傳感器技術(shù)及應(yīng)用-教案及習(xí)題

第一章引言硅光電池的溫度特性曲線3.5.6

PIN型硅光電二極管

3.5.7

雪崩式光電二極管(APD)

3.5.8

半導(dǎo)體色敏傳感器

3.5.9

光電閘流晶體管

3.5.10

熱釋電傳感器

3.5.11

達(dá)林頓光電三極管3.5.13

光導(dǎo)攝像管

以上各節(jié)均做了解。3.5.12

光電耦合器件

光電耦合器：發(fā)光元件和光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。以光為媒介進(jìn)行耦合來傳遞電信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)電隔離，在電氣上實(shí)現(xiàn)絕緣耦合，因而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于它具有單向信號(hào)傳輸功能，因此適用于數(shù)字邏輯中開關(guān)信號(hào)的傳輸和在邏輯電路中作為隔離器件及不同邏輯電路間的接口。光電耦合器的特點(diǎn)：(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用于工作頻率50kHz以下的裝置。(b)采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。(c)采用放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。組成與結(jié)構(gòu)：3.5.14CCD圖像傳感器電荷藕合器件圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。

第四章光纖傳感器第四章

光纖傳感器教學(xué)要求1．掌握光導(dǎo)纖維的組成和光在光纖中傳播的原理。2．掌握光纖的主要參數(shù)。3．掌握強(qiáng)度型光纖傳感器和干涉型光纖傳感器的基本原理。4.了解各類光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容4.1

光導(dǎo)纖維(光纖)4.1.1

光纖的結(jié)構(gòu)1.纖芯：石英玻璃，直徑5－75um，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。2.包層：直徑100－200um，折射率略低于纖芯。3.涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光。4.護(hù)套：尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。4.1.2光在光纖中的傳播斯涅爾定理(Snell'slaw)：光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即n1>n2時(shí)，θr＞θi。n1、n2、θr、θi間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：n1sinθi=n2sinθr（1）當(dāng)θr=90o時(shí)，θi仍＜90o，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。臨界角θi0為：θi0=arcsin(n2/n1)（2）當(dāng)θi＞θi0并繼續(xù)增大時(shí)，θr＞90o，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。4.1.3

光纖的幾個(gè)重要參數(shù)

1﹑數(shù)值孔徑NA入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個(gè)角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個(gè)角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。定義為：。數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對(duì)模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數(shù)值孔徑取值范圍為0.18～0.23，其對(duì)應(yīng)的光纖端面接收角θc=10°～13°。2﹑傳播模式采用“V值”表述光在階躍型折射率光纖中的傳播特性：a為纖芯半徑，λ0為入射光在真空中的波長(zhǎng)。光纖V值越大,則光纖所能擁有的,即允許傳輸?shù)哪Ｊ?不同的離散波)數(shù)越多。當(dāng)V值低于2.404時(shí),只允許一波或模式在光纖中傳輸。3.傳播損耗光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光強(qiáng)發(fā)生衰減，通常用傳播率A來表示傳播損耗:式中為光纖長(zhǎng)度，為輸出端光強(qiáng)，為輸入端光強(qiáng)。4.1.4

光纖的類型

1﹑按折射率變化類型分類：階躍折射率光纖和漸變折射率光纖。2﹑按傳播模式的多少：?jiǎn)文９饫w和多模光纖。3﹑從傳感器機(jī)理上來說：光纖傳感器可分為振幅型（也叫強(qiáng)度型）和相位型（也叫干涉儀型）兩種。振幅型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與多模光纖技術(shù)的相容性好、信號(hào)檢測(cè)較容易等優(yōu)點(diǎn)，但其靈敏度較低。相位型光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但其機(jī)構(gòu)及檢測(cè)手段復(fù)雜。強(qiáng)度型(振幅型)

