你不知道的六大传感器
科技革命就靠它？你不知道的六大传感器
2014年12月04日
指纹识别，光线感应，测量步数、脉搏、体温，如今有越来越多的功能被应用于手机，平板，笔记本等移动终端上面。我们使用这些功能，体会着被科技怀抱的感觉。你可曾想过，在这些功能的背后，隐藏着多少科技以及故事。
今天，笔者将和大家聊一聊移动平台传感器的那些事儿，看看它们如何改变我们的生活。
科技革命，传感器的地位举足轻重
一个传感器加上使用它的创意能够获得什么？答案是一个革命
性的产品。2007年，苹果发布iPhone。它重新定义了传统手机的使用方式。通过两手指的开合，便可以将屏幕上的图片放大缩小，这在当时就像魔法一样吸引着全世界的人去体验。而实现这一功能的，便是iPhone上的多点触摸传感器。
2007年苹果发布第一代iPhone，魔法般的触控操作成为该机最大看
点
如今，大热的智能穿戴设备，能够全天候的监测我们每天行走的步数，睡眠质量，消耗的卡路里甚至还有脉搏，心率等信息。由于不需要医生便可以对我们的身体状态有一个直观的了解，所以它们受到热捧便在情理之中。由此可以感到传感器在科技产业的地位多么重要。
创新的传感器是提升产品卖点的硬道理
在微软刚刚发布不久的智能手环内部，竟然设计有多达十种传感器。这些传感器听起来就令人觉得神奇，比如可以测量阳光强度的紫外线传感器，测量体温的皮肤温度传感器，以及脉搏传感器，三轴陀螺仪等等。如今，这款产品已经在市场上销售，创新的功能令其供不应求。
微软手环设计有10款传感器
创新的传感器为微软手环带来了充足的卖点。同样刚推出的iPhone 6以及iPad Air2，由于首次搭载气压计可测量海拔高度，从而成为户外运动员的福音。
搭载创新的传感器，可为产品带来或新颖或便捷的功能
如今很多科技厂商意识到，搭载创新的传感器，可为产品带来或新颖或便捷或安全的功能，但想要发明一个创新的传感器却并不是一件容易的事情，而需要耗费巨大的研发成本。所以很多研发实力相对较弱的厂商都是等到某款传感器上市并达到一定产量之后，才将其配备到自家的产品上的。这也是为什么指纹识别技术才刚刚在手机上普及开来的原因。
门槛较高，软硬结合是王道
如今困扰科技厂商的问题并不仅仅在于自己弄不到创新的传感器，而是就算产品搭载了这些传感器，但却无法实现他们想要的功能。
目前健康应用没有普及的很大原因在于仅仅记录传感器数据，缺少挖
掘信息提供建议的能力
我们知道传感器本身，只是一个检测装置，它能够感受到被测量的信息，并将这些信息传递给设备进行处理，从而得出相应的结论或者给出应对措施。而这个处理的过程是需要设备制造商通过反复测量试验，最终写入程序中的。
将传感器数据利用程序软件的算法从而得出对佩戴者有益的结论，才
是其存在的价值
目前很多产品的软件仅显示传感器数据，但对数据的挖掘较为薄弱如果写入机身内的程序不准确，轻则影响产品体验，重则导致这项功能成为鸡肋，增加了产品成本，却遭到用户诟病。所以，如今很多评测者会把屏幕触摸精准度，重力感应灵敏度，成像质量等作为评测内容的重要环节。
前面笔者通过这么多篇幅，阐述了传感器之于移动平台的重要地位以及面临的问题，那么接下来我们就一起探讨一下传感器本身吧。
指纹识别传感器：不止安全
笔者清楚，介绍太多传感器的工作原理不仅会让文章晦涩难懂而且也不是读者感兴趣的内容，所以本文将着重介绍移动终端传感器的用途以及面临的问题。也希望网友能够多与编辑互动探讨，在本文底部回复@作者即可得到我的回复。
指纹识别传感器及其功能
随着iPhone以及iPad搭载Touch ID指纹识别传感器，拉动了越来越多厂商将指纹识别技术应用于自家产品上。这一功能已经不仅仅局限于解锁屏幕了，我们还可以用它进行掌上支付，令移动终端成为你的钱包。
指纹识别安全是因为人的指纹只有50亿分之一的重复概率
人的指纹有50亿分之一的重复概率，奠定了指纹识别技术极高的安全性。以前，这一技术仅仅应用于刑事侦查案件中，而如今普通大众也可使用搭载指纹识别技术的终端啦。
滑动指纹识别技术多用于电脑
手机平板厂商更青睐按压式指纹传感器
目前，应用于移动终端的指纹识别技术共有两大类，分别是滑动式与按压式，代表机型有三星S5和iPhone 6。滑动式需要用手指在传感器上滑动才能识别，而按压试只要手指放在传感器上便可以识别。
代表设备：iPhone 6/plus，iPad Air 2，Galaxy S5，魅族MX4 Pro
对于指纹识别传感器，我们必须明白的事：
1:滑动式传感器因为每一次都会扫描较大面积指纹，所以安全性和识别率更高，但也牺牲了识别速度。
2:滑动式传感器相比按压式更节省空间。
3:按压式传感器拥有比滑动式相对较快的识别速度。
4:按压式传感器不管手指从哪个方向按压都能够识别，随意性更高。滑动式则只能上下滑动识别。
皮电传感器及其功能
相信每一位读者都有这样的经历，当你要从事一项非常重要的任务之前，你会觉得紧张，焦虑以至于手脚冒汗。这种心理反应转化成生理反应的过程，我们是可以通过皮电传感器探测出来。
Sensoree的心情毛衣利用皮电反应感知人们的心情，并用不同颜色
灯光表现
皮电传感器是测谎仪的重要组成部分
测谎仪结合皮电传感器，呼吸速率传感器以及心率传感器共同工作
(图片来自Lafayette)
需要注意的是皮电传感器并不能测试出用户的喜怒哀乐，只能感受到用户心理状态是否变化，而通过这种变化，我们可以得到一些结论。例如通过测谎仪的皮电传感器感应被测者说话时的心理变化，从而断定是否说谎。
例如有研究表明，人们在一天的活动中，早晨刚醒以及晚上睡觉时候人体皮电反应水平较低，而上午和下午的某一个时段的皮电水平相对较高，而这一时段正是我们学习或者工作效率最高的时段。
目前智能穿戴设备开始搭载皮电传感器，例如：微软手环
如果通过皮电传感器检测我们几天的人体皮电反应水平，通过皮电波形高低，我们就可以得知自己每天哪一个时段的工作效率最高了。以此依据来安排我们的工作在状态最佳的时段，岂不可以令效率事半功倍？！
代表设备：测谎仪，微软手环
对于皮电传感器，我们必须明白的事：
1.人体皮电反应受温度，人体活动以及心理反应三个因素影响，皮电传感器因此会收到影响，准确性有待检验。
2.人们一天会拥有众多情绪，每一天所产生情绪的时间、情绪类别皆不同，就算我们准确测量出皮电反应情况，归类整理这些数据并给出科学的建议依然是厂商最头痛的问题。
3.目前微软手环已经搭载该传感器，该项技术很快便会走入我们的生活中。
光线传感器及其功能
光线传感器是一种光敏元件，通过感受机身环境光的强度以及变化，从而调整机器屏幕的亮度，键盘背景灯亮度以及其它拓展功能。
光线传感器一般都设计在手机的顶部，不是很显眼且不易触摸到的位
置
由于平板的使用姿态较不固定，苹果在iPad Air2顶部左右两边分别
设计了光线感应器
光线传感器早在十年前，便已经应用于移动产品身上。它尽管功能相对单一，仅仅用于根据不同环境光线，调整屏幕亮度以及键盘背景灯开关，但由于功能实用，所以成为目前大屏手机以及平板电脑的必备元件。
