传感器与信号检测技术绪论.ppt

传感器与信号检测技术,西南交通大学电气工程学院,(学分:2学时:32),主讲教师:华泽玺电话mail:huazexi_student,传感器的概念,自然界,人类,认识,改造,通熟讲:人类感觉延伸的工具就是传感器。,传感器的概念,控制对象,信息采集,传感器系统的首要环节。,信息传输,通信,传感器,信息处理,计算机,执行器,定义：传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。,电视机遥控器,空调、电冰箱,麦克风,电子秤,电子汽车衡,超声波测流量,红外测温,智能建筑：BAS，CAS，OAS(3A),动画按扭,动画按扭,绪论,一、人机系统的机能对应关系,二、传感器的主要应用,三、传感器的重要性,四、人的感官与传感器的比较,五、传感器的发展方向,六、课程特点、教材及成绩评定方式,七、第一次作业,人类为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。一系列代替、补充、延伸人的感觉器官功能的各种手段就应运而生,从而出现了各种用途的传感器。,一、人机系统的机能对应关系,外界信息,Sensor、Transducer,人机系统的对应关系如下图示：,性能凌驾于人的感官之上：,（1）测量人体无法感知的量,（3）测量范围宽、精确高、可靠性好,（2）恶劣环境下工作,温度传感器：-1961800压力传感器：0.01psi10000psi精度：0.1%0.01%可靠度：89级,人们往往把传感器誉为人的感官：眼光敏传感器；鼻气敏传感器；耳声敏传感器；嘴味觉传感器；手触觉传感器；,实用性:,1、各种检测仪器和仪表,2、各种系统装备中的关键技术或部件,综合性：,传感器技术、误差理论、信号处理、电子技术、单片机技术、人工智能、模糊处理技术等等。,边沿学科：,检测技术渗透在各个学科领域：机械、电气、信息、采矿、勘探、环保、化工、建筑、生物、医学等等。,返回,传感器的应用领域及需要量,50,100,需求量,应用领域,二、传感器的主要应用,表1.1传感器市场结构,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。传感器的市场结构如表1.1所示。,例：电力系统发电机运行状态在线监测,动画按扭,自动检测系统实例,2、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,动画按扭,动画按扭,3、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,4、传感器在机器人上的应用,沈科研人员调试新型机器人视觉传感器具有自动回避障碍、寻找目标、上下楼梯、跨越障碍等功能。这种机器人将为我国在太空、海洋等未知环境下的探测勘察工作提供技术保障。作为“机器人技术国家工程研究中心”的中国科学院沈阳自动化研究所研发的形态功能各异的机器人如今已广泛应用于生产、生活等各个领域。,沈阳科研人员调试新型机器人传感器这个身形如蛇的机器人长为144厘米，头部装有微型摄像机，可实时采集现场图像并用无线传输发回监控台。,它具有三维空间运动能力，能在硬地面、沙地或软土上爬行，可跨越10厘米宽的坑沟，行走速度最快可达每秒0.4米，并可自动识别不同的环境。蛇形机器人可从事车底危险物品探查等工作。作为“机器人技术国家工程研究中心”的中国科学院沈阳自动化研究所研发的形态功能各异的机器人如今已广泛应用于生产、生活等各个领域。,机器人是一种具备一些与人或生物相似的智能能力的机器。机器人的智能能力体现在获取信息，加工信息、处理信息，做出相应的反映等方面。也就是说，我们把能感觉、会思考、能决策、会动作的系统或者机器称为智能机器人。能力风暴个人机器人就属于智能机器人一类，它可以通过5种11个传感器获取不同的外界环境信息，然后通过微控制器68HC11芯片“思考、决策”，最后通过驱动直流电机、喇叭或LCD做出相应的反映。,一、机器人的“视觉”系统了机器人靠它的“视觉”系统来识别外界的物体和光线，而它的“视觉”系统是由红外传感器和光敏传感器组成的，使用红外传感器和光敏传感器进行控制。,二、机器人的“触觉”系统能力风暴个人机器人是带有“触觉”功能的智能机器人，它的“触觉”就像我们人利用肢体去获取外部环境信息一样，这是能力风暴个人机器人感知外界环境信息的一个重要方面。能力风暴个人机器人的“触觉”系统是由4只碰撞开关和一个碰撞环组成的。机器人通过“触觉”系统获取外界环境信息的关键，是控制机器人的碰撞传感器。在碰撞环内侧装有4只碰撞开关。每当外界碰撞一次，相应的开关就闭合一次,三、机器人的“听觉”系统麦克风作为机器人的声音传感器，获取外部的声音信息，目前能力风暴机器人能够识别的声音信号只是声强的信号。这是由于语音系统是一个高难度的技术，在能力风暴个人机器人中还没有得到应用。,麦克风,四、关于光电编码器能力风暴个人机器人还有两套特殊功能的传感器，这就是光电编码器，它是能够传递位置信息的传感器。,5、传感器在医疗及人体医学上的应用,医用电子学,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,6、传感器与航空及航天,周围环境、内部设备监控、本身状态,哈尔滨49研究所科研人员研制了“神舟”五号载人太空船中多种传感器。分布于太空船的推进舱、轨道舱、返回舱三个舱段及四大系统中的上百只传感器，确保实时监测、控制太空船舱内的温度、湿度、压力等信息，并及时向指挥中心传送宇航员的呼吸、脉搏、体温等数据。