检测与转换ppt第8章

1、信息与电气工程学院第八章常用半导体传感器第二节气敏传感器第三节湿敏传感器第一节霍尔传感器信息与电气工程学院第八章常用半导体传感器 半导体传感器：用半导体敏感元件构成的传感器能够把力、热、光、磁、气、湿度、射线、离子等一些物理量、化学量和生物量转换成电量信号。特点：体积小、重量轻、精度高、成本低、便于集成化、 易于微机接口等。缺点：特性的分散性、温度不稳定性和易受干扰性。信息与电气工程学院第一节霍尔传感器一、工作原理、材料及结构特点 金属或半导体薄片，若在两端加控制电流I，并在薄片的垂直方向上加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场方向上（即霍尔输出端之间）将产生电动势UH（霍尔电动势、霍尔

2、电压）。（一）霍尔效应RH-霍尔常数；d-厚度信息与电气工程学院第一节霍尔传感器（二）材料及结构特点霍尔元件一般采用N型锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。霍尔元件的结构由霍尔片、引线和壳体组成。信息与电气工程学院第一节霍尔传感器（三）基本电路霍尔元件的基本电路：控制电流由E供给，RP为调节控制电流大小的调节电阻。Rf为一般电阻作为负载电阻。在磁场作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，以I或B，或两者同时作为输入信号输入，而输出信号则正比于I或B，或两者的乘积。信息与电气工程学院第一节霍尔传感器二、电磁特性（一）UH-I特性（二）UH-B特性 在磁场和环境温度一定时，UH-I呈现线性关

3、系。 在控制电流一定时，UH-B呈现不完全线性关系。信息与电气工程学院第一节霍尔传感器三、误差分析及误差补偿方法霍尔传感器输入、输出关系简单，且线性好，但是影响它的性能的因素及造成误差的原因很多，主要有以下几个方面： 实际上霍尔片总有一定长宽比Ll，而元件的长度比是否合适对霍尔电动势大小有直接关系。（一）元件的几何尺寸，电极接点大小对性能的影响信息与电气工程学院第一节霍尔传感器 不等位电动势是一个主要的零位误差，由于活霍尔元件的制造存在误差，致使有控制电流流过时，即使B=0，UH仍然存在。（二）不等位电动势U0及其补偿信息与电气工程学院第一节霍尔传感器（三）寄生直流电动势由于霍尔元件的电极不可

4、能做到完全欧姆接触，在控制电流极和霍尔电动势极上都可能出现整流效应。因此，当元件通以交流控制电流（不加磁场）时，它的输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电动势分量，这电动势就称为寄生直流电动势。信息与电气工程学院第一节霍尔传感器（四）感应电动势霍尔元件在交变磁场中工作时，由于引线布置不合理，在输出回路中也会产生附加感应电动势。感应电动势也是造成零位误差的一个因素。在磁路气隙中安置另一辅助霍尔元件，如两元件特性相同，可以起到较好的补偿效果。信息与电气工程学院第一节霍尔传感器（五）温度误差补偿 因为半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度随温度变化，故霍尔元件的性能参数，如内阻、霍尔电动势等也将随

5、温度变化。信息与电气工程学院第一节霍尔传感器高斯计 四、霍尔传感器的应用测量转速霍尔接近开关信息与电气工程学院第一节霍尔传感器霍尔传感器测量电流 四、霍尔传感器的应用霍尔钳形电流表信息与电气工程学院第二节气敏传感器 气敏电阻传感器（气敏电阻）可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。气敏电阻分为：一类：测量还原性气体（可燃性气体可燃性气体） 二类：测量氧气浓度 用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂按一定比例烧结而成的半导体器件。 半导体材料二氧化钛TiO2，其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。信息与电气工程学院第

