傳感器概述

1、1,傳感器原理與技術(shù),安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院,王敏 聯(lián)系方式：ahrabbit@163.com,2,成績(jī)?cè)u(píng)定,開(kāi)卷考查！,課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課（選修）,請(qǐng)注冊(cè)，未注冊(cè)的同學(xué)原則上不給成績(jī),3,課堂紀(jì)律,按時(shí)上課，不無(wú)故缺席。做到不遲到、不早退、不擅自離開(kāi)課堂； 上課時(shí)做到不交頭接耳、不做與教學(xué)無(wú)關(guān)的事情；手機(jī)要靜音。,4,欒桂冬，張金鐸等編著，《傳感器及其應(yīng)用》， 西安電子科技大學(xué)出版社，2002,主要參考書目,5,劉迎

2、春著，《傳感器原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用》，國(guó)防科技大學(xué)出版社 ，2004,6,王化祥、張淑英著，《傳感器原理及應(yīng)用》，天津大學(xué)出版社，2007,張洪潤(rùn)著， 《傳感器技術(shù)與應(yīng)用教程》，清華大學(xué)出版社，2005,7,8,儀表技術(shù)與傳感器 http://www.i-s.com.cn傳感器世界 http://www.sensorworld.com.cn中國(guó)傳感器 http://www.sensor.com.cn傳感器技術(shù) htt

3、p://www.sensor-tech.com.cn21IC中國(guó)電子網(wǎng) http://www.21ic.com傳感器資訊網(wǎng) http://www.globalsensors.com.cn傳感器學(xué)報(bào),參考網(wǎng)站,9,傳感器原理,檢測(cè)技術(shù),溫度傳感器,磁敏傳感器,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

4、典型應(yīng)用,傳感器,10,電阻式遠(yuǎn)傳壓力表,感應(yīng)式流量表,稱重傳感器,CCD傳感器,CMOS圖像傳感器,11,質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器,壓阻式液位傳感器,溫度傳感器,光敏傳感器,12,風(fēng)力參數(shù)傳感器,地震檢波器,反射式光敏傳感器,氣敏傳感器,超聲傳感器,13,第一章 傳感器概述,1.1 什么是傳感器?1.2 傳感器技術(shù)的作用和地位1.3 傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)1.4 檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理1.5 傳感器的定義、組成和分類方法

5、1.6 本課程的特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容,14,在我們?nèi)粘Ｉ钪校褂弥鞣N各樣的傳感器: 電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器;空調(diào)中的溫度和濕度傳感器;煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器;水表、電表，電視機(jī)和影碟機(jī)中的紅外遙控器; 照相機(jī)、攝像機(jī)中的光傳感器;汽車中燃料計(jì)和速度計(jì)等等，不勝枚舉。傳感器給我們的生活帶來(lái)了多少便利和幫助呢？,1.1 什么是傳感器？,15,16,,眼（視覺(jué)）耳（聽(tīng)覺(jué)）鼻（嗅覺(jué)） 皮膚（觸覺(jué)

6、）舌（味覺(jué)）,,感知外界信息 → 大腦 → 肌體,人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較,17,什么是傳感器,傳感器好比人體感官的延長(zhǎng)，有人又稱“電五官”。,18,1.2傳感器技術(shù)的作用和地位,構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是： 傳感器技術(shù)（信息采集）； 通信技術(shù) （信息傳輸）； 計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）； 它們?cè)谛畔⑾到y(tǒng)中分別起到 “感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。在利用信息的過(guò)程中首先要解決獲取準(zhǔn)確可靠的 信息

7、，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。,19,目前傳感器技術(shù)已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用:其廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器對(duì)觀測(cè)和自動(dòng)化技術(shù)所起的作用遠(yuǎn)比家用電器所起到的作用大的多。這幾乎是無(wú)可爭(zhēng)議的事實(shí)。,20,,石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄漏檢測(cè)。,21,22,現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn),23,現(xiàn)代化工業(yè)

8、生產(chǎn),24,液位測(cè)量示意圖,現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn),25,車胎壓力監(jiān)測(cè),現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn),傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量安全：安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、汽車“黑匣子”環(huán)保：排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置。,26,27,現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn),28,現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn),29,機(jī)器人,傳感器系統(tǒng)包括： 視覺(jué): 平面、立體 非視覺(jué): 觸覺(jué)、滑覺(jué)、熱覺(jué)、力覺(jué)、接近覺(jué)、…,30,沙漠機(jī)器人,,31

