常用传感器_1概述

1、掌握道路交通常用传感器的基本原理2 2、常用传感器、常用传感器目录目录41.1传感器概述12351.2压电传感器1.3光电传感器1.4电涡流传感器1.5微波传感器671.6超声波传感器1.7图像传感器目录目录41.1传感器概述12351.2压电传感器1.3光电传感器1.4电涡流传感器1.5微波传感器671.6超声波传感器1.7图像传感器自动检测系统的组成自动检测系统的组成图1 测量系统的组成 传感器测量电路输出单元被测量 传感器传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置

2、。量）的测量装置。 测量电路测量电路：把传感器输出的变量变换成电压或：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。测或反馈信号。 输出单元输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。数据处理电路等。1.1 1.1 传感器概述传感器概述 一、一、 传感器的定义传感器的定义 二、二、 传感器的组成传感器的组成 三、三、 传感器的物理基础传感器的物理基础 一、一、 传感器的定义传感器的定义 根据

3、中华人民共和国国家标准（根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87GB7665-87） 传感器（传感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）：能感受规定的被测）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。置。 传感器是测量装置，能完成检测任务传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等也可能是化学量、生物量等； 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、

4、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量但主要是电量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。图1-1 人体和机器的对应关系 二、传感器的组成二、传感器的组成 敏感元件敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量 转换元件转换元件 敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量 转换电路转换电路 上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出敏

5、感元件转换元件转换电路被测量电量传感器分类工作机理工作机理：物理型、化学型、生物型：物理型、化学型、生物型物理型传感器：物理基础的基本定律。物理型传感器：物理基础的基本定律。场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律构成原理构成原理结构型结构型:物理学中场的定律物理学中场的定律物性型物性型:物质定律物质定律能量转换能量转换能量控制型能量控制型能量转换型能量转换型物理原理物理原理：电参量式传感器、磁电式传感器等：电参量式传感器、磁电式传感器等用用 途途： 位移、压力、振动、温度位移、压力、振动、温度1) 1) 按输入量按输入量( (被测对象被测对象) )分类分类

6、输入量即为被测对象。输入量即为被测对象。 按输入量分类，按输入量分类， 传感器可分为传感器可分为物物理量传感器理量传感器、 化学量传感器化学量传感器和和生物量传感器生物量传感器三大类。三大类。 其中，其中， 物理量传感器又可分为温度传感器、物理量传感器又可分为温度传感器、 压力传感器、压力传感器、 位移传感位移传感器等等。器等等。 这种分类方法给使用者提供了方便，这种分类方法给使用者提供了方便， 容易根据被测容易根据被测对象选择所需要的传感器。对象选择所需要的传感器。 2) 2) 按转换原理分类按转换原理分类从传感器的转换原理来说，从传感器的转换原理来说， 通常分为通常分为结构型、结构型、 物

7、性型物性型和和复合型复合型三大类。三大类。 结构型传感器利用机械构件(如金属膜片等)在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、 电感、 电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。 物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、 化学效应(即物质定律， 如虎克定律、 欧姆定律等)来实现非电量转换的。 它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。 复合型传感器是由结构型传感器和物性型传感器组合而成的， 兼有两者的特征。 例如， 电阻式、 电感式、 电容式、 压电式、 光电式、 热敏、 气敏、 湿敏、 磁敏传感器等等。 这种分类方法清楚地指

8、明了传感器的原理， 便于学习和研究。 3) 3) 按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类按输出信号的形式， 传感器可分为开关式、 模拟式和数字式。 4) 4) 按输入和输出的特性分类按输入和输出的特性分类按输入和输出特性， 传感器可分为线性和非线性两类。 5) 5) 按能量转换的方式分类按能量转换的方式分类 能量转换型或发电型能量转换型或发电型把非电量直接变成电压量、把非电量直接变成电压量、 电流量、电流量、 电荷量等，电荷量等， 如磁电式、如磁电式、 压电式、压电式、 光电池、光电池、 热电偶等。热电偶等。能量控制型或参数型能量控制型或参数型把非电量变成电阻、把非电量变成电阻、 电容、电容

