ 44）光电池）光电池

硅光电池就是一个大面积硅光电池就是一个大面积 PNPN结。光照可以使薄薄的结。光照可以使薄薄的 PP型区型区产生大量的光生载流子。这些光生电子和空穴，会向产生大量的光生载流子。这些光生电子和空穴，会向 PNPN结方结方向扩散。扩散过程中，一部分电子和空穴复合消失，大部分扩向扩散。扩散过程中，一部分电子和空穴复合消失，大部分扩散到散到 PNPN结边缘。在结电场的作用下，大部分光生空穴被电场结边缘。在结电场的作用下，大部分光生空穴被电场推回推回 PP型区而不能穿越型区而不能穿越 PNPN结；大部分光生电子却受到结电场结；大部分光生电子却受到结电场的加速作用穿越的加速作用穿越 PNPN结，到达结，到达 NN型区。随着光生电子在型区。随着光生电子在 NN型区型区的积累及光生空穴在的积累及光生空穴在 PP型区的积累，会在在型区的积累，会在在 PNPN对的两侧产生对的两侧产生一个稳定的电位差，这就是光生电动势。当光电池两端接有负一个稳定的电位差，这就是光生电动势。当光电池两端接有负载时，将有电流流过负载，起着电池的作用。载时，将有电流流过负载，起着电池的作用。

硅光电池主要用于：（ 1）能源 --硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合，可作

为宇宙飞行器等设备的电源；（ 2）光电检测器件 --用作近红外探测器、光电读出、光电耦合、激

光准直、电影还音等设备的光感受器。（ 3）光电控制器件 --用作光电开关等光电控制设备的转换器件。

薄 P层P-N结

N层

输出

接线点

光电传感器是以光电器件为转换器件的传感器，其工作原理为：首先将被测物理量转换为光信号的变化，然后通过光电转换器件变换为电信号。可用于：1 、检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、气体成分、辐射测温等；2 、可转换为光量变化的非电量，如零件尺寸、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度等；主要特点：非接触、高精度、高分辨率、高可靠性、响应快。应用：在测试及控制领域得到非常广泛的应用；分类：（ 1）模拟式光电传感器（ 2）脉冲式光电传感器

光电传感器的一般组成光电传感器为用来感应照射于其光敏元件上的光强度变化的电子器件。实现这种感应至少需要两个部分：

1 、产生光源的发射器大多数光电传感器采用发光二极管作为发光器件

2 、响应来自发光器光强度变化的光接收器可以是：（ 1）光电晶体管：用于灵敏度高、响应快的场合（ 2）光电池：对可见光波长有较高灵敏度的场合（ 3）光敏二极管：响应时间极快同时又能在多个光强度变化数量级内均保持线性响应的场合

调制光发射器和接收器工作原理 LEDs 能够以数千赫兹的频率在“on" 与 "off"状态间转换（调制），这种可调制性意味着可将光电晶体管接收放大器调谐至 LED的调制频率，使只有该频率的光信号脉冲才能够被放大。这样以来，调制光接收器便可忽略周围的环境光，而只对来自调制光源的具有特定频率的光产生响应。

一、模拟式光电传感器

利用光电元件光电特性，其光通量随被测量改变，这样光电流为被测量的函数。主要类型：

1 、吸收式

2 、反射式

3 、遮光式

4 、辐射式

光电元件光电元件

光源光源被测物被测物

吸收式光电传感器吸收式光电传感器

11 、吸收式光电传感器：、吸收式光电传感器：根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数；参数；如，用于测量液体如，用于测量液体 //气体的透明度、混浊度，气体成分分析气体的透明度、混浊度，气体成分分析测定液体中某物质的含量等测定液体中某物质的含量等

22 、反射式光电传感器：、反射式光电传感器：恒定光源发出的光投射到被测物体上，被测物体把部分光恒定光源发出的光投射到被测物体上，被测物体把部分光通量反射到光电元件上，依据反射光通量的多少来测定被测表通量反射到光电元件上，依据反射光通量的多少来测定被测表面状态和性质。面状态和性质。如用于测量表面粗糙度如用于测量表面粗糙度 // 缺陷缺陷 //表面位移表面位移 //标记等标记等

33 、遮光式光电传感器：、遮光式光电传感器：光源发出的光通量经被测物遮去其一部分，使作用在光电光源发出的光通量经被测物遮去其一部分，使作用在光电元件上的光通量的减弱，减弱量与被测物在光路中的位置有关元件上的光通量的减弱，减弱量与被测物在光路中的位置有关 ..

