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1、项目一、认识传感器1.1 传感器的定义及分类传感器的定义及分类v传感器定义传感器定义v 传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。v 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；v 转换元件是指传感器中能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的部分。 敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源接口电路接口电路图图1-1 传感器组成框图传感器组成框图非电物非电物理量理量电信号电信号 传感器组成传感器组成v 压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等是敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器 v 传感器转
2、换能量的理论基础都是利用物理学、化学学、生物学现象和效应来进行能量形式的变换。v 被测量和它们之间的能量的相互转换是各种各样的。机械能机械能光能光能电电磁磁能能化化学学能能热能热能图图1-2 传感器的能量转换关系传感器的能量转换关系 v 传感器技术就是掌握和完善这些转换的方法和手段。 是涉及：v 传感器能量转换原理、v 传感器材料选取与制造、v 传感器器件设计、v 传感器开发和应用等多项综合技术。 传感器的分类传感器的分类v 传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：v 一种是按被测输入量来分；v 另一种是按传感器的工作原理来分。 按被测量分类按被测量分类v 这一种方法是根据被测量的性质进
3、行分类，如：v 温度传感器、湿度传感器、v 压力传感器、位移传感器、v 流量传感器、液位传感器、v 力传感器、加速度传感器、v 转矩传感器等。v 这种分类方法把种类繁多的被测量分为：v 基本被测量和派生被测量两类。v 见表1-1。v 例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测量。v 当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。 v 表1-1 基本被测量和派生被测量 基本被基本被测量量 派生被派生被测量量位位 移移 线位移位移 长度、厚度、度、厚度、应变、振、振动、磨、磨损、不平度、不平度 角位移角位移 旋旋转角、偏角、偏转角、角振角、角振动 速速 度度 线速度速
4、度 速度、振速度、振动、流量、流量、动量量 角速度角速度 转速、角振速、角振动 加速度加速度 线加速度加速度 振振动、冲、冲击、质量量 角加速度角加速度 角振角振动、扭矩、扭矩、转动惯量量 力力 压 力力 重量、重量、应力、力矩力、力矩 时 间 频 率率 周期、周期、计数、数、统计分布分布 温温 度度 热容量、气体速度、容量、气体速度、涡流流 光光 光通量与密度、光譜分布光通量与密度、光譜分布 湿湿 度度 水气、水分、露点水气、水分、露点v 这种分类方法：v 优点是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。 v 缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其
5、基本原理及分析方法。 按传感器工作原理分类按传感器工作原理分类v 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。v 这种分类法：v 优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。v 缺点是不便于使用者根据用途选用。v v 具体划分为：v1. 电学式传感器v 电学式传感器是应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。v2. 磁学式传感器v 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成。主要用于位移、转矩等参数的测量。v3. 光电式传感器v 光电式
6、传感器是利用光电器件的光电效应和光学原理而制成。v 主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。v4. 电势型传感器v 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍耳效应等原理而制成。v 主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。v5. 电荷传感器v 电荷传感器是利用压电效应原理而制成。 v 主要用于力及加速度的测量。v6. 半导体传感器v 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。v 主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 v7. 谐振式传感器v 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的
7、原理而制成。v 主要用来测量压力。v8. 电化学式传感器v 电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成，可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、级譜式传感器和电解式传感器等。v 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等参数的测量。 v 还有：v 按能量的关系分类，即将传感器分为v有源传感器和无源传感器；v 按输出信号的性质分类，即将传感器分为 模拟式传感器和数字式传感器。v 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：v 盘式角度数字传感器，光栅传感器等。1.2 传感器的特性与技术指标传感器的特性与技术
8、指标 传感器的数学模型传感器的数学模型v 传感器作为感受被测量信息的器件，总是希望它能按照一定的规律输出有用信号,因此,需要研究其输入-输出之间的关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。v 理论和技术上表征输入-输出之间的关系通常是以建立数学模型来体现，这也是研究科学问题的基本出发点。v传感器的静态数学模型传感器的静态数学模型v 静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量间的一种函数关系。v 如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用n次多项式来表示：v y=a0+a1x+a2x2+anxn v式中 x 为输入量；y为输出量；v a0为零输入时的输出，也
9、叫零位输出；v a1为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或S表示；v a2 , a3 , , an为非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定。 传感器静态数学模型有三种有用的特殊形式：1.理想的线性特性 通常是所希望的传感器应具有的特性，只有具备这样的特性才能正确无误地反映被测的真值。2. 仅有偶次非线性项 其线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为该曲线的斜率，一般传感器设计很少采用这种特性。3. 仅有奇次非线性项 其线性范围较寛，且相对坐标原点是对称的，线性度较好，灵敏度为该曲线的斜率。 使用时一般都加以线性补偿措施，可获得较理想的线性特性。 传感器的动态数学模型传感器的动态数学模型v
10、 在实际测量中，大量的被测量是随时间变化的动态信号。v传感器的动态数学模型是指：v 在随时间变化的动态信号作用下，传感器输出-输入量间的函数关系，通常称为响应特性。v 动态数学模型一般采用微分方程和传递函数描述。 1. 微分方程微分方程 忽略了一些影响不大的非线性和随机变量等复杂忽略了一些影响不大的非线性和随机变量等复杂因素后，可将传感器作为线性定常数系统来考虑，因素后，可将传感器作为线性定常数系统来考虑，因而其动态数学模型可以用线性常系数微分方程来因而其动态数学模型可以用线性常系数微分方程来表示，其解得到传感器的暂态响应和稳态响应。表示，其解得到传感器的暂态响应和稳态响应。 式中：式中：x(
11、t)为输入量，为输入量，y(t)为输出量。为输出量。 为结构常数。为结构常数。 对上式两边取拉普拉斯变换，则得：对上式两边取拉普拉斯变换，则得： 该系统的传递函数该系统的传递函数H(s)为：为： v2. 传递函数传递函数v 等号右边是一个与输入无关的表达式，只与系统结构参数有关，v 可见传递函数 H(s)是描述传感器本身传递信息的特性，即传输和变换特性。由输入激励和输出响应的拉普拉斯变换求得。v 当传感器比较复杂或传感器的基本参数未知时，可以通过实验求得传递函数。 传感器的特性与技术指标传感器的特性与技术指标v 传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。 静态特性静态特性v 传
12、感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。v1. 线性度v 线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。 图图1-3 传感器的线性度传感器的线性度v 由图可见，除（a）为理想特性外，其它都存在非线性，都应进行线性处理。v 常用的方法有：v 理论直线法、端点线法、割线法、最小二乘法和计算程序法等。v2. 灵敏度v 灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。v 对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图1-6（a）所示，其v sn=y/x图图1-4 传感器的灵敏度传感器的灵敏度 v 非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-6（b）所示，
13、其 v sn=dy/dx=df(x)/dxv3. 重复性v 重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图1-7所示。 v 传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。 图图1-5 传感器的重复性传感器的重复性 v 不重复性极限误差由下式表示： v EZ=MAX/yFS100% v4. 迟滞现象v 传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度，如图1-8所示。v 在行程环中同一输入量xi对应的不同输出量yi和yd的差值叫滞环误差，最大
14、滞环误差与满量程输出值的比值称最大滞环率EMAX： EMAX=m/yFS100% 图图1-6 传感器的迟滞现象传感器的迟滞现象 v5. 分辨力v 传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。v6. 稳定性v 稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。v 传感器常用长期稳定性，指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。v 通常又用其不稳定度来表征稳定程度。 v7. 漂移v 传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。v 漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。v 零点
15、漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。v 时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；v 温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。 动态特性动态特性v 在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。v 最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。 1. 阶跃响应特性阶跃响应特性给传感器输入一个单位阶跃函数信号：给传感器输入一个单位阶跃函数信号： 其输出特性称为阶跃响应特性，如图其输出特性称为阶跃响应特性，如图1-9所所示。由图可衡
16、量阶跃响应的几项指标。示。由图可衡量阶跃响应的几项指标。 图图1-7 传感器阶跃响应特性传感器阶跃响应特性 (1)最大超调量最大超调量 (2)延迟时间延迟时间 (3)上升时间上升时间 (4)峰值时间峰值时间 (5)响应时间响应时间 v2. 频率响应特性v 给传感器输入各种频率不同而幅值相同初相位为零的正弦信号，其输出的正弦信号的幅值和相位与频率之间的关系，则为频率响应曲线。 v例子：v 下图为一弹簧阻尼器组成的机械压力传感器，分析该传感器的频率响应。图图1-8 机械压力传感器机械压力传感器 系统输入量为作用力，令其与弹簧刚度成正比，系统输入量为作用力，令其与弹簧刚度成正比， 。 系统输出量为弹
17、簧形变产生的位移系统输出量为弹簧形变产生的位移 。 根据牛顿第三定律，作用力与阻尼器磨擦根据牛顿第三定律，作用力与阻尼器磨擦力、弹簧力的反作用力相等，即：力、弹簧力的反作用力相等，即： ； 。 式中：式中：；可得一阶机械压力传感器动态数学模型：可得一阶机械压力传感器动态数学模型：左右两边取拉普拉斯变换，移项后可得系统的左右两边取拉普拉斯变换，移项后可得系统的传递函数传递函数 ： ， 令令可得频率响应函数、幅频特性、相频特性分别为：可得频率响应函数、幅频特性、相频特性分别为： 式中：式中：为时间常数。为时间常数。 幅频特性、相频特性如图幅频特性、相频特性如图1-11所示。由图可见，时间所示。由图
18、可见，时间常数常数越小，频率特性越好。时间常数越小，频率特性越好。时间常数很小时，幅很小时，幅频特性为常数，相频特性与频率成线性关系。频特性为常数，相频特性与频率成线性关系。 图图1-9 一阶传感器的频率特性一阶传感器的频率特性 在时间常数在时间常数很小时，输出位移能真实地反应输很小时，输出位移能真实地反应输入作用力的变化规律，与作用力频率无关。入作用力的变化规律，与作用力频率无关。1.3 传感器的标定与校准传感器的标定与校准v 传感器的标定与校准传感器的标定与校准v 标定与校准的方法标定与校准的方法v 利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度，称为标定；v 对传感器在使
19、用中或储存后进行的性能复测，称为校准。v 标定和校准的基本方法是：利用标准仪器产生已知的非电量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器输出量与输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或曲线。v静态标定静态标定v 指输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态特性如灵敏度、非线性、滞后、重复性等指标的检定。v动态标定动态标定v 对被标定传感器输入标准激励信号，测得输出数据，做出输出值与时间的关系曲线。v 由输出曲线与输入标准激励信号比较可以标定传感器的动态响应时间常数、幅频特性、相频特性等。 项目二项目二 位移、速度、流量传感器位移、速度、流量传感器 2.1参量型位移传感器参量型位移传感器v
20、 位移传感器位移传感器v 位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何学量的一种传感器。v 位移传感器根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角位移传感器。v 位移传感器是应用最多的传感器之一，品种繁多。 位位移移传传感感器器数数字字式式模模拟拟式式光栅式光栅式磁栅式磁栅式电位器式电位器式电阻应变式电阻应变式电容式电容式螺旋管电感式螺旋管电感式差动变压器式差动变压器式涡流式涡流式光电式光电式霍耳器件式霍耳器件式微波式微波式超声波式超声波式图图2.1 位移传感器的分类位移传感器的分类 v 电位器式位移传感器电位器式位移传感器v1.电位器的基本概念v 图2-2是电位器的结构
21、图。v 它由电阻体、电刷、转轴、滑动臂、焊片等组成，电阻体的两端和焊片A、C相连，因此AC端的电阻值就是电阻体的总阻值。v 转轴是和滑动臂相连的，在滑动臂的一端装有电刷，它靠滑动臂的弹性压在电阻体上并与之紧密接触，滑动臂的另一端与焊片B相连。 图图2-2 电位器的一般结构电位器的一般结构 v 图2-3是电位器电路图。v 电位器转轴上的电刷将电阻体电阻R0分为R12和R23两部分，输出电压为U12。v 改变电刷的接触位置，电阻R12亦随之改变，输出电压U12也随之变化。v 常见用于传感器的电位器有：v 线绕式电位器、合成膜电位器、v 金属膜电位器、导电塑料电位器、v 导电玻璃釉电位器、光电电位器
22、。 图图2-3 电位器电路电位器电路 v2.电位器的主要技术参数v(1)最大阻值和最小阻值，指电位器阻值变化能达到的最大值和最小值；v(2)电阻值变化规律，指电位器阻值变化的规律，例如对数式、指数式、直线式等；v(3)线性电位器的线性度，指阻值直线式变化的电位器的非线性误差；v(4)滑动噪声，指调电位器阻值时，滑动接触点打火产生的噪声电压的大小。 v2.1.2电容式位移传感器电容式位移传感器v 电容式位移传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面积式电容传感器进行位移的测量。 v1.变极距式电容传感器v 图2-4是空气介质变极距式电容传感器工作原理图。v 一个电极板固定不动，称为固定极板
23、，极板的面积为，另一极板可左右移动，引起极板间距离d相应变化。 2-4 变极距式电容传感器工作原理图变极距式电容传感器工作原理图 变极距式电容传感器的初始电容C0可由下式表示：C0=0A / d0 只要测出电容变化量C，便可计算得到极板间距的变化量，即极板的位移量d。 除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电容传感器测角位移。 2.1.3螺管式电感位移传感器螺管式电感位移传感器 螺管式电感位移传感器主要由螺管线圈和铁芯组成，铁芯插入线圈中并可来回移动。 当铁芯发生位移时，将引起线圈电感的变化。线圈的电感量与铁芯插入线圈的长度有如下的关系： 铁芯随被测物体一起移动，导致线圈电感量发生变
