第十一章新型传感器.pptx

集成温度传感器集成温度传感器 一、所谓集成传感器 就就是是在在一一块块极极小小的的半半导导体体芯芯片片上上集集成成了了包包括括温温度度敏敏感感器器件件、信信号号放放大大电电路路、温温度度补补偿偿电电路路、基基准准电电源源电电路路等等在在内内的的各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。集成温度传感器与传统的热电阻、热电偶集成温度传感器与传统的热电阻、热电偶温度计相比最大的优点是：温度计相比最大的优点是：线性度好线性度好 、灵敏、灵敏度高度高 、输出信号大，且规范化标准化、输出信号大，且规范化标准化 二、优点二、优点集成温度传感器按信号输出形式分为：电流型集成温度传感器按信号输出形式分为：电流型 、电压型电压型集成温度传感器集成温度传感器 三、AD590AD590系列集成温度传感器系列集成温度传感器 AD590AD590是是电电流流型型集集成成温温度度传传感感器器，其其输输出出电电流流与与环环境境绝绝对对温温度度成成正正比比，所所以以可可以以直直接接制制成成绝绝对对温温度度仪仪。AD590AD590有有I I、J J、K K、L L、M M等等型型号号系系列列，采采用用金金属属管壳封装。管壳封装。外形图外形图电路符号电路符号电源+电流输出端美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。数字输出型IC温度传感器、DS1820DS1820的特性的特性u单线接口：仅需一根口线与MCU连接；u无需外围元件；u由总线提供电源；u测温范围为-55125，精度为0.5；u九位温度读数；uA/D变换时间为200ms；u用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。DS1820123GNDI/O VDD(a)PR35封装DS1820的管脚排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封装NCNCNCNCVDDNC2 2、DS1820DS1820引脚及功能引脚及功能GND：地；VDD：电源电压I/O：数据输入输出脚(单线接口，可作寄生供电)3 3、DS1820DS1820的工作原理的工作原理图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源寄生电源、温温度传感器度传感器、64位激光位激光ROM单线接口单线接口、存放中间数据的高存放中间数据的高速暂存器速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。存储器控制逻辑64bitROM和单线接口电源检测温度传感器高温触发器低温触发器8位CRC触发器存储器DS1820内部结构图寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时,电源端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。寄生电源两个优点：n检测远程温度时无需本地电源；n缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源,则通过二极管向器件供电。(1)(1)寄生电源寄生电源DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表3.4-1给出了DS1820温度和数字量的对应关系。温度/输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820温度与数字量对应关系表温度与数字量对应关系表温度测量电路斜率累加器计数器1计数器2低温度系数晶振高温度系数晶振=0=0预置温度寄存器预置比较停止置位/清零加1(2)(2)温度测量原理温度测量原理DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术，如图。集成温度传感器集成温度传感器 五、温度变送器温度变送器 温温度度变变送送器器有有三三个个品品种种：直直流流毫毫伏伏变变送送器器、热热电电偶偶温度变送器温度变送器和和热电阻温度变送器热电阻温度变送器。将将输输入入的的直直流流毫毫伏伏信信号号及及被被测测温温度度信信号号转转换换为为4mA4mA20mA20mA DCDC和和IVIV5VDC5VDC输输出出的的统统一一信信号号的的装装置置称称为为变变送送器器。这这三三种种变变送送器器在在线线路路结结构构上上都都分分为为量量程程单单元元和和放放大大单单元元两两个个部部分分，其其中放大单元是通用的，量程单元随品种、测量范围而变。中放大单元是通用的，量程单元随品种、测量范围而变。所谓变送器所谓变送器集成温度传感器集成温度传感器 五、温度变送器温度变送器 温温度度变变送送器器有有三三个个品品种种：直直流流毫毫伏伏变变送送器器、热热电电偶偶温度变送器温度变送器和和热电阻温度变送器热电阻温度变送器。