傳感器原理及應(yīng)用概述

1、傳感器原理及應(yīng)用概述了解傳感器的地位與作用；掌握傳感器的定義、組成；了解傳感器的開展趨勢；了解傳感器的分類、符號。 本章要求第一章 傳感器技術(shù)概述課程地位和作用 1.1 課程簡介研究對象 傳感器技術(shù)的根本概念和理論、常用傳感器的工作原理和應(yīng)用技術(shù)。課程性質(zhì) 課程屬于專業(yè)必修課，在專業(yè)人才培養(yǎng)中具有提高學(xué)生相關(guān)專業(yè)根底理論的認(rèn)知能力、增強(qiáng)學(xué)生從事傳感與檢測技術(shù)研究與應(yīng)用工作的適應(yīng)能力和開發(fā)創(chuàng)新能力的作用。1.1 課程簡介學(xué)習(xí)目的與要求 1建立傳感器技術(shù)的整體概念； 2掌握傳感器技術(shù)的根本理論、常用傳感器的工作原理和應(yīng)用技術(shù)； 3獲得應(yīng)用傳感器設(shè)計、組建測控系統(tǒng)的根本技能； 4培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)、

2、研究和應(yīng)用傳感器技術(shù)的興趣； 5為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和獨(dú)力解決實(shí)際問題打下必要的根底。 1.1 課程簡介主要考核目標(biāo)包括重點(diǎn)及難點(diǎn)1掌握傳感器的根本概念和根本特性；2掌握常用傳感器的工作原理實(shí)驗(yàn)方法；3掌握常用傳感器的根本應(yīng)用實(shí)驗(yàn)技術(shù)；4了解應(yīng)用傳感器設(shè)計、組建測控系統(tǒng)的根本方法；5了解傳感器技術(shù)的開展前沿和趨勢。重點(diǎn)：傳感器的工作原理難點(diǎn)：傳感器的應(yīng)用技術(shù)； 內(nèi)容涉及知識面廣，理論性、綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)。1.1 課程簡介一、傳感器技術(shù)概述1.2 傳感器技術(shù)簡介 “沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信

3、息，成為人們認(rèn)識自然、改造自然的有力工具。 傳感器技術(shù)作為信息科學(xué)的一個重要分支，與計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等一起構(gòu)成了信息技術(shù)的完整學(xué)科。 在人類進(jìn)入信息時代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉(zhuǎn)換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉(zhuǎn)換的重要手段，是信息科學(xué)最前端的一個陣地，是實(shí)現(xiàn)信息化的根底技術(shù)之一。一、傳感器技術(shù)概述1.2 傳感器技術(shù)簡介一、傳感器技術(shù)概述 傳感器 感覺，感知；傳送 Sensor、Transducer人體系統(tǒng)： 人類有五大感覺器官，即眼、耳、鼻、舌、皮膚。通過這些感覺器官感知外界信息。機(jī)器系統(tǒng)： 機(jī)器系統(tǒng)中，傳感器是各種機(jī)械和電子設(shè)備的感覺器官。感知光、

4、色、溫度、壓力、聲音、濕度、氣味及輻射等。1.2 傳感器技術(shù)簡介一、傳感器技術(shù)概述外界信息感 官人 腦肢 體人 體 系 統(tǒng)傳感器計算機(jī)執(zhí)行器機(jī) 器 系 統(tǒng)人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)能對應(yīng)關(guān)系“機(jī)電五官”1.2 傳感器技術(shù)簡介傳感器有些性能超過人的感官：（1）測量人體無法感知的量（3）測量范圍寬、精確高、可靠性好（2）惡劣環(huán)境下工作 例如： 溫度傳感器：-196 1800 壓力傳感器：0.01 10000kPa 精度：0.1% 0.01% 可靠度：8 9 級一、傳感器技術(shù)概述1.2 傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位 現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一 傳感器技術(shù)信息采集 通信技術(shù) 信息傳輸 計算機(jī)技術(shù)信息處理

