【正文】 4. 高分子壓電材料 （ PVDF） PVDF有很強的壓電特性，同時還具有類似鐵電晶體的遲滯特性和熱釋電特性， 因此廣泛應(yīng)用于壓力、 加速度、 溫度、 聲和無損檢測等領(lǐng)域。 第 4章 物性型傳感器 電荷放大器 1. 壓電元件的等效電路和電路符號 如圖 44所示，當(dāng)壓電片受力時，在兩電極表面出現(xiàn)等量而極性相反的電荷，根據(jù)電容器原理，它可等效為一個電容器。 由于材料存在泄漏電阻 Ra，壓電片的電荷不可能長久保存，只有外力以較高頻率不斷作用，傳感器的電荷才能得以補充。 由于電壓放大器輸出電壓與電纜分布電容有關(guān) ， 故目前多采用電荷放大器 。 一般， Rf取 10kΩ～ 10 MΩ，Cf在 50～ 104pF范圍內(nèi)，電路能穩(wěn)定地工作。人耳聽不到的機械波， 頻率高于 20 kHz的稱為超聲波； 頻率低于 16 Hz的稱為次聲波。 質(zhì)點的振動方向和波的傳播方面相垂直的波稱為橫波 ， 它只能在固體中傳播 。當(dāng)超聲波在某一介質(zhì)中傳播，或者從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時，遵循如下一些規(guī)律： 第 4章 物性型傳感器 （ 1） 傳播速度：超聲波的傳播速度與波長及頻率成正比， 即聲速為 C=λ f （ 46） 式中 ， λ為超聲波的波長； f為超聲波的頻率 。 Ix為距聲源x處的聲強 。 （ 4） 超聲波的波形轉(zhuǎn)換： 若選擇適當(dāng)?shù)娜肷浣牵? 使縱波全反射， 那么在折射中只有橫波出現(xiàn)； 如果橫波也全反射， 那么在工件表面上只有表面波存在。 按照不同的應(yīng)用目的， 超聲波傳感器有不同的結(jié)構(gòu)形式。 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 47（ c）所示，采用雙壓電陶瓷晶片結(jié)構(gòu)。由于超聲波接收器具有很好的選頻特性， 因此在組成電路系統(tǒng)時，不必另設(shè)選頻網(wǎng)絡(luò)。CC4049的 H1和 H2產(chǎn)生與超聲波頻率相對應(yīng)的高頻電壓信號， H3～ H6進行功率放大，再經(jīng)過耦合電容 CPMA40S2S。 超聲波傳感器 MA40S2S產(chǎn)生 40 kHz能量的超聲波。因此，實際應(yīng)用時要加多級放大器。 KD300為數(shù)字顯示電路， 用三位數(shù)字顯示 RS2410的輸出，單位為 cm， 因此， 顯示最大距離為 999 cm。 其成因可用帶電粒子在磁場中所受到的洛倫茲力來解釋。 當(dāng)兩個力達到動態(tài)平衡時，在薄片的 cd方向建立穩(wěn)定電場， 即霍爾電勢。 霍爾電勢與輸入電流 I、 磁感應(yīng)強度 B成正比，且當(dāng) I或 B的方向改變時， 霍爾電勢的方向也隨之改變。 目前常用的霍爾元件材料是 N型硅，它的霍爾靈敏度系數(shù)、 溫度特性、 線性度均較好。 第 4章 物性型傳感器 圖 413 （ a） 霍爾效應(yīng)原理圖； （ b） 圖形符號； （ c）外形 第 4章 物性型傳感器 集成霍爾傳感器 集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件、 放大器、穩(wěn)壓電源、功能電路及輸出電路等集成在一起的單片集成傳感器?；魻柤呻娐酚斜馄椒庋b， DIP封裝和軟封裝幾種。 UGN3501T在－ ~磁感應(yīng)強度范圍內(nèi)有較好的線性，超過此范圍則呈飽和狀態(tài)。因此，若允許不等位電勢輸出， 則可不接電位器。 （ 2） 當(dāng) I、 B兩者都為變量時，可構(gòu)成模擬乘法器、功率計等。 光的頻率越高， 攜帶的能量越大。s為普朗克常數(shù)； υ為光的頻率。 