型传感器课件

1、型传感器第11章 新型传感器11.1 集成温度传感器11.2 磁敏传感器11.3 光纤传感器11.4 传感器在机器人中的应用型传感器集成温度传感器集成温度传感器 一、所谓集成传感器 就是在一块极小的半导体芯片上集成了包括就是在一块极小的半导体芯片上集成了包括温度敏感器温度敏感器件件、信号、信号放大电路放大电路、温度补偿电路温度补偿电路、基准电源电路等在内的、基准电源电路等在内的各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。 集成温度传感器与传统的热电阻、热电偶集成温度传感器与传统的热电阻、热电偶温度计相比最大的优点是：温度计相比最大的优点是：线性度好线性度好

2、、灵敏、灵敏度高度高 、输出信号大，且规范化标准化、输出信号大，且规范化标准化 二、优点二、优点集成温度传感器按信号输出形式分为：电流型集成温度传感器按信号输出形式分为：电流型 、 电压型电压型型传感器型传感器型传感器型传感器型传感器型传感器型传感器型传感器型传感器型传感器集成温度传感器集成温度传感器 三、AD590AD590系列集成温度传感器系列集成温度传感器 AD590AD590是电流型集成温度传感器，其输出电流与是电流型集成温度传感器，其输出电流与环境绝对温度成正比，所以可以直接制成绝对温度环境绝对温度成正比，所以可以直接制成绝对温度仪。仪。AD590AD590有有I I、J J、K K

3、、L L、M M等型号系列，采用金属等型号系列，采用金属管壳封装。管壳封装。 外形图外形图电路符号电路符号电源+电流输出端型传感器型传感器型传感器型传感器 美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。 数字

4、输出型IC温度传感器型传感器 、 DS1820DS1820的特性的特性u 单线接口：仅需一根口线与MCU连接；u 无需外围元件；u 由总线提供电源；u 测温范围为-55125，精度为0.5；u 九位温度读数；u A/D变换时间为200ms；u 用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。 型传感器DS 1820123GNDI/O VDD(a) PR35封装 DS1820的管脚排列DS182012345678I/OGND(b) SOIC封装NCNCNCNCVDDNC2 2、 DS1820DS1820引脚及功能引脚及功能 GND：地； VDD：电源电压 I/O：数据输入输出脚(单

5、线接口，可作寄生供电)型传感器 3 3 、DS1820DS1820的工作原理的工作原理 图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源寄生电源、温温度传感器度传感器、64位激光位激光ROM单线接口单线接口、存放中间数据的高存放中间数据的高速暂存器速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。存储器控制逻辑64bitROM和单线接口电源检测温度传感器高温触发器低温触发器8位CRC触发器存储器DS1820内部结构图型传感器寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时,电源

6、端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。寄生电源两个优点：n检测远程温度时无需本地电源；n缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源,则通过二极管向器件供电。(1 ) (1 ) 寄生电源寄生电源型传感器DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，

7、表3.4-1给出了DS1820温度和数字量的对应关系。型传感器温度/输出的二进制码对应的十六进制码+1251101000FAH+25100100032H+1/2000010001H0000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820温度与数字量对应关系表温度与数字量对应关系表 型传感器温度测量电路斜率累加器计数器1计数器2低温度系数晶振高温度系数晶振=0=0预置温度寄存器预置比较停止置位/清零加1(2) (2) 温度测量原理温度测量原理DS1820测量温度时使用特有的

8、温度测量技术，如图。型传感器集成温度传感器集成温度传感器 五、温度变送器温度变送器 温度变送器有三个品种：温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器直流毫伏变送器、热电偶热电偶温度变送器温度变送器和和热电阻温度变送器热电阻温度变送器。 将输入的直流毫伏信号及被测温度信号转换为将输入的直流毫伏信号及被测温度信号转换为4mA4mA20mA20mA DCDC和和IVIV5VDC5VDC输出的统一信号的装置称为变送器。这三种变输出的统一信号的装置称为变送器。这三种变送器在线路结构上都分为送器在线路结构上都分为量程单元量程单元和和放大单元放大单元两个部分，其两个部分，其中放大单元是通用的，量程单元随品种、测量

