传感器第二章
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第二章传感器测量电路
第二章 传感器测量电路
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2.1传感器测量电路的作用
2.1.1 测量电路的基本概念及要求
在传感技术中，通常把对传感器的输出信号进行加工的 电子电路称为传感器测量电路。传感器的输出信号一般具有 如下特点 : 1 ．传感器输出信号的形式有模拟信号型、数字信号型和开 关信号型等。 2 ．传感器输出信号的类型有电压、电流、电阻、电容、电 感、频率等，通常是动态的。 3 ．传感器的动态范围大 4 ．输出的电信号一般都比较弱，如电压信号通常为 µv-mv Company Logo 级，电流信号为 uA-mA 级。
2.2.3 数字式测量电路
根据不同的数学式传感器的信号特点，选择合适的测量 电路。光栅、磁栅、感应同步器等数字式传感器，输出的是 增量码信号，其测量电路的典型组成框图如图 2-4 所示。
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2.3噪声与抗干扰技术
在传感器电路的信号输入输出转换过程中，所出现的与 被测量无关的随机信号被称为噪声。由噪声所造成的不良效 应被称为干扰。 为了减小测量误差使用时需注意下面几个问题 : 1 ．使用传感器时，灵敏度这项指标不宜选得太高，尤其是 使用环境比恶劣、比较复杂时要根据测量项目精度要求选择 合适的传感器的灵敏度等级。 2 ．降低外界因素对传感器实际作用的功率。
3. 传感器的非线性校正
4. 补环境温度对传感器的影响，
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5.A/D 变换
常用的单元电路有 : 电桥电路、谐振电路、脉冲调宽电路、调频电路、取样保 持电路、模 / 数 (A/D) 和数 / 模 (D/A) 转换电路、调 制解调电路。传感器测量电路前、后两端的配置一般如图 2-1 所示。
5 ．光电藕合使用光电藕合器是切断地环路电流干扰的十分有 效的方法，其原理如图 2-9 所示。由于两个电路之间采用了 光电搞合，两个电路的地电位即使不同也不会造成干扰。
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2.1传感器测量电路的作用
2.1.1 测量电路的基本概念及要求
在传感技术中，通常把对传感器的输出信号进行加工的 电子电路称为传感器测量电路。传感器的输出信号一般具有 如下特点 : 1 ．传感器输出信号的形式有模拟信号型、数字信号型和开 关信号型等。 2 ．传感器输出信号的类型有电压、电流、电阻、电容、电 感、频率等，通常是动态的。 3 ．传感器的动态范围大 4 ．输出的电信号一般都比较弱，如电压信号通常为 µv-mv Company Logo 级，电流信号为 uA-mA 级。
2.2.3 数字式测量电路
根据不同的数学式传感器的信号特点，选择合适的测量 电路。光栅、磁栅、感应同步器等数字式传感器，输出的是 增量码信号，其测量电路的典型组成框图如图 2-4 所示。
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2.3噪声与抗干扰技术
在传感器电路的信号输入输出转换过程中，所出现的与 被测量无关的随机信号被称为噪声。由噪声所造成的不良效 应被称为干扰。 为了减小测量误差使用时需注意下面几个问题 : 1 ．使用传感器时，灵敏度这项指标不宜选得太高，尤其是 使用环境比恶劣、比较复杂时要根据测量项目精度要求选择 合适的传感器的灵敏度等级。 2 ．降低外界因素对传感器实际作用的功率。
3. 传感器的非线性校正
4. 补环境温度对传感器的影响，
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5.A/D 变换
常用的单元电路有 : 电桥电路、谐振电路、脉冲调宽电路、调频电路、取样保 持电路、模 / 数 (A/D) 和数 / 模 (D/A) 转换电路、调 制解调电路。传感器测量电路前、后两端的配置一般如图 2-1 所示。
5 ．光电藕合使用光电藕合器是切断地环路电流干扰的十分有 效的方法，其原理如图 2-9 所示。由于两个电路之间采用了 光电搞合，两个电路的地电位即使不同也不会造成干扰。
第2章 电阻应变式传感器
（ 2 2 ）
传感器原理与应用——第二章
电阻相对变化量为：
dR dL d dA R L A
若电阻丝是圆形的， 则A=πr ² 微分 ,对r
（ 3 2 ）
l
2r
2(r-dr)
F
l+ dl
得dA=2πr dr，则：
dA 2rdr dr 2 2 A r r
图2-1 金属丝的应变效应
• 应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量 等参数应用最广泛的传感器。
传感器原理与应用——第二章
2.1 电阻应变片的基本原理 应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件 上的应力变化转换成电阻变化。 2.1.1 应变效应 当导体或半导体在受到外界力的作用而不能产生位移
时，则会产生机械变形（它的几何形状和尺寸将
指 示 应 变 卸载
Δε
εi
加载 机械应变εR 图2-6 应变片的机械滞后
传感器原理与应用——第二章
产生原因：应变片在承受机械应变后的残余变形，使
敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变
片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充
分等。
机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载 时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常 在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机 械滞后所产生的实验误差。
