传感器与自动检测技术第3章(2).

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1、3.9.3 光电耦合器件 光电耦合器（光电隔离器）是利用发光元件与光 敏元件封装为一体而构成电光电转换的器件。 下页上页返回 3.9.3 光电耦合器件 （1）光电隔离器 光电隔离器由一发光二极管和光敏晶体管封装在同一个 管壳内组成，在装配上要使LED辐射能量能有效地耦合到光 敏晶体管上。 选用哪种形式的光电隔离器要根据使用要求和目的来确 定当然在实用中都应尽量选用结构简单的组合形式的器件， 且无论选用何种组合形式，均要使发光元件与接收元件的工 作波长相匹配，保证器件具备较高的灵敏度。 下页上页返回 3.9.3 光电耦合器件 光电隔离器主要应用与以下几个方面： 1）将输入与输出端两部分电路的地线

2、分隔开，并各自使用一 套电源供电 下页上页返回 3.9.3 光电耦合器件 2）实现电平转换。 下页上页返回 3.9.3 光电耦合器件 3）提高驱动能力。采用如达林顿电路和可控硅 输出型等形式的光电隔离器，不但可以实现 隔离作用，而且还具有较强的带负载的能力 ，利用这类光电隔离器，微机输出信号可以 直接驱动负载。 下页上页返回 3.9.3 光电耦合器件 （2）光电开关 光电开关是通过把光的强度变化转变为电信号变化 ，并以此来实现控制的一种电子开关。对金属或非 金属都能作出反应，无机械磨损，无电火花，是一 种安全、可靠、长寿命、无触点的开关。在一些简 单的自动控制场合，因输入信号往往是开关信号（

3、高电平或低电平），其控制量也是开关量，即接通 电源或断开电源等，故可用电子开关在一定距离内 检测物体的有无。 下页上页返回 3.9.3 光电耦合器件 下页 3.9. 3 光 电耦 合器 件 上页返回 3.9.3 光电耦合器件 光电开关以其结构和工作方式的不同，可分 为沟式、对射式、反光板反射式、扩散反射 式、聚焦式、光纤式等类型。 下页上页返回 3.9.3 光电耦合器件 发、收 发、收 a) 扩散反射式光电开关 下页上页返回 3.9.3 光电耦合器件 光纤 被检测物 发、收 被检测物 聚焦点 发、收 b) 聚焦式光电开关 c) 光纤式光电开关 下页上页返回 3.9.4 电荷耦合器件（CCD）

4、电荷耦合器件(ChargeCoupled Devices， 简称CCD)是一种在70年代初问世的新型半导 体器件。利用CCD作为转换器件的传感器， 称为CCD传感器，或称CCD图像传感器。 下页上页返回 3.9.4 电荷耦合器件（CCD） CCD器件有两个特点：一是它在半导体硅片上制有 成百上千个(甚至数百万个)光敏元，它们按线阵或 面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像于半导硅 平面上时。这些光敏元就产生与照在它们上面的光 强成正比的光生电荷。二是它具有自扫描能力，亦 即将光敏元上产生的光生电荷依次有规则地串行输 出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成正比 。由于它具有集成度高、分辨率高、固

5、体化、低功 耗和自扫描能力等一系列优点。 下页上页返回 3.9.4 电荷耦合器件（CCD） MOS光敏元结构及其势阱 下页上页返回 3.9.4 电荷耦合器件（CCD） （1）电荷耦合器件原理 电荷耦合器件分为线阵器件和面阵器件两种，其基 本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器。 CCD最基本结构是一系列彼此非常靠近的相互独立 的MOS电容器，它们按线阵或面阵有规则地排列， 且用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化 物，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（ 也有二相和四相）配线方式连接。 下页上页返回 3.9.4 电荷耦合器件（CCD） 2）读出移位寄存器 a) 势阱耦合与电荷转移

