1、传感器系列实验讲义中国科学技术大学物理实验教学中心2013-8实验安全本系列实验常用到220V市电作为设备电源，有时用到热水，为了确保人员和设备的安全，请操作人员在操作前务必预习实验原理，实验过程中严格遵照安全提示操作，切记！关于本实验目前传感器系列实验有5个实验（见下表），共30套设备，实验时要求每人操作一套设备。一次实验课的基本任务是每人完成2个实验，其中至少必须有1个是标“”号的实验。对于实验能力强的同学可以完成多于2个实验，我们会对其实验成绩酌情给予奖励。为了确保实验课程的顺利运行，超过16:30或者21:30后，原则上不安排基本任务之外的实验。序 号实验名称实验套数备注1电阻应变片传
2、感器DIY电子秤62DIY温度控制系统&测记忆合金的恢复温度63压力传感器64气敏传感器65热释电传感器6怎么预习？每个实验写一份预习报告，包含：实验名称、目的、原理（简述）。实验操作为了避免触电、烫伤、损坏仪器等事故，操作过程中请严格遵守安全提示。操作时请爱护仪器设备，如实记录原始数据。实验报告由预习报告、原始数据、数据处理三部分组成。其中数据处理部分只要求给出以下内容：1、绘制实验曲线；2、写0100字的实验结论。传感器技术传感器是实验测量获取信息的重要环节，通常传感器是指一个完整的测量系统或装置，它能感受规定的被测量并按一定规律转换成输出信号，传感器给出的信号是电信号，而它感受的信号不必
3、是电信号，因此这种转换在非电量的电测法中应用极为广泛。目前传感器技术发展极为迅速，已经逐渐形成为一门新的学科，其应用领域十分广泛，如现代飞行技术、计算机技术、工业自动化技术以及基础研究等，传感技术已成为现代信息技术的三大基础之一。n 传感器构成l 敏感元件：是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分l 转换元件：是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的量转换成电信号。n 传感器种类l 物理型：利用某些材料本身所具有的内在特性或以传感器结构为基础。l 化学型：利用化学物质的成份、浓度等信息转换为电信号l 生物型：利用生物活性物质选择性识别。近年来发展很快的传感器。n 传感器的一般特性指输出信号与输入
4、物理量之间的关系理想情况：Y = ax， a为灵敏度系数用电阻应变片传感器DIY电子秤（详细原理可参考大物实验P192页的相关内容）实验目的1、 了解电阻应变片的组成、结构2、 了解用电阻应变片称重的原理3、 DIY电子秤实验原理1、 电阻应变式传感器的结构右图中的1是敏感栅，它用厚度为0.0030.101mm的金属箔栅状或用金属线制作。2、 电阻应变式传感器的原理金属箔电阻应变片贴牢在悬臂梁上下表面，悬臂梁远端加砝码使它弯曲，有的表面受到拉伸，有的表面受到压缩。所以受到拉伸的电阻阻值变大，受到压缩电阻阻值变小。分别将一个、两个或四个电阻应变片与固定电阻组成电桥（所谓单臂、半桥或全桥），以电压
5、表为平衡检测器。未加砝码时，调节电桥平衡，输出电压为零。随着负载增加，电桥不平衡性加大，电压表读数越大。做M-U图，是线性关系。对应三种情况，分别求出电桥灵敏度（单位质量变化引起电压的变化U/M）。实验中采用如下图的电桥电路，电源电压为E，桥臂电阻均取1000.0W，悬臂梁未受力时应变片阻值R=1000.0W。根据伏安关系可求得桥电压U与应变片电阻R之间近似满足以下关系：实验仪器直流电源悬臂梁（已贴应变片）电子秤底座（已焊好接线柱）托盘1个1000W电阻3个C形砝码6个待测物1个香蕉插头6个螺丝刀1把导线2根万用表1台（公用）实验内容1、 自己设法确认各传感器的受力是拉伸还是压缩力，并用图示说
6、明。2、 利用所提供的元件连接单臂电桥，桥电压由万用表给出，记下零点电压。3、 依次增加砝码，测量单臂电桥的mU定标曲线。有了定标曲线后，就作成了一台简易的电子秤。提示：电子秤的量程约2公斤，请勿加载过重的物体，以免损坏应变片。4、 测量待测物体的质量。5、 分别连接半桥、全桥电路，重复13步。6、 比较三种电路的灵敏度。附 录DIY温度控制系统&测量记忆合金的恢复温度实验目的1、 了解Cu50测温度的原理2、 DIY一个实用的温度控制系统3、 测量记忆合金的恢复相变温度实验原理本实验首先用温度传感器Cu50或Pt100、智能温控仪、固态继电器、电热炉等元件搭建一套实用的温度控制系统，再利用该
7、系统测量记忆合金的恢复温度。温度控制系统的原理图如下图。1、温控仪温控仪是调控一体化智能温度控制仪表，它采用了全数字化集成设计，具有温度曲线可编程或定点恒温控制、PID调节、开关量输出、报警、实时数据查询、与计算机通讯等功能。通过温度传感器对待测温度自动进行采样、即时监控，当环境温度高于控制设定值（SV）时控制电路启动，可以设置控制回差。如温度还在升，当升到设定的超限报警温度点时，启动超限报警功能。2、PID调节现代的自动控制技术基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器
