《傳感器原理及項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)》全套教學(xué)課件

傳感器原理及項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)

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0緒論項(xiàng)目1溫度檢測(cè)項(xiàng)目2開(kāi)關(guān)量檢測(cè)項(xiàng)目3位移檢測(cè)項(xiàng)目4力和壓力檢測(cè)項(xiàng)目5敏感氣體檢測(cè)項(xiàng)目6光檢測(cè)項(xiàng)目7空氣檢測(cè)項(xiàng)目8生物識(shí)別項(xiàng)目9運(yùn)動(dòng)量檢測(cè)項(xiàng)目10位姿檢測(cè)本課件是可編輯的正常PPT課件

緒

論

主講人本課件是可編輯的正常PPT課件0.1傳感器基礎(chǔ)知識(shí)0.2傳感器的誤差分析0.3傳感器的基本特性0.4思考與練習(xí)目錄本課件是可編輯的正常PPT課件識(shí)目標(biāo)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳感器技術(shù)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、石油化工、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，并逐步滲透到人們的日常生活中去?，F(xiàn)代傳感器技術(shù)的地位和作用日益被人們所認(rèn)知，發(fā)展現(xiàn)代傳感器技術(shù)是提升國(guó)家科技水平的需要和重要舉措，可以說(shuō)傳感器技術(shù)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器基礎(chǔ)知識(shí)0.1本課件是可編輯的正常PPT課件0.1.1什么是傳感器

傳感器是指對(duì)被測(cè)對(duì)象的某些物理信息具有感受與檢出功能，并按照一定規(guī)律直接或間接轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)的元器件或裝置，如圖0-1所示。傳感器的作用包括信息的收集、信息數(shù)據(jù)的交換和控制信息的采集部分內(nèi)容。本課件是可編輯的正常PPT課件圖0-1獨(dú)立傳感器和傳感器裝置本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技前沿技術(shù)，傳感器產(chǎn)業(yè)也是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家把傳感器技術(shù)列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之一。世界上傳感器品種達(dá)到三萬(wàn)多種，傳感器地位作用不斷增加。信息技術(shù)的三大支柱：計(jì)算機(jī)技術(shù)用于信息處理，通信技術(shù)用于信息傳輸，傳感器技術(shù)用于采集信息。如果把計(jì)算機(jī)比喻為處理和識(shí)別信息的“大腦”，把通信系統(tǒng)比喻為傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”，那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺(jué)器官”。因此傳感器技術(shù)是21世紀(jì)世界各國(guó)在高新技術(shù)領(lǐng)域爭(zhēng)奪一個(gè)重要領(lǐng)域。本課件是可編輯的正常PPT課件

傳感器一般由敏感元件、變換元件、信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成：傳感器的構(gòu)成本課件是可編輯的正常PPT課件調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路是指將敏感元件或變換元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于處理、顯示、記錄和控制的可用電信號(hào)。敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺埽ɑ蝽憫?yīng)）被測(cè)量的部分。變換元件是指能將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件或元件。傳感器的構(gòu)成本課件是可編輯的正常PPT課件

輔助電源提供轉(zhuǎn)換能量，有的傳感器需要外加電源才能工作，例如應(yīng)變片組成的電橋、差動(dòng)變壓器等；有的傳感器則不需要外加電源就能工作，例如壓電晶體等。注意：并非所有的傳感器必須包含敏感元件和變換元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時(shí)兼為變換元件；如果變換元件能直接感受被測(cè)量而輸出與之成一定關(guān)系的電量，它就同時(shí)兼為敏感元件。本課件是可編輯的正常PPT課件0.1.2常見(jiàn)傳感器及應(yīng)用領(lǐng)域1.電阻式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻值，包括應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。4.光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，用于檢測(cè)非電量引起的光量變化，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等。2.電感式傳感器建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，輸入物理量轉(zhuǎn)換為線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，通過(guò)測(cè)量電路將L或M的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。5.生物傳感器將生物化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，具有選擇性高、分析速度快、操作簡(jiǎn)易和價(jià)格低廉的特點(diǎn)。3.電容式傳感器利用非電量變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量，具有簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。6.磁敏感式傳感器通過(guò)磁電作用將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，磁電作用分為電磁感應(yīng)和霍爾效應(yīng)兩種情況。本課件是可編輯的正常PPT課件新型傳感器技術(shù)是一種用于感知和檢測(cè)環(huán)境中各種物理和化學(xué)參數(shù)的先進(jìn)技術(shù)。相比傳統(tǒng)傳感器技術(shù)，新型傳感器技術(shù)具有更高的精確度、更低的功耗和更小的體積。新型傳感器包括多種類(lèi)型的傳感器，例如光學(xué)傳感器、聲學(xué)傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新型傳感器技術(shù)正不斷突破傳統(tǒng)的限制，GPS定位、陀螺儀、電子羅盤(pán)以及生物識(shí)別技術(shù)等新型傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用在自動(dòng)駕駛、人工智能、軍事安全以及消費(fèi)類(lèi)電子等領(lǐng)域。傳感器技術(shù)的進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的發(fā)展，為人們的生活帶來(lái)更多便利和舒適，為未來(lái)的科技創(chuàng)新和應(yīng)用提供更廣闊的可能性。7.新型傳感器本課件是可編輯的正常PPT課件1.集成化、功能化的傳感器不斷得到發(fā)展0.1.3傳感器的發(fā)展趨勢(shì)2.新材料、新工藝的新型傳感器3.與其它學(xué)科的交叉整合，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化4.傳感器網(wǎng)絡(luò)本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器的誤差分析0.2本課件是可編輯的正常PPT課件0.2

傳感器的誤差分析測(cè)量的目的是為了獲得被測(cè)量的真實(shí)值，但是由于種種原因，任何測(cè)量都不可能絕對(duì)準(zhǔn)確，都存在誤差，只要誤差在允許范圍內(nèi)即可認(rèn)為符合標(biāo)準(zhǔn)。所謂測(cè)量誤差，即測(cè)量的輸出值與理論輸出值的差值。因此，在設(shè)計(jì)和制造傳感器時(shí)允許有誤差，但必須在規(guī)定誤差的指標(biāo)之內(nèi)。為了使其能滿足一定的精度要求，必須掌握誤差的種類(lèi)、分析產(chǎn)生誤差的原因以及克服與減少誤差的方法。本課件是可編輯的正常PPT課件0.2.1.真值和測(cè)量誤差1.真值

真值是指在一定的時(shí)間及空間（位置或狀態(tài)）條件下，被測(cè)量所體現(xiàn)的真實(shí)數(shù)值，它是一個(gè)理想的概念，一般是無(wú)法得到的，所以在計(jì)算誤差時(shí)，一般用約定真值或相對(duì)真值來(lái)代替。

約定真值是一個(gè)接近真值的值，它與真值之差可忽略不計(jì)。實(shí)際測(cè)量中以在沒(méi)有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測(cè)量值之平均值作為約定真值；相對(duì)真值也叫實(shí)際值，由于系統(tǒng)誤差不可能完全被排除掉，故通常只能把精度更高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具所測(cè)得的值作為“真值”。本課件是可編輯的正常PPT課件

2.測(cè)量誤差

測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值之差稱為測(cè)量誤差。在實(shí)際測(cè)量中真值無(wú)法確定，因此通常用約定真值或相對(duì)真值代替真值來(lái)確定測(cè)量誤差。本課件是可編輯的正常PPT課件0.2.2誤差的表示方法

絕對(duì)誤差：絕對(duì)誤差用

（德?tīng)査﹣?lái)表示，是指測(cè)量值A(chǔ)x與約定真值A(chǔ)0的差值

絕對(duì)誤差可以表示測(cè)量值偏離實(shí)際值的程度，但不能表示測(cè)量的準(zhǔn)確度。本課件是可編輯的正常PPT課件0.2.2

誤差的表示方法

測(cè)量所造成的絕對(duì)誤差與被測(cè)量（約定）真值的百分比稱為相對(duì)誤差，它是一個(gè)無(wú)量綱的值。一般來(lái)說(shuō)，相對(duì)誤差更能反映測(cè)量的可信程度。例如，測(cè)量者用同一把尺子測(cè)量長(zhǎng)度為1厘米和10厘米的物體，它們的測(cè)量值的絕對(duì)誤差顯然是相同的，但是相對(duì)誤差前者比后者大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明后者測(cè)量值更為可信。

本課件是可編輯的正常PPT課件在實(shí)際測(cè)量中，相對(duì)誤差有下列三種表示形式：

本課件是可編輯的正常PPT課件

本課件是可編輯的正常PPT課件3.引用誤差

引用誤差γm用絕對(duì)誤差

與儀器量程Am的百分比表示，即：本課件是可編輯的正常PPT課件測(cè)量工作是在一定條件下進(jìn)行的，外界環(huán)境、觀測(cè)者的技術(shù)水平和儀器本身構(gòu)造的不完善等原因，都可能導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生。具體來(lái)說(shuō)，測(cè)量誤差主要來(lái)自以下三個(gè)方面：外界條件：主要指觀測(cè)環(huán)境中氣溫、氣壓、空氣濕度、風(fēng)力以及氣流擾動(dòng)等因素所引起的誤差；儀器條件：測(cè)量?jī)x表本身以及儀表組成元件不完善所引入的誤差。為了減小測(cè)量裝置誤差應(yīng)該不斷的提高儀表及組成元件本身的質(zhì)量；測(cè)量者自身?xiàng)l件：由于觀測(cè)者自身能力所限，若所選擇的測(cè)量方法不正確，則可能引起誤差。本課件是可編輯的正常PPT課件按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律:系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差。

