傳感器原理及應(yīng)用-第1章

傳感器技術(shù)1.1關(guān)于課程學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)要求課程簡介與安排計(jì)劃1.2關(guān)于傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)簡介傳感器技術(shù)發(fā)展第一章傳感器技術(shù)概述（開場(chǎng)鑼鼓）學(xué)習(xí)要求課堂要求聽課自由，可以選擇不聽課自學(xué)方式學(xué)習(xí)，不受歧視。準(zhǔn)時(shí)到位，最好不遲到，出勤納入考核。可以充耳不聞，但勿交頭接耳；可以睡覺，但勿打鼾?？梢噪S時(shí)提問、討論和嘲笑。作業(yè)要求要求獨(dú)立完成作業(yè)，抄寫作業(yè)且還不會(huì)者，成績0分。考核要求課程地位和作用

課程簡介課程內(nèi)容與計(jì)劃安排（教學(xué)日歷）課程簡介1、傳感器的基本特性2、各類傳統(tǒng)與新型傳感器的工作原理與應(yīng)用

（1）電阻式傳感器（2）電感式傳感器（3）電容式傳感器（4）壓電式傳感器（5）磁電（霍爾）式傳感器（6）光電式傳感器（7）溫度傳感器（8）半導(dǎo)體式傳感器（9）波與輻射式傳感器（10）數(shù)字式傳感器（自學(xué)）（11）智能式傳感器（自學(xué)）課程參考書1.傳感器與檢測(cè)技術(shù)，胡向東等編著，機(jī)械工業(yè)出版社，20092.傳感器原理及應(yīng)用，王化祥編著，天津大學(xué)出版社，20073.傳感技術(shù)與應(yīng)用教程，張洪潤等編著，清華大學(xué)出版社，20094.傳感器原理及應(yīng)用（項(xiàng)目式教學(xué)），于彤編著，機(jī)械工業(yè)出版社，20085.傳感器與測(cè)試技術(shù)，葉湘濱等編著，國防工業(yè)出版社，20076.傳感器與檢測(cè)技術(shù)，陳杰、黃鴻編著，高等教育出版社，20037.HandbookofModernSensors(3rdEdition)，JacobFraden，Springer-Verlag,Inc.，20048./chgq/index.htm（課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站）課程簡介研究對(duì)象傳感器技術(shù)的基本概念和理論、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)基礎(chǔ)課，在專業(yè)人才培養(yǎng)中具有提高學(xué)生相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)理論的認(rèn)知能力、增強(qiáng)學(xué)生從事傳感與檢測(cè)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。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)的基本理論、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(jì)的基本技能；

（4）培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)、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)際問題打下必要的基礎(chǔ)。課程簡介主要考核目標(biāo)（包括重點(diǎn)及難點(diǎn)）（1）掌握傳感器的基本概念和基本特性；（2）掌握常用傳感器的工作原理（實(shí)驗(yàn)方法）；（3）掌握常用傳感器的基本應(yīng)用（實(shí)驗(yàn)技術(shù)）；（4）了解應(yīng)用傳感器設(shè)計(jì)、組建測(cè)控系統(tǒng)的基本方法；（5）了解傳感器技術(shù)的發(fā)展前沿和趨勢(shì)。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(shí)面廣，理論性、綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)。課程簡介一、傳感器技術(shù)概述傳感器技術(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(cè)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息，成為人們認(rèn)識(shí)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(gè)重要分支，與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(shí)代的今天，人們的一切社會(huì)活動(dòng)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(gè)陣地，是實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。傳感器技術(shù)簡介一、傳感器技術(shù)概述一、傳感器技術(shù)概述傳感器技術(shù)簡介

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、色、溫度、壓力、聲音、濕度、氣味及輻射等。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(jì)算機(jī)執(zhí)行器機(jī)器系統(tǒng)人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系“機(jī)電五官”傳感器有些性能超過人的感官：（1）測(cè)量人體無法感知的量（3）測(cè)量范圍寬、精確高、可靠性好（2）惡劣環(huán)境下工作

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(jí)一、傳感器技術(shù)概述傳感器技術(shù)簡介傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位[課本]

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(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）

