《傳感器原理與應用》全套教學課件

第1章

初識傳感器全套可編輯PPT課件第1章初識傳感器.pptx第2章壓力傳感器.pptx第3章速度傳感器.pptx第4章溫度傳感器.pptx第5章物位傳感器.pptx第6章化學傳感器.pptx第7章智能傳感器.pptx第8章綜合實訓.pptx

隨著信息化、智能化的飛速發(fā)展，傳感器作為信息感知的重要工具，已廣泛應用于生產(chǎn)生活中?？梢哉f，傳感器技術(shù)已成為經(jīng)濟發(fā)展和社會進步中一項不可或缺的技術(shù)。

本章從傳感器應用入手，介紹傳感器的基礎(chǔ)知識，包括傳感器的定義、組成、分類、命名及發(fā)展趨勢，并重點介紹傳感器的特性及選用原則。本章導讀163學習目標掌握傳感器的定義、組成、分類和命名。了解傳感器的發(fā)展趨勢。掌握傳感器的特性。理解傳感器的一般選用原則。能夠根據(jù)具體性能指標選用合適的傳感器。無處不在的傳感器在現(xiàn)代生活中，人們每天都在接觸或使用傳感器。如熱水器、冰箱等在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中一條自動化生產(chǎn)線中，一般要配備幾十、上百甚至上千種傳感器設(shè)備，用來檢測生產(chǎn)線狀態(tài)及產(chǎn)品質(zhì)量，如壓力、流量。傳感器還滲透到諸如航空航天、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、文物保護等領(lǐng)域。案例導讀CONTENT1.1認識傳感器1.2傳感器的特性1.3傳感器的一般選用原則認識傳感器011.1.1傳感器的定義

能感受（或響應）規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及相應的電子線路組成。傳感器是一種檢測裝置，主要完成檢測任務(wù)。包含的意思輸入量是被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量。輸出量是某種“可用信號”輸入輸出有一定的規(guī)律，并且應有一定的精度。1.1.2傳感器的組成圖1-3傳感器的組成

敏感元件指能敏銳地感受信號或信號的變化并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦邹D(zhuǎn)換的非電量的特殊電子元件。如熱敏、光敏等。

轉(zhuǎn)換元件也稱傳感元件，它的作用是將敏感元件輸出的非電量轉(zhuǎn)換成適合傳輸或測量的電信號，如應變力轉(zhuǎn)換為電壓等。

信號調(diào)理電路又稱轉(zhuǎn)換電路，它的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸出的微小電信號經(jīng)過放大、濾波、線性化、補償?shù)忍幚磉^程轉(zhuǎn)換成標準電信號。1.1.3傳感器的分類和命名1．傳感器的分類按照被測量分類按照檢測原理分類按照是否需要外加供電電源按照輸出信號的性質(zhì)分類照被測量分類壓力傳感器、速度傳感器、電阻式傳感器、電容式傳感器、有源傳感器和無源傳感器模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器2．傳感器的命名傳感器產(chǎn)品的名稱應由主題詞及四級修飾詞語構(gòu)成圖1-4傳感器命名方法3．傳感器的代碼圖1-5傳感器代碼1.1.4傳感器的發(fā)展趨勢（1）智能化不僅具有檢測功能，還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、學習等智能微型化是建立在微電子機械系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上的。優(yōu)點：體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強大。（3）網(wǎng)絡(luò)化傳感器和無線通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。（2）微型化02

傳

感

器

的

特

性1.2.1傳感器的靜態(tài)特性圖1-6傳感器的線性度1．線性度曲線與擬合直線（或稱為理論直線）之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出的百分比，稱之為線性度或非線性誤差。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性圖1-7傳感器靈敏度示意圖2．靈敏度靈敏度就是系統(tǒng)的斜率，是一個常數(shù)；若傳感器的輸入輸出為非線性關(guān)系，其靈敏度為工作點處的切線斜率。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性圖1-8傳感器遲滯性3．遲滯性遲滯性表示傳感器同一輸入量輸入時，在增加（正行程）或減少（反行程）過程中，輸出不重合的現(xiàn)象，即輸出的變化總是慢于輸入的變化。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性圖1-9傳感器重復性4．重復性重復性是指傳感器在同一工作條件下，對同一輸入值，按同一方向多次測量的輸出值之間的不一致程度。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性5．穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指傳感器在一個較長時間內(nèi)保持性能參數(shù)不變的能力。

穩(wěn)定性指在同一環(huán)境下經(jīng)過規(guī)定時間的檢測后，傳感器的真實輸出與起始標定輸出（測量真值與標定真值）之間的差異，這種差異又稱為穩(wěn)定性誤差。

穩(wěn)定性誤差有兩種表示方法，即絕對誤差和相對誤差。

絕對誤差指的是傳感器的被測變量的數(shù)值與起始標定數(shù)值之間的代數(shù)差；而絕對誤差與測量真值的比值稱為相對誤差。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性6．分辨力分辨力是指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)能檢測出的被測量的最小變化量。圖1-10傳感器的分辨力分辨力有時也用最小變化量與滿量程輸入的百分比表示。一般情況下，模擬量傳感器的分辨力為最小刻度分格值的二分之一，而對于數(shù)字量傳感器而言，最后一位數(shù)字位所代表的值就是它的分辨力

1.2.1傳感器的靜態(tài)特性7．精度和精度等級

傳感器的精度指標主要由精密度和準確度來表示。

精密度，即同一測量者用同一傳感器在短時間內(nèi)反復測量同一被測量時，其測量值不一樣的程度，它代表了傳感器測量結(jié)果的分散性。

精密度通常用隨機誤差來表示，隨機誤差越小，說明該傳感器精密度越高。

準確度是指測量結(jié)果有規(guī)律地偏離真值大小的程度，通常用系統(tǒng)誤差來表示。1.2.2傳感器的動態(tài)特性

當輸入信號隨時間發(fā)生變化時，系統(tǒng)的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系稱為動態(tài)特性。

傳感器的動態(tài)特性可以用基于時域的瞬態(tài)響應法和基于頻域的頻率響應法來分析。

分析傳感器的動態(tài)特性時，時域分析通常用脈沖函數(shù)、階躍函數(shù)和斜坡函數(shù)作為激勵信號，而頻域分析一般用正弦函數(shù)作為激勵信號。03傳感器的一般選用原則1.3.1與測量條件有關(guān)的因素

與測量條件有關(guān)的因素一般包括測量的目的、被測量的選擇、測量的范圍、輸入信號的幅值、頻率及帶寬，另外還包括被測對象的精度要求及快速性要求。1.3.2與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標

在依據(jù)技術(shù)指標選用傳感器時，主要應考慮傳感器的靈敏度、精度、穩(wěn)定性、頻率響應等特性。

傳感器的靈敏度越高，與被測量無關(guān)的外界噪聲越容易混入，從而影響測量精度。

傳感器的精度越高，它的價格也就越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以了。

穩(wěn)定性是傳感器能否長時間使用的重要指標。

傳感器的頻率響應越高，其輸入信號的頻率范圍越寬。1.3.3與使用環(huán)境有關(guān)的因素包括安裝現(xiàn)場的供電方式、溫濕度條件、有無震動、電磁干擾強弱、有無本質(zhì)安全防爆要求、信號的傳輸距離、接線方式等。還要考慮傳感器的來源（國產(chǎn)、進口或自行研制）及價格等因素。1.3.4應用實踐——氣體壓力傳感器的選型1．實踐目的（1）熟悉傳感器的選型原則。（2）能夠根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的傳感器。3．題目解析2．應用描述對壓力容器進行測量，正常壓力為150kPa，要求壓力測量誤差不大于4.5kPa，問應選擇什么樣的壓力傳感器才能滿足測量要求。首先要確定量程，然后確定精度等級。（1）確定量程。（2）確定精度等級。感謝您的觀看

第2章

壓力傳感器

壓力是工業(yè)檢測中重要的工藝參數(shù)之一，正確地測量和控制壓力是保障生產(chǎn)過程良好運行并達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。但由于壓力是非電量，所以不能用電子儀表直接測量，而必須借助轉(zhuǎn)換元件將其轉(zhuǎn)換為電信號后進行測量。

