常用传感器原理及应用-课件

常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用一、温度传感器一、温度传感器二、光电传感器二、光电传感器三、霍尔传感器三、霍尔传感器四、超声波传感器四、超声波传感器2020/10/281宁波大学信息学院一、温度传感器一、温度传感器1 1、热电阻传感器、热电阻传感器2 2、结温度传感器、结温度传感器3 3、集成温度传感器、集成温度传感器2020/10/282宁波大学信息学院精品资料31 1、热电阻传感器、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几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化-热热电阻效应电阻效应。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。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利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻热电阻。热电阻材料可分为热电阻材料可分为金属热电阻金属热电阻和和半导体热电阻半导体热电阻。RTD以以0阻阻值值作作为标为标称称值值。如：如：Pt1002020/10/284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铂电阻与温度变化之间的关系为当当0t6600t660时，时，Rt=R0Rt=R0（1+At+Bt1+At+Bt2 2）当当-190t0-190tT2 -2mV/K 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2020/10/2811宁波大学信息学院3 3、集成温度传感器、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。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。电压型的灵敏度为型的灵敏度为10mV/10mV/，电流型的灵敏度为，电流型的灵敏度为1A/K1A/K。2020/10/2812宁波大学信息学院AD590 （电流型）（电流型）AD590是美国模拟器件公司生产是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：主要特性如下：1、流过器件的电流（、流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度度）等于器件所处环境的热力学温度度数数2、AD590的测温范围为的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为的电源电压范围为4V30V。AD590可以承受可以承受44V正向电压和正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为、输出电阻为710M。5、精度高。有、精度高。有I、J、K、L、M五档，五档，M档精度最高，误差为档精度最高，误差为0.3。2020/10/2813宁波大学信息学院2020/10/2814宁波大学信息学院2020/10/2815宁波大学信息学院二、光电传感器二、光电传感器（1）光谱光谱光波光波：波长为波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光可见光：波长波长380780nm紫外线紫外线：波长波长10380nm，波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线红外线：波长波长780106nm 波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。1、概述、概述2020/10/2816宁波大学信息学院光谱分布如图所示光谱分布如图所示2020/10/2817宁波大学信息学院 光电效应光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物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外光电效应和和内光电效应内光电效应两大类。两大类。外光电效应外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的称为外光电效应。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。光电管、光电倍增管等。（2 2）光电效应）光电效应2020/10/2818宁波大学信息学院 当光照射在物体上，使物体的当光照射在物体上，使物体的电阻率电阻率发生发生变化，或产生变化，或产生光生电动势光生电动势的现象叫做的现象叫做内光电效应内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内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效应分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类：两类：A.光电导效应光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态在光线作用，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种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有器件有光敏电阻光敏电阻。