第1章湘潭大学传感器原理课件期末复习

授课老师:张勇联系方式-mail:zhangyong@工作单位:物理与光电工程学院传感器原理设计与应用2《传感器原理

设计与应用》

课程总体计划2、课程设计1、课堂教学3第一章：*传感器概述

第二章：*传感器的一般特性第三章：*弹性敏感元件第四章：*电阻应变式传感器第五章：*电容传感器第六章：*电感传感器第七章：*压电式传感器第八章：*磁电式传感器第九章：*热电式传感器一、课堂授课安排：共64个课时，平均每周4课时左右。第16周结束课程。《传感器原理设计与应用》课程计划4第十章：*光电式传感器第十一章：智能传感器第十二章：光导纤维传感器第十三章：*磁敏元件及其传感器第十四章：*气体传感器第十五章：*湿度传感器第十六章：*红外传感器第十七章：*固态压阻式传感器第十八章：新型传感器

总复习《传感器原理设计与应用》课程计划往年考试成绩统计6二、课程设计1、总体安排穿插在课堂授课过程中进行。结合课堂授课、实验动手，每组同学设计课程设计题目。2、预先给出的设计题目（1）温度传感报警器、热电偶温度采集器（9章热电传感器）（2）差动互感式位移传感器（6章电感传感器）（3）煤气、烟雾等气敏传感器报警器（14章气敏传感器）（4）防盗报警器（16章利用红外传感—热释电效应）（5）酒敏传感报警器（14章气敏传感器）7给出设计题目3-5个同学一组选题各班长统计各组名单自行设计题目组长清理所需元器件分发并登记元器件到各班以组为单位设计传感器电路实验调试交课程设计报告审核1个月内完成3、具体实施方法开题报告中期检查课程设计成品验收及报告撰写所需元件统计、模拟仿真、实验进展报告软件：程序编写硬件：元件采购硬件：硬件设计打酱油？？！！标定：数据分析9光敏传感器温度传感器磁、气、力敏传感器超声传感器CCD传感器101、刘迎春、叶湘滨.《传感器原理设计与应用》.国防科技大学出版社.2、单成祥.《传感器原理设计与应用》.国防工业出版社3、程守洙，江之永.《普通物理》.高等教育出版社4、王楚，汤俊雄.《光学》.北京出版社5、李金锷.《大学物理》.科学出版社6、杨经国，冉瑞江.《光电子技术》.四川大学出版社.7、李家泽、阎吉祥.《光电子学基础》.北京理工大学出版社8、《数学物理方程与特殊函数》9、童诗白.《模拟电子技术基础》.清华大学出版社10、雷肇隶.《光纤通信基础》.电子科技大学出版社11、王元庆.《新型传感器原理及应用》.机械工业出版社.200212、《半导体物理》参考教材11[1]传感器课程[2]仪表技术与传感器[3]传感器世界[4]中国传感器[5]传感器技术[6]21IC中国电子网[7]传感技术学报网[8]传感器资讯网参考网站12往届作品1314本章内容第一章传感器概述1.1传感器定义、组成与分类1.2传感器的发展与科学的发展1.3传感器的研究和发展方向1.4传感器物理定律基础1.5机电模拟15信息技术瓶颈技术传感器通信计算机传感器技术被我国列为国家重点攻关项目及中长期科技发展重点技术之一，信息工作提高到了国家战略的高度[1]。1.中共中央办公厅文件.中办发[2006]11号,《2006-2020年国家信息化发展战略》.2006年3月19日.

美国国防部也将传感器技术认为是目前20项关键技术之一。

日本也将传感器技术与计算机、通信、激光、半导体、超导并列为6大核心技术。

俄罗斯军事航天计划中也列有传感器技术的相关研发。信息既非物质也非能量，但它却是构成世界的要素。很多国家尤其是发达国家如今都在制定信息高速公路的发展计划。

信息化时代已经到来16

1.1传感器的定义、组成1、定义外界的信息眼耳鼻舌皮肤大脑肌肉执行被测物理量传感器执行器狭义地定义：能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件。所以原来许多教材叫“非电量检测”。电脑17国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：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。①传感器是测量装置，能完成检测任务；②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头V、I、F、P18在我们身边有很多传感器的例子：声控电灯触摸式开关电子称遥控开关条形码的读取红外自动洗手开关宾馆烟雾火光自动检测器自动电饭煲温度湿度监控器数码相机等等。192、传感器的组成图1-1-2敏感元件是直接感受被测量，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。被测物理量敏感元件转换元件信号调节电路传感器图1-1-220传感器的应用典型方框图

