現代智能控制實用技術叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries傳感技術及智能傳感器的應用傳感技術及智能傳感器的應用簡介

《現代智能控制實用技術叢書》共分為四本，其內容按照信號傳輸的鏈條編寫：

傳感器

調制與解調

傳感技術及智能傳感器的應用

智能控制技術的應用

本書系統地對信息傳輸與現代通信技術的密切關系、通信技術的發展簡史，現代通信技術的特點和發展趨勢進行了介紹；

簡述了世界通用的有線通信的載波技術、無線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統的組成、特點、優勢、不足及適用領域。傳感技術及智能傳感器的應用簡介

本書還對現代通信技術的“高速公路”，即光導纖維通信、５Ｇ通信、衛星通信系統技術，以及近距離小容量的通信手段———無線保真（ＷｉＦｉ）、藍牙和可見光通信技術進行原理、功能及應用的闡述。

對未來的通信技術，即量子通信技術的概況進行介紹，并預測量子通信技術將在計算機技術、通信傳輸技術、衛星通信技術等方面應用的可期待前景。

本書可作為大專院校或高等院校智能控制類相關專業的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設計、制造、應用領域工作的工程技術人員作為參考資料。

傳感技術及智能傳感器的應用叢書序

自動控制、智能控制、智慧控制是相對ＡＩ控制技術的普遍話題。在當今的生產、生活和科學實驗中具有重要的作用。

在控制技術中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠程監測（遙測）、視頻顯示和數據記錄（遙信）、狀況或數據調節（遙調）和智能控制（遙控），統稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現象、過程或系統所固有的。信息本身不是物質，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質和能量。

而信號則是信息的某種表現形式，是傳輸信息的載體。信號是物理性的，并且隨時間而變化，這是信號的本質所在。

在無線電通信中，電磁波信號承載著各種各樣的信息。所以信號是有能量的物質，它描述了物理量的變化過程，在數學上，信號可以表示為關于一個或幾個獨立變量的函數，也可以表示隨時間或空間變化的圖形。

傳感技術及智能傳感器的應用叢書序

實際的信號中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關心的有用信息，有些是我們不關心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測信息轉化為可觀察的信號，提取所研究對象的有關信息，將原始信息轉換成信號。將有效信息轉換成便于傳輸的信號，或將信號放大，或將較低頻率的原始信息“調制”到較高頻率的信號；滿足遠距離傳輸的要求，或將原始模擬信息處理為數字信號等。這就是智能控制發送部分的“職責”———信息的收集與調制。然后，將調制后的信號置于所選取的傳輸通道上進行傳輸，使調制后的信號傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經傳輸線路傳送來的信號后，然后進行調制器的反向操作“解調”。即將高頻信號或數字信號還原成原始信息。

傳感技術及智能傳感器的應用叢書序

原始信息通過揚聲器器（還原的音Ⅳ頻信號）、顯示器（還原的圖像或視頻信號）、打（還原的計算結果）或進行力學、電磁學、光學、聲學等轉換，對原始信息控制目的物進行作用，從而達到智能控制的目的。本套叢書就是對智能控制系統中各個環節的一些關鍵技術的原理、特性、基本計算公式和方法、基本結構的組成、各個部分參數的選取，以及主要應用場合及其優勢和不足等問題進行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調制”、“調制信號的傳輸“、“調制信號的解調”以及“智能控制系統的舉例應用”這一線索展開，對比較典型的智能控制系統，應用于實踐的設計計算及控制的邏輯關系進行舉例論述。本套叢書雖然經歷了十多年的知識積累，但仍然覺得時間倉促，加之水平有限，錯誤與疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。編撰者

蘇遵惠

傳感技術及智能傳感器的應用

叢書序

前言第一章傳感器概述第一節定義與作用第二節傳感器的工作原理第二章傳感器的發展歷史

第一節概述

第二節傳感器發展的四個階段

第三節

傳感器的發展

第四節

傳感器的發展趨勢第三章傳感器的分類第一節敏感元件的分類

第二節

傳感器從不同角度分類

第三節

通用傳感器簡介

第四節

傳感器的主要特性技術特點及選擇

第四章常用傳感器剖析第一節電阻式傳感器

第二節

電阻應變式傳感器第三節

半導體壓阻式傳感器第四節

電阻式應變柵傳感器第五節

常用傳感器應用實操

第六節

常用傳感器中的應變片第五章傳感器的典型應用

第一節光敏傳感器的應用

第二節熱敏傳感器的應用第六章傳感器在電動汽車上的應用

第一節防撞系統

第二節安全氣囊傳感器第三節

汽車雨量傳感器第四節

智能胎壓監測系統第五節

純電動汽車遠程監管和控制技術附錄附錄Ａ名詞術語及解釋附錄Ｂ相關技術標準參考文獻重點目錄

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第一節

敏感元件的分類一、按照功能與人類感覺器官的比擬分類

光敏傳感器———相當于人類的“視覺”。

聲敏傳感器———相當于人類的

“聽覺”。

氣敏傳感器———相當于人類的“嗅覺”。

化學傳感器———相當于人類的“味覺”。

壓敏、溫敏、流體傳感器———相當于人類的“觸覺”。二、按照敏感元件的工作原理分類

物理類———基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。

化學類———基于化學反應的原理。

生物類———基于酶、抗體和激素等分子識別功能。

通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件共10大類。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第一節

