傳感器技術(shù)及原理實(shí)驗(yàn)課程

1、傳感器技術(shù)及原理實(shí)驗(yàn)課程郝江濤0 緒論0.1 什么是傳感器Ø 在我們?nèi)粘Ｉ钪?，使用著各種各樣的傳感器， 電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器; 空調(diào)中的溫度和濕度傳感器; 煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器; 水表、電表、電視機(jī)和影碟機(jī)中的紅外遙控器; 照相機(jī)中的光傳感器; 汽車中燃料計(jì)和速度計(jì)等等，不勝枚舉。Ø 傳感器給我們的生活帶來了多少便利和幫助呢？Ø 人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較Ø 眼（視覺）Ø 耳（聽覺）Ø 鼻（嗅覺） 感知外界信息 大腦 肌體 Ø 皮膚（觸覺）Ø 舌（味覺）Ø 人的體力和腦力勞動通過感覺器官接收外界

2、信號，將這些信號傳送給大腦，大腦把這些信號分析處理傳遞給肌體。Ø 如果用機(jī)器完成這一過程，計(jì)算機(jī)相當(dāng)人的大腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)相當(dāng)人的肌體，傳感器相當(dāng)于人的五官和皮膚。Ø 傳感器好比人體感官的延長，有人又稱“電五官”。傳感器外界信息感 官大 腦肌 體計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 從廣義的角度來說，信號檢出器件和信號處理部分總稱為傳感器。舉例:1.液位控制,2.氣體濃度監(jiān)測(廚房,浴池蒸房等氣敏傳感器),3汽車速度(霍爾傳感器).0.2 傳感器的作用和地位Ø 構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是： 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）； 它們在信息系統(tǒng)中分別

3、起到 “感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。Ø 在利用信息的過程中首先要解決獲取準(zhǔn)確可靠的 信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。傳感器技術(shù)是材料學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、乃至系統(tǒng)科學(xué)、人工智能、自動化技術(shù)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)。 Ø 目前傳感器技術(shù)已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，傳感器對觀測和自動化技術(shù)所起的作用遠(yuǎn)比家用電器所起到的作用大的多。這幾乎是無可爭議的事實(shí)。Ø 傳感器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、軍事科研、航

4、空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。Ø 在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更有突出的地位。宏觀上的茫茫宇宙、微觀上的粒子世界、長時(shí)間的天體演化、短的瞬間反應(yīng)。超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場、弱磁場等極端技術(shù)研究。傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。Ø 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，需要用各種傳感器監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程的各個(gè)參數(shù)，傳感器是自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)器件，直接影響到自動化技術(shù)的水平。 0.3 傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢Ø 我國的傳感器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)在國家“大力加強(qiáng)傳感器 的開發(fā)和在國民經(jīng)濟(jì)中的普遍應(yīng)用

5、”等一系列政策 導(dǎo)向和資金的支持下，近年來也取得了較快發(fā)展。Ø 目前有1680多家傳感器研發(fā)機(jī)構(gòu)，產(chǎn)品約6000種， 年產(chǎn)量13.2億多支，其中約有12產(chǎn)品銷往國外。 預(yù)計(jì)到“十五”期末，敏感元器件與傳感器年總產(chǎn)量 可望達(dá)到20億支，銷售總額將達(dá)約120億元。Ø 傳感器產(chǎn)業(yè)在科技投入(經(jīng)費(fèi)、高級人才資源)、產(chǎn)業(yè)環(huán)境以及科技實(shí)力(專利件數(shù)、新品開發(fā)周期、關(guān)鍵材料與零組件、量產(chǎn)能力)三大方面的綜合競爭能力遠(yuǎn)低于美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家。Ø 許多自動化方面的專家呼吁：目前系統(tǒng)越來越復(fù)雜，自動化已經(jīng)陷入低谷，其主要原因之一是傳感技術(shù)落后，一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面

6、的落后；另一方面也表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)方面的落后。 Ø 據(jù)統(tǒng)計(jì)目前全世界約有40個(gè)國家從事傳感器的研制、生產(chǎn)和開發(fā)，研發(fā)機(jī)構(gòu)6000余家。Ø 其中以美、日、俄等國實(shí)力較強(qiáng)，美、日、俄等 國建立了包括物理量、化學(xué)量、生物量三大門類 的傳感器產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品20000多種，大企業(yè)的年生 產(chǎn)能力達(dá)到幾千萬支到幾億支。Ø 1998年全世界傳感器市場銷售額已達(dá)325億元， 預(yù)計(jì)2006年銷售額將增至506億美元。 Ø 20世紀(jì)70年代以來以電量為輸出的傳感器得到飛 速發(fā)展，現(xiàn)代傳感器已是測量儀器、智能化儀表、 自動控制系統(tǒng)等裝置必不可少的感知元件。 Ø

