第1章傳感器概述

《傳感器與測(cè)試技術(shù)》姓名：郭愛(ài)芳聯(lián)系方式y(tǒng)gaf@126.com主講課程：傳感器與測(cè)試技術(shù)儀器電路河南科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院測(cè)控技術(shù)及儀器教研室（5-506）掌握傳感器的基本理論；掌握傳感器的靜、動(dòng)態(tài)特性的評(píng)價(jià)方法和實(shí)現(xiàn)不失真的條件；掌握傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、信號(hào)調(diào)理電路和工程應(yīng)用實(shí)例，并能合理選用傳感器，具備設(shè)計(jì)測(cè)試方案、分析和處理測(cè)試信號(hào)的能力。課程要求：

課程內(nèi)容：

傳感器概述電阻傳感器傳感器特性電容傳感器電感傳感器壓電傳感器磁電傳感器熱電傳感器光電傳感器智能傳感器機(jī)器人傳感器傳感器與測(cè)試技術(shù)傳感器與測(cè)試技術(shù)是一門(mén)與工程數(shù)學(xué)、工程力學(xué)、電子技術(shù)、信息技術(shù)密切相關(guān)的快速發(fā)展的學(xué)科。本教材內(nèi)容新穎、體系嚴(yán)謹(jǐn)，以傳感器原理為基礎(chǔ)，以傳感器工程應(yīng)用為重點(diǎn)。在教學(xué)內(nèi)容上采編了多媒體素材和案例，通過(guò)教材、課件和電子教案的內(nèi)容，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)方法：

傳感器與測(cè)試技術(shù)本課程是培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際測(cè)試問(wèn)題能力的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)實(shí)踐性，學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)充分利用課程所開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)。

只有通過(guò)足夠的實(shí)驗(yàn)操作，才能得到實(shí)際的動(dòng)手能力，才能更好的掌握理論知識(shí)。傳感器與測(cè)試技術(shù)結(jié)合項(xiàng)目學(xué)習(xí)：

培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中對(duì)知識(shí)融會(huì)貫通、獨(dú)立學(xué)習(xí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。倉(cāng)儲(chǔ)模型機(jī)械手小車(chē)骨外固定器傳感器與測(cè)試技術(shù)以傳感器原理及應(yīng)用為主線(xiàn)，以案例和實(shí)驗(yàn)為手段進(jìn)行教學(xué)。

教學(xué)方法：

煤氣包高度測(cè)量橋梁固頻測(cè)量機(jī)翼模態(tài)分析索道檢測(cè)傳感器與測(cè)試技術(shù)側(cè)重解決課本教學(xué)存在的問(wèn)題：1.傳感器應(yīng)用、發(fā)展部分空洞；2.傳感器沒(méi)有實(shí)物對(duì)象、枯燥無(wú)味。傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述本章學(xué)習(xí)要求：1.掌握傳感器的定義與作用；2.掌握傳感器的組成與分類(lèi)；3.了解傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。傳感器與測(cè)試技術(shù)1.1傳感器的定義與作用傳感器是：國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”科學(xué)研究的“先行官”現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的“戰(zhàn)斗力”法庭審判的“物化法官”現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱：計(jì)算機(jī)、通訊、傳感器第1章傳感器概述

1.1傳感器的定義與作用傳感器是一種能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按一定規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成某種可用輸出信號(hào)的測(cè)量裝置。1.1.1

傳感器的定義（1）傳感器是測(cè)量裝置，能感受被測(cè)量的變化，完成檢測(cè)任務(wù)；（2）被測(cè)量為物理量、化學(xué)量、生物量；（3）輸出信號(hào)是某種便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示的可用信號(hào)。如電參量(電阻、電容、電感)、電信號(hào)(電壓、電流、電荷)、光信號(hào)、頻率信號(hào)等。由于電信號(hào)易于傳輸、轉(zhuǎn)換和處理，所以一般概念上的傳感器是指將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的測(cè)量裝置。1.1傳感器的定義與作用1.1.2