光纖傳感器4.2.1反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)：反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖4.1所示：光纖采用Ｙ型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。原理：光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接受到的光源與反射體表面性質(zhì)、反射體到光纖探頭距離有關(guān)。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射片時(shí)，接收器接收到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加，到達(dá)最大值點(diǎn)后又隨兩者的距離增加而減小。圖4.2所示就是反射式光纖位移傳感器的輸出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)得到位移量。特點(diǎn)：反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測(cè)量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測(cè)量線性化（在小位移范圍內(nèi)）等優(yōu)點(diǎn)，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢測(cè)。圖4.1反射型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)圖2位移——輸出信號(hào)曲線4.2.2光纖測(cè)壓傳感器4.2.3移動(dòng)光柵光纖傳感器4.2.4微彎光纖傳感器以上各節(jié)要求了解。他們均屬于強(qiáng)度調(diào)制型傳感器。4.3相位調(diào)制型光纖傳感器4.3.1基本原理基本換能機(jī)理：在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒猓虼郎y(cè)能量場(chǎng)的作用，而產(chǎn)生相位調(diào)制。測(cè)量機(jī)構(gòu)分類：邁克爾遜﹑馬赫-澤德﹑薩格奈克和法布里-珀羅。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)上都由空氣光路和多個(gè)光學(xué)器件（分光束和平面鏡）組合而成。在每種傳感器中，光源的輸出光束均被分成兩束或兩束以上的光。這些分開的光束沿不同光路傳輸之后，又重新合路并激勵(lì)光敏檢測(cè)器。4.3.2光纖（強(qiáng)度）干涉儀光纖耦合器：光纖耦合器（Coupler）又稱分歧器（Splitter），是將光訊號(hào)從一條光纖中分至多條光纖中的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域，在電信網(wǎng)路、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路中都會(huì)應(yīng)用到。光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合器（雙分支，單位1×2，亦即將光訊號(hào)分成兩個(gè)功率）、星狀／樹狀耦合器、以及波長(zhǎng)多工器（WDM，若波長(zhǎng)屬高密度分出，即波長(zhǎng)間距窄，則屬於DWDM），制作方式則有燒結(jié)（Fuse）、微光學(xué)式（MicroOptics）、光波導(dǎo)式（WaveGuide）三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)（約有90％）。4.4光纖傳感器的應(yīng)用舉例1﹑相位檢測(cè)其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測(cè)干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。2.光纖聲傳感器通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器。光纖聲壓傳感器利用了雙路光纖干涉原理制成的。3.光纖磁傳感器利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器。4.光纖電流傳感器（了解）第五章變磁阻式傳感器第五章

變磁阻式傳感器教學(xué)要求1．掌握變磁阻式傳感器的原理。2．掌握差動(dòng)式電感傳感器的工作原理。3．掌握差動(dòng)變壓器式傳感器的基本原理。4.了解電動(dòng)式傳感器的原理。教學(xué)內(nèi)容一、工作原理變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成,在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ,傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí),氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定:式中：—線圈總磁鏈；—通過線圈的電流；—線圈的匝數(shù)；Φ—穿過線圈的磁通。由磁路歐姆定律,得式中：—磁路總磁阻。對(duì)于變隙式傳感器,因?yàn)闅庀逗苄?所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損,則磁路總磁阻為式中：—鐵芯材料的導(dǎo)磁率；—銜鐵材料的導(dǎo)磁率；—磁通通過鐵芯的長(zhǎng)度；—磁通通過銜鐵的長(zhǎng)度；S1——鐵芯的截面積；S2—銜鐵的截面積；—空氣的導(dǎo)磁率；S0—?dú)庀兜慕孛娣e；δ—?dú)庀兜暮穸?。通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻,即則磁阻可近似為聯(lián)立式以上各式,可得上式表明,當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí),電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù),只要改變?chǔ)幕騍0均可導(dǎo)致電感變化,因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積S0的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式電感傳感器。二、輸出特性設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?初始電感量為,銜鐵位移引起的氣隙變化量為,從式，可知與δ之間是非線性關(guān)系,特性曲線如圖表示。在很小時(shí)，電感的相對(duì)變化量為，靈敏度為：由此可見,變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變隙式電感式傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。為了減小非線性誤差,實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。三﹑差動(dòng)電感傳感器差動(dòng)變隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成,測(cè)量時(shí),銜鐵通過導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連,當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí),導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng),使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等,方向相反的變化,導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加,另一個(gè)線圈的電感量減小,形成差動(dòng)形式。當(dāng)銜鐵往上移動(dòng)Δδ時(shí),兩個(gè)線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由及表示,當(dāng)差動(dòng)使用時(shí),兩個(gè)電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂,另兩個(gè)橋臂由電阻組成,電橋輸出電壓與ΔL有關(guān),其具體表達(dá)式為靈敏度K0為比較單線圈和差動(dòng)兩種變間隙式電感傳感器的特性,可以得到如下結(jié)論:①差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍。②差動(dòng)式的非線性項(xiàng)等于單線圈非線性項(xiàng)乘以因子,因?yàn)?所以,差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。為了使輸出特性能得到有效改善,構(gòu)成差動(dòng)的兩個(gè)變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致。四、測(cè)量電路電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。五﹑差動(dòng)變壓器式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的,并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接,故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多,有變隙式、變面積式和螺線管式等,但其工作原理基本一樣。5.3.1