5、 在信息系統(tǒng)中分別起到 “感官、“神經(jīng)和“大腦的作用。 現(xiàn)代測量與自動控制的首要環(huán)節(jié) 傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，計算機(jī)的“五官。 沒有傳感器對原始信息進(jìn)展準(zhǔn)確、可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，一切測量和控制都是不可能實(shí)現(xiàn)的。1.2 傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位 衡量國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志 傳感器與傳感器技術(shù)的開展水平是衡量一個國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，也是判斷一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度與生產(chǎn)水平上下的重要依據(jù)。 日本：傳感器技術(shù)列為計算機(jī)、通訊、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和傳感器等六大核心技術(shù)之一。在21世紀(jì)技術(shù)預(yù)測中將傳感器列為首位。 美國：傳感器及信號處理列為對國家平安和經(jīng)濟(jì)開展有重要影響的關(guān)鍵

6、技術(shù)之一。 歐洲：傳感器技術(shù)作為優(yōu)先開展的重點(diǎn)技術(shù)。 1.2 傳感器技術(shù)簡介中國：在國家重點(diǎn)科技工程中，傳感器也列在重要位置。二、傳感器技術(shù)的作用和地位 傳感器技術(shù)的應(yīng)用普及各個領(lǐng)域 傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護(hù)等極其廣泛的領(lǐng)域。 傳感器技術(shù)在開展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步方面的重要作用，是十清楚顯的。1.2 傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用信息處理電信電話科技測試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機(jī)床機(jī)器人家用電器照相機(jī)汽車飛機(jī)船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農(nóng)林機(jī)械能利用貨幣金融食品1115511010347

7、3659816127783431 3147111707693612621242014需要量傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.2 傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用 自動檢測與自動控制系統(tǒng) 石油、化工、電力、鋼鐵、機(jī)械等加工工業(yè)。 造紙木材烘干煙草加工芯片生產(chǎn)化工紡織1.2 傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用 汽車與傳感器 傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量。 平安：平安氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、汽車“黑匣子。 環(huán)保：排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置。 1.2 傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用 傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用 單能機(jī)器人：生產(chǎn)用的自動機(jī)械式加工、

8、組裝、檢驗(yàn)。檢測臂的位置和角度傳感器。隧道鑿巖機(jī)器人汽車焊裝生產(chǎn)線1.2 傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用 傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用 智能機(jī)器人：判斷能力。視覺傳感器、觸覺傳感器。用于水下探測的機(jī)器人用于家庭效勞的機(jī)器人1.2 傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用 傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用 智能機(jī)器人：埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘。 法老咒語：“不管是誰騷擾了法老的安寧，死神之翼將在它的頭上降臨。小機(jī)器人挑戰(zhàn)法老咒語，代替科學(xué)家勇探胡夫金字塔內(nèi)部秘道?！敖鹱炙握邫C(jī)器人 511，地面探測雷達(dá)、超聲波傳感器測石頭厚度。1.2 傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用 傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用 收獲機(jī)

9、器人：黃瓜等果蔬的采摘。1.2 傳感器技術(shù)簡介六腳爬蟲 履帶坦克車 人行機(jī)器人 足球機(jī)器人 步行機(jī)器人機(jī)械手 三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用 傳感器與家用電器 自動電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風(fēng)干器、電熨斗、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、照相機(jī)、電冰箱、電視機(jī)、錄像機(jī)、家庭影院。1.2 傳感器技術(shù)簡介 今天越來越多的傳感器和微控制系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于家用電器中 ，目前構(gòu)成家用電器總生產(chǎn)本錢的幾個因素有： 機(jī)體構(gòu)造占總本錢的25 50% ； 電子器件和電源約占30% ； 執(zhí)行器電機(jī)、壓縮機(jī)等約占20%； 傳感器占15% 20%以上。1.2 傳感器技術(shù)簡介 傳感器與家用電器一臺洗衣機(jī)的根本功能主要有：攪動；進(jìn)

