常用傳感器原理及應用20168.ppt

寧波大學信息學院,常用傳感器原理及應用,一、溫度傳感器二、光電傳感器三、霍爾傳感器四、超聲波傳感器,寧波大學信息學院,一、溫度傳感器,1、熱電阻傳感器2、結(jié)溫度傳感器3、集成溫度傳感器,寧波大學信息學院,1、熱電阻傳感器,幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨本身溫度的變化而變化-熱電阻效應。根據(jù)電阻和溫度之間的函數(shù)關(guān)系，可以將溫度變化量轉(zhuǎn)換為相應的電參量，從而實現(xiàn)溫度的電測量。利用這一原理制成的溫度敏感元件稱為熱電阻。熱電阻材料可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻。,RTD以0阻值作為標稱值。如：Pt100,寧波大學信息學院,（1）鉑電阻,鉑電阻與溫度變化之間的關(guān)系為當0t660時，Rt=R0（1+At+Bt2）當-190,1N4148/1-5mA,當正向電流一定時,二極管的正向電壓與被測溫度成線性關(guān)系；在一定的電流下，其正向電壓隨溫度的升高而降低，故呈負溫度系數(shù),寧波大學信息學院,3、集成溫度傳感器,集成溫度傳感器是以晶體管作為感溫元件，并將溫敏晶體管及輔助電路集成在同一芯片上。單個晶體管基極發(fā)射極之間的電壓在恒定集電極電流的條件下，可以認為與溫度呈單值線性關(guān)系。,集成溫度傳感器的輸出形式有電壓型電流型。電壓型的靈敏度為10mV/，電流型的靈敏度為1A/K。,寧波大學信息學院,AD590（電流型）,AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：,1、流過器件的電流（A）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度度數(shù),2、AD590的測溫范圍為-55+150。,3、AD590的電源電壓范圍為4V30V。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。,4、輸出電阻為710M。,5、精度高。有I、J、K、L、M五檔，M檔精度最高，誤差為0.3。,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,二、光電傳感器,（1）光譜光波：波長為10106nm的電磁波可見光：波長380780nm紫外線：波長10380nm，波長300380nm稱為近紫外線波長200300nm稱為遠紫外線波長10200nm稱為極遠紫外線，紅外線：波長780106nm波長3m（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3m的紅外線稱為遠紅外線。,1、概述,寧波大學信息學院,光譜分布如圖所示,寧波大學信息學院,光電效應是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應。光電傳感器的工作原理基于光電效應。光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩大類。,外光電效應在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽堋⒐怆姳对龉艿?。,（2）光電效應,寧波大學信息學院,當光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應，它多發(fā)生于半導體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類：A.光電導效應在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。,內(nèi)光電效應,寧波大學信息學院,過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材料中導帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導率變大。,導帶,價帶,禁帶,自由電子所占能帶,不存在電子所占能帶,價電子所占能帶,Eg,寧波大學信息學院,材料的光導性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導材料，總存在一個照射光波長限0，只有波長小于0的光照射在光電導體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導體的電導率增加。,式中、分別為入射光的頻率和波長。,為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料的禁帶寬度Eg，即,寧波大學信息學院,B.光生伏特效應在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應?；谠撔墓怆娖骷泄怆姵睾凸饷舳O管、光敏三極管。勢壘效應（結(jié)光電效應）。接觸的半導體和PN結(jié)中，當光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光電動勢。,寧波大學信息學院,側(cè)向光電效應。當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應。當光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢。基于該效應的光電器件如半導體光電位置敏感器件（PSD）。,寧波大學信息學院,2、光敏電阻,光敏電阻器是利用半導體光電導效應制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感。它在無光照射時，呈高阻狀態(tài)；當有光照射時，其電阻值迅速減小。,(1)光敏電阻器的結(jié)構(gòu)與特性:光敏電阻器通常由光敏層、玻璃基片（或樹脂防潮膜）和電極等組成.,寧波大學信息學院,光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體。光導體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴散到內(nèi)部去，但擴散深度有限，因此光電導體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳子狀圖案.,寧波大學信息學院,（2）光敏電阻器的種類光敏電阻器可以根據(jù)光敏電阻器的制作材料和光譜特性來分類。按光敏電阻器的制作材料分類光敏電阻器按其制作材料的不同可分為多晶光敏電阻器和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘(CdS)光敏電阻器、硒化鎘(CdSe)光敏電阻器、硫化鉛(PbS)光敏電阻器、硒化鉛(PbSe)光敏電阻器、銻化銦(InSb)光敏電阻器等多種。,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,按光譜特性分類：光敏電阻器按其光譜特性可分為:可見光光敏電阻器紫外光光敏電阻器紅外光光敏電阻器。可見光光敏電阻器主要用于各種光電自動控制系統(tǒng)、電子照相機和光報警器等電子產(chǎn)品中。紫外光光敏電阻器主要用于紫外線探測儀器。紅外光光敏電阻器主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動控制系統(tǒng)中。,寧波大學信息學院,（3）光敏電阻器的主要參數(shù)1亮電阻（RL）是指光敏電阻器受到光照射時的電阻值。2暗電阻（RD）是指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時的電阻值。3最高工作電壓（VM）是指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓。4亮電流（IL）是指在光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓受到光照時所通過的電流。5暗電流（ID）是指在無光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。,寧波大學信息學院,6時間常數(shù)是指光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63%時所需的時間。7電阻溫度系數(shù)是指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1時，其電阻值的相對變化。8靈敏度是指光敏電阻器在有光照射和無光照射時電阻值的相對變化。,（4）常用的光敏電阻器,常用的光敏電阻器有MG41MG45系列,寧波大學信息學院,表光敏電阻器的型號命名及含義,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,應用范圍：照相機自動測光室內(nèi)光線控制報警器工業(yè)控制光控開關(guān)電子玩具,寧波大學信息學院,光電二極管，其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。