传感器技术0-绪论-中英对照

Sensor/TransducerTechnology

传感器技术Instructor:Dr.JinboFu(符金波)Ph.D.ofMechanicalEngineering,PennStateUniv.,USAM.S.ofElectricalEngineering,PennStateUniv.,USAM.S.ofMechanicalEngineering,PennStateUniv.,USAM.E.ofPrecisionInstrument,TsinghuaUniv.,PRCB.E.ofPrecisionInstrument,TsinghuaUniv.,PRCOfficeAddress:Room528,CentralBuildingTel Email:fjb@Tipsforthisclass

课程注意事项Prerequisites课程必备条件WiderangeofknowledgeinPhysics,Mechanics,Electronics,Machinery,Optics,etc.物理、力学、电子学、机械、光学等等广泛的知识

Goodattitude&alittledevotion好的态度+一点投入Somerulesofthisclass本课的一些规定Ruleofabsence缺课的规定

allow1absencew/priornotice允许事先请假缺课一次Ruleofhomework家庭作业的规定

homeworkisdueinclassaweekfromtheassignment

家庭作业布置一周后在课堂上提交

Ruleofclassinteraction课堂互动

pleaseraiseyourhand,speakloudandclearinEnglishorChinese

请先举手，然后用英文或中文大声回答Chapter0:Preface绪论1.2传感器的作用和重要性Functionsandimportanceofsensor0.10.20.30.4传感器的定义和组成Definitionandcompositionofsensor传感器的分类和要求Classificationandrequirementsofsensor传感器开发的新趋势NewtrendanddirectionofsensorR&DThedefinitionofsensor传感器的定义广义定义Definitioninbroadsense：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件(device)或装置(apparatus)。

狭义定义Definitioninnarrowsense

：将外界的输入信号变换为电信号的一类元件(element)。传感器来自外界的信号电信号传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系(determinatecorrespondence)的、便于应用的某种物理量的测量装置(measuringdevice)。其包含一下几个方面的意思：传感器是测量装置，能完成检测任务它的输入量input是某一被测量(measurand)，可能是物理量(physicalquantity)，也可能是化学量(chemicalquantity)、生物量(biologicalquantity)等输出量output是某种物理量，这种量要便于传输transmit、转换convert、处理process、显示display等，这种量可以是气、光、电，但主要是电量electricquantity。输入输出有对应关系，且应有一定的精确度accuracy。Thedefinitionofsensor传感器的定义Basiclawsandrules基本定律和法则守恒定律(Lawsofconservation)

能量energy守恒、动量momentum守恒、电荷量electriccharge守恒场的定律(Lawsoffield)

利用场的定律构成的传感器，其形状shape、尺寸size(结构structure)决定了传感器的量程range、灵敏度sensitivity等主要性能，故此类传感器可统称为“结构型传感器”(structuretypesensors)物质定律(Lawsofphysicalmatter)

基于物质定律的传感器可统称为“物性型传感器”(physicalpropertytypesensors)统计法则(Rulesofstatistics)

统计法则把微观系统Microsystems与宏观系统Macrosystems联系起来Thecompositionofsensor传感器的组成可用电量被测量

敏感元件转化元件测量电路传感器一般由敏感元件(Sensingelement)和转换元件(Transductionelement)组成：敏感元件(Sensingelement)：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(Transductionelement)

：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。测量（转换）电路(Measurement/conversioncircuit)

：将转换电路参数接入测量转换电路，便可转换成电量输出。Thecompositionofsensor传感器的组成有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量。如热电偶thermocouple。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有测量转换电路。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。Thecompositionofsensor传感器的组成Theclassificationofsensors传感器的分类传感器种类variety繁多，目前常用的分类有两种：