内光电效应内光电效应2020/10/2819宁波大学信息学院过过程程：当当光光照照射射到到半半导导体体材材料料上上时时，价价带带中中的的电电子子受受到到能能量量大大于于或或等等于于禁禁带带宽宽度度的的光光子子轰轰击击，并并使使其其由由价价带带越越过过禁禁带带跃跃入入导导带带，如如图图，使使材材料料中中导导带带内内的的电电子子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带导带价带价带禁带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg2020/10/2820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种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能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产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。导率增加。式中式中、分别为入射光的频率和波长分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光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电导材料的禁带宽度Eg，即，即2020/10/2821宁波大学信息学院 B.光生伏特效应光生伏特效应 在在光光线线作作用用下下能能够够使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势的现象叫做势的现象叫做光生伏特效应光生伏特效应。基基于于该该效效应应的的光光电电器器件件有有光光电电池池和和光光敏敏二二极极管管、光敏三极管光敏三极管。势垒效应（结光电效应）。势垒效应（结光电效应）。接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽结时，设光子能量大于禁带宽度度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴，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区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使区外侧，从而使P区区带正电，带正电，N区带负电，形成光电动势。区带负电，形成光电动势。2020/10/2822宁波大学信息学院侧向光电效应。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。度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射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。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基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。）。2020/10/2823宁波大学信息学院2、光敏电阻、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；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。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的结构与特性:光敏电阻器通常由光敏层、光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成.RG2020/10/2824宁波大学信息学院 光光敏敏电电阻阻的的结结构构如如图图所所示示。管管芯芯是是一一块块安安装装在在绝绝缘缘衬衬底底上上带带有有两两个个欧欧姆姆接接触触电电极极的的光光电电导导体体。光光导导体体吸吸收收光光子子而而产产生生的的光光电电效效应应，只只限限于于光光照照的的表表面面薄薄层层，虽虽然然产产生生的的载载流流子子也也有有少少数数扩扩散散到到内内部部去去，但但扩扩散散深深度度有有限限，因因此此光光电电导导体体一一般般都都做做成成薄薄层层。为为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳子状梳子状图案图案.A金属封装的金属封装的硫化镉光敏电阻硫化镉光敏电阻结构图结构图光导电材料光导电材料绝缘衬低绝缘衬低引线引线电极电极引线引线光电导体光电导体2020/10/2825宁波大学信息学院（2）光敏电阻器的种类）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。分类。按光敏电阻器的制作材料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光敏电阻器按其制作材料的不同可分为多晶光敏电阻多晶光敏电阻器和器和单晶光敏电阻单晶光敏电阻器，器，还可分为硫化还可分为硫化镉镉(CdS)光敏电阻器、光敏电阻器、硒化硒化镉镉(CdSe)光敏电阻器、光敏电阻器、硫化硫化铅铅(PbS)光敏电阻器、光敏电阻器、硒化硒化铅铅(PbSe)光敏电阻器、光敏电阻器、锑化锑化铟铟(InSb)光敏电阻器等多种。光敏电阻器等多种。2020/10/2826宁波大学信息学院2020/10/2827宁波大学信息学院按光谱特性分类：按光谱特性分类：光敏电阻器按其光谱特性可分为光敏电阻器按其光谱特性可分为:可见光光敏电阻器可见光光敏电阻器 紫外光光敏电阻器紫外光光敏电阻器 红外光光敏电阻器。红外光光敏电阻器。可见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。照相机和光报警器等电子产品中。紫外光光敏电阻器紫外光光敏电阻器主要用于紫外线探测仪器。主要用于紫外线探测仪器。红外光光敏电阻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主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统中。控制系统中。2020/10/2828宁波大学信息学院（3）光敏电阻器的主要参数）光敏电阻器的主要参数 1亮电阻亮电阻（RL）是指光敏电阻器受到光照射时的电阻是指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。