湖南生物机电职业技术学院课时授课计划(正页)

1、湖南生物机电职业技术学院课时授课计划（正页）授课班级 授课日期授课章节及主题： 模块八 其他新型传感器任务一 湿敏传感器 任务二 气敏传感器 教学目的与要求：熟练掌握湿敏传感器和气敏传感器的原理和使用方法。教学重点：湿敏波传感器和色敏传感器和气敏传感器的原理。教学难点：湿敏波传感器和色敏传感器和气敏传感器的应用。教学方法：分析、讲解、举例、练习。作业及思考题： 8-4 8-6 8-9后 记：湖南生物机电职业技术学院课时授课计划（副页）任务一 湿敏传感器湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，能感受外界湿度(通常将空气或其他气体中的水分含量称为湿度)变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将环

2、境湿度变换为电信号的装置。 8.1.1 概述1. 湿度表示法 所谓湿度，就是空气中所含有水蒸气的量，表明大气的干、湿程度，常用绝对湿度和相对湿度表示。 1) 绝对湿度(Absolute Humidity) 绝对湿度是在一定的温度及压力下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，一般用符号AH表示，其定义为 2) 相对湿度(Relative Humidity) 相对湿度是指被测气体中的水蒸气气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比。相对湿度给出大气的潮湿程度，因此，它是一个无量纲的值，一般用符号%RH表示，其表达式为2. 湿敏传感器的分类 按元件输出的电学量分类可分为：电阻式、电容式、频率式

3、等。 按其探测功能可分为：相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种 按材料则可分为：陶瓷式、有机高分子式、半导体式、电解质式等。另外，根据与水分子亲和力是否有关，可以将湿敏传感器分为水亲和力型湿敏传感器和非水亲和力型湿敏传感器。水分子易于吸附在物体表面并渗透到固体内部的这种特性称为水分子亲和力，水分子附着或浸入湿敏功能材料后，不仅是物理吸附，而且还有化学吸附，其结果使功能材料的电性能产生变化，如LiCl、ZnO材料的阻抗发生变化。因此，这些材料就可以制成湿敏元件，另外利用某些材料与水分子接触的物理效应也可以测量湿度。8.1.2 湿敏电阻的类型及原理1. 氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是典型的电解

4、质湿敏元件，利用吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测湿元件。典型的氯化锂湿敏传感器有登莫式和浸渍式两种。2. 半导体陶瓷湿敏电阻 半导体陶瓷湿敏电阻是一种电阻型的传感器，根据微粒堆集体或多孔状陶瓷体的感湿材料吸附水分可使电导率改变这一原理检测湿度。8.1.3 湿敏传感器的应用1. 自动气象站湿度测报 湿度传感器广泛用于自动气象站的遥测装置上，采用耗电量很小的湿度传感器可以由蓄电瓶供电长期自动工作，几乎不需要维护。2. 汽车后窗玻璃自动去湿装置 一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。其目的是防止驾驶室的挡风玻璃结露或结霜，保证驾驶员视线清楚，避免事故发生。该电路也可用于其他需要去湿的

5、场合。 任务二 半导体气敏传感器气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机或单片机组成自动检测、控制和报警系统。气敏传感器的性能必须满足下列条件： (1) 能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号。 (2) 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。 (3) 性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速。 (4) 使用、维护方便，价格便宜等。8.2.1 半导体气敏传感器的分类半导体气敏传感器包

6、括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感元件制作的气敏传感器以及用单晶半导体器件制作的气敏传感器。 按照半导体变化的物理特征，可分为电阻型和非电阻型两类。前者是利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分；后者是利用二极管伏安特性和场效应管的阈值电压变化来检测被测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，又可分为表面电阻控制型和体电阻控制型。822 电阻型半导体气敏传感器1. 材料和结构 因为许多金属氧化物具有气敏效应，这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。由于半导瓷与半导体单晶相比具

7、有工艺简单、价格低廉等优点，因此已经用它制作了多种具有实用价值的敏感元件。在诸多的半导体气敏元件中，用氧化锡(SnO2)制成的元件具有结构简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等一系列优点，应用最为广泛。 半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。2. 工作原理 电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。电阻值的变化是伴随着金属氧化物半导体表面对气体的吸附和释放而产生的，为了加速这种反应，通常要用加热器对气敏元件加