24、化。其检测位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。 2.2 光栅位移传感器光栅位移传感器v2.2 光栅位移传感器光栅位移传感器v2.2.1莫尔条纹莫尔条纹v 由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图2-5所示。v 用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。v 光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻痕之间的距离为栅距W。图图2-5 光栅结构放大图光栅结构放大图 v 如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称
25、莫尔条纹。如图2-6所示。v 莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图2-6中dd线区所示。v 图2-6中ff线区则是由于光栅的遮光效应形成的。 图图2-6 莫尔条纹莫尔条纹 v莫尔条纹有两个重要的特性：v(1) 当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下 移动。v 查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。v(2) 莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。v 当两个等距光栅的栅间夹角较小时，主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大系数： 条纹
26、间距与栅距的关系为 ： 当角较小时，例如=30，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。 这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。 可以实现高灵敏的位移测量。v光栅位移传感器的结构及工作原理光栅位移传感器的结构及工作原理v 如图2-7所示，由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。v 主光栅和被测物体相连，它随被测物体的直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。v 用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。 图图2-7 光栅位移传感器的结构原理图光栅位移传感器的结
27、构原理图 v 光栅位移传感器的应用光栅位移传感器的应用v 光栅位移传感器：v 测量精度高（分辨率为0.1m），v 动态测量范围广（01000mm），v 可进行无接触测量，v 容易实现系统的自动化和数字化。v 在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。v2.2.2 磁栅位移传感器磁栅位移传感器v 磁栅是一种有磁化信息的标尺。v 它是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.02mm厚的Ni-Co-P磁性薄膜。v 并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长录上磁性刻度线而构成的。v 因此又把磁栅称为磁尺。v 磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按NS、SN
28、、NS的状态排列起来，如图7-10所示。 图图2-8 磁栅的基本结构磁栅的基本结构 v 磁栅的种类可分为单型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅等。v 磁栅主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测元件。磁栅和其它类型的位移传感器相比，具有结构简单、使用方便、动态范围大（120m）和磁信号可以重新录制等优点。v 缺点是需要屏蔽和防尘。v 磁栅位移传感器的结构如图2-9所示。它由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路组成。 图图2-9 磁栅位移传感器的结构示意图磁栅位移传感器的结构示意图 v 当磁尺与磁头之间产生相对位移时，磁头的铁芯使磁尺的磁通有效地通过输出绕组，在绕组中产生感应电压。v 该电压随
29、磁尺磁场强度周期的变化而变化，从而将位移量转换成电信号输出。v 图2-10是磁信号与静态磁头输出信号波形图。v 磁头输出信号经检测电路转换成电脉冲信号并以数字形式显示出来。 图图2-10 磁信号与磁头输出信号波形图磁信号与磁头输出信号波形图 2.3 转速传感器转速传感器v2.3 转速传感器转速传感器 v2.3.1 磁电式转速传感器磁电式转速传感器v 如图2-11所示，由永久磁铁、感应线圈、磁盘等组成。v 在磁盘上加工有齿形凸起，磁盘装在被测转轴上，与转轴一起旋转。v 当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙大小的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。v 感应线圈会感
30、应出一定幅度的脉冲电势，其频率为： f=Zn 根据测定的脉冲频率，即可得知被测物体根据测定的脉冲频率，即可得知被测物体的转速。如果磁电式转速传感器配接上数字的转速。如果磁电式转速传感器配接上数字电路，便可组成数字式转速测量仪，可直接电路，便可组成数字式转速测量仪，可直接读出被测物体的转速。读出被测物体的转速。 当被测转速很低时，输出脉冲电势的幅值当被测转速很低时，输出脉冲电势的幅值很小，以致无法测量出来。所以，这种传感很小，以致无法测量出来。所以，这种传感器不适合测量过低的转速，其测量转速下限器不适合测量过低的转速，其测量转速下限一般为一般为50转转/秒左右，上限可达数百千转秒左右，上限可达数
31、百千转/秒。秒。 图图2-11 磁电式转速传感器结构示意图磁电式转速传感器结构示意图 v2.3.2 光电式转速传感器光电式转速传感器v 图2-12所示，由装在输入轴上的开孔盘、光源、光敏元件以及缝隙板所组成，输入轴与被测轴相连接旋转。v 从光源发射的光，通过开孔盘和缝隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光，产生脉冲信号，送测量电路计数，测得转速。 v 为了使每转的脉冲数增加，以扩大应用范围，需增加圆盘的开孔数目。目前多采用图2-13所示的开缝隙盘结构。v 光电脉冲变换电路如图2-14所示。 图图2-12 直射式光电转速传感器原理直射式光电转速传感器原理 1开孔盘开孔盘 2缝隙板缝隙板 3光敏元件光
32、敏元件 4光源光源 图图2-13 光电转速传感器结构光电转速传感器结构 1光源光源 2透镜透镜 3指示盘指示盘 4旋转盘旋转盘 5光电元件光电元件图图2-14 光电脉冲变换电路原理图光电脉冲变换电路原理图 v2.2.3霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器v 霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。v 图2-15所示为内部组成框图。v 当有磁场作用在霍耳开关集成传感器上时，霍耳元件输出霍耳电压UH，一次磁场强度变化，使传感器完成一次开关动作。 图图2-15 霍耳开关集成传感器内部框图霍耳开关集成传感器内部框图 v
33、2.2.4 多普勒传感器多普勒传感器v多普勒效应多普勒效应v 假若发射机与接收机之间的距离发生变化，则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率就不同。此现象是由奥地利物理学家多普勒发现的，所以称为多普勒效应。v 发射机发射出的无线电波向被测物体辐射，被测物体以速度v运动，如图2-16（a）所示。被测物体做为接收机接收到的频率为： f1=f0+v/0 如果把如果把f1做为反射波向接收机发射信号，如图做为反射波向接收机发射信号，如图6-20（b）所示。接收机接收到的信号频率为：）所示。接收机接收到的信号频率为：f2=f1+v/1= f0+ v/0+ v/1 由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传
34、播速度，由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，则可近似认为：则可近似认为： 0=1 ，则：，则：f2= f0+ 2v/0 由多由多普勒效应产生的频率之差称为多勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，勒频率，即：即： Fd= f2 - f0 = 2v/0 图图2-16 多多普勒效应示意图勒效应示意图 多普勒雷达测速多普勒雷达测速v 被测物体的运动速度v可以用多普勒频率来描述。v 多普勒雷达的电路原理如图2-17所示。它由发射机、接收机、混频器、检波器、放大器及处理电路等组成。v 发射信号和接收到的回波信号经混频器混频，两者产生差频输出，差频的频率正好为多普勒频率。Fd 2vcos/0 Kv
35、(Hz) 图图2-17 多多普勒雷达检测线速度工作原理图勒雷达检测线速度工作原理图2.4 流量及流速传感器流量及流速传感器v 2.4.1导电式水位传感器导电式水位传感器v 如图2-18所示。电极可根据检测水位的要求进行升降调节，当水位低于检知电极时，两电极间呈绝缘状态，检测电路没有电流流过，传感器输出电压为零。v 如果水位上升到与检知电极端都接触时，由于水有一定的导电性，因此测量电路中有电流流过，指示电路中的显示仪表就会发生偏转，同时在限流电阻两端有电压输出。v 如果把输出电压和控制电路连接起来，便可对供水系统进行自动控制。 图图2-18 导电式水位传感器基本工作原理图导电式水位传感器基本工作
36、原理图 v 图2-18是一种实用的导电式水位检测器的电路原理图。v 电路主要由两个运算放大器组成，IC1a运算放大器及外围元件组成方波发生器，通过电容器C1与检知电极相接。v IC1b运算放大器与外围元件组成比较器，以识别仪表水位的电信号状态。采用发光二极管作为水位的指示。v 导电式水位传感器，在日常工作和生活中应用很广泛，它在抽水及储水设备、工业水箱、汽车水箱等方面均被采用。 图图2-18 导电式水位检测器电路原理图导电式水位检测器电路原理图 v2.4.2 流量及流速传感器流量及流速传感器v 流量及流速传感器的种类有：v 电磁式流量传感器、涡流式流量传感器、v 超声波式流量传感器、热导式流速
37、传感器、v 激光式流速传感器、光纤式流速传感器、v 浮子式流量传感器、涡轮式流量传感器、v 空间滤波器式流量传感器。 电磁式流量传感器电磁式流量传感器1.电磁式流量传感器的工作原理及使用 如图2-19所示，在励磁线圈加上励磁电压后，绝缘导管便处于磁力线密度为B的均匀磁场中，当导电性液体流经绝缘导管时，电极上便会产生如下式所示的电动势： 管道内液体流动的容积流量与电动势的关系为： 可以通过对电动势的测定，求出容积流量。 1-铁芯铁芯 2-电极电极 3-绝缘导管绝缘导管 4-励磁线圈励磁线圈 5-液体液体图图2-19 电磁式流量计工作原理图电磁式流量计工作原理图 v 电磁式流速传感器电路v 如图2
38、-20所示。励磁电压信号为方波信号，由方波发生器发出的方波信号一路经励磁放大器功率放大后，送入传感器的励磁线圈进行励磁；v 另一路作为采样、鉴相脉冲信号。v 流动液体在电极上产生的信号经输入回路阻抗变换和前置放大，再由主放大器进行放大。放大后的信号经采样、倒相、鉴相。v 所得信号滤去杂波后由直流放大器放大输出，为检测到的流速信号UOUT。v 用于自来水、工业用水、农业用水、海水、污水、污泥、化学药品、食品、矿浆等流量检测。 传感器传感器输入回路输入回路前置放大器前置放大器主放大器主放大器励磁放大器励磁放大器直流放大器直流放大器滤波器滤波器方波方波发生器发生器采样、采样、倒相、倒相、鉴相器鉴相器
39、UOUT流流动动液液体体图图2-20 电磁式流速传感器的电路框图电磁式流速传感器的电路框图v 涡轮式流速传感器涡轮式流速传感器v 涡轮式流速传感器是利用放在流体中的叶轮的转速进行流量测试的一种传感器。v 叶轮转速的测量如图2-21所示。v 叶轮的叶片可以用导磁材料制作，由永久磁铁、铁芯及线圈与叶片形成磁路。v 当叶片旋转时，磁阻将发生周期性的变化，从而使线圈中感应出脉冲电压信号。该信号经放大、整形后输出，作为供检测转速用的脉冲信号。 图图2-21 涡轮流量传感器结构原理图涡轮流量传感器结构原理图 7.9 实训实训v 实训实训 v 太阳能热水器水位报警器电路如图2-22所示。v 装调该太阳能热水
40、器水位报警器电路,进行水位报警实验，过程如下：v(1) 准备电路板、晶体管、电极、报警器等元器件,认识元器件；v(2) 装配水位报警器电路；v(3) 将三个探知电极安置于水盆的不同水位高度，接通水位报警器电路，给水盆中慢慢加水；v(4) 在正常水位、缺水水位、超高水位对电路的报警效果进行电路调整；v(5) 进行正常水位、缺水水位、超高水位时电路的报警实验；v(6)实验过程和结果记录。图图2-22 太阳能热水器水位报警器太阳能热水器水位报警器项目三项目三 力传感器力传感器3.1 弹性敏感元件弹性敏感元件v 力是物理基本量之一，因此各种动态、静态力的大小的测量十分重要。v 力的测量需要通过力传感器
41、间接完成，力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。 力敏感力敏感元件元件转换转换元件元件显示显示设备设备F图图3-1 力传感器的测量示意图力传感器的测量示意图 v3.1 弹性敏感元件弹性敏感元件v 弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。v 弹性敏感元件是一个非常重要的传感器部件，应具有：v 良好的弹性、v 足够的精度，v 应保证长期使用和温度变化时的稳定性。3.1.1 弹性敏感元件的特性弹性敏感元件的特性 1. 刚度刚度 刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度,一般用一般用k表示。表示。 2. 灵敏度灵敏度
42、 灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数，用度。它是刚度的倒数，用K表示。表示。 3. 弹性滞后弹性滞后 实际的弹性元件在加实际的弹性元件在加卸载的正反行程中卸载的正反行程中变形曲线是不重合的变形曲线是不重合的,这种现象称为弹性滞后这种现象称为弹性滞后现象现象,它会给测量带来误差。它会给测量带来误差。4. 弹性后效弹性后效 当载荷从某一数值变化到另一数值时当载荷从某一数值变化到另一数值时,弹弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是性元件变形不是立即完成相应
43、的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。象称为弹性后效。v5. 固有振荡频率v 弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率f0，它将影响传感器的动态特性。v 传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率。v 往往希望f0较高。v3.1.2 弹性敏感元件的分类弹性敏感元件的分类v 弹性敏感元件在形式上可分为两大类：v 变换力的弹性敏感元件。v 变换压力的弹性敏感元件。v1.变换力的弹性敏感元件v 这类弹性敏感元件如图3-2所示。有：v（1）等截面圆柱式 （2）圆环式 v（3）等截面薄板式 （4）悬臂梁式 v（5）扭转轴图图3-2 一些变
44、换力的弹性敏感元件形状一些变换力的弹性敏感元件形状 2 .变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件（1）弹簧管）弹簧管图图3-3 弹簧管的结构弹簧管的结构 （2）波纹管）波纹管 波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管，如图波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管，如图3-4所示。所示。 图图3-4 波纹管的外形波纹管的外形 （3）波纹膜片和膜盒）波纹膜片和膜盒 平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这就是波纹膜片。就是波纹膜片。 图图3-5 波纹膜片波纹的形状波纹膜片波
45、纹的形状 （4）薄壁圆筒）薄壁圆筒 薄壁圆筒弹性敏感元件的结构如图薄壁圆筒弹性敏感元件的结构如图3-6所示。所示。圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分之一。圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分之一。 薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒的半径和壁厚，与圆筒长度无关。的半径和壁厚，与圆筒长度无关。 图图3-6 薄壁圆筒弹性敏感元件的结构薄壁圆筒弹性敏感元件的结构 3.2 电阻应变片传感器电阻应变片传感器3.2 电阻应变片传感器电阻应变片传感器 电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测
46、。电阻机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。电阻应变片的典型结构如图应变片的典型结构如图3-7 所示。所示。 图图3-7 金属电阻应变片结构金属电阻应变片结构 3.2.1 电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理 电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的料的“应变效应应变效应”。 金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为形大小而发生变化的现象就称为“应变效应应变效应”。 设电阻丝长度为，截面积为，电阻率为，则电设电阻丝长度为，截面积为，电阻率为，则电阻值为：阻值为： 当电阻丝受到拉力当
47、电阻丝受到拉力F时，一是受力后材料几何时，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化，则其阻值发生变化。如图化，则其阻值发生变化。如图3-8所示。所示。图图3-8金属电阻丝应变效应金属电阻丝应变效应 v3.2.2 电阻应变片的分类电阻应变片的分类v 电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。v 金属电阻应变片分体型和薄膜型。属于体型的有电阻丝栅应变片、箔式应变片、应变花等。v 半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏感栅。 v 如图3-9所示。a丝绕式（丝绕式（u型）；型）；b短接式（短接式（H型）；型）；c箔式；箔式；d