值。2暗电阻暗电阻（RD）是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。境）时的电阻值。3最高工作电压最高工作电压（VM）是指光敏电阻器在额定功率下是指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压。所允许承受的最高电压。4亮电流亮电流（IL）是指在光照射时，光敏电阻器在规定是指在光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压受到光照时所通过的电流。的外加电压受到光照时所通过的电流。5暗电流暗电流（ID）是指在无光照射时，光敏电阻器在规是指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。定的外加电压下通过的电流。2020/10/2829宁波大学信息学院 6时间常数时间常数 是指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定是指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的亮电流的63%时所需的时间。时所需的时间。7电阻温度系数电阻温度系数 是指光敏电阻器在环境温度改变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。时，其电阻值的相对变化。8灵敏度灵敏度 是指光敏电阻器在有光照射和无光照射时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。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 常用的光敏电阻器有常用的光敏电阻器有MG41MG45系列系列2020/10/2830宁波大学信息学院表表 光敏电阻器的型号命名及含义光敏电阻器的型号命名及含义 第一部分：主称第一部分：主称第二部分：用途或特征第二部分：用途或特征第三部分：序号第三部分：序号字母字母含义含义数字数字含义含义MGMG光敏电阻器光敏电阻器0 0特殊特殊用用数数字字表表示示序序号号，以以区区别别该该电电阻器的外形尺寸及性能指标阻器的外形尺寸及性能指标1 1紫外光紫外光2 2紫外光紫外光3 3紫外光紫外光4 4可见光可见光5 5可见光可见光6 6可见光可见光7 7红外光红外光8 8红外光红外光9 9红外光红外光2020/10/2831宁波大学信息学院产品产品名称：名称：cds cds光敏电阻光敏电阻4 4系列系列型号型号 最大最大 最大最大 环境环境 光谱峰值光谱峰值 亮亮电阻电阻 暗电阻暗电阻100/10 100/10 响应时间响应时间 电压电压(v)(v)功率功率(mW)(mW)温度温度()(nm)10LUX/K)(nm)10LUX/K (M(M)上升上升下降下降GM4516GM4516 150 50 -30-+70 540 5-150 50 -30-+70 540 5-10 10 0.5 0.6 20 300.5 0.6 20 30GM4527GM4527 150 50 -30-+70 540 10-150 50 -30-+70 540 10-30 30 2 0.7 20302 0.7 2030GM4538GM4538 150 50 -30-+70 540 30-150 50 -30-+70 540 30-50 50 5 0.8 20305 0.8 2030GM4549GM4549 150 50 -30-+70 540 50-150 50 -30-+70 540 50-150 150 10 0.9 203010 0.9 2030河南河南南阳市信利佳南阳市信利佳电电子有限子有限责责任公司任公司生产的生产的光敏电阻光敏电阻4 4系列参数。系列参数。2020/10/2832宁波大学信息学院应用范围：应用范围：照相机自动测光照相机自动测光 室内光线控制室内光线控制 报警器报警器 工业控制工业控制 光控开关光控开关 电子玩具电子玩具 2020/10/2833宁波大学信息学院 光电二极管，其光电二极管，其基本结构也是一个基本结构也是一个PN结结。结面积小，因此结面积小，因此它的频率特性特别好它的频率特性特别好。输出电流一般为几输出电流一般为几A到几十到几十A。按材料。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。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。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，分为国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和和2DU两种系列。两种系列。2CU系列以系列以N-Si为衬底，为衬底，2DU系列以系列以P-Si为衬底。为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管系列光电二极管有三条引线。有三条引线。3 3、光敏二极管和光敏三极管、光敏二极管和光敏三极管2020/10/2834宁波大学信息学院 光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；四类；硅光敏二极管有硅光敏二极管有2CU1AD系列、系列、2DU14系列。系列。光光敏敏二二极极管管的的结结构构与与一一般般二二极极管管相相似似、它它装装在在透透明明玻玻璃璃外外壳壳中中，其其PN结结装装在在管管顶顶，可可直直接接受受到到光光照照射射。光光敏敏二二极极管管在在电电路中一般是处于路中一般是处于反向工作状态反向工作状态，如图所示。，如图所示。PN光光光敏二极管符号光敏二极管符号RL 光光PN光敏二极管接线光敏二极管接线(1)(1)光敏二极管光敏二极管2020/10/2835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。光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做反向电流也叫做暗电流暗电流当光照射时，光敏二极管的工作原理与当光照射时，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成微小的反向电流即暗电流.