传感器电子教案

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传感器,原理及其应用,空军工程大学导弹学院四系发空教研室,戴新生,一、信息革命的两大支柱,信息采集,；,信息处理,。,二、信息采集的关键,传感器,；,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,概 述,*,*,*,一、,传感器技术发展迅速的原因,1、,电子工业和信息技术促进了传感器产业的相应发展,；,2、,政府对传感器产业提供资助和大力扶植,；,3、,国防、空间技术和民用产品有广大的传感器市场,；,4,、,在许多高新技术领域可获得用于开发传感器的理论和工艺,。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,传感器的发展及作用,*,*,*,二、传感器的市场结构,1,、信息处理与通讯,8%,；,2,、科学仪器仪表,11.7%,3,、电力与能源,5.3%,4,、机械制造设备,18.1%,5,、家用电器,13.9%,6,、汽车,7.3%,7,、运输,1.6%,8,、空间开发,2.7%,9,、环保气象安全,10%,10,、资源与海洋开发,1.4%,11,、医疗卫生,11%,12,、农业渔业,0.7%,13,、土木建筑与工程,0.7%,14,、商业金融,0.2%,15,、其他,7.3%,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*第一节,传感器的发展及作用,*,*,*,三、 什么是传感器,1,、,微机械加工技术（MEMT）和纳米技术的高度发展，采用MEMT技术的传感器和微系统，具有体积微小、成本低、高可靠性等独特的优点；,2,、,新型敏感材料将加速开发，微电子、光电子、生物化学、信息处理等各学科的互相交叉、渗透和综合利用，将会研制出一批新颖、先进的传感器,;,3,、,敏感元件与传感器的应用领域将得到新的开拓，二次传感器和传感器的应用将大幅度增长。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*第一节,传感器的发展及作用,*,*,*,一、传感器的定义,传感器,：,能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成;,敏感元件,：,是指传感器中能够直接感受或响应被测量（输入）的部分；,转换元件,：,是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第二节,什么是传感器,*,*,*,二、传感器组成框图,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*第二节,什么是传感器,*,*,*,图1.1 传感器组成框图,一、分类1,1、,按依据的效应分,（1）,物理传感器（光、电、声、磁、热）；,（2）,化学传感器（吸附、选择性化学反应）；,（3）,生物传感器（酶、抗体、激素等分子识别和选择功能）。,2、,按输入量分,（1）,位移,； （2）,速度,；,（3）,温度,； （4）,压力,；,（5）,气体成分,； （6）,浓度,；,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三节,传感器的分类,*,*,*,3,、按工作原理分,（1）,应变式,；,（2）,电容式,；,（3）,电感式,；,（4）,电磁式,；,（5）,压电式,； （6）,热电式,；,4、,按输出信号分,（1）,模拟式,；,（2）,数字式,；,5、,按能量关系分,（1）,能量转换型,；,（2）,能量控制型,。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*第三节,传感器的分类,*,6、,按利用场定律还是利用物质定律分,（1）,结构型（通过敏感元件几何结构参数变化实现信息转换）；,（2）,物性型（通过敏感元件材料物理性质变化实现信息转换）。,7、,按是否依靠外加能源分,（1）,有源型,；,（2）,无源型,。,8、,按使用的敏感材料分,（1）,半导体,；,（2）,光纤,；,（3）,陶瓷,；,（4）,金属,；,（5）,高分子材料,；,（6）,复合材料,。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*第三节,传感器的分类,*,二、分类2,01、,压力,02、,力矩,03、,加速度,04、,浑浊度,05、,角度,06,、速度,07、,角速度,08、,接近开关,09、,振动,10、,热能,11、,编码器,12、,磁性开关,13、,湿度,14、,温度,15、,倾斜度,16、,光电开关,17、,水份,18、,露点,19、,电功率,20、,角加速度,21、,流量,22、,流速,23、,红外线,24、,位移,（,厚度,）,25、,电压,26、,液位,27、,电导率,28、,力负荷,29、,光纤,30、,风速,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*第三节,传感器的分类,*,二、分类2,31、,电阻率,32、气体 / 烟雾,33、生物 34、电流,35、水溶氧 36、密度 / 粘度,37、离子 38、PH值,39、紫外线 40、图象 / 颜色 41、触觉 42、料位,43、超声波 44、声音 / 噪声,45、激光 46、频率,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*第三节,传感器的分类,*,一、传感器性能评价指标,静态特性,：,传感器在稳态（静态或准静态）信号作用下，输入和输出的对应关系,；,动态特性,：,传感器在动态（周期或暂态）信号的作用下，输入和输出的对应关系；,二、传感器的静态特性,1、,灵敏度,灵敏度,：,传感器的输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比。