传感器技术（第三版） 课件 高晓蓉 第7-9章 磁敏式传感器、光电式传感器、光纤传感器

1同学们好！2第七章磁敏式传感器磁敏传感器磁场电能测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴随磁场改变其运动方向结构结型体型磁敏二极管磁敏三极管——霍尔传感器磁敏电阻——MagneticSensor3§7-1霍尔传感器半导体HallTransducer一、霍尔效应1、定义HalleffectDefinition传感器技术——第七章——霍尔元件灵敏度——霍尔电势42、霍尔电势的产生N型半导体：传感器技术——第七章洛仑兹力电场力动态平衡电流P型：令霍尔系数5半导体绝缘体金属材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟灵敏度低、温度特性及线性度好灵敏度最高、受温度影响大输入1输入2输出1输出2磁性顶端引线衬底霍尔元件溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件传感器技术——第七章或或6二、主要技术参数及特点（1）额定激励电流

IH——霍尔元件温升10℃时所加的电流（2）不平衡电势U0不等位电势、零位电势——IH、B=0、空载霍尔电势原因：两个霍尔电极不在同一等位面上材料不均匀、工艺不良传感器技术——第七章焦尔热散热——表面散热系数7（3）输入电阻Ri

、输出电阻R0Ri

——控制电流电极间的电阻R0——输出霍尔电势电极间的电阻B=0欧姆表（4）霍尔电压VH0.10.20.30.42502001501005000.10.20.30.4250200150100500（5）霍尔电压的温度特性负温度特性传感器技术——第七章8霍尔元件的主要技术指标传感器技术——第七章9三、霍尔元件连接方式和输出电路特点：（1）测量磁物理量、电量及其它相关物理量（2）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件（3）输出信号的信噪比大（4）频率范围宽：直流~数百千赫兹（5）体积小、重量轻（6）稳定性好、寿命长传感器技术——第七章1、基本测量电路2、霍尔元件连接方式

控制电流端并联输出电势：2倍E++++++++++直流供电方式：控制电流端串联次级绕阻叠加输出~交流供电方式：传感器技术——第七章113、霍尔电势的输出电路四端器件，输出电势：mV量级线性应用：比例放大器线性度好、低噪声放大器开关应用：射极跟随器灵敏度高、一般放大器传感器技术——第七章12四、测量误差及补偿半导体固有特性半导体制造工艺缺陷零位误差温度误差A、B同一等位面：U0=0、电桥平衡A、B非同一等位面：U0=0、电桥不平衡电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻Measuringerrorandcompensation1、零位误差及补偿Nullerror&compensation传感器技术——第七章13（a）（b）（c）传感器技术——第七章142、温度误差及补偿电阻率、迁移率、载流子浓度：T霍尔元件内阻、霍尔电势：T霍尔效应集成电路技术开关信号磁敏传感器Temperatureerror&compensation五、霍尔开关集成传感器Hallswitchedintegratedsensor传感器技术——第七章1、结构及工作原理稳压材料：硅工艺：硅平面工艺提高灵敏度N型硅外延层很薄集成工艺工作原理：有磁场：VH，放大，整形：>开启阈值，高电平

VT导通，具有吸收电流的负载能力磁场减弱：VH减小，放大，整形：<关闭阈值，翻转，低电平，VT截止开状态关状态传感器技术——第七章162、工作特性1210864203、接口电路3020T外形应用电路传感器技术——第七章——工作点“开”——释放点“关”——磁滞高

低，开状态低高，关状态17KK传感器技术——第七章4、磁场施加方式2.557.51012.51517.5200.100.090.080.070.060.050.040.030.020.010（1）磁铁轴心接近式两轴心方向重合2.557.51012.51517.5200.100.090.080.070.060.050.040.030.020.010（2）磁铁侧向滑近式两平面距离不变磁铁轴线与传感器平面垂直传感器技术——第七章02.557.5100.100.080.060.040.02

