物联网技术概论传感器

1、物联网技术概论 讲座人：李熠讲座人：李熠 （湘潭大学信息工程学院（湘潭大学信息工程学院) 第二讲 传感器介绍slide 2传感器介绍第一章 传感器介绍1.1 传感器的地位1.2 传感器的作用1.3 一般传感器的定义与组成1.4 传感器的分类1.5 传感器的特性slide 3传感器介绍1.1 传感器的地位传感器技术作为信息科学的一个重要分支，与传感器技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机计算机技术技术、自动控制技术自动控制技术和和通信技术通信技术等一起构成了信息技等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息

2、获取与信息转换为中心，传一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个学最前端的一个阵地阵地，是实现信息化的基础技术之一。，是实现信息化的基础技术之一。“没有传感器就没有现代科学的物联网技术没有传感器就没有现代科学的物联网技术”的观点已的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利界的种种信息，成为人

3、们认识自然、改造自然的有利工具。工具。slide 4传感器介绍1.1 传感器的地位现代信息技术传感器技术通信技术计算机技术信息采集“感官”信息传输信息处理“神经”“大脑”自动控制技术“肌肉”执行处理slide 5传感器介绍1.2 传感器的作用 将各种非电量信号转化为电量信号 精确测量 现代工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、医学诊断、智能建筑、汽车、家用电器、生物工程等。slide 6传感器介绍1.3 一般传感器的定义与组成 传感器：测量装置、输入与输出有对应关系、有一定的精确度 传感器的组成敏感元件敏感元件 它是直接感受被测量、并输出与被测量成确定关系的某一物理量

4、的元件转换元件转换元件 敏感元件的输出就是它的输入，将感受到的非电量直接转换为电量的元件测量电路测量电路 将转换元件输出的电量变换为便于显示、记录、控制、处理的有用电信号slide 7传感器介绍1.3 一般传感器的定义与组成辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。slide 8传感器介绍1.4 传感器的分类按照物理原理分类：按照物理原理分类：电参量式传感器：电阻式

5、、电感式、电容式等； 磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； 压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； 光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；气电式传感器：电位器式、应变式； 热电式传感器：热电偶、热电阻； 波式传感器：超声波式、微波式等；射线式传感器：热辐射式、射线式；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。 slide 9传感器介绍 能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制

6、或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。 能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。 slide 10传感器介绍1.5 传感器的静态和动态特性 传感器所测量的物理量基本上有两种形式：一种是稳态的形式；另一种是动态形式。 静态特性： 线性度：指其输

7、出量与输入量之间的实际关系曲线（即静特征曲线）偏离直线的程度，又称非线性误差。 灵敏度: 指传感器在稳态下的输出变化量y与引起变化的输入 变化x之比。 迟滞：传感器在正（输入量增大）和反（输入量减小）行程期间，其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。 重复性： 在输入按同一方向连续多次变动时得到特性曲线不一致的程度。 分辨率： 在测量方位内所能测量输入量的最小变化量x。 飘移： 在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的变化。slide 11传感器介绍1.5 传感器的静态和动态特性 为了说明传感器的动态特性, 下面简要介绍动态测温的问题。 在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感

8、器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下, 都存在动态测温问题。如：置于温度为t0 0 0 0c环境中的热电偶slide 12传感器介绍1.5 传感器的静态和动态特性 将其迅速插入一个温度为t的恒温水槽中（插入时间忽略不计）, 且tt0 其中介质温度突然转变t0tslide 13传感器介绍1.5 传感器的静态和动态特性 而热电偶反映出来的温度从t0变化到t需要经历一段时间，即有一段过渡过程, 如下图 所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。 slide 14传感器介绍第二章 常见类型传感器 电阻式传感器 2.1 应变片式传感器 电感式传感器 2.2 变磁阻式（自感）传感器

9、2.3 电容式传感器 2.4 磁电式传感器 2.5 压电式传感器 2.6 光电式传感器slide 15传感器介绍2.1 应变片式传感器 金属导体或者半导体在受外力作用时，会产生相应的应变，其阻值也随之发生变化，这种物理现象称作应变效应（卡尔文）。 应变片电阻变化很微弱，无法用万用表测出，需要转换为电信号输出，通常采用电桥为测量电路slide 16传感器介绍各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于slide 17传感器介绍高高 精精 度度 电电 子子 汽汽 车车 衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平slide 18传感器介绍机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤slide 19传感器介绍2.1

