常用传感器原理及应用

宁 波 大 学 信 息 学 院 常 用 传 感 器 原 理 及 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、 热 电 阻 传 感 器2、 结 温 度 传 感 器3、 集 成 温 度 传 感 器 宁 波 大 学 信 息 学 院 1、 热 电 阻 传 感 器 几 乎 所 有 物 质 的 电 阻 率 都 随 本 身 温 度 的 变 化 而 变 化 -热 电 阻 效 应 。 根 据 电 阻 和 温 度 之 间 的 函 数 关 系 ， 可 以 将 温 度 变 化 量转 换 为 相 应 的 电 参 量 ， 从 而 实 现 温 度 的 电 测 量 。 利 用 这 一 原 理 制 成 的 温 度 敏 感 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 阻 值 作 为 标 称 值 。 如 ： Pt100 宁 波 大 学 信 息 学 院 （ 1） 铂 电 阻铂 电 阻 与 温 度 变 化 之 间 的 关 系 为当 0t660 时 ， Rt=R0（ 1+At+Bt2）当 -190 tT2 - 2mV/K1N4148/1-5mA 当 正 向 电 流 一 定 时 ,二 极 管 的 正 向 电 压与 被 测 温 度 成 线 性 关 系 ； 在 一 定 的 电 流 下 ， 其 正 向 电 压 随 温 度 的升 高 而 降 低 ， 故 呈 负 温 度 系 数 宁 波 大 学 信 息 学 院 3、 集 成 温 度 传 感 器 集 成 温 度 传 感 器 是 以 晶 体 管 作 为 感 温 元 件 ， 并 将 温 敏晶 体 管 及 辅 助 电 路 集 成 在 同 一 芯 片 上 。 单 个 晶 体 管 基 极 发 射 极 之 间 的 电 压 在 恒 定 集 电 极 电 流 的 条 件 下 ， 可 以 认 为与 温 度 呈 单 值 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 1 A/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。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度度数A/KI T2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710M。5、 精 度 高 。 有 I、 J、 K、 L、 M五 档 ， M档 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 为 10106nm的 电 磁 波可 见 光 ： 波 长 380780nm紫 外 线 ： 波 长 10380nm， 波 长 300380nm称 为 近 紫 外 线 波 长 200300nm称 为 远 紫 外 线 波 长 10200nm称 为 极 远 紫 外 线 ，红 外 线 ： 波 长 78010 6nm 波 长 3m（ 即 3000nm） 以 下 的 称 近 红 外 线 波 长 超 过 3m 的 红 外 线 称 为 远 红 外 线 。1、 概 述 宁 波 大 学 信 息 学 院 光 谱 分 布 如 图 所 示颜 色 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红波 长 （ nm） 430 380 450 430 500 450 570 500 600 570 630 600 780 630 宁 波 大 学 信 息 学 院 光 电 效 应 是 指 物 体 吸 收 了 光 能 后 转 换 为 该 物体 中 某 些 电 子 的 能 量 ， 从 而 产 生 的 电 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 大 类 。外 光 电 效 应 在 光 线 的 作 用 下 ， 物 体 内 的 电 子 逸 出 物 体 表面 向 外 发 射 的 现 象 称 为 外 光 电 效 应 。 向 外 发 射 的电 子 叫 做 光 电 子 。 基 于 外 光 电 效 应 的 光 电 器 件 有光 电 管 、 光 电 倍 增 管 等 。（ 2） 光 电 效 应 宁 波 大 学 信 息 学 院 当 光 照 射 在 物 体 上 ， 使 物 体 的 电 阻 率 发 生变 化 ， 或 产 生 光 生 电 动 势 的 现 象 叫 做 内 光 电 效 应 ，它 多 发 生 于 半 导 体 内 。 根 据 工 作 原 理 的 不 同 ， 内光 电 效 应 分 为 光 电 导 效 应 和 光 生 伏 特 效 应 两 类 ： A. 光 电 导 效 应 在 光 线 作 用 ， 电 子 吸 收 光 子 能 量 从 键 合 状 态过 渡 到 自 由 状 态 ， 而 引 起 材 料 电 导 率 的 变 化 ， 这种 现 象 被 称 为 光 电 导 效 应 。 