應用：太陽能電池：衛星、燈塔、高空偵察氣球（幾萬米）六、

其他光電器件(了解) 光電耦合器：發光和接收元件都封裝在一個外殼內。它以光為媒介，實現輸入電信號耦合到輸出端。 光電開關在制造業自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。可實現限位控制、產品計數,料位檢測，越限安全報警及計算機輸入接口等用途。8.3、光電傳感器應用1.紅外線輻射溫度計：2.反射式煙霧報警器在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發出的紅外光無法到達紅外光敏三極管。3.光電自動門4、路燈自動控制器5、熱釋電傳感器在智能空調中的應用5.產品計數6、光電數字式轉速表光電轉換電路8.4光電數字式傳感器一、數字式傳感器分類和特點1.數字式傳感器分類及工作原理數字式傳感器：把輸入量轉換成數字量輸出的傳感器（1）代碼型數字式傳感器（2）計數型數字式傳感器2.數字式傳感器特點 高測量精度 高分辨率 高信噪比 惡劣環境下、遠距離傳輸 容易和其它對接二、光電角度編碼器用光電方法把被測角位移轉換成以數字代碼形式表示的電信號的轉換部件。1.絕對式編碼器絕對式編碼器將被測轉角轉收成相應的代碼，這種編碼器是通過讀取編碼器的圖案來表示數字的。絕對式編碼器工作原理四位二進制編碼盤（a）二進制編碼盤；（b）葛萊編碼盤2.增量式編碼器和絕對式編碼器相對應的是增量式編碼器，增量式編碼器以數字形式，確定軸相對于某個基準點的瞬時角位置，可以測量軸轉動的角速度。增量式編碼器圖碼盤1-外碼道；2-內碼道圖中，1-光源，2-準直透鏡，3-碼盤，4-光敏組件。它與絕對數字編碼器系統主要不同點，是有一個計數和辨向系統，主要區別是編碼盤不同，增量式編碼器設立了內軌道和外軌道，外軌道有兩個軌道，第一個外軌道是增量計數軌道，它根據分辨率的大小設置扇形區，亦即只有一位軌道，第二個外軌道是方向軌道，它和計數軌道有相同數目的扇形區，只是移動了半個扇形區。如果一個周期是兩個扇形區(透光—不透光)，那么這兩個軌道的輸出相差90°，或超前，或滯后，用以識別是順時針旋轉，還是逆時針旋轉，從而確定計數器是做減法計數，還是做加法計數。內軌道稱基準軌道，它只有一個單獨標志的扇形區，用于提供基準點。其輸出脈沖將用于計數器歸零。三、直線位移編碼器用編碼器把線位移轉換成數字量輸出有多種方法：間接轉換輸出、直接轉換輸出。1.間接直線位移編碼器所謂間接直線位移編碼器，就是通過機械轉換裝置，把被測體的直線位移轉換成角位移。這樣，可以用角度數字編碼器直接測量線位移。圖示為一種典型的間接線位移編碼器結構，圖中，1-滾珠絲杠，2-預緊螺母，3-連接軸，4-編碼軸，5-碼盤，6-光源，7-透鏡，8-光電管，9-輸出。圖8.35間接線位移編碼器間接線位移編碼器常用在機床和類似的設備中，軸的旋轉將引起螺母的直線位移，被測體就裝在這個螺母上，軸上裝有標準的編碼盤。如果碼盤采用增量式編碼器，則可測得位移的方向和相對于基準位置的大小，行程范圍比較大，這種系統的精度可在1m行程上達到0.003mm。如果采用絕對式編碼器的碼盤，則碼盤的分辨率將限制可測的范圍，若需增大測量范圍，則需要采用碼盤組。需要指出的是，在這類系統中于增加了直線旋轉的機械轉換機構，若要保持高的精度，除了注意的角度編碼器的許多技術問題外，還必須注意機械系統元部件的精度。2.直接直線位移編碼器為了避免使用旋轉式編碼器所帶來的問題，人們已經研究出多種直接絕對式直線位移編碼器和增量式直線編碼器。這種編碼器通常有一個長標尺和沿標尺運動的掃描點，用于感受和測量任何相對位移。優點：避免了一套直線旋轉轉換的機械裝置，也避免了由此產生的變換誤差。原理：利用光通過相疊的兩片光柵片時形成莫爾條紋的原理進行的，光柵光學系統有主光柵和指標光柵。主光柵（又稱動光柵）是作為測量基準用的，一般情況下隨工作臺一起運動，指標光柵（稱為定光柵）是固定不動的。指標光柵刻線有僅—小塊，覆蓋光電接收組件即可。主光柵和指標光柵在平行光照射下，形成莫爾條紋，主光柵是光柵式測量的主要部件，測量的精度主要取決于主光柵光柵式測量系統光柵尺的尺面光柵尺測量原理：將兩塊黑白型光柵刻線面相對，并使兩片光柵的柵線之間形成一個小的角度，在近于柵線垂直的方向上就出現明暗相間的條紋，這種條紋也稱作莫爾條紋，如圖8.38所示。在莫爾條紋中，兩條亮紋或者兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，稱為條紋間距，用W表示。利用莫爾條紋實現對輸入信號進行轉換變為電信號，莫爾條紋間距具有對光柵柵距的放大作用。在兩光柵柵線夾角較小的情況下，有下列近似關系如當d＝0.02mm、＝0.00174532rad(0.1°)時，W＝11．4592mm，即光柵移過0.02mm，莫爾條紋移過一個條紋寬度11.4592mm。光電接收組件直接放置在莫爾條紋寬度范圍內。若在不同位置上安放幾個光電組件、由于莫爾條紋亮度的變化，可以測量出不同初相位的同步信號。圖8.38莫爾條紋四、數字式光電傳感器應用1、光學碼盤測角儀2、編碼器在定位加工中的應用3、編碼器在數控加工刀庫選刀控制中的應用

