2023学年完整公开课版传感器技术

电子产品创新设计的认知传感器技术常用传感器技术类型1、红外发射接收对管2、超声波传感器3、温湿度传感器4、土壤湿度传感器5、光照传感器6、加速度传感器红外发射接收对管红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线。红外发射管红外发射管是由红外发光二极管矩组成发光体，用红外辐射效率高的材料（常用砷化镓）制成PN结，正向偏压向PN结注入电流激发红外光，其光谱功率分布为中心波长830～950nm。LED是英文LightEmittingDiode的简称，表现是正温度系数，电流越大温度越高，温度越高电流越大，LED红外灯的功率和电流大小有关，但正向电流超过最大额定值时，红外灯发射功率反而下降。红外发射接收对管光敏接收管它是一个具有光敏特征的PN结，属于光敏二极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。此时光敏管不导通。当光照时，饱和反向漏电流马上增加，形成光电流，在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大红外发射接收对管红外线接收管功能与光敏接收管相似只是不受可见光的干扰，感光面积大，灵敏度高，属于光敏二极管，一般只对红外线有反应。红外线接收头就是在红外线接收管的基础上增加了对微弱信号进行放大的处理的电路，类似开关电路，接收到红外信号给出高电平（接近工作电压），无红外信号低电平（约0.4）红外发射接收对管红外发射接收传感器模块该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～30cm，工作电压为3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。红外发射接收传感器模块模块参数说明1当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT端口持续输出低电平信号,该模块检测距离2～30cm，检测角度35°，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少。2、传感器主动红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。其中黑色探测距离最小,白色最大;小面积物体距离小,大面积距离大。3、传感器模块输出端口OUT可直接与单片机IO口连接即可，也可以直接驱动一个5V继电器；连接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO。4、比较器采用LM393，工作稳定；5、可采用3-5V直流电源对模块进行供电。当电源接通时，红色电源指示灯点亮；6、具有3mm的螺丝孔，便于固定、安装；7、电路板尺寸：3.2CM*1.4CM8、每个模块在发货已经将阈值比较电压通过电位器调节好，非特殊情况，请勿随意调节电位器。模块接口说明1VCC外接3.3V-5V电压（可以直接与5v单片机和3.3v单片机相连）2GND外接GND3OUT小板数字量输出接口（0和1）红外发射接收传感器模块超声波传感器超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。特点亮度高：相对0603或0805等形式的分立表贴，LED可以有更多的光通量被反射出。可实现超高密度：室内可高达62.500点/平米（P4）。也有厂家可以做到p3的。密度越大所需要的散热性能越好。混色好：利用发光器件本身的微化处理和光的波粒二象性，使得红光粒子，纯绿光粒子，蓝光粒子三种粒子都将得到充分地相互混合搅匀。环境性能好：耐湿、耐冷热、耐腐蚀抗静电性能优势超强：制作环境有着严格的标准还有产品结构的绝缘设计。可视角度大：140度（水平方向）通透性高：新一代点阵技术凭借自身的高度纯度性能，以及几近100%光通率的环氧树脂材料，达到了接近完美的通透率。超声波传感器超声波距离传感器技术应用超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。超声波传感器模块工作原理：（1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号;

（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是

超声波从发射到返回的时间．测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

超声波传感器温湿度传感器温湿度传感器只是传感器其中的一种而已，只是把空气中的温湿度通过一定检测装置，测量到温湿度后，按一定的规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，用以满足用户需求。由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温湿度一体的传感器就会相应产生。温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。市场上的温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。数字信号温湿度传感器主要分为单总线和IIC两种程序。温度：度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一。在生产和科学研究中，许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的，人们的生活也和他密切相关。湿度：湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。日常生活中最常用的表示湿度的物理量是空气的相对湿度。用%RH表示。在物理量的导出上相对湿度与温度有着密切的关系。一定体积的密闭气体，其温度越高相对湿度越低，温度越低，其相对湿度越高。其中涉及到复杂的热力工程学知识。温湿度传感器选择的注意事项

