家电用传感器

家电用传感器第二章家电用传感器第1页，共49页，2023年，2月20日，星期一传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，在现代家电中应用非常广泛。诸如电饭锅、电磁灶、电冰箱、洗衣机等都是靠敏感元件来实现自动控制2.1传感器技术概述2.1.1传感器的定义一、国际电工委员会IEC定义：是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。二、国家标准GB定义：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。三、狭义地定义：是把外界非电物理量转换成电信号的输出器件。是获取信息的工具-电五官第二章家电用传感器第2页，共49页，2023年，2月20日，星期一由于传感器组成材料发生改变引起输出电流/电压的变化十分微弱，易受外界干扰，一般成品传感器，是将传感器与放大电路制作在一起，输出标准的0～10mA或4～20mA电流，或0～5V电压，以便进行A/D转换，其中4～20mA标准电流输出的传感器较为普遍，其内部是一种恒流输出结构，比电压型传感器抗干扰能力强，易于远距离传输，因此，电流型传感器被广泛用于各种检测系统中。一般传感器由电容、电阻、电感或敏感材料组成，在外加激励电流或电压的驱动下，不同类型的传感器会随不同非电物理量的变化，引起传感器的组成材料发生改变，使得输出连续变化的电流/电压与非电物理量的变化成正比。第二章家电用传感器第3页，共49页，2023年，2月20日，星期一传感器的定义包括四方面内容：1）传感器是测量装置。2）输入量是被测量（物理量、化学量、生物量，如气、光、压力、流量、加速度、温度等）。3）输出是某种物理量（如电量）。4）输出和输入有对应关系，并有一定精度。传感器在信息处理过程中，需要把各种各样的物理量，如温/湿度、速度、位移、形变、导电率等非电量转换成电信号，才能观察、记录、分析和处理。第二章家电用传感器第4页，共49页，2023年，2月20日，星期一2.1.2传感器的系统组成⑴敏感元件：先将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种非电量，能完成预变换的器件-敏感元件。⑵转换元件：能将感受到的非电量变换为电量的器件，也叫变换器，如把温度-电势的热电偶变换器。⑶转换电路：上述电路参数接入电路时，会产生干扰信号或非线性误差、不稳定性，须加以抑制或修正，转换成唯一正确反映被测量大小的电量进行输出。第二章家电用传感器第5页，共49页，2023年，2月20日，星期一2.1.3

传感器的分类①热工量传感器：温度、热量、比热、压力、流量、流速、风速、真空度等。②物理量传感器：气/液体成分、浓度、粘度、湿度、密度、比重等。

③机械量传感器：位移、尺寸、形状、应力、力矩、加速度、噪声等。④生物医学量传感器：心音、血压、体温、气流量、心电流、眼压、脑电波等。一、按输入被测量分类第二章家电用传感器第6页，共49页，2023年，2月20日，星期一二、按传感器的测量原理分类变电阻：应变式、压阻式、电位器式传感器变磁阻：自感式、差动变压器式、涡流式变电容：电容式、温敏式传感器变电势：热电偶式、霍尔式传感器变电荷：压电式传感器变谐振频率：霍尔式、热电偶式传感器第二章家电用传感器第7页，共49页，2023年，2月20日，星期一三、按被测物理量的用途分类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四、按传感器的材料分类半导体类（陶瓷/光电/压力/霍尔）

