传感器原理及应用基础

1 大学物理学补充教材（3） 传感器原理及应用基础 理学院物理教研室 2002．8． 2 传感器原理及应用基础 目前，人类已进入了科学技术空前发展的信息社会。在这个瞬息万变的信息社会里， 传感器为人类敏感地检测出形形色色的有用信息，充当着电子计算机、智能机器人、自动 化设备、自动控制装置的“感觉器官”。如果没有传感器将各种各样的形态各异的信息转 换为能够直接检测的信息，现代科学技术将是无法发展的。显而易见，传感器在现代科学 技术领域中占有极其重要的地位。 第一节 传感器与非电量电测 一、电量与非电量电测 我们生活的世界是由物质组成的，一切物质都处在永恒不停的运动之中。物质的运动 形式很多，它们通过化学现象或物理现象表现出来。表征物质特性或其运动形式的参数很 多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。电量一般是指物理学中的电学量，如 电压、电流、电阻、电容、电感等；非电量则是指除电量之外的一些参数，如压力、流量、 尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度、酸碱度，等等。 人们在科学试验和生产活动中，通过测量可以对物质或事物获得定量的概念并发现它 们的规律性，从而认识物质及事物的本质。在众多的实际测量中，大多数是对非电量的测 量。 随着科学技术的不断进步和自动化水平的提高，对非电量测量的精度、灵敏度及反应 速度，尤其对被测量动态变化过程的测量和远距离的检测都提出了更高的要求，原有的对 非电量的测量方法已无法适应这一需要。这就要求对原有的非电量测量方法加以改进，并 采用新技术新方法。采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用非常广泛的测量方 法。 非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量，因为一般电工仪表和电子仪器要 求输入的信号为电信号。在由电子计算机控制的自动化系统中，更是要求输入的信息为电 量信号。一些在特殊场合下的非电量，如炉内的高温，带有腐蚀性液体的液位，煤矿内瓦 斯的浓度等也无法进行直接测量，这也需要将非电量转换成电量进行测量。 这种把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法就是非电量 电测法。实现这种转换技术的器件叫传感器。 非电量电测法具有以下优点： （1）可进行微量检测，精度高，反应速度快； （2）可实现远距离遥测及遥控； （3）可实现无损检测； （4）能连续进行测量、记录及显示； （5）可采用计算机技术对测量数据进行运算、存储及信息处理； （6）测量安全可靠。 二、非电量电测系统 一个完整的非电量电测系统，一般由传感器、测量电路、显示或记录装置及电源四部 分组成，如图1.1所示。 系统中的传感器主要作用是将被测非物理量转换成与其有一定关系的电量，从图中可 以看出传感器在非电量电测系统中占有重要的位置，它获得的信息正确与否，直接关系到 整个系统的测量精度。 传感器 测量电路 测量电路 电源 测量电路 被测非电量 图1.1 非电量电测系统框图 测量电路主要用来将传感器输出的电信号进行处理和变换，如放大、运算、调制、数 -模或模-数变换等，使其输出的信号便于显示和记录。从测量电路输出的信号还可用于自 动控制系统，也可直接和计算机系统联接，对测量结果进行信息处理。 显示电路主要用来将测量电路输出的电信号显示成被测非电量的数值。被测数值可以 采用模拟显示，也可以使用数字显示。所测量的结果也可以由记录装置进行自动记录或由 打印机将数据打印出来。 在非电量电测系统中，有的传感器需要外加电源才能工作（如应变片组成的电桥、差 动变压器等）。而有的传感器则不需外加电源便能工作（如压电晶体等）。 第二节 传感器的定义 利用某种转换功能，将物理的、化学的、生物的等外界信号变成可直接测量的信号的 器件称为传感器。由于电信号易于放大、反馈、滤波、微分、存储和远距离传输，加上计 算机只能处理电信号，所以，狭义地说，传感器又可定义为可唯一而重视性好地将外界信 3 4 号转换成电信号的元器件。 有时人们往往把传感器、敏感元件、换能器及转换器的概念等同起来。在非电量电测 变换技术中，传感器一词是和工业测量联系在一起的，实现非电量转换成电量的器件称之 为传感器；在水声和超声波等技术中强调的是能量的转换，比如压电元件可以起到机-电或 电-机能量的转换作用，所以把可以进行能量转换的器件称之为换能器；对于硅太阳能电池 来说，也是一种换能器件，它可以把光能转换成电能输出，但在这类器件上强调的是转换 效率，习惯上把硅太阳能电池叫做转换器；在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件 称为敏感元件，如热敏元件、光敏元件、磁敏元件及气敏元件等。这些不同的提法，反映 了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而 已。这些提法虽然含义有些狭窄，但在大多数情况下并不会产生矛盾，如热敏电阻可称其 为热敏元件，也可称之为温度传感器。又如扬声器，当它作为声检测器件时，它是一个声 传感器，如果把它当成喇叭使用，也只能认为它是一个换能或转换器件了。 从广义角度出发，传感器指的是在电子检测控制设备输入部分中起检测信号作用的器件。 第三节 传感器的分类 传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一 种是按传感器的工作原理来分。 按被测物理量划分的传感器，常见的有：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位 移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 按工作原理可划分为： 1. 