第1章 传感器绪论ppt课件

1 传感器原理及应用 2 老师相关信息 主讲 贺容TEL3 主要内容 第1章概论第2章传感器的基本特性第3章电阻应变式传感器第4章电容式传感器第5章电感式传感器第6章磁电式传感器第7章压电式传感器第8章光电效应及光敏器件第9章新型光电传感器第10章半导体式化学传感器第11章波与射线式传感器第12章热电式传感器 4 传感器课程仪表技术与传感器http www i 传感器世界中国传感器传感器技术http www sensor 21IC中国电子网传感技术学报网传感器资讯网电子设计应用 参考网站 5 参考文献 1 传感器 第4版 强锡富 机械工业出版社 2003 测控技术与仪器教学指导委员会推荐用书 2 传感器原理及工程应用 郁有文 主编 西安电子科技大学出版社 2003 教育部规划教材 3 传感器与检测技术 陈杰 黄鸿编著 高等教育出版社 2002 教育部规划教材 少学时教材 4 传感器原理及应用 王化祥 张淑英编著 天津大学出版社 2003 教育部规划教材 5 传感器与自动检测技术 余成波 胡新宇 赵勇 高等教育出版 2004年 6 期刊杂志 7 本课程的任务 目的和要求 1 任务 掌握传感器的工作原理 结构 主要性能及特点 测量电路及典型应用 2 目的 1 合理选择和使用传感器 2 对传感器技术问题有一定的分析和处理能力 3 知晓传感器的工程设计方法和实验研究方法 4 了解传感器的发展动向 3 要求1 复习巩固已学电路 电子等方面的知识 养成课前预习 课后复习 课堂做笔记的良好习惯 2 多看一些相关参考书及期刊杂志 8 平时 实验和考试 平时 20 主要是点名和作业 实验 30 实验成绩 考试 50 闭卷考试 Deadlinemeansdeadline 9 第一章概论 10 在抗击非典SARS和N1H1的过程中 许多公共场合都使用了非接触式红外测温仪 对传感器的初步认识 11 测温速度小于0 5s 分辨力达到0 l 12 力传感器的应用 13 电子产品 14 使用USB接口的测量硬件及IEEE1451 4TEDS智能传感器 热敏电阻 离子感烟器 明火探测器 传感器实验仪 传感器实验装置 15 超声波传感器 电感传感器 电容传感器 红外温度传感器 磁阻传感器 热电偶 气体成分传感器 流量传感器 传感器图片 16 17 传感器的引入 世界是由物质组成的 表征物质特性或其运动形式的参数很多 根据物质的电特性 可分为电量和非电量两类 非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量 非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量 再进行测量 实现这种转换技术的器件叫传感器 18 传感器的引入 类比 人通过五官 眼 耳 鼻 口 手 视 听 嗅 味 触 接受外界的信息 经过大脑的思维 信息处理 作出相应的动作 而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动 则可以说计算机相当于人的大脑 一般俗称电脑 而传感器则相当于人的五官部分 电五官 19 身体与机器人的对应关系 20 传感器的地位 传感器技术是材料学 力学 电学 磁学 微电子学 光学 声学 化学 生物学 精密机械 仿生学 测量技术 半导体技术 计算机技术 信息处理技术 乃至系统科学 人工智能 自动化技术等众多学科相互交叉的 综合性的 高新技术密集型的前沿技术 传感器技术与通信技术 计算机技术构成信息科学技术的三大支柱 它们分别构成了信息系统的 感官 神经 和 大脑 传感器是信息采集的首要部件 21 传感器的发展概述 世界各国对传感器发展的重视世界性的 传感器热潮 始于20世纪80年代初期 随后美 日 英 法 德和独联体等发达国家都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一 美国列出的国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器信息处理技术直接相关 22 日本将传感器技术列为国家重点发展的6大核心技术之一 并声称 支配了传感器技术就能够支配新时代 日本科学技术厅制定的20世纪90年代重点科研项目中有70项重点课题 其中有18项是与传感器技术密切相关的 传感器的发展概述 23 我国也把传感器技术列为国家 八五 重点攻关项目及中长期科技发展重点新技术之一 20世纪80年代后期我国相继在黑龙江 气敏 安徽 力敏 陕西 电压敏 组建了三个产业基地与企业集团 现在又建立了昆山光电传感器基地 九五 国家重点科技攻关项目中又将传感器技术研究立项 希望在传感器的关键制造工艺 新产品开发 科技成果的工程化等方面提高我国传感器的技术水平 促进我国传感器产业的形成 缩小与世界先进水平的差距 传感器的发展概述 24 一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡量的 而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的 可以说 没有传感器就没有现代化的科学技术 没有传感器也就没有人类现代化的生活环境和条件 传感器技术已成为科学技术和国民经济发展水平的标志之一 传感器的发展概述 25 传感器技术发展十分迅速的原因有如下几点 1 电子工业和信息技术促进了传感器产业的相应发展 2 政府对传感器产业发展提供资助并大力扶植 3 国防 空间技术和民用产品有广大的传感器市场 4 在许多高新技术领域可获得用于开发传感器的理论和工艺 从市场来看 力 压力 加速度 物位 温度 湿度 水分等传感器将保持较大的需求量 26 表1 1传感器市场结构 27 传感器的应用领域 传感器技术广泛应用于航空航天 兵器 信息产业 机械 电力 能源 交通 冶金 石油 建筑 邮电 生物 医学 环保 材料 灾害预测预防 