第6讲 传感器及其应用

第六讲传感器及其应用传感器：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传感器技术与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一目前世界上从事传感器研制生产单位5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各1000余家，日本800余家翻页世界传感器前十名的供货商(1)Texas

Instruments(TI)(2)HP(3)Robert

Bosch(4)Honeywell(美)(5)Infineon(美)(6)Seiko

Epson(日)(7)Freescale(美)(8)GE-NovaSensor(美)(9)Omron(日)(10)Analog

Devices(美)第六讲传感器及其应用6.1传感器6.2传感器应用举例翻页翻页6.1传感器6.1.1参数传感器6.1.2半导体传感器6.1.3发电传感器6.1.4光传感器6.1.5气体传感器翻页6.1.1参数传感器利用传感元件的一些物理性质，把非电量转换成电路参数（电阻、电感、电容）的传感器称为参数传感器。参数传感器种类很多，本节介绍典型的有电阻应变片、热电阻、电感传感器和电容传感器翻页1.电阻应变片电阻应变片是利用导体或半导体材料在外力作用下会发生微小的机械变形（称为应变），从而引起材料的电阻值发生变化的应变效应制成的传感元件。一般金属丝应变片在其弹性范围内电阻值的变化与其应变间具有很好的线型关系，即半导体应变片的灵敏度系数大，但是受温度影响大，且线性度较差，故应用范围有限。翻页金属应变计翻页2.热电阻热电阻是中低温区常用的一种测温元件。热电阻是利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化的特性来测量温度的。金属热电阻铂电阻Pt10、Pt100，测温范围－200℃～＋600℃铜电阻Cu50、Cu100，测温范围－50℃～＋150℃半导体材料制成的测温电阻元件称为热敏电阻翻页金属热电阻

装配式热电阻温度传感器与显示仪表配套，测量-200~＋600℃范围内的液体、气体介质以及固体表面等的温度，广泛用于石油、化工、机械、冶金、电力、轻纺、食品、原子能、宇航等工业部门和科技领域。

装配式热电阻通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。装配式热电阻翻页铠装热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的-200℃—＋500℃范围内液体，蒸汽和气体介质以及固体表面温度。翻页端面热电阻适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体表面温度。其他还有隔爆、防腐、以及各种特殊用途的热电阻，在此不再一一介绍。翻页3.电感传感器电感传感器是利用被测物理量的变化引起电感线圈的自感系数L或互感系数M发生变化，通过测量自感或互感的变化就可以测出被测量。电感传感器可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性；可控制定位；可控制对中心率或偏心率。电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮齿条测速等，该类传感器广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业

翻页自感式传感器有气隙型和螺管型两种结构。组成：线圈1铁芯2衔铁3图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为lδ。(b)变截面式0.5lδ123x(a)气隙式

单线圈气隙型传感器翻页差动变气隙式自感传感器EUSC1342ⅠⅡRR(l-Δlδ)/2(l-Δlδ)/2由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁3移动时，一个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减少，形成差动形式。差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍差动式自感传感器非线性失真小差动变气隙式自感传感器结构翻页ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE交流电桥原理图螺管型自感传感器有单线圈和差动式两种结构形式。单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。为提高灵敏度与线性度,常采用差动螺管式自感传感器。线圈Ⅱ线圈Ⅰ2lcΔlc2lrxrxl单线圈螺管型传感器差动螺管式自感传感器翻页中间膜片在压差ΔP＝P1－P2的作用下产生位移，通过连杆带动铁心运动从而将压力差ΔP转换成变压器的电压输出。结构图1－差动变压器

2－铁芯

3－连杆

4－中间膜片翻页电感式压力传感器案例：板的厚度测量~翻页案例：张力测量翻页4.电容传感器电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的传感元件，实质上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等优点。随着电子技术的发展，它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器。电容式传感器广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中。汽车行业使用电容式传感器主要用于安全系统、轮胎磨损监测、惯性刹车灯、前灯水准测量、安全带伸缩、自动门锁和安全气囊。

