传感器技术及应用.ppt

传感器技术及应用 课程地位和作用 课程简介 一 传感器技术概述 传感器技术简介 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 改造自然的有力工具 传感器技术作为信息科学的一个重要分支 与计算机技术 自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科 在人类进入信息时代的今天 人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心 传感器作为信息获取与信息转换的重要手段 是信息科学最前端的一个阵地 是实现信息化的基础技术之一 传感器技术简介 一 传感器技术概述 一 传感器技术概述 传感器技术简介 传感器 感觉 感知 传送 Sensor Transducer 人体系统 人类有五大感觉器官 即眼 耳 鼻 舌 皮肤 通过这些感觉器官感知外界信息 机器系统 机器系统中 传感器是各种机械和电子设备的感觉器官 感知光 色 温度 压力 声音 湿度 气味及辐射等 传感器技术简介 一 传感器技术概述 外界信息 人机系统的机能对应关系 传感器有些性能超过人的感官 例如 温度传感器 196 1800 压力传感器 0 01 10000kPa精度 0 1 0 01 可靠度 8 9级 一 传感器技术概述 传感器技术简介 传感器技术简介 二 传感器技术的作用和地位 现代信息技术的三大支柱之一传感器技术 信息采集 通信技术 信息传输 计算机技术 信息处理 在信息系统中分别起到 感官 神经 和 大脑 的作用 现代测量与自动控制的首要环节传感器是信息采集系统的首要部件 计算机的 五官 没有传感器对原始信息进行精确 可靠的捕获和转换 一切测量和控制都是不可能实现的 传感器技术简介 二 传感器技术的作用和地位 衡量国家综合实力的重要标志传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志 也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据 日本 传感器技术列为计算机 通讯 激光 半导体 超导和传感器等六大核心技术之一 在21世纪技术预测中将传感器列为首位 美国 传感器及信号处理列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一 欧洲 传感器技术作为优先发展的重点技术 中国 在国家重点科技项目中 传感器也列在重要位置 传感器技术简介 二 传感器技术的作用和地位 传感器技术的应用遍及各个领域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 甚至文物保护等极其广泛的领域 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 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 传感器技术简介 二 传感器技术的作用和地位 4D彩超捕捉到难得一见的胎儿出生前微笑 美联社图片 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 传感器技术的应用领域 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 自动检测与自动控制系统石油 化工 电力 钢铁 机械等加工工业 造纸 木材烘干 烟草加工 芯片生产 化工 纺织 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 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 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 传感器在机器人上的应用单能机器人 生产用的自动机械式 加工 组装 检验 检测臂的位置和角度传感器 隧道凿岩机器人 汽车焊装生产线 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 传感器在机器人上的应用智能机器人 判断能力 视觉传感器 触觉传感器 用于水下探测的机器人 用于家庭服务的机器人 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 传感器在机器人上的应用智能机器人 埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘 法老咒语 不论是谁骚扰了法老的安宁 死神之翼将在它的头上降临 小机器人挑战法老咒语 代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道 金字塔漫游者 机器人5 1 1 地面探测雷达 超声波传感器 测石头厚度 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 传感器与家用电器自动电饭锅 吸尘器 空调器 电子热水器 风干器 电熨斗 电风扇 洗衣机 洗碗机 照相机 电冰箱 电视机 录像机 家庭影院 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 传感器与遥感技术飞机及航天飞行器 近紫外线 可见光 远红外线 微波 船舶 超声波传感器 红外接收传感器 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 传感器在军事技术领域的应用 改变那种认为军事力量主要是军舰 坦克和飞机的概念 把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来 这场军事革命标志着一种转变 即从重视军舰 坦克和飞机 