传感器技术应用基础讲稿

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1、传感器技术应用基础上海电机学院 仲葆文2011.8.3 什么是传感器 传感器的作用和地位 传感器的定义、组成和分类方法一、传感器的概念pp在我们日常生活中，使用着各种各样的传感在我们日常生活中，使用着各种各样的传感 器器: : 电冰箱、电饭煲中的温度传感器；电冰箱、电饭煲中的温度传感器； 空调中的温度和湿度传感器；空调中的温度和湿度传感器； 煤气灶中的煤气泄漏传感器；煤气灶中的煤气泄漏传感器； 水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控 器；器； 照相机中的光传感器；照相机中的光传感器； 汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。

2、1. 什么是传感器 眼（视觉）眼（视觉） 耳（听觉）耳（听觉） 鼻（嗅觉）鼻（嗅觉） 皮肤（触觉皮肤（触觉 ） 舌（味觉）舌（味觉）感知外界信息感知外界信息 大脑大脑 肌体肌体 pp人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较 人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这 些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌 体。 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行 机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。 传感器好比人体感官的延长，因之又称为“电五官”。传感器外 界 信 息感 官大 脑肌 体计算机执行机构传感器与“五官”的类比测控系统人电脑大脑味觉传感器舌头视觉传感器眼睛

3、听觉传感器耳朵触觉传感器四肢嗅觉传感器鼻子电 五 官五 官pp从广义的角度来说，信号检出器件和从广义的角度来说，信号检出器件和 信号处理部分总称为信号处理部分总称为传感器传感器。测酒仪 指纹仪2.传感器技术的作用和地位pp 构成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是： n 传感器技术（信息采集）； n 通信技术 （信息传输）； n 计算机技术（信息处理）；（信息处理）；它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到“ “感官感官” ”、“ “神经神经” ”和和“ “大脑大脑” ”的作用。的作用。pp在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的在利用信息的过程中首先要解决获取准确

4、可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。p 目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传 感器对检测和自动化技术所起的作用远比家用电器所 起到的作用大的多。（ FMS、CIMS、无人驾驶汽车、大型发电机组监测、过程控制等）p 传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测 、医疗诊断、军事领域（目标跟踪、导弹制导、自动探测、通信指挥系统等） 、航空航天（卫星测控、海洋探测） 、现代办公 设备、智能楼宇、生物工程、环境保护、安全防范和 家用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部 分。p 现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种 传感器

5、监视和控制生产过程的各个参数，传感器是自 动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术 的水平。p 工业生产pp 机器人机器人视觉视觉: : 平面、立体平面、立体 非视觉非视觉: :触觉、触觉、 热觉、力觉、热觉、力觉、接近觉、接近觉、火星探索者智能玩具智能玩具阿富汗参加反恐作战的“赫耳 墨斯”价值4万美元，可携带2 架摄像机，发挥了很好作用。pp 军事领域军事领域高性能武器平台的基础精确打击pp 医疗诊断医疗诊断pp 家用电器家用电器液化气烟雾报警器液化气烟雾报警器智能洗衣机智能洗衣机遥控器遥控器pp 智能楼宇智能楼宇DDCDDC给排水系统给排水系统泵系统泵系统锅炉系统锅炉系统环境控制环境

6、控制电力监测电力监测能量计费能量计费消防系统消防系统保安系统保安系统照明系统照明系统供暖通风供暖通风 空气调节空气调节pp 门禁系统门禁系统门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统指纹门禁指纹门禁射频卡门禁pp湿度测量湿度测量 纺 织 品 精确的 烟草烘干木材烘干芯片生产要求最高的湿度稳定性纸 品专为您的需求所设计的 湿度传感器NOX NO + NO2dustsootH2SH2OHC C- totalCO2COO2HCNHClHFNH3SO2烟气测量火灾探测波数/cm-1 时间/min吸光度/A木块加热CO2光谱瀑布图木块加热CO和CO2浓度 变化t

7、/min波数/cm-1 时间/min吸光度/A木块加热CO光谱瀑布图常德大火p传感器具有以下作用和功能 （1） 测量与数据采集（2） 检测与控制（3） 诊断与监测（4） 辅助观测仪器（5） 资源探测（6） 环境保护（7） 医疗卫生（8） 家用电器 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防 、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工 程 、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域 。可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以 至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感 器。 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进 步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十 分重视这一领域的发展。3. 传感器的定

8、义、组成和分类方法3.1 传感器定义 p 广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按 一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。 p 狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 p 国家标准（GB766587）对传感器（Sensor/transducer）定义是：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出 信号的器件和装置。pp 以上定义表明传感器有以下含义以上定义表明传感器有以下含义：n n能按一定规律将被测量转换成电信号输出；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；n n传感器的输出与输入之间存在确定的关系传感器的输出与输入之间存在确定的关系；pp 按使用的场合不同又

