《传感器原理与应用》全套教学课件

第1章

初识传感器全套可编辑PPT课件第1章初识传感器.pptx第2章压力传感器.pptx第3章速度传感器.pptx第4章温度传感器.pptx第5章物位传感器.pptx第6章化学传感器.pptx第7章智能传感器.pptx第8章综合实训.pptx

随着信息化、智能化的飞速发展，传感器作为信息感知的重要工具，已广泛应用于生产生活中。可以说，传感器技术已成为经济发展和社会进步中一项不可或缺的技术。

本章从传感器应用入手，介绍传感器的基础知识，包括传感器的定义、组成、分类、命名及发展趋势，并重点介绍传感器的特性及选用原则。本章导读163学习目标掌握传感器的定义、组成、分类和命名。了解传感器的发展趋势。掌握传感器的特性。理解传感器的一般选用原则。能够根据具体性能指标选用合适的传感器。无处不在的传感器在现代生活中，人们每天都在接触或使用传感器。如热水器、冰箱等在现代工业生产中一条自动化生产线中，一般要配备几十、上百甚至上千种传感器设备，用来检测生产线状态及产品质量，如压力、流量。传感器还渗透到诸如航空航天、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、文物保护等领域。案例导读CONTENT1.1认识传感器1.2传感器的特性1.3传感器的一般选用原则认识传感器011.1.1传感器的定义

能感受（或响应）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，通常由敏感元件、转换元件及相应的电子线路组成。传感器是一种检测装置，主要完成检测任务。包含的意思输入量是被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量。输出量是某种“可用信号”输入输出有一定的规律，并且应有一定的精度。1.1.2传感器的组成图1-3传感器的组成

敏感元件指能敏锐地感受信号或信号的变化并将其转变为更易转换的非电量的特殊电子元件。如热敏、光敏等。

转换元件也称传感元件，它的作用是将敏感元件输出的非电量转换成适合传输或测量的电信号，如应变力转换为电压等。

信号调理电路又称转换电路，它的作用是将转换元件输出的微小电信号经过放大、滤波、线性化、补偿等处理过程转换成标准电信号。1.1.3传感器的分类和命名1．传感器的分类按照被测量分类按照检测原理分类按照是否需要外加供电电源按照输出信号的性质分类照被测量分类压力传感器、速度传感器、电阻式传感器、电容式传感器、有源传感器和无源传感器模拟量传感器和数字量传感器2．传感器的命名传感器产品的名称应由主题词及四级修饰词语构成图1-4传感器命名方法3．传感器的代码图1-5传感器代码1.1.4传感器的发展趋势（1）智能化不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、学习等智能微型化是建立在微电子机械系统技术基础上的。优点：体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大。（3）网络化传感器和无线通信技术相结合，构成了无线传感器网络。（2）微型化02

传

感

器

的

特

性1.2.1传感器的静态特性图1-6传感器的线性度1．线性度曲线与拟合直线（或称为理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比，称之为线性度或非线性误差。1.2.1传感器的静态特性图1-7传感器灵敏度示意图2．灵敏度灵敏度就是系统的斜率，是一个常数；若传感器的输入输出为非线性关系，其灵敏度为工作点处的切线斜率。1.2.1传感器的静态特性图1-8传感器迟滞性3．迟滞性迟滞性表示传感器同一输入量输入时，在增加（正行程）或减少（反行程）过程中，输出不重合的现象，即输出的变化总是慢于输入的变化。1.2.1传感器的静态特性图1-9传感器重复性4．重复性重复性是指传感器在同一工作条件下，对同一输入值，按同一方向多次测量的输出值之间的不一致程度。1.2.1传感器的静态特性5．稳定性

稳定性是指传感器在一个较长时间内保持性能参数不变的能力。

稳定性指在同一环境下经过规定时间的检测后，传感器的真实输出与起始标定输出（测量真值与标定真值）之间的差异，这种差异又称为稳定性误差。

稳定性误差有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。

绝对误差指的是传感器的被测变量的数值与起始标定数值之间的代数差；而绝对误差与测量真值的比值称为相对误差。1.2.1传感器的静态特性6．分辨力分辨力是指传感器在规定测量范围内能检测出的被测量的最小变化量。图1-10传感器的分辨力分辨力有时也用最小变化量与满量程输入的百分比表示。一般情况下，模拟量传感器的分辨力为最小刻度分格值的二分之一，而对于数字量传感器而言，最后一位数字位所代表的值就是它的分辨力

1.2.1传感器的静态特性7．精度和精度等级

传感器的精度指标主要由精密度和准确度来表示。

精密度，即同一测量者用同一传感器在短时间内反复测量同一被测量时，其测量值不一样的程度，它代表了传感器测量结果的分散性。

精密度通常用随机误差来表示，随机误差越小，说明该传感器精密度越高。

准确度是指测量结果有规律地偏离真值大小的程度，通常用系统误差来表示。1.2.2传感器的动态特性

当输入信号随时间发生变化时，系统的输出信号与输入信号之间的关系称为动态特性。

传感器的动态特性可以用基于时域的瞬态响应法和基于频域的频率响应法来分析。

分析传感器的动态特性时，时域分析通常用脉冲函数、阶跃函数和斜坡函数作为激励信号，而频域分析一般用正弦函数作为激励信号。03传感器的一般选用原则1.3.1与测量条件有关的因素

与测量条件有关的因素一般包括测量的目的、被测量的选择、测量的范围、输入信号的幅值、频率及带宽，另外还包括被测对象的精度要求及快速性要求。1.3.2与传感器有关的技术指标

在依据技术指标选用传感器时，主要应考虑传感器的灵敏度、精度、稳定性、频率响应等特性。

传感器的灵敏度越高，与被测量无关的外界噪声越容易混入，从而影响测量精度。

传感器的精度越高，它的价格也就越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以了。

稳定性是传感器能否长时间使用的重要指标。

传感器的频率响应越高，其输入信号的频率范围越宽。1.3.3与使用环境有关的因素包括安装现场的供电方式、温湿度条件、有无震动、电磁干扰强弱、有无本质安全防爆要求、信号的传输距离、接线方式等。还要考虑传感器的来源（国产、进口或自行研制）及价格等因素。1.3.4应用实践——气体压力传感器的选型1．实践目的（1）熟悉传感器的选型原则。（2）能够根据系统要求选择合适的传感器。3．题目解析2．应用描述对压力容器进行测量，正常压力为150kPa，要求压力测量误差不大于4.5kPa，问应选择什么样的压力传感器才能满足测量要求。首先要确定量程，然后确定精度等级。（1）确定量程。（2）确定精度等级。感谢您的观看

第2章

压力传感器

压力是工业检测中重要的工艺参数之一，正确地测量和控制压力是保障生产过程良好运行并达到优质高产的一个重要环节。但由于压力是非电量，所以不能用电子仪表直接测量，而必须借助转换元件将其转换为电信号后进行测量。