10、应变片式传感器-荷重传感器旁压式荷重传感器组合式荷重传感器 桥式荷重传感器 柱式荷重传感器 slide 20传感器介绍2.1 应变片式传感器-荷重传感器荷重传感器原理slide 21传感器介绍2.1 应变片式传感器工人正在给桥墩贴应变片slide 22传感器介绍2.1 应变片式传感器-电桥 电桥：通过测量电压变化，间接的测量压力变化 单臂电桥 （惠斯通电桥）r1r2r3r4uscusrslide 23传感器介绍2.1 应变片式传感器-电桥本页公式仅对右图有效slide 24传感器介绍2.1 应变片式传感器-电桥 24)()(43213241rrrrrrrruusrsc0scu初始平衡时：032

11、41rrrr4321rrrr或说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。slide 25传感器介绍2.1 应变片式传感器-电桥)()(4321132411rrrrrrrrrruusc变化：产生承受应变后，11rr)1)(1(3412111134rrrrrrrrrruslide 26传感器介绍2.1 应变片式传感器-电桥小项，忽略分母中设：113412rrnrrrr)()1(11112rrkrrnnuusc电桥电压灵敏度2)1 (nnukslide 27传感器介绍2.1 应变片式传感器-电桥 从上式分析发现： 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压u， 供电电压越高，

12、电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。电桥电压灵敏度2)1 (nnukslide 28传感器介绍2.1 应变片式传感器-电桥当u值确定后，n取何值时才能使 最高?k由dku/dn=0求ku的最大值，得0)1 (142nndndkukkrrrrn41max1max4321，时，、即当2)1 (nnukslide 29传感器介绍2.1 应变片式传感器-电桥)(4111rruusc上述可知，当电源电压u和电阻相对变化量r1/r1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定

13、值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。slide 30传感器介绍2.1 应变片式传感器-电桥r1+r1r2 - r2r3r4uscusrv相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少半差动电桥（双臂电桥）slide 31传感器介绍 usc与r1/r1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度ku= usr /2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。slide 32传感器介绍2.1 应变片式传感器-电桥r1+ r1r2 - r2uscusrr3- r3r4+ r4v四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反电桥电压灵敏度ku= usr 全桥电路slide 33传感器介绍 2.2 变磁阻式传感器（自感传感

14、器）slide 34传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器 自感传感器是电感式传感器的一种 电感式传感器包括以下几种： 自感传感器（变磁阻式传感器） 互感传感器 电涡流传感器 电感:在电路中电流发生变化时能产生电动势的性质称为电感，电感又分为自感和互感。 （一）自感：当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势，这就是自感。 （二）互感：两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度 。 电涡流：当成块的金

15、属处于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内都会产生感应电动势，称为涡流。当磁场是由电流产生时, 此时产生的涡流成为电涡流。 slide 35传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器 利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量l或互感量m的变化, 再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出, 这种装置称为电感式传感器。 电磁感应原理：变化的磁场在周围空间产生电场，当导体处在此电场中时，导体中的自由电子在电场力作用下作定向移动而产生电流即感应电流；如果不是闭合回路，则导体中自由电子的定向移动使断开处两端积累正、负电荷而产生电势差-感应电动势。 变磁阻式传感器属于电感

16、式传感器范畴 我们先来看一个例子，来体会一下将非电量转化为电感值的变化。slide 36传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器被测量转化为自感量slide 37传感器介绍slide 38传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器工作原理： 变磁阻式传感器的结构如图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或钋镆合金制成, 在铁芯和衔铁之间有气隙, 气隙厚度为delta, 传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时, 气隙厚度发生改变, 引起磁路中磁阻变化, 从而导致电感线圈的电感值变化, 因此只要能测出这种电感量的变化, 就能确定衔铁位移量的大小和方向。 slide 39

