[工学]第0章传感器绪论.ppt

自动检测应用技术自动检测应用技术 2 传感器的工作原理、结构、 主要参数、检测电 路及其典型应用 基础知识 定义、分类 发展趋势 选用原则 一般特性 传感器原理检测技术 电容式传感器 电阻式传感器 电感式传感器 压电式传感器 数字式传感器 热电式传感器 固态传感器 信号变换与抗 干扰技术 课程主要内容 传感器的工作原理、结构、主要 参数、检测电路及其典型应用 3 实践性强 课程特点： 期望逐步解决侧重课本教学中存在的一些问题： 1.检测技术应用、发展部分空洞； 2.传感器部分没有实物对象、枯燥无味； 3.信号分析理论部分深奥、难懂。 教学方法： 理论教学 案例教学 三者结合 实践教学 4 如何学好本门课程 注意学习理解各种传感器的数学模型 掌握各种传感器的应用范围 多看应用性的文章 养成讨论习惯 1传感器课程 2仪表技术与传感器 3传感器世界 4中国传感器 5传感器技术 621IC中国电子网 7传感技术学报网 8传感器资讯网 参考网站 参考书目及课程安排 参考书目参考书目 传感器，强锡富主编，机械工业出版社，传感器，强锡富主编，机械工业出版社，20012001 传感器原理及检测技术，传感器原理及检测技术， 王君主编，吉林大王君主编，吉林大 学出版社，学出版社， 20032003 课程安排：课程安排： 总总 60 60 学时学时 课堂教学课堂教学 46 46 学时学时 实验课实验课 14 14 学时学时 主要内容： 0.1 什么是传感器 0.2 传感器的作用和地位 0.3 传感器现状和国内外发展趋势 0.4 检测系统的组成原理 0.5 传感器的定义、组成和分类方法 0.6 本课程的特点和研究内容 传感器原理及应用传感器原理及应用绪绪 论论 传感器原理及应用传感器原理及应用绪绪 论论 在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器， 电冰箱、电饭煲中的温度传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器; ; 空调中的温度和湿度传感器空调中的温度和湿度传感器; ; 煤气灶中的煤气泄漏传感器煤气灶中的煤气泄漏传感器; ; 水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器; ; 照相机中的光传感器照相机中的光传感器; ; 汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。 传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？ 0.1 0.1 什么是传感器？什么是传感器？ 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.10.1什么是传感器什么是传感器 下面请看一个短片下面请看一个短片.传感器传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.10.1什么是传感器什么是传感器 眼（视觉）眼（视觉） 耳（听觉）耳（听觉） 鼻（嗅觉）鼻（嗅觉） 皮肤（触觉）皮肤（触觉） 舌（味觉）舌（味觉） 感知外界信息感知外界信息 大脑大脑 肌体肌体 绪绪 论论 人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较 11 绪 论 “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。 Mendelyeev,Dmitry Ivanovich 科学仅仅是在人们懂得了测 量才开始的 门捷列夫 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.10.1什么是传感器什么是传感器 人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些 信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机 构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。 传感器好比人体感官的延长，有人又称传感器好比人体感官的延长，有人又称“ “电五官电五官” ”。 传感器传感器 外外 界界 信信 息息 感感 官官大大 脑脑肌肌 体体 计算机计算机 执行机构执行机构 13 0.10.1什么是传感器什么是传感器 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。 传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。 是将各种非电量按一是将各种非电量按一定规律转换 成便于处理和传输的另一种物理量的装置定规律转换 成便于处理和传输的另一种物理量的装置 14 传感器技术 传感器技术是利用各种功能材料实现信息 检测的一门应用技术。 检测原理+材料科学+工艺加工 检测（传感）原理 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 动画按扭动画按扭 在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，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。必须对其性能质量检测。 图示为汽车出厂检验原理框图，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，工等。通过对抽样汽车的测试，工 程师可以了解产品质量。程师可以了解产品质量。 汽车扭距测量 机床加工精度测量 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 车胎压力监测 动画按扭动画按扭 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 构成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是： 传感器技术传感器技术（信息采集）；（信息采集）； 通信技术通信技术 （信息传输）；（信息传输）； 计算机技术计算机技术（信息处理）；（信息处理）； 它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到 “ “感官感官” ”、“ “神经神经” ”和和“ “大脑大脑” ”的作用。的作用。 在利用信息的过程中首先要解决在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的获取准确可靠的 信息信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。，而传感器是获取信息的主要途径和手段。 