电学式传感器 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感 器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器 一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于 位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发 生变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁 效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、 转速和位移等参数的测量。 电涡流式传感器是利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制 成。主要用于位移及厚度等参数的测量。 2. 磁学式传感器 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数 的测量。 3. 光电式传感器 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的 光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 4. 电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁 通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。 5. 电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。 6. 半导体传感器 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触 产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 7. 谐振式传感器 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来 测量压力。 8. 电化学式传感器 电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器 可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。 电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率 及氧化还原电位等参数的测量。 另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接 转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光 敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化，直接把光信号转换成电信号输出；后者则要把 输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用弹簧 管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类，当有压力作用到弹簧管时，弹簧管产生形变， 传感器再把变形量转换为电信号输出。图 3.1示出了这两类传感器的转换框图。 电信号 转换 输入非电量 (a) 直接转换型 二次转换 电信号 二次转换 非电量 一次转换 输入非电量 (b) 间接转换型 图 3.1 直接转换型与间接转换型框图 5 第四节 传感器的基本特性 在科研试验和生产过程中，需要对各种各样的参数进行检测和控制。这就要求传感器 能感受被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。传感器所测量的非电量 是处在不断的变动之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地变换成相应的电量，取 决于传感器的输入—输出特性。传感器这一基本特性可用其静态特性和动态特性来描述。 一、传感器的静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。只考虑传感器的 静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标 是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 1．线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系 可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即具有理想的输 出输入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性，如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器 的输出与输入关系可用一个多项式表示： n n xaxaxaay ++++= L2210 （4-1） 式中： ——输入量0a x为零时的输出量； ——非线性项系数。 naaa ,,, 21 L 各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式各不相同。 