敏感元件的分類三、按照敏感元件的感應方式分類

傳感器的敏感元件有7種感應方式：

（一）接近感應

（接觸式或非接觸式）1、接近感應通常意味著檢測

（1）是否存在物體。

（2）對象的大小或簡單形狀。

進一步分為接觸式或非接觸式，以及模擬式或數字式。其中包括：

（1）機械：可以采用合適的機械／電氣開關，通常使用微型開關。

（2）氣動：氣動接近傳感器是接觸式傳感器。但不能用輕型

部件。

（3）光學：光學接近傳感器諸如光電池，為非接觸式傳感器。

注意，如電弧焊的閃光、空氣中的灰塵和煙云會阻礙光的傳輸。

（4）電氣：電接近傳感器可以是接觸式或非接觸式。簡單的接觸式

傳感器通過傳感器和組件形成完整的電路。非接觸式靠感應原理檢測。

（5）范圍感應：感測為非接觸式技術。使用電容、電感和磁技術進

行短距離感測。使用如無線電波、聲波和激光執行更遠距離的感應。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第一節

敏感元件的分類三、按照敏感元件的感應方式分類

（二）受力感測

（靜態和動態）

感測力一些是直接的，一些是間接的。需要感測的力有4種。力的施加可以是靜態的

，也可以是動態的。力是矢量，必須同時確定大小和方向。故力傳感器是模擬操作，并且對其作用方向敏感。４種力分別是：

（1）拉伸力：由應變計等量規確定，長度變化時，會顯示出相應電阻的變化。這些量規測量的電阻變化轉化為力，為間接裝置。

（2）壓力：通過稱重傳感器等設備來確定，通過檢測壓縮負載尺寸變化而電池變化，或通過在壓縮負載下電阻的變化來運行加載。

（3）扭轉力：可以看作是拉伸力和壓縮力的組合，因此可以采用上述技術的組合。（4）摩擦力：這些限制運動的情況，因此通過使用力和運動傳感器的組合，間接檢測摩擦力。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第一節

敏感元件的分類三、按照敏感元件的感應方式分類

（三）觸覺感應（觸摸）

觸感是指通過觸摸進行感測。最簡單的觸覺傳感器使用以行和列排列的簡單觸摸傳感器陣列，這些通常稱為矩陣傳感器。目前已實現機械、光學和電子觸覺傳感器。

（四）熱感應（溫度）

作為過程控制的一部分或作為安全控制手段，需要進行熱感應。有多種方法的選擇，主要取決于要檢測的溫度。常見的方法：雙金屬條、熱電偶、電阻溫度計或熱敏電阻。對于低水平熱源的系統，可使用紅外熱像儀。

（五）聲音感應（聽覺）

可檢測、區分不同的聲音。可用于語音識別、口頭命令或識別異常聲音

（如爆炸聲音）。最常見的是傳聲器。在工業環境中面臨的問題是背景噪聲，可以調整為僅對某些頻率做出響應，使之區分不同的噪聲。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第一節

敏感元件的分類三、按照敏感元件的感應方式分類

（六）氣體感應（氣味）

對特定氣體敏感的氣體傳感器或煙霧傳感器依賴于傳感器中所含材料的化學變化，會產生物理膨脹或產生熱量來觸發開關設備。

（七）機器人視覺（瞄準）

視覺是當前機器人感覺反饋研究中最活躍的領域。

機器人視覺是指通過某種相機實時捕獲圖像，并將該圖像轉換為可以由計算機系統分析的形式。這種轉換通常意味著轉換成計算機可以理解的數字場。圖像捕獲、數字化和數據分析的過程應足夠快，使機器人系統能響應分析的圖像、并在執行任務期間采取適當的措施。其用途包括檢測存在、位置和移動，識別不同的組件、樣式和特征。即使是最簡單的視覺技術也需要大量的計算機內存，且需要相當長的處理時間。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第二節

傳感器從不同角度分類一、按用途分類

可分為壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器。二、按工作原理分類

可分為振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。三、按輸出信號形式分類

模擬傳感器

將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。

數字傳感器

將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。

膺數字傳感器

將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。

開關傳感器

當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號，控制開關的動作。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第二節

傳感器從不同角度分類四、按制造工藝分類

集成傳感器

用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。

薄膜傳感器

通過沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。

厚膜傳感器

利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，后進行熱處理，使厚膜成形。

陶瓷傳感器

采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠、凝膠等)生產。成形的元件在高溫中進行燒結。與厚膜傳感器工藝有許多共同特性，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。