Π形差動(dòng)變壓器的輸出特性

形差動(dòng)變壓器的靈敏度表達(dá)式可知傳感器的靈敏度將隨電源電壓和變壓比的增大而提高，隨起始間隙增大而降低。5.3.2螺管形差動(dòng)變壓器非電量測(cè)量中,應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器,它可以測(cè)量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移,并具有測(cè)量精度高,靈敏度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。六、變磁阻式傳感器的應(yīng)用變隙電感式壓力傳感器由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成,銜鐵與膜盒的上端連在一起。當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí),膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng),從而使氣隙發(fā)生變化,流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化,電流表指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。圖4-8變隙電感式傳感器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí),C形彈簧管產(chǎn)生變形,其自由端發(fā)生位移,帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng),使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化,即一個(gè)電感量增大,另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系,所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓,即可得知被測(cè)壓力的大小。第六章壓電傳感器第六章

壓電傳感器教學(xué)要求1．掌握壓電效應(yīng)的原理。2．掌握掌握常用壓電材料。3．掌握聲表面波現(xiàn)象的基本原理。4.了解各類壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容

6.1

晶體的壓電效應(yīng)

1﹑壓電效應(yīng)在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面(極化面)上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。2﹑壓電材料目前壓電材料可分為三大類：一是壓電晶體(單晶)，它包括壓電石英晶體和其他壓電單晶；二是壓電陶瓷(多晶半導(dǎo)瓷)；三是新型壓電材料，又可分為壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。6.2壓電加速度傳感器1﹑壓電加速度傳感器的工作原理當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即F=ma式中：F—質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力；m—質(zhì)量塊的質(zhì)量；a—加速度。此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為q=d11F=d11與加速度a成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。2﹑壓電加速度傳感器的參數(shù)電荷靈敏度對(duì)式，當(dāng)時(shí)得到的電荷Q值，稱為電荷靈敏度。式中——電荷值；——壓電常數(shù)；——質(zhì)量塊質(zhì)量；——物體振動(dòng)加速度；——重力加速度。電壓靈敏度對(duì)式，當(dāng)時(shí)即為靈敏度的電壓表示法，單位為。式中，——電荷值；——壓電常數(shù)；——質(zhì)量塊質(zhì)量；——物體振動(dòng)加速度；——重力加速度；——晶片電極面面積；——恒應(yīng)力下的介電常數(shù)。勁度系數(shù)，式中為壓電晶片的楊氏模量。固有共振頻率

