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可见光传感器与光敏管的比较
日 10:12 来源：本站整理 作者：叶子 (0)
　　光传感器的应用非常普遍。从便携式消费类市场(智能手机、PDA、台式PC以及便携式音乐播放器等)到消费类电视机市场(包括液晶、等离子、背投以及CRT电视等)，再到医疗、工业及汽车市场，光传感器无处不在。其中，一些应用，如条形码阅读器、激光打印机和自动聚焦显微镜利用光学探测的反射光来对位置进行感应;另一些应用，如数码相机、手机和笔记本电脑等便携电子产品则利用光传感器来测量环境光量。
　　光传感器包括光敏电阻、光电晶体管或光电二极管等几种。其中，最简单的光传感器是光敏电阻。低端光敏电阻由CdS(硫化镉)材料制造，而比较昂贵的光敏电阻由GaAs材料制造。GaAs的能带间隙较小。它能够吸收红外光中的低能光子，并使电子跃迁到传导带。其照度范围从1勒克斯～100勒克斯。
　　光电二极管的复杂性要高一些。光子轰击半导体结，产生电流。要给光电二极管施加反向偏压。较大的反向偏压可以提高传感器的感应速度和线性度，但也提高了传感器的暗电流和散粒噪声(shotnoise)。光子轰击半导体结，将产生正向电流，降低反向偏压电流。在设计中，可以为光电二极管增加外部电路，使I-V曲线线性化。
　　光电晶体管的一般特点与光电二极管一样，但增加了放大功能。它需要更大的偏置电流，但与电流相伴的噪声迫使传感器的灵敏度转向更高的勒克斯范围，即1000勒克斯～10万勒克斯。光电晶体管的检测响应时间与光电二极管相似，并可以利用偏置电流进行调整。偏置电流也可以随探测到的信号水平进行变化。光电晶体管能够粗略地确定环境光线水平，如室内/室外、白天/夜间以及明亮光线/阴影等状态，因此，需要外部电路对输出信号进行校准。
　　目前，基于IC的单片光电二极管是光传感器最好的实现方式之一。光电二极管由单晶硅制造而成。一个典型的传感器应用组件包括一个光电二极管、一个电流放大器和一个无源低通滤波器。对于终端用户来说，能够将所有这些器件集成到一个小型封装中非常重要。
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可见光传感器业界动态
可见光传感器技术应用
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sensor传感器原理及应用
说明为了配合电子工业出版社2011年1月出版的《传 感器原理及应用》（书号：ISBN 978-7-121-12723-6 杨少春主编）教材的教学，我们制作了本教材配套的 多媒体课件，由于时间紧迫，制作者水平有限，课件 中难免有不足之处，恳请广大读者批评指正。长江工程职业技术学院 武汉职业技术学院<
br />周海波 杨少春长江工程职业技术学院自动化教研室传感器技术及应用主讲 周海波模块一 传感器的基本知识任务目标 ★ 了解传感器的定义和组成方框图； ★ 了解传感器的特点及应用； ★ 掌握传感器的分类； ★ 掌握传感器的主要参数。长江工程职业技术学院自动化教研室一、传感器的作用因为一般的仪器、仪表要求输入的信号必须为 电信号 ，计算机及各种电子设备只能处理电信号 ， 而表征物质特性或其运动形式的参数 中有很多都是 非电量，如大家在自然界经常接触到的温度、压力、 距离、流量、重量、速度、加速度、浓度、酸碱度、 湿度、光 、磁场等 。上述的非电量需要转换成与 非电量有一定关系的电量，再运用电子设备和仪器 测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。长江工程职业技术学院自动化教研室二、传感技术的特点1.用传感技术进行检测时，响应速度快，精确度高， 灵敏度高； 2.能在特殊环境下连续进行检测，便于自动记录 能在人类无法存在的高温、高压、恶劣环境中，和 对人类五官不能感觉到的信息（如超声波、红外线 等），进行连续检测，记录变化的数据。长江工程职业技术学院自动化教研室3.可与计算机相连，进行数据的自动运算、分析和 处理 传感器将非电物理量转换成电信号后，通过接口电 路变成计算机能够处理的信号，进行自动运算、分 析和处理。 4.品种繁多，应用广泛 现代信息系统中待测的信息量很多，一种待测信息 可由几种传感器来测量，一种传感器也可测量多种 信息，因此传感器种类繁多，应用广泛，从航空、 航天、兵器、交通、机械、电子、冶炼、轻工、化 工、煤炭、石油、环保、医疗、生物工程等领域， 到农、林、牧、副、渔业，以及人们的衣、食、住、 行等生活的方方面面，几乎无处不使用传感器，无 处不需要传感器。长江工程职业技术学院自动化教研室三、传感器的发展趋势1．新材料的开发、应用如：半导体材料 、功能陶瓷材料 、功能金属、功能 有机聚合物、非晶态材料、固体材料及薄膜材料等， 都可进一步提高传感器的产品质量，降低生产成本。 2．新工艺、新技术的应用 将半导体的精密细微加工技术应用在传感器的制造中， 可极大提高传感器的性能指标，并为传感器的集成化、 超小型化提供技术支撑。借助半导体的蒸镀技术、扩 散技术、光刻技术、静电封闭技术、全固态封接技术， 也可取得类似的功效。长江工程职业技术学院自动化教研室3．向小型化、集成化方向发展 由于航空技术的发展，以及医疗器件和一些特殊场 合的需要，传感器必须向小型化、微型化方向发展， 以便减小体积和质量。 4．传感器的智能化 将传统的传感器和微处器及相关电路组成一体化的 结构就是智能传感器。因为它本身带有微型计算机， 具有自动校准、自动补偿、自动诊断、数据处理、 远距离双向通信、信息存储记忆和数字信号输出等 功能。长江工程职业技术学院自动化教研室5．传感器的网络化 将传感器和计算机与网络技术有机结合，使传感器 成为网络中的智能节点。这种努力使多个传感器组 成网络直接通信，实现数据的实施发布、共享，以 及网络控制器对节点的控制操作。另外，通过 Internet网，传感器与用户之间可异地交换信息，厂 商能直接与异地用户交流，能及时完成传感器故障 诊断，指导用户维修或交换新仪器改进的数据，软 件升级等工作。另外，在微机电技术、自组织网络 技术、低功耗射频通信技术及低功耗微型计算机技 术的共同促进下，传感器朝微型化和网络化的方向 迅速发展，产生了无线传感器网络。长江工程职业技术学院自动化教研室四、传感器需求与开发的重点方向1．工业过程控制与汽车传感器 2．环保传感器 3．医疗卫生与食品监测传感器 4．微小型传感器及MEMS（微电子机械系统） 5．生物、医学研究急需要的新型传感器 6．生态农业传感器长江工程职业技术学院自动化教研室五、传感器的定义与组成传感器的定义是：能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。通常由对被 测量敏感的元件和转换元件组成，其中敏感元件是指 传感器中能直接感受或响应被测量的部分，如应变式 压力传感器中的弹性膜片，就是敏感元件；转换元件 是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测量转 换成适于传输或测量的电信号（电压、电流）部分， 如电阻应变片就是转换元件。长江工程职业技术学院自动化教研室根据以上定义可画出传感器的组成框图，如图1-1 所示。图1-1 传感器组成框图长江工程职业技术学院自动化教研室六、传感器的分类与特点传感器常用的分类方法有两种，一种是按被测输入 量划分，另一种是按传感器的工作原理划分。1．按被测物理量划分这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如被测 量分别为温度、湿度、压力、位移、流量、加速度、 光，则对应的传感器分别为温度传感器、湿度传感 器，压力传感器、位移传感器、流量传感器、加速 度传感器、光电传感器。长江工程职业技术学院自动化教研室2．按传感器工作原理划分 这一种分类方法是以工作原理来划分，将物理、化学、 生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据，据 此可将传感器分为电阻式、电感式、电容式、阻抗式、 磁电式、热电式、压电式、光电式、超声式、微波式 等类别。这种分类方法有利于传感器的专业工作者从 原理与设计上作归纳性的分析研究。长江工程职业技术学院自动化教研室七、传感器的基本特性传感器的基本特性一般是指传感器的输出与输入之 间的关系，有静态和动态之分。通常是以建立数学 模型来体现的，为了简化传感器的静、动态特性， 可以分开来研究。 1．传感器的静态特性静态特性是指在静态信号作用下，传感器输出与 输入量间的一种函数关系，其静态特性可表示为y=a0+a1x+a2x2+…+anxn长江工程职业技术学院自动化教研室（1-1）常用的静态性能指标包括灵敏度、精确度、测量范 围、量程、线性度及误差等。 （1）灵敏度 传感器的灵敏度K是指达到稳定状态时，输出增量与输 入增量的比值?y K? ?x（1-3）线性传感器的灵敏度就是其静态特性的斜率，而 非线性传感器的灵敏度则是其静态特性曲线某点处 切线的斜率。长江工程职业技术学院自动化教研室（2）线性度 线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲 线偏离直线的程度，又称非线性误差，如图1-2所示， 即为在垂直方向上最大偏差|Δymax|与最大输出ymax的 百分比，图中a0称为零位输出，即被测量为零时传感 器的指示值。| ?y max | ?L% ? ? 100% y max（1-4）长江工程职业技术学院自动化教研室图1-2 传感器的线性度误差图1-3 传感器的重复性长江工程职业技术学院自动化教研室（3）重复性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程 连续多次变动时所得到的特性曲线的不一致程度， ? 如图1-3所示，用公式表示为?x% ??mmax ymax（1-5）式中，Smmax取S m1、 S m2中最大的计算，ymax为满 量程输出值。 传感器输出特性的不重复性主要是由传感器的机械 部分的磨损、间隙、松动、部件内摩擦、积尘、电 路元件老化、工作点漂移等原因产生的。长江工程职业技术学院自动化教研室（4）迟滞现象 迟滞现象是传感器在正向行程（输入量增大）和 反向行程（输入量减小）期间输出―输入曲线不 重合的程度，如图1-4所示。?hmax ?H % ? ? ? 100% ymax（1-6）1 ?hmax ?H % ? ? ? 100% 2 ymax（1-7）图1-4 传感器的迟滞现象迟滞现象反映了传感器机械结构 和制造工艺上的缺陷，如轴承摩 擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀 等。长江工程职业技术学院自动化教研室（5）精确度 传感器的精确度是指传感器的输出指示值与被测量 约定真值的一致程度，反映了传感器测量结果的可 靠程度。在工程应用中，为了简单表示测量结果的 可靠性程度，引入精确度这个等级概念，用A表示， 它表示允许的最大绝对误差与满度量程的比值的百 分数，即A? ?A ? 100% ymax（1-8）式中 A――传感器精确度； S A――测量范围内允许的最大绝对误差； ymax ――满度量程输出值。 常用的档次为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0。