7、; 幾十年來傳感技術(shù)的發(fā)展分為兩個(gè)方面： 1.提高與改善傳感器的技術(shù)指標(biāo)； 2.尋找新原理、新材料、新工藝。Ø 為改善傳感器性能采用多種技術(shù)途徑： 差動技術(shù)；平均技術(shù)；補(bǔ)償修正技術(shù)； 隔離抗干擾抑制、穩(wěn)定性處理等等。Ø 目前傳感器總的發(fā)展趨勢是：（1）   發(fā)展、利用新效應(yīng) 如：高溫超導(dǎo)磁傳感器靈敏度原高于霍耳器件，可用于磁成像技術(shù)。（2）  開發(fā)新材料 敏感材料是傳感器的重要基礎(chǔ)，基于新材料出現(xiàn)的傳感器：半導(dǎo)體氧化物制成的各種氣敏傳感器；光纖傳感器；（3）       提高傳感器性能

8、和檢測范圍；（4）       微型化與微功耗；（5）       集成化與多功能化；（6）       傳感器的智能化；（7）       傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。Ø 傳感器在總體上呈現(xiàn)出多功能、微型化、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢。 模擬傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換線性化處理微處理器標(biāo)準(zhǔn)接口脈沖輸出控制門顯示 0.4 檢測系統(tǒng)的組成原理

9、Ø 各種傳感器其輸出信號的形式因傳感器而異。檢測儀器的輸出或送控制器用以調(diào)節(jié)控制，或送至計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步處理。Ø 現(xiàn)代傳感技術(shù)是自動檢測和自動控制系統(tǒng)以及機(jī)電一體化的第一基礎(chǔ)。自動控制系統(tǒng)框圖傳感器被測對象控制器被測量可用信號信號處理顯示記錄q 實(shí)際上被測對象涉及各個(gè)領(lǐng)域。最初的測量對象是長度、體積、質(zhì)量和時(shí)間。18世紀(jì)以來科學(xué)技術(shù)取得飛速發(fā)展，被測對象迅速擴(kuò)大。 力學(xué)領(lǐng)域有速度、加速度、力、功和能量等； 電磁學(xué)領(lǐng)域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場； 化學(xué)領(lǐng)域中有濃度、成分、pH值等； 工業(yè)領(lǐng)域中有流量、壓力、溫度、黏度等被測量。Ø 現(xiàn)在的被測對象更為廣泛，有人體心

10、電、腦電波等體表電位測量，生物斷面測量；工業(yè)領(lǐng)域的光澤、觸覺等品質(zhì)測量；衛(wèi)星上監(jiān)視地球的紅外線傳感器；機(jī)器人的視覺、觸覺、滑覺、接近覺等各種傳感器。q 另一方面，測量儀器的輸出信號必須轉(zhuǎn)化為電壓、電流或數(shù)字量中的一種。由于傳感器的種類很多，傳感器的輸出有各種形式，如熱電偶、pH電極等輸出為直流電壓；熱敏電阻、應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體氣體傳感器輸出為電阻，。Ø 信號處理就是通過信號轉(zhuǎn)換、放大、解調(diào)、A/D轉(zhuǎn)換得到所希望的輸出信號過程。這是檢測系統(tǒng)中使用的共同技術(shù)。傳感器非電量電量測量電路A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字顯示普通電測儀表基本組成 0.5 傳感器的定義、組成和分類方法（1）傳感器定義 廣義： 傳感器是

11、一種能把特定的非電量信號（物理量、化學(xué)量、生物量登）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量(一般為電量) 的裝置。 狹義： 能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。 國家標(biāo)準(zhǔn)（GB766587） 對傳感器（Sensor/transducer）定義是： 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和裝置。Ø 測量儀器一般由信號檢出器件和信號處理兩部分組成。 這種能感應(yīng)被測量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其它物理量變化的器件，就是傳感器。輸入匹配放大變換被測信號輸出廣義傳感器 檢出器 信號處理部分Ø 以上定義表明傳感器有以下含義： 它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的檢測

12、裝置； 能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出； 傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系；Ø 按使用的場合不同又稱為: 變換器、換能器、探測器。（2）傳感器的組成傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路三部分組成：敏感元件轉(zhuǎn)換元件測量電路電量輸出被測量 敏感元件(又稱預(yù)變換器)感受被測量; 轉(zhuǎn)換元件將響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成電參量; 測量電路把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量;Ø 核心部分是轉(zhuǎn)換元件,決定傳感器的工作理。（3）傳感器的分類傳感器分類方法較多,無統(tǒng)一方法，大體有以下幾種：1） 按傳感器檢測的范疇分類ü 物理量傳感器ü 化學(xué)量傳感器ü 生物量傳感器）按傳感器的輸出信號分類 ü 模擬傳感器ü 數(shù)字傳感器）按傳感器的結(jié)構(gòu)分類ü 結(jié)構(gòu)型傳感器：材料幾何形狀或尺寸的改變ü 物性型傳感器：材料物理性質(zhì)的變化ü 復(fù)合型傳感器）按傳感器的功能分類ü 單功能傳感器ü 多功能傳感器ü 智能傳感器）按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類ü 機(jī)電傳感器ü 光電傳感器ü