模拟传感器A/D转换器数字计算机D/A转换器模拟控制器b）控制系统传感器电子测量线路显示装置电源a）测量装置被测物理量传感器电子测量线路显示装置电源a）测量装置被测物理量21最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。热电偶压电加速度传感器压电加速度传感器结构示意图223、传感器的分类1、按输入量的分类压力传感器、位移传感器、湿度传感器、温度传感器。。。。2、按传感器工作原理分类应变式传感器、电阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器。。。。233、按能量转换关系分类4、按输出电量的形式分类模拟式传感器数字式传感器241、传感器技术的发展是随着科学的发展而发展古代人们用感觉器官来取得信息，借助于动物的特性来取得信息，犬、鸽等。借他们的气敏特点感知环境的气体。如：用鸽子感知毒性气体，用军犬感知人的气味破案等。但随着人类社会的进步，到现代那是远远不够的。因此代替感觉器官功能作为辅助器具的传感器就产生了。从16世纪开始，随着各种物理定律的不断出现，新型的传感器不断出现。如19世纪的电磁基础理论为法拉第进行巧妙的实验提供依据，而法拉第发现的物理定律又成为传感器的原理。（法拉第1791—1867，铁匠之子，1831年发现感应定律，即法拉第电磁定律）。1.2传感器的发展与科学的发展

现代工业生产

机器人

传感器系统包括

视觉:平面、立体

非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、…

计量测试红外测温

超声波测流量

电子汽车衡

医疗诊断

家用电器

遥控器

智能洗衣机

液化气烟雾报警器

智能建筑

智能建筑自动识别系统(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感应式门禁

过程控制纸品

木材烘干

芯片生产要求最高的湿度稳定性

精确的烟草烘干

纺织品

湿度传感器

环境监测

工程测量

上海卢浦大桥通车应力试验

35传感器的应用，几乎是无孔不入，不论在科技领域，工农业生产，人民生活，都得到大量的应用（如冰箱、空调、电饭锅、微波炉等）.科研等工作中的需要促使人们去研究传感器，发现新的传感器.反过来传感器会促进科研的发展，瓦特蒸汽机的发明就是利用了把回转速度转换成位移的传感器，发明了离心调速器。

2、反过来，传感器的发展也极大的促进了科学的发展36一、发展方向：

1、首先是改进和提高原有传感器的稳定性，提高灵敏度；2、发现新性能、新材料开发新型传感器；3、实现传感器的集成化、智能化、与计算机一体化二、研究方向：

1.3传感器的研究和发展方向开发新型传感器开发新材料

新工艺的采用集成化、多功能化智能化37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，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。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，世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。如超导材料（电磁传感器方面）、纳米材料特性等。1．开发新型传感器新型传感器包括：①采用新原理；②发现新现象；③仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。38多功能材料多功能一体化器件Focus材料信息获取技术信息储存技术信息处理技术信息传递技术信息显示技术

智能化

集成化

微型化下一代电子产品发展趋势多功能一体化微型化智能化传感器各种基础功能效应2．开发新材料39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。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而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。40在发展新型传感器中，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。该技术又称微机械加工技术，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。

3．新工艺的采用例如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，日本横河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、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。氧化、光刻、扩散、沉积注入、平面电子工艺、各向异性腐蚀、蒸镀、溅射薄膜工艺都可用于开发新的传感器。MEMS41TiO2photoelectric-gasdevice[1,2]

[1]H.Y.Liu,L.Gao,J.Am.Ceram.Soc.88(2005)1020.[2]J.Y.Park,S.J.Song,E.D.Wachsman,J.Am.Ceram.Soc.93(2010)1062.[3]W.J.Dong,etal.,ThinSolidFilms515(2007)8544.[4]H.Takao,etal.,Sens.ActuatorsA160(2010)69.PZTthinfilmsensorandactuator[3]Amultifunctionalintegratedsilicontactileimagerwitharraysofstrainandtemperaturesensors[4]42MEMS将微电机、微电路、微传感器、微执行器等微型装置和器件集成在硅片上。主要特点是：⑴微型化⑵以硅为主要材料。机械和电气性能优良，硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。⑶批量生产。用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置。⑷集成化。把不同功能的多个传感器执行器集成于一体⑸多学科交叉。涉及到微电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科43PreparationofPCSSdeviceFig.1.Schematicdiagramofelectrodespreparationprocess.Fig.2.ThemicrographofPtinterdigitalelectrodes.Electrodes