48、半半导体应变式导体应变式 图图3-9 应变片的类型应变片的类型 v 在平面力场中，为测量某一点上主应力的大小和方向，常需测量该点上两个或三个方向的应变。v 为此需要把两个或三个应变片逐个粘结成应变花，或直接通过光刻技术制成。v 应变花分互成45的直角形应变花和互成60的等角形应变花两种基本形式。v 如图3-10所示。 a丝式应变花；丝式应变花；b箔式应变花箔式应变花图图3-10 应变花的基本形式应变花的基本形式 v3.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路v 弹性元件表面的应变传递给电阻应变片敏感丝栅，使其电阻变化。测量出电阻变化，便可知应变（被测量）大小。v 图3-11（a）、（b
49、）为半桥测量电路。v 图（a）中，无应变时，R1=R2=R3=R4=R，则桥路输出电压为： 有应变时，有应变时，代入代入 由由可得可得 a-半桥式半桥式(单臂工作单臂工作);b-半桥式半桥式(双臂工作双臂工作);c-全桥式全桥式(双臂工作双臂工作);d-全桥式全桥式(四臂工作四臂工作) 图图3-11 基本测量电路基本测量电路 在图（在图（b）中，）中，R1、R2均为相同应变测量均为相同应变测量片，又互为补偿片。片，又互为补偿片。 有应变时，一片受拉，另有应变时，一片受拉，另 一片受压，一片受压， 此时阻值为此时阻值为R1+R1和和R2-R2， 按上述同样的方法，可以计算输出电压为：按上述同样的
50、方法，可以计算输出电压为： 在图（在图（c）中，）中，R1、R3为相同应变测量片，为相同应变测量片，有应变时，两片同时受拉或同时受压。有应变时，两片同时受拉或同时受压。R2、R4为补偿片。可以计算输出电压为为补偿片。可以计算输出电压为 ： 图（图（d）是四个桥臂均为测量片的电路，且）是四个桥臂均为测量片的电路，且互为补偿，有应变时，必须使相邻两个桥臂上互为补偿，有应变时，必须使相邻两个桥臂上的应变片一个受拉，另一个受压。可以计算输的应变片一个受拉，另一个受压。可以计算输出电压为出电压为 ： 3.3 压电传感器压电传感器v3.3 压电传感器压电传感器v 某些晶体，受一定方向外力作用而发生机械变形
51、时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失；力的方向改变时，电荷的符号也随之改变。v 这种现象称为压电效应或正压电效应。v 当晶体带电或处于电场中时，晶体的体积将产生伸长或缩短的变化。v 这种现象称为电致伸缩效应或逆压电效应。 3.3.1 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英晶体成正六边形棱柱体，如图石英晶体成正六边形棱柱体，如图3-12所示。所示。 a石英晶体结构；石英晶体结构；b、c、d、e压电效应示意图压电效应示意图图图3-12 石英晶体结构及压电效应石英晶体结构及压电效应 从晶体上沿轴线切下的薄片称为从晶体上沿轴线切下的薄片称为“晶体晶体切片切片”。图。图
52、3-13所示是垂直于电轴切割的所示是垂直于电轴切割的石英片，在与轴垂直的两面覆以金属。石英片，在与轴垂直的两面覆以金属。 沿方向施加作用力沿方向施加作用力x时，在与电轴垂时，在与电轴垂直的表面上产生电荷直的表面上产生电荷xx为：为： 式中式中d11石英晶体的纵向压电系数石英晶体的纵向压电系数 在覆以金属极面间产生的电压为：在覆以金属极面间产生的电压为： 图图3-13 垂直于电轴垂直于电轴X切割的石英晶体切片切割的石英晶体切片 如果在同一切片上，沿机械轴如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施加方向施加作用力作用力Fy时，则在与时，则在与X轴垂直的平面上产生轴垂直的平面上产生电荷为：电荷为： 式中式中
53、 d12石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的轴对称条件可得石英晶体的轴对称条件可得d12=-d11,所以所以 产生电压为：产生电压为： v3.3.2 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应v 压电陶瓷具有铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。v 当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存有很强的剩余场极化。v 当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化，产生了压电效应。v 经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差。 aZ向施力；向施力；bX向施力向施力 图图3-14 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 如图如图
54、3-14a所示，当压电陶瓷在极化面上受到沿所示，当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（极化方向（Z向）的作用力向）的作用力Fz时（即作用力垂直于极时（即作用力垂直于极化面），化面）， 则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量电荷，电荷量Qzz与力与力Fz成比例，即成比例，即 : 式中式中 dzz压电陶瓷的纵向压电系数。输出电压为压电陶瓷的纵向压电系数。输出电压为: 当沿当沿X轴方向施加作用力轴方向施加作用力Fx时，如图时，如图3-14b所所示，在镀银极化面上产生电荷示，在镀银极化面上产生电荷Qzx为为: 同理同理 式中的式中的dz1、dz2
55、是压电陶瓷在横向力作用时是压电陶瓷在横向力作用时的压电系数，且均为负值；的压电系数，且均为负值； 电荷除以压电陶瓷片电容电荷除以压电陶瓷片电容Cz可得电压输出。可得电压输出。 3.3.3 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路1.压电元件的串联与并联压电元件的串联与并联 (a)并联并联 (b)串联串联图图3-15 压电元件的串联与并联压电元件的串联与并联 2.压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路 压电传感器可等效为如图压电传感器可等效为如图3-16(a)所示的电压源所示的电压源,也可等效为一个电荷源，如图也可等效为一个电荷源，如图3-16(b)所示。所示。 图图3-16 压电传感器电
56、压源与电荷源等效电路压电传感器电压源与电荷源等效电路 压电传感器与测量电路连接时，还应考虑连接压电传感器与测量电路连接时，还应考虑连接线路的分布电容线路的分布电容Cc，放大电路的输入电阻，放大电路的输入电阻Ri，输入，输入电容电容Ci及压电传感器的内阻及压电传感器的内阻Ra。 图图3-17 压电传感器实际等效电路压电传感器实际等效电路3.压电传感器测量电路压电传感器测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。抗的前置放大器。电压放大器（阻抗变换器
57、）电压放大器（阻抗变换器） (a)放大器电路；放大器电路；(b)输入端简化等效电路输入端简化等效电路 图图3-18 电压放大器电路原理及其等效电路图电压放大器电路原理及其等效电路图 电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器。考虑到的放大器。考虑到Ra、Ri阻值极大，电荷放大器等效阻值极大，电荷放大器等效电路如图电路如图3-19所示。所示。 图图3-19 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路 v3.3.4 压电式传感器结构压电式传感器结构v 压电测力传感器的结构通常为荷重垫圈式。图3-20所示为YDS-781型压电式单向传
58、感器结构，它由v 底座、传力上盖、片式电极、石英晶片、绝缘件及电极引出插座等组成。v 当外力作用时，v 上盖将力传递到石英晶片，石英晶片实现力电转换，v 电信号由电极传送到插座后输出。 1-传力上盖；传力上盖；2-压电片；压电片；3-片式电极；片式电极；4-电极引出插头；电极引出插头；5-绝缘材料；绝缘材料；6-底座底座 图图3-20 YDS-781型压电式单向力传感器结构型压电式单向力传感器结构3.4 电容式传感器电容式传感器 当当S、d或或改变，则电容量改变，则电容量c也随之改变。也随之改变。 若保持其中两个参数不变，通过被测量的变化改若保持其中两个参数不变，通过被测量的变化改变其中一个参
59、数，就可把被测量的变化转换为电容变其中一个参数，就可把被测量的变化转换为电容量的变化。这就是电容传感器的基本工作原理。量的变化。这就是电容传感器的基本工作原理。 电容式传感器结构简单，可用于力、压力、压差、电容式传感器结构简单，可用于力、压力、压差、振动、位移、加速度、液位、粒位、成分含量等测振动、位移、加速度、液位、粒位、成分含量等测量。量。 3.4 电容式传感器电容式传感器 一个平行板电容器，如果不考虑其边缘效应，则一个平行板电容器，如果不考虑其边缘效应，则电器的容量为：电器的容量为： 图图3-21 平行板电容器图平行板电容器图 3.4.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 如图如图3
60、-21所示，平行板电容器的所示，平行板电容器的和和S不变，只改不变，只改变电容器两极板之间距离变电容器两极板之间距离d。该类型传感器常用于压。该类型传感器常用于压力的测量。力的测量。 图图3-22 变极距式传感元件原理图变极距式传感元件原理图 初始状极距为初始状极距为d0时，电容器容量时，电容器容量C0为：为： 电容器受外力作用，极距减小电容器受外力作用，极距减小d，则电，则电容器容量改变为容器容量改变为 ： 电容值相对变化量为：电容值相对变化量为： 此时此时C1与与d的关系呈线性关系。的关系呈线性关系。 为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中
61、大都采用差动式结构。际应用中大都采用差动式结构。 如图如图3-23所示所示(1为动片、为动片、2为定片为定片)，中间电极，中间电极若受力向上位移若受力向上位移d，则，则C1容量增加，容量增加，C2容量减小，容量减小，两电容差值为：两电容差值为： 电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。 得到：得到：图图3-23 差动式电容传感元件差动式电容传感元件 为消除极板的边缘效应的影响为消除极板的边缘效应的影响,可采用图可采用图3-24所所示保护环。保护环与极板具有同一电位示保护环。保护环与极板具有同一电位,这就把电极这就把电极板间的边缘效应移到了保护环与
62、极板板间的边缘效应移到了保护环与极板2的边缘，极板的边缘，极板1与极板与极板2之间的场强分布变得均匀了。之间的场强分布变得均匀了。 图图3-24 加保护环消除极板边沿电场的不均匀性加保护环消除极板边沿电场的不均匀性 3.4.2 变面积式变面积式 变面积式电容传感元件结构原理如图变面积式电容传感元件结构原理如图3-25所示。所示。 图（图（a）所示平板形位移）所示平板形位移x后，电容量由初始后，电容量由初始值变为：值变为： 电容量变化：电容量变化： 灵敏度为：灵敏度为： a平板形差动电容；平板形差动电容；b旋转形差动电容；旋转形差动电容；c圆柱形差动电容圆柱形差动电容 图图3-25 变面积式差动
63、电容结构原理图变面积式差动电容结构原理图 对于角位移传感器，图（对于角位移传感器，图（b），设两片极板全重），设两片极板全重合（合（=0）时的电容量为）时的电容量为C0，动片转动角度，动片转动角度后，电后，电容量变为：容量变为：电容量变化：电容量变化： 灵敏度为：灵敏度为： 圆柱形电容式位移传感器，图（圆柱形电容式位移传感器，图（c），设内外电），设内外电极长度为极长度为L，起始电容量为，起始电容量为C0，动极向上位移，动极向上位移y后，后，电容量变为电容量变为Cy： 电容量变化电容量变化 ： 灵敏度为灵敏度为 ：a平板形差动电容；平板形差动电容；b旋转形差动电容；旋转形差动电容；c圆柱形差动
64、电容圆柱形差动电容 图图3-26 变面积差动电容结构原理图变面积差动电容结构原理图 图图3-26所示是变面积式差动电容结构，传感器输出所示是变面积式差动电容结构，传感器输出和灵敏度均提高一倍。和灵敏度均提高一倍。 3.4.3 变介电常数式变介电常数式 变介质常数位移式电容传感器结构原理如图变介质常数位移式电容传感器结构原理如图3-27所示。介质没进入电容器时（所示。介质没进入电容器时（x=0），电容量为：），电容量为： 介质进入电容介质进入电容x后，电容量为：后，电容量为： 整理可得：整理可得： 图图3-27 变介质位移式传感电容结构原理图变介质位移式传感电容结构原理图 v3.4.4 电容式传
65、感器测量电路电容式传感器测量电路v1桥式电路v 将电容传感器作为电桥的一个桥臂，采用差动式电容传感器时，将两个电容接入相邻的两臂上，如图3-28所示。v 调节电容C使桥路平衡，输出电压u0为零。v 当传感器电容Cx变化时，电桥失去平衡，输出一个和电容Cx成正比例的电压信号。a单臂接法；单臂接法；b差动接法；差动接法；c检测电路框图检测电路框图 图图3-28 桥式测量电路桥式测量电路v2.二极管双T网络v 二极管双T网络电路原理如图3-29所示。Cx为传感电容，C为平衡电容，u1是幅值为Ei的方波。 v 负载电流波形如图3-29b所示。 v 如果Cx=C，D1与D2特性相同，则i1与i2波形相同
66、，方向相反，流经RL的平均电流为零。v 当待测量引起Cx变化时，电流i1与i2波形不同，则在负载RL上有平均电流I输出。 a二极管双二极管双T网络；网络；b负载电流波形负载电流波形图图3-29 二极管双二极管双T网络电路原理网络电路原理 v3.充放电脉冲电路v 充放电脉冲电路原理电路如图3-30所示。换向开关K为电子开关。 v 假若充电和放电的时间相等，均为开关周期T的1/2，v 那么，在充放电时，流经负载电阻RL的平均电流等于： v I平均=I充=I放 可见可见I平均平均与与Cx为线性关系，测得电为线性关系，测得电流流I平均平均可得知可得知Cx电容量。电容量。 图图3-30 充放电脉冲电路充
67、放电脉冲电路 4运算放大器电路运算放大器电路 运算放大器电路的原理电路如图运算放大器电路的原理电路如图3-31所示。所示。A为理想的运算放大器，为理想的运算放大器，Cx为平行板电容器，则：为平行板电容器，则： 输出电压输出电压uo与极板间距与极板间距dx为线性关系，这就为线性关系，这就从原理上解决了变从原理上解决了变d型电容式传感器特性的非线型电容式传感器特性的非线性问题。性问题。 图图3-31 运算放大器原理电路运算放大器原理电路 3.5 电感式传感器电感式传感器v3.5 电感式传感器电感式传感器v 电感传感器的基本原理是电磁感应原理。利用电磁感应将被测非电量（如压力、位移等）转换成电感量的
68、变化输出。v 常用的有自感式和互感式两类。v 电感式压力传感器大都采用变隙式电感做为检测元件，它和弹性敏感元件组合在一起构成电感式压力传感器。v3.5.1 自感式传感器自感式传感器v 图3-32所示为闭磁路式自感传感器。1-线圈；线圈；2-铁芯（定铁芯）；铁芯（定铁芯）；3-衔铁（动铁芯）衔铁（动铁芯）图图3-32 闭磁路式自感传感器原理结构图闭磁路式自感传感器原理结构图 电感量电感量L为：为： 当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈电感也发生变化，为：电感也发生变化，为： 电感的相对变化电感的相对变化量近似为：量近似为： 气隙变化量气隙变化量越小，非线性
69、失真越小；气隙越小，非线性失真越小；气隙o越小，灵敏度越高。实际应用中常用差动变隙式自越小，灵敏度越高。实际应用中常用差动变隙式自感传感器。如图感传感器。如图3-33所示。所示。 1-线圈；线圈；2-铁芯；铁芯；3-衔铁；衔铁；4-导杆导杆 图图3-33 差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器 v3.5.2 测量电路测量电路v1.交流电桥式测量电路v 图3-34所示为交流电桥测量电路,v 把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替，v 对于高Q值(Q=L/R)的差动式电感传感器，其输出电压: 图图3-34 交流电桥测量电路交流电桥测量电路 2.变压器式交流
70、电桥变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如图变压器式交流电桥测量电路如图3-35所示，电桥所示，电桥两臂两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压：桥路输出电压： 当传感器的衔铁处于中间位置时，即当传感器的衔铁处于中间位置时，即Z1=Z2=Z，此时有，此时有Uo=0，电桥平衡。，电桥平衡。 当传感器的衔铁上移时，即当传感器的衔铁上移时，即Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，此时：，此时： 当传感器的衔铁下移时，则当传感器的衔铁下移时，则Z1=Z+Z，Z
71、2=Z-Z，此时：，此时： 衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小相等，但方向相反，相等，但方向相反， 由于由于Uo是交流电压，输出指示无法判断位移是交流电压，输出指示无法判断位移方向，方向， 必须配合相敏检波电路来解决。必须配合相敏检波电路来解决。 图图3-35 变压器式交流电桥变压器式交流电桥 v3.5.3 互感式传感器互感式传感器v 互感传感器有初级线圈和次级线圈。初级接入激励电源后，次级将因互感而产生电压输出。v 当线圈间互感随被测量变化时，输出电压将产生相应的变化。v 这种传感器次级线圈一般有两个，接线方式又是差动的，故又称为差动变压器。v 差动
72、变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，v 但其工作原理基本一样。v1.工作原理v 非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，v 螺线管式差动变压器结构如图3-36所示，它由初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。v 它可以测量1100mm范围内的机械位移，并且具有：v 测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。1-活动衔铁；活动衔铁；2-导磁外壳；导磁外壳；3-骨架；骨架；4-匝数为匝数为1的初级绕的初级绕组；组；5-匝数为匝数为2a的次级绕组；的次级绕组；6-匝数为匝数为2b的次级绕组的次级绕组 图图3-36 螺线管式差动变压器结构螺线管式差动变压器结
73、构 螺线管式差动变压器按线圈绕组排列方式的不同，螺线管式差动变压器按线圈绕组排列方式的不同，可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型，如可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型，如图图3-37所示。所示。 (a)一节式；一节式；(b)二节式；二节式；(c)三节式；三节式；(d)四节式；四节式；(e)五节式五节式 图图3-37 线圈排列方式线圈排列方式 差动变压器即传感器中两个次级线圈反向串联，差动变压器即传感器中两个次级线圈反向串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如图想条件下，其等效电路如图3-38所示。所示。
