傳感器原理與應(yīng)用(上)

1、呂辰剛作者：王雪文出版社：北京航空航天大學(xué)出版社 第一章溫度傳感器1.1電阻型溫度傳感器1.2熱電偶1.3半導(dǎo)體pn結(jié)型溫度傳感器1.4其他溫度傳感器第二章光敏傳感器2.1外光電效應(yīng)及器件2.2光電導(dǎo)效應(yīng)器及其應(yīng)用2.3光生伏特效應(yīng)器件2.4紅外熱釋電光敏器件2.5固態(tài)圖像傳感器2.6光纖傳感器光纖傳感器2.7新型傳感器參考書參考書傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 作者：王化祥作者：王化祥天津大學(xué)出版社天津大學(xué)出版社光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用作者：廖延彪作者：廖延彪清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社一 什么是傳感器? 廣義的把傳感器歸納為一種能感受外界信息(力、熱、聲光、電等等)，并按一定

2、的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成易處理的電信號的裝置。臺式機(jī)筆記本手機(jī)虛擬視覺視頻采集器音頻采集器虛擬聽覺水溫傳感器虛擬感覺土壤濕度傳感器虛擬運(yùn)動生產(chǎn)設(shè)備辦公設(shè)備“感感”+“知知”視頻采集器視頻采集器鏡頭鏡頭+CCD（CMOS）+圖像處理（顯卡等）圖像處理（顯卡等）音頻采集器音頻采集器換能裝置換能裝置+音頻處理（聲卡等）音頻處理（聲卡等）二 傳感器能干啥?兩化融合物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)4.0互聯(lián)網(wǎng)+?物聯(lián)網(wǎng)核心：傳感器物聯(lián)網(wǎng)核心：傳感器計(jì)算模式變革的十五年周期定律計(jì)算模式變革的十五年周期定律 一個普遍接受的重要觀點(diǎn)：計(jì)算模式每隔一個普遍接受的重要觀點(diǎn)：計(jì)算模式每隔1515年發(fā)年發(fā)生一次變革。人們把它稱為

3、生一次變革。人們把它稱為“十五年周期定律十五年周期定律”，這一判斷就像摩爾定律一樣準(zhǔn)確。這一判斷就像摩爾定律一樣準(zhǔn)確。 19651965年以后是以年以后是以系統(tǒng)性系統(tǒng)性為特征的大型機(jī)時代。為特征的大型機(jī)時代。 19801980年以后是以年以后是以獨(dú)立性獨(dú)立性為特征的個人機(jī)時代。為特征的個人機(jī)時代。 19951995年以后是以年以后是以共同性共同性為特征的互聯(lián)網(wǎng)時代。為特征的互聯(lián)網(wǎng)時代。 20102010年以后將以年以后將以擬人性擬人性為特征的物聯(lián)網(wǎng)時代。為特征的物聯(lián)網(wǎng)時代。 2009年1月7日，IBM等組織向奧巴馬提出通過信息通信技術(shù)投資在短期內(nèi)創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會。1月28日，奧巴馬在首次美國工商業(yè)

4、領(lǐng)袖圓桌會，IBM首席執(zhí)行官建議政府投資新一代智能型基礎(chǔ)設(shè)施，提出“智慧地球”方案，得到奧巴馬總統(tǒng)回應(yīng)，出臺總額7870億美元經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和再投資法對上述戰(zhàn)略建議加以落實(shí)。 物聯(lián)網(wǎng) Internet 0f Things - “智慧地球” 物聯(lián)網(wǎng) Internet 0f Things - “感知中國” 20092009年年8 8月月7 7日，國務(wù)院總?cè)?，國?wù)院總理溫家寶考察無錫提出，加快理溫家寶考察無錫提出，加快傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在無錫建設(shè)傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在無錫建設(shè)“感知中國感知中國”中心。中心。 2009年奧巴馬訪華年奧巴馬訪華隨著美國隨著美國“智慧地球智慧地球”計(jì)劃提計(jì)劃提出，物聯(lián)網(wǎng)已成綜合國力較

5、量出，物聯(lián)網(wǎng)已成綜合國力較量重要因素。美國將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重要因素。美國將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)列為列為“在經(jīng)濟(jì)繁榮和國防安全在經(jīng)濟(jì)繁榮和國防安全兩方面至關(guān)重要的技術(shù)兩方面至關(guān)重要的技術(shù)”。加。加拿大、英國、德國、芬蘭、意拿大、英國、德國、芬蘭、意大利、日本和韓國等加入傳感大利、日本和韓國等加入傳感網(wǎng)研究，歐盟將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作網(wǎng)研究，歐盟將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。為優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。 據(jù)據(jù)Forrester權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測測:下一個萬億級的通信業(yè)下一個萬億級的通信業(yè)務(wù)將是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，到務(wù)將是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，到2020年，物物互聯(lián)業(yè)務(wù)與年，物物互聯(lián)業(yè)務(wù)與現(xiàn)有人人互聯(lián)業(yè)務(wù)之比將現(xiàn)有人人互聯(lián)業(yè)務(wù)

