传感器与智能检测技术 课件第7-12章 热电式传感器- 智能汽车中的传感器

《传感器与智能检测技术》第7章

热电式传感器【学习目标】1.了解热电效应及其基本原理；2.了解热电偶相关定律、基本结构及种类；3.掌握热电偶冷端补偿方法及补偿导线使用；4.掌握热电偶选用及实际测温电路；5.了解热电偶基本应用；6.了解铂热电阻和铜热电阻相关知识；7.掌握热电阻测温电路；8.了解热敏电阻基本特性及测温电路；9.了解热电阻及热敏电阻相关应用；10.了解集成温度传感器基本结构原理及相关应用；【重点和难点】重点：热电原理及相关定律；冷端补偿；热电阻、热敏电阻结构原理；集成温度传感器结构与原理；相关应用；难点：热电偶冷端补偿；热电阻测温电路；集成温度传感器原理；【职业素养】1.通过相关现象、原理的讲解与学习，培养学生热爱学习、探索未来、积极创新的精神；2.通过相关结构与电路的分析，培养学生认真细心、埋头苦干的精神和素质；3.通过案例分析讨论及相关实训，培养学生勤学好问、互帮互助的团队精神；学习内容一、热电偶二、热电阻与热敏电阻三、集成温度传感器第一节：热电偶一、热电偶热电效应

塞贝克效应将两种不同成分的导体组合成一闭合回路，若两接点温度不同，回路中将产生一个电动势。该电动势称为“热电动势”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”。小知识：托马斯·约翰·塞贝克，1770年~1831年，他于1821年通过试验发现两种不同金属组成的回路，给一个节点加温，而另一个保持低温，则在电路周边产生磁场，这是热电势与相应的回路电流带来的。随后，他将这一发现报告给普鲁士科学学会。一、热电偶热电效应

塞贝克效应测温范围从-180℃~+2000℃，甚至可以到+2800℃一、热电偶结构

热电偶一、热电偶热电势接触电动势与温差电动势一、热电偶热电势接触电动势接触电动势是由于A，B两种导体载流子浓度不同造成的。设A载流子浓度为NA，B载流子浓度为NB，若NA>NB，由于自由扩散原理，A导体扩散到B导体的载流子比B导体扩散到A导体的要多，原则上讲，直到两边载流子浓度一致才会达到平衡。这样，A导体失去载流子（一般为自由电子）而B导体获得载流子。假设载流子为自由电子，这样A导体就带正电，B导体带负电，由A到B形成一内部电场。该电场会使得载流子从B向A移动，称为漂移作用。此时，NA’仍然大于NB’，同时A到B也建立了内电场。NA’

>NB’产生的扩散运动和内电场的漂移运动达到动态平衡时，系统稳定，该内电场的积分即为接点的接触电动势eAB（T）。一、热电偶热电势

接触电动势思考：半导体PN节，存在复合区，该区载流子浓度很低。因此该区与P型及N型导体之间均存在较强的内电场，以及与之对应的接触电动势。这也是半导体PN节内电场电压较高的原因。一、热电偶热电势

温差电动势热电偶两个电极，其单一导体还存在温差电动势。由于导体热端其自由电子有较大的动能，因此会向冷端移动，从而失去电子，带正电；冷端得到电子带负电。因此，形成一内部电场，该电场产生的漂移运动与自由电子的热扩散运动平衡时，系统达到动态稳定，该内电场的积分即为温差电动势。导体A的温差电动势一般表示为eA（T，T0），导体B的温差电动势表示为eB（T，T0）。一、热电偶热电势

热电偶总热电势EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）+eA（T，T0）-eB（T，T0）。A、B为热电偶两个热电极，T，T0为两接点温度。

接触电动势远高于温差电动势，因此我们一般忽略温差电动势的影响，则有：EAB（T，T0）≈

eAB（T）-eAB（T0）。

当热电偶材料A，B一定时，热电势就只和温度T，T0有关。EAB（T，T0）≈

f（T）-f（T0）。当参考端温度T0恒定时，f（T0）为一常量C，此时我们有：EAB（T，T0）≈

f（T）-C=φ（T）。EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）+eA（T，T0）-eB（T，T0）。A、B为热电偶两个热电极，T，T0为两接点温度。一、热电偶热电势

热电势综上所述，热电偶的热电势只于材料性质以及接触点温度有关，与接点大小、形状无关，也与热电偶中间温度无关。这样的性质使得热电偶测温不受周边环境因素的影响，非常方便，有利于热电偶进行准确的温度测量；同时，也对热电偶的加工精度要求不太高，便于降低制造成本，有利于热电偶的大规模应用。思考：热电偶的产生电势及电流，其能量从何而来？一、热电偶热电偶基本定律

均质导体定律定义：如果热电偶两电极材料相同，则无论接点温度是否相同，回路热电势均为零。推导：由前述可知，材料相同时，接触电动势为零，而温差电动势则互相抵消。因此，回路总的电动势为零。用途：当热电偶电极材料不均匀时，相同材料电极的热电偶也可能会出现电动势。用该方法可以检验热电偶电极材料的均匀性、一致性。一、热电偶热电偶基本定律

中间导体定律定义：在热电偶回路中，加入第三种导体材料；当第三种材料和原材料两个接点温度相同时，回路总热电动势不变。推导：如图，假设三种导体构成的回路其回路总电动势为E=eAB（t）-eAC（t0）-eCB（t0）。我们假设三个接点温度均相同，即t=t0，则回路电动势应该为0。由此有，eAB（t0）=eAC（t0）+eCB（t0）；由此，可得E=eAB（t）-eAB（t0），与只有两种导体AB时一样。这样第三种导体的引入不影响热电偶总的热电势。一、热电偶热电偶基本定律

中间导体定律用途：我们在利用热电偶测量系统温度时，都要引入相应的测量仪表，而测量仪表可以视为第三种导体的接入。只要满足仪表和热电偶两个接点温度相同，则仪表的引入不会影响热电偶进行温度测量。注意：热电偶电极材料如果掺入了杂质，或者材料不均匀，也可视为引入了第三种导体。这时，如果对应接点温度不同，则可能影响测量输出。热电偶虽然对加工精度要求不高，但是对热电极材料的均匀性、一致性要求较高。一、热电偶热电偶基本定律

中间温度定律定义：热电偶两点之间T1，T3的热电势，等于该热电偶在T1，T2热电势和T2，T3的热电势之和。推导：由热电偶电动势定义可知：EAB（T1，T2）=eAB（T1）-eAB（T2）；EAB（T2，T3）=eAB（T2）-eAB（T3）；则EAB（T1，T2）+EAB（T2，T3）=eAB（T1）-eAB（T2）+eAB（T2）-eAB（T3）=

eAB（T1）-eAB（T3）=EAB（T1，T3）。用途：热电偶中间温度定律在热电偶实际测温、冷端补偿、补偿导线使用方面都有重要作用。定义：热电偶两点之间T1，T3的热电势，等于该热电偶在T1，T2热电势和T2，T3的热电势之和。一、热电偶热电偶基本定律

标准电极定律定义：如果两种导体A，B与第三种导体C的热电势已知，则A，B之间的热电势也已知：EAB（t，t0）=EAC（t，t0）-EBC（t，t0）。用途：我们只需把相关材料与标准热电极通过实验室测定相关分度表，即可通过相关代数运算，得到任意两个热电极组成的热电偶的分度表。一、热电偶热电偶材料