17、传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器 磁路欧姆定律：磁路中的磁通磁路欧姆定律：磁路中的磁通fai等于作用等于作用在该磁路上的磁动势在该磁路上的磁动势 f除以磁路的磁阻除以磁路的磁阻rm，这就是磁路的欧姆定律这就是磁路的欧姆定律 磁通量总是形成一个闭合回路，但路径与周围物质的磁阻有关。它总是集中于磁阻最小的路径。空气和真空的磁阻较大，而容易磁化的物质，例如软铁，则磁阻较低。 slide 40传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器1、线圈、线圈 2、铁心、铁心 3、衔铁、衔铁变气隙式变截面式螺管式slide 41传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器根据电感定义, 线圈中电感量可由下式确定

18、: 式中: 线圈总磁链; psi i 通过线圈的电流; 线圈的匝数; omiga 穿过线圈的磁通。fai 由磁路欧姆定律, 得iilmrislide 42传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器 式中: rm磁路总磁阻。对于变隙式传感器, 因为气隙很小, 所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为 式中: 1铁芯材料的导磁率; 2衔铁材料的导磁率; l1磁通通过铁芯的长度; l2磁通通过衔铁的长度; s1铁芯的截面积; s2衔铁的截面积; 0空气的导磁率; 002221112sslslrmslide 43传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器 s0气隙的截面积; 气隙

19、的厚度。 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即 则可近似为 rm =002su111002sulsu222002sulsuslide 44传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器 上式表明, 当线圈匝数为常数时, 电感l仅仅是磁路中磁阻rm的函数, 只要改变或s0均可导致电感变化, 因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。 上式表明，自感l与气隙 成反比，而与气隙导磁截面积 s0成正比。 此时，传感器的灵敏度为： 20022srlm20022wsdlsd slide 45传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器二、二、 输出

20、特性输出特性 设电感传感器初始气隙为0, 初始电感量为l0, 衔铁位移引起的气隙变化量为, 可知l与之间是非线性关系, 特性曲线如图,初始电感量为slide 46传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器020002wsl 当衔铁上移时, 传感器气隙减小, 即=0-, 则此时输出电感为l = l0+l, 代入并整理, 得00000201)(2lswlll 当/01时, 可将上式用台劳级数展开成级数形式为 l = l0+l =.)()()(1 302000l 由上式可求得电感增量l和相对增量l/ l0的表达式, 即 slide 47传感器介绍.)()(1 20000ll.)()(1 20000ll

21、 当衔铁下移时, 传感器气隙增加, 即=0+, 则此时输出电感为l = l0l, 代入并整理, 得.)()(1 20000ll.)()(1 20000ll2.2 变磁阻式（自感）传感器slide 48传感器介绍 对式作线性处理，忽略高次项, 可得灵敏度为 00ll0001llk 由此可见, 变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差, 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。 2.2 变磁阻式（自感）传感器slide 49传感器介绍 图示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。 由图可知, 差动变隙式电感传感器由两

22、个相同的电感线圈、和磁路组成, 测量时, 衔铁通过导杆与被测位移量相连, 当被测体上下移动时, 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动, 使两个磁回路中磁阻发生大小相等, 方向相反的变化, 导致一个线圈的电感量增加, 另一个线圈的电感量减小, 形成差动形式。当衔铁往上移动时, 两个线圈的电感变化量l1、l2分别由前式表示, 当差动使用时, 两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂, 另两个桥臂由电阻组成, 电桥输出电压与l有关, 其具体表达式为 l = l1-l2.)()(1 240200l2.2 变磁阻式（自感）传感器slide 50传感器介绍2.2 变磁阻式（自感）传感器slide 51传感器介绍对

23、上式进行线性处理，忽略高次项得002ll灵敏度k0为 0002llk 比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性, 可以得到如下结论: 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。 2.2 变磁阻式（自感）传感器slide 52传感器介绍 差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（/0）因子, 因为（/0） 0 。 在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。 slide 107传感器介绍2.5 压电式传感器 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图（c）所示, 与图（b）情况相似, p1增大, p2、p3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。在