8、。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。3、温度传感器Cu50Cu50是铜热电阻，在一定温度范围内，其阻值会随着温度的变化而线性改变。Cu后的50即表示它在0时阻值为50欧姆（类推Pt100）。铜热电阻的线性较好、价格低、电阻率低，因而体积较大，热响应较慢，常用于-50150范围的温度测量，其分度表见表1。表1、Cu50热电阻分度表T /-40-20020TCu50阻值41.40145.70650.00054.285Cu50T /406080100120Cu50阻值54.56562.84267.11971.40075.6874、固态继电器固态继
9、电器（SSR）是具有隔离功能的无触点电子开关，用隔离器件实现控制端与负载端的隔离。SSR的输入端用微小的控制信号，实现驱动大电流负载的目的。在开关过程中无机械接触部件，因此SSR除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，输入功率小，灵敏等许多优点。目前已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、电炉加温控制、电机控制、数控、遥控、工业自动化等领域。5、记忆合金记忆合金是一种原子排列很有规则马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做记忆合金。此外，记忆合金还具
10、有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点，因此应用十分广泛。形状记忆合金可以分为三种：1）单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。2）双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应3）全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。目前已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。实验仪器智能温控仪温度传感器固态继电器电热炉烧杯记忆合金弹簧镊子直尺螺丝刀1把导线1根实验内容1、 阅读智能温控仪使
11、用说明书，见附录。2、 按照温度控制系统示意图连接线路。警示：为避免触电，严禁移除贴在智能温控仪和固态继电器上的密封胶带！3、 向烧杯内倒入约2cm深的自来水。警示：请檫干烧杯底部水滴。为避免烫伤，严禁用手触摸电热炉的金属部分！4、 将温度传感器浸入水中，接通电源。5、 设置智能温控仪的SV=50，电热炉的档位设置在2档与3档之间，此时，应能看到电热炉开关旁边的加热灯闪烁。警示：请爱惜实验仪器，防止电热炉烫伤导线外皮！6、 将记忆合金拉伸到6cm左右，放入烧杯中。7、 记录弹簧长度L与水温T之间的关系曲线，确定记忆合金的恢复温度。提示：若经过20分钟加热，实测温度(PV)始终不能达到SV=50
12、，可将电热炉档位升至3档位置。8、 实验结束，整理仪器。附录 智能温控仪使用说明压力传感器一、前言利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。二、实验原理1、 压阻效应 导体受机械变形时，导体的某些物理性质会发生变化，称为“应变效应”，其中电阻值发生变化，称为“压阻效应”。 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的
13、迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50100倍。2、压力传感器的结构 这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压
14、力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为2060。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条，并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条 ，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。3、测量桥路及温度补偿（1） 测量电桥为了减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电。假设两个支路的电阻相等，则：图三、测量桥路 电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。2、灵敏度温度补偿 灵敏度温度漂移是由于压
