传感器的基本知识

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1、第1章 传感器的基本知识*1第1章 传感器的基本知识*2学习要点u掌握传感器的概念及组成u熟悉传感器的分类方法u了解传感器的命名方法u掌握传感器的一般特性第1章 传感器的基本知识*31.1 传感器的作用与地位 1.2 传感器的应用与发展 1.3 传感器的定义与组成 1.4 传感器的分类 1.5 传感器的命名及代号 1.6 传感器的基本特性 本章小结 复习思考题主要内容返回主目录第1章 传感器的基本知识*4例：曹冲称象方法：利用水的浮力称重，是力学量检测的一种方法。 装置：船、石头、小秤；检查、测量，从而得到：定性、定量的结果。课题引入曹冲生五六岁，智意所及 ，有若成人之智。时孙权 曾致巨象，太

2、祖欲知其斤 重，访之群下，咸莫能出 其理。冲曰：“置象于船上 ，刻其水痕所至。称物以 载之，则校可知矣。”太祖 悦，即施行焉。 第1章 传感器的基本知识*5 现代生产实践中采用的是测力传感器。 例如在钢铁工业中，大型轧钢机上装有测力传感器，可以测定轧制力和提供进轧与自动控制钢板厚度 的信号；在起重运输行业中，如在滑车和大型吊车 上安装测力传感器，一方面可以实现自称重，另一 方面可以在超重时发出警报信号，自动避免事故。 课题引入第1章 传感器的基本知识*61.1 传感器的作用与地位 u表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。第1章 传感器的基本知识*7第1章

3、传感器的基本知识*8第1章 传感器的基本知识*9一、传感器的作用u人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。u非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。u非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行控制，实现这种转换技术的器件就是传感器。第1章 传感器的基本知识*10二、传感器的应用与发展 传感器几乎渗透到所有的技术领域。如工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。 在机器人的技术发展中，传感器采用与否及

4、采用数量的多少是衡量机器人是否具有智能的标志，现代智能机器人因为采用了大量的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器，才使得其具有自我诊断、自我补偿、自我学习等能力，机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。传感器被称为机器人 的“电五官”。 在现代工程装备中，检测环节的成本约占50%-70%第1章 传感器的基本知识*11在航空、航天技术领域，仅阿波罗10号飞船就使用了 数千个传感器对3295个测量参数进行监测。http:/ anqiweiwoguosh_1.html第1章 传感器的基本知识*12第1章 传感器的基本知识*13检测技术在海啸预报中的应用海浪振动 检测系统浮标深海地沟第1章 传

5、感器的基本知识*14在民用工业生产中，传感器也起着至关重要的作 用。如一座大型炼钢厂就需要2万多台传感器和检 测仪表炼铁高炉监控 与传动系统 第1章 传感器的基本知识*15大型的石油化工厂需要6千台传感器和检测仪表第1章 传感器的基本知识*16 一部现代化汽车需要90多只传感器一台复印机需要20多只传感器第1章 传感器的基本知识*17 日常生活中的电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、电动 自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等家用电器 都安装了传感器；第1章 传感器的基本知识*18 在医学上，人体的体温、血压、心脑电波及肿瘤等的 准确诊断与监控都需要借助各种传感器来完成。第1章 传感器的基本

6、知识*19u最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。u国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或 装置，通常由敏感元件和传感元件组成”。u传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 1.3 传感器的定义与作用1.3.1 传感器的定义一感二传第1章 传感器的基本知识*201.3.2 传感器的组成图：传感器系统的组成显示机构执行机构第1章 传感器的基本知识*21被测非电量电量 敏感元件传感元件转换电路它是直接感受被测量，并输出与 被测量构成有确定关系、更易于 转换的某一物理量的元

7、件。 将敏感元件感 受或响应的被 测量转换成适 于传输或测量 的电信号把传感元件输出 的电信号变为具 有一定传输和驱 动能力的信号， 以推动后级的显 示电路、数据处 理装置及执行机 构。电源 并不是所有的传感器必须包括敏感元件和传感元件。 如果传感元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，它 就同时兼为敏感元件。例如压电晶体、热电偶、热敏感电阻及光电 器件等。敏感元件与传感元件两者合二为一的传感器是很多的。 返回本章目录第1章 传感器的基本知识*22电子秤的工作原理显示：电子秤的工作原理显示：电子秤的外形及应变片的粘贴电子秤的外形及应变片的粘贴 位置如图。位置如图。 称重时红色应变片受拉