静态特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希 望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进 行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性 的次方不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线 的一段，如图 4-1所示，使传感器输出—输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。 实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常用相对 误差 Lγ 表示，即 %100max ×∆±= FS L Y Lγ （4-2） 式中： ——最大非线性绝对误差； maxL∆ FSY ——满量程输出。 从图 4-1中可见，即使是同类传感器，拟合直线不同，其线性度也是不同的。选取 拟合直线的方法很多，用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。 6 图 4-1 几种直线拟合方法 (a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c) 端点连线拟合；(d)端点平移拟合 2、灵敏度 灵敏度是指传感器的输出量增量 与引起输出量增量y∆ y∆ 的输入量增量 的比值，即 x∆ xyS ∆∆= / （4-3） 对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即 xyS /= 为常数，而非线 性传感器的灵敏度为一变量，用 dxdyS /= 来表示。传感器的灵敏度如图 4-2所示。 图 4-2 传感器的灵敏度 3、迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出一输入特性曲线不重合 的现象称为迟滞，如图 4-3所示。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行 程输出信号大小 元件材料的物理性质 不相等。产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感 7 和机械零部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构 的间隙、紧固件松动等。 迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差可由下式计算： %100 2 1 max ×∆±= FS H Y Hγ （4-4） 式中： ——正反行程输出值间的最大差值。 maxH∆ 8 图 4-3迟滞特性 图 4-4 重复性 4、重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一 致的程度，如图 4-4所示。重复性误差属于随机误差，常用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 偏差表示，也可用正反行 程中的最大偏差表示，即 %100)3~2( ×±= FS R Y σγ （4-5） 或 %100 2 1 max ×∆±= FS R Y Rγ （4-5） 二、传感器的动态特性 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变 化，是时间的函数时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动特性来表示。 一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量 的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除 了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输 入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间 的差异就是所谓的动态误差。 为了说明传感器的动态特性，下面简要介绍 动态测温的问题。当被测温度随时间变化或传感 器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式 测量某温度场的温度分布等情况下，都存在动态 测温问题。如把一支热电偶从温度为 ℃环境中 迅速插入一个温度为 ℃的恒温水槽中（插入时 0t 0t 图 4-5 动态测温 间忽略不计），这时热电偶测量的介质温度从 突然上升到0t t，而热电偶反映出来的温度从 ℃变化到 ℃需要经历一段时间，即有一段过渡过程，如图 4-5 所所示。热电偶反映出 来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。 0t 0t 造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因，是因为温度传感器有热惯性（由传 感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被 测介质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。这种热惯性是热 电偶固有的，这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。影响动态特 性的“固有因素”任何传感器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。 动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入量的变化形式有关。