傳感器原理與檢測(cè)技術(shù) 第1章 概述

1、傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)主講：劉玉紅主講：劉玉紅傳感器樣例氣敏傳感器壓電式壓力傳感器溫度傳感器熱電偶超聲波傳感器課程概述n必修課n32理論 16實(shí)驗(yàn)n教學(xué)任務(wù)教學(xué)任務(wù)n教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)介紹傳感器與檢測(cè)技術(shù)的基本概念、基本理論，各介紹傳感器與檢測(cè)技術(shù)的基本概念、基本理論，各類傳感器的工作原理與特點(diǎn)，以及在各種電量和非類傳感器的工作原理與特點(diǎn)，以及在各種電量和非電量檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，掌握常用傳感器的工程測(cè)電量檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，掌握常用傳感器的工程測(cè)量設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法，了解傳感器技術(shù)的發(fā)量設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法，了解傳感器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。展動(dòng)向。通過理論分析與介紹，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2、，培養(yǎng)學(xué)生使通過理論分析與介紹，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生使用各類傳感器的技巧和能力，能夠根據(jù)工程實(shí)際需用各類傳感器的技巧和能力，能夠根據(jù)工程實(shí)際需要選用合適的傳感器，具有進(jìn)行基本工程檢測(cè)系統(tǒng)要選用合適的傳感器，具有進(jìn)行基本工程檢測(cè)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的能力。實(shí)現(xiàn)本課程的教學(xué)目標(biāo)也將有分析與設(shè)計(jì)的能力。實(shí)現(xiàn)本課程的教學(xué)目標(biāo)也將有助提高學(xué)生的問題分析能力、自主學(xué)習(xí)能力、綜合助提高學(xué)生的問題分析能力、自主學(xué)習(xí)能力、綜合應(yīng)用能力以及進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的專業(yè)素應(yīng)用能力以及進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的專業(yè)素養(yǎng)。養(yǎng)。課程概述n內(nèi)容框架概述概述傳感器的基本特性傳感器的基本特性電阻式電阻式電感式電感式電容式電容式壓

3、電式壓電式磁敏式磁敏式熱電式熱電式光電式光電式輻射與波式輻射與波式化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器新型傳感器新型傳感器(智能、模型、微、網(wǎng)絡(luò)傳感器智能、模型、微、網(wǎng)絡(luò)傳感器)參數(shù)檢測(cè)、微弱信號(hào)檢測(cè)、軟測(cè)量、多傳感器數(shù)參數(shù)檢測(cè)、微弱信號(hào)檢測(cè)、軟測(cè)量、多傳感器數(shù)據(jù)融合據(jù)融合測(cè)量不確定度與回歸分析測(cè)量不確定度與回歸分析自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)傳感器技術(shù)基礎(chǔ)各類傳感器原理與應(yīng)用檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)傳感器原理與應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)序號(hào)序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提要實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型類型選擇類型選擇類型實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)1金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能比較實(shí)驗(yàn)掌握轉(zhuǎn)換電路對(duì)傳感器靈敏度的影響。驗(yàn)證必做22直流全

4、橋的應(yīng)用電子秤實(shí)驗(yàn)金屬應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理，并結(jié)合直流輸出電橋設(shè)計(jì)一簡單電子秤。設(shè)計(jì)必做23差動(dòng)變壓器性能、零殘及補(bǔ)償、標(biāo)定實(shí)驗(yàn)了解差動(dòng)變壓器的原理及工作情況，零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償及其方法，差動(dòng)變壓器測(cè)量系統(tǒng)的組成和標(biāo)定方法驗(yàn)證必做24電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)電容式傳感器的不同結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理，轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)，誤差主要來源，測(cè)量位移的原理與優(yōu)點(diǎn)。驗(yàn)證必做25壓電式傳感器振動(dòng)實(shí)驗(yàn)了解壓電傳感器測(cè)量振動(dòng)的原理和方法。驗(yàn)證必做26直流激勵(lì)時(shí)霍爾式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)了解霍爾式傳感器原理與應(yīng)用。驗(yàn)證必做27電渦流傳感器綜合實(shí)驗(yàn)了解電渦流傳感器的工作原理和特性；不同的被測(cè)體材料對(duì)電渦流傳感器性能的影響；實(shí)