光纤类

声板波

扭矩

集成传感器第二章家电用传感器第8页，共49页，2023年，2月20日，星期一2.1.4传感器的发展趋势①高灵敏度：利用陶瓷/有机/纳米材料和量子力学诸效应研制的高灵敏度传感器，可用来检测极微弱信号。②集成化/多功能：在同一芯片上将众多同类型单个传感器集成为一维线型、二维阵列型传感器，或将传感器与放大、调节、补偿电路等集成在同一芯片上，能检出两种以上的信号，如：压-温，温-气，温-湿等等。“电五官”落后于“电脑”的现状，已成为微控制技术进一步开发与应用的一大障碍。二、传感器的发展趋势一、传感器的应用现状第二章家电用传感器第9页，共49页，2023年，2月20日，星期一③智能化：把传感器、微处理器集成在同一芯片上，实现单片智能传感器。不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、分析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。它的最大特点就是将传感器监测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地结合在一起。④仿生传感器：狗的嗅觉灵敏度为人的106倍；鸟的视力为人的8-50倍；蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉（超声波传感器），蛇的接近觉（分辨力达0.001℃）等都具有可借鉴性。这些生物的感官功能是当今传感器技术望尘莫及的。研究它们的机理，开发仿生传感器，是引人瞩目的方向。第二章家电用传感器第10页，共49页，2023年，2月20日，星期一带有微处理器，将传感器监测信息和微处理器数据处理功能有机地结合在一起。三、智能传感器①可编程能力：由程序自检/自校/自诊断/自动调零；②逻辑判断和数据处理功能；③线性补偿和特性补偿；④输出精度高；⑤具有数据存储和记忆功能；⑥输出形式多：串行/并行/USB，模拟/数字，计算机分层集成第二章家电用传感器第11页，共49页，2023年，2月20日，星期一四、传感器技术展望传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目.正在全球推广的纳米技术传感器,可以提供高水平的集成，包括由碳纳米管和塑料电子组成的平台。第二章家电用传感器第12页，共49页，2023年，2月20日，星期一

一、热敏电阻的结构组成

热敏电阻是利用热敏元件材料（铂、铜、镍金属感温材料、半导体材料）本身的电阻值随环境温度变化而改变的特性，经过成形、烧结等工艺制成的一种感温元件，有正温度系数PTC、负温度系数NTC

和负温临界热敏电阻CTR三种类型。（一）热敏电阻2.2

家电中常用传感器温度是智能家用电器及开关控制电路工作时需要检测的一个重要参数。测量温度的传感器主要利用一些材料或元件的性能随温度变化的特性，通过测量该性能参数，得到被测温度的大小。2.2.1温度传感器第二章家电用传感器第13页，共49页，2023年，2月20日，星期一NTC：NegativeTemperatureCoefficient利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷。CTR：构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，

PTC：PositiveTemperatureCoefficient它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。

二、热敏电阻的分类及其特性曲线第二章家电用传感器第14页，共49页，2023年，2月20日，星期一-50050100150200654321电阻

lgΩ温度℃α=－B/T2PTCCTR从居里点温度开始,其电阻值随温度的上升而呈阶跃性的增高元件的电阻值随温度的升高而减小某一温度下电阻值会发生突变随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数的临界温度电阻，为玻璃态热敏电阻

用作温控开关NTC第二章家电用传感器第15页，共49页，2023年，2月20日，星期一三、热敏电阻的特点优点是灵敏度高、体积小、测量线路简单，重量轻、价格低，阻值大；缺点是非线性大，稳定性和特性一致性较差，必须在电路上进行线性化补偿，以保证输出电压与温度的关系基本上为线性。（见P35）普通热敏电阻只能在有限的工作温度范围内呈现出上佳的电阻稳定性。热敏电阻一般不适于高精度温度测量。RtR1R2R3RT①用两个热敏电阻组合②采用线性化电阻网络③采用软件计算修正法第二章家电用传感器第16页，共49页，2023年，2月20日，星期一四、热敏电阻的主要性能参数型号类别标称电阻值开关温度额定工作电压MZ21PTC4.7Ω135℃15VMZ22PTC200~500Ω70~80℃220VMZ64(1)PTC<500Ω40~80℃5VMF511NTC100~200Ω1500~2000℃0~200VMF513NTC10Ω4300(1±5%)℃10~55VSWF13NTC820~1500Ω3900~4700℃55~200V第二章家电用传感器第17页，共49页，2023年，2月20日，星期一五、热敏电阻线性化测量电路USRRBUOR1R2RTU+U-基准电压测量电压加热器测量电桥比较放大器第二章家电用传感器第18页，共49页，2023年，2月20日，星期一一、热电偶的组成热电偶由两种不同的金属导体构成，两端相互紧密地固接在一起。当两结点温度不同时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流—热电效应。其中一个热端点置于温度为T的被测温度场中—测量端；另一端恒定在某一参考温度T0—参考端。（二）热电偶

