第2章传感器概述

第2章传感器（1）传感器的组成和分类（2）传感器的主要技术指标2.1传感器概述定义：传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。电信号可以是电压、电流、频率、脉冲等。传感器究竟是什么？传感器组成：通常由敏感元件和转换元件

2部分组成。图2-1传感器组成方框图其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。当然，最简单的传感器只有一个敏感元件组成。如，光电晶体管、热电偶等。而且随着集成化、智能化的发展，很多功能部件集装到一体,越来越难对各部分进行简单划分。传感器技术是一门知识密集型技术。传感器的原理有各种各样，它与许多学科有关，其种类十分繁多，分类方法也很多，目前一般采用两种分类方法：1、按被测参数分类，如温度、压力、位移、速度等；2、按传感器的工作原理分类，如应变式、电容式、压电式、磁电式等。对于初学者和应用传感器的工程技术人员来说，先从工作原理出发，了解各种各样传感器传感器的基本特性传感器的结果是反映客观量，能否真实反映取决于它的基本特性，也即它的输入输出的关系。我们通常用静态特性和动态特性来衡量传感器的好坏。

静态特性------是指输入信号（被测量）的值处于稳定状态时（不随时间变化，或随时间变化缓慢）的输出与输入的关系。输入量x与输出量y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

式中：a0——输入量x为零时的输出量；

a1，a2，…，an——非线性项系数。传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移等。由于传感器的惯性和滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过程之中，所以传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特性来表示。动态特性-------是指输入信号（被测量）的值处于动态时（随时间而变化）的输出与输入的关系。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。而实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。我们重点介绍传感器的静态特性

1.灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比。用S表示灵敏度，即它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。（2-2）2.2.1传感器的静态特性例如：某一应变式传感器，当受到的外力X由1N增加到3N时，相应的输出电压Y由4mv增加到8mv,求S。解：ΔX=3-1=2N，ΔY=8-4=4mv所以，S=ΔY/ΔX=4/2=2mv/N图2-2传感器的灵敏度线性非线性S=tgθ=Δy/Δx=常数S=dy/dx(曲线某点的斜率）2.线性度线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性（如图2-3所示）。

图2-3线性度在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节，如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。如果输入量变化范围较小，我们常用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。图2-4几种直线拟合方法(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合传感器的线性度：是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值ΔLmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用γL表示，即式中：ΔLmax——最大非线性绝对误差；

YFS——满量程输出值。越小越好!

3.迟滞

传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞(如图2-5所示)。图2-5迟滞特性也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值ΔHmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，用γH表示，即（2-4）越小越好!产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。

4.重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度（见图2-6）。图2-6重复性5.漂移漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。式中：Δt——工作环境温度t偏离标准环境温度t20之差，即Δt

=t-t20；

yt——传感器在环境温度t时的输出；

y20——传感器在环境温度t20时的输出。(2-7)温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为20℃）时的输出值的变化量与温度变化量之比(ξ)来表示，即2.2.2传感器的动态特性(简单介绍）动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。由于传感器的惯性和滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过程之中，所以传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。〔函数关系为Y（t)=kx(t)〕为了说明传感器的动态特性，以动态测温为例。实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。如图2-7所示把一支热电偶从温度为20℃环境中迅速插入一个温度为100℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时热电偶测量的介质温度从20突然上升到100，而热电偶反映出来的温度从20℃变化到100℃需要经历一段时间，即有一段过渡过程。图2-7动态测温造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因，是温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。热电偶反映出来的温度与其介质温度的差值就称为动态误差。2.2压力传感器压力传感器种类较多，这里只介绍电感式、霍尔式和集成式压力传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。电感式压力传感器电感式压力传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为δ,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度δ发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。电感式压力传感器工作原理图

1—可动铁心；2—测杆；3—被测物图4—12可变气隙式电感测微计原理图霍尔压力传感器先看霍尔效应的演示霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势cdab可知霍尔电势可表示为霍尔压力传感器正是利用所测量外力对弹簧的形变影响霍尔元件在磁场中的位置，使产生的霍尔电势与压力成比例集成压力传感器所谓集成压力传感器是指将敏感元件和转换电路集成在一起2.3流量传感器单位时间内流过管道内某一截面的流体数量称为瞬时流量流量的测量方法1速度式流量传感器利用管道内流量敏感元件把流体的流速变换为压差、位移、转速、冲力、频率等对应信号来间接测量。2容积式流量传感器利用已知容积的容室在单位时间内排出流体的次数来测量3质量式流量传感器一种是体积通过密度转换为质量。另一种直接式，如热电式、惯性力式、动量矩式。超声波流量计