第9章光纖傳感器及其應用 教學要求1．掌握光導纖維的組成和光在光纖中傳播的原理。2．掌握光纖的主要參數，了解各類光纖傳感器的結構。3．掌握強度型光纖傳感器和干涉型光纖傳感器的基本原理及應用。 教學內容光纖傳感器：將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位等）發生變化，再經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。優點：●靈敏度較高；●幾何形狀具有良好的適應性，可制成任意形狀的光纖傳感器；●可以傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉等）的器件；●抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫等惡劣環境。●容易實現對被測信號的遠距離監控。應用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。9.1光導纖維基本知識一、光導纖維結構和導光原理光纖的結構如圖所示。纖芯,由某種類型的玻璃或塑料制成；包層,由特性與纖芯略有不同的玻璃或塑料制成光纖結構根據斯涅爾定律，光線在兩種不同介質的分界面上會產生折射現象，折射定律為式中，、分別為入射角和折射角，如圖9.2所示。和分別為介質1和介質2的折射率。當光線由光的密媒質(折射率大)的介質向光的疏媒質(折射率小)的介質傳播時將發生全內反射，即反射光將不再離開介質1。圖9.2光線在兩種不同介質的分界面折射現象圖9.3表示光在光纖中傳播的原理。根據全內反射原理，設計光纖纖芯的折射率n1要大于包層的折射率n2。圖中所示的兩根光線，其中一根代表掠射角(入射角的余角)＞(臨界角)的一些光線，這些光線由于從纖芯折射到包層中，不能傳播很遠。另外一根代表掠射角小于臨界角的一些光線。這些光線每當光入射到纖芯一包層分界面時，都發生全反射，所以這些光線一直被截留在光纖中，在界面上產生多次的全內反射，以鋸齒形的路線在纖芯中傳播。圖9.3光在光纖中傳播二、光纖的幾個重要參數1．數值孔徑(NA)入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數值孔徑。定義為：。數值孔徑是多模光纖的重要參數，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數值孔徑取值范圍為0.18～0.23，其對應的光纖端面接收角θc=10°～13°。2．傳播模式采用“V值”表述光在階躍型折射率光纖中的傳播特性：a為纖芯半徑，λ0為入射光在真空中的波長。光纖V值越大,則光纖所能擁有的,即允許傳輸的模式(不同的離散波)數越多。當V值低于2.404時,只允許一波或模式在光纖中傳輸。3．傳播損耗光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光強發生衰減，通常用傳播率A來表示傳播損耗:式中為光纖長度，為輸出端光強，為輸入端光強。三、光纖的類型1.按折射率變化類型分類1）按折射率a）階躍型纖芯與包層的折射率是突變的；b）漸變型纖芯中心處折射率最大，由中心向外折射率逐漸變小到包層折射率。2.按傳播模式分類單模光纖：指階躍型光纖中，內芯直徑很小，光纖的傳播模式很少，原則上只能傳遞一種模式的光纖。多模光纖:通常是指階躍光纖中纖芯尺寸較大(大部分為幾十微米)、傳播模式很多的光纖。這類光纖性能較差,帶寬較窄,但由于芯子的截面大,容易制造,連接耦合也比較方便。這種光纖常用于強度型傳感器。3.按用途分類普通光纖:是指用于光纖通信的單模和多模光纖。非通信光纖:是指特殊用途的非通信光纖。如低雙折射率光纖、高雙折射率光纖、涂層光纖、激光光纖和紅外光纖等。4、按材料9.2光纖傳感器的工作原理光纖傳感器可分為振幅型（也叫強度型）和相位型（也叫干涉儀型）兩種。振幅型光纖傳感器具有結構簡單、與多模光纖技術的相容性好、信號檢測較容易等優點，但其靈敏度較低。相位型光纖傳感器的優點是靈敏度高，但其機構及檢測手段復雜。系統組成部件： 光發送器（LED、LD等） 光接收器（PD） 光纖耦合器：分路/合路器件 信號處理系統 光纖一、強度型(振幅型)

光纖傳感器1、反射式光纖位移傳感器結構：反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖所示：光纖采用Ｙ型結構，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。原理：光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電轉換器接收，轉換器接受到的光源與反射體表面性質、反射體到光纖探頭距離有關。當反射表面位置確定后，接收到的反射光光強隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加，到達最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。圖4.2所示就是反射式光纖位移傳感器的輸出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過對光強的檢測得到位移量。特點：反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應速度快，測量線性化（在小位移范圍內）等優點，可在小位移范圍內進行高速位移檢測。光強的大小隨被測表面與光纖間的距離關系2、光纖測壓傳感器在光纖位移傳感器探頭前加上一個膜片構成的。光源→發射光纖→膜片位移發生變化→反射→接收光纖→PD3、微彎光纖傳感器(功能型光纖傳感器)

