第1章 傳感器基礎(chǔ)

1、第第1 1章章 傳感器基礎(chǔ)傳感器基礎(chǔ)2016年1月2要求要求l掌握傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)l掌握傳感器的定義及特點(diǎn)l了解傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)l掌握傳感器的一般組成結(jié)構(gòu)l了解敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及轉(zhuǎn)換電路的基本原理l掌握傳感器的分類及依據(jù)l了解主要傳感器的基本原理l了解傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域和模式，及典型應(yīng)用實(shí)例3目錄目錄1.1 傳感器的概念 1.2 傳感器的基本組成1.3 傳感器的分類1.4 傳感器的工作原理1.5 傳感器的應(yīng)用41.1 傳感器的概念 傳感器的定義 傳感器技術(shù)的特點(diǎn) 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或

2、裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器”。l 傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受(或響應(yīng))與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求的元器件或裝置的總稱。51.1.1 傳感器定義61.1.2 傳感器技術(shù)

3、的特點(diǎn)知識(shí)密集知識(shí)密集性性內(nèi)容離散內(nèi)容離散性性品種龐雜品種龐雜性性功能智能功能智能性性測(cè)試精確測(cè)試精確性性工藝復(fù)雜工藝復(fù)雜性性應(yīng)用廣泛應(yīng)用廣泛性性71.1.3 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)一是開(kāi)發(fā)新材料、新工藝和開(kāi)發(fā)新型傳感器二是實(shí)現(xiàn)傳感器的多功能、高精度、集成化和智能化三是通過(guò)傳感器與其它學(xué)科的交叉整合實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化81.1.3 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)新型傳感器新型傳感器傳感器集成傳感器集成化化智能傳感器智能傳感器多學(xué)科交叉多學(xué)科交叉融合融合加工技術(shù)微加工技術(shù)微精細(xì)化精細(xì)化多傳感器數(shù)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)據(jù)融合技術(shù)91.2 傳感器的組成 傳感器一般組成 敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換電路1.2.1 傳感器的一

4、般組成敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路傳感器一般是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。直接可以感受被測(cè)量的變化，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的元件。敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電參量。上述的電參量進(jìn)入基本轉(zhuǎn)換電路中，就可以轉(zhuǎn)換成電量輸出。1.2.2 敏感元件從感知外界信息的原理可分為：物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。化學(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識(shí)別功能。從基本感知功能可分為：熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路1.2.3 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)

5、化元件指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵鲛D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。它是傳感器的重要組成部分。它的前一環(huán)節(jié)是敏感元件。但有些傳感器的敏感元件與轉(zhuǎn)化元件是合并在一起的，例如，應(yīng)變式傳感器的轉(zhuǎn)化元件是一個(gè)應(yīng)變片。一般的傳感器的轉(zhuǎn)化元件是需要輔助電源的。轉(zhuǎn)換元件又可以細(xì)分為電轉(zhuǎn)換元件和光轉(zhuǎn)換元件。敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路1.2.4 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路：被測(cè)物理量通過(guò)信號(hào)檢測(cè)傳感器后轉(zhuǎn)換為電參數(shù)或電量。主要作用： 將信號(hào)檢測(cè)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，以滿足測(cè)量、記錄儀表的需要； 完成信號(hào)的組合、比較，系統(tǒng)間阻抗匹配及反向等工作，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和控制； 完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換。常用的轉(zhuǎn)換電路有電橋、放大器

6、、濾波器、調(diào)頻電路、阻抗匹配電路等。常用的轉(zhuǎn)換電路有電橋、放大器、濾波器、調(diào)頻電路、阻抗匹配電路等。敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路141.3 傳感器的分類 傳感器分類依據(jù) 傳感器的分類方法1.3.1 傳感器的分類依據(jù) 傳感器的分類依據(jù)：轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；用途；輸出信號(hào)類型制作材料和工藝。1.3.2 傳感器的分類壓力傳感器位置傳感器液面?zhèn)鞲衅髂芎膫鞲衅魉俣葌鞲衅骷铀俣葌鞲衅魃渚€輻射傳感器熱敏傳感器24GHz雷達(dá)傳感器按用途分類按用途分類1.3.2 傳感器的分類按物理工作原理分類按物理工作原理分類振動(dòng)傳感器濕敏傳感器磁敏傳感器氣敏傳感器真空度傳感器生物傳感器1.3.2 傳感器的

7、分類輸出信號(hào)分類輸出信號(hào)分類模擬傳感器-將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。 數(shù)字傳感器-將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。 膺數(shù)字傳感器-將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。 開(kāi)關(guān)傳感器-當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。1.3.2 傳感器的分類按材料分類按材料分類在外界因素的作用下，所有材料都會(huì)作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。按應(yīng)用的材料分類： 按照其所用材料的類別可分為金屬聚合物和陶瓷混合

8、物；按材料的物理性質(zhì)可分為導(dǎo)體絕緣體和半導(dǎo)體磁性材料；按材料的晶體結(jié)構(gòu)可分為單晶、多晶、非晶材料。1.3.2 傳感器的分類制造工藝分類制造工藝分類集成傳感器-用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。 薄膜傳感器-通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。厚膜傳感器-利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。 陶瓷傳感器-采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。211.4 傳感器的工作原理 物理