6、b) 控制时钟波形图 下页上页返回 3.9.4 电荷耦合器件（CCD） （2）CCD传感器的应用 CCD传感器利用光敏元件的光电转换功能将 透射到光敏元件上的光学图像转换为电信号“ 图像”，即光强的空间分布转换为与光强成比 例的、大小不等的电荷包空间分布，然后经 读出移位寄存器的移位功能将电信号“图像”转 送，并输出放大器输出。依照其光敏元件排 列方式的不同，CCD传感器主要分为线阵、 面阵两种。 下页上页返回 3.9.4 电荷耦合器件（CCD） 在非电量的测量中，CCD传感器的主要用途大致可 归纳为以下三个方面： 1）组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损 伤、自动焦点等。 2）用作光学信

7、息处理装置的输入环节，例如用于 传真技术、光学文字识别技术(OCR)与图像识别技 术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等 方面。 3）作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可 用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视 装置等方面。 下页上页返回 3.9.4 电荷耦合器件（CCD） 当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器 之间加红外滤光片。若所用光源过强时，可 再加一滤光片。 利用几何光学知识，可以很容易地推导出 被测对象长度L与系统诸参数之间的关系： 下页上页返回 3.9.4 电荷耦合器件（CCD） 下页上页返回 3.9.5 光电式传感器 光电式传感器的工作原理如图3.84所示。首

8、先把被测量的变化转换成光信号的变化，然 后通过光电传感元件变换成电信号。 这种传感器具有结构简单、隔离性能好、可 靠性高、体积小、重量轻、价廉、灵敏度高 和反应快等优点。在自动化、检测技术领域 应用非常广泛。 下页上页返回 3.9.5 光电式传感器 下页上页返回 3.9.5 光电式传感器 （1）光电传感器的分类 按光电传感器输出量的性质，可以分为模拟 式和开关式二大类。 下页上页返回 3.9.5 光电式传感器 2）开关式光电传感器 该类传感器的输出信号对应于光电元件“有”、 “无”受到光照两种状态，即输出特性是断续变 化的开关信号。这类传感器要求光电元件灵 敏度高，而对元件的光照特性的线性要求

9、不 高。在自动计数、光控开关、光电编码器、 光电报警装置及其它光电输入设备等应用场 合有广泛的使用。 下页上页返回 3.9.5 光电式传感器 光电转速测量装置工作原理示意图 下页上页返回 3.10 霍尔式传感器 3.10.1 霍尔效应 3.10.2 霍尔元件 3.10.3 霍尔式传感器的组成 3.10.4 测量误差补偿 下页上页返回 3.10.1 霍尔效应 把一块载流子导体置于静止的磁场中，当载流子导 体中有电流通过时，在垂直于电流方向和磁场的方 向上就会产生电动势，这种现象称为霍尔效应，所 产生的电动势称为霍尔电势，此载流子导体称为霍 尔元件或霍尔片。 下页上页返回 3.10.1 霍尔效应

10、一块长为 ，宽为 ，厚度为h的N型半导体，在半导 体长度方向通以电流I，将其置于的磁感应强度为B 的磁场中（磁场强度方向垂直于半导体平面），则 半导体中的载流子电子将会受到洛仑兹力的作用， 根据物理学知识 （3.80） 式中 电子的电荷量，； 半导体中电子的运动速度； 磁场的磁感应强度。 下页上页返回 3.10.1 霍尔效应 方向如图中所示。在力 的作用下，按长度 方向运动的电子将会向半导体的一侧偏移， 形成电子累积，而在另一侧将会累积正电荷 ，从而又在两侧之间形成一附加内场 ，即 霍尔电场。此时霍尔电场 两端之间的电位 差 （霍尔电势）为 下页上页返回 3.10.1 霍尔效应 霍尔电势与磁感

11、应强度B和激励电流I成正比 ，与霍尔片厚度长反比，因而在实际应用中 为了提高灵敏系数，霍尔元件常常制成薄片 形状。 电子（或空穴）迁移率 材料的电阻率。 下页上页返回 3.10.2 霍尔元件 （1）霍尔元件的结构 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线 和壳体三部分构成（如图3.89所示）。霍尔 片是一块矩形半导体薄片，在它的四个端面 引出四根引线，其中引线1和3为激励电压或 电流引线，称为激励电极。引线2和4为霍尔 电势输出引线，称为霍尔电极。 下页上页返回 3.10.2 霍尔元件 霍尔片材料常用的主要有锗、硅、砷化铟、 锑化铟等半导体材料，霍尔元件壳体由不具 有导磁性的金属、陶瓷或环氧树脂

