常用傳感器概述

1、掌握道路交通常用傳感器的基本原理2 2、常用傳感器、常用傳感器目錄目錄41.1傳感器概述12351.2壓電傳感器1.3光電傳感器1.4電渦流傳感器1.5微波傳感器671.6超聲波傳感器1.7圖像傳感器目錄目錄41.1傳感器概述12351.2壓電傳感器1.3光電傳感器1.4電渦流傳感器1.5微波傳感器671.6超聲波傳感器1.7圖像傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成圖1 測(cè)量系統(tǒng)的組成 傳感器測(cè)量電路輸出單元被測(cè)量 傳感器傳感器：把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對(duì)：把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測(cè)量裝置

2、。量）的測(cè)量裝置。 測(cè)量電路測(cè)量電路：把傳感器輸出的變量變換成電壓或：把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號(hào)，使之能在輸出單元的指示儀上指示電流信號(hào)，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測(cè)或反饋信號(hào)。測(cè)或反饋信號(hào)。 輸出單元輸出單元：指示儀、記錄儀、累加器、報(bào)警器、：指示儀、記錄儀、累加器、報(bào)警器、數(shù)據(jù)處理電路等。數(shù)據(jù)處理電路等。1.1 1.1 傳感器概述傳感器概述 一、一、 傳感器的定義傳感器的定義 二、二、 傳感器的組成傳感器的組成 三、三、 傳感器的物理基礎(chǔ)傳感器的物理基礎(chǔ) 一、一、 傳感器的定義傳感器的定義 根據(jù)

3、中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87GB7665-87） 傳感器（傳感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）：能感受規(guī)定的被測(cè)）：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置。置。 傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)； 它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等也可能是化學(xué)量、生物量等； 它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、

4、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量但主要是電量； 輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。圖1-1 人體和機(jī)器的對(duì)應(yīng)關(guān)系 二、傳感器的組成二、傳感器的組成 敏感元件敏感元件 直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的物理量直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的物理量 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件 敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出敏

5、感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量傳感器分類工作機(jī)理工作機(jī)理：物理型、化學(xué)型、生物型：物理型、化學(xué)型、生物型物理型傳感器：物理基礎(chǔ)的基本定律。物理型傳感器：物理基礎(chǔ)的基本定律。場(chǎng)的定律、物質(zhì)定律、守恒定律和統(tǒng)計(jì)定律場(chǎng)的定律、物質(zhì)定律、守恒定律和統(tǒng)計(jì)定律構(gòu)成原理構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型:物理學(xué)中場(chǎng)的定律物理學(xué)中場(chǎng)的定律物性型物性型:物質(zhì)定律物質(zhì)定律能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換能量控制型能量控制型能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型物理原理物理原理：電參量式傳感器、磁電式傳感器等：電參量式傳感器、磁電式傳感器等用用 途途： 位移、壓力、振動(dòng)、溫度位移、壓力、振動(dòng)、溫度1) 1) 按輸入量按輸入量( (被測(cè)對(duì)象被測(cè)對(duì)象) )分類分類

6、輸入量即為被測(cè)對(duì)象。輸入量即為被測(cè)對(duì)象。 按輸入量分類，按輸入量分類， 傳感器可分為傳感器可分為物物理量傳感器理量傳感器、 化學(xué)量傳感器化學(xué)量傳感器和和生物量傳感器生物量傳感器三大類。三大類。 其中，其中， 物理量傳感器又可分為溫度傳感器、物理量傳感器又可分為溫度傳感器、 壓力傳感器、壓力傳感器、 位移傳感位移傳感器等等。器等等。 這種分類方法給使用者提供了方便，這種分類方法給使用者提供了方便， 容易根據(jù)被測(cè)容易根據(jù)被測(cè)對(duì)象選擇所需要的傳感器。對(duì)象選擇所需要的傳感器。 2) 2) 按轉(zhuǎn)換原理分類按轉(zhuǎn)換原理分類從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來說，從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來說， 通常分為通常分為結(jié)構(gòu)型、結(jié)構(gòu)型、 物