（3）采用磁力集中器增加

传感器的磁感应强度传感器技术——第七章六、霍尔线性集成传感器1、结构及工作原理输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系构成：霍尔元件、放大器、稳压、电流放大输出级、失调调整、线性度调整稳压单端输出：SL3501T双端输出：SL3501M稳压Halllinearintegratedsensor传感器技术——第七章2、主要技术特性-0.3-0.2–0.100.10.20.35.64.63.62.61.6

SL3501T输出特性曲线0.040.080.120.160.200.240.280.322.52.01.51.00.50SL3501M输出特性曲线霍尔线性集成传感器的技术参数传感器技术——第七章22七、霍尔传感器的应用磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越均匀，输出线性越好测量范围：1~2mmApplicationofHallsensor传感器技术——第七章1、霍尔位移传感器232、磁感应强度测量仪传感器技术——第七章3、直流功率测量仪ASL3501M：霍尔线性集成传感器RP1：调整表头量程RP2：调零

C1：低通滤波测量上限：0.3TV244、转速测量永磁体安装在轴端永磁体安装在轴侧传感器技术——第七章255、测量电流测量大直流电流（10kA）：电阻器分流霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场（1）导线旁测法简单、测量精度差、受外界干扰大（2）导线贯穿磁芯法环形铁芯集中磁力线，提高电流测量精度传感器技术——第七章266、测量表面覆盖层厚度铁磁性物质非磁性涂层0

123500400300200100传感器技术——第七章7、自动凭票供水装置控制电路参考书：黄继昌等编，《传感器工作原理及应用实例》，人民邮电出版社，1998传感器技术——第七章28作业：自动凭票供水装置的控制电路设计控制电路光盘：教学内容/ch07传感器技术——第七章§7-2磁敏电阻器Magneto-resistor一、磁阻效应——载流导体置于磁场中，其电阻随磁场而变化Magneto-resistiveeffect传感器技术——第七章磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电——磁感应强度为B时的电阻率——零磁场下的电阻率——电子迁移率——磁感应强度式中，电阻率变化：电阻率相对变化：磁敏电阻：InSb、InAs30二、磁敏电阻的原理及特性1、原理传感器技术——第七章3101234567891020

151051l/b=3l/b=1l/b=1/3科尔比诺圆盘2、结构传感器技术——第七章——形状效应系数——电阻长度——电阻宽度32

-5-3-10135700

600

500

400

300

200

100

020406080150100503、特性传感器技术——第七章33§7-3磁敏二极管和磁敏三极管PN结型的磁电转换元件I区：高阻本征区P、N：重掺杂区P-I-N结I区两侧处理：光滑：I面打毛：复合面（r面）一、磁敏二极管1、结构Magneto-diode传感器技术——第七章2、工作原理磁场H=0：少量电子和空穴在I区、r区复合正向磁场H+

：电子和空穴偏向r区，电流因复合增大而减小反向磁场H-：电子和空穴偏向I区，电流因复合减少而增大传感器技术——第七章3513579根据某一电压下的电流值可确定磁场的大小和方向。

伏安特性3、主要技术特性及参数4、特点（1）灵敏度高：测量弱磁场（2）具有正反磁灵敏度（3）线性范围较窄传感器技术——第七章365、应用例：漏磁探伤仪显示仪表激励线圈放大器铁芯钢棒裂纹磁敏二极管探头钢棒：转动、磁化显示仪表激励线圈放大器铁芯钢棒磁敏二极管探头无损伤部分：闭合磁路、无泄漏磁通，无输出信号裂纹：泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号传感器技术——第七章37二、磁敏三极管1、结构2、工作原理复合基区输运基区Magneto-transistor传感器技术——第七章复合基区输运基区无磁场作用：

