第9章 波式传感器 《传感器技术与应用》课件

•光生伏特效应
在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的 现象。如光电池
（1）光敏电阻
1. 光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。
无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流） 很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电 阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。
最受人们重视的是硅光电池。
具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效 率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。
它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能 电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统 中
硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围， 所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。
光敏晶体管
光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大， 以扩大光的照射面积。
NPN:大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压 而不接基极时，集电结就是反向偏压
当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极， 基区留下空穴，被正向偏置的发射结发出的自由电子填充，形成光电流Ib
同时空穴使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量发射区的电子流向集电 极，形成输出电流Ic ，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
光
c
e
NPN
b
(a)结构
b
c e
c（N） （P）b e（N）
E
RL
(b)符号
(c)基本电路
Ib
Ic
c
E
be
RL
(d)工作原理示意图

学习本课程所需的预备知识 电路基础、电子测量技术、电子线路。 教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实验指
导 传感器的概念以及传感器的基本特性是本章重点。
从传感器的作用开始，逐一介绍了传感器的概念、组 成以及分类，对传感器的基本特性作了详细阐述。
《传感器的基本概念》PPT课件
1.1 传感器的定义
x(t)
h(t)
y(t)
系统分析中的三类问题：
1)当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输 特性。 (系统辨识)
2)当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出
的输入量。 (反求)
3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。(
预测)
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1). 微分方程 绝大多数传感器都属模拟(连续变化)系列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。
在实际的模型建立过程中，一般采用线性时不变系统理论描述传感器的动态特性，即 用高阶线性常系数微分方程表示传感器输出量y和输入量x的关系。其通式如下：
式中，y为输出量，x为输入量，ai,bi为常数。 对于复杂的系统，其微分方程的建立求解都是很困难的；但是一旦求解出微分方程的
只要知道Y(S)，X(S)，H(S)三者中任意两者，第三者便可方便地求出。这时 可见，无需 了解复杂系统的具体内容，只要给系统一个激励信号x(t)，便可 得到系统的响应y(t)，系统特性就能被确定。它们可用图(a)框图表示。
对于多环节串、并联组成的传感器，如果各个环节阻抗匹配适当，可忽略相 互间的影。则传感器的等效传递函数可按下列代数方式求得：
压力传感器的外形及内部结构
《传感器的基本概念》PPT课件
被测量通过敏感元件转换后，再经传感元 件转换成电参量

1 红外辐射 ➢ 红外辐射的物理本质是热辐射，人、动物、植物、火、
水都有热辐射，只是波长不同而已；
➢ 一个炽热的物体向外辐射能量，大部分是通过红外线 辐射出来的，温度越高辐射红外线越多，辐射能越强。
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10.1 红外传感器
➢ 红外辐射俗称红外线，是一种不可见光，其光谱位于可见 光中红色以外，所以称红外线，波长约 0.76～1000μm。
电自压发极去化除随后电，场大而多反数向电；介当电质场的移极去化后状，态保消留失的，部分但极铁化电量体即会剩保余持极化。 铁电体是某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化，而且其自发极化
方向可以因外电场方向的反向而反向，晶体的这种性质称为铁电性，具 有铁电性的晶体称为铁电体。
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➢ 热释电材料 晶体、陶瓷、塑料等铁电体。
红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外 辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。
红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测 器和光子探测器两大类。
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工作原理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸 收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应 变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐 射。
光
热
电
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铁电体
并非由外电场引起，而是由晶体内部结构引起的极化状态，称为自发极化。
在在外一定加温电度场范作围用内下、，单电位介晶胞质内中正的负带电电荷粒中子心（不电重合子，、形原成子偶核极等矩），将呈受现极到性电。 场这力种在的无作外用电，场正作电用荷下趋存向在的阴极极化、现负象电称荷为趋自向发阳极化极。，当结施果加电外介界质电的场一时，个自表 面发带极化正方电向，沿相电对场表方面向带趋负于一电致，；这当就外是电“场电倒极向化，而”且超过材料矫顽电场值时，