根據光纖彎曲(微彎)時纖芯中的光注入包層的原理研制成的。這類傳感器的敏感元件是由一個能引起光纖產生微彎的變形器。光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制。壓力→光纖微彎→光的全反射受到一定的破壞→光傳輸損耗二、相位調制型光纖傳感器原理：通過被測物理場的作用，使光纖內傳播的光波相位發生變化，再用干涉測量技術把相位變化轉換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。△φ：光波相位的變化量；△L：光纖長度變化量△n1：纖芯折射率變化量；εL：光纖軸向應變目前光纖傳感器中采用四種不同的干涉測量結構： 邁克爾遜干涉儀: 馬赫-澤德干涉儀： 薩格奈克干涉儀： 法布里―珀羅干涉儀：邁克爾遜全光纖干涉儀馬赫—澤德全光纖干涉儀法布里—珀羅光纖干涉儀1、光纖聲傳感器(a)(b)(c)(d)四種水聽器2、光纖磁傳感器原理：磁場→磁致伸縮效應→材料尺寸變化→作成光纖磁傳感器。光纖磁傳感器主要用于測量非常弱及變化非常緩慢的磁場。3、光纖電流傳感器第一種結構：把一段被覆鎳的光纖放在受待測電流激勵的螺旋管中央。通過測量磁場強度,確定電流的大小。利用這種方法,在100~5000Hz的頻率范圍內,每一米敏感光纖測出最小電流為3×10-8A。4、光纖線性加速度計干涉儀一條臂中有一段光纖被固定在外殼的上端與懸掛物體之間。而干涉儀另一條臂中一段相同長度的光纖則固定在懸掛物體與外殼的下端之間。如果讓加速度計的外殼以加速度a向上運動,那么在加速該物體所需的作用力F的作用下,上面的一段光纖將伸長ΔL,下面的一段光纖則縮短ΔL。檢測相差可得加速度。

第11章氣敏傳感器及其應用 教學要求1．掌握熱導式氣敏傳感器的結構及工作原理。2．掌握接觸燃燒式氣敏傳感器的結構及工作原理。3．掌握半導體氣敏傳感器的結構及工作原理。4.了解紅外氣敏傳感器、光纖氣敏傳感器的原理。5．掌握常見氣敏傳感器的應用分析 教學內容氣體傳感器:將被測氣體的類別、濃度和成分轉換為與其成一定關系的電信號的裝置或器件，用來提供有關待測氣體的存在及其濃度大小的信息。由于氣體種類繁多,性質各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，按構成氣體傳感器材料可分為半導體和非半導體兩大類。目前實際使用最多的是半導體氣體傳感器。11.1熱導式氣體傳感器每種氣體都有固定的熱導率，混合氣體的熱導率也可近似求得。由于以空氣為比較基準的校正容易實現，所以，用熱導率變化法測氣體濃度時，一般以空氣為基準比較被測氣體。熱導式氣體傳感器的基本測量電路是直流單臂電橋。熱導率變化式氣敏傳感器一般不用催化劑，所以不存在催化劑影響而使特性變壞的問題。它除用于測量可燃性氣體外，也可用于無機氣體及其濃度的測量，如皮拉尼(Pirani)真空計。一、熱線式氣體傳感器下圖是熱線式氣敏傳感器及其測量電路：R1、R2可用不帶催化劑的白金線圈制作，也可用熱敏電阻。R2內封已知的比較氣體，Rl與外界相通，當被測氣體與其相接觸時，由于熱導率相異，R1的溫度變化，Rl的阻值也發生相應的變化，電橋失去平衡，電橋輸出信號的大小與被測氣體的種類或濃度有確定的關系。由于熱線式氣敏傳感器的靈敏度較低，所以其輸出信號小。這種傳感器多用于油船或液態天然氣運輸船。熱線式氣敏傳感器典型電路熱敏電阻氣敏傳感器電路二、熱敏電阻氣體傳感器熱敏電阻傳感器用熱敏電阻作電橋的兩個臂組成測量電橋，如上圖所示。當熱敏電阻通以10mA的電流加熱到150~200℃時，R111.2接觸燃燒式氣敏傳感器接觸燃燒式氣敏傳感器結構與測量電路原理如圖所示(a)(b)(c)接觸燃燒式氣敏傳感器一般在金屬線圈中通以電流，使之保持在300~500℃式中，ΔR為電阻值增量；ρ為鉑金絲電阻溫度系數；H為可燃性氣體燃燒熱量，θ為可燃性氣體的分子燃燒熱量；h為傳感器的熱容量；α為傳感器催化能決定的常數。ρ、h、α為取決于傳感器自身的參數；θ由可燃性氣體種類決定。接觸燃燒式氣敏傳感器的優點是對氣體的選擇性好，線性好，受溫度、濕度等參數影響小，響應快。其缺點是對低濃度可燃性氣體靈敏度低，敏感元件受催化劑侵害后其特性銳減，金屬絲易斷。11.3半導體氣體傳感器半導體氣體傳感器是利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質發生變化，以此檢測特定氣體的成分及其濃度。目前研究和使用的半導體氣敏器件大體上可分為電阻式和非電阻式兩大類。電阻式又可分成表面電阻控制型和體電阻控制型。非電阻式又可分為利用表面電位的、二極管整流特性的和晶體管特性的三種。半導體氣敏器件的分類物理特性氣敏元件舉例工作溫度檢測氣體電阻型表面電阻控制型SnO2，ZnO室溫-450可燃性氣體體電阻控制型γ-Fe2O3TiO2300-450700℃乙醇、可燃性氣體O2非電阻型表面電位Ag2O700℃硫醇二極管整流特性Pb-CdS室溫-200H2、CO、乙醇晶體管特性Pd-MOSFET150H2、H2S一、電阻型氣敏器件適宜制作半導體氣敏傳感器的材料主要是氧化物。由于半導體材料的特殊性質,氣體在半導體材料顆粒表面的吸附可導致材料載流子濃度發生相應的變化,從而改變半導體元件的電導率。由氧化物半導體粉末制成的氣敏元件,具有很好的疏松性,有利于氣體的吸附,因此其響應速度和靈敏度都較好。通常所指的氧化物半導體氣敏傳感器,就是由粉末狀氧化物經燒結或沉積而制成的。1.表面電阻控制型氣敏器件利用半導體表面因吸附氣體引起半導體元件電阻值變化的特性而制成的一類傳感器，多數以可燃性氣體為檢測對象，但如果吸附能力很強，即使非可燃性氣體也能作為檢測對象。這類傳感器具有氣體檢測靈敏度高、響應速度快等優點，得到了較早的開發、研究和應用。(1)結構及原理燒結型、薄膜型、厚膜型以及多層結構型。如圖所示為了加快氣體分子在表面上的吸附作用，表面電阻控制型氣敏傳感元件需采用電加熱器將器件加熱到150°C以上的溫度下工作。(a)(b)(c)(d)表面電阻控制型氣體傳感器的結構(2)特性采用敏感元件與基準電阻器串聯，加外加電壓，再根據基準電阻器上的電壓值可求出氣敏元件的電阻值。氣體報警器就是利用測量的阻值變化作為蜂鳴器的報警信號。氣敏器件的阻值R與空氣中被測氣體的濃度C成對數關系變化:式中，n與氣體檢測靈敏度有關，除了隨傳感器材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測量溫度和激活劑的不同而發生大幅度的變化。