preparation441mm45

4．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。电子鼻等.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器元件复合在一起，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。465．智能化对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。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。如，DS18B20、传感器测量系统47传感器的基础是各种物理定律、化学定律、生物定律。也就是说所有传感器的原理都是以各种定律为基础的。归纳有以下几类定律：1.4传感器物理定律基础守恒定律:包括能量、动量、电荷量等守恒特性定律场的定律:动力场的运动定律、电磁场的感应定律等物质定律:虎克定律、欧姆定律、霍尔效应，压电效应统计定律:微观与宏观联系的物理法则。48上述效应和定律有助于我们对传感器工作原理本质的理解和对新效应传感器的开发。本书论述的范围内作为传感器工作的物理基础的基本定律，概括起来有以下四种类型：(1)守恒定律包括能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律，是我们探索、研制新型传感器时，或在分析、综合现有传感器时，都必须严格通守的基本法则。(2)场的定律包括动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的位置及分布状态有关。一般可由物理方程结出，这些方程可作为许多传感器的工作的数学模型。例如：利用静电场制成的电容式传感器；利用电磁感应定律制成的电感(自感或互感)式传感器等等。利用场的定律构成的传感器，可统称为“结构型传感器”。49(3)物质定律它是表示各种物质本身内在性质的定律(如虎克定律、欧姆定律)通常以这种物质所固有的物理常数加以描述。因此，这些常数的大小决定着传感器的主要性能。如：利用半导体物质法则—压阻、热阻、光阻、湿阻等效应，可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件；利用压电晶体物质法则—压电效应，可制成压电式传感器等等。这种基于物质定律的传感器，可统称为“物性型传感器”。这是当代传感器技术领域中具有广阔发展前景的传感器。(4)统计法则它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。这些法则，常常与传感器的工作状态有关，它是分析某些传感器的理论基础。这些方面的研究尚待进一步深入。50要讨论的问题包括：A）什么是机电模拟B）为什么要讲机电模拟C）机电模拟举列D）结论

1.5机电模拟5151如图所示：在机械系统中，除了激励力f外，作用在质量块m上的力还有：

⑴、惯性力：

⑵、阻尼力：⑶、弹簧力：总方程：5253相似不仅存在于几何空间现象中，而且也存在于不同物理现象之间。由于电路中用来描述电参量的数字表达式与线性机械系统中的表达式两者极其相似。尽管微分方程的解所代表的物理含义不同，但其解的数学形式不依赖于方程所代表的物理系统，因此任何物理系统对给定激励函数的响应特性也是相同的。定义：能用同一类型的微分方程描述的不同系统称为相似系统。1、什么是机电模拟542、为什么要讲机电模拟将复杂的机械系统变成便于分析系统状态的电路图和符号。只要确定了相似的电系统的电路图和参数，就可以充分利用电路的理论等开分析机械系统。此外，电系统的电路元件易于更换，测量电压、电流都较容易，这为模拟和实验提供了变量55在机械力学系统与等效电路微分方程相似的基础上其模拟方案可有多种。对应量模拟关系是：力---电压，力---电流。1）、力---电压模拟：①微分方程：

如图所示：在机械系统中，除了激励力f外，作用在质量块m上的力还有：⑴、惯性力：

⑵、阻尼力：⑶、弹簧力：总方程：3、机电模拟举列：56由此可见两系统的物理性质不同，但有相同的数学模型。即有相似的运动规律。对应关系为：57这种相似方法的特点是：⑴、机械系统的一个质点用一个串联回路去模拟；⑵、机械系统质点上的激励力用串联电路的激励电压模拟。所有与机械系统的一个质点连接的机械元件（m.c.k）与串联回路的各电器元件（L，R，C）相模拟。58例：为了测量结构物的振动速度Vx

（相对于大地）常将磁电式传感器固定在结构物上如图（1-5-3）（a）所示。传感器外壳质量为m2，通过C2、K2与结构物相连，传感器的质量块m1通过C1、K1与外壳m2相连。因此有两个质点，而结构物的速度作为传感器的输入量，将不必考虑结构物这个质点。图(1-5-3)（a）59因此对应相似电路就应具有两个回路。如图(1-5-3)(b)，机械系统的输入速度Vx对应于该模拟电路的输入电流，K2或C2两端的相对速度V2

是输入速度Vx与质量m2相对于大地的速度Vm2之差V2=Vx-Vm2。由质量m2所决定的电路M2中的模拟元件包括与质量m2相接的所有元件是C2、K2、C1、K1、m2、同样在弹簧K1

或C1两端中m2相对m1的相对速度V1为V1=Vm2-Vm1，Vm1为质量m1相对于大地的速度。模拟m1这一质点的串联回路元件应包括C1、K1、m1三个元件，回路为M1。由于C1、K1同时与m1相连，则他们是两个回路的公共部分，这样就很容易画出模拟电路。

(a)

(b)图(1-5-3)60为了便于计算，在模拟电路中的电阻、电容、电感可直接用机械参量表示。质量相对于大地的速度将由相应的电感元件中的电流来模拟。当关心的输出的是质量对的相对速度时，则应取作为输出，显然它是模拟电路中的电流的负值。当研究输出速度的响应特性时，就只需研究中的响应电流即可。以上电系统通过变量模拟了机械系统的跨越变量速度V，因而形成了用