翻页用两块金属平板作电极可构成电容器，间隙δ、极板相互覆盖面积S和介电常数ε中的某一项或几项有变化时，就改变了电容量Cδ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化ε的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。Sδε翻页产品电容式液位传感器（液位计/料位计）翻页电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。翻页6.1.2半导体传感器半导体压阻式压力传感器PN结温度传感器霍尔传感器翻页半导体压阻式压力传感器半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。根据研究结果，半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。压阻式加速度传感器由于在汽车工业中的广泛应用而发展最快，加速度传感器主要用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面。翻页压阻式传感器特点压阻式传感器优点是:①灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；②分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压；③测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；④可测量低频加速度和直线加速度。缺点：其最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。翻页压阻式传感器模块的剖面传感器模块上方的P/T导入孔真空腔扩散电阻压力传感器结构图翻页用于测量汽车胎压的传感器以及集成电路芯片PN结温度传感器PN结温度传感器是利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性，可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管(将集电极与基极短接)做成PN结温度传感器。这种传感器测温范围为-50℃至150℃，有较好的线性度，尺寸小，响应快、灵敏度高、热时间常数小的特点，用途较广。翻页集成温度传感器AD590AD590是把测温晶体管元件与放大电路、补偿及线性化电路均集成在同一块芯片上构成的集成温度传感器AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。翻页封装形式与基本应用电路温差测量电路Vo=I(R3+R4)=(I1-I2)(R3+R4)=(I1-I2)100mVAD590应用电路翻页霍尔传感器霍尔传感器是将霍尔元件、放大器、温度补偿器及稳压电路集成在一个芯片上，它基于霍尔磁效应，可以将磁场磁通量的变化转化成为线性的电压信号输出。用霍尔元件可以制成霍尔电流传感器、霍尔电压传感器及霍尔功率传感器另外，霍尔元件可用于位置及位移检测，转速、转角及移动速度检测等。翻页霍尔传感器产品霍尔电流传感器霍尔电压传感器霍尔齿轮传感器霍尔接近开关翻页电梯智能称重变送装置翻页6.1.3发电传感器1.磁电式传感器2.压电式传感器3.热电偶翻页1.磁电式传感器磁电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)适用于振动、转速、扭矩等测量。这种传感器的尺寸和重量都较大。翻页磁电式传感器工作原理感应线圈的感应电动势e为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。因此，磁电式传感器分为动圈式与磁阻式翻页动圈式传感器动圈式传声器翻页测速电机测速电机翻页2.压电式传感器某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。翻页压电式传感器该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。压电式传感器前置放大器测量仪器翻页压电式传感器应用流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计压电式加速度传感器结构图运动方向213451－输出信号电极2－质量块3－螺母4－压电陶瓷5－基座翻页压力变送器加速度计力传感器压电式传感器产品翻页压电式传感器案例：热轧设备诊断翻页3.热电偶热电偶是接触式温度传感器，与温度显示仪表配合使用，可测量生产过程中-200℃~1800℃范围内各种液体、气体、蒸汽介质以及固体表面的温度，其多样的结构形式能够适应工业过程各种复杂环境的安装及包括防爆的各种场所的使用。翻页热电偶的工作原理两种不同成份的导体，两端经焊接，形成回路，直接测量端叫工作端（热端）接线端子端叫冷端，当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流，接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值，电动势随温度升高而增长。热电动势的大小只和热电偶的材质以及两端的温度有关，和热电偶的长短粗细无关。翻页热电偶的结构装配式热电偶铠装式热电偶隔爆式热电偶翻页6.1.4光传感器1.CCD图象传感器2.热释红外线传感器翻页1.CCD图象传感器ＣＣＤ（ChargedCoupledDevice）于１９６９年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经有３０多年。ＣＣＤ又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。翻页CCD的结构（一个象素）P型Si耗尽区电荷转移方向U1U2U3输出栅输入栅输入二极管输出二极管SiO2翻页线型CCD图像传感器（a）单行结构；（b）双行结构转移栅光敏单元移位寄存器输出(a)转移栅光敏单元输出(b)移位寄存器1移位寄存器2线型ＣＣＤ用于传真机、光学OCR设备的2048象素线性CCD芯片TCD102D翻页面型CCD图像传感器输出移位寄存器输出垂直转移寄存器光敏单元转移控制栅SONYICX408ALCCD图像传感器翻页CCD与CMOS图象传感器CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。翻页从左到右分别的CanonEOS-1Ds1100万像素的CMOS传感器，EOS-1D使用的400万像素CCD传感器和CanonEOS-D60使用的600万像素CMOS传感器CanonEOS-1Ds－II