m是隨氣體濃度而變化的傳感器靈敏度，對于可燃性氣體，1/3≤m≤1/2。氧化錫氣敏傳感器阻值與被測氣體濃度的關系2.體電阻控制型氣敏器件體電阻控制型半導體氣敏器件與被檢測氣體接觸時，引起器件體電阻改變的原因比較多。對熱敏型氣敏器件而言，在600～900℃下，在半導體表面吸附可燃性氣體時，被吸附氣體將會燃燒，使器件的溫度進一步升高，半導體的體電阻發生變化。另外，由于添加物和吸附氣體分子在半導體能帶中形成新能級的同時，母體中生成晶格缺陷，也會引起半導體的體電阻發生變化。利用這些特性可以檢測各種氣體。γ-Fe2O3氣敏器件結構Fe2O3氣敏特性目前常使用的有α-Fe2O3及γ-Fe2O3氣敏器件，其結構如圖所示。它們之間的氧化-還原反應為：γ-Fe2O3對丙烷、異丁烷等很敏感，但對甲烷不靈敏，而α-Fe2O3對甲烷和異丁烷都非常靈敏，對水蒸汽及乙醇都不靈敏。二、非電阻控制型半導體氣敏器件1.二極管氣敏器件金屬和半導體接觸形成肖特基勢壘，構成金屬半導體二極管。如果在二極管的金屬與半導體的界面吸附有氣體且這種氣體對半導體的禁帶寬度有影響，則二極管的整流特性就會發生變化，根據這個原理就可以制作氣敏傳感器。H2對鈀-氧化鈦二極管整流特性的影響如圖所示。空氣中H2濃度為由a→g急劇增加，可以看出，在H2濃度急劇增高的同時，正向偏置條件下的電流也急劇地增大。Pd-TiO2二極管的V-I特性（25°C）2.MOS二極管氣敏器件利用MOS二極管的電容-電壓關系來檢測氣體的敏感器件，這種氣敏器件的結構如圖所示。這種Pd-MOS二極管氣敏器件除了H2以外，還對CO及丁烷也具有靈敏性。Pd-MOS二極管氣敏器件Pd―MOS二極管的C-U特性3.MOSFET氣敏器件MOSFET氣敏器件是利用半導體表面效應制成的一種電壓控制型元件，可分為N溝道和P溝道兩種，N溝道MOSFET氣敏器件的結構如圖所示。MOSFET器件結構MOSFET氣敏器件的漏極電流ID由柵壓控制。將柵極與漏極短路，在源極與漏極之間加電壓U，ID可由下式表示：式中，UT為閾值電壓，是ID流過時的最小臨界電壓值，β是常數。對于鈀-MOS場效應管氣敏器件，UT會隨空氣中所含H2濃度的增高而降低。利用這一特性來檢測H2。三、半導體氣敏傳感器的氣敏選擇性選擇性是檢驗化學傳感器是否具有實用價值的重要尺度。欲從復雜的氣體混合物中識別出某種氣體，就要求該傳感器具有很好的選擇性。氧化物半導體氣敏傳感器的敏感對象主要是還原性氣體，如CO、H2、甲烷、甲醇、乙醇等。為了能有效地將這些性質相似的還原性氣體彼此區分開，達到有選擇地檢測其中某單一氣體的目的，必須通過改變傳感器的外在使用條件和材料的物理及化學性質來實現。通過使用某種物理的或化學的過濾膜,使單一氣體能通過該膜到達氧化物半導體表面,而拒絕其它氣體通過,從而達到選擇性檢測氣體的目的。如石墨過濾膜,涂在厚膜氧化物傳感器表面可以消除氧化性氣體（如NOx）對傳感器信號的影響。提高傳感器氣敏選擇性的最有效、最常用的手段是利用某些催化劑能有選擇性地對被測氣體進行催化氧化的原理來實現。通過選擇合適的催化添加劑,可使由同一種基本氧化物材料制成的氣敏傳感器具有檢測多種不同氣體的能力。11.4、半導體氣敏傳感器的應用隨著工農業的不斷發展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應用范圍都得到了迅速的增加。這些氣體在生產、運輸、使用過程中一旦發生泄漏，將會引發中毒、火災甚至爆炸事故，嚴重危害人民的生命和財產安全。由于氣體本身存在的擴散性，發生泄漏之后，在外部風力和內部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表面擴散，在事故現場形成燃燒爆炸或毒害危險區，擴大了危害區域。為此必須在日常的生產中加強對這些氣體進行監測，為此需要用到大量的氣體傳感器。表11.3給出了氣體傳感器的應用領域。1、家用氣體報警電路氣體報警器可根據使用氣體種類，安放于易檢測氣體泄漏的地方，這樣就可以隨時監測氣體是否泄露，一旦泄漏氣體達到危險的濃度，便自動發出報警信號。下圖是利用QM―N6型半導體氣敏器件設計的簡單而且廉價的家用氣體報警器電路圖。工作原理：將蜂鳴器與氣敏器件構成簡單串聯電路，當氣敏器件接觸到泄漏氣體(如煤氣、液化石油氣等)時，其阻值降低，回路電流增大，達到報警點時蜂鳴器便發出警報。家用報警器電路圖設計報警器時，重要的是如何確定開始報警的濃度，一般情況下，對于丙烷、丁烷、甲烷等氣體，都選定在其爆炸下限的十分之一。2、煤氣（CO）安全報警電路下圖是家用煤氣（CO）安全報警電路，該電路由兩部分組成。煤氣報警器：在煤氣濃度達到危險界限前發出警報；開放式負離子發生器：自動產生空氣負離子，使煤氣中主要有害成分一氧化碳與空氣負離子中的臭氧（O3）反應，生成對人體無害的二氧化碳。圖11.19家用煤氣安全報警電路3、火災煙霧報警器燒結型SnO2氣敏器件對煙霧也很敏感，利用此特性，可設計火災煙霧報警。在火災初期會產生可燃性氣體和煙霧，因此可以利用SnO2氣敏器件做成煙霧報警器，在火災釀成之前進行預報。下圖是組合式火災報警器原理圖，具有雙重報警機構：當火災發生時溫度升高，達到一定溫度時，熱傳感器動作，蜂鳴器報警；當煙霧或可燃氣體達到預定報警濃度時，氣敏器件發生作用使報警電路動作，蜂鳴器亦鳴響報警。圖11-20氣敏熱敏火災煙霧報警電路4、酒精探測器利用SnO2氣敏器件設計攜帶式酒精探測儀，拉桿用來接通12V直流電源，經穩壓后供給氣敏器件作加熱電源和工作回路電源。當探測到酒精氣體時，氣敏器件阻值降低，測量回路有信號輸出，在400μA表上有相應的示值，確定酒精氣體的存在。圖11.21便攜式酒精探測儀電路原理圖