5、際應(yīng)用中其位移特性與被測(cè)體的形狀和尺寸有關(guān)。綜合必做28光纖傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)了解光纖位移傳感器的工作原理和性能。驗(yàn)證必做2教材選用全國全國60余所高校選作教余所高校選作教材，全國材，全國1000余所高校余所高校選用課程教學(xué)資源選用課程教學(xué)資源參考書目n陳杰，黃鴻編著， 傳感器與檢測(cè)技術(shù)，高等教育出版社，第一版，2010n賈石峰，傳感器原理與傳感器技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2009年n黃元慶，現(xiàn)代傳感技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2008年n陳建元，傳感器技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2008年n等等教學(xué)考核n課程考核由平時(shí)成績（包括考勤、作業(yè)、聽課、實(shí)驗(yàn)）和期末考試成績2部分組成，分別占課程總成績的30%和7

6、0%。期末考試為閉卷考試，考試范圍和要求應(yīng)符合本教學(xué)大綱對(duì)各章教學(xué)內(nèi)容的基本要求。第1章 概述知識(shí)單知識(shí)單元與知元與知識(shí)點(diǎn)識(shí)點(diǎn) 傳感器的定義、傳感器的共性、傳感器的基本功能； 傳感器的組成； 傳感器的分類； 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。能力點(diǎn)能力點(diǎn) 深入理解傳感器的概念； 把握傳感器的組成、傳感器的基本功能和傳感器的共性； 理解傳感器的分類方法； 了解傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)； 會(huì)分析不同傳感器的類別； 會(huì)結(jié)合生活生產(chǎn)實(shí)際舉例說明傳感器的應(yīng)用。重難點(diǎn)重難點(diǎn)n 重點(diǎn)：傳感器的定義、組成、分類。n 難點(diǎn)：傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。信息工程專業(yè)內(nèi)涵信息工程專業(yè)內(nèi)涵信息信息獲取獲取信息信息處理處理信息信息應(yīng)用應(yīng)用信

7、息信息處理處理信息信息傳輸傳輸電子電子信息信息通信技術(shù)通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸傳輸科學(xué)從測(cè)量開始1.1 傳感器的定義與組成n傳感器傳感器：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“敏感元件敏感元件”“”“轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件”“Asensor is a device that receives a stimulus and responds with an electrical signal”n傳感器的共性傳感器的共性：利用物理定律或物質(zhì)的物理、化學(xué)、生物等特性，將非電量轉(zhuǎn)換成電量n傳感器功能傳感器功能：檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。n敏感元件敏感元件是傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測(cè)信息

8、（非電量）的元件n轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件則是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性母惺埽ɑ蝽憫?yīng)）信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的部分 GB/T 7665-2005傳感器的組成信號(hào)調(diào)理電路：常見有放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等作用：把來自傳感器的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大（將各種電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等）；進(jìn)行信號(hào)處理（濾波、調(diào)制與解調(diào)、衰減、運(yùn)算、數(shù)字化等）區(qū)分不明顯輸出弱信號(hào)1.2傳感器的分類n按傳感器的輸入量（即被測(cè)參數(shù)）進(jìn)行分類按傳感器的輸入量（即被測(cè)參數(shù)）進(jìn)行分類：位移、速度、溫度、壓力傳感器等 n按傳感器的輸出量進(jìn)行分類按傳感器的輸出量進(jìn)行分類 ：模擬式和數(shù)字式 n按傳感器的工作原理進(jìn)行分類按傳感器的工作原理進(jìn)行分