7、性型物性型和和復(fù)合型復(fù)合型三大類。三大類。 結(jié)構(gòu)型傳感器利用機(jī)械構(gòu)件(如金屬膜片等)在動(dòng)力場(chǎng)或電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生變形或位移，將外界被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、 電感、 電容等物理量，它是利用物理學(xué)運(yùn)動(dòng)定律或電磁定律實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。 物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、 化學(xué)效應(yīng)(即物質(zhì)定律， 如虎克定律、 歐姆定律等)來實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換的。 它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。 復(fù)合型傳感器是由結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器組合而成的， 兼有兩者的特征。 例如， 電阻式、 電感式、 電容式、 壓電式、 光電式、 熱敏、 氣敏、 濕敏、 磁敏傳感器等等。 這種分類方法清楚地指

8、明了傳感器的原理， 便于學(xué)習(xí)和研究。 3) 3) 按輸出信號(hào)的形式分類按輸出信號(hào)的形式分類按輸出信號(hào)的形式， 傳感器可分為開關(guān)式、 模擬式和數(shù)字式。 4) 4) 按輸入和輸出的特性分類按輸入和輸出的特性分類按輸入和輸出特性， 傳感器可分為線性和非線性兩類。 5) 5) 按能量轉(zhuǎn)換的方式分類按能量轉(zhuǎn)換的方式分類 能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型把非電量直接變成電壓量、把非電量直接變成電壓量、 電流量、電流量、 電荷量等，電荷量等， 如磁電式、如磁電式、 壓電式、壓電式、 光電池、光電池、 熱電偶等。熱電偶等。能量控制型或參數(shù)型能量控制型或參數(shù)型把非電量變成電阻、把非電量變成電阻、 電容、電容

9、、 電感等。電感等。三、傳感器的物理基礎(chǔ)三、傳感器的物理基礎(chǔ) 1 1 物理定律物理定律它包括能量、動(dòng)量、它包括能量、動(dòng)量、電荷量等守恒定律。電荷量等守恒定律。 這些定律是我們?cè)谔竭@些定律是我們?cè)谔剿?、研制新型傳感器索、研制新型傳感器或分析、綜合現(xiàn)有傳或分析、綜合現(xiàn)有傳感器時(shí)必須嚴(yán)格遵守感器時(shí)必須嚴(yán)格遵守的基本法則。的基本法則。動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律、 電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律等，的感應(yīng)定律等， 其作用與物其作用與物體在空間的位置及分布狀態(tài)體在空間的位置及分布狀態(tài)有關(guān)。有關(guān)。 由物理方程給出，由物理方程給出， 可作為傳可作為傳感器工作的數(shù)學(xué)模型。感器工作的數(shù)學(xué)模型。 例如，靜電場(chǎng)例如，

10、靜電場(chǎng) 電容式電容式傳感器，傳感器， 電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律電感電感(自感或互感自感或互感)式傳感器。式傳感器?？山y(tǒng)稱為可統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器。各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律律(如虎克定律、如虎克定律、 歐姆定律歐姆定律)，以固有的物理常數(shù)描述。以固有的物理常數(shù)描述。如利用半導(dǎo)體物質(zhì)法則如利用半導(dǎo)體物質(zhì)法則壓阻、壓阻、 熱阻、熱阻、 光阻、光阻、 濕阻濕阻等效應(yīng)，等效應(yīng)， 可分別制成壓敏、可分別制成壓敏、 熱敏、熱敏、 光敏、光敏、 濕敏等傳感濕敏等傳感器件；器件； 利用壓電晶體物質(zhì)法則利用壓電晶體物質(zhì)法則壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)， 可制成壓電式傳可制成壓電式傳感器

11、等等。感器等等。 可統(tǒng)稱為可統(tǒng)稱為物性型傳感器物性型傳感器。它是把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)它是把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則，聯(lián)系起來的物理法則， 這些這些法則常常與傳感器的工作狀法則常常與傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)。態(tài)有關(guān)。 它是分析某些傳感器的理論它是分析某些傳感器的理論基礎(chǔ)，基礎(chǔ)， 這些方面的研究尚待這些方面的研究尚待進(jìn)一步深入。進(jìn)一步深入。2 2 物理效應(yīng)物理效應(yīng)1 1）. . 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)將兩種金屬線接成閉合回路時(shí)接點(diǎn)將兩種金屬線接成閉合回路時(shí)接點(diǎn)溫度不同而產(chǎn)生熱電勢(shì)的現(xiàn)象，實(shí)溫度不同而產(chǎn)生熱電勢(shì)的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)溫度現(xiàn)溫度電的轉(zhuǎn)換?？芍瞥蔁犭娕茧姷霓D(zhuǎn)換?？芍瞥蔁犭娕紓鞲衅鳌鞲衅?。 塞貝