压力传感器是一种能够感应压力并将其转换成电信号的装置，电信号的强弱取决于施加的压力。压力传感器主要包括金属电阻应变式压力传感器、压电式压力传感器和电感式压力传感器等。本章导读了解金属电阻应变片的结构、类型及主要特性。掌握金属电阻应变片的工作原理和基本测量电路。了解应变式压力传感器温度误差产生的原因及补偿方法。了解压电式压力传感器的工作原理及压电材料。掌握压电式压力传感器的接口电路。掌握自感式压力传感器的工作原理。掌握差动变压器式压力传感器的工作原理。学习目标电

子

秤

电子秤种类多样，常见的有家用体重计、超市使用的多功能电子台秤、称量稀有金属的电子秤及称量货车载重的地磅等。

电子秤主要是由称重系统（托盘、秤体）、传力转换系统（压力传感器）和示值系统（刻度盘、显示器）3部分组成的。

从内部结构上来说，电子秤主要是由压力传感器、信号调理电路、A/D转换电路、微处理器、按键电路、显示电路和电源电路组成的。案例导读CONTENT2.1金属电阻应变式压力传感器2.2压电式压力传感器2.3电感式压力传感器金属电阻应变式压力传感器01

电阻应变式压力传感器是应用最为广泛的压力传感器之一，它的核心元件是电阻应变片，而常用的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片两类。

金属电阻应变片的工作原理是基于应变效应，而半导体电阻应变片的工作原理是基于压阻效应。图2-3金属电阻应变片2.1.1金属电阻应变片的结构、类型1．金属电阻应变片的结构金属电阻应变片主要由敏感栅、引线、盖片和基底组成，其中，上层为盖片，底层为基底，中间层为敏感栅。敏感栅

通过黏合剂粘贴在盖片和基底之间，其主要作用是实现由应变到电阻的转换，是金属电阻应变片的核心。基底固定敏感栅，并使敏感栅与弹性元件相互绝缘。。盖片保护敏感栅，使其避免受到机械损伤，并防止高温氧化。。引线连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线。。2．金属电阻应变片的类型性能金属丝式应变片箔式应变片薄膜式应变片工艺绕线光刻、腐蚀真空蒸镀、真空沉淀厚度0.01～0.05mm0.003～0.01mm<0.1μm敏感度系数最小较大最大允许最大电流最小较大最大其他制作方法简单，可手工完成适合大批量生产适合工业化生产表2-1金属电阻应变片敏感栅特点2.1.2金属电阻应变片的主要特性金属电阻应变片的有效工作面积越小，越有利于选择黏贴位置，但同时散热效果也会越差。因此，选择金属电阻应变片时应根据需要选择合适的尺寸。1．几何尺寸图2-5应变片的几何尺寸2．电阻值金属电阻应变片的电阻值主要有60Ω、120Ω、350Ω、500Ω、600Ω和1000Ω等。3．最大工作电流

指已安装的金属电阻应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。通常来说，工作电流越大，输出信号也就越大，灵敏度就越高。

最大工作电流也和金属电阻应变片、被测试件、黏合剂及环境等因素有关。4．灵敏度系数5．横向效应既受轴向应变影响，又受横向应变影响，从而引起电阻值发生变化的现象称为横向效应。6．应变极限7．机械滞后、零漂和蠕变

机械滞后的主要原因是金属电阻应变片在承受机械应变后所留下的残余形变，使得敏感栅电阻产生了少量不可逆的变化。

在温度恒定、没有机械应变的情况下，粘贴在被测试件上的金属电阻应变片，其阻值会随时间的增加而变化的特性称为零点漂移，简称零漂。

在温度恒定，承受某一恒定的机械应变时，其电阻值随时间的增加而变化的特性称为蠕变。图2-7机械滞后2.1.3金属电阻应变片的工作原理

当金属导体在力的作用下而产生机械变形（压缩或拉伸）时，其阻值发生相应变化，这种现象称为应变效应图2-8金属电阻应变片的应变效应2.1.4基本测量电路图2-10直流电桥基本电路1．单臂电桥在直流电桥中，当只有一个电阻为可变电阻，而其余3个为固定电阻时，就构成了单臂电桥。图2-11单臂电桥2．双臂电桥双臂电桥是指电桥中相对两臂的电阻值可变，且变化值和方向均相同，其余两臂为固定电阻。图2-12双臂电桥3．差动电桥差动电桥是指电桥中相邻两臂的电阻值可变，而其余电阻的阻值是固定的。图2-13差动电桥4．全臂电桥全臂电桥也称全桥电路，是指4个桥臂均接有应变片，即4个臂的电阻阻值均发生变化，且相邻电阻变化方向相反，相对电阻变化方向相同。图2-14全臂电桥2.1.5应变式压力传感器的温度误差及补偿1．温度误差产生的原因引起温度误差产生的因素主要有以下两个方面。（1）敏感栅具有一定的温度系数，在没有压力的作用时，敏感栅的尺寸、形状等参数会随着温度的变化而变化。（2）由于被测试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数（固体物在温度升高时，物体的各种线度如长度、宽度、厚度、直径等都要增长）不同，使得金属电阻应变片产生了附加应变，从而造成测量误差。2．温度补偿的方法

温度补偿的目的是尽可能消除温度变化对测量结果的影响，目前主要采用两种补偿方式，即自补偿法和桥路补偿法。

自补偿法是将温度自补偿应变片粘贴在被测部位上，当温度变化时，使金属电阻应变片产生的附加应变为零或相互抵消。

桥路补偿是利用桥路的和、差原理来达到补偿的目的。图2-15桥路补偿法（a）补偿片（b）单臂电桥2.1.6金属电阻应变片的选用规则一般来说，可以根据被测试件的材质、测量精度、工作环境等因素，选择合适的金属电阻应变片。被测试件的材质主要考虑材料的弹性模量（即单向应力作用下，应力与在方向上应变的比值）和材质的均匀度。工作环境主要考虑温湿度、磁场、辐射、腐蚀等因素。2.1.7

应用实践——电阻应变式压力传感器在称重中的应用1．实践目的（1）了解金属箔式应变片的应变效应。（2）能够根据需要选择合适的传感器进行压力测量电路设计。2．应用描述由电阻应变式压力传感器制作的电子秤（称重传感器）已广泛应用于各行各业，它实现了对物料的快速、准确地称重。特别是随着微处理器的发展，工业生产过程中自动化程度不断提高，电子秤已成为工业控制中一种非常重要的装置。2.1.7

应用实践——电阻应变式压力传感器在称重中的应用1．实践过程（1）差动放大器调零。（2）电桥调零。（3）装载过程检测。（4）卸载过程检测。（5）画出砝码增加和减少时的曲线，并分析结果产生的原因。图2-16电子秤悬臂梁结构图2-17差动电桥02压电式压力传感器2.2.1压电效应

将机械能转换成电能的现象，称为压电效应，也称顺压电效应或正压电效应。

压电效应和逆压电效应是两个相逆的过程，压电效应是将机械能转化为电能，而逆压电效应则是将电能转化为机械能图2-18压电效应和逆压电效应2.2.2压电材料

石英晶体在低温下常为带尖顶的六方柱状结构，纯净的石英晶体无色透明，呈玻璃光泽。

石英晶体会产生压电效应，是应用极为广泛的压电材料。

石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和z轴，且3个轴相互垂直。x轴为电轴；y轴为机械轴；z轴为光轴。

