《几种新型传感器》PPT课件.ppt

第第5章章 新型传感器简介新型传感器简介5.1 CCD图像传感器图像传感器5.2 触觉传感器触觉传感器5.3 光纤传感器光纤传感器5.4 磁性传感器磁性传感器5.5 集成温度传感器集成温度传感器第第5章章 新型传感器简介新型传感器简介 从第从第2章到第章到第4章我们已经学习了十几种常用的传感器。章我们已经学习了十几种常用的传感器。随着科学技术的发展，在不断发现新现象、采用新原理、开随着科学技术的发展，在不断发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺的基础上，传感器技术得到了很大的发新材料和采用新工艺的基础上，传感器技术得到了很大的进步与提高。同时，与单片机或者微计算机相结合的智能式进步与提高。同时，与单片机或者微计算机相结合的智能式传感器、生物传感器也有了很大的发展。传感器、生物传感器也有了很大的发展。新型传感器技术含量高、功能强，相对传统传感器具有新型传感器技术含量高、功能强，相对传统传感器具有很多优点。了解和学习这些新型的传感器有助于我们打一大很多优点。了解和学习这些新型的传感器有助于我们打一大视野，及时了解、掌握新型传感器技术并加以应用。本章将视野，及时了解、掌握新型传感器技术并加以应用。本章将介绍最近几年发展起来的新型传感器，包括介绍最近几年发展起来的新型传感器，包括CCD图像传感器、图像传感器、触觉传感器、光纤传感器、磁性传感器和集成温度传感器。触觉传感器、光纤传感器、磁性传感器和集成温度传感器。返回5.1 CCD图像传感器图像传感器 图像传感器是采用光电转换原理，用来摄取平血光学图图像传感器是采用光电转换原理，用来摄取平血光学图像并使其转换为电子图像信号的器件。图像传感器必须具有像并使其转换为电子图像信号的器件。图像传感器必须具有两个作用，一是具有把光信号转换为电信号的作用两个作用，一是具有把光信号转换为电信号的作用;二是具有二是具有将平面图像上的像素进行点阵取样，并把这些像素按时间取将平面图像上的像素进行点阵取样，并把这些像素按时间取出的扫描作用。出的扫描作用。电荷耦合器件又称为电荷耦合器件又称为CCD器件，如其外形如器件，如其外形如图图5-1所示，所示，它是近年来新发展起来的一种半导体功能器件，能够把光学它是近年来新发展起来的一种半导体功能器件，能够把光学影像转化为数字信号。影像转化为数字信号。下一页返回5.1 CCD图像传感器图像传感器5.1.1 CCD图像传感器的结构图像传感器的结构 CCD更接近于人的视觉的工作方式，只不过人眼的视网更接近于人的视觉的工作方式，只不过人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞分工合膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞分工合作组成视觉感应。作组成视觉感应。CCD经过长达经过长达35年的发展，大致的形状和年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型，如运作方式都已经定型，如图图5-2示为示为CCD的三层结构示意图，的三层结构示意图，上层为增光镜头，中层为分色滤色片，下层为感光层。上层为增光镜头，中层为分色滤色片，下层为感光层。第一层：增光镜头第一层：增光镜头 CCD 成像的关键是在于其感光层，为了扩展成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD 的采的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。光率，必须扩展单一像素的受光面积。感光面积不再由传感器的开口面积决定，而由微型镜片感光面积不再由传感器的开口面积决定，而由微型镜片的表面积来决定。的表面积来决定。上一页 下一页返回5.1 CCD图像传感器图像传感器第二层第二层 分色滤色片分色滤色片 CCD 的第二层是的第二层是“分色滤色片分色滤色片”，目前有两种分色方式：，目前有两种分色方式：一是一是RGB 原色分色法，另一个则是原色分色法，另一个则是CMYK 补色分色法。补色分色法。RGB 原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成。都可以通过红、绿和蓝来组成。CMYK 补色分色法，是由青洋红、黄、黑四个通道的颜补色分色法，是由青洋红、黄、黑四个通道的颜色配合而成。色配合而成。原色原色CCD 的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。在印刷业中，噪声问题。在印刷业中，CMYK 更为适用，但其调节出来的更为适用，但其调节出来的颜色不及颜色不及RGB 的多。