第7章固态传感器
固态图像传感器
当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子 产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流 子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集 在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的 光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。
CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输 出两种。 以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（FDA）、 浮置栅放大器（FGA）。浮置栅放大器（FGA）应用 最广。
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D的特性参数
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D的特性参数
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D的特性参数
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第13章
固态图像传感器
CCD固态图像传感器 线阵CCD型 面阵CCD型
P1 P2 P3 P1 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P2 P3 t=t1 P1
P1
P2 P2
P3 P3
P1
P2 P3 t=t2
P1 P2
P3 t=t3
（4）光信号的注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入 两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传 来的光信号，即采用光注入CCD。
电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。 也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明 控制电荷定转移的过程。见图
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极 P1,P2,P3,依次 在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。 CCD 电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图 (b) 采 用电注入方式。
第13章
固态图像传感器
CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数：描述的是CCD存储和转移信号电 荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据； 外部参数：描述的是与CCD应用有关的性能 指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移 损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、 分辨率等。
固态传感器的工作原理
固态传感器的工作原理
固态传感器是一种用于检测物理量并将其转换为电信号的设备。
它们在许多应用中被广泛使用，例如汽车行业中的压力传感器和温度传感器，医疗行业中的血糖传感器，以及工业自动化中的位移传感器等。
固态传感器相对于传统的机械传感器更加稳定和可靠，因为它们没有运动部件，所以寿命更长且更容易维护。
基本上可以分为两种类型：电容型和电阻型。
1. 电容型传感器
电容型传感器通过监测物体与传感器之间的电容变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，物体会改变传感器的电场分布，从而改变传感器的电容。
传感器将这种变化转换为电信号，进而可以测量物体与传感器之间的距离或其他物理量。
电容型传感器的一个常见应用是接近传感器。
当目标物体接近传感器时，电容会发生较大的变化，传感器可以检测到这种变化并输出信号。
这种原理也被用于触摸屏，当手指接近屏幕时会改变屏幕的电容，从而实现触摸的功能。
2. 电阻型传感器
电阻型传感器通过监测物体与传感器之间的电阻变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，电阻会发生变化，传感器可以测量并转换这种变化为电信号。
电阻型传感器的一个常见应用是压力传感器。
当压力施加在传感器上时，传感器的电阻会发生变化，从而可以测量压力的大小。
另一个常见应用是温度传感器，当温度变化时，传感器的电阻也会发生变化，从而可以测量温度。
总的来说，固态传感器的工作原理是通过测量物体与传感器之间的电容或电阻变
化来检测物理量。
这种原理使得固态传感器具有稳定性高、寿命长、精度高等优点，因此在各行各业都得到了广泛的应用。
固态图像传感器
❖ CCD（Charge-coupled Device）
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数 字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素。 CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将 影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个 小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