传感器技术是传感器技术是材料学、力学、电学、材料学、力学、电学、 磁学、微电子学、光学、声学、化学、生磁学、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、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、自动化技术乃至系统科学、人工智能、自动化技术等等 众多学科相互交叉的综合性高新技术密集众多学科相互交叉的综合性高新技术密集 型前沿技术。型前沿技术。 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 绪绪 论论 目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应 用，传感器对观测和自动化技术所起的作用远用，传感器对观测和自动化技术所起的作用远 比家用电器所起到的作用大的多。这几乎是无比家用电器所起到的作用大的多。这几乎是无 可争议的事实。可争议的事实。 传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环 境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现 代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是 构建现代信息系统的重要组成部分。构建现代信息系统的重要组成部分。 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫 茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬 间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场 、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边 缘学科开发的先驱。缘学科开发的先驱。 现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种传感现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种传感 器监视和控制生产过程的各个参数，器监视和控制生产过程的各个参数，传感器是自动控制系传感器是自动控制系 统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。 传感器的需求量传感器的需求量 信信 息息 处处 理理 电电 信信 电电 话话 科科 技技 测测 试试 设设 备备 控控 制制 交交 通通 控控 制制 输输 电电 系系 统统 机机 床床 机机 器器 人人 家家 用用 电电 器器 照照 相相 机机 汽汽 车车 飞飞 机机 船船 舶舶 气气 象象 海海 洋洋 环环 境境 污污 染染 医医 疗疗 防防 火火 光光 能能 利利 用用 热热 能能 利利 用用 土土 木木 建建 筑筑 农农 林林 机机 械械 能能 利利 用用 货货 币币 金金 融融 食食 品品 111111 5555 110110 103103 4747 3636 5959 8181 6161 2727 7878 3434 31 3131 31 4747 111111 7070 7676 9393 6161 2626 2121 2424 2020 1414 需要量需要量 在电力、冶金、石化、化工等流程工业在电力、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。通常建立线流程。通常建立2424小时在线监测系统。小时在线监测系统。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损 和泄露检测。和泄露检测。 自动检测与自动控制系统自动检测与自动控制系统 汽车与传感器汽车与传感器 高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、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，一般需要等进行实时准确的测量，一般需要30301 001 00种种 传感器。传感器。 25 5）检测技术在汽车中的应用日新月异 发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 26 传感器与家用电器传感器与家用电器 自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、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、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、家庭影院照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 家用电器家用电器 液化气烟雾报警器液化气烟雾报警器 智能洗衣机智能洗衣机 遥控器遥控器 智能洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质智能洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质 传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传 感器感器( (洗净度洗净度) , ) , 液位传感器，电阻传感器液位传感器，电阻传感器( (衣物烘衣物烘 干检测干检测) )。 烟雾传感器亮度传感器 人体探测器 鼠标:光电位移传感器摄象头:CMOS传感器 PCPC机中的测试技术应用机中的测试技术应用 麦克风:电容传声器 软驱:速度,位置伺服 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 绪绪 论论 工业生产工业生产 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 机器人机器人视觉视觉: : 平面、立体平面、立体 非视觉非视觉: :触觉、滑觉、触觉、滑觉、 热觉、力觉、热觉、力觉、 接近觉、接近觉、 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 密歇根大学的机械手装配模型 广州中鸣数码的机器狗 20032003年年9 9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老月，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。构之谜。一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一 条狭窄的通道，试图揭开条狭窄的通道，试图揭开46004600年前的秘密。