传感器第7章 传感器的数据处理
合集下载
第7章 传感器技术-光电效应及传感器
光源
被测非电量 位移、转速、 振动等
光学通路
光量
光电传感元件
△U 或△I
测量/显示
光电传感器的分类 按传感器输出量的性质， 按传感器输出量的性质，可以分为模拟式 开关式（脉冲式）二大类。 和开关式（脉冲式）二大类。
模拟式光电传感器
该类传感器基于光电元件的光电特性， 该类传感器基于光电元件的光电特性，其 基于光电元件的光电特性 光通量是随被测量而变， 光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 传感器输出量为连续变化的光电流， 传感器输出量为连续变化的光电流，器件 的光照特性呈单值线性， 的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持 均匀稳定。 反射式、 均匀稳定。它的形式有吸收式、反射式、遮光 式和辐射式。
5、时差测距。典型应用如光电测距仪， 时差测距。典型应用如光电测距仪， 是将恒定光源发出的光投射到目的物， 是将恒定光源发出的光投射到目的物，并用 光电元件接收反射光， 光电元件接收反射光，通过对光信号在光源 与目的物之间往返时间的测量， 与目的物之间往返时间的测量，从而计算出 光源与目的物间的距离。 光源与目的物间的距离。
发光二极管阵列（SSPA） 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件（CCD）
这两类光电器件实际上是集成化、 这两类光电器件实际上是集成化、 模块化的光电元件组合， 模块化的光电元件组合，他们的工作原 理类似，根据需要， 理类似，根据需要，可以做成线阵或面 阵的形式。 阵的形式。目前在图象采集与处理技术 电荷耦合器件CCD CCD已经得到了大量 中 ， 电荷耦合器件 CCD 已经得到了大量 的应用。 的应用。
内光电效应－ 内光电效应－
第7章霍尔传感器
▪ 在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度、 有功功率、无功功率、相位、电能等参数；在自动检 测系统中，多用于位移、压力的测量。
1）霍尔接近开关
➢ 霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时， 开关接通；当磁铁离开后，开关断开。
常见霍尔接近开关实物图：
2）霍尔式压力传感器
➢ 霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹 性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它 转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。
➢ 为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小 的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下 的温度补偿方法。
（1）恒流源供电
恒流源温度补偿电路
（2）采用热敏元件
➢ 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以 下温度补偿电路。
➢ 图a是在输入回路进行温度补偿； ➢ 图b是在输出回路进行温度补偿。
霍尔元件的等效电路
➢ 由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4 个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个 4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始 不平衡输出电压。
➢ 理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4 ，则所有能够使电桥达到平衡的方法均 可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。
第7章 霍尔传感器原理及其应用
7.1 概述 7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.3 霍尔传感器的应用电路
7.1 概述
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美 国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
▪ 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔 元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。
EH =KHIB
1）霍尔接近开关
➢ 霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时， 开关接通；当磁铁离开后，开关断开。
常见霍尔接近开关实物图：
2）霍尔式压力传感器
➢ 霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹 性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它 转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。
➢ 为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小 的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下 的温度补偿方法。
（1）恒流源供电
恒流源温度补偿电路
（2）采用热敏元件
➢ 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以 下温度补偿电路。
➢ 图a是在输入回路进行温度补偿； ➢ 图b是在输出回路进行温度补偿。
霍尔元件的等效电路
