传感器介绍绪论PPT课件.ppt

传感器与检测技术 主讲 刘红梅 北京航空航天大学可靠性与系统工程学院 课程的目的和地位 随着航空航天和自动控制系统的日趋复杂 对设备的健康状态也日益关注 PHM技术也已成为未来航空航天领域发展的趋势 而在PHM若干重要技术中 信号检测技术是重要的支撑技术之一 对于信号检测 分为电子量的测试和非电量的检测 电子量的测量在 元器件测试技术 课程中进行了介绍 却没有介绍非电量的检测方法 但在航空航天领域 需要检测的非电量要占相当大的比例 比如压力 流量 温度等 非电量的检测需要利用相关的传感器进行获取 与电量的检测方法截然不同 因此学习本课程是非常必需的 传感器与检测技术 课程内容 主要介绍工业自动化 环境监测等领域中常见物理量 应变 位移 加速度 温度 压力等 的测量原理和信号分析方法 参考书 1 熊诗波 黄长艺 机械工程测试技术基础 M 北京 机械工业出版社 2 王伯雄 工程测试技术 M 北京 清华大学出版社 2006 3 施文康 余晓芬 检测技术 M 北京 机械工业出版社 2002 4 何岭松 测试技术 M 北京 机械工业出版社 2005 5 黄长艺 严普强 机械测试技术 M 北京 机械工业出版社 2005 第一章绪论 本章学习要求 1 掌握传感器及测试技术的基本概念2 了解传感器及测试技术的应用情况3 了解传感器及测试技术的发展动态4 了解主要传感器及测试仪器生产厂商 传感器与检测技术 测试系统的基本概念测试技术在国民经济中的地位和作用工程测试技术涉及的内容测试系统的组成传感器及测试技术的发展趋势 第一章绪论 传感器与检测技术 测试技术是用来检测和处理各种信息的一门综合技术 在科学研究 工业生产 医疗卫生 文化教育等各个领域都起着相当重要的作用 著名科学家钱学森院士明确指出 信息技术包括测量技术 计算机技术和通信技术 测量技术对信息进行采集和处理 是信息技术的源头 是关键中的关键 信息的获取 测试 信息的传输 通讯技术 信息的处理 计算技术 第一环节 信息的获取 出了差错 传输 和 处理 环节不能得出正确结果 第一章 绪论 1 1传感器与测试技术的概念和主要内容 测试技术是实验科学的一部分 主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法 简单的测试系统可以只有一个模块 如玻璃管温度计 它直接将被温度变化转化液面示值 没有电量转换和分析电路 很简单 但精度底 无法实现测量自动化 为提高测量精度和自动化程度 以便于和其它环节一起构成自动化装置 通常先将被测物理量转换为电量 再对电信号进行处理和输出 如图所示的声级计 测试技术就是采用一定的科学手段来获取信息的技术 包含测量和试验两个方面 测试系统 测量系统 检测系统 1 1测试系统的基本概念 定义 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 例 空调机测量控制室温 被测对象 被测信息 测试器具 操作过程 室内空气 温度 温度传感器 热电阻 热电偶 1 1测试系统的基本概念 工业生产倍增器 科学研究先行官 社会物化法官 军事战斗力 1 2测试技术在国民经济中的地位 测试系统的工程应用 在工程领域 科学实验 产品开发 生产监督 质量控制等 都离不开测试技术 测试技术应用涉及到航天 机械 电力 石化和海洋运输等每一个领域 1 工业自动化中的应用 a 机械手 机器人中的传感器转动 移动位置传感器 力传感器 视觉传感器 听觉传感器 接近距离传感器 触觉传感器 热觉传感器 嗅觉传感器 在各种自动控制系统中 测试环节起着系统感官的作用 是其重要组成部分 密歇根大学的机械手装配模型 广州中鸣数码的机器狗 b AGV自动送货车 超声波测距传感器 用于判断建筑物内人和物所在位置 红外线色彩传感器 用于对运动轨迹和AGV小车位置进行识别 条形码传感器 用于货品识别 1 2测试技术的工程应用 香港理工AGV模型 2 过程监测与故障诊断 密歇根大学数字化工厂 案例1 监测机床加工过程的切削力传感器 加工噪声传感器 监测液压泵运行状态的振动传感器等 2 流程工业设备运行状态监控 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线流程 通常建立24小时在线监测系统 扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统 3 产品质量测量 在汽车 机床等设备 电机 发动机等零部件出厂时 必须对其性能质量进行测量和出厂检验 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 工程师可以了解产品质量 汽车扭距测量 机床加工精度测量 在线检测 零件尺寸 产品缺陷 装配定位 检查轴承滚珠是否脱漏 检查容器内的液位 3 产品质量测量 4 PC机中的测试技术应用 测试技术在军事上的应用 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 可精确地定位目标 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 