六种类常用传感器知识培训资料

六种类常用传感器知识培训资料 3 3 31.2.传感元件 41.3.温度传感器的类型 41.3.1.接触式温度传感器装置 41.3.2.非接触式温度传感器装置 42.光敏传感器 62.1.概述 62.2.传感元件 72.3.工作原理 72.4.注意事项 72.5.应用领域 73.压力传感器 83.1.概述 8 ??????惠斯通电桥 4.加速度传感器 4.1.概述 4.2.加速度传感器测量原理 4.3.电压输出型加速度传感器的特征 5.1.概述 5.2.选型 5.2.1.测量范围 5.2.2.测量精度 5.3.原理 205.3.1.前述 5.3.2.氯化锂湿度传感器 5.3.3.碳湿敏元件 5.3.4.氧化铝湿度计 225.3.5.陶瓷湿度传感器 225.4.时漂和温漂 5.5.与传统测湿方法的关系 245.6.注意事项 5.7.发展趋势 25 255.8.1.湿敏电阻 255.8.2.湿敏电容 26 265.9.1.线性电压输出式集成湿度传感器 265.9.2.线性频率输出集成湿度传感器 5.9.3.频率/温度输出式集成湿度传感器 275.9.4.单片智能化湿度/温度传感器 275.10.技术指标 5.11.封装方法 5.11.1.前述 5.11.2.晶体管外壳(TO)封装 295.11.3.单列直插封装(SIP)封装 29 5.11.5.其它封装形式 5.11.6.湿度传感器和其它传感器混合封装 305.12.国家标准 5.13.安装方法 5.14.湿度传感器性能判断方法 5.15.1.湿度传感器的用途 5.15.2.湿度传感器的分类 325.16.产品品牌 5.17.市场前景 5.18.市场分析 6.气体传感器 6.1.什么是气体传感器? 6.2.技术原理 34 36 40 42 44前言传感器是一种能够将感知到的物理量或特定信号转换成输出信号的设备。在现代科技领域中，传感器扮演着至关重要的角色。它们广泛应用于各行各业，从智能手机到汽车工业，从医疗保健到环境监测。本文将介绍六种常用传感器的工作原理和应用领域。这些传感器只是传感器技术领域中的一小部分。随着科技的不断进步，新型传感器的不断涌现，将为我们的生活和工作带来更多便利。传感器的发展将继续推动科学和技术的进步，为我们创造更美好的未来。1.温度传感器1.1.概述温度传感器用于测量物体的温度。它们通常基于热敏原理工作，其中一个常见的类型是热敏电阻(RTD)。温度传感器在许多领域广泛应用，如气象测量、食品加工、温度控制系统等。温度传感器将热能转换为物理量，如位移、压力和电信号等。它是一种用于自动测量温度的电气设备。温度传感器的主要原理是测量热量并在将其转换为可读形式后传输信息。以下是温度传感器的特性：2)传感器主要将热量转换为交替量。1.2.传感元件温度传感器中使用的传感元件必须具有随温度如-在电阻温度计中，铂金属用作传感元件：1.3.温度传感器的类型1.3.1.接触式温度传感器装置在这种类型的传感器中，传感元件直接连接到热源接触式温度传感器是通过传导又或者是对流达到了1.3.2.非接触式温度传感器装置传感元件不直接接触热源。他们利用对流现象进行传电阻温度计分为两种类型。负温度系数-用于检测温度。位置温度系数-用于控制电流。电阻温度计-金属的电阻随温度变化。金属的这种特性用于测量温度。电阻温度计使用铂作为传感元件，因此测量周围温度。1.3.2.2.热电偶热电偶在接触点将温度转换为电能。它的工作原理是金属具有不同的温度系数，当这两种金属连接在一起时，电压就会感应，并且该电压与温度成正比。第6页共45页1.3.2.3.集成电路温度传感器2.光敏传感器2.1.概述光电传感器是将光信号转换为电信号的传感非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏2.3.工作原理光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波光敏传感器采用防静电袋封装。在使用的过程光敏传感器主要应用于太阳能草坪灯、光控控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒输出微弱的电信号，通过简单电子线路放大处理，可以控制LED灯具的自动开关。因此在自动控制、家用电器中得到广泛的第8页共45页如：在电视机中作亮度自动调节，照相机中作3.压力传感器压力传感器用于测量物体的压力。它们可以基力传导效应工作。压力传感器广泛应用于工业压力传感器是工业实践中最常见的一种传感器压力传感器按不同的测试压力类型，可分为：表第9页共45页绝压传感器是能感受相对于绝对压力的压力的第10页共45页简写为Pa。压强的定义是：均匀垂直作用在物体表面单位面积的压力。在日常传统的压力传感器是机械结构的，这种传感器体积大第11页共45页电源电源新型压力传感器可以将，压力的变化转换为阻直接作为信号被采集的，所以我们还需要将电阻它是能精确测量电阻变化的测量电路，有趣的是惠斯通电桥不是由惠斯通发明的，而是由英国发明家克里斯蒂在1833年发明。因为惠斯通第一次用这种电路测量电阻，所以人们才把它称为惠斯通电桥。??.3.惠斯通电桥惠斯通电桥是由四个电阻，R1、R2、R3、R4顺序连接形成的一个环形电路。