➢ 由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4 个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个 4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始 不平衡输出电压。
➢ 理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4 ，则所有能够使电桥达到平衡的方法均 可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。
第7章 霍尔传感器原理及其应用
7.1 概述 7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.3 霍尔传感器的应用电路
7.1 概述
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美 国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
▪ 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔 元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。
EH =KHIB
第7章 传感系统关键技术
第7章 传感系统关键技术
7.2.3 传感器系统抗干扰技术 1.干扰源及主要形式 从使用和分析需求上讲,没有价值的信号可以被视为一
种干扰,环境中充斥着各种各样的干扰信号,下面将列举一些 较为常见且对系统性能影响相对较大的干扰源。
1)外部干扰 从外部侵入检测装置的干扰称为外部干扰,一般分为自 然干扰和人为干扰(或工业干扰)两种。自然干扰主要来源于 自然界,例如雷电、宇宙辐射等,对广播、通信、导航等电子 设备的影响通常较大;人为干扰是指由各种电气、电子设备 所产生的电磁干扰及机械干扰、热干扰、化学干扰等。
第7章 传感系统关键技术
(4)化学干扰。 化学干扰是由于潮湿的环境或化学腐蚀导致的各种零部 件绝缘强度的降低,严重时候可能造成漏电、短路等问题的 干扰。
第7章 传感系统关键技术
2)内部干扰 (1)固有噪声源。 固有噪声源包括热噪声、散粒噪声和低频噪声。由电阻 内部载流子的随机热运动产生的几乎覆盖整个频谱的噪声电 压形成热噪声,其有效值电压值可以表示为公式(7-4)的形 式。其中,K 为玻耳兹曼常数,T 为热力学温度,R 为电阻值,Δf 为与系统带宽相关的噪声带宽,从公式关系不难发现,减小输 入电阻和通频带宽将会对噪声的降低带来有利的作用。
第7章 传感系统关键技术
(1)电磁干扰。 电磁干扰类型相对复杂一些,通常包括放电噪声干扰和 电气设备干扰两种。放电噪声是指由各种放电现象产生的噪 声,对电子设备的影响最大。放电现象包括持续放电和过度 放电两种,前者又包括电晕放电、辉光放电和弧光放电,后者 主要是指火花放电。电晕放电主要来自高压输电线,在放电 过程中产生的脉冲电流和高频振荡是潜在的干扰源。引起辉 光放电和弧光放电的放电管(如荧光灯、电弧灯等)具有负阻 抗特性,在与外接电路连接时,非常容易引起电路的振荡,振荡 甚至可达高频波段。
第7章-结构型传感器PPT
第 7章
结构型传感器
传感器按构成原理分为结构型和物性型传感器。 传感器按构成原理分为结构型和物性型传感器。
结构型传感器是以其转换元件结构参数变化实现信号转换，主要有：应 结构型传感器 变电阻式、电感式、电容式及磁电式等；
而物性型传感器是以其转换元件物理特性变化实现信号转换，主要包括： 而物性型传感器 光电式、压电式、热电式等。
温度效应的补偿（ 2．温度效应的补偿（续） （2）双丝自补偿法 双丝自补偿应变片的敏感栅由电阻温度系数一正一负两种合金丝串接而 成，如图7.4所示，应变计总电阻为： R
= R 1 + R 2 ，当温度变化时，若R1
和R2的电阻变化大小相等或相近，而符号相反，则就可以起到温度补偿作用。
R1
R2
焊点
图7.4 变计
R4
（4）补偿块法 补偿块法就是利用两片性能参数完全相同的应变片，其中一片粘贴在试 件上作为工作片，另一片粘贴在与试件相同材料，相同环境温度，但不参与 机械应变的补偿块上作为补偿片，然后接入电桥的两相邻桥臂上，如图7.6 所示： 3 和 R4仍为平衡电阻。当温度变化时，由于 R1和 R2 为参数相同的应变 R 片，且处于相同的温度环境中，因此 R1 和 R2的热输出相同，通过电桥电路， 使其输出仅与感受的应变有关，温度效应得到补偿。
双丝自补偿应
（3）双丝半桥 双丝半桥式是利用电桥电路实现温度补偿，这种应变计的丝栅是用相同 符号温度系数的合金丝串接在一起，其结构及电桥连接方式如图7.5所示： 1 R
R 和 R2分别接入电桥的相邻臂上， 称为工作栅， 2 称为补偿栅，它具有较高 R
1 B
的温度系数，并串接附加电阻R （不敏感温度）， 和 R4称为平衡电阻。当 R
1
结构型传感器
传感器按构成原理分为结构型和物性型传感器。 传感器按构成原理分为结构型和物性型传感器。
结构型传感器是以其转换元件结构参数变化实现信号转换，主要有：应 结构型传感器 变电阻式、电感式、电容式及磁电式等；
而物性型传感器是以其转换元件物理特性变化实现信号转换，主要包括： 而物性型传感器 光电式、压电式、热电式等。
温度效应的补偿（ 2．温度效应的补偿（续） （2）双丝自补偿法 双丝自补偿应变片的敏感栅由电阻温度系数一正一负两种合金丝串接而 成，如图7.4所示，应变计总电阻为： R
= R 1 + R 2 ，当温度变化时，若R1
和R2的电阻变化大小相等或相近，而符号相反，则就可以起到温度补偿作用。
R1
R2
焊点
图7.4 变计
R4
（4）补偿块法 补偿块法就是利用两片性能参数完全相同的应变片，其中一片粘贴在试 件上作为工作片，另一片粘贴在与试件相同材料，相同环境温度，但不参与 机械应变的补偿块上作为补偿片，然后接入电桥的两相邻桥臂上，如图7.6 所示： 3 和 R4仍为平衡电阻。当温度变化时，由于 R1和 R2 为参数相同的应变 R 片，且处于相同的温度环境中，因此 R1 和 R2的热输出相同，通过电桥电路， 使其输出仅与感受的应变有关，温度效应得到补偿。
双丝自补偿应
（3）双丝半桥 双丝半桥式是利用电桥电路实现温度补偿，这种应变计的丝栅是用相同 符号温度系数的合金丝串接在一起，其结构及电桥连接方式如图7.5所示： 1 R