基 于 这 种 效 应 的 光 电器 件 有 光 敏 电 阻 。内 光 电 效 应 宁 波 大 学 信 息 学 院 过 程 ： 当 光 照 射 到 半 导 体 材 料 上 时 ， 价 带 中 的 电 子 受到 能 量 大 于 或 等 于 禁 带 宽 度 的 光 子 轰 击 ， 并 使 其 由 价带 越 过 禁 带 跃 入 导 带 ， 如 图 ， 使 材 料 中 导 带 内 的 电 子和 价 带 内 的 空 穴 浓 度 增 加 ， 从 而 使 电 导 率 变 大 。导 带价 带禁 带 自 由 电 子 所 占 能 带不 存 在 电 子 所 占 能 带价 电 子 所 占 能 带Eg 宁 波 大 学 信 息 学 院 材 料 的 光 导 性 能 决 定 于 禁 带 宽 度 ， 对 于 一种 光 电 导 材 料 ， 总 存 在 一 个 照 射 光 波 长 限 0，只 有 波 长 小 于 0的 光 照 射 在 光 电 导 体 上 ， 才 能产 生 电 子 能 级 间 的 跃 进 ， 从 而 使 光 电 导 体 的 电导 率 增 加 。 式 中 、 分 别 为 入 射 光 的 频 率 和 波 长 。 Eg24.1 hch 为 了 实 现 能 级 的 跃 迁 ， 入 射 光 的 能 量 必 须 大 于 光电 导 材 料 的 禁 带 宽 度 Eg， 即 宁 波 大 学 信 息 学 院 B. 光 生 伏 特 效 应 在 光 线 作 用 下 能 够 使 物 体 产 生 一 定 方 向 的 电 动势 的 现 象 叫 做 光 生 伏 特 效 应 。 基 于 该 效 应 的 光 电 器 件 有 光 电 池 和 光 敏 二 极 管 、光 敏 三 极 管 。 势 垒 效 应 （ 结 光 电 效 应 ） 。 接 触 的 半 导 体 和 PN结 中 ， 当 光 线 照 射 其 接 触 区域 时 ， 便 引 起 光 电 动 势 ， 这 就 是 结 光 电 效 应 。 以 PN结 为 例 ， 光 线 照 射 PN结 时 ， 设 光 子 能 量 大 于 禁 带 宽度 E g， 使 价 带 中 的 电 子 跃 迁 到 导 带 ， 而 产 生 电 子 空 穴对 ， 在 阻 挡 层 内 电 场 的 作 用 下 ， 被 光 激 发 的 电 子 移 向N区 外 侧 ， 被 光 激 发 的 空 穴 移 向 P区 外 侧 ， 从 而 使 P区带 正 电 ， N区 带 负 电 ， 形 成 光 电 动 势 。 宁 波 大 学 信 息 学 院 侧 向 光 电 效 应 。 当 半 导 体 光 电 器 件 受 光 照 不 均 匀 时 ， 有 载 流 子 浓度 梯 度 将 会 产 生 侧 向 光 电 效 应 。 当 光 照 部 分 吸 收 入 射光 子 的 能 量 产 生 电 子 空 穴 对 时 ， 光 照 部 分 载 流 子 浓 度比 未 受 光 照 部 分 的 载 流 子 浓 度 大 ， 就 出 现 了 载 流 子 浓度 梯 度 ， 因 而 载 流 子 就 要 扩 散 。 如 果 电 子 迁 移 率 比 空穴 大 ， 那 么 空 穴 的 扩 散 不 明 显 ， 则 电 子 向 未 被 光 照 部分 扩 散 ， 就 造 成 光 照 射 的 部 分 带 正 电 ， 未 被 光 照 射 部分 带 负 电 ， 光 照 部 分 与 未 被 光 照 部 分 产 生 光 电 动 势 。基 于 该 效 应 的 光 电 器 件 如 半 导 体 光 电 位 置 敏 感 器 件（ PSD） 。 宁 波 大 学 信 息 学 院 2、 光 敏 电 阻 光 敏 电 阻 器 是 利 用 半 导 体 光 电 导 效 应 制 成 的 一 种 特 殊电 阻 器 ， 对 光 线 十 分 敏 感 。 它 在 无 光 照 射 时 ， 呈 高 阻 状 态 ；当 有 光 照 射 时 ， 其 电 阻 值 迅 速 减 小 。 (1)光 敏 电 阻 器 的 结 构 与 特 性 : 光 敏 电 阻 器 通 常 由 光 敏 层 、玻 璃 基 片 （ 或 树 脂 防 潮 膜 ） 和 电 极 等 组 成 . R G 宁 波 大 学 信 息 学 院 光 敏 电 阻 的 结 构 如 图 所 示 。 管 芯 是 一 块 安 装 在 绝 缘 衬 底 上带 有 两 个 欧 姆 接 触 电 极 的 光 电 导 体 。 光 导 体 吸 收 光 子 而 产 生 的 光电 效 应 ， 只 限 于 光 照 的 表 面 薄 层 ， 虽 然 产 生 的 载 流 子 也 有 少 数 扩散 到 内 部 去 ， 但 扩 散 深 度 有 限 ， 因 此 光 电 导 体 一 般 都 做 成 薄 层 。为 了 获 得 高 的 灵 敏 度 ， 光 敏 电 阻 的 电 极 一 般 采 用 梳 子 状 图 案 . A金 属 封 装 的 硫 化 镉 光 敏 电 阻 结 构 图光 导 电 材 料 绝 缘 衬 低引 线电 极引 线 光 电 导 体 宁 波 大 学 信 息 学 院 （ 2） 光 敏 电 阻 器 的 种 类 光 敏 电 阻 器 可 以 根 据 光 敏 电 阻 器 的 制 作 材 料 和 光 谱 特 性 来分 类 。 