常用传感器原理及应用分解

1、常用传感器的原理和应用，一，温度传感器二，光电传感器三，霍尔传感器四，超声波传感器，宁波大学信息学院，一，温度传感器，1，测温传感器2，PN结温度传感器3，集成温度传感器，宁波大学信息学院，1，测温传感器，大部分物质的电阻率都是自己的温度根据电阻与温度的函数关系，将温度变化量转换为对应的电气参数，可以实现温度的电气测量。 利用这个原理制作的温度感应元件称为热电阻。 热电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电阻。 RTD以0的电阻值为标称值。 例如，Pt100，宁波大学信息学院，(1)铂电阻、铂电阻和温度变化的关系为0，0，1n 4148/1-5ma，顺向电流一定的情况下，二极管的顺向电压是与被测量

2、温度t成为线性关系的一定的电流，该顺向电压随着温度的上升而下降，因此呈现负的温度系数集成宁波大学信息学院、3、温度传感器，集成温度传感器的是以晶体管为温感元件，将温感晶体管和辅助电路集成在同一芯片上。 各个晶体管的基极-发射极间的电压在一定的集电极电流的条件下，被认为与温度处于一值的线性关系。 集成温度传感器的输出形式有电压型、电流型。 电压型的灵敏度为10mV/，电流型的灵敏度为1A/K。 宁波大学信息学院，AD590 (电流型)，AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。 其主要特性如下： 1、器件中流过的电流(a )等于器件所处环境的热力学温度度数，2、AD590的测温范

3、围为-55 150。 3、AD590的电源电压范围为4V30V。 由于AD590能够承受44V的正向电压和20V的反向电压，所以元件的反向连接也不会损坏。 4、输出电阻为710M。 5、精度高。 有I、j、k、l、m五个阶段，m阶段的精度最高，误差为0.3。 宁波大学信息学院，宁波大学信息学院，宁波大学信息学院，二，光电传感器，(1)光谱光波：波长10106nm的电磁波可见光：波长380780nm波长300380nm将近紫外线波长200300nm称为远紫外线波长10200nm， 红外线：波长780106nm的波长3m (即3000nm )以下称为近红外线波长超过3m的红外线。 如1、概要、宁波

4、大学信息学院、光谱分布图所示，宁波大学信息学院、光电效应是指物体吸收光能后，转换为该物体中的某电子的能而产生的电气效应。 光电传感器的工作原理基于光电效应。 光电效应分为外光电效应和内光电效应两种。 外光电效应通过光的作用，物体内的电子从物体表面射到外面的现象被称作外光电效应。 向外发射的电子叫光电子。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。 (2)光电效应，宁波大学信息学院，光照射到物体上后，物体的电阻率发生变化，光中产生电动势的现象称为内光电效应，多发生在半导体内。 根据工作原理，内部光电效应分为光电效应和光伏效应两种： a .光电效应是光的作用，电子吸收光子能量从耦合状态转变为

5、自由状态，引起材料电导率变化的现象称为光电效应。 基于该效果的光电元件有光电电阻。 内光电效应，宁波大学信息学院表示，工艺：光照射到半导体材料上时，价带中的电子被能量在禁带以上的光子碰撞，从价带越过禁带进入导带，如图所示，增加材料中的导带内的电子和价带内的空穴浓度，增大电导率。不存在传导带、价电子带、禁带、自由电子所占的带，不存在价电子所占的带，不存在价电子所占的带，Eg，宁波大学信息学院，材料的光传导性能决定于禁带宽，对于某个光传导材料，总是存在照射光波长限制0，只有小于波长0的光式中、分别是入射光的频率和波长。 为了实现能级迁移，入射光的能量必须大于光导电材料的禁带宽度Eg，即宁波大学信息

6、学院、b .光产生螺栓效果在光的作用下在物体上产生一定方向的电动势的现象称为光产生螺栓效果。 基于该效应的光电元件有光电池、光电二极管和光电晶体管。 势垒效应(结光电效应)。 在接触的半导体和PN结中，光照射到该接触区域上，就产生光电动势，这就是结光电效应。 以PN结为例，光照射到PN结时，使光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子迁移到导带而产生电子空穴对，通过势垒层内的电场，被光激发的电子向n区域的外侧移动，被光激发的空穴向p区域的外侧移动，由此，p区域宁波大学信息学院，侧方光电效应。 半导体光电元件的受光不均匀的情况下，如果有载流子浓度梯度，就会产生侧方光电效果。 当光照射部吸收入射到光