R 和 R2分别接入电桥的相邻臂上， 称为工作栅， 2 称为补偿栅，它具有较高 R
1 B
的温度系数，并串接附加电阻R （不敏感温度）， 和 R4称为平衡电阻。当 R
1
传感器(电子教案)第7章
表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上 光通量φ之间的关系。
2．伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同 光电流的关系叫伏安特性 ，如图7-4(c)所示。
3．光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。 保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系 叫光电管的光谱特性。光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯 性特性、暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和 有关手册合理选用。
第7 章
光电式传感器
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。 光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。
7.1光电效应 7.2光电元件及其特性 7.3光电式传感器的测量电路 7.4光电传感器及其应用 7.5光纤传感器 7.6电荷耦合器件（CCD） 7.7光栅式传感器 7.8激光式传感器 本章要点
返回 下页 图库
7.1 光电效应
由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒 子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。 光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击 在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后 产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型。
返回 上页 下页 图库
7.3光电式传感器的测量电路
要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光 电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 图7-14 真空光电管的差接测量电路 钨丝灯泡 图7-15 光电倍增管的测量电路 电弧灯或石英灯 激光 图7-16 光敏电阻开关电路 7.3.2测量电路 图7-18 具有温度补偿的光敏二极管 光电管的测量电路 测量电路 光电倍增管的测量电路 光敏电阻的测量电路 光敏晶体管的测量电路 光电池的测量电路
传感器原理及应用PPT课件(共8单元)第7章 智能传感器
应满足
yx
y0
x xR
( yR
y0 )
（7-5）
智能传感器采用模型方法进行自诊断。
图7-9 智能传感器自诊断流程
智能传感器应用案例
7.3.1 智能传感器在智能窗户中的应用
智能窗户是智能家居的一个重要组成部分，在防盗、通 风、采光和防跌落等方面都有着重要的作用。
它的主要功能包括：利用雨滴传感器检测是否有雨；利 用光敏传感器检测光线强度；通过红外检测功能，判断是否 有异物；手动、自动开（关）窗户功能。
智能窗户一般是由单片机、智能传感器、执行结构和报 警电路组成的。
智能传感器是智能窗户采集环境数据的核心器件，常用 的传感器包括雨滴传感器、红外传感器和限位开关等。
图7-10 智能窗户硬件电路
智能雨滴传感器它主要用于检测是否下雨及雨 量的大小。
智能雨滴传感器是混合结构的智能传感器，雨 滴传感器和信号调理电路通过串行线连接。
（a）
（b）
（c）
图7-5 A/D转换芯片
（a）ADC0809芯片 （b）AD9220芯片 （c）ADS1015芯片
7.2.2 智能传感器的软件设计
智能传感器的软件部分可分为系统软件和应用软件两种。系统软件一般由微处理器 厂家提供；而应用软件则是面向用户的程序，
在智能传感器中，软件的最主要功能是完成数据处理任务，其主要内容包括标度变 换、非线性校正及误差的自校准、自诊断和自补偿等。
在智能传感器校零过程中，多路选择开关首先接通零点标准值（ x0 0 ），此时的
输出 y0 a0 ；然后，多路选择开关接通标准值 xR （标定），此时的标定输出 yR 为
yR y0 a1xR
（7-3）
即
a1
传感器第7章 气敏、湿敏传感器
3.气敏传感器性能要求： 〔1〕对被测气体的敏感可逆； 〔2〕单位浓度的传导变化量大； 〔3〕对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。 〔4〕稳定性、重复性好，响应速度快。 〔5〕对周围环境〔温度、湿度等〕依赖性小； 〔6〕使用、维护方便，性价比高。
4.气敏传感器的结构： 〔1〕电阻型半导体气敏传感器结构
1〕正特性湿敏半导瓷导电原理 2〕负特性湿敏半导瓷导电原理
〔2〕氯化锂湿敏电阻 回到第一页
第7章 气敏、湿敏传感器
单元18 气敏传感器 单元19 湿敏传感器
单元18 气敏传感器
【电路图】
【电路分析】 图示为常用的气体报警器电路，采用直热式气敏传感器，当室内可 燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低， 回路的电流增加，驱动峰鸣器报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体， 报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。
〔2〕直热式气敏器件结构
〔4〕接触燃烧式气体传感器结构 〔5〕气敏二极管
5.主要特性参数 〔1〕器件电阻 〔2〕灵敏度 〔3〕响应时间 〔4〕恢复时间 〔5〕加热电阻和加热功率
〔6〕原电池式气体传感器 回到第一页
单元19 湿敏传感器
【电路图】