按 光 敏 电 阻 器 的 制 作 材 料 分 类 光 敏 电 阻 器 按 其 制 作 材 料 的 不 同 可 分 为 多 晶 光 敏 电 阻 器 和单 晶 光 敏 电 阻 器 ，还 可 分 为 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 (InSb) 光 敏 电 阻 器 等 多 种 。 宁 波 大 学 信 息 学 院 宁 波 大 学 信 息 学 院 按 光 谱 特 性 分 类 ： 光 敏 电 阻 器 按 其 光 谱 特 性 可 分 为 : 可 见 光 光 敏 电 阻 器 紫 外 光 光 敏 电 阻 器 红 外 光 光 敏 电 阻 器 。 可 见 光 光 敏 电 阻 器 主 要 用 于 各 种 光 电 自 动 控 制 系 统 、 电 子照 相 机 和 光 报 警 器 等 电 子 产 品 中 。 紫 外 光 光 敏 电 阻 器 主 要 用 于 紫 外 线 探 测 仪 器 。 红 外 光 光 敏 电 阻 器 主 要 用 于 天 文 、 军 事 等 领 域 的 有 关 自 动控 制 系 统 中 。 宁 波 大 学 信 息 学 院 （ 3） 光 敏 电 阻 器 的 主 要 参 数 1 亮 电 阻 （ RL） 是 指 光 敏 电 阻 器 受 到 光 照 射 时 的 电 阻值 。 2 暗 电 阻 （ RD） 是 指 光 敏 电 阻 器 在 无 光 照 射 （ 黑 暗 环境 ） 时 的 电 阻 值 。 3 最 高 工 作 电 压 （ VM） 是 指 光 敏 电 阻 器 在 额 定 功 率 下所 允 许 承 受 的 最 高 电 压 。 4 亮 电 流 （ IL） 是 指 在 光 照 射 时 ， 光 敏 电 阻 器 在 规 定的 外 加 电 压 受 到 光 照 时 所 通 过 的 电 流 。 5 暗 电 流 （ ID） 是 指 在 无 光 照 射 时 ， 光 敏 电 阻 器 在 规定 的 外 加 电 压 下 通 过 的 电 流 。 宁 波 大 学 信 息 学 院 6 时 间 常 数 是 指 光 敏 电 阻 器 从 光 照 跃 变 开 始 到 稳 定亮 电 流 的 63%时 所 需 的 时 间 。 7 电 阻 温 度 系 数 是 指 光 敏 电 阻 器 在 环 境 温 度 改 变 1时 ， 其 电 阻 值 的 相 对 变 化 。 8 灵 敏 度 是 指 光 敏 电 阻 器 在 有 光 照 射 和 无 光 照 射 时电 阻 值 的 相 对 变 化 。 （ 4） 常 用 的 光 敏 电 阻 器 常 用 的 光 敏 电 阻 器 有 MG 41MG 45系 列 宁 波 大 学 信 息 学 院 表 光 敏 电 阻 器 的 型 号 命 名 及 含 义 第 一 部 分 ： 主 称 第 二 部 分 ： 用 途 或 特 征 第 三 部 分 ： 序 号字 母 含 义 数 字 含 义MG 光 敏 电 阻 器 0 特 殊 用 数 字 表 示 序 号 ， 以 区 别 该 电阻 器 的 外 形 尺 寸 及 性 能 指 标1 紫 外 光2 紫 外 光3 紫 外 光4 可 见 光5 可 见 光6 可 见 光7 红 外 光 8 红 外 光9 红 外 光 宁 波 大 学 信 息 学 院 产 品名 称 ： cds光 敏 电 阻 4系 列型 号 最 大 最 大 环 境 光 谱 峰 值 亮 电 阻 暗 电 阻 100/10 响 应 时 间 电 压 (v) 功 率 (mW) 温 度 ( ) (nm) 10LUX/K (M) 上 升 下 降GM4516 150 50 -30-+70 540 5-10 0.5 0.6 20 30GM4527 150 50 -30-+70 540 10-30 2 0.7 2030GM4538 150 50 -30-+70 540 30-50 5 0.8 2030GM4549 150 50 -30-+70 540 50-150 10 0.9 2030河 南 南 阳 市 信 利 佳 电 子 有 限 责 任 公 司 生 产 的 光 敏 电 阻 4系 列 参 数 。 宁 波 大 学 信 息 学 院应用范围： 照相机自动测光 室内光线控制 报警器 工业控制 光控开关 电子玩具 宁 波 大 学 信 息 学 院 光 电 二 极 管 ， 其 基 本 结 构 也 是 一 个 PN结 。 结 面 积 小 ， 因 此它 的 频 率 特 性 特 别 好 。 输 出 电 流 一 般 为 几 A到 几 十 A。 按 材料 分 ， 光 电 二 极 管 有 硅 、 砷 化 镓 、 锑 化 铟 光 电 二 极 管 等 许 多 种 。按 结 构 分 ， 有 同 质 结 与 异 质 结 之 分 。 