第1章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)

1、傳感器原理(yunl)及應(yīng)用 (第4版) 共十六頁(yè) 1.1傳感器的作用 隨著現(xiàn)代測(cè)量、控制和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。特別是近年來(lái)，由于科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)平衡的需要，傳感器在各個(gè)領(lǐng)域中的作用也日益(ry)顯著。在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、能源、交通、災(zāi)害預(yù)測(cè)、安全防衛(wèi)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生等方面所開(kāi)發(fā)的各種傳感器，不僅能代替人的感官功能，并且在檢測(cè)人的感官所不能感受的參數(shù)方面創(chuàng)造了十分有利的條件。第1章 緒論(xln)2共十六頁(yè)工業(yè)生產(chǎn)中，它起到了工業(yè)耳目的作用。例如，冶金工業(yè)中連續(xù)鑄造生產(chǎn)過(guò)程中的鋼包液位檢測(cè)，高爐鐵水硫磷含量分析等方面就需要多種多樣(du zhn du y

2、n)的傳感器為操作人員提供可靠的數(shù)據(jù)。此外，用于工廠自動(dòng)化柔性制造系統(tǒng)(FMS)中的機(jī)械手或機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)高精度在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，從而保證了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在微型計(jì)算機(jī)廣為普及的今天，如果沒(méi)有各種類(lèi)型的傳感器提供可靠、準(zhǔn)確的信息，計(jì)算機(jī)控制就難以實(shí)現(xiàn)。因此，近幾年來(lái)傳感器技術(shù)的應(yīng)用研究在許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中已經(jīng)得到普遍重視。第1章 緒論(xln)3共十六頁(yè)第1章 緒論(xln) 1.2 傳感器及傳感技術(shù) 傳感器(transducer或sensor)是將各種非電量(包括物理量、化學(xué)量、生物量等)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸(chun sh)的另一種物理量(一般為電量)的裝置。 過(guò)去人們習(xí)慣地把傳感

3、器僅作為測(cè)量工程的一部分加以研究，但是自19世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著材料科學(xué)的發(fā)展和固體物理效應(yīng)的不斷發(fā)現(xiàn)，目前傳感器技術(shù)已形成了一個(gè)新型科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，建立了一個(gè)完整的獨(dú)立科學(xué)體系傳感器工程學(xué)。4共十六頁(yè) 傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)，它是檢測(cè)(傳感)原理、材料科學(xué)、工藝加工等三個(gè)要素的最佳結(jié)合。 檢測(cè)(傳感)原理指?jìng)鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)所依據(jù)的物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)等機(jī)理，各種功能材料則是傳感技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，從某種意義上講，傳感器也就是能感知外界各種被測(cè)信號(hào)的功能材料。傳感技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，不僅要求原理正確，選材合適，而且要求有先進(jìn)、高精度的加工裝配技術(shù)。除此之外，傳

4、感技術(shù)還包括如何更好地把傳感元件用于各個(gè)領(lǐng)域的所謂傳感器軟件技術(shù)，如傳感器的選擇、標(biāo)定以及接口技術(shù)等?？傊S著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)范圍(fnwi)正在不斷擴(kuò)大。第1章 緒論(xln)5共十六頁(yè) 1.3 傳感器的組成 傳感器一般(ybn)由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路三部分組成。如圖1-1所示。 第1章 緒論(xln)圖1-1傳感器的組成方塊圖6共十六頁(yè)第1章 緒論(xln) 敏感元件(預(yù)變換器)：在完成非電量到電量的變換時(shí)，并非所有的非電量都能利用(lyng)現(xiàn)有手段直接變換為電量，往往是將被測(cè)非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再變換為電量。能夠完成預(yù)變換的器件

5、稱(chēng)為敏感元件，又稱(chēng)預(yù)變換器。如在傳感器中各種類(lèi)型的彈性元件常被稱(chēng)為敏感元件，并統(tǒng)稱(chēng)為彈性敏感元件。7共十六頁(yè) 轉(zhuǎn)換元件：將感受到的非電量直接(zhji)轉(zhuǎn)換為電量的器件稱(chēng)為轉(zhuǎn)換元件，例如壓電晶體、熱電偶等。 需要指出的是，并非所有的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，如熱敏電阻、光電器件等。而另外一些傳感器，其敏感元件和轉(zhuǎn)換元件可合二為一，如壓阻式壓力傳感器等。 測(cè)量電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變成便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號(hào)的電路稱(chēng)為測(cè)量電路。測(cè)量電路的類(lèi)型視轉(zhuǎn)換元件的分類(lèi)而定，經(jīng)常采用的有電橋電路及其他特殊電路，如高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路、振蕩回路等。 第1章 緒論(xln)8共十