10、水、出水；溫度控制；時間控制；洗滌劑分配；水和泡沫監(jiān)控；烘干濕度控制；編排次序程序設(shè)計；操作面板、顯示技術(shù)PC接口 傳感器與家用電器1 洗衣機(jī)中的傳感器： 溫度 NTC熱敏電阻 濕度 濕敏元件 旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)速計 液位 壓力傳感器 質(zhì)量 電感傳感器 位置 簧片管 失衡 轉(zhuǎn)速計、壓力傳感器 水的泡沫 濁度紅外 水的硬度 電導(dǎo)率 洗滌液分配 條碼芯片 洗衣機(jī)的根本功能攪動：目前在可以控制的AC或DC電動機(jī)中，使用一個轉(zhuǎn)速傳感器來測量速度；水?dāng)z入量，水位：水位測量是利用壓力測量的原理來實(shí)現(xiàn)的，功能只作為單純的限位器。溫度控制：亞洲洗衣機(jī)都使用冷水，不安裝溫度傳感器。另一類裝有冷水和熱水管，美國使用較普遍。

11、通過NTC傳感器準(zhǔn)確控制溫度，保證洗滌效果。洗滌劑分配：洗滌劑通過專用分配器參加洗衣機(jī)。 德國自動配量系統(tǒng)的復(fù)雜解決方案引起高額購置費(fèi)用，其它如歐洲機(jī)型的洗滌劑分配解決方案都沒有得到市場認(rèn)可，也是電子設(shè)備另一領(lǐng)域的應(yīng)用。有人提出用條形碼或芯片卡分配機(jī)器可讀指令。 水和泡沫監(jiān)控：水的硬度與洗滌劑分配有關(guān)，水的硬度測量是利用測量電導(dǎo)率的傳感器來實(shí)現(xiàn)的。由于水中的鹽類影響，測量結(jié)果還不夠準(zhǔn)確。泡沫也是可以測量的，近年來使用相對廉價的紅外線傳感器，通過記錄紅外光的衰減進(jìn)展泡沫渾濁度測量。但是，這一領(lǐng)域的最大進(jìn)步還未到來。渾濁度傳感器測量泡沫質(zhì)量的工作原理LED管子感光晶體管泡沫 洗衣機(jī)的根本功能2洗碗

12、機(jī)： 溫度 NTC 流量 旋轉(zhuǎn)式水表、壓力傳感器 咸度 簧片觸點(diǎn)+密度傳感器 洗滌劑量 簧片觸點(diǎn) 噴射臂旋轉(zhuǎn) 磁阻傳感器 傳感器與家用電器3烘干機(jī)： 溫度 NTC 濕度 電導(dǎo)傳感器4制冷機(jī)： 溫度5烤箱： 溫度 pt1006微波爐： 溫度 NTC 濕度 陶瓷傳感器 氣體 傳感器與家用電器( 7 ) 吹風(fēng)機(jī)： 溫度 NTC 溫度非接觸 紅外線熱電偶( 8 ) 烤面包爐： 溫度 NTC 溫度非接觸紅外線熱電偶( 9 ) 熨斗： 溫度 雙金屬片開關(guān) 位置、移動 傾斜傳感器、加速度傳感器 傳感器與家用電器傳感器與智能建筑 計算機(jī)管理 計算機(jī)通過中繼器、路由器、網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、顯示器對空調(diào)制冷系統(tǒng)、給水排水

13、系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、保安、電梯等機(jī)電設(shè)備控制管理。樓宇自動化 Building Automation System通訊自動化 Communications Automation System) 辦公自動化 Office Automation System為新興行業(yè)，簡稱為(3A)系統(tǒng)給排水泵系統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)環(huán)境控制電力監(jiān)測能量計費(fèi)消防 保安照明DDC 水、電、氣通過傳感器測量溫濕度、空氣壓力、液體壓差、流量、液位等進(jìn)展檢測。智能建筑 保安監(jiān)控系統(tǒng)可視 傳感與檢測技術(shù)防盜、放火、防燃?xì)庑孤┚W(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控主機(jī)連接監(jiān)視器和顯示器 智能建筑 自動識別系統(tǒng) 門禁(機(jī)電一體化設(shè)備) 門禁系統(tǒng)打破了人們幾