9、、 电感等。电感等。三、传感器的物理基础三、传感器的物理基础 1 1 物理定律物理定律它包括能量、动量、它包括能量、动量、电荷量等守恒定律。电荷量等守恒定律。 这些定律是我们在探这些定律是我们在探索、研制新型传感器索、研制新型传感器或分析、综合现有传或分析、综合现有传感器时必须严格遵守感器时必须严格遵守的基本法则。的基本法则。动力场的运动定律、动力场的运动定律、 电磁场电磁场的感应定律等，的感应定律等， 其作用与物其作用与物体在空间的位置及分布状态体在空间的位置及分布状态有关。有关。 由物理方程给出，由物理方程给出， 可作为传可作为传感器工作的数学模型。感器工作的数学模型。 例如，静电场例如，

10、静电场 电容式电容式传感器，传感器， 电磁感应定律电磁感应定律电感电感(自感或互感自感或互感)式传感器。式传感器。可统称为可统称为结构型传感器。结构型传感器。各种物质本身内在性质的定各种物质本身内在性质的定律律(如虎克定律、如虎克定律、 欧姆定律欧姆定律)，以固有的物理常数描述。以固有的物理常数描述。如利用半导体物质法则如利用半导体物质法则压阻、压阻、 热阻、热阻、 光阻、光阻、 湿阻湿阻等效应，等效应， 可分别制成压敏、可分别制成压敏、 热敏、热敏、 光敏、光敏、 湿敏等传感湿敏等传感器件；器件； 利用压电晶体物质法则利用压电晶体物质法则压电效应，压电效应， 可制成压电式传可制成压电式传感器

11、等等。感器等等。 可统称为可统称为物性型传感器物性型传感器。它是把微观系统与宏观系统它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则，联系起来的物理法则， 这些这些法则常常与传感器的工作状法则常常与传感器的工作状态有关。态有关。 它是分析某些传感器的理论它是分析某些传感器的理论基础，基础， 这些方面的研究尚待这些方面的研究尚待进一步深入。进一步深入。2 2 物理效应物理效应1 1）. . 热电效应热电效应将两种金属线接成闭合回路时接点将两种金属线接成闭合回路时接点温度不同而产生热电势的现象，实温度不同而产生热电势的现象，实现温度现温度电的转换。可制成热电偶电的转换。可制成热电偶传感器。传感器。 塞贝

12、克效应塞贝克效应珀尔帖效应珀尔帖效应当两种不同金属材料接触时，当两种不同金属材料接触时， 自自由电子在浓度差作用下发生扩散，由电子在浓度差作用下发生扩散， 使结合部两边产生电势差，使结合部两边产生电势差， 称为称为接触电势。接触电势。 可逆，可逆， 当有电流流过结合部时，当有电流流过结合部时， 两边会分别发生发热和吸热现象，两边会分别发生发热和吸热现象， 实现电实现电温度的转换。温度的转换。 半导体制冷器。半导体制冷器。 汤姆逊效应汤姆逊效应同一种导体两端温度不同时，同一种导体两端温度不同时， 自由自由电子在动能差作用下发生扩散，电子在动能差作用下发生扩散， 使使导体两端产生电势差，导体两端产

13、生电势差， 称为温差电称为温差电势。势。 逆效应当电流流过不同温度的逆效应当电流流过不同温度的同种导体结合部时，同种导体结合部时， 也会引起发热也会引起发热或吸热的现象，或吸热的现象， 温差温差电及电电及电温温差的转换。差的转换。 (2) 热电子发射效应：热电子发射效应： 金属板在真空中加热时发射电子的现象可实现热金属板在真空中加热时发射电子的现象可实现热电电子的转换。红外成像就是利用这种原理制成红外摄像子的转换。红外成像就是利用这种原理制成红外摄像管。管。 2 2） 光磁电效应光磁电效应在光的作用下电子可逸出物体表面在光的作用下电子可逸出物体表面的现象，又称外光电效应。的现象，又称外光电效应