壓力傳感器是一種能夠感應壓力并將其轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，電信號的強弱取決于施加的壓力。壓力傳感器主要包括金屬電阻應變式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器和電感式壓力傳感器等。本章導讀了解金屬電阻應變片的結(jié)構(gòu)、類型及主要特性。掌握金屬電阻應變片的工作原理和基本測量電路。了解應變式壓力傳感器溫度誤差產(chǎn)生的原因及補償方法。了解壓電式壓力傳感器的工作原理及壓電材料。掌握壓電式壓力傳感器的接口電路。掌握自感式壓力傳感器的工作原理。掌握差動變壓器式壓力傳感器的工作原理。學習目標電

子

秤

電子秤種類多樣，常見的有家用體重計、超市使用的多功能電子臺秤、稱量稀有金屬的電子秤及稱量貨車載重的地磅等。

電子秤主要是由稱重系統(tǒng)（托盤、秤體）、傳力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（壓力傳感器）和示值系統(tǒng)（刻度盤、顯示器）3部分組成的。

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上來說，電子秤主要是由壓力傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器、按鍵電路、顯示電路和電源電路組成的。案例導讀CONTENT2.1金屬電阻應變式壓力傳感器2.2壓電式壓力傳感器2.3電感式壓力傳感器金屬電阻應變式壓力傳感器01

電阻應變式壓力傳感器是應用最為廣泛的壓力傳感器之一，它的核心元件是電阻應變片，而常用的電阻應變片有金屬電阻應變片和半導體電阻應變片兩類。

金屬電阻應變片的工作原理是基于應變效應，而半導體電阻應變片的工作原理是基于壓阻效應。圖2-3金屬電阻應變片2.1.1金屬電阻應變片的結(jié)構(gòu)、類型1．金屬電阻應變片的結(jié)構(gòu)金屬電阻應變片主要由敏感柵、引線、蓋片和基底組成，其中，上層為蓋片，底層為基底，中間層為敏感柵。敏感柵

通過黏合劑粘貼在蓋片和基底之間，其主要作用是實現(xiàn)由應變到電阻的轉(zhuǎn)換，是金屬電阻應變片的核心?；坠潭舾袞?，并使敏感柵與彈性元件相互絕緣。。蓋片保護敏感柵，使其避免受到機械損傷，并防止高溫氧化。。引線連接敏感柵和測量線路的絲狀或帶狀的金屬導線。。2．金屬電阻應變片的類型性能金屬絲式應變片箔式應變片薄膜式應變片工藝繞線光刻、腐蝕真空蒸鍍、真空沉淀厚度0.01～0.05mm0.003～0.01mm<0.1μm敏感度系數(shù)最小較大最大允許最大電流最小較大最大其他制作方法簡單，可手工完成適合大批量生產(chǎn)適合工業(yè)化生產(chǎn)表2-1金屬電阻應變片敏感柵特點2.1.2金屬電阻應變片的主要特性金屬電阻應變片的有效工作面積越小，越有利于選擇黏貼位置，但同時散熱效果也會越差。因此，選擇金屬電阻應變片時應根據(jù)需要選擇合適的尺寸。1．幾何尺寸圖2-5應變片的幾何尺寸2．電阻值金屬電阻應變片的電阻值主要有60Ω、120Ω、350Ω、500Ω、600Ω和1000Ω等。3．最大工作電流

指已安裝的金屬電阻應變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。通常來說，工作電流越大，輸出信號也就越大，靈敏度就越高。

最大工作電流也和金屬電阻應變片、被測試件、黏合劑及環(huán)境等因素有關(guān)。4．靈敏度系數(shù)5．橫向效應既受軸向應變影響，又受橫向應變影響，從而引起電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為橫向效應。6．應變極限7．機械滯后、零漂和蠕變

機械滯后的主要原因是金屬電阻應變片在承受機械應變后所留下的殘余形變，使得敏感柵電阻產(chǎn)生了少量不可逆的變化。

在溫度恒定、沒有機械應變的情況下，粘貼在被測試件上的金屬電阻應變片，其阻值會隨時間的增加而變化的特性稱為零點漂移，簡稱零漂。

在溫度恒定，承受某一恒定的機械應變時，其電阻值隨時間的增加而變化的特性稱為蠕變。圖2-7機械滯后2.1.3金屬電阻應變片的工作原理

當金屬導體在力的作用下而產(chǎn)生機械變形（壓縮或拉伸）時，其阻值發(fā)生相應變化，這種現(xiàn)象稱為應變效應圖2-8金屬電阻應變片的應變效應2.1.4基本測量電路圖2-10直流電橋基本電路1．單臂電橋在直流電橋中，當只有一個電阻為可變電阻，而其余3個為固定電阻時，就構(gòu)成了單臂電橋。圖2-11單臂電橋2．雙臂電橋雙臂電橋是指電橋中相對兩臂的電阻值可變，且變化值和方向均相同，其余兩臂為固定電阻。圖2-12雙臂電橋3．差動電橋差動電橋是指電橋中相鄰兩臂的電阻值可變，而其余電阻的阻值是固定的。圖2-13差動電橋4．全臂電橋全臂電橋也稱全橋電路，是指4個橋臂均接有應變片，即4個臂的電阻阻值均發(fā)生變化，且相鄰電阻變化方向相反，相對電阻變化方向相同。圖2-14全臂電橋2.1.5應變式壓力傳感器的溫度誤差及補償1．溫度誤差產(chǎn)生的原因引起溫度誤差產(chǎn)生的因素主要有以下兩個方面。（1）敏感柵具有一定的溫度系數(shù)，在沒有壓力的作用時，敏感柵的尺寸、形狀等參數(shù)會隨著溫度的變化而變化。（2）由于被測試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)（固體物在溫度升高時，物體的各種線度如長度、寬度、厚度、直徑等都要增長）不同，使得金屬電阻應變片產(chǎn)生了附加應變，從而造成測量誤差。2．溫度補償?shù)姆椒?/p>

溫度補償?shù)哪康氖潜M可能消除溫度變化對測量結(jié)果的影響，目前主要采用兩種補償方式，即自補償法和橋路補償法。

自補償法是將溫度自補償應變片粘貼在被測部位上，當溫度變化時，使金屬電阻應變片產(chǎn)生的附加應變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?/p>

橋路補償是利用橋路的和、差原理來達到補償?shù)哪康?。圖2-15橋路補償法（a）補償片（b）單臂電橋2.1.6金屬電阻應變片的選用規(guī)則一般來說，可以根據(jù)被測試件的材質(zhì)、測量精度、工作環(huán)境等因素，選擇合適的金屬電阻應變片。被測試件的材質(zhì)主要考慮材料的彈性模量（即單向應力作用下，應力與在方向上應變的比值）和材質(zhì)的均勻度。工作環(huán)境主要考慮溫濕度、磁場、輻射、腐蝕等因素。2.1.7

應用實踐——電阻應變式壓力傳感器在稱重中的應用1．實踐目的（1）了解金屬箔式應變片的應變效應。（2）能夠根據(jù)需要選擇合適的傳感器進行壓力測量電路設(shè)計。2．應用描述由電阻應變式壓力傳感器制作的電子秤（稱重傳感器）已廣泛應用于各行各業(yè)，它實現(xiàn)了對物料的快速、準確地稱重。特別是隨著微處理器的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程中自動化程度不斷提高，電子秤已成為工業(yè)控制中一種非常重要的裝置。2.1.7

應用實踐——電阻應變式壓力傳感器在稱重中的應用1．實踐過程（1）差動放大器調(diào)零。（2）電橋調(diào)零。（3）裝載過程檢測。（4）卸載過程檢測。（5）畫出砝碼增加和減少時的曲線，并分析結(jié)果產(chǎn)生的原因。圖2-16電子秤懸臂梁結(jié)構(gòu)圖2-17差動電橋02壓電式壓力傳感器2.2.1壓電效應

將機械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為壓電效應，也稱順壓電效應或正壓電效應。

壓電效應和逆壓電效應是兩個相逆的過程，壓電效應是將機械能轉(zhuǎn)化為電能，而逆壓電效應則是將電能轉(zhuǎn)化為機械能圖2-18壓電效應和逆壓電效應2.2.2壓電材料