24、y轴方向上不出现电荷。 如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。 当作用力fx、fy的方向相反时, 电荷的极性也随之改变。 slide 108传感器介绍2.5 压电式传感器无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；荷（或电场强度）之间呈线性关系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；定存在逆压电效应；石英晶体不是在

25、任何方向都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。slide 109传感器介绍2.5 压电式传感器压电元件变形方式压电元件变形方式(a)厚度变形厚度变形(te); (b) 长度变形长度变形(le)； (c) 体积变形体积变形(ve)； (d)面切变形面切变形(fs)； (e) 剪切变形剪切变形(ts) f(a)(b)(c)ffff(d )(e)slide 110传感器介绍2.5 压电式传感器 二、压电陶瓷二、压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们

26、的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。如图所示。 在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。 slide 111传感器介绍2.5 压电式传感器slide 112传感器介绍2.5 压电式传感器 陶瓷片内的极化强度总是以陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩电偶

27、极矩的形式表现出来的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附吸附了一了一层来自层来自外界的外界的自由电荷。自由电荷。 自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图slide 113传感器介绍2.5 压电式传感器 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力f，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电

28、荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。 极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）fslide 114传感器介绍2.5 压电式传感器 同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反

29、，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况） 极化方向电场方向slide 115传感器介绍2.5 压电式传感器 因受力而产生的由机械效应转变为电效应, 将机械能转变为电能的现象, 就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系: q = d33 f 式中: d33 压电陶瓷的压电系数; f作用力。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间变

30、化, 从而使其压电特性减弱。slide 116传感器介绍2.5 压电式传感器 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（batio3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍, 但使用温度较低, 最高只有70, 温度稳定性和机械强度都不如石英。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（pzt系列）, 它是钛酸钡（batio3)和锆酸铅（pbzro3）组成的pb（zrti）o3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。 slide 117传感器介绍2.5 压电式传感器 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 一种普遍的制作工艺是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属

31、膜，构成两个电极。 一、一、 压电式测力传感器压电式测力传感器 下图为压电式单向测力传感器的结构图, 它主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 slide 118传感器介绍2.5 压电式传感器 传感器上盖为传力元件, 它的外缘壁厚为0.10.5mm, 当外力作用时, 它将产生弹性变形, 将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型, 利用其纵向压电效应, 通过d11实现力电转换。 石英晶片的尺寸为81 mm。该传感器的测力范围为0 50 n, 最小分辨率为0.01, 固有频率为50 60 khz, 整个传感器重10g。 slide 119传感器介绍2.5 压电式传感器+并联并联+串联

32、串联2u=q/（1/2）c2q=u2c 为提高传感器的灵敏度，适应不同的测量电路，可将压电材料串、并联使用。slide 120传感器介绍2.5 压电式传感器 二、二、 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 图为一种压电式加速度传感器的结构图。 它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 整个部件装在外壳内, 并用螺栓加以固定。 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时, 压电元件受质量块惯性力的作用, 根据牛顿第二定律, 此惯性力与加速度a成正比。则传感器输出电荷为 q=d11f=d11ma 因此, 测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。slide 121传感器介绍2.5

33、压电式传感器 三、 压电式金属加工切削力测量 图为利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电 传感器位于车刀 前部的下方, 当进 行切削加工时, 切削力通过刀具 传给压电传感器, 压电传感器将切 削力转换为电信 号输出, 记录下电 信号的变化便测 得切削力的变化。 slide 122传感器介绍2.5 压电式传感器 四、 压电式玻璃破碎报警器 bsd2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器, 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出 输出电压经放大、 滤波、 比较

34、等处理后提供给 报警系统。 bsd2压电式玻 璃破碎传感器的外形 及内部电路如图所示。 传感器的最小输出电 压为 100 mv, 最大输 出电压为 100 v, 内阻 抗为 1520 k。 slide 123传感器介绍2.5 压电式传感器五、其他应用五、其他应用slide 124传感器介绍2.5 压电式传感器 集成压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫

35、等领域。 slide 125传感器介绍2.5 压电式传感器 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。性所致，即低压力下力的传递损失较大。 为为此，此， 在力传递系统中加入预加力，称在力传递系统中加入预加力，称预载预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。 特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器特别是，它只有在加预载后才能

