第五讲 光学类传感器原理及应用ppt课件
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传感器原理及应用PPT教程课件专用
湿度传感器
湿度传感器能够监测室内湿度变化，与加湿器、除湿器等设备配合，保持室内湿度在适宜 范围内，避免潮湿或干燥对家居环境和人体健康的影响。
光照传感器
光照传感器能够感知室内光线强弱，与照明设备联动，实现室内光线的自动调节。同时， 还可用于窗帘、百叶窗等设备的自动控制，提高室内采光效果。
未来发展趋势预测
传感器应用领域
医疗领域
用于监测人体生理参数，如体 温、血压、心率等，以及医疗 设备中的控制和检测。
智能家居
用于实现家庭环境的智能化控 制，如温度控制、照明控制等。
工业自动化
用于检测和控制生产过程中的 各种参数，如温度、压力、流 量等。
环保领域
用于监测大气、水质等环境参 数，为环境保护提供数据支持。
传感器与通信接口的电路 设计
介绍传感器与通信接口之间的 电路设计，包括信号调制、解 调、编码、解码等。
接口电路设计的实例分析
通过具体案例，分析接口电路 设计的实现过程及效果。
06 传感器在物联网和智能家 居中应用展望
物联网中传感器作用及发展趋势
物联网中传感器的作用
物联网中的传感器是实现万物互联的基础， 它们能够感知和测量各种物理量，如温度、 湿度、压力、光照等，并将这些数据转换为 可处理和传输的数字信号，为物联网应用提 供实时、准确的数据支持。
新型传感器的研发
针对特定应用场景和需求，未来将研发更多新型传感器。例如，柔性传感器、生物传感器、化学传感器 等，它们将具有更高的灵敏度、选择性和稳定性，为物联网和智能家居等领域的发展提供有力支持。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
牌和型号。
注意传感器的尺寸、重量、 安装方式等是否符合应用场
湿度传感器能够监测室内湿度变化，与加湿器、除湿器等设备配合，保持室内湿度在适宜 范围内，避免潮湿或干燥对家居环境和人体健康的影响。
光照传感器
光照传感器能够感知室内光线强弱，与照明设备联动，实现室内光线的自动调节。同时， 还可用于窗帘、百叶窗等设备的自动控制，提高室内采光效果。
未来发展趋势预测
传感器应用领域
医疗领域
用于监测人体生理参数，如体 温、血压、心率等，以及医疗 设备中的控制和检测。
智能家居
用于实现家庭环境的智能化控 制，如温度控制、照明控制等。
工业自动化
用于检测和控制生产过程中的 各种参数，如温度、压力、流 量等。
环保领域
用于监测大气、水质等环境参 数，为环境保护提供数据支持。
传感器与通信接口的电路 设计
介绍传感器与通信接口之间的 电路设计，包括信号调制、解 调、编码、解码等。
接口电路设计的实例分析
通过具体案例，分析接口电路 设计的实现过程及效果。
06 传感器在物联网和智能家 居中应用展望
物联网中传感器作用及发展趋势
物联网中传感器的作用
物联网中的传感器是实现万物互联的基础， 它们能够感知和测量各种物理量，如温度、 湿度、压力、光照等，并将这些数据转换为 可处理和传输的数字信号，为物联网应用提 供实时、准确的数据支持。
新型传感器的研发
针对特定应用场景和需求，未来将研发更多新型传感器。例如，柔性传感器、生物传感器、化学传感器 等，它们将具有更高的灵敏度、选择性和稳定性，为物联网和智能家居等领域的发展提供有力支持。
THANKS FOR WATCHING
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牌和型号。
注意传感器的尺寸、重量、 安装方式等是否符合应用场
传感器原理以及应用ppt课件
A. 数字光纤传感器
FS-V30系列
A.1. 传感器检测物体的原理
受光量
受光量最大 ON
设定值 OFF
受光量最小
时间
设定值=(受光量最大+受光量最少)/2
A.1. 设定方法的基本操作 1. 2点设定
分别检测有工件和没有工件的2点，将其中间点作为设定值。 操作步骤 (1) 确认画面上是否有显示设定值、当前值。 (2) 在没有工件的状态轻按SET按钮。※(2)和(3)的顺序可以颠倒。
设定值
按此键，设 定值减小。
按此键，设 定值增大。
A.1. 设定方法的基本操作 5.定位设定 当工件的顶端确实到达设定的位置时，检测工件。
操作步骤 （1）确认画面是否显示设定值、当前值。
（2）在没有工件的状态轻按SET按钮。
工 件
检测结束后，显示器点亮。
(3)放好希望检测的工件部分（顶端），按设定扭钮3秒以上。
对射型Sensor应用
对射型
Main bonding unit之Sensor應用:
一般对射型传感器广泛使用在緩衝材 狀況之检测功能!!!使用正确可有效的 防止因緩衝材之異常而影响机台之嫁 动率及良率之可能性.
