《传感器概述》PPT课件.pptVIP

传感与检测技术,第1章 概 述,主要内容： 1.1 什么是传感器 1.2 传感器的作用和地位 1.3 传感器现状和国内外发展趋势 1.4 检测系统的组成原理 1.5 传感器的定义、组成和分类方法,传感与检测技术,第1章 传感器概述,传感与检测技术,第1章 传感器概述,在我们现代生活中，使用着各种各样的传感器 电冰箱、电饭煲中的温度传感器; 空调中的温度和湿度传感器; 抽油烟机中的煤气泄漏传感器; 电视机和影碟机中的红外遥控器; 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。,1.1 什么是传感器,传感器不仅给我们的生活带来许多便利和帮助， 也为人类的社会文明提供更多更科学的物质条件。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.1 什么是传感器,空调、电冰箱,麦克风,电子秤,传感与检测技术,1.1 什么是传感器,眼（视觉） 耳（听觉） 鼻（嗅觉） 皮肤（触觉） 舌（味觉）,感知外界信息 大脑 肌体,第1章 传感器概述,人体系统和机器系统比较,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.1 什么是传感器,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。 传感器又是人体感官的延长，有人又称传感器为“电五官”，作为替代补充人的感觉器官功能，传感器为我们人类客观的、定量的认识世界起到重要作用。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,对于各种各样的被测量，有着各种各样的传感器。 下面请看几个传感器应用实例:,1.1 什么是传感器,机械式弹簧压力表,智 能 远 程 数 字 压 力 表,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.1 什么是传感器,智 能 数 字 压 力 表,传感与检测技术,第1章 传感器概述,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.1 什么是传感器,动画按扭,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.1 什么是传感器,检测车身位置,超声波检测零件,超声波传感器,超声波测距,传感与检测技术,第1章 传感器概述,动画按扭,传感与检测技术,第1章 传感器概述,动画按扭,液位监测,传感与检测技术,第1章 传感器概述,物位监测,物位、液位监测,控制进料出料,传感与检测技术,第1章 传感器概述,压电传感器的汽车车速监测,高 分 子 压 电 材料测速,两根高分子压电电缆平行埋设于公路路面下可以用来测量车速及汽车载重量，根据存储在计算机内部的数据，判定汽车的车型。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,压力传感器的车胎压力监测,动画按扭,传感器是能够感受被测量变化，并将其转换为其它物理量的器件。 从广义的角度来说，感知信号的检出器件和传输信号处理部分总称为传感器。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,世界已经进入信息时代 构成现代信息技术的三大支柱是： 传感器技术（信息采集）； 通信技术 （信息传输）； 计算机技术（信息处理）； 它们在信息系统中分别起到 “感官”、“神经”和“大脑”的作用。 我们在利用信息的过程中首先要获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。,传感与检测技术,1.2 传感器技术的作用和地位,第1章 传感器概述,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的作用大的多,这几乎是无可争议的事实。,今天传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，除用于工业、农业、商业外，更广泛用于交通、医疗诊断、军事科研、航空航天、自动化生产、环境监测、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。 目前，传感器技术已经成为构建现代信息系统的重要组成部分。,不同应用领域中传感器的作用,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,现代工业生产，尤其是自动化生产过程中，每个生产环节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最佳状态。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。,基础学科研究，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都需要借助高性能的传感器。所以传感器的发展，往往是一些极端技术研究和边缘学科开发的先驱。