每種工藝技術都有其優點和不足。由于研究、開發和生產所需的資本投入差異及傳感器參數的穩定性不同等原因，應按照實際需求，合理地選擇不同材料和工藝制作的傳感器。

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傳感器的分類第二節

傳感器從不同角度分類五、按測量目的分類

物理型傳感器

利用被測量物質的某些物理性質發生明顯變化的特性制成的。

化學型傳感器

利用能把化學物質的成分、濃度等化學量轉化成電學量的敏感元件制成的。

生物型傳感器

利用各種生物或生物物質的特性做成的，用以檢測與識別生物體內化學成分的傳感器。六、按構成分類

基本型傳感器

是一種最基本的單個變換裝置。

組合型傳感器

是由不同單個變換裝置組合而構成的傳感器。

應用型傳感器

是基本型傳感器或組合型傳感器與其他機構組合而構成的傳感器。

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傳感器的分類第二節

傳感器從不同角度分類七、按作用形式分類

按作用形式可分為主動型和被動型傳感器。

主動型傳感器

又分為作用型和反作用型，此種傳感器對被測對象能發出一定探測信號，能檢測探測信號在被測對象中所產生的變化，或者由探測信號在被測對象中產生某種效應而形成信號。

檢測探測信號變化方式的稱為作用型，檢測產生響應而形成信號方式的稱為反作用型。雷達與無線電頻率范圍探測器是作用型實例，而光聲效應分析裝置與激光分析器是反作用型實例。

被動型傳感器

只是接收被測對象本身產生的信號，如紅外輻射溫度計、紅外攝像裝置等。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介一、電阻式傳感器

電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等物理量轉換成電阻值的一種器件。

電阻式傳感器主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等。

電阻

式

溫

度

傳

感

器

實

物

圖

如

圖3-1所示。圖3-1

電阻式溫度傳感器實物圖

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介二、變頻功率傳感器

變頻功率傳感器

通過對輸入的電壓、電流信號進行交流采樣，再將采樣值通過電纜、光纖等傳輸系統與數字量輸入二次儀表相連，數字量輸入二次儀表對電壓、電流的采樣值進行運算，可以獲取電壓有效值、電流有效值、基波電壓、基波電流、諧波電壓、諧波電流、有功功率、基波功率、諧波功率等參數。變頻功率傳感器實物圖見圖3-2所示。圖3-2

變頻功率傳感器實物圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介三、稱重傳感器

稱重傳感器

是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出裝置，是電子衡器的一個關鍵部件。

其實現質量到電信號轉換的傳感器有多種，常見有電阻應變式、電磁力式和電容式等。

電磁力式主要用于電子天平，電容式用于部分電子吊秤，大多數電子衡器所用的還是電阻應變式稱重傳感器。

電阻應變式稱重傳感器結構簡單、準確度高、適用面廣，能在較差的環境下得到了廣泛運用。輪輻式稱重傳感器是采用電阻應變式原理來測量拉力及力的稱重傳感器，其實物圖如圖3-3所示。

圖3-3

輪輻式稱重傳感器實物圖

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介四、電阻應變式拉壓力傳感器

電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產生機械形變,使電阻值隨之發生相應的變化。

電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片

有金屬絲式、箔式、薄膜式。半導體應變片

具有靈敏度高,通常是絲式、箔式的幾十倍、橫向效應小等優點。

電阻應變式拉壓力傳感器結構原理圖如圖3-4所示。圖3-4

電阻應變式拉壓力

傳感器結構原理圖

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介五、壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是根據半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。

當基片受到外力作用而產生形變時，各電阻值將發生變化，電橋就會產生相應的不平衡輸出。

壓阻式加速度傳感器實物圖如圖3-5所示。用作壓阻式傳感器的基片

（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片作為敏感材料制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態壓阻式傳感器應用最為普遍。

圖3-5

壓阻式加速度傳感器實物圖

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介六、熱電阻傳感器

熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度增加而增加的特性進行溫度測量的。

熱電阻大都由純金屬材料制成，應用最多的是鉑和銅，此外，已采用鎳、錳和銠等材料制造。

在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。應用較多的熱電阻材料有鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數大、線性好、性能穩定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。

適用于測量

－200～＋500℃范圍內的溫度。

其實物圖如圖3-6所示。

圖3-6

熱電阻傳感器溫度計實物圖

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介六、熱電阻傳感器

熱電阻傳感器又可分為以下類型：

(1)NTC熱電阻傳感器

該類傳感器為負溫度系數傳感器，即傳感器阻值隨溫度升高而減小，如圖3-7所示。

(2)PTC熱電阻傳感器該類傳感器為正溫度系數傳感器，即傳感器阻值隨溫度升高而增大，如圖3-8所示。

圖3-7

ＮＴＣ熱電阻傳感器圖3-8

ＰＴＣ熱熱電阻傳感器

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介七、激光傳感器

激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器，它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。是利用激光的高方向性、高單色性和高亮度特點，實現無接觸遠距離測量儀表.