用公式表示为,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,*,*,2,、线性度,传感器的输出输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比称为,线性度,，也称为“非线性误差”或“非线性度”，通常用相对误差表示其大小,（,见图,）：,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,图1.2 非线性误差说明,根据基准直线的不同，线性度可分为,（1）,理论线性度：拟合直线为理论直线，通常以0%作为直线起点，满量程输出100%作为终止点；,（2）,端基线性度：以校准曲线的零点输出和满量程输出连成的直线为拟合直线；,（3）,独立线性度：作两条与端基直线平行的直线，使之恰好包围所有的标定点，以与二直线等距离的直线作为拟合直线；,（4）,最小二乘法线性度：以最小二乘法拟合的直线为拟合直线。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,3、,灵敏度界限,（,阀值,）,输入改变x时，输出变化y，x变小，y也变小。但一般说来，x小到某种程度时，输出就不变化了，这时的x叫做,灵敏度界限,，也称为“灵敏阀”、“门槛灵敏度”或“阀值”。,灵敏度界限的存在原因：,（1）,输入的变化量通过传感器内部被吸收，因而反应不到输出上去。例如：螺纹、齿轮间隙等。,（2）,传感器的输出存在噪声,。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,4、,迟滞差,输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等，这种现象叫迟滞现象。,迟滞差,表示这种不相等的程度。其值以满量程的输出的百分比表示,。,或者,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,5、,稳定度,稳定度,表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。,三、传感器的动态特性,1、,传递函数,（1）,定义,传递函数,：初始条件为零时，输出量（响应函数）的拉氏变换与输入量（激励函数）的拉氏变换之比。,传递函数表示系统本身的的传输、转换特性，与激励及系统的初始状态无关。同一传递函数可能表征着两个完全不同的物理（或其他）系统，但说明它有相似的传递特性。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,（2）,串联和并联,两个各有G1（s）和G2（s）传递函数的系统串联后，如果它们的阻抗匹配合适，相互之间不影响彼此的工作状态，其传递函数为,图1.4 两个系统的串联,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,对n个系统串联组成的新系统，其传递函数为,（3）,零阶、一阶和二阶（传感器）系统,当传递函数中，只有a0与b0不为零时,a0y=b0x,即,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,称为,零阶系统,（,传感器,）。,这种传感器输出能精确地跟踪输入，电位器式传感器就是一种零阶系统。,除系数a1、a0与b0外，其它系数均为零的系统称为,一阶系统,。RC回路、液体温度计等属于一阶系统。,只有a1、a0与b0、b0不为零的系统称为,二阶系统,。由弹簧、质量和阻尼组成的机械系统就是典型的二阶传感器、电动式振动传感器、RLC谐振线路也为二阶系统,。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,（4）,传递函数的分解,传感器一般可以近似为集总参数的、线性的、特性不随时间变化的系统。其一般形式的传递函数如式所示。,假设,bm= bm-1= b1= 0,其中分母是s 的实系数多项式。方程式,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,的根有n个。因为是实系数，所以复根有偶数个（共轭复根组成），剩下的是实根。因而分母多项式总可以分解为一次和二次的实系数因子，传递函数可写成,上式中，每一个因子可以看成一个子系统的传递函数。其中A是零阶系统的传递函数,；,是一阶系统的,传递函数；而是二阶系统的传递函数。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,由此可见，一个复杂的高阶总可看成是由若干个零阶、一阶和二阶系统串联而成。,另一方面，如果将上式右边作部分分式展开，则将得到另一种等价形式：,上式表示一个高阶系统，也可以看成是若干个一阶和二阶系统并联而成的。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,（5）传递函数的功用,a.,在方块图中用作表示系统的图示符号，如图所示,：,b.,当组成系统的各个元件或环节的传递函数已知时，可以用传递函数来确定该系统的总特性，可用单个环节的传递函数的乘积表示系统的传递函数，如图所示：,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,c.,对于复杂系统的求解，我们可以将其化成简单系统的组合，其解则为简单系统解的组合。,2,、一阶（惯性）系统的动态响应,一阶系统的传递函数为,式中，,k = b0,/ a0,是系统的,静态灵敏度,，,= a1 / a0,为,时间常数,。