傳感器基礎技術-課件

電子設計專題講座傳感器技術與應用

1ppt課件一、傳感器的概念1、定義：人類為了從外界獲取信息,必須借助于感覺器官。隨著科學技術的發(fā)展。一系列代替、補充、延伸人的感覺器官功能的各種手段就應運而生,從而出現了各種用途的傳感器。

傳感器是與人的感覺器官相對應的元件。2ppt課件國家標準GB7665-87對傳感器下的定義

“傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成”。敏感元件：是指傳感器中能直接感受或響應被測量（輸入量）的部分;轉換元件：是指傳感器中能將敏感元件感受的或響應的被探測量轉換成適于傳輸和（或）測量的電信號的部分。3ppt課件傳感器組成方塊圖，說明了傳感器的基本組成和工作原理。

4ppt課件二、傳感器的分類

傳感器種類繁多,功能各異,有不同的分類。按照被測量大類分,可分為力學量傳感器、熱量傳感器、磁傳感器、光傳感器、放射線傳感器、氣體成分傳感器、液體成分傳感器、離子傳感器和真空傳感器等等5ppt課件傳感器作用可細分如下:(1)壓力;(2）力/荷重;(3）位移（厚度）;(4）力矩;(5）角度;(6）角速度（轉速）;(7）速度;(8）加速度;(9）角加速度;(10）傾斜角;(11）編碼器;(12）振動;(13）氣體/煙霧;(14）溫度;(15）熱能;(16）濕度;(17）水份;(18）露點;(19）液位;(20）料位;(21）流量;(22）流速6ppt課件

(23）風速;(24)電流;(25）電壓;(26）電功率;(27）電頻率;相位、Q值等(28）接近開關;(29）磁性開關;(30）光電開關;(31）pH值;(32）電阻率;(33）電導率;(34）水溶氧;(35）生物;(36）紅外線;(37）紫外線;(38）光纖;(39)離子;(40）激光;(41）超聲波;(42）聲音/噪聲;(43）觸覺;(44）圖像/顏色;(45）密度/粘度;(46）混濁度。7ppt課件三、信號形式及處理開關量電平。電阻。模擬電壓電流（交直流）電荷（一般要交變采集）電容及電感（交流電橋或振蕩器）時間差。直接與間接測量。在了解傳感器原理的基礎上：明確要求，選用傳感器設計合適的信號轉換電路，確定單片機信號處理方法。8ppt課件四、傳感器的性能和評價傳感器的靜態(tài)特性

(1)靈敏度靈敏度是描述傳感器的輸出量（一般為電學量）對輸入量（一般為非電學量）敏感程度的特性參數。其定義為:傳感器輸出量的變化值與相應的被測量（輸入量）的變化值之比,9ppt課件

(2)線性度

理想的傳感器輸出與輸入呈線性關系。然而,實際的傳感器即使在量程范圍內,輸出與輸入的線性關系嚴格來說也是不成立的,總存在一定的非線性。線性度是評價非線性程度的。

10ppt課件（3）遲滯差輸入逐漸增加到某一值,與輸入逐漸減小到同一輸入值時的輸出值不相等,叫遲滯現象。11ppt課件（4）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內保持其性能參數的能力。理想的情況是,不管什么時候傳感器的靈敏度等特性參數不隨時間變化。但實際上,隨著時間的推移,大多數傳感器的特性會改變。這是因為傳感元件或構成傳感器的部件的特性隨時間發(fā)生變化,產生一種經時變化的現象。12ppt課件五、常用傳感器傳感器品種繁多，使用有些方便，有些應用非常復雜。針對電子競賽而言，可能用到的傳感器應該是必須滿足一個基本原則：相對容易購買，在系統(tǒng)應用中容易實現。主要原因是電子競賽從主要器件清單公布到競賽開始只有一周時間，不易購買傳感器一般不會出現，另一角度來說，實際運行環(huán)境不易組成的傳感器應用也不易出現，如流體壓力類傳感器或高溫傳感器，核輻射類傳感器也不易出現。13ppt課件現電子競賽中已出現的常用傳感器測中低溫（<150℃）的溫度傳感器超聲傳感器（測距等）紅外傳感器（光電對管）霍爾(電渦流)接近開關（用于金屬探測）點滴流量測量。重量測量。轉速，速度，位移（長度）測量。（電動小車）。電流、電壓測量（互感器）。14ppt課件1、電流、電壓測量(1)直接提取。應采用取樣電阻，并盡量用精密電阻，可采用錳銅絲（溫度系數好）做，電流取樣電阻適當小好。電壓輸入阻抗高好。(2)隔離提取。交流測量可采用電流電壓互感器（簡單理解可認為和變壓器相似）。(3)應用（帶感性容性負載）。功率因數計算-電流電壓相位差。（有功無功功率計算）。15ppt課件互感器原理簡單地說電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)的作用就是把高電壓大電流隔離轉換為低電壓小電流,能夠用表計安全方便地來測量與監(jiān)控。電流互感器的作用是測量交流電路的電流。

