传感器基础技术

1、电子设计专题讲座传感器技术与应用一、传感器的概念 1、定义： 人类为了从外界获取信息, 必须借助于感觉器官。 随着科学技术的发展。 一系列代替、 补充、 延伸人的感觉器官功能的各种手段就应运而生, 从而出现了各种用途的传感器。 传感器是与人的感觉器官相对应的元件。 国家标准GB7665-87对传感器下的定义 “传感器是能够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或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成”。敏感元件： 是指传感器中能直接感受或响应被测量 （输入量）的部分; 转换元件： 是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。传感器组成

2、方块图， 说明了传感器的基本组成和工作原理。二、传感器的分类 传感器种类繁多, 功能各异,有不同的分类。按照被测量大类分, 可分为力学量传感器、热量传感器、 磁传感器、光传感器、放射线传感器、气体成分传感器、 液体成分传感器、离子传感器和真空传感器等等传感器作用可细分如下:(1)压力; (2）力/荷重; (3）位移（厚度）; (4）力矩; (5）角度; (6）角速度（转速）; (7）速度; (8）加速度; (9）角加速度; (10）倾斜角; (11）编码器; (12）振动; (13）气体/烟雾; (14）温度; (15）热能; (16）湿度; (17）水份; (18）露点; (19）液位; (

3、20）料位; (21）流量; (22）流速 (23）风速; (24)电流; (25）电压; (26）电功率; (27）电频率; 相位、Q值等(28）接近开关; (29）磁性开关; (30）光电开关; (31）pH值; (32）电阻率; (33）电导率; (34）水溶氧; (35）生物; (36）红外线; (37）紫外线; (38）光纤; (39)离子; (40）激光; (41）超声波; (42）声音/噪声; (43）触觉; (44）图像/颜色; (45）密度/粘度; (46）混浊度。三、信号形式及处理开关量电平。电阻。模拟电压电流（交直流）电荷（一般要交变采集）电容及电感（交流电桥或振荡器）时

4、间差。直接与间接测量。 在了解传感器原理的基础上：明确要求，选用传感器设计合适的信号转换电路，确定单片机信号处理方法。四、传感器的性能和评价传感器的静态特性 (1)灵敏度 灵敏度是描述传感器的输出量（一般为电学量）对输入量（一般为非电学量）敏感程度的特性参数。 其定义为: 传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比, (2) 线性度 理想的传感器输出与输入呈线性关系。 然而, 实际的传感器即使在量程范围内, 输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的, 总存在一定的非线性。线性度是评价非线性程度的。 （3）迟滞差 输入逐渐增加到某一值, 与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等,

5、 叫迟滞现象。（4）稳定性 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。 理想的情况是, 不管什么时候传感器的灵敏度等特性参数不随时间变化。但实际上, 随着时间的推移, 大多数传感器的特性会改变。这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发生变化, 产生一种经时变化的现象。五、常用传感器 传感器品种繁多，使用有些方便，有些应用非常复杂。针对电子竞赛而言，可能用到的传感器应该是必须满足一个基本原则：相对容易购买，在系统应用中容易实现。主要原因是电子竞赛从主要器件清单公布到竞赛开始只有一周时间，不易购买传感器一般不会出现，另一角度来说，实际运行环境不易组成的传感器应用也不易出现，如

6、流体压力类传感器或高温传感器，核辐射类传感器也不易出现。现电子竞赛中已出现的常用传感器测中低温（150）的温度传感器超声传感器（测距等）红外传感器（光电对管）霍尔(电涡流)接近开关（用于金属探测）点滴流量测量。重量测量。转速，速度，位移（长度）测量。（电动小车）。电流、电压测量（互感器）。1、电流、电压测量(1)直接提取。应采用取样电阻，并尽量用精密电阻，可采用锰铜丝（温度系数好）做，电流取样电阻适当小好。电压输入阻抗高好。(2)隔离提取。交流测量可采用电流电压互感器（简单理解可认为和变压器相似）。(3)应用（带感性容性负载）。功率因数计算-电流电压相位差。（有功无功功率计算）。 互感器原理简

7、单地说电压互感器(PT)和电流互感器(CT)的作用就是把高电压大电流隔离转换为低电压小电流,能够用表计安全方便地来测量与监控。电流互感器的作用是测量交流电路的电流。 原理：将被测电缆或铜排穿过互感器的中心，导体中将产 生交变磁场，于是在互感器的线圈中感应出电流，可以测出电路中电流 。电压互感器的作用是测量交流电路中的电压 原理：与变压器相同 2、电阻、电感、电容三参数处理如图所示，是电阻应变片（测力及位移）的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。一般均为几十欧至几十千欧左右。（重量测量、电子秤）。 电位器式角度传感器测量角度电阻应变片力传感器电位器式角度传

8、感器的应用直流电桥（或直接分压）变磁阻式传感器（测小位移） 变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度， 也可测量非导电固体介质的湿度 电容式液位变换器结构原理图电容及电感交流电桥电容及电感（鉴频器频率转换为电压振幅，也可直接测频率）3、温度测量数字温度传感器DS1820热敏电阻半导体二极管热电阻热电偶红外等非接触测温（1）半导体热敏电阻热敏电阻的温度特性正系数型PTC负系数型NTC和临界系数型CTR型(开关)（2）半导体热敏电阻电路（3）晶体二极管PN二极管测温电路 （4）热电阻传感器热电阻传感器是利用金属导体电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻广泛用来

