微型化和智能化传感器(h)课件.ppt

1、10:05 AM110:05 AM2第5章 微型化和智能化传感器5.1 概述5.2 微型温度传感器5.3 硅压阻式微型压力传感器5.4 电容式微型传感器5.5 智能化变送器10:05 AM35.1 5.1 概述概述 随着微电子技术、微计算机技术和网络通信技术的发展，传感器也随着微电子技术、微计算机技术和网络通信技术的发展，传感器也步入了微型化和智能化的发展时代。步入了微型化和智能化的发展时代。由于大规模和超大规模集成电路的发展，可将组成传感器的多个单由于大规模和超大规模集成电路的发展，可将组成传感器的多个单元集成在一块芯片上，包括检测元件、信号的调制、解调电路、信号放元集成在一块芯片上，包括检

2、测元件、信号的调制、解调电路、信号放大和转换电路、线性化处理、输入、输出电路和通信功能等模块集成在大和转换电路、线性化处理、输入、输出电路和通信功能等模块集成在一块或二块芯片上，从而极大地缩小了传感器的体积，为传感器的微型一块或二块芯片上，从而极大地缩小了传感器的体积，为传感器的微型化创造了条件。化创造了条件。微计算机（尤其是单片机）在传感器中的应用，利用其强大的控制微计算机（尤其是单片机）在传感器中的应用，利用其强大的控制与信号处理能力，传感器的功能更加强大。例如，自动零点和增益校正、与信号处理能力，传感器的功能更加强大。例如，自动零点和增益校正、非线性校正、温度自动补偿、自动消除交叉灵敏度

3、的影响、量程自动切非线性校正、温度自动补偿、自动消除交叉灵敏度的影响、量程自动切换、自检和自诊断等，给传感器赋予了智能化功能。换、自检和自诊断等，给传感器赋予了智能化功能。随着网络通信技术的发展，传感技术的发展已进入崭新的发展阶段。随着网络通信技术的发展，传感技术的发展已进入崭新的发展阶段。各种现场总线在传感器中的应用，传感器已实现了网络化。各种现场总线在传感器中的应用，传感器已实现了网络化。10:05 AM4微型化与智能化传感器的特点微型化与智能化传感器的特点精度高精度高高可靠性与高稳定性高可靠性与高稳定性高信噪比与高分辨率高信噪比与高分辨率 功能更强大功能更强大自适应能力强自适应能力强体积

4、小体积小性能价格比高性能价格比高 微型传感器与智能传感器是当前世界传感技术发展的重要趋势。10:05 AM55.2 5.2 微型温度传感器微型温度传感器5.2.1 热释电红外线传感器热释电红外线传感器 热释电红外线传感器是热释电红外线传感器是8080年代发展起来的一种新型高灵敏度探年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并，并将其转换成电压信号输出。同时，它还能将其转换成电压信号输出。同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非鉴别出运动的生物与其它非生物生物。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种

5、控制电路，如作电源。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动监测等。热释电红外传感器不仅适用开关控制、防盗防火报警、自动监测等。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所，亦适于对人体伤害极为严重的高压电及于防盗报警场所，亦适于对人体伤害极为严重的高压电及射线、射线、射线自动报警等。射线自动报警等。10:05 AM6热释电红外传感器的结构及内部电路热释电红外传感器的结构及内部电路用它制作的防盗报警器与目前用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：材相比，具有如下特点：不需要用红外线或电磁波等不需要用

6、红外线或电磁波等发射源。发射源。灵敏度高、控制范围大。灵敏度高、控制范围大。隐蔽性好，可流动安装。隐蔽性好，可流动安装。l热释电晶体具有自发的电极化能力，电极化强度与温度有关，晶体的热释电晶体具有自发的电极化能力，电极化强度与温度有关，晶体的这种性质称为这种性质称为热释电效应热释电效应。l常温下，虽然晶体也产生热释电效应，在与自发极化强度常温下，虽然晶体也产生热释电效应，在与自发极化强度 垂直的两垂直的两端面出现极性相反、密度等于端面出现极性相反、密度等于 的面束缚电荷，但是该电荷被晶体内部的面束缚电荷，但是该电荷被晶体内部和外部的自由电荷中和，故对外呈现中性。和外部的自由电荷中和，故对外呈现