12、封装而成 。 下页上页返回 3.10.2 霍尔元件 下页上页返回 3.10.2 霍尔元件 1）测量电流I 在一定温度下，对于一确定的霍尔元件，当 磁感应强度B保持恒定时，电流I的变化可引 起霍尔电势相应的线性变化。则可通过测量 霍尔电势来测得电流I或者跟电流I有关的其他 物理量。 下页上页返回 3.10.2 霍尔元件 2）测量磁感应强度B 当激励电流I一定时，霍尔电势 与磁感应强 度B成正比。根据这一关系可利用霍尔元件来 测量交、支流磁感应强度、磁场强度或者跟 磁感应强度、磁场强度有关的其他物理量（ 如非接触式测电流）等。 下页上页返回 3.10.2 霍尔元件 3）功率测量 如果激励电流为I1

13、，磁感应强度B由激励电流 I2产生，则式（3.88）可转化为 （3.90） 式中 K 转变系数。 则可根据式（3.90）中的乘法关系将霍尔元 件与其他器件组合成乘法器、开方器、平方 器等，故可用来测量功率。 下页上页返回 3.10.3 霍尔式传感器的组成 利用霍尔元件实现磁电转换的传感器称为霍 尔式传感器，霍尔式传感器通常由霍尔元件 、加在元件上的激励电源、产生磁场的装置 和输出测量电路等基本构成。 下页上页返回 3.10.4 测量误差补偿 霍尔式传感器在实际使用中常常有很多因素 影响其测量精度，造成测量误差。常见的主 要因素有半导体本身固有的特性，半导体制 造的工艺水平，环境温度的变化情况，

14、霍尔 传感器的安装是否合理等。测量误差一般表 现为零位误差和温度误差。 下页上页返回 3.10.4 测量误差补偿 1）不等位电势 如图3.94所示，由制造工艺缺陷造成不等位 电势出现的主要原因有： 下页上页返回 3.10.4 测量误差补偿 2）寄生直流电势 当霍尔元件通以交流激励电流而不加外磁场时，霍 尔电势除了交流不等位电压外，还有直流电势分量 ，此直流电势分量称为寄生直流电势。其产生的主 要原因有： 激励电极与霍尔电极接触不量，形成非欧姆接触 ，造成整流效果； 霍尔电极的焊点大小不等或不对称，则两电极点 的热容量不同而引起温差，产生内部温差电势。 下页上页返回 3.10.4 测量误差补偿

15、（2）温度误差及补偿 由于霍尔元件是由半导体材料制成的，因此它的许 多参数如载流子浓度、电子迁移率、电阻率等都具 有较大的温度系数。当温度变化时，这些参数值都 会发生变化，根据式（3.85）、式（3.88）和式（ 3.89）可知，温度的变化会引起霍尔电势的改变， 称为温度误差。为了减小温度误差，除了采用温度 系数小的材料作为霍尔元件或采取恒温槽外，还可 以采取其他适当的补偿电路。 下页上页返回 3.10.4 测量误差补偿 下页上页返回 3.10.4 测量误差补偿 1）恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化会引起霍尔元件的输出电阻发生变 化，在恒压源供电时，引起激励电流发生变 化，带来误差。为了减小这种误差，通常采 用恒流源提供电流。 下页上页返回 3.10.4 测量误差补偿 对于一确定的霍尔元件，可根据 、 、 来确定 补偿电阻 的大小。 下页上页返回 3.10.4 测量误差补偿 2）恒压源供电和输入回路串联电阻 当霍尔元件采用恒压源供电时，且霍尔输出端处于 开路状态，可在输入回路中串联补偿电阻R来进行 补偿，补偿电路如图3.97所示。 下页上