代表设备：iPhone，iPad，MacBook Air三星S系列等配备大屏的移动终端。
对于光线传感器，我们必须明白的事：
1.它可以控制屏幕的亮度，令你在户外可以看清屏幕，室内也不会因为觉得刺眼。
2.如果你的移动终端有键盘，那么它还可以控制键盘背景灯的开关以及亮度
3.差的光线传感器降低移动终端的使用体验，例如会出现在黑暗的环境下，屏幕依然很亮；在光线条件变化较大的户外，屏幕亮度变化较为迟钝等现象。
4.光线传感器一般设计在机身顶部手不宜覆盖的部位，以防影响测量的准确性。
心率传感器：告诉你心跳背后的秘密
心率传感器及其功能
心率监测是目前十分热门的功能。三星Galaxy S5，微软手环以及明年春季将会推出的苹果手表都具备这一功能。
移动设备上目前皆为光电心率传感器
作为个人健康设备的超级武器，该功能可以通过监测心率来追踪运动强度，不同的运动训练模式等，并可以针对这一数据推算睡眠周期等与之关联的健康行动数据。
睡眠时心率变化与睡眠状态的关系图(图片来自网络) 由于脉率随着睡眠周期的变化而改变，睡眠加深时脉率减小，所以我们可以由睡眠时间的心率变化来监测睡眠质量。但由于目前移动设备上的心率传感器准确度偏低，所以可信度有待考量。据传，为了保证心率测量的可信度，苹果手表设计了四个心率传感器用以准确测量心率。
目前医院常用的为电极式心率传感器，精度更高
三星S5手机上配备光电心率传感器(图片来自优酷视频)
目前心率传感器有两种，一种是通过光反射测量的光电心率传感器以及利用人体不同部位电势测量的电极式心率传感器。前者尽管测量准确度欠佳，但优势在于体积小，所以目前所有的移动终端都用该种方式测量。后者在医院中测量心电图的时候我们经常会看到，通过测量人体不同点的电势变化，从而测量出心率变化，该方法测量精准，但必须同时监测人体的两个部位，而我们平时用手机和手表的时候都是单手接触产品，所以无法做到持续监测。
代表设备：微软手环，松拓 VECTOR HR运动腕表，三星Galaxy S5手机
对于心率传感器，我们必须明白的事：
1.单纯给出心率数值对你并没有太大意义，如果能够持续测量，并通过一段时间的心率数据给出睡眠质量／休息时间等健康建议则
会对用户有很大帮助。
2.目前绝大部分移动终端用的都是光电心率传感器，相比电极式心率传感器误差几率较大。
3.电极式心率传感器目前还无法应用于较小的穿戴设备上，但目前已经有厂商在为此而努力了。相信未来会成为高端设备的标志配件。
气压计：感知你的高度
气压计及其功能
气压计是一个被埋没但非常实用的小东西。很久以前便已经有手机搭载，例如三星Galaxy S3，Galaxy note 2，而目前iPhone 6/plus 也将其纳入怀中，为机器提供气压数据。
气压计虽然仅能够测量气压数据，但通过该数据我们可以精确得知机器的海拔高度。如果监测一段时间内的气压变化，还能获得机器高度变化数据，从而为进一步的数据处理做准备。
有了气压计，得知高度，走在这样的双层路上就不用担心无法导航了
(图片来自网络)
运动腕表配备气压计，可为运动员提供海拔高度数据那么气压计到底通过测量出来的高度数据，能给用户带来什么好处呢？户外运动员可以直观的了解自己所在的高度；未来导航地图
不仅可以知道我们所在的平面位置，甚至还能知道我们所在的楼层，而这绝对是未来导航发展的必然趋势；现在穿戴设备只能侦测人们每天所走的步数，而拥有气压计还能侦测所走过的楼梯数，从而令消耗卡路里数据更准确。
代表设备：LG G Watch R，iPhone 6／plus，三星Galaxy S3，Galaxy note 2
对于气压计，我们必须明白的事：
1.既然是测量气压的元件，那么气压变化异常也势必会影响用户得到信息的有效性。例如在飞机飞行的时候，为了乘客舒适都会为机舱加压，此时飞机内部的气压值与外部不同，我们也就无法得到正确的高度信息了。
2.目前气压计已经广泛应用于移动终端中，但由于缺乏应用软件支持，它们经常被用户冷落。
3.气压计是非常实用的元件，我们登山时可以利用搭载它的设备读取海拔高度信息。
图像传感器：像素太高未必好
图像传感器及其功能
传感器选用的一般原则
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 2、灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3、频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。 4、线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。 但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5、稳定性
无刷电动机和无位置传感器的电动机分解
无刷电动机 前节中的永磁直流电动机用永磁体取代了定子上的励磁，但是仍然需要电刷换向器结构。电刷换向器结构是普通直流电动机的特征和标志，它使转子上的导体在经过磁场的换向点的时候自动改变电流方向，导致定子同一磁极下导体的电流方向不变，转子的磁场始终与定子的磁场垂直，从而获得最大的也是稳定的转矩，保证了直流电动机优良的控制性能。 电刷换向器结构也是普通直流电动机的先天性的弱点，人们一直在探讨利用现代电子技术，实现既能取消电刷，又能达到直流电动机优良控制性能的方案。这些方案中最著名的就是交流电动机的矢量控制，而无刷电动机也是在这个方向上发展所取得的成果。 这个发展的特点是转予采用恒定磁场，而将普通电动机中的电枢电路从转子转移到定子上去，这种励磁和电枢位置的互换对两者之间的相对运动没有影响，但是却避免了电刷换向器结构。如果转子由外部直流电源励磁，那么转子还需要电刷和滑环，还只能称为无换向器电机。如果采用永磁材料制作转子，那么就可称之为无刷电动机。 虽然感应电动机和后面将介绍的步进电动机也是无刷的，然而无刷电动机则是专指这样一些特种电动机，这些电动机的设计目的是具备与有刷直流电动机类似的性能，但是却没有电刷换向器结构所强加的限制。 无刷电动机具有基本相同的本体结构，另一个重要的共同点是运行时需要通过检测转子的位置来确定驱动电源的频率，因此无刷电动机在本质上属于自控变频同步电动机。无刷电动机因其电枢绕组驱动电流形状的不同而分为两种类型：一种是方波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为方波（梯形波通常被称为无刷直流电动机；另一种是正弦波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为正弦波，常称为无刷同步电动机。） 无刷直流电动机 无刷直流电动机的基本原理 首先回顾一下传统的有刷直流电动机。有刷直流电动机的转子上的电枢绕组由许多单独的线圈元件组成，一个单独的线圈元件在旋转时其输出转矩的幅度有很大的变动，实际上是按正弦规律变化的，其最大值出现在与定子磁场垂直的位置，而在换向位置时的值为零。它们不仅连接到自己的一对换向片上，而且还与其他的线圈相连，尽管电机的转矩主要由处于最大转矩位置的线圈元件提供，但是由于处于不同位置的其他线圈元件共同作用，最终产生的转矩波动很小。 如果将这种思想移植到无刷电动机的设计中去，将许多线圈元件平均分布在定子上，然后采用电子线路模拟电刷换向器结构的功能，其结果将是不仅控制电路非常复杂，而且每一个线圈元件都需要自己的单独的驱动电路。这一点显然难以满足。因此为了实现无刷化，必须作出适当的折衷和妥协。 图11.6为一个二极三相无刷直流电动机的结构。
