第二十四講 傳感器 3

近代信息處理（第二十四講）

——傳感器（3）趙雷2014.05.122014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷2本課程以輸入量分類介紹傳感器溫度傳感器氣體傳感器光傳感器力學量傳感器磁敏傳感器濕度傳感器電壓敏傳感器生物傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷3力學量傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷4力學量傳感器——壓力電阻效應材料的電阻或電阻率隨外加應力而改變的現(xiàn)象成為壓力電阻效應利用壓力電阻效應可以制作力敏電阻（或稱電阻應變計）用處：荷重、扭矩、加速度、位移、壓力等測量分兩大類金屬電阻應變計半導體電阻應變計2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷5應變效應的理論基礎金屬導體的電阻定律(線材)材料的泊松比μA=πr

2L可得電阻的相對變化與軸向(線)應變的關系令2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷6應變效應的理論基礎金屬材料應變電阻效應俄國學者勃底特茲明通過實驗發(fā)現(xiàn)：最后得到金屬絲應變電阻效應的靈敏系數(shù)Km

：而

V=L·A，所以：2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷7應變效應的理論基礎半導體材料的應變電阻效應史密斯等學者發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導體材料具有壓阻效應，且滿足：半導體材料的總電阻的相對變化與應變的關系為最后得到半導體應變電阻效應的靈敏系數(shù)：σ——

單晶體的軸向應力εx——

單晶體的軸向應變

E

——

彈性模量π——

單晶體的壓阻系數(shù)(不是圓周率)σ=Eεx

(胡克定律)2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷8力學量傳感器——金屬絲式應變片金屬在收到拉應力作用時，長度增加，截面積減小，電阻值增大；反之，電阻值減小金屬絲制成柵形貼在彈性基片表面，

并引出引線作為電極材料：鉍、銻、鎳鉻合金、康銅等應變方向應變片與試件的粘結(jié)試件應變片基片覆蓋層引線金屬絲bl柵長柵寬2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷9力學量傳感器——金屬箔式應變片工作原理基本和電阻絲式應變片相同電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵金屬箔的厚度—般為(0.003～0.010)mm，基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為(0.03～0.05)mm優(yōu)點：表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大，可制成各種需要的形狀，便于批量生產(chǎn)2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷102014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷11力學量傳感器——半導體應變片基于半導體材料的壓阻效應而制成的一種純電阻性元件實驗證明πE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半導體應變片的靈敏系數(shù)為K=πE優(yōu)點:體積小，靈敏度高，頻率響應范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測量系統(tǒng)簡單缺點：溫度系數(shù)大，應變時非線性較嚴重2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷12電阻應變片的重要特性（1）靈敏度系數(shù)金屬應變絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系，用靈敏度系數(shù)KS表示當金屬絲做成應變片后，其電阻—應變特性與金屬單絲情況不同應變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS，原因是膠層傳遞變形失真和橫向效應金屬應變片的電阻相對變化與應變ε在很寬的范圍內(nèi)均為線性關系2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷13電阻應變片的重要特性（2）橫向效應金屬應變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應變時，構件的軸向應變ε使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應變εr也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化(除了ε起作用外)應變片的這種既受軸向應變影響，又受橫向應變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應每個圓弧形橫柵的變形量Δl為：絲繞式應變片敏感柵半圓弧形部分bOlεrrdldθθε0ε2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷14電阻應變片的橫向效應縱柵為n根的應變片共有n-1個半圓弧橫柵，全部橫柵的變形量為應變片敏感柵的總變形為所以：可見敏感柵電阻的相對變化分別是ε和εr作用的結(jié)果令則：橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應系數(shù)H可見r愈小，l愈大，則H愈小。即敏感柵越窄、基長越長的應變片，其橫向效應引起的誤差越小2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷15電阻應變片的重要特性（3）機械滯后

產(chǎn)生原因：應變片在承受機械應變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應變片時，如果敏感柵受到不適當?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分機械滯后值還與應變片所承受的應變量有關，加載時的機械應變愈大，卸載時的滯后也愈大通常在實驗之前應將試件預先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后ΔεΔε1機械應變ε卸載加載指示應變εi應變片的機械滯后2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷16電阻應變片的重要特性（4）零點漂移和蠕變零點漂移對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等蠕變在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷17電阻應變片的重要特性（5）應變極限在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應變值真實應變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應力(包括機械應力和熱應力)時所引起的表面應變原因：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應變片的安裝質(zhì)量制造與安裝應變片時，應選用抗剪強度較高的粘結(jié)劑和基底材料基底和粘結(jié)劑的厚度不宜過大，并應經(jīng)過適當?shù)墓袒幚恚拍塬@得較高的應變極限εlim真實應變εz指示應變εi應變片的應變極限±10%12014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷18電阻應變片的重要特性（6）動態(tài)特性當被測應變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應變片的動態(tài)特性因應變片基底和粘貼膠層很薄，構件的應變波傳到應變片的時間很短(估計約0.2μs)，故只需考慮應變沿應變片軸向傳播時的動態(tài)響應應變片對應變波的動態(tài)響應2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷19電阻應變片動態(tài)特性舉例應變片中點的應變柵長l范圍內(nèi)的平均應變：相對誤差：相對誤差δ的大小只決定于l/λ的比值：柵長與正弦應變波的波長之比愈小，相對誤差δ愈小l/λ=1/10,δ=1.62%；l/λ=1/20,δ=0.52%l/λ<1/10時，δ<2%，由f=v/λ可得：fmax=0.1v/l若已知應變波在某材料內(nèi)傳播速度υ，可計算出柵長為l的應變片粘貼在某種材料上的可測動態(tài)應變最高頻率2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷20影響半導體力敏電阻壓阻系數(shù)的因素影響壓阻系數(shù)因素：擴散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度擴散雜質(zhì)濃度NS增加時，壓阻系數(shù)就會減小同一雜質(zhì)濃度下，P型硅的壓阻系數(shù)大于N型硅選用P型層有利于提高器件靈敏度120140100806040201018101910201021表面雜質(zhì)濃度NS/cm-3P型Si(π44)N型Si(-π11)