原理：將被測電纜或銅排穿過互感器的中心，導體中將產生交變磁場，于是在互感器的線圈中感應出電流，可以測出電路中電流。電壓互感器的作用是測量交流電路中的電壓

原理：與變壓器相同16ppt課件17ppt課件2、電阻、電感、電容三參數處理

如圖所示，是電阻應變片（測力及位移）的結構示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。（重量測量、電子秤）。18ppt課件電位器式角度傳感器測量角度19ppt課件電阻應變片力傳感器電位器式角度傳感器的應用直流電橋（或直接分壓）20ppt課件變磁阻式傳感器（測小位移）21ppt課件

變介質型電容傳感器有較多的結構形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可測量非導電固體介質的濕度．

電容式液位變換器結構原理圖22ppt課件電容及電感交流電橋23ppt課件電容及電感（鑒頻器頻率轉換為電壓振幅，也可直接測頻率）24ppt課件3、溫度測量數字溫度傳感器DS1820熱敏電阻半導體二極管熱電阻熱電偶紅外等非接觸測溫25ppt課件（1）半導體熱敏電阻26ppt課件熱敏電阻的溫度特性正系數型PTC負系數型NTC和臨界系數型CTR型(開關)27ppt課件（2）半導體熱敏電阻電路28ppt課件（3）晶體二極管PN二極管測溫電路

29ppt課件（4）熱電阻傳感器熱電阻傳感器是利用金屬導體電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻廣泛用來測量-200～850℃范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復現國際溫標的標準儀器，PT1000度—100歐100度—138.5歐CU500度—50歐30ppt課件31ppt課件（5）熱電偶傳感器

兩種不同材料的導體（或半導體）焊接在一起，接點就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應,該電動勢稱為熱電勢。這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶，導體A、B稱為熱電極。熱端（測量端），測溫時將它置于被測介質中;冷端通過導線與顯示儀表相連。測高溫，如熱電偶K0MV0度

30MV一千多度32ppt課件圖例33ppt課件（6）智能式測溫傳感器

傳感器與微處理機可分為兩個獨立部分，傳感器的輸出信號經處理和轉化后由接口送到微處理機部分進行運算處理。這就是我們指的一般意義上的智能傳感器,又稱傳感器的智能化(大部分）．傳感器部分與信號預處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器，簡稱集成智能傳感器。34ppt課件單線接口溫度測量ds1820DS1820在使用中不需要任何外圍元件。

測溫范圍－55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃(0.1℃).,DS1820支持多點組網功能，多個DS1820可以并聯(lián)，實現多點測溫。

DS1820引腳及功能35ppt課件美國DALLAS公司生產的單線數字溫度傳感器DS182,可把溫度信號直接轉換成串行數字信號供微機處理。由于每片DS1820含有唯一的硅串行數所以在一條總線上可掛接任意多個DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或寫入DS1820的信息，僅需要一根口線（單線接口）。DS1820提供九位溫度讀數，構成多點溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件。DS1820與89C51單片機接口一條線，網上現成應用程序。36ppt課件（7）雙金屬固體膨脹式

雙金屬元件作為溫度敏感元件受熱而產生膨脹變形來測溫的。它由兩種線膨脹系數不同的金屬緊固結合而成雙金屬片.二種輸出,接點和電阻.

固體膨脹式是以雙金屬元件作為溫度敏感元件受熱而產生膨脹變形來測溫的。它由兩種線膨脹系數不同的金屬緊固結合而成雙金屬片，上下限報警和控制。37ppt課件（8）AD590集成溫度傳感器25℃（298.2K）輸出電流為298.2μA38ppt課件（9）遠紅外傳感器測溫紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光.紅外輻射的物理本質是熱輻射，一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強.遠紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調理電路及顯示單元等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心光電二極管工作于近紅外。39ppt課件紅外傳感器的應用紅外測溫儀目前常見的紅外測溫儀方框圖。它是一個包括光、機、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)，圖中的光學系統(tǒng)是一個固定焦距的透射系統(tǒng)，濾光片一般采用只允許8～14μm的紅外輻射能通過的材料。步進電機帶動調制盤轉動，將被測的紅外輻射調制成交變的紅外輻射線。紅外探測器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測器，透鏡的焦點落在其光敏面上。被測目標的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出。（感應電荷，交流更新）40ppt課件紅外測溫儀方框圖41ppt課件熱釋電型紅外探測器在電子防盜、人體探測器領域中，被動式熱釋電紅外探測器的應用非常廣泛，因其價格低廉、技術性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。被動式熱釋電紅外探頭的工作原理及特性：

人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經檢測處理后就能產生報警信號。42ppt課件4、開關類及光敏傳感器霍爾式傳感器電渦流式傳感器光電式傳感器普通接觸開關43ppt課件（1）霍爾式傳感器置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產生電動勢，這種現象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢?；魻栐慕Y構很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應強度44ppt課件霍爾效應原理圖E=K*I*B

霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應強度45ppt課件霍爾元件基本結構

（a）外形結構示意圖；b）圖形符號

46ppt課件霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成連續(xù)測量。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強度B成比例，這類電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場檢測。

