传感器上课讲义-1概述

4 19 2020 1 传感器与自动检测 主讲教师 李长庚 中南大学物理科学与技术学院 4 19 2020 2 课程基本情况 学时 56 讲课44 实验12 学分 3 5 授课方式 课堂讲授 实验 授课手段 多媒体教学 讨论等 考核方式 笔试 占60 实验报告及出勤 占40 4 19 2020 3 课程介绍 本课程是一门专业选修课程 主要研究各类传感器的机理 结构 测量电路和应用方法 主要包括常用传感器 近代新型传感技术及信号调理电路等 使学生了解各种敏感材料的基本特性及其在传感器中的应用 掌握传感器基本结构 基本特性及各种传感器基本原理及应用情况 4 19 2020 4 课程内容 本课程内容包括概述 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 热电式传感器 压电式传感器 磁电式传感器 光电式传感器 光纤传感器 气敏传感器 湿度传感器 智能传感器 传感器的标定 传感器与自动检测系统等 4 19 2020 5 主讲教师 李长庚电话 88836332 O E mail 418058991 参考教材 1 传感器原理与应用 黄贤武等 电子科技大学出版社2 传感器与检测技术 陈杰 黄鸿 高等教育出版社参考书 1 传感器原理及工程应用 郁有文 西安电子科技大学出版社2 传感器原理 设计与应用 刘迎春等 国防工业出版社 4 19 2020 6 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1 6本课程的特点和研究内容 第1章传感器概述 4 19 2020 7 第1章传感器概述 在我们日常生活中 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 煤气灶中的煤气泄漏传感器 水表 电表 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 传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢 1 1什么是传感器 4 19 2020 8 第1章传感器概述 1 1什么是传感器 4 19 2020 9 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 4 19 2020 10 第1章传感器概述 1 1什么是传感器 人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号 将这些信号传送给大脑 大脑把这些信号分析处理传递给肌体 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 传感器好比人体感官的延长 有人又称 电五官 4 19 2020 11 第1章传感器概述 从广义的角度来说 信号检出器件和信号处理部分总称为传感器 1 1什么是传感器 4 19 2020 12 第1章传感器概述 对于各种各样的被测量 有各种各样的传感器 下面请看几个传感器应用实例 1 1什么是传感器 4 19 2020 13 第1章传感器概述 4 19 2020 14 第1章传感器概述 4 19 2020 15 第1章传感器概述 车胎压力监测 4 19 2020 16 传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用 4 19 2020 17 汽车与传感器 传统 行驶速度 距离 发动机旋转速度 燃料剩余量 安全 安全气囊系统 防盗装置 防滑控制系统 防抱死装置 电子变速控制装置 汽车 黑匣子 环保 排气循环装置 电子燃料喷射装置 4 19 2020 18 第1章传感器概述 1 2传感器技术的作用和地位 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 在利用信息的过程中首先要解决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 4 19 2020 19 信息技术的三大支柱 传感器技术 采集信息 通信技术 计算机技术 传输信息 处理信息 作用 作用 作用 4 19 2020 20 什么是传感器技术 传感器技术 传感检测原理 传感器件设计 传感器开发和应用 4 19 2020 21 传感器技术 传感器技术是一个汇聚物理 化学 材料 器件 机械 电子 生物工程等多类型交叉学科 涉及传感检测原理 传感器件设计 传感器开发和应用的综合技术 4 19 2020 22 1 2传感器技术的作用和地位 第1章传感器概述 目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用 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到的作用大的多 这几乎是无可争议的事实 传感器广泛用于工业 农业 商业 交通 环境监测 医疗诊断 军事科研 航空航天 现代办公设备 智能楼宇和家用电器等领域 是构建现代信息系统的重要组成部分 4 19 2020 23 第1章传感器概述 1 2传感器技术的作用和地位 在基础学科研究中 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 传感器的发展 往往是一些边缘学科开发的先驱 现代工业生产尤其是自动化生产过程中 需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数 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 4 19 2020 24 1 2传感器技术的作用和地位 第1章传感器概述 工业生产 4 19 2020 25 第1章传感器概述 1 2传感器技术的作用和地位 机器人 视觉 平面 立体非视觉 触觉 滑觉 热觉 力觉 接近觉 4 19 2020 26 第1章传感器概述 1 2传感器技术的作用和地位 沙漠机器人 4 19 2020 27 第1章传感器概述 1 2传感器技术的作用和地位 超声波测流量 红外测温 4 19 2020 28 第1章传感器概述 1 2传感器技术的作用和地位 医疗诊断 4 19 2020 29 第1章传感器概述 1 2传感器技术的作用和地位 4 19 2020 30 第1章传感器概述 1 2传感器技术的作用和地位 4 19 2020 31 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 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 4 19 2020 32 第1章传感器概述 专为您的需求所设计的湿度传感器 4 19 2020 33 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 4 19 2020 34 第1章传感器概述 1 2传感器技术的作用和地位 上海卢浦大桥通车应力试验 4 19 2020 35 1 2传感器技术的作用和地位 第1章传感器概述 传感器具有以下作用和功能 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 4 19 2020 36 1 2传感器技术的作用和地位 第1章传感器概述 未来世界是个充满传感器的世界 还会有 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 卫星定位 智能 4 19 2020 37 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 