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。