第2章傳感器概述

第2章傳感器（1）傳感器的組成和分類（2）傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)2.1傳感器概述定義：傳感器是一種能將物理量、化學(xué)量、生物量等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。電信號(hào)可以是電壓、電流、頻率、脈沖等。傳感器究竟是什么？傳感器組成：通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件

2部分組成。圖2-1傳感器組成方框圖其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。由于傳感器輸出信號(hào)一般都很微弱，需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等，此外信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源，因此信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。當(dāng)然，最簡(jiǎn)單的傳感器只有一個(gè)敏感元件組成。如，光電晶體管、熱電偶等。而且隨著集成化、智能化的發(fā)展，很多功能部件集裝到一體,越來越難對(duì)各部分進(jìn)行簡(jiǎn)單劃分。傳感器技術(shù)是一門知識(shí)密集型技術(shù)。傳感器的原理有各種各樣，它與許多學(xué)科有關(guān)，其種類十分繁多，分類方法也很多，目前一般采用兩種分類方法：1、按被測(cè)參數(shù)分類，如溫度、壓力、位移、速度等；2、按傳感器的工作原理分類，如應(yīng)變式、電容式、壓電式、磁電式等。對(duì)于初學(xué)者和應(yīng)用傳感器的工程技術(shù)人員來說，先從工作原理出發(fā)，了解各種各樣傳感器傳感器的基本特性傳感器的結(jié)果是反映客觀量，能否真實(shí)反映取決于它的基本特性，也即它的輸入輸出的關(guān)系。我們通常用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來衡量傳感器的好壞。

靜態(tài)特性------是指輸入信號(hào)（被測(cè)量）的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間變化緩慢）的輸出與輸入的關(guān)系。輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系通?？捎靡粋€(gè)如下的多項(xiàng)式表示：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

式中：a0——輸入量x為零時(shí)的輸出量；

a1，a2，…，an——非線性項(xiàng)系數(shù)。傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標(biāo)來描述，如靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性和漂移等。由于傳感器的慣性和滯后，當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出往往來不及達(dá)到平衡狀態(tài)，處于動(dòng)態(tài)過渡過程之中，所以傳感器的輸出量也是時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動(dòng)態(tài)特性來表示。動(dòng)態(tài)特性-------是指輸入信號(hào)（被測(cè)量）的值處于動(dòng)態(tài)時(shí)（隨時(shí)間而變化）的輸出與輸入的關(guān)系。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)。而實(shí)際的傳感器，輸出信號(hào)將不會(huì)與輸入信號(hào)具有相同的時(shí)間函數(shù),這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。我們重點(diǎn)介紹傳感器的靜態(tài)特性

1.靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義是輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的相應(yīng)輸入量增量Δx之比。用S表示靈敏度，即它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，很顯然，靈敏度S值越大，表示傳感器越靈敏。（2-2）2.2.1傳感器的靜態(tài)特性例如：某一應(yīng)變式傳感器，當(dāng)受到的外力X由1N增加到3N時(shí)，相應(yīng)的輸出電壓Y由4mv增加到8mv,求S。解：ΔX=3-1=2N，ΔY=8-4=4mv所以，S=ΔY/ΔX=4/2=2mv/N圖2-2傳感器的靈敏度線性非線性S=tgθ=Δy/Δx=常數(shù)S=dy/dx(曲線某點(diǎn)的斜率）2.線性度線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。輸出與輸入關(guān)系可分為線性特性和非線性特性。從傳感器的性能看，希望具有線性關(guān)系，即理想輸入輸出關(guān)系。但實(shí)際遇到的傳感器大多為非線性（如圖2-3所示）。

圖2-3線性度在實(shí)際使用中，為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系，因此引入各種非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，如采用非線性補(bǔ)償電路或計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行線性化處理，從而使傳感器的輸出與輸入關(guān)系為線性或接近線性。如果輸入量變化范圍較小，我們常用一條直線（切線或割線）近似地代表實(shí)際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。圖2-4幾種直線擬合方法(a)理論擬合；(b)過零旋轉(zhuǎn)擬合；(c)端點(diǎn)連線擬合；(d)端點(diǎn)平移擬合傳感器的線性度：是指在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值ΔLmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用γL表示，即式中：ΔLmax——最大非線性絕對(duì)誤差；

YFS——滿量程輸出值。越小越好!

3.遲滯

傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯(如圖2-5所示)。圖2-5遲滯特性也就是說，對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值ΔHmax與滿量程輸出值YFS之比稱為遲滯誤差，用γH表示，即（2-4）越小越好!產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷所造成的，例如彈性敏感元件彈性滯后、運(yùn)動(dòng)部件摩擦、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動(dòng)等。

4.重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度（見圖2-6）。圖2-6重復(fù)性5.漂移漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出的變化，溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點(diǎn)漂移和溫度靈敏度漂移。式中：Δt——工作環(huán)境溫度t偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度t20之差，即Δt