F1发射的超声波先到达

T1测量流量原理分类

时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。F1发射的超声波到达

F2的时间较短

频率差法测量流量原理：

F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差

f与被测流速v成正比。F2F1卡曼涡街流量传感器工作原理

卡曼涡街旋涡的发生频率式中，U1——旋涡发生体两侧平均流速（m/s）；

Sr——斯特劳哈尔数；

d——旋涡发生体迎面宽度；

m——旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比。涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响涡街流量计检测旋涡信号方式:①用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；②旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压；③检测旋涡发生体周围交变环流；④检测旋涡发生体背面交变差压；⑤检测尾流中旋涡列。检测漩涡频率的方法：电容检测法应力检测法热敏检测法超声检测法激光流量传感器

激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一，目前已被成功地应用于精密计量、军事、宇航、医学、生物、气象等各领域。激光传感器虽然具有各种不同的类型，但它们都是将外来的能量(电能、热能、光能等)转化为一定波长的光，并以光的形式发射出来。激光传感器是由激光发生器、激光接收器及其相应的电路所组成的。激光的本质

原子在正常分布状态下，多处于稳定的低能级状态。如果没有外界的作用，原子可以长期保持这个状态。原子在得到外界能量后，由低能级向高能级跃迁的过程，叫做原子的激发。原子处于激发的时间是非常短的，处于激发状态的原子能够很快地跃迁到低能级上去，同时辐射出光子。这种处于激发状态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光，叫做原子的自发辐射。进行自发辐射时，各个原子的发光过程互不相关。它们辐射光子的传播方向，以及发光时原子由高能级向哪一个能级跃迁(即发光的频率等都具有偶然性。因此原子自发辐射的光是一系列不同频率的光子混合。

激光的形成

激光是媒质的粒子(原子或分子)受激辐射产生的，但它必须具备下述的条件才能得到。

粒子数反转即处于低能级上的粒子数大于处于高能级上的粒子数。在这种情况下，光吸收是主要的。要实现光的放大，必须要使情况相反。这种不平衡状态分布叫做粒子数反转。可以通过气体放电或光照射等从外界供给能量的方法来获得粒子数反转分布。激光器的光振荡放大要想产生激光，单靠外界激发而得到的初级受激辐射是不行的。实际的激光器都是由一个粒子数反转的粒子系统(叫做工作物质)和一个光学共振腔组成。光学共振腔由两端为各种形状的曲面反射镜构成。最简单的光学共振腔是两面相互平行的平面反射镜，镜面对光有很高的反射率，而工作物质封装在有两个反射镜的封闭体中。当工作物质产生受激辐射时，受激辐射光在两反射镜之间作一定次数的往返反射，而每次返回时都经过建立了粒子数反转分布的工作物质，这样使受激辐射一次又一次地加强，这样几十次、几百次的往返，直至能获得单方向的强度非常集中的激光输出为止。我们把激光在共振腔内往返放大过程叫做振荡放大。被激发的工作物质中的某些原子受激辐射而放出光子，如果发射方向正好和腔轴线平行，则可能在腔内起放大作用。一部分偏离轴线方向的光子则跑出腔外而成为一种损耗。若光在来回反射过程中，放大作用克服了各种衰减作用(如共振腔的透射、工作物质对光的散射和吸收等)，就形成稳定的光振荡而产生激光，以很好的方向沿轴向输出。激光的特点

高方向性高方向性就是高平行度，即光束的发散角小。激光束的发散角已达到几分甚至可小到。所以通常称激光是平行光。高亮度激光在单位面积上集中的能量很高。一台较高水平的红宝石脉冲激光器亮度达比太阳的发光亮度高出很多倍。把这种高亮度的激光束会聚后能产生几百万摄氏度的高温。在这种高温下，就是最难熔的金属，在一瞬间也会熔化。