很宽的范围内均为线性关系。
传感器原理与应用——第二章
即:
R
R
K 或
K
R
R
（ 14 2 ）
K为金属应变片的灵敏系数。
测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的
灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形失真及横向效
传感器原理第二章 电阻应变传感器
第二章电阻应变传感器第一节电阻应变片一、金属电阻应变片二、半导体电阻应变片第二节电阻应变传感器测量电路一、单臂桥二、半桥三、全桥四、应变测量电桥性能的提高第三节电阻应变传感器的应用一、应变式力传感器二、应变式压力传感器三、应变式加速度传感器第二章电阻应变传感器电阻应变传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。
任何非电量只要能转化为应变量就可以利用电阻应变传感器测量，因而在非电量电测技术中应用十分广泛。
常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。
电阻应变式传感器应用历史悠久，目前仍然是一种主要的测试手段。
其主要特点是：①结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；②灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量；③环境适应性好，应用领域广泛。
第一节电阻应变片电阻应变传感器由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成。
弹性元件用来感受被测量的变化；电阻应变片粘贴在弹性元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化；然后通过测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量。
电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其敏感栅材料及制作方法可分类如表2－1所示。
弹性敏感元件在外力作用下，物体将产生尺寸和形状的变化，当去掉外力后，物体随即恢复其原来的尺寸和形状，此种变形称为弹性变形。
利用弹性变形进行测量和变换的元件即弹性敏感元件。
弹性敏感元件在传感器技术中有着重要的作用，是设计、分析、应用传感器的基础性工作。
弹性元件材料：铬钢、锰弹簧钢、合金结构钢、不锈钢等敏感元件材料：金属、非金属金属：铜-黄铜、康铜、钛青铜、铍青铜；铁-铁镍合金铂、铂合金镍铬合金非金属：石英、陶瓷、半导体硅等结构：常用的弹性元件结构有梁、柱、筒、膜片、膜盒、弹簧管和波纹管等。
图2－1 丝式电阻应变片基本结构1—基片；2—敏感栅；3—覆盖层；4—引线2．金属丝电阻应变片结构金属丝电阻应变片的基本结构如图2－1所示。
第二章 传感器的特性及标定
y a1 x a3 x 3 a5 x 5 具有这种特性的传感器，在靠近原点的相当大范
X
2．非线性特性的“线性化”
在实际使用非线性特性传感器时，如果非线性项次不 高，在输入量不大的条件下，可以用实际特性曲线的切线 或割线等直线来近似地代表实际特性曲线的一段，如图所 示，这种方法称为传感器的非线性特性的线性化。所采用 的直线称为拟合直线。
X
2.2.3频率响应函数
初始值均为零时，输出的傅立叶变换和输入的傅立叶变 换之比，是在频域中对系统传递信息特性的描述 傅立叶变换
Y j bm j bm1 j b1 j b0 H j n n1 X j an j an1 j a1 j a0
H j
K
2 1 ( ) 2 j( ) 0 0
K
H j
1 ( ) 4 ( )
这些函数有：传递函数、频率响应函数和脉冲 响应函数等。
X
2.2.2算子符号法与传递函数
1.算子符号法
dny d n1 y dy d mx d m1 x dx an n an1 n1 a1 a0 y bm m bm1 m1 b1 b0 x dt dt dt dt dt dt
1 d2 y
2 0 dt2
K1 2 d y y 2 F t KF t 0 d t 0
1 2 2 s s 1 ys KF s 2 0 0
H s s2
2 0
K 2 s
0
1
X
y a1 x ； （1）理想线性特性见图（a）。当 a0 a2 a3 a n 0 时， （2）输出----输入特性方程仅有奇次非线性项如图（c）所示，即
第2章 传感器的基本特性
( x1 x) ( x 2 x) ( x m x) x m -1
2 2
2
可以证明，σ和
x 之间存在关系
x n
【例】对某一重物进行了十次等精度测量，测值为 20.62 20.82 20.78 20.82 20.70 20.78 20.84 20.78 20.85 20.85 （单位：g） 求：（1）测量值的算术平均值 （2）测量值的标准差 （3）测量结果的表达 解:(1）算术平均值为：
(２) 标准差
① 测量列的标准偏差 算术平均值反映了随机误差的分布中心，为更好的表征随 机变量相对于中心位置的离散程度，可引入标准偏差。 标准偏差是指随机误差的方均根值。
若测量列为一组测量值x1,x2,…,xn,其标准差σ为
2 1
( x1 A0 ) 2 ( x2 A0 ) 2 ( xn A0 ) 2 n
x1 x2 x16 x 39.50 16
（2）求标准差：
（3）根据
( x1 x) ( x2 x) ( x16 x)
2 2
2
16 - 1
0.38
Vi | xi x | 3 1.14
结论：无粗差
2.2 传感器的静态特性
传感器的静态特性是指在输入量为静态或缓慢变化时的 输入输出关系
返 回 上一页 下一页
（3）实际值 用精度更高一级的标准器具所测得的值称为实际值， 实际应用中可代替真值。 （4）标称值 一般由制造厂家为元件、器件或设备在特定运行条件 下所规定的量值。 （5）示值
由测量器具读数装置直接读出来的被测量的数值。
返
回
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传感器原理及应用第2章