7、中性。l由此可见，不能在静态条件下测量热释电晶体的自发极化电荷。由此可见，不能在静态条件下测量热释电晶体的自发极化电荷。sPsP10:05 AM7热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为甘钛等制成尺寸为2 2l mml mm的探测元件。在每的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接度升高而

8、产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。热释电在探头内的场效应管放大后向外输出。热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一

9、串交变脉冲信号。当然，如果人体静将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不视而不见见”的。的。菲涅尔透镜可以将人体辐菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断释电探测元要求信号不断变化的特性。变化的特性。10:05 AM8 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的生一个交替变化的

10、“盲区盲区”和和“高灵敏区高灵敏区”，以提高它的探测，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从断地交替从“盲区盲区”进入进入“高灵敏区高灵敏区”，这样就使接收到的红，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加强其能量幅度。外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为人体辐射的红外线中心波长为910-um910-um，而探测元件的，而探测元件的波长灵敏度在波长灵敏度在0.220-um0.220-um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端范围内几乎稳定不变。在传感器

11、顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长这个滤光片可通过光的波长范围为范围为710-um710-um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。探测人体辐射的红外线传感器。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同

12、，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密 10:05 AM9 传感器不加菲涅尔透传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于镜时，其检测距离小于2m2m，而加上该透镜后，其检测而加上该透镜后，其检测距离可增加距离可增加3 3倍以上倍以上。10:05 AM10热释电套件热释电套件10:05 AM11热释电报警器热释电报警器菲涅尔透镜菲涅尔透镜设定按钮设定按钮

13、高分贝喇叭高分贝喇叭10:05 AM12热释电报警器（续）热释电报警器（续）菲涅尔透镜菲涅尔透镜 5mm接接插件插件10:05 AM13热释电报警器（续）热释电报警器（续）吸顶式热释电报警器吸顶式热释电报警器10:05 AM14热释电传感器应用热释电传感器应用 热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗热释电传感器的感热释电传感器的感应范围应范围10:05 AM15热释电感应灯热释电感应灯热释电传热释电传感器感器10:05 AM16自动感应灯自动感应灯（参考施特朗公司资料）（参考施特朗公司资料）10:05 AM17热释电传感器在智能空调中的应用热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测出

14、屋智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。以达到节能的目的。空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。里是否有人，以及人是静止着还是走动着。上下范围上下范围左右范围左右范围10:05 AM18可以用于以下各种实用电路中：可以用于以下各种实用电路中：1.1.“有电，危险有电，危险”安全警示电路安全警示电路 用于有电的场合，当有人进入这些场合时，通用于有电的场合，当有人

15、进入这些场合时，通过发出语音和声光提醒人们注意安全。过发出语音和声光提醒人们注意安全。2.2.自动门自动门 主要用于银行、宾馆。当有人来到时，大门自动打开，；人离开后又主要用于银行、宾馆。当有人来到时，大门自动打开，；人离开后又自动关闭。自动关闭。3.3.红外线防盗报警器红外线防盗报警器 用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。4.4.高速公路车辆车流计数器高速公路车辆车流计数器 5 5.自动开、关的照明灯，人体接近自动开关自动开、关的照明灯，人体接近自动开关等。等。10:05 AM19表面贴装热释电红外传感器表面贴装热释电红外传感器 红外吸顶人体感应开

