传感器认知实验讲义

实验7 传感器认知

一．实验目的

1、了解传感器的分类。

2、通过传感器的外形能够认知传感器。

3、熟悉ARDUINO单片机。

4、熟悉利用单片机调试工具驱动不同类型传感器。

二．实验原理

敏感元器件又称传感器。传感器是一种检测装置，它能够感受到被测的信息，并且能够将感受到的信息按一定规律变换成电信号或其它所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测、自动控制的首要环节。传感器的种类繁多，大致分为光敏、热敏、磁敏、湿敏、力敏等等。

光敏元件：光敏元件是基于半导体光电效应而制成的器件，又称光电敏感器。采用光电技术能实现对微弱光信号的无接触、远距离、快速、精确测量。半导体光敏元件按照光

敏机理不同可以分为光导型

．．．．．。光导型即光敏电阻是一种半导体均质结构；光生．．．和光生伏特型

伏特型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。半导体光敏元件的主要参数和特性有灵敏度、光照伏安特性、光谱特性、时间和频率响应特性以及温度特性等。半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通讯、计算技术、摄像夜视、遥感制导、机器人、质量检查、安全报警、以及其它测量和控制装置。

LED：LED又称为发光二极管。LED是英文Light Emitting Diode 的缩写，它是一种基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源，在一定的正向偏压和注入电流下，注入P区的电子和注入N区的空穴，在扩散至有源区后，经过辐射复合而发出光子，将电能直接转换成光能。它是一种固态冷光源，具有环保、无污染、耗电少、效率高、寿命长等特点。现时的产品有LED路灯、LED射灯、LED指示器、LED显示屏等。

LED所发射的有可见光和红外光，前者有红、黄、蓝多种颜色（可以通过改变构成半导体材料的各种元素比例大小来获取），后者通常采用禁带宽度较大的砷化镓材料制作。

霍尔磁力传感器：霍尔元件是利用半导体材料的霍尔效应制成的专门用来探测或测量磁场强度大小的基础元件。霍尔效应简述如下：在一块半导体矩形薄晶片的长边上加上一纵向直流电压，在垂直于其表面的方向上加上一个磁场，那么在矩形晶片的短边方向上就会产生一横向的电压，此效应称为霍尔效应。如果假设长边方向上的电流密度为

j, 与表面垂直

X

方向的磁场为Z B , 横向（短边方向）的电场为Y E , 半导体材料的霍尔系数为H R , 那么

霍尔效应可以用公式表述为Z X H Y B J R E =，可见，在纵向电流和霍尔系数一定的情况下，

横向电场的大小与垂直磁场的大小成正比，只要测量霍尔电势（与横向电场成正比），就可以知道垂直磁场的大小。

温度传感器： 温度传感器就是利用物质随温度变化特性的规律，把温度转换为电量的传感器。温度传感器的基础元件可以是热敏电阻、热电偶，也可以是PN 结（利用其V-A 特性对温度很敏感这一特点）。目前用的较多的是1.1节所述PTC 热敏电阻和NTC 热敏电阻。图 3.2给出了这两种热敏电阻的阻温特性。其中上图(a)表示正温度系数PTC (Positive Temperature Coefficient) 热敏电阻的温度特性。可以看出，随着温度的升高在居里点附近电阻值有一个阶跃式的跳升。PTC 电阻的这一特性已经被用作电路的过电流保护、马达的过热保护等；上图（b ）是负温度系数热敏电阻NTC(Negative Temperature Coefficient)d 的阻温特性。图中三条曲线分别对应于不同的热敏指数B （常数）值，它们的共同特点是随着温度的升高，电阻值急剧下降。热敏指数B 有下列表达式

011ln ln 0T T R R B T T --=

式7-1 式中，0T R 是绝对温度0T 时刻的电阻值，T R 是绝对温度T 时刻的电阻值。利用NTC 阻

温曲线，对于某一B 值的材料，我们可以通过测量其电阻阻值来确定相应的温度。因此，NTC 电阻的阻温特性可以用来检测和控制温度。

湿度传感器： 人类的生存和社会活动与湿度密切相关, 随着现代化的实现很难找出一个与湿度无关的领域来。由于应用领域不同，对湿度传感器的要求也不同。从制造角度考虑， 同是传感器，材料、结构不同、工艺不同，其性能和技术指标有很大差异。在当今信息时代，传感器技术与计算机技术、自动控制技术紧密地结合着。测量湿度的目的就是为了控制湿度。选择湿度传感器，首先是要选择测量范围。除了气象、科研部门外，搞温湿度测控的一般不需要全湿程（0~100%RH ）测量。对于不需要搞测控的使用者来说，直接选用通用型湿度仪就可以了。

力敏传感器： 力敏传感器是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器。常用材料有半导体、金属及合成材料。常用的主要是硅压阻式．．．力敏传感器和电容式．．．力敏传感器。硅压力传感器优点是灵敏度好、精度高，缺点是受温度影响大。

继电器： 继电器是一种利用输入回路中电流在电磁铁和衔铁之间的作用力而工作的电

气设备，也就是利用小电流去控制大电流通断的一种器件。主要用于控制主电路回路的通断。其主要参数有：线圈温升、电气寿命、接触电阻。

压敏电阻： 压敏电阻是以氧化锌．．．

为主要原料，添加其他金属氧化物，以经典的电子陶瓷工艺制造而成的电压敏感元件。因为其特有的非线性V-I 特性（伏安特性）及通流能力大、限制电压低、响应速度快等特点，在电路保护领域得到了广泛应用。压敏电阻与被保护的电路或元器件并联，当被保护电路两端没有浪涌电压出现时，它工作在高阻状态，阻值约为cm 131210~10，不影响被保护电路正常运行。当被保护电路两端出现浪涌电压时，压敏电阻以纳秒级的响应速度极快地转为低阻导通状态，使得被保护电路两端的电压迅速降低，电路得到保护。

一个标称为7K471的压敏电阻，其含义为：7表示压敏电阻片直径为7mm ，471表示压敏电压的值为47*10=470V ，K 表示压敏电阻的误差为10%。

三．实验内容

1、认知单片机

图7-1 Arduino UNO 单片机

Arduino 是2005年1月由米兰交互设计学院的两位教师David Cuartielles 和Massimo Banzi 联合创建，是一块基于开放原始代码的Simple I/O 平台，该平台由两部分组成：硬件（包括微处理器、电路板等）和软件（编程接口和语言）。平台的两部分都是开源的，如果需要，可以下载Arduino 的图表、购买需要的所有独立部件、切割电路板并制作出一个新的电路板。Arduino 具有类似Java 、C 语言的开发环境，可以快速使用Arduino 语言与Flash 或Processing 等软件完成互动作品。Arduino 还能够使用开发完成的电子元件，如Switch 、Sensors 或其他控制器、LED 、步进电机或其它输入/输出装置，同时，Arduino 也可以成为独立与软件沟通的平台，如Flash 、Processing 、Max/MSP 或其它互动软件。

Arduino 不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开