幾種新型傳感器

1、幾種新型傳感器第1頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一第5章 新型傳感器簡介 從第2章到第4章我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了十幾種常用的傳感器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在不斷發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、采用新原理、開發(fā)新材料和采用新工藝的基礎(chǔ)上，傳感器技術(shù)得到了很大的進步與提高。同時，與單片機或者微計算機相結(jié)合的智能式傳感器、生物傳感器也有了很大的發(fā)展。 新型傳感器技術(shù)含量高、功能強，相對傳統(tǒng)傳感器具有很多優(yōu)點。了解和學(xué)習(xí)這些新型的傳感器有助于我們打一大視野，及時了解、掌握新型傳感器技術(shù)并加以應(yīng)用。本章將介紹最近幾年發(fā)展起來的新型傳感器，包括CCD圖像傳感器、觸覺傳感器、光纖傳感器、磁性傳感器和集成溫度傳感器

2、。返回第2頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.1 CCD圖像傳感器 圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理，用來攝取平血光學(xué)圖像并使其轉(zhuǎn)換為電子圖像信號的器件。圖像傳感器必須具有兩個作用，一是具有把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的作用;二是具有將平面圖像上的像素進行點陣取樣，并把這些像素按時間取出的掃描作用。 電荷耦合器件又稱為CCD器件，如其外形如圖5-1所示，它是近年來新發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體功能器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。下一頁返回第3頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.1 CCD圖像傳感器5.1.1 CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu) CCD更接近于人的視覺的工作方

3、式，只不過人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強度感應(yīng)的桿細胞和色彩感應(yīng)的錐細胞分工合作組成視覺感應(yīng)。CCD經(jīng)過長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經(jīng)定型，如圖5-2示為CCD的三層結(jié)構(gòu)示意圖，上層為增光鏡頭，中層為分色濾色片，下層為感光層。第一層：增光鏡頭 CCD 成像的關(guān)鍵是在于其感光層，為了擴展CCD 的采光率，必須擴展單一像素的受光面積。 感光面積不再由傳感器的開口面積決定，而由微型鏡片的表面積來決定。上一頁下一頁返回第4頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.1 CCD圖像傳感器第二層 分色濾色片 CCD 的第二層是“分色濾色片”，目前有兩種分色方式：一是RGB 原色分色

4、法，另一個則是CMYK 補色分色法。 RGB 原色分色法，幾乎所有人類眼鏡可以識別的顏色，都可以通過紅、綠和藍來組成。 CMYK 補色分色法，是由青洋紅、黃、黑四個通道的顏色配合而成。 原色CCD 的優(yōu)勢在于畫質(zhì)銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題。在印刷業(yè)中，CMYK 更為適用，但其調(diào)節(jié)出來的顏色不及RGB 的多。上一頁下一頁返回第5頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.1 CCD圖像傳感器第三層 感光層 CCD 的第三層是“感光片”，這層主要是負(fù)責(zé)將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號傳送到圖像處理芯片，將影像還原。感光層的基本組成部分是MOS 型光通量傳感器如圖5

5、-3 所示。 一個圖像傳感器是由縱橫方向上數(shù)千個光通量傳感器組成的矩陣和控制水平方向與垂直方向掃描的移位寄存器組合而成的。上一頁下一頁返回第6頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.1 CCD圖像傳感器5.1.2 CCD 傳感器的工作過程 如圖5-4 所示為CCD 系統(tǒng)構(gòu)成，主要由CCD 傳感器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和緩存構(gòu)成。其中，CCD 傳感器由成像區(qū)、暫存區(qū)和水平讀出寄存器三部分構(gòu)成，每個成像單元稱為一個像索（Pixel ) ，假定有M 個轉(zhuǎn)移溝道，每個溝道有N 個成像單元，那么整個成像區(qū)共有M *N 個像索。CCD 傳感器的暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)和單元數(shù)與成像區(qū)相似，暫存區(qū)與水

