传感器17第7章
第7章 传感器技术-光电效应及传感器
光源
被测非电量 位移、转速、 振动等
光学通路
光量
光电传感元件
△U 或△I
测量/显示
光电传感器的分类 按传感器输出量的性质， 按传感器输出量的性质，可以分为模拟式 开关式（脉冲式）二大类。 和开关式（脉冲式）二大类。
模拟式光电传感器
该类传感器基于光电元件的光电特性， 该类传感器基于光电元件的光电特性，其 基于光电元件的光电特性 光通量是随被测量而变， 光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 传感器输出量为连续变化的光电流， 传感器输出量为连续变化的光电流，器件 的光照特性呈单值线性， 的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持 均匀稳定。 反射式、 均匀稳定。它的形式有吸收式、反射式、遮光 式和辐射式。
5、时差测距。典型应用如光电测距仪， 时差测距。典型应用如光电测距仪， 是将恒定光源发出的光投射到目的物， 是将恒定光源发出的光投射到目的物，并用 光电元件接收反射光， 光电元件接收反射光，通过对光信号在光源 与目的物之间往返时间的测量， 与目的物之间往返时间的测量，从而计算出 光源与目的物间的距离。 光源与目的物间的距离。
发光二极管阵列（SSPA） 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件（CCD）
这两类光电器件实际上是集成化、 这两类光电器件实际上是集成化、 模块化的光电元件组合， 模块化的光电元件组合，他们的工作原 理类似，根据需要， 理类似，根据需要，可以做成线阵或面 阵的形式。 阵的形式。目前在图象采集与处理技术 电荷耦合器件CCD CCD已经得到了大量 中 ， 电荷耦合器件 CCD 已经得到了大量 的应用。 的应用。
内光电效应－ 内光电效应－
第7章-结构型传感器PPT
结构型传感器
传感器按构成原理分为结构型和物性型传感器。 传感器按构成原理分为结构型和物性型传感器。
结构型传感器是以其转换元件结构参数变化实现信号转换，主要有：应 结构型传感器 变电阻式、电感式、电容式及磁电式等；
而物性型传感器是以其转换元件物理特性变化实现信号转换，主要包括： 而物性型传感器 光电式、压电式、热电式等。
温度效应的补偿（ 2．温度效应的补偿（续） （2）双丝自补偿法 双丝自补偿应变片的敏感栅由电阻温度系数一正一负两种合金丝串接而 成，如图7.4所示，应变计总电阻为： R
= R 1 + R 2 ，当温度变化时，若R1
和R2的电阻变化大小相等或相近，而符号相反，则就可以起到温度补偿作用。
R1
R2
焊点
图7.4 变计
R4
（4）补偿块法 补偿块法就是利用两片性能参数完全相同的应变片，其中一片粘贴在试 件上作为工作片，另一片粘贴在与试件相同材料，相同环境温度，但不参与 机械应变的补偿块上作为补偿片，然后接入电桥的两相邻桥臂上，如图7.6 所示： 3 和 R4仍为平衡电阻。当温度变化时，由于 R1和 R2 为参数相同的应变 R 片，且处于相同的温度环境中，因此 R1 和 R2的热输出相同，通过电桥电路， 使其输出仅与感受的应变有关，温度效应得到补偿。
双丝自补偿应
（3）双丝半桥 双丝半桥式是利用电桥电路实现温度补偿，这种应变计的丝栅是用相同 符号温度系数的合金丝串接在一起，其结构及电桥连接方式如图7.5所示： 1 R
R 和 R2分别接入电桥的相邻臂上， 称为工作栅， 2 称为补偿栅，它具有较高 R
1 B
的温度系数，并串接附加电阻R （不敏感温度）， 和 R4称为平衡电阻。当 R
1
传感器习题第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器1、 某霍尔元件尺寸为l=10mm ，b=3.5mm ，d=1.0mm ，沿l 方向通以电流I=1.0mA ，在垂直于l 和b 的方向上加有均匀磁场B ＝0.3T ，灵敏度为22V/(A·T)，试求输出的霍尔电势以及载流子浓度。
解：输出的霍尔电势为： ）（mV IB K U H H 6.63.0100.1223=⨯⨯⨯==- 由neR d R K H H H 1=，＝可得载流子浓度为： 320319/1084.2101106.12211m ed K n H ⨯=⨯⨯⨯⨯=⋅=--第8章 光电式传感器8－8当光纤的46.11＝n ，45.12＝n ，如光纤外部介质的10＝n ，求光在光纤内产生全反射时入射光的最大入射角c θ。
解：最大入射角8.91706.0arcsin 45.146.1arcsin 1arcsin2222210==-=-=n n n c θ2、若某光栅的栅线密度为50线/mm ，标尺光栅与指示光栅之间的夹角为0.01rad 。
求：所形成的莫尔条纹的间距。
解：光栅栅距为mm mmW 02.0/501=＝标尺光栅与指示光栅之间的夹角为rad 01.0=θ 莫尔条纹的间距为 mm mmW W B H 201.002.02sin ==≈=θθ＋＋＋－t 1t 2AA BBt 0 t 03、利用一个六位循环码码盘测量角位移，其最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度最大为0.01mm ，则码盘半径应有多大？若码盘输出数码为“101101”，初始位置对应数码为“110100”，则码盘实际转过的角度是多少？ 解：六位循环码码盘测量角位移的最小分辨率为：rad 098.06.523606===α。
码盘半径应为：mm mmlR 1.0098.001.0===α循环码101101的二进制码为110110，十进制数为54； 循环码110100的二进制码为100111，十进制数为39。
传感器(电子教案)第7章
表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上 光通量φ之间的关系。
2．伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同 光电流的关系叫伏安特性 ，如图7-4(c)所示。