14、百年來用鑰匙開鎖的傳統(tǒng)指紋門禁 CCD、電容式感應(yīng)式門禁IC、讀卡器自動識別系統(tǒng)還有考勤機(jī)、欄桿機(jī) 西門子推出的“ID Mouse 鼠標(biāo)。 鼠標(biāo)上端安有指尖傳感器，一旦指紋被識別，使用者就可以啟動PC的操作系統(tǒng)。如果長時間不動鼠標(biāo)，它將自動啟動屏幕保護(hù)程序，直到使用者再次觸摸ID 鼠標(biāo)為止。 這個鼠標(biāo)在平方英寸的觸摸芯片上有65000個傳感 系統(tǒng)，可捕捉指紋的細(xì)節(jié)。指紋識別系統(tǒng) 已廣泛應(yīng)用于桌面電腦、筆記本電腦、ATM機(jī)、蜂窩 、考勤系統(tǒng)、門禁控制以及Internet 電子商務(wù)平安系統(tǒng)，普及銀行、保險、邊防檢查、醫(yī)療衛(wèi)生及網(wǎng)絡(luò)接入等各個領(lǐng)域。 自動識別系統(tǒng) 智能建筑巡更系統(tǒng)：系統(tǒng)主要由信息鈕、

15、巡查棒、通信座、系統(tǒng)管理軟件四部份組成工作原理是在每個巡查點(diǎn)設(shè)一信息鈕，信息鈕中貯存了巡查點(diǎn)的地理信息；巡查員手持不銹鋼巡查棒，到達(dá)巡查點(diǎn)時只須用巡查棒輕輕一碰嵌在墻上的信息鈕扣，即把到達(dá)該巡查點(diǎn)的時間、地理位置等數(shù)據(jù)自動記錄在巡查棒上。巡查員完成巡查后，把巡查棒插入通信座，系統(tǒng)管理軟件立即顯示出該巡查員巡查的路線、到達(dá)每個巡查點(diǎn)的時間和名稱及漏查的巡查點(diǎn)，并按照要求生成巡檢報告。 傳感器與遙感技術(shù) 飛機(jī)及航天飛行器：近紫外線、可見光、遠(yuǎn)紅外線、微波。 船舶：超聲波傳感器。微波紅外接收傳感器紅外線分布差異礦藏埋藏地區(qū)地 面1.2 傳感器技術(shù)簡介 傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 “改變那種認(rèn)為軍事力

16、量主要是軍艦、坦克和飛機(jī)的概念，把我們的注意力放在思考信息和電信技術(shù)所能提供的軍事力量上來。這場軍事革命標(biāo)志著一種轉(zhuǎn)變，即從重視軍艦、坦克和飛機(jī)，轉(zhuǎn)為重視諸如傳感器這類東西的作用?！靶畔r代的軍事革命美國參聯(lián)會副主席歐文斯上將特種武器觀察、偵察、探測1.2 傳感器技術(shù)簡介 傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 醫(yī)用傳感器：人體內(nèi)部溫度、血液、呼吸流量、 腫瘤、心音、腔內(nèi)壓力、心腦電波。 1.2 傳感器技術(shù)簡介4D彩超捕捉到難得一見的胎兒出生前微笑美聯(lián)社圖片1.2 傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用 傳感器與航空及航天 飛行器：控制在預(yù)定軌道上。 速度、加速度、飛行距離測量：陀螺儀、陽光傳感器、星光傳

17、感器、地磁傳感器。 周圍環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)。 傳感器與農(nóng)業(yè)1.2 傳感器技術(shù)簡介 可以毫不夸大地說：幾乎每個現(xiàn)代化工程，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。 傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國 防、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。 未來世界是個充滿傳感器的世界， 還會有： 智能房屋自動識別主人，太陽能提供能源 智能衣服自動調(diào)節(jié)溫度 智能公路自動記錄公路的壓力、溫度、車流量 智能汽車無人駕駛、GPS衛(wèi)星定位 智能化設(shè)備越來越多。 由此可見，傳感器技術(shù)在開展經(jīng)濟(jì)推動社會進(jìn)步方面的重要作用是十清楚顯的，世界各國十分重視這一

