傳感器基本原理和測量電路

1、傳感器基本原理和測量電路霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。 測轉(zhuǎn)角：測轉(zhuǎn)角：電流傳感器電流傳感器 當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。測。 鐵磁材料裂紋檢測鐵磁材料裂紋檢測 NS葉片和齒輪位置傳感器葉片和齒輪位置傳感器應(yīng)用應(yīng)用 案例：汽車速度測量案例：汽車速度測量:2 2 磁電阻元件磁電阻元件磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng))1 (

2、)1 (cos/2202020BRRRR- -+ +lwx特點特點 電阻的增量與磁場的平方成正比；電阻的增量與磁場的平方成正比； 與磁場的正負無關(guān)；與磁場的正負無關(guān)； 溫度系數(shù)影響大；溫度系數(shù)影響大； 磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。應(yīng)用應(yīng)用 磁頭；接近開關(guān)和無觸點開關(guān)。磁頭；接近開關(guān)和無觸點開關(guān)。3 3 磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類霍爾元件霍爾元件磁電阻元件磁電阻元件磁敏二極管磁敏二極管磁晶體管磁晶體管磁半導(dǎo)體開關(guān)磁半導(dǎo)體開關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)品案例：轉(zhuǎn)速測量案例：轉(zhuǎn)速測量6.8 6.8 熱敏傳感器熱敏傳感器 1.1.雙金屬溫度計雙金屬溫度計 把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片

3、焊接在一起把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機械量變化?；D(zhuǎn)換成機械量變化。優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單牢固牢固可靠可靠防爆防爆 熒光燈啟輝器熒光燈啟輝器零線零線火線火線 當(dāng)電路接通，啟輝器兩端極片得電，當(dāng)電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導(dǎo)電（輝光放電），擊穿惰性氣體而導(dǎo)電（輝光放電），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。電路中電流突然中斷，成閉合電路。電路中電流突然中斷，使鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個比電源電壓高使鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個比電源電壓高得多的感應(yīng)電

4、動勢，得多的感應(yīng)電動勢，在強電場的作用在強電場的作用下，引起管內(nèi)汞蒸氣電離而形成弧光下，引起管內(nèi)汞蒸氣電離而形成弧光放電放電. .熒光燈啟輝器熒光燈啟輝器 啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成輝光放電管內(nèi)啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成輝光放電管內(nèi)有一個有一個U形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻璃管內(nèi)充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當(dāng)電路接通，啟輝器兩璃管內(nèi)充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當(dāng)電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導(dǎo)電（輝光放電過程），雙金屬片發(fā)熱彎曲端極片

5、得電，擊穿惰性氣體而導(dǎo)電（輝光放電過程），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經(jīng)過雙金屬片與靜觸板流通，而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經(jīng)過雙金屬片與靜觸板流通，惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經(jīng)過惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經(jīng)過18秒的時間，雙秒的時間，雙金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。2. 2. 熱電溫度計熱電溫度計( (熱電偶熱電偶) ) 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體將兩種不同材料的導(dǎo)體A A和和B B串接成一個閉合串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)回路，當(dāng)

6、兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。BAABNNekTTEln)(ABTT0kk玻耳茲曼常數(shù)，玻耳茲曼常數(shù)，ee電子電荷量，電子電荷量，TT接觸處的溫度接觸處的溫度NANA，NBNB分別為導(dǎo)體分別為導(dǎo)體A A和和B B的自由電子密度。的自由電子密度。BAABNNekTTEln)(00熱電偶測溫基本定律熱電偶測溫基本定律1)1)均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。生熱

7、電動勢。TT02)中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V3)3)參考電極定律參考電極定律 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體A,BA,B分別與參考電極分別與參考電極C C組成熱電偶，如組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A A和和B B兩極配對后兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：的熱電動勢可用下式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACABABTT0=ACT

8、T0CBTT0由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。3 3 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器 半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻導(dǎo)體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。值下降。 )11(00TTeRRRT產(chǎn)品產(chǎn)品溫控器溫控器應(yīng)用應(yīng)用汽車發(fā)動機傳感器汽車發(fā)動機傳感器水溫感應(yīng)塞水溫感應(yīng)塞還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體

