振动控制科学与工程学系浙江大学课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2011,年秋冬学期,*,ZJU,黄平捷,2011,年,10,月,19,日,自动化专业课程,现代传感技术和过程检测系统,浙江大学控制科学与工程学系,2.7 光电式检测元件,2.7,光电式检测元件,原理概述、优点和局限性,光源、光学元件、光电变换器,光源光线光学元件被测对象光电变换器，被测量光信号电信号,优点、不足,结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快,2.7.1,光电效应,外光电效应,光线作用下，内部电子逸出物体表面,内光电效应,光线作用下，内部原子释放电子，仍在内部，,，,E,2.7.2,光电器件的基本特性,光谱灵敏度,S(,),相对光谱灵敏度,S,r,(,),积分灵敏度,S,光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性,2.7.3,光敏元件及特性,2.7.4,光电式检测元件的应用,2011,年秋冬学期,2,序号,原理,应用场合,优点,局限性,备注,光电式,物理量光信号,直接引起光量变化的非电量,光强、光照度、辐射测量、气体成分分析；,可转换成光量变化的非电量,应力、位移、振动、速度、加速度等,结构简单、精度高、响应快、非接触、性能可靠等,烟道烟尘浊度检测（吸收和折射）星载太阳辐射计（跟踪太阳，光电池电压差）,光电式检测元件,2011,年秋冬学期,3,2.7.1,光电效应,光电效应：光 物质上电特性（电子发射、电导率、电位、电流）,光电效应,特点,类型,规律,外光电效应,（光电发射效应）,光线作用下，内部电子逸出物体表面,光电管,光电倍增管,入射光频谱不变时，,I,光强（光子数逸出电子）,光电子,E,max,=h-A,0,光电发射阈值,h,A,0,光电子有初始动能，光电管即使没有阳极电压也会有,I,内光电效应,光线作用下，内部原子释放电子 ,，,E,光电导效应光敏电阻,E,光生伏特效应 光电池、光敏二极管、光敏三极管,2011,年秋冬学期,4,2.7.2,光电器件的基本特性,序号,基本特性,定义特点,备注,1,光谱灵敏度,S(,)=,dI/d,单色辐射通量,m,峰值波长,2,相对光谱灵敏度,S,r,(,)=,S(,)/,S(,m,),3,积分灵敏度,S=I/,连续光通量,4,光照特性,I=,f(E,),S=,f(E,),输出电流（电压）,=f(,输入光照度）,5,光谱特性,S,r,=,f(,),6,频率特性,S,r,=,(f,),I=,(f,),振幅随入射光通量调制,f,变化的关系,7,温度特性,S=,(T,),I=,(T,),2011,年秋冬学期,5,2.7.3,光敏元件及特性,光电效应,类型,种类,原理,特性,外光电效应,光电管,真空光电管,阴极,K,（,-,）阳极,A,（,+,），电场，光，电子被阳极收集,I,光电倍增管,光电发射、二次电子发射、电子光学,K A,间加,Dn,，,I=I,0,n,电流,=,I,k,电子,倍增级数,9-11,级，灵敏度比光电管许多,内光电效应,光敏电阻,光电导效应,光导电性能电阻率硫化镉、硫化铅、硫化,铊、硒化镉、硒化铅,暗电阻暗电流,亮电阻亮电流,光电流,=,亮,-,暗,暗,R1-100M,亮,R,几千,I=,f(E)I,=,f(U)Sr,=,f()I,=,f(T,),光电池,光生伏特效应,硅光电池，,P,型硅片，,N,型杂质，,PN,结，电子,-,空穴，光照,I,I=,f(E,),开路电压曲线 短路电流曲线,Sr,=,f(,),Ir,=,(f,),Ir,=,高频,I/,低频,Imax,I=,f(T,),开路电压 短路电流与,T,关系,光敏晶体管,光敏二极管,可接受光照的,PN,结，反向偏置工作状态，暗电流极小，有光,反向饱和电流,I,，,1000,倍暗,I,线性好，频率特性好（比光电池好）,光敏三极管,2,个,PN,结，入射光于,b e,Ib,，,Ic,=,Ib,比光敏二极管灵敏度更高,2011,年秋冬学期,6,真空光电管结构图,光电倍增,管原理图,2011,年秋冬学期,7,光敏电阻结构,2011,年秋冬学期,8,光敏电阻的光照特性,光敏电阻的伏安特性,0.20,0.15,0.10,0.05,0.00,-50 -30 -10 +10 +30 +50,光敏电阻温度特性,光敏电阻结构,光敏电阻光谱特性,硫化铅光敏电阻,光谱温度特性,非线性,线性,可见光和近红外处,往往,K,峰值往往,2011,年秋冬学期,9,硅光电池结构图,光电池的频率特性,硅电池的光照特性 