15、阻系数随温度变化而引起的。温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大。说明传感器的灵敏度系数为负值。 补偿灵敏度温漂可采用在电源回路中串联二极管的方法。温度升高时，因为灵敏度降低，这时如果提高电桥的电源电压，使电桥的输出适当增大，便可以达到补偿的目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。 图四、灵敏度温度补偿电路图 其中零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数的不一致引起的，一般用串、并联电阻法补偿。其中RS为串联电阻，RP是并联电阻。串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用。 由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，
16、如当温度升高时，R2增加比较大，使D点的电位低于B点，B、D两点的电位差即为零点漂移。 可在R2上串联一个温度系数为负、阻值较大的电阻RP，用来约束R2的变化。当温度变化时，可减少或消除B、D点之间的电位差，达到补偿的目的。三、实验内容：1. 设计并制作气压报警器(1) 实验目的 设计制作气压报警器，当气压达到一定正压或负压时，系统开始报警。(2) 实验仪器1） MPX5100系列压阻式压力传感器负压端口正压端口接5V直流电源正极接地模拟信号输出 图五 MPX5100系列压阻式压力传感器实物图2） 血压计球3） 真空泵4） 湿化瓶5） 真空压力表6）电磁继电器 ABCDEFK图六 电磁继电器实
17、物图及内部电路图继电器、B端等势，C、D端间为螺线管，E为长闭端，F为长开端。C、D端接入控制继电器开关的电路，A（或B）、F端接入被继电器控制的电路。当C、D端无电流经过时，继电器内螺线管中也无电流，其内开关K与E相接，A（或B）、F间为断路。当C、D端有足够大的电流经过时，继电器中螺线管产生的磁场使开关K断开E而接通F，A（或B）、F间便可接通。7）二极管二极管具有单向导通性，起关闭开关后给继电器放电作用。8）三极管三极管有、B、C三个极，接法如图七所示CBE图七、三极管实物及电路图本实验中，三极管起开关作用，B、E间电压小于约0.6V时，三极管E、C间为断路，B、E间电压大于约0.6V时
18、，三极管E、C间接通。9）发光二极管10）蜂鸣器 11）5V直流电源（3）实验内容 1) 将气压传感器正压端口与气管相连，并将气管与血压计球相连。2) 按照图八中电路图连接实验电路。检查电路确实无误后接通电源。 图八、实验用报警电路3) 用血压计球对湿化瓶充气，直至蜂鸣器报警，发光二极管发光，记录下此时真空压力表所示气压值。4) 用真空泵对湿化瓶抽气，直至蜂鸣器报警，发光二极管发光，记录下此时真空压力表所示气压值。2. 压力传感器对压力的标定实验（1）实验仪器：1）MPX5100系列压阻式压力传感器2）真空泵3）血压计球4）湿化瓶5）真空压力表6）5V直流稳压电源7）万用表（2） 实验内容：图
19、九、实验用电路图1）正压标定实验A） 将气压传感器正压端口与气管相连，并将气管与血压计球相连（如图九所示）。B）真空压力表示数为0时记录下电压表示数，然后用血压计球慢慢向瓶内充气，真空压力表示数每增加0.01MPa时，记录电压表示数，直至达到最大压力（小于0.1MPa）。C） 再用血压计球慢慢向瓶外放气，真空压力表示数每减0.01MPa，记录下此时电压表示数，直至真空压力表示数为0。D） 将充放气两次同一气压对应电压表示数取平均值，作为测量值，绘出电压表示数U与瓶内气压P关系图，并作出拟合直线。2）负压标定实验A） 将气压传感器正压端口与气管相连，并将气管与真空泵相连（图九所示）。B） 打开真
20、空泵电源，抽气至真空压力表示数基本不动，关闭气管上的阀门，再关闭真空泵电源，记录下此时电压表示数。C） 用气管上的阀门慢慢向瓶内放气，真空压力表示数每增加0.01MPa时，记录下此时电压表示数，直至压力表示数为0。D） 绘出电压表示数U与瓶内气压P关系图，并作出拟合直线。注意事项1）实验时切勿摔碰真空压力表头，以防表头漏气2）直流电源应控制在5V左右，不能过大，以免烧坏传感器、三极管及发光二极管。3）瓶内气压应控制在0.1MPa以下，不应过大，以免破坏传感器。半导体气敏传感器实验一、前言气体传感器是指能够采集气体的某些信息（如：浓度、种类）并把采集到的信息转化为人们更易别的信号（如电信号、声信
