1、传感器技术应用基础传感器技术应用基础1 什么是传感器什么是传感器 传感器的作用和地位传感器的作用和地位 传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法一、传感器的概念一、传感器的概念21.1.什么是传感器什么是传感器345 人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器
2、相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，因之又称为传感器好比人体感官的延长，因之又称为“电五官电五官”。传感器传感器外外界界信信息息感感 官官大大 脑脑肌肌 体体计算机计算机执行机构执行机构6传感器与“五官”的类比测控系统测控系统人人电脑电脑大脑大脑味觉传感器味觉传感器舌头舌头视觉传感器视觉传感器眼睛眼睛听觉传感器听觉传感器耳朵耳朵触觉传感器触觉传感器四肢四肢嗅觉传感器嗅觉传感器鼻子鼻子电电五五官官五五官官78测酒仪测酒仪指纹仪指纹仪9102.2.传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位n 传感器技术传感器技术（信息采集）；（信息采集）；n 通信技术通信技术 （信息传输）；（信息传
3、输）；n 计算机技术计算机技术11p 目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传感器对感器对检测和自动化技术检测和自动化技术所起的作用远比家用电器所所起的作用远比家用电器所起到的作用大的多。起到的作用大的多。（FMS、CIMS、无人驾驶汽车、大型发电机组监测、过程控制等）p 传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事领域医疗诊断、军事领域（目标跟踪、导弹制导、自动探测、通信指挥系统等）、航空航天、航空航天（卫星测控、海洋探测）、现代办公设、现代办公设备、智能楼宇、生物工程、环境
4、保护、安全防范和家备、智能楼宇、生物工程、环境保护、安全防范和家用电器等领域。用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。是构建现代信息系统的重要组成部分。p 现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，传感器是自传感器监视和控制生产过程的各个参数，传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。的水平。12p 工业生产工业生产131415火星探索者火星探索者1617阿富汗参加反恐作战的阿富汗参加反恐作战的“赫耳赫耳墨斯墨斯”价值价值4 4万美元
5、，可携带万美元，可携带2 2架摄像机，发挥了很好作用。架摄像机，发挥了很好作用。18高性能武器平台的基础高性能武器平台的基础19精确打击精确打击20212223射频卡门禁射频卡门禁24 纺纺 织织 品品精确的 烟草烘干烟草烘干木材烘干木材烘干芯片生产要求最高的湿度稳定性芯片生产要求最高的湿度稳定性纸纸 品品专为您的需求所设计的专为您的需求所设计的湿度传感器湿度传感器25NOXNO+NO2dust sootH2SH2OHCC-totalCO2COO2HCN HCl HF NH3SO2烟气测量烟气测量26火灾探测火灾探测波数/cm-1时间/min吸光度/A木块加热木块加热CO2光谱瀑布图光谱瀑布图
6、木块加热木块加热CO和和CO2浓度浓度变化变化t/min波数/cm-1时间/min吸光度/A木块加热木块加热CO光谱瀑布图光谱瀑布图常德大火常德大火27p传感器具有以下作用和功能传感器具有以下作用和功能（1 1）测量与数据采集测量与数据采集（2 2）检测与控制检测与控制（3 3）诊断与监测诊断与监测（4 4）辅助观测仪器辅助观测仪器（5 5）资源探测资源探测（6 6）环境保护环境保护（7 7）医疗卫生医疗卫生（8 8）家用电器家用电器 28 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商环境保护、资源调查、医学
7、诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重视这一领域的发展。视这一领域的发展。293.3.传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法3.1 3.1 传感器定义传感器定义p 广义：广义
8、：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。p 狭义：狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。p 国家标准（国家标准（GB7665GB76658787）对传感器（对传感器（Sensor/transducerSensor/transducer）定义是：）定义是：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置。信号的器件和装置。30313.2 3.
