传感器技术应用基础讲稿

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。
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。
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
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”。
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。
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源自敏感元件膜片形变（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。
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
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。
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。
• 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。
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）
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。
• 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
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
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
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。
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。
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
烟气测量
NOX
NO + NO2
H2 S
O2
CO CO2
SO2
HCN HCl H2O HF