6、平讀出寄存器均需作遮光處理。上一頁下一頁返回第7頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.1 CCD圖像傳感器 CCD 傳感器工作時，圖像經(jīng)物鏡在成像區(qū)成像，給成像區(qū)上面的電極加上適當(dāng)?shù)钠珘簳r，光生電荷被收集到電極下方的勢阱里，這樣就將光學(xué)圖像變成了電荷包圖像。當(dāng)光積分周期結(jié)束時，加到成像區(qū)和暫存區(qū)電極上的時鐘脈沖使所有收集到的信號電荷迅速轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)中，然后經(jīng)由水平讀出寄存器，在時鐘脈沖控制下，通過輸出極逐行輸出一幀信息，在第一幀讀出的同時，第二幀信息通過光積分又收集到勢阱中，這樣，就可以一幀一幀連續(xù)地讀出。上一頁下一頁返回第8頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16

7、分，星期一5.1 CCD圖像傳感器5.1.3 CCD 圖像傳感器的種類 用于圖像傳感器的CCD 又稱攝像或像敏CCD 。它的功能是把二維圖像光學(xué)信號轉(zhuǎn)變成一維視頻信號或數(shù)字信號。從結(jié)構(gòu)上可分為線陣CCD 和面陣CCD 兩大類。 線陣CCD 結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，可以同時儲存一行電視信號，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)測量，并能在低照度下工作。所以線陣CCD 廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品尺寸測量、非接觸尺寸測量、條形碼等許多領(lǐng)域。 面陣CCD的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較簡單、容易增加像素數(shù)，缺點是CCD 尺寸較大、易產(chǎn)生垂直拖影。上一頁下一頁返回第9頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.1 CCD圖像傳感器5.1.4

8、CCD 圖像傳感器的應(yīng)用CCD 工件外形檢測 在機械零部件生產(chǎn)過程中，零件外徑尺寸的測量占有重要地位，快速、準(zhǔn)確地測量出零件的主要參數(shù)可以縮短整個產(chǎn)時的生產(chǎn)周期，并有利于實現(xiàn)自動化。 圖5-6 所示為CCD 工件尺寸檢測系統(tǒng)組成框圖。該檢測系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、測量平臺、運動控制系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。上一頁下一頁返回第10頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.1 CCD圖像傳感器火車軸承滾子的表面探傷 磁粉探傷的原理是：當(dāng)將滾子磁化后，磁力線在有表面缺陷的部位會發(fā)生變化，部分磁力線逸出，在缺陷處形成磁極，從而產(chǎn)生漏磁場；當(dāng)在滾子表面噴灑熒光磁粉懸液時，磁粉將被吸附在

9、漏磁場處形成磁痕，在紫外光照射的條件下，熒光磁粉將受激發(fā)射出熒光，由高像素CCD 攝像機對其進行攝像，經(jīng)計算機進行相關(guān)圖像處理后，對可疑缺陷進行增強顯示并發(fā)出聲響預(yù)警，同時將可疑缺陷圖像輸出打印，從而達到探傷的目的。 該自動檢測系統(tǒng)主要由計算機、磁粉探傷機及控制部分、光學(xué)部分、圖像處理部分、步進電機及控制等部分組成。其系統(tǒng)組成框圖如圖5-8 所示。上一頁返回第11頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.2 觸覺傳感器 觸覺傳感器的原型是模仿人的觸覺功能，目的是通過觸覺傳感器與被識別物體的接觸或相互作用來完成對被識別物體表面特征及物理性能的感知。為了實現(xiàn)這一功能，研究者們設(shè)計

