第四章常用传感器原理及应用

1、 本章学习要求：本章学习要求：1 1、了解传感器的分类、了解传感器的分类 2 2、掌握常用传感器测量原理、掌握常用传感器测量原理3 3、了解传感器测量电路、了解传感器测量电路第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 1 1、传感器定义、传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的传感器是借助检测元件将一种形式的信息信息转换成另转换成另一种一种信息信息的装置。的装置。 引引 言言 目前，传感器转换后的信号多为电信号，故从狭义目前，传感器转换后的信号多为电信号，故从狭义上讲，上讲，传感器传感器是把外界输入非电信号转换成电信号的装是把外界输入非电信号转换成电信号的装置置.2 2、传感器

2、的构成、传感器的构成 由由敏感器件敏感器件与与辅助器件辅助器件组成。敏感器件用于感受被测组成。敏感器件用于感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件对敏感器件物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件对敏感器件输出电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入输出电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入. .V3 3、传感器的分类、传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类 常见的被测物理量常见的被测物理量 机械量机械量: :长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转角、转数、质量、重量、力、压力、真空度、力矩、角、转数、质量、重量、力、压力、真空

3、度、力矩、风速、流速、流量。风速、流速、流量。 声：声：声压、噪声。声压、噪声。 磁：磁：磁通、磁场。磁通、磁场。 温度：温度：温度、热量、比热。温度、热量、比热。 光：光：亮度、色彩。亮度、色彩。(2)(2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类机械式机械式，电气式电气式( (电阻应变式，电感式，电容式，压电电阻应变式，电感式，电容式，压电式等式等), ), 光学式光学式等。等。 (3)(3)按被测量和工作原理联合分类按被测量和工作原理联合分类电阻应变式力传感器、电感式位移传感器、压电式加速电阻应变式力传感器、电感式位移传感器、压电式加速度传感器等。度传感器等。物性型：物性型：依靠依靠敏感

4、元件敏感元件材料本身物理性质的变化来实现材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如水银温度计。信号变换，如水银温度计。结构型：结构型：依靠传感器依靠传感器结构参数结构参数的变化实现信号转变，如的变化实现信号转变，如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .(4)(4)按信号变换特征按信号变换特征 能量转换型和能量控制型。能量转换型和能量控制型。 能量转换型：能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作，例直接由被测对象输入能量使其工作，例如，热电偶温度计如，热电偶温度计, ,压电式加速度计。压电式加速度计。 能量控制型：能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量

5、控制外部 供给能量的变化，例如，电阻应变片。供给能量的变化，例如，电阻应变片。(5)(5)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系4 4、传感器技术的发展、传感器技术的发展第一节第一节 电阻式传感器电阻式传感器1 1、变阻器式传感器、变阻器式传感器EE111LxRLEx L E ExRE VRmEE1RxR-RxmxmxmxmxxRRRRRRRRRREE1 考虑负载效应，有考虑负载效应，有)1 (1LxRRxLEEmRx/Rm 按测量类型按测量类型: : 按制作方式按制作方式: : 案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定重量设定

6、原材料原材料原理：原理：弹簧弹簧力力位移位移电位器电位器电阻电阻 案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：原理：钢丝钢丝收线圈数收线圈数电位器电位器电阻电阻第二节第二节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变片工作原理是基于电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应金属导体的应变效应，即外即外力力金属导体机械变形金属导体机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )电阻值变化。电阻值变化。 KRdRdrdrLdLRdR2dRdR)21 (21RdRLdLRdRK=常数常数dRdRK)21 (令令0灵敏度一般在灵敏度一般在1.73.6左右。金属应左右。金属应变片的灵敏度较低

7、，但温度稳定性好，变片的灵敏度较低，但温度稳定性好，用于测量精度要求较高的场合用于测量精度要求较高的场合. 二、半导体应变片二、半导体应变片 压阻效应：压阻效应：半导体单晶材料在沿某一方向受到外半导体单晶材料在沿某一方向受到外力作用时，力作用时，电阻率电阻率会发生相应变化的现象。会发生相应变化的现象。 压阻效应的产生原因：压阻效应的产生原因：半导体单晶在外力作用下半导体单晶在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率和载，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率和载流子浓度变化，从而导致流子浓度变化，从而导致电阻率电阻率的变化。的变化。 半导体应变片的工作原理就是基于半导体应变片

