传感器原理设计与应用.ppt

传感器原理设计与应用 第一部分 传感器概述 第二部分 传感器的一般特性 第三部分 传感器分类介绍 1 定义 2 组成 3 分类 1 静态特性 2 动态特性 1 电阻应变式传感器2 电容传感器3 电感传感器4 压电式传感器5 磁电式传感器6 热电式传感器7 光电式传感器 8 光导纤维传感器9 磁敏元件及其传感器10 气体传感器11 湿度传感器12 红外传感器13 新型传感器 第一部分 传感器概述 外界的信息 眼 耳 鼻 舌 皮肤 大脑 肌肉执行 被测物理量 传感器 执行器 狭义地定义 能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件 所以原来许多教材叫 非电量检测 可以预料 当人类跨入光子时代 传感器的概念将随之发展成为 能把外界信息转换成光信号输出的器件 图1 1 1 定义 在我们身边有很多传感器的例子 声控电灯触摸式开关电子称遥控开关条形码的读取红外自动洗手开关宾馆烟雾火光自动检测器瓦斯报警气敏传感器自动电饭煲温度湿度监控器数码相机等等 2 组成 被测物理量 敏感元件 转换元件 信号调节电路 传感器 图1 2 3 分类 一般常用的分类方法有以下几种 按输入量分类按输入量可分为温度 压力 位移 速度 湿度等容易根据测量对象来选择所需的传感器 按测量原理分类现有传感器的测量原理主要是依据物理学各种定律和效应以及化学原理和固体物理学理论 如根据电阻定律 相应的有电位计式 应变式传感器 根据变磁阻原理工作的有电感式 差动变压器式 电涡流式等传感器 根据半导体有关理论 则相应的有半导体力敏 热敏 光敏 气敏等固态传感器 等等 按输出量分类按输出量分类有模拟式传感器和数字式传感器模拟量 数字式传感器的特点是的出信号为数字量 其它分类传感器通常也可按结构型和物性型分类 1 结构型主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化格外界被测量转换为相应电阻 电感 电容等物理量的变化 从而检测出被测量信号 这种传感器目前应用得最为普遍 2 物性型是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量 它是以半导体 电介质 铁电体等作为敏感材料的固态器件 第二部分 传感器的一般特性 传感器的特性分静态特性和动态特性两种 静态特性 表示传感器在被测物理量处于稳定状态的输出一输入关系 衡量传感器静态特性的常用指标是非线性 灵敏度 迟滞和重复性 动态特性 如动态频率响应以及快速温度响应 温度滞后等 频率特性 传感器作为感受被测量信息的器件 总是希望它能按照一定的规律输出有用信号 因此 需要研究其输出 输入的关系及特性 以便用理论指导其设计 制造 校准与使用 由于传感器可能用来检测静态量 即输入量是不随时间变化的常量 准静态量或动态量 即输入量是随时司而变化的量 1 传感器的静态特性 静态特性的重要标志 线性度 灵敏度 迟滞 重复性 线性度 静态传感器数学模型 理想情况 0 n均为0 此时 传感器特性曲线的非线性误差 线性度 用特性曲线与其拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程 fs 输出之比的百分数来表示式中 为非线性误差 max为最大非线性绝对误差 vfs为满量程值 选取拟合直线常用以下四种方法 一是理论直线法 二是端点法 三是最佳直线法 四是最小二乘法 灵敏度 sn 输出量的变化 输入量的变化 dy dx线性传感器sn y x y kx 迟滞 迟滞特性表明传感器在正反行程期间输出 输入特性曲线不重合的程度e1 max yfs 100 或e1 max 2yfs 100 max为正反行程输出值的最大差值 产生的原因 主要是传感器机械部分存在的缺陷 如摩擦 间隙 紧固件松动等 重复性 重复性指 传感器在输入量按同一方向做全量程 多次测试时所得特性曲线不一致程度 不重复性指标一般采用输出最大不重复误差 max与输出满量程yfs的百分比ez max yfs 100 不重复误差属于随机误差性质 故可采用采用标准偏差来算 ez 2 3 yfs 100 标准偏差 根据贝塞尔公式来计算 2 传感器的动态特性 在测量快速变化的参数时 只有静态性能指标不是不够 还应有动态性能指标 所谓动态性能指标 主要是指传感器输出信号对输入信号随频率 时间变化的响应情况 动态特性 时域 频域 阶跃函数 正弦函数 上升trs 响应时间tst 过调量 幅频特性 相频特性 第三部分 传感器分类介绍 一 电阻应变式传感器 1 电阻应变片的工作原理 a 电阻丝截面积 l 电阻丝长 电阻率 受拉 或受压时 电阻变化 式中 材料的轴应变 直径为d的圆电阻丝 横向收缩和纵向伸长的关系用伯松比 来描述 其中c 由材料加工方式决定的常数 这说明 金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比 应变电阻效应 0 3 1 2 1 6 