第八讲-霍尔传感器、光电传感器

1、2021/8/141霍尔式传感器霍尔式传感器2021/8/142霍尔效应霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。 磁感应强度B为零时的情况cdab2021/8/143霍尔效应演示霍尔效应演示 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。cdab2021/8/144霍耳效应与霍耳元件（a）霍耳效应（b）霍耳元件结构（c）图形符号（d）外形2021/8/145磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作用在半

2、导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：EH=KH IB2021/8/146霍尔转速表霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁2021/8/147霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。2021/8/148霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用）中的应用 若

3、汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔2021/8/149霍尔式接近开关用于转速测量演示霍尔式接近开关用于转速测量演示n= 60f4(r/min)软铁分流翼片 T开关型霍尔开关型霍尔IC IC 2021/8/1410自动供水装置自动供水装置 图示锅炉中的水由电磁阀控制流出与关闭。 磁传感装置由磁铁及SL3020霍尔开关集成传感器构成。当取水者投入铁制的取水牌时，铁制取水牌将磁铁的磁力线短路，SL3020传感器受较强磁场的作用输出为高电平脉冲，电路输出使电磁阀通电开阀放水。1锅炉 2电磁阀 3投卡口4水龙头

4、 5水瓶 6收卡箱7磁铁 8磁传感器2021/8/1411光电式传感器2021/8/1412 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，可用于检测直接引起光量变化的非电量，通常由四部分组成。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。2021/8/1413 工作原理 把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。 被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将待测信息调制到光波上，通过改变光波强度、相位、空间分布和频谱分布等，由光电器件将光信号转化为电信号，电信号经后续电路解调分离出被测量信息，实现测量。 特点 频谱宽；不受

5、电磁干扰的影响；非接触测量；高精度、高分辨力、高可靠性；反应快等 应用 检测、控制领域2021/8/1414一、光电效应一、光电效应 光是由光子组成的，其能量和频率关系为E=hf 光照在物体上可看成是一连串具有能量为E的光子轰击物体，如果能量足够大，物质内部电子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚，成为自由电子，自由电子可能从物质表面逸出，也可能参与物质内部的导电过程，这种现象称为光电效应。2021/8/1415 可制作位移，振动，转速传感器传感器。 外光电效应 内光电效应物质在光的作用下释放电子的现象称为光电效应。释放的电子称为光电子，光电子在外电场中运动电流称为光电流。2021/8/1416外

6、光电效应- External photoelectric effect外光电效应是指在光的照射下，物体内的光电子逸出金属表面的现象。1887年由德国人赫兹发现。 面效应- surface effect 物质在光的作用下释放光电子，光电子在金属表面形成。 体效应- bulk effect 物质在光的作用下释放光电子，光电子在金属表面较深处形成。可制作光电管、光电倍增管传感器1、外光电效应、外光电效应2021/8/1417 根据爱因斯坦假设: 一个电子只能接受一个光子的能量。要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量大于该物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A，因此对某特定材料而言，

7、将有一个频率限o(或波长限o)，称为“红限”。 红限波长可用下式求得： 当入射光的频率低于o时(或波长大于o)，不论入射光有多强，也不能激发电子； 当入射频率高于o时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。 Ahc/02021/8/1418基于外光电效应原理工作的光电器件有2021/8/1419 光电管 光电管种类很多，一般是装有光阴极和阳极的真空玻璃管，结构如图所示。 （1）光电管2021/8/1420 光电管受光照发射电子 阳极通过RL与电源连接在管内形成电场。光电管的阴极受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电

8、管内形成空间电子流。电阻RL上产生的电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极上的光成函数关系。 2021/8/1421 在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。 光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级的培增率为，若有n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为n。 （2）光电倍增管2021/8/1422内光电效应- (Internal photoelectric effect) 受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的效应叫内光电效应。 光子能量

