西北大传感器原理与应用讲义

一、传感器的定义近20多年来传感器技术获得了长足的进步，作为信息的采集和信息的转换的重要部若被测量是非电量，如物理量化学量生物量等，必须用相应的传感器将它们转换感知的信息：“五官”感受的外界还有很多无法或难以感知的传感器都可以感二、传感器的分类物性传感器：利用外界信息使材料本身的固有性质发生变化，通过检测性质的变化来）；结构型传感器：利用外界信息使一些元件的结构（如弹簧、气压）发生形变，测量结直接型传感器：将被测的信息通过传感器直接转换成电信号的传感器，如光敏二极管眼耳统鼻皮舌全面和低成本地获取所处环境的信息，组成了机器人智能技术，如机器人的多感觉系统（RobotSensorySyetem）和多传感器信息的集成与融合(Multi-SensorIntegrationand总之，为了使用的方便，不同的行业依据的分类方式不同，而且会随着传感器的发展三、传感器基础简介是指对于静态的输入信号传感器的输出量与输入量之间所具有的相互关系。输出量与y=a0+a1x+a2x2+a3x3+……+anxn（1）系。由多次测量分析可知，任何传感器的输出与输入的关系不会完全符合所要求的特征线①测量范围（YFS）②线性度(δf）总存在一定的误差(线性、非线性)，即使实际是线性关系特性，测量③迟滞(δH）指在相同工作条件下进行全测量范围测量时用正行程输出和反行程输出之间的最大偏在稳定工作时输出量的变化(ΔY）对输入量变化(ΔX）的比值表示：△△XmaxOYXΔXmax×100%（6）输入量设定在某个值，环境温度上升或下降一定间隔，输出值会发生变化，用温度系），a.时间常数τ,是指输出量从0上升到稳态Y(∞)的63%所需的时间。如果X(t)，其输出量Y(t)是输入量的b0/a0倍，则a0Y(t)=b0X(t)（9）b.一阶传感器的数学模型如Y(t)与X(t)的关系表示为：aa0Y=b0X（10）11信号调2若显示点距测量点很近，工作人员可以在一定的时间内将显示值记录下来，或用自动摄像机拍摄带有时间的测量指示装置。若显示点距测量点很远，则需在系统中增加由测量开环控制系统：将传感器测量出来的数据经信号调节器后显示出来，由操作员分析判闭环控制系统：若由将传感器测量出来的数据经信号调节器后送入比较器，与参考数据进行比较，如果二者之差超过一定的范围会输出一个信号，可以自动启动执行器，进行②传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容之一。信息系统包括三个主要组四、传感器的发展五、应学内容1还有集成温度传感器、光纤温度传感器、液晶温度传感它们的阻值随温度的升高有正温度系数热电阻a是热电阻的温度系数（1/℃)。对于绝大多数金属导体,a并不是一个常数，但在一定的温度范围内，可近似地看成一个常数。不同的金属导体,a保持常数所对应的温2电阻比Rt/R电阻比Rt/R0铜(Cu)铂(Pt)镍(Ni)0在-190～0℃范围内为：电阻值与温度+At+Bt2+C(t_100)t3](1-1-2)在0～630.755℃范围内为:Rt=R0(1+At+Bt2)铜丝在-50～150℃范围内性能很稳定，铜电阻的阻值与温度的关系表示为：Rt=R0但-50～150℃范围内为线性变化，可用二项式表示：Rt=R0[1+a(t_t0)]3铁和镍的电阻电阻率较大，故可做成体积小、灵敏度高的电阻温度计。其缺点是易氧铟电阻适宜在-269～-258℃范围内使用，测量精度高，灵敏度很高，热电阻的结构：一般将电阻丝双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过热电阻的测量电路采用精度较高的电桥电路。为消除连接导线电阻随环境温度变化而4热电阻RA通过电阻r1,r2,rg的三根导线和电桥连接；电桥在零位调整时用R4=Ra+Rt0,(Rt0为热电阻在参考温度t0时的电阻值)。三线接法中可调电阻的触点，接触热敏电阻是用金属氧化物和添加剂，采用陶瓷工艺制成的负温度系数（NTC—NegativeTemperatPTCCTRNTC温度(℃)1042001.标称电阻值（R25）：是热敏电阻在25℃时的零功率状态下的阻值。则按下式计2.电阻温度系数(αT)：指在规定的温度下，单位温度变化使热敏电阻的阻值变化的53.时间常数(τ)：等于热敏电阻在零功率测量状态下，当环境温度突变时，热敏电4.额定功率（PE指在标准压力（750mmHg）和规定的最高环境温度下，电阻长期近似为，RT=R0exp(AT)（1-1-8）曲线Ⅱ的阻值随温度变化缓慢，被称为缓变型PTC热敏电阻，其阻值RT与温度T的关系近似为线性，即：RT=A+BT（1-1-10）式中A,B为材料常数，6应，使其电流值趋于平缓，阻体的功耗随之增加式中B为材料常数,R0为T→∞时的阻值。对式子两边取对数有：InRT=InR（1-1-13）由(1-1-13)可以看出，InRT~1为直线如图1-1-8所示，且T7压随电流的增大而线性增大（oa段）；电流再增大，功耗使电阻温度升高即ΔT增大，阻值下降，电压偏离线性，但是还随I增加（ab段继续增大电流，电阻因升温而迅速下降，电压越过b点很快下降（bd段），温度很高时，电阻下降缓慢，电压也下降变缓），按使用范围大致可分为低温（－60～300℃)、中温（300～600℃)及高温（＞600是指在某一温度附近电阻值发生突变，且于几度的狭小温区内随温度的增加阻值降低3～4个数量级。。