的多。上一页 下一页返回5.1 CCD图像传感器图像传感器第三层第三层 感光层感光层 CCD 的第三层是的第三层是“感光片感光片”，这层主要是负责将穿过，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到图像处理芯滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到图像处理芯片，将影像还原。感光层的基本组成部分是片，将影像还原。感光层的基本组成部分是MOS 型光通量传型光通量传感器如感器如图图5-3 所示。所示。一个图像传感器是由纵横方向上数千个光通量传感器组成一个图像传感器是由纵横方向上数千个光通量传感器组成的矩阵和控制水平方向与垂直方向扫描的移位寄存器组合而的矩阵和控制水平方向与垂直方向扫描的移位寄存器组合而成的。成的。上一页 下一页返回5.1 CCD图像传感器图像传感器5.1.2 CCD 传感器的工作过程传感器的工作过程 如如图图5-4 所示为所示为CCD 系统构成，主要由系统构成，主要由CCD 传感器、放传感器、放大器、模数转换器和缓存构成。其中，大器、模数转换器和缓存构成。其中，CCD 传感器由成像区、传感器由成像区、暂存区和水平读出寄存器三部分构成，每个成像单元称为一暂存区和水平读出寄存器三部分构成，每个成像单元称为一个像索（个像索（Pixel)，假定有，假定有M 个转移沟道，每个沟道有个转移沟道，每个沟道有N 个成个成像单元，那么整个成像区共有像单元，那么整个成像区共有M*N 个像索。个像索。CCD 传感器的传感器的暂存区的结构和单元数与成像区相似，暂存区与水平读出寄暂存区的结构和单元数与成像区相似，暂存区与水平读出寄存器均需作遮光处理。存器均需作遮光处理。上一页 下一页返回5.1 CCD图像传感器图像传感器 CCD 传感器工作时，图像经物镜在成像区成像，给成像传感器工作时，图像经物镜在成像区成像，给成像区上面的电极加上适当的偏压时，光生电荷被收集到电极下区上面的电极加上适当的偏压时，光生电荷被收集到电极下方的势阱里，这样就将光学图像变成了电荷包图像。当光积方的势阱里，这样就将光学图像变成了电荷包图像。当光积分周期结束时，加到成像区和暂存区电极上的时钟脉冲使所分周期结束时，加到成像区和暂存区电极上的时钟脉冲使所有收集到的信号电荷迅速转移到暂存区中，然后经由水平读有收集到的信号电荷迅速转移到暂存区中，然后经由水平读出寄存器，在时钟脉冲控制下，通过输出极逐行输出一帧信出寄存器，在时钟脉冲控制下，通过输出极逐行输出一帧信息，在第一帧读出的同时，第二帧信息通过光积分又收集到息，在第一帧读出的同时，第二帧信息通过光积分又收集到势阱中，这样，就可以一帧一帧连续地读出。势阱中，这样，就可以一帧一帧连续地读出。上一页 下一页返回5.1 CCD图像传感器图像传感器5.1.3 CCD 图像传感器的种类图像传感器的种类 用于图像传感器的用于图像传感器的CCD 又称摄像或像敏又称摄像或像敏CCD。它的功。它的功能是把二维图像光学信号转变成一维视频信号或数字信号。能是把二维图像光学信号转变成一维视频信号或数字信号。从结构上可分为线阵从结构上可分为线阵CCD 和面阵和面阵CCD 两大类。两大类。线阵线阵CCD 结构简单，成本较低，可以同时储存一行电视结构简单，成本较低，可以同时储存一行电视信号，能够实现动态测量，并能在低照度下工作。所以线阵信号，能够实现动态测量，并能在低照度下工作。所以线阵CCD 广泛地应用于产品尺寸测量、非接触尺寸测量、条形码广泛地应用于产品尺寸测量、非接触尺寸测量、条形码等许多领域。等许多领域。面阵面阵CCD的优点是结构较简单、容易增加像素数，缺点的优点是结构较简单、容易增加像素数，缺点是是CCD 尺寸较大、易产生垂直拖影。尺寸较大、易产生垂直拖影。上一页 下一页返回5.1 CCD图像传感器图像传感器5.1.4 CCD 图像传感器的应用图像传感器的应用CCD 工件外形检测工件外形检测 在机械零部件生产过程中，零件外径尺寸的测量占有重在机械零部件生产过程中，零件外径尺寸的测量占有重要地位，快速、准确地测量出零件的主要参数可以缩短整个要地位，快速、准确地测量出零件的主要参数可以缩短整个产时的生产周期，并有利于实现自动化。产时的生产周期，并有利于实现自动化。图图5-6 所示为所示为CCD 工件尺寸检测系统组成框图。该检测工件尺寸检测系统组成框图。该检测系统主要由传感器系统、测量平台、运动控制系统及软件系系统主要由传感器系统、测量平台、运动控制系统及软件系统等几部分构成。统等几部分构成。