传感器及应用第1章绪论.ppt
2023/9/4,07传感器第1章,1,2007年传感器技术讲课安排,讲课总学时32。讲课时间：周1第5、6节，周4第1、2节讲课地点：二教203，二教103教师 陶伯万 办公室：微固楼（229）电 话：83202140（办）电子邮件：,2023/9/4,07传感器第1章,2,课程任务：介绍传感器的一般特性，工作原理，不同传感器的特点及应用 目前传感器的水平及发展动态教材：李科杰.现代传感器技术.北京:电子工业出版社 2005主要参考资料 王化祥,张淑英.传感器原理及应用.天津:天津大学出版社 1999 刘迎春,叶湘.传感器原理.设计与应用.长沙:国防科技大学出版社 2002课件,2023/9/4,07传感器第1章,3,讲课内容初步安排,第1章 绪论第2章 传感器基础理论第4章 电位器、电感及电容式传感器第5章 应变式传感器第6章 压电式传感器第7章 压阻式传感器第8章 气敏、湿敏传感器,2023/9/4,07传感器第1章,4,第9章 热学量传感器第10章 光学传感器第11章 光纤传感器第12章 磁传感器,2023/9/4,07传感器第1章,5,考核方式,平时成绩：作业、出勤情况、课堂提问等。期未考试：考试形式为闭卷，120分钟。成绩构成平时成绩：30%（作业，出勤，回答课堂提问等）期未考试：70%,2023/9/4,07传感器第1章,6,2007传感器,第1章 绪论,2023/9/4,07传感器第1章,7,1.1传感器及其内涵传感器的定义能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装制，称传感器(sensors)。能够完成被测的非电量、并转化为有确定对应关系的电量输出的装置称传感器(sensors)。传感器通常也称换能器(transducer)或探测器(detector)。,2023/9/4,07传感器第1章,8,传感器又称电五官。传感器能感觉和检测到人类无法感觉或检测的信息。传感器输出的信号有不同形式：如电压、电流、频率、脉冲等。以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。目前传感器的输出信号主要是电信号，随着光电子技术的发展，传感器将来输出的量可能为光学量信号。,2023/9/4,07传感器第1章,9,传感器的作用,是电子器件将外界的被测量转换成电(光)信号,传感器,外界非电量,光电量,电、磁、声、光、热、力、速度、位移、化学、生物,电压、电流、电荷、电阻、电容、光频、,2023/9/4,07传感器第1章,10,传感器的组成,有四部分组成：1.敏感元件 主要功能、是感受被测量的变化，同时将被测量变换成易于转换成电量的某一中间变量。如膜片式压力传感器，它的敏感元件是一个弹性膜片，其作用是将压力信号转变为膜片的变形，为下一步电信号的输出做准备。,2023/9/4,07传感器第1章,11,2.转换元件,将敏感元件输出的中间非电量转换为可以被传感器利用的电量；主要是利用某些物理的、化学的或生物的效应等来达到这一目的。如膜片式压力传感器的转换元件，利用电阻应变效应，也就是将金属导体或半导体的电阻随着它所受机械变形的大小而发生变化的原理，将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。,2023/9/4,07传感器第1章,12,3.测量电路,转换元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录和处理，需要将其进一步变换成可直接利用的电信号，完成这一功能的是测量电路。应变式压力传感器中的测量电路是桥式电路，它可以将应变片输出的电阻值转换成一个电压信号，经放大后即可推动记录装置和显示仪表的工作。,2023/9/4,07传感器第1章,13,4.辅助电源,有些传感器除电路电源外，还需一辅助电源提供给信号。以上4部分的联系如图1 所示,2023/9/4,07传感器第1章,14,传感器的分类,在大量的科学研究或生产过程中，需要测量各种物理量和化学量，例如:位移、速度、加速度、压力、温度、流量等等。为了精确测量各种非电量，常需要采用电测技术。在非电量的电测技术中，应用的传感器种类极多，不胜枚举。通常可按下列几种方法分类:,2023/9/4,07传感器第1章,15,1.结构型与物性型结构性：利用敏感元件自身体积、形状、几何尺寸等的变化来实现信息获取。如应变片和电位器、电容器型等传感器。物性型：利用敏感元件自身特性（载流子浓度、迁移率、电子得失等）受 外界因素而变化，以实现获取信息。