傳感器復習整理

從后到前依次是第一章至第八章。老師上課說的重點應該都在里面，但也會有遺漏，大家可以結合自己的總結進行完善。好好復習吧

希望我們都能取得好成績！3、不等位電勢U0：在額定控制電流I下，不加磁場時，霍爾電極間的空載霍爾電勢。①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；②半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；

③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。討論：為什么只能用半導體材料作霍爾元件？金屬材料電子μ很高但ρ很??；絕緣材料ρ很高但μ很小;獲得較強霍爾效應，霍爾片采用半導體材料制成。電子的遷移率比空穴大，所以以N型半導體居多

一、霍爾效應和霍爾元件的工作原理

在半導體薄片中通以電流I,在與薄片垂直方向加磁場B，則在半導體薄片的另外兩端，產生一個大小與控制電流I和B乘積成正比的電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。該電勢稱為霍爾電勢，該薄片稱為霍爾元件。

1、霍爾效應1878年美國物理學家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應UHbldIFLFEvB2、霍爾元件的工作原理設霍爾元件為N型半導體，當它通電流I時洛侖茲力：FL=-evB電場作用于電子的電場力為

當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，有eEH=evB故霍爾電場的強度為EH=vB所以，霍爾電壓UH可表示為

UH=EHb=vBb流過霍爾元件的電流為I=dQ/dt=bdvn（-e）v=-I/nebd所以：

UH=-BI/ned

n—N型半導體中的電子濃度p—P型半導體中的空穴濃度P型半導體

1.光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。PN光光敏二極管符號光敏二極管接線RL

光PN（三）、光敏二極管和光敏三極管光敏二極管的光照特性是線性的，適合檢測等方面的應用。RE-+IPN當光照射時，光敏二極管處于導通狀態(tài)。當光不照射時，光敏二極管處于截止狀態(tài)。（1）光譜特性光敏三極管的主要特性：

存在一個最佳靈敏度的峰值波長2040608010040080012001600入射光波長/nm鍺硅相對靈敏度（%）0硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。（2）伏安特性500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA024620406080光敏晶體管的伏安特性U/V將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結附近，所產生的光電流看作基極電流，可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。光敏晶體管的光照特性（3）光照特性

故光敏三極管既可做線性轉換元件，也可做開關元件。近似線性關系。但光照足夠大時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0暗電流/mA10203040506070T/oC25050光電流/mA100

02003004001020304050607080T/oC（4）溫度特性溫度變化對光電流的影響很小，對暗電流的影響很大。故電子線路中應對暗電流進行溫度補償。（5）光敏三極管的頻率特性

20406080100相對靈敏度（%）f(kHZ)

110

1000RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。

對于鍺管，入射光的調制頻率要求在5kHz以下。

硅管的頻率響應要比鍺管好。光敏三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基區(qū)很?。换鶚O不接引線；集電極面積較大。

當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在集電結的基區(qū)時,會產生電子-空穴對,在內電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍。RLEm—電子質量；v0—電子逸出速度。愛因斯坦光電方程：入射光成分不變，產生的光電流與光強成正比。光電子能否產生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2，基于外光電效應的光電器件：光電管、光電倍增管1、電壓放大器～～若壓電元件材料受正弦力作用，則產生的電壓值為Fm—作用力的幅值—電壓幅值可得放大器輸入端的電壓Ui，其復數(shù)形式為Ui的幅值Uim為輸入電壓與作用力之間的相位差φ為其中電壓靈敏度其中電壓靈敏度討論：靈敏度與被測信號頻率無關,這說明壓電式傳感器的高頻響應相當好壓電傳感器不能測靜態(tài)量。⑶為了得到好的低頻響應特性，⑷靈敏度與連接電纜有關，更換電纜需要重新標定其中返回一、壓電晶片的連接方式一、壓電晶片的連接方式1、并聯(lián)連接+++------++++-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。2、串聯(lián)連接+++------+++-+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、頻率較高的場合。返回3、橫向壓電效應d12——y軸方向受力的壓電系數(shù)；石英晶體對稱性，有d12=-d11；a-厚度；b-寬度。壓電電荷符號與受力方向++++－－－－++++－－－－FYXFYX返回xbzyac逆壓電效應（電致伸縮效應）

當在電介質的極化方向施加電場，這些電介質就在一定方向上產生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象。正壓電效應電能機械能逆壓電效應

壓電元件返回一、壓電效應順（正）壓電效應：

某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上便產生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài);當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應或順壓電效應。返回例