74、图图3-38 差动变压器等效电路差动变压器等效电路 2.差动变压器输出电压差动变压器输出电压 如图如图3-38所示。二次侧开路时有：所示。二次侧开路时有： 分三种情况：分三种情况： 活动衔铁处于中间位置时活动衔铁处于中间位置时 ，M1=M2=M，故：，故： 0 活动衔铁向上移动，活动衔铁向上移动，M1=M+M M2=M-M ，故：故：， 与与同极性同极性 活动衔铁向下移动，活动衔铁向下移动， M1=M-M M2=M+M故：故：， 与与同极性。同极性。3.5.4 差动变压器式传感器测量电路差动变压器式传感器测量电路 为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目为了达到能辨别移动方向及消除零点残余
75、电压的目的，常采用差动整流电路和相敏检波电路。的，常采用差动整流电路和相敏检波电路。 差动整流电路是把差动变压器的两个次级输出电压差动整流电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出，分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出， 图图3-39给出了几种典型电路形式。给出了几种典型电路形式。 (a)半波电压输出；半波电压输出；(b)半波电流输出；半波电流输出；(c)全波电压输出；全波电压输出；(d)全波电流输出全波电流输出 图图3-39 差动整流电路差动整流电路 以图3-39(c)电路为例，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向从
76、2到4，流经电容C2的电流方向从6到8，故整流电路的输出电压为：v U2=U24-U68 v 当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；v 当衔铁在零位以上时，因为U24U68，则U20；v 而当衔铁在零位以下时，因为U24U68，则U2nB。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。 达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势eAB，如图4-3所示。 图图4-3 两种导体的接触电势两种导体的接触电势 3.单一导体的温差电势 对于单一导体，如果两端温度分别为T、TO，且TTO，如图4-4所示。 图图4-4 单一导体温差电势单一导体温差电势 导体中的自由电子，在高温端具有
77、较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。 势电偶回路中产生的总热电势，由图4-5可知： EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)或 EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO) 式中：EAB(T,TO): 热电偶回路中的总电动势；eAB(T): 热端接触电势；eB(T,TO): B导体温差电势；eAB(TO): 冷端接触电势；eA(T,TO): A导体温差电势。 图图4-5 接触电势示意图接触电势示意图v 在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热
78、电势可表示为：v EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) v 对于已选定的热电偶，当参考端温度TO恒定时，EAB(TO)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即：v EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T) v 实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。v 分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。 v热电偶的基本定律v(1)中间导体定律v 在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电势不变。v 如图4-6所示，可得回路总的热电势v EABC(T,TO)=eAB(T
79、)-eAB(TO)=EAB(T,TO)v 根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，将热电势通过导线接至测量仪表进行测量，且不影响测量精度。 图图4-6 中间导体定律示意图中间导体定律示意图 v(2)中间温度定律v 在热电偶测量回路中，测量端温度为T，自由端温度为TO，中间温度为O，如图4-7所示。则T，TO热电势等于T，TO与TO，TO热电势的代数和。即vEAB(T,TO)=EAB(T,TO)+EAB(TO,TO)v 运用该定律可使测量距离加长，也可用于消除热电偶自由端温度变化影响。 图图4-7 中间温度定律示意图中间温度定律示意图 v(3)参考电极定律（也称组成定律）v 如图4-8所示。v
80、 已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算：v EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0) v 参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。图图4-8 参考电极定律示意图参考电极定律示意图 v 例2.1 v 当T为100，T0为0时，鉻合金铂热电偶的E（100，0）=+3.13mV，铝合金铂热电偶E（100，0）为-1.02mV，求鉻合金铝合金组成热电偶的热电势E（100，0）。v解：v 设鉻合金为A，铝合金为B，铂
81、为C。v即 EAC（100，0）=+3.13mVv EBC（100，0）=-1.02mVv则 EAB(100,0)=+4.15mV 热电偶的结构形式及热电偶材料热电偶的结构形式及热电偶材料v1.普通型热电偶v 普通型热电偶一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。v 如图4-9所示： 1-热电极热电极;2-绝缘瓷管绝缘瓷管;3-保护管保护管;4-接线座接线座;5-接接线柱线柱;6-接线盒接线盒 图图4-9 直形无固定装置普通工业用热电偶直形无固定装置普通工业用热电偶 v2.铠装热电偶（缆式热
82、电偶）铠装热电偶（缆式热电偶）v 铠装热电偶也称缆式热电偶，是将热电偶铠装热电偶也称缆式热电偶，是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再套不锈钢管等构成。套不锈钢管等构成。v 这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。用。v 如图如图4-10所示：所示： 1-热电极热电极;2-绝缘材料绝缘材料;3-金属套管金属套管;4-接线盒接线盒;5-固定装置固定装置 图图4-10 铠装热电偶铠装热电偶 3.薄膜热电偶 用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。 如图4-11所示：
83、 图图4-11 薄膜热电偶薄膜热电偶 v4.热电偶组成材料及分度表v 为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。v 目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为:v 铂铑30铂铑6、v 铂铑10铂、v 镍铬镍硅v 镍铬铜镍（我国通常称为镍铬康铜）。v 组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。v 热电偶的热电动势与温度之关系表，称之为分度表。 热电偶测温及参考端温度补偿热电偶测温及参考端温度补偿v1.热电偶测温基本电路v 如图4-12所示，v图（a）表示了测量某点温度连接示意图。v图（b）表示两个热电偶并联测量两点平均温度。图（c）为两热电偶正向串联测两点温度之和。v图（d
84、）为两热电偶反向串联测量两点温差。v 热电偶串、并联测温时，应注意两点：v 第一，必须应用同一分度号的热电偶；v 第二，两热电偶的参考端温度应相等。图图4-12 常用的热电偶测温电路示意图常用的热电偶测温电路示意图 v2.热电偶参考端的补偿v 热电偶分度表给出的热电势值的条件是参考端温度为0。如果用热电偶测温时自由端温度不为0，必然产生测量误差。应对热电偶自由端（参考端）温度进行补偿。v 例如：用K型（镍铬-镍硅）热电偶测炉温时，参考端温度t0=30，v 由分度表可查得 E(30,0)=1.203mv，v 若测炉温时测得E(t,30)=28.344mv，v 则可计算得vE(t,0)=E(t,3
85、0+E(30,0)=29.547mvv 由29.547mv再查分度表得t=710，是炉温。4.2 电阻式温度传感器电阻式温度传感器金属热电阻传感器金属热电阻传感器v 金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。v 金属热电阻的主要材料是铂和铜。v 热电阻广泛用来测量-220+850范围内的温度，v 少数情况下，v 低温可测量至1K（-272），高温可测量至1000。 最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图4-13所示。图图4-13 金属热电阻传感器测量示意图金属热电阻传感器测量示意图 热电阻的温度特性热电阻的温度特性v 热
86、电阻的温度特性，是指热电阻Rt随温度变化而变化的特性。 v1.铂热电阻的电阻温度特性v 铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的应用范围为-200+850。v 铂电阻的电阻温度特性方程，在-2000的温度范围内为：v Rt=RO1+At+Bt2+Ct3(t-100)v 在0+850的温度范围内为：v Rt=RO(1+At+Bt2)v2.铜热电阻的电阻温度特性v 由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在-50+150时普遍采用铜电阻。铜电阻与温度间的关系为v Rt=R0(1+1t+2t2+3t3)v由于2、3比1小得多，所以可以简化为v RtR0(1+
87、1t)v2.3.2 热电阻传感器的结构v 热电阻传感器由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成，如图4-14所示。 图图4-14 热电阻结构热电阻结构 热敏电阻热敏电阻v 半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。v 热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。热敏电阻可分为三种类型，即：v 正温度系数（PTC）热敏电阻v 负温度系数（NTC）热敏电阻v 在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。 热敏电阻的（热敏电阻的（Rtt）特性）特性 1-突变型突变型NTC；2-负指数型负指数型NTC；3-线性型线性型PTC；4-突变型
88、突变型PTC 图图4-16 各种热敏电阻的特性曲线各种热敏电阻的特性曲线 v结论：v（1）热敏电阻的温度系数值远大于金属热电阻，所以灵敏度很高。v（2）同温度情况下，热敏电阻阻值远大于金属热电阻。所以连接导线电阻的影响极小，适用于远距离测量。v（3）热敏电阻Rtt曲线非线性十分严重，所以其测量温度范围远小于金属热电阻。 热敏电阻温度测量非线性修正热敏电阻温度测量非线性修正v 由于热敏电阻Rtt曲线非线性严重，为保证一定范围内温度测量的精度要求，应进行非线性修正。v（1）线性化网络v 利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻，使网络电阻RT与温度成单值线性关系。v 其一
89、般形式如图4-17所示。 图图4-17 线性化网络线性化网络 v（2）利用电阻测量装置中其它部件的特性进行综合修正。v 图4-18是一个温度-频率转换电路，v 虽然电容C的充电特性是非线性特性，但适当地选取线路中的电阻r和R，可以在一定的温度范围内，得到近于线性的温度-频率转换特性。 图图4-18 温度温度-频率转换器原理图频率转换器原理图 v（3）计算修正法v 在带有微处理机（或微计算机）的测量系统中，v 当已知热敏电阻器的实际特性和要求的理想特性时，v 可采用线性插值法将特性分段，并把各分段点的值存放在计算机的存贮器内。v 计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后，给出要求的输出值
90、。 4.3 集成温度传感器集成温度传感器 集成温度传感器具有体积小、线性好、反应灵敏等优点，所以应用十分广泛。v 集成温度传感器是把感温元件（常为PN结）与有关的电子线路集成在很小的硅片上封装而成。v 由于PN结不能耐高温，所以集成温度传感器通常测量150以下的温度。v 集成温度传感器按输出量不同可分为：v 电流型、电压型和频率型三大类。 集成温度传感器基本工作原理集成温度传感器基本工作原理 图4-19为集成温度传感器原理示意图。 其中V1、V2为差分对管，由恒流源提供的I1、I2分别为V1、V2的集电极电流，则Ube为： 只要I1/I2为一恒定值，则Ube与温度T为单值线性函数关系。 这就是
91、集成温度传感器的基本工作原理。 图图4-19 集成温度传感器基本原理图集成温度传感器基本原理图 电压输出型集成温度传感器电压输出型集成温度传感器 图4-20所示电路为电压输出型温度传感器。 V1、V2为差分对管，调节电阻R1，可使I1=I2，当对管V1、V2的值大于等于1时，电路输出电压UO为： 由此可得由此可得: R1、R2不变则U0与T成线性关系。若R1=940，R2=30K，=37，则电路输出温度系数为 10mV/K。 图图4-20 电压输出型原理电路图电压输出型原理电路图 电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器 如图4-21所示: 对管V1、V2作为恒流源负载，V3、V4作为
92、感温元件，V3、V4发射结面积之比为，此时电流源总电流IT为： 当R、为恒定量时,IT与T成线性关系。若R=358，=8，则电路输出温度系数为1A/K。 图图4-21 电流输出型原理电路图电流输出型原理电路图 4.4 温度传感器应用实例温度传感器应用实例v4.4 温度传感器应用实例温度传感器应用实例 双金属温度传感器的应用双金属温度传感器的应用v1.双金属温度传感器室温测量的应用v 双金属温度传感器结构简单，价格便宜，刻度清晰，使用方便，耐振动。v 常用于驾驶室、船舱，粮仓等室内温度测量。v 图4-22为盘旋形双金属温度计。 图图4-22 盘旋形双金属温度计盘旋形双金属温度计 v2.双金属温度
93、传感器在电冰箱中的应用v 电冰箱压缩机温度保护继电器内部的感温元件是一片碟形的双金属片，如图4-25所示。v 在双金属片上固定着两个动触头。在碟形双金属片的下面还安放着一根电热丝。该电热丝与这两个常闭触点串联连接。v 压缩机电机中的电流过大时，这一大电流流过电热丝后，使它很快发热，v 放出的热量使碟形双金属片温度迅速升高到它的动作温度，v 碟形双金属片翻转，带动常闭触点断开，v 切断压缩机电机的电源，保护全封闭式压缩机不至于损环。图图4-25 碟形双金属温度传感器工作过程碟形双金属温度传感器工作过程 v 热敏电阻温度传感器的应用热敏电阻温度传感器的应用v1.热敏电阻在汽车水箱温度测量中的应用v
94、 图4-26所示为汽车水箱水温监测电路。其中Rt为负温度系数热敏电阻。v2.热敏电阻在空调器控制电路中的应用热敏电阻在空调器控制电路中的应用v 春兰牌KFR-20GW型冷热双向空调中热敏电阻的应用，如图4-27所示。图图4-26 汽车水箱测温电路汽车水箱测温电路 图图4-27 热敏电阻在空调控制电路中的应用热敏电阻在空调控制电路中的应用 晶体管温度传感器的应用晶体管温度传感器的应用1.热敏二极管温度传感器应用举例 半导体二极管正向电压与温度的关系如图4-28所示。可将温度转换成电压，完成温度传感器的功能。 图图4-28二极管正向电压二极管正向电压温度特性曲线温度特性曲线 图4-29是采用硅二极
95、管温度传感器的测量电路，其输出端电压值随温度而变化。温度每变化1，输出电压变化量为0.1V。 4-29 二极管温度传感器的温度监测电路二极管温度传感器的温度监测电路 2.晶体三极管温度传感器应用举例 NPN型热敏晶体管在IC恒定时，基极发射极间电压Ube随温度变化曲线如图4-30所示。 图图4-30 硅晶体管硅晶体管UBE与温度之间的关系与温度之间的关系图图4-31晶体管温度传感器的温度测量电路晶体管温度传感器的温度测量电路 图4-31为晶体管温度传感器的一种温度测量电路，温度变化1，输出电压变化0.1V。 集成温度传感器应用举例集成温度传感器应用举例1.AD590集成温度传感器应用电路图图2
96、-31 简单测温电路简单测温电路 集成温度传感器用于热电偶参考端的补偿电路如图4-32所示，AD590应与热电偶参考端处于同一温度下。 图图4-32 热电偶参考端补偿电路热电偶参考端补偿电路 v2.LM334集成温度传感器应用电路集成温度传感器应用电路v LM334是三端电流输出型温度传感器，其输出电流对于环境温度为线性变化。v LM334工作电压范围较宽，为0.840V，但工作电压高时，自身发热大，因此建议低电压使用。采用LM334的温度-频率转换电路如图4-33所示。v 接在LM334的电阻R9为基准电阻，所以必须选用温度系数小的电阻。 v 图中R9为137，25时，输出电流为494A。
97、图图4-33 LM334的应用电路的应用电路 v 家用空调专用温度传感器家用空调专用温度传感器v 家用空调专用温度传感器产品型号为KC和KH系列。v 目前，较先进的室内空调器大都采用由传感器检测并用微机进行控制的模式，其组成如图4-34所示。v 空调器的控制系统中，v 在室内部分，安装有热敏电阻和气体传感器；v 在室外部分安装热敏电阻。 操作开关操作开关热敏电阻热敏电阻气体传感器气体传感器遥控器遥控器单单片片机机系系统统内部风扇内部风扇双向阀双向阀加热器加热器收收发发信信机机热敏热敏电阻电阻旁路阀旁路阀四向阀四向阀双向阀双向阀外部风扇外部风扇压缩机压缩机室内部分室内部分室外部分室外部分图图4-
98、34 室内空调机控制系统室内空调机控制系统 v 冰箱、冰柜专用温度传感器冰箱、冰柜专用温度传感器v 冰箱、冰柜专用温度传感器型号有KC系列。v 冰箱、冰柜热敏电阻式温控电路如图4-35所示。 v A1组成开机检知电路，由A2组成关机检知电路。 v 周而复始地工作，达到控制电冰箱内温度的目的。 图图4-35 冰箱热敏电阻温控电路冰箱热敏电阻温控电路v 汽车发动机控制系统专用温度传感器汽车发动机控制系统专用温度传感器v 汽车发动机控制系统专用温度传感器有KC系列。v 为了提高发动机的燃烧效率，必须使用温度传感器，以分别连续地高精度地测定进气温度和用于优化排气净化效率的排气温度。v KC系列汽车发动