通常把垂直于x轴的平面称为X面（由y轴与z轴组成），把垂直于y轴的平面称为Y面（由x轴与z轴组成）。1．石英晶体图2-19石英晶体1．石英晶体（a）

（b）

（c）

图2-20石英晶体的压电效应（a）不受力（b）x轴方向受力（c）y轴方向受力优点是性能非常稳定，且有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英晶体价格比较昂贵，且压电系数比压电陶瓷的低很多2．压电陶瓷

压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，它能够完成机械能和电能之间的互换，压电陶瓷的主要材料是具有铁电性的非金属晶粒。

压电陶瓷价格便宜、灵敏度高、机械强度好，且有较高的介电常数和压电系数。

常用于制造超声波换能器、水声换能器、电声换能器、声呐、红外探测器等。3．新型压电材料典型的压电半导体材料包括硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO等。某些高分子材料，如聚氟乙烯（PVF）、聚偏二氟乙烯（PVF2）及聚氯乙烯（PVC）等，经过延展拉伸和极化处理后具有压电特性。1．等效电路2.2.3压电式压力传感器的接口电路

图2-21压电元件等效图（a）压电元件

（b）等效电容（a）

（b）（a）

（b）图2-22压电式压力传感器的等效电路（a）等效电压源

（b）等效电荷源图2-23压电式压力传感器实际等效电路2．测量电路

前置放大器的作用主要有两个：一个是将传感器输出的微弱信号进行放大，另一个是把压电式压力传感器的高阻抗输入变换成放大器的低阻抗输出。

和压电式压力传感器的等效电路相同，前置放大器也有两种形式，一种是电压放大器；另一种是电荷放大器。（a）

（b）图2-24电压放大器及其等效电路（a）电压放大器电路（b）等效电路2．测量电路

（a）

（b）图2-25电荷放大器及其等效电路（a）电荷放大器

（b）等效电路2.2.4应用实践——压电式压力传感器在胎压检测中的应用1．实践目的（1）了解气体压力传感器原理及特点。（2）能够根据系统要求选择合适的传感器。2．应用描述汽车胎压监测系统工作时，安装在轮胎内的压力监测模块对轮胎内部的压力进行实时测量，并将检测到的数据进行相应处理后发送到汽车的控制中心并显示出来，如果轮胎压力异常，会进行相应的报警处理。2.2.4应用实践——压电式压力传感器在胎压检测中的应用3．实践过程

系统硬件可选用STC89C52单片机作为处理核心，XGZP6857型气压传感器模块作为监测模块，采用无线通信方式与主控室进行信息交互。XGZP6857型气体压力传感器模块集成了信号调理电路，对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行了很好的补偿。它以供电电压为参考，输出一个经过校准、温度补偿后的标准电压信号。XGZP6857型气体压力传感器尺寸小，易安装，广泛应用于医疗电子、汽车电子、运动健身器材等领域。图2-26XGZP6857型气体压力传感器

（a）实物

（b）引脚功能2.2.4应用实践——压电式压力传感器在胎压检测中的应用3．实践过程项目数值单位输出信号0.2～2.7（3.3V供电）V0.5～4.5（5V供电）V精度1.5%Span零点温度漂移0.03%FS/℃满量程温度漂移0.03%FS/℃长期稳定性（1年）2%Span表2-3XGZP6857型气体压力传感器主要技术指标图2-27汽车胎压检测系统03电感式压力传感器2.3.1自感式压力传感器自感式压力传感器由线圈、衔铁和铁芯组成图2-28自感式压力传感器结构

自感式压力传感器又可以分为变间隙型自感式压力传感器和变面积型自感式压力传感器。

常用的还有螺管型自感式压力传感器。1．变间隙型自感式压力传感器图2-29变间隙型自感式压力传感器1．变间隙型自感式压力传感器图2-30差动变间隙型自感式压力传感器2．变面积型自感式压力传感器图2-31变面积型自感式压力传感器3．螺管型自感式压力传感器图2-32螺管型自感式压力传感器螺管型自感式压力传感器主要由线圈、铁芯和磁筒套组成。磁筒套构成了线圈的外部磁路，并可作为螺管型自感式压力传感器的磁屏蔽层。图2-34螺管型差动变压器式压力传感器的结构及等效电路2.3.3应用实践——压力传感器在洗衣机中的应用1．实践目的了解压力传感器的工作原理和特性。2．应用描述如图2-35所示，全自动洗衣机采用的液位开关一般为压力式水位开关，它装在洗涤缸的上部，有一根下端开口的气管通到缸底，进水时空气被封闭在气管内，就形成比外界稍高的压力。水位越高则压力越高，这样便可以根据压力间接测得水位。图2-35自动洗衣机结构示意图3．实践过程

洗衣机筒内的水压通过空气室内的气体将压力传递给传感器，该压力作用于传感器的隔膜，将隔膜板U抬起，而弹簧的力反向作用于隔膜板U，当这两种力在传感器中的某一确定的位置达到平衡时，表示设定水位已达到，如图2-36所示。图2-36洗衣机中压力传感器工作原理2.3.3应用实践——压力传感器在洗衣机中的应用感谢您的观看第3章

速度传感器

速度是自动化生产线中的一个重要参数，它通常包括线速度、角速度和转速等。在工业生产中，准确地检测和控制速度，对保证安全生产和提高生产质量有着重要意义。

速度主要是通过速度传感器检测的。常见的速度传感器有霍尔传感器、编码器和光纤传感器等。本章重点介绍霍尔传感器和编码器的工作原理及应用，并简单介绍其他速度传感器的应用。本章导读学习目标理解霍尔效应及霍尔传感器的工作原理。掌握霍尔传感器的结构和测量电路。了解霍尔传感器使用过程中的注意事项。理解编码器的工作原理及应用。掌握编码器的测速方法。了解其他常见的速度传感器。能够根据需要选择合适的速度传感器并进行电路设计。无人机中的传感器

无人机是一种利用无线电遥控设备和自备程序进行控制的不载人飞机。

无人机包括

无人直升机、固定翼飞行器、多旋翼飞行器等。

优点：质量轻、费用低、机动灵活等。飞行控制系统是无人机实现自主飞行的核心部件，而各传感器的有效监测是飞行控制系统获取可靠信号的保障。

控制系统中常用的传感器包括加速度传感器、惯性检测单元、倾角传感器、电流传感器、磁传感器、发动机进气流量传感器等。案例导读图3-1无人机图3-2加速度传感器图3-3惯性测量单元CONTENT3.1霍尔传感器3.2编码器3.3其他速度传感器霍尔传感器013.1.1霍尔效应

