第六章 传感器.
第六章 新型红外传感器要点
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敏感材料与传感器 课程组
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红外探测器（或红外传感器）研究历史（续）
1917 年 ,T.W. 卡斯发明 TiS 光电型红外探测器 , 但长波限仅到 1.1 微米。 30年代末期，德国人研究 PbS光导型探测器，室温工作时长波限为 3微米， 液氮温度时可到5微米。第二次世界大战之后，相继研制成PbTe和PbSe光 电型探测器，响应波长延伸到 7微米。50年代起 ,由于半导体物理学的发 展，光电型探测器所能探测的波长不断延伸。对于有重要技术用途的 1～13微米波段和限于实验室应用的13～1000微米波段，都有适当的光电 型探测器可供使用。 60 年代起 , 又研究成 Hg1-xCdxTe 三元半导体红外探测 器，配制不同组分x的材料,可以制得不同响应波长的红外探测器。 整流型红外探测器也是60年代开始问世的。由于激光的出现,就有可能利 用外差技术进行接收。因此,把微波波段用的结型检波器推广应用到更高 的频率范围，即短毫米波和亚毫米波。
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通过一海里长度的大气透过率曲线
“生命光波”
8-14μm波段的光线与人体发射出来的远红外线的波长相近，能与生 物体内细胞的水分子产生最有效的共振，同时具备渗透功能。
——卢思浩《愿有人陪你一起颠沛流离》
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目
录
一、红外辐射的基本知识
二、红外传感器
三、非致冷红外传感器
四、红外技术应用举例
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红外探测器（或红外传感器）研究历史
1800年，F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在。当时，他 使用的是水银温度计，即最原始的热敏型红外探测器。 1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应 (也称塞贝克效应 )， 制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器。称作温差电 型红外探测器 (也称真空温差电偶 )。其后，又从单个温差电偶发展成 多个电偶串联的温差电堆。 1880年，S.P.兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种 热敏型红外探测器,称为测辐射热计。 1947年,M.J.E.高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器 （又称高莱管）。 在40年代，又用半导体材料制作温差电型红外探测器和测辐射热计， 使这两种探测器的性能比原来使用半金属或金属时得到很大的改进。 半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。
2019年高考物理一轮复习知识梳理：选修3-2 第六章 传感器
第六章传感器第44讲传感器及其工作原理(注：①考纲要求中Ⅰ代表了解和认识，Ⅱ代表理解和应用；②命题难度中的A代表容易，B代表中等，C代表难)总结, 1.小结：传感器以选择题的形式进行考查，侧重考查对传感器的认识．2．复习指导：复习时注意掌握传感器的概念和性质，能将分析动态变化电路的方法与传感器结合起来进行分析；对于涉及多个知识点，多个物理元件的问题，要善于将复杂的问题转化为一个个小问题，逐步理解清楚，再综合分析.1.传感器一般概念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________量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等________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．传感器是一种采集信息的重要器件．一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换为________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：________、________、________、力传感器等．2．常见传感器元件a．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，光敏电阻能够把________这个光学量转换为电阻这个电学量．它就像人的眼睛，可以看到光线的强弱．b．金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而________，用金属丝可以制作________传感器．它能把________这个热学量转换为________这个电学量．热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而________．与热敏电阻相比，金属热电阻的________好，测温范围________，但________较差．c．电容式位移传感器能够把物体的________这个力学量转换为________这个电学量．d．霍尔元件能够把________这个磁学量转换为电压这个电学量．1.传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如位移、速度、力、温度、湿度、流量、声强、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、处理和自动控制了．2．工作过程如图：3．传感器的分类a．力电传感器b．热电传感器c．光电传感器d．声电传感器e．电容式传感器f．磁电传感器g．超声波传感器h．气敏传感器等·针对训练·(13年江苏高考)在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图所示．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻R M发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时( )A．R M变大，且R越大，U增大越明显B．R M变大，且R越小，U增大越明显C．R M变小，且R越大，U增大越明显D．R M变小，且R越小，U增大越明显【测量目标】本题考查了传感器及其工作原理，测量了考生的推理能力．