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1、宁波大学信息学院,常用传感器原理及应用,一、温度传感器 二、光电传感器 三、霍尔传感器 四、超声波传感器,宁波大学信息学院,一、温度传感器,1、热电阻传感器 2、结温度传感器 3、集成温度传感器,宁波大学信息学院,1、热电阻传感器, 几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化-热电阻效应。 根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。 利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。 热电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电阻。,RTD以0阻值作为标称值。如：Pt100,宁波大学信息学院,（1）铂电阻,铂电阻与温度变化之间的关系为 当0t660时，Rt=R
2、0（1+At+Bt2） 当-190t0时， Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 R0，Rt分别为0和t的电阻值 A=3.9684710-3/ B=-5.84710-7/2 C=-4.2210-12/4,宁波大学信息学院,铜电阻输出阻值与温度之间的关系为 0-100，Rt=R0（1+t） R0，Rt分别为0和t的电阻值 铜电阻温度系数（4.2510-3- 4.2810-3/) R0分别为5和 。,（2）铜电阻,宁波大学信息学院,半导体热敏电阻是利用某些半导体材料的电阻值随温度变化的特性。 按物理特性，可分为三类： （）负温度系数的热敏电阻（）多用于温度测量和补偿； （）正温度系数的
3、热敏电阻（）用于恒温、加热控制或温度开关； （）临界温度系数的热敏电阻（）用于温度开关。,（3）半导体热敏电阻,宁波大学信息学院,负温度系数热敏电阻广泛应用。它是一种氧化物的复合烧结体，一般测量范围内的温度。,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,半导体结特性测温原理 结的反向电流随温度呈指数规律变化，硅二极管的电流方程为,宁波大学信息学院,T0,T1,T2,一定时,二极管的正向电压与被测温度成线性关系； 在一定的电流下，其正向电压随温度的升高而降低，故呈负温度系数,宁波大学信息学院,3、集成温度传感器,集成温度传感器是以晶体管作为感温元件，并将温敏晶体管及辅助电路集成在同一芯片上。单个晶体管基
4、极 发射极之间的电压在恒定集电极电流的条件下，可以认为与温度呈单值线性关系。,集成温度传感器的输出形式有电压型电流型。电压型的灵敏度为10mV/，电流型的灵敏度为1A/K。,宁波大学信息学院,AD590 （电流型）,AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：,1、流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度度数,2、AD590的测温范围为-55+150。,3、AD590的电源电压范围为4V30V。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。,4、输出电阻为710M。,5、精度高。有I、J、K、L、M五档，M档精度最高，误差为
5、0.3。,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,二、光电传感器,（1）光谱 光波： 波长为10106nm的电磁波 可见光：波长380780nm 紫外线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。,1、概述,宁波大学信息学院,光谱分布如图所示,宁波大学信息学院,光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效
6、应和内光电效应两大类。,外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,（2）光电效应,宁波大学信息学院,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类： A. 光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,内光电效应,宁波大学信息学院,过程：当光照射到半导体材料上时
7、，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,宁波大学信息学院,材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。,式中、分别为入射光的频率和波长。,为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即,宁波大学信息学院,B. 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势
8、的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。 势垒效应（结光电效应）。 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。,宁波大学信息学院,侧向光电效应。 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部
9、分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。,宁波大学信息学院,2、光敏电阻,光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。,(1)光敏电阻器的结构与特性: 光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成.,宁波大学信息学院,光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬
10、底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳子状图案.,宁波大学信息学院,（2）光敏电阻器的种类 光敏电阻器可以根据光敏电阻器的制作材料和光谱特性来分类。 按光敏电阻器的制作材料分类 光敏电阻器按其制作材料的不同可分为多晶光敏电阻器和单晶光敏电阻器， 还可分为硫化镉(CdS)光敏电阻器、 硒化镉(CdSe)光敏电阻器、 硫化铅(PbS)光敏电阻器、 硒化铅(PbSe) 光敏电阻器、 锑化铟(InSb) 光敏电阻器等多种。,宁
11、波大学信息学院,宁波大学信息学院,按光谱特性分类： 光敏电阻器按其光谱特性可分为: 可见光光敏电阻器 紫外光光敏电阻器 红外光光敏电阻器。 可见光光敏电阻器主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机和光报警器等电子产品中。 紫外光光敏电阻器主要用于紫外线探测仪器。 红外光光敏电阻器主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统中。,宁波大学信息学院,（3）光敏电阻器的主要参数 1亮电阻 （RL）是指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。 2暗电阻 （RD）是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。 3最高工作电压 （VM）是指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压。 4亮电流 （IL）是指在光照
12、射时，光敏电阻器在规定的外加电压受到光照时所通过的电流。 5暗电流 （ID）是指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。,宁波大学信息学院,6时间常数 是指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63%时所需的时间。 7电阻温度系数 是指光敏电阻器在环境温度改变1时，其电阻值的相对变化。 8灵敏度 是指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。,（4）常用的光敏电阻器,常用的光敏电阻器有MG41MG45系列,宁波大学信息学院,表 光敏电阻器的型号命名及含义,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,应用范围： 照相机自动测光 室内光线控制 报警器 工业控制 光控开关 电子玩具,宁
13、波大学信息学院,光电二极管，其基本结构也是一个PN结。结面积小，因此它的频率特性特别好。输出电流一般为几A到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。,3、光敏二极管和光敏三极管,宁波大学信息学院,光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光敏二极