e-I-b：基极电流输运基区：集电极电流复合基区输运基区正向磁场作用：载流子偏向发射极一侧，集电极电流减小复合基区输运基区反向磁场作用：载流子偏向集电极一侧，集电极电流偏大传感器技术——第七章39同学们好！x1光源光通路光电器件测量电路光量光量电量x2输出X1——被测量直接引起光源光量的变化X2——被测量在光传播过程中调制光量对光量的调制方法：第八章光电式传感器PhotoelectricTransducer41主要内容第一部分光源第二部分光电效应第三部分光电器件第四部分新型光电传感器第五部分光电传感器的应用传感器技术——第八章42一、光源常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体放电光源发光二极管激光器GaP、SiC可见光LEDGaAs红外LEDLightSource1、常用光源CommonlightSource传感器技术——第八章43（1）发光二极管LED:LightEmittingDiode特点：电致发光、体积小、功耗低、寿命长传感器技术——第八章44650nmLD（2）半导体激光二极管SemiconductorLaserDiode传感器技术——第八章45带尾纤大功率LD1.55LD模块808nm大功率LD传感器技术——第八章46主要内容第一部分光源第二部分光电效应第三部分光电器件第四部分新型光电传感器第五部分光电传感器的应用传感器技术——第八章47——不同频率或波长的光具有不同的能量二、光电效应波动性：干涉、衍射粒子性：具有一定能量的粒子光——以光速运动的粒子流波粒二象性PhotoelectricEffect传感器技术——第八章

E——光子的能量（J）

h——普朗克常数（6.62×10-34

J·s）

υ——光子频率（s-1）

c——光速（3×108

m/s）

λ——光子波长（m）E=hυ=hc/λ48

金属金属氧化物光照

电子逸出物体表面1、外光电效应电子吸收光子能量克服物质的束缚，电子逸出功转化为逸出电子的动能OuterPhotoelectricEffect传感器技术——第八章hυ=1/2mv2+A

m——电子的质量（9.1×10-31kg）

v——电子发射时的速度（m·s-1）

A——电子逸出功（J）491、对于一定的金属材料，任何频率的入射光都会产生外光电效应吗？2、入射光强越大，意味着什么现象越强？3、为什么基于外光电效应的光电器件都有一个负的截止电压？传感器技术——第八章hυ=1/2mv2+A

m——电子的质量（9.1×10-31kg）

v——电子发射时的速度（m·s-1）

A——电子逸出功（J）502、内光电效应光生电子-空穴对光电导效应光生伏特效应内光电效应光照

半导体

电子在物体内部运动InnerPhotoelectricEffect传感器技术——第八章载流子数目增多、电导率变大条件：入射光能量大于半导体材料的禁带宽度（1）光电导效应PhotoconductiveEffect在光照下，使半导体产生一定方向电动势的现象。（2）光生伏特效应PhotovoltaicEffect传感器技术——第八章52主要内容第一部分光源第二部分光电效应第三部分光电器件第四部分新型光电传感器第五部分光电传感器的应用传感器技术——第八章53三、光电器件PhotoelectricDevices1、光电管Phototube传感器技术——第八章542、光电倍增管光电倍增极：12-

14级Photomultiplier传感器技术——第八章553、光敏电阻Photo-resistor传感器技术——第八章564、光敏二极管提高光电转换能力：面积大、浅结的PN结管芯结构光敏二极管电路Photodiode传感器技术——第八章5、光敏三极管种类：NPN、PNP电极：通常2个，无基极结构：基区面积大发射区面积小放大：两个PN结光敏三极管的芯片结构光敏三极管的电路Phototransistor传感器技术——第八章586、光电池电压源：将光量转变为电动势硒光电池硅光电池（1）硒光电池（2）硅光电池Photocell传感器技术——第八章59主要内容第一部分光源第二部分光电效应第三部分光电器件第四部分新型光电传感器第五部分光电传感器的应用传感器技术——第八章60四、新型光电传感器线阵光位置传感器Newtypephotoelectrictransducer1、光位置传感器PhotopositioningsensorSPD:SiliconPhotoDiode传感器技术——第八章61测量距离：基于光学三角测量原理信号采集电路微处理器发射电路输出电路激光发射器透镜组E目标物体窗口范围距离上限距离下限发射电路传感器技术——第八章传感器技术——第八章激光三角测量原理无接触测量技术光源反射光光电检测器测距原理：距离→夹角→位置激光二极管漫反射被测物体光学系统反射镜PSD或CCD光电检测器位移Ld1d2激光传感器1D