8、的工作原理就是基于压阻效应压阻效应。 制作程序制作程序：由单晶硅、锗一类半导体材料经切型由单晶硅、锗一类半导体材料经切型、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴而成。、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴而成。 优点：优点：灵敏度高，比金属应变片高灵敏度高，比金属应变片高505070倍，体积小倍，体积小。 缺点：缺点：温度稳定性和线性不如金属应变片温度稳定性和线性不如金属应变片。对于半导体应变片，对于半导体应变片，该项很小，可忽略该项很小，可忽略EdRdRdRdR)21 ( 半导体应变片受力后的电阻相对变化也可表示为：半导体应变片受力后的电阻相对变化也可表示为：灵敏度为：灵敏度为： ERdRK弹性弹性模量模量正

9、应力正应力压阻压阻系数系数VER1R2R3R4 电桥电路电桥电路 三、转换电路三、转换电路力力 应变应变 电阻变化电阻变化 电流或电压电流或电压？ 四四、电阻应变片的应用电阻应变片的应用 案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量 案例：案例：电子称电子称原理：原理：将物品重量通过悬臂梁转化将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过应变片转化为电结构变形，再通过应变片转化为电量输出。量输出。案例：案例：冲床生产记数和生产过程监测冲床生产记数和生产过程监测 案例：案例：机器人握力测量机器人握力测量案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破

10、适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。等破坏行为均可及时发现。电感式传感器分类电感式传感器分类第三节第三节 电感式传感器电感式传感器 优点：优点：灵敏度高（能测灵敏度高（能测0.1mm的位移）、线性较好的位移）、线性较好(非非线性误差线性误差0.1%)、输出功率大等。、输出功率大等。 缺点：缺点：频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低。频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低。自感式自感式互感式互感式可变磁阻式可变磁阻式涡流式涡流式 由于由于很小，可认为气隙磁场是均匀的很小，可认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：变气

11、隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上铁心上,衔铁和铁心间有一气隙衔铁和铁心间有一气隙 。线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁 线圈线圈自感量自感量L为：为：线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁这种传感器适用于较小位移这种传感器适用于较小位移的 测 量 ， 测 量 范 围 约 在的 测 量 ， 测 量 范 围 约 在0.0011mm左右。左右。002AAlRm002ARm由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略2002ANL dANdL20022 传感器传感器灵敏度：灵敏度：20022ANK 2 2、变

12、面积式、变面积式 3、螺管式、螺管式 特点：特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏度为一常数，因而线性度较好，量程范围可度为一常数，因而线性度较好，量程范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便，因而应用较为广泛。也较方便，因而应用较为广泛。铁芯铁芯线圈线圈衔铁衔铁 原理：原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致线圈的电感量发生变化。线圈的电感量发生变化。铁芯铁芯线圈线圈 原理：原理：衔铁随被测对象移动，线圈衔铁随被测

13、对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。电感量也因此而变化。 特点：特点：灵敏度更低，但测量范围大灵敏度更低，但测量范围大，线性也较好，同时自由行程可任意，线性也较好，同时自由行程可任意安排，制造装配方便，应用较广泛。安排，制造装配方便，应用较广泛。 以上三类以上三类自感式自感式传感器在实际应用时，一般由传感器在实际应用时，一般由两单一两单一结构对称组合，构成差动式自感传感器结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结。采用差动式结构可改善非线性，提高灵敏度，对电源电压及温度变化构可改善非线性，提高灵敏度，对电源电压及温度变化等外界

14、影响也有补偿作用，从而提高传感器的稳定性。等外界影响也有补偿作用，从而提高传感器的稳定性。 差动式电感传感器差动式电感传感器 (a) 变间隙型变间隙型 (b) 变面积型变面积型 (c) 螺管型螺管型 1线圈线圈 2 铁芯铁芯 3 衔铁衔铁 4 到杆到杆(a)(b)(c)差动变压器式传感器差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数是把被测量的变化转换成互感系数M的变的变化化。传感器本身是互感系数可变的变压器传感器本身是互感系数可变的变压器。因为它是基于互感变。因为它是基于互感变化的原理，故也称为化的原理，故也称为互感式互感式传感器。传感器。输出电压输出电压Eout=EW1-EW2，当铁，当

15、铁芯在中央位置时，芯在中央位置时，EW1=EW2 。双螺管线圈差动型传感器测量电路双螺管线圈差动型传感器测量电路 案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量三、电涡流式传感器三、电涡流式传感器原理：原理：将金属导体置于变化的磁场中，导将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电，这种电流的流线在体内就会产生感应电，这种电流的流线在导体内自行闭合，称为电涡流效应。导体内自行闭合，称为电涡流效应。 原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 线圈与金属线圈与金属板的距离板的距离金属板的金属板的电阻率电阻率金属板的金属板的磁导率磁导率线圈激励线圈激励角频