其 中 最 典 型 的 是 同 质 结 硅光 电 二 极 管 。 国 产 硅 光 电 二 极 管 按 衬 底 材 料 的 导 电 类 型 不 同 ， 分 为 2CU和2DU两 种 系 列 。 2CU系 列 以 N-Si为 衬 底 ， 2DU系 列 以 P-Si为 衬 底。 2CU系 列 的 光 电 二 极 管 只 有 两 条 引 线 ， 而 2DU系 列 光 电 二 极管 有 三 条 引 线 。 3、 光 敏 二 极 管 和 光 敏 三 极 管 宁 波 大 学 信 息 学 院 光 敏 二 极 管 符 号 如 图 。 锗 光 敏 二 极 管 有 A， B， C， D四 类 ；硅 光 敏 二 极 管 有 2CU1A D系 列 、 2DU1 4系 列 。 光 敏 二 极 管 的 结 构 与 一 般 二 极 管 相 似 、 它 装 在 透 明 玻 璃 外壳 中 ， 其 PN结 装 在 管 顶 ， 可 直 接 受 到 光 照 射 。 光 敏 二 极 管 在 电路 中 一 般 是 处 于 反 向 工 作 状 态 ， 如 图 所 示 。P N光光 敏 二 极 管 符 号 R L 光P N光 敏 二 极 管 接 线 (1) 光 敏 二 极 管 宁 波 大 学 信 息 学 院 光 敏 二 极 管 在 没 有 光 照 射 时 ， 反 向 电 阻 很 大 ， 反 向 电 流 很小 。 反 向 电 流 也 叫 做 暗 电 流 当 光 照 射 时 ， 光 敏 二 极 管 的 工 作 原理 与 光 电 池 的 工 作 原 理 很 相 似 。 当 光 不 照 射 时 ， 光 敏 二 极 管 处 于载 止 状 态 ， 这 时 只 有 少 数 载 流 子 在 反 向 偏 压 的 作 用 下 ， 渡 越 阻 挡层 形 成 微 小 的 反 向 电 流 即 暗 电 流 . 受 光 照 射 时 ， PN结 附 近受 光 子 轰 击 ， 吸 收 其 能 量 而产 生 电 子 -空 穴 对 ， 从 而 使 P区 和 N区 的 少 数 载 流 子 浓 度 大大 增 加 ， 因 此 在 外 加 反 向 偏压 和 内 电 场 的 作 用 下 ， P区的 少 数 载 流 子 渡 越 阻 挡 层 进入 N区 ， N区 的 少 数 载 流 子 渡越 阻 挡 层 进 入 P区 ， 从 而 使 通过 PN结 的 反 向 电 流 大 为 增 加 ， 这 就 形 成 了 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 光 电 二 极 管 中 的 一 种 。 它 的 结 构 特 点 是 ， 在 P型 半导 体 和 N型 半 导 体 之 间 夹 着 一 层 （ 相 对 ） 很 厚 的 本 征 半 导 体 。 这样 ， PN结 的 内 电 场 就 基 本 上 全 集 中 于 I 层 中 ， 从 而 使 PN结 双 电层 的 间 距 加 宽 ， 结 电 容 变 小 。 由 式 = CjRL与 f = 1/2知 ， Cj小 ， 则 小 ， 频 带 将 变 宽 。 P-Si N-Si I-SiPIN管 结 构 示 意 图 宁 波 大 学 信 息 学 院 最 大 特 点 ： 频 带 宽 ， 可 达 10G H z; 在 反 偏 压 下 运 用 可 承 受 较 高 的 反 向 电 压 ; 线 性 输 出 范 围 宽 。不 足 ： I层 电 阻 很 大 ， 管 子 的 输 出 电 流 小 ， 一 般多 为 零 点 几 微 安 至 数 微 安 。 目 前 有 将 PIN管 与 前 置 运 算 放 大 器 集 成 在 同 一 硅片 上 并 封 装 于 一 个 管 壳 内 的 商 品 出 售 。 宁 波 大 学 信 息 学 院 雪 崩 光 电 二 极 管 是 利 用 PN结 在 高 反 向 电 压 下 产 生 的 雪 崩效 应 来 工 作 的 一 种 二 极 管 。 这 种 管 子 工 作 电 压 很 高 ， 约 100 200V， 接 近 于 反 向 击 穿 电压 。 结 区 内 电 场 极 强 ， 光 生 电 子 在 这 种 强 电 场 中 可 得 到 极 大的 加 速 ， 同 时 与 晶 格 碰 撞 而 产 生 电 离 雪 崩 反 应 。 因 此 ， 这 种管 子 有 很 高 的 内 增 益 ， 可 达 到 几 百 。 当 电 压 等 于 反 向 击 穿 电压 时 ， 电 流 增 益 可 达 106， 即 产 生 所 谓 的 雪 崩 。 这 种 管 子 响 应速 度 特 别 快 ， 带 宽 可 达 100G H z， 是 目 前 响 应 速 度 最 快 的 一 种光 电 二 极 管 。 噪 声 大 是 这 种 管 子 目 前 的 一 个 主 要 缺 点 。 由 于 雪 崩 反 应是 随 机 的 ， 所 以 它 的 噪 声 较 大 ， 特 别 是 工 作 电 压 接 近 或 等 于反 向 击 穿 电 压 时 ， 噪 声 可 增 大 到 放 大 器 的 噪 声 水 平 ， 以 至 无法 使 用 。 