集成温度传感器集成温度传感器 五、温度变送器温度变送器 温温度度变变送送器器有有三三个个品品种种：直直流流毫毫伏伏变变送送器器、热热电电偶偶温度变送器温度变送器和和热电阻温度变送器热电阻温度变送器。集成温度传感器集成温度传感器 五、温度变送器温度变送器 温温度度变变送送器器有有三三个个品品种种：直直流流毫毫伏伏变变送送器器、热热电电偶偶温度变送器温度变送器和和热电阻温度变送器热电阻温度变送器。集成温度传感器集成温度传感器 六、一体化温度变送器一体化温度变送器 一一体体化化温温度度变变送送器器是是温温度度传传感感元元件件与与变变送送电电路路的的紧紧密密结结合合体体。它它是是一一种种小小型型固固态态化化温温度度变变送送器器，与与热热电电偶偶或或热热电电阻阻安安装装在在一一起起，不不需需要要补补偿偿导导线线或或延延长长线线，由由直直流流24V24V供供电电，用用两两线线制制方式连接，输出方式连接，输出4mA4mA20mADC20mADC标准信号。其原理框图如标准信号。其原理框图如下下。一体化温度变送器原理框图一体化温度变送器原理框图 温度传感器温度传感器典型应用典型应用 一、金属表面温度的测量金属表面温度的测量二、热电偶炉温控制系统温度传感器温度传感器典型应用典型应用 三、采用集成温度传感器的数字式温度计采用集成温度传感器的数字式温度计温度传感器温度传感器典型应用典型应用 四、电动机保护器电动机保护器磁敏传感器磁敏传感器 n磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应，但作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研制出第一个实用的磁敏元件；1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。目前上述磁敏元件已得到广泛的应用。n磁敏传感器主要有磁敏电阻磁敏电阻、磁敏二极管磁敏二极管、磁敏三极管磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器霍尔式磁敏传感器。6.1 磁敏电阻器磁敏电阻器 磁磁敏敏电电阻阻器器（Magnetic Resistance）是是基基于于磁磁阻阻效效应应的的磁磁敏敏元元件件,也也称称MR元元件件。磁磁敏敏电电阻阻的的应应用用范范围围比比较较广广，可可以以利利用用它它制制成成磁磁场场探探测测仪仪、位位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。一、磁阻效应一、磁阻效应 若若给给通通以以电电流流的的金金属属或或半半导导体体材材料料的的薄薄片片加加以以与与电电流流垂垂直直或或平平行行的的外外磁磁场场，则则其其电电阻阻值值就就增增加加。称称此此种种现现象象为为磁磁致致电电阻阻变变化化效效应应，简简称称为为磁磁阻效应。阻效应。在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路径长些，因此增加了电阻率。径长些，因此增加了电阻率。当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度 B 的平方成的平方成正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为出来的磁阻效应方程为式中式中 B 磁感应强度为磁感应强度为B时的电阻率；时的电阻率；0 零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率；电子迁移率；电子迁移率；B 磁感应强度。磁感应强度。当电阻率变化为当电阻率变化为B 0时，则电阻率的相对变化为：时，则电阻率的相对变化为：/0=0.2732B2=K2B2由此可知，磁场一定时由此可知，磁场一定时电子迁移率越高电子迁移率越高的材料（如的材料（如InSb、InAs和和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。等半导体材料），其磁阻效应越明显。当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。磁阻效应还与磁敏电阻的形状、尺寸密切相关。这种与与磁敏电阻磁敏电阻形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应阻效应。若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为长方形长方形磁阻器件只有在磁阻器件只有在L(长度长度)b（宽度）的条件下，才表现（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把出较高的灵敏度。