7、子上的能量而产生电子空穴对时，如果光照射部的载流子浓度大于未被光照射的部分的载流子浓度，则出现载流子浓度梯度，载流子扩散。 如果电子迁移率大于空穴，则空穴的扩散变得不明显，电子向没有照射光的部分扩散，没有照射光的部分带正电，没有照射光的部分带负电，与没有照射光的部分产生光电动势。 基于该效果的光电元件是半导体光电位置传感器(PSD )等。 宁波大学信息学院，2，光电阻器，光电阻器是利用半导体光导电效应制作的特殊电阻器，对光非常敏感。 光不照射时，成为高电阻状态。光照射后，其电阻值迅速减少。 (1)光接收电阻器的结构和特性：光接收电阻器通常由光接收层、玻璃基板(或树脂防湿膜)和电极等构成，图示了

8、宁波大学信息学院、光接收电阻器的结构。 芯片是在绝缘基板上搭载了2个欧姆接触电极的感光体。 导光体吸收光子产生的光电效果，仅限于光照射的表面的薄层，产生的载流子也略微向内部扩散，但由于扩散深度有限，所以光导电体一般为薄层。 为了得到高灵敏度，感光电阻体的电极采用梳状的图案，宁波大学信息学院表示，(2)感光电阻体的种类的感光电阻体可以根据感光电阻体的制作材料和分光特性进行分类。 根据光敏电阻器的制作材料，光敏电阻器可分为多晶光敏电阻器和单晶光敏电阻器，硫化镉(CdS )光敏电阻器、硒化镉(CdSe )光敏电阻器、硫化铅(PbS )光敏电阻器、硒化铅(PbSe )光敏电阻器、锑化铟(宁波大学信息学

9、院，宁波大学信息学院，分光特性类别：感光电阻器按其分光特性类别分为：可见光感光电阻器紫外光感光电阻器红外感光电阻器。 可见光受光电阻器主要用于各种光电自动控制系统、电子相机和光报警器等电子产品。 紫外光受光电阻器主要用于紫外线检测器。 红外线感光电阻器主要用于天文、军事等领域的相关自动控制系统。 宁波大学信息学院，(3)受光电阻器的主要参数1 .明亮电阻(RL )是受光电阻器接受光照射时的电阻值。 2 .暗电阻(RD )是指光不照射(暗环境)时感光电阻器的电阻值。3 .最高工作电压(VM )是指受光电阻器在额定功率下可允许的最高电压。 4 .所谓明电流(IL )，是指照射光时，受光电阻器以规定

10、的施加电压接收光时流过的电流。 5 .暗电流(ID )是指光不照射时，受光电阻器以规定的施加电压流过的电流。 宁波大学信息学院，6 .时间常数是感光电阻器从光的飞跃到稳定明亮电流的63%所需要的时间。 7 .电阻温度系数是指感光电阻器周围温度变化1时电阻值的相对变化。 8 .灵敏度是指受光电阻器没有光照射和光照射时电阻值的相对变化。 (4)常用的受光电阻器，常用的受光电阻器为MG41MG45系列，宁波大学信息学院，表受光电阻器的型号和意义，宁波大学信息学院，宁波大学信息学院，应用范围：相机自动测光室内光控制报警器工业控制光控制开关电子玩具，宁波大学信息学院，光电二极管，其基本因为接合面积小，所

11、以其频率特性特别好。 输出电流一般为几A到几十A。 根据材料的不同，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等多种。 在结构上，有同质结和异质结。 其中最典型的是同质结硅光电二极管。 国产硅光电二极管根据基板材料的导电类型，分为2u和2DU两种系列。 2u系列以N-Si为基板，2DU系列以P-Si为基板。 2u系列光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管则有3条引线。 3、光电二极管和光电晶体管、宁波大学信息学院、锗光电二极管有a、b、c、d四种硅光电二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光电二极管的结构与一般的二极管相似，放入透明的玻璃外壳中，其PN结安装在管顶上，可以直接接受光

12、。 如图所示，光电二极管在电路中通常处于反向操作状态。p，n，RL，光，p，n，光电二极管的布线，(1)，光电二极管，宁波大学信息学院，光电二极管在光不照射时，反向电阻大，反向电流小。 逆电流也称为暗电流。 一旦光照，光电二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。 当光不被照射时，光电二极管处于载流子停止状态，此时，只有少数载流子在反偏压的作用下，转移势垒层形成微小的反向电流即暗电流，当光被照射时，PN结附近受到光子冲击，吸收其能量而产生电子-空穴对， 为了大幅增加p区域和n区域的少数载流子浓度，在反偏压和内电场的作用下，p区域的少数载流子迁移势垒层进入n区域，n区域的少数载流子迁移势垒层进入