实例分析
以数码相机为例分解CCD，基本结构为三层 ：
❖ 第一层是“微型镜头” ❖ 第二层是“分色滤色片”
CCD Camera
Filters
Lens
❖ 第三层“感光层”
UV/UwVh/iwtehiteepeipi illumilliunmatiino像的关键是在于其感光层，为了 扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受 光面积。但是提高采光率的办法也容易使画 质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光 层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因 为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜 片的表面积来决定。
•多数CCD可堆积 85K个电荷
•高品质的CCD可堆 积350K个电荷
•影响灵敏度的一个 因数
•衡量动力学范围的 一个因素
CCD动力学范围
-描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰 度级别的一个术语
-用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像 头随机噪音的比率
CCD像素合并
像素合并（Binning） -将相临的像素所堆积的电荷
• 背照式CCD比前照式CCD 有更好的量子效率
• 多数衡量QE高低是在 425nm波长
工学固态传感器
N型半导体 P型半导体
v I / neb d
U H IB / ned
U H IB / ped
n—N型半导体 中的电子浓度
p—P型半导体
中的空穴浓度
霍尔电势UH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于
是可改写成：
UH
RH
IB d
RH
1 en
（N型）
RH —霍尔系数，由载流材料物理性质决定。ρ—材料电阻率 μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均
的增加不完全呈线性关系，而有非线性偏离。如下图所示：
六、误差分析及其补偿方法
1．元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响 在霍尔电势的表达式中，是将霍尔片的长度L看作无穷大来
考虑的。实际上，霍尔片只有一定的长宽比L／b，存在着霍尔 电场被控制电流极短路的影响，因此应在霍尔电势的表达式中， 增加一项与元件几何尺寸有关 的系数。这样(8－10)式可写成如下 形式:
速度。
Байду номын сангаас
设 KH=-RH / d
UH
RH
IB d
KH IB
RH —霍尔系数， KH称为霍尔器件的灵敏度。它与载 流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感 应强度和单位控制电流作用下，霍尔电势的大小。
▲对于金属而言，RH
1 en
(n为电子密度，e为电子电量），
由于金属电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度
五、电磁特性
1、UH—I特性 当磁场恒定时，在一定温度下测定控制电流I与霍尔电势 UH，可得到良好的线性关系，如下图所示： 其直线的斜率称为控制电流灵敏 度，以符号KI表示：
据霍尔元件的计算公式，可得：
可见，灵敏度KH大的元件，其控 制电流灵敏度一般也很大。
《固态传感器》课件
固态传感器的类型
电导型固态传感器
总结词
利用电导特性变化实现检测的固态传感器
详细描述
电导型固态传感器通过测量材料的电导率变化来感知外界物理量（如压力、温 度、磁场等）的变化。这类传感器通常由半导体材料制成，利用其电导率随外 界条件变化的特性来实现传感。
压阻型固态传感器
总结词
利用压阻效应实现检测的固态传感器
THANKS
液位检测
总结标词题
介•绍固文态字传内感容器在液 • 文字内容
位•检测文领字域内的容应用， 包•括原文理字、内优容势和实
例。
原理
固态传感器利用超声 波、电导率、压力等 物理量与液位的关系 ，实现液位的精确测
量。
优势
固态传感器具有高精 度、稳定性好、寿命 长等优点，适用于各 种液体介质的液位检 测，尤其在高温、高 压、腐蚀等恶劣环境
优势
03
固态传感器具有高灵敏度、快速响应、低成本、 易于集成等优点，广泛应用于环境监测、工业
控制、安全防护等领域。
原理
02
固态传感器利用敏感元件感应气体分子的物理 或化学变化，从而检测气体的浓度、成分和状
态等信息。
实例
04
介绍几种常见的气体检测固态传感器，如氧气 传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器等，以 及它们在具体应用场景中的应用效果和优势。
磁敏型固态传感器
总结词
利用磁敏效应实现检测的固态传感器
详细描述
磁敏型固态传感器利用材料的磁敏效应进行磁场检测。这类传感器具有高灵敏度、低噪声、低功耗等 优点，广泛应用于磁力计、电流检测等领域。
光敏型固态传感器
总结词
利用光敏效应实现检测的固态传感器
VS
固态图像传感器
固态图像传感器
图2-9 输出移位寄存器
固态图像传感器
D的基本特征参 数 (1)响应度（光电转换因子）：指输出的电信号与输 入的光信号能量之比； (2)光谱特性：指器件的响应度与入射光频率或波长 的关系。 (3)暗电流：CCD器件在没有光信号输入时，由MOS 电容中的少数热载流子形成的转移电流。暗电流是 判断CCD器件的重要标准。 (4)分辨率：表示分辨图像的能力，取决于光敏单元 的间距，常用光敏单元数表示。检测中CCD对被 测图像的分辨率取决于光敏单元的中心距、光学系 统放大倍数及CCD光敏单元数。