阻值的突变点称为临界温度点，此类半导体陶瓷材料在该温度点发生5电阻R(Ω)4电阻R(Ω)321059Rc=hl Rl与相变温度对应的宏观开关温度（Tc）定义为电阻值％）8减小到某一规定值时所对应的温度称为最低温度，最低温度对应的电阻值称为最小电阻值珠状是在两根铂丝间点上热敏浆料，烧成后封装在玻璃管中，元件体积小、响应快、圆片型是用典型的陶瓷烧结工艺制成，在150℃下稳定性好，适用于温度补偿，可选厚薄膜型是用陶瓷浆料添加适量Ru02、Rn薄膜型可用薄膜技术制备，其特点是响应很快，一致性好、便于集成，可用作辐射测温传pqμpnqμn9μ与载流子在电场作用下的散射机理有关。掺杂的锗、硅等单质半导体主要的散射机度T的关系可以表示为：温度T(℃)温度T(℃)对于纯半导体材料，电阻率主要由本征载流子浓度Ni决定。Ni随温度上升而急剧增加，而迁移率(μn和μp）只稍有下降，所以电阻率将相应地降低一半左右；本征半导体对于杂质半导体，载流子浓度受杂质电离和本征激发两个因素影响，因而电阻率随温度的变化关系更为复杂。当硅的杂质浓度一定时，电阻率与温度的关系如图1-1-l2所示BC段中，温度继续升高杂质已全部电离，本征激发还不十分显著，载流子浓度基本量本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电阻率的影响。杂质半导体的电阻率将随温度的升高而急温度高到本征导电起主要作用时，一般器件就不能正常工作。一般地说，锗器件最高工作温度为100℃,硅为200℃,而砷化镓可达450℃。硅电阻率与温度关系有两种结构形式如图1-1-13所示，一是棒状（图a、b），二是扩散电阻型（图制成的平面结构。上电极与圆形欧姆接触区相接；下电极也是与作为欧姆接触的厚约金属电极半导体单晶棒金属电极半导体单晶棒金属电极(a)棒状电阻的立体图接线孔W接线孔WLAg电极SiO2N+N-SiN+Ag电极(b)棒状电阻的剖面图(C)芯片上扩散电阻示意图已知扩散区半导体材料的电阻率ρ,方块电阻为：R（硅热电阻的电阻温度系数αT由下式给T0-55℃0.50175℃100℃25℃3.02.52.01.51.0电流(mA)0.10.511.1.4电阻式温度传感器的应用电阻温度传感器不仅用作温度的测量和控制，还可应用于温度补偿，过热过电流保到被测现场。如汽车水温测量、自动热水器、电冰箱等家用电器的温度控制等。由于此电VccRbVccRbRacbbT开，电源通过J给马达、PTC电阻提供电流,马达转动温度升高,RT值增大使其上分流下降,当马达温度过高IRt小于一定值时,J断开,保护了马达过热状态。图b中接上电源,起始RT较小,变压器上电流大,功耗也大,使温度上升,RT随之增加,电流又减小,变压器功耗器因电流小而不动作，灯没有亮，经过一定时间后，RT因功耗而增大，分流减小，当继电器上电流增大到可动值时才动作，即继电器动作延迟220V图1-1-22为空调机、电冰箱、电风扇微风档等设备的马达启动原理电路。一般马达启动时，需要较大的启动功率，而当其正常运转时，所需功率大幅度减小。附加启动绕组L2只在电机启动时工作，运转正常后自动断开。PTC热敏电阻器在此充当自动通断的无触因此对启动电流几乎没有影响。随着热敏电阻被加热，电阻值升高，当电阻值升高到远大RTJRTJ成）提供电源，V+和V-给继电器提供电源，而加热器电源是220V+继电器V+继电器WB热敏电阻RWB热敏电阻RAVVW723基准电源VVV_R4D1J加热R220VT0+5热电偶：将两种不同的金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化T0µABT0µABTT0T0TT0TEAB(T,T0)ATAABE图1-2-3两种不同金属的接触两个汤姆逊电势大小相等，方向相反，故回路总电势仍为零。因此只有两个不同材料的电热电动势（mV）热电动势（mV）EAEULB50010001500温度T(℃)6040-2732000-100T0BABT图1-2-5T0T0CCBACCBtTtT三种导体分别组成热电偶EAC(T,T0)_EBC(T,T0)=EAB(T,T0)（1-2-8）说明两种金属组成热电偶的热电势可以用它们分别与第三种金属组成热电偶的热电势mVTmVTTABT00EABC(T,T0)=EAB,(T)+EBC,(T0)+ECA,(T0)当T=T0时，有EABC(T,T0)=EAB,(T0)+EBC,(T0)+ECA,(T0)+∫0(σB_σA)dT=0即EBC,(T0)+ECA,(T0)=_EAB,(T0)EABC(T,T0)=EAB,(T)_EAB,(T0)+∫(σB_σA)dT=EAB(T,T0)（1-2-11）接点b接点bcc测量+-TABABT0T0ABABT0T0即EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)这个定律可用于热电偶的串联，测量总温实际上,一般纯金属热电极易于复制但热电铂铑－铂热电偶（WRLB）的正极为铂铑合金，负极为铂铂铑－铂铑热电偶（WRLL）可长期测量160℃高温，性能稳定，精度高，适于在氧化性或中性介质中测量，室温下热电势比较小，因此一般不需要参考端补偿和修钨－钼热电偶测温上限2100℃,但易氧化；还有钨－铼系热电偶（可测2400℃)、铱铑系（可测2100℃)等热电极间通常用耐高温绝缘材料绝缘，不同测温范围选用不同的绝缘材料，如橡皮、铝管（1500～1700℃)等。