转为重视诸如传感器这类东西的作用 信息时代的军事革命 美国参联会副主席欧文斯上将 特种武器观察 侦察 探测 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 传感器在医疗及人体医学上的应用医用传感器 人体内部温度 血液 呼吸流量 肿瘤 心音 腔内压力 心脑电波 传感器与航空及航天飞行器 控制在预定轨道上 速度 加速度 飞行距离测量 陀螺仪 阳光传感器 星光传感器 地磁传感器 周围环境 内部设备监控 本身状态 传感器技术简介 三 传感器技术的应用 传感器技术的应用遍及各个领域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 甚至文物保护等极其广泛的领域 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 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 传感技术的发展分为两个方面 提高与改善传感器的技术性能 寻找新原理 新材料 新工艺及新功能等 一 改善传感器的性能的技术途径1 差动技术差动技术是传感器中普遍采用的技术 它的应用可显著地减小温度变化 电源波动 外界干扰等对传感器精度的影响 抵消了共模误差 减小非线性误差等 不少传感器由于采用了差动技术 还可使灵敏度增大 传感器技术的发展趋势 2 平均技术作用 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应 原理 利用若干个传感单元同时感受被测量 输出则是这些单元输出的平均值 若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布 根据误差理论 n个传感单元数总的误差将减小为 在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小 且可增大信号量 即增大传感器灵敏度 传感器技术的发展趋势 3 补偿与修正技术补偿与修正技术的运用大致针对两种情况 针对传感器本身特性 针对传感器的工作条件或外界环境对于传感器特性 找出误差的变化规律 或者测出其大小和方向 采用适当的方法加以补偿或修正 针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿 也是提高传感器精度的有力技术措施 不少传感器对温度敏感 由于温度变化引起的误差十分可观 为了解决这个问题 必要时可控制温度 用恒温装置 但往往费用太高 或使用现场不允许 而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的 这时应找出温度对测量值影响的规律 然后引入温度补偿措施 补偿与修正 可以利用电子线路 硬件 来解决 也可以采用微型计算机通过软件来实现 传感器技术的发展趋势 4 屏蔽 隔离与干扰抑制传感器大都要在现场工作 现场的条件往往是难以充分预料的 有时是极其恶劣的 各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能 为了减小测量误差 保证其原有性能 就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响 基本方法有 减小传感器对影响因素的灵敏度降低外界因素对传感器实际作用的程度 对于电磁干扰 可以采用屏蔽 隔离措施 也可用滤波等方法抑制 对于如温度 湿度 机械振动 气压 声压 辐射 甚至气流等 可采用相应的隔离措施 如隔热 密封 隔振等 或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制 减小其影响 传感器技术的发展趋势 在使用传感器时 若测量要求较高 必要时也应对附加的调整元件 后续电路的关键元器件进行老化处理 提高传感器性能的稳定性措施 对材料 元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理 如永磁材料的时间老化 温度老化 机械老化及交流稳磁处理 电气元件的老化筛选等 造成传感器性能不稳定的原因 随着时间的推移和环境条件的变化 构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化 5 稳定性处理传感器作为长期测量或反复使用的器件 稳定性显得特别重要 在那些很难或无法定期标定的场合 重要性胜过精度指标 传感器技术的发展趋势 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 二 传感器的发展动向开展基础研究 发现新现象 开发传感器的新材料和新工艺 实现传感器的集成化与智能化 传感器技术的发展趋势 研发新型传感器的重要途径 传感器的工作机理是基于各种效应和定律 因此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 从而成为一个值得注意的发展动向 1 开发新型传感器新型传感器主要三个方面 采用新原理 填补传感器空白 仿生传感器 传感器技术的发展趋势 2 开发新材料传感器材料是传感器技术的重要基础 材料科学的进步 人们可任意控制成分 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 1 半导体敏感材料 2 陶瓷材料 3 磁性材料 4 智能材料 半导体氧化物可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 传感器技术的发展趋势 3 新工艺的采用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 微机械加工技术 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 传感器技术的发展趋势 