9、2 传感器的组成传感器的组成32元件式传感器组成框图：元件式传感器组成框图：被测量被测量转换元件转换元件电参量电参量被测量被测量敏感元件敏感元件转换元件转换元件非电量非电量电参量电参量结构式传感器组成框图结构式传感器组成框图：33传感器的组成举例传感器的组成举例 压 力 作 用 膜 片 形 变（应 变）应 变 片 电 阻 改 变 敏感元件敏感元件转换元件转换元件压力传感器压力传感器343.3 3.3 传感器的图形符号传感器的图形符号3536 3.4 3.4 传感器的分类传感器的分类37383940 接近开关接近开关 超声波传感器超声波传感器 火灾传感器火灾传感器 光传感器在智能照明控制系统中的
10、应用光传感器在智能照明控制系统中的应用 智能小区周边防范系统智能小区周边防范系统 无线传感器网络在安防报警领域中的应用无线传感器网络在安防报警领域中的应用二、常用传感器及其应用二、常用传感器及其应用411.1.常用的接近开关应用简介常用的接近开关应用简介 在各类开关中，有一种对接近它的物体有感知能力的元件位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不同。42接近开关的主要用途接近开关的主要用途接近开关在航空、航空、航天
11、技术以及工业接近开关在航空、航空、航天技术以及工业生产中都有广泛的应用。生产中都有广泛的应用。在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门，在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门，自动热风机上都有应用。在安全防盗方面，如资自动热风机上都有应用。在安全防盗方面，如资料档案、财会、金融、博物馆、金库等重地，通料档案、财会、金融、博物馆、金库等重地，通常都装有由各种接近开关组成的防盗装置。在控常都装有由各种接近开关组成的防盗装置。在控制技术中，如位移、速度、加速度的测量和控制，制技术中，如位移、速度、加速度的测量和控制，也都使用着大量的接近开关也都使用着大量的接近开关。43接近开关种类接近开关种类 因
12、为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移传感器对物体的法做成，而不同的位移传感器对物体的“感知感知”方法也不同，所以常见的接近开关有以下几种：方法也不同，所以常见的接近开关有以下几种：（1 1）涡流式接近开关涡流式接近开关 （2 2）电容式接近开关电容式接近开关（3 3）霍尔接近开关霍尔接近开关（4 4）光电式接近开关光电式接近开关（5 5）热释电式接近开关热释电式接近开关441.1 1.1 涡流式接近开关涡流式接近开关 这种开关有时也叫电感式接近开关。它是这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用利用导导电物体电物体在接近这个能产生
13、电磁场的接近开关时，在接近这个能产生电磁场的接近开关时，使物体内部产生涡流。使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。物体必须是导电体。45 电感式接近开关电感式接近开关可以在不与目标物实际接触的情可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物况下检测靠近传感器的金属目标物。分类：通用型：主要检测黑色金属（铁）。所有金属型：在相同的检测距
14、离内检测任何金属。有色金属型：主要检测铝一类的有色金属。46 电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这二种状态，转换为电信号通过整形放大转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。电感式接近开关的工作原理电感式接近开关的工作原理47 振荡电路中的线圈L产生一个高频磁场。当目标物接近磁场时，由于电磁感应在目标物中产生一个感应电流（涡电流）。随着目标物接近传感器，感应电流增强，引起振荡电路中的负载加大。然后，振荡减弱直至停止。传感器利
15、用振幅检测，并输出检测信号。4849接近开关的基本形状a)圆柱形 b)方形50 接近开关的输出元件一般是晶体三极管，根据晶体管的类型不同，接近开关分为NPN型输出或PNP型输出，在连接到PLC上时应注意选择合适的类型。接近开关输出电路a）NPN型 b）PNP型51接近开关引脚的输出形式 接近开关引出的接线根据接近开关的输出形式的不同，分为2线、3线及4线等几种。1 1）两线制接近开关）两线制接近开关 有源两线制接近开关分直流与交流，此类接近开关的特点就是引出线为两根线，负载与接近开关串联后接到电源上。直流两线制接近开关分二极管极性保护与整流桥极性保护，前者在接电源时需要注意极性，后者就不需要注
16、意极性。交流两线制接近开关就不需要注意极性。52两线制接近开关a)二极管极性保护 b)整流桥极性保护532 2）直流三线制（或四线制）接近开关）直流三线制（或四线制）接近开关 直流三线式接近开关的输出元件是晶体三极管，当三极管导通时,相当于一个接点（常开或常闭）导通，此类接近开关的输出引线为3根线。直流四线制接近开关与三线制相同，只是同时提供一个常闭和一个常开输出，有4根线引出。54接近开关引脚的识别接近开关引脚的识别接近开关的输出引线一般应按说明书或标签上给出的接线图用导线颜色加以识别。在有些品牌的接近开关给出的接线图上，导线颜色采用英文缩写，分别为：BK（BLACK）黑色：一般为输出线，输
17、出为常开。BN（BROWN）棕色：一般为电源线，接电源正极。BU（BLUE）蓝色：一般为电源线，接电源负极。WH（WHITE）白色：一般为输出线，输出为常闭。RE（RED）红色：一般为电源线，接电源正极。YE（YELLO）黄色：一般为输出线，输出为常闭。在绝大部分情况下，输出引线为棕、黑、蓝、白等4种颜色（三线制的为棕、黑、蓝），也有少部分品牌采用红、蓝、白、黄等4种颜色（三线制的为红、蓝、白）。此时红、蓝、白、黄等颜色即代替了一般情况下的棕、黑、蓝、白等颜色，分别作为电源正极、输出常开、电源负极及输出常闭使用。551.2 1.2 电容式接近开关电容式接近开关 接近开关中的电容由两块平行的金属
