第4章 物性型传感器 4.1 压电式传感器 4.2 超声波传感器 4.3 磁敏传感器 4.4 光电式传感器 4.5 光纤与激光传感器

4.1 压电式传感器 4.1.1 压电效应与压电元件 1. 压电效应与压电材料 　　1. 压电效应与压电材料 　　当某些电介质受到一定方向外力作用而变形时， 其内部便会产生极化现象， 在它们的上、 下表面会产生符号相反的等量电荷； 当外力的方向改变时， 其表面产生的电荷极性也随之改变； 当外力消失后又恢复不带电状态， 这种现象称为压电效应。 反之， 若在电介质的极化方向上施加电场， 也将产生机械形变， 这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 有压电效应的物质很多， 但可用的有石英晶体， 压电陶瓷， 压电薄膜等， 其性能见表4-1。

表4-1 常见的压电材料及性能

　　2. 石英晶体的压电效应 　　1） 石英晶体切片 　　如图4-1所示，我们用三条互相垂直的轴来表示石英晶体的各方向。 其中， 纵向轴称为光轴(z轴)； 经过棱线并垂直于光轴的称为电轴(x轴)； 与光轴、 电轴同时垂直的称为机械轴(y轴)。 从晶体上切下的一片平行六面体， 称为压电晶体切片， 如图4-1（b）所示。按照与z轴的不同夹角，多种切片可形成一个系列家族，切片长边平行于y轴的称为X切族，平行于x轴的称为Y切族。通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应； 而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。 在光轴方向受力时不产生压电效应。

图4-1 石英晶体 （a) 石英晶体外表； (b) 石英晶体切片

　　2） 纵向压电效应 　　对X切族的晶体切片， 当沿电轴方向有作用力Fx时，在与电轴垂直的平面上产生电荷。在晶体的线性弹性范围内，电荷量与力成正比， 可表示为 Qxx=d11Fx （4-1） 式中，d11称为纵向压电系数［CN-1］， 典型值为2.31，双角标第一位表示产生电荷表面所垂直的轴， 第二位表示外力平行的轴，x为1， y为2， z为3。

图4-2 石英晶体切片受力与电荷极性的关系示意图

　　3） 横向压电效应 　　如果沿y轴施力为Fy时，电荷仍出现在与x轴垂直的平面上， 其电荷量为 （4-2） 式中，d12=-d11为横向压电系数;l为压电片的长度;δ为压电片的厚度。  　　由式（4-2）可以看出， 横向压电效应与晶片的几何尺寸有关； 横向压电效应的方向与纵向压电效应相反。

　　3. 压电陶瓷的压电效应 　　压电陶瓷属于铁电体物质，是一种人造的多晶体压电材料。 它由无数细微的电畴组成。在无外电场时，各电畴杂乱分布， 其极化效应相互抵消，因此原始的压电陶瓷不具有压电特性。 只有在一定的高温(100～170℃)下，对两个极化面加高压电场进行人工极化后，陶瓷体内部保留有很强的剩余极化强度， 当沿极化方向（定为z轴）施力时，则在垂直于该方向的两个极化面上产生正、 负电荷，其电荷量Q与力F成正比，即 Q=d33F （4-3） 式中，d33称为纵向压电系数，可达几十至数百。实用的压电陶瓷片的结构形式与压电极性如图4-3所示。三角牌压电陶瓷片的特性见表4-2。

图4-3 压电陶瓷片

表4-2 三角牌压电蜂鸣器的特性

　　4. 高分子压电材料（PVDF） 　PVDF有很强的压电特性，同时还具有类似铁电晶体的迟滞特性和热释电特性， 因此广泛应用于压力、 加速度、 温度、 声和无损检测等领域。 尤其在医学中， 由于它与人体声阻抗十分接近， 无需阻抗变换， 且便于和人体贴紧接触、 安全舒适、 灵敏度高、 频带宽， 故广泛用作脉搏计、 血压计、 起搏计、 生理移植和胎心音探测器等传感元件。 PVDF有很好的柔性和加工性能， 可制成有不同厚度和形状各异的大面积有挠性的膜， 适于做大面积的传感阵列器件。PVDF分子结构链中有氟原子， 使其化学稳定性和耐疲劳性高、吸湿性低，并具有良好的热稳定性。

4.1.2 电荷放大器 　　1. 压电元件的等效电路和电路符号 　　如图4-4所示，当压电片受力时，在两电极表面出现等量而极性相反的电荷，根据电容器原理，它可等效为一个电容器。 当两极板聚集一定电荷时，两极板就呈现一定的电压。因此， 压电元件可等效为一个电荷源Q和一个电容Ca的并联电路；也可等效为一个电压源Ua和一个电容Ca的串联电路。 图（d）为压电元件的电路符号。 由于材料存在泄漏电阻Ra，压电片的电荷不可能长久保存，只有外力以较高频率不断作用，传感器的电荷才能得以补充。因此，压电式传感器不适用于静态测量， 在测量交变信号时，也应该注意其下限频率范围， 常用于加速度和动态压力的测量。

(a) 原理图； (b) 电荷源； (c) 电压源； (d) 电路符号 图4-4 压电元件的等效电路 (a) 原理图； (b) 电荷源； (c) 电压源； (d) 电路符号

　　2. 电荷放大器 　　压电式传感器测量电路的关键是高输入阻抗的前置放大器， 它有电压放大器和电荷放大器两种形式。考虑到压电片的泄漏电阻Ra、连接电缆的等效电容Cc、前置放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci，其等效电路如图4-5的左半部分所示。由于电压放大器输出电压与电缆分布电容有关，故目前多采用电荷放大器。 电荷放大器是一个电容深度负反馈的高增益运算放大器，其原理电路如图4-5所示。