但 由 于 APD的 响 应 时 间 极 短 ， 灵 敏 度 很 高 ， 它 在 光通 信 中 应 用 前 景 广 阔 。 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 敏 三 极 管 有 PNP型 和 NPN型 两 种 ， 如 图 。 其 结 构 与 一 般三 极 管 很 相 似 ， 具 有 电 流 增 益 ,只 是 它 的 发 射 极 一 边 做 的 很 大 ,以扩 大 光 的 照 射 面 积 ,且 其 基 极 不 接 引 线 。 当 集 电 极 加 上 正 电 压 ,基极 开 路 时 ,集 电 极 处 于 反 向 偏 置 状 态 。 当 光 线 照 射 在 集 电 结 的 基区 时 ,会 产 生 电 子 -空 穴 对 ,在 内 电 场 的 作 用 下 ,光 生 电 子 被 拉 到 集电 极 ,基 区 留 下 空 穴 ,使 基 极 与 发 射 极 间 的 电 压 升 高 ,这 样 便 有 大 量的 电 子 流 向 集 电 极 ,形 成 输 出 电 流 ,且 集 电 极 电 流 为 光 电 流 的 倍 。 P PN N NPe b b c RL Ee c ( 2 ) 光 敏 三 极 管 宁 波 大 学 信 息 学 院 宁 波 大 学 信 息 学 院 光 敏 三 极 管 的 主 要 特 性 ： 光 敏 三 极 管 存 在 一 个 最 佳 灵 敏 度 的 峰 值 波 长 。 当 入 射 光 的波 长 增 加 时 ， 相 对 灵 敏 度 要 下 降 。 因 为 光 子 能 量 太 小 ， 不 足 以激 发 电 子 空 穴 对 。 当 入 射 光 的 波 长 缩 短 时 ， 相 对 灵 敏 度 也 下 降， 这 是 由 于 光 子 在 半 导 体 表 面 附 近 就 被 吸 收 ， 并 且 在 表 面 激 发的 电 子 空 穴 对 不 能 到 达 PN结 ， 因 而 使 相 对 灵 敏 度 下 降 。光 谱 特 性 入 射 光相对灵敏度/% 硅 锗 /4000 8000 12000 1600010080604020 0 硅 的 峰 值 波 长 为 9000，锗 的 峰 值 波 长 为 15000。由 于 锗 管 的 暗 电 流 比 硅管 大 ， 因 此 锗 管 的 性 能较 差 。 故 在 可 见 光 或 探测 赤 热 状 态 物 体 时 ， 一般 选 用 硅 管 ； 但 对 红 外线 进 行 探 测 时 ,则 采 用 锗管 较 合 适 。 宁 波 大 学 信 息 学 院 伏 安 特 性 光 敏 三 极 管 的 伏 安 特 性 曲 线 如 图 所 示 。 光 敏 三 极 管 在 不 同的 照 度 下 的 伏 安 特 性 ， 就 像 一 般 晶 体 管 在 不 同 的 基 极 电 流 时 的输 出 特 性 一 样 。 因 此 ， 只 要 将 入 射 光 照 在 发 射 极 e与 基 极 b之 间的 PN结 附 近 ， 所 产 生 的 光 电 流 看 作 基 极 电 流 ， 就 可 将 光 敏 三 极管 看 作 一 般 的 晶 体 管 。 光 敏 三 极 管 能 把 光 信 号 变 成 电 信 号 ， 而且 输 出 的 电 信 号 较 大 。 0 500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA246 20 40 60 80光 敏 晶 体 管 的 伏 安 特 性 U/V 宁 波 大 学 信 息 学 院光 敏 晶 体 管 的 光 照 特 性I / A L/lx200 400 600 800 100001.02.03.0 光 敏 三 极 管 的 光 照 特 性 如 图 所 示 。 它 给 出 了 光 敏 三 极 管 的输 出 电 流 I 和 照 度 之 间 的 关 系 。 它 们 之 间 呈 现 了 近 似 线 性 关系 。 当 光 照 足 够 大 (几 klx)时 ， 会 出 现 饱 和 现 象 ， 从 而 使 光 敏三 极 管 既 可 作 线 性 转 换 元 件 ， 也 可 作 开 关 元 件 。 光 照 特 性 宁 波 大 学 信 息 学 院暗 电 流 /uA 光 电 流 /uA10 20 30 40 50 60 70 T /C25 050 100 020030040010 20 30 40 50 60 70 80 T/C光 敏 晶 体 管 的 温 度 特 性 光 敏 三 极 管 的 温 度 特 性 曲 线 反 映 的 是 光 敏 三 极 管 的 暗 电 流 及光 电 流 与 温 度 的 关 系 。 从 特 性 曲 线 可 以 看 出 ， 温 度 变 化 对 光 电 流的 影 响 很 小 ， 而 对 暗 电 流 的 影 响 很 大 所 以 电 子 线 路 中 应 该 对 暗电 流 进 行 温 度 补 偿 ， 否 则 将 会 导 致 输 出 误 差 。