石英晶體在低溫下常為帶尖頂?shù)牧街鶢罱Y(jié)構(gòu)，純凈的石英晶體無色透明，呈玻璃光澤。

石英晶體會產(chǎn)生壓電效應，是應用極為廣泛的壓電材料。

石英晶體有3個晶軸：x軸、y軸和z軸，且3個軸相互垂直。x軸為電軸；y軸為機械軸；z軸為光軸。

通常把垂直于x軸的平面稱為X面（由y軸與z軸組成），把垂直于y軸的平面稱為Y面（由x軸與z軸組成）。1．石英晶體圖2-19石英晶體1．石英晶體（a）

（b）

（c）

圖2-20石英晶體的壓電效應（a）不受力（b）x軸方向受力（c）y軸方向受力優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，且有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能。但石英晶體價格比較昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷的低很多2．壓電陶瓷

壓電陶瓷是一類具有壓電特性的電子陶瓷材料，它能夠完成機械能和電能之間的互換，壓電陶瓷的主要材料是具有鐵電性的非金屬晶粒。

壓電陶瓷價格便宜、靈敏度高、機械強度好，且有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。

常用于制造超聲波換能器、水聲換能器、電聲換能器、聲吶、紅外探測器等。3．新型壓電材料典型的壓電半導體材料包括硫化鋅（ZnS）、碲化鎘（CdTe）、氧化鋅（ZnO等。某些高分子材料，如聚氟乙烯（PVF）、聚偏二氟乙烯（PVF2）及聚氯乙烯（PVC）等，經(jīng)過延展拉伸和極化處理后具有壓電特性。1．等效電路2.2.3壓電式壓力傳感器的接口電路

圖2-21壓電元件等效圖（a）壓電元件

（b）等效電容（a）

（b）（a）

（b）圖2-22壓電式壓力傳感器的等效電路（a）等效電壓源

（b）等效電荷源圖2-23壓電式壓力傳感器實際等效電路2．測量電路

前置放大器的作用主要有兩個：一個是將傳感器輸出的微弱信號進行放大，另一個是把壓電式壓力傳感器的高阻抗輸入變換成放大器的低阻抗輸出。

和壓電式壓力傳感器的等效電路相同，前置放大器也有兩種形式，一種是電壓放大器；另一種是電荷放大器。（a）

（b）圖2-24電壓放大器及其等效電路（a）電壓放大器電路（b）等效電路2．測量電路

（a）

（b）圖2-25電荷放大器及其等效電路（a）電荷放大器

（b）等效電路2.2.4應用實踐——壓電式壓力傳感器在胎壓檢測中的應用1．實踐目的（1）了解氣體壓力傳感器原理及特點。（2）能夠根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的傳感器。2．應用描述汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)工作時，安裝在輪胎內(nèi)的壓力監(jiān)測模塊對輪胎內(nèi)部的壓力進行實時測量，并將檢測到的數(shù)據(jù)進行相應處理后發(fā)送到汽車的控制中心并顯示出來，如果輪胎壓力異常，會進行相應的報警處理。2.2.4應用實踐——壓電式壓力傳感器在胎壓檢測中的應用3．實踐過程

系統(tǒng)硬件可選用STC89C52單片機作為處理核心，XGZP6857型氣壓傳感器模塊作為監(jiān)測模塊，采用無線通信方式與主控室進行信息交互。XGZP6857型氣體壓力傳感器模塊集成了信號調(diào)理電路，對傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進行了很好的補償。它以供電電壓為參考，輸出一個經(jīng)過校準、溫度補償后的標準電壓信號。XGZP6857型氣體壓力傳感器尺寸小，易安裝，廣泛應用于醫(yī)療電子、汽車電子、運動健身器材等領(lǐng)域。圖2-26XGZP6857型氣體壓力傳感器

（a）實物

（b）引腳功能2.2.4應用實踐——壓電式壓力傳感器在胎壓檢測中的應用3．實踐過程項目數(shù)值單位輸出信號0.2～2.7（3.3V供電）V0.5～4.5（5V供電）V精度1.5%Span零點溫度漂移0.03%FS/℃滿量程溫度漂移0.03%FS/℃長期穩(wěn)定性（1年）2%Span表2-3XGZP6857型氣體壓力傳感器主要技術(shù)指標圖2-27汽車胎壓檢測系統(tǒng)03電感式壓力傳感器2.3.1自感式壓力傳感器自感式壓力傳感器由線圈、銜鐵和鐵芯組成圖2-28自感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

自感式壓力傳感器又可以分為變間隙型自感式壓力傳感器和變面積型自感式壓力傳感器。

常用的還有螺管型自感式壓力傳感器。1．變間隙型自感式壓力傳感器圖2-29變間隙型自感式壓力傳感器1．變間隙型自感式壓力傳感器圖2-30差動變間隙型自感式壓力傳感器2．變面積型自感式壓力傳感器圖2-31變面積型自感式壓力傳感器3．螺管型自感式壓力傳感器圖2-32螺管型自感式壓力傳感器螺管型自感式壓力傳感器主要由線圈、鐵芯和磁筒套組成。磁筒套構(gòu)成了線圈的外部磁路，并可作為螺管型自感式壓力傳感器的磁屏蔽層。圖2-34螺管型差動變壓器式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)及等效電路2.3.3應用實踐——壓力傳感器在洗衣機中的應用1．實踐目的了解壓力傳感器的工作原理和特性。2．應用描述如圖2-35所示，全自動洗衣機采用的液位開關(guān)一般為壓力式水位開關(guān)，它裝在洗滌缸的上部，有一根下端開口的氣管通到缸底，進水時空氣被封閉在氣管內(nèi)，就形成比外界稍高的壓力。水位越高則壓力越高，這樣便可以根據(jù)壓力間接測得水位。圖2-35自動洗衣機結(jié)構(gòu)示意圖3．實踐過程

洗衣機筒內(nèi)的水壓通過空氣室內(nèi)的氣體將壓力傳遞給傳感器，該壓力作用于傳感器的隔膜，將隔膜板U抬起，而彈簧的力反向作用于隔膜板U，當這兩種力在傳感器中的某一確定的位置達到平衡時，表示設(shè)定水位已達到，如圖2-36所示。圖2-36洗衣機中壓力傳感器工作原理2.3.3應用實踐——壓力傳感器在洗衣機中的應用感謝您的觀看第3章

速度傳感器

速度是自動化生產(chǎn)線中的一個重要參數(shù)，它通常包括線速度、角速度和轉(zhuǎn)速等。在工業(yè)生產(chǎn)中，準確地檢測和控制速度，對保證安全生產(chǎn)和提高生產(chǎn)質(zhì)量有著重要意義。

速度主要是通過速度傳感器檢測的。常見的速度傳感器有霍爾傳感器、編碼器和光纖傳感器等。本章重點介紹霍爾傳感器和編碼器的工作原理及應用，并簡單介紹其他速度傳感器的應用。本章導讀學習目標理解霍爾效應及霍爾傳感器的工作原理。掌握霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)和測量電路。了解霍爾傳感器使用過程中的注意事項。理解編碼器的工作原理及應用。掌握編碼器的測速方法。了解其他常見的速度傳感器。能夠根據(jù)需要選擇合適的速度傳感器并進行電路設(shè)計。無人機中的傳感器

無人機是一種利用無線電遙控設(shè)備和自備程序進行控制的不載人飛機。

無人機包括

無人直升機、固定翼飛行器、多旋翼飛行器等。

優(yōu)點：質(zhì)量輕、費用低、機動靈活等。飛行控制系統(tǒng)是無人機實現(xiàn)自主飛行的核心部件，而各傳感器的有效監(jiān)測是飛行控制系統(tǒng)獲取可靠信號的保障。

控制系統(tǒng)中常用的傳感器包括加速度傳感器、慣性檢測單元、傾角傳感器、電流傳感器、磁傳感器、發(fā)動機進氣流量傳感器等。案例導讀圖3-1無人機圖3-2加速度傳感器圖3-3慣性測量單元CONTENT3.1霍爾傳感器3.2編碼器3.3其他速度傳感器霍爾傳感器013.1.1霍爾效應

霍爾傳感器是基于霍爾效應工作的。1879年，美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)，當電流通過一個位于磁場中的導體時，磁場會對導體中的電子產(chǎn)生一個垂直于電子運動方向的作用力，從而在垂直于導體與磁感線的兩個方向上產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就稱為霍爾效應。圖3-4霍爾傳感器3.1.1霍爾效應圖3-5霍爾效應原理3.1.2霍爾元件霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁敏傳感器。1．霍爾元件的結(jié)構(gòu)圖3-6霍爾元件及符號2．霍爾元件的測量電路圖3-7霍爾元件基本測量電路霍爾元件的基本測量電路如圖3-7所示。霍爾元件的輸出電壓一般比較小，所以需要用放大電路將其放大。為了獲得較好的放大效果，通常采用差分放大電路，如圖3-8所示。圖3-8霍爾元件的差分放大電路3.1.3集成霍爾傳感器