激光传感器2传感器技术——第八章64传感器技术——第八章轮对内距检测65面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器传感器技术——第八章662、高速光电二极管PIN-PD：光电转换效率高漂移时间小响应速度高Highspeedphotodiode传感器技术——第八章67APD雪崩式光电二极管高掺杂浓度的P+层响应时间极短碰撞电离二次电子发射雪崩倍增，灵敏度高Avalanchephotodiode传感器技术——第八章68传感器技术——第八章693、色敏光电传感器结构等效电路浅结：对紫外光有较高灵敏度深结：对红外光有较高灵敏度Colorphotoelectrictransducer传感器技术——第八章70短路电流比与入射光波长的关系双结二极管的光谱特性105210.50.20.10.050.020.010400

50060070080090010001100双结二极管的光谱特性10080

60

4020

0400

50060070080090010001100传感器技术——第八章71短路电流比检测电路传感器技术——第八章724、光电开关发射接收放大振荡同步积分显示电源延时驱动输出被检物Photoelectricswitch传感器技术——第八章73（1）对射式光电开关围墙监护警戒库房卫士安全警戒传感器技术——第八章74门窗防盗控制自动扶梯自动启停汽车喷涂控制烟雾报警传感器技术——第八章75鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制传感器技术——第八章76高低电压隔离数据传输通道传感器技术——第八章77（2）扩散反射式光电开关裂缝检测行程控制传感器技术——第八章78产品计数液位检测检测有无盖料位控制传感器技术——第八章79料径控制带材对中控制缺料检测传感器技术——第八章80

电气化铁路拉出值检测转速监测超速或滞速判别传感器技术——第八章81（3）镜面反射式光电开关透明玻璃瓶检测长度控制传感器技术——第八章升、降弓时间检测（4）光幕传感器自动装配机的侵入检测机器人工作区安全检测车库门车辆通过检测上料机和卸料机的侵入检测传感器技术——第八章83传感器技术——第八章84主要内容第一部分光源第二部分光电效应第三部分光电器件第四部分新型光电传感器第五部分光电传感器的应用传感器技术——第八章例1：路灯自动控制器五、光电传感器的应用天黑：BG1导通，J动作，路灯亮；天亮：光电池电动势，BG1截止，J释放，路灯灭。例2：光电转距测量仪光栅盘：有机玻璃，数量相等的黑色条纹无转矩作用：光栅盘1透光部位对准光栅盘2的黑色部分，无信号有转距作用：扭转，光栅盘间有角度，透光窗口，与转矩成正比传感器技术——第八章87例3：太阳能电池电源系统调节控制器太阳电池方阵直流负载逆变器交流负载发电装置：单体太阳能电池——太阳电池组件——阵列调节控制器：充放电自动控制阻塞二极管：避免蓄电池对太阳电池放电传感器技术——第八章88例4：太阳能自动跟踪控制器接收装置结构B1、B3安装在控制电路外壳的同一侧B2、B4安装在控制电路外壳的另一侧传感器技术——第八章89B1、B3受光照：3电位增大，K1工作，3、1闭合

5电位减小，K2不工作，3、2闭合，M正转B2、B4受光照：M反转面向太阳：两侧光照相同，K1、K2同时工作，M停止90例5：条形码扫描笔传感器技术——第八章91条形码扫描笔——