按照按被測(cè)量隨時(shí)間變化的速度分類(lèi)可以分成靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。0.2.3誤差的分類(lèi)本課件是可編輯的正常PPT課件誤差的分類(lèi)在相同的條件下，對(duì)同一物理量進(jìn)行多次測(cè)量，如果誤差按照一定規(guī)律出現(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差，簡(jiǎn)稱系差。系統(tǒng)誤差表明了一個(gè)測(cè)量結(jié)果偏離真值和實(shí)際值的程度。系統(tǒng)誤差愈小，測(cè)量愈準(zhǔn)確，所以常用準(zhǔn)確度來(lái)表征系統(tǒng)誤差大小。1.系統(tǒng)誤差本課件是可編輯的正常PPT課件2.隨機(jī)誤差當(dāng)對(duì)某一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，若誤差出現(xiàn)的大小和符號(hào)均以不可預(yù)知的方式變化，則該誤差為隨機(jī)誤差。本課件是可編輯的正常PPT課件隨機(jī)誤差的特點(diǎn)：

無(wú)法完全排除或避免：隨機(jī)誤差是實(shí)驗(yàn)中不可避免的，無(wú)論實(shí)驗(yàn)條件如何控制，都無(wú)法完全消除它的存在。但是隨著測(cè)量次數(shù)增加，隨機(jī)誤差的算數(shù)平均趨向零。

值大小不固定：隨機(jī)誤差的大小是隨機(jī)的，可能很小，也可能很大，但是等值反號(hào)的隨機(jī)誤差出現(xiàn)概率接近，而且隨機(jī)誤差絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)一定接線。

可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理：由于隨機(jī)誤差是隨機(jī)的，其值可以通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到一個(gè)近似真值。

本課件是可編輯的正常PPT課件誤差的分布：

系統(tǒng)測(cè)量值與真值之間總是會(huì)存在誤差，系統(tǒng)隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計(jì)上的正態(tài)分布曲線，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到的平均值與真值之間的系統(tǒng)誤差是穩(wěn)定的，而通過(guò)多次測(cè)量隨機(jī)誤差是可以抵消進(jìn)而縮小的。本課件是可編輯的正常PPT課件誤差的分類(lèi)明顯超出規(guī)定條件下的預(yù)測(cè)值的誤差稱為粗大誤差。3.粗大誤差本課件是可編輯的正常PPT課件

靜態(tài)誤差：是指在測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)量隨時(shí)間變化很緩慢或基本不變時(shí)的測(cè)量誤差。

動(dòng)態(tài)誤差：動(dòng)態(tài)誤差是在被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)所測(cè)得的誤差。本課件是可編輯的正常PPT課件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是一個(gè)去偽存真的過(guò)程，針對(duì)不同性質(zhì)的誤差應(yīng)采取不同的處理方法。誤差分析的理論多基于測(cè)量數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，而實(shí)際測(cè)量過(guò)程中由于受到各種因素的影響，測(cè)量數(shù)據(jù)的分布情況復(fù)雜，因此，測(cè)量數(shù)據(jù)必須消除系統(tǒng)誤差、正態(tài)性檢驗(yàn)和剔除粗大誤差后，才能進(jìn)一步處理，以得到可信的結(jié)果。本課件是可編輯的正常PPT課件1.傳感器的準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度是指量具的測(cè)量值接近真實(shí)值的程度，準(zhǔn)確度只是一個(gè)定性概念而無(wú)定量表達(dá)。測(cè)量誤差的絕對(duì)值越大，其準(zhǔn)確度越低。但準(zhǔn)確度不等于誤差。準(zhǔn)確度只有諸如：高、低；大、?。缓细衽c不合格等類(lèi)表述。0.2.4傳感器的準(zhǔn)確度和精確度本課件是可編輯的正常PPT課件對(duì)于測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度，則還有級(jí)別或等別的表述。如壓力傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等，我國(guó)電工儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0等。儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)S常用最大引用誤差來(lái)定義：本課件是可編輯的正常PPT課件例1-1：現(xiàn)有準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)，量程為0～300℃和準(zhǔn)確度等級(jí)為1.0級(jí)，量程為0～100℃的兩個(gè)溫度計(jì)，要測(cè)80℃的溫度，試問(wèn)采用哪一個(gè)溫度計(jì)好？

解：用準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)的溫度計(jì)測(cè)量時(shí)，最大標(biāo)稱相對(duì)誤差為：用準(zhǔn)確度等級(jí)為1.0級(jí)的溫度計(jì)測(cè)量時(shí)，最大標(biāo)稱相對(duì)誤差為：由此可得

S2<S1，顯然用準(zhǔn)確度等級(jí)為1.0級(jí)的儀表測(cè)量比用準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)的溫度計(jì)測(cè)量更合適。

本課件是可編輯的正常PPT課件2.傳感器的精確度

傳感器的精確度是指測(cè)量值彼此接近的程度，多個(gè)測(cè)量值之間有多接近。傳感器的精確度通常受到多個(gè)因素的影響，例如環(huán)境溫度、濕度、電源穩(wěn)定性以及傳感器的制造質(zhì)量等。因此，對(duì)于不同類(lèi)型的傳感器，其精確度可能會(huì)有所不同。本課件是可編輯的正常PPT課件圖0-4通過(guò)子彈打中靶標(biāo)的情況形象的表示出了測(cè)量的準(zhǔn)確度和精確度。本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器的基本特性0.3本課件是可編輯的正常PPT課件1靈敏度

0.3.1傳感器的靜態(tài)特性

靈敏度是指穩(wěn)態(tài)時(shí)傳感器輸出量y和輸入量x之比，或輸出量的增量△y和相應(yīng)輸入量△x的增量之比。本課件是可編輯的正常PPT課件線性傳感器的靈敏度

K為常數(shù)，非線性傳感器的靈敏度

K是隨輸入量變化的量。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。提高靈敏度，可得到較高的測(cè)量精度。但靈敏度愈高，測(cè)量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。本課件是可編輯的正常PPT課件2分辨力和分辨率

0.3.1傳感器的靜態(tài)特性

分辨力指的是傳感器能夠檢測(cè)出的被測(cè)信號(hào)的最小變化量。這個(gè)最小變化量用絕對(duì)值表示，它決定了傳感器對(duì)輸入量變化的最低可檢測(cè)閾值。當(dāng)被測(cè)量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無(wú)任何反應(yīng)。分辨率則是指分辨力與滿量程值之比，通常用百分比表示。分辨率表征了傳感器在滿量程范圍內(nèi)對(duì)被測(cè)量變化的分辨能力，是分辨力與滿量程之比。本課件是可編輯的正常PPT課件3測(cè)量范圍和量程

0.3.1傳感器的靜態(tài)特性

在允許誤差范圍內(nèi)，傳感器能夠測(cè)量的下限值(ymin)到上限值(ymax)之間的范圍稱為測(cè)量范圍，表示為ymin～ymax；上限值與下限值的差稱為量程，表示為yF.S＝y(tǒng)max－ymin。如某溫度計(jì)的測(cè)量范圍是-20~100℃，量程則為120℃。本課件是可編輯的正常PPT課件4誤差特性

0.3.1傳感器的靜態(tài)特性傳感器的誤差特性包括線性度、遲滯、重復(fù)性、零漂和溫漂等。

本課件是可編輯的正常PPT課件1）線性度

線性度是指?jìng)鞲衅鬏斎肓颗c輸出量之間的靜態(tài)特性曲線偏離直線的程度，其又稱為非線性誤差。在實(shí)際使用中，大多數(shù)傳感器的靜態(tài)特性曲線是非線性的?？捎靡粭l直線(切線或割線)近似地代表實(shí)際曲線的一段，這條直線稱為擬合直線，如圖0-5所示。

靜態(tài)特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度）。本課件是可編輯的正常PPT課件圖0-5傳感器擬合直線示意圖本課件是可編輯的正常PPT課件2）遲滯遲滯是指在相同工作條件下，傳感器正行程特性與反行程特性的不一致的程度。圖0-6遲滯特性曲線本課件是可編輯的正常PPT課件3）重復(fù)性如圖0-7所示，傳感器的重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性。在數(shù)值上用各測(cè)量值正、反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。圖0-7傳感器重復(fù)特性曲線本課件是可編輯的正常PPT課件4）零漂和溫漂

傳感器無(wú)輸入（或某一輸入值不變）時(shí)，每隔一定時(shí)間，其輸出值偏離原示值的最大偏差與滿量程的百分比，即為零漂。溫度每升高1℃，傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比，稱為溫漂。本課件是可編輯的正常PPT課件

0.3.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性

傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)激勵(lì)（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律，將能同時(shí)再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律（變化曲線），即具有相同的時(shí)間函數(shù)。但實(shí)際上除了具有理想的比例特性的環(huán)節(jié)外，輸出信號(hào)將不會(huì)與輸入信號(hào)具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。

為了便于比較、評(píng)價(jià)或動(dòng)態(tài)定標(biāo)，最常用的輸入信號(hào)為階躍信號(hào)和正弦信號(hào)，與其對(duì)應(yīng)的方法為階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。本課件是可編輯的正常PPT課件