以被测量来分(basedonmeasurements)以传感器的原理来分(basedonprinciples)被测量类别被

测

量热工量Quantityofthermalengineering

温度temperature、热量quantityofheat、比热specificheat、压力pressure、压差differentialpressure、真空度vacuumdegree、流量volumeofflow、流速velocityofflow、风速airspeed机械量Quantityofmechanicalengineering位移displacement（线linear位移、角angular位移）、尺寸size、形状shape；力force、力矩torque、应力stress、重量weight、质量mass、转速speedofrotation、线速度linearvelocity；振动幅度amplitudeofvibration、频率frequency、加速度acceleration、噪声noice按被测量来分类Theclassificationofsensor传感器的分类按被测量来分类被测量类别被

测

量物性和成分量Physicalproperties&compositions气体化学成分chemicalcompositionofgas、液体化学成分chemicalcompositionofliquid；酸碱度（PH值）、盐度salinity、浓度concentration、粘度viscocity、密度density、比重specificgravity状态量Quantityofstate颜色color、透明度clarity、磨损量amountofwear、材料内部裂缝或缺陷internalfracturesordefects、气体泄漏airleak、表面质量surfacequalityTheclassificationofsensor传感器的分类按传感器原理来分类电阻式resistive，光电式photoelectric（红外式infrared、光导纤维式opticalfiber），电感式inductive，谐振式resonant，电容式capacitive，霍尔式hall（磁式magnetic），阻抗式impedance（电涡流式eddycurrent），超声式ultrasonic，磁电式electromagnetic，同位素式isotopic，热电式electrothermic，电化学式electrochemical，压电式piezoelectric，微波式microwaveThepurposesofclassification分类的目的了解各类传感器的工作原理(principles)、主要性能(performance)及其特点(characteristics)、应用(applications)。合理地正确地选择和使用传感器(reasonablyandproperlyselectandusesensors)

。了解常用传感器的工程设计方法(engineeringdesignmethods)和掌握常用传感器的试验研究方法(experimentandstudyingapproaches)。了解传感器地发展方向(directionsoffuturedevelopment)等。Requirementsofsensors传感器的要求足够的容量(sufficientcapacity)—传感器的工作范围或量程(range)足够大，具有一定的过载能力(overloadcapacity)。灵敏度高，精度适当(highsensitivityandappropriateaccuracy)—即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应staticresponse与动态响应的准确度能满足要求。

响应速度快(fastresponse)，工作稳定(stableperformance)，可靠性好(goodreliability)使用性和适应性强(easytouseandeasytoadapt)—体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出尽量采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济(economictouse)—成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准(calibrate)。传感器的地位和作用身体与机器的对应关系HumanbodyVsMachine传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段Sensorsaremajorchannelsandmeanstocollectinfo.fromthenatureThefunctionsofsensor传感器的作用传感器实际上是一种功能块(functionmodule)，其作用是将来自外界的external各种信号转换成电信号(electricsignal)。传感器所检测的信号近来显著地significantly增加，因而其品种variety也极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测detect

