第1章 传感器介绍.ppt

第1章概述 1 1传感器技术发展的重要性1 2智能传感器发展的历史背景1 3智能传感器的功能与特点1 4智能传感器概念与传感器系统1 5智能传感器实现的途径 1 1传感器技术发展的重要性 传感器是获取信息的工具 传感器技术是关于传感器设计 制造及应用的综合技术 它是信息技术 传感与控制技术 通讯技术和计算机技术 的三大支柱之一 传感器的应用遍及军事 科研 工业 农业 商业 交通 环保 医疗 卫生 气象 海洋 航空 航天 家用电器 各个领域与部门 它是生产自动化 科学测试 计量核算 监测诊断等系统中不可缺少的基础环节 传感器技术之所以受到如此看重并获得极为迅速发展的原因是 微型计算机的普及 信息处理技术的飞速发展 而获取信息的工具 传感器处于明显落后的拖后腿的状态 形成推动传感器技术发展的动力 广阔的市场与强烈的社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力 传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的程度 80年代 日本 西欧市场传感器销售值年增长率为30 40 90年代 全世界年增长率预计为8 8 90年代以来各方面对传感器的需求也越来越强烈 据预测 90年代我国国内市场所需各类传感器的形势是 电力系统140万件 化工系统80万件 钢铁系统130万件 能源管理与炉窑控制4000万件 汽车行业4400万件 机床行业1500万件 文化办公机械200万件 各类仪器仪表3亿件 由于传感器的使用 使生产工艺过程的控制和产品性能的检测才有保证 所以它是提高产品竞争力的强有力的手段 是获得经济效益的有效途径 据有关资料介绍 全美电站有关数据表明 如果主汽流量测量精度改善1 电站的燃烧成本 热效率 将会改善1 每年可节约3亿美元 若传感器及其测量仪表可利用率提高1 则每年可节约30亿美元 美国的电站采用了先进的传感器和控制技术后 使全美经济每年获益达110亿美元之多 因此 甚至有 谁掌握和支配了传感器技术谁就能够支配新时代 的说法 1 2智能传感器发展的历史背景 图1 1自动化 控制 系统框图 图1 2传感器 计算机及执行器的价格性能比 传统的传感器技术已达到其技术极限 它的价格性能比不可能再有大的下降 它在以下几方面存在严重不足 因结构尺寸大 而时间 频率 响应特性差 输入 输出特性存在非线性 且随时间而漂移 参数易受环境条件变化的影响而漂移 信噪比低 易受噪声干扰 存在交叉灵敏度 选择性 分辨率不高 现场总线是连接测控系统中各智能装置 包括智能传感器 的双向数字通信网络 其主要特点是 1 传输数字信号 用数字信号取代原来的4 20mA标准模拟信号 进而提高可靠性和抗干扰能力 这就要求传感器由可输出4 20mA标准信号的变送器改变为带数字总线接口并输出数字信号 所有现场传感器 通过数字总线接口都方便地挂接在一条环形现场总线上 这样可以大大削减现场与控制室 高 上位计算机 之间一对一的连接导线 节约初期安装费用 大大简化整个系统的布线和设计 这种节约对一个大型 多点测量系统是很有意义的 譬如 这种节约对一个大型 多点测量系统是很有意义的 譬如 一个电站需要5000台传感器及其仪表 一个钢铁厂需要2万台传感器及其仪表 大型石油化工厂需要6000台传感器及其仪表 大型发电机组需要3000台传感器及其仪表 一部汽车需要30至100台传感器 一架飞机需要3600台传感器 2 标准化 总线采用统一标准 使系统具有开放性 不同厂家的产品 在硬件 软件 通信规程 连接方式等方面互相兼容 互换联用 既方便用户使用 又易于安装维修 不少大公司都推出了自己的现场总线标准 国际化的统一标准的工作正在加紧进行中 3 智能化 采用智能与控制职能分散下放到现场装置的原则 现场总线网络的每一节点处安装的现场仪表应是 智能 型的 即安装的传感器应是 智能传感器 在这种控制系统中 智能型现场装置是整个控制管理系统的主体 这种基于现场总线的控制系统 要求必须使用智能传感器 而不是一般传统的传感器 智能传感器代表了传感器的发展方向 这种智能传感器带有标准数字总线接口 能够自己管理自己 它将所检测到的信号经过变换处理后 以数字量形式通过现场总线与高 上位计算机进行信息通信与传递 1 3智能传感器的功能与特点 1 3 1智能传感器的功能 概括而言 智能传感器的主要功能是 1 具有自校零 自标定 自校正功能 2 具有自动补偿功能 3 能够自动采集数据 并对数据进行预处理 4 能够自动进行检验 自选量程 自寻故障 5 具有数据存储 记忆与信息处理功能 6 具有双向通讯 标准化数字输出或者符号输出功能 7 具有判断 决策处理功能 1 3 2智能传感器的特点 与传统传感器相比 智能传感器的特点是 1 精度高2 高可靠性与高稳定性3 高信噪比与高的分辨力4 强的自适应性5 低的价格性能比 1 4智能传感器概念与传感器系统 智能传感器系统是一门现代综合技术 是当今世界正在迅速发展的高新技术 至今还没有形成规范化的定义 早期 人们简单 机械地强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合 认为 传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器 关于智能传感器的中 英文称谓 目前也尚未统一 JohnBrignell和NellWhite认为 IntelligentSensor 是英国人对智能传感器的称谓 而 SmartSensor 是美国人对智能传感器的俗称 而JohanH Huijsing在 IntegratedSmartSensor 一文中按集成化程度的不同 分别称为 SmartSensor IntegratedSmartSensor 对 SmartSensor 的中文译名有译为 灵巧传感器 的 也有译为 智能传感器 的 本书采用智能传感器系统 IntelligentSensorSystem 的称谓 简称智能传感器 IntelligentSensor 并且认为 传感器与微处理器赋予智能的结合 兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器 系统 模糊传感器也是一种智能传感器 系统 将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器 系统 的一种方式 1 5智能传感器实现的途径 1 5 1非集成化实现 图1 3非集成式智能传感器框图 图1 4模糊传感器的简单结构示意图 1 5 2集成化实现 图1 5集成智能传感器外形示意图 现代传感器技术 是指以硅材料为基础 因为硅既有优良的电性能 又有极好的机械性能 采用微米 1 m 1mm 级的微机械加工技术和大规模集成电路工艺来实现各种仪表传感器系统的微米级尺寸化 国外也称它为专用集成微型传感技术 ASIM 由此制作的智能传感器的特点是 1 微型化 微型压力传感器已经可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动情况 装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速和压力 美国最近研究成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统质量从几公斤下降至几克 2 结构一体化压阻式压力 差 传感器是最早实现一体化结构的 传统的做法是先分别由宏观机械加工金属圆膜片与圆柱状环 然后把二者粘贴形成周边固支结构的 金属杯 再在圆膜片上粘贴电阻变换器 应变片 而构成压力 差 传感器 这就不可避免地存在蠕变 迟滞 非线性特性 采用微机械加工和集成化工艺 不仅 硅杯 一次整体成型 而且电阻变换器与硅杯是完全一体化的 进而可在硅杯非受力区制作调理电路 微处理器单元 甚至微执行器 从而实现不同程度的 乃至整个系统的一体化 3 精度高 比起分体结构 传感器结构本身一体化后 迟滞 重复性指标将大大改善 时间漂移大大减小 精度提高 后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响 这对电容式传感器更有特别重要的意义 4 多功能 微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一硅片上制作不