第十一讲 热电偶、光电传感器

基于内光电效应的光电发射型器件： 基于内光电效应的光电发射型器件： 半导体材料受到光照会产生电子-空穴对， 半导体材料受到光照会产生电子-空穴对， 其导电性能增强。光线愈强，阻值愈低。 其导电性能增强。光线愈强，阻值愈低。 光照后电阻率发生变化的现象——称为 称为 光照后电阻率发生变化的现象 光电导效应。 光电导效应。 光电导效应的光电器件有： 光电导效应的光电器件有： 光敏电阻(光电导型) 光敏电阻(光电导型) 反向工作的光敏二极管 光敏三极管(光电导结型) 光敏三极管(光电导结型)
一、光谱 光波：波长为10—10 nm的电磁波 光波：波长为10 106nm的电磁波 10 可见光：波长380—780nm 可见光：波长380 780nm 380 紫外线：波长10—380nm 紫外线：波长10 380nm， 10 380nm， 波长300 380nm称为近紫外线 波长300—380nm 300 380nm称为近紫外线 波长200 300nm 波长200—300nm称为远紫外线 200 300nm称为远紫外线 波长10 200nm称为极远紫外线， 波长10—200nm称为极远紫外线， 10 200nm称为极远紫外线 红外线：波长780 780—10 红外线：波长780 106nm 波长3μm（ 3000nm） 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 3μm 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
便于制造； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。 复现性好，便于成批生产。 5.2.1 热电偶的种类 铂铑-铂热电偶： 型热电偶。 1. 铂铑-铂热电偶： S型热电偶。 特点：精度高，标准热电偶。但热电势小。 特点：精度高，标准热电偶。但热电势小。 （<1300℃) 镍铬-镍硅热电偶： 2. 镍铬-镍硅热电偶：
5.3 热电偶的冷端温度补偿和测温电路
5.3.1 热电偶的冷端温度补偿 1.补偿原因： 1.补偿原因： 补偿原因 ① 从前述分析可知，只有当热电偶冷端 从前述分析可知， 温度保持不变时， 温度保持不变时，热电势才是被测温度 得单值函数； 得单值函数； 实际应用中，由于冷端暴露在空气中， ② 实际应用中，由于冷端暴露在空气中，
外光电效应：在光线作用下， 1. 外光电效应：在光线作用下，物体内的电 子逸出物体表面向外发射的现象( 子逸出物体表面向外发射的现象(向外发射的 电子叫做光电子。 电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器 件有光电管、光电倍增管等) 件有光电管、光电倍增管等)。 2. 内光电效应：当光照射在物体上，使物 内光电效应：当光照射在物体上， 体的电阻率ρ发生变化， 体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势 的现象(它多发生于半导体内) 的现象(它多发生于半导体内)。 光生伏特效应：在光线作用下， 3. 光生伏特效应：在光线作用下，物体产 生一定方向电动势的现象。 生一定方向电动势的现象。
光电元器件、 6.1.2 光电元器件、特性及基本测量电路 光电管、 1. 光电管、光电倍增管 基于外光电效应的光电发射型器件有： 基于外光电效应的光电发射型器件有： 光电管、光电倍增管 光电管、 光电管有： 光电管有： 真空光电管、 真空光电管、充气光电管 在一个真空的玻璃泡内装有两个电极： 在一个真空的玻璃泡内装有两个电极： 光电阴极、 光电阴极、光电阳极
补偿导线不能选错， ②补偿导线不能选错，如： 铂铑-铂热电偶：补偿线用铜-镍铜； 铂铑-铂热电偶：补偿线用铜-镍铜； 镍铬-镍硅热电偶：补偿线用铜-康铜； 镍铬-镍硅热电偶：补偿线用铜-康铜；
A
A’
C
T
B
B’ 补偿导线
C’ 铜 导 线 mV 表 仪
热电偶
试管
冰点槽
T0
冰水溶液
第六章 光电式传感器
往往和工作端又比较接近， 往往和工作端又比较接近，故冷端温度易 波动； 波动 2.方法: 冰点槽法、 2.方法: 冰点槽法、 计算修正法 方法 补正系数法、 零点迁移法 补正系数法、 冷端补偿器法、 冷端补偿器法、 软件处理法 (1) 冰点槽法 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器
=0℃。 里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中 使用。 使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短 必须把连接点分别置于两个玻璃试管里， 路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里， 浸入同一冰点槽，使相互绝缘。 浸入同一冰点槽，使相互绝缘。 补偿导线法： ⑴补偿导线法： 目的：使冷端远离工作端， 目的：使冷端远离工作端，和测量仪表 一起放到恒温或温度波动小的地方。 一起放到恒温或温度波动小的地方。
当扩散达到动态平衡时， 当扩散达到动态平衡时，两端产生一个 相应的电位差，称为温差电势， 相应的电位差，称为温差电势，
To
温 差 电 势 原 理 图
T
A
EA(T,To)
EAB (T,T0 ) = EAB (T) − EAB (T0 )