18、板构成。一般可通过改变板之间的距离、相对面积、或介质属性所引起的电容量变化来反映相应的位移量变化。56 电容式接近开关的测量面通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。57电容式液位开关电容式液位开关581.3 1.3 霍尔接近开关霍尔接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，
19、叫做霍尔开关，也称为磁性开关。当磁性磁性物件物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。59金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。这是由科学家爱德文霍尔效应。这是由科学家爱德文霍尔在霍尔在18791879年发现的。年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称产生的电势差称为霍尔电压
20、。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。为霍尔传感器。B60在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成霍尔入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成霍尔接近传感器。接近传感器。霍尔接近传感器和接近开关霍尔接近传感器和接近开关61当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附
21、近有磁性物体存在，进而而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体接近开关的检测对象必须是磁性物体。霍尔霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特测等等。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成
22、一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。工作。这是最常用的霍尔开关，它的直径这是最常用的霍尔开关，它的直径为为12毫米，固定时只要在设备外壳毫米，固定时只要在设备外壳上打一个上打一个12毫米的园孔就能轻松固毫米的园孔就能轻松固定，长度约定，长度约30毫米，背后有工作指毫米，背后有工作指示灯，当检测到物体时红色示灯，当检测到物体时红色LED点点亮，平时处于熄灭状态。亮，平时处于熄灭状态。62右图的霍尔流量计壳体内装右图的霍尔流量计壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测旁装有霍尔开关电路，被测
23、流体从管道一端通入，推动流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。和管径求得流量。霍尔流量计霍尔流量计霍尔流量计霍尔流量计63霍尔液位传感器霍尔液位传感器霍尔器件装在容器外面，永磁体支在浮子上，随着液位变化，作用到霍尔器件上的磁场的磁感应强度改变，从而可测得液位。64 有触点式的磁性开关用舌簧开关（干簧管）作磁场检测元件。舌簧开关成型于合成树脂块内，并且一般还
24、有动作指示灯、过电压保护电路也塑封在内。一般用于气缸位置检测的都是磁性开关。这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场。而安装在气缸外侧的磁性开关则是用来检测气缸活塞位置，即检测活塞的运动行程的。65 当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。触点闭合或断开时发出电控信号，在控制器（如PLC）的自动控制中，可以利用该信号判断气缸的运动状态或活塞所处的位置。66 磁性开关与磁性开关与plc的接线的接线 磁性开关有蓝色和棕
25、色2根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC 输入公共端，棕色引出线应连接到PLC输入端。（系为三菱FX2n系列PLC）。磁性开关的内部电路如下图中虚线内所示。磁性开关内部电路 67681.4 1.4 光电式接近开关光电式接近开关 利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。69 按照接收器接收光的方式的不同可分为：按照接收器接收光的方式的不同可分为：1)漫射型漫射型 2)对射型对射型 3)反射型反射型70711)漫反射型光电传感器漫反射型光电传感器 漫射式光
26、电开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故称为漫射式光电接近开关。它的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且为一体化结构。在工作时，光发射器始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光被反射到接收器，接近开关处于常态而不动作；反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出的状态。72动作选择开关的功能是选择受光动作(Light亮动)或遮光动作(Drag暗动)模式。即当此开关按顺时针方向充分旋转时（L 侧），则进入检测-ON 模式；当此开关按逆时针方向充分旋转时（D侧