16、关红外吸顶人体感应开关 案例案例4.15路巡回红外探测器路巡回红外探测器参见教材参见教材10:05 AM205.2.2 PN结温度传感器结温度传感器 由于硅由于硅PN结温度传感器具有优良的性能和低廉的价格，在常结温度传感器具有优良的性能和低廉的价格，在常温区正在逐步替代着原有传统的测温器件。温区正在逐步替代着原有传统的测温器件。PN结温度传感器与热结温度传感器与热敏电阻和热电阻相比，它的最大特点是敏电阻和热电阻相比，它的最大特点是输出特性几乎近似于线性输出特性几乎近似于线性关系关系，而且精度高、体积小、使用方便、易于集成化。因此被广，而且精度高、体积小、使用方便、易于集成化。因此被广泛应用于家

17、电、医疗器械、食品、化工、冷藏、粮库、农业、科泛应用于家电、医疗器械、食品、化工、冷藏、粮库、农业、科研等有关领域。硅研等有关领域。硅PN结温度传感器的主要技术参数：测量范围：结温度传感器的主要技术参数：测量范围：-50150；灵敏度：；灵敏度：-2.1mV/-2.3mV/；互换精度：一；互换精度：一般优于般优于0.5；线性度：优于；线性度：优于0.5；输出阻抗：小于；输出阻抗：小于500。可以制成晶体二极管或三极管型的可以制成晶体二极管或三极管型的PN结温度传感器以及集成型的结温度传感器以及集成型的PN结温度传感器。结温度传感器。PN结温度传感器的工作原理是基于半导体结温度传感器的工作原理是

18、基于半导体PN结的结电压随温结的结电压随温度变化的特性进行温度测量的。度变化的特性进行温度测量的。10:05 AM21晶体二极管或三极管的晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的管的PN结的结电压在温度每升高结的结电压在温度每升高1时，下降约时，下降约2mV，利用这种特性，利用这种特性，一般可以直接采用二极管一般可以直接采用二极管(如玻璃封装的开关二极管如玻璃封装的开关二极管1N4148)或采用硅或采用硅三极管三极管(可将集电极和基极短接可将集电极和基极短接)接成二极管来做接成二极管来做PN结温度传感器。这结温度传感器。这种传感器有较好的

19、线性，尺寸小，其热时间常数为种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2s2s，灵敏度，灵敏度高。测温范围为高。测温范围为-50+150。典型的温度曲线如图。典型的温度曲线如图4.86所示。同型号所示。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。把晶体管和激励电路、把晶体管和激励电路、放大电路、恒流电路以放大电路、恒流电路以及补偿电路等集成在一及补偿电路等集成在一个芯片上就构成了集成个芯片上就构成了集成温度传感器。温度传感器。图图 PN结温度传感器的温度曲线结温度传感器的温度曲线10:05 AM22 集成（集成（IC）

20、温度传感器是指把温度敏感元件与后续放大器集）温度传感器是指把温度敏感元件与后续放大器集成于一片芯片上，组成传感与放大为一体的功能器件的传感器。成于一片芯片上，组成传感与放大为一体的功能器件的传感器。温度敏感元件的原理与晶体管温度敏感元件的原理与晶体管PN结温度传感器相似。结温度传感器相似。5.2.3 集成集成(IC)温度传感器温度传感器图5-3 电压输出型IC温度传感器a）温度敏感元件 b）IC温度传感器原理10:05 AM231.1.工作原理工作原理 AD590AD590属于电流型集成温度传感器，电流型集成温度属于电流型集成温度传感器，电流型集成温度传感器是一个输出电流与温度成比例的电流源，

21、由于电传感器是一个输出电流与温度成比例的电流源，由于电流很容易变换成电压，因此这种传感器应用十分方便。流很容易变换成电压，因此这种传感器应用十分方便。测温部分：测温部分：)ln(101cbeITekTUU)ln(202cbeITekTUU)ln(2121ccbebebeIIekTUUU10:05 AM24电流型集成温度传感器电流型集成温度传感器AD590的应用的应用温度测量温度测量2.2.应用应用10:05 AM25温度控制温度控制AD311：比较器AD581:基准电压源10:05 AM26多点温度测量多点温度测量10:05 AM27 数字输出型集成温度传感器的应用数字输出型集成温度传感器的应

