傳感器課件第1講

1、傳感器技術(shù)1傳感器技術(shù)1第一章緒論傳感器有何作用？第1部分2第一章緒論傳感器有何作用？第1部分2一、人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系外界信息感 官人 腦肢 體人 體 系 統(tǒng)傳感器計(jì)算機(jī)執(zhí)行器機(jī) 器 系 統(tǒng)Sensor、Transducer“機(jī)電五官”3一、人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系外感 官人 腦肢 體人性能凌駕于人的感官之上：（1）測(cè)量人體無(wú)法感知的量（3）測(cè)量范圍寬、精確高、可靠性好（2）惡劣環(huán)境下工作 溫度傳感器：-196 3300 壓力傳感器：聲壓 800MPa 精度：0.1% 0.01% 可靠度：8 9 級(jí)4性能凌駕于人的感官之上：（1）測(cè)量人體無(wú)法感知的量（3）測(cè)量信息處理電信電話科技測(cè)試設(shè)備控制

2、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11155110103473659816127783431 3147111707693612621242014需要量傳感器技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用。二、主要應(yīng)用5信息處理電信電話科技測(cè)試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機(jī)床機(jī)器人家例0-1：化工產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程1、自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)石油、化工、電力、鋼鐵、機(jī)械等加工工業(yè)設(shè)備推動(dòng)力液體或氣體檢測(cè)壓力或壓強(qiáng)進(jìn)料自動(dòng)稱重按比例混合反應(yīng)容器內(nèi)液體成品半成品在生產(chǎn)線上傳輸自動(dòng)控制傳輸速度自動(dòng)控制容器液位測(cè)定容器中的壓力體積自

3、動(dòng)稱重分裝計(jì)數(shù)6例0-1：化工產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程1、自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)石油2、汽車與傳感器傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量安全：安全氣囊系統(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72、汽車與傳感器傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩883、傳感器與家用電器自動(dòng)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)、家庭影院家庭自動(dòng)化藍(lán)圖：93、傳感器與家用電器自動(dòng)電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、4、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(dòng)

4、機(jī)械式（加工、組裝、檢驗(yàn)） 檢測(cè)臂的位置和角度傳感器紅旗轎車焊裝生產(chǎn)線隧道鑿巖機(jī)器人104、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(dòng)機(jī)械式（加智能機(jī)器人：判斷能力視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器足球機(jī)器人迎賓機(jī)器人11智能機(jī)器人：判斷能力視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器足球機(jī)器人迎賓機(jī)器泰坦尼克中用于水下探測(cè)的“鄧肯”號(hào)機(jī)器人12泰坦尼克中用于水下探測(cè)的“鄧肯”號(hào)機(jī)器人122003年9月，全球現(xiàn)場(chǎng)直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘進(jìn)程，可能揭開古埃及金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)之謎。“不論是誰(shuí)騷擾了法老的安寧，死神之翼將在它的頭上降臨?！毙C(jī)器人挑戰(zhàn)法老咒語(yǔ)，代替科學(xué)家勇探胡夫金字塔內(nèi)部秘道?！敖鹱炙握摺?，地面探

5、測(cè)雷達(dá)、超聲波傳感器（測(cè)石頭厚度）。132003年9月，全球現(xiàn)場(chǎng)直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖5、傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用醫(yī)用電子學(xué)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6、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(cè)量陀螺儀、陽(yáng)光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器周圍環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)145、傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用醫(yī)用電子學(xué)醫(yī)用傳感器：人體7、傳感器與環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器157、傳感器與環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器15溫濕度、露點(diǎn)探頭、CO2探頭、大氣壓力傳感器濕度傳感器濕度傳感器16溫濕度、露點(diǎn)探頭、CO2探頭