10、了各種形式的觸覺傳感器以滿足多種需要。 觸覺傳感器按傳感原理基本上可以分為開關(guān)式、壓阻式、壓電式、光電式、電容式、電磁式等幾類，下面分別介紹有代表性的幾種觸覺傳感器。下一頁返回第12頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.2 觸覺傳感器5.2.1 開關(guān)式觸覺傳感器 開關(guān)式觸覺傳感器是用于檢測物體是否存在的一種最簡單的觸覺制動器件。開關(guān)內(nèi)部分隔成兩個電接點。當(dāng)一個電極上承受大于閥值的力時，該電極與另一個電極接觸，這樣可以用一個電路來檢測該開關(guān)是否接觸。 工業(yè)上利用小型開關(guān)陣列形成一種價廉觸覺傳感器，但是這種陣列的空間分辨率較低。這種跟輸出信號的二進制相對應(yīng)的二值陣列觸覺傳感器

11、，嚴(yán)重地限制、影響了其提供信息的質(zhì)量。圖5-9 所示即為開關(guān)式傳感器的原理圖。上一頁下一頁返回第13頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.2 觸覺傳感器5.2.2 光學(xué)式觸覺傳感器 光照射到界面的角度通過界面法線測量。若光照射到有機玻璃和空氣界面的角度大于C，則光沿著有機玻璃光波導(dǎo)傳播，光波導(dǎo)表面跟外部物體接觸時，接觸點處全內(nèi)反射被破壞，光從光波導(dǎo)相反一側(cè)出射。 利用這種原理可以制成高分辨率的觸覺傳感器在實際應(yīng)用中，通常用一塊韌性的薄膜層設(shè)置在外部物體和光波導(dǎo)之間，以便保護光波導(dǎo)并隔斷外部光源。圖5-10 所示為采用這種效應(yīng)的觸覺傳感器原理圖。上一頁下一頁返回第14頁，共

12、74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.2 觸覺傳感器5.2.3 壓阻陣列觸覺傳感器 壓阻式陣列觸覺傳感器的基本結(jié)構(gòu)是由外接引線、上（行）下（列）電極及壓阻材料等構(gòu)成，上（行）電極與下（列）電極相垂直，上（行）下（列）電極的交叉點定義為陣列觸覺的一個觸覺單元，外接引線從相互平行的觸覺單元上引出，壓阻材料放在上（行）下（列）電極中間，如圖5-11 所示。 在壓阻式陣列觸覺傳感器中，最關(guān)鍵的構(gòu)件是敏感材料和電極。 另外，各向異性壓阻材料的應(yīng)用也受到廣泛的重視，如敏感材料在z 方向有壓阻變化特性，在x , y 方向則無論受壓與否，均有較大的阻值。上一頁返回第15頁，共74頁，2022年

13、，5月20日，9點16分，星期一5.3 光纖傳感器 光纖傳感器相對于常規(guī)傳感器具有以下特點： 1抗電磁干擾能力強 2 靈敏度高 3 重量輕、體積小 4 適于遙測 由于光纖傳感器的這些獨特優(yōu)點和廣泛的潛在應(yīng)用，使其得以迅速發(fā)展。自1977 年以來已研制出多種光纖傳感器，測量范圍包括位移、速度、加速度、液位、壓力、流量、振動、水聲、溫度、電流、電壓、磁場和核輻射等。下一頁返回第16頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.3 光纖傳感器5.3.1 光纖的結(jié)構(gòu) 光纖由纖芯、包層及外套組成，如圖5-13 所示。 纖芯是山玻璃、石英或塑料等制成的圓柱體，一般直徑約為5150m。包在纖芯

14、外的一層叫包層，材料也是玻璃或塑料等。纖芯的折射率大于涂層的折射率，所以光纖具有使光束封閉在纖芯里面?zhèn)鬏數(shù)墓δ?。外套起保護光纖的作用，它的折射率大于涂層的折射率。人們通常把較長的或多股的光纖稱之為光纜。上一頁下一頁返回第17頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.3 光纖傳感器5.3.2 光纖的工作原理 下面以階躍型多模光纖為例，來說明光纖的工作原理。 如圖5-14 所示，當(dāng)光線從空氣（折射率為n0）中射入光纖的一個端面，并與其軸線的夾角為時，在光纖內(nèi)折射成角 ，然后以角 入射到纖芯與涂層的交界面上。若入射角 大于臨界角 ，則入射的光線就能在交界面上產(chǎn)生全反射，并在光纖內(nèi)部