把Ll的纵长方形片，由于电子运动偏向一侧，必然产生霍尔效应，当霍尔电场EH对电子施加的电场力fE和磁场对电子施加的洛伦兹力fL平衡时，电子运动轨迹就不再继续偏移，所以片内中段电子运动方向和长度l的方向平行，只有两端才是倾斜的。这种情况电子运动路径增加得并不显著，电阻增加得也不多。LbBB几何磁阻效应II（a）（b）图(b)是在Lb长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势，这种栅格磁阻器件如图（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。实验表明，对于InSb材料，当B=1T时，电阻可增大10倍(因为来不及形成较大的霍尔电场EH)。磁敏电阻通常使用两种方法来制作：磁敏电阻通常使用两种方法来制作：一一种种是是在在较较长长的的元元件件片片上上用用真真空空镀镀膜膜方方法法制制成成，如如图图(a)所所示示的的许许多多短短路路电电极极(光栅状光栅状)的元件；的元件；另另一一种种是是由由InSb和和NiSb构构成成的的共共晶晶式式半半导导体体(在在拉拉制制 InSb单单晶晶时时，加加入入1的的Ni，可可得得InSb和和NiSb的的共共晶晶材材料料)磁磁敏敏电电阻阻。这这种种共共晶晶里里，NiSb呈呈具具有有一一定定排排列列方方向向的的针针状状晶晶体体，它它的的导导电电性性好好，针针的的直直径径在在1 m左左右右，长长约约100 m，许许多多这这样样的的针针横横向向排排列列，代代替替了了金金属属条条起起短短路路霍霍尔尔电电压压的的作作用用。由由于于InSb的的温温度度特特性性不不佳佳，往往往往在在材材料料中中加加人人一一些些N型型碲碲或或硒硒，形形成成掺掺杂杂的的共共晶晶，但但灵灵敏敏度度要要损损失失一一些些。在在结结晶晶制制作作过过程程中中有有方方向向性性地地析析出出金金属属而而制制成成磁磁敏敏电电阻阻，如如上上图图(b)所示。所示。除除此此之之外外，还还有有圆圆盘盘形形，中中心心和和边边缘缘处处各各有有一一电电极极，如如上上图图(c)所所示示。磁磁敏敏电阻大多制成圆盘结构。电阻大多制成圆盘结构。二、磁敏电阻的结构二、磁敏电阻的结构 各种形状的磁敏电阻，其磁阻与各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图磁感应强度的关系如右图所示。由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。可见，圆盘形样品的磁阻最大。磁敏电阻的灵敏度一般是非线性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大的，且受温度影响较大；因此，使用；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。方案。磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。磁敏电阻器的应用：磁敏电阻器的应用：1 作控制元件作控制元件 可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。磁通密度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。2作计量元件作计量元件 可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因数测量等诸多方面。数测量等诸多方面。3作开关电路作开关电路 在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。4作运算器作运算器 可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和开立方器等方面使用。开立方器等方面使用。5作模拟元件作模拟元件 可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻抗模拟等方面使用。抗模拟等方面使用。磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用 根据铁磁根据铁磁物体对地磁的物体对地磁的扰动，可检测扰动，可检测车辆的存在，车辆的存在，可用于包括自可用于包括自动开门，路况动开门，路况监测，停车场监测，停车场检测，车辆位检测，车辆位置监测，红绿置监测，红绿灯控制等。灯控制等。锑化铟锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 InSb伪伪币币检检测测传传感感器器安安装装在在光光磁磁电电伪伪币币检检测测机机上上，其其工工作作过过程程如如上上图所示，电路原理图如下图所示。图所示，电路原理图如下图所示。