热电偶材料铂铑10-铂热电偶（S）：测温范围-50℃~1768℃；性能稳定，精度高，长期作为国际温标的法定标准热电偶；但是热电势弱，价格昂贵。镍铬-镍硅（镍铝）热电偶（K）：测温范围-270℃~1370℃；复制性好，热电势大，价格便宜，工业测量中使用广泛；但在还原性介质中易受腐蚀，测量精度偏低。镍铬-考铜热电偶（E）：测温范围-270℃~800℃；灵敏度高，比K型高50%，价格便宜；但不能用于还原性气体，测温范围偏窄，考铜易氧化。4铂铑30-铂铑6热电偶（B）：测温范围50℃~1280℃；性能稳定，精度高，适用于氧化及中性介质；但热电势小，价格高。一、热电偶热电偶材料

热电偶材料一、热电偶热电偶结构

普通型热电偶热端为两热电偶电极接触端；绝缘套管用于防止两根热电极短路；保护管使热电偶和被测介质隔离，使之免受化学和物理损害，要求经久耐用、导热性好；接线盒用于连接热电偶和测量电路。一、热电偶热电偶结构

铠装型热电偶铠装型热电偶可以做的很细长，并可弯曲，长度可调，适合于特殊场合以及普通型热电偶不便使用的地方。它具有响应快，寿命长，机械强度高，弯曲性好等特点。铠装型热电偶可长达上百米一、热电偶热电偶结构

薄膜型热电偶薄膜型热电偶是利用真空蒸镀、化学涂层等方法将两种热电极金属材料固定到绝缘基本上制成的。绝缘基板可选用云母，陶瓷片，玻璃或酚醛塑料纸。薄膜型热电偶接点可以很小、很薄（0.01~0.1um），具有热容量小，响应速度高等特点。适合于微小面积上的表面测温，以及快速变化的动态温度测温。一、热电偶冷端补偿

补偿导线原理及使用方法补偿导线是连接热电偶和测量仪器的导线，它的主要目的是把热电偶的冷端温度点从接线盒延申至测量仪器所在地方。一、热电偶冷端补偿

补偿导线原理及使用方法推导：如前图所示，设热电偶电极为A、B，对应补偿导线热电极为A’、B’，A与A’连接，B与B’连接。热端温度为T，补偿导线与热电偶两接点温度为Tc，冷端温度为T0。由定义，回路热电势E=eAB（T）-eAA'（Tc）-eA’B’（T0）+eBB'（Tc）；注意，由中间导体定律，我们有：eAA'（Tc）=eAB（Tc）+eBA'（Tc）；

eBB'（Tc）=eBA'（Tc）+eA'B'（Tc）；

则有：eBB'（Tc）-eAA'（Tc）=eA'B'（Tc）-eAB（Tc）；

则回路电动势：E=eAB（T）-eAB（Tc）+eA'B'（Tc）-eA’B’（T0）；

=EAB（T，Tc）+EA'B'（Tc，T0）；由于EAB（Tc，T0）=EA'B'（Tc，T0），则E=EAB（T，Tc）+EAB（Tc，T0）=EAB（T，T0）；注意：热电偶与补偿导线两连接点温度必须一致；补偿导线与对应热电偶在其工作范围内热电特性一致，连接时要注意正负极。一、热电偶冷端补偿

补偿导线原理及使用方法补偿导线型号配用热电偶补偿导线材料补偿导线绝缘层颜色正极负极正极负极SC铂铑10-铂S铜铜镍红绿KC镍铬-镍硅K铜铜镍红蓝KX镍铬-镍硅K镍铬镍硅红黑EX镍铬-铜镍E镍硅铜镍红棕JX铁-铜镍J铁铜镍红紫TX铜-铜镍T铜铜镍红白一、热电偶冷端补偿

补偿导线一、热电偶冷端补偿

冷端补偿方法冷浴法将冷端直接至于冰水混合物中，使其保持0℃。这样就满足了热电偶分度表冷端0℃的条件。该方法较为准确，但是使用十分不便，通常只在实验室中采用。2计算修正法当冷端实际温度不是0℃时，我们可以采用中间温度定律来修正。EAB（T，0）=EAB（T，Tc）+EAB（Tc，0）；一、热电偶冷端补偿

冷端补偿方法3补偿电桥法：在测量回路中串入一个电桥，利用电桥输出随温度变化的特点，补偿冷端温度变化引起的热电偶热电势变化。一、热电偶冷端补偿

冷端补偿方法XT-WBC热电偶冷端补偿器一、热电偶测温电路

实际测温电路1、测量一点温度2、测量两点温度差一、热电偶测温电路

实际测温电路3、并联：测量多点平均温度讨论：系统中，如果某一路测量回路出现故障、断路了；系统输出会有什么影响？一、热电偶测温电路

实际测温电路4、多个热电偶串联E串=E1+E2+E3...为每个热电偶电动势之和，其主要目的是输出电动势大，增加了系统灵敏度。思考：串联连接时，布线及接线有什么注意事项？一、热电偶应用

测温应用一、热电偶应用

恒温控制应用讨论：电阻的热功率和控制电压/电流之间是平方关系，因此，该系统为典型的非线性控制系统。那么相应的控制系统设计该如何应对呢？一、热电偶应用

火药燃气温度测量第二节：热电阻与热敏电阻二、热电阻与热敏电阻热电阻取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484

。为什么？二、热电阻与热敏电阻热电阻

热电阻热电阻效应：物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。由于温度升高，自由电子的热运动加剧，碰撞更激烈，由此带来金属电阻率的增加。其测温范围为-200℃~960℃。二、热电阻与热敏电阻热电阻

铂热电阻：Pt金属铂Pt，其物理、化学性质稳定，电阻率大，是制作热电阻的理想材料。铂热电阻主要用作标准电阻温度计，它的长期稳定复现性可达10-4K，是目前复现性最好的温度计，广泛应用于基准和标准温度的传递；缺点是价格较高。主要型号有Pt10，Pt50，Pt100，Pt1000；其中Pt100使用最为广泛。二、热电阻与热敏电阻热电阻铜热电阻：Cu测温范围较窄，精度要求不太高；但价格便宜。主要型号有Cu50，Cu100，二、热电阻与热敏电阻热电阻

测量电路1、电桥-两线制问题：电桥平衡时，R1R3

=R2（Rt

+2r）；当Rt

=50Ω，r=1Ω时，测量误差达到了2/50=4%；二、热电阻与热敏电阻热电阻

测量电路2、三线制电桥平衡时，有R1（R3+r）

=R2（Rt

+r）；R1=R2时，有Rt=R3·R1/R2；与r无关二、热电阻与热敏电阻热电阻

测量电路3、四线制四线制测量电路为伏安法，一端接入恒流源I，这样，Rt两端电压URt

=I×

Rt，与导线电阻r1，r4无关；另一对线引出Rt两端电压，由于测量仪表内阻很高，电流可近似为0，这样测量电压V=URt=I×

Rt，与导线电阻r2，r3无关。二、热电阻与热敏电阻热电阻

其它常用热电阻1）铟热电阻：一种高精度低温热电阻。在低温区，4.2K~15K范围内，其灵敏度为铂热电阻的10倍，灵敏度高，适合于低温测量；但是其材料软，复现性较差。2）锰热电阻：在2-63K范围内，灵敏度高；缺点是较脆，难以制作加工。二、热电阻与热敏电阻热电阻应用

