检测与传感第九章(2)第十章(1)

1、检测与传感技术上节内容复习上节内容复习9.1 气敏传感器气敏传感器1. 定义定义：用来检测气体类别、浓度和成分的2. 分类分类：半导体式、接触燃烧式、化学反应式、 光干涉式、热传导式、红外线吸收散射式 3. 半导体气敏传感器半导体气敏传感器第9章 半导体传感器 （1） 基本原理基本原理：利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。（2）测量过程）测量过程：加热至稳定后，从阻值的变化判定吸附气体的种类 氧化型气体N型半导体：载流子数下降，电阻增加 还原型气体P型半导体：载流子数下降，电阻增加 还原型气体N型半导体：载流子数增加，电阻减小 氧化型气体P型半导体：载流子数增加，电

2、阻减小直热式：直热式：将加热丝、测量丝直接埋入半导体粉末中烧结而成旁热式：旁热式：将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外接测量电极4. 直热式、旁热式气敏元件直热式、旁热式气敏元件5. 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器烧结型薄膜型 厚膜型上节内容复习上节内容复习9.2 湿敏传感器湿敏传感器1. 湿度的概念 绝对湿度和相对湿度3. 氯化锂湿敏电阻2. 分类：电阻式、电容式、其它电阻式 原理：氯化锂（LiCl）溶液中，Li离子与水所发生的离子水合离子水合效应，使离子浓度增大，溶液中离子导电能力与浓度成正比。电解质式（氯化锂湿敏电阻）陶瓷式（半导体陶瓷湿敏电阻）高分子式4. 半导体陶瓷湿敏电阻

3、负特性湿敏半导体陶瓷负特性湿敏半导体陶瓷: 电阻率随湿度增加而下降；正特性湿敏半导体陶瓷正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增加而上升；eg.烧结型 Fe3O4负特性材料的阻值随相对湿度的变化，变化明显（3个数量级）；正特性材料的阻值随相对湿度的变化，变化不明显（2倍）；本章目录本章目录 9.1 气敏传感器气敏传感器9.2 湿敏传感器湿敏传感器9.3 色敏传感器色敏传感器9.4 半导体式传感器的应用半导体式传感器的应用1. 概述概述2. 半导体色敏传感器的基本原理半导体色敏传感器的基本原理2. 半导体色敏传感器的基本特性半导体色敏传感器的基本特性1. 实用酒精测试仪实用酒精测试仪2. 直读式湿度

4、计直读式湿度计3. 彩色信号处理电路彩色信号处理电路9.3 色敏传感器色敏传感器 1. 概述概述（1）定义 是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。是光敏传感器中的一种。光敏：检测一定波长范围内光的强度光敏：检测一定波长范围内光的强度色敏：测量单色辐射光的波长（从可见光到近红外波段内）色敏：测量单色辐射光的波长（从可见光到近红外波段内）（2）与光敏传感器的区别可见光传感器可见光传感器：指在整个可见光范围内都具有灵敏度的全谱传感器 单色彩传感器单色彩传感器：能识别特定某种颜色的传感器 （如红、黄、兰）集成性全色彩传感器集成性全色彩传感器：除基色外还能识别中间颜色的传感器 （3）分类

5、 半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管，其结构原理及等效电路如图所示。为了说明色敏传感器的工作原理，有必要了解光电二极管的工作机理。 2. 基本原理基本原理半导体色敏传感器结构和等效电路图 电 极 1电 极 2PPNSiO2电 极 3123光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态光敏二极管接线图 在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小； 当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。 因此，光敏二极管在不

6、受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。 （1） 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理吸收系数随波长的变化 0.2 0.4 0.6 0.81.2 1.4 1.61.8102101101102330 K77 K1061051041031021011波长 / m穿透深度(1 / ) /m吸收系数 / cm1103SiGeGaAs 光在半导体中传播时的衰减是由于价电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果，这种吸收光子的过程称为本征吸收。硅、砷化镓、铬的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如左图所示。 由图可见：波长短的光子衰减快，穿透深度较浅；波长长的光子则能进入半导体内的较深区域。可见光0.

