第一章 傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)

現(xiàn)代傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用2023/2/11崔云先2014.3第一章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)★傳感器的概念與定義★

傳感器的分類★傳感器的構(gòu)成★傳感器的地位和作用2023/2/12傳感器最早來自“感覺”一詞，工程技術(shù)領(lǐng)域中，傳感器認(rèn)為是生物體五官的工程模擬。中文：傳感器、變換器、敏感元件、換能器、一次儀表…英文：Sensor、Transducer、Detecter、Pick-up、Detectingelement…日：センサ.トランズデューサ.

敏感素子？俄：Датчик2023/2/131.1傳感器的概念與定義1.傳感器概念2023/2/141.1傳感器的概念與定義1.傳感器概念

傳感器是一種能把特定的被測量信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置，以滿足信息的傳輸、處理、記錄顯示和控制的要求。借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。

物理量電量定義：（國際、國內(nèi)尚未有統(tǒng)一）國內(nèi)：原機(jī)械工業(yè)部在所指定的《過程檢測控制儀表術(shù)語》中對傳感器的定義是：“借助于檢測元件接受物理量形式的信息，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成同樣或別種物理量的信息儀表”。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7665-1987

《傳感器通用術(shù)語》中為“能感受規(guī)定的物理量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成可用信號的裝置叫傳感器，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。2023/2/151.1傳感器的概念與定義2.傳感器定義國外：美國儀器儀表協(xié)會(huì)（ISA）定義：傳感器是把被測量變換為有用信號的一種裝置。包括敏感元件、變換電路以及把這些元件和電路組合在一起的機(jī)構(gòu)。2023/2/161.1傳感器的概念與定義2.傳感器定義目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。非電量電測法定義：通過傳感器把被測的非電量（如壓力、流量、溫度等）轉(zhuǎn)換成電信號（電壓、電流、電阻、電感等）輸出，再經(jīng)過二次儀表測量出電信號的大小，然后根據(jù)電信號與非電量之間的關(guān)系，最后得到非電量的數(shù)值。這類儀表稱為電測儀表。這種方法稱為非電量電測法。2023/2/17以上均為傳感器的狹義定義，綜合國內(nèi)外傳感器的定義可得到其廣義定義：可感知信息并能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的器件和裝置。2023/2/181.1傳感器的概念與定義1.2傳感器的分類2023/2/191.按功能分類視覺（眼）：光→電（電→光）聽覺（耳）：位移→電觸覺（皮）：熱→電味覺（舌）：酸度傳感器、鹽度傳感器、離子傳感器嗅覺（鼻）：機(jī)械量:長度、厚度、位移、速度、加速度、旋轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)數(shù)、質(zhì)量、重量、力、壓力、真空度、力矩、風(fēng)速、流速、流量；聲:

聲壓，噪聲。磁:磁通，磁場。溫度:溫度、熱量、比熱。光：亮度、色彩。2023/2/1101.2.傳感器的分類2.按被測物理量分類2023/2/111機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.3.按傳感器工作原理分類:1.2.傳感器的分類線速度型傳感器2023/2/1124.按信號變換特征分類:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計(jì).壓電測力計(jì)結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.

例如:電容式和電感式傳感器.1.2.傳感器的分類2023/2/113分為：能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型5.按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.無源傳感器

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部有源傳感器

供給能量的變化.例如:電容、電感型傳感器.1.2.傳感器的分類1.3傳感器的構(gòu)成1.傳感器的基本構(gòu)成2023/2/114輔助電源顯示器記錄儀數(shù)據(jù)處理儀器轉(zhuǎn)換元件測量電路敏感元件