上一页 下一页返回5.1 CCD图像传感器图像传感器火车轴承滚子的表面探伤火车轴承滚子的表面探伤 磁粉探伤的原理是：当将滚子磁化后，磁力线在有表面磁粉探伤的原理是：当将滚子磁化后，磁力线在有表面缺陷的部位会发生变化，部分磁力线逸出，在缺陷处形成磁缺陷的部位会发生变化，部分磁力线逸出，在缺陷处形成磁极，从而产生漏磁场；当在滚子表面喷洒荧光磁粉悬液时，极，从而产生漏磁场；当在滚子表面喷洒荧光磁粉悬液时，磁粉将被吸附在漏磁场处形成磁痕，在紫外光照射的条件下，磁粉将被吸附在漏磁场处形成磁痕，在紫外光照射的条件下，荧光磁粉将受激发射出荧光，由高像素荧光磁粉将受激发射出荧光，由高像素CCD 摄像机对其进行摄像机对其进行摄像，经计算机进行相关图像处理后，对可疑缺陷进行增强摄像，经计算机进行相关图像处理后，对可疑缺陷进行增强显示并发出声响预警，同时将可疑缺陷图像输出打印，从而显示并发出声响预警，同时将可疑缺陷图像输出打印，从而达到探伤的目的。达到探伤的目的。该自动检测系统主要由计算机、磁粉探伤机及控制部分、光该自动检测系统主要由计算机、磁粉探伤机及控制部分、光学部分、图像处理部分、步进电机及控制等部分组成。其系学部分、图像处理部分、步进电机及控制等部分组成。其系统组成框图如统组成框图如图图5-8 所示。所示。上一页 返回5.2 触觉传感器触觉传感器 触觉传感器的原型是模仿人的触觉功能，目的是通过触触觉传感器的原型是模仿人的触觉功能，目的是通过触觉传感器与被识别物体的接触或相互作用来完成对被识别物觉传感器与被识别物体的接触或相互作用来完成对被识别物体表面特征及物理性能的感知。为了实现这一功能，研究者体表面特征及物理性能的感知。为了实现这一功能，研究者们设计了各种形式的触觉传感器以满足多种需要。们设计了各种形式的触觉传感器以满足多种需要。触觉传感器按传感原理基本上可以分为开关式、压阻式、触觉传感器按传感原理基本上可以分为开关式、压阻式、压电式、光电式、电容式、电磁式等几类，下面分别介绍有压电式、光电式、电容式、电磁式等几类，下面分别介绍有代表性的几种触觉传感器。代表性的几种触觉传感器。下一页返回5.2 触觉传感器触觉传感器5.2.1 开关式触觉传感器开关式触觉传感器 开关式触觉传感器是用于检测物体是否存在的一种最简开关式触觉传感器是用于检测物体是否存在的一种最简单的触觉制动器件。开关内部分隔成两个电接点。当一个电单的触觉制动器件。开关内部分隔成两个电接点。当一个电极上承受大于阀值的力时，该电极与另一个电极接触，这样极上承受大于阀值的力时，该电极与另一个电极接触，这样可以用一个电路来检测该开关是否接触。可以用一个电路来检测该开关是否接触。工业上利用小型开关阵列形成一种价廉触觉传感器，但工业上利用小型开关阵列形成一种价廉触觉传感器，但是这种阵列的空间分辨率较低。这种跟输出信号的二进制相是这种阵列的空间分辨率较低。这种跟输出信号的二进制相对应的二值阵列触觉传感器，严重地限制、影响了其提供信对应的二值阵列触觉传感器，严重地限制、影响了其提供信息的质量。息的质量。图图5-9 所示即为开关式传感器的原理图。所示即为开关式传感器的原理图。上一页 下一页返回5.2 触觉传感器触觉传感器5.2.2 光学式触觉传感器光学式触觉传感器 光照射到界面的角度通过界面法线测量。若光照射到有光照射到界面的角度通过界面法线测量。若光照射到有机玻璃和空气界面的角度大于机玻璃和空气界面的角度大于C，则光沿着有机玻璃光波导，则光沿着有机玻璃光波导传播，光波导表面跟外部物体接触时，接触点处全内反射被传播，光波导表面跟外部物体接触时，接触点处全内反射被破坏，光从光波导相反一侧出射。破坏，光从光波导相反一侧出射。利用这种原理可以制成高分辨率的触觉传感器在实际应利用这种原理可以制成高分辨率的触觉传感器在实际应用中，通常用一块韧性的薄膜层设置在外部物体和光波导之用中，通常用一块韧性的薄膜层设置在外部物体和光波导之间，以便保护光波导并隔断外部光源。间，以便保护光波导并隔断外部光源。图图5-10 所示为采用这所示为采用这种效应的触觉传感器原理图。种效应的触觉传感器原理图。上一页 下一页返回5.2 触觉传感器触觉传感器5.2.3 压阻阵列触觉传感器压阻阵列触觉传感器 压阻式阵列触觉传感器的基本结构是由外接引线、上压阻式阵列触觉传感器的基本结构是由外接引线、上（行）下（列）电极及压阻材料等构成，上（行）电极与下（行）下（列）电极及压阻材料等构成，上（行）电极与下（列）电极相垂直，上（行）下（列）电极的交叉点定义为（列）电极相垂直，上（行）下（列）电极的交叉点定义为阵列触觉的一个触觉单元，外接引线从相互平行的触觉单元阵列触觉的一个触觉单元，外接引线从相互平行的触觉单元上引出，压阻材料放在上（行）下（列）电极中间，如图上引出，压阻材料放在上（行）下（列）电极中间，如图5-11 所示。所示。在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料和电极。和电极。