第5章传感器技术(2)

这些象素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储。然后在时钟脉冲信号控制下，将反映光象的被存储的电荷信号读取并顺序输出，从而完成了从光图象到电信号的转化过程。

3.固态图像传感器（CCD）的电荷是如何产生、存储、转移及输出的？

（1）电荷的产生、存储：构成CCD的基本单元是MOS电容器，结构中半导体以P型硅为例，金属电极和硅衬底是电容器两极，SiO2为介质。在金属电极（栅极）上加正向电压G时，由此形成的电场穿过SiO2薄层，吸引硅中的电子在Si―SiO2的界面上，而排斥Si－SiO2界面附近的空穴，因此形成一个表面带负电荷，而里面没有电子和空穴的耗尽区。与此同时，Si－SiO2界面处的电势（称表面势S）发生相应变化，若取硅衬底内的电位为零，表面势S的正值方向朝下，当金属电极上所加的电压G超过MOS晶体上开启电压时，Si－SiO2界面可存储电子。由于电子在那里势能较低，可以形象地说，半导体表面形成了电子势阱，习惯称贮存在MOS势阱中的电荷为电荷包。当光信号照射到CCD硅片表面时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子—空穴对。这时在栅极电压G的作用下，其中空穴被排斥出耗尽区而电子则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。如果G持续时间不长，则在各个MOS电容器的势阱中蓄积的电荷量取决于照射到该点的光强。因此，某MOS电容器势阱中蓄积的电荷量，可作为该点光强的度量。

（2）电荷包的转移：若MOS电容器之间排列足够紧密（通常相邻MOS电容电极间隙小于3μm），使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可使信号电荷（电子）在各个势阱中转移，并力图向表面势S最大的位置堆积。因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲G，就可改变它们对应的MOS的表面势S，亦即可改变势阱的深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。

（3）电荷的输出：在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。

4.固态图像传感器有何特点？有哪些应用？

固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好、寿命高和以光为媒介可以到达危险地点等优点，以得到广泛的应用，其主要用途为：

（1）物位、尺寸、形状、工件损伤的测量。

（2）作为光学信息处理的输入环节，如电视摄像、传真技术、光学文字识别和图像识别技术中的输入环节。

（3）自动生产过程的控制敏感元件。 5.1.6光纤传感器

1.试述光纤的结构和类型，并说明光纤传感器的工作原理及类型。

光纤的结构由纤芯和包层组成，纤芯位于光纤的中心部位，它是由玻璃或塑料制成的圆柱体，直径约为5～100微米，光主要在这纤芯中传输。

光纤按纤层和包层材料性质分类，有玻璃及塑料光纤两大类；按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型两种。

120

光纤传感器的工作原理是将光源的光经光导纤维进入调制区，在调制区内，被测参数与进入调制区的光相互作用，使光电强度、频率、相位、偏振四个参数之一随被测参数的变化而变化成为被调制的信号光，在经光纤进入探测器，经解调处理后获得被测参数。

光纤传感器按其传感原理分为传光型（非功能型）光纤传感器和传感器型（功能型）光纤传感器。

2.光纤传感器有哪些特点？有何应用？

光纤传感器具有的优点为：

（1）采用光波传递信息，不受电磁干扰，电气绝缘性能好，可在强电磁干扰下完成某些参量的测量。

（2）光波传输无电能和电火花，因而能在易燃易爆和强腐蚀性的环境中安全工作。 （3）重量轻、体积小、可扰性好，可用于狭窄空间使用。

（4）具有良好的几何形状适应性，可做成任意形状的传感器和传感器陈列。 （5）动态范围大，频带宽，对被测对象不产生影响，有利于提高测量精度。 （6）利用现有的光通讯技术，易于实现远距离测控。 光纤传感器具有的缺点为： （1）缺少兼容执行机构。