霍尔传感器是基于霍尔效应工作的。1879年，美国物理学家霍尔发现，当电流通过一个位于磁场中的导体时，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差，这一现象就称为霍尔效应。图3-4霍尔传感器3.1.1霍尔效应图3-5霍尔效应原理3.1.2霍尔元件霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁敏传感器。1．霍尔元件的结构图3-6霍尔元件及符号2．霍尔元件的测量电路图3-7霍尔元件基本测量电路霍尔元件的基本测量电路如图3-7所示。霍尔元件的输出电压一般比较小，所以需要用放大电路将其放大。为了获得较好的放大效果，通常采用差分放大电路，如图3-8所示。图3-8霍尔元件的差分放大电路3.1.3集成霍尔传感器

开关型集成霍尔传感器又称霍尔开关，它是一种由稳压器、霍尔元件、放大器、施密特整形电路和开关输出等部分组合而成的磁敏传感器，如图3-9所示。

它能感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号的形式输出。图3-9开关型集成霍尔传感器内部结构1．开关型集成霍尔传感器2．线性集成霍尔传感器

线性集成霍尔传感器是由稳压器、霍尔元件及差分放大器等通过集成电路技术制成的传感器，其输出电压与磁场强度在一定范围内为线性关系。线性集成霍尔传感器有单端输出和双端输出（差动输出）两种形式，其内部结构如图3-11所示。

霍尔传感器具有微型化、可靠性高、寿命长、功耗低、无温漂及负载能力强等优点。

广泛用于汽车电子、电动自行车、家用电器等领域。

图3-11线性集成霍尔传感器内部结构（a）单端输出

（b）双端输出3.1.4使用霍尔传感器的注意事项（1）需要接负载且不能超负载工作。（2）供电电压不能超出规格说明书中规定的范围，且电源电压极性不能反接。（3）在使用和安装中应尽量减少机械应力，特别是器件的引脚，根部1mm范围内不允许施加任何机械应力（如弯曲、变形等）。（4）要严格规范焊接时间和温度。（5）霍尔传感器具有很强的抗外磁场干扰能力。另外，在装配、焊接、使用及存储过程中要注意防静电。3.1.5应用实践——霍尔传感器在动感单车测速中的应用1．实践目的（1）了解霍尔传感器测速原理。（2）能根据系统要求选择合适的传感器。2．应用描述动感单车是一种室内自行车训练、健身器材，它的结构和普通自行车类似，包括车把、车座、脚蹬和车轮几部分。动感单车一般都具有速度、里程检测和显示功能，用以作为训练者控制自身训练效果的重要参考指标。图3-12动感单车3．实践过程

动感单车主要是利用集成霍尔传感器、单片机、时钟芯片、按键电路、LCD液晶显示等元件，构成一个实时检测、显示速度和里程的系统。其系统框图如图3-13所示。

安装时，将霍尔元件和磁路系统靠近齿盘。随着齿轮的转动，磁路的磁阻随气隙的改变而改变。当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，经过放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空隙对准霍尔元件时，输出为低电平。3.1.5应用实践——霍尔传感器在动感单车测速中的应用图3-13动感单车测速系统图3-14集成霍尔传感器测速原理02

编码器3.2.1编码器的分类

增量式光电编码器输出的是增量值。

增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。1．增量式光电编码器增量式光电编码器结构增量式光电编码器实物图3-16增量式光电编码器组成原理图3-17增量式光电编码器的工作原理

增量式光电编码器工作时，检测光栅不动，而码盘随着被测转轴转动，当光线透过码盘和检测光栅上的缝隙照射到光电检测器件上时，光电检测器件就会输出两组相位差为1/4周期的A、B两相脉冲，再将这两相脉冲放大整形后分别接入到触发器（转换电路）的D端和CP端。

增量式光电编码器在使用过程中，通常会有不同的技术规格，其中最关键的是分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率和信号输出形式。（1）分辨率

用码盘旋转一周所产生的脉冲数（输出信号周期数）来表示的，即脉冲数/转（PPR），其值为码盘上的透光缝隙的数目。

缝隙数目越多，分辨率就越高。（2）精度

指编码器输出的信号数据对应真实角度的准确度。通常用角度、角分、角秒来表示。

影响增量式光电编码器精度的因素主要包括光栅分度误差、光盘偏心、轴承偏心、电子度数装置误差及光学部分的不精确等。（3）输出信号的稳定性

影响编码器输出信号稳定性的主要因素包括电子器件的温度漂移、外力造成的编码器形变及光源特性的变化等。（4）响应频率取决于光电检测器件和电子处理线路的响应速度。增量式光电编码器高速旋转时，分辨率越高，则输出的信号频率就越高。（5）信号输出形式

直接从增量式光电编码器的光电检测器件中获取到的信号电平较低，波形也不规则，不能直接用于控制、信号处理和远距离传输。因此，必须在编码器内将信号进行放大、整形和滤波等一系列处理。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。

增量式光电编码器具有结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点。2．绝对式光电编码器

目前使用最为广泛的编码器之一。

它的组成与增量式光电编码器基本一致，但码盘的制作方法有所不同。

通常是由透明材料制成的圆盘，在码盘上精确地印制上二进制编码，即在同一码道上印制黑白间隔图案，形成一套编码，黑色的不透光区域和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”，如图3-18所示。图3-18二进制码盘2．绝对式光电编码器

格雷码是一种常见的无权码，它具有相邻性的特点，即两个相邻区域代码之间仅有一位取值不同，其码盘如图3-19所示。

绝对式光电编码器只能用于旋转范围在360°以内的测量。图3-19格雷码盘知识拓展

绝对式接触编码器主要由码盘和电刷组成，码盘上制作编码（如二进制、格雷码、BCD码）图形，电刷是一种活动触头。二进制码盘制成的绝对式接触编码器，由于电刷安装存在机械偏差，这种机械偏差会产生非单值误差。因此，绝对式接触编码器也常采用格雷码盘的方法来消除非单值误差。绝对式电磁编码器是近些年发展起来的一种新型电磁敏感元件。它采用磁电式设计，通过磁感应器件、利用磁场的变化来产生和提供转子的绝对位置，利用磁电元件来代替传统的码盘，弥补了绝对式光电编码器对潮湿气体和污染敏感、可靠性差等缺陷，更具有抗震、耐腐蚀、耐污染、性能可靠性高、结构简单等优点。3.2.2编码器测速图3-20M法测速原理1．M法测速图3-21T法测速原理2．T法测速图3-22M/T法测速原理3．M/T法测速3.2.3应用实践——光电编码器在汽车驾驶模拟器中的应用1．实践目的（1）了解编码器的工作原理及选型原则。（2）能够根据设计要求选择合适的编码器。2．应用描述

汽车驾驶模拟器（vehicledrivingsimulator，VDS）将虚拟现实技术应用于汽车驾驶系统中，通过计算机技术产生汽车行驶过程中的虚拟视景和运动仿真，使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，产生实车驾驶感觉，从而体验、认识和学习现实世界中的汽车驾驶，既能安全、有效地提高驾驶员技术水平，又能降低各种费用。