红外感应器(总结)
1 红外辐射，红外探测器原理，菲涅尔透镜(介绍红外很全面) 以及应用。 2 应用 红外线技术在测速系统中已经得到了广泛应用，许多产品已运用红外线技术能够实现车辆测速、探测等研究。红外线应用速度测量领域时，最难克服的是受强太阳光等多种含有红外线的光源干扰。外界光源的干扰成为红外线应用于野外的瓶颈。针对此问题，这里提出一种红外线测速传感器设计方案，该设计方案能够为多点测量即时速度和阶段加速度提供技术支持，可应用于公路测速和生产线下料的速度称量等工业生产中需要测量速度的环节[1] 。 红外线对射管的驱动分为电平型和脉冲型两种驱动方式。由红外线对射管阵列组成分离型光电传感器。该传感器的创新点在于能够抵抗外界的强光干扰。太阳光中含有对红外线接收管产生干扰的红外线，该光线能够将红外线接收二极管导通，使系统产生误判，甚至导致整个系统瘫痪。本传感器的优点在于能够设置多点采集，对射管阵列的间距和阵列数量可根据需求选取。 红外技术已经众所周知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。 红外传感器发展前景 咨询公司INTECHNOCONSULTING的传感器市场报告显示，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。 一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(MICRO-ELECTRO-MECHANICALSYSTEMS，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传
压力传感器选型的三大要素
压力传感器选型的三大要素 为新项目或设备选择压力传感器时，设计师通常比较关注关键设计参数，如压力范围、电流输出、介质兼容性以及环境条件等。然而，若要根据不同的应用选出合适的传感器，除以上参数外，还需考虑其它因素，常常被忽略的设计因素：压力传递介质（充油式和非充油式）、结构和传感技术类型。这也是压力传感器选型的三大要素。 一压力传递介质（充油式vs非充油式）在压力传感行业存在多种不同的传感技术，但所有传感器都可分为两大类：充油式和非充油式。充油式传感器是指在膜片和传感元件之间采用油液作为压力传递介质的传感器，例如基于微机电系统(MEMS)的电子传感器。 充油式传感器具有材料相容性(好)、成本低、易于集成到成套传感器系统中等特点，对许多制造应用都极具吸引力。虽然应用日益普遍，但相较于非充油式传感器，仍有不少缺点。 充油式设计的缺点是故障成本高。一旦传感膜片因过压或制造缺陷而破裂，那么油液就会泄漏至应用中并污染系统。油液进入系统会损坏关键的部件，造成成数千乃至数百万美元的损失，损失程度视具体应用而异（如，代价昂贵的燃料电池系统）。更糟的是，许多系统一旦被油液污染，几乎就没有修复的可能。相比之下，非充油式设计不仅能消除因故障导致污染的可能性，而且还可承受更高的过压冲击。 二结构压力传感器在应用中的服役时间是挑选传感器的关键指标之一。一般而言，全焊接结构的传感器，设计更坚固、耐用，在许多苛刻应用中的使用寿命都较长。另外，还要考虑接头在外壳上的焊接牢固度。要知道，在应用现场，这些装置常常会暴露在影响传感器工作的非理想环境下。 确保制造商不仅能够提供多种压力接头，包括1/4”和1/8”NPT等标准口径，而且还能够视需要量身定制过程接头。即使再坚固耐用的设计也有可能受潮湿环境影响，因此部分传感器需防潮保护以防止接头引脚的四周被腐蚀。 如果担心保护传感器受恶劣环境侵蚀，则选择IP防护等级满足安装需求的传感器。传感器可提供多种IP防护等级。其中，IP65级防护的型号可提供抵御粉尘渗入和喷嘴喷水的全面保护。 IP67级防护的传感器能够防护灰尘侵入以及短暂浸泡。IP69K级防护则适用于高
实验：传感器的简单应用
第5讲 实验：传感器的简单应用 ★考情直播 （一）、传感器的含义： 传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能 把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换 为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。 传感器一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，通过敏感元件获取外界信息并 转换成电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。 常见的传感器有：光学传感器、热学传感器、加速度传感器、力传感器、气敏传感器、超声 波传感器、磁敏传感器等。 （二）、常见的传感器元件： （1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好； 随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。光敏电阻 能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。 （2）金属热电阻金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器。 它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 （3）热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度 升高电阻减小，如图－1为某一热敏电阻－温度特性曲线。热敏电阻 的灵敏度较好。与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温 范围大，但灵敏度较差。 （4）电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。 （5）霍尔元件能够把磁感强度这个磁学量转换为电压这个电学量 （三）、传感器的简单应用 1、力电传感器 力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学 信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在 导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS 防抱死制动系统等。 2、 热电传感器（温度传感器） 热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的升高减小（金属热电阻的电阻率随温度的升高 而增大）的原理制成的, 它能用把温度这个热学量转换为电压这个电学量。如各种家用电器 (空调、冰箱、热水器、饮水机等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等。 3、光电传感器 光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。 非电物理敏感元件 转换器件 转换电路 电学量 → → → →
传感器选用的基本原则
传感器选用的基本原则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 2、灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3、频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。 4、线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。 但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给
传感器的选择
方案一压电传感器 压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。 压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。 方案二电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。 电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为 （） 式（）中 d——两极板间的距离； A——两平行极板相互覆盖的有效面积； ε——介质的相对介电常数； r ε——真空中介电常数。 o ε三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，若被测量的变化使式中d、A、 r 通过测量电路就可转换为电量输出。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素： （1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法 X=1/ωC很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在至几十皮法。因C太小，故容抗 C uωC ，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措功率P=2 o 施。 （2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 方案三电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。 导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不
(完整版)高中物理《传感器的应用实验》教案
高中物理《传感器的应用实验》教案转载 一、教材分析 本节继第三节介绍四种传感器的应用实例之后，再进一步拓展学生的视野，提高学生的认识和分析能力以及动手能力，并通过实验的方法，让学生在组装和调试中，更为深入地认识传感器的应用。 二、教学目标 1．知识目标： （1）、知道二极管的单向导电性和发光二极管的发光特性。 （2）、知道晶体三极管的放大特性。 (3)、掌握逻辑电路的基本知识和基本应用。 2．能力目标： 通过实验的方法，让学生在组装和调试中，更为深入地认识传感器的应用。 3．情感、态度和价值观目标： 培养学生的学习兴趣，倡导以创新为主，实践为重的素质教育理念。 三、教学重点难点 重点：传感器的应用实例。 难点：由门电路控制的传感器的工作原理。 四、学情分析 我们的学生属于理解较差，动手能力不好，尽量让学生多动手，必要时需要教师指导并借助动画给予直观的认识。 五、教学方法 PPT课件，演示实验，讲授 六、课前准备 1．学生的学习准备：预习新课，初步把握实验原理及方法步骤。 2．教师的教学准备：多媒体课件制作，课前预习学案，课内探究学案，课后延伸拓展学案。3．教学环境的设计和布置：四人一组，课前准备好斯密特触发器或非门电路，二极管，三极管，蜂鸣器，滑线变阻器，热敏电阻，光敏电阻等材料用具。 七、课时安排：1课时 八、教学过程 （一）预习检查、总结疑惑 检查落实了学生的预习情况并了解了学生的疑惑，使教学具有了针对性。 （二）情景导入、展示目标。 上节课我们学习了温度传感器、光传感器及其工作原理。请大家回忆一下我们学了哪些具体的温度、光传感器？
学生思考后回答：电饭锅，测温仪，鼠标器，火灾报警器 这节课我们将结合简单逻辑电路中的知识学习由门电路以及传感器控制的电路问题。（三）合作探究、精讲点拨。 探究一：（！）普通二极管和发光二极管 1、二极管具有单向导电性 2、发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光，普通发光二极管使用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能，该类发光二极管的正向导通电压大于1.8V。 （2）晶体三极管 1、三极管具有电流放大作用。 2、晶体三极管能够将微弱的信号放大，晶体三极管的三个极分别是发射极e，基极b和集电极c。 3、传感器输出的电流和电压很小，用一个三极管可以放大几十倍或几百倍，三极管的放大作用表现为基极b的电流对集电极c的电流起了控制作用。 （三）逻辑电路 逻辑门电路符号图包括与门，或门，非门， 1．与逻辑 对于与门电路，只要一个输入端输入为0，则输出端一定是0，只有当所有输入端输入都同为1时，输出才是1. 2．或逻辑 对于或门电路，只要一个输入端输入为1，则输出一定是1，反之，只有当所有输入端都为0时，输出端才是0. 3.非门电路 对于非门电路，当输入为0时，输出总是1，当输入为1时，输出反而是0，非门电路也称反相器。 4.斯密特电路： 斯密特触发器是特殊的非门电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值1.6V时，输出端Y会突然从高电平调到低电平0.25V，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候0.8V，Y会从低电平跳到高电平3.4V。斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号。而这正是进行光控所需要的。 探究点二：应用实例 1、光控开关 电路组成：斯密特触发器，光敏电阻，发光二极管LED模仿路灯，滑线变阻器，定值电阻，电路如图所示。