9、范围而变。中放大单元是通用的，量程单元随品种、测量范围而变。 所谓变送器所谓变送器型传感器集成温度传感器集成温度传感器 五、温度变送器温度变送器 温度变送器有三个品种：温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器直流毫伏变送器、热电偶热电偶温度变送器温度变送器和和热电阻温度变送器热电阻温度变送器。 型传感器集成温度传感器集成温度传感器 五、温度变送器温度变送器 温度变送器有三个品种：温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器直流毫伏变送器、热电偶热电偶温度变送器温度变送器和和热电阻温度变送器热电阻温度变送器。 型传感器集成温度传感器集成温度传感器 五、温度变送器温度变送器 温度变送器有三个品种：温度变送器有

10、三个品种：直流毫伏变送器直流毫伏变送器、热电偶热电偶温度变送器温度变送器和和热电阻温度变送器热电阻温度变送器。 型传感器集成温度传感器集成温度传感器 六、一体化温度变送器一体化温度变送器 一体化温度变送器是温度传感元件与变送电路的紧密结合体。一体化温度变送器是温度传感元件与变送电路的紧密结合体。它是一种小型固态化温度它是一种小型固态化温度变送器，与热电偶或热电阻安装在变送器，与热电偶或热电阻安装在一起，不需要补偿导线或延长线，由直流一起，不需要补偿导线或延长线，由直流24V24V供电，用两供电，用两线制线制方式连接，输出方式连接，输出4mA4mA20mADC20mADC标准信号。其原理框图如标

11、准信号。其原理框图如下下。 一体化温度变送器原理框图一体化温度变送器原理框图 型传感器温度传感器温度传感器典型应用典型应用 一、金属表面温度的测量金属表面温度的测量 二、热电偶炉温控制系统 型传感器温度传感器温度传感器典型应用典型应用 三、采用集成温度传感器的数字式温度计采用集成温度传感器的数字式温度计 型传感器温度传感器温度传感器典型应用典型应用 四、电动机保护器电动机保护器 型传感器磁敏传感器磁敏传感器 n磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应，但作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研制出第一个实用的磁敏

12、元件；1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。目前上述磁敏元件已得到广泛的应用。n磁敏传感器主要有磁敏电阻磁敏电阻、磁敏二极管磁敏二极管、磁敏三极管磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器霍尔式磁敏传感器。型传感器 6.1 磁敏电阻器磁敏电阻器 磁敏电阻器（磁敏电阻器（Magnetic Resistance ）是基于磁阻效应的磁敏元件是基于磁阻效应的磁敏元件,也称也称MR元件。磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、元件。磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以

13、及磁敏交流放大器等。位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。一、磁阻效应一、磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。磁阻效应。型传感器在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子从一个电极流到另一个电极

14、所通过的路径就要比无磁场时的路从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路径长些，因此增加了电阻率。径长些，因此增加了电阻率。 当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度 B 的平方成的平方成正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为出来的磁阻效应方程为)273. 01 (220BB式中式中 B 磁感应强度为磁感应强度为B时的电阻率；时的电阻率； 0 零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率； 电子迁移率；电子迁移率； B 磁感应强度。磁感应强度。当电阻率变化为当电阻

15、率变化为B 0时，则电阻率的相对变化为：时，则电阻率的相对变化为：/0 = 0.2732B2 = K2B2由此可知，磁场一定时由此可知，磁场一定时电子迁移率越高电子迁移率越高的材料（如的材料（如InSb、InAs和和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。等半导体材料），其磁阻效应越明显。型传感器 当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。 磁阻效应还与磁敏电阻的形状、尺寸密切相关。这种与与磁敏电阻磁敏电阻形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应阻效应

16、。若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为 bLfBK1)(20 长方形长方形磁阻器件只有在磁阻器件只有在L(长度长度)b（宽度）的条件下，才表现（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把出较高的灵敏度。把Ll的纵长方形片，由于电子运动偏向一侧，必然产生霍尔效应，当霍尔电场EH对电子施加的电场力fE和磁场对电子施加的洛伦兹力fL平衡时，电子运动轨迹就不再继续偏移，所以片内中段电子运动方向和长度l的方向平行，只有两端才是倾斜的。这种情况电子运动路径增加得并不显著，电阻增加得也不多。LbBB几何磁阻效应II（a）（b）图(b)是在Lb长方形磁阻材料上面制作许多平行等间