受光照射时，受光照射时，PN结附近结附近受光子轰击，吸收其能量而受光子轰击，吸收其能量而产生电子产生电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区的少数载流子浓度大区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，压和内电场的作用下，P区的区的少数载流子渡越阻挡层进入少数载流子渡越阻挡层进入N区，区，N区的少数载流子渡越区的少数载流子渡越阻挡层进入阻挡层进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，结的反向电流大为增加，这就形成了光电流这就形成了光电流。2020/10/2836宁波大学信息学院2020/10/2837宁波大学信息学院 A.PIN A.PIN管结光电二极管管结光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导型半导体和体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，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结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使层中，从而使PN结双电层的结双电层的间距加宽，结电容变小。间距加宽，结电容变小。由式由式=CjRL与与 f=1/2知，知，Cj小，小，则小，频带将变宽。则小，频带将变宽。P-Si N-Si I-SiPIN管结构示意图管结构示意图2020/10/2838宁波大学信息学院最大特点：最大特点：频带宽，可达频带宽，可达10GHz;在反偏压下运用可承受较高的反向电压在反偏压下运用可承受较高的反向电压;线性输出范围宽。线性输出范围宽。不不 足：足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。多为零点几微安至数微安。目前有将目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅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。片上并封装于一个管壳内的商品出售。2020/10/2839宁波大学信息学院 雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。效应来工作的一种二极管。这这种种管管子子工工作作电电压压很很高高，约约100200V，接接近近于于反反向向击击穿穿电电压压。结结区区内内电电场场极极强强，光光生生电电子子在在这这种种强强电电场场中中可可得得到到极极大大的的加加速速，同同时时与与晶晶格格碰碰撞撞而而产产生生电电离离雪雪崩崩反反应应。因因此此，这这种种管管子子有有很很高高的的内内增增益益，可可达达到到几几百百。当当电电压压等等于于反反向向击击穿穿电电压压时时，电电流流增增益益可可达达106，即即产产生生所所谓谓的的雪雪崩崩。这这种种管管子子响响应应速速度度特特别别快快，带带宽宽可可达达100GHz，是是目目前前响响应应速速度度最最快快的的一一种种光电二极管。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。但由于法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。通信中应用前景广阔。B.B.雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)2020/10/2840宁波大学信息学院光电二极管的应用光电二极管的应用2020/10/2841宁波大学信息学院2020/10/2842宁波大学信息学院 光敏三极管有光敏三极管有PNP型和型和NPN型两种，如图。其结构与一般三型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大只是它的发射极一边做的很大,以扩以扩大光的照射面积大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极基极开路时开路时,集电极处于反向偏置状态。集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区当光线照射在集电结的基区时时,会产生电子会产生电子-空穴对空穴对,在内电场的作用下在内电场的作用下,光生电子被拉到集电光生电子被拉到集电极极,基区留下空穴基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的这样便有大量的电子流向集电极电子流向集电极,形成输出电流形成输出电流,且集电极电流为光电流的且集电极电流为光电流的倍。倍。PPNNNPe b bc RL Eec(2)(2)光敏三极管光敏三极管2020/10/2843宁波大学信息学院2020/10/2844宁波大学信息学院光敏三极管的主要特性：光敏三极管的主要特性：光光敏敏三三极极管管存存在在一一个个最最佳佳灵灵敏敏度度的的峰峰值值波波长长。当当入入射射光光的的波波长长增增加加时时，相相对对灵灵敏敏度度要要下下降降。因因为为光光子子能能量量太太小小，不不足足以以激激发发电电子子空空穴穴对对。当当入入射射光光的的波波长长缩缩短短时时，相相对对灵灵敏敏度度也也下下降降，这这是是由由于于光光子子在在半半导导体体表表面面附附近近就就被被吸吸收收，并并且且在在表表面面激激发发的的电子空穴对不能到达电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。结，因而使相对灵敏度下降。光谱特性光谱特性入射光相相对对灵灵敏敏度度/%硅锗/40008000120001600010080604020 0硅硅的的峰峰值值波波长长为为9000，锗锗的的峰峰值值波波长长为为15000。由由于于锗锗管管的的暗暗电电流流比比硅硅管管大大，因因此此锗锗管管的的性性能能较较差差。