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传感器课件 第9章

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传感与检测技术_09其他传感器

传感与检测技术_09其他传感器


微波液位计 图9.3为微波液位计示意图,它由相互构成一定角 度、相距为s的发射天线与接收天线组成;
图9.3 微波液位计示意图

接收天线接收到的功率Pr为:
Pt Gt Gr Pr 2 2 4 S 4d
式中： d——两天线与被测液面间的垂直距离； Pt——发射天线发射的功率； Gt——发射天线的增益； Gr——接收天线的增益； S——发射天线与接收天线之间的直线距离。
(1)机械作用
在传播过程中，会引起介质质点运动而使介质 产生交替的压缩和伸张，从而对介质产生了机 械力作用
(2)热学作用
在传播过程中，由于其振动，使介质产生强烈 的同频振动，介质之间因振动产生互相摩擦而 发热，从而使介质的温度升高

超声波传感器构成:超声波发生器和超声波接收器, 主要由压电晶片、吸收块、保护膜等组成;
图9.12 字符1的3×3正、负像

输入字符为I，所得正、负像如图9.13所示
图9.13 字符I的3×3正、负像

工作时得到数字字符1的输入，其正、负像可与已 储存的图像进行比较， 其结果如表9-1


光电探测器 光电探测器件有两种:光导管和光敏二极管 光导管工作机理:其电阻随光照度而变化; 光敏二极工作机理:产生与光照强度成正比的电流

光子红外传感器 光子红外传感器是根据光电效应原理制成的.根据 材料导电特性不同，光子红外传感器可分为光电 导型和光伏特型两种:
(1) 光电导型红外传感器 光电导型红外传感器是根据内光电效应制成的 (2) 光伏特红外传感器 光伏特红外传感器是根据光生伏特效应制成的

红外遥测 运用红外光电传感器遥测装置，可代替空中照相 技术，从空中获取地球环境的各种图像资。 图9.9为现代遥测装置普遍应用的行扫描仪结构 示意图

第九章敏感电子材料

第九章敏感电子材料

湿敏陶瓷的感湿机理
① 电子导电机理
表面离子处于末受异性离子屏蔽的不稳定状态，其电子亲 和力发生变化，表现为表面附近能带上弯(N型)或下弯(P型)、 形成了表面热垒。
表面吸附的强极性水分子可能从半导体表面吸附的O2-或O-
离子吸取电子，甚至从满带中直接俘获电子、因此将引起
晶粒表面电子能态变化，从而导致晶粒表面电阻和整个元
是材料电阻率的变化。对金属材料而言，前一项项是主要 的；对力敏半导体材料，以后一项为主。 过渡层对传感器的灵敏度和可靠性影响极大； 金属(合金)应变计大都采用箔式应变片。
4
9.2.2 半导体力敏材料
作为半导体力敏材料使用的主要是单晶硅；
压阻效应:当外力作用在单晶硅上时，硅单晶体的电阻率生 显著变化。半导体力敏材料的力-电转换指标是压阻系数G。
件的电阻变化。
19
20
② 质子导电机理
质子导电理论把水分子在晶粒表面的吸附分为三个阶段，
① 少量水分子首先在颗粒之间的颈部吸附，表面化学吸附水的一 个羟基首先与高价金属阳离子结合，离解出的H+与表面的氧离 子形成第二个羟基，羟基离解后质子(H+)由一个位置向另一个 位置移动，形成质子导电。
② 水蒸气物理吸附在羟基上，形成多水分子层。由于水分子的极 化，水分子层越多，介电常数越高。介电常数(或电容量)随相 对湿度的变化呈可逆变化，介电常数的增加，导致离解水分子 所需的能量减少，促进离解。
① NTC热敏材料的导电机理
NTC半导瓷一般均为尖晶石结构．其通式为AB2O4。 正尖晶石结构→绝缘体，反尖晶石结构或部分反尖晶石结构→半导体
电子过程
引入Co、Cu、Fe等变价离子F ，
Mn2++F3+ → Mn3++F2+ 或Mn 4++F2+ → Mn3++F3+