反射型Sensor应用
Work Stage
玻璃有无检测 Stage
Work stage之sensor應用:
选用适当之传感器可有效 提高稼动率及降低大量破 片之机率.
反射型Sensor应用
物料用完之感知:
ACF用完检测
机台上之物料用完前,PLC 该马上通知人员/机构进行 更换工作,换料感知Sensor 可预知物料之使用情況!!!
ACF
选用正确的传感器可有效
减少因换料/备料而造成之 产量损失.
FS-V30系列
A.1. 传感器检测物体的原理
受光量
受光量最大 ON
设定值 OFF
受光量最小
时间
设定值=(受光量最大+受光量最少)/2
A.1. 设定方法的基本操作 1. 2点设定
分别检测有工件和没有工件的2点，将其中间点作为设定值。 操作步骤 (1) 确认画面上是否有显示设定值、当前值。 (2) 在没有工件的状态轻按SET按钮。※(2)和(3)的顺序可以颠倒。
设定值
按此键，设 定值减小。
按此键，设 定值增大。
A.1. 设定方法的基本操作 5.定位设定 当工件的顶端确实到达设定的位置时，检测工件。
操作步骤 （1）确认画面是否显示设定值、当前值。
（2）在没有工件的状态轻按SET按钮。
工 件
检测结束后，显示器点亮。
(3)放好希望检测的工件部分（顶端），按设定扭钮3秒以上。
对射型Sensor应用
对射型
Main bonding unit之Sensor應用:
一般对射型传感器广泛使用在緩衝材 狀況之检测功能!!!使用正确可有效的 防止因緩衝材之異常而影响机台之嫁 动率及良率之可能性.
反射型Sensor应用
Work Stage
玻璃有无检测 Stage
Work stage之sensor應用:
选用适当之传感器可有效 提高稼动率及降低大量破 片之机率.
反射型Sensor应用
物料用完之感知:
ACF用完检测
机台上之物料用完前,PLC 该马上通知人员/机构进行 更换工作,换料感知Sensor 可预知物料之使用情況!!!
ACF
选用正确的传感器可有效
减少因换料/备料而造成之 产量损失.
