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常用传感器原理及应用 一、温度传感器 二、光电传感器 三、霍尔传感器 四、超声波传感器 一、温度传感器 1、热电阻传感器 2、结温度传感器 3、集成温度传感器 1、热电阻传感器 几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化- 热电阻效应。 根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转 换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。 利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。 热电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电阻。 RTD以0阻值值作为标为标 称值值。如：Pt100 （1）铂电阻 铂电阻与温度变化之间的关系为 当0T2 - 2mV/K 1N4148/1-5mA 当正向电流一定时,二极管的正向电压 与被测温度成线性关系； 在一定的电流下，其正向电压随温度的 升高而降低，故呈负温度系数 3、集成温度传感器 集成温度传感器是以晶体管作为感温元件，并将温敏 晶体管及辅助电路集成在同一芯片上。单个晶体管基极 发射极之间的电压在恒定集电极电流的条件下，可以认为 与温度呈单值线性关系。 集成温度传感器的输出形式有电压型电流型。电压 型的灵敏度为10mV/，电流型的灵敏度为1A/K。 AD590 （电流型） AD590是美国模拟器件公司生产 的单片集成两端感温电流源。它的 主要特性如下： 1、流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度度数 2、AD590的测温范围为-55+150。 3、AD590的电源电压范围为4V30V。AD590可以承受44V 正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 4、输出电阻为710M。 5、精度高。有I、J、K、L、M五档，M档精度最高，误差为 0.3。 二、光电传感器 （1）光谱 光波： 波长为10106nm的电磁波 可见光：波长380780nm 紫外线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。 1、概述 光谱分布如图所示 颜 色 紫蓝青绿黄橙红 波长（nm ） 430380450430500450570500600570630600780630 光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物 体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电 传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为 外光电效应和内光电效应两大类。 外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表 面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的 电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有 光电管、光电倍增管等。 （2）光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生 变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应 ，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同， 内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类 ： A. 光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态 过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这 种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电 器件有光敏电阻。 内光电效应 过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受 到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价 带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子 和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。 导带 价带 禁带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带 Eg 材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一 种光电导材料，总存在一个照射光波长限0， 只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能 产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电 导率增加。 式中、分别为入射光的频率和波长。 为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光 电导材料的禁带宽度Eg，即 B. 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动 势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、 光敏三极管。 势垒效应（结光电效应）。 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区 域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN 结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽 度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴 对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向 N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区 带正电，N区带负电，形成光电动势。 侧向光电效应。 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓 度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射 光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度 比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓 度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空 穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部 分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部 分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。 基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（ PSD）。 2、光敏电阻 光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊 电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态 ；当有光照射时，其电阻值迅速减小。 (1)光敏电阻器的结构与特性: 光敏电阻器通常由光敏层、 玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成. RG 光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带 有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电 效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散 到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为 了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳子状图案. A 金属封装的硫化镉光敏电阻结构图 光导电材料 绝缘衬低 引线 电极 引线 光电导体 （2）光敏电阻器的种类 光敏电阻器可以根据光敏电阻器的制作材料和光谱特性来 分类。 