ABABe=EAB(T,T0)_EAB(T,0)=_EAB(T0,0)可见，T0恒定时冷端误差为常数。在热电偶和测量仪表间接入一个电桥补偿器，如图在热电偶和测量仪表间接入一个电桥补偿器，如图当冷端温度升高时，回路中总电势降低，同时补偿aT0DT0BT0T0BT1CT0AT2CAT0图测量两点间温差的电路中两个热电偶属同型号热电偶，且补偿导线相同，连接方法使T0ABATABT03将若干个同类型热电偶串联，可以测量这些点的温度和，也可测量平均温度，如图。TT0T0T0T0T1T2T3仪表系，利用它们对温度的依赖性制成半导体温敏器件，实现对温度的检测、控制和补偿等功If=I0exp(qVf/kT)（I0=ATηexp(_qVg0/KT)）flnI=100I=100µA7006005004003002000C)V但实际二极管正向电流除扩散电流以外，还包括空间电荷区中与二极管相似，只有扩散电流能够到达集电极,复合电流和表面复合电流成分作为基极电T(K)所以,采用对管差分电路集成温度传感器，直接给出与绝对温度严格成正比的线性输是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一个芯片称为PTAT（ProportionalToAbsoluteT其线路由基准电压、温度传感器和运算放分组成。核心电路原V+PTATV+PTATV-+-PTATABRw+15V7.5kOUTJ220V+-外型结构如图,为四个引线封装形式。其典型性能参数中，最大工作温度范围为-40~125℃,灵敏度为10mV/K，线性偏差为0.5～2％,长期稳定性为0.3％，测量精度为±4k。+VRCR+VRCR9TRRT6T10T11RT49+6531TTTbeTTRITV42V-+2I9R5=Vbe9+I9R6所以ΔVbe=Vbe11_Vbe9=I9(R6_2R5)AD590等效于一个高阻抗的恒流源。在工作电压为32321+-AD590T(K)KKKKgG2p2n1p2n1p1IB1=Ic2AAKKgnpnpnpIB1=Ic2AAGAn2p2J1n1p1KTTAVAK3T21温度对晶闸管正向特性的影响意味着晶闸管不仅可用栅触发，而且可用温度触发使其响通态。这种情况发生时对应的温度称为开关普通晶闸管的开关温度…。温敏晶闸管作为一种温度开关器件，它的开关温度应能在反向漏电流的主要成分是空间电荷区的产生电流，只要设法增加J2结区的有效产生-电流将从这个电阻上流过，不经过发射结到达基区，所以电阻的分流作用减小了发射极注ARARGKnpnpKKKnpRARGAAK加热，周而复始，具有滞回特性，将0V0JEcAR1T-+RRR1R2-LM311+加热元件AD590VccT2T1D+15V2.7k2.7k39kV0V+SL616OUTV-5.6k-15V6.85V其工作范围为-55～+150℃,灵敏度为10mV/k。利用两只AD590,还能测量温度差(T2-T1)(或t2-t1)，测量电路如图1-3-17所示。将=(I2—I1)与温差(T2—T1)成正比。温差电流⊿I加至运算放大器μA741(国产型号为F007)AD5902+AD5902+E-AD5901-E2+1+E+AD5901RP100MR1-AD5902R2V-UA741-+R3负载R负载R图中温控晶闸管，当某一路中火图中温控晶闸管，当某一路中火这一路发光二极管发光显示，同时蜂鸣器也发出蜂鸣信号,起到温度报警蜂鸣器LED+-TT201利用材料的热辐射（放射线温度传感器、光纤放射线温度传感器、压电式放射线温度一块面积一定，表面粗糙并涂黑的金属铂片可以看成是近似绝对黑体。如果铂片的热热接点，外围部分的接点为冷接点。当红外线照射在它的上面，温度升高，热电偶产生热-+图-+-++V-D-D1常用作1064.43℃以上温度测量。对于理想黑体，辐射源发射的光谱辐射亮度可用普m(λ,T)=C1λ-5(eC2/λT-1)-1上式可知物体的单色亮度与温度及波长有一定的关系，温度升高，亮度也增大；当波长一光学高温计就是利用经过温度刻度的钨丝灯发出的单色亮度和被测物体的单色辐射亮正比。因而可以用光电流的大小来判断被测物体温度的高低。因而能准确、客观地测量动又称双色温度计，是利用物体在波长λ1和λ2两种单色辐射强度比值随温度变化而变化的关系来测量温度的。测量误差比光学高温计小。由于被测量对象的表面情况往往很复杂，常有氧化、还原、结渣等变化，在这种情况下，使用比色高温计比较准确，常用于炼（BaSr）TiO3系列的陶瓷电容器的静电值随温度的变化大，一旦温度升得太高聚酰铵就会熔化，介电常数很低使得4080120T(C)1/C作为频率基准的石英振子的共振频率不能随温度变化，但若改变切割方法，其共振频它实际上是一种由表面波器件和电路组成的振荡器。