(完整版)红外测温传感器
红外光电传感器测温仪 1红外测温传感器结构 红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。 2红外测温传感器工作原理 在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射量。根
据基尔霍夫定律、普朗克定律、维恩公式这三大辐射定律，物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与其表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 三大辐射定律均是以“黑体”作为研究对象分析得出的。但是，自然界中存在的实际物体都不是黑体，所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为了使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在0-1之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。物体表面发射率主要决定于材料性质和表面状态（ 如表面氧化情况，涂层材料，粗糙程度及污秽状态等）。 当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断的向四周辐射电磁波，其中的红外线在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质成为黑体，其他的波段的最大值成为灰体。事实上，自然界中并不存在黑体，只是为了获得红外线的分布规律才提出的，从而导出了普朗克黑体辐射定律。 普朗克黑体辐射定律是用于描述在任意温度下从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础用公式可表达为： E=δε（T-To ） E 是辐射出射度．单位是W ／m3； δ是斯蒂芬一波尔兹曼常数，5．67x10-8W ／（m2·K4）； ε是物体的辐射率： T 是物体的温度（K ）； To 是物体周围的环境温度（K ）。 红外测温仪电路比较复杂, 包括前置放大, 选频放大, 温度补偿, 线性化, 发射率ε （比辐射率 ）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温仪, 利用单片机与软件的功能, 大大简化了硬件电路, 提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。 红外测温仪的光学系统可以是透射式, 也可以是反射式。 反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜, 并在镜的表面镀金、 铝、镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。 3红外测温理论基础 3.1红外辐射（红外线、红外光） 红外线是电磁波谱中，波长0.76μm -1000μm 范围的电磁辐射，位于红外光与无线电波之间。与可见光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性相同。同时具有粒子性。对人的眼睛不敏感，要用对红外敏感的探测器才能接收到。红外辐射的本质是热辐射，热辐射包括紫外光、可见光辐射，但是在0.76μm -40μm 红外辐射热效应最大。 自然界中一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体，时时刻刻都在不停地辐射红外线。辐射的量主要由物体的温度和材料本身的性质决定；特别热辐射的强度及光谱成份取决于辐射体的温度。 3.2黑体辐射规律 黑体红外辐射的基本规律揭示的是黑体发射的红外热辐射随温度及波长的定量关系。黑体一种理想物体，它们在相同的温度下都发出同样的电磁波谱，而与黑体的具体成分和形状特性无关。斯特藩和玻耳兹曼通过实验和计算得出黑体辐射定律： 4 0)(T T M σ=
霍尔传感器直线电机位置检测
电流检测部分 本控制系统中永磁直线电机的两相电枢电流通过霍尔电流传感器得到，另外一相电流通过计算得到。电流传感器采用LEM公司生产的LTSR -6-NP型电流传感器，该产品具有高精度，高线性度，高响应速度，高频率带宽，高电流过载能力，低温漂，低接入损耗，以及对外部信号的高抗干扰能力，非常适合在永磁电机伺服系统中使用。根据选择不同的引脚接法，该产品可以提供三种不同的额定采样电流值，分别为2A、3A和6A电流有效值，对应的最大采样电流值分别为6．4A，9．6A 和19．2A。由于该传感器输出电压范围为0．5～4．5V，而 TMS320LF240DSP的AD输入信号只能在0V—+3．3V之间，所以需要将传感器的输出电压经过运放电路处理后，再输入DSP的AD口，具体电路如图4—10所示．
一种低成本的线性霍尔位置检测方法在永磁直线电机伺服控制系统中，无论采用何种控制方式，都需要准确检测出电机动子位置。可以说，位置检测部分是伺服控制系统中非常关键的组成部分，直接影响着电机控制精度和系统运行性能。目前，在直线运动控制系统中，最常见的位置检测方法是采用直线光栅，但是光栅的成本很高，对安装要求也很高；也有增加额外机械结构，将直线运动转变成旋转运动，然后用旋转编码器进行位置检测的方法，显然该方法在成本和精度上都存在缺点；还有采用无位置检测的方法，但是目前所有无位置检测方法的在电机低速段效果都不是很理想，而直线电机恰恰需要频繁的起动和停止，采用无位置检测方法获得理想的效果难度较大，尚未有实用的解决方案提出。因此，本节将介绍一种低成本的利用线性霍尔元件对永磁直线电机进行位置检 测的方法。 §4．6．1线性霍尔位置检测方法的基本原理 线性霍尔元件可以用来检测磁通密度，在一定磁场强度范围内，其输出电压与被检磁场磁通密度成线性关系．永磁直线同步电机气隙磁场为正弦分布，因此很容易通过检测气隙磁场磁通密度的方法来确定电机动子的位置。本节以空心式圆筒型永磁直线电机为例，具体介绍该方法。电机及霍尔元件的安装位置示意图如图4—18所示．因为电机只沿Z轴方向做运动，所以只需要检测电机动子在z轴上的位置。在第三章中，已经分析了该电机气隙磁密Br，沿Z轴基本成正弦分布，在一对极范围内，也就是一个周期内，Br不是Z的单值函数，因此不
