传感器原理与应用复习--光电式与半导体式传感器

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光电传感器

光电器件

每个光子的能量为
$$E=hv$$

• h为普朗克常数 = $6.626?10^{?34}(J/s)$
• $\nu$ 为光的频率$S^{?1}$

能量守恒定律
$$hv=\frac{1}{2}m{v}_0^2+A_0$$
物体中电子吸收的入射罐子能量超过逸出功 $A_0$ 时，光子就会溢出物体表面，产生光电子发射，对于外光电效应，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。

内光电效应
光电导效应：在光线作用下，半导体材料吸收入射光子能量，若光子能量满足一定条件，会使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值降低。

光生伏特效应：在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应产生了光电池。

• 光敏电阻

  
  当无光照时，它的电阻非常的大
  当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值会急剧减小

  特性：

  • 暗电阻与暗电流
  • 亮电阻与亮电流
  • 光电流：亮电流与暗电流之差

• 光敏二极管
  
  当受到光照时导通，无光照相当于截止

• 光敏晶体管（三极管）
  
  通过光线来驱动基极，不用再在基极接入微小电流了

• 光电池
  光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。
  工作原理基于光生伏特效应

• 光电耦合器
  
  输入输出之间没有物理连接通过光电耦合器以光作为媒介把输入端的电信号耦合到输出端的一种器件。

• 电荷耦合器件（CCD）
  电荷耦合器件是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、移位并读出信号电荷的功能。
  CCD固体图像传感器：作为摄像或像敏的器件，由感光部分和移位寄存器组成，将照射在CCD上的光学图像转换成电信号图像

• 位置敏感器件(PSD)
  位置敏感器件是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称为坐标光电池，其输出信号在光敏面上的位置有关
  PSD具有高灵敏度、高分辨率，相应速度快、配置电路简单等优点

光纤传感器

光纤传感器的优点：不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容

光纤传感器的工作原理及组成

外界信号（温度、压力、应变、位移等）可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。
分为两种：

1. 功能型：光纤本身的某种敏感特性发生改变进行测量
2. 非功能型：光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其他敏感元件感受被测量的变化

应用

测量漩涡流

当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到的流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。测得频率就可知流速。

半导体传感器

1. 半导体气敏传感器

   按照半导体变化的物理特性，可以分为电阻型和非电阻型

   电阻型半导体气敏传感器
   一般有三部分组成：敏感元件、加热器和外壳
   

   • 加热器的作用：将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾灯烧掉加快气体的附着，从而提高器件的灵敏度和相应速度
     气体和半导体器件会发生氧化还原反应，从而造成电阻的变化
   • 有四个电极，其中两个电极是进行电阻丝的加热的，另外两个电极是进行检测电阻的变化的

   应用： 酒精测试仪

2. 湿敏传感器

   1. 氯化锂湿敏电阻
      是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件，它由引线、基片、感湿层与电极组成
      湿度越高电阻越低
   2. 半陶瓷陶瓷湿敏电阻
      灵敏度很高
      由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导体陶瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电

   应用： 只读式湿度计

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未完待续