=t-t20；

yt——傳感器在環(huán)境溫度t時(shí)的輸出；

y20——傳感器在環(huán)境溫度t20時(shí)的輸出。(2-7)溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（一般為20℃）時(shí)的輸出值的變化量與溫度變化量之比(ξ)來表示，即2.2.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性(簡(jiǎn)單介紹）動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。由于傳感器的慣性和滯后，當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出往往來不及達(dá)到平衡狀態(tài)，處于動(dòng)態(tài)過渡過程之中，所以傳感器的輸出量也是時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動(dòng)態(tài)特性來表示。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)?！埠瘮?shù)關(guān)系為Y（t)=kx(t)〕為了說明傳感器的動(dòng)態(tài)特性，以動(dòng)態(tài)測(cè)溫為例。實(shí)際的傳感器，輸出信號(hào)將不會(huì)與輸入信號(hào)具有相同的時(shí)間函數(shù),這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。如圖2-7所示把一支熱電偶從溫度為20℃環(huán)境中迅速插入一個(gè)溫度為100℃的恒溫水槽中（插入時(shí)間忽略不計(jì)），這時(shí)熱電偶測(cè)量的介質(zhì)溫度從20突然上升到100，而熱電偶反映出來的溫度從20℃變化到100℃需要經(jīng)歷一段時(shí)間，即有一段過渡過程。圖2-7動(dòng)態(tài)測(cè)溫造成熱電偶輸出波形失真和產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因，是溫度傳感器有熱慣性（由傳感器的比熱容和質(zhì)量大小決定）和傳熱熱阻，使得在動(dòng)態(tài)測(cè)溫時(shí)傳感器輸出總是滯后于被測(cè)介質(zhì)的溫度變化。熱電偶反映出來的溫度與其介質(zhì)溫度的差值就稱為動(dòng)態(tài)誤差。2.2壓力傳感器壓力傳感器種類較多，這里只介紹電感式、霍爾式和集成式壓力傳感器利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化,再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,這種裝置稱為電感式傳感器電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,測(cè)量精度高,零點(diǎn)穩(wěn)定,輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn),其主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約,傳感器自身頻率響應(yīng)低,不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制,在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或合金制成,在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ,傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí),氣隙厚度δ發(fā)生改變,引起磁路中磁阻變化,從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化,因此只要能測(cè)出這種電感量的變化,就能確定銜鐵位移量的大小和方向。電感式壓力傳感器工作原理圖

1—可動(dòng)鐵心；2—測(cè)桿；3—被測(cè)物圖4—12可變氣隙式電感測(cè)微計(jì)原理圖霍爾壓力傳感器先看霍爾效應(yīng)的演示霍爾效應(yīng)演示當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)cdab可知霍爾電勢(shì)可表示為霍爾壓力傳感器正是利用所測(cè)量外力對(duì)彈簧的形變影響霍爾元件在磁場(chǎng)中的位置，使產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)與壓力成比例集成壓力傳感器所謂集成壓力傳感器是指將敏感元件和轉(zhuǎn)換電路集成在一起2.3流量傳感器單位時(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的流體數(shù)量稱為瞬時(shí)流量流量的測(cè)量方法1速度式流量傳感器利用管道內(nèi)流量敏感元件把流體的流速變換為壓差、位移、轉(zhuǎn)速、沖力、頻率等對(duì)應(yīng)信號(hào)來間接測(cè)量。2容積式流量傳感器利用已知容積的容室在單位時(shí)間內(nèi)排出流體的次數(shù)來測(cè)量3質(zhì)量式流量傳感器一種是體積通過密度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量。另一種直接式，如熱電式、慣性力式、動(dòng)量矩式。超聲波流量計(jì)

F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)

T1測(cè)量流量原理分類

時(shí)間差法測(cè)量流量原理：在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差t，可得到流體的平均速度及流量。F1發(fā)射的超聲波到達(dá)

F2的時(shí)間較短

頻率差法測(cè)量流量原理：

F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個(gè)超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號(hào)經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動(dòng)電路，使F1發(fā)射第二個(gè)聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測(cè)得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測(cè)得F2的脈沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差

f與被測(cè)流速v成正比。F2F1卡曼渦街流量傳感器工作原理

卡曼渦街旋渦的發(fā)生頻率式中，U1——旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速（m/s）；

Sr——斯特勞哈爾數(shù)；

d——旋渦發(fā)生體迎面寬度；

m——旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比。渦街流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號(hào)不受流體物性和組分變化的影響渦街流量計(jì)檢測(cè)旋渦信號(hào)方式:①用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測(cè)元件直接檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓；②旋渦發(fā)生體上開設(shè)導(dǎo)壓孔，在導(dǎo)壓孔中安裝檢測(cè)元件檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓；③檢測(cè)旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流；④檢測(cè)旋渦發(fā)生體背面交變差壓；⑤檢測(cè)尾流中旋渦列。檢測(cè)漩渦頻率的方法：電容檢測(cè)法應(yīng)力檢測(cè)法熱敏檢測(cè)法超聲檢測(cè)法激光流量傳感器

激光技術(shù)是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，目前已被成功地應(yīng)用于精密計(jì)量、軍事、宇航、醫(yī)學(xué)、生物、氣象等各領(lǐng)域。激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是將外來的能量(電能、熱能、光能等)轉(zhuǎn)化為一定波長(zhǎng)的光，并以光的形式發(fā)射出來。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電路所組成的。激光的本質(zhì)

原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的低能級(jí)狀態(tài)。如果沒有外界的作用，原子可以長(zhǎng)期保持這個(gè)狀態(tài)。原子在得到外界能量后，由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷的過程，叫做原子的激發(fā)。原子處于激發(fā)的時(shí)間是非常短的，處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地躍遷到低能級(jí)上去，同時(shí)輻射出光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)的原子自發(fā)地從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)上去而發(fā)光，叫做原子的自發(fā)輻射。進(jìn)行自發(fā)輻射時(shí)，各個(gè)原子的發(fā)光過程互不相關(guān)。它們輻射光子的傳播方向，以及發(fā)光時(shí)原子由高能級(jí)向哪一個(gè)能級(jí)躍遷(即發(fā)光的頻率等都具有偶然性。因此原子自發(fā)輻射的光是一系列不同頻率的光子混合。