,背投电视生产线,调试系统,空调生产线,网络产品生产线,液晶产品生产线,全国最大的插件机群,传感与检测技术,第1章 传感器概述,现代工业生产,TV 生产线,PC 生产线,摩托车 生产线,电冰箱 生产线,PCB 生产线,喇叭 生产线,LCD生产线,传感与检测技术,第1章 传感器概述,现代工业生产,传感与检测技术,第1章 传感器概述,现代工业生产-基本由计算机控制,传感与检测技术,第1章 传感器概述,现代工业生产,传感与检测技术,第1章 传感器概述,现代工业生产-舟山群岛油管自动管理系统,液位！ 温度！ 湿度！ 压力！ 火警！ 防雷！ 防爆！ ,传感与检测技术,第1章 传感器概述,湿度测量应用领域,湿度传感器,现代工业生产-过程控制,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,机器人 机器人是人类智慧的结晶，它把人的行为和思维转移到非生命体上，而机器人感觉系统是指它的外部传感器系统，主要包括： 视觉（平面、立体）； 非视觉（接近觉、触觉、滑觉、 热觉、力觉、）,对运动的球类有正确反应的机器人,能打网球的机器人,机器人足球比赛,能行走的机器人,服务机器人,机器人伴舞,机器人奏乐,可爱的小机器人,能上台阶并避开障碍物的机器人,能自己站起来的机器人,军事机器人,排爆机器人,进攻型机器人,工业机器人,核工业机器人,汽车喷漆机器人,机器人的手,机械手在汽车加工中的应用,机械手能按照程序焊接和安装汽车部件。,激光焊接机械手,传感与检测技术,第1章 传感器概述,沙漠机器人,机器人的研究水平在某种程度上代表了一个国家的 智能化技术水平,传感与检测技术,第1章 传感器概述,电子汽车衡,计量测试 电子秤、温度计、湿度计、速度计、流量计等，各种衡器和计量仪器的检测水平与传感器密切相关。,超声波测流量,红外测温,电子秤,F1发射的超声波到达 F2的时间较短,传感与检测技术,第1章 传感器概述,上海卢浦大桥通车应力试验,工程测量,传感与检测技术,第1章 传感器概述,医疗诊断 现代医疗设备都是利用最先进的传感技术，如：B超、CT、 X光机、核磁共振、心电图脑电图、数字式病理分析、体液分析等等。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,家用电器,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,今天越来越多的传感器和微控制系统广泛地应用于家用电器中 ，目前构成家用电器总生产成本的几个因素有： 机体结构占总成本的25 50% ； 电子器件和电源约占30% ； 执行器（电机、压缩机等）约占20%； 传感器占15% 20%以上。,家用电器,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,传感与检测技术,一台洗衣机的基本功能主要有： 搅动； 进水、出水； 温度控制； 时间控制； 洗涤剂分配； 水和泡沫监控； 烘干（湿度控制）； 编排次序（程序设计）； 操作面板、显示技术（PC接口）,家用电器,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,（1） 洗衣机中的传感器： 温度 NTC（热敏电阻） 湿度 湿敏元件 旋转 转速计 液位 压力传感器 质量 电感传感器 位置 簧片管 失衡 转速计、压力传感器 水的泡沫 浊度（红外） 水的硬度 电导率 洗涤液分配 条码芯片,传感与检测技术,第1章 传感器概述,洗衣机的基本功能,搅动：目前在可以控制的AC或DC电动机中，使用一个转速传感器来测量速度； 水摄入量，水位：水位测量是利用压力测量的原理来实现的，功能只作为单纯的限位器。 温度控制：亚洲洗衣机都使用冷水，不安装温度传感器。另一类装有冷水和热水管，美国使用较普遍。通过NTC传感器精确控制温度，保证洗涤效果。 洗涤剂分配：洗涤剂通过专用分配器加入洗衣机。 德国自动配量系统的复杂解决方案引起高额购买费用，其它（如欧洲）机型的洗涤剂分配解决方案都没有得到市场认可，也是电子设备另一领域的应用。有人提出用条形码或芯片卡分配机器可读指令。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,水和泡沫监控： 水的硬度与洗涤剂分配有关，水的硬度测量是利用测量电导率的传感器来实现的。由于水中的盐类影响，测量结果还不够精确。 泡沫也是可以测量的，近年来使用相对便宜的红外线传感器，通过记录红外光的衰减进行泡沫浑浊度测量。但是，这一领域的最大进步还未到来。,浑浊度传感器测量泡沫质量的工作原理,传感与检测技术,洗衣机的基本功能,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,家用电器,（2）洗碗机： 温度 NTC 流量 旋转式水表、压力传感器 咸度 （簧片触点+密度）传感器 洗涤剂量 簧片触点 喷射臂旋转 磁阻传感器,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,家用电器,（3）烘干机： 温度 NTC 湿度 电导传感器,（4）制冷机： 温度 （5）烤箱： 温度 pt100 （6）微波炉： 温度 NTC 湿度 陶瓷传感器 气体,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,家用电器,( 7 ) 吹风机： 温度 NTC 温度（非接触） 红外线热电偶 气流,( 8 ) 烤面包炉： 温度 NTC 