传感器传感技术绪论

1、传 感 与 检 测 技 术Transducer/Sensor Technology中南大学信息科学与工程学院学习方式、方法与要求课堂教学(计划要点)+课后学习(阅读、练习)+实验；概念/意识建立要点内容：原理、结构模块、特性特点、电路、应用考核：书面考核+实验教材与参考书教材：传感器原理及应用，程德福 等 编，机械工业出版社 传感器技术，贾伯年主编，东南大学出版社 课程性质与特点原理技术性内容为主；特点：综合性、工程实践性、内容离散、知识密集度高先修课：物理学、电工电子、自控、误差理论绪 论传感器的地位与作用传感器定义与理解传感器的工作基础*传感器的组成传感器分类对传感器的基本要求*传感器技术

2、的发展0.1 传感器的地位和作用人与机器类比，传感器是“电五官”-系统感知、获取与检测信息的源头和窗口。没有传感器，就不能实现测量；没有测量，就没有控制。 人与机器的功能对应关系 2、具体作用 : 1）测量、信息获取 2）信息数据的交换 3）控制信息的采集1、传感器的地位：1）现代测量与自动控制的首要环节2）衡量国家综合实力的重要标志3）现代信息产业的三大支柱之一4）各国政府高度重视应用领域在当今世界里正加速扩张工业自动化 农业现代化军事工程航天技术家用电器机器人技术资源探测-海洋开发-环境保护-水资源、地质安全保卫-公共安全、反恐生物医疗-智慧农业-新 领 域覆盖国民经济一、二、三产业各领域

3、；与人们日常生活联系越来越紧密；多种电子类产品技术革新的主动力？ 市场状况： 2009年全球530亿USD容量；2013年汽车业的需求152亿；消费电子（-）健康与医疗-未来重点？2005年7月的“发现号航天飞机”燃料传感器 ？“亚特兰蒂斯”号航天飞机2006年四度推迟发射中第四次推迟原因？传感器应用中的典型事例 2007年11月22日起，我国海拔885012500米的空间范围内，飞机之间的最小垂直间隔标准由过去的600米缩小为300米，使该空间范围内飞行高度层的数量从原有7个增加到13个，可用飞行高度层增长86%，显著增加空域容量。关键技术之一：气压高度的精确测量！飞机最重要的被测参数？在石

4、油化工领域的应用计量！其他主要应用领域三星的智能手表功能之一：健康跟踪Curiosity landed upon the Martian surface, 2012-08-06needed to develop load cells, torque sensors, and multi-axial sensors and other sensors for cryogenic and vacuum environments 0.2 传感器的概念自动化系统中一般非电量电测量法测试系统的组成传感器在测、控系统中的位置 国家标标GB76652005（1987）定义： 传感器(Sensor/Trans

5、ducer)是指能感受规定的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)。内涵：传感器是测量装置，能完成测量/检测任务。输入量是某一被测量，可能是物理量或化学量、生物量等。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、电物理量，但主要是电信号。输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器是什么？传感器的基本作用： 功用: 一感二传，感受被测信息并传送。基本作用： 体现在测量或检测上，是应用传感器的目的，也是学习本课程的目的。 从三个方面理解与把握：作用测量；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

6、键；3. 输出信号适于测量的电信号。传感器的称谓* 国内曾出现过多种关于传感器名称，如发送器、传送器、变送器、检测器、探头等，这些名词是从其基本作用来称谓的，它们的内涵相同或相似，学术界已趋向统一使用传感器这一名称。 现实中传感器的称谓问题： 传感器与敏感元件等名词混用，虽然实际是两个不同概念，但习惯上往往没区分，包括在学习课程中。 国外也不统一， 常用Sensor、Transducer及detector。 传感器技术涉及的领域*材料学化学生物学物理学电学与系统机械传感器技术传感器件设计传感器开发和应用传感检测原理传感器技术的性质* 是一个汇聚物理,化学,材料,机械,电子,生物工程等多类型交叉

7、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。传感器技术的特点*涉及多学科与技术品种繁多，个性化应用 技术性能要求异同-高稳定性、高可靠性、高 重复性、低迟滞和快速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 传感器工作的基础* 能量和信息转换机能基于各种效应，受相应定律和法则支配 本课程论述的工作基础主要包括：1) 守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律2) 场的定律：动力场的运动定律、电磁场的感应定律等 特点：其作用与物体的空间位置及分布状态有关，据此构 成的传感器的形状、结构尺寸决定某些基本性能。3) 物质定律：各种物质本身内在性质的定律，如虎克定律