康铜c 1 k 2 一般在1 8 3 6 2 信号调节电路 测量电桥的工作原理 平衡电桥 不平衡电桥 应变片将力 压力 加速度转换成应变 或转算成力等 通过将应变转变为电阻变化 3 应用 电阻应变式柱式力传感器 式中 f 力 s 横截面积 e 弹性模量 如果力与轴间有一夹角 等强度梁应变式力传感器 电阻应变式梁式力传感器 等截面梁应变式力传感器 横截面相等 等截面圆环式力传感器 如图 h 环厚 b 环宽 在垂直方向贴应变片 应变为 应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用于液体 气体的动态静态压力测量 如 内燃机管道 动力设备管的进 出气口 枪 炮堂压测量等 有默片式 角式等 二 电容传感器 1 电容式传感器的工作原理及结构形式 当忽略边缘效应时 平板电容器的电容为 三个参数s d r任意改变那一个都可作成为一种传感器 三种电容式传感器比较 1 变间隙的电容式传感器 2 变面积式的电容式传感器 3 变介电常数的电容式传感器 其中 灵敏度因子 非线性因子 2 电容传感器的应用 电容传感器主要应用于下列参数的测量 1 测直线位移 角位移 介质尺寸等 2 测量金属表状态 距离尺寸 振幅等 3 测物位 测原油中含的水量 粮食中的水分等 板极面积为 距离为d 膜片电极式压力传感器 dr宽的2 rdr面积元与固定电极间电容 值为 s 膜片拉伸引力 所以在压力p作用下的电容值 初始电容值 在p的压力作用下 膜呈球状凸出 距圆心r的周长上 各凸起的饶度相等为y 代入得 电容式加速度传感器 一般采用惯性式传感器测量绝对加速度 d1 d2 没有震动时c1 c2 有加速度时 加速度a与振幅成正比 差动输出电压是一个随加速度频率变化电容式加速度传感器 电容式应变计 如图所示 受压产生形变从而改变电容 电容板相互距离的改变量与应变之间并非是线性的 这可抵一部分变换电容本身的非线性 荷重传感器 形成一排平板电容 当圆孔受荷重时产生形变 电容值将改变 该传感器误差较小 接触面影响小 测量电路可装置在孔中 振动位移测量仪 这是把被测物件作为动极板组成电容 电容测厚仪 如图 利用电容测量金属带在扎制过程中的厚度 两极板间的距离不变 可以把两极板用导线联接起来 就成了一个极板 而带材则是电容器的另一极板 c c1 c2厚度发生变化将引起它与上下两极板间距的变化 即引起电容量的变化 当然也可以作一个电容的介质变化来计算 三 电感传感器 1 自感式 变磁阻式 传感器 2 互感式 差动 传感器 3 涡流式传感器 1 自感式传感器 变磁阻式 1 工作原理 0 i所以前两项可以忽略得 可知变磁阻式可分以下三种 1 可以改变s 变面积式电感传感器2 可以改变 变气隙式电传感器图3 可以改变 变铁芯磁导率电传感器 2 互感式传感器 差动变压器 1 工作原理 结构可以是三段式的 或者是两段式的 传感器开路输出电压为两次级线圈电势之差 铁芯处于中间位置时互感m1 m2 e2 0 磁芯上升时 m1 m m m2 m m 磁芯下降时m1 m m m2 m m 1 位移测量 1 测长度 内径 外径 不平行度 不垂直度 偏心 椭圆鸦 2 作轴承滚动估自动分选机委选大小刚球 3 测量各种零件的膨胀伸长应变从 3 m到1000mm以上 2 侧压力 互感式传感器的应用 3 测振动和加速度 固有频率 0 m 铁磁体 k 弹性材料的弹性模量 一般要求 0大于被测频率4倍 m不能太小 用于测定振动物体频率时 激磁频率必须时振动频率的10倍以上 5 测液压 4 测厚 3 涡流式传感器 1 高频反射式涡流传感器 2 低频透射式涡流传感器 成块的金属在变化的磁场中或在固定的磁场中运动时 金属体内就会产生感应电流 这种电流的流线在金属体内是闭合的 称之为涡流 1 高频反射式涡流传感器 有一交流电压u1加到线圈 则产生电流i 则线圈周围就产生一个交变磁场h1 若被测导体置于该磁场范围内 导体内产生电涡流i2 i2也将产生一个新的磁场h2 且方向h1与h2相反 力图消弱原磁场h1 从而导致线圈的电感量 阻抗和品质因数发生变化 这些变化与导体的几何形状 导电率 磁导率 线圈的几何参数 电流的频率 线圈到被测导体的距离有关 如果控制上述参数中一个参数改变 其与不变 就能看出该参数的变化 趋肤效应 高频电磁场不能透过一定厚度的金属板 2 低频透射式涡流传感器 在l1中产生的磁力线必然切割m 并m中产生涡流 涡流损耗了部分磁场能量 使达到l2的磁力线减少 从而引起u2的下降 m的厚度d越大 涡流损耗也越大 u2就越小 电涡流式传感器应用1 测位移 1 汽轮机主轴的轴向位移 转速 2 磨床换向阀先导阀的位移 3 金属试件的热膨胀系数 2 测量钢水液位线张力 液体压力等 测量范围为0 1mm到0 30mm 而国外可达80mm 一般分辨率为满量程的0 1 有的绝对值达0 05 m 0 15 m 2 测厚度 除了低频透射测厚度外 还可用发射式测厚度 前面介绍的低频透射式涡流传感器可以测厚度外 高频反射式电涡流传感器也可用于测厚度 