4 19 2020 38 第1章传感器概述 1 2传感器技术的作用和地位 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 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 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 4 19 2020 39 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 俄等国实力较强 美 日 俄等国建立了包括物理量 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 1998年全世界传感器市场销售额已达325亿元 2006年销售额增至506亿美元 4 19 2020 40 1 3传感器现状和国内外发展趋势 第1章传感器概述 我国的传感器技术及产业在国家 大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用 等一系列政策导向和资金的支持下 近年来也取得了较快发展 目前有1680多家传感器研发机构 产品约6000种 年产量13 2亿多支 其中约有1 2产品销往国外 到 十五 期末 敏感元器件与传感器年总产量达到20亿支 销售总额约120亿元 4 19 2020 41 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 许多自动化方面的专家呼吁 目前系统越来越复杂 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自身在智能化和网络方面的落后 4 19 2020 42 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 20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞速发展 现代传感器已是测量仪器 智能化仪表 自动控制系统等装置必不可少的感知元件 几十年来传感技术的发展分为两个方面 1 提高与改善传感器的技术指标 2 寻找新原理 新材料 新工艺 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 4 19 2020 43 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 发展 利用新效应 2 开发新材料 3 提高传感器性能和检测范围 4 微型化与微功耗 5 集成化与多功能化 6 传感器的智能化 7 传感器的数字化和网络化 4 19 2020 44 传感器的数字化和网络化 第1章传感器概述 1 3传感器现状和国内外发展趋势 传感器在总体上呈现出多功能 微型化 数字化 集成化 智能化和网络化的发展趋势 4 19 2020 45 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 检测仪器的输出或送控制器用以调节控制 或送至计算机作进一步处理 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 自动控制系统框图 4 19 2020 46 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 最初的测量对象是长度 体积 质量和时间 18世纪以来科学技术取得飞速发展 被测对象迅速扩大 力学领域有速度 加速度 力 功和能量等 电磁学领域中有电流 电压 电阻 电容 磁场 化学领域中有浓度 成分 pH值等 工业领域中有流量 压力 温度 黏度等被测量 现在的被测对象更为广泛 有人体心电 脑电波等体表电位测量 生物断面测量 工业领域的光泽 触觉等品质测量 卫星上监视地球的红外线传感器 机器人的视觉 触觉 滑觉 接近觉等各种传感器 4 19 2020 47 第1章传感器概述 1 4检测系统的组成原理 另一方面 测量仪器的输出信号必须转化为电压 电流或数字量中的一种 由于传感器的种类很多 传感器的输出有各种形式 如热电偶 pH电极等输出为直流电压 热敏电阻 应变计 半导体气体传感器输出为电阻 信号处理就是通过信号转换 放大 解调 A D转换得到所希望的输出信号过程 这是检测系统中使用的共同技术 普通电测仪表基本组成 4 19 2020 48 第1章传感器概述 1 4检测系统的组成原理 就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大类 非电量早期多用非电量的方法测量 例如 用尺测量长度 用液体热膨胀的温度计测温度 天平测量物重 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 4 19 2020 49 第1章传感器概述 1 4检测系统的组成原理 无论是电量测量还是非电量测量 数字电压表问世以来 模拟式仪表逐渐被数字式仪表取代 微型计算机出现后形成崭新的微机自动化测试系统 单片微机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 4 19 2020 50 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 4 19 2020 51 1 5传感器的定义 组成和分类方法 1 传感器定义 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 GB7665 87 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 4 19 2020 52 1 5传感器的定义 组成和分类方法 1 传感器定义 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 这种能感应被测量的变化并将其转换为其它物理量变化的器件 就是传感器 4 19 2020 53 1 5传感器的定义 组成和分类方法 1 传感器定义 第1章传感器概述 以上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 按使用的场合不同又称为 变换器 换能器 探测器 4 19 2020 54 1 5传感器的定义 组成和分类方法 2 传感器的组成 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 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 决定传感器的工作机理 4 19 2020 55 1 5传感器的定义 组成和分类方法 2 传感器的组成 第1章传感器概述 4 19 2020 56 1 5传感器的定义 组成和分类方法 2 传感器的组成 第1章传感器概述 4 19 2020 57 1 5传感器的定义 组成和分类方法 3 传感器的分类 第1章传感器概述 传感器分类方法较多 大体有以下几种 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 按传感器的输出信号分类模拟传感器数字传感器 4 19 2020 58 1 5传感器的定义 组成和分类方法 3 传感器的分类 第1章传感器概述 按传感器的功能分类单功能传感器多功能传感器智能传感器 按传感器的结构分类结构型传感器物性型传感器复合型传感器 4 19 2020 59 1 5传感器的定义 组成和分类方法 3 传感器的分类 第1章传感器概述 6 按传感器的能源分类有源传感器无源传感器 按传感器的转换原理分