第12章濕敏傳感器及其應用 教學要求1．了解濕度及濕敏傳感器的概念。2．掌握電解質濕敏傳感器的結構及工作原理。3．掌握半導體濕敏傳感器的結構及工作原理。4.了解高分子聚合物濕敏傳感器結構及原理。5．掌握濕敏傳感器的應用分析 教學內容12.1濕敏傳感器概述一、濕度及其表示絕對濕度：指在一定溫度和壓力條件下，單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質量，以符號AH表示。根據定義有：式中，mV為待測混合氣體中所含水蒸氣的質量；V為待測混合氣體的總體積；PV為待測混合氣體的絕對濕度，其單位為g/m3。相對濕度（縮寫為RH）：指氣體的絕對濕度(PV)與同一溫度下水蒸汽已達到飽和狀態的絕對濕度PS的百分比。常表示為％RH，其表達式為：相對濕度=(PV/Ps)×100%RH二、濕敏傳感器特性參數⑴濕度量程能保證一個濕敏器件正常工作的環境濕度的最大變化范圍。濕度量程越大，其實際使用價值越大。理想的濕敏元件的使用范圍應當是0-100％RH的全量程。⑵感濕特征量-相對濕度特性曲線每種濕敏傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容、電壓、頻率等，在規定的工作溫度范圍內，濕敏傳感器的感濕特征量隨環境相對濕度變化的關系曲線，稱為相對濕度特性曲線，簡稱感濕特性曲線。有的濕敏傳感器的感濕特征量隨濕度的增加而增大，這稱為正特性濕敏傳感器；有的感濕特征量隨濕度的增加而減小，這稱為負特性濕敏傳感器。人們希望特性曲線應當在全量程上是連續的，曲線各處斜率相等，即特性曲線呈線性關系。且斜率應適當，因為斜率過小，靈敏度降低；斜率過大，穩定性降低，這些都會給測量帶來困難。(a) (b)濕敏器件的感濕特性曲線⑶感濕靈敏度在某一相對濕度范圍內，相對濕度改變1%RH時，濕敏傳感器感濕特征量的變化值或百分率稱為感濕靈敏度，簡稱靈敏度，又稱濕度系數。⑷溫度系數溫度系數是反映濕敏傳感器的感濕特征量-相對濕度特性曲線隨環境溫度而變化的特性參數。在不同的環境溫度下，濕敏元件的感濕特性曲線是不相同的，感濕特征量隨環境溫度的變化越小，環境溫度變化所引起的相對濕度的誤差就越小。濕敏元件的濕度溫度系數定義為：在濕敏元件感濕特征量恒定的條件下，該感濕特征量值所表示的環境相對濕度隨環境溫度的變化率，即式中，T為絕對溫度，k為元件特征量，α為濕度溫度系數。⑸響應時間在一定的溫度下，當相對濕度發生躍變時，濕敏傳感器的感濕特征量之值達到穩態變化量的規定比例所需要的時間稱為響應時間，也稱為時間常數，反映濕敏傳感器對于相對濕度發生變化時，其反應速度的快慢。⑹濕滯回線濕敏傳感器在吸濕和脫濕往返變化時的吸濕和脫濕特性曲線不重合，所構成的曲線叫濕滯回線。由于吸濕和脫濕特性曲線不重合，對應同一感濕特征量之值，相對濕度之差稱為濕滯量。濕滯量越小越好，以免給濕度測量帶來難度和誤差。⑺電壓特性濕敏傳感器感濕特征量之值與外加交流電壓之間的關系稱為電壓特性。當交流電壓較大時，由于產生焦耳熱，對濕敏傳感器的特性會帶來較大影響。⑻頻率特性濕敏傳感器的阻值與外加測試電壓頻率有關。在各種濕度下，當測試頻率小于一定值時，阻值不隨測試頻率而變化，該頻率被確定為濕敏傳感器的使用頻率上限。當然，為防止水分子的電解，測試電壓頻率也不能太低。⑼其它特性與參數：精度、穩定性、壽命等。三、濕敏傳感器分類根據水分子易于吸附在固體濕敏元件表面并滲透到固體內部的特性可以分為水分子親和力型和非水分子親和力型濕敏傳感器水分子親和力型濕敏傳感器電阻式濕敏傳感器陶瓷式濕敏傳感器電容式濕敏傳感器電解質濕敏傳感器非水分子親和力型濕敏傳感器熱敏電阻式濕敏傳感器紅外線式濕敏傳感器微波式濕敏傳感器超聲波式濕敏傳感器12.2電解質濕敏傳感器電解質濕敏傳感器的濕敏元件主要包括潮解性鹽元件、非溶性鹽薄膜元件和采用離子交換樹脂元件，即包括無機電解質和高分子電解質濕敏傳感器兩大類。一、氯化鋰電解質濕敏傳感器登莫式氯化鋰濕敏傳感器：結構如圖，A為用聚苯乙烯包封的鋁管，B為用聚乙烯醋酸鹽覆蓋在A上的鋁絲。右圖為濕敏特性曲線。這種元件具有較高的精度，同時結構簡單、價廉，適用于常溫常濕的測控等。氯化鋰元件的測量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關。單個元件的有效感濕范圍一般在20％RH以內。例如0.05％的濃度對應的感濕范圍約為(80～100)％RH，0.2％的濃度對應范圍是(60～80)％RH等。由此可見，要測量較寬的濕度范圍時，必須把不同濃度的元件組合在一起使用。可用于全量程測量的濕度計組合的元件數一般為5個，采用元件組合法的氯化鋰濕度計可測范圍通常為(15～100)％RH，國外有些產品聲稱其測量范圍可達(2～100)%RH。登莫式傳感器結構氯化鋰濕敏特性曲線浸漬式氯化鋰濕敏傳感器：在基片材料上直接浸漬氯化鋰溶液構成的，與登莫式不同，它部分地避免了高濕度下所產生的濕敏膜的誤差。由于采用了表面積大的基片材料，并直接在基片上浸漬氯化鋰溶液，因此這種傳感器具有小型化的特點，適應于微小空間的濕度檢測。在這種方式的傳感器中，還有在玻璃帶上浸有氯化鋰溶液的另一類浸漬式濕敏傳感器，其結構如圖所示。圖（b）為玻璃帶上浸LiCl的濕敏傳感器的感濕特性曲線，由曲線可知阻值的對數與相對濕度成線性關系。優點：采用兩種不同氯化鋰溶液濃度的傳感器就能夠檢測出20％RH-80％RH的相對濕度。玻璃帶上浸LiCl的濕敏傳感器的結構及感濕特性曲線