如图 a 当金属板的厚度变化时 将使传感器与金属之间的距离改变从而引起输出电压的变化 由于在工作过程中金属板会上下波动 从而影响精度 因此与一般电涡流式测厚度常作比较的测量方法如图 b 在测板上下各装一个传感器 其距离为d 而它们与上下表面分别相距 1和 2 换成电压值后相加 相加后的电压值与两传感器之间距离d相应的设定电压再相减 就得到与板厚相对应的电压值 3 1 轴芯轨迹测量 在轴附近安装两个位置互成90度的传感器 这样轴振动矢量将在所选择的方向上投影既有 x t 和 y t 它们分别可以获得峰值 合成后即为施转轴的振矢量 亦有亦测出轴的轨迹 2 测转速在旋转体上开一条或数条槽或数个齿 涡流传感器都可感到其与被测物体距离变化的脉冲从而测出转数 依原理故可用作元件计数等 在较小的温度范围内 导体的电阻率与温度的关系为 1 0 1 t1 t2 1 0 分别为温度为t1与t2时的内阻率 在给定温度范围内的温度系数 若保持电涡流式传感器的机电磁各参数不变 使传感器的输出只随被测导体电阻率而变 亦可测得温度的变化 这种传感器的优点 1 不受金属表面涂料 油 水等 介质的影响 2 可实现非接触测量 3 反应快 4 测温度 四 压电式传感器 压电式传感器是以具有压电效应器件为核心组成的传感器 由于压电效应具有顺 逆两种效应 所以压电器件是一种典型的双向有源传感器 基于这一特性 压电器件已被广泛应用于超声 通信 宇航 雷达和引爆等领域 并与激光 红外 微波等技术相结合 将成为发展新技术和高科技的重要条件 1 物理原因 一些离子型晶体的电介质 如石英 酒石酸钾钠 钛酸钡等 不仅在电场力作用下 而且在机械力作用下 都会产生极化现象 即 在这些电介质的一定方向上拖加机械力而产生变形时 就会引起他内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化 从而导致其两个相对表面 极化面 上出现符号相反的束缚电荷q 如图 若将外力去掉 它们又重新回到不带电状态 2 压电式传感器的应用 1 压电式压力传感器 压电常数值反映了压电效应的强弱 压电陶瓷的压电效应比石英晶体高数十倍 对石英晶体 长宽切型的压电效应最差 故很少取用 对压电陶瓷 厚度切变的压电效应最强 应尽量取用 下图为一测量均匀布压力的传感器结构 拉紧的薄壁管对晶片提供预载力 感受外部压力的是由饶性材料作成的很薄的膜片 2 压电式流量计 原理 波动在流体中传播时 利用流体静止与流动时传播速度不同求得流速 如下图所示 k1 k3为超声波发生器 逆压电效应 k1发射与流向同向 由k2接受 k3逆向 由k4接受 该液体平均速度为v 则流量在沿超声波传播方向的平均速度为 v vcos 为液体流向与超声波传播方向的夹角 两个换能器间距为l 则k1 k2的传播时间为t1 l c v l c vcos l d sin d为管的直径k3 k4的传播时间为 t2 l c v l c vcos 每次发射高频震荡时间等于超声波在发射和接受换能间传播的时间 用调制器以触发式工作 即一旦接受就停止发射 五 磁电式传感器 磁电式传感器是利用电磁感应定律将输入量转换成感应电势输出的一种传感器 也是建立在双向传感器的统一理论的基础上 这种传感器不需要辅助电源 所以是一种有源传感器 也称作感应式传感器或电动式传感器 类型 1 线圈与磁铁相对运动 2 磁路中磁阻发生变化 3 恒定磁场中线圈面积的变化等 由此可制造不同类型的磁电式传感器 一 原理 当线圈受力f 或一速度 作用时线圈就会有 b 磁场的磁感应强度 la 单匝线圈的有效长度 n 匝数 v 线圈与磁场的相对运动速度 线圈运动方向与磁场方向的夹角 当 900 由上式可知它可用来测量速度 因速度积分为位移 速度的微分为加速度 故可作为测位移 速度 加速度的传感器 因为 n b la恒定不变 e正比于v 六 温度传感器 1热电阻温度传感器 2热电偶温度传感器 4热电式传感器的应用 3晶体管和集成温度传感器 温度变化 热电式传感器 电量变化 电阻 电势 热电阻 热电偶 半导体 电流 1 热电阻传感器 利用热电阻和热敏电阻的温度系数制成的温度传感器 均称为热电阻式温度传感器 分为金属热电阻 半导体热敏电阻 金属热电阻原理 rt r0 1 t t0 r0 r r0 r0 t 为热电阻的电阻温度系数 r0为热电阻在0 c时的电阻值 半导体热敏电阻原理 rt aeb t a为与热敏电阻尺寸 形式 以及它的半导体物理性能有关的常数 b为与半导体物理性能有关的常数 t为绝对温度 若已知两个电阻值及相应的温度值便可求出a及b 通常取20 c时的热敏电阻的阻值为r1 称为额定电阻 热电效应 如图所示由a b两种材料组成的回路 接点处的温度为t t0 且不等 两者之间将产生一热电势 在回路中形成一定大小的电流 这种现象叫做叫热电效应 利用这种效应制成的传感器称为热电偶 热电势由两部分组成 接触电势和温差电势 分别是由珀尔贴效应和汤母迅效应引起的 2 热电偶传感器 接触势 珀尔贴效应 eab t kt e na