第2章 传 感 器 概 述 2.2.2 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应 特性。 由于传感器的惯性和滞后，当被测量随时间变化时，传 感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过程之中， 所以传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特 性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的 变化规律，即具有相同的时间函数。实际的传感器，输出信号
2） 一阶系统
若在方程式（2-8）中的系数除了a0、a1与b0之外，其它的 系数均为零，则微分方程为
dy(t ) a1 a0 y (t ) b0 x(t ) dt
上式通常改写成为
dy(t ) y (t ) kx(t ) dt
(2-10)
第2章 传 感 器 概 述 式中：τ——传感器的时间常数，τ=a1/a0； k——传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0。 时间常数τ具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小， 静态灵敏度则说明其静态特性。用方程式（2-10）描述其动态特 性的传感器就称为一阶系统，一阶系统又称为惯性系统。 如前面提到的不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻
入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代
表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的 直线称为拟合直线。
第2章 传 感 器 概 述 传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合 直线之间的最大偏差值ΔLmax 与满量程输出值YFS 之比。线性度
也称为非线性误差，用γL表示，即
第2章 传 感 器 概 述
第2章 传 感 器 概 述
2.1 传感器的组成和分类 2.2 传感器的基本特性
第2章 传 感 器 概 述
2.1 传感器的组成和分类
传感器原理及应用-第2章
电桥电路
力、加速度、荷重等
应变
电阻变化
电压、电流
图2-1 电阻应变式传感器典型结构与测量原理
电阻应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导 体的压阻效应制成的一种传感元件。
电阻应变片的分类： 金属应变片和半导体应变片。
一、电阻应变片
（一）工作原理——应变效应
导体或半导体材料在外力的作用下产生机械变形时， 其电阻值相应发生变化的现象称为应变效应。
第二章 应变式传感器
主要内容：
一、电阻应变式传感器 二、压阻式传感器
本章重点：
电阻应变式传感器的构成原理及特性 电桥测量电路的结构形式及特点 压阻式传感器的工作原理
基本要求：
掌握电阻应变式传感器的构成原理及特性， 掌握电桥测量电路的结构形式及和差特性，掌握 压阻式传感器的工作原理及设计特点。
in2x
图2-10 应变片对应变波的动态响应
应变片对正弦应变波的响应是在其栅长 l 范围内所
感受应变量的平均值 m，低于真实应变波 t ，从而
产生误差。
t 瞬时应变片中点的应变(真实应变波) 值为：
t
0
s
in2
xt
t 瞬时应变片的平均应变(实际响应波) 值为：
m
也可写成增量形式
RRKs
l l
Ks
式中，Ks——金属丝的应变灵敏系数。物理意义是单位应变 所引起的电阻相对变化量。
金属丝的灵敏系数取决于两部分：
①金属丝几何尺寸的变化， 0 .3 (1 2 ) 1 .6
②电阻率随应变而引起的变化
Hale Waihona Puke 金属丝几何尺寸 金属本身的特性C
如康铜，C≈1， Ks ≈2.0。其他金属， Ks一般在1.8~4.8范围内。
第二章 传感器的基本特性
47
二阶系统的动态响应（振动系统）
二阶系统传递函数
b0 kw Y ( s) H ( s) 2 2 X ( s) a2 s a1s a0 s 2 wm s wn
零漂＝
Y0 100% YFS
式中 ΔY0 ——最大零点偏差；
YFS ——满量程输出。
22
温度漂移
传感器在外界温度变化时输出量的变化
温漂＝
max 100% YFS T
式中 Δmax —— 输出最大偏差； ΔT —— 温度变化范围； YFS —— 满量程输出。
23
其它特性指标
分辨率—— 传感器能够检测到的最小输入增量；
14
迟滞
重合的现象称迟滞。
输入量增大
传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不
输入量减小
15
迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：
H H max / Y
FS
100%
H max Y2 Y1
例：一电子秤
增加砝码 电桥输出 减砝码输出
为正、反 行程输出值间的最大差值
10g —— 50g —— 100g —— 200g 0.5 mv --- 2mv --- 4mv --- 10mv 1 mv --- 5mv --- 8mv --- 10mv
16
重复性
传感器输入量按同一方向作多次测量时，输 出特性不一致的程度。
17
重复性误差用最大重复偏差表示：
Rmax rR 100% YFS
43
反变换后得出输出的振幅和频率变化特性
e 1 ( / ) y (t ) sin(t ) 2 2 2 2 (1/ ) (1/ )
传感器原理及应用(第三版)第2章
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金属丝的应变灵敏系数
K0由两部 分组成
①受力后材料几何尺寸变化（1+2μ）
②受力后材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε（与几何尺寸及 金属丝本身特性有关）