9、溫計等6.9 6.9 氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器 氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。 如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達0.80.81.15 ml/L1.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟省＿€時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟省＿€有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。煙霧報警器煙霧報警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化碳傳感

10、器 氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變化。等時，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。測氣體的濃度改變而變化。 實驗室中實驗室中的傳感器的傳感器燃氣報警器燃氣報警器煙霧報警器煙霧報警器 酒精傳感器酒精傳感器6.10 6.10 超聲波檢測傳感器超聲波檢測傳感器 1)1)聲波及其分類聲波及其分類(1)(1)次聲波，振動頻率低于次聲波，振動頻率低于l6Hzl6Hz的機械波。的機械波。(2)(2)聲波聲

11、波: :振動頻率在振動頻率在16Hz20KHz16Hz20KHz之間的機械波。之間的機械波。(3)(3)超聲波超聲波: :高于高于20KHz20KHz的機械波。的機械波。2 2）超聲波的物理性質(zhì)）超聲波的物理性質(zhì) 超聲波與聲波比，振動頻率高，波長短，具有超聲波與聲波比，振動頻率高，波長短，具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。 聲壓聲壓 所謂聲壓，是指某點上各瞬間的壓力與大氣壓所謂聲壓，是指某點上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為力之差值，單位為PaPa，

12、1Pa =1N/m1Pa =1N/m2 2。聲強聲強 聲強是聲波在傳播方向上單位時間內(nèi)通過單聲強是聲波在傳播方向上單位時間內(nèi)通過單位面積的能量，單位為位面積的能量，單位為W/m2W/m2。聲功率聲功率 聲功率聲功率( (W W) )是聲源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的總能是聲源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的總能量，單位是量，單位是W W。超聲波傳感器原理超聲波傳感器原理 超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生機械振動，發(fā)射出超聲波。產(chǎn)生機械振動，發(fā)射出超聲波。 接收原理是當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時，使接收原理是當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時，使磁滯材料磁場變化，使線圈

13、產(chǎn)生感應(yīng)電勢輸出。磁滯材料磁場變化，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢輸出。 超聲波傳感器對超聲波傳感器對超聲波傳感器應(yīng)用超聲波傳感器應(yīng)用 超聲波探傷超聲波探傷/測距測距/測物測物案例：輸油管檢測檢測機器人倒車雷達倒車雷達 魚群探測器魚群探測器 6.11 6.11 光電傳感器光電傳感器 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-

14、-空穴對空穴對, ,使其導(dǎo)電性能增強使其導(dǎo)電性能增強, ,光線愈強，阻值愈低，這種光光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象, ,稱為稱為內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 。光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管傳感器原理傳感器原理 照相機自動測光照相機自動測光光控?zé)艄饪責(zé)艄I(yè)控制工業(yè)控制光電池光電池 光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-NP-N結(jié)受到光照后結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。的光電池是常用的光生伏特型器件。+-PN應(yīng)用應(yīng)用

15、 光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式式( (直射式直射式) )、吸收式、遮光式、反射式、四種、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。基本形式。 案例：光電鼠標(biāo)就是利用案例：光電鼠標(biāo)就是利用LEDLED與光敏晶體管組合來與光敏晶體管組合來 測量位移。測量位移。亮度傳感器：亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的。達到節(jié)約電能的目的。相機測距反射式光電傳感器相機測距反射式光電傳感器6.12 6.12

16、 光纖傳感器光纖傳感器 物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。 1 1）物性型光纖傳感器）物性型光纖傳感器光纖流速傳感器光纖流速傳感器 結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。功能型光纖傳感器。2 2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器光纖檢測型光電傳感器光纖檢測

17、型光電傳感器作業(yè)件檢測作業(yè)件檢測顏色檢測顏色檢測6.13 CCD6.13 CCD固態(tài)圖象傳感器固態(tài)圖象傳感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor) MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體(P(P型硅型硅) )基片上形成一種氧化物基片上形成一種氧化物( (如二氧化硅如二氧化硅) )，在氧化物上再沉積一層金屬電極，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬以此形成一個金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 (MOS)(MOS)。 在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列M