（2）需要把光纤传感器输出的光信号转变成点信号。 （3）现场链接困难、技术复杂、成本高。 （4）尚未形成产品系列，标准化程度差。

光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度、湿度、声场、流量、浓度、pH值等七十多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。典型应用为传光型光纤位移传感器、相位调制光纤温度传感器、记数装置、液位控制装置、反射型光纤传感器、受抑全内反射型传感器、棱镜式全内反射型传感器等。 5.1.7其它类型传感器

1.什么是智能传感器？它由哪几部分组成？它的工作原理是什么？智能传感器有哪些类型？有何特点？

智能传感器是种带微处理机兼有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器，它主要由传感器、微处理器（或微计算机）及相关电路组成。其工作原理为：被测量?传感器?信号调理电路?微处理器?输出接口?数字量输出。

智能传感器按结构可分为集成式、混合式和模块式三种。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上而构成的；混合式智能传感器是将传感器与微处理器、信号处理电路做在不同芯片上而构成的；模块式智能传感器有许多相互独立的模块组成。智能传感器具有以下特点：

（1）具有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。

（2）有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对检测数值进行分析、修正和误差补偿，提高了测量精度。

（3）组态功能可实现多传感器、多参数复合测量，扩大了检测和使用范围。 （4）存储功能使检测数据随时存取。

121

（5）具有数据通信接口，能与计算机直接联机，相互交换信息。 （6）具有自适应性。

2.什么是数字式传感器？有何特点？有哪些类型？

数字式传感器是一种能把被测模拟量直接转换为数字量输出的装置，可直接与计算机系统连接。与模拟式传感器相比，数字式传感器具有如下的特点：①测量精度和分辨率高；②抗干扰能力强，稳定性好；③易于和计算机接口，便于信号处理和实现自动化测量；④适宜于远距离传输等。

按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为三类：脉冲输出式数字传感器，如栅式数字传感器、感应同步器、增量编码器等；编码输出式数字传感器，如绝对编码器等；频率输出式数字传感器。

5．2 例题解析

【例5.1】有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数?和静态灵敏度S。(1)30电压（V），T为输入温度（C）；（2）1.4?dy?3y?1.5?10?5T，y为输出dtdy?4.2y?9.6x，y为输出电压(?V),xdt为输入压力（Pa）。 解：根据题中给出传感器的微分方程可得： （1）??30/3?10(s),S?1.5?10?5/3?5?10?6(V/?C) (s),S?9.6/4.2?2.29(?V/Pa) （2）??1.4/4.2?0.333【例5.2】有一拉力传感器，用钢柱作为敏感元件，其上贴一电阻应变片。已知钢柱的截211面积A?1cm，弹性模量E?2.0?10Pa，应变片的灵敏系数S?2。若测量电路对应

变片电阻相对变化量dR/R的分辨力为10，试计算该传感器能测出的最小拉力Fmin

解：应变片的灵敏系数为：S??7dR/R?，则??由此得应变片对钢柱应变的分辨力为：?min拉力F、应力?和应变?间的关系为

dR/R S(dR/R)min10?7???5?10?8

S2F????E A所以该传感器对你能测出的最小拉力为：

Fmin??minEA?5?10?8?2.0?10?11?10?4?1.0N 【例5.3】一应变片的电阻R0?120?，S?2.05，用作应变为800?m/m的传感元件。求?R与?RR，若电源电压Ui?3V，求其惠更斯测量电桥的非平衡输出电压U0。

?RR得?RR?S??2.05?800?1.64?10?3 解：由S??106U?R3??1.64?10?3?1.23?10?3V?1.23mV 则其输出电压4为U0?i?4R4

122

【例5.4】如图5.1所示电感传感器，尺寸已示于图中（单位均为mm），磁路取为中心磁路，不记漏磁，设铁心及衔铁的相对磁导率为104，空气的相对导磁系数为1，真空的磁导

?7??4??10H/m，试对气隙分别为0和2mm情况计算该传感器的输出电感。 0率

图5.1例5.2图

解：匝数为W磁路电阻为Rm的线圈电感为：

nl1W2，Rm??(i) L?A??Rmi?1i012?0.020.034?1(?)?1.504?10H气隙为0时，Rm? ?744??10?100.015?0.030.01?0.032002L??2.66H

1.504?1042?0.00246?1?7.092?10H气隙为2mm时，Rm?1.504?10? ?74??10?0.015?0.032002L??5.64?10?3H?5.64mH 67.092?10【例5.5】极板间距式电容式传感器，极板半径r=4mm，间隙δ=0.5mm，极板介质为空气，试求其静态灵敏度。若极板移动2mm，求其电容变化。

解：极板间距式电容式传感器在介质为空气时电容的表达式为：

?0A?0?r2C??