36、用压电传感器测量拉力和拉、测量拉力和拉、 压交变力及剪力和扭矩。压交变力及剪力和扭矩。 slide 126传感器介绍2.6 光电式传感器 光电式传感器光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。工业生产和现实生活中光电传感器的应用非常广泛，现举几个常见的实例。 slide 127传感器介绍2.6 光电式传感器照相机自动测光工业测光亮度传感器通过检测周围环境的亮度，再与内部设定

37、值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。slide 128传感器介绍2.6 光电式传感器光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用led与光敏晶体管组合来测量位移与光敏晶体管组合来测量位移slide 129传感器介绍2.6 光电式传感器slide 130传感器介绍2.6 光电式传感器光电效应及器件光电效应及器件 根据爱因斯坦的光子假说：光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子。每一个光子具有一定的能量其大小等于普朗克常数h乘以光的频率。所以不同频率的光子具有不同的能量。光的频率越高，其光子能量就越大。当具有一定能量的光子作用到某些物体上转化为该物体中一些电子的能量而产

38、生电效应，这种现象称为光电效应。 光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应三类。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。 一、外光电效应 光线照射在某些物体上，而使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能传递给一个slide 131传感器介绍2.6 光电式传感器一个电子，因此单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使自由电子的能量增加h。这些能量一部分用作电子逸出物体表面的逸出功a，另一部分变电子的初动

39、能。即amh 221 1当光子能量大于逸出功时，才会有光电子发射出来，才会产生外光电效应；当光了能量小于逸出功时，不能产生外光电效应；当光子的能量恰好等于逸出功时，光电子的初速度0，可以产生此光电子的单色光频率为0，则式中0为该物质产生光电效应的最低频率，称其为红限频率。显然，如果入射光的频率低与于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。而对于高于红限频率入射光，即使是光线很弱也会产生光电子。slide 132传感器介绍2.6 光电式传感器二、外光电效应器件 1光电管及其结构 根据外光电效应制成的光电管类型很多，最典型的是真空光电管。也有充气光电管，但由于线性不好在传感器中用

40、得较少。真空光电管的结构如图所示，它由一个阴极和一个阳极构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极和电源负极相联，一个阳极通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。当光照射阴极时、电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流i，该电流及负载r l上的电压将随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电信号的目的。 2当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。 3由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需加反向电压才能使其截止。slide 133传感器介绍2.6 光电式传感器slide 134传感器介绍2.6 光电式传感器 2真空光电管的伏安特性 真空光电管的伏

41、安特性曲线如右下图所示，其饱和光电流与入射光的强度成正比。 3光电倍增管 当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，不易检测，这时常用光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度。如下图所示。在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极d1、d2、dn，就构成了光电倍增管。 光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础之上。工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极k时，立刻有电子逸出，逸出的电子受到第一倍增极d1正电位作用，使之加速打在d1倍增极上，产生生二次电子发射。slide 135传感器介绍2.6 光电式传感器 同理d1发射的电子在d2更高正电位作用下，再次被加速打在d2极上，d2又会

42、产生二次电子发射，这样逐级前进，直到电子被阳极a收集为止。通常光电倍增管的阳极与阴极间的电压为10002500v，两个相邻倍增电极的电位差为50 100v，其灵敏度比普通真空光电管高几万到几百万倍，因此在很微弱的光照下也能产生很大的光电流。slide 136传感器介绍slide 137传感器介绍2.6 光电式传感器三、光电导效应和光生伏特效应(内光电效应) 物体受光照射后，其内部的原子释放出电子并不逸出物体表面，而仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。前者称为光电导效应，后者称为光生伏打效应。半导体材料在光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应。 1光敏电阻 光

43、敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。它基于半导体光电导效应工作。由于光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻值(暗电阻)很大。电路中电流很小。当它受到一定波长范围的光照射时，其阻值(亮电阻)急剧减小，电路中电流迅速增加，用电流表可以测量出电流。根据电流值的变化，即可推算出照射光强的大小。 暗电阻、亮电阻 光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻，受强光照射时的阻值称为亮电阻。暗电阻越大亮电阻越小灵敏度越高。slide 138传感器介绍过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带