也 就是说，我们在研究传感器动特性时，通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应。 虽然传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为一阶或二阶系统（高阶可以分 解成若干个低阶环节）。因此一阶和二阶传感器是最基本的。传感器的输入量随时间变化 的规律是各种各样的，下面在对传感器动态特性分析时，采用最典型、最简单、易实现的 正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应 或稳态响应；以于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。 1、瞬态响应特性 传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传 感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号响 应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位 阶跃响应来 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 传感器的动态性能指标。 1）一阶传感器的单位阶跃响应 在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 上，一般将下式 )()()( txty dt tdy =+τ （4-7） 视为一阶传感器单位阶跃响应的通式。式中 、 分别为传感器的输入量和输出量， 均是时间的函数， )(tx )(ty τ 表征传感器的时间常数，具有时间“秒”的量纲。 一阶传感器的传递函数： 1 1 )( )()( +== ssX sYsH τ （4-8） 对初始状态为零的传感器，当输入一个单位阶跃信号 ⎩⎨ ⎧ > ≤= 01 00 )( t t tx 时，由于 s sxttx 1)(),(1)( == ，传感器输出的拉氏变换为 ss sXsHsY 1 1 1)()()( ⋅+== τ （4-9） 一阶传感器的单位阶跃响应信号为 τ t ety −−=1)( （4-10） 9 相应的响应曲线如图 2-7所示。由图可见，传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入 信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在 t趋 于无穷大时才达到稳态值，但实际上当 τ4=t 时其输出达到稳态值的 98.2%，可以认为已 达到稳态。τ 越小，响应曲线越接近于输入阶跃曲线，因此，τ 值是一阶传感器重要的性 能参数。 2）二阶传感器的单位阶跃响应 图 4-6 一阶传感器单位 阶跃响应 二阶传感器的单位阶跃响应的通式为 )()()(2)( 22 2 2 txty dt tdy dt tyd nnn ωωξω =++ （4-11） 式中： nω ——传感器的固有频率； ξ ——传感器的阻尼比。 二阶传感器的传递函数： 22 2 2 )( nn n ss sH ωξω ω ++= （4-12） 传感器输出的拉氏变换： )2( )()()( 22 2 nn n sss sXsHsH ωξω ω ++== （4-13） 二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上 取决于阻尼比ξ和固有频率 nω 。固有频率 nω 由传 感器主要结构参数所决定， nω 越高，传感器的响 应越快。当 nω 为常数时，传感器的响应取决于阻 尼比ξ。图 4-7 为二阶传感器的单位阶跃响应曲 线。阻尼比ξ直接影响超调和振汤次数。 0=ξ ， 为临界阻尼，超调量为 100%，产生等幅，达不到 稳态。 1>ξ ，为过阻尼，无超调也无振荡，但达 到稳态所需时间较长。 1<ξ ，为欠阻尼，衰减振 荡，达到稳态值所需时间随ξ的减小而加长。 1=ξ 时响应时间最短。但实际使用中常按稍欠阻尼调 整，ξ取 0.7~0.8为最好。 图 4-7 二阶传感器单位阶跃响应 3）瞬态响应特性指标 （1）时间常数τ 一阶传感器时间常数τ 越小，响应速度越快。 （2）延迟时间 传感器输出达到稳态值的 50%所需时间。 （3）上升时间 传感器输出达到稳态值的 90%所需时间。 （4）超调量 传感器输出超过稳态值的最大值。 2、频率响应特性 传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频 10 率特性出发研究传感器的动态特性。 1）一阶传感器的频率响应 将一阶传感器的传递函数中的 s用 ωj 代替后，即可得频率特性表达式，即 1)( 1)( += ωτω jjH （4-14） 幅频特性 2)(1 `)( ωτ ω + =A （4-15） 相频特性 )()( ωτω arctg−=Φ （4-16） 图 4-8为一阶传感器的频率响应特性曲线。 图 4-8 一阶传感器频率响应特性 从式（4-15）、（4-16）和图 4-8看出，时间常数τ 越小，频率响应特性越好。当 1<<ωτ 时， 0)(,1)( ≈Φ≈ ωωA ，表明传感器输出与输入为线性关系，且相位差也很小，输出 比 较真实地反映输入 的变化规律。因此，减小 )(ty )(tx τ 可改善传感器的频率特性。 2）二阶传感器的频率响应 二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分别为 0 2 0 21 1)( ω ωξω ω ω j jH +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛− = （4-17） 2 0 22 0 21 1)( ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛− = ω ωξω ω ωA （4-18） 2 0 0 1 2 )( ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛− −=Φ ω ω ω ωξ ω arctg （4-19） 11 图 4-9为二阶传感器的频率响应特性曲线。