17、距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势，这种栅格磁阻器件如图（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。实验表明，对于InSb材料，当B=1T时，电阻可增大10倍(因为来不及形成较大的霍尔电场EH)。型传感器 磁敏电阻通常使用两种方法来制作：磁敏电阻通常使用两种方法来制作： 一种是在较长的元件片上用真空镀膜方法制成，如图一种是在较长的元件片上用真空镀膜方法制成，如图(a)所示的许多短路电所示的许多短路电极极(光栅状光栅状)的元件；的元件； 另一种是另一种是由由InSb和和NiSb构成的共晶式半导体构成的共晶式半导体(在拉制在拉制 I

18、nSb单晶时，加入单晶时，加入1的的Ni，可得，可得InSb和和NiSb的共晶材料的共晶材料)磁敏电阻。这种共晶里，磁敏电阻。这种共晶里，NiSb呈具有一呈具有一定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在1 m左右，长约左右，长约100 m，许多这样的针横向排列，代替了金属条起短路霍尔电压的作用。由于许多这样的针横向排列，代替了金属条起短路霍尔电压的作用。由于InSb的的温度特性不佳，往往在材料中加人一些温度特性不佳，往往在材料中加人一些N型碲或硒，形成掺杂的共晶，但灵敏型碲或硒，形成掺杂的共晶，但灵敏度要损失一些。度要损失一些。在结晶制作过程

19、中有方向性地析出金属而制成磁敏电阻，如在结晶制作过程中有方向性地析出金属而制成磁敏电阻，如上图上图(b)所示。所示。 除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图(c)所示。磁敏所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。电阻大多制成圆盘结构。 二、磁敏电阻的结构二、磁敏电阻的结构型传感器 各种形状的磁敏电阻，其磁阻与各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图磁感应强度的关系如右图所示。由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。可见，圆盘形样品的磁阻最大。 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大的，且

20、受温度影响较大；因此，使用；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。方案。磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。型传感器磁敏电阻器的应用：磁敏电阻器的应用：1 作控制元件作控制元件 可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。磁通密度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。 2作计量元件作

21、计量元件 可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因数测量等诸多方面。数测量等诸多方面。 3作开关电路作开关电路 在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。 4作运算器作运算器 可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和开立方器等方面使用。开立方器等方面使用。 5作模拟元件作模拟元件 可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻抗模拟等方面使用

22、。抗模拟等方面使用。 型传感器磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用 根据铁磁根据铁磁物体对地磁的物体对地磁的扰动，可检测扰动，可检测车辆的存在，车辆的存在，可用于包括自可用于包括自动开门，路况动开门，路况监测，停车场监测，停车场检测，车辆位检测，车辆位置监测，红绿置监测，红绿灯控制等。灯控制等。 型传感器 锑化铟锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 InSb伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上图所示，电路原理图如下图所示。图所示，电路原理图如下图所示。 电路工作原理图InS

23、b伪币检测传感器工作原理与输出特性 当纸币上的磁性油墨当纸币上的磁性油墨没有进入位置没有进入位置1时，设输出时，设输出变化为零，如果进入位置变化为零，如果进入位置1，由于由于R2电阻增大，则输出电阻增大，则输出变化为变化为0.3mV左右；如果进左右；如果进入位置入位置3时，则仍为时，则仍为0；如；如果进入位置果进入位置4，则为，则为-0.3mV，如果进入位置如果进入位置5，则仍为，则仍为0，就这样产生输出特性，经就这样产生输出特性，经过放大、比较、脉冲展宽、过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达显示，就能检测伪币，达到理想效果。到理想效果。型传感器半导体半导体InSbInSb磁敏无接触

24、电位器磁敏无接触电位器 半导体半导体InSbInSb磁敏无接触电位器是半导体磁敏无接触电位器是半导体InSbInSb磁阻效应的典型应用之一。磁阻效应的典型应用之一。与传统电位器相比与传统电位器相比, ,它具有无可比拟的优点它具有无可比拟的优点: :无接触电刷、无电接触噪音、无接触电刷、无电接触噪音、旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半导体旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半导体InSbInSb磁磁敏无接触电位器是基于半导体敏无接触电位器是基于半导体InSbInSb磁阻效应原理，由半导体磁阻效应原理，由半导体InSbInSb磁敏电阻磁敏电阻元件和偏置磁钢组成；