固态图像传感器
一个MOS光敏单元称为一个像素，通常的CCD器 件是在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立排列规 则的MOS光敏元，即光敏元阵列，然后在光线照射下 产生光生载流子的信号电荷，这一过程称为光电转换， 再使其具备转移信号电荷的自扫描功能，即构成CCD 固态图像传感器。
如图2-5(a)所示为MOS光敏单元示意图，如2-5(b)所 示为CCD的单元阵列示意图。
组成：
物镜 固体图像传感器 固体图像敏感器件 驱动电路 信息处理电路
固态图像传感器
工作原理如图1-1所示。 成像 物镜 敏感器件 扫描、移动 驱动电路
放大和处理
脉 冲 信 号
信息处理电路
需要的信号
图1-1 固体图像传感器工作原理图
固态图像传感器
二.固态图像传感器的分类及其原理
分类：
从使用观点，可将固态图像分为线型和面型固 、 态两类。线型固态图像传感器主要用于测试、传真 和光学文字识别技术等方面，面型固态图像传感器 的发展方向主要用作磁带录像的小型照相机。根据 所用的敏感器件不同，又可分为 CCD传感器 、CID 传感器、SSPD传感器、CCPD传感器等。其中， CCD是应用最广泛的一种。
传感器原理和应用习题和答案
传感器原理和应⽤习题和答案《第⼀章传感器的⼀般特性》1试绘制转速和输出电压的关系曲线，并确定：1）该测速发电机的灵敏度。
2）该测速发电机的线性度。
2．已知⼀热电偶的时间常数τ=10s，若⽤它来测量⼀台炉⼦的温度，炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度k=1，试求该热电偶输出的最⼤值和最⼩值，以及输⼊与输出信号之间的相位差和滞后时间。
3．⽤⼀只时间常数为0.355s 的⼀阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值误差为多少？4．若⽤⼀阶传感器作100Hz正弦信号的测试，如幅值误差要求限制在5%以内，则时间常数应取多少？若在该时间常数下，同⼀传感器作50Hz正弦信号的测试，这时的幅值误差和相⾓有多⼤？5．已知某⼆阶系统传感器的固有频率f0=10kHz，阻尼⽐ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差⼩于3%，试确定该传感器的⼯作频率范围。
6．某压⼒传感器属于⼆阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼⽐为临界值的50%,当500Hz的简谐压⼒输⼊后，试求其幅值误差和相位滞后。
《第⼆章应变式传感器》1．假设某电阻应变计在输⼊应变为5000µε时电阻变化为1%，试确定该应变计的灵敏系数。
⼜若在使⽤该应变计的过程中，采⽤的灵敏系数为 1.9，试确定由此⽽产⽣的测量误差的正负和⼤⼩。
2．如下图所⽰的系统中：①当F＝0和热源移开时，R l＝R2＝R3＝R4，及U0＝0；②各应变⽚的灵敏系数皆为+2.0，且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加⽽减⼩；④应变⽚的热膨胀系数⽐梁的⼤；⑤假定应变⽚的温度和紧接在它下⾯的梁的温度⼀样。
在时间t＝0时，在梁的⾃由端加上⼀向上的⼒，然后维持不变，在振荡消失之后，在⼀稍后的时间t1打开辐射源，然后就⼀直开着，试简要绘出U0和t的关系曲线的⼀般形状，并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由。
3．⼀材料为钢的实⼼圆柱形试件，直径d＝10 mm，材料的弹性模量E＝2 ×1011N／m2，泊松⽐µ＝0.285，试件上贴有⼀⽚⾦属电阻应变⽚，其主轴线与试件加⼯⽅向垂直，如图1所⽰，若已知应变⽚的轴向灵敏度k x ＝2，横向灵敏度C=4%，当试件受到压缩⼒F＝3×104N作⽤时。
CCD固态图像传感器传感器课件
CCD固态图像传感器的性能直接影响到成像的质量。其分辨率、灵敏度、动态范围等参数决定了图像的清晰度、色彩 准确性和细节表现。
在自动化和机器人领域的应用
随着自动化和机器人技术的快速发展，CCD固态图像传感器在定位、识别、导航等方面发挥着越来越重 要的作用，推动了相关行业的进步。
技术发展与市场需求的相互促进
市场发展
技术创新推动CCD固态图像传感器市 场不断扩大，应用领域从传统的摄影 和摄像领域拓展到医疗、安全监控、 无人驾驶等新兴领域。
新型应用领域的拓展
医疗领域
随着医疗设备的高端化和智能化，CCD固态图像传感器在 医疗领域的应用越来越广泛，如内窥镜、显微镜和医学影 像诊断等。
安全监控领域
CCD固态图像传感器的高分辨率、低噪声和快速响应等特 点使其成为安全监控领域的理想选择，广泛应用于视频监 控、人脸识别和交通监控等领域。
光子能量与电子-空穴对数量关系
光子能量越高，产生的电子-空穴对数量越多，从而在像素中形成更多的电荷。
光电转换效率
不同波长的光线具有不同的光电转换效率，因此CCD传感器对不同颜色的敏感度不同。
信号电荷的产生与转移
01
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03
信号电荷的产生
在光电转换过程中，电子空穴对被半导体材料捕获 并形成信号电荷。
低噪声性能
总结词
CCD固态图像传感器具有低噪声性能，能够降低图像中的随机噪声和干扰，提高 图像的信噪比和稳定性。
详细描述
CCD固态图像传感器采用电荷耦合技术，能够有效地将信号电荷传输到放大器中 ，避免了传统传感器中的热噪声和散粒噪声等问题。此外，其低噪声性能还能够 在高帧频下实现连续稳定的图像采集。
未来挑战
原始说明书：固态水平传感器安装指南