另外，各向异性压阻材料的应用也受到广泛的重视，如敏另外，各向异性压阻材料的应用也受到广泛的重视，如敏感材料在感材料在z 方向有压阻变化特性，在方向有压阻变化特性，在x,y 方向则无论受压与否，方向则无论受压与否，均有较大的阻值。均有较大的阻值。上一页 返回5.3 光纤传感器光纤传感器 光纤传感器相对于常规传感器具有以下特点：光纤传感器相对于常规传感器具有以下特点：1抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强 2 灵敏度高灵敏度高 3 重量轻、体积小重量轻、体积小 4 适于遥测适于遥测 由于光纤传感器的这些独特优点和广泛的潜在应用，使其由于光纤传感器的这些独特优点和广泛的潜在应用，使其得以迅速发展。自得以迅速发展。自1977 年以来已研制出多种光纤传感器，测年以来已研制出多种光纤传感器，测量范围包括位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、量范围包括位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电流、电压、磁场和核辐射等。水声、温度、电流、电压、磁场和核辐射等。下一页返回5.3 光纤传感器光纤传感器5.3.1 光纤的结构光纤的结构 光纤由纤芯、包层及外套组成，如光纤由纤芯、包层及外套组成，如图图5-13 所示。所示。纤芯是山玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约纤芯是山玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为为5150m。包在纤芯外的一层叫包层，材料也是玻璃或塑。包在纤芯外的一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。纤芯的折射率大于涂层的折射率，所以光纤具有使光料等。纤芯的折射率大于涂层的折射率，所以光纤具有使光束封闭在纤芯里面传输的功能。外套起保护光纤的作用，它束封闭在纤芯里面传输的功能。外套起保护光纤的作用，它的折射率大于涂层的折射率。人们通常把较长的或多股的光的折射率大于涂层的折射率。人们通常把较长的或多股的光纤称之为光缆。纤称之为光缆。上一页 下一页返回5.3 光纤传感器光纤传感器5.3.2 光纤的工作原理光纤的工作原理 下面以阶跃型多模光纤为例，来说明光纤的工作原理。下面以阶跃型多模光纤为例，来说明光纤的工作原理。如如图图5-14 所示，当光线从空气（折射率为所示，当光线从空气（折射率为n0）中射入光纤）中射入光纤的一个端面，并与其轴线的夹角为的一个端面，并与其轴线的夹角为时，在光纤内折射成角时，在光纤内折射成角，然后以角，然后以角 入射到纤芯与涂层的交界面上。若入入射到纤芯与涂层的交界面上。若入射角射角 大于临界角大于临界角 ，则入射的光线就能在交界面上产生全，则入射的光线就能在交界面上产生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复包层全反射向前传播，反射，并在光纤内部以同样的角度反复包层全反射向前传播，直至从光纤的另一端射出。若光纤两端同处于空气之中，则直至从光纤的另一端射出。若光纤两端同处于空气之中，则出射角也将为出射角也将为。上一页 下一页返回 从空气中射人光纤的光并不一定都能在光纤中产生全反从空气中射人光纤的光并不一定都能在光纤中产生全反射，当入射的光线就不能在交界面产生全反射时，大部分光射，当入射的光线就不能在交界面产生全反射时，大部分光线将穿透包层而逸出，即漏光。线将穿透包层而逸出，即漏光。如果引人光纤的数值孔径如果引人光纤的数值孔径NA 这个概念，则：这个概念，则：可以看出，纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就可以看出，纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。越大，光纤的集光能力就越强。上一页 下一页返回5.3 光纤传感器光纤传感器5.3.3 光纤的种类光纤的种类 从构成光纤的材料来看，光纤可分为玻璃光纤和塑料光从构成光纤的材料来看，光纤可分为玻璃光纤和塑料光纤。从性能和可靠性而言，不论是通信用光纤或传感用光纤，纤。从性能和可靠性而言，不论是通信用光纤或传感用光纤，当前大多采用玻璃光纤。当前大多采用玻璃光纤。光纤按其传输的模式，可分为单模光纤和多模光纤两类。光纤按其传输的模式，可分为单模光纤和多模光纤两类。根据折射率的变化规律，光纤分为梯度型和阶跃型两种。根据折射率的变化规律，光纤分为梯度型和阶跃型两种。