传感器复习整理

从后到前依次是第一章至第八章。老师上课说的重点应该都在里面，但也会有遗漏，大家可以结合自己的总结进行完善。好好复习吧

希望我们都能取得好成绩！3、不等位电势U0：在额定控制电流I下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势。①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；

③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件？金属材料电子μ很高但ρ很小；绝缘材料ρ很高但μ很小;获得较强霍尔效应，霍尔片采用半导体材料制成。电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多

一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理

在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。

1、霍尔效应1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应UHbldIFLFEvB2、霍尔元件的工作原理设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时洛仑兹力：FL=-evB电场作用于电子的电场力为

当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，有eEH=evB故霍尔电场的强度为EH=vB所以，霍尔电压UH可表示为

UH=EHb=vBb流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvn（-e）v=-I/nebd所以：

UH=-BI/ned

n—N型半导体中的电子浓度p—P型半导体中的空穴浓度P型半导体

1.光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。PN光光敏二极管符号光敏二极管接线RL

光PN（三）、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。RE-+IPN当光照射时，光敏二极管处于导通状态。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。（1）光谱特性光敏三极管的主要特性：

存在一个最佳灵敏度的峰值波长2040608010040080012001600入射光波长/nm锗硅相对灵敏度（%）0硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。（2）伏安特性500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA024620406080光敏晶体管的伏安特性U/V将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。光敏晶体管的光照特性（3）光照特性

故光敏三极管既可做线性转换元件，也可做开关元件。近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0暗电流/mA10203040506070T/ºC25050光电流/mA100

02003004001020304050607080T/ºC（4）温度特性温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。（5）光敏三极管的频率特性

20406080100相对灵敏度（%）f(kHZ)

110

1000RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。

对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。

硅管的频率响应要比锗管好。光敏三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基区很薄；基极不接引线；集电极面积较大。

当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的β倍。RLEm—电子质量；v0—电子逸出速度。爱因斯坦光电方程：入射光成分不变，产生的光电流与光强成正比。光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管1、电压放大器～～若压电元件材料受正弦力作用，则产生的电压值为Fm—作用力的幅值—电压幅值可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为Ui的幅值Uim为输入电压与作用力之间的相位差φ为其中电压灵敏度其中电压灵敏度讨论：灵敏度与被测信号频率无关,这说明压电式传感器的高频响应相当好压电传感器不能测静态量。⑶为了得到好的低频响应特性，⑷灵敏度与连接电缆有关，更换电缆需要重新标定其中返回一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式1、并联连接+++------++++-并联接法:输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。2、串联连接+++------+++-+串联接法:输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高、频率较高的场合。返回3、横向压电效应d12——y轴方向受力的压电系数；石英晶体对称性，有d12=-d11；a-厚度；b-宽度。压电电荷符号与受力方向++++－－－－++++－－－－FYXFYX返回xbzyac逆压电效应（电致伸缩效应）

当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。正压电效应电能机械能逆压电效应

压电元件返回一、压电效应顺（正）压电效应：

某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态;当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应或顺压电效应。返回例

采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800℃，冷端温度为50℃。为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20℃。采用补偿导线后则为：

E(800,20)=33.277-0.798=32.479mV（相当于781℃）首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0℃，热端温度分别为800℃、50℃、20℃时的热电动势：E(800，0)＝33.277mV；E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)

=(33.277-2.022)mV=31.255mV（相当于751℃）√3、计算修正法室温下计算出参比端实际温度TH:例用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49℃，也不能把49℃加上21℃，认为T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)4、补正系数法参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。

T：被测温度；

T′：参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；

TH：室温（参比端实际温度）；

K：补正系数。T＝

T′＋

kTH例题

用铂铑10－铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35℃，这时热电动势为11.348mV．查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T′=1150℃。再从下表中查出，对应于1150℃的补正系数k=0.53。被测温度：

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）

特点：

计算简单；误差大一点，但误差不大于0.14％。讨论(热电效应)

如果A和B材料相同，无论接点处温度如何，不会产生热电势。

如果A和B材料不同，但两接点温度相同也不会产生热电势。①热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。②只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。4、热电偶基本性质

③只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。④导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。⑤对于由几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为T1、T2……TN

，闭合回路总的热电动势为：返回接触电动势起主要作用在标定热电偶时，一般使T0为常数，则AToT（2）温差电势——温差系数——热端和冷端的绝对温度T0TeB(T,T0)eA(T,T0)AB温差电势的大小与材料性质及两端温度有关。由同一金属导体两端处于不同的温度场中，由于自由电子密度不同产生的电势。温差电势返回T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3、回路总电势T＞T0、NA＞NB回路总电势返回接触电动势起主要作用在标定热电偶时，一般使T0为常数，则

定义：两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，连接点处于不同的温度场中（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。1821年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB

一、工作原理回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即接触电势和温差电势。热端冷端1、热电效应返回T0TeAB(T)eAB(T0)ABAB2、产生原因（1）接触电势接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。

两种导体在温度T中接触，由于自由电子浓度不同在接触点产生的电动势称接触电势。

接触电势返回2、二级管相敏检波电路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+Ｕ２、Ｕ１同频，同相或反相，且满足Ｕ２＞＞Ｕ１。RLu1u2-R+RD3D2D1D4RRT1T2+-当衔铁在中间位置时，位移x（t）=0，传感器输出电压Ｕ１=0,只有Ｕ２起作用。RL正半周时

因为是从中心抽头，所以u1=u２，故i３=i４。流经RL的电流为i０=i４－i３=０u1u2-R+RD3D2D1D4RRT1T2+-i4i3RLu1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+负半周时

同理可知i１=i２，所以流经RL电流为i０=i１－i２=０i1RLi2u1u2-R+RD3D2D1D4RRT1T2+-i4衔铁在零位以上，x（t）>0，Ｕ１与Ｕ２同频同相时：正半周时

i3故i４＞

i３，流经RL的电流为i０=i４－i３＞０e1e2-+-+RL-+-u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+负半周时

故i１＞

i２，流经RL的电流为

i０=i１－i２＞０i2i1e1+e2RLu1u2-R+RD3D2D1D4RRT1T2+-Ｕ２正半周Ｕ１负半周故i４＜

i３。流经RL的电流为i０=i４－i３＜０衔铁在零位以下，x(t)<0，Ｕ１与Ｕ２同频反相时：e1e2+-+-i4i3RLu1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+同理:Ｕ２负半周Ｕ１正半周时i１＜

i２。流经RL的电流为i０=i１－i２＜０．表示i0的方向也与规定的正方向相反。i2i1RL-++-e1e2

结论：

１．衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上的输出电压始终为0。

２．衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。

３．衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。返回二、测量电路1.差动整流电路无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压U0始终等于R1、R2两个电阻上的电压差。aR2R1bhgcfde++互感式传感器:把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器。是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243(b)气隙型123(a)螺管型4一、变隙式自感传感器1、结构和工作原理δ线圈铁芯衔铁Δδ线圈匝数总磁阻l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；A：气隙磁通截面积；A1：铁芯横截面积；A2：衔铁横截面积；μ0=4π×10-7H／m；

δ：空气隙厚度。四、脉冲宽度调制电路

uABUFUGUrUr-U1U1T1000T2ttt适用于任何差动式电容式传感器，具有理论上的线性特性；测量电路总结三、二极管双T型交流电桥高频对称方波D1、D2为特性相同二极管R1=R2=RC1、C2传感器的两差动电容没有输入时，C1=C2Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++C1工作形式：正半周时，D1导通、D2截止，C1充电，负半周时，C1电荷通过R1，RL放电，RL电流为I1。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++UE(a)C2C1RLR1R2i1i2++C2工作形式：负半周时，D2导通、D1截止，C2充电正半周时，C2通过R2，RL放电，RL电流为I2

。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1

当输入为正半周时，二极管D1导通、D2截止，于是电容C1充电，在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。

当输入为负半周时，D2导通、D1截止，则电容C2充电，在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2

。

C1=C2，则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。（2）圆柱面结构直线位移型静态时：动态时：初始电容C0为：当内筒上移x时，内外筒间的电容C1为：D1D0Lx与x成线性关系1、变极距型电容传感器

初始电容:距离:缩小Δdd01-定极板2-动极板变极距电容量:增大了ΔC一、基本工作原理平板电容器，其电容量为：ε:

电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εrε0:

真空介电常数εr:

极板间介质的相对介电常数；

A:

两平行板所覆盖的面积；

d:

两平行板之间的距离。交流电桥输出电压

单臂交流电桥半桥差动电路全桥差动电路②全桥差动电路ER2-ΔR2R1+ΔR1U0+-R3-ΔR3R4+ΔR4为提高电桥电压灵敏度n=1ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4则全桥测量电路输出及灵敏度Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，电桥电压灵敏度SV=E，是单臂工作时的四倍。同时还具有温度补偿作用。全桥输出：①差动电桥补偿(半桥差动电路)ERLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0+-为提高电桥电压灵敏度n=1若ΔR1=ΔR2，则得半桥的电压灵敏度输出电压:与单臂相比:Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差;电桥电压灵敏度SV=E/2，是单臂工作时的两倍;同时具有温度补偿作用。求得n=1时，电桥电压灵敏度最高,所以实际使用中取输出为：结论：当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。

当E值确定后，n取何值时才能使SV最高？使用单一应变片时

半导体应变片特点优点：灵敏系数比金属丝式高50～80倍缺点：材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，应用范围受到限制。利用应变片测量的基本原理：应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化。返回3、半导体应变原理

压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻效应。

利用压阻效应制成的传感