常用传感器原理及应用分解

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、ＰＮ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℃t0℃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/℃2C=-4.22×10-12/℃4宁波大学信息学院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１００Ω。（2）铜电阻宁波大学信息学院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。（3）半导体热敏电阻宁波大学信息学院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。011()0BTTRReRt宁波大学信息学院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二极管温度传感器iuoT0T1T2-~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．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1μA/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μA/KIT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。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）430～380450～430500～450570～500600～570630～600780～630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。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。式中ν、λ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。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.RG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MG41~MG45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/KΩ(MΩ)上升下降GM451615050-30--[phone]≥0.50.62030GM452715050-30--[phone]≥20.72030GM453815050-30--[phone]≥50.82030GM454915050-30--[phone]≥100.92030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。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。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。PN光光敏二极管符号RL光PN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τ=CjRL与f=1/2πτ知，Cj小，τ则小，频带将变宽。P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图宁波大