农林渔业 食品 烟酒制造 建筑 汽车 舰船 机器人 家电 公共安全等领域 28 传感器的应用领域 29 1 用于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 生产线上设备的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 30 用于自动检测与自动控制系统 31 32 2 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 33 3 传感器与家用电器 自动电饭锅 吸尘器 空调 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 34 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 35 指纹传感器 透光率传感器 36 鼠标 光电位移传感器 摄象头 CCD传感器 37 声位笔 超声波传感器 麦克风 电容传声器 38 声卡 A D卡 D A卡 软驱 速度 位置伺服 39 4 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 40 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 止09 05 41 烟雾传感器 亮度传感器 人体探测器 42 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 嗅觉传感器等等 5 传感器在机器人上的应用 43 纳米 机器人可以用于医疗事业 以帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的 还可以帮助人们完成外科手术 清理动脉血管垃圾 及组成计算机新硬件等 44 机器人服务员 45 电脑机器人 由电脑作为控制核心的类人工机械结构体 46 沙漠机器人 47 AutomatedGuidedVehicle 简称AGV 指装备有电磁或光学等自动导引装置 能够沿规定的导引路径行驶 具有安全保护以及各种移载功能的运输车 如 工业应用中不需驾驶员的搬运车 它里面所包含的传感器有 超声波测距传感器 判断建筑物内人和物所在位置 红外线色彩传感器 运动轨迹 和AGV小车位置识别 条形码传感器 货品识别 香港理工AGV模型 AGV自动送货车 48 AGV自动送货车 49 6 传感器在生物医学上的应用 医学 50 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 51 7 传感器与航空航天 52 飞行器 控制在预定轨道上 速度 加速度 飞行距离测量 周围环境 内部设备监控 本身状态参数的测量 陀螺仪 阳光传感器 星光传感器 地磁传感器 53 8 传感器与环境保护 为保护环境和维持生态平衡 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 54 烟尘浊度测量 55 9 传感器在军事中的应用 先进的科学技术总是最先被应用于战争 以坦克 飞机 军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器 各类传感器只不过是配属的保障设施 56 海湾战争中 伊拉克在科威特战区部署了4280辆坦克 多国部队只有3800辆坦克 但结果是伊拉克的坦克89 被毁 而多国部队的坦克仅损失20辆 这种悬殊的损毁比 就是由于双方信息优势及精确制导武器方面的明显差距造成的 57 高技术常规武器成为比核武器更可靠的手段 如 打了不用管 的制导炮弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标 射程远 威力大 价格低 命中率高 具有子母弹的打击能力 以及破甲弹 动能弹的攻击方式 58 农业将是知识密集 技术密集的产业 设施农业可以有效提高农业生产效益和增强抗灾能力 借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件 摆脱自然制约 以达到高产 高效 优质 10 传感器与农业 农业 59 信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一 设施农业用传感器的品种较多 主要用于温度 湿度 土壤干燥度 CO2 光照度 土壤养分等参数的测量 信息获取技术还在农田和果园生产 农业生物学研究 农药残留量检测等方面得到了广泛的应用 10 传感器与农业 农业 60 传感器的定义 根据中华人民共和国国家标准 GB7665 87 传感器是能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 在有些学科领域 传感器又称为敏感元件 检测器 转换器 变换器 换能器或探测器等 注 书上有两个广义和狭义的定义 自己去看和理解 61 其包含以下几个方面的意思 1 传感器是测量装置 能完成检测任务2 它的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 3 输出量是某种物理量 这种量要便于传输 转换 处理 显示等 这种量可以是气 光 电 但主要是电量 4 输入输出有对应关系 且应有一定的精确度 62 传感器的组成 传感器由敏感元件 转换元件和基本电路组成 传感器组成框图 63 传感器的组成 敏感元件 直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件 转换 传感 元件 又称变换器 能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件 它是传感器的核心部分 64 敏感元件 转换 传感 元件 压力传感器示例 65 传感器的组成 信号调节与转换电路 