传感器技术应用基础讲稿

人体系统和机器系统比较
• • • • • 眼（视觉） 耳（听觉） 鼻（嗅觉） 皮肤（触觉） 舌（味觉）
感知外界信息
→
大脑
→
肌体
• 人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些 信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。 • 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机 构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。 • 传感器好比人体感官的延长，因之又称为“电五官”。
X
*
几个典型传感器的图用图形符号
电容式压力 传感器 压电式加速度 传感器 电位器式压力 传感器
Ｐ
a
P
3.4 传感器的分类
传感器分类方法较多,大体有以下几种： 1） 按变换原理的科学范畴分类 物理传感器 化学传感器 生物传感器 ２）按传感器的输出信号分类 模拟传感器 数字传感器（含频率输出、 开关输出）
• 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、 环境保护、资源调查、医学诊断、生物工 程、商 检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以 毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复 杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。 • 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步 方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重 视这一领域的发展。
接近开关引脚的识别
• • • • • • • • 接近开关的输出引线一般应按说明书或标签上给出的接 线图用导线颜色加以识别。在有些品牌的接近开关给出 的接线图上，导线颜色采用英文缩写，分别为： BK（BLACK）黑色：一般为输出线，输出为常开。 BN（BROWN）棕色：一般为电源线，接电源正极。 BU（BLUE）蓝色：一般为电源线，接电源负极。 WH（WHITE）白色：一般为输出线，输出为常闭。 RE（RED） 红色：一般为电源线，接电源正极。 YE（YELLO）黄色：一般为输出线，输出为常闭。 在绝大部分情况下，输出引线为棕、黑、蓝、白等4种 颜色（三线制的为棕、黑、蓝），也有少部分品牌采用 红、蓝、白、黄等4种颜色（三线制的为红、蓝、白）。 此时红、蓝、白、黄等颜色即代替了一般情况下的棕、 黑、蓝、白等颜色，分别作为电源正极、输出常开、电 源负极及输出常闭使用。
700
500 400 300 200 100 0
吸光度/A
波数/cm-1
时间/min
木块加热CO和CO2浓度 变化
木块加热CO2光谱瀑布图
传感器具有以下作用和功能
（1） 测量与数据采集
（2）
（3） （4）
检测与控制
诊断与监测 辅助观测仪器
（5）
（6） （7） （8）
资源探测
环境保护 医疗卫生 家用电器 ……
1.2 电容式接近开关 • 接近开关中的电容由两块平行的金属板构 成。一般可通过改变板之间的距离、相对 面积、或介质属性所引起的电容量变化来 反映相应的位移量变化。
• 电容式接近开关的测量面通常是构成电容器的一 个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳 在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。 当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体， 由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化， 从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电 路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接 通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导 体，可以绝缘的液体或粉状物等。
• 基本电路把电参量接入电路转换成电量;
核心部分是转换元件 , 决定传感器的工作原理。
敏感元件 –敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分
转换元件 –转换元件是指传感器中能将敏感元件的输出量转换为适于 传输和测量的电信号部分 –使输出为规定的标准信号的装臵称为变送器
被测量 电参量 转换元件
以上定义表明传感器有以下含义：
能按一定规律将被测量转换成电信号输出；
传感器的输出与输入之间存在确定的关系；
按使用的场合不同又称为: 变换器、换能器、探测器。
3.2 传感器的组成
传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：
电参量
被测量
敏感元件 转换元件 基本电路
电量输出
• 敏感元件感受被测量; • 转换元件将响应的被测量转换成电参量;
接近开关的基本形状 a)圆柱形 b)方形
• 接近开关的输出元件一般是晶体三极管，根据晶 体管的类型不同，接近开关分为NPN型输出或PNP 型输出，在连接到PLC上时应注意选择合适的类型。
接近开关输出电路 a）NPN型 b）PNP型
接近开关引脚的输出形式
• 接近开关引出的接线根据接近开关的输出形式的 不同，分为2线、3线及4线等几种。 1）两线制接近开关 • 有源两线制接近开关分直流与交流，此类接近开 关的特点就是引出线为两根线，负载与接近开关 串联后接到电源上。直流两线制接近开关分二极 管极性保护与整流桥极性保护，前者在接电源时 需要注意极性，后者就不需要注意极性。交流两 线制接近开关就不需要注意极性。
二、常用传感器及其应用
– – – – – – 接近开关 超声波传感器 火灾传感器 光传感器在智能照明控制系统中的应用 智能小区周边防范系统 无线传感器网络在安防报警领域中的应用
1.常用的接近开关应用简介
• 在各类开关中，有一种对接近它的物体有感知能 力的元件——位移传感器。利用位移传感器对接 近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的， 这就是接近开关。当有物体移向接近开关，并接 近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开 关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。 不同的接近开关检出距离也不同。
工业生产
机器人 视觉: 平面、立体
非 视 觉 : 触 觉 、 热觉、力觉、 接近觉、…
智能玩具
军事领域
阿富汗参加反恐作战的“赫耳 墨斯”价值4万美元，可携带2 架摄像机，发挥了很好作用。
高性能武器平台的基础
精确打击
医疗诊断
家用电器
遥控器
液化气烟雾报警器
智能洗衣机
传感器技术应用基础
上海电机学院 仲葆文
2011.8.3
一、传感器的概念
– 什么是传感器 – 传感器的作用和地位 – 传感器的定义、组成和分类方法
1. 什么是传感器
在我们日常生活中，使用着各种各样的传感 器:
– 电冰箱、电饭煲中的温度传感器； – 空调中的温度和湿度传感器； – 煤气灶中的煤气泄漏传感器； – 水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器； – 照相机中的光传感器； – 汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。