传感器原理及应用ppt课件
图1-3 传感器的重复性
ppt课件
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（3）重复性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量
程连续多次变动时所得到的特性曲线的不一致程 度，如图1-3所示，用公 式表示为
x
mmax ymax
100%
（1-5）
式中，⊿mmax取⊿ m1、 ⊿ m2中最大的计算，ymax为满 量程输出值。
传感器输出特性的不重复性主要是由传感器的机械
定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由
对被测量敏感的元件和转换元件组成，其中敏感元件
是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，如应
变式压力传感器中的弹性膜片，就是敏感元件；转换
元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测
量转换成适于传输或测量的电信号（电压、电流）部
分，如电阻应变片就是转换元件。
要，传感器必须向小型化、微型化方向发展，以便减小体积 和质量。
4. 向多功能化方向发展 传感器多功能化也是传感器今后发展的一个重要方向，
在一块集成传感器上综合多个传感器的功能，可以同时测量 多个被测量，它可以借助于敏感元件中的不同物理结构或化 学物质及其不同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时 实现多种传感器的功能。
组成网络直接通信，实现数据的实施发布、共享，以 及网络控制器对节点的控制操作。另外，通过 Internet网，传感器与用户之间可异地交换信息，厂 商能直接与异地用户交流，能及时完成传感器故障诊 断，指导用户维修或交换新仪器改进的数据，软件升 级等工作。另外，在微机电技术、自组织网络技术、 低功耗射频通信技术及低功耗微型计算机技术的共同 促进下，传感器朝微型化和网络化的方向迅速发展， 产生了无线传感器网络。
ppt课件
17
传感器的工作原理及应用PPT课件
电熨斗中的双金属片工作原理
熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的 温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？
根据衣物的不同，调 节调温旋钮，使升降螺 丝上下移动，带动弹性 铜片的升降，从而改变 了两触点接触的难易程 度，实现控制温度不同 的目的。
温度传感器的应用——电饭锅
1、电饭锅中的温度传感器：主要 元件是感温铁氧体
传感器及其工作原理
一、什么是传感器 阅读课本思考问题：
（1）什么是传感器？
传感器是指这样一类元件：它能够感知诸 如力、温度、光、声、化学成分等非电学量， 并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等 电学量，或转化为电路的通断
（2）传感器的作用是什么？
传感器的作用是把非电学量转化为电学量 或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、 处理和控制
思考与讨论
请问生活中能用电饭锅烧开水吗？
如果用电饭锅烧 水，水沸腾后，锅 内保持1000C不变， 温度低于“居里点 1030C”，电饭锅不 能自动断电，只有 水烧干后，温度升 高到大约1030C时才 能自动断电。
光传感器的应用——火灾报警器
课堂练习
有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这 三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑 纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，
AC 下列说法中正确的是（ ）
A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化 较大，这只元件一定是热敏电阻 B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变 化，这只元件一定是定值电阻 C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表 示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻 D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表 示数相同，这只元件一定是定值电阻
传感器原理及应用ppt课件
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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32
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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33
13
可编辑课件PPT
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可编辑课件PPT
15
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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16
• 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、…。
《光电传感器及应用》PPT课件
h
1 2
m02
A0
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。