光电池的光谱特性,光电池的温度特性,1,硒光电池；,2.,硅光电池；,PN,结,1,光生电动势,E,与照度,2,光生电流,IE,与照度,R,L,=0,局部线性,硒光电池,硅光电池,I,相对,=If,高,/,I,max,f,低,电流源,RL,小好,硅光电池,f,特性宽,2011,年秋冬学期,10,光电二极,管反向偏置工作状态,光电三极管,的伏安特性,反向饱和电流,2011,年秋冬学期,11,2.8,磁电式检测元件,2011,年秋冬学期,12,磁电式检测元件,概述,电磁感应原理，将运动速度、转速等感应电势,机械能电信号，是一种有源传感器,也称电动式传感器、感应式传感器,2.8.1,磁电感应式检测元件,e=-,Nd/dt,，,d,磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度决定,恒磁阻式、变磁阻式,2.8.2,霍尔检测元件,霍尔效应,半导体，置于垂直磁场,B,中，当有电流通过时，,U,H,2011,年秋冬学期,13,磁感应式检测元件,恒磁阻式,动圈式,动铁式,e=,NBlv,积分器,求位移；微分器,求加速度,变磁阻式,线圈和磁铁之间无相对运动，运动着的被测物体来改变磁路的磁阻,de,转速式，感应电势的,f,为输出量,开磁路式,f=,zn,频率,=,齿数*转速,闭磁路式,内外齿轮的相对运动,使磁路气隙发生变化导致磁阻变化,de,下限频率,f,开磁路,50Hz,闭磁路,30Hz,闭,磁路,式转速检测元件原理图,1-,转轴；,2-,内齿轮；,3a,、,3b-,外齿轮；,4-,线圈；,5-,永久磁铁,2011,年秋冬学期,14,磁电感应式检测元件的误差及补偿,磁电感应式检测元件的等效电路,（,1,）温度误差,（,2,）永久磁铁不稳定误差,（,3,）非线性误差,磁电感应式检测元件的等效电路,内阻,负载,电源,u,0,e=,NBlv,电流灵敏度,S,i,和电压灵敏度,S,v,T,B,振动，冲击,S,测量误差,2011,年秋冬学期,15,磁电感应式检测元件的误差及补偿方法,误差类型,产生误差的原理,补偿措施,备注,温度误差,磁场,B,（,-T,），线圈,l,，电阻,R,（,+T,）,热磁分流器，,T,，,h,保持了空气隙中的工作磁通的总体恒定，,SC,是误差主要来源,，,温度系数*,h,*T=,温度系数*,*T,，根据磁通分流比，,h,=(1+A,0,/A,h,),T,温度系数要够大,永久磁铁不稳定误差,磁性会随时间变化（内应力）,R,i,R,L,Sv,=NBL,r,=,dSv/dS,=dB/,B+dl/l,（,dl,小，,dB,大）,充磁前进行退火处理，消除内应力，充磁后进行老化处理,非线性误差,线圈内部,i,生成,d,1,削弱永久磁铁,v,，,S,非线性,补偿线圈 反馈电流,i,k,=,A,i,，,d,2,补偿,d,1,调整放大系数,A,2011,年秋冬学期,16,2.8.2,霍尔检测元件,磁感应强度,电流,霍尔电势,+,+,+,-,-,-,左手定则,F,L,=,evB,电场力,F,E,=,eE,H,=,eU,H,/a,E,H,霍尔电场,动态平衡时,F,L,=F,E,evB,=,eE,H,=,eU,H,/a,设,n,为电子浓度,I=-n*,体积,=-n*e*,vad,V=-I/(,nead,),U,H,=,vaB,=IB/(,ned,)=R,H,*IB/d=K,H,IB,霍尔系数,R,H,=1/,（,ne,）半导体材料决定,灵敏度,K,H,=1/,（,ned,）跟几何尺寸有关,控制电流引线,霍尔电压引出线,2011,年秋冬学期,17,霍尔元件及其特性,由锗、硅、锑化铟和砷化铟等半导体材料制成,霍尔元件的几何形状为长方形。长宽比为,2,：,1,。,两组引线纯电阻特性（欧姆接触）,U,H,=IBK,H,B0.5T if B,交变,then U,H,交变,f,xKHz,霍尔元件的内阻随着磁场的绝对值增加而增加,霍尔元件的应用,U,H,=IBK,H,I,不变,B,变化 感应 位置 角度 激励电流的变化 测量 磁场、微位移,I,，,B,为变量 乘积关系，乘法器、功率计,B,不变 回转器、隔离器,霍尔位移传感器,2011,年秋冬学期,18,霍尔集成器件,将霍尔元件、放大器、施密特触发器、输出电路等集成,优点：紧凑、补偿、响应快、无抖动、稳定性好、功耗低,两种类型,线性集成器件,霍尔元件、放大器、差分输出电路、稳压电源,U=KIB,单端输出、双端输出,霍尔开关器件,霍尔元件、差分放大器、施密特触发器、功率放大输出、稳压源等,由于有施密特电路，使得开关特性具有切换差（回差），具有较好抗干扰性,2011,年秋冬学期,19,序号,原理,应用场合,优点,局限性,备注,磁电感应式,电磁感应原理,动态测量，振动，转速，扭矩,不需要供电电源，电路简单，性能稳定，频率响应范围宽，适用于动态测量,霍尔效应,霍尔效应,磁敏传感器，将电流、磁场、位移、压力等转换为霍尔电压,结构简单、工艺成熟、线性好、频带宽、体积小、使用寿命长等,磁电式检测元件,2011,年秋冬学期,20,谢谢！下次课见！,2011,年秋冬学期,21,