单色性好单色光是指谱线宽度很窄的一段光波。激光光谱单纯，波长变化范围小，与普通光源相比缩小了几万倍。高相干性相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质。普通光源是非相干光源，而激光是极好的相干光源。

由于激光具有上述特点，因此利用激光可以导向；做成激光干涉仪测量物体表面的平整度、测量长度、速度、转角；切割硬质材料等。随着科学技术的发展，激光的应用会更加普遍。

激光器

激光器的种类很多。按其工作物质可以分为气体、液体、固体、半导体激光器。激光流量传感器原理基于多普勒效应激光照射流动的微粒被散射，散射光的频率与入射光频率之差与流速成正比参数为入射光波长、两束入射光夹角、多普勒频率工作过程：激光源发出的激光束通过偏振器后由光束分解器分为两束再有焦点透镜聚焦在测定点，测定点的粒子引起的散射光由聚焦透镜导向光敏元件，即得到流速。光纤流量传感器一.光纤的结构

光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。图

光纤的基本结构与波导

二.传光原理

光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2(即n1＞n2)时(见图)，则一部分入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。图

光在两介质界面上的折射和反射依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有

(2-1)当θ1角逐渐增大，直至θ1=θc时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(θ2=90°)。对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc；由式(2-1)则有

(2-2)

可见，当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤后者是单模光纤。光纤流量传感器则利用流体的压力使光纤发生机械应变，从而导致光纤中传输的各模式的光的相位差发生变化，导致光强出现强弱变化，其振幅和流速成正比。2.4温度传感器温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。温度是与人类生活息息相关的物理量。在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度传感器的种类及特点

接触式温度传感器非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。1．常用热电阻

范围：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改进后可连续工作2000h，失效率小于1％，使用期为10年。2．管缆热电阻测温范围为-20～＋500℃，最高上限为1000℃，精度为0.5级。（－）接触式温度传感器3．陶瓷热电阻测量范围为–200～+500℃，精度为0.3、0.15级。4．超低温热电阻两种碳电阻，可分别测量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的温度。5．热敏电阻器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。l．辐射高温计用来测量1000℃以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2．光谱高温计前苏联研制的YCI—I型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为400～6000℃,是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。（二）非接触式温度传感器3．超声波温度传感器特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000℉的产品。4．激光温度传感器适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1％。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000℃，专门用于核聚变研究。PN结温度传感器热敏二极管温度传感器热敏晶体管温度传感器原理利用器件的输出电流随温度的变化关系，将温度变化通过器件与运放构成的电路转化为电压输出。设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。优点：输出线性好、测量精度高,传感驱动电路、信号处理电路等都与温度传感部分集成在一起,因而封装后的组件体积非常小,使用方便,价格便宜,故在测温技术中越来越得到广泛应用。本节简要介绍IC温度传感器的类型、基本原理、主要特性及其应用等有关问题。

IC温度传感器

IC温度传感器的分类电压型IC温度传感器；电流型IC温度传感器，数字输出型IC温度传感器。电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1μA/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10MΩ。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV／℃；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。电流型IC温度传感器的测温原理，是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。IC温度传感器就是依据半导体的温漂特性，经过精心设计而制造出来的集成化线性较好的温度传感器件。利用电流I与Tk的正比关系，通过电流的变化来测量温度的大小。IC温度传感器的测温原理

1.电流输出型温度传感器

工作原理如下图所示，V1和V2构成镜像恒流源，I1=I2；V3由几个与V4结构相同的晶体管组成；V4的PN结检测温度，UBE3和UBE4的差值ΔUBE加在电阻R上，

则I1为

式中，K为波耳兹曼常数；T为温度；n=I3/I4。由图可见，I0=2I1，

与绝对温度成正比。

图电流输出型温度传感器测温电路电压输出型集成温度传感器AN6701S有四个引脚，三种连线方式：(a)正电源供电，(b)负电源供电，(c)输出极性颠倒。电阻RC用来调整25℃下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范围内。这时灵敏度可达109~110mV/℃，在-10~80℃范围内基本误差不±1℃。输出AN6701(a)1243RC5~15VAN6701(c)10kΩRC3124