44、，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带egslide 139传感器介绍2.6 光电式传感器slide 140传感器介绍2.6 光电式传感器 光敏电阻的伏安特性 在一定光照下，所加的电压越高，电流越大；在一定的电压作用下，入射光的照度越强，电流越大，但并不一定是线性关系。 光敏电阻的光谱特性 对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。slide 141传感器介绍2.6 光电式传感器 (4)光敏电阻的响应时间和频率特性

45、 光电器件的响应时间反映它的动态特性。响应时间越短，表示动态特性越好。对于采用调制光的光电器件，调制频率的上限受响应时间的限制。光敏电阻的响应时间一般为10-110-3s，光敏二级管的响应时间约210-5s。 光敏电阻的温度特性 随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。硫化铅光敏电阻等光电器件随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动，所以红外探测器往往采取制冷措施。slide 142传感器介绍2.6 光电式传感器 2光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管 半导体光敏二极管与普通二极管相比，有许多共同之处，它们都有一个pn结，均属单向导电性的非线性元件。

46、光敏二极管一般在负偏压情况下使用，它的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小(处于载止状态)。受光照射时，结区产生电子 空穴对，在结电场的作用下，电子向n区运动、空穴向p区运动而形成光电流,光敏二极管的光电流i与照度之间呈线性关系。slide 143传感器介绍2.6 光电式传感器slide 144传感器介绍 光敏三极管的结构与原理 光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管。在正常工作情况下，此二极管应反向偏置。因此，不管是p-n-p还是n-p-n型光敏三极管，一般用基极 集电极结作为受光结。当集电极

47、加上相对于发射极为正电压且基极开路时，基极 集电极结处于反向偏压下，它的工作机理完全与反偏压的光敏二极管相同。这里，入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子 空穴对，形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。因此，从这点可以更明确地说，光敏三极管是一种相当于将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。2.6 光电式传感器slide 145传感器介绍 内部条件：e区参杂浓度最高；b区薄，参杂浓度最低；c区面积最大。 外部条件：发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压 电位条件：npn型：vcvbve; pnp型：vcvbve 电压数

48、值：ube:硅0.5-0.8v;锗： 0.1-0.3v ucb=几伏到十几伏slide 146传感器介绍2.6 光电式传感器slide 147传感器介绍 光敏三极管的光谱特性 与光敏电阻类似，光敏三极管也存在最佳灵敏度的峰值波长。硅管的峰值波长约为900nm，锗管的峰值波长约为1500nm。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用锗管较合适。 光敏三极管的伏安特性 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性类似。因此，只要将入射的强度看作是三极管的基极电流ib，就可 将光敏三极管看

49、成一般 的晶体管。光敏三极管 不仅能把光信号变成电 信号、而且输出的电信 号较大。2.6 光电式传感器slide 148传感器介绍 光敏三极管的光照特性 光敏三极管的光照特性如左图所示。它给出了光敏三极管的输出电流i和照度之间的关系。它们之间呈近似线性关系。当光照足够大(几千勒克斯)时，会出现饱和现象。因而在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。 光敏三极管的温度特性 温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从曲线看，温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。所以精密测量时，电子线路中应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。2.6 光电式传感

50、器slide 149传感器介绍 光敏三极管的（调制）频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如下图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说。光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5000hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。实验证明，光敏三极管的截止频率和它的基区厚度成反比关系。如果要求截比频率高，那么基区 就要薄；但基区变薄，光电灵敏 度将降低，在制造时要适当兼顾 两者。2.6 光电式传感器slide 150传感器介绍4. 光电池 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能直接转变成电能的一种器件。其种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电

51、池，因转换效率低已很少使用。 目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高(达到17)的几乎接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄 膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提 高抗辐射能力和降低成本。紫光电池是把 硅光电池的pn结减薄至结深为0.20.3m， 光谱响应峰值移到600nm左右，来提高短 波响应，以适应外层空间使用。+-pn2.6 光电式传感器slide 151传感器介绍 异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质pn结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结