9、必须大于材料的禁带宽度Eg才能产生内光电效应。 内光电效应的临界波长o=1293/Eg (nm)。通常纯净半导体的禁带宽度为1eV左右。2、内光电效应、内光电效应2021/8/1423物体受到光照时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象称为光电导效应。 可制作光敏电阻（光电导管）传感器.物体（如半导体）在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器.2021/8/14242021/8/1425光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导的相对变化来标志的。 为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的

10、距离。对于面积较大的光敏电阻，通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状电极，2021/8/1426光敏电阻演示光敏电阻演示 光敏电阻受到光照时，光生电子/空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）2021/8/1427光敏电阻的基本应用电路 a）U与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路 2021/8/1428光电式带材跑偏检测光电式带材跑偏检测1 被测带材 2卷取电机 3卷取辊 4液压缸 5活塞 6滑台 7光电检测装置 8光源 9、10透镜 11-光敏电阻R1 12遮光罩 指针将偏向左边还是右边？2021/8/1429光敏二极管光敏二极管 将光敏二极管

11、的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。 2021/8/1430光照 P N a) +RLEU0IAb) 光敏二极管a)结构示意图及图形符号 b）基本应用电路 2021/8/1431 没有光照时，二极管反向偏置，反向电阻很大，反向电流很小，该电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流；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，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

12、大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。光敏二极管的反向偏置接法2021/8/1432光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示 在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。 光敏二极管的反向偏置接法UO+光照光照2021/8/1433例：光电转速传感器2312 31(a)(b) 图（a）是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的

13、电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。 在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。2021/8/1434 2021/8/1435 光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负两个引脚，外型与光敏二极管相似，外观上很难区别。 2021/8/1436光敏三极管内部结构光敏三极管内部结构 a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发

14、射极引脚 6N+ 衬底 7N型集电区 8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结 2021/8/1437 光敏三极管结构、等效电路、符号及应用电路分别如图(a) 、(b) 、(c) 、(d)所示。 光敏三极管与一只普通三极管制作在同一个管壳内，连接成复合管，如图(e)所示，称为达林顿型光敏三极管，其灵敏度更大（=12）。但是，达林顿光敏三极管的漏电（暗电流）较大，频响较差，温漂也较大。 2021/8/1438光敏三极管光控继电器电路光敏三极管光控继电器电路 当无光照时，V1截止，I =0，则V2处于什么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与R b2位置上下对调，其

15、结果如何？ 2021/8/1439烟雾报警器烟雾报警器 无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。 烟雾烟雾报警报警2021/8/1440光伏型探测器 一种自发电式的有源器件，这种半导体器件受到光照射时就产生一定方向的电动势，而不需要外部电源。这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应。 用可见光作光源的光电池是最常用的光生伏特型元件，如硅光电池。2021/8/1441 在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个

16、光子就产生一对光生电子-空穴对， 光生电子-空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。 光电池外形光敏面2021/8/1442能提供较大电流的大面积光电池外形2021/8/1443光电池的光电特性光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性一个典型的硅光电池的光电特性 1 1开路电压曲线开路电压曲线 2 2短路电流曲线短路电流曲线 开路电压为 对数特性短路电流为 线性特性2021/8/1444光电池短路电流测量电路光电池短路电流测量电路 I/U 转换电路的输出电压Uo与光

17、电流I成正比。若光电池用于微光测量时，I可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。 2021/8/1445JMJ112V2A51KL39K470uf例：自动干手器 手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。2021/8/1446光电式浊度计工作原理光电式浊度计工作原理1 1恒流源恒流源 2 2半导体激光器半导体激光器 3 3半反半透镜半反半透镜 4 4反射镜反射镜

18、5 5被测水样被测水样 6 6、9 9光电池光电池 7 7、1010电流电流/ /电压转换器电压转换器 8 8标准水样标准水样 参比通道参比通道 2021/8/1447光纤传感器光纤传感器2021/8/1448光的反射、折射光的反射、折射 当一束光线以一定的入射角1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。 2021/8/1449 当光从光密（折射率大）介质射向光疏（折射率小）介质，且入射角大于临界角时，光会产生全反射。 1、光纤结构 由纤芯、包层、尼龙保护套组成，纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2。2021/8/14502、传光