根據(jù)能量守恒定律， 要使電子逸出并具有初速度， 光子的能量必須大于物體表面的電子逸出功。 小于紅限頻率的入射光， 光再強也不會激發(fā)光電子； 大于紅限頻率的入射光， 光再弱也會激發(fā)光電子。 第 4章 物性型傳感器 2） （ 1） 光電導(dǎo)效應(yīng)：在光的作用下 ， 電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài) ， 從而引起材料的電阻率降低 。 如一只玻璃封裝的二極管 ， 接一只 50μA的電流表 ， 便不難驗證：二極管受光照時有電流輸出 ， 無光照時無電流輸出 。 倍增極數(shù)目一般為 4～ 14個 ， 增益G=106～ 108。 第 4章 物性型傳感器 圖 416 光電倍增管結(jié)構(gòu)原理圖 第 4章 物性型傳感器 2. 紫外線傳感器 紫外線傳感器是一種專門用來檢測紫外線的光電器件。 ）、 響應(yīng)速度快的特點。 紫外線傳感器的結(jié)構(gòu)和光電管的結(jié)構(gòu)非常相似，在玻璃管內(nèi)有兩個電極， 陰極和陽極。 紫外線傳感器的這種工作狀態(tài)與光電倍增管很相似。 第 4章 物性型傳感器 圖 418 （ a） 基本電路； （ b） 輸出波形 第 4章 物性型傳感器 光敏電阻又稱光導(dǎo)管 ， 是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電元件 ， 當(dāng)光照射時其電阻值降低 。 將 CdS粉末燒結(jié)在陶瓷襯底上，形成一層 CdS膜，用兩根引線引出。目前發(fā)展最快， 應(yīng)用最廣的是單晶硅及非晶硅光電池。 第 4章 物性型傳感器 常用的硅光電池是在 N型硅片上擴散硼形成 P型層 ， 分別引出電極 ， 再將受光面氧化以形成 SiO2保護膜即成 。當(dāng) E1000 Lx時，光生電壓開始進入飽和狀態(tài) , 用于低照度檢測并使負載電阻盡量大；而短路電流 I與光照度 E之間成線性關(guān)系，可用于高照度檢測并使負載電阻應(yīng)盡量接近短路狀態(tài)。 第 4章 物性型傳感器 光敏二極管正向伏安特性與普通二極管相似 ， 光電流不明顯； 反向特性受光照控制 。 國產(chǎn)光敏二極管一般有 2CU和 2DU兩種， 常用 2CU型。 國產(chǎn)光敏三極管的型號主要有 3AU、 3DU、 ZL系列，日本型號有 TPS、 PT、 PPT、 PH、 PS、 PN、 T等系列。當(dāng)光照射 PN結(jié)時， 由光電流控制晶閘管導(dǎo)通； 當(dāng)無光照時，晶閘管在陽極電流小于維持電流或陽極電壓過零時關(guān)斷。將釋放的電荷經(jīng)放大器可轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 如圖425所示為 LN074B型熱釋電傳感器的外形及內(nèi)部組成。 當(dāng)輻射繼續(xù)作用于熱釋電元件， 使其表面電荷達到平衡時， 便不再釋放電荷。 將兩個特性相同的熱釋電元件反極性串接， 可補償外界環(huán)境溫度和振動的影響。 平時 1端輸出低電平 ，2端輸出高電平 ， 當(dāng)檢測到人體移動時 ， 則 1端高 、 2端低 。平面型為壁掛式，如 S136； 球狀型為吸頂式，如 S9 RS8等。 PbS紅外光敏元件對近紅外光到 3 μ m波長的紅外光有較高的靈敏度， 并可在室溫下工作。 若在低溫下工作時 ， 可采用液態(tài)氮進行冷卻 。 電荷耦合器的基本結(jié)構(gòu)如圖 429所示，在一硅片上有一系列并排的 MOS電容，這些 MOS電容的電極以三相方式聯(lián)結(jié)， 即： 電極 7… 與時鐘￠ 1相連， 電極 8… 與時鐘￠ 2相連，電極 9… 與時鐘￠ 3相連。通常把這些被收集在勢阱中的信號電荷稱為電荷包。 