一种新型电机--关节位置传感器的研究
一种新型电机--关节位置传感器的研究 随着机器人技术的发展，需要有更小更轻的机器人工作在诸如太空等特殊环境，这对机器人关节的检测反馈系统提出了更高的要求。然而普通工业机器人关节通常装备的位置传感器体积大、集成度低，很难满足要求。为了满足位置传感器体积小、集成度高的要求，可以利用磁钢霍尔元件体积小、重量轻、非接触、可检测绝对位置的特点，将其用于关节位置和电机位置测量。但是由于受尺寸限制，霍尔传感器芯片只能检测处于回转中心磁钢的磁场强度，如图l，限制了磁钢霍尔传感器的使用范围。 图1 磁钢霍尔原理图 我们需要研制基于磁钢霍尔元件的高集成度的位置传感器，使得分别和电机、关节转动同步的磁钢布置在具有平行轴线的同一平面上，电机一关节位置传感器检测单元得以集成在一个位置传感器电路板上。 1、霍尔传感器 1.1霍尔传感器原理 1879年霍尔(Hall)在研究电流通过有磁场垂直其平面的长方形金属片所发生的现象时，发现了在金属片的侧面产生了微弱的电位差。这种物理现象被人们称为霍尔效应。20世纪50年代后半期，对化合物半导体的研究，导致了对高迁移率的新型半导体材料的开发，这一进步促进了霍尔器件的研究、开发和应用。目前霍尔器件检测磁场的极限为10?9T。
可以知道，霍尔元件的输出电压为： V H=R H I C B/d (1) R H=1/(ne) (2) 式中：V H为霍尔电压；R H为霍尔系数；I C为控制电流；B为磁感应强度；d 为霍尔片厚度；n为载流子浓度；e为电子当量。 由式(1)可看出，V H与R H、I C和B成正比，与d成反比。在这里我们选取特定霍尔器件，可以认为R H和d是霍尔器件的固有特性，为定值；I C由霍尔器件提供，也是一个定值；所以，霍尔元件的输出电压V H仅和磁感应强度B有关，随磁感应强度的变化而线性变化。可以用作检测磁感应强度的传感器。 1.2 霍尔芯片及处理电路 与霍尔传感器配合产生磁感应强度的是磁钢。磁钢是一个圆柱体，直径1.5 mm。厚度0.5mm，N、S极如图l。当磁钢在霍尔芯片上方旋转，磁感应强度B 会随着旋转发生周期性变化，霍尔输出电压V H也因此发生周期变化。 利用霍尔元件这一特点，采用2D—VH—11芯片作为角度传感器。2D—VH —11芯片具有两组霍尔传感器，垂直布置。最大角度误差小于1°。当磁钢旋转时，芯片会感应出两组信号V x和V y，两个信号相位差90°。这两个信号求反正切，即 ?）。利用这一原理，设计了电--关节位可得磁钢对应角度。即θ=tan?1（V y V x 置传感器电路。原理如图2。 图2中，霍尔芯片输出4个模拟信号，经过IN-A337差模放大、RC滤波，成为具有相位差90°的一对模拟信号。通过A/D转换成数字信号传送到FPGA通信控制器，FPGA将每个关节模块的4个信号传递到DSP，由DSP进行反正切计算，得到关节和电机角度。 2、位置传感器 机器人关节所必需的电机位置测量和关节位置测量都采用霍尔传感器。可大幅减小位置检测系统的体积和雨量，而且研制的位置传感器将电机和关节位置传感器集成在一块PCB上构成新的电--关节位置传感器，具有共用的电源和A/D 电路，如图2，这样进一步提高了关节集成度和可靠性。降低了重量和体积。
传感器的分类 及特性以及选择
一、传感器的定义 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，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 二、传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种： 1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器 2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。 3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和"0”
或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。 三、传感器的静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。 四、传感器的动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
传感器的选择和影响因素
传感器的选择和主要技术参数 传感器是每个检测仪的核心元件，是重要的生命安全组件，保证测量结果的可信性 （1）根据测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器 即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号方式；传感器的来源；价格；还是自行研制。 （2）灵敏度的选择 一般在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混人。也会被放大系统放大，影响测量度。 （3）频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围。必须在允许的频率范围内保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总会有一定的延迟。 （4）线性范围 传感器的线性范围是指输出与输人成正比的范围。理论上传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时。当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。实际上任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范圃内，可将非线性误差较小的传感器近似看做线性的，这会给测量带来极大的方便。 （5）稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境，因此要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 （6）精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵。因此传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 深安旭传感技术是国内唯一专注智能传感技术核心部件研发的高新技术企业，专业从事多种气体传感器的研发，生产，销售和服务。 影响气体传感器读数的因素大约分为以下这些： 1.气体浓度