6、之比將達(dá)達(dá)30 1。由于電網(wǎng)效率低下導(dǎo)致40-70%的電力被浪費(fèi)現(xiàn)有油井中只能開采出20-30%的石油美國紐約市在交通高峰時，平均40%-45%的車輛在尋找停車位美國每年出現(xiàn)220萬起由于手寫處方導(dǎo)致的配藥錯誤，而電子醫(yī)療記錄每年可幫助防止100,000人因?yàn)獒t(yī)療事故而死亡。低效的供應(yīng)鏈?zhǔn)沟孟M(fèi)產(chǎn)品和零售業(yè)每年損失400億美元，相當(dāng)于銷售額的3.5%。金融市場因?yàn)槿狈Ω櫯c有效監(jiān)管，盲目擴(kuò)張，釀成危機(jī)。世界需要更加智慧物的感知物的感知信息的采集信息的采集物的識別物的識別信息的分類信息的分類物的聯(lián)系物的聯(lián)系信息的傳遞信息的傳遞物的認(rèn)識物的認(rèn)識信息的分析信息的分析傳感器傳感器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感

7、器網(wǎng)絡(luò)GPSRFID各種網(wǎng)絡(luò)媒質(zhì)各種網(wǎng)絡(luò)媒質(zhì)移動云計(jì)算、移動云計(jì)算、智能信息處理、智能信息處理、海量數(shù)據(jù)分析海量數(shù)據(jù)分析我們的世界可以 物聯(lián)化物聯(lián)化更透徹的感知Instrumented我們的世界變得 互聯(lián)化互聯(lián)化更全面的融合Interconnected所有的事物具有 智能化智能化更智慧的服務(wù)Intelligent智能家居智能家居智能公交智能公交智能交通應(yīng)用：提前智能交通應(yīng)用：提前3秒秒預(yù)警，能有效避免交通事預(yù)警，能有效避免交通事故；提前故；提前1.5秒提醒駕駛?cè)嗣胩嵝疡{駛?cè)藛T，能防止員，能防止90%以上事故；以上事故；提前提前0.5秒剎車，能減少秒剎車，能減少50%碰撞能量。碰撞能量。貨運(yùn)車載

8、貨運(yùn)車載智能物流應(yīng)用：智能物流應(yīng)用：2006年日本物流成本占年日本物流成本占GDP是是11%，美國是，美國是8%，歐盟是，歐盟是7%，中國是中國是18%。中國的運(yùn)輸成本占一半以上，存儲成本占。中國的運(yùn)輸成本占一半以上，存儲成本占30%。中國物流是大。中國物流是大倉庫倒到小倉庫，小倉庫倒到商店的倉庫，來回倒，每次都要用車，每次都倉庫倒到小倉庫，小倉庫倒到商店的倉庫，來回倒，每次都要用車，每次都要用勞動力。采用信息化管理，實(shí)際上就是用智能物流，把全世界的分銷中要用勞動力。采用信息化管理，實(shí)際上就是用智能物流，把全世界的分銷中心數(shù)量從心數(shù)量從100個減少到個減少到40個，成本降低個，成本降低23%，

9、燃料用量降低，燃料用量降低25%，碳排放量減，碳排放量減少少10-15%。公差配合的自動優(yōu)化組合公差配合的自動優(yōu)化組合將一組軸的測量尺寸公差值，和一組孔的加工公將一組軸的測量尺寸公差值，和一組孔的加工公差值，輸入系統(tǒng)。差值，輸入系統(tǒng)。系統(tǒng)自動計(jì)算，做出組合配對。系統(tǒng)自動計(jì)算，做出組合配對。“” 是通過是通過信息物理系統(tǒng)信息物理系統(tǒng)網(wǎng)網(wǎng)路路 (CPS: Cyber-Physical Systems) ，實(shí)實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備現(xiàn)人、設(shè)備系統(tǒng)系統(tǒng)與產(chǎn)品的實(shí)時連通、與產(chǎn)品的實(shí)時連通、相互識別和有效交流。從而構(gòu)建一個相互識別和有效交流。從而構(gòu)建一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的智能制高度靈活的個性化和數(shù)字化的智能制

10、造模式。造模式。成品成品物流物流經(jīng)銷經(jīng)銷商商顧顧客客生產(chǎn)生產(chǎn)基地基地工業(yè)工業(yè) 4.0 4.0 - 信息物理信息物理系統(tǒng)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)路路三 傳感器的基本特性 傳感器輸入和輸出的關(guān)系特性靜態(tài)特性：被測量不隨時間變化（直流）動態(tài)特性：被測量隨時間變化 （交流）靜態(tài)特性 線性度靜態(tài)特性 遲滯靜態(tài)特性 重復(fù)性靜態(tài)特性 分辨率動態(tài)特性 階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)特征參數(shù)1. 時間常數(shù)：Y（t）從0%63%2. 上升時間： Y（t）從10%90%3. 響應(yīng)時間： Y（t）從0到穩(wěn)定4. 振蕩次數(shù)：N 5. 穩(wěn)態(tài)誤差：Y（）和實(shí)際值差 N階sensor系統(tǒng)輸入信號：在線性時不變的物理系統(tǒng)內(nèi), 對于復(fù)雜激勵的響應(yīng)可以通過組合

11、其對不同頻率正弦信號的響應(yīng)來獲?。ā案道锶~級數(shù)展開”）sensor系統(tǒng)：提供傳遞函數(shù)H(s)，產(chǎn)生幅頻特性（濾波）和相頻特性（信號展寬）輸出信號：可以看成不同輸入頻率信號的增益和相移后組合成的波形。四 傳感器的應(yīng)用與發(fā)展 傳感器在控制系統(tǒng)的應(yīng)用 傳感器在測量系統(tǒng)的應(yīng)用第一章 溫度傳感器 一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的裝置，用于檢測溫度和熱量，也叫熱電式傳感器。溫度傳感種類 溫度-電阻：熱電阻、熱敏電阻等 溫度-電勢：熱電偶、PN結(jié)式傳感器 熱輻射：熱釋電探測器、紅外探測器 其他：光纖溫度傳感，液晶溫度傳感等等電阻型溫度傳感器 利用感溫材料，把測量溫度變化轉(zhuǎn)為測量電阻變化。 金屬熱電阻式（熱電阻）