99、机控制系统专用温度传感器：v 精度高、抗震性强、耐温防潮性强、热冲击下具有高稳定性和可靠性等特点。 4.5 实训实训v 实训实训 v 电冰箱温度超标指示器电路如图4-36所示。v 装调该电路,过程如下: v(1) 准备电路板和元器件,认识元器件；v(2) 电路装配调试；v(3) 电路各点电压测量；v(4) 实验过程和结果记录；v(5) 调电位器RP于不同值，进行电路参数和实验结果分析。 图图4-36 电冰箱温度超标指示器电路电冰箱温度超标指示器电路项目五气敏和湿度传感器 v8.1 气体传感器气体传感器v8.2 湿度传感器湿度传感器 v8.3 气体和湿度传感器的应用气体和湿度传感器的应用v8.4
100、 实训实训 5.1 气敏传感器气敏传感器v 气敏传感器是一种把气体中的特定成分检测出来,并将它转换为电信号的器件,以便提供有关待测气体的存在及浓度大小的信息。见表5-1。v 气敏传感器的性能必须满足下列条件：v（1）能够检测并能及时给出报警、显示与控制信号；v（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；v（3）性能稳定性、重复性好；v（4）动态特性好、响应迅速；v（5）使用、维护方便，价格便宜。 表表5-1 气敏传感器主要检测对象及其应用场所气敏传感器主要检测对象及其应用场所 分分类检测对象气体象气体应用用场合合易燃易爆气体易燃易爆气体液化石油气、焦炉煤气、液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气、生
101、炉煤气、天然气天然气甲甲烷氢气气家庭用家庭用煤煤矿 冶金、冶金、试验室室有毒气体有毒气体一氧化碳（不完全燃一氧化碳（不完全燃烧的煤气）的煤气）硫化硫化氢、含硫的有机化合物、含硫的有机化合物卤素，素，卤化物，氨气等化物，氨气等煤气灶等煤气灶等石油工石油工业、制、制药厂厂冶冶炼厂、化肥厂厂、化肥厂环境气体境气体氧气（缺氧）氧气（缺氧）水蒸气（水蒸气（调节湿度，防止湿度，防止结露）露）大气大气污染（染（SOx,NOx,CL2等）等）地下工程、家庭地下工程、家庭电子子设备、汽、汽车、温室温室工工业区区工工业气体气体燃燃烧过程气体控制，程气体控制，调节燃燃/空比空比一氧化碳（防止不完全燃一氧化碳（防止不
102、完全燃烧）水蒸气（食品加工）水蒸气（食品加工）内燃机，内燃机，锅炉炉内燃机、冶内燃机、冶炼厂厂电子灶子灶其它灾害其它灾害烟烟雾，司机呼出酒精，司机呼出酒精火灾火灾预报，事故，事故预报v半导体型气敏传感器半导体型气敏传感器v 半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，来检测气体的成分或浓度的气体传感器。v 半导体气体传感器大体可分为电阻式和非电阻式两大类。见表5-2。v 电阻式是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作。v 非电阻式是一种半导体器件。 表5-2 半导体气敏传感器的分类主要的物理主要的物理特性特性传感器感器举例例工作温度工作温度代表性被代表性被测气体气体电阻阻
103、式式表面控制型表面控制型氧化氧化锡、氧化、氧化锌室温室温450C可燃性气体可燃性气体体控制型体控制型LaI-xSrxCoO3，FeO氧氧化化钛、氧化氧化钴、氧化、氧化镁、氧化、氧化锡300450C700C以上以上酒精、可燃性气酒精、可燃性气体、氧气体、氧气非非电阻式阻式表面表面电位位氧化氧化银室温室温乙醇乙醇二极管整流二极管整流特性特性铂/硫化硫化镉、铂/氧化氧化钛室温室温200C氢气、一氧化碳、气、一氧化碳、酒精酒精晶体管特性晶体管特性铂栅MOS场效效应管管150C氢气、硫化气、硫化氢v1. 表面控制型气体传感器v 平常器件工作在空气中，空气中的O2和NO2，接受来自N型半导体材料敏感膜的电
104、子吸附，表现为N型半导体材料敏感膜的表面传导电子数减少，表面电导率减小，器件处于高阻状态。v 一旦器件与被测气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，使敏感膜表面电导率增大，器件电阻减少。v 目前常用的材料为氧化锡和氧化锌等较难还原的氧化物，也有研究用有机半导体材料的。v 在这类传感器中一般均参有少量贵金属（如Pt等）作为激活剂。v 这类器件目前已商品化的有SnO2、ZnO等气体传感器。v2. 体电阻控制型气体传感器v 体控制型电阻式气体传感器是利用体电阻的变化来检测气体的半导体器件。v 检测对象主要有：液化石油气，主要是丙烷；煤气，主要是CO、H2；天然气，主要是甲烷。 v
105、例如利用SnO2气敏器件可设计酒精探测器，当酒精气体被检测到时，气敏器件电阻值降低，测量回路有信号输出，提供给电表显示或指示灯发亮。v 气敏器件工作时要提供加热电源。 v3. 非电阻型气体传感器v 二极管气体传感器是利用一些气体被金属与半导体的界面吸收，对半导体禁带宽度或金属的功函数的影响，而使二极管整流特性发生性质变化而制成。v 场效应管FET型气体传感器是根据栅压域值的变化来检测未知气体。v 电容型气体传感器是根据CaOBaTiO3等复合氧化物随CO2浓度变化、其静电容量有很大变化而制成。v 固体电解质式气体传感器固体电解质式气体传感器 v 这类传感器内部不是依赖电子传导，而是靠阴离子或阳
106、离子进行传导。v 因此，把利用这种传导性能好的材料制成的传感器称为固体电解质传感器。 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器 v 接触燃烧式气体传感器是将白金等金属线圈埋设在氧化催化剂中构成。v 使用时对金属线圈通以电流，使之保持在300600C的高温状态，同时将元件接入电桥电路中的一个桥臂。v 一旦有可燃性气体与传感器表面接触，燃烧热量进一步使金属丝升温，造成器件阻值增大，从而破坏了电桥的平衡。v 其输出的不平衡电流或电压可测得可燃性气体的浓度。 电化学式气体传感器电化学式气体传感器v1. 离子电极型气体传感器 v 由电解液、固定参照电极和pH电极组成。通过透气膜使被测气体和外界达到平衡。
107、v 以被测气体为CO2为例，在电解液中达到如下化学平衡：v CO2+H2O=H+HCO3v 根据pH值就能知道CO2 的浓度。 v2. 加伐尼电池式气体传感器v 由隔离膜、铅电极（阳）、电解液、白金电极（阴）组成一个加伐尼电池。v 当被测气体通过聚四氟乙烯隔膜扩散到达负极表面时，即可发生还原反应。v 溶液中产生电流，流过外电路。v 该电流数值和气体的速度成比例。 v3. 定位电解法气体传感器 v 由工作电极、辅助电极及参比电极以及聚四氟乙烯制成的透气隔离膜组成，在工作电极与辅助电极，参比电极间充以电解液。v 传感器工作电极（敏感电极）的电位由电位器控制，使其与参比电极电位保持恒定。v 待测气体
108、分子通过透气膜到达敏感电极表面时，发生电化学反应（氧化反应），辅助电极上发生还原反应。反应产生的电流与待测气体浓度有关，可以确定待测气体浓度。 v 集成型气体传感器集成型气体传感器v 这种传感器有两类：v 一类是把敏感部分、加热部分和控制部分集成在同一基底上，以提高器件的性能；v 另一类是把多个具有选择性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一个衬底上。v 用微机处理和信号识别的方法对被测气体进行有选择性的测定，这样既可以对气体进行识别又可以提高检测灵敏度。 气敏传感器的应用气敏传感器的应用v1. 可燃性气体泄露报警器 v 为防止常用气体燃料如煤气（H2、CO等），天然气（CH4等）、液化石油气（C3
109、H8、C4H10等）及CO等气体泄漏引起中毒、燃烧或爆炸，可以应用可燃性气体传感器配上适当电路制成报警器。 v2. 在汽车中应用的气体传感器v 控制燃空比，需用氧传感器；控制污染，检测排放气体，需用CO、NOx、HCl、O2等传感器；内部空调，需用CO、烟、湿度等传感器。 v3. 在工业中应用的气体传感器v 在Fe和Cu等矿物冶炼过程中常使用氧传感器。v 在半导体工业中需用多种气体传感器。v 在食品工业中也常用氧传感器。v4. 检测大气污染方面用的气体传感器v 对于污染环境需要检测的气体有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等，因为需要定量测量，宜选用电化学气体传感器。 v5. 在家电方面用的
110、气体传感器v 在家电中除用于可燃气泄漏报警及换气扇、抽油烟机的自动控制外，也用于微波炉和燃气炉等家用电器中，以实现烹调的自动控制。v6. 在其他方面的应用v 除上述以外，气体传感器还被广泛用于医疗诊断，矿井安全等场合，目前各类传感器已有实用商品。 5.2 湿度传感器湿度传感器 湿度传感器湿度传感器 概述概述v 湿度是指物质中所含水蒸气的量，目前的湿度传感器多数是测量气氛中的水蒸气含量。通常用绝对湿度、相对湿度和露点（或露点温度）来表示。v1.绝对湿度v 绝对湿度是指单位体积的气氛中含水蒸气的质量，其表达式为： 2.相对湿度 相对湿度为待测气氛中水汽分压与相同温度下水的饱和水汽压的比值的百分数。
111、3.露点 在一定大气压下，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露。 此时的温度称为露点或露点温度。 如果这一特定温度低于0C，水汽将凝结成霜。 v 湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环境湿度转变为电信号的能力。其主要特性有以下几点：v(1)感湿特性v 感湿特性为湿度传感器特征量（如：电阻值、电容值、频率值等）随湿度变化的关系。v 常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示，如图5-1所示。 图图5-1 湿度传感器的感湿特性湿度传感器的感湿特性 v(2)湿度量程v 湿度量程为湿度传感器技术规范规定的感湿范围。全
112、量程为（ 0 100%）RH。v(3)灵敏度v 灵敏度为湿度传感器的感湿特征量（如：电阻、电容值等）随环境湿度变化的程度，也是该传感器感湿特性曲线的斜率。v(4)湿滞特性v 湿度传感器在吸湿过程和脱湿过程中吸湿与脱湿曲线不重合，而是一个环形回线，这一特性就是湿滞特性，如图5-2所示。 图图5-2 湿度传感器的湿滞特性湿度传感器的湿滞特性 v(5)响应时间v 响应时间为在一定环境温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的感湿特征量达到稳定变化量的90%所需的时间。v(6)感湿温度系数v 当环境湿度恒定时，温度每变化1C，引起湿度传感器感湿特征量的变化量。v(7)老化特性v 湿度传感器在一定温度、
113、湿度气氛下存放一定时间后，其感湿特性将发生变化的特性。 陶瓷型湿度传感器陶瓷型湿度传感器v 陶瓷表面多孔性吸湿后，导电阻值将发生改变。陶瓷湿敏元件随外界湿度变化而使电阻值变化的特性便是用来制造湿度传感器的依据。v1. MgCr2O4 -TiO2系湿度传感器v 是一种典型的多孔陶瓷湿度测量器件。v 具有灵敏度高、响应特性好、测湿范围宽和高温清洗后性能稳定等优点，目前已商品化。结构如图5-3所示。 图图5-3 MgCr2O4TiO2湿度传感器结构示意图湿度传感器结构示意图 v2. ZrO2系厚膜型湿度传感器系厚膜型湿度传感器 v ZrO2系厚膜型湿度传感器的感湿层是用一种多孔ZrO2系厚膜材料制成
114、的，它可用碱金属调节阻值的大小并提高其长期稳定性。v 其结构如图5-4所示。 图图5-4 ZrO2湿度传感器的结构图湿度传感器的结构图1-电极引线；电极引线；2-印制的印制的ZrO2感湿层（厚为几十微米）；感湿层（厚为几十微米）；3-瓷衬底；瓷衬底；4-由多由多孔高分子膜制成的防尘过滤膜；孔高分子膜制成的防尘过滤膜；5-用丝网印刷法印制的用丝网印刷法印制的Au梳状电极梳状电极 v有机高分子湿度传感器有机高分子湿度传感器v1. 高分子电阻式湿度传感器v 水吸附在有极性基的高分子膜上，在低湿下，因吸附量少，不能产生荷电离子，所以电阻值较高。v 相对湿度增加时，吸附量也增加，集团化的吸附水就成为导电
115、通道，正负离子对起到载流子作用，电阻值下降。v 利用这种原理制成的传感器称为电阻式高分子湿度传感器。v2. 高分子电容式湿度传感器v 高分子材料吸水后，元件的介电常数随环境的相对湿度的改变而变化，引起电容的变化。v 当含水量以水分子形式被吸附在高分子介质膜中时，由于高分子介质的介电常数（36）远远小于水的介电常数（81），所以介质中水的成分对总介电常数的影响比较大。使元件对湿度有较好的敏感性能。v 高分子电容式湿度传感器如图5-5所示。 5 3 4 1 2 4 3 2 5 图图5-5 高分子电容式湿度传感器的结构高分子电容式湿度传感器的结构1-微晶玻璃衬底；微晶玻璃衬底； 2-下电极；下电极；
116、3-敏感膜；敏感膜；4-多孔浮置电极；多孔浮置电极；5-引线引线 v3. 结露传感器v 利用了掺入碳粉的有机高分子材料吸湿后的膨润现象。v 在高湿下，高分子材料的膨胀引起其中所含碳粉间距变化而产生电阻突变。v 利用这种现象可制成具有开关特性的湿度传感器。v 其特性如图5-6所示。 0 20 40 60 80 100 100 101 102 103 104 电阻值K相对灵敏度%RH图图5-6 结露传感器的特性曲线结露传感器的特性曲线 半导体型湿度传感器半导体型湿度传感器v 硅MOS 型Al23湿度传感器是在Si单晶上制成MOS晶体管。v 其栅极是用热氧化法生长厚度为80nm的Si2膜，在此Si2
117、膜上用蒸发及阳极化方法制得多孔Al23膜，然后再蒸镀上多孔金（Au）膜而制成。v 这种传感器具有响应速度快、化学稳定性好及耐高低温冲击等特点。v 其结构如图5-7所示。 SiO2 AlAl Al2O3 AuSi图图5-7 MOS型型Al2O3湿度传感器的结构湿度传感器的结构 v 含水量检测含水量检测v 通常将空气或其它气体中的水分含量称为“湿度”，将固体物质中的水分含量称为“含水量”。v1. 称重法v 将被测物质烘干前后的重量GH和GD测出，含水量的百分数便是： v2. 电导法v 固体物质吸收水分后电阻变小，用测定电阻率或电导率的方法便可判断含水量。v3. 电容法v 水的介电常数远大于一般干燥
118、固体物质，因此用电容法测物质的介电常数从而测含水量相当灵敏，造纸厂的纸张含水量便可用电容法测量。 v4. 红外吸收法v 水分对波长为1.94m的红外射线吸收较强，并且可用几乎不被水分吸收的1.81m波长作为参比。v 由上述两种波长的滤光片对红外光进行轮流切换，根据被测物对这两种波长的能量吸收的比值便可判断含水量。v5. 微波吸收法v 水分对波长为1.36cm附近的微波有显著吸收现象，而植物纤维对此波段的吸收要比水小几十倍。 利用这一原理可构成测木材、烟草、粮食、纸张等物质中含水量的仪表。 5.3 气敏、湿敏传感器的应用气敏、湿敏传感器的应用v5.3 气敏、湿敏传感器的应用气敏、湿敏传感器的应用
119、v1. 气体报警器v 如图5-8所示是一种最简单的家用气体报警器电路。v 采用直热式气敏器件TGS109作气体传感器。v 当室内可燃气体增加时，由于气敏器件接触到可燃气体而其阻值降低，使流经测试回路的电流增加，可直接驱动蜂鸣器（BZ）报警。图图5-8 简易家用气体报警器电路图简易家用气体报警器电路图 v 设计报警器时，重要的是如何确定开始报警的气体浓度。v 一般情况下，对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，都选定在爆炸下限的十分之一。 v2. 自动空气净化换气扇v 利用SnO2气敏器件，可以设计用于空气净化的自动换气扇。v 图5-9是电路原理图。当室内空气污浊，烟雾或其它污染气体使气敏器件阻值下降，晶体
120、管V导通，继电器动作接通风扇电源，排放污浊气体，换进新鲜空气。v 当室内污浊气体浓度下降到希望的数值时，气敏器件阻值上升，V截止，继电器断开，风扇电源切断，风扇停止工作。 风扇 OFF“自动” ON“手 动” 继电器图图5-9 自动换气扇电路图自动换气扇电路图 v3. 自动去湿装置v 图5-10中 ， H为湿敏传感器，Rs为加热电阻丝。在常温常湿情况下调好各电阻值，使V1导通，V2截止。 v 当阴雨等天气使室内环境湿度增大而导致H的阻值下降到某值时，RF与R2并联之阻值小到不足以维持V1导通。v 由于V1截止而使V2导通，其负载继电器K通电，常开触点闭合，加热电阻丝RS通电加热，驱散湿气。v
121、当湿度减小到一定程度时，电路又翻转到初始状态，V1导通，V2截止，常开触点断开，RS断电停止加热。 图图5-10 自动去湿装置自动去湿装置 v4. 录像机结露报警控制电路 v 如图5-11所示，该电路由BG1BG4组成。结露时，LED亮（结露信号），并输出控制信号使录像机进入停机保护状态。 v 在低湿时，结露传感器的电阻值为2k左右，BG1因其基极电压低于0.5V而截止，BG2集电极电位低于1V ，所以BG3及BG4也截止。 结露指示灯不亮，输出的控制信号为低电平。v 在结露时，结露传感器的电阻值大于50 k，BG1饱和导通，BG2截止；从而使BG3及BG4导通，结露指示灯亮，输出的控制信号为
122、高电平。 传感器图图5-131 录像机结露报警电路录像机结露报警电路 v5. 气体报警器与控制器电路v 如图5-12所示。在洁净空气中，传感器的电阻较大，在负载上的输出电压RL较小。v 在待测气体中时，传感器的电阻变小，则RL上的输出电压增大。v 图5-12（a）为报警器，超过规定浓度时 ，发出声光报警。v 图5-12（b）为控制器，超过设定浓度时，比较器翻转，输出控制信号，由驱动电路带动继电器或其它元件动作。稳压电源气敏传感器延时或放大报警电路 RL f1 f2 A B(a)图图5-12 气体报警器及控制器原理框图气体报警器及控制器原理框图 (a) 报警器报警器 (b)稳压电源气敏传感器延时
123、或放大比较器 RL f1 f2 A B驱动电路 W R图图5-12 气体报警器及控制器原理框图气体报警器及控制器原理框图 (b)控制器控制器 5.4 实训实训v 实训实训v 酒精测试仪电路如图5-13所示。v（1）装配该酒精测试仪。 IC可选用NSC公司的LM3914系列LED点线显示驱动集成电路。v（2）改变电阻RP的阻值，以调整灵敏度。v（3）将该酒精测试仪用于其它气体的检测。v（4）将IC集成电路的第6脚信号引出，经放大后接蜂鸣器。当酒精的含量超过0.05%时，蜂鸣器便发出警报。图图5-153 酒精测试仪电路酒精测试仪电路项目六光电式传感器 6.1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件v
124、光电效应光电效应v 光电元件的理论基础是光电效应。v 光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子具有的能量h正比于光的频率（h为普朗克常数）。v 用光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为h的光子所轰击。v 物体材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 v外光电效应外光电效应v 光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。v 外光电效应可由爱因斯坦光电方程来描述：v 一个光子的能量只能给物体中的一个自由电子，一个光子的能量只能给物体中的一个自由电子，使自由电子能量增加使自由电子能量增加h，这些能量一部分用