　　图中，Cf为反馈电容，与Cf并联的Rf用于为Cf提供电荷泄放回路和为运算放大器反相输入端的偏置电流提供回路。 Rf的阻值由Cf的放电时间常数确定。 一般，Rf取10kΩ～10 MΩ，Cf在50～104pF范围内，电路能稳定地工作。由于运算放大器的增益A和输入电阻Ri都很大，根据放大电路原理，当（1+A） Cf >>Ca+Cc+Ci、ωCf >>1/ Rf时，电荷放大器的输出电压为 （4-4） 可见，输出电压Uo正比于输入电荷Q， 放大倍数仅取决于1/Cf， 与其他因素无关。但当频率很低时，1/Rf与ωCf相比不可忽略。 当ωCf =1/Rf时，电路的下限截止频率为 （4-5）

图4-5 电荷放大器的原理电路

4.2 超声波传感器 4.2.1 超声波的传输特性 人耳能够听到的机械波，频率在16 Hz～20 kHz之间，称为声波。人耳听不到的机械波， 频率高于20 kHz的称为超声波； 频率低于16 Hz的称为次声波。超声波的频率越高，就越接近光学的反射、折射等特性。

　　超声波可分为纵波、横波和表面波。质点的振动方向和波的传播方向一致的波称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播。质点的振动方向和波的传播方面相垂直的波称为横波， 它只能在固体中传播。质点的振动介于横波和纵波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。 　　超声波在介质中的传播速度取决于介质密度、 介质的弹性系数及波型。一般来说， 在同一固体中横波声速为纵波声速的一半左右，而表面波声速又低于横波声速。当超声波在某一介质中传播，或者从一种介质传播到另一介质时，遵循如下一些规律：

C=λf （1） 传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比， 即声速为 （4-6） 式中，λ为超声波的波长； f为超声波的频率。  　　（1） 传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比， 即声速为 C=λf （4-6） 式中，λ为超声波的波长； f为超声波的频率。  　（2） 超声波的衰减：超声波在介质中传播时，由于声波的扩散、散射及吸收，能量按指数规律衰减。如平面波传播时的衰减公式可写作Ix= I0e-2αx。其中，I0为声源处的声强; Ix为距声源x处的声强; α为衰减系数（单位为1×10-3dB/mm），水和一般低衰减材料的的取值α为1～4。

　　（3） 超声波的反射与折射： 当超声波从一种介质传播到另一种介质时， 在两种介质的分界面上，会发生反射与折射。同样遵循反射定律和折射定律：入射角与反射角、折射角的正弦比等于入射波速与反射波速、折射波速之比。  　　（4） 超声波的波形转换： 若选择适当的入射角， 使纵波全反射， 那么在折射中只有横波出现； 如果横波也全反射， 那么在工件表面上只有表面波存在。 

4.2.2 超声波换能器 　　超声波换能器也称为超声波探头， 即超声波传感器。 按原理有压电式、 磁致伸缩式、 电磁式等， 其中压电式最常用。 压电式利用压电材料的逆压电效应制成超声波发射头， 利用压电效应制成超声波接收头。 按照不同的应用目的， 超声波传感器有不同的结构形式。 探伤用超声波传感器的结构如图4-6所示。 诊断及水和空气中用超声波传感器的结构如图4-7所示。

（a） 直探头；（b） 斜探头；（c） 双探头 图4-6 探伤用超声波传感器的结构图 （a） 直探头；（b） 斜探头；（c） 双探头

(a) 诊断用阵列型超声波传感器； (b) 水听器； (c) 空气中用超声波传感器 图4-7 诊断及水和空气中用超声波传感器 (a) 诊断用阵列型超声波传感器； (b) 水听器； (c) 空气中用超声波传感器

4.2.3 空气中传播的超声波传感器及其基本电路 　　1. 遥控用超声波传感器 　　超声波遥控电路采用专用的在空气中传播的超声发射器（用符号T表示）与接收器(用符号R表示)成对配套使用。 超声波传感器的结构如图4-7（c）所示，采用双压电陶瓷晶片结构。 将双压电陶瓷晶片固装在基座上，为了增强其效果，在压电晶片上面加装了锥形喇叭，最后将其装在金属壳体中并伸出两根引线。它所发射的超声波采用固定的中心频率，谐振频率f0一般为40kHz。这种传感器有一种单峰特性，即在中心频率f0处灵敏度最高，输出信号幅度最大，接收器的接收灵敏度最高， 而在中心频率两侧则迅速衰减。由于超声波接收器具有很好的选频特性， 因此在组成电路系统时，不必另设选频网络。由于发射器需要发射出强度较高的超声波信号，所以它的灵敏度大于100 dB。接收器应能良好地接收超声波信号，因此它的灵敏度大于－60 dB。

表4-3 T/R40型超声传感器的外形与尺寸

　　2. 超声波发射电路 　　图4-8是由数字集成电路构成的超声波振荡电路，振荡器产生的高频电压通过耦合电容CP供给超声波振子MA40S2S。CC4049的H1和H2产生与超声波频率相对应的高频电压信号， H3～H6进行功率放大，再经过耦合电容CP传给超声波振子MA40S2S。超声波振子若长时间加直流电压，会使传感器特性明显变差， 因此，一般用交流电压通过耦合电容CP 供给传感器。该电路通过调节R可改变振荡频率： 　　

图4-8 数字式超声波振荡电路

　　图4-9是采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用NPN晶体管V放大频率可调振荡器OSC的输出信号，放大的信号经脉冲变压器T升压为较高的交流电压供给超声波传感器MA40S2S。 超声波传感器MA40S2S产生40 kHz能量的超声波。

图4-9 采用脉冲变压器的超声波振荡电路

　　3. 超声波接收电路 　　由于超声波传感器接收到的信号极其微弱，因此，一般要接几十dB以上的高增益放大器。  　　如图4-10所示，采用NPN晶体管V进行放大构成超声波接收电路，超声波传感器采用MA40S2R。 超声波传感器一般用于检测反射波，它远离超声波发生源，能量衰减较大，只能接收到几mV左右的微弱信号。因此，实际应用时要加多级放大器。