电路工作原理图InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性 当纸币上的磁性油墨当纸币上的磁性油墨没有进入位置没有进入位置1时，设输出时，设输出变化为零，如果进入位置变化为零，如果进入位置1，由于，由于R2电阻增大，则输电阻增大，则输出变化为出变化为0.3mV左右；如果左右；如果进入位置进入位置3时，则仍为时，则仍为0；如果进入位置如果进入位置4，则为，则为-0.3mV，如果进入位置，如果进入位置5，则仍为则仍为0，就这样产生输出，就这样产生输出特性，经过放大、比较、特性，经过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达到理想效果。测伪币，达到理想效果。半导体半导体InSbInSb磁敏无接触电位器磁敏无接触电位器 半半导导体体InSbInSb磁磁敏敏无无接接触触电电位位器器是是半半导导体体InSbInSb磁磁阻阻效效应应的的典典型型应应用用之之一一。与与传传统统电电位位器器相相比比,它它具具有有无无可可比比拟拟的的优优点点:无无接接触触电电刷刷、无无电电接接触触噪噪音音、旋旋转转力力矩矩小小、分分辨辨率率高高、高高频频特特性性好好、可可靠靠性性高高、寿寿命命长长。半半导导体体InSbInSb磁磁敏敏无无接接触触电电位位器器是是基基于于半半导导体体InSbInSb磁磁阻阻效效应应原原理理，由由半半导导体体InSbInSb磁磁敏敏电电阻阻元元件件和和偏偏置置磁磁钢钢组组成成；其其结结构构与与普普通通电电位位器器相相似似。由由于于无无电电刷刷接接触触，故故称称无接触电位器。无接触电位器。磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线090-90 该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。度变化的关系曲线如图所示。6.3 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。霍尔元件和磁敏电阻均是用霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）、工作、工作电流小、能识别磁场的极性、体积小、电路简单等电流小、能识别磁场的极性、体积小、电路简单等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。测和控制。一、磁敏二极管的结构和工作原理一、磁敏二极管的结构和工作原理 1结构结构 磁敏二极管的磁敏二极管的P型和型和N型电极由高阻材料制成，型电极由高阻材料制成，在在P、N之间有一个较长的本征区之间有一个较长的本征区I，本征区，本征区I的一的一面磨成光滑的低复合表面面磨成光滑的低复合表面(为为I区区)，另一面打毛，另一面打毛，设置成高复合区设置成高复合区(为为r区区)，其目的是因为电子，其目的是因为电子 空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向电流后就会在电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是知，磁敏二极管是PIN型的。型的。当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压(P区为正区为正)，则有大量的空，则有大量的空穴从穴从P区通过区通过i区进入区进入N区，同时也有大量电子注入区，同时也有大量电子注入 P区，这样形成电流，只有少区，这样形成电流，只有少量电子和空穴在量电子和空穴在i区复合掉。区复合掉。当磁敏二极管受到如下图当磁敏二极管受到如下图(b)所示的外界磁场所示的外界磁场H+(正向磁场正向磁场)作用时，则电子和空作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面区的电子和空穴复合速度比光滑面I区区快，快，空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流减空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流减小。小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区区而复合的电子和空穴数量而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。就越多，载流子减少，外电路的电流越小。当磁敏二极管受到如右图当磁敏二极管受到如右图(c)所示的外界磁场片所示的外界磁场片H-(反向磁场反向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向仑兹力作用而向I区偏移，由于区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，电子、空穴复合率明显变小，i区的等效电阻减小，区的等效电阻减小，则外电路的则外电路的电流变大。电流变大。