故故在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体时时，一一般般选选用用硅硅管管；但但对对红红外外线线进进行行探探测测时时,则则采采用用锗锗管较合适。管较合适。2020/10/2845宁波大学信息学院伏安特性伏安特性 光光敏敏三三极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线如如图图所所示示。光光敏敏三三极极管管在在不不同同的的照照度度下下的的伏伏安安特特性性，就就像像一一般般晶晶体体管管在在不不同同的的基基极极电电流流时时的的输输出出特特性性一一样样。因因此此，只只要要将将入入射射光光照照在在发发射射极极e与与基基极极b之之间间的的PN结结附附近近，所所产产生生的的光光电电流流看看作作基基极极电电流流，就就可可将将光光敏敏三三极极管管看看作作一一般般的的晶晶体体管管。光光敏敏三三极极管管能能把把光光信信号号变变成成电电信信号号，而而且输出的电信号较大。且输出的电信号较大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性U/V2020/10/2846宁波大学信息学院光敏晶体管的光照特性I/AL/lx200400600800100001.02.03.0 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输出电流 I I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大系。当光照足够大(几几klx)klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏时，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。三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。光照特性光照特性2020/10/2847宁波大学信息学院暗电流暗电流/uA光电流光电流/uA10 20 30 40 50 60 70T/C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性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。电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。温度特性温度特性2020/10/2848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，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入射光的调制频率要求在5 5k kHzHz以下。硅管的频率响应要比锗管以下。硅管的频率响应要比锗管好。好。0100100050050001000020406010080RL=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晶体管的频率特性光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性2020/10/2849宁波大学信息学院2020/10/2850宁波大学信息学院光电开关的结构和分类光电开关的结构和分类:遮断型遮断型 反射型反射型反射型分为两种情况：反射镜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）被测物漫反射型（简称散射型）4、光电开关光电开关遮断遮断型光电开关结构型光电开关结构2020/10/2851宁波大学信息学院反射型光电开关结构反射型光电开关结构反射式烟雾探测电路反射式烟雾探测电路2020/10/2852宁波大学信息学院透射式光电测速装置透射式光电测速装置2020/10/2853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 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红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。外线而输出电信号的传感器。热释电效应热释电效应是指由于温度的变化而引起晶体表面电是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷变化的现象。荷变化的现象。（a）在一定温度下产生极化。）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。）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）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。消失，外表面产生电压。工作原理：工作原理：2020/10/2854宁波大学信息学院结构及等效电路结构及等效电路2020/10/2855宁波大学信息学院 人体温人体温37度，会发出度，会发出10um左右的红外线，该红外线左右的红外线，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，后续电路即可检测电荷，后续电路即可检测。2020/10/2856宁波大学信息学院2020/10/2857宁波大学信息学院三、霍尔传感器三、霍尔传感器霍尔效应简述霍尔效应简述 如图所示如图所示,将一块载流导将一块载流导电板放入垂直于它的磁场中电板放入垂直于它的磁场中,当当有电流通过导电板时有电流通过导电板时,将在它的将在它的上、下两侧产生一个电位差。上、下两侧产生一个电位差。实验发现实验发现,在磁场不太强的情况在磁场不太强的情况下下,该电位差该电位差V VH H 与电流强渡与电流强渡I I 和磁感应和磁感应B B 成正比成正比,与导电板的与导电板的厚度厚度d d 成反比成反比,即即V VH H=k(I B/d)=k(I B/d)式中式中:V VH H 为霍尔电势或电压；为霍尔电势或电压；k k 为霍尔为霍尔(灵敏度灵敏度)系数系数,V/AT,V/AT。