16、率角频率 产品：产品： 案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle 案例：案例：无损探伤无损探伤原理：原理：裂纹检测，缺陷造裂纹检测，缺陷造成涡流变化。成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管油管检测检测第四节第四节 电容式传感器电容式传感器 原理：原理：将被测量的变化转化为电容量变化。将被测量的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它它的电容量为：的电容量为：AC 极距变化型极距变化型 面积变化型面积变化型 介电常数变化型介电常数变化型 电容式传感器的三种类型：电容式传感器的

17、三种类型：1 1、极距变化、极距变化型型21AddCK 灵敏度：灵敏度： 驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。性能优越、使用方便。 最大的最大的应小于极板间距应小于极板间距的的1/51/10。因此极距变化。因此极距变化型电容传感器的量程范围在型电容传感器的量程范围在0.01m数百数百 m m。为了

18、提为了提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动的高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形式。灵敏度可提高一倍。形式。灵敏度可提高一倍。 2 2、面积变化型、面积变化型在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位移在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位移型两种。图为直线位移型。当动极板沿型两种。图为直线位移型。当动极板沿x方向移动时，方向移动时，动、静极板覆盖面积发生变化，电容量随之变化。动、静极板覆盖面积发生变化，电容量随之变化。Cbx 其电容量为：其电容量为：bdxdCK灵敏度灵敏度= =常数，输入与输出成线性关系常数，输入与输出成线性关系. . 角位移型：角位移

19、型：r2222rrA覆盖面积覆盖面积电容量电容量22rC 面积变化型面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位移的测量。移的测量。灵敏度灵敏度 22rddCK= =常数常数柱面线位移型柱面线位移型3 3、介电常数变化型、介电常数变化型 此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。两圆筒间的电容为：两圆筒间的电容为：)ln(21rRLC如果电极的一部分被非导电性液如果电极的一部分被非导电性液体所浸没时，则会有电容量的增体所浸没时，则会有电容量的增量量C产生：产生：)ln()(212rRlC外电极外电极内半径内

20、半径内电极内电极内半径内半径电极电极长度长度空气的介空气的介电常数电常数空气的介空气的介电常数电常数液体浸液体浸没长度没长度液位测量示意图液位测量示意图如果被测介质为导电性液体，内电极要用绝缘物（如聚乙烯）如果被测介质为导电性液体，内电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。此时覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。此时两极间的电容量为：两极间的电容量为：)ln(23rRlC中间介质的介电常数中间介质的介电常数绝缘覆盖层外半径绝缘覆盖层外半径液体浸没长度，即电极长度液体浸没长度，即电极长度电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等。电容传感器的

21、优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等。 产品：产品：电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计） 电容式接近开关：电容式接近开关： 测量头构成电容器的一个极板，另一测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化随之发生变化. .接近开关的检测物体，并接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。或粉状物体。第五节

22、第五节 压电式传感器压电式传感器 一一、压电效应压电效应 某些材料（如石英），当沿着一定方向受到外力作用某些材料（如石英），当沿着一定方向受到外力作用时，不仅产生机械变形，而且内部会被极化，表面产生时，不仅产生机械变形，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为象称为压电效应压电效应。压力压力 压电材料压电材料 产生电荷产生电荷 相反，在这些材料的某些方向上施加电场，它会产生相反，在这些材料的某些方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种现机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，

23、这种现象称为象称为逆压电效应逆压电效应或或电致伸缩效应电致伸缩效应。 二、二、 压电材料及其特性压电材料及其特性 常用的压电材料大致有三类：常用的压电材料大致有三类：压电单晶压电单晶、压电陶瓷压电陶瓷和和新型压电材料新型压电材料。光光轴轴电电轴轴机械机械轴轴zxyFxFx+-zxyFyFy + -zxyFyFy - + 由纵向压电效应产生的电荷量由纵向压电效应产生的电荷量q为：为：Fdq11作用力作用力纵向压电常数纵向压电常数 石英晶体：石英晶体：压电常数比较低，压电常数比较低，d11=2.3110-12C/N；良；良好的机械强度和时间及温度稳定性。适用于精确度和稳好的机械强度和时间及温度稳定

