傳感器技術(shù)0-緒論-中英對(duì)照

Sensor/TransducerTechnology

傳感器技術(shù)Instructor:Dr.JinboFu(符金波)Ph.D.ofMechanicalEngineering,PennStateUniv.,USAM.S.ofElectricalEngineering,PennStateUniv.,USAM.S.ofMechanicalEngineering,PennStateUniv.,USAM.E.ofPrecisionInstrument,TsinghuaUniv.,PRCB.E.ofPrecisionInstrument,TsinghuaUniv.,PRCOfficeAddress:Room528,CentralBuildingTel Email:fjb@Tipsforthisclass

課程注意事項(xiàng)Prerequisites課程必備條件WiderangeofknowledgeinPhysics,Mechanics,Electronics,Machinery,Optics,etc.物理、力學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械、光學(xué)等等廣泛的知識(shí)

Goodattitude&alittledevotion好的態(tài)度+一點(diǎn)投入Somerulesofthisclass本課的一些規(guī)定Ruleofabsence缺課的規(guī)定

allow1absencew/priornotice允許事先請(qǐng)假缺課一次Ruleofhomework家庭作業(yè)的規(guī)定

homeworkisdueinclassaweekfromtheassignment

家庭作業(yè)布置一周后在課堂上提交

Ruleofclassinteraction課堂互動(dòng)

pleaseraiseyourhand,speakloudandclearinEnglishorChinese

請(qǐng)先舉手，然后用英文或中文大聲回答Chapter0:Preface緒論1.2傳感器的作用和重要性Functionsandimportanceofsensor0.10.20.30.4傳感器的定義和組成Definitionandcompositionofsensor傳感器的分類和要求Classificationandrequirementsofsensor傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)NewtrendanddirectionofsensorR&DThedefinitionofsensor傳感器的定義廣義定義Definitioninbroadsense：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件(device)或裝置(apparatus)。

狹義定義Definitioninnarrowsense

：將外界的輸入信號(hào)變換為電信號(hào)的一類元件(element)。傳感器來自外界的信號(hào)電信號(hào)傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系(determinatecorrespondence)的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置(measuringdevice)。其包含一下幾個(gè)方面的意思：傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)它的輸入量input是某一被測(cè)量(measurand)，可能是物理量(physicalquantity)，也可能是化學(xué)量(chemicalquantity)、生物量(biologicalquantity)等輸出量output是某種物理量，這種量要便于傳輸transmit、轉(zhuǎn)換convert、處理process、顯示display等，這種量可以是氣、光、電，但主要是電量electricquantity。輸入輸出有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度accuracy。Thedefinitionofsensor傳感器的定義Basiclawsandrules基本定律和法則守恒定律(Lawsofconservation)

能量energy守恒、動(dòng)量momentum守恒、電荷量electriccharge守恒場(chǎng)的定律(Lawsoffield)

利用場(chǎng)的定律構(gòu)成的傳感器，其形狀shape、尺寸size(結(jié)構(gòu)structure)決定了傳感器的量程range、靈敏度sensitivity等主要性能，故此類傳感器可統(tǒng)稱為“結(jié)構(gòu)型傳感器”(structuretypesensors)物質(zhì)定律(Lawsofphysicalmatter)

基于物質(zhì)定律的傳感器可統(tǒng)稱為“物性型傳感器”(physicalpropertytypesensors)統(tǒng)計(jì)法則(Rulesofstatistics)

統(tǒng)計(jì)法則把微觀系統(tǒng)Microsystems與宏觀系統(tǒng)Macrosystems聯(lián)系起來Thecompositionofsensor傳感器的組成可用電量被測(cè)量

敏感元件轉(zhuǎn)化元件測(cè)量電路傳感器一般由敏感元件(Sensingelement)和轉(zhuǎn)換元件(Transductionelement)組成：敏感元件(Sensingelement)：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(Transductionelement)

：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。測(cè)量（轉(zhuǎn)換）電路(Measurement/conversioncircuit)

：將轉(zhuǎn)換電路參數(shù)接入測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。Thecompositionofsensor傳感器的組成有些傳感器很簡(jiǎn)單，僅由一個(gè)敏感元件（兼作轉(zhuǎn)換元件）組成，它感受被測(cè)量時(shí)直接輸出電量。如熱電偶thermocouple。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個(gè)，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。Thecompositionofsensor傳感器的組成Theclassificationofsensors傳感器的分類傳感器種類variety繁多，目前常用的分類有兩種：

以被測(cè)量來分(basedonmeasurements)以傳感器的原理來分(basedonprinciples)被測(cè)量類別被

測(cè)