各种光纤如各种光纤如图图5-15所示所示上一页 下一页返回5.3 光纤传感器光纤传感器5.3.4 光纤传感器光纤传感器 光纤传感器有功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器光纤传感器有功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器两大类。两大类。功能型光纤传感器功能型光纤传感器 功能型光纤传感器主要有光强调制型光纤传感器、光功能型光纤传感器主要有光强调制型光纤传感器、光相位调制型光纤传感器、光偏振态调制型光纤传感器三种。相位调制型光纤传感器、光偏振态调制型光纤传感器三种。1）光强调制型光纤传感器）光强调制型光纤传感器 光纤微弯位移（压力）传感器是光强调制型光纤传感器光纤微弯位移（压力）传感器是光强调制型光纤传感器的一个典型例子，它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理的一个典型例子，它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成的。制成的。上一页 下一页返回5.3 光纤传感器光纤传感器2）光相位调制型光纤传感器）光相位调制型光纤传感器 光相位调制型光纤传感器是利用被测量引起光纤中光相位光相位调制型光纤传感器是利用被测量引起光纤中光相位变化的原理制成的。这种传感器具有灵敏度高、灵活性好和变化的原理制成的。这种传感器具有灵敏度高、灵活性好和多样的特点。常见的有迈克尔逊、马赫多样的特点。常见的有迈克尔逊、马赫-琴特、萨占纳克和法琴特、萨占纳克和法勃勃-帕脱四种相位干涉型。它们的共同点是：光源发出的光都帕脱四种相位干涉型。它们的共同点是：光源发出的光都要经棱镜分成两束或更多束的光，这些光沿不同的路径传播要经棱镜分成两束或更多束的光，这些光沿不同的路径传播后，分离出的光束又组合在一起去激励一个光敏元件或显示后，分离出的光束又组合在一起去激励一个光敏元件或显示干涉条纹。干涉条纹。如如图图5-17 所示为利用马赫所示为利用马赫-琴特干涉仪测量压力或温度的琴特干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器的组成原理图。相位调制型光纤传感器的组成原理图。上一页 下一页返回5.3 光纤传感器光纤传感器3）光偏振态调制型光纤传感器）光偏振态调制型光纤传感器 偏振态调制型光纤传感器能检测出由于外界因索引起的偏振态调制型光纤传感器能检测出由于外界因索引起的光纤内部光的偏振态的变化。最典型的是光纤电流传感器，光纤内部光的偏振态的变化。最典型的是光纤电流传感器，其工作原理是根据磁旋效应做成的，主要应用于高压传输线其工作原理是根据磁旋效应做成的，主要应用于高压传输线中。中。如如图图5-18 所示为光纤大电流传感器原理框图。所示为光纤大电流传感器原理框图。除利用磁旋效应的光偏振调制外，还可以利用光旋效应、除利用磁旋效应的光偏振调制外，还可以利用光旋效应、光弹效应、电光效应和电旋效应等制成光偏振态调制型光纤光弹效应、电光效应和电旋效应等制成光偏振态调制型光纤传感器，所以是应用很广、开发潜力很大的一类光纤传感器。传感器，所以是应用很广、开发潜力很大的一类光纤传感器。上一页 下一页返回5.3 光纤传感器光纤传感器非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器 光纤在这类传感器中只是作为传光的媒质，需要和其他光纤在这类传感器中只是作为传光的媒质，需要和其他敏感元件一起才能组成传感器。其结构比较简单，并能充分敏感元件一起才能组成传感器。其结构比较简单，并能充分利用光电元件和光纤本身的特点，因此目前很受重视。常见利用光电元件和光纤本身的特点，因此目前很受重视。常见的有光纤位移传感器、光纤温度传感器等。的有光纤位移传感器、光纤温度传感器等。1）光纤位移传感器）光纤位移传感器 光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器，其原理如光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器，其原理如图图 5-19 所示。所示。光纤采用光纤采用Y 型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射体，再被从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射体，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收。反射到接收光纤，最后由光电转换器接收。