3﹑壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)是最常見的。

4﹑壓電加速度傳感器的等效電路當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器，其電容量為：等效電路為（a）：壓電元件的等效電路（a）電壓源;（b）電荷源當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(b)。實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖5-15所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。這兩種等效電路是完全等效的。

壓電傳感器的實(shí)際等效電路（a）電壓源;（b）電荷源由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。5﹑壓電傳感器接放大器的等效電路電壓放大器（阻抗變換器）（a）放大器電路;（b）等效電路電荷放大器等效電路（a）放大器電路;（b）等效電路6.3壓電諧振式傳感器原理：以石英晶體諧振器作為敏感元件的諧振式傳感器。石英晶體諧振器是用石英晶體經(jīng)過適當(dāng)切割后制成，當(dāng)被測(cè)參量發(fā)生變化時(shí)，它的固有振動(dòng)頻率隨之改變，用基于壓電效應(yīng)的激勵(lì)和測(cè)量方法就可獲得與被測(cè)參量成一定關(guān)系的頻率信號(hào)。特點(diǎn)：石英晶體諧振式傳感器的精度高，響應(yīng)速度較快，常用于測(cè)量溫度和壓力。

石英晶體溫度-頻率傳感器材料：在發(fā)現(xiàn)具有線性溫度－頻率特性的石英晶體切型后，這種溫度傳感器的諧振器采用LC切型的平凸透鏡石英晶體塊制成，其直徑約為數(shù)毫米，凸面曲率半徑約為100毫米原理：諧振器封裝于充氦氣的管殼內(nèi),在傳感器電路中利用它的壓電效應(yīng)和固有振動(dòng)頻率隨溫度變化的特性構(gòu)成熱敏振蕩器，它的基本諧振頻率為28兆赫。電路中另有一個(gè)振蕩頻率為2.8兆赫的基準(zhǔn)振蕩器,它通過十倍頻后輸出一個(gè)28兆赫的參照頻率。兩個(gè)振蕩器的輸出經(jīng)門電路相加送往混頻器得到差頻輸出信號(hào)，它是被測(cè)溫度與基準(zhǔn)溫度（即基準(zhǔn)振蕩器的溫度）之差與1000赫／℃（溫度系數(shù)）的乘積，因此該差頻輸出信號(hào)記錄了被測(cè)溫度的變化。由時(shí)間選擇開關(guān)產(chǎn)生不同的時(shí)間控制信號(hào)作為選通脈沖，以獲得不同的分辨率。應(yīng)用：線性石英晶體－頻率傳感器可用于熱過程流動(dòng)速度不高、間隔時(shí)間較長(zhǎng)的各種高精度溫度測(cè)量的場(chǎng)合以及多路遙控系統(tǒng)、水底探測(cè)等方面，還可用它制成高分辨率的直讀式數(shù)字自動(dòng)溫度計(jì)。石英晶體諧振式壓力傳感器材料：這種傳感器所采用的諧振器是用厚度切變振動(dòng)模式AT切型石英晶體制作的。諧振器可制成包括圓片形振子和受力機(jī)構(gòu)的整體式或分離式結(jié)構(gòu)。振子有扁平形、平凸形和雙凸形三種，受力機(jī)構(gòu)為環(huán)繞圓片的環(huán)形或圓筒形。原理：振子和圓筒由一整塊石英晶體加工而成，諧振器的空腔被抽成真空，振動(dòng)兩側(cè)上各有一對(duì)電極。圓筒和端蓋嚴(yán)格密封。石英圓筒能有效地傳遞周圍的壓力。當(dāng)電極上加以激勵(lì)電壓時(shí)，利用逆壓電效應(yīng)使振子振動(dòng)，同時(shí)電極上又出現(xiàn)交變電荷，通過與外電路相連的電極來補(bǔ)充這種電和機(jī)械等幅振蕩所需的能量。當(dāng)石英振子受靜態(tài)壓力作用時(shí)，振動(dòng)頻率發(fā)生變化，并且與所加壓力成線性關(guān)系。在此過程中石英的厚度切變模量隨壓力的變化起了主要作用。特點(diǎn)：分離式結(jié)構(gòu)相比整體式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是滯后小、頻率穩(wěn)定性極佳。但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難、成本也高。振梁式：壓力傳感器的諧振器還有振梁式，也是由AT切型石英晶體制成，振梁橫跨于諧振器中央。在振梁的兩端上下對(duì)稱設(shè)置四個(gè)電極，用于激勵(lì)振動(dòng)和拾取頻率信號(hào)。當(dāng)振梁受拉伸力時(shí),其諧振頻率提高,反之則頻率降低。因此輸出頻率的變化可反映輸入力的大小。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)溫度、振動(dòng)、加速度等外界干擾不敏感、穩(wěn)定性好、品質(zhì)因數(shù)高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等。6.4聲表面波傳感器