12、 半導(dǎo)體熱電阻式（熱敏電阻）金屬熱電阻 1.電阻溫度系數(shù)a要高。純金屬合金 2.測溫范圍內(nèi)，化學(xué)物理性能穩(wěn)定 3.良好的線性輸出特性 4.比較高的電阻率 5.可加工性。如鉑，銅，鐵，鎳 幾種正溫度系數(shù) 金屬熱電阻溫度 特性熱敏電阻 熱敏電阻是用某種金屬氧化物為基體原料，加入一些添加劑，采用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的電阻器。 電阻溫度系數(shù)比金屬大很多。 正溫度系數(shù) PTC 負(fù)溫度系數(shù) NTC 臨界溫度系數(shù) CTR 三類熱敏電阻 溫度特性曲線PTC 熱敏電阻 電阻溫度特性曲線突變型RT=R0exp(AT)緩變型RT=A+BTPTC 熱敏電阻 靜態(tài)伏安特性 曲線NTC 熱敏電阻 lnRT1/T

13、關(guān)系 曲線NTC 熱敏電阻 靜態(tài)伏安特性 曲線CTR 熱敏電阻 負(fù)溫臨界熱敏電阻 在某一溫度附近電 阻值發(fā)生突變，在 狹小的溫度范圍， 阻值隨溫度增加降 低3-4個數(shù)量級。半導(dǎo)體熱電阻 半導(dǎo)體材料的電阻率對溫度變化非常敏感，利用其電阻率隨溫度變化的特性可以實(shí)現(xiàn)溫度傳感。 半導(dǎo)體材料電阻率決定于載流子濃度和遷移率。 遷移率與溫度關(guān)系： 半導(dǎo)體載流子遷移率與載流子在電場作用下的散射機(jī)理有關(guān)。 主要散射機(jī)構(gòu)為： 聲波散射遷移率（晶格振動） 電離雜質(zhì)遷移率 電阻率與溫度關(guān)系： 本征半導(dǎo)體：本征載流子濃度決定 雜質(zhì)半導(dǎo)體：載流子濃度和遷移率決定硅熱電阻硅熱電阻 電阻-溫度特性 正向偏置 偏置電流1mA

14、室溫25 度 1000硅熱電阻 電阻-電流關(guān)系 偏置電流應(yīng) 小于1mA 熱敏電阻專業(yè)術(shù)語 零功率電阻 在某一溫度下測量熱敏電阻值時,加在熱敏電阻上的功耗極低, 低到因其功耗引起的熱敏電阻的阻值變化可以忽略不計(jì). 額定零功率電阻R25 額定零功率電阻指環(huán)境溫度25條件下測得的零功率電阻值 熱敏電阻專業(yè)術(shù)語 溫度系數(shù) 熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為溫度變化導(dǎo)致的電阻的相對變化.溫度系數(shù)越大，反應(yīng)越靈敏 最大電流 Imax 最大電流是指熱敏電阻最高的電流承受能力.超過最大電流時熱敏電阻將會失效。熱敏電阻專業(yè)術(shù)語 居里溫度 Tc 對于熱敏電阻的應(yīng)用來說,電阻值開始陡峭地增高時的溫度是重要的,我們將其定義為居

15、里溫度. 動作電流 Ik 流過熱敏電阻的電流,足以使熱敏電阻自熱溫升超過居里溫度,這樣的電流稱為動作電流.熱敏電阻專業(yè)術(shù)語 最大工作電壓 Vmax 最大工作電壓是指在規(guī)定的環(huán)境溫度下,允許持續(xù)地保持在熱敏電阻上最高的電壓.對同一類型而言,環(huán)境溫度越高,最大工作電壓值越低 額定電壓 VN 額定電壓是在最大工作電壓Vmax以下的供電電壓.通常 Vmax = VN + 15%熱敏電阻的應(yīng)用 醫(yī)療應(yīng)用一般需在數(shù)字式溫度計(jì)、培養(yǎng)(恒溫)箱、皮膚傳感器、導(dǎo)尿管、透析設(shè)備和呼吸器里使用來監(jiān)測溫度、血流或氣流。 家電應(yīng)用一般使用以各種包裝的玻璃封裝薄片來監(jiān)測和控制烘箱、微波爐、淋浴器、空調(diào)器、冰箱、制冷機(jī)的溫

16、度和監(jiān)控可充電鎳鉻電池上的溫度熱敏電阻的應(yīng)用 電信應(yīng)用一般進(jìn)行溫度補(bǔ)償、溫度監(jiān)測與控制。典型應(yīng)用包括開關(guān)設(shè)備，以及無繩電話、收音機(jī)、可充電電池的充電控制。 汽車應(yīng)用被用作進(jìn)氣傳感器、電池、發(fā)動機(jī)和傳動溫度傳感器、空調(diào)和內(nèi)/外環(huán)境溫度傳感器電阻式溫度傳感器應(yīng)用 流量檢測電阻式溫度傳感器應(yīng)用 過熱保護(hù) 電阻式溫度傳感器應(yīng)用 自動延時 電阻式溫度傳感器應(yīng)用 恒溫箱控制 熱電偶 利用兩種不同金屬連接在一起，當(dāng)結(jié)點(diǎn)處溫度變化時，另兩端產(chǎn)生電勢變化的原理制成的傳感器為熱電偶熱電效應(yīng) 1823年賽貝克發(fā)現(xiàn)，把兩種不同的金屬組合閉合回路，且使其兩觸點(diǎn)處溫度不同，回路中就會產(chǎn)生電流，這個物理現(xiàn)象稱為賽貝克效應(yīng)，