热电偶是一种能将温度转换成电势的传感器。二、热电偶的工作原理当两种不同导体组成闭合回路时，若两端的结点温度不同，就会产生热电动势。它的大小与两端点的温差以及材料的性质有关。将参考结点保持在已知温度上并测量该点电压，便可推断出检测结点的温度。第二章家电用传感器第19页，共49页，2023年，2月20日，星期一三、热电偶的使用使用时，当热端温度大于冷端温度时，在电路中产生电动势即产生电信号，此电信号经放大后控制执行机构，达到调节和控制温度的目的。热电偶能直接进行温度-电势转换，且体积小、测温范围广，故应用较广泛。第二章家电用传感器第20页，共49页，2023年，2月20日，星期一一、温敏二极管利用二极管PN结的温敏效应可以进行温度检测。在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度之间有很好的线性关系。如砷化镓/硅温敏二极管（三）晶体管温敏传感器用温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片上可制成集成化温度传感器，可以直接给出正比于绝对温度的线性输出，体积小，便于高精度、大批量生产，是现代温度传感器的主要发展方向之一。正向电流/电压与温度的关系：IF=ISexp(qUF/k0T)在恒定的集电极电流条件下，晶体管发射结上的正向电压Ube随温度上升而近似线性下降。Ube∝-k0T/q二、温敏晶体管第二章家电用传感器第21页，共49页，2023年，2月20日，星期一集成温敏传感器是将温敏传感器及其外围电路（放大、温补、调整电路等）集成在同一芯片上，使温度控制更加精确可靠。它的最大特点就是直接给出绝对温度的理想输出电压信号。具有信号提取、信号处理、自检索、自诊断、自校准等功能。已用于-50℃-150℃范围内的温度测量、控制和补偿。2.1.4集成温敏传感器第二章家电用传感器第22页，共49页，2023年，2月20日，星期一

AN6701型集成温敏传感器内电路框图LM35VCCVOGNDGND

温敏元件VCC校正电阻温补调整VO运算放大AN6701第二章家电用传感器第23页，共49页，2023年，2月20日，星期一AD590

数字温度传感器DS18B20数字温度传感器第二章家电用传感器第24页，共49页，2023年，2月20日，星期一它是利用半导体与某些气体接触时，其特性发生变化这一现象来检测气体的成分或浓度的传感器。2.2.2

气敏传感器

电阻式气敏元件：利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；非电阻式气敏元件：据气体的吸附和反应，使其某些关系特性发生变化，对气体进行直接或间接的检测。按工艺可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类。用途：对可燃性气体如CO、H2、CH4、C2H5OH或不可燃性气体如CO2、NO、NO2等有毒气体的检测。一、气敏传感器的分类与主要用途第二章家电用传感器第25页，共49页，2023年，2月20日，星期一二、气敏传感器的结构加热器的作用是可以将气敏元件表面的污物烧掉，加速气体的吸附，提高元件的灵敏度和响应速度。气敏元件金属网罩封装基座引脚电极气敏元件一般由铂丝组成，它被一种能使可燃气体氧化的特殊催化剂覆盖。气敏元件单位浓度的信号变化量大，响应重复性良好，选择性好，性能稳定，对环境的依赖性小。第二章家电用传感器第26页，共49页，2023年，2月20日，星期一三、气敏传感器电路组成一般由气敏元件与其它电阻组成桥式比较电路，利用半导体气敏元件的阻值随吸入气体浓度的增大而下降的特性，通过元件的电压比较使电桥失衡，因而有信号输出。UO=－UC×RF/RS第二章家电用传感器第27页，共49页，2023年，2月20日，星期一当被检测气体吸附到气敏元件表面时，元件的电阻会发生变化。由于表面保持一定的高温而产生氧化反应。这种氧化反应使得元件表面的温度上升，这个上升值正比于特殊被测气体的能量。上升的温度传到半导体元件内部的加热铂线圈，继而又使它的电阻增加或减少。另一方面，由于另一元件表面没氧化所以电阻值不变。这种情况导致电桥线路的不平衡，因而获得一个信号输出。输出电压的水平不但取决于被测气体的种类，而且还表现了一种与气体浓度相关的较好的线性。四、气敏传感器检测原理第二章家电用传感器第28页，共49页，2023年，2月20日，星期一NAP-11AFL是一种可以检测低浓度ＣＯ气体的热线型气体传感器。传感器电源电压：小于15Ｖ（DC或AC）加热器电压：加热时为5.5Ｖ±0.3Ｖ，正常工作时为0.8Ｖ±0.04Ｖ（AC或DC）加热器电流：加热时(5.5Ｖ)170～190ｍＡ正常工作时(0.8Ｖ)为25～40ｍＡ。热线型气敏传感器工作参数第二章家电用传感器第29页，共49页，2023年，2月20日，星期一各种半导体气敏传感器第二章家电用传感器第30页，共49页，2023年，2月20日，星期一气敏传感器连接电路第二章家电用传感器第31页，共49页，2023年，2月20日，星期一2.2.3光敏传感器