25、其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称无接触电位器。无接触电位器。磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线090-90 该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。

26、其工作原理和输出电压随阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。旋转角度变化的关系曲线如图所示。型传感器6.3 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。 霍尔元件和磁敏电阻均是用霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高磁电转换元件，它们具有输

27、出信号大、灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍） 、工作、工作电流小、能识别磁场的极性、体积小、电路简单等电流小、能识别磁场的极性、体积小、电路简单等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。测和控制。 型传感器一、磁敏二极管的结构和工作原理一、磁敏二极管的结构和工作原理 1结构结构 磁敏二极管的磁敏二极管的P型和型和N型电极由高阻材料制成，型电极由高阻材料制成，在在P、N之间有一个较长的本征区之间有一个较长的本征区I，本征区，本征区I的一的一面磨成光滑的低复合表面面磨成光滑的低复合表面(为为

28、I区区)，另一面打毛，另一面打毛，设置成高复合区设置成高复合区(为为r区区)，其目的是因为电子，其目的是因为电子 空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向电流后就会在电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是知，磁敏二极管是PIN型的。型的。型传感器 当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压(P区为正区为正)，则有大量的空，则有大量的空穴从穴从P区通过区通过i区进入区进入N区，同时也有大量电子注入区，同时也有大量电子注入 P区，这样形成电流，只有少区，这样形成电流

29、，只有少量电子和空穴在量电子和空穴在i区复合掉。区复合掉。 当磁敏二极管受到如下图当磁敏二极管受到如下图 (b)所示的外界磁场所示的外界磁场H+(正向磁场正向磁场)作用时，则电子和空作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，区快，空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流减小。减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位

30、时间内进入由于r区而复合的电子和空穴数量区而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。就越多，载流子减少，外电路的电流越小。 当磁敏二极管受到如右图当磁敏二极管受到如右图(c)所示的外界磁场片所示的外界磁场片H- (反向磁场反向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向兹力作用而向I区偏移，由于电区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，子、空穴复合率明显变小，i区区的等效电阻减小，的等效电阻减小，则外电路的电则外电路的电流变大。流变大。 若在磁敏二极管上加反向偏压若在磁敏二极管上加反向偏压(P区的负区的负)，则仅有很微小的电，则仅有很微小的电流流过

31、，并且几乎与磁场无关。流流过，并且几乎与磁场无关。 因此，该器件仅能在正向偏压因此，该器件仅能在正向偏压下工作。下工作。利用磁敏二极管的正向利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。化的特性，即可实现磁电转换。型传感器结论：结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。 磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。 型传感器 3磁敏二

32、极管的主要特性磁敏二极管的主要特性 (1)磁电待性磁电待性 在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电持性。磁敏二极管的磁电持性。 磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下图所示。由图可知，单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，图所示。由图可知，单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。型传感器 (2)伏安特性伏安特

33、性 磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性，如图所示。从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度性，如图所示。从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度H下的作用，其下的作用，其伏安特性将是不一样。图伏安特性将是不一样。图 (a)为锗磁敏二极管的伏安特性；为锗磁敏二极管的伏安特性；(b)为硅磁敏为硅磁敏二极管的伏安特性。图二极管的伏安特性。图 (b)表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏安持性曲线上升很坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏

34、安持性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。快，表现出其动态电阻比较小。1 3 型传感器 (3)温度特性温度特性 一般情况下，磁敏二极管受温度影响较一般情况下，磁敏二极管受温度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量出电压变化量U，或者在无磁场作用时，或者在无磁场作用时，中点电压中点电压Um随温度变化较大。因此，在实随温度变化较大。因此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。际使用时，必须对其进行温度补偿。 互补式温度补偿电路互补式温度补偿电路 选用两只性能相近的磁敏二极管，按相选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面