15、以同樣的角度反復(fù)包層全反射向前傳播，直至從光纖的另一端射出。若光纖兩端同處于空氣之中，則出射角也將為。上一頁下一頁返回第18頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一 從空氣中射人光纖的光并不一定都能在光纖中產(chǎn)生全反射，當(dāng)入射的光線就不能在交界面產(chǎn)生全反射時，大部分光線將穿透包層而逸出，即漏光。 如果引人光纖的數(shù)值孔徑NA 這個概念，則： 可以看出，纖芯與包層的折射率差值越大，數(shù)值孔徑就越大，光纖的集光能力就越強。上一頁下一頁返回5.3 光纖傳感器第19頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.3.3 光纖的種類 從構(gòu)成光纖的材料來看，光纖可分為玻璃光纖和塑料光

16、纖。從性能和可靠性而言，不論是通信用光纖或傳感用光纖，當(dāng)前大多采用玻璃光纖。 光纖按其傳輸?shù)哪Ｊ?，可分為單模光纖和多模光纖兩類。 根據(jù)折射率的變化規(guī)律，光纖分為梯度型和階躍型兩種。 各種光纖如圖5-15所示上一頁下一頁返回5.3 光纖傳感器第20頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.3.4 光纖傳感器 光纖傳感器有功能型光纖傳感器和非功能型光纖傳感器兩大類。功能型光纖傳感器 功能型光纖傳感器主要有光強調(diào)制型光纖傳感器、光相位調(diào)制型光纖傳感器、光偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器三種。 1）光強調(diào)制型光纖傳感器 光纖微彎位移（壓力）傳感器是光強調(diào)制型光纖傳感器的一個典型例子，它是基于光

17、纖微彎而產(chǎn)生的彎曲損耗原理制成的。上一頁下一頁返回5.3 光纖傳感器第21頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一2）光相位調(diào)制型光纖傳感器 光相位調(diào)制型光纖傳感器是利用被測量引起光纖中光相位變化的原理制成的。這種傳感器具有靈敏度高、靈活性好和多樣的特點。常見的有邁克爾遜、馬赫-琴特、薩占納克和法勃-帕脫四種相位干涉型。它們的共同點是：光源發(fā)出的光都要經(jīng)棱鏡分成兩束或更多束的光，這些光沿不同的路徑傳播后，分離出的光束又組合在一起去激勵一個光敏元件或顯示干涉條紋。 如圖5-17 所示為利用馬赫-琴特干涉儀測量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器的組成原理圖。上一頁下一頁返回5.3 光

18、纖傳感器第22頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一3）光偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器能檢測出由于外界因索引起的光纖內(nèi)部光的偏振態(tài)的變化。最典型的是光纖電流傳感器，其工作原理是根據(jù)磁旋效應(yīng)做成的，主要應(yīng)用于高壓傳輸線中。 如圖5-18 所示為光纖大電流傳感器原理框圖。 除利用磁旋效應(yīng)的光偏振調(diào)制外，還可以利用光旋效應(yīng)、光彈效應(yīng)、電光效應(yīng)和電旋效應(yīng)等制成光偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器，所以是應(yīng)用很廣、開發(fā)潛力很大的一類光纖傳感器。上一頁下一頁返回5.3 光纖傳感器第23頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一非功能型光纖傳感器 光纖在這類傳感器中只是

19、作為傳光的媒質(zhì)，需要和其他敏感元件一起才能組成傳感器。其結(jié)構(gòu)比較簡單，并能充分利用光電元件和光纖本身的特點，因此目前很受重視。常見的有光纖位移傳感器、光纖溫度傳感器等。1）光纖位移傳感器 光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器，其原理如圖 5-19 所示。 光纖采用Y 型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射體，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收。上一頁下一頁返回5.3 光纖傳感器第24頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一 轉(zhuǎn)換器接受到的光與反射體表面性質(zhì)、反射體到光纖探頭距離