根据由温度引起的振荡频率来测量-40-200204060温度(0℃)温度(0℃)石英振子发出的超声波在被测气体（声速取决于气体的种类、压力、密度及温度）中这种传感器没有测量时间的滞后。可用来测温度变化很快的活塞气缸内部的温度，对机场棒片撬曲振动纵向波用不同材料（弹性和密度是随温度变化）制成的谐振器的谐振频率是温度的函数，图1-4-6是一种谐振式温度计,它由一个振荡器驱动,当温度变化时它的谐振频率随之改变。棒片撬曲振动纵向波数高达75×10-6/℃,分辨率为0.001℃的蓝宝石材料制成的传感器在1900℃时仍能保证原有性能，可用于测量液态金属的温非线性不超过0.07℃,是一种很有前途的基准。-6/℃,其动态电阻值适宜，能够同时满足宽温区工作和低功耗的要求，对制作工艺要求不苛刻，应用较为广泛。弯曲振动音叉式温度传感器的频率f(T)和温度T的关系可以表示为3CC,CC,按光纤调制原理有相干型和非相干型两类：相干型有偏振干涉、相位干涉及分布温度传感头由许多股光纤和用于拾取被测物辐射能量的光学透镜组冷却的光学熔融石英棒线性列阵组成。热钢锭发出的辐射光经这些光学棒收集后，耦合入处理单元中带有光学扫描控制器，借助于两个干涉型滤光片在两个不同的波长带上分中央处理器透镜片荧光物质吸收波长较短的光，而释放出波长较长的光。原理：有些荧光物质受激发射的某些谱线的强度会随着外界温度的变化而变化，因此通过测量其某条发射光谱谱线的强光电倍增管光电倍增管平面光栅单色仪分光光源滤光荧光物质耦合1、目的：在白天，楼道照明灯都不会点亮；而在夜晚，当有人经过时照明1~~D2D5§2.4红外热释电光敏器件Φ(x)=Φ0e_αxaRaR在温度恒定时由自发极化的表面极化电荷数目一定，它吸附空气中的电荷达到平衡，并若温度因吸收红外光而升高时，极化强度会减小，释放一定量的吸附电荷；若与一个电dtR1R1R2输出FET硅窗口热释电元件特殊导电性FETT0-5（a）传感器结构（b）等效电路抗可见光及其绝大部分红外线的干扰，只对运抗可见光及其绝大部分红外线的干扰，只对运由于常用的热释电敏感材料的阻抗值高达1013RGP2DetecterB+--+红外线31M敏感元件对各种波长具有一定的敏感性,为了对阳光、电灯光等有一定的抗单型热释电红外传感器只有一个敏感元件，因而对不同运动方向物体只能只要吸热使温度增加都会有如图信号输中一个敏感元件是检测红外线，而另一个要在表面蒸上红外反射膜用来补偿噪输出信号波形是连续的，得出波形大致如图2-4-5(e)中，波形的第V/////////V//////////////// + + --baVVVVotVVotV信信号单片机计数器计数器传感器射线、红外光、微光和电子轰击等。CCD型图像传感器噪声低，在很暗的环境x=xdVx=xdVVG栅极金属SiO2P-S电子位能-qφs<0，则表面处有贮存电荷的能力。一旦有电子就会向耗尽层的表5、当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的增加VVP-Si敏元，且使VG1<VG2<……VVP-Si三相三位N沟CCD器件为例说明其工作原理，其中，IP为输入电极，IG为121=1/2，2=1，42=1/2，3=1；NNPNNPNNPNNP相应电压，再降低φp，光敏元中所积累的电荷并行地转移到移位寄存器中,在若输出跟随器V2的电压增益可表示为：AU（2-5-5）故输出信号与电荷量的关系为：AU（2-5-6）输出寄存器输出寄存器行选址电路感光区感光区暂存区感光区暂存区流子沿信道从一个势阱溢泄到另一个势阱，从而造成再生图象的光学拖影与弥//64512376存器φ1φ2Q0为原始电荷转移效率定义为2-5-7）一般光像的空间频率用线对/毫米表示（一个线对是两个相邻光强度最大值0最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0mJ0起因于热激发产生的电子-空穴对。光信号电荷的积累时间越长，影响就越与温度密切有关，温度每降低10℃,暗电流约减小一半。定图形，把出现尖峰的单元位置存贮在PROM（可编程只读存贮器）中，利用信是指单位发射照度H下，单位时间t、单位面积输出输出移位寄存器光积分单元转移栅不透光1φ形成光生电荷并且向各处扩散,会图像上出现纵线状光学拖影。光足够强时光点-数字转换器、改进的界面完全集成在一起，满足低成本、高性能、高集成度、行驱动器译码器计数器目前已有：CO2、NO、甲烷、氢等气体光纤传感器，半导体吸收式光纤温n1为：lg（2-6-3）前者如图：调制器待测信号与光互相作用，导致光的性质(光强、波长或频率、相位、偏振态、时分等)发生变化；其它敏感元件感觉信息；其中光纤是不2、按调制类型将光纤传感器分为：强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤可动反射调制器中出射光纤能收到多少光强由入射光纤射出的光斑在反射出射出射入射入射调制区射微弯调制器可动反射调制器可动透射调制器频率f为：f移后f0（2-6-4）目镜目镜CCD信号处理传光束物镜传像束被观测物体光源指由多个相同或不同的传感器以某种拓扑结构连结起来构成的多点实时监数。