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1、第一章第一章 传感器及其应用传感器及其应用 其他传感器其他传感器1超声波传感器超声波传感器振动传感器振动传感器磁传感器磁传感器气敏传感器气敏传感器湿敏传感器湿敏传感器声敏传感器声敏传感器色敏传感器色敏传感器触觉触感器触觉触感器接近传感器接近传感器21超声波特性超声波特性l人们能听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在人们能听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在20HZ20kHZ范围内。频率超过范围内。频率超过20KHZ称为超声波，低称为超声波，低于于20HZ称为次声波。检测中常用的超声波频率范围为几称为次声波。检测中常用的超声波频率范围为几十十kHZ到几十到几十MHZ。l超声波与一般声波比较
2、，它的超声波与一般声波比较，它的振动频率高振动频率高，而且，而且波长短，波长短，因而因而具有束射特性具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透例如，在钢材中甚至可穿透10米以上。米以上。一一超声波传感器及其应用超声波传感器及其应用3超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射反射和折射，并且服，并且服从几何光
3、学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。其能量及波型都将发生变化。超声波在界面上的超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。取决于反射能量与透射能量的变化。取决于两种介质声阻抗特性。两种介质声阻抗特性。和其他声波一样，两介质的声阻抗特和其他声波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗特性相差特性相差10万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全部反射。部反射。超声波在介质中传播时，超
4、声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐随着传播距离的增加，能量逐渐衰减衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射，能量的衰减决定于波的扩散、散射(或漫射或漫射)及吸收。及吸收。超声波基本性质超声波基本性质4l超声波传感器是一种超声波传感器是一种利用冲击脉冲驱动压电元件产生超利用冲击脉冲驱动压电元件产生超声波声波输出的功能器件，可用于检测金属材料内部的气泡和输出的功能器件，可用于检测金属材料内部的气泡和裂纹，被广泛用于金属的探伤和液体的测量。超声传感器裂纹，被广泛用于金属的探伤和液体的测量。超声传感器包括包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路
5、四个四个主要部分主要部分。2超声波传感器的应用超声波传感器的应用5超声传感器测距的工作原理超声传感器测距的工作原理：首先由超声发射器向被测首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始检测波后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后，回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间，是从发射电路
6、停止计时。此时定时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。间值，可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。6（1）超声波传感器在液位测量中的应用超声波传感器在液位测量中的应用（2）超声波探伤）超声波探伤纵波探伤横波探伤表面波探伤（3）超声波流量测量）超声波流量测量F1 F2T2 T1T BT F B探头液面液面超声波探头7负脉冲负脉冲 T1导通导通 0.01u放电放电 T2截止截止1000p高压充电高压充电 输出负高压波输出负高压波 超声波超声波89PVDF（聚偏氟
7、乙烯）（聚偏氟乙烯） 压电薄膜压电薄膜心音脉搏心音脉搏电荷量电荷量二二振动传感器振动传感器PVDF心音脉搏传感器心音脉搏传感器利用高性能、低成本的振动传感器构成的功能器件，利用高性能、低成本的振动传感器构成的功能器件，用于颈动脉波、心尖波动、体表动脉搏动波检测。用于颈动脉波、心尖波动、体表动脉搏动波检测。10三三磁传感器磁传感器一种对一种对磁感应强度、磁场强度磁感应强度、磁场强度和和磁通量磁通量敏感，并把磁学敏感，并把磁学量转换成电信息的传感器。有霍尔器件、磁敏传感器等。量转换成电信息的传感器。有霍尔器件、磁敏传感器等。1霍尔传感器霍尔传感器金金属属或或半半导导体体薄薄片片置置于于磁磁场场中中
8、，当当有有电电流流流流过过时时，在在垂垂直直于于电电流流和和磁磁场场的的方方向向上上将将产产生生电电动动势势，这这种种物物理理现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应。产产生生的的电电动动势势称称霍霍尔尔电电势势,半导体薄片称半导体薄片称霍尔元件。霍尔元件。 11霍尔效应原理霍尔效应原理霍尔常数霍尔常数 霍尔电势霍尔电势 霍尔常数大小取决于导体的载流子密度，霍尔常数大小取决于导体的载流子密度，金属的自由电子密度金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，金属材料不宜制作霍太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，金属材料不宜制作霍尔元件。尔元件。霍尔电势与导体厚度霍尔电势与导体厚度d成反比，成反比