開關(guān)型集成霍爾傳感器又稱霍爾開關(guān)，它是一種由穩(wěn)壓器、霍爾元件、放大器、施密特整形電路和開關(guān)輸出等部分組合而成的磁敏傳感器，如圖3-9所示。

它能感知與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號的形式輸出。圖3-9開關(guān)型集成霍爾傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)1．開關(guān)型集成霍爾傳感器2．線性集成霍爾傳感器

線性集成霍爾傳感器是由穩(wěn)壓器、霍爾元件及差分放大器等通過集成電路技術(shù)制成的傳感器，其輸出電壓與磁場強度在一定范圍內(nèi)為線性關(guān)系。線性集成霍爾傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動輸出）兩種形式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-11所示。

霍爾傳感器具有微型化、可靠性高、壽命長、功耗低、無溫漂及負載能力強等優(yōu)點。

廣泛用于汽車電子、電動自行車、家用電器等領(lǐng)域。

圖3-11線性集成霍爾傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（a）單端輸出

（b）雙端輸出3.1.4使用霍爾傳感器的注意事項（1）需要接負載且不能超負載工作。（2）供電電壓不能超出規(guī)格說明書中規(guī)定的范圍，且電源電壓極性不能反接。（3）在使用和安裝中應盡量減少機械應力，特別是器件的引腳，根部1mm范圍內(nèi)不允許施加任何機械應力（如彎曲、變形等）。（4）要嚴格規(guī)范焊接時間和溫度。（5）霍爾傳感器具有很強的抗外磁場干擾能力。另外，在裝配、焊接、使用及存儲過程中要注意防靜電。3.1.5應用實踐——霍爾傳感器在動感單車測速中的應用1．實踐目的（1）了解霍爾傳感器測速原理。（2）能根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的傳感器。2．應用描述動感單車是一種室內(nèi)自行車訓練、健身器材，它的結(jié)構(gòu)和普通自行車類似，包括車把、車座、腳蹬和車輪幾部分。動感單車一般都具有速度、里程檢測和顯示功能，用以作為訓練者控制自身訓練效果的重要參考指標。圖3-12動感單車3．實踐過程

動感單車主要是利用集成霍爾傳感器、單片機、時鐘芯片、按鍵電路、LCD液晶顯示等元件，構(gòu)成一個實時檢測、顯示速度和里程的系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖3-13所示。

安裝時，將霍爾元件和磁路系統(tǒng)靠近齒盤。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，磁路的磁阻隨氣隙的改變而改變。當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，經(jīng)過放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空隙對準霍爾元件時，輸出為低電平。3.1.5應用實踐——霍爾傳感器在動感單車測速中的應用圖3-13動感單車測速系統(tǒng)圖3-14集成霍爾傳感器測速原理02

編碼器3.2.1編碼器的分類

增量式光電編碼器輸出的是增量值。

增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成。1．增量式光電編碼器增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)增量式光電編碼器實物圖3-16增量式光電編碼器組成原理圖3-17增量式光電編碼器的工作原理

增量式光電編碼器工作時，檢測光柵不動，而碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，當光線透過碼盤和檢測光柵上的縫隙照射到光電檢測器件上時，光電檢測器件就會輸出兩組相位差為1/4周期的A、B兩相脈沖，再將這兩相脈沖放大整形后分別接入到觸發(fā)器（轉(zhuǎn)換電路）的D端和CP端。

增量式光電編碼器在使用過程中，通常會有不同的技術(shù)規(guī)格，其中最關(guān)鍵的是分辨率、精度、輸出信號的穩(wěn)定性、響應頻率和信號輸出形式。（1）分辨率

用碼盤旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)（輸出信號周期數(shù)）來表示的，即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（PPR），其值為碼盤上的透光縫隙的數(shù)目。

縫隙數(shù)目越多，分辨率就越高。（2）精度

指編碼器輸出的信號數(shù)據(jù)對應真實角度的準確度。通常用角度、角分、角秒來表示。

影響增量式光電編碼器精度的因素主要包括光柵分度誤差、光盤偏心、軸承偏心、電子度數(shù)裝置誤差及光學部分的不精確等。（3）輸出信號的穩(wěn)定性

影響編碼器輸出信號穩(wěn)定性的主要因素包括電子器件的溫度漂移、外力造成的編碼器形變及光源特性的變化等。（4）響應頻率取決于光電檢測器件和電子處理線路的響應速度。增量式光電編碼器高速旋轉(zhuǎn)時，分辨率越高，則輸出的信號頻率就越高。（5）信號輸出形式

直接從增量式光電編碼器的光電檢測器件中獲取到的信號電平較低，波形也不規(guī)則，不能直接用于控制、信號處理和遠距離傳輸。因此，必須在編碼器內(nèi)將信號進行放大、整形和濾波等一系列處理。經(jīng)過處理的輸出信號一般近似于正弦波或矩形波。

增量式光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、精度高、響應速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。2．絕對式光電編碼器

目前使用最為廣泛的編碼器之一。

它的組成與增量式光電編碼器基本一致，但碼盤的制作方法有所不同。

通常是由透明材料制成的圓盤，在碼盤上精確地印制上二進制編碼，即在同一碼道上印制黑白間隔圖案，形成一套編碼，黑色的不透光區(qū)域和白色透光區(qū)分別代表二進制的“0”和“1”，如圖3-18所示。圖3-18二進制碼盤2．絕對式光電編碼器

格雷碼是一種常見的無權(quán)碼，它具有相鄰性的特點，即兩個相鄰區(qū)域代碼之間僅有一位取值不同，其碼盤如圖3-19所示。

絕對式光電編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍在360°以內(nèi)的測量。圖3-19格雷碼盤知識拓展

絕對式接觸編碼器主要由碼盤和電刷組成，碼盤上制作編碼（如二進制、格雷碼、BCD碼）圖形，電刷是一種活動觸頭。二進制碼盤制成的絕對式接觸編碼器，由于電刷安裝存在機械偏差，這種機械偏差會產(chǎn)生非單值誤差。因此，絕對式接觸編碼器也常采用格雷碼盤的方法來消除非單值誤差。絕對式電磁編碼器是近些年發(fā)展起來的一種新型電磁敏感元件。它采用磁電式設(shè)計，通過磁感應器件、利用磁場的變化來產(chǎn)生和提供轉(zhuǎn)子的絕對位置，利用磁電元件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碼盤，彌補了絕對式光電編碼器對潮濕氣體和污染敏感、可靠性差等缺陷，更具有抗震、耐腐蝕、耐污染、性能可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。3.2.2編碼器測速圖3-20M法測速原理1．M法測速圖3-21T法測速原理2．T法測速圖3-22M/T法測速原理3．M/T法測速3.2.3應用實踐——光電編碼器在汽車駕駛模擬器中的應用1．實踐目的（1）了解編碼器的工作原理及選型原則。（2）能夠根據(jù)設(shè)計要求選擇合適的編碼器。2．應用描述

汽車駕駛模擬器（vehicledrivingsimulator，VDS）將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于汽車駕駛系統(tǒng)中，通過計算機技術(shù)產(chǎn)生汽車行駛過程中的虛擬視景和運動仿真，使駕駛員沉浸到虛擬駕駛環(huán)境中，產(chǎn)生實車駕駛感覺，從而體驗、認識和學習現(xiàn)實世界中的汽車駕駛，既能安全、有效地提高駕駛員技術(shù)水平，又能降低各種費用。

在汽車駕駛模擬器中，方向盤旋轉(zhuǎn)角和速度的測量系統(tǒng)是其中非常重要的組成部分，其中，方向盤旋轉(zhuǎn)角檢測可以使用光電編碼器來實現(xiàn)。3．實踐過程