27、），则进入检测-OFF模式。732)镜面反射型光电传感器镜面反射型光电传感器 反光镜可以把纵波转换为横波。发射器发射的是纵波，而接收器只能接收横波。发射器发射的纵波经过反光镜把纵波转变成横波，由接收器接收。由于物体没有把纵波转变为横波的功能，因此，无论物体光亮度如何，只能把发射器发射的纵波返回，接收器不能接收到横波信号，这样，就可以准确地检测物体的有无。743)对射型光电传感器对射型光电传感器很少使用此类光电传感器很少使用此类光电传感器 安装不方便，占用较大安装空间；安装不方便，占用较大安装空间；不能检测透明和体积小的物体；不能检测透明和体积小的物体；75 各种光电开关761.5 1.5 热释
28、电式接近开关热释电式接近开关 用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。77 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年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱压信号输出。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、防盗防火动各
29、种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等。报警、自动览测等。78 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、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件。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，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个“菲涅尔透镜”，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。79 人体
30、辐射的红外线中心波长为910（um），在传感器顶端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范围为710（um），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探测人体辐射的红外线传感器。80 红外线热释电传感器的安装要求红外线热释电传感器的安装要求红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件：1、红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。2、红外线热释电传感器远离空调,冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。3、红外线热释电传感器探测范围内不得隔有屏风、家具、大型盆景或其他隔离
31、物。4、红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感.在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。8182 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生
32、振动产生的。由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的。超声波的特性是频率高、波长短、绕射现象小。超声波的特性是频率高、波长短、绕射现象小。它最显著的特性是方向性好，且在液体、固体中它最显著的特性是方向性好，且在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生明显的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。明显的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。要以超声波作为检测手段，必须能产生超声波和要以超声波作为检测手段，必须能产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器。超声波传感器按其工作原理，可分为压
33、电感器。超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式式、磁致伸缩式 、电磁式等，以压电式最为常、电磁式等，以压电式最为常用用2.超声波传感器 83压电式超声波传感器是利用压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来压电材料的压电效应原理来工作的。常用的压电材料主工作的。常用的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷。要有压电晶体和压电陶瓷。压电式超声波传感器压电式超声波传感器又又分为分为发生器发生器(发射探头发射探头)和接收器和接收器(接收探头接收探头)两种。两种。84超声波接收器超声波接收器利用正压电效应原理进行工作。当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的
34、电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。超声波超声波发生发生器器利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米85 超声波传感器的应用86 超声波传感器的应用87超声波测液位 在液罐上方安装空气传导在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得超声波的往返时间，就可测得液体的液面。液体的液面。88 超声波液位传感器89超声波探伤超声