图4-10 晶体管超声波接收电路

　　图4-11是采用运放的超声波接收电路，电路增益较高。电路输出为高频电压， 实际上后面还要接检波电路、放大电路以及开关电路等。

图4-11 集成运放超声波接收电路

　　4. 采用超声波模块RS-2410的测距计 　　图4-12是采用超声波模块RS-2410的测距计， RS-2401模块内有发送与接收电路以及相应的定时控制电路等。KD-300为数字显示电路， 用三位数字显示RS-2410的输出，单位为cm， 因此， 显示最大距离为999 cm。 　　这种超声波测距计能测的最大距离为600 cm左右， 最小距离为2 cm左右， 但应满足被测物体较大、 反射效率高、入射角与反射角相等的条件。

图4-12 采用超声波模块的测距计

4.3 磁 敏 传 感 器 4.3.1 霍尔元件 　　1. 霍尔效应 　　1879年霍尔发现， 在通有电流的金属板上加一匀强磁场， 当电流方向与磁场方向垂直时， 在与电流和磁场都垂直的金属板的两表面间出现电势差， 这个现象称为霍尔效应。 产生的电势差称为霍尔电势。 其成因可用带电粒子在磁场中所受到的洛伦兹力来解释。

　　如图4-13（a）所示， 将金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中， 当有电流流过薄片时， 电子受到洛伦兹力FL的作用向一侧偏移，电子向一侧堆积形成电场，该电场对电子又产生电场力。电子积累越多， 电场力越大。洛伦兹力的方向可用左手定则判断，它与电场力的方向恰好相反。 当两个力达到动态平衡时，在薄片的cd方向建立稳定电场， 即霍尔电势。 激励电流越大，磁场越强， 电子受到的洛仑兹力也越大， 霍尔电势也就越高。其次，薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素对霍尔电势也有影响。霍尔电势的数学表达式为 EH=KHIB mV (4-7)

式中，KH［mV／(mA·T)］称为霍尔元件的灵敏度系数。 霍尔电势与输入电流I、 磁感应强度B成正比，且当I或B的方向改变时， 霍尔电势的方向也随之改变。 如果磁场方向与半导体薄片不垂直， 而是与其法线方向的夹角为θ， 则霍尔电势为 EH=KHIB cosθ mV (4-8)

　　2. 霍尔元件 　　由于导体的霍尔效应很弱，霍尔元件都用半导体材料制作。 霍尔元件是一种半导体四端薄片，它一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称地焊上两对电极引出线。一对称为激励电流端， 另外一对称为霍尔电势输出端。  　　目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的霍尔灵敏度系数、 温度特性、 线性度均较好。 锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)、N型锗(Ge)等也是常用的霍尔元件材料。 锑化铟元件的输出较大， 受温度影响也较大； 砷化铟和锗的输出不及锑化铟的大， 但温度系数小， 线性度好。 砷化镓(GaAs)是新型的霍尔元件材料， 温度特性和输出线性都好，但价格贵。

（a） 霍尔效应原理图； （b） 图形符号； （c）外形 图4-13 霍尔元件 （a） 霍尔效应原理图； （b） 图形符号； （c）外形

4.3.2 集成霍尔传感器 　　集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件、 放大器、稳压电源、功能电路及输出电路等集成在一起的单片集成传感器。 集成霍尔传感器中霍尔元件的材料仍以半导体硅为主，按输出信号的形式可分为线性型和开关型两类，如图4-14所示。线性集成霍尔传感器是将霍尔元件、恒流源、线性放大电路等集成在一个芯片上， 输出模拟电压与外加磁场呈线性关系； 开关集成霍尔传感器是将霍尔元件、恒流源、施密特电路、 驱动电路等集成在一个芯片上，驱动电路为集电极开路的三极管， 输出具有迟滞特性。线性集成霍尔传感器用于无触点电位器、 无刷直流马达、速度传感器和位置传感器等；开关集成霍尔传感器用于键盘开关、接近开关、速度传感器和位置传感器。霍尔集成电路有扁平封装，DIP封装和软封装几种。

图4-14 霍尔集成电路外形尺寸、内部电路和输出特性 （a） 模拟型；（b）开关型；（c） UGN3501M

　　线性集成霍尔传感器分为单端输出和双端输出（差分输出）两种。 UGN-3501为典型的单端输出集成霍尔传感器， 是一种扁平塑料封装的三端元件，脚1（UCC），2（GND），3（OUT），有T、U两种型号，其区别仅是厚度不同。T型厚度为2.03 mm，U型厚度为1.45 mm。UGN-3501T在－0.15T~0.15T磁感应强度范围内有较好的线性，超过此范围则呈饱和状态。 典型的双端输出集成霍尔传感器型号为UGN-3501M， 8脚DIP封装， 脚1和8（差动输出），2（空），3（UCC），4（GND）， 5、6、7间接一调零电位器，对不等位电势进行补偿，还可以改善线性，但灵敏度有所降低。根据测试，当第5脚和第6脚间的外接电阻R5-6=100 Ω时，电路有良好的线性。 随R5-6阻值的减小， 输出电压升高，但线性度下降。因此，若允许不等位电势输出， 则可不接电位器。

　　国内外常见的集成霍尔传感器有SL-N3000系列（中）， SH100、300系列（中），DN830、 6830系列（日）， SAS200系列开关UGN3000系列（美）等线性和开关型， SAS200系列（德）开关型等。表4-4～4-7列出了部分集成霍尔传感器的参数。

表4-4 国产开关集成霍尔传感器的参数

表4-5 美国开关集成霍尔传感器

表4-6 国产线性集成霍尔传感器的参数

表4-7 美国、日本线性集成霍尔传感器的参数

4.3.3 霍尔式传感器的应用领域 　　由式(4-8)可得出霍尔式传感器具有以下几个方面的应用： 　　（1） 维持激励电流I不变，可构成磁场强度计、霍尔转速表、角位移测量仪、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于测量微小位移的霍尔式加速度计、微压力计等。  　　（2） 当I、B两者都为变量时，可构成模拟乘法器、功率计等。 保持磁感应强度B恒定， 可做成过电流检测装置等。