在汽車駕駛模擬器中，可選用E6B2-CWZC6C光電編碼器對方向盤旋轉(zhuǎn)角進行測量，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分辨率選擇400脈沖/旋轉(zhuǎn)?？紤]到汽車方向盤轉(zhuǎn)動是雙向的，既可順時針旋轉(zhuǎn)，也可逆時針旋轉(zhuǎn)，故需要對編碼器的輸出信號進行方向辨別后才能計數(shù)。E6B2-CWZC6C光電編碼器實際使用的方向辨別與雙向計數(shù)電路，它由1個D觸發(fā)器和2個與非門組成，如圖3-23所示。圖3-23E6B2-CWZC6C光電編碼器方向辨別與雙向計數(shù)電路3.2.3應用實踐——光電編碼器在汽車駕駛模擬器中的應用3．實踐過程3.2.3應用實踐——光電編碼器在汽車駕駛模擬器中的應用圖3-24輸出信號波形03其他速度傳感器3.3.1光纖傳感器

光纖傳感器是隨著光纖通信和光學技術(shù)發(fā)展起來的一類新型傳感器，

它以光作為信息的載體，具有靈敏度高、響應速度快、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、耐高溫、體積小、可撓曲、重量輕、成本低等優(yōu)點。

可用于位移、速度、加速度、壓力、液位、流量等多種物理量的測量，具有廣闊的應用前景。圖3-25光電流速傳感器3.3.2超聲波傳感器

超聲波傳感器又稱超聲波換能器，習慣上也把它稱為超聲波探頭。其主要功能是發(fā)射和接收超聲波信號。

液體流速檢測是超聲波傳感器的常見應用之一。

超聲波測流速的方法有很多，如傳播速度變化法、波速移動法、流動聽聲法等。

最常用是超聲波傳輸時間差法，即利用超聲波在靜止流體和流動流體中的傳播速度不同的原理，求出流體的速度。

在實際應用中，超聲波傳感器常安裝在管道的外部，從管道的外部透過管壁來發(fā)射和接收超聲波，不會對管道內(nèi)的流體帶來影響。圖3-26超聲波測速原理3.3.3變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器主要由永久磁鐵、線圈、軟鐵、測量齒輪和殼體等組成。

圖3-27變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器

（a）開磁路（b）閉磁路1—被測轉(zhuǎn)軸；2—測量齒輪；3—線圈；4—軟鐵；5—永久磁鐵3.3.4測速發(fā)電機

測速發(fā)電機根據(jù)輸出電壓的類型分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩大類。

直流測速發(fā)電機根據(jù)定子的勵磁方式又可分為電磁式直流測速發(fā)電機和永磁式直流測速發(fā)電機兩種。

電磁式直流測速發(fā)電機的測速原理如圖3-28所示。圖3-28直流測速發(fā)電機測速原理感謝您的觀看第4章

溫度傳感器

溫度是反映物體冷熱程度的物理量，物體的許多物理現(xiàn)象和化學性質(zhì)都與溫度有關(guān)。在生產(chǎn)、生活和科學實驗中，人們經(jīng)常會遇到溫度的檢測與控制問題。

溫度主要是通過溫度傳感器來檢測的。本章重點介紹常見的溫度傳感器，包括電阻式溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器和半導體集成溫度傳感器等。本章導讀學習目標理解金屬熱電阻的測溫原理和結(jié)構(gòu)形式。了解半導體熱電阻的類型、特點及結(jié)構(gòu)。掌握熱電偶溫度傳感器的測溫原理及基本定律。了解熱電偶溫度傳感器的分類及溫度補償方法。了解半導體集成溫度傳感器的分類。掌握典型集成溫度傳感器DS18B20的原理及應用。能夠根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的溫度傳感器并完成系統(tǒng)設(shè)計。便攜式溫度檢測儀常見的溫度檢測儀有電子體溫計、紅外工業(yè)測溫儀、糧食測溫儀等。便攜式溫度檢測儀主要是由微處理器、溫度傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路（可選）、按鍵電路、顯示電路、報警電路及電源模塊組成，案例導讀圖4-1便攜式溫度檢測儀圖4-2便攜式溫度檢測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CONTENT4.1電阻式溫度傳感器4.2熱電偶溫度傳感器4.3半導體集成溫度傳感器電阻式溫度傳感器014.1.1金屬熱電阻1．測溫原理2．結(jié)構(gòu)形式（1）普通型金屬熱電阻主要由電阻體（感溫元件）、不銹鋼套管、瓷絕緣套管、引線口、接線盒及安裝固定件等部分組成。電阻體通常由鉑絲或銅絲在芯柱上繞制而成。圖4-3普通型金屬熱電阻（2）鎧裝型

金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)較為特殊，它將電阻體、引出線、絕緣材料和不銹鋼套制成一個整體。

鎧裝型金屬熱電阻具有良好的機械性能（耐震動和沖擊）、牢固可靠、便于安裝、不受有害介質(zhì)侵蝕、反應速度快、使用壽命較長等優(yōu)點。圖4-4鎧裝型金屬熱電阻（3）薄膜型

金屬熱電阻是利用真空鍍膜技術(shù)將鉑膜直接蒸鍍在陶瓷片基體上而制成的。

適用于動態(tài)溫度和平面物體表面溫度的測量。圖4-5薄膜型金屬熱電阻4.1.2半導體熱電阻1．半導體熱電阻的類型及特點正溫度系數(shù)半導體熱電阻：材料通常為鈦酸鋇（BaTiO3）、鍶（Sr）或鋯（Zr）等；用于彩色電視機消磁、電冰箱壓縮機啟動及過熱或過電流保護等。負溫度系數(shù)半導體熱電阻:材料通常為錳（Mn）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋁（Al）等；用于電冰箱、空調(diào)、微波爐、電烤箱、復印機等。臨界溫度系數(shù)半導體熱電阻：材料通常是由釩（V）、鋇（Ba）、鍶（Sr）或磷（P）等；通常作為控溫報警、溫度開關(guān)等。1．半導體熱電阻的類型及特點

圖4-6不同種類半導體熱電阻的電阻—溫度特性曲線1—負突變型CTC半導體熱電阻；2—負指數(shù)型NTC半導體熱電阻；3—線性型PTC半導體熱電阻；

4—正突變型CTC半導體熱電阻；TK—突變型CTC半導體熱電阻的轉(zhuǎn)折溫度2．半導體熱電阻的結(jié)構(gòu)半導體熱電阻尺寸小、熱慣性小、結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)不同的要求制成各種各樣的形狀，其結(jié)構(gòu)主要包括熱敏探頭、引線和殼體。圖4-7半導體熱電阻的結(jié)構(gòu)及符號（a）半導體熱電阻的結(jié)構(gòu)

（b）半導體熱電阻的符號

4.1.3測量電路熱電阻作為電橋電路的一個臂，其余3個臂用對溫度不敏感的固定電阻表示。初始狀態(tài)下，4個橋臂電阻的阻值相等，且電纜線的等效電阻相等，即此時電壓表輸出為零。圖4-83線制電橋測量電路1．3線制電橋測量電路在4線制電橋檢測電路中，熱電阻兩端分別與兩根導線相連，使用單獨的載電流和電壓檢測電路，橋路電路中的4個橋臂電阻2．4線制電橋測量電路圖4-94線制電橋測量電路4.1.4應用實踐——溫度傳感器在智能電飯煲中的應用1．實踐目的（1）了解溫度傳感器的應用。（2）能根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的溫度傳感器。2．應用描述電飯煲是應用極為廣泛的家用電器，傳統(tǒng)的電飯煲常采用機械控溫方式，而智能電飯煲常常采用微電腦模糊算法的控溫方式。但無論是哪一種，溫度檢測和控制都是其核心功能。其中，溫度檢測主要是依靠溫度傳感器（多采用半導體熱電阻）來實現(xiàn)。3．實踐過程

智能電飯煲溫度控制系統(tǒng)中的溫度傳感器一般有兩個，分別為頂蓋溫度傳感器和底部溫度傳感器，它們將采集到的溫度值經(jīng)信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后送至單片機，單片機將采集到的溫度信號與設(shè)定溫度進行綜合比較，根據(jù)比較后的結(jié)果及控制程序控制繼電器的開合，并將結(jié)果通過顯示電路顯示。

功能選擇鍵可設(shè)置智能電飯煲的不同功能，從而設(shè)置單片機的設(shè)定溫度及加熱時間；電源分為兩部分，一部分為加熱盤（通常為電阻絲）提供220V交流電，另一部分通過變壓器轉(zhuǎn)換成3.3～5V直流電壓給單片機供電。3.1.5應用實踐——霍爾傳感器在動感單車測速中的應用02熱電偶溫度傳感器4.2.1測溫原理