35、波探伤 超声波探伤是目前应超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的可检测内部几米深的缺陷，这是缺陷，这是x x光探伤光探伤所达不到的深度。所达不到的深度。超声探伤反射波超声探伤反射波形形裂纹裂纹90物料叠放物料叠放高度测量高度测量91超声波多普勒测量车速超声波多普勒测量车速923.3.火灾传感器火灾传感器 物质燃烧过程是一种伴随有烟、光、热的化学反应过程。物质燃烧过程是一种伴随有烟、光、热的化学反应过程。在物质燃烧过程中，一般有下列现象产生：在物质燃烧过程中，一般有下列现象产生：热（温度）热
36、（温度）：凡是物质燃烧，必有热量释放，使得环凡是物质燃烧，必有热量释放，使得环境温度升高，这是物质燃烧的基本特征之一。境温度升高，这是物质燃烧的基本特征之一。燃烧气体与烟雾燃烧气体与烟雾：普通可燃物质在燃烧开始时，往往普通可燃物质在燃烧开始时，往往首先释放出燃烧气体和烟雾。其具有流动性和毒害性，首先释放出燃烧气体和烟雾。其具有流动性和毒害性，能潜入建筑物的任何空间，因此构成物质燃烧过程的能潜入建筑物的任何空间，因此构成物质燃烧过程的又一特征又一特征 火焰（光）火焰（光）：火焰是物质燃烧产生的灼热发光的气体火焰是物质燃烧产生的灼热发光的气体部分。火焰光作为燃烧的鉴别特征之一，也是重要的部分。火焰
37、光作为燃烧的鉴别特征之一，也是重要的火灾探测参数。火灾探测参数。93以物质燃烧过程中产生的各种火灾现象为依据，以物质燃烧过程中发生的能量转换和物质转换为基础，可形成不同的火灾探测方法：空气离化法 光电感烟探测法 温度（热）探测法 火焰光探测法 可燃气体探测法 复合探测法94（1）感温式火灾探测器：火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。感温式火灾探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。它是将温度 的变化转换为电信号以达到报警目的。根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。定温式：定温式：温度上升到
38、预定值时响应的火灾探测器。差温式：差温式：环境温度的温升速度超过一定值时响应的火灾探测器。差定温式：差定温式：兼有定温、差温两种功能的火灾探测器。感温探测器对火灾发生时温度参数的敏感，其关键是由组成探测器 核心部件热敏元件决定。热敏元件是利用某些物体的物理性质随温度变化而发生变化的敏感材料制成。例如：易熔合金或热敏绝缘材料、双金属片、热电偶、热敏电阻、半导体材料等。感温式火灾探测器适宜安装于起火后产生烟雾较小的场所。平时温度较高的场所不宜安装感温式火灾探测器。95火灾探测器实例：火灾探测器实例：点型感温探测器96光纤光栅温度探测器光纤光栅温度探测器 感温探测器是光纤光栅温度监测报警系统的核心部
39、分，由感温探测器是光纤光栅温度监测报警系统的核心部分，由测量光栅、导热感温元件测量光栅、导热感温元件(无电元件无电元件)等部分组成，使用不等部分组成，使用不锈钢管进行保护。实际使用时，检测现场可以安装多个感锈钢管进行保护。实际使用时，检测现场可以安装多个感温探头温探头(具体数量根据使用需要确定具体数量根据使用需要确定)，它们之间相互串接，它们之间相互串接起来，采用特殊结构与光缆连接。图起来，采用特殊结构与光缆连接。图1 1为单个感温探头结为单个感温探头结构简图。构简图。1 2 3 4 5 1 感温探头结构简图 其中，1为连接光缆，2为探头保护管，3为测量光栅，4为导热感温元件，5为单模光纤。探
40、头环境温度发生变化时，由探头保护管经导热感温元件传导到测量光栅，导致光线波长发生变化。通过探测此波长的变化，获得环境温度，达到温度传感的目的。97测量光栅：A为栅距芯层包层A光波折射率 n1折射率 n2折射率n反射光光栅9899（2 2）感烟式火灾探测器）感烟式火灾探测器在火灾初期，由于温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以在火灾初期，由于温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以产生大量烟雾。烟雾是早期火灾的重要特征之一，感烟式产生大量烟雾。烟雾是早期火灾的重要特征之一，感烟式火灾探测器是能对可见的或不可见的烟雾粒子响应的火灾火灾探测器是能对可见的或不可见的烟雾粒子响应的火灾探测器。它是将探测部位烟雾浓
41、度的变化转换为电信号实探测器。它是将探测部位烟雾浓度的变化转换为电信号实现报警目的一种器件。感烟式火灾探测器有离子感烟式、现报警目的一种器件。感烟式火灾探测器有离子感烟式、光电感烟式、激光感烟式等几种型式。光电感烟式、激光感烟式等几种型式。感烟式火灾探测器适宜安装在发生火灾后产生烟雾较大或感烟式火灾探测器适宜安装在发生火灾后产生烟雾较大或容易产生阴燃的场所；它不宜安装在平时烟雾较大或通风容易产生阴燃的场所；它不宜安装在平时烟雾较大或通风速度较快的场所。速度较快的场所。100 离子感烟探测器基本原理IIIIII0UISII欧姆定律区II中间区III饱和电流区 101离子感烟探测器结构102 光电
42、感烟探测器-散射型前向散射型后向散射型103 光电感烟探测器结构104离子感烟探测器离子感烟探测器 光电感烟探测器光电感烟探测器105106 两种探测器优缺点比较离子探测器 (1)离子感烟探测器对小粒子响应灵敏度高,光电感烟探测器对大粒子响应灵敏度高;(2)离子感烟探测器，随着烟的色带由可见烟到不可见烟的变化，相对响应灵敏度增加得很小，即离子感烟探测器响应灵敏度与烟的颜色近似无关；(3)离子探测器优点是灵敏度高,缺点是易受环境干扰,且存在放射性污染;光电探测器 (1)散射光型探测器对灰色的可见烟具有较高的响应灵敏度，由于黑烟对光的吸收作用而对其响应较迟钝;(2)光电探测器优点是不存在污染,缺点