第九章 霍尔传感器

第九章 霍尔传感器

2019/9/4
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（二）合理选择负载电阻
如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL， 则当温度为T时，RL上的电压可表示为：
UL
UH
RL RL R0
式中
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R0—霍尔元件的输出电阻。
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当温度由T变为T+ΔT时，则RL上的电压变为
UL

U L
UH
(1 T )
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• 图（b）则是在输 出回路进行温度补偿 的电路，当温度变化 时，用Rt的变化来抵 消霍尔电势UH和输出 电阻R0变化对负载电 阻RL上的电压UL的影 响。 在安装测量电路
时，应使热敏元件和 霍尔元件的温度一致。
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三、不等位电势的补偿
不等位电势是霍尔元件在加
I B
A FE
D
FL
B
C
dL
l
UH
A、B- 霍尔电极 C、D-控制电极
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霍尔系数及灵敏度 令
则
RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。 由于金属导体内的载流子浓度大于半导
体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔
系数大于导体。
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令
则
KH为霍尔元件的灵敏度。 由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅
＝0和室温（20 5）℃时，用欧姆表等
测量。
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4、不等位电势UM和不等位电阻RM
在额定控制电流 Ic 之下，不加磁
B＝0时，霍尔电极间的空载霍尔电势
UH≠0，称为不平衡(不等位)电势，单
位为mV。一般要求霍尔元件的UH<1mV，

第9章超声波传感器及应用55页PPT

第9章超声波传感器及应用55页PPT

3.超声波的反射和折射
超声波从一种介质传播到另一介质，在 两个介质的分界面上一部分能量被反射 回原介质，叫做反射波，另一部分透射 过界面，在另一种介质内部继续传播， 则叫做折射波。这样的两种情况分别称 之为声波的反射和折射，
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波的反射和折射
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（1）反射定律
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各种双晶直探头
焦距范围：5~40mm, 频率范围： 2.5~5MHz，钢中折射角：45 ~70
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表面波
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2.声速、波长与指向性
（1）声速 纵波、横波及表面波的传播速度取决于
介质的弹性系数、介质的密度以及声阻 抗。
介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速 c的乘积，即
Z=ρc
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常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温 度为0℃）
材料 钢
密度 ρ(103kg·m-
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2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
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3.超声波
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
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超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中 的特点。
超声波加湿器
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超声波雾化器
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声波的波型
（1）纵波—质点振动方向与波的传播方向一 致的波。
1—超声源 2—轴线 3—指向角 4—等强度线
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指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ
之间的关系为
sinθ= 1.22λ/D

传感器 第9章 气、湿敏传感器

传感器 第9章 气、湿敏传感器

第9章 气、湿敏传感器• 气敏、湿敏传感器是利用物质的物理效应和化学效应对气体中的某些成分或水汽进行检测的器件。

• 检测气体的成分或水汽的湿度，用得最多的是半导体气敏传感器和半导体湿敏传感器。

9.1 气敏传感器9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件• 利用半导体与某些气体接触时，其特性发生变化这一规律来检测气体的成分 或浓度的传感器。

• 按照其与气体的相互作用主要是局限于半导体外表，还是涉及到内部，分为： 外表控制型；体控制型。

按照半导体变化的物理特性:电阻式；非电阻式。

• 电阻式半导体气敏元件是利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；• 非电阻式半导体气敏元件那么是根据气体的吸附和反响，使其某些关系特性发生变化，来对气体进行直接或间接的检测。

• 气敏元件至少都必须具备如下条件：① 对气体的敏感现象是可逆的；② 单位浓度的信号变化量大；③ 能检测出的下限浓度低；④ 响应重复特性良好；⑤ 选择性好，即对与被测气体共存的其它气体不敏感；⑥ 对周围环境(如温度、湿度)的依赖性小；⑦ 性能长期稳定，结构比拟简单。