激光的形成

激光是媒質(zhì)的粒子(原子或分子)受激輻射產(chǎn)生的，但它必須具備下述的條件才能得到。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)即處于低能級(jí)上的粒子數(shù)大于處于高能級(jí)上的粒子數(shù)。在這種情況下，光吸收是主要的。要實(shí)現(xiàn)光的放大，必須要使情況相反。這種不平衡狀態(tài)分布叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?？梢酝ㄟ^氣體放電或光照射等從外界供給能量的方法來獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。激光器的光振蕩放大要想產(chǎn)生激光，單靠外界激發(fā)而得到的初級(jí)受激輻射是不行的。實(shí)際的激光器都是由一個(gè)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的粒子系統(tǒng)(叫做工作物質(zhì))和一個(gè)光學(xué)共振腔組成。光學(xué)共振腔由兩端為各種形狀的曲面反射鏡構(gòu)成。最簡(jiǎn)單的光學(xué)共振腔是兩面相互平行的平面反射鏡，鏡面對(duì)光有很高的反射率，而工作物質(zhì)封裝在有兩個(gè)反射鏡的封閉體中。當(dāng)工作物質(zhì)產(chǎn)生受激輻射時(shí)，受激輻射光在兩反射鏡之間作一定次數(shù)的往返反射，而每次返回時(shí)都經(jīng)過建立了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)，這樣使受激輻射一次又一次地加強(qiáng)，這樣幾十次、幾百次的往返，直至能獲得單方向的強(qiáng)度非常集中的激光輸出為止。我們把激光在共振腔內(nèi)往返放大過程叫做振蕩放大。被激發(fā)的工作物質(zhì)中的某些原子受激輻射而放出光子，如果發(fā)射方向正好和腔軸線平行，則可能在腔內(nèi)起放大作用。一部分偏離軸線方向的光子則跑出腔外而成為一種損耗。若光在來回反射過程中，放大作用克服了各種衰減作用(如共振腔的透射、工作物質(zhì)對(duì)光的散射和吸收等)，就形成穩(wěn)定的光振蕩而產(chǎn)生激光，以很好的方向沿軸向輸出。激光的特點(diǎn)

高方向性高方向性就是高平行度，即光束的發(fā)散角小。激光束的發(fā)散角已達(dá)到幾分甚至可小到。所以通常稱激光是平行光。高亮度激光在單位面積上集中的能量很高。一臺(tái)較高水平的紅寶石脈沖激光器亮度達(dá)比太陽(yáng)的發(fā)光亮度高出很多倍。把這種高亮度的激光束會(huì)聚后能產(chǎn)生幾百萬(wàn)攝氏度的高溫。在這種高溫下，就是最難熔的金屬，在一瞬間也會(huì)熔化。

單色性好單色光是指譜線寬度很窄的一段光波。激光光譜單純，波長(zhǎng)變化范圍小，與普通光源相比縮小了幾萬(wàn)倍。高相干性相干性就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)。普通光源是非相干光源，而激光是極好的相干光源。

由于激光具有上述特點(diǎn)，因此利用激光可以導(dǎo)向；做成激光干涉儀測(cè)量物體表面的平整度、測(cè)量長(zhǎng)度、速度、轉(zhuǎn)角；切割硬質(zhì)材料等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光的應(yīng)用會(huì)更加普遍。

激光器

激光器的種類很多。按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體、半導(dǎo)體激光器。激光流量傳感器原理基于多普勒效應(yīng)激光照射流動(dòng)的微粒被散射，散射光的頻率與入射光頻率之差與流速成正比參數(shù)為入射光波長(zhǎng)、兩束入射光夾角、多普勒頻率工作過程：激光源發(fā)出的激光束通過偏振器后由光束分解器分為兩束再有焦點(diǎn)透鏡聚焦在測(cè)定點(diǎn)，測(cè)定點(diǎn)的粒子引起的散射光由聚焦透鏡導(dǎo)向光敏元件，即得到流速。光纖流量傳感器一.光纖的結(jié)構(gòu)

光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)構(gòu)成的光通路。光纖的結(jié)構(gòu)如圖所示，它由折射率n1較大(光密介質(zhì))的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質(zhì))的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。圖

光纖的基本結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)

二.傳光原理

光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)光線以較小的入射角θ1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(即n1＞n2)時(shí)(見圖)，則一部分入射光將以折射角θ2折射入介質(zhì)2，其余部分仍以θ1反射回介質(zhì)1。圖

光在兩介質(zhì)界面上的折射和反射依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有

(2-1)當(dāng)θ1角逐漸增大，直至θ1=θc時(shí)，透射入介質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?θ2=90°)。對(duì)應(yīng)于θ2=90°時(shí)的入射角θ1稱為臨界角θc；由式(2-1)則有

(2-2)

