霍爾傳感器光電傳感器

關于霍爾傳感器光電傳感器霍爾效應

半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。磁感應強度B為零時的情況cdab第2頁,共77頁，星期六，2024年，5月霍爾效應演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab第3頁,共77頁，星期六，2024年，5月霍耳效應與霍耳元件（a）霍耳效應（b）霍耳元件結構（c）圖形符號（d）外形第4頁,共77頁，星期六，2024年，5月磁感應強度B較大時的情況

作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢EH可用下式表示：EH=KHIB第5頁,共77頁，星期六，2024年，5月霍爾轉速表

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵第6頁,共77頁，星期六，2024年，5月霍爾轉速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。第7頁,共77頁，星期六，2024年，5月霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質霍爾第8頁,共77頁，星期六，2024年，5月霍爾式接近開關用于轉速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

T開關型霍爾IC第9頁,共77頁，星期六，2024年，5月自動供水裝置

圖示鍋爐中的水由電磁閥控制流出與關閉。磁傳感裝置由磁鐵及SL3020霍爾開關集成傳感器構成。當取水者投入鐵制的取水牌時，鐵制取水牌將磁鐵的磁力線短路，SL3020傳感器受較強磁場的作用輸出為高電平脈沖，電路輸出使電磁閥通電開閥放水。1—鍋爐2—電磁閥3—投卡口4—水龍頭5—水瓶6—收卡箱7—磁鐵8—磁傳感器第10頁,共77頁，星期六，2024年，5月光電式傳感器第11頁,共77頁，星期六，2024年，5月光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器，可用于檢測直接引起光量變化的非電量，通常由四部分組成。圖中x1表示被測量能直接引起光量變化的檢測方式；x2表示被測量在光傳播過程中調制光量的檢測方式。第12頁,共77頁，星期六，2024年，5月工作原理把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電轉換元件變換成電信號。被測量通過對輻射源或者光學通路的影響將待測信息調制到光波上，通過改變光波強度、相位、空間分布和頻譜分布等，由光電器件將光信號轉化為電信號，電信號經(jīng)后續(xù)電路解調分離出被測量信息，實現(xiàn)測量。特點頻譜寬；不受電磁干擾的影響；非接觸測量；高精度、高分辨力、高可靠性；反應快等應用檢測、控制領域第13頁,共77頁，星期六，2024年，5月一、光電效應光是由光子組成的，其能量和頻率關系為E=hf光照在物體上可看成是一連串具有能量為E的光子轟擊物體，如果能量足夠大，物質內(nèi)部電子在吸收光子后就會擺脫內(nèi)部力的束縛，成為自由電子，自由電子可能從物質表面逸出，也可能參與物質內(nèi)部的導電過程，這種現(xiàn)象稱為光電效應。第14頁,共77頁，星期六，2024年，5月光電效應(photoelectriceffect)

可制作位移，振動，轉速傳感器傳感器。

外光電效應內(nèi)光電效應物質在光的作用下釋放電子的現(xiàn)象稱為光電效應。釋放的電子稱為光電子，光電子在外電場中運動電流稱為光電流。定義應用分類第15頁,共77頁，星期六，2024年，5月外光電效應--Externalphotoelectriceffect外光電效應是指在光的照射下，物體內(nèi)的光電子逸出金屬表面的現(xiàn)象。1887年由德國人赫茲發(fā)現(xiàn)。定義應用分類面效應--surfaceeffect

物質在光的作用下釋放光電子，光電子在金屬表面形成。體效應--bulkeffect

物質在光的作用下釋放光電子，光電子在金屬表面較深處形成?？芍谱鞴怆姽堋⒐怆姳对龉軅鞲衅?、外光電效應第16頁,共77頁，星期六，2024年，5月

根據(jù)愛因斯坦假設:一個電子只能接受一個光子的能量。要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子能量ε大于該物體的表面逸出功A。各種不同的材料具有不同的逸出功A，因此對某特定材料而言，將有一個頻率限νo(或波長限λo)，稱為“紅限”。紅限波長可用下式求得：當入射光的頻率低于νo時(或波長大于λo)，不論入射光有多強，也不能激發(fā)電子；

當入射頻率高于νo時，不管它多么微弱也會使被照射的物體激發(fā)電子，光越強則激發(fā)出的電子數(shù)目越多。

第17頁,共77頁，星期六，2024年，5月基于外光電效應原理工作的光電器件有光電倍增管光電管第18頁,共77頁，星期六，2024年，5月

光電管

光電管種類很多，一般是裝有光陰極和陽極的真空玻璃管，結構如圖所示。

結構（1）光電管第19頁,共77頁，星期六，2024年，5月

光電管受光照發(fā)射電子

陽極通過RL與電源連接在管內(nèi)形成電場。光電管的陰極受到適當?shù)恼丈浜蟊惆l(fā)射光電子，這些光電子在電場作用下被具有一定電位的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。電阻RL上產(chǎn)生的電壓降正比于空間電流，其值與照射在光電管陰極上的光成函數(shù)關系。