-+∞+100kΩ10kΩ100kΩAN6701(b)213输出4－5~－15VRC输出

集成数字温度传感器及温度控制器（DS1620）

基本特性

DS1620可用来检测温度，

测量温度范围为-55～125℃，

分辨率为0.5℃。

通过其内电路A/D转换，

输出温度值为9位二进制数字量。

最高位MSB是符号位，

0表示正数，

1表示负数。

因此有效位为8位，

测温范围为-55～125℃，

分辨力为0.5℃，

即最低位1LSB代表0.5℃。

例如，

-25℃的二进制数码为111001110，

十六进制数码为01CEH；

25℃的二进制数码为000110010，

十六进制数码为0032H。

DS1620也可用于温度控制。它有三个温度信号输出：THIGH、TLOW、TCOM。根据恒温要求，设定高温限制温度TH和低温限制温度TL后，若DS1620检测的温度大于或等于TH

，则THIGH端输出高电平；若DS1620检测的温度低于或等于TL，则TLOW端输出高电平；TCOM端输出具有滞回特性，当检测的温度超过TH时，输出跳变为高电平并一直保持高电平，只有当温度降到TL时，TCOM端才输出才跳变为低电平。利用THIGH、TLOW和TCOM输出的温度信号就可以用来控制温度。外形及管脚功能

DS1620有DIP封装和贴片式SOIC封装两种，

其八个引脚的功能如表9-13所示。

表DS1620的引脚功能

DS1620的基本应用方法在DS1620用来作简单的温度控制时，无需CPU，但必须在存储器中存入上下限温度TH、TL的值。在不使用CPU时，CLK/CONV（2脚）能用作温度启动转换，但RST必须为低电平，而CLK/CONV必须为高电平。若CLK/CONV被拉到低电平且在10ms内又变为高电平，则将进行一次温度转换。然后，DS1620转为空载状态，称为单步模式，即DS1620接收到一个温度转换指令后，执行一次温度转换。若CLK/CONV被拉到低电平并保持之，则转换将连续进行，直到CLK/CONV变为高电平为止，称为连续模式。典型的温控操作使DS1620工作在连续模式。当使用CPU时，DS1620将通过三线串行口通信。三线总线包含三个信号：RST复位信号、CLK时钟信号及DQ数据信号。工作时，CLK/CONV端用作时钟信号输入端，使DQ及RST信号同步，RST输入高电平，进行数据传输；当RST为低电平时，终止通信。数据通过三线接口通信时，LSB是第一位，即由低位向高位传送。

用于三线接口的指令如表9-14所示。

当发出有关指令后，

以后9个时钟周期即能输入或输出9位温度值，或者执行有关功能。

注意，

写入DS1620的仅仅是这些规约，若写入其他规约，

则可能引起器件损坏。

DS1620使用时无需外围元件，测温范围从-55～125℃，分辨力可达0.5℃，转换速度为1s，控制的极限温度由用户设置，存储在非挥发存储器中。另外，它由三线串行口来实现数据的读和写。采用DS1620组成的仪器风扇温控电路如图所示。