【电路分析】 图示为湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH等组成
【知识要点】
1.利用半导体材料吸附气体后引起其性质发生变化的特性而制成的 器件称为气敏传感器。气敏传感器是—种气—电转换元件。 2.气敏传感器主要用于天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易 爆、有毒、有害气体的检测与预报、自动控制，检测污染气体、煤 气报警和火灾报警等。气敏传感器大体分为电阻式和非电阻式，目 前使用的大多为电阻式气敏传感器。电阻式气敏传感器是用氧化锡、 氧化锌等金属氧化物材料制作，利用其阻值随被测气体浓度改变而 变化的特性来检测气体浓度。
4.气敏传感器的结构： 〔1〕电阻型半导体气敏传感器结构
1〕正特性湿敏半导瓷导电原理 2〕负特性湿敏半导瓷导电原理
〔2〕氯化锂湿敏电阻 回到第一页
第7章 气敏、湿敏传感器
单元18 气敏传感器 单元19 湿敏传感器
单元18 气敏传感器
【电路图】
【电路分析】 图示为常用的气体报警器电路，采用直热式气敏传感器，当室内可 燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低， 回路的电流增加，驱动峰鸣器报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体， 报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。
〔2〕直热式气敏器件结构
〔4〕接触燃烧式气体传感器结构 〔5〕气敏二极管
5.主要特性参数 〔1〕器件电阻 〔2〕灵敏度 〔3〕响应时间 〔4〕恢复时间 〔5〕加热电阻和加热功率
〔6〕原电池式气体传感器 回到第一页
单元19 湿敏传感器
【电路图】
【电路分析】 图示为湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH等组成
【知识要点】
1.利用半导体材料吸附气体后引起其性质发生变化的特性而制成的 器件称为气敏传感器。气敏传感器是—种气—电转换元件。 2.气敏传感器主要用于天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易 爆、有毒、有害气体的检测与预报、自动控制，检测污染气体、煤 气报警和火灾报警等。气敏传感器大体分为电阻式和非电阻式，目 前使用的大多为电阻式气敏传感器。电阻式气敏传感器是用氧化锡、 氧化锌等金属氧化物材料制作，利用其阻值随被测气体浓度改变而 变化的特性来检测气体浓度。
传感器第7章 传感器的数据处理
程序主要包括3个子文件Blink.nc、BlinkM.nc和SingleTimer.nc。
7.1.7 nesC应用程序的分析
Blink.nc文件
该文件为整个程序的顶层配置文件，关键字为configuration，通过“->”连接各个 对应的接口。
configuration Blink{ } implementation{
7.1.4 模块
简单指令或事件A，由带有存储类型指令或事件的C函数定义的语法实现（注意允许在 函数名中直接定义的扩展）。另外语法关键字必须被包含如果它被包含在A的声明中。
SendMsg类型的提供 接口Send的模块：
Command result_t Send.send(unit16_t address, unit8_t length, TOS_MsgPtr msg){
图7-1 TinyOS程序结构框图
基于以上分析，一个节点上应用程序的框图。操作系统只是在后台提供队列服务。
图7-2 应用程序结构框图
7.1.7 nesC应用程序的分析
每个nesC应用程序都是由一个或多个组件通过接口链接起来，并通过ncc/gcc 编译生成一个完整的可执行程序。
以TinyOS软件中的Blink应用程序为例，具体介绍nesC应用程序结构。Blink程 序是一个简单的nesC应用程序。它的主要功能是每隔1 s的时间间隔亮一次，关闭 系统时红灯亮。
每个nesC应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所 用到的所有组件连接起来，形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。
每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调 用其他的组件以实现程序的功能。由一个或多个组件构成或连接而成。
7.1.7 nesC应用程序的分析
Blink.nc文件
该文件为整个程序的顶层配置文件，关键字为configuration，通过“->”连接各个 对应的接口。
configuration Blink{ } implementation{
7.1.4 模块
简单指令或事件A，由带有存储类型指令或事件的C函数定义的语法实现（注意允许在 函数名中直接定义的扩展）。另外语法关键字必须被包含如果它被包含在A的声明中。
SendMsg类型的提供 接口Send的模块：
Command result_t Send.send(unit16_t address, unit8_t length, TOS_MsgPtr msg){
图7-1 TinyOS程序结构框图
基于以上分析，一个节点上应用程序的框图。操作系统只是在后台提供队列服务。
图7-2 应用程序结构框图
7.1.7 nesC应用程序的分析
每个nesC应用程序都是由一个或多个组件通过接口链接起来，并通过ncc/gcc 编译生成一个完整的可执行程序。
以TinyOS软件中的Blink应用程序为例，具体介绍nesC应用程序结构。Blink程 序是一个简单的nesC应用程序。它的主要功能是每隔1 s的时间间隔亮一次，关闭 系统时红灯亮。
每个nesC应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所 用到的所有组件连接起来，形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。
每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调 用其他的组件以实现程序的功能。由一个或多个组件构成或连接而成。