其優點是能實現無接觸遠距離測量，且速度快、精度高、量程大，及抗光、電干擾能力強等。

工作原理

由激光發射二極管對目標發射激光脈沖，經目標反射，激光部分散射光返回到傳感器接收器，被接收后成像到雪崩光電二極管上經放大轉化為相應的電信號。

用于長度（ZLS-PX）、距離（LDM4X）、振動（ZLDS10X）、速度（LDM30X）、方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染的監測等。其原理圖如圖3-9所示。圖3-9

激光測距傳感器原理圖１—半導體激光器

２—鏡片ａ

３—鏡片ｂ

４—線性CCD陣列

５—信號處理器

６—被測物體ａ

７—被測物體ｂ

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介八、霍爾傳感器

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的磁場傳感器，應用于自動化技術、檢測技術及信息處理等。霍爾效應通過測定的霍爾系數，能判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。

(1)線性型霍爾傳感器

由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。

(2)開關型霍爾傳感器

由穩壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。

霍

爾

效

應

傳

感

器

原

理

及

應

用

如圖3-10所示。

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介八、霍爾傳感器

霍

爾

效

應

傳

感

器

原

理

及

應

用

如圖3-10所示。圖3-10

霍爾傳感器原理及應用

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通用傳感器簡介九、溫度傳感器

（一）室溫傳感器和管溫傳感器

室溫傳感器用于測量室內和室外的環境溫度，管溫傳感器用于測量蒸發器和冷凝器的管壁溫度。室溫傳感器和管溫傳感器的形狀不同，但溫度特性基本一致。

（二）排氣溫度傳感器

用于測量壓縮機頂部的排氣溫度，常數B值為3950K±3％，基準電阻為90℃時對應的電阻值5KΩ±３％。

（三）模塊溫度傳感器

用于測量變頻模塊(IGBT或IPM)的溫度，感溫頭型號：602F-3500F，基準電阻為25℃對應電阻6KΩ±1%。幾個典型溫度的對應阻值分別是:

（1）-10℃→(25.897~28.623)KΩ;

（2）0℃→(16.3248~17.7164)KΩ;

（3）50℃→(2.3262~2.5153)KΩ;

（4）90℃→(0.6671~0.7565)KΩ。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介九、溫度傳感器

溫度傳感器的種類很多，常用的熱電阻為

PT100、PT1000、Cu50、Cu100;熱電偶型號有B、E、J、K、S等。溫度傳感器種類多，組合形式多樣，應根據應用場所選用。

測溫原理：根據電阻阻值、熱電偶的電勢隨溫度變化而規律變化的原理，可得到所需要測量的溫度值。其結構圖如圖3-11所示。圖3-11

熱電偶溫度傳感器結構圖

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通用傳感器簡介十、無線溫度傳感器

無線溫度傳感器將控制對象的溫度參數轉換成電信號，對接收終端發送無線信號，對系統實行檢測、調節和控制。可安裝于熱電阻、熱電偶的接線盒內，與現場傳感元件構成一體化結構。通常和無線中繼、接收終端、通信串口、電子計算機等配套使用，這樣減少了信號傳遞失真和干擾。

無線溫度傳感器應用于化工、冶金、石油、電力、水處理、制藥、食品等自動化行業。如高壓電纜、水下等惡劣環境、運動物體、不易連線通過的空間傳輸傳感器數據、單純為降低布線成本的數據采集；沒有交流電源的工作場合、便攜式非固定場所的數據測量。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介十、無線溫度傳感器

無線溫度傳感器采集系統的原理及結構圖如圖3-12所示。

圖3-12

無線溫度傳感器采集系統的原理及結構圖

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介十一、智能傳感器

智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器。

智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。可實現以下功能：

（一）信息存儲和傳輸

隨著全智能集散控制系統(SmartDistributedSystem)的發展，智能單元應具備通信功能，用通信網絡以數字形式進行雙向通信，這是其關鍵標志之一。通過測試數據傳輸或接收指令來實現如增益、補償參數、內檢參數設置及測試數據輸出等。

（二）自補償和計算功能

傳感器的溫度漂移和輸出非線性是存在的主要問題。而智能傳感器的自補償和計算功能開辟了新的途徑，加寬了其加工精密度，保證其重復性，對測試信號進行軟件計算，采用擬合和差值計算對漂移和非線性進行補償，從而獲得具有精確測量結果的傳感器。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介十一、智能傳感器

（三）自檢、自校、自診斷功能

智能傳感器的自診斷功能使智能傳感器在電源接通時進行自檢，以確定組件有無故障；根據使用時間在線進行校正，微處理器利用存在于

EPROM內的計量特性數據進行校對。

（四）復合敏感功能

自然現象常見的信號有聲、光、電、熱、力、化學等。敏感元件測量一般通過兩種方式：直接和間接的測量。而智能傳感器具有復合功能，能夠同時測量多種物理量和化學量，能夠給出全面反映物質運動規律的信息。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介十一、智能傳感器