如热敏电阻、光电二极管、生物传感器等。,2023/9/4,07传感器第1章,16,2.按能量关系、物理现象等分类 如物理传感器和化学传感器。光敏电阻、热敏电阻等为物理传感器；气敏传感器、湿敏传感器和生物传感器为化学传感器。3.根据工作原理分类传感器以工作原理命名。如应变式、电容式、电感式、热电式、光电传感器等。,2023/9/4,07传感器第1章,17,4.按被测量方式分类,生物量；物理量；化学量。如书P8图1.4所示。,2023/9/4,07传感器第1章,18,2023/9/4,07传感器第1章,19,5.按输出信号分类可分为模拟式传感器和数字式传感器；输出量为模拟量则称为模拟式传感器;输出量为数字式则称为数字式传感器。目前大部分传感器都是模拟式的。,2023/9/4,07传感器第1章,20,1.2信息社会中传感器的应用,信息社会中的传感器现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感器技术、通讯技术和计算机技术。它们构成了信息技术系统。信息采集系统的主要元器件是传感器，通常它置于系统的最前端。,2023/9/4,07传感器第1章,21,传感器获取信息与人获取信息的比较传感器的重要性还表现在它应用的广泛性。例如在自动化的生产中，用各种传感器监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。,2023/9/4,07传感器第1章,22,在美、日等发达国家，传感器倍受重视，而且将传感器列为尖端技术。最近30年，发达国家对传感器在信息社会中的作用有了新的认识和评价。俄国的“军事航天”计划将传感器列为重点，日本把传感器技术列为十大技术之首。我国的“八五”规划以后，每次规划都将传感器技术列为重点发展的新技术。,2023/9/4,07传感器第1章,23,传感器的应用,在信息社会中各种信息的获取、处理与控制都离不开传感器与传感器技术。有人认为：征服了传感器就等于征服了科学技术。近20年来传感器已经在各个领域得到了广泛的应用。已大大改变了20世纪60年代的发达的大脑（计算机技术）和落后的五官（传感器）状态。,2023/9/4,07传感器第1章,24,1.传感器的主要应用领域,航空航天,工业农业,交通运输,医学卫生,2023/9/4,07传感器第1章,25,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，通常建立24小时在线监测系统，这类任务只有传感器完成。,2.工业上的应用,2023/9/4,07传感器第1章,26,石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测也需要用传感器。,2023/9/4,07传感器第1章,27,传感器在汽车行业中的应用,在汽车电子产品中，传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键，传感器技术的高低决定了汽车是否能实现真正的安全、舒适和智能化。目前，普通汽车上大约安装有几十到近百只传感器，豪华轿车上有的多达200只。据市场数据预测，2005年，全世界汽车产量将达到5400万辆，汽车用电子产品的市场将达到209亿美元，而传感器的市场规模将达到84.5亿美元，并以6.5%的速度增长。,2023/9/4,07传感器第1章,28,车身用传感器如表1所示。发动机上的传感器主要包括:爆震传感器、曲轴位置和转速传感器;,电喷：压力传感器、空气流量传感器、氧传感器、节气门位置、气体浓度传感器;冷却循环系统：温度传感器。,2023/9/4,07传感器第1章,29,2023/9/4,07传感器第1章,30,高压电网中应用,2023/9/4,07传感器第1章,31,3.传感器在日常生活中的应用,（1）家庭与办公自动化在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。,全自动洗衣机中的传感器：重量、衣质、水温、水质、透光率光、(洗净度)、液位、电阻(衣物烘干检测)等多种传感器。,2023/9/4,07传感器第1章,32,指纹传感器,透光率传感器,2023/9/4,07传感器第1章,33,(2)楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。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。