6.4.1

SAW傳感器的基本原理

聲表面波―聲表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）是一種沿彈性基體表面?zhèn)鞑サ穆暡?，其振幅隨壓電基體材料深度的增大按指數(shù)規(guī)律衰減。聲表面波傳感器——將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為聲表面波振蕩器振蕩頻率的變化，這樣就構(gòu)成了相應(yīng)用途的聲表面波傳感器，它是一種新型的頻率式傳感器。1979年Wohltjen和Dessy首次提出了將聲表面波SAW用作氣體傳感器，經(jīng)過20年的研究與發(fā)展，目前已研制出SO2、NO2、H2S、水蒸氣、丙酮、甲醇等多種SAW氣體傳感器，廣泛應(yīng)用于有害氣體環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床分析、雷達(dá)通訊、電子對(duì)抗等軍用、民用領(lǐng)域。6.4.2

SAW壓力傳感器

原理：當(dāng)傳感器表面有壓力作用時(shí)，SAW壓力傳感器的壓電薄膜就會(huì)產(chǎn)生形變，薄膜材料的應(yīng)變會(huì)使得聲表面波傳播速度發(fā)生變化，從而使聲表面波的中心諧振頻率發(fā)生變化。通過檢測(cè)SAW壓力傳感器的中心諧振頻率變化，就能得到壓力變化的數(shù)據(jù)。6.4.3

SAW熱敏傳感器

利用SAW振蕩器振蕩頻率隨溫度變化的原理構(gòu)成的溫度傳感器，稱為SAW熱敏傳感器。6.4.4SAW氣敏傳感器聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。聲表面波氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測(cè)氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測(cè)量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。6.4.5

SAW電力傳感器（了解）

6.4.6

SAW加速度傳感器（了解）

6.4.7

SAW流量傳感器（了解）第七章壓電聲傳感器第七章

壓電聲傳感器

換能器及其分類：聲傳感器常稱為換能器。按照轉(zhuǎn)換原理可將換能器分為電動(dòng)式換能器﹑電磁式換能器﹑電容式換能器﹑壓電式換能器﹑磁致伸縮換能器和電致伸縮換能器等。第八章半導(dǎo)體傳感器第八章

半導(dǎo)體傳感器教學(xué)要求1．掌握半導(dǎo)體溫度﹑濕度﹑氣體和磁敏傳感器的基本原理。2．掌握霍爾效應(yīng)及其霍爾電壓的計(jì)算。3．了解半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀。教學(xué)內(nèi)容8.1

半導(dǎo)體溫度傳感器熱敏電阻是根據(jù)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與溫度有很強(qiáng)的依賴關(guān)系而制成的一種器件。從使用上，熱敏電阻可分為接觸型和非接觸型。8.1.1

接觸型半導(dǎo)體傳感器

1.半導(dǎo)體熱敏電阻

特點(diǎn)：①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測(cè)出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達(dá)到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③體積小，能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無法測(cè)量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ主要參數(shù)：