一種智能家居傳感器控制系統原理及結構圖如圖3-13所示。圖3-13

一種智能家居傳感器

控制系統原理及結構圖

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介十二、光敏傳感器

光敏傳感器種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電晶體管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。其敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。

光敏傳感器可對光的探測，還可作為探測元件組成其他傳感器，對非電量進行檢測，將這些非電量轉換為光信號即可。目前產量最多、應用最廣的傳感器之一，在自動控制和非電量電測技術中占有重要的地位。

最簡單的光敏傳感器是光敏電阻。

其系統原理及光敏電阻模塊結構圖如圖3-14所示。圖3-14

光敏傳感器系統原理及光敏電阻模塊結構圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介十三、生物傳感器

（一）生物傳感器的概念

生物傳感器

是對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器；是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）、理化換能器

（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等）及信號放大裝置構成的工具或系統。

生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。均有共同的結構：包括生物活性材料

（生物膜）及將其信號轉換為電信號的換能器

（傳感器），二者組合用現代微電子和自動化儀表技術進行生物信號的再加工，構成使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統。

（二）生物傳感器的原理

待測物質經擴散作用進入生物活性材料，經分子識別，生物學反應，產生的信息被相應的物理或化學換能器轉變成可定量和可處理的電信號，再經二次儀表放大并輸出待測物濃度。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介十三、生物傳感器

（一）生物傳感器的概念

一種生物傳感器———微生物膜電極BOD測定儀工作原理圖如圖3-15所示。

圖3-15

一種生物傳感器的應用———微生物膜電極BOD測定儀的原理圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介十三、生物傳感器

（三）生物傳感器的分類

按照其感受器中所采用的生命物質分類，可分為微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細胞傳感器、酶傳感器、ＤＮＡ傳感器等。一種生物傳感器———酶傳感器結構示意圖如圖3-16所示。圖3-16

一種生物傳感器———酶傳感器結構示意圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第三章

傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介十三、生物傳感器

（三）生物傳感器的分類

按照生物敏感物質相互作用的類型分類，可分為親和型、代謝型。生物傳感器的應用，如圖3-17所示。圖3-17

生物傳感器的應用

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傳感器的分類第三節

通用傳感器簡介十四、視覺傳感器

（一）視覺傳感器的工作原理

視覺傳感器是指具有從一整幅圖像捕獲光線的像素數的能力，圖像的清晰和細膩程度常用分辨率來衡量，以像素數量表示。視覺傳感器工作原理圖如圖3-18所示。

圖3-18

視覺傳感器工作原理圖

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通用傳感器簡介十四、視覺傳感器

（一）視覺傳感器的工作原理

圖3-19所示為視覺傳感器應用架構示意圖。圖3-18

視覺傳感器工作原理圖

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通用傳感器簡介十四、視覺傳感器

（二）視覺傳感器的應用領域

（1）在汽車組裝廠，檢驗涂膠機器人涂到車門邊框的膠珠是否連續、是否有正確的寬度。

（2）在瓶裝廠，檢驗瓶蓋是否正確密封、裝灌液位是否正確，以及在封蓋之前沒有異物掉入瓶中。

（3）在包裝生產線，確保在正確的位置粘貼正確的包裝標簽。

（4）在藥品包裝生產線，檢驗藥片的泡罩式包裝中是否有破損或缺失的藥片。

（5）在金屬沖壓公司，例如，以每分鐘150片的速度檢驗沖壓部件，比人工檢驗快13倍以上。

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通用傳感器簡介十五、位移傳感器

位移傳感器又稱線性傳感器，是將位移轉換為電量的傳感器。是一種屬于金屬感應的線性器件，其作用是把各種被測物理量轉換為電量。它分為電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器、超聲波式位移傳感器、霍爾式位移傳感器。一種利用多模光纖傳輸信號的位移傳感器原理圖如圖3-20所示。圖3-20

一種利用多模光纖傳輸信號的位移傳感器原理圖

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通用傳感器簡介十五、位移傳感器

圖3-21為電容式位移傳感器應用實例。圖3-21

電容式位移傳感器應用實例ａ）振動位移測量

ｂ）軸的回轉精度和軸心動態偏擺測量

ｃ）實物

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通用傳感器簡介十六、壓力傳感器

壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。一種壓阻式壓力傳感器結構圖如圖3-22所示，常用的數顯式壓力傳感器結構圖如圖3-23所示。圖3-22

一種壓阻式壓力傳感器結構圖圖3-23常用的數顯式壓力傳感器結構圖

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通用傳感器簡介十七、超聲波測距傳感器

超聲波測距傳感器采用超聲波回波測距原理，運用精確的時差測量技術，檢測傳感器與目標物之間的距離，其采用小角度、小盲區，具有測量準確、無接觸、防水、防腐蝕、低成本等優點，可應于液位、料位檢測。特有的液位、料位檢測方式，可保證在液面有泡沫或大的晃動、不易檢測到回波的情況下有穩定的輸出，主要應用于液位、物位、料位檢測，及工業過程控制等。圖3-24所示為超聲波測距原理圖；圖3-25所示為超聲波測厚原理圖。

