檢測(cè)與轉(zhuǎn)換ppt第8章

1、信息與電氣工程學(xué)院第八章常用半導(dǎo)體傳感器第二節(jié)氣敏傳感器第三節(jié)濕敏傳感器第一節(jié)霍爾傳感器信息與電氣工程學(xué)院第八章常用半導(dǎo)體傳感器 半導(dǎo)體傳感器：用半導(dǎo)體敏感元件構(gòu)成的傳感器能夠把力、熱、光、磁、氣、濕度、射線、離子等一些物理量、化學(xué)量和生物量轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)。特點(diǎn)：體積小、重量輕、精度高、成本低、便于集成化、 易于微機(jī)接口等。缺點(diǎn)：特性的分散性、溫度不穩(wěn)定性和易受干擾性。信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器一、工作原理、材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 金屬或半導(dǎo)體薄片，若在兩端加控制電流I，并在薄片的垂直方向上加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上（即霍爾輸出端之間）將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH（霍爾電動(dòng)勢(shì)、霍爾

2、電壓）。（一）霍爾效應(yīng)RH-霍爾常數(shù)；d-厚度信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器（二）材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)霍爾元件一般采用N型鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成。信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器（三）基本電路霍爾元件的基本電路：控制電流由E供給，RP為調(diào)節(jié)控制電流大小的調(diào)節(jié)電阻。Rf為一般電阻作為負(fù)載電阻。在磁場(chǎng)作用下，負(fù)載上就有電壓輸出。在實(shí)際使用時(shí)，以I或B，或兩者同時(shí)作為輸入信號(hào)輸入，而輸出信號(hào)則正比于I或B，或兩者的乘積。信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器二、電磁特性（一）UH-I特性（二）UH-B特性 在磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí)，UH-I呈現(xiàn)線性關(guān)

3、系。 在控制電流一定時(shí)，UH-B呈現(xiàn)不完全線性關(guān)系。信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器三、誤差分析及誤差補(bǔ)償方法霍爾傳感器輸入、輸出關(guān)系簡(jiǎn)單，且線性好，但是影響它的性能的因素及造成誤差的原因很多，主要有以下幾個(gè)方面： 實(shí)際上霍爾片總有一定長(zhǎng)寬比Ll，而元件的長(zhǎng)度比是否合適對(duì)霍爾電動(dòng)勢(shì)大小有直接關(guān)系。（一）元件的幾何尺寸，電極接點(diǎn)大小對(duì)性能的影響信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器 不等位電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)主要的零位誤差，由于活霍爾元件的制造存在誤差，致使有控制電流流過(guò)時(shí)，即使B=0，UH仍然存在。（二）不等位電動(dòng)勢(shì)U0及其補(bǔ)償信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器（三）寄生直流電動(dòng)勢(shì)由于霍爾元件的電極不可

4、能做到完全歐姆接觸，在控制電流極和霍爾電動(dòng)勢(shì)極上都可能出現(xiàn)整流效應(yīng)。因此，當(dāng)元件通以交流控制電流（不加磁場(chǎng)）時(shí)，它的輸出除了交流不等位電動(dòng)勢(shì)外，還有一直流電動(dòng)勢(shì)分量，這電動(dòng)勢(shì)就稱為寄生直流電動(dòng)勢(shì)。信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器（四）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)霍爾元件在交變磁場(chǎng)中工作時(shí)，由于引線布置不合理，在輸出回路中也會(huì)產(chǎn)生附加感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是造成零位誤差的一個(gè)因素。在磁路氣隙中安置另一輔助霍爾元件，如兩元件特性相同，可以起到較好的補(bǔ)償效果。信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器（五）溫度誤差補(bǔ)償 因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度隨溫度變化，故霍爾元件的性能參數(shù)，如內(nèi)阻、霍爾電動(dòng)勢(shì)等也將隨

5、溫度變化。信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器高斯計(jì) 四、霍爾傳感器的應(yīng)用測(cè)量轉(zhuǎn)速霍爾接近開關(guān)信息與電氣工程學(xué)院第一節(jié)霍爾傳感器霍爾傳感器測(cè)量電流 四、霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾鉗形電流表信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器 氣敏電阻傳感器（氣敏電阻）可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號(hào)。氣敏電阻分為：一類：測(cè)量還原性氣體（可燃性氣體可燃性氣體） 二類：測(cè)量氧氣濃度 用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。 半導(dǎo)體材料二氧化鈦TiO2，其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。信息與電氣工程學(xué)院第