24、性。适用于精确度和稳定度要求特别高的场合。定度要求特别高的场合。 铌酸锂晶体：铌酸锂晶体：是人工拉制晶体。居里点高是人工拉制晶体。居里点高( (12000C) )，适于高温传感器；适于高温传感器；缺点：缺点：质地脆质地脆, ,抗冲击性差抗冲击性差, ,价格较贵价格较贵 2、压电陶瓷、压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体。如是一种经极化处理后的人工多晶体。如钛钛酸钡酸钡、锆钛酸钡锆钛酸钡。压电陶瓷特点：压电陶瓷特点：压电系数大，灵敏度压电系数大，灵敏度高，价格低廉，居里点较低。高，价格低廉，居里点较低。居里点或居里温度：居里点或居里温度：指材料可以在指材料可以在铁磁体铁磁体和和

25、顺磁体顺磁体之间之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当高于居里点温度，该时和材料有关的磁场很难改变。当高于居里点温度，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为而改变。这时的磁敏感度约为10-6。3 3、新型新型压电材料压电材料有些材料，如硫化锌有些材料，如硫化锌(ZnS)、氧化锌、氧化锌(ZnO)、硫化钙、硫化钙(CaS)、砷化镓、砷化镓(GaAs)等，等，既具有半导体特性，又有压既具有半导体特性，又有压电特性电特性。因

26、此，既可利用压电性能制作敏感器件，又可。因此，既可利用压电性能制作敏感器件，又可利用半导体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传利用半导体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传感器。感器。蒸镀金属蒸镀金属形成电极形成电极晶片两表面相当于电晶片两表面相当于电容器的两个极板容器的两个极板F + + + + + + + + - - - - - - - 两极板之间的压电材两极板之间的压电材料等效于电介质料等效于电介质压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为：压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为：压电元件可等效为一个具有压电元件可等效为一个具有一定电容的电荷源。电容器一定电容的电荷源。电容器

27、上的开路电压上的开路电压U0为：为：当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容形成传感器的并联寄生电容形成传感器的并联寄生电容Cc，传感器中的漏电阻和后，传感器中的漏电阻和后继电路的输入阻抗形成泄漏电阻继电路的输入阻抗形成泄漏电阻R0，等效电路为：，等效电路为：R0CcqCa 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无法保持不变，从而造成测量误差。因此，法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电不宜

28、利用压电式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量。+并联：并联：适于测缓变信号和以电荷为适于测缓变信号和以电荷为输出量的场合输出量的场合+串联：串联：适于测高频信号和以电压适于测高频信号和以电压为输出量的场合为输出量的场合 压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往是两片或多片进行串联或并联。是两片或多片进行串联或并联。四、测量电路四、测量电路 输出电荷量很小，输出电荷量很小，且压电元件本身且压电元件本身的内阻很大的内阻很大压电式压电式传感器传感器高输入阻抗高输入阻抗前置前置放大器放大器输出电压输

29、出电压或电荷或电荷电压电压放大器放大器电荷电荷放大器放大器可采用比例放大器。电可采用比例放大器。电路简单，但输出受到连路简单，但输出受到连接电缆对地电容的影响接电缆对地电容的影响目前常用目前常用U Uy yU Ui i传感器电容传感器电容电缆电缆电容电容放大器输入放大器输入电容电容电荷放大器：电荷放大器：高增益带高增益带电容反馈的运算放大器电容反馈的运算放大器若电荷放大器的开环增益足够大，放大器输出电压：若电荷放大器的开环增益足够大，放大器输出电压：yfUq C可见，在一定条件下，输出电压与传感器的电荷量成正可见，在一定条件下，输出电压与传感器的电荷量成正比，且与电缆电容无关。比，且与电缆电容

30、无关。压电式传感器动态特性好、体积小、重量轻，常用来测压电式传感器动态特性好、体积小、重量轻，常用来测量动态力、压力，特别是测量振动加速度的惯性拾振器量动态力、压力，特别是测量振动加速度的惯性拾振器大多采用压电式传感器。大多采用压电式传感器。加速度计加速度计 产品：产品：压力变送器压力变送器力传感器力传感器 第六节第六节 磁敏传感器磁敏传感器一、霍尔元件一、霍尔元件 霍尔效应霍尔效应将导电体薄片置于将导电体薄片置于磁感应强度为磁感应强度为B的的磁场中，磁场中，如果如果在在a、b端通以电流端通以电流I，则在，则在c、d端就会出现电位差。端就会出现电位差。霍尔效应原理：霍尔效应原理：在磁感强度为在