Installation InstructionsOriginal InstructionsSolid-state Level Sensors Installation InstructionsCatalog Numbers 840E-TB1B1A1-D4, 840E-TB1B2A1-D4, 840E-TB1B3A1-D4, 840E-TB2B1A1-E4, 840E-TB2B2A1-E4IntroductionInstallation ConsiderationsHandlingHold by the housing, not by the sensor fork.Do not bend, shorten, or lengthen.ATTENTION:Read this document for information on installation, handling, mounting, general product specifications, and operation of this product.ATTENTION: The Bulletin 840E is a level sensor for all kinds of liquid and is used in tanks, containers, and pipelines. The device has been safely built with state-of-the-art technology and meets the applicable requirements and EC directives. It can, however, be a source of danger if used incorrectly or for anything otherthan the designated use.ATTENTION: Qualified individuals are required for Installation and commissioning. Failure to comply will result in personal injury or equipment damage.2Solid-state Level Sensors Installation InstructionsMountingViscosityBuild-upInstallationVesselThe marking indicates the position of the tuning fork. If installed horizontally in the vessels, the marking is face up.Orientation in a VesselPosition of the Fork in a Horizontal VesselPipesOrientation in a PipeATTENTION: Make sure that the installation socket does not exceed a certain length so that the tuning fork can project freely into the vessel.Solid-state Level Sensors Installation InstructionsPay attention to the position of the fork to minimize the turbulence in the pipe.Distance from WallRecommended distance from wall ≥10 mm (0.39 in.) Dimensions [mm (in.)]1/2 in. NPT and 3/4 in. NPT Process Connection 1/2 in. NPT Valve Connector G 1/2 in. Process ConnectionRockwell Automation Publication 840E-IN001B-EN-P - April 20163Solid-state Level Sensors Installation InstructionsMating CablesDC-PNP → 889D-F4AC-2 (M12x1 connector); 889D-R4AC-2 (M12x1) right angle connector. AC version → 889V-RZ3ABE-2 – 2 m (6.56 ft) DIN valve cable.Sensor OperationA ≥ 12 connectorB ≥ Valve plugWiring DiagramsDC — PNP version with M12 Connector AC Version with Valve Connector 1/2 in. NPTItem Function Description1Green LED(gn) lit Device is operational2Yellow LED(ye) lit M12 connector: indicates the sensor state: Tuning fork is covered by liquidValve plug: indicates the switching state•Maximum operating mode (overfill prevention) sensor is not covered by liquid•Minimum operating mode (dry running protection) the sensor is covered by liquid3Red LED (rd)flashing lit Warning/maintenance required: error can be rectified, for