20、有關(guān)，當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加，到達最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。2）光纖溫度傳感器 圖5-21 所示,把半導(dǎo)體材料用支架夾持在發(fā)射光纖和接收光纖之間，當(dāng)溫度變化時半導(dǎo)體的透光率隨之變化，接收光纖接收到的光量也變化。經(jīng)后續(xù)電路處理后送顯示電路顯示。上一頁返回5.3 光纖傳感器第25頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.4 磁性傳感器磁是人們所熟悉的一種物理現(xiàn)象，因此磁傳感器具有占老的歷史。最簡單的把磁轉(zhuǎn)換成電

21、的磁傳感器就是線圈，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在切割磁通的電路里，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與磁通的變化速率成正比。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用磁場作用使物質(zhì)的電性能發(fā)生變化的各種物理效應(yīng)，制成了固體化磁傳感器，從而使磁場強度轉(zhuǎn)換為電信號。磁傳感器的種類較多，制作磁傳感器的材料有半導(dǎo)體、磁性體、超導(dǎo)體等，不同材料制作的傳感器其工作原理和特性也不相同。本節(jié)重點介紹一些常用的磁傳感器下一頁返回第26頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.4 磁性傳感器5.4.1 磁敏電阻器 將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，其電阻隨磁場變化而變化的現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，簡稱磁阻效應(yīng)。磁敏電阻器就是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元

22、件。當(dāng)溫度恒定時，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強度B 的平方成正比。用公式表示為： 磁場一定時，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。圖5-22 所示為利用這種效應(yīng)制成的磁敏電阻器。上一頁下一頁返回第27頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.4 磁性傳感器5.4.2 磁敏二極管的工作原理和主要特性 磁敏二極管的結(jié)構(gòu)如圖5-23 （a）所示，圖5-23 （b）為磁敏二極管的電路符號。 當(dāng)對磁敏二極管加正向偏壓，即P+接電源正極，N+接負(fù)極，則P+-I 結(jié)向I 區(qū)注入空穴，N+-I 結(jié)向I 區(qū)注入電子，因而有電流I 流過二極管。電流I 的大小將隨外加磁場的變化而變化，具體情況如下（如圖

23、5-24） ： 1)當(dāng)外磁場B = 0 時，磁感應(yīng)強度的方向如圖5-24 （a） 2)當(dāng)外磁場B = B+ 時，磁感應(yīng)強度的方向如圖5-24 （b） 3)當(dāng)外磁場B = B- 時，磁感應(yīng)強度的方向如圖5-24 （c） 上一頁下一頁返回第28頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.4 磁性傳感器主要特性：（1）伏安特性。磁敏二極管所加正向偏壓與二極管流過電流的關(guān)系稱為伏安特性，不同磁場作用下，其伏安特性不同。（2）磁電特性。磁敏二極管輸出電壓的變比與外加磁場的關(guān)系稱為磁電特性。磁敏二極管隨外加磁場方向的變化可以產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化，在正磁場作用下電壓升高，在負(fù)磁場作用下電壓

24、降低。磁電特性與線路的連接形式有關(guān)，通常有單只接法和互補接法兩種電路基本形式。上一頁下一頁返回第29頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.4 磁性傳感器（3）溫度特性。磁敏二極管的溫度特性是指溫度的變化與輸出電壓變化之間的關(guān)系。磁敏二極管的溫度特性有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩種，如鍺磁敏二極管是負(fù)溫度系數(shù)，硅磁敏二極管是正溫度系數(shù)。（4）頻率特性。磁敏二極管的頻率特性取決于注入載流子在本征區(qū)域內(nèi)被復(fù)合和保持動態(tài)平衡的時間，而與元件的尺寸大小無關(guān)，載流子復(fù)合和保持動態(tài)平衡的時間越短，頻率特性越好.上一頁下一頁返回第30頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5