π11或π44/

×10-11m2/NT=24℃壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度NS的關系2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷21影響半導體力敏電阻壓阻系數(shù)的因素表面雜質(zhì)濃度低時，溫度增加，壓阻系數(shù)下降得快；表面雜質(zhì)濃度高時，溫度增加，壓阻系數(shù)下降得慢為降低溫度影響，擴散電阻表面雜質(zhì)濃度高些較好，但擴散表面雜質(zhì)濃度高時，壓阻系數(shù)要降低N型硅的電阻率不能太低，否則，擴散P型硅與襯底N型硅之間，PN結(jié)的擊穿電壓就要降低，而使絕緣電阻降低因此采用多大表面雜質(zhì)濃度進行擴散為宜需全面考慮2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷22力學量傳感器——固態(tài)壓阻器件用集成電路工藝技術，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻在圓形硅膜片上擴散出四個P型電阻，構成惠斯登電橋的四個臂１２３４５７６1N-Si膜片2P-Si導電層粘貼劑硅底座引壓管Si保護膜7引線

2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷23力學量傳感器——固態(tài)壓阻器件四個電阻接成惠斯登電橋形式擴散電阻硅杯式固體壓力傳感器結(jié)構示意圖擴散電阻Si_n擴散電阻Si_n2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷24力學量傳感器

——壓阻式力傳感器的測量電路應變片將應變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化ΔR/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量電阻應變片的測量線路多采用電橋測量線路

R2R4R1R3E電橋線路原理圖RgACDIgBRg→∞，開路：2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷25力學量傳感器

——壓阻式力傳感器的測量電路恒壓源供電恒流源供電多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷26力學量傳感器

——壓阻式力傳感器的測量電路多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋核心是4個電阻連接成惠斯登電橋方式，并將一對具有正增量的電阻對接，另一對具有負增量的電阻對接恒壓源供電2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷27力學量傳感器

——壓阻式力傳感器的測量電路多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋核心是4個電阻連接成惠斯登電橋方式，并將一對具有正增量的電阻對接，另一對具有負增量的電阻對接恒流源供電2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷28力學量傳感器——測量電路2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷29壓阻式力傳感器的測量電路的溫度補償（1）溫度誤差希望金屬應變片阻值僅隨應變變化，不受其它因素影響實際上阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應變片的溫度誤差，又稱熱輸出因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：應變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷30壓阻式力傳感器的測量電路的溫度補償（2）補償方法：單絲自補償應變片選擇應變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)與被測試件的材料的線膨脹系數(shù)互補，溫度變化效應互相抵消雙絲組合式自補償應變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補償電路補償法焊點RaRb2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷31電路補償法（1）USCR2R4R1R3E當R3、R4為常數(shù)時，R1和R2對輸出電壓的作用方向相反使用兩個應變片，一片(R1)貼在被測試件的表面；另一片(R2)貼在與被測試件材料相同的補償塊上工作過程中補償塊不承受應變，僅隨溫度發(fā)生變形補償應變片粘貼示意圖R1R2造成ΔR1t與ΔR2t相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓USC與溫度無關當工作應變片感受應變時，電橋?qū)a(chǎn)生相應輸出電壓2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷32電路補償法（2）R1R2FFR1R2（b）（a）F構件受彎曲應力構件受單向應力將補償片貼在被測試件上，這樣既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度梁受彎曲應變時，應變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應變絕對值相等，符號相反，將它們接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓增加一倍當溫度變化時，應變片R1和R2的阻值變化的符號相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達到了補償?shù)哪康氖軉蜗驊Φ臉嫾?，將工作應變片R2的軸線順著應變方向，補償應變片R1的軸線和應變方向垂直，接入電橋相鄰臂，補償橫向效應2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷33力學量傳感器——零位漂移因為擴散電阻隨溫度的變化導致阻值發(fā)生變化而引起一般用串、并聯(lián)電阻的方法補償串聯(lián)電阻主要起調(diào)零作用；并聯(lián)電阻主要起補償作用由于零點漂移，導致B、D兩點電位不等，當溫度升高時，R3的增加比較大，使D點電位低于B點，B、D兩點的電位差即為零位漂移要消除B、D兩點的電位差，最簡單的辦法是在R3上并聯(lián)一個溫度系數(shù)為負、阻值較大的電阻RP，用來約束R3的變化。這樣，當溫度變化時，可減小B、D點之間的電位差，以達到補償?shù)哪康漠斎辉赗2上并聯(lián)一個溫度系數(shù)為負、阻值較大的電阻進行補償，作用相同2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷34力學量傳感器——靈敏度漂移由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起溫度升高時，壓阻系數(shù)變小；溫度降低時，壓阻系數(shù)變大傳感器的靈敏度溫度系數(shù)為負值一般用改變電源電壓大小的方法補償可以采用在電源回路中串聯(lián)適當數(shù)目二極管的方法或采用熱敏電阻補償2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷35力學量傳感器——靈敏度漂移由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起溫度升高時，壓阻系數(shù)變??；溫度降低時，壓阻系數(shù)變大傳感器的靈敏度溫度系數(shù)為負值一般用改變電源電壓大小的方法補償可以采用在電源回路中串聯(lián)適當數(shù)目二極管的方法或采用熱敏電阻補償2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷36力學量傳感器——壓電器件在某些材料的某些特定方向上施加壓力和拉力，材料的表面上會出現(xiàn)正負束縛電荷，電荷密度與施力大小成正比天然晶體：石英壓電陶瓷：BaTiO3等有機壓電材料：聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVL）、聚碳酸酯等壓電半導體：ZnO、ZnS、CaS、ZnFe、CaAs等壓電式力敏傳感器類別：單分量力傳感器雙分量力傳感器三分量力傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷37力學量傳感器的應用