6、、大氣壓力傳感器濕度傳感器濕度傳8、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178、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、船舶9、傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用美國(guó)高級(jí)將領(lǐng)與著名學(xué)者訪談錄陳伯江“信息時(shí)代的軍事革命” 美國(guó)參聯(lián)會(huì)副主席歐文斯上將“改變那種認(rèn)為軍事力量主要是軍艦、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(lái)。這場(chǎng)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?！薄瓣戃?、海軍、空軍都將只不過(guò)是歷史的產(chǎn)物你也許將

7、成立一個(gè)把所有的傳感器放在一起的軍種（可稱之為傳感器軍）用于觀察戰(zhàn)場(chǎng)”189、傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用美國(guó)高級(jí)將領(lǐng)與著名學(xué)者訪談錄三、地位及發(fā)展?fàn)顩r傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，計(jì)算機(jī)的“五官”，如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行精確、可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，一切測(cè)量和控制都是不可能實(shí)現(xiàn)的。1、現(xiàn)代測(cè)量與自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)2、衡量國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志 傳感器與傳感器技術(shù)的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，也是判斷一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度與生產(chǎn)水平高低的重要依據(jù)。19三、地位及發(fā)展?fàn)顩r傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，計(jì)算機(jī)的“3、現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)既是現(xiàn)代

8、信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會(huì)賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。如果沒(méi)有高度保真和性能可靠的傳感器，沒(méi)有先進(jìn)的傳感器技術(shù)，信息的準(zhǔn)確獲得與精密檢測(cè)就成了一句空話，通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)也就成了無(wú)源之水，無(wú)本之木，現(xiàn)代測(cè)量與自動(dòng)化技術(shù)隨之變成水中之月、鏡中之花。203、現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)24、各國(guó)政府高度重視日本科學(xué)技術(shù)廳把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)（計(jì)算機(jī)、通訊、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和傳感器）之一。日本政府還在21世紀(jì)技術(shù)預(yù)測(cè)中將傳感器列為首位。美國(guó)白宮將“傳感器及信號(hào)處理”列為對(duì)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響的關(guān)鍵技術(shù)之一。西歐各國(guó)在制定“尤里卡”發(fā)展計(jì)劃中，把傳感

9、器技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。我國(guó)政府在“863計(jì)劃”及重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目中，均把傳感器列在重要位置。214、各國(guó)政府高度重視日本科學(xué)技術(shù)廳把傳感器技術(shù)列為六大核心技四、發(fā)展方向新理論的探討、新技術(shù)的應(yīng)用、新材料和新工藝的研究2、確保傳感器的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命1、努力實(shí)現(xiàn)傳感器的新特性檢測(cè)范圍寬、高靈敏度、高精度、響應(yīng)速度快、 互換性好3、提高集成化和功能化程度信息處理功能一體化：敏感元件、電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器功能和信息處理功能一體化22四、發(fā)展方向新理論的探討、新技術(shù)的應(yīng)用、新材料和新工藝的研究4、微型化微機(jī)電系統(tǒng) MEMS（Microelectro-mechanical System）

10、輪廓尺寸在毫米量級(jí)、元件尺寸在微米量級(jí)、可運(yùn)動(dòng)的微型機(jī)電裝置。微型集成傳感器：力、壓力、加速度、化學(xué)傳感器集成電路：微型的齒輪、電機(jī)、泵、閥門、 懸臂梁、光學(xué)鏡片 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 借助集成電路的制造技術(shù)來(lái)制造機(jī)械裝置234、微型化微機(jī)電系統(tǒng) MEMS（Microelectro-m5、新型功能材料的開發(fā)各種新型傳感器孕育在新材料之中半導(dǎo)體材料和新工藝的發(fā)展：半導(dǎo)體傳感器壓電半導(dǎo)體材料發(fā)展：壓電集成傳感器高分子壓電薄膜的出現(xiàn)：機(jī)器人觸覺(jué)傳感器245、新型功能材料的開發(fā)各種新型傳感器孕育在新材料之中半導(dǎo)體材高橋清（日），“展望21世紀(jì)新技術(shù)革命中的傳感器”,傳感器技術(shù)，2001年第1期人類文明史與傳感器2