9、型傳感器工作原理 化學(xué)型傳感器工作原理 生物型傳感器工作原理 能量控制型傳感器工作原理 能量轉(zhuǎn)換型傳感器工作原理1.4.1 物理型傳感器的工作原理物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。主要物理特性：電參量式：包括電阻、電感、電容；磁電式：包括磁電感應(yīng)、霍爾、磁柵；壓電式：包括聲波、超聲波；光電式：包括光電、光柵、激光、光導(dǎo)纖維、紅外、攝像；氣電式：包括電位器、應(yīng)變；熱電式：包括熱電偶、熱電阻；波式：包括超聲波、微波；射線式：包括熱輻射、射線；半導(dǎo)體式：包括霍耳器件、熱敏電阻；其它包括差動(dòng)變壓器、振弦等。

10、1.結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器是以結(jié)構(gòu)（如形狀、尺寸等）為基礎(chǔ)，利用某些物理規(guī)律來(lái)感受（敏感）被測(cè)量，井將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。例如電容式壓力傳感器：必須有按規(guī)定參數(shù)設(shè)計(jì)制成的電容式敏感元件，當(dāng)被測(cè)壓力作用在電容式敏感元件的動(dòng)極板上時(shí)，引起電容間隙的變化導(dǎo)致電容值的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。1.4.1 物理型傳感器的工作原理電容式壓力傳感器工作原理：電容式壓力傳感器工作原理：一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個(gè)電極，當(dāng)薄膜感受壓力而變形時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路測(cè)量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號(hào)?？煞譃閱坞娙菔綁毫鞲衅骱筒顒?dòng)電容式壓力傳感器

11、。1.4.1 物理型傳感器的工作原理1.結(jié)構(gòu)型傳感器圖1-1 電容壓力傳感器1.4.1 物理型傳感器的工作原理物性型傳感器就是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)感受（敏感）被測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)的傳感器。2.物理型傳感器例如壓電式傳感器：利用石英晶體材料本身具有的正壓電效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力測(cè)量的；利用半導(dǎo)體材料在被測(cè)壓力作用下引起其內(nèi)部應(yīng)力變化導(dǎo)致其電阻值變化制成的壓阻式傳感器，就是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力測(cè)量的。壓電式壓力傳感器的原理壓電式壓力傳感器的原理-壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：壓電材料在受壓時(shí)會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷量與所受的壓力成正比。1.4.1 物理型傳感器的工

12、作原理2.物理型傳感器圖1-2 壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1.4.2 化學(xué)型傳感器的工作原理化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。圖1-3 場(chǎng)效應(yīng)化學(xué)傳感器工作原理1.4.3 生物型傳感器的工作原理生物體中能夠選擇性地分辨特定特質(zhì)的物質(zhì)有酶、抗體、組織、細(xì)胞等。這些分子識(shí)別功能物質(zhì)通過(guò)識(shí)別過(guò)程可與被測(cè)目標(biāo)結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原的結(jié)合、酶與基質(zhì)的結(jié)合。生物傳感器：由分子識(shí)別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成，以分子識(shí)別部分去識(shí)別被測(cè)目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。圖1-4 生物型傳感器1.4.4 能

13、量控制型傳感器的工作原理能量控制型傳感器又稱為無(wú)源式、他源式或參量式傳感器。在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要先供給能量即從外部供給輔助能源使傳感器工作，并且由被測(cè)量來(lái)控制外部供給能量的變化等。如：電阻式、電容式、電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、熱敏電阻、光電管、光敏電阻、濕敏電阻、磁敏電阻等，基于應(yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等。舉例-電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器-電阻應(yīng)變效應(yīng)：電阻應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，其電阻值也隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。1.4.4 能量控制型傳感器的工作原理圖1-5 各種應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖a)金屬絲式應(yīng)變片

14、b)金屬箔式應(yīng)變片c)體型半導(dǎo)體應(yīng)變片1基片2Si片3引線1.4.5 能量轉(zhuǎn)換型傳感器的工作原理能量轉(zhuǎn)換型傳感器：主要由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)等的傳感器都屬于此類傳感器。在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)不需要另外提供能量，直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量，把輸入信號(hào)能量變換為另一種形式的能量輸出使其工作。有源傳感器類似一臺(tái)微型發(fā)電機(jī)，它能將輸入的非電能量轉(zhuǎn)換成電能輸出，傳感器本身勿需外加電源，信號(hào)能量直接從被測(cè)對(duì)象取得。因此只要配上必要的放大器就能推動(dòng)顯示記錄儀表。如：壓電式、壓磁式、電磁式、電動(dòng)式、熱電偶、光電池、霍爾元件、磁致伸縮式、電致伸縮式、靜電式等傳感器。能量