环形电路的对角接入一个直流电源作为激励，另一个对角接入负载，它的四个电阻又叫做电桥的桥臂。分析图6可知，输出电压VO是由R2处的电压值减去R3处的电压值得到。所以VO=[R3R3+R4-R2R1+R2]*VEX指的是电源电压。就会破坏电桥的平衡，使VO两端产生电位差，从而输出电压。这样我们就可以将电阻的变化转变为电压的变化。在使用惠斯通电桥作为测量电路时，一般将R4变为应变电阻，其他三个电第13页共45页DDNR电源第14页共45页RR电源₀R可见，二分之一桥只是将R3电阻也变为应变电阻。电路简化后则是：V0的计算也和四分之一桥相同，可以得到：因为二分之一桥有两个应变电阻，所以方程中出现了两个未知量△R2和△R1。而一个方程不能求解两个未知量的值，怎么办呢?我们仔细分析应变电阻在材料上的位置就会发现：当我们给材料一个向下的压力时，应变电阻R4拉伸的应变值为ε,随之而改变的应变电阻R3会收缩，应变值为-ve。R4与R3受力第15页共45页△R2用△R1表示出来，这样就可以求解方程。也就能通过输出电压计算出应变图10拉伸前E我们在图12给出全桥的电路图：第16页共45页十电源我们要根据实际情况进行选择。在使用惠斯通电般都是毫伏级的电压。在传感器上标注的单位一般是mV/V,灵敏度。当传感器灵敏度为2mV/V,激励电源是10V时，传感器的满载输出为如图13,是一种常用的放大电路和运算放大电路：第17页共45页4.加速度传感器湿度传感器用于测量物体或环境中的湿度。它们振频率变化来检测湿度。湿度传感器在气象学、农业、4.1.概述运动来检测加速度。加速度传感器在汽车安全系统、加速度传感器是一种常用的物理量传感器，其基移，从而改变阻尼器和弹性元件的物理状态。这个光纤式等多种类型。其中，压阻式加速度传感器第18页共45页为压敏电阻，当加速度作用时，压敏电阻的阻度作用时，电容值发生变化，从而改变电信号的输出。敏感元件为光纤，当加速度作用时，光纤的折射率模拟电压信号。这种传感器通常由信号调理电路、差分组成。当加速度作用在敏感元件上时，敏感元件1.线性度好：由于敏感元件和放大电路的设计和校准，使得传感器的输出3.分辨率高：由于采用了高精度的放大电路和差分结构设计，使得传感器4.响应速度快：由于采用了高速响应的敏感元件和放大电路，使得传感器5.可靠性高：由于采用了耐冲击和耐振动的结构设计，使得传感器的可靠在实际应用中，电压输出型加速度传感器通常需要动状态的监测和控制。同时，为了获得更准确的测第19页共45页5.湿度传感器5.1.概述感器时，首先要搞清楚需要什么样的传感器；在自5.2.选型科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100%RH)测量。在当今的第20页共45页和测量范围一样，测量精度同是传感器最重要的指标。每提高一个百分点.其制造成本相差很大，售价也相差甚远。例如进口的1只廉价的湿度传感器只有几美元，而1只供标定用的全湿程湿度传感器要几百美元，相差近百倍。所生产厂商往往是分段给出其湿度传感器的精度的。如中、低湿段(0一80%RH)为±2%RH,而高湿段(80—100%RH)为±4%RH。而且此精度是在某一度漂移的影响。众所周知，相对湿度是温度的函数，温间内的相对湿度。温度每变化0.1℃。将产生0.5%RH的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合度的变化也漂忽不定的话，奢谈测湿精度将失去实际意好温，这就是大量应用的往往是温湿度一体化传感器度发生器也难以做到，更何况传感器自身了。国家标准文章认为：“相对湿度测量仪表，即使在20—25℃下，要达到2%RH的准确度仍是很困难的。”5.3.原理湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料第21页共45页电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH,这比干湿球测湿精度高。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿5.3.2.氯化锂湿度传感器的有效感湿范围一般在20%RH以内。例如0.05%的浓度对应的感湿范围约为(80~100)%RH,0.2%的浓度对应范围是(60~80)%RH等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为(15~100)%RH,国外有些产品声称其测量范围可达[2～100]%RH。式相似，但工作原理却完全不同。简而言之5.3.3.碳湿敏元件碳湿敏元件是美国的E.K.Carver和C.W.Breasefield于1942年首先提出来的，与常用的毛发、肠衣和氯化锂等探空元件相度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点，因之门于70年代初开展碳湿敏元件的研制，并取得了积极的成果，其测量不确定度不超过±5%RH,时间常数在正温时为2~3s,滞差一般在7%左右，比阻稳定第22页共45页仅90μm厚、12mg重),灵敏度高(测量下限达-110℃露点),响应速度快(一般在0.3s到3s之间),测量信号直接以电参量的形式输出，大大简化了数据处理程序，等等。