【练练手】·举一反三·传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻将热学量转换为电学量．热敏电阻随温度变化的图象如图实甲所示，图乙是由热敏电阻R1作为传感器制作的简单自动报警器线路图．问：(1)为了使温度过高时报警器铃响，c应接在______(选填“a”或“b”)．(2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P点向________移动(选填“左”或“右”)．【测量目标】本题考查了传感器及其工作原理，测量了考生的理解和分析综合能力．·触类旁通·如图甲所示，将导体置于磁场中，沿垂直磁场方向通入电流，在导体中垂直于电流和磁场的方向上会产生一个电势差U H，这种现象叫霍尔效应．导体中单位体积内的自由电荷数目为n，自由电荷所带电荷量为q，把k＝1nq定义为霍尔系数，利用k已知的霍尔元件制成探头，其工作面(相当于图甲中垂直磁场的abb′a′面)可以做到很小，可用来较精确的测量空间某一位置的磁感应强度．如图乙所示为一种利用霍尔效应测磁感应强度的一起，其中的探头固定在探杆的前端，且使探头的工作面与探杆垂直．(1)在利用上述仪器测量磁感应强度的过程中，对探杆在磁场中的放置方位有何要求____________________．(2)该仪器既可以控制通过探头的电流I的大小，又可以测出所产生的电势差U H，并自动计算出探头所测位置磁感应强度大小．要计算磁感应强度，除了k、I、U H外，还需要知道哪个物理量______．(请填写下面选项前的字母)A．探头沿磁场方向的厚度lB．探头产生电势差两面间的距离hC．探头沿电流方向的长度L用上述物理量表示所测磁感应强度大小B＝______．【测量目标】本题考查了传感器及其工作原理，测量了考生的分析综合能力．1．(多选)(16年桂林模拟)计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息．光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是( )第1题图A．当有光照射R1时，处理系统获得低电压B．当有光照射R1时，处理系统获得高电压C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次2．下面哪些技术涉及到传感器的应用( )A．宾馆的自动门B．工厂、电站的静电除尘C．家用电饭煲的跳闸和保温D．声控开关3．在街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的( )A．压敏性B．光敏性C．热敏性D．三种特性都利用4．光电门传感器为门式结构，如图所示．A管发射红外线，B 管接收红外线．A、B之间无挡光物体时，电路断开；有物体经过A、B之间时B管挡被光，电路接通．计算机根据挡光物体的______________和________，自动算出物体的________．。
第六章传感器 第1节 随堂基础巩固
第六章传感器第1节随堂基础巩固1．关于传感器，下列说法正确的是() A．所有传感器的材料都是由半导体材料做成的B．金属材料也可以制成传感器C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D．以上说法都不正确解析：半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以A错，B正确。
传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，所以C错。
答案：B2．用多用电表的同一挡位测量热敏电阻和光敏电阻的阻值时，下列说法正确的是() A．测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越大B．测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越小C．测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越大D．测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越小解析：根据热敏电阻的特点，温度越高电阻越小，多用表指针偏角越大，A对B错；由光敏电阻的特点，光照越弱，电阻越大，偏角越小，C错D对。
答案：AD3.为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图6－1－7所示的流量计。
该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口。
在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极。
污水充满管口从左向图6－1－7 右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U。
若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法中正确的是() A．若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高B．若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高C．污水中离子浓度越高电压表的示数将越大D．污水流量Q与U成正比，与a、b无关解析：由左手定则可以判断出正离子较多时，正离子受到的洛伦兹力使其向后表面偏转聚集而导致后表面电势升高，同理负离子较多时，负离子向前表面偏转聚集而导致前表面电势低，故A、B错误。
设前、后表面间的最高电压为U，则qUb＝q v B，所以U＝v Bb，由此可知U与离子浓度无关，故C错，因Q＝v bc，而U＝v Bb，所以Q＝Uc/B，D正确。
第六章 温度测量--热电阻传感器
电阻式温度传感器电阻式传感器广泛应用于测量-200～960℃范围内的温度。
它是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而变化原理而工作的，用仪表测量出电阻的变化，从而得到与电阻值相对应的温度值。
电阻式传感器按照其制造材料分可分为：金属（铂和铜）热电阻及半导体热电阻(热敏电阻)两大类。
一、 常用的金属热电阻金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的升高而增大的原理进行测温的。
温度是分子平均动能的标志，当温度升高，金属晶格的动能增加，从而导致振动加剧，使自由电子通过金属内部时阻碍增加，金属导电能力下降，即电阻增加。
通过测量导体的电阻变化情况就可以得到温度变化情况。