从式（4-18）、（4-19）和图 4-9可见，传感 器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器的固有频率 nω 和阻尼比ξ。当 1<ξ ， ωω >>n 时， )(,1)( ωω Φ≈A 很小，此时，传感器的输入 再现了输入 的波形。通常固有频率)(ty )(tx nω 至少应大于被测信号频率ω的 3～5倍，即 0)5~3( ωω ≥n 。 为了减少动 固有频率 nω 与传感器运动 大刚度 和减小质量 可 实际中， 应综合各种因素 k m 3）频率响应 （1）频带 上、下截止频率 （2）时间常 图 4-9 二阶传感器频率响应特性 （a）幅频特性；(b)相频特性 态误差和扩大频率响应范围，一般是提高传感器固有频率 nω 。而 部件质量 和弹性敏感元件的刚度 有关，即 。增 提高固有频率，但刚度 增加，会使传感器灵敏度降低。所以在 m k 2/1)/( mkn =ω k 来确定传感器的各个特征参数。 特性指标 传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带，对应有 。 数τ 用时间常数τ 来表征一阶传感器的动态特性。τ 越小，频带越宽。 12 （3）固有频率 nω 二阶传感器的固有频率 nω 表征了其动态特性。 第五节 传感器种类 温度传感器：双金属温度传感器、热电偶、热电阻、热敏电阻、聚合热开关、热敏铁 氧体、热舌簧开关、半导体管温度传感器、集成温度传感器、温度控制器、热释电红外传 感器、NQR温度计、石英温度传感器、电容式温度传感器、热噪声温度传感器等。 湿度传感器：碳膜湿度传感器、MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器、NiO陶瓷湿度传感器、 TiO2-V2O5陶瓷湿度传感器、金属氧化物膜湿度传感器、氯化锂（LiCI）湿敏电阻、高分 子电容、电阻式湿度传感器、多孔氧化铝湿度传感器、铌酸锂晶体湿度传感器、石英湿度 传感器、电阻电容型结露传感器、电阻电容式水分传感器等。 力学传感器：应变式传感器、压阻式压力传感器、压电传感器、电容式压力传感器、 谐振压力传感器、电感式压力传感器、开关式加速度传感器、扭矩传感器等。 光传感器：光电管、光电倍增管、光敏器件、光耦器件、红外光传感器、紫外线传感 器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD图像传感器。 磁传感器：霍尔开关集成传感器、霍尔线性集成传感器、磁敏二极管、磁敏三极管。 机械位移传感器：电容式位移传感器、电阻应变式位移传感器、电感式位移传感器、 涡流式位移传感器、光电式位移传感器、光纤位移传感器、光栅位移传感器、磁栅式位移 传感器等。 转速及线速度传感器：磁电式转速传感器、光电式转速传感器、光断续器式转速传感 器、离心式转速传感器、电涡流式转速传感器、霍尔式转速传感器、电动式速度传感器、 电磁式速度传感器、多卜勒效应测速等。 流量及流速传感器：电磁式流量传感器、涡流流量传感器、超声波流量传感器、热导 式流速传感器、激光流速传感器、光纤流速传感器、浮子式流量传感器、涡轮式流量传感 器。 气体传感器：半导体气敏元件（SnO2、Fe2O3气敏元件）、接触燃烧式气体传感器、氢 敏器件、气敏二极管、原电池式气体传感器。 以及其它传感器等。 13 第六节 传感器原理举例 一、温度传感器 a、温敏二极管 1、基本工作原理 半导体二极管是由一个 PN结构成的，根据 PN结的特性，其正向电流 和 PN结上 的压降 之间的关系，可简化表示为 fI fV kTqVof feII = 两边取对数得 o f f I I n q kTV 1= 由于 ktqVo goeBTI /−= η 则 nT q kTnB q kTVnI q kTV goff 111 η−−+= 对上式微分得 ηη q knT q knB q kI q k dT dV f f −−−= 11ln 根据 和fV dT dV f 两得得到 ][ q k T VV dT dV tgof η+−−= 在上面各式中 ——PN结正向电流； fI ——PN结的正向压降； fV ——PN结的反向饱和电流； 0I ——电子电荷量， ； q C19106.1 −× T ——绝对温度； k——波尔兹曼常数，8.613×10-5ev/k； 和B η——与半导体结构和 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 有关的常数，取 5.3=η ； ——半导体材料禁带宽度，硅材料为 1.172V。 goV 如果我们取 KT 300= (℃)、 ，则可得到 VV f 65.0= KmV dT dV f /2−= 从计算结果可知，温度每升高一度，PN结正向压降就下降 2mV。利用半导体二极管 的这一特性，就可以用它进行温度的测量。 2、温敏二极管的特性 通过对半导体二极管的分析可知，在一定偏置电流的情况下，半导体二极管 PN结的 压降是温度的函数，这个函数的曲线与直线非常接近。用于测温的半导体二极管，不宜使 14 用锗二极管，这是因为锗二极管的反向 导体材料大都选用硅及砷化镓材料。 国产 2DWM型硅温敏二极管采用 烧结等一系列加工过程后，采用镍丝引 封装成各种形状，如珠型、管型、探针 范围为-50～150℃。