18、領(lǐng)域的開展。傳感技術(shù)的開展分為兩個方面：提高與改善傳感器的技術(shù)性能；尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。 一、改善傳感器的性能的技術(shù)途徑1、差動技術(shù) 差動技術(shù)是傳感器中普遍采用的技術(shù)。它的應(yīng)用可顯著地減小溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，抵消了共模誤差，減小非線性誤差等。不少傳感器由于采用了差動技術(shù)，還可使靈敏度增大。1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢 2、平均技術(shù) 作用： 在傳感器中普遍采用平均技術(shù)可產(chǎn)生平均效應(yīng)。 原理：利用假設(shè)干個傳感單元同時感受被測量，輸出那么是這些單元輸出的平均值，假設(shè)將每個單元可能帶來的誤差均可看作隨機(jī)誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，n個傳感單元數(shù)總的

19、誤差將減小為在傳感器中利用平均技術(shù)不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢3、補(bǔ)償與修正技術(shù) 補(bǔ)償與修正技術(shù)的運(yùn)用大致針對兩種情況： 針對傳感器本身特性 針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境 對于傳感器特性，找出誤差的變化規(guī)律，或者測出其大小和方向，采用適當(dāng)?shù)姆椒右匝a(bǔ)償或修正。 針對傳感器工作條件或外界環(huán)境進(jìn)展誤差補(bǔ)償，也是提高傳感器精度的有力技術(shù)措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可控制溫度，用恒溫裝置，但往往費(fèi)用太高，或使用現(xiàn)場不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補(bǔ)償又常常是可行的。這時應(yīng)找出溫度對測量

20、值影響的規(guī)律，然后引入溫度補(bǔ)償措施。補(bǔ)償與修正，可以利用電子線路硬件來解決，也可以采用微型計算機(jī)通過軟件來實(shí)現(xiàn)。1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢4、屏蔽、隔離與干擾抑制 傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預(yù)料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關(guān)性能。為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應(yīng)設(shè)法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。根本方法有： 減小傳感器對影響因素的靈敏度 降低外界因素對傳感器實(shí)際作用的程度對于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對于如溫度、濕度、機(jī)械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應(yīng)的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，

21、或者在變換成為電量后對干擾信號進(jìn)展別離或抑制，減小其影響。 1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢在使用傳感器時，假設(shè)測量要求較高，必要時也應(yīng)對附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關(guān)鍵元器件進(jìn)展老化處理。提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對材料、元器件或傳感器整體進(jìn)展必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時間老化、溫度老化、機(jī)械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因：隨著時間的推移和環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。5穩(wěn)定性處理傳感器作為長期測量或反復(fù)使用的器件，穩(wěn)定性顯得特別重要。在那些很難或無法定期標(biāo)定的場合，重要性勝過精度指標(biāo)。1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢 開發(fā)新型

22、傳感器 開發(fā)新材料 新工藝的采用 集成化、多功能化 智能化 網(wǎng)絡(luò)化二、傳感器的開展動向開展根底研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢研發(fā)新型傳感器的重要途徑：傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，因此進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是開展高性能、多功能、低本錢和小型化傳感器的重要途徑。構(gòu)造型傳感器：開展較早，目前日趨成熟。構(gòu)造型傳感器，一般說它的構(gòu)造復(fù)雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器：大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點(diǎn)，加之過去開展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、

23、物力加強(qiáng)研究，從而成為一個值得注意的開展動向。 1、開發(fā)新型傳感器新型傳感器主要三個方面：采用新原理；填補(bǔ)傳感器空白；仿生傳感器。1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢 生物傳感器系統(tǒng)亦稱生物芯片，它是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠(yuǎn)意義的科技革命。 生物芯片不僅能模擬人的嗅覺如電子鼻、視覺如電子眼、聽覺、味覺、觸覺等，還能實(shí)現(xiàn)某些動物的特異功能例如海豚的聲納導(dǎo)航測距，蝙蝠的超聲波定位，犬類極靈敏的嗅覺，信鴿的方向識別，昆蟲的復(fù)眼。 生物芯片的效率是傳統(tǒng)檢測手段的成百、上千倍。西門子公司最近研制出一種能區(qū)分氣體及其味道的微型芯片傳感器，可檢測空氣中臭氧含量，監(jiān)測火災(zāi)以及氣體泄漏。仿生傳感器2、開發(fā)新