2020/10/2858宁波大学信息学院 霍霍尔尔开开关关集集成成传传感感器器是是利利用用霍霍耳耳效效应应与与集集成成电电路路技技术术结结合合而而制制成成的的一一种种磁磁敏敏传传感感器器，它它能能感感知知一一切切与与磁磁信信息息有有关关的的物物理理量量，并并以以开开关关信信号号形形式式输输出出。霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器具具有有使使用用寿寿命命长长、无无触触点点磨磨损损、无无火火花花干干扰扰、无无转转换换抖抖动动、工工作作频频率率高高、温温度度特特性性好好、能能适适应应恶恶劣劣环环境等优点。境等优点。1 1、霍尔开关集成传感器、霍尔开关集成传感器2020/10/2859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。输出五部分组成。稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电源电可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；压范围内工作；开路输出开路输出可使传感器方便地与各种逻辑可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。电路接口。（1 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的结构及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出输出+稳压稳压VCC1霍耳元件霍耳元件放大放大BT整形整形地地H2020/10/2860宁波大学信息学院3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路）应用电路 （a）外型）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路霍耳开关集成传感器的外型及应用电路1232020/10/2861宁波大学信息学院（2 2）霍耳开关集成传感器的工作特性曲线）霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从从工工作作特特性性曲曲线线上上可可以以看看出出，工工作作特特性性有有一一定定的的磁磁滞滞BH，这这对对开开关关动动作作的的可可靠靠性性非非常常有有利利。图图中中的的BOP为为工工作作点点“开开”的的磁磁感应强度，感应强度，BRP为释放点为释放点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。霍耳开关集成传感器的技术参数：霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压工作电压、磁感应强度、输出截止电、磁感应强度、输出截止电压、压、输出导通电流、工作温度、工作点。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/V12ONOFFBRPBOPBHB0 该曲线反映了外加该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强的关系。当外加磁感强度高于度高于BOP时，输出电时，输出电平由高变低，传感器处平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感于开状态。当外加磁感强度低于强度低于BRP时，输出时，输出电平由低变高，传感器电平由低变高，传感器处于关状态。处于关状态。2020/10/2862宁波大学信息学院(3)(3)霍耳开关集成传感器的应用霍耳开关集成传感器的应用 A.A.霍耳开关集成传感器的接口电路霍耳开关集成传感器的接口电路RLVACVccVccVAC2020/10/2863宁波大学信息学院VccVCCKVccKVccVCCVccMOSVOUTVCC霍耳开关集成传感器的一般接口电路霍耳开关集成传感器的一般接口电路RL2020/10/2864宁波大学信息学院磁铁轴心接近式磁铁轴心接近式 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，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霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线关系曲线NSAlNiCo 磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.515 17.520距离L1/mmB/TL1随磁铁与传感器的间随磁铁与传感器的间隔距离的增加隔距离的增加,作用作用在传感器表面的磁感在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一铁向传感器接近到一定位置时定位置时,传感器开传感器开关接通关接通,而磁铁移开而磁铁移开到一定距离时开关关到一定距离时开关关断。应用时断。应用时,如果磁如果磁铁已选定铁已选定,则应按具则应按具体的应用场合体的应用场合,对作对作用距离作合适的选择。用距离作合适的选择。（4 4）给传感器施加磁场的方式）给传感器施加磁场的方式2020/10/2865宁波大学信息学院 磁磁铁铁侧侧向向滑滑近近式式 要要求求磁磁铁铁平平面面与与传传感感器器平平面面的的距距离离不不变变，而而磁磁铁铁的的轴轴线线与与传传感感器器的的平平面面垂垂直直。磁磁铁铁以以滑滑近近移移动动的的方式在传感器前方通过。方式在传感器前方通过。霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线关系曲线0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁铁磁铁6.432L2距离距离L2/mm2020/10/2866宁波大学信息学院2020/10/2867宁波大学信息学院（1 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结构及工作原理 霍霍尔尔线线性性集集成成传传感感器器的的输输出出电电压压与与外外加加磁磁场场成成线线性性比比例例关关系系。