,2023/9/4,07传感器第1章,34,上图为一个楼宇自动化系统。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。有下列的传感器：,烟雾传感器,亮度传感器,红外人体探测器,2023/9/4,07传感器第1章,35,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,（3）PC机中的传感器,2023/9/4,07传感器第1章,36,3.传感器在军事方面的应用,在航空航天技术领域，各种航天器上都配备多种检测与控制系统，传感器能准确地测量出航天器的飞行参数、姿态和发动机工作状态的各个物理量，将其传送给各自动控制系统，并进行自动调节，使航天器按人们预先设计的轨道正常运行。随着武器装备现代化的进一步发展，传感器在军事上的应用日趋重要，尤其表现在海军和空军的武器装备上。,2023/9/4,07传感器第1章,37,2023/9/4,07传感器第1章,38,在当代高技术战争中迫切要求研制新一代特殊品种、规格的传感器:(1)特殊品种传感器:例如检测弹头再入时受到气动磨擦加热时的烧蚀传感器;测量导弹、卫星及运载器的气动加热的热流传感器;航天用的前视红外传感器、红外焦平面阵列;精密制导用的红外制导传感器等;(2)特殊规格传感器:例如检测聚热介质的高温传感器和暴冷介质的低温传感器;低量程和大量程的振动、加速度传感器;大量程压力传感器;(3)新型传感器:例如微型传感器:(如重量小于1g、功耗为几毫瓦的传感器);诊断传感器;军用机器人用的智能传感器;三维视觉传感器;模糊传感器;高准确度图像传感器;超导传感器;红外CMT 凝视阵列及CMT 凝视焦平面阵列;高准确度光纤陀螺等。,2023/9/4,07传感器第1章,39,2023/9/4,07传感器第1章,40,2023/9/4,07传感器第1章,41,2023/9/4,07传感器第1章,42,2023/9/4,07传感器第1章,43,2023/9/4,07传感器第1章,44,2023/9/4,07传感器第1章,45,2023/9/4,07传感器第1章,46,下面对传感器在陆军方面侦察用的地面传感器系统作简要介绍。地面传感器是指能对地面目标运动所引起的电磁、声波、地面震动和红外辐射等物理量的变化进行探测，并转化成电信号的设备。.通常由探测器、信号处理系统、发射机、电源和接收系统4部分组成。其工作过程是:由探测器接收运动目标所产生的地面震动波、声响、红外辐射、电磁能等，并将其转变成电信号，由信号处理电路放大和处理，送入发射机进行调制后发射出去，再由接收系统解调后识别和发现目标。,2023/9/4,07传感器第1章,47,地面传感器是20世纪60年代出现并投人战场使用的一种辅助性战术侦察器材。其特点是结构简单、便于携带、易于埋伏和伪装。可用飞机空投、火炮发射，或人工埋设到交通线上和敌人可能出现的地段，用来执行预警、目标搜索和监视任务。目前大量使用的地面传感器有以下几种类型：,2023/9/4,07传感器第1章,48,（1）震动传感器,震动传感器通过震动探头拾取地面震动波来探测目标。其主要优点是探测距离远，灵敏度高。通常可探测到30m以内运动的人员和300m以内的车辆。美国陆军目前使用的一种轻型震动入侵探测装置，适合远程侦察使用。能有效探测距离约130m的人员活动引起的震动，能在5分钟内设置完毕，且可对灵敏度进行调整。,2023/9/4,07传感器第1章,49,（2）传声器,传声器，即话筒或麦克风。工作原理与麦克风和调频发时机的工作原理相同。其最大优点是分辨力强，探测范比较大。目前已在地面传感器侦察系统、防护系统广泛使用。如美国陆军使用的一种被称为“音响浮表”的装置，可悬挂在树上，探测距离300一400m。,2023/9/4,07传感器第1章,50,（3）磁传感器,磁传感器又称“遥控电磁传感器”。其工作原理是利用金属引起磁感应强度变化来检测。当步枪、车辆等黑色金属制成的物体进人磁传感器的探测范围时，传感器便发出报警信号。其主要优点是鉴别目标性质的能力比较强，能区别徒手人员、武装人员和各种车辆。对目标探测的响应速度快，通常为2.5秒。其探测范围决定检测磁场的灵敏度，探测距离较小，武装人员为5m，一般车辆为15m。,2023/9/4,07传感器第1章,51,（4）红外传感器,红外传感器分为有源主动式和无源被动式两种，一般情况下使用被动式。其主要优点是灵敏度高，响应速度快;在15m以内，人的体温足以启动该装置。另外，还有体积小、无源探测、隐蔽性好等优点。除上述几种传感器外，还有应变电缆传感器、压力传感器、扰动传感器等。