35、相对或背反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背2R22RR 1R11RR IUkGs1 kGs1 1U 2U向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。此，互补电路还能提高磁灵敏度。型传感器 差分式电路差分式电路 如下图如下图(c)所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，还可以弥补互补电路的不

36、足。如果电路不平衡，可适当调节电阻还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和和R2。 全桥电路全桥电路 全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。困难。 热敏电阻补偿电路热敏电阻补偿电路 如下图如下图(e)所示。该电路是利用热敏电阻随温度的变化，而使所

37、示。该电路是利用热敏电阻随温度的变化，而使Rt和和D的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。型传感器 二、磁敏三极管的结构和工作原理二、磁敏三极管的结构和工作原理 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。法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大特点是基区较长，基区结构类似其最大特点是基区较长，基区结构类似

38、磁敏二极管，也有高复合速率的磁敏二极管，也有高复合速率的r区和本区和本征征I区。长基区分为输运基区和复合基区。区。长基区分为输运基区和复合基区。 2磁敏三极管的工作原理磁敏三极管的工作原理 当磁敏三极管当磁敏三极管未受到磁场未受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，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；少数载流子输入到，形成基极电流；少数载流子输入到c极，因极，因而基极电流大于集电极电流。而基极电流大于集电极电流。 当当受到正向磁场受到正向磁场(H +)作用时，由作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子向于磁场的作用，

39、洛仑兹力使载流子向复合区偏转复合区偏转 ，导致集电极电流显著，导致集电极电流显著下降；当反向磁场下降；当反向磁场(H -)作用时，载流作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。由此可知，增大。由此可知，磁敏三极管在正、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。明显变化。型传感器N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）图2.6-34 磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0; (b)H=H+;(c)H=H-1-运输基区；2-复合基区12型传感器 3. 磁敏三极管的

40、主要特性磁敏三极管的主要特性 (1)磁电特性磁电特性 磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。例如，国磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。例如，国产产NPN型型3BCM（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线，如左下图所示。近一条直线，如左下图所示。 (2)伏安特性伏安特性 磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。下右图磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。下右图(a)为不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性曲线；下右图为不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性曲线；下右图 (b)是磁

41、场为是磁场为1kG s，基极为，基极为3mA时，集电极电流的变化。由该图可知，磁敏三极管时，集电极电流的变化。由该图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于的电流放大倍数小于1。型传感器 (3)温度特性及其补偿温度特性及其补偿 磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行温度补偿。对于锗磁敏三极管，例如，温度补偿。对于锗磁敏三极管，例如，3ACM，3BCM，其磁灵敏度的温，其磁灵敏度的温度系数为度系数为0.8/；硅磁敏三极管；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为磁灵敏度的温度系数为-0.6/。对于硅磁敏三极管可用正温度系

42、数的普通硅三极管来补偿因温度而产生对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。具体补偿电路如图的集电极电流的漂移。具体补偿电路如图 (a)所示。当温度升高时，所示。当温度升高时，BG1管集电极电流管集电极电流Ic增加，导致增加，导致BGm管的集电极电流也增加，从而补偿了管的集电极电流也增加，从而补偿了BGm管因温度升高而导致管因温度升高而导致Ic的下降。的下降。 图图(b)是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作硅磁敏三极管的负载，当温度升高时，可以弥补硅磁敏三极管的负温度硅磁敏三极管的负

43、载，当温度升高时，可以弥补硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一致、磁极相反的磁致、磁极相反的磁敏三极管组成的差敏三极管组成的差分电路，如图分电路，如图(c)所所示，这种电路既可示，这种电路既可以提高磁灵敏度，以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，又能实现温度补偿，它是一种行之有救它是一种行之有救的温度补偿电路。的温度补偿电路。型传感器（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用 由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很

44、小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。着广泛的应用前景。 利用磁敏管可以作成磁场探测仪器利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量量10-7T左右的弱磁场。左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。

45、而用这种装置来检测磁场还可确定导来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。电流表。 此外此外,利用磁敏管还可制成转速传感器利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数能测高达每分钟数万转的转速万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。无触点电位器和漏磁探伤仪等。型传感器磁敏二磁敏二极极管漏磁探伤管漏磁探伤仪仪 磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈性而设计