在汽车驾驶模拟器中，方向盘旋转角和速度的测量系统是其中非常重要的组成部分，其中，方向盘旋转角检测可以使用光电编码器来实现。3．实践过程

在汽车驾驶模拟器中，可选用E6B2-CWZC6C光电编码器对方向盘旋转角进行测量，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选择400脉冲/旋转。考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，故需要对编码器的输出信号进行方向辨别后才能计数。E6B2-CWZC6C光电编码器实际使用的方向辨别与双向计数电路，它由1个D触发器和2个与非门组成，如图3-23所示。图3-23E6B2-CWZC6C光电编码器方向辨别与双向计数电路3.2.3应用实践——光电编码器在汽车驾驶模拟器中的应用3．实践过程3.2.3应用实践——光电编码器在汽车驾驶模拟器中的应用图3-24输出信号波形03其他速度传感器3.3.1光纤传感器

光纤传感器是随着光纤通信和光学技术发展起来的一类新型传感器，

它以光作为信息的载体，具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐高温、体积小、可挠曲、重量轻、成本低等优点。

可用于位移、速度、加速度、压力、液位、流量等多种物理量的测量，具有广阔的应用前景。图3-25光电流速传感器3.3.2超声波传感器

超声波传感器又称超声波换能器，习惯上也把它称为超声波探头。其主要功能是发射和接收超声波信号。

液体流速检测是超声波传感器的常见应用之一。

超声波测流速的方法有很多，如传播速度变化法、波速移动法、流动听声法等。

最常用是超声波传输时间差法，即利用超声波在静止流体和流动流体中的传播速度不同的原理，求出流体的速度。

在实际应用中，超声波传感器常安装在管道的外部，从管道的外部透过管壁来发射和接收超声波，不会对管道内的流体带来影响。图3-26超声波测速原理3.3.3变磁通式磁电转速传感器变磁通式磁电转速传感器主要由永久磁铁、线圈、软铁、测量齿轮和壳体等组成。

图3-27变磁通式转速传感器

（a）开磁路（b）闭磁路1—被测转轴；2—测量齿轮；3—线圈；4—软铁；5—永久磁铁3.3.4测速发电机

测速发电机根据输出电压的类型分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。

直流测速发电机根据定子的励磁方式又可分为电磁式直流测速发电机和永磁式直流测速发电机两种。

电磁式直流测速发电机的测速原理如图3-28所示。图3-28直流测速发电机测速原理感谢您的观看第4章

温度传感器

温度是反映物体冷热程度的物理量，物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关。在生产、生活和科学实验中，人们经常会遇到温度的检测与控制问题。

温度主要是通过温度传感器来检测的。本章重点介绍常见的温度传感器，包括电阻式温度传感器、热电偶温度传感器和半导体集成温度传感器等。本章导读学习目标理解金属热电阻的测温原理和结构形式。了解半导体热电阻的类型、特点及结构。掌握热电偶温度传感器的测温原理及基本定律。了解热电偶温度传感器的分类及温度补偿方法。了解半导体集成温度传感器的分类。掌握典型集成温度传感器DS18B20的原理及应用。能够根据系统需求选择合适的温度传感器并完成系统设计。便携式温度检测仪常见的温度检测仪有电子体温计、红外工业测温仪、粮食测温仪等。便携式温度检测仪主要是由微处理器、温度传感器、信号调理电路、A/D转换电路（可选）、按键电路、显示电路、报警电路及电源模块组成，案例导读图4-1便携式温度检测仪图4-2便携式温度检测仪的系统结构CONTENT4.1电阻式温度传感器4.2热电偶温度传感器4.3半导体集成温度传感器电阻式温度传感器014.1.1金属热电阻1．测温原理2．结构形式（1）普通型金属热电阻主要由电阻体（感温元件）、不锈钢套管、瓷绝缘套管、引线口、接线盒及安装固定件等部分组成。电阻体通常由铂丝或铜丝在芯柱上绕制而成。图4-3普通型金属热电阻（2）铠装型

金属热电阻的结构较为特殊，它将电阻体、引出线、绝缘材料和不锈钢套制成一个整体。

铠装型金属热电阻具有良好的机械性能（耐震动和冲击）、牢固可靠、便于安装、不受有害介质侵蚀、反应速度快、使用寿命较长等优点。图4-4铠装型金属热电阻（3）薄膜型

金属热电阻是利用真空镀膜技术将铂膜直接蒸镀在陶瓷片基体上而制成的。

适用于动态温度和平面物体表面温度的测量。图4-5薄膜型金属热电阻4.1.2半导体热电阻1．半导体热电阻的类型及特点正温度系数半导体热电阻：材料通常为钛酸钡（BaTiO3）、锶（Sr）或锆（Zr）等；用于彩色电视机消磁、电冰箱压缩机启动及过热或过电流保护等。负温度系数半导体热电阻:材料通常为锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、铝（Al）等；用于电冰箱、空调、微波炉、电烤箱、复印机等。临界温度系数半导体热电阻：材料通常是由钒（V）、钡（Ba）、锶（Sr）或磷（P）等；通常作为控温报警、温度开关等。1．半导体热电阻的类型及特点

图4-6不同种类半导体热电阻的电阻—温度特性曲线1—负突变型CTC半导体热电阻；2—负指数型NTC半导体热电阻；3—线性型PTC半导体热电阻；

4—正突变型CTC半导体热电阻；TK—突变型CTC半导体热电阻的转折温度2．半导体热电阻的结构半导体热电阻尺寸小、热惯性小、结构简单，可以根据不同的要求制成各种各样的形状，其结构主要包括热敏探头、引线和壳体。图4-7半导体热电阻的结构及符号（a）半导体热电阻的结构

（b）半导体热电阻的符号

4.1.3测量电路热电阻作为电桥电路的一个臂，其余3个臂用对温度不敏感的固定电阻表示。初始状态下，4个桥臂电阻的阻值相等，且电缆线的等效电阻相等，即此时电压表输出为零。图4-83线制电桥测量电路1．3线制电桥测量电路在4线制电桥检测电路中，热电阻两端分别与两根导线相连，使用单独的载电流和电压检测电路，桥路电路中的4个桥臂电阻2．4线制电桥测量电路图4-94线制电桥测量电路4.1.4应用实践——温度传感器在智能电饭煲中的应用1．实践目的（1）了解温度传感器的应用。（2）能根据系统要求选择合适的温度传感器。2．应用描述电饭煲是应用极为广泛的家用电器，传统的电饭煲常采用机械控温方式，而智能电饭煲常常采用微电脑模糊算法的控温方式。但无论是哪一种，温度检测和控制都是其核心功能。其中，温度检测主要是依靠温度传感器（多采用半导体热电阻）来实现。3．实践过程

智能电饭煲温度控制系统中的温度传感器一般有两个，分别为顶盖温度传感器和底部温度传感器，它们将采集到的温度值经信号调理电路和A/D转换电路转换后送至单片机，单片机将采集到的温度信号与设定温度进行综合比较，根据比较后的结果及控制程序控制继电器的开合，并将结果通过显示电路显示。