若在磁敏二极管上加反向偏压若在磁敏二极管上加反向偏压(P区的负区的负)，则仅有很微小的电，则仅有很微小的电流流过，并且几乎与磁场无关。流流过，并且几乎与磁场无关。因此，该器件仅能在正向偏压因此，该器件仅能在正向偏压下工作。下工作。利用磁敏二极管的正向利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。化的特性，即可实现磁电转换。结论：结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。3磁敏二极管的主要特性磁敏二极管的主要特性 (1)磁电待性磁电待性 在在给给定定条条件件下下，磁磁敏敏二二极极管管输输出出的的电电压压变变化化与与外外加加磁磁场场的的关关系系称称为为磁敏二极管的磁电持性。磁敏二极管的磁电持性。磁磁敏敏二二极极管管通通常常有有单单只只和和互互补补两两种种使使用用方方式式。它它们们的的磁磁电电特特性性如如下下图图所所示示。由由图图可可知知，单单只只使使用用时时，正正向向磁磁灵灵敏敏度度大大于于反反向向；互互补补使使用用时时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。(2)伏安特性伏安特性 磁磁敏敏二二极极管管正正向向偏偏压压和和通通过过电电流流的的关关系系被被称称为为磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性，如如图图所所示示。从从图图可可知知，磁磁敏敏二二极极管管在在不不同同磁磁场场强强度度H下下的的作作用用，其其伏伏安安特特性性将将是是不不一一样样。图图(a)为为锗锗磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性；(b)为为硅硅磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性。图图(b)表表示示在在较较宽宽的的偏偏压压范范围围内内，电电流流变变化化比比较较平平坦坦；当当外外加加偏偏压压增增加加到到一一定定值值后后，电电流流迅迅速速增增加加、伏伏安安持持性性曲曲线线上上升升很很快，表现出其动态电阻比较小。快，表现出其动态电阻比较小。(3)温度特性温度特性 一一般般情情况况下下，磁磁敏敏二二极极管管受受温温度度影影响响较较大大，即即在在一一定定测测试试条条件件下下，磁磁敏敏二二极极管管的的输输出出电电压压变变化化量量U，或或者者在在无无磁磁场场作作用用时时，中中点点电电压压Um随随温温度度变变化化较较大大。因因此此，在在实实际际使用时，必须对其进行温度补偿。使用时，必须对其进行温度补偿。互补式温度补偿电路互补式温度补偿电路 选用两只性能相近的磁敏二极管，按相选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。此，互补电路还能提高磁灵敏度。差分式电路差分式电路 如如下下图图(c)所所示示。差差分分电电路路不不仅仅能能很很好好地地实实现现温温度度补补偿偿，提提高高灵灵敏敏度度，还还可可以以弥弥补补互互补补电电路路的的不不足足。如如果果电电路路不不平平衡衡，可可适适当当调调节节电电阻阻R1和和R2。全桥电路全桥电路 全全桥桥电电路路是是将将两两个个互互补补电电路路并并联联而而成成。和和互互补补电电路路一一样样，其其工工作作点点只只能能选选在在小小电电流流区区。该该电电路路在在给给定定的的磁磁场场下下，其其输输出出电电压压是是差差分分电电路路的的两两倍倍。由由于于要要选选择择四四只只性性能能相相同同的的磁磁敏敏二二极极管管，会会给给实实际际使使用用带带来来一一些些困难。困难。热敏电阻补偿电路热敏电阻补偿电路 如如下下图图(e)所所示示。该该电电路路是是利利用用热热敏敏电电阻阻随随温温度度的的变变化化，而而使使Rt和和D的的分分压压系系数数不不变变，从从而而实实现现温温度度补补偿偿。热热敏敏电电阻阻补补偿偿电电路路的的成成本本略略低低于于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。二、磁敏三极管的结构和工作原理二、磁敏三极管的结构和工作原理 1磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构 在在弱弱P型型或或弱弱N型型本本征征半半导导体体上上用用合合金金法法或或扩扩散散法法形形成成发发射射极极、基基极极和和集集电电极极。其其最最大大特特点点是是基基区区较较长长，基基区区结结构构类类似似磁磁敏敏二二极极管管，也也有有高高复复合合速速率率的的r区区和和本本征征I区。长基区分为输运基区和复合基区。区。长基区分为输运基区和复合基区。2磁敏三极管的工作原理磁敏三极管的工作原理 当磁敏三极管当磁敏三极管未受到磁场未受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过长度，大部分载流子通过e-I-b，形成基极电流；少数载流子输入到，形成基极电流；少数载流子输入到c极，因极，因而基极电流大于集电极电流。