另外，它还适用于测量液体中工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。因此，自60可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测第23页共45页以上几种是应用较多的几种类型传感器，另外还下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期负责重新标温漂在上1节已经提到。选择湿度传感器要考虑应用场合的温度变化范围，看所选传感器在指定温度下能否正常工作，温漂是否用者注意的是：电容式湿度传感器的温度系数α是个变量，它随使用温度、湿而温度系数α又主要取决于水和感湿材料的介电系时，中低湿段的温漂可忽略不计。但在高温高湿区或负温部门温度(℃)湿度(%RH)纺织纺纱厂织布厂医药制药厂轻工印刷厂卷烟厂火柴厂电子半导体计算机房电缆充气食品啤酒发酵良种培育第24页共45页部门温度(℃)湿度(%RH)人工大棚水果冷冻文物保管注：在不同领域的使用范围(%RH/℃)早在18世纪人类就发明了干湿球和毛发湿度计，而电子式湿度传感器是近有关系。由于干湿球、毛发湿度计的价格仍明显低人对电子湿度传感器价格的不认可。正好像用惯湿度计才是准确的固有概念。有些用户拿干湿球湿度感器，如发现示值不同，马上认为湿度传感器不准本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布标准湿度发生器来逐支标定，最常用分流式标准湿希望用户在需要校准时也采用相同的方法，避免用准湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感之间相互干扰，甚至无法工作。使用时应技要求提第25页共45页传感器需要进行远距离信号传输时，要注意信号的衰超过200m以上时，建议选用频率输出信号的湿度传感器。在食品保护，环境检测等方面有着重要的应用，我们在程中都有它的注意事项，我们在使用的时候应该首先阅湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料第26页共45页蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻5.8.2.湿敏电容公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是(1%~99%)RH,在55%RH时的电容量为180pF(典型值)。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF~202pF。温度系数为0.04pF/℃,湿度滞后量为±1.5%,响应时间为5s。敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检5.9.特点HF3223、HTF3223型),Sensiron公司(SHT11、SHT15型)。这些产品可分成5.9.1.线性电压输出式集成湿度传感器5.9.2.线性频率输出集成湿度传感器第27页共45页典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz(型值),当相对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化湿度/温度传感器，其外形尺寸仅为7.6(mm)×5(mm)×2.5(mm),体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0~100%,分辨力达0.03%RH,最高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40℃~+123.8℃,位数分别可达12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温可使传感器的温度大约升高5℃,电源电流亦增加8mA(采用+5V电源)。使用加第28页共45页度值及相对湿度值计算出露点。在命令响应界面上运行此程序时，计算机屏幕集成湿度传感器的测量范围一般可达到0~100%。但有的厂家为保证精度指标而将测量范围限制为10%~95%。设计+3.3V低压供电的湿度/温度测试系统时，可选用SHT11、SHT15传感器。这种传感器电源电压低于+2.45V±0.1V时，状态寄存器的第6位立即更新，使芯片不工作，5.11.封装方法湿度传感器由于其工作原理的限制，必须采取非装管壳留有和外界连通的接触孔或者接触窗，让湿敏第29页共45页进行保护。下面介绍几种湿度传感器的不同封装形式。封装结构示意图见图1;目前，用TO型封装技术封装湿敏元件是一种比较缘焊牢。金属管帽的顶端或者侧面开有小孔或小窗度传感器的使用寿命。和1.27mm两种，平时引线均连成带状，焊接后再剪成单个卡式引要对组装好元器件的基板进行涂覆保护，最简单的固化。最后塑封保护，整修毛刺，完成封装。品种，小批量生产，且便于逐个引线的更换和返修。再将湿敏芯片上的焊区与引线框架引脚的键合区打弯成型。