4.4 光电式传感器 4.4.1 光与光电效应 　　1. 光的知识 　（1） 光的电磁说： 光是一种电磁波， 其频谱如图4-15所示。 可见光只是电磁波谱中的一小部分，波长在780～380 nm之间， 红光频率最低， 紫光频率最高。 光的频率越高， 携带的能量越大。

图4-15 电磁波谱

（2） 光的量子说： 光是一种带有能量的粒子（称为光子）所形成的粒子流。光子的能量为We＝hυ。式中，h=6 　　（2） 光的量子说： 光是一种带有能量的粒子（称为光子）所形成的粒子流。光子的能量为We＝hυ。式中，h=6.63×10-34J·s为普朗克常数；υ为光的频率。它是光电元件的理论基础。

　　2. 光电效应 　　1） 外光电效应 　　外光电效应即光电子发射效应， 在光的作用下使电子逸出物体表面。 基于外光电效应的光电元件有光电二极管和光电倍增管及紫外线传感器等。 根据能量守恒定律， 要使电子逸出并具有初速度， 光子的能量必须大于物体表面的电子逸出功。 这一原理可用爱因斯坦光电效应方程来表示，即 (4-9) 式中，m为电子的质量；A为物体的电子表面逸出功。

　　由于光子的能量与光的频率成正比， 因此要使物体发射光电子， 光的频率必须高于某一限值。 这个能使物体发射光电子的最低光频率称为红限频率。 小于红限频率的入射光， 光再强也不会激发光电子； 大于红限频率的入射光， 光再弱也会激发光电子。 单位时间内发射的光电子数称为光电流， 它与入射光的光强成正比。 对光电管， 即使阳极电压为零也会有光电流产生。 欲使光电流为零必须加负向的截止电压， 截止电压应与入射光的频率成正比。

　　2） 内光电效应 　　（1） 光电导效应：在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料的电阻率降低。基于这种效应的光电元件有光敏电阻。  　　（2） 光电动势效应：当光照射PN结时，在结区附近激发出电子—空穴对。 基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。如一只玻璃封装的二极管， 接一只50μA的电流表，便不难验证：二极管受光照时有电流输出，无光照时无电流输出。 　　（3） 光的热电效应：利用人体辐射的红外线的热效应制成热释电（人体）传感器。

4.4.2 光电元件 　　1. 光电倍增管 　　光电倍增管的结构原理如图4-16所示，它由光电阴极K， 阳极A和倍增极(也称打拿极)D组成。光电阴极发射的光电子在电场作用下被加速， 以高速射入倍增极， 倍增极表面逸出加倍的电子，称为二次发射。 倍增极数目一般为4～14个，增益G=106～108。常见的光电倍增管按进光部位可分为侧窗式和端窗式两类；按管内电极构造形状又可分聚焦式、百叶窗式和盒栅式等。  　　光电倍增管噪声小、增益高、频带响应宽，在探测微弱光信号领域是其他光电传感器所不能取代的。使用和存放时必须特别注意： 绝对避免强光照射光阴极面，以防损坏光电阴极。

图4-16 光电倍增管结构原理图

　　2. 紫外线传感器 　　紫外线传感器是一种专门用来检测紫外线的光电器件。 它的光谱响应为85～260 nm， 对紫外线特别敏感，尤其对燃烧时产生的紫外线反应更为强烈，甚至可以检测5m以内打火机火焰发出的紫外线。 它除了会受到高压水银灯、γ射线、 闪电及焊接弧光的干扰外， 对可见光不敏感。 此外， 它还具有灵敏度高、 受光角度宽（视角范围达120°）、 响应速度快的特点。 因此， 紫外线传感器主要用作火灾报警敏感元件， 故又称它为火灾报警传感器。它可以广泛地用于石油、气体燃料的火灾报警，也可以用于宾馆、饭店、办公室、仓库等重要场合的火灾报警。

　　紫外线传感器的外形结构如图4-17所示， 其中(a)为顶式结构， (b)为卧式结构。 紫外线传感器的结构和光电管的结构非常相似，在玻璃管内有两个电极， 阴极和阳极。 在石英玻璃管内封入了特殊的气体。 在阴极和阳极间加约350V的电压，当紫外线照射在光电阴极上时， 阴极就会发射光电子。 在强电场的作用下，光电子高速向阳极运动， 与管内气体分子相碰撞而使气体分子电离，气体电离产生的电子再与气体分子相碰撞， 最终使阴极和阳极间被大量的光电子和离子所充斥， 造成辉光放电现象， 电路中形成很大的电流值。 紫外线传感器的这种工作状态与光电倍增管很相似。当没有紫外线照射时， 阴极和阳极间没有电子和离子的流动，阴极和阳极间呈现相当高的阻抗。

图4-17 紫外线传感器的外形结构图 (a) 顶式； (b) 卧式

　　如图4-18所示， 紫外线传感器的基本电路是由RC构成的充放电回路， 其时间常数称为阻尼时间， 电极间残留离子的衰变时间一般为5～10ms；当入射紫外线光通量低于某值时， 从输出端可以得到与入射光量成正比的脉冲数， 但若光通量大于此值时， 由于电容的放电， 管内电流就饱和了。 因此紫外线传感器适合作光电开关，不适合作精密的紫外线测量。

图4-18 紫外线传感器基本电路及输出波形 （a） 基本电路； （b） 输出波形

　　3.光敏电阻 　　光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件，当光照射时其电阻值降低。将其与一电阻串联并接到电源上， 便可把光信号变成电信号。  　　按光谱特性及最佳工作波长范围分类， 可有紫外光、 可见光及红外光光敏电阻类。 CdS光敏电阻覆盖了紫外光和可见光范围，其典型结构如图4-19所示。 将CdS粉末烧结在陶瓷衬底上，形成一层CdS膜，用两根引线引出。为防止光敏电阻芯片受潮，均需采用密封结构，常用金属外壳、塑料或防潮涂料等密封。常用光敏电阻的性能参数见表4-8。

