第1章传感器技术基础课件

第1章传感器技术基础

5.1传感技术概述

传感技术是实现自动化的关键技术之一。传感器已广泛地应用到了工业、农业、环境保护、交通运输、国防以及日常工作与生活等各个领域中。开发新的敏感材料是研制新型传感器的关键。功能陶瓷材料、高分子有机敏感材料、生物活性物质（如酶、激素等）和生物敏感材料（如微生物、组织切片）都是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料。微型化、多维多功能化、集成化、数字化及智能化是传感器的发展方向。

5.1.1传感器的基本概念

关于传感器的定义，众说不一。

根据我国的国家标准（GB7765-87），传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。定义包含的意思：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。③它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量；④输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。

输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。

敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。

调理电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。

敏感元件调理电路转换元件被测量中间量输出电量1．按工作机理分类

结构型传感器：是利用传感器的结构参数变化来实现信号转换的。物性型传感器：在实现转换的过程中，传感器的结构参数基本不变，而是依靠传感器中敏感元件内部的物理或化学性质的变化来实现检测功能的。2．按能量转换情况分类

根据传感器的能量转换情况，可分为：能量控制型传感器。如电阻式、电感式等传感器。能量转换型传感器。如基于光电效应等的传感器。

5.1.2传感器的基本分类

3．按物理原理分类⑴电路参量式传感器。包括电阻式、电感式、电容式等三个基本型式。

⑵磁电式传感器。包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等。

⑶压电式传感器。

⑷光电式传感器。包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式等。⑸气电式传感器。

⑹热电式传感器。

⑺波式传感器。包括超声波式、微波式等。⑻射线式传感器。⑼半导体式传感器等。4．按用途分类

按照传感器的用途来分类，可分为：位移传感器压力传感器振动传感器温度传感器速度传感器等。

5．按输出电信号类型分类根据传感器输出电信号的类型不同，可以分为：模拟量传感器数字量传感器开关量传感器。接近开关是一种采用非接触式检测、输出开关量的传感器。根据电磁感应原理可知，当金属物体处于一个交变的磁场中时，在金属物体内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。5.2电感式接近开关

5.2.1电涡流效应

电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。5.2.2电感式接近开关的基本工作原理高频振荡型电感式接近开关：它以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。差动线圈型电感式接近开关：

它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线圈中磁通的变化，检测线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较后的磁通差，经由传感器的信号调理电路将该磁通差转换成电的开关量输出，从而达到检测的目的。1．按工作电源的性质进行分类⑴交流型：采用交流电源供电，用于交流控制回路。⑵直流型：采用直流流电源供电，用于直流控制回路。

5.2.3电感式接近开关的分类

2．按接线方式进行分类⑴二线制

⑵三线制

⑶四线制

⑷五线制

⑸六线制

3．按触点的性质分类

⑴常开式

⑵常闭式

⑶常开与常闭混合式

4．按输出逻辑分类

⑴正逻辑型

⑵负逻辑型

⑶浮空逻辑型

⑷混合型

5．按外形分类

⑴螺纹型

⑵圆柱型

⑶长方体型⑷U型等6．按防护方式分类

⑴防水型

⑵防爆型

⑶耐高温型

⑷耐高压型等

5.2.4电感式接近开关的图形符号

在高频振荡型电容式接近开关中，以高频振荡器（LC振荡器）中的电容作为检测元件，利用被测物体接近该电容时由于电容器的介质发生变化导致电容量C的变化，从而引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。5.3电容式接近开关

5.3.1电容式接近开关的基本工作原理5.3.2电容式接近开关的图形符号5.4光电式接近开关

光电式传感器是用光电转换器件作敏感元件、将光信号转换为电信号的装置。光电式传感器的种类很多，按照其输出信号的形式，可以分为模拟式、数字式、开关量输出式。以开关量形式输出的光电传感器，即为光电式接近开关。

5.4.1光电效应

光电效应：物质（主要指金属）在光的照射下释放出电子的现象。

外光电效应：物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象。内光电效应：物体在受到光的照射时，使物体内部的部分束缚电子变为自由电子，从而使物体的导电能力增强，或者在特殊结构的物体内部使电子按照一定的规律运动形成电动势的现象。

5.4.2光电式接近开关

利用光电效应制成的传感器称为光电式传感器。光电式传感器的种类很多，其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。

光电式接近开关主要由光发射器和光接收器组成。光发射器用于发射红外光或可见光。光接收器用于接收发射器发射的光，并将光信号转换成电信号以开关量形式输出。按照接收器接收光的方式不同，光电式接近开关可以分为对射式、反射式和漫射式三种。光发射器和光接收器也有一体式和分体式两种。

1．对射式光电接近开关

对射式光电接近开关是指光发射器（光发射器探头或光源探头）与光接收器（光接收器探头）处于相对的位置工作的光电接近开关。

2．反射式光电接近开关

反射式光电接近开关的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且光发射器与光接收器为一体化的