振荡电路中的线圈L产生一个高频磁场。当目标物接近磁 场时，由于电磁感应在目标物中产生一个感应电流（涡电流）。 随着目标物接近传感器，感应电流增强，引起振荡电路中的负 载加大。然后，振荡减弱直至停止。传感器利用振幅检测，并 输出检测信号。
高频磁场 L C 振荡电路
振幅 检测 电路
输出 电路
24V 0V 检测信号
两线制接近开关 a) 二极管极性保护 b) 整流桥极性保护
2）直流三线制（或四线制）接近开关 • 直流三线式接近开关的输出元件是晶体三极管， 当三极管导通时,相当于一个接点（常开或常闭） 导通，此类接近开关的输出引线为3根线。直流四 线制接近开关与三线制相同，只是同时提供一个 常闭和一个常开输出，有4根线引出。
接近开关种类 因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方 法做成，而不同的位移传感器对物体的“感知” 方法也不同，所以常见的接近开关有以下几种： （1） 涡流式接近开关 （2） 电容式接近开关 （3） 霍尔接近开关 （4） 光电式接近开关 （5） 热释电式接近开关
1.1 涡流式接近开关 • 这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导 电物体在接近这个能产生电磁场的接近开关时， 使物体内部产生涡流。 这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参 数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进 而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的 物体必须是导电体。
构成现代信息技术的三大支柱是： 传感器技术（信息采集）； 通信技术 （信息传输）； 计算机技术（信息处理）； 它们在信息系统中分别起到 “感官”、“神经”和“大脑”的作用。 在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的 信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。
目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传 感器对检测和自动化技术所起的作用远比家用电器所 起到的作用大的多。（ FMS、CIMS、无人驾驶汽车、大型发电
３）按传感器的信号变换特征分类 结构型传感器 物性型传感器
4）按传感器的转换原理分类 机—电传感器 光—电传感器 热—电传感器 5）按传感器的能源分类 磁—电传感器 有源传感器（能量转换） 电化学传感器 无源传感器（能量控制）
6）按传感器的被测量分类 位移传感器 压力传感器 温度传感器 流量传感器 速度传感器
烟气wenku.baidu.com量
NOX
NO + NO2
H2 S
O2
CO CO2
SO2
HCN HCl H2O HF
dust soot
NH
HC
Ctotal
火灾探测
吸光度/A
常德大火
波数/cm-1 时间/min
木块加热CO光谱瀑布图
60 50
CO浓度/ppm
1000 CO CO2 900 800 600
CO2浓度/ppm
40 30 20 10 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 t/min 58
元件式传感器组成框图：
结构式传感器组成框图： 被测量
非电量 敏感元件 转换元件
电参量
传感器的组成举例
转换元件
应变片电阻改变
敏感元件
膜片形变（应变）
压 力 作 用
压力传感器
3.3 传感器的图形符号
国标GB/T14479-93规定传感器图用图形符号 表示方法：
正方形表示转换元件, 三角形表示敏感元件； X 表示被测量符号； * 表示转换原理。
接近开关的主要用途 接近开关在航空、航空、航天技术以及工业 生产中都有广泛的应用。 • 在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门， 自动热风机上都有应用。在安全防盗方面，如资 料档案、财会、金融、博物馆、金库等重地，通 常都装有由各种接近开关组成的防盗装臵。在控 制技术中，如位移、速度、加速度的测量和控制， 也都使用着大量的接近开关。
机组监测、过程控制等）
传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、 医疗诊断、军事领域（目标跟踪、导弹制导、自动探测、通信指 挥系统等） 、航空航天（卫星测控、海洋探测） 、现代办公设 备、智能楼宇、生物工程、环境保护、安全防范和家 用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。
现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种 传感器监视和控制生产过程的各个参数，传感器是自 动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术 的水平。
3. 传感器的定义、组成和分类方法
3.1 传感器定义
广义： 传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按 一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装臵。 狭义： 能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 国家标准（GB7665—87） 对传感器（Sensor/transducer）定义是： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出 信号的器件和装臵。
智能楼宇
DDC 泵系统
锅炉系统 照明系统 供暖通风 空气调节
给排水系统
消防系统
环境控制
能量计费 电力监测
保安系统

门禁系统
门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统
射频卡门禁
指纹门禁
湿度测量
木材烘干
芯片生产要求最高的湿度稳定性
纸 品
精确的 烟草烘干
纺 织 品
专为您的需求所设计的 湿度传感器
• 电感式接近开关可以在不与目标物实际接触的情 况下检测靠近传感器的金属目标物。
分类： 通用型：主要检测黑色金属（铁）。 所有金属型：在相同的检测距离内检测任何金属。 有色金属型：主要检测铝一类的有色金属。
电感式接近开关的工作原理 电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触 发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产 生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测 面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量， 使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这二 种状态，转换为电信号通过整形放大转换成二进 制的开关信号，经功率放大后输出。
外 界 信 息
感
官
大
脑
肌
体
传感器
计算机
执行机构
传感器与“五官”的类比
测控系统
电脑 电 五 官
人
大脑
视觉传感器
触觉传感器 嗅觉传感器 听觉传感器 味觉传感器
眼睛
四肢 鼻子 耳朵 舌头 五 官
从广义的角度来说，信号检出器件和 信号处理部分总称为传感器。
测酒仪 指纹仪
2.传感器技术的作用和地位