8、热. 8.2.3 气敏传感器的应用2. 防止酒后开车控制器3. 油烟检测湖南生物机电职业技术学院课时授课计划（正页）授课班级 授课日期授课章节及主题：任务三 超声波传感器 任务四 热是释电红外传感器 任务五 色敏传感器教学目的与要求：熟练掌握超声波传感器和热释电红外线传感器和色敏传感器的原理和使用方法。教学重点：超声波传感器、热释电红外线传感器和色敏传感器原理教学难点：超声波传感器、热释电红外线传感器和色敏传感器应用教学方法：分析、讲解、举例、练习。作业及思考题：8-1 8-2 8-7 8-8后 记：湖南生物机电职业技术学院课时授课计划（副页）任务三 超声波传感器8.3.1 超声波及其物理性质

9、振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。频率在162×104 Hz之间, 为人耳所闻的机械波, 称为声波; 低于16 Hz的机械波, 称为次声波; 高于2×104 Hz的机械波, 称为超声波。当超声波由一种介质入射到另一种介质时, 由于在两种介质中传播速度不同, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。 一、 超声波的波形及其转换 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同, 声波的波型也不同。通常有: 纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波; 横波质点振动方向垂直于传播方向的波; 表面波质点的振动介于横波与纵波之间， 沿着表面传播的波。 横波只能在固体中传播

10、，纵波能在固体、液体和气体中传播, 表面波随深度增加衰减很快。 为了测量各种状态下的物理量, 应多采用纵波。 纵波、 横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度, 气体中声速为344 m/s, 液体中声速在9001900 m/s。 当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时, 除有纵波的反射、 折射外, 还发生横波的反射和折射, 在某种情况下, 还能产生表面波。 二、 超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质, 在两个介质的分界面上一部分声波被反射， 另一部分透射过界面, 在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。三、 超声波的衰减 声波在介质

11、中传播时, 随着传播距离的增加, 能量逐渐衰减, 其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。 其声压和声强的衰减规律为 Px= P0e-x Ix= I0e-2x 式中:Px、Ix距声源x处的声压和声强; x声波与声源间的距离; 衰减系数, 单位为Np/m（奈培/米）。 声波在介质中传播时, 能量的衰减决定于声波的扩散、 散射和吸收, 在理想介质中,声波的衰减仅来自于声波的扩散, 即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的, 介质吸收声能并转换为热能。 8.3.2 超声波传感器利用超

12、声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、 探测器或传感器。 超声波探头按其工作原理可分为压电式、 磁致伸缩式、 电磁式等, 而以压电式最为常用。 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷, 这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的: 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 而利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。 超声波探头主要由压电晶片、 吸收块（阻尼块）、 保护膜组成。压电晶片多为圆板形, 厚度为。 超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层, 作导电的极板。

13、阻尼块的作用是降低晶片的机械品质, 吸收声能量。如果没有阻尼块, 当激励的电脉冲信号停止时, 晶片将会继续振荡, 加长超声波的脉冲宽度, 使分辨率变差。8 超声波传感器的应用二、 超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定原理是多样的, 如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传输时间差法。 超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的, 利用这一特点可以求出流体的速度, 再根据管道流体的截面积, 便可知道流体的流量。 如果在流体中设置两个超声波传感器, 它们可以发射超声波又可以接收超声波, 一个装在上游, 一个装在下游, 其距离

14、为L。如下图所示。如设顺流方向的传输时间为t1, 逆流方向的传输时间为t2, 流体静止时的超声波传输速度为c, 流体流动速度为v, 则 t1= t2 = 一般来说, 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, 那么超声波传播时间差为t=t2-t1= 由于cv, 从上式便可得到流体的流速, 即 v = 841热释电人体红外线传感器的基本结构和原理目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324，德国产的LH1954、LH1958，美国HAMAMATSU公司产P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样，但其结构、

15、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。    热释电人体红外线传感器（以下简称：传感器）由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。图1为P2288、SD02、SCA02-1的外形图。图1a为它们的顶视图，其中较大的矩形部分为滤光窗，两个虚线框矩形为敏感单元，面积约2x1mm2，间距1mm。图1b为侧视图；图1c为底视图；它们的监视、探测角度其中参数为SCA02-1的数据，其它两种的参数大致相同。   其内部结构见图1a及图2。对不同的传感器来说，敏感单元的制造材料有所不同。如，SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P

16、2288由LiTaO3制成。这些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容，如图2中的P1、P2。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。但这两个电容的极性是相反串联的。这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，由于P1、P2自身产生极化，在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，而这两个电容的极性是相反串联的，所以，正、负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。当人体静止在传感器的检测区域内

17、时，照射到P1、P2上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消。传感器仍然没有信号输出。同理，在灯光或阳光下，因阳光移动的速度非常缓慢，P1、P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低（一般为0.110Hz），即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄（一般为515um），因此，传感器对它们不敏感。当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消，传感器无输出。    从原理上讲，任何发热体

18、都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为0.110Hz）和对特定波长红外线（一般为515um）的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。   它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，如图2中的M，滤光窗能有效地滤除7.014um波