热电阻流量计将温度tn的热电阻置于温度t0的介质中，设两者接触表面积为A，则热电阻耗散的热量Q=KA（tn-t0）；K为热传导系数，与介质的密度、粘度、流速有关，流速越大，K越大。在平衡状态下，热电阻输入热功率与耗散热功率相同，热电阻温度保持稳定。由于热电阻输入功率为I2·Rt1，变化不大；则流速大时热电阻温度较低。这样，即可通过热电阻自身温度，测量介质的流速。思考：图中Rt2的作用是什么？薄膜型及普通型铂热电阻小型铂热电阻防爆型铂热电阻汽车用水温传感器及水温表铜热电阻二、热电阻与热敏电阻热敏电阻

热敏电阻原理：半导体材料，其本征激发随温度上升而上升，载流浓度增加，使其具备负温度特性；但是随着温度的进一步上升，载流子热运动更激烈，碰撞加剧，会导致材料电阻率增加，从而其在某些温度区间又具备正温度特性。二、热电阻与热敏电阻热敏电阻

热敏电阻特性热敏电阻与热电阻相比，具有灵敏度高（比热电阻高1~2个数量级）、体积小（最小直径可达0.1~0.2mm）、结构简单坚固、热惯性小、响应快、使用方便、寿命长的特点；由于其自身电阻值较大，无需考虑导线电阻的影响，因而测量电路简单的特点。但是也存在非线性性大、产品个体差异大、稳定性差等缺点。二、热电阻与热敏电阻热敏电阻

热敏电阻特性PTC为正温度系数特性，元件电阻值随温度升高而增加NTC为负温度系数特性，元件电阻值随温度升高而减小CTR为临界温度系数，也是一种负温度特性。但在某一温度点，元件电阻值急剧下降，在这区间，温度特性斜率特别大，灵敏度特别高。其主要用于温度开关二、热电阻与热敏电阻热敏电阻应用

温度上下限报警器二、热电阻与热敏电阻热敏电阻应用

温度控制器热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻

贴片式NTC热敏电阻

MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD热敏电阻体温表

热敏电阻用于CPU的温度测量

热敏电阻用于电热水器的温度控制

第三节：集成温度传感器三、集成温度传感器原理PN节特性半导体PN节特性二极管PN节压降随温度增加而减少。一般，当温度上升1℃，二极管正向压降降低2-2.5mV。三、集成温度传感器原理

集成温度传感器基本原理实际使用中，k、q、I1/I2及γ均为常量，所以，输出电压ΔUBE与测量温度T成正比。三、集成温度传感器结构

电压输出型调整R1的值，可以使得I1≈

I2γ为VT2与VT1发射极面积之比三、集成温度传感器结构

电流输出型VT1与VT2结构完全相同，确保I1与I2严格相等γ为VT4与VT3发射极面积之比思考：γ可能存在个体差异，会出现什么问题？

如何处理？三、集成温度传感器比较

特性对比传感器类别测温范围（℃）精度（℃）线性性重复性（℃）灵敏度铂热电阻-200~6000.3~1.0差0.3~1.0不高热电偶-200~16000.3~0.5较差0.3~1.0不高双金属片-20~2001~10较差0.5~5不高热敏电阻-50~3000.2~2.0不良0.2~2.0高半导体管-40~1501.0良0.2~1.0高集成温度传感器-55~1501.0优0.3高三、集成温度传感器器件

常用集成温度传感器型号输出形式温度适用范围（℃）温度系数引脚μPC616ASC616A电压型-40~12510mV/℃4端μPC616CSL616C电压型-25~8510mV/℃8脚LX5600电压型-55~8510mV/℃4端LX5700电压型-55~8510mV/℃4端LM3911电压型-25~8510mV/℃4端、8脚LM134/LM134M电流型-55~1251μA/℃3端SL334电流型0~701μA/℃3端AD590/LS590电流型-55~1551μA/℃3端AN6701S电压型-10~80105~113mV/℃8脚三、集成温度传感器误差

集成温度传感器由γ个体差异引起三、集成温度传感器误差

集成温度传感器校正电路三、集成温度传感器测温电路（a）为基本测温电路（b）为最低温测量电路（c）为平均温度测量电路三、集成温度传感器应用

液位报警器三、集成温度传感器应用

土壤加热器思考：斯密特触发器可以提高系统抗干扰能力，并避免频繁开关。

请改进该电路，以实现施密特触发功能。三、集成温度传感器应用

空气流速检测器注意：在定标和测量时应该使两只LM335处在相同的环境温度下。知识拓展非接触式比色法：原理比色测温是基于热辐射相关基本定律。根据普朗克和斯特蒂芬-玻尔兹曼定律，每个物体都会发出热辐射，其强度与物体的温度有关。根据物体的温度不同，发出的热辐射的波长和强度也会不同。知识拓展非接触式比色法：结构双通道知识拓展非接触式比色法：结构比色式测温仪可以有效消除水汽、灰尘等光路干扰，实现精确测量单通道知识拓展非接触式亮度测量法通过一定波长下，物体的单色辐射强度来确定其温度。通常会先定标，再使用。知识拓展非接触式全辐射测温法根据物体全波长范围内总的辐射强度来测量物体温度。通常会先定标，再使用。【本章小结】1、热电效应及热电偶定律；2、热电偶结构与材料；3、补偿导线与热电偶冷端补偿；4、热电偶测温电路及应用；5、金属热电阻特性，铂热电阻及铜热电阻；6、热电阻测温电路，三线制、四线制；7、热敏电阻特性及应用；8、集成温度传感器原理及结构；《传感器与智能检测技术》感

谢

聆

听机械工业出版社《传感器与智能检测技术》第8章

光电式传感器【学习目标】1.了解光电效应基础知识；2.了解光电器件基本结构及分类；3.掌握几种光电器件的主要特性；4.了解光电传感器主要应用；5.了解光纤传输基本原理；6.了解光纤传感器基本机构与原理；7.了解光纤传感器基本应用；【重点和难点】重点：光电效应及分类；主要光电元件特性；光电元件应用；光纤工作原理；光纤传感器结构及原理；光纤传感器应用难点：光电效应原理；光电元件特性；光纤传感器结构与原理；【职业素养】1.通过相关基本物理现象的讲解，培养学生热爱科学、探索未来的精神；2.通过相关结构与电路的分析，培养学生精益求精、细心认真的素质；3.通过案例分析、小组协作，培养学生勤学好问、互相帮助的团队精神；学习内容一、光电效应与光电传感器二、光电器件及其特性三、光纤传感器第一节：光电效应与光电传感器一、光电效应与光电传感器定义光电效应光电效应：光照射到某些物质上，光能量作用于该物质，使其释放出电子，从而引起其电特性改变，这一类光致电变的现象称为光电效应。小知识：海因里希・鲁道夫・赫兹（1857年~1894年），德国物理学家，1887-1888年，他通过电火花放电试验，发现了紫外线造成的光电效应现象；该试验还证实了麦克斯韦所提出的电磁波的存在；赫兹还测量了电磁波的速度，并且提出光也是一种电磁波。一、光电效应与光电传感器解释

光电效应1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。在其中，他提出光量子概念，光子能量与其频率有关：E=h·f。h：普朗克常量（h=6.626×

10-34J·s）；f：光的频率；提出光是一种粒子。他认为，一个光子的能量只能传递给一个电子。因此，要使得一个电子逸出物体表面，光子能量E必须大于物体表面逸出功A0。他凭借该研究，获得了1921年诺贝尔物理学奖。一、光电效应与光电传感器分类