125、于克服，这些能量一部分用于克服逸出功逸出功A，另一部分作为光电子逸出时的初动能：，另一部分作为光电子逸出时的初动能： v 内光电效应内光电效应v 光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内光电效应，也称光电导效应。v 硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅等在受到光照时均会出现电阻下降的现象。v 电路中反偏的PN结在受到光照时也会在该PN结附近产生光生载流子（电子-空穴对）。v 利用上述现象可制成光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管，光敏晶闸管等光电转换器件。v 光生伏打效应光生伏打效应v 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏打效应。v 具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫
126、化镉、砷化镓等。v 例如，当一定波长的光照射PN结时，就产生电子-空穴对，在PN结内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，于是P区和N区之间产生电压，即光生电动势。v 利用该效应可制成各类光电池。 v 光电器件光电器件v光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管v 光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。v1.光电管光电管v 光电管的外形如图6-1所示。金属阳极A和阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极时，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，逸出金属表面形成电子发射，这种电子称为光电子。 23614 5图6 -1 一种常见的光电管外形1-阳极A 2-阴
127、极K 3-玻璃外壳4-管座 5-电极引脚 6-定位销图6-2 光电管符号及测量电路IUL ROE（+50 +70）V光电管的图形符号及测量电路如图光电管的图形符号及测量电路如图6-2所示。所示。2.光电倍增管光电倍增管 光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。 如图6-3是光电倍增管结构示意图。U0RLD1D3KAD2D4图图6-3 光电倍增管结构及工作原理光电倍增管结构及工作原理v光敏电阻光敏电阻v 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料。 v 在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管
128、壳里就构成了光敏电阻，如图6-4（a）所示。v 为了增加灵敏度，两电极常做成梳状，如图6-4（b）所示，v 图形符号如图6-4（c）所示。 a) mA I 图图6-4 光敏电阻机构示意图及图形符号光敏电阻机构示意图及图形符号 a）原理图）原理图 b)图图6-4 光敏电阻机构示意图及图形符号光敏电阻机构示意图及图形符号 b）外形图）外形图 c)图图6-4 光敏电阻机构示意图及图形符号光敏电阻机构示意图及图形符号 c）图形符号）图形符号 v光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管v1.光敏二极管光敏二极管v 光敏二极管是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件，与一般半导体二极管不同之处在于其P
129、N结装在透明管壳的顶部，以便接受光照，如图6-5（a）所示。v 它在电路中处于反向偏置状态，如图6-5（b）所示。v 光电流与光照度成正比。v 还有一种雪崩式光敏二极管（APD）。 光照 P N a) +RLEU0IAb) 图图6 -5 光敏二极管光敏二极管a)结构示意图及图形符号结构示意图及图形符号 b）基本应用电路）基本应用电路 v2.光敏三极管光敏三极管v 光敏三极管有两个PN结，从而可以获得电流增益 。v 它的结构、等效电路、图形符号及应用电路分别如图4-6（a）、（b）、（c）、（d）所示。v 光敏三极管与一只普通三极管制作在同一个管壳内，连接成复合管，如图6-6（e）所示，称为达林
130、顿型光敏三极管。它的灵敏度更大（=12）。v 但是达林顿光敏三极管的漏电（暗电流）较大，频响较差，温漂也较大。 +CNNP-eJcJea)CIc= IcboIcboeb)Cec) 图图6 6 光敏三极管光敏三极管 a) 结构结构 b) 等效电路等效电路 c）图形符号）图形符号 d)+UCC U0 =UC C Ic R LIcRLRL+UCC （3 20）VU0 =I C R LIceCe) 图图46 6 光敏三极管光敏三极管 d) 应用电路应用电路 e)光敏达林顿管光敏达林顿管 v光电池光电池v 光电池的工作原理是基于光生伏打效应。当光照射在光电池上时，可以直接输出电动势及光电流。v 图6-7
131、所示是光电池结构与图形符号。v 光电池 的种类很多，有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。v 应用最广的是硅光电池，优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜等。 焊点N型硅 +金属镀层电极光P型硅PN结a)b) 图图6-7 硅光电池硅光电池 a) 结构示意图结构示意图 b) 图形符号图形符号 v光电元件的特性光电元件的特性v1.光照特性光照特性v 当光电元件上加上一定电压时，光电流I与光电元件上光照度E之间的对应关系，称为光照特性。一般可表示为 ：v I = f（E）v 对于光敏电阻器，因其灵敏度高而光照特性呈非线性，一般用于自动控制中作开关元件。其光
132、照特性见图6-8（a）。 v 光电池的开路电压V与照度E是对数关系，在2000lx的照度下趋于饱和。v 在负载电阻远小于光电池内阻时，光电池的电流称为短路电流Isc，与照度呈线性关系。如图6-8（b）直线所示。v 光敏二极管的光照特性为线性，适于作检测元件，其特性如图6-8（c）所示。 图图 6-8 光照特性图光照特性图(a)光敏电阻器；光敏电阻器；(b)光电池；光电池；(c)光电二极管；光电二极管；(d)光电三极管光电三极管 v 光敏三极管的光照特性呈非线性，v 如图6-8（d）所示。但由于其内部具有放大作用，故其灵敏度较高。 v2.光谱特性光谱特性v 光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单
133、色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光电流会随入射光波长的不同而变化。v 入射光波长与光敏器件相对灵敏度或相对光电流间的关系即为该元件的光谱特性。各光敏器件的光谱特性如图6-9所示。 图图6 9各种光敏元件的光谱特性图各种光敏元件的光谱特性图 (a)光敏电阻器；光敏电阻器；(b)硅光电二极管；硅光电二极管；(c)光敏管光敏管 v 由图6-9可见，元件材料不同，所能响应的峰值波长也不同。v 因此，应根据光谱特性来确定光源与光电器件的最佳匹配。v 在选择光敏元件时，应使最大灵敏度在需要测量的光谱范围内，才有可能获得最高灵敏度。v3.伏安特性伏安特性v 在一定照度下，光电流I与光敏元件两端电压
134、V的对应关系，称为伏安特性。各种光敏元件的伏安特性如图6-10所示。v 伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计应用电路。 图图6-10 各种光敏元件的伏安特性各种光敏元件的伏安特性 (a)光敏电阻器；光敏电阻器；(b)光电池；光电池；(c)光电三极管光电三极管 v4.频率特性频率特性v 在相同的电压和同样幅值的光照下，当入射光以不同频率的正弦频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S会随调制频率f而变化，它们的关系为：v I = F1（f ）v或 S = F2（f ） v称为频率特性。以光生伏打效应原理工作的光敏元件（如光电池）频率特性较差，v 以内光电效应原理工作的光敏元件（如
135、光敏电阻）频率特性更差。 图图6-11各种光敏元件的频率响应各种光敏元件的频率响应 (a)光敏电阻器；光敏电阻器；(b)光电池；光电池；(c)光敏三极管光敏三极管 v5.温度特性温度特性v 部分光敏器件输出受温度影响较大。v 光敏电阻，当温度上升时，暗电流增大，灵敏度下降。v 光敏晶体管，由于温度变化对暗电流影响非常大，并且是非线性的，给微光测量带来较大误差。v 光电池受温度的影响主要表现在开路电压随温度增加而下降，短路电流随温度上升缓慢增加。v 应采取相应措施进行温度补偿。 v6.响应时间响应时间v 不同光敏器件的响应时间有所不同。v 光敏电阻较慢，约为（10 110）s，一般不能用于要求快
136、速响应的场合。v 工业用的硅光敏二极管的响应时间为（105107）s左右，v 光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。 v4.2.6 光电耦合器件光电耦合器件 v 将发光器件与光敏元件集成在一起便可构成光电耦合器件，图6-12为其结构示意图。v 图a为窄缝透射式，可用于片状遮挡物体的位置检测，或码盘、转速测量中；v 图 b为反射式可用于反光体的位置检测，对被测物不限制厚度；v 图c为全封闭式，用于电路的隔离。v 发光元件多半是发光二极管，v 光敏元件多为光敏二极管和光敏三极管，少数采用光敏达林顿管或光控晶闸管。 (a)(b)(c)
137、图图 6-12 光电耦合器典型结构光电耦合器典型结构 v对于光电耦合器的特性，应注意以下各项参数。v（1）电流传输比 v（2）输入输出间的绝缘电阻 v（3）输入输出间的耐压 v（4）输入输出间的寄生电容v（5）最高工作频率 v（6）脉冲上升时间和下降时间 6.2 红外线传感器红外线传感器v红外线传感器红外线传感器v概述概述v 凡是存在于自然界的物体，例如：人体、火焰、冰等物体都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。v 人体的温度为3637C，所放射的红外线波长为910m（属于远红外线区）。v 加热到400700C的物体，其放射出的红外线波长为35m（属于中红外线区）。v 红外线传感
138、器可以检测到这些物体发射出的红外线，用于测量、成象或控制。 v 用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，比可见光作为媒介的检测方法要好。其优越性表现在：v(1) 红外线（指中、远红外线）不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。v(2) 由于待测对象发射出红外线，故不必设光源。v(3) 大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少（22.6m ,35m ,814m三个波段称为“大气窗口”）,故适用于遥感技术。 v 红外线传感器按其工作原理可分为两类：量子型及热型。v 热型红外线光敏元件的特点是：v 灵敏度较低、响应速度较慢、响应的红外线波长范围较宽，价格比较便宜、能在室温下工作。v 量子型红外线光敏
139、元件的特性则与热型正好相反，一般必须在冷却（77K）条件下使用。 v热释电型红外传感器热释电型红外传感器v1. 热释电效应热释电效应v 若使某些强介电质物质的表面温度发生变化，随着温度的上升或下降，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应，是热电效应的一种。v 这种现象在钛酸钡之类的强介电质物质材料上表现得特别显著。v 热释电效应产生的电荷不是永存的，很快便被空气中的各种离子所结合。 v2. 热释电红外线光敏元件的材料热释电红外线光敏元件的材料v 热释电红外线光敏元件的材料较多，其中以陶瓷氧化物及压电晶体用得最多。v3. 热释电红外传感器热释电红外传感器v 结构及电路如图6-
140、13，6-14所示。传感器的敏感元件是PZT（钛锆酸铅 ），在上下两面做上电极，并在表面上加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。v 等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，输出电压信号又极其微弱，管内有场效应管FET放大器及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。内接线 氧化膜PZT元件 铝件 接脚FET 空洞 图图 4613热释电红外传感器基本结构热释电红外传感器基本结构 元件FETDSE Rg RsRs为负载电阻，有的传感器内无Rs（需外接）图图 6 -14 热释电红外传感器等效电路热释电红外传感器等效电路 vPVF2 热释电红外传感器热释电红外传感器v PVF2是聚偏二氟
141、乙烯的缩写，是一种经过特殊加工的塑料薄膜。v 它具有压电效应，同时也具有热释电效应，是一种新型传感器材料。v 热释电系数比钽酸锂、硫酸三甘肽等要低。 v 具有不吸湿、化学性质稳定、柔软、易加工及成本低的特点，是制造红外线监测报警装置的好材料。 v5.菲涅耳透镜菲涅耳透镜v 菲涅耳透镜是由塑料制成的 特殊设计的光学透镜，配合热释电红外线传感器使用。 v 透镜由很多“盲区”和“高灵敏区”组成，物体或人体发射的红外线通过菲涅耳透镜会产生一系列的光脉冲进入传感器，从而提高了接收灵敏度。如图6-15所示。v 物体或人体移动的速度越快，灵敏度就越高。目前一般配上透镜可检测10米上下，而采用新设计的双重反射
142、型，则其检测距离可达20米以上。 菲涅耳透镜图图6 - 15菲涅耳透镜的应用菲涅耳透镜的应用 6.4 光纤传感器光纤传感器v光纤传感器光纤传感器v 光纤传感器按照光纤的使用方式可分为功能型传感器和非功能型传感器。v 功能型传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化，利用光纤作为敏感元件，又称为传感型光纤传感器。v 非功能型传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化，光纤仅作为光的传输介质，也称为传光型光纤传感器或称混合型光纤传感器。v光纤传感元件光纤传感元件v 光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃制成的，每根光纤由圆柱形的内芯和包层组成。内芯的折射率略大于包层的折射率。v 光是直线传播的。然而入射
143、到光纤中的光线却能限制在光纤中，而且随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传送到很远的地方去。v 光纤的直径比光的波长大很多，可以用几何光学的方法来说明光在光纤中的传播。v 当光从光密（折射率大）介质射向光疏（折射率小）介质，且入射角大于临界角时，光会产生全反射，即光不再离开光密介质。v 光纤圆柱形内芯的折射率n1大于包层的折射率n2，因此，如图6-16所示，在角2之间的入射光，除了在光纤玻璃中吸收和散射之外，大部分在界面上产生多次反射，以锯齿形的线路在光纤中传播。v 在光纤的末端以与入射角相等的出（反）射角射出光纤。n 0 2 n 1 n 2图图6-16 光导纤维中光的传输特性光导纤维中光的传输
144、特性 光纤的主要参数和类型如下：（1）数值孔径： 无论光源发射功率有多大，只有2张角之内 的光功率能被光纤接收。角2与光纤内芯和包层材料的折射率有关，我们将的正弦定义为光纤的数值孔径（NA）。 一般希望有大的数值孔径,以利于耦合效率的提高,但数值孔径越大,光信号畸变就越严重,所以要适当选择。 （2）光纤模式： 光纤模式简单地说就是光波沿光纤传输的途径和方式。 多模光纤中，同一光信号采用很多模式传输，会使这一光信号分裂为不同时间到达接收端的多个小信号，导致合成信号畸变。 希望模式数量越少越好，尽可能在单模方式下工作，即单模光纤。阶跃型的圆筒光纤内传播的模式数量可简单表示为： （3）传播损耗： 由
145、于光纤纤芯材料的吸收、散射以及光纤弯曲处的辐射损耗等影响，光信号在光纤的传播不可避免地会有损耗。 假设从纤芯左端输入一个光脉冲，其峰值强度（光功率）为Io，传播损耗后，光纤中任一点处的光强度为：（4）光纤类型 按折射率变化分为阶跃型光纤和渐变型光纤。 按传输模式多少分为单模光纤与多模光纤。 常用光纤传感器常用光纤传感器v 光纤传感器的种类很多，工作原理也各不相同，但都离不开光的调制和解调两个环节。v 光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上。v 承载了被测信息的已调制光，传输到光探测系统后再经解调，便可获得所需的该被测信息。v 常用的光调制方法有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制等几种。
146、v 1. 光纤压力传感器光纤压力传感器v 按光强度调制原理制成，结构如图6-17所示，其工作原理是:v （1）被测力作用于膜片，使光纤与膜片间的气隙减小，使棱镜与光吸收层之间的气隙发生改变。v （2）气隙发生改变引起棱镜界面上全（内）反射的局部破坏，造成一部分光离开棱镜的上界面，进入吸收层并被吸收，致使反射回接收光纤的光强度减小。 v （3）接收光纤内反射光强度的改变可由桥式光接收器检测出来。v （4）桥式光接收器输出信号的大小只与光纤和膜片间的距离和膜片的形状有关。v 光纤压力传感器不受电磁干扰，响应速度快、尺寸小、重量轻、耐热性好。v 由于没有导电元件，特别适合于有防爆要求的场合使用。 图
147、图617 光纤压力传感器结构光纤压力传感器结构1膜片；膜片；2光吸收层；光吸收层；3垫圈；垫圈；4光导纤维；光导纤维；5桥式光接收线路；桥式光接收线路；6发光二极管；发光二极管；7壳体；壳体；8棱镜；棱镜；9上盖。上盖。 v2. 光纤血流传感器光纤血流传感器v 这种传感器是利用频率调制原理，也就是利用光的多普勒效应，在这里光纤只起传输作用。v 如图6-17所示。激光器发出的光波频率为f，激光束由分束器分为两束，一束作为测量光束，通过光纤探针进到被测血液中， 由于血流速度 ，其反射光具有多普勒频移 f 。另一束作为参考光由频移器产生参考频移。v 光电二极管接收该两束光信号，送入频率分析器分析，记
148、录仪上显示对应于血流速度的多普勒频移谱，如图6-18所示。 氩氖激光器频率分析器记录仪 光电二极管 动脉血管光纤探针托座频移器分束器图图6-17 光纤血流传感器光纤血流传感器 f1 f0O I相对电流ff / Hz图图6 18 多普勒频移谱多普勒频移谱 多普勒频移谱如图多普勒频移谱如图4-28所示，所示，I表示输出的光电流；表示输出的光电流；f0表示最大频移；表示最大频移； f的符号由血流方向确定。的符号由血流方向确定。 6.5 光传感器应用实例光传感器应用实例v光传感器应用实例光传感器应用实例v自动照明灯自动照明灯v 电路如图6-19所示。D1为触发二极管，触发电压约为30V左右。v 白天，