11、5高橋清（日），“展望21世紀(jì)新技術(shù)革命中的傳感器”,傳感器五、課程及教材2、關(guān)于教材、參考書及資料傳感器入門 雨宮好文傳感器原理及應(yīng)用 朱蘊(yùn)璞等、實(shí)驗(yàn)1、課程特點(diǎn)：理論性、綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科 內(nèi)容離散 知識(shí)密集程度高 設(shè)計(jì)與實(shí)踐傳感器世界傳感器技術(shù)26五、課程及教材2、關(guān)于教材、參考書及資料傳感器入門 雨宮第二部分何為傳感器？27第二部分何為傳感器？271-2 傳感器的基本概念一、傳感器的定義 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。四層含義：（1）傳感器是一種測(cè)量器件或裝置（2）“規(guī)定的被測(cè)量”：非電量發(fā)電機(jī)是不是傳感器？物理量化學(xué)量生物量電量GB766528

12、1-2 傳感器的基本概念一、傳感器的定義 能（3）“可用輸出信號(hào)” 把外界非電量信息轉(zhuǎn)換成與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的器件或裝置。 非電量電測(cè)技術(shù)把外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成光信號(hào)輸出的器件。（4）“轉(zhuǎn)換”：傳感器、變換器、變送器、換能器、 轉(zhuǎn)換器、探測(cè)器工業(yè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換效率 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。29（3）“可用輸出信號(hào)” 把外界非電量信息轉(zhuǎn)換成二、傳感器的物理定律（1）守恒定律（2）統(tǒng)計(jì)法則物理量隨著空間和時(shí)間的移動(dòng)，其總量保持不變。能量守恒、動(dòng)量守恒、電荷守恒傳感器與被測(cè)量之間能量轉(zhuǎn)換時(shí)必須遵循。運(yùn)動(dòng)的微觀世界與宏觀世界相結(jié)合的定

13、律。如：熱力學(xué)第二定律設(shè)計(jì)使用傳感器必須遵循的規(guī)律 這些法測(cè)與傳感器的工作法則狀態(tài)有關(guān)，是分析傳感器的理論基礎(chǔ)。30二、傳感器的物理定律（1）守恒定律（2）統(tǒng)計(jì)法則物理量隨著空（3）場(chǎng)的定律描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)、物質(zhì)場(chǎng)、重力場(chǎng)等在空間和時(shí)間上的變換規(guī)律。利用靜電場(chǎng)：電容式傳感器；電磁感應(yīng)：電感式傳感器利用場(chǎng)的定律構(gòu)成的傳感器稱為：結(jié)構(gòu)型傳感器物理方程 可作為傳感器工作的數(shù)學(xué)模型（4）物質(zhì)定律表示各種物質(zhì)內(nèi)在客觀性質(zhì)的定律?；⒖硕?F = k x 、歐姆定律 U = R I基于物質(zhì)定律構(gòu)成的傳感器稱為：物性型傳感器半導(dǎo)體物質(zhì)法則：壓敏、熱敏、光敏、濕敏31（3）場(chǎng)的定律描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)、物質(zhì)場(chǎng)、重力場(chǎng)

14、等在空間和時(shí)間上例 舉例說(shuō)明結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器的區(qū)別。（1）電容式傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器化簡(jiǎn)得：輸出靈敏度結(jié)構(gòu)型傳感器的特性主要由其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。固定極板活動(dòng)極板LbdL32例 舉例說(shuō)明結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器的區(qū)別。（1）電容式（2）壓敏傳感器物性型傳感器物性型傳感器主要由構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)決定。電阻率的變化壓力大小材料性質(zhì)壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料壓力 P33（2）壓敏傳感器物性型傳感器物性型傳感器主要由構(gòu)成傳感器三、傳感器的組成敏感元件輔助電路傳感元件被 測(cè)非電量有 用非電量有 用電 量信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路電 量敏感元件：感受被測(cè)量并輸出與之成確定關(guān)系的其它量