9、，为了提高霍尔电势值，为了提高霍尔电势值， 霍尔元霍尔元件制成薄片形状。件制成薄片形状。 12霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件霍尔元件 霍尔元件是霍尔元件是种四端型器件种四端型器件13l图（图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称电极用于加控制电流，称控制电极控制电极。另一对。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极输出极。l图（图（b）是霍尔元件通用的图形符号。）是霍尔元件通用的图形符号。l
10、图（图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。长度。 l图（图（d）是基本测量电路）是基本测量电路 。 14霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用l测量原理测量原理霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。l应用应用（1）测量恒定的或交变的磁感应强
11、度、有功功率、无功功）测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；率、相位、电能等参数；（2）位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度）位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度l优点优点 结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长15霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器1.弹簧管弹簧管 2.磁铁磁铁 3.霍尔片霍尔片 16加速度传感器加速度传感器17磁敏电阻磁敏电阻当外加磁场增加时，电阻的阻值也随之增加的现象当外加磁场增加时，电阻的阻值也随之增加的现象叫叫磁阻效应磁阻效应，利用这种效应制成的元件称为，利用这种
12、效应制成的元件称为磁敏电磁敏电阻阻。金属和半导体材料都有磁阻效应，但。金属和半导体材料都有磁阻效应，但半导体材半导体材料的磁阻效应显著料的磁阻效应显著，故目前生产的磁敏电阻都是用，故目前生产的磁敏电阻都是用半导体材料制成。半导体材料制成。磁敏二极管磁敏二极管:一种磁电转换器件，能将磁信息转换为一种磁电转换器件，能将磁信息转换为电信号。电信号。磁敏三极管磁敏三极管2磁敏传感器磁敏传感器18l由于磁敏传感器对磁敏感，因此均可用于由于磁敏传感器对磁敏感，因此均可用于转速、转速、磁性产品计数和角位移的测量磁性产品计数和角位移的测量。3磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用191气敏传感器及其应用气敏传感器及
13、其应用l气敏传感器是一种把气体中的特定成分和浓度检测出来气敏传感器是一种把气体中的特定成分和浓度检测出来,并将它转换成电信号的器件。目前工厂和家庭中最常用的并将它转换成电信号的器件。目前工厂和家庭中最常用的几种气敏传感器主要是几种气敏传感器主要是半导体式半导体式及及接触燃烧式接触燃烧式。l半导体气敏传感器基本工作原理：半导体气敏传感器基本工作原理：利用半导体气体传感器利用半导体气体传感器中的气敏元件同被测气体接触，产生半导体特性（如电阻中的气敏元件同被测气体接触，产生半导体特性（如电阻等电学性质）变化的原理来检测气体成分或测量气体浓度。等电学性质）变化的原理来检测气体成分或测量气体浓度。l应用
14、：应用：CO浓度的测控、可燃气体泄漏报警器、自动换气浓度的测控、可燃气体泄漏报警器、自动换气扇的控制等。扇的控制等。四四气敏和湿敏传感器及其应用气敏和湿敏传感器及其应用20氧化锌氧化锌元件是比较常用的一种气敏元件。元件是比较常用的一种气敏元件。l根据所用催化剂的不同，可以推测环境空气中大体含有哪些根据所用催化剂的不同，可以推测环境空气中大体含有哪些气体。气体。比如型半导体氧化锌与少量的三氧化二铬混合后，比如型半导体氧化锌与少量的三氧化二铬混合后，如有催化剂铂存在，其元件的阻值与环境气体中的乙烷、丙如有催化剂铂存在，其元件的阻值与环境气体中的乙烷、丙烷、异丁烷的含量有关，这些气体含量越高，这种气
15、敏元件烷、异丁烷的含量有关，这些气体含量越高，这种气敏元件阻值越小。阻值越小。三氧化二铁三氧化二铁为主的气敏元件为主的气敏元件。l这类材质也是型半导体材料，它分为两种：分别为这类材质也是型半导体材料，它分为两种：分别为三三氧化二铁和氧化二铁和三氧化二铁。前者三氧化二铁。前者用来监测液化石油气；后用来监测液化石油气；后者用来监测乙烷、丙烷、丁烷、氢气和以甲烷为主的天然气，者用来监测乙烷、丙烷、丁烷、氢气和以甲烷为主的天然气，还可以用来检测乙醇气体。还可以用来检测乙醇气体。气敏元件气敏元件212湿敏传感器湿敏传感器l湿敏传感器是湿敏传感器是检测物质中所含水蒸气含量检测物质中所含水蒸气含量的器件。的
16、器件。是由湿敏元件配以相应的检测、控制电路构成。是由湿敏元件配以相应的检测、控制电路构成。l具体有：毛发湿度计；干湿球温度计；具体有：毛发湿度计；干湿球温度计；电阻湿度传电阻湿度传感器感器（固体电介质湿度传感器、高分子电阻式湿度（固体电介质湿度传感器、高分子电阻式湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器、热敏电阻式湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器、热敏电阻式湿度传感器）；传感器）；电容湿度传感器电容湿度传感器；l应用举例：自动气象站湿度测报、仓储湿度控制、应用举例：自动气象站湿度测报、仓储湿度控制、汽车后窗玻璃自动去湿装置等。汽车后窗玻璃自动去湿装置等。22IH-3605：集成湿敏传感器：集成湿敏传感器23测温度测温度相加相加*LM385：低电流低电流2.5V电压基准源电压基准源温度补偿电路温度补偿电路使使感湿特征量感湿特征量与相对湿度之与相对湿度之间的关系线性间的关系线性化化。24