example, incorrect wiringFault/device failure: error cannot be rectified, for example, electronic error4Rockwell Automation Publication 840E-IN001B-EN-P - April 2016Solid-state Level Sensors Installation InstructionsSpecificationsAttribute840E-TB1x840E-TB2xPower SupplySupply Voltage 10…30 V DC, 3-wire2…253V AC, 2-wirePower Consumption< 975 mW< 850 mWCurrent Consumption< 15 mA< 3.8 mAPerformance CharacteristicsSwitching Delay 0.5 s when covering; 1.0 s when freeResolution< 0.5 mm (0.02 in.)Maximum Error13.0 ± 1 mm (0.51 in. ± 0.04 in.)Repeatability±1 mm (0.04 in.)Hysteresis 3.0 ± 0.5 m (0.12 in. ± 0.02 in.)Setting Time< 2 sReference Operation ConditionsAmbient Temperature [C (F)]25° (77°)Process Pressure 1 Bar (14.5 psi)Fluid Water (density: approx. 1 g/cm3, viscosity 1 mm2/s)Medium Temperature [C (F)]25° (77°)Density Setting> 0.7 g/cm³Switching Time Delay Standard (0.5 s, 1 s)Operating ConditionsAmbient Temperature Range [C (F)]-40…+70° (-40…+158°)Storage Temperature [C (F)]-40…+85° (-40…+185°)Process Temperature Range [C (F)]-40…+100° (-40…+212°); -40…+150° (-40…+302°)Process Pressure Range Maximum -1…+40 bar (-14.5…+580 psi)Degree of Protection NEMA 4X (IP66/67) DC -M12 connector IP65 AC-Valve connectorShock Resistance EN 60068-2-27:2007Vibration Resistance EN 60068-2-64:2008Density> 0.7 g/cm3 (optionally available: > 0.5 g/cm3)Viscosity1…10,000 mPa s, dynamic viscosityMedia LiquidGas Content Stagnant mineral waterSolids Content< 5 mm (0.20 in.) diameterMaterialsWetted PartsTuning Fork Stainless steel 316LProcess Adapter Stainless steel 316LSeal for Weld-in Adapter VMQ (vinyl-methyl-silicone)Flat Seal FA (composite material based on aramid fibers combined with NBR)Non-wetted PartsHousing Cover with M12 Connector (IP65/IP67)PPSU (polyphenylsulfone)Design Ring PBT/PC (polybutylene terephthalate/polycarbonate)Housing316LCable Gland PVDF (polyvinylidene fluoride)Name Plate Plastic foil (attached to housing)Rockwell Automation Publication 840E-IN001B-EN-P - April 20165Allen-Bradley, Rockwell Automation, and Rockwell Software are trademarks of Rockwell Automation, Inc.Trademarks not belonging to Rockwell Automation are property of their respective companies.Roc kw ell Otomasyon Ticaret A .