例如，0.5级的仪表表 示其允许的最大使用误差为0.5%。长江工程职业技术学院自动化教研室（6）分辨力 传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入 量的最小变化量的能力。通常是以最小量程单位值表 示。当被测量的变化值小于分辨力时，传感器对输入 量的变化无任何反应。 （7）稳定性 传感器的稳定性是指在室温条件下经过一定的时间间 隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。 通常有长期稳定性（如年、月、日）和短期稳定性 （如时、分、秒）之分，传感器的稳定性常用长期稳 定性表示。长江工程职业技术学院自动化教研室（8）漂移 传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输 入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏 度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移 和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或 灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移为环境温度变化 而引起的零点或灵敏度的变化。长江工程职业技术学院自动化教研室2．传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器在测量快速变化的输 入信号情况下，输出对输入的响应特性。传感器测 量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和 记录的过程不受时间限制。但是在工程实践中，检 测的是大量随时间变化的动态信号，这就要求传感 器不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且还能显 示被测量随时间变化的规律，即正确的再现被测量 波形。传感器测量动态信号的能力用动态特性来表 示。长江工程职业技术学院自动化教研室在动态测量中，当被测量作周期性变化时，传感 器的输出值随着周期性变化，其频率与前者相同， 但输出幅值和相位随频率的变化而变化，这种关 系称为频率特性。输出信号的幅值随频率变化而 改变的特性称为幅频特性；输出信号的相位随频 率的变化而改变的特性称为相频特性，幅值下降 到稳定幅值的0.707倍时所对应的频率称为截止频 率。 习题：1、2长江工程职业技术学院自动化教研室模块二 力敏传感器及其应用课题一 力敏传感器的工作原理与分类任务目标 ★ 掌握电阻应变式力敏传感器的工作原理； ★ 掌握电感应变式力敏传感器的工作原理； ★ 了解电阻应变式和电感应变式力敏传感器之间 的区别。长江工程职业技术学院自动化教研室一、力敏传感器概述力敏传感器，顾名思义就是能对各种力或能转 化为力的物理量产生反应，并能将其转变为电 参数的装置或元件。很显然，要成为真正实用 意义上的力敏传感器，这个由力转化为电参数 的过程最好能成线性关系。根据由力至电参数 转变的方式不同，力敏传感器一般有电阻应变 式传感器、电位计式传感器、电感式传感器、 压电式传感器、电容式传感器等，它们也可用 来测量力值。长江工程职业技术学院自动化教研室二、电阻应变式传感器电阻应变式传感器是目前工程测力传感器中应 用最普遍的一种传感器，它测量精度高，范围 广，频率响应特性较好，结构简单，尺寸小， 易实现小型化，并能在高温、强磁场等恶劣环 境下使用，并且工艺性好，价格低廉。它主要 应用在力作用下，将材料应变转变为电阻值的 变化，从而实现力值的测量。组成电阻应变片 的材料一般为金属或半导体材料。长江工程职业技术学院自动化教研室1．电阻应变式传感器工作原理（1）应变效应 由物理学可知，电阻丝的电阻R与电阻丝的电阻 率、导体长度及截面积存在如下关系（2-1）图2-1 电阻丝应变效应长江工程职业技术学院自动化教研室（2）电阻应变式传感器的结构及特性 金属电阻应变片分为金属丝式和金属箔式两种。① 金属丝式电阻应变片。金属丝式电阻应变片 的基本结构图如图2-2所示。由敏感栅1、基底2 和盖层3、引线4和黏结剂几个基本部分组成。图2-2 金属丝式电阻应变片的基本结构图长江工程职业技术学院自动化教研室② 金属箔式应变片。如图2-3所示，它与金属丝式电 阻应变片相比，有如下优点：用光刻技术能制成各 种复杂形状的敏感栅；横向效应小；散热性好，允 许通过较大电流，可提高相匹配的电桥电压，从而 提高输出灵敏度；疲劳寿命长，蠕变小；生产效率 高。 但是，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式 应变片的大，有的能相差几十欧姆，需要调整阻值。 金属箔式应变片因其一系列优点而将逐渐取代丝式 应变片，并占主要地位。长江工程职业技术学院自动化教研室（a）箔式单向应变片（b）箔式转矩应变片（c）箔式压力应变片（d）箔式花状应变片图2-3 各种箔式应变片长江工程职业技术学院自动化教研室2．电阻应变片传感器基本应用电路 将电阻应变片粘贴于待测构 件上，应变片电阻将随构件 应变而改变，将应变片电阻 接入相应的电路中，使其转 化为电流或电压输出，即可 测出力值。通常将应变片接 入电桥来实现电阻至电压或 电流的转换。根据电桥电源 不同，又分直流电桥和交流 电桥。这里主要介绍直流电 桥。图2-4所示为一直流电 桥，计算可知图2-4 直流电桥（2-2）长江工程职业技术学院自动化教研室若使此电桥平衡，即?U ? 0 ，只要 R1R3 ? R2 R4 ? 0 。 一般我们取 R1 ? R2 ? R3 ? R4 ? R 即可实现。现将 R1 换成电阻应变片，即组成半桥单臂电桥，随构件产 生应变造成传感器电阻变化时，式（2-2）变成?R ?U ? E 4R ? 2?R一般 ? R ? R ，可忽略，由此可得（2-3）长江工程职业技术学院自动化教研室可见，输出电压与电阻变化率成线性关系，也即和应变 成线性关系，由此即可测出力值，由式（2-3）可得半 桥单臂工作输出的电压灵敏度（2-4）为了提高输出电压灵敏度，可以采用半桥双臂或全桥电 路，如图2-5所示。图2-5（a）为半桥双臂，图2-5（b） 为全桥电路。长江工程职业技术学院自动化教研室（a）半桥双臂 图2-5 直流电桥的连接方式（b）全桥电路长江工程职业技术学院自动化教研室对于半桥双臂（2-5）全桥（2-6）即半桥双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍， 而全桥电路电压灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度 提高一倍。可见，利用全桥，并提高供电电压E， 可提高灵敏度系数。长江工程职业技术学院自动化教研室3.温度误差及其补偿 （1） 温度误差 用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应 变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片 的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。 由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所 造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生 很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称 热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个 主要因素： ?应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数； ?电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。长江工程职业技术学院自动化教研室（2） 温度补偿 一般采用桥路补偿法、应变片补偿法或热敏电阻 补偿法。 所谓桥路补偿法，如图2-4所示，当ab间接入 应变片传感器，bc间也接入同样的应变片，但 bc间接入的应变片不受构件应变力的作用，将 它用同样的方法粘贴在与ab间应变片所贴构件 材料相同的材料上，并与ab间应变片处于同一 温度场中，这样ab、bc间应变片的阻温效应相 同，电阻的变化量?R也相同，由电桥理论可知， 它们起了互相抵消作用，对输出电压没有影响。长江工程职业技术学院自动化教研室应变片补偿法分自补偿和互补偿两种。自补偿法的原 理是合理选择应变片阻温系数及线膨胀系数，使之与 被测构件线膨胀系数匹配，使应变片温度变化时，由 热造成的输出值为0。应变片互补偿法的原理是检测 用的应变片敏感栅由两种材料组成，在温度变化时， 它们的阻值变化量 ?R 相同，但符号相反，这样就可 抵消由于温度变化而造成传感器误输出。使用中要注 意选配敏感栅电阻丝材料。长江工程职业技术学院自动化教研室热敏电阻补偿法如图2-6所示， 图中R5为分流电阻，Rt为NTC 热敏电阻，使Rt与应变式传感 器处在同一温度场中，适当调 ? R /U Rab的乘 整R5值，可使 与 积不变，热输出为零。图2-6 热敏电阻补偿法电阻应变式传感器广泛应用在测力及可以转化为力值 的量（如加速度等）。长江工程职业技术学院自动化教研室图2-8 应变式加速度传感器原理图加速度传感器就是将被测加速度 a 通过一个悬臂梁 将力F ? ma 转化成应变片的应力，从而达到测量加 速度 a 的目的。长江工程职业技术学院自动化教研室三、电感式传感器1．工作原理 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现 测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力、 流量、重量、力矩和应变等多种物理量。电感式传 感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量 转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场 作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的 主要特征是具有绕组。长江工程职业技术学院自动化教研室长江工程职业技术学院自动化教研室长江工程职业技术学院自动化教研室2．优点和缺点 （1）优点 结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强，对工作环 境要求不高，分辨力较高（如在测量长度时一般可达 0.1mm），示值误差一般为示值范围的0.1%~0.5%，稳 定性好。 （2）缺点 频率响应低，不宜用于快速动态测量。一般来说，电感 式传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关。示值范 围大时，分辨力和示值精度将相应降低。长江工程职业技术学院自动化教研室3．