进一步写为,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,1）,一阶系统的冲击响应,设输入信号为函数，即,且,其输出称为,冲击响应,。,因为,L( t)=1,所以,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,求变换得,其相应的曲线如图所示,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,图1.7 一阶系统的冲激响应曲线,由图可知：,在冲激信号出现的瞬间（t=0）响应函数也突然跃升，其幅度与k成正比，而与时间常数= a1 / a0成反比；在t0时作指数衰减，越小衰减越快，响应的曲线也就越接近脉冲信号,。,2）,一阶系统的阶跃响应,一个起始静止的传感器若输入一单位阶跃信号,其输出信号称为,阶跃响应,。,因为 Lu(t)=1/s,则,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,由拉氏变换得,其响应曲线如图所示,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,图一阶系统的阶跃响应曲线,由上式和上图可知，稳态响应是输入阶跃值的k倍，暂态响应是指数函数，t趋于无穷时才能达到最终的稳态。当t=时，y(t，即达到稳态的63.2%。,由此可知越小，响应曲线就越接近于阶跃曲线，所以时间常数是反映一阶系统动态响应的关键参数,。,3）,一阶系统的频率响应,一定振幅的周期信号输入传感器时，如果这些信号振幅是在传感器的线性范围之内，那么传感器的输出可以通过传递函数求出。由于周期信号可用傅立叶级数表示，因此可以把输入信号看成是正弦或余弦函数。系统响应y(t)包括瞬态响应成分和稳态响应成分。瞬态响应随时间推移会逐渐消失直到稳定，因此瞬态响应可忽略,不计。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,将各频率不同而幅度相同的正弦信号输入传感器，其输出信号的幅度及相位与频率之间的关系，就称为,频率响应特性,。,频率响应特性可由频率响应函数表示，由,幅-频,和,相-频,特性组成。,稳态响应为,表示为,y(t)=H()Sin(t+),传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,其中,幅-频,特性为,相-频,特性为,()=-arctan(t),将H()和()绘成曲线，如图所示，图中纵坐标增益采用分贝值，横坐标采用对数坐标，但直接标注值。这种图又称,波特图,。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,图1.9 一阶系统的波特图,由图可知，一阶系统只有在很小的时候才近似等于零阶系统特性（即H（）=k，（）=0）。当=1时，传感器灵敏度下降了3dB。如果取灵敏度 下降到3dB时的频率为工作频带的上限，则一阶系统的上截止频率为H=1/，所以时间常数越小，则工作频带越宽。,综上所述，用一阶系统描述的传感器，其动态响应特性的优劣也主要取决于时间常数。越小越好，小时，则阶跃响应的上升过程快，而频率响应的上截止频率高。,2.,二阶（振荡）系统的动态响应,弹簧、质量和阻尼系统（如图所示）及RLC串联电路是典型的二阶系统。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,其微分方程如下,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,图1.10 二阶系统示意图,二阶系统的传递函数为,式中，k=b0/a0 为,静态灵敏度,，,为,无阻尼固有频率,，,为,阻尼比,。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,1）二阶系统的冲激响应,当1时，为过阻尼；,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,图1.11 二阶系统冲激响应曲线,2）二阶系统的阶跃响应,3）二阶系统的频率响应,当时，在n附近振幅具有峰值，即产生共振现象，越小峰值越高。=n时，相位有90滞后，最大相位滞后为180，越大，相位滞后变化越平稳。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,图1.12 二阶系统阶跃响应曲线,4）任意输入作用下的传感器动态响应,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第四节,传感器的性能和评价,*,图1.13 任意输入函数看作许多连接着的梯形脉冲,应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，是常用的传感器之一。它的核心元件是是电阻应变计。,电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种能将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的传感元件。图为其构造简图。排列成网状的高阻金属丝，山庄金属波或半导体片构成的敏感栅1，用粘合剂粘在绝缘的基片2上。敏感栅上粘有盖片(即保护片)3。电阻丝较细，一般在，其两端焊有局的低阻镀锡铜丝(0.10.2mm)4作为引线，以便与测量电路连接。图中，l成为应变计的标距，也成(基)栅长，a称为(基)栅宽，l*a称为应变计的使用面积。