第0章传感器绪论.ppt

传感器原理及应用,主讲人：王宝龙Telmail:wbl8808,武汉大学电子信息学院,绪论,教材,传感器原理及应用(第三版)，王化祥主编，天津大学出版社,1传感器课程2仪表技术与传感器http:/www.i-3传感器世界4中国传感器5传感器技术http:/www.sensor-621IC中国电子网7传感技术学报网8传感器资讯网,参考网站,参考书目及课程安排,参考书目传感器，强锡富主编，机械工业出版社，2001传感器原理及检测技术，王君主编，吉林大学出版社，2003,课程安排：总36学时课堂教学36学时实验课18学时,成绩评定,平时成绩:课堂作业+考勤20%课程报告:15%期末考试:65%,课程性质：专业基础课（选修）,主要内容：0.1什么是传感器0.2传感器的作用和地位0.3传感器现状和国内外发展趋势0.4检测系统的组成原理0.5传感器的定义、组成和分类方法0.6本课程的特点和研究内容,传感器原理及应用,绪论,传感器原理及应用,绪论,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？,0.1什么是传感器？,传感器原理及应用,绪论,0.1什么是传感器,下面请看一个短片.传感器,传感器原理及应用,0.1什么是传感器,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,绪论,人体系统和机器系统比较,传感器原理及应用,绪论,0.1什么是传感器,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”。,传感器原理及应用,绪论,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。,0.1什么是传感器,动画按扭,传感器原理及应用,绪论,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:,0.1什么是传感器,动画按扭,传感器原理及应用,绪论,动画按扭,传感器原理及应用,绪论,动画按扭,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,传感器原理及应用,绪论,车胎压力监测,动画按扭,传感器原理及应用,绪论,0.2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。,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高新技术密集型前沿技术。,传感器原理及应用,0.2传感器技术的作用和地位,绪论,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。,传感器原理及应用,绪论,0.2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。,传感器的需求量,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。,自动检测与自动控制系统,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30100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,传感器原理及应用,绪论,0.2传感器技术的作用和地位,智能洗衣机中的传感器：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)。,烟雾传感器,亮度传感器,人体探测器,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CMOS传感器,PC机中的测试技术应用,麦克风:电容传声器,软驱:速度,位置伺服,传感器原理及应用,0.2传感器技术的作用和地位,绪论,工业生产,传感器原理及应用,绪论,0.2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、,传感器原理及应用,绪论,0.2传感器技术的作用和地位,沙漠机器人,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,2003年9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条狭窄的通道，试图揭开4600年前的秘密。它的探秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。,图坦卡蒙的诅咒“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”,“金字塔漫游者”，高5长1宽1英寸，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。,传感器原理及应用,绪论,0.2传感器技术的作用和地位,超声波测流量,红外测温,传感器原理及应用,绪论,0.2传感器技术的作用和地位,医疗诊断,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、NA、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。,传感器原理及应用,绪论,0.2传感器技术的作用和地位,传感器原理及应用,绪论,0.2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,传感器原理及应用,绪论,传感器原理及应用,绪论,0.2传感器技术的作用和地位,烟气测量,传感器原理及应用,绪论,0.2传感器技术的作用和地位,智能化水质检验,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,传感器与航空及航天,传感器在军事技术领域的应用,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，各类传感器不过是配属的保障设施。,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，正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。,智能武器把巨大的杀伤力和极高的精确性相结合，将会使军事机构思考未来战争的方式发生革命。高技术常规武器成为比核武器更可靠的手段，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。,传感器原理及应用,0.2传感器技术的作用和地位,绪论,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,传感器原理及应用,0.2传感器技术的作用和地位,绪论,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,传感器原理及应用,绪论,0.2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。,传感器原理及应用,0.3传感器现状和国内外发展趋势,绪论,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12产品销往国外。预计到“十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达到20亿支，销售总额将达约120亿元。,传感器原理及应用,0.3传感器现状和国内外发展趋势,绪论,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。,传感器原理及应用,0.3传感器现状和国内外发展趋势,绪论,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，预计2006年销售额将增至506亿美元。,传感器原理及应用,0.3传感器现状和国内外发展趋势,绪论,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。,传感器原理及应用,0.3传感器现状和国内外发展趋势,绪论,目前传感器总的发展趋势是：（1）发展、利用新效应如：高温超导磁传感器灵敏度原高于霍耳器件，可用于磁成像技术。（2）开发新材料敏感材料是传感器的重要基础，基于新材料出现的传感器：半导体氧化物制成的各种气敏传感器；光纤传感器；（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。,传感器的数字化和网络化,传感器原理及应用,绪论,0.3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。,传感器原理及应用,绪论,0.4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,传感器原理及应用,绪论,0.4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。,传感器原理及应用,绪论,0.4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,传感器原理及应用,绪论,0.4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。,传感器原理及应用,绪论,0.4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。,传感器原理及应用,绪论,0.4检测系统的组成原理,动画按扭,自动检测系统实例,传感器原理及应用,0.5传感器的定义、组成和分类方法（1）传感器定义,绪论,广义：传感器是一种能把特定的非电量信号（物理量、化学量、生物量登）按一定规律转换成某种便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。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（GB766587）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。,传感器原理及应用,0.5传感器的定义、组成和分类方法（1）传感器定义,绪论,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。,传感器原理及应用,0.5传感器的定义、组成和分类方法（1）传感器定义,绪论,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。,传感器原理及应用,0.5传感器的定义、组成和分类方法（2）传感器的组成,绪论,传感器由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成：,敏感元件(又称预变换器)感受被测量;转换元件将响应的被测量转换成电参量;测量电路把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件,决定传感器的工作理。,传感器原理及应用,0.5传感器的定义、组成和分类方法（2）传感器的组成,绪论,传感器原理及应用,0.5传感器的定义、组成和分类方法（2）传感器的组成,绪论,传感器原理及应用,0.5传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类,绪论,传感器分类方法较多,无统一方法，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,传感器原理及应用,0.5传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类,绪论,）按传感器的结构分类结构型传感器：材料几何形状或尺寸的改变物性型传感器：材料物理性质的变化复合型传感器,传感器原理及应用,0.5传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类,绪论,）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,传感器原理及应用,0.5传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类,绪论,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类机电传感器光电传感器热电电传感器磁电传感器电化学传感器,传感