传感器第七章 PPT讲稿.ppt

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1、传感器第七章 第1页，共118页，编辑于2022年，星期三第七章 其它传感器一、光电式传感器一、光电式传感器二、二、气、湿敏传感器气、湿敏传感器三、磁敏式传感器三、磁敏式传感器四、四、辐射式传感器辐射式传感器五、五、数字式传感器数字式传感器六、六、光纤传感器光纤传感器七、生物分子传感器七、生物分子传感器八、仿生传感器八、仿生传感器九、九、超导传感器超导传感器十、智能式传感器十、智能式传感器十一、十一、微波传感器微波传感器第2页，共118页，编辑于2022年，星期三一、光电式传感器一、光电式传感器 光电式传感器是以光电效应为基础，将光量的变化转换为光电式传感器是以光电效应为基础，将光量的变化转换

2、为电量变化的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非电量变化的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。域中。x1光源光源光源光源光通路光通路光通路光通路光电器件光电器件光电器件光电器件测量电路测量电路测量电路测量电路光量光量光量光量电量电量x2输出输出X1X1被

3、测量直接引起光源光量的变化被测量直接引起光源光量的变化被测量直接引起光源光量的变化被测量直接引起光源光量的变化X2X2被测量在光传播过程中调制光量被测量在光传播过程中调制光量被测量在光传播过程中调制光量被测量在光传播过程中调制光量对光量的调制方法：对光量的调制方法：对光量的调制方法：对光量的调制方法：第3页，共118页，编辑于2022年，星期三一、光源一、光源1 1、常用光源、常用光源、常用光源、常用光源常用光源常用光源发光器件发光器件物体辐射光物体辐射光白炽光源白炽光源气体放电光源气体放电光源发光二极管发光二极管激光器激光器GaP、SiC可见光可见光LEDGaAs红外红外LED第4页，共11

4、8页，编辑于2022年，星期三650 nm LD2 2、半导体激光二极管、半导体激光二极管、半导体激光二极管、半导体激光二极管第5页，共118页，编辑于2022年，星期三带尾纤大功率带尾纤大功率带尾纤大功率带尾纤大功率LDLD1.55 um LD1.55 um LD模块模块模块模块808 nm 808 nm 大功率大功率大功率大功率LDLD第6页，共118页，编辑于2022年，星期三第7页，共118页，编辑于2022年，星期三 不同频率或波长的光具有不同的能量不同频率或波长的光具有不同的能量不同频率或波长的光具有不同的能量不同频率或波长的光具有不同的能量二、光电效应二、光电效应波动性：以光速运

5、动，干涉、衍射波动性：以光速运动，干涉、衍射波动性：以光速运动，干涉、衍射波动性：以光速运动，干涉、衍射粒子性：具有一定的质量和能量的粒子粒子性：具有一定的质量和能量的粒子粒子性：具有一定的质量和能量的粒子粒子性：具有一定的质量和能量的粒子光光光光以光速运动的粒子流以光速运动的粒子流以光速运动的粒子流以光速运动的粒子流波粒二象性波粒二象性波粒二象性波粒二象性第8页，共118页，编辑于2022年，星期三金属金属金属金属金属氧化物金属氧化物金属氧化物金属氧化物半导体半导体半导体半导体光照光照光照光照 电子电子电子电子 光电效应是光电传感器的基本转换原理光电效应是光电传感器的基本转换原理光电效应是光

6、电传感器的基本转换原理光电效应是光电传感器的基本转换原理光照光照光照光照 半导体半导体半导体半导体 电子在物体内部运动电子在物体内部运动电子在物体内部运动电子在物体内部运动内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应金属金属金属金属金属氧化物金属氧化物金属氧化物金属氧化物光照光照光照光照 电子逸出物体表面电子逸出物体表面电子逸出物体表面电子逸出物体表面外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应1 1、定义及分类、定义及分类、定义及分类、定义及分类第9页，共118页，编辑于2022年，星期三 只有当入射光能量大于电子逸出功时，只有当入射光能量大于电子逸出功时，只有当入射光能量大于电子逸出功时，只有当入

7、射光能量大于电子逸出功时，才能产生光电子，红限频率才能产生光电子，红限频率才能产生光电子，红限频率才能产生光电子，红限频率 光电流与入射光强成正比光电流与入射光强成正比光电流与入射光强成正比光电流与入射光强成正比 光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压 从光照至发射电子，时间从光照至发射电子，时间从光照至发射电子，时间从光照至发射电子，时间 10 10 10 10-9-9-9-9 s s s s2 2、外光电效应、外光电效应、外光电效应、外光电效应电子吸收光子能量电