、控制control，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大(amplify)、反馈(feedback)、滤波(filter)、微分(differentiate)、存贮(store)、远距离操作(remoteoperate)等。Theimportanceofsensor传感器的重要性作为人脑(humanbrain)的一种模仿(imitation)，电子计算机的发展极为迅速，可是起感觉(sensation)模仿作用的传感器却发展很慢，因而如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会要求传感器(sensor)、电子计算机(computer)和执行器(actuator)三者都能相互协调(coordinate)才行。这样，传感器就成了现代科学的中枢神经系统(centralnervesystem)，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势(inevitabletrend)。没有传感器就没有支撑人类现代文明(moderncivilization)的科学技术，谁掌握最先进的传感器技术谁就支配未来的科技发展。Theapplicationsofsensor传感器的应用传感器技术在工业自动化(Industrialautomation)、军事国防(Military&Defense)和以宇宙探索(Spaceexploration)、海洋开发(Oceanexploitation)为代表的尖端(frontier)科学与工程等重要领域有广泛应用(extensiveapplications)。同时，它正以自己的巨大潜力(potential)，向着与人们生活密切相关的方面渗透(infiltrate)；生物工程(Bio-engineering)、医疗卫生(Medicalcare)、环境保护(Environmentalprotection)、安全防范(Securityenforcement)、家用电器(Householdappliances)、网络家居(Networkhousing)等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。NewtrendsofsensorR&D传感器开发的新趋势传感器需求的新动向社会需求(socialdemand)是传感器技术发展的强大动力(drivingforce)。随着现代科学技术，特别是微电子(micro-electronics)技术和信息产业(IT)的飞速发展，以及“电脑”的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出，一股竞相开发和应用传感器的热潮已在世界范围内掀起。NewtrendsofsensorR&D传感器开发的新趋势“电五官electricsenseorgans”落后于“电脑electricbrain”的现状，已成为微型计算机(micro-computer)进一步开发和应用的一大障碍(obstacle)许多有竞争力的(competitive)新产品开发和卓有成效的(effective)技术改造，都离不开传感器传感器的应用直接带来了明显的经济效益(economicbenefits)和社会效益(socialbenefits)传感器普及于社会各个领域，将造成良好的市场前景(prospectofmarketing)NewtrendsofsensorR&D传感器开发的新趋势传感器的应用领域和需求量NewtrendsofsensorR&D传感器开发的新趋势传感器的发展趋势，大致分为如下四个方面：发现新效应(neweffects)，开发新材料(newmaterials)、新功能(newfunctions)。集成化(integrated)，多功能化(multi-functional)，微型化(miniaturized)。数字化(digital)，智能化(intelligent)，网络化(networked)-智能传感器(intelligentsensors)向未开发的领域挑战—生物传感器(Bio-sensors)。NewtrendsforsensorR&D传感器开发的新趋势发现新效应(neweffects)，开发新材料(newmaterials)

、新功能(newfunctions)新效应的发现是新敏感材料开发的重要途径(importantchannel)，而新的敏感材料的开发是新型传感器问世的重要基础(keyfoundation)。探索(explore)已知材料的新功能与开发新功能材料对研制新型传感器来说同样重要。NewtrendsforsensorR&D传感器开发的新趋势集成化(integrated)，多功能化(multi-functional)，微型化(miniaturized)积极应用半导体(semiconductor)集成电路(integratecircuit-IC)技术及其开发思想将多个或多种传感器集成制造在同一个芯片(chip)上。微米/纳米技术(Micro/Nanotechnology)的问世和微机械加工技术的出现为微型传感器(Micro-transducer)的研制铺平了道路。NewtrendsforsensorR&D传感器开发的新趋势数字化(digital)，智能化(intelligent)，网络化(networked)智能传感器(SmartSensors)具有判断能力、学习能力的传感器

智能传感器大致分为如下三种：具有判断力的敏感装置具有学习能力的敏感装置具有创造能力的敏感装置NewtrendsforsensorR&D传感器开发的新趋势同一般传感器相比，智能式传感器有以下几个显著特点：精度高

highprecision稳定、可靠性好stableandreliable检测与处理方便

easytotestandprocess功能广

widerangeoffunctions性价比高

goodperformancepriceratio

NewtrendsforsensorR&D传感器开发的新趋势从构成上看，智能式传感器是一个典型的以微处理器(micro-processor)为核心的计算机检测系统(detectionsystem)

。NewtrendsforsensorR&D传感器开发的新趋势智能传感器精度高

：

由于智能式传感器具有信息处理的功能，因此通过软件不仅可以修正各种确定性系统误差(knownsystemerror)(如传感器输入输出的非线性误差、温度误差、零点误差、正反行程误差等)，而且还可以适当地补偿(compensate)随机误差(randomerror)

，降低噪声，从而使传感器的精度大大提高。稳定、可靠性好：

它具有自诊断selfdiagnosis、自校正selfcorrection和