采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量爐溫。熱端溫度為800℃，冷端溫度為50℃。為了進行爐溫的調節(jié)與顯示，必須將熱電偶產生的熱電動勢信號送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為20℃。采用補償導線后則為：

E(800,20)=33.277-0.798=32.479mV（相當于781℃）首先由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為0℃，熱端溫度分別為800℃、50℃、20℃時的熱電動勢：E(800，0)＝33.277mV；E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。如果熱電偶與儀表之間直接用銅導線連接，根據中間導體定律，輸入儀表的熱電動勢為：E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)

=(33.277-2.022)mV=31.255mV（相當于751℃）√3、計算修正法室溫下計算出參比端實際溫度TH:例用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計測出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對應的熱端溫度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，認為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)4、補正系數(shù)法參比端實際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。

T：被測溫度；

T′：參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度；

TH：室溫（參比端實際溫度）；

K：補正系數(shù)。T＝

T′＋

kTH例題

用鉑銠10－鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時熱電動勢為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應的溫度T′=1150℃。再從下表中查出，對應于1150℃的補正系數(shù)k=0.53。被測溫度：

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）

特點：

計算簡單；誤差大一點，但誤差不大于0.14％。討論(熱電效應)

如果A和B材料相同，無論接點處溫度如何，不會產生熱電勢。

如果A和B材料不同，但兩接點溫度相同也不會產生熱電勢。①熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。②只有用不同性質的導體(或半導體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。4、熱電偶基本性質

③只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產生。④導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。⑤對于由幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點溫度分別為T1、T2……TN

，閉合回路總的熱電動勢為：返回接觸電動勢起主要作用在標定熱電偶時，一般使T0為常數(shù)，則AToT（2）溫差電勢——溫差系數(shù)——熱端和冷端的絕對溫度T0TeB(T,T0)eA(T,T0)AB溫差電勢的大小與材料性質及兩端溫度有關。由同一金屬導體兩端處于不同的溫度場中，由于自由電子密度不同產生的電勢。溫差電勢返回T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3、回路總電勢T＞T0、NA＞NB回路總電勢返回接觸電動勢起主要作用在標定熱電偶時，一般使T0為常數(shù)，則

定義：兩種不同的導體或半導體A和B組合成閉合回路，連接點處于不同的溫度場中（設T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應。1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應。熱電偶原理圖TT0AB

一、工作原理回路中所產生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即接觸電勢和溫差電勢。熱端冷端1、熱電效應返回T0TeAB(T)eAB(T0)ABAB2、產生原因（1）接觸電勢接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。

兩種導體在溫度T中接觸，由于自由電子濃度不同在接觸點產生的電動勢稱接觸電勢。

接觸電勢返回2、二級管相敏檢波電路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+Ｕ２、Ｕ１同頻，同相或反相，且滿足Ｕ２＞＞Ｕ１。RLu1u2-R+RD3D2D1D4RRT1T2+-當銜鐵在中間位置時，位移x（t）=0，傳感器輸出電壓Ｕ１=0,只有Ｕ２起作用。RL正半周時

因為是從中心抽頭，所以u1=u２，故i３=i４。流經RL的電流為i０=i４－i３=０u1u2-R+RD3D2D1D4RRT1T2+-i4i3RLu1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+負半周時

同理可知i１=i２，所以流經RL電流為i０=i１－i２=０i1RLi2u1u2-R+RD3D2D1D4RRT1T2+-i4銜鐵在零位以上，x（t）>0，Ｕ１與Ｕ２同頻同相時：正半周時

i3故i４＞

i３，流經RL的電流為i０=i４－i３＞０e1e2-+-+RL-+-u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+負半周時

故i１＞

i２，流經RL的電流為

i０=i１－i２＞０i2i1e1+e2RLu1u2-R+RD3D2D1D4RRT1T2+-Ｕ２正半周Ｕ１負半周故i４＜

i３。流經RL的電流為i０=i４－i３＜０銜鐵在零位以下，x(t)<0，Ｕ１與Ｕ２同頻反相時：e1e2+-+-i4i3RLu1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+同理:Ｕ２負半周Ｕ１正半周時i１＜