种类 电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式 传感器（通常称电感式传感器），有利用互感原理 的差动变压器式传感器。此外，还有利用涡流原理 的涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器和 利用互感原理的感应同步器等。下面简单介绍其中一种较为常见的传感器：变压器 式传感器。 变压器式传感器工作原理：变压器式传感器是将非 电量转换为线圈间互感的一种磁电动机构，很像变 压器的工作原理，因此常称其为变压器式传感器。 这种传感器多采用差动形式。长江工程职业技术学院自动化教研室当没有非电量输入时，衔 铁C与铁心A、B的间隔相 同，则绕组W1a和W2a间的 互感ma与绕组W1b和W2b间 的互感mb相等。当衔铁的位置改变时，则 ma不等于mb，ma和mb的 差值即可反映被测量值的 大小。图2-9 气隙型差动变压器式传感器为反映差值互感，将两个一次绕组的同名端顺向串联，并施加交 流电压u，二次绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成电 动势e2为：e2=e2a-e2b （e2值的大小取决于被测位移的大小，e2的 方向取决于位移的方向。）长江工程职业技术学院自动化教研室图2-10所示为改变气隙有效截面 积型差动变压器式传感器，输入 非电量为角位移Δ α 。它是一个 山字形铁芯A上绕有三个绕组， 衔铁B以O点为轴转动，衔铁B转 动时由于改变了铁芯与衔铁间磁 路上的垂直有效截面积s，也就改 变了绕组间的互感，使其中一个 互感增大，另一个互感减小，因 图2-10 此两个二次绕组中的感应电动势 也随之改变。截面积型差动变压器式传感器将绕组w2a和w2b反相串联并测量合成电动势e2，就可以 判断出非电量的大小及方向。长江工程职业技术学院自动化教研室一般来说，较小位移量的测量采用差动变压器，图2-11 列出其应用实例。图2-11（a）为测物体重量的电子秤， 用差动变压器把弹簧的位移变为电信号，换算为重量即 可；图2-11（b）为偏心测量仪，以起始点作为基准， 用正负量来显示转体的偏心程度。（a）电子秤（b）偏心测量仪长江工程职业技术学院自动化教研室图2-11 差动变压器应用实例为了测量列车运行的速度和加速度的大小，可采用如 图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的强磁 体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的 （测量仪未画出）。当列车经过线圈上方时，线圈中 产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速 度和加速度。B O S长江工程职业技术学院自动化教研室阶段小结力敏传感器是将动态或静态力的大小转换成便于 测量的电量的装置。本模块介绍了电阻应变式传感器， 其将外力转化成电阻值的变化，再利用电桥电路检测 出电阻值的变化值，从而得出对应的力变化量。还讲 述了电感式传感器，其将外力引起的微小位移量转化 成电感参数的变化，从而得出相应力的变化量。如位 移量很小，可采用差动变压器来放大信号的方式，以 提高传感器的灵敏度。长江工程职业技术学院自动化教研室课题二 压电传感器的转换原理任务目标 ★ 掌握压电式力敏传感器的工作原理； ★ 掌握电容应变式力敏传感器的工作原理； ★ 了解压电应变式和电感应变式力敏传感器之 间的区别。长江工程职业技术学院自动化教研室一、压电传感器压电传感器是利用某些半导体材料的压电效 应来实现由力至电量的转化，属于有源传感 器类。由于其灵敏系数高，信噪比高，使用 频带宽，体积小，方便耐用等优点已广泛应 用在工业、军事及民用等方面。压电传感器 材料一般有三类：压电单晶、压电陶瓷和有 机压电薄膜。长江工程职业技术学院自动化教研室1．压电转换元件的工作原理 （1）压电效应 某些晶体或有机薄膜，当沿着一定方向受到外力 作用时，内部极化，某两个面产生符号相反的电 荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，当作 用力方向改变时，电荷的极性也改变，晶体受力 所产生的电量与外力的大小成正比，即Q ? dF（2-9）式中，是压电常数，它反映了压电效应的强弱。 上述现象称正压电效应。反之，如对晶体施加一 交变电场，晶体本身将产生变形，此称电致伸缩 现象，也称逆压电效应，如图2-14所示。长江工程职业技术学院自动化教研室（a）材料受压（b）材料受拉（c）材料受压（d）材料受拉图2-14 压电效应（2）压电传感器材料及特性 常用压电传感器的材料一般有压电单晶、压电陶瓷和 有机压电薄膜。长江工程职业技术学院自动化教研室① 石英单晶分人工石英和天然石英。它们是单晶中使 用频率最高的一种传感器。其特点是介电和压电常数 的温度稳定性好，如图2-15所示。适用的工作温度范 围宽，动态响应快，机械强度大，弹性系数高，稳定 性好。（a）压电常数与温度的关系（b）介电常数与温度的关系长江工程职业技术学院自动化教研室石英晶体的外形是规则的六角棱柱体，它有三个晶轴， 如下图所示。石英晶体的坐标轴和切片纵向压电效应：沿着X轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。横向压电效应：沿着Y轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。长江工程职业技术学院自动化教研室② 压电陶瓷是多晶体。最常见的有钛酸钡、锆钛铅系 列等。压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造 的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电 畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极 化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时， 各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互 抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，经过人 工极化后，保留很强的剩余极化的情况下才能作为压 电材料使用 。长江工程职业技术学院自动化教研室③ 有机压电薄膜随着科技的进步发展也较快。它既具 有高分子材料的柔软性又具有压电陶瓷的特性，可以 做成较大面积，主要用于微压测量和机器人的触觉。（ａ）天然石英晶体（b）石英晶体薄片（c）压电陶瓷（d）高分子压电薄膜各种压电材料的外形图长江工程职业技术学院自动化教研室（3）压电传感器的结构 压电传感器是一种有源传感器，同时又是一个电容器， 其结构如图2-17（a）所示。它是在压电晶片的两个工 作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，引出两个电极。 实际应用中常将两个以上晶片进行串联或并联。如图 2-17（b）、（c）所示，就如同将两个电容器串联和 并联一样。串联输出的电压高，自身电容小；并联输 出电荷量大，电容量大。串联主要用在以电压为输出 量及测量电路输入阻抗很高的场合，而并联由于时间 常数大，主要用于以电荷为输出量的场合，适于测量 缓变信号。长江工程职业技术学院自动化教研室（a）压电晶片（b）串联（c）并联图2-17 压电晶片及压电传感器结构（4）压电传感器基本应用电路 根据后续放大电路是电压放大还是电荷放大，可将压 电传感器等效为电压源电路和电荷源电路，如图2-18 所示，Ca为等效电容。长江工程职业技术学院自动化教研室由于压电传感器产生的电 量非常小，且内阻极高， 就要求测量电路的输入电 阻尽量大，这样才能减小 测量误差，因此在压电式 传感器的输出端总是接入 （a）电荷源等效电路 （b）电压源等效电路 高输入阻抗的前置放大器， 图2-18 压电传感器等效电路 然后再接入一般的放大电 路。前置放大器有两个作用：第一是将压电传感器的输出信号 放大；第二是将高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传 感器的测量电路有电荷型与电压型两种，相应的前置放大 器也有电荷型与电压型两种型式。长江工程职业技术学院自动化教研室下面简单介绍电荷型放大电路，如图2-19所示。（a）等效电路（b）简化电路图2-19 压电式传感器电荷放大的电路长江工程职业技术学院自动化教研室图2-19（a）中Ra为压电传感器的绝缘电阻，Cc为连 接电缆的传输电容，Ri为前置放大器的输入电阻，Ci 为前置放大器输入电容；图（b）中为等效综合电容， =Ci+C Ca+Cc， R ? Ra Ri / ( Ra即为等效综合电阻， ? Ri ) 两图中Rf 、Cf为反馈电阻和电容，分析计算可得输出 电压?U ? ? Q Cf（2-10）可见输出电压值主要决定于和Cf，因此要得到必要 的测量精度，反馈电容Cf的温度和时间稳定性要好。 在实际应用中，考虑到不同的量程，Cf的容量一般 做成可调式，范围在100~10000pF之间。长江工程职业技术学院自动化教研室2．几种常见的压电传感器（1）压电式单向测力传感器 压电式单向测力传感器结构如图2-20所示，主要由石 英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器 上盖为传力元件，其外缘壁厚为0.1~0.5mm，当受外 力F作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶 片上。石英晶片采用xy型，利用其纵向压电效应。长江工程职业技术学院自动化教研室图2-20 压力式单向测力传感器结构图长江工程职业技术学院自动化教研室（2）压电式加速度传感器 压电式加速度传感器结构如图2-21所示。主要由压电 元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成，整个 部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。当压电式加速 度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，压电元件 受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性 力F是加速度a的函数，即 F=ma （2-11） 式中 F――质量块产生的惯性力； m――质量块的质量； a――加速度。长江工程职业技术学院自动化教研室图2-21 压电式加速度传感器结构图长江工程职业技术学院自动化教研室惯性力F作用于压电元件上而产生电荷q，当传感器选 定后，质量块的质量m为常数，则传感器输出电荷q为 q=d11F=d11ma （2-12） 式中 d11――压电系数。 由式（2-12）可见，压电式测力传感器输出电荷q与加 速度成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便 可知加速度的大小。