量熱工量Quantityofthermalengineering

溫度temperature、熱量quantityofheat、比熱specificheat、壓力pressure、壓差differentialpressure、真空度vacuumdegree、流量volumeofflow、流速velocityofflow、風(fēng)速airspeed機(jī)械量Quantityofmechanicalengineering位移displacement（線linear位移、角angular位移）、尺寸size、形狀shape；力force、力矩torque、應(yīng)力stress、重量weight、質(zhì)量mass、轉(zhuǎn)速speedofrotation、線速度linearvelocity；振動(dòng)幅度amplitudeofvibration、頻率frequency、加速度acceleration、噪聲noice按被測(cè)量來分類Theclassificationofsensor傳感器的分類按被測(cè)量來分類被測(cè)量類別被

測(cè)

量物性和成分量Physicalproperties&compositions氣體化學(xué)成分chemicalcompositionofgas、液體化學(xué)成分chemicalcompositionofliquid；酸堿度（PH值）、鹽度salinity、濃度concentration、粘度viscocity、密度density、比重specificgravity狀態(tài)量Quantityofstate顏色color、透明度clarity、磨損量amountofwear、材料內(nèi)部裂縫或缺陷internalfracturesordefects、氣體泄漏airleak、表面質(zhì)量surfacequalityTheclassificationofsensor傳感器的分類按傳感器原理來分類電阻式resistive，光電式photoelectric（紅外式infrared、光導(dǎo)纖維式opticalfiber），電感式inductive，諧振式resonant，電容式capacitive，霍爾式hall（磁式magnetic），阻抗式impedance（電渦流式eddycurrent），超聲式ultrasonic，磁電式electromagnetic，同位素式isotopic，熱電式electrothermic，電化學(xué)式electrochemical，壓電式piezoelectric，微波式microwaveThepurposesofclassification分類的目的了解各類傳感器的工作原理(principles)、主要性能(performance)及其特點(diǎn)(characteristics)、應(yīng)用(applications)。合理地正確地選擇和使用傳感器(reasonablyandproperlyselectandusesensors)

。了解常用傳感器的工程設(shè)計(jì)方法(engineeringdesignmethods)和掌握常用傳感器的試驗(yàn)研究方法(experimentandstudyingapproaches)。了解傳感器地發(fā)展方向(directionsoffuturedevelopment)等。Requirementsofsensors傳感器的要求足夠的容量(sufficientcapacity)—傳感器的工作范圍或量程(range)足夠大，具有一定的過載能力(overloadcapacity)。靈敏度高，精度適當(dāng)(highsensitivityandappropriateaccuracy)—即要求其輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)成確定的關(guān)系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應(yīng)staticresponse與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。

響應(yīng)速度快(fastresponse)，工作穩(wěn)定(stableperformance)，可靠性好(goodreliability)使用性和適應(yīng)性強(qiáng)(easytouseandeasytoadapt)—體積小，重量輕，動(dòng)作能量小，對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)影響??；內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出盡量采用通用或標(biāo)準(zhǔn)形式，以便與系統(tǒng)對(duì)接。使用經(jīng)濟(jì)(economictouse)—成本低，壽命長(zhǎng)，且便于使用、維修和校準(zhǔn)(calibrate)。傳感器的地位和作用身體與機(jī)器的對(duì)應(yīng)關(guān)系HumanbodyVsMachine傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段Sensorsaremajorchannelsandmeanstocollectinfo.fromthenatureThefunctionsofsensor傳感器的作用傳感器實(shí)際上是一種功能塊(functionmodule)，其作用是將來自外界的external各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(electricsignal)。傳感器所檢測(cè)的信號(hào)近來顯著地significantly增加，因而其品種variety也極其繁多。為了對(duì)各種各樣的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)detect