该方程称为爱因斯坦光编辑电ppt效应方程。
16
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物 体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功， 即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率 或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使 物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强 再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红 限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目 前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。
固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应 用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器 还曾成功地用于地球到月球的距离测量。
编辑ppt
12
（2）气体激光器 工作物质是气体。 种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子 激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、 氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子 激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连 续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外 到远红外的频谱区域。
编辑ppt
18
过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受 到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价 带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子 和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。
导带
Eg
禁带
价带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
编辑ppt
19
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导 材料的禁带宽度Eg，即
编辑ppt
波长/nm 400～630 590～830 550～900 910～3150
传感器工作原理及其应用幻灯片PPT
阻、热敏电阻、霍尔元件的特性及其工 作原理。
• 2.过程方法： • 〔1〕通过实验展示获得感性认识。 • 〔2〕运用实验探究的方法研究传感器
的特征及原理
• 3.情感态度与价值观： • 通过实验激发学习的求知欲，通过对
演示
盒子里面有什么装置？
二 、传感器简介
阅读教材2、3段，并答复以下问题： 〔1〕什么是传感器？ 〔2〕传感器的作用是什么？
( 3 )实验中的干簧管是怎样的传感器？
〔1〕传感器：它能够感知诸如力、温度、光、声、 化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化 成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。
〔2〕传感器的作用：是把非电学量转化为电学量 或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处 理和控制。
(3)干簧管是一种能够感知磁场的传感器。
例2.如图6－1－3所示为光敏电阻自动计数器的示 意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光 电计数器的根本工作原理是 〔AC〕 A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压 B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压 C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
2、金属热电阻和热敏电阻
阅读54页教材，答复以下问题： 〔1〕金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系是否
一样？ 〔2〕热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？
〔3〕热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量？
特点 优点
氧化锰热敏电阻
金属热电阻
电阻率随温度的升高 电阻率随温度的升高
而 降低
而 升高
灵敏度好
化学稳定性好，测温 范围大
制作材料
半导体
金属
作用
将 温度这个热学量转化为 电阻 这个电学量
• 2.过程方法： • 〔1〕通过实验展示获得感性认识。 • 〔2〕运用实验探究的方法研究传感器
的特征及原理
• 3.情感态度与价值观： • 通过实验激发学习的求知欲，通过对
演示
盒子里面有什么装置？
二 、传感器简介
阅读教材2、3段，并答复以下问题： 〔1〕什么是传感器？ 〔2〕传感器的作用是什么？
( 3 )实验中的干簧管是怎样的传感器？
〔1〕传感器：它能够感知诸如力、温度、光、声、 化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化 成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。
