第10次课半导体、光纤传感器及传感器选用原则

1、潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院 传统传感器：以机机- -电转换电转换为基础，以电信号电信号为变换和传输载体，利用导线导线传输电信号。 光纤传感器：以光学量光学量为转换基础，以光信号光信号为变换和传输载体，利用光导纤维光导纤维传输光信号。第六节第六节 光纤传感器光纤传感器潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院 功能型光纤传感器是利用功能型光纤传感器是利用光纤光纤对环境变化的敏感性，对环境变化的敏感性，将将输入物理量输入物理量变换为调制的变换为调制的光信号光信号。 1 1）功能型光纤传感器）功能型光纤传感器一、分类一、分类光纤传光又传感光纤传光又传感第六节第六节 光纤传感器光纤传感器 图图a所示为光纤

2、在所示为光纤在均衡压力均衡压力作作用下，由于用下，由于光弹性效应光弹性效应而引起而引起光纤折射率、形状和尺寸的变光纤折射率、形状和尺寸的变化，从而导致光纤传播化，从而导致光纤传播光的相光的相位变化和偏振面旋转位变化和偏振面旋转；图图b所示为光纤在所示为光纤在点压力点压力作用作用下，引起光纤局部变形，使光下，引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而传播光散乱而增加损耗，从而引起引起光振幅光振幅变化变化。 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院第六节第六节 光纤传感器光纤传感器 主要由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插

3、主要由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤光纤发生发生机械变形机械变形，从而使光纤中，从而使光纤中传播的各模式传播的各模式光的相位光的相位发生变化，光纤的发射发生变化，光纤的发射光强光强出现强弱出现强弱变化变化，其，其振幅的振幅的变化与流速成正比变化与流速成正比，这就是光纤传感器测流速的工作原理。，这就是光纤传感器测流速的工作原理。 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院传光型光纤传感器是由传光型光纤传感器是由光检测元件光检测元件与与光纤传输回路光纤传输回路及及测量电路测量电路所组成的测量系统。其中光

4、纤仅作为光所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒介，所以又称为非功能型光纤传感器。的传播媒介，所以又称为非功能型光纤传感器。2 2）传光型光纤传感器）传光型光纤传感器第六节第六节 光纤传感器光纤传感器 光纤只传光光纤只传光潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院 其工作原理为：由激光光源其工作原理为：由激光光源(氢氢-氦激光氦激光)发出的光发出的光(频率为频率为fi)导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体体，由于振动物体 (被测体被测体)振动，产生散射振动，产生散射(频率为频率为fs)，被测物体的运动速度与多普勒频率之间

5、的关系为被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为 式中fi入射光频率，即激光源频率； fs散射光频率； n 发生散射介质的折射率； 入射光在空气中的波长； 被测物体的运动速度。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院二、光纤导光原理二、光纤导光原理第六节第六节 光纤传感器光纤传感器 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院第六节第六节 光纤传感器光纤传感器 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院三、应用光纤传感器应用相当广泛，尤其在下列情况下特别适应: 在高压、电磁感应噪音条件下的测试； 在危险和环境恶劣条件下的测试； 在机器设备内部的狭小间隙中的测试； 在远距离的传输中的测试。以光纤传感器为核心的远距离测试系统

6、远距离测试系统在过程检测和控制系统中的应用已成为当前的重点研究课题。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院四、应用举例：四、应用举例：第六节第六节 光纤传感器光纤传感器 测角度、角速度、位置潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院图图 热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关1 1 遮光板；遮光板； 2 2 双金属片双金属片当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传

7、感器如图。在Y形形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。到调制。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院光纤被夹在一对锯光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤齿板中间，当光纤不受力时，光线从不受力时，光线从光纤中穿过，没有光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿能量损失。当锯齿板受外力作用而产板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中光在微弯处有部分散射到包层中. 潍