46、的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈2、铁芯、铁芯3、放大器、放大器4、磁敏二极管探头磁敏二极管探头5等部分构成。将待测物等部分构成。将待测物1 (如钢棒如钢棒)置于铁芯之下，并使之置于铁芯之下，并使之不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感应的磁通为应的磁通为，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒上的裂纹旋至铁芯下，裂纹

47、处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。待测铁棒中的缺陷。型传感器（四）、常用磁敏管的型号和参数（四）、常用磁敏管的型号和参数 3BCM型锗磁敏三极管参数表型锗磁敏三极管参数表%10000ccBcIIIh参 数单位测试条件规范ABCDE磁灵敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B= 0.1T5101015 1520 202525击穿电压BUccoVIc=1.5mA2020252525漏电

48、流Icc0Vcs=6A200200200200200最大基极电流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW 45使用温度 -4065最高温度 75mA型传感器3CCM型硅磁敏三极管参数表型硅磁敏三极管参数表 A%10000ccBcIIIh参数单 位测试条件规范磁灵敏度%Ec=6VIb=3mAB= 0.1T5%击穿电压BUccoVIc=1020V漏电流Icc0Ice=6A5功耗mW 20mW使用温度 -4085最高温度 100温度系数%/ -0.10-0.25%/A型传感器2022-1-2159光纤传感器光纤传感器概述光纤传感器概述20世纪世纪70年代中期发展起来年代中期发展起来 优点，如不受电磁

49、干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和加速度、磁、电、声和pH值等各种物理量的测量，具有值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。极为广泛的应用前景。 型传感器2022-1-2160分类n光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。n单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为212 m，很

50、细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。 型传感器2022-1-2161各种装饰性光导纤维各种装饰性光导纤维 型传感器2022-1-2162 发光发光二极管产二极管产生多种颜生多种颜色的光线，色的光线，通过光导通过光导纤维传导纤维传导到东方明到东方明珠球体的珠球体的表面。在表面。在计算机控计算机控制下，可制下，可产生动态产生动态图案。图案。上海东方明珠上海东方明珠型传感器2022-1-2163光纤的结构n光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构如图所示。中心的圆柱体叫

51、做纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。 1光纤的结构光纤的结构型传感器2022-1-2164光纤的结构 型传感器2022-1-2165光纤的结构光纤的结构 型传感器2022-1-2166光纤传感器光纤传感器外形外形 型传感器2022-1-2167光纤的分类n(1)按光纤的折射率可分为阶跃型和梯度型。n(2)按传输模数可分为单模光纤和多模光纤型传感器2022-1-2168光纤的传光原理n光纤的传输是基于光的全内反射。 型传感器2022-1-2169n只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的 n光纤集光本领的术语

52、叫数值孔径NA nNA= sinc= n数值孔径反映纤芯接收光量的多少。 2212nn型传感器2022-1-2170光纤传感器的工作原理及类型特点n光纤传感器是将光源发出的光经过光纤再送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光。已调制的信号光再经光纤送入光探测器，经解调器解调后，最终获得被测量的参数。1光纤传感器工作原理光纤传感器工作原理型传感器2022-1-2171光纤传感器的工作原理及类型特点n按光纤在传感器中功能的不同，光纤传感器可分为两种类型，即非功能型(或称结构型、传光型)光纤传感器（又称光纤式

53、光电传感器）和功能性(或称物性型、传感型)光纤传感器。前者常使用多模光纤，而后者常使用单模光纤。2、光纤传感器的类型及组成、光纤传感器的类型及组成型传感器2022-1-2172光纤传感器组成示意图被 测 对 象光 纤 敏 感 元 件光 源光 探 测 器信 号 处 理 系 统光 纤光 纤被 测 对 象(a)(b)光 纤 敏 感 元 件光 探 测 器光 源信 号 处 理 系 统型传感器2022-1-2173光纤传感器的工作原理及类型特点n（1）抗电磁干扰能力强。常用光纤主要是由电绝缘、耐腐蚀的SiO2做成，工作时利用光子传输信息，因而不怕电磁场干扰，加之电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波没有