而基极电流大于集电极电流。当当受到正向磁场受到正向磁场(H+)作用时，由作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子向于磁场的作用，洛仑兹力使载流子向复合区偏转复合区偏转，导致集电极电流显著，导致集电极电流显著下降；当反向磁场下降；当反向磁场(H-)作用时，载流作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。由此可知，增大。由此可知，磁敏三极管在正、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。明显变化。N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）图2.6-34磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-运输基区；2-复合基区12 3.磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性 (1)磁电特性磁电特性 磁磁敏敏三三极极管管的的磁磁电电特特性性是是应应用用的的基基础础，是是主主要要特特性性之之一一。例例如如，国国产产NPN型型3BCM（锗锗）磁磁敏敏三三极极管管的的磁磁电电特特性性，在在弱弱磁磁场场作作用用下下，曲曲线线接接近近一条直线，如左下图所示。一条直线，如左下图所示。(2)伏安特性伏安特性 磁磁敏敏三三极极管管的的伏伏安安特特性性类类似似普普通通晶晶体体管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线。下下右右图图(a)为为不不受受磁磁场场作作用用时时，磁磁敏敏三三极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线；下下右右图图(b)是是磁磁场场为为1kG s，基基极极为为3mA时时，集集电电极极电电流流的的变变化化。由由该该图图可可知知，磁磁敏敏三三极极管管的电流放大倍数小于的电流放大倍数小于1。(3)温度特性及其补偿温度特性及其补偿 磁磁敏敏三三极极管管对对温温度度比比较较敏敏感感，实实际际使使用用时时必必须须采采用用适适当当的的方方法法进进行行温温度度补补偿偿。对对于于锗锗磁磁敏敏三三极极管管，例例如如，3ACM，3BCM，其其磁磁灵灵敏敏度度的的温温度度系系数数为为0.8/；硅硅磁磁敏敏三三极极管管(3CCM)磁磁灵灵敏敏度度的的温温度度系系数数为为-0.6/。对对于于硅硅磁磁敏敏三三极极管管可可用用正正温温度度系系数数的的普普通通硅硅三三极极管管来来补补偿偿因因温温度度而而产产生生的的集集电电极极电电流流的的漂漂移移。具具体体补补偿偿电电路路如如图图(a)所所示示。当当温温度度升升高高时时，BG1管管集集电电极极电电流流Ic增增加加，导导致致BGm管管的的集集电电极极电电流流也也增增加加，从从而而补补偿偿了了BGm管因温度升高而导致管因温度升高而导致Ic的下降。的下降。图图(b)是是利利用用锗锗磁磁敏敏二二极极管管电电流流随随温温度度升升高高而而增增加加的的这这一一特特性性使使其其作作硅硅磁磁敏敏三三极极管管的的负负载载，当当温温度度升升高高时时，可可以以弥弥补补硅硅磁磁敏敏三三极极管管的的负负温温度度漂漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一致、磁极相反的磁致、磁极相反的磁敏三极管组成的差敏三极管组成的差分电路，如图分电路，如图(c)所所示，这种电路既可示，这种电路既可以提高磁灵敏度，以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，又能实现温度补偿，它是一种行之有救它是一种行之有救的温度补偿电路。的温度补偿电路。（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用 由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量量10-7T左右的弱磁场。左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。电流表。此外此外,利用磁敏管还可制成转速传感器利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数能测高达每分钟数万转的转速万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。无触点电位器和漏磁探伤仪等。磁敏二磁敏二极极管漏磁探伤管漏磁探伤仪仪 磁磁敏敏二二极极管管漏漏磁磁探探伤伤仪仪是是利利用用磁磁敏敏二二极极管管可可以以检检测测弱弱磁磁场场变变化化的的特特性性而而设设计计的的。