8、子吸收光子能量电子吸收光子能量电子吸收光子能量克服物质的束缚，电子逸出功克服物质的束缚，电子逸出功克服物质的束缚，电子逸出功克服物质的束缚，电子逸出功转化为逸出电子的动能转化为逸出电子的动能转化为逸出电子的动能转化为逸出电子的动能第10页，共118页，编辑于2022年，星期三3 3、内光电效应、内光电效应、内光电效应、内光电效应光生电子光生电子光生电子光生电子-空穴对空穴对空穴对空穴对光电导效应光电导效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、

9、光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、第11页，共118页，编辑于2022年，星期三图图 光敏电阻结构光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图光敏电阻接线图第12页，共118页，编辑于2022年，星期三CCD的结构及工作原理（光固态图像传感器）的结构及工作原理（光固态图像传感器）（1）结结构构 CCD是是由由若若干干个个电电荷荷耦耦合合单单元元组组成成的的。其其基基本本单单元元是是MOS（金金属属-氧氧化化物物-半半导导体体）电电容容器器，如如(a)

10、所所示示。它它以以P型型（或或N型型）半半导导体体为为衬衬底底，上上面面覆覆盖盖一一层层厚厚度度约约120 nm的的SiO2，再再在在SiO2表表面面依依次次沉沉积积一一层层金金属属电电极极而而构构成成MOS电电容容转转移移器器件件。这这样样一一个个MOS结结构构称称为为一一个个光光敏敏元元或或一一个个像像素素。将将MOS阵阵列列加加上上输输入入、输输出出结构就构成了结构就构成了CCD器件。器件。第13页，共118页，编辑于2022年，星期三图图 MOS电容器电容器（a）MOS电容截面；电容截面；（b）势阱图势阱图 第14页，共118页，编辑于2022年，星期三1.火焰探测报警器火焰探测报警器

11、 图是采用以硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器图是采用以硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。电路图。图图 火焰探测报警器电路图火焰探测报警器电路图 光电传感器的应用光电传感器的应用光电传感器的应用光电传感器的应用第15页，共118页，编辑于2022年，星期三门窗防盗控制门窗防盗控制门窗防盗控制门窗防盗控制自动扶梯自动启停自动扶梯自动启停自动扶梯自动启停自动扶梯自动启停对射式光电开关对射式光电开关对射式光电开关对射式光电开关汽车通过检测汽车通过检测汽车通过检测汽车通过检测汽车喷涂控制汽车喷涂控制汽车喷涂控制汽车喷涂控制第16页，共118页，编辑于2022年，星期三对射式光电开关对射式光

12、电开关对射式光电开关对射式光电开关鉴别不同高度物体鉴别不同高度物体鉴别不同高度物体鉴别不同高度物体高度判别高度判别高度判别高度判别缺件剔除缺件剔除缺件剔除缺件剔除料位控制料位控制料位控制料位控制第17页，共118页，编辑于2022年，星期三缺料检测或计数缺料检测或计数缺料检测或计数缺料检测或计数机械手控制机械手控制机械手控制机械手控制磁砖完好性检测磁砖完好性检测磁砖完好性检测磁砖完好性检测对射式光纤传感器对射式光纤传感器对射式光纤传感器对射式光纤传感器第18页，共118页，编辑于2022年，星期三围墙监护警戒围墙监护警戒围墙监护警戒围墙监护警戒远距对射式光电开关远距对射式光电开关远距对射式光电

13、开关远距对射式光电开关库房卫士库房卫士库房卫士库房卫士安全警戒安全警戒安全警戒安全警戒第19页，共118页，编辑于2022年，星期三扩散反射式光电开关扩散反射式光电开关扩散反射式光电开关扩散反射式光电开关料位控制料位控制料位控制料位控制烟雾报警烟雾报警烟雾报警烟雾报警带材对中控制带材对中控制带材对中控制带材对中控制缺料检测缺料检测缺料检测缺料检测第20页，共118页，编辑于2022年，星期三斜度检测斜度检测斜度检测斜度检测扩散反射式光电开关扩散反射式光电开关扩散反射式光电开关扩散反射式光电开关裂缝检测裂缝检测裂缝检测裂缝检测镜面反射式光电开关镜面反射式光电开关镜面反射式光电开关镜面反射式光电开