可見，當(dāng)θ1＞θc時(shí)，光線將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)(纖芯)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ)。光纖傳輸?shù)墓獠?，可以分解為沿縱軸向傳播和沿橫切向傳播的兩種平面波成分。后者纖芯和包層的界面上會(huì)產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫切向往返一次的相位變化為2π的整數(shù)倍時(shí)，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為模；它是離散存在的，亦即某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。通常纖芯直徑較粗時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模，而纖芯很細(xì)時(shí)，只能傳播一個(gè)模。前者稱為多模光纖后者是單模光纖。光纖流量傳感器則利用流體的壓力使光纖發(fā)生機(jī)械應(yīng)變，從而導(dǎo)致光纖中傳輸?shù)母髂Ｊ降墓獾南辔徊畎l(fā)生變化，導(dǎo)致光強(qiáng)出現(xiàn)強(qiáng)弱變化，其振幅和流速成正比。2.4溫度傳感器溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。溫度是與人類生活息息相關(guān)的物理量。在2000多年前，就開始為檢測(cè)溫度進(jìn)行了各種努力，并開始使用溫度傳感器檢測(cè)溫度。人類社會(huì)中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、國(guó)防、醫(yī)學(xué)及環(huán)保等部門都與溫度有著密切的關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化流程，溫度測(cè)量點(diǎn)要占全部測(cè)量點(diǎn)的一半左右。溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)。溫度傳感器的種類及特點(diǎn)

接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點(diǎn)：傳感器直接與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量，由于被測(cè)物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測(cè)物體溫度，特別是被測(cè)物體熱容量較小時(shí)，測(cè)量精度較低。因此采用這種方式要測(cè)得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測(cè)物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測(cè)物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測(cè)量物體的溫度，可進(jìn)行遙測(cè)。其制造成本較高，測(cè)量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測(cè)物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)；連續(xù)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。1．常用熱電阻

范圍：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改進(jìn)后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。2．管纜熱電阻測(cè)溫范圍為-20～＋500℃，最高上限為1000℃，精度為0.5級(jí)。（－）接觸式溫度傳感器3．陶瓷熱電阻測(cè)量范圍為–200～+500℃，精度為0.3、0.15級(jí)。4．超低溫?zé)犭娮鑳煞N碳電阻，可分別測(cè)量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的溫度。5．熱敏電阻器適于在高靈敏度的微小溫度測(cè)量場(chǎng)合使用。經(jīng)濟(jì)性好、價(jià)格便宜。l．輻射高溫計(jì)用來測(cè)量1000℃以上高溫。分四種：光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)和光電高溫計(jì)。2．光譜高溫計(jì)前蘇聯(lián)研制的YCI—I型自動(dòng)測(cè)溫通用光譜高溫計(jì),其測(cè)量范圍為400～6000℃,是采用電子化自動(dòng)跟蹤系統(tǒng),保證有足夠準(zhǔn)確的精度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。（二）非接觸式溫度傳感器3．超聲波溫度傳感器特點(diǎn)是響應(yīng)快(約為10ms左右)，方向性強(qiáng)。目前國(guó)外有可測(cè)到5000℉的產(chǎn)品。4．激光溫度傳感器適用于遠(yuǎn)程和特殊環(huán)境下的溫度測(cè)量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計(jì)可測(cè)很高的溫度，精度為1％。美國(guó)麻省理工學(xué)院正在研制一種激光溫度計(jì)，最高溫度可達(dá)8000℃，專門用于核聚變研究。PN結(jié)溫度傳感器熱敏二極管溫度傳感器熱敏晶體管溫度傳感器原理利用器件的輸出電流隨溫度的變化關(guān)系，將溫度變化通過器件與運(yùn)放構(gòu)成的電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出。設(shè)計(jì)原理：利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。優(yōu)點(diǎn)：輸出線性好、測(cè)量精度高,傳感驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路等都與溫度傳感部分集成在一起,因而封裝后的組件體積非常小,使用方便,價(jià)格便宜,故在測(cè)溫技術(shù)中越來越得到廣泛應(yīng)用。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹IC溫度傳感器的類型、基本原理、主要特性及其應(yīng)用等有關(guān)問題。

IC溫度傳感器

IC溫度傳感器的分類電壓型IC溫度傳感器；電流型IC溫度傳感器，數(shù)字輸出型IC溫度傳感器。電流型IC溫度傳感器是把線性集成電路和與之相容的薄膜工藝元件集成在一塊芯片上,再通過激光修版微加工技術(shù),制造出性能優(yōu)良的測(cè)溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學(xué)溫度，即1μA/K；其次，因電流型輸出恒流，所以傳感器具有高輸出阻抗。其值可達(dá)10MΩ。這為遠(yuǎn)距離傳輸深井測(cè)溫提供了一種新型器件。電壓型IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準(zhǔn)電壓、緩沖放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故輸出電壓高、線性輸出為10mV／℃；另外,由于其具有輸出阻抗低的特性；抗干擾能力強(qiáng)，故不適合長(zhǎng)線傳輸。這類IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。電流型IC溫度傳感器的測(cè)溫原理，是基于晶體管的PN結(jié)隨溫度變化而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象研制的。眾所周知，晶體管PN結(jié)的這種溫漂，會(huì)給電路的調(diào)整帶來極大的麻煩。但是，利用PN結(jié)的溫漂特性來測(cè)量溫度，可研制成半導(dǎo)體溫度傳感元件。IC溫度傳感器就是依據(jù)半導(dǎo)體的溫漂特性，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)而制造出來的集成化線性較好的溫度傳感器件。利用電流I與Tk的正比關(guān)系，通過電流的變化來測(cè)量溫度的大小。IC溫度傳感器的測(cè)溫原理

1.電流輸出型溫度傳感器

工作原理如下圖所示，V1和V2構(gòu)成鏡像恒流源，I1=I2；V3由幾個(gè)與V4結(jié)構(gòu)相同的晶體管組成；V4的PN結(jié)檢測(cè)溫度，UBE3和UBE4的差值ΔUBE加在電阻R上，

