第1章 传感与测试技术绪论2008.3.12.ppt

传感器技术 于志刚电子工程学院 这门课程特点 易学易忘 学好这门课的方法 1 认真听课 2 课后复习 3 利用现有的实验条件 加强实验环节 建立感性认识 改变这门课程 易学易忘 的特点 按照 传感器的原理 传感器的设计 传感器的应用 的思路循序渐进地建立基本思想 列举应用示例 传感器 测试技术 热电传感器 应变传感器 电感传感器 电容传感器 压电传感器 磁电传感器 检测电路 现代检测系统 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 1 传感器课程 2 仪表技术与传感器http www i 3 传感器世界 4 中国传感器 5 传感器技术http www sensor 6 21IC中国电子网 7 传感器资讯网 参考网站 教学基本要求 了解传感器与测试技术的基本知识 掌握各类传感器的基本特性 工作原理 测量电路及典型应用 了解典型参量的测试 第一篇传感器与测试技术理论基础 第一章传感器与测试技术绪论第二章传感器与测试系统的特性分析 第一章传感器与测试技术绪论 1 1测试技术概论1 2传感器的定义 组成及分类1 3传感器与测试技术的作用1 4传感器与测试技术的发展动向 1 1测试技术概述1什么是传感器 传感器处于研究对象与测控系统的接口位置 是感知 获取与检测信息的窗口 一切科学实验和生产过程 特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息 都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号 氧含量传感器水温压力曲轴位置 氧传感器进气温度爆震传感器 与发动机配套使用的各种传感器 进气压力传感器 曲轴位置传感器 进气压力 温度传感器 1 2传感器的定义 组成与分类 一 传感器的定义传感器 是能够感受规定的被测量 并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 敏感元件 是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分 转换元件 是指传感器中能将敏感元件的输出转换为适于传输或测量的电信号部分 二 传感器的组成 分类传感器由敏感元件和转换元件组成 2测试系统是传感技术发展到一定阶段的产物 在工程中 需要有传感器与多台仪器 仪表组合在一起 才能完成信号的检测 这样便形成了测量系统 工件磨削过程 测试系统原理框图 三 测试系统1 测试系统构成 传感器是感受被测量 一般为非电量 的大小 并输出相对应的可用输出信号 一般为电量 的器件或装置 变送器将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的信号 大多数变送器的输出信号是统一的标准信号 目前多为4mA 20mA直流电流 信号标准是系统各环节之间的通信协议 信号调理电路将传感器输出的信号进行处理和变换 如对信号进行放大 运算 线性化 模数A D或数模D A转换等 使其输出信号便于显示 记录 四 测试技术的任务和内容测试技术的任务 测试的基本任务是获取信息 测试技术的内容 测量原理 测量方法 测量系统以及数据处理等4个方面 测量原理 指实现测量所依据的物理 化学 生物等现象及有关定律的总体 测量方法 将测量过程和测量条件等内容称为测量方法 测量系统 指用于特定测量目的 由全套测量仪器和有关的其他设备 软件以及人员所形成的一个系统 数据处理 指为了一定的目的 按照一定的规则和方法对测试数据进行收集 加工的过程 进而将测试数据所代表的事物的内在规律提炼出来 得到正确的结果 测试与测量的概念测量 是以确定被测对象属性量值为目的的全部操作 测试 是具有试验性质的测量 即测量与试验的综合 实际使用中 不严格区分测试与测量 或 式中 x 被测量值 u 标准量 即测量单位 n 比值 纯数 含有测量误差 测量方法测量方法 实现被测量与标准量比较得出比值的方法 称为测量方法 测量方法的分类 1 直接测量 间接测量和组合测量 2 等精度测量与非等精度测量 3 偏差式测量 零位式测量与微差式测量 4 静态测量与动态测量 5 接触测量与非接触测量 6 主动式测量与被动式测量等 1 直接测量 间接测量与组合测量直接测量 在使用仪表或传感器进行测量时 对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果的测量方法称为直接测量 特点 测量过程简单而迅速 但测量精度不高 间接测量 在使用仪表或传感器进行测量时 首先对与测量有确定函数关系的几个量进行测量 将被测量代入函数关系式 经过计算得到所需要的结果 这种测量称为间接测量 特点 测量手续较多 花费时间较长 一般用在直接测量不方便或者缺乏直接测量手段的场合 组合测量 若被测量必须经过求解联立方程组 才能得到最后结果 则称这样的测量为组合测量 特点 一种特殊的精密测量方法 操作手续复杂 花费时间长 多用于科学实验或特殊场合 2 等精度测量与不等精度测量等精度测量 在相同的测量条件下对同一被测量进行多次重复测量 称为等精度测量 不等精度测量 在不相同的测量条件下对同一被测量进行多次重复测量 称为不等精度测量 3 偏差式测量 零位式测量与微差式测量偏差式测量 用仪表指针的位移 即偏差 决定被测量的量值 这种测量方法称为偏差式测量 特点 过程比较简单 迅速 但测量结果精度较低 零位式测量 用指零仪表的零位指示测量系统的平衡状态 在测量系统平衡时 用已知的标准量决定被测量的量值 这种测量方法称为零位式测量 特点 较高的测量精度 但测量过程比较复杂 费时较长 不适用于迅速变化的信号 微差式测量 综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提出的一种测量方法 它将被测量与已知的标准量相比较 取得差值后 再用偏差法测得此差值 特点 反应快 测量精度高 特别适用于在线控制参数的测量 4 静态测量与动态测量静态测量 