红外传感器的应用红外测温仪

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电子设计专题讲座
传感器技术与应用
一、传感器的概念 1、定义: 人类为了从外界获取信息, 必须借助于 感觉器官。 随着科学技术的发展。 一系列代替、 补充、 延伸人的感觉器官功能的各种手 段就应运而生, 从而出现了各种用途的传 感器。 传感器是与人的感觉器官相对应的元 件。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义
红外传感器的应用 红外测温仪

目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括 光、 机、电一体化的红外测温系统,图中的 光学系统是一个固定焦距的透射系统,滤光片 一般采用只允许8~14 μm的红外辐射能通过 的材料。步进电机带动调制盘转动, 将被测 的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探 测器一般为(钽酸锂)热释电探测器,透镜的 焦点落在其光敏面上。 被测目标的红外辐射 通过透镜聚焦在红外探测器上,红外探测器将 红外辐射变换为电信号输出。 (感应电荷, 交流更新)
2、电阻、电感、电容三参数处理
如图所示,是电阻应变片(测力及位移)的 结构示意图,它由基体材料、金属应变丝或应 变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。一般 均为几十欧至几十千欧左右。(重量测量、电 子秤)。
电位器式角度传感器测量角度
电阻应变片力传感器电位器式角度传 感器的应用直流电桥(或直接分压)
测量电路 被测量 敏感元件 输入量 转换元件 信号调节转换电路 电量 输出量
电 源
二、传感器的分类
传感器种类繁多 , 功能各异 , 有不同的分类。

按照被测量大类分, 可分为力学量传感器、 热量传感器、 磁传感器、光传感器、放射 线传感器、气体成分传感器、 液体成分传 感器、离子传感器和真空传感器等等

(7)双金属固体膨胀式


双金属元件作为温度敏感元件受热而产生 膨胀变形来测温的。它由两种线膨胀系数 不同的金属紧固结合而成双金属片. 二种输出,接点和电阻. 固体膨胀式是以双金属元件作为温度 敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的。 它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合 而成双金属片,上下限报警和控制。
(41)超声波; (42)声音/噪声; (43)触觉;
(44)图像/颜色; (45)密度/粘度; (46)混
浊度。
三、信号形式及处理
开关量电平。 电阻。 模拟电压电流(交直流) 电荷(一般要交变采集) 电容及电感(交流电桥或振荡器) 时间差。 直接与间接测量。 在了解传感器原理的基础上:明确要求, 选用传感器设计合适的信号转换电路,确 定单片机信号处理方法。
1、电流、电压测量
互感器原理



简单地说电压互感器(PT)和电流互感器(CT)的 作用就是把高电压大电流隔离转换为低电压小 电流,能够用表计安全方便地来测量与监控。 电流互感器的作用是测量交流电路的电流。 原理:将被测电缆或铜排穿过互感器的中心, 导体中将产 生交变磁场,于是在互感器的线 圈中感应出电流,可以测出电路中电流 。 电压互感器的作用是测量交流电路中的电压 原理:与变压器相同
DS1820引脚及功能

美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感 器DS182,可把温度信号直接转换成串行数 字信号供微机处理。由于每片DS1820含有 接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的 信息或写入DS1820的信息,仅需要一根口 线(单线接口)。DS1820提供九位温度读 数,构成多点温度检测系统而无需任何外 围硬件。 DS1820与89C51单片机接口一条线 ,网上 现成应用程序。
五、常用传感器

传感器品种繁多,使用有些方便,有些应用非常 复杂。 针对电子竞赛而言,可能用到的传感器应该是必 须满足一个基本原则:相对容易购买,在系统应 用中容易实现。主要原因是电子竞赛从主要器件 清单公布到竞赛开始只有一周时间,不易购买传 感器一般不会出现,另一角度来说,实际运行环 境不易组成的传感器应用也不易出现,如流体压 力类传感器或高温传感器,核辐射类传感器也不 易出现。

