机械工程测试技术第4章常用传感器与敏感元件.ppt

光纤传感器的应用3 光纤传感器的特点1 1）采用光波传递信息，不受电磁干扰，电气绝缘性能好，可在强电磁干扰下完成传统传感器难以完成的某些参量的测量，特别是电流、电压测量。 2）光波传输无电能和电火花，不会引起被测介质的燃烧、爆炸；光纤耐高温、耐腐蚀； 因而能在易燃、易爆和强腐蚀性的环节中安全工作。 3）某些光纤传感器的工作性能优于传统传感器，如加速度计、磁场计、水听器等。 光纤传感器的特点2 4）重量轻、体积小、可挠性好，利于在狭窄空间使用。 5）光纤传感器具有良好的几何形状适应性，可做成任意形状的传感器和传感器阵列。 6）频带宽、动态范围大，对被测对象不产生影响，有利于提高测量精度。 7）利用现有的光通信技术，易于实现远距离测控。 3.7半导体传感器 半导体材料的一个重要特性是对光、热、力、磁、气体、湿度等理化量的敏感性。利用半导体材料的这些特性使其成为非电量电测的转换元件，即半导体传感器。 属于物性型传感器。 类型：磁敏、热敏、气敏、湿敏传感器、固态图像传感器、集成传感器等。 半导体传感器——磁敏传感器 利用半导体材料的磁敏特性来工作的传感器。 磁敏传感器类型 霍尔元件：一种半导体磁电转换元件。 磁阻元件：利用半导体材料的磁阻效应来工作的 磁敏管等 概述 霍尔传感器属于磁敏元件，是基于霍尔效应工作，把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技术的发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。 磁敏传感器 磁学量 电信号 霍尔传感器 7.2 霍尔式传感器 在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。 霍尔效应 UH b l d I FL FE v B 霍尔元件的工作原理 设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时 洛仑兹力：FL = -evB 电场作用于电子的电场力为 当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，有 eEH=evB 故霍尔电场的强度为 EH=vB 所以，霍尔电压UH可表示为 UH = EH b = vBb 流过霍尔元件的电流为 I = dQ / dt = bdvn（-e） v = -I / nebd 所以： UH = -BI / ned n—N型半导体中的电子浓度 p—P型半导体中的空穴浓度 P型半导体 霍尔系数及灵敏度 N型霍尔系数 P型霍尔系数 ρ—材料电阻率 μ—载流子迁移率 霍尔系数由半导体材料性质决定，且决定霍尔电势的强弱。 N型材料电阻率 P型材料电阻率 讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件？ 金属材料电子μ很高但ρ很小； 绝缘材料ρ很高但μ很小; 故为获得较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成。 电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多。 霍尔器件符号 H A B C D A B C D B A C D C、D：霍耳输出端，称为霍尔端或输出端。 A、B：电极端，称为元件电流端、控制电流端或 输入电流端。 红色导线 红色导线 绿色导线 绿色导线 一般为4mm×2mm×0.1mm 光敏电阻 阻值的大小随光照的增强而降低，且光照停止后，电阻恢复原来的值。 特点：灵敏度高、光谱响应范围宽，可从紫外一直到红外，且体积小、性能 稳定，广泛用于测试技术。 主要特征参数 光电流、暗电阻、亮电阻 光照特性同：光电流与光通量的关系 伏安特性：两端所施加的电压与光电流之司的关系 光谱特性：对不同波长的入射光 ，相对灵敏度不一样 工作原理是光电导效应，图为光敏电阻的结构图。 图示符号 光敏电阻 光生伏打效应 定义：在光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏打效应。 光生伏打效应的器件：光电池 光电池也是一种有源器件。它广泛用于把太阳能直接转换成电能，亦称为太阳能电池。光电池种类很多，有硅、硒、砷化镓、硫化镉、硫化铊光电池等。 硅光电池应用最为广泛。硅光电池较适宜于接收红外光。 薄P层 PN结 N层 工作原理是光生伏特效应，其结构如图。 引出电极 光电池 图示符号 光电池 太阳能电池板 P N P N N 光敏晶体管 1．光敏二极管和光敏三极管的结构与工作原理 光敏晶体管 光敏晶体管 各式各样的光电传感器 光电传感器应用实例 光电传感器的应用 模拟量光电传感器 开关量光电传感器 脉冲盘式角度-数字编码器 码盘式角度-数字编码器 光电式角度-数字编码器 a）光电比色高温计中 b）测液体、气体的透明