温度（非接触）红外线热电偶 ( 9 ) 熨斗： 温度 双金属片开关 湿度 位置、移动 倾斜传感器、加速度传感器,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,汽车传感器,温度、湿度传感器（空调 ）； 转速传感器（速度 ）； 位置（曲轴、凸轮）霍尔传感器； 气体传感器（氧）； 卫星自动定位系统 （ GPS ，导航传感器 ）； 爆震传感器； 里程表传感器； ,传感与检测技术,GPS导航,第1章 传感器概述,汽车传感器,传感与检测技术,速度、转速,加速度,温度,液位,接近传感器,里程,第1章 传感器概述,汽车传感器,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,智能建筑,计算机管理 计算机通过中继器、路由器、网络、网关、显示器对空调制冷系统、给水排水系统、变配电系统、照明系统、保安、电梯等机电设备控制管理。,楼宇自动化 （Building Automation System） 通讯自动化 （Communications Automation System) 办公自动化 （Office Automation System） 为新兴行业，简称为(3A)系统,传感与检测技术,第1章 传感器概述,传感与检测技术,水、电、气通过传感器测量温湿度、空气压力、液体压差、流量、液位等进行检测。,第1章 传感器概述,智能建筑,保安监控系统,可视电话,传感与检测技术,防盗、 放火、 防燃气泄漏,网络数字监控主机连接监视器和显示器,第1章 传感器概述,智能建筑,自动识别系统 门禁(机电一体化设备) 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 （CCD、电容式）,感应式门禁 （IC、读卡器）,自动识别系统还有考勤机、栏杆机,传感与检测技术,第1章 传感器概述,传感与检测技术,西门子推出的“ID Mouse” 鼠标。 鼠标上端安有指尖传感器，一旦指纹被识别，使用者就可以启动PC的操作系统。如果长时间不动鼠标，它将自动启动屏幕保护程序，直到使用者再次触摸ID 鼠标为止。 这个鼠标在0.25平方英寸的触摸芯片上有65000个传感 系统，可捕捉指纹的细节。,指纹识别系统 已广泛应用于桌面电脑、笔记本电脑、ATM机、蜂窝电话、考勤系统、门禁控制以及Internet 电子商务安全系统，遍及银行、保险、边防检查、医疗卫生及网络接入等各个领域。,自动识别系统,第1章 传感器概述,智能建筑,巡更系统：系统主要由信息钮、巡查棒、通信座、系统管理软件四部份组成,工作原理是在每个巡查点设一信息钮，信息钮中贮存了巡查点的地理信息；巡查员手持不锈钢巡查棒，到达巡查点时只须用巡查棒轻轻一碰嵌在墙上的信息钮扣，即把到达该巡查点的时间、地理位置等数据自动记录在巡查棒上。 巡查员完成巡查后，把巡查棒插入通信座，系统管理软件立即显示出该巡查员巡查的路线、到达每个巡查点的时间和名称及漏查的巡查点，并按照要求生成巡检报告。,传感与检测技术,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,烟气 测量,环境监测 大气、水质、材料检测,第1章 传感器概述,环境监测 水质检测,污水 COD 检测,BOD是最重要的水质有机污染指标之一。除作为一项污染指标外，还可用来探明废水可生化性和生化处理效果。,BOD 检测,用于石油、 化工、造纸、制药、酿造、冶金、制革、印染、食品加工、试剂、助剂、木材加工、焦化、皮毛、化肥、日化等各种行业废水的COD测定,水质指标 化学需氧量 COD（Chemical Oxygen Demand） ； 生化需氧量 BOD (Biochemica Oxygen Demand）； 总有机碳 TOC（Total Organic Carbon）； 总需氧量 TOD（Total Oxygen Demand）。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,环境监测水质监测,远程检测,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,环境监测 建材检测,甲醛、放射性指标等。 瓷砖粘结剂、大理石胶粘剂； 各种混凝土外加剂、防水剂； 防水材料；混凝土；水泥；墙体材料： 各种砖、墙板、路面砖、异形砖。,传感与检测技术,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2传感器技术的作用和地位,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，都离不开各种各样的传感器。 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、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。 未来世界是个充满传感器的世界， 还会有：,传感与检测技术,1.2 传感器技术的作用和地位,第1章 传感器概述,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、GPS卫星定位） 智能化设备越来越多。 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，世界各国十分重视这一领域的发展。