6、二节气敏传感器 SnO2半导体气敏元件主要代表：TGS型、QM-N5型气体传感器 TGS2600气体传感器 TGS831 QM-N5 煤气-烟雾传感器 信息与电气工程学院第二节气敏传感器一、SnO2的基本性质SnO2对多种气体具有气敏特性，用烧结法或制膜法制备的多孔型SnO2 半导体材料，其导电率随接触的气体种类而变化。一般吸附还原性气体时电导率升高，而吸附氧化性气体时 其 电 导 率 降 低 。信息与电气工程学院第二节气敏传感器 实验证明，SnO2中的添加物质对其气敏效应有明显影响。信息与电气工程学院第二节气敏传感器二、SnO2气敏元件的结构SnO2气敏元件主要有三种类型：烧结型、薄膜型和厚

7、膜型。烧结型SnO2气敏元件是以多孔质陶瓷SnO2为基材，添加不同物质采用传统制陶方法进行烧结，用于检测可燃的还原性气体，工作温度约300，加热方式有直接加热式和旁热式两种。信息与电气工程学院第二节气敏传感器（1）直热式SnO2气敏元件缺点： 热容量小，易受环境气流影响； 测量回路与加热电路之间相互干扰，影响其测量参数； 加热丝在加热和不加热状况下产生涨缩，易造成接触不良信息与电气工程学院第二节气敏传感器（2）旁热式SnO2气敏元件优点： 热容量大，不易受环境气流影响； 将测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏原件接触，避免相互影响，结构稳定；信息与电气工程学院第二节气敏传感器三、SnO2气敏元件

8、的工作原理 烧结型SnO2气敏元件是表面电阻控制型气敏元件。制作元件的气敏材料是多孔质SnO2烧结体。在晶体组成上，锡与氧往往偏离化学计量比。如果氧不足，将出现两种情况，一种是产个氧空位，另一种产生锡间隙原子。这两种情况，在禁带靠近导电的地方形成施主能级，这些施主能级上的电子易激发到导带而参与导电。信息与电气工程学院第二节气敏传感器四、SnO2气敏元件的工作原理信息与电气工程学院第二节气敏传感器四、SnO2半导体气敏元件的特点（1）气敏元件阻值随检测气体浓度具有指数变化关系。（2）SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。（3）SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，可连续长时间 使用。（4）

9、元件结构简单，成本低，可靠性高，力学性能良好。 （5）对气体检测不需要复杂的处理设备。信息与电气工程学院第二节气敏传感器五、基本测量电路 信息与电气工程学院第二节气敏传感器六、烧结型SnO2气敏元件的基本特性1灵敏度特性 烧结型SnO2气敏元件，对多种可燃性气体和液体蒸气都有敏感性，其灵敏度视气体和液体蒸气不同而异。信息与电气工程学院第二节气敏传感器1灵敏度特性信息与电气工程学院第二节气敏传感器六、烧结型SnO2气敏元件的基本特性2温湿度特性 SnO2气敏允件易受环境温湿度影响。由于气敏元件与环境温湿度有一定依赖关系，所以在使用气敏元件时，为了提高仪器和设备的精度和可靠性，在电路中要加温湿度补

10、偿。信息与电气工程学院第二节气敏传感器六、烧结型SnO2气敏元件的基本特性3加热特性 SnO2气敏元件需要在加热状态下工作，加热温度影响元件的性能。加热温度是靠通过元件加热丝中的电流即施加于加热器上的电压提供的。元件加热电压变，元件电阻也相应地有所变化。根据这一特件，可以选择元件的工作条件，使元件在最佳加热状态下工作。信息与电气工程学院第二节气敏传感器六、烧结型SnO2气敏元件的基本特性4初期恢复特性 SnO2气敏元件在短期不通电的状态下存放后时通电时，元件并不能立即投入正常工作。信息与电气工程学院第二节气敏传感器六、烧结型SnO2气敏元件的基本特性5初期稳定特性 一般把通电开始到元件电阻达到初始稳定值的时间称为初始稳定时间，用它表不气敏元件的初期稳定性。气敏元件初始稳定时间随元件种类、表面温度等不同而异。信息与电气工程学院第二节气敏传感器六、烧结型SnO2气敏元件的基本特性6长期工作稳定性 烧结型SnO2气敏元件具有较长的工作寿命，具有元件电阻变