传感器与测试技术教案第一章绪论.doc

_第一章 绪论1 课程简介 【 引题，作为整门课程的开始，开篇引题要能抓住学生兴趣】设计1： 带几个机器人去教室，演示机器人功能，以其中一个机器人（排雷机器人）为例， 提问：以这个排雷机器人为例，分析一下它具体实现了哪些功能？ 首先，当地面有雷的时候，它能够“看”到。 然后，它能将“看”到的信息，通过它的“神经”，也就是这些数据线，传达给它的“大脑”。它的大脑就做出反应：此处有雷。引出：这其实也就是我们这门课程中，主要研究的问题：怎样让一个系统去感知它周围的世界，然后，把它所感知到的信息，传递给它的大脑，来完成相应的系统任务。（接课程内容）提到武器测试技术这个名词，我们可能都不陌生，我们在很多新闻、书籍、电影乃至动画片当中，都见到过关于武器测试技术的片段（图1.1 武器测试技术应用）。如果我们把研究的对象放宽，那测试技术可以说遍布我们身边的方方面面（图1.2 测试技术的应用）。仔细看一看这些系统我们能够发现，它们的基本任务大体一致：将研究目标的相关信息检测出来，再传输给系统，来完成相应的系统任务。1.1 课程内容也就是说，我们这门课当中的主要内容：1、是系统感知世界的感官，也就是传感器。2、是我们怎样利用这些感官，以及这些感官所感知到的信息（测试技术）。3、最后，我们一起来简单的了解一下这门学科当前的应用以及未来的发展趋势。图1.3 课程内容及学时安排我们这门课的主要内容，就一起来学习一下，作为一个电气系统，它们用什么来感知外界的信息（传感器），又如何对感知到的信息加以处理，并应用到系统中去的（测试技术），最后，我们一起来简单的了解一下这门学科当前的应用以及未来的发展趋势。1.1.1 章节内容1.1.2 学时安排1.2 课程特点1.2.1 涉及范围广传感器部分物理电路模拟电路测试技术部分信号与系统电路模拟电路自动控制原理单片机原理1.2.2 知识点零散1.2.3 贴近工程应用1.3 学习要求1.3.1 课上：认真听讲、记好笔记1.3.2 课后：按时、独立完成作业1.3.3 实验：充分预习，勇于实践1.4 参考书目1.4.1 传感器与检测技术 魏学业主编 人民邮电出版社1.4.2 传感器与自动检测技术 张玉莲主编 机械工业出版社1.4.3 现代传感器技术 徐群和主编 科学出版社1.4.4 传感器与的检测技术 李增国主编 北京航空航天大学出版社1.4.5 MATLAB基础与应用教程 蔡旭晖等著 人民邮电出版社1.4.6 LabVIEW程序设计基础德湘轶主编 清华大学出版社2 产生背景【引题】这门学科是如何产生的呢？我们已经知道，这是一门主要研究传感器原理和使用方法的学科，那么，这门学科是怎样产生的呢？2.1 生物能够感知外界信息 人们从很早就知道，生物，可以通过视觉、听觉、味觉等形形色色的感官感知我们周围的世界（图1-4图1-6）。（图1.4 鸟类通过视觉感知世界）（图1.5 蝙蝠通过听觉感知世界）（图1.6 蛇通过味觉感知世界）2.2 人类在进化发展的过程中，利用我们感知世界的能力，学会了测量和检验2.2.1 测量：这个桌子多宽？2.2.2 检验：它有没有这扇门宽？能不能通过？2.3 人类发明了机械系统 随着人类社会的不断发展，人们发明了机械，又经历了第一次、第二次工业革命，机械系统、电气系统得到了迅猛的发展。图 1-8第一次工业革命图1-9 第二次工业革命 这时候，人们就希望这些机械系统、电气系统和生物一样，能够感知身边的情况。2.4 希望机械系统也能感知、和检测 人们就希望这些机械系统、电气系统和生物一样，能够感知身边的情况。图1-10 机器感知 基于这种想法，人们不断的研究，渐渐的发展出了传感器与测试技术这门学科2.5 产生了传感器与测试技术 也就是说，这门学科，其实可以理解为它是围绕着研究传感器和利用传感器的一门学科3 地位与作用 由此，我们可以看出，传感器在系统当中的地位和作用3.1 1、从人、机对应的角度PPT:传感器与检测技术1(1).ppt P15图图1-11 传感器的地位与作用3.1.1 1 地位：系统用来感知世界的感官3.1.2 2 作用：将外界信息传送给系统3.2 2、从系统本身的角度3.2.1 如果一个系统没有传感器，就像一个人没有一个感觉器官一样。以“如果一个人，失去所有的感官会怎样？”引题。引出一个系统没有传感器，就像一个人没有一个感觉器官一样。3.2.2 19世纪俄国化学家门捷列夫的名言：科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的图1-12 俄国化学家门捷列夫3.2.3 “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。“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。3.3 3、目前应用广泛【引题：身边所能看见的、听说的、以及学习过的系统，大都含有传感器】3.3.1 举例：（多以身边的例子）以下这些都是利用传感器来实现的商场里的中央空调图 1-13 中央空调电梯控制超重控制，安全关门、速度控制等图1-14 电梯控制图书馆自主还书图1-15 图书馆自助还书笔记电脑上的指纹识别锁图1-16 笔记本电脑的指纹锁手机上的滑屏解锁图1-17 手机屏幕锁4 发展概况引题：以上这些都是利用传感器来实现的，可以说现在传感器已经深入我们生活的方方面面，那么传感器一开始是怎么产生的呢？