传感器与传感网技术 课件 第13讲 认识数字量传感器

认识数字量传感器数字量传感数据采集数字量是与模拟量相对应的一种物理量，数字量的特征是其变化在时间上和数值上都是不连续的（离散），其数值变化都是某一个最小数量单位的整数倍。在利用相应传感器对温度、湿度进行数据采集时，所输出的信号就是典型的数字量。数字量传感数据采集在本任务中，选取温度、湿度这两个典型的数字量传感数据采集工作案例，讲解工作过程中所需使用的常用传感器、传感器基本工作原理和基本参数、传感器选用方法。然后，以典型器件为例，介绍温度、湿度传感器的基本特性以及典型应用。课程目录数字量传感数据采集温度采集湿度采集一、温度采集数字量传感数据采集在采集温度传感数据时，通常使用温度传感器，而温度传感器能感知物体温度并将非电学的物理量转换为电学量。温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的，依据其工作原理可以分为多类。一、温度采集数字量传感数据采集如利用电阻变化可制成铂测温电阻、热敏电阻；利用温差电现象可制成热电偶；利用导磁率变化可制成热敏铁氧体；利用体积热膨胀可制成气体温度器件、水银温度器件、有机液体温度器件、双金属温度器件、液体压力温度器件、气体压力温度器件；一、温度采集数字量传感数据采集利用压电效应可制成石英晶体振动器；利用超声波传播速度变化可制成超声波温度器件；利用晶体管特性变化可制成晶体管半导体温度传感器；利用可控硅动作特性变化可制成可控硅温度器件；利用热、光辐射可制成辐射温度器件、光学高温器件。1.常用传感器一、温度采集数字量传感数据采集

热敏电阻是一种电阻值随温度变化的半导体传感器。它的温度系数很大，比温差电偶和线绕电阻测温元件的灵敏度高几十倍，适用于测量微小的温度变化。热敏电阻体积小、热容量小、响应速度快，能在空隙和狭缝中测量。它的阻值高，测量结果受引线的影响小，可用于远距离测量。（1）热敏电阻1.常用传感器一、温度采集数字量传感数据采集（1）热敏电阻

它的过载能力强，成本低廉。但热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，所以它只能在较窄的范围内用于精确测量。热敏电阻在一些精度要求不高的测量和控制装置中得到广泛应用。1.常用传感器一、温度采集数字量传感数据采集（1）热敏电阻使用热敏电阻制成的探头有珠状、棒杆状、片状和薄膜等形式，封装外壳多用玻璃、镍和不锈钢管等套管结构，如图所示为热敏电阻的结构图和部分常用热敏电阻的实物图。热敏电阻的结构图与部分常用热敏电阻实物图1.常用传感器一、温度采集数字量传感数据采集（1）热敏电阻热敏电阻的温度特性是指半导体材料的电阻值随温度变化而变化的特性。热敏电阻按电阻温度特性分为：负温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻临界负温度系数热敏电阻1.常用传感器一、温度采集数字量传感数据采集（1）热敏电阻热敏电阻的温度特性是指半导体材料的电阻值随温度变化而变化的特性。热敏电阻按电阻温度特性分为：负温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻临界负温度系数热敏电阻1.常用传感器一、温度采集数字量传感数据采集热敏电阻按电阻温度特性分为：负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻（NegativeTemperatureCoefficient，NTC）泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。NTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，它的电阻值随着温度的升高呈线性减小，通常以锰、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。正温度系数热敏电阻临界负温度系数热敏电阻1.常用传感器一、温度采集数字量传感数据采集热敏电阻按电阻温度特性分为：负温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻临界负温度系数热敏电阻上述金属氧化物材料都具有半导体性质：在温度变低时其中的载流子（电子和空穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。1.常用传感器一、温度采集数字量传感数据采集热敏电阻按电阻温度特性分为：正温度系数热敏电阻（PositiveTemperatureCoefficient，PTC）泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。负温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻临界负温度系数热敏电阻1.常用传感器一、温度采集数字量传感数据采集热敏电阻按电阻温度特性分为：采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结，其温度系数随成分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化。负温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻临界负温度系数热敏电阻1.常用传感器一、温度采集数字量传感数据采集热敏电阻按电阻温度特性分为：负温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻临界负温度系数热敏电阻临界温度热敏电阻（CriticalTemperatureResistor，CTR）具有负电阻突变特性，即电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数。构成材料通常是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，其骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变。课程目录数字量传感数据采集温度采集湿度采集二、湿度采集数字量传感数据采集在采集湿度传感数据时，通常使用湿度传感器，而湿敏传感器是指能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将非电学的物理量转换为电学量的器件。湿度检测较之其他物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多。二、湿度采集数字量传感数据采集另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质。二、湿度采集数字量传感数据采集再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。二、湿度采集数字量传感数据采集在实际生活中，许多现象与湿度有关，如水分蒸发的快慢。然而除了与空气中水蒸汽分压有关外，更主要的是和水蒸汽分压与饱和蒸汽压的比值有关。因此有必要引入相对湿度的概念。相对湿度为某一被测蒸汽压与相同温度下的饱和蒸汽压的比值的百分数，常用“%RH”表示。这是一个无量纲的值。显然，绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出了大气的潮湿程度，故使用更广泛。2.典型器件举例三、温湿度采集数字量传感数据采集本单元以SHT11温湿度传感器见图为例，介绍其具体特性。

图温湿度传感器2.典型器件举例三、温湿度采集数字量传感数据采集

图温湿度传感器SHT11温湿度传感器将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上采用CMOS过程微加工技术，具有较高的可靠性和稳定性。2.典型器件举例三、温湿度采集数字量传感数据采集

图温湿度传感器该传感器由1个电容式聚合体测湿组件和1个能隙式测温组件组成，并与1个14位A/D转换器以及1个2-wire数字接口在单晶片中无缝结合，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。2.典型器件举例三、温湿度采集数字量传感数据采集

图温湿度传感器该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。2.典型器件举例三、温湿度采集数字量传感数据采集

图温湿度传感器两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的A/D转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。2.典型器件举例三、温湿度采集数字量传感数据采集

图温湿度传感器

SHT11在出厂前，都会在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。此外，SHT11内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将SHT11的温度升高5℃左右，同时功耗也会有所增加。2.典型器件举例三、温湿度采集数字量传感数据采集

图温湿度传感器此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度，可以综合验证两个传感器元件的性能。在高湿环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。加热后SHT11温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。2.典型器件举例三、温湿度采集数字量传感数据采集

图温湿度传感器①基本特性

相对湿度和温度的测量全部校准，数字输出接口简单（2-wire），响应速度快超低功耗，自动休眠出色的长期稳定性超小体积（表面贴装）2.典型器件举例三、温湿度采集数字量传感数据采集

图温湿度传感器②典型应用智能环境监控系统数