图4-19 光敏电阻的结构 (a) 电路符号； (b) 结构图

表4-8 MG型光敏电阻的性能参数

　　4. 光电池 　　光电池也称太阳能电池， 有硒光电池、 硅光电池及砷化镓光电池等。目前发展最快， 应用最广的是单晶硅及非晶硅光电池。其形状有圆形、 方形、矩形、 三角形或六角形等。 硅光电池的频率特性优于硒光电池。 硅光电池的光谱响应峰值波长约为800 nm，适于接受红外光； 硒光电池的光谱响应峰值波长在540 nm，适于接受可见光； 砷化镓光电池光谱响应特性与太阳光最吻合， 适合用作宇航电源。

　　常用的硅光电池是在N型硅片上扩散硼形成P型层，分别引出电极，再将受光面氧化以形成SiO2保护膜即成。当光照射PN结时，如果光子能量足够大，就在结区附近激发出电子-空穴对， 载流子的运动平衡被打破，P区电子进入N区，N区空穴进入P区，N区因电子集结带负电，P区因空穴集结带正电，两端出现电位差， 即光生电动势。应用最广的2CR为N型单晶硅，2DR为P型单晶硅。  　　图4-20(b)是硅光电池开路电压及短路电流与光照度的关系曲线，可见开路电压U与照度E间成非线性关系。当E>1000 Lx时，光生电压开始进入饱和状态, 用于低照度检测并使负载电阻尽量大；而短路电流I与光照度E之间成线性关系，可用于高照度检测并使负载电阻应尽量接近短路状态。

图4-20 硅光电池的电路符号与光照特性 (a) 电路符号； (b) 光照特性

表4-9 2CR型硅光电池的特性参数

　　5. 光敏管 　　1）光敏二极管  　　光敏二极管与普通半导体二极管的主要区别在于PN结面积较大、 距表面较浅， 上电极较小， 利于接受光照射以提高光电转换效率。 如前所述， 它的工作机理是光生电动势效应， 即当受到光照时，半导体本征载流子浓度增加，在P区和N区均为少数载流子，在PN结势垒作用下，分别向对方区域漂移。 此时若将两端短路，便构成短路光电流；若两端开路或接负载， 则输出光生电势； 若加外电场， 则反向饱和电流增加。

　　光敏二极管正向伏安特性与普通二极管相似， 光电流不明显； 反向特性受光照控制。 因此， 光敏二极管一般加反向偏置电压， 利用反向饱和电流随光照强弱而变化进行工作。 　　光敏二极管的种类很多。 按制作材料来分， 有硅光敏二极管(2CU、2DU类)， 锗光敏二极管（2AU类）； 按不同峰值波长来分，有近红外光硅光敏二极管， 如对红外光最敏感的锂漂移性硅光敏二极管， 蓝光光敏二极管等； 其他还有用于激光的PIN型硅光敏二极管（日本产SPD、 S、MP、 MBC、 SP、 PP、 TP、 PD、 PH、 TPS、 M等多种系列，国产2CU101、 2CU201等）和灵敏度更高的雪崩光敏二极管等。 国产光敏二极管一般有2CU和2DU两种， 常用2CU型。 表4-10给出了几种类型的光敏二极管的主要技术参数及其主要用途。

表4-10 一些国产光敏二极管的主要技术参数

图4-21 光敏二极管电路符号和外形

图4-22 光敏二极管应用电路 （a) 亮通电路； （b) 暗通电路

　　2） 光敏晶体管  　　光敏晶体管与普通晶体管类似，但发射区较小，当光照射到发射结上时，产生基极光电流IL，集电极电流IC＝βIL， 显然集电极电流IC正比于照射光的强度。  　　光敏三极管的电路符号及基本应用电路如图4-23所示。 国产光敏三极管的型号主要有3AU、 3DU、 ZL系列，日本型号有TPS、 PT、 PPT、 PH、 PS、 PN、 T等系列。 表4-11列出了国产光敏三极管的特性参数。

图4-23 光敏三极管电路符号及应用电路 （a） 电路符号； （b） 基本应用电路

表4-11 国产光敏三极管的特性参数

　　3） 光敏晶闸管  　　光敏晶闸管和普通晶闸管的惟一不同之处就是门极控制信号。 普通晶闸管的门极控制信号为一外加正向电压， 而光敏晶闸管的门极控制信号为光照， 如图4-24所示。当光照射PN结时， 由光电流控制晶闸管导通； 当无光照时，晶闸管在阳极电流小于维持电流或阳极电压过零时关断。

（a） 结构图； （b） 电路符号； （c） 使用方法； （d）、 （e） 外形图 图4-24 光敏晶闸管 （a） 结构图； （b） 电路符号； （c） 使用方法； （d）、 （e） 外形图

表4-12 部分光敏晶闸管的技术参数

　　6. 红外光传感器 　　1） 热释电传感器（PIR）  　　如4.1节介绍的压电陶瓷等， 这类电介质在电极化后能保持极化状态， 称为自发极化。自发极化随温度升高而减小， 在居里点温度降为零。因此，当这种材料受到红外辐射而温度升高时， 表面电荷将减少，相当于释放了一部分电荷，故称为热释电。将释放的电荷经放大器可转换为电压输出。这就是热释电传感器的工作原理。

　　热释电传感器常用的陶瓷材料是热电系数高的锆钛酸铅（PZT）系、钽酸锂（LiTaO3）、 硫酸三甘钛（TGS）等。 将这种热释电元件、 结型场效应管、 电阻等封装在避光的壳体内， 并配以滤光镜片透光窗口， 便组成热释电传感器。 如图4-25所示为LN074B型热释电传感器的外形及内部组成。