19、长以外的红外线。例如，SCA02-1对7.514um波长的红外线的穿透量为70%，在6.5um处时下降为65%，而在5.0um处时陡降为0.1%；P2288的响应波长为614um，中心波长为10um。   物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足m*T=2989（um.k）（其中m为最大波长，T为绝对温度）。人体的正常体温为3637.5。C，即309310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波长为9.65um。因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（714um）的中心。所以

20、，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。   综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。菲涅尔透镜不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。例如，一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。菲涅尔透镜采用塑料片制作而成。图3为它的平面图。从图中可以看出，透镜在水平方向上分寸成3个部分，每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。最上面部分的每一等份为一个透镜单元，它们由一

21、个个同心圆构成，同心圆圆心在透镜单元内。中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元，同样由同心圆构成，但同心圆圆心不在透镜单元内。当光线通过这些透镜单元后，就会形成明暗相间的可见区和盲区。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，视角内为可见区，视角外为盲区。任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔，它们断续而不重叠和交叉，如图3b。这样，当把透镜放在传感器正前方的适当位置时，运动的人体一旦出现在透镜的前方，人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影区（盲区）和明亮区（可见区），使传感器表面的温度不断发生变化，从而输出电信号。也可以这样理解，人体在检测区内活动时，一离

22、开一个透镜单元的视场，又会立即进入另一个透镜单元的视场，（因为相邻透镜单元之间相隔很近），传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变化，而输出电信号。菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区，还有聚焦作用，其焦点一般为5厘米左右，实际应用时，应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离，一般把透镜固定在传感器正前方15厘米的地方。菲涅尔透镜一般采用聚乙烯塑料片制成，颜色为乳白色或黑色，呈半透明状，但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的。8.4.2热释电红外线传感器的基本应用      PY1为传感器P2288或SCA02

23、-1，IC1为低噪声高速运算放大器LM358等。PY1检测到人体红外线信号后，从2脚输出极微弱的电信号直接输入同相放大器IC1a放大约2500倍，再从1脚输出一定幅度的信号，再经电容C8耦合到反相放大器IC1b进一步放大。IC2构成窗口式电压比较器，当IC1b的7脚电压幅度在Ua和Ub的幅值之间时，IC2的1、7脚无输出；当IC1b的7脚电压幅度大于Ub的幅值时，IC2的7脚输出高电平；当IC1b的7脚电压幅度低于Ua的幅值时，IC2的1脚输出高电平；经D1、D2相互隔离和“或”的作用，从P点输出高电平控制信号。R11用于设置窗口的阀值电平，调节R11可以调整检测器的灵敏度。P点输出高电平控制

24、信号可以用于以下各种实用电路中。    1.“有电，危险”安全警示电路用于有电的场合，当有人进入这些场合时，通过发出语音和声光提醒人们注意安全。    2.自动门主要用于银行、宾馆。当有人来到时，大门自动打开，；人离开后又自动关闭。    3.红外线防盗报警器用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。    4.高速公路车辆车流计数器    5.自动开、关的照明灯，人体接近自动开关等。  (二)   

25、;            在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。被动式热释电红外探头的工作原理及特性：    在自然界，任何高于绝对温度（- 273度）时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。    在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是

26、热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8一12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。    另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在R上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区

27、和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。人体发射的10微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10微米左右的红外辐射必须非常敏感。2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在

28、它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。4)人一旦侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。5)菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。被动式热释电红外探头的优缺点：优点是本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性

29、好。价格低廉。缺点是：容易受各种热源、光源干扰被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。易受射频辐射的干扰。环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。红外线热释电传感器的安装要求：红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件：1、红外线热释电传感器应离地面22.2米。2、红外线热释电传感器远离空调, 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。3、红外线热释电传感器和被探测的人体之间不得间隔家具、大型盆景、玻璃、窗帘等其他物体。4、红外线热释电传感器不能直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误

30、报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。    红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)移动则最为敏感. 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。8.5色 敏 传 感 器半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。 它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。 但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度, 或者说光子的数目。而半导

31、体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。 8.5.1 半导体色敏传感器的基本原理 半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合, 故又称光电双结二极管。 其结构原理及等效电路如下图所示。 为了说明色敏传感器的工作原理, 有必要了解光电二极管的工作机理。 1. 光电二极管的工作原理 对于用半导体硅制造的光电二极管, 在受光照射时, 若入射光子的能量h大于硅的禁带宽度Eg, 则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对电子-空穴。 这些由光子激发而产生的电子空穴统称为光生载流子。 光电二极管的基本部分是一个-结, 产生的光生载流子只要能扩散到势