則I1為

式中，K為波耳茲曼常數(shù)；T為溫度；n=I3/I4。由圖可見，I0=2I1，

與絕對(duì)溫度成正比。

圖電流輸出型溫度傳感器測(cè)溫電路電壓輸出型集成溫度傳感器AN6701S有四個(gè)引腳，三種連線方式：(a)正電源供電，(b)負(fù)電源供電，(c)輸出極性顛倒。電阻RC用來調(diào)整25℃下的輸出電壓，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范圍內(nèi)。這時(shí)靈敏度可達(dá)109~110mV/℃，在-10~80℃范圍內(nèi)基本誤差不±1℃。輸出AN6701(a)1243RC5~15VAN6701(c)10kΩRC3124

-+∞+100kΩ10kΩ100kΩAN6701(b)213輸出4－5~－15VRC輸出

集成數(shù)字溫度傳感器及溫度控制器（DS1620）

基本特性

DS1620可用來檢測(cè)溫度，

測(cè)量溫度范圍為-55～125℃，

分辨率為0.5℃。

通過其內(nèi)電路A/D轉(zhuǎn)換，

輸出溫度值為9位二進(jìn)制數(shù)字量。

最高位MSB是符號(hào)位，

0表示正數(shù)，

1表示負(fù)數(shù)。

因此有效位為8位，

測(cè)溫范圍為-55～125℃，

分辨力為0.5℃，

即最低位1LSB代表0.5℃。

例如，

-25℃的二進(jìn)制數(shù)碼為111001110，

十六進(jìn)制數(shù)碼為01CEH；

25℃的二進(jìn)制數(shù)碼為000110010，

十六進(jìn)制數(shù)碼為0032H。

DS1620也可用于溫度控制。它有三個(gè)溫度信號(hào)輸出：THIGH、TLOW、TCOM。根據(jù)恒溫要求，設(shè)定高溫限制溫度TH和低溫限制溫度TL后，若DS1620檢測(cè)的溫度大于或等于TH

，則THIGH端輸出高電平；若DS1620檢測(cè)的溫度低于或等于TL，則TLOW端輸出高電平；TCOM端輸出具有滯回特性，當(dāng)檢測(cè)的溫度超過TH時(shí)，輸出跳變?yōu)楦唠娖讲⒁恢北３指唠娖剑挥挟?dāng)溫度降到TL時(shí)，TCOM端才輸出才跳變?yōu)榈碗娖健＠肨HIGH、TLOW和TCOM輸出的溫度信號(hào)就可以用來控制溫度。外形及管腳功能

DS1620有DIP封裝和貼片式SOIC封裝兩種，

其八個(gè)引腳的功能如表9-13所示。

表DS1620的引腳功能

DS1620的基本應(yīng)用方法在DS1620用來作簡(jiǎn)單的溫度控制時(shí)，無需CPU，但必須在存儲(chǔ)器中存入上下限溫度TH、TL的值。在不使用CPU時(shí)，CLK/CONV（2腳）能用作溫度啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，但RST必須為低電平，而CLK/CONV必須為高電平。若CLK/CONV被拉到低電平且在10ms內(nèi)又變?yōu)楦唠娖剑瑒t將進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換。然后，DS1620轉(zhuǎn)為空載狀態(tài)，稱為單步模式，即DS1620接收到一個(gè)溫度轉(zhuǎn)換指令后，執(zhí)行一次溫度轉(zhuǎn)換。若CLK/CONV被拉到低電平并保持之，則轉(zhuǎn)換將連續(xù)進(jìn)行，直到CLK/CONV變?yōu)楦唠娖綖橹?，稱為連續(xù)模式。典型的溫控操作使DS1620工作在連續(xù)模式。當(dāng)使用CPU時(shí)，DS1620將通過三線串行口通信。三線總線包含三個(gè)信號(hào)：RST復(fù)位信號(hào)、CLK時(shí)鐘信號(hào)及DQ數(shù)據(jù)信號(hào)。工作時(shí)，CLK/CONV端用作時(shí)鐘信號(hào)輸入端，使DQ及RST信號(hào)同步，RST輸入高電平，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)RST為低電平時(shí)，終止通信。數(shù)據(jù)通過三線接口通信時(shí)，LSB是第一位，即由低位向高位傳送。

用于三線接口的指令如表9-14所示。

當(dāng)發(fā)出有關(guān)指令后，

以后9個(gè)時(shí)鐘周期即能輸入或輸出9位溫度值，或者執(zhí)行有關(guān)功能。

注意，

寫入DS1620的僅僅是這些規(guī)約，若寫入其他規(guī)約，

則可能引起器件損壞。

DS1620使用時(shí)無需外圍元件，測(cè)溫范圍從-55～125℃，分辨力可達(dá)0.5℃，轉(zhuǎn)換速度為1s，控制的極限溫度由用戶設(shè)置，存儲(chǔ)在非揮發(fā)存儲(chǔ)器中。另外，它由三線串行口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀和寫。采用DS1620組成的儀器風(fēng)扇溫控電路如圖所示。

圖中，

先在DS1620中設(shè)置上、下限溫度值，如設(shè)上限為30℃，

下限為28℃，

則根據(jù)DS1620特性，

當(dāng)儀器環(huán)境溫度超過30℃時(shí)，5腳輸出高電平，

促使場(chǎng)效應(yīng)管2N7000導(dǎo)通，

儀器風(fēng)扇通電工作，

使之散熱降溫。當(dāng)溫度降至28℃時(shí)，5腳輸出低電平，

場(chǎng)效應(yīng)管2N7000截止，儀器風(fēng)扇停止工作。該電路不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

且可省電、

延長(zhǎng)風(fēng)扇電機(jī)壽命。

圖

儀器風(fēng)扇溫控電路

光

電

溫

度

計(jì)