传感器原理及应用(第三版)第7章
上一页 下一页
(二)温差电势 单一导体，如果两端温度不同，则导体内自由电子在高温端具有 较大的动能，因而向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低 温端因得到电子而带负电，从而形成静电场，如图所示。该电场阻 碍电子的继续扩散，当达到动平衡时，在导体两端便产生一个稳定 的电位差，即温差电势。同样由物理学可知： 温差电势: T e A ( T , T 0 ) = ∫ σ dT T0 其中： e A (T , T0 ) —导体A两端温度为时形成的 温差电势 σ —汤姆逊系数，表示单一导体两 端温差1℃时所产生的温差电势，其值与材料性质及两端温度有关. ℃ 结论： 结论：在热电偶中，温差电势相对于接触电势非常小，工程上常 将其忽略不计，起决定作用的是接触电势。但热电偶作为检测计量 使用时要加以考虑 。
Tn Tn T T + ∫ σ B dT − ∫ σ A dT + ∫ σ B ' dT − ∫ σ A ' dT Tn Tn T0 T0
= EAB (T , Tn ) + E A'B ' (Tn , T0 )
因此上述定律成立。
上一页 下一页
(T1Tn ), (Tn1T0 )
2 中间温度定律： 定律描述：热电偶在结点温度为 (T，T0 ) 时的热电势 EAB(T,T0 ) ，等于 热电偶在 (T，Tn ),(T，T0 ) 时相应的热电势 EAB(T,Tn ) 与 EAB(Tn ,T0 ) 的代数和。 数学表达式：
EABB' A' (T ,Tn ,T0 ) = EAB(T ,Tn ) + EA'B' (Tn ,T0 )
证明：由上图所示，回路总电势
EABB' A' (T ,Tn ,T0 ) = EAB(T ) + EBB' (Tn ) + EB' A' (T0 ) + EA' A (Tn )
(二)温差电势 单一导体，如果两端温度不同，则导体内自由电子在高温端具有 较大的动能，因而向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低 温端因得到电子而带负电，从而形成静电场，如图所示。该电场阻 碍电子的继续扩散，当达到动平衡时，在导体两端便产生一个稳定 的电位差，即温差电势。同样由物理学可知： 温差电势: T e A ( T , T 0 ) = ∫ σ dT T0 其中： e A (T , T0 ) —导体A两端温度为时形成的 温差电势 σ —汤姆逊系数，表示单一导体两 端温差1℃时所产生的温差电势，其值与材料性质及两端温度有关. ℃ 结论： 结论：在热电偶中，温差电势相对于接触电势非常小，工程上常 将其忽略不计，起决定作用的是接触电势。但热电偶作为检测计量 使用时要加以考虑 。
Tn Tn T T + ∫ σ B dT − ∫ σ A dT + ∫ σ B ' dT − ∫ σ A ' dT Tn Tn T0 T0
= EAB (T , Tn ) + E A'B ' (Tn , T0 )
因此上述定律成立。
上一页 下一页
(T1Tn ), (Tn1T0 )
2 中间温度定律： 定律描述：热电偶在结点温度为 (T，T0 ) 时的热电势 EAB(T,T0 ) ，等于 热电偶在 (T，Tn ),(T，T0 ) 时相应的热电势 EAB(T,Tn ) 与 EAB(Tn ,T0 ) 的代数和。 数学表达式：
EABB' A' (T ,Tn ,T0 ) = EAB(T ,Tn ) + EA'B' (Tn ,T0 )
证明：由上图所示，回路总电势
EABB' A' (T ,Tn ,T0 ) = EAB(T ) + EBB' (Tn ) + EB' A' (T0 ) + EA' A (Tn )
第七章--光栅传感器知识讲解
第7章 光栅传感器 图7.3 莫尔条纹原理
第7章 光栅传感器 7.1.3
1. 位移放大作用 相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ的关系 为
(7.1)
令k为放大系数，则
(7.2)
第7章 光栅传感器
2. 由图7.1知，若光栅栅距为w，刻线数为i，移动距离为x， 则
x=i w
(7.3)
将式(7.3)代入式(7.1)中，有
图7.2 圆光栅栅线
第7章 光栅传感器
7.1.2 计量光栅是利用莫尔现象来实现几何量的测量的。莫尔
条纹是由主光栅和指示光栅的遮光与透光效应形成的(两只 光栅参数相同)。主光栅用于满足测量范围及精度，指示光 栅(通常是从主尺上裁截一段)用于拾取信号。将主光栅与指 示光栅的刻划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角θ， 这样就可以看到，在a-a线上两只光栅栅线彼此错开，光线 从缝隙中透过形成亮带，其透光部分是由一系列菱形图案构 成的；在b-b线上两只光栅栅线相互交叠，相互遮挡缝隙， 光线不能透过形成暗带。这种亮带和暗带相间的条纹称为莫 尔条纹。由于莫尔条纹的方向与栅线方向近似垂直，因此该 莫尔条纹称为横向莫尔条纹。莫尔条纹原理如图7.3所示。
第7章 光栅传感器 图7.1 光栅的结构
第7章 光栅传感器 圆光栅有三种栅线形式：一种是径向光栅，其栅线的延 长线通过圆心；另一种是切向光栅，其栅线的延长线与光栅 盘的一个小同心圆相切；还有一种是其栅线为一簇等间距同 心圆组成的环形光栅。圆光栅通常在圆盘上刻有1080～64 800条线。圆光栅栅线如图7.2
第7章 光栅传感器 图7.7 四路电信号波形
第7章 光栅传感器
7.2.3 位移测量传感器如果不能辨向，则只能作为增量式传感
器使用。为辨别主光栅的移动方向，需要有两个具有相差的 莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向，且这两个莫尔条纹 信号相差90°相位。实现的方法是在相隔B／4条纹间隔的 位置上安装两个光电元件，当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮 度变化规律完全一样，相位相差π／2，滞后还是超前完全取 决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为位置细 分辨向原理。辨向原理如图7.5
【学习课件】第7章_磁电式传感器
传感器原理及应用
第7章 霍尔式传感器
.