17、也稱熱電效應(yīng)。 帕爾帖效應(yīng) 湯姆遜效應(yīng)帕爾帖效應(yīng) 同溫度的兩種不同 金屬相互接觸，由于 金屬內(nèi)自由電子密度 不同，在接觸面附近 產(chǎn)生一個穩(wěn)定電勢叫 帕爾帖電勢。湯姆遜效應(yīng) 一均勻介質(zhì)棒兩端溫度不同，導(dǎo)體的高、低溫端有溫度梯度，高溫端自由電子有較高動能向低溫端擴(kuò)散，形成內(nèi)建電場，內(nèi)建電場的產(chǎn)生又使電子由低溫端向高溫端漂移，當(dāng)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動態(tài)平衡時，兩端的電勢差叫湯姆遜電勢。 參考端T0=0 時，溫度與熱電勢關(guān)系EA：鎳鉻-鎳銅EU：鎳鉻-鎳硅LB： 鉑銠-鉑熱電偶的基本定律 均質(zhì)導(dǎo)體定律： 兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶的電勢大小與熱電極的直徑、長度及長度方向上的溫度分布無關(guān)，與材料和溫度有關(guān)。 如

18、果材料不均勻，將會產(chǎn)生無法估量的附加電勢差。 標(biāo)準(zhǔn)電極定律 兩種金屬組成 熱電偶電勢可以用 它們分別與第三種 金屬組成熱電偶電 勢差來表示。 工程上常以鉑、銅 為標(biāo)準(zhǔn)電勢。 中間導(dǎo)體定律 在熱電偶參考端接 入第三種均勻?qū)w 只要保證其兩端溫 度大小，則不影響 原來的回路熱電勢 值。 中間溫度定律 熱電偶接點(diǎn)溫度 TT0，其熱電勢 等于熱電偶接點(diǎn) 溫度為TTn和 TnT0相應(yīng)電熱勢 的代數(shù)和。熱電偶的材料 在測量范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易氧化和腐蝕。 熱電勢足夠大，且熱電勢溫度最好是線性或簡單函數(shù)關(guān)系，測量精度高，誤差小。 電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高。 材料復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，

19、易加工。熱電偶種類 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 鉑銠-鉑：高溫精密測量，中性介質(zhì)測量 鎳鉻-鎳硅、鎳鉻-鎳鋁、鎳鉻-考銅： 熱電勢大，但測溫范圍小 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 鐵-康銅、鎢-錸系、銥-銠系：特殊用途，復(fù)制性差。 熱電偶結(jié)構(gòu) 電極直徑0.1-3.2mm 長度按實(shí)際情況定 電極之間用耐高溫絕緣材料熱電偶的實(shí)用電路 單點(diǎn)溫度測量熱電偶的實(shí)用電路 兩點(diǎn)溫差測量熱電偶的實(shí)用電路 串聯(lián)求和測量熱電偶的實(shí)用電路 并聯(lián)求平均溫度半導(dǎo)體PN結(jié)溫度傳感器 半導(dǎo)體材料器件的性能參數(shù)，如電阻率、pn結(jié)的反向漏電流和正向電壓等都與溫度有密切的關(guān)系，利用它們對溫度的敏感性制成半導(dǎo)體溫度敏感器件，實(shí)現(xiàn)對溫度的測量和補(bǔ)償功能。二極管溫

20、度傳感器 利用二極管pn結(jié)正向電壓與溫度的關(guān)系 硅二極管，溫度每 升高1度，正向電壓 下降約2mV三極管溫度傳感器 三極管集電極電流Ic恒定，發(fā)射結(jié)上正向電壓Vbe隨溫度上升而線性下降。集成溫度傳感器 集成溫度傳感器是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一個芯片上的溫度傳感器，輸出結(jié)果與絕對溫度成正比，是理想的線性輸出 集成溫度傳感器常采用對管差分電路設(shè)計(jì)。PTAT原理電路 Proportional To Absolute Temperature 優(yōu)點(diǎn)：輸出結(jié)果與絕對 溫度成正比，理 想的線性輸出。 電壓型PTAT 輸出電壓與溫度成 正比，由恒流源、 PTAT及晶體管組成 常用的電壓型溫度傳感器為

21、四端輸出型： 調(diào)整輸出溫度系數(shù)為10mV/K V+，V-：基準(zhǔn)電壓 Vout：電壓輸出 表示K Vin：偏置電壓 Vin=2.73V，Vout=0 表示0 oC電流型PTAT 輸出電流與溫度成 正比，由恒流源、 PTAT組成AD590 AD590工作電壓4-30V，測溫范圍-55-150度 輸出電流和熱力學(xué)溫度嚴(yán)格成正比晶閘管 晶閘管的特點(diǎn)是可以用弱信號控制強(qiáng)信號。從控晶閘管的特點(diǎn)是可以用弱信號控制強(qiáng)信號。從控制的觀點(diǎn)看，它的功率放大倍數(shù)很大，用幾十到制的觀點(diǎn)看，它的功率放大倍數(shù)很大，用幾十到一二百毫安電流，兩到三伏的電壓可以控制幾十一二百毫安電流，兩到三伏的電壓可以控制幾十安、千余伏的工作電

