1、家電用傳感器第1頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節，在現代家電中應用非常廣泛。諸如電飯鍋、電磁灶、電冰箱、洗衣機等都是靠敏感元件來實現自動控制2.1 傳感器技術概述2.1.1 傳感器的定義一、國際電工委員會IEC定義：是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號。二、國家標準GB定義：能夠感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。三、狹義地定義：是把外界非電物理量轉換成電信號的輸出器件。是獲取信息的工具-電五官第2頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章

2、 家電用傳感器由于傳感器組成材料發生改變引起輸出電流/電壓的變化十分微弱，易受外界干擾，一般成品傳感器，是將傳感器與放大電路制作在一起，輸出標準的010mA或420mA電流，或05V電壓，以便進行A/D轉換，其中420mA標準電流輸出的傳感器較為普遍，其內部是一種恒流輸出結構，比電壓型傳感器抗干擾能力強，易于遠距離傳輸，因此，電流型傳感器被廣泛用于各種檢測系統中。一般傳感器由電容、電阻、電感或敏感材料組成，在外加激勵電流或電壓的驅動下，不同類型的傳感器會隨不同非電物理量的變化，引起傳感器的組成材料發生改變，使得輸出連續變化的電流/電壓與非電物理量的變化成正比。第3頁，共49頁，2022年，5月

3、20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器傳感器的定義包括四方面內容：1）傳感器是測量裝置。2）輸入量是被測量（物理量、化學量、生物量，如氣、光、壓力、流量、加速度、溫度等）。3）輸出是某種物理量（如電量）。4）輸出和輸入有對應關系，并有一定精度。傳感器在信息處理過程中，需要把各種各樣的物理量，如溫/濕度、速度、位移、形變、導電率等非電量轉換成電信號，才能觀察、記錄、分析和處理。第4頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器2.1.2 傳感器的系統組成敏感元件：先將待測的非電量變為易于轉換成電量的另一種非電量，能完成預變換的器件-敏感元件。轉換元件：能將感

4、受到的非電量變換為電量的器件，也叫變換器，如把溫度-電勢的熱電偶變換器。轉換電路：上述電路參數接入電路時，會產生干擾信號或非線性誤差、不穩定性，須加以抑制或修正，轉換成唯一正確反映被測量大小的電量進行輸出。 第5頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器 傳感器的分類熱工量傳感器：溫度、熱量、比熱、壓力、流量、流速、風速、真空度等。物理量傳感器：氣/液體成分、濃度、粘度、濕度、密度、比重等。 機械量傳感器：位移、尺寸、形狀、應力、力矩、加速度、噪聲等。生物醫學量傳感器：心音、血壓、體溫、氣流量、心電流、眼壓、腦電波等。一、按輸入被測量分類第6頁，共49頁，20

5、22年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器二、按傳感器的測量原理分類變電阻：應變式、壓阻式、電位器式傳感器變磁阻：自感式、差動變壓器式、渦流式變電容：電容式、溫敏式傳感器變電勢：熱電偶式、霍爾式傳感器變電荷：壓電式傳感器變諧振頻率：霍爾式、熱電偶式傳感器第7頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器三、按被測物理量的用途分類溫度傳感器 濕度傳感器壓力傳感器 位移傳感器流量傳感器 液位傳感器力傳感器 加速度傳感器四、按傳感器的材料分類半導體類（陶瓷/光電/壓力/霍爾）光纖類聲板波扭矩集成傳感器第8頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，

6、星期三第二章 家電用傳感器2.1.4 傳感器的發展趨勢高靈敏度：利用陶瓷/有機/納米材料和量子力學諸效應研制的高靈敏度傳感器，可用來檢測極微弱信號。集成化/多功能：在同一芯片上將眾多同類型單個傳感器集成為一維線型、二維陣列型傳感器，或將傳感器與放大、調節、補償電路等集成在同一芯片上，能檢出兩種以上的信號，如：壓-溫，溫-氣，溫-濕等等。“電五官”落后于“電腦”的現狀，已成為微控制技術進一步開發與應用的一大障礙。二、傳感器的發展趨勢一、傳感器的應用現狀第9頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器智能化：把傳感器、微處理器集成在同一芯片上，實現單片智能傳感器。不