——壓電式力學量傳感器壓電效應正壓電效應——機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苣承┪镔|(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時，隨著形變的產(chǎn)生，會在其某兩個相對的表面產(chǎn)生符號相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關），當外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)逆壓電效應——電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個表面）施加電場，會產(chǎn)生機械形變壓電材料石英晶體、壓電陶瓷、有機壓電材料、壓電半導體應用微型加速度傳感器壓電步進位移傳感器壓電式聲傳感器FF極化面Q壓電介質(zhì)機械能｛電能｝正壓電效應逆壓電效應壓電效應及可逆性2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷38石英晶體的壓電效應（1）石英晶體具有壓電效應，是由其內(nèi)部結(jié)構決定的組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-理想石英晶體的外形硅氧離子的排列示意圖2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷39石英晶體的壓電效應（2）FX=0P1＋P2＋P3＝0FX<0(P1+P2+P3)X>0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0（P1+P2+P3）X<0FX>02014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷40壓電陶瓷的壓電效應（1）壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構的電疇結(jié)構電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷41壓電陶瓷的壓電效應（2）但當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度因陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷42壓電陶瓷的壓電效應（3）若在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小因此原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀(這是一個膨脹過程)，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象這種由機械效應轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷43壓電陶瓷的壓電效應（4）若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變這種由于電效應而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷44壓電式傳感器的測量電路（1）等效電路可把壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器，也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯(lián)電路如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應考慮連線的等效電容Cc,前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci，Ra為傳感器的漏電阻2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷45壓電式傳感器的測量電路（2）實際應用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷46壓電式傳感器的測量電路（2）兩片壓電晶片的負電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號并聯(lián)方法2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷47壓電式傳感器的測量電路（2）正電荷集中在上極板，負電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消傳感器本身的電容量小、響應快、輸出電壓大適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號串聯(lián)方法2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷48壓電式傳感器的測量電路（3）由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，再用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中兩個作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出放大壓電式傳感器輸出的弱信號兩種形式：電壓放大器電荷放大器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷49力學量傳感器——位移傳感器光電式位移傳感器光柵位移傳感器：利用莫爾條紋，主光柵固定在運動零件上，指示光柵與光敏元件固定；或相反磁電式位移傳感器利用磁阻元件或霍爾元件2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷50光柵與莫爾條紋示意圖主光柵指示光柵指示光柵移動方向莫爾條紋光電式位移傳感器——莫爾條紋基本元件是主光柵和指示光柵在一塊長條形光學玻璃上，均勻刻上許多明暗相間、寬度相等的刻線，常用的光柵每毫米有10、25、50、100和250條線若劃線寬度為a，縫隙寬度為b，則光柵節(jié)距或柵距W為W＝a+b，通常取a=b＝W/2將兩塊光柵(主光柵、指示光柵)疊合在一起，并且使它們的刻線之間成一個很小的角度θ由于遮光效應，兩塊光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，在與光柵刻線垂直的方向，將出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋就稱為莫爾條紋2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷51光電式位移傳感器——莫爾條紋當指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向移動時，莫爾條紋將會沿著這兩個光柵刻線夾角的平分線的平行方向移動，光柵每移動一個W，莫爾條紋也移動一個間距Bθ越小，B越大，θ當小于1°以后，可使B>>W，即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷52光柵式傳感器的測量電路光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成兩塊光柵作相對移動時，光敏元件上的光強隨莫爾條紋移動而變化a處兩光柵刻線重疊，透過的光強最大，光電元件輸出的電信號也最大c處由于光被遮去一半，光強減小d處的光全被遮去的成全黑，光強為零若光柵繼續(xù)移動，透射到光敏元件上的光強又逐漸增大，2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷53光柵式傳感器的細分一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件得到相位分別相差π/2的四個正弦周期信號用適當電路處理，使其合并得到脈沖信號：每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應，則電脈沖的周期反應了1/4個莫爾條紋寬度用計數(shù)器對這一列脈沖信號計數(shù)，就可以讀到1/4個莫爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷54力學量傳感器——電容式壓力傳感器利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量，實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器應用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量優(yōu)點：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構簡單、適應性強、動態(tài)響應時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷55變間隙型電容傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷56差動式變間隙型電容傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷57電容式壓力傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷58差動電容壓力傳感器設膜片半徑為a，球冠形固定電極的半徑為R，固定電極的實際拱底半徑為b，拱底距膜片的距離為db，當d0<<R時：在PH-PL作用下中心膜片的上凸量h近似為:而CA為：利用脈寬調(diào)制電路，將中心膜片接地，其輸出U0

：輸出U0與差壓PH-PL成正比2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷59變面積型電容傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷60長度傳感器變介質(zhì)型電容傳感器δx厚度傳感器l平板形lx圓筒式液位傳感器h2r12r2hxC1C2C3CC1C2C3CC4C1CC22014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷61電容傳感器的等效電路Rg是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，其值在制造工藝上和材料選取上應保證足夠大Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷62電容傳感器的測量電路電橋電路將電容式傳感器接入交流電橋的一個臂(另一個臂為固定電容)或兩個相鄰臂，另兩個臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個二次線圈運算放大器電路最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性二極管雙T形電路差動脈寬調(diào)制電路調(diào)頻電路2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷63電容傳感器的電橋電路2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷64電容傳感器電橋電路的特點高頻交流正弦波供電電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應采用自動平衡電橋輸出阻抗很高(幾MΩ至幾十MΩ)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷65電容傳感器的運算放大器電路可見運算放大器的輸出電壓與動極板的板間距離δ成正比解決了單個變極距型電容傳感器的非線性問題這是在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下得出的，實際上該測量電路仍然存在一定的非線性一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷66電容傳感器的二極管雙T形電路供電電壓是幅值為±UE、周期為T、占空比為50％的方波在負載RL上產(chǎn)生的電壓為：輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關，而且與T形網(wǎng)絡中的電容C1和C2的差值有關當電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2的函數(shù)2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷67電容傳感器二極管雙T形電路的特點線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定輸出阻抗為R，而與電容無關，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷681.電路基本結(jié)構（R-S