图4-25 LN074B型热释电传感器的外形及内部组成 （a） 外形图； （b）内部组成图

滤光片对于太阳和荧光灯的短波长具有高的反射率， 而对人体发出来的红外热源有高的透过性， 其光谱响应为6 μm以上。 人体温度为36 　　滤光片对于太阳和荧光灯的短波长具有高的反射率， 而对人体发出来的红外热源有高的透过性， 其光谱响应为6 μm以上。 人体温度为36.5℃时， 辐射红外线波长为9.36 μm； 38℃时， 辐射红外线波长为9.32 μm。 因此热释电传感器又称人体红外传感器， 被广泛应用于防盗报警、 来客告知及非接触开关等红外领域。 当辐射继续作用于热释电元件， 使其表面电荷达到平衡时， 便不再释放电荷。 因此， 热释电传感器不能探测恒定的红外辐射， 也不能测量居里点以上的温度。 实际应用中， 对于恒定的红外辐射进行调制（或称斩光）， 使其变成交变辐射， 不断引起探测器的温度变化， 才能导致热释电产生， 并输出不变的电信号。

图4-26 HN911应用电路

　　热释电元件同样具有压电效应， 使用时应避免振动。 将两个特性相同的热释电元件反极性串接， 可补偿外界环境温度和振动的影响。 二元型热释电传感器有TO-5金属封装的P228（LiTaO3）、 LS-064、 LN-074B、SDO2（PZT）等。此外， 用于测温的热释电红外传感器， 其测温范围可达-80～1500℃。 　

　　HN911是一个将热释电传感器、 放大器、 信号处理电路、 延时电路和高低电平输出电路集成在一起的热释电红外探测模块，其典型应用电路如图4-26所示。平时1端输出低电平，2端输出高电平，当检测到人体移动时，则1端高、2端低。 　　用菲涅耳透镜与热释电传感器配套，可以把热释电传感器的检测距离扩大到10～15 m， 视野角扩展到84°～135°。平面型为壁挂式，如S-136； 球状型为吸顶式，如S-99、 RS-8等。

　　2） 量子型红外光敏器件的结构及工作原理 　　（1） PbS红外光敏元件：其结构如图4-27所示。它是先在玻璃基板上制成金电极，然后蒸镀PbS薄膜，再引出电极线即成。为防止PbS氧化，一般要将PbS光敏元件封入真空容器内， 并用玻璃或蓝宝石做光窗。  　　PbS红外光敏元件对近红外光到3 μm波长的红外光有较高的灵敏度， 并可在室温下工作。当红外光照射在PbS光敏元件上时， 由于光电导效应， PbS光敏元件的阻值将发生变化， 电阻的变化也将引起PbS光敏元件两电极间电压的变化。

图4-27 PbS红外线光敏元件的结构示意图

　　（2） ZnSb红外光敏元件： 其结构如图4-28所示， 它和具有PN结的光敏二极管相似， 是把杂质Zn等用扩散法渗入N型半导体中形成P层， 构成PN结， 然后再引出引线制成的。

图4-28 ZnSb红外光敏元件的结构示意图

　　当红外光照射在ZnSb光敏元件的PN结上时，由于光生伏特效应，在ZnSb光敏元件两端产生电势，此电势的大小与光照强度成比例。ZnSb红外光敏元件的灵敏度高于PbS红外光敏元件， 能在室温下工作，也可在低温下工作。若在低温下工作时， 可采用液态氮进行冷却。  　　红外光传感器的选择可参见表4-13。

表4-13 国产红外探测器的性能

　　7. CCD图像传感器 　　电荷耦合器（Charge Coupled Devices，CCD）具有存储、 转移并逐一读出信号电荷的功能。 利用电荷耦合器件的这种功能，可以制成图像传感器、数据存储器、延迟线等， 在军事、 工业和民用产品领域内都有着广泛的应用。 　　电荷耦合器的基本结构如图4-29所示，在一硅片上有一系列并排的MOS电容，这些MOS电容的电极以三相方式联结， 即： 电极1、4、7…与时钟￠1相连， 电极2、 5、 8…与时钟￠2相连，电极3、 6、 9…与时钟￠3相连。只要在电极上加上电压，硅片上就会形成一系列势阱。 有光照时，这些势阱都能收集光生电荷。只要电极上的电压不去掉，这些代表信息的电荷就一直存储在那里。通常把这些被收集在势阱中的信号电荷称为电荷包。

图4-29 电荷耦合器的结构原理

　　直接采用MOS电容感光的CCD图像传感器对蓝光的透过率差、 灵敏度低。 现在CCD图像传感器已采用光敏二极管作为感光元件，如图4-30所示， 它是一种家用摄像机CCD图像传感器的外形图。它像一个大规模集成电路， 在它的正面有一个长方形的感光区，感光区中有几十万至几百万个像素单元， 每一个像素单元上有一光敏二极管。 这些光敏二极管在受到光照时， 便产生与入射光强度相对应的电荷， 再通过电注入法将这些电荷引入CCD器件的势阱中， 便成为用光敏二极管感光的CCD图像传感器。 它的灵敏度极高， 在低照度下也能获得清晰的图像， 在强光下也不会烧伤感光面。 目前它不仅在家用摄像机中得到了应用， 而且在广播、 专业摄像机中也取代了摄像管。

图4-30 CCD图像传感器的外形图

　　8. 光电位置探测器 　　光电位置探测器（Position Sensing Detector， PSD）是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。 PSD由P衬底、PIN光电二极管及表面电阻组成， 如图4-31所示， P型层在表面，N型层在底面，I层在中间。落在PSD上的入射光转换成光电子后由P型两端电极输出光电流I1和I2。因电荷通过的P型层是一均匀的电阻，所以光电流与光的入射点到电极间的距离成反比。 若以几何中心为坐标原点，则有 (4-10) 若以一端为坐标原点，则有 (4-11)