9.1.2 外表控制型电阻式半导体气敏元件• 这种类型的气敏元件是利用半导体外表因吸附气体引起电阻阻值变化的元件，主要用于检测可燃性气体。

它具有气体检测灵敏度较高、响应速度快等优点。

气敏元件的材料 多数采用氧化锡和氧化锌等较难复原的氧化物。

为提高气体的选择性，一般都掺有少量的贵金属(如铂等)作催化剂。

1．结构通常主要由三局部组成：① 气体敏感元件；② 对敏感元件进行加热的加热器；③ 支持上述部件的封装局部。

以多孔质烧结体型气敏元件为例 烧结型2SnO 气敏元件是以多孔质陶瓷2SnO 为基材(粒度在1μm 以下)，添加不同物质，采用传统制陶方法，进行烧结。

烧结时埋入测量电极和加热丝，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上，并罩覆于二层不锈钢网中而制成元件。

这种元件主要用于检测复原性气体、可燃性气体和液体蒸气。

传感器技术与应用第9章加速度传感器

传感器技术与应用第9章加速度传感器
由图9-5可知，它采用简谐振子结构形式。激光束通过 分光器分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量 光束。当光纤感受到加速度作用时，由于质量块m对光纤的 作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的 激光束由单模光纤射出后与参考光束汇合产生干涉效应。激 光干涉检测器把干涉条纹的移动经光电接收器件转换为电信 号，通过信号处理电路处理后，便可在显示器上正确地显示 出加速度的测量值。
F ma
图9-1 应变式加速度传感器结构示意图
9.1.2 应变式加速度传感器的测量原理
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物 体以加速度a运动时，质量块就受到一个与加速度方向相反 的惯性力作用，使悬臂梁变形。该变形被粘贴在悬臂梁上的 电阻应变片感受到，并随之产生应变，从而使应变片的阻值 发生变化。这个变化经过全桥差动测量电路转变成电桥不平 衡电压输出。并且这个不平衡电压Uo的大小与被测物体的运 动加速度a成正比。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图9-2 压电式加速度传感器结构示意图
9.2.2压电式加速度传感器的测量原理
测量时，把压电加速度传感器与被测物体刚性连接，当加 速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚 度很大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性 很小。因此，质量块感受与传感器基座相同的振动。这样， 质量块m就有一惯性力F作用到压电元件上。由于压电效应， 便在压电元件上产生电荷q，其电荷量大小为
第9章 加速度传感器及其应用案例
9.1 应变式加速度传感器 9.2 压电式加速度传感器 9.3 电容式加速度传感器 9.4 差动变压器式加速度传感器 9.5 加速度测量显示系统案例
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9.1 应变式加速度传感器
9.1.1 应变式加速度传感器的结构

第9章 谐振式传感器讲解

思考题：固有频率与谐振频率是否相同？为 什么？
9.1.1 谐振式传感器的类型
随着微电子技术和微机械加工技术的兴起，以 硅为振子材料的硅微机械谐振传感器越来越受到了 重视。这种传感器利用成熟的硅集成制造工艺，能 得到大批量的可靠性高、灵敏度高、价格低廉、体 积小、功耗低的产品，特别是便于构成集成化测量 系统。其振子常为微悬臂梁、两端固支微梁(桥)、 方膜或圆膜等形状，尺寸在微米量级。
即可得两个微分方程
d2Y/dx2 (w/)2Y 0 (9.6) d2G/dt 2 w2G 0 (9.7)
9.1.2 谐振式传感器的基本原理
d2Y/dx2 (w/)2Y 0 (9.6) d2G/dt 2 w2G 0 (9.7)
其一般解为
Y Asin(wx/) B cos(wx/) (9.8)
当15＜f/h＜45时，采用平凸形，优点是边
缘效应小，振动活力较高，频率温度特性曲线一 致性较好。
f/h＞45时，采用扁平形。
9.1.1 谐振式传感器的类型
石英晶体振荡器的基本原理 在石英晶体的电极上施加交变激励电压时，
由于逆压电效应，石英晶体会产生机械振动。石 英晶体是弹性体，它存在固有振动频率。当强迫 振动频率等于其固有振动频率时会产生谐振。
因弦的斜率为q＝y/x，所以上式可变换为
2y r 2y
x2 T t 2
2 y x 2