12、克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)珀?duì)柼?yīng)珀?duì)柼?yīng)當(dāng)兩種不同金屬材料接觸時(shí)，當(dāng)兩種不同金屬材料接觸時(shí)， 自自由電子在濃度差作用下發(fā)生擴(kuò)散，由電子在濃度差作用下發(fā)生擴(kuò)散， 使結(jié)合部?jī)蛇叜a(chǎn)生電勢(shì)差，使結(jié)合部?jī)蛇叜a(chǎn)生電勢(shì)差， 稱為稱為接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)。 可逆，可逆， 當(dāng)有電流流過結(jié)合部時(shí)，當(dāng)有電流流過結(jié)合部時(shí)， 兩邊會(huì)分別發(fā)生發(fā)熱和吸熱現(xiàn)象，兩邊會(huì)分別發(fā)生發(fā)熱和吸熱現(xiàn)象， 實(shí)現(xiàn)電實(shí)現(xiàn)電溫度的轉(zhuǎn)換。溫度的轉(zhuǎn)換。 半導(dǎo)體制冷器。半導(dǎo)體制冷器。 湯姆遜效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)同一種導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)，同一種導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)， 自由自由電子在動(dòng)能差作用下發(fā)生擴(kuò)散，電子在動(dòng)能差作用下發(fā)生擴(kuò)散， 使使導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，導(dǎo)體兩端產(chǎn)

13、生電勢(shì)差， 稱為溫差電稱為溫差電勢(shì)。勢(shì)。 逆效應(yīng)當(dāng)電流流過不同溫度的逆效應(yīng)當(dāng)電流流過不同溫度的同種導(dǎo)體結(jié)合部時(shí)，同種導(dǎo)體結(jié)合部時(shí)， 也會(huì)引起發(fā)熱也會(huì)引起發(fā)熱或吸熱的現(xiàn)象，或吸熱的現(xiàn)象， 溫差溫差電及電電及電溫溫差的轉(zhuǎn)換。差的轉(zhuǎn)換。 (2) 熱電子發(fā)射效應(yīng)：熱電子發(fā)射效應(yīng)： 金屬板在真空中加熱時(shí)發(fā)射電子的現(xiàn)象可實(shí)現(xiàn)熱金屬板在真空中加熱時(shí)發(fā)射電子的現(xiàn)象可實(shí)現(xiàn)熱電電子的轉(zhuǎn)換。紅外成像就是利用這種原理制成紅外攝像子的轉(zhuǎn)換。紅外成像就是利用這種原理制成紅外攝像管。管。 2 2） 光磁電效應(yīng)光磁電效應(yīng)在光的作用下電子可逸出物體表面在光的作用下電子可逸出物體表面的現(xiàn)象，又稱外光電效應(yīng)。的現(xiàn)象，又稱外光電效應(yīng)

14、。利用這一效應(yīng)可制成光電二極管、利用這一效應(yīng)可制成光電二極管、 光電倍增管及紫外線傳光電倍增管及紫外線傳感器等。感器等。 半導(dǎo)體材料在光照射時(shí)其電阻發(fā)生變半導(dǎo)體材料在光照射時(shí)其電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)光化的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)光電阻的轉(zhuǎn)換。電阻的轉(zhuǎn)換。利用這一效應(yīng)可制造出光敏電阻。利用這一效應(yīng)可制造出光敏電阻。 利用光照射利用光照射PN結(jié)，結(jié)， 使載流子濃度發(fā)生變化，使載流子濃度發(fā)生變化， 從而從而產(chǎn)生電勢(shì)差，產(chǎn)生電勢(shì)差， 實(shí)現(xiàn)光實(shí)現(xiàn)光電的轉(zhuǎn)換。電的轉(zhuǎn)換。 光電池、光電池、 光敏二極管、光敏二極管、 光敏三極管和光敏晶閘管等都是利用這一現(xiàn)光敏三極管和光敏晶閘管等都是利用這一現(xiàn)象工作的。象工作的。利用