它经历了怎样的一个发展过程呢？说到这里，让人觉得很可惜的一点，目前还没有人对传感器的历史做一个系统的整理。为什么呢？主要由于它们太小，也太零散。（接雏形）4.1 雏形因为传感器太小了，而且用途比较零散,不像计算机这么大型复杂的东西,因此，它的历史并没有详细系统的记录。比如你说一个温度计叫不叫传感器,一个称叫不叫传感器?其实它们都属于传感器.但这时候他们只能起到对某种物理量进行测量的作用，因此只能说是雏形。4.1.1 举例：早期的测量设备温度计图 1-17 传感器雏形1 温度计秤图 1-18 传感器雏形2 秤4.2 产生与发展以温度传感器为例，温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。4.2.1 雏形 从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。图 1- 伽利略温度计4.2.2 产生 真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家塞贝克发明的，1821年德塞贝克发现，由两种不同金属联接成的回路，当两个接点的温度不同时，回路中便出现电流，存在着温差电动势。他就根据这种制作了测试温度的传感器，这就是后来的热电偶传感器。图图 1-20 热电偶传感器 五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。图 1-21 铂电阻温度计4.2.3 发展 在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。图 1-22 半导体温度传感器 （电磁炉传感器探头）图 1-23 发展 PN结温度传感器图 1-24 集成温度传感器 与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了红外传感器和微波传感器。图 1-25 红外温度传感器图 1-26 微波传感器4.3 目前的应用（张玉莲课件中有图）4.3.1 应用概况。传感器几乎渗透到所有的技术领域。如工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。4.3.2 机器人应用在机器人的技术发展中，传感器采用与否及采用数量的多少是衡量机器人是否具有智能的标志，现代智能机器人因为采用了大量的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器，才使得其具有自我诊断、自我补偿、自我学习等能力，机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。传感器被称为机器人的“电五官”。图1-28 机器人的电五官例如，我们这些实验用机器人身上就有很多传感器，用了探雷的，这里使用的是颜色传感器，以前还有学生用过金属传感器等等。用来避障的红外传感器4.3.3 航空航天领域仅阿波罗10号飞船就使用了数千个传感器对3295个测量参数进行监测。图 1-29 阿波罗10号4.3.4 军事领域在兵器领域中，使用了诸如机械式、压电、电容、电磁、光纤、红外、激光、生物、微波等等传感器，以实现对周围环境的监测与目标定位信息的收集，从而更好的解决了安全、可靠的防卫能力。图 1-29 军事应用4.3.5 工程领域在民用工业生产中，传感器也起着至关重要的作用。如一座大型炼钢厂就需要2万多台传感器和检测仪表大型的石油化工厂需要6千台传感器和检测仪表一部现代化汽车需要90多只传感器日常生活中的电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、电动自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等家用电器都安装了传感器；一台复印机需要20多只传感器4.3.6 医学领域在医学上，人体的体温、血压、心脑电波及肿瘤等的准确诊断与监控都需要借助各种传感器来完成。图1-32 红外脉搏传感器 图 1-32 应用 医学 02 电子纹身“电子纹身”贴片粘在皮肤上，能够记录大脑电波，当孕妇使用时可记录胎儿心率。4.4 未来的发展（网上下载课件4.6M）4.4.1 1 利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器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，这是发展传感器的重要途径4.4.2 2 集成化、多功能化、智能化4.4.3 计算机虚拟仪器技术将硬件与软件完美的结合起来，在虚拟仪器中应用软件是整个仪器的核心。硬件、软件模块化，总线与驱动程序标准化、硬件即插即用化、编程平台图形化发展方向，是现代仪器与检测技术发展的方向与潮流。5 传感器的定义说的这么热闹，我们在工程上，怎么定义什么是传感器呢？