以精确地设定引爆时间 中国神舟七号飞船内部结构 检查产品质量 监测环境污染 识别指纹 假钞 查服违禁药物 侦破刑事案件 教学实验气象预报大地测绘灾情预报交通指挥 涵盖吃穿用 农轻重 海陆空 测试技术在日常生活中的应用与日俱增 家用电器 数码相机 数码摄像机 自动对焦 红外测距传感器 数字体温计 接触式 热敏电阻 非接触式 红外传感器 自动感应灯 亮度检测 光敏电阻 空调 冰箱 电饭煲 温度检测 热敏电阻 热电偶 电话 麦克风 话音转换 驻极电容传感器 遥控接收 红外检测 光敏二极管 光敏三极管 办公商务 可视对讲 可视电话 图像获取 面阵CCD 扫描仪 文档扫描 线阵CCD 红外传输数据 红外检测 光敏二极管 光敏三极管 医疗卫生 电子血压计 血压检测 压力传感器 血糖测试仪 胆固醇检测仪 离子传感器 楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全 健康 舒适 温馨的生活 工作环境 并能保证系统运行的经济性和管理的智能化 在楼宇中应用了许多测试技术 如闯入监测 空气监测 温度监测 电梯运行状况监测等 图示为某公司楼宇自动化系统 该系统分为电源管理 安全监测 照明控制 空调控制 停车管理 水 废水管理和电梯监控 家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中 人们大量地应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量 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 透光率光电传感器 洗净度 液位传感器 电阻传感器 衣物烘干检测 指纹传感器 透光率传感器 其它应用 1 热工量 温度t K 压力 压强 p Pa 压差 p 真空度 流量q m3 流速v m s 物位 液位h m 2 机械量 直线位移x m 角位移 速度 加速度a m s2 转速n r min 应变 m m 力矩T Nm 振动 噪声 质量 重量 m kg t 3 几何量长度 厚度 角度 直径 间距 形状 粗糙度 硬度 材料缺陷等 1 3工程测试涉及的内容 4 物体的性质和成分 空气的湿度 绝对 相对 气体的化学成分 浓度 液体的粘度 浊度 透明度 物体的颜色5 状态量 工作机械的运动状态 启停等 生产设备的异常状态 超温 过载 泄漏 变形 磨损 堵塞断裂等 6 电工量 U I f R Z E B 在电工 电子等课程中讲授 大多数不属于本课程的范围 1 3工程测试涉及的内容 测试工作的任务就是为了获取有关研究对象的状态 运动和特征等方面的信息 信息是客观存在或运动状态的特征 信号是信息的载体 信号中既有我们需要的信息 也有各种干扰信号 测试需要从中提取其中有用的信号 从而需要各种信号的处理方法和分析方法 1 3测试工作的任务 案例 铁路机车调度信号检测 调制频率8 5Hz 绿灯调制频率23 5Hz 红灯 1 3测试工作的任务 案例 机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声 以便于观察轴心运动规律 1 3测试工作的任务 一般说来 测试系统由传感器 中间变换装置和显示记录装置三部分组成 传感器将被测物理量 如噪声 温度 检测出并转换为电信号 中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A D变换后用软件进行信号分析 显示记录装置则将测量结果显示出来 提供给观察者或其它自动控制装置 测试系统组成 1 4测试系统的组成 信息转换 信息提取 1 4测试系统的组成 国家标准 GB7665 87 中传感器 Transducer Sensor 的定义 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 传感器是测量装置 能完成检测任务 输入量是某一被测量 可能是物理量 也可能是化学量 生物量等 输出量是某种物理量 便于传输 转换 处理 显示等 可以是气 光 电物理量 主要是电物理量 传感器名称 变送器 变换器 探测器 敏感元件 换能器 一次仪表 探头等 传感器功用 一感二传 即感受被测信息 并传送出去 1 5 1传感器的定义 辅助电源 敏感元件 转换元件 基本转换电路 被测量 电量 敏感元件是直接感受被测量 并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 转换元件 敏感元件的输出就是它的输入 它把输入量转换成电路参量 基本转换电路 上述电路参数接入基本转换电路 简称转换电路 便可转换成电量输出 1 5 2传感器的组成 由于空间的限制或者其他原因 转换电路常装入电箱中 然而 因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号 从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一 最简单的传感器由一个敏感元件 