Ş., K ar Plaza İş Mer k ezi E B lo k K at:6 34752 İçeren köy, İstanbul, T el: +90 (216) 5698400Rockwell Automation maintains current product environmental information on its website at/rockwellautomation/about-us/sustainability-ethics/product-environmental-compliance.page .71293239Publication 840E-IN001B-EN-P - April 2016DIR 10001942457 Ver 02Supersedes Publication 840E-IN001A-EN-P - November 2015Copyright © 2016 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. Printed in the U.S.A.Rockwell Automation SupportUse the following resources to access support information.Documentation FeedbackY our comments will help us serve your documentation needs better. If you have any suggestions on how to improve this document, complete the How Are W e Doing? form at /idc/groups/literature/documents/du/ra-du002_-en-e.pdf .Technical Support CenterKnowledgebase Articles, How-to Videos, FAQs, Chat, User Forums, and Product Notification Updates.https:///Local Technical Support Phone Numbers Locate the phone number for your country./global/support/get-support-now.page Direct Dial Codes Find the Direct Dial Code for your product. Use the code to route your call directly to a technical support engineer./global/support/direct-dial.page Literature LibraryInstallation Instructions, Manuals, Brochures, and Technical Data./global/literature-library/overview.page Product Compatibility and Download Center (PCDC)Get help determining how products interact, check features and capabilities, and find associated firmware./global/support/pcdc.page。
固态压阻压力传感器应用指南 传感器是如何工作的
固态压阻压力传感器应用指南传感器是如何工作的半导体单晶硅材料在受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率猛烈的变化，由其材料制成的电阻也就显现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。
人类是在本世纪五十时代才开始发觉和讨论这一效应的应用价值的。
利用压阻效应原理，接受三维集成电路工艺技术及一些专用特别工艺，在单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻构成的惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特别的机械加工，集应力敏感与力电转换检测于一体的这种力学量传感器，称为固态压阻传感器。
以气、液体压强为检测对象的则称为固态压阻压力传感器，它诞生于六十时代末期。
明显，它较之传统的膜合电位计式，力平衡式，变电感式，变电容式，金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，目前仍是压力测量领域较新一代传感器。
由于各自的特点及局限性，它虽然不能全面取代上述各种力学量传感器，但是，从八十时代中期以后，在美，日，欧传感器市场上，它已是压力传感器中执牛耳的品种，并与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。
目前，在以大规模集成电路技术和计算机软件技术介入为特色的智能传感器技术中，由于它能做成单片式多功能复合敏感元件来构成智能传感器的基础，因此，它仍旧较受瞩目。
温度传感器几种常见的故障解决目前温度传感器越来越多的在不同领域有所使用，在使用过程中不可避开的会显现这样或那样的问题。
一般来说，温度传感器显现故障的情况很少见，只要出厂的时候进行认真的检测，这些情况都是可以避开的，所以温度传感器在出厂的时候一地要进行检验，客户也可找传感器厂家索要出厂检测报告进行参考。
温度传感器技术已经特别成熟了，在各工厂中非常常见，温度传感器常常和一些仪表配套使用，在配套使用过程中常常有一些小的故障。
故在此列举几种常见的故障及碰到故障之后的解决方法：、被测介质温度上升或者降低时变送器输出没有变化，这种情况大多是温度传感器密封的问题，可能是由于温度传感器没有密封好或者是在焊接的时候不当心将传感器焊了个小洞，这种情况一般需要更换传感器外壳才能解决。
第七章 固态传感器
（二）霍尔系数与灵敏度
1. 霍尔系数：
再由
1 ne
RH
1 ne
可得：
RH
由于电子的迁移率大于空穴，所以，霍尔元件多采用N型半 导体材料。
2. 灵敏度：
K
U
H
RH• •
金属不宜做霍尔元件；电子密度高，K 和 R H 小。 材料电阻率 高、迁移率 大，则霍尔效应强。 d 减小，灵敏度高；但不能过小，否则使元件输出电阻 增加。
第七章 固态传感器
固态传感器是物性式传感器的典型代表。它是利 用某些固体材料的机械特性、电特性、磁特性等 物性变化来实现信息的直接变换.