15、控制型能量轉(zhuǎn)換型應(yīng)變效應(yīng)（應(yīng)變片）壓電效應(yīng)（壓電式）壓阻效應(yīng)（應(yīng)變片）壓磁效應(yīng)（壓磁式）熱阻效應(yīng)（熱電阻、熱敏電阻）熱電效應(yīng)（熱電偶）磁阻效應(yīng)（磁敏電阻）電磁效應(yīng)（磁電式）內(nèi)光電效應(yīng)（光敏電阻）光生伏特效應(yīng)（光電池）霍爾效應(yīng)（霍爾元件）熱磁效應(yīng)電容（電容式）熱電磁效應(yīng)電感（電感式）靜電式傳感器的工作原理按能量關(guān)系分類：1.4.5 能量轉(zhuǎn)換型型傳感器的工作原理331.5 傳感器的應(yīng)用 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 傳感器的應(yīng)用舉例1.5.1 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)的測(cè)量與的測(cè)量與控制控制汽車電控汽車電控系統(tǒng)系統(tǒng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域領(lǐng)域環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)境監(jiān)測(cè)軍事方面軍事方面通信電子通信電子產(chǎn)品產(chǎn)品家用電器

16、家用電器科學(xué)研究科學(xué)研究智能建筑智能建筑1.5.1 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域1.5.2 傳感器的應(yīng)用舉例1. 溫度傳感器溫度傳感器是利用物體的物理特性獲取溫度變化信息的，主要采用的物理原理有：隨物體的熱膨脹相對(duì)變化而引起的體積變化蒸氣壓的溫度變化電極的溫度變化熱電偶產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)光電效應(yīng)熱電效應(yīng)介電常數(shù)、導(dǎo)磁率的溫度變化物質(zhì)的變色、融解強(qiáng)性振動(dòng)溫度變化熱放射熱噪聲1.5.2 傳感器的應(yīng)用舉例1. 溫度傳感器最常見(jiàn)的有兩種溫度傳感器：熱敏電阻溫度傳感器：熱敏電阻利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成。在溫度傳感器中應(yīng)用最多的有熱電偶、熱電阻（如鉑、銅電阻溫度計(jì)等）和熱敏電阻。熱敏電阻發(fā)展最為迅速

17、，由于其性能得到不斷改進(jìn)，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場(chǎng)合下（-40350）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。IC溫度傳感器：集成溫度傳感器利用PN結(jié)的電流、電壓特性與溫度的關(guān)系測(cè)溫，一般測(cè)量溫度 150。集成溫度傳感器把熱敏晶體管和外圍電路、放大器、偏置電路及線性電路制作在同一芯片上。當(dāng)發(fā)射極電流密度維持恒定比率時(shí)，晶體管對(duì)的基極-發(fā)射極間電壓VBE的差與溫度呈線性關(guān)系。常見(jiàn)的IC溫度傳感器包括電壓型IC溫度傳感器、電流型IC溫度傳感器、數(shù)字輸出型IC溫度傳感器等。1.5.2 傳感器的應(yīng)用舉例2. 觸摸屏觸摸屏：是一種定位設(shè)備，是改善人與計(jì)算機(jī)的交互方式。當(dāng)用戶用手指或者其它設(shè)備觸摸安裝在計(jì)算

18、機(jī)顯示器前面的觸摸屏?xí)r，所摸到的位置以坐標(biāo)形式被觸摸屏控制器檢測(cè)到，通過(guò)串口或USB口送到CPU，確定用戶的輸入信息。嵌入式系統(tǒng)中的觸摸屏分為三種：電阻式電容式電感式其中電阻式和電容式觸摸屏較為常用。1.5.2 傳感器的應(yīng)用舉例2. 觸摸屏電阻技術(shù)觸摸屏：是一種對(duì)外界完全隔離的工作環(huán)境，不怕灰塵、水汽和油污，可以用任何物體來(lái)觸摸，比較適合工業(yè)控制領(lǐng)域及辦公室內(nèi)有限人的使用。四線電阻觸摸屏的工作原理：圖1-6 觸摸屏工作原理1.5.2 傳感器的應(yīng)用舉例2. 觸摸屏電容式觸摸屏：是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層ITO，最外層是一薄層玻璃保護(hù)層，夾層ITO涂層作為工作面,四個(gè)角上引出四個(gè)電極，內(nèi)層ITO為屏蔽層以保證良好的工作環(huán)境。工作原理：利用人體電流感應(yīng)進(jìn)行工作。當(dāng)手指觸摸在金屬層上時(shí)，由于人體電場(chǎng)，用戶和觸摸屏表面形成一個(gè)耦合電容，對(duì)于高頻電流來(lái)說(shuō)，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點(diǎn)吸走一個(gè)很小的電流。這個(gè)電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個(gè)電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過(guò)對(duì)這四個(gè)電流比例的精確計(jì)算，得出觸摸點(diǎn)位置。特點(diǎn)：電容觸摸屏透光率和清晰度優(yōu)于四線電阻屏，不過(guò)比五線電阻屏差。電容屏反光嚴(yán)重，它采用的四層復(fù)合觸摸屏對(duì)各波長(zhǎng)光的透光率不均勻，存在色彩失真，由于光線在各層間反射，造成