温 度 特 性 宁 波 大 学 信 息 学 院 光 敏 三 极 管 的 频 率 特 性 曲 线 如 图 所 示 。 光 敏 三 极 管 的 频 率特 性 受 负 载 电 阻 的 影 响 ， 减 小 负 载 电 阻 可 以 提 高 频 率 响 应 。 一般 来 说 ， 光 敏 三 极 管 的 频 率 响 应 比 光 敏 二 极 管 差 。 对 于 锗 管 ，入 射 光 的 调 制 频 率 要 求 在 5kHz以 下 。 硅 管 的 频 率 响 应 要 比 锗 管好 。 0 100 1000500 5000 1000020406010080 RL=1kRL=10kRL=100k 入 射 光 调 制 频 率 / HZ相对灵敏度/% 光 敏 晶 体 管 的 频 率 特 性 光 敏 三 极 管 的 频 率 特 性 宁 波 大 学 信 息 学 院 宁 波 大 学 信 息 学 院 光 电 开 关 的 结 构 和 分 类 :遮 断 型 反 射 型反 射 型 分 为 两 种 情 况 ： 反 射 镜 反 射 型 被 测 物 漫 反 射 型 （ 简 称 散 射 型 ）4、 光 电 开 关遮 断 型 光 电 开 关 结 构 宁 波 大 学 信 息 学 院 反 射 型 光 电 开 关 结 构反射式烟雾探测电路 宁 波 大 学 信 息 学 院 透射式光电测速装置 宁 波 大 学 信 息 学 院 5、 热 释 电 红 外 传 感 器 热 释 电 红 外 传 感 器 是 一 种 能 检 测 人 或 动 物 发 射 的 红外 线 而 输 出 电 信 号 的 传 感 器 。 热 释 电 效 应 是 指 由 于 温 度 的 变 化 而 引 起 晶 体 表 面 电荷 变 化 的 现 象 。（ a） 在 一 定 温 度 下 产 生 极 化 。 （ b） 两 种 电 荷 分 别 吸 引 大 气 中 的 正 负 电 荷 ， 晶 体 呈 电 中 性 。（ c） 温 度 的 变 化 ， 使 晶 体 内 表 面 极 化 电 荷 减 少 ， 外 表 面 电 荷 不 能 立 即消 失 ， 外 表 面 产 生 电 压 。工作原理： 宁 波 大 学 信 息 学 院 结构及等效电路 宁 波 大 学 信 息 学 院 人体温37度，会发出10um左右的红外线，该红外线通过菲泥尔透镜增强后聚集到热释电传感器上，向外释放电荷，后续电路即可检测。 宁 波 大 学 信 息 学 院 宁 波 大 学 信 息 学 院 三 、 霍 尔 传 感 器霍 尔 效 应 简 述 如 图 所 示 , 将 一 块 载 流 导电 板 放 入 垂 直 于 它 的 磁 场 中 ,当有 电 流 通 过 导 电 板 时 ,将 在 它 的上 、 下 两 侧 产 生 一 个 电 位 差 。实 验 发 现 ,在 磁 场 不 太 强 的 情 况下 ,该 电 位 差 VH 与 电 流 强 渡 I 和 磁 感 应 B 成 正 比 ,与 导 电 板 的厚 度 d 成 反 比 ,即V H = k ( I B/ d)式 中 : VH 为 霍 尔 电 势 或 电 压 ；k 为 霍 尔 (灵 敏 度 ) 系 数 ,V/AT。 宁 波 大 学 信 息 学 院 霍 尔 开 关 集 成 传 感 器 是 利 用 霍 耳 效 应 与 集 成 电 路 技术 结 合 而 制 成 的 一 种 磁 敏 传 感 器 ， 它 能 感 知 一 切 与 磁 信息 有 关 的 物 理 量 ， 并 以 开 关 信 号 形 式 输 出 。 霍 耳 开 关 集成 传 感 器 具 有 使 用 寿 命 长 、 无 触 点 磨 损 、 无 火 花 干 扰 、无 转 换 抖 动 、 工 作 频 率 高 、 温 度 特 性 好 、 能 适 应 恶 劣 环境 等 优 点 。1、 霍 尔 开 关 集 成 传 感 器 宁 波 大 学 信 息 学 院 由 稳 压 电 路 、 霍 耳 元 件 、 放 大 器 、 整 形 电 路 、 开 路输 出 五 部 分 组 成 。 稳 压 电 路 可 使 传 感 器 在 较 宽 的 电 源 电压 范 围 内 工 作 ； 开 路 输 出 可 使 传 感 器 方 便 地 与 各 种 逻 辑电 路 接 口 。 （ 1） 霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 的 结 构 及 工 作 原 理 霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 内 部 结 构 框 图 23输 出+稳 压 VCC1 霍 耳 元 件 放 大 BT整 形 地H 宁 波 大 学 信 息 学 院 3020T 输 出VoutR=2k+12V12 3（ b） 应 用 电 路 （ a） 外 型 霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 的 外 型 及 应 用 电 路1 2 3 宁 波 大 学 信 息 学 院 （ 2） 霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 的 工 作 特 性 曲 线 从 工 作 特 性 曲 线 上 可 以 看 出 ， 工 作 特 性 有 一 定 的 磁 滞 BH ，这 对 开 关 动 作 的 可 靠 性 非 常 有 利 。 