24、材料傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要根底。材料科學(xué)的進(jìn)步，人們可任意控制成分，設(shè)計制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的開展方向之一。1半導(dǎo)體敏感材料2陶瓷材料 3磁性材料 4智能材料半導(dǎo)體氧化物可制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點(diǎn)。有機(jī)材料作為傳感器材料的研究，引起國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢3、新工藝的采用在開展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與開展新型傳感器聯(lián)系特別密切的微細(xì)加工技術(shù)。微機(jī)械加工技術(shù)：近

25、年來隨著集成電路工藝開展起來的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)，目前已越來越多地用于傳感器領(lǐng)域。例如：利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術(shù)進(jìn)展高精度三維加工，在硅片上構(gòu)成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。納米堆垛1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢同一功能的多元件并列化：同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，如CCD圖像傳感器。多功能一體化：傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進(jìn)展多種參數(shù)

26、的測量外，還可對這些參數(shù)的測量結(jié)果進(jìn)展綜合處理和評價，可反映出被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)。 4、集成化、多功能化為同時測量幾種不同被測參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復(fù)合在一起，作成集成塊。例如：一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢例如：瑞士Sensirion公司的SHT11/15型高精度、自校準(zhǔn)、多功能式智能傳感器。能同時測量相對濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)；兼有數(shù)字濕度計、溫度計和露點(diǎn)計這3種儀表的功能；可廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療儀器、通風(fēng)及空調(diào)設(shè)備等領(lǐng)域。 SHT11/15型智能傳感器的外形尺寸僅為7.62mm長5.08mm寬2.5mm高，質(zhì)量只有0.1g，

27、其體積與一個大火柴頭相近。5、智能化對外界信息具有檢測、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機(jī)互相對話的功能，可以自行選擇最正確方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)展分割處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度傳輸?shù)?。智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實(shí)現(xiàn)取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與開展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是傳感器重要的開展方向之一。1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢 如美國霍尼韋爾公司制作的ST-3000型智能傳感器，采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制作靜態(tài)壓力、壓差、溫度三種敏

28、感元件，芯片中還包含了微處理器、存儲器、A/D、D/A、轉(zhuǎn)換器和數(shù)字I/O接口，能提供420mA標(biāo)準(zhǔn)輸出和數(shù)字量輸出。設(shè)計得平均故障間隔時間為470年，實(shí)際使用壽命不低于15年。 智能微塵傳感器：智能微塵Smart Micro Dust是一種具有電腦功能的超微型傳感器。從肉眼看來，它和一顆沙粒沒有多大區(qū)別。但內(nèi)部卻包含了從信息收集、信息處理到信息發(fā)送所必需的全部部件。 目前，直徑約為5mm的智能微塵已經(jīng)問世，智能微塵的外形及內(nèi)部構(gòu)造如下圖。未來的智能微塵甚至可以懸浮在空中幾個小時，搜集、處理并無線發(fā)射信息。a肉眼所看到的智能微塵 b智能微塵的內(nèi)部構(gòu)造6無線網(wǎng)絡(luò)化wireless network

29、ed 傳感器的另一開展方向就是網(wǎng)絡(luò)傳感器。網(wǎng)絡(luò)傳感器是包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器。被測模擬量數(shù)字傳感器數(shù)字量微處理器測量結(jié)果網(wǎng)絡(luò)。 可實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享，在更換傳感器時無須進(jìn)展標(biāo)定和校準(zhǔn)，可做到“即插即用。 例如，美國Honeywell公司開發(fā)的PPT系列、PPTR系列和PPTE系列智能精細(xì)壓力傳感器就屬于網(wǎng)絡(luò)傳感器。 在構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)時，能確定每個傳感器的全局地址、組地址和設(shè)備識別號ID地址。用戶通過網(wǎng)絡(luò)就能獲取任何一只傳感器的數(shù)據(jù)并對該傳感器的參數(shù)進(jìn)展設(shè)置。 1.3 傳感器技術(shù)的開展趨勢 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要組成局