对于金属电阻丝（1+2μ ）>>（Δ ρ /ρ ）/ε ，金属丝应变片灵敏 系数k0主要由材料的几何尺寸变化决定，即对于用金属制成的应变片 来说，起主要作用的是应变效应（电阻的相对变化与伸长或缩短间 存在比例关系叫应变）。金属丝的μ =0.25～0.5(钢的μ =0.285)故 k0≈1+2μ ，k0≈1.5～2。 对于半导体则不同：当半导体材料受到应力作用后，其电阻率发生 明显的变化，称为压阻效应。因此（Δρ/ρ）/ε=πE >> （1+2μ ） 故可忽略（1+2μ ）的影响，即对于用半导体制成的压阻传感器来说， 起主要作用的是压阻效应。半导体的k0≈ πE ≈ 50～100，灵敏度是 金属材料的几十到上百倍。 弹性模 压阻系
AR RK
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返
回
不引入补偿块（如下图所示） – 起到温度补偿作用 – 可提高灵敏度
A：如图，R1、RB正交粘结 则： U AR' RK (1 )
0
R正反面（R1受拉，应变为正；RB受压，应变为负） 则： '
U0 2 AR RK
应变计
应变片的粘贴
1. 检查通断 13.固定 5 .用透明胶带将应变片与构件在引脚处 临时固定，移动胶带位置使应变片达到 3 .再用细砂纸精磨（ 45度交叉纹）。 粘贴、焊接后，用胶布将引线和 正确定位。 2 .在选定贴应 被测对象固定在一起，防止拉动 4 .用棉纱或 引线和应变片。 变片的位置划
金属丝的应变灵敏系数
K0由两部 分组成
①受力后材料几何尺寸变化（1+2μ）
②受力后材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε（与几何尺寸及 金属丝本身特性有关）
对于金属电阻丝（1+2μ ）>>（Δ ρ /ρ ）/ε ，金属丝应变片灵敏 系数k0主要由材料的几何尺寸变化决定，即对于用金属制成的应变片 来说，起主要作用的是应变效应（电阻的相对变化与伸长或缩短间 存在比例关系叫应变）。金属丝的μ =0.25～0.5(钢的μ =0.285)故 k0≈1+2μ ，k0≈1.5～2。 对于半导体则不同：当半导体材料受到应力作用后，其电阻率发生 明显的变化，称为压阻效应。因此（Δρ/ρ）/ε=πE >> （1+2μ ） 故可忽略（1+2μ ）的影响，即对于用半导体制成的压阻传感器来说， 起主要作用的是压阻效应。半导体的k0≈ πE ≈ 50～100，灵敏度是 金属材料的几十到上百倍。 弹性模 压阻系
AR RK
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回
不引入补偿块（如下图所示） – 起到温度补偿作用 – 可提高灵敏度
A：如图，R1、RB正交粘结 则： U AR' RK (1 )
0
R正反面（R1受拉，应变为正；RB受压，应变为负） 则： '
U0 2 AR RK
应变计
应变片的粘贴
1. 检查通断 13.固定 5 .用透明胶带将应变片与构件在引脚处 临时固定，移动胶带位置使应变片达到 3 .再用细砂纸精磨（ 45度交叉纹）。 粘贴、焊接后，用胶布将引线和 正确定位。 2 .在选定贴应 被测对象固定在一起，防止拉动 4 .用棉纱或 引线和应变片。 变片的位置划
第02章 电阻式传感器
金属箔式应变片：利用光刻、腐蚀等工艺制成的一
种很：薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.003～0.01mm。
其优点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制 成各种所需的形状, 便于批量生产。
金属箔式应变片的结构形式
几种金属箔式应变片--可以根据测试物体的需要来选择各种形状的应变片
金属薄膜应变片： 采用薄膜技术（真空蒸发）， 优点是灵敏系数大； 可在大温差下工作（-197--317℃） （二）应变片的粘贴技术---简单了解 粘贴剂； 粘贴工艺；
dr dl
r
l
dS 2 dr Sr
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l
dR 令 R K 由上式，得到
d K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1下列材料制成： （1）康铜（铜镍合金）：最常用； （2）镍鉻合金：多用于动态； （3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片； （4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片； （5）铂及铂合金：高温动态应变测量。
（二）应变片的测量原理
用应变片测量应变或应力时,把应变片粘帖在被测对象表面上, 在外力作用下, 被测对象产生机械变形时, 应变片敏感栅也随着 变形, 应变片的电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值 变化量ΔR时, 便可得到被测对象的应变值ε(ΔR/R=k ε),再根据 应力σ与应变的关系（材料力学）, 得到应力值σ
σ=E·ε
式中 : σ——试件的应力; ε——试件的应变;
E——试件材料的弹性模量（材料固定，是已知量）。
由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻 值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片 测量试件应力σ的基本原理。
传感器与检测技术第2章-1_应变式传感器
E 4
R1 R
R2 R
R3 R
R4 R
EK 4
1
2
3
4
当仅桥臂AB单臂工作时，理想输出电压为
Ug E R E K
4R 4
44
电桥分类
B R1=R
A
Ug
R2=R C
R3=R’ R4=R’
E
D
第一对称电桥
2、第一对称电桥
若电桥桥臂两两相等，即R1 =R2=R ， R3=R4=R′ ， 则 称
16
2.1数 （二）横向效应 （三）动态特性
17
应变片的电阻值 R
• 应变片在未经安装也不受外力情况下， 于室温下测得的电阻值