14、关透明玻璃瓶检测透明玻璃瓶检测透明玻璃瓶检测透明玻璃瓶检测长度控制长度控制长度控制长度控制第21页，共118页，编辑于2022年，星期三螺丝长度和有无的检测螺丝长度和有无的检测螺丝长度和有无的检测螺丝长度和有无的检测断线监测断线监测断线监测断线监测反射式光纤传感器反射式光纤传感器反射式光纤传感器反射式光纤传感器元件检测元件检测元件检测元件检测印板定位印板定位印板定位印板定位第22页，共118页，编辑于2022年，星期三限距式光电开关限距式光电开关限距式光电开关限距式光电开关产品计数产品计数产品计数产品计数液位检测液位检测液位检测液位检测气流量监测气流量监测气流量监测气流量监测检测有无盖检测有无

15、盖检测有无盖检测有无盖第23页，共118页，编辑于2022年，星期三限距式光电开关限距式光电开关限距式光电开关限距式光电开关料径控制料径控制料径控制料径控制行程控制行程控制行程控制行程控制转速监测转速监测转速监测转速监测超速或滞速判别超速或滞速判别超速或滞速判别超速或滞速判别第24页，共118页，编辑于2022年，星期三槽型光电开关槽型光电开关槽型光电开关槽型光电开关起重机位置控制起重机位置控制起重机位置控制起重机位置控制定长剪切定长剪切定长剪切定长剪切脉冲发生器脉冲发生器脉冲发生器脉冲发生器第25页，共118页，编辑于2022年，星期三光电开关式标志传感器光电开关式标志传感器光电开关式标志传

16、感器光电开关式标志传感器透明薄膜上标志检测透明薄膜上标志检测透明薄膜上标志检测透明薄膜上标志检测电度表转速检测电度表转速检测电度表转速检测电度表转速检测仪表指针位置检测仪表指针位置检测仪表指针位置检测仪表指针位置检测标志检测标志检测标志检测标志检测第26页，共118页，编辑于2022年，星期三光幕传感器光幕传感器光幕传感器光幕传感器自动装配机的侵入检测自动装配机的侵入检测自动装配机的侵入检测自动装配机的侵入检测机器人工作区安全检测机器人工作区安全检测机器人工作区安全检测机器人工作区安全检测车库门车辆通过检测车库门车辆通过检测车库门车辆通过检测车库门车辆通过检测上料机和卸料机的侵入检测上料机和卸

17、料机的侵入检测上料机和卸料机的侵入检测上料机和卸料机的侵入检测第27页，共118页，编辑于2022年，星期三路灯自动控制器路灯自动控制器路灯自动控制器路灯自动控制器 220VCJD-10路灯8V C1 200u C2 200u R1 470k R2 200kR3 10kR4 57k R5 4.3kR6 25k R7 10k R8 280k J C3 100u BG1BG2 BG3 BG42CR天黑：天黑：天黑：天黑：BG1BG1BG1BG1导通，导通，导通，导通，J J J J动作，路灯亮；动作，路灯亮；动作，路灯亮；动作，路灯亮；天亮：光电池电动势，天亮：光电池电动势，天亮：光电池电动势，天

18、亮：光电池电动势，BG1BG1BG1BG1截止，截止，截止，截止，J J J J释放，路灯灭。释放，路灯灭。释放，路灯灭。释放，路灯灭。返回第28页，共118页，编辑于2022年，星期三二、气、湿敏传感器二、气、湿敏传感器一、气一、气 敏敏 传传 感感 器器 气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体由于气体由于气体由于气体种类繁多性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，种类繁多性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有

19、类别的气体，种类繁多性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，种类繁多性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气因此，能实现气因此，能实现气因此，能实现气 电转换的传感器种类很多。按构成气敏传感器材电转换的传感器种类很多。按构成气敏传感器材电转换的传感器种类很多。按构成气敏传感器材电转换的传感器种类很多。按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。体气

20、敏传感器。体气敏传感器。体气敏传感器。半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、还是在内半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、还是在内半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、还是在内半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、还是在内部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质，又可部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质，又可部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质，又可部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型（电导控制型、金属氧化物半导体器件）和非