而脉冲间隔T为：T则调制脉冲重复率为：fDLlg(2-7-4)每个像素都有一个光晶体管：如静电感应晶体管SIT（StaticInduction低噪声读出电路。HARP膜受光照后产生电子空穴对，在足够电场作用下产生雪极电位升高。从源极来的信号电流经放大后向漏极和空穴结合，由CDS(相关双而支撑板的材料折射率也小于橡胶的，在这两个界面上很可能发生全内反射），载流子的迁移率是在离子化的原子团和中性分子之间反复进行氧化还原的膜法制作了酞菁金属化物色素和三苯甲烷色素超薄膜结合及用真空蒸镀法形成1具有可靠性高、抗干扰能力强、不受电磁辐射影响，可以直接检测光信号，也传感器分为外光电效应器件（如光电二极管和光电倍增管）和内光电效应器件22、光电发射检测装置：测定逸出电子随光的强度和光的频率的变化情况。图表示为2-1-3）逸出电子的最大能量。光强增加逸出电子的最大能量保持不变阳极既能吸收阴极发射的电子，又不妨碍照射到阴极上的光线，用32、原理：光照产生光电子,电压使其加速,高速的电子使气体分子电离,形成更同时为降低阴极受正离子的轰击，阴极电比较可知，充气光电二极管的灵敏度高，但随电压显著变化，使其稳定性和频率特性都三、实用光电阴极的光电发射材料应该具同时为降低阴极受正离子的轰击，阴极电比较可知，充气光电二极管的灵敏度高，但随电压显著变化，使其稳定性和频率特性都三、实用光电阴极的光电发射材料应该具4在光子数相同的条件下，不同波长(λ)的光所产生的光电子数目不同，即量子效率η(λ)对不同波长的光有不同的特性响应。电位从阴极到阳极经各个打拿极逐级升高，即每个打拿极电压应满足V11>……2、原理：光照射到阴极上产生光电子,光电子在电场下被加速而投射到第一个若第一个打拿极收集到的光电子数与光照产生的光电子数的比率为收集效率的总增益G表示为：G=J.g1δ1.g2δ2......gnδn（2-1-5）G=J(gδ)n5其单个电极形似半圆柱状的瓦片,聚焦型倍增系统，如图。它几乎能使全部二其特点是：由于电子之间的相互推斥力使电子打在较多的叶片上，倍增极的工作面积便增大了，与大面积光电阴极相配合可以用来探测微弱信号。加之增减级数上一定电压，表示为：SK的比值，表示为：SA指在一定工作电压下阳极电流和阴极电流的比值。可由一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即G（2-1-8）6指在全暗条件下工作时阳极上收集到的电流的直流成分。它决定了光电倍增管①欧姆漏电管内残余的碱金属蒸气会凝结在管壁和各绝缘支持体上，造成阴极产生电子被倍增形成部分暗电流。光反馈：大电流轰击倍增极和散射电子轰击⑤其它因素窗材料衰变时产生β粒子、宇宙射线中的μ介子穿过窗材料时取值为20KΩ~1MΩ。），7度，便可以测出射线的强弱与能量的大小。采用两种放大器，一种是高输入阻抗的§2.2光电导效应器件及其应用对于掺有杂质的半导体材料，除了本征材料价带电子激发外，杂质能带中的电=qn0μe+qp0μpσ=qnμe+qpμp（2-2-2）=qΔnμe+qΔpμp（2-2-3）对光电导简化为2-2-5）83.对于本征半导体：相对光电导为2-2-7）0四、光电流密度为:jL=Δσ.E=q(μe+μp)ΔnE（2-2-12）若照射光的频率为γ,则吸收的光子数为αI／hγ。吸收一个光子所产生的电子—空穴对数η称为量子产额(通常τ,因此净复合速率:R(2-2-10)均匀的。可以通过测量光电流密度来测量光电导或电阻的变化，可利用材料电阻的9定电流容量低，如当受光面积为1mm×0.5mm时,光电流仅有几十微安左右,响应时间和延迟时间比较短，只有几毫秒左右。通常用微电子工艺…璃（或陶瓷）1、晶体，2要求此漆膜在光敏电阻材料的最敏感波长范围内透射率最大、对光的吸收少、光电材料光电材料壳（a）光导管的整体（b）折线式光敏电阻其值一般超过1MΩ,高达100MΩ。这时在给定的工作电压下流过光敏电阻的电流称为暗电RL流。亮电流与暗电流之差叫做光电流。一般暗电阻与亮电阻之差越大，其光电流越2.光电灵敏度指单位光通量入射时光敏电阻能输出的光电流的大小，即KS（2-2-10）S积（2-2-11）光强，相同电压下硫化铅光敏电阻的光电流比由于外加电压在光电材料内产生一个电压较低时载流子的漂移速度较慢，部分载流子在运动过程中被复合而不能达到电极，使电流较小；电压值高时载流子的漂移速度增加，从PbS1LXTlS10LX0光敏电阻的电压V(V)TLS100LX部电路横截面的载流子数目与同一时间内光照产生光电流（mA光电流（mA）5011入射光调制频率（Hz）大，这是光强增加时光电导增加即电阻减小的结果。但实际使用时，受到耗散功率的限制，其两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为最大连续耗散功率为正常电压下载流子的运动速度并不是很大,从其产生位置到达电极可能会发生部分-1)-1)对红外光（760-6000nm）敏感的有PbS、PbTe、InSb、Te、掺有杂质（Au、Sb6.