功能选择键可设置智能电饭煲的不同功能，从而设置单片机的设定温度及加热时间；电源分为两部分，一部分为加热盘（通常为电阻丝）提供220V交流电，另一部分通过变压器转换成3.3～5V直流电压给单片机供电。3.1.5应用实践——霍尔传感器在动感单车测速中的应用02热电偶温度传感器4.2.1测温原理

热电偶温度传感器的测温原理是热电效应。

在两种不同导体组成的闭合回路中，如果将它们的两个接触点分别置于不同温度的环境中，这两个接触点之间会产生热电动势，此闭合回路中也会产生电流，这种现象称为热电效应。

这两种不同导体所组成的闭合回路称为热电偶，每根单独的导体称为热电极。这两个接触点中，一个接触点称为工作端（该端置于被测的热源中），又称测量端或热端；而另一个接触点称为自由端，又称参考端或冷端图4-11测温原理1．接触电动势2．温差电动势图4-12温差电动势原理3．回路中总的热电动势图4-13热电动势原理图4.2.2基本定律1．均质导体定律

当闭合回路由一种均质导体材料构成时，不论该导体的截面积和长度如何，也无论各处的温度如何分布，都不会产生热电动势。

反之，如果唯一导体材料组成的回路中存在热电动势，可验证此材料是非均质的。

在实际应用中，常用均质导体定律来检验热电极材料成分是否相同，或该材料是否为均质的。2．中间导体定律图4-14中间导体定律图4-15电位计接入热电偶回路3．中间温度定律图4-16中间温度定律例题4．参考电极定律图4-17参考电极定律1．补偿导线法

可以用一对金属导线将自由端延长，这对导线称为“补偿导线”。

补偿导线的热电特性在测量范围内必须与热电偶温度传感器相同或基本相同，且价格相对较低。4.2.3温度补偿方法图4-18补偿导线法2．自由端恒温法

在实验室和精密测量中，通常把自由端放入装满冰水混合物的容器中，以使自由端温度保持在0℃，这种方法称为零度恒温法。3．电桥补偿法

电桥补偿法也称自由端补偿法，是利用不平衡电桥产生的热电动势来补偿热电偶温度传感器因自由端温度变化而引起的热电动势变化。4．计算修正法

求出当自由端为0℃时的热电动势，通过查表计算的方法，得到被测实际温度。图4-19电桥补偿法1．普通热电偶温度传感器

普通热电偶温度传感器主要由接线盒、热电极、绝缘套管、保护套管及热端等部分组成。

接线盒的主要作用是连接热电偶温度传感器端和引出线，并兼有密封和保护接线端不受腐蚀的作用。

热电极是组成热电偶温度传感器的两根热电阻丝。

绝缘套管的主要作用是保证热电偶温度传感器两电极之间，以及电极与保护套管之间的电气绝缘，它通常为带孔的耐高温陶瓷管。

热端即工作端，它可直接插入被测物体中或贴在被测物体的表面。图4-20普通热电偶温度传感器4.2.4分类2．铠装型热电偶温度传感器

铠装型热电偶温度传感器又称为套管式热电偶温度传感器，是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而制成的组合体。

根据热端形状的不同，铠装型热电偶温度传感器又可分为碰底型、不碰底型、露头型和帽型4种。

铠装型热电偶温度传感器常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。

铠装型热电偶温度传感器的主要特点是测量端热容量小、动态响应快、机械强度高、挠性好，可安装在结构复杂的装置上（a）

（b）

（c）

（d）图4-21铠装式热电偶温度传感器（a）碰底型（b）不碰底型（c）露头型（d）帽型1—金属套管；2—绝缘材料；3—热电极3．薄膜型热电偶温度传感器

薄膜型热电偶温度传感器是由两个热电极膜（金属薄膜）在绝缘基板上连接而成的一种特殊结构的温度检测元件。

薄膜型热电偶温度传感器具有体积小、热容量小、反应速度快（仅为几微秒）的特点，也可以用来检测物体表面温度的快速变化值。图4-22薄膜型热电偶温度传感器4.2.5应用实践——热电偶温度传感器在加热炉温度控制中的应用1．实践目的（1）了解热电偶温度传感器的工作原理及应用环境。（2）能够根据系统要求选择合适的温度传感器。2．应用描述

加热炉是材料加工中最常见的工业用炉，在工业生产中起着十分重要的作用。其中，温度是加热炉中重点监测的物理量之一，加热炉的温度一般是指炉内热气、炉内壁和加热钢坯的均衡温度，通常由热电偶温度传感器在线监测获得。3．实践过程

加热炉温度控制系统（见图4-23）。

在控制系统中，加热炉温度信号转变成毫伏级的电压信号，信号调理电路将信号放大、滤波后，送入A/D转换电路，通过采样和转换，将所检测到的电压信号转换成数字量送入智能控制板与炉温给定值（通过按键电路送至智能控制板）进行比较，其差值即为实际炉温和给定炉温的偏差；智能控制板对偏差按照给定的方法运算，并将运算结果送至D/A转换电路，转换成模拟电压后，经功率放大器放大后送入晶闸管调压器，触发晶闸管并改变系统的导通角，从而控制加热炉的加温电压，起到调节炉温的作用。图4-23加热炉温度控制系统4.2.5应用实践——热电偶温度传感器在加热炉温度控制中的应用03半导体集成温度传感器4.3.1分类

1．模拟量半导体集成温度传感器图4-24AD590

模拟量半导体集成温度传感器输出信号为电流或电压信号，具有功能单一（仅测温）、误差小、响应速度快、体积小、功耗小、外围电路简单、价格便宜等特点，是目前国内外应用最为普遍的一种集成温度传感器，典型产品有AD590、AD592和LM335等。2．数字量半导体集成温度传感器

将温度传感器和A/D转换电路集成在一个芯片上构成的。

将温度信号直接转换为并行或串行数字信号供中央处理器处理，抗干扰性比模拟量半导体集成温度传感器更强。

广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制与检测系统中。

典型产品有DS18B20、MAX6575和MAX6635等。3．开关量半导体集成温度传感器

开关量半导体集成温度传感器主要包括温控开关和可编程温度控制器两种。

典型产品有KSD9700、KSD301、MAX6501/02/03/04及其他智能温控开关。4.3.2典型集成温度传感器——数字温度计DS18B20DS18B20的测量范围为

～125℃，增量值为0.5℃，可将温度信号直接转换为9～12位的数字量输出。DS18B20具有体积小、精度高、抗干扰能力强、超低功耗的优点。另外，它还具有用户可定义的非易失性温度报警设置，在环境监测、仪器仪表及过程检测和控制等方面非常有用。1．引脚说明图4-25DS18B20实物图4-26DS18B20引脚

DS18B20的引脚如图4-26所示。GND：接地端。DQ：数据输入/输出引脚。单线操作时应使漏极开路。VCC：可选的电源正极引脚。寄生电源供电方式时接地。2．工作原理DS18B20主要由64位ROM、单线端口、温度传感器、存储器和控制逻辑、暂存器、电源探测、8位CRC产生器、非易失性温度报警触发器TH（上限触发）和TL（下限触发）等组成。