它的探年前的秘密。它的探 秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。 图坦卡蒙的诅咒图坦卡蒙的诅咒 “不论是谁骚扰了法老的不论是谁骚扰了法老的 安宁，死神之翼将在它的安宁，死神之翼将在它的 头上降临。头上降临。” 小机器人挑战法老咒语，代替科学小机器人挑战法老咒语，代替科学 家勇探胡夫金字塔内部秘道。家勇探胡夫金字塔内部秘道。 “金字塔漫游者金字塔漫游者”， 高高55长长11宽宽1 1英寸英寸 ，地面探测雷达、超，地面探测雷达、超 声波传感器（测石头声波传感器（测石头 厚度）。厚度）。 电子汽车衡电子汽车衡 计量测试计量测试 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 超声波测流量超声波测流量 红外测温红外测温 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 医疗诊断医疗诊断 对人体的健康状况进行诊断需要进行多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。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、微生物划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物 、细胞、细胞、NANA、RNARNA、蛋白质、嗅觉、味觉、蛋白质、嗅觉、味觉 和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏 等传感器的研究。等传感器的研究。 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 智能建筑智能建筑 给排水系统给排水系统 泵系统泵系统 锅炉系统锅炉系统 环境控制环境控制 电力监测电力监测 能量计费能量计费 消防系统消防系统 保安系统保安系统 照明系统照明系统 DDCDDC 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 智能建筑智能建筑 门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统 指纹门禁指纹门禁 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 纺 织 品 精确的 烟草烘干 木材烘干 芯片生产要求最高的湿度稳定性 纸 品 专为您的需求所设计的 湿度传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 NOX NO + NO2 dust soot H2S H2O HC C- total CO2 CO O2 HCN HCl HF NH3 SO2 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 上海卢浦大桥 通车应力试验 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 智能化水质检验 水水 库库 无线水质感应器无线水质感应器 下游下游 用户用户 用户用户 飞行器：控制在预定轨道上飞行器：控制在预定轨道上 速度、加速度、飞行距离测量、速度、加速度、飞行距离测量、周围环境、内周围环境、内 部设备监控、本身状态参数的测量。部设备监控、本身状态参数的测量。 陀螺仪、阳光传陀螺仪、阳光传 感器、星光传感感器、星光传感 器、地磁传感器器、地磁传感器 传感器与航空及航天传感器与航空及航天 传感器在军事技术领域的应用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。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是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属 的保障设施。的保障设施。 51 未来的战争一定程度上可以称之为传感器战争。未来战场 将布满各种传感器，它们既包括电视摄像机、激光雷达、成 像雷达、微光夜视仪、制冷和非制冷热像仪等可视设备，也 包括声传感器、震动传感器、磁传感器、气象传感器和探测 生化战剂的传感器，当然也可能出现目前尚未问世或成熟的 其它传感器。这些传感器将为指挥人员和士兵收集大量的战 场态势信息，使他们拥有全面的信息优势，从而最大限度地 增强他们的攻击威力。 52 美军研制的未来单兵作战武器-OICW 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20mm高爆弹时，激光测距仪可将 目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以精确的设定引爆时间。 53 美国国家导弹防御计划-NMD 1.地基拦截器 2.早期预警系统 3.前沿部署(如雷达） 4.管理与控制系统 5. 卫星红外线监测系统 监测系统: 探测和发现敌 人导弹的发射并追踪导 弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假弹 头，敌友方 54 飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵 火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹 海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署 了了42804280辆坦克，多国部队只有辆坦克，多国部队只有38003800辆坦辆坦 克。克。 但结果是伊拉克的坦克但结果是伊拉克的坦克8989被毁，而被毁，而 多国部队的坦克仅损失多国部队的坦克仅损失2020辆。辆。 这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优 势及精确制导武器方面的明显差距造成的势及精确制导武器方面的明显差距造成的 。 智能武器智能武器“ “把巨大的杀伤力和极高的精确性把巨大的杀伤力和极高的精确性 相结合，将会使军事机构思考未来战争的相结合，将会使军事机构思考未来战争的 方式发生革命方式发生革命“ “。 高技术常规武器成为比核高技术常规武器成为比核 武器更可靠的手段，武器更可靠的手段，“ “打了不用管打了不用管“ “的制导炮的制导炮 弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射程远弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射程远 ，威力大，价格低，命中率高，具有子母，威力大，价格低，命中率高，具有子母 弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹的攻弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹的攻 击方式。