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(cè)量與自動(dòng)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(jì)算機(jī)的“五官”。沒有傳感器對(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。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)的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，也是判斷一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度與生產(chǎn)水平高低的重要依據(jù)。

日本：傳感器技術(shù)列為計(jì)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(cè)中將傳感器列為首位。

美國：傳感器及信號(hào)處理列為對(duì)國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響的關(guān)鍵技術(shù)之一。

歐洲：傳感器技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。

中國：在國家重點(diǎn)科技項(xiàng)目中，傳感器也列在重要位置。傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位

傳感器技術(shù)的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、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。毫不夸張地說：幾乎每個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位4D彩超捕捉到難得一見的胎兒出生前微笑（美聯(lián)社圖片）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(cè)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111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

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)。造紙木材烘干煙草加工芯片生產(chǎn)化工紡織傳感器技術(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(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。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(dòng)機(jī)械式（加工、組裝、檢驗(yàn)）。檢測(cè)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(cè)的機(jī)器人用于家庭服務(wù)的機(jī)器人傳感器技術(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：“不論是誰騷擾了法老的安寧，死神之翼將在它的頭上降臨?！毙C(jī)器人挑戰(zhàn)法老咒語，代替科學(xué)家勇探胡夫金字塔內(nèi)部秘道?！敖鹱炙握摺睓C(jī)器人

5×1×1，地面探測(cè)雷達(dá)、超聲波傳感器（測(cè)石頭厚度）。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

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。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

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?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

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(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?！薄靶畔r(shí)代的軍事革命”——美國參聯(lián)會(huì)副主席歐文斯上將特種武器觀察、偵察、探測(cè)傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

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。

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)。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器技術(shù)的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、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。毫不夸張地說：幾乎每個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。傳感技術(shù)的發(fā)展分為兩個(gè)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(dòng)技術(shù)

差動(dòng)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(dòng)、外界干擾等對(duì)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(dòng)技術(shù)，還可使靈敏度增大。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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：利用若干個(gè)傳感單元同時(shí)感受被測(cè)量，輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個(gè)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(gè)傳感單元數(shù)總的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(hào)量，即增大傳感器靈敏度。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)兩種情況：★針對(duì)傳感器本身特性★針對(duì)傳感器的工作條件或外界環(huán)境

對(duì)于傳感器特性，找出誤差的變化規(guī)律，或者測(cè)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(duì)傳感器工作條件或外界環(huán)境進(jìn)行誤差補(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(duì)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(gè)問題，必要時(shí)可控制溫度，用恒溫裝置，但往往費(fèi)用太高，或使用現(xiàn)場(chǎng)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(shí)應(yīng)找出溫度對(duì)測(cè)量值影響的規(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(jì)算機(jī)通過軟件來實(shí)現(xiàn)。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)4、屏蔽、隔離與干擾抑制

傳感器大都要在現(xiàn)場(chǎng)工作，現(xiàn)場(chǎng)的條件往往是難以充分預(yù)料的，有時(shí)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(cè)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(duì)傳感器的影響?；痉椒ㄓ校?/p>

減小傳感器對(duì)影響因素的靈敏度降低外界因素對(duì)傳感器實(shí)際作用的程度對(duì)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(duì)于如溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)、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，或者在變換成為電量后對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分離或抑制，減小其影響。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)在使用傳感器時(shí)，若測(cè)量要求較高，必要時(shí)也應(yīng)對(duì)附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關(guān)鍵元器件進(jìn)行老化處理。提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對(duì)材料、元器件或傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時(shí)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(shí)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(cè)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(chǎng)合，重要性勝過精度指標(biāo)。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

開發(fā)新型傳感器開發(fā)新材料新工藝的采用集成化、多功能化智能化二、傳感器的發(fā)展動(dòng)向開展基礎(chǔ)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傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器：發(fā)展較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價(jià)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)，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強(qiáng)研究，從而成為一個(gè)值得注意的發(fā)展動(dòng)向。1、開發(fā)新型傳感器新型傳感器主要三個(gè)方面：①采用新原理；②填補(bǔ)傳感器空白；③仿生傳感器。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2、開發(fā)新材料傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)。材料科學(xué)的進(jìn)步，人們可任意控制成分，設(shè)計(jì)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發(fā)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。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3、新工藝的采用在發(fā)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，這里主要指與發(fā)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)：