30、部就是一個個的傳感器節(jié)點(diǎn)。它們的體積都非常小巧。這些節(jié)點(diǎn)可以感受溫度的上下、濕度的變化、壓力的增減、噪聲的升降。更讓人感興趣的是，每一個節(jié)點(diǎn)都是一個可以進(jìn)展快速運(yùn)算的微型計算機(jī)，它們將傳感器收集到的信息轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號，進(jìn)展編碼，然后通過節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間自行建立的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給具有更大處理能力的效勞器。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87中傳感器的定義： 傳感器：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。 傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)； 輸入量是某一被測量，物理量、化學(xué)量、生物量等； 輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量； 輸

31、出與輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的準(zhǔn)確程度。傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、換能器、探測器傳感器功用：一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。一、傳感器的定義Transducer/Sensor1.4 傳感器的定義、組成和分類非電量電測技術(shù)工業(yè)測量標(biāo)準(zhǔn)輸出信號能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換效率輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。根本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入根本轉(zhuǎn)換電路簡稱轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。二、傳感器的組成1.4 傳感器的定義、組成和分類輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)

32、換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量二、傳感器的組成測量壓力的電位器式壓力傳感器的組成 1.4 傳感器的定義、組成和分類1-彈簧管; 2-電位器;3電刷；4齒條、齒輪副1敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。二、傳感器的組成彈性敏感元件1.4 傳感器的定義、組成和分類實(shí)際上，有些傳感器很簡單，有些那么較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反響的閉環(huán)系統(tǒng)。最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)組成，感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。二、傳感器的組成2轉(zhuǎn)換元件TBAT熱電偶1.4 傳感器的定義、組成和分類有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路。例如：壓電式加速度

33、傳感器，質(zhì)量塊是敏感元件，壓電片塊是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個，要經(jīng)過假設(shè)干次轉(zhuǎn)換。二、傳感器的組成2轉(zhuǎn)換元件1.4 傳感器的定義、組成和分類敏感元件輔助電路轉(zhuǎn)換元件被 測非電量有 用非電量有 用電 量基 本轉(zhuǎn)換電路電 量二、傳感器的組成2轉(zhuǎn)換元件彈性體極板支架絕緣材料定極板動極板被測非電量：外界壓力敏 感 元 件：彈性體有用非電量：極板間距變化傳 感 元 件：平行板電容器有 用 電 量：電容量C大噸位電容式稱重傳感器1.4 傳感器的定義、組成和分類敏感元件輔助電路轉(zhuǎn)換元件被 測非電量有 用非電量有 用電 量基 本轉(zhuǎn)換電路電 量二、傳感器的組成3轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路是傳感器的主要組成環(huán)

34、節(jié)：因?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。 1.4 傳感器的定義、組成和分類國標(biāo)GB/T14479-93規(guī)定傳感器圖用圖形符號表示方法：三、傳感器的圖形符號YX正方形表示轉(zhuǎn)換元件;三角形表示敏感元件； X被測量符號，Y轉(zhuǎn)換原理。 電容式壓力傳感器 壓電式加速度傳感器 電位器式壓力傳感器幾個典型傳感器的圖用圖形符號 aP1.4 傳感器的定義、組成和分類1、按工作機(jī)理：物理型、化學(xué)型、生物型等 2、按構(gòu)成原理：構(gòu)造型與物性型兩大類 3、根據(jù)能量轉(zhuǎn)換：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型傳感器4、按照物理原理分類：十種 5、按照用途分類 ：位移、壓力、振動、溫度

35、等傳感器7、根據(jù)輸出信號：模擬信號和數(shù)字信號 6、根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否 ：單向和雙向8、根據(jù)是否使用電源：有源傳感器和無源傳感器 四、傳感器的分類1.4 傳感器的定義、組成和分類構(gòu)造型傳感器利用物理學(xué)中場的定律構(gòu)成的，包括動力場的運(yùn)動定律，電磁場的電磁定律等。物理學(xué)中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時的數(shù)學(xué)模型。這類傳感器的特點(diǎn)：傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為根底，而不是以材料特性變化為根底。 四、傳感器的分類各種彈性敏感元件傳感器1.4 傳感器的定義、組成和分類物性型傳感器利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法那么。這種法那么，大多數(shù)是以物