第二章 家电用传感器

第二章家电用传感器第2章家电用传感器2.1传感器技术概述2.2家电中常用传感器2.3家电用传感器及其测量电路目的与任务：了解现代家电中常用传感器的结构、工作原理、特性、应用及当代传感器的发展方向。第二章家电用传感器传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，在现代家电中应用非常广泛。诸如电饭锅、电磁灶、电冰箱、洗衣机等都是靠敏感元件来实现自动控制2.1传感器技术概述2.1.1传感器的定义一、国际电工委员会IEC定义：是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。二、国家标准GB定义：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。三、狭义地定义：是把外界非电物理量转换成电信号的输出器件。是获取信息的工具-电五官第二章家电用传感器由于传感器组成材料发生改变引起输出电流/电压的变化十分微弱，易受外界干扰，一般成品传感器，是将传感器与放大电路制作在一起，输出标准的0～10mA或4～20mA电流，或0～5V电压，以便进行A/D转换，其中4～20mA标准电流输出的传感器较为普遍，其内部是一种恒流输出结构，比电压型传感器抗干扰能力强，易于远距离传输，因此，电流型传感器被广泛用于各种检测系统中。一般传感器由电容、电阻、电感或敏感材料组成，在外加激励电流或电压的驱动下，不同类型的传感器会随不同非电物理量的变化，引起传感器的组成材料发生改变，使得输出连续变化的电流/电压与非电物理量的变化成正比。第二章家电用传感器传感器的定义包括四方面内容：1）传感器是测量装置。2）输入量是被测量（物理量、化学量、生物量，如气、光、压力、流量、加速度、温度等）。3）输出是某种物理量（如电量）。4）输出和输入有对应关系，并有一定精度。传感器在信息处理过程中，需要把各种各样的物理量，如温/湿度、速度、位移、形变、导电率等非电量转换成电信号，才能观察、记录、分析和处理。第二章家电用传感器2.1.2传感器的系统组成⑴敏感元件：先将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种非电量，能完成预变换的器件-敏感元件。⑵转换元件：能将感受到的非电量变换为电量的器件，也叫变换器，如把温度-电势的热电偶变换器。⑶转换电路：上述电路参数接入电路时，会产生干扰信号或非线性误差、不稳定性，须加以抑制或修正，转换成唯一正确反映被测量大小的电量进行输出。第二章家电用传感器2.1.3传感器的分类①热工量传感器：温度、热量、比热、压力、流量、流速、风速、真空度等。②物理量传感器：气/液体成分、浓度、粘度、湿度、密度、比重等。③机械量传感器：位移、尺寸、形状、应力、力矩、加速度、噪声等。④生物医学量传感器：心音、血压、体温、气流量、心电流、眼压、脑电波等。一、按输入被测量分类第二章家电用传感器二、按传感器的测量原理分类变电阻：应变式、压阻式、电位器式传感器变磁阻：自感式、差动变压器式、涡流式变电容：电容式、温敏式传感器变电势：热电偶式、霍尔式传感器变电荷：压电式传感器变谐振频率：霍尔式、热电偶式传感器第二章家电用传感器三、按被测物理量的用途分类温度传感器湿度传感器压力传感器位移传感器流量传感器液位传感器力传感器加速度传感器四、按传感器的材料分类半导体类（陶瓷/光电/压力/霍尔）光纤类声板波扭矩集成传感器第二章家电用传感器2.1.4传感器的发展趋势①高灵敏度：利用陶瓷/有机/纳米材料和量子力学诸效应研制的高灵敏度传感器，可用来检测极微弱信号。②集成化/多功能：在同一芯片上将众多同类型单个传感器集成为一维线型、二维阵列型传感器，或将传感器与放大、调节、补偿电路等集成在同一芯片上，能检出两种以上的信号，如：压-温，温-气，温-湿等等。“电五官”落后于“电脑”的现状，已成为微控制技术进一步开发与应用的一大障碍。二、传感器的发展趋势一、传感器的应用现状第二章家电用传感器③智能化：把传感器、微处理器集成在同一芯片上，实现单片智能传感器。