是指被测量在测量过程中认为是固定不变的 对这种被测量进行测量的方法为静态测量 静态测量不需要考虑时间因素对测量的影响 动态测量 是指被测量在测量过程中是随时间不断变化的 对这种被测量进行测量的方法为动态测量 5 接触式测量与非接触式测量根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为接触式测量与非接触式测量 6 主动式测量与被动式测量根据测量系统是否向被测对象施加能量可分为主动式测量与被动式测量等 1 按被测量分类 温度传感器 位移传感器 振动传感器 2 按工作原理分类 电阻应变片式 电容式 电感式 压电式 热电式 磁电式等 3 按能源分类 有源传感器 压电式 热电式 磁电式等 无源传感器 电阻应变片式 电容式 电感式等 4 按结构性质分类 结构型传感器 依靠传感器的结构参数变化而实现信号转换的 如 变间隙式电容式传感器 物性型传感器 利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应来感受被测量的 并将其转换为可用信号 如 热敏传感器 霍尔传感器等 三 传感器的分类 1 3传感器与测试技术的作用 1 测试是科学研究的基础 2 传感器是实现测试的首要环节 3 国防和高科技的发展离不开传感器与测试技术 4 工程技术领域必须依靠传感器与测试技术 5 现代生活和人类生存离不开传感器与测试技术 电子天平的精度可达十万分之一克 1 测试是科学研究的基础 2 传感器是实现测试的首要环节 汽车称重系统 测试技术在飞行器中的应用 3 国防和高科技的发展离不开传感器与测试技术 月球车 1969年7月20日 美国宇航员尼尔 阿姆斯特朗和埃德温 奥尔德林乘 阿波罗11号 宇宙飞船首次成功登上月球 实现了人类登上月球的梦想 美国宇航员奥尔德林站在插在月球表面的美国国旗旁留影 美国宇航员阿姆斯特朗在月球表面留下右脚脚印 2007年 10月24日 嫦娥一号发射成功 11月5日 进入环月轨道 成为我国首颗探月卫星 11月22日 传回首张月面图像 嫦娥一号 探月时 身带 七种武器 CCD立体相机 成像光谱仪 激光高度计 X射线谱仪 微波探测仪 太阳高能粒子探测器 低能离子探测器七类探测仪器完成科学探测目标任务 火星车 3 国防和高科技的发展离不开传感器与测试技术 传感器在机器人身上的分布 能踢球的机器人 军事机器人 我国引进的排爆机器人 进攻型机器人 4 工程技术领域必须依靠传感器与测试技术 测试系统在发电厂的应用 粮食温湿度测控系统实例 上位机 内插CAN通信卡 温度分线器 CAN总线 通风机械 测湿探头 测温电缆 智能分机 通风控制器 湿度分线器 机械手在汽车加工中的应用 激光焊接机械手 参考上海大众汽车有限公司资料 汽车类型繁多 结构比较复杂 大体可分为发动机 底盘和电气设备三大部分 可分成燃料系 点火系 传动系 轿厢系等几个系统 每一部分均安装有许多检测和控制用的传感器 参考南京交通技师学院资料 以几幅下同 与发动机配套使用的各种传感器 进气压力传感器 曲轴位置传感器 进气压力 温度传感器 传感器在汽车运行中的作用 全自动洗衣机中的传感器 衣物重量传感器 衣质传感器 水温传感器 水质传感器 透光率光传感器 洗净度 液位传感器 电阻传感器 衣物烘干检测 5 现代生活和人类生存离不开传感器与测试技术 传感器在智能楼宇中的应用 1984年美国建成第一座智能楼宇 智能楼宇在世界各国建筑物中的比例越来越大 智能楼宇或智能建筑 缩写IB 是信息时代的产物 是计算机及传感器应用的重要方面 智能楼宇包括五大特征 楼宇自动化 BA 防火自动化 FA 通信自动化 CA 办公自动化 OA 信息管理自动化 MA 5 现代生活和人类生存离不开传感器与测试技术 智能化建筑中的传感器 活动物体传感器 烟雾传感器 二氧化碳传感器 温度传感器 火焰传感器 总线 终端 控制对象 家居防盗 1 4传感器与测试技术的发展方向 一 传感器的发展途径1 发现新现象 2 开发新材料 3 采用新的技术 开展基础研究 发现新现象 开发传感器的新材料和新工艺 1 发现新现象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 物性型传感器与结构型传感器大致相反 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 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展方向之一 2 开发新材料 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 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 3 新工艺的采用 例如 利用半导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 制作出全硅谐振式压力传感器 二 传感器与测试技术的发展方向1 测试精度更高 功能更强 2 开展极端测量 3 传感器技术朝着智能化 集成化 微型化 量子化 网络化的方向发展 传感器智能化 传感器与微处理器相结合 传感器集成化 敏感元件 信号调理电路及电源等集成在一个芯片上 传感器微型化 微型传感器 以MEMS技术为基础 传感器量子化 利用量子力学的一些效应 传感器网络化 传感器技术 通信技术以及计算机技术相结合 从而构成网络传感器 1 测试精度更高 功能更强 数字电压 欧姆表 将量程切换到2V时 最小显示值为1 V 2 开展极端测量 承受剧烈振动 惠更斯 号模拟登陆土卫六的效果图 土卫六表面 惠更斯 号 惠更斯 号探测器是1997年10月由美国 卡西尼 号飞船携带发射升空的 经过7年约35亿公里的飞行后进入土星轨道 并于2004年12月25日分离 欧洲航天局官员北京时间2006年1月15日凌晨宣布 地面控制中心已收到来自 惠更斯 号探测器经由 卡西尼 号飞船传回的信号 表明 惠更斯 号已成功登陆土卫六 这创造了人类探测器登陆其他天体最远距离的新纪录 土