二、高分子電解質濕敏傳感器利用高分子電解質吸濕而導致電阻率發生變化的基本原理來進行測量的。這類元件的感濕膜是高分子聚合物，真正起到吸濕導電作用的敏感物質是電解質。當水吸附在強極性基高分子上時，隨著濕度的增加吸附量增大，吸附水之間凝聚呈液態水狀態。在低濕吸附量少的情況下，由于沒有電離子產生，電阻值很高；當相對濕度增加時，凝聚化的吸附水就成為導電通道，高分子電解質的成對離子主要起載流子作用。此外，由吸附水自身離解出來的質子（H+）及水和氫離子（H3O+）也起電荷載流子作用，這就使得載流子數目急劇增加，傳感器的電阻急劇下降。利用高分子電解質在不同濕度條件下電離產生的導電離子數量不等使阻值發生變化，就可以測定環境中的濕度。12.3半導體濕敏傳感器一、元素半導體濕敏器件在電絕緣物表面上通過蒸發等工藝，制備一層具有吸濕性的元素半導體薄膜，隨濕氣的吸附與脫附過程，電阻值發生變化而形成濕敏電阻器。硒蒸發膜濕敏傳感器的結構如圖，在絕緣瓷管表面上鍍一層鉑膜，然后以細螺距將鉑膜刻成寬約0.1cm的螺旋狀，以此作為兩個電極。在兩個電極之間蒸發上硒，A為鉑電極，B為硒蒸發膜層。這種傳感器不使用吸濕性鹽和固定劑，能夠在高溫下長期連續使用。硒蒸發膜濕敏傳感器的結構圖硒蒸發膜濕敏傳感器電阻-濕度關系二、金屬氧化物半導體陶瓷濕敏器件半導體陶瓷使用壽命長，可以在很惡劣的環境下使用幾萬小時。在濕度的測量方面，半導體陶瓷濕敏器件可以檢測1%RH這樣的低濕狀態，而且還具有響應快、精度高、使用溫度范圍寬、濕滯現象小和可以加熱清洗等各種優點。1.涂覆膜型濕度敏感器件涂覆膜型濕度敏感元件是把感濕材料(金屬氧化物)調漿，涂覆在已制好的梳狀電極或平行電極的氧化鋁等基板上制備而成。特點：物理特性和化學特性比較穩定，結構、工藝簡單，測濕量程寬，重復性和一致性較好，壽命長，成本低等。Fe3O4濕敏元件如圖。Fe3O4膠體膜濕敏元件結構圖12.13Fe3O4膠體膜傳感器的電阻與濕度的關系2.多孔質燒結型陶瓷濕敏器件鉻酸鎂—二氧化鈦()陶瓷濕敏元件，其結構、電阻-濕度特性、電阻-溫度特性及響應時間特性如圖所示。工作機理：利用陶瓷燒結體微結晶表面對水分子進行吸濕或脫濕使電極間電阻值隨相對濕度成指數變化。燒結型濕敏傳感器結構電阻-濕度特性電阻-溫度特性響應時間特性3.厚膜陶瓷濕敏傳感器厚膜濕敏傳感器結構如圖所示，是在氧化鋁基片上印刷梳狀電極，梳狀電極相互交錯排列并成平行線。在常溫下，相對濕度大于30%RH時，電阻值小于1MΩ，當濕度從30%RH變化到90%RH時，電阻值約變化三個數量級。溫度對電阻-濕度特性有影響，低濕時影響較大，相對濕度不變的情況下，隨著溫度升高，電阻值變小。圖12.17厚膜濕敏傳感器結構圖4.薄膜濕敏傳感器薄膜濕敏傳感器的結構一般有兩種形式，一種是在硼硅玻璃或藍寶石襯底上沉積一層氧化物薄膜，然后在薄膜上再蒸發一對梳狀電極；另一種是先在硼硅玻璃或藍寶石襯底上，用真空蒸發方法制作下金電極，再用噴鍍法或濺射法生成一層多孔質的氧化物薄膜，然后再在此薄膜上蒸發上金電極。薄膜濕敏傳感器的感濕特征量往往都采用電容量。由三氧化二鋁做電介質做成的薄膜濕敏傳感器的結構及電容—濕度特性如圖所示。薄膜濕敏傳感器的優點：體積小，工作溫度范圍寬，元件響應快，在低濕下靈敏度高，沒有“沖蝕”。薄膜濕敏傳感器的缺點：對污染敏感而影響精度，高濕時精度較差，工藝復雜，老化嚴重，穩定性較差。采用等離子法制作的元件，穩定性有所提高，但尚待進一步改進。薄膜濕敏傳感器的結構Ta2O5薄膜濕敏傳感器的電容-濕度特性三、MOSFET濕敏器件用半導體工藝制成的MOSFET濕敏器件，由于是全固態濕敏傳感器，有利于傳感器的集成化和微型化，因此是一種很有前途和價值的濕敏傳感器。下圖為MOSFET濕敏器件典型結構。從圖中看出，這種濕敏器件是在MOSFET的柵極上涂覆一層感濕薄膜，在感濕薄膜上再增加另一電極而構成。在MOSFET濕敏器件的柵極上施加脈沖正電壓時，經過一定時間后，正電荷均勻分布感濕材料膜上，并在柵極絕緣層下面形成N溝道而開始流通漏電流。這時，環境的相對濕度的大小直接影響脈沖弛豫時間，也就是正電荷均勻分布在感濕膜上的時間隨相對濕度而變化，從而達到測量濕度的目的。四、結型濕敏器件利用肖特基結或PN結二極管的反向電流或反向擊穿電壓隨環境相對濕度的變化，可以制成一種結型濕度敏感器件。在結型濕度敏感器件中，二氧化錫濕敏二極管是比較有代表性的。二極管的結區直接暴露于外界環境之中，在二極管處于反向偏壓狀態時，在雪崩擊穿區附近，其反向電流直接與環境的相對濕度有關，或者說，其反向擊穿電壓隨環境相對濕度而改變，即該二極管具有感濕特性。下圖為SnO2濕敏二極管雪崩電流與相對濕度的關系。從圖中看出，隨著相對濕度增加，反向電流減少。這是由于當二極管置于待測濕度的環境中時，二極管的勢壘部分處就會有水分吸附，耗盡層即向硅襯底擴展，從而提高了二極管的雪崩擊穿電壓。如果保持反向擊穿電壓不變，那么當環境相對濕度增加時，雪崩電流就減小，利用這種特性即可測出相對濕度。SnO2濕敏二極管的結構SnO2濕敏二極管雪崩電流與相對濕度關系12.5濕敏傳感器的應用濕敏傳感器廣泛應用于軍事、氣象、工業、農業、醫療、建筑以及家用電器等場合的濕度檢測、控制與報警。濕敏傳感器的主要應用范圍和使用溫度、濕度范圍如表。應用領域使用設備使用溫度、濕度范圍備注溫度℃濕度%RH家用電器空調機器干燥機電子炊具VTR5~405~805~100-5~6040~700~102~10060~100空調、烘干機、食品加熱、烹調控制、防止結露汽車散熱器-20~8050~100防止結露醫療治療器保健設備10~3010~3080~10050-80呼吸器系統、空調工業纖維干燥器粉體水分干燥食品電子部件生產10~3030~1005~10050~1005~405~1000~500~500~500~50制絲、窯業木材干燥、窯業原料、磁頭、LSI、IC農林畜牧房屋空調茶田防霜養殖5~40-10~6020~250~1005~10040~70空調、防止結露、健康管理測量恒溫恒濕槽無線氣候監測5~100-50~400~1000~100精密測量、氣象測量1、直讀式濕度計圖示為直讀式濕度計電路，其中RH為氯化鋰濕敏傳感器。由VT1、VT2、T1等組成測濕電橋的電源，其振蕩頻率為250~100OHz。