不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、分析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。它的最大特点就是将传感器监测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地结合在一起。④仿生传感器：狗的嗅觉灵敏度为人的106倍；鸟的视力为人的8-50倍；蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉（超声波传感器），蛇的接近觉（分辨力达0.001℃）等都具有可借鉴性。这些生物的感官功能是当今传感器技术望尘莫及的。研究它们的机理，开发仿生传感器，是引人瞩目的方向。第二章家电用传感器带有微处理器，将传感器监测信息和微处理器数据处理功能有机地结合在一起。三、智能传感器①可编程能力：由程序自检/自校/自诊断/自动调零；②逻辑判断和数据处理功能；③线性补偿和特性补偿；④输出精度高；⑤具有数据存储和记忆功能；⑥输出形式多：串行/并行/USB，模拟/数字，计算机分层集成第二章家电用传感器四、传感器技术展望传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目.正在全球推广的纳米技术传感器,可以提供高水平的集成，包括由碳纳米管和塑料电子组成的平台。第二章家电用传感器一、热敏电阻的结构组成热敏电阻是利用热敏元件材料（铂、铜、镍金属感温材料、半导体材料）本身的电阻值随环境温度变化而改变的特性，经过成形、烧结等工艺制成的一种感温元件，有正温度系数PTC、负温度系数NTC和负温临界热敏电阻CTR三种类型。（一）热敏电阻2.2家电中常用传感器温度是智能家用电器及开关控制电路工作时需要检测的一个重要参数。测量温度的传感器主要利用一些材料或元件的性能随温度变化的特性，通过测量该性能参数，得到被测温度的大小。2.2.1温度传感器第二章家电用传感器NTC：NegativeTemperatureCoefficient利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷。CTR：构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，PTC：PositiveTemperatureCoefficient它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。二、热敏电阻的分类及其特性曲线第二章家电用传感器-50050100150200654321电阻lgΩ温度℃α=－B/T2PTCCTR某一温度下电阻值会发生突变随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数的临界温度电阻，为玻璃态热敏电阻用作温控开关NTC第二章家电用传感器三、热敏电阻的特点优点是灵敏度高、体积小、测量线路简单，重量轻、价格低，阻值大；缺点是非线性大，稳定性和特性一致性较差，必须在电路上进行线性化补偿，以保证输出电压与温度的关系基本上为线性。（见P35）普通热敏电阻只能在有限的工作温度范围内呈现出上佳的电阻稳定性。热敏电阻一般不适于高精度温度测量。RtR1R2R3RT①用两个热敏电阻组合②采用线性化电阻网络③采用软件计算修正法第二章家电用传感器四、热敏电阻的主要性能参数型号类别标称电阻值开关温度额定工作电压MZ21PTC4.7Ω135℃15VMZ22PTC200~500Ω70~80℃220VMZ64(1)PTC500Ω40~80℃5VMF511NTC100~200Ω1500~2000℃0~200VMF513NTC10Ω4300(1±5%)℃10~55VSWF13NTC820~1500Ω3900~4700℃55~200V第二章家电用传感器五、热敏电阻线性化测量电路USRRBUOR1R2RTU+U-基准电压测量电压加热器测量电桥比较放大器第二章家电用传感器一、热电偶的组成热电偶由两种不同的金属导体构成，两端相互紧密地固接在一起。当两结点温度不同时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流—热电效应。