1
第7章 磁电式传感器
传感器原理及应用
概述
➢ 霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电 转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 ➢随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展， 广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等 方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 ➢ 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。
若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线 成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁
感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，
即Bcos，这时的霍尔电势为
EH=KHIBcos
结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正
比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。
如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率
21
无刷电动机在电动自行车上的应用
无刷直流电动机 的外转子采用高性能 钕铁硼稀土永磁材料； 三个霍尔位置传感器 产生六个状态编码信 号，控制逆变桥各功 率管通断，使三相内 定子线圈与外转子之 间产生连续转矩，具 有效率高、无火花、 可靠性强等特点。
.
22
电动自行车的无刷电动机及控制电路
利用 PWM 调速
.
10
开关型霍尔集成电路
开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、 放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门） 等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定 的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为 低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变 为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如 UGN3020等。
.
26
霍尔式接近开关用于转
第7章 霍尔式传感器
.
1
第7章 磁电式传感器
传感器原理及应用
概述
➢ 霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电 转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 ➢随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展， 广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等 方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 ➢ 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。
若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线 成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁
感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，
即Bcos，这时的霍尔电势为
EH=KHIBcos
结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正
比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。
如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率
21
无刷电动机在电动自行车上的应用
无刷直流电动机 的外转子采用高性能 钕铁硼稀土永磁材料； 三个霍尔位置传感器 产生六个状态编码信 号，控制逆变桥各功 率管通断，使三相内 定子线圈与外转子之 间产生连续转矩，具 有效率高、无火花、 可靠性强等特点。
.
22
电动自行车的无刷电动机及控制电路
利用 PWM 调速
.
10
开关型霍尔集成电路
开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、 放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门） 等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定 的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为 低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变 为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如 UGN3020等。
.
26
霍尔式接近开关用于转
第7章霍尔传感器原理及其应用
第7章霍尔传感器原理及其应用霍尔传感器是一种基于霍尔效应原理进行工作的电子元件，它一般由霍尔元件和信号处理电路两部分组成。
霍尔元件是一种特殊的半导体器件，它通过在磁场中运行时产生的电荷的分布来检测磁场的变化。
信号处理电路用于将霍尔元件产生的微弱信号进行放大和处理，从而得到可靠的输出信号。
霍尔效应是指当通过一均匀磁场的导体中存在电流时，导体两侧产生一电势差的现象。
霍尔传感器利用这一效应来检测磁场的强度和方向。
当磁场作用于霍尔元件时，霍尔元件中的载流子（电子或空穴）会受到洛仑兹力的作用而发生偏转，导致霍尔元件两侧形成一个电势差。
通过测量这个电势差的大小和极性，可以推导出磁场的强度和方向。
霍尔传感器具有很大的灵敏度和线性度，它的主要性能参数包括灵敏度、磁场范围、温度特性和响应时间等。
实际应用中，霍尔传感器可以用于测量磁场的强度和方向，也可以用于检测位置、速度、角度等物理量。
在工业领域，霍尔传感器广泛应用于汽车行业。
例如，它可以用于测量汽车发动机的转速，通过检测发动机旋转部件所产生的磁场变化来计算转速。
此外，霍尔传感器还可以用于测量转向角度、制动压力等参数，用于车辆的动态控制和安全性能的提升。
在电子设备中，霍尔传感器也有着重要的应用。
例如，它可以用于手机中的屏幕自动旋转功能，通过测量手机在地球磁场中的方向来决定屏幕的显示方向。
此外，霍尔传感器还可以用于电子罗盘、磁力计等设备中，用于测量地球磁场的强度和方向。
此外，霍尔传感器还可以应用于家用电器、电子锁、电动机控制等领域。
例如，霍尔传感器可以用于家用电器中的电流检测，通过检测电线中的磁场变化来判断电流的大小。
