物性型传感器PPT学习教案

3.1 压电式传感器
图3-10 “一拍亮”延时小夜灯的印制电路板焊接图
3.制作与使用 图3-10所示为“一拍亮”延时小夜灯的印制电路板
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3.1 压电式传感器 焊接图，印制电路板实际尺寸约为50mm×30mm。 全部电路可装入一体积合适的市售塑料动物玩具或其他造型的工 艺品硬壳体内，以起到装饰美化作用。
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3.2 光电式传感器
图3-27 天明提醒器印制电路板
(2)安装 将电路板装入一个小收音机壳体内，用烙铁将电源线焊 到收音机的电源端，装入两节5号电池即可。 (3)使用 使用时，将装好的提醒器放置到重要的文件柜内，一旦 有人打开柜子，就会发出蜂鸣报警。
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3.3 霍尔式传感器
图3-17 光敏二极管 a)外形图 b)结构简化图 c)图形符号
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3.2 光电式传感器 2)光敏晶体管有PNP型和NPN型两种，它的结构、等效电路、图形 符号及应用电路如图3-19所示。
图3-18 光敏二极管的反向偏置接法
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3.2 光电式传感器
图3-19 光敏晶体管 a)结构 b)等效电路 c)图形符号 d)应用电路 e)达林顿光敏晶体管
的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量
大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一
对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场
的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。
(2)基本特性
1)光谱特性。
2)光照特性。
图3-22 硅光电池的开路电压和短路电流与 当照的关系曲线
图3-25 光电数字式转速表的工作原理 a)透射式转速表 b)反射式转速表
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3.2 光电式传感器
1.工作原理 天明提醒器原理如图3-26所示。
2.元器件选择
1)KD-154B集成电路。
2)光敏电阻RG选用ϕ5mm系列的GL5649D。
3)B采用KLJ-5020型贴片蜂鸣器。
4)GB用两节5号电池串联。
3.2 光电式传感器 1.光电管 以外光电效应原理制作的光电管的结构由真空管、光电 阴极K和光电阳极A组成，其符号1及.tif 基本工作电路如图3-11所示。
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3.2 光电式传感器
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3.2 光电式传感器
图3-11 光电管符号及基本工作电路
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效应。在自然界中大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微
弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅
等材料是性能优良的压电材料。现以石英晶体为例，简要说明压
电效应的机理。
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3.1 压电式传感器
图3-1 石英晶体 a)天然结构的石英晶体外形 b)晶体切片 c)晶片结构 a—晶体切片长度 b—晶体切片厚度 c—晶体切片高度 x—电轴 y—机械轴 z—光轴
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3.1 压电式传感器
图3-2 石英晶体压电模型 a)不受力 b)x轴方向受力 c)y轴方向受力
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3.1 压电式传感器 由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个电荷发 生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面 相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容 量Ca为
3)光敏晶闸管也称为光控晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成， 其工作原理可用光敏二极管和普通晶闸管的工作原理解释，它的 导通电流比光敏晶体管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此 输出功率大，主要用于光控开关电路及光耦合电路器中。
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3.2 光电式传感器 (2)光敏半导体管的基本特性 1)光谱特性。 2)伏安特性。 3)光电特性。 4)温度特性。
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3)温度特性。 4)频率特性。
3.2 光电式传感器
1.火焰探测报警器 图3-23是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火
1.tif
焰探测器电路。
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3.2 光电式传感器
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3.2 光电式传感器
图3-23 火焰探测报警器电路
2.燃气热水器中的脉冲点火控制器 由于煤气是易燃、易爆气体， 所以对燃气器具中的点火控制器的要求是安全、稳定和可靠。
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3.2 光电式传感器
光电器件工作的物理基础是光电效应。通常把光电效应分为外光 电效应、内光电效应和光生伏特效应三类： 1.外光电效应 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外 光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管和 光电摄像管等。 2.内光电效应 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内 光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管 等。 3.光生伏特效应 在光线作用第下17能页/共使9物2页体产生一定方向的电动势的 现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池 等。
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3.2 光电式传感器
图3-12 光电管的光电特性
2.光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是基于内光电效应工作的。
图3-13 光敏电阻的结构原理 1—电源 2—金属电极 3—半导体
4—玻璃底板 5—检流计
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3.2 光电式传感器
(1)光敏电阻的主要参数 1)暗电阻。 2)亮电阻。 3)光电流。 (2)光敏电阻的基本特性 1)伏安特性。 2)光谱特性。
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3.1 压电式传感器
2.元器件选择
图3-9 “一拍亮”延时小夜灯的电路
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3.1 压电式传感器
1)IC选用静态功耗很小的CMOS时基集成电路，如5G7555或ICM75 55等。 2)VT1、VT2均选用9014或3DG8型硅NPN小功率晶体管。 3)R1～R5均用RTX—1/8W型碳膜电阻。 4)C用漏电很小的CD11—10V型电解电容。 5)B用ϕ27mm压电陶瓷片，如FT—27型等，要求配上简易塑料或金 属共振腔盒。 6)H用手电筒常用的3.8V、0.3A指示灯(三节电池供电的手电筒专 用)。 7)GB用三节5号电池串联(须配第塑14页料/共电92池页架)而成，电压4.5V。
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3.2 光电式传感器
图3-24 燃气热水器中的脉冲点火控制器原理