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第二章 应变式传感器,*,*,*,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第二章 应变式传感器,*,*,*,图2.1 电阻应变计构造简图,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第二章 应变式传感器,*,*,*,使用时，用粘合剂将应变计贴在被测事件表面上。试件形变时，应变计的敏感栅与试件一同变形，使其电阻发生变化，由测量电路将电阻变化转化为电压或电流的变化，再由显示器纪录仪将其显示纪录。应变计的电阻变化是与型变成比例的，因此，由显示纪录的电压或电流的变化，可得知被测试件应变的大小。,阻应变计的工作原理是基于电阻应变效应的，下面加以介绍。,应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，是常用的传感器之一。它的核心元件是是电阻应变计。,电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种能将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的传感元件。图为其构造简图。排列成网状的高阻金属丝，山庄金属波或半导体片构成的敏感栅1，用粘合剂粘在绝缘的基片2上。敏感栅上粘有盖片(即保护片)3。电阻丝较细，一般在，其两端焊有局的低阻镀锡铜丝(0.10.2mm)4作为引线，以便与测量电路连接。图中，l成为应变计的标距，也成(基)栅长，a称为(基)栅宽，l*a称为应变计的使用面积。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,电阻应变效应,*,*,*,长为l，截面积为A，电阻率为的金属或半导,体丝，电阻,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,应变式传感器,*,*,*,1、电阻应变效应,光电式传感器是蒋光信号转换为电信号的光敏器件。它可用于检测直接一起光强变化的非电量，如光强，辐射测温，气体成分分析等；也可用来能转换成光亮变化的其他非电量，如零件线度，表面粗糙度，位移，速度，加速度等。光电式传感器具有非接触，相应快，性能可靠等优点，因而得到广泛应用。光电式传感器是目前产量最多应用最广的传感器之一。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三章光电式传感器,*,*,*,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,光电效应,*,*,*,关点是传感器的物理基础是光电效应，即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类，即外光电效应和内光电效应。,一,.,外光电效应,在光照射下，电子溢出物体表面向外发射的现象称为光电效应，亦称光电发射效应。它是在1887年由德国科学家赫兹发现的。基于这种效应的光电器有光电管，光电培管等。,每个光子具有的能量为,Q = hv,式中，h=6.626*J.S,为普朗克常数，v为光的频率。物体在光照射下，电子吸收了入射的光子能量后，一部分由于克服物质对电子的束缚，另一部分转化为溢出电子的动能。如果光子的能量Q大于电子的溢出功A，则电子溢出。溢出功A也成为,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,光电效应,*,功函数，是一个电子从金属或半导体表面溢出时克服表面势垒所需做的功，其值于材料有关，还和材料的表面状态有关。若溢出电子的动能为,择优能量守恒定律有：,m 为电子的静止质量，为电子溢出物体时得出速。上是即为爱因斯坦光电效应方程式。可知：,1.,光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子溢出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值，成为红限频率（对应的光波长称为临界波长）。光的频率小于红限频率，光子的能量不足以使物体的电子溢出，因而小于红限频率的光，光强再大也不产生光电发射。反之，入射光频率高于红限频率，即使光强微弱也会有电子发射出来。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,光电效应,*,2.若入射光的光频为v,光功率为P,则每秒钟到达的光子数为p/hv.假设这些光子中只有一部分（）能激发电子，则入射光在光电面激发的光电流密度为,式中，是量子效率，定义为光强生成的载流子数与入射光子数之比，它是波长的函数，并与光电面的反射率，吸收稀疏，发射电子的深度，表面亲和力等因素有关，e为电子电荷量。,3.,光电子溢出物体表面具有初始动能。因此光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,光电效应,*,二.内光电效应,内光电效应分为两类，光电导效应和光电伏特效应。,1,光电导效应,入射光强改变物质导电率的物理现象，叫光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由于，在入射光作用下，电子吸收光子的能量，从价带激发到导带，过渡到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，致使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起材料电阻率减小。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E应大于禁带宽度E,如图，即光的波长应小于某一临界波长 。