响应时间和频率特性光电流不立刻随着光照量的改变而立即改变，用时相对灵敏度%相对灵敏度%20010100100010000硫化铅硫化镉10080604010002001000200300400λ（nm）+20℃-20℃300200图2-2-9为光敏电阻测量辐射热计时图2-2-9为光敏电阻测量辐射热计时为77K光电导器件的恒流偏置—电压放大电路。图中暗电阻R0=1.8和T2组成电压串联负反馈电压50uFInSb50uFInSbR62.2KR4T1R1D1/\C1250uFR922K4uFRL20KC30.5uFR556KR85.6KCRFR333K-15VD2C2T2R782放大器，输入电阻Ri=40KΩ,远大于源电阻。的暗电阻R0小得多的负载电阻RL构成恒压RLRLCPbSR0=200K4.7u+18VR3T2T1R2R1R4F+24VCC268nFTPbS光敏电阻R0=200KR1120KR2120KC150uFR3220KVT+-22K10KVT1EVT2SVT3EsRCdSCRP1S2J122K10KVT1EVT2SVT3EsRCdSCRP1S2J1脉冲开始时刻由开关S1确定，结束时刻由电路时间常数确EFN构qVD=EFn_EFp（2-3-2）NENE自LIAPEI=Is(eqV/kT_1)（2-3-3）I=Is(eqV/kT_1)_IL（2-3-4）I=IS(e0_1)_IL=_ILI=Is(eqV/kT_1)_IL=0VOC光强(LX)-NE自+U反N++P------+ n+衬底在无光时，结中无电子空穴对，不会发生在无光时，结中无电子空穴对，不会发生URNP制备工艺为…nncp无光照时，因热激发而产生少数载流子，集电结反偏电场很强，热电子从基区进入集电极，空穴自集电极运动到基极，形成基极开路集电结基极反向偏置电流，移留下的正离子吸引射极电子，被集电极收集形成集射极间的暗电流即正常晶体管的反向截止电流，表示为：Iceo=(1+β)Icbo光照射集电结会产生光生载流子。在反向偏置电集电极，基区留下正离子，会吸引发射极的大量电子向基Ie=(1+β)IL电流进一步放大，表示为：Ie2=(1+β)2ILCC600LX400LX后，IC趋于饱和。光照度增加光电流增VVGVVGVDRGP3P1pnpS看作是光敏二极管与场效应晶体管ΔVGS=IPRG（2-3-11）RD上压将变化为：ΔVD=ΔIDRD=IPRGRDGm（2-3-13）SP（2-3-14）in=10-5ISC1ISC2PD1PD2时，p1n1层吸收光子产生电子空穴对，形成电流ISC1ISC2PD1PD2Isc1=I1+I2Isc2=I3+I4SC1SC2均有一个最灵敏SC1SC2主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制器和阻塞二极管组成。如图2-3-24调节控制器是实现充、放电自动控制的。在充电电压达到蓄电池上限电压时，它能自动切断充电电路，停止对蓄电池充电。当蓄电池电压低于下限值时，能自动图2-3-25主回路由交流接触器CJD-10的三个常开触头并联以适应较大负荷的需把发光器件与光接收器件组装在同一密闭管壳内，或用一根光导纤维把两部分把加到发光器的电信号作为输入信号，光接收器件上的电输出信号作为输出信具有输入输出电隔离，抗干扰性强，响应速度快，灵敏度高，无触点，可靠性好，体积小，耐冲击，容易与逻辑电路配合等特点，对电压和阻抗不同的电路之间发光二极管的发射端和接收端。N为光栅转盘上总的光栅辐条数，在转轴转动f=nN（2-3-15）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。（a）透光式利用双张纸比单张纸厚一倍，其透光率将小一半的原理实现对纸张监控。电路和渐变折射率，且两者只是引起光的传播形式的不同。目的都是要使光线无耗地从一端传当入射角θ1大于临界角时，光线就不会透过其界面lg（2-6-3）10～20%,②用聚焦透镜耦合的光耦合器，将透镜和光纤都固定于支架，它的耦合效率比较高，可达70％。死接头一般是用光纤融接器将二光纤对接，或将带尾的发光二到被测物理量的变化。当然还可采用可动透射调制器三种强度调制原理制器中出射光纤能出射射光纤射出的光斑光光源入射光纤出射光纤入射出射入射在反射屏上形成的微弯调制器可动反射调制器可动透射调制器参考参考臂探测器激光器信号臂两类：一类是将机械效应转变为相位调勒效应。单色光照射到运动物体上后，反射回来时，由于多普勒效应f移后f0（2-6-4） >>—w- >>—w-图为一个光纤电流传感器的结构工业用内窥镜用于检查系统的内CCD信号处理被观测物体光纤传感阵列就是指由多个相同或不同的传感器以某种拓扑结构连结起来构成的多点BBBBCBBBnCCC调制信号，并通过光延迟形成调制脉冲序列实现时分复用。而脉冲间隔T为：则调制脉冲重复率为：f阵列激励脉冲最大采样速率fsm：fsm感元，并在物理场的作用下产生调制“亮场”信号，而后经时分复用（TOM）将信号送入I=I0e_τl有点类似于前面讲的光吸收的关系DLlg式中L为光通过的路径长度。耦合耦合器He-Ne激光器分路器透镜组浓度场探测器光纤记录记录仪器后转达为电信号，由记录仪记录。制造。如静电感应晶体管SIT（StaticInductionTransistor）摄像器、CMD(Charge这种摄像器件的电流增幅率高达10。