原理第20頁,共77頁，星期六，2024年，5月

在玻璃管內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，尚裝有若干個光電倍增極。光電倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料。

光電倍增極的形狀及位置設置得正好能使前一級倍增極發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊后一級倍增極。在每個倍增極間均依次增大加速電壓。設每級的培增率為δ，若有n級，則光電倍增管的光電流倍增率將為δn。

（2）光電倍增管第21頁,共77頁，星期六，2024年，5月內(nèi)光電效應--(Internalphotoelectriceffect)

受光照物體電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的效應叫內(nèi)光電效應。

光子能量必須大于材料的禁帶寬度ΔEg才能產(chǎn)生內(nèi)光電效應。

內(nèi)光電效應的臨界波長λo=1293/ΔEg(nm)。通常純凈半導體的禁帶寬度為1eV左右。定義2、內(nèi)光電效應第22頁,共77頁，星期六，2024年，5月分類物體受到光照時，其內(nèi)部原子釋放的電子留在內(nèi)部而使物體的導電性增加、電阻值下降的現(xiàn)象稱為光電導效應。可制作光敏電阻（光電導管）傳感器.物體（如半導體）在光的照射下能產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應可制作光電池、光敏二極管、光敏三極管和半導體位置敏感器件傳感器.photo-conductiveeffectphotoproductionvoltaeffect光電導效應光生伏特效應第23頁,共77頁，星期六，2024年，5月photo-conductiveeffect光電導效應光敏電阻(photoresistors)光敏二極管(photodiode)光敏三極管(phototransistors)第24頁,共77頁，星期六，2024年，5月光敏電阻中光電導作用的強弱是用其電導的相對變化來標志的。

為了提高光敏電阻的靈敏度，應盡量減小電極間的距離。對于面積較大的光敏電阻，通常采用光敏電阻薄膜上蒸鍍金屬形成梳狀電極，光敏電阻(photoresistors)第25頁,共77頁，星期六，2024年，5月光敏電阻演示

光敏電阻受到光照時，光生電子/空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）第26頁,共77頁，星期六，2024年，5月光敏電阻的基本應用電路

a）UＯ與光照變化趨勢相同的電路b）UＯ與光照變化趨勢相反的電路第27頁,共77頁，星期六，2024年，5月光電式帶材跑偏檢測1—

被測帶材2—卷取電機3—卷取輥4—液壓缸5—活塞6—滑臺7—光電檢測裝置8—光源9、10—透鏡11-光敏電阻R112—遮光罩指針將偏向左邊還是右邊？第28頁,共77頁，星期六，2024年，5月光敏二極管

將光敏二極管的PN結設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。第29頁,共77頁，星期六，2024年，5月光照φPNa)+–RLEU0IφμAb)

光敏二極管

a)結構示意圖及圖形符號b）基本應用電路第30頁,共77頁，星期六，2024年，5月沒有光照時，二極管反向偏置，反向電阻很大，反向電流很小，該電流稱為暗電流，相當于普通二極管的反向飽和漏電流；受光照射時，PN結附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應用。光敏二極管的反向偏置接法第31頁,共77頁，星期六，2024年，5月光敏二極管的反向偏置接線及光電特性演示

在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。當光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關系。光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照第32頁,共77頁，星期六，2024年，5月例：光電轉速傳感器231231(a)(b)圖（a）是在待測轉速軸上固定一帶孔的轉速調置盤，在調置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速由該脈沖頻率決定。在待測轉速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當轉軸轉動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉換為電脈沖信號。第33頁,共77頁，星期六，2024年，5月

光敏三極管(phototransistors)第34頁,共77頁，星期六，2024年，5月光敏三極管有兩個PN結。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負兩個引腳，外型與光敏二極管相似，外觀上很難區(qū)別。

第35頁,共77頁，星期六，2024年，5月光敏三極管內(nèi)部結構a)

