现代检测技术-传感器

第一章传感器概述第一节传感器与非电量电测一、非电量与非电量电测二、非电量电测系统非电量电测系统系统组成：传感器、测量电路、显示或记录装置、电源传感器测量电路显示电路记录装置电源第二节传感器的定义GB665-87规定：能感受规定的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。第三节传感器的分类被测物理量分：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器工作原理分：电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器直接转换型和间接转换型第四节传感器的基本特性一、传感器的静态特性线形度、灵敏度、迟滞、重复性二、传感器的动态特性随时间变化的能力第五节传感器的应用领域1传感器在工业检测和自动控制系统中的应用2汽车与传感器3传感器与家用电器4传感器在机器人上的应用5传感器医疗与人体医学上的应用6传感器与环境保护7传感器与航空及航天8传感器与遥感技术第六节传感器的发展方向新特性可靠性集成化和功能化微型化新型功能材料第二章温度传感器第一节电接点玻璃水银温度计第二节电接点压力式温度计第三节双金属温度传感器第四节热电偶一、热电偶的基本工作原理如图：不同质的导体或半导体组成闭合回路而两端处于不同的温度T0和T，回路中有一定的电流，表明有电势，该电势称为热电势。T0TAB产生热电势的效应为热电效应热电偶工作原理TABT0测量仪表二、热电极的材料要求：（1）热电势大（2）稳定性好（3）线形性好（4）复现性好（5）响应快材料：合金材料三、常用热电偶1铜-康铜热电偶（正极纯铜，负极40%铜，60%镍，-200~3000C）2镍铬-考铜热电偶（正极90%镍，10%铬，负极44%镍，56%铜,8000C）3镍铬-镍硅热电偶（正极90%镍，9~10%铬，0.4%硅,负极90%镍，2.5~3%硅，0.6%钴，0~13000C）4铂铑-铂热电偶（正极90%铂，10%铑，负极纯铂，11000C）5铂铑30-铂6（正极70%铂，30%铑，负极94%铂，6%铑，16000C）四、热电偶的结构1、普通热电偶2、铠装热电偶3、薄膜热电偶第五节热电阻一、工作原理物质的电阻率随温度变化而变化的现象称为热电阻效应。热电阻传感器金属热电阻和热敏电阻二、热电阻的材料及要求（1）材料的温度系数要大，提高灵敏度（2）电阻率尽可能大（3）热容量小，提高响应速度（4）测量范围内有稳定的理化性质（5）电阻与温度的关系接近线形（6）良好的加工性三、常用热电阻1铂热电阻（国际公认的成熟产品，稳定性好精度高重复性好200~6500C）2铜热电阻（精度低，价格便宜，测量范围一般为-50~1500C）四、热电阻的结构第六节热敏电阻一、工作原理金属的电阻值随温度的升高而增大，但半导体却相反。热敏电阻的阻值变化是铂热电阻的10倍。温度电阻铂热电阻半导体热敏电阻二、热敏电阻的基本类型1NTC热敏电阻（主要由MnCoNiFeCu等过渡金属氧化物混合烧结而成）CdO-Sb2O3-WO3材料制成的NTC热敏电阻线性好，稳定性好，范围-100~3000C采用氧化钛和氧化钇材料制成的高温热敏电阻，工作温度范围200~10000CNTC热敏电阻的特点（1）精度高±0.25℃以下（2）可靠性高（3）小型化、响应快（4）成本低、价格便宜2CTR热敏电阻CTR是以三氧化二钒与钡硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中烧结而成，呈半玻璃状，电阻值在1K~1MW之间。CTR热敏电阻随温度变化的特性属于剧变型，具有开关特性。105101Tr3PTC热敏电阻PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的，类似半导体陶瓷元件。（1）温度低于居里点Tc时具有半导体特性（2）温度高于居里点Tc时，电阻值随温度升高急剧增大，至TN时出现负阻现象（3）具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减特性TcTNTr第七节聚合热开关一、聚合热开关的工作原理聚合热开关是一种新型的温度传感器，它由特殊工艺处理后的聚合树脂及导体组成。在正常状态下聚合物呈结晶状结构，使导电物导通，当异常电流发生时，元件产生大的热量，使聚合物膨胀，使导电物质链断裂，出现不导通。二、聚合热开关的主要特性

1阻抗与温度特性曲线温度电阻值2使用温度对聚合热开关的影响

IHIT电流递减率℃3动作时间与动作电流的关系50℃20℃0℃51015200.11100.01动作时间（s）动作电流(A)4聚合热开关的阻值恢复特性11010010000.01电阻值（W）电阻恢复时间(分)0.1第八节热敏铁氧体热敏铁氧体的磁特性，在居里温度附近将发生急剧变化，当温度超过居里温度时，热敏铁氧体失去磁特性。居里温度配方比第九节热舌簧开关第十节半导体温度传感器一、温敏二极管1基本工作原理第十一节集成温度传感器一、基本工作原理采用一对非常匹配的半导体三极管作为温敏差分对管，利用它们的两个Vbe之差所具有的良好温度系数来制作集成温度传感器。二、集成温度传感器的信号输出方式三、一些常用集成温度传感器第十二节温度控制器将温度传感器和数字电路集成在一起形成新型集成温度控制器。特点：可以由用户设定控制温度上、下限当高于上限温度或低于下限控制温度，可以输出逻辑控制信号，具有温度测量功能外围元件少、成本低、可靠性好适用于恒温器、烤箱、家电及工业温度控制一、TC620型温度控制器二、DS1620型温度控制器第十三节热释电红外传感器一、热释电效应当一些晶体受热时，在晶体的两端将产生数量相等而符号相反的电荷，这种由热变化产生的电极化现象，称为热释电效应。二、热释电红外传感器三、热释电红外探测模块第十四节NQR温度计二、NQR温度计基本工作原理第十五节其他温度传感器一、石英温度传感器二、电容式温度传感器三、热噪声温度传感器由于电子的热运动，在电阻体两端会产生由热噪声引起的电位变化。第十六节温度传感器的应用实例一、温度控制1浴室水温控制器2压电晶体极化温度控制器3无触点恒温控制器4电热杯恒温器5利用温频转换的温控电路6食用菌烘箱7室内空气加热器8电热水器控温器9恒温土壤加热器10风扇自动控制电路11自动门控制电路12热释红外传感器灯控器13电饭锅限温器二、温度检测