觸發(fā)器）2.工作過程⑴設加電初態(tài)則C1充電。開始時刻，VC、VD<Ur，A1、A2輸出高電平。

⑵C1充電到VC>Ur→3.輸出分析R-S

觸發(fā)器高電平輸出差動脈寬調(diào)制電路A2輸出低電平→→C1

經(jīng)D1放電→VC<Ur，A2恢復高電平。同時C2充電。C2充電時間T2⑶C2充電到VD>Ur→A1輸出低電平→→C2

經(jīng)D2放電→VD<Ur，A1恢復高電平。同時C1充電。C1充電時間T12014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷69tuAuAuBuBuABuABUCUCUDUDUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)U02014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷70電容傳感器差動脈寬調(diào)制電路的特點適用于任何差動式電容傳感器具有理論上的線性特性可靠性好：采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等對元件無線性要求經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對輸出矩形波的純度要求也不高2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷71力學量傳感器——電感式傳感器是一種利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置應用：位移、振動、壓力、應變、流量、比重等測量種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種根據(jù)結(jié)構形式，分氣隙型、面積型和螺管型優(yōu)點：結(jié)構簡單、可靠，測量力小銜鐵為0.5～200×10-5N時，磁吸力為(1~10)×10-5N分辨力高機械位移：0.1μm，甚至更??；角位移：0.1角秒輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm重復性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定缺點：存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷72力學量傳感器的應用

——壓阻式傳感器的應用壓力傳感器壓阻式加速度傳感器扭矩傳感器流體流量傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷73壓力傳感器——柱力式傳感器彈性元件分為實心和空心兩種在軸向布置一個或幾個應變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應變片取符號相反的橫向應變，從而構成了差動對非軸向載荷分量被補償橫向粘貼的應變片還具有溫度補償作用在與軸線任意夾角的α方向，其應變?yōu)椋褐搅鞲衅?ε2+ε1截面積SFFF面積S-ε1+ε2b）a）ε1——沿軸向的應變μ——彈性元件的泊松比當α=0時當α=90?時E：彈性元件的楊氏模量2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷74壓力傳感器——梁力式傳感器一端固定，一端自由，厚度為h,長度l，固定端寬度為b0,力F作用在三角形頂點，其表面應變?yōu)椋荷舷聝蓚?cè)分別粘有4只應變片，R1、R4同側(cè)；R3、R2同側(cè)，兩側(cè)的應變方向剛好相反，且大小相等，可構成全差動電橋同時起到溫度補償?shù)淖饔玫葟姸攘?014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷75壓力傳感器——梁力式傳感器一端固定，一端自由，厚度為h,寬度為b,懸臂外端到應變片中心的距離為l其應變?yōu)椋旱冉孛媪?014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷76壓力傳感器——梁力式傳感器固定梁2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷77壓力傳感器——表壓傳感器測量氣體或液體壓力傳感器當氣體或液體壓力作用硅杯上時，改變阻值，測量電路中電橋平衡被破壞，產(chǎn)生輸出電壓結(jié)構：低壓腔高壓腔硅杯引線硅膜片2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷78力學量傳感器——固態(tài)壓阻器件四個電阻接成惠斯登電橋形式擴散電阻硅杯式固體壓力傳感器結(jié)構示意圖擴散電阻Si_n擴散電阻Si_n2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷79壓力傳感器——絕對壓力傳感器與表壓傳感器的不同點在于基準參考腔為真空當流體的壓強作用在薄板上，薄板就會產(chǎn)生形變(應變)，貼在另一側(cè)的應變片隨之形變(應變)，通過橋式等測量電路，可以測出與應變相對應的輸出電壓，從而得到壓力的大小圓形薄板固定形式：采用嵌固形式，或與傳感器外殼作成一體2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷80壓阻式加速度傳感器由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應變片、基座及外殼等組成，是一種慣性式傳感器當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用，質(zhì)量塊向箭頭a相反的方向相對于基座運動，使梁發(fā)生彎曲變形，應變片電阻也發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比L應變片彈簧片外殼基座a應變式加速度傳感器質(zhì)量塊2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷81扭矩傳感器由薄壁筒作為彈性元件，半導體力電轉(zhuǎn)換應變膜片作為轉(zhuǎn)換元件當薄壁圓筒一端固定，另一自由端受到扭矩T作用后，發(fā)生形變，通過粘貼在薄壁圓筒上的半導體力電轉(zhuǎn)換應變膜片，使扭矩變?yōu)殡娦盘枒兤瑯嫵梢粋€電橋電路，并且電阻條與筒的軸線成45度角，用粘結(jié)劑貼牢2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷82流體流量傳感器流體在管道中流過時，管道內(nèi)設有節(jié)流板，流體流動中受孔板的阻力，使流速發(fā)生變化，在孔板兩側(cè)產(chǎn)生一個壓力差，此壓力差可用壓阻式傳感器檢測當流量一定時，管道的截面積與流體流速的乘積為一常數(shù)，因此流體流過節(jié)流孔板時，節(jié)流孔板兩側(cè)產(chǎn)生一個壓力差，流量越大，則壓力差越大，用流量傳感器通過壓力差而檢測流體的流量2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷83力學量傳感器的應用