击方式。 57 军事战斗力 1991年海湾战争 精确制导武器 8% 2003年伊拉克战争 90% 1994年美国防部建立自动测试系统执行局：统一 海陆空测试产品的规格标准 立体作战 1.1检测的地位和作用 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 绪绪 论论 传感器具有以下作用和功能 （1） 测量与数据采集 （2） 检测与控制 （3） 诊断与监测 （4） 辅助观测仪器 （5） 资源探测 （6） 环境保护 （7） 医疗卫生 （8） 家用电器 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 绪绪 论论 未来世界是个充满传感器的世界，还会有： 智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源） 智能衣服（自动调节温度） 智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量） 智能汽车（无人驾驶、卫星定位） 智能 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.20.2传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国 防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工 程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的 程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的 领域。可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项 领域。可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项 目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各 目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各 样的传感器。 样的传感器。 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会 进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各 进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各 国十分重视这一领域的发展。 国十分重视这一领域的发展。 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.3 0.3 传感器现状和国内外发展趋势传感器现状和国内外发展趋势 绪绪 论论 我国的传感器技术及产业在国家我国的传感器技术及产业在国家“ “大力加强传感器大力加强传感器 的开发和在国民经济中的普遍应用的开发和在国民经济中的普遍应用” ”等一系列政策等一系列政策 导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。 目前有目前有16801680多家传感器研发机构，产品约多家传感器研发机构，产品约60006000种，种， 年产量年产量13.213.2亿多支，其中约有亿多支，其中约有1 12 2产品销往国外。产品销往国外。 预计到预计到“ “十五十五” ”期末，敏感元器件与传感器年总产量期末，敏感元器件与传感器年总产量 可望达到可望达到2020亿支，销售总额将达约亿支，销售总额将达约120120亿元。亿元。 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.30.3传感器现状和国内外发展趋势传感器现状和国内外发展趋势 绪绪 论论 传感器产业在科技投入传感器产业在科技投入( (经费、高级人才资源经费、高级人才资源) )、产业环境、产业环境 以及科技实力以及科技实力( (专利件数、新品开发周期、关键材料与零组专利件数、新品开发周期、关键材料与零组 件、量产能力件、量产能力) )三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本 、欧洲等发达国家。、欧洲等发达国家。 许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动 化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面 表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传 感器自身在智能化和网络方面的落后。感器自身在智能化和网络方面的落后。 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.30.3传感器现状和国内外发展趋势传感器现状和国内外发展趋势 绪绪 论论 vv 传感器现状传感器现状 据统计目前全世界约有据统计目前全世界约有4040个国家从事传感器的个国家从事传感器的 研制、生产和开发，研发机构 研制、生产和开发，研发机构60006000余家。余家。 其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等 国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类 的传感器产业，产品的传感器产业，产品2000020000多种，大企业的年生多种，大企业的年生 产能力达到几千万支到几亿支。产能力达到几千万支到几亿支。 19981998年全世界传感器市场销售额已达年全世界传感器市场销售额已达325325亿元，亿元， 预计预计20062006年销售额将增至年销售额将增至506506亿美元。亿美元。 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.30.3传感器现状和国内外发展趋势传感器现状和国内外发展趋势 绪绪 论论 vv 传感器发展趋势：传感器发展趋势： 2020世纪世纪7070年代以来以电量为输出的传感器得到飞年代以来以电量为输出的传感器得到飞 速发展，现代传感器已是测量仪器、智能化仪表、速发展，现代传感器已是测量仪器、智能化仪表、 自动控制系统等装置必不可少的感知元件。自动控制系统等装置必不可少的感知元件。 几十年来传感技术的发展分为两个方面：几十年来传感技术的发展分为两个方面： 1.1.