3.光电转速传感器 图3-25a是在待测转速的轴上固定一个带孔的 转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，
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3.2 光电式传感器 透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应 的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由 该脉冲频率决定。
图3-20 光敏半导体管的伏安特性 a)光敏二极管的伏安特性 b)光敏晶体管的伏安特性
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3.2 光电式传感器 5)响应时间。 4.光电池 光电池的工作原理是基于光生伏特效应的。
图3-21 光电池 a)光电池结构示意图 b)符号
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3.2 光电式传感器
(1)结构及工作原理 如图3-21所示，光电池实质上是一个大面积
物性型传感器
会计学
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3.1 压电式传感器
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而发生变形时，内部
会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，电
介质表面又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。反
之，这些电介质在极化方向上施加交变电场，它会产生机械变形，
当去掉外加电场后，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电
图3-3 压电传感器的等效电路 a)电压源 b)电荷源
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3.1 压电式传感器
图3-4 压电传感器的实际等效电路 a)电压源实际等效电路 b)电荷源实际等效电路
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3.1 压电式传感器
图3-5 电荷放大器等效电路
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3.1 压电式传感器
压电式传感器本身的内阻抗很高，而输出能量很小，因此它的测 量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为： 一是把压电式传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大 传感器输出的微弱信号。压电式传感器的输出可以是电压信号， 也可以是电荷信号，因此前置放大器也有电压放大器和电荷放大 器两种形式。由于电压前置放大器中的输出电压与屏蔽电缆的分 布电容及放大器的输入电容有关，故目前多采用性能较稳定的电 荷前置放大器。
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3.2 光电式传感器
燃气热水器中的脉冲点火控制器原理如图3⁃24所示。在高压打火时， 火花电压可达一万多伏，这个脉冲高电压对电路工作影响极大。 为保证电路正常工作，采用光耦合器VB进行电平隔离，大大增强 了电路抗干扰能力。当高压打火针对打火确认针放电时，光耦合 器VB中的发光二极管发光，耦合器中的光敏晶体管导通，经VT1、 VT2、VT3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即 燃烧。若高压打火针与打火确认针1.ti之f 间不放电，则光耦合器VB不 工作，VT1等不导通，燃气阀门关闭。
3.3 霍尔Biblioteka 传感器2.特性参数 (1)输入电阻Ri 霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。 (2)输出电阻Ro 两个霍尔电动势输出端之间的电阻称为输出电阻， 它的数值与输入电阻属同一数量级，它也随温度改变而改变。 (3)额定激励电流Im 由于霍尔电动势随激励电流增大而增大，故 在应用中总希望选用较大的激励电流。 (4)灵敏度kH kH=UH/(I·B)，它的数值约为10MV/(mA·T)。 (5)最大磁感应强度BM 磁感应强度为BM时，霍尔电动势的非线性 误差将明显增大，BM一般为零点几特斯拉。
图3-7 压电式加速度传感器结构图 1—螺栓 2—压电元件 3—预压弹簧
4—外壳 5—质量块 6—基座
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3.1 压电式传感器
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3.1 压电式传感器
图3-8 压电式刀具切削力测量示意图 1—压电式传感器 2—输出信号
1.工作原理 “一拍亮”延时小夜灯的电路如图3-9所示，它实际 上是一个“声控延时小夜灯”电路。
图3-14 硫化镉光敏电阻的伏安特性
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3.2 光电式传感器
3)温度特性。
图3-15 几种不同材料光敏电阻的光谱特性
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3.2 光电式传感器
3.光敏半导体管
图3-16 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
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3.2 光电式传感器 (1)光敏半导体管的种类 光敏二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管 等统称为光敏半导体管，它们的工作原理都是基于内光电效应的。 1)光敏二极管的结构与一般二极管相似，它的PN结设置在透明管 壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射。
1.压电式单向测力传感器 图第3-86页是/共压92页电式单向测力传感器结构图， 它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。
3.1 压电式传感器
图3-6 压电式单向测力传感器结构图 1—绝缘套 2—石英晶片 3—上盖
4—基座 5—电极
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3.1 压电式传感器 2.压电式加速度传感器 图3-7是压电式加速度传感器结构图。 F=ma(3⁃7) 3.压电式金属加工切削力测量 图3-8是利用压电陶瓷传感器测量 刀具切削力的示意图。
图3-28 霍尔效应原理图
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3.3 霍尔式传感器
1.工作原理 将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂 直于薄片)中，如图3-28所示，当有电流I流过薄片时，在垂直于电 流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。 假设薄片为N型半导体，在其左右两端通以电流I(称为控制电流)， 那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的方向运动。由 于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力FL作用而发生偏转，结果 在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后 端面带负电，前端面带正电，在前后端面间形成电场。该电场产 生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE与FL相等时，电子积累达 到动态平衡。这时，在半导体第前42页后/共两92端页面之间(即垂直于电流和磁 场方向)建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电动势就称为霍尔电 动势UH。
5)R选用20kΩ、RTX-1/8W型碳膜电阻。
6)BL选用8Ω、25W扬声器。
7)开关可选用废弃设备上的小的按键开关。
3.制作与安装
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(1)制作 按照图3-27所示制作好电路板。
3.2 光电式传感器
图3-26 天明提醒器原理
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3.2 光电式传感器
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