控制器必须首先提供下面5个ROM操作命令之一：①读ROM；②匹配ROM；③搜索ROM；④跳过ROM；⑤报警搜索。DS18B20工作过程一般遵循：初始化→ROM操作命令→存储器操作命令→处理数据。图4-27DS18B20的组成3．供电方式

（1）寄生电源供电。

特点：①进行远距离测温时，无须本地电源；②可以在没有常规电源的条件下读取ROM；③电路更加简洁，仅用一个I/O口实现测温；④只适用于单一温度传感器测温情况。

（2）外部电源供电。VCC引脚接入一个外部电源（3.3～5V），此方式是DS18B20温度传感器最佳的供电方式，它具有工作稳定可靠和抗干扰能力强等优点，可以用在稳定可靠的多点温度监测系统中。4.3.3应用实践——电子温度计1．实践目的（1）了解DS18B20的工作原理及应用。（2）能够根据系统要求选择合适的温度传感器。2．应用描述

电子温度计是利用温度传感器输出电信号（直接输出数字信号或者将电流信号转换成能够被单片机识别的数字信号），然后通过显示器（如液晶、数码管、LED矩阵等）以数字形式显示温度，它能记录、读取被测温度的最高值。电子体温计最核心的元件就是感知温度的温度传感器。3．实践过程

电子温度计系统采用单片机作为处理核心，DS18B20温度传感器将采集到的信号送至单片机进行处理，单片机再将温度数据送至显示电路，以达到显示当前温度的目的。

此外，实时监测到的温度与单片机内设定的温度上下限（通过按键电路设定）进行比较，超出设定范围时，电子温度计通常会报警。系统功能如图4-28所示。图4-28电子温度计系统4.3.3应用实践——电子温度计感谢您的观看第5章

物位传感器

在生产过程中，经常会遇到物体或介质的液位、料位和界位等位置检测问题，它们统称为物位检测。物位检测在工业自动化、过程控制和机器人等领域有着广泛的应用。根据输出信号的不同，物位检测分为连续量输出式和开关量输出式，前者多用于液位、料位和界位的具体测量，而后者多用于判断是否有物体靠近，常称为接近开关。

本章主要介绍用于物位检测的常用传感器（如电容式传感器、接近开关）的工作原理、结构及典型应用等。本章导读学习目标了解电容式传感器的工作原理及分类。掌握电容式传感器的等效电路及转换电路。掌握常见接近开关的工作原理和结构。了解常见接近开关的典型应用。能够根据系统需求选择合适的物位传感器并完成系统设计。汽车油箱油量检测

汽车的仪表盘上通常安装有油箱油量的指示表，该指示表用来显示油箱液位高低。

汽车油箱油量检测通常选用汽车专用油位传感器，也称油位变送器。该传感器是为铁路机车、汽车油箱、油罐车、油库等油位的精确测量而量身定做的。案例导读图5-1汽车专用油位传感器CONTENT5.1电容式传感器5.2接近开关电容式传感器015.1.1工作原理及分类

变介电常数型电容式传感器常用来检测电介质的厚度、位移、液位、液量、温度、湿度、容量等。图5-2变介电常数型电容式传感器结构原理及等效电路1．变介电常数型电容式传感器1．变介电常数型电容式传感器2．变面积型电容式传感器图5-3变面积型电容式传感器的结构示意图

变面积型电容式传感器的结构主要包括线位移平板式、角位移平板式、线位移圆柱式和线位移圆柱差动式。1—定极板；2—动极板3．变极距型电容式传感器图5-4变极距型电容式传感器原理

极板1为定极板，极板2为动极板，动极板与被测物体相连，当动极板随被测物体的改变而移动时，两极板间距发生变化，从而使两极板间的电容C改变。5.1.2等效电路

在环境温度不高、湿度不大且电源频率适中的条件下，电容式传感器可以近似为纯电容。但是，若电容式传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作，则须考虑其附加损耗和电感效应的影响。图5-5电容式传感器等效电路1．交流电桥电路

电阻式交流电桥电路的灵敏度和稳定性较高，且寄生电容影响小，简化了屏蔽电路，因此更适合于高频信号。

变压器式交流电桥电路主要优点是输出阻抗小、负载能力强，是目前应用最为广泛的电容转换电路之一。5.1.3电容转换电路（a）

（b）图5-6交流电桥电路（a）电阻式交流电桥电路（b）变压器式交流电桥电路2．调频电路

若将电容式传感器接入调频振荡器的LC谐振网络中，当电容式传感器的电容C发生变化时，其谐振频率f也会发生相应的变化，实现了由电容到频率的转换，故称为调频电路。图5-7调频电路3．运算放大器电路图5-8运算放大器电路

输出电压值随反馈电容的变化而变化，又因为运算放大器电路的放大倍数非常大，且输入阻抗很高，故可作为电容式传感器的转换电路。4．差动脉宽调制电路

在差动脉宽调制电路中，电容式传感器的电容充放电时，电路输出的脉冲宽度随着电容的变化而变化，经低通滤波器输出一个与被测量变化相应的直流信号。特点①对传感元件的线性度要求不高；②不需要调制电路，只要经过低通滤波器就可以得到较大的直流输出；③对输出矩形波的纯度要求不高；④电源电压必须稳定。5.1.4注意事项1．减小或消除边缘效应的影响

电场线从极板间区域扩展到外部空间时，电场线由平行分布变成了开口状分布，电场分布集中在极板的边缘，这就是边缘效应。

边缘效应不仅降低了电容式传感器的灵敏度，也增加了电容式传感器的非线性误差，因此，常采用带有保护环的结构，以消除边缘效应的影响。图5-10消除边缘效应方法5.1.4注意事项图5-10消除边缘效应方法2．减小或消除寄生电容的影响（1）利用集成电路技术，将测量电路和超小型电容器集成到一个芯片中，这既减小了寄生电容，又能使寄生电容固定不变。（2）采用驱动电缆技术，即等电位屏蔽技术，又称为双层屏蔽等位传输技术5.1.4注意事项3．减小外界温度的影响（1）对结构尺寸的影响。电容式传感器极板间距很小，因此对结构尺寸的变化非常敏感。（2）对介质介电常数的影响。温度对介电常数的影响由于介质不同而不同，空气及云母片的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。5.1.5应用实践——简易液位指示及报警系统设计1．实践目的（1）了解电容式传感器的工作原理。（2）能根据系统需求选择合适的电容式传感器。2．应用描述

液位监测和控制在生产、生活中应用非常广泛，如自动注水系统、恒压供水系统、水文监测系统和油位检测系统等。简易液位指示及报警系统通常采用柱状电容式传感器作为测量器件，结合单片机及其他外围电路设计而成。3．实践过程

系统采用柱状电容式传感器采集液体的液位。该传感器的介电质随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容的变化。由于电容式传感器的电压变化微弱且存在非线性，所以要通过放大整形电路进行放大和整形。