8、称重时红色应变片受拉 变长，绿色应变片受压变短，经桥变长，绿色应变片受压变短，经桥 路转换之后输出电压，数字显示器路转换之后输出电压，数字显示器 显示重量。显示重量。第1章 传感器的基本知识*23第1章 传感器的基本知识*24第1章 传感器的基本知识*25第1章 传感器的基本知识*26第1章 传感器的基本知识*271.4 传感器的分类常用的分类方法有两种： u一种是按被测输入量来分 u另一种是按传感器的工作原理来分第1章 传感器的基本知识*281.4.1 按被测物理量分类u根据被测量的性质进行分类，如温度传感器、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

9、及转距传感器等。u这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力和力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系，对于系统使用何种传感器是很有帮助的。u优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。u缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。第1章 传感器的基本知识*29表1-1 基本被测量和派生被测量基本被测测量派生被测测量基本被测测 量派生被测测量位移 线线位移长长度、厚度、应变应变 、振动动、 磨损损、平面度

10、力压压 力重量、应应力、力矩角位移旋转转角、偏转转角、角振动动时间频频 率周期、记记数、 统计统计 分布速度 线线速度速度、振动动、流量、动动量温度热热容、气体速度、 涡涡流角速度转转速、角振动动、角动动量光光通量与密度、 光谱谱分布 加速度线线加速度振动动、冲击击、质质量湿度水分、水气、露点角加速度角振动动、转转矩、转动惯转动惯 量第1章 传感器的基本知识*301.4.2 按传感器工作原理分类u这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。u优点：对传感器的工作原理表达的比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入的研究分析。u缺点

11、：不便于使用者根据用途选用。 第1章 传感器的基本知识*311. 电学式传感器u电学式传感器常用的有:电阻式传感器利用变阻器将被测非电量转换成电阻信号的原理制成。电容式传感器利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化电感式传感器利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电 感或互感的电感量或压磁效应的原理制成。磁电式传感器利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电 量而制成。电涡流式传感器利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理而制成。第1章 传感器的基本知识*32例：应变式力传感器制成的电子秤 工作示意图 应变片应变片图 应变式力传感器制成的电子秤第1章 传感器的

12、基本知识*33应变片测量电路VER1R2R3R4第1章 传感器的基本知识*342. 磁电式传感器u磁学式传感器的是利用铁磁物质的 一些物理效应而制成的。u磁学式传感器的主要用于位移、转 矩、温度、磁通量、电流、速度、 光通量及热辐射等参数的测量。第1章 传感器的基本知识*35例：霍尔效应演示金属薄片置于磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流 I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电 动势EH，这种现象称为霍尔效应。cda b第1章 传感器的基本知识*36例：霍尔传感器测量汽车速度第1章 传感器的基本知识*37n= 60f 4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔IC T例：霍尔传感器测

13、量转度演示第1章 传感器的基本知识*38霍尔式无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车可充电 电池组无刷电动机第1章 传感器的基本知识*393. 光电式传感器u光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成。u光电式传感器主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。第1章 传感器的基本知识*40光敏电阻演示 当光敏电阻受到 光照时，光生电 子空穴对增加，阻值减小，电 流增大。第1章 传感器的基本知识*41家用电视机的遥控器 第1章 传感器的基本知识*425. 电荷型传感器u电荷型传感器是利用压电效应原理而制成。u主要用于力及加速度的测量。（

14、动态力测量）第1章 传感器的基本知识*436. 半导体型传感器u半导体型传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、电磁效应及半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。u半导体型传感器主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。第1章 传感器的基本知识*447. 谐振式传感器u谐振式传感器是利用改变电或机械固有 参数来改变谐振频率的原理而制成。u主要用来测量压力。第1章 传感器的基本知识*458. 电化学式传感器u电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成。u根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电 位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱 （极化）式传感器和电解式传感器等。

15、u电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分 、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及 氧化还原电位参数的测量。第1章 传感器的基本知识*46其他分类方法u按能量分类有源传感器和无源传感器；u按输出信号的性质分类模拟式和数字式传感器。数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如盘式角度数字传感器，光栅传感器等。u本书主要是按被测量分类编写的，适当加以工作原理的分析，重点讲述各种传感器的用途，使读者学会使用传感器，进一步去开发新型传感器。返回本章目录第1章 传感器的基本知识*471.5 传感器的命名及代号http:/ 传感器的基本知识*481.5 传感器的命名及代号1.

16、5.1 传感器命名法的构成 传感器产品的名称，应由主题词及四级修饰语构成。 （1）主题词传感器。 （2）第一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语。 （3）第二级修饰语转换原理，一般可后续以“式”字。 （4）第三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征 、敏感元件及其他必须的性能特征，一般可后续以“型”字。 （5）第四级修饰语主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。 本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等 特殊场合使用。 例1 传感器，绝对压力，应变式，放大型，13500kPa； 例2 传感器，加速度，压电式，20g。 在技术文件、产品样书、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名 称应采用与上述相反的顺序。 例1 13500kPa放大型应变式绝对压力传感