这这类类传传感感器器一一般般由由霍霍耳耳元元件件和和放放大大器器组组成成，当当外外加加磁磁场场时时,霍霍耳耳元元件件产产生生与与磁场成线性比例变化的霍耳电压磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。经放大器放大后输出。在在实实际际电电路路设设计计中中，为为了了提提高高传传感感器器的的性性能能，往往往往在在电电路路中中设设置置稳稳压压、电电流流放放大大输输出出级级、失失调调调调整整和和线线性性度度调调整整等等电电路路。霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器的的输输出出有有低低电电平平或或高高电电平平两两种种状状态态，而而霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器的的输输出却是对外加磁场的线性感应。出却是对外加磁场的线性感应。霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器广广泛泛用用于于位位置置、力力、重重量量、厚厚度度、速速度度、磁磁场场、电流电流等的测量或控制。等的测量或控制。霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器有有单单端端输输出出和和双双端端输输出出两两种种，其其电电路路结结构构如如下下图。图。2 2、霍尔线性集成传感器、霍尔线性集成传感器2020/10/2868宁波大学信息学院单端输出传感器的电路结构框图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H3VCC地4输出输出18675 双端输出传感器的电路结构框图双端输出传感器的电路结构框图 单端输出的传感单端输出的传感器是一个三端器件，器是一个三端器件，它的输出电压对外加它的输出电压对外加磁场的微小变化能做磁场的微小变化能做出线性响应，通常将出线性响应，通常将输出电压用电容交连输出电压用电容交连到外接放大器，将输到外接放大器，将输出电压放大到较高的出电压放大到较高的电平。其典型产品是电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感器双端输出的传感器是一个是一个8脚双列直插封脚双列直插封装的器件，它可提供装的器件，它可提供差动射极跟随输出，差动射极跟随输出，还可提供输出失调调还可提供输出失调调零。其典型产品是零。其典型产品是SL3501M。2020/10/2869宁波大学信息学院（2 2）霍耳线性集成传感器的主要技术特性）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：传感器的输出特性如下图：磁感应强度磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0-0.2-0.1-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线传感器的输出特性曲线2020/10/2870宁波大学信息学院SS49/SS19 系列系列2020/10/2871宁波大学信息学院应用应用1:距离测量距离测量2020/10/2872宁波大学信息学院应用应用2:电流测量电流测量2020/10/2873宁波大学信息学院四、四、超声波传感器超声波传感器 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。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。就是声波。人耳所能听闻的声波其频率在人耳所能听闻的声波其频率在2020000Hz之间，频之间，频率在率在2020000Hz以外的声波不能引起声音的感觉。以外的声波不能引起声音的感觉。频率超过频率超过20000Hz的叫做超声波，频率低于的叫做超声波，频率低于20Hz的叫的叫做次声波。做次声波。2020/10/2874宁波大学信息学院式中式中d d晶体片厚度有关晶体片厚度有关n=1n=1，2 2，3 3，是谐波的级数；是谐波的级数；E E为杨氏模量对于石英晶体：为杨氏模量对于石英晶体：E=7.70E=7.70为压电材料的密度。为压电材料的密度。根根据据共共振振原原理理，当当外外加加交交变变电电压压频频率率等等于于晶晶片片的的固固有有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。1、超声波的发生超声波的发生 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。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，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。而产生超声波，如图所示。压电材料的固有频率为压电材料的固有频率为:2020/10/2875宁波大学信息学院2 2、超声波的接收、超声波的接收 在在超超声声波波技技术术中中，除除了了需需要要能能产产生生一一定定的的频频率率和和强强度度的的超超声声波波发发生生器器以以外外，还还需需要要能能接接收收超超声声波波的的接接收收器器。一一般般的的超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。声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。当当超超声声波波作作用用到到压压电电晶晶体体片片上上时时，使使晶晶片片伸伸缩缩，则则在在晶晶片片的的两两个个界界面面上上产产生生交交变变电电荷荷。这这种种电电荷荷先先被被转转换换成成电电压压，经经过过放放大大后后送送到到测测量量电电路路，最最后后记记录录或或显显示示出出结结果果。它它的的结结构构和和超超声声波波发发生生器器基基本本相相同同，有有时时就就用用同同一一个个超超声声波波发发生生器器兼做超声波接收器。兼做超声波接收器。2020/10/2876宁波大学信息学院3 3、超声波传感器结构、超声波传感器结构 2020/10/2877宁波大学信息学院