21、号、光信号、数字信号等）的元件或装置。气体传感器可分为物理类气体传感器和化学类气体传感器，其中物理类气体传感器包括热电传感器、压电传感器等，而化学类气体传感器包括半导体气敏传感器、催化燃烧气体传感器、电化学气体传感器等。目前化学类气体传感器中使用最多是半导体气敏传感器。由于它具有灵敏度高、响应时间长、恢复时间短、使用寿命长、成本低等特点，广泛应用于防灾报警，如可制成液化石油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器；也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、CO2等气体的测量；生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。二、实验原理1. 半导体气敏材料特性半导体气
22、敏材料吸附气体的能力很强。当半导体元件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散(物理吸附)，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。这时,如果元件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从元件夺取电子而变成负离子吸附。这里功函数是指一粒电子立即从固体表面中逸出，所必须提供的最小能量（通常以电子伏特为单位）。具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx,称为氧化型气体或电子接收性气体。如果元件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向元件释放电子,而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO
23、、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型半导体上时,这将使载流子减少,电阻增大。当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上时,载流子增多,电阻下降。这种半导体气敏传感器与气体接触时,其阻值发生变化时间(称响应时间)不到1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO2、W2O3等,P型材料有MoO2、CrO3等。空气中的氧成分大体上是恒定的,因而氧的吸附量也是恒定的,气敏元件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中,元件表面将产生吸附作用,元件的阻值将随气体浓度而变化,从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度
24、。（如图1）大气中图1 N型半导体吸附气体时元件阻值变化图2. 气敏传感器测量电路传感器的测量电路有两部分构成(图2)，一为加热回路，二为信号输出回路。在两个回路上分别施加2 个电压：加热器电压（Uh）和测试电压（Uc）。其中Uh用于为传感器提供特定的工作温度（300以上），从而加快氧化还原反应速率，减少传感器感应时间。Uc则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（URL）。这种传感器具有轻微的极性，故Uc需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，Uc和Uh可以共用同一个电源电路。传感器表面电阻RS的变化是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号URL输出而获得的。二者之间的关
25、系表述为：这样通过分压式电路可将气敏传感器电阻的变化量转换为电压的变化量,从而准确反映传感器表面电阻值变化。图2 半导体气敏传感器标准回路图3. SnO2传感器的气体响应特性本实验中MQ-3系列传感器是典型的N型半导体SnO2气敏元件。其阻值RC与空气中被测气体的浓度C成对数关系：其中n与气体检测灵敏度有关，除了随材料和气体种类不同而变化外，还会由于测量温度和添加剂的不同而发生大幅度变化。m为气体的分离度，随气体浓度变化而变化，对于可燃性气体，。传感器的灵敏度特征曲线如图3所示：图3 SnO2气敏元件灵敏度特性图本实验的目的是了解半导体气敏传感器的基本原理、结构、基本特性和使用方法；探究半导体