5.1 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种量的测量装置5.2 包含以下三方面的意思5.2.1 1）传感器是测量装置，能完成检测任务5.2.2 2）输入量是某一被测量，可以是物理量，也可以是化学量、生物量等5.2.3 3）输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等。气光电（主要是电量）6 传感器的组成从定义我们可以看出来，一个传感器，它必须具有能够1）感知外界信息、同时，具有2）能将这些信息转换成系统可以识别的物理量的功能。先按功能画框图，然后将功能框图转换成6.1 思路：根据传感器需要完成的功能，划分传感器的组成6.2 功能实例：张玉莲书图1.2结构图待插入（张玉莲书图1.16.2.1 1：感知外界信息敏感元件6.2.2 2：将信息转换成系统能够识别的物理量转换元件6.2.3 3：系统需求便于处理、显示、记录、控制和传输的信号，需要对传感器输出的信号做相应的处理转换电路6.2.4 4：某些传感器和转换电路需要外加电源辅助电源6.3 注意：并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。6.3.1 1）如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，如：热电偶热电偶：直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号6.3.2 2）如果转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，它就身兼敏感元件，如：电位器7 传感器的分类 根据某种原理设计的传感器可以同时测量多种非电物理量，反过来，一种非电物理量又可以用几种不同的传感器来测量。因此，传感器分类也有很多种方法，但常用的分类方法有以下三种：7.1 按工作机理分类（王君P3）在网上搜相应分类的传感器都有那些，最好能找到图片 这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。 优点：对传感器的工作原理表达的比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入的研究分析。 缺点：不便于使用者根据用途选用。7.1.1 物理型我们这门课学习的传感器都属于物理型1、电学式传感器电阻式电容式电感式电涡流式2 磁电式磁电式传感器是通过磁电转换将被测的非电量（如振动、位移、速度等）转换为电信号的一种传感器。比较常用的有霍尔传感器和磁敏传感器霍尔传感器磁敏传感器3 压电式将外力，比如应力、压力、振动等等转换成相应的电信号的压电式传感器4 光电式利用光电效应，将光信号转换成电信号的光电式传感器6 热电式用来检测温度相关物理量的热电式传感器。其中，将温度变化转换成热电动势的叫热电偶；将温度变化转换为电阻变化的，叫热电阻热电偶热电阻7 波式以超声波、微波等波的特性来进行检测的波式传感器8 其他原理的传感器等利用其它原理，比如生物原理、化学原理等工作的传感器等等7.1.2 化学型包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器7.1.3 生物型 生物传感器是一种新兴的传感器，是利用生物关联物质选择分子功能的化学量传感器。也就是说，它利用生物特有的生化反应，可以有针对性地对有机物进行简便而迅捷的测定，再转换成电信号输出的一种传感器。可以说，它们是假设在生命科学和信息科学之间的桥梁。酶传感器微生物传感器免疫传感器7.2 按被测量分类 这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力和力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系，对于系统使用何种传感器是很有帮助的。 优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。 缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。7.2.1 1 直接分类温度传感器湿度传感器压力传感器位移传感器流量传感器液位传感器力传感器加速度传感器转矩传感器等7.2.2 2 基本被测量/派生被测量张玉莲P3 表1-17.3 按输出信号的性质分类7.3.1 开关型传感器7.3.2 模拟传感器7.3.3 数字传感器8 传感器的选用原则王君P9传感器技术的发展非常迅速，目前各式各样的传感器种类繁多，这就给我们选择传感器带来了很大的灵活性。【以某个机器人为例，提问：设计这个机器人，我们需要选择传感器，从哪些角度考虑？】在具体选择传感器时需要考虑的问题很多，但基本上都包含以下四方面8.1 1 测量条件的相关因素8.1.1 测量目的8.1.2 被测量的选择8.1.3 量程8.1.4 输入信号的幅值、频带宽度8.1.5 精度8.1.6 测量所需要的时间8.2 2 传感器的相关指标8.2.1 传感器的精度8.2.2 稳定度8.2.3 数字量/模拟量8.2.4 输出幅值8.2.5 对被测物体产生的负载效应8.2.6 校正周期8.3 3 使用环境的相关因素8.3.1 现场安装条件及情况8.3.2 环境条