7、僅具有信號檢測、轉換功能，同時還具有記憶、存儲、分析、統計處理及自診斷、自校準、自適應等功能。它的最大特點就是將傳感器監測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機地結合在一起。仿生傳感器：狗的嗅覺靈敏度為人的106倍；鳥的視力為人的8-50倍；蝙蝠、飛蛾、海豚的聽覺（超聲波傳感器） ，蛇的接近覺（分辨力達0.001）等都具有可借鑒性 。這些生物的感官功能是當今傳感器技術望塵莫及的。研究它們的機理，開發仿生傳感器，是引人矚目的方向。第10頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器帶有微處理器，將傳感器監測信息和微處理器數據處理功能有機地結合在一起。三、智能傳感器可

8、編程能力：由程序自檢/自校/自診斷/自動調零；邏輯判斷和數據處理功能；線性補償和特性補償；輸出精度高；具有數據存儲和記憶功能；輸出形式多：串行/并行/USB，模擬/數字，計算機分層集成第11頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器四、傳感器技術展望傳感器技術是現代科技的前沿技術，是現代信息技術的三大支柱之一，其水平高低是衡量一個國家科技發展水平的重要標志之一。傳感器產業也是國內外公認的具有發展前途的高技術產業，它以其技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人矚目.正在全球推廣的納米技術傳感器,可以提供高水平的集成，包括由碳納米管和塑料電子組成

9、的平臺。第12頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器 一、熱敏電阻的結構組成 熱敏電阻是利用熱敏元件材料（鉑、銅、鎳金屬感溫材料、半導體材料）本身的電阻值隨環境溫度變化而改變的特性，經過成形、燒結等工藝制成的一種感溫元件，有正溫度系數PTC、負溫度系數NTC 和負溫臨界熱敏電阻CTR三種類型。（一） 熱敏電阻2.2 家電中常用傳感器溫度是智能家用電器及開關控制電路工作時需要檢測的一個重要參數。測量溫度的傳感器主要利用一些材料或元件的性能隨溫度變化的特性，通過測量該性能參數，得到被測溫度的大小。2.2.1 溫度傳感器第13頁，共49頁，2022年，5月20日

10、，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器NTC：Negative Temperature Coefficient 利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、成型、燒結等工藝而成的半導體陶瓷 。CTR：構成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結體，是半玻璃狀的半導體， PTC：Positive Temperature Coefficient 它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料， 采用陶瓷工藝制造而成的。 二、熱敏電阻的分類及其特性曲線第14頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器-50 0 50 100 150 200

11、6 5 4 3 2 1 電阻 lg溫度 =B/T2PTCCTR從居里點溫度開始,其電阻值隨溫度的上升而呈階躍性的增高元件的電阻值隨溫度的升高而減小某一溫度下電阻值會發生突變隨溫度的增加激劇減小，具有很大的負溫度系數的臨界溫度電阻，為玻璃態熱敏電阻 用作溫控開關NTC第15頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器三、熱敏電阻的特點優點是靈敏度高、體積小、測量線路簡單，重量輕、價格低，阻值大；缺點是非線性大，穩定性和特性一致性較差，必須在電路上進行線性化補償，以保證輸出電壓與溫度的關系基本上為線性。（見P35）普通熱敏電阻只能在有限的工作溫度范圍內呈現出上佳的電

12、阻穩定性。熱敏電阻一般不適于高精度溫度測量。RtR1R2R3RT用兩個熱敏電阻組合采用線性化電阻網絡采用軟件計算修正法第16頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器四、熱敏電阻的主要性能參數型號類別標稱電阻值開關溫度額定工作電壓MZ21PTC4.7135 15VMZ22PTC2005007080220VMZ64(1)PTC50040805VMF511NTC100200150020000200VMF513NTC104300(15%)1055VSWF13NTC82015003900470055200V第17頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三