31、磁感强度为B的磁场中，电荷为的磁场中，电荷为q、运动速度为、运动速度为v的带电粒子，所受的磁场力的带电粒子，所受的磁场力洛仑兹力洛仑兹力，为，为 霍尔电势霍尔电势UH为：为：sinIBKUHH 霍尔元件一般由锗霍尔元件一般由锗(Ge)、锑化铟、锑化铟(InSb)等半导体材料制成。等半导体材料制成。霍霍尔元件尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。将霍尔片、稳压电源、由霍尔片、四根引线和壳体组成。将霍尔片、稳压电源、温度补偿电路和信号处理电路集成在同一个芯片上，即构成线性温度补偿电路和信号处理电路集成在同一个芯片上，即构成线性霍尔传感器。霍尔传感器。 霍尔传感器有单端输出和双端输出霍尔传感器有单端输

32、出和双端输出( (差动输出差动输出) )两种电路。两种电路。 开关型开关型霍尔传感器：由霍尔传感器：由霍尔元件、放大器、霍尔元件、放大器、施密特施密特整形电路整形电路和集电极开路输出等部分组成。和集电极开路输出等部分组成。 施密特触发器的工作特点：施密特触发器的工作特点： 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 电路有两个阈值电压。电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具

33、有如下图所示的传输特性值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性 。 o vI vO VOH VOL (a) VT+VT_ o vI vO1 VOH VOL (b) VT+VT_ 1 vovI 1 vovI关于施密特触发器关于施密特触发器 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器 霍尔传感器应用霍尔传感器应用（1）直流无刷电机的位置传感器，检测转子位置，以直流无刷电机的位置传感器，检测转子位置，以 实现换向实现换向霍 尔 元 件霍 尔 元 件H2面向转面向转子子N极方向极方向H2导导通 为通 为低 电低 电平平功率功率管管VT2导

34、通导通绕组绕组W2通通过电流过电流IW2S转子顺时转子顺时针旋转针旋转（2 2）测转角）测转角（3 3）电流传感器）电流传感器/ /钳形表钳形表 当电流流过导线，在导线周围产生磁场，磁场大小与电流大小当电流流过导线，在导线周围产生磁场，磁场大小与电流大小成正比，该磁场可通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件检测。成正比，该磁场可通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件检测。 （4）叶片和齿轮位置传感器）叶片和齿轮位置传感器（5 5）汽车速度测量）汽车速度测量1 1一轴一轴 2 2一外壳一外壳 33电路电路 4 4一定子一定子55线圈线圈 6 6一霍尔元件一霍尔元件 7 7一永磁转子一永磁转子（6 6）电

35、动自行车）电动自行车/ /霍尔电机霍尔电机（7）铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS 案例：案例：输油管检测用管道猪输油管检测用管道猪(Pigging)(Pigging) 霍尔元件霍尔元件可用来测量磁场强度、位移、力、速度、角度等。其可用来测量磁场强度、位移、力、速度、角度等。其特点是体积小、使用间便、无接触测量，但受温度影响较大，在特点是体积小、使用间便、无接触测量，但受温度影响较大，在做精密测量时应作温度补偿。做精密测量时应作温度补偿。 二、磁敏电阻二、磁敏电阻 磁阻效应磁阻效应当一载流导体置于磁场中时，其电当一载流导体置于磁场中时，其电阻会随磁场变化。磁敏电阻就是基于磁阻效应工作的。阻

36、会随磁场变化。磁敏电阻就是基于磁阻效应工作的。 磁阻效应磁阻效应是伴随是伴随霍尔效应霍尔效应同时发生的一种物理现同时发生的一种物理现象。运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用而发生偏转象。运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用而发生偏转后，其从一个电极到另一个电极所经过的途径，要比无后，其从一个电极到另一个电极所经过的途径，要比无磁场作用时所经过的途径长些，因此增加了电阻率。磁场作用时所经过的途径长些，因此增加了电阻率。 磁阻效应磁阻效应与半导体材料的迁移率、几何形状有关。与半导体材料的迁移率、几何形状有关。一般迁移率愈高，元件长宽比愈小，磁阻效应愈大一般迁移率愈高，元件长宽比愈小，磁阻效应愈大. .

37、 制造磁敏电阻的材料：制造磁敏电阻的材料：锑化铟锑化铟( (InSb),),砷化铟砷化铟( (InAs) )等。等。 磁电阻测量实验磁电阻测量实验外接电阻外接电阻磁阻器磁阻器R12VNS 处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源的分处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源的分压电路中，通过对压电路中，通过对R的调节可以调节磁阻器件中电流的大小，电的调节可以调节磁阻器件中电流的大小，电压表联接压表联接1或或2可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。 实用的磁敏电阻在无磁场时的初始电阻值实用的磁敏电阻在无磁场时的初始电阻值R0可达