图 中 的 BOP为 工 作 点 “ 开 ” 的磁 感 应 强 度 ， BRP为 释 放 点 “ 关 ” 的 磁 感 应 强 度 。 霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 的 技 术 参 数 ： 工 作 电 压 、 磁 感 应 强 度 、 输 出 截 止 电压 、 输 出 导 通 电 流 、 工 作 温 度 、 工 作 点 。霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 的 工 作 特 性 曲 线VOUT/V12 ONOFFBRP BOPBH B0 该 曲 线 反 映 了 外 加磁 场 与 传 感 器 输 出 电 平的 关 系 。 当 外 加 磁 感 强度 高 于 BOP时 ， 输 出 电平 由 高 变 低 ， 传 感 器 处于 开 状 态 。 当 外 加 磁 感强 度 低 于 BRP时 ， 输 出电 平 由 低 变 高 ， 传 感 器处 于 关 状 态 。 宁 波 大 学 信 息 学 院 (3)霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 的 应 用 A.霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 的 接 口 电 路RL VACVcc Vcc VAC 宁 波 大 学 信 息 学 院Vcc VCC KVcc KVcc VCCVcc MOS V OUTVCC霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 的 一 般 接 口 电 路RL 宁 波 大 学 信 息 学 院 磁 铁 轴 心 接 近 式 在 磁 铁 的 轴 心 方 向 垂 直 于 传 感 器 并 同 传 感 器 轴 心 重 合 的 条 件 下 ， 霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 的 L1-B关 系 曲 线N SA l N i C o 磁 铁6.4 320.100.080.060.040.020 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20距 离 L1/mmB/T L1 随 磁 铁 与 传 感 器 的 间隔 距 离 的 增 加 ,作 用在 传 感 器 表 面 的 磁 感强 度 衰 减 很 快 。 当 磁铁 向 传 感 器 接 近 到 一定 位 置 时 ,传 感 器 开关 接 通 ,而 磁 铁 移 开到 一 定 距 离 时 开 关 关断 。 应 用 时 ,如 果 磁铁 已 选 定 ,则 应 按 具体 的 应 用 场 合 ,对 作用 距 离 作 合 适 的 选 择 。 （ 4） 给 传 感 器 施 加 磁 场 的 方 式 宁 波 大 学 信 息 学 院 磁 铁 侧 向 滑 近 式 要 求 磁 铁 平 面 与 传 感 器 平 面 的 距 离 不变 ， 而 磁 铁 的 轴 线 与 传 感 器 的 平 面 垂 直 。 磁 铁 以 滑 近 移 动 的方 式 在 传 感 器 前 方 通 过 。 霍 耳 开 关 集 成 传 感 器 的 L2-B关 系 曲 线0.100.080.060.040.020 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 B/T N S空 隙 2.05 AlNiCo 磁 铁6.4 32L2 距 离 L 2/mm 宁 波 大 学 信 息 学 院 宁 波 大 学 信 息 学 院 （ 1） 霍 尔 线 性 集 成 传 感 器 的 结 构 及 工 作 原 理 霍 尔 线 性 集 成 传 感 器 的 输 出 电 压 与 外 加 磁 场 成 线 性 比 例 关 系 。 这 类传 感 器 一 般 由 霍 耳 元 件 和 放 大 器 组 成 ， 当 外 加 磁 场 时 ,霍 耳 元 件 产 生 与磁 场 成 线 性 比 例 变 化 的 霍 耳 电 压 ,经 放 大 器 放 大 后 输 出 。 在 实 际 电 路 设 计 中 ， 为 了 提 高 传 感 器 的 性 能 ， 往 往 在 电 路 中 设 置稳 压 、 电 流 放 大 输 出 级 、 失 调 调 整 和 线 性 度 调 整 等 电 路 。 霍 耳 开 关 集 成传 感 器 的 输 出 有 低 电 平 或 高 电 平 两 种 状 态 ， 而 霍 耳 线 性 集 成 传 感 器 的 输出 却 是 对 外 加 磁 场 的 线 性 感 应 。 