22、用 美国美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器公司生产的单线数字温度传感器DS1820，可，可把温度信号直接转换成串行数字信号供计算机处理。把温度信号直接转换成串行数字信号供计算机处理。10:05 AM28DS1820测量温度时测量电路测量温度时测量电路10:05 AM295.2.4 微型温度传感器应用实例微型温度传感器应用实例本测温仪采用本测温仪采用LN-206P或或IRA001S热释电传感器，该传感器在调制光的频率热释电传感器，该传感器在调制光的频率为为7Hz以下工作，在以下工作，在1Hz获得最高频响灵敏度可达获得最高频响灵敏度可达1100V/W（在温度（在温度500K时）。因此，必

23、须把被测物体发射的连续红外光调制成时）。因此，必须把被测物体发射的连续红外光调制成1Hz的脉冲光。的脉冲光。图5-5 传感器与测温仪组成框图1调制盘 2传感器 3电动机 4温度补偿二极管案例案例1：具有温度自动补偿的红外测温仪：具有温度自动补偿的红外测温仪10:05 AM30案例案例2：15路巡回红外探测报警器路巡回红外探测报警器该巡回红外探测器可对该巡回红外探测器可对15路进行人体移动探测和声光报警，适用仓库路进行人体移动探测和声光报警，适用仓库的防盗报警。的防盗报警。该装置选用该装置选用HN911系列热释电集成传感器，其内部含有热释电检测元系列热释电集成传感器，其内部含有热释电检测元件，选

24、频放大器，信号处理电路，延迟电路，温度补偿电路和高低电件，选频放大器，信号处理电路，延迟电路，温度补偿电路和高低电平输出电路等，其管脚排列见图平输出电路等，其管脚排列见图5-7a。图中，。图中，6脚为地；脚为地；3脚为脚为VDD；4与与5脚间接脚间接100 变阻器调节传感器的灵敏度；变阻器调节传感器的灵敏度；1与与2脚为输出，静态时，脚为输出，静态时，1脚输出低电平，脚输出低电平，2脚输出高电平；当有移动人体进入探测区域时，脚输出高电平；当有移动人体进入探测区域时，1脚由低电平变高电平，脚由低电平变高电平，2脚由高电平变低电平。单片脚由高电平变低电平。单片HN911的探测距的探测距离达离达15

25、m。10:05 AM3110:06 AM325.3 5.3 硅压阻式微型压力传感器硅压阻式微型压力传感器图图5-10 硅盒结构集成压力传感器剖面硅盒结构集成压力传感器剖面10:06 AM33一一.普通型单片集成压力传感器普通型单片集成压力传感器图图5-11 集成压力传感器原理集成压力传感器原理10:06 AM34图图5-12 具有补偿功能的集成压力传感器具有补偿功能的集成压力传感器具有零点漂移和灵敏度漂移补偿功能的集成压力传感器具有零点漂移和灵敏度漂移补偿功能的集成压力传感器10:06 AM35二二.集成压力传感器集成压力传感器MPX3100该传感器将压敏电阻、补偿电路、基准电压源和信号调理电

26、路集成在同该传感器将压敏电阻、补偿电路、基准电压源和信号调理电路集成在同一芯片上，其剖面图见图一芯片上，其剖面图见图5-15a；敏感元件的符号和引脚功能见图；敏感元件的符号和引脚功能见图5-15b。该传感器的敏感元件为单个该传感器的敏感元件为单个X型压敏电阻，它的工作原理是利用单片硅型压敏电阻，它的工作原理是利用单片硅压敏电阻产生随被测压力而变化的输出电压。图压敏电阻产生随被测压力而变化的输出电压。图b中，中，3、1脚接激励电脚接激励电压；压；2、4脚为输出电压。脚为输出电压。a）剖面图）剖面图 b）敏感元件的符号）敏感元件的符号10:06 AM36图中，图中，A1用于补偿压力传感器的零位温漂