上一页 下一页返回5.3 光纤传感器光纤传感器 转换器接受到的光与反射体表面性质、反射体到光纤探转换器接受到的光与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关，当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强头距离有关，当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。点后又随两者的距离增加而减小。2）光纤温度传感器）光纤温度传感器 图图5-21 所示所示,把半导体材料用支架夹持在发射光纤和接收把半导体材料用支架夹持在发射光纤和接收光纤之间，当温度变化时半导体的透光率随之变化，接收光光纤之间，当温度变化时半导体的透光率随之变化，接收光纤接收到的光量也变化。经后续电路处理后送显示电路显示。纤接收到的光量也变化。经后续电路处理后送显示电路显示。上一页 返回5.3 光纤传感器光纤传感器5.4 磁性传感器磁性传感器磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传感器具有占老的磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传感器具有占老的历史。最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，根据电历史。最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生的感应电动势与磁磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生的感应电动势与磁通的变化速率成正比。随着科学技术的发展，利用磁场作用通的变化速率成正比。随着科学技术的发展，利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应，制成了固体化磁使物质的电性能发生变化的各种物理效应，制成了固体化磁传感器，从而使磁场强度转换为电信号。磁传感器的种类较传感器，从而使磁场强度转换为电信号。磁传感器的种类较多，制作磁传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等，不多，制作磁传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等，不同材料制作的传感器其工作原理和特性也不相同。本节重点同材料制作的传感器其工作原理和特性也不相同。本节重点介绍一些常用的磁传感器介绍一些常用的磁传感器下一页返回5.4 磁性传感器磁性传感器5.4.1 磁敏电阻器磁敏电阻器 将一载流导体置于外磁场中，其电阻随磁场变化而变化将一载流导体置于外磁场中，其电阻随磁场变化而变化的现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利的现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。当温度恒定时，在弱磁场用磁阻效应制成的一种磁敏元件。当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度范围内，磁阻与磁感应强度B 的平方成正比。用公式表示为：的平方成正比。用公式表示为：磁场一定时，迁移率高的材料磁阻效应明显。磁场一定时，迁移率高的材料磁阻效应明显。图图5-22 所所示为利用这种效应制成的磁敏电阻器。示为利用这种效应制成的磁敏电阻器。上一页 下一页返回5.4 磁性传感器磁性传感器5.4.2 磁敏二极管的工作原理和主要特性磁敏二极管的工作原理和主要特性 磁敏二极管的结构如磁敏二极管的结构如图图5-23（a）所示，图）所示，图5-23（b）为）为磁敏二极管的电路符号。磁敏二极管的电路符号。当对磁敏二极管加正向偏压，即当对磁敏二极管加正向偏压，即P+接电源正极，接电源正极，N+接负接负极，则极，则P+-I 结向结向I 区注入空穴，区注入空穴，N+-I 结向结向I 区注入电子，因而区注入电子，因而有电流有电流I 流过二极管。电流流过二极管。电流I 的大小将随外加磁场的变化而变的大小将随外加磁场的变化而变化，具体情况如下（如化，具体情况如下（如图图5-24）：1)当外磁场当外磁场B=0 时，时，磁感应强度的方向如图磁感应强度的方向如图5-24（a）2)当外磁场当外磁场B=B+时，时，磁感应强度的方向如图磁感应强度的方向如图5-24（b）3)当外磁场当外磁场B=B-时，时，磁感应强度的方向如图磁感应强度的方向如图5-24（c）上一页 下一页返回5.4 磁性传感器磁性传感器主要特性：主要特性：（1）伏安特性。磁敏二极管所加正向偏压与二极管流过电流的）伏安特性。磁敏二极管所加正向偏压与二极管流过电流的关系称为伏安特性，不同磁场作用下，其伏安特性不同。关系称为伏安特性，不同磁场作用下，其伏安特性不同。