常用传感器原理及应用2016_8汇编

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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 一、温度传感器 1、热电阻传感器 2、结温度传感器 3、集成温度传感器 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阻值值作为标为标 称值值。如：Pt100 （1）铂电阻 铂电阻与温度变化之间的关系为 当0 - 2mV/K 1N4148/1-5mA 当正向电流一定时,二极管的正向电压

2、与被测温度成线性关系； 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 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1A/K。 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、AD59

3、0的电源电压范围为4V30V。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。 二、光电传感器 （1）光谱 光波： 波长为10106nm的电磁波 可见光：波长380780nm 紫外线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。 1、概述 光谱分布如图所示 颜 色 紫蓝青绿黄橙红

4、波长（nm ） 430380450430500450570500600570630600780630 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 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生 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

5、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 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 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0， 只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能 产生电子能级间的跃进

6、，从而使光电导体的电 导率增加。 式中、分别为入射光的频率和波长。 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 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。 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

7、 带正电，N区带负电，形成光电动势。 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）。 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

8、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 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 （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。

9、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。 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。 （3）光敏电阻器的主要参数 1

10、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。 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

11、的光敏电阻器 常用的光敏电阻器有MG41MG45系列 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 产品 名称 ： cds光敏电阻4系列 型号 最大 最大 环境 光谱峰值 亮电阻 暗电阻 100/10 响应时间 电压(v) 功率(mW) 温度() (nm) 10LUX/K (M) 上升 下降 GM4516 150 50 -30-+70 540 5-10 0.5 0.6 20

12、 30 GM4527 150 50 -30-+70 540 10-30 2 0.7 20 30 GM4538 150 50 -30-+70 540 30-50 5 0.8 20 30 GM4549 150 50 -30-+70 540 50-150 10 0.9 20 30 河南南阳市信利佳电电子有限责责任公司生产的光敏电阻4系列参数。 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 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A到几十A。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

13、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 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2CU1AD系列、2DU14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

14、 (1) 光敏二极管 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。 A. PIN管结光电二极管

15、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 = CjRL与 f = 1/2知，Cj小，则小，频带将变宽。 P-Si N-Si I-Si PIN管结构示意图 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。 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100200V，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