圖3-24

超聲波測距原理圖圖3-25

超聲波測厚原理圖

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通用傳感器簡介十八、雷達傳感器

24GHz雷達傳感器采用高頻微波測量物體的運動速度、距離、運動方向、方位角度等信息，采用平面微帶天線設計；其為K波段毫米波測距雷達，采用收、發天線隔離設計。

原理

通過測量發射與接收信號之間的時間差來測量物體之間的距離，工作時采用調頻連續波FMCW。其數據接口采用異步串行通信，波特率為57600bit/s，邏輯電平為3.3VTTL電平。其特點在于對煙霧、粉塵及薄型非金屬材料———如薄型的木板、塑料板等具有一定的穿透能力，且具有多目標識別能力。應用于智能交通、工業控制、安防、體育運動、智能家居等行業。

24GHz雷達傳感器電路及實物圖如圖3-26所示。圖3-26２４ＧＨｚ雷達傳感器電路及實物圖

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通用傳感器簡介十九、一體化溫度傳感器

一體化溫度傳感器一般由測溫探頭和兩線制固體電子單元組成。采用固體模塊形式將測溫探頭直接安裝在接線盒內，從而形成一體化的傳感器。一般分為熱電阻和熱電偶兩種類型。

熱電阻溫度傳感器是由基準單元、R／V轉換單元、線性電路、反接保護、限流保護、V／I轉換單元等組成。

熱電偶溫度傳感器由基準源、冷端補償、放大單元、線性處理、V／I轉換、斷偶處理、反接保護、限流保護等電路單元組成。

一體化溫度傳感器具有結構簡單、節省引線、輸出信號大、抗干擾能力強、線性好、顯示儀表簡單、固體模塊抗震防潮、有反接保護和限流保護、工作可靠等優點。一體化溫度傳感器的輸出為統一的4～20mA信號，可與微機系統或其他常規儀表匹配使用，也可做成防爆型或防火型測量儀表。其結構原理圖和實物圖分別如圖3-27和圖3-28所示。

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通用傳感器簡介十九、一體化溫度傳感器

一體化溫度傳感器結構原理圖和實物圖分別如圖3-27和圖3-28所示。圖3-27一體化溫度傳感器結構原理圖

圖3-28一體化溫度傳感器實物圖

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通用傳感器簡介二十、液位傳感器

（一）浮球式液位傳感器

浮球式液位傳感器由磁性浮球、測量導管、信號單元、電子單元、接線盒及安裝件組成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿測量導管上下移動。導管內裝有測量元件，在外磁作用下將被測液位信號轉換成液位變化的電阻信號，并經電子單元轉換成標準信號輸出。其具有耐酸、防潮、防震、防腐蝕等優點，電路內部含有恒流反饋電路和內保護電路，可靠保護電源和二次儀表，實物和原理如圖3-29所示。圖3-29

浮球式液位傳感器實物圖和工作原理圖

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通用傳感器簡介二十、液位傳感器

（二）浮筒式液位傳感器

浮筒式液位傳感器

是將磁性浮球改為浮筒，其根據阿基米德浮力原理設計。其利用微小的金屬膜應變傳感技術來測量液體的液位、界位或密度。它在工作時可以通過現場按鍵來進行常規的設定操作。其各種安裝形式如圖3-30所示。圖3-30

浮筒式液位傳感器的各種安裝形式

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通用傳感器簡介二十、液位傳感器

（三）靜壓式液位傳感器

靜壓式液壓傳感器利用液體靜壓力的測量原理工作。它一般選用硅壓力測壓傳感器將測量到的壓力轉換成電信號，再經放大電路放大和補償電路補償，最后以4～20mA或0～10mA電流輸出。

其結構及工作原理圖如圖3-31所示。圖3-31

靜壓式液位傳感器結構及工作原理圖

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通用傳感器簡介二十一、真空度傳感器

（一）真空度傳感器

采用硅微機械加工技術，以集成硅壓阻力敏元件作為傳感器的核心元件制成的絕對壓力變送器。因采用硅

－硅直接鍵合或硅

－派勒克斯玻璃靜電鍵合形成的真空參考壓力腔，及無應力封裝技術和精密溫度補償技術，故具有穩定性、精度高的優點，適用于絕對壓力的測量與控制。（二）真空度傳感器的特點及用途