6、六頁(yè) 1.4 傳感器的分類(lèi) 傳感器的種類(lèi)很多，目前尚沒(méi)有(mi yu)統(tǒng)一的分類(lèi)方法，一般常采用的分類(lèi)方法有如下幾種。 （1）按輸入量分類(lèi) 如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度等非電量時(shí)，則相應(yīng)的傳感器稱(chēng)為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器等。這種分類(lèi)方法給使用者提供了方便，容易根據(jù)測(cè)量對(duì)象選擇所需要的傳感器。第1章 緒論(xln)9共十六頁(yè) （2）按測(cè)量原理分類(lèi) 現(xiàn)有傳感器的測(cè)量原理主要是基于電磁原理和固體物理學(xué)理論。如根據(jù)變電阻的原理，相應(yīng)(xingyng)的有電位器式、應(yīng)變式傳感器；根據(jù)變磁阻的原理，相應(yīng)(xingyng)的有電感式、差

7、動(dòng)變壓器式、電渦流式傳感器；根據(jù)半導(dǎo)體有關(guān)理論，則相應(yīng)(xingyng)的有半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏等固態(tài)傳感器。 第1章 緒論(xln)10共十六頁(yè) （3）按結(jié)構(gòu)型和物性型分類(lèi) 所謂結(jié)構(gòu)型傳感器，主要是通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測(cè)出被測(cè)信號(hào)(xnho)，這種傳感器目前應(yīng)用的最為普遍。物性型傳感器則是利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實(shí)現(xiàn)測(cè)量，它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。第1章 緒論(xln)11共十六頁(yè) 1.5 傳感器的發(fā)展趨向 近年來(lái)，由于半導(dǎo)體技術(shù)已進(jìn)入了超大規(guī)模集成化階段，各種制造工藝

8、和材料性能的研究已達(dá)到相當(dāng)高的水平，為傳感器的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件。從發(fā)展前景來(lái)看，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。 （1）傳感器的固態(tài)化 物性(w xn)型傳感器亦稱(chēng)固態(tài)傳感器，目前發(fā)展很快。它包括半導(dǎo)體、電介質(zhì)和強(qiáng)磁性體三類(lèi)，其中半導(dǎo)體傳感器的發(fā)展最引人注目。它不僅靈敏度高、響應(yīng)速度快、小型輕量，而且便于實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化和多功能化。如目前最先進(jìn)的固態(tài)傳感器，在一塊芯片上可同時(shí)集成差壓、靜壓、溫度三個(gè)傳感器，使差壓傳感器具有溫度和壓力補(bǔ)償功能。第1章 緒論(xln)12共十六頁(yè) （2）傳感器的集成化和多功能化 隨著(su zhe)傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，借助半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù)、擴(kuò)散技術(shù)、光刻技術(shù)、

9、精密細(xì)微加工及組裝技術(shù)等，使傳感器從單個(gè)元件、單一功能向集成化和多功能化方向發(fā)展。 所謂集成化，就是將敏感元件、信息處理或轉(zhuǎn)換單元以及電源等部分利用半導(dǎo)體技術(shù)將其制作在同一芯片上，如集成壓力傳感器、集成溫度傳感器、集成磁敏傳感器等。 多功能化則意味著傳感器具有多種參數(shù)的檢測(cè)功能，如半導(dǎo)體溫濕敏傳感器、多功能氣體傳感器等。第1章 緒論(xln)13共十六頁(yè) （3）傳感器的圖像化 目前，傳感器的應(yīng)用不僅限于對(duì)某一點(diǎn)物理量的測(cè)量，而是從一維、二維到三維空間的測(cè)量問(wèn)題?，F(xiàn)已研制成功的二維圖像傳感器，有MOS型、CCD型、CID型全固體式攝像器件等。 （4）傳感器的智能化 智能傳感器是一種帶有微型計(jì)算機(jī)

10、兼有檢測(cè)和信息處理功能的傳感器。它通常將信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)回路和信號(hào)處理回路等外圍電路全部集成在一塊基片上，使它具有自診斷、遠(yuǎn)距離通信、自動(dòng)調(diào)整零點(diǎn)和量程等功能。使傳感器向智能化方向(fngxing)邁進(jìn)。 第1章 緒論(xln)14共十六頁(yè)第1章 緒論(xln) (5)傳感器網(wǎng)絡(luò)化 微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線(xiàn)通信等多種功能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network， WSN)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成(xngchng)的一個(gè)多跳

11、的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。如果說(shuō)Internet構(gòu)成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟?lèi)與自然界的交互方式。人們可以通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而極大地?cái)U(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的能力。15共十六頁(yè)內(nèi)容摘要傳感器原理及應(yīng)用 (第4版)。在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、能源、交通、災(zāi)害預(yù)測(cè)、安全防衛(wèi)、環(huán)境保護(hù)(hunjng boh)、醫(yī)療衛(wèi)生等方面所開(kāi)發(fā)的各種傳感器，不僅能代替人的感官功能，并且在檢測(cè)人的感官所不能感受的參數(shù)方面創(chuàng)造了十分有利的條件。除此之外，傳感技術(shù)