1火药燃烧气体温度的测量2数字式温度计3采用集成温度传感器的数字式温度计4数字式温度计5谷物温度测量仪6电子体温计7热电阻式流量计三、温度监视与报警

1电冰箱温度监视器2电冰箱温度超标指示器3CPU过热报警器4开水告知器5采用集成温度传感器的液位报警器6客房火灾报警器7降温报警器8室温报警器四、保护电路

1设备过载保护器2程控电话交换机过流保护电路3电机过热保护4电动机保护器第三章湿度传感器特点：（1）可以集中进行控制（2）不需要太大的检测空间（3）可以方便地与数字电路匹配应用：（1）空调系统（2）半导体制造业，计算机房（3）工业生产中的湿度控制（4）粮食、烟草、纸张、药材、食品等储藏管理（5）图书、资料、文物的保管（6）精密光学、电子、化工、机械加工的湿度控制（7）农业及饲料加工的湿度控制（8）电子仪器及家用电器的湿度控制（9）气象观测（10）军工产品的生产和储存第一节湿度传感器的基本概念一、大气的湿度及露点1绝对湿度和相对湿度以1m3大气中所含水汽的克数，称为绝对湿度用大气中所含的水汽的压强表示，称为绝对湿度，用D表示，单位mmHg把大气的绝对湿度和当时气温下的水汽压的百分比称为大气的相对湿度

2露点露点是指使大气中原来所含的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低的温度。这时在物体上会凝结出水滴，叫结露。二、湿敏传感器的分类第二节碳膜湿度传感器第三节金属氧化物陶瓷传感器一、MgCr2o4-Tio2陶瓷传感器二、NiO陶瓷传感器三、TiO2-V2O5陶瓷传感器第四节金属氧化物膜湿度传感器第五节金属氧化物湿度传感器应用电路第六节氯化锂湿敏电阻一、早期的氯化锂湿敏电阻二、DWS-P型氯化锂湿敏电阻 第七节高分子湿度传感器一、高分子电容式湿度传感器二、高分子电阻式传感器第八节其它一些水分子亲和力型湿度传感器一、硒蒸发膜湿度传感器二、多孔氧化铝湿度传感器三、铌酸锂晶体湿度传感器四、石英湿度传感器第九节热敏电阻式湿度传感器第十节结露传感器一、电阻型结露传感器二、电容型结露传感器第十一节水分传感器一、电阻式水分传感器二、电容式水分传感器三、微波水分传感器第十二节湿度传感器应用实例一、直读式湿度计二、湿度检测器三、石英相对湿度计四、高湿度显示器五、湿度控制电路六、仓储温度控制电路七、鸡、鸭雏室湿度控制器八、汽车后窗玻璃自动去湿装置九、浴室镜面水蒸汽清除器十、简易秧棚湿度指示器十一、盆花缺水指示器十二、土壤缺水告知器十三、电容式谷物水分测量仪第四章力学传感器力学量有：几何学量、运动学量、力学量几何学量：位移、变形、尺寸运动学量：速度、加速度力学量：质量、力、力矩、应力、应变第一节力学传感器中的弹性元件一、变换力的弹性元件1等截面圆柱式弹性元件2圆环式弹性元件3等截面薄板式弹性元件4悬臂梁式弹性元件二变换压力的弹性元件1弹簧管2波纹管3波纹膜片和膜盒第二节电阻应变片一、金属电阻应变片的结构敏感栅基底保护片引出线二、电阻应变片的材料三、金属应变片的工作原理四、电阻应变片的主要参数

1敏感栅的尺寸2初始电阻R03允许工作电流五、金属应变片的温度补偿1线路补偿法2应变片自补偿法六、金属应变片电桥电路七、半导体应变片第三节应变式传感器一、工作原理1筒式弹性元件2悬臂梁式弹性元件3等强度悬臂梁弹性元件4薄臂环式弹性元件二、应变式传感器的用途1应变式力传感器电子轨道衡电子吊车衡电子配料称商用电子称自动灌装定量称电子皮带称2应变压力式传感器3应变加速度传感器第四节压阻式压力传感器一、工作原理和主要特点二、温度漂移的补偿三、MPX2050、MPX2100压阻式压力传感器第五节压电传感器一、压电效应二、压电材料1石英晶体2压电陶瓷三、压电元件的应用特点四、压电传感器的工作原理五、压电式测力传感器六、压电式压力传感器七、压电式加速度传感器八、高分子材料压电传感器第六节电容式传感器一、电容式传感器的工作原理二、电容式传感器的特点三、电容式荷重传感器四、电容式压力传感器五、电容式加速度传感器六、ADXL50电容式集成加速度传感器第七节谐振传感器一、振弦式压力传感器二、振筒式压力传感器三、振膜压力传感器第八节电感式压力传感器一、工作原理二、气隙电感式压力传感器三、电感式油压传感器四、变隙式差动电感压力传感器第九节感压导电橡胶第十节开关式加速度传感器一、永磁钢球式加速度传感器二、偏心转子式加速度传感器三、偏心轮式加速度传感器第十一节扭矩传感器一、工作原理二、应变片式扭矩传感器三、