纳米堆垛 同一功能的多元件并列化 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 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 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 4 集成化 多功能化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 传感器技术的发展趋势 5 智能化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 高性能 体积小 适宜大批量生产和使用方便等优点 是传感器重要的发展方向之一 如 DS18B20 新一代适配微处理器的智能温度传感器 传感器技术的发展趋势 教材 传感器技术及应用 樊尚春编箸北京航空航天大学出版社 传感器技术及应用 信息技术 信息获取 信息传输 信息处理 传感器技术及应用 信息技术 信息获取 信息传输 信息处理 信息技术的源头 第1章绪论 1 1传感器的作用与功能 1 2传感器的分类 1 3传感器技术的特点 1 4传感器技术的发展 1 5传感器技术相关的一些基本概念 1 6本教材的特点及主要内容 所谓传感器是来自 感觉 一词传感器技术属现代高新技术 电五官 根据GB7665 87 传感器 Transducer Sensor 的定义为 能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 我国往往把 传感器 和 敏感元件 等同使用 1 传感器定义 1 1传感器的作用与功能 什么是传感器 压力 膜盒位移 杠杆位移 电刷位移 电位器电压 如何获取信息 输入 输出 实现测量的过程 利用输入输出的关系 由输出电压解算出输入 被测量 什么是传感器 如何获取信息 敏感元件 Sensingelement 直接感受或响应被测量的部分 有时也将敏感元件称为传感器 转换元件 Transductionelement 能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分 2 传感器的组成 1 1传感器的作用与功能 传感器的定义3 传感器的特征参数 被测量传感器输入量 是传感器命名和分类的重要依据 输出量含有原始信号 且为便于接收与处理的信号形式 1 1传感器的作用与功能 传感器的定义4 传感器的应用 从被检测对象中获取原始信号 1 用于自动检测系统 1 1传感器的作用与功能 4 传感器的应用 续 2 用于测控系统 1 1传感器的作用与功能 自动检测与自动控制系统 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 石化企业输油管道 储油罐等压力容器的破损和泄露检测 在汽车 机床 电机 发动机等产品出厂时 必须对其性能质量检测 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 汽车与传感器 高级轿车需要用传感器对温度 压力 位置 距离 转速 加速度 湿度 电磁 光电 振动等进行实时准确的测量 一般需要30 100种传感器 传感器与家用电器 自动电饭锅 吸尘器 空调器 电子热水器 风干器 电熨斗 电风扇 洗衣机 洗碗机 照相机 电冰箱 电视机 录像机 家庭影院等 传感器在机器人上的应用 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 密歇根大学的机械手装配模型 机器人服务员 AGV自动送货车 香港理工AGV模型 传感器在生物医学上的应用 对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量 国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器 人类基因组计划的研究也大大促进了对酶 免疫 微生物 细胞 DNA RNA 蛋白质 嗅觉 味觉和体液组份以及血气 血压 血流量 脉搏等传感器的研究 医学 传感器与航空及航天 飞行器 控制在预定轨道上陀螺仪 阳光传感器 星光传感器 地磁传感器 航天 传感器与环境保护 保护环境和生态平衡 实现可持续发展 必须进行大气监测和江河湖海水质检测 需要大量用于污水流量 PH值 电导 浊度 COD BOD TP TN 矿物油 氰化物 氨氮 总氮 总磷 金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向 风速 温度 湿度 工业粉尘 烟尘 烟气 SO2 NO O3 CO等参数测量的传感器 这些传感器中大多数亟待开发 烟尘浊度测量 传感器与遥感技术 红外接收传感器 1 按传感器输入量 用途 分类 生产厂家往往按输入量分类 以向户提供基本的使用信息 如 位移传感器 速度传感器 加速度传感器 力传感器 压力传感器 流速传感器 温度传感器 光强传感器 湿度传感器 粘度传感器 浓度传感器 1 2传感器的分类 传感器的分类 此种分类方法能表示输入变量和输出变之间的关系 2 按传感器工作机理分类 传感器的分类 1 物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量的传感器 如 各种压电晶体传感器 2 结构型传感器是以结构 如形状 尺寸 为基础 利用某些物理规律实现把被测量转换为电量 如 气隙型电感式传感器 2 按传感器工作机理分类 续1 传感器的分类 3 化学传感器是利用化学反应的原理 把无机和有机化学物质的成分 浓度等转换为电信号的传感器 如 离子选择性电极 4 生物传感器是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器 近年来发展很快 2 按传感器工作机理分类 续2 传感器的分类 在传感器内部 