9、测量-200850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器，PT100 0度100欧 100度138.5欧CU50 0度50欧（5）热电偶传感器 两种不同材料的导体（或半导体）焊接在一起，接点就会产生电动势，这种现象称为热电效应, 该电动势称为热电势。这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。热端（测量端），测温时将它置于被测介质中; 冷端通过导线与显示仪表相连。测高温，如热电偶K 0MV 0度 30MV 一千多度图例（6）智能式测温传感器 传感器与微处理机可分为两个独立部分，传感器的输出信号经

10、处理和转化后由接口送到微处理机部分进行运算处理。这就是我们指的一般意义上的智能传感器, 又称传感器的智能化(大部分）传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、 微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成电路智能传感器，简称集成智能传感器。单线接口温度测量 ds1820 DS1820在使用中不需要任何外围元件。测温范围55125，固有测温分辨率0.5(0.1 ).,DS1820支持多点组网功能，多个DS1820可以并联，实现多点测温。 DS1820引脚及功能美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS182,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的硅串

11、行数所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单线接口）。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。DS1820与89C51单片机接口一条线 ，网上现成应用程序。（7）双金属固体膨胀式双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的。它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片.二种输出,接点和电阻. 固体膨胀式是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的。它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片，上下限报警和控制。 （8） AD590集成温度传感器 25（298.2

12、K）输出电流为298.2A（9）远红 外 传 感 器测温 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光.红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强.远红 外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显示单元等组成。 红外探测器是红外传感器的核心光电二极管工作于近红外。红外传感器的应用 红外测温仪目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括光、 机、电一体化的红外测温系统，图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许814 m的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动， 将被测的红外辐射调

13、制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。 被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。 （感应电荷，交流更新）红外测温仪方框图热释电型红外探测器在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。被动式热释电红外探头的工作原理及特性：人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外

14、感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。4、开关类及光敏传感器霍尔式传感器电涡流式传感器光电式传感器普通接触开关（1） 霍尔式传感器置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度霍尔效应原理图E=K*I*B霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度霍尔元件基本结构（a） 外形结构示意图；b） 图形

15、符号 霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成连续测量。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。 霍尔集成元件霍尔集成元件是将霍尔元件和放大器等集成在一块芯片上。 它由霍尔元件、 放大器、电压调整电路、电流放大输出电路、 失调调整及线性度调整电路等几部分组成，有三端T形单端输出和八脚双列直插型双端输出两种结构。它的特点是输出电压在一定范围内与磁感应强度成线性关系。霍尔开关霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和接

16、近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。霍尔开关可应用于接近开关，里程表等。内部原理图、输入/输出的转移特性霍尔传感器的应用霍尔式微位移传感器 霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，它不仅用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量， 也在位移测量中得到广泛应用。图给出了一些霍尔式位移传感器的工作原理图。图是磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置， 霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0， 因此霍尔元件输

17、出的霍尔电势UH也等于零，此时位移x=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移，霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时UH不为零，其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。这种结构的传感器， 其动态范围可达5 mm霍尔式位移传感器的工作原理图(a) 磁场强度相同传感器； (b) 简单的位移传感器； (c) 结构相同的位移传感器霍尔开关式转速传感器霍尔计数装置 霍尔开关传感器SL3501具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化， 因而可对金属零件进行计数检测。 下图是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。当钢球通过霍尔开关传感器时，传感器可输出峰值 20 mV的负脉冲电压，该

18、电压经运算放大器(A741) 放大后， 驱动半导体三极管V(2N5812)工作， V输出端便可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。 霍尔计数装置的工作及电路图（2）电涡流式传感器（工作原理） 电涡流传感器应用-接近开关 位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量（

19、或开关量）的测量。 （3）光电式传感器 在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应 半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。 半导体光敏电阻光敏电阻（用半导体材料光电器件）。光敏电阻没有极性， 纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大。当光敏电阻受到光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。对应于不同波长，光

20、敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区， 常用做火焰探测器的探头。常用可见光 光敏电阻的结构光敏电阻的电极一般采用梳状图案。光敏电阻接线图火焰探测报警器（火焰闪动）近红外光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管的结构与一般二极管相似。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有近红外光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用

21、下作定向运动，形成光电流。近红外光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。可看成一个光敏电阻。 光敏晶体管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，所以输出电流能力大大加强，可直接驱动灵敏继电器。适合于开关状态或位式信号的光电变换NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路达林顿光敏管的等效电路光电开关的基本电路光敏二极管和光敏晶体管应用光敏二极管和光敏晶体管一般和

22、红外发光二极管组成多种光电传感器光电开关，测阻挡物传感器光电液位测量传感器光电感烟传感器(4) 超声波传感器利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。 20000 以上的机械波，称为超声波 根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。 密封式压电陶瓷振动空气超声换能器超声波的反射和折射超声波物位传感器超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为

23、已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。时间为 T=2H/C，C气体中波声速为344 m/s，液体中波声速在9001900m/s。 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。 它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头； 而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。 几种超声物位传感器示意图超声波流量（）传感器传播时间法T1T2=L/（C-V）L/（C+V)。超声波测距仪 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速 .(5) 气敏传感器 气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。 由于气体种类繁多, 性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此