传感器与检测技术概念.j.ppt

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1、传感器与检测技术,主讲：周春艳,课程概述,必修课52理论8实验主要内容,概述传感器的特性电阻式传感器电感式传感器电容式传感器磁电式传感器压电式传感器光电式传感器热电式传感器,教学基本要求,了解测量与传感技术的基本知识掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路了解各类传感器的典型应用考核：综合出勤、学习态度、课堂表现、作业等平时占30%、期末考试占70%缺作业达到三次，或随机抽点名缺勤三次以上无平时成绩,答疑及联系方式,采取课后答疑和预约答疑的方式办公室：七号楼207室电话：,传感器课程 http:/仪表技术与传感器 传感器世界 http:/中国传感器 http:/传感器技术 21IC中国

2、电子网 传感技术学报网 http:/传感器资讯网 http:/电子设计应用 http:/,参考网站,参考文献,1、传感器（第4版），强锡富，机械工业出版社，2003，测控技术与仪器教学指导委员会推荐用书；2、传感器原理及工程应用，郁有文，主编，西安电 子科技大学出版社，2003，教育部规划教材；3、传感器与检测技术，陈杰、黄鸿编著，高等教育 出版社，2002，教育部规划教材4、传感器原理及应用，王化祥、张淑英编著，天津 大学出版社，2003，教育部规划教材；5、传感器与自动检测技术，余成波、胡新宇、赵勇，高等教育出版，2004年,期刊杂志,超声传感器,电感传感器,电容传感器,红外温度传感器,磁

3、阻传感器,热电偶,气体成分传感器,流量传感器,传感器图片,学习传感器的重要性,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。,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

4、、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。,传感器技术与通信技术、计算机技术构成信息科学技术的三大支柱。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的自然信息的种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息获取技术即传感技术必须跟上信息化发展的需要。,传感器的主要应用,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。,石化企业输油

5、管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。,1、自动检测与自动控制系统,此方法可用于纸币的水印检测,在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测。,图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。,汽车扭距测量,机床加工精度测量,2、汽车与传感器,高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要301 00种传感器。,3、传感器与家用电器,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

6、、电视机、录像机、家庭影院,全自动洗衣机中的传感器：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,PC机中的测试技术应用,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。,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

7、测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,烟雾传感器,亮度传感器,人体探测器,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。,4、传感器在机器人上的应用,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,机器人服务员,沙漠机器人,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。一个小

8、机器人通过了埃及最大的金字塔内一条狭窄的通道，试图揭开4600年前的秘密。它的探秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。,图坦卡蒙的咒语“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”,“金字塔漫游者”五大绝技1、超声波传感器。可用来测量岩石厚度 2、世界上最小的地面探测雷达系统。可以精确地测算出岩石的密度并画出厚度结构图 3、力度测量仪。它可以检测“南通道”尽头那块封住出口的岩石能否被移开，并使用另外一个先进工具在岩石和通道壁之间寻找缝隙以便让光纤照相机通过,4、由视觉纤维构成的精密光纤镜头，可从石门下方的凹槽伸进通道内部进行摄像，工作人员通过连接到机器人身上的一条塑料外套包裹的控制线

9、路操纵“金字塔漫游者”的活动。5、导电传感器。用于测试“阻路石”上的铜把手，以检测上面是否带有某种电路装置。,5、传感器在生物医学上的应用,对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。,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、传感器与航空及航天,陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器,航天,7、传感器与环境保护,保护环境和生态平衡，实现可持续发

10、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、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,8、传感器与遥感技术,红外接收传感器,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

11、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。,9、传感器与农业,农业,第0章,传感器与检测技术概念,传感器,1、传感器的定义国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量（主要是非电量）并按照一定规律转换成可用输出信号（主要是电量）的器件或装置。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、电量，主要是电量；

12、输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器名称：发送器、传送器、变送器、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。,2、传感器的组成,辅助电源,敏感元件,转换元件,信号调节转换电路,被测量,电量,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。（能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件。）如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形变，形变程度就是对压力大小的响应。铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件，而金属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件。,转换元件：上面介绍的敏感元件，其中有许多

13、可兼做转换元件。转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。（敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。）如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电路参数（温度）直接变成了电路参数（电阻）。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成容易传输、处理、记录和显示的形式。,例：应变式力传感器,弹性膜片敏感元件，将力转换为弹性膜片的变形应变片传感元件，将弹性膜片的变形转换成电阻值的变化,3、传感器的分类,4、传

14、感器的地位和作用,传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器，现代化生产就失去了基础。传感器是边缘学科开发的先驱。,可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。,传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,现代信息技术的三大支柱是传感器技术（感官）、通信技术（神经）和计算机技术（大脑）,它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理。目前,信息传输与处理技术已

15、取得突破性进展,然而传感器的发展相对滞后。在今天信息时代,各种控制系统对自动化程度、复杂性以及环境适应性(如高温、高速、野外、地下、高空等)的要求越来越高,需要获取的信息量也越来越多,它不仅对传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要求,而且需求信号远距离传输。,5、传感器的发展趋势,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。,一、改善传感器的性能的技术途径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

16、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

17、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。,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 传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。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

18、度 降低外界因素对传感器实际作用的程度,对于电磁干扰，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。,5稳定性处理,在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。,提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。,造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器

19、的各种材料与元器件性能将发生变化。,传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。,二、传感器的基础研究,开发新型传感器 开发新材料 新工艺的采用 集成化、多功能化 智能化,开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化,传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，

20、价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。,1开发新型传感器,新型传感器包括：采用新原理；开发新材料；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。,传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。,2开发新材料,（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料,如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远

21、高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。,在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。,3新工艺的采用,例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。,传感器的集成化是利用集成电路制作技术和微机械加工技术将多个功能相同、功能相近或功能不同的传感器件集成为一维线型传感器或二维面型(阵列)传感器；或利用微电子电路制作技术和微型计算机接口技术将传感器与信号调理、补偿等电路集成在同一芯片上。,4传感器的集成化,