熱電偶溫度傳感器的測溫原理是熱電效應。

在兩種不同導體組成的閉合回路中，如果將它們的兩個接觸點分別置于不同溫度的環(huán)境中，這兩個接觸點之間會產(chǎn)生熱電動勢，此閉合回路中也會產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。

這兩種不同導體所組成的閉合回路稱為熱電偶，每根單獨的導體稱為熱電極。這兩個接觸點中，一個接觸點稱為工作端（該端置于被測的熱源中），又稱測量端或熱端；而另一個接觸點稱為自由端，又稱參考端或冷端圖4-11測溫原理1．接觸電動勢2．溫差電動勢圖4-12溫差電動勢原理3．回路中總的熱電動勢圖4-13熱電動勢原理圖4.2.2基本定律1．均質(zhì)導體定律

當閉合回路由一種均質(zhì)導體材料構(gòu)成時，不論該導體的截面積和長度如何，也無論各處的溫度如何分布，都不會產(chǎn)生熱電動勢。

反之，如果唯一導體材料組成的回路中存在熱電動勢，可驗證此材料是非均質(zhì)的。

在實際應用中，常用均質(zhì)導體定律來檢驗熱電極材料成分是否相同，或該材料是否為均質(zhì)的。2．中間導體定律圖4-14中間導體定律圖4-15電位計接入熱電偶回路3．中間溫度定律圖4-16中間溫度定律例題4．參考電極定律圖4-17參考電極定律1．補償導線法

可以用一對金屬導線將自由端延長，這對導線稱為“補償導線”。

補償導線的熱電特性在測量范圍內(nèi)必須與熱電偶溫度傳感器相同或基本相同，且價格相對較低。4.2.3溫度補償方法圖4-18補償導線法2．自由端恒溫法

在實驗室和精密測量中，通常把自由端放入裝滿冰水混合物的容器中，以使自由端溫度保持在0℃，這種方法稱為零度恒溫法。3．電橋補償法

電橋補償法也稱自由端補償法，是利用不平衡電橋產(chǎn)生的熱電動勢來補償熱電偶溫度傳感器因自由端溫度變化而引起的熱電動勢變化。4．計算修正法

求出當自由端為0℃時的熱電動勢，通過查表計算的方法，得到被測實際溫度。圖4-19電橋補償法1．普通熱電偶溫度傳感器

普通熱電偶溫度傳感器主要由接線盒、熱電極、絕緣套管、保護套管及熱端等部分組成。

接線盒的主要作用是連接熱電偶溫度傳感器端和引出線，并兼有密封和保護接線端不受腐蝕的作用。

熱電極是組成熱電偶溫度傳感器的兩根熱電阻絲。

絕緣套管的主要作用是保證熱電偶溫度傳感器兩電極之間，以及電極與保護套管之間的電氣絕緣，它通常為帶孔的耐高溫陶瓷管。

熱端即工作端，它可直接插入被測物體中或貼在被測物體的表面。圖4-20普通熱電偶溫度傳感器4.2.4分類2．鎧裝型熱電偶溫度傳感器

鎧裝型熱電偶溫度傳感器又稱為套管式熱電偶溫度傳感器，是由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)拉伸加工而制成的組合體。

根據(jù)熱端形狀的不同，鎧裝型熱電偶溫度傳感器又可分為碰底型、不碰底型、露頭型和帽型4種。

鎧裝型熱電偶溫度傳感器常用的絕緣材料有氧化鎂、氧化鋁等。

鎧裝型熱電偶溫度傳感器的主要特點是測量端熱容量小、動態(tài)響應快、機械強度高、撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復雜的裝置上（a）

（b）

（c）

（d）圖4-21鎧裝式熱電偶溫度傳感器（a）碰底型（b）不碰底型（c）露頭型（d）帽型1—金屬套管；2—絕緣材料；3—熱電極3．薄膜型熱電偶溫度傳感器

薄膜型熱電偶溫度傳感器是由兩個熱電極膜（金屬薄膜）在絕緣基板上連接而成的一種特殊結(jié)構(gòu)的溫度檢測元件。

薄膜型熱電偶溫度傳感器具有體積小、熱容量小、反應速度快（僅為幾微秒）的特點，也可以用來檢測物體表面溫度的快速變化值。圖4-22薄膜型熱電偶溫度傳感器4.2.5應用實踐——熱電偶溫度傳感器在加熱爐溫度控制中的應用1．實踐目的（1）了解熱電偶溫度傳感器的工作原理及應用環(huán)境。（2）能夠根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的溫度傳感器。2．應用描述

加熱爐是材料加工中最常見的工業(yè)用爐，在工業(yè)生產(chǎn)中起著十分重要的作用。其中，溫度是加熱爐中重點監(jiān)測的物理量之一，加熱爐的溫度一般是指爐內(nèi)熱氣、爐內(nèi)壁和加熱鋼坯的均衡溫度，通常由熱電偶溫度傳感器在線監(jiān)測獲得。3．實踐過程

加熱爐溫度控制系統(tǒng)（見圖4-23）。

在控制系統(tǒng)中，加熱爐溫度信號轉(zhuǎn)變成毫伏級的電壓信號，信號調(diào)理電路將信號放大、濾波后，送入A/D轉(zhuǎn)換電路，通過采樣和轉(zhuǎn)換，將所檢測到的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入智能控制板與爐溫給定值（通過按鍵電路送至智能控制板）進行比較，其差值即為實際爐溫和給定爐溫的偏差；智能控制板對偏差按照給定的方法運算，并將運算結(jié)果送至D/A轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成模擬電壓后，經(jīng)功率放大器放大后送入晶閘管調(diào)壓器，觸發(fā)晶閘管并改變系統(tǒng)的導通角，從而控制加熱爐的加溫電壓，起到調(diào)節(jié)爐溫的作用。圖4-23加熱爐溫度控制系統(tǒng)4.2.5應用實踐——熱電偶溫度傳感器在加熱爐溫度控制中的應用03半導體集成溫度傳感器4.3.1分類

1．模擬量半導體集成溫度傳感器圖4-24AD590

模擬量半導體集成溫度傳感器輸出信號為電流或電壓信號，具有功能單一（僅測溫）、誤差小、響應速度快、體積小、功耗小、外圍電路簡單、價格便宜等特點，是目前國內(nèi)外應用最為普遍的一種集成溫度傳感器，典型產(chǎn)品有AD590、AD592和LM335等。2．數(shù)字量半導體集成溫度傳感器

將溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路集成在一個芯片上構(gòu)成的。

將溫度信號直接轉(zhuǎn)換為并行或串行數(shù)字信號供中央處理器處理，抗干擾性比模擬量半導體集成溫度傳感器更強。

廣泛應用于工業(yè)控制、電子測溫計、醫(yī)療儀器等各種溫度控制與檢測系統(tǒng)中。

典型產(chǎn)品有DS18B20、MAX6575和MAX6635等。3．開關(guān)量半導體集成溫度傳感器

開關(guān)量半導體集成溫度傳感器主要包括溫控開關(guān)和可編程溫度控制器兩種。

典型產(chǎn)品有KSD9700、KSD301、MAX6501/02/03/04及其他智能溫控開關(guān)。4.3.2典型集成溫度傳感器——數(shù)字溫度計DS18B20DS18B20的測量范圍為

～125℃，增量值為0.5℃，可將溫度信號直接轉(zhuǎn)換為9～12位的數(shù)字量輸出。DS18B20具有體積小、精度高、抗干擾能力強、超低功耗的優(yōu)點。另外，它還具有用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置，在環(huán)境監(jiān)測、儀器儀表及過程檢測和控制等方面非常有用。1．引腳說明圖4-25DS18B20實物圖4-26DS18B20引腳

DS18B20的引腳如圖4-26所示。GND：接地端。DQ：數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。單線操作時應使漏極開路。VCC：可選的電源正極引腳。寄生電源供電方式時接地。2．工作原理DS18B20主要由64位ROM、單線端口、溫度傳感器、存儲器和控制邏輯、暫存器、電源探測、8位CRC產(chǎn)生器、非易失性溫度報警觸發(fā)器TH（上限觸發(fā)）和TL（下限觸發(fā)）等組成。

控制器必須首先提供下面5個ROM操作命令之一：①讀ROM；②匹配ROM；③搜索ROM；④跳過ROM；⑤報警搜索。DS18B20工作過程一般遵循：初始化→ROM操作命令→存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。圖4-27DS18B20的組成3．供電方式