內(nèi)部組成b)管芯結構c）結構簡化圖

1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡

5—發(fā)射極引腳6—N+襯底7—N型集電區(qū)8—SiO2保護圈9—集電結10—P型基區(qū)11—N型發(fā)射區(qū)12—發(fā)射結第36頁,共77頁，星期六，2024年，5月光敏三極管結構、等效電路、符號及應用電路分別如圖(a)、(b)、(c)、(d)所示。光敏三極管與一只普通三極管制作在同一個管殼內(nèi)，連接成復合管，如圖(e)所示，稱為達林頓型光敏三極管，其靈敏度更大（β=β1β2）。但是，達林頓光敏三極管的漏電（暗電流）較大，頻響較差，溫漂也較大。第37頁,共77頁，星期六，2024年，5月光敏三極管光控繼電器電路

當無光照時，V1截止，IΦ=0，則V2處于什么狀態(tài)？繼電器KA吸合還是釋放？如果將V1與Rb2位置上下對調，其結果如何？第38頁,共77頁，星期六，2024年，5月煙霧報警器

無煙霧時，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災發(fā)生時，煙霧進入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報警信號。煙霧報警第39頁,共77頁，星期六，2024年，5月光伏型探測器一種自發(fā)電式的有源器件，這種半導體器件受到光照射時就產(chǎn)生一定方向的電動勢，而不需要外部電源。這種因光照而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應。用可見光作光源的光電池是最常用的光生伏特型元件，如硅光電池。第40頁,共77頁，星期六，2024年，5月在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子-空穴對，光生電子-空穴對的的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，PN結兩側就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。光電池外形光敏面第41頁,共77頁，星期六，2024年，5月能提供較大電流的大面積光電池外形第42頁,共77頁，星期六，2024年，5月光電池的光電特性一個典型的硅光電池的光電特性1—開路電壓曲線2—短路電流曲線開路電壓為對數(shù)特性短路電流為線性特性第43頁,共77頁，星期六，2024年，5月光電池短路電流測量電路I/U轉換電路的輸出電壓Uo與光電流IΦ成正比。若光電池用于微光測量時，IΦ可能較小，則應增加一級放大電路，并在第二級使用電位器RP微調總的放大倍數(shù)。第44頁,共77頁，星期六，2024年，5月JMJ112V2A51KL39K470uf～例：自動干手器手放入干手器時，手遮住燈泡發(fā)出的光，光電池不受光照，晶體管基極正偏而導通，繼電器吸合。風機和電熱絲通電，熱風吹出烘手。手干抽出后，燈泡發(fā)出光直接照射到光電池上，產(chǎn)生光生電動勢，使三極管基射極反偏而截止，繼電器釋放，從而切斷風機和電熱絲的電源。第45頁,共77頁，星期六，2024年，5月光電式濁度計工作原理1—恒流源2—半導體激光器3—半反半透鏡4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池7、10—電流/電壓轉換器8—標準水樣參比通道

第46頁,共77頁，星期六，2024年，5月光纖傳感器第47頁,共77頁，星期六，2024年，5月光的反射、折射

當一束光線以一定的入射角θ1從介質1射到介質2的分界面上時，一部分能量反射回原介質；另一部分能量則透過分界面，在另一介質內(nèi)繼續(xù)傳播。第48頁,共77頁，星期六，2024年，5月當光從光密（折射率大）介質射向光疏（折射率?。┙橘|，且入射角大于臨界角時，光會產(chǎn)生全反射。

1、光纖結構由纖芯、包層、尼龍保護套組成，纖芯的折射率n1大于包層的折射率n2。第49頁,共77頁，星期六，2024年，5月2、傳光原理光的全反射是光纖傳輸光的基礎。光由纖芯到包層表面，由光的折射定律可知：第50頁,共77頁，星期六，2024年，5月3、光纖的主要參數(shù)和類型（1）數(shù)值孔徑無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θ張角之內(nèi)的光功率能被光纖接收，將θ的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑（NA）。

光全反射時數(shù)值孔徑反映光纖聚焦能力，一般希望有大的數(shù)值孔徑，以利于耦合效率的提高。但數(shù)值孔徑越大，光信號畸變就越嚴重，所以要適當選擇。第51頁,共77頁，星期六，2024年，5月（2）光纖模式光纖模式簡單地說就是光波沿光纖傳輸?shù)耐緩胶头绞?。多模光纖中，同一光信號采用很多模式傳輸，會使這一光信號分裂為不同時間到達接收端的多個信號，導致合成信號畸變。模式數(shù)量越少越好，盡可能在單模方式下工作，即單模光纖。階躍型光纖內(nèi)傳播的模式數(shù)量可簡單表示為：（3）傳播損耗由于纖芯材料的吸收、散射以及光纖彎曲處的輻射損耗等影響，光信號在光纖的傳播不可避免地會有損耗。