1）標(biāo)稱阻值2）材料常數(shù)：是反應(yīng)熱敏電阻器熱靈敏度的指標(biāo)。通常，該值越大，熱敏電阻器的靈敏度和電阻率越高。

3）電阻溫度系數(shù)：表示熱敏電阻器在零功率條件下，其溫度每變化1℃熱敏電阻的電阻值與溫度的關(guān)系為：A，B是與半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，根據(jù)定義，電阻溫度系數(shù)為：Rt是在溫度為t時(shí)的電阻值。4）熱時(shí)間常數(shù)：指熱敏電阻器的熱惰性。即在無功功率狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)，電阻體溫度由初值變化到最終溫度之差的63.2％所需的時(shí)間。

5）散熱系數(shù)：指熱敏電阻器的溫度每增加1℃所耗散的功率。

6）最高工作溫度：指熱敏電阻器在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下，長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)所允許承受的最高溫度。

類型：半導(dǎo)體溫度傳感器分為兩類：接觸型和非接觸型。接觸型又分為熱敏電阻與PN結(jié)型兩種。隨著溫度的變化，半導(dǎo)體感溫器件電阻會(huì)發(fā)生較大的變化，這種器件稱為熱敏電阻。常用的熱敏電阻為陶瓷熱敏電阻,分為負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻、正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻和臨界溫度電阻(CTR)。熱敏電阻一般指NTC熱敏電阻。第一類用于測(cè)量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系。第二類為突變型，又稱臨界溫度型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降?！裾郎囟认禂?shù)熱敏電阻器結(jié)構(gòu)——用鈦酸鋇（BaTiO3）、鍶（Sr）、鋯（Zr）等材料制成的。屬直熱式熱敏電阻器。特性——電阻值與溫度變化成正比關(guān)系，即當(dāng)溫度升高時(shí)電阻值隨之增大。在常溫下，其電阻值較小，僅有幾歐姆～幾十歐姆；當(dāng)流經(jīng)它的電流超過額定值時(shí)，其電阻值能在幾秒鐘內(nèi)迅速增大至數(shù)百歐姆～數(shù)千歐姆以上。作用與應(yīng)用——廣泛應(yīng)用于彩色電視機(jī)消磁電路、電冰箱壓縮機(jī)啟動(dòng)電路及過熱或過電流保護(hù)等電路中、還可用于電驅(qū)蚊器和卷發(fā)器、電熱墊、暖器等小家電中。●負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器結(jié)構(gòu)——用錳（Mn）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋁（Al）等金屬氧化物（具有半導(dǎo)體性質(zhì)）或碳化硅（SiC）等材料采用陶瓷工藝制成的。特性——電阻值與溫度變化成反比關(guān)系，即當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻值隨之減小。作用與應(yīng)用——廣泛應(yīng)用于電冰箱、空調(diào)器、微波爐、電烤箱、復(fù)印機(jī)等家電及辦公產(chǎn)品中，作溫度檢測(cè)、溫度補(bǔ)償、溫度控制、微波功率測(cè)量及穩(wěn)壓控制用。熱敏電阻測(cè)溫的基本電路：掌握P171,圖8.5熱敏電阻的基本聯(lián)接法，并能計(jì)算橋路的輸出電壓。2.PN結(jié)型熱敏器件PN結(jié)溫度傳感器是一種利用半導(dǎo)體二極管、三極管的特性與溫度的依賴關(guān)系制成的溫度傳感器。PN結(jié)作測(cè)溫器件的半導(dǎo)體傳感器具有靈敏度高、線性好、熱響應(yīng)快和體積小等特點(diǎn)，特別在溫度測(cè)量數(shù)字化、控溫應(yīng)用以及用計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)采集和處理等方面，具有其他溫度傳感器所不能相比的優(yōu)越性．因此PN結(jié)的測(cè)溫器件正逐步成為現(xiàn)代溫度測(cè)量數(shù)字化的新型測(cè)溫元件。3.集成（IC）溫度傳感器設(shè)計(jì)原理：對(duì)于集電極電流比一定的兩個(gè)晶體管，其之差與溫度有關(guān)。4.半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（了解）8.1.2