27、，并起提高输入阻抗作用。用于补偿压力传感器的零位温漂，并起提高输入阻抗作用。A2将差分将差分输入转换成单端对地输出，并起阻抗变换作用。输入转换成单端对地输出，并起阻抗变换作用。A3为精密基准电压源，其作用为精密基准电压源，其作用是校准传感器零位输出电压。是校准传感器零位输出电压。A4是电压放大器，其增益由经激光修整的精密电是电压放大器，其增益由经激光修整的精密电阻来校准。该传感器的测量范围为阻来校准。该传感器的测量范围为00.1MPa，输出电压为（，输出电压为（0.52.5）V。图图5-16 MPX3100传感器电路原理传感器电路原理10:06 AM375.3 5.3 智能化变送器智能化变送器

28、一一.ST-3000系列智能变送器系列智能变送器ST-3000系列智能变送器由美国霍尼韦尔（系列智能变送器由美国霍尼韦尔（Honeywell）公司首先推出，它在）公司首先推出，它在14.7 的硅片上配置了差压的硅片上配置了差压、静压、静压 和温度和温度 三种传感元件，有效地解决了差压、三种传感元件，有效地解决了差压、静压和温度之间交叉灵敏度的影响，从而具有精度高、宽量程比和高稳定性的特静压和温度之间交叉灵敏度的影响，从而具有精度高、宽量程比和高稳定性的特点。点。图图5-24 ST-3000智能变送器组成框图智能变送器组成框图10:06 AM38二二.LD302智能压力变送器智能压力变送器通过变

29、送器内部不同功能软件模块的组态，该变送器可用于测量差压、绝对压力、通过变送器内部不同功能软件模块的组态，该变送器可用于测量差压、绝对压力、表压、液位和流量等工艺参数，是一台现场总线智能变送器。它由传感器组件板、表压、液位和流量等工艺参数，是一台现场总线智能变送器。它由传感器组件板、主电路板和显示板三部分组成。主电路板和显示板三部分组成。图图5-26 LD302智能变送器组成框图智能变送器组成框图10:06 AM39三三.阵列式智能气敏传感器阵列式智能气敏传感器在生产实际或日常生活中，对某种化在生产实际或日常生活中，对某种化学气体的浓度随时间和空间位置而变学气体的浓度随时间和空间位置而变化（例如

30、，煤气管道的泄漏），显然化（例如，煤气管道的泄漏），显然利用前述的单个传感器已无法满足检利用前述的单个传感器已无法满足检测要求。因为单个传感器的输出信号测要求。因为单个传感器的输出信号只能反映空间某一特定点的待测信息，只能反映空间某一特定点的待测信息，而不能检测气体浓度在空间和时间的而不能检测气体浓度在空间和时间的分布信息。将多个单传感器连成多维分布信息。将多个单传感器连成多维阵列式便可检测气体的浓度随时间和阵列式便可检测气体的浓度随时间和空间分布的信息。多维阵列式传感器空间分布的信息。多维阵列式传感器的输出信号经信号处理后送入的输出信号经信号处理后送入CRT显显示器，便能显示化学气体浓度的随时示器，便能显示化学气体浓度的随时间和空间分布的实时图象，将不可见间和空间分布的实时图象，将不可见的信息显形化。这类阵列式气敏智能的信息显形化。这类阵列式气敏智能传感器在工业生产和日常生活中已得传感器在工业生产和日常生活中已得到了广泛应用。到了广泛应用。图图5-31 气体多维检测智能传感器系统原理气体多维检测智能传感器系统原理10:06 AM40Do you have made a progress today?