最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图7-1所示。
主要制造材料是铂和铜。
测量温度范围-220～+850℃。
在特殊情况下，低温可测量至1K （-272℃），高温可测量至1000℃。
1、铂热电阻铂热电阻是目前公认的制造热电阻最好的材料，它性能稳定，重复性好，长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温复现性最好的一种温度计。
同时其测量精度高。
在氧化性介质中、甚至在高温下，其物理、化学性能都很稳定，其阻值与温度之间几乎成线性变化。
但其在还原性介质中，特别是高温易从氧化物中还原出来的气体所污染，改变它的电阻与温度关系，此外其电阻温度系数小，价格较高。
因此，主要作为标准电阻温度计和高精度温度测量。
铂电阻的精度与铂的提纯程度有关，因此铂电阻的纯度是以W （100）表示：100)100(R R W =（6-1） W （100）越高，表示铂丝纯度越高。
国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W （100）≥1.3925。
目前技术水平已达到W （100）＝1.3930，工业用铂电阻的纯度W （100）为1.387～1.390。
中国常用的铂电阻有两种，分度号分别为Pt50和Pt100。
即在0℃时电阻分别为50Ω和100Ω。
机器人学基础 第6章 机器人传感器 蔡自兴
Compound Force: detect forces along multiple directions.
Proximity: non-contact detection of objects. Simple Vision: detect feature such as holes, lines, and corners. Compound Vision: recognition of object.
6.1 Introduction to Robot Sensors
5
6.1 Introduction to Robot Sensors 6.2 Internal Sensors（内部传感器）
6.3 External Sensors（外部传感器）
6.4 Robot Sensor Application Considerations
4
6.1.1 Classification of Robot Sensors Most needed sensory abilities for robot:
Simple Touch: detect whether the object is there or not. Compound Touch: detect the size and shape of the object. Simple Force: detect force along one direction.
6.2 Internal Sensors
13
2．Relative Angle Sensor
In this approach, no matter the clockwise (CW) rotation, or counter-clockwise (CCW) rotation, output of the sensing light always alternate between H and L, so we can not get the direction of rotation.
传感器及其应用PPT
问题引入
音乐茶杯：茶杯平放桌上时，无声无息，提起茶杯，茶杯边播放 悦耳的音乐，边闪烁着五彩的光芒。怎么回事
用书挡住底部（不与底部接触），音乐停止，可见音乐 茶杯受光照强度的控制。
光照变化（光强变化）光照时光敏电阻阻值减小 电路接通，音乐响起。
列举生活中的一些自动控制实例，
遥控器控制电视开关；日光控制路灯的开关 声音强弱控制走廊照明灯开关；自动门安检门等
热敏电阻能够把 温度这个热学量转换成为电阻 这个电学量
3）应用：电阻温度计、报警器等
例题2、如图是一个温度传感器的原理示意图,Rt 是一个热敏电阻器。试说明传感器是如何把温度
值转变为电信号的。
Rt
R
V
思考方向：1、两电阻采取什么连接方式？ 2、转变的电信号应该是哪个电学量？ 3、电压表测的是哪个电阻的电压？
两端的电压U的变化情况是（B ）
A. I 变大，U 变大 B. I 变小，U 变小
C. I 变小，U 变大 D. I 变大，U 变小
a E r
b
A
R2
R1
R3
4、电容式位移传感器
电容器极板
x
电介质板
被测物体
电容式位移传感器示意图
电容式位移传感器能够把物体_位__移__这个力学量 转换为__电_容__这个电学量
现有下列器材：力电转换器、质量为 m0 的砝码、电压表、 滑动变阻器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可 置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体的测量 m 。 （1）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使 电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。
音乐茶杯的工作开关又在哪里？开启的条件是什么？
第6章压电式传感器习题
则当输出电压U°=2V时，振动加速度为
a=Uo/K=2 xi03/250=8(g)
F=PS=10>106X20>0-6=200(N)歼4.5,d11=2.31>012C/N
(1)0°切割石英晶体, 等效电容
0rS
Cah =7.97 X1014(F)
8.85 10
3
10 10
受力F产生电荷
Q=diiF=2.31 X1012>200=462 >102(C)=462pC
输出电压
(2)利用纵向效应的
极板并联。若所加力F=0.01sin(1000t)N，求：
(1)两极板间电压峰 一峰值；
(2)晶体厚度的最大变化。
解：(1)石英压电晶片的电容
C
Ca-
d
=4.514 XI0-12(F)
~4.5pF
由于Ra=1014Q,并联电容R并=100MQ=108Q
则总电阻
总电容
又因
所以
d11FmR
.1 RC
=0.756K03(V)=0.756mV
=0.205n
则怕=0.205f0=0.205 30=6.15(kHz)
压电式加速度传感器下限截止频率取决于前置放大器特性,
/n
2—
2%
(取等号计算)
0.981
)2=0.9604+0.9604( )2
()2=24.25
=4.924
3=4.924/tfL=3/2n=4.924/(2)=4.924/(2 RC)=4.924/(2X5X108X109)=1.57(Hz)
输出电压
8
Q
C