26、气敏传感器模拟输出信号与气体浓度的关系，从而掌握半导体气敏传感器的使用方法和使用要求；设计并制作简单的气体浓度报警器。三、实验内容：1. 设计并制作简单的气体报警器(1)实验目的设计并制作简单的气体报警器(2)实验仪器1) MQ-3气敏传感器，对乙醇十分敏感。 图4 MQ-3气敏探头图5 MQ-3传感器模块电路图本实验中，只需用正极、负极和AO输出三个引脚，即将电源的正负极接在正负极两个引脚上，用AO输出引脚进行模拟信号输出。2) 电磁继电器 ABCDEFK图6 电磁继电器实物图及内部电路图继电器、B端等势，C、D端间为螺线管，E为长闭端，F为长开端。C、D端接入控制继电器开关的电路，A（或B
27、）、F端接入被继电器控制的电路。当C、D端无电流经过时，继电器内螺线管中也无电流，其内开关K与E相接，A（或B）、F间为断路。当C、D端有足够大的电流经过时，继电器中螺线管产生的磁场使开关K断开E而接通F，A（或B）、F间便可接通。3）二极管二极管具有单向导通性，起关闭开关后给继电器放电作用。4）三极管三极管有、B、C三个极，如图7。CBE图7 三极管实物及电路图在本实验中，三极管起开关作用，B、E间电压小于约0.6V时，三极管E、C间为断路，B、E间电压大于约0.6V时，三极管E、C间接通。5）发光二极管6）蜂鸣器 7）5V直流电源（3）实验内容1）按图8所示电路正确连接实验电路，接通电源。
28、 图8 实验用报警电路2）在干净的桌面上滴一滴乙醇液体，将MQ-3酒精传感器探头靠近液体，看蜂鸣器是否发声，发光二极管是否发光；再将探头移至远离乙醇液体的环境中，过一会，看蜂鸣器是否停止发声，发光二极管是否不发光。重复以上动作，看报警器反应是否有重复性。注意事项1）直流电源应控制在5V左右，不能过大，以免烧坏三极管、传感器及发光二极管。2）刚开始接通电源时，气敏传感器模拟信号输出较大为正常现象，过一段时间后，待气敏传感器模拟信号输出降至稳定值时，方可进行第2步实验。2.气敏传感器的乙醇浓度标定实验（1）实验目的研究MQ-3型乙醇传感器模拟输出信号与乙醇溶液浓度的关系（2）实验仪器1）MQ-3气
29、敏传感器2）万用表3）5V直流电源（3）实验内容1）按图九所示连接电路，用量筒量取200ml水并加入实验用容器中，将MQ-3传感器接入如图9所示电路，再安装在容器顶部，检查无误后接通电源。图9 实验用电路图2) 待万用表直流电压档示数几乎稳定后，记录下该示数，作为加入乙醇为0时传感器输出电压。再按下表依次用注射器取少量乙醇，从容器小孔中注入容器，轻微振动容器，使乙醇溶解均匀，待电压表示数几乎稳定后，记录下电压表示数，直至总共加入1.5ml乙醇。加入乙醇体积V/ml00.10.20.30.50.70.91.11.31.5传感器输出电压URL/V3） 画出传感器输出电压URL与容器内乙醇溶液浓度n
30、的关系曲线 注意事项1） 用注射器时，不要将针头对人，注射酒精时，最好将针头注入水面以下。3） 加过乙醇后，电压表示数会激增，随后持续缓降。缓降时，若数字电压表以V为单位时，第二位小数上示数10秒内不变，即可认为电压表示数几乎稳定。4） 直流电源应控制在5V左右，不能过大，以免烧坏传感器。5） 切勿将实验用容器打翻，让液体接触传感器，使之损坏。热释电红外传感器一、前言 热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释
31、电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。二、热释电效应 当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1表示了热释电效应形成的原理。图1、热释电效应原理图热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目
32、标，其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压U。常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源(热释电元件)、偏置电阻、EMI电容等元器件组成，其内部电路框如图2所示。 图2、热释电红外传感器内部结构图光学滤镜的主要作用是只允许波长在10m左右的红外线(人体发出的红外线波长)通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。红外
33、感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。一旦有人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能完全抵消，经处理电路处理后输出控制信号。 热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷的现象。热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V