非接觸型半導(dǎo)體溫度傳感器原理：非接觸型溫度傳感器可檢出被測(cè)物體發(fā)射電磁波的能量。傳感器可以是將放射能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體物質(zhì)，也可以先將放射能轉(zhuǎn)換為熱能，使溫度升高，然后將溫度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而檢出。這可用來測(cè)量一點(diǎn)的溫度，如測(cè)溫度分布，則需進(jìn)行掃描。8.2

半導(dǎo)體濕度傳感器當(dāng)半導(dǎo)體表面或界面吸附氣體分子或水分子時(shí)，半導(dǎo)體表面或界面的能帶發(fā)生變化。利用這種半導(dǎo)體電阻的變化可檢測(cè)氣體或濕度。半導(dǎo)體濕度傳感器具有體積小、重量輕的特點(diǎn),實(shí)用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器。ZnO-Cr2O3系陶瓷濕度傳感器用于室內(nèi)空調(diào)，可精密控制濕度，與微機(jī)結(jié)合能自動(dòng)去濕,節(jié)省電能。TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器耐熱性好,可測(cè)量60℃以上的環(huán)境濕度,8.2.1

濕度的定義

濕度：也稱絕對(duì)濕度，是一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質(zhì)量，一般其單位是克/立方米。絕對(duì)濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度。相對(duì)濕度：相對(duì)濕度是絕對(duì)濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。露點(diǎn)溫度：在一定的空氣壓力下，逐漸降低空氣的溫度，當(dāng)空氣中所含水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始凝結(jié)形成水滴時(shí)的溫度叫做該空氣在空氣壓力下的露點(diǎn)溫度。

8.3

半導(dǎo)體氣體傳感器1.半導(dǎo)體氣敏傳感器工作機(jī)理氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)，導(dǎo)致敏感元件阻值變化，如：氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體，被稱為氧化型氣體——電子接收性氣體；氫、碳氧化合物、醇類等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱為還原型氣體——電子供給性氣體。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升；當(dāng)氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降；當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降；當(dāng)還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升；

N型半導(dǎo)體與氣體接觸時(shí)的氧化還原反映

按半導(dǎo)體的物理特性，氣敏傳感器可分為電阻型和非電阻型。

2.電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器電阻型氣敏傳感器是目前使用較廣泛的一種氣敏元件。結(jié)構(gòu)：敏感元件、加熱器、外殼；按制造工藝分為：燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。氣敏電阻的材料是金屬氧化物，合成時(shí)加敏感材料和催化劑燒結(jié)，金屬氧化物有：N型半導(dǎo)體，如：SnO2，F(xiàn)e2O3，ZnO，TiOP型半導(dǎo)體，如：CoO2，PbO，MnO2，CrO3這些金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后顯示氣敏特性。通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體）材料的電子吸附負(fù)電荷，結(jié)果半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態(tài)；當(dāng)氣敏元件與被測(cè)氣體接觸時(shí)，會(huì)與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，將束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小?？諝庵小趸饔谩醣浑娮游健娮訙p少——高阻狀態(tài)；氣體接觸——吸附——氧發(fā)生反應(yīng)——電子釋放——電導(dǎo)增加——電阻減小。氣敏元件的加熱作用：電阻型氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（2000C—4500C），目的是為了加速氣體吸附和上述的氧化還原反應(yīng)，提高靈敏度和響應(yīng)速度；另外使附著在殼面上的油霧、塵埃燒掉。在常溫下，電導(dǎo)率變化不大，達(dá)不到檢測(cè)目的，因此以上結(jié)構(gòu)的氣敏元件都有電阻絲加熱器。加熱時(shí)間2—3分鐘，加熱電源一般為5V。加熱方式分為內(nèi)熱式和旁熱式。氣敏傳感器測(cè)量電路

