傳感器傳感器概論0603講義

1、Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006參考教材Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006傳感器原理南京理工大學(xué)· 2006年春季主講：陳文建Email: chenwjm 傳感器原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用 （第三版、第四版） 劉迎春 葉湘濱 編著 國(guó)防科技大學(xué)出版社 傳感器原理與應(yīng)用 1999年第一版 黃賢武 鄭筱霞 編著電子科技大學(xué)出版社Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006第一章傳感器概論第一節(jié)傳感器及其在科技發(fā)展中的作用 第二節(jié)傳感器組成和分類第三節(jié)傳感器技術(shù)發(fā)展動(dòng)向Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建20061.1傳感器及其在科技發(fā)展中的作用一、傳感器的定義

2、別名：換能器、變換器、變送器、探測(cè)器等 英文名：transducer, sensor, pick up, transverter,detector, sender, detecting element及sensing等Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006Transducer把輸入信號(hào)變成不同形式輸出信號(hào)的裝置。 如麥克風(fēng)、留聲機(jī)、擴(kuò)音機(jī)、氣壓計(jì)光電管、門鈴等Sensor感知物理量的絕對(duì)值或變化量的裝置的總稱。 通常情況下，將溫度、壓力、流速、PH值、光及放射線 等物理量的強(qiáng)度變換成信息采集系統(tǒng)有用的輸入信號(hào)。 因此電視攝像機(jī)是一個(gè)敏感元件（sensor）,而傳感器（transduc

3、er）則是一種特殊的敏感元件。Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006所謂傳感器是能感知有用信息，并能檢知的設(shè)備。 功能：感知+采集+轉(zhuǎn)換+傳輸+處理信息 用途：能夠取代甚至超出人的“五官”，具有視覺、 聽覺、觸覺、嗅覺或味覺等。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665.87)傳感器通用術(shù) 語(yǔ)，傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：能感受規(guī)定的 被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006因?yàn)殡娦盘?hào)易于放大、反饋、濾波、微分、 存儲(chǔ)、和遠(yuǎn)距離傳輸，加之當(dāng)代電子計(jì)算機(jī)只能 處理電信號(hào)，所以通常狹義地說：傳感器是能感

4、受規(guī)定的被測(cè)量（物理量、化學(xué)量、生物量等） 并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)（一般為 電量）的器件或裝置。傳感器輸出信號(hào)有不同的形式，如電壓、電 流、頻率、脈沖、電阻、電容、電感等，以滿足 信號(hào)的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006二、傳感器在科學(xué)技術(shù)中的地位與作用 發(fā)展歷史傳感器的歷史比近代科學(xué)的出現(xiàn)還要來得古老。 天平等工具自古埃及王朝時(shí)代開始使用，一直沿用到 現(xiàn)在；利用液體的膨脹特性進(jìn)行溫度測(cè)量，在十六世 紀(jì)前后就開始出現(xiàn)。電磁學(xué)的基礎(chǔ)建于十九世紀(jì)，法 拉弟所完成的各種巧妙實(shí)驗(yàn)對(duì)人類作出了很大貢獻(xiàn)， 他所發(fā)現(xiàn)的物理法則直到現(xiàn)在作為各種傳感

5、器的工作原理仍在應(yīng)著。Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006認(rèn)識(shí)自然為了對(duì)自然現(xiàn)象有一個(gè)定量的認(rèn)識(shí)，傳感器作為 一種不可缺少的工具，起到了應(yīng)有的作用。也就是說 先通過傳感器取得關(guān)于對(duì)象的信息（一次信息），再 根據(jù)對(duì)這些信息處理的結(jié)果，進(jìn)一步推論和了解自然現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)中傳感器是現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)中不可缺少的元件，通常體積 小，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。然而傳感器處于連接被測(cè)對(duì)象和測(cè)試 系統(tǒng)的接口位置，構(gòu)成了系統(tǒng)信息輸入的主要“窗口”，提 供著系統(tǒng)賴以進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息，是現(xiàn)代 技術(shù)的起點(diǎn)，在很大程度上影響和決定了系統(tǒng)的功能。信號(hào)變換處理現(xiàn)象的本

6、質(zhì)。（例如：最大輻射波長(zhǎng)法則測(cè)量天體溫被測(cè)對(duì)象傳感器顯示記錄度）。被測(cè)量 有用信號(hào)控制器 傳感器與測(cè)控系統(tǒng) 的關(guān)系Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006多數(shù)二次儀表都能高保真度再現(xiàn)傳感器的輸出，但無 法追加新的檢測(cè)信息，或消除傳感器所引入的誤差。換句 話說，信息的質(zhì)量往往是一次性地由傳感器的能力所確 定。也就是對(duì)傳感器的第一要求是可靠性。信號(hào)變換處理Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006常用這樣的例子，若干過程不能進(jìn)行有效的控制，多 半是由于無法解決合適的檢測(cè)元件，不能掌握其變化規(guī)律 所致；若干系統(tǒng)精度達(dá)不到要求，關(guān)鍵也往往與傳感器有 關(guān)。所以它是當(dāng)前工程技術(shù)中一個(gè)十分薄弱