9、,超聲波測(cè)流量,紅外測(cè)溫,32,醫(yī)療診斷,33,34,供熱通風(fēng)與空調(diào),35,智能建筑,自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(門禁系統(tǒng))打破了人們幾百年來(lái)用鑰匙開(kāi)鎖的傳統(tǒng),指紋門禁,感應(yīng)式門禁,36,濕度測(cè)量,37,煙氣 測(cè)量,環(huán)境監(jiān)測(cè),,38,,,39,40,智能化水質(zhì)檢驗(yàn),,,,,,,,,41,未來(lái)世界將是個(gè)高度自動(dòng)化的世界，是充滿傳感器的世界，還會(huì)有：智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽(yáng)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)記錄公路的壓力、溫

10、度、車流量）智能汽車（無(wú)人駕駛、衛(wèi)星定位）智能……,,,42,43,,傳感器具有以下作用（1）    測(cè)量與數(shù)據(jù)采集（2）    檢測(cè)與控制（3）    診斷與監(jiān)測(cè)（4）    輔助觀測(cè)儀器（5）    資源探測(cè)（6）

11、60;   環(huán)境保護(hù)（7）    醫(yī)療衛(wèi)生（8）    家用電器 ……,,44,傳感器已滲透到宇宙開(kāi)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、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)：幾乎每個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，甚至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。 由此可見(jiàn)

12、，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國(guó)十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。,,45,1.3 傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì),,傳感器現(xiàn)狀 據(jù)統(tǒng)計(jì)目前全世界約有40個(gè)國(guó)家從事傳感器的研制、生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)，研發(fā)機(jī)構(gòu)6000余家。其中以美、日、俄等國(guó)實(shí)力較強(qiáng)，其建立了包括物理量、化學(xué)量、生物量三大門類的傳感器產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品20000多種，大企業(yè)的年生產(chǎn)能力達(dá)到幾千萬(wàn)支到幾億支。2010年全世界傳感器市場(chǎng)銷售額高達(dá)473億美元

13、。,46,,我國(guó)的傳感器產(chǎn)業(yè)在科技投入(經(jīng)費(fèi)、高級(jí)人才資源)、產(chǎn)業(yè)環(huán)境以及科技實(shí)力(專利件數(shù)、新品開(kāi)發(fā)周期、關(guān)鍵材料與零組件、量產(chǎn)能力)三大方面的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力遠(yuǎn)低于美國(guó)、日本、俄國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。,47,,傳感器發(fā)展趨勢(shì)： 幾十年來(lái)傳感技術(shù)的發(fā)展分為兩個(gè)方面： 1.提高與改善現(xiàn)有傳感器的技術(shù)指標(biāo)； 2.尋找新原理、新材料、新工藝。為改善傳感器性能采用多種技術(shù)途徑：差動(dòng)技術(shù)；平均技術(shù)；補(bǔ)償修正技術(shù)；隔離抗干擾抑制、穩(wěn)

14、定性處理等等。,48,目前傳感器總的發(fā)展趨勢(shì)是：,開(kāi)發(fā)新型傳感器 開(kāi)發(fā)新材料 新工藝的采用 集成化、多功能化 智能化,49,,1．開(kāi)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。,50,2．開(kāi)發(fā)新材料,（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

15、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。,51,3．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)（MEMS），是近年來(lái)隨著集成電路工藝發(fā)展起來(lái)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(lái)越多地用于傳感器領(lǐng)域。,52,4．集成化、多功能化,為同時(shí)測(cè)量幾種不

16、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(lái)，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。,53,

17、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。,智能傳感器是傳感器技術(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。,54,傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu),傳感器在總體上呈現(xiàn)出多功能、微型化、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)。,55,1.4

18、檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理,經(jīng)典被測(cè)對(duì)象：力學(xué)領(lǐng)域中有速度、加速度、力、功和能量等； 電磁學(xué)領(lǐng)域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場(chǎng)等； 化學(xué)領(lǐng)域中有濃度、成分、pH值等；工業(yè)領(lǐng)域中有流量、壓力、溫度、黏度等?，F(xiàn)在的被測(cè)對(duì)象更為廣泛： 有人體心電、腦電波等體表電位測(cè)量，生物斷面測(cè)量；工業(yè)領(lǐng)域的光澤、觸覺(jué)等品質(zhì)測(cè)量；衛(wèi)星上監(jiān)視地球的紅外線傳感器；機(jī)器人的視覺(jué)、觸覺(jué)、滑覺(jué)、接近覺(jué)等各種傳感器。,56,就被測(cè)對(duì)象而言工業(yè)上需要檢測(cè)的量