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,光电效应,*,式中，为电子伏（eV）为单位（1eV=1.60*10 J）,c 为光速(m/s). 也称为截止波长.根据半导体材料的禁带宽度可得相应的临界波长.本征半导体（纯半导体）的 大于掺杂质半导体。,图为光电导元件工作示意图。当光电导元件在一定强度的光的连续照射下，元件达到平衡状态时，输出的短路电流密度为：,可以看出，在波长决定之后与p成正比，在 一定时，与光波长 成反比。还可以看出，要增加光电流密度要选择载流子寿命长、迁移率大的材料而且应该尽量缩短两极间的距离和提高外加电压。随着光能的增强，光生载流子浓度也增大，但同时电子与空穴间的复合速度也加快，因此光能量与光电流之间的关系不是线性的。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,光电效应,*,2,光生伏特效应,光生伏特效应就是半导体材料吸收光能后，在 PN结上产生电动势的效应。若在 N 型硅片掺入P 型杂质可行成一PN结，如图3。3所示。,为什么PN结会产生光生伏特效应呢？这是因为：当光照射到距表面很近的PN结上时，如果光足够大，光子能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能够从价带跃迁到导带，成为自由电子，而价带则相应成为自由空穴。这些电子空穴对在 PN结的内部电场作用下，电子被推向N区外侧，空穴被推向P区外侧，使N区带上负电，P区带上正电。这样，N区和P区之间就出现了电位差，于是PN结两侧便产生了光生电动势，如图3。3所示。如果把PN结两端用导线连接起来，电路中便会产生电流。由于光生电子、空穴在扩散过程中会分别与半导体中的空穴、电子复合，因此载流子的寿命与扩散长度有关。只有使PN结距表面的厚度小于扩散长度，才能形成光电流产生光生电动势。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,光电效应,*,PN结用做整流时，其电压电流特性如图中的曲线（1）所示。这时外加电压U（以正方向为正）与电流 的关系为：,当光照射到PN结上时，由于光生伏特效应产生的短路电流与光电导效应（）式相类似，即,这个电流与（）式所示电流方向相反，所以流经结点的电流二者之差，即,由此可见，当有光照射时，电压电流特性向下方平行移动，如图（）中的曲线（2）所示。当I=0时，对U求解，得开路电压为,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第一节,光电效应,*,如果入射光较弱，,，则有,可见，当波长一定时 ，光电压与P呈正比，如果 一定，光电压与波长呈正比。基于光生伏特效应的光电器件有光电二极管、光电三极管和光电池等。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第二节,热释电效应,*,*,*,利用热效应的光电传感器包含光-热、热-电两个阶段的信息变换过程。光-热阶段是物质吸收了光以后温度升高，热电阶段是利用某种效应将热转变为电信号。热释电就是这种效应之一。,热释电材料有晶体、陶瓷和塑料等。使用最早的是热释电晶体。热释电晶体能够自发极化，在垂直晶体极轴的两个端面上具有大小相等、符号相反的束缚电荷。当温度变化时，温度的变化与自由电荷的变化成正比。热释电晶体如铌酸锂、钽酸锂等，热释电陶瓷如钛酸钡、锆钛酸铅等、热释电塑料如聚偏二氟乙烯等。通常极化所产生的束缚电荷被来自空气中附集在晶体外表面的自由电荷中和，晶体对外不显电性。中和平均时间为,其中，为晶体的介电常数，为晶体的电导率。多数热释电材料的约在1-1000S之间。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第二节,热释电效应,*,光释电传感器的调制频率f必须大于，才能使热释电所产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和，在晶体极轴两端产生交变电压，若在热释电体两端的电极上接入电阴R，如图所示。则R两端所产生的交流信号电压为,式中，S为电极面积，dPs/dt为自发极化矢量对时间的相对变化，g=dPs/dT为热释电系数，dT/dt温度对时间的变化率。由此看出，与温度的变化成正比，而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。,利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三节,光的吸收系数,*,*,*,光在半导体材料中传播时会产生衰减，即产生吸收。半导体材料通常能强烈地吸收光能，对光的吸收作用常用吸收系数来描述。光的吸收系数与光波的波长有很大的关系，图示出了几种常用半导体材料光的吸收系数曲线。下面定量讨论某一种光波长在硅中传播的平均深度，为设计和制造光电三极管和二极管，提供理论依据。,以 表示硅片内距表面x处的光强。由于光的吸收作用，从x到x+dx间光强减弱了 ，则吸收系数的定义为,对上式积分可以得到光强在半导体内的分布为,其中是硅片表面处入射光的强度。可见光在进入硅片后按指数规律衰减，它的平均透入深度为,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三节,光的吸收系数,*,光释电传感器的调制频率f必须大于，才能使热释电所产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和，在晶体极轴两端产生交变电压，若在热释电体两端的电极上接入电阴R，如图所示。则R两端所产生的交流信号电压为,式中，S为电极面积，dPs/dt为自发极化矢量对时间的相对变化，g=dPs/dT为热释电系数，dT/dt温度对时间的变化率。