21、电阻型（电压控制分为电阻型（电导控制型、金属氧化物半导体器件）和非电阻型（电压控制分为电阻型（电导控制型、金属氧化物半导体器件）和非电阻型（电压控制分为电阻型（电导控制型、金属氧化物半导体器件）和非电阻型（电压控制型、型、型、型、MOSMOS器件）两种。器件）两种。器件）两种。器件）两种。电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非

22、电阻型半导体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。对气体进行直接或间接检测。对气体进行直接或间接检测。对气体进行直接或间接检测。第29页，共118页，编辑于2022年，星期三 自从自从自从自从6060年代研制成功年代研制成功年代研制成功年代研制成功SnO2(SnO2(氧化锡氧化锡氧化锡氧化锡)半导体气敏元件后，气半导体气敏元件后，气

23、半导体气敏元件后，气半导体气敏元件后，气敏元件进入了实用阶段。敏元件进入了实用阶段。敏元件进入了实用阶段。敏元件进入了实用阶段。SnO2SnO2敏感材料是目前应用最多的一敏感材料是目前应用最多的一敏感材料是目前应用最多的一敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料，它已广泛地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆种气敏材料，它已广泛地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆种气敏材料，它已广泛地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆种气敏材料，它已广泛地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆饭店等内部对可燃气体和有害气体的检测。饭店等内部对可燃气体和有害气体的检测。饭店等内部对可燃气体和有害气体的检测。饭店等内部对可燃气体和有害气体

24、的检测。半导体气敏传感器的机理半导体气敏传感器的机理 半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力（化学吸附）。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气气体的吸附和渗

25、透特性体的吸附和渗透特性)时，时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，吸附，半导体表面呈现电荷层半导体表面呈现电荷层。第30页，共118页，编辑于2022年，星期三例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸

26、附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。图表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。第31页，共118页，编辑于2022年，星期三图 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 第32页，共118页，编辑于2022年，星期三电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 图 气敏半导体传感器的器件

27、结构(a)烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件 第33页，共118页，编辑于2022年，星期三图 气敏半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件 第34页，共118页，编辑于2022年，星期三 湿度是指大气中的水蒸气的含量。湿度是指大气中的水蒸气的含量。通常采用绝对湿度和相对湿度两种通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示。方法表示。一、绝对湿度与相对湿度一、绝对湿度与相对湿度 1绝对湿度绝对湿度 绝绝对对湿湿度度是是单单位位空空间间中中所所含含水水蒸蒸气气的的绝绝对对含含量量（质质量量）。若若被被测测空气的体积为空气的体积为V，被测空气中水蒸气

28、的含量为，被测空气中水蒸气的含量为mV，绝对湿度，绝对湿度=VmV。2相对湿度相对湿度 相相对对湿湿度度是是指指被被测测气气体体中中的的水水蒸蒸气气压压和和该该气气体体在在相相同同温温度度下下饱饱和和水水蒸蒸气气压压的的百百分分比比，般般用用符符号号%RH表表示示。相相对对湿湿度度给给出出大大气气的的潮潮湿湿程程度，因此，它是一个无量纲的值。在实际使用中多使用相对湿度概念。度，因此，它是一个无量纲的值。在实际使用中多使用相对湿度概念。虽虽然然人人类类早早已已发发明明了了毛毛发发湿湿度度计计、干干湿湿球球湿湿度度计计，但但因因其其响响应应速速度度、灵灵敏敏度度、准准确确性性等等性性能能都都不不高

29、高，而而且且难难以以与与现现代代的的控控制制设设备备相相联联接，所以只适用于家庭。接，所以只适用于家庭。50年代后，陆续出现了电阻型等湿敏年代后，陆续出现了电阻型等湿敏二、二、湿敏传感器湿敏传感器第35页，共118页，编辑于2022年，星期三计，使湿度的测量精度大大提高，但是，与其它物理量的检测相比，计，使湿度的测量精度大大提高，但是，与其它物理量的检测相比，无论是敏感元件的性能还是制造工艺和测量精度都差得多、困难得无论是敏感元件的性能还是制造工艺和测量精度都差得多、困难得多。原因是空气中水蒸气的含量少，而且在水蒸气中，各种感湿材料多。原因是空气中水蒸气的含量少，而且在水蒸气中，各种感湿材料涉