43、是对小粒子响应小.1074.4.激光对射探测器在防盗报警中的应用激光对射探测器在防盗报警中的应用 红外对射和红外栅栏作为最早出现的周界报警产品之一，在全世界应用及其广泛。但由于红外产品本身的缺陷其光源上的先天不足使其面临发展瓶颈。红外光扩散角大，功率密度小，易受白光抑制干扰，需要聚焦才能形成探测用光束，同时需要特殊材料过滤掉杂光。这使整个产品结构复杂，而且造成高能耗。激光功率密度大且直线传播，作为替代红外光源是最理想的光源。激光对射、激光栅栏在稳定性、可靠性、抗干扰能力、能耗、性价比等各方面具有全面的优势，可以大量进入普通家居和周界报警防范中。108 在家居应用中，激光栅栏激光栅栏低能耗高可靠
44、性特点可以对家居所有门窗和围墙进行多层全封闭设防使用，形成纵深防范，真正达到御贼于外的目的。普通4光束24小时全天使用，按每户20付探头计算能耗仅2瓦。而且由于性能稳定，抗杂光干扰和同频干扰，无误报，比使用主动和被动红外更具综合优势。109 在周界防范中，激光栅栏高可靠性、抗干扰特点，可以大量应用到各种复杂环境的周界防范中，包括变电站、机场等野外、强磁场环境；低能耗和自编码功能特点，可以实现总线制安装和精确定位，应用在输油线路、高速铁路、边境线和工业园区、居民小区等超长距离超大范围周界防范。激光对射探测器串联使用量可达10000付，完全可以实现对一个居民小区内周界围墙和所有住房门窗安装使用。1
45、10 激光，意思是受激辐射的光放大。受激辐射是爱因斯坦在1916年提出的一套全新理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做受激辐射的光放大，简称激光。激光主要特性：激光主要特性：激光的高方向性激光的高方向性 激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度。激光的高单色性激光的高单色性 由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的
46、功率密度。111 激光对射探测器采用微耗检测芯片和半导体激光发射管，使振荡频率控制在纳米级范围内，将激光作为一种探测光源，形成隐形的激光光栅，结合特定的接受装置，使之作为一种遮挡型入侵感应探测装置。112激光栅栏用于高铁变电站1135.5.无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用 随着无线通信技术和电子器件技术的进步,促进了低成本、低功耗、体积小、多功能（感知、处理、通信功能）传感器的发展,从而使得开发低成本的传感器网络成为可能。无线传感器网络（wireless sensor network,WSN）是由部署在监测区域内大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，
47、其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。114 WSN是由大量传感器节点组成的一个自组织的网络系统，每个传感器节点都具备一定的数据采集、处理和无线收发的功能。虽然每个节点的资源和能力都非常有限，但通过节点间的有效合作，整个网络能够独立完成大范围、多信号的准确检测，并及时可靠地反馈采集信息。传感器节点布置在检测区域；用户在控制台完成检测任务分配和对WSN的管理，通过Internet或通信卫星，再经由汇集点发送至WSN中相关节点；相关节点采集信息并沿反向路由反馈给用户。115传感器节点结构传感器节点结构传感器模
48、块：负责监测区域内信息的采集和数据转换处理器模块：负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据无线通信模块：负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据能量供应模块：传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池116 传感器节点结构117传感器网络的应用传感器网络的应用 传感器网络传感器网络战场评估战场评估 生活习性监测生活习性监测 地震监测地震监测 深海监控深海监控 医疗状况监控医疗状况监控 目标跟踪和检测目标跟踪和检测小区安全监控小区安全监控 精细农业精细农业 森林火灾监控森林火灾监控118v无线传线传感器网络应网络应用举举例医医院病房电电
49、子巡检检 119v无线传线传感器网络应网络应用举举例医医院病房电电子巡检检 在病人身上安装带在病人身上安装带有射频标签的微型有射频标签的微型无线传感器，动态无线传感器，动态感知病人信息。感知病人信息。120v无线传线传感器网络应网络应用举举例医医院病房电电子巡检检 病房外的医生病房外的医生携带携带PDAPDA等通等通讯设施。讯设施。121v无线传线传感器网络应网络应用举举例医医院病房电电子巡检检 得知病人病情后，得知病人病情后，医生将医生将通知值勤护通知值勤护士或者急救人员前士或者急救人员前往病房救助。往病房救助。122无线传感器网络遍布上海无线传感器网络遍布上海20102010世博园区世博园
50、区此次世博会跨越黄浦江，占地面积为5.28平方公里。为了保证此次上海世博会的召开和顺利运行，必须确保世博会期间各方面的安全，特别是水、电、煤气、交通等重要基础设施和会展场馆等重要场所的安全，以及必要的安全预警、应急处理和灾后恢复等。无线传感器网络作为一种新兴的检测技术，具有快速布置、自组织等特性，胜任大范围、多信号的分布式检测，可以在安全预警、应急处理和灾后恢复等安全措施中发挥重要的作用。WSN可对人、车、动物及噪声等入侵目标进行感知与识别，并把识别信息发送给监控者。在2010年上海世博会的安全保障中，WSN主要用于一些重要设施和场所对爆炸物、有毒气体等目标的静态和动态检测。世博会期间，由于有