具有高的過載能力，具有優良的介質兼容性。適用于對316L不銹鋼不腐蝕的絕大多數氣液體介質真空壓力的測量。

其結構示意圖如圖3-32所示。圖3-32

真空度報警傳感器結構示意圖１—接線柱

２—調整螺桿

３—調整彈簧４—觸點

５—膜片

６—壓力彈簧

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通用傳感器簡介二十二、電容式物位傳感器

電容式物位傳感器適用于測量和控制的生產過程，主要用作類導電與非導電介質的液體液位或粉粒狀固體料位的遠距離連續測量和指示。

其由電容式傳感器與電子模塊電路組成，以兩線制恒定電流輸出為基型，經過轉換，可用三線或四線方式輸出，輸出標準信號。

其由絕緣電極和裝有測量介質的圓柱形金屬容器組成。當料位上升時，非導電物料的介電常數明顯小于空氣的介電常數，故電容量隨著物料高度的變化而變化。

傳感器的模塊電路由基準源、脈寬調制、轉換、恒流放大、反饋和限流等單元組成。采用脈寬調制原理進行測量的優點是，頻率較低，對周圍無射頻干擾、穩定性好、線性好、無明顯溫度漂移等。

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通用傳感器簡介二十二、電容式物位傳感器

其中電容式微型真空傳感器結構示意如圖3-33所示，電容式物位傳感器結構示意如圖3-34所示。圖3-33

電容式微型真空傳感器結構示意圖ａ）差動電容式

ｂ）單電容式ａ）擰式探極

（正面）

ｂ）同軸探極

（側面）圖3-34

電容式物位傳感器結構示意圖

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通用傳感器簡介二十三、銻電極酸度傳感器

銻

（Sb）電極酸度傳感器

是集PH檢測、自動清洗、電信號轉換為一體的工業在線分析儀表，由Sb電極與參考電極組成的PH值測量系統。

在被測酸性溶液中，Sb電極表面會生成Sb2O3氧化層，在金屬Sb面與Sb2O3之間會形成電位差。電位差的大小取決于Sb2O3的濃度，該濃度與被測酸性溶液中H離子的適度相對應,其電極電位可用能斯特公式計算出來。

Sb電極酸度傳感器中的固體模塊電路由兩大部分組成：電源電路和測量傳感器電路，它將來自傳感器的基準信號和PH值酸度信號經放大送給斜率調整和定位調整電路，將放大后的PH值信號與溫度補償信號進行迭加后再差進轉換電路，輸出與PH值相對應的恒流電流信號給二次儀表以完成顯示并控制PH值。

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通用傳感器簡介二十三、銻電極酸度傳感器

銻電極酸度傳感器的各種安裝形式如圖3-35所示。１—側壁安裝

２—頂部法蘭

式安裝

３—管道安裝４—定插式安裝

５—測入式安裝

６—流通式安裝圖3-35

Sb電極酸度傳感器的各種安裝形式

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通用傳感器簡介二十四、酸、堿、鹽濃度傳感器

酸、堿、鹽濃度傳感器

通過測量溶液電導值來確定濃度。它可在線連續檢測工業過程中酸、堿、鹽在水溶液中的濃度含量。

主要應用

鍋爐給水處理、化工溶液的配制以及環保等生產過程。

工作原理

在一定范圍內，酸堿溶液的濃度與其電導率的大小成比例。故測出溶液電導率的大小便可得知酸堿濃度的高低。當被測溶液流入專用電導池時，如忽略電極極化和分布電容，則可以等效為一個純電阻。在有恒壓交變電流流過時，其輸出電流與電導率成線性關系，而電導率又與溶液中酸堿濃度成比例關系。因此，只要測出溶液電流，便可算出酸、堿、鹽的濃度。

主要組成

由電導池、電子模塊、顯示表頭和殼體組成。電子模塊電路則由激勵電源、電導池、電導放大器、相敏整流器、解調器、溫度補償、過載保護和電流轉換等單元組成。

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通用傳感器簡介二十四、酸、堿、鹽濃度傳感器

傳感器及主要工作參數及實物圖如圖3-36所示。圖3-36

酸、堿、鹽濃度傳感器及主要工作參數及實物圖

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通用傳感器簡介二十五、電導傳感器

電導傳感器

是通過測量溶液的電導值來間接測量離子濃度的流程儀表，可在線連續檢測工業過程中水溶液的電導率。

基本原理

電解質溶液是與金屬導體一樣的電的良導體，電流流過電解質溶液時必有電阻作用，且符合歐姆定律。但液體的電阻溫度特性與金屬導體相反，具有負向溫度特性。為區別于金屬導體，電解質溶液的導電能力用電導（電阻的倒數）或電導率

（電阻率的倒數）來表示，

如圖3-37所示。當兩個互相絕緣的電極組成電導池時，若在其中間放置待測溶液，并通以恒壓交變電流，就形成了電流回路。如果將電壓大小和電極尺寸固定，則回路電流與電導率就存在一定的函數關系。故測出待測溶液中流過的電流，就能測出待測溶液的電導率。