它是非破坏性读出，它的读出电路如图(b)所示，读 (CMD)摄像器，其代所示。像素主体是浓度n型部分兼作>光栅漏n>光栅漏n+基板分离区OUTLMDD0CGMSMSDGSMSCj=CGS+CDSCGDCAVM（b)像素（b)像素电路结构CRΔΔ源I漏R（a）像素构造TVD-+CLRfyVDVDj该固体摄像器的光电变换层是使用雪崩倍增漏漏垂直像素选择Δ线垂直扫描电路垂直扫描电路垂直选择线源板光它使用了一个单芯片如曝光控制和色彩平衡算像元速度功能所要求的较为细致的计算，如色彩修据的计算则是由摄像器芯MMMM寄存文件MXX系数存储标准化8B初始值MMGMAC单元MAC单元G初始值MMM8MREG1REG2REG3SRAM888RMAC单元8R初始值个乘法—累加(MAC)单元。为了通过主机软件促进自动曝光控制和色彩平衡，摄像器集综合性极强的边缘科学。其中，触觉传感器是实现机器人触觉的关键技术。全内反射(TIR)光学阵列触觉传感器正是基于这光学阵列触觉传感器正是基于这明橡胶波导板和弹性膜之间有一层空板的材料折射率也缆光源透镜1透镜2传像光缆监视器传光光可见光具有响应特性的PVK（聚乙烯咔唑ka垒。因此，将形成欧姆接触的金属和形成阻塞接触的金属，中间夹一层有机薄膜(P型半导池结构。我们知道Al和半导体之间形成的是欧姆接触，因为半体薄膜物性本身。大多数有机半导体层(共轭型导电高分子除外)由于存在较大的禁带宽度，是以绝缘体或高阻半导体工作的。因此，用纯光电流，当光强增大时光电导增大，光电流就成比一些铁电晶体吸收红外光后被加热，温度升高到一定如果连续光照，最后会达到热平衡，即吸热等于放热时，温度不再变化，那么材料dtdTdt为增加元件对红外线的吸收，常在RRRRGB+--+红外线31M敏感单元用热释电材料锆钛酸铅（PZT）制成。这种材料在外加电场撤消后，仍然保持极化状态，且极化强度随温度升高而下降。把这些材料制成很薄的薄片（目的是易于达到热平结构由于温度的变化而输出的热释电信号是有极性的。然后把两个极性相反的热释电敏感单元做在同一晶片上，这样由于环境的影响而使整个晶片发生温度变化时，极性相反的敏感单元当人体静止在传感器检测范围内时，两个敏感单元产生的同样，在阳光下,由于阳光的移动速度极慢，加上传感器的频率响应低（一般为2.高阻抗变换管（RG）和场效敏感元件对各种波长具有一定的敏感性,为了对阳光、电灯光等有一定的抗干扰性，而对人体发出的红外线最敏感，在一块薄玻璃片上镀多层滤光层薄膜。该光窗能有效地滤除反射膜用来补偿噪声。在实际应用中，红外反射膜的较佳反射率达到动方向的基本原理。运动计数法原理分析示意图.VV + + a\ba\bVotVVotVVot图（c当运动到视野中央附近时，对两个元件一个是离开一个是接近。人开始离开再利用信号处理电路将传感器输出信号转变单片机通过程序运行比较分别对应于进门和出计数器计数器单片机继电器系统初始化启动记数延时室内是Y否有人N输出关灯信号输出开灯信号系统基本框图力/压力传感器是支撑工业过程自动化的四大传感器之一。它在我们的现实生活当式中ρ为导线的电阻率，l为电阻的长度，s为导线截面的面积(πr2）。lllrr式中k0=1+2μ+(dρ/ρ)/ε,为灵敏系数，定义是单位应变引起的电阻变化率。金属栅它是应变片的转换元件；二是基底和覆盖层，基底是将应变传递到敏感栅crlLcrlL弧处，水平拉伸时金属丝的轴向即垂直方向上产生压应变εr=-μεl，因此该段上电阻令KlK0，KrK0（3-1-8）则Klεl+Kr（3-1-9）给箔敏感栅接上金属丝电极，再涂覆与基片同质料的覆盖层。常用的金属箔材料是(厚薄膜应变计是利用薄膜工艺将应变计材料直接沉积在弹性基底上（厚度在0.001~卸载卸载L10加载基片L金属薄片合，这个现象称为机械滞后，两个曲线间最大的差值Δδm称为其滞后值。此值越小，4．蠕变和零漂在一定温度下，粘好的应变片在一定的机械应变(ε为1000)长时间作用下，指示应变随时间的变化称为蠕变(Δεt),一般要求蠕变应小于3×10-6ε/小时,也可以用变化率(n=Δεt/ε)来描述。零点漂移是粘好的5．绝缘电阻敏感栅与基底间的绝缘电阻值应大于1010Ω,若此值太小，则基由温度引起的热输出即电阻温度系数αR很小，尽可能为零或小于某一规定范围，一般弹性体材料的线膨胀系数(αm）相匹配，即满足这样的关系：αR=K(αg_αm)（3-1-10）有研究表明，当丝栅宽度不变时应变计本身的蠕变随着其圆弧端环的长度发生变种可以实现蠕变微调的全桥式应变计的结构00.10.30.50.71mm-0.040-0.080-0.120111cA2AAAR3R1R4431阻率的相对变化与应力T成正比，即：T（3-1-11）T=Eε（3-1-12）式中K=1+2μ+πE，叫做应变计因子或材料的灵敏系数即3-1-15）T6T5T2T1T4yx12m12+m12n12+n12l12)（3-12l22+m12m22+n12n22)（xyz2llrr >r13oxlyyxz>体型半导体应变片的结构，如图体型半导体应变片的结构，如图内引线是连接硅条和电极的引单晶(a)→切片(b)→研磨(c)→切条(d)→焊引线R2硅衬底铝或金电极R=R口K1+K（3-1-24）表面护膜氧化膜层间绝缘膜衬底压敏感栅电阻性能，当在较高温度（150℃以上）使用，由于PN结隔离效果的恶化而使两者之间电流泄漏，坏，更可靠的工艺是SOI工艺（Silicionon生长半导体材料Si薄膜,再扩散掺杂以形成应表面护膜氧化膜层间绝缘膜衬底压敏感栅电阻outVs-V半导体或金J属基片多晶硅薄膜应变计的结构如图3-1-17所示。