14、。利用这一效应可制成光电二极管、利用这一效应可制成光电二极管、 光电倍增管及紫外线传光电倍增管及紫外线传感器等。感器等。 半导体材料在光照射时其电阻发生变半导体材料在光照射时其电阻发生变化的现象，可实现光化的现象，可实现光电阻的转换。电阻的转换。利用这一效应可制造出光敏电阻。利用这一效应可制造出光敏电阻。 利用光照射利用光照射PN结，结， 使载流子浓度发生变化，使载流子浓度发生变化， 从而从而产生电势差，产生电势差， 实现光实现光电的转换。电的转换。 光电池、光电池、 光敏二极管、光敏二极管、 光敏三极管和光敏晶闸管等都是利用这一现光敏三极管和光敏晶闸管等都是利用这一现象工作的。象工作的。利用

15、人体辐射的红外线的热效应制成热释电利用人体辐射的红外线的热效应制成热释电( (人体人体) )传感器传感器及其他红外探测器等。及其他红外探测器等。它是指光通过磁场时光谱离散的现象，它是指光通过磁场时光谱离散的现象， 可实现光磁可实现光磁光谱光谱的转换。的转换。 它是指单色光照射物质时发出与入射光谱不同的光的现象，它是指单色光照射物质时发出与入射光谱不同的光的现象，可实现光可实现光光的转换。光的转换。 它是指光通过压电晶体并在垂直方向加电压时，光分成正常它是指光通过压电晶体并在垂直方向加电压时，光分成正常光线和异常光线的现象，可实现光和电光线和异常光线的现象，可实现光和电光的转换。光的转换。 它是

16、指光通过各种同性物质并在垂直方向加电压时分成正常它是指光通过各种同性物质并在垂直方向加电压时分成正常光线和异常光线的现象，可实现电和光光线和异常光线的现象，可实现电和光光的转换。光的转换。 它是指线偏振光通过磁性物质时偏振面旋转的现象，它是指线偏振光通过磁性物质时偏振面旋转的现象， 可实可实现光和磁现光和磁电的转换。电的转换。 3 3）. .磁效应磁效应(1) 霍尔效应：它是指电流流过导体或半导体并在与电流同向或垂直的方向加磁场时，在各个垂直方向产生电势的现象， 可实现磁和电电的转换。目前，霍尔元件应用非常广泛。 利用磁场使载流子运动方向偏移的现象，可以制成磁敏二极管、 磁敏三极管等器件。(2

17、) 磁阻效应：它是指电流流过导体或半导体并在与电流相同或垂直的方向加磁场时电阻增加的现象，可实现磁和电电阻的转换，从而制成磁敏电阻。 (3) 磁致伸缩效应： 它是指强磁体加磁场时产生变形的现象，可实现磁变形的转换，用于制成超声波的发射器。 4 4）. . 压电效应压电效应压电效应是指强介质加压力时的极化现象， 可产生电位差以实现压力电的转换， 制成各种压电式传感器。 压电效应又是可逆的，不仅可制成超声波的发射头， 而且还可制成超声波的接收头。 5 5）. .多普勒效应多普勒效应当声源、光源及微波等波源与观测者之间有相对运动时， 观测到的频率与静止情况下不相同，这种现象称为多普勒效应。 大家可能都有这种体会， 当一辆鸣着汽笛的汽车从我们身边通过时，我们听到鸣笛的音调是随着汽车的接近而升高， 随着汽车的远离而降低， 这就是一个最常见的多普勒效应实例。 利用多普勒效应可实现声、 光(电磁波)频率的转换， 广泛用于速度检测、 人体探测， 甚至天体结构的研究等。 当位置固定的发射器发出一个固定频率的电磁波作用于一个运动的物体时，反射回来的电磁波的频率会发生变化， 这种变化的频率称为频移，也叫多普勒频率。 多普勒频率为 00Rd2vfff(1-1) 式中，fR为反射信号的频率；f0为发射信号的频率；v为运动物体的速度；0(0C/f0)为