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磁敏传感器 光敏传感器 气体传感器 湿度传感器 电荷耦合器件
第一节
磁敏传感器
磁敏传感器是基于磁电转换的传感器，主要原理 有霍尔效应和磁阻效应。 一、霍尔式传感器 （一）霍尔效应 • 将一载流导体置于磁场中，磁场方向与电流方 向正交，则在与两者垂直的方向上产生横向电 势——霍尔电势，这一现象称为霍尔效应。
（三）材料及测量电路 • 常用测量有：N型的锗（Ge）、锑化铟（InSb）、 砷化铟（InAs）。 • 符号及测量电路：
霍尔元件
退出
不等位电势的补偿电路
退出
采用分流电阻法的温度补偿电路
退出
桥路补偿法的温度补偿电路
退出
霍尔式位移传感器原理示意图
退出
霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形
退出
对于N型半导体材料，载流子为电子。在如图的磁场下， 受到洛仑兹力作用（方向如图），有：
fL evB
同时，电场作用于电子的电场力为：
f E eE H e U
温度传感器概述、应用及原理(热敏电阻器、电阻温度探测器、热电偶、固态热传感器)
温度传感器概述、应用及原理（热敏电阻器、电阻温度探测器、热电偶、固态热传感器）热敏电阻器用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。
许多热敏电阻具有负温度系数(NTC)，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。
在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。
表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。
这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的，但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。
其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25)，该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。
以表1中的热敏电阻系列为例，25℃时阻值为10KΩ的电阻，在0℃时电阻为28.1KΩ，60℃时电阻为4.086KΩ;与此类似，25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为14.050KΩ。
图1是热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻/温度曲线是非线性的。
虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量，但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。
如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下：这里T指开氏绝对温度，A、B、C、D是常数，根据热敏电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。
热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致性。
根据使用的材料不同，误差值通常在1%至10%之间。
有些热敏电阻设计成应用时可以互换，用于不能进行现场调节的场合。
例如一台仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准，这种热敏电阻比普通的精度要高很多，也要贵得多。
图2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。
电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与ADC的参考电压一致，因此如果ADC的参考电压是5V，Vref也将是5V。
热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。
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恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小； 恒压驱动电路简单，但性能较差。随着磁感应强度增加， 线性变化坏，仅用于精度要求不太高的场合。
4 ． 霍尔元件的误差分析及补偿
霍尔元件的零位误差包括不等位电势、寄生直流电势、和
感应零电势，其中不等位电势U0是最主要的零位误差。 〔1〕不等位电势及其补偿 要降低 U0除了在工艺上采取措施以外，还需采用补偿电路 加以补偿。 对霍尔元件的不等位电势的几种补偿电路如图所示，
线圈中感应出电动势。这种类型的传感器在结构上有开磁路和
闭磁路两种，一般都用来测量旋转物体的角速度，产生感应电
势的频率作为输出，感应电动势的频率等于磁通变化的频率。
①闭磁路变磁通式传感器 ②开磁路变磁通式传感器
(2) 恒定磁通式磁电传感器
在右图中，线圈和壳体固定，永久磁 铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一 起振动时，由于弹性元件较软而运动 部件质量相对较大，因而有较大惯性， 来不及跟随振动体一起振动，
元件的输入或输出电阻与磁场之间的关系等特性。
①UH-I特性在磁场和环境温度一定时， 霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线 性关系，如图所示，直线的斜率称为控
制电流灵敏度，用K1表示。
② UH-Ｂ特性当 控制电流一定时，
霍尔元件的开路