传感器原理及应用第六章 磁电式传感器
两者工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起 振动时, 由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振动频率 足够高（远大于传感器固有频率）时, 运动部件惯性很大, 来 不及随振动体一起振动, 近乎静止不动, 振动能量几乎全被弹 簧吸收, 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振 动速度, 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电 势为
（一）磁电感应式传感器的工作原理
电磁式传感器工作原理
当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿 过线圈的磁通为Ф，则整个线圈中所产生的感应电动势e为
e W d dt
（二）磁电感应式传感器的结构及特点
1、磁电感应式传感器的结构
磁电式传感器基本上由以下三部分组成： ①磁路系统：它产生一个恒定的直流磁场，为了减小传感器 体积，一般都采用永久磁铁； ②线圈：它与磁铁中的磁通相交产生感应电动势； ③运动机构：它感受被测体的运动使线圈磁通发生变化。
式(7 - 7)可得近似值:
γt ≈(-4.5%)/10 ℃
(Hale Waihona Puke - 8)这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿。 补偿通常采
用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁
性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一
小部分。当温度升高时, 热磁分流器的磁导率显著下降, 经它
分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 从
而保持空气隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度为
常数。
（三）磁电感应式传感器的转换电路
磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高 的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是 速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积 分或微分电路。 图为一般测量电路方框图
机器人学基础 第6章 机器人传感器 蔡自兴
L(2e E ) x E
6.2 Internal Sensors
8
2. Rotary encoder
A rotary encoder, also called a shaft encoder, is an electromechanical device that converts the angular position of a shaft or axle to an analog or digital code, making it an angle transducer.
6.1 Introduction to Robot Sensors
3
6.1.1 Classification of Robot Sensors Robot sensors can be divided into two main categories: Internal state
Detect position and orientation in the coordinate of the robot itself, deal with the detection of variables such as arm joint position, velocity, and acceleration.
Compound Force: detect forces along multiple directions.
Proximity: non-contact detection of objects. Simple Vision: detect feature such as holes, lines, and corners. Compound Vision: recognition of object.
第六章 压电式传感器
1 CR
2
i
d 33 Fm C
2
arctan RC
当R无限大时 电压幅值比：
U im Um
Um
RC
1 1 RC
CR 2 1
U im 1 2 Um 1 1 i arctan 1 2
第六章：压电式传感器
主讲人：贾鹤萍
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些 电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质 表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能 变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力 、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信 噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固 、可靠性、稳定性高。
1、工作原理--压电效应
图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式
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1、工作原理--压电效应 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 压电晶体（如上述的石英晶体）； 经过极化处理的压电陶瓷； 高分子压电材料。
1、工作原理----石英晶体 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，
Z轴为光轴，是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体 不产生双折射现象。
q1 q11 q12 q13 q14 q15 q16
q1 d111 d12 2 d13 3 d14 4 d15 5 d16 6 q2 d211 d22 2 d23 3 d24 4 d25 5 d26 6 q3 d311 d32 2 d33 3 d34 4 d35 5 d36 6 [D] 1