傳感器的作用1．信息采集科學(xué)技術(shù)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中所要獲取的各種信息，都要通過(guò)傳感器獲取并轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)。2．診斷與報(bào)警對(duì)系統(tǒng)或裝置的某種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)判斷，若發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警告信號(hào)并啟動(dòng)保護(hù)電路，從而對(duì)系統(tǒng)或裝置進(jìn)行安全管理。如：產(chǎn)品質(zhì)量是否合格、設(shè)備工況是否正常、人體部位異常診斷等都要由傳感器監(jiān)測(cè)判斷來(lái)完成。3．檢測(cè)與控制傳感器是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與控制的關(guān)鍵部件。如果沒(méi)有傳感器對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與控制，生產(chǎn)設(shè)備將無(wú)法達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，產(chǎn)品質(zhì)量也將無(wú)法保證。1.2傳感器的組成與分類(lèi)1.2.1傳感器的組成傳感器不同其組成也不同，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)理電路和輔助電源等組成。敏感元件直接感受被測(cè)量；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成便于傳輸和測(cè)量的電參量或電信號(hào)；信號(hào)調(diào)理電路則對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、濾波、運(yùn)算、調(diào)制等。信息獲取信號(hào)轉(zhuǎn)換敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)理電路輔助電源電參量或電信號(hào)中間量1.2傳感器的組成與分類(lèi)

有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。如電感式壓力傳感器由膜盒和電感線(xiàn)圈組成，膜盒是敏感元件，電感線(xiàn)圈是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器不只一個(gè)轉(zhuǎn)換元件，要經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換。如應(yīng)變式密度傳感器，浮子先將被測(cè)液體的密度轉(zhuǎn)換成浮力變化，浮力作用在懸臂梁上使梁產(chǎn)生變形，粘貼在懸臂梁上的電阻應(yīng)變片再將梁的變形轉(zhuǎn)換成電阻量變化。

敏感元件與轉(zhuǎn)換元件之間并無(wú)嚴(yán)格的界限。如熱電偶傳感器直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)輸出，熱電偶既是敏感元件，又是轉(zhuǎn)換元件，也不需要信號(hào)調(diào)理電路和輔助電源。1.2傳感器的組成與分類(lèi)1.2.2傳感器的分類(lèi)1.按工作原理分能量轉(zhuǎn)換型：直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓等)。(發(fā)電型)

例如：熱電偶傳感器，壓電式傳感器。2.按能量關(guān)系分能量控制型：先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電參量(電阻、電容等)，(電參量型)在外部輔助電源作用下才能輸出電信號(hào)。例如：應(yīng)變式傳感器，電容式傳感器。1.2傳感器的組成與分類(lèi)機(jī)械量：長(zhǎng)度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)速,質(zhì)量,重量,力,應(yīng)力,應(yīng)變,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,流量。聲：聲壓,噪聲。磁：磁通,磁場(chǎng)。溫度：溫度,熱量,比熱。光：亮度,色彩。4.按被測(cè)量分3.按輸出信號(hào)分傳感器按輸出信號(hào)的形式劃分，可分為模擬型傳感器（如感應(yīng)同步器）和數(shù)字型傳感器（如光電式接近開(kāi)關(guān)）。1.3傳感器的發(fā)展趨勢(shì)1.3.1

新材料、新功能的開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體材料、壓電材料、功能材料、高分子材料等。1.3.2

新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用光刻、擴(kuò)散、薄膜工藝；IC、微細(xì)加工技術(shù)等。利用IC技術(shù)將敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路和輔助電源等集成在同一芯片上，就可制成高精度、超小型的集成傳感器。1.3.2

多功能、智能化傳感器的研制將多種功能的敏感元件或同一功能的多個(gè)敏感元件集成在一個(gè)芯片上，就可以檢測(cè)多種被測(cè)量。將傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和微處理器等組裝在一起構(gòu)成多功能、智能化傳感器。

傳感器是人類(lèi)認(rèn)識(shí)和改造客觀世界的基礎(chǔ)，其技術(shù)水平在相當(dāng)程度上影響科學(xué)技術(shù)發(fā)展的速度和深度。隨著人類(lèi)活動(dòng)領(lǐng)域的擴(kuò)大和探索過(guò)程的深化，傳感器技術(shù)已經(jīng)成為基礎(chǔ)科學(xué)研究與現(xiàn)代信息技術(shù)相互融合的新領(lǐng)域，它匯集和包容多種學(xué)科的成果，是人類(lèi)探索自然界信息、實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制的首要環(huán)節(jié)。

1.4傳感器的工程應(yīng)用（1）機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器

轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、接近覺(jué)距離傳感器、觸覺(jué)傳感器、熱覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器。

1.4傳感器的工程應(yīng)用

1.機(jī)電工程中的應(yīng)用

在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗（2）AGV自動(dòng)送貨車(chē)

超聲波測(cè)距傳感器，判斷建筑物內(nèi)