??静态灵敏度为：

?C?0?r28.854?10?12???42?10?6?9S????1.779?10(F/m) 22?6???0.5?10若极板移动2mm，则电容变化量为：

?C?S????1.779?10?9?2?10?3?3.558?10?10(F)

【例5.6】压电加速度计的固有电容为Ca，连接电缆电容为Cc，输出电压灵敏度

，输出电荷灵敏度Sq?q/a，求：（1）推导出传感器电压Su?u0/a（a为输入加速度）

灵敏度与电荷灵敏度之间的关系；（2）如已知Ca?1000pF，Cc?100pF，标定的电压灵敏度为100（mV/g)，则电荷灵敏度Sq为多少？如果改用Cc?300pF的电缆则此

123

时的电压灵敏度Su为多少？电荷灵敏度有无变化？（g为重力加速度）

uqq(pC/g)，Su?0(mV/g)，而u0? aaCa?CcSqq(Ca?Cc)q1所以Su?或Sq?Su(Ca?Cc) ???aaCa?CcCa?Cc（2）当Ca?1000pF，Cc?100pF，Su?100mV/g时，有：

mVSq?Su(Ca?Cc)?100?(1000?100)?1.10?105(.pF)?110(pC/g)

g如改用Cc?300pF的电缆则此时的电荷灵敏度不变，而电压灵敏度改变为：

Sq110pC1Su??.?0.0846(V/g)?84.6(mV/g)

Ca?Cc1000?300gpF解：（1）因为Sq?【例5.7】石英晶体压电式传感器，面积为100mm2，厚度为1mm，固定在两金属板之间，用来测量通过晶体两面力度变化。材料的弹性模量为9?10Pa，电荷灵敏度为2pC/N，相对介电常数是5.1，材料相对两面间电阻式10?。一个20pF的电容和一个100M?的

410t)N，求（1）两极板间电压峰-峰值；电阻与极板并联。若说加力F?0.01sin(1000（2）晶体厚度的最大变化值。

解：（1）石英压电晶体片的电容为：

8.85?10?12?5.1?100?10?6Ca???4.514?10?12F?4.5pF ?3d1?108由于Ra?1014?，并联电容电阻R并?100M??10?

?0?A1014?108则总电阻为R??14?108?，总电容C?4.5?20?24.5pF 8Ra?R并10?10又因为F?0.01sin(1000t)N?Fmsin(?t)N，Sq?2pC/N，所以电荷为：

RaR并Qm?SqFm?2?0.01pC?0.02pC

两极板间电压为：

Uim?Qm?R1?(?RC)2?0.02?10?12?103?1081?(10?10?24.5?1038?122)?0.756mV

两极板间电压峰-峰值为2Uim?2?0.756?1.512mV

（2）应变?m?FmAE?0.01/(100?10?6?9?1010)?1.11?10?9??dd

?d?d?m?1?1.11?10?9mm?1.11?10?9mm

厚度最大变化量为?dm?2?d?2?1.11?10mm?2.22?10mm

【例5.8】已知恒磁通磁电式速度传感器的固有频率为10Hz，质量块重2.08N，气隙磁感应强度为1T，单匝线圈长度为4mm，线圈中匝数1500匝，试求弹簧刚度K值和电压灵敏度Su值[mv/(m/s)]。

解：由???9?9km得k?m?2?(2.08/9.8)?(2??10)2?8.38?102N/m

124

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库第5章传感器技术(2)在线全文阅读。