我國(guó)早在

20世紀(jì)60年代就開(kāi)始涉足傳感器制造業(yè)。1972年，成立中國(guó)第一批壓阻傳感器研制生產(chǎn)單位；1974年，研制成功中國(guó)第一個(gè)實(shí)用壓阻式壓力傳感器；1978年，誕生中國(guó)第一個(gè)固態(tài)壓阻加速度傳感器；1982年，國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）加工技術(shù)和SOI（絕緣襯底上的硅）技術(shù)的研究。進(jìn)入

20世紀(jì)90年代后，MEMS加工技術(shù)的絕對(duì)壓力傳感器、微壓傳感器、多晶硅壓力傳感器等相繼問(wèn)世并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

我國(guó)傳感器技術(shù)的發(fā)展歷程本課件是可編輯的正常PPT課件

2018年，我國(guó)中央科技新聞媒體《科技日?qǐng)?bào)》發(fā)表了系列文章，報(bào)道了制約我國(guó)工業(yè)發(fā)展的35項(xiàng)“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注與討論。其中除了眾所周知的芯片、光刻機(jī)、核心工業(yè)軟件等技術(shù)外，也包括觸覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)等高端傳感器技術(shù)。時(shí)至今日，觸覺(jué)傳感器和激光雷達(dá)在我國(guó)科研人員的努力下已經(jīng)獲得突破。

觸覺(jué)傳感器激光雷達(dá)本課件是可編輯的正常PPT課件

觸覺(jué)傳感器是工業(yè)機(jī)器人核心部件。精確、穩(wěn)定的嚴(yán)苛要求，攔住了我國(guó)大部分企業(yè)向觸覺(jué)傳感器邁進(jìn)的步伐。日本陣列式傳感器能在10厘米×10厘米大小的基質(zhì)中分布100個(gè)敏感元件，曾經(jīng)售價(jià)10萬(wàn)元。2021年12月，浙江大學(xué)在其官網(wǎng)主頁(yè)上發(fā)表了一篇名為《觸覺(jué)傳感器破局！浙大寧波校區(qū)助推“國(guó)產(chǎn)觸覺(jué)”走向世界》的文章，介紹了研制出觸覺(jué)傳感器的過(guò)程。

激光雷達(dá)傳感器是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的必備組件，決定著自動(dòng)駕駛行業(yè)的進(jìn)化水平。在該領(lǐng)域，市場(chǎng)一度被美國(guó)Velodyne的產(chǎn)品占領(lǐng)，國(guó)貨幾乎沒(méi)有話語(yǔ)權(quán)。2022年1月，山東富銳光學(xué)科技有限公司研制出激光雷達(dá)，打破國(guó)外技術(shù)壟斷。車(chē)載激光雷達(dá)方面，2023年3月，國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)企業(yè)速騰聚創(chuàng)RoboSense宣布，其激光雷達(dá)MEMS振鏡模組通過(guò)了AEC-Q100認(rèn)證，成為目前全球唯一通過(guò)該車(chē)規(guī)級(jí)認(rèn)證的激光雷達(dá)掃描器件。本課件是可編輯的正常PPT課件

總之，改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，進(jìn)入21世紀(jì)后，中國(guó)傳感器行業(yè)步入技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的新階段。伴隨著微電子、信息技術(shù)、新材料等領(lǐng)域的進(jìn)步，傳感器技術(shù)向微型化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。特別是MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）傳感器、智能傳感器、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）等新技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用，標(biāo)志著中國(guó)傳感器技術(shù)水平的大幅提升。國(guó)家也加大對(duì)傳感器技術(shù)的研發(fā)投入，建立了一系列國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程技術(shù)研究中心，推動(dòng)了關(guān)鍵技術(shù)的突破。本課件是可編輯的正常PPT課件思考與練習(xí)本課件是可編輯的正常PPT課件思考與練習(xí)：1、測(cè)量一個(gè)圓柱體的直徑，請(qǐng)想出盡可能多的測(cè)量方法，

并分析這些

方法中的誤差影響因素和大小。2、請(qǐng)舉例說(shuō)明動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的區(qū)別。3、簡(jiǎn)單敘述傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本課件是可編輯的正常PPT課件本課件是可編輯的正常PPT課件項(xiàng)目1

溫度檢測(cè)

主講人本課件是可編輯的正常PPT課件0.1認(rèn)識(shí)溫度傳感器0.2數(shù)字溫度傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)0.3熱敏電阻應(yīng)用實(shí)訓(xùn)0.4思考與練習(xí)目錄本課件是可編輯的正常PPT課件溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，它是與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)的一個(gè)重要物理量，也是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要經(jīng)常測(cè)量和控制的主要參數(shù)。衡量溫度高低的標(biāo)尺叫作溫度標(biāo)尺，簡(jiǎn)稱溫標(biāo)。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)（攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)）、理論上的熱力學(xué)溫標(biāo)和當(dāng)前世界通用的國(guó)際溫標(biāo)（開(kāi)氏溫標(biāo)）常用的溫度傳感器有：熱電阻、熱敏電阻、熱電偶及數(shù)字溫度傳感器等本課件是可編輯的正常PPT課件通過(guò)學(xué)習(xí)，了解熱電阻、熱敏電阻、熱電偶以及數(shù)字溫度傳感器的工作原理，熟悉各類(lèi)溫度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。知識(shí)目標(biāo)識(shí)目標(biāo)技能目標(biāo)通過(guò)實(shí)踐和訓(xùn)練，掌握各種溫度傳感器的選型及實(shí)際應(yīng)用，掌握溫度傳感器和STM32的接口技術(shù)和編程技術(shù)。本課件是可編輯的正常PPT課件認(rèn)識(shí)溫度傳感器1.1本課件是可編輯的正常PPT課件1.1認(rèn)識(shí)溫度傳感器1.1.1熱電阻式溫度傳感器

導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻常隨溫度變化而變化的現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)，利用具有熱電阻效應(yīng)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的傳感器叫做熱電阻傳感器。

熱電阻傳感器按電阻--溫度特性的不同可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類(lèi)。金屬熱電阻其電阻--溫度特性表現(xiàn)為當(dāng)溫度升高時(shí)其電阻增大，而半導(dǎo)體熱電阻隨溫度升高其電阻反而減小。一般情況下我們把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。本課件是可編輯的正常PPT課件1.熱電阻

在金屬中，載流子為自由電子，當(dāng)溫度升高時(shí)，雖然自由電子數(shù)目基本不變，但每個(gè)自由電子的動(dòng)能增加，因而在一定電場(chǎng)的作用下，要使這些雜亂無(wú)章的電子做定向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)遇到更大的阻力，導(dǎo)致金屬電阻值隨溫度的升高而增加。熱電阻就是利用電阻隨溫度升高而增大這一特性來(lái)測(cè)量溫度的。本課件是可編輯的正常PPT課件常用的熱電阻有鉑電阻和銅電阻，熱電阻的特點(diǎn)：?

測(cè)量精度高；?

測(cè)量范圍大；?

易于在自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量中使用；?

與熱電偶傳感器相比，沒(méi)有參比端誤差問(wèn)題。本課件是可編輯的正常PPT課件1）鉑電阻

由于鉑電阻物理、化學(xué)性質(zhì)在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件或作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。按國(guó)際溫標(biāo)ITS－90規(guī)定，在-259.34℃～630.74℃溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計(jì)作基準(zhǔn)器。本課件是可編輯的正常PPT課件鉑電阻與溫度的關(guān)系：在0℃～630.74℃范圍內(nèi)：

式中，Rt為溫度為t時(shí)的電阻(Ω)；R0為溫度為0℃時(shí)的電阻(Ω)；t為溫度(℃)。在-190℃～0℃范圍內(nèi)：

式中，A、B、C為分度系數(shù)，單位分別為(1/℃、1/℃2、1/℃3)從上面的兩個(gè)公式可知，要確定電阻Rt與溫度t的關(guān)系，首先要確定R0的數(shù)值，R0不同時(shí)，Rt與t的關(guān)系不同。在工業(yè)上將相應(yīng)于R0=100Ω和1000Ω的Rt－t關(guān)系制成分度表，稱為熱電阻分度表，課本中表1-1為PT100型鉑熱電阻分度持性表本課件是可編輯的正常PPT課件

2）銅電阻

由于鉑是貴金屬，使得鉑熱電阻造價(jià)較高，為此，在一些精度要求不高而且被測(cè)溫度較低的場(chǎng)合，一般采用銅熱電阻。銅熱電阻的主要性能特點(diǎn)為：?測(cè)量范圍-50～180℃；?在測(cè)量范圍內(nèi)有良好的電阻－溫度線性關(guān)系；?與鉑電阻相比，銅電阻的溫度系數(shù)高，電阻率低；?工藝性好，價(jià)格便宜；?容易氧化，不適宜于在腐蝕性介質(zhì)下工作；?電阻率低，電阻體積較大，熱慣性也較大。本課件是可編輯的正常PPT課件在使用溫度范圍內(nèi)，銅熱電阻的特性方程為：

式中：Rt為銅熱電阻在℃時(shí)電阻值，單位Ω；R0為銅熱電阻在0℃時(shí)的電阻值，單位Ω；α為溫度系數(shù)，銅一般為4.25×10-3/℃～4.28×10-3/℃。本課件是可編輯的正常PPT課件2.