13、第二章 家電用傳感器五、熱敏電阻線性化測量電路USRRBUOR1R2RTU+U-基準電壓測量電壓加熱器測量電橋比較放大器第18頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器一、 熱電偶的組成熱電偶由兩種不同的金屬導體構成，兩端相互緊密地固接在一起。當兩結點溫度不同時，回路中就會產生電動勢，從而形成熱電流熱電效應。其中一個熱端點置于溫度為T的被測溫度場中測量端；另一端恒定在某一參考溫度T0參考端。（二） 熱電偶 熱電偶是一種能將溫度轉換成電勢的傳感器。 二、熱電偶的工作原理當兩種不同導體組成閉合回路時，若兩端的結點溫度不同，就會產生熱電動勢。它的大小與兩端點的溫差以

14、及材料的性質有關。將參考結點保持在已知溫度上并測量該點電壓，便可推斷出檢測結點的溫度。第19頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器三、熱電偶的使用使用時，當熱端溫度大于冷端溫度時，在電路中產生電動勢即產生電信號，此電信號經放大后控制執行機構，達到調節和控制溫度的目的。熱電偶能直接進行溫度-電勢轉換，且體積小、測溫范圍廣，故應用較廣泛。第20頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器一、溫敏二極管利用二極管PN結的溫敏效應可以進行溫度檢測。在一定的電流模式下，PN結的正向電壓與溫度之間有很好的線性關系。如砷化鎵/硅溫敏二極管

15、（三） 晶體管溫敏傳感器用溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片上可制成集成化溫度傳感器，可以直接給出正比于絕對溫度的線性輸出，體積小，便于高精度、大批量生產，是現代溫度傳感器的主要發展方向之一。正向電流/電壓與溫度的關系： IF=ISexp(qUF/k0T)在恒定的集電極電流條件下，晶體管發射結上的正向電壓Ube隨溫度上升而近似線性下降。Ube-k0T/q二、溫敏晶體管第21頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器集成溫敏傳感器是將溫敏傳感器及其外圍電路（放大、溫補、調整電路等）集成在同一芯片上，使溫度控制更加精確可靠。它的最大特點就是直接給出絕對溫度的理想

16、輸出電壓信號。具有信號提取、信號處理、自檢索、自診斷、自校準等功能。 已用于-50-150范圍內的溫度測量、控制和補償。2.1.4 集成溫敏傳感器第22頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器 AN6701型集成溫敏傳感器內電路框圖LM35VCC VO GNDGND 溫敏元件VCC校正電阻溫補調整VO運算放大AN6701第23頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器AD590數字溫度傳感器DS18B20數字溫度傳感器第24頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器它是利用半導體與某些氣體接

17、觸時，其特性發生變化這一現象來檢測氣體的成分或濃度的傳感器。 氣敏傳感器 電阻式氣敏元件：利用半導體接觸到氣體時其阻值的改變來檢測氣體的濃度；非電阻式氣敏元件：據氣體的吸附和反應，使其某些關系特性發生變化，對氣體進行直接或間接的檢測。按工藝可分為燒結型、薄膜型和厚膜型三類。用途：對可燃性氣體如CO、 H2、 CH4、C2H5OH或不可燃性氣體如CO2、 NO、 NO2等有毒氣體的檢測。一、氣敏傳感器的分類與主要用途第25頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器二、氣敏傳感器的結構加熱器的作用是可以將氣敏元件表面的污物燒掉，加速氣體的吸附，提高元件的靈敏度和響

18、應速度。氣敏元件金屬網罩封裝基座引腳電極氣敏元件一般由鉑絲組成，它被一種能使可燃氣體氧化的特殊催化劑覆蓋。氣敏元件單位濃度的信號變化量大，響應重復性良好，選擇性好，性能穩定，對環境的依賴性小。第26頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器三、氣敏傳感器電路組成一般由氣敏元件與其它電阻組成橋式比較電路，利用半導體氣敏元件的阻值隨吸入氣體濃度的增大而下降的特性，通過元件的電壓比較使電橋失衡，因而有信號輸出。UO=UCRF/RS第27頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器當被檢測氣體吸附到氣敏元件表面時，元件的電阻會發生變化。