電橋的輸出經變壓器T2，Ｃ3耦合到VT3，經VT3放大后的信號，經VD1~VD4橋式整流后，輸入給微安表，指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變，經標定并把濕度刻劃在微安表盤上，就成為一個簡單而實用的直讀式濕度計了。直讀式濕度計電路圖2、微波爐濕度檢測控制系統微波爐工作室濕度檢測控制系統：RH為濕敏元件，電熱器用來加熱濕敏元件至550℃工作溫度。由于傳感器工作在高溫環境中，所以濕敏元件一般不采取直流電壓供電，而采用振蕩器產生的交流電供電，這是因為在高溫環境中，當濕敏元件加上直流電時，很容易發生電極材料的遷移，從而影響傳感器的正常工作。R0為固定電阻，與傳感器電阻RH微波爐中濕敏傳感器安裝示意圖微波爐濕度檢測控制系統原理框圖3、汽車玻璃擋板結露控制電路汽車駕駛室擋風玻璃及后窗玻璃的自動去霜電路，其目的是防止駕駛室的擋風玻璃及后窗玻璃結露或結霜，保證駕駛員視線清楚，避免事故發生，該電路同樣可以用于其他需要除霜的場合。圖12.30汽車后窗玻璃自動去濕裝置圖中RL為加熱絲，將其埋入擋風玻璃內，如圖12-30(a)所示。RH為結露傳感器。圖(b)為其控制電路。晶體管T1、T2構成施密特觸發電路，T2的集電極負載為繼電器J的線圈繞組。R1、R2為T1的基極電阻，RH為結露傳感器的等效電阻。在低濕度時，調整R1和R2使T1導通、T2截止，J觸點釋放。當濕度增大到80%RH以上時，RH值下降，由于RH//R2減小，使T1截止T2導通，則J的線包通電，常開點接通Ec，加熱擋風玻璃中的加熱絲，驅散濕氣，避免擋風玻璃結露。當濕度減少到一定程度，RH//R2又回到不結露時的阻值，T1、T2恢復到初始狀態，加熱停止，從而實現了自動去濕，防止結露或結霜。4、糧倉濕度控制器糧倉濕度控制電路如圖所示。其中CH為濕敏傳感器等效電容，它的電容值隨著環境相對濕度的增高而成比例的增大。由IC1時基電路等組成檢測電路，IC1a構成振蕩頻率為1kHz的多諧振蕩器，其輸出下沿脈沖觸發IC1b構成的單穩電路，單穩輸出的脈沖寬度正比于濕敏傳感器CH的電容值，因而它的輸出電壓平均值正比于相對濕度。此平均電壓加到IC3比較器的同相輸入端，當該電壓高于反相輸人端電壓時，IC4輸出高電平，使VT1導通，繼電器K工作，其觸點K1閉合，倉庫的排濕風機工作。于此同時，VD1發光二極管點亮，告知庫內的濕度已超過規定的標準。濕度預置電路由IC2及外圍元件組成，它與IC1組成的電路完全相同。調節可變電容器C3，便可預置所要控制的相對濕度，它以加在IC3比較器反相輸人端的電壓來體現。糧倉濕度控制電路5、雞、鴨雛室濕度控制器雛室濕度控制器的電路如圖。其中濕敏傳感器采用MS01-B型濕敏電阻，它的阻值隨相對濕度的變化而改變。當相對濕度為70%RH時，傳感器的電阻值為40kΩ左右，相對濕度再增加時，阻值就開始小于40kΩ了。由于傳感器不能在直流電壓下工作，所以先將交流220V電壓經變壓器T變為8V交流電壓，再經D1、D2雙向削波，變成平頂式交流電壓。交流電流流經濕敏傳感器RH，經橋式整流，就有直流電流流過電流表。顯然，雛室內的相對濕度越高，流經電流表的電流就越大，這樣就可以從電流表上讀出濕度值了。由IC1等組成比較器，其基準電壓加在IC1的同相端，調節RP1可設定上限控制濕度。濕度檢測電路的輸出電壓加在IC1的反相端，濕度較低時，它的電壓值低于加于同相端電壓值，IC1輸出高電平，使VT1導通，繼電器K工作，常開觸點K1閉合，電爐電阻絲開始對盆中的水加熱，使水蒸汽不斷擴散到空氣中去，以增加空氣的相對濕度。當濕度上升到設定值時，由于濕敏傳感器RH的電阻值減小，IC1反相輸入端的電壓等于同相端的基準電壓，IC1輸出低電平，使VT1截止，繼電器K停止工作，中斷對水的加熱。控制器就這樣反復的長作，使雛室相對濕度控制在給定的范圍之內。雛室濕度控制器電路原理圖

第14章智能傳感器及其應用 教學要求1．了解智能傳感器的概念、功能及特點。2．掌握智能傳感器的結構、原理及各功能模塊設計方法。3．掌握典型智能傳感器應用設計方法。 教學內容傳統傳感器缺點：只能作為敏感元件，須配上變換儀表才能檢測待測量等的變化。智能傳感器：一種帶有微處理器并兼有檢測和信息處理功能的傳感器，集成了傳感器、智能儀表的全部功能，具有很高的線性度和低的溫度漂移，降低了系統的復雜性、簡化了系統結構、提高了系統的功能。智能型傳感器被稱為第四代傳感器，具備感覺、辨別、判斷以及自診斷等多種功能，是傳感器的發展方向。14.1智能傳感器概述一、智能傳感器的概念智能傳感器：以微處理器為核心，能夠自動采集、存儲外部信息，并能自動對采集的數據進行邏輯思維、判斷及診斷，能夠通過輸入輸出接口與其他智能傳感器(智能系統)進行通信的傳感器。智能傳感器擴展了傳感器的功能，使之成為具備人的某些智能的新概念傳感器。二、智能傳感器的功能自動化領域所取得的一項最大進展就是智能傳感器的發展與廣泛使用，智能傳感器代表了傳感器的發展方向，這種智能傳感器帶有標準數字總線接口，能夠自己管理自己，能將所檢測到的信號經過變換處理后，以數字量形式通過現場總線與上位計算機或其他智能系統進行通信與信息傳遞。和傳統的傳感器相比，智能傳感器具備以下一些功能：⑴.復合敏感功能智能傳感器應該具有一種或多種敏感能力，如能夠同時測量聲、光、電、熱、力、化學等多個物理或化學量，給出比較全面反映物質運動規律的信息；同時測量介質的溫度、流速、壓力和密度；同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移等。⑵.自動采集數據并對數據進行預處理智能傳感器能夠自動選擇量程完成對信號的采集，并能夠對采集的原始數據進行各種處理，如各種數字濾波、FFT變換、HHT變換等時頻域處理，進而進行功能計算及邏輯判斷。⑶.自補償、自校零、自校正功能為保證測量精度，智能傳感器必須具備上電自診斷、設定條件自診斷以及自動補償功能，如能夠根據外界環境的變化自動進行溫度漂移補償、非線性補償、零位補償、間接量計算等。