塑料外壳表面开有与空气接触的小第30页共45页小，成本低，容易使用。同时适合SMT,是一种比较优良的封装方法。直接插入外框架，然后固定。从外框架另一端插相接(也可以悬空),然后用导电胶热固法将湿敏芯片和外引线连接起来。最后，能够允许空气渗透进入传感器而能阻挡灰尘和水滴。这种湿度传感器的封装有别于传统的湿度传感线键合的方法连接外引线和湿敏芯片，而是直避免了因为内引线的原因而导致的失效问题。同时，它的较复杂。很多时候，湿度传感器并不是单独封装的，经树脂固化，使湿敏芯片固定。再将湿敏芯片上空气隔离，密封保护。小窗贴有空气过滤薄膜，以防止杂质的沾污。电性能和热性能优良，封装体积小，适合SMT等优点。5.12.国家标准JJF1076-2001湿度传感器校准规范第31页共45页4.风道式安装方式2般都有高、中、低3种湿度和温度情况，可以较全面地观察产品的一致性和稳第32页共45页产品的性能最终要依据质检部门正规完备的检测标定，也可使用名牌产品作比对检测，产品还应进湿度传感器用于湿度测量，基于湿度定义有很多Humirel、韩国Syhitech、美国Honeywell感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感第33页共45页最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSys感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传重复性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF,容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40℃陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。氯化锂湿敏电阻，具有最突出第34页共45页是长期使用寿命的可靠保证。氯化锂湿敏元件6.气体传感器化学原理工作。气体传感器在环境监测、工业安全类别、浓度和成份的。在工业生产的过程中，许多原超声波等传感技术为主，其中催化燃烧和半导体型气体型路线。据MordorIntelligence统计，2020年电化学传感技术占据了高达52.88%的份额，红外技术(属于光学传感)紧随其后，占据24.06%的份额。其催化燃烧气体传感器技术原理，它是采用惠斯通无焰燃烧，敏感体温度升高，感温材料电阻增加，却平@深国安理子图1.电桥电路变化量随气体浓度增加而成正比例增加，根据测定电却平@深国安理子图1.电桥电路力补偿元”gc成型品?电盖图14催化燃烧气体传感器工作原理第36页共45页物理吸附：化学吸附：感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止传感器针脚知乎@梁副安里子图15电化学气体传感器工作原理这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化，通过电极间连接的第37页共45页电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负优点：电化学气体传感器耗电小、线性和重复性好选性和高灵敏度等特点，目前几乎广泛应用于实验室领是通过检测电流来检测气体的浓度，目前电化图16红外气体传感器模组一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的的浓度及吸收层厚度成正比。红外线气体传感器常用的红外线波长为2~12μm积的容器，从容器可以透光的两个端面中的一个端面后在另一个端面测定红外线的辐射强度，最后依第38页共45页光学窄带滤光片知乎应流圆安电子图17红外气体传感器工作原理特点：红外气体传感器具有很高的监测灵敏度，PPM级气体浓度有微小变化都能分辨出来。它测量范围宽：可分析气体上限达100%VOL,并且进行精细知乎@深国安电子图18红外气体传感器工作原理用途：红外气体传感器一般用于可燃气体和二氧化碳探测。例如红外气体传感器适用测甲烷、二氧化碳、二氧化氮、一氧化碳、二氧化硫、氨气、乙醇、苯等气体第39页共45页和乎@深国灭电子光离子PID气体传感器技术原理，它是通过一个紫外光源，化学物质在它的激发下产生正、负离子就能被检测器轻易探测到。当分子吸收高能紫外线时就产生电离，分子在这种激发下产生负电子并构成正离子。这些电离的微粒产生的电流通过检测器的放大，就能在外表上显现ppm级的浓度。这些离子通过电极后很快就重新组合到一同变成原来的有机分子。在此进程中分子不会有任何损坏。第40页共45页PID原理图FID原理窗电子图20光离子PID气体传感器工作原理优点：光离子PID气体传感器具有很高的灵敏用途：光离子PID气体传感器一般用于测VOC挥发性有机物气体。激光气体传感器技术原理，它是一种基于可调谐半缩写，激光气体传感器主要是利用可调谐半导体激光第41页共45页却乎@获国安电子优点：激光气体传感器抗干扰能力强，不受现场温湿度的干扰，可在高湿及-40~+70℃的环境下正常使用。其次激光气体传感器针对性强，只对相应气体有响应，避免其他烷类以及可燃性气体的交叉干扰；并且激光气体传感