熱敏電阻

金屬導(dǎo)電是靠自由電子在電場(chǎng)力作用下做定向運(yùn)動(dòng)，而半導(dǎo)體參加導(dǎo)電的是載流子(為自由電子和空穴兩種異性電荷)，由于半導(dǎo)體中的載流子數(shù)目要比原子的數(shù)目少幾千倍到幾萬(wàn)倍，相鄰自由電子之間的距離是原子之間距離的幾十倍到幾百倍，所以在一般情況下它的電阻值很大。當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體中更多的價(jià)電子獲得熱能而激發(fā)，掙脫核束縛成為載流子，因而參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目增加了，所以，半導(dǎo)體的電阻值隨溫度升高而急劇減小，且按指數(shù)規(guī)律下降，呈非線性。本課件是可編輯的正常PPT課件1）熱敏電阻的主要特點(diǎn)?電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10～100倍；?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度；?電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量；?阻值與溫度的變化呈線性關(guān)系；?測(cè)量范圍較小，不宜在高溫下使用，一般說(shuō)來(lái)，其測(cè)量范圍在-50～350℃之間；?穩(wěn)定性和互換性較差。本課件是可編輯的正常PPT課件2）熱敏電阻的分類(lèi)

根據(jù)電阻率隨溫度變化的典型特性不同，熱敏電阻基本分為三種類(lèi)型：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)、正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和臨界溫度熱敏電阻(CTR)。（1）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)，電阻率隨著溫度升高而均勻減小的電阻，稱負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。（2）正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)，電阻率隨溫度升高而減小，但超過(guò)某一溫度后電阻率急劇增加的電阻稱為正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻。（3）臨界溫度熱敏電阻(CTR)，當(dāng)溫度接近某一數(shù)值時(shí)，電阻率下降產(chǎn)生突變的電阻，稱為臨界溫度熱敏電阻(CTR)。本課件是可編輯的正常PPT課件1.1.2熱電偶溫度傳感器1.熱電偶的工作原理

將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，如圖1-1所示，當(dāng)閉合回路的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于不同的溫度場(chǎng)中，回路中產(chǎn)生一個(gè)方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為熱電效應(yīng)。利用這種熱電效應(yīng)所構(gòu)成的傳感器稱為熱電偶。溫度高的接點(diǎn)稱為熱端（工作端），溫度低的接點(diǎn)稱為冷端（或自由端），形成的回路稱為熱電回路。本課件是可編輯的正常PPT課件熱電勢(shì)由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成。圖1-1熱電偶的工作原理本課件是可編輯的正常PPT課件1）接觸電勢(shì)

由于各種金屬導(dǎo)體都存在大量的自由電子，不同的金屬，其自由電子密度是不同的。當(dāng)A,B兩種金屬接觸在一起時(shí)，在接點(diǎn)處就要發(fā)生電子擴(kuò)散，即電子濃度高的金屬中的自由電子就向電子濃度低的金屬中擴(kuò)散，這樣電子濃度高的金屬因失去電子而帶正電。相反，電子濃度低的金屬由于接收了擴(kuò)散來(lái)的多余電子而帶負(fù)電。這時(shí)在接觸面兩側(cè)的一定范圍內(nèi)形成一個(gè)電場(chǎng)，電場(chǎng)的方向由A指向B，如圖1-2（a）所示，該電場(chǎng)將阻礙電子的進(jìn)一步擴(kuò)散。最后達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的接觸電勢(shì)，如圖1-2（b）所示。圖1-2接觸電勢(shì)的形成本課件是可編輯的正常PPT課件2）溫差電勢(shì)

單一導(dǎo)體中，如果兩端溫度不同，在兩端間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，即單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。這是由于導(dǎo)體內(nèi)高溫端(設(shè)溫度為t)的自由電子具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散，結(jié)果高溫端因失去電子帶正電荷，低溫端因得到電子而帶負(fù)電荷，從而形成一個(gè)靜電場(chǎng)，如圖1-3所示。該電場(chǎng)反過(guò)來(lái)阻礙自由電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電位差，該電位差稱為溫差電勢(shì)。圖1-3溫差電勢(shì)的形成本課件是可編輯的正常PPT課件3）熱電偶回路熱電勢(shì)

對(duì)于由導(dǎo)體A，B組成的熱電偶閉合回路，產(chǎn)生熱電勢(shì)可用圖1-4表示。當(dāng)溫度t>t0，導(dǎo)體A的自由電子密度nA大于導(dǎo)體B的自由電子密度nB時(shí)，閉合回路的總熱電勢(shì):

實(shí)際上，在同一種金屬內(nèi)，溫差電勢(shì)極小，可以忽略，因此回路中總的熱電勢(shì)表達(dá)式中，后面的部分可以忽略。圖1-4電熱回路電勢(shì)本課件是可編輯的正常PPT課件

通過(guò)上面的分析，熱電偶回路中總的熱電勢(shì)為兩接點(diǎn)熱電勢(shì)的代數(shù)和。當(dāng)電極材料確定后，熱電偶的總的熱電勢(shì)成為溫度t和t0的函數(shù)之差。如果冷端溫度固定不變，則熱電勢(shì)就只是溫度t的單值函數(shù)了。同時(shí)可得如下結(jié)論:?如果熱電偶兩電極材料相同，雖兩端溫度不同，但總輸出電勢(shì)仍為零，因此，必須由兩種不同的金屬材料才能構(gòu)成熱電偶；?如果熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中的總電勢(shì)必然等于零；?熱電勢(shì)的大小只與材料和接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀及沿電極溫度分布無(wú)關(guān)。應(yīng)注意，如果熱電極本身性質(zhì)為非均勻的，由于溫度梯度存在將會(huì)有附加電勢(shì)產(chǎn)生。本課件是可編輯的正常PPT課件2.熱電偶溫度傳感器的特點(diǎn)1）熱電偶的優(yōu)點(diǎn)?溫度范圍廣：熱電偶適用于大多數(shù)實(shí)際的溫度范圍。熱電偶測(cè)量溫度范圍在–200℃～2500℃之間，具體取決于所使用的金屬材料；?堅(jiān)固耐用：熱電偶溫度傳感器屬于耐用器件，抗沖擊振動(dòng)性好，適合于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境；?響應(yīng)快：因?yàn)樗鼈凅w積小，熱容量低，熱電偶對(duì)溫度變化響應(yīng)快，尤其在感應(yīng)接合點(diǎn)裸露時(shí)，它們可在數(shù)百毫秒內(nèi)對(duì)溫度變化作出響應(yīng)；?無(wú)自發(fā)熱：由于熱電偶不需要激勵(lì)電源，因此不易自發(fā)熱，其本身是安全的。本課件是可編輯的正常PPT課件2）熱電偶的缺點(diǎn)?信號(hào)調(diào)理復(fù)雜：將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)必需進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)理。一直以來(lái)，信號(hào)調(diào)理耗費(fèi)大量設(shè)計(jì)時(shí)間，處理不當(dāng)就會(huì)引入誤差，導(dǎo)致精度降低；?精度低：除了由于金屬特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不準(zhǔn)確性外，熱電偶測(cè)量精度只能達(dá)到參考接合點(diǎn)溫度的測(cè)量精度，一般在1℃～2℃內(nèi)；?易受腐蝕：因?yàn)闊犭娕加蓛煞N不同的金屬所組成，在一些工況下，隨時(shí)間而腐蝕可能會(huì)降低精度。因此，它們需要保護(hù)且保養(yǎng)維護(hù)必不可少；?抗噪性差：當(dāng)測(cè)量毫伏級(jí)信號(hào)變化時(shí)，雜散電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲可能會(huì)引起問(wèn)題。本課件是可編輯的正常PPT課件3.熱電偶的種類(lèi)熱電偶按照結(jié)構(gòu)形式可以分為普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜型熱電偶。按熱電極材料不同可分為貴金屬熱電偶、廉金屬熱電偶、貴-廉金屬混合式熱電偶、難熔金屬熱電偶、非金屬熱電偶。按測(cè)量溫度不同可分為高溫?zé)犭娕?1000～3000)℃、中溫?zé)犭娕?0～1000)℃、低溫?zé)犭娕?-100～0)℃、超低溫?zé)犭娕?-273～-100)℃。按用途可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、工業(yè)用熱電偶。按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化情況可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶、非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。本課件是可編輯的正常PPT課件1.1.3數(shù)字溫度傳感器

不論是熱電阻式溫度傳感器還是熱電偶溫度傳感器，都是把溫度的變化間接或直接轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào)的變化，需要經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后才能夠被MCU使用，在自動(dòng)控制裝置開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)用不是很方便。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字溫度傳感器應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)字溫度傳感器具有諸多優(yōu)勢(shì)，精度高、數(shù)字輸出、快速響應(yīng)、簡(jiǎn)單易用和低功耗等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、智能家居、醫(yī)療設(shè)備、汽車(chē)電子等領(lǐng)域。本課件是可編輯的正常PPT課件1.數(shù)字溫度傳感器的工作原理

數(shù)字溫度傳感器是一種測(cè)量溫度的器件，其工作原理是通過(guò)感知周?chē)h(huán)境的溫度變化而產(chǎn)生電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。通常使用集成電路技術(shù)，利用材料的電阻、電容、熱電效應(yīng)等特性來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，能夠提供準(zhǔn)確的和可重復(fù)性的溫度測(cè)量結(jié)果。