22、流電壓。安、千余伏的工作電流電壓。 在許多晶體管放大器功率達(dá)不到的場合，它可以在許多晶體管放大器功率達(dá)不到的場合，它可以發(fā)揮作用。從電能的變化與調(diào)節(jié)方面看，它可以發(fā)揮作用。從電能的變化與調(diào)節(jié)方面看，它可以實(shí)現(xiàn)交流實(shí)現(xiàn)交流直流、直流直流、直流交流、交流交流、交流交流、直交流、直流流直流以及變頻等各種電能的變換和大小的控直流以及變頻等各種電能的變換和大小的控制。制。晶閘管類型 晶閘管有很多類型，比較常用的有普通晶閘管、晶閘管有很多類型，比較常用的有普通晶閘管、高頻晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷高頻晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、無控制晶閘管、光控晶閘管和熱敏晶閘晶閘管、無控制

23、晶閘管、光控晶閘管和熱敏晶閘管。管。晶閘管結(jié)構(gòu)與外形 晶閘管由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成，其間形成三個PN結(jié)，引出三個電極，分別為陽極a、陰極k和控制極g。 晶閘管 柵極電流Ig控制 通斷陽極A，陰極K，柵極G溫敏晶閘管 當(dāng)溫度升高時，J2結(jié)的 反向漏電流指數(shù) 增加，相當(dāng)于在 柵極注入電流 “開關(guān)溫度”溫敏晶閘管溫度控制1.增大反向漏電流（降低開關(guān)溫度）2.利用柵極分路電阻,分流作用（提升開關(guān)溫度），増流作用（降低開關(guān)溫度）普通普通晶閘管開關(guān)溫度一般做的很高，溫敏晶閘管為了適應(yīng)晶閘管開關(guān)溫度一般做的很高，溫敏晶閘管為了適應(yīng)不同溫度環(huán)境的應(yīng)用，開關(guān)溫度可以在一個較寬的范圍內(nèi)不同溫度環(huán)境的應(yīng)用，開關(guān)溫

24、度可以在一個較寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)行調(diào)節(jié)。半導(dǎo)體溫敏計(jì)應(yīng)用 溫度控制熱輻射溫度計(jì) 根據(jù)物體的熱輻射隨溫度變化測量溫度，屬于非接觸測量，不干擾溫度場，不受腐蝕。 全輻射高溫計(jì)：用絕對黑體接受全部熱量 光學(xué)高溫計(jì) ：物體的亮度表示熱輻射大小 光電高溫計(jì) ：光電流表示熱輻射大小 比色溫度計(jì) ：單色輻射強(qiáng)度比隨溫度變化 熱敏電容：利用陶瓷電容的介電常數(shù)隨溫度 變化測量。 石英溫度計(jì)：改變切割方法的石英振子的共 振頻率隨溫度變化。 表面波溫度計(jì)：由表面波器件和電路組成振 蕩器，振蕩頻率隨溫度變化 超聲波溫度計(jì)：石英振子發(fā)出的超聲波在被 測氣體中頻率隨溫度變化 諧振式溫度計(jì)：材料的彈性和密度隨溫度變 化

25、，其制成的諧振器頻率是 溫度的函數(shù)。 音叉式水晶溫度計(jì)：利用振動頻率與溫度的 關(guān)系，可以作為基準(zhǔn)。 光纖輻射溫度計(jì)：黑體輻射定律，被動測量 熒光光纖溫度計(jì)：熒光物質(zhì)受激發(fā)射某些譜 線強(qiáng)度隨溫度變化?？偨Y(jié) 熱電阻型 熱電偶型 PN結(jié)型第二章 光敏傳感器 光敏傳感器能對光信號的變化作出迅速反應(yīng)，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，將光能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電能。光敏傳感種類 光電效應(yīng)傳感 光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢等，這些因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)器件： 光電發(fā)射二極管，光電倍增管 內(nèi)光電效應(yīng)器件 光導(dǎo)管，光敏電阻 光生伏特效應(yīng)器件 光電池，光電二

26、極管，光電三極管光敏傳感種類 紅外熱釋電探測器 對光譜中紅外敏感的器件，利用輻射的紅外光（熱）照射材料時引起材料電學(xué)性質(zhì)變化或產(chǎn)生熱電動勢原理制成。光敏傳感種類 固態(tài)圖像傳感器 分兩大類，一類是用CCD的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成CCD圖像傳感器；一類是用光敏二極管與MOS晶體管構(gòu)成的將光信號變成電荷或電流信號的MOS圖像傳感器。光敏傳感種類 光纖傳感器 有光源光敏傳感器，利用發(fā)光管（LED）或激光管（LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測對象，被檢測信號調(diào)制后，光沿光纖傳輸?shù)焦饨邮芷鳎?jīng)解調(diào)得到相應(yīng)信號。光電效應(yīng)傳感器 外光電效應(yīng) 在光照射下，某些材料中的電子逸出表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外

27、光電效應(yīng)，也稱為光電發(fā)射效應(yīng)。 “光照產(chǎn)生光電流”1887年德國物理學(xué)家，赫茲發(fā)現(xiàn)了“光電效應(yīng)”現(xiàn)象，“光電效應(yīng)”是指金屬片受到光照射后放出電子的現(xiàn)象。當(dāng)時，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個鋅質(zhì)小球之一用紫外線照耀，則在兩個小球之間就非常容易跳過電花。光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1888年莫斯科大學(xué)教授斯托列托夫斯托列托夫認(rèn)真研究了光電效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件有如下幾個事實(shí)：1 對于一定的金屬表面，有一個固定的頻率f，如果小于f，不論光的強(qiáng)度多大，照射時間多長，都不能發(fā)生光電效應(yīng)。2 光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子的動能以直線關(guān)系隨光的頻率增大而增加，而與光的強(qiáng)度毫無關(guān)系3 光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流與光的強(qiáng)度成正比。 1899年，俄國科學(xué)

