1-1传感器基础知识知识课件.ppt

1、传感器与测试技术,传感器与测试技术,多媒体教学课件,课程介绍,课程性质：必修课。学时:64学时安排：讲课56学时，实验8学时。考核方式：考试,教学基本要求,熟练掌握传感器的基础知识。掌握各类传感器的基本特性和工作原理。了解各类传感器的典型应用。掌握一些常用的测量电路。,老子云：“授人以鱼，不如授之以渔，授人以鱼只救一时之及，授人以渔则可解一生之需。”,第1章 概述,1.1 课程简介,1.2 传感器的定义与组成,1.3 传感器的分类,1.4 传感器技术的发展,Q1:人机系统的机能对应关系,人体系统是如何感知外界信息的？,人的五官,1.1课程概述,人机系统机能对应关系,外界信息,Sensor、Tr

2、ansducer,五官与传感器,光传感器的应用鼠标器,鼠标中的红外接收管就是光传感器。鼠标移动时，滚球带动 x、y 方向两个码盘转动，红外管接收到一个个红外线脉冲。计算机分别统计 x、y 两个方向上的脉冲信号，就能确定鼠标的位置。,膜片在声波下振动，使得与膜片相连的线圈中产生随声波变化的感应电流。,音圈,声传感器的应用话筒,金属膜片,永久磁铁,因此作为一种功能块地传感器可狭义的定义味：“将外界的输入信号（非电）转换为电信号的一类元件。”如下图所示：,传感器,来自外界的信号,电信号,传感器原理,检测技术,温度传感器,磁敏传感器,光电传感器,应变传感器,电感传感器,电容传感器,压电传感器,其他传感

3、器,多传感器融合,检测电路,半导体传感器,课程的主要内容：传感器的原理、结构、主要参数,一、传感器的重要性,作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展极为迅速，可是起五种感觉模拟作用的传感器却发展很慢，因而如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。,传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。所以，80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，倍受重视。

4、,传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域。,二、传感器的应用,自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院。,1、传感器与家用电器,全自动洗衣机中的传

5、感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。,指纹传感器,透光率传感器,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡+D/A卡,软驱:速度,位置伺服,在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,人体探测器,2.汽车与传感器 传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量。安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、

6、防抱死装置、电子变速控制装置、汽车“黑匣子”环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置。,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,3、传感器在机器人上的应用,1.单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）检测臂的位置和角度传感器,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,2.智能机器人：判断能力,机器人服务员,AGV自动送货车,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV

7、小车位置识别；条形码传感器，货品识别。,香港理工AGV模型,2003年9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。,“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”,医用电子学,4、传感器与航空及航天,航天,5、传感器在医疗及人体医学上的应用,医用传感器：人体内部温度、血液、呼吸流量、肿瘤、心音、腔内压力、心脑电波。,医学,光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,6、传感器与环境保护,保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、BOD、

8、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。,烟尘浊度测量,红外接收传感器,7、传感器与遥感技术飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波,8、传感器在军事技术领域的应用,先进的科学技术总是最先被应用于战争。以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。,而当前由信息技术发展推动的军事革命把重点从作战平台转向如何观察战场、怎样传递所观察到的战场情况、怎样运用那些性能优越的精确武器的问题上来，从重

9、视军舰、坦克和飞机转为重视信息获取技术和信息获取装置的作用，传感器、通信以及精确制导武器等已在战争中至关重要的作用。,海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署了4280辆坦克，多国部队只有3800辆坦克。但结果是伊拉克的坦克89被毁，而多国部队的坦克仅损失20辆。这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优势及精确导制武器方面的明显差距造成的。,由近期的几场高技术条件下的局部战争可以看到，随着新军事革命浪潮的到来，高度信息化的武器平台已经开始发挥战场主导作用。数字化战争需要利用全方位、多手段的传感器系统感知和收集战场各种信息，对这些信息进行判读、分析、综合与管理，实现“传感器-控制器-武器”一体化。战场生物

10、传感器不但能准确识别各种生化战剂，而且可与计算机配合，及时提出最佳防护和治疗方案，还可通过测定炸药、火箭推进剂的降解情况来发现敌人库存弹药的数量和位置，成为侦察的有效手段。,21世纪的农业将是知识密集、技术密集的产业，设施农业可以有效提高农业生产效益和增强抗灾能力，借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件，摆脱自然制约，以达到高产、高效、优质。信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。,农业,9、传