nb 总接触电势为e ab t e ab t0 k t t0 e na nb 温差电势 汤母迅效应 ea t t0 t0t adt 称为汤姆逊系数 它表示温差为1 c时所产生的电势值 总温差电势为 ea t t0 eb t t0 t0t a b dt 回路总的热电势 3 晶体管和集成温度传感器 晶体管p n结温度传感器是利用晶体管半导体材料的p n结的伏安特性与温度之间的关系研制而成的一种固态传感器 1 p n结测温原理 根据半导体器件原理 流经晶体二极管的正向电流id与这个p n结上的压降ud 有如下关系 其中 qvd为半导体材料的禁带宽度 b和为两个常数 其数值与器件的结构和工艺有关 pn结晶体二极管测温电路如图所示 利用二极管vd r1 r2 r3和rm组成一个电桥电路 再用运算放大器把电桥输出电压信号放大并起到阻抗变换作用 可提高信号的质量 2 三极管温度传感器 根据晶体管原理 处于正向工作状态的晶体三极管 其发射极电流和发射结电压能很好的符合以下关系 因为在室温时 kt q 36mv左右 因此 在一般发射结正向偏置的条件下 都能满足vbe kt q的条件 这时上式可以近似为 由可知 温度与发射结压降vbe有对应关系 我们可以根据这一关系通过测vbe来测量温度t值 由式可知 两者是呈线性关系 其灵敏度为 3 集成温度传感器 模拟集成温度传感器 典型产品有ad590 ad592 th017 lml35等 数字温度传感器 典型产品有ds1820等 举列1说明 ad590是由美国哈里斯 harris 公司 模拟器件公司 adi 等生产的恒流源式模拟集成温度传感器 它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点 具有测温误差小 动态阻抗高 响应速度快 传输距离远 体积小 微功耗优点 适合远距离测温 控温 不需要进行非线性校准 举列2说明 由美国dllas半导体公司生产的ds1820型单线智能温度传感器 属于新一代适配微处理器的智能温度传感器 可广泛用于工业 民用 军事等领域的温度测量及控制仪器 测控系统和大型设备中 例如多路温度测控仪 中央空调 大型冷库 恒温装置等 此外巧妙利用dsl820内部64位激光rom中具有惟一性的48位产品序号 还可设计成专供大型宾馆客房或军事仓库使用的保密性极佳的电子密码锁 dsl820的同类产品还有ds18b20 dsl8s20和dsl822 后者的电源电压范围均扩展到耀 3 5 5v dsl8b20和dsl822还能对温度分辨力进行编程 选择9位一12位模式下工作 在12位模式下的最高分辨力可达0 0625 七 光电式传感器 1光电效应 2光电管 外光电效应 3光电倍增管 4光敏电阻 内光电效应 5光敏二极管和光敏晶体管 6光电池 阻挡层光电效应 7光电式传感器的应用 a 外光电效应 光的作用能使电子逸出物质表面的称为外光电效应 如光电管 光电倍增管都是基于这个效应 b 内光电效应 在光的作用 使物质电阻率改变的称为内光电效应 又称光电导效应 如光敏电阻及由光敏电阻制成的光导管等 1 光电效应的分类及各定义 c 阻挡层光电效应 光生伏特效应 在光的作用下能使物质产生一定的电势的称为阻挡层光电效应 又称光生伏特效应 如光电池 光电晶体管等 光电传感器 a 外光电效应 b 内光电效应 c 阻挡层光电效应 光生伏特效应 光电管 光电倍增管 光敏电阻 光电池 光电晶体管 2 光电式传感器的应用 光电式传感器的应用广泛 外光电效应的光电管和光电倍增管直接在光谱中用于对光的直接接受元件或者控制元件 光敏元件在光调制系统中用得很多 在检测和控制中的应用可以分为两类 1 模拟式传感器 利用光电流随光通量而变化的原理 光电流与被检测非电量的函数关系 位移 i 振动 i 2 脉冲式传感器 只是通与断 测量线位移 线速度 作脉冲发生器 继电器 脉冲式光电式传感器的应用 光通过光器后 变成信号脉冲 脉冲数为 转数 齿数 测出脉冲数就可以求出转数 这种大量应用在光声光谱研究上 也可利用反射光得两种频率相同的光信号 实际光路应用非常广 光声光谱作为锁相放大的参考信号 八 光导纤维传感器 光导纤维 首先用于光通讯技术 在实际应用中发现环境的温度 压力 电场 磁场的作用将引起其传输的光波量如光强 相位 频率 偏振态等的变化 因此想到测量光量的变化而测量温度 压强 电磁场的变化 于是出现了光纤传感技术 1 光纤传感的形成 光纤传感器必须有 a 光源b 光纤c 光探测器 2 光纤传感的组成 3 光导纤维传光原理 n1 n2 n3 保证入射到光纤内的波集中在芯子传输 4 光纤位移传感器 移动球镜位移传感器 这是 种高灵敏度面位移检测装件 原理是移动球镜以改变两光纤强度而确定位移 光强为ic的光束 通过发送光纤照射到球镜上 球透镜把光束聚集到两个接收光纤的端面上 当球透镜在平衡位置时 从两个接收光纤得到的光强i1 i2是相同的 如果球透镜在垂直于光路的方向产生微小位移 在两个接收光纤上得到的光强i1 i2 将发生变化 光强比值i1 