四、传感器的性能和评价

传感器的静态特性 (1) 灵敏度是描述传感器的输出量(一 般为电学量)对输入量(一般为非电学 量)敏感程度的特性参数。 其定义为: 传感器输出量的变化值与相应的被测量 (输入量)的变化值之比,
(2) 线性度
理想的传感器输出与输入 Ymax 呈线性关系。 然而, 实际 的传感器即使在量程范围 内, 输出与输入的线性关 max 系严格来说也是不成立的, 总存在一定的非线性。线 性度是评价非线性程度的。(X0,Y0)
2
C3
L(x) C
(a)
(b)
3、温度测量


数字温度传感器DS1820 热敏电阻 半导体二极管 热电阻 热电偶 红外等非接触测温
(1)半导体热敏电阻
热敏电阻的温度特性正系数型PTC负 系数型NTC和临界系数型CTR型(开关)
8 10 7 10 6 10
③ C TR ② P TC

传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、 微处理器等制作在同一块芯片上,即成为大规 模集成电路智能传感器,简称集成智能传感器。
单线接口温度测量 ds1820


DS1820在使用中不需要任何外围元件。 测温范围-55℃~+125℃,固有测温 分辨率0.5℃(0.1 ℃). ,DS1820支持多点组网功能,多个 DS1820可以并联,实现多点测温。
红外测温仪方框图
热释电型红外探测器

在电子防盗、人体探测器领域中,被动式热释电红外 探测器的应用非常广泛,因其价格低廉、技术性能稳 定而受到广大用户和专业人士的欢迎。被动式热释电 红外探头的工作原理及特性: 37度,所以会发 出特定波长10UM左右的红外线,被动式红外探头就 是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作 的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光 片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用 热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发 生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电 路经检测处理后就能产生报警信号。
传感器作用可细分如下:

(1) 压力 ; (2 ) 力 / 荷重 ; (3 ) 位移(厚 度); (4)力矩; (5)角度; (6)角速度 (转速); (7)速度; (8)加速度; (9)角 加速度; (10)倾斜角; (11)编码器; (12) 振动; (13)气体/烟雾; (14)温度; (15) 热能; (16)湿度; (17)水份; (18)露点; (19)液位; (20)料位; (21)流量; (22) 流速
4、开关类及光敏传感器
霍尔式传感器 电涡流式传感器 光电式传感器 普通接触开关 Nhomakorabea


置于磁场中的静止载流导体,当它的电流 方向与磁场方向不一致时,载流导体上平 行于电流和磁场方向上的两个面之间产生 电动势,这种现象称霍尔效应。该电势称 霍尔电势。 霍尔元件的结构很简单,它是由霍尔片、 四根引线和壳体组成的 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度
热电阻 现场
显示仪表
控制室
电阻体
电阻体
电阻体
二线制
三线制
四线制
(5)热电偶传感器
两种不同材料的导体(或半导体)焊接在一起,
接点就会产生电动势,这种现象称为热电效应, 该
电动势称为热电势。这两种不同材料的导体或半
导体的组合称为热电偶,导体A、B称为热电极。 热端(测量端),测温时将它置于被测介质中 ; 冷端通过导线与显示仪表相连。 测高温,如热电偶K 0MV 30MV 0度 一千多度
(23)风速; (24)电流; (25)电压; (26)电 功率; (27)电频率; 相位、Q值等(28)接 近开关; (29)磁性开关; (30)光电开关; (31)pH值; (32)电阻率; (33)电导率; (34)水溶氧; (35)生物; (36)红外线; (37) 紫外线; (38)光纤; (39)离子; (40)激光;
D d

H h
1
电容及电感交流电桥
Z1 Z2 C1 C2 R1 R2
U o
Z3 Z4 R3
U o
R4
U
U

(a)