长江工程职业技术学院自动化教研室（3）压电式传感器在测漏中的应用如果地面下一均匀的自来水直管道某点O漏水，水漏 引起的振动从O点向管道两端传播，在管道A、B两点 放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点 传来的t0时刻发出的振动信号所用的时间差可计算出 LA或LB。长江工程职业技术学院自动化教研室两者时间差为?t ? t A ? t B ? ( LA ? LB ) / v又L=LA+LB，所以L+ ? t ? v LA = 2L-?t ? v LB = 2长江工程职业技术学院自动化教研室二、电容式传感器电容式传感器是一种能将被测物理量转变为传感器 的电容量变化，然后再通过一定的电路将此电容的 变化转换为电压、电流或频率等信号的输出，从而 实现对物理量的测量。电容式传感器具有如下优点： 结构简单p轻巧p易于制造，功率小p阻抗高p灵 敏度高；动态特性好，能在高低温及强辐射的恶劣 环境中工作，能进行非接触测量等。当然，电容式 传感器也有其不足之处，如负载能力差，寄生电容 影响较大，输出为非线性等。随着电子技术的发展， 电容式传感器的性能已得到了很大的改善，在位移、 压力、液位等物理量测量中得到广泛应用。长江工程职业技术学院自动化教研室1．电容式传感器工作原理 电容传感器的工作原理可从平板电容器加以说明， 如图2-23所示。由物理学可知，两平板组成的电容 器，如不考虑边缘效应，其电容量可用下式表示?S C? ?式中 S――两极板相互遮盖的面积； ? ――两极板间的距离； ? ――两极板间介质的介电常数。（2-13）图2-23 电容传感器工作原理长江工程职业技术学院自动化教研室2．变介电常数型电容传感器通过改变板间介质（即介电常 数），可改变电容量。下面用一 实例加以说明：图2-24所示是一 密封铅罐中测量液态氮液位高度 的原理图。在被测介质中放入两 个同心圆柱状极板1和2。若容器 内液体介质的介电常数为，液体 介质上面气体介质的介电常数为， 当容器内液面高度变化时，则电 容量将变化（假设液体介质为不 图2-24 电容式液位传感器原理图 导电液体，若导电，则电极板必 须绝缘）。长江工程职业技术学院自动化教研室电极板间电容C等于气体介质间电容C2与液体介质间 电容C1之和，相当于两个电容器并联，即C ? C1 ? C22?h1?1 C1 ? ln( R / r )（2-14）（2-15）2?h2? 2 2?(h ? h1 )? 2 C2 ? ? ln( R / r ) ln( R / r ) 2?h? 2 2?(?1 ? ? 2 ) ? h1 C ? C1 ? C2 ? ln( R / r ) ln( R / r )（2-16）（2-17）式（2-17）表明传感器电容量C与高度呈线性关系。长江工程职业技术学院自动化教研室3．变面积型电容传感器 变面积型电容传感器结构原理如图2-25所示。利用图 2-25（a）分析，当上部平板向左位移x后，电容量由 ? ab 变为 C0 ?dCx? (a ? x)bdx ? (1 ? )C0 axC0 ?C ? Cx ? C0 ? ? a用电容变化的增量与移动距离x的比值定义为灵 敏度KX，则?C ?b Kx ? ?? x a长江工程职业技术学院自动化教研室平板形差动电容长江工程职业技术学院自动化教研室阶段小结 压电传感器是利用压电材料本身固有的压电效应， 将外加的压力转换成电荷变化量，再通过电荷（或 电压）放大后，检测其对应的压力。电容式传感器 是将外加力转变成传感器电容量的变化，然后再通 过一定的电路将此电容的变化转化为电压、电流或 频率等信号的输出，从而实现对力的测量。长江工程职业技术学院自动化教研室模块三 湿度传感器及其应用课题一 湿度传感器的分类及特性任务目标 ★熟悉湿度的表示方法和湿度传感器的主要特性； ★熟悉半导体陶瓷湿度传感器、有机高分子湿度 传感器的基本结构，掌握其感湿特性。长江工程职业技术学院自动化教研室一、湿度传感器概述湿度是指物质中所含水分的量，可通过湿度传 感器进行测量。湿度传感器是将环境湿度转换 为电信号的装置 ，现代化的工农业生产及科 学实验对空气湿度的重视程度日益提高，要求 也越来越高，如果湿度不能满足要求，将会造 成不同程度的不良后果。长江工程职业技术学院自动化教研室1．湿度的表示方法狭义的湿度是指空气中水汽的含量，常用绝对湿度、 相对湿度和露点（或露点温度）等来表示。 （1）绝对湿度 绝对湿度是指在一定温度及压力条件下，单位体积 待测气体中含水蒸气的质量，即水蒸气的密度，其 数学表达式为Mv Ha ? V式中Mv――待测气体中水蒸气的质量； V ――待测气体的总体积； Ha――待测气体的绝对湿度，单位为g/m3。长江工程职业技术学院自动化教研室（3-1）（2）相对湿度 相对湿度为待测气体中的水蒸气压与同温度下水的 饱和蒸气压的比值的百分数，其数学表达式为PV RH ? ? 100% PW式中 PV――某温度下待测气体的水蒸气压； PW ――与待测气体温度相同时水的饱和蒸气压； RH――相对湿度，单位为%RH。 （3-2）长江工程职业技术学院自动化教研室饱和水蒸气压与气体的温度和气体的压力有关。 当温度和压力变化时，因饱和水蒸气压变化，所 以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也会 发生变化，温度越高，饱和水蒸气压越大。日常 生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度 而言。凡谈到相对湿度，必须同时说明环境温度， 否则，所说的相对湿度就失去确定的意义。长江工程职业技术学院自动化教研室（3）露点 水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样 的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压 与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。当空气温度 下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下 水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将 向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100％RH。 该温度称为空气的露点温度，简称露点。如果这一 温度低于0℃时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。 两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低， 因而可用露点表示空气中的湿度。长江工程职业技术学院自动化教研室2．湿度传感器的主要特性（1）感湿特性 感湿特性为湿度传感器的 感湿特征量（如电阻、电 容、频率等）随环境湿度 变化的规律，常用感湿特 征量和相对湿度的关系曲 线来表示，如图3-1所示。图3-1 湿敏元件的感湿特性曲线按曲线的变化规律，感湿特性曲线可分为正特性曲 线和负特性曲线 。性能良好的湿度传感器，要求 在所测相对湿度范围内，感湿特征量的变化为线性 变化，其斜率大小要适中。 长江工程职业技术学院自动化教研室（2）湿度量程 湿度传感器能够比较精确测量相对湿度的最大范围称 为湿度量程。一般来说，使用时不得超过湿度量程规 定值。所以在应用中，希望湿度传感器的湿度量程越 大越好，以0%~100%RH为最佳。 湿度传感器按其湿度量程可分为高湿型、低湿型及全 湿型三大类。高湿型适用于相对湿度大于70%RH的场 合；低湿型适用于相对湿度小于40%RH场合；而全湿 型则适用于0%~100%RH的场合。长江工程职业技术学院自动化教研室（3）灵敏度 灵敏度为湿度传感器的感湿特征量随相对湿度变化 的程度，即在某一相对湿度范围内，相对湿度改变 1%RH时，湿度传感器的感湿特征量的变化值，也 就是该湿度传感器感湿特性曲线的斜率。 由于大多数湿度传感器的感湿特性曲线是非线性的， 在不同的湿度范围内具有不同的斜率，因此常用湿 度传感器在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表 示其灵敏度。如R1%/R10%表示器件在1%RH下的 电阻值与在10%RH下的电阻值之比。长江工程职业技术学院自动化教研室（4）响应时间 当环境湿度增大时，湿敏器件有一吸湿过程，并产 生感湿特征量的变化。而当环境湿度减小时，为检 测当前湿度，湿敏器件原先所吸的湿度要消除，这 一过程称为脱湿。所以用湿敏器件检测湿度时，湿 敏器件将随之发生吸湿和脱湿过程。 在一定环境温度下，当环境湿度改变时，湿敏传感 器完成吸湿过程或脱湿过程（感湿特征量达到稳定 值的规定比例）过程所需要的时间，称为响应时间。 感湿特征量的变化滞后于环境湿度的变化，所以实 际多采用感湿特征量的改变量达到总改变量的90% 所需要的时间，即以相应的起始湿度和终止湿度这 一变化区间90%的相对湿度变化所需的时间来计算。长江工程职业技术学院自动化教研室（5）感湿温度系数 湿度传感器除对环境湿度敏感外，对温度也十分敏感。 湿度传感器的温度系数是表示湿度传感器的感湿特性 曲线随环境温度而变化的特性参数。在不同环境温度 下，湿度传感器的感湿特性曲线是不同的，如图3-2 所示。 湿度传感器的感湿温度系数 定义为：湿度传感器在感湿 特征量恒定的条件下，当温 度变化时，其对应相对湿度 将发生变化，这两个变化量 之比（参见式（3-3））， 称为感湿温度系数。图3-2 湿敏元件的温度特性 （3-3）长江工程职业技术学院自动化教研室显然，湿度传感器感湿特性曲线随温度的变化越大， 由感湿特征量所表示的环境湿度与实际的环境湿度 之间的误差就越大，即感湿温度系数越大。因此， 环境温度的不同将直接影响湿度传感器的测量误差。 故在环境温度变化比较大的地方测量湿度时，必须 进行修正或外接补偿。 湿度传感器的感湿温度系数越小越好。传感器的感 湿温度系数越小，在使用中受环境温度的影响也就 越小，传感器就越实用。一般湿度传感器的感湿温 度系数在0.2~0.8%RH/℃。长江工程职业技术学院自动化教研室（6）湿滞特性一般情况下，湿度传感器不仅在吸 湿和脱湿两种情况下的响应时间有 所不同（大多数湿敏器件的脱湿响 应时间大于吸湿响应时间），而且 其感湿特性曲线也不重合。在吸湿 和脱湿时，两种感湿特性曲线形成 一个环形线，称为湿滞回线。湿度 图3-3 湿度传感器的湿 传感器这一特性称为湿滞特性，如 滞特性 图3-3所示。 湿滞回差表示在湿滞回线上，同一感湿特征量值下， 吸湿和脱湿两种感湿特性曲线所对应的两湿度的最大 差值。在电阻为X值时，ΔRH=RHH-RHL，显然湿度传 感器的湿滞回差越小越好。 长江工程职业技术学院自动化教研室（7）老化特性 老化特性为湿度传感器在一定温度、湿度环境下，存 放一定时间后，由于尘土、油污、有害气体等的影响， 其感湿特性将发生变化的特性。 （8）互换性 湿度传感器的一致性和互换性差。当使用中湿度传感 器被损坏，那么有时即使换上同一型号的传感器也需 要再次进行调试。长江工程职业技术学院自动化教研室综上所述，一个理想的湿度传感器应具备以下性能 和参数： ① 使用寿命长，长期稳定性好。 ② 灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好。 ③ 使用范围宽，感湿温度系数小。 ④ 响应时间短。 ⑤ 湿滞回差小，测量精度高。 ⑥ 能在有害气氛的恶劣环境下使用。 ⑦ 器件的一致性、互换性好，易于批量生产，成本 低。 ⑧ 器件的感湿特征量应在易测范围以内。长江工程职业技术学院自动化教研室二、湿度传感器的分类及工作原理湿度传感器种类很多，没有统一分类标准。按探测 功能来分，可分为绝对湿度型、相对湿度型和结露 型；按传感器的输出信号来分，可分为电阻型、电 容型和电抗型，电阻型最多，电抗型最少；按湿敏 元件工作机理来分，又分为水分子亲和力型和非水 分子亲和力型两大类，其中水分子亲和力型应用更 广泛；按材料来分，可分为陶瓷型、有机高分子型、 半导体型和电解质型等。下面按材料分类分别加以 介绍。长江工程职业技术学院自动化教研室1．半导体陶瓷湿度传感器陶瓷湿度传感器具有很多优点，主要如下：测湿 范围宽，基本上可实现全湿范围内的湿度测量； 工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在 150℃以下，而高温湿度传感器的工作温度可达 800℃；响应时间短，多孔陶瓷的表面积大，易 于吸湿和脱湿；湿滞小、抗沾污、可高温清洗和 灵敏度高，稳定性好等。长江工程职业技术学院自动化教研室半导体陶瓷湿度传感器按其制作工艺不同可分为： 烧结型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。陶瓷湿度传感器较成熟的产品有MgCr2O4-TiO2 （铬酸镁-二氧化钛）系、ZnO-Cr2O3（氧化锌三氧化二铬）系、ZrO2（二氧化锆）系、Al2O3 （三氧化铝）系、TiO2-V2O5（二氧化钛-五氧化 二钒）系和Fe3O4（四氧化三铁）系等。它们的 感湿特征量大多数为电阻，除Fe3O4系外，都为 负特性湿敏传感器，即随着环境湿度的增加电阻 值降低。下面介绍其典型品种。长江工程职业技术学院自动化教研室半导体陶瓷湿度传感器长江工程职业技术学院自动化教研室（1）MgCr2O4-TiO2系湿度传感器 MgCr2O4-TiO2系湿度传感器为烧结型，其结构如图34所示。图3-4 MgCr2O4-TiO2系湿度传感器结构长江工程职业技术学院自动化教研室制作方法 ：以MgCr2O4为基础材料，加入适量的TiO2，在 1300℃左右烧结而成，然后切割成所需薄片，在 MgCr2O4-TiO2陶瓷薄片两面涂覆氧化钌（RuO2） 多孔电极，并于800℃下烧结，制成感湿体，电极 与引出线烧结在一起，引线为Pt-Ir（铂-铱）丝。 在感湿体外设置由镍铬丝烧制而成的加热清洗线 圈，此线圈的作用主要是通过加热排除附着在感 湿片上的有害物质（如水分、油污、有机物和灰 尘等），以恢复对水汽的吸附能力。常用450℃每 分钟的条件对陶瓷表面进行热清洗。长江工程职业技术学院自动化教研室MgCr2O4-TiO2湿度传感器的感湿特性曲线如图3-5所 示，该湿度传感器的特点是体积小、感湿灵敏度适中， 电阻率低，阻值随相对湿度的变化特性好，测量范围 宽，可测量0~100%RH，响应速度快，响应时间可小 至几秒。图3-5 MgCr2O4-TiO2湿度传感器的感湿特性曲线长江工程职业技术学院自动化教研室（2）硅MOS型Al2O3湿度传感器 Al2O3湿度传感器根据湿敏元件制作方法不同，可 分为多孔Al2O3湿度传感器、涂覆膜状Al2O3湿度 传感器和MOS型湿度传感器。下面介绍硅MOS型 湿度传感器。 MOS型湿度传感 器具有响应速度 快、化学稳定性 好及耐高低温冲 击的性能。图3-6 硅MOS型Al2O3湿度传感器的结构长江工程职业技术学院自动化教研室2．高分子湿度传感器高分子湿度传感器包括高分子电解质薄膜湿度传感 器、高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度 传感器、结露传感器和石英振动式传感器等，下面 分别加以介绍。 （1）高分子电阻式湿度传感器 这种传感器的湿敏层为可导电的高分子，强电解质， 具有极强的吸水性。水吸附在有极性基的高分子膜 上，在低湿下，因吸附量少，不能产生电离子，所 以电阻值较高；当相对湿度增加时，吸附量也增大。 高分子电解质吸水后电离，正负离子对主要起到载 流子作用，使高分子湿度传感器的电阻下降。吸湿 量不同，高分子介质的阻值也不同，根据阻值变化 长江工程职业技术学院自动化教研室 可测量相对湿度。高分子湿度传感器外形图长江工程职业技术学院自动化教研室（2）高分子电容式湿度传感器 图3-7为高分子薄膜电介质电容 式湿度传感器的结构，它是在洁 净的玻璃基片上，蒸镀一层极薄 （50nm）的梳状金质，作为下 部电极，然后在其上薄薄地涂上 一层高分子聚合物（1nm），干 燥后，再在其上蒸镀一层多孔透 水的金质作为上部电极，两极间 形成电容，最后上下电极焊接引 线，就制成了电容式高分子薄膜 湿度传感器。 图3-7高分子薄膜电介质电容式湿度 传感器的结构长江工程职业技术学院自动化教研室当高分子聚合物介质吸湿后，元件的介电常数随环境 相对湿度的变化而变化，从而引起电容量的变化。由于高分子膜可以做得很薄，所以元件能迅速吸湿和 脱湿，故该类传感器有滞后小和响应速度快等特点。 （3）结露传感器 结露传感器是一种特殊的湿度传感器，它与一般的湿 度传感器不同之处在于它对低湿不敏感，仅对高湿敏 感，感湿特征量具有开关式变化特性。结露传感器分 为电阻型和电容型，目前广泛应用的是电阻型。长江工程职业技术学院自动化教研室结露传感器外形图长江工程职业技术学院自动化教研室电阻型结露传感器是在陶瓷 基片上制成梳状电极，在其 上涂一层电阻式感湿膜，感 湿膜采用掺入碳粉的有机高 分子材料，在高湿下，电阻 膜吸湿后膨胀，体积增加， 碳粉间距变大，引起电阻突 变；而低湿时，电阻因电阻 膜收缩而变小，其特性曲线 如图3-8所示，在 75%~80%RH以下时，很平 坦，而超过75%~80%RH陡 升。图3-8 结露传感器的感湿特性长江工程职业技术学院自动化教研室结露传感器的特点 ：响应时间短，体积较小，对高湿快速敏感。它的吸 湿作用不在湿敏膜的表面，而在其内部，这就使它 的特性不受灰尘和其他气体对其表面污染的影响， 因而长期稳定性好，可靠性高，且不需加热解毒， 能在直流电压下工作。结露传感器一般不用于测湿，而作为提供开关信号 的结露信号器，用于自动控制或报警，主要用于磁 带录像机、照相机和高级轿车玻璃的结露检测及除 露控制。长江工程职业技术学院自动化教研室（4）石英振动式湿敏传感器 该类传感器是在石英振子的电极表面涂覆高分子材料 感湿膜，当膜吸湿时，由于膜的重量变化而使石英振 子共振频率变化，从而检测出环境湿度，传感器在 0~50℃时，湿度检测范围为0%~100%RH，误差 ±5%RH。 石英振动式湿敏传感器还能检测露点，当石英振子表 面结露时，振子的共振频率会发生变化，同时共振阻 抗增加。长江工程职业技术学院自动化教研室3．含水量检测通常将空气或其他气体中的水分含量称为“湿度”， 将固体物质中的水分含量称为“含水量”，即固体 物质中所含水分的质量与总质量之比的百分数 。 （1）称重法 测出被测物质烘干前后的重量GH和GD，含水量 的百分数为GH ? GD W? ? 100% GH（3-4）这种方法很简单，但烘干需要时间，检测的实 时性差，而且有些产品不能采用烘干法。长江工程职业技术学院自动化教研室（2）电导法 固体物质吸收水分后电阻变小，用测定电阻率或电导 率的方法便可判断含水量。 （3）电容法 水的介电常数远大于一般干燥固体物质，因此用电容 法测物质的介电常数从而测出含水量是相当灵敏的。 造纸厂的纸张含水量可用电容法测量。 （4）红外吸收法 水分对波长为1.94um的红外线吸收较强，而对波长为 1.81um红外线几乎不吸收。由上述两种波长的滤光片 对红外光进行轮流切换，根据被测物对这两种波长的 能量吸收的比值便可判断含水量。长江工程职业技术学院自动化教研室（5）微波吸收法 水分对波长为1.36cm附近的微波有显著吸收现象，而 植物纤维对此波段的吸收仅为水的几十分之一，利用 这一原理可制成测木材、烟草、粮食和纸张等物质中 含水量的仪表。微波法要注意被测物料的密度和温度 对检测结果的影响，这种方法的设备稍为复杂一些。长江工程职业技术学院自动化教研室阶段小结湿度信息由湿度传感器转变为电信号，通过湿敏元件 的电量信号（电阻、电容等）随环境湿度变化而变化 的特性来检测。湿度传感器的分类方法繁多，种类各 不相同，感湿机理千差万别。 湿度较难检测，原因在于湿度信息的传递较复杂。湿 度信息必须靠其信息物质――水对湿敏元件直接接触 来完成。因此，湿敏元件不能密封、隔离，必须直接 暴露于待测的环境中，而水在自然环境中容易发生三 态变化。当其液化或结冰时，往往使湿敏器件的高分 子材料或电解质材料溶解、腐蚀或老化，给测量带来 不利。湿度传感器目前最主要的技术性难点就是长期 稳定性差及互换性差。长江工程职业技术学院自动化教研室课题二 环境湿度控制任务目标 ★ 熟悉环境湿度控制的常用方法。一、环境湿度控制的方法空气相对湿度为45%~60%时人体感觉最为舒适，也 不容易引起疾病。当空气湿度高于65%或低于38%时， 微生物繁殖滋生最快；当相对湿度在45%~55%时， 病菌的死亡率较高。为了使环境湿度满足要求，就要 采用一定的控制方法来改变湿度。如果湿度过高，则 要进行除湿；反之，如果湿度过低，则要进行加湿。长江工程职业技术学院自动化教研室1．除湿技术 空气除湿是一门涉及多个学科的综合性技术，目前已 被广泛应用于仪器仪表、生物、环保、纺织、冶金、 化工、石化、原子能、航空、航天等领域。常用的空 气除湿技术主要有冷却除湿、吸附除湿和吸收除湿等。 （1）冷却除湿 冷却除湿的原理是湿空气温度降低到露点温度以下时 会析出水汽。在实现时，冷却除湿要使用制冷式冷源， 先通过降低蒸发器表面温度使空气温度降到露点温度 以下，从而析出水汽，降低空气的含湿量，再利用部 分或全部冷凝热加热冷却后的空气，从而降低空气的 相对湿度，达到除湿目的。凡通过这种方式将密封空 间内空气中的水分排出以降低湿度的除湿方式均属冷 长江工程职业技术学院自动化教研室 却除湿。制冷除湿机典型结构：?蒸发器：制冷剂在其中沸腾， 吸收被冷却介质的热量后，由液 态转变为气态。?压缩机：消耗一定的外界功后， 把蒸发器中的气态制冷剂吸入， 并压缩到冷凝压力后排入冷凝器 中。图3-13 一般制冷除湿机结构?冷凝器（再热器）：气态制冷剂在冷凝器中将热量 传递给冷却介质（空气或常温水）后，冷凝成液体。 ?膨胀阀（节流阀）：将冷凝后的高压液态制冷剂通 长江工程职业技术学院自动化教研室 过其节流作用，降低到蒸发压力后，送入蒸发器中。制冷系统工作流程为： ?压缩机将蒸发器所产生的低压、低温制冷剂蒸气吸 入汽缸内，经压缩压力升高（温度也升高）到稍大 于冷凝器内的压力时，将气缸内的高压制冷剂蒸气 排到冷凝器中，所以压缩机起着压缩和输送制冷剂 蒸气的作用。 ?在冷凝器内高压高温的制冷剂蒸气与温度较低的空 气（或常温水）进行热交换而冷凝为液态制冷剂。?液态制冷剂再经过膨胀阀降压（降温）后进入蒸发 器，在蒸发器内吸收被冷却物体的热量后而再次汽 化。这样，被冷却物体便得到冷却，而制冷剂蒸气 被压缩机吸走。因此，制冷剂在系统中经过压缩、 冷凝、膨胀、蒸发这样四个过程，完成一个循环。长江工程职业技术学院自动化教研室送风系统工作流程为： ?湿空气被吸入后，在蒸发器被冷却到露点温度以 下，水汽凝结成水被析出，含湿量下降；?然后进入冷凝器，吸收制冷剂的热量而升温，相 对湿度降低，由送风机送入房间。长江工程职业技术学院自动化教研室（2）吸附除湿 吸附除湿的原理是某些固体（除湿剂，或称干燥剂） 对水蒸汽分子具有强烈的吸附作用。