图中，

先在DS1620中设置上、下限温度值，如设上限为30℃，

下限为28℃，

则根据DS1620特性，

当仪器环境温度超过30℃时，5脚输出高电平，

促使场效应管2N7000导通，

仪器风扇通电工作，

使之散热降温。当温度降至28℃时，5脚输出低电平，

场效应管2N7000截止，仪器风扇停止工作。该电路不仅结构简单，

且可省电、

延长风扇电机寿命。

图

仪器风扇温控电路

光

电

温

度

计

光电高温计是以光学高温计为基础，

能自动连续测温的仪表。

它可以自动平衡亮度。

光电高温计采用了硅光电池代替人的眼睛感受辐射源的亮度变化，

排除了人为因素。

为了减少硅光电池性能参数的变化及电源电压波动对测量结果的影响，

光电高温计采用负反馈原理进行工作。

光电高温计的工作原理如下图（a）所示。

从被测物体17的表面发出的辐射能由物镜聚焦，

通过孔径光阑2和遮光板6上的孔3，

透过装于板6内的红色滤光片入射到硅光电池4上，

被测物体表面发出的光束必须盖满孔3，

这点可用瞄准系统观察、

调节。

瞄准系统是由瞄准透镜10，

反射镜11和观察孔12组成。

从反馈灯15发出的辐射能通过遮光板6上的孔5，

透过同一块红色滤光片也投射到同一个硅光电池4上。

在遮光板6的前面装有每秒钟振动50次的光调制器。

光调制器的原理如下图（b）所示，

激磁绕组通以50Hz的交流电，

由此产生的交变磁场与永久磁钢8相互作用，

使调制片7产生每秒钟50次的机械振动，

交替打开和遮住孔3与孔5，

使被测表面17和反馈灯15发出的辐射能交替地投射到硅光电池4上。

当反馈灯与被测表面的辐射亮度不同时，

硅光电池将产生一个脉冲光电流I，

他与这两个单色辐射亮度之差成正比。

此脉冲光电流经前置放大器13放大后，

再送到主放大器14进一步放大。

主放大器由倒相器、

差动相敏放大器和功率放大器组成。

功率放大器输出的直流电流通过反馈灯15，

该灯的亮度与流经的电流有一定关系。

当流经的电流变化到使其单色辐射亮度与被测物体的单色辐射亮度相同时，

则脉冲光电流接近于零。

这时通过反馈灯的电流大小就代表被测物体的辐射亮度，

也就代表了被测物体的温度。

选用温度刻度的电子电位差计16自动指示与记录通过反馈灯的电流大小。

由上述讨论可知，

稳态时反馈灯的亮度接近于被测物体的亮度。

图

WDL型光电高温计工作原理图(a)工作原理示意图；

(b)光调制器

红外测温仪

红外测温仪一般用于探测目标的红外辐射和测定其辐射强度，确定目标的温度。它采用滤光片可分离出所需波段，因而该仪器能工作在任意红外波段。下图为目前常见的红外测温仪方框图。

它的光学系统是一个固定焦距的透射系统，

物镜一般为锗透镜，

有效通光口径即作为系统的孔径光栏。

滤光片一般采用只允许8～14μm的红外辐射通过的材料。

红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，

安装时保证其光敏面落在透镜的焦点上。步进电机带动调制盘转动对入射的红外辐射进行斩光，将恒定或缓变的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。

图

红外测温仪方框图

光纤温度传感器

1.功能型功能型也称物性型或传感型，光纤在这类传感器中不仅作为光传播的波导,而且具有测量的功能。该类传感器利用某种参数随温度而变化的特性作为传感器的主体，即将其作为敏感元件进行测温。下图为三种应用光纤制作温度传感器的原理图。图功能型光纤温度传感器（a）利用光的振幅变化的传感器；（b）利用光的偏振面旋转的传感器；（c）、

（d）

利用光的相位变化的光纤温度传感器

2.非功能型下图是一个光纤端面上配置液晶芯片的光纤温度传感器。

它是将三种液晶以适当的比例混合，

在10～45℃之间，

颜色从绿到红，

这种传感器之所以能用来检测温度，

是因为利用了光的反射系数随颜色而变化的原理，

传输的光纤中光纤的光通量要比较大，

所以通常采用多模光纤。

在图所示的系统中，

照射部分和反射部分各用三根多模光纤，

精度为0.1℃。

图

利用液晶的光纤温度传感器

2.5气体传感器气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量输出的装置或器件。气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多,性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，按构成气体传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气体传感器。

半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；后者半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。半导体气体传感器按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。半导体气体传感器的机理半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使半导体电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。图

N型半导体吸附气体时器件阻值变化图半导体气体传感器类型及结构

1.电阻型半导体气体传感器

SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。图

半导体气体传感器的敏感元件(a)烧结型元件；(b)薄膜型元件(c)厚膜型元件93烧结型SnO2气敏元件其敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)内热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。

94（2）旁热式SnO2气敏元件加热器电阻值一般为30Ω～40Ω电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号7100目不锈钢网Ø18.4Ø123123456745°45°气敏元件外形和引出线分布

2.非电阻型半导体气体传感器非电阻型气敏器件也是半导体气体传感器之一。它是利用MOS二极管的电容—电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜。利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。

(1)MOS二极管气敏器件

MOS二极管气敏元件制作过程是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50~100nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如图14-5(a)所示。图MOS二极管结构和等效电路(a)结构；(b)等效电路；(c)C-U特性