8、、 欧姆定律等，常以物质固有的物理常数来描述。4) 统计法则：联系微观系统与宏观系统的物理法则 特点：法则与传感器的工作状态有关，是分析某些传感器 的理论基础。0.3 传感器的基本组成从结构和功能看，传感器是功能器件（Function Device）敏感元件（Sensing Element）：传感器内的元件，直接感受外部信息（一次信号）的部分。转换元件（Transduction Element）：能将感受到的被测非电量参数转换为电量的器件。当传感器的输出为标准信号时称为变送器(Transmitter)。图1-1 传感器的基本组成系统组成：敏感元件 + 转换元件 + 基本转换电路 （有时还包括供

9、电的辅助电源）辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量 基本转换（signal conditioning）电路的作用：1）将敏感或转换元件的输出电信号转为适于传送、显示或记录的信号，满足后续电路或装置的输入要求。2）实现标准化的重要环节与基础，也是应用难点。 常用电路：信号放大、电平调整、线性化、滤波、阻抗匹配、信号调制/解调、信号形式变换等电路。 从构成看，最简单的传感器仅由一个敏感元件(兼转换元件)组成，如热电偶；有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无转换电路，如压电加速度传感器；有些需要经过若干转换元件的转换。 从系统结构看，传感器大多是开环，也有些是闭环.附注：信号调理电路与检测

10、电路间的界限并不很清楚，有时还合二为一，如将电阻电压转换电路，电阻、电感的检测电路归为信号调理电路。0.4 传感器的分类 应用特性：实际要测的量（变量）与其他量总存在一定的相关性(物理的、化学的）。一种被测量可用不同传感器测量；同一原理的传感器通常可测量多种非电量。 分类：有助于从总体认识和掌握传感器的原理、性能、特点。例如：按可变电参量大类中的阻抗形式分类有电阻型；按产生变化量纲分类有电压型、电荷型或电流型。益处：类别减少，能直接研究设计相关信号转换调节器。 常见物理量的分类分类法型式说明按基本效应分物理型、化学型、生物型分别以转换中的物理效应、化学效应等命名按构成原理分结构型以其转换元件结

11、构参数变化实现信号转换物性型以其转换元件物理特性变化实现信号转换混合型结构性与物性型传感器组合而成的按能量关系分能量转换型（自源型）传感器输出量直接由被测量能量转换而得能量控制型（外源型）传感器输出量能量有外源供给，但受被测量控制按作用原理分应变式、电容式、压电式、热电式等以传感器对信号转换的作用原理命名按输入量分位移、压力、温度、流量、气体等以被测量命名（即按用途分类法）按输出量分模拟式输出量为模拟信号数字式输出量为数字信号传感器分类表对传感器的基本要求*足够的容量工作范围或量程足够大，有一定过载能力。灵敏度高、精度适当-输出信号与被测信号成确定关系 （常为线性）且比值大；静态响应 与动态响

12、应的准确度能满足要求。响应快、工作稳定、可靠性好适用性和适应性强-体小、量轻、对被测对象状态影响小； 内部噪声小、不易受外界干扰影响； 其输出力求采用通用或标准形式。 使用经济-成本低、寿命长、便于使用、维修、校准。 1 新材料、新功能的开发与应用 敏感材料是重要基础，主要新材：半导体硅、石英晶体、功能陶瓷。此外，还有化合物半导体材料、复合材料、薄膜材料、形状记忆合金材料以及纳米材料等。 新材料或新工艺带来新的功能或特点！2 多功能、集成化和微型化多功能化：单个传感器实现多参数测量，例：“电子鼻”？集成化： 将同类的单个传感器集成为阵列器件，或将传感、调理、补偿及信号调理电路一体化集成。例：？

13、微型化：以IC制造技术发展起来的MEMS工艺，使敏感结构尺寸达微米、亚微米级，并可批量生产。例：？ 可集中体现到微型化或集成器件中！0.5 传感器技术的发展3 智能化、网络化智能化： 将传感器获取信息的功能与专用P的信息分析处理功能结合，实现自诊断、校准、数字双向通信等功能。网络化： 传感技术结合计算机和通信技术形成的新技术。例如Wireless Sensor Networks4 其他: 仿生？ 与计算机和网络通信技术的融合使传感器应用的未来前景更广，未来传感器将无处不在物联网/IOT ！利用高速回转体的动量矩敏感特性,壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置即为陀螺仪。利