无位置传感器直流无刷电机原理
无位置传感器直流无刷电机原理 位置传感器的直流无刷电机的换向主要靠位置传感器检测转子的位置，确 定功率开关器件的导通顺序来实现的，由于安装位置传感器增大了电机的体积， 同时安装位置传感器的位置精度要求比较高，带来组装的难度。 研究过程中发现，利用电子线路替代位置传感器检测电机在运行过程中产 生的反电动势来确定电机转子的位置，实现换向。从而出现了无位置传感器的 直流无刷电机，其原理框图如图3．1所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2-1无位置传感器无刷直流电机原理图 无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)具有无换向火花、无无线电干扰、寿 命长、运行可靠、维护简便等特点，而且不必为一般无刷直流电机所必须的位 置传感器带来的对电机体积、成本、制造工艺的较高要求和抗干扰性差问题而 担忧，因此应用前景广阔。 由图2-1无刷直流电动机的运行原理图可知，当电机在运行
过程中，总有 一相绕组没有导通，此时可以在该相绕组的端口检测到该绕组产生反电动势， 该反电动势60度的电角度是连续的，由于电机的规格，制造工艺的差别，导致 相同电角度的反电动势值是不同，如要通过检测反电动势的数值来确定转子的 位置难度极大。因此必须找到该反电动势与转子位置的关系，才能确定转子的 位置。 由于BLDCM的气隙磁场、反电势、以及电流波型是非正弦的，因此采用 直交轴坐标变化不是很有效的分析方法。通常直接利用电机本身的相变量来建 立数学模型。假设三相绕组完全对称，磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，忽 略齿槽相应，则三相绕组的电压平衡方程则可以表示为：根据电压方程得电机的等效电路图，如图2．2所示：
2．3．2反电势法电机控制的原理 无刷直流电机中，受定子绕组产生的合成磁场的作用，转子沿着一定的方 向转动。电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会在空间形成导 体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中产 生感应电热。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，即运 动电势，一般称为反电动势或反电势哺1。· 对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是梯形 波或正弦波，与永磁体形状、电机磁路结构和磁钢充磁等有关，由此把无刷直 流电机分为方波电机和正弦波电机。对于径向充磁结构，稀土永磁体直接面对 均匀气隙，由于稀土永磁体的取向性好，所以可以方便的获得具有较好方波形 状的气隙磁场，对于方波气隙磁场的电机，当定子绕组采用集中整距绕组，即 每极每槽数q=l时，定子绕组中感应的电势为梯形波，如图加
传感器选型指导
传感器选型指导 下面的每种传感器-电化学型、催化型、固态型、红外线和光电离探测器的应用都必须满足区域内空气的质量和安全所要求的标准。一些基本的要求如下： 1．传感器将被设计成为小型、外表粗糟的小盒子。传感器必 须适用于危险地点和苛刻的环境，同时它必须是防爆的。传感器必须是合算的，是为在工业生产区域内使用而设计的，安置的费用也是合理的。 2．对于便携式仪器，仪器具有合理的能源消耗，仪器所选的 电源为市场容易得到的电池。仪器体积小、方便，容易携带。在工业 环境中使用非常安全。由于使用在危险区域，仪器必须具有安全合格证。 3．仪器的操作和维护将是很容易完成，只要工厂内的职工经 过简单的专业培训即可。 4．安装固定传感器时，在某一周期内，传感器的功能将会达 到连续可靠，该周期长达30天。传感器在工业环境下至少工作二年或更长，在合理的费用基础之上进行更新和替换。传感器可安装在由控制器或计算机控制的集散系统管理的多点系统中。 5．仪器的费用是合理的。为了有效的保护某一区域，可安装 多个传感器。 本手册讨论了五种传感器中的四种，均满足以上的标准。只有光电离探测器除外。光电离探测器是一种好的探测器，但是受到光的限制，因为它有相对短的寿命和频繁的维护要求，不适合固定点应用。然而，只要用户考虑了限制的条件，固定的光电离探测器还是可用的。 其他类型的传感器虽然满足以上的标准，但也有一些限制。例如，热传导传感器大部分应用于高 浓度，而不常用于气体监视。 选择传感器所考虑的因素 就传感器而言，经常问的问题之一是：“什么传感器最好？”。当然，这个问题不能一两句就说清楚。每个传感器有自己的性能和限制，因此一个给定传感器的适应性很大程度取决于使用过程中的应用。因此为了选择一个正确的传感器，首先必须确定应用的要求。102页总图显示了各种应用的要求和检测的技术。制造厂商提供传感器的粗略的标定。
霍尔位置传感器在无刷直流电机中的应用
霍尔位置传感器在无刷直流电机中的应用 [摘要]无刷直流电动机是随着半导体技术发展而出现的新型机电一体化电机，它是现代电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。位置传感器是无刷直流电机系统组件部分之一，其作用是检测主转子在运动过程中相对于定子绕组的位置。霍尔位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化、价格低等优点，得到广泛的应用。目前，霍尔集成电路传感器是无刷直流电机最主要使用的转子位置传感器。 本论文主要研究霍尔位置传感器在无刷直流电机具体安放位置。为了方便研究，在其中讲述了无刷直流电机的工作原理、霍尔效应、霍尔元件在无刷电机中的及其换相过程的实现以及对无刷直流电机进行调速的PWM法原理,论文研究的思路是通过分析霍尔位置传感器与三相磁动势的对应关系，得到霍尔位置传感器的准确安放位置。通过结果验证，准确定位后安装的霍尔位置传感器，可以使无刷电机完成正确的换相次序，确保无刷电机安全稳定的运行，满足工业生产需求。 [关键词]无刷直流电机；霍尔传感器
