傳感器緒論75437課件

傳感技術(shù)緒論一、傳感技術(shù)的特點和地位“傳感技術(shù)”課程主要講授把各種幾何量、機械量以及其它有關(guān)量轉(zhuǎn)換成電量的各種傳感器（包括基本轉(zhuǎn)換電路）。“傳感技術(shù)”課程是一門綜合性、理論性和實踐性都很強的課程。一、傳感技術(shù)的特點和地位現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)有三個主要方面：信息采集——傳感技術(shù)信息傳輸——通信技術(shù)信息處理——計算機技術(shù)本課程相對于大學(xué)物理、模電數(shù)電、材料力學(xué)、工程光學(xué)等是專業(yè)課，相對于智能儀器設(shè)計、檢測技術(shù)、測控電路等是基礎(chǔ)課，稱之為專業(yè)平臺課。三、什么是傳感器（Transducer/Sensor）

我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7765-87）中是這樣定義的：“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或裝置”。

我們的定義是：傳感器是一種以一定的準(zhǔn)確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。

這一定義包含了以下幾方面的意思:

①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等;③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電物理量；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。

從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。

四、傳感器的作用

電五官獲取信息監(jiān)視和控制人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。新技術(shù)革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要結(jié)決的就是獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或是最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。

包含敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路的傳感器包含敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路的傳感器包含敏感元件、轉(zhuǎn)換元件的傳感器包含敏感元件的傳感器包含敏感元件的傳感器六、傳感器的分類

按傳感器的工作機理

﹛﹛物理型

化學(xué)型

生物型

按構(gòu)成原理

﹛結(jié)構(gòu)型

物性型

（本課主講）按傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況

﹛能量控制型傳感器

能量轉(zhuǎn)換型傳感器

按照物理原理分類

按照傳感器的用途來分類，例如位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、溫度傳感器等等。

另外，根據(jù)傳感器輸出是模擬信號還是數(shù)字信號，可分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器；根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否，可分為雙向傳感器和單向傳感器等。傳感器技術(shù)指標(biāo)的一般要求可靠性靜態(tài)精度動態(tài)性能量程抗干擾能力通用性輪廓尺寸成本能耗對被測對象的影響等傳感器技術(shù)指標(biāo)的一般要求及指標(biāo)精度：萬分之幾，計量更高量程：—超導(dǎo)nv—100萬v50萬次諧波—加速度P壓力

℃—-273℃靈敏度：單原子穩(wěn)定性：萬分之五我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀

工業(yè)自動化儀表及控制系統(tǒng)，28%。

科學(xué)儀器（科研、教學(xué)、質(zhì)檢、計量），25%。

電子與電工測量（低頻-高頻，微波-紅外），13%。

醫(yī)療儀器（生命科學(xué)，臨床診療），1x%。各種專用（農(nóng)業(yè)、氣象、水紋、地質(zhì)、航空航天）?？v觀幾十年來的傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，不外乎分為兩個方面：

㈠提高與改善傳感器的技術(shù)性能；

㈡尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。

改善途徑：1、差動技術(shù)

2、平均技術(shù)

3、補償與修正技術(shù)

4、屏蔽、隔離與干擾抑制

5、穩(wěn)定性處理

七、傳感器的發(fā)展動向

方向：開發(fā)新型傳感器

開發(fā)新材料

新工藝的采用

集成化、多功能化與智能化

具體技術(shù)：計算機、數(shù)字技術(shù)

現(xiàn)場總線微信息技術(shù)

生物化學(xué)技術(shù)成像技術(shù)（醫(yī)學(xué)CT、核磁共振等）

幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器一、非晶態(tài)合金膜片式壓力傳感器該傳感器利用非晶態(tài)合金的磁致伸縮效應(yīng)與逆磁致伸縮效應(yīng)制成。磁致伸縮效應(yīng)既磁性體在外加磁場作用下發(fā)生機械形變；反之，外力作用下的機械形變會改變該磁性體的磁化狀態(tài)。圖為非晶態(tài)合金膜片，寬a=10mm，長b=100mm，厚h一般為幾十微米。膜片周圍固定在方形框上。上面裝有驅(qū)動磁頭D1和檢測磁頭D2。D1產(chǎn)生頻率為500kHz的正弦交變磁場，使膜片產(chǎn)生同頻率的機械形變。同時，該機械形變在D2端表現(xiàn)為交變的磁化狀態(tài)，D2通過一定方法（例如將非晶態(tài)合金膜片作為電感傳感器的磁芯）將此交變磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號。若垂直于膜片加靜態(tài)壓強P，則膜片彎曲，膜片的磁化狀態(tài)因此發(fā)生改變。D2所檢測電壓幅值Em與膜片所受壓強P有線性關(guān)系。幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器二、超導(dǎo)磁場傳感器圖為超導(dǎo)磁場傳感器原理圖。當(dāng)超導(dǎo)環(huán)受到磁場作用時，超導(dǎo)體內(nèi)部超導(dǎo)電流排斥磁場，環(huán)內(nèi)磁場為零。超導(dǎo)電流Is只與外磁場強度B成正比。若測量出Is值的大小，則可確定磁場強度B值。須指出，電流Is并不與外加磁場強度B有嚴(yán)格的正比關(guān)系，而與磁通（=BS）成正比，其中S為超導(dǎo)環(huán)的面積。幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器三、液晶溫度傳感器液晶是1888年被發(fā)現(xiàn)的，它具有液體的流動性，又具有晶體的光學(xué)異向性。