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通用傳感器簡介二十五、電導傳感器

電導傳感器的結構和電路與酸、堿、鹽濃度傳感器相同，如土壤電導率傳感器見圖3-38所示。圖3-37

電導傳感器及其數據傳輸設備圖圖3-38

土壤電導率傳感器

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通用傳感器簡介二十六、背景光亮度傳感器

背景光亮度傳感器

是可根據外界某一方向環境光線的明暗，對照明設備進行控制，并且配合光電隔離輸入控制模塊，實現對場景

（全開、全關等）、燈光、窗簾、空調等的控制；同時設定延時功能，防止光線瞬間變化的干擾。

圖3-39為背景光亮度傳感器安裝示意圖。背景光亮度傳感器與太陽光傳感器、智能太陽跟蹤儀有相關性能的區別。應用時應注意區分和選用。圖3-39

背景光亮度傳感器安裝示意圖

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通用傳感器簡介二十七、空氣能見度傳感器

空氣能見度傳感器

是通過測量空氣中經過采樣室的離散光粒子（煙霧、塵土、陰霾、霧、降雨和降雪）的總數來測量大氣能見度（氣象光學距離），一個42°的前向散射角用于確認超寬范圍的粒子尺寸。通過轉換接收信號強度（消光系數，σ），使用科施米德方程（Koschmieder）來計算磁致旋光（Magneto-OpticalRotation，MOR）。MOR（Km）=2.996/σ。

特點：一般可測試16千米的能見度范圍，具有靈活的輸出選項，已經證明的42°前向散射角，經過幾何學設計可抵抗結冰，結構緊湊重量輕，安裝和維護方便。

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通用傳感器簡介二十七、空氣能見度傳感器

應用環境：●道路氣象信息系統(RWIS)●機場氣象系統(AWOS)●公路和鐵路隧道中的空氣質量●大霧探測網絡

●海上鉆井平臺●邊界安全

●大霧報警控制●冷卻塔煙霧探測

●氣象監測●光學通訊連接測試

●港口安全

一種空氣能見度傳感器的實物圖見圖3-39所示。圖3-39

一種空氣能見度傳感器的實物圖

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傳感器的分類第四節

傳感器的主要特征

技術特點及選擇一、傳感器的主要特性

傳感器的特點

微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化，它促進傳統產業的更新改造和升級換代，還可能建立新型工業，從而成為21世紀新的經濟增長點。其微型化建立在微機電系統（MEMS）基礎上，應用于硅壓力傳感器。

（一）靜態特性

在靜態下輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有的相互關系。

1、線性度定義

在全量程范圍內，實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。

2、靈敏度定義

輸出量增量與引起該增量輸入量增量之比。用S表示。

3、遲滯差值

輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小

（反行程）變化期間，其輸入輸出特性曲線不重合的現象稱為遲滯。對于同一大小的輸入信號，其正反行程輸出信號大小的差值稱為遲滯差值。

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傳感器的分類第四節

傳感器的主要特征

技術特點及選擇

（一）靜態特性

4、重復性

在輸入量按同一方向作全量程連續多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。

5、漂移

在輸入量不變的情況下，輸出量隨著時間而變化，即為漂移。產生原因為：一是傳感器自身結構參數；二是周圍環境

（如溫度、濕度的變化等）。

6、分辨率

傳感器的輸入從非零值緩慢增加時，在超過某一增量后，輸出發生可觀測的變化，這個輸入增量稱為傳感器的分辨率。

7、閾值

傳感器的輸入從零值開始緩慢增加時，在達到某一值后，輸出發生可觀測的變化，這個輸入值稱為傳感器的閾值。

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傳感器的分類第四節

傳感器的主要特征

技術特點及選擇

（二）動態特性

指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。

實際工作中，常用它對標準輸入信號的響應來表示。因其容易用實驗方法求得，且對標準輸入信號的響應可推定任意輸入信號的響應。常用標準輸入信號有階躍信號和正弦信號，所以其動態特性也常用二者表示。

1、階躍響應

系統在單位階躍信號u（t）的激勵下產生的零狀態響應，如圖3-41所示。

其階躍響應的表示及計算見本書P58至P59

圖3-41

階躍響應曲線圖

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傳感器的分類第四節

傳感器的主要特征

技術特點及選擇

（二）動態特性。

1、階躍響應

一階RC電路及其階躍響應，見圖3-42所示。可見其響應曲線沒有過沖及振鈴，在3倍時間常數時輸出達到輸入的95％。圖3-42

一階RC電路圖

及輸出電壓曲線圖

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傳感器的分類第四節

傳感器的主要特征

技術特點及選擇

（二）動態特性。

2、頻率響應

頻率響應

將一個以恒電壓輸出的音頻信號與系統相連接時，音頻輸出的聲壓隨頻率的變化而發生增大或衰減、相位隨頻率發生變化的現象稱為頻率響應。也稱之頻率特性。

圖3-43為較理想的音頻輸出頻率響應曲線。

圖3-43

較理想的音頻輸出頻率響應曲線

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傳感器的主要特征

技術特點及選擇

（三）線性度

線性度

被測輸入量處于穩定狀態為前提。傳感器校準曲線與擬合直線間的最大偏差(ΔYmax)與滿量程輸出(Y)的百分比，稱為線性度δ，又稱非線性誤差。

圖3-44所示為傳感器線性度的曲線示意圖。

圖3-44

傳感器線性度的曲線示意圖

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傳感器的分