光電高溫計(jì)是以光學(xué)高溫計(jì)為基礎(chǔ)，

能自動(dòng)連續(xù)測(cè)溫的儀表。

它可以自動(dòng)平衡亮度。

光電高溫計(jì)采用了硅光電池代替人的眼睛感受輻射源的亮度變化，

排除了人為因素。

為了減少硅光電池性能參數(shù)的變化及電源電壓波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，

光電高溫計(jì)采用負(fù)反饋原理進(jìn)行工作。

光電高溫計(jì)的工作原理如下圖（a）所示。

從被測(cè)物體17的表面發(fā)出的輻射能由物鏡聚焦，

通過孔徑光闌2和遮光板6上的孔3，

透過裝于板6內(nèi)的紅色濾光片入射到硅光電池4上，

被測(cè)物體表面發(fā)出的光束必須蓋滿孔3，

這點(diǎn)可用瞄準(zhǔn)系統(tǒng)觀察、

調(diào)節(jié)。

瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是由瞄準(zhǔn)透鏡10，

反射鏡11和觀察孔12組成。

從反饋燈15發(fā)出的輻射能通過遮光板6上的孔5，

透過同一塊紅色濾光片也投射到同一個(gè)硅光電池4上。

在遮光板6的前面裝有每秒鐘振動(dòng)50次的光調(diào)制器。

光調(diào)制器的原理如下圖（b）所示，

激磁繞組通以50Hz的交流電，

由此產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)與永久磁鋼8相互作用，

使調(diào)制片7產(chǎn)生每秒鐘50次的機(jī)械振動(dòng)，

交替打開和遮住孔3與孔5，

使被測(cè)表面17和反饋燈15發(fā)出的輻射能交替地投射到硅光電池4上。

當(dāng)反饋燈與被測(cè)表面的輻射亮度不同時(shí)，

硅光電池將產(chǎn)生一個(gè)脈沖光電流I，

他與這兩個(gè)單色輻射亮度之差成正比。

此脈沖光電流經(jīng)前置放大器13放大后，

再送到主放大器14進(jìn)一步放大。

主放大器由倒相器、

差動(dòng)相敏放大器和功率放大器組成。

功率放大器輸出的直流電流通過反饋燈15，

該燈的亮度與流經(jīng)的電流有一定關(guān)系。

當(dāng)流經(jīng)的電流變化到使其單色輻射亮度與被測(cè)物體的單色輻射亮度相同時(shí)，

則脈沖光電流接近于零。

這時(shí)通過反饋燈的電流大小就代表被測(cè)物體的輻射亮度，

也就代表了被測(cè)物體的溫度。

選用溫度刻度的電子電位差計(jì)16自動(dòng)指示與記錄通過反饋燈的電流大小。

由上述討論可知，

穩(wěn)態(tài)時(shí)反饋燈的亮度接近于被測(cè)物體的亮度。

圖

WDL型光電高溫計(jì)工作原理圖(a)工作原理示意圖；

(b)光調(diào)制器

紅外測(cè)溫儀

紅外測(cè)溫儀一般用于探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射和測(cè)定其輻射強(qiáng)度，確定目標(biāo)的溫度。它采用濾光片可分離出所需波段，因而該儀器能工作在任意紅外波段。下圖為目前常見的紅外測(cè)溫儀方框圖。

它的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)固定焦距的透射系統(tǒng)，

物鏡一般為鍺透鏡，

有效通光口徑即作為系統(tǒng)的孔徑光欄。

濾光片一般采用只允許8～14μm的紅外輻射通過的材料。

紅外探測(cè)器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測(cè)器，

安裝時(shí)保證其光敏面落在透鏡的焦點(diǎn)上。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)入射的紅外輻射進(jìn)行斬光，將恒定或緩變的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測(cè)器上，紅外探測(cè)器將紅外輻射變換為電信號(hào)輸出。

圖

紅外測(cè)溫儀方框圖

光纖溫度傳感器

1.功能型功能型也稱物性型或傳感型，光纖在這類傳感器中不僅作為光傳播的波導(dǎo),而且具有測(cè)量的功能。該類傳感器利用某種參數(shù)隨溫度而變化的特性作為傳感器的主體，即將其作為敏感元件進(jìn)行測(cè)溫。下圖為三種應(yīng)用光纖制作溫度傳感器的原理圖。圖功能型光纖溫度傳感器（a）利用光的振幅變化的傳感器；（b）利用光的偏振面旋轉(zhuǎn)的傳感器；（c）、

（d）

利用光的相位變化的光纖溫度傳感器

2.非功能型下圖是一個(gè)光纖端面上配置液晶芯片的光纖溫度傳感器。

它是將三種液晶以適當(dāng)?shù)谋壤旌希?/p>

在10～45℃之間，

顏色從綠到紅，

這種傳感器之所以能用來檢測(cè)溫度，

是因?yàn)槔昧斯獾姆瓷湎禂?shù)隨顏色而變化的原理，

傳輸?shù)墓饫w中光纖的光通量要比較大，

所以通常采用多模光纖。

在圖所示的系統(tǒng)中，

照射部分和反射部分各用三根多模光纖，

精度為0.1℃。

圖

利用液晶的光纖溫度傳感器

2.5氣體傳感器氣體傳感器是將被測(cè)氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件。氣體傳感器是用來檢測(cè)氣體類別、濃度和成分的傳感器。由于氣體種類繁多,性質(zhì)各不相同，不可能用一種傳感器檢測(cè)所有類別的氣體，按構(gòu)成氣體傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。目前實(shí)際使用最多的是半導(dǎo)體氣體傳感器。