——壓電式力學量傳感器的應用壓電式加速度傳感器壓電式壓力傳感器壓電步進位移傳感器壓電式聲傳感器壓電式流量計2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷84壓電式加速度傳感器有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種傳感器感受振動時，因質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力F＝ma慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關提高靈敏度一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度

壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起輸出信號由電極1引出q＝d33F＝d33ma2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷85壓電式加速度傳感器——壓電偶對在與基座相連的薄金屬圓盤上固定雙壓電晶片不使用質(zhì)量塊在外界加速度作用下，晶片撓曲，發(fā)生形變，產(chǎn)生電信號2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷86壓電式壓力傳感器由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導電片6組成當膜片5受到壓強P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷

F——作用于壓電片上的力

d11——壓電系數(shù)

P——壓強，

S——膜片的有效面積2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷87壓電步進位移傳感器也稱“壓電微螺桿”，原理為逆壓電效應在壓電晶體上施以電壓，隨之晶體產(chǎn)生形變重復以下步驟可進行0.006μm的微位移：先加電壓在壓電管1，使其徑向收縮，卡緊主軸再加可變階梯電壓到壓電管2，使其沿軸向伸長然后加電壓到壓電管3，同時去掉管1電壓，并使管2的階梯電壓開始下降使管2復原此時由管1卡緊變?yōu)楣?卡緊，主軸彈性回縮一個微小位移2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷88壓電式聲傳感器交變信號加在壓電陶瓷片兩端面時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應，陶瓷片會在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長和縮短這時聲傳感器是聲頻信號發(fā)生器一定頻率的聲頻信號加在換能器上時，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用產(chǎn)生壓縮變形，由于正壓電效應，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號轉(zhuǎn)換成交變電信號這時聲傳感器就是聲頻信號接收器壓電陶瓷換能器如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷89壓電式聲傳感器S1是聲頻信號發(fā)生器信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦交流信號加在壓電陶瓷片兩端面時，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機械振動，在空氣中激發(fā)出聲波S2是聲頻信號接收器當S發(fā)出的聲波信號經(jīng)過空氣傳播到達換能器S2時，空氣振動產(chǎn)生的壓力作用在S2的壓電陶瓷片上使之出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，在示波器上就能檢測出該交變信號2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷90壓電式聲傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷91壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度差進行測量在管外設置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比據(jù)這個關系，可精確測定流速流速與管道橫截面積的乘積等于流量特點：可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速不受流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響準確度可達0.5%，有的可達0.01%2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷92本課程以輸入量分類介紹傳感器溫度傳感器氣體傳感器光傳感器力學量傳感器磁敏傳感器濕度傳感器電壓敏傳感器生物傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷93磁敏傳感器的分類霍爾元件單晶半導體或化合物半導體磁阻元件半導體材料磁敏晶體管磁敏二極管和磁敏三極管磁敏集成電路2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷94磁敏傳感器——霍爾元件長為L、寬為b、厚為d的導體（或半導體）薄片，被置于磁感應強度為B的磁場中（平面與磁場垂直），在與磁場方向正交的兩邊通以控制電流I，則在導體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁感應強度B乘積成正比的電勢UH，且UH＝KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應，該電勢稱為霍爾電勢，導體薄片就是霍爾元件2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷95霍爾元件工作原理N型半導體中，設電子以均勻的速度v運動，則在垂直方向施加的磁感應強度B的作用下，它受到洛侖茲力FL=qvB當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，有qEH=qvB故：霍爾電場的強度EH=vB霍爾電壓：UH=EHb=vBb流過霍爾元件的電流：I=bd*J=-bdvnq，得：v=-I/nqbd