如圖，由He-Ne激光器發(fā)出單色光，通過光纖投射到液晶上，液晶的反射光又通過接受光纖照射到光電管上。若入射光強為固定不變的，則反射光強是液晶溫度的函數(shù)，從而實現(xiàn)了溫度—電壓的轉(zhuǎn)換。若使液晶與被測物體表面接觸，則可根據(jù)輸出電壓確定被測物表面溫度。為了補償光源不穩(wěn)定及其他環(huán)境因素的影響，傳感器中增設(shè)一束參比光纖，其射入同一光源的單色光，出射光照射到另一光電管上。兩光電管性能相同，它們的輸出分別接到差動放大器的兩個輸入端，差動放大器輸出電壓信號與被測溫度成一定關(guān)系。

幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器四、薄膜壓電傳感器PVDF(PolyVinyliDenceFloride)是一種有機高分子功能材料，其化學(xué)名稱為聚偏二氟乙烯。PVDF材料可用熱成形法加工成膜狀、管狀和粒狀,其中以薄膜狀用得較多。PVDF薄膜厚度約為幾十微米，具有優(yōu)良的柔性及壓電特性，可用來代替壓電陶瓷制作機器人的觸覺傳感器。例如已采用PVDF作敏感材料制作了觸覺傳感器，用于分析人手指紋的形狀與功能，打破了傳統(tǒng)的制作單觸覺傳感器的局限。用普通橡膠制成有指紋狀及有許多小凸點的兩種表皮，將其放在PVDF薄膜上形成觸覺兼滑覺的復(fù)合傳感器，當(dāng)機器人的手爪（傳感器）表面開始接觸物體時，接觸階躍性應(yīng)力使PVDF產(chǎn)生電荷，經(jīng)電荷放大器，變?yōu)橛|覺信號。而工件相對于傳感器表層滑動時，摩擦力變化引起傳感器表層的誘導(dǎo)振動，該誘導(dǎo)振動使PVDF產(chǎn)生交變電壓信號。幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器四、薄膜壓電傳感器幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器五、微機械傳感器（MEMS）微傳感器是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。其中，用微機械加工技術(shù)制作的傳感器稱為微機械傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。大部分微機械傳感器都用半導(dǎo)體硅制作，不僅因為硅具有極優(yōu)越的機械和電性能，更重要的是應(yīng)用硅微機械加工技術(shù)可以制作出尺寸從亞微米到毫微米級微元件和微結(jié)構(gòu)，且能達到很高的加工精度。微機械加工技術(shù)主要包括：①體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工技術(shù)；②表面腐蝕加工——犧牲層技術(shù)；③X射線深層光刻電鑄成型技術(shù)。

幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器同樣利用微加工技術(shù)的微光學(xué)傳感器微光學(xué)加工技術(shù)及其產(chǎn)品DMD幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器六、智能傳感器（傳感器智能化）傳感器與微處理器結(jié)合可以通過以下兩種途徑來實現(xiàn)：一是采用微處理器或微型計算機系統(tǒng)以強化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能。二是借助于半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器部分與信號預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器。因此，傳感器智能化經(jīng)歷了非集成化智能傳感器和集成化智能傳感器兩個主要階段。(1)非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號的功能）、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微外理器組合為一個整體而構(gòu)成的智能傳感器系統(tǒng)。這種非集成化智能傳感器是在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)發(fā)展形勢的推動下迅速發(fā)展起來的。(2)集成化智能傳感器是采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號調(diào)理電路以及微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上構(gòu)成的。這樣，使智能傳感器達到了微型化，以至于可以小到放在注射針頭內(nèi)送進血管測量血液流動情況，使結(jié)構(gòu)一體化，從而提高了精度和穩(wěn)定性。微型計算機或微處理器是智能式傳感器的核心。傳感器的信號經(jīng)過一定的硬件電路處理后、以數(shù)字信號的形式進入計算機。而計算機可以根據(jù)內(nèi)存中的程序，實現(xiàn)對測量過程的各種控制、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理，以及信息傳輸?shù)裙δ?，從而使傳感器獲得智能功能。具體主要包括：(1)控制功能在智能式傳感器中，測量過程可以通過預(yù)先編制好的程序，在微型計算機的控制下實現(xiàn)自動化測量。其控制內(nèi)容一般有：鍵盤控制功能；量程自動切換；多路通道的切換；極值判斷與越界報警、自動校準(zhǔn)、自動診斷測量結(jié)果顯示及打印方式選擇等。(2)數(shù)據(jù)處理功能只能傳感器數(shù)據(jù)處理功能主要包括：標(biāo)度變換技術(shù)、數(shù)字調(diào)零技術(shù)、非線性補償、溫度補償、數(shù)字