8、坊学院机电学院潍坊学院机电学院图图 斜面反射式光纤液位传感器斜面反射式光纤液位传感器当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。的光强减小。 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院第七节第七节 半导体传感器半导体传感器 二、光敏传感器二、光敏传感器:一、磁敏传感器一、磁敏传感器:六、智能传感器六、智能传感器:四、热敏传感器：、热敏传感器：五、气敏传感器：五、气敏传感器：三、三、CCD固态图象传感器：固态图象传感器：霍尔元件霍尔元件 磁阻元件磁阻元件磁敏管磁敏管光敏电阻光敏电阻光敏二极管光敏二极管光敏三极管光敏三极管热敏电阻热敏电阻气敏电阻气敏电阻电

9、荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)传感器传感器+微型计算机微型计算机潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院 在磁场测量磁场测量以及利用磁场磁场作为媒介对位移、速度、加速度、压力、角度、角速度、流量、电流、电功率等许多非电量测量中，半导体磁敏元件半导体磁敏元件是一种重要的器件。 分类：分类：磁敏元件分霍耳元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁霍耳元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管敏三极管等。 主要材料材料有等。 这类器件的优点优点是结构简单，体积小，易于集成化，耐冲击，频响宽（从直流到微波），动态范围大，而且可以实现无接触检测，不存在磨损，抗污染，不产生火花，使用安全，寿命长，因此它在测量技术、自动控制和信

10、息处理等方面有广泛的应用。一、磁敏传感器（磁敏特性）一、磁敏传感器（磁敏特性）潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流(设载流子速度相设载流子速度相等等)流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应。siniBkVBH1 1、霍尔元件、霍尔元件霍尔电势霍尔电势kB霍尔常数，取决于材质、霍尔常数，取决于材质、 温度和元件尺寸；温度和元件尺寸；B磁感应强度；磁感应强度；电流与磁场方向的夹角。电流与磁场方向的夹角。i原理：原理：霍尔效应霍

11、尔效应潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院 霍尔元件多采用N型半导体材料型半导体材料。目前最常用的霍尔元件材最常用的霍尔元件材料料有锗锗(Ge)、硅、硅(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)等半导体材料。 霍尔元件越薄(d越小)，kB就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1m左右。霍尔元件材料霍尔元件材料d潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院霍尔元件组成：霍尔元件组成：霍尔元件的封装也基本相同。大部分霍尔集成片采用单列单列直插式塑料封装直插式塑料封装，有3或4个脚。 霍尔元件的输出电平很小，是微伏级微伏级。低噪音、高输入阻抗放大器将信号放大到和系统电子线路相兼容的电平。电压调整器或参考

12、电压源也是共有的， 为了使霍尔电压仅与磁场变化有关， 大部分传感器以恒流源供电。霍尔片（或霍尔集成片）、四根引线霍尔片（或霍尔集成片）、四根引线、壳体壳体所有的霍尔集成片霍尔集成片都具有基本相同的线路。在集成片的基底上除了霍尔元件霍尔元件外， 还有信号整定线路信号整定线路。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院霍尔元件在各种应用条件下所选用的原则霍尔元件在各种应用条件下所选用的原则: 1、磁场测量。若要求被测磁场精度较高,如高于0.5 ,那么通常选用砷化镓砷化镓霍尔元件,其灵敏度高,约为5-10mv/100mT。温度误差可忽略不计，且材料性能好，可以做的体积较小。在被测磁场精度较低，体积要求不高，

13、如精度低于0.5 时， 最好选用硅和锗硅和锗霍尔元件。 2、电流测量。大部分霍尔元件可以用于电流测量.要求精度较高时,选用砷化镓砷化镓霍尔元件;精度不高时,可选用砷化镓、硅、锗砷化镓、硅、锗等霍尔元件. 3、转速和脉冲测量。测量转速和脉冲时，通常是选用集成集成霍尔开关和锑化铟锑化铟霍尔元件。如在录像机和摄像机中采用了锑化铟锑化铟霍尔元件替代电机的电刷，提高了使用寿命。 4、信号的运算和测量。、信号的运算和测量。通常利用霍尔电势与控制电流、被测磁场成正比，并与被测磁场同霍尔元件表面的夹角成正弦关系的特性，制造函数发生器。利用霍尔元件输出与控制电流和被测磁场乘积成正比的特性，制造功率表、电度表等。

