傳感器概述

1、1,傳感器原理與技術,安徽大學物理與材料科學學院,王敏 聯(lián)系方式：ahrabbit@163.com,2,成績評定,開卷考查！,課程性質：專業(yè)基礎課（選修）,請注冊，未注冊的同學原則上不給成績,3,課堂紀律,按時上課，不無故缺席。做到不遲到、不早退、不擅自離開課堂； 上課時做到不交頭接耳、不做與教學無關的事情；手機要靜音。,4,欒桂冬，張金鐸等編著，《傳感器及其應用》， 西安電子科技大學出版社，2002,主要參考書目,5,劉迎

2、春著，《傳感器原理、設計與應用》，國防科技大學出版社 ，2004,6,王化祥、張淑英著，《傳感器原理及應用》，天津大學出版社，2007,張洪潤著， 《傳感器技術與應用教程》，清華大學出版社，2005,7,8,儀表技術與傳感器 http://www.i-s.com.cn傳感器世界 http://www.sensorworld.com.cn中國傳感器 http://www.sensor.com.cn傳感器技術 htt

3、p://www.sensor-tech.com.cn21IC中國電子網 http://www.21ic.com傳感器資訊網 http://www.globalsensors.com.cn傳感器學報,參考網站,9,傳感器原理,檢測技術,溫度傳感器,磁敏傳感器,光電傳感器,應變傳感器,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,檢測電路,現(xiàn)代檢測系統(tǒng),課程主要內容,傳感器的工作原理、結構、主要參數(shù)、檢測電路及其

4、典型應用,傳感器,10,電阻式遠傳壓力表,感應式流量表,稱重傳感器,CCD傳感器,CMOS圖像傳感器,11,質子旋進式磁敏傳感器,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 傳感器技術的作用和地位1.3 傳感器現(xiàn)狀和國內外發(fā)展趨勢1.4 檢測系統(tǒng)的組成原理1.5 傳感器的定義、組成和分類方法

5、1.6 本課程的特點和研究內容,14,在我們日常生活中，使用著各種各樣的傳感器: 電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器;空調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，電視機和影碟機中的紅外遙控器; 照相機、攝像機中的光傳感器;汽車中燃料計和速度計等等，不勝枚舉。傳感器給我們的生活帶來了多少便利和幫助呢？,1.1 什么是傳感器？,15,16,,眼（視覺）耳（聽覺）鼻（嗅覺） 皮膚（觸覺

6、）舌（味覺）,,感知外界信息 → 大腦 → 肌體,人體系統(tǒng)和機器系統(tǒng)比較,17,什么是傳感器,傳感器好比人體感官的延長，有人又稱“電五官”。,18,1.2傳感器技術的作用和地位,構成現(xiàn)代信息技術的三大支柱是： 傳感器技術（信息采集）； 通信技術 （信息傳輸）； 計算機技術（信息處理）； 它們在信息系統(tǒng)中分別起到 “感官”、“神經”和“大腦”的作用。在利用信息的過程中首先要解決獲取準確可靠的 信息

7、，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。,19,目前傳感器技術已經在越來越多的領域得到應用:其廣泛用于工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設備、智能樓宇和家用電器等領域。是構建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器對觀測和自動化技術所起的作用遠比家用電器所起到的作用大的多。這幾乎是無可爭議的事實。,20,,石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄漏檢測。,21,22,現(xiàn)代化工業(yè)生產,23,現(xiàn)代化工業(yè)

8、生產,24,液位測量示意圖,現(xiàn)代化工業(yè)生產,25,車胎壓力監(jiān)測,現(xiàn)代化工業(yè)生產,傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動機旋轉速度、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)代化農業(yè)生產,28,現(xiàn)代化農業(yè)生產,29,機器人,傳感器系統(tǒng)包括： 視覺: 平面、立體 非視覺: 觸覺、滑覺、熱覺、力覺、接近覺、…,30,沙漠機器人,,31

9、,超聲波測流量,紅外測溫,32,醫(yī)療診斷,33,34,供熱通風與空調,35,智能建筑,自動識別系統(tǒng)(門禁系統(tǒng))打破了人們幾百年來用鑰匙開鎖的傳統(tǒng),指紋門禁,感應式門禁,36,濕度測量,37,煙氣 測量,環(huán)境監(jiān)測,,38,,,39,40,智能化水質檢驗,,,,,,,,,41,未來世界將是個高度自動化的世界，是充滿傳感器的世界，還會有：智能房屋（自動識別主人，太陽能提供能源）智能衣服（自動調節(jié)溫度）智能公路（自動記錄公路的壓力、溫

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

11、60;   環(huán)境保護（7）    醫(yī)療衛(wèi)生（8）    家用電器 ……,,44,傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、商檢質檢、甚至文物保護等等極其廣泛的領域?？梢院敛豢鋸埖卣f：幾乎每個現(xiàn)代化項目，甚至各種復雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。 由此可見

12、，傳感器技術在發(fā)展經濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國十分重視這一領域的發(fā)展。,,45,1.3 傳感器現(xiàn)狀和國內外發(fā)展趨勢,,傳感器現(xiàn)狀 據(jù)統(tǒng)計目前全世界約有40個國家從事傳感器的研制、生產和開發(fā)，研發(fā)機構6000余家。其中以美、日、俄等國實力較強，其建立了包括物理量、化學量、生物量三大門類的傳感器產業(yè)，產品20000多種，大企業(yè)的年生產能力達到幾千萬支到幾億支。2010年全世界傳感器市場銷售額高達473億美元