图 6-1给出了 2DW b、温敏三 在温敏二极 合电流和表 面复合电流成分 将使温敏二极管 特性偏离理想曲 使其应用范围受 三极管可以解决 为温敏三极管在 虽然发射极电流 分，但只有其中 达集电极，形成 是由于这个原因 压—温度特性比 极管 图 6-1 2DWM型温敏二极管的V T 特性 f − 管的正向电流中，除扩散电流外，还包含有空间电荷区中的复 。后两种电流成分 的实际电压—温度 线，线性误差较大， 到限制。利用温敏 这一问题。这是因 正向工作状态下， 也包含上述三个部 的扩散电流能够到 集电极电流。也正 ，温敏三极管的电 温敏二极管的电压 电流大，线性度差。因此用于制造温敏二极管的半 掺硼的 P型硅单晶片，经氧化、光刻、腐蚀、电镀、 线与芯片烧结而成，最后将其涂上内保护材料，并 型等。2DWA温敏二极管的线性度为 ，测温 M温敏二极管的 %3.0± TV f − 特性曲线。 15 图 6-2 温敏三极管测温原理图 —温度特性更符合理想状态，具有良好的线性度。 温敏三极管在一定的发射极电流下，可以得到随温度变化的电压输出。图 6-2给出了 一种常用的温敏三极管测温电路图。这 个电路由运算放大器和一只温敏三极管 组成。温敏三极管做为反馈元件跨接在 运算放大器的反相输入端，同时使基极 接地。这样使得发射结成为正向偏置， 而集电结几乎为零偏置，保证了流过集 电极的电流为恒定（ )/ REI c = ，且与温 度无关。此时将得到基极、发射极之间 的电压做为运算放大器的输出。集电极 电流 和 之间的关系可由下式表示， 即 cI beV 16 es e be I In q KTV 1= 式中： ——发射结压降； beV ——发射极电流； eI ——发射结的反向饱和电流。 esI 由上式可知，当 为恒定电流时， 与 eI beV T 呈线性关系。显然，可以根据这个关系通过 来进行温度的测量。当 一定时， 温敏三极管 和温度的关系如图 6-3所示。 beV eI beV 图 6-3 温敏三极管V 与be T 的关系曲线 温敏三极管虽然测温范围较窄，只有-50～+50℃，但由于它的线性度较好，容易大批 量生产，所以也得到了较为广泛的应用。 二、压力传感器 电感式压力传感器 图 6-4 变隙式电感压力传感器工作原理图 1、工作原理 在电感式压力传感器中，大都采用变隙 式电感做为检测元件，它和弹性元件组合在 一起构成电感式压力传感器。图 6-4是这种 传感器的工作原理图。检测元件由线圈、铁 芯、衔铁组成，衔铁安装在弹性元件上。在 衔铁和铁芯之间存在着气隙δ ，它的大小随 着外力 F的变化而变化。 这种传感器中线圈的电感 可按下式 计算，即 L mRNL / 2= 式中： ——线圈匝数； N ——磁路总磁阻（1/H）； mR 磁阻表示物质对磁通量所呈现的阻力。在磁路中，磁通量的大小不但和磁势有关，而 且也和磁阻的大小有关。当磁势一定时，磁路上的磁阻越大，则磁通量越小。磁路上的气 隙的磁阻比导体的磁阻大得多。 假设气隙是均匀的，且导磁截面与铁芯的截面相同，在不考虑磁路中的铁损时，则磁 阻可由下式表示，即 AA lRm 0 2 µ δ µ += 式中： ——磁路长度（m）； l µ ——导磁体的导磁率（H/m）； A——导磁体的截面积（m2）； δ ——气隙量（m）； 0µ ——空气的导磁率（4π×10-7H/m）。 由于 µµ <<0 ，因此上式中的第一项可以忽略不计，则可得到 δµ 2/02 ANL = 如果给传感器线圈通以交流电源时，流过线圈电流 I 与气隙之间有如下的关系，即 )/(2 20 ANUI ωµδ= 式中：U ——交流电压（V）； ω——交流电源角频率（孤度/秒）。 从以上各式可以看出，当衔铁与铁芯的位置由于压力引起变化时，即气隙δ 发生变化 时，传感器线圈的电感量会发生相应的变化，流过传感器的电流 I 也发生相应变化。因此， 通过测量线圈中电流的变化便可得知压力的大小。 2、气隙电感式压力传感器 图 6-5是气隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔芯及线圈等组成，衔 铁与膜盒的上端连在一起。 图 6-5 气隙电感式压力传感器结构图 17 当压力进入膜盒是，膜盒的顶端在压力 P的作用下产生与压力 P大小成正比的位移， 于是衔铁也发生移动，从而使气隙δ 发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化。电流 表 A指示值就是被测压力的大小。一般可以把电流表的刻度值用压力校准仪进行标定。 三、光传感器 1、光纤式光电传感器 光纤维作为信息传输媒介的光纤通信，已得到了广泛的应用。利用光纤维的光纤传感 器，发展非常迅速，目前已有光纤压力传感器、光纤磁场传感器、光纤温度传感器、光纤 应变传感器，光纤电场传感器等用于非电量的电测上。 光纤传感器有两种类型，一种是传光型光纤传感器，光纤在传感器中起光的传输作用， 又称为光纤式光电传感器。另一种是功能性光纤传感器，光在光纤内部传输过程中，受到 外界物理因素（ 波长或偏振态等 传感器来测量一 结构及工作 光纤传感器 光纤的前端可根 光纤的构造 皮。光纤的直径 切割，光纤式光 纤制造技术的进 光纤光电式 它需要二根光纤 无物体时，发射 纤之间有物体存 如温度、压力、电场、磁场等）的影响，会引起光纤中光的强度、相位、 的变化，只要测出这些参量随外界物理因素的变化关系，就可以用它作为 些物理量的变化。下面仅对光纤式光电传感器做一介绍。 原理 由光纤单元和放大器组成，如图 6-6所示。其中光纤起光的传输作用。在 据需用加装透镜，透镜对传感器的性能有着直接的影响。 图 6-6 光纤光电传感器的外形结构 有许多种，常见的有单芯光纤和双芯光纤，在它们的外部都包含有金属外 很细，仅有 mµ104− ，加上外皮也只有 1~2.2mm，其长度可根据需要任意 电传感器的光纤长度为 2m。光纤用的材料早期有塑料、玻璃等，随着光 步，现大多已采用透明度很好的石英玻璃做为光纤的主要原料。 传感器有透过型和反射型两种。透过型传感器主要用来检测物体的有无， ，一根用于发射光，另一根则用来检测，如图 6-7所示。