18、OSMOS單元，單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。相對應(yīng)的光生電荷圖像。01111100光敏管光敏管陣列陣列并聯(lián)串聯(lián)轉(zhuǎn)換器運算電路顯示電路結(jié)束信號驅(qū)動脈沖CCD 特點特點:(1) 非接觸檢測非接觸檢測;(2) 響應(yīng)快響應(yīng)快;(3) 可靠性高可靠性高,為修簡便為修簡便;(4) 測量精度高測量精度高;(5) 體積小體積小,重量輕重量輕; 容易與計算機連接容易與計算機連接(6) 對被測物體需要強光照射對被測物體需要強光照射;(7) 受被測物

19、體以外的光的影響受被測物體以外的光的影響. 應(yīng)用:(1) 寬度測量; (2) 外徑測量; (3) 主軸徑向跳動測量. 條形碼掃描器條形碼掃描器GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114 數(shù)碼相機數(shù)碼相機基于基于PDE的去噪的去噪圖像修復(fù)圖像修復(fù)圖像縮放圖像縮放6.14 6.14 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 1 1、熱輻射檢測傳感器、熱輻射檢測傳感器 絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體溫度賴于物體溫度(K)(K)，根據(jù)普朗克輻射定律有以下，根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達式：表達式：應(yīng)用：應(yīng)用： 冶金、軋

20、制、磨削加工以及各種熱加工過冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。2 2、聲發(fā)射檢測傳感器、聲發(fā)射檢測傳感器 材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射。各種以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射頻率范圍很寬，從次聲、聲頻到超聲。材料聲發(fā)射頻率范圍很寬，從次聲、聲頻到超聲。多數(shù)金屬的聲發(fā)射頻帶在超聲范圍內(nèi)。多數(shù)金屬的聲發(fā)射頻帶在超聲范圍內(nèi)。案例：材料斷裂等結(jié)構(gòu)監(jiān)測案例：材料斷裂等結(jié)構(gòu)監(jiān)測6.15 6.15 生物傳感器生物傳感器熱熱/

21、/光光電量電量微生物微生物/酶等酶等敏感元件敏感元件 生物傳感器與其它傳感器是檢測對象中含生命生物傳感器與其它傳感器是檢測對象中含生命物質(zhì)。根據(jù)敏感物質(zhì)不同物質(zhì)。根據(jù)敏感物質(zhì)不同, ,生物傳感器分酶傳感器、生物傳感器分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等。疫傳感器等。2 2、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測3.3.醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域1 1、發(fā)酵工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)( (食品食品) )血糖乳酸測定流程血糖乳酸測定流程體育上耐力訓(xùn)練體育上耐力訓(xùn)練德國研發(fā)的環(huán)境廢水德國研發(fā)的環(huán)境廢水BODBOD分析儀分析儀手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(glucose

22、)(glucose)分析儀分析儀工廠發(fā)酵車間化驗工廠發(fā)酵車間化驗員正在分析樣品員正在分析樣品發(fā)酵工廠谷氨酸發(fā)酵工廠谷氨酸- -葡萄糖分析葡萄糖分析6.16 6.16 智能傳感器智能傳感器 傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學(xué)量（如濃度、光、磁等）、化學(xué)量（如濃度、PHPH值等）、生物值等）、生物量（如細菌等）等的信息，并將該信息轉(zhuǎn)化為電量（如細菌等）等的信息，并將該信息轉(zhuǎn)化為電信息的裝置。信息的裝置。 智能傳感器是將傳感器與微型計算機集成在智能傳感器是將傳感器與微型計算機集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術(shù)和信息處一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還具有認知能力。具有認知能力。嵌入式計算機嵌入式計算機智能智能傾角傾角RS232RS232傳感器傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器總線數(shù)字溫度傳感器振動網(wǎng)絡(luò)傳感器振動網(wǎng)絡(luò)傳感器智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器GSM/SMS6.17