3．光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。 保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系 叫光电管的光谱特性。光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯 性特性、暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和 有关手册合理选用。
第7 章
光电式传感器
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。 光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。
7.1光电效应 7.2光电元件及其特性 7.3光电式传感器的测量电路 7.4光电传感器及其应用 7.5光纤传感器 7.6电荷耦合器件（CCD） 7.7光栅式传感器 7.8激光式传感器 本章要点
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7.1 光电效应
由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒 子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。 光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击 在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后 产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型。
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7.3光电式传感器的测量电路
要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光 电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 图7-14 真空光电管的差接测量电路 钨丝灯泡 图7-15 光电倍增管的测量电路 电弧灯或石英灯 激光 图7-16 光敏电阻开关电路 7.3.2测量电路 图7-18 具有温度补偿的光敏二极管 光电管的测量电路 测量电路 光电倍增管的测量电路 光敏电阻的测量电路 光敏晶体管的测量电路 光电池的测量电路
传感器第7章 气敏、湿敏传感器
4.气敏传感器的结构： 〔1〕电阻型半导体气敏传感器结构
1〕正特性湿敏半导瓷导电原理 2〕负特性湿敏半导瓷导电原理
〔2〕氯化锂湿敏电阻 回到第一页
第7章 气敏、湿敏传感器
单元18 气敏传感器 单元19 湿敏传感器
单元18 气敏传感器
【电路图】
【电路分析】 图示为常用的气体报警器电路，采用直热式气敏传感器，当室内可 燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低， 回路的电流增加，驱动峰鸣器报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体， 报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。
〔2〕直热式气敏器件结构
〔4〕接触燃烧式气体传感器结构 〔5〕气敏二极管
5.主要特性参数 〔1〕器件电阻 〔2〕灵敏度 〔3〕响应时间 〔4〕恢复时间 〔5〕加热电阻和加热功率
〔6〕原电池式气体传感器 回到第一页
单元19 湿敏传感器
【电路图】
【电路分析】 图示为湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH等组成
【知识要点】
1.利用半导体材料吸附气体后引起其性质发生变化的特性而制成的 器件称为气敏传感器。气敏传感器是—种气—电转换元件。 2.气敏传感器主要用于天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易 爆、有毒、有害气体的检测与预报、自动控制，检测污染气体、煤 气报警和火灾报警等。气敏传感器大体分为电阻式和非电阻式，目 前使用的大多为电阻式气敏传感器。电阻式气敏传感器是用氧化锡、 氧化锌等金属氧化物材料制作，利用其阻值随被测气体浓度改变而 变化的特性来检测气体浓度。
传感器第7章 传感器的数据处理
7.1.7 nesC应用程序的分析
Blink.nc文件
该文件为整个程序的顶层配置文件，关键字为configuration，通过“->”连接各个 对应的接口。
configuration Blink{ } implementation{
7.1.4 模块
简单指令或事件A，由带有存储类型指令或事件的C函数定义的语法实现（注意允许在 函数名中直接定义的扩展）。另外语法关键字必须被包含如果它被包含在A的声明中。
SendMsg类型的提供 接口Send的模块：
Command result_t Send.send(unit16_t address, unit8_t length, TOS_MsgPtr msg){
图7-1 TinyOS程序结构框图
基于以上分析，一个节点上应用程序的框图。操作系统只是在后台提供队列服务。
图7-2 应用程序结构框图
7.1.7 nesC应用程序的分析
每个nesC应用程序都是由一个或多个组件通过接口链接起来，并通过ncc/gcc 编译生成一个完整的可执行程序。
以TinyOS软件中的Blink应用程序为例，具体介绍nesC应用程序结构。Blink程 序是一个简单的nesC应用程序。它的主要功能是每隔1 s的时间间隔亮一次，关闭 系统时红灯亮。