28、家列別捷夫列別捷夫發(fā)現(xiàn)了“光壓”，光壓是指如果在光線射出的道路上攔上一塊微小的輕金屬片，這塊金屬片就會朝光線射出的方向運(yùn)動。 “光壓”：光是具有動量的，從物理學(xué)的角度講，物體的動量等于它的質(zhì)量與速度的乘積，對于光來講，它具有質(zhì)量和速度，說明它是一種粒子流，是有能量的。 1902年，德國物理學(xué)家萊納德也對光電效應(yīng)進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時的理論加以解釋。 1905年，德國物理學(xué)家愛因斯坦提出了光子說，認(rèn)為光具有波粒二相性，比較滿意的解釋了光電效應(yīng)。亥姆霍茲 赫茲萊納德列別捷夫光電流檢測光電發(fā)射二極管 檢測裝置中發(fā)射電子的極板為陰極，

29、吸收電子的極板為陽極，且將兩者封于同一殼內(nèi)，連上電極（正偏），就成為光電二極管。 真空光電二極管 充氣光電二極管真空光電二極管 020V范圍內(nèi)，偏壓光電流 大于20V，飽和區(qū) 光電流光強(qiáng)充氣光電二極管 管殼中充有惰性氣體（氬，氖）特點(diǎn)：光電流隨偏置電壓增加而增大優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，加大電壓提高光電流缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，頻率特性差光電發(fā)射材料 光吸收系數(shù)大 光電子體內(nèi)傳輸?shù)襟w外過程中能量損失小，逸出深度大 電子親和勢低，使表面的逸出幾率提高 金屬材料逸出 功大，響應(yīng)在 紫外區(qū)域。 半導(dǎo)體材料逸 出功小，響應(yīng) 在可見光和紅 外區(qū)域。 ：量子效率光電倍增管 倍增效應(yīng) 具有足夠動能 的電子轟擊倍 增極時，該倍

30、 增極表面將有 電子發(fā)射，稱 二次電子發(fā)射直線瓦片式倍增系統(tǒng)鼠籠式倍增系統(tǒng)百葉窗式倍增系統(tǒng)光電倍增管參數(shù) 陽極靈敏度和放大倍數(shù) 隨工作電壓關(guān)系光電倍增管參數(shù) 暗電流：無光照條件下，加電壓，陽極電流1.歐姆漏電：管內(nèi)的堿金屬蒸汽2.熱電子發(fā)射：材料的逸出功低，溫度導(dǎo)致3.反饋效應(yīng)：管內(nèi)的氣體電離，熒光發(fā)射4.場致發(fā)射：尖端在高壓下的場致發(fā)射光電倍增管參數(shù) 光電特性 陽極電流隨光通量增加在很大范圍是線性增加的。光電倍增管電路正高壓供電與前放耦合負(fù)高壓供電與前放耦合光電效應(yīng)傳感器 內(nèi)光電效應(yīng) 光照射半導(dǎo)體材料時，材料吸收光子而產(chǎn)生電子-空穴對，使導(dǎo)電性能加強(qiáng)，電導(dǎo)率增加這種光照后電導(dǎo)率發(fā)生變化現(xiàn)象為

31、光電導(dǎo)效應(yīng)，又稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 “光照改變阻值”光敏電阻 利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成光敏電阻，結(jié)構(gòu)包括玻璃基片，光電導(dǎo)材料，電極，漆膜，外殼。光敏電阻參數(shù) 暗電阻：全暗條件下電阻值 亮電阻：受到光照時的電阻值光敏電阻參數(shù) 光電靈敏度：單位光通量入射條件下，光敏電阻輸出的光電流大小。S=dI/d光敏電阻伏安特性光敏電阻光電流與光通量光敏電阻光譜特性光敏電阻頻率特性光敏電阻溫度特性光敏電阻的應(yīng)用 自動照明裝置光生伏特效應(yīng)傳感器 利用光照射半導(dǎo)體材料PN結(jié)后，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢（可用作電壓源）的光生伏特效應(yīng)現(xiàn)象，可制作光生伏特效應(yīng)器件。 “光照產(chǎn)生電動勢”光生伏特效應(yīng)開路應(yīng)用 光電池光電池 光電池是將光

32、能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器件，這類器件有發(fā)電機(jī)的性質(zhì)，具有電動勢和內(nèi)阻。一、1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)“光伏效應(yīng)” 。二、1954年，美科學(xué)家恰賓和皮爾松首次制成實(shí)用單晶硅太陽能電池，誕生將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)，效率為6%三、同年，韋克爾發(fā)現(xiàn)砷化鎵有光伏效應(yīng)，并制成第一塊薄膜太陽能電池。四、1957年，硅太陽能電池效率為8%。1958年，太陽能電池首次在太空應(yīng)用。1995年，高效聚光砷化鎵太陽電池效率達(dá)到32%。五、1996年以來，世界光伏發(fā)電高速發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣，尤其是光伏技術(shù)的屋頂計(jì)劃，為光電展現(xiàn)無限光明的前途。屋頂上的電源 日本民房日本民房臺灣八里鄉(xiāng)臺灣八里鄉(xiāng)上