、控制control，就必須獲得盡量簡(jiǎn)單易于處理的信號(hào)，這樣的要求只有電信號(hào)能夠滿足。電信號(hào)能較容易地進(jìn)行放大(amplify)、反饋(feedback)、濾波(filter)、微分(differentiate)、存貯(store)、遠(yuǎn)距離操作(remoteoperate)等。Theimportanceofsensor傳感器的重要性作為人腦(humanbrain)的一種模仿(imitation)，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展極為迅速，可是起感覺(sensation)模仿作用的傳感器卻發(fā)展很慢，因而如果不進(jìn)行傳感器的開發(fā)，現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)將不能適應(yīng)實(shí)際需要?，F(xiàn)代社會(huì)要求傳感器(sensor)、電子計(jì)算機(jī)(computer)和執(zhí)行器(actuator)三者都能相互協(xié)調(diào)(coordinate)才行。這樣，傳感器就成了現(xiàn)代科學(xué)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(centralnervesystem)，它日益受到人們的普遍重視，這已成為現(xiàn)代傳感器技術(shù)的必然趨勢(shì)(inevitabletrend)。沒有傳感器就沒有支撐人類現(xiàn)代文明(moderncivilization)的科學(xué)技術(shù)，誰掌握最先進(jìn)的傳感器技術(shù)誰就支配未來的科技發(fā)展。Theapplicationsofsensor傳感器的應(yīng)用傳感器技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化(Industrialautomation)、軍事國(guó)防(Military&Defense)和以宇宙探索(Spaceexploration)、海洋開發(fā)(Oceanexploitation)為代表的尖端(frontier)科學(xué)與工程等重要領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用(extensiveapplications)。同時(shí)，它正以自己的巨大潛力(potential)，向著與人們生活密切相關(guān)的方面滲透(infiltrate)；生物工程(Bio-engineering)、醫(yī)療衛(wèi)生(Medicalcare)、環(huán)境保護(hù)(Environmentalprotection)、安全防范(Securityenforcement)、家用電器(Householdappliances)、網(wǎng)絡(luò)家居(Networkhousing)等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發(fā)展。NewtrendsofsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)傳感器需求的新動(dòng)向社會(huì)需求(socialdemand)是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力(drivingforce)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是微電子(micro-electronics)技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)(IT)的飛速發(fā)展，以及“電腦”的普及，傳感器在新的技術(shù)革命中的地位和作用將更為突出，一股競(jìng)相開發(fā)和應(yīng)用傳感器的熱潮已在世界范圍內(nèi)掀起。NewtrendsofsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)“電五官electricsenseorgans”落后于“電腦electricbrain”的現(xiàn)狀，已成為微型計(jì)算機(jī)(micro-computer)進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用的一大障礙(obstacle)許多有競(jìng)爭(zhēng)力的(competitive)新產(chǎn)品開發(fā)和卓有成效的(effective)技術(shù)改造，都離不開傳感器傳感器的應(yīng)用直接帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益(economicbenefits)和社會(huì)效益(socialbenefits)傳感器普及于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，將造成良好的市場(chǎng)前景(prospectofmarketing)NewtrendsofsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和需求量NewtrendsofsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，大致分為如下四個(gè)方面：發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)(neweffects)，開發(fā)新材料(newmaterials)、新功能(newfunctions)。集成化(integrated)，多功能化(multi-functional)，微型化(miniaturized)。數(shù)字化(digital)，智能化(intelligent)，網(wǎng)絡(luò)化(networked)-智能傳感器(intelligentsensors)向未開發(fā)的領(lǐng)域挑戰(zhàn)—生物傳感器(Bio-sensors)。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)(neweffects)，開發(fā)新材料(newmaterials)

、新功能(newfunctions)新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是新敏感材料開發(fā)的重要途徑(importantchannel)，而新的敏感材料的開發(fā)是新型傳感器問世的重要基礎(chǔ)(keyfoundation)。探索(explore)已知材料的新功能與開發(fā)新功能材料對(duì)研制新型傳感器來說同樣重要。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)集成化(integrated)，多功能化(multi-functional)，微型化(miniaturized)積極應(yīng)用半導(dǎo)體(semiconductor)集成電路(integratecircuit-IC)技術(shù)及其開發(fā)思想將多個(gè)或多種傳感器集成制造在同一個(gè)芯片(chip)上。微米/納米技術(shù)(Micro/Nanotechnology)的問世和微機(jī)械加工技術(shù)的出現(xiàn)為微型傳感器(Micro-transducer)的研制鋪平了道路。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)數(shù)字化(digital)，智能化(intelligent)，網(wǎng)絡(luò)化(networked)智能傳感器(SmartSensors)具有判斷能力、學(xué)習(xí)能力的傳感器

智能傳感器大致分為如下三種：具有判斷力的敏感裝置具有學(xué)習(xí)能力的敏感裝置具有創(chuàng)造能力的敏感裝置NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)同一般傳感器相比，智能式傳感器有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：精度高

highprecision穩(wěn)定、可靠性好stableandreliable檢測(cè)與處理方便

easytotestandprocess功能廣

widerangeoffunctions性價(jià)比高

goodperformancepriceratio

NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)從構(gòu)成上看，智能式傳感器是一個(gè)典型的以微處理器(micro-processor)為核心的計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)(detectionsystem)

。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢(shì)智能傳感器精度高

：

由于智能式傳感器具有信息處理的功能，因此通過軟件不僅可以修正各種確定性系統(tǒng)誤差(knownsystemerror)(如傳感器輸入輸出的非線性誤差、溫度誤差、零點(diǎn)誤差、正反行程誤差等)，而且還可以適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償(compensate)隨機(jī)誤差(randomerror)

，降低噪聲，從而使傳感器的精度大大提高。穩(wěn)定、可靠性好：

它具有自診斷selfdiagnosis、自校正selfcorrection和