半導(dǎo)體氣體傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測(cè)氣體的。按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型。前者半導(dǎo)體表面吸附的氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變；后者半導(dǎo)體與氣體的反應(yīng)，使半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化，而使電導(dǎo)率變化。半導(dǎo)體氣體傳感器按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時(shí)，其阻值變化來檢測(cè)氣體的成分或濃度；非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其它參數(shù)，如二極管伏安特性和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來檢測(cè)被測(cè)氣體的。半導(dǎo)體氣體傳感器的機(jī)理半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲透特性)時(shí)，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱?，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使半導(dǎo)體電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對(duì)固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。圖

N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖半導(dǎo)體氣體傳感器類型及結(jié)構(gòu)

1.電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器

SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。圖

半導(dǎo)體氣體傳感器的敏感元件(a)燒結(jié)型元件；(b)薄膜型元件(c)厚膜型元件93燒結(jié)型SnO2氣敏元件其敏感體用粒徑很小(平均粒徑≤１μm)的SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測(cè)可燃的還原性氣體，其工作溫度約300℃。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件)內(nèi)熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)1234SnO2燒結(jié)體加熱極兼電極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號(hào)由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測(cè)量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。

94（2）旁熱式SnO2氣敏元件加熱器電阻值一般為30Ω～40Ω電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)7100目不銹鋼網(wǎng)?18.4?123123456745°45°氣敏元件外形和引出線分布

2.非電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣體傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。由于類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價(jià)格便宜。利用特定材料還可以使器件對(duì)某些氣體特別敏感。

(1)MOS二極管氣敏器件

MOS二極管氣敏元件制作過程是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50~100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)的金屬薄膜，作為柵電極，如圖14-5(a)所示。圖MOS二極管結(jié)構(gòu)和等效電路(a)結(jié)構(gòu)；(b)等效電路；(c)C-U特性

(2)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣敏器件鈀-MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Pd-MOSFET)的結(jié)構(gòu)，參見圖。圖

鈀—MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)：常數(shù)UG：柵壓UT：ID是流過時(shí)的最小臨界電壓值漏極電流：在鈀－MOS場(chǎng)效應(yīng)管中，UT會(huì)隨空氣中所含氫氣濃度的增高而降低。電化學(xué)式氣體傳感器工作原理：利用電化學(xué)原理將被測(cè)氣體的含量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)一般可分為：原電池式、可控電位電解式、電量式、離子電極式原電池式是通過檢測(cè)電流來檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)可控電位電解式是通過測(cè)量電解時(shí)流過的電流檢測(cè)電量式是通過被測(cè)氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來檢測(cè)離子式是通過測(cè)量離子極化電流來檢測(cè)固體電解質(zhì)氣體傳感器固體電解質(zhì)是具有離子導(dǎo)電性能的固體物質(zhì)。一般認(rèn)為，固體物質(zhì)(金屬或半導(dǎo)體)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的是正、負(fù)離子。可是，在固體電解質(zhì)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的，卻主要是離子。二氧化鋯（ZrO2）在高溫下(但尚遠(yuǎn)未達(dá)到熔融的溫度)具有氧離子傳導(dǎo)性。

純凈的二氧化鋯在常溫下屬于單斜晶系，隨著溫度的升高，發(fā)生相轉(zhuǎn)變。在1100℃下，為正方晶系，2500℃下，為立方晶系，2700℃下熔融，在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等雜質(zhì)后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結(jié)構(gòu)，稱為穩(wěn)定化二氧化鋯。并且由于雜質(zhì)的加入，在二氧化鋯晶格中產(chǎn)生氧空位，其濃度隨雜質(zhì)的種類和添加量而改變，其離子電導(dǎo)性也隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量而變化。接觸燃燒式氣體傳感器

1、檢測(cè)原理

可燃性氣體(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高(低于10％)，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)?？諝庵锌扇夹詺怏w濃度愈大，氧化反應(yīng)(燃燒)產(chǎn)生的反應(yīng)熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測(cè)定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(ΔR)，就可檢測(cè)空氣中可燃性氣體的濃度。但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測(cè)元件，其壽命較短，所以，實(shí)際應(yīng)用的檢測(cè)元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長(zhǎng)其使用壽命，又可以提高檢測(cè)元件的響應(yīng)特性。接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖。圖中F1是檢測(cè)元件；F2是補(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時(shí)，要求在F1和F2上保持100mA～200mA的電流通過，以供可燃性氣體在檢測(cè)元件F1上發(fā)生氧化反應(yīng)(接觸燃燒)所需要的熱量。當(dāng)檢測(cè)元件F1與可燃性氣體接觸時(shí)，由于劇烈的氧化作用(燃燒)，釋放出熱量，使得檢測(cè)元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在A、B間產(chǎn)生電位差E。

