5微型化和智能化传感器(2h).ppt

1、:51am，1，陈心刚，电子信息与自动化学院，电气测试技术，电气测试技术，51am，2，第5章小型化和智能传感器，5.1概述5.2微温度传感器，5.3硅压阻微压力传感器，5.4电容式微压力传感器，5.5智能变送器，336051am，3，5.1概述，微电子技术，3，5.1概述，随着大规模和超大规模集成电路的发展，传感器由许多单元组成这大大减小了传感器的尺寸，并为传感器的小型化创造了条件。微型计算机(尤其是单片机)在传感器中的应用，以其强大的控制和信号处理能力，使传感器的功能更加强大。例如，自动零点和增益校正、非线性校正、自动温度补偿、自动消除交叉灵敏度、自动范围切换、自检和自诊断等。赋予传感器智

2、能功能。随着网络通信技术的发展，传感技术的发展进入了一个新的发展阶段。随着各种现场总线在传感器中的应用，传感器已经网络化。3:51 AM，4，微型和智能传感器的特点，高精度，高可靠性和稳定性，高信噪比和高分辨率，较强的适应性，体积小，性能和价格比高，微型传感器和智能传感器是目前世界传感技术发展的重要趋势。3:51 AM、5，5.2微型温度传感器、5.2.1热释电红外传感器、热释电红外传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度检测元件。它能以非接触方式检测人体辐射的红外能量的变化，并将其转换成电压信号输出。同时，它也能区分移动的生物和其他非生物。通过放大这个电压信号，可以驱动各种控制电路

3、，如电源开关控制、防盗报警和自动监控。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所，还适用于高压和射线、射线自动报警等。51am，6，热释电红外传感器的结构和内部电路。与目前市场上销售的许多防盗报警材料相比，由其制成的防盗报警器具有以下特点：不需要红外或电磁波发射源。灵敏度高，控制范围广。隐蔽性好，可移动安装。热释电晶体管具有自发极化能力，极化强度与温度有关，这就是热释电效应。在常温下，虽然晶体也产生热电效应，但在垂直于自发极化强度的两端出现极性相反、密度相等的表面束缚电荷，但电荷被晶体内外的自由电荷中和，所以对外是中性的。可以看出，热电晶体管的自发极化电荷不能在静态条件下测量。7、热释电红外传感器

4、主要由具有高热电系数的材料制成，如锆钛酸铅陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘醇等。在每个检测器中安装一个或两个检测元件，这两个检测元件以相反的极性串联连接，以抑制由温度上升引起的干扰。被检测和接收的红外辐射被检测元件转换成弱电压信号，该信号被安装在探头中的场效应管放大，然后输出到外部。热电晶片的表面必须覆盖有由一组平行棱镜组成的菲涅耳透镜，并且每个透镜单元只有小的视场。当人体在透镜的监控视场内移动时，它依次进入第一和第二单元透镜的视场，在晶片上反向串联的两个热电单元将输出一系列交替的脉冲信号。当然，如果人体在热电元件前静止不动，它会视而不见。菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦在热释电红外探测器上，同时也

5、产生交替的红外辐射高敏感区和盲区，以适应热释电探测器不断变化的特性。3:51 AM，8，菲涅耳透镜利用透镜的特殊光学原理在检测器前产生交替的“盲区”和“高灵敏度区”，以提高其检测和接收灵敏度。当有人在镜头前行走时，人体发出的红外线不断地从“盲区”向“高敏感区”交替，使接收到的红外信号以强脉冲和弱脉冲的形式输入，从而增强了它们的能量幅度。人体红外辐射的中心波长为910 m，而检测元件的波长灵敏度在0.220 m范围内几乎不变。在传感器的顶部有一个带滤光透镜的窗口。可通过该滤光片的光的波长范围为710 m，正好适合检测人体的红外辐射，而其他波长的红外辐射被滤光片吸收，从而形成一种专门用于检测人体辐

6、射的红外传感器。一旦有人侵入探测区域，人体的红外辐射就会被一些镜子聚焦并被热电元件接收。然而，两个热电元件接收的热量是不同的，因此热电元件是不同的，这是不能抵消的。信号处理后，发出警报。菲涅耳滤波器根据不同的性能要求具有不同的焦距(感测距离)，从而产生不同的监控视场。视野越广，控制就越严密，51am，9。当传感器没有配备菲涅尔透镜时，其探测距离小于2m，但使用该透镜，其探测距离可增加3倍以上。3:51 AM，10，热释电套件，51 AM，11，热释电报警器，菲涅耳透镜，设置按钮，高分贝扬声器，3:51 AM，12，热释电报警器(续)，菲涅耳透镜，5毫米连接器，51am，51 AM，14，热释电

7、传感器应用，热释电传感器用于自动照明，当然，也可以用于防盗，热释电传感器的感应范围，3:51 热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形，以此来感知房间内某个空间角度范围内是否有人，以及此人是否静止或移动。3:51 AM，18，可用于下列实际电路：1 .“电力、危险”安全警示电路用于电力场合，当有人进入这些场合时，它会发出声音和灯光提醒人们注意安全。2.自动门主要用于银行和酒店。当有人来时，门会自动打开。当人们离开时，他们会自动关机。3.红外防盗报警器用于银行、办公楼、家庭等场所的防盗报警。4.高速公路车辆交通流量计数器；5.自动开关照明、人体接近自动开关等。3:51 AM，19，表面贴装热释电红外传感