,2023/9/4,07传感器第1章,52,（5）纳米军用传感器,军用纳米传感器，俗称为“间谍草”或“沙粒坐探”，是一种像小草或沙粒的装置。它们装备有非常灵敏的超微型电子侦察仪器，如微型摄像仪、照相机和传感器，能够观察和感知外界的动静，侦测出百米以外坦克、车辆等移动时产生的震动和声音，并能够确定它们的方位。战争中可以用飞机将无数小于1mm的纳米传感器散布在作战区域来及时探测敌方军事，也可以散布在天空中，捕捉敌方发射导弹的信息。,2023/9/4,07传感器第1章,53,纳米传感器的覆盖面积比现今远程探测系统还要大，而且能实施连续监视。“纳米探测器”是一种比军用纳米传感器更小的装有纳米电子侦察设备的探测装置，俗称为“智能尘埃”或“尘埃间谍”。这种“尘埃”探测装置不需要自备飞行驱动设备和动力，可以随风在空气中流动和飘浮，“智能尘埃”的耗电量极低，通常由阳光薄膜电池供电，除了配有电脑监视器之外，还有传感和通讯收发功能。,2023/9/4,07传感器第1章,54,智能尘埃”的造价低廉、布撒方便、耐久性强、隐蔽性好，雷达对它们无能为力，一筹莫展。战时，将这种“尘埃间谍”撒在敌方的上空，就可以实现对敌方的全方位连续监视，也可以捕捉敌方发射的导弹等飞行器 信息。在水下，还有一种酷似海蛰或空棘鱼的纳米微型武器。这种“鱼状微型武器”携带有高性能的炸药，可以用于攻击和阻击水下目标，也可以用来攻击停泊在军港的潜艇和军舰。,2023/9/4,07传感器第1章,55,Berkeley Motes,1st generation2nd generation,2023/9/4,07传感器第1章,56,Sensor Board,2023/9/4,07传感器第1章,57,1.3 传感器的发展趋势,1.新材料的开发应用半导体材料在敏感技术中占有较大的技术优势。半导体传感器不仅灵敏度高、响应速度快、体积小、质量轻，而且便于集成化，今后仍将占有主要地位;功能陶瓷在开发传感器中也有重要作用；一些具有特殊功能的金属、有机化合物、薄膜材料等，都能进一步提高传感器的产品质量及降低生产成本。,2023/9/4,07传感器第1章,58,2.新工艺、新技术的应用,将半导体的精密微细加工技术、静电封接技术、全固态封接技术等应用在传感器的制造中能极大提高传感器的性能指标，并为传感器的集成化、超小型化提供技术支撑如用于安全防护措施的一些报警技术等,2023/9/4,07传感器第1章,59,3.利用一些新的效应开发新型传感器,随着人们对自然认识的不断深化，会不断发现一些新的物理效应、化学效应、生物效应等，利用这新的效应可开发出相应的新型传感器 传感器自身的性能缺陷或制造工艺上的缺陷已可以通过电路设计进行补偿（如温度补偿）为拓展传感器的应用范围提供新的可能,2023/9/4,07传感器第1章,60,1.4传感器技术动向,1.集成化智能化采用集成加工技术，将传感器的敏感元件、测量电路、放大电路、补偿电路、运算电路等制作在同一芯片上，从而使传感器具有了体积小、质量轻、生产自动化程度高、制造成本低、稳定性和可靠性高、安装调试时间短等优点,2023/9/4,07传感器第1章,61,智能化传感器将数据的采集。存储、处理等一体化。这样还可使传感器具有多功能化 多功能化意味着一个传感器具有多种参数的检测功能，如同时测出温度和湿度等,2023/9/4,07传感器第1章,62,2.无线化和网络化,（1）蓝牙传感器蓝牙技术适用于距离为0.1100m的无线通信。这是目前传感器技术应用的一个很重要方面蓝牙技术的特点蓝牙是中世纪北欧一个国王的绰号，它将当时的四分五裂的国家进行了统一后来“蓝牙”(Bluetooth)这个词含有将四分五裂的局面统一起来的意思,2023/9/4,07传感器第1章,63,蓝牙技术（Bluetooth Technology）的目的是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准从而能在近距离范围内取代目前多种电缆连接方案，通过统一的短距离无线链路在各种设备之间实现方便快捷、灵活安全、低成本、小功耗的话音和数据通信目前，相距很近的便携式器件之间的无线链接是用红外线链路进行的,2023/9/4,07传感器第1章,64,应用红外线收发器链接虽然能免去电线或电缆的连接，但是使用起来仍有许多不便。