提高与改善传感器的技术指标；提高与改善传感器的技术指标； 2.2.寻找新原理、新材料、新工艺。寻找新原理、新材料、新工艺。 为改善传感器性能采用多种技术途径：为改善传感器性能采用多种技术途径： 差动技术；平均技术；补偿修正技术；差动技术；平均技术；补偿修正技术； 隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.30.3传感器现状和国内外发展趋势传感器现状和国内外发展趋势 绪绪 论论 目前传感器总的发展趋势是：目前传感器总的发展趋势是： （1 1） 发展、利用新效应发展、利用新效应 如：高温超导磁传感器灵敏度原高于霍耳器件，可用于磁成像技术。 （2 2） 开发新材料开发新材料 敏感材料是传感器的重要基础，基于新材料出现的传感器：半导体氧化物制敏感材料是传感器的重要基础，基于新材料出现的传感器：半导体氧化物制 成的各种气敏传感器；光纤传感器；成的各种气敏传感器；光纤传感器； （3 3） 提高传感器性能和检测范围；提高传感器性能和检测范围； （4 4） 微型化与微功耗；微型化与微功耗； （5 5） 集成化与多功能化；集成化与多功能化； （6 6） 传感器的智能化；传感器的智能化； （7 7） 传感器的数字化和网络化。传感器的数字化和网络化。 传感器的数字化和网络化 模模 拟拟 传传 感感 器器 放放 大大 电电 路路 A/DA/D 转转 换换 线线 性性 化化 处处 理理 微微 处处 理理 器器 标准接口标准接口 脉冲输出脉冲输出 控制门控制门 显示显示 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.3 0.3 传感器现状和国内外发展趋势传感器现状和国内外发展趋势 传感器在总体上呈现出多功能、微型化、数字化、传感器在总体上呈现出多功能、微型化、数字化、 集成化、智能化和网络化的发展趋势。集成化、智能化和网络化的发展趋势。 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.40.4检测系统的组成原理检测系统的组成原理 各种传感器其输出信号的形式因传感器而异。检测仪器的输出各种传感器其输出信号的形式因传感器而异。检测仪器的输出 或送控制器用以调节控制，或送至计算机作进一步处理。 或送控制器用以调节控制，或送至计算机作进一步处理。 现代传感技术是自动检测和自动控制系统以及机电一体化的第现代传感技术是自动检测和自动控制系统以及机电一体化的第 一基础。 一基础。 自动控制系统框图 传 感 器 被 测 对 象 控制器 被测量可用信号 信 号 处 理 显 示 记 录 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.40.4检测系统的组成原理检测系统的组成原理 qq 实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长 度、体积、质量和时间。度、体积、质量和时间。1818世纪以来科学技术取得飞世纪以来科学技术取得飞 速发展，被测对象迅速扩大。速发展，被测对象迅速扩大。 力学领域有速度、加速度、力、功和能量等；力学领域有速度、加速度、力、功和能量等； 电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场；电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场； 化学领域中有浓度、成分、化学领域中有浓度、成分、pHpH值等；值等； 工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。 现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体 表电位测量，生物断面测量；工业领域的光泽、触觉表电位测量，生物断面测量；工业领域的光泽、触觉 等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器 人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.40.4检测系统的组成原理检测系统的组成原理 qq另一方面，测量仪器的输出信号必须转化为电压、电流或数另一方面，测量仪器的输出信号必须转化为电压、电流或数 字量中的一种。由于传感器的种类很多，传感器的输出有各 字量中的一种。由于传感器的种类很多，传感器的输出有各 种形式，如热电偶、 种形式，如热电偶、pHpH电极等输出为直流电压；热敏电阻、电极等输出为直流电压；热敏电阻、 应变计、半导体气体传感器输出为电阻， 应变计、半导体气体传感器输出为电阻，。 信号处理就是通过信号转换、放大、解调、信号处理就是通过信号转换、放大、解调、A/DA/D转换得到所转换得到所 希望的输出信号过程。这是检测系统中使用的共同技术。 希望的输出信号过程。这是检测系统中使用的共同技术。 普通电测仪表基本组成 传感器 非电量电量 测量电路A/D转换数字显示 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.40.4检测系统的组成原理检测系统的组成原理 qq 就被测对象而言工业上需要检测的量有就被测对象而言工业上需要检测的量有电量电量和和非电量非电量两两 大类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量大类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量 长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。 随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要 求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远距离测量，用非求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远距离测量，用非 电方法无法实现，必须采用电测法电方法无法实现，必须采用电测法. . 传统的传感器可以完成从非电量到非电量的转换，但无法传统的传感器可以完成从非电量到非电量的转换，但无法 实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自 动检测与控制。动检测与控制。 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.40.4检测系统的组成原理检测系统的组成原理 qq 无论是电量测量还是非电量测量，数字电压表问世无论是电量测量还是非电量测量，数字电压表问世 以来，模拟式仪表逐渐被数字式仪表取代。以来，模拟式仪表逐渐被数字式仪表取代。 