其中一个热端点置于温度为T的被测温度场中—测量端；另一端恒定在某一参考温度T0—参考端。（二）热电偶热电偶是一种能将温度转换成电势的传感器。二、热电偶的工作原理当两种不同导体组成闭合回路时，若两端的结点温度不同，就会产生热电动势。它的大小与两端点的温差以及材料的性质有关。将参考结点保持在已知温度上并测量该点电压，便可推断出检测结点的温度。第二章家电用传感器三、热电偶的使用使用时，当热端温度大于冷端温度时，在电路中产生电动势即产生电信号，此电信号经放大后控制执行机构，达到调节和控制温度的目的。%1.0400~0%0.11000~0%0.11000~0%5.11800~0误差型：误差型：误差型：误差型：℃kangCuCu℃NiSiNiCr℃NiAlNiCr℃PbPbRh热电偶能直接进行温度-电势转换，且体积小、测温范围广，故应用较广泛。第二章家电用传感器一、温敏二极管利用二极管PN结的温敏效应可以进行温度检测。在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度之间有很好的线性关系。如砷化镓/硅温敏二极管（三）晶体管温敏传感器用温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片上可制成集成化温度传感器，可以直接给出正比于绝对温度的线性输出，体积小，便于高精度、大批量生产，是现代温度传感器的主要发展方向之一。正向电流/电压与温度的关系：IF=ISexp(qUF/k0T)在恒定的集电极电流条件下，晶体管发射结上的正向电压Ube随温度上升而近似线性下降。Ube∝-k0T/q二、温敏晶体管第二章家电用传感器集成温敏传感器是将温敏传感器及其外围电路（放大、温补、调整电路等）集成在同一芯片上，使温度控制更加精确可靠。它的最大特点就是直接给出绝对温度的理想输出电压信号。具有信号提取、信号处理、自检索、自诊断、自校准等功能。已用于-50℃-150℃范围内的温度测量、控制和补偿。2.1.4集成温敏传感器第二章家电用传感器AN6701型集成温敏传感器内电路框图LM35VCCVOGNDGND温敏元件VCC校正电阻温补调整VO运算放大AN6701第二章家电用传感器AD590数字温度传感器DS18B20数字温度传感器第二章家电用传感器它是利用半导体与某些气体接触时，其特性发生变化这一现象来检测气体的成分或浓度的传感器。2.2.2气敏传感器电阻式气敏元件：利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；非电阻式气敏元件：据气体的吸附和反应，使其某些关系特性发生变化，对气体进行直接或间接的检测。按工艺可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类。用途：对可燃性气体如CO、H2、CH4、C2H5OH或不可燃性气体如CO2、NO、NO2等有毒气体的检测。一、气敏传感器的分类与主要用途第二章家电用传感器二、气敏传感器的结构加热器的作用是可以将气敏元件表面的污物烧掉，加速气体的吸附，提高元件的灵敏度和响应速度。气敏元件金属网罩封装基座引脚电极气敏元件一般由铂丝组成，它被一种能使可燃气体氧化的特殊催化剂覆盖。气敏元件单位浓度的信号变化量大，响应重复性良好，选择性好，性能稳定，对环境的依赖性小。第二章家电用传感器三、气敏传感器电路组成一般由气敏元件与其它电阻组成桥式比较电路，利用半导体气敏元件的阻值随吸入气体浓度的增大而下降的特性，通过元件的电压比较使电桥失衡，因而有信号输出。UO=－UC×RF/RS第二章家电用传感器当被检测气体吸附到气敏元件表面时，元件的电阻会发生变化。由于表面保持一定的高温而产生氧化反应。这种氧化反应使得元件表面的温度上升，这个上升值正比于特殊被测气体的能量。上升的温度传到半导体元件内部的加热铂线圈，继而又使它的电阻增加或减少。另一方面，由于另一元件表面没氧化所以电阻值不变。这种情况导致电桥线路的不平衡，因而获得一个信号输出。输出电压的水平不但取决于被测气体的种类，而且还表现了一种与气体浓度相关的较好的线性。四、气敏传感器检测原理第二章家电用传感器NAP-11AFL是一种可以检测低浓度ＣＯ气体的热线型气体传感器。传感器电源电压