30、及到的种种物理、化学过程十分复杂，目前尚未完全清楚所存在问涉及到的种种物理、化学过程十分复杂，目前尚未完全清楚所存在问题的原因。题的原因。第36页，共118页，编辑于2022年，星期三二、湿敏元件的特性参数二、湿敏元件的特性参数 1湿度量程湿度量程 湿度测量的全量程为湿度测量的全量程为0100RH。但对一种具体的传感器一般是无。但对一种具体的传感器一般是无法覆盖全量程的，所以湿度传感器的标称量称越大，使用的价值就越大。法覆盖全量程的，所以湿度传感器的标称量称越大，使用的价值就越大。2相对湿度特性曲线相对湿度特性曲线 湿敏元件的感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等随环境相对度变化湿敏元件的感湿

31、特征量，如电阻、电容、电压、频率等随环境相对度变化关系曲线。通常希望这种曲线在在全量程上是连续的，并呈线性关系。关系曲线。通常希望这种曲线在在全量程上是连续的，并呈线性关系。3灵敏度及其温度系数灵敏度及其温度系数 灵敏度就是相对湿度特性曲线的斜率。灵敏度的温度系数就是相对湿度特性灵敏度就是相对湿度特性曲线的斜率。灵敏度的温度系数就是相对湿度特性曲线与温度间的关系。曲线与温度间的关系。4响应时间响应时间 当环境相对湿度变化时，湿敏元件输出的特征量随之变化快慢的程度。当环境相对湿度变化时，湿敏元件输出的特征量随之变化快慢的程度。当然是越短越好。当然是越短越好。5湿滞回线和湿滞回差湿滞回线和湿滞回差

32、 吸湿和脱湿特征曲线的重合程度。原因是湿敏元件吸湿和脱湿的响应吸湿和脱湿特征曲线的重合程度。原因是湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间不同。时间不同。第37页，共118页，编辑于2022年，星期三 三、湿敏元件三、湿敏元件 1氯化锂湿敏元件氯化锂湿敏元件 氯氯化化锂锂(LiCl)是是电电解解质质湿湿敏敏元元件件的的代代表表。它它是是利利用用电电阻阻值值随随环环境境相相对对湿湿度度变变化化而而变变化化的的机机理理制制成成的的测测湿湿元元件件。氯氯化化锂锂湿湿敏敏元元件件的的结结构构是是在在条条状状绝绝缘缘基基片片(如如无无碱碱玻玻璃璃)的的两两面面，用用化化学学沉沉积积或或真真空空蒸蒸镀镀法法做做上上电

33、电极极，再再浸浸渍渍一一定定比比例例配配制制的的氯氯化化理理 聚聚乙乙烯烯醇醇混混合合溶溶液液。经经老老化化处处理理，便便制制成成了了氯化理湿敏元件，其结构如右图氯化理湿敏元件，其结构如右图(a)所示。所示。氯氯化化锂锂是是典典型型的的离离子子晶晶体体。实实践践证证明明，其其溶溶液液中中的的离离子子导导电电能能力力与与浓浓度度成成正正比比。氯氯化化锂锂湿湿敏敏元元件件的的电电阻阻值值 湿湿度度特特性性如如上上图图(b)所所示示。由由图图可可知知，在在5080相相对对湿湿度度范范围围内内，电电阻阻与与湿湿度度的的变变化化成成线线性性关关系系。为为了了扩扩大大湿湿度度测测量量的的线线性性范范围围，

34、可可以以采采用用几几支支浸浸渍渍不不同同浓浓度度氯氯化化锂锂的的湿湿敏敏元元件件组组合合使使用用。氯氯化化锂锂湿湿敏敏元元件件的的检检湿湿优优点点是是滞滞后后小小，不不受受测测试试环环境境风风速速影影响响，检检测测精精度度高高达达5%。缺缺点点是是耐耐热热性性差差，不不能能用用于于露露点点以以下下测测量量。若若用用作作露露点点检检测测，湿湿敏敏元元件件必必须须3个个月月左左右右清清洗洗1次次和和涂涂敷敷(浸渍浸渍)氯化锂，故维护麻烦。氯化锂，故维护麻烦。第38页，共118页，编辑于2022年，星期三 2半导体陶瓷湿敏元件半导体陶瓷湿敏元件 半半导导体体陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件通通常常用用两两种