常見(jiàn)的數(shù)字溫度傳感器是基于集成電路的溫度傳感器，例如LM75A和DS18B20。這些傳感器通過(guò)使用內(nèi)置的溫度傳感器和ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）來(lái)直接將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。其中LM75A是基于集成電路的溫度傳感器，MCU可以通過(guò)I2C總線直接讀取其內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)。DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，其使用1-Wire總線協(xié)議與其它設(shè)備進(jìn)行通信。本課件是可編輯的正常PPT課件2.數(shù)字溫度傳感器的特點(diǎn)?高精度：數(shù)字溫度傳感器具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，可以提供精確的溫度測(cè)量結(jié)果；?數(shù)字輸出：數(shù)字溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，方便數(shù)字化處理和集成控制；?快速響應(yīng)：數(shù)字溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)溫度變化的快速響應(yīng)，提高溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性；?簡(jiǎn)單易用：數(shù)字溫度傳感器通常采用標(biāo)準(zhǔn)接口和通信協(xié)議，具有簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，可以方便地與其它設(shè)備進(jìn)行集成，降低軟件開(kāi)銷(xiāo)；?低功耗：數(shù)字溫度傳感器通常具有低功耗特點(diǎn)，可以適用于對(duì)電力消耗有限制的場(chǎng)合，如便攜式設(shè)備、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等；本課件是可編輯的正常PPT課件?高可靠性：數(shù)字溫度傳感器通常采用固態(tài)傳感器技術(shù)，沒(méi)有活動(dòng)部件，不易損壞或失效；?廣泛適用：數(shù)字溫度傳感器可以適用于不同溫度范圍和環(huán)境下的測(cè)量，例如室內(nèi)、室外、高溫、低溫等；?多種封裝形式：數(shù)字溫度傳感器可以采用不同的封裝形式，例如貼片式、插針式、管殼式等，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求；?可編程性：一些數(shù)字溫度傳感器具有可編程的特性，可以通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量精度、采樣率、輸出格式等參數(shù)的調(diào)整。本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字溫度傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)1.2本課件是可編輯的正常PPT課件1.2.1

實(shí)訓(xùn)目的及要求

通過(guò)實(shí)訓(xùn)，掌握DS18B20數(shù)字溫度傳感器與STM32F407ZGT6芯片的接口技術(shù)以及編程技術(shù)，能夠使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，并在液晶顯示屏幕顯示當(dāng)前室溫。1.DS18B20的性能指標(biāo)

DS18B20采用一條數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)?-Wire單總線協(xié)議方式。該協(xié)議定義了三種通信時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序和寫(xiě)時(shí)序。其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小，硬件開(kāi)銷(xiāo)低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)：1.2數(shù)字溫度傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)本課件是可編輯的正常PPT課件?獨(dú)特的一線接口，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；?支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在單一的數(shù)據(jù)線上，最多只能并聯(lián)8個(gè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，如果數(shù)量過(guò)多，會(huì)造成IO口驅(qū)動(dòng)能力下降，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定；?無(wú)需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無(wú)需備用電源；?測(cè)量溫度范圍為-55℃至+125℃；?在攝氏度-10℃至+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃；?溫度傳感器可編程的分辨率為9～12位，用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置。本課件是可編輯的正常PPT課件2.DS18B20的封裝圖1-5為DS18B20的TO-92封裝圖及SOIC封裝圖。圖1-5DS18B20的封裝本課件是可編輯的正常PPT課件3.DS18B20的典型接線方式DS18B20的典型接線如圖1-6所示，數(shù)據(jù)總線DQ接MCU的IO口，且數(shù)據(jù)總線需要接上拉電阻，電阻的典型值為4.7K。圖1-6DS18B20典型接線方式本課件是可編輯的正常PPT課件4.DS18B20的控制時(shí)序1）DS18B20的復(fù)位時(shí)序

MCU先將DQ設(shè)置為低電平，延時(shí)至少480μs后再將其變成高電平，即提供一個(gè)脈寬480μs<T<960μs的復(fù)位脈沖。等待15～60μs后，檢查DQ是否變?yōu)榈碗娖?，若已變?yōu)榈碗娖絼t表明復(fù)位成功，然后可進(jìn)入下一步操作，否則可能發(fā)生器件不存在、器件損壞或其它故障。本課件是可編輯的正常PPT課件2）DS18B20的寫(xiě)時(shí)序

MCU先將DQ設(shè)置為低電平，延時(shí)15μs后，將待寫(xiě)的數(shù)據(jù)以串行形式送一位至DQ端，DS18B20將在60μs<T<120μs時(shí)間內(nèi)接到一位數(shù)據(jù)。發(fā)送完一位數(shù)據(jù)后，將DQ端的狀態(tài)再拉回至高電平，并保持至少1μs的恢復(fù)時(shí)間，即每寫(xiě)完一位串行數(shù)據(jù)后中間至少要有1μs以上的恢復(fù)時(shí)間，然后再寫(xiě)下一位數(shù)據(jù)。本課件是可編輯的正常PPT課件3）DS18B20的讀時(shí)序

當(dāng)MCU準(zhǔn)備從DS18B20溫度傳感器讀取每一位數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先發(fā)啟動(dòng)讀時(shí)序脈沖，即將DQ設(shè)置為低電平，保持1μs以上時(shí)間后，在將其設(shè)置為高電平。啟動(dòng)等待15μs，以便DS18B20能可靠地將溫度數(shù)據(jù)送至DQ總線上，然后MCU再讀取DQ總線上的結(jié)果，MCU在完成讀取數(shù)據(jù)操作后，要等待至少45μs。同樣，每讀完一位數(shù)據(jù)至少要保持1μs的恢復(fù)時(shí)間。本課件是可編輯的正常PPT課件5.DS18B20應(yīng)用注意事項(xiàng)

較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)DS18B20操作部分最好采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單總線上所掛DS18B20超過(guò)8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。連接DS18B20的總線電纜是有長(zhǎng)度限制。普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度50m；雙絞線帶屏蔽電纜通訊距離可達(dá)150m。在DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。本課件是可編輯的正常PPT課件1.2.3DS18B20硬件接口電路設(shè)計(jì)人機(jī)接口見(jiàn)附錄，數(shù)據(jù)線DQ接STM32F407ZGT6的PE13引腳，數(shù)據(jù)線接4.7K上拉電阻。本課件是可編輯的正常PPT課件1.2.4程序設(shè)計(jì)

本教材的實(shí)訓(xùn)均采用KeilμVision4開(kāi)發(fā)工具，采用STM32微控制器固件庫(kù)函數(shù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，一個(gè)STM32工程組包含STM32啟動(dòng)文件、中斷服務(wù)函數(shù)、時(shí)鐘配置函數(shù)、STM32相關(guān)外設(shè)配置函數(shù)以及用戶自定義函數(shù)等。所有實(shí)訓(xùn)采用STM32F407ZGT6為主控芯片，工程組框架及說(shuō)明見(jiàn)附錄B，實(shí)訓(xùn)中的人機(jī)接口源程序見(jiàn)附錄A。本課件是可編輯的正常PPT課件

實(shí)訓(xùn)的任務(wù)是采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行室溫的測(cè)量，該任務(wù)功能主要由main.c、ds18B20.c程序文件來(lái)完成，ds18B20.c完成DS18B20的設(shè)置、復(fù)位和溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取，main.c將采集到的數(shù)據(jù)處理為以攝氏度為單位的溫度值并通過(guò)LCD液晶屏顯示。實(shí)訓(xùn)程序設(shè)計(jì)的要點(diǎn)如下：（1）配置RCC寄存器組，使用PLL輸出168MHz時(shí)鐘頻率，開(kāi)啟GPIOE設(shè)備時(shí)鐘；（2）配置GPIOE.13為開(kāi)漏、輸出模式，無(wú)上拉/下拉電阻；（3）DS18B20的復(fù)位、讀寫(xiě)控制、溫度讀取、LCD顯示等。本課件是可編輯的正常PPT課件1.2.5程序運(yùn)行結(jié)果

掃描二維碼獲得整個(gè)工程文件，編譯并運(yùn)行程序，可以看到液晶顯示屏顯示當(dāng)前的室溫，如果用手去觸摸DS18B20傳感器，可以觀察到溫度的變化。本課件是可編輯的正常PPT課件熱敏電阻應(yīng)用實(shí)訓(xùn)1.3本課件是可編輯的正常PPT課件1.3.1實(shí)訓(xùn)目的及要求

通過(guò)實(shí)訓(xùn)，掌握熱敏電阻硬件接口電路設(shè)計(jì)以及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，熟悉并掌握STM32F407ZGT6芯片外設(shè)ADC功能編程應(yīng)用，能夠使用熱敏電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，在液晶顯示屏幕顯示當(dāng)前室溫。1.3熱敏電阻應(yīng)用實(shí)訓(xùn)本課件是可編輯的正常PPT課件1.3.2NTC-MF52-103/3435熱敏電阻簡(jiǎn)介1.NTC-MF52-103/3435熱敏電阻的特點(diǎn)本實(shí)訓(xùn)應(yīng)用的熱敏電阻為NTC-MF52-103/343510K熱敏電阻。本課件是可編輯的正常PPT課件