产品传感器技术——第八章92例6：戒烟缸弹烟灰：显示“吸烟有害健康”传感器技术——第八章93例7：大米分选机大米及杂质在光照下，发出不同光信号传感器技术——第八章94运动方向例8：可逆计数器出入场人数统计例9：吸收式烟尘浊度检测仪白炽平行光源光检测放大显示报警器刻度校正传感器技术——第八章95例10：工件表面粗糙度及尺寸测量传感器技术——第八章例11：透射式光电传感器测狭缝例12：光电数字转速表传感器技术——第八章97传感器技术——第八章n——待测转数f——输出脉冲信号的频率N——调制盘的孔数或黑白条纹数98同学们好！CCD图像传感器CCD——固态图像传感器体积小、重量轻、析像度高、功耗低、低电压驱动

线型CCD图像传感器

面型CCD图像传感器光电器件光像信息电信号图像图像传感器？ImageSensor100数码相机摄像机

面型CCD图像传感器扫描仪复印机

线型CCD图像传感器传感器技术——第八章光敏元件阵列CCD图像传感器

光电转换光学图像

电信号图像

¦¦光强空间

电荷空间分布分布电荷耦合器件CCD电荷转移器件：CTDCTD：ChargeTransferDevice电信号图像的读取与输出CCD：ChargeCoupledDevice类似：移位寄存器的移位功能（1）如何获取图像信息？（2）怎样实现电信号图像的读取与输出？传感器技术——第八章102主要内容光敏元件阵列CCD的结构和基本原理线型CCD图像传感器面型CCD图像传感器应用举例传感器技术——第八章103一、光敏元件阵列——获取光像信息半导体的光电效应光生电子-空穴对传感器技术——第八章——普朗克常数——入射光频率——禁带宽度104光积分

光电荷数量

光照强度、光积分时间光敏元件阵列的结构像素1像素2像素3像素4像素5光生电子光像信息电荷空间分布105二、CCD的结构和基本原理MOS电容结构输入端输出端CCD——图像电荷存储、定向转移输出传感器技术——第八章1、结构势阱：加偏压后在金属电极下形成的深耗尽区2、电荷存储

输入二极管S

输出二极管D耗尽区：电极加正偏压后形成的无空穴的区域耗尽区

——势阱内存储少子电荷包电荷包：少子填充势阱少子（电子）被吸引到最高正偏压电极下电荷包传感器技术——第八章3、电荷(少子)定向转移——三相控制方式经过一个时钟脉冲周期，电荷从前一组的一个电极下，转移到下一组的同号电极下。——电荷定向转移第一组第二组三、线型CCD图像传感器传感器技术——第八章109尺寸检测110

双行结构的线型CCD图像传感器如何检测二维图像传感器技术——第八章111四、面阵CCD图像传感器——在x、y两个方向上实现电子自扫描缺点：易引起图像模糊传感器技术——第八章112优点：电极结构简单，转移单元较密。缺点：需要附加存储器。传感器技术——第八章113优点：帧传输一次转移完成，器件操作简单，图像清晰。缺点：单元设计复杂，感光面积减少。——电视摄像系统最好方式。传感器技术——第八章处理、显示驱动电路五、应用举例传感器技术——第八章——透镜焦距——CCD长度尺寸——CCD像素间距——CCD像素数——视场范围光学放大倍数：115（1）测量小尺寸物体传感器技术——第八章——上端受光照的像素数——下端受光照的像素数——视场范围116（2）测量大尺寸物体传感器技术——第八章117CCD1：CCD2：实例1：轨道表面缺陷检测（Cybernetix）传感器技术——第八章传感器技术——第八章120复印机传感器技术——第八章121检测系统构成传感器技术——第八章122图像处理过程区域定位传感器技术——第八章边缘提取图像分割抽取目标传感器技术——第八章124实例2：轨道缺件、轨枕裂缝检测（Cybernetix）传感器技术——第八章125Pagedétectionboulonmanquant故障1：螺栓、扣件缺失