由此看出，与温度的变化成正比，而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。,利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三节,光的吸收系数,*,光释电传感器的调制频率f必须大于，才能使热释电所产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和，在晶体极轴两端产生交变电压，若在热释电体两端的电极上接入电阴R，如图所示。则R两端所产生的交流信号电压为,式中，S为电极面积，dPs/dt为自发极化矢量对时间的相对变化，g=dPs/dT为热释电系数，dT/dt温度对时间的变化率。由此看出，与温度的变化成正比，而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。,利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三节,光的吸收系数,*,光释电传感器的调制频率f必须大于，才能使热释电所产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和，在晶体极轴两端产生交变电压，若在热释电体两端的电极上接入电阴R，如图所示。则R两端所产生的交流信号电压为,式中，S为电极面积，dPs/dt为自发极化矢量对时间的相对变化，g=dPs/dT为热释电系数，dT/dt温度对时间的变化率。由此看出，与温度的变化成正比，而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。,利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三节,光的吸收系数,*,光释电传感器的调制频率f必须大于，才能使热释电所产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和，在晶体极轴两端产生交变电压，若在热释电体两端的电极上接入电阴R，如图所示。则R两端所产生的交流信号电压为,式中，S为电极面积，dPs/dt为自发极化矢量对时间的相对变化，g=dPs/dT为热释电系数，dT/dt温度对时间的变化率。由此看出，与温度的变化成正比，而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。,利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三节,光的吸收系数,*,光释电传感器的调制频率f必须大于，才能使热释电所产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和，在晶体极轴两端产生交变电压，若在热释电体两端的电极上接入电阴R，如图所示。则R两端所产生的交流信号电压为,式中，S为电极面积，dPs/dt为自发极化矢量对时间的相对变化，g=dPs/dT为热释电系数，dT/dt温度对时间的变化率。由此看出，与温度的变化成正比，而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。,利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三节,光的吸收系数,*,光释电传感器的调制频率f必须大于，才能使热释电所产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和，在晶体极轴两端产生交变电压，若在热释电体两端的电极上接入电阴R，如图所示。则R两端所产生的交流信号电压为,式中，S为电极面积，dPs/dt为自发极化矢量对时间的相对变化，g=dPs/dT为热释电系数，dT/dt温度对时间的变化率。由此看出，与温度的变化成正比，而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。,利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三节,光的吸收系数,*,光释电传感器的调制频率f必须大于，才能使热释电所产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和，在晶体极轴两端产生交变电压，若在热释电体两端的电极上接入电阴R，如图所示。则R两端所产生的交流信号电压为,式中，S为电极面积，dPs/dt为自发极化矢量对时间的相对变化，g=dPs/dT为热释电系数，dT/dt温度对时间的变化率。由此看出，与温度的变化成正比，而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。,利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。,传 感 器 原 理 及 其 应 用,*,*,*,第三节,光的吸收系数,*,光释电传感器的调制频率f必须大于，才能使热释电所产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和，在晶体极轴两端产生交变电压，若在热释电体两端的电极上接入电阴R，如图所示。则R两端所产生的交流信号电压为,式中，S为电极面积，dPs/dt为自发极化矢量对时间的相对变化，g=dPs/dT为热释电系数，dT/dt温度对时间的变化率。由此看出，与温度的变化成正比，而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。,利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。,