i2的对数值与球透镜位移量呈线性关系 1 在平衡位置 i1 i22 球镜移上 i1 i23 球镜移下 i1 i2得到i1 i2与x呈线形与初始比值i1 i2无关 图12 13 光强比值的对数值与球透镜位移x间的关系曲线 5 光纤速度 加速度传感器 光纤传感器测量运动加速度的基本原理是 一定质量的物体在加速度作用下产生惯性力 这种惯性力可转变为位移 转角或是变形等变量 通过对这些变量的测量 就可得出加速度数值 光纤激光渡越速度计 激光进入梯度光纤 经光纤射出后 由透镜准直 再经过握拉斯顿棱镜p将激光束分为夹角为1o的两柬光 此两束光经过透镜l2在其焦平面上聚成两个光点 透镜l3把两个光点投射到15 45cm远的被测物体上 在被测物体处 如气流 光束呈现出两个光斑 将两个斑点连线的方向调整到与气流方向平行 气流中携带的粒子可相继通过两个斑点 照亮的粒子发生散射由透镜l4和反射镜m1 m2在s处成双斑点图象 粒子经1斑使光纤1有一个信息 当经过2斑时使2光纤有个信号 两光纤接受的信号有时差 已知两个斑的距离是经处理可算出气流速度 当气流比较密时怎么办 但两个变化总有个时间差 马赫 泽德干涉仪的光纤加速计 1 一束光由分束镜分成两束光 2 一路光纤绕顺柱体上 质量使顺变柱体变形而使光纤变形 倾斜式光纤加速度计 这种加速度计的原理 仍然是利用一个具有一定质量的物体在加速度作用下产生的惯性力 惯性力使物体产生位移 从位移反映出加速度的大小f ma 图表示输入与接收光纤的排列情况 最上面是输入光纤 下面两根是接收光纤 输入光纤将光源发出的光导入 并经自聚焦透镜射向倾斜镜 反射回来的光线 再经自聚焦透镜 使光斑照射到接收光纤上 没有加速度作用下 光斑位于两接收光纤之间 处于平衡位览 也就是两个接收光纤得到的光强是相同的 当质量块受加速度作用时 倾斜镜倾斜 使光斑位计向上或向下移动 移动方向由加速度的方向来决定 6 光纤温度传感器 马赫 泽德光纤温度传感器 要点 1 两光纤长度相同 2 产生长度变化和引起相位变化 7 光纤流量 流速传感器 根据流体力学原理 如果在物流中放一个非流线体 则在某些条件下物流在非沉线体的下游产生有规则的涡流 这种涡流在非流线体的两边交替地离开 当每个涡流产生并泻下时 它会在非流线体壁上产生一侧向力 非流线体便受到一个周期振动力的作用 如果非流线体具有弹性 则将产生振动 液体 气体等流体均有这种现象 例如野外的电线等在风吹动下嗡嗡作响 就是这种现象在起作用 光纤横贯流管 当光纤受到液体涡流的作用而振动 这种振动对光纤中的光进行调制 产生的振动频率与流速有关 所以测量输出的频率变化可的流速 光纤受到外界扰动时 各个模式的光被调制的程度不同 相位变化也就不同 于是干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生移动 如果外界扰动仅是涡流而引起时 干涉图样的斑纹或斑点就会随着振动的周期变化而来回移动 利用小型探测器对图样的斑点的移动进行俭测 获得对应于振动频率f的信号 九 磁敏传感器 磁敏传感器的原理是把磁学物理量转换成电信号检测磁性物理量的磁敏传感器常利用电磁感应 磁共振 约瑟夫逊器件或固体内霍尔效应 磁阻效应或磁光效应等 这种传感器广泛应用于自动控制 信息传递 电磁测量 生物医学等各个领域 种类有 感应线圈 霍尔元件 霍尔集成电路 结型磁敏管 磁敏电阻等 1 霍尔元件及其传感器2 磁敏电阻3 磁敏二极管和磁敏三极管 1 霍尔元件及其传感器 霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中 当有电流流过时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 如右图 一块长为l 宽为b 厚为d的半导体 e在x方向 b在z方向 电流为i 则在半导体中的载流子所受的力为 1 霍尔效应 前一项为电场力 第二项为劳伦磁力 因此在y方向面出现 电荷 产生一电场eyh 称为霍尔电场 电压uh称为霍尔电压 这就是霍尔效应 因此产生正负电荷的力为劳伦磁力达到平衡时 电场力 霍尔电场产生的力 公式为 2 霍尔传感器应用 a 霍尔式位移传感器 如果保持电流不变 使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中转动时 则输出的霍尔电压取决于它在磁场中的位移量z 磁场梯度越大灵敏度越高 图 a 图 b 图 c b 霍尔式压力压差传感器 把霍尔元件装在弹性元件上 弹性元件受力产生位移时 将带动霍尔元件 在具有均匀梯度的磁场中移动 从而产生霍尔电压势 c 霍尔集成电路 图是霍尔开关集成传感器的外形及典型应用电路 霍尔效应集成电路将霍尔电压发生器 放大器 施密特触发器以及输出电路集成在一块芯片上 为使用者提供了一种简化和完善的磁敏元件 其输出信号明快 开关过程中无抖动现象 能耗小 对温度的变化是稳定的 灵敏度与磁场移动速度无关 代号 cic 霍尔效应集成电路分霍尔线性集成电路和霍尔开关集成电路 