1
2
2 y t 2
(9.3)
式中，2＝T/r，可被证明为沿弦传播的波速。
9.1.2 谐振式传感器的基本原理
2y 1 2y
x2 2 Leabharlann 2假设上式的解为y(x,t) Y(x)G(t)
(a)扁平形

第9章 温度测量-热电式传感器


EAB(T,T0 ) = EAB(T) − c = f (T) − c = φ(T)
热 电 势 (m V ) 70 镍 铬 — 考 铜 E A -2 铁—考铜 50 镍 铬 — 镍 硅 E U -2
30 铂 铑 — 铂 L B -3 10 t (oC ) 400 800 1200 各种热电偶的温度—热电势关系曲线
补偿导线 铜线 A T 测温点 B Tc Tc T0 冷端 测量仪表 测温器
热电偶导线补偿示意图
这样， 这样，可以保证热电偶的自由端远离工 作端并被放置在温度波动较小的地方。 作端并被放置在温度波动较小的地方。 补偿导线法中，补偿导线较便宜， 补偿导线法中，补偿导线较便宜，且可 做成普通导线的形式，使用方便， 做成普通导线的形式，使用方便，是热电偶 安装中经常采用的方法。 安装中经常采用的方法。 注意： 注意： 补偿导线与热电偶配用时，需有相同的 补偿导线与热电偶配用时， 热电特性，且有正负极之分。即补偿导线的 热电特性，且有正负极之分。 正负极应与热电偶的正负极相接。 正负极应与热电偶的正负极相接。补偿导线 与热电偶接点处的温度不应超过100ºC，否 与热电偶接点处的温度不应超过 ， 则会因热电特性不同带来新的误差。 则会因热电特性不同带来新的误差。
E AB (T , T0 ) − E AC (T , T0 ) = − E BC (T , T0 )
结论： 结论： 由此可见，当任一电极B， ， 由此可见，当任一电极 ，C，…与一 标准电极A组成热电偶所产生的热电势为 标准电极 组成热电偶所产生的热电势为 已知时， 已知时，就可以利用上式求出这些电极按 任意组合而成热电偶时的热电势。 任意组合而成热电偶时的热电势。
E AB ( T , T 0 ) = E AB ( T ) − E AB ( T 0 )

第9章 电位器式传感器


第9章 电位器式传感器
第9章 电位器式传感器
U xf
Umax
Rf Rmax
Rx R f RxRmax
Rx2
相对输出电压为
Y
Uxf Umax
Rf Rmax
Rx R f RxRmax
Rx2
（很复杂） (9.22)
电阻相对变化
X Rx Rmax
(9.23)
对于线性电位器电阻相对变化就是电阻相对行程，即
阶梯误差和分辨率的大小都是由线绕电位器本身 工作原理所决定的,是一种原理性误差,它决定了电位器 可能达到的最高精度。在实际设计中,为改善阶梯误差 和分辨率,需增加匝数,即减小导线直径（小型电位器通 常选0.5mm或更细的导线）或增加骨架长度（如采用 多圈螺旋电位器)。
第9章 电位器式传感器
9.2 非线性电位器
h)
2
I
A
(b dU
h
dx
dx
(9.18)
第9章 电位器式传感器
图9.9 变节距式非线性电位器
第9章 电位器式传感器
2. 阶梯误差和分辨率
由图9.9可见,变节距式电位器的骨架截面积不变,因而可近似地认 为每匝电阻值相等,即可以认为阶跃值相等。
故阶梯误差计算公式和线性线绕电位器阶梯误差的计算公式完全
相同,见(9.12)式。
j
( 1 Umax 2n U max
)
1 2n
100%
但行程分辨率不一样,这是由于分辨率取决于绕距,而变绕距电位器
绕距是变化的,其最大绕距tmax发生在特性斜率最低处,故行程分辨率公 式与线性线绕电位器不同,不能直接用匝数n表示,而应为
eby
tmax xmax
100%