35、种以以上上的的金金属属氧氧化化物物半半导导体体材材料料混混合合烧烧结结成成多多孔孔陶陶瓷瓷，这这些些材材料料有有ZnO-LiO2-V2O5系系、Si-Na2O-V2O5系系、TiO2-MgO-Cr2O3系系、Fe3O4等等。前前三三种种材材料料的的电电阻阻率率随随湿湿度度增增加加而而下下降降，故故称称为为负负特特性性湿湿敏敏半半导导瓷瓷；最最后后一一种种(Fe3O4)的的电电阻阻率率随随湿湿度度增增加加而而增增大大，故故称称为为正正特特性性湿湿敏敏半半导瓷。无论是负特性，还是正特性的湿敏元件的工作机理至今尚无公认。导瓷。无论是负特性，还是正特性的湿敏元件的工作机理至今尚无公认。由由左左下下图图

36、和和右右下下图图知知，当当湿湿度度从从0RH变变化化到到100RH时时，负负特特性性材材料料的的阻阻值值均均下下降降3个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约1倍。倍。返回第39页，共118页，编辑于2022年，星期三三、磁敏式传感器三、磁敏式传感器磁敏传感器磁敏传感器磁场磁场磁场磁场电能电能电能电能测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴 随磁场改变其运动方向随磁场改变其运动方向随磁场改变其运动方向随磁场改变其运动方向结构结构结构结构结型结型结型

37、结型体型体型体型体型霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏二极管磁敏二极管磁敏二极管磁敏二极管磁敏三极管磁敏三极管磁敏三极管磁敏三极管第40页，共118页，编辑于2022年，星期三1霍尔器件及其特性 1)霍尔器件 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。图为霍尔效应原理图。如图所示,在厚度为d的半导体长方形薄片上形成四个电极,宽度为w的控制电极和之间通直流电流Ic,而在垂直于半导体薄片表面的方向加磁感应强度B时,则在长度为l的电极和之间根据式(8.28)的原理产生霍尔电压。第41页，共118页，编辑于2022年，星期三图 霍尔电压形

38、成的定性说明(a)磁场为0时电子在半导体中的流动;(b)电子在劳伦兹力作用下发生偏转;(c)电荷积累达到平衡时,电子在流动 第42页，共118页，编辑于2022年，星期三磁阻（磁阻（MR）器件）器件 我们已经知道磁场中运动的载流子因受到劳伦兹力的作用而我们已经知道磁场中运动的载流子因受到劳伦兹力的作用而发生偏转。载流子运动方向的偏转起了加大电阻的作用。磁场越发生偏转。载流子运动方向的偏转起了加大电阻的作用。磁场越强强,增大电阻的作用就越强。外加磁场使半导体（或导体）的电阻增大电阻的作用就越强。外加磁场使半导体（或导体）的电阻随磁场的增大而增加的现象称为磁阻效应。随磁场的增大而增加的现象称为磁阻

39、效应。第43页，共118页，编辑于2022年，星期三磁二极管磁二极管(SMD)在外磁场的作用下在外磁场的作用下,半导体中的载流子受到劳伦兹力而偏半导体中的载流子受到劳伦兹力而偏转。这样偏转到半导体表面的电子和空穴进行复合而消失。这转。这样偏转到半导体表面的电子和空穴进行复合而消失。这与半导体表面的状态有关。在粗糙的表面上与半导体表面的状态有关。在粗糙的表面上,电子和空穴的复合电子和空穴的复合进行得迅速。因此进行得迅速。因此,电磁场引起载流子偏转的半导体表面做成粗电磁场引起载流子偏转的半导体表面做成粗糙（或光滑）面糙（或光滑）面,而其反面则做成光滑（或粗糙）的表面时而其反面则做成光滑（或粗糙）的

40、表面时,根根据电流的方向不同据电流的方向不同,将改变电导率而观察到整流效应。将改变电导率而观察到整流效应。第44页，共118页，编辑于2022年，星期三图 SMD的原理 第45页，共118页，编辑于2022年，星期三磁敏三极管磁敏三极管 磁敏三极管也是以长基区为主要特征磁敏三极管也是以长基区为主要特征,以锗管为例以锗管为例,其结构示意其结构示意和工作原理如图和工作原理如图返回第46页，共118页，编辑于2022年，星期三四、辐射式传感器四、辐射式传感器辐射式传感器包括：红外传感器、核辐射传感器辐射式传感器包括：红外传感器、核辐射传感器辐射式传感器包括：红外传感器、核辐射传感器辐射式传感器包括：