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,智能化水质检验,传感与检测技术,1.2 传感器技术的作用和地位,第1章 传感器概述,传感器作用 （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 ,下面请看短片 传感器,传感与检测技术,1.3 传感器现状和国内外发展趋势,第1章 传感器概述,传感器现状 据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和开发，研发机构6000余家。 其中以美、日、德、俄等国实力较强，他们主要建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。 2006年全世界传感器市场销售额增至500多亿美元以上。全球传感器市场2010年已增长到600亿美元以上。 近几年中国的传感器年度销售平均增长达到39%。中国和亚太地区传感器市场如此快速的增长也预示着巨大的商业发展机遇。可靠性高和低成本的传感器生产技术变得极其重要。,传感与检测技术,1.3 传感器现状和国内外发展趋势,第1章 传感器概述,我国的传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)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。 目前控制系统越来越复杂，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在智能化和网络方面的落后。 我国“十一五”提出的 “自主立国”“自主创新”战略导向有着重要的现实意义。引进技术要充分消化，吸收并再创新。,传感与检测技术,1.3 传感器现状和国内外发展趋势,第1章 传感器概述,传感器发展趋势 传感器的历史远比近代科学来得古老： 如天平古代埃及就开始使用； 16世纪前后已经实现利用液体热膨胀进行温度测量； 瓦特发明的离心调速器就是将旋转速度变为位移的传感器。 20世纪70年代以来主要以电量为输出的传感器得到飞速发展，几十年来传感技术的发展分为两个方面： 1.寻找新原理、新材料、新工艺。 2.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；隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。,传感与检测技术,1.3 传感器现状和国内外发展趋势,第1章 传感器概述,目前传感器总的发展趋势是： （1）发现、利用新的效应（磁光、压阻）； （2）开发新材料（光纤、PVC、稀土）； （3）提高传感器性能和检测范围； （4）微型化与微功耗（微米、微安、毫克）； （5）集成化与多功能化； （6）传感器智能化（自校、自诊断、自补偿、存储、数字输出）； （7）传感器的数字化和网络化。,现场数据就近登陆 通过 Internet网与用户之间异地交换数据远程控制等。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,RS232、422、485、USB,传感器的数字化和网络化结构,传感器的数字化和网络化,传感与检测技术,第1章 传感器概述,物联网（The Internet of Things) 物联网的概念是在1999年提出的。物联网就是“物物相连的互联网”。是将各种信息传感器设备：如射频识别装置（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置按约定的协议与互联网结合起来，形成一个巨大的网络,进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。,传感器的数字化和网络化,传感与检测技术,第1章 传感器概述,RS232、422、485、USB,传感器的数字化和网络化,传感与检测技术,第1章 传感器概述,这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围： 1、要有相应信息的接收器 传感器； 2、要有数据发送 ； 3、要有数据传输通路 有线、无线； 4、要有CPU； 5、要有操作系统； 6、要有一定的存储功能； 7、要有专门的应用程序； 8、遵循物联网的通信协议； 9、在世界网络中有可被识别的唯一编号。,1.3 传感器现状和国内外发展趋势,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,实际上被测对象涉及各个领域。 人类最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。 18世纪以来随科学技术飞速发展，被测对象迅速扩大。现在的被测对象更加广泛复杂： 工业领域的光泽度、光滑度等品质测量； 机器人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种信息测量； 卫星上监视地球的红外线测量，GPS定位系统； 有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量； ,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,检测对象的信号形式决定了选用传感器的类型，大致可以归类以下的不同领域中的不同信号： 机械自动化：位移、速度、加速度、扭矩、力、振动； 电磁学：电流、电压、电阻、电容、磁场； 生物化学：浓度、成分、pH值等； 工业过程控制：流量、压力、温度、湿度、黏度等； 辐射测量：无线电磁波、微波、宇宙射线，、X射线。