〔2〕传感器的作用：是把非电学量转化为电学量 或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处 理和控制。
(3)干簧管是一种能够感知磁场的传感器。
例2.如图6－1－3所示为光敏电阻自动计数器的示 意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光 电计数器的根本工作原理是 〔AC〕 A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压 B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压 C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
2、金属热电阻和热敏电阻
阅读54页教材，答复以下问题： 〔1〕金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系是否
一样？ 〔2〕热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？
〔3〕热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量？
特点 优点
氧化锰热敏电阻
金属热电阻
电阻率随温度的升高 电阻率随温度的升高
而 降低
而 升高
灵敏度好
化学稳定性好，测温 范围大
制作材料
半导体
金属
作用
将 温度这个热学量转化为 电阻 这个电学量
传感器原理及应用PPT教程
热敏电阻的工作原理及应用
工作原理
随温度变化电阻值 改变
实际应用案例
温度控制、温度报 警等领域
温度测量范围
广泛应用于各种环 境
热电偶
热电偶是利用两种不同金 属导体形成的回路，通过 热电效应进行温度测量的 设备。热电偶具有快速响 应速度和较高的测量精度， 广泛应用于工业生产和科 学研究领域。
热电偶的特点及应用
未来传感器技术的发 展趋势
01 智能化发展趋势
智能传感器发展
02 多元化应用场景
智能城市建设
03 创新方向
生物传感技术
传感器应用案例分析
日常生活
智能家居 智能穿戴 健康监测
工业制造
生产线监控 质量检测 设备维护
科学研究
实验数据采集 环境监测 生物研究
谢谢观看！
工作原理
利用热电效应进行 温度测量
应用领域
工业生产和科学研 究
优缺点
响应速度快，测量 精度高
热敏电阻与热电偶的比较
响应速度
热敏电阻较慢 热电偶快速响应
测量精度
热敏电阻精度一般 热电偶测量精度高
应用建议
根据场景需求选择合适传感器
未来温度传感器的发展趋势
随着科技的发展，温度传感器技术不断创新。新型温度传感 器具有更高的精度和稳定性，逐渐应用于智能家居、医疗健 康等领域。未来，温度传感器将在更多领域发挥重要作用， 给人们的生活带来便利与创新。
注意事项
避免过载操作 防止振动干扰 避免温度变化过大
压力传感器的未来发 展
01 技术进展
智能化、微型化、高精度化
02 性能优势
更快的响应速度、更广的工作温度范围
03 应用前景
第五讲 光学类传感器原理及应用
共五十页
第四节 半导体色敏传感
• 颜色：不同波长的电磁辐射作用于人的视觉(shìjué)器 官所产生的视觉(shìjué)感受。
• 颜色分类：
黑色、白色(báisè)、过 渡的灰度
彩色组合等级：色调 (sèdiào)、色值和色度
共五十页
传统 测色系统原理 (chuántǒng)
光
信
分
探
号
处
光
计
测
2. 响应度：针对以内光电效应工作的光传感器， 定义为传感器输出量U(电压或电流幅值)与给定入 射光通量(或功率P)之比：R=U/P
3. 噪声等效(děnɡ xiào)照度NEI：噪声归一化至单位带宽 时，提供比值为1的信噪比所需的最小辐射通量密 度
共五十页
第二节 光学(guāngxué)传感器用光源
(3) 大气对某种特定波长范围的红外光吸收很少，所以适用于 遥感技术。
• 红外光敏器件(qìjiàn)分热型和量子型两类。热释电式红外 传感器是热型红外传感器件(qìjiàn)的一种。
共五十页
热释电效应(xiàoyìng)原理
• 热释电效应(Pyroelectricity effect)红外传感器的研发(yán fā)历史近20多年
非功能型光纤传感器测温应用(yìngyòng)
1.5 E1
1.4
光源光谱
50
GaAs光吸收
谱特性
E240
1.3
T1
1.2 1.1
G光aA吸s半收导片体T3T2
30 T1<T2<T3
20
10
0.8
0.9
1.0
波长 m
温度测量范围：-20~300C；误差(wùchā)3C；强电场环境
第四节 半导体色敏传感
• 颜色：不同波长的电磁辐射作用于人的视觉(shìjué)器 官所产生的视觉(shìjué)感受。
• 颜色分类：
黑色、白色(báisè)、过 渡的灰度
彩色组合等级：色调 (sèdiào)、色值和色度
共五十页
传统 测色系统原理 (chuántǒng)
光
信
分
探
号
处
光
计
测
2. 响应度：针对以内光电效应工作的光传感器， 定义为传感器输出量U(电压或电流幅值)与给定入 射光通量(或功率P)之比：R=U/P
3. 噪声等效(děnɡ xiào)照度NEI：噪声归一化至单位带宽 时，提供比值为1的信噪比所需的最小辐射通量密 度
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第二节 光学(guāngxué)传感器用光源
(3) 大气对某种特定波长范围的红外光吸收很少，所以适用于 遥感技术。
• 红外光敏器件(qìjiàn)分热型和量子型两类。热释电式红外 传感器是热型红外传感器件(qìjiàn)的一种。
共五十页
热释电效应(xiàoyìng)原理
• 热释电效应(Pyroelectricity effect)红外传感器的研发(yán fā)历史近20多年
非功能型光纤传感器测温应用(yìngyòng)
1.5 E1
1.4
光源光谱
50
GaAs光吸收