按光敏电阻器的制作材料分类 光敏电阻器按其制作材料的不同可分为多晶光敏电阻器和 单晶光敏电阻器， 还可分为硫化镉(CdS)光敏电阻器、 硒化镉(CdSe)光敏电阻器、 硫化铅(PbS)光敏电阻器、 硒化铅(PbSe) 光敏电阻器、 锑化铟(InSb) 光敏电阻器等多种。 按光谱特性分类： 光敏电阻器按其光谱特性可分为: 可见光光敏电阻器 紫外光光敏电阻器 红外光光敏电阻器。 可见光光敏电阻器主要用于各种光电自动控制系统、电子 照相机和光报警器等电子产品中。 紫外光光敏电阻器主要用于紫外线探测仪器。 红外光光敏电阻器主要用于天文、军事等领域的有关自动 控制系统中。 （3）光敏电阻器的主要参数 1亮电阻 （RL）是指光敏电阻器受到光照射时的电阻 值。 2暗电阻 （RD）是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环 境）时的电阻值。 3最高工作电压 （VM）是指光敏电阻器在额定功率下 所允许承受的最高电压。 4亮电流 （IL）是指在光照射时，光敏电阻器在规定 的外加电压受到光照时所通过的电流。 5暗电流 （ID）是指在无光照射时，光敏电阻器在规 定的外加电压下通过的电流。 6时间常数 是指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定 亮电流的63%时所需的时间。 7电阻温度系数 是指光敏电阻器在环境温度改变1 时，其电阻值的相对变化。 8灵敏度 是指光敏电阻器在有光照射和无光照射时 电阻值的相对变化。 （4）常用的光敏电阻器 常用的光敏电阻器有MG41MG45系列 表 光敏电阻器的型号命名及含义 第一部分：主称第二部分：用途或特征 第三部分：序号 字母含义数字含义 MG光敏电阻器 0特殊 用数字表示序号，以区别该电 阻器的外形尺寸及性能指标 1紫外光 2紫外光 3紫外光 4可见光 5可见光 6可见光 7红外光 8红外光 9红外光 产品 名称 ： cds光敏电阻4系列 型号 最大 最大 环境 光谱峰值 亮电阻 暗电阻 100/10 响应时间 电压(v) 功率(mW) 温度() (nm) 10LUX/K (M) 上升 下降 GM4516 150 50 -30-+70 540 5-10 0.5 0.6 20 30 GM4527 150 50 -30-+70 540 10-30 2 0.7 20 30 GM4538 150 50 -30-+70 540 30-50 5 0.8 20 30 GM4549 150 50 -30-+70 540 50-150 10 0.9 20 30 河南南阳市信利佳电电子有限责责任公司生产的光敏电阻4系列参数。 应用范围： 照相机自动测光 室内光线控制 报警器 工业控制 光控开关 电子玩具 光电二极管，其基本结构也是一个PN结。结面积小，因此 它的频率特性特别好。输出电流一般为几A到几十A。按材料 分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。 按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅 光电二极管。 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和 2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底 。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极 管有三条引线。 3、光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类； 硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外 壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电 路中一般是处于反向工作状态，如图所示。 PN 光 光敏二极管符号 RL 光 PN 光敏二极管接线 (1) 光敏二极管 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小 。反向电流也叫做暗电流当光照射时，光敏二极管的工作原理 与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载 止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层 形成微小的反向电流即暗电流. 受光照射时，PN结附近 受光子轰击，吸收其能量而 产生电子-空穴对，从而使P 区和N区的少数载流子浓度大 大增加，因此在外加反向偏 压和内电场的作用下， P区的 少数载流子渡越阻挡层进入N 区， N区的少数载流子渡越 阻挡层进入P区，从而使通过 PN结的反向电流大为增加， 这就形成了光电流。 A. PIN管结光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导 体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样 ，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层 的间距加宽，结电容变小。 由式 = CjRL与 f = 1/2知，Cj小，则小，频带将变宽。 P-Si N-Si I-Si PIN管结构示意图 最大特点： 频带宽，可达10GHz; 在反偏压下运用可承受较高的反向电压; 线性输出范围宽。 不 足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般 多为零点几微安至数微安。 目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅 片上并封装于一个管壳内的商品出售。 雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩 效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电 压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大 的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种 管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电 压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应 速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种 光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应 是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于 反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无 法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光 通信中应用前景广阔。 B. 雪崩光电二极管(APD) 光电二极管的应用 光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三 极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩 大光的照射面积,且其基极不接引线。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倍。 PPN NNP e b b c RL E ec ( 2 ) 光敏三极管 光敏三极管的主要特性： 光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的 波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以 激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降 ，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发 的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。 光谱特性 入射光 相对灵敏度/% 硅 锗 / 400080001200016000 100 80 60 40 20 0 硅的峰值波长为9000， 锗的峰值波长为15000 。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。 伏安特性 光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同 的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的 输出特性一样。