14、 5、拉力和压力测量。选用霍尔件制成的传感器较其它材料制成的传感器灵敏度和线性度更佳。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院将霍尔元件置于磁场中，从从 a端通入端通入电流电流i，根据霍尔效应，左半部左半部产生霍尔霍尔电势电势VH1,右半部右半部产生霍尔霍尔电势电势VH2，方向相反。，方向相反。c、d两端电势为两端电势为VH2-VH1。当改变磁极系统与霍尔元当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比到输出电压，其大小正比于位移量。于位移量。 应用应用该磁场采用了特殊形状的极靴,使磁感应强度的分布呈线性规律。 1 1）霍尔位移传感器）霍尔位移传感器潍坊学院机

15、电学院潍坊学院机电学院检测磁场检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。是霍尔式传感器最典型的应用之一。 将霍尔器件做成各种形式的将霍尔器件做成各种形式的探头，探头，放在被测磁场放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的测磁场的磁感应强度磁感应强度成成线性正比线性正比的电压。的电压。案例：案例：管道裂纹检测管道裂纹检测原理磁场强度变化导致传感器输出电压发生变化。铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院3)3)霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件霍尔元

16、件磁钢磁钢压力压力P霍尔压力传感器是霍尔压力传感器是利用弹性元件的变利用弹性元件的变形位移形位移,然后再利用然后再利用固接在弹性元件位固接在弹性元件位移部分的霍尔片在移部分的霍尔片在磁场中移动磁场中移动,使通过使通过霍尔片的磁感应强霍尔片的磁感应强度发生变化度发生变化,从而引从而引起霍尔电势的变化起霍尔电势的变化而工作的。而工作的。 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院4)4)霍尔转速传感器霍尔转速传感器霍尔转速传感器结构霍尔转速传感器结构当当金属齿金属齿经过霍尔传感器前端时，引起经过霍尔传感器前端时，引起磁场变化磁场变化，霍尔元件检测到磁场变化，霍尔元件检测到磁场变化，并转换成一个并转换成一个交

17、变电信号交变电信号，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围宽，输出信号精确稳定良好的矩形脉冲信号，测量频率范围宽，输出信号精确稳定,安装简单安装简单,防油防油防水防水,已在电力、汽车、航空、纺织、石化等测速领域得到广泛应用已在电力、汽车、航空、纺织、石化等测速领域得到广泛应用 。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院5 5）电流传感器）电流传感器原理霍尔元件输入电流变化导致传感器输出电压发生变化。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院2 2、磁阻元件、磁阻元件通常以电阻率的相对改变量来表示通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大

18、小磁阻的大小，即用，即用/(0)表示表示【=(B)-(0)】。】。 磁阻效应磁阻效应（Magnetoresistance Effects）是指某些某些金属金属或或半半导体导体的的电阻值电阻值随外加随外加磁场磁场变化而变化的现象变化而变化的现象。电阻的变化电阻的变化称称为磁阻（磁阻（MR）。 其中(0)零磁场时的电阻率； (B)在磁感应强度为B的磁场中的电阻率。由于)0()0(kRR因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量R/R(0)来表示来表示磁阻效应的大小。磁阻效应的大小。【R=R(B)-R(0)】利用半导体材料的利用半导体材料的磁阻效应磁阻效应(或高斯效应或

19、高斯效应)。原理：潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院当霍尔元件处于外磁场中时，载流子受洛仑兹力的作用发生偏转，在d 、 c两端分别积聚 、 电荷，形成霍霍耳电场。耳电场。 如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向外加电场方向(a b方向)运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应横向磁阻效应。若将图中a端和b端短路，则磁阻效应更明显。Fl=qvB左手定则FE=qE- -+ +xFEFlvabcd产生产生磁阻效应磁阻效应的的原理原理潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院b) R/R(0)与磁场的正负无关； c) 受温度系

20、数影响大；d) 磁感应的范围比霍尔元件大。 R-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5a) 当金属或半导体处于较弱磁场较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率R/R(0)正比于正比于磁感应强度B2；磁阻效应的特点磁阻效应的特点在强磁场强磁场(B 1)中R/R(0)与磁感应强度B呈线性线性关系。为获得较好的线性特性，应选择迁移率比较高迁移率比较高的半导体材料（如 n型锑化铟型锑化铟）。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院特点： 磁阻元件中的载流子在电场中漂移很短，频率响应频率响应极佳极佳。 磁阻元件是二端元件，特殊的有三端和四端元件，还有磁阻集成电路。主要用于位移位移和角度角度的检测和