149、光敏电阻的阻值低， A点分压低于30V，触发二极管截止，双向可控硅无触发电流，T1、T2之间呈断开状态。v 晚上天黑，光敏电阻的阻值增加，A点电压大于30V，触发二极管导通，双向可控硅呈导通状态，电灯亮。220VT2T1D1GC2R2A R1 C1GR图图619 自动照明灯电路自动照明灯电路 v光电式数字转速表光电式数字转速表v 如图6-20（a）所示，在电机的转轴上涂上黑白相间的两色条纹。v 当电机轴转动时，反光与不反光交替出现，所以光电元件间断的接收光的反射信号，输出电脉冲。v 再经过放大整形电路（见图6-21），输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电机的转速。v 图6-20(b)是在电机
150、轴上固定一个调制盘，上面开一些固定间隔的孔洞，当电机转轴转动时将发光二极管发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。v 同样经光电元件接收，放大整形电路整形，输出整齐的方波脉冲信号。v 每分钟转速n与输出的方波脉冲频率f以及孔数或黑白条纹数N的关系如下： a) 发光二极管电机 数字频率计光电元件 放大整形电路图图6-20 光电式数字转速表工作原理图光电式数字转速表工作原理图 b) 发光二极管电机 数字频率计 光电元件 放大 整形电路调制盘 调制盘图图6-20 光电式数字转速表工作原理图光电式数字转速表工作原理图 R1 R3 R22 C1 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 BG1 BG3
151、C2 BG2U0+E有光照 无光照图图6-21 放大整形电路原理图放大整形电路原理图 v 物体长度及运动速度的检测物体长度及运动速度的检测v 生产上经常需要检测工件的运动速度。图6-22是利用光电元件检测工件运动速度的示意图和电路简图。v 当工件自左向右运动时，首先遮断光源A的光线，经过设定的S0距离后再遮断光源B的光线，经光敏元件和 RS触发器输出高频脉冲，计数器进行计数。v 设高频脉冲计数器所计脉冲数为n 和脉冲周期为T，则可计算物体平均运动速度为： S 0LEDBLEDAQL7689清零信号 VAVBSR 3 14 25 图图622 光电检测运动物体的速度示意图光电检测运动物体的速度示意
152、图 1-光源光源A ；2-光敏元件光敏元件VA ；3-运动物体运动物体 ；4-光源光源B ；5-光敏元件光敏元件VB ；6-RS触发器；触发器；7-高频脉冲信号源；高频脉冲信号源；8-计数器；计数器；9-显示器显示器 tLt tLSRQ图图622 光电检测运动物体的速度高频脉冲信号光电检测运动物体的速度高频脉冲信号v红外自动干手器红外自动干手器 v 如图6-23所示。反相器F1、F2、晶体管VT1及红外发射二极管VL1等组成红外光脉冲信号发射电路。v 红外光敏二极管VD2及后续电路组成红外光脉冲的接收、放大、整形、滤波及开关电路。v 当将手放在干手器的下方1015cm时，由VL1发射的红外光线
153、经人手反射后被红外光敏二极管VD2接收，电路输出使VT4导通。v 继电器KM得电工作，触点KM1闭合接通电热风机，热风吹向手部。 手手热风机热风机继电器继电器KM延时电路延时电路红外光接收红外光接收红外光发射红外光发射信号处理信号处理交流交流电源电源图图6-23 红外自动干手器电路原理框图红外自动干手器电路原理框图 红外光红外光红外光红外光热风热风电信号电信号v 手指光反射测量心率方法手指光反射测量心率方法 v 如图6-24所示。v 用一光发生器向手指发射光，用一光检测器放在手指的同一边，接收手指反射的光。v 手指反射的光的强度及其变化会随血液脉搏的变化而变化。v 由光检测器检测到手指反射的光
154、，并对其强度变化速率进行记数，即可测得被测人的心率。图图6-24 手指光反射测量心率示意图手指光反射测量心率示意图 v 手指光反射测量心率电路组成如图6-25所示。v 光发生器采用超亮度LED管，光检测器使用光敏电阻。v 当食指前端接触光传感器时，从光传感器输出可得到约100V的电压变化。v 该信号经电容器C加到放大器的输入端，经放大、信号变换处理，便可从显示器上直接得到心率的测量结果。显显示示器器信号信号变换变换处理处理放放大大器器5VLEDB光传感器光传感器68K270C图图6-25 手指光反射测量心率电路图手指光反射测量心率电路图v 条形码扫描笔条形码扫描笔 v 扫描笔的前方为光电读入头
155、，它由一个发光二极管和一个光敏三极管组成，如图6-26所示。v 当扫描笔头在条形码上移动时，黑色线条吸收光线，白色间隔反射光线。v 光敏三极管将条形码黑色线条和白色间隔变成了一个个电脉冲信号，如图6-27所示。v 脉冲列经计算机处理后，完成对条形码信息的识别。图图6-26 条形码扫描笔笔头结构条形码扫描笔笔头结构 图图6-27 扫描笔输出的脉冲列扫描笔输出的脉冲列 6.5 实训实训v 实训实训 v 测光文具盒电路如图6-28所示。v 装调该电路,过程如下：v(1) 准备电路板和元器件,认识元器件；v(2) 电路装配调试；v(3) 电路各点电压测量；v(4) 实验过程和结果记录；v(5) 调电位
156、器RP和电阻R 进行电路各点电压测量和实验结果分析。 图图6-28 测光文具盒电路测光文具盒电路 v 熟悉常用光传感器性能与用途v 在众多的光传感器中，最为成熟且应用最广的是可见光和近红外光传感器。v 如CdS、Si、Ge、InGaAs光传感器。v 已广泛应用于工业电子设备的光电子控制系统、光纤通信系统、雷达系统、仪器仪表、电影电视、摄影曝光等方面。v 提供光信号检测、自然光检测、光量检测和光位检测之用。v 随着光纤技术的开发，近红外光传感器（包括Si、Ge、InGaAs光探测器）已成为重点开发的传感器。v 这类传感器有PIN和APD两大结构型。v PIN具有低噪声和高速的优点，但内部无放大功
157、能，往往需与前置放大器配合使用，从而形成PIN+FET光传感器系列。v APD光传感器的最大优点是具有内部放大功能，这对简化光接收机的设计十分有利。高速、高探测能力和集成化的光传感器是这类传感器的发展趋势。类别灵敏度暗电流频率特性光谱特性线性稳定性分散度测量范围主要用途价格光敏电阻器很高大差窄差差大中测开关量低光电池低小中宽好好小宽测模拟量高光电二极管较高大好宽好好小中测模拟量高光电三极管高大差较窄差好小窄测开关量中表表6-1 光敏元件特性比较光敏元件特性比较 熟悉下表所列光敏元件的特性和用途。熟悉下表所列光敏元件的特性和用途。项目七 视觉传感器及其应用 7.1 CCD图像传感器图像传感器v7
158、.1 CCD图像传感器图像传感器v CCD（Charge Coupled Device）图像传感器由CCD电荷耦合器件制成，是固态图像传感器的一种，是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的新型半导体传感器。v 它是在MOS集成电路基础上发展起来的，能进行图像信息光电转换、存储、延时和按顺序传送。v 它的集成度高、功耗小、结构简单、耐冲击、寿命长、性能稳定，因而被广泛应用。 v CCD电荷耦合器件电荷耦合器件v CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS（金属氧化物半导体）电容器组成的阵列，其构造如图5-1所示。v 在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200A）的
159、二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极。该栅极和P型或N型硅衬底就形成了规则的MOS电容器阵列。v 再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD电荷耦合器件芯片。 图图7-1 CCD电荷耦合器件电荷耦合器件 v 每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件。v 当光照射到MOS电容器的P型硅衬底上时，会产生电子空穴对（光生电荷），电子被栅极吸引存储在陷阱中。入射光强，则光生电荷多，入射光弱，则光生电荷少。v 无光照的MOS电容器则无光生电荷。v 若停止光照，由于陷阱的作用，电荷在一定时间内也不会消失，可实现对光照的记忆。MOS电容器可以被设计成线阵或面阵。一维的线阵接
160、收一条光线的照射。二维的面阵接收一个平面的光线的照射。v CCD摄像机、照相机光电转换如图7-2所示。景物景物CCD面阵面阵存储存储显示显示透镜透镜滤光片滤光片放大器放大器图图7-2 面阵面阵MOS电容器的光电转换电容器的光电转换 v CCD电荷耦合器件的集成度很高，在一块硅片上制造了紧密排列的许多MOS电容器光敏元件。线阵的光敏元件数目从256个到4096个或更多。v 面阵的光敏元件的数目可以是500500个（25万个），甚至20482048个（约400万个）以上，现在已出现800万以上的了。v 在CCD芯片上同时集成有扫描电路，它们能在外加时钟脉冲的控制下，产生三相时序脉冲信号，由左到右，
161、由上到下，将存储在整个面阵的光敏元件下面的电荷逐位、逐行快速地以串行模拟脉冲信号输出。 v CCD图像传感器图像传感器v MOS电容器实质上是一种光敏元件与移位寄存器合而为一的结构，称为光积蓄式结构，这种结构最简单。v 但是因光生电荷的积蓄时间比转移时间长得多，所以再生图像往往产生“拖尾”，图像容易模糊不清。v 另外，直接采用MOS电容器感光虽然有不少优点，但它对蓝光的透过率差，灵敏度低。v 现在更多地在CCD图像传感器上使用的是光敏元件与移位寄存器分离式的结构，如图7-3所示。 (a)单读示单读示 （b）双读示）双读示图图7-3 光敏元件与移位寄存器分离式结构光敏元件与移位寄存器分离式结构
162、v 这种结构采用光敏二极管阵列作为感光元件，光敏二极管在受到光照时，便产生相应于入射光量的电荷。v 再经过电注入法将这些电荷引入CCD电容器阵列的陷阱中，便成为用光敏二极管感光的CCD图像传感器。v 它的灵敏度极高，在低照度下也能获得清晰的图像，在强光下也不会烧伤感光面。v CCD电容器阵列在这里只起移位寄存器的作用。v 图7-4给出了分离式的2048位MOS电容器线阵CCD电荷耦合器件示意图。 模拟信号传输移位寄存器 奇数传输门 偶数传输门 模拟信号传输移位寄存器视频信号放大器视频输出信号GND时钟信号+Ucc 2048 2047 光电元件阵列 2 1图图7-4 线阵线阵CCD内部框图内部框
163、图 v 图中移位寄存器被分别配置在光敏元件线阵的两侧，奇偶数号位的光敏元件分别与两侧的移位寄存器的相应小单元对应。v 这种结构为双读式结构，它与长度相同的分离式相比较，可以获得高出两倍的分辨率。 v 因为CCD移位寄存器的级数仅为光敏单元数的一半，可以使CCD特有的电荷转移损失大为减少，较好地解决了因转移损失造成的分辨率降低的问题。v 面阵固态图像传感器由双读式结构线阵构成，它有多种类型。常见的有行转移（LT）、帧转移（FT）和行间转移（ILT）方式。v CCD图像传感器的应用图像传感器的应用v CCD电荷耦合器件单位面积光敏元件位数很多、一个光敏元件形成一个像素，成像分辨率高、信噪比大、动态
164、范围大，可以在微光下工作。v 彩色图像传感器采用三个光敏二极管组成一个像素的方法。 v 被测景物的图像的每一个光点由彩色矩阵滤光片分解为红、绿、蓝三个光点，分别照射到每一个像素的三个光敏二极管上，各自产生的光生电荷分别代表该像素红、绿、蓝三个光点的亮度。v 经输出和传输后，可在显示器上重新组合，显示出每一个像素的原始彩色。v 固态图像传感器输出信号具有如下特点：v(1)与光像位置对应的时间先后性，即能输出时间系列信号；v(2)串行的各个脉冲可以表示不同信号，即能输出模拟信号；v(3)能够精确反映焦点面信息，即能输出焦点面信号。 v 将不同的光源或光学透镜、光导纤维、滤光片及反射镜等光学元件灵活
165、地与这三个特点组合，可以获得固态图象传感器的各个用途，如图7-5所示。 中介物 模拟 信号 时间系 列信号焦点面信号 1 2 3 4色浓淡位置形状距离 可测对象固态图象传感器的输出特点 图图7-5 固态图象传感器的用途固态图象传感器的用途1滤光片；滤光片；2光导纤维；光导纤维；3平行光；平行光；4透镜透镜 v(1)组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤等；v(2)作为光学信息处理装置的输入环节。例如：用于传真技术、光学文字识别技术以及图象识别技术、传真、摄像等方面；v(3)作自动流水线装置中的敏感器件。例如：可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面；v(4)作为机器人的视觉，监
166、控机器人的运行。7.2 CMOS 视觉传感器视觉传感器vCMOS 视觉传感器视觉传感器v CMOS视觉传感器是按一定规律排列的互补型金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）组成的阵列。v CMOS型光电转换器件型光电转换器件v 以E型NMOS场效应管V1作为共源放大管，以E型PMOS场效应管V2、V3构成的镜像电流源作为有源负载，就构成了CMOS型放大器，如图7-6所示。v 可见，CMOS型放大器是由NMOS场效应管和PMOS场效应管组合而成的互补放大电路，CMOS就叫互补型金属氧化物半导体。图图7-6 CMOS型放大器型放大器v CMOS型光电变换器件原理如图7-7所示。v 与CMOS型放大
167、器源极相连的P型半导体衬底充当光电变换器的感光部分。v 当CMOS型放大器的栅源电压uGS=0时，CMOS型放大器处于关闭状态，即iD=0。 v CMOS型放大器的P型衬底受光信号照射产生并积蓄光生电荷，可见CMOS型光电变换器件同样有存储电荷的功能。v 当积蓄过程结束，栅源之间加上开启电压时，源极通过漏极负载电阻对外接电容充电形成电流即为光信号转换为电信号的输出。图图7-7 CMOS型光电变换器件型光电变换器件 vCMOS视觉传感器v 利用CMOS型光电变换器件可以做成CMOS视觉传感器。v 由CMOS衬底直接受光信号照射产生并积蓄光生电荷的方式不大采用。v 现在更多地在CMOS图像传感器上
168、使用的是：v 光敏元件与CMOS型放大器分离式的结构。CMOS线型图像传感器结构如图7-8所示。 图图7-8 CMOS线型图像传感器构成线型图像传感器构成 v CMOS线型图像传感器由光敏二极管和CMOS型放大器阵列以及扫描电路集成在一块芯片上制成。v 一个光敏二极管和一个CMOS型放大器组成一个像素。光敏二极管阵列在受到光照时，便产生相应于入射光量的电荷。 v 扫描电路以时钟脉冲的时间间隔轮流给CMOS型放大器阵列的各个栅极加上电压，CMOS型放大器轮流进入放大状态，将光敏二极管阵列产生的光生电荷放大输出。v CMOS面型图像传感器则是由光敏二极管和CMOS型放大器组成的二维像素矩阵，并分别
169、设有XY水平与垂直选址扫描电路。v 水平与垂直选址扫描电路发出的扫描脉冲电压，由左到右，由上到下，分别使各个像素的CMOS型放大器处于放大状态。v 二维像素矩阵面上各个像素的光敏二极管光生和积蓄的电荷依次放大输出。 v CMOS图像传感器的应用图像传感器的应用v CMOS图像传感器与CCD图像传感器一样，可用于自动控制、自动测量、摄影摄像、图像识别等各个领域。v CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。v CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右。v CMOS图像传感器用于数码相机有助于改善人们心目中数码相机是“电老虎”的不良印象。 v CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流
170、变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现杂点。v 目前CMOS传感器基本都是应用在简易型数码相机上如：VIVITAR公司的VIVICAM 2655使用的是一块1/3英吋CMOS芯片，有效分辨率为640480像素。 v Mustek设计制造的GSmart 350是一款使用CMOS为感光元件的数码相机，最大分辨率为 640480，适用于入门者或单纯的网页设计应用。它非常省电，使用3个1.5V的AA电池，可以持续拍摄1000张左右的相片。v 随着技术的发展， 高像素的CMOS传感器已开始商业应用。7.3 CCD和和CMOS图像传感器应图像传感器应用实例用实例vCCD
171、和和CMOS视觉传感器应用实例视觉传感器应用实例v 月票自动发售机月票自动发售机v 用CCD图像传感器可以做成月票自动发售机，其结构如图7-9所示。 v 顾客按照固定的格式填写好申请单，送入月票自动发售机。v 在传送的过程中，CCD线型图像传感器将申请单以图像的方式转换为电信号，放大后送自动誊写机，打印出月票。 顾客顾客申请单申请单光源光源CCD线型线型图像图像传感传感器器放放大大器器自动自动誊写机誊写机纸纸打打印印机机月月票票镜镜头头图图7-9 月票自动发售机结构组成月票自动发售机结构组成 v数字摄像机数字摄像机v 现在市场上数字摄像机的品种已经很多了，它大多是用CCD彩色图像传感器做成的，
172、可以是线型图像传感器，也可以是面型图像传感器。其基本结构如图7-10所示。 v 对变化的外界景物连续拍摄图片，只要拍摄速度超过24幅秒，则按同样的速度播放这些图片，可以重现变化的外界景物，这是利用了人的眼睛的视觉暂留原理。v CCD彩色图像传感器在扫描电路的控制下，可将变化的外界景物以25幅秒图像的速度转换为串行模拟脉冲信号输出。景景物物CCD彩色彩色图像图像传感器传感器扫描电路扫描电路放放大大器器A/D转换转换器器压压缩缩编编码码电动机电动机磁带磁带存储卡存储卡镜镜头头分分色色镜镜图图7-10 数字摄像机基本结构数字摄像机基本结构 RGBv数码相机v 数码相机拍摄的是静止图像。数码相机的基本
173、结构如图7-11所示。v 数码相机通常被划分为高端(400万像素以上)、中端(330、210万像素)与低端(百万像素以下)三种产品。v 中端数码相机使用1/2英寸330万像素（有效像素为2,0481,536）的CCD彩色图像传感器，芯片面积为35mm胶片的1/5.35。 v 现在已有中端数码相机使用的CMOS彩色图像传感器推出。v 高端数码相机有23英寸CCD芯片830万像素（有效像素为3,2642,448），可输出300dpi（每英寸点数）的10.88英寸8.16英寸幅面的相片。 景景物物分分色色镜镜CCD彩色图像彩色图像传感器传感器取景器取景器电路电路放大器放大器ASIC集成电路集成电路A
174、/D转换器转换器CPU存储卡存储卡镜镜头头RGB图图7-11 数码相机基本结构数码相机基本结构 v 彩信手机v 彩信手机也叫相机电话目前大都采用CMOS彩色图像传感器。彩信手机的照相机功能由相机模组（摄像头）实现。相机模组组成如图7-12所示。 v 相机模组属于有彩信功能的手机的基本配置，有内置式和外置式两种。外置式通过13芯插头与手机上的插座连接，现在使用的已基本都是内置式。开启面板上的照相功能键后，就可进行照相。v 被摄景物通过镜头照射到CMOS彩色图像传感器上。v CMOS彩色图像传感器将图像转换为串行模拟脉冲信号，经AD转换，送DSP数字信号处理器处理。v 处理后的数字图像信号，以YU