47ppt課件霍爾集成元件霍爾集成元件是將霍爾元件和放大器等集成在一塊芯片上。它由霍爾元件、放大器、電壓調整電路、電流放大輸出電路、失調調整及線性度調整電路等幾部分組成，有三端T形單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結構。它的特點是輸出電壓在一定范圍內與磁感應強度成線性關系。48ppt課件霍爾開關霍爾開關的輸入端是以磁感應強度B來表征的，當B值達到一定的程度（如B1）時，霍爾開關內部的觸發(fā)器翻轉，霍爾開關的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉。輸出端一般采用晶體管輸出，和接近開關類似有NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型（雙極性）、雙信號輸出之分。具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應頻率高等特點，內部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作?；魻栭_關可應用于接近開關，里程表等。49ppt課件內部原理圖、輸入/輸出的轉移特性50ppt課件51ppt課件霍爾傳感器的應用霍爾式微位移傳感器

霍爾元件具有結構簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應強度、有功功率及電能參數的測量，也在位移測量中得到廣泛應用。圖給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖是磁場強度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置，霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應強度B=0，因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零，此時位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產生相對位移，霍爾元件感受到的磁感應強度也隨之改變，這時UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量。這種結構的傳感器，其動態(tài)范圍可達5mm52ppt課件霍爾式位移傳感器的工作原理圖(a)磁場強度相同傳感器；(b)簡單的位移傳感器；(c)結構相同的位移傳感器53ppt課件霍爾開關式轉速傳感器54ppt課件霍爾計數裝置

霍爾開關傳感器SL3501具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場變化，因而可對金屬零件進行計數檢測。下圖是對鋼球進行計數的工作示意圖和電路圖。當鋼球通過霍爾開關傳感器時，傳感器可輸出峰值20mV的負脈沖電壓，該電壓經運算放大器(μA741)放大后，驅動半導體三極管V(2N5812)工作，V輸出端便可接計數器進行計數，并由顯示器顯示檢測數值。55ppt課件霍爾計數裝置的工作及電路圖56ppt課件（2）電渦流式傳感器（工作原理）

57ppt課件電渦流傳感器應用----接近開關位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件，接通電源后，在開關的感應面將產生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應面時，金屬中則產生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應用在自動化裝備生產線對模擬量（或開關量）的測量。58ppt課件

59ppt課件（3）光電式傳感器

在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產生光生電動勢的效應稱為內光電效應半導體的導電性增加，阻值減低，這種現象稱為光電導效應。在光線的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象稱為光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池。60ppt課件半導體光敏電阻光敏電阻（用半導體材料光電器件）。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大。當光敏電阻受到光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級，亮電阻值在幾千歐以下61ppt課件光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。對應于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應曲線也不同。從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光區(qū)域，常被用作光度量測量（照度計）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區(qū)，常用做火焰探測器的探頭。常用可見光．62ppt課件光敏電阻的結構光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。光敏電阻接線圖63ppt課件火焰探測報警器（火焰閃動）64ppt課件近紅外光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管的結構與一般二極管相似。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在沒有近紅外光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結上，光子打在PN結附近，使PN結附近產生光生電子和光生空穴對，它們在PN結處的內電場作用下作定向運動，形成光電流。近紅外光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài)，受光照射時處于導通狀態(tài)。可看成一個光敏電阻。

65ppt課件66ppt課件光敏晶體管光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個PN結光敏晶體管的光電靈敏度雖然比光敏二極管高得多，但在需要高增益或大電流輸出的場合，需采用達林頓光敏管。它是一個光敏晶體管和一個晶體管以共集電極連接方式構成的集成器件。由于增加了一級電流放大，所以輸出電流能力大大加強，可直接驅動靈敏繼電器。適合于開關狀態(tài)或位式信號的光電變換67ppt課件NPN型光敏晶體管結構簡圖和基本電路68ppt課件達林頓光敏管的等效電路69ppt課件光電開關的基本電路70ppt課件光敏二極管和光敏晶體管應用光敏二極管和光敏晶體管一般和紅外發(fā)光二極管組成多種光電傳感器光電開關，測阻擋物傳感器光電液位測量傳感器光電感煙傳感器71ppt課件(4)超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。20000以上的機械波，稱為超聲波根據發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔任。72ppt課件密封式壓電陶瓷振動空氣超聲換能器73ppt課件超聲波的反射和折射74ppt課件超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進行測量。時間為T=2H/C，C氣體中波聲速為344m/s，液體中波聲速在900～1900m/s。75ppt課件

壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：

逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應是將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭。

76ppt課件幾種超聲物位傳感器示意圖77ppt課件超聲波流量（Ｖ）傳感器傳播時間法

T1＋T2=L/（C-V）＋L/（C+V)。78ppt課件超聲波測距儀

超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t,然后求出距離S=Ct/2，式中的C為超聲波波速.79ppt課件80ppt課件(5)氣敏傳感器

氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。由于氣體種類繁多,性質各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別