北京交通大學(xué)教學(xué)課件-敏感器件設(shè)計(jì)

敏感器件設(shè)計(jì)敏感器件設(shè)計(jì)是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括航空航天、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測等。課程導(dǎo)入歡迎來到敏感器件設(shè)計(jì)課程！1.敏感器件概述感知外界信息敏感器件將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于感知外界環(huán)境變化。傳遞信息敏感器件是信息傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將物理量轉(zhuǎn)換為可測量的電信號(hào)。廣泛應(yīng)用敏感器件廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等。1.1敏感器件的定義定義敏感器件是一種能夠?qū)⑽锢砹炕蚧瘜W(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。作用它將物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為可被測量和處理的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測量的監(jiān)控和控制。1.2敏感器件的分類1按測量物理量分類根據(jù)敏感器件所測量的物理量進(jìn)行分類，例如壓力傳感器、溫度傳感器、光傳感器等。2按工作原理分類根據(jù)敏感器件的工作原理進(jìn)行分類，例如電阻傳感器、電容傳感器、電感傳感器等。3按應(yīng)用領(lǐng)域分類根據(jù)敏感器件的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類，例如工業(yè)自動(dòng)化傳感器、醫(yī)療傳感器、環(huán)境監(jiān)測傳感器等。4按輸出信號(hào)分類根據(jù)敏感器件的輸出信號(hào)進(jìn)行分類，例如模擬傳感器、數(shù)字傳感器等。1.3敏感器件的特性靈敏度指敏感器件對(duì)被測量的變化做出響應(yīng)的能力，反映了輸出量變化與輸入量變化之間的關(guān)系。準(zhǔn)確度指敏感器件輸出值與實(shí)際測量值之間的誤差，反映了敏感器件測量結(jié)果的可靠性。響應(yīng)時(shí)間指敏感器件從接收到輸入信號(hào)到輸出信號(hào)發(fā)生變化所需要的時(shí)間，反映了敏感器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。2.電阻傳感器電阻傳感器的定義電阻傳感器是一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。電阻傳感器的原理是利用各種材料的電阻值隨溫度、光照、壓力、應(yīng)變等物理量的變化而變化的特性。電阻傳感器的分類根據(jù)敏感材料的不同，電阻傳感器可以分為熱敏電阻、光敏電阻、應(yīng)變電阻等類型。2.1熱敏電阻溫度計(jì)將熱敏電阻作為溫度傳感元件，用于測量溫度變化。恒溫器利用熱敏電阻的溫度特性，控制加熱或冷卻系統(tǒng)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，確保正常運(yùn)行。2.2光敏電阻光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻利用光照射后電阻值發(fā)生變化的原理進(jìn)行工作。光敏電阻應(yīng)用廣泛應(yīng)用于光照度測量、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。2.3應(yīng)變電阻1定義應(yīng)變電阻是一種將機(jī)械形變轉(zhuǎn)化為電阻變化的敏感元件。2原理當(dāng)應(yīng)變電阻受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化，這種變化與形變的大小成正比。3應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種力學(xué)測量，例如應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、振動(dòng)和加速度的測量。3.電容傳感器電容傳感器的定義利用電容的變化來測量被測量的物理量，如位移、壓力、濕度等。電容傳感器的原理根據(jù)電容的公式C=εS/d，通過改變電極間距d、介電常數(shù)ε或電極面積S來改變電容值，從而實(shí)現(xiàn)傳感功能。3.1電容式位移傳感器測量原理電容式位移傳感器通過測量兩個(gè)電極之間的電容變化來確定物體的位置或位移變化。結(jié)構(gòu)傳感器通常由兩個(gè)平行電極組成，其中一個(gè)電極固定，另一個(gè)電極與待測物體連接。當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)，電極之間的距離會(huì)發(fā)生變化，從而改變電容值。應(yīng)用電容式位移傳感器應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備和航空航天。例如，它們可用于測量機(jī)器部件的運(yùn)動(dòng)、控制液位和監(jiān)測患者的呼吸。3.2電容式壓力傳感器原理電容式壓力傳感器利用壓力變化導(dǎo)致傳感器電容變化的原理工作。壓力變化會(huì)改變傳感器膜片的形變，進(jìn)而改變其與固定電極之間的距離，從而改變電容值。結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)包括一個(gè)彈性膜片、一個(gè)固定電極和一個(gè)測量電路。壓力作用于膜片，使其發(fā)生形變，改變膜片與固定電極之間的距離，從而改變電容值。優(yōu)點(diǎn)高靈敏度、高精度、響應(yīng)速度快、耐腐蝕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。3.3電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器利用濕度變化對(duì)介電常數(shù)的影響進(jìn)行測量。傳感器通常由兩個(gè)電極組成，電極間充滿介電材料。濕度變化改變介電常數(shù)，進(jìn)而改變電容，從而實(shí)現(xiàn)濕度測量。4.電感傳感器電感傳感器是一種利用電磁感應(yīng)原理工作的傳感器，它通過測量電感量的變化來檢測被測量的物理量變化。電感傳感器工作原理電感傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生變化的磁場，而磁場變化又會(huì)在周圍的空間中感應(yīng)出電流。電感傳感器類型電感傳感器根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，可以分為多種類型，例如可變電感式傳感器、差動(dòng)電感式傳感器、自感式傳感器等。4.1電感式位移傳感器原理利用電感變化來測量位移。當(dāng)被測物體移動(dòng)時(shí)，會(huì)改變線圈的電感值，從而引起電感變化。