当空气与除湿剂 接触时，空气中的水蒸汽被吸附而解脱，从而达到除 湿目的。常用的固体除湿剂有硅胶、氧化铝、分子筛、 氯化钙等，使用后脱出吸附的水分可再次使用。吸附式除湿装置主要有两类：一类是固定床式除湿器， 另一类是旋转式除湿器。 ?最原始的固定床除湿是在密封的容器内放置除 湿剂进行除湿。后来将固体吸附剂作为固定层填 充于塔（筒）内进行空气除湿，该除湿方式为间 歇方式，需要定期进行脱附处理，操作与控制都 不方便。长江工程职业技术学院自动化教研室?旋转式除湿器是指转轮除湿机，它是利用一种特制的 吸湿纸来吸收空气中的水分。吸湿纸以玻璃纤维滤纸 为载体将除湿剂和保护加强剂等液体均匀吸附在滤纸 上烘干而成，它固定在蜂窝状转轮上，转轮两侧由特 制的密封装置分成两个区域：处理区域及再生区域。 当需要除湿的潮湿空气通过转轮的处理区域时，湿空 气的水蒸汽被转轮的吸湿纸所吸附，干燥空气被处理 风机送至需要处理的空间；而不断缓慢转动的转轮载 着趋于饱和的水蒸汽进入再生区域；再生区内反向吹 入的高温空气使得转轮中吸附的水分被脱附，被再生 风机排出室外，从而使转轮恢复了吸湿的能力而完成 再生过程，转轮不断地转动，上述的除湿及再生周而 复始地进行，从而保证除湿机持续稳定的除湿状态。长江工程职业技术学院自动化教研室（3）吸收除湿 吸收除湿的依据是某些溶液（液体干燥剂）能够吸收 空气中的水分。液体干燥剂具有很强的吸湿能力和容 湿能力，当其表面蒸汽压比周围环境湿空气蒸汽压低 时，具有吸湿能力，吸收空气中的水分变成稀溶液， 同时湿空气的含湿量下降。液体干燥剂在吸湿的过程 中会放出热量，此热量是水分由气态变为液态时释放 出来的热量。 当空气在除湿器内与喷洒的吸收液接触时，空气中的 水分被溶液吸收而除湿；吸收水分后的溶液由溶液循 环泵送到再生器，和由加热盘管加热的再生空气接触， 溶液中的水分蒸发并伴随再生空气排出室外，再生器 内浓度提高的溶液再由循环泵送入除湿器。长江工程职业技术学院自动化教研室2．加湿技术 以日常生活为例，寒冷时节常在室内进行采暖，即使 温度处于热舒适范围内，过低的湿度仍然会使人们感 到不舒适 。 空气加湿从大的方面来说有两类：一类是向空气中 蒸发水，另一类是直接向空气中喷入水蒸汽。从加 湿原理上可分为水汽化式、水喷雾式和蒸汽式。目 前，常见的加湿方法中，浸湿面蒸发加湿属于水汽 化式；高压喷雾加湿、超声波加湿属于水喷雾式； 电极加热和干蒸汽喷雾属于蒸汽式。长江工程职业技术学院自动化教研室?超声波加湿原理是采用电子超频震荡，通过雾化片的 高频谐振，将水抛离水面而产生自然飘逸的水雾，通 过风动装置将水雾扩散到空气中，从而达到均匀加湿 空气的目的。在雾化过程中释放的大量负离子可以有 效杀死空气中悬浮的有害细菌和病毒，使空气净化， 减少疾病发生。?热蒸发型加湿器也叫电加热式加湿器。其工作原理是 将水在加热体中加热到100℃，产生蒸汽，用电机将蒸 汽送出。所以电加热式加湿器是技术最简单的加湿方 式，缺点是能耗较大，不能干烧，安全系数较低，加 热器上容易结垢等。长江工程职业技术学院自动化教研室干蒸汽喷雾加湿器是将饱和蒸 汽导入饱和蒸汽入口，饱和蒸 汽在蒸汽套杆中轴向流动，利 用蒸汽的潜热将中心喷杆加热， 确保中心喷杆喷出纯的干蒸汽， 即不含冷凝水的蒸汽；饱和蒸 汽经蒸汽套管后，进入汽水分 离室，分离室内设环形折流板， 使蒸汽进入分离室后产生旋转， 且垂直上升流动，从而高效地 将蒸汽和冷凝水分离；分离出 的冷凝水从分离室底部通过疏 水器排出；当需要加湿时，打 开调节阀，干燥的蒸汽进入中 心喷杆，从带有消声装置的喷 孔中喷出，实现对空气的加湿。图3-14 干蒸汽加湿器的结构原理长江工程职业技术学院自动化教研室房间湿度控制装置的设计一、任务分析1、设计目标： 湿度控制是将环境湿度和参考湿度进行比较，根据 比较结果，开关加湿设备或除湿设备，以保证环境 湿度满足湿度要求。2、房间湿度控制电路方框图 ：长江工程职业技术学院自动化教研室二、任务设计长江工程职业技术学院自动化教研室阶段小结： 本课题围绕环境湿度控制方法介绍了主要的除湿技术 和加湿技术，并给出了一个简单的湿度控制电路。 在实际工程或应用中要多方面综合考虑来选择适合的 除湿设备、加湿设备。不管什么样的除湿设备、加湿 设备，设备要具备湿度检测和控制功能。 可以根据具体应用要求来设定参考相对湿度，简化湿 度检测。设计控制装置时，要根据加/除湿器功率大小， 选择不同类型的控制电器：大功率设备应选用接触器 或固态继电器（又称固态开关）进行控制；小功率设 备可直接用电磁式继电器控制。另外，还要考虑控制 电路与主电路的电气隔离，固态开关内部包含了电气 隔离电路。长江工程职业技术学院自动化教研室模块四 温度传感器及其应用课题一 热敏材料的特性任务目标 ★掌握常用金属热电阻的工作原理，理解热电阻 传感器的三线制接法； ★ 掌握半导体热敏电阻的工作原理，了解其应用； ★ 掌握热电偶的工作原理、常用的三个基本定律， 了解常用热电偶材料特性。长江工程职业技术学院自动化教研室一、温度传感器概述1、三种温度表示方法 ?摄氏温标：规定在标准大气压下纯水的冰融 点为0℃，水沸点为100℃，中间分100等份， 每一等份定义为1℃ ； ?华氏温标：规定在标准大气压下纯水的冰融点 为32H，水沸点为212H，中间分180等份，每 一等份定义为1H； ?热力学温标：规定分子运动停止时的温度为绝 对零度，水的三相点（纯水、纯冰、水蒸汽共 存平衡状态，其温度为0.01℃）为273.16K，每 长江工程职业技术学院自动化教研室 1K的温度间隔与每 1℃的温度间隔相等。2、温度传感器的工作机理 温度传感器一般是利用材料热敏特性，实现由温 度到电参量的转换。 3、温度传感器的分类 根据使用方式，温度传感器通常分为直接接触式 温度传感器和非接触式温度传感器。 ?热电阻传感器 、热电偶传感器 、集成温度传感 器均属于接触式温度传感器； ?红外温度传感器属于非接触式温度传感器。长江工程职业技术学院自动化教研室长江工程职业技术学院自动化教研室长江工程职业技术学院自动化教研室二、热电阻及热敏电阻传感器热电阻传感器主要利用金属材料或氧化物半导体材料的电 阻值随温度变化这一特性来测定温度，前一种称热电阻， 后一种称热敏电阻，一般统称热电阻。作为测量温度的热 电阻材料应具备以下特点： ① 高的温度系数、高电阻率以提高灵敏度及缩小传感器体 积。 ② 物理、化学性能稳定，以确保在温度检测范围内其电阻 温度特性不变。 ③ 良好的输出特性，即电阻值随温度的变化尽量接近线性。 ④ 良好的加工工艺性。 目前作为热电阻的材料主要有铂、铜、镍、铁等，热敏电 阻主要是半导体材料，如钼、镍、钴等氧化物及其烧结体。长江工程职业技术学院自动化教研室1．热电阻 通过试验发现热电阻材料的电阻率与温度的关系近似 为?t ? a ? bt ? ct 2式中 ? t ――温度t时的电阻率； t――温度（℃）； a、b、c――由实验确定的常数。（4-1）对于电阻丝lt Rt ? ? t St长江工程职业技术学院自动化教研室（4-2）其中（4-3）式中， ? 为线膨胀系数，一般为 10 ?5 数量级。Rt 与 t 为近似线性关系，据此就可利用这些金 属材料来作测温传感器。在我国作为工业标准的铂电阻温度计，它的电阻 和温度的关系如下： 在-200~0℃范围内2 3 ? Rt ? R0 ?1 ? at ? bt ? c(t ? 100)t ? ?长江工程职业技术学院自动化教研室在0~850℃范围内Rt ? R0 ? ?1 ? at ? bt ? ?2式中 R0――0℃时的热敏电阻阻值；a ? 3.96847 ? 10?3 ?7 b ? ?5.847 ? 10 c ? ?4.220 ? 10?12由于b、c远小于a,可见Rt近似与t近似成线性关系。长江工程职业技术学院自动化教研室由于铂是贵金属，因此工业上常用铜来作为温度传 感器材料，在-50~150℃范围内它的电阻和温度几乎 成线性。其他如镍、铁等材料电阻温度系数均较高， 电阻率也较高，因此也适宜作为测温传感器材料， 不过要注意它们的使用温度区间，克服铜p铁易氧 化等缺点。近年来一些新热电阻材料相继被采用。 在具体选用何种材料作为温度传感器材料时，主要 考虑它的阻温特性p灵敏度p热容量、稳定性及价 格等。我国最常用的铂热电阻有R0=10欧姆和 R0=100欧姆两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100； 铜热电阻有R0=50欧姆和R0=10欧姆两种，它们的分 度号分别为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的应用最 为广泛。长江工程职业技术学院自动化教研室表4-1 常用热电阻材料的特性热电阻传感器主要用于-200~+500℃的低温温度测量， 其主要特点是测量精度高、性能稳定。随着技术的发 展，热电阻也可用于低至1~3K高至℃的温 长江工程职业技术学院自动化教研室 度测量。热电阻测温时，需要电源，要求电源是恒流源，或者 是恒压源，并且热电阻上的工作电流不能大，否则自 热引起温度升高影响结果。在与仪表或放大器连接时 主要有三种引线方式：二线制、三线制、四线制。 二线制：在热电阻的两端各连接一根导线的连接方 式叫二线制。这种引线方法很简单，但由于连接导 线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度 等因素有关，且随环境温度变化，造成测量误差。 因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。长江工程职业技术学院自动化教研室三线制：在热电阻根部的一 端连接一根引线，另一端连 接两根引线的方式称为三线 制。这种方式通常与电桥配 套使用，热电阻作为电桥的 一个桥臂电阻，其连接导线 也成为桥臂电阻的一部分。三线制接法这种接线方法如图4-1（a）所示，将一根导线接到电 桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及 与其相邻的桥臂上。这种方法可以较好的消除引线电 阻的影响，是工业过程控制中最常用的接线方法。长江工程职业技术学院自动化教研室四线制：在热电阻根部的两端 各连接两根导线的方式称为四 线制。接线方法如图4-1（b） 所示，其中两根引线为热电阻 提供恒定电流I，把Rt转换成电 压信号U，再通过另两根引线 把U引至二次仪表。这种引线 方式可完全消除引线电阻影响， 主要用于高精度的温度检测。四线制接法长江工程职业技术学院自动化教研室2．热敏电阻由金属氧化物的粉未按照一定比例烧结而成的热敏电阻， 是近年来应用较广的一种半导体测温元件，它的工作原 理和热电阻相似，即在一定的温度作用下，热敏电阻的 阻值将随之变化，将此变化转换为电量输出。 不过热敏电阻阻值随温度变化的关系不像热电阻成代数 关系，而是呈现复杂的指数关系。按其对温度的不同反应特性，一般分三类：①电阻值随 温度升高而下降的负温度系数热敏电阻（NTC）；②电 阻值随温度升高而升高的正温度系数热敏电阻（PTC）； ③电阻值在某一温度附近发生突变的临界温度系数热敏 电阻（CTR）。长江工程职业技术学院自动化教研室热敏电阻具有的主要特点是：热敏电阻温度系数大p灵敏度高，约为热电阻的10倍 或更高；热敏电阻结构简单p体积小，可用来测量点 的温度；电阻率高p热惯性小，适宜动态测量；工作 温度范围宽，常温器件适用于-55~+315℃，低温器件 适用于-273~+55℃；易于维护p制造简单p寿命长。 