AF2F1MR1R2CBDW2W1E0因?yàn)棣F很小，且RF1?R1=RF2?R2

這樣，在檢測(cè)元件F1和補(bǔ)償元件F2的電阻比RF2/RF1接近于1的范圍內(nèi)，A，B兩點(diǎn)間的電位差E，近似地與ΔRF成比例。在此，ΔRF是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫度變化(燃燒熱)引起的，是與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧化反應(yīng)熱)成比例的。即ΔRF可用下式表示如果令則有ρ—檢測(cè)元件的電阻溫度系數(shù)；ΔT—由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測(cè)元件的溫度增加值；ΔH—可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量；C—檢測(cè)元件的熱容量；Q—可燃性氣體的燃燒熱；m—可燃性氣體的濃度[％(Vol)]；α—由檢測(cè)元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。光學(xué)式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型、光纖化學(xué)材料型紅外吸收型應(yīng)用較為廣泛，主要工作原理為不同氣體的紅外吸收峰不同，通過測(cè)量和分析紅外吸收峰來檢測(cè)氣體。高分子氣體傳感器應(yīng)用高分子氣敏材料完成氣體檢測(cè)，分為以下幾種。高分子電阻式氣體傳感器濃差電池式氣體傳感器聲表面波式氣體傳感器石英振子式氣體傳感器固態(tài)圖像傳感器圖像傳感器：利用光電器件的光－電轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)“圖像”的一種功能器件，固態(tài)圖像傳感器：在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元與移位寄存器構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件。光敏單元簡(jiǎn)稱為“像素”或“像點(diǎn)”。特點(diǎn)：集成度高、尺寸小、電壓低（DC7～12V）、功耗小。該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化，應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個(gè)領(lǐng)域。固態(tài)圖像傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。敏感元件主要有三大類：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）

CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）光敏元陣列）。電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬(wàn)）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。讀出移位寄存器。

電荷耦合器件（CCD）

1.CCD基本結(jié)構(gòu)CCD結(jié)構(gòu)示意圖

顯微鏡下的MOS元表面

電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)——以電荷作為信號(hào)。

CCD的基本功能——電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。

CCD工作過程——信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過程。

一系列彼此非常接近的MOS電容用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底可以是P型或N型材料，上面生長(zhǎng)均勻、連續(xù)的氧化層，在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金屬化電極（柵極）。CCD工作原理(1)MOS的結(jié)構(gòu)2.CCD工作原理(2)電荷存儲(chǔ)原理：當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對(duì)電子而言，是一勢(shì)能很低的區(qū)域，稱“勢(shì)阱”。有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢(shì)阱（俘獲），此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。一個(gè)MOS光敏元結(jié)構(gòu)

一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元或一個(gè)像素；把一個(gè)勢(shì)阱所收集的光生電子稱為一個(gè)電荷包；

CCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個(gè)金屬電極加電壓，就形成成百上千個(gè)勢(shì)阱；如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖像。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。CCD工作原理(2)電荷存儲(chǔ)原理：265×180133×9066×4533×22分辨率（MOS元多少）不同的圖象比較CCD工作原理(3)電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）光敏元上的電荷需要經(jīng)過電路進(jìn)行輸出，CCD電荷耦合器件是以電荷為信號(hào)而不是電壓電流。讀出移位寄存器也是MOS結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化物、半導(dǎo)體三部分組成。它與MOS光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆蓋了一層遮光層，防止外來光線干擾。由三個(gè)十分鄰近的電極組成一個(gè)耦合單元；在三個(gè)電極上分別施加脈沖波三相時(shí)鐘脈沖Φ1Φ2Φ3。

CCD工作原理電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)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為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。見圖P1P1P2P2P3P3P1P1P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t30三相控制是在線陣列的每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個(gè)相位不同的控制脈沖Φ1，Φ2，Φ3，見圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。P1P2當(dāng)P1極施加高電壓時(shí)，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時(shí)，由于兩電勢(shì)下面勢(shì)阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當(dāng)P1回到低電位時(shí)，電荷包全部流入P2下的勢(shì)阱中（t=t2）。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢(shì)阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。P1P2P2P3P3P1P1P2P3P3t=t0t=t1P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3t=t2t=t3P2P1CCD固態(tài)圖像傳感器線陣CCD型面陣CCD型CCD固態(tài)圖像傳感器線型CCD圖像傳感器

線型CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行構(gòu)成。光敏元和移位寄存器之間有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵,如圖所示。轉(zhuǎn)移控制柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光積分區(qū)輸出(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出在每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極,由一個(gè)P型溝阻使其在電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出

目前，實(shí)用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號(hào)電荷的順序。面型CCD圖像傳感器面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種典型結(jié)構(gòu)形式。二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出

行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動(dòng)感光區(qū)(a)圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。溝阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3

感光區(qū)

存儲(chǔ)區(qū)析像單元

視頻輸出輸出柵串行讀出(b)

圖（b）所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲(chǔ)區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲(chǔ)區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號(hào)移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動(dòng)以視頻信號(hào)輸出。當(dāng)整幀視頻信號(hào)自存儲(chǔ)移出后，就開始下一幀信號(hào)的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)器。光柵報(bào)時(shí)鐘二相驅(qū)動(dòng)輸出寄存器檢波二極管

視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器感光區(qū)二相驅(qū)動(dòng)(c)圖(c)所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將圖(b)中感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡(jiǎn)單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。CCD產(chǎn)品CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器從原理可分為無源像素傳感器PPS(Passive-PixelSensor)和有源像素傳感器APS(Active-PixelSensor)兩大類。從結(jié)構(gòu)上講，主要包括光敏二極管型無源、有源像素圖像傳感器和光電柵型有源像素圖像傳感器。

下圖簡(jiǎn)單的說明了光敏二極管型無源圖像傳感器和光敏二極管型有源圖像傳感器感光單元的結(jié)構(gòu)

。

光敏二極管型CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)在光敏二極管型無源圖像傳感器中，光敏二極管受光照將光子變成電子，通過行選擇開關(guān)將電荷讀到列輸出線上；在光敏二極管型有源CMOS圖像傳感器中，則通過復(fù)位開關(guān)和行選擇開關(guān)將放大后的光生的電荷讀到感光陣