傳感器與檢測(cè)技術(shù)-Ch0重點(diǎn)PT課件

傳感器與檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)化與電子信息學(xué)院自動(dòng)化教研室SensorandMeasurementTechnology成績(jī)?cè)u(píng)定平時(shí)成績(jī)30分；期末考試70分。課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課（必修）基礎(chǔ)知識(shí)定義、分類發(fā)展趨勢(shì)選用原則一般特性傳感器原理檢測(cè)技術(shù)溫度傳感器磁電傳感器光電傳感器應(yīng)變傳感器電感傳感器電容傳感器壓電傳感器其他傳感器多傳感器融合檢測(cè)電路現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)課程主要內(nèi)容傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、檢測(cè)電路及其典型應(yīng)用參考網(wǎng)站[1]傳感器課程[2]儀表技術(shù)與傳感器[3]傳感器世界[4]中國(guó)傳感器[5]傳感器技術(shù)[6]21IC中國(guó)電子網(wǎng)[7]傳感技術(shù)學(xué)報(bào)網(wǎng)[8]傳感器資訊網(wǎng)第0章傳感器與檢測(cè)技術(shù)概念傳感器的組成與分類1傳感器的作用與地位2傳感器的發(fā)展方向3檢測(cè)技術(shù)的定義4

檢測(cè)技術(shù)的作用50.1傳感器的組成與分類0.1傳感器的組成與分類傳感器的定義國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：傳感器是能感受規(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，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。①傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；②輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；④輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、探頭敏感元件：直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。

轉(zhuǎn)換元件：傳感器能將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量傳感器功用：一感二傳,即感受被測(cè)信息,并傳送出去。0.1傳感器的組成與分類0.1傳感器的組成與分類最簡(jiǎn)單的傳感器由一個(gè)敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)組成，它感受被測(cè)量時(shí)直接輸出電量，如能將溫度轉(zhuǎn)換為電壓的傳感器—熱電偶。0.1傳感器的組成與分類有些傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及轉(zhuǎn)換電路組成。例如：要測(cè)量一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的汽車的加速度（規(guī)定的被測(cè)量）?？梢栽O(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置。敏感元件轉(zhuǎn)換元件+—電子線路輸出0.1傳感器的組成與分類敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量砝碼m千克彈簧k轉(zhuǎn)換電路加速度電量a力mama/k位移v?ma/kL有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。0.1傳感器的組成與分類傳感器的分類：按輸入量分類:位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等按工作原理分類:應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等按物理現(xiàn)象分類:結(jié)構(gòu)型傳感器、特性型傳感器按能量關(guān)系分類:能量轉(zhuǎn)換型傳感器、能量控制傳感器按輸出信號(hào)分類:模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器0.1傳感器的組成與分類結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律構(gòu)成的，包括動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律，電磁場(chǎng)的電磁定律等。物理學(xué)中的定律一般是以方程式給出的。對(duì)于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時(shí)的數(shù)學(xué)模型。這類傳感器的特點(diǎn)是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對(duì)位置變化引起場(chǎng)的變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。特性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的,如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此特性型傳感器的性能隨材料的不同而異。如，光電管，它利用了物質(zhì)法則中的外光電效應(yīng)。顯然，其特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關(guān)系。又如，所有半導(dǎo)體傳感器，以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于特性型傳感器。

0.1傳感器的組成與分類能量控制型傳感器，在信息變化過程中，傳感器將從被測(cè)對(duì)象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵(lì)源，使外部激勵(lì)源的部分能量載運(yùn)信息而形成輸出信號(hào)，這類傳感器必須由外部提供激勵(lì)源，如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器?；趹?yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等的傳感器也屬于此類傳感器。

能量轉(zhuǎn)換型傳感器，又稱有源型或發(fā)生器型，傳感器將從被測(cè)對(duì)象獲取的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)能量，主要由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)等的傳感器都屬于此類傳感器。

0.2傳感器的作用與地位新技術(shù)革命的到來，世界已經(jīng)開始進(jìn)入信息時(shí)代。傳感器是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，人們?cè)诶眯畔⒌倪^程中，首先要獲取信息，而傳感器是獲取信息的主要手段和途徑。構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱：傳感器技術(shù)——信息采集——“感官”通信技術(shù)———信息傳輸——“神經(jīng)”計(jì)算機(jī)技術(shù)——信息處理——“大腦”目前傳感器涉及的領(lǐng)域：現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)學(xué)科研究、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、軍事國(guó)防、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、智能建筑、汽車、家用電器、生物工程、商檢質(zhì)檢、公共安全、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。0.2傳感器的作用與地位現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控；自動(dòng)檢測(cè)；過程控制的四大參量：流量、壓力、溫度、液位等等。基礎(chǔ)學(xué)科研究超高溫、超高壓、超低溫、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)檢測(cè)。航空航天宇宙飛船飛行的速度、加速度、位置、姿態(tài)、溫度、氣壓、磁場(chǎng)、振動(dòng)測(cè)量；“阿波羅10”飛船對(duì)3295個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。0.2傳感器的作用與地位智能建筑包括三大基本要素有：（簡(jiǎn)稱3A）樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)BAS（BuildingAutomatingSystem）通訊自動(dòng)化系統(tǒng)CAS(CommunicationAutomatingSystem)辦公自動(dòng)化系統(tǒng)OAS(OfficeAutomatingSystem)其中樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是智能建筑的重要組成部分:

計(jì)算機(jī)通過—中繼器—路由器—網(wǎng)絡(luò)—顯示—網(wǎng)關(guān)

控制管理各種機(jī)電設(shè)備——空調(diào)制冷；給水排水、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯等等，實(shí)現(xiàn)以上功能使用的傳感器有：溫度、濕度、液位、流量、壓差、空氣壓力。

安全防護(hù)；防盜、防火、防燃?xì)庑孤?/p>

CCD（電子眼）監(jiān)視器、煙霧傳感器、氣體傳感器、紅外傳感器、玻璃破碎傳感器

自動(dòng)識(shí)別—門禁管理系統(tǒng)；感應(yīng)式IC卡識(shí)別、指紋識(shí)別

遠(yuǎn)程抄收與管理系統(tǒng)；水、電、氣、熱量通過傳感器設(shè)置遠(yuǎn)程自動(dòng)化抄表

巡更系統(tǒng)——保安管理

0.2傳感器的作用與地位現(xiàn)代家用電器電視機(jī)、空調(diào)、風(fēng)扇——紅外遙控器傻瓜照相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)中自動(dòng)暴光裝置電飯煲、電冰箱使用的溫度傳感器抽油煙機(jī)上的氣敏傳感器全自動(dòng)洗衣機(jī)中水位、濁度傳感器目前傳感器涉及的領(lǐng)域：宇宙、海洋探測(cè)；環(huán)境；醫(yī)學(xué)；生物工程；文物保護(hù)；公共安全；智能大廈；家用電器。0.2傳感器的作用與地位未來世界會(huì)有：智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽能提供能源）智能衣服（自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度）智能公路（自動(dòng)顯示、記錄公路的壓力、溫度、車流量）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）0.2傳感器的作用與地位例：智能化水質(zhì)檢驗(yàn)0.3傳感器的發(fā)展動(dòng)向當(dāng)前傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)向：開展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝，實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。

開發(fā)新型傳感器

開發(fā)新材料新工藝的采用集成化、多功能化智能化

0.3傳感器的發(fā)展動(dòng)向1．開發(fā)新型傳感器

新型傳感器包括：①采用新原理；②填補(bǔ)傳感器空白；③仿生傳感器等方面。它們之間是互相聯(lián)系的。傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型特性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價(jià)格偏高。特性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點(diǎn)，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國(guó)都在特性型傳感器方面投入大量人力、物力加強(qiáng)研究，從而使它成為一個(gè)值得注意的發(fā)展動(dòng)向。0.3傳感器的發(fā)展動(dòng)向2．開發(fā)新材料傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，人們?cè)谥圃鞎r(shí)，可任意控制它們的成分，從而設(shè)計(jì)制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。（1）半導(dǎo)體敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點(diǎn)。有機(jī)材料作為傳感器材料的研究，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。0.3傳感器的發(fā)展動(dòng)向3．新工藝的采用在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的微細(xì)加工技術(shù)。該技術(shù)又稱微機(jī)械加工技術(shù)，是近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)，目前已越來越多地用于傳感器領(lǐng)域。例如利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術(shù)進(jìn)行高精度三維加工，在硅片上構(gòu)成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。0.3傳感器的發(fā)展動(dòng)向

4．集成化、多功能化為同時(shí)測(cè)量幾種不同被測(cè)參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復(fù)合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。把多個(gè)功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)的測(cè)量外，還可對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評(píng)價(jià)，可反映出被測(cè)系統(tǒng)的整體狀態(tài)。同一功能的多元件并列化，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，如CCD圖像傳感器。多功能一體化，即將傳感器與放大、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。0.3傳感器的發(fā)展動(dòng)向5．智能化對(duì)外界信息具有檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機(jī)互相對(duì)話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度傳輸?shù)取Ｖ悄軅鞲衅魇莻鞲衅骷夹g(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實(shí)現(xiàn)取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。0.4檢測(cè)技術(shù)的定義檢測(cè)技術(shù)屬于信息科學(xué)的范疇,與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)構(gòu)成完整的信息技術(shù)學(xué)科。測(cè)量是指確定被測(cè)對(duì)象屬性量值為目的的全部操作。測(cè)試是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測(cè)量