,7、传感器与环境保护,环境监测仪器,一氧化碳传感器,8、传感器与遥感技术,红外接收传感器,大气、水质、材料检测,9工程测量、监测,检测技术在安全监测方面的应用,火灾报警,地震预报,检测技术在其它领域中的应用,航天飞机运行状态的监测,外星的探索,检测技术在现代汽车工业的应用：,噪音的检测,石油的勘探,10、传感器在军事技术领域的应用,美国高级将领与著名学者访谈录陈伯江,“信息时代的军事革命”美国参联会副主席欧文斯上将,“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。”,“陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的军种（可称之为传感器军）用于观察战场”,返回,三、传感器的重要性,1、传感器是实现自动检测和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”，如果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。,2、传感器是航天、航海事业中不可缺少的器件；,3、传感器是机器人的重要组成部件；,4、能源开发和能源合理利用离不开传感器；,5、传感器是产品定型、汽车试车、飞机试飞的必要器件；,6、传感器是在生物医学和医疗器械工程等方面的应用前景广阔；,7、传感器已渗透到人们的日常生活当中；,8、衡量国家综合实力的重要标志；传感器的水平是衡量一个国家综合经济实力和技术水平的标志之一，它的发展水平、生产能力和应用领域已成为一个国家科学技术进步的重要标志，正如国外有的专家认为；谁支配了传感器，谁就支配了目前的新时代。,9、现代信息产业的三大支柱；通讯技术、计算机技术、传感器技术传感器的作用越来越被工业界、科技界、领导决策部门所认识。这是因为传感技术是信息技术的三大组成部分之一。信息技术主要由信息的采集、信息的处理、信息的传输三大部分组成。传感技术与信息技术的关系：信息-采集-传感技术；信息-处理-计算机技术；信息-传输-通讯技术。信息的采集主要利用传感技术，信息的处理主要利用计算机技术，信息的传输主要采用通讯技术。传感技术是现代控制测量技术的主要环节。如果没有传感技术对原始数据进行准确、可靠的测量，无论对信息的转换、处理、传输和显示多么精确，都将失去任何意义。,物联网提出的口号是“感知中国”,传感器产业则是优先发展的产业。我国的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。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在智能化和网络方面的落后。我国“十一五”提出新的战略导向“自主立国”“自主创新”有着重要的现实意义。引进技术要充分消化，吸收并再创新。,返回,10、各国政府高度重视；,四、人的感官与传感器的比较,1、零维探测与多维感知；2、单功能与多功能；3、微分与积分；4、非智能型与智能型；,人的感官优于工程传感器,事例说明：,宴会效应选择功能,咖啡桌效应学习功能,高桥效应联想功能,模糊效应模拟量识别,森林效应全局与部分,返回,五、传感器的发展方向,1、新材料将不断被开发；新型敏感材料将加速开发,微电子、光电子、生物化学、信息处理等各学科的互相交叉、渗透和综合利用,将会研制出一批新颖、先进的传感器。,近年来,由于微电子技术、微机械加工技术、纳米技术的迅速发展,传感器领域的主要技术也将在现有基础上予以延伸和提高，具体可以有以下几点:,4、充分利用微加工技术和新工艺；微机械加工技术（MEMT）和纳米技术将得到高速发展。采用MEMT制作的传感器和微系统,具有体积微小、低成本、高可靠性等独特的优点。,5、不断向高稳定性、高可靠性、高精度发展；敏感元件与传感器的应用领域将得到新的开拓,二次传感器和传感器系统的应用将大幅度增长。,2、集成化、多功能、智能化；,传感器发展趋势传感器的历史远比近代科学来得古老，如天平古埃及开始使用、利用液体热膨胀进行温度测量，在16世纪前后实现的。20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞速发展：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。,目前传感器总的发展趋势是：（1）发现、利用新效应（磁光、压阻）；（2）开发新材料（光纤、PVC、稀土）；（3）提高传感器性能和检测范围；（4）微型化与微功耗（微米、微安、毫克）；（5）集成化与多功能化；（6）传感器的智能化（自校、自诊断、自补偿、存储、数字输出）；（7）传感器的数字化和网络化。,使现场数据就近登陆，通过Internet网与用户之间异地交换数据远程控制等。,RS232、422、485、USB,传感器的数字化和网络化,传感器的数字化和网络化,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。,RS232、422、485、USB,返回,六、课程特点、教材及成绩评定方式,1、课程特点：理论性、综合性、实践性很广的学科。内容比较离散；知识密集程度高；设计与实践；2、关于教材,传感器原理与检测技术.童敏明等编著.机械工业出版社,2014,华泽玺.传感器原理与应用实验指导书.成都：西南交通大学出版社,2006,4、教学方式（1）讲课与自学相结合（2）增加文献阅读量，查找、阅读、自学;（3）采用专题讨论等方式5、采用50+30+20分方式（1）考勤、课堂提问、课堂测试：20,每次2分；（2）作业、实验:30分;（3）期终考试成绩50分。,七、第一次作业,1、作为期末成绩的一部分，写清姓名、学号。下周课间交于老师，自已交自己的作业,老师将在网上给出部分习题标准答案,准备一个作业本;,(1)通过学习，描述一下你对传感器的认识和总结，主要从应用等方面来说明。