在电动机控制系统中，霍尔传感器可以用于测量电动机的转速和转向，从而实现精确的控制。
总之，霍尔传感器是一种重要的电子元件，它通过霍尔效应原理来检测磁场的变化。
在汽车行业、电子设备和家用电器等领域，霍尔传感器都有着重要的应用。
随着技术的发展和创新，霍尔传感器的性能和应用领域还将得到进一步拓展。
传感器(第6版) PPT课件第7章
第二节 光电器件
一、热探测器 原理及特点：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器， 它的突出优点是能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应， 尤其适用于红外的探测。 种类：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。 1、测辐射热电偶 与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层，当 有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。 2、测辐射热敏电阻 用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度 的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。
第一节 光源
四、激光器 激光产生的过程： ➢某 些 物 质 的 分 子 、 原 子 、 离 子 吸 收 外 界 特 定 能 量 （ 如 特 定 频 率 的 辐 射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）； ➢如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反 转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射 出与激发光子频率相同的光子（受激发射）； ➢由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为 光的受激辐射放大。 ➢具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
传 感 器（第6版）
哈尔滨工业大学 唐文彦 主编
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
第七章 光电式传感器
第一节 光源 第二节 光电器件 第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件 第四节 光纤传感器 第五节 光栅式传感器 第六节 激光式传感器
返回主目录
第七章 光电式传感器
波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线
第一节 光源
红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
SendMsg 接口类型提供者必须实现发送指令，而使用者必须实现 sendDone 事件。
7.1.3 组件
一个Nesc编写的程序由一个或多个组件构成或连接而成。每个nesC应用程序都 由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所用到的所有组件连接起来， 形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。 每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调用 其他的组件以实现程序的功能。
其中组件名由标识符（identifier）定义。该标识符是全局性的，且属于组件和接口类型命名空 间。 一个组件可以有两种作用域：
• 一个规范（specification）作用域，属于C的全局作用域； • 一个实现（implementation）作用域，属于规范作用域。
接口声明的两种函数：命令（command）和事件（event）。 • 接口的提供者必须实现命令， • 接口的使用者必须实现事件。
接口具有的特点：Provides未必一定有组件使用，但uses一定要有人提供，否则编译会提 示出错。在动态组件配置语言中uses也可以动态配置。 接口可以连接多个同样的接口， 叫做多扇入/扇出。
7.1.2 接口
nesC接口有双向性：描述多功能的两个组件（供给者provides和使用者uses）之间的交互 渠道。
接口是一组相关函数的集合，它是双向的并且是组件间的唯一访问点。一个组件可以提 供接口（provides），也可以使用接口（uses）。 • 提供的接口描述了该组件提供给上一层调用者的功能， • 使用的接口则表示该组件本身工作时需要的功能。
每个nesC应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所 用到的所有组件连接起来，形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。
每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调 用其他的组件以实现程序的功能。由一个或多个组件构成或连接而成。
组件的组成：
• 规范说明，包含要用接口的名字； • 具体实现。
7.1.1 nesC简介
nesC是专门为网络嵌入式系统设计的编程语言。通过实现一个包含事件驱 动执行、弹性并发型和面向组件程序设计等特征的编程模式，来满足这个领 域程序设计的特定要求。
nesC使用C作为其基础语言，支持所有的C语言词法和语法，增加了组件 (component)和接口(interface)的关键字定义，定义了接口及如何使用接口表达 组件之间关系的方法。
目前只支持组件的静态连接，不能实现动态连接和配置。
7.1.1 nesC简介
nesC机制的分离 • 组件的行为规范由一组接口来定义，接口由组件提供或被组件使用
nesC的设计要求：
• nesC是C语言的一个扩展 • 整体程序的分析 • nesC是一个静态语言 • nesC支持和反映基于事件的并发控制模型
一个组件由两部分组成： • 规范说明，包含要用接口的名字； • 具体实现。
组件分两种： • Module组件（模块）：实现某种逻辑功能； • Configuration组件（配件）：将各个组件连接起来成为一个整体。 组件的特征为组件内变量、函数可以自由访问，但组件之间不能访问和调用。
7.1.3 组件
第7章 传感器的数据处理
2016年1月
要求
了解传感器数据处理的基本原理和主要方法 掌握运用NesC语言进行数据处理的原理和方法 理解数据融合的概念、原理和主要方法
目录
7.1 nesC语言 7.2 数据融合
无线传感器节点是一种典型的资源受限的嵌入式系统，需要一个微型的操 作系统来组织和管理硬件，实现应用软件的功能。TinyOS是美国加州大学伯克 利分校针对无线传感器网络而设计的一个基于事件驱动的微型操作系统，最初 是用汇编和C语言实现的。由于C语言不能有效、方便地满足面向传感器网络的 应用开发，其目标代码比较长，经进一步研究设计出了支持组件化的新型编程 语言——nesC。
7.1.2 接口
接口由interface类型定义，interface语法定义如下：
nesC-file: interface:
includes-listopt interface ……..