NTC是英文NegativeTemperatureCoefficient的縮寫(xiě)，其含義為負(fù)溫度系數(shù)。NTC熱敏電阻的阻值會(huì)隨著溫度的升高而降低，反之亦然。它們通常用于溫度控制和指示以及電流抑制。在其制作工藝中使用的常見(jiàn)材料包括諸如鎳、錳、銅、鐵和鈷的材料的氧化物，一些也由硅或鍺制成。常見(jiàn)的熱敏電阻類(lèi)型一般采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，廣泛應(yīng)用于溫度檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、測(cè)量、控制、校準(zhǔn)和補(bǔ)償?shù)?。本課件是可編輯的正常PPT課件MF52系列NTC熱敏電阻采用環(huán)氧樹(shù)脂涂裝而成，通過(guò)材料和先進(jìn)的制造工藝實(shí)現(xiàn)體積小、響應(yīng)快的產(chǎn)品特點(diǎn)，也具備精密的公差和長(zhǎng)期穩(wěn)定的可靠性能。產(chǎn)品特點(diǎn)：?體積小，響應(yīng)快；?工作溫度范圍寬，穩(wěn)定性好，可靠性好；?易于安裝和操作，因?yàn)槊芊饪梢愿鶕?jù)客戶應(yīng)用的環(huán)境和條件進(jìn)行；?精確測(cè)試可以精確反映溫度變化；?出色的耐受性和互換性。本課件是可編輯的正常PPT課件2.NTC-MF52-103/3435熱敏電阻的應(yīng)用

MF52的電阻值隨溫度的升高而降低。利用這一特性既可制成測(cè)溫、溫度補(bǔ)償和控溫組件，又可以制成功率型組件，抑制電路的浪涌電流。NTC熱敏電阻還被廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車(chē)電子系統(tǒng)等領(lǐng)域。3.熱敏電阻的測(cè)量

一般來(lái)說(shuō)，熱敏電阻對(duì)溫度的敏感性高，所以不宜用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量它的阻值，這是因?yàn)槿f(wàn)用表的工作電流比較大，流過(guò)熱敏電阻時(shí)會(huì)發(fā)熱，從而引起阻值的變化。

用萬(wàn)用表檢測(cè)熱敏電阻時(shí)，需要注意熱敏電阻上的標(biāo)稱阻值與萬(wàn)用表的讀數(shù)不一定相等。這是由于標(biāo)稱阻值是用專(zhuān)用儀器在25℃的條件下測(cè)得的。本課件是可編輯的正常PPT課件1.3.3熱敏電阻硬件接口電路設(shè)計(jì)

下圖為熱敏電阻NTC-MF52-103/3435的設(shè)計(jì)及信號(hào)調(diào)理電路原理圖，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后接STM32F407芯片的PF3引腳。本課件是可編輯的正常PPT課件1.3.4程序設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)的任務(wù)是采用NTC-MF52-103熱敏電阻進(jìn)行室溫的檢測(cè)，從實(shí)訓(xùn)電路原理圖可以看出，隨著溫度的變化熱敏電阻的值也會(huì)發(fā)生變化，輸出電壓信號(hào)也會(huì)隨之發(fā)生變化，對(duì)電壓信號(hào)的采集使用STM32F407ZGT6外設(shè)ADC來(lái)完成，該任務(wù)功能主要由main.c、NTC.c以及STM32F40x_ADC.c程序文件來(lái)完成，STM32F40x_ADC.c完成外設(shè)ADC的配置、AD轉(zhuǎn)換，NTC.c將AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理為以攝氏度為單位的溫度值，main.c函數(shù)將采集到的溫度值通過(guò)LCD液晶屏顯示。本課件是可編輯的正常PPT課件實(shí)訓(xùn)程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：（1）配置RCC寄存器組，配置PLL為168MHz并作為主時(shí)鐘，配置PCLK2為

PLL的2分頻，并配置ADC時(shí)鐘為PLK2的4分頻；（2）打開(kāi)ADC設(shè)備時(shí)鐘，同時(shí)打開(kāi)GPIOF設(shè)備時(shí)鐘；（3）配置GPIOF.3為模擬輸入模式，無(wú)上拉/下拉電阻；（4）初始化ADC寄存器組，使用ADC3第9轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換通道數(shù)為1，采樣時(shí)間為480周期等；（5）AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及顯示。本課件是可編輯的正常PPT課件1.3.5程序運(yùn)行結(jié)果

掃描二維碼獲得整個(gè)工程文件，編譯并運(yùn)行程序，可以看到液晶顯示屏顯示ADC采樣值、采樣電壓以及當(dāng)前的室溫，如果用手去觸摸熱敏電阻，可以觀察到溫度的變化。本課件是可編輯的正常PPT課件

節(jié)能減排不僅是應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境污染的重要手段，也是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的重要途徑。節(jié)約能源是人類(lèi)生存和發(fā)展所必需的重要內(nèi)容，我們黨和國(guó)家歷來(lái)對(duì)此高度重視。近年來(lái)，按照黨中央、國(guó)務(wù)院的部署，我國(guó)節(jié)能減排的政策、法規(guī)、文件逐步出臺(tái)，加速了我國(guó)推進(jìn)節(jié)能減排的步伐。綠色低碳

持續(xù)發(fā)展本課件是可編輯的正常PPT課件

溫度檢測(cè)技術(shù)在節(jié)能減排領(lǐng)域中起著很關(guān)鍵的作用，例如：

優(yōu)化能源利用：通過(guò)精確的溫度檢測(cè)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的加熱、冷卻系統(tǒng)可以被更高效地控制，避免過(guò)度加熱或制冷造成的能源浪費(fèi)。在滿足生產(chǎn)需求的同時(shí)，減少了不必要的能源消耗，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

預(yù)防維護(hù)與效率提升：利用紅外熱像儀等先進(jìn)溫度檢測(cè)技術(shù)，可以早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備過(guò)熱等問(wèn)題，及時(shí)維修，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的能源浪費(fèi)和生產(chǎn)中斷。例如，在電力行業(yè)中，定期使用熱像儀檢查電氣設(shè)備，可提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，減少因突發(fā)故障導(dǎo)致的大規(guī)模能源損失。

環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理：在環(huán)境管理系統(tǒng)中，溫度檢測(cè)幫助監(jiān)控大氣、水體等環(huán)境因素的溫度變化，對(duì)氣候變化有更精準(zhǔn)的把握，為制定有效的節(jié)能減排措施提供數(shù)據(jù)支持。本課件是可編輯的正常PPT課件思考與練習(xí)本課件是可編輯的正常PPT課件思考與練習(xí)：1、熱電阻、熱敏電阻、熱電偶溫度傳感器的工作原理是什么？2、數(shù)字式溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？3、1-Wire總線程序設(shè)計(jì)中復(fù)位、讀寫(xiě)時(shí)序編程的方法？4、STM32F407ZGT6外設(shè)ADC的程序設(shè)計(jì)的思路？本課件是可編輯的正常PPT課件本課件是可編輯的正常PPT課件

項(xiàng)目2開(kāi)關(guān)量檢測(cè)

主講人本課件是可編輯的正常PPT課件2.1認(rèn)識(shí)接近開(kāi)關(guān)2.2霍爾開(kāi)關(guān)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)2.3光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)2.4思考與練習(xí)目錄本課件是可編輯的正常PPT課件

開(kāi)關(guān)量是指非連續(xù)性信號(hào)的采集和輸出，開(kāi)關(guān)量有很多種表現(xiàn)形式：數(shù)字電路中用“1”和“0”表示開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)，而電力技術(shù)中是指電路的開(kāi)和關(guān)或者說(shuō)是觸點(diǎn)的接通和斷開(kāi)等?！伴_(kāi)關(guān)”是傳感器檢測(cè)中的基本功能。工業(yè)中大量出現(xiàn)使用開(kāi)關(guān)量檢測(cè)的情況，如檢查工件有無(wú)、物體移動(dòng)是否到位等，這些信號(hào)均可以認(rèn)為是開(kāi)關(guān)量。事實(shí)上，工業(yè)中很多控制并不是復(fù)雜的模擬量或者數(shù)字量信號(hào)，而是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量，指示工作系統(tǒng)如何進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。本課件是可編輯的正常PPT課件

知識(shí)目標(biāo)

通過(guò)對(duì)常見(jiàn)開(kāi)關(guān)量傳感器：感應(yīng)型開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)和霍爾開(kāi)關(guān)的分析和設(shè)計(jì)，理解和掌握常見(jiàn)開(kāi)關(guān)量傳感器的工作原理和使用方法，了解各類(lèi)開(kāi)關(guān)的基本參數(shù)和環(huán)境特性，能夠使用簡(jiǎn)單工具判斷開(kāi)關(guān)量傳感器的工作狀態(tài)。本課件是可編輯的正常PPT課件技能目標(biāo)

通過(guò)實(shí)踐和訓(xùn)練，掌握各種開(kāi)關(guān)量檢測(cè)傳感器的選型及實(shí)際應(yīng)用，掌握開(kāi)關(guān)量檢測(cè)傳感器和STM32的接口技術(shù)和編程技術(shù)。本課件是可編輯的正常PPT課件認(rèn)識(shí)接近開(kāi)關(guān)2.1本課件是可編輯的正常PPT課件2.1認(rèn)識(shí)接近開(kāi)關(guān)

接近開(kāi)關(guān)又稱為無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)，它的任務(wù)是檢查特定環(huán)境下的特定工件有無(wú)狀態(tài)，輸入信號(hào)一般為工件與傳感器之間的距離，輸出信號(hào)一般為開(kāi)關(guān)量電壓。

接近開(kāi)關(guān)的工作原理是利用電磁感應(yīng)或光學(xué)原理，當(dāng)物體靠近或遠(yuǎn)離時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用來(lái)控制電路或執(zhí)行特定的操作。接近開(kāi)關(guān)可以檢測(cè)金屬、非金屬、液體等物體，具有高精度、高速度和可靠性等優(yōu)點(diǎn)。本課件是可編輯的正常PPT課件