輸出電流一般為幾A到幾十A。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。,3、光敏二極管和光敏三極管,寧波大學信息學院,光敏二極管符號如圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1AD系列、2DU14系列。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。,P,N,光,光敏二極管符號,RL,光,P,N,光敏二極管接線,(1)光敏二極管,寧波大學信息學院,光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流當光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當光不照射時，光敏二極管處于載止狀態(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流.,受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,A.PIN管結(jié)光電二極管PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由式=CjRL與f=1/2知，Cj小，則小，頻帶將變寬。,P-Si,N-Si,I-Si,PIN管結(jié)構(gòu)示意圖,寧波大學信息學院,最大特點：頻帶寬，可達10GHz;在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓;線性輸出范圍寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。,寧波大學信息學院,雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。,B.雪崩光電二極管(APD),寧波大學信息學院,光電二極管的應用,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時,會產(chǎn)生電子-空穴對,在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的倍。,(2)光敏三極管,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,光敏三極管的主要特性：,光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。,光譜特性,入射光,硅的峰值波長為9000，鍺的峰值波長為15000。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。,寧波大學信息學院,伏安特性,光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。,寧波大學信息學院,光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。,光照特性,寧波大學信息學院,光敏晶體管的溫度特性,光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大所以電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。,溫度特性,寧波大學信息學院,光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好。,光敏三極管的頻率特性,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)和分類:遮斷型反射型反射型分為兩種情況：反射鏡反射型被測物漫反射型（簡稱散射型）,4、光電開關(guān),遮斷型光電開關(guān)結(jié)構(gòu),寧波大學信息學院,反射型光電開關(guān)結(jié)構(gòu),反射式煙霧探測電路,寧波大學信息學院,透射式光電測速裝置,寧波大學信息學院,5、熱釋電紅外傳感器,熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。,熱釋電效應是指由于溫度的變化而引起晶體表面電荷變化的現(xiàn)象。,（a）在一定溫度下產(chǎn)生極化。（b）兩種電荷分別吸引大氣中的正負電荷，晶體呈電中性。（c）溫度的變化，使晶體內(nèi)表面極化電荷減少，外表面電荷不能立即消失，外表面產(chǎn)生電壓。,工作原理：,寧波大學信息學院,結(jié)構(gòu)及等效電路,寧波大學信息學院,人體溫37度，會發(fā)出10um左右的紅外線，該紅外線通過菲泥爾透鏡增強后聚集到熱釋電傳感器上，向外釋放電荷，后續(xù)電路即可檢測。,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,三、霍爾傳感器,霍爾效應簡述,如圖所示,將一塊載流導電板放入垂直于它的磁場中,當有電流通過導電板時,將在它的上、下兩側(cè)產(chǎn)生一個電位差。實驗發(fā)現(xiàn),在磁場不太強的情況下,該電位差VH與電流強渡I和磁感應B成正比,與導電板的厚度d成反比,即VH=k(IB/d)式中:VH為霍爾電勢或電壓；k為霍爾(靈敏度)系數(shù),V/AT。,寧波大學信息學院,霍爾開關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出?；舳_關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點。,1、霍爾開關(guān)集成傳感器,寧波大學信息學院,由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。,（1）霍耳開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,（2）霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，這對開關(guān)動作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關(guān)”的磁感應強度。,霍耳開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：工作電壓、磁感應強度、輸出截止電壓、輸出導通電流、工作溫度、工作點。,該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當外加磁感強度高于BOP時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁感強度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。,寧波大學信息學院,(3)霍耳開關(guān)集成傳感器的應用A.霍耳開關(guān)集成傳感器的接口電路,RL,VAC,Vcc,Vcc,VAC,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,磁鐵軸心接近式在磁鐵的軸心方向垂直于傳感器并同傳感器軸心重合的條件下，,隨磁鐵與傳感器的間隔距離的增加,作用在傳感器表面的磁感強度衰減很快。當磁鐵向傳感器接近到一定位置時,傳感器開關(guān)接通,而磁鐵移開到一定距離時開關(guān)關(guān)斷。應用時,如果磁鐵已選定,則應按具體的應用場合,對作用距離作合適的選擇。,（4）給傳感器施加磁場的方式,寧波大學信息學院,磁鐵側(cè)向滑近式要求磁鐵平面與傳感器平面的距離不變，而磁鐵的軸線與傳感器的平面垂直。磁鐵以滑近移動的方式在傳感器前方通過。,寧波大學信息學院,寧波大學信息學院,（1）霍爾線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當外加磁場時,霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實際電路設(shè)計中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài)，而霍耳線性集成傳感器的輸出卻是對外加磁場的線性感應。霍耳線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。霍耳線性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種，其電路結(jié)構(gòu)如下圖。,2、霍爾線性集成傳感器,寧波大學信息學院,單端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501T。雙端輸出的