兼转换元件 组成 它感受被测量时直接输出电量 如热电偶 有些传感器由敏感元件和转换元件组成 没有转换电路 如压电式加速度传感器 其中质量块m是敏感元件 压电片 块 是转换元件 有些传感器 转换元件不只一个 要经过若干次转换 实际上 有些传感器很简单 有些则较复杂 大多数是开环系统 也有些是带反馈的闭环系统 1 5 2传感器的组成 现代信息技术的三大基础 信息采集 传输与处理技术分别应用到 传感技术 通讯技术和计算机技术构成了信息技术系统中的 感官 神经 大脑 1 5 3传感器的作用 1 按传感器敏感的工作原理 分为物理型 化学型 生物型等其中 物理型又可分为 结构型与物性型两大类 2 根据传感器的能量转换情况 可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器 3 按照物理原理分类 十种 4 按照传感器的用途分类 位移 压力 振动 温度传感器 6 根据传感器输出信号 模拟信号和数字信号 5 根据转换过程可逆与否 单向和双向 7 根据传感器使用电源与否 有源传感器和无源传感器 1 5 4传感器的分类 1 物性型 依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的 例如水银温度计利用了水银的热胀冷缩性质 压力测力计利用石英晶体的压电效应等 2 结构型 依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的 例如 电容传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化 电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化 4 能量控制型 也称有源传感器 是从外部供给能量使传感器工作的 并且由被测量来控制外部供给能量的变化 例如 电阻应变计中电阻接于电桥上 电桥工作能源由外部供给 而由被测量变化引起电阻变化来控制电桥输出 电阻温度计 电容式测振仪等均属于此类传感器 3 能量转换型 也称无源传感器 是直接由被测对象输入能量使其工作的 例如 热电偶温度计 弹性压力计等 在这种情况下 由于被测对象与传感器的能量交换 必然导致被测对象状态的变化和测量误差 1 5 4传感器的分类 开发新型传感器开发新材料新工艺的采用集成化 多功能化智能化 开展基础研究 发现新现象 开发新材料和新工艺 实现传感器的集成化与智能化 1 传感器方面 可拍照的手机 1 6传感器及测试技术的发展趋势 新型传感器包括 采用新原理 填补传感器空白 仿生传感器等方面 1 开发新型传感器 传感器 新型视觉传感器 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 物性型传感器大致与之相反 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 新型传感器包括 采用新原理 填补传感器空白 仿生传感器等方面 荧光材料制作的电子鼻传感器 生物酶血样分析传感器 1 开发新型传感器 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 a 半导体敏感材 b 陶瓷材料 c 磁性材料 d 智能材料 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 2 开发新材料 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 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 在硅片上构成孔 沟棱锥 半球等各种开头 制作出全硅谐振式压力传感器 3 新工艺的采用 同一功能的多元件并列化 即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来 如CCD图像传感器 多功能一体化 即将传感器与放大 运算以及温度补偿等环节一体化 组装成一个器件 把多个功能不同的传感元件集成在一起 除可同时进行多种参数的测量外 还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价 可反映出被测系统的整体状态 为同时测量几种不同被测参数 可将几种不同的传感器元件复合在一起 作成集成块 例如一种温 气 湿三功能陶瓷传感器已经研制成功 4 集成化 多功能化 cui 对外界信息具有检测 数据处理 逻辑判断 自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器 这种传感器具有与主机互相对话的功能 可以自行选择最佳方案 能将已获得的大量数据进行分割处理 实现远距离 高速度 高精度传输等 智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物 它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展 这类传感器具有多功能 高性