（2）磁电特性。磁敏二极管输出电压的变比与外加磁场的关系）磁电特性。磁敏二极管输出电压的变比与外加磁场的关系称为磁电特性。磁敏二极管随外加磁场方向的变化可以产生称为磁电特性。磁敏二极管随外加磁场方向的变化可以产生正负输出电压的变化，在正磁场作用下电压升高，在负磁场正负输出电压的变化，在正磁场作用下电压升高，在负磁场作用下电压降低。磁电特性与线路的连接形式有关，通常有作用下电压降低。磁电特性与线路的连接形式有关，通常有单只接法和互补接法两种电路基本形式。单只接法和互补接法两种电路基本形式。上一页 下一页返回5.4 磁性传感器磁性传感器（3）温度特性。磁敏二极管的温度特性是指温度的变化与输出）温度特性。磁敏二极管的温度特性是指温度的变化与输出电压变化之间的关系。磁敏二极管的温度特性有正温度系数电压变化之间的关系。磁敏二极管的温度特性有正温度系数和负温度系数两种，如锗磁敏二极管是负温度系数，硅磁敏和负温度系数两种，如锗磁敏二极管是负温度系数，硅磁敏二极管是正温度系数。二极管是正温度系数。（4）频率特性。磁敏二极管的频率特性取决于注入载流子在本）频率特性。磁敏二极管的频率特性取决于注入载流子在本征区域内被复合和保持动态平衡的时间，而与元件的尺寸大征区域内被复合和保持动态平衡的时间，而与元件的尺寸大小无关，载流子复合和保持动态平衡的时间越短，频率特性小无关，载流子复合和保持动态平衡的时间越短，频率特性越好越好.上一页 下一页返回5.4 磁性传感器磁性传感器5.4.3 磁敏三极管磁敏三极管1.磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构 磁敏三极管的结构如磁敏三极管的结构如图图5-28 所示。在弱所示。在弱P 型或弱型或弱N 型本型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大的特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有其最大的特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的：高复合速率的：r 区和本征区和本征I 区。长基区分为运输基区和复合区。长基区分为运输基区和复合基区，运输基区主要是将发射极注人的载流子输运到集电极，基区，运输基区主要是将发射极注人的载流子输运到集电极，复合基区的作用是使从发射极和基极注入的载流子复合。复合基区的作用是使从发射极和基极注入的载流子复合。上一页 下一页返回5.4 磁性传感器磁性传感器2.工作原理工作原理 现在以锗磁敏三极管为例来说明磁敏三极管的工作原理，现在以锗磁敏三极管为例来说明磁敏三极管的工作原理，如如图图5-29 所示。所示。图图a，b，c分别表示外磁场为分别表示外磁场为0，正，负的情况。，正，负的情况。由图可知，磁敏三极管在正反向磁场作用下，其集电极由图可知，磁敏三极管在正反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。场、电流、转速、位移等物理量。上一页 下一页返回5.4 磁性传感器磁性传感器3 磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性（1）磁电特性。磁敏三极管的磁电特性是其应用的基础，在弱）磁电特性。磁敏三极管的磁电特性是其应用的基础，在弱磁场作用下接近于一条直线，即集电极电流的变化随磁感应磁场作用下接近于一条直线，即集电极电流的变化随磁感应强度近似为线性关系。强度近似为线性关系。（2）伏安特性。磁敏三极管的伏安特性与普通三极管的伏安特）伏安特性。磁敏三极管的伏安特性与普通三极管的伏安特性相似，但电流放大倍数大。性相似，但电流放大倍数大。（3）温度特性。磁敏三极管受温度影响较大，使用时必须进行）温度特性。磁敏三极管受温度影响较大，使用时必须进行温度补偿。磁敏三极管的温度系数有正、负之分，硅磁敏三温度补偿。磁敏三极管的温度系数有正、负之分，硅磁敏三极管的温度系数为负，锗磁敏三极管的温度系数为正，因此极管的温度系数为负，锗磁敏三极管的温度系数为正，因此可采用相反温度系数的普通三极管或磁敏二极管及电阻进行可采用相反温度系数的普通三极管或磁敏二极管及电阻进行补偿。补偿。上一页 下一页返回5.4 磁性传感器磁性传感器5.4.4 磁性传感器的应用磁性传感器的应用 磁性传感器除用于磁场的测量外，特别适宜作无触点开磁性传感器除用于磁场的测量外，特别适宜作无触点开关、无接触电位计。应用范围很广，如转速测量、风速测量、关、无接触电位计。应用范围很广，如转速测量、风速测量、流量测量等。流量测量等。1）无接触线位移传感器）无接触线位移传感器 无接触线位移传感器主要用于测量位移或与位移量有关无接触线位移传感器主要用于测量位移或与位移量有关的机械量。