Hall position sensors in the brushless DC motor application [Abstract] Brushless DC motor is as semiconductor technology development and the emergence of new Mechatronics Motor, it is a modern electronic technology, control theory and motor technology combined with the product. Position sensor is a brushless DC motor system of the component parts, its role is to detect the main rotor in motion relative to the position of the stator winding. Hall position sensor has a simple structure, small size, flexible installation, easy mechatronics, low price, is widely used. At present, the Hall IC sensor is a brushless DC motor with a rotor position sensor main. In this thesis, the Hall position sensors in brushless DC motor concrete placement. In order to facilitate research, which tells the story of the brushless DC motor works, Hall effect, the Hall element in the brushless motor commutation process of its implementation and the brushless DC motor speed control PWM method principle, thesis idea is through the analysis phase hall sensor with MMF correspondence between the hall position sensors to obtain the exact placement. By results of verification, accurate positioning of the Hall position sensor after installation, you can make brushless motor commutation can be done right order, to ensure safe and stable operation of the brushless motor to meet industrial production needs. [Key words] Brushless DC motor ;Hall sensor
第四节 传感器的应用实验教案
第四节传感器的应用实验 教学目标： 1、知道二极管的单向导电性和发光二极管的发光特性. 2、知道晶体三极管的放大特性. 3、掌握逻辑电路的基本知识和基本应用. 4、综合实验培养动手能力，体会物理知识实际中的应用. 教学重点： 1、了解斯密特触发器的工作特点，能够分析光控电路的工作原理。 2、温度报警器的电路工作原理 教学难点：光控电路和温度报警器电路的工作原理。 教学方法：PPT课件，演示实验，讲授 教学用具：PPT课件 教学过程： （一）引入新课 随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关、温度报警器、孵小鸡用的恒温箱、路灯的自动控制、银行门口的自动门等，都用到了传感器．传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对电学量的放大，处理均是通过电子元件组成的电路来完成的． 这节课我们就来动手组装光控开关或温度报警器。 （二）新课教学 1．实验1 光控开关 实验原理及知识准备 如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，R G为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R 2为330 kΩ，试分析其工作原理． 工作原理：白天，光强度较大，光敏电阻R G电阻 值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出 端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗 到一定程度时，R G的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升
到某个值（1.6V），输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的 问题：要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？为什么？ 分析：应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V，就需要R G的阻值达到更大，即天色更暗。 问题：用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？ 分析：由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路． 如图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D为动触点，E为静触点．试分析电磁继电器的工作原理． 分析：当线圈A中通电时，铁芯中产 生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动触 点D向下与E接触，将工作电路接通，当 线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔 铁B在弹簧作用下拉起，带动触点D与E 分离，自动切断工作电路． 问题：说明控制电路的工作原理。 分析：天较亮时，光敏电阻R G阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻R G电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，R G阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭． 2．实验2 温度报警器 上一节我们学习了火灾报警器，它是利用烟雾对光的散射作用，使火灾发出的光引起光敏电阻的阻值变化，从而达到报警的目的．这种设计其敏感性是否值