光电效应分类外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面进入外界空间的现象。基于外光电效应的器件有光电管、光电倍增管等。光电导效应：在光照作用下，物体产生的光电子在物体内部流动，改变物体电阻率，称为光电导效应。相关器件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等。光生伏特效应：在光照作用下，物体内产生一定方向电动势的现象。基于该效应的光电器件主要有光电池。一、光电效应与光电传感器基本形式

光电传感器基本形式（a）透射式

（b）反射式

（c）辐射式

（d）开关式第二节：光电器件及其特性二、光电器件及其特性外光电器件

光电管：结构结构

检测电路光电管工作原理与电子二极管类似；工作在反向截止状态。二、光电器件及其特性外光电器件

光电管：基本特性伏安特性光照特性光谱特性二、光电器件及其特性外光电器件

光电倍增管光电倍增管有多个电极，其电压逐次增加。光照射到最低电压电极，激发出空间自由电子；这些电子在空间电场作用下向高一级电极加速运动形成空间电流；这些电子到达高一级电极时具有较高动能，依靠其动能轰击这一级电极，可激发出数量更多的空间自由电子，使得空间自由电子数量增加为原来的η（η>1）倍；这些空间自由电子又在更高一级电极形成的空间电场作用下，向其加速运动，此时空间电流已经为原电流的η倍；经过N及递增后，总的空间电流可达最初的ηN倍，呈指数增长。灵敏度高二、光电器件及其特性内光电型

光敏电阻：原理受到光照后，材料内部吸收光子能量，生成光生电子-空穴对，导致材料载流子浓度增加，对应电阻率下降。二、光电器件及其特性内光电型

光敏电阻：基本特性亮电阻、暗电阻：光敏电阻在室温和全暗条件下测得的电阻为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的电阻为亮电阻，此时流过的电流为亮电流。亮电流于暗电流之差为光电流。伏安特性：注意功耗曲线，防止器件过流烧毁二、光电器件及其特性内光电型

光敏电阻：基本特性光照特性光谱特性注意：非线性比较严重思考：为什么频率高的光，灵敏度也不高啊？二、光电器件及其特性内光电型

光敏电阻频率特性温度特性二、光电器件及其特性内光电型

光敏电阻：结构为提高灵敏度，两电极做成梳状，以提高等效电阻值。二、光电器件及其特性内光电型

光敏二极管光敏二极管与光电管原理类似，都是二极管反向连接，正常情况下截止。当有光照射到反偏的PN节，PN节复合区产生光生电子-空穴对，电子-空穴对在内电场作用下做漂移运动，形成光电流，光电流大小与光照强度成正比。二、光电器件及其特性内光电型

光敏晶体管光敏晶体管c、e极与电源正负极连接，基极悬空。这时，用光照射晶体管反偏的PN节，产生光生电子-空穴对，形成光电流。该光电流可视为晶体管基极电流Ib，光敏晶体管电流Ic=β·Ib。光敏晶体管灵敏度比光敏二极管高。二、光电器件及其特性内光电型

光敏晶体管特性光照特性二、光电器件及其特性内光电型

光敏晶体管特性伏安特性二、光电器件及其特性内光电型

光敏晶体管特性光谱特性频率特性二、光电器件及其特性内光电型

光敏二极管与晶体管特性比较光敏晶体管灵敏度较光敏二极管高；光敏二极管线性度好，常用于精确测量；光敏晶体管线性度略差于光敏二极管；光敏二极管响应快，频率特性好，光敏晶体管响应慢一些；光敏二极管受温度影响较小；光敏晶体管受温度影响较大；二、光电器件及其特性内光电型

光电池：结构及原理光电池结构如左图所示，在由N型硅片上，用扩散方式掺入P型杂质，形成PN节。PN节处，由于正负载流子复合，存在一个较宽的复合区，该区域载流子浓度很低，同时形成一个较强的内电场。当光照射到该PN节上，产生相对应的光生电子-空穴对。这些光生电子-空穴对在内电场作用下产生漂移运动，向PN节两端移动并聚集，光生电子聚集到N区，光生空穴聚集到P区，在PN节两端形成一定浓度的自由电子和空穴区。这些聚集的正负电荷对外形成电场的积分即为光电池的电压。二、光电器件及其特性内光电型

光电池：特性光照特性光谱特性二、光电器件及其特性内光电型

光电池：特性温度特性频率特性二、光电器件及其特性检测电路

光敏电阻检测电路二、光电器件及其特性检测电路

光敏晶体管检测电路二、光电器件及其特性检测电路

光电池检测电路二、光电器件及其特性应用

火焰探测报警器二、光电器件及其特性应用

路灯自动控制装置二、光电器件及其特性应用

光电耦合器二、光电器件及其特性应用

数字转速表二、光电器件及其特性应用

光电断续器第三节：光纤传感器三、光纤传感器光纤传感器

光纤传感器特点体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、可弯曲、灵敏度高、耐腐蚀、防爆性能好、易于远距离传输等特点。可用于测量温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁场、电场、电压、电流、pH值等70多个物理量，在环境检测、自动控制、在线自动检测、故障诊断等领域有着广泛用途。小知识：高锟，美籍华裔物理学家，被称为“光纤之父”，长期从事光纤通信方面的研究。1966年发表《光频率介质纤维表面波导》论文，开创性地提出了光导纤维通信的基本原理。凭借其在光纤传输及通信方面的贡献，他获得了2009年诺贝尔物理学奖。三、光纤传感器结构与原理

光纤结构纤芯由高透明度材料制成，是光线传输的主要通道。包层材料掺杂微量B2O3或SiF4，以降低包层光折射率，包层折射率要求略小于纤芯。保护层采用丙稀醋酸、尼龙等塑料材质，用于增强机械强度和可弯曲性，并保护光纤不受外界物理、化学损伤。三、光纤传感器结构与原理

全反射原理此时的φi称为入射临界角。若φi再增加，折射光线无法进入到包层，光线进入全反射状态。三、光纤传感器光纤光纤种类注意色散问题三、光纤传感器光纤

光纤种类单模光纤：纤芯直径小（一般9μm或10μm），只能传播一种模式。它的主要优点是信号畸变小，线性好，灵敏度高；缺点是制造、连接、耦合困难，适用于远程通信。多模光纤：纤芯直径较大（50μm或62.5μm），传输模式不止一种。其主要问题是模间色散大，信号畸变大，传输性能差；优点是制造、连接、耦合容易，成本低。其一般通信距离只有几公里。三、光纤传感器

光纤的传输损耗光纤传输中的损耗主要有材料吸收损耗（因材料密度及浓度不均匀引起）；散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）；光波导弯曲损耗（因光纤在使用中可能发生弯曲折射引起）。石英光纤损耗较小，性能较好；塑料光纤损耗较大，性能略差。光纤三、光纤传感器光纤传感器

基本结构光纤传感器由光源、光纤和光探测器组成。功能型传输型三、光纤传感器分类按照光波调制参数的不同，可分为：（1）强度调制光纤传感器；（2）相位调制光纤传感器；（3）频率调制光纤传感器；（多普勒效应测速）

（4）偏振调制光纤传感器；按照功能，可分为：光纤温度传感器，光纤位移传感器，光纤振动传感器，光纤流速传感器，光纤电流传感器......。三、光纤传感器应用：传输型