41、红外传感器、核辐射传感器、超声波传感器。超声波传感器。超声波传感器。超声波传感器。红外辐射红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m，红外线在电磁波谱中的位置如图红外线在电磁波谱中的位置如图12-1 所示。所示。工程上又把红外工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、即近红外、中红外、远红外和极远红远红外和极远红外。外。第47页，共118页，编辑于2022年，

42、星期三图图 电磁波谱图电磁波谱图 第48页，共118页，编辑于2022年，星期三红外探测器（传感器）红外探测器（传感器）红外传感器一般由光学系统、红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单探测器、信号调理电路及显示单元等组成。元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。大类。红外

43、传感器的应用红外传感器的应用 1.红外测温仪红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。的。当物体的温度低于当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。第49页，共118页，编辑于2022年，星期三核辐射及其性质核辐射及其性质 众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人

44、众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人们称这些最基本的物质为元素。组成每种元素的最基本单元就们称这些最基本的物质为元素。组成每种元素的最基本单元就是原子，是原子，每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电荷数荷数Z而有不同的质子数而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。的原子所构成的元素称同位素。假设某假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出射线、射线、射线、射线、射线、射线、X射线等，这种现象称为核辐射。射线等，这种现象称为核辐射。而放出射

45、而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即 式中：式中：J0开始时的放射源强度；开始时的放射源强度；J经过时间为经过时间为t以后的放射源强度；以后的放射源强度；放射性衰变常数放射性衰变常数第50页，共118页，编辑于2022年，星期三核辐射探测器核辐射探测器 核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从而探测部分。核辐射探

46、测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化。由于射线的强弱和变化与测量参数有关，因此出射线的强弱和变化。由于射线的强弱和变化与测量参数有关，因此它可以探测出被测参数的大小及变化。这种探测器的工作原理或者是它可以探测出被测参数的大小及变化。这种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发光效应，或者是根据当核辐射穿过根据在核辐射作用下某些物质的发光效应，或者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应。它们时发生的气体电离效应。当前常用的核辐射探测器有：电离室、正比计数管、盖革当前常用的核辐射探测器有：电离室、正比计数管、盖革弥勒弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器等

47、。计数管、闪烁计数器和半导体探测器等。第51页，共118页，编辑于2022年，星期三激光制导航弹及引导头示意图242413激光制导航弹及引导头原理激光制导航弹及引导头原理第52页，共118页，编辑于2022年，星期三超声波传感器超声波传感器 超超声声技技术术是是一一门门以以物物理理学学、电电子子学学、机机械械及及材材料料科科学学为为基基础础、应应用用十十分分广广泛泛通通用用技技术术之之一一。在在国国民民经经济济中中，对对提提高高产产品品质质量量，保保障障生生产产安安全全和和设设备备安安全全运行，降低生产成本，提高生产效率等具有重要的意义。运行，降低生产成本，提高生产效率等具有重要的意义。超超声

48、声波波具具有有聚聚束束、定定向向及及反反射射、散散射射、透透射射等等特特性性。按按超超声声振振动动辐辐射射大大小小不不同同大大致致可可分分为为：利利用用超超声声波波使使物物体体或或物物件件发发生生变变化化的的功功率率应应用用，称称之之谓谓功功率率超超声声；利利用用超超声声波波获获取取若若干干信信息息，称称之之谓谓检检测测超超声声。这这两两种种超超声声的的应应用用，同同样样需要借助于超声波传感器需要借助于超声波传感器(换能器或探头换能器或探头)来实现。来实现。目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门，例如目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门，例如超

49、声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益和经济效益。会效益和经济效益。一、超声波的基本特性一、超声波的基本特性 超声波是高于听觉频率阈值的机械振动，其频率在超声波是高于听觉频率阈值的机械振动，其频率在104Hz 1012Hz之间，其中之间，其中常用的频率大约在常用的频率大约在104Hz 3106Hz之间。超声波在声场（被超声所充满的空间）之间。超声波在声场（被超声所充满的空间）传播时，如果超声波的波长与声场的尺度相比，远小于声场的尺度，超声波就像处传播时，如果超声波的波长与声场的尺度相比

50、，远小于声场的尺度，超声波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散。于是超声波在传播过程的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散。于是超声波在传播过程中产生如下特性和作用。中产生如下特性和作用。第53页，共118页，编辑于2022年，星期三超声波传感器超声波传感器 能将（交流）电信号转换成机械振能将（交流）电信号转换成机械振动而向介质中辐射（发射）超声波，或动而向介质中辐射（发射）超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电将