放大整形后的信号通过A/D转换电路后送至单片机。单片机对信号处理后送至显示电路，用于显示液位的高度，当液位达到报警极限时，单片机向报警电路发出报警信号。图5-12简易液位指示及报警系统5.1.5应用实践——简易液位指示及报警系统设计02接近开关5.2.1光电接近开关1．工作原理

光照射到某些材料上，会引起其电子特性的变化，这种由光信号的变化引起电子特性变化的现象称为光电效应。分类外光电效应：指在光信号作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象。光电导效应：指当辐射能量足够强的光照射到光电导体上时，电子吸收足够强的光子能量从键合状态过渡到自由状态，使本征半导体的电导率变大的现象。光生伏特效应简称光伏效应：指某些光敏材料在光线作用下产生的有一定方向电动势的现象。2．分类

根据其工作原理不同，光电接近开关可分为：

对射式光电接近开关、

漫反射式光电接近开光、镜反射式光电接近开关。对射式光电接近开关漫反射式光电接近开关镜反射式光电接近开关图5-13光电接近开关图5-14安全光幕3．典型应用——安全光幕

安全光幕是一种利用光电效应工作的光电安全保护装置，是光电接近开关在工业生产中的典型应用，也称安全保护器、冲床保护器、红外线安全保护装置等。

安全光幕由两部分组成，即光发射器和光接收器。

实际应用中，安全光幕的一端（光发射器）等间距安装有多个红外发射管，另一端（光接收器）相应地安装相同数量同样排列的红外接收管，每一个红外发射管都对应有一个相应的红外接收管，且安装在同一条直线上。5.2.2电涡流式接近开关电涡流式接近开关实际上是由电感线圈、电容及晶体管组成的振荡器。图5-15电涡流式接近开关结构1．结构及工作原理图5-16电涡流式接近开关工作原理2．典型应用（1）金属探测器通常由电涡流探头、信号调理电路和报警装置3部分组成。（2）转速测量在一个旋转体上开一条或数条槽，或做成齿，旁边安装一个电涡流式接近开关。工作原理同霍尔元件类似，当旋转体旋转时，电涡流式接近开关会周期性地改变输出信号。（a）

（b）图5-18霍尔计数装置（a）霍尔计数装置结构示意

（b）霍尔计数装置工作原理5.2.3霍尔接近开关利用霍尔元件制成的接近开关称为霍尔接近开关，简称霍尔开关。霍尔接近开关的检测对象必须是磁性物体。霍尔接近开关广泛应用于计数、位置识别、运动方向识别、运动状态识别等。5.2.4热释电红外传感器1．工作原理

红外辐射的物理本质是热辐射，物体的温度越高，辐射出的红外线越多，红外辐射的能量就越强。

热释电红外传感器就是利用热电元件的自发极化（当晶体受热时，两端产生数量相等且符号相反的电荷）强度随温度的变化而变化的特性制成的。

通过测量物理参数的变化来确定热释电红外传感器所吸收的红外辐射。2．结

构热释电红外传感器主要由外壳、窗口、滤光片、PZT热电元件、FET管（场效应管）、支撑环及电路元件等组成。（a）

（b）图5-19热释电红外传感器（a）结构组成（b）热释电晶片（1）PZT热电元件用热释电红外材料制成的。将热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串联的有极性的小电容器。（2）滤光片主要作用是有效通过人体辐射的红外线，而阻止太阳光、灯光等可见光中的红外线，免除干扰。3．典型应用图5-21自动门控制系统接线

在实际应用中，通常将热释电红外传感器与放大器、信号调理电路、延时电路和高低电平输出电路集于一体，构成热释电人体接近开关（红外探头），其主要功能是探测人体发射的红外线能量，适用于移动人体的探测，在自动门、防盗报警器、自动水龙头、节能空调中应用广泛。5.2.5接近开关的选用要求与原则金属导体或可以固定在金属上的物体------选用电涡流式接近开关；非金属（如液体、粉状物、塑料、烟草等-----电容式接近开关；磁导材料------用霍尔接近开关。

在一般的工业生产场所，通常选用电涡流式接近开关和电容式接近开关。

在环境条件比较好、无粉尘污染的场合，可采用光电接近开关。

在防盗报警器、自动门、倒车雷达中，通常使用热释电接近开关、超声波接近开关、微波接近开关。1．被测对象的材质2．安装环境

在接近开关的选用和安装中，必须考虑系统的检测距离和设定距离，其主要包括动作距离、复位距离、额定动作距离和设定距离等，如图5-22所示。（a）

（b）图5-22检测距离和设定距离（a）检测距离（b）设定距离3．检测距离与设定距离（1）动作距离当有物体向接近开关移动到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。（2）复位距离是指接近开关动作后，又再次复位时，与被测对象检测面的距离。（3）额定动作距离是指接近开关动作距离的标定值。（4）设定距离是指接近开关在实际工作中的额定距离，通常为额定动作距离的0.8倍。感谢您的观看第6章

化学传感器

化学传感器是对各种化学物质敏感并将其相关化学量（如浓度、湿度、成分等）转化成电信号的仪器。它在环境污染监测、工业自动化、医学诊断、防盗、安全报警和节能等各方面都有着重要的应用。

化学传感器按检测对象的不同可分为气敏传感器、湿度传感器、离子传感器和生物传感器等。本章重点介绍气敏传感器和湿度传感器，并简要介绍生物传感器。本章导读学习目标了解气敏传感器的工作原理、分类和主要特性参数。掌握气敏传感器的典型应用。理解湿度的表示方法。了解常见的湿度传感器及主要参数。了解生物传感器的结构和工作原理。了解常用生物传感器及其主要应用。能够根据系统需求选择合适的化学传感器并完成系统设计。掌握常见湿度传感器的典型应用。甲醛浓度检测仪

甲醛检测的方法主要包括分光光度法、电化学检测法、气相色谱法、液相色谱法、传感器法等。这里主要介绍传感器法测甲醛浓度。

检测甲醛的传感器有电化学式传感器、光学传感器和光生化传感器等。

甲醛浓度检测仪（见图6-1）就是利用电化学式传感器对甲醛进行检测的，它主要由单片机、甲醛模组、按键电路、LCD显示电路和报警电路组成，案例导读图6-2甲醛浓度检测仪工作原理图6-1甲醛浓度检测仪CONTENT6.1气敏传感器6.2湿度传感器6.3生物传感器气

敏

传

感

器016.1.1工作原理和分类1．半导体式气敏传感器

按照半导体物理特性的不同，可将其分为电阻型和非电阻型两类。（a）

（b）

（c）图6-3电阻型半导体式气敏传感器

电阻型半导体式气敏传感器中，气敏半导体材料吸附气体时，其阻值会产生变化，利用这一原理，便可通过测量阻值的变化而检测气体的成分或浓度。（a）实物（b）引脚图（c）符号f—加热电极；A、B—气敏电极按照结构的不同，电阻型半导体式气敏传感器的敏感元件又可分为烧结型、薄膜型和厚膜型（1）烧结型气敏元件。（2）薄膜型气敏元件。