第1章 传感器概述

1、传感器原理及应用,第1章概述,被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大类。非电量信息早期多用非电量的方法测量。较传统的传感器可以完成从非电量到非电量的转换，但无法实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自动检测与控制。随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远距离测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法。今后我们讨论的都是以电量为输出的传感器。,各种传感器其输出信号的形式因传感器而异。如热电偶、pH电极等以直流电压形式输出；热敏电阻、应变计、半导体气体传感器输出为电阻，无论传感器的输出形式如何，测量的输出信号必须转化为电压、电流或

2、数字量中的一种。信号检测系统就是将传感器接收信号通过信号转换、放大、解调、A/D转换得到所希望的输出信号。这是基本检测系统中使用的共同技术。,主要内容：1.1什么是传感器1.2传感器的作用和地位1.3传感器现状和国内外发展趋势1.4检测系统的组成原理1.5传感器的定义、组成和分类方法,传感器原理及应用,第1章传感器概述,传感器原理及应用,第1章传感器概述,在我们现代生活中，使用着各种各样的传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器;抽油烟机中的煤气泄漏传感器;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等等，不胜枚举。,1.1什么是传感器,传感器不仅

3、给我们的生活带来许多便利和帮助，也为人类的社会文明提供更多更科学的物质条件。,传感器原理及应用,第1章传感器概述,1.1什么是传感器,电视机遥控器,空调、电冰箱,麦克风,电子秤,传感器原理及应用,1.1什么是传感器,眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）,感知外界信息大脑肌体,第1章传感器概述,人体系统和机器系统比较,传感器原理及应用,第1章传感器概述,1.1什么是传感器,如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器又是人体感官的延长，有人又称传感器为“电五官”，作为替代补充人的感觉器官功能，传感器为我们人类客观的、定量的认

4、识世界起到重要作用。,传感器原理及应用,第1章传感器概述,对于各种各样的被测量，有着各种各样的传感器。下面请看几个传感器应用实例:,1.1什么是传感器,机械式弹簧压力表,智能远程数字压力表,传感器原理及应用,第1章传感器概述,传感器原理及应用,第1章传感器概述,对于各种各样的被测量，有着各种各样的传感器。下面请看几个传感器应用实例:,1.1什么是传感器,机械式弹簧压力表,超声波检测车身位置,传感器原理及应用,第1章传感器概述,动画按扭,传感器原理及应用,第1章传感器概述,动画按扭,液位监测,传感器原理及应用,第1章传感器概述,物位监测,物位、液位监测,控制进料出料,传感器原理及应用,第1章传感

5、器概述,汽车车速监测,动画按扭,高分子压电材料测速,传感器原理及应用,第1章传感器概述,车胎压力监测,动画按扭,传感器是能够感受被测量变化，并将其转换为其它物理量的器件。从广义的角度来说，感知信号的检出器件和传输信号处理部分总称为传感器。,传感器原理及应用,第1章传感器概述,1.2传感器技术的作用和地位,世界已经进入信息时代构成现代信息技术的三大支柱是：传感器技术（信息采集）；通信技术（信息传输）；计算机技术（信息处理）；它们在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。我们在利用信息的过程中首先要获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。,传感器原理及应用,1.2传感

6、器技术的作用和地位,第1章传感器概述,传感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所起的作用大的多,这几乎是无可争议的事实。,今天传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，除用于工业、农业、商业外，更广泛用于交通、医疗诊断、军事科研、航空航天、自动化生产、环境监测、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。目前，传感器技术已经成为构建现代信息系统的重要组成部分。,不同应用领域中传感器的作用,传感器原理及应用,第1章传感器概述,现代工业生产-基本由计算机控制,传感器原理及应用,第1章传感器概述,湿度测量应用领域,湿度传感器,现代工业生产-过程控制,传感器原理及应用,第1章传感器概述,电子汽车衡,计

7、量测试电子秤、温度计、湿度计、速度计、流量计等，各种衡器和计量仪器的检测水平与传感器密切相关。,超声波测流量,红外测温,电子秤,传感器原理及应用,第1章传感器概述,医疗诊断现代医疗设备都是利用最先进的传感技术，如：B超、CT、X光机、核磁共振、心电图脑电图、数字式病理分析、体液分析等等。,第1章传感器概述,1.2传感器技术的作用和地位,今天越来越多的传感器和微控制系统广泛地应用于家用电器中，目前构成家用电器总生产成本的几个因素有：机体结构占总成本的2550%；电子器件和电源约占30%；执行器（电机、压缩机等）约占20%；传感器占15%20%以上。,家用电器,传感器原理及应用,第1章传感器概述,