同時能夠利用EEPROM中的計量特性數據進行自校正、自校零、自標定等功能。⑷.信息存儲功能智能傳感器應該能夠對采集的信息進行存儲，并將處理的結果送給其他的智能傳感器或智能系統。實現這些功能需要一定容量的存儲器及通訊接口。現在大多智能傳感器都具有擴展的存儲器及雙向通訊接口。⑸.通信功能⑹.自學習功能三、智能傳感器的特點與傳統傳感器相比，智能傳感器具有如下特點：⑴精度高、測量范圍寬⑵高可靠性與高穩定性⑶高信噪比與高的分辨力⑷強的自適應性⑸高的性能價格比⑹功能多樣化。14.2智能傳感器的實現技術按照實現形式，智能傳感器可以分為非集成化智能傳感器、集成化智能傳感器以及混合式智能傳感器三種結構。典型的智能傳感器結構如圖。典型的智能傳感器結構組成示意圖1、非集成化智能傳感器將傳統的經典傳感器、信號調理電路、微處理器以及相關的輸入輸出接口電路、存儲器等進行簡單組合集成而得到的測量系統，如圖所示。在這種實現方式下，傳感器與微處理器可以分為兩個獨立部分，傳感器及變送器將待測物理量轉換為相應的電信號，送給信號調理電路進行濾波、放大，再經過模數轉換后送到微處理器。微處理器是智能傳感器的核心，不但可以對傳感器測量數據進行計算、存儲、處理，還可以通過反饋回路對傳感器進行調節。微處理器可以根據其內存中駐留的軟件實現對測量過程的各種控制、邏輯推理、數據處理等功能，使傳感器獲得智能，從而提高了系統性能。圖14.2非集成式智能傳感器框圖2、集成化智能傳感器以硅材料為基礎，采用微米級的微機械加工技術和大規模集成電路工藝來實現各種儀表傳感器系統的微米級尺寸化，國外也稱它為專用集成微型傳感技術。由此制作的智能傳感器的特點是：⑴微型化⑵一體化⑶精度高⑷多功能⑸陣列式⑹使用方便，操作簡單3、混合式智能傳感器根據需要將系統各個集成化環節，如敏感單元、信號調理電路、微處理器單元、數字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并封裝在一個外殼里。如圖所示。在一個封裝中可能的混合集成實現方式14.3傳感信號的采集智能傳感器能夠按照預定的程序控制一系列測量測試的傳感器依次采集數據，并對采集的數據進行存儲、運算、分析判斷、接口輸出及自動化操作。傳感信號的采集是智能傳感器的重要組成部分，如圖中虛線部分。智能傳感器一般結構1、敏感元件及其調理電路敏感元件有的輸出電壓信號，有的輸出電流信號，也有的可能輸出光信號等，且信號的大小強弱也不盡相同，這就要求工程技術人員必須設計相應的信號調理電路，以將這些信號進行變換、放大、濾波等處理，轉換為與后級電路相匹配的信號。各種傳感器及信號調理示意圖以應變片為例介紹調理電路的設計問題：電阻應變絲的阻值變化反映了被測對象的應變變化，為了測量的方便，需要把它轉化為電壓信號，通常采用電橋形式，如圖所示。橋式電路電橋輸出信號還很小，需要進一步放大，并濾除混入的噪聲，從而保證檢測的精度，使信號達到A/D轉換器所要求的滿量程電平。儀用放大器是常用的放大電路之一，如圖所示，該測量放大器具有高的輸人阻抗、低的輸出阻抗、高的共模抑制比、較低的失調電壓和溫度漂移。圖14.8儀用放大器2、數據采集電路的配置傳感器信號經上述處理成為A/D轉換器所需要的電壓信號，就可以送給A/D轉換器并將其轉換為數字信號。典型數據采集系統如圖所示。常用數據采集系統3、A/D轉換器的選擇A/D轉換器的種類很多，各性能指標也各不相同，應用比較廣泛的有逐次逼近型、雙積分型和V-F變換型。逐次逼近A/D轉換器轉換速度高，有8~14位精度任選，輸出響應快，但抗干擾能力較差。雙積分A/D轉換器有很強的抗噪聲干擾能力，精度很高，分辨率可達12~20位，且價格便宜，但轉換速度較慢。V-F變換器響應速度快，抗干擾性能好，能連續轉換，適用于輸人信號動態范圍寬和需要遠距離傳送的場合。在使用A/D轉換器之前要仔細分析系統采集信號的特征，結合A/D轉換器的各項性能指標，仔細加以選擇。選擇過程中應該考慮轉換位數、轉換速率、工作電壓和基準電壓等參數。有的單片機內也含有A/D轉換器，如ATMEG128、MSP430等，使用這樣的單片機設計智能傳感器將更加方便，特別是MSP430單片機的超低功耗特性，能設計出體積小、功能強的便攜式智能傳感器系統。14.4智能傳感器的信號處理技術為提高檢測精度，必須減少環境的影響，排除噪聲干擾，把有用信息從混雜有噪聲的信號中提取出來，從而需要對監測信號進行信號處理，以獲得相應的的特征參數。信號處理是智能傳感器系統中必不可少的環節。所采用的信號處理技術主要有數字濾波、相關分析、統計平均處理、自動校準、非線性補償等。一、非線性補償技術為了實現傳感器系統輸入-輸出特性是一條直線，可以從傳感器硬件和軟件兩個方面進行考慮，進而設計合適的硬件或軟件的非線性校正器。作為智能傳感器系統，不管系統前端的傳感器及其調理電路至A/D轉換器的輸入-輸出特性有多么嚴重的非線性，都能在后期的軟件中加以處理，進而實現非線性校正，如圖所示。智能傳感器能自動按圖(c)所示的反非線性特性進行刻度轉換，使輸出y與輸入x呈理想直線關系，即系統能夠進行非線性的自動校正。具有這種非線性自校正功能所要求的條件僅僅是使前端傳感器及其調理電路的輸入-輸出特性(x-u)具有重復性。非線性自校正的常用方法：查表法和曲線擬合法。智能傳感器系統非線性校正示意圖(a)智能傳感器系統框圖；(b)輸入(x)-輸出(u)特性；(c)反非線性特性u-x；(d)智能傳感器系統的輸入(x)-輸出(y)特性1.查表法查表法是一種分段線性插值法。它是根據精度要求對反非線性曲線進行分段，用若干段折線逼近曲線，將折點坐標值存入數據表中，如圖所示。測量時首先要明確對應輸入被測量xi的電壓值ui是在哪一段；然后根據那段的斜率進行線性插值，即得輸出值yi=xi。下面以四段為例，折點坐標值為：橫坐標：u1，u2，u3，u4，u5；縱坐標：x1，x2，x3，