7、的部分，國(guó)內(nèi)被測(cè)對(duì)象 傳感器被測(cè)量 有用信號(hào)顯示記錄外都將傳感器列為高技術(shù)，在美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家傳感器倍 受重視。控制器 傳感器與測(cè)控系統(tǒng) 的關(guān)系例如：煉鋼廠煉鋼爐內(nèi)溫度測(cè)量直接影響鋼的質(zhì)量。基礎(chǔ)科學(xué)中在基礎(chǔ)科學(xué)中，傳感器同樣具有獨(dú)特的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了許多新境地，以主要支柱物理學(xué)為 例：宏觀上可觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上可小到深入10-13cm的粒子世界，長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年的天體演化，短到10-24秒的瞬間反應(yīng)，幾乎無所不包。顯然要獲得大量人類感官或單純電子設(shè)備所無法直接加以檢測(cè)的信息，沒有相 應(yīng)的傳感器技術(shù)，就無法解決檢測(cè)與被檢測(cè)量間的“媒介” 問題。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先

8、就在于對(duì)象信息獲取存在困難，而一些新機(jī)理和高靈敏度檢測(cè)傳感器的出現(xiàn)， 就會(huì)導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。換句話說，若干傳感器的發(fā) 展，是一些邊緣研究開展的先驅(qū)，正是基于上述原因，有人評(píng)價(jià)說：“一般說來，如沒有傳感器檢測(cè)各種信息，那么，支撐現(xiàn)代文明的科學(xué)技術(shù)，就不可能發(fā)展?！比粘Ｉ钪幸搽x不開傳感器。 如：全自動(dòng)洗衣機(jī)、VCD、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等。Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006應(yīng)用在自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制的領(lǐng)域傳感器主要應(yīng)用在自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制的領(lǐng)域，它將 諸如溫度、壓力、流量等參量轉(zhuǎn)換為電量然后通過電的 方法進(jìn)行測(cè)量和控制。因此傳惑器是一種獲得信息的手 段，它獲得信息的正確與否，關(guān)系到整個(gè)測(cè)

9、量系統(tǒng)的精 度。人們常把電子計(jì)算機(jī)比為人的大腦稱電腦，把傳感器 比喻人的五育，因此如果一個(gè)失去了某種傳感器感官 的人即使有健全的大腦利發(fā)達(dá)的四肢，也難于對(duì)某些外 界信息作出反應(yīng)。Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建20061.2傳感器的組成和分類一、傳感器的組成 傳感器一般由敏感元件（預(yù)變換器）、傳感元件（轉(zhuǎn)換元件）和信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路三部分組成，有時(shí)還需要加輔助電源。敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)節(jié)電路將敏感元件所檢出的待測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電阻應(yīng)變片） 被測(cè)信息輸出信息輔助電路二、傳感器的分類傳感器種類很多，一般如下幾種常用的分類方法：1、按輸入量對(duì)象來分，如速度傳感器、溫度傳感 器、壓力傳感器

10、等；2、按工作原理來分，如壓阻式傳感器、壓力傳感 器；直接感受、響應(yīng)、檢出待測(cè)量（彈性敏感元件）電源信號(hào)的放大、規(guī)化Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建20063.按物理現(xiàn)像分類：結(jié)構(gòu)型、物性型傳感器 可分成兩類一類是按照傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)在信號(hào)變換過程中足是發(fā)生變化，把傳感器分為物性型、結(jié)構(gòu)型。物性型傳感器在實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換過程中，其結(jié)構(gòu)參數(shù)基本上是不變化的，而是依靠敏感元件的物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換。物性型結(jié)構(gòu)休積小尤其大多數(shù)物性型傳感器都是以半導(dǎo)體性能變化而工作可以實(shí)現(xiàn)傳感器生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、功能化。Copyright 南京理工大學(xué) 陳文建2006還有一類方法是按照能量傳遞方式來分，可 分為有源和無源傳感器兩大類前者有如一臺(tái) 微型發(fā)電將非電功率轉(zhuǎn)換為電功率，這類典 型的傳感器如壓電式、電磁式、熱電式(熱電 偶）等等。后者(無源傳感器)并不起換能作用， 它必須具有輔助能源這類典型的傳感器如電 阻式、電容式、電感式等遙感技術(shù)中微波、 激光等傳感方法