(2)MOS场效应晶体管气敏器件钯-MOS场效应晶体管(Pd-MOSFET)的结构，参见图。图

钯—MOS场效应晶体管的结构：常数UG：栅压UT：ID是流过时的最小临界电压值漏极电流：在鈀－MOS场效应管中，UT会随空气中所含氢气浓度的增高而降低。电化学式气体传感器工作原理：利用电化学原理将被测气体的含量转化为电信号一般可分为：原电池式、可控电位电解式、电量式、离子电极式原电池式是通过检测电流来检测气体的体积分数可控电位电解式是通过测量电解时流过的电流检测电量式是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测离子式是通过测量离子极化电流来检测固体电解质气体传感器固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。一般认为，固体物质(金属或半导体)中，作为载流子传导电流的是正、负离子。可是，在固体电解质中，作为载流子传导电流的，却主要是离子。二氧化锆（ZrO2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。

纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100℃下，为正方晶系，2500℃下，为立方晶系，2700℃下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。接触燃烧式气体传感器

1、检测原理

可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10％)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA～200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。

AF2F1MR1R2CBDW2W1E0因为ΔRF很小，且RF1•R1=RF2•R2

这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与ΔRF成比例。在此，ΔRF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即ΔRF可用下式表示如果令则有ρ—检测元件的电阻温度系数；ΔT—由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；ΔH—可燃性气体接触燃烧的发热量；C—检测元件的热容量；Q—可燃性气体的燃烧热；m—可燃性气体的浓度[％(Vol)]；α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型红外吸收型应用较为广泛，主要工作原理为不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。高分子气体传感器应用高分子气敏材料完成气体检测，分为以下几种。高分子电阻式气体传感器浓差电池式气体传感器声表面波式气体传感器石英振子式气体传感器固态图像传感器图像传感器：利用光电器件的光－电转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件，固态图像传感器：在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像点”。特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC7～12V）、功耗小。该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。敏感元件主要有三大类：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）

CCD基本结构分两部分：MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列）。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。读出移位寄存器。

电荷耦合器件（CCD）

1.CCD基本结构CCD结构示意图

显微镜下的MOS元表面

电荷耦合器件（CCD）特点——以电荷作为信号。

CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移。

CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。

一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。CCD工作原理(1)MOS的结构2.CCD工作原理(2)电荷存储原理：当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。一个MOS光敏元结构

一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素；把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；

CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。CCD工作原理(2)电荷存储原理：265×180133×9066×4533×22分辨率（MOS元多少）不同的图象比较CCD工作原理(3)电荷转移原理（读出移位寄存器）光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCD电荷耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。

CCD工作原理电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。见图P1P1P2P2P3P3P1P1P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图(b)采用电注入方式。P1P2当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。P1P2P2P3P3P1P1P2P3P3t=t0t=t1P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3t=t2t=t3P2P1CCD固态图像传感器线阵CCD型面阵CCD型CCD固态图像传感器线型CCD图像传感器

线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅,如图所示。转移控制栅光积分单元不透光的电荷转移结构光积分区输出(a)(b)线型CCD图像传感器输出在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构光积分区输出转移栅(a)(b)线型CCD图像传感器输出

目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。面型CCD图像传感器面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式。二相驱动视频输出

行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区(a)图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。沟阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3

感光区

存储区析像单元

视频输出输出栅串行读出(b)

图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管

视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。CCD产品CMOS图像传感器

CMOS图像传感器从原理可分为无源像素传感器PPS(Passive-PixelSensor)和有源像素传感器APS(Active-PixelSensor)两大类。从结构上讲，主要包括光敏二极管型无源、有源像素图像传感器和光电栅型有源像素图像传感器。

下图简单的说明了光敏二极管型无源图像传感器和光敏二极管型有源图像传感器感光单元的结构

。

光敏二极管型CMOS图像传感器结构在光敏二极管型无源图像传感器中，光敏二极管受光照将光子变成电子，通过行选择开关将电荷读到列输出线上；在光敏二极管型有源CMOS图像传感器中，则通过复位开关和行选择开关将放大后的光生的电荷读到感光阵