传感器原理及应用-绪论.ppt

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1、传感器原理及应用,Sensor Principle&Its Application,华北电力大学 自动化系,主讲：仝卫国,联系方式：,绪 论,传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和高新技术密集型前沿技术之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，是自动检测和自动控制技术不可缺少的重要组成部分。目前，“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。传感器在工业部门的

2、应用普及率己被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。,传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。从八十年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热”。美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。世界技术发达国家对开发传感器技术部十分重视。美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术

3、之一。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有项与传感器信息处理技术直接相关。关于保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术，其中项为无源传感器。美国空军2000年举出15项有助于提高21世纪空军能力关键技术，传感器技术名列第二。日本对开发和利用传感器技术相当重视并列为国家重点发展大核心技术之一。,美国国防部将传感器技术视为当前20项关键技术之一，日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为大核心枝术，德国视军用传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速，在近

4、十几年来其产量及市场需求年增长率均在10以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。,一、传感器的地位和作用,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。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。可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等

5、方面起着重要作用。,二、传感器的定义,国家标准（GB7665-87）的定义：,能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。,国际电工委员会(IEC)的定义为：,传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号,本书的定义为：,能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。,名称：传感器、检测器、变送器、探头等（中文）Sensor，Transducer，Detector（英文）,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

6、气、光、电物理量，主要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,传感器的作用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,三、传感器的组成,辅助电源,敏感元件,转换元件,测量电路,电量,敏感元件：是直接感受或响应被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：将被测量直接转换为电量的器件，是完成信号转换的主要部件，是传感器的核心。,测量电路：将转换元件输出的电量转换为便于处理的有用信号的电路。功能：信号调理、转换放大等。常见电路：电桥、放大电路、检波电路、振荡电路等,被测量,一般的传感器都是由以上三部分敏感元件、转换元件和测量电路组成。注意：并非所有传感器都有敏感元件，它

7、们感受被测量时直接输出电量，如压电晶体、热电偶等。有些传感器则敏感元件和转换元件合二为一，如固态压阻式传感器。有些传感器转换元件不只一个，要经过若干次转换。,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,四、传感器的分类,1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等,2、按构成原理，结构型与物性型两大类,3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器,4、按照物理原理分类：十种,5、按照传感器的用途分类：位移、压力、振动、温度传感器,6、根据转换过程可逆与否：单向和双向,7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号,8、根据

8、传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器,结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。,物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系;所有半导体传感器以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。,能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的

9、信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。,能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。,按照物理原理分类：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；

10、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。,五、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。,1、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

11、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，还可使灵敏度增大。,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。,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=/n1/2式中 n传感单元数。,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

12、，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

13、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,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。,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

14、感器的各种材料与元器件性能将发生变化。,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。,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。,2、传感器的发展动向,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,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,1）开发新型传感器,新型传感器包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。,传感器的工作机理是基于各种效应

15、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，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。,2）开发新材料,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

16、展方向之一。,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。,（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料,3）新工艺的采用,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。,例如利用半导

17、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。,4）集成化、多功能化,为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。,把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。,同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。,多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。,5）智能化,对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。,智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。,如，DS18B20、传感器测量系统,