這些光敏二極管在受到光照時， 便產(chǎn)生與入射光強度相對應(yīng)的電荷， 再通過電注入法將這些電荷引入 CCD器件的勢阱中， 便成為用光敏二極管感光的 CCD圖像傳感器。 PSD由 P襯底、 PIN光電二極管及表面電阻組成， 如圖 431所示， P型層在表面， N型層在底面， I層在中間。 VD1和 VD2有著不同光譜特性， 其短路電流比與入射光的波長有著一定的比例關(guān)系，只要測出短路電流的比值，就能知道入射光的波長，也就確定了入射光的色譜。 AN3301系列集成色彩傳感器的頻譜響應(yīng)特性（相對靈敏度與波長的關(guān)系）如圖 433（ d）所示， 其特性如表 414所示。 第 4章 物性型傳感器 圖 434 照度特性 第 4章 物性型傳感器 圖 435 放大電路 第 4章 物性型傳感器 光電傳感器的類型 1. 光電檢測的組合形式 光電傳感器按輸出信號有開關(guān)型和模擬型， 開關(guān)型用于轉(zhuǎn)速測量、 模擬開關(guān)、 位置開關(guān)等；模擬型用于光電式位移計、 光電比色計等。 如光電比色高溫計 、 光照度計等 。 第 4章 物性型傳感器 2. 光耦合器件 1） 光電耦合器 如圖 437所示，光電耦合器是把發(fā)光器件和光敏器件組裝在同一蔽光殼體內(nèi)，或用光導(dǎo)纖維把二者連接起來構(gòu)成的器件。 （ 2） 反射型光斷續(xù)器： 如圖 439所示，主要用于光電式接近開關(guān)、 光電自動控制、 物體識別等。 該器件可用于眾多使用光敏器件的場合， 使光敏器件的應(yīng)用變得更簡單、 可靠。 低電平放大器是一種低噪聲小電流放大器 ， 能對微安級的光電流進行放大 、 電平位移 ， 最后輸出可供電平探測器進行鑒別的電平 。 ULN3330D接上電源與負載后 ， 不需要其他元件就能工作 。纖芯為石英玻璃等材料制成的導(dǎo)光纖維細絲，直徑在 5～ 125 μ m范圍內(nèi)；包層材料的折射率 n2略低于纖芯材料的折射率 n1，包層外徑在 125～ 350 μ m范圍內(nèi)。 光以折射角 θ0在纖芯中行進 ， 至纖芯與包層界面時 ， 可能折射進入包層 ， 也可能繼續(xù)在纖芯中行進反射 。 sin(90176。 當(dāng)徑向往返平面波在兩界面間往返一周對應(yīng)于光波相位差恰好為 2π 的整數(shù)倍時，就可在截面內(nèi)形成駐波。能夠同時傳輸多個模式的光纖稱作多模光纖。 光纖傳感器的分類方法很多， 可按光纖在傳感器中的作用、 光參量調(diào)制種類、所應(yīng)用的光學(xué)效應(yīng)和檢測的物理量分類。 受激輻射的光子與外來光子有完全相同的頻率、 傳播方向和振動方向。 因而常設(shè)法使高能態(tài)的原子數(shù)目多于低能態(tài)的原子數(shù)目， 通常稱為 “ 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ” 。 一些高能態(tài)的原子自發(fā)地躍遷回基態(tài)， 輻射出自發(fā)光子來； 另一些沿諧振腔軸向運動的光子經(jīng)反射鏡反射， 沿軸向反復(fù)運動， 在運動的過程中又會激發(fā)高能態(tài)的原子而產(chǎn)生受激輻射。 第 4章 物性型傳感器 圖 444 激光諧振腔原理圖 第 4章 物性型傳感器 2. 激光器 綜上所述 ， 激光器必須具備： 工作物質(zhì) 、 激勵能源和諧振腔三部分 。 它與固體激光器相比，在結(jié)構(gòu)和性能上有很大差別。 其中 ， 以有機染料激光器較為突出 ， 它的最大特點是發(fā)生的激光波長可在一段范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào) ， 而且效率不會降低 。 第 4章 物性型傳感器 表 417 部分典型的激光器及其應(yīng)用