智能仪器设计基础课件第二讲智能仪器的输入

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1、智能仪器设计基础（二）第二讲智能仪器的输入2.1传感器的分类物理传感器物性型传感器利用功能材料本身所特有的特性及效应把被测量转换为电量。结构型传感器以结构（形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被测信息转换为电量。化学传感器利用电化学反应原理，把无机、有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器核心是离子选择性敏感膜生物传感器利用生物活性物质选择性识别和测定生物化学物质的传感器两大部分构成：功能识别物质（酶，抗原，微生物，细胞等）电光信号转换装置（生物化学反应转换为电信号或光信号）22134567891011121314物性型：光敏特

2、性——光电效应、光纤传感器压敏特性——压电效应、压阻效应、压磁效应热敏特性——热电效应、热敏电阻湿敏特性——水分子亲和力型、非水分子亲和力型磁敏特性——霍尔效应、磁阻效应、磁敏管色敏特性——光谱型气敏特性——半导体气敏第二讲智能仪器的输入（1）物理传感器3第二讲智能仪器的输入外光电效应在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。爱因斯坦光电效应方程:入射光子能量=逸出功+光电子初动能红限频率(截止频率)产生光电效应的条件：红限频率与材料有关，而与光强无关普朗克常数：光子频率：电子一旦吸收了一个光子的能量，就可以立刻

3、从金属表面逸出，所以无须时间累积，响应时间不超过1ns4第二讲智能仪器的输入内光电效应（1）光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子-空穴对，从而使半导体材料产生电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。纯净半导体光子能量必须大于材料的禁带宽度Eg才能产生内光电效应，能使价电子跃迁到导带的光谱的最大波长称为截止波长，λ0≈1240/Eg(nm)。掺杂型半导体光子能量只要大于施主能级与导带底或者受主能级与价带顶能级差，截止波长λ0≈1

4、240/Ei(nm)光电导效应半导体受到光照时会产生光生电子－空穴对(electron-holepairs)，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管。光敏电阻光敏二极管光敏三极管5第二讲智能仪器的输入光生伏特效应光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区。当光照射到结区时，光照产生的电子－空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子

5、在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。内光电效应（2）短路电流开路电压N区流向P区光生电流正向二极管电流PN结反相饱和电流PN结正向偏压波尔兹曼常数K=1.3806505×10-23J/KPN结常数，1~2之间绝对温度电子电量1.6×10-19短路电流开路电压6第二讲智能仪器的输入硅光电池的特性内光电效应（3）硅光电池的光照特性曲线硅光电池的伏安特性曲线硅光电池的光谱特性曲线7第二讲智能仪器的输入侧向光生

6、伏特效应（Dember效应）当半导体光电器件的光灵敏面受光照不均匀时，由载流子浓度梯度而产生光电势的效应。光电磁效应（PEM效应）半导体受到强光照射，并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端间产生电势的现象称为光电磁效应，它可以看成是光扩散电流的霍尔效应。贝克勒耳效应（Becquerel效应）贝克勒耳效应是液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个同样的电极中的任一个电极时，两个电极间将产生电势的现象称为贝克勒耳效应。内光电效应（4）8第二讲智能仪器的输入光纤传感器（1）基本原理：光纤传感器是一种与以电为基础的传感器迥然

7、不同的传感器，它以光学测量为基础，是一种把被测量的状态转变为可测光信号的装置。它由光发送器、敏感元件（光纤或者非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。由光发送器发出的光经过源光纤导引到敏感元件，在这里光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变成电信号，最后经信号处理系统处理。光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(FunctionFiberOpticSensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纤传感器。前者是利

8、用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称