所以UH=-IB/nqd若取RH=-1/nq，UH=RH*IB/dRH：霍爾元件的霍爾系數(shù)，由半導體材料的性質(zhì)決定，反映材料霍爾效應的強弱2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷96霍爾元件基本電路霍爾元件多采用N型半導體材料霍爾元件越薄(d越小)，KH就越大霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成VHR3VBIEIHR2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷97霍爾元件應用——微位移測量若磁場在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度dB/dx為一常數(shù)時，則當霍爾元件沿x方向移動時，霍爾電勢變化也應是一個常數(shù)K（位移傳感器的輸出靈敏度）：磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好這種位移傳感器一般可測量1～2mm的微小位移，其特點是慣性小，響應速度快，無接觸測量利用這一原理可以測量與之有關的非電量，如力、壓力、加速度、液位和壓差等2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷98霍爾元件應用——轉(zhuǎn)速測量永磁體粘在被測旋轉(zhuǎn)體的上部或粘在被測旋轉(zhuǎn)體的邊緣將霍爾元件放在永磁體附近，當被測旋轉(zhuǎn)體以角速度ω旋轉(zhuǎn)時，每個永磁體通過霍爾器件，霍爾器件便產(chǎn)生一個相應的脈沖霍爾電勢信號測量單位時間內(nèi)脈沖信號的數(shù)量可知被測旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速對被測軸影響小，輸出信號幅度與轉(zhuǎn)速無關，測量精度高2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷99霍爾元件應用——集成霍爾傳感器利用硅集成電路工藝制造霍爾器件并與硅集成電路集成在一起H為霍爾器件，對磁場敏感；二極管D1、D2作為溫度補償H的輸出信號經(jīng)差分放大器（晶體管T1、T2等），送到T3、T4、T5等構成的觸發(fā)電路，由射極跟隨器放大輸出2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷100霍爾元件應用——電子點火缺口對準霍爾元件時，磁通通過霍爾器件而成閉合回路，所以電路導通，此時霍爾電路輸出低電平（小于等于0.4V）；當罩邊凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時，電路截止，霍爾電路輸出高電平當霍爾傳感器輸出低電平時，V1截止，V2、V3導通，點火線圈的初級有一恒定電流通過；當霍爾傳感器輸出高電平時，V1導通，V2、V3截止，點火器的初級電流截斷，此時儲存在點火線圈中的能量，在次級線因以高壓放電形式輸出，即放電點火汽車霍爾電子點火器，由于它無觸點、節(jié)油，能適用于惡劣的工作環(huán)境和各種車速，冷起動性能好等特點，目前國外已廣泛采用。2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷101磁敏傳感器——磁阻元件材料電阻率隨磁場變化磁電阻率效應，微弱，應用受限制電阻值隨磁場變化磁電阻效應（也稱形狀磁阻效應）根據(jù)霍爾效應在垂直磁場作用下，半導體的電流在電極附近發(fā)生偏移，從而延長了電流的路徑，使元件的電阻增加與元件形狀和結(jié)構有關，故也稱作形狀磁阻效應電流同時受霍爾電場力和洛侖茲力作用，達到平衡時，元件中部電流將重新與外電場平行，對元件電阻增加無貢獻靠近兩端電極的霍爾電勢被電極短路而消失，只存在洛侖茲力作用，隨電場變化的電流分布只在電極附近發(fā)生元件長寬比越小，磁阻效應越明顯2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷102磁敏傳感器——磁阻元件在長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍爾電勢同心圓狀霍爾元件理論上電阻增加率最高InSb-NiSb共晶材料，銻化鎳結(jié)晶以針狀析出，自然形成短路柵2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷103磁敏傳感器——磁阻元件迷宮形磁敏電阻器曲折形磁敏電阻器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷104磁敏傳感器——磁敏電位器一般磁敏電位器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷105磁敏傳感器——磁敏電位器核心是差分型結(jié)構的兩個半圓形磁敏電阻；被安裝在同一旋轉(zhuǎn)軸上的半圓形永磁鋼上，其面積恰好覆蓋其中一個磁敏電阻隨著旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，磁鋼覆蓋于磁阻元件的面積發(fā)生變化，引起磁敏電阻值發(fā)生變化旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，即能調(diào)節(jié)其阻值一般磁敏電位器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷106銻化銦(InSb)磁阻傳感器在磁性油墨鑒偽點鈔機中的應用過程紙幣上的磁性油墨沒有進入位置1時，設輸出變化為零如果進入位置2，由于R2電阻增大，則輸出變化為0.3mV左右如果進入位置3時，則仍為0如果進入位置4，則為-0.3mV如果進入位置5，則仍為0經(jīng)過放大、比較、脈沖展寬、顯示，就能檢測偽幣2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷107磁敏傳感器——磁敏晶體管包括磁敏二極管和磁敏三極管2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷108磁敏二極管的結(jié)構在高純度鍺半導體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個區(qū)域磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成在P、N之間有一個較長的本征區(qū)I本征區(qū)I的一面磨成光滑的無復合表面（為I區(qū)），另一面打毛，設置成高復合區(qū)（為r區(qū)）因電子—空穴對易于在粗糙表面復合而消失2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷109磁敏二極管的工作原理（1）當磁敏二極管末受到外界磁場作用時外加正向偏壓后，有大量的空穴從P區(qū)通過I區(qū)進入N區(qū)，同時也有大量電子注入P區(qū)，形成電流只有少量電子和空穴在I區(qū)復合掉2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷110磁敏二極管的工作原理（2）當磁敏二極管受到外界正向磁場作用時電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)r區(qū)的電子和空穴復合速度比光滑面I區(qū)快形成的電流因復合速度而減小當磁敏二極管受到外界反向磁場作用時電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向I區(qū)偏移電子和空穴復合率明顯變小電流變大2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷111磁敏三極管的結(jié)構在弱P型或弱N型本征半導體上用合金法或擴散法形成發(fā)射極、基極和集電極基區(qū)較長基區(qū)結(jié)構類似磁敏二極管，有高復合速率的r區(qū)和本征I區(qū)長基區(qū)分為運輸基區(qū)和復合基區(qū)2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷112磁敏三極管工作原理（1）磁敏三極管末受磁場作用時由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴散長度，大部分載流子通過e-I-b形成基極電流，少數(shù)載流子輸入到c極因而形成基極電流大于集電極電流的情況，使β＜12014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷113磁敏三極管工作原理（2）當受到正向磁場(H+)作用時由于磁場的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)導致集電極電流顯著下降當反向磁場(H-)作用時，在H-的作用下，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)使集電極電流增大2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷114磁敏傳感器——磁敏電位器磁敏二極管電位器兩個具有相反特性的磁敏二極管串連改變磁場的大小和方向，可使兩個二極管呈現(xiàn)不同的阻值比，從而改變輸出電壓的大小2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷115磁敏傳感器——漏磁探傷儀將待測物置于鐵芯之下，并使之不斷轉(zhuǎn)動，在鐵芯、線圈激磁后，鋼棒被磁化若待測鋼棒沒有損傷的部分在鐵芯之下時，鐵芯和鋼棒被磁化部分構成閉合磁路，激勵線圈感應的磁通為Φ，此時無泄漏磁通，磁場二極管探頭沒有信號輸出若鋼棒上的裂紋旋至鐵芯下，裂紋處的泄漏磁通作用于探頭，探頭將泄漏磁通量轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大器放大輸出，根據(jù)指示儀表的示值可以得知待測鐵棒中的缺陷磁敏二報管漏磁探傷儀1裂縫；2磁敏管探頭；3鐵芯；4激勵線圈；5被測棒材2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷116磁敏傳感器——磁敏電位器磁敏三極管置于1kGs的磁場中，通過磁場改變磁敏三極管的基極電流，該電路的輸出電壓在0.7V~15V之間連續(xù)變化等效于一個電位器，且沒有觸點特別適合于變化頻繁、調(diào)節(jié)迅速、噪聲要求低的場合磁敏三極管電位器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷117本課程以輸入量分類介紹傳感器溫度傳感器氣體傳感器光傳感器力學量傳感器磁敏傳感器濕度傳感器電壓敏傳感器生物傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷118濕度傳感器濕敏電阻器金屬氧化物半導體陶瓷濕敏電阻器元素材料濕敏電阻器化合物濕敏電阻器高分子濕敏電阻器濕敏電容器多孔材料（Al2O3等）為介質(zhì)濕敏晶體管濕敏二極管濕敏三極管2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷119濕度傳感器——濕敏電阻器利用半導體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器測濕范圍寬，可實現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150℃以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達800℃，響應時間較短，精度高，抗污染能力強，工藝簡單，成本低廉典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4－TiO2系、TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2－MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系，主要為負特性濕度傳感器工作原理：多孔型的半導體陶瓷，在晶粒表面及晶粒間界處，容易吸附水分子；水是強極性電介質(zhì)，氫原子附近有強正電場，具有大的電子親和力；水分子附著在半導體陶瓷表面時，將俘獲電子，在陶瓷表面形成空穴累積，導致電阻率降低多孔毛細管狀陶瓷在各晶粒表面和晶粒間吸附水分子使之離解出大量導電粒子，起到電荷輸運作用金屬氧化物半導體陶瓷濕敏電阻器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷120金屬氧化物半導體陶瓷濕敏電阻器特性電阻一濕度特性隨著相對濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降MgCr2O4－TiO2系陶瓷濕度傳感器當相對濕度由0變?yōu)?00％RH時，阻值從107Ω下降到104Ω，變化了三個數(shù)量級電阻—溫度特性在不同的溫度環(huán)境下，測量陶瓷濕度傳感器的電阻—濕度特性從20℃到80℃各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負溫度系數(shù)如果要求精確的濕度測量，需要對濕度傳感器進行溫度補償2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷121濕度傳感器——濕敏電阻器元素半導體材料或碳元素材料制成碳濕敏電阻器電阻－濕度特性為正用有機物聚丙烯塑料片或棒為基體，涂布一層含導電性碳粒的有機膠狀纖維素構成有機材料吸潮后，體積膨脹，碳粒間距離增大，電阻值增大元素半導體濕敏電阻器特性為負在陶瓷或石英基片上蒸發(fā)Ge、Se等元素半導體薄膜制成碳濕敏電阻器濕度特性Ge薄膜濕度傳感器濕度特性曲線元素材料濕敏電阻器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷122濕度傳感器——濕敏電阻器以電解質(zhì)化合物為感濕材料LiCl、Fe3O4、CaSO4等電解質(zhì)是以離子形式導電的物質(zhì)，分為固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動的正、負離子，稱為液體電解質(zhì)電解質(zhì)溶液的電導率與溶液的濃度有關，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對濕度的函數(shù)化合物濕敏電阻器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷123濕度傳感器——濕敏電阻器聚苯乙烯磺酸鋰等高分子材料為感濕材料優(yōu)點：具有良好的穩(wěn)定性存儲一年后，其最大變化不超過2％RH，完全可以滿足器件穩(wěn)定性的要求缺點：對于含有機溶媒氣體的環(huán)境下測濕時，器件易損壞不能用于80℃以上的高溫高分子濕敏電阻器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷124濕度傳感器——濕敏電容器利用多孔Al2O3為感濕膜，可采用厚膜技術、涂膜技術、硅MOS等技術其上部多孔質(zhì)的金電極可使水分子透過水的介電系數(shù)比較大，室溫時約為79感濕高分子材料的介電常數(shù)并不大當水分子被高分子薄膜吸附時，介電常數(shù)發(fā)生變化隨著環(huán)境濕度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而濕度傳感器的電容量增加根據(jù)電容量的變化可測得相對濕度傳感器的電容量變化很大,但線性度欠佳可外接轉(zhuǎn)換電路,使電容—濕度特性趨于理想直線2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷125濕度傳感器——濕敏晶體管在硅片上生成10nm左右的SiO2層，并在其上淀積一層SnO2作為敏感膜，并在上、下鍍膜形成Al電極該濕敏二極管處于反向偏壓并接有負載時，處于雪崩區(qū)附近，其反向電流的大小與環(huán)境濕度直接相關，隨濕度的增加反向電流減小濕度環(huán)境中，二極管的結(jié)區(qū)邊緣處將有水分子吸附，使耗盡層展寬，主要向硅襯底方向擴展，有利于雪崩電壓升高濕敏二極管2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷126濕度傳感器——濕敏晶體管在MOS場效應管的柵極上，涂覆一層感濕薄膜，并在感濕薄膜上增置一對電極目前研究開展較少，實用化器件不多濕敏三極管2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷127濕度傳感器的應用——濕敏電阻器的應用必須使用交流電源，否則性能會劣化甚至失效電解質(zhì)濕度傳感器的電導是靠離子的移動實現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負離子必然向電源兩極運動，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞在交流電源作用下，正負離子往返運動，不會產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會被破壞2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷128濕度傳感器的應用——露點傳感器一般用高分子材料并含有導電粒子碳粉的感濕膜傳感器具有正濕度系數(shù)當環(huán)境濕度導致結(jié)露時，傳感器電阻值增大，BG1基極電壓升高，BG1導通，BG2截止，BG3、BG4導通，結(jié)露指示燈亮并輸出控制信號錄像機結(jié)露報警控制電路2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷129濕度傳感器的應用——露點傳感器加熱絲RS埋入擋風玻璃內(nèi)，H為結(jié)露傳感器傳感器具有負濕度系數(shù)低濕度時，R1和R2電阻使BG1導通，BG2截止，繼電器J觸點釋放濕度增大到80％RH以上時，H電阻值RP下降，使BG1截止，BG2導通，繼電器接通加熱絲RS電源，驅(qū)散濕氣汽車擋風玻璃自動去霜電路2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷130濕度傳感器的應用——電容式濕度傳感器的應用Cu為電容濕度傳感器，IC1是方波振蕩器，Rt是熱敏電阻，C1、R1、Rt、C3、C2和Cu組成積分電路當濕度增大到某點時，濕敏電容量增大，積分電路的積分時間增大，IC4輸出的脈沖寬度增寬，輸出平均電壓升高，此信號用于控制和報警2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷131本課程以輸入量分類介紹傳感器溫度傳感器氣體傳感器光傳感器力學量傳感器磁敏傳感器濕度傳感器電壓敏傳感器生物傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷132電壓敏傳感器指電阻值隨電壓變化的敏感元件不屬于非電量與電量之間變換，其主要應用領域不是信息的檢測和攝取分類：碳化硅壓敏電阻器硅、鍺壓敏電阻器金屬氧化物(ZnO等)壓敏電阻器結(jié)型壓敏電阻器體型壓敏電阻器其他材料壓敏元件2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷133電壓敏傳感器——過電壓保護含感性負載的電路中，瞬時切斷電源時，由于電感中磁場能量的轉(zhuǎn)化，在電路的負載側(cè)和電源側(cè)產(chǎn)生過電壓，影響正常工作在電路中適當位置裝入壓敏電阻器，可以吸收這種浪涌電壓，保護電子元器件和電子設備免受損壞電路中負荷側(cè)并入壓敏電阻MY常態(tài)下流過MY的電流很小，即電阻很大過電壓入侵時，開始使MY端電壓升高，當電壓升高至一定值后，壓敏電阻動態(tài)電阻值減小，流過壓敏電阻的電流急劇增大，所以使電感負荷中的磁場能大部分注入壓敏電阻由于壓敏電阻動態(tài)電阻很小，使過電壓被抑制在較低的范圍內(nèi)2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷134電壓敏傳感器——穩(wěn)壓利用壓敏電阻的電壓－電流非線性關系非線性系數(shù)越大，穩(wěn)壓系數(shù)越小，輸出電壓的變化就越小，穩(wěn)定電壓的效果越好穩(wěn)定電壓高（可工作于幾十kV），體積小，特別適宜精細電子設備；但功耗大2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷135電壓敏傳感器——控制從輸出端取出的交流信號經(jīng)二極管D后，變?yōu)橹绷骷拥綁好綦娮鐼Y1上輸出信號強，加在MY1上的控制電壓就高，使MY1的交流阻抗減小，因而使輸出到三極管BG基極的交流信號減弱，使輸出電壓變小，實現(xiàn)音量的自動調(diào)節(jié)壓敏元件的自動音量控制電路2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷136本課程以輸入量分類介紹傳感器溫度傳感器氣體傳感器光傳感器力學量傳感器磁敏傳感器濕度傳感器電壓敏傳感器生物傳感器2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷137生物傳感器利用某些生物活性物質(zhì)所具有的高度選擇性，來識別待測生物化學物質(zhì)一般是在基礎傳感器(電化學裝置)上再耦合一個生物敏感膜（稱為感受器或敏感元件）生物敏感膜緊貼在探頭表面上，再用一種半滲透膜與被測溶液隔開當待測溶液中的成分透過半透膜有選擇地附著于敏感物質(zhì)時，形成復合體，隨之進行生化和電化學反應，產(chǎn)生普通電化學裝置能感知的O2、H2、NH4+、CO2等，并通過電化學裝置轉(zhuǎn)換為電信號2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷138生物傳感器的分類按分子識別元件分類2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷139生物傳感器——酶傳感器通過測定酶作用后H2O2（或氧）含量的變化實現(xiàn)糖的定量指示當測量時，葡萄糖酶傳感器插入到被測葡萄糖溶液中，由于酶的催化作用而產(chǎn)生H2O2，其反應式為在Pt陽極上加0.6V電壓，則H2O2在Pt電極上產(chǎn)生的氧化電流為式中，2e-為形成電流的電子C6H12O6+O2

