【正文】 如果外電路處于開路，則結(jié)的兩邊由于光激發(fā)而附加的多數(shù)載流子，促使固有結(jié)壓降降低，于是P型側(cè)的電極對于N型側(cè)的電極為V電位，如右圖所示。如圖：左圖所示為PN結(jié)處于熱平衡狀態(tài)時的勢壘。三、光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是利用光勢壘效應(yīng)。由上可知，材料的光導性能決定于禁帶寬度，光子能量E應(yīng)大于禁帶寬度Eg即。如：光敏電阻。 光電子逸出物體表面時具有初始動能。根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：一個光子的能量只能給一個電子，因此如果一個電子要從物體逸出表面，必須使光子能量E大于表面逸出功A0，這時逸出表面的電子就具有動能EK，其中是電子逸出初速度。從傳感器的角度看，光電效應(yīng)可分為兩大類型：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)（包括光電導效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)）一、外光電效應(yīng)指在光的照射下，材料中的電子逸出物體表面的現(xiàn)象。 167。二、電荷放大器 第七章 光電傳感器光電傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。由上式可知：當時。因此得到電壓幅值比和相角頻率比的關(guān)系曲線，如圖所示： 由圖可見，當壓電元件上的力是靜態(tài)力（=0）時，則。，如果沿壓電陶瓷電軸作用一個交變力，則所產(chǎn)生的電荷及電壓均按正弦規(guī)律變化，即：而 以復數(shù)的形式表示：， 。 測量電路根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述的兩種等效電路，與壓電元件配套的測量電路的前置放大器也有兩種形式：一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓成正比；一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。因此可以把壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器Ca的等效電路，也可以等效為一個電壓源U和一個電容器Ca串聯(lián)的等效電路。而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容量為。167。石英的居里點為573oC，在20~200oC范圍內(nèi)，壓電常數(shù)的溫度系數(shù)在106/C數(shù)量級；彈性系數(shù)較大，機械強度較高，若研磨質(zhì)量好時，可以承受700~1000kg/cm2的壓力，在沖擊力作用下漂移也較小。溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點，以期望得到寬的工作溫度范圍 時間穩(wěn)定性： 壓電特性不隨時間蛻變。機械性能 壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、機械剛度大，以期獲得寬的線性和高的固有振動頻率。167。對右旋石英晶體d11= 1012,d14= 1012。任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可以有下列方程組表示：其中分別表示垂直于X軸、Y軸和Z軸的表面上產(chǎn)生的電荷密度。第二個角標（或6）表示沿X軸、Y軸、Z軸方向的單向應(yīng)力和垂直于X軸、Y軸、Z軸的平面內(nèi)（即YZ、XZ、XY平面）作的剪切力。壓電方程和壓電常數(shù)壓電元件受到力F作用時，就在相應(yīng)的表面產(chǎn)生表面電荷Q，力F與電荷Q之間存在如下關(guān)系： —壓電系數(shù)。這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)，當沿Y軸施加正應(yīng)力時，電荷將出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，這種現(xiàn)象稱為橫向壓電效應(yīng)。當沿X、Y軸的力的方向改變后，電荷的極性也會改變。同理Y和Z軸方向不出現(xiàn)電荷。當晶體沿X方向受壓力作用時，晶體受壓縮而變形，正負離子相對位置發(fā)生變化，此時鍵角也隨之改變，電偶極矩在X方向上的分量由于P1的減少和PP3的增大而大于零，即P1+P2+P30，合偶極矩方向向上，并于X軸正向一致，在X軸正向的晶體表面出現(xiàn)正電荷，反向表面產(chǎn)生負電荷，而在Z軸方向上的分量為零，因此無電荷出現(xiàn)。 壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 高分子材料的壓電效應(yīng)石英的化學式為SiO2,在每一個晶體單元中它有三個硅離子和六個氧離子，在Z平面上的投影等效為正六邊形排列，如圖所示：當不受外力時，正負六個離子分布在正六邊形頂點上，形成三個互成1200夾角的電偶極矩P1，P2和P3。X軸為電軸，該電軸壓電效應(yīng)最為顯著，它通過六棱柱相對的兩個棱線，且垂直于光軸，顯然X軸有三個。如果對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械形變，外電場撤離，變形也隨著消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。近年來，由于電子技術(shù)飛躍發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪音、小容量、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器使用更為方便，集成化、智能化的新型電傳感器也正在被開發(fā)出來。第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器是一種有源的雙向機—電傳感器，它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)?；魻柺綁毫鞲衅魇紫扔蓮椥栽褖毫D(zhuǎn)化成位移，帶動霍爾元件移動形成霍爾電勢。五、霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例 霍爾式位移傳感器保持霍爾元件的恒定，是霍爾元件在一個均勻的梯度磁場中沿x方向移動，因為與B成正比，所以B在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化為常數(shù)，因此元件沿x方向移動時，兩邊積分得，可見與x成正比。