接近開(kāi)關(guān)的種類(lèi)很多，根據(jù)工作原理可以分為電感式、電容式、光電式、霍爾式及超聲波式等。其中，電感式接近開(kāi)關(guān)是最常見(jiàn)的一種，它利用電磁感應(yīng)原理，當(dāng)金屬物體靠近時(shí)，會(huì)改變線圈的電感值，從而產(chǎn)生信號(hào)。電容式接近開(kāi)關(guān)則利用物體與電極的電容變化來(lái)檢測(cè)物體的位置。

接近開(kāi)關(guān)的應(yīng)用非常廣泛，可以用于檢測(cè)物體的位置、速度、方向、顏色等參數(shù)。本課件是可編輯的正常PPT課件2.1.1感應(yīng)型接近開(kāi)關(guān)

1.工作原理

一個(gè)常見(jiàn)的電感接近開(kāi)關(guān)的組成部分有感應(yīng)鐵芯和線圈、震蕩電路、信號(hào)觸發(fā)電路以及開(kāi)關(guān)放大電路，如上圖所示。本課件是可編輯的正常PPT課件

LC震蕩電路產(chǎn)生一個(gè)交變電路供給線圈，使感應(yīng)面的鐵芯和線圈產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場(chǎng)；當(dāng)金屬物體靠近接近開(kāi)關(guān)，感應(yīng)到接近開(kāi)關(guān)的的電磁場(chǎng)，同時(shí)在金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流會(huì)消耗接近開(kāi)關(guān)的電磁場(chǎng)能量；震蕩電路被消耗的電磁場(chǎng)能量，會(huì)導(dǎo)致震蕩波形產(chǎn)生變化衰減；后級(jí)信號(hào)比較電路發(fā)現(xiàn)這個(gè)變化后，會(huì)自動(dòng)輸出一個(gè)控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路放大后，輸出給現(xiàn)場(chǎng)需要控制的設(shè)備。

本課件是可編輯的正常PPT課件

2.感應(yīng)型接近開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電感式接近開(kāi)關(guān)無(wú)主動(dòng)電接點(diǎn)，工作可靠，壽命長(zhǎng)。具有很高的靈敏度和分辨率，能夠測(cè)量0.1微米的位移，其輸出信號(hào)，每毫米的位移輸出電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百毫伏。

線性度和重復(fù)性良好，電感式接近開(kāi)關(guān)的非線性誤差在一定范圍內(nèi)可達(dá)到0.1%～0.05%

。

抗干擾性能好，開(kāi)關(guān)頻率高，大于200Hz

。

只能感應(yīng)金屬

。

本課件是可編輯的正常PPT課件3.電感式接近開(kāi)關(guān)傳感器的應(yīng)用及選型

電感應(yīng)式接近開(kāi)關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，適用于酸、堿、氯化物、有機(jī)溶劑、液體氨、二氧化碳、聚氯乙烯粉、灰和油水界面液位測(cè)量。根據(jù)安裝要求，合理選用外形及檢測(cè)距離；根據(jù)供電電源，合理選用工作電壓；根據(jù)實(shí)際負(fù)載，合理選擇傳感器工作電流；選擇接線方式。

本課件是可編輯的正常PPT課件2.1.2光電型接近開(kāi)關(guān)

1.光電效應(yīng)

根據(jù)光電效應(yīng)制作的器件稱為光電器件，也稱光敏器件。光電器件的種類(lèi)很多，但其工作原理都是建立在光電效應(yīng)這一物理基礎(chǔ)上的。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)。其中內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。

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外光電效應(yīng)是指光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。光波長(zhǎng)小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限頻率和極限波長(zhǎng)。臨界值取決于金屬材料。赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，1）外光電效應(yīng)本課件是可編輯的正常PPT課件

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫做內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。

所謂光電導(dǎo)效應(yīng)是指在光作用下，電子吸收光子，其能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，從而引起材料的電阻率降低?；谶@種效應(yīng)的光電元件有光敏電阻。

所謂光生伏特效應(yīng)是指當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管以及光電耦合器等。2）內(nèi)光電效應(yīng)本課件是可編輯的正常PPT課件

2.光電器件

1）光電管

光電管由玻璃殼、兩個(gè)電極(光電陰極K和陽(yáng)極A)、引出插腳等組成。當(dāng)陰極K受到光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極A吸引，朝陽(yáng)極A方向移動(dòng)，這樣就在光電管內(nèi)產(chǎn)生了電子流，從而在外電路中便產(chǎn)生了電流。

本課件是可編輯的正常PPT課件充氣光電管的結(jié)構(gòu)與真空光電管的結(jié)構(gòu)基本相同，所不同的是充氣光電管球內(nèi)充了低壓惰性氣體。當(dāng)光電極被光線照射時(shí)，光電子在飛向陽(yáng)極的過(guò)程中與氣體分子碰撞而使氣體電離，從而使陽(yáng)極電流急速增加，因此增加了光電管的靈敏度。光電管具有靈敏度高、波長(zhǎng)范圍寬、響應(yīng)快速、噪聲低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于多種光學(xué)檢測(cè)、生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。本課件是可編輯的正常PPT課件

通過(guò)觀察伏安特性曲線圖可以看到，在陽(yáng)極電壓的一段范圍內(nèi)，陽(yáng)極電流不隨陽(yáng)極電壓的變化而變化，達(dá)到了比較穩(wěn)定的飽和區(qū)。這就是光電管的工作靜態(tài)點(diǎn)。選擇光電管的工作參數(shù)點(diǎn)時(shí)，就應(yīng)選在光電流與陽(yáng)極電壓無(wú)關(guān)的區(qū)域內(nèi)。圖2-4真空光電管伏安特性本課件是可編輯的正常PPT課件

2）光電倍增管

光電倍增管是一個(gè)真空管，當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出。因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測(cè)紫外、可見(jiàn)和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測(cè)器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。

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3）光電二極管

光電二極管也叫光敏二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類(lèi)似的，其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時(shí)需加上反向電壓。光敏二極管是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。它的核心部分也是一個(gè)PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。

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光電二極管的伏安特性曲線

（1）在低壓區(qū)域，光電二極管的電流很小，與電壓基本無(wú)關(guān)。（2）在高壓區(qū)域，光電二極管的電流急劇增大，但增長(zhǎng)速度逐漸減緩。（3）在飽和區(qū)域，當(dāng)電壓達(dá)到一定程度時(shí)，光電二極管的電流達(dá)到飽和狀態(tài)，停止繼續(xù)增長(zhǎng)。光敏二極管是在反向電壓作用之下工作的。其伏安特性曲線如圖2-7所示。本課件是可編輯的正常PPT課件

4）光電三極管

光電三極管也稱光敏三極管，它的電流受外部光照控制，是一種半導(dǎo)體光電器件。光電三極管是一種相當(dāng)于在三極管的基極和集電極之間接入一只光電二極管的三極管，因?yàn)榫哂须娏鞣糯笞饔?，光電三極管比光電二極管靈敏得多，在集電極可以輸出很大的光電流。

本課件是可編輯的正常PPT課件光電三極管的光電特性曲線如圖2-9所示，其反應(yīng)了在正常偏壓下集電極的電流與入射光照度之間的關(guān)系，呈現(xiàn)出非線性。這是由于光電三極管中的晶體管的電流放大倍數(shù)不是常數(shù)的緣故，β隨著光電流的增大而增大。由于光電三極管有電流放大作用，它的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級(jí)(mA)。本課件是可編輯的正常PPT課件圖2-9光電三極管的光電特性本課件是可編輯的正常PPT課件光電三極管伏安特性曲線右圖所示，光電三極管必須在有偏壓，且要保證光電三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，而集電極結(jié)處于反向偏壓才能工作。入射到光電三極管的照度不同其伏安特性曲線稍有不同，但隨著電壓升高，輸出電流均逐漸達(dá)到飽和。本課件是可編輯的正常PPT課件

由于光敏三極管具有電流放大作用，因此廣泛應(yīng)用于亮度測(cè)量、測(cè)速、光電開(kāi)關(guān)電路、光電隔離場(chǎng)合。值得注意：光敏三極管通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，這種一般用于溫度補(bǔ)償和附加控制等場(chǎng)合。

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5）光電耦合器

光電耦合器件是由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。光電耦合器把發(fā)光器件和光敏器件封裝在同一殼體內(nèi)，中間通過(guò)電→光→電的轉(zhuǎn)換來(lái)傳輸電信號(hào)。其結(jié)構(gòu)如左圖所示。

光電耦合器實(shí)際上是一個(gè)電量隔離轉(zhuǎn)換器，它具有抗干擾性能和單向信號(hào)傳輸功能，廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及固態(tài)繼電器等場(chǎng)合。

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3.