(b)
电容及电感(鉴频器频率转换为 电压振幅,也可直接测频率)
L1 R1 C L x 电压 表 振 荡 器 频率 计 f-V R3 V1 C R2 C1 R4 R5 V2 R6 C6 C5 f Vcc C4
a R1 +R1 c R3 b U R4 R2 d Usc 放 大器
变磁阻式传感器(测小位移)
l1 S1 W l2 1 —线 圈 ; 1 L 2

2 —铁 芯 (定 铁 芯 ); 3 —衔 铁 (动 铁 芯 )
S2
±
3
变介质型电容传感器有较多的结构形式,可 以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度, 也可测 量非导电固体介质的湿度. 电容式液位变换器结构原理图
(8) AD590集成温度传感器 25℃ (298.2K)输出电流为298.2μA
+5 V + AD 5 90 - 1 00 Uo 9 50
(9)远红 外 传 感 器测温



红外辐射俗称红外线,它是一种不可见光. 红外辐射的物理本质是热辐射,一个炽热物体 向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来 的。物体的温度越高,辐射出来的红外线越多, 辐射的能量就越强. 远红 外传感器一般由光学系统、 探测器、信 号调理电路及显示单元等组成。 红外探测器是 红外传感器的核心 光电二极管工作于近红外。
O
Y
校准曲线
拟合直线
YFS
Xmax
X
(3)迟滞差
Y YFS
输入逐渐增加到某一 Y 2 值, 与输入逐渐减小到 Y1 同一输入值时的输出 值不相等, 叫迟滞现象。
O X
(4)稳定性 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保 持其性能参数的能力。

理想的情况是, 不管什么时候传感器的灵敏度 等特性参数不随时间变化。但实际上, 随着时 间的推移, 大多数传感器的特性会改变。这是 因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时 间发生变化, 产生一种经时变化的现象。
“传感器是能够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 (输入量)的部分; 转换元件: 是指传感器中能将敏感元件感受的或响 应的被探测量转换成适于传输和(或)测量的电 信号的部分。
传感器组成方块图, 说明了传感器 的基本组成和工作原理。
cm / ·
5 10 4 10 3 10 2 10 1 10
① NTC
0
40
80 t / ℃
1 20
1 60
2 00
(2)半导体热敏电阻电路

RTh Ub Rs U o ut
3 k Ub 332.2
RTh Uo ut Rs 3.322 k
(3)晶体二极管PN二极管测 温电路
V
R1 RW R3
现电子竞赛中已出现的常用传感器




测中低温(<150℃)的温度传感器 超声传感器(测距等) 红外传感器(光电对管) 霍尔(电涡流)接近开关(用于金属探测) 点滴流量测量。重量测量。 转速,速度,位移(长度)测量。(电动 小车)。 电流、电压测量(互感器)。



(1)直接提取。应采用取样电阻,并尽量用 精密电阻,可采用锰铜丝(温度系数好) 做,电流取样电阻适当小好。电压输入阻 抗高好。 (2)隔离提取。交流测量可采用电流电压互 感器(简单理解可认为和变压器相似)。 (3)应用(带感性容性负载)。功率因数计 算-电流电压相位差。(有功无功功率计 算)。
图例
补偿 导线 A t B (a) 补偿 导线 A t B (c) 温度 变送 器 A 显示 仪表 t B (d) 温度 变送 器 显示 仪表 t B (b) 铜导 线 显示 仪表 A 补偿 器 显示 仪表 补偿 导线
(6)智能式测温传感器
传感器与微处理机可分为两个独立部分, 传感器的输出信号经处理和转化后由接口送到 微处理机部分进行运算处理。这就是我们指的 一般意义上的智能传感器 , 又称传感器的智能 化(大部分).
R2 R4 R5 R6
Rf
- +
VD
(4)热电阻传感器



热电阻传感器是利用金属导体电阻值随温 度变化而变化的原理进行测温的。热电阻 广泛用来测量-200~850℃范围内的温度, 少数情况下,低温可测量至1K,高温达 1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高, 作为复现国际温标的标准仪器, PT100 0度—100欧 100度—138.5 欧 CU50 0度—50欧
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