第52頁,共77頁，星期六，2024年，5月假設從纖芯左端輸入一個光脈沖，其峰值強度（光功率）為I0，傳播損耗后，光纖中任一點處的光強度為：（4）光纖類型按折射率變化分為階躍型和漸變型光纖；按傳輸模式分為單模和多模光纖。光纖傳感器就是將光纖自身作為敏感元件（也稱作測量臂），直接接收外界的被測量。被測量可引起光纖的長度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獗徽{制。若將光看成簡諧振動的電磁波，則光可以被調制的參數(shù)有四個，即振幅（強度）、相位、波長和偏振方向。第53頁,共77頁，星期六，2024年，5月光纖彎曲時，在纖芯中傳輸?shù)墓庥幸徊糠竹詈系桨鼘又?，原來光束以大于臨界角的角度在纖芯中傳播為全內(nèi)反射，但在彎曲處，光束以小于臨界角的角度入射到界面，部分光逸出，散射到包層。這種檢測原理可以實現(xiàn)對力、位移和壓強等物理量的測量。第54頁,共77頁，星期六，2024年，5月光纖式光電開關應用：電路板標志檢測標志孔

當光纖發(fā)出的光穿過標志孔時，若無反射，說明電路板方向放置正確。

光纖耦合器傳輸光纖出射光纖第55頁,共77頁，星期六，2024年，5月采用遮斷型光纖光電開關對IC芯片引腳進行檢測第56頁,共77頁，星期六，2024年，5月三、光電開關在自動化線及安全裝置中作光控制和光探測裝置，可實現(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計數(shù)、料位檢測、越限安全報警等。從原理上講，光電開關及光電斷續(xù)器沒有太大的差別，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，只是光電斷續(xù)器是整體結構，其檢測距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開關的檢測距離可達幾米至幾十米。光電開關分為遮斷型和反射型。遮斷型的發(fā)射器和接收器相對安放、軸線嚴格對準。當有物體在兩者中間通過時，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個負脈沖信號。遮斷型的檢測距離一般可達十幾米，對所有能遮斷光線的物體均可檢測。第57頁,共77頁，星期六，2024年，5月2024/6/2358

光電開關外形第58頁,共77頁，星期六，2024年，5月1、遮斷式光電開關原理ObjectReceiver

遮斷式光電開關由相互分離且相對安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當被檢測物體位于發(fā)射器和接受器之間時，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關信號。被檢測物體光發(fā)射器光接收器第59頁,共77頁，星期六，2024年，5月2、反射型光電開關分為兩種情況：反射鏡反射型及被測物漫反射型（散射型）。反射鏡反射型采用較為方便的單側安裝方式，但需要調整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果，反射鏡通常使用三角棱鏡，它對安裝角度的變化不太敏感；有的還采用偏光鏡，能將光源發(fā)出的光轉變成偏振光（波動方向嚴格一致的光）反射回去，提高抗干擾能力。三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身第60頁,共77頁，星期六，2024年，5月反射鏡反射型光電開關工作原理

反射鏡反射型集光發(fā)射器和光接受器于一體，與反射鏡相對安裝配合使用。反射鏡使用偏光三角棱鏡，能將發(fā)射器發(fā)出的光轉變成偏振光反射回去，光接收器表面覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來的偏振光。反射板反射鏡被測物體偏振光發(fā)射光第61頁,共77頁，星期六，2024年，5月被測物漫反射型光電開關原理漫反射光線反射光線被檢測物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線

漫反射型集光發(fā)射器和光接受器于一體。當被測物體經(jīng)過該光電開關時，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開關信號。額定距離第62頁,共77頁，星期六，2024年，5月漫反射型光電開關的應用第63頁,共77頁，星期六，2024年，5月門窗防盜控制自動扶梯自動啟停對射式光電開關汽車通過檢測汽車噴涂控制第64頁,共77頁，星期六，2024年，5月鑒別不同高度物體高度判別缺件剔除料位控制對射式光電開關第65頁,共77頁，星期六，2024年，5月斜度檢測擴散反射式光電開關裂縫檢測鏡面反射式光電開關透明玻璃瓶檢測長度控制第66頁,共77頁，星期六，2024年，5月限距式光電開關產(chǎn)品計數(shù)液位檢測氣流量監(jiān)測檢測有無蓋第67頁,共77頁，星期六，2024年，5月限距式光電開關料徑控制行程控制轉速監(jiān)測超速或滯速判別第68頁,共77頁，星期六，2024年，5月四、光固態(tài)圖像傳感器光固態(tài)圖像傳感器由光敏元件陣列和電荷轉移器件集合而成。它的核心是電荷轉移器件CTD(ChargeTransferDevice),最常用的是電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點，CCD圖象傳感器廣泛的被應用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面。