当二根光纤之间 光可直接由光纤式光电传感器接收，经放大后去信号处理电路；当两根光 在时，光线被物体遮挡，接收光纤传感器无信号输出。信号处理电路根据 18 信号的有无即可判断物体的存在与否。 6-7 透过型传感器工作原理图 反射型传感器的工作原理，如图 6-8所示。从光纤发出的光经物体反射后，根据多卜 勒效应其相位发生变化，检测出光相位的变化便可得知物体的有无、物体彩色及明暗的差 异。也可以根据反射光的有无来判断物体的有无。 图 6-8 反射型传感器工作原理图 2、CCD图像传感器 图像传感器是采用光电转换原理，用来摄取平面光学图像并使其转换为电子图像信号 的器件。图像传感器必须具有两个作用，一是具有把光信号转换为电信号的作用；二是具 有将平面图像上的像素进行点阵取样，并把这些像素按时间取出的扫描作用。图像传感器 用于摄像目的较多，因此又称它为摄像管。摄像管的发展很迅速，它经历了光电摄像管、 超光电摄像管、正析摄像管、光导摄像管、二次电子导电硅靶管以及目前新发展起来的 CCD图像传感器——固体摄像管等。本节着重介绍 CCD图像传感器。 （1）电荷耦合器件 电荷耦合器件又称为CCD器件，它是七十年代新发展起来的一种半导体功能器件。电 荷耦合器件是在大规模集成电路技术发展基础上产生的，它具有存储、转移并逐一读出信 号电荷的功能。利用电荷耦合器件的这种功能，可以制成图像传感器、数据存储器、延迟 19 线等，它在军事、工业和民用产品领域内都有着广泛的应用。 1. 金属一氧化物一半导体电容器 CCD器件是在MOS电容器基础理论上发展起来的，它的基本结构如图6-9所示。在一 片P型硅上生长一层具有介质作用的二氧化硅，在二氧化硅上又淀积一层金属电极，于是 就成了一个金属-氧化物-半导体电容器，也 就是MOS电容。由于是P型硅，所以其中主 要的导电粒子是带正电的空穴。当我们给金 属电极加一正电压时，在电场的作用下，电 极下面硅片的一个区域内的空穴被赶尽而 形成一个耗尽区。耗尽区对带负电的电子是 一个势能特别低的区域，与周围非耗尽区相 比，它就像一个陷阱，因此称它为电子势阱。 这时，如果有光线从硅背面照入，在耗尽区 及其附近产生的光生电子就会被收集在势 阶内，而同时产生的光生空穴都被电场排斥 出耗尽区。光照越强，产生的电子一空穴对越多，势阱中收集的电子数就越多；光照越弱， 产生的电子一空穴对就越少，势阱中收集的电子就越少，因此，势阱中电荷的多少反映了 入射光的强弱。这样，我们就能用收集在势阱中的光生电子量来代表入射光的信息。如果 在一个硅片上做成成千上万个相互孤立的MOS电容，在电极上加上电压后，每一个电极下 就存在一个势阱，硅片受到光照后，在这些势阱中就收集了光生电子，每个势阱中收集的 光生电子数量与其对应的MOS电容受光照的强弱成正比。由于这些势阱互不相通，因而每 个MOS电容收集到的光电子也不会混淆。这样照在硅片上的光学图像就被转换成一幅光生 电子图像，每一个MOS电容构成一像元，各像元中光生电子的多少代表了光的强弱。 图 6-9 MOS电容的结构 2．电荷耦合器的工作原理 采用MOS电容虽可以获得光生电子图像， 读 取出来。电荷耦合器就是完成电子图像读取功 电荷耦合器的基本结构，如图6-10所示。 这 图 6-10 CCD 20 但无法把这种电子图像变为图像信号依次 能的一个器件。 在一个硅片上有一系列并排的MOS电容， 的基本结构 些MOS电容的电极以三相方式联结，即：电极1、4、7⋯⋯与 1φ 相连，电极2、5、8⋯⋯与 时钟 2φ 相连。电极3、6、9⋯与 3φ 相连。这样只要在电极上加上正电压，在硅片上就会形 成一系列势阱，在有光照时，这些势阱都能收集光生电荷，只要电极上的电压不去掉，这 些代表光信息的电荷就一直存储在那里，通常把这些被收集在势阱中的信号电荷称之为电 荷包。 如果在三相电极上加上一组如图6-11所示的时钟脉冲，那么这些电荷包就会按下述规 律变化。当 时，时钟1tt = 1φ 的电压为V ，而 时钟 2φ 、 3φ 均为零，此时，信号电荷只存储 在电极为1、4、7⋯⋯下面的势阱中，在 2tt = 时，时钟 1φ 的电压逐渐减小，时钟 2φ 的电压上 升为V ，时钟 3φ 的电压仍为零，这时，电极2、 5、8⋯⋯下面形成了势阱。由于电极之间靠的 很近，因此与 1φ 与 2φ 相连电极下的势阱发生耦 合而连在一起，如图6-12所示。由于MOS电容 下势阱的深浅与电极上所加的电压成正比，所 以随着时钟电压 1φ 的减少， 1φ 下的势阱逐渐变 浅，而时钟电压 2φ 则为 2φ 下的势阱达到最深。 与水往低处流一样，电子总是由势能高的地方 向势能低的地方运动，因此，原 1φ 下的电荷包就逐渐向 2φ 电极下转移。当 时，3tt = 1φ 下 降为零， 1φ 电极下的势阱全部消失，电荷包全部转 移到 2φ 电极下的势阱中。电荷包就这样完成了一次 转移。随着时钟信号的不断变化，电荷包就会沿着 硅及二氧化硅的界面，不断地朝一个方向转移，这 就是CCD中载流子的运输过程。 图 6-11 CCD时序图 图 6-12 电荷转移图 图6-13是CCD器件输出端结构图。它实际是在 MOS电容电极的终端制作了一个PN结，形成了 CCD器件的输出端。若给这个PN结以反向偏置， 那么转移到终端的电荷包就会被PN结所收集，在 负载 上形成脉冲电流，每收集一个电荷包就产生 一个脉冲，脉冲的幅度正比于电荷包中电荷的数量。 lR 通过上述CCD的工作原理可以看出，CCD器件具有存储、转移电荷和逐一读出信号电 荷的功能。图像信号的读出是依靠时钟脉冲电压的作用及电荷耦合效应在硅片内部实现 的，因此，CCD器件是一种固体自扫描半导体摄像器件，它可有效地应用于图像传感器。 21 图 6-13 CCD器件输出端结构 2、CCD图像传感器 图6-14是CCD图像传感器的结构示意图。在硅片面正的二氧化硅层上面排列有 1φ 、 2φ 、 3φ 和 1φ ′、 2φ ′、 3φ ′两组电极，它们分别和硅片上的MOS电容矩阵相连接。