21、无触点电位器无触点电位器等。用途： 目前，磁阻效应还广泛用于磁传感、磁力计、电子罗目前，磁阻效应还广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、车辆探测、盘、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、磁卡、硬盘硬盘)等领域。等领域。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院应用实例应用实例 锑化铟锑化铟 （InSb-In）薄膜磁阻元件电流传感器）薄膜磁阻元件电流传感器 检测微弱电流检测微弱电流 案例案例1同时改变两个同时改变两个InSb-In磁阻元件阻值磁阻元件阻值 ，潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院案例案例2 2磁阻效应位移传感器磁阻效应位移传感器 将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发

22、生位移时，元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院案例案例3 3InSb磁阻式齿轮传感器 基于磁阻效应磁阻效应原理的半导体InSb磁阻效应包括磁电阻率效磁电阻率效应应()和几何几何形状效应形状效应(表现为在相同磁场作用下，几何形状不同，半导体片电阻值出现不同的变化)两种。 用于旋转速度、角度、位置和方向的检测和自动控制。 由半导体半导体InSb磁敏电阻元件磁敏电阻元件和偏置磁偏置磁钢钢组成，如图所示，与相应模数磁性磁性齿轮齿轮(包括由铁、钢、矽钢片等软磁材料制成齿轮和由硬磁材料制成磁性齿轮)配合使用。 潍坊学院机电学院潍坊

23、学院机电学院 磁敏二极管和磁敏三极管是磁敏二极管和磁敏三极管是70年代发展出年代发展出来的新型磁敏传感器。来的新型磁敏传感器。3 3、磁敏管、磁敏管潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院晶体二极管的工作原理：晶体二极管的工作原理： 晶体二极管为一个由晶体二极管为一个由p型半导体和型半导体和n型半导体形成的型半导体形成的p-n结，在结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。 当不存在外加电压时当不存在外加电压时，由于，由于p-n结两边载流子浓度差引起的结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。扩散电流和自建电场引起

24、的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 当外界有反向电压偏置时当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流和电流I0。 当外加的反向电压高到一定程度当外加的反向电压高到一定程度时，时，p-n结空间电荷层中的结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生

25、大量电子电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。穿现象。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院磁敏二极管工作原理：磁敏二极管工作原理：给磁敏二极管加给磁敏二极管加正电压正电压时（时（P区接正，区接正，N区接负区接负） ，P区向区向i区注入空区注入空穴，穴，N区向区向i区注入电子。区注入电子。1）在）在没有外加磁场没有外加磁场时，大部分的空穴和电子分别流入时，大部分的空穴和电子分别流入N区和区和P区而产生区而产生电流，只有很少一部分载流子在电流，只有很少一部分载流子在i区或区或r

26、区复合，如图区复合，如图(a)所示。此时所示。此时i区有区有固定的阻值，器件呈稳定状态。固定的阻值，器件呈稳定状态。2）若给磁敏二极管）若给磁敏二极管外加一个磁场外加一个磁场B时，在正向磁场的作用下，空穴和电子时，在正向磁场的作用下，空穴和电子在洛仑兹力的作用下偏向在洛仑兹力的作用下偏向r区，如图区，如图(b)所示。由于空穴和电子在所示。由于空穴和电子在r区的复区的复合速率大，因此载流子复合掉的比没有磁场时大得多，从而使合速率大，因此载流子复合掉的比没有磁场时大得多，从而使i区中的载区中的载流子数目减少，流子数目减少，i区电阻增大区电阻增大,该区的电压降也增加，又使该区的电压降也增加，又使P