光纤图像传感器三、光纤传感器应用：传输型

光纤温度传感器半导体吸收器，敏感元件完成温度对光强调制，让后再把调制后的光经光纤传回探测器。这里，光纤起到了光线传输的作用。三、光纤传感器应用：传输型

光纤式光电开关该结构通过光纤把光路延申至测量点，实现了光电开关功能；而其电气部分集中在控制端，具有电气安全性好，抗干扰能力强等优点。三、光纤传感器应用：功能性

光纤漩涡式流量传感器图中光纤至于流体管道内，根据流体力学知识，当流体流过障碍物时，会产生卡曼涡旋。该涡旋频率与流体流速成正比；当光纤受到该涡旋作用时，会产生相应的抖动，这会引起光纤长度变化。在测量端，测量光纤的信号会和参考信号产生干涉条纹，当测量光纤抖动时，该干涉条纹也会发生抖动。该抖动频率即为卡曼涡旋频率f，由此我们可以测出流体流速。三、光纤传感器应用：功能性

光纤加速度传感器激光器发出的光经分光器，一路作为参考光源，另一路进入测量光纤。测量光纤与以质量块连接，其与质量块之间的作用力为F=ma，F为作用力，m为质量快质量，a为系统加速度。测量光纤受到F力作用，会产生与子对应的弹性形变。力越大，形变越大，测量光纤长度越长。测量光纤的长度变化会在干涉仪里边改变干涉条纹的位置。这样，通过检测干涉条纹的位置变化，即可得到物体加速度信息。三、光纤传感器应用：功能性

光纤微弯传感器当光纤弯曲角度较大时，部分光会折射到包层中去，导致光纤的光强度下降。三、光纤传感器应用：功能性

光纤微弯传感器激光通过变形器后，强度会因光纤弯曲层度而有所改变，检测输出激光的强度，可以测量变形器变形大小，以及与之对应的外部压力的大小。三、光纤传感器应用：功能性

光纤微弯传感器改变激光入射角度，系统灵敏度也有所变化，入射角大，灵敏度高一些。该传感器可用于水声监听。知识拓展光的认知发展

古希腊、古罗马：粒子说古希腊学者-恩培多克勒-认为：光是火元素，从人眼发出到达物体，这样人就能看到物体了；古罗马时代学者-卢克莱修-认为光是从光源到达人眼，这是光的粒子学说的早期认识。知识拓展光的认知发展

古代中国中国战国时期的科学家-墨子-提出了光是直线传播的，并用小孔成像试验验证了该观点。他还发现了光的平面反射和球面反射现象。知识拓展光的认知发展

近代西方：粒子说16世纪，著名科学家-伽利略-改进了望远镜，用它来观测天体。他还尝试测量光速。17世纪伟大的物理学家-牛顿-是光“粒子说”坚定支持者。牛顿认为光是由微小的粒子组成的，这些光粒子具有质量、速度等物质的基本属性。光粒子从光源发出后，在均匀介质中以直线方式传播，就像一颗颗微小的子弹向前飞行。不同颜色的光对应着不同大小的光粒子。例如，他认为红色光的粒子较大，而紫色光的粒子较小。他还通过三棱镜试验发现了光的色散现象。他的观点可以较好地解释光直线传播、反射、折射等现象，但是无法解释光的干涉、衍射现象。知识拓展光的认知发展

近现代西方：波动说荷兰物理学家-惠更斯-提出光的波动学说。他认为，光是一种波动现象，像水波、声波一样，具有波长、频率、振幅、相位等特征。光以波的形式在空中传播，传播中会出现干涉、衍射、偏振等典型的波动特征。19世纪，英国物理学家-托马斯·杨-的双缝干涉试验以及法国物理学家-菲涅尔-的干涉实验，从实验上和理论上很好地支持了光的波动学说。知识拓展光的认知发展

现代西方：电磁波英国物理学家-麦克斯韦-建立电磁理论，德国科学家-赫兹-发现了电磁波，证实了麦克斯韦的理论，并提出光就是一种电磁波，从而形成了光的电磁波动理论。知识拓展光的认知发展

波动学说：面临的问题迈克尔逊-莫雷实验，他利用迈克尔逊干涉仪，测量光在不同方向上的传播速度，希望通过速度差，来验证“以太”的存在，但是失败。波动学说也不能很好解释光电效应、康普顿效应等试验。知识拓展光的认知发展

光量子学说到了20世纪，著名德国物理学家-爱因斯坦-提出光的光量子学说。他认为光是由一个个光量子，也就是光子组成，每个光子能量与其频率成正比。该理论一定程度上解释了光电效应现象。波粒二象性知识拓展光的认知发展

未来。。。。。。波粒二象性？？？！！！？？？--------------->？？？？【本章小结】1、光电效应及光电器件分类；2、光电管结构、特性及光电倍增管；3、光敏电阻结构及特性；4、光敏二极管及光敏晶体管特性；5、光电池及其特性；6、光电元件测量电路；7、光电传感器典型应用；8、光纤结构及原理；9、光纤传感器结构及应用；《传感器与智能检测技术》感

谢

聆

听机械工业出版社《传感器与智能检测技术》第9章

智能仓库环境监测系统【学习目标】1.能准确分析影响智能仓库环境监测系统的关键参数；2.能通过关键参数掌握传感器的选型；3.掌握智能仓库环境监测系统中各个传感器的基本原理和工作过程；4.掌握各传感器的工作特性；5.掌握系统各传感器信号处理电路的分析方法，如放大、滤波等电路；6.掌握系统各传感器与微控制器（如Arduino）的连接电路的分析方法。第九章智能仓库环境监测系统【重点和难点】重点：智能仓库环境监测系统传感器的选型；智能仓库环境监测系统传感器的工作原理、特性和工作过程；传感器信号处理电路的设计；传感器与微控制器电路的连接难点：传感器信号处理电路的设计；传感器与微控制器电路的连接第九章智能仓库环境监测系统【职业素养】1.通过对智能仓库环境监测系统的讲解与学习，培养学生综合理解能力；2.通过对传感器与微控制器连接电路的学习，培养学生理论与实践相结合的能力；3.通过传感器信号处理电路的分析，培养学生认真细心、埋头苦干的精神和素质，孕育学生电路设计的能力；4.通过智能仓库环境监测系统的案例分析，培养学生勤学好问、互帮互助的团队协作精神。第九章智能仓库环境监测系统学习内容一、项目需求分析二、相关传感器选型三、传感器电路设计与连接第一节：项目需求分析第九章智能仓库环境监测系统背景介绍

