检测与传感技术-01

检测与传感技术主讲:李金城ZhengzhouUniversityofLightIndustryDepartmentofElectrical&InformationEngineeringTelmail:0431hehe@163.com1教材：传感器原理及应用主编：郭爱芳西安电子科技大学出版社2007年5月第一版ISBN978-7-5606-1824-1教材情况2023/1/152《传感器原理及应用》程德福主编

机械工业出版社2009年1月第一版《传感器技术》陈建元主编

机械工业出版社2008年10月第一版《传感器及应用》牛永奎主编

清华大学出版社2009年1月第一版建议参考书籍2023/1/153本课程的特点和任务

“检测与传感技术”课程主要讲授把各种几何量、机械量、热工量以及其他有关量转换成电量的各种传感器(包括基本转换电路)。

本课程的主要任务是：

①掌握各类传感器的基本理论；②掌握几何量、机械量、热工量等有关量测量中常用的各种传感器的工作原理、主要性能及其特点；③掌握各种传感器的典型应用，能合理地选择和使用传感器；④了解传感器发展动向及最新研究成果。2023/1/154检测与传感技术是一门理论性与实践性都很强的专业基础课，涉及的基础理论和实际知识面广，是自动控制理论、自动控制系统、材料工程、电气测量技术、电路理论等学科知识的综合，所以理论性较强。同学们在掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能，因此实践性也较强。鉴于以上原因，为学好检测与传感技术这门课，学习时应注意以下几点：本课程的特点2023/1/155要抓主要矛盾，忽略一些次要因素，抓住问题的本质。要抓住重点，即应牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。要有良好的学习方法，可运用对比的学习方法，找出各种传感器共性和特点，加深对各种传感器和原理的理解。学习时要理论联系实际，重视实验与实践。本课程的学习方法2023/1/156认真听课，充分利用课堂时间。按时独立完成作业。要有良好的学习方法，可运用对比的学习方法，找出各种传感器共性和特点，加深对各种传感器和原理的理解。学习时要理论联系实际，重视实验与实践。学习要求2023/1/157第1章传感器概述8传感器概述1.1传感器的定义与作用1.2传感器的组成及分类1.3传感器的发展趋势2023/1/159在科学技术高度发达的现代社会中，获取自然界的信息已成为几乎所有自然科学与工程技术领域的共同要求。随着人类活动领域的扩大和探索过程的深化，传感器技术已经成为基础科学研究与现代信息技术相融合的新领域，它汇集和包括了多种学科的成果，是人类探索自然界信息、实现测量和控制的首要环节。2023/1/15101.1传感器的定义与作用传感器技术现代通信技术计算机技术现代信息技术2023/1/1511传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。应用领域所占比例％应用领域所占比例％机械制造设备18．1环保气象安全10家用电器13．9信息处理与通讯8科学仪器仪表11．7汽车7．3表1.1传感器市场结构2023/1/1512什么是传感器？电子称

烟雾报警器

摄像机

2023/1/1513思考1：夏季买西瓜的时候，你会怎样挑选呢？传感器实质上就是代替人的五种感觉（视、嗅、听、味、触）器官的装置。能感受被测量并将它转换成可用信号输出的器件。有时候传感器又叫探测器、换能器等。2023/1/1514传感器就在你我身边！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；城市交通自动拍照系统。2023/1/1515思考2洗澡前用手试试水温，我们能够大概知道水的温度需要怎样调节才合适，那么通过传感器检测的非电量，我们怎么才能知道其结果呢？

2023/1/1516传感器直接作用于被测量，并按一定规律转换成电量输出；中间变换器将传感器输出的电量转换成便于传输、显示和记录的电信号；显示记录装置将中间变换器的输出转换成人的感官能接受的信号。传感器非电量中间转换器电量显示记录装置电量2023/1/1517思考3：传感器都应用在哪些领域呢？

传感器在工业检测、自动控制系统中传感器与智能楼宇传感器与汽车传感器与家用电器传感器在机器人上的应用

传感器在医疗及人体医学上的应用

传感器与环境保护传感器与航空及航天传感器与遥感技术2023/1/1518传感器与智能楼宇2023/1/1519汽车与传感器2023/1/1520ABS2023/1/1521ETC2023/1/1522汽车中的传感器已不只局限于对行驶速度、行驶距离和发动机旋转速度的监控。安全监控：如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等都得到了实际应用。