传感器技术-第9章 误差修正技术

9.1 误差修正技术
9.1.1 系统误差的数字修正方法 9.1.2 随机误差的数字滤波方法
1
误差来源有以下几方面：
01:19:44
检测系统本身的误差 (a)工作原理上，如传感器或电路的非线性的输入、 输出关系； (b)机械结构上，如阻尼比太小等； (c)制造工艺上，如加工精度不高，贴片不准，装配 偏差等； (d)功能材料上，如热胀冷缩，迟滞，非线性等。
2
01:19:44
外界环境影响 例如，温度，压力和湿度等的影响。
人为因素 操作人员在使用仪表之前，没有调零、校正； 读数误差等。
3
01:19:44
误差分类：
从时间角度，把误差分为静态误差和动态误差。 静
系统误差是指在相同条件下，多次测量同一量时，其 大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。 动态误差是指检测系统输入与输出信号之间的差异。
(z '；t) f 1 (z '；t)
z (z '；t) f 1 (z '；t) x (9．1．2)
即误差修正模型的输出z与被测非电量x成线性关系,
且与各环境参数无关。
只要使误差修正模型 (z '；t) f 1 (z '；t)
，
即可实现传感器静态误差的综合修正。
11
01:19:44
4
01:19:44
由于产生动态误差的原因不同，动态误差又可分为 第一类和第二类。
第一类动态误差：因检测系统中各环节存在惯性、 阻尼及非线性等原因，动态测试时造成的误差。
第二类误差：因各种随时间改变的干扰信号所引起 的动态误差。
针对不同的误差，有不同的修正方法；就是对同一 误差，也有多种修正方法。
通常传感器模型及其反函数是复杂的，难以用数学式子描述。 但是，可以通过实验测得传感器的实验数据集 ：
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三种热敏电阻的温度特性
图8-20 负温度系数热敏电阻的温度特性
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负温度系数热敏电阻的电阻与温度之间的关系可用下 面公式来表示:
11 B( )
RT R0e T T0
R0 ━ ━温度为T0时电阻值； B ━ ━与半导体物理性能有关的常数，不同材料
的B值不同； T ━ ━热敏电阻的绝对温度。
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一、铂热电阻
铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠, 所 以 在 温 度 传 感 器 中 得 到 了 广 泛 应 用 。 按 IEC 标 准 , 铂热电阻的使用温度范围为-200～650℃。铂电阻阻
Rt R0[1 At Bt 2 C(t 100)t3] Rt R0 (1 At Bt 2 )
三、铁电阻和镍电阻
铁和镍这两种金属的电阻温度系数较高，电 阻率较大，故可作成体积小，灵敏度高的电 阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性 差，不易提纯，复现性差，而且电阻值与温 度的线性关系差，目前应用不多。
8.1.2 测量电路 热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路
图8-2 热电阻测温电桥的三线连接法(a图Ra应画为可变电阻) （G为指示仪表、R1，R2、R3为固定电阻、 Ra为零位调节电阻）
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热电阻在温度t时的电阻值与R0 有关。目 前我国规定工业用铂热电阻有R0=50Ω和 R0=100Ω两种, 它们的分度号分别为Pt50和Pt100, 分别有相应分度表, 即Rt-t 的关系表, 这样在实 际测量中, 只要测得热电阻的阻值Rt, 便可从分 度表上查出对应的温度值。
铂电阻分度表