33、海德國學(xué)校上海德國學(xué)校 石英砂金屬硅多多晶晶硅硅多晶單晶直拉區(qū)熔半導(dǎo)體材料太陽能硅片集成電路太陽能電池組裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)IC產(chǎn)業(yè)配套產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備單晶硅光生伏特效應(yīng)反偏應(yīng)用n型p型耗盡層耗盡層光電二極管實(shí)際上是一個加了反向偏壓的pn結(jié)光生伏特效應(yīng)反偏應(yīng)用pnE光生電流 I1. pn結(jié)加一個較高的反向偏壓2. pn結(jié)耗盡區(qū)受到光的照射產(chǎn)生光生載流子3. 在外部偏壓的作用下，光生載流子定向漂移產(chǎn)生光生電流加反向偏置電壓后形成一個很寬的耗盡層高摻雜p+型高摻雜n+型i (本征)層：低摻雜n型耗盡區(qū)光電三極管+vbce工作原理：光電二極管光電轉(zhuǎn)換，三極管光電流放大。光敏三極管的應(yīng)用：光控電位器光電三極管

34、I-V曲線光敏場效應(yīng)管 晶體管是一種電流控制元件，工作時，多數(shù)載流子晶體管是一種電流控制元件，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件 場效應(yīng)管（場效應(yīng)管（FET）是一種電壓控制器件，工作時，）是一種電壓控制器件，工作時，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。 FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。光敏場效應(yīng)管-p+pd漏極源極s柵極gN-gsdN溝道溝道-gdsP

35、溝道溝道兩個兩個PN結(jié)夾著一個結(jié)夾著一個N型溝道。型溝道。三個電極：三個電極： g：柵極：柵極 d：漏極：漏極 s：源極：源極結(jié)型場效應(yīng)管NGGg+sdpVp+ （1）柵源電壓）柵源電壓Vgs對溝道的控制作用對溝道的控制作用在柵源間加負(fù)電壓在柵源間加負(fù)電壓Vgs，令，令Vds =0當(dāng)當(dāng)Vgs=0時，為平衡時，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。當(dāng)當(dāng)Vgs時，時，PN結(jié)反結(jié)反偏，耗盡層變寬，溝道偏，耗盡層變寬，溝道電阻增大。電阻增大。當(dāng)當(dāng)Vgs到一定值時到一定值時 ，溝道會完全合攏。溝道會完全合攏。 （2）漏源電壓）漏源電壓Vds對電流對電流Id的影響的影響NgsdidDDVp+p+在

36、漏源間加電壓在漏源間加電壓Vds ，令，令Vgs =0 當(dāng)當(dāng)Vds =0時，時， Id=0Vds Id 靠近漏極處的耗盡層加寬，靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布溝道變窄，呈楔形分布當(dāng)當(dāng)Vds ，Vgd=- Vds=Vp時，時，在靠漏極處夾斷在靠漏極處夾斷:預(yù)夾斷預(yù)夾斷預(yù)夾斷前，預(yù)夾斷前， Vds Id 預(yù)夾斷后，預(yù)夾斷后， Vds Id 幾乎不變幾乎不變 （2）柵源電壓）柵源電壓Vgs和漏源電壓和漏源電壓Vds共同作用共同作用sgVdDDdiGGVp+p+輸出特性曲線：輸出特性曲線：Id=f（ Vds）Vgs=常數(shù)常數(shù)u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiG

37、S=0V可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線：轉(zhuǎn)移特性曲線：uuGS=0Vu0u(mA)1u=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iu=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2V-g漏極s+N襯底P襯底源極d柵極bN+ +-sbgd耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管光敏場效應(yīng)管柵壓與照度關(guān)系光生伏特效應(yīng)器件應(yīng)用 光電二極管 路燈自控光生伏特效應(yīng)器件應(yīng)用 光電二極管 光強(qiáng)測量光生伏特效應(yīng)器件應(yīng)用 太陽能電源 光生伏特效應(yīng)器件應(yīng)用 光敏三極管 轉(zhuǎn)速傳感 光生伏特效應(yīng)器件應(yīng)用 光電三極管 紙張監(jiān)控光生伏特效應(yīng)器件應(yīng)用 光耦的應(yīng)用 光耦合器以光為媒介傳輸電信號

38、。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。三部分：“光的發(fā)射”“光的接受”“信號放大” 光耦直接用于隔離傳輸模擬量時，要考慮光耦的非線性問題。 解決方法：VFC(電壓頻率轉(zhuǎn)換)方式 光耦隔離傳輸數(shù)字量時，要考慮光耦的響應(yīng)速度問題。1.采用高速光耦來實(shí)現(xiàn)模塊之間的相互隔離。常用的高速光耦有6N135/6N136。2.采用合適的電路結(jié)構(gòu)。 “雙光耦推挽式電路” 如果輸出有功率要求的話，還得考慮光耦的功率接口設(shè)計(jì)問題。功率接口電路：驅(qū)動各種類型的負(fù)載，如直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥等。要求：帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電流大、工作電壓高的特點(diǎn)。繼電器：響應(yīng)速度要求不高的啟停操作 ms 光耦： 響應(yīng)時間要求