现分析一下霍尔开关集成电路工作原理 霍尔开关集成电路 图是霍尔开关集成传感器的内部结构框图 它主要由稳压电路 霍尔元件 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宠的电源电压范围内工作 开路输出可以使传感器方便地与各种逻辑电路接门 霍尔开关集成传感器的原理及工作过程可简述如下 当有磁场作用在传感器上时 根据霍尔效应原理 霍尔元件输出电压vh 该电压经放大器放大后 送至施密特整形电路 当放大后的vh电压大于 开启 阈值时 施密特整形电路翻转 输出高电平 使半导体管v导通 且具有吸收电流的负载能力 这冲状态我们称它为开状态 当磁场减弱时 霍尔元件输出的vh电压很小 经放大器放大后其值也小于施密特整形电路的 关闭 阈值 施密特整形2s再次翻转 输出低电平 使半导体管v截止 这种状态我们称它为关状态 这样 一次磁场强度的变化 就使传感器完成一次开关动作 2 磁敏电阻 磁敏电阻是利用磁阻效应制成的电阻体 可作成磁场探测仪 位移和角度检测器 安培计以及磁敏交流放大器等 若给通有电流的金属或半导体薄片加以与电流垂直或平行的外磁场 则试件的电阻值就增加 即磁电阻变化效应 根据制作材料不同可分为半导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻两类 0 273sin2 hb 2 电流与磁场夹角 h 霍尔迁移率 0纵向磁阻效应 90横向磁阻效应 3 磁敏二极管和磁敏三极管 霍尔元件和磁敏电阻均是用n型半导体材料制成的体型元件 磁敏二极管和磁敏三极管是pn结型的磁电转换元件 它们具有输出信号大 灵敏度高 工作电流小和体积小等特点 它们比较适合磁场 转速 探伤等方面的检测和控制 一 磁敏二极管 smd 的工作原理 1 结构 磁敏二极管的p型和n型电极由高阻材料制成 p n之间有一个较长的本征区i 本征区i的一面磨成光滑的复合表面 为i区 另一面打毛 设置成高复合区 为r区 其目的是因为电子 空穴对易于在粗糙表面复合而消失 当通以正向电流后就会在p i n结之间形成电流 由此可知 磁敏二极管是pin型的 2 工作原理 1 当磁敏二极管没受到外界磁场作用时 外加正偏压 如图所示 则有大量的空穴从p区通过i区进入n区 同时应有大量电子注入p区 形成电流 只有少量电子和空穴在i区复合掉 2 当有外界磁场h作用时 向外 由于洛伦磁力作用f v b 作用大 电子和空穴都偏向r区 由于r区电子和空穴复合速度很快 因而i区的载流子密度减小 电流减小 即电阻增加 那么降在pi结ni结的电压相应减少 使载流子注入量减少 以致使电阻进一步增大 直到稳状态 没有磁场 载流子数减少 3 当受到反向磁场h的作用时 电子和空穴向光滑面 因不复合 载流子在i区的停留时间变长 同时载流子继续注入i区 所以i区载流子密度增加 电流增加 电阻减少 分在pi区和ni压降增大 因此注入增大 一直使i区电阻减少 即磁敏二极管电阻减少 载流子数增加 利用磁敏二极管在磁场强度的变化下 其电流发生变化 于是就实现磁电转换 二 磁敏三极管工作原理和主要特性 1 磁敏三极管工作原理和结构 磁敏三极管的结构如图所示 在弱p型或弱n型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极 基极和集电被 其最大特点是基区较长 基区结构类似磁敏二极管 也有高复合速率的r区和本征i区 长基区分为输运基区和复合基区 磁敏三极管用如图9 18 6 所示符号表示 由n n p 三个区形成发射结 集电极 基极结 在长基区侧面形成高复合区r i 在不加磁场时 因为基区宽度大于载流子有效扩散长度 因而注入载流子除少部分输入到集电极外 大部分通过e i b形成基极电流 显而易见 基极电流大于集电极电流 所以电流放大系数 ic ib 1 当受到h磁场作用时 由于洛仑磁力作用下 载流子向发射结一侧偏转 从而使集电极电流明显下降 当h磁场作用时 载流子在洛仑磁力作用下 向集电结一侧偏转 使集电极电流增大 2 3 在正 反向磁场作用下 其集电极电流出现明显变化 可以利用磁敏三级管来测量弱磁场 电流 转速 位移等物理量 十 气体传感器 1半导体气体传感器 2红外吸收式气敏传感器 4热导率变化式气体传感器 3接触燃烧式气敏传感器 1 半导体气体传感器 1 半导体气敏传感器工作原理 当加热元件接触并吸附被测气体时 引起半导体元件电阻值的变化 首先吸附的分子在表面扩散 物理吸附 而失去功能 从半导体的n型 p型与氧化型 还原型气体吸附有如下的规律 氧化性气体 o2 nox 吸附于n型半导体还原性气体 h2 co 吸附于p型半导体以上两种使载流子减少 电阻增加 载流子减少 电阻增加 载流子增加 电阻减少 还原性气体 h2 cox 吸附于n型半导体氧化性气体 o2 nox 吸附于p型半导体相反 使载流子增加 电阻减少 n型电子多 p型空穴多 一致 2 氧化锡类传感器二十世纪六十年代发展起来的n型半导体 日本的tgs型和我国的qm