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传感器与检测技术温enliwlj@163.com课程基本情况学时：48理论学时：32实验学时：16（共8个实验）成绩评定方法：期末考试成绩：70%考勤成绩：10%平日成绩：20%（包括实验、课堂提问、作业、小测验）实验成绩：操作50%、实验报告50%不参加实验：零分第0章传感器与检测技术概念0.1传感器的组成与分类0.2传感器的作用与地位0.3传感器技术的发展动向0.4检测技术的定义0.5检测技术的作用本章要点“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。以传感器为核心的测试系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观世界与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。Mendelyeev

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Ivanovich科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的。——门捷列夫0.1传感器的组成与分类传感器的定义

我国制定的“传感器通用术语”国家标准(GB7665-87)对传感器的定义是:“能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或装置”。含义：传感器通常由敏感元件和转换元件组成，不仅能感受被测量的信息，还能检测出感受到的信息；能按一定规律将被测量转换成电信号等输出形式，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录、控制等需要；传感器的输出与输入之间存在确定的关系，能达到一定的测量精度、线性度、灵敏度等指标。图0-1传感器的组成信号调节转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于传输、显示、记录、处理、控制的有用电信号的电路。常用的有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。敏感元件转换|

元件转换电路被测量电量质量块m弹簧k转换电路加速度电量a力位移

要测量直线运动的汽车的加速度（规定的被测量），可以设计一个简单的实验装置。敏感元件转换元件+—转换电路输出敏感元件转换元件压力传感器示例传感器的分类1.按输入量分类:位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等2.按工作原理分类:电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式等3.按输出信号分类:模拟式传感器、数字式传感器

4.按构成原理分类物性型：依靠敏感元件本身的物理性质的变化实现信号变换。如水银温度计、压电式传感器等。结构型：依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。如电容式、电感式传感器等。5.按能量变换关系分类能量转换型传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量。如热电偶温度计、弹性压力计、压电式传感器。能量转换型传感器存在负载效应。能量控制型由外部辅助能量使其工作，并由被测量控制外部供给能量的变化。如电桥式电阻应变计等。0.2传感器的作用与地位

传感器处于测试系统的最前端，其性能将直接影响着整个测试系统的工作质量。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并转换为容易传输与处理的电信号。

20世纪80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，并得到长足的发展。0.3传感器技术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。发现新现象开发新材料采用微细加工技术研究多功能集成传感器智能化传感器新一代航天传感器研究仿生传感器研究传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们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。〔高温超导磁传感器〕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加强研究，是成为一个值得注意的发展动向。发现新现象传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。开发新材料（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以制造各种气体传感器；

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。新型传感器的发展，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），是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。新工艺的采用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、半球等结构，制作出全硅谐振式压力传感器。集成化、多功能化同一功能的多元件并列化，即将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，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。把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。为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感元件复合在一起，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。智能化带有微处理器的传感器，具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应等功能。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。0.4检测技术的定义检测技术属于信息科学的范畴，与计算机技术、自动控制技术和通信技术构成完整的信息技术学科。测量是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。测试是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。检测系统的组成非电量电量激励

装置传感器信号调理显示记录观察者信号处理被测对象反馈、控制激励装置：一个被测对象的信息总是通过一定的物理量（信号）所表现出来。有些信息可以在被测对象处于自然状态时所表现出的物理量中显现出来，而有些信息却无法显现或显现的不明显。在后一种情况下，需要通过激励装置作用于被测对象，使之产生出要获取的信息载于其中的一种新的信号。调理环节：信号的调理环节是把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式，多数是电信号之间的转换，如幅值放大，将阻抗的变化转换成电压的变化或频率的变化等等。

处理环节：运算、滤波和分析反馈、控制环节：实现闭环控制系统的测试（测控系统）0.5检测技术的作用客观世界的一切物质都以不同形式不断地运动着。运动着的物质是以一定的能量或状态表现出来的，这就是信号。人们为了认识物质世界，就必须寻找表征物质运动的各种信号以及信号与物质运动的关系，这就是检测的任务。在工业生产领域在科学研究领域在现代人们的日常生活中0.6测试技术在国民经济中的地位（1）与日常生活密切相关温湿度传感器温度传感器透光率传感器指纹传感器自动水龙头演示光幕——自动收费系统演示（2）电“五官”作用

自动门演示机床导轨位置检测演示摊铺机自动找平系统演示由检测传感器测出基层面实际高度并与标准高度进行比较，当偏差值达到一定的程度时，认为需要加以调整，这时由控制器发出指令，通过液压泵驱动找平液压缸使牵引大臂产生一定量的位移GPS定位导航演示(3)在其它方面的应用超声波测速演示超声波测速仪每隔一相等时间，发出一超声脉冲信号，每隔一段时间接收到一经汽车反射回的该超声脉冲信号，若汽车匀速行驶，则间隔时间相同，根据发出和接收到的信号间的时间间隔差和声速，测出被测汽车的速度。超声波检测示意图电容指纹识别演示(4)工业自动化中的应用

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。

在各种自动控制系统中，检测环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗

生产加工过程监测

切削力传感器

加工噪声传感器

超声波测距传感器

红外接近开关传感器等数字化工厂提高劳动生产率检测容器内的液位

检查轴承/滚珠是否脱漏

罐装生产流水线演示数字传感器在数控机床中的应用防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部

流程工业设备运行状态监控在电力、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漏检测扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统

产品质量测量

在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

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在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡+D/A卡软驱:速度,位置伺服计算机中的测试技术应用

检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等

汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。

底盘：控制变速器系统、悬挂系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、加速度、车速、测距、倒车雷达等检测技术在军事上的应用导弹动态瞄准演示检测技术在航天领域的应用火箭测控－－检测火箭状况、姿态、轨迹等

飞行器测控－－检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵

力传感器飞机模态分析美军研制的未来单兵作战武器---OICW夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20mm高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