微型计算机出现后形成崭新的微机自动化测试系统微型计算机出现后形成崭新的微机自动化测试系统; ; 单片微机对采集的数据进行处理并提供显示和记录单片微机对采集的数据进行处理并提供显示和记录 同时，也对整个测试过程进行控制。同时，也对整个测试过程进行控制。 典型微机测试系统 微 机 显示器 A/D 转 换 测 量 电 路 传 感 器 控制器 记录器 非 电 量 传感器原理及应用传感器原理及应用 绪绪 论论 0.40.4检测系统的组成原理检测系统的组成原理 动画按扭动画按扭 自动检测系统实例自动检测系统实例 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.5 0.5 传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法 （1 1）传感器定义）传感器定义 绪绪 论论 广义：广义： 传感器是一种能把特定的非电量信号（物理量、化传感器是一种能把特定的非电量信号（物理量、化 学量、生物量登）按一定规律转换成某种便于处理和传学量、生物量登）按一定规律转换成某种便于处理和传 输的另一种物理量输的另一种物理量( (一般为电量一般为电量) ) 的装置。的装置。 狭义：狭义： 能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 国家标准（国家标准（GB7665GB76658787） 对传感器（对传感器（Sensor/transducerSensor/transducer）定义是：）定义是： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用 输出信号的器件和装置。输出信号的器件和装置。 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.50.5传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法 （1 1）传感器定义）传感器定义 绪绪 论论 测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。 这种能感应被测量的变化并将其转换为其它物理量变化的 器件，就是传感器。 输入匹配输入匹配放大变换放大变换 被测信号输出 广义传感器 检出器 信号处理部分 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.5 0.5 传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法 （1 1）传感器定义）传感器定义 绪绪 论论 以上定义表明传感器有以下含义以上定义表明传感器有以下含义： 它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置；它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置； 能按一定规律将被测量转换成电信号输出；能按一定规律将被测量转换成电信号输出； 传感器的输出与输入之间存在确定的关系；传感器的输出与输入之间存在确定的关系； 按使用的场合不同又称为按使用的场合不同又称为: : 变换器、换能器、探测器。变换器、换能器、探测器。 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.50.5传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法 （2 2）传感器的组成）传感器的组成 绪绪 论论 传感器由传感器由敏感元件敏感元件、转换元件转换元件、测量电路测量电路三部分组成：三部分组成： 敏感元件敏感元件( (又称预变换器又称预变换器) )感受被测量感受被测量; ; 转换元件将响应的被测量转换成电参量转换元件将响应的被测量转换成电参量; ; 测量电路把电参量接入电路转换成电量测量电路把电参量接入电路转换成电量; ; 核心部分是转换元件核心部分是转换元件, ,决定传感器的工作理。决定传感器的工作理。 敏感元件敏感元件转换元件转换元件测量电路测量电路 电量输出电量输出被测量被测量 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.5 0.5 传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法 （2 2）传感器的组成）传感器的组成 绪绪 论论 国标国标GB/TGB/T14479-9314479-93规定传感器图用图形符号规定传感器图用图形符号 表示方法：表示方法： 正方形正方形表示转换元件表示转换元件, , 三角形三角形表示敏感元件；表示敏感元件； X X 表示被测量符号，表示被测量符号， * * 表示转换原理。表示转换原理。 * * X X 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.50.5传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法 （2 2）传感器的组成）传感器的组成 绪绪 论论 几个典型传感器的图用图形符号几个典型传感器的图用图形符号 a a P P 电容式压力电容式压力 传感器 传感器 压电式加速度压电式加速度 传感器 传感器 电位器式压力电位器式压力 传感器 传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.5 0.5 传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法 （3 3）传感器的分类）传感器的分类 绪绪 论论 传感器分类方法较多传感器分类方法较多, ,无统一方法，大体有以下几无统一方法，大体有以下几 种：种： 1 1） 按传感器检测的范畴分类按传感器检测的范畴分类 物理量传感器物理量传感器 化学量传感器化学量传感器 生物量传感器生物量传感器 ）按传感器的输出信号分类）按传感器的输出信号分类 模拟传感器模拟传感器 数字传感器数字传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.5 0.5 传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法 （3 3）传感器的分类）传感器的分类 绪绪 论论 ）按传感器的结构分类）按传感器的结构分类 结构型传感器：结构型传感器：材料几何形状或尺寸的改变 物性型传感器：物性型传感器：材料物理性质的变化 复合型传感器复合型传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 0.5 0.5 传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法 （3 3）传感器的分类）传感器的分类 绪绪 论论 ）按传感器的功能分类）按传感器的功