①选择测量范围和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100%RH)测量。②选择测量精度测量精度是湿度传感器最重要的指标，每提高—个百分点，对湿度传感器来说就是上一个台阶，甚至是上一个档次。如在不同温度下使用湿度传感器，其示值还要考虑温度漂移的影响。③考虑时漂和温漂在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，电子式湿度传器会产生老化，精度下降，电子式湿度传感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。温湿度传感器温湿度传感器DS18B20独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55°C至+125℃。华氏相当于是-67°F到257°F。在摄氏度-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C温度传感器可编程的分辨率为9~12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置，应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计、或任何热敏感系统。土壤湿度传感器土壤湿度传感器又名土壤水分传感器，土壤含水量传感器。土壤水分传感器由不锈钢探针和防水探头构成，可长期埋设于土壤和堤坝内使用，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量。与数据采集器配合使用，可作为水分定点监测或移动测量的工具测量土壤容积含水量，主要用于土壤墒情检测以及农业灌溉和林业防护。1.电容型土壤湿度传感器

敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为金属氧化物、高分子聚合物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度的变化而变化。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的电容量也发生变化，把电容值的变化转变为电信号，就可以对湿度进行监测。电容型土壤湿度传感器在测量过程中，就相当于一个微小电容，对于电容的测量，主要涉及到两个参数，即电容值C和品质参数Q。土壤湿度传感器并不是一个纯电容，它相当于一个电容和一个电阻的并联。土壤湿度传感器2.电阻型土壤湿度传感器

敏感元件为湿敏电阻，其主要的材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷等。这些材料对水的吸附较强，吸附水分后电阻率／电导率会随湿度的变化而变化，这样湿度的变化可导致湿敏电阻阻值的变化，电阻值的变化就可以转化为需要的电信号。氯化锂的水溶液在基板上形成薄膜，随着空气中水蒸气含量的增减，薄膜吸湿脱湿，溶液中的盐的浓度减小、增大，电阻率随之增大、减小，两级间电阻也就增大、减小。又如多孔陶瓷湿敏电阻，陶瓷本身是由许多小晶颗粒构成的，其中的气孔多与外界相通，通过毛孔可以吸附水分子，引起离子浓度的变化，从而导致两极间的电阻变化。土壤湿度传感器3.电阻型土壤湿度传感器

如果将两个电极埋入土中固定不动，即两电极间的固相固定不变,则土壤中电阻率的改变主要是由土壤中液相的多少决定的。电阻率是反应土壤湿度的电参数，因此采用电阻法研制了土壤湿度传感器。不用直接测定电阻推求土壤湿度，而是采用线性放大原理测定土壤的电压来计算土壤湿度。这样输出的电压模拟信号经A

/D转换后输入计算机，从而进行自动控制。土壤湿度传感器光照传感器光照强度,简称照度。一个被光线照射的表面上的照度（illumination/illuminance）定义为照射在单位面积上的光通量。设面元dS上

的光通量为dΦ，则此面元上的照度E为：E=dΦ/dS。照度的单位为lx（勒克斯）,也有用lux的，1lx=1lm/㎡。照度表示物体表面积被照明程度的量。自然光照，日光照射即为自然光照。夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万～10万lx，没有太阳的室外0.1万～1万lx，夏天明朗的室内100～550lx，夜间满月下为0.2lx。人工光照，灯光照明即为人工光照。白炽灯每瓦大约可发出12.56lx的光，但小灯泡能发出较多的流明，大灯泡较少，荧光灯的发光效率是白炽灯的3～4倍。一个不加灯罩的白炽灯泡所发出的光线中，约有30%的流明被墙壁、顶棚、设备等吸收；灯泡的质量差与阴暗又要减少许多流明，所以大约只有50%的流明可利用。一般在有灯罩、灯高度为2.0～2.4m时，每0.37m²面积上需lW灯泡或1m²面积上需2.7W灯泡可提供10.76lx。灯泡安装的高度及有无灯罩对光照强度影响很大。光照传感器采用光电转换模块，将光照强度值转化为电压电流值进行测量。

光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。在电路图中文字符号一般为VD。光照传感器由于光电二极管的输出电流极其微弱，从而得到的电压的驱动能力有限，所以一定要增加放大电路，可以提高检测电路的稳定性和电子产品的一致性。光照传感器光电三极管光电三极管也是一种晶体管，它有三个电极。当光照强弱变化时，电极之间的电阻会随之变化。

光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。

光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。·但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。·所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。光照传感器光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。光照传感器光敏电阻光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强、电阻减小、入射光弱、电阻增大。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。光照传感器加速度传感器加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。压电式压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。加速度传感器压阻式基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器