• 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 Ω
电阻值大
可以加大应变片承受电压， 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大
18
25
设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，
粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系
数为αt ，则应变片产生的电阻相对变化为
R R
1
t t
26
由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当
Δt 存在时，引起应变片的附加应变，其值为
2t g s t
βg—试件材料线膨胀系数；βs—敏感栅材料线膨胀系数。
金属箔式应变片
13
金属薄膜应变片
• 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上 形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅， 再加上保护层，易实现工业化批量生产
• 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范 围广，易实现工业化生产
• 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
15
传感器原理及应用第2章光敏传感器知识分享
感 者封于同一壳内，连上电极，就成为光电二极管。按光电发射二极管的原理可 器 以分为真空光电二极管和充气光电二极管两类。
真空光电二极管：
原 理 及 应 用
202 2/5/ 6
第2章 光敏传感器——外光电效应及器件
传 充气光电二极管： 结构与真空光电二极管类似，只是管壳内充有低压惰性气体(氩气和氖气)
比较右图所示的伏安特性可知，充气光电二极管的灵敏度高，但其灵敏度随
及 电压显著变化，使其稳定性和频率特性都比 应 真空光电二极管差，所以在实际应用中应选
择合适的电压。
用 大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外， 只适于做紫外灵敏的光电器件。对于半导体
光电材料, 在绝对零度时, 光电逸出功较小，
对可见光、红外光都很灵敏。
敏 电
敏 电
器
阻 的
阻 的
原
光 照
光 谱
理
特 性
特 性
及
应响
用
应 时
间
和
频
率
光 谱 温 度 特 性
特
202
性
2/5/
6
第2章 光敏传感器——光电导效应器件及其应用
光敏电阻的应用：
传
自控照明装置
感
器
原
理
及
应
用
202 2/5/ 6
第2章 光敏传感器——光电导效应器件及其应用
光敏电阻的应用：
传
曝光定时电路
第2章 光敏传感器——智能红外遥控器的设计
V CC
V CC
传
红外接收放大电路： 简单的红外接收放大电路
Rc
Rc
感
器
Uo Ic
原
PD
真空光电二极管：
原 理 及 应 用
202 2/5/ 6
第2章 光敏传感器——外光电效应及器件
传 充气光电二极管： 结构与真空光电二极管类似，只是管壳内充有低压惰性气体(氩气和氖气)
比较右图所示的伏安特性可知，充气光电二极管的灵敏度高，但其灵敏度随
及 电压显著变化，使其稳定性和频率特性都比 应 真空光电二极管差，所以在实际应用中应选
择合适的电压。
用 大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外， 只适于做紫外灵敏的光电器件。对于半导体
光电材料, 在绝对零度时, 光电逸出功较小，
对可见光、红外光都很灵敏。
敏 电
敏 电
器
阻 的
阻 的
原
光 照
光 谱
理
特 性
特 性
及
应响
用
应 时
间
和
频
率
光 谱 温 度 特 性
特
202
性
2/5/
6
第2章 光敏传感器——光电导效应器件及其应用
光敏电阻的应用：
传
自控照明装置
感
器
原
理
及
应
用
202 2/5/ 6
第2章 光敏传感器——光电导效应器件及其应用
光敏电阻的应用：
传
曝光定时电路
第2章 光敏传感器——智能红外遥控器的设计
V CC
V CC
传
红外接收放大电路： 简单的红外接收放大电路
Rc
Rc
感
器
Uo Ic
原
PD
传感器_第2章_传感器定义
时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面： 一
是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。 最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的
变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。
温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度
（一般为20℃）时的输出值的变化量与温度变化量之比 (ξ)来表
y YF S 实际 特性曲 线
线性度示意图
理想 特性曲 线 o
x
非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得 出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选 择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。 另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。
直线拟合方法 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合
2. 线性度
传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合 直线之间的最大偏差值 ΔLmax与满量程输出值YFS之比。线性度 也称为非线性误差，用γL表示，即
Lmax L 100% YFS
式中： ΔLmax——最大非线性绝对误差； YFS——满量程输出值。