14、用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。陀螺仪的两个最基本的特性就是它的定轴性和进动性。 一个陀螺。如何让它在光滑的桌面上直立起来呢？其实，只要使它绕垂直轴（重力方向）快速旋转就行了。这时如果桌面倾斜，就会发现陀螺转轴方向仍保持不变，如图（a）所示，这就是陀螺的定轴性。如果转轴的初始方向不是严格垂直，而是偏离重力方向一个角度，我们又发现陀螺转轴会在一个以重力方向为轴线的圆锥面上运动，图（b），而不是像不转动的刚体那样在重力作用下倒下，这就是陀螺的进动性。陀螺的定轴性和进动性统称为陀螺效应。高速旋转的陀螺轴承安装在框架环上时，由于自转轴具有定轴性，因而使自转轴与基座的运动无关，即基

15、座运动而自转轴不动。这样基座与自转轴之间（通过框架轴的转动）在一个方向上构成一个自由度，这种装置称为单自由度陀螺仪，图（a）。如果在框架环外面再套一层框架环（前者称为内环，后者称为外环），且轴互相垂直，则构成一个二自由度的陀螺仪，图（b） 对单自由度陀螺，当基座因某种干扰随箭体出现偏离预定姿态，产生俯仰、偏航或滚转的某一方向的运动时，因该方向陀螺自转轴保持方向不变，将使机座相对于框架环旋转一定的角度。如果用传感器把这个角度换成电信号，通过箭上该方向的伺服电子线路，驱动摇摆发动机或游动发动机（即执行机构）摆动，产生一个力矩，使箭体恢复到受干扰前的状态，这就保持了飞行中火箭姿态在该方向的稳定。 i

16、Phone 4采用的“三轴陀螺仪”，叫微机械陀螺仪也可称作MEMS（Micro electro-mechanic system）陀螺仪，微机械陀螺仪是由晶片技术生产的。 这是一款三轴陀螺仪芯片“AGDL 2022 FP6AQ” ，该芯片是意法半导体公司的产品，同时这家公司还为iPhone和iPad产品提供加速度传感器芯片。这款芯片大小为7mm7mm3mm，采用BGA-32封装技术，功耗为30mW，重量仅0.5g，能够很好的克服传统陀螺仪的缺点。由AGDL芯片组成的角速度检测陀螺仪能够准确的测量角速度，此外还可以利用该陀螺仪对角度进行测量。 我们通过用X光来看清里面的内部情况。我们可以看到，芯片

17、内部包含有一块微型磁性体，可以在手机进行旋转运动时产生的科里奥力作用下向X,Y,Z三个方向发生位移，利用这个原理便可以测出手机的运动方向。而芯片核心中的另外一部分则可以将有关的传感数据转换为iPhone 4可以识别的数字格式。所以，当该系统运行时，无论你将iPhone 4上移或者甩动，里面的芯片接受指令就会向iPhone 4的CPU传输数据，使得iPhone 4能够做出正确的回应。 科里奥利力（Coriolis force）是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性。 旋转体系中质点的直线运动科里奥利力是以牛顿力学

18、为基础的。1835年，法国气象学家科里奥利提出，为了描述旋转体系的运动，需要在运动方程中引入一个假想的力，这就是科里奥利力。引入科里奥利力之后，人们可以像处理惯性系中的运动方程一样简单地处理旋转体系中的运动方程，大大简化了旋系的处理方式。 MEMS陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样，但是主要都采用振动部件传感角速度的概念。绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。如果振动系统以角速度绕Z轴转动，则会产生一个沿Y轴方向的科里奥利力，从而使得质量块在Y轴方向上产生频率为的振动响应，通过测试Y轴方向的运动就能完成角速度的检测。 一般的MEMS陀螺仪由梳齿结构的驱动部分和

19、电容板形状的传感部分组成。 MEMS陀螺仪的梳齿驱动部分MEMS陀螺仪的电容传感部分MEMS陀螺仪的基本结构 MEMS陀螺仪的重要参数包括：分辨率（Resolution）、零角速度输出（零位输出）、灵敏度（Sensitivity）和测量范围。这些参数是评判MEMS陀螺仪性能好坏的重要标志，同时也决定陀螺仪的应用环境。激光陀螺现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。 也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生