二、铜热电阻
图8-24 并联补偿电阻
由图8-24可见，补偿后的RP的温度系数变小，电阻━温度曲线变平 坦了。因此也可在某一温度范围内得到线性的输出特性：
图8-25 其它线性化电路
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8.3.3热敏电阻的应用举例
❖ 负温度系数热敏电阻在空调上的应用
对于定频空调，如果将室内温度设定到20oC，当室内温 度降低到19oC时，负温度系数热敏电阻就会将温度已达到 设定值的信息发送给空调中央处理器CPU，经CPU对信息 进行处理后发出指令传递到压缩机，压缩机便停止工作；如 果温度上升到21oC，负温度系数热敏电阻就会将温度已超 过设定值的信息发送给空调中央处理器CPU，经CPU对信 息进行处理后发出指令传递到压缩机，压缩机便开始工作； 通常情况下，空调的设计温度在15－30oC的范围内，如果 温度低于15oC，空调便不能制冷，如果温度高于30oC，空 调便不能制热。
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8.3.2 热敏电阻的特性线性化
热敏电阻的阻值随温度的变化是非线性的，对于负温 度系数的热敏电阻，其阻值随温度的变化呈指数规律， 非线性非常严重，必须对其进行线性化处理。 常用的办法是串联或并联温度系数很小的精密电阻。
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图8-23 串联补偿电阻
Rt是热敏电阻，r1是补偿电阻， Rs＝Rt+r1曲线近似为双曲线，即温度与电阻的倒数成线 性关系，因而电流与温度成线性关系。
200 t 0 0 t 6500 C
Rt和R0分别为t℃和0℃时电阻值; A、B和C为由实验测 得的温度系数。（公式课本上错误）
❖ A=3.940x10-3/0C B=-5.802x10-7/0C2 C=-4.274x10-12/0C4
（公式单位课本上错误）
图8-1 几种纯金属的电阻相对变化率与温度变化间关系
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8.3 热 敏 电 阻
8.3.1热敏电阻的主要特性 8.3.2热敏电阻的特性线性化 8.3.3热敏电阻的应用举例
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8.3.1 热敏电阻的主要特性
❖ 电阻━温度特性 按半导体电阻随温度变化特性不同，热敏电阻可 分为三种类型。
（a）负温度系数（NTC）型热敏电阻 （b）正温度系数（PTC）型热敏电阻 （c）临界温度系数（CTR）型热敏电阻 它们的温度特性曲线如图所示。 大多数热敏电阻的温度系数为负值。
由于铂是贵重金属, 因此, 在一些测量精度要求不高且 测温范围较小的场合, 可采用铜热电阻进行测温, 它的测量 范围为-50～+150℃。
铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是 线性的, 可近似地表示为:
Rt R0 (1 At Bt 2 Ct 3 )
铜热电组的两种分度号为Cu50(R0=50Ω)和Cu100 （R0=100Ω）。 铜热电阻温度特性接近线性, 价格便宜, 但它易氧化, 不 适宜在腐蚀性介质或高温下工作。
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第8章 热电式传感器
8.1热电阻 8.2热电偶 8.3热敏电阻 本章要点
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8.1 热电阻
8.1.1 热电阻的材料及工作原理
热电阻测温的基础： 大多数金属导体的电阻率随温度升高而增大， 具有正的温度系数
用于制造热电阻的材料应具有尽可能大的电阻 温度系数和电阻率, R-t 关系最好成线性, 物理 化学性能稳定, 复现性好等。目前最常用的热 电阻有铂热电阻和铜热电阻。
温度传感器广泛应用于微波炉、空调、 吹风机、烤箱、电磁炉、暖风机、冰箱、冰 柜、饮水机、消毒柜、洗衣机、烘干机、恒 温箱等的温度测量与控制。
第8章 热电式传感器
热电式传感器的定义：
热电式传感器是将温度变化转换为电阻或电势变化的装置， 因此又称为温度传感器。把温度变化转换为电势变化的热 电式传感器称为热电偶传感器；把温度变化转换为电阻值 变化的热电式传感器称为热电阻传感器。热电阻传感器可 分为金属热电阻传感器（简称热电阻）和半导体热电阻传 感器（简称热敏电阻）
8.2 热电偶
图8-3 热电阻测温电桥的四线连接法
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8.3 热 敏 电 阻
❖ 热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特 点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变 化转换为能量的变化。制造热敏电阻的材料很多，如 锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，它们按一定比例混合 后压制成型，然后在高温下焙烧而成。热敏电阻具有 灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易 于维护、动态特性好等优点，因此得到较为广泛的应 用，尤其是应用于远距离测量和控制中。