信息的传递与变换伴随着能量的流动 1 能量变换型 传感器从被测对象中获取能量 用于直接输出 如 热电偶 光电池 压电式 电磁感应式 固体电解质气敏传感器等 2 能量控制型 传感器从被测对象中获取能量 用于控制激励源 故又称有源型传感器 如 电阻式 电感式 电容式 霍尔式 3 按信息能量变换方式分类 1 3传感器技术的特点 略 1 4传感器技术的发展 发现新现象开发新材料采用微细加工技术集成化智能化仿生传感器 技术发展趋势 总结 与信息技术 信息链 传感器密切相关 7大战略性新兴产业 技术发展趋势 结论 信息的处理 信息的传输相对超前 计算机技术 通信技术发展迅猛 传感器是信息技术的源头 没有传感器对原始参数的准确 可靠 实时的测量 信息处理与传输的能力再强 都没有任何实际意义 信息获取发展相对缓慢 传感器技术严重制约了IT的发展 IT中的摩尔定律 大力发展传感器技术至关重要 1 5基本概念 被测量与能量变换 1 示容变量和示强变量 1 示容变量或称为流通变量 扩展量 Extensive 示容变量是与空间分布成比例的量 表示能容纳多少的量 如 长度 面积 体积 质量 位移 速度 电荷 磁力线 电流 热流 熵 被测量与能量变换 2 示强变量或跨越变量 密集量 Intensive 示强变量是指在某种场合下 表示作用程度的量 如 力 压力 温度 温差 电压 磁通 光通 气体浓度 湿度 1 示容变量和示强变量 被测量与能量变换 示容量与示强量组合之积是与某种能量相对应的 如 力与位移之积是功 力与速度之积是功率 压力与体积之积是气体力学能量 温度与熵之积是热能 温差与热流之积是热功率 电压与电荷之积是电能 电压与电流之积是电功率 1 示容变量和示强变量 被测量与能量变换 传感器的工作过程可以视为是将示容量与示强量由一种组合变成另一种组合 2 传感器能量变换 被测量与能量变换 1 传感器从被测物体拾取能量时对被测物体的状态产生了影响 从而导致了误差 如 热电偶测温时 输入的热流是被测物体传递的 若热电偶的热容量过大 将使被测物体的温度下降 从而产生误差 2 传感器输出端的负载消耗传感器的能量时 亦对被测物体造成误差 传感器对被测物体的影响越小 负载对传感器输出的影响越小 测量精度就越高 3 能量变换与误差 被测量与能量变换 根据传感器输出信号是模拟量或是数字量 可将信号变换分为两大类 模拟变换 输入为模拟量 输出为模拟量 数字变换 输入为模拟量 输出为数字量 4 传感器信号变换 被测量与能量变换 1 传感器的输入特性 负荷效应 传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测对象的影响程度 其主要参数是广义输入阻抗Zi 定义为由于示强变量X与示容变量x的乘积为能量W 或功率 则有能量或功率 5 传感器的输入与输出特性 被测量与能量变换 可知 当被测量为示强变量时 如 被测量为力 压力 温度等 传感器广义输入阻抗越大 从被测对象吸收的能量就越小 误差也就越小 当被测量为示容变量时 如 位移 速度 加速度等 传感器广义输入阻抗则越小越好 当被测示容变量为0时 如 用力传感器测量静态力时 此时被测点处于力平衡状态 速度为0 此时输入特性应用静态刚度来表示静态刚度 此时被测力的功 5 传感器的输入与输出特性 被测量与能量变换 2 传感器的输出特性 阻抗匹配 传感器的输出特性是用来衡量传感器承受负载能力大小的重要参数 主要参数是广义输出阻抗Zo 定义为从提高负载能力出发 Zo越小越好 承载能力强 从获得最大功率出发 Zo等于负载阻抗 总的要求是 希望从被测对象处获取较小的能量 而输出大的有用信号 5 传感器的输入与输出特性 传感器的定义 中华人民共和国国家标准GB7665 2005 对传感器 Transducer Sensor 的定义是 能感受被测量并按一定规律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 其中 敏感元件 Sensingelement 是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分 转换元件 Transducingelement 是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分 1 6课程的主要内容 2 工作机理 敏感元件 传感器技术的核心 研究 设计 制作传感器的关键 1 作用 测量 应用传感器的目的 3 输出信号 适于测量的电信号 从三个方面来理解与把握 1 6课程的主要内容 传感器的定义与理解 按工作原理分类 物理型 化学型和生物型 传感器的分类 按被测参数分类 温度 压力 流量 物位 加速度 速度 位移 转速 力矩 湿度 粘度 浓度等传感器 1 6课程的主要内容 传感器的定义与理解 涉及多学科与技术品种繁多 个性化应用要求具有高的稳定性 高的可靠性 高的重复性 低的迟滞和快的响应应用领域十分广泛应用要求千差万别传感器技术发展缓慢 传感器的特点 1 6课程的主要内容 传感器的定义与理解 新材料 新功能的开发与应用微机械加工工艺的发展传感器的多功能化发展传感器的智能化发展传感器模型及其仿真技术 传感器的发展 1 6课程的主要内容 传感器的定义与理解 生化传感器 仿生传感技术 新材料 新功能的开发与应用微机械加工工艺的发展传感器的多功能化发展传感器的智能化发展传感器模型及其仿真技术 传感器的发展 1 6课程的主要内容 传感器的定义与理解 仿生传感技术 具有标准量值及单位输出的测量装置 有时对输入也有一定约束 利用某种装置对可观测量 或称被测参数 进行定性或定量的过程 具有分析 处理功能的测量装置 被测量 measurand 与传感器相关的一些基本概念 测量 measurement 仪表 meter 仪器 instrument 变送器 transmitter 作为测量对象的特定量 具有目视输出的测量装置 1 6课程的主要内容 课堂教学基本原则 一