随着物流行业的快速发展，智能仓库已成为现代供应链管理的核心。智能仓库通过自动化、信息化和智能化的技术手段，大幅提升了仓储效率、降低了运营成本。传感器作为智能仓库的“感知器官”，在环境监测、货物定位、设备状态监控等方面发挥着至关重要的作用。下图为常见的智能仓库环境监测系统的框架图。本章将详细介绍智能仓库中常用的传感器类型及其应用场景，并设计一个基于传感器的智能仓库环境监测系统，要求能够实时监测仓库内的温湿度、光照强度、有害气体浓度等环境参数，并将数据上传至中央控制系统，实现远程监控和报警功能。从而构建一个功能完善、性能可靠的智能仓库监测系统，实现对仓库环境参数的精准监测与有效管理。背景介绍智能仓库环境监测系统框图思考：智能仓库在那些行业中应用比较广泛，举一些例子简要说明？一、智能仓库环境监测的关键参数1.温度定义：是表征物体冷热程度的物理量，是仓库环境的核心指标，将直接影响物品的物理和化学稳定性，根据物品类型不同，温度要求也不同，比如食品、药品需低温（2-8℃）或恒温（15-25℃）保存，避险腐败或失效；电子产品高温（＞40℃）易导致元件老化或短路；化工材料的部分物质在高温下可能发生分解或爆炸等。小知识：温度不能直接测量，需要借助于某种物体的某种物理参数随温度高低不同而明显变化的特性进行间接测量。一、智能仓库环境监测的关键参数间接测量装置：间接温度测量装置通常由感温元件部分（即温度传感器）和温度显示部分组成的。测量方法：通常按照感温元件是否与被测物接触而分为接触式测量和非接触式测量两种。1.温度一、智能仓库环境监测的关键参数表示：热力学温度T，单位K（开尔文）和摄氏温度t，单位℃（摄氏度）换算：t≈T-273.151.温度一、智能仓库环境监测的关键参数2.湿度定义：是指物质中所含水蒸气的量。对于智能仓库而言，主要是对环境中的水蒸气含量进行测量，也就是对智能仓库内气体中所含水蒸气量的测量。通常用绝对湿度、相对湿度和露点温度来表示。一、智能仓库环境监测的关键参数绝对湿度：是指单位体积的气体中含水蒸气的质量表达式：Hd=mv/V式中，mv表示气体中水蒸气的质量V表示待测气体的总体积2.湿度一、智能仓库环境监测的关键参数相对湿度：是指待测气体中水蒸气分压力与相同温度下饱和水蒸气分压力的百分比，用RH，其表达式如下。相对湿度反映的是气体中水蒸气达到饱和的程度和吸湿能力的大小，相对湿度为100%时，空气达到饱和。表达式：RH=Pq/（Pq，b）×100%式中，Pq表示气体中水蒸气的分压力Pq，b表示相同温度下饱和水蒸气的分压力2.湿度一、智能仓库环境监测的关键参数露点温度：未饱和的空气可以通过另一途径达到饱和。如果湿空气中水蒸气的含量保持一定，即分压力不变而温度逐渐降低，使其由原来的温度t逐渐降低到t1，若对应于t1的Pb，q纸恰与Pq相等，则RH为100%，该未饱和空气变为饱和。这种在含湿量不变的条件下，使未饱和空气温度降低，达到饱和状态的温度t1叫做露点温度。如果将空气温度继续降低，则饱和空气中的水蒸气便有一部分会结成水滴而被分离出来，这种现象称为结露。2.湿度小知识：如秋季凌晨草地上的水珠、夏天冰箱拿出来饮料瓶表面的水珠、冬天往玻璃上哈气出现的水雾等都是因为出现结露现象。一、智能仓库环境监测的关键参数定义：是指单位面积上所接受可见光的光通量，简称照度，单位为勒克斯（lx）。它主要用于衡量物体被照明的程度，数值上等于垂直于光的传播方向上每平方米面积上的光通量。应用：利用光照强度这个物理参数对智能仓库进行检测，涉及到的传感器类型也很多，如光敏电阻传感器、光电二极管传感器、光电三极管传感器、硅光电池传感器等。3.光照强度一、智能仓库环境监测的关键参数定义：智能仓库环境中，气体的种类很多，可分为可燃气体、有毒气体和其他气体三种，如下表。4.气体种类物质影响可燃气体主要包括烷烃类、烯烃类、醇类、醚类等有机气体在一定浓度范围遇明火或火花易爆炸有毒气体主要有一氧化碳、硫化氢、氯气、氨气等人体吸入一定量会中毒甚至危及生命其他气体如氧气、二氧化碳、乙烯等虽本身无毒可燃，但含量异常会影响货物存储环境和设备运行一、智能仓库环境监测的关键参数

在测量时，智能仓库监测系统常常根据仓库环境中的气体成分、气体浓度、气体浓度变化速率和气体分布等物理量来实现环境监测。因此，可利用不同的工作原理制成不同类型的传感器用于智能仓库气体环境的监测，如下表。4.气体一、智能仓库环境监测的关键参数4.气体类型工作原理催化燃烧原理利用可燃气体在催化作用下燃烧产生热量，使传感器温度升高，电阻变化，通过测量电阻变化检测可燃气体浓度。电化学原理气体与传感器内电极发生电化学反应产生电流，电流大小与气体浓度成正比，常用于检测有毒气体。红外吸收原理不同气体对特定波长红外光有吸收特性，通过检测红外光吸收程度测量气体浓度，可检测二氧化碳、甲烷等。半导体原理气体与半导体表面发生吸附反应，改变半导体电导率，通过测量电导率变化检测气体浓度，可检测多种可燃和有毒气体。一、智能仓库环境监测的关键参数思考：1.只能仓库环境监测系统，除了上述参数以外，还可以将哪些参数作为仓库的监测数据，实现更健康的环境？2.各个参数对应的传感器有哪些？4.气体二、监测精度与实时性要求1.精度要求温度监测：对于普通货物仓库，温度监测精度一般要求达到±1℃-±2℃即可满足需求。但对于存储疫苗、血液制品等对温度极为敏感的医药类仓库，精度要求通常高达±0.5℃甚至更高。湿度监测：普通仓库湿度监测精度达到±5%RH基本可以保障货物存储安全。而对于存放精密电子设备、光学仪器等的仓库，湿度精度要求可能在±2%RH-±3%RH。二、监测精度与实时性要求1.精度要求气体监测：可燃气体监测，一般要求精度能达到爆炸下限的1%LEL-5%LEL。对于有毒气体，如一氧化碳，精度需达到1ppm-5ppm；对于一些极毒气体，如硫化氢，精度甚至要达到0.1ppm-1ppm。光照强度监测：普通仓库对光照强度监测精度要求相对较低，一般能精确到±50lux-±100lux即可。但对于存储感光材料、文物字画等特殊物品的仓库，可能要求精度达到±10lux-±20lux。二、监测精度与实时性要求2.实时性要求数据采集频率：一般智能仓库的数据采集频率在1min

–5min一次，可满足大多数货物存储环境监测需求，及时发现环境参数的较大变化。对于高危或对环境变化极其敏感的货物，如易燃易爆化学品、生物样本等，数据采集频率可能要求达到1次/s

-1次/10s，以便快速捕捉环境参数的瞬间变化，及时预警和处理。二、监测精度与实时性要求2.实时性要求报警响应时间：当监测参数超过设定阈值时，系统需迅速发出报警信号。一般情况下，报警响应时间应控制在10s

–30s内，确保工作人员能及时采取措施。对于涉及人员生命安全和重大财产损失的紧急情况，如可燃气体泄漏、火灾等，报警响应时间要求更短，通常在5s以内。二、监测精度与实时性要求2.实时性要求数据传输与处理延迟：数据从传感器传输到中央控制系统以及在系统内进行处理的总延迟，一般应控制在1min以内，以保证管理人员获取的是近乎实时的监测数据。对于需要实时控制环境设备（如空调、通风设备等）的智能仓库，数据传输与处理延迟需更短，通常在10s