7、4m m 0.76m； 这就表明：紫外部分穿透深度浅，红外部分穿透深度深。量子效率随波长的变化 0.40.60.81.0 / m00.20.40.60.8量 子 效 率xj 2 mxj 1 mxj 0.5 m 量子效率量子效率来表征光生电子流与入射光子流的比值大小。其物理意义是指单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。不同结深时量子效率随波长变化的曲线如图所示。图中xj即表示结深。结深：PN结材料表面到PN结界面的距离（eg P型半导体上覆盖一层N型半导体，则N型膜的厚度即为结深） 结深小的叫浅PN结 结深大的叫深PN结半导体色敏器件正是利用了这一特性。 浅的PN结有较好的紫光灵敏度 深的

8、PN结则有利于红外灵敏度的提高（2）半导体色敏传感器工作原理）半导体色敏传感器工作原理 当有入射光照射时，P、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同（fig9-19） 紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完毕，这类波长的光子在浅结被吸收。 红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。 浅结的光电二极管对紫外光的灵敏度高，深结的光电二极管对红外光的灵敏度较高。 （fig9-20） 图中所示的是结深不同的两个PN结二极管 浅结的二极管是PN结 深结的二极管是PN结电 极 1电 极 2PPNSiO2电 极 3123 上述分析说明色敏传感器在半导体中不同的区域对不

9、同的波长分别具有不同的灵敏度，因此，颜色（入射光的波长）识别就是基于这一特性的。 在具体应用时，分两步：Step2: 根据标定的曲线，实测出某一单色光时的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。Step1: 对该色敏器件进行标定 测定不同波长的光照射下该器件中两只光电二极管短路电流的比值ISD2/ISD1，二者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。（ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大；ISD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大） 半导体色敏器件的光谱特性是表示它所能检测的波长范围， 不同型号之间略有差别。3 半导体色敏传感器的基本特征半导体色敏传感器的基本特征 （1） 光谱特性

10、光谱特性光谱特性 上图给出了某种型号半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是400900nm。 020406080100VD1VD20.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 / m相对响应 / (%) 短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。 (2) 短路电流比短路电流比波长特性波长特性短路电流比波长特性 由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管短路电流之比， 而这两只光电二极管是做在同一块材料上的，具有相同的温度系数， 这种内部补偿作用使半导体色敏器件的短路电流比对温度不敏感， 所以通常不考虑温度影响。 (3) 温度特性温度特

11、性1. 实用酒精测试仪实用酒精测试仪 酒精测试仪电路二氧化锡气敏元件9.4 半导体式传感器应用半导体式传感器应用 2. 直读式湿度计直读式湿度计直读式湿度计电路图 氯化锂湿敏传感器桥式整流电路 要识别色彩，必须获得两只光电二极管的短路电流比。图为检测光波长（即颜色）处理电路。它由色敏半导体传感器、两路对数放大器电路及运算放大器A3构成。 色彩信号处理电路 3. 彩色信号处理电路彩色信号处理电路 对数放大器电路，在电流较小的时候，二极管两端加上的电压和流过电流之间存在近似对数关系，即A1、A2输出电压分别跟lnISD1、lnISD2成比例， A3取出它们的差。输出为 其正比于短路电流比ISD2/

12、ISD1的对数。其中C为比例常数。将电路输出电压经A/D变换、 处理后即可判断出与电平相对应的波长（即颜色）。 2211(1)1SDoSDSDSDIUC nIInIC nI9-2 为什么多数气敏元件都附有加热器？为什么多数气敏元件都附有加热器？ 答：加热器可以去除附着在敏感元件表面的尘埃，油污；加速气体的吸附；提高器件的灵敏度和响应速度。 第九章第九章 习题习题9-7 酒精测试仪中酒精测试仪中TGS-812是什么器件？是什么器件？2和和5脚是什么？脚是什么？Rp的作用是什么？的作用是什么？ 答（1）TGS-812是二氧化锡气敏传感器；（2）2和5是加热丝，加热可以去除附着在敏感元件表面的尘埃，

13、油污；加速气体的吸附；提高器件的灵敏度和响应速度（3）电路工作原理：探测不到酒精时，加在A的第5脚电平为低电平；当传感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使A的第5脚电平变高，并根据5脚电压高低来确定依次电量发光二级管的级数，酒精含量越高，二极管点亮数目越多。Rp的作用是为了调节5脚的电压，使5脚在进行气体探测前处于低电平状态。 10.1 超声波及其物理性质超声波及其物理性质10.2 超声波传感器超声波传感器10.3 超声波传感器应用超声波传感器应用1. 波形及传播速度波形及传播速度2. 反射和折射反射和折射3. 衰减衰减1. 物位传感器物位传感器2. 流量传感器流量传感器1. 定义定义2. 分类