n5型的气敏传感器多以多空质sno2烧结体为基体材料 2 红外吸收式气敏传感器 一 红外吸收式气敏传感器 它的结构有由两个光路组成如图 14 22 为两完全相同的两个光源 比较槽中的气体对光源波长的红外光不吸收 而测量槽中通入不同浓度的待测气体 这种气体对光有吸收 所以通过槽后两束光其光强就不同 前置放大 3 接触燃烧式气敏传感器 1 原理 可燃烧气体一旦与预先加热了的传感器相接触时 传感器加热丝表面则发生燃烧现象 使传感器温度上升 这种温度变化 改变了白金丝线圈的电阻 测出电阻变化 就可测出电气体浓度 如果气体浓度较低 且是完全燃烧时 则下式成立 电阻变化 传感器电阻温度系数 m 气体浓度 c 气体传感器热容 a 常数 结构图和电路图 电路中比较元件f2与工作元件的材料 散热条件一样 差别在于接触与不接触燃烧气 现在矿井中还用的比较多 4 热导率变化式气体传感器 热丝式气敏传感器 主要是根据导热系数不同使在一定热源下的温度不同 电阻不同而进行测量 2 热敏电阻气体传感器 通过热敏电阻在不同温度下电阻不同而进行测量 即散热不同温度不同电阻不同 十一 湿度传感器 1毛发湿度计 2干湿球湿度计 3电解质系列湿度传感器 1 毛发湿度计原理 利用头发的一种特性 它吸收空气中的水汽的多少是随相对湿度的增大而增大的 头发的长短与它所含水分的多少有关 构造 用酒精将毛发洗净 除去油脂和污垢 以10根毛发为一束装到容器中 一种方法利用杠杆的原理将毛发的伸缩量进行扩大后 带动指针在刻度板上指出相对湿度值 另一种方法是将头发的一端固定 另一端挂一小砝码 为能看清楚头发长短的变化情况 将头发饶过滑轮 在滑轮上安装一个长指针 在砝码重量的作用下 头发紧紧压在滑轮上 当头发伸长 滑轮按顺时针方向转动 带动指针偏转 头发缩短时 带动指针往反方向转 标定时 将空气完全干燥时指针所指位置为相对湿度为0 把空气水蒸汽达到饱和状态时指针所指定位置为100 2 干湿球湿度汁 原理 基于水在蒸发过程中会吸热降温 并降温的多少 即蒸发速度 与空气的相对湿度有关的原理而制成的 构造 使用两只温度计 将其中一只温度计的球部用白纱包好 将纱布的另一端侵在水槽中 利用毛细现象使纱布经常保持湿润 此即湿球 另一只温度计直接暴露在空气中 称干球 用来测量环境温度 若空气中的水蒸气未达到饱和状态 则湿球的表面不断蒸发水汽 则湿球显示的温度低于干球 空气愈干燥 3 电解质系列湿度传感器 1 原理 氯化锂溶于水 能导电 氯化理湿敏电阻是利用吸湿性盐潮解 离子导电率发生变化而制成的湿敏元件 2 结构 它的结构是在条状绝缘基片的两侧面 用化学沉积或真空蒸发的方法做上电极 再浸渍一定配方的氯化锂 聚乙烯醇混合溶液 经一定时间的老化处理 即可制成湿敏电阻 3 工作过程 氯化锂是典型的离子晶体 高浓度的氯化锂溶液中 li和cl仍以正 负离子的形式存在 而溶液中的离子导电能力与溶液的浓度有关 实践证明 溶液的当量电导随着溶液浓度的增高而下降 当溶液置于一定温度的环境中时 若环境的相对湿度高 溶液将因吸收水分而使浓度降低 反之 当环境的相对湿度低时 则溶液的浓度就增高 因此氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化 从而实现了对湿度的电测量 十二红外传感器 1红外辐射的基本知识 2红外传感器 红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术 它已在科技 国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用 红外传感器按其应用可分为以下几方面 红外辐射计 用于辐射和光谱辐射测量 搜索和跟踪系统 用于搜索和跟踪红外目标 确定其空间位置并对它的运动进行跟踪 热成像系统 可产生整个目标红外辐射的分布图像 如红外图像仪 多光谱扫描仪等 红外测距和通信系统 混合系统 1 红外辐射的基本知识 红外辐射的物理本质是热辐射 这种热辐射是由于内外原因使物体内部带电粒子不断的运动 使物体具有一定的温度 高于绝对零度 而产生的一种辐射现象 称为热辐射 又称为红外辐射 红外光 这种热辐射效应 其波长和频率是在电磁波谱中间隔为0 76 1000 m的区间内 被物体吸收后可以显著的转换为热能 通常称为红外光谱区 它是一种不可见的光 但红外光的本质与可见光或电磁波性质一样 具有反射 折射 散射 干涉 吸收等特性 它在真空中也以光速传播 并具有明显的波粒二象性 2 红外测温 特点 可远距离 非接触测温 反应快 可达微秒级 灵敏度高与温度四次方成正比 测温范围宽零下到几千度 透射式光学系统的部件是用红外光学材料制成的 根据红外波长选择光学材料 结构 由光学系统 调制器 红外传感器 放大器和指示器等部分组成 光学系统可以是透射式的 也可以是反射式的 十三 新型传感器 所谓新型传感器是指最近十几年内研究出来的 已经或正在走向实用化的传感器 相对于传统结构型传感器而言 新型传感器大部分属于物性型传感器 随着现代科学技术的迅猛发展 