2010__第九章 传感器及其应用.ppt

1、第九章传感器及其应用,-2-,传感器也叫变换器、换能器或探测器：是指能感受并能按一定规律将所感受的被测非电量转换成便于处理与传输的电量。 9.1.1 传感器的组成,图9-1 传感器组成框图,9.1 传感器的组成与分类,敏感元件：传感器中能直接感知或响应被测量的元件； 转换元件（传感元件）：指传感器中能把要敏感元件感知的或响应的被测量的信号转换成适于传输、处理或测量的电信号的部分。 信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。 辅助电路：通常包括电源等。,1按传感器的工作原理分类 物理型传感器：是指利

2、用变换元件的物理效应制成的传感器。例如：利用压电陶瓷或压电晶体的压电效应构成的压电传感器等。 化学型传感器：是指利用电化学效应，将有机或无机物质的组分、浓度等转换成电信号的传感器。 例如：利用离子选择性电极测定溶液的pH值或离子浓度。化学传感器的核心是离子选择性敏感膜。 生物传感器：是利用生物活性物质的选择性识别和测定生物化学物质的传感器。 例如：环境检测，酒精检测,9.1.2 传感器的分类,2按传感器的输入参数分类 压力、位移、速度、温度、湿度、粘度等传感器。 3按应用对象或范围分类 医疗行业等。 4按是否需要外部能源分类 分有源型和无源型。有源型要求外加电源才能工作；而无源型无须外加电源就

3、能工作。前者如电阻式、电容式和电感式传感器；后者如压电式、光电式、热电式等传感器。 5按输出信号特征分类 分为数字式和模拟式两类。绝大多数现行传感器是模拟式传感器。,-6-,热敏电阻：是一种利用半导体制成的敏感元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。热敏电阻因其电阻温度系数大，灵敏度高；热惯性小，反应速度快；体积小，结构简单；寿命长而得到广泛地应用。 随温度上升电阻减小的为负温度系数热敏电阻。 负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。,9.2 负温度系数热敏电阻器（NTC）,这些金属氧化物材料都具有半导体性质，体内的载流 子（电子

4、和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载 流子数目增加，自然电阻值降低。 负温度系数热敏电阻可分为低温（-60300）、中 温（300600）、高温（600）三种，应用于需要定 点测温的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温 控系统。,-8-,随温度上升电阻增大的为 正温度系数热敏电阻。,9.2.1 热敏电阻的型号表示 国产热敏电阻是按部颁标准SJ1155-82来制定型号，由四部分组成。 第一部分：主称，用字母M表示 敏感元件。 第二部分：类别，用字母Z表示正温度系数热敏电阻器，或者用字母F表示负温度系数热敏电阻器。,9.2 正温度系数热敏电阻器 （PTC）,第三部分：用途或特征，用一位

5、数字（0-9）表示。 一般数字1表示普通用途，2表示稳压用途（负温度系数热敏电阻器），3表示微波测量用途 （负温度系数热敏电阻器），4表示旁热式（负温度系数热敏电阻器），5表示测温用途，6表示控温用途，7表示消磁用途，8表示线性型，9表示恒温型，0表示特殊型 第四部分：序号，也由数字表示，代表规格、性能。 例： M Z 1 1表示序号为1的正温度系数型；普通用途热敏电阻敏感元件。,-10-,压敏电阻器简称VSR，是以氧化锌为材料而制成的金属氧化物半导体陶瓷元件，其电阻值随电压而变化。一种对电压敏感的非线性过电压保护元件 当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，将电压钳位到

6、一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作。 压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。,9.4 压敏电阻器（VSR）,-11-,主要参数：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。 压敏电阻的响应时间为ns级，比空气放电管快，比TVS管稍慢一些，用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。 压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的数量级范围，不宜直接应用在高频信号线路的保护中，压敏电阻的通流容量较大，但比气体放电管小。,-12-,光

7、敏电阻是采用金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体材料制作。通常在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。 在光线的作用下其阻值变小（小于1K），这种现象称为光导效应。在无光线时呈高阻态（大于1.5M)。,9.5 光敏电阻器（VSR）,-13-,工作机理：当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。 光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光

8、子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。,-14-,光敏二极管是利用硅结受光照后产生光电流的一种光电器件。当无光照射时反向电流很小，当有光照射时反向电流大增。光敏二极管工作于反向偏压。 由于光敏二极管的基本结构也是一个结，故其检测方法也与普通二极管相同，其测得的正、反向电阻也类似于普通二极管，但在测反向电阻遇光照时，阻值会明显减小，否则说明管子已损坏。,9.6 光敏二极管,-15-,光敏三极管简称光敏管，原理相似于光敏二极管，但具有两个结，它把光照后的电信号又进行了放大，因此具有高的精度。,9.7 光敏三极管,-16-,石英晶体元件简称为晶振。利用石英晶体材料的“压电

9、效应”而制成的一种频率控制元件。具有体积小，Q值高，性能稳定可靠的特点。 压电效应：某些电介质由于外界的机械作用（如压缩、拉伸等等）而在其内部发生极化，产生表面电荷的现象，叫压电效应。 逆压电效应：具有压电效应的电介质也存在逆压电效应，即将具有压电效应的电介质置于外电场中，会引起介质内部正负电荷向中心位移，而这一位移又导致介质发生改变（振动），这种效应称为逆压电效应,9.12 石英晶体元件,石英是一种结晶体,按一定方位切割成薄片就是石英晶片。 按切割方向不同分为：AT，BT，CT，DTX，Y等多种。 AT型晶片的频率温度特性较好。 9.12.2 石英晶体元件的工作原理 在晶片上加上交变电压，晶

10、片将随交变信号的变化而产生机械振动。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大 。 石英晶体振荡器的品质因素极高。 稳定度可达10101011。,9.12.1 石英晶体元件结构,9.12.3 石英晶体元件的类型特点 普通晶体振荡器（SPXO）：频率精度10(-5)10(-4) 量级，标准频率1100MHZ，价廉，用作微处理器的时钟器件。 电压控制式晶体振荡器（VCXO）：频率精度是10(-6)10(-5)量级，频率范围130MHz。通常用于锁相环路。 温度补偿式晶体振荡器（TCXO）：采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度10(-7)10(-

11、6)量级，频率范围160MHz。用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。 恒温控制式晶体振荡器（OCXO）：将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。频率精度是10(-10)至10(-8)量级，对某些特殊应用。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。,-19-,从石英晶体谐振器的等效电路可知，有两个谐振频率。 （1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性， （2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频率用fd表示。（一般用并联频率） 可见当频率低于串联谐振频率f

12、s或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fsffd极窄的范围内，石英晶体呈感性。 可见晶振元件相当于电感，组成振荡电路时，必配接外部电容（负载电容）。,9.12.4 石英晶体元件的 主要特性,-20-,晶振的主要参数：标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。 标称频率：大都标明在晶振外壳上。也有的没有标称频率，如CRB、ZTB、Ja等系列。 负载电容：指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。 负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。 1）一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振： 2）另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。,9.12.5 石英晶体元件的主要参数,-22-,当晶振接到震荡电路上在震荡电路所引入的电容不符合晶振