利用半导体表面接受光照时，会使电导率增大的光电效应（光电管），和在PN结上产生电动势的光生伏特效应（如光电池、光电二极管和光电三极管），当入射光发生变化时，光生载流子的数量也随之变化，光生电动势相应变化，从而把光信号转换为电信号。

它是将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光信号转换为电信号的一种换能装置。光敏传感器分为光敏二极管和光敏三极管两类。一、光敏传感器的工作原理第二章家电用传感器第32页，共49页，2023年，2月20日，星期一二、光敏二极管的特点和性能参数光敏二极管在电路中工作在反向偏置下，无光照时反向电阻高达4MΩ→暗电流；有光照时反向电阻下降到1kΩ→光电流，将光信号→电信号光敏二极管的特点：体积小、线性度好、响应速度快、灵敏度高、噪声低等特点。弱光下灵敏度低。光敏二极管的主要性能参数：1.无光照时的暗电流一般只有0.1μA；2.光照后的光生电流为几十μA；3.工作电压一般为10V~50V；4.峰值波长从可见光~近红外线~远红外线之间。典型值为880nm.第二章家电用传感器第33页，共49页，2023年，2月20日，星期一光敏晶体管有两个PN结，光照射在发射极与基极之间的PN结附近时便产生光电流（即基极电流），于是在集电极中就有电流产生，完成光电转换，且集电极输出电流为光生电流的β倍。光敏晶体管一般基区面积大，发射区面积小，能使入射光多数被基区吸收。光敏晶体管可以制成多种类型的光敏传感器，输出电路简单，主要用于低频传感器电路。三、光敏晶体管的原理与特点1.光敏晶体管工作原理第二章家电用传感器第34页，共49页，2023年，2月20日，星期一(1)光敏特性：它有一个最佳灵敏度波长值，入射光的波长偏离峰值波长时，灵敏度显著减小。(2)伏安特性：在不同照度下的伏安特性曲线与普通晶体管在不同基极电流下的输出特性曲线相同。(3)光照特性：是指输出电流与光照度之间的(线性关系)，但当光照度足够大时,会出现饱和现象，也可作为光电开关元件使用。2.光敏晶体管的主要特性：(4)温度特性：温度变化对光生电流的影响较小，对暗电流的影响很大，须进行温度补偿。(5)频率特性：晶体管灵敏度越高，频率特性越差（减小负载可以提高频率响应），光敏二极管的频率特性好于光敏晶体管。第二章家电用传感器第35页，共49页，2023年，2月20日，星期一表2-2光敏二极管的主要参数

型号工作电压暗电流光生电流灵敏度峰值波长2CU110～50V≤0.2μA≥80μA≥0.5μA/μW880nm2CU210～50V≤0.1μA≥30μA≥0.5μA/μW880nm表2-3光敏晶体管主要特性参数