主要缺点是阻温关系是非线性的。 负温度系数热敏电阻阻温关系 ：Rt ? Rt 0eBn (1 t ?1 t0 )长江工程职业技术学院自动化教研室正温度系数热敏电阻阻温关系 ：Rt ? Rt 0eBP (t ?t0 )式中 Rt 、Rt0――温度为t、t0时热敏电阻的阻值； Bn、Bp――负、正温度系数热敏电阻的材料常数。热敏电阻的应用相对热电阻较 为广泛，在家电、汽车、办公 设备、农业、医疗及测量仪器 等方面都有应用，除了用于温 度测量，还常用于温度补偿或 其他物理量的测量和控制。图4-2 热敏电阻的阻温特性曲线长江工程职业技术学院自动化教研室热敏电阻传感器在温度补偿方面的应用 ：电路选用NTC热敏电阻传感器 实现晶体管静态工作点稳定。 由图可知，当温度升高时晶体 管集电极电流ICQ增加，同时 由于温度升高负温度系数的热 敏电阻Rt阻值相应减小，则晶 体管的基极电位VB下降，从而 使基极电流IBQ减少，进而使 ICQ下降。合理选择热敏电阻， 则可使静态工作点Q稳定。图4-4 热敏电阻传感器在温度补偿 方面的应用长江工程职业技术学院自动化教研室热敏电阻（PTC）传感器在电机启动中的应用 ：若电机启动需要较大功率，而工作时 所需功率较小，则可采用附加启动线 圈来实现。在刚启动时，热敏电阻 （PTC）的阻抗远小于启动线圈L2， 不影响L2的工作；启动后，因电流作 用热敏电阻温度升高，其阻值远大于 L2的阻抗，从而切断启动线圈，此后 仅工作线圈L1工作。可见热敏电阻 （PTC）传感器在此相当于一个无触 点开关。图4-5 热敏电阻 （PTC）控制电 机原理图长江工程职业技术学院自动化教研室三、热电偶传感器两种不同的导体或半导体 A和 B组合成如图所示闭合 回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0）， 则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中 有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象 早在1821年首先由塞贝克 （See－back）发现,所以 又称塞贝克效应。 回路中所产生的电动 势，叫热电势。热电 势由两部分组成，即 温差电势和接触电势。热端冷端长江工程职业技术学院自动化教研室1．热电偶的工作原理 （1）两种不同导体的接 触电势 接触电势为：eABkT N AT ? ln q0 N BT（4-8）接触电势示意图（NAt&NBt）式中 T――接点处的绝对温度，单位为K，T=t+273.15； k――玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/k； q0――电子电量，q0=1.6×10-19C。长江工程职业技术学院自动化教研室（2）导体的温差电势 温差电势为：k eA (t , t0 ) ? q0温差电势（t&t0）?TT0? T dT?T 为 式中，T、T0分别是摄氏温度t、t0所对应的绝对温度； 汤姆逊系数（又称温差系数），它表示导体两端温差1℃时 温差电势的大小。不同材料的汤姆逊系数不同，同种材料， 温度不同时汤姆逊系数也不相同。长江工程职业技术学院自动化教研室（3）回路总电势 由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别 为t、t0,如果t＞t0，则必存在着两个接触电势和两个温 差电势，回路总电势：E AB (t , t0 ) ? [eAB (t ) ? eAB (t0 )] ? [eB (t , t0 ) ? eA (t , t0 )] ? eAB (t ) ? eB (t , t0 ) ? eAB (t0 ) ? eA (t , t0 )由此可得如下结论： ① 如果热电偶两极材料相同，即使两端温度不同，则闭 合电路的总电势仍为零，即组成热电偶的两极材料必须 为不同材料。 ② 如果热电极材料不同，但两端温度相同，可见式（410）仍为零，即闭合回路热电势仍为零。 ③ 热电偶闭合回路热电势只与两结点温度有关，而与回 路中间的温度无关。长江工程职业技术学院自动化教研室（4-10）t A Bt0 图4-9 热电偶回路热 电势示意图（4）热电偶三定律1）中间导体定律 在电极为A和B材料组成的热 电偶回路中接入第三种导体 C，只要导体C两端温度相同， 则此导体的接入不会影响原 图4-10 中间导体定律示意图 来热电偶回路的热电势。 该定律有两个应用： ① 冷端引入导线和仪表，如图4-10所示。根据式 （4-10）可知，热电势长江工程职业技术学院自动化教研室E ABC (t , t0 ) ? eAB (t ) ? eBC (t0 ) ? eCA (t0 ) ? eA (t , t0 ) ? eB (t , t0 ) N Bt0 N Ct0 kT0 ? eAB (t ) ? (ln ? ln ) ? eA (t , t0 ) ? eB (t , t0 ) q0 N Ct0 N At0 ? eAB (t ) ? eBA (t0 ) ? eA (t , t0 ) ? eB (t , t0 ) ? eAB (t ) ? eAB (t0 ) ? eA (t , t0 ) ? eB (t , t0 ) ? E AB (t , t0 )（4-11）由式（4-11）可知，在测量热电势时只要保证引入导线 和仪表处在T0温度场中，就不会影响热电偶输出。② 热端开路测量。如果将热端开路成为两个接点，只 要保证两个接触点温度一致即可。长江工程职业技术学院自动化教研室2）中间温度定律。如图4-11所示，在任何两种匀质 材料组成的热电偶回路中，热端温度为 t 、冷端温度 为时 t 0 的热电势EAB (t , t0 ) 等于该热电偶热端为 t 、冷 端为 t ? 时的热电势 EAB (t , t ?)与同一热电偶热端为t ? ， 冷端为 t 0 时的热电势E AB (t ?, t0 ) 的代数和。用式子表 示为EAB (t , t0 ) ? EAB (t , t ?) ? EAB (t ?, t0 )式中（4-12）t ? ――中间温度。图4-11 中间温度定律示意图长江工程职业技术学院自动化教研室中间温度定律主要有两个应用： ① 冷端修正（又称冷端温度补偿）。热电偶的热电 特性（即热电势与温度的关系）是采用分度表的形式 给出的，国际标准热电偶分度表规定冷端标准温度为 0℃，但一般测试中冷端温度不为0℃，这时用式（412）进行补偿计算，即EAB (t ,0) ? EAB (t , t ?) ? EAB (t ?,0)（4-13）式中 t ?――环境温度，即热电偶实际冷端温度； EAB (t , t ?) ――实际测得的热电偶热电势； EAB (t ?,0)――在环境温度为时应加的修正值，只要已知， 可由热电偶分度表查到。长江工程职业技术学院自动化教研室② 为补偿导线提供了理论依据。若热电偶的两热电极 被两根导体延长，只要接入的两根导体组成的热电偶 的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它 们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电势与连 接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有 关。 3）参考电极定律 由热电极A、B分别与参考电极C（与A、B不相同的 第三种导体）组成的热电偶结点温度为t,t0时，热电 势分别为EAC (t , t0 ) 和EBC (t , t0 )，那么在相同温度下由 A、B组成的热电偶电动势EAB (t , t0 ) 存在以下关系式EAB (t , t0 ) ? EAC (t , t0 ) ? EBC (t , t0 )（4-14）参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。 长江工程职业技术学院自动化教研室2．常用热电偶及其结构（1）常用热电偶材料 适于制造热电偶的材料有几百种，但国际电工委员会 只推荐其中七种为标准化热电偶。 （2）热电偶常用结构 根据所测温度场的不同一般热电偶可制成铠装型或 薄膜型等。薄膜型热电偶的热惯性小，动态响应快， 可测瞬变温度。这两种热电偶的结构如图所示。长江工程职业技术学院自动化教研室热电偶的热电势与温度的关系表，称为热电偶分度表。标 准化的热电偶分度号主要有S、R、B、N、K、E、J、T 等几种，表4-3所示为K型标准化热电偶分度表。长江工程职业技术学院自动化教研室热电偶、热电阻对照查询程序3．热电偶基本应用电路 图4-14所示为热电偶冷端电 桥补偿法测温电路。图中EX 为热电偶输出热电势， R1=R2=R3为锰铜线绕制的固 定电阻，R4为铜导线绕制的 补偿电阻，E为电桥电源，R 为限流电阻，阻值与热电偶 材料匹配。图4-14 热电偶冷端电桥补偿 法测温电路此电桥利用电桥电压Uac补偿因冷端温度不稳定造成 的测温误差 ，使整个测温电路的输出UAB只随热电偶 热端温度而改变。长江工程职业技术学院自动化教研室热电偶和一定的显示仪表 配套，可从仪表刻度上直 接读出温度值。图4-15所 示为工业上广泛应用的一 种动圈式测温仪表原理图。 通过计算可知热电偶的温 差电势E与回路电流I有如 下关系式E ? ( RL ? RS ? R) I ? kI图4-15 动圈式测温仪表原理图式中，RL为线圈总电阻，包括调整电阻RC，导线电阻及 热电偶电阻。RS为动圈式仪表内部串联电阻，用来改变仪 表量程用；R是RB、RT、RP及RD的综合阻值此仪表可实 现直接从刻度读数。长江工程职业技术学院自动化教研室阶段小结本课题主要介绍了热电阻和热电偶两种温度传感器的 原理和特性。 金属热电阻、半导体热敏电阻、热电偶是最常用的检 测温度的传感器件，它们在使用中各有特点。 1、金属材料热电阻，电阻率会随温度变化而变化， 可制成热电阻传感器。具有精度高，测量范围大（尤 其在低温方面），便于远距离测量。常用材料有铂、 铜、镍和铁热电阻，缺点是有些材料易氧化，化学稳 定性差。长江工程职业技术学院自动化教研室2、热敏电阻传感器是利用半导体材料的电阻率随温 度变化而变化的性质制成的温度敏感元件，可分为负 温度系数（NTC），正温度系数（PTC）及临界温度 系数（CTR）三种传感器，分别用在不同的测温场合。 热敏电阻一般电阻温度系数大、灵敏度高，约为热电 阻的10倍，并且结构简单，热惯性小，比较适宜动态 测量，不足之处主要是互换性差，非线性严重。 3、热电偶主要用于测温准确度和灵敏度要求不很高 的场合，且它适应的工作温度较高。长江工程职业技术学院自动化教研室课题二 集成温度传感器的工作原理任务目标 ★ 熟悉半导体PN结温度传感器的工作原理，掌握 其特性； ★ 熟悉集成温度传感器工作原理，初步认识集成温 度传感器。长江工程职业技术学院自动化教研室一、半导体PN结温度传感器 利用半导体材料电阻率对温度变化敏感这一特性 可制成半导体温度传感器。半导体温度传感器又 分为无结型（单晶）及PN结型两类。无结型半导 体温度传感器就是前面已经介绍过的半导体热敏 电阻。半导体PN结型温度传感器可分为温敏二极 管温度传感器（简称温敏二极管或二极管温度传 感器）和温敏晶体管温度传感器（简称温敏晶体 管或晶体管温度传感器）两种类型。