图4-31 PSD光电位置探测器的原理图 （a） 原理； （b） 结构

　　9. 色彩传感器与色彩识别 　　1） 双结色彩传感器 　　如图4-32所示，双结色彩传感器是在一个外壳内封装有两个光敏二极管VD1和VD2的双结二极管结构。VD1和VD2有着不同光谱特性， 其短路电流比与入射光的波长有着一定的比例关系，只要测出短路电流的比值，就能知道入射光的波长，也就确定了入射光的色谱。

图4-32 双结色彩传感器的原理图 （a） 内部结构； （b） 等效电路

　　2） 全色色彩传感器 　　如图4-33所示为全色色彩传感器的结构原理、等效电路、 外形尺寸和频谱响应特性。该传感器在非晶态硅的基片上平排做了三个光电二极管， 并在各个光电二极管上分别加上红(R)、绿(G)、蓝(B)滤色镜， 将来自物体的反射光分解为三种颜色，根据R、G、B的短路电流输出大小，通过电子线路及计算机可以识别12种以上的颜色。它也叫非晶态色彩传感器。 　　AN3301系列集成色彩传感器的频谱响应特性（相对灵敏度与波长的关系）如图4-33（d）所示， 其特性如表4-14所示。

（a） 结构原理；（b） 等效电路；（c） 外形；（d） 光谱响应特性 图4-33 全色色彩传感器 （a） 结构原理；（b） 等效电路；（c） 外形；（d） 光谱响应特性

表4-14 AN3301系列集成色彩传感器的特性

　　非晶态色彩传感器的入射光线的照度与输出电压的关系如图4-34所示。在负载电阻为100 kΩ时，其照度与输出电压取用对数刻度时具有良好的线性度，并且其斜率接近于1；若将负载电阻接成1 MΩ以上时，电压几乎成开路状态，其输出呈非线性并进入饱和状态。因此，传感器上有时并联有一个100 kΩ的电阻， 其放大电路如图4-35所示。

图4-34 照度特性

图4-35 放大电路

4.4.3 光电传感器的类型 　　1. 光电检测的组合形式 　　光电传感器按输出信号有开关型和模拟型， 开关型用于转速测量、 模拟开关、 位置开关等；模拟型用于光电式位移计、 光电比色计等。 光电检测必须具备光源、 被测物和光电元件。 按照光源、被测物和光电元件三者的关系，光电传感器可分为四种类型，如图4-36所示。

（a） 被测物发光； （b） 被测物透光； （c） 被测物反光； （d） 被测物遮光 图4-36 光电传感器的类型 （a） 被测物发光； （b） 被测物透光； （c） 被测物反光； （d） 被测物遮光

　　（1） 被测物发光：被测物为光源，可检测发光物的某些物理参数。如光电比色高温计、光照度计等。  　　（2） 被测物反光：可检测被测物体表面性质参数或状态参数， 如光洁度计和白度计等。  　　（3） 被测物透光：可检测被测物与吸收光或透射光特性有关的某些参数，如浊度计和透明度计等。  　　（4） 被测物遮光： 检测被测物体的机械变化， 如测量物体的位移、 振动、 尺寸、 位置等。

　　2. 光耦合器件 　　1） 光电耦合器  　　如图4-37所示，光电耦合器是把发光器件和光敏器件组装在同一蔽光壳体内，或用光导纤维把二者连接起来构成的器件。 当输入端加电信号，发光器件发光，光敏器件受光照后， 输出光电流， 实现以光为媒介质的电信号传输，从而实现输入和输出电流的电气隔离， 所以可用它代替继电器，变压器和斩波器等。 它广泛应用于隔离线路、开关电路、数模转换、逻辑电路、 长线传输、 过流保护、 高压控制等方面。

图4-37 光电耦合器 （a） 结构； （b） 外形； （c） 图形符号

　　2） 光断续器 　　（1） 直射型光断续器：如图4-38所示，主要用于光电控制和光电计量等电路中及检测物体的有无、运动方向、 转速等。  　　（2） 反射型光断续器： 如图4-39所示，主要用于光电式接近开关、 光电自动控制、 物体识别等。一些国产光断续器的技术特性可参见表4-15。

图4-38 直射型光断续器

图4-39 反射型光断续器

表4-15 一些国产光断续器的技术特性

　　3. 集成光电传感器ULN3330 　　ULN3330是美国摩托罗拉公司生产的集成光电传感器。 它是一种新颖的光电开关， 将光敏二极管、 低电平放大器、 电平探测器、 输出功率驱动器和稳压电路等五部分都集成在了一块1×1.8(mm×mm)的硅片上， 形成一种具有驱动能力的光敏功率器件。 该器件可用于众多使用光敏器件的场合， 使光敏器件的应用变得更简单、 可靠。

　　1） 工作原理 　　ULN3330的内电路框图如图4-40所示。光敏二极管的光敏区域约为1.1×1.1(mm×mm)，峰值波长为880 nm。 当它受到光照时，会产生微安数量级的光电流。低电平放大器是一种低噪声小电流放大器，能对微安级的光电流进行放大、电平位移，最后输出可供电平探测器进行鉴别的电平。 电平探测器是由施密特电路构成的，它具有约20％的“滞后”特性。 输出功率驱动器是NPN中功率晶体管，最大可通过100 mA的电流，可以直接驱动各种负载。 稳压电路可确保当电压在4～15 V范围内变化时电路也能稳定地工作。ULN3330D接上电源与负载后， 不需要其他元件就能工作。当器件顶部受到大于50 Lx的光照时， 就输出高电平，负载上没有电流；当光照不足45 Lx时，器件就输出低电平，负载上有电流通过。

图4-40 ULN3330内电路框图

表4-16 ULN3330集成电路的主要电参数

　　2） 引脚排列和电参数 　　ULN3330集成电路有三种封装形式， ULN3330D采用带玻璃窗的圆形金属封装；ULN3330T采用平透明塑料封装； ULN3330Y采用半椭圆透明塑料封装，图4-41是它们的外形底视图。