i２。流經RL的電流為i０=i１－i２＜０．表示i0的方向也與規(guī)定的正方向相反。i2i1RL-++-e1e2

結論：

１．銜鐵在中間位置時，無論參考電壓是正半周還是負半周，在負載RL上的輸出電壓始終為0。

２．銜鐵在零位以上移動時，無論參考電壓是正半周還是負半周，在負載RL上得到的輸出電壓始終為正。

３．銜鐵在零位以下移動時，無論參考電壓是正半周還是負半周，在負載RL上得到的輸出電壓始終為負。由此可見，該電路能判別鐵芯移動的方向。返回二、測量電路1.差動整流電路無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，整流電路的輸出電壓U0始終等于R1、R2兩個電阻上的電壓差。aR2R1bhgcfde++互感式傳感器:把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器。是根據變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。1初級線圈;2.3次級線圈;4銜鐵1243(b)氣隙型123(a)螺管型4一、變隙式自感傳感器1、結構和工作原理δ線圈鐵芯銜鐵Δδ線圈匝數(shù)總磁阻l1：鐵芯磁路總長；l2：銜鐵的磁路長；A：氣隙磁通截面積；A1：鐵芯橫截面積；A2：銜鐵橫截面積；μ0=4π×10-7H／m；

δ：空氣隙厚度。四、脈沖寬度調制電路

uABUFUGUrUr-U1U1T1000T2ttt適用于任何差動式電容式傳感器，具有理論上的線性特性；測量電路總結三、二極管雙T型交流電橋高頻對稱方波D1、D2為特性相同二極管R1=R2=RC1、C2傳感器的兩差動電容沒有輸入時，C1=C2Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++C1工作形式：正半周時，D1導通、D2截止，C1充電，負半周時，C1電荷通過R1，RL放電，RL電流為I1。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++UE(a)C2C1RLR1R2i1i2++C2工作形式：負半周時，D2導通、D1截止，C2充電正半周時，C2通過R2，RL放電，RL電流為I2

。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1

當輸入為正半周時，二極管D1導通、D2截止，于是電容C1充電，在隨后負半周出現(xiàn)時，電容C1上的電荷通過電阻R1，負載電阻RL放電，流過RL的電流為I1。

當輸入為負半周時，D2導通、D1截止，則電容C2充電，在隨后出現(xiàn)正半周時，C2通過電阻R2，負載電阻RL放電，流過RL的電流為I2

。

C1=C2，則電流I1=I2，且方向相反，在一個周期內流過RL的平均電流為零。（2）圓柱面結構直線位移型靜態(tài)時：動態(tài)時：初始電容C0為：當內筒上移x時，內外筒間的電容C1為：D1D0Lx與x成線性關系1、變極距型電容傳感器

初始電容:距離:縮小Δdd01-定極板2-動極板變極距電容量:增大了ΔC一、基本工作原理平板電容器，其電容量為：ε:

電容極板間介質的介電常數(shù)，ε=ε0εrε0:

真空介電常數(shù)εr:

極板間介質的相對介電常數(shù)；

A:

兩平行板所覆蓋的面積；

d:

兩平行板之間的距離。交流電橋輸出電壓

單臂交流電橋半橋差動電路全橋差動電路②全橋差動電路ER2-ΔR2R1+ΔR1U0+-R3-ΔR3R4+ΔR4為提高電橋電壓靈敏度n=1ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4則全橋測量電路輸出及靈敏度Uo與ΔR1/R1成線性關系，無非線性誤差，電橋電壓靈敏度SV=E，是單臂工作時的四倍。同時還具有溫度補償作用。全橋輸出：①差動電橋補償(半橋差動電路)ERLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0+-為提高電橋電壓靈敏度n=1若ΔR1=ΔR2，則得半橋的電壓靈敏度輸出電壓:與單臂相比:Uo與ΔR1/R1成線性關系，無非線性誤差;電橋電壓靈敏度SV=E/2，是單臂工作時的兩倍;同時具有溫度補償作用。求得n=1時，電橋電壓靈敏度最高,所以實際使用中取輸出為：結論：當電源電壓E和電阻相對變化量ΔR1/R1一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，與各橋臂電阻阻值大小無關。

當E值確定后，n取何值時才能使SV最高？使用單一應變片時

半導體應變片特點優(yōu)點：靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍缺點：材料的溫度系數(shù)大，應變時非線性比較嚴重，應用范圍受到限制。利用應變片測量的基本原理：應力值正比于應變，而應變又正比于電阻值的變化，所以應力正比于電阻值的變化。返回3、半導體應變原理

壓阻效應：沿一塊半導體的某一軸向施加壓力使其變形時，它的電阻率會發(fā)生顯著變化，這種現(xiàn)象稱為半導體的壓阻效應。

利用壓阻效應制成的傳感