19、由于表面保持一定的高溫而產生氧化反應。這種氧化反應使得元件表面的溫度上升，這個上升值正比于特殊被測氣體的能量。上升的溫度傳到半導體元件內部的加熱鉑線圈，繼而又使它的電阻增加或減少。另一方面，由于另一元件表面沒氧化所以電阻值不變。這種情況導致電橋線路的不平衡，因而獲得一個信號輸出。輸出電壓的水平不但取決于被測氣體的種類，而且還表現了一種與氣體濃度相關的較好的線性。四、氣敏傳感器檢測原理第28頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器NAP-11AFL是一種可以檢測低濃度氣體的熱線型氣體傳感器。傳感器電源電壓：小于15（DC或AC）加熱器電壓：加熱時為5.50.3

20、， 正常工作時為0.80.04（AC或DC）加熱器電流：加熱時(5.5) 170190 正常工作時(0.8)為2540。 熱線型氣敏傳感器工作參數第29頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器各種半導體氣敏傳感器第30頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器氣敏傳感器連接電路第31頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器2.2.3 光敏傳感器 利用半導體表面接受光照時，會使電導率增大的光電效應（光電管），和在PN結上產生電動勢的光生伏特效應（如光電池、光電二極管和光電三極管），當入射光發

21、生變化時，光生載流子的數量也隨之變化，光生電動勢相應變化，從而把光信號轉換為電信號。 它是將被測量的變化轉換成光量的變化，再通過光電元件把光信號轉換為電信號的一種換能裝置。光敏傳感器分為光敏二極管和光敏三極管兩類。一、光敏傳感器的工作原理第32頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器二、光敏二極管的特點和性能參數光敏二極管在電路中工作在反向偏置下，無光照時反向電阻高達4M暗電流；有光照時反向電阻下降到1k光電流，將光信號電信號光敏二極管的特點：體積小、線性度好、響應速度快、靈敏度高、噪聲低等特點。弱光下靈敏度低。光敏二極管的主要性能參數：1.無光照時的暗電流

22、一般只有0.1A；2.光照后的光生電流為幾十A ；3.工作電壓一般為10V50V；4.峰值波長從可見光近紅外線遠紅外線之間。典型值為880nm. 第33頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器光敏晶體管有兩個PN結，光照射在發射極與基極之間的PN結附近時便產生光電流（即基極電流），于是在集電極中就有電流產生，完成光電轉換，且集電極輸出電流為光生電流的倍。光敏晶體管一般基區面積大，發射區面積小，能使入射光多數被基區吸收。光敏晶體管可以制成多種類型的光敏傳感器，輸出電路簡單，主要用于低頻傳感器電路。三、光敏晶體管的原理與特點1.光敏晶體管工作原理第34頁，共49

23、頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器(1) 光敏特性：它有一個最佳靈敏度波長值，入射光的波長偏離峰值波長時，靈敏度顯著減小。(2) 伏安特性：在不同照度下的伏安特性曲線與普通晶體管在不同基極電流下的輸出特性曲線相同。(3) 光照特性：是指輸出電流與光照度之間的(線性關系)，但當光照度足夠大時,會出現飽和現象，也可作為光電開關元件使用。 2. 光敏晶體管的主要特性：(4) 溫度特性：溫度變化對光生電流的影響較小，對暗電流的影響很大，須進行溫度補償。(5) 頻率特性：晶體管靈敏度越高，頻率特性越差（減小負載可以提高頻率響應），光敏二極管的頻率特性好于光敏晶體管。第35

24、頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器表2-2 光敏二極管的主要參數 型號工作電壓暗電流光生電流靈敏度峰值波長2CU11050V0.2A80A0.5A/W880nm2CU21050V0.1A30A0.5A/W880nm表2-3 光敏晶體管主要特性參數 型號暗電流光生電流光調制頻率3AU1200400A2 mA3 kHz3DU50.20.5A23 mA5 kHz3DU420.5A4.0mA5 kHzZL-20.1A2 mAZL-40.01A2 mA第36頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器光敏晶體管第37頁，共49頁，