从传感器的性能看， 希望具有线性关系， 即理想 输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性。
习题
一、单项选择题 1、下列不属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（ ）。 A. 应变式传感器 B. 化学型传感器 C. 压电式传感器 D. 热电式传感器 2、通常意义上的传感器包含了敏感元件和（ ）两个组成部分。 A. 放大电路 B. 数据采集电路 C. 转换元件 D. 滤波元件 3、自动控制技术、通信技术、连同计算机技术和（ ），构成信息技术的 完整信息链。 A. 汽车制造技术 B. 建筑技术 C. 传感技术 D.监测技术 4、传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和（ ）三大 类。 A. 生物型 B. 电子型 C. 材料型 D. 薄膜型 5、 随着人们对各项产品技术含量的要求的不断提高，传感器也朝向智能化 方面发展，其中，典型的传感器智能化结构模式是（ ）。 A. 传感器＋通信技术 B. 传感器＋微处理器 C. 传感器＋多媒体技术 D. 传感器＋计算机
传感器与检测技术第二章电阻式传感器.ppt
11
2.1 电位器式传感器
二、阶梯特性、阶梯误差、分辨率 电刷在与一匝导线接触过程中，虽有小位移，
但阻值无变化 当电刷离开这一匝，接触下一匝时，电阻突然
增加，特性曲线出现阶跃
其阶跃值即视在分辨率为
U Umax n
12
2.1 电位器式传感器
在移动过程中，会使得临近的量匝短路，电位器 总匝数从n减小到(n-1)，总阻值的变化使得在视 在分辨率之中还产生了次要分辨脉冲，即一个小 的阶跃。
U max•Umax
9
2.1 电位器式传感器
线性电位器的骨架截面此处处相等、并且由材料 均匀的导线按相等的节距绕成。对某一匝节距为 t线圈来说，电阻变化量为：
Rl2(bh)
AA
10
2.1 电位器式传感器
电阻灵敏度：
kR
R max X max
nR2(bh)
nt At
电压灵敏度：
kuU Xm ma a x xIX R m maax xI2(bA h)t
16
xmax
eby
n xmax
1 100% n
2.1 电位器式传感器
从图2-5中可见,在理想情况下，特性曲线每个 阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直 线即是理论直线（灵敏度），阶梯曲线围绕它 上下跳动，从而带来一定误差，这就是阶梯误
差。电位器的阶梯误差γj通常以理想阶梯特性
曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出 电压值的百分数表示，即
所示。这时,电位器(理想阶梯特性的线绕电位器)的电压分辨
率定义为:在电刷行程内,电位器输出电压阶梯的最大值与最
大输出电压Umax之比的百分数,即为：
Umax
eba
n Umax
第二章传感器的特性21传感器的静态特性
传感器对各种外界干扰的抵抗能力。 是反映传感器在规定时间(t)内是否正常工作的一种综 合性质量指标。
l 可靠度R(t) ： 完成规定功能的概率P(T>t)
l 可靠寿命：年，月 l 失效率 (t) 在t时刻后单位时间发生失效的概
率
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2.2 传感器的动态特性
传感器对随时间变化的输入量的响应特性（测量 值大小、变化规律）
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标定系统组成
标定系统框图
传感器标定时，所用测量设备的精度至少要比待标 定传感器的精度高一个数量级。
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为了保证各种被测量量值的一致性和准确性，很多 国家都建立了一系列计量器具(包括传感器)检定的组织 和规程、管理办法。我国由国家计量局、中国计量科学 研究院和部、省、市计量部门以及一些大企业的计量站 进行制定和实施。国家计量局(1989年后由国家技术监 督局)制定和发布了力值、长度、压力、温度等一系列计 量器具规程，并于1985年9月公布了《中华人民共和国 计量法》，其中规定：计量检定必须按照国家计量检定 系统表进行。计量检定系统表是建立计量标准、制定检 定规程、开展检定工作、组织量值传递的重要依据。
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静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如 线性度、灵敏度、滞后和重复性等。传感器的静态 特性是在静态标准条件下标定的。
静态标准条件 所谓静态标准条件主要包括没有加速度、振动、冲 击及环境温度一般为室温 (20℃±5℃) 、相对湿度不 大于85%、大气压力(101±7)kPa 等条件。
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传感器的标定有两层含义： § 确定传感器的性能指标 § 明确这些性能指标所适用的工作环境
l 可靠度R(t) ： 完成规定功能的概率P(T>t)
l 可靠寿命：年，月 l 失效率 (t) 在t时刻后单位时间发生失效的概
率
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2.2 传感器的动态特性
传感器对随时间变化的输入量的响应特性（测量 值大小、变化规律）
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标定系统组成
标定系统框图
传感器标定时，所用测量设备的精度至少要比待标 定传感器的精度高一个数量级。