25、.4 磁性傳感器5.4 .3 磁敏三極管1.磁敏三極管的結(jié)構(gòu) 磁敏三極管的結(jié)構(gòu)如圖5-28 所示。在弱P 型或弱N 型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴散法形成發(fā)射極、基極和集電極。其最大的特點是基區(qū)較長，基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，也有高復(fù)合速率的：r 區(qū)和本征I 區(qū)。長基區(qū)分為運輸基區(qū)和復(fù)合基區(qū)，運輸基區(qū)主要是將發(fā)射極注人的載流子輸運到集電極，復(fù)合基區(qū)的作用是使從發(fā)射極和基極注入的載流子復(fù)合。上一頁下一頁返回第31頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.4 磁性傳感器2. 工作原理 現(xiàn)在以鍺磁敏三極管為例來說明磁敏三極管的工作原理，如圖5-29 所示。 圖a，b，c分別表示外磁場為0

26、，正，負(fù)的情況。 由圖可知，磁敏三極管在正反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁場、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。上一頁下一頁返回第32頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.4 磁性傳感器3 磁敏三極管的主要特性（1）磁電特性。磁敏三極管的磁電特性是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，在弱磁場作用下接近于一條直線，即集電極電流的變化隨磁感應(yīng)強度近似為線性關(guān)系。（2）伏安特性。磁敏三極管的伏安特性與普通三極管的伏安特性相似，但電流放大倍數(shù)大。（3）溫度特性。磁敏三極管受溫度影響較大，使用時必須進行溫度補償。磁敏三極管的溫度系數(shù)有正、負(fù)之分，硅磁敏三極管的溫度系數(shù)

27、為負(fù)，鍺磁敏三極管的溫度系數(shù)為正，因此可采用相反溫度系數(shù)的普通三極管或磁敏二極管及電阻進行補償。上一頁下一頁返回第33頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.4 磁性傳感器5.4.4 磁性傳感器的應(yīng)用 磁性傳感器除用于磁場的測量外，特別適宜作無觸點開關(guān)、無接觸電位計。應(yīng)用范圍很廣，如轉(zhuǎn)速測量、風(fēng)速測量、流量測量等。1）無接觸線位移傳感器 無接觸線位移傳感器主要用于測量位移或與位移量有關(guān)的機械量。如尺寸、厚度、角度、位置和距離等。 圖5-30 所示是一個三端差分型lnSb磁敏直線位移傳感器。永久磁鐵處于左右兩磁敏電阻各二分之一的中心位置，將分壓比為50 的點作為位移原點。上一

28、頁下一頁返回第34頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.4 磁性傳感器2）磁敏二極管漏磁探傷儀 磁敏二極管漏磁探傷儀是利用磁敏二極管可以檢測弱磁場變化的特性而設(shè)計的。其原理如圖5-31 所示，漏磁探傷儀由激勵線圈、鐵心、放大器、磁敏二極管探頭等部分構(gòu)成。 3）磁敏三極管電位器 利用磁敏三極管制成的無觸點電位器原理圖如圖5-32所示。將磁敏三極管置于磁場中，改變磁敏三極管基極電流，該電路的輸出電壓在0 . 7 15V 內(nèi)連續(xù)變化，這樣就等效于一個電位器，且無觸點，因而該電位器可用于變化頻繁、調(diào)節(jié)迅速、噪聲要求低的場合。上一頁返回第35頁，共74頁，2022年，5月20日，9

29、點16分，星期一5.5 集成溫度傳感器 最近幾年出現(xiàn)了深受人們歡迎的集成溫度傳感器，集成溫度傳感器是利用晶體管PN 結(jié)的電流和電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補償電路等部分集成化，并把它們裝封在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。它與半導(dǎo)體熱敏電阻一樣，具有體積小、反應(yīng)快、線性好、性能高、價格低、抗干擾能力強等特點。但由于PN 結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制，只能用來測150 以下的溫度。 集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓型和電流型兩類。集成溫度傳感器除了測量溫度外，還可用于溫度補償元件及家用電器中的溫度控制元件，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。下一頁返回第36頁，共74頁，2022年，5