安全防护――防盗、防火、防燃气泄露、 CCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体 传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器；
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楼宇自动控制系统
自动识别――门禁管理系统、感应式IC卡 识别、指纹识别；
远程抄收与管理系统――水、电、气、热 量通过传感器设置远程自动化抄表；
巡更系统――保安管理。
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汽车与传感器
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汽车与传感器
传统： 行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量 安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防 抱 死装置、电子变速控制装置、汽车“黑匣子”
环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置
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参考文献：
1. “汽车安全保障传感器市场”，《传感器世界》， 2001年1期
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本节主要内容
第1章 传感器与检测技术概论 1.1．传感器的分类及组成 1.2．传感器的基本特性 1.3．检测技术的基础知识
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绪论
检测（Detection）定义： 利用各种物理、化学效应，选择合 适的方法与装置，将生产、科研、生活 等各方面的有关信息通过检查与测量的 方法，赋予定性或定量结果的过程称为 检测技术。
摄像机
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2. 传感器
传感器的定义是：能感受规定的被测量并 按照一定的规律转换成可用输出信号的器件 或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件是指传感器中能直接感受或响应 被测量的部分；
转换元件是指传感器中能将敏感元件感受 或响应的被测量转换成适于传输或测量的电 信号的部分。

图2- 1-19 声控楼道灯光系统硬件连接图
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声控楼道灯控 制系统结构分
析
声控楼道灯 光系统硬件
连接
声控楼道灯 光系统代码 设计与分析
声控楼道灯光系统代码设计与分析
声控楼道灯光系统程序流程如 图2- 1-20所示。
图2- 1-20 声控楼道灯光系统代码设计
声音传感模块的工作原理
任务一使使用声音传感器控制楼道灯亮
项目综合运用了CC2530单片机中断控制、延时、I/O端 口输入输出、数据采集、AD转换等知识。
项目二 楼道开灯
知识目标：
了解开关量、数字量、模拟量传感器的分类和选型； 了解声音传感器、光电传感器的结构和工作原理； 了解声音传感器、光电传感器的关键参数； 了解声音传感器、光电传感器技术手册的查阅方法。
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声音传感模块的工作原理来自NEWlab套件的声音传感模块可以采集声音变化情况，转换输 出为对应电压，并可通过放大、比较电路输出结果电平。
模块各接口的名称及功能如下： ①麦克风输入头MP9767P；②麦克风信号接口J4，测试麦克风输出的音频信号③信号放大电路；④信 号放大接口J6，测量音频信号经过放大后叠加在直流电平上的信号，即比较器1的负端输入电压；⑤灵 敏度调节电位器；⑥灵敏度测试接口J10，测试可调电阻可调端输出电压，即比较器1的正端输入电压； ⑦比较器电路；⑧比较信号测试接口J7，即比较器1的输出电压；⑨比较输出测试接口J3，即比较器2的 输出电压；⑩接地GND接口J2。
图2- 1-12 驻极体式电容传声器接法简图 图2- 1-13 驻极体式电容传声器的应用电路图
声音传感器广泛应用于噪声监测、电声、水声、超声与医疗等领域。
①日常生活 ②工业领域 ③军事领域 ④医疗领域

香港理工AGV模型
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传感器在生物医学上的应 用
• 对人体的健康状况进行 • 诊断需要进行多种生理 • 参数的测量。 • 国内已经成功地开 • 发出了用于测量近红外 • 组织血氧参数的检测仪 • 器。人类基因组计划的研究
也大大促进了对酶、免疫、 微生物、细胞、DNA、RNA、 蛋白质、嗅觉、味觉和体液 组份以及血气、血压、血流 量、脉搏等传感器的研究。
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类－续2
（3）化学传感器 是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等 转换为电信号的传感器。如：离子选择性电极。
（4）生物传感器 是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传 感器。近年来发展很快。
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在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂 时，必须对其性能质量检测
• 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括
润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机
转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以
了解产品质量。
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• 汽车扭距测量 机床加工精度测量
传感器的分类
3、按信息能量变换方式分类
在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量 的流动。
（1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能 量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压 电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。
（2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能 量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。 如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、…。