（1）寄生電源供電。

特點：①進行遠距離測溫時，無須本地電源；②可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM；③電路更加簡潔，僅用一個I/O口實現(xiàn)測溫；④只適用于單一溫度傳感器測溫情況。

（2）外部電源供電。VCC引腳接入一個外部電源（3.3～5V），此方式是DS18B20溫度傳感器最佳的供電方式，它具有工作穩(wěn)定可靠和抗干擾能力強等優(yōu)點，可以用在穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)中。4.3.3應用實踐——電子溫度計1．實踐目的（1）了解DS18B20的工作原理及應用。（2）能夠根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的溫度傳感器。2．應用描述

電子溫度計是利用溫度傳感器輸出電信號（直接輸出數(shù)字信號或者將電流信號轉(zhuǎn)換成能夠被單片機識別的數(shù)字信號），然后通過顯示器（如液晶、數(shù)碼管、LED矩陣等）以數(shù)字形式顯示溫度，它能記錄、讀取被測溫度的最高值。電子體溫計最核心的元件就是感知溫度的溫度傳感器。3．實踐過程

電子溫度計系統(tǒng)采用單片機作為處理核心，DS18B20溫度傳感器將采集到的信號送至單片機進行處理，單片機再將溫度數(shù)據(jù)送至顯示電路，以達到顯示當前溫度的目的。

此外，實時監(jiān)測到的溫度與單片機內(nèi)設(shè)定的溫度上下限（通過按鍵電路設(shè)定）進行比較，超出設(shè)定范圍時，電子溫度計通常會報警。系統(tǒng)功能如圖4-28所示。圖4-28電子溫度計系統(tǒng)4.3.3應用實踐——電子溫度計感謝您的觀看第5章

物位傳感器

在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會遇到物體或介質(zhì)的液位、料位和界位等位置檢測問題，它們統(tǒng)稱為物位檢測。物位檢測在工業(yè)自動化、過程控制和機器人等領(lǐng)域有著廣泛的應用。根據(jù)輸出信號的不同，物位檢測分為連續(xù)量輸出式和開關(guān)量輸出式，前者多用于液位、料位和界位的具體測量，而后者多用于判斷是否有物體靠近，常稱為接近開關(guān)。

本章主要介紹用于物位檢測的常用傳感器（如電容式傳感器、接近開關(guān)）的工作原理、結(jié)構(gòu)及典型應用等。本章導讀學習目標了解電容式傳感器的工作原理及分類。掌握電容式傳感器的等效電路及轉(zhuǎn)換電路。掌握常見接近開關(guān)的工作原理和結(jié)構(gòu)。了解常見接近開關(guān)的典型應用。能夠根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的物位傳感器并完成系統(tǒng)設(shè)計。汽車油箱油量檢測

汽車的儀表盤上通常安裝有油箱油量的指示表，該指示表用來顯示油箱液位高低。

汽車油箱油量檢測通常選用汽車專用油位傳感器，也稱油位變送器。該傳感器是為鐵路機車、汽車油箱、油罐車、油庫等油位的精確測量而量身定做的。案例導讀圖5-1汽車專用油位傳感器CONTENT5.1電容式傳感器5.2接近開關(guān)電容式傳感器015.1.1工作原理及分類

變介電常數(shù)型電容式傳感器常用來檢測電介質(zhì)的厚度、位移、液位、液量、溫度、濕度、容量等。圖5-2變介電常數(shù)型電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理及等效電路1．變介電常數(shù)型電容式傳感器1．變介電常數(shù)型電容式傳感器2．變面積型電容式傳感器圖5-3變面積型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

變面積型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括線位移平板式、角位移平板式、線位移圓柱式和線位移圓柱差動式。1—定極板；2—動極板3．變極距型電容式傳感器圖5-4變極距型電容式傳感器原理

極板1為定極板，極板2為動極板，動極板與被測物體相連，當動極板隨被測物體的改變而移動時，兩極板間距發(fā)生變化，從而使兩極板間的電容C改變。5.1.2等效電路

在環(huán)境溫度不高、濕度不大且電源頻率適中的條件下，電容式傳感器可以近似為純電容。但是，若電容式傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作，則須考慮其附加損耗和電感效應的影響。圖5-5電容式傳感器等效電路1．交流電橋電路

電阻式交流電橋電路的靈敏度和穩(wěn)定性較高，且寄生電容影響小，簡化了屏蔽電路，因此更適合于高頻信號。

變壓器式交流電橋電路主要優(yōu)點是輸出阻抗小、負載能力強，是目前應用最為廣泛的電容轉(zhuǎn)換電路之一。5.1.3電容轉(zhuǎn)換電路（a）

（b）圖5-6交流電橋電路（a）電阻式交流電橋電路（b）變壓器式交流電橋電路2．調(diào)頻電路

若將電容式傳感器接入調(diào)頻振蕩器的LC諧振網(wǎng)絡(luò)中，當電容式傳感器的電容C發(fā)生變化時，其諧振頻率f也會發(fā)生相應的變化，實現(xiàn)了由電容到頻率的轉(zhuǎn)換，故稱為調(diào)頻電路。圖5-7調(diào)頻電路3．運算放大器電路圖5-8運算放大器電路

輸出電壓值隨反饋電容的變化而變化，又因為運算放大器電路的放大倍數(shù)非常大，且輸入阻抗很高，故可作為電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路。4．差動脈寬調(diào)制電路

在差動脈寬調(diào)制電路中，電容式傳感器的電容充放電時，電路輸出的脈沖寬度隨著電容的變化而變化，經(jīng)低通濾波器輸出一個與被測量變化相應的直流信號。特點①對傳感元件的線性度要求不高；②不需要調(diào)制電路，只要經(jīng)過低通濾波器就可以得到較大的直流輸出；③對輸出矩形波的純度要求不高；④電源電壓必須穩(wěn)定。5.1.4注意事項1．減小或消除邊緣效應的影響

電場線從極板間區(qū)域擴展到外部空間時，電場線由平行分布變成了開口狀分布，電場分布集中在極板的邊緣，這就是邊緣效應。

邊緣效應不僅降低了電容式傳感器的靈敏度，也增加了電容式傳感器的非線性誤差，因此，常采用帶有保護環(huán)的結(jié)構(gòu)，以消除邊緣效應的影響。圖5-10消除邊緣效應方法5.1.4注意事項圖5-10消除邊緣效應方法2．減小或消除寄生電容的影響（1）利用集成電路技術(shù)，將測量電路和超小型電容器集成到一個芯片中，這既減小了寄生電容，又能使寄生電容固定不變。（2）采用驅(qū)動電纜技術(shù)，即等電位屏蔽技術(shù)，又稱為雙層屏蔽等位傳輸技術(shù)5.1.4注意事項3．減小外界溫度的影響（1）對結(jié)構(gòu)尺寸的影響。電容式傳感器極板間距很小，因此對結(jié)構(gòu)尺寸的變化非常敏感。（2）對介質(zhì)介電常數(shù)的影響。溫度對介電常數(shù)的影響由于介質(zhì)不同而不同，空氣及云母片的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。5.1.5應用實踐——簡易液位指示及報警系統(tǒng)設(shè)計1．實踐目的（1）了解電容式傳感器的工作原理。（2）能根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的電容式傳感器。2．應用描述

液位監(jiān)測和控制在生產(chǎn)、生活中應用非常廣泛，如自動注水系統(tǒng)、恒壓供水系統(tǒng)、水文監(jiān)測系統(tǒng)和油位檢測系統(tǒng)等。簡易液位指示及報警系統(tǒng)通常采用柱狀電容式傳感器作為測量器件，結(jié)合單片機及其他外圍電路設(shè)計而成。3．實踐過程

系統(tǒng)采用柱狀電容式傳感器采集液體的液位。該傳感器的介電質(zhì)隨被測液體液位的變化而變化，從而引起對應電容的變化。由于電容式傳感器的電壓變化微弱且存在非線性，所以要通過放大整形電路進行放大和整形。

放大整形后的信號通過A/D轉(zhuǎn)換電路后送至單片機。單片機對信號處理后送至顯示電路，用于顯示液位的高度，當液位達到報警極限時，單片機向報警電路發(fā)出報警信號。圖5-12簡易液位指示及報警系統(tǒng)5.1.5應用實踐——簡易液位指示及報警系統(tǒng)設(shè)計02接近開關(guān)5.2.1光電接近開關(guān)1．工作原理