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为了保证各种被测量量值的一致性和准确性，很多 国家都建立了一系列计量器具(包括传感器)检定的组织 和规程、管理办法。我国由国家计量局、中国计量科学 研究院和部、省、市计量部门以及一些大企业的计量站 进行制定和实施。国家计量局(1989年后由国家技术监 督局)制定和发布了力值、长度、压力、温度等一系列计 量器具规程，并于1985年9月公布了《中华人民共和国 计量法》，其中规定：计量检定必须按照国家计量检定 系统表进行。计量检定系统表是建立计量标准、制定检 定规程、开展检定工作、组织量值传递的重要依据。
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静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如 线性度、灵敏度、滞后和重复性等。传感器的静态 特性是在静态标准条件下标定的。
静态标准条件 所谓静态标准条件主要包括没有加速度、振动、冲 击及环境温度一般为室温 (20℃±5℃) 、相对湿度不 大于85%、大气压力(101±7)kPa 等条件。
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传感器的标定有两层含义： § 确定传感器的性能指标 § 明确这些性能指标所适用的工作环境
传感器感测技术第2章
a、交流电桥式测量电路
Z1 Z3= R
& = D Z1 + D Z 2 U & Uo 2 ( Z 1+ Z 2 ) & U o ( DL1 + DL2 ) = DL = 2
& U
Z2
Dd
Z4= R
d0
L0
& Uo
2. 电感式传感器
b、变压器式交流电桥测量电路（无法判断方向） 输出电压为：
& = U
2. 电感式传感器
涡流磁场使得原线圈等效阻抗发生变化。变化的
程度与间距δ相关。
影响阻抗的相关因素:间距，电阻率，磁导率，
激磁角频率等。
用于位移、振动测量；材质鉴别或探伤。
2. 电感式传感器
五、涡流式传感器的特性
1、电涡流强度与距离的关系
电涡流强度随距离的变化而变化，且呈非线性关
系，随距离的增加而减小。 2、被测导体对传感器灵敏度的影响 被测导体的电阻率和相对磁导率越小，灵敏度越 高，且被测导体的形状和尺寸大小对灵敏度也有影响。 一般要求被测导体的厚度大于两倍的涡流穿透 深度。
属导体置于变化的磁场中或切割磁力线运动时，导 体内产生呈涡旋状的感应电流的现象。 3、按电涡流在导体内的贯穿情况划分： 高频反射式涡流式传感器 低频透射式涡流式传感器
2. 电感式传感器
4、基本结构和工作原理 1）基本结构 主要由探头和检测 电路构成。 探头由线圈和骨架组成。
检测 电路
骨架 线圈
金属板
L I =
式中， W——线圈匝数；
L——自感。
W f
根据磁路欧姆定理有： 其中，Fm ——磁动势；
Rm ——磁路总磁阻。
f =
Z1 Z3= R
& = D Z1 + D Z 2 U & Uo 2 ( Z 1+ Z 2 ) & U o ( DL1 + DL2 ) = DL = 2
& U
Z2
Dd
Z4= R
d0
L0
& Uo
2. 电感式传感器
b、变压器式交流电桥测量电路（无法判断方向） 输出电压为：
& = U
2. 电感式传感器
涡流磁场使得原线圈等效阻抗发生变化。变化的
程度与间距δ相关。
影响阻抗的相关因素:间距，电阻率，磁导率，
激磁角频率等。
用于位移、振动测量；材质鉴别或探伤。
2. 电感式传感器
五、涡流式传感器的特性
1、电涡流强度与距离的关系
电涡流强度随距离的变化而变化，且呈非线性关
系，随距离的增加而减小。 2、被测导体对传感器灵敏度的影响 被测导体的电阻率和相对磁导率越小，灵敏度越 高，且被测导体的形状和尺寸大小对灵敏度也有影响。 一般要求被测导体的厚度大于两倍的涡流穿透 深度。
属导体置于变化的磁场中或切割磁力线运动时，导 体内产生呈涡旋状的感应电流的现象。 3、按电涡流在导体内的贯穿情况划分： 高频反射式涡流式传感器 低频透射式涡流式传感器
2. 电感式传感器
4、基本结构和工作原理 1）基本结构 主要由探头和检测 电路构成。 探头由线圈和骨架组成。
检测 电路
骨架 线圈
金属板
L I =
式中， W——线圈匝数；
L——自感。
W f
根据磁路欧姆定理有： 其中，Fm ——磁动势；
Rm ——磁路总磁阻。
f =
第2章 传感器的基本特性
dn y(t)
dn-1 y(t)
dy(t)
an dt n + an -1 dt n-1 + + a1 dt + a0 y(t)
=
bm
dm x(t) dt m
bm-1
d m-1 x(t ) dt m-1
b1
dx(t) dt
b0 x(t )
（2.3.1）
式中，an、an-1、…、a1、a0和bm、bm-1、…、b1、 b0均为与系统结构参数有关但与时间无关的常数。
➢ 除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变 化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函 数，这种输入输出之间的差异就是动态误差。
第2章第7传章 感器磁电的式基传本感器特性
1155
2.3.1数学模型
一般用线性时不变系统理论描述传感器的动态 特性，数学上可以用常系数线性微分方程表示系统 的输出量y与输入量x的关系。
第2章第7传章 感器磁电的式基传本感器特性
1122
2.2.2 静态特性参数
6、漂移 作用在传感器上的激励不变时，响应量随时间
的变化趋势。表征传感器的不稳定性。 产生漂移的原因：1、传感器自生结构参数的变化；
2、外界工作环境参数的变化。
7、量程及测量范围 – 测量上限值与下限值的代数差称为量程。 – 测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大 输入量（上限）之间的范围称为测量范围。
Y ( jω) = y(t)e -jωtdt
0
0
Y ( jω)
H ( jω) = X ( jω)
H
(
jω)
=
bm an
( (
jω)m jω)n
bm-1( jω)m-1 b1( jω) b0 an-1( jω)n-1 a1( jω) a0
传感器基本知识上
（五）. 分辨率（△xmin ）、阈值
分辨力：在规定的测量范围内，传感器所
能检测出输入量的最小Dx变min 值
.