光电元件光电元件

被测物被测物

44 、辐射式光电传感器：、辐射式光电传感器：被测物本身就是辐射源，可直接照射于光电元件，或经一定被测物本身就是辐射源，可直接照射于光电元件，或经一定光路可作用于光电元件上。光路可作用于光电元件上。如，光电高温计、比色高温计、红外侦察如，光电高温计、比色高温计、红外侦察 //遥感等遥感等

二、脉冲式光电传感器

光电元件的输出仅有“通” /“断”两种开关状态，要求灵敏度高

用于光控开关、计算机光电输入设备、光电编码器及光电报警装置。

光电测速、光电式转速计等。

1.2.8 气敏检测技术气敏传感器一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。

1 、气敏传感器及其分类•敏感气体种类的气敏传感器•敏感气体量的真空度气敏传感器—— 半导体气敏传感器 / 固体电解质气敏传感器 •气体成分传感器——高频成分传感器 /光学成分传感器

半导体气敏传感器的特点： — 灵敏度高、响应快、使用寿命长、成本低

2 、半导体气敏传感器工作原理利用半导体气敏元件与气体接触后，造成半导体性质变

化来测定特定气体成分或浓度。半导体气敏传感器分类：

电阻式半导体气敏元件（氧化锡 / 氧化锰等）吸收可燃气体烟雾（氢 / 一氧化碳 /天然气 /苯等），发生还原反应，放出热量，导致元件温度增高而使电阻变化。

利用这一特点，将气体成分和浓度转换为电信号，可对可燃气体进行监测和报警。

非电阻式

甲烷甲烷

一氧化碳一氧化碳正乙烷正乙烷轻汽油轻汽油

氢气氢气乙醚乙醚乙醇乙醇

00 22 44 66 88 1010

1010

2020

3030

4040R/k

R/k

气体浓度气体浓度 %%

半导体气敏元件的阻值—浓度关系

一、灵敏度：在确定传感器的灵敏度时考虑如下因素：1 、灵敏度越高，分辨能力越强，但也越容易受噪声信号

的影响；要求高信噪比；2 、量程范围与灵敏度密切相关，应保证传感器工作在线

性区域；3 、当被测量是向量时，传感器在被测方向上的灵敏度越

高越好，而横向灵敏度越小越好。

1.3 传感器选用原则

二、线性工作范围：1 、在传感器的线性工作范围内，可以确保输入与输出之间的比例关系，传感器的线性范围越宽，其工作量程越大；

2 、只有在线性范围内工作，才能保证测量的精确性，否则会出现较大的测量误差；

3 、传感器线性范围内的输入输出关系通常是一种近似的线性关系，但这种近似关系应在允许的误差范围内。

三、响应特性：1 、传感器的响应特性必须在所测频率范围内尽可能保持

不失真，任何传感器的响应都会有一定的延迟，延迟时间越短越好；

2 、在考虑响应特性时，应保证系统采集频率与传感器的响应延迟相适应；

3 、在动态测量中，响应特性对测试结果会有直接影响。响应特性的选择必须考虑被测量的变化规律。

四、稳定性：—— 传感器经长期使用，输出特性不发生变化的性能，

传感器的稳定性受使用环境和时间的影响，因此：1 、在选择传感器时，必须根据其工作的环境条件，选择

合适的传感器；2 、需考察的环境条件一般包括：工作温度、湿度、洁净

性、电磁干扰、振动、工作介质等；3 、考虑时间因素的影响，许多传感器在工作过一段时间

后需定期校正。

五、精确度：—— 传感器的输出与被测量之间的对应程度，精确度的

选择，考虑如下因素：1 、精确度越高，意味着传感器输出反映被测量的准确性越好，测试的真实性越高；

2 、一般而言，精确度越高，系统的成本也越高，在考虑经济性的前提下，有合适的精度即可；

3 、应结合测试的目的，确定传感器的精确度，对定性比较性测量，可低；对定量分析，应保证尽量高的精确度。

六、其它选用原则传感器的实际工作方式

• 运动部件的测量，尽可能选择非接触测量• 难以接近的部件，还需遥测

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安全检测与监测