(2)从InterNet网上找一些传感器资料来阅读，要求写出网址和该资料的主要内容，手写在作业纸上。每人阅读在2份资料。(3)从网上找到一种传感器，并对照课本的第一章说明基静态的特性指标。,八、预习,1、预习第一章内容,(1)理解传感器的定义；(2)了解传感的分类；(3)学习传感器的静特性指标；（要选择一个传感要考虑它的那些特性指标）(4)学习动态特性指标(5)学习传感器的测量方法(6)网上看一下，提高传感器精度的方法,课后阅读材料,传感器新技术的发展传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量，对系统的质量起决定性作用。自动化程度越高，系统对传感器要求越高。在今天的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，而已经充分发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、,获取的信息量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。显然传统传感器因功能、特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且都已取得极大的突破。如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方面：一、发现并利用新现象利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛推广价值。,利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原作检查。如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。美国加州大学巳研制出这类传感器。二、利用新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。,利用这个原理制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点：测湿范围宽；温度范围宽，可达-400+1500；响应速度快，小于1S；尺寸小，可用于小空间测湿；温度系数小。陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量小于0.1%F.S,温漂小于0.15%/10K,抗过载强,可达量程的数百倍。测量范围可从0到60MPa。德国E+H公司和美国Kavlio公司产品处于领先地位。光导纤维的应用是传感材料的重大突破，其最早用于光通信技术。在光通信利用中发现当温度、压力、,电场、磁场等环境条件变化时，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些光波量变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导纤维传感器。光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度高，结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。光纤传感器日本处于先进水平。如IdecIzumi公司和Sunx公司。光纤传感受器与集成光路技术相结合，加速光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件，使光纤传感器有高的带宽、低的信号处理电压，可靠性高，成本低。三、微机械加工技术半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺，各向异性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些,都已引进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。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，制成全硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁结成，两个谐振梁的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将两个频率差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精度可达0.01%FS。美国SiliconMicrostructureInc.(SMI)公司开发一系列低价位,线性度在0.1%到0.65%范围内的硅微压力传感器,最低满量程为0.15psi(1KPa),其以硅为材料制成,具有,独特的三维结构,轻细微机械加工,和多次蚀刻制成惠斯登电桥于硅膜片上,当硅片上方受力时,其产生变形,电阻产生压阻效应而失去电桥平衡,输出与压力成比例的电信号.象这样的硅微传感器是当今传感器发展的前沿技术,其基本特点是敏感元件体积为微米量级,是传统传感器的几十、几百分之一。在工业控制、航空航天领域、生物医学等方面有重要的作用，如飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点是能敏感微小被测量，可制成血压压力传感器。中国航空总公司北京测控技术研究所，研制的CYJ系列溅谢膜压力传感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计，它克服了非金属式应变计易受温度影响的