1670万像素全画幅CMOS图像传感器CCD/CMOS传感器应用翻页2.热释电红外线传感器

热释电红外线传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它是根据热释电效应制成的，即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等。翻页人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。选择合适的滤光镜片，使这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，形成一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。翻页无线红外探测器有线红外探测器翻页6.1.5气体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。能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。翻页直热式和旁热式气敏元件由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号翻页半导体气敏传感器的各检测对象气体翻页应用电路下图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的电流，足以推动其工作而发出报警信号。~220VBZ氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR翻页6.2传感器应用举例6.2.1电子秤6.2.2温度检测6.2.3远距离抄表系统6.2.4烟雾报警器6.2.5红外线传感器翻页6.2.1电子秤电子秤是测定器物、材料、商品等质量的装置，其结构多样，功能齐全，且易于实现数据通信。故应用广泛，已基本取代了传统的衡器。其典型的结构框图如下传感器测量电路模拟放大A/D转换CPU处理器显示器键盘电源翻页双端绞支称重传感器桥式称重传感器轮辐式称重传感器悬臂樑式称重传感器柱式称重传感器S型拉压式称重传感器称重传感器翻页测量/模拟放大电路桥式测量电路模拟放大电路到A/D转换器翻页A/D转换器CPU数据处理系统输入及控制单元数字显示单元翻页电子秤产品电子吊秤电子记重秤电子皮带秤电子地上衡汽车衡翻页6.2.2温度检测光学高温计是非接触式测量高温的仪表，当被测量的温度高於热电偶所能使用的范围，以及热电偶不可能装置或不适宜装置的场所，用光学高温计一般可以满足这个要求。它广泛地用来测量冶练、浇铸、轧钢、玻璃熔窖、锻打、热处理等温度，是冶金、化工和机械等工业生产过程中不可缺少的温度测量仪表之一翻页光学高温计主要技术指标产品型号测量范围℃量程℃允许基本误差℃

附注

WGG2-201700～2000700～1500800～＜900±33800℃以下仅作参考900～1500±221200～2000

±30WGG2-3231200～32001200～2000±30

1800～3200±80光学高温计翻页辐射高温计辐射高温计是非接触式简易辐射测温仪表，它是根据物体的热辐射效应原理来测量物体表面温度的。轻型成套产品重型成套产品翻页热电偶测温热电偶测温优点①测量精度高②测量范围广③构造简单，使用方便便携式热电偶测温仪翻页自动平衡式显示仪表自动平衡式显示仪表是利用补偿原理进行测量的自动电子仪表。它与热电偶、热电阻等变送器配套，可以来测量、记录和控制温度，也可用来连续测量电流、电压和电阻以及能转换成电压和电阻的其它物理量。它具有动作迅速、精确度高（一般为0.5级），不仅能指示，而且可以连续记录被测参数，若加上一些附加装置还可实现多点指示、记录、报警、调节等功能，以及适应性强等优点。翻页它一般由测量线路、电子放大器、可逆电机、同步电机、指示和记录机构、调节机构等几个主要部件组成。测量线路（桥路）接受来自测量元件的信号，根据平衡原理，按信号的大小操纵可逆电机，可逆电机一方面带动测量线路中的，平衡机构使测量桥路重新平衡；一方面则带动指示和记录机构，以显示和记录备被测温度或其它参数。翻页电子体温计翻页燃气器具熄火保护装置翻页6.2.3远距离抄表系统水、电、气远程自动抄表系统，计量技术、自动控制技术、计算机技术、数据处理的完美结合，解决了工人上门抄表的繁杂劳动，节省了人工，提高了管理部门的工作效率水、电、气表远程自动抄表系统由脉冲式水、电、气表、数据采集器、大楼集中器、区域集中器、手持抄表器、管理微机等组成翻页系统功能抄表：通过小区联网，管理微机既可通过专线或电话网络远程抄录水、电、气表的读数并记录故障情况，亦可通过手持抄表器现场抄录单个或几个采集终端的数据，实现低成本的抄表系统报警：可对用户