C6H10O6+H2O2

GODH2O2O2+2H++2e-0.6VPt2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷140生物傳感器——微生物傳感器好氣性微生物傳感器由固化好氣性微生物膜和氧電極（或二氧化碳電極）組合構成有機物向微生物膜擴散，從而使微生物呼吸旺盛，借助密集在微生物膜上的氧電極檢測獲得與微生物呼吸量有關的電流輸出厭氣性微生物傳感器將微生物固化膜和電極組合氧的存在妨礙微生物的生長，產(chǎn)生的代謝物是一種特定物，能跟電極反應，又稱為電極活性物呼吸性檢測型電極活性物質(zhì)檢測型2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷141生物傳感器——其他類型生物電子傳感器由生物分子構成功能膜感受器和半導體換能器組成由酶、抗原/抗體、微生物等構成生物功能膜由半導體場效應管做換能器在柵極上加一層生物分子功能膜（如固化酶膜），當測定液接觸酶膜時即發(fā)生反應，使PH值發(fā)生變化，從而導致漏電流發(fā)生變化通過檢測電流的變化可知待測容易的濃度2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷142生物傳感器——其他類型光生物傳感器在硅光電二極管表面制作一層過氧化酶薄膜

葡萄糖在酶催化作用下可產(chǎn)生H2O2魯米諾＋H2O2過氧化酶氨基酞酸＋N2+H2O+hγ2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷143其它傳感器光纖傳感器激光與紅外傳感器超聲波傳感器核輻射傳感器……2014-05-12中國科學技術大學快電子實驗室劉樹彬

趙雷144光纖傳感器20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器與以電為基礎的傳感器有本質(zhì)區(qū)別光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)同時具有光纖及光學測量的特點電絕緣性能好抗電磁干擾能力強非侵入性高靈敏度容易實現(xiàn)對被測