38、几百欧姆，可达几百欧姆，在磁感应强度在磁感应强度B=1.0T时，阻值时，阻值RB与与R0的比值可达的比值可达12左右。左右。 磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温度影响磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温度影响很大，制很大，制作工艺难度大，应用受到限制。作工艺难度大，应用受到限制。 三、磁敏管三、磁敏管 1 1、磁敏二极管、磁敏二极管 （1 1）磁敏二极管的结构）磁敏二极管的结构 有有硅硅磁敏二级管和磁敏二级管和锗锗磁敏二级管两种。磁敏二级管两种。+（b） （2 2）磁敏二极管的工作原理）磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理PNPNPNH=0H+H-电流电流电流电流电流

39、电流（a）（b）（c）I II II I电子电子空穴空穴复合区复合区 当磁敏二极管外加正向当磁敏二极管外加正向偏偏压，即压，即P区接电源正极，将有大区接电源正极，将有大量空穴从量空穴从P区注入到区注入到I区。若将区。若将其放入磁场中，则注入的空穴其放入磁场中，则注入的空穴和电子受洛仑兹力作用而发生和电子受洛仑兹力作用而发生偏转。当磁场方向使空穴，电偏转。当磁场方向使空穴，电子向子向r面面偏转时，它们将大量复偏转时，它们将大量复合，因而电流很小；当合，因而电流很小；当磁场方磁场方向使空穴，电子向向使空穴，电子向光滑面光滑面偏转偏转时，复合率变小，电流就大。时，复合率变小，电流就大。故故可根据某一

40、偏压下的电流值可根据某一偏压下的电流值来确定磁感应强度的大小和磁来确定磁感应强度的大小和磁场方向。场方向。 当磁敏二极管反向偏置时，在当磁敏二极管反向偏置时，在r区区仅流过微小电流，几乎与磁场仅流过微小电流，几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。 磁敏二极管优点：磁敏二极管优点：1 1）灵敏度高，约为霍尔元件的数百甚至上）灵敏度高，约为霍尔元件的数百甚至上千倍；千倍；2 2）可识别磁场方向，且线路简单，功耗小。）可识别磁场方向，且线路简单，功耗小。 缺点：缺点：灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，且受温度影灵敏

41、度与磁场关系呈线性的范围比较窄，且受温度影 响大。响大。 2 2、磁敏三极管、磁敏三极管 （1 1）磁敏三极管的结构）磁敏三极管的结构 在弱在弱P型或弱型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极，基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复基极和集电极，基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合率的合率的r区区和本征和本征I区区。长基区分为运输基区和复合基区。长基区分为运输基区和复合基区。cN+eH-H+bIrN+P+(a) 结构结构bce(b) 符号符号 末受磁场作用时末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散，由于基区宽度大于载

42、流子有效扩散长度，大部分载流子通过长度，大部分载流子通过e-I-b形成基极电流，少数载流形成基极电流，少数载流子输入到子输入到c极。因而形成基极电流大于集电极电流的情极。因而形成基极电流大于集电极电流的情况，使况，使l。 （1 1）磁敏三极管工作原理）磁敏三极管工作原理 由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。转速、位移等物理量。 当受到正向磁场当受到正向磁场(H+)作用时作用时，由于磁场的作

43、用，洛仑兹力使载，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降导致集电极电流显著下降，当反向磁场，当反向磁场(H-)作用时，在作用时，在H H- -的作用下，载流子向集电极一侧偏转，的作用下，载流子向集电极一侧偏转，使集电使集电汲电流增大汲电流增大。光电效应光电效应 第七节第七节 光电式传感器光电式传感器光光光电传感器光电传感器电量电量外光电效应外光电效应在光的在光的照射下，金属中的自由照射下，金属中的自由电子吸收光能而逸出金电子吸收光能而逸出金属表面的现象。如光电属表面的现象。如光电管和光电倍增管等。管和光电倍增管等。内光电效应内光电效应半导

44、体材料受光的半导体材料受光的照射后，其电导率发生变化的现象照射后，其电导率发生变化的现象称为称为光导效应光导效应，如，如光敏电阻；光敏电阻；而受而受光后产生电势的现象称为光后产生电势的现象称为光生伏特光生伏特效应，效应，如光电池和光敏晶体管等。如光电池和光敏晶体管等。 一、光敏电阻（又称光导管）一、光敏电阻（又称光导管） 原理：原理：光光半导体半导体材料材料电子电子空穴对空穴对导电性导电性能变化能变化 爱因斯坦是现代物理学的开爱因斯坦是现代物理学的开创者和奠基人。创者和奠基人。18791879年年3 3月月1414日生于德国，日生于德国，19551955年年4 4月月1818日日卒于美国的普林