图4-41 ULN3330系列外形底视图

4.5 光纤与激光传感器 4.5.1 光纤传感器 1. 光导纤维及其导光原理 1） 光纤的构造 　　1. 光导纤维及其导光原理 　　1） 光纤的构造 　　光纤断面构造如图4-42所示。纤芯为石英玻璃等材料制成的导光纤维细丝，直径在5～125 μm范围内；包层材料的折射率n2略低于纤芯材料的折射率n1，包层外径在125～350 μm范围内。包层外面涂敷硅树酯之类的缓冲层，最外层包有起保护及屏蔽作用的尼龙套管。 光纤呈圆柱形，两端面为平面。

（a） 光纤断面构造； （b）光纤中的光的传输 图4-42 光纤断面构造及光在光纤中的传输 （a） 光纤断面构造； （b）光纤中的光的传输

　　2） 光在光纤中的传输原理 　　如图4-42（b）所示，当空气中一束光线自光纤端面中心点O以θi角射入纤芯时，光线产生折射。光以折射角θ0在纤芯中行进，至纤芯与包层界面时，可能折射进入包层，也可能继续在纤芯中行进反射。根据斯乃尔定理：当光由光密物质(折射率大)射入光疏物质(折射率小)时，折射角大于入射角。 因n1＞n2，所以折射角恒大于入射角(90°－θ)。当sin(90°－θ)=n2/n1时，光线开始出现全反射。因此，光线能在界面全反射、不再逸出芯体的条件是 (4-12)

　　3） 光纤模式 　　临界角θim以内的入射光以各自不同的角度在芯体界面发生全反射， 形成不断反射的光传输路线。 这种传输光可分为轴向前进的平面波及径向往返的平面波两个分量。 当径向往返平面波在两界面间往返一周对应于光波相位差恰好为2π的整数倍时，就可在截面内形成驻波。 像这样的驻波光线组称为“模”。 “模”只能离散的存在， 即光纤中能够传输的光的模数是一定的。 当2πaNA/λ＜2.41(a为芯体半径)时，光纤中只能传输单一的基本模式，此种光纤称作单模光纤。能够同时传输多个模式的光纤称作多模光纤。

　　2. 光纤传感器的类型 　　光纤传感器是一种把被测量转变为可测光信号的装置， 由光发送器、 敏感元件(光纤或非光纤)、 光接收器、 信号处理系统及光纤构成。 光发送器发出的光经入射光纤引导到敏感元件， 在这里， 光的某一性质受到被测量的调制。 已调光经出射光纤耦合到光接收器， 使光信号变成电信号， 再经信号处理， 得到被测量的值。  　　光纤传感器的分类方法很多， 可按光纤在传感器中的作用、 光参量调制种类、所应用的光学效应和检测的物理量分类。 按光纤在传感器中的作用，可分为功能型、非功能型和拾光型三大类， 如图4-43所示。

（a） 功能型； （b） 非功能型；（c） 拾光型 图4-43 光纤在传感器中的作用类型 （a） 功能型； （b） 非功能型；（c） 拾光型

4.5.2 激光传感器 　　1. 激光的形成　 　　1） 激光的原理 　　在外界光子作用下，物质原子获得一定的能量后，从相应的低能级跃迁到高能级的过程叫做受激吸收。而处在高能级上的原子， 在外来光子的诱发下跃迁到低能级而发光， 这个现象叫做受激辐射。 受激辐射的光子与外来光子有完全相同的频率、 传播方向和振动方向。 可以说， 它把一个光子放大为两个光子。 但是受激吸收过程和受激辐射过程是同时存在、 互相对立的。 一般来说， 受激吸收过程比受激辐射过程要强， 但要产生激光， 必须使后者强于前者。 因而常设法使高能态的原子数目多于低能态的原子数目， 通常称为“粒子数反转”。 实现粒子数反转的方法很多， 如用气体放电、 化学反应、光照等来对基态原子进行激励。

　　2） 激光谐振腔 　　激光谐振腔由两块反射镜组成， 其中一块反射率为100%， 称为全反射镜； 另一块反射率为95%以上， 称为部分反射镜， 如图4-44（a）所示。  　　当粒子数反转时，高能态的原子数就会多于基态原子数。 一些高能态的原子自发地跃迁回基态， 辐射出自发光子来； 另一些沿谐振腔轴向运动的光子经反射镜反射， 沿轴向反复运动， 在运动的过程中又会激发高能态的原子而产生受激辐射。 受激辐射的光子也参加到沿轴向反复运动的行列中， 又去激发其他高能态原子产生受激辐射， 如图4-44（b）所示。如此不断循环， 沿谐振腔轴向运动的受激辐射光子越来越多，当光子积累到足够数量时， 便从部分反射镜一端输出一部分光，即激光。可见， 谐振腔是形成激光的必要装置。

图4-44 激光谐振腔原理图

　　2. 激光器 　　综上所述，激光器必须具备： 工作物质、 激励能源和谐振腔三部分。激光器按工作物质进行分类可分为以下几种： 　　（1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石激光器和钕玻璃激光器。其特点是小而坚固、功率大， 其中钕玻璃激光器的脉冲输出功率最大。  　　（2） 气体激光器： 气体激光器的工作物质常用He-Ne气体。 它与固体激光器相比，在结构和性能上有很大差别。气体激光器多为连续发射。 由于气体的光学性质均匀， 所以气体激光器的单色性和相干性特别好。

　　（3） 液体激光器： 该激光器又可分为螯合物激光器、 无机液体激光器和有机染料激光器。 其中， 以有机染料激光器较为突出，它的最大特点是发生的激光波长可在一段范围内连续可调，而且效率不会降低。 　　（4） 半导体激光器：它是所有激光器中效率最高， 体积最小的一种。目前较成熟的产品是砷化镓(GaAs)半导体激光器，常做成二极管形式， 其缺点是输出功率小。  　　一些典型的激光器及其应用见表4-17。

表4-17 部分典型的激光器及其应用