19、有電量和非電量?jī)纱箢?。傳統(tǒng)的傳感器可以完成從非電量到非電量的轉(zhuǎn)換，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代智能儀器儀表的自動(dòng)測(cè)量，無(wú)法完成過(guò)程控制的自動(dòng)檢測(cè)與控制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量的精確度、速度提出新的要求，尤其對(duì)動(dòng)態(tài)變化的物理過(guò)程和物理量遠(yuǎn)距離測(cè)量，用非電方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)，必須采用電測(cè)法。,57,測(cè)量?jī)x器的輸出信號(hào)必須轉(zhuǎn)化為電壓、電流或數(shù)字量中的一種。信號(hào)處理就是通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、解調(diào)、A/D轉(zhuǎn)換得到所希望的輸出信號(hào)過(guò)程。這是檢測(cè)系統(tǒng)中使用的共同技

20、術(shù)。,普通電測(cè)儀表基本組成,58,,數(shù)字電壓表問(wèn)世以來(lái)模擬式儀表逐漸被數(shù)字式儀表取代； 微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后形成嶄新的微機(jī)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng); 單片微機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并提供顯示和記錄同時(shí)， 也對(duì)整個(gè)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行控制。,59,1.5 傳感器的定義、組成和分類方法（1）傳感器定義,廣義：　傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。狹義：　能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸

21、出的器件。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665－87） 對(duì)傳感器（Sensor/transducer）定義是： 能夠感受規(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)的器件和裝置。,60,這種能感應(yīng)被測(cè)量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其它物理量變化的器件，就是傳感器。一般由檢出信號(hào)器件和信號(hào)處理兩部分組成。,,61,以上定義表明傳感器有以下含義： 它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的檢測(cè)裝置； 能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出； 傳感器的輸出與輸入

22、之間存在確定的關(guān)系； 按使用的場(chǎng)合不同又稱為: 變換器、換能器、探測(cè)器。,62,（2）傳感器的組成,傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路三部分組成：,敏感元件感受被測(cè)量; 轉(zhuǎn)換元件將響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量; 基本電路把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量; 核心部分是轉(zhuǎn)換元件,決定傳感器的工作原理。,63,64,,,65,（3）傳感器的分類,傳感器分類方法較多,大體有以下幾種：1） 按傳感器檢測(cè)的范疇分類 物理量傳感器

23、 化學(xué)量傳感器 生物量傳感器,２）按傳感器的輸出信號(hào)分類 模擬傳感器 數(shù)字傳感器,66,4）按傳感器的能源分類 有源傳感器 無(wú)源傳感器,3）按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類 機(jī)—電傳感器 光—電傳感器 熱—電傳感器 磁—電傳感器 電化學(xué)傳感器,67,5）按傳感器的功能分類 單功能傳感器 多功能傳感器 智能傳感器,6）按傳感器的結(jié)構(gòu)分類 結(jié)構(gòu)型傳感器 物性型傳感器 復(fù)合型傳感器,68,結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)

24、中場(chǎng)的定律構(gòu)成的，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)。物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，其性能隨材料的不同而異。,69,國(guó)標(biāo)制定的傳感器分類體系表將傳感器分為：物理量、化學(xué)量、生物量傳感器三大門類；含12個(gè)小類：　力學(xué)量、熱學(xué)量、光學(xué)量、磁學(xué)量、電學(xué)量、聲學(xué)量、射線、氣體、離子、溫度傳感器以及生化量、生理量傳感器。各小類按兩個(gè)層次又分若干品種。,70,課程目的主要介紹把各種幾何量、

25、機(jī)械量以及其他有關(guān)量轉(zhuǎn)換成電量的各種傳感器，包括基本轉(zhuǎn)換電路和電測(cè)方法。傳感器與生產(chǎn)實(shí)際和科學(xué)研究的關(guān)系十分密切，這些決定了“傳感器”課程是一門綜合性、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。,1.6本課程的特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容,71,本課程的主要任務(wù)： 掌握各類傳感器的基本理論，掌握各種傳感器的工作原理、主要性能及其特點(diǎn)；使同學(xué)們能合理地選擇和使用傳感器，力圖在傳感器應(yīng)用方面有所啟發(fā)；使同學(xué)們掌握常用傳感器的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法；了