能把传感元件输出的电信号转换为便于显示 记录 处理和控制的有用电信号的电路 辅助电路 通常包括电源等 66 有些传感器很简单 仅由一个敏感元件 兼作转换元件 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 有些传感器 转换元件不止一个 要经过若干次转换 传感器的组成 特殊传感器 67 可以预料 当人类跨入光子时代后 光信息成为更便于快速 高效地处理和传输的可用信号时 传感器的概念将随之发展成为 能把外界信息转换成光信号输出的器件 68 传感器的优势 传感器的任务就是感知与测量 随着现代技术的发展 创造了多种多样的工程传感器 工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量 如紫外线 红外线 超声波 磁场等 从这个意义上讲 工程传感器超过人的感官能力 有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测 但工程传感器测量得更快 更精确 69 传感器的优势 例1 虽然人眼和光传感器都能检测可见光 进行物体识别与测距 但是人眼的视觉残留约为0 1s 而光晶体管的响应时间可短到ns以下 例2 人眼的角分辨率为1 而光栅测距的精确度可达1 激光定位的精度在月球距离3 104km范围内可达10cm以下 例3 工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变为视觉图像 CT技术就是一个例子 它把人体的内部形貌用断层图像显示出来 其他的例子还有遥感技术 70 传感器的缺陷 但是目前工程传感器在以下几方面还远比不上人类的感官 多维信息感知 多方面功能信息的感知功能 对信息变化的微分功能 信息的选择功能 学习功能 对信息的联想功能 对模糊量的处理能力以及处理全局和局部关系的能力 这正是今后传感器智能化的一些发展方向 71 传感器的分类 按工作机理 物理型 化学型 生物型按构成原理 结构型 物性型和复合型 结构型 利用物理学中场的定律构成的 包括力场的运动定律 电磁场的电磁定律等 传感器的性能与它的结构材料没有多大关系 物性型 利用物质定律构成 如欧姆定律等 其性能随材料的不同而异 72 传感器的分类 按能量转换情况 能量转换型传感器和能量控制型传感器 能量转换型传感器 将非电能量转换为电能量 也称换能器 通常配合有电压测量电路和放大器 如 压电式 热电式 电磁式传感器等 能量控制型传感器 被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用 所以必须具有辅助能源 电能 如 电阻式 电容式 电感式传感器等 73 传感器的分类 按敏感材料 根据制造传感器所使用的材料进行分类 可分为半导体传感器 陶瓷传感器等 按物理原理 电参量式传感器 电阻式 电容式 电感式等 磁电式传感器 磁电感应式 霍尔式 磁栅式等压电式传感器 光电式 气电式 热电式 波式 射线式等 74 传感器的一般要求 足够的容量 传感器的工作范围或量程足够大 具有一定的过载能力 灵敏度高 精度适当 即要求其输出信号与被测信号成确定的关系 通常为线性 且比值要大 传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求 75 响应速度快 工作稳定 可靠性好 使用性和适应性强 体积小 重量轻 动作能量小 对被测对象的状态影响小 内部噪声小而又不易受外界干扰的影响 其输出力求采用通用或标准形式 以便与系统对接 使用经济 成本低 寿命长 且便于使用 维修和校准 76 传感器发展趋势 采用新材料和探究新理论来发展新型传感器发展数字式和智能型传感器智能传感器是一种带微处理器的传感器 具有信息的采集 记忆 诊断 综合和处理等功能 智能型传感器大致分为如下三种 具有判断力的敏感装置具有学习能力的敏感装置具有创造能力的敏感装置 77 传感器发展趋势 采用新技术 新工艺 向小型化 集成化方向发展 将敏感元件和放大电路 运算电路 温度和线性补偿电路等利用IC技术制作在同一芯片上或制成混合式传感器发展 仿生传感器 生物传感器开发研制高性能的敏感元件 78 传感器信息融合技术纳米技术先进的纳米级技术的研究可能导致纳米机械装置和传感器的产生 而纳米技术的发展 可能导致许多领域产生突破性进展 纳米材料是由纳米级的超细微粒经压制烧结而成的 被认为是完全纯净 结构上没有缺陷的 具有抗紫外线 抗红外线 抗可见光 抗电磁干扰等奇异功能 纳米电子技术和纳米制造技术的发展 促进了纳米传感器的诞生 它必将极大地丰富传感器的理论 推动传感器的制造水平 拓宽传感器的应用领域 79 无论是金属粮仓还是土仓 为防止霉变 粮食都是分层存放 仓内温度和湿度不能过高 为此 需在各层安放温 湿度传感器进行检测 装有温 湿度探头的粮仓示意图如下 将各层探头输出接至温 湿度巡检仪上 通过巡检仪监视器监视各点温 湿度情况 通过通风口保持温 湿度在要求范围内 例粮仓温度 湿度检测 80 装有温湿度探头的粮仓示意图 81 传感器的图形符号与命名方法 传感器的命名方法及代号中华人民共和国国家标准GB7666 87规定了传感器的命名方法及代号 并将其作为统一传感器命名及代号的依据 本标准适用于传感器的生产 科学研究 教学以及其它相关领域 82 1 传感器的命名方法 一种传感器产品的名称 应由主题词加四级修饰语构成 1 主题词 传感器 2 第一级修饰语 被测量 包括修饰被测量的定语 3 第二级修饰语 转换原理 一般可后续以 式 4 第三级修饰语 特征描述 指必须强调传感器的结构 性能 材料特征 敏感元件以及其它必要的性能特征 一般可后续以 型 字 5 第四级修饰语 主要技术指标 量程 精确度 灵敏度范围等 83 2 传感器命名的应用应用的场合不同 命名方法也不完全相同 譬如 1 题目中的用法 本命名法在有关传感器的统计表格 图书索引 检索以及计算