每个nesC应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所 用到的所有组件连接起来，形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。
每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调 用其他的组件以实现程序的功能。由一个或多个组件构成或连接而成。
第7章 压电式传感器
第7章压电式传感器一、单项选择题1、对石英晶体，下列说法正确的是（）。
A. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生。
B. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。
C. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生。
D. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生。
2、石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比正确的是（）A. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好B. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好C. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性也比压电陶瓷好D. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性不如压电陶瓷好3、两个压电元件相并联与单片时相比说法正确的是（）A. 并联时输出电压不变，输出电容是单片时的一半B. 并联时输出电压不变，电荷量增加了2倍C. 并联时电荷量增加了2倍，输出电容为单片时2倍D. 并联时电荷量增加了一倍，输出电容为单片时的2倍4、两个压电元件相串联与单片时相比说法正确的是（）A. 串联时输出电压不变，电荷量与单片时相同B. 串联时输出电压增大一倍，电荷量与单片时相同C. 串联时电荷量增大一倍，电容量不变D. 串联时电荷量增大一倍，电容量为单片时的一半5、用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了（）原理。
A.磁阻效应B. 压阻效应C. 正压电效应D.逆压电效应6、压电陶瓷传感器与压电石英晶体传感器的比较是（）。
A．前者比后者灵敏度高 B．后者比前者灵敏度高C．前者比后者性能稳定性好 D．前者机械强度比后者的好7、压电石英晶体表面上产生的电荷密度与（）。
A．晶体厚度成反比 B．晶体面积成正比C．作用在晶片上的压力成正比 D．剩余极化强调成正比8、压电式传感器目前多用于测量（）。
A．静态的力或压力 B．动态的力或压力C．位移 D．温度9、压电式加速度传感器是适合测量下列哪种信号（）。
A. 适于测量任意B. 适于测量直流C. 适于测量缓变D. 适于测量动态10、石英晶体在沿机械轴y方向的力作用下会（）。
磁电感应式传感器工作原理
图 7 - 5 是动圈式振动速度传感器结构示意图。 其结构主 要由钢制圆形外壳制成, 里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外 壳固定成一体, 永久磁铁中间有一小孔, 穿过小孔的芯轴两端 架起线圈和阻尼环, 芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳 相连。
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
（7 - 13）
EH=
IB bdae
（7 -14）
第7章 磁电式传感器将上源自代入式（7 - 10）得UH =
IB ned
（7 -15）
式中令RH =1/（ne）, 称之为霍尔常数, 其大小取决于导
体载流子密度，则
UH =RH
IB d
K
HIB
（7 - 16）
式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（7 - 16）可见, 霍尔
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
7.1
磁电感应式传感器又称磁电式传感器, 是利用电磁感应 原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的 一种传感器。 它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量 转换成易于测量的电信号, 是有源传感器。由于它输出功率 大且性能稳定, 具有一定的工作带宽（10～1000 Hz）, 所以 得到普遍应用。
但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小, 温 度系数也较小, 输出特性线性度好。 表 7 - 1 为常用国产霍尔 元件的技术参数。
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
2. 霍尔元件基本结构
霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、 引线和壳体组成, 如图 7 - 9(a)所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激 励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔 元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电 路中霍尔元件可用两种符号表示，如图7- 9(b)所示。
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第7章气体分析与湿度检测技术