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、自動(dòng)化控制、航空航天等領(lǐng)域。例如，測量機(jī)器部件的位移，檢測工件的尺寸，控制機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)等。4.2電感式流量傳感器法拉第電磁感應(yīng)定律基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)電流體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與磁場強(qiáng)度、流速和導(dǎo)電率成正比。廣泛應(yīng)用電感式流量傳感器廣泛應(yīng)用于水處理、化工、制藥等領(lǐng)域，用于測量液體或氣體的流量。4.3電感式接近傳感器電感式接近傳感器利用電磁感應(yīng)原理，當(dāng)金屬物體接近傳感器時(shí)，會(huì)改變傳感器線圈的電感，從而產(chǎn)生信號(hào)。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)，如機(jī)械加工、物料搬運(yùn)、自動(dòng)包裝等領(lǐng)域?？蓪?shí)現(xiàn)無接觸檢測，避免機(jī)械磨損，提高可靠性。5.壓電傳感器壓電效應(yīng)當(dāng)某些材料受到壓力或機(jī)械振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電傳感器壓電傳感器利用壓電材料的特性，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。5.1壓電效應(yīng)壓電材料當(dāng)壓電材料受到機(jī)械壓力或拉伸時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指當(dāng)壓電材料受到機(jī)械壓力或拉伸時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。逆壓電效應(yīng)是指當(dāng)壓電材料受到電場作用時(shí)，其會(huì)發(fā)生形變的現(xiàn)象。5.2壓電傳感器結(jié)構(gòu)1壓電元件壓電傳感器核心是壓電元件，它能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。2電極壓電元件兩側(cè)鍍有金屬電極，用于收集產(chǎn)生的電荷。3外殼外殼用于保護(hù)壓電元件，并提供固定和連接方式。4信號(hào)處理電路一些傳感器還包括信號(hào)處理電路，用于放大或?yàn)V波信號(hào)。5.3壓電傳感器應(yīng)用聲學(xué)壓電傳感器廣泛應(yīng)用于麥克風(fēng)、超聲波傳感器等聲學(xué)設(shè)備中。醫(yī)療在醫(yī)療領(lǐng)域，壓電傳感器可用于超聲成像、心電圖監(jiān)測等。工業(yè)工業(yè)領(lǐng)域中，壓電傳感器用于壓力測量、振動(dòng)監(jiān)測、沖擊檢測等。6.光電傳感器光電傳感器原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用以檢測或控制各種物理量。光電傳感器類型光電傳感器分為光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管等。6.1光電轉(zhuǎn)換原理光電效應(yīng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬中的電子吸收光能，從金屬表面逸出成為自由電子的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)光照射到半導(dǎo)體材料上，由于光生載流子濃度的增加，導(dǎo)致材料電導(dǎo)率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光伏效應(yīng)光照射到PN結(jié)上，導(dǎo)致PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。6.2光電傳感器類型光敏二極管光敏二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，當(dāng)光照射到PN結(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電流。光敏二極管的光譜響應(yīng)范圍較廣，可以檢測到從紫外線到紅外線的光。它們?cè)诠怆娞綔y、光學(xué)測量和光通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。光敏三極管光敏三極管是一種具有光敏特性的三極管，其結(jié)構(gòu)類似于普通三極管，但基區(qū)是透明的。當(dāng)光照射到基區(qū)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電流，放大輸入光信號(hào)并輸出電流信號(hào)。光敏三極管具有更高的光敏度和靈敏度，常用于光電開關(guān)、光學(xué)測量和光通信系統(tǒng)。光電倍增管光電倍增管是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大的器件，它基于光電效應(yīng)和電子倍增原理。光電倍增管具有極高的光敏度和靈敏度，可以檢測到非常微弱的光信號(hào)，廣泛應(yīng)用于科研、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域。6.3光電傳感器應(yīng)用自動(dòng)駕駛系統(tǒng)光電傳感器在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，幫助車輛識(shí)別道路標(biāo)志、障礙物和行人。工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)光電傳感器為工業(yè)機(jī)器人提供了“眼睛”，使它們能夠識(shí)別和定位物體，進(jìn)行精確的操作。醫(yī)療設(shè)備光電傳感器在醫(yī)療設(shè)備中用于掃描、診斷和治療，例如光學(xué)顯微鏡、內(nèi)窺鏡和激光治療儀。7.集成電路傳感器集成電路傳感器是將傳感器與電子電路集成在一起，形成一種小型化、智能化的傳感器。這些傳感器具有更高的精度、穩(wěn)定性和可靠性，并在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。7.1MEMS傳感器1微型化MEMS傳感器體積小巧，適合于小型化電子設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)。2低成本MEMS傳感器的制造工藝通常采用批量生產(chǎn)，從而降低了成本。3高性能MEMS傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)和低功耗等優(yōu)勢(shì)。7.2智能傳感器集成微處理器智能傳感器集成了微處理器，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和決策。通信能力智能傳感器可以通過無線或有線方式與其他設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程控制