25、2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器 超聲波傳感器 超聲波：頻率大于20kHz的聲波信號，以直線方式在空間傳播，波長短、繞射小、反射能力強、能定向傳播、在空氣中傳播速度較慢且衰減很小。對固體和液體的穿透能力很強，尤對不透明固體可穿透幾十米深。遇到雜質或分界面時會產生反射波。遇到移動物體時使接收到的頻率發生變化測距。超聲波傳感器：實現聲電轉換的裝置，主要由壓電晶片構成，亦稱超聲波換能器。既能發射又能接收超聲波的回波，并能將其轉換成電信號。第38頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器超聲波傳感器工作原理采用雙晶壓電振子結構，將兩個壓電

26、陶瓷片以相反方向粘貼在一起。給壓電晶片施加周期性變化的電壓時就會發生形變，產生振動-發出超聲波；而當壓電晶片受力后會產生電荷，形成電壓-接收超聲波。給雙晶振子加上一定頻率的脈沖電壓信號，就會引起壓電陶瓷的伸長與收縮變化，產生機械振動-即發送出超聲波。超聲波驅動電路放大電路40 kHz收縮伸長超聲波使接收器的壓電元件發生應變效應，產生一面為正、另一面為負的電壓，也就是產生了與超聲波頻率相同的電壓信號。第39頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器 紅外傳感器 一、熱釋電型紅外傳感器：接受到變化的紅外線(照射或遮擋)后，熱釋電元件的溫度變化，會使傳感器表面產生熱

27、量變化而有電壓信號輸出。一般用特定波長的材料作為傳感器窗口濾光器。二、光導電型紅外傳感器：是利用半導體材料接受紅外線照射其阻值減小的光電效應制成的元件。最佳使用環境：存在性檢測、運動傳感、位置編碼、限位傳感、運動物體的檢測和計數。家電中常用光電型紅外傳感器有：紅外光敏二極管/發光二極管以及光敏晶體管。 第40頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器 壓敏傳感器 一、壓力傳感器的組成大多是利用某種形式的壓阻效應制成的，即當壓力加于半導體壓敏元件上時，會使其電阻值發生變化，從而能把壓力的變化直接變成電信號。一般將壓力首先變換成彈性元件的形變，然后把彈性元件的形變

28、再變換成壓電元件的形變，從而得到電量。 壓力傳感器一般是在2.5mm2的半導體硅片上，用4只橋式連接的壓敏電阻，構成一個平衡電橋，與單片機中的運算放大器組成檢測部件。當半導體硅片受壓變形時，電橋電阻的阻值發生變化，電橋失去平衡，這樣就把壓力變化轉變為以電橋不平衡電壓的形式輸出。 第41頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器二、壓力傳感器的壓電效應壓力傳感器的壓電元件是利用壓電材料制成的。當有一力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。壓電傳感器測量的基本參數是力。三、集成硅壓力傳感器集成硅壓力傳感器的內部有以真空作為參考壓力的傳感器單元，壓力信號

29、調理器、薄膜溫度補償器（消除溫度變化對壓力的影響）和壓力修正電路。傳感器的輸出電壓與被測絕對壓力成正比，配以帶A/D轉換器的微控制器，構成壓力檢測系統。第42頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器 濕敏傳感器SHR-02濕敏電阻集成濕度傳感器濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展，為開發新一代濕度/溫度測控系統創造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。 濕度是最難準確測量的參數，濕敏元件要長期暴露在待測環境中，易被污染而影響其測量精度及長期穩定性。濕度不是個獨立的被測量，要受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。第43頁，共49頁，2022年，5月20日，1點40分，星期三第二章 家電用傳感器一、電阻式濕敏傳感器在帶有導電電極陶瓷襯底上覆蓋一層用高分子感濕材料制成的膜，形成阻抗隨相對濕度變化成對數變化的敏感部件,導電機理為水分子的存在影響高分子膜內部導電離子