13、p区域，使通过PN结的反向电流大幅增加，形成光电流。 宁波大学信息学院，宁波大学信息学院，A. PIN管结光电二极管PIN管是一种光电二极管。 其结构特征是在p型半导体和n型半导体之间夹着厚的本征半导体。 这样，因为PN结的内电场基本上集中在I层上，所以PN结的双电层的间距扩大，结电容变小。 从式=CjRL和f=1/2可以看出，Cj较小，较小，频带变宽。，P-Si，N-Si，I-Si，PIN管结构图，宁波大学信息学院，最大特征：达到频带宽度，10GHz的反偏电压下运用时，能够承受高反电压的线性输出范围很大。 不足： I层电阻大，管道输出电流小，一般零点几a到几a多。 现在，PIN管和前置放大器

14、集成在同一硅芯片上，装在一个封装中的商品正在出售。 宁波大学信息学院雪崩光电二极管是一种利用PN结高逆电压产生的雪崩效应工作的二极管。 这个管子工作电压高，约100200V，接近逆耐压。结区内的电场非常强，光电子在该强电场下非常加速，同时与晶格碰撞引起电离雪崩反应。 因此，该管道具有高内部增益，可以达到数百。 如果电压等于反向耐压，则电流增益为106，即发生雪崩。 该管是响应速度特别快，带宽达到100GHz，目前响应速度最快的光电二极管。 噪音大是这条管道现在的主要缺点。 雪崩反应是随机的，所以噪音很大，特别是工作电压接近逆耐压时，放大器的噪音水平变大，不能使用。 但是，APD的响应时间极短，

15、灵敏度高，因此在光通信中的应用前景广泛。 b .雪崩光电二极管(APD )、宁波大学信息学院、光电二极管的应用、宁波大学信息学院、宁波大学信息学院、光电晶体管有PNP型和NPN型两种。 其结构与一般晶体管非常相似，具有电流增益，但其发射极侧较大，扩大了光的照射面积，其基极不连接引线。 集电极被施加正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。 若对集电接合的基极区域照射光，则产生电子-空穴对，光电子被内部电场吸引到集电极，在基极区域残留有空穴，当基极和发射极间的电压上升时，大量的电子流入集电极，形成输出电流，集电极电流为光电流的倍。(2)光电晶体管，宁波大学信息学院，宁波大学信息学院，光电晶体管

16、主要特性：光电晶体管存在最佳灵敏度峰值波长。 当入射光的波长增加时，相对灵敏度下降。 光子能太小，不足以激发电子空穴对。 入射光的波长变短时，相对灵敏度也降低。 这是因为光子在半导体表面附近被吸收，在表面被激发的电子空穴对无法到达PN结，所以相对灵敏度降低。 分光特性、入射光、硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。 锗管比硅管暗电流大，因此锗管的性能差。 因此，检测可见光和红热状态的物体时，一般选择硅管，但是，为了检测红外线，使用锗管是合适的。 宁波大学信息学院，伏安特性，光电晶体管的伏安特性如图所示。 光电晶体管在不同照度下的电压-电流特性与一般晶体管在不同基极电流下的输出特性相

17、同。 因此，若将入射光在发射器e和基极b间的PN结附近产生的光电流看作基极电流，则光电晶体管可看作一般的晶体管。 光电晶体管可以将光信号改变为电信号，而且输出的电信号很大。 宁波大学信息学院，光电晶体管的光特性如图所示。 表示光电晶体管的输出电流I和照度的关系。 它们之间有近似的线性关系。 当光足够大(数klx )时，产生饱和现象，并且光电晶体管能够进行线性转换元件和开关元件两者。 光的特性、宁波大学信息学院、光电晶体管的温度特性、光电晶体管的温度特性曲线反映了光电晶体管的暗电流、光电流和温度的关系。 由特性曲线可知，温度变化对光电流的影响很小，但对暗电流的影响很大。 在电子电路中，如果不对暗电流进行温度补偿，就会引起输出误差。 温度特性、宁波大学信息学院、光电晶体管的频率特性曲线如图所示。 光电