–20s以内，确保控制措施能及时有效执行。第二节：相关传感器选型第九章智能仓库环境监测系统一、温度传感器的特性与选型依据1.热敏电阻式温度传感器特性：电阻值随温度变化显著，灵敏度高，能检测到微小温度变化；响应速度快，可快速反映温度变化；精度较高，一般可达±0.1℃至±0.5℃；结构简单、体积小，便于安装在狭小空间；稳定性好，在一定温度范围内性能稳定，但测量范围相对较窄，一般在-50℃至300℃。一、温度传感器的特性与选型依据1.热敏电阻式温度传感器选型依据：需要高灵敏度和高精度的温度测量，如医疗设备、电子设备温度监测时可选用；测量环境温度变化快，要求快速响应的场合，如空调系统、汽车发动机温度监测较为适用；空间有限，需小型化传感器的场景，像手机、笔记本电脑内部温度监测可考虑；温度范围在其适用区间内，且对成本有要求时，热敏电阻性价比高。一、温度传感器的特性与选型依据2.热电偶式温度传感器特性：测量范围宽，可从-200℃至1800℃；基于热电效应工作，无需外部电源；响应速度较快，能快速跟踪温度变化；线性度较好，在一定温度范围内，热电势与温度呈近似线性关系；稳定性和可靠性高，但灵敏度相对较低，精度一般在±1℃至±2℃。一、温度传感器的特性与选型依据2.热电偶式温度传感器选型依据：测量高温环境，如工业炉窑、热处理设备的温度监测，热电偶能满足需求；需在恶劣环境下长期稳定工作，如冶金、玻璃等高温工业环境，其稳定性使其适用；对线性度要求较高，且测量精度要求不是极高的场合，如大型中央空调系统的温度监测可选；需进行多点温度测量和远距离传输信号时，热电偶较为合适。一、温度传感器的特性与选型依据思考：1.用于测量温度的传感器还有哪些？工作原理是怎样的？二、湿度传感器的原理与应用1.电容式湿度传感器主要基于水分子具有较高介电常数的特性。传感器的感湿元件通常由两个电极和其间的介电材料构成。当环境湿度变化时，介电材料吸收或释放水分，导致其介电常数发生改变，进而使传感器的电容值产生变化。通过测量电容值的变化，就可以得出环境湿度的数值。二、湿度传感器的原理与应用2.电阻式湿度传感器利用某些材料的电阻值随湿度变化的特性来测量湿度。感湿材料一般为具有多孔结构的半导体陶瓷或高分子聚合物等。当环境中的水汽被感湿材料吸附或解吸时，材料内部的离子浓度或电子传输特性会发生改变，从而使其电阻值相应变化。测量电阻值的变化，就能间接得到环境湿度信息。二、湿度传感器的原理与应用思考：1.用于测量湿度的传感器还有哪些？工作原理是怎样的？三、光照传感器的工作原理与选择1.工作原理光敏电阻：通常由半导体材料制成。在无光照时，其内部载流子（电子和空穴）数量少，电阻值高，电路中电流小。当有光照时，光子能量被半导体吸收，使价带中的电子跃迁到导带，产生大量光生载流子，载流子浓度增加，电阻值降低，电路中电流增大。通过检测电阻值变化可感知光照强度变化。三、光照传感器的工作原理与选择1.工作原理光敏二极管：在反向偏置状态下工作。无光照时，只有少量反向饱和电流通过，电流很小。当有光照时，光子在耗尽层及其附近产生电子-空穴对，在电场作用下，电子和空穴分别向不同方向移动，形成光电流，且光电流大小与光照强度成正比，通过检测光电流大小可获取光照信息。三、光照传感器的工作原理与选择1.工作原理光敏晶体管：光敏晶体管的半导体材料通常为硅或锗等，具有一定的禁带宽度。当光子能量大于半导体的禁带宽度时，光子被半导体吸收，价带中的电子跃迁到导带，形成光生载流子（电子-空穴对）。在制造过程中，会向半导体中掺入杂质以形成P型和N型半导体区域。杂质能级与主能带之间的能量差较小，也能吸收光子产生光生载流子。三、光照传感器的工作原理与选择2.选择要点光敏电阻光敏二极管光敏晶体管灵敏度灵敏度较高，能对微弱光产生较大阻值变化在快速响应的同时也有较好的灵敏度基于放大作用，灵敏度通常高于光敏二极管响应速度响应速度最慢，一般在为ms级响应速度最快，能在ns级响应速度稍慢，在μs级线性度线性度不佳线性度较好线性度相对较差温度稳定性受温度影响大受温度影响相对较小受温度影响较大光照条件适合在低光照环境下作为光控开关，能检测微弱光线在各种光照强度下都能较好工作，可用于精确测量适合中等光照强度，强光下可能饱和三、光照传感器的工作原理与选择思考：1.用于测量光照强度的传感器还有哪些？工作原理是怎样的？四、气体传感器的介绍与选型气体传感器是一种将气体的成分、浓度等信息转换为可测量的电信号或其他信号的装置。基于不同气体与传感器敏感材料发生物理或化学反应时产生的物理化学变化，如电阻、电容、电压、电流等电学参数的改变，来实现对气体的检测和分析。例如半导体气体传感器，利用半导体材料在吸附气体后电阻发生变化的特性来检测气体；而电化学气体传感器则通过气体在电极上发生氧化还原反应产生的电流与气体浓度的关系进行检测。这里主要介绍电化学气体传感器和半导体气体传感器。四、气体传感器的介绍与选型1.电化学气体传感器与半导体气体传感器对比电化学气体传感器半导体气体传感器工作原理基于电化学的氧化还原反应利用半导体材料与气体接触时，其电导率发生变化的特性特点精度高、选择性好、线性度佳，但寿命有限且对温度、湿度敏感灵敏度高、响应速度快、成本低、体积小，不过选择性较差，易受其他气体干扰，且受环境温度、湿度影响大应用场景在煤矿井下监测瓦斯、一氧化碳等有害气体，保障矿工安全；在环保领域监测大气中的二氧化硫、氮氧化物等污染物用于家庭燃气泄漏检测、汽车尾气检测以及工业生产中对挥发性有机物的监测等四、气体传感器的介绍与选型2.选择要点电化学气体传感器半导体气体传感器检测气体种类检测特定单一气体且精度要求高检测多种气体或对成本敏感检测精度要求对精度要求极高的场合对精度要求不高的一般场合环境因素受环境影响相对大，需更注意补偿措施在恶劣环境中应用时，要考虑防护和校准成本与寿命长期稳定运行的项目需考虑寿命成本预算有限且对精度要求不特别高四、气体传感器的介绍与选型思考：1.用于测量气体的传感器还有哪些？工作原理是怎样的？第三节：传感器的电路设计与连接第九章智能仓库环境监测系统背景介绍本智能仓库监测系统旨在实时、精准地监测仓库内的温度、湿度、光照强度和气体浓度等环境参数。通过各类传感器收集数据，经信号处理电路优化后传输至Arduino微控制器。Arduino对数据进行分析处理，若发现参数异常则及时发出警报，并可将数据上传至云端或其他上位机进行存储与进一步分析，为仓库环境的稳定与货物安全提供有力保障。一、传感器信号处理电路设计1.传感器选型温度传感器：采用DHT11数字温度传感器，如图，测量范围0℃-50℃，精度±2℃，通过单总线与微控制器通信，输出数字信号，无需复杂的信号处理。DHT11数字温度传感器一、传感器信号处理电路设计1.传感器选型湿度传感器：选用HIH-4000电容式湿度传感器，测量范围0%-100%RH，精度±3.5%RH。其输出与相对湿度成线性变化的电压信号，需后续信号处理电路。下图为HIH–4000-3湿度传感器。HIH–4000-3湿度传感器一、传感器信号处理电路设计1.传感器选型光照传感器：光敏晶体管通过光照控制基极电流，调节集电极-发射极电流，输出与光照强度成比例的电压信号，其响应速度快、线性度优于光敏电阻，适用于动态光照环境。工作电压在3-5V，集电极电流范围为0.1-5mA。一、传感器信号处理电路设计1.传感器选型气体浓度传感器：MQ-135气体传感器用于检测多种有害气体，如氨气、硫化氢、苯等。其输出的电信号与气体浓度成比例，需进行放大和滤波处理。下图为MQ-135气体传感器模块。MQ-135气体传感器一、传感器信号处理电路设计2.温度传感器电路DHT11是一个4引脚传感器，VCC接电源正极，GND接地，DATA为数据输出引脚。一、传感器信号处理电路设计3.湿度传感器信号处理电路HIH-4000：它有4个引脚，VCC接电源，GND接地，SDA为湿度信号输出，NC为空脚。下图为湿度传感器信号处理电路示意图。一、传感器信号处理电路设计3.湿度传感器信号处理电路（1）放大电路：HIH-4000输出的电压信号范围为0V-1V，为适配Arduino的0V-5V输入范围，需进行放大。采用LM358运算放大器组成同相放大电路。电源正负极分别接LM358的8脚和4脚。HIH-4000的SDA引脚经一个10kΩ电阻（R1）连接到LM358的3脚，同时3脚通过一个0.1μF电容接地。LM358的1脚输出经一个40kΩ电阻（R2）反馈到3脚，实现放大倍数为5倍（Av=1+R2/R1）。（2）滤波电路：在LM358的1脚输出端，接一个0.1μF电容到地，滤除高频噪声。一、传感器信号处理电路设计4.光照强度传感器信号处理电路共射级放大电路：选择合适的集电极电阻（Rc）阻值以匹配Arduino模拟输入范围（0-5V）。计算如公式9-4。光敏晶体管发射极接地，集电极接Rc后连接至Vcc，输出信号从集电极引出至Arduino模拟引脚。低通滤波与分压保护：在输出端并联电容（如100nF）到地，截止频率fc=1/2RcC≈34HZ，抑制高频噪声，实现低通滤波；若输出信号超过5V，可串联分压电阻限制电压，实现分压保护。一、传感器信号处理电路设计5.气体浓度传感器信号处理电路MQ-135：通常有6个引脚，其中2个用于加热（一般接5V电源和GND），另外4个引脚中有2个是信号输出（一般选择其中一个即可）。图9-6为MQ-135传感器信号电路示意图。一、传感器信号处理电路设计5.气体浓度传感器信号处理电路（1）放大电路：MQ-135输出的电信号较弱，采用LM358组成反相放大电路。电源正负极分别接LM358的8脚和4脚。MQ-135的信号输出引脚接一个10kΩ电阻（R4）到LM358的2脚，同时LM358的2脚通过一个100kΩ电阻（R5）连接到1脚输出端，实现放大倍数为（Av=-R5/R4）=-10倍。一、传感器信号处理电路设计5.气体浓度传感器信号处理电路（2）滤波电路：采用二阶低通滤波电路。从LM358的1脚输出连接一个10kΩ电阻（R6），R6另一端连接到Arduino模拟输入引脚及一个0.1μF电容（C1）到地，同时此节点通过另一个10kΩ电阻（R7）和0.1μF电容（C2）接地，构成二阶低通滤波，截止频率。滤除高频干扰信号后接入Arduino的模拟输入引脚。二、传感器与微处理器的接口电路连接Arduino是比较常见的微控制器，其型号有很多种，图9-7是ArduinoUno的实物图二、传感器与微处理器的接口电路连接1.DHT11温度传感器与Arduino连接Arduino：DHT11的VCC接Arduino的5V引脚，GND接GND引脚，DATA接Arduino的数字引脚2（可根据实际情况更改，但需与代码中设定一致）。2.HIH-4000湿度传感器与Arduino连接处理后的信号从LM358的1脚输出，连接到Arduino的模拟输入引脚A0。3.光照强度传感器（光敏晶体管）与Arduino连接光敏晶体管输出端直接连接至Arduino输入引脚A0。4.MQ-135气体传感器与Arduino连接经过放大和滤波处理后的信号从二阶低通滤波电路输出连接到Arduino的模拟输入引脚A2。二、传感器与微处理器的接口电路连接思考：1.智能仓库环境监测系统的传感器选型多种多样，设计思路也不同，连接方式也各有千秋，发散思维思考以下其他的设计方案？知识拓展1.高精度传感器