实例3：轨道不平顺检测V车轮轮轴轴箱CCD1CCD2

红外光源2

红外光源1V红外光源CCDV2m传感器技术——第八章127传感器技术——第八章128传感器技术——第八章129内侧钢轨接头处塌落、空吊——陇海线传感器技术——第八章130同学们好！131第九章光纤传感器光纤：光导纤维，70年代发展新兴光电材料

——光电子学领域光纤传感技术：受外界环境因素影响光纤传感器外界因素光纤传输光波量外界因素：压力、温度、电场、磁场光波量：光强、相位、频率、偏振态Opticalfibersensor132特点：灵敏度高、结构简单、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、遥测

——可测量70多个物理量

——多学科性：纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术、微机应用传感器技术——第九章

主要内容第一节光纤传感器基础第二节光纤传感器的调制技术第三节光纤传感器应用举例133§9-1光纤传感器基础一、光纤的结构涂敷层：硅铜、丙烯酸盐——增加机械强度塑料套管：保护、不同颜色——区分多层介质结构的对称圆柱体传感器技术——第九章纤芯：、掺杂（）

——提高光折射率、直径5~75um包层：、掺杂（）

——降低光折射率、100~200um134二、光纤波导原理传感器技术——第九章临界角全反射135三、光纤的特性1、数值孔径NA传感器技术——第九章——光纤接收光的范围NA——光纤集光性能参数，石英光纤0.2~0.4光线由的空气介质射入纤芯实现全反射：1362、损耗吸收损耗：光能→热能，对不同波长光的吸收率不同散射损耗：光纤材料不均匀、几何尺寸缺陷引起瑞利散射、光纤弯曲3、色散光纤内传输的光脉冲，由于光波的群速度不同而出现光脉冲展宽现象。——信号脉冲畸形，限制了光纤的传输带宽——材料色散、波导色散、多模色散传感器技术——第九章137四、光纤分类1、阶跃型折射率分布中心光线：轴线传播通过轴线的子午光线：锯齿形轨迹2、梯度型折射率分布聚焦作用传播轨迹：类似正弦波——自聚焦光纤传感器技术——第九章五、光纤传感器基本原理及类型组成：光纤、光源、光探测器传光型：非功能型/多模光纤（传输更多光量）传感型：功能型/单模光纤（被测对象调制光纤特性）1、传光型光纤传感器调制器光纤：传输光波、多模光纤、不连续（入射、出射光纤）调制器：敏感元件、被测量作用下光路遮断、光穿透率变化传感器技术——第九章139光纤：“传”——传输光波“感”——外界作用下光学特性变化光纤连续2、传感型光纤传感器特点：（1）传光性好、损耗小（2）频带宽、超高速测量（3）灵敏度、线性好（4）非接触、非破坏性、远距测量（5）体积小、重量轻传感器技术——第九章140§9-2光纤传感器的调制技术调制技术：将一携带信息的信号叠加到载波光波上

——光在调制区与外界被测量的相互作用

——光纤对外界参数有一定效应光纤传感器的核心：光被外界参数的调制原理——机理强度调制相位调制频率调制偏振调制波长调制

调制器Modulationtechnique传感器技术——第九章一、强度调制——被测对象引起载波光强变化强度调制特点：技术简单、可靠、价格低、商品化1、小的线（角）位移外调制传感器技术——第九章发射光纤：不动接收光纤：横向、纵向位移或转动传光、2~3mm142传感器技术——第九章入射、出射光纤：相同的单模光纤功率耦合系数——径向位移——光纤中的光斑尺寸测量范围：10内位移mm143反射式：测量反射光强度，确定物体位置变化光纤束遮光式：光闸2、微弯损耗光强调制模态理论：垂直于光纤轴线的应力使光纤弯曲时，传输光部分折射到光纤包层中，不产生全反射，纤芯中光强发生变化。测量外界力：重力、应力、加速度等传感器技术——第九章144微弯光纤压力传感器两块波形板：变形器微扰：光纤周期微弯散射损耗、光强调制光从纤芯（传输模）耦合到包层（辐射模）传感器技术——第九章145