常用传感器原理及应用

1. 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

2. 一、温度传感器 • 1、热电阻传感器 • 2、ＰＮ结温度传感器 • 3、集成温度传感器 宁波大学信息学院

3. 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

4. （1）铂电阻 铂电阻与温度变化之间的关系为 当0<t<660℃时，Rt=R0（1+At+Bt2） 当-190℃<t<0℃时， Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3] R0，Rt—分别为0℃和t℃的电阻值 A=3.96847×10-3/℃ B=-5.847×10-7/℃2 C=-4.22×10-12/℃4 宁波大学信息学院

5. （2）铜电阻 铜电阻输出阻值与温度之间的关系为 0℃-100℃，Rt=R0（1+αt） R0，Rt—分别为0℃和t℃的电阻值 α—铜电阻温度系数（4.25×10-3- 4.28×10-3/℃) R0分别为5０Ω和１００ Ω。 宁波大学信息学院

6. （3）半导体热敏电阻 半导体热敏电阻是利用某些半导体材料的电阻值随温度变化的特性。 按物理特性，可分为三类： （１）负温度系数的热敏电阻（ＮＴＣ）多用于温度测量和补偿； （２）正温度系数的热敏电阻（ＰＴＣ）用于恒温、加热控制或温度开关； （３）临界温度系数的热敏电阻（ＣＴＲ）用于温度开关。 宁波大学信息学院

7. Rt 负温度系数热敏电阻广泛应用。它是一种氧化物的复合烧结体，一般测量－１００~＋３００℃范围内的温度。 宁波大学信息学院

8. 2、ＰＮ结温度传感器 半导体ＰＮ结温度传感器是利用晶体二极管或三极管ＰＮ结的结电压随温度变化的原理工作的。  具有较好的线性度、尺寸小、响应快、灵敏度高，测温范围为－５０－－１５０℃。 宁波大学信息学院

9. 半导体ＰＮ结特性测温原理 ＰＮ结的反向电流随温度呈指数规律变化，硅二极管的电流方程为 宁波大学信息学院

10. i u o - ~2mV/K 二极管温度传感器 T2> T1> T0 当正向电流一定时,二极管的正向电压与被测温度Ｔ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． 1N4148/1-5mA 宁波大学信息学院

11. 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1μA/K。 宁波大学信息学院

12. 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 2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。 3、AD590的电源电压范围为4V～30V。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

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15. 二、光电传感器 1、概述 （1）光谱 光波： 波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm， 波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。 宁波大学信息学院

16. 光谱分布如图所示 宁波大学信息学院

17. （2）光电效应 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。 宁波大学信息学院

18. 内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ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。 宁波大学信息学院

19. 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。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 自由电子所占能带 Eg 禁带 不存在电子所占能带 价带 价电子所占能带 宁波大学信息学院

20. 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 式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。 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λ0，只有波长小于λ0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。 宁波大学信息学院

21. 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。 ①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Eg，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

22. ②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

23. RG 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. 宁波大学信息学院

24. 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.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. 电极 引线 引线 绝缘衬低 光导电材料 A 光电导体 金属封装的硫化镉光敏电阻结构图 宁波大学信息学院

25. （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

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27. 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

28. （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

29. 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MG41~MG45系列 宁波大学信息学院

30. 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 表光敏电阻器的型号命名及含义 宁波大学信息学院

31. 产品 名称： 河南南阳市信利佳电子有限责任公司生产的光敏电阻Φ4系列参数。 cds光敏电阻Φ4系列 型号最大最大环境光谱峰值亮电阻暗电阻γ100/10响应时间电压(v)功率(mW)温度(℃) (nm) 10LUX/K Ω (MΩ)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 2030 GM4538 150 50 -30--+70 540 30-50≥5 0.8 2030 GM4549 150 50 -30--+70 540 50-150≥100.9 2030 宁波大学信息学院

32. 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

33. 3、光敏二极管和光敏三极管 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μA到几十μA。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。 宁波大学信息学院

34. (1) 光敏二极管 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。 光 光 P N RL P N 光敏二极管接线 光敏二极管符号 宁波大学信息学院

35. 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.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

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37. 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τ = CjRL与 f = 1/2πτ知，Cj小，τ则小，频带将变宽。 P-Si I-Si N-Si PIN管结构示意图 宁波大学信息学院

38. 最大特点： 频带宽，可达10GHz; 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

39. B. 雪崩光电二极管(APD) 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100GHz，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。 宁波大学信息学院

40. 光电二极管的应用 宁波大学信息学院

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42. e c P N P b E c e RL N P N b ( 2 ) 光敏三极管 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β倍。 宁波大学信息学院

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44. 100 相对灵敏度/% 80 锗 硅 60 40 20 0 16000 4000 8000 12000 λ/Å 光敏三极管的主要特性： 光谱特性 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。 硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。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。 入射光 宁波大学信息学院

45. I/mA 6 2500lx 2000lx 4 1500lx 1000lx 2 500lx U/V 0 20 40 60 80 光敏晶体管的伏安特性 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。 宁波大学信息学院

46. I / μA 3.0 2.0 1.0 0 200 400 600 800 1000 L/lx 光敏晶体管的光照特性 光照特性 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。 宁波大学信息学院

47. 光电流/uA 暗电流/uA 50 400 300 25 200 100 0 0 30 20 40 50 60 70 20 30 40 50 60 70 10 80 10 T /ºC T/ºC 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。 光敏晶体管的温度特性 宁波大学信息学院

48. 相对灵敏度/% 100 RL=100kΩ 80 RL=1kΩ RL=10kΩ 60 40 20 0 500 1000 5000 10000 100 入射光调制频率 / HZ 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。 宁波大学信息学院

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50. 遮断型光电开关结构 4、光电开关 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） 宁波大学信息学院