8、器，红外吸顶式人体感应开关，机箱4.15路旅行红外探测器，参见教科书，3:51 AM，20，5.2.2 PN结温度传感器，由于其性能优异，价格低廉，硅PN结温度传感器正逐渐取代原来常温区域的传统温度测量装置。与热敏电阻和热电阻相比，PN结温度传感器的最大特点是输出特性几乎是线性的，并且精度高、体积小、使用方便、易于集成。因此，它广泛应用于家用电器、医疗器械、食品、化工、制冷、粮库、农业、科研等相关领域。硅PN结温度传感器主要技术参数：测量范围：-50150；灵敏度：-2.1毫伏/-2.3毫伏/；互换精度：一般优于0.5；线性度：优于0.5；输出阻抗：小于500。可制成晶体二极管或三极管型PN结

9、温度传感器和集成PN结温度传感器。PN结温度传感器的工作原理是基于半导体PN结的结电压随温度变化的特性。晶体二极管或三极管的PN结的结电压随温度而变化。例如，当温度上升1时，硅管的PN结的结电压下降约2mV。利用这一特性，通常可以使用二极管(例如玻璃封装的开关二极管1N4148)或硅三极管(其可以将集电极和基极连接得非常短)作为二极管来制造PN结温度传感器。该传感器线性度好，体积小，灵敏度高，热时间常数为0.2s 2秒，温度测量范围为-50150。典型的温度曲线如图4.86所示。同一型号的二极管或三极管具有不同的特性，因此它们的互换性很差。集成温度传感器由晶体管、激励电路、放大电路、恒流电路和

10、补偿电路集成在一个芯片上构成。集成温度传感器是指将温度敏感元件和后续放大器集成在一个芯片上，形成集传感和放大为一体的功能器件的传感器。温度传感器的原理类似于晶体管PN结温度传感器。5 . 2 . 3集成电路温度传感器，图5-3电压输出型集成电路温度传感器a)温度敏感元件b)集成电路温度传感器的原理，51am，23，1。AD590属于电流型集成温度传感器，是一种输出电流与温度成正比的电流源。因为电流很容易转换成电压，这种传感器非常有用。温度测量部分：3:51 AM，24，电流型集成温度传感器AD590的应用温度测量，2。应用，51am，25，温度控制，AD311:比较器AD581:参考电压源，3

11、:51 AM，26，多点温度测量。数字输出集成温度传感器DS1820是美国达拉斯公司生产的单线数字温度传感器，可直接将温度信号转换成串行数字信号，供计算机处理。3:51 AM，28，DS1820测量电路测量温度时，51 AM，29，5.2.4微型温度传感器的应用实例，该温度计采用LN-206P或IRA001S热释电传感器，工作在7Hz以下的调制光频率，在1Hz时获得最高的频率响应灵敏度1100V/W。因此，被测物体发出的连续红外光必须调制成1Hz脉冲光。图5-5传感器和温度计框图1调制器2传感器3电机4温度补偿二极管，案例1:带自动温度补偿的红外温度计，3:51 AM，30，案例2: 15通道

12、巡回红外检测报警器，可检测人体运动，15通道声光报警，适用于仓库防盗报警。该装置选用HN911系列热释电集成传感器，包括热释电检测元件、选频放大器、信号处理电路、延时电路、温度补偿电路和高低电平输出电路等。引脚排列见图5-7a。在图片中，6英尺是地面；3枚别针是VDD；4针和5针间接100变阻器调节传感器的灵敏度；1和2引脚为输出。静态时，1引脚输出低电平，2引脚输出高电平。当移动的人体进入检测区域时，第一条腿从低水平变为高水平，第二条腿从高水平变为低水平。单片机HN911的检测距离为15m。3:51am，31，3:51am，32，5.3硅压阻微型压力传感器，图5-10硅盒结构集成压力传感器截

13、面，51am，33，1。普通单片集成压力传感器，图5-11集成压力传感器原理，3:51 AM，34，34。集成压力传感器，具有零漂移和灵敏度漂移补偿功能，3:51 AM，35，2。集成压力传感器MPX3100，在同一芯片上集成了变阻器、补偿电路、参考电压源和信号调理电路。横截面见图5-15a。敏感元件的符号和引脚功能见图5-15b。该传感器的传感元件是一个单一的X型变阻器，其工作原理是利用一个单一的硅变阻器产生一个随测量压力变化的输出电压。在图B中，引脚3和1连接到激励电压；引脚2和引脚4为输出电压。a)截面b)敏感元件符号，3:51 AM，36。在图中，A1用于补偿压力传感器的零温度漂移A2

14、将差分输入转换为接地的单端输出，并执行阻抗转换。A3是精密基准电压源，用于校准传感器的零输出电压。A4是一款电压放大器，其增益由激光微调的精密电阻校准。传感器测量范围为00.1兆帕，输出电压为(0.52.5)伏。图5-16 mpx 3100传感器电路原理，51安，37，5.3智能变送器，1。美国霍尼韦尔公司首次推出的ST-3000系列智能变送器，在14.7硅片上安装了差压、静压和温度三个传感元件，有效地解决了差压问题，图5-24 ST-3000智能变送器框图，3:51 AM，38，ii。LD302智能压力变送器是一种现场总线智能变送器，通过变送器内部不同功能软件模块的配置，可以测量差压、绝对压力、表压、液位和流量等过程参数。它由三部分组成：传感器装配板、主电路板和显示板。图5-26 LD302智能变送器组成框图，3:51 AM，39，3。阵列式智能气体传感器，在实际生产或日常生活中，某种化学气体的浓度随着时间和空间位置的变化而变化(例如，气体管道泄漏)，显然使用前述的单个传