15、的元件，如膜片和波紋管，可把被測(cè)壓力變成位移量。傳感元件：又稱轉(zhuǎn)換元件?？芍苯痈惺鼙粶y(cè)量（非電量）而輸出與之成確定關(guān)系的電量，如熱電偶。傳感元件也可以不直接感受被測(cè)量，而只感受與被測(cè)量成確定關(guān)系的其它非電量。例如差動(dòng)變壓器式壓力傳感器，并不直接感受壓力，而只是感受與被測(cè)壓力成確定關(guān)系的銜鐵位移量，然后輸出電量。34三、傳感器的組成敏感元件輔助電路傳感元件被 測(cè)非電量有傳感元件被測(cè)非電量有用電量物性型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器敏感元件傳感元件被測(cè)非電量有用電量有用非電量35傳感元件被測(cè)非電量有用電量物性型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器敏感元件傳例 大噸位電容式稱重傳感器被測(cè)非電量：敏感元件：有用非電量：傳感元件：有

16、用電量：電容量C彈性體外界壓力極板間距變化電容傳感器彈性體極板支架絕緣材料定極板動(dòng)極板36例 大噸位電容式稱重傳感器被測(cè)非電量：電容量C彈性體外界壓轉(zhuǎn)換元件輸入輸出（1）自源型特點(diǎn)：不需要外能源， 輸出電量較弱例：熱電偶傳感器溫度場(chǎng)的能量（熱量） 電量能量角度自源型帶激勵(lì)源型外源型能量轉(zhuǎn)換型有源型能量控制型無(wú)源型ABTT有源37轉(zhuǎn)換元件輸入輸出（1）自源型特點(diǎn)：不需要外能源， 例：熱（2）帶激勵(lì)源型特點(diǎn)：不需要變換電路， 有較大電量輸出例 霍爾電磁感應(yīng)式傳感器轉(zhuǎn)換元件輸入輸出輔助能源被測(cè)量：磁場(chǎng)輔助能源：激勵(lì)電流BIUHBACDbdLxyz產(chǎn)生橫向電勢(shì)38（2）帶激勵(lì)源型特點(diǎn)：不需要變換電路，

17、例 霍爾電磁感應(yīng)式傳例：磁電式傳感器（3）外源型特點(diǎn)：通過(guò)帶外電源的變換電路，才能獲得有用的電量輸出輸入輸出電源變換電路轉(zhuǎn)換元件電磁感應(yīng)定律：能量控制型線圈永久磁鐵動(dòng)鐵芯（銜鐵）39例：磁電式傳感器（3）外源型特點(diǎn)：通過(guò)帶外電源的變換電路，才（1）相同傳感器補(bǔ)償型輸入輸出電源變換電路轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件環(huán)境影響為消除環(huán)境干擾相同傳感器補(bǔ)償型不同傳感器補(bǔ)償型差動(dòng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型應(yīng)變式40（1）相同傳感器補(bǔ)償型輸入輸出電源變換電路轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件環(huán)（2）差動(dòng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型輸入輸出電源變換電路轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件環(huán)境影響輸入量：反向轉(zhuǎn)換環(huán)境干擾量：正向轉(zhuǎn)換測(cè)量電路41（2）差動(dòng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型輸入輸出電源變換電路轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件環(huán)境（3）不同傳感器補(bǔ)償型輸入輸出電源變換電路轉(zhuǎn)換元件2轉(zhuǎn)換元件1環(huán)境影響2的受環(huán)境影響的特性已知，1向2提供等效的抵消環(huán)境影響的補(bǔ)償信號(hào)42（3）不同傳感器補(bǔ)償型輸入輸出電源變換電路轉(zhuǎn)換元件2轉(zhuǎn)換元件四、傳感器的分類電容式、電感式、熱電式傳感器位移、速度、溫度傳感器分類方法按輸入物理量