7.1 气体传感器及应用
气体检测与成分分析的内容：识别气体的种类，测量气体的量。
7.1.1 可检测气体的种类与性质
气体种类：表7.1。
气体性质：表7.2。
7.1.2 气敏传感器
气敏传感器的分类：
利用化学现象的气体传感器，利用物理现象的气体传感器：热传导式、热敏电阻式、红外吸收光谱式等。
半导体气敏传感器：电阻型和非电阻型两大类。
电阻型：表面电阻型，氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO2）等和体电阻型（Fe2O3）系列；非电阻型：MOS场效应管型、二极管型（表面电流型——氢敏传感器）和固体电解质型。
1.表面电阻控制型气体传感器
（1）表面控制型气体传感器的结构
烧结型、薄膜型及厚膜型，其中最为成熟的是烧结型。
烧结型SnO2气体传感器分为直热式和间热式，其结构与符号如图7-1示。
（2）工作特性
①气敏特性遇还原性气体，表面电阻率减小；遇氧化性气体，材料表面电阻率增大。
对可燃性气体更敏感。
最佳工作温度一般为200～500℃范围内。
直热式结构及其优缺点：
间热式结构及其优缺点：
②温湿度特性 SnO2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。
③初期恢复特性及初期稳定特性
为缩短初期恢复时间和初期稳定时间，在开始使用时，要进行一段时间的高温处理，同时在构成控制电路时应加延时电路。
若将气体敏感膜、加热器和温度测量探头集成在一块硅片上，则构成集成气敏传感器。
（3）主要检测对象甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、酒精、硫化氢等。
2.体电阻控制型气敏传感器
（1）Fe2O3系列主要检测液化石油气、煤气和天然气。
α-Fe2O3对水蒸气和乙醇不灵敏，特别适合做家庭可燃气报警器。
（2）氧气传感器 Nb2O5对氧气敏感。
3.表面电流变化型（略）
MOSFET如3D0H氢敏传感器：Pd-MOSFET、加热电阻、测温二极管组成。
提高工作温度，可提高灵敏度。
4.固体电解质气敏传感器
具有离子导电性而无电子导电性的固体材料称为固体电解质。
用掺杂有CaO、Y2O3等的ZrO2作固体电解质，两侧为多孔质Pt电极，即成为固体电解质气体传感器。
接触氧时，当两侧氧分压不同时两电极间便形成与两侧氧分压强的对数成正比的电动势，氧浓度高的一侧为正。
该电化学电池称为氧浓淡电池。
如图7-5所示为用于测量汽车引擎空燃比的ZrO２-Y2O3氧浓淡电池结构。
7.1.3 气体检测电路（参考）
7.2 湿度传感器及应用
7.2.1 湿度的概念和检测方法
1.气体的湿度大气中水蒸气的含量。
常用湿度量和单位见表7-7。
2.固体的湿度固体的湿度是物质中所含水分的百分数。
含水量、为湿度。
3.湿度检测方法四类：毛发湿度计法，干湿球湿度计法，露点计法，阻容式湿度计法。
7.2.2 湿度传感器
1.湿度传感器的特性参数和符号
（1）特性参数：量程、特性曲线、灵敏度、温度系数、响应时间、湿滞回线、（电源的）电压与频率特性。
（2）湿度传感器的分类：表7-8。
（3）电路符号图7-12
2.电解质湿度传感器
（1）无机电解质湿度传感器：氯化锂。
湿度增大，电阻减小。
（2）高分子电解质湿度传感器：聚苯乙烯磺酸锂、有机季铵盐、聚苯乙烯磺酸铵。
湿度增大，电阻减小。
3.半导体陶瓷湿度传感器
按工艺分为：烧结体型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型及MOS型等。
一般金属半导体氧化物陶瓷，如MgCr2O4-TiO2等具有感湿负特性。
过渡金属氧化物半导体陶瓷，如Fe3O4等，具有感湿正特性。
（1）MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿敏传感器
结构：图7-13。
测湿范围：1～100%。
使用：每次使用前，通电加热清洗线圈，将湿敏陶瓷片加热至350～400℃，保持10～60s，即可清除污染，停数分钟后，元件电阻方能恢复原值。
（2）ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器上述MgCr2O4陶瓷湿度传感器因阻值过高，难以实现高精度检测。
ZnO-ZnCr2O４湿度传感器的阻值远小于MgCr2O4。
ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器的构造如图7-14所示。
这种传感器不须用加热器，只需
0.5mW的微小功率即可使用。
已广泛应用于轻纺、食品加工、仓库管理、环境保护、家用电器等许多领域。
（3）Mn3O4-TiO2半导体陶瓷温湿敏传感器在氧化铝管上涂敷添加有热固性合成树脂有机溶剂的(Mn3O4)0.7(TiO2)0.3，经高温烧结，即形成具有温湿敏的坚固电阻膜，其阻值较前几种烧结型陶瓷传感器都小(R MAX≈106Ω)。
阻值随湿度增大而线性下降，随温度升高而减小，感温一般不高于400℃。
4.有机物及高分子聚合物湿度传感器
电阻湿度开关特性。
7.2.3 湿敏传感器的应用
1.湿敏传感器应用注意事项
(1)电源选择湿敏电阻必须工作于交流回路中。
(2)线性化一般湿敏元件的特性均为非线性，应将其线性化。
(3)温度补偿通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数为0.1～0.3。
(4)测湿范围电阻式湿敏元件检测湿度不能超过95％RH。
电容式传感器检测湿度不能超过80％RH。
切勿将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，也不要用手摸或嘴吹其表面。
2.阻容值的测量测量湿度传感器阻值R p和容值C p的三种电路如图10-27所示。
3.加热去污陶瓷元件的加热去污应切实控制在450℃。
4.基本应用电路交流电源湿度检测电路如图7-16所示。
7.2.4 湿度检测与控制电路实例（阅读）。