光電開(kāi)關(guān)

光電開(kāi)關(guān)是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路接通電路，從而檢測(cè)物體的有無(wú)。物體不限于金屬，所有能反射光線（或者對(duì)光線有遮擋作用）的物體均可以被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。安防系統(tǒng)中常見(jiàn)的煙霧報(bào)警器就是利用光電開(kāi)關(guān)的原理制作的，工業(yè)中也經(jīng)常用光電開(kāi)關(guān)來(lái)計(jì)數(shù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。

本課件是可編輯的正常PPT課件2.1.3霍爾效應(yīng)型接近開(kāi)關(guān)

霍爾式接近開(kāi)關(guān)是一種非接觸式傳感器，它利用霍爾效應(yīng)來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化。當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，霍爾元件會(huì)產(chǎn)生電壓信號(hào)，從而觸發(fā)開(kāi)關(guān)動(dòng)作?；魻柺浇咏_(kāi)關(guān)具有高精度、高可靠性、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制、機(jī)器人技術(shù)、汽車(chē)電子等領(lǐng)域。

本課件是可編輯的正常PPT課件1.霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)是霍爾(EdwinHall)24歲時(shí)在美國(guó)霍普金斯大學(xué)讀研究生期間，研究關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。在長(zhǎng)方形導(dǎo)體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場(chǎng)，就會(huì)在與電流和磁場(chǎng)兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電壓。

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圖2-12為霍爾效應(yīng)示意圖，運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)作用下受到洛倫茨力，把N型半導(dǎo)體薄片放在垂直磁場(chǎng)中并沿ab方向通電，在cd方向上產(chǎn)生電場(chǎng)，其電動(dòng)勢(shì)大小為：

其中

：

KH

為霍爾常數(shù)，取決于材質(zhì)、溫度和元件尺寸；i為電流大??；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；

θ為電流與磁場(chǎng)方向的夾角。本課件是可編輯的正常PPT課件

利用霍爾效應(yīng)，可以制作開(kāi)關(guān)傳感器及線性傳感器。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器廣泛應(yīng)用于位置、位移及轉(zhuǎn)速測(cè)量，線性型霍爾傳感器廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)及電流、電壓的測(cè)量。近年來(lái)，以非工頻、非正弦為主要特征的變頻電量的測(cè)量需求越來(lái)越大，由于電磁式互感器的頻率適用范圍較窄，相比之下，霍爾電壓、電流傳感器的適用頻帶較寬，且可以用于直流測(cè)量，其市場(chǎng)前景廣闊。

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2.霍爾元件

霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)，使用半導(dǎo)體材料制成的元件。一般具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓變化較大及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。其可分為線性霍爾元件和開(kāi)關(guān)型霍爾元件兩種。圖2-13霍爾元件結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)本課件是可編輯的正常PPT課件

霍爾元件結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖2-13所示，霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成。通常，霍爾電勢(shì)的轉(zhuǎn)換效率比較低，為了獲得更大的霍爾電勢(shì)輸出，可以將若干個(gè)霍爾元件串聯(lián)起來(lái)使用。而在霍爾元件輸出信號(hào)不夠大的情況下，可以采用運(yùn)算放大器對(duì)霍爾電勢(shì)進(jìn)行放大。本課件是可編輯的正常PPT課件

3.霍爾開(kāi)關(guān)霍爾開(kāi)關(guān)利用霍爾效應(yīng)集成封裝和組裝工藝制作而成?；魻栭_(kāi)關(guān)可把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，具備工業(yè)實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性?；魻栭_(kāi)關(guān)輸入端以磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)表征，當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到一定值后，霍爾開(kāi)關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開(kāi)關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。本課件是可編輯的正常PPT課件霍爾開(kāi)關(guān)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)2.2本課件是可編輯的正常PPT課件2.2霍爾開(kāi)關(guān)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)

利用霍爾元件模塊，探索和熟悉霍爾開(kāi)關(guān)的性能特征，了解霍爾傳感器SS49E的基本原理和使用方法，掌握其硬件接口電路以及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，掌握STM32F407ZGT6芯片外設(shè)ADC的編程應(yīng)用。實(shí)訓(xùn)采用兩個(gè)SS49E霍爾傳感器，一路輸出模擬量，一路輸出開(kāi)關(guān)量，最后在液晶屏顯示AD轉(zhuǎn)換值及開(kāi)關(guān)狀態(tài)。2.2.1實(shí)訓(xùn)目的及要求本課件是可編輯的正常PPT課件

1.霍爾傳感器SS49E工作原理

霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，可以檢測(cè)磁場(chǎng)中的變化并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)。如圖2-15所示，霍爾傳感器SS49E是其中一種型號(hào)，它具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。2.2.2霍爾傳感器SS49E簡(jiǎn)介本課件是可編輯的正常PPT課件

霍爾傳感器SS49E的工作原理是基于霍爾效應(yīng)。其功能框圖如圖2-16所示，SS49E是線性霍爾傳感器。當(dāng)磁場(chǎng)作用于該傳感器時(shí)，傳感器內(nèi)部的霍爾元件會(huì)產(chǎn)生電壓差，該電壓差與磁場(chǎng)的強(qiáng)度成正比。因此，通過(guò)測(cè)量傳感器輸出的電壓，我們可以得到磁場(chǎng)的強(qiáng)度圖2-16傳感器模塊的功能框圖本課件是可編輯的正常PPT課件

2.霍爾傳感器SS49E的應(yīng)用及特點(diǎn)

霍爾傳感器SS49E可以用于磁場(chǎng)大小和方向的測(cè)量，因此在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。例如，它可以用于測(cè)量電流、位置、速度、角度等參數(shù)，還可以用于無(wú)損探傷、電磁場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域。本課件是可編輯的正常PPT課件

霍爾傳感器SS49E具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，它具有體積小、功耗低、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此可以用于許多高精度測(cè)量和控制系統(tǒng)。其次，溫度對(duì)它的影響較小，因此可以在較寬的溫度范圍內(nèi)使用（-40℃~100℃）。此外，它還具有抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

霍爾傳感器SS49E也存在一些缺點(diǎn)。首先，它的輸出信號(hào)較弱，因此需要進(jìn)行放大和濾波處理。其次，它的線性范圍較窄，因此需要進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定處理。此外，它還存在著溫度系數(shù)大、靈敏度低等缺點(diǎn)。本課件是可編輯的正常PPT課件

3.霍爾傳感器SS49E的引腳定義

表2-1霍爾傳感器SS49E引腳定義本課件是可編輯的正常PPT課件2.2.3

實(shí)訓(xùn)硬件接口電路設(shè)計(jì)

STM32F407ZGT6的最小系統(tǒng)及人機(jī)接口原理圖見(jiàn)附錄A，本次實(shí)訓(xùn)中，采用兩個(gè)SS49E傳感器，一路輸出模擬量，一路輸出開(kāi)關(guān)量，模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后接STM32F407芯片的PF4引腳，開(kāi)關(guān)量信號(hào)接STM32F407芯片的PB0引腳。本課件是可編輯的正常PPT課件2.2.4

程序設(shè)計(jì)

本次實(shí)訓(xùn)的任務(wù)是利用霍爾傳感器SS49E對(duì)鐵磁性工件進(jìn)行檢測(cè)，利用兩個(gè)霍爾傳感器，一路輸出開(kāi)關(guān)量，一路輸出模擬量，模擬量的采集利用STM32F407ZGT6芯片的ADC外設(shè)來(lái)完成，開(kāi)關(guān)量的采集利用MCU的IO口完成。該任務(wù)功能主要由main.c、STM32F40x_ADC.c程序文件來(lái)完成，STM32F40x_ADC.c完成對(duì)ADC外設(shè)的配置，main.c完成開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)并通過(guò)LCD顯示模擬量的采集值和開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)。本課件是可編輯的正常PPT課件實(shí)訓(xùn)程序設(shè)計(jì)的要點(diǎn)如下：

（1）配置RCC寄存器組，打開(kāi)ADC設(shè)備時(shí)鐘，打開(kāi)GPIOF設(shè)備時(shí)鐘；

（2）配置GPIOF.4為模擬輸入模式、無(wú)上拉/下拉電阻，配置GPIOB.0為開(kāi)漏、輸入模式，無(wú)上拉/下拉電阻；

（3）AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、GPIO的讀取以及結(jié)果顯示。掃描課本上的二維碼可以獲得本次實(shí)訓(xùn)完整的工程文件。本課件是可編輯的正常PPT課件2.2.5程序運(yùn)行結(jié)果

掃描二維碼獲得整個(gè)工程文件，編譯并運(yùn)行程序，可以看到液晶顯示屏顯示程序運(yùn)行的結(jié)果：1、ADC采樣值以及經(jīng)過(guò)換算后的采樣電壓；2、霍爾傳感器輸出開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到鐵磁性物體時(shí)開(kāi)關(guān)量輸出“ON”，沒(méi)有檢測(cè)到鐵磁性物體時(shí)開(kāi)關(guān)量輸出“OFF”。本課件是可編輯的正常PPT課件光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)2.3本課件是可編輯的正常PPT課件2.3光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)

利用對(duì)射式接近開(kāi)關(guān)ITR9606，探索和熟悉光電開(kāi)關(guān)的性能特征，了解光電開(kāi)關(guān)的基本原理和使用方法，掌握ITR9606與STM32F407ZGT6芯片硬件接口電路以及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，掌握STM32F407芯片外部中斷編程應(yīng)用，在液晶屏顯示通過(guò)光電開(kāi)關(guān)工件的數(shù)量。2.3.1實(shí)訓(xùn)目的及要求本課件是可編輯的正常PPT課件

1.光電開(kāi)關(guān)ITR9606的工作原理

ITR9606是一款對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。ITR9606傳感器外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-20所示。當(dāng)光線通過(guò)發(fā)射器傳輸?shù)浇邮掌鲿r(shí)，如果中間沒(méi)有遮擋物，那么接收器會(huì)接收到光線使光敏三極管導(dǎo)通。一旦有物體遮擋了光線，接收器就接收不到光線，這時(shí)光敏三極管截止。因此，這種光電開(kāi)關(guān)可以用來(lái)檢測(cè)物體是否存在或者物體的位置。2.3.2光電開(kāi)關(guān)ITR