输出随磁感应强
度的增加并不是
完全成线性关系，
只有当磁感应强
度Ｂ小于
0.5wb/m2 ,线性
〔 2〕 主要技术参数
①灵敏度KH ：指元件在单位磁感应强度和单位控制电流下 所得到的开路霍尔电压。
②输入电阻RI：指元件的 ③输出电阻RT：指两个霍尔电 两控制极之间的等效电阻。 极之间的等效电阻。
R
U I
II
I
t 2 05 c B0
R
U H
T
I
t 2 05c B0
Hபைடு நூலகம்
④不等位电势U0 ：在额定控制电流作用下，无外加磁场时，
度才比较好
③R-B特性是指霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场之
间的关系，霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增大，
这种现象称磁阻效应。霍尔元件的磁阻效应使霍尔输出降
低，尤其在强磁场时，输出降低较多，应想办法予以补偿。
3 ．霍尔元件的驱动电路
霍尔元件的基本驱 动电路如图所示。
对霍尔元件可采用恒流驱 动或恒压驱动，
利用霍尔效应原理工作的半导体器件称霍尔元件。材料的
电阻率和电子迁移率 越大，霍尔系数 RH越大，输出的 UH越大，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的霍尔系数RH尽 可能的大。元件的厚度d越小，KH越大, UH也越大，所以 霍尔元件的厚度d要小，但d太小会使元件的输入、输出电
阻增加。
霍尔元件常用的半导体材料有N型 硅（Si）、N型锗（Ge）、锑化铟 （InSb）、砷化铟（InAs）、砷 化镓（GaAs）等。霍尔元件在电 路中可用两种符号表示，如右图
霍尔片之间的非完全欧姆接触而产生的整流效应引起的。
⑦感应零电势：无控制电流，霍尔元件在交流或脉动磁场
中会有电势输出，这个输出就是感应零电势，产生感应零
电势的原因是由于霍尔电极引线布置不合理而造成的。 〔3〕电磁特性
霍尔元件的电磁特性包括控制电流（直流式交流）与输出
之间的关系，霍尔输出与磁场（恒定或交变）之间的关系，
第8章 固态传感器(第8章、磁电式传感器）
§ 1工作原理 当导体在磁场中运动切割磁力线时闭合导体回路中的磁通 量 f发生变化，导体中就会出现感应电流，导体中之所以 出现感应电流是由于出现了感应电动势 e,闭合导体回路中 感应电动势 e的大小与回路所包围的磁通量的变化率成正 比，那么当N匝线圈在变化磁场中感应电动势
e N df 当线圈垂直于磁场方向以速度v运 eNB
dt 动切割磁力线时，感应电动势
若线圈以角速度w转动，eNB wS S均—截每面匝积线圈的平
只要磁场量发生变化，就有感应电动势产生，其实现的方 法很多。主要有： （1） 线圈与磁场发生相对运动；（2）磁路中磁阻变 化；（3）恒定磁场中线圈面积变化。
调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵
敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、
扭矩的测量。
§ 2 类型
〔1〕变磁通式磁电传感器
这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成
一个齿轮（或凸轮）与被测物体相连而连动，在运动中齿轮
（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的磁通，在
振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间 产生相对运动，线圈切割磁力线，从而产生感应电动势
eNBlv
当传感器结构选定后，式6-4中B、l、N、都是常数，线圈
的感应电动势仅与相对运动速度v有关，传感器的灵敏度
S e NBl
v
为了得到较高的灵敏度，应采用磁能积较大的永久磁铁 和尽量小的空气隙长度以提高磁感应强度，同时应使单 线圈长度增加并提高有效匝数 ，但这些参数要受到传感 器体积和重量等因素的制约。
§ 3 应用
〔1〕磁电式转速传感器
〔2〕磁电感应式扭矩仪
f zn 60
扭转角j与感应电势 相位差j0的关系为
j zj 0
§ 4 霍尔传感器
1. 工作原理
若在如图所示的金属或半导体 薄片两端通以控制电流I ，
在与薄片方向上施加磁感应强度为B 的磁场，那么在垂直
于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生电动势UH ， UH 的大小正比于控制电流I和磁感应强度 B,这一现象称为霍
当传感器结构参数确定后，B、l、w、N、S 为定值，感应 电动势 e与线圈相对磁场的运动速度v或w成正比。所以，
可用磁电式传感器测量线速度和角速度，对测得的速度进 行积分或微分就可求出位移和加速度。
磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号
输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，
尔效应，利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。
霍尔电势
U RHIBK IB霍尔系数
H
d
H
R H
半导体材料（尤其是N型半导体）电阻率较大，载流子迁
移率很高，因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔
传感器,霍尔传感器可用来探测磁场和电流，由此可测量 压力、振动等。
2.结构及其特性分析
〔1〕材料与结构
由于材料电阻率的不均匀，两个电极不在同一等位面上，
霍尔元件的厚度不均匀等原因，在两霍尔电极之间的空载
电势。要完全消除霍尔元件的不等位电势很困难，一般要 求U0≤ 1mV ⑤不等位电阻：不等位电势与额定控制电流之比。
⑥寄生直流电势U0D ：无外加磁场时，交流控制电流通过 霍尔元件而在两霍尔电极间产生的直流电势。是由电极与