9、類 ：電阻式、電容式、電感式、壓電式、磁敏式、熱電式、光電式傳感器等 n按傳感器的基本效應(yīng)分類按傳感器的基本效應(yīng)分類：物理型、化學(xué)型、生物型物理傳感器按構(gòu)成進(jìn)行分類：物性型物理傳感器按構(gòu)成進(jìn)行分類：物性型（敏感材料的物理特性變化，如水銀溫度計(jì)）和結(jié)構(gòu)型和結(jié)構(gòu)型（轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，如變極距型電容式傳感器）n按傳感器的能量變換關(guān)系進(jìn)行分類：按傳感器的能量變換關(guān)系進(jìn)行分類：有源（能量控制型或參量型）、無源（能量變換型或發(fā)電型）n按傳感器所蘊(yùn)含的技術(shù)特征分類按傳感器所蘊(yùn)含的技術(shù)特征分類：普通傳感器與新型傳感器問題：根據(jù)傳感器的不同分類方式，電容式傳感器可歸入哪些類別？1.3 傳感器技術(shù)的發(fā)展n傳

10、感器性能的改善n開展基礎(chǔ)理論研究n傳感器的集成化n傳感器的智能化n傳感器的網(wǎng)絡(luò)化n傳感器的微型化1.3.1 傳感器性能的改善n差動(dòng)技術(shù)差動(dòng)技術(shù) 正反行程誤差偏大、偏小的“中和”效應(yīng)，改善靈敏度、非線性n平均技術(shù)平均技術(shù) 減小誤差、增大信號(hào)量n補(bǔ)償與修正技術(shù)補(bǔ)償與修正技術(shù) 針對(duì)傳感器本身或測(cè)量環(huán)境兩種情形n屏蔽、隔離與干擾抑制屏蔽、隔離與干擾抑制 針對(duì)惡劣的電磁、溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)、氣壓、聲壓、輻射、氣流等工作環(huán)境n穩(wěn)定性處理穩(wěn)定性處理 針對(duì)時(shí)間老化、溫度老化、機(jī)械老化等1.3.2 開展基礎(chǔ)理論研究n尋找新原理尋找新原理 n開發(fā)新材料開發(fā)新材料 半導(dǎo)體敏感材料陶瓷敏感材料磁性材料智能材料n采用

11、新工藝采用新工藝 主要是微細(xì)加工技術(shù)（離子束、電子束、分子束、激光束、化學(xué)蝕刻等n探索新功能探索新功能 多參數(shù)的檢測(cè)、處理與評(píng)價(jià)1.3.3 傳感器的集成化n兩種情況：一是具有同樣功能的傳感器集成化，即將同一類型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，形成一維的線性傳感器，從而使一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量變成對(duì)一個(gè)面和空間的測(cè)量。二是不同功能的傳感器集成化，即將具有不同功能的傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件，從而使一個(gè)傳感器可以同時(shí)測(cè)量不同種類的多個(gè)參數(shù)。 PTH集成傳感器1.3.4 傳感器的智能化n傳感器與微處理器的結(jié)合：傳感器與微處理器的結(jié)合：檢測(cè)、信息處理、邏輯判斷、自診斷等檢測(cè)、信息處理、邏輯判斷、自診斷等n作用：作用：提高測(cè)量精度增加功能 提高自動(dòng)化程度 1.3.5 傳感器的網(wǎng)絡(luò)化n主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面一是為了解決現(xiàn)場(chǎng)總線的多樣性問題，IEEE1451.2工作組建立了智能傳感器接口模塊（STIM）標(biāo)準(zhǔn)二是以IEEE802.15.4（Zigbee）為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以迅速發(fā)展1.3.6 傳感器的微型化nMEMS技術(shù)的應(yīng)用，微型傳感器發(fā)展起來n將機(jī)械、電子元器件集成在一個(gè)基片上n主要