11、感器在农业技术领域的应用,测量人体无法感知的量恶劣环境下工作测量范围宽、精确高、可靠性好,温度传感器：-196 1800压力传感器：0.01psi 10000psi精度：0.1%0.01%可靠度：8 9 级,性能凌驾于人的感官之上,新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究努力实现传感器的新特性检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应速度快、互换性好确保传感器的可靠性，延长其使用寿命提高集成化和功能化程度信息处理功能一体化：敏感元件、电路、执行机构,传感器功能和信息处理功能一体化,三、发展方向,微型化 微机电系统 MEMS（Microelectro-mechanical System）轮廓尺寸

12、在毫米量级、元件尺寸在微米量级、可运动的微型机电装置。借助集成电路的制造技术来制造机械装置,新型功能材料的开发 1.各种新型传感器孕育在新材料之中。2.半导体材料和新工艺的发展：半导体传感器 3.压电半导体材料发展：压电集成传感器 4.高分子压电薄膜的出现：机器人触觉传感器,传感器是测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,1.2 传感器的定义、构成与分类,1.传感器定义：一种将被测量转换成电信号的装置。传感器名称：发

13、送器、传送器、检测器、探头传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,辅助电源路,敏感元件,转换元件,测量电路,被测量,电量,敏感元件（Sensitive element）：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的相应非电量的元件。,转换元件（Transduction element）：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量（如R,L,C,）或参数。,测量电路（Basic Transduction circuit）：它可以把电参数或电量变成标准的电压或电流这种有便于传输、显示、记录和处理的电信号。,2.传感器的组成,悬臂梁作为敏感元件直接感受到了外界作用力（被测量）并转

14、换成自身的形变（非电量）；,“敏感+转换+测量”,弹性悬臂梁测力原理,电阻应变片随着悬臂梁上表面的延展而被拉长，电阻值变大，将非电量转换成了电参数，是转换元件；,匹配适当的测量电路来提高灵敏度，并补偿环境温度等外界影响。构成测力F的传感器。,3.传感器的结构类型,A型结构的传感器,敏感元件,这种传感器的敏感元件、转换元件和测量电路是合一的，把感应到的外界非电量的变化直接转换成电量（电荷、电势）输出。如：热电偶、磁电式传感器、光电池和压电式传感器，其转换元件多是有源元件，被称为电量传感器。,被测量,电量,这些传感器的敏感元件和转换元件是同一元件。如：热敏电阻式传感器、电容式传感器、感应同步器、角

15、度编码器等。,这种传感器有电阻应变式传感器、电位器传感器、电感式传感器、压磁式传感器。B型和C型也被称为电参数传感器。,B型结构的传感器,敏感元件+测量电路,被测量,电量,被测量,将两个传感器构造成一个测量正增益变化（+X），一个测量负增益变化（-X），它们的输出（+y和-y）经差动电路处理后再输出,这就是D型结构的传感器，也称为差动结构型传感器。（如差动式电感传感器）,按传感器的输 入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等 按传感器的输 出量进行分类：模拟式和数字式 按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型按传感器的工作原理进行分类：应变式、电容式、电感式、压电式、热

16、电式传感器等 按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型）、无源（能量变换型）,1.3传感器的分类,按传感器的输入量（被测量）进行分析,按传感器的工作原理进行分类,电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；气电式传感器：电位器式、应变式；热电式传感器：热电偶、热电阻；波式传感器：超声波式、微波式等；射线式传感器：热辐射式、射线式；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。有些传感器的工作原

17、理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。,各类传感器的工作原理、主要性能及其特点、应用。使大家能合理地选择和使用传感器。使学生了解常用传感器地工程设计方法和掌握常用传感器地试验研究方法。了解传感器地发展方向等。,分类目的,1.4 传感器技术的发展,传感技术的发展分为两个方面：提高与改善传感器的技术性能寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。传感器性能的改善开展基础理论研究传感器的集成化传感器的智能化传感器的网络化传感器的微型化,1.4.1 传感器性能的改善,1差动技术差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精

18、度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。2平均技术在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为=/n式中 n传感单元数。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。,3补偿与修正技术补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：针对传感器本身特性 针对传感器的工作条件或外界环境 对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法

19、加以补偿或修正。针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。实现手段：补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。,4屏蔽、隔离与干扰抑制为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：减小传感器对影响因素的灵敏度降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁

20、干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。,足够的容量传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静响应与动态响应的准确度能满足要求。响应速度快，工作稳定，可靠性好。使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济-成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。,传感器的一般要求,再见,