54、干扰；此外，光波易于屏蔽，外界光频性质的干扰也很难进入光纤。n（2）灵敏度高。n（3）重量轻、体积小。n（4）适于遥测。可以利用光通讯技术组成遥测网。3、光纤传感器的特点、光纤传感器的特点型传感器2022-1-2174光纤传感器的应用n因光纤传感器具有传输损耗小、灵敏度高、体积小、抗干扰能力强等特点。光纤传感器主要应用在下列场合：由于传感器传输距离远，可以用于危险作业；检验零部件细小部分；因安装场地窄小，不能使用其它传感器的场合；检验零部件上细小的颜色标记等。型传感器2022-1-2175光纤传感器的应用1、光纤加速度传感器、光纤加速度传感器 激光束激光干涉仪信号处理电路质量块M固定座单模参考

55、光纤分光板单模测量光纤型传感器2022-1-2176光纤传感器的应用2、光纤辐射温度传感器、光纤辐射温度传感器单波长测量原理：当达到某一温度时，会出现暗红色的辐射，随着温度增加，亮度也在加强。利用光电检测器测量亮度即光强的变化，便能检测温度。探测器前置放大校正线性化峰值/瞬时值V/IA/D显示光纤探头010mA050mV恒温控制型传感器2022-1-2177专用的光纤连接头及光纤插座专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与光纤与电光转换元件电光转换元件耦合时，两者的耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。连接头及光纤插座来完成。

56、型传感器2022-1-2178光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测 当光纤发出当光纤发出的光穿过标志孔的光穿过标志孔时，若无反射，时，若无反射，说明电路板方向说明电路板方向放置正确。放置正确。 光纤光纤 耦合器耦合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤型传感器2022-1-2179光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用遮断型光纤遮断型光纤光电开关光电开关出射光纤出射光纤接收光纤接收光纤型传感器2022-1-2180光纤的其他应用光纤的其他应用 军用光纤陀螺：军用光纤陀螺： 将激光射入绕成线将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转

57、时，座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械比机械陀螺高，无机械磨擦力。磨擦力。光纤内窥镜光纤内窥镜型传感器传感器在机器人中的应用传感器在机器人中的应用 机器人是由计算机控制的复杂机机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机重要的作用，正因为

58、有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。反应能力。 型传感器类别类别检测内容检测内容应用目的应用目的传感器件传感器件明暗觉明暗觉是否有光，亮度多少是否有光，亮度多少判断有无对象，并得到定判断有无对象，并得到定量结果量结果光敏管、光电断续器光敏管、光电断续器色觉色觉对象的色彩及浓度对象的色彩及浓度利用颜色识别对象的场合利用颜色识别对象的场合彩色摄影机、滤色器、彩色彩色摄影机、滤色器、彩色CCDCCD位置觉位置觉物体的位置、角度、距物体的位置、角度、距离离物体空间位置，判断物体物体空间位置，判断物体移动移动光敏阵列、光敏阵列、CCDCCD等等形状觉形

59、状觉物体的外形物体的外形提取物体轮廓及固有特征，提取物体轮廓及固有特征，识别物体识别物体光敏阵列、光敏阵列、CCDCCD等等接触觉接触觉与对象是否接触，接触与对象是否接触，接触的位置的位置决定对象位置，识别对象形决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径异常停止，寻径光电传感器、微动开关、薄光电传感器、微动开关、薄膜接点、压敏高分子材料膜接点、压敏高分子材料压觉压觉对物体的压力、握力、对物体的压力、握力、压力分布压力分布控制握力，识别握持物，控制握力，识别握持物，测量物体弹性测量物体弹性压电元件、导电橡胶、压敏压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料高分子

60、材料力觉力觉机器人有关部件（如手机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩指）所受外力及转矩控制手腕移动，伺服控制，控制手腕移动，伺服控制，正确完成作业正确完成作业应变片、导电橡胶应变片、导电橡胶接近觉接近觉对象物是否接近，接近对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜距离，对象面的倾斜控制位置，寻径，安全保控制位置，寻径，安全保障，异常停止障，异常停止光传感器、气压传感器、超声波光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传传感器、电涡流传感器、霍尔传感器感器滑觉滑觉垂直握持面方向物体的垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形位移，重力引起的变形修正握力，防止打滑，判修正握力，防止打滑，判