霍 耳 线 性 集 成 传 感 器 广 泛 用 于 位 置 、 力 、 重 量 、 厚 度 、 速 度 、 磁 场 、电 流 等 的 测 量 或 控 制 。 霍 耳 线 性 集 成 传 感 器 有 单 端 输 出 和 双 端 输 出 两 种 ， 其 电 路 结 构 如 下图 。2、 霍 尔 线 性 集 成 传 感 器 宁 波 大 学 信 息 学 院单 端 输 出 传 感 器 的 电 路 结 构 框 图 23输 出+稳 压 VCC1 霍 耳 元 件 放 大 地H稳 压 H3 VCC 地4 输 出输 出 186 7 5 双 端 输 出 传 感 器 的 电 路 结 构 框 图 单 端 输 出 的 传 感器 是 一 个 三 端 器 件 ，它 的 输 出 电 压 对 外 加磁 场 的 微 小 变 化 能 做出 线 性 响 应 ， 通 常 将输 出 电 压 用 电 容 交 连到 外 接 放 大 器 ， 将 输出 电 压 放 大 到 较 高 的电 平 。 其 典 型 产 品 是SL3501T。 双 端 输 出 的 传 感 器是 一 个 8脚 双 列 直 插 封装 的 器 件 ， 它 可 提 供差 动 射 极 跟 随 输 出 ，还 可 提 供 输 出 失 调 调零 。 其 典 型 产 品 是SL3501M。 宁 波 大 学 信 息 学 院 （ 2） 霍 耳 线 性 集 成 传 感 器 的 主 要 技 术 特 性 传 感 器 的 输 出 特 性 如 下 图 ： 磁 感 应 强 度 B/T5.64.63.62.61.6-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3输出电压U/V SL3501T传 感 器 的 输 出 特 性 曲 线 宁 波 大 学 信 息 学 院 SS49/SS19 系 列 宁 波 大 学 信 息 学 院 应 用 1:距 离 测 量 宁 波 大 学 信 息 学 院 应 用 2:电 流 测 量 宁 波 大 学 信 息 学 院 四 、 超 声 波 传 感 器 超 声 波 传 感 器 是 利 用 超 声 波 的 特 性 ， 实 现 自 动 检 测 的测 量 元 件 。 声 波 是 一 种 机 械 波 。 声 的 发 生 是 由 于 发 声 体 的 机 械 振动 ， 引 起 周 围 弹 性 介 质 中 质 点 的 振 动 由 近 及 远 的 传 播 ， 这就 是 声 波 。 人 耳 所 能 听 闻 的 声 波 其 频 率 在 20 20000H z之 间 ， 频率 在 20 20000H z以 外 的 声 波 不 能 引 起 声 音 的 感 觉 。 频 率 超 过 20000H z的 叫 做 超 声 波 ， 频 率 低 于 20H z的 叫做 次 声 波 。 宁 波 大 学 信 息 学 院 u 压 电 片厚度 d 图 9.3.1 压 电 式 超 声 波 传 感 器超 声 波式 中 d晶 体 片 厚 度 有 关n=1， 2， 3， 是 谐 波 的 级 数 ；E为 杨 氏 模 量 对 于 石 英 晶 体 ： E=7.70为 压 电 材 料 的 密 度 。 根 据 共 振 原 理 ， 当 外 加 交 变 电 压 频 率 等 于 晶 片 的 固 有频 率 时 ， 产 生 共 振 ， 这 时 产 生 的 超 声 波 最 强 。 Ed2nf 1、 超 声 波 的 发 生 压 电 式 超 声 波 发 生 器 就 是 利 用 压 电 晶 体 的 电 致 伸 缩 现 象制 成 的 。 常 用 的 压 电 材 料 为 石 英 晶 体 、 压 电 陶 瓷 锆 钛 酸 铅 等 。在 压 电 材 料 切 片 上 施 加 交 变 电 压 ， 使 它 产 生 电 致 伸 缩 振 动 ，而 产 生 超 声 波 ， 如 图 所 示 。 压 电 材 料 的 固 有 频 率 为 : 宁 波 大 学 信 息 学 院 2、 超 声 波 的 接 收 在 超 声 波 技 术 中 ， 除 了 需 要 能 产 生 一 定 的 频 率 和 强 度 的 超声 波 发 生 器 以 外 ， 还 需 要 能 接 收 超 声 波 的 接 收 器 。 一 般 的 超声 波 接 收 器 是 利 用 超 声 波 发 生 器 的 逆 效 应 而 进 行 工 作 的 。 当 超 声 波 作 用 到 压 电 晶 体 片 上 时 ， 使 晶 片 伸 缩 ， 则 在 晶片 的 两 个 界 面 上 产 生 交 变 电 荷 。 这 种 电 荷 先 被 转 换 成 电 压 ，经 过 放 大 后 送 到 测 量 电 路 ， 最 后 记 录 或 显 示 出 结 果 。 它 的 结构 和 超 声 波 发 生 器 基 本 相 同 ， 有 时 就 用 同 一 个 超 声 波 发 生 器兼 做 超 声 波 接 收 器 。 宁 波 大 学 信 息 学 院 3、 超 声 波 传 感 器 结 构 宁 波 大 学 信 息 学 院 4、 超 声 波 测 距 电 路 原 理