9、称为按使用的场合不同又称为: :变换器、换能器、探测器。变换器、换能器、探测器。3.2 传感器的组成传感器由传感器由敏感元件、转换元件、基本电路敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：三部分组成： 敏感元件敏感元件感受被测量感受被测量; ; 转换元件转换元件将响应的被测量转换成电参量将响应的被测量转换成电参量; ; 基本电路基本电路把电参量接入电路转换成电量把电参量接入电路转换成电量; ;pp 核心部分是转换元件核心部分是转换元件, ,决定传感器的工作原理决定传感器的工作原理 。敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本电路基本电路电量输出电量输出被测量被测量电参量电参量元件式传感器组成框图：被测量

10、转换元件电参量pp 敏感元件敏感元件 敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分pp 转换元件转换元件 转换元件是指传感器中能将敏感元件的输出量转换为适于转换元件是指传感器中能将敏感元件的输出量转换为适于 传输和测量的电信号部分传输和测量的电信号部分 使输出为规定的标准信号的装置称为变送器使输出为规定的标准信号的装置称为变送器 被测量敏感元件转换元件非电量电参量结构式传感器组成框图：传感器的组成举例敏感元件转换元件压力传感器3.3 传感器的图形符号pp国标国标GB/TGB/T14479-9314479-93规定传感器图用图形符号规定传感器图用图形符号

11、表示方法：表示方法：正方形表示转换元件 正方形表示转换元件, ,三角形表示敏感元件； 三角形表示敏感元件；X X 表示被测量符号；表示被测量符号；* * 表示转换原理。表示转换原理。* *X X几个典型传感器的图用图形符号几个典型传感器的图用图形符号a aP P电容式压力电容式压力传感器 传感器压电式加速度压电式加速度传感器 传感器电位器式压力电位器式压力传感器 传感器3.4 传感器的分类pp 传感器分类方法较多传感器分类方法较多, ,大体有以下几种：大体有以下几种：1 1） 按变换原理的科学范畴分类按变换原理的科学范畴分类 物理传感器物理传感器 化学传感器化学传感器 生物传感器生物传感器）按

12、传感器的输出信号分类）按传感器的输出信号分类 模拟传感器模拟传感器 数字传感器（含频率输出、数字传感器（含频率输出、 开关输出）开关输出）按传感器的信号变换特征分类）按传感器的信号变换特征分类 结构型传感器结构型传感器 物性型传感器物性型传感器5 5）按传感器的能源分类）按传感器的能源分类 有源传感器（能量转换）有源传感器（能量转换） 无源传感器（能量控制）无源传感器（能量控制）4 4）按传感器的转换原理分类）按传感器的转换原理分类 机机电传感器电传感器 光光电传感器电传感器 热热电传感器电传感器 磁磁电传感器电传感器 电化学传感器电化学传感器6 6）按传感器的被测量分类）按传感器的被测量分类

13、 位移传感器位移传感器 压力传感器压力传感器 温度传感器温度传感器 流量传感器流量传感器 速度传感器速度传感器 接近开关 超声波传感器 火灾传感器 光传感器在智能照明控制系统中的应用 智能小区周边防范系统 无线传感器网络在安防报警领域中的应用二、常用传感器及其应用1.常用的接近开关应用简介 在各类开关中，有一种对接近它的物体有感知 能力的元件位移传感器。利用位移传感器 对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的 目的，这就是接近开关。当有物体移向接近开 关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感 知”，开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距 离”。不同的接近开关检出距离也不同。接近开关的主要用途

14、接近开关在航空、航空、航天技术以及工业生 产中都有广泛的应用。 在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门 ，自动热风机上都有应用。在安全防盗方面， 如资料档案、财会、金融、博物馆、金库等重 地，通常都装有由各种接近开关组成的防盗装 置。在控制技术中，如位移、速度、加速度的 测量和控制，也都使用着大量的接近开关。接近开关种类因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方 法做成，而不同的位移传感器对物体的“感知 ”方法也不同，所以常见的接近开关有以下几 种： （1） 涡流式接近开关 （2） 电容式接近开关 （3） 霍尔接近开关 （4） 光电式接近开关 （5） 热释电式接近开关1.1 涡流式接近开关

15、这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用 导电物体在接近这个能产生电磁场的接近开关 时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路 参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近 ，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能 检测的物体必须是导电体。 电感式接近开关可以在不与目标物实际接触的 情况下检测靠近传感器的金属目标物。分类： 通用型：主要检测黑色金属（铁）。所有金属型：在相同的检测距离内检测任何金属。有色金属型：主要检测铝一类的有色金属。电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触 发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面 产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器 检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的 能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及 停振这二种状态，转换为电信号通过整形放大 转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出 。电感式接近开关的工作原理振荡电路中的线圈L产生一个高频磁场。当目标物接近磁 场时，由于电磁感应在目标物中产