分辨率：相对与输入的满量程的相对值表示
。即
Dxmin 100% X FS
xFS —— 输入量的满量程值
数字传感器的分辨力可用输出数字指示值最后一位所代表的输入量。
（五）. 分辨率（ △xmin ）、阈值
说明：1、分辨力 --- 是绝对数值，如
重复性是体现传感器的精密程度 指标之一
反映误差分散的程度
传感器为何会产生重复性误差？
传感器机械部分的磨损、间隙、松动
敏感元件内摩擦、积尘
辅助电路老化和漂移 注意
不重复性误差一般属于随机误差性质,反映的是测量 结果偶然误差大小，而不表示与真值之间的差别，有时 重复性很好但可能偏离真值。不重复性误差可以通过校 准测得。
（三）. 重复性 Ex
重复性 Ex 反映了传感器在输入量按同一方
向（增或减）做全量程多次测试时，所得到的
特性曲线的不一致程度。
Ex
Dmax yFS
100% (2.7)
Y
Δ max─ 最大不重复误差
Dmn Dmax {Dm1 ...Dmi ...Dmn }
YFS 满量程输出值
Dm2 Dm1
（四）.迟滞现象（回差EH ）
回差EH 反映了传感器的输入量在正向行程
和反向行程全量程多次测试时，所得到的
特性曲线的不重合程度。
y
EH
Emax
Dm yFS
100% (2.9)
y FS
Dm
迟滞是由于磁性材料的磁化 和材料受力变形，机械部分存在 （轴承）间隙、摩擦、（紧固件） 松动、材料内摩擦、积尘等造成 的。
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• 从费米能级恒定观点来看，热平衡pn结具有统一费米能级。 • 形成pn结之后，n区费米能级和p区费米能级统一。
EFn EFpk0TlnNn dN i2 aq 0
• 可见，q 0 是热平衡时电子从 N区进入到P区、空穴从P区 进入到N区需要跨越的势垒 高度。
• 由于这个原因，也把空间电 荷区称为势垒区。
• 任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction ）,有时也叫做接触（contact）.
• 由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同种物质构成的结叫做 异质结（如硅和锗）。
• 由同种导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P-型硅、P-硅和 P-型锗），由不同种导电类型的物质构成的结叫做异型结（如P-硅和N硅、P-硅和N－锗）。
晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。 • 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。 • 外延工艺可以方便地可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓
度，杂质分布陡峭的外延层。 • 外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外
延（HWE）、原子层外延技术。
5. 光刻工艺： • 光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化等工艺而
• （1）绝缘栅介质 • 对于MOS技术中常用的重要栅氧结构，用极薄的氧化层做介质材料。
（2）掺杂阻挡 • SiO2可以做选择性掺杂的有效掩蔽层。
（3）器件保护和隔离
• 硅片表面上生长的二氧化硅可以作为一种有效阻挡层，用来隔离和保 护硅内的灵敏器件。
（4）电容器的绝缘介质材料
（5）作为多层金属互连层之间的介质材料 • SiO2是微芯片金属层间的有效绝缘体，能防止上层金属和下层金属间
的短路。
亚0.25μmCMOS剖面
（6）表面钝化
• 热生长SiO2的一个主要优点是可以通过束缚硅的悬挂键，从而降 低它的表面态密度，这种效果称为表面钝化。
① 可防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其他外部玷污物引起的 漏电流的通路；
② 可以保护Si免受后期制作中有可能发生的刮擦和工艺损伤；
2. 扩散工艺： 由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动，使其趋于 均匀的趋势，这种现象称为扩散。 常用扩散工艺： 液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。 液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源， 从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解，在硅片 四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。
（d)图形掩膜、曝光
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
(g)完成光刻后去胶的晶片
(h)通过扩散（或离子注入）形成PN结
(i)蒸发/溅射金属
（j） PN 结制作完成
突变结与线性缓变结
（a）突变结近似（实线）的窄扩散结 （b）线性缓变结近似（实线）的
（虚线）
深扩散结（虚线）
光刻胶是涂在硅片表面上的临时材料，仅仅是为了必要图形的 转移，一旦图形经过刻蚀或离子注入，就要被去掉。
• 负胶： • 曝光后不可溶。 • 正胶： • 曝光后可溶。
光刻工艺过程示意图
• 采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程：
(a)抛光处理后的n型硅晶片 (b)采用干法或湿法氧化 (c)光刻Leabharlann 层匀胶及坚膜 工艺的晶片氧化层制作
使用的一种工艺技术。 • 光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物（由光敏
化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长 光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。 • 如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶； 反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之 为负性胶；
• 因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。 • 广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它
们叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。
半导体工艺
• 1.氧化工艺： 1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。 这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。 在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下六条： （1）绝缘栅介质； （2）杂质阻挡； （3）器件保护和隔离； （4）电容器的绝缘介质材料； （5）作为多层金属互连层之间的介质材料； （6）表面钝化。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。
• PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触 器件外，所有结型器件都由PN结构成。
• PN结本身也是一种器件－整流器。PN结含有丰富的物理知识， 掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。
• 由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形 成的结构叫做PN结。
2.边界层（空间电荷区和中性区的边界）
• 非本征德拜长度（边界层的宽度）：
2
2
LDqNdV TNa q2N kd0 TNa
3. 离子注入技术： • 将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较
高的能量（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经 过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。
离子注入机：
4.外延工艺： • 外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来
2.1 热平衡PN结
2.1.1 PN结空间电荷区
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图
（b）接触后的能带图
2.1.2 电场分布与电势分布
• 1.中性区
• n型中性区： • p型中性区：
• n型与p型中性区之间的电位差为：0npkq 0TlnNn aN i2 d
• 称为内建电势差或扩散电势差。
利用APCVD淀积SiO2
• 利用APCVD淀积SiO2和掺杂氧化硅。传统上这些膜经常作为层间介 质，保护性覆盖或者表面平坦化。
➢ 用SiH4淀积SiO2：
• 注： 1. 通常用氩气或氮气稀释SiH4（体积百分比2％－10％）； 2. 可在450－500℃低温下进行； 3. 优势在于铝连线上作为层间介质隔离ILD的SiO2； 4. 台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。