在硅片上制作有 100列彼此隔离的垂直放置的电荷耦合器，每一列有100位，每三个顺序电极为一位。在这 100列垂直耦合器的下方有一个100位的水平放置的电荷耦合器，它的每一位正好和每一个 垂直列相耦合。在水平电荷耦合器的右端，有一行行输出PN结，用来输出图像电信号。 图 6-14 CCD图像传感器结构示意图 当光线从硅面照射时，经聚焦的光学图像落在由100列电荷耦合器组成的感光矩阵上。一 开始工作，在 1φ 电极上加一正电压， 2φ 和 3φ 电极上的电压为零。这时在 1φ 电极下就形成了 100×100个势阱，它们构成了100×100个电荷包组成的电子图像。若使 1φ 、 2φ 、 3φ 电极的 时钟脉冲以三相方式工作，这幅电子图像就开始逐渐向下传送。 1φ 、 2φ 、 3φ 三极上的时钟 22 电压每变化一个周期，电荷包就向下转移一行，最低部的一位被送入到水平电荷耦合器。 与此同时， 1φ 、 2φ 、 3φ 电极上的时钟电压也开始工作，它的工作频率要比 1φ 、 2φ 、 3φ 电 极上的时钟频率快100倍。因此，在每一行电荷包被传送下来时，水平电荷耦合器就会以 极快的速度把它们逐个向输出PN结输送，这样在 PN结上就获得了一行电荷包的信号。垂 直电荷器经过100位转移后，在PN结输出端就可逐行读出一幅电子图像，也就得到了一帧 图像信号。当一帧图像读出后，又开始第二个完全相同的过程。图像信号经电路处理便可 还原成图像，再现在人们的眼前。上述就是CCD图像传感器的基本工作过程。 随着超大规模集成电路制造技术的发展，CCD图像传感器的感光面阵越做越大，像素 越来越多，早已达到电视分辨率实用化的要求。采用CCD图像传感器制作的摄像机有着无 可比拟的特长：图像不畸变，无残留图像，像素彼此独立，互不干扰，像素存取自由度大， 噪声低，灵敏度高，动态范围大，结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，环境适应性强， 成本低廉等。 四、气体传感器 利用半导体材料吸附气体后引起其性质发生变化特性而制成的器件称为气体传感器， 它是一种气—电转换元件。 气体传感器大体上可分为两种，一种是电阻式，另一种是非电阻式，目前使用的大多 为电阻式气体传感器。电阻式气体传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作，利 用其阻值随被测气体浓度改变而变化的特性来检测气体浓度。非电阻气体传感器是一种半 导体器件，它们与气体接触后，如二极管的伏安特性或场效应管的电容-电压特性等将会发 生变化，根据这些特性的变化来测定气体成分浓度。除此之外，还可以利用原电池对一些 气体进行检测。 气体传感器主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有 害气体的检测，并进行预报和自动控制。在防治公害方面检测污染的气体。在家庭中进行 煤气报警和火灾报警等。 1、半导体气敏元件的工作原理 半导体气敏元件采用金属氧化物半导体材料，它也分为N型半导体，如SnO2、Fe2O3、 ZnO等；P型半导体，如CoO、PbO、Cu2O、NiO等。常见的已实用化的半导体气敏元件是 SnO金属氧化物半导体气敏元件和Fe2O3系列半导体气体传感器。 半导体气敏元件的敏感部分是金属氧化半导体微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有 被检测气体时，半导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元 件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。这种反应是可逆的，因而是可重复使用的。电 阻值的变化是伴随着金属氧化物半导体表面对气体的吸附和释放而发生的，为了加速这种 反应，通常要用加热器对气敏元件加热。 半导体气敏元件吸附被测气体时电阻的变化如图6-15所示。当半导体气敏元件在洁净 23 的空气中开始通电加热时，其电阻急剧下降，经几分钟后达到稳定值，这段时间称为初始 稳定时间。半导体气敏元件的电阻处于稳定值后，它会随被测气体的吸附情况而发生变化。 其电阻值的变化规律视半导体的材料而定：P型半导体气敏元件的阻值上升；N型半导体气 敏元件的阻值下降。 SnO2及Fe2O3气敏元件 在半导体气敏元件中，SnO2气敏元件的的历史最久，也是目前制作工艺比较成熟及使 用广泛的气敏元件。SnO2气敏元件是以SnO2为基体材料，添加不同的物质经烧结制成的。 图6-16是SnO2气敏元件的结构图。它主要由SnO2烧结体、加热器、电极引线、塑料底座及 不锈钢丝网罩等组成。在烧结时将加热器、测量电极同SnO2烧结在一起制成气敏元件，最 后将加热器热丝和测量电极焊接在塑料底座的引出线上，并罩上二层不锈钢丝网。 图 6-16 SnO2气敏元件的结构 行 剂 以 烷 线 图 6-15 半导体气敏元件检测气体时的 阻值变化曲线 SnO2气敏元件可用来对甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、酒精、硫化氢等可燃性气体进 测量，其特性如图6-17所示。 SnO2气敏元件的灵敏度随气体的种类、工作温度、激活剂等因素而变化。添加铂激活 的SnO2气敏元件的最佳工作温度也随气体种类的不同而不同，如一氧化碳气体为200℃ 下，对丙烷约300℃，对甲烷约400℃以上。 32OFe 系列敏元件目前有 32OFe−γ 和 32OFe−α 气敏元件二种。 气敏元件对甲 ， 、 等气体成分十分敏感因而它常使用于城市可燃气体的检测，其结构与特性曲 与 气敏元件类似。 32OFe 1Co 2H 2SnO 24 五、激光传感器 利用激光构成的 速仪、激光陀螺仪、 传感器原理作一介绍 激光衍射传感器 真正应用于微小直径 感器可以测量微小间 化量），薄带宽度（如 理量，如重量、