传感器应用技术

传感器应用技术主讲人：靳涛电话：1340624461QQ:441423551QQ群号：43991846大学生科技创新活动系列讲座(一).传感器的引入人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。.身体与机器人的对应关系.传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。传感器技术的发展直接影响着工业自动化程度的发展。传感器技术已经成为一门学科。.1.2主要内容传感器的定义和组成12传感器的作用和重要性3常用传感器的介绍及应用4传感器的分类5传感器技术发展的新趋势

.传感器的定义和组成一、传感器的定义定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，统称为传感器。电信号传感器：是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的电信号（电流或电压）的检测装置。

.传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：

电路被测量

敏感元件转换元件转换电路注：有的书上不包括虚线后部分.传感器的组成敏感元件（Sensitiveelement）：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（Transductionelement）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。转换电路（Transductioncircuit）：将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量（电压或电流）输出。.总结：因此作为一种功能块地传感器可狭义的定义成：“将外界的输入信号变换成可用电信号的一类元件。”如下图所示：

传感器来自外界的信号可用的电信号.传感器的应用传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛应用。同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。.3传感器的分类及要求一、传感器的分类传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：以被测量来分以传感器的原理来分.按被测量来分类被测量类别被

测

量热工量

温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速机械量

位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声.被测量类别被

测

量物性和成分量

气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（PH值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重状态量

颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量.按传感器的原理来分类电阻式，光电式（红外式、光导纤维式），电感式，谐振式，电容式，霍尔式（磁式），阻抗式（电涡流式），超声式，磁电式，同位素式，热电式，电化学式，压电式，微波式.传感器的作用和重要性传感器的作用传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器所检测的信号进来显著地增加，因而其品种也极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。.响应速度快，工作稳定，可靠性好。使用性和适应性强——体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济——成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。

传感器的作用.传感器的重要性模拟的人脑的电子计算机的发展极为迅速，可是模拟五官的传感器却发展很慢，如果不进行传感器的研究与开发，现在的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。这样，传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。.

光电传感器4图像传感器1气敏传感器32常用的传感器介绍及应用机械开关类传感器温度湿度传感器5.机械开关类传感器接触式行程开关

利用运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断电路，达到一定的控制目的。这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。

.机械开关类传感器工作方式及原理1：推杆2：弹簧3：动断触点4：压缩弹簧5：动合触点.机械开关类传感器应用其结构简单，可靠度高，在日常用品中，工业机床，自动化生产线等应用都非常普遍。.DIY触角机器人.温度湿度传感器温度传感器接触式温度传感器：热电偶，热敏电阻器，集成测温元件。一般测温范围在1000℃以下，价格便宜。非接触式温度传感器辐射高温计（1000℃以上），光谱高温计（400～6000℃

），超声波温度传感器（5000

℃

），激光温度传感器（8000℃）。.常见的温度传感器输出模拟电信号的温度传感器热电偶集成温度传感器

lm35IRTP系列红外测温传感器

TS118-3红外温度传感器

AD590热敏电阻.常见的温度传感器输出数字信号的温度传感器DS18B20STTS75系列数字输出温度传感器

AD7416.两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热端冷端热电偶的工作原理.热敏电阻工作原理热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。热敏电阻随温度变化曲线在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻—温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中RT、RT0——温度分别为T、T0时的电阻值；

BP——正温度系数热敏电阻器的材料常数。.温度检测应用电路..湿度传感器湿度传感器定义能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。工作原理在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

.电阻式湿度传感器湿敏电阻

湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解,离子导电率发生变化而制成的测湿元件。该元件的结构如图所示,由引线、基片、感湿层与电极组成。

.电容式湿度传感器电容式湿度传感器高分子薄膜上部电极下部电极高分子薄膜电介质电容式湿度传感器

电容式高分子湿度传感器，其上部多孔质的金电极可使水分子透过，水的介电系数比较大，室温时约为79。感湿高分子材料的介电常数并不大，当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。随着环境湿度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而湿度传感器的电容量增加．所以根据电容量的变化可测得相对湿度。.几种常见的湿度传感器湿度传感器hs1101湿度传感器hr202无线土壤湿度传感器

10-003电容式湿度传感器

.湿度检测应用电路.气敏传感器气敏传感器接触燃烧式气敏元件金属氧化物半导体气敏元件氧化锆气敏元件.检测原理

可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10％)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。.气敏元件结构示意图触媒Al2O3载体Pt丝元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形图接触燃烧式气敏元件结构示意图(a)元件的内部示意图.半导体气体传感器气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。根据半导体变化的物理性质，可分为电阻型和非电阻型两种。.几种常用的气敏传感器气敏传感器

烟雾传感器模块

酒精传感器

tgs822二氧化碳传感器DM70硫化氢传感器H2S-A1.气体传感器的应用分为检测、报警、监控等几种类型。~220VBZ氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR右图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的电流，足以推动其工作而发出报警信号。.一部分是煤气报警器，在煤气浓度达到危险界限前发生警报；另一部分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生空气负离子，使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧(O3)反应，生成对人体无害的二氧化碳。IC1IC2JBG3~220VKJ1R10R12R11R1R2R3R4BG1BG2C1C2C3C4R5R6R7R8R13R9D1D2D3D4D5DwW1W2C7C5C6MT2MT13CTS3RQABLED6213748521387B1B2D7煤气安全报警器原理图家用煤气(CO)安全报警电路.光电传感器光敏电阻光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长。缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。光电式传感器的核心（敏感元件）是光电器件，光电器件的基础是光电效应。

.光敏电阻A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体.光敏电阻光敏电阻演示

当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）.光敏二极管和光敏三极管当二极管和三极管的PN接受到光照射时，通过PN结的电流将增大。光敏二极管和光敏三极管则必须使PN结能受到最大的光照射。PN光光敏二极管符号RL

光PN光敏二极管接线

.光敏二极管和光敏三极管光敏三极管PPNNNPe

b

bc

RL

Eec.光敏二极管和光敏三极管.光电池光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。+光PN－SiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图

P

N光电池的示意图.光电池光电池外形光敏面.光电池其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池.光源被测物光电元件被吸收的光通量与被测物体的透明度有关。常用来测物体的混浊度光电传感器的应用

吸收式.光源被测物光电元件

反射式反射光通量取决于反向表面的性质、状态和光源之间的距离。表面粗糙度光电传感器的应用.光源被测物光电元件遮光式光原发出的光经过被测物体时被遮挡部分，使得光电元件上的光通量减弱，减弱的程度与被测物体在光学通路中的位置有关。x测位移例如：光电测微计。光电传感器的应用.脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即"通"与"断"的开关状态，所以也称为光电元件的开关运用状态。光电式转速计例：光电开关光电传感器的应用.光电式转速计旋转物体光源透镜半透明膜透镜透镜光电元件光电传感器的应用.电脉冲编码器.绝对直线位移、角位移编码器.图像传感器CCD的工作原理CCD应用举例电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发明的，它与光敏二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图象传感器。它不仅作为高质量固体化的摄象器件成功地应用于广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生产过程自动检测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨大的潜力。.CCD的工作原理

CCD的雏形是在N型或P型硅衬底上生长一层二氧化硅薄层，再在二氧化硅层上淀积并光刻腐蚀出金属电极，这些规则排列的金属-氧化物-半导体电容器阵列和适当的输入、输出电路就构成基本的CCD移位寄存器。对金属栅电极施加时钟脉冲，在对应栅电极下的半导体内就形成可储存少数载流子的势阱。可用光注入或电注入的方法将信号电荷输入势阱。然后周期性地改变时钟