（3） 電橋補償法霍爾元件的不等為電勢用調(diào)節(jié)的方法進行補償。 假設(shè)初始溫度為時有如下參數(shù)：—— 霍爾元件的輸入電阻 —— 選用的溫度補償電阻——被分流的電流 ——控制電流——霍爾元件的靈敏系數(shù)當溫度由升為時，且，其中分別為輸入電阻、分流電阻及靈敏度的溫度系數(shù)?；魻栐砂雽w材料制成，因此它的性能參數(shù)如靈敏度、輸入電阻及輸出電阻等也隨溫度變化而變化，同時元件之間參數(shù)離散性也很大，不便于互換，為此，對其進行補償是必要的。將其視為電橋的四個臂，即電橋不平衡，為使其達到平衡可在阻值較大的臂上并聯(lián)電阻，或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻。四、霍爾元件的補償電路不等位電勢的補償由于不等位電勢與不等位電阻是一致的，因此可以用分析其電阻的方法來進行補償。（6）熱阻 在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入的電功率時產(chǎn)生的溫升。③ 因控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。（4）不等位電勢及零位電阻霍爾元件通以控制電流而不加外磁場時，霍爾輸出端之間仍有空載電勢存在，該電勢就叫不等位電勢。規(guī)定在（）的條件測得。當達到熱平衡時，因此當霍爾元件作好之后限制額定電流的主要因素是散熱系數(shù)。通過電流的載流體產(chǎn)生焦耳熱。如果磁場與薄片法線有夾角，那么金屬中自由電子濃度很高，所以很小，輸出極小，不適宜作霍爾元件，霍爾元件都是由半導體材料制成的，如果是P型的，多子空穴濃度為，則，因（為材料電阻率，為載流子遷移率）一般電子遷移率大于空穴，所以霍爾元件多采用N型半導體，且為了增大靈敏度一般元件的厚度很薄，只有左右。所以。若電子以速度V按圖示方向運動，那么在B作用下所受力，同時，電場作用于電子的力，式中負號表示電場方向與規(guī)定方向相反。一、霍爾效應(yīng)與霍爾元件材料 霍爾效應(yīng)一塊長為，寬為，厚為的半導體薄片置于磁感應(yīng)強度為的磁場（磁場方向垂直于薄片）中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。167。 （3）電磁流量傳感器 傳感器安裝在工藝管道中，當導電流體沿測量管在磁場中與磁力線成垂直方向運動時，導電流體切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其值可用下式表示：，流經(jīng)測量管流體的瞬時流量與流速的關(guān)系是：。但是要受到傳感器體積和重量的影響?？梢?，要想獲得比較高的靈敏度需要① 采用磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的空氣隙長度。(b)圖為動鐵式，磁鐵和彈簧連在一起，原理與動圈式相同。永久磁鐵與線圈之間運動速度接近于振動體振動速度。(2) 恒定磁通式磁電傳感器在（a）圖中所示為動圈式，有永久磁鐵、線圈、彈簧和阻尼器組成，磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙是固定不變的。二、類型變磁通式磁電傳感器 這種類型的傳感器線圈和磁鐵固定不動，利用鐵磁性物質(zhì)制成一個齒輪（或凸輪）與被測物體相連而連動，在運動中齒輪（或凸輪）不斷改變磁路的磁阻，從而改變了線圈的磁通，在線圈中感應(yīng)出電動勢。當傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，為定值，感應(yīng)電動勢與或成正比，所以可以用磁電式傳感器測量線速度和角速度對測得的速度進行積分或微分就可以求出位移和加速度。 磁電感應(yīng)式傳感器一、工作原理當導體在磁場中運動切割磁力線時閉合導體回路中的磁通量發(fā)生變化，導體中就會出現(xiàn)感應(yīng)電流，導體中之所以會出現(xiàn)感應(yīng)電流是由于出現(xiàn)了感應(yīng)電動勢，閉合導體回路中感應(yīng)電動勢的大小與回路包圍的磁通量變化率成正比，即只要磁通量發(fā)生變化，就會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，其實現(xiàn)的方法有很多，主要有：（1） 線圈與磁場發(fā)生相對運動（2） 磁路中磁阻發(fā)生變化（3） 恒定磁場中線圈面積發(fā)生變化（4） 磁場強度發(fā)生變化當線圈垂直于磁場方向以速度運動切割磁力線時，當線圈以角速度轉(zhuǎn)動時。磁電感應(yīng)式傳感器和霍爾式傳感器都是磁電式傳感器，磁電感應(yīng)式傳感器是利用導體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的，霍爾式傳感器為載流半導體在磁場中有電磁效應(yīng)而輸出電動勢的。但是，要求（電源電壓）波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施，傳感器工作在平衡點附近，否則非線性增大，需接入高輸入阻抗放大器放大信號。(e)圖是變壓器式電橋，使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用，該電橋臂是電源變壓器二次線圈。實現(xiàn)調(diào)幅的方法比較多，常用的是交流激勵法和交流電橋法。目前轉(zhuǎn)換電路種類很多，一般歸結(jié)為兩大類型，一種為調(diào)制型，一種為脈沖型。 167。 在較低頻率下使用時，L及R可以忽略不計，只考慮Rp對傳感器的分路作用，當使用頻率增高時，就要考慮L及R的影響。二、等效電路 L為傳輸線的電感，R為傳輸線的有功電阻，在集膚效應(yīng)較小的情況下，即當傳感器的激勵電壓頻率較低時，其值甚小，C為傳感器的電容，Cp為歸結(jié)A、B兩端的寄生電容，與C是并聯(lián)的。 應(yīng)該指出，隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成技術(shù)的高速發(fā)展，使電容傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷地克服。 寄生電容影響大。 電容式傳感器除了上述優(yōu)點外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨率高，能敏感、甚至更小的位移，由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差分結(jié)構(gòu)并接成橋式時產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進行高倍率放大，使儀器具有很高的