2023/1/1523传感器与家用电器2023/1/1524未来的家庭将由作为中央控制装置的微型计算机，通过各种传感器代替人监视家庭的各种状态，并通过控制设备进行着各种控制。

安全监视与报警、空调及照明控制、耗能控制、太阳光自动跟踪、家务劳动自动化及人身健康管理等。2023/1/1525传感器在机器人上的应用2023/1/1526日本本田公司推出经过改进的机器人“ASIM”。这种能用双腿直立的机器人相当聪明，人手指到哪里，它就走到哪里，遇到人的时候会主动向人打招呼，并能和主人流利地对话。

2023/1/1527PLAY世界最先进的梦幻机器人组合——来自日本SONY公司的7位双足娱乐型机器人“QRIO”。这7位机器人身高60厘米，体重7公斤。虽然身材不那么高大，但却举世闻名。其中四位歌舞表演堪称一绝。下面是其中四个“舞者”来北京演出时的场面：

2023/1/15282003年9月16日，索尼公司在日本东京推出最新型的爱宝机器狗。生产厂商称，这款型号为ERS－7的爱宝机器狗体现了智能宠物发展的先进水平。2023/1/1529水下机器人，它的工作方式是：由水面母船上的工作人员，通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声呐等专用设备进行观察，还能通过机械手，进行水下作业。2023/1/1530在劳动强度大或危险作业的场所，已逐步使用机器人取代人的工作。一些高速度、高精度的工作，由机器人来承担也是非常合适的。要使机器人和人的功能更为接近，这就要给机器人安装视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动感觉和重量感觉。2023/1/1531传感器在医学上的应用可以对人体的表面和内部温度、血压、腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉搏及心音、心脑电波等进行高难度的诊断。在早期诊断、早期治疗、远距离诊断及人工器官的研制等广泛的范围内发挥作用。

2023/1/1532传感器与环境保护2023/1/15332023/1/1534环球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。

2023/1/1535传感器与航空及航天使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量。飞行的方向，飞行姿态、飞行环境、飞行器本身的状态及内部设备的监控也都要通过传感器进行检测。

2023/1/1536传感器与遥感技术从飞机、人造卫星、宇宙飞船及船舶上对远距离的广大区域的被测物体及其状态进行大规模探测的一门技术。图为在卫星上通过遥感技术拍摄的美国空军基地。