光照射到某些材料上，會引起其電子特性的變化，這種由光信號的變化引起電子特性變化的現(xiàn)象稱為光電效應。分類外光電效應：指在光信號作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象。光電導效應：指當輻射能量足夠強的光照射到光電導體上時，電子吸收足夠強的光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，使本征半導體的電導率變大的現(xiàn)象。光生伏特效應簡稱光伏效應：指某些光敏材料在光線作用下產(chǎn)生的有一定方向電動勢的現(xiàn)象。2．分類

根據(jù)其工作原理不同，光電接近開關(guān)可分為：

對射式光電接近開關(guān)、

漫反射式光電接近開光、鏡反射式光電接近開關(guān)。對射式光電接近開關(guān)漫反射式光電接近開關(guān)鏡反射式光電接近開關(guān)圖5-13光電接近開關(guān)圖5-14安全光幕3．典型應用——安全光幕

安全光幕是一種利用光電效應工作的光電安全保護裝置，是光電接近開關(guān)在工業(yè)生產(chǎn)中的典型應用，也稱安全保護器、沖床保護器、紅外線安全保護裝置等。

安全光幕由兩部分組成，即光發(fā)射器和光接收器。

實際應用中，安全光幕的一端（光發(fā)射器）等間距安裝有多個紅外發(fā)射管，另一端（光接收器）相應地安裝相同數(shù)量同樣排列的紅外接收管，每一個紅外發(fā)射管都對應有一個相應的紅外接收管，且安裝在同一條直線上。5.2.2電渦流式接近開關(guān)電渦流式接近開關(guān)實際上是由電感線圈、電容及晶體管組成的振蕩器。圖5-15電渦流式接近開關(guān)結(jié)構(gòu)1．結(jié)構(gòu)及工作原理圖5-16電渦流式接近開關(guān)工作原理2．典型應用（1）金屬探測器通常由電渦流探頭、信號調(diào)理電路和報警裝置3部分組成。（2）轉(zhuǎn)速測量在一個旋轉(zhuǎn)體上開一條或數(shù)條槽，或做成齒，旁邊安裝一個電渦流式接近開關(guān)。工作原理同霍爾元件類似，當旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時，電渦流式接近開關(guān)會周期性地改變輸出信號。（a）

（b）圖5-18霍爾計數(shù)裝置（a）霍爾計數(shù)裝置結(jié)構(gòu)示意

（b）霍爾計數(shù)裝置工作原理5.2.3霍爾接近開關(guān)利用霍爾元件制成的接近開關(guān)稱為霍爾接近開關(guān)，簡稱霍爾開關(guān)?；魻柦咏_關(guān)的檢測對象必須是磁性物體?；魻柦咏_關(guān)廣泛應用于計數(shù)、位置識別、運動方向識別、運動狀態(tài)識別等。5.2.4熱釋電紅外傳感器1．工作原理

紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，物體的溫度越高，輻射出的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。

熱釋電紅外傳感器就是利用熱電元件的自發(fā)極化（當晶體受熱時，兩端產(chǎn)生數(shù)量相等且符號相反的電荷）強度隨溫度的變化而變化的特性制成的。

通過測量物理參數(shù)的變化來確定熱釋電紅外傳感器所吸收的紅外輻射。2．結(jié)

構(gòu)熱釋電紅外傳感器主要由外殼、窗口、濾光片、PZT熱電元件、FET管（場效應管）、支撐環(huán)及電路元件等組成。（a）

（b）圖5-19熱釋電紅外傳感器（a）結(jié)構(gòu)組成（b）熱釋電晶片（1）PZT熱電元件用熱釋電紅外材料制成的。將熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構(gòu)成兩個串聯(lián)的有極性的小電容器。（2）濾光片主要作用是有效通過人體輻射的紅外線，而阻止太陽光、燈光等可見光中的紅外線，免除干擾。3．典型應用圖5-21自動門控制系統(tǒng)接線

在實際應用中，通常將熱釋電紅外傳感器與放大器、信號調(diào)理電路、延時電路和高低電平輸出電路集于一體，構(gòu)成熱釋電人體接近開關(guān)（紅外探頭），其主要功能是探測人體發(fā)射的紅外線能量，適用于移動人體的探測，在自動門、防盜報警器、自動水龍頭、節(jié)能空調(diào)中應用廣泛。5.2.5接近開關(guān)的選用要求與原則金屬導體或可以固定在金屬上的物體------選用電渦流式接近開關(guān)；非金屬（如液體、粉狀物、塑料、煙草等-----電容式接近開關(guān)；磁導材料------用霍爾接近開關(guān)。

在一般的工業(yè)生產(chǎn)場所，通常選用電渦流式接近開關(guān)和電容式接近開關(guān)。

在環(huán)境條件比較好、無粉塵污染的場合，可采用光電接近開關(guān)。

在防盜報警器、自動門、倒車雷達中，通常使用熱釋電接近開關(guān)、超聲波接近開關(guān)、微波接近開關(guān)。1．被測對象的材質(zhì)2．安裝環(huán)境

在接近開關(guān)的選用和安裝中，必須考慮系統(tǒng)的檢測距離和設(shè)定距離，其主要包括動作距離、復位距離、額定動作距離和設(shè)定距離等，如圖5-22所示。（a）

（b）圖5-22檢測距離和設(shè)定距離（a）檢測距離（b）設(shè)定距離3．檢測距離與設(shè)定距離（1）動作距離當有物體向接近開關(guān)移動到一定距離時，位移傳感器才有“感知”，開關(guān)才會動作。（2）復位距離是指接近開關(guān)動作后，又再次復位時，與被測對象檢測面的距離。（3）額定動作距離是指接近開關(guān)動作距離的標定值。（4）設(shè)定距離是指接近開關(guān)在實際工作中的額定距離，通常為額定動作距離的0.8倍。感謝您的觀看第6章

化學傳感器

化學傳感器是對各種化學物質(zhì)敏感并將其相關(guān)化學量（如濃度、濕度、成分等）轉(zhuǎn)化成電信號的儀器。它在環(huán)境污染監(jiān)測、工業(yè)自動化、醫(yī)學診斷、防盜、安全報警和節(jié)能等各方面都有著重要的應用。

化學傳感器按檢測對象的不同可分為氣敏傳感器、濕度傳感器、離子傳感器和生物傳感器等。本章重點介紹氣敏傳感器和濕度傳感器，并簡要介紹生物傳感器。本章導讀學習目標了解氣敏傳感器的工作原理、分類和主要特性參數(shù)。掌握氣敏傳感器的典型應用。理解濕度的表示方法。了解常見的濕度傳感器及主要參數(shù)。了解生物傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。了解常用生物傳感器及其主要應用。能夠根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的化學傳感器并完成系統(tǒng)設(shè)計。掌握常見濕度傳感器的典型應用。甲醛濃度檢測儀

甲醛檢測的方法主要包括分光光度法、電化學檢測法、氣相色譜法、液相色譜法、傳感器法等。這里主要介紹傳感器法測甲醛濃度。

檢測甲醛的傳感器有電化學式傳感器、光學傳感器和光生化傳感器等。

甲醛濃度檢測儀（見圖6-1）就是利用電化學式傳感器對甲醛進行檢測的，它主要由單片機、甲醛模組、按鍵電路、LCD顯示電路和報警電路組成，案例導讀圖6-2甲醛濃度檢測儀工作原理圖6-1甲醛濃度檢測儀CONTENT6.1氣敏傳感器6.2濕度傳感器6.3生物傳感器氣

敏

傳

感

器016.1.1工作原理和分類1．半導體式氣敏傳感器

按照半導體物理特性的不同，可將其分為電阻型和非電阻型兩類。（a）

（b）

（c）圖6-3電阻型半導體式氣敏傳感器

電阻型半導體式氣敏傳感器中，氣敏半導體材料吸附氣體時，其阻值會產(chǎn)生變化，利用這一原理，便可通過測量阻值的變化而檢測氣體的成分或濃度。（a）實物（b）引腳圖（c）符號f—加熱電極；A、B—氣敏電極按照結(jié)構(gòu)的不同，電阻型半導體式氣敏傳感器的敏感元件又可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型（1）燒結(jié)型氣敏元件。（2）薄膜型氣敏元件。