如尺寸、厚度、角度、位置和距离等。的机械量。如尺寸、厚度、角度、位置和距离等。图图5-30 所示是一个三端差分型所示是一个三端差分型lnSb磁敏直线位移传感器。磁敏直线位移传感器。永久磁铁处于左右两磁敏电阻各二分之一的中心位置，将分永久磁铁处于左右两磁敏电阻各二分之一的中心位置，将分压比为压比为50 的点作为位移原点。的点作为位移原点。上一页 下一页返回5.4 磁性传感器磁性传感器2）磁敏二极管漏磁探伤仪）磁敏二极管漏磁探伤仪 磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。其原理如场变化的特性而设计的。其原理如图图5-31 所示，漏磁探伤仪所示，漏磁探伤仪由激励线圈、铁心、放大器、磁敏二极管探头等部分构成。由激励线圈、铁心、放大器、磁敏二极管探头等部分构成。3）磁敏三极管电位器）磁敏三极管电位器 利用磁敏三极管制成的无触点电位器原理图如利用磁敏三极管制成的无触点电位器原理图如图图5-32所示所示。将磁敏三极管置于磁场中，改变磁敏三极管基极电流，该。将磁敏三极管置于磁场中，改变磁敏三极管基极电流，该电路的输出电压在电路的输出电压在0.7 15V 内连续变化，这样就等效于一个内连续变化，这样就等效于一个电位器，且无触点，因而该电位器可用于变化频繁、调节迅电位器，且无触点，因而该电位器可用于变化频繁、调节迅速、噪声要求低的场合。速、噪声要求低的场合。上一页 返回5.5 集成温度传感器集成温度传感器 最近几年出现了深受人们欢迎的集成温度传感器，集成最近几年出现了深受人们欢迎的集成温度传感器，集成温度传感器是利用晶体管温度传感器是利用晶体管PN 结的电流和电压特性与温度的关结的电流和电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它与半它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它与半导体热敏电阻一样，具有体积小、反应快、线性好、性能高、导体热敏电阻一样，具有体积小、反应快、线性好、性能高、价格低、抗干扰能力强等特点。但由于价格低、抗干扰能力强等特点。但由于PN 结受耐热性能和特结受耐热性能和特性范围的限制，只能用来测性范围的限制，只能用来测150 以下的温度。以下的温度。集成温度传感器的输出形式分为电压型和电流型两类。集成温度传感器的输出形式分为电压型和电流型两类。集成温度传感器除了测量温度外，还可用于温度补偿元件及集成温度传感器除了测量温度外，还可用于温度补偿元件及家用电器中的温度控制元件，在工业领域得到了广泛应用。家用电器中的温度控制元件，在工业领域得到了广泛应用。下一页返回5.5 集成温度传感器集成温度传感器5.5.1 半导体半导体PN 结的伏安特性结的伏安特性 一般情况下，半导体一般情况下，半导体PN 结的伏安特性用公式表示：结的伏安特性用公式表示：求得：求得：正向压降正向压降U 与温度与温度T 近似成线性关系近似成线性关系 上一页 下一页返回5.5 集成温度传感器集成温度传感器5.5.2 集成温度传感器的基本工作原理集成温度传感器的基本工作原理 实际使用中，二极管作为温度传感器虽然工艺简单，但实际使用中，二极管作为温度传感器虽然工艺简单，但线性特性差，因而选择把线性特性差，因而选择把NPN 晶体三极管的基极和集电极短晶体三极管的基极和集电极短接，利用基极和发射极作为感温元件。这样更接近理想的接，利用基极和发射极作为感温元件。这样更接近理想的PN 结特性。目前在集成温度传感器中，都采用一对非常匹配的结特性。目前在集成温度传感器中，都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元器件差分对管作为温度敏感元器件 如如图图5-33 是集成温度传感器基本原理图。是集成温度传感器基本原理图。可以看出，如果保证可以看出，如果保证 恒定，恒定，与温度与温度T 成单值线成单值线性函数关系性函数关系.上一页 下一页返回5.5 集成温度传感器集成温度传感器5.5.3 电压输出型集成温度传感器电压输出型集成温度传感器 电压输出型集成温度传感器电路原理如电压输出型集成温度传感器电路原理如图图5-34 所示。当所示。当电流电流I1恒定时，通过改变恒定时，通过改变R1 的阻值，可实现的阻值，可实现I1=I2，当晶体管，当晶体管的的1时，电路的输出电压可表示为：时，电路的输出电压可表示为：上一页 下一页返回5.5 集成温度传感器集成温度传感器5.5.4 电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器 电流输出型集成温度传感器的原理电路如电流输出型集成温度传感器的原理电路如图图5-3