3.非電阻型半導(dǎo)體氣敏器件非電阻型氣敏傳感器，是利用MOS二極管的電容—電壓特性變化；MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓的變化；肖特基金屬半導(dǎo)體二極管的勢(shì)壘變化進(jìn)行氣體檢測(cè)。MOS二極管氣敏元件在P型硅上集成一層二氧化硅（SiO2）層。在氧化層蒸發(fā)一層鈀（Pd）金屬膜作電極。氧化層（SiO2）電容Ca固定不變。而硅片與SiO2層電容Cs是外加電層的功函數(shù)?？傠娙軨也是偏壓的函數(shù)。曲線C—U特性中，MOS二極管的等效電容C隨電壓U變化。金屬鈀（Pd）對(duì)氫氣（H2）特別敏感。當(dāng)Pd吸附以后，使Pd的功函數(shù)下降，使MOS管C—U特性向左平移（向負(fù)方向偏移），利用這一特性用于測(cè)定的濃度。

MOS二極管氣敏元件結(jié)構(gòu)和等效電路MOSFET氣敏元件鈀Pd—MOSFET管結(jié)構(gòu)如圖所示。Pd對(duì)H2吸附性很強(qiáng)，H2吸附在Pd柵上引起的Pd功函數(shù)降低。MOSFET管當(dāng)柵極（G）、源極（S）間加正向偏壓UGS，UGS>UT閥值時(shí)，柵極氧化層下的硅從P變?yōu)镹型，N型區(qū)將S（源）和D（漏）連接起來，形成導(dǎo)電通道（N型溝道）。此時(shí)MOSFET進(jìn)入工作狀態(tài)，在S—D間加電壓UDS，S—D間有電流IDS流過，IDS隨UDS、UGS變化。當(dāng)UGS<UT時(shí)，溝道沒形成，無漏源電流IDS=0。UT（閥值）電壓大小與金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)有關(guān)。Pd—MOSFET器件就是利用H2在鈀柵極吸附后改變功函數(shù)使UT下降，檢測(cè)H2濃度。鈀Pd—MOSFET管結(jié)構(gòu)肖特基二極管肖特基二極管金屬和半導(dǎo)體接觸的界面形成肖特基勢(shì)壘，構(gòu)成金屬半導(dǎo)體二極管。管子加正偏壓，半導(dǎo)體金屬的電子流增加，加負(fù)偏壓，幾乎無電流。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體界面有氣體時(shí)，勢(shì)壘降低，電流變化（金屬與半導(dǎo)體界面吸附氣體，影響禁帶寬度Eg）。在正向偏壓條件下，氣體濃度增大，電流增大，輸出電壓增大。測(cè)試電流電壓值可知?dú)怏w濃度。非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器主要用于氫氣濃度測(cè)量。

8.4

半導(dǎo)體磁敏傳感器主要知識(shí)點(diǎn)：霍爾傳感器、磁敏電阻器、磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理；各類磁敏傳感器的測(cè)量和轉(zhuǎn)換電路及其典型應(yīng)用。重點(diǎn)：霍爾傳感器、磁敏電阻器、磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理。難點(diǎn)：霍爾傳感器的應(yīng)用。1.霍爾傳感器霍爾效應(yīng)一塊半導(dǎo)體薄片，如果在其相對(duì)的兩邊通入電流I，且電流與磁場(chǎng)垂直，則在半導(dǎo)體的另兩邊將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差UH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電壓。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件?；魻杺鞲衅骰魻杺鞲衅髦械幕魻栐际怯砂雽?dǎo)體材料制成的。在半導(dǎo)體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，所以霍爾元件一般采用型半導(dǎo)體材料。定義霍爾系數(shù)為：式中，為電子濃度，-為電子所帶的電荷。定義霍爾靈敏度為：式中，為薄片厚度?；魻栯妷憾x為：8.3磁敏電阻器磁阻效應(yīng)若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場(chǎng)，則其電阻值就增加。這種現(xiàn)象稱為磁致電阻