27、-i结与结与i-N结的结压降下降结的结压降下降 ，导致注入到，导致注入到i区的载流子数目减少。其结果是使区的载流子数目减少。其结果是使i区的区的电阻继续增大，其压降也继续增大，形成正反馈过程，直到进入某一动电阻继续增大，其压降也继续增大，形成正反馈过程，直到进入某一动平衡状态为止。平衡状态为止。3）当给磁敏二极管）当给磁敏二极管加一个反向磁场加一个反向磁场B-时，载流子在洛仑兹力的作用下均偏时，载流子在洛仑兹力的作用下均偏离复合区离复合区r，如图，如图(c)所示。其偏离所示。其偏离r区的结果与加正向磁场时的情况恰恰区的结果与加正向磁场时的情况恰恰相反，此时磁敏二极管的正向电流增大，电阻减小。相

28、反，此时磁敏二极管的正向电流增大，电阻减小。 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院优点：优点： 从以上的工作过程可以看出，磁敏从以上的工作过程可以看出，磁敏二极管是采用电子与空穴双重注入效应二极管是采用电子与空穴双重注入效应及复合效应原理工作的，具有及复合效应原理工作的，具有很高的灵很高的灵敏度敏度，约为霍尔元件磁灵敏度的数百至，约为霍尔元件磁灵敏度的数百至数千倍；数千倍； 由于磁敏二极管在正、负磁场由于磁敏二极管在正、负磁场作用下，其输出信号增量的方向不同，作用下，其输出信号增量的方向不同，因此利用这一点可以因此利用这一点可以判别磁场方向判别磁场方向。体体积小，功耗低积小，功耗低。u缺点缺点：有

29、较大的噪声、漂移和温度系数。有较大的噪声、漂移和温度系数。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院应用应用： 适于适于检测微弱磁场检测微弱磁场的变化，可用于的变化，可用于地磁测量仪地磁测量仪、磁力探伤仪磁力探伤仪和借助磁场触发的和借助磁场触发的无触点开关无触点开关。例如利用导线周围的磁场制成无接触电流表无接触电流表，利用磁场变化制成调制器、自动增益控制电路调制器、自动增益控制电路和无无触点电位器触点电位器，也用于也用于非接触转速、位移测量非接触转速、位移测量。 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院磁敏管的应用磁敏管的应用漏磁探伤仪漏磁探伤仪漏磁探伤仪原理图1 裂缝；2 磁敏管探头；3 铁芯；4 激励线圈；

30、5 被测棒材(a)(b)潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院二、二、 光敏传感器光敏传感器 光敏传感器通常是指能将光敏传感器通常是指能将光能光能转化成转化成电信号电信号的器件。的器件。工作原理是基于半导体材料的工作原理是基于半导体材料的光电效应光电效应。 （一）光敏电阻（一）光敏电阻（光电导效应）光电导效应） 光电导效应是指半导体材光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子料受到光照时会产生电子-空空穴对，使其导电性能增强。光穴对，使其导电性能增强。光线愈强，阻值愈低，这种光照线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称后电阻率发生变化的现象，称为为光电导效应光电导效应。基于这种效应。基

31、于这种效应的光电器件有的光电器件有光敏电阻、光敏光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管二极管、光敏三极管。 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院（二）光敏二极管和光敏三极管（二）光敏二极管和光敏三极管（光电导效应）光电导效应） 光敏二极管是一种既有一个光敏二极管是一种既有一个PN结又有光电转换功能的晶体结又有光电转换功能的晶体二极管。该二极管。该PN结位于管的顶部，以便接受光照。光敏二结位于管的顶部，以便接受光照。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。在无光照射时处于极管在电路中通常处于反向偏置状态。在无光照射时处于截止状态，反向电阻很大，反向电流（也称暗电流）很小。截止状态，反向电阻很大，反向电流（

32、也称暗电流）很小。当受到光照射时，当受到光照射时，PN结附近受光子轰击，产生电子与空结附近受光子轰击，产生电子与空穴，使少数载流子的浓度大大增加，形成光电流。穴，使少数载流子的浓度大大增加，形成光电流。 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 光敏三极管基本电路光敏三极管基本电路 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院（三）光电池（三）光电池（光生伏特效应光生伏特效应） 光生伏特效应光生伏特效应指半导体材料指半导体材料P-N结受到光照后产生结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。是常用的光生伏特型器件。+-PN

33、第八节第八节 半导体传感器半导体传感器 光源光源光电池光电池潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院（四）（四） 应用应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。式、反射式、辐射式四种基本形式。 被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测