型号暗电流光生电流光调制频率3AU1200~400μA≥2mA≥3kHz3DU50.2~0.5μA2~3mA≥5kHz3DU42＜0.5μA≥4.0mA≥5kHzZL-2≤0.1μA≥2mA

ZL-4≤0.01μA≥2mA

第二章家电用传感器第36页，共49页，2023年，2月20日，星期一光敏晶体管第二章家电用传感器第37页，共49页，2023年，2月20日，星期一2.2.4

超声波传感器

超声波：频率大于20kHz的声波信号，以直线方式在空间传播，波长短、绕射小、反射能力强、能定向传播、在空气中传播速度较慢且衰减很小。对固体和液体的穿透能力很强，尤对不透明固体可穿透几十米深。遇到杂质或分界面时会产生反射波。遇到移动物体时使接收到的频率发生变化—测距。超声波传感器：实现声－电转换的装置，主要由压电晶片构成，亦称超声波换能器。既能发射又能接收超声波的回波，并能将其转换成电信号。第二章家电用传感器第38页，共49页，2023年，2月20日，星期一超声波传感器工作原理采用双晶压电振子结构，将两个压电陶瓷片以相反方向粘贴在一起。给压电晶片施加周期性变化的电压时就会发生形变，产生振动--发出超声波；而当压电晶片受力后会产生电荷，形成电压--接收超声波。给双晶振子加上一定频率的脉冲电压信号，就会引起压电陶瓷的伸长与收缩变化，产生机械振动-即发送出超声波。超声波驱动电路放大电路40kHz收缩伸长超声波使接收器的压电元件发生应变效应，产生一面为正、另一面为负的电压，也就是产生了与超声波频率相同的电压信号。第二章家电用传感器第39页，共49页，2023年，2月20日，星期一2.2.5

红外传感器

一、热释电型红外传感器：接受到变化的红外线(照射或遮挡)后，热释电元件的温度变化，会使传感器表面产生热量变化而有电压信号输出。一般用特定波长的材料作为传感器窗口滤光器。二、光导电型红外传感器：是利用半导体材料接受红外线照射其阻值减小的光电效应制成的元件。最佳使用环境：存在性检测、运动传感、位置编码、限位传感、运动

物体的检测和计数。家电中常用光电型红外传感器有：红外光敏二极管/发光二极管以及光敏晶体管。

第二章家电用传感器第40页，共49页，2023年，2月20日，星期一2.2.6

压敏传感器

一、压力传感器的组成大多是利用某种形式的压阻效应制成的，即当压力加于半导体压敏元件上时，会使其电阻值发生变化，从而能把压力的变化直接变成电信号。一般将压力首先变换成弹性元件的形变，然后把弹性元件的形变再变换成压电元件的形变，从而得到电量。

压力传感器一般是在2.5mm2的半导体硅片上，用4只桥式连接的压敏电阻，构成一个平衡电桥，与单片机中的运算放大器组成检测部件。当半导体硅片受压变形时，电桥电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，这样就把压力变化转变为以电桥不平衡电压的形式输出。

第二章家电用传感器第41页，共49页，2023年，2月20日，星期一二、压力传感器的压电效应压力传感器的压电元件是利用压电材料制成的。当有一力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。压电传感器测量的基本参数是力。三、集成硅压力传感器集成硅压力传感器的内部有以真空作为参考压力的传感器单元，压力信号调理器、薄膜温度补偿器（消除温度变化对压力的影响）和压力修正电路。传感器的输出电压与被测绝对压力成正比，配以带A/D转换器的微控制器，构成压力检测系统。第二章家电用传感器第42页，共49页，2023年，2月20日，星期一2.2.7

湿敏传感器SHR-02湿敏电阻集成湿度传感器湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。湿度是最难准确测量的参数，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。湿度不是个独立的被测量，要受其他因素（大气压强、温度）的影响。第二章家电用传感器第43页，共49页，2023年，2月20日，星期一一、电阻式湿敏传感器在带有导电电极陶瓷衬底上覆盖一层用高分子感湿材料制成的膜，形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件,导电机理