第一章传感器的基本知识
复习思考题
1. 简述传感器的概念、作用及组成。
2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？
3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？
4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？
5. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什么？
1.1 传感器的作用与地位
世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。人们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。
人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。
人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。
电量和非电量
表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。
电量——一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等；
非电量——则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。
人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。
传感器的作用
非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。
非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。
传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛的测量技术。
《传感与检测技术》课程教学大纲
一、 课程性质与任务
本课程是电子电器应用与维修专业的专业课。主要内容介绍传感器技术，以模块+项目+任务的模式，将同一被测物理量放在一个模块中，每个项目介绍一种传感器的应用，解决传感器选型和接口技术。
二、 课程教学目标
本课程的任务是使学生掌握每种传感器的结构、原理、给你、特性、技术参数、选用原则和转换接口电路的组成原理等。通过学习，提高学生的动手能力及分析、解决问题的能力，培养学生的职业能力。
三、 教学内容与要求
模块一为传感器与检测基本知识。
任务一 传感器基本知识 项目二 传感器的测量误差和准确度 项目三 检测电路基本知识
模块二为温度传感器的应用。
项目一热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 项目二PN节温度传感器在温室大棚中的应用 项目三热电偶在输油管道温度测量中的应用 项目四集成温度传感器在数字显示温度表中的应用
模块三为光电传感器的应用
项目一 光敏电阻在报警器中的应用 项目二热释电红外传感器在公共照明中的应用
模块四为压力传感器的应用
项目一电阻应变片在电子秤中的应用 项目二压电式传感器在警戒区报警电路中的应用 项目三高分析压电薄膜振动感应片在玻璃破碎报警装置中的应用 项目四压阻式压力传感器在数字压力计中的应用
模块五为位移传感器的应用
项目一电位器式位移传感器在机械行程控制位置检测电路中的应用 项目二光栅传感器在数控机床位移检测电路中的应用 项目三接近传感器在防触电警告电路中的应用 项目四电传感器在电动测微仪中的应用 项目五超声波车载雷达在测距电路中的应用
模块六为流量传感器的应用
项目一涡轮流量计在天然气计量电路中的应用 项目二 电磁流量计在自来水厂水量监控电路中的应用
模块七为速度传感器的应用
项目一霍尔式传感器在汽车防抱死装置中的应用 项目二磁电式传感器在发动机转速检测电路中的应用
模块八为气体与温度传感器的应用
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------------- 物理教材中涉及的传感器件知识简介
北京教育学院 孔令鑫
在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天，担负着信息采集任务的传感器在社会生活、自动控制及信息处理技术中发挥着越来越重要的作用，越来越多的传感器服务于我们的生活和工作，可以说当今社会，几乎没有任何一种科学技术的发展及应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。新教材中增加实验《传感器的简单应用》，体现重视和加强了对学生科技意识和动手能力的培养。
从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为：（1）物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。（2）化学类，基于化学反应的原理。（3）生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。下面对常用的热敏、光敏和气敏传感器及其敏感元件介绍如下。
一、 温度传感器及热敏元件
温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。
1 半导体热敏电阻的工作原理
按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。
⑴ 正温度系数热敏电阻的工作原理
此种热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结而成。纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度升高到居里点温度（即临界温度，此元件的‘温度控制点’ 一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3～440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。
物理教材中涉及的传感器件知识简介
北京教育学院 孔令鑫
在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天，担负着信息采集任务的传感器在社会生活、自动控制及信息处理技术中发挥着越来越重要的作用，越来越多的传感器服务于我们的生活和工作，可以说当今社会，几乎没有任何一种科学技术的发展及应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。新教材中增加实验《传感器的简单应用》，体现重视和加强了对学生科技意识和动手能力的培养。
从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为：（1）物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。（2）化学类，基于化学反应的原理。（3）生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。下面对常用的热敏、光敏和气敏传感器及其敏感元件介绍如下。
一、 温度传感器及热敏元件
温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。
1 半导体热敏电阻的工作原理
按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。
⑴ 正温度系数热敏电阻的工作原理
此种热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结而成。纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度升高到居里点温度（即临界温度，此元件的‘温度控制点’ 一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3～440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。