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,就被测对象而言，需要检测的量有电量和非电量两大类。非电量信息早期多用非电量的方法测量。 较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动检测与控制。 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，用非电方法无法实现，必须采用电测法。今后我们讨论的都是以电量为输出的传感器。,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.4 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。 如热电偶、pH电极等以直流电压形式输出； 热敏电阻、应变计、半导体气体传感器输出为电阻， 无论传感器的输出形式如何，测量的输出信号必须转化为电压、电流或数字量中的一种。 信号检测系统就是将传感器接收信号通过信号转换、放大、解调、A/D转换得到所希望的输出信号。这是基本检测系统中使用的共同技术。,普通电测仪表基本组成（数字万用表）,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,带微型计算机的检测系统，如单片微机系统可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。,典型微机测试系统,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,自动控制系统为闭环系统，不仅完成检测仪器的输出，还用以送控制器调节控制，或送至计算机作进一步处理。 所以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。,空调为典型的闭环控制系统,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,工控微机测试系统接口,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,温度,传感与检测技术,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,动画按扭,自动检测系统实例,传感与检测技术,1.5 传感器的定义、组成和分类方法,第1章 传感器概述,广义： 传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。 狭义： 能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 国家标准（GB766587） 对传感器（Sensor/Transducer）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输出信号的器件和装置。,（1）传感器定义,传感与检测技术,第1章 传感器概述,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； 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； 按使用的场合不同传感器又称为: 变换器、变送器、换能器、探测器,（1）传感器定义,传感与检测技术,第1章 传感器概述,传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：,敏感元件感受被测量; 转换元件将响应的被测量转换成电参量（电阻、电容、电感）; 基本电路把电参量接入电路转换成电量; 核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理。,（2）传感器的组成,传感与检测技术,第1章 传感器概述,测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。,1.5 传感器的定义、组成和分类方法,（2）传感器的组成,传感与检测技术,1.5 传感器的定义、组成和分类方法,第1章 传感器概述,国标GB/T14479-93规定传感器图用图形符号表示方法： 正方形表示转换元件； 三角形表示敏感元件； X（xi） 被测量符号； * 表示转换原理。,（3）传感器的图形符号,几个典型传感器图用图形符号,电容式压力传感器,压电式加速度传感器,电位器式压力传感器,传感与检测技术,1.5 传感器的定义、组成和分类方法,第1章 传感器概述,传感器分类方法较多,大体有以下几种：,）按传感器的输出信号分类 模拟传感器 数字传感器,（4）传感器的分类,1） 按传感器检测的范畴分类 物理量传感器 化学量传感器 生物量传感器,传感与检测技术,1.5 传感器的定义、组成和分类方法,第1章 传感器概述,）按传感器的工作原理分类 应变式传感器 电