19、原理 光的全反射是光纤传输光的基础。 光由纤芯到包层表面，由光的折射定律可知： 1221sinsin90sinCCCCnnnno； 全反射时，此时；，为临界角； 当时，光在纤芯中全反射。2021/8/14513、光纤的主要参数和类型 （1）数值孔径 无论光源发射功率有多大，只有2张角之内的光功率能被光纤接收，将的正弦定义为光纤的数值孔径（NA）。 光全反射时 数值孔径反映光纤聚焦能力，一般希望有大的数值孔径，以利于耦合效率的提高。但数值孔径越大，光信号畸变就越严重，所以要适当选择。 201111sinsinsin(90)cos1sinnnnnno222201122110222arcs1isin

20、1nCCnnnnnnnnn；，212221)(sinnnNA2021/8/1452（2）光纤模式 光纤模式简单地说就是光波沿光纤传输的途径和方式。 多模光纤中，同一光信号采用很多模式传输，会使这一光信号分裂为不同时间到达接收端的多个信号，导致合成信号畸变。 模式数量越少越好，尽可能在单模方式下工作，即单模光纤。 阶跃型光纤内传播的模式数量可简单表示为：（3）传播损耗 由于纤芯材料的吸收、散射以及光纤弯曲处的辐射损耗等影响，光信号在光纤的传播不可避免地会有损耗。 0212221)(nndv2021/8/1453假设从纤芯左端输入一个光脉冲，其峰值强度（光功率）为I0，传播损耗后，光纤中任一点处的

21、光强度为：（4）光纤类型 按折射率变化分为阶跃型和渐变型光纤；按传输模式分为单模和多模光纤。 光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。 LeILI0)(2021/8/1454 光纤弯曲时，在纤芯中传输的光有一部分耦合到包层中，原来光束以大于临界角的角度在纤芯中传播为全内反射，但在弯曲处，光束以小于临界角的角度入射到界面，部分光逸出，散射到包层。这种检测原理可以实现对力、位移和压强等物理

22、量的测量。2021/8/1455光纤式光电开关应用：电路板标志检测标志孔 当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。 光纤耦合器传输光纤出射光纤2021/8/1456采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测2021/8/1457三、光电开关三、光电开关 在自动化线及安全装置中作光控制和光探测装置，可实现限位控制、产品计数、料位检测、越限安全报警等。 从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。 光电开关分为遮断型和反射型。遮断型的

23、发射器和接收器相对安放、轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。遮断型的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。 2021/8/1458 光电开关外形光电开关外形2021/8/14591、遮断式光电开关原理ObjectReceiver 遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。被检测物体光发射器光接收器2021/8/14602、反射型光电开关 分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（散射型）。 反射镜反射型采用较为

24、方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果，反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感；有的还采用偏光镜，能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。三角反射镜三角反射镜集发射、接收器于一身集发射、接收器于一身2021/8/1461反射镜反射型光电开关工作原理反射镜反射型光电开关工作原理 反射镜反射型集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。反射板反射镜反射镜被测物体偏振光偏振光发射光发射光202

25、1/8/1462被测物漫反射型光电开关原理被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线 漫反射型集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。额定距离额定距离2021/8/1463漫反射型光电开关的应用2021/8/1464门窗防盗控制自动扶梯自动启停对射式光电开关汽车通过检测汽车喷涂控制2021/8/1465鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制对射式光电开关2021/8/1466斜度检测扩散反射式光电开关裂缝检测镜面反射式光电开关透明玻璃瓶检测长度控制2021/8/1467限距式光电开关产品计数液位检测气流量监测检测有无盖2021/8/1468限距式光电开关料径控制行程控制转速监测超速或滞速判别2021/8/1469四、光固态图像传感器四、光固态图像传感器 光固态图像传感器由光敏元件阵列光敏元件阵列和电荷转移器件电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件电荷转移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，C