许多新效应 新材料不断发现 新的工艺不断发展完善 了解这方面的知识对学习和理解新型传感器非常有益 1新型固态光电传感器 5生物传感器 6机器人传感器 2微波传感器 3超导传感器 4液晶传感器 1 新型固态光电传感器 1 基本原理 ccd chargecoupleddevice 和bbd具有电荷积累与电荷转移功能 因此又统称它们为电荷转移器件 ctd chargetransferdevice 若在制造时从结构上赋予它们光电转换功能 则用ccd和bbd完全可以构成固态图像传感器 ccd的基本原理是在系列mos电容器金属电极上加以适当的脉冲电压 排斥掉半导体衬底内的多数载流子 从而形成 势阱 的运动 进而达到信号电荷 少数载流子 的转移 如果所转移的信号电荷是光像照射产生的 则ctd具备图像传感器的功能 若所转移的信号电荷是通过外界注入方式得到的 则ctd还可以具备延时 信号处理 数据存储以及逻辑运算等功能 下面讨论只涉及ctd作固态图像传感器的应用 在讨论ctd基本工作原理 电荷耦合器件的最大持点是它以电荷为信号 而不同于其他大多数器件是以电压或电流为信号 ccd的基本功能是电荷存储与电荷转移 因此对于ccd来说 其工作过程中的主要问题是信号电荷的产生 存储 传输和输出 构成ccd的基本单元是mos 金属 氧化物 半导体 电容器 或称mos结构 与其他电容器一样 mos电容器能够存储电荷 如果mos电容器中的半导体是p型 当在金属电极 或称为栅 上加一正电压时 村底接地 si sio2界面处的电势 称为表面势或界面势 发生相应的变化 附近的p型硅中多数载流子 空允被排斥 形成所谓耗尽层 电荷存储 如果电压vg超过mos管的开启电压 si sio2界面处存储电子 由于电子在那里的势能较低 可以形象地说 半导体表面形成了对于电子的势井 并在 定条件下 所加vg越大 耗尽层就越深 这时 硅表面吸收少数载流子的势 即表面势vs 也就越大 显而易见 这时的mos电容器所能容纳的少数载流子电荷量就越大 电荷转移 图 a 为三相时钟控制转移存储电荷的过程 图 b 为三相时钟电压随时间变化波形图 2 微波传感器 微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波 波长1米 1毫米 通常是作为信息传递而用于雷达 通讯技术中 而近代应用中又将它扩展为一种新能源 在工农业上用作加热 干燥 在化学工业中催使化学反应 在科研中激发等离子体等 家用微波炉就是微波能应用的一个典型例子 微波加热原理 通常 一些介质材料由极性分子和非极性分子组成 在微波电磁场作用下 极性分子从原来的热运动状态转向依照电磁场的方向交变而排列取向 产生类似摩擦热 在这一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能 使介质温度出现宏观上的升高 这就是对微波加热最通俗的解释 由此可见微波加热是介质材料自身损耗电磁场能量而发热 对于金属材料 电磁场不能透入内部而是被反射出来 所以金属材料不能吸收微波 水是吸收微波最好的介质 所以凡含水的物质必定吸收微波 有一部份介质虽然是非极性分子组成 但也能在不同程度上吸收微波 1 微波湿度 水分 传感器水分子是极性分子 常态下成阴极子形式杂乱无章的分布 在外电场作用下 偶极子会形成定向排列 当微波场中有水分子时 偶极子受场的作用而反复取向 不断从电场中得到能量 储能 又不断释放能量 放能 前者表现为微波信号的相移 后者表现为微波的衰减 这个特性可用水分子自身介电常数c来表征 使用微波传感器 测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体引起的微波信号的相移与衰减量 就可以换算成物体的含水量 目前已经研制成土壤 煤 石油 矿砂 酒精 玉米 稻谷 则科 皮革等一批含水量测量仪器 2 微波液位计 微波液位计原理如图所示 相距为s的发射天线与接收天线 相互构成一定角度 波长入的微波从被测液面反射后进入接收天线 接收天线接收到的微波功率将随被测液面的高低不同而异 3 微波物位计 微波物位计原理如图所示 当被测物体位置较低时 发射天线发出的微波束全部由接收天线接收 经检波 放大与定电压比较后 发出物位正常信号 当被测物位升高到天线所在高度时 微波束部分被物体吸收 部分被反射 接收天线接收到的微波功率相应减弱 经检波 放大与定电压比较 低于定电压值 微波计就发出被测物体高出设定物位的信号 4 微波测厚仪 如图所示 在被测金属物体上下两表面安装个终端器 微波信号源发出的微波 经过环行器a 上传输波导管传输到上终端器 由上终端器发射到被测物上表面 微波在上被测物上表面全反射后又回到上终端器 再经传输导管 环行器a 下传输波导管传送到下终端器 由下终端器发射到被测物下表面的微波 经全反射后又回到下终端器 再经过传输波导管问到环行器a 因此被测物的厚度与微波传输过程中的行程长度密切关系 当被测物厚度增加时 微波传输的行程长度减小 5 微波温度传感器任何物体 当