6、二節(jié)氣敏傳感器 SnO2半導(dǎo)體氣敏元件主要代表：TGS型、QM-N5型氣體傳感器 TGS2600氣體傳感器 TGS831 QM-N5 煤氣-煙霧傳感器 信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器一、SnO2的基本性質(zhì)SnO2對(duì)多種氣體具有氣敏特性，用燒結(jié)法或制膜法制備的多孔型SnO2 半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)電率隨接觸的氣體種類而變化。一般吸附還原性氣體時(shí)電導(dǎo)率升高，而吸附氧化性氣體時(shí) 其 電 導(dǎo) 率 降 低 。信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器 實(shí)驗(yàn)證明，SnO2中的添加物質(zhì)對(duì)其氣敏效應(yīng)有明顯影響。信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器二、SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)SnO2氣敏元件主要有三種類型：燒結(jié)型、薄膜型和厚

7、膜型。燒結(jié)型SnO2氣敏元件是以多孔質(zhì)陶瓷SnO2為基材，添加不同物質(zhì)采用傳統(tǒng)制陶方法進(jìn)行燒結(jié)，用于檢測(cè)可燃的還原性氣體，工作溫度約300，加熱方式有直接加熱式和旁熱式兩種。信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器（1）直熱式SnO2氣敏元件缺點(diǎn)： 熱容量小，易受環(huán)境氣流影響； 測(cè)量回路與加熱電路之間相互干擾，影響其測(cè)量參數(shù)； 加熱絲在加熱和不加熱狀況下產(chǎn)生漲縮，易造成接觸不良信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器（2）旁熱式SnO2氣敏元件優(yōu)點(diǎn)： 熱容量大，不易受環(huán)境氣流影響； 將測(cè)量極與加熱絲分開，加熱絲不與氣敏原件接觸，避免相互影響，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器三、SnO2氣敏元件

8、的工作原理 燒結(jié)型SnO2氣敏元件是表面電阻控制型氣敏元件。制作元件的氣敏材料是多孔質(zhì)SnO2燒結(jié)體。在晶體組成上，錫與氧往往偏離化學(xué)計(jì)量比。如果氧不足，將出現(xiàn)兩種情況，一種是產(chǎn)個(gè)氧空位，另一種產(chǎn)生錫間隙原子。這兩種情況，在禁帶靠近導(dǎo)電的地方形成施主能級(jí)，這些施主能級(jí)上的電子易激發(fā)到導(dǎo)帶而參與導(dǎo)電。信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器四、SnO2氣敏元件的工作原理信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器四、SnO2半導(dǎo)體氣敏元件的特點(diǎn)（1）氣敏元件阻值隨檢測(cè)氣體濃度具有指數(shù)變化關(guān)系。（2）SnO2氣敏元件壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。（3）SnO2氣敏元件對(duì)氣體檢測(cè)是可逆的，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間 使用。（4）

9、元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，力學(xué)性能良好。 （5）對(duì)氣體檢測(cè)不需要復(fù)雜的處理設(shè)備。信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器五、基本測(cè)量電路 信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器六、燒結(jié)型SnO2氣敏元件的基本特性1靈敏度特性 燒結(jié)型SnO2氣敏元件，對(duì)多種可燃性氣體和液體蒸氣都有敏感性，其靈敏度視氣體和液體蒸氣不同而異。信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器1靈敏度特性信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器六、燒結(jié)型SnO2氣敏元件的基本特性2溫濕度特性 SnO2氣敏允件易受環(huán)境溫濕度影響。由于氣敏元件與環(huán)境溫濕度有一定依賴關(guān)系，所以在使用氣敏元件時(shí)，為了提高儀器和設(shè)備的精度和可靠性，在電路中要加溫濕度補(bǔ)

10、償。信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器六、燒結(jié)型SnO2氣敏元件的基本特性3加熱特性 SnO2氣敏元件需要在加熱狀態(tài)下工作，加熱溫度影響元件的性能。加熱溫度是靠通過(guò)元件加熱絲中的電流即施加于加熱器上的電壓提供的。元件加熱電壓變，元件電阻也相應(yīng)地有所變化。根據(jù)這一特件，可以選擇元件的工作條件，使元件在最佳加熱狀態(tài)下工作。信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器六、燒結(jié)型SnO2氣敏元件的基本特性4初期恢復(fù)特性 SnO2氣敏元件在短期不通電的狀態(tài)下存放后時(shí)通電時(shí)，元件并不能立即投入正常工作。信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器六、燒結(jié)型SnO2氣敏元件的基本特性5初期穩(wěn)定特性 一般把通電開始到元件電阻達(dá)到初始穩(wěn)定值的時(shí)間稱為初始穩(wěn)定時(shí)間，用它表不氣敏元件的初期穩(wěn)定性。氣敏元件初始穩(wěn)定時(shí)間隨元件種類、表面溫度等不同而異。信息與電氣工程學(xué)院第二節(jié)氣敏傳感器六、燒結(jié)型SnO2氣敏元件的基本特性6長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性 燒結(jié)型SnO2氣敏元件具有較長(zhǎng)的工作壽命，具有元件電阻變