高精度传感器技术MEMS传感器的进阶应用光纤传感器的独特优势知识拓展2.边缘计算与雾计算边缘计算与雾计算边缘计算的实时处理能力雾计算的分层架构优化知识拓展3.预测性维护预测性维护基于机器学习的设备故障预测性能趋势分析与维护决策知识拓展4.与仓库管理系统（WMS）的深度集成深度集成库存与环境数据关联基于环境的库存调度优化知识拓展5.区块链技术应用区块链技术数据安全与可信追溯供应链协同中的数据共享【本章小结】1、智能仓库环境监测相关参数，如温度、湿度、光照强度和气体的介绍；2、智能仓库环境监测系统的精度和实时性要求的介绍；3、热敏电阻式、热电偶式温度传感器的特性与选型介绍；4、电容式、电阻式湿度传感器的原理与应用介绍；5、光敏电阻、光敏二极管光照传感器的工作原理与选型介绍；6、电化学、半导体气体传感器的介绍；7、各个传感器的放大和滤波等信号处理电路的设计；8、各个传感器与Arduino微控制器的电路连接设计。第九章智能仓库环境监测系统《传感器与智能检测技术》感

谢

聆

听机械工业出版社《传感器与智能检测技术》第10章

基于传感器的智能安防监控系统【学习目标】1.理解传感器在智能安防监控系统中的作用；2.掌握智能安防监控系统的核心技术和功能；3.能够评估智能安防系统的性能；4.分析智能安防系统的应用前景和市场需求。第十章基于传感器的智能安防监控系统【重点和难点】1.传感器工作原理和选择；2.重点学习目标检测、行为识别、入侵检测等算法的基本原理和实现方法，了解如何将传感器数据与算法结合，实现高效监控；3.重点掌握误报率、漏报率、检测精度等评估指标的计算方法及其在实际应用中的意义，了解如何优化系统性能以提高检测准确度和降低误差；4.深入分析不同安防场景的需求，重点了解如何根据不同环境的特点（如光线、噪音、目标种类等）选择合适的传感器和优化系统设计。第十章基于传感器的智能安防监控系统【职业素养】1.理解并掌握传感器技术的基本原理和应用，能够设计和实施智能安防监控系统。这需要具备扎实的电子学、通信技术以及自动化控制等基础知识，能够根据不同的监控需求选择合适的传感器类型，并实现系统的优化配置；2.在面对安防监控系统中的各种技术难题时，能够快速识别问题的根源并采取合理的解决方案。例如，处理误报、漏报等问题，优化系统性能，确保监控系统的高效稳定运行；3.随着科技的进步，智能安防监控系统不断更新换代，要求从业人员具备创新意识，能够不断探索新技术，并通过学习新的传感器类型、数据处理方法等来提升系统性能；4.在设计和应用安防监控系统时，尤其需要考虑到隐私保护和数据安全问题。职业人员应具备较高的职业道德标准，确保系统设计和应用符合相关法律法规，防止不当使用导致隐私泄露等问题。第十章基于传感器的智能安防监控系统学习内容一、系统需求调研二、传