14、管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,P,N,光,光敏二极管符号,RL,光,P,N,光敏二极管接线,(1) 光敏二极管,宁波大学信息学院,光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流.,受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外
15、加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,A. PIN管结光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。 由式 = CjRL与 f = 1/2知，Cj小，则小，频带将变宽。,P-Si,N-Si,I-Si,PIN管结构示意图,宁波大学信息学院,最大特点： 频带宽，可达10GHz; 在
16、反偏压下运用可承受较高的反向电压; 线性输出范围宽。 不 足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。 目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。,宁波大学信息学院,雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，
17、是目前响应速度最快的一种光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。,B. 雪崩光电二极管(APD),宁波大学信息学院,光电二极管的应用,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时
18、,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。,( 2 ) 光敏三极管,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,光敏三极管的主要特性：,光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,光谱特性,入射光,硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管
19、的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,宁波大学信息学院,伏安特性,光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,宁波大学信息学院,光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时
20、，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,光照特性,宁波大学信息学院,光敏晶体管的温度特性,光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,温度特性,宁波大学信息学院,光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,光敏三极管的频率特性,宁
21、波大学信息学院,宁波大学信息学院,光电开关的结构和分类:遮断型 反射型 反射型分为两种情况：反射镜反射型 被测物漫反射型（简称散射型）,4、光电开关,遮断型光电开关结构,宁波大学信息学院,反射型光电开关结构,反射式烟雾探测电路,宁波大学信息学院,透射式光电测速装置,宁波大学信息学院,5、 热释电红外传感器,热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。,热释电效应是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷变化的现象。,（a）在一定温度下产生极化。 （b）两种电荷分别吸引大气中的正负电荷，晶体呈电中性。 （c）温度的变化，使晶体内表面极化电荷减少，外表面电荷不能立即消失，外表面
22、产生电压。,工作原理：,宁波大学信息学院,结构及等效电路,宁波大学信息学院,人体温37度，会发出10um左右的红外线，该红外线通过菲泥尔透镜增强后聚集到热释电传感器上，向外释放电荷，后续电路即可检测。,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,三、霍尔传感器,霍尔效应简述,如图所示, 将一块载流导电板放入垂直于它的磁场中,当有电流通过导电板时,将在它的上、下两侧产生一个电位差。实验发现,在磁场不太强的情况下,该电位差VH 与电流强渡I 和磁感应B 成正比,与导电板的厚度d 成反比,即 VH = k ( I B/ d) 式中: VH 为霍尔电势或电压；k 为霍尔(灵敏度) 系数,V/AT。,宁波大学信
23、息学院,霍尔开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。,1、霍尔开关集成传感器,宁波大学信息学院,由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。,（1）霍耳开关集成传感器的结构及工作原理,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,（2）霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作
24、特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。,霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。,该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。,宁波大学信息学院,(3)霍耳开关集成传感器的应用 A.霍耳开关集成传感器的接口电路,RL,VAC,Vcc,Vcc,VAC,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向
25、垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，,随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时,如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合,对作用距离作合适的选择。,（4）给传感器施加磁场的方式,宁波大学信息学院,磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动的方式在传感器前方通过。,宁波大学信息学院,宁波大学信息学院,（1）霍尔线性集成传感器的结构及工作原理 霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组
26、成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。 在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。 霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。 霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。,2、霍尔线性集成传感器,宁波大学信息学院,单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，
27、将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。 双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。,宁波大学信息学院,（2）霍耳线性集成传感器的主要技术特性 传感器的输出特性如下图：,宁波大学信息学院,SS49/SS19 系列,宁波大学信息学院,应用1:距离测量,宁波大学信息学院,应用2:电流测量,宁波大学信息学院,四、 超声波传感器,超声波传感器是利用超声波的特性，实现自动检测的测量元件。 声波是一种机械波。声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。 人耳所能听闻的
28、声波其频率在2020000Hz之间，频率在2020000Hz以外的声波不能引起声音的感觉。 频率超过20000Hz的叫做超声波，频率低于20Hz的叫做次声波。,宁波大学信息学院,式中d晶体片厚度有关 n=1，2，3，是谐波的级数； E为杨氏模量对于石英晶体：E=7.70 为压电材料的密度。,根据共振原理，当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。,1、 超声波的发生,压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。,压电材料的固有频率为:,宁波大学信息学院,2、超声波的接收,在超声波技术中，除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。 当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷。这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。,宁波大学信息学院,3、超声波传感器结构,宁波大学信息学院,4、超声波测距电路原理,