14、分类3. 结构结构第10章 超声波传感器 声波：频率在162104 Hz间，能为人耳所闻的机械波；次声波：低于16 Hz的机械波；超声波：高于2104Hz的机械波。声波的频率界限图 10.1 超声波及其物理性质超声波及其物理性质 频率在310831012 Hz之间的波，称为微波。机械波(1) (1) 可闻声波（可闻声波（16Hz20kHz16Hz20kHz）(2) (2) 次声波次声波 次声波是频率低于16Hz的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。次声波炸弹次声波可穿透次声波可穿透1515米米厚的混凝土和坦克厚的混凝土和

15、坦克装甲钢板装甲钢板 (3) (3) 超声波超声波 蝙蝠能发出和听见超声波蝙蝠依靠超声波定位 声波的波型通常分为： 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播； 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播； 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。 1. 超声波的波型及其传播速度超声波的波型及其传播速度 在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为：横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%超声波的波

16、型分类 1超声波发生器 2钢材纵波纵波表面波在钢材表面的传播表面波在钢材表面的传播 纵波在钢材中的传播纵波在钢材中的传播 横波横波 超声波在气体和液体中传播时，仅有纵波的传播，其传播速度c为 1acB式中：介质的密度； Ba绝对压缩系数。 上述的、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。压缩系数，是描述当压强压缩系数，是描述当压强变化时，体积如何变化的变化时，体积如何变化的力学响应函数力学响应函数 表表1 0100范围内蒸馏水声速随温度的变化范围内蒸馏水声速随温度的变化 下表为蒸馏水在0100时声速随温度变化的数值。 从表可看出，蒸馏水温度在0100范围内，声速随温度

17、的变化而变化，在74时达到最大值，大于74后，声速随温度的增加而减小。 声波从一种介质传播到另一种介质，由于在两种介质中传播速度不同，在两个介质的分界面上一部分声波被反射, 另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射，如图所示。 2. 超声波的反射和折射超声波的反射和折射 超声波的反射和折射 当波在界面上产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即 21sinsincc声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得: 2112211220coscoscoscosccccIIRr22211

18、222110)cos(cos4ccccIITt 式中：I0, Ir, It分别为入射波、反射波、透射波的声强； 、分别为声波的入射角和折射角； 1c1、2c2分别为两介质的特性阻抗（其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度）1 12221 1224()ccTcc当超声波垂直入射界面，即=0时，则 2221 1221 111ccRcc 由上两式可知：若2c21c1，则反射系数R0，透射系数T1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若2c21c1, 反射系数R1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当1c1 2c2时，反射系数R1，声波在界面上几乎全反射。eg: 20时，水的

19、特性阻抗为1c1 =1.48106kg/(m2s), 空气的特性阻抗为2c2 =0.000429106 kg/(m2s), 1c1 2c2, 故超声波从水介质中传播至水气界面时， 将发生全反射。 22211222110)cos(cos4ccccIITt2112211220coscoscoscosccccIIRr3. 超声波的衰减超声波的衰减axxaxxeIIePP200式中：x声波与声源间的距离； 衰减系数； Px、Ix距声源x处的声压和声强 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。衰减用两个参数来衡量： 声压、声强计算公式： 声压：声压：有声波存在时，媒质中的压力与静压的差值。

20、（气压受到扰动后产生的压强变化） 声强：声强：单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的能量。（相当于能量流密度的概念）当声波垂直入射到光滑的界面上时，入射声压pi、反射声压pr、透射声压pd三者之间满足如下关系：p i+ pr = pd 与此对应，透射波声压透射波声压pd与入射波声压与入射波声压pi之比称为声压之比称为声压透射率透射率d：d2i212pZdpZZ=+Z1介质1的声阻抗；Z2介质2的声阻抗反射声压反射声压pr与入射波声压与入射波声压pi之比称为声压反射率之比称为声压反射率:1212ZZZZppir讨论 :(1)当介质1与介质2的声阻抗相等或十分接近时，=0，d=1。即不产生反射波，可以视为全透射。(2)当超声波从声阻抗（Z1）低的介质射向声阻抗（Z2）高的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相同，但透射声压pd却大于入射声压p i(3)当超声波从声阻抗（Z1）大的介质射向声阻抗（Z2）小的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相反，且透射声压pd小于入射声压pi1212ZZZZppird2i212pZdpZZ=+例：当超声波从水中入射到钢板与水的界面时，求反例：当超声波从水中入射到钢板与水的界面时，求反射率射率、透射率、透射率d d。（。（Z水=14.8MPasm-1，Z钢=460MPasm-1