2023/1/1537思考4：未来世界会有什么样的传感器呢？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（自动显示、记录公路的压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）……2023/1/1538传感器的定义传感器是一种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或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。2023/1/1539传感器作为测量与控制系统的首要环节，必须具有快速、准确、可靠且又能经济地实现信息转换的基本特点，一般应满足一些必要的条件：输出信号与被测量之间具有唯一确定的因果关系，是被测量的单值函数；输出信号能够与电子系统、信号处理系统或光学系统匹配，适于传输、转换、处理和显示。2023/1/1540具有尽可能宽的动态范围，良好的响应特性、足够高的分辨率和信号噪声比；对被测量的干扰尽可能小，尽可能不消耗被测系统的能量，不改变被测系统的能量，不改变被测系统原有的状态；性能稳定可靠，不受被测量参数因素的影响，抗外界干扰能力强；2023/1/1541便于加工制造，具有可互换性；适应性强，具有一定的过载能力；成本低，寿命长，使用维修方便等。2023/1/1542传感器的作用传感器是人类感知自然界信息的触角，通过传感器可以探索人的感觉器官无法感知的信息。例如，传感器不仅可以检测人无法忍受的高温，高压，辐射等恶劣环境，而且还能检测出体感官不能感知的高频，微电磁场，射线等各种信息。2023/1/1543传感器位于被测量与测控系统的接口位置，是感知，获取与检测自然界信息的窗口，是现代测量技术，自动控制技术的重要基础，如果没有可靠的传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，所有的测量与控制都无法实现。传感器到底有多么重要？2023/1/1544神州飞船上使用了大量先进的传感器。2023/1/1545阿波罗10号飞船登月舱共用了3295个传感器。2023/1/1546宇航服里采用了近千个先进的传感器2023/1/1547NMD计划因为传感器故障在2001年两次试验均告失败。2023/1/1548发现号航天飞机因为四个引擎传感器故障几次推迟发射。2023/1/15492023/1/1550人体腔道诊疗微系统2023/1/1551亚洲大肠胶囊内视镜检查Pillcam大肠胶囊内视镜，病人只需吐下一粒药丸大小的镜头，就可无创接受大肠检查。敏感度最高单气囊小肠内视镜系统2023/1/1552可见传感器是科学技术迅速发展、人类生存环境发生改变以及向未来空间拓展的关键基础部件，传感器技术早已渗透到工业、农业、交通运输、环境保护、资源开发、生物工程、医疗卫生、家用电器、宇宙探索、海洋探测等及其广泛的领域。归纳起来传感器应具有以下作用：2023/1/15531、信息采集现代信息技术信息采集信息传输信息处理传感器通信技术计算机技术2023/1/15542、诊断与报警传感器对所需要的信息进行采集，然后对系统或装置的某种状态进行监测判断，若发现异常情况，就发出警告信息并启动保护电路，这样就对系统或装置进行安全管理。2023/1/15553、检测与控制在现代化工业生产中，随着生产过程自动化程度的提高，传感器已经成为实现检测与控制的关键部件，如果没有传感器对生产过程的各个参数进行检测与控制，生产设备将无法达到最佳工作状态，产品质量将无法保证。2023/1/1556总之，传感器技术是一项与现代技术密切相关的尖端技术，世界上各个国家都把传感器技术作为本国科技战略的重要组成部分。传感器技术已经完全融入我们的生活。21世纪是传感技术飞速发展的时代。2023/1/15571.2传感器的组成与分类辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。2023/1/1558传感器的敏感元件与转换元件之间并无严格的界限，有些传感器简单，有些复杂。最简单的传感器只有一个敏感元件，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，如应变式压力传感器由弹性膜片和电阻应变片组成。2023/1/1559有些传感器不止一个转换元件，如应变式密度传感器，由浮子、悬梁臂和电阻应变片组成。如图所示：2023/1/1560传感器的分类传感器技术是一项知识密集型技术，与很多学科有关。现已发展起来的传感器用途广泛，原理各异，形势多样，种类繁多。对同一个被测量可以用不同的传感器来测量，而利用同一原理设计的传感器又可以测量多种被测量。因此，传感器的分类方法也不尽相同，目前主要采用的分类方式有以下几种：2023/1/15611、按工作原理分类物理型传感器传感器化学型传感器生物型传感器结构型传感器物性型传感器2023/1/1562（1）物理型传感器物理型传感器是利用某些敏感元件的物理结构或某些功能材料的物理特性及效应制成的传感器。例如：电阻应变片；压阻式传感器等。物理型传感器又分为结构型传感器和物性型传感器。2023/1/1563结构型传感器是基于某种敏感元件的结构形状或几何尺寸的变化来感受被测量，并转换成可用信号的传感器。例如：电容式压力传感器。物性型传感器是利用某些功能材料本身具有的内在特性及效应来感受被测量，并转换成可用信号的传感器。例如：压电式压力传感器。2023/1/1564（2）化学型传感器化学型传感器是利用电化学反应原理，将各种化学物质（如电解质、化合物、分子、离子）的状态、成分、浓度等转换成可用信号的传感器。例如：离子敏感传感器。2023/1/1565（3）生物型传感器生物型传感器是利用生物反应（酶反应、微生物反应、免疫学反应等）原理，将生物体内的葡萄糖、DNA等转换成可用信号的传感器。例如：葡萄糖酶传感器等。2023/1/15662、按能量转换关系分类能量控制型传感器能量转换型传感器传感器2023/1/1567（1）能量控制型传感器能量控制型传感器先将被测量转换成电参量（电阻、电感、电容等）的变化，再依靠外部辅助电源将电参量的变化转换成电能输出，并且由被测量控制输出电能的变化。例如：电阻式应变传感器等。2023/1/1568（2）能量转换型传感器能量转换型传感器直接将被测量转换成电能输出。例如：压电式、磁电式，热电偶，太阳能电池等。2023/1/15693、按输出信号分类模拟型