传感器 PPT课件

2、传感器的组成：
传感器由敏感元器件（感知元件）、转换器件 和测量电路三部分组成，有时还加上辅助电源。
3、传感器的分类
传感器的分类主要依靠敏感原件的种类来区分。
敏感原件品种繁多就其感知外界信息的原理来 讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁 和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原 理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识 别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、 光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿 敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件 和味敏元件等十大类
CF
i

U
U SC

jCF

1 RF


U

A0U

jCF

1 RF

q
RF
i Ca
U∑ －A0
Ra
USC
U

j A0
1CF
A0
1 1
RF

电荷放大器原理电路图
二、压电式传感器的应用
（一）压电式加速度传感器 （二）压电式压力传感器 （三）压电式流量计 （四）集成压电式传感器 （五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用
n0
B
2θ0
θ0
θ1
A
D
φ1
C
光纤导光示意图
n2
n1 d
由斯涅尔（Snell）定律：
n0sin0 n1sin1 n1cos1
若满足
sin1

n2 n1
即
s in 0

1 n0
n12
-
n
2 2
就能产生全反射。 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性
质(n1、n2)决定的，与光纤的几何尺寸无关
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
压电式传感器的测量电路
（一）等效电路
当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作 用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电 荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。 也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的 电容器，如图(b)。其电容量为
它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、 煤气的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
酒精测试仪
烟雾报警器
3、温度传感器
工作原理：
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起 来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着 点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势, 因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为 热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应 来工作的。
Ca

S
t

r0S
t
当两极板聚集异性电荷
电极
＋＋＋＋ q ――――
q Ca
时，则两极板呈现一定 压电晶体
的电压，其大小为
Ua

q Ca
(a)
(b)
压电传感器的等效电路
因此，压电传感器可等 效 为 电 压 源 Ua 和 一 个 电 容器Ca的串联电路，如图 (a) ； 也 可 等 效 为 一 个 电 荷 源 q 和 一 个 电 容 器 Ca 的 并联电路，如图(b)。
1、光纤与传光原理
1.1 光纤的结构和分类
光纤的结构 基本采用石英玻璃，
玻璃纤维 包层
尼龙外层
主要由三部分组成 中心——纤芯；
外层直径1mm
外层——包层； 100 ~200μm
护套——尼龙料。
纤芯 涂敷层
光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质：
纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（ n1 ＞ n2 ）。
U a U m sin t
Um——电压幅值
Um

q Ca

d 33 Fm Ca
由图(b)可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为
U i

d33F 1
jR
jRC Ca
2、电荷放大器
电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器， 其基本电路如图。若放大器的开环增益A0足够大，并且 放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流， 运算电流仅流入反馈回路CF与RF。由图可知i的表达式为：
空调
电子温度计
4、声敏传感器
工作原理：
将声音震动信号转化到电容上，再转化为电
流信号或是讲震动转化为磁场信号，再转化
为电信号。
电话
声控灯
声敏传感器
5、压力传感器
工作原理：压力传感器主要利用弹性材料的形变和 位移来检测外界信号的变化，并将其转换为电信号。 如硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制 成的。
光纤的分类 (1) 按纤芯和包层材料性质分类：
玻璃光纤和塑料光纤
(2) 按折射率分布分类：
阶跃折射率型和梯度折射率型
阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层 界面处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中 心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。因 此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波， 如图所示。
表面张力测试仪
电子秤
6、光敏传感器 工作原理： 光敏电阻的阻值会随光照射程度的不同而产生变 化，在一个闭合的电路中，电阻阻值的大小会影 响电流的大小，从而将光这种外部信号转化为电 信号。
太阳能电池
第二部分：压电传感器
1、原理 2、应用
一、压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以 某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下， 在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的 目的。
包层 n2 纤芯 n1
r
r
n
n
n2 n1
n2 n1
(a)
包层n2 纤芯 n1 (b)
r
n
n2 n1
包层n2 纤芯 n1
(c)
10.1.2 光纤的传光原理
光纤传光原理主要是基于光的全反射。当光线以不 同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入 光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光 线全部反射。 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反 射向前传播，最后从另一端面射出。
光纤
光源
测 量 对 象
光电元件
(a)
光纤 光源 测 量 对 象
光电元件
(b)
测
量
对 象 敏感
元件
光源 光电元件(c) Nhomakorabea测
量
光纤
对
象 光电元件
(d)
1-5光纤传感器的基本结构原理
外界参量
光 光纤 信号 光纤 光探
源
调制
测器
信号 处理
光纤强度调制传感器的原理图
3. 按被测物理量分类
光纤温度传感器 光纤速度传感器 光纤加速度传感器 光纤浓度传感器 光纤电流传感器 光纤流速传感器等
应用1：球面光纤液位传感器
光由光纤的一端导入,在球状对
折端部一部分光透射出去,而另 LED 一部分光反射回来,由光纤的另
压电传感器、光纤传感器及其 在测量中的应用
张春阳 2012.5.10
内容
第一部分：传感器简介 第二部分：压电传感器 第三部分：光纤传感器
第一部分：传感器简介
一、传感器概念
1、传感器的定义：
传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、 感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度） 或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给 其他装置或器官。 简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。
4、常见类型
• 湿敏传感器 • 气敏传感器 • 温度传感器 • 声敏传感器 • 压电传感器（如力敏传感器） • 光纤传感器
视频
二、常用传感器工作原理及应用
1、湿敏传感器
工作原理：
湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解, 离子导电率发生 化而制成的测湿元件，从而将湿度转变电信号，感 知空气中湿度的变化。
湿敏元件
1.5 光纤传感器的原理
光纤传感器由光发送器、敏感元件（光纤或非 光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构 成，是一种把被测量的状态转变为可测的光信号 的装置。
由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。 这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经 接收光纤耦合到光接收器，从而使光信号变为电信 号，最后经信号处理得到所期待的被测量。
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般有三类：
1、压电晶体（如上述的石英晶体）； 2、 经过极化处理的 压电陶瓷； 3、高分子压电材料。
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
天然形成的石英晶体外形
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
双面镀银并封装
（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造 成本却较低，因此目前国内外生产的压电元 件绝大多数都采用压电陶瓷 。
1、电压放大器
Ca
Ca
－A
－A
Ua
Cc
Ua
Ra
Ri Ci
USC
RC
Ui
USC
(a)
(b)
图（b）中，等效电阻R为 等效电容为 C=Cc+Ci
而
Ua

q Ca
压电元件所受作用力 F Fm sin t Fm——作用力的幅值
若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外 力作用下，压电元件产生的电压值为
自动加湿器
2、气敏传感器
工作原理： 声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生
漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层 选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互 作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄 膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波 频率发生漂移。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反 应气体浓度的变化。