30、月20日，9點16分，星期一5.5 集成溫度傳感器5.5.1 半導(dǎo)體PN 結(jié)的伏安特性 一般情況下，半導(dǎo)體PN 結(jié)的伏安特性用公式表示：求得：正向壓降U 與溫度T 近似成線性關(guān)系 上一頁下一頁返回第37頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.5 集成溫度傳感器5.5.2 集成溫度傳感器的基本工作原理 實際使用中，二極管作為溫度傳感器雖然工藝簡單，但線性特性差，因而選擇把NPN 晶體三極管的基極和集電極短接，利用基極和發(fā)射極作為感溫元件。這樣更接近理想的PN 結(jié)特性。目前在集成溫度傳感器中，都采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元器件 如圖5-33 是集成溫度傳感器基本原理

31、圖。 可以看出，如果保證 恒定， 與溫度T 成單值線性函數(shù)關(guān)系.上一頁下一頁返回第38頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.5 集成溫度傳感器5.5.3 電壓輸出型集成溫度傳感器 電壓輸出型集成溫度傳感器電路原理如圖5 -34 所示。當(dāng)電流I1恒定時，通過改變R1 的阻值，可實現(xiàn)I1=I2，當(dāng)晶體管的1時，電路的輸出電壓可表示為：上一頁下一頁返回第39頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.5 集成溫度傳感器5.5.4 電流輸出型集成溫度傳感器 電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路如圖5-35 所示。 流過電路的總電流IT為： 可以看出，當(dāng)R 和一定時，

32、電路的輸出電流與溫度有良好的線性關(guān)系。 上一頁下一頁返回第40頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.5 集成溫度傳感器5.5.5 集成溫度傳感器應(yīng)用LM135 / LM235 / LM335 系列電壓輸出型集成溫度傳感器的應(yīng)用 LM135/M235 / LM335 系列是一種精密的、易于標(biāo)定的三端電壓輸出型集成電路溫度傳感器。當(dāng)它作為兩端器件下作時，相當(dāng)于一個二極管，其擊穿電壓正比于絕對溫度，靈敏度為10 mV / K 、作為一個電壓源，當(dāng)工作電流在0 . 4-5 mA 范圍內(nèi)變化時，并不影響傳感器的性能，因為它的動態(tài)電阻低于1歐姆 。如果在25 下標(biāo)定，在100 寬的溫

33、度范圍內(nèi)測量誤差小于l ，具有良好的輸出線性特性。上一頁下一頁返回第41頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一5.5 集成溫度傳感器 AD590 系列集成電路溫度傳感器及應(yīng)用 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，它是利用PN 結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系構(gòu)成的電流輸出型溫敏傳感器，管腳配置如圖5-38 所示。1）AD590 基本應(yīng)用電路 如圖5-39 是AD590 用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。2）AD590 雖是一種模擬溫度傳感器，但附加上一些電路可輸出數(shù)字信號。如圖5-40 所示，用AD590 和A / D 轉(zhuǎn)換器7106 組成數(shù)字式溫度測量電路。上

34、一頁返回第42頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一圖5-1 CCD外形圖返回第43頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一圖5-2 CCD的三層結(jié)構(gòu)示意圖返回第44頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一圖5-3 MOS型光通量傳感器返回第45頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一圖5-4 CCD系統(tǒng)構(gòu)成返回第46頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一圖5-6 CCD尺寸檢測系統(tǒng)組成框圖返回第47頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一圖5-8 火車軸承滾子表面磁粉探傷系統(tǒng)組成框圖返回第48頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一圖5-9 遮光板開關(guān)式觸覺傳感器原理圖返回第49頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一圖5-10 利用破壞全內(nèi)反射原理的觸覺傳感器原理圖返回第50頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一圖5-11 壓阻式陣列觸覺傳感器原理圖返回第51頁，共74頁，2022年，5月20日，9點16分，星期一圖5-13 光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)返回