傳感器概述

1、1,傳感器原理與技術(shù),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(zhì)：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(guān)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(shù)與應用教程》，清華大學出版社，2005,7,8,儀表技術(shù)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(shù) htt

3、p://www.sensor-tech.com.cn21IC中國電子網(wǎng) http://www.21ic.com傳感器資訊網(wǎng) http://www.globalsensors.com.cn傳感器學報,參考網(wǎng)站,9,傳感器原理,檢測技術(shù),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(nèi)容,傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、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(zhì)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(shù)的作用和地位1.3 傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)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(nèi)容,14,在我們?nèi)粘Ｉ钪?，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(diào)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(shù)的作用和地位,構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是： 傳感器技術(shù)（信息采集）； 通信技術(shù) （信息傳輸）； 計算機技術(shù)（信息處理）； 它們在信息系統(tǒng)中分別起到 “感官”、“神經(jīng)”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(shù)已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到應用:其廣泛用于工業(yè)、農(nóng)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(lǐng)域。是構(gòu)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(shù)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(chǎn),23,現(xiàn)代化工業(yè)

8、生產(chǎn),24,液位測量示意圖,現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn),25,車胎壓力監(jiān)測,現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn),傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動機旋轉(zhuǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn),28,現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn),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(diào),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(zhì)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(diào)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(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護等等極其廣泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說：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(shù)在發(fā)展經(jīng)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(lǐng)域的發(fā)展。,,45,1.3 傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)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(chǎn)和開發(fā)，研發(fā)機構(gòu)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(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品20000多種，大企業(yè)的年生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)在科技投入(經(jīng)費、高級人才資源)、產(chǎn)業(yè)環(huán)境以及科技實力(專利件數(shù)、新品開發(fā)周期、關(guān)鍵材料與零組件、量產(chǎn)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(shù)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(shù)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(shù)途徑：差動技術(shù)；平均技術(shù)；補償修正技術(shù)；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(nèi)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(shù)。該技術(shù)又稱微機械加工技術(shù)（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(shù)，目前已越來越多地用于傳感器領(lǐng)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(jīng)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(jié)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(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)取決于傳感技術(shù)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(chǎn)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(wǎng)絡化結(jié)構(gòu),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(wǎng)絡化的發(fā)展趨勢。,55,1.4

18、檢測系統(tǒng)的組成原理,經(jīng)典被測對象：力學領(lǐng)域中有速度、加速度、力、功和能量等； 電磁學領(lǐng)域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場等； 化學領(lǐng)域中有濃度、成分、pH值等；工業(yè)領(lǐng)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(lǐng)域的光澤、觸覺等品質(zhì)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(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換、放大、解調(diào)、A/D轉(zhuǎn)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(shù)。,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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換元件構(gòu)成的檢測裝置； 能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)換元件、基本電路三部分組成：,敏感元件感受被測量; 轉(zhuǎn)換元件將響應的被測量轉(zhuǎn)換成電參量; 基本電路把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量; 核心部分是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)分類 結(jié)構(gòu)型傳感器 物性型傳感器 復合型傳感器,68,結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學

24、中場的定律構(gòu)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(zhì)定律構(gòu)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(guān)量轉(zhuǎn)換成電量的各種傳感器，包括基本轉(zhuǎn)換電路和電測方法。傳感器與生產(chǎn)實際和科學研究的關(guān)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(nèi)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