13、。,46,,我國的傳感器產業(yè)在科技投入(經費、高級人才資源)、產業(yè)環(huán)境以及科技實力(專利件數(shù)、新品開發(fā)周期、關鍵材料與零組件、量產能力)三大方面的綜合競爭能力遠低于美國、日本、俄國等發(fā)達國家。,47,,傳感器發(fā)展趨勢： 幾十年來傳感技術的發(fā)展分為兩個方面： 1.提高與改善現(xiàn)有傳感器的技術指標； 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途徑：差動技術；平均技術；補償修正技術；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)展趨勢是：,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,49,,1．開發(fā)新型傳感器,新型傳感器包括：①采用新原理；②填補傳感器空白；③仿生傳感器等方面。,50,2．開發(fā)新材料,（1）半導體敏感材料；（2）陶瓷材料； （3）磁性材料；（4）智能材料。,如：半導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高于半導體，光導纖維的應用是傳感

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。有機材料作為傳感器材料的研究，引起國內外學者的極大興趣。,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)系特別密切的微細加工技術。該技術又稱微機械加工技術（MEMS），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、激光束和化學刻蝕等用于微電子加工的技術，目前已越來越多地用于傳感器領域。,52,4．集成化、多功能化,為同時測量幾種不

16、同被測參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經研制成功。,把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進行多種參數(shù)的測量外，還可對這些參數(shù)的測量結果進行綜合處理和評價，可反映出被測系統(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、運算以及溫度補償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。,53,

17、5．智能化,對外界信息具有檢測、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應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與大規(guī)模集成電路技術相結合的產物，它的實現(xiàn)取決于傳感技術與半導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、適宜大批量生產和使用方便等優(yōu)點，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。,54,傳感器的數(shù)字化和網絡化結構,傳感器在總體上呈現(xiàn)出多功能、微型化、數(shù)字化、集成化、智能化和網絡化的發(fā)展趨勢。,55,1.4

18、檢測系統(tǒng)的組成原理,經典被測對象：力學領域中有速度、加速度、力、功和能量等； 電磁學領域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場等； 化學領域中有濃度、成分、pH值等；工業(yè)領域中有流量、壓力、溫度、黏度等?，F(xiàn)在的被測對象更為廣泛： 有人體心電、腦電波等體表電位測量，生物斷面測量；工業(yè)領域的光澤、觸覺等品質測量；衛(wèi)星上監(jiān)視地球的紅外線傳感器；機器人的視覺、觸覺、滑覺、接近覺等各種傳感器。,56,就被測對象而言工業(yè)上需要檢測的量

19、有電量和非電量兩大類。傳統(tǒng)的傳感器可以完成從非電量到非電量的轉換，但無法實現(xiàn)現(xiàn)代智能儀器儀表的自動測量，無法完成過程控制的自動檢測與控制。隨著科學技術的發(fā)展，對測量的精確度、速度提出新的要求，尤其對動態(tài)變化的物理過程和物理量遠距離測量，用非電方法無法實現(xiàn)，必須采用電測法。,57,測量儀器的輸出信號必須轉化為電壓、電流或數(shù)字量中的一種。信號處理就是通過信號轉換、放大、解調、A/D轉換得到所希望的輸出信號過程。這是檢測系統(tǒng)中使用的共同技

20、術。,普通電測儀表基本組成,58,,數(shù)字電壓表問世以來模擬式儀表逐漸被數(shù)字式儀表取代； 微型計算機出現(xiàn)后形成嶄新的微機自動化測試系統(tǒng); 單片微機對采集的數(shù)據(jù)進行處理并提供顯示和記錄同時， 也對整個測試過程進行控制。,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、生物）按一定規(guī)律轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置。狹義：　能把外界非電信息轉換成電信號輸

21、出的器件。國家標準（GB7665－87） 對傳感器（Sensor/transducer）定義是： 能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件和裝置。,60,這種能感應被測量的變化并將其轉換為其它物理量變化的器件，就是傳感器。一般由檢出信號器件和信號處理兩部分組成。,,61,以上定義表明傳感器有以下含義： 它是由敏感元件和轉換元件構成的檢測裝置； 能按一定規(guī)律將被測量轉換成電信號輸出； 傳感器的輸出與輸入

22、之間存在確定的關系； 按使用的場合不同又稱為: 變換器、換能器、探測器。,62,（2）傳感器的組成,傳感器由敏感元件、轉換元件、基本電路三部分組成：,敏感元件感受被測量; 轉換元件將響應的被測量轉換成電參量; 基本電路把電參量接入電路轉換成電量; 核心部分是轉換元件,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） 按傳感器檢測的范疇分類 物理量傳感器

23、 化學量傳感器 生物量傳感器,２）按傳感器的輸出信號分類 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 無源傳感器,3）按傳感器的轉換原理分類 機—電傳感器 光—電傳感器 熱—電傳感器 磁—電傳感器 電化學傳感器,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）按傳感器的結構分類 結構型傳感器 物性型傳感器 復合型傳感器,68,結構型傳感器是利用物理學

24、中場的定律構成的，工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎。物性型傳感器是利用物質定律構成的，其性能隨材料的不同而異。,69,國標制定的傳感器分類體系表將傳感器分為：物理量、化學量、生物量傳感器三大門類；含12個小類：　力學量、熱學量、光學量、磁學量、電學量、聲學量、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、機械量以及其他有關量轉換成電量的各種傳感器，包括基本轉換電路和電測方法。傳感器與生產實際和科學研究的關系十分密切，這些決定了“傳感器”課程是一門綜合性、理論性和實踐性都很強的課程。,1.6本課程的特點和研究內容,71,本課程的主要任務： 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；使同學們能合理地選擇和使用傳感器，力圖在傳感器應用方面有所啟發(fā)；使同學們掌握常用傳感器的工程設計方法和實驗研究方法；了