15、人體輻射的紅外線的熱效應(yīng)制成熱釋電利用人體輻射的紅外線的熱效應(yīng)制成熱釋電( (人體人體) )傳感器傳感器及其他紅外探測(cè)器等。及其他紅外探測(cè)器等。它是指光通過磁場(chǎng)時(shí)光譜離散的現(xiàn)象，它是指光通過磁場(chǎng)時(shí)光譜離散的現(xiàn)象， 可實(shí)現(xiàn)光磁可實(shí)現(xiàn)光磁光譜光譜的轉(zhuǎn)換。的轉(zhuǎn)換。 它是指單色光照射物質(zhì)時(shí)發(fā)出與入射光譜不同的光的現(xiàn)象，它是指單色光照射物質(zhì)時(shí)發(fā)出與入射光譜不同的光的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)光可實(shí)現(xiàn)光光的轉(zhuǎn)換。光的轉(zhuǎn)換。 它是指光通過壓電晶體并在垂直方向加電壓時(shí)，光分成正常它是指光通過壓電晶體并在垂直方向加電壓時(shí)，光分成正常光線和異常光線的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)光和電光線和異常光線的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)光和電光的轉(zhuǎn)換。光的轉(zhuǎn)換。 它是

16、指光通過各種同性物質(zhì)并在垂直方向加電壓時(shí)分成正常它是指光通過各種同性物質(zhì)并在垂直方向加電壓時(shí)分成正常光線和異常光線的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)電和光光線和異常光線的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)電和光光的轉(zhuǎn)換。光的轉(zhuǎn)換。 它是指線偏振光通過磁性物質(zhì)時(shí)偏振面旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，它是指線偏振光通過磁性物質(zhì)時(shí)偏振面旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象， 可實(shí)可實(shí)現(xiàn)光和磁現(xiàn)光和磁電的轉(zhuǎn)換。電的轉(zhuǎn)換。 3 3）. .磁效應(yīng)磁效應(yīng)(1) 霍爾效應(yīng)：它是指電流流過導(dǎo)體或半導(dǎo)體并在與電流同向或垂直的方向加磁場(chǎng)時(shí)，在各個(gè)垂直方向產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象， 可實(shí)現(xiàn)磁和電電的轉(zhuǎn)換。目前，霍爾元件應(yīng)用非常廣泛。 利用磁場(chǎng)使載流子運(yùn)動(dòng)方向偏移的現(xiàn)象，可以制成磁敏二極管、 磁敏三極管等器件。(2

17、) 磁阻效應(yīng)：它是指電流流過導(dǎo)體或半導(dǎo)體并在與電流相同或垂直的方向加磁場(chǎng)時(shí)電阻增加的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)磁和電電阻的轉(zhuǎn)換，從而制成磁敏電阻。 (3) 磁致伸縮效應(yīng)： 它是指強(qiáng)磁體加磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生變形的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)磁變形的轉(zhuǎn)換，用于制成超聲波的發(fā)射器。 4 4）. . 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是指強(qiáng)介質(zhì)加壓力時(shí)的極化現(xiàn)象， 可產(chǎn)生電位差以實(shí)現(xiàn)壓力電的轉(zhuǎn)換， 制成各種壓電式傳感器。 壓電效應(yīng)又是可逆的，不僅可制成超聲波的發(fā)射頭， 而且還可制成超聲波的接收頭。 5 5）. .多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)當(dāng)聲源、光源及微波等波源與觀測(cè)者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 觀測(cè)到的頻率與靜止情況下不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。 大家可能都有這種體會(huì)， 當(dāng)一輛鳴著汽笛的汽車從我們身邊通過時(shí)，我們聽到鳴笛的音調(diào)是隨著汽車的接近而升高， 隨著汽車的遠(yuǎn)離而降低， 這就是一個(gè)最常見的多普勒效應(yīng)實(shí)例。 利用多普勒效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)聲、 光(電磁波)頻率的轉(zhuǎn)換， 廣泛用于速度檢測(cè)、 人體探測(cè)， 甚至天體結(jié)構(gòu)的研究等。 當(dāng)位置固定的發(fā)射器發(fā)出一個(gè)固定頻率的電磁波作用于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，反射回來的電磁波的頻率會(huì)發(fā)生變化， 這種變化的頻率稱為頻移，也叫多普勒頻率。 多普勒頻率為 00Rd2vfff(1-1) 式中，fR為反射信號(hào)的頻率；f0為發(fā)射信號(hào)的頻率；v為運(yùn)動(dòng)物體的速度；0(0C/f0)為