45、斯顿。卒于美国的普林斯顿。19001900年年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学，学，19051905年获苏黎世大学博士年获苏黎世大学博士学位。他在物理学的许多领域学位。他在物理学的许多领域都有贡献，比如研究毛细现都有贡献，比如研究毛细现象、阐明布朗运动、建立狭义象、阐明布朗运动、建立狭义相对论并推广为广义相对论、相对论并推广为广义相对论、提出光的量子概念，并以量子提出光的量子概念，并以量子理论完满地解释光电效应、辐理论完满地解释光电效应、辐射过程、固体比热，发展了量射过程、固体比热，发展了量子统计。子统计。19211921年获诺贝尔物理年获诺贝尔物理学奖学奖( (解释光电

46、发射效应解释光电发射效应) )。 暗电阻：暗电阻：无光照时无光照时的阻值，一般为兆欧量的阻值，一般为兆欧量级。级。亮电阻：亮电阻：受光照时受光照时的阻值，一般为千欧以的阻值，一般为千欧以下。下。 光敏电阻响应时间光敏电阻响应时间一般为一般为250ms 光谱特性：光谱特性：可见光可见光硫化镉硫化镉(CdS)，硒化镉，硒化镉(CdSe)；紫外；紫外光光氧化锌氧化锌(ZnO)，硫化锌，硫化锌(ZnS)；红外光；红外光硫化铅硫化铅(PbS)，硒化铅硒化铅(PbSe)。 非线性光照特性：非线性光照特性： 不适宜做检测光通量不适宜做检测光通量变化的元件，常用作开变化的元件，常用作开关式光电传感器。关式光电

47、传感器。 二、光电池（二、光电池（基于光生伏特效应的光电元）基于光生伏特效应的光电元） PNPN结的形成：结的形成：在本征半在本征半导体中，掺以不同的杂质，导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为使其一边成为型型，另一边，另一边成为成为型型，在，在区区和和区区的的交界面处就形成一个交界面处就形成一个结。结。 扩散运动：扩散运动：由于载流子浓度差，由于载流子浓度差，型型区的区的空穴空穴( (多子多子) )向向型型区扩散，与区扩散，与N区区的自由电子复合；的自由电子复合；型型区的区的电子电子( (多子多子) )向向型型区扩散，与区扩散，与P区区的空穴复合。扩的空穴复合。扩散运动使散运动使区区失去空穴，

48、留下负离子，失去空穴，留下负离子，区区失去电子，留下正离子，形成一个失去电子，留下正离子，形成一个很薄的空间电荷区很薄的空间电荷区( (结结) )。在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或。在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散来的多数载流子被对方扩散来的多数载流子( (到了本区域后即成为少数载流子了到了本区域后即成为少数载流子了) )复合掉，即多复合掉，即多数载流子被消耗尽了，故又称此区域为耗尽层，其电阻率很高，为高电阻区。数载流子被消耗尽了，故又称此区域为耗尽层，其电阻率很高，为高电阻区。 漂移运动漂移运动：耗尽层形成的内电场将使：耗尽层形成的内电场将使N N区的少数载流子

49、区的少数载流子( (空穴空穴) )向向P区区漂移，漂移，使使P区区的少数载流子的少数载流子( (电子电子) )向向N区区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，二者达到动平衡时，向相反。扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，二者达到动平衡时，PN结结保持一定宽度和一定的接触电位差。保持一定宽度和一定的接触电位差。 光电池原理：光电池原理：在在N型型衬底上制造一薄层衬底上制造一薄层P型型层作为光照敏感层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时

50、，P型型区每吸收一个光子就产生一对光生区每吸收一个光子就产生一对光生电子电子- -空穴对空穴对，光生，光生电子电子- -空穴空穴对对的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型型区，空穴留在区，空穴留在P区区，所以所以N区区带负电，带负电，P区区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，间，PN结两侧就有一个稳定的结两侧就有一个稳定的光生电动势光生电动势输出。输出。 +-PN 用于光电池的半导体材料：用于光电池的半导体材料：硅，硅，硒，锗，硫化镉等。硒，锗，硫化镉等。 目前硅光电池应用最广泛目前硅光电池应用最广泛，性能，性能稳定，光