原原理理如如图图所所示示。漏漏磁磁探探伤伤仪仪由由激激励励线线圈圈2、铁铁芯芯3、放放大大器器4、磁磁敏敏二二极极管管探探头头5等等部部分分构构成成。将将待待测测物物1(如如钢钢棒棒)置置于于铁铁芯芯之之下下，并并使使之之不不断断转转动动，在在铁铁芯芯、线线圈圈激激磁磁后后，钢钢棒棒被被磁磁化化。若若待待测测钢钢棒棒没没有有损损伤伤的的部部分分在在铁铁芯芯之之下下时时，铁铁芯芯和和钢钢棒棒被被磁磁化化部部分分构构成成闭闭合合磁磁路路，激激励励线线圈圈感感应应的的磁磁通通为为，此此时时无无泄泄漏漏磁磁通通，磁磁场场二二极极管管探探头头没没有有信信号号输输出出。若若钢钢棒棒上上的的裂裂纹纹旋旋至至铁铁芯芯下下，裂裂纹纹处处的的泄泄漏漏磁磁通通作作用用于于探探头头，探探头头将将泄泄漏漏磁磁通通量量转转换换成成电电压压信信号号，经经放放大大器器放放大大输输出出，根根据据指指示示仪仪表表的的示示值值可可以以得得知知待待测测铁铁棒中的缺陷。棒中的缺陷。（四）、常用磁敏管的型号和参数（四）、常用磁敏管的型号和参数3BCM型锗磁敏三极管参数表型锗磁敏三极管参数表参数单位测试条件规范ABCDE磁灵敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B=0.1T5101015 1520 202525击穿电压BUccoVIc=1.5mA2020252525漏电流Icc0Vcs=6A200200200200200最大基极电流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW45使用温度-4065最高温度75mA3CCM型硅磁敏三极管参数表型硅磁敏三极管参数表参数单位测试条件规范磁灵敏度%Ec=6VIb=3mAB=0.1T5%击穿电压BUccoVIc=1020V漏电流Icc0Ice=6A5功耗mW20mW使用温度-4085最高温度100温度系数%/-0.10-0.25%/2024/4/24 周三58光纤传感器光纤传感器概述光纤传感器概述20世纪世纪70年代中期发展起来年代中期发展起来 优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和加速度、磁、电、声和pH值等各种物理量的测量，具有值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。极为广泛的应用前景。2024/4/24 周三59分类n光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。n单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为212 m，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。2024/4/24 周三60各种装饰性光导纤维各种装饰性光导纤维 2024/4/24 周三61 发光发光二极管产二极管产生多种颜生多种颜色的光线，色的光线，通过光导通过光导纤维传导纤维传导到东方明到东方明珠球体的珠球体的表面。在表面。在计算机控计算机控制下，可制下，可产生动态产生动态图案。图案。上海东方明珠上海东方明珠2024/4/24 周三62光纤的结构n光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构如图所示。中心的圆柱体叫做纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。1光纤的结构光纤的结构2024/4/24 周三63光纤的结构 2024/4/24 周三64光纤的结构光纤的结构 2024/4/24 周三65光纤传感器光纤传感器外形外形 2024/4/24 周三66光纤的分类n(1)按光纤的折射率可分为阶跃型和梯度型。n(2)按传输模数可分为单模光纤和多模光纤2024/4/24 周三67光纤的传光原理n光纤的传输是基于光的全内反射。2024/4/24 周三68n只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的 n光纤集光本领的术语叫数值孔径NA nNA=sinc=n数值孔径反映纤芯接收光量的多少。2024/4/24 周三69光纤传感器的工作原理及类型特点n光纤传感器是将光源发出的光经过光纤再送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光。已调制的信号光再经光纤送入光探测器，经解调器解调后，最终获得被测量的参数。1光纤传感器工作原理光纤传感器工作原理2024/4/24 周三70光纤传感器的工作原理及类型特点n按光纤在传感器中功能的不同，光纤传感器可分为两种类型，即非功能型(或称结构型、传光型)光纤传感器（又称光纤式光电传感器）和功能性(或称物性型、传感型)光纤传感器。前者