因此，只要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，就可将光敏三极 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。 0 500lx 1000lx 1500lx 2000lx 2500lx I/mA 2 4 6 20406080 光敏晶体管的伏安特性 U/V 光敏晶体管的光照特性 I / A L/lx 2004006008001000 0 1.0 2.0 3.0 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的 输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关 系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏 三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。 光照特性 暗电流/uA 光电流/uA 10 20 30 40 50 60 70 T /C 25 0 50 100 0 200 300 400 1020 30 4050 60 70 80 T/C 光敏晶体管的温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及 光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流 的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗 电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。 温度特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率 特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一 般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。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。 01001000500500010000 20 40 60 100 80 RL=1k RL=10k RL=100k 入射光调制频率 / HZ 相 对 灵 敏 度 /% 光敏晶体管的频率特性 光敏三极管的频率特性 光电开关的结构和分类:遮断型 反射型 反射型分为两种情况：反射镜反射型 被测物漫反射型（简称散射型） 4、光电开关 遮断型光电开关结构 反射型光电开关结构 反射式烟雾探测电路 透射式光电测速装置 5、 热释电红外传感器 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红 外线而输出电信号的传感器。 热释电效应是指由于温度的变化而引起晶体表面电 荷变化的现象。 （a）在一定温度下产生极化。 （b）两种电荷分别吸引大气中的正负电荷，晶体呈电中性。 （c）温度的变化，使晶体内表面极化电荷减少，外表面电荷不能立即 消失，外表面产生电压。 工作原理： 结构及等效电路 人体温37度，会发出10um左右的红外线，该红外线 通过菲泥尔透镜增强后聚集到热释电传感器上，向外释放 电荷，后续电路即可检测。 三、霍尔传感器 霍尔效应简述 如图所示, 将一块载流导 电板放入垂直于它的磁场中,当 有电流通过导电板时,将在它的 上、下两侧产生一个电位差。 实验发现,在磁场不太强的情况 下,该电位差VH 与电流强渡I 和磁感应B 成正比,与导电板的 厚度d 成反比,即 VH = k ( I B/ d) 式中: VH 为霍尔电势或电压； k 为霍尔(灵敏度) 系数,V/AT 。 霍尔开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技 术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信 息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集 成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、 无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环 境等优点。 1、霍尔开关集成传感器 由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路 输出五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电 压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑 电路接口。 （1）霍耳开关集成传感器的结构及工作原理 霍耳开关集成传感器内部结构框图 2 3 输出 + 稳压 VCC 1 霍耳元件放大 BT 整形 地 H 3020T 输出 Vout R=2k +12V 1 2 3 （b）应用电路 （a）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路 123 （2）霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH， 这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的BOP为工作点“开”的磁 感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。 霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电 压、 输出导通电流、工作温度、工作点。 霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 VOUT/V 12 ON OFF BRP BOP BH B 0 该曲线反映了外加 磁场与传感器输出电平 的关系。当外加磁感强 度高于BOP时，输出电 平由高变低，传感器处 于开状态。当外加磁感 强度低于BRP时，输出 电平由低变高，传感器 处于关状态。 (3)霍耳开关集成传感器的应用 A.霍耳开关集成传感器的接口电路 RL VACVcc Vcc VAC Vcc VCC K Vcc K Vcc VCC Vcc MOS VOUT VCC 霍耳开关集成传感器的一般接口电路 RL 磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下， 霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线 N S AlNiCo 磁铁6.432 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0 2.557.5 1012.515 17.5 20 距离L1/mm B/T L 1 随磁铁与传感器的间 隔距离的增加,作用 在传感器表面的磁感 强度衰减很快。当磁 铁向传感器接近到一 定位置时,传感器开 关接通,而磁铁移开 到一定距离时开关关 断。应用时,如果磁 铁已选定,则应按具 体的应用场合,对作 用距离作合适的选择 。 （4）给传感器施加磁场的方式 磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不 变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动的 方式在传感器前方通过。 霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0 2.5 57.51012.515 17.520 B/T N S 空隙2.05 AlNiCo 磁铁 6.432 L2 距离L2/mm （1）霍尔线性集成传感器的结构及工作原理 霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类 传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与 磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。 在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置 稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成 传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输 出却是对外加磁场的线性感应。 霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场 、电流等的测量或控制。 霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下 图。 2、霍尔线性集成传感器 单端输出传感器的电路结构框图 2 3 输出 + 稳压 VCC 1 霍耳元件放大 地 H 稳压 H 3 VCC 地 4 输出 输出 1 8 6 7 5 双端输出传感器的电路结构框图 单端输出的传感 器是一个三