傳感器的構(gòu)成框圖敏感元件：直接感受被測量（一般為非電量），并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量（也包括電量）的元件。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量（如應(yīng)變、位移、應(yīng)力等）轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件。測量電路：能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號的電路。2023/2/1151.3傳感器的構(gòu)成1.傳感器的基本構(gòu)成1.3傳感器的構(gòu)成（1）基本型：基本型是最簡單、最基本的傳感器構(gòu)成形式，也叫自源型，只由敏感元件單獨(dú)組成。輸出量多為力學(xué)量輸出量一般為電學(xué)量。特點(diǎn)：不需要外能源，敏感元件可直接從被測對象獲得能量，并轉(zhuǎn)換成電量。如：熱電偶傳感器，壓電傳感器等。2023/2/1162.傳感器的構(gòu)成方法敏感元件輸出輸入1.3傳感器的構(gòu)成(2)有源型：采用輔助能源使敏感元件的工作點(diǎn)穩(wěn)定。不需要變換電路即可有較大的電量輸出。2023/2/1172.傳感器的構(gòu)成方法敏感元件輸出輸入輔助能源如光電管、霍爾式傳感器等。1.3傳感器的構(gòu)成(3)有源變換型：在有源型基礎(chǔ)上加上轉(zhuǎn)換電路而構(gòu)成。2023/2/1182.傳感器的構(gòu)成方法敏感元件輸出輸入輔助能源轉(zhuǎn)換電路如：電阻應(yīng)變式、電感位移式、電渦流位移式等。1.3傳感器的構(gòu)成（4）雙敏感元件補(bǔ)償型：采用原理相同，性能一致的的兩個(gè)敏感元件加輔助電路構(gòu)成。2023/2/1192.傳感器的構(gòu)成方法電源敏感元件輸出輸入轉(zhuǎn)換電路敏感元件環(huán)境影響如：應(yīng)變式、固態(tài)壓阻式等傳感器1.3傳感器的構(gòu)成2023/2/1202.傳感器的構(gòu)成方法電源敏感元件輸出輸入轉(zhuǎn)換電路敏感元件環(huán)境影響（5）推挽型：測量時(shí)輸入信號同時(shí)加到原理相同、性能一致的兩個(gè)敏感元件上，通過測量電路，使有用的輸出量增加，干擾相減。1.3傳感器的構(gòu)成（6）環(huán)境敏感元件補(bǔ)償型：由兩個(gè)原理性質(zhì)不同的敏感元件為核心組成。2023/2/1212.傳感器的構(gòu)成方法電源敏感元件輸出輸入轉(zhuǎn)換電路敏感元件環(huán)境影響如：采用熱敏元件的溫度補(bǔ)償、壓電的溫度和加速度干擾補(bǔ)償?shù)?.3傳感器的構(gòu)成(7)反饋型：傳感器敏感元件同時(shí)兼做反饋元件，使傳感器輸入處于平衡狀態(tài)，也稱為平衡式傳感器。目前主要有力反饋型和熱反饋型。2023/2/1222.傳感器的構(gòu)成方法反向敏感元件輸出輸入敏感元件敏感元件電量非電量如：差動(dòng)電容力平衡式加速度傳感器、熱線熱反饋型流速傳感器等。1.4傳感器的地位和作用支撐現(xiàn)代文明的傳感器1.工程領(lǐng)域中的應(yīng)用：機(jī)電工程：從數(shù)控機(jī)床到機(jī)器人宇宙開發(fā)：阿波羅10飛船：火箭P：2077（溫559、壓力140、信號501、遙控142）飛船P：1218：離散信號392“整個(gè)宇宙飛船就是一個(gè)高性能傳感器的集合體”，耗資300億、40萬人參加。

資源調(diào)查：大氣污染、水質(zhì)檢測，噪聲2.基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域：宏觀上千光年宇宙→微觀10-13cm微粒時(shí)長數(shù)十億年天→10-24秒瞬變溫度1億度等離子→0.01k超導(dǎo)體？壓力3000↑大氣壓→10-15

mmHg真空從宏觀到微觀的測試，均離不開傳感器3.生活領(lǐng)域：家用領(lǐng)域（飯、洗、報(bào)警…）

交通領(lǐng)域（汽、火、飛、船）、高速動(dòng)車1.4傳感器的地位和作用1.4傳感器的地位和作用二、信息社會(huì)的兩大支柱

1、從第一次產(chǎn)業(yè)革命說起…

（1）動(dòng)力→體力（2）信息（感知、控制）→腦力2、電腦與電五官

笨拙的“人——機(jī)”聯(lián)系“人——傳感器——計(jì)算機(jī)”

“大腦發(fā)達(dá)、五官遲鈍”被動(dòng)局面

計(jì)算機(jī)核心、芯片運(yùn)算記憶功能↑1倍∕年電路密度還可增100倍↑、價(jià)格↓↓戰(zhàn)略重點(diǎn)的轉(zhuǎn)移八十年的技術(shù)革新的主角是傳