不仅距离只限于 12m，而且必须在视线上直接对准，中间不能有任何阻挡同时只限于在两个设备之间进行链接，不能同时链接更多的设备 蓝牙技术的无线电收发器的链接距离可达 10 米，不要求直接对准,2023/9/4,07传感器第1章,65,甚至设备不在同一间房内也能相互链接，并且可以链接多个设备蓝牙的传输距离为10米,增加其功率和添加入一定外设可以使传输距离达到100m 蓝牙无线电收发器的频带就选用24002500MHz 之间，可以在这个范围内选用适当的频段这个频率为 2.4GHz 的 ISM（即工业、科学、医学）频带，是公用的，使用时不必向有关部门提出申请,2023/9/4,07传感器第1章,66,蓝牙技术的特点 和优点,蓝牙技术采用跳频技术来解决干扰的问题只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰采用既连既用(Plug&Play)，即任意一个采用了蓝牙技术的仪器设备（简称蓝牙设备）一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可建立联系，而无需用户进行任何设置,2023/9/4,07传感器第1章,67,通过蓝牙技术及相应程序，笔记本电脑，手机等内部的信息，可以保持信息的迅速更新例如，当用户的笔记本计算机还在皮包里时收到了外来的电子邮件，用户的移动电话就会发出声音，提示用户计算机收到了电子邮件这时用户不用打开计算机，在移动电话机上就可以浏览收到 到的电子邮件,2023/9/4,07传感器第1章,68,（2）网络化传感器,网络化传感器是指传感器利用网络协议，使现场调控的数据在就近网络范围内实时发布和共享在传感器输入输出环节上新通信技术的应用，特别使智能传感器的网络化成为可能 不同的智能传感器与一个上一级服务器（相当于一个节点，也叫上位机）取得联系，同时该服务器也起到网关的作用、与更上一级的务器（更高一级的节点/上位机）联系,2023/9/4,07传感器第1章,69,这样最底层的智能传感器获取的数据就可以一级一级向上传输、同时主服务器对数据进行分析处理、然后反馈给各个节点 无线传感式网络由大量低费用、低功耗、多功能，体积微小的传感式节点组成传感节点的位置无需预先设计和决定。传感节点的网络协议和算法必须具有自识别能力,2023/9/4,07传感器第1章,70,一个传感节点由传感器、数据处理组件、和通信组件构成应用范围广泛，医疗、环境、军事和家庭,2023/9/4,07传感器第1章,71,2023/9/4,07传感器第1章,72,3.微机械化和系统化,采用微加工技术与传统的传感器技术结合制作了微机械传感器与执行器。这个工作从1989年开始。已研制出微型压力传感器，微型加速度传感器和磁场传感器等。这些传感器面积都在1mm2以下这种微机械传感器都是多功能的，在国民经济、国防上都有重要意义前面介绍的纳米军用传感器都是通过微机械化和网络化来完成的,2023/9/4,07传感器第1章,73,1.5传感器命名方法和代号,1.命名法构成传感器产品的名称，由主题词加四级修饰语构成主题词传感器第一级修饰语被测量量包括被测量量的定语；第二级修饰语转换原理，一般可后续以“式”；第三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构与性能，一般后续“式”；第四级修饰语主要技术指标在实际使用时除第一级修饰语外其他各级可视产品的具体情况任选或省略,2023/9/4,07传感器第1章,74,2.传感器代号标记示例,2023/9/4,07传感器第1章,75,3.热敏电阻的型号,目前我国产热敏电阻是按部颁标准SJ1155-82来制定型号，由四部分组成第一部分：主称，用字母M表示 敏感元件第二部分：类别，用字母Z表示正温度系数热敏电阻器，或者用字母F表示负温度系数热敏电阻器第三部分：用途或特征，用一位数字（0-9）表示,2023/9/4,07传感器第1章,76,一般数字1表示普通用途，2表示稳压用途（负温度系数热敏电阻器），3表示微波测量用途（负温度系数热敏电阻器），4表示旁热式（负温度系数热敏电阻器），5表示测温用途，6表示控温用途，7表示消磁用途（正温度系数热敏电阻器），8表示线性型（负温度系数热敏电阻器），9表示恒温型（正温度系数热敏电阻器），0表示特殊型（负温度系数热敏电阻器）,2023/9/4,07传感器第1章,77,第四部分：序号，也由数字表示，代表规格、性能往往厂家出于区别本系列产品的特殊需要，在序号后加派生序号，由字母、数字和-号组合而成,2023/9/4,07传感器第1章,78,第1章复习思考题1.传感器的定义与组成。2.传感器有哪些分类方法？什么是结构型传感器与功能型传感器？3.请比较传感器与人体五官。4.传感器如何命名？MZ11和MZ91表示什么传感器？,