34、量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院案例：案例：直射式光电转速传感器直射式光电转速传感器 开孔圆盘的

35、输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数。因此，孔数。因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，求得可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，求得被测转速被测转速 n 。 n转速转速f脉冲频率脉冲频率N圆盘开孔数圆盘开孔数Nfn 潍坊学院机电学院潍坊学院机

36、电学院案例：案例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。与光敏晶体管组合来测量位移。案例：案例：亮度传感器亮度传感器 通过检测周围环境的亮度，再与内通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。电能的目的。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院 随着半导体与光电技术的迅速发展，固态图象传感器也应运而生，生产工艺技术也发展迅猛。 固态图象传感器与普通图象传感器相比，具有体积小、失真小、灵敏度高、抗振动、耐潮湿、成本低等优点，因此被广泛应用于工业测量工业

37、测量和控制控制，尤其在图象识别图象识别领域应用更为广泛。同时，计算机软硬件技术的日新月异，也会给固态图象传感器的应用带来广阔前景。三、三、CCD固态图象传感器固态图象传感器潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构光敏元的结构是在半导体是在半导体(P型硅型硅)基片上形成一种氧化物基片上形成一种氧化物(如二氧化如二氧化硅硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属个金属-氧化物氧化物-半导体结构元半导体结构元 (MOS电容器电容器)。 在半导体硅片上按在半导体硅片上按线阵线阵或或面阵

38、面阵排列排列MOSMOS单元单元，如果，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。光生电荷图像。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院 特点特点: (1) 非接触检测非接触检测; (2) 响应快响应快; (3) 可靠性高可靠性高,维修简便维修简便; (4) 测量精度高测量精度高; (5) 体积小体积小,重量轻重量轻; 容易与计算机连接容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响受被测物体以

39、外的光的影响. 条形码扫描器条形码扫描器lml1l2(1) 宽度测量宽度测量(2) 外径测量外径测量(3) 主轴径向跳动测量主轴径向跳动测量.应用：应用：潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院（ ）前处理前处理案例：案例：光学文字 识别装置潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院案例：传真技术潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院数码相机数码相机GREY = RED*0.299 + GREEN*0.587 + BLUE*0.114 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院四、热敏传感器四、热敏传感器 半导体半导体热敏电阻热敏电阻的材料是一种由的材料是一种由锰、镍、铜、铁锰、镍、铜、铁等等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的

40、半导体，它具有金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数负的电阻温度系数，随，随温度上升而阻值下降温度上升而阻值下降。 典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。及温度特性如图所示。 潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院应用应用 温控器温控器热敏电阻热敏电阻潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院五、气敏传感器五、气敏传感器半导体气敏传感器半导体气敏传感器是利用是利用气敏气敏半导体材料，如半导体材料，如氧化锡、氧氧化锡、氧化锰化锰等金属氧化物制成等金属氧化物制成敏感元件敏感元件(气敏电阻)。当被测气体。当被测气体在

41、该半导体表面吸附后在该半导体表面吸附后,引起其电学特性引起其电学特性(例如电导率例如电导率)发生发生变化。变化。气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测气体测量、酒精浓度探测等方面。量、酒精浓度探测等方面。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器一氧化碳传感器一氧化碳传感器接触燃烧式气敏元件接触燃烧式气敏元件半导体气敏元件半导体气敏元件氧化锆气敏元件氧化锆气敏元件潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院六六、智能传感器、智能传感器 传感器一般指能够感知某种物理量

42、（如电、传感器一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、光、磁等）、化学量（如浓度、PHPH值等）、生物值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电信息的装置。信息的装置。 智能传感器是将智能传感器是将传感器传感器与与微型计算机微型计算机集成在集成在一块芯片上，其主要特征是将一块芯片上，其主要特征是将敏感技术敏感技术和和信息处信息处理技术理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。具有认知能力。潍坊学院机电学院潍坊学院机电学院智能智能倾角倾角传感器传感器数字温度传感器和数字温度传感器和温度监控器温度监控器IC JX2817是一款利用热敏电阻热敏电阻温度传感器探测环境温度的数字-温度变换器，可以在-3