下面介绍PN 结型温度传感器的原理。长江工程职业技术学院自动化教研室由半导体理论分析知PN结的伏安特性可用下式表示I e ? I S (eq0U kT? 1)（4-19）式中 I e ――通过PN结的电流； U――PN结两端的外加电压； q0――电子电量，q0=1.60×10-19 C； k――玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23 J/K； T――PN结的绝对温度； IS――PN结的反向饱和电流。根据理论推导有PN结正向电压与温度的关系为 kT ?U ? U go ? [ln B ? (3 ? ) ln T ? ln J ] q0 2长江工程职业技术学院自动化教研室（4-20）即当电流密度J保持不变时，PN结的正向电压随温度 的升高而下降，近似呈线性关系。由图可知，正向Ie一定而二极管的种类不同时，特性 曲线斜率不同；二极管种类相同而正向Ie不同时，斜 率也不同。长江工程职业技术学院自动化教研室如图4-23所示是采用硅二极管温度传感器的温度检测 电路 温敏二极管主要特点是 工艺和结构简单，但线 性、稳定性稍差。相对 于温敏二极管，当温敏 三极管发射极电流保持 不变时，其发射结正向 电压―温度的关系具有 良好的线性度。图4-23 采用硅二极管温度传感器的温度 检测电路长江工程职业技术学院自动化教研室二、集成温度传感器集成温度传感器是将温敏晶体管、放大电路、温度补 偿电路及其他辅助电路集成在同一个芯片上的温度传 感器。它主要用来进行-50~150℃范围内的温度测量、 温度控制和温度补偿。一般来讲，集成温度传感器具 有小型化、成本低、线性好、精度高、可靠性高、重 复性好及接口灵活等优点。 按照输出和功能特点，集成温度传感器常分为模拟集 成温度传感器、模拟集成温度控制器、数字温度传感 器和通用智能温度控制器等。模拟集成温度传感器按 输出形式分为电压型、电流型和频率型三种。长江工程职业技术学院自动化教研室1．集成温度传感器工作原理温敏三极管是用发射结来测温 的。如图4-24所示，将两只温 敏三极管连接。对于任一只晶 体管，发射极电流Ie可用下式 表示Ie ?1?I s (eq0U be kT? 1)（4-21） 图4-24 三极管发射结作感温结将式（4-21）取对数得下式 kT ? I e U be ? ln （4-22） q0 Is长江工程职业技术学院自动化教研室如果图中两个三极管满足下列条件： ?1 ? ? 2， IS1 ? IS2， 且 I e1 / I e2 ? r 为常数（ r 为由设计制造决定的一常数）， U be 为 ?U be 则两晶体管的发射结电压 之差 KT ?U be ? U be1 ? U be2 ? ln r （4-23） q0 即输出电压与温度成正比，此即集成温度传感器的工 作原理。 2．集成温度传感器介绍 （1）AD590 AD590是一种常用的电流输出型集成温度传感器，产 生的输出电流值正比于所测的绝对温度，其特性曲线 如图4-25所示。长江工程职业技术学院自动化教研室特点：它具有测温误差小、动态阻抗 高、响应速度快、传输距离远、 体积小、微功耗等优点，适合 远距离测温、控温，不需要进 行非线性校准。器件封装形式及符号：图4-25 AD590温度特性曲线图4-26 常用AD590封装图长江工程职业技术学院自动化教研室AD590系列产品的主要技术指标 ：长江工程职业技术学院自动化教研室（2）DS18B20 DS18B20是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的一 款单线接口数字温度传感器。它使用了在板专利技术， 全部传感器和各种数字转换电路都被集成在一起 。 器件封装形式：图4-27 DS18B20的三种封装形式长江工程职业技术学院自动化教研室其主要特点为： ① 单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； ② 内置64位的产品唯一序列号，适宜单线多点分布 式测温； ③ 无须外部器件； ④ 电源电压范围为3.0~5.5Ｖ，也可通过数据线供电； ⑤ 测温范围为-55~125℃，在-10~85℃范围内测量误 差不超过±0.5℃； ⑥ 二进制数字式温度输出从9位到12位可选； ⑦ 12位数字温度输出时最大转换时间为750ms； ⑧ 用户可自定义非易失性告警设置； ⑨ 报警搜索命令识别、寻址温度在编定的极限之外的 器件（温度报警条件）。长江工程职业技术学院自动化教研室空调温控部分的设计任务分析 ：从功能上看温度控制就是先检测环境温度，再将测量 到的温度与设定的温度进行比较，根据比较结果确定 开机加（降）温或者停机。由于空调机采用了微处理 机，所以控制方案有两种： 一种是数字方式，以微处理机为核心，将检测到的环 境温度转变成数字信号与设定的数字温度比较，根据 比较结果由微机输出开关信号实现控制； 另一种方式是模拟控制方式，将设定的数字温度通过 D/A转换器转变成模拟信号，与检测得到的环境温度 信号进行比较，由比较结果控制开关电路。 长江工程职业技术学院自动化教研室图4-29 模拟控制方式的电路结构长江工程职业技术学院自动化教研室任务设计 ：长江工程职业技术学院自动化教研室1．关键器件介绍AD580是三端式带隙 基准源，输入电压范 围为4.5~30V，输出为 2.500V±0.4%，主要 用于数模转换芯片的 参考源。常用封装为 TO―52，其引脚排列 如图4-31（a）所示， 典型应用电路如图431（b）所示图4-31 AD580引脚排列图和应用电路长江工程职业技术学院自动化教研室MC是8位乘算型D/A转换器，其输出电流正 比于8位数字值与参考源的乘积，正电源5V电压供电、 负电源为-5~-15V电压供电。其作用是将设置的温度值 经D/A转换器转换为电流Io图4-32 MC的D/A转换特性曲线和引脚排列长江工程职业技术学院自动化教研室推荐的参考电流和输 出电流（输出电流实 际流向是由外部流向 芯片内部）分别为参考电流：I REF VREF ? ? 2mA R14图4-33 MC的典型应用电路输出电流：A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 IO ? I REF ( 1 ? 2 ? 3 ? 4 ? 5 ? 6 ? 7 ? 8 ) 2 2 2 2 2 2 2 2长江工程职业技术学院自动化教研室LM311是带选通功能的高速、低输入电流电压比较器， 最大输入偏置电流小于300nA、最大输入失调电流小 于70nA，可单电源5V供电，正电源电压最大达36V、 负电源最大达-30V，输出采用集电极开路输出形式， 其常用封装为DIP8 。图4-34 LM311引脚分配图和功能框图长江工程职业技术学院自动化教研室阶段小结：半导体PN结正向电压随温度t的上升而下降，近似于 线性关系。温敏二极管和温敏晶体管正是根据此特 性将温度转换为电压，完成温度传感器的功能。它 们可测温度范围一般在-50~150℃，精度和线性均较 好。为了获得更好的线性度，方便使用，在此基础 上，设计生产了许多集成温度传感器，线性度好、 体积小、反应快、价格较低、使用简单，广泛应用 在低温测量中。 设计空调的温度控制电路时，巧妙地利用电阻电路 将电流比较结果转换成电压信号，进一步地应用电 压比较器进行温度高低判别。长江工程职业技术学院自动化教研室模块五 气体传感器及其应用课题 气体传感器的分类及特性任务目标 ★ 熟悉气体传感器的主要特性； ★ 会分析常见的气体传感器应用电路； ★ 能够完成带有自动控制排气扇和报警功能的电 路设计和调试。长江工程职业技术学院自动化教研室一、气敏传感器概述我们生活在气体的环境之中，气体与我们的日常 生活密切相关。我们对气体的感知是用鼻子这个 器官，而气敏传感器其作用就相当于我们的鼻子， 可“嗅”出空气中某种特定的气体或判断特定气 体的浓度，从而实现对气体成分的检测和监测， 以改善人们的生活水平，保障人们的生命安全。 需要检测的气体种类繁多，它们的性质也各不相 同，所以不可能用一种方法来检测所有气体。对 气体的分析方法也随气体的种类、成分、浓度和 用途而异。目前主要应用的气体检测方法有电气 法、电化学法和光学法等。长江工程职业技术学院自动化教研室?电气法是利用气敏器件（主要是半导体气敏器件） 检测气体，是目前应用最为广泛的气体检测方法。 ?电化学法是利用电化学方法，使用电极与电解液对 气体进行检测。 ?光学法是利用气体的光学折射率或光吸收等特性检 测气体。长江工程职业技术学院自动化教研室二、半导体气体传感器半导体气体传感器主要是以氧化物半导体为基本 材料制成，当半导体气敏元件同气体接触时，气 体吸附于元件表面，使得半导体的导电率发生变 化，从而检测待测气体的成分及浓度。半导体气体传感器大体上分为电阻式和非电阻式 两种。电阻式半导体气体传感器是用氧化锡、氧 化锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其 阻值的变化来检测气体的浓度。非电阻式半导体 气体传感器主要有金属/半导体结型二极管和金属 栅的MOS场效应管的传感器，利用它们与气体接 触后整流特性或阈值电压的变化来实现对气体的 长江工程职业技术学院自动化教研室 测量。在此只介绍电阻式气体传感器。1．气敏电阻的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物如氧化锡、氧化锌 等，它们在常温下是绝缘的，制成半导体后却显 出气敏特性。通常元件工作在空气中，空气中的 氧、二氧化氮这样的氧化性气体――电子接收性 气体，接受来自半导体材料的电子，结果使N型半 导体材料的载流子数量减少，使表面电导率减小， 从而使元件处于高阻状态。一旦元件与被测还原 性气体――电子供给性气体（如H2、CO、碳氢化 合物和酒类）接触，半导体的载流子增多，使元 件电阻减小。长江工程职业技术学院自动化教研室?该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）， 目的是为了加速上述的氧化还原反应。例如，用氧化 锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电 导率变化不大，若保持这种气体浓度不变，该元件的 电导率随元件本身温度的升高而增加，尤其在 100~300℃范围内电导率变化很大，显然半导体电导 率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。?由上可知，气敏电阻工作时需要本身的温度比环境 温度高很多。因此，气敏电阻结构上有电阻丝加热器。长江工程职业技术学院自动化教研室气敏电阻的基本测量电路 ：图5-1 气敏元件的测量电路及气敏元件输出电压与温度的关系长江工程职业技术学院自动化教研室2．氧化锡气敏器件 SnO2是一种白色粉末状的金属氧化物，其多结晶体 材料具有气敏特性。SnO2气敏器件当前主要有三种 类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。 （1）烧结型SnO2气敏器件 这种器件是以多孔质陶瓷SnO2为基本材料，添加不 同物质，采用传统制陶工艺进行烧结。烧结时在材 料中埋入加热电阻丝和测量电极，制成管芯，然后 将加热电阻丝和测量电极引线焊在管座上，并将管 芯罩覆在不锈钢网中而制成器件。这种器件主要用 于检测还原性气体、可燃性气体}