175、V422的亮度和色度信号比例，送存储卡存储和液晶屏显示。 v 用OK按键选定的图像数据，则输出到手机的基带信号电路，与话音信号一样，调制到射频频率上发送到对方手机。v CMOS传感器被认为是相机电话的理想解决方案，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多（手机可接受的功耗为80100mW），速度快。v 只是CMOS摄像头对景物光源的要求要高一些，也无法达到CCD那样高的分辨率。v 对发送到对方手机最实用的640480分辨率（35万像素）的手机摄像头来说，CMOS已足以应付。v 现在已出现100万以上，甚至300万像素的相机电话，但目前仅用于拍照，若发送到对方手机则由于像素太多而使传送时间太
176、长。分分色色镜镜CMOS彩色图像彩色图像传感器传感器A/D转换转换器器DSP数字信号数字信号处理器处理器存存储储卡卡手机手机电路电路显显示示器器镜镜头头景景物物发发送送RGB图图7-12 彩信手机相机模组组成框图彩信手机相机模组组成框图 按键按键计算机摄像头 现在许多计算机都配置有计算机摄像头，用于现场计算机摄像和网络传输。一般采用CMOS传感器制造。图图7-13 计算机摄像头计算机摄像头 7.4 实训实训v 实训实训 v 用计算机摄像头、数码相机、USB接口传输线、微型计算机、显示器等组成工作现场图像传输网络。v 如图7-14所示。v 观察计算机摄像头和数码相机摄入的图像的差别。 计算机摄像
177、头计算机摄像头数码相机数码相机USB接口接口USB接口接口微型微型计算机计算机显示器显示器图图7-14 工作现场图像传输网络工作现场图像传输网络 项目8 传感器在机电一体化系统中的应用8.1 8.1 传感器在冶金生产中的典型应用传感器在冶金生产中的典型应用 高炉炼铁就是在高炉中将铁从铁矿石中还原高炉炼铁就是在高炉中将铁从铁矿石中还原出来，并熔化成生铁。出来，并熔化成生铁。 高炉是一个竖式的圆筒形炉子，其本体包括高炉是一个竖式的圆筒形炉子，其本体包括炉基、炉壳、炉衬、冷却设备和高炉支柱组成，炉基、炉壳、炉衬、冷却设备和高炉支柱组成，而高炉内部工作空间又分为炉喉、炉身、炉腰、而高炉内部工作空间又分
178、为炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五段。炉腹和炉缸五段。 高炉生产除本体外，还包括上料系统、送风高炉生产除本体外，还包括上料系统、送风系统、煤气除尘系统、渣铁处理系统和喷吹系统。系统、煤气除尘系统、渣铁处理系统和喷吹系统。高炉产品包括各种生铁、炉渣、高炉煤气以及炉高炉产品包括各种生铁、炉渣、高炉煤气以及炉尘。尘。图图8.1 炼铁生产过程工艺参数检测炼铁生产过程工艺参数检测与控制系统图与控制系统图1 1高炉本体检测和控制高炉本体检测和控制 为了准确、及时地判断高炉炉况和控制整个生产过程的正常运行，必须检测高炉内各部位的温度、压力等参数。（1）温度。需检测的温度点包括炉顶温度、炉喉温度、炉身温度和炉基
179、温度，并采用多点式自动电子电位差计指示和记录。（2）差压（压力）。需检测大小料钟间的差压、热风环管与炉顶间的差压及炉顶煤气压力。2 2送风系统检测和控制送风系统检测和控制 送风系统主要考虑鼓风温度和湿度的自动控制，均采用单回路控制方案。 3 3热风炉煤气燃烧自动控制热风炉煤气燃烧自动控制 图图8.2 热风炉煤气燃烧自动检热风炉煤气燃烧自动检测控制系统测控制系统（1）煤气与空气的比例控制。（2）烟道废气中含氧量的控制。（3）炉顶温度控制。（4）烟道废气温度控制。（5）煤气压力控制。 此外，还有喷吹重油自动控制、吹氧系统自动控制、煤气净化系统自动控制、汽化冷却系统自动控制等。 目前，我国比较先进的
180、大中型高炉炼铁生产过程工艺参数检测与控制，都采用了先进的集散控制系统（DCS），取代了模拟调节器和显示、记录仪，对生产工况进行集中监视和分散控制，无论从使用角度还是从成本考虑都是极有优势的。 8.2 传感器在化工生产中的典型应用 在石油、化工工业中，许多原料、中间在石油、化工工业中，许多原料、中间产品或粗成品，通常都是由若干组分所组成产品或粗成品，通常都是由若干组分所组成的混合物，蒸（精）馏塔就是用于将若干组的混合物，蒸（精）馏塔就是用于将若干组分所组成的混合物（如石油等）通过精馏，分所组成的混合物（如石油等）通过精馏，将其中的各组分分离和精制，使之达到规定将其中的各组分分离和精制，使之达到规
181、定纯度的重要设备之一。纯度的重要设备之一。 对蒸馏塔的控制要求通常分为质量指标、对蒸馏塔的控制要求通常分为质量指标、产品质量和能量消耗三方面。产品质量和能量消耗三方面。图图8.3 常压蒸馏塔生产过程工艺参数的常压蒸馏塔生产过程工艺参数的检测与控制系统图检测与控制系统图1 1蒸馏塔参数检测蒸馏塔参数检测（1）温度测量：包括原油入口温度、塔顶蒸气温度，可用热电偶测量。（2）流量测量：需测量燃料（煤气和燃油）流量、原油流量、回流量、各组分及重油流量等。绝大部分流量信号可采用孔板与差压变送器配合测量，对于像重油这样的高黏度液体，不能采用孔板测量，应选用容积式流量传感器（如椭圆齿轮流量传感器）进行测量。
182、（3）液位测量：回流槽液位、水与汽油的相界位、其他组分液位以及蒸馏塔底液位等，采用差压式液位传感器或差压变送器测量。2 2蒸馏塔自动控制系统蒸馏塔自动控制系统 （1）原油温度和流量控制。 （2）回流控制。 （3）重油及各组分流量控制。任务3 传感器在数控机床中的典型应用 数数 字字 控控 制制 机机 床床 （ Numerically Controlled Machine Tool）简简称称数数控控机机床床。随随着着电电子子技技术术的的发发展展，数数控控机机床床采采用用了了计计算算机机数数控控系系统统。数数控控机机床床一一般般由由数数控控系系统统、包包含含伺伺服服电电动动机机和和检检测测反反馈馈
183、装装置置的的伺伺服服系系统统、强强电电控控制制柜柜、机机床床本体和各类辅助装置组成。本体和各类辅助装置组成。图图8.4 数控机床的系统数控机床的系统组成框图组成框图增 量 式 绝 对 式 直线型 直线旋转变压器计量光栅磁尺激光干涉仪 三速感应同步器绝对值式磁尺 旋转型 脉冲编码器旋转变压器圆感应同步器圆光栅、圆磁栅 多速旋转变压器绝对脉冲编码器三速圆感应同步器 检检测测装装置置由由传传感感器器和和检检测测电电路路两两部部分分组组成成，分分为为位位移移、速速度度和和电电流流三三种种类类型型，而而位位置置检检测测装装置置基基本本上上又又分分为为直直线线型型和和旋旋转转型型两两大大类类。直直线线型型
184、位位置置装装置置用用来来检检测测运运动动部部分分的的直直线线位位移移量量；旋旋转转型型位位置置检检测测装装置置用用来来检检测测回回转转部部分的转动位移量。分的转动位移量。 表表8.1 常用的检测常用的检测装置装置1光栅光栅 光栅又称光电脉冲发生器，是利用光的透射、光栅又称光电脉冲发生器，是利用光的透射、干涉现象制成的光电检测元件，主要由标尺光栅干涉现象制成的光电检测元件，主要由标尺光栅和光栅读数头组成。和光栅读数头组成。 标尺光栅和指示光栅统称为光栅尺，它们是标尺光栅和指示光栅统称为光栅尺，它们是在真空镀膜的玻璃上或长条形金属镜面上刻出均在真空镀膜的玻璃上或长条形金属镜面上刻出均匀密集的线纹。
185、玻璃尺光栅称为透射光栅，金属匀密集的线纹。玻璃尺光栅称为透射光栅，金属尺光栅称为反射光栅。尺光栅称为反射光栅。 光栅读数头又叫光电转换器，由光源、透镜、光栅读数头又叫光电转换器，由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，其作用是指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，其作用是把光栅莫尔条纹变成电信号。把光栅莫尔条纹变成电信号。 1防护垫；防护垫；2光栅光栅读数头；读数头；3标尺光栅；标尺光栅；4防防护罩护罩图图8.5 光栅检测装置的光栅检测装置的安装结构安装结构 1光源；光源；2透镜；透镜；3指示光栅；指示光栅；4光敏光敏元件；元件；5驱动线路驱动线路图图8.6 光栅读数头光栅读数头 2 2感
186、应同步器感应同步器 感应同步器是一种电磁感应式多级位置传感感应同步器是一种电磁感应式多级位置传感元件，由旋转变压器演变而来。元件，由旋转变压器演变而来。 感应同步器按运动方式分为旋转式（圆形感感应同步器按运动方式分为旋转式（圆形感应同步器）和直线式两种。前者用来传感和测量应同步器）和直线式两种。前者用来传感和测量角度位移信号，后者用来传感和测量直线位移信角度位移信号，后者用来传感和测量直线位移信号。号。 在结构上两者都包括固定的和运动的两大部在结构上两者都包括固定的和运动的两大部分，对旋转式的分别称为定子和转子，对直线式分，对旋转式的分别称为定子和转子，对直线式的则分别称为定尺和滑尺。的则分别
187、称为定尺和滑尺。（1 1）感应同步器的结构）感应同步器的结构 数控机床上一般采用直线式感应同步器。数控机床上一般采用直线式感应同步器。通常定尺绕组做成连续式单相绕组，滑尺绕组做通常定尺绕组做成连续式单相绕组，滑尺绕组做成分段式的两相正交绕组。成分段式的两相正交绕组。图图8.7 直线感应同步器的定直线感应同步器的定尺和滑尺尺和滑尺图图8.8 定尺上的感应电压与定尺上的感应电压与滑尺的关系滑尺的关系 在闭环控制的机床中，检测装置的主要作用是在闭环控制的机床中，检测装置的主要作用是检测位移量。检测位移量。 全闭环控制方式中，位置反馈装置采用直线位全闭环控制方式中，位置反馈装置采用直线位移检测元件（目
188、前一般采用光栅尺），安装在机床移检测元件（目前一般采用光栅尺），安装在机床的床鞍部位，直接检测机床坐标的直线位移量，通的床鞍部位，直接检测机床坐标的直线位移量，通过反馈可以消除从电动机到机床床鞍的整个机械传过反馈可以消除从电动机到机床床鞍的整个机械传动链中的传动误差，得到很高的机床静态定位精度，动链中的传动误差，得到很高的机床静态定位精度，可用于数控坐标镗床、数控精密磨床中。可用于数控坐标镗床、数控精密磨床中。 半闭环控制方式中，位置反馈采用转角检测元半闭环控制方式中，位置反馈采用转角检测元件，直接安装在伺服电动机或丝杠端部。由于大部件，直接安装在伺服电动机或丝杠端部。由于大部分机械传动环节未
189、包括在闭环内，可获得较稳定的分机械传动环节未包括在闭环内，可获得较稳定的控制特性，大部分机床均采用此种形式。控制特性，大部分机床均采用此种形式。图图8.9 全闭环控制系全闭环控制系统框图统框图图图8.10 半闭环控制系统框图半闭环控制系统框图8.3 传感器在现代汽车中的典型应用种 类 检 测 对 象 温度传感器冷却水、排出气体（催化剂）、吸入空气、发动机机油、室内外空气压力传感器进气歧管、大气压力、燃烧压、发动机油压、制动压、各种泵压、轮胎压转速传感器曲柄转角、曲柄转数、车轮速度速度、加速度传感器车速、加速度流量传感器吸入空气流量、燃料流量、排气再循环量、二次空气量、冷媒流量液量传感器燃料、冷
190、却水、电解液、洗窗器液、机油、制动液位移方位传感器节气门开度、排气再循环阀开量、车高（悬梁、位移）、行驶距离、行驶方位排出气体浓度传感器O2、CO2、NOx、HC化合物、柴油烟度其他传感器转矩、爆震、燃料酒精成分、湿度、玻璃结露、鉴别饮酒、催眠状态、蓄电池电压、蓄电池容量、灯泡断线、荷重、冲击物、轮胎失效率表表8.2 8.2 汽车用传感汽车用传感器的种类器的种类 1.ABS1.ABS系统系统 汽车防抱死制动系统（简称ABS）是由传感器、电子控制器和执行器三大部分组成。电子控制器又叫电控单元ECU（Electronic Control Unit）。 传感器主要是车轮转速传感器，其作用是对车轮的运
191、动状态进行检测，获取车轮转速（速度）信号；电控单元ECU的主要作用是接受车轮转速传感器送来的脉冲信号，计算出轮速、参考车速、车轮减速度、滑移率等，并进行判断、输出控制指令给执行器；制动压力调节器是主要的执行器，在接受了电控单元ECU的指令后，驱动调节器中的的电磁阀动作，调节制动器的压力，使之增大、保持或减小，实现制动系压力的控制功能，使各车轮的制动力满足少量滑动但接近抱死的制动状态，以使车辆在紧急刹车时不致失去方向性和稳定性。 1车轮转速传感器；车轮转速传感器；2制动压力调节制动压力调节器；器；3电子控制器电子控制器图图8.11 ABS工作原理工作原理 1转向盘；转向盘；2气囊；气囊；3缓冲垫
192、；缓冲垫；4充气泵；充气泵；5传感器传感器图图8.12 机械式安机械式安全气囊全气囊 2. 2. 安全气囊安全气囊 汽车安全气囊有机械式和电子式两大类型。汽车安全气囊有机械式和电子式两大类型。全机械式安全气囊系统的气囊、充气泵、传感全机械式安全气囊系统的气囊、充气泵、传感器等部件集中装在转向盘内。器等部件集中装在转向盘内。图图8.15 电子式气电子式气囊程序框图囊程序框图8.4 传感器在环境保护监测中的典型应用 根据污染物产生的原因，空气污染物一般可分为天然空气污染源和人为空气污染源。 空气污染监测是环境保护工作的重要内容。在进行空气污染各项监测时，需要对采样点的布设、采样时间和频度、气象观测
193、、地理特点、工业布局、采样方法、测试方法和仪器等进行综合考虑。 用于空气污染监测的采样仪器主要由收集器、流量计和抽气动力3部分组成。 1吸收管；吸收管；2滤水阱；滤水阱；3流量传感器；流量传感器；4流量调节阀；流量调节阀；5抽气泵；抽气泵；6稳流器；稳流器；7电动机；电动机；8电源；电源；9定时器定时器图图8.138.13 携带式采样器工作原理图携带式采样器工作原理图 任务6 传感器在智能楼宇中的典型应用 火灾探测系统及其对应的安全系统是智能建火灾探测系统及其对应的安全系统是智能建筑中的重要组成部分。新型传感器将使火灾探测筑中的重要组成部分。新型传感器将使火灾探测更为及时有效；无线系统的使用消
194、除对大量电缆更为及时有效；无线系统的使用消除对大量电缆线的需要，并为消防员在到达火灾现场前制订出线的需要，并为消防员在到达火灾现场前制订出灭火策略提供更多的机会；集成建筑系统减少了灭火策略提供更多的机会；集成建筑系统减少了火灾误报警的可能，加快建筑内的应急疏散并有火灾误报警的可能，加快建筑内的应急疏散并有助于灭火行动。助于灭火行动。1 1多功能化学气体探测器多功能化学气体探测器 多功能化学气体探测器可以同时探测火灾和监视室内空气的质量。 化学传感技术可以探测出物质燃烧前和燃烧中释放的几乎所有稳定的气体微粒。在1in2（6.4516cm2）可安装几百只单独的传感器，排列成一个矩阵，通过覆盖不同的
195、半导体物质，可以产生数百个不同的气体特性数据，可同时监控环境和探测火灾及烟。嗅觉传感器矩阵系统可以探测到CO（一氧化碳）、CO2（二氧化碳）和烟雾等环境条件的变化。 2计算机视频系统计算机视频系统 计算机视频系统主要应用于楼宇保安。计算机视频系统主要应用于楼宇保安。 视频火灾探测系统结合了摄像机、计算机和视频火灾探测系统结合了摄像机、计算机和人工智能技术，实时处理许多图像影像，在很短人工智能技术，实时处理许多图像影像，在很短的时间内，可靠地探测到远距离外很小的火情，的时间内，可靠地探测到远距离外很小的火情，并能识别出火灾的地点、跟踪火势增长并监视灭并能识别出火灾的地点、跟踪火势增长并监视灭火行
196、动。在一些应用场合，视频火灾探测系统与火行动。在一些应用场合，视频火灾探测系统与红外线传感器相结合可以提高探测能力，还可以红外线传感器相结合可以提高探测能力，还可以和和CCD摄像机相结合，自动评估与火灾辐射有关摄像机相结合，自动评估与火灾辐射有关的明亮区域的图像信息，增加系统可靠性。的明亮区域的图像信息，增加系统可靠性。3 3无线传感器无线传感器 无线火灾探测器是智能建筑中另外一种重要无线火灾探测器是智能建筑中另外一种重要技术。技术。 在大型建筑中，无线传感器通过无线网络与在大型建筑中，无线传感器通过无线网络与其他楼宇系统通信。例如，当有烟雾或温度剧变其他楼宇系统通信。例如，当有烟雾或温度剧变
197、时，报警信号通过无线电、红外线、紫外线或微时，报警信号通过无线电、红外线、紫外线或微波形式传送到控制机，无线传感器不但可以方便波形式传送到控制机，无线传感器不但可以方便地安装于室内的任意位置，而且可以被安装在外地安装于室内的任意位置，而且可以被安装在外部或者有线安装无法实现的场所（如一些古老的部或者有线安装无法实现的场所（如一些古老的建筑中），并且与控制系统不需要硬线连接。建筑中），并且与控制系统不需要硬线连接。4 4远地监控技术远地监控技术 可以向楼宇管理人员提供足够的火灾信息以可以向楼宇管理人员提供足够的火灾信息以减少反应时间、提高反应效率，及时启动消防灭减少反应时间、提高反应效率，及时启
198、动消防灭火系统。火系统。 先进的火灾报警控制机内置了用于远距离控先进的火灾报警控制机内置了用于远距离控制的调制解调器，当有火灾发生时，详细和全面制的调制解调器，当有火灾发生时，详细和全面的本地火灾信息能通过互联网被直接传送到相关的本地火灾信息能通过互联网被直接传送到相关的消防部门，消防员获得信息后确定潜在的危险。的消防部门，消防员获得信息后确定潜在的危险。全集成化的远距离监控系统，可实现在通往火场全集成化的远距离监控系统，可实现在通往火场的路上就制定出灭火方案。远距离监控系统将对的路上就制定出灭火方案。远距离监控系统将对财产和生命的保护赢得宝贵的时间。财产和生命的保护赢得宝贵的时间。8.5 8
199、.5 传感器在日常生活中的应用传感器在日常生活中的应用1. 1. 传感器在全自动洗衣机中的应用传感器在全自动洗衣机中的应用 全自动洗衣机采用了模糊控制系统，全自动洗衣机采用了模糊控制系统，是一种模仿人类控制经验和知识的智能是一种模仿人类控制经验和知识的智能控制系统。控制系统。 通过对被洗衣物的数量（重量）、通过对被洗衣物的数量（重量）、布料质地（粗糙、软硬程度）以及污染布料质地（粗糙、软硬程度）以及污染的程度和性质进行识别，在经过综合分的程度和性质进行识别，在经过综合分析和判断之后，以最佳的洗涤方案自动析和判断之后，以最佳的洗涤方案自动地完成地完成“进水进水”、“洗涤洗涤”、“排水排水”、“脱
200、水脱水”等全过程，使洗衣机省水、省等全过程，使洗衣机省水、省电、省洗涤剂，减少衣物磨损，给使用电、省洗涤剂，减少衣物磨损，给使用者带来了极大的方便。者带来了极大的方便。 如图所示，用微电脑控制洗涤程序，同时设置有水位传感器、布量传感器和光电传感器等，使洗衣机能够实现自动进水、控制洗涤进度和脱水时间。 1水位传感器；水位传感器；2布量传感器；布量传感器；3电动机；电动机；4脱水缸；脱水缸；5光光电传感器；电传感器；6排水阀排水阀图图8.14 全自动洗衣机结构示意图全自动洗衣机结构示意图 2. IC2. IC卡智能水表的应用卡智能水表的应用（1）测量原理 一体化IC卡智能水表，由流量测量机构、隔膜
201、阀控制机构、防窃水结构、IC卡和单片机、电源及表壳等几部分构成，其结构原理如图8.17所示。 理论分析证明，通过叶轮的水流量与叶轮的旋转速度成正比，因此只要准确测量出叶轮的旋转速度，即能测量出水流量的大小。 图图8.15 一体化一体化IC卡水表卡水表结构原理图结构原理图 （2 2）硬件与软件）硬件与软件 硬件。一体化IC卡水表采用内含EPROM的87C51组成单片机系统。非易失性E2PROM芯片AT24C02存储用户密码、时间、购水量、累计用水量、剩余用水量、窃水记录等重要数据，并采用SLE4442逻辑加密卡保护存储器和加密存储器，保证IC卡的安全。水流量测量选用CS837霍尔传感器。 软件。一体化IC卡水表的软件主要由主程序和INT0、INT1中断服务程序组成。主程序通过判断使用条件，控制开阀的动作，并通过电源监控来保证IC卡水表安全可靠地运行。INT0中断服务程序主要用于水量的监控，在水量达到临界及无剩余水量时均给出声光报警。INT1中断服务程序通过各开关的状态实现生产厂家调试校正当地时间、判断IC卡是否插入IC卡卡座、切换显示及防止用户私开表盖窃水等功能。
