机械工程测试技术基础 第3版 教学课件 作者 熊诗波 黄长艺第三章测试3-8.ppt

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1、第八节半导体传感器物性型传感器磁敏效应---霍尔元件，磁阻元件光电效应---各种光电传感器热电效应----温度传感器优点：体积小；功耗低；安全可靠，寿命长；灵敏，响应快；易于集成。一．磁敏传感器：利用半导体材料的磁敏效应进行工作霍尔元件磁阻元件磁敏管⒈霍尔元件：2、受温度影响大，3、性能参数分散性大。缺点：1、输出一般是非线性的。①“霍尔效应”②基本电路H在电路中的表示符号：基本电路：③应用：Bx0测量磁场；检测电流；测量微小位移，压力，机械振动。a．霍尔式位移传感器：霍尔集成电路b．霍尔式压力传感器：（p205图9-10）弹性元件波登管膜盒被测压力霍尔元件

2、的位移UHc．霍尔效应开关二．光电转换元件光量电量光电效应内光电效应光电导效应----光敏电阻光生伏特效应----光电池，光电二、三极管外光电效应----真空光电管，光电倍增管。n------载流子浓度；e-----电子电荷；u-----载流子的迁移率（u=；v---载流子运动速度；E--电场强度。）vE⒈内光电效应：物质受到光照射后，激发出的光生载流子（电子空穴对）停留在物质内部不逸出。①光电导效应：半导体材料的电导率σ=neu在入射光的照射下，产生光生载流子，浓度增加，电导率增加，电阻减小。基于光电导效应工作的典型光电器件----光敏电阻a．基本工作电路

3、：常闭b．应用举例路灯自动点熄原理两部分组成①电阻R，电容C和二极管D组成半波整流滤波电路。②CdS（硫化镉）光敏电阻和继电器组成光控继电器。②光生伏特效应E结电场PN对结型半导体，又称势垒效应。PN结的形成扩散（多子，浓度差）漂移（少子，内建电场）①光电池工作于零偏状态。②光电二极管工作于反偏状态。③光电三极管是一具有光电转换能力的晶体管。光信号是在集电结（基极、集电极之间）进行光电转换的，再由集电极、基极、发射极构成的晶体三极管放大而输出信号。hν光子光电子⒉外光电效应（光电子发射效应）爱因斯坦方程：阴极阳极电子聚焦系统倍增极⒈真空光电管：⒉光电倍增管：

4、三．固态图象传感器（SolidStateImagingSensor---SSIS）衬底绝缘层栅极⒈概述：电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice---CCD）自扫描光电二极管列阵（SelfScannedPhotodiodeArray--SSPD）电荷注入器件（ChargeInjectionDevice----CID）⒉基本工作原理：①CCD的MOS结构：MOS电容器列阵。线阵（一维）面阵（二维）特殊列阵（环形，扇形）②信息电荷的存贮在栅极上加一正向偏压（P型）。排斥多数载流子（孔穴），在SiO2和半导体表面形成耗尽层。由于表面电势为正，能象阱一样收

5、集电子，称为储存少数载流子的势阱（表面势阱）。势阱的深度或说势阱收集少数载流子的能力是由栅压确定的，栅压越大，势阱越深，收集电子的能力越强。a．表面势阱的形成：b．热驰豫过程：CCD是一种非稳态器件。CCD要存储有用的信号电荷，要求信号电荷的存储时间小于热激发电子的存储时间（热驰豫时间）。在热驰豫时间内（达到饱和状态之前），栅压一定的条件下，MOS电容器具有一定收集电子的能力。在势阱中的“电荷包”大小与入射光强度成正比，从而实现从光信号向电信号的转换。c．光电转换，信号电荷的存贮：③信息电荷的传输Φ3φ2φ1φ1φ2φ3（线阵三相时钟脉冲驱动）④线阵CCD图

6、象传感器的基本工作原理光敏单元转移控制栅输出移位寄存器⒊CCD的应用：可同时实现光照度和位置的测量。①用于热轧板宽度检测视频信号处理驱动控制器计算显示CCD工件成象透镜光源②工件尺寸的高精度检测：光栅式数字位移传感器一．概述：数字式位移传感器线位移计量光栅角位移磁栅编码器⒈直线光栅玻璃透射光栅金属反射光栅a----刻线宽度；b----缝隙宽度；W=a+b栅距（光栅常数）感应同步器⒉光栅传感器的组成：栅距相同；相互重叠，间隙很小；一片固定，一片相对移动（固定在机床上不动）指示光栅（短）（固定在移动部件上）光路系统光电元件标尺光栅（长）⒊特点：对环境要求较高；要

7、密封，以防油污、灰尘、铁屑等。①分辨力高（1um，0.5um）；②测量范围大；③动态范围宽；④易于实现数字化测量和自动控制。优点：缺点：二．测量原理“Moire”⒈莫尔条纹的形成：⒉莫尔条纹的特点：①误差平均作用（）。②莫尔条纹的移动量和移动方向与光栅相对移动量和移动方向有确定的对应关系。③位移放大作用：例：莫尔条纹移动时，近似正弦变化的光强信号由光电元件接受，转换成相应的电压信号。光栅每移动一个栅距W，电压信号周期变化一次。三．辨向原理如图6-6，两个相隔1/4莫尔条纹间距的光电元件，所得到的电信号u1，u2相差π/2，经整形后得到两个方波信号u1’,u2

8、’。Y1Y2u1’u2’uu1u2u1’u2’_正向