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第五节 信号分析在振动测试中的应用 对某机械装置施加激振力f（t），测得相应的位移为x（t）， f
（t）和 x（t）的频谱分别(fēnbié)为F（ω）和X（ω），则该机械 结构的位移阻抗为： （ ）
A、 F（ω）/X（ω） B、 X（ω）/F（ω） C、 f（t）/ x（t） D、 x（t）/ f（t）
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第五节 信号分析在振动测试中的应用 一、概述(ɡài shù) 振动是普遍存在的自然现象，它发生在各生产领域中，如： 汽车(qìchē)、火车、飞机、轮船及各种动力机械在工作中均 产生振动
振动也有可利用的一面
振动输送机、清洗机、脱水机就是利用振动原理来工作的
有必要进行振动分析和设计
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2）物体结构参数的测试 对结构的固有频率、阻尼、刚度、振型等参数的测定。
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第五节 信号分析在振动测试中的应用
二、振动(zhèndòng)的类型
按振动产生 (chǎnshēng)的原 因自由振动、强迫振动和自激振动 按振动系统结构参数特性 线性振动和非线性振动
按振动规律 确定性振动和随机振动
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第五节 信号分析在振动测试中的应用
四、激振器
3.电磁式激振器
信号发生器
i 功率放大器
i0 直流电源
电磁式激振器直接利用电磁力作激振力，常用于非接触激振 场合。特别是对回转件的激振，如图所示。一定频率的交变信号 经功率放大器放大后，通入绕在铁芯上的线圈中，这时在磁极附 近就形成一个交变磁场，处在磁场中的磁性(cíxìng)试验对象就受 到交变的吸力。
三、振动(zhèndòng)的激励方式
在测定机械设备或结构的动态特性时，首先要激励被测对象， 让其按测试的要求做受迫振动(shòu pò zhèn dònɡ)或自由 振动。 激振方式：

方法：比较法 装置：船、石头、小秤 结果：定量
自动检测技术：以信息的获取、转换、显示和处
理为主要内容，自动完成整个检测过程的技术。
二、自动检测技术在国民经济中的地位
古语有：“工欲善其事，必先利其器。”
用这句话来说明自动检测技 术在现代科学技术中的重要性 是很恰当的，所谓“事”，就 是指发展现代科学技术的伟大 事业，而“器”则是指利用自 动检测技术而制造的仪器、仪 表、工具等。所以说自动检测 技术是科学实践和生产实践的 必要手段，它的水平高低也是 科学技术现代化的重要标志。
继电器
继电器插座
各种继电器
电磁铁—能产生机械力
电磁调节阀 ——用于控制流量的大小
加上控制 信号，电磁调 节阀在电动机 的控制下，可 以逐渐开合
伺服电动机 可以正转、反转、
快转、慢转
伺服型雷达天线
报警器
报警灯及喇叭
[举例]工件磨削测控过程
传感器快速检测工件的直径参
数D。计算机快速地对直径参
将量程切换到2V时， 最小显示值为1μV
数字电压、欧姆表
提高可靠性
承受剧烈振动
2、应用新技术和新的物理效应，扩大检测领 域
火星车
月球车
2、应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域 （续）
安全检查
3、发展集成化、功能化的传感器
可拍照的手机
4.采用计算机技术，使检测技术智能化
面部识别技术
4.采用计算机技术，使检测技术智能化(续)
3、显示记录装置：对被测信号进行显示与记录。 包括模拟显示、数字显示、图形显示仪表及有纸、无纸记
录仪。
（1）模拟显示
特点：直观
光柱模拟显示
特点：一目了然
（2）数字显示

传感器的静态特性是指在稳态条件下 （传感器无暂态分量）用分析或实验方法所 确定的输入—输出关系。这种关系可依不同 情况，用函数或曲线表示，有时也用数据表 格来表示。
表征传感器静态特性的主要指标有线性 度、灵敏度、迟滞、重复性等。
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1. 线性度 是以一定的拟合直线作基准与校准曲
线作比较，其不一致的最大偏差与理论满量程输出 值的百分比来进行计算：
❖ 射击游戏
❖ 电子地图、导航
❖ ……
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❖ 重力感应传感器 ❖ 加速度传感器 ❖ 光线感应器
❖ 三轴陀螺仪 ❖ GPS/电子罗盘
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1、传感器在工业检测和自动控制系统中的应用
超声波检测
电容指纹识别 ppt课指件 纹形成电容器,凹凸不同 5
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这种遥控器所利用的是一种肉眼看不见的 红外光，又称为红外线。 2、传感器与家用电器
的响应（输出）特性。
2. 频率特性及其与动态品质之间的关系
线性系统在正弦输入作用下的输出幅值与输入幅值 的比值称为系统的幅频特性，以 H ( j ) 或 A ( ) 表示；
输出与输入之间随频率而变的相位特性称为相频特 性，以 ( ) 表示。两者统称为频率特性。
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3. 传感器的动态时域特征
指尖力/力矩传感器
温度传感器
手指关节力矩传感器 关节位置传感器
基关节力矩传感器
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电机霍尔传感器
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仿人灵巧手的精细抓取操作
ppt课件12来自仿生控制（EEG）ppt课件
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§5-1 概述
❖ 传感器：获取信息（视觉、力觉、触觉、听觉、嗅 觉、味觉等），实现机器人自动化