它是利用低压等离子化学气相沉积要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。为了能准确测出电阻的相对变化ΔR/R而引U0=E（3-1-26）cIERLbadU0桥满足无压力时达到平衡，即输出电压为零。由=R2R3（3-1-27）Sr（3-1-30）SrE（3-1-33）r（3-1-34）/R1=KU（3-1-36）U0U0RU0U0R3R4EE由式（3-1-36）可知，U0与⊿R2/R2成线性关系，所以差动电桥无非线性误差。而且将到压力，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，则构成全桥差动电路，如图3-1-20U0=E（3-1-37）I1(R1+R2)=I2(R3+R4)I0=I1+I2U0U0R1R3R4R2UI0（3-1-40）若电桥初始处于平衡状态（R1R4=R2R3而且图3-1-响，且R1=R2=R3=R4=R，电阻的⊿RT相同，由式（3-1-40）可以推得:U0=ΔR.I（3-1-42）l-7～10T应-3～1T-6～10T-6～10T管-3~-2T应10-10~-4T-4T-3~应10-14~-8T垂直磁场方向上有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方lFLvdUHbIBlFLvdUHbIB三、数量描述：大量实验测得：霍尔电场EH=RHIB（1）RH为霍尔系数_同时，电场EH力为：FE=_eEH=_eUH_当电子积累达动态平衡时，vB=UH/b（2）而j=_nev，I=jbd=_nevbd（3）将（3）式中的速度v代入（2）式得：RHKHIB（4）式中霍尔系数RH，由掺杂浓度决定；如果是P型半导体，RHKH称为灵敏度系数，表示在单位B单位I的霍尔电势的大小。KH=RH/d（单位为如磁场与薄片法线有一定夹角α,那么霍尔电势的值会减小，UH=KHIBcosα对加以修正，UH=KHIBf(l/b)ff(l/b)0.501.02.03.04.0l/bb/l=4b/l=2b/l=1xb/l=4b/l=2b/l=1x/l2000UH(x)/mV当控制电极的接触面积与其所在侧面的面积(bd)相比较UH(x)/mV当材料和几何尺寸确定后，KH大的元件，其UH并不一定比KH小的元件大，因UH的大小正比于控制电流I和磁感应强度B；KH低的元件可在较大I下工作得到较大的UH。dbdbdcaacbcdbccccd负载RRE2.输出电阻Rout在室温、零磁场、无负载情况下，输出电极间的电阻。T室温一般锗元件Tj小于80℃,硅元件Tj小于175℃,砷化镓Tj小于250℃)4.乘积灵敏度KH5.磁灵敏度SB指在额定控制电流IC和单位磁感应强度B的作用下输出端开路时的cUMdUMER1.霍尔输出电势UH与控制电流I的特性若磁场恒定、一定温度下，I与UH间呈线性关系，如图。N型锗N型锗(HZ-123)型N型锗(HZ-4)型UH/mV6040200说明KI=UH/I恒定，可得KI=KHB。但KH大的元件，其UH并不一定比KH下工作得到较大的UH。由于建立UH所需时间极短（约10-12～10-14s）,因此交流电频率可高达几千兆赫，且信2.UH与直流控制电压U间的关系特性若给元件两端加上一个电压源U，元件上流过的电流为：I霍尔输出电压为：UH=KHI3.霍尔UH与磁场（恒定或交变）B间的关系特性1.04Ge(HZ-4)Ge(HZ-123）1.04Ge(HZ-4)Ge(HZ-123）B/(Wb/m2)4.元件的输入或输出电阻R与B之间的关系特性HZ-123HZ-4HZ-123HZ-4B/(Wb/m2)0bdacac由于元件的两对电极与半导体片不是完全欧姆接触而形成整流效应、霍尔电极的焊点大小磁场面积磁场面积感应面积高时必须进行温度补偿。为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟外，还UHIUHIUHUHUHUHRTUHUH能感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。具有使用寿命长、无触点磨态。当磁场减弱时，UH较小放大后<“关闭”霍尔元件放大霍尔元件放大整形输出+T稳压2R1R5R3T3T4T2RR64VccT7T81D1HR7R9T6R10RRT2132(a)电路图3020T3020TUGN3075开关型霍尔集成传感器是一种双稳态型传感器，又称为锁键型传感超过工作点时其输出为导通状态。而在磁场撤消后输出仍保持不变，必须施加反向BRPBHBOPB(KG)UU0U0B(KG)BHUOUTRR2K输出Uout12+12V3失调调整和线性度调整等电路。因此霍尔线性传感器广泛用