51、谱范围宽稳定，光谱范围宽(0.41.1um)，频，频率特性好，灵敏度率特性好，灵敏度68nA/(mm2lx)，响应时间为响应时间为s至数十至数十s。 硅光电池硅光电池可做成检测元件，用于测量光线的强弱；也可制成可做成检测元件，用于测量光线的强弱；也可制成电源使用，如太阳能硅光电池。电源使用，如太阳能硅光电池。 光电池应用：光电池应用： （1 1）用作光电检测）用作光电检测，可应用于红外探测、光电读出、，可应用于红外探测、光电读出、光电耦合、特性识别、光电自动控制、光电测量等。光电耦合、特性识别、光电自动控制、光电测量等。 （2 2）用作能源）用作能源，可组合成电池组，可将太阳能转换为，可组合成

52、电池组，可将太阳能转换为电能与镍镉电池配套使用，可作为人造卫星、宇宙飞船、电能与镍镉电池配套使用，可作为人造卫星、宇宙飞船、野外灯塔、无人气象站等的永久性电源。野外灯塔、无人气象站等的永久性电源。 光敏晶体管是一种利用光敏晶体管是一种利用受光照受光照时载流子增加时载流子增加的半导体光电元件，的半导体光电元件，具有一个具有一个P-N结结的称为光敏二极的称为光敏二极管，具有两个管，具有两个P-N结结的称为光敏的称为光敏三极管。三极管。 三、光敏晶体管三、光敏晶体管 1 1、光敏二极管、光敏二极管光光 透镜透镜 光敏二极管光敏二极管P-NP-N结结 光生载流子光生载流子 光电流光电流 与光敏电阻相比

53、，光敏二极管具有暗电流小，灵敏度与光敏电阻相比，光敏二极管具有暗电流小，灵敏度高等优点。一般在可见光作光源时，采用硅管；探测红高等优点。一般在可见光作光源时，采用硅管；探测红外线时，采用锗管。外线时，采用锗管。光敏二极管阵列：光敏二极管阵列：包含包含1024个个InGaAs(砷化铟镓砷化铟镓)元件的元件的线性光电二极管阵列，可用线性光电二极管阵列，可用于分光镜。于分光镜。 光敏二极管外形：光敏二极管外形： 案例：案例：光电鼠标光电鼠标就是利用就是利用LED与光敏晶体管组合来测与光敏晶体管组合来测量位移。量位移。 2 2、光敏三极管、光敏三极管 光敏三极管有两个光敏三极管有两个PN结结。与普通三

54、极管相似，有电。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基多数光敏三极管的基极没有引出线极没有引出线，只有正负，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。 四、固体图像传感器四、固体图像传感器 固体图像传感器的核心器件多是固体图像传感器的核心器件多是CCD(Charge Coupled Device) CCD以电荷作为信号以电荷作为信号，而不同，而不同于其他大多数器件是以电流或电压于其他大多数器件是以电流或电压为信号。为信号。CCD的基本功能是的基本

55、功能是电荷的电荷的存储和电荷转移存储和电荷转移。它存储由光或电。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在电荷便能在CCDCCD内作定向传输。内作定向传输。构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)金属金属- -氧化物氧化物- -半导体半导体) )结构。结构。 1 1、CCDCCD的基本原理的基本原理CCDCCD基本单元的结构基本单元的结构 电荷存储：电荷存储：在在栅极栅极G施加正偏压之前，施加正偏压之前，P型型半导体中空穴半导体中空穴

56、( (多数载流子多数载流子) )分布是均匀的。当栅极施加正偏压分布是均匀的。当栅极施加正偏压Ug( (此时此时Ug小于小于P型型半导体的阈值电压半导体的阈值电压Uth) )后，空穴被排斥，产生耗尽区，如后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图图(b)所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当当UgUth时时, ,半导体与绝缘体截面上的电势半导体与绝缘体截面上的电势( (常称为表面势常称为表面势, ,用用s表表示示) )变得如此之高，以至于将半导体内的电子变得如此之高，以至于将半导体内的电子( (少数载流子少数载流子) )吸引吸引到表面，形成一

57、层极薄的到表面，形成一层极薄的( (约约102m) )但电荷浓度很高的反型层但电荷浓度很高的反型层, ,如如图图(c)。反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能结构存储电荷的功能。 电荷的注入电荷的注入：CCD的电荷注入的方法有很多，归的电荷注入的方法有很多，归纳起来可分为纳起来可分为光注入光注入和和电注入电注入两类。两类。CIPTAneoqQ 1)1)光注入光注入：当光照射到：当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生半导体体内产生电子电子- -空穴对空穴对，其多数载流子被栅极电，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷摄像器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷QIP为：为： 2)2)电注入：电注入：电注入是通过输入结构对信号电压或电流电注入是通过输入结构对信号电压或电流进行电压流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信进行电压流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。号电荷。材料的量材料的量子效率子效率电子电子