谱特性
E240
1.3
T1
1.2 1.1
G光aA吸s半收导片体T3T2
30 T1<T2<T3
20
10
0.8
0.9
1.0
波长 m
温度测量范围：-20~300C；误差(wùchā)3C；强电场环境
传感器原理及应用教程PPT课件
第20页/共47页
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3．线性度(Linearity) 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素 的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：
式中：y—输出量； x—输入量； a0—零点输出； a1—理论灵敏度； a2、a3、 … 、 an—非线性项系数。
第10页/共47页
♦测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。 这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化 的器件就是传感器。
广义传感器
输入匹配 被测信号 检测器件
第11页/共47页
放大变换
输出 信号处理
• 传感器定义有以下含义 ①它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成
检测装置； ②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化
3．二阶传感器动态特性指标
第4页/共47页
工 业 生 产
第5页/共47页
智能建筑
提高操作者 工作效率
提高楼宇内 部舒适程度
提供高效的 设备管理手 段
缩短投控软件
第6页/共47页
航空航天宇宙飞船 飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗 10”飞船对3295个参数进行检测，其中： 温度传感器559个 压力传感器140个 信号传感器501个 遥控传感器142个 整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体
2.2.1 传感器的静态特性与主要性能指标
y = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 +…+ anxn
式中：a0—输入量x为零时的输出量; a1, a2, …, an——非线性项系数。
第18页/共47页
1．测量范围和量程 传感器所能测量到的最小被测量（输入）xmin与最大被测量（输入）xmax之间的范围 称为传感器的测量范围（measuring range）,表示为YFS或（xmin，xmax） 。 传感器测量范围的上限值与下限值之差xmax－xmin称为量程（span）。例如一温度传 感器的测量范围是-30～+120℃,那么该传感器的量程为150 ℃。
第21页/共47页
3．线性度(Linearity) 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素 的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：
式中：y—输出量； x—输入量； a0—零点输出； a1—理论灵敏度； a2、a3、 … 、 an—非线性项系数。
第10页/共47页
♦测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。 这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化 的器件就是传感器。
广义传感器
输入匹配 被测信号 检测器件
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放大变换
输出 信号处理
• 传感器定义有以下含义 ①它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成
检测装置； ②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化
3．二阶传感器动态特性指标
第4页/共47页
工 业 生 产
第5页/共47页
智能建筑
提高操作者 工作效率
提高楼宇内 部舒适程度
提供高效的 设备管理手 段
缩短投控软件
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航空航天宇宙飞船 飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗 10”飞船对3295个参数进行检测，其中： 温度传感器559个 压力传感器140个 信号传感器501个 遥控传感器142个 整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体
2.2.1 传感器的静态特性与主要性能指标
y = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 +…+ anxn
式中：a0—输入量x为零时的输出量; a1, a2, …, an——非线性项系数。
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1．测量范围和量程 传感器所能测量到的最小被测量（输入）xmin与最大被测量（输入）xmax之间的范围 称为传感器的测量范围（measuring range）,表示为YFS或（xmin，xmax） 。 传感器测量范围的上限值与下限值之差xmax－xmin称为量程（span）。例如一温度传 感器的测量范围是-30～+120℃,那么该传感器的量程为150 ℃。
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五、光纤传感器的结构及特性
• 光纤传感器分类