热电偶基本定律： 5.1.2 热电偶基本定律： 1. 均质导体定律
光电传感器： 光电传感器：各种光电检测系统中实现光 电转换的关键元件，它是把光信号（红外、 电转换的关键元件，它是把光信号（红外、 可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。
•将光量转换为电量的传感器 将光量转换为电量的传感器 转换为电量 •光电器件的物理基础是光电效应 光电器件的物理基础是光电效应 光电器件的物理基础是
光敏管工作原理
光敏管及其符号
光敏管工作原理与光敏电阻相似， 光敏管工作原理与光敏电阻相似，差别 在于光照在半导体结上。 在于光照在半导体结上。 光敏二极管的P 结装在管的顶部， 光敏二极管的P-N结装在管的顶部，上 面有一个透镜制成的窗口，以便入射光集中 面有一个透镜制成的窗口， 结上。 在P-N结上。 光敏二极管在电路中反向偏置， 光敏二极管在电路中反向偏置，无光照 流过的反向电流很小，因为P 时，流过的反向电流很小，因为P型材料中 的电子和N型材料中的空穴很少。 的电子和N型材料中的空穴很少。
手段： 延长热电偶的长度：安装不便， 手段：①延长热电偶的长度：安装不便， 费用高； 费用高； ②采用补偿导线，要求：a.在 采用补偿导线，要求：a.在 0～100℃范围内和所连接的热电偶有相 100℃范围内和所连接的热电偶有相 同的热电性能；b.材料是廉价金属。 同的热电性能；b.材料是廉价金属。 材料是廉价金属 注意： 注意： 冷端需有自动补偿装置， ①冷端需有自动补偿装置，补偿导线才有 意义，且连接处<100℃ <100℃； 意义，且连接处<100℃；
光敏三极管
•优点：电流灵敏度高
基于光生伏特效应的光电发射型器件： 基于光生伏特效应的光电发射型器件： 光电池： 光电池：利用光生伏特效应把光直接转变 成电能的器件。 成电能的器件。 由于它可把太阳能直接变电能， 由于它可把太阳能直接变电能，因此 又称为太阳能电池。 又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效 应制成的，是发电式有源元件。 应制成的，是发电式有源元件。它有较大 面积的PN结 当光照射在PN结上时， PN结上时 面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结 PN 的两端出现电动势。 的两端出现电动势。
NA = NB
EAB (T,T0 ) = 0
2. 中间导体定律
2 A a
C
3 A
(a)
T2
T0 EAB a B
T0 T1
T0 2 EAB 3 A
(b)
T2
C
T1
B
中间温度定律： ③ 中间温度定律： 结点温度为(T、 结点温度为(T、T0)时的热电势等于该热电 (T 耦在结点温度为(T、Tn)和(Tn、 耦在结点温度为(T、Tn)和(Tn、T0)时相应 (T 热电势的代数和。 热电势的代数和。即：
光照射在P 光照射在P-N结上时 耗尽区内吸收光子而激发的电子耗尽区内吸收光子而激发的电子-空穴对 越过结区，使少数载流子浓度大增，通过P-N 越过结区，使少数载流子浓度大增，通过P 结产生稳态光电流。 结产生稳态光电流。 漂过光敏二极管结区的电子-空穴对立刻 漂过光敏二极管结区的电子被重新俘获，故增益系数为1 被重新俘获，故增益系数为1。 特点：体积小，频率特性好， 特点：体积小，频率特性好，弱光下灵敏度低
6.1 光电效应即光电元器件
6.1.1 光电效应及分类 光电效应：物体吸收了光能后转换为该物体 光电效应： 中某些电子的能量，从而产生的电效应。 中某些电子的能量，从而产生的电效应。光 电传感器的工作原理基于光电效应。 电传感器的工作原理基于光电效应。 光电效应分为外光电效应、 光电效应分为外光电效应、内光电效应 外光电效应 光生伏特效应三大类 三大类。 和光生伏特效应三大类。
第五章 热电偶传感器及其应用
通过本章的学习了解温度传感器的作用、 通过本章的学习了解温度传感器的作用、 地位、分类和发展趋势； 地位、分类和发展趋势；掌握热电偶三定律及 相关计算；掌握热敏电阻不同类型的特点及应 相关计算； 用场合；了解其他温度传感器工作原理。 用场合；了解其他温度传感器工作原理。 •把被测物理量转化为电源性信号的传感元件 把被测物理量转化为电源性信号的传感元件 •应用很广泛的一种测温传感元件 应用很广泛的一种测温传感元件 •在高温测量中尤其重要 在高温测量中尤其重要
由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用 金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。 光线照射到光敏材料上便有电子逸出，逸出电子被具有正电位的阳极所吸引，在 光电管内形成空间电子流，在外电路中产生电流。电阻上的电压降或电路中的电流大小与光强成函数关系，从而实现光电转换 。
EAB (T,T0 ) = EAB (T,Tn ) + EAB (Tn ,T0 )
A A B A B
T2
T1
B
T3
5.2 热电偶的种类和结构
5.2.1 热电偶的结构 热电偶材料应满足： 热电偶材料应满足： 物理性能稳定， 热电特性不随时间改变 ； 物理性能稳定 ， 热电特性不随时间改变； 化学性能稳定， 化学性能稳定 ， 以保证在不同介质中测 量时不被腐蚀； 量时不被腐蚀； 热电势高， 导电率高， 热电势高 ， 导电率高 ， 且电阻温度系数 小；