interface identifier {declaration-list} storage-class-specifier: also one of command event async
一个简单的接口如下：
interface SendMsg { command result_t send(uint16_t address, uint8_t length, TOS_MsgPtr msg); event result_t sendDone(TOS_MsgPtr msg, result_t success); }
组件分两种：
• Module组件（模块）：实现某种逻辑功能； • Configuration组件（配件）：将各个组件连接起来成为一个整体。
组件的特征为组件内变量、函数可以自由访问，但组件之间不能访问和调用。
7.1.3 组件
组件的语法定义如下：
nesC-file:
includes-listopt module includes-listopt configuration …… module: module identifier specification module-implementation configuration: configuration identifier specification configuration-implementation
其最大的特点是，将组件化／模块化思想和基于事件驱动的执行模型相结 合。现TinyOS操作系统和基于TinyOS的应用程序都是用nesC语言编写的，大大提 高了应用开发的方便性和应用执行的可靠性。
7.1 nesC语言
➢ nesC简介 ➢ 接口 ➢ 组件 ➢ 模块 ➢ 配件 ➢ 并发操作 ➢ nesC应用程序的分析
7.1.3 组件
一个Nesc编写的程序由一个或多个组件构成或连接而成。每个nesC应用程序都 由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所用到的所有组件连接起来， 形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。 每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调用 其他的组件以实现程序的功能。
其中组件名由标识符（identifier）定义。该标识符是全局性的，且属于组件和接口类型命名空 间。 一个组件可以有两种作用域：
• 一个规范（specification）作用域，属于C的全局作用域； • 一个实现（implementation）作用域，属于规范作用域。
接口声明的两种函数：命令（command）和事件（event）。 • 接口的提供者必须实现命令， • 接口的使用者必须实现事件。
接口具有的特点：Provides未必一定有组件使用，但uses一定要有人提供，否则编译会提 示出错。在动态组件配置语言中uses也可以动态配置。 接口可以连接多个同样的接口， 叫做多扇入/扇出。
7.1.2 接口
nesC接口有双向性：描述多功能的两个组件（供给者provides和使用者uses）之间的交互 渠道。
接口是一组相关函数的集合，它是双向的并且是组件间的唯一访问点。一个组件可以提 供接口（provides），也可以使用接口（uses）。 • 提供的接口描述了该组件提供给上一层调用者的功能， • 使用的接口则表示该组件本身工作时需要的功能。
每个nesC应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所 用到的所有组件连接起来，形成一个有机整体。一个组件是一个*.nc文件。
每个应用程序(app)都有一个称为Main的组件（类似于C的main函数），它调 用其他的组件以实现程序的功能。由一个或多个组件构成或连接而成。
组件的组成：
• 规范说明，包含要用接口的名字； • 具体实现。
7.1.1 nesC简介
nesC是专门为网络嵌入式系统设计的编程语言。通过实现一个包含事件驱 动执行、弹性并发型和面向组件程序设计等特征的编程模式，来满足这个领 域程序设计的特定要求。
nesC使用C作为其基础语言，支持所有的C语言词法和语法，增加了组件 (component)和接口(interface)的关键字定义，定义了接口及如何使用接口表达 组件之间关系的方法。
目前只支持组件的静态连接，不能实现动态连接和配置。
7.1.1 nesC简介
nesC机制的分离 • 组件的行为规范由一组接口来定义，接口由组件提供或被组件使用
nesC的设计要求：
• nesC是C语言的一个扩展 • 整体程序的分析 • nesC是一个静态语言 • nesC支持和反映基于事件的并发控制模型
一个组件由两部分组成： • 规范说明，包含要用接口的名字； • 具体实现。
组件分两种： • Module组件（模块）：实现某种逻辑功能； • Configuration组件（配件）：将各个组件连接起来成为一个整体。 组件的特征为组件内变量、函数可以自由访问，但组件之间不能访问和调用。
7.1.3 组件
第7章 传感器的数据处理
2016年1月
要求
了解传感器数据处理的基本原理和主要方法 掌握运用NesC语言进行数据处理的原理和方法 理解数据融合的概念、原理和主要方法
目录
7.1 nesC语言 7.2 数据融合
无线传感器节点是一种典型的资源受限的嵌入式系统，需要一个微型的操 作系统来组织和管理硬件，实现应用软件的功能。TinyOS是美国加州大学伯克 利分校针对无线传感器网络而设计的一个基于事件驱动的微型操作系统，最初 是用汇编和C语言实现的。由于C语言不能有效、方便地满足面向传感器网络的 应用开发，其目标代码比较长，经进一步研究设计出了支持组件化的新型编程 语言——nesC。
7.1.2 接口
接口由interface类型定义，interface语法定义如下：
nesC-file: interface:
includes-listopt interface ……..
interface identifier {declaration-list} storage-class-specifier: also one of command event async
一个简单的接口如下：
interface SendMsg { command result_t send(uint16_t address, uint8_t length, TOS_MsgPtr msg); event result_t sendDone(TOS_MsgPtr msg, result_t success); }
组件分两种：
• Module组件（模块）：实现某种逻辑功能； • Configuration组件（配件）：将各个组件连接起来成为一个整体。
组件的特征为组件内变量、函数可以自由访问，但组件之间不能访问和调用。
7.1.3 组件
组件的语法定义如下：
nesC-file:
includes-listopt module includes-listopt configuration …… module: module identifier specification module-implementation configuration: configuration identifier specification configuration-implementation
其最大的特点是，将组件化／模块化思想和基于事件驱动的执行模型相结 合。现TinyOS操作系统和基于TinyOS的应用程序都是用nesC语言编写的，大大提 高了应用开发的方便性和应用执行的可靠性。
7.1 nesC语言
➢ nesC简介 ➢ 接口 ➢ 组件 ➢ 模块 ➢ 配件 ➢ 并发操作 ➢ nesC应用程序的分析