1. 电流磁场、电压电场； 1. 2. 功能型传感器：传感 温度 型、探测型 3. 速度 4. 2. 5. 振动、压力 非功能型传感器：传 射线 光型、结构型、强度 6. 型、混合型 图像
• 光纤传感器可测参量
光纤传感器的基本结构
测 量 对 象
测 量 对 象
P
Ib N N+
Ccb
Cbe
发射极
集电极
集电极
达林顿光敏三极管等效电路
发射极 100
光敏三极管典型光谱特性
80 60 40 20 400 600 800 1000 (nm)
第四节 半导体色敏传感
• 颜色：不同波长的电磁辐射作用于人的视觉器 官所产生的视觉感受。 • 颜色分类：
黑色、白色、过渡 的灰度
3. 噪声等效照度NEI：噪声归一化至单位带宽时， 提供比值为1的信噪比所需的最小辐射通量密 度
第二节 光学传感器用光源
偏压引线
光源的分类和基本要求 激光光源
• 分类：非相干光源和 P型掺杂 相干光源。前者包括 产生激光的三个条件： 1、 白炽灯、发光二极管； N型掺杂 要产生足够的粒子数反 后者包括各种激光器。 转分布；2、要有合适的 • 光谐振腔，形成激光振 基本要求：功率、信 荡； 3、满足一定的阈值 噪比、光谱特性和相 条件，使总增益大于总 干性
损耗。
PN结
激光束
第二节 光学传感器用光源
光源的分类和基本要求 激光光源 发光二极管 普通光源 同 LD相比， LED单色性、 方向性和亮度差很多； 但驱动电路简单，无须 反馈控制，寿命长。是 •白炽灯 光纤通讯、光纤传感的 • 气体导电灯 重要光源。
第三节 光敏晶体管
入射光 基极电极 发射极 保护膜 (SiO2) N Ic=Ib 基极 极电极 Ic
输出电压V0(V)
3 2 1
可见光
红外光
600
0
-1 -2 -3 -4 -5
波长(nm)
800 1000
400
第五节 光纤传感器
• 特点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、 良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐高温、 耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。 • 应用：机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、 生物医学、环保、食品、化工… … • 测量对象：电流磁场、电压电场、温度、速度、 振动、压力、射线、图像… …
测 量 对 象
测 量 对 象
透射光强% 100 80 60 40 20 0 0.5 1.0 1.5 2.0
光纤传感器举例：基于微弯效应测压力
F
外力N
光强调制；相位调制；偏振态调制；波长调制
H
I 2R
偏振态调制型光纤电流传感器
VLI 2R V 维德常数，V 3.7 10 4 ( rad/A ) 法拉第偏转 VLH 信号处理输出 I I2 VLI p 1 sin 2VNI I1 I 2 R 即： I p 2VN
第一节 光学传感器基础
光谱范围：10~106nm 波长(nm)
10
102 103
名称
远紫外区域 紫外区域 可见光区域，近红外区域 红外区域
104
105 106
远红外区域
一、光学传感器类型
• 对光学波段的入射电磁辐射产生输出的传感器，称为 光学传感器，或光学探测器。 • 按探测机理分为两大类型：光子（量子）探测光传感 器和热探测光传感器
Байду номын сангаас
四、光纤特性
• 数值孔径：
1 2 N A sin c n12 n2 0.57 n0
• 损耗：费涅尔反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗以 及弯曲损耗等。定义损耗系数
10 Pi lg ， L 光纤长度 L Po
• 色散：输入光脉冲在光纤传输中由于光波的群速度不 同而出现的脉冲展宽现象。表征传输带宽。 • 容量；拉抗强度；集光本领等。
浸油
显微镜 起偏器
激光器
I1
显微镜 起偏器
电流 导线
I2
I1 I 2 I1 I 2
三、光纤的传光原理
• 全反射 n2<n1 n1
1 2
n1 sin 1 n2 sin 2
• 全反射临界角c 1 n2 n1 sin c n2 sin 90 n2 c sin n1
阶跃型光纤传光示意图
n2
0
1
1
n1
?若空气的光折射率为n0，要使光纤的入射光在 光纤纤芯内全反射，则0至多为多少？
光子探测光传感器 光电导光传感器 光生伏特光传感器 光电导结光传感器 光电磁光传感器 热电堆光传感器 辐射热计光传感器 热释电光传感器 Golay光传感器
热探测光传感器
二、光学传感器的特性参数
• 表征器件工作特性的参数，以便对各类器件的 性能进行分析、评价和比较。
1. 灵敏度：描述光传感器对光辐射的敏感程度。 用S()或S(T, ,f)表示 2. 响应度：针对以内光电效应工作的光传感器， 定义为传感器输出量 U( 电压或电流幅值 ) 与给 定入射光通量(或功率P)之比：R=U/P
彩色组合等级：色 调、色值和色度
传统测色系统原理
光
分 光 计
探 测 器
信 号 处 理 系 统
PD1
半导体色敏器件的结构 I
SC1
电极1
电极2
PD2
ISC2 电极 3 输入光 短波 长波
电极1
电极2 SiO2
P N P
电极3
双结硅光敏二极管应用电路
入射光
PD1
V
PD2
色敏传感器系统的V-f 特性曲线
例题参考答案
解： 由Snell法则可求得1的全反射临界角为 n2 sin 1 n1 而光从空气进入光纤的折射角 n0 sin 0 n1 sin 1 n1 cos 1 (1 1 / 2) 又由于 sin 2 1 cos2 1 1, 所以
2 n12 n2 0 arcsin n0
第一节 光纤传感器基础知识
一、光纤的结构
包层 纤芯 外套
二、光纤的种类
阶跃型 按从纤芯到包层折 射率变化规律分类
梯度型
多模光纤与单模光纤
• 按光的传输模式分类，可以将光纤分为多模光 纤和单模光纤。阶跃型和梯度型光纤一般为多 模光纤 • 模的概念：只有能形成驻波的那些以特定角度 射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波称 为模。V=d(n12-n22)1/2/