39、很快的控制系統(tǒng) us 紅外熱釋電光敏傳感 紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，由英國科學(xué)家霍胥爾于1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射。他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計(jì)，試圖測量各種顏色光的加熱效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，位于紅光外側(cè)的那支溫度計(jì)升溫最快。因此得到結(jié)論：太陽光譜中，紅光的外側(cè)必定存在看不見的光線，這就是紅外線。 紅外敏感器件按工作原理分為： 量子型：光子探測器，利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子相互作用，光能轉(zhuǎn)化成電能。 熱電型：利用紅外輻射熱效應(yīng)，探測器敏感元件吸收輻射溫度升高，電學(xué)性質(zhì)變化。熱釋電效應(yīng)器件。鐵電晶體 鐵電材料，是熱釋電材料中的一

40、類。特點(diǎn)是不僅具有自發(fā)極化，而且在一定溫度范圍內(nèi)，自發(fā)極化偶極矩能隨外施電場的方向而改變。 “電疇”熱釋電效應(yīng) 光照鐵電晶體，吸收 產(chǎn)生溫度變化導(dǎo)致材 料自發(fā)極化變化。溫 度因吸收紅外光上升 極化強(qiáng)度減小，釋放 電荷產(chǎn)生電流，稱為 熱釋電現(xiàn)象。熱釋電傳感器雙元型紅外傳感器 1.濾光窗抗其他光源的干擾，僅對人體發(fā)出的紅外線最敏感。結(jié)構(gòu)：薄玻璃片上鍍多層濾光薄膜，有效濾除700-1400nm以外的紅外線。雙元型紅外傳感器 2.菲涅耳透鏡透鏡組，每個單元對應(yīng)一個視場相鄰視場不連續(xù)，形成交替變化的盲區(qū)和亮區(qū)，使敏感單元溫度不斷變化。作用：提高探測半徑雙元型紅外傳感3. 敏感元件按極化方向相反串聯(lián)，一個

41、用于紅外檢測，一個鍍紅外反射膜用于噪聲補(bǔ)償。作用：環(huán)境溫度補(bǔ)償 運(yùn)動方向判斷雙元型運(yùn)動計(jì)數(shù)法固態(tài)圖像傳感器 高度集成半導(dǎo)體光敏傳感器。以電荷轉(zhuǎn)移為核心，包括光電轉(zhuǎn)換，信號存儲和傳輸、處理的集成光敏傳感器，用于圖像識別和傳輸 主要分為： 電荷耦合器件CCD 自掃描光電二極管陣列MOS 2009年諾貝爾物理學(xué)獎：維拉博伊爾(Willard S. Boyle)喬治史密斯（George E. Smith） 1969年貝爾實(shí)驗(yàn)室：影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存這兩種技術(shù)結(jié)合，CBD。 70年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD誕生。 1974年仙童公司產(chǎn)品，500單元的線性裝置和100 x100像

42、素的平面裝置。 CCD（Charge-coupled Device） CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素。 CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD的結(jié)構(gòu) 一種是TTL工藝，毫安級的耗電量。 一種是CMOS工藝，微安級的耗電量。 TTL工藝下成像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS工藝 加工工藝CCD傳輸方式隔行傳輸式（Interline Transfer）-感光元件產(chǎn)生電信號-電荷轉(zhuǎn)移到并行寄存器-電

43、荷從并行寄存器轉(zhuǎn)移到串行 寄存器-串行寄存器將電信號轉(zhuǎn)到模擬 寄存器-放大、數(shù)摸轉(zhuǎn)換、數(shù)字信息CCD傳輸方式全幀（Full Frame）-感光元件產(chǎn)生電信號-電荷轉(zhuǎn)移到串行寄存器-放大、數(shù)摸轉(zhuǎn)換CCD傳輸方式全轉(zhuǎn)（Full Fransfer）-綜合Full Frame和Interline Transfer特點(diǎn)，在器件上劃分感光區(qū)和寄存區(qū)-曝光和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移可以同時進(jìn)行CCD采光方式CCD量子效率 在同一波長下QE值越高CCD品質(zhì)越好 CCD對于不同波長的光的響應(yīng)時間的敏感度不同 背照式CCD比前照式CCD有更好的量子效率 多數(shù)衡量QE高低是在425nm波長CCD像素指標(biāo)-填充因子理想值-100%實(shí)

44、際值-30%（隔行傳輸式CCD）通過微型鏡頭（Microlenses）改善（但微型鏡頭的應(yīng)用會影響紫外光的檢測）填充因子是影響靈敏度的一個因數(shù)CCD像素指標(biāo)-井深多數(shù)CCD可堆積85K個電荷高品質(zhì)的CCD可堆積350K個電荷影響靈敏度的一個因數(shù)衡量動力學(xué)范圍的一個因素CCD動力學(xué)范圍 -描述從描述從CCD像素值中可以得到多少數(shù)量的灰像素值中可以得到多少數(shù)量的灰度級別的一個術(shù)語度級別的一個術(shù)語 -用來表示飽和電壓（最大輸出級別）與攝像用來表示飽和電壓（最大輸出級別）與攝像頭隨機(jī)噪音的比率頭隨機(jī)噪音的比率 -動力學(xué)范圍并不總是和數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)動力學(xué)范圍并不總是和數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)一致?lián)恢翪CD像素合并像素合并（像素合并（Binning） -將相臨的像素所堆積的電荷將相臨的像素所堆積的電荷進(jìn)行合并并當(dāng)作一個單一的像進(jìn)行合并并當(dāng)作一個單一的像素輸出信號素輸出信號 CCD系統(tǒng)增益 -提高增益將會造成數(shù)字噪音的增加 -降低增益可以最小化噪音得到最佳分辨率，但是將損失井深，從而損失靈敏