34、。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T=O，传感器无输出。 在自然界，任何高于绝对温度(-273)时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低有关。 人体或者体积较大的动物都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10m左右的红外线，当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，人体发射的10m左右的红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强后聚集到红外感应源(热释电元件)上，红外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，进而
35、产生T并将T向外围电路输出，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有信号输出，所以这种传感器适合检测人体或者动物的活动情况。热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端(内部开关管D极，DRAIN)、信号输出端(内部开关管S极，SOURCE)、接地端(GROUND)。各引脚功能如图3.1所示，热释电传感器实物图如图3.2。 图3.1、各引脚功能图3.2、热释电传感器实物图 热释电红外传感器的主要工作参数有工作电压(常用的热释电红外传感器工作电压范围为315V)、工作波长(通常为7.514m)、源极电压(通常为0.41.1V，R
36、=47k)、输出信号电压(通常大于2.0V)等。热释电红外传感器的特点是反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便，尤其可以进行非接触式测量使其主要应用于铁路、车辆、石油化工、食品、医药、塑料、橡胶、纺织、造纸、电力等行业的温度测量、温度检测、设备故障的诊断。在民用产品中，其广泛应用于各类入侵报警器、自动开关(人体感应灯)、非接触测温、火焰报警器等自动化设施中。三、实验内容1、红外线报警器的设计与制作（1）实验仪器：1）热释电传感器图4、热释电传感器2) 电磁继电器 ABCDEFK图5、 电磁继电器实物图及内部电路图继电器、B端等势，C、D端间为螺线管，E为长闭端，F为长开端。C、D
37、端接入控制继电器开关的电路，A（或B）、F端接入被继电器控制的电路。当C、D端无电流经过时，继电器内螺线管中也无电流，其内开关K与E相接，A（或B）、F间为断路。当C、D端有足够大的电流经过时，继电器中螺线管产生的磁场使开关K断开E而接通F，A（或B）、F间便可接通。3）二极管二极管具有单向导通性，起关闭开关后给继电器放电作用。4）三极管三极管有、B、C三个极，如图6。CBE图6、 三极管实物及电路图在本实验中，三极管起开关作用，B、E间电压小于约0.6V时，三极管E、C间为断路，B、E间电压大于约0.6V时，三极管E、C间接通。5）发光二极管6）蜂鸣器7）5V直流电源（2）实验步骤：1）按图
38、7连接电路后，接通电源。 图7、实验用报警电路2） 通电2 min后，传感器正常工作，人经过传感器探测区域，看蜂鸣器是否报警，发光二极管是否发光；人离开传感器探测区域，看是否蜂鸣器停止报警，发光二极管熄灭。（3）注意事项： 1）直流电源应控制在5V左右，不能过大，以免烧坏三极管及发光二极管。 2）接通电源时，传感器会有几十秒的适应期，待适应期过后，热释电传感器才会正常工作。正常工作时，传感器在输出一次电平信号后，会有约2.5秒的延迟期。在延迟期内，传感器对任何红外线不会输出电平信号。 3）实验中，尽量轻拿轻放，操作细心，避免损坏仪器。2、人流量计数器设计与制作（1）实验仪器： 1）热释电传感器 2）脉冲计数器接输出端接地图8、 脉冲计数器将传感器输出端与相连，接地端（接电源负极端）与相连，若有电平信号，脉冲计数器可正常计数。将端短接，可将计数清零。 3）5V直流电源（2）实验内容： 1）按照图9连接电路，接通电源。图9、 实验电路图 2) 将传感器探头对准所探测区域，待传感器进入正常工作后，将脉冲计数器归零。每隔3 min记录感应的累计人数和实际人数，并做人数与时间关系。时间/min36912151821242730计数器示数/人次实际人数/人次