8、1.2传感器技术的作用和地位,传感器原理及应用,一台洗衣机的基本功能主要有：搅动；进水、出水；温度控制；时间控制；洗涤剂分配；水和泡沫监控；烘干（湿度控制）；编排次序（程序设计）；操作面板、显示技术（PC接口）,家用电器,第1章传感器概述,1.2传感器技术的作用和地位,（1）洗衣机中的传感器：温度NTC（热敏电阻）湿度湿敏元件旋转转速计液位压力传感器质量电感传感器失衡转速计、压力传感器水的泡沫浊度（红外）水的硬度电导率洗涤液分配条码芯片,传感器原理及应用,第1章传感器概述,洗衣机的基本功能,搅动：目前在可以控制的AC或DC电动机中，使用一个转速传感器来测量速度；水摄入量，水位：水位测量是利用压

9、力测量的原理来实现的，功能只作为单纯的限位器。温度控制：亚洲洗衣机都使用冷水，不安装温度传感器。另一类装有冷水和热水管，美国使用较普遍。通过NTC传感器精确控制温度，保证洗涤效果。洗涤剂分配：洗涤剂通过专用分配器加入洗衣机。德国自动配量系统的复杂解决方案引起高额购买费用，其它（如欧洲）机型的洗涤剂分配解决方案都没有得到市场认可，也是电子设备另一领域的应用。有人提出用条形码或芯片卡分配机器可读指令。,传感器原理及应用,第1章传感器概述,水和泡沫监控：水的硬度与洗涤剂分配有关，水的硬度测量是利用测量电导率的传感器来实现的。由于水中的盐类影响，测量结果还不够精确。泡沫也是可以测量的，近年来使用相对便

10、宜的红外线传感器，通过记录红外光的衰减进行泡沫浑浊度测量。但是，这一领域的最大进步还未到来。,浑浊度传感器测量泡沫质量的工作原理,传感器原理及应用,洗衣机的基本功能,第1章传感器概述,1.2传感器技术的作用和地位,汽车传感器,温度、湿度传感器（空调）；转速传感器（速度）；位置（曲轴、凸轮）霍尔传感器；气体传感器（氧）；卫星自动定位系统（GPS，导航传感器）；爆震传感器；里程表传感器；,传感器原理及应用,GPS导航,第1章传感器概述,汽车传感器,传感器原理及应用,速度、转速,加速度,温度,液位,接近传感器,里程,第1章传感器概述,汽车传感器,传感器原理及应用,传感器原理及应用,1.2传感器技术的

11、作用和地位,第1章传感器概述,传感器作用（1）测量与数据采集（2）检测与控制（3）诊断与监测（4）辅助观测仪器（5）资源探测（6）环境保护（7）医疗卫生（8）家用电器,下面请看短片传感器,传感器原理及应用,1.3传感器现状和国内外发展趋势,第1章传感器概述,传感器现状据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和开发，研发机构6000余家。其中以美、日、俄等国实力较强，他们建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。近几年中国的传感器年度销售平均增长达到39%。中国和亚太地区传感器市场如此快速的增长也预示着巨大的商业

12、发展机遇。可靠性高的传感器和低成本的传感器的大规模生产技术正变得极其重要。,传感器原理及应用,1.3传感器现状和国内外发展趋势,第1章传感器概述,我国的传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。目前控制系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传感器在智能化和网络方面的落后。,传感器原理及应用,1.3传感器现状和国内外发展趋势,第1章传感器概述,传感器发展趋势传感器的历史远比近代科学来

13、得古老，如天平古代埃及就开始使用；在16世纪前后已经实现利用液体热膨胀进行温度测量；20世纪70年代以来主要以电量为输出的传感器得到飞速发展，几十年来传感技术的发展分为两个方面：1.寻找新原理、新材料、新工艺。2.为改善传感器性能采用多种技术途径：差动技术；平均技术；补偿修正技术；隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。,传感器原理及应用,1.3传感器现状和国内外发展趋势,第1章传感器概述,目前传感器总的发展趋势是：（1）发现、利用新的效应（磁光、压阻）；（2）开发新材料（光纤、PVC、稀土）；（3）提高传感器性能和检测范围；（4）微型化与微功耗（微米、微安、毫克）；（5）集成化与多功能化；（6）传感

14、器智能化（自校、自诊断、自补偿、存储、数字输出）；（7）传感器的数字化和网络化。,传感器原理及应用,第1章传感器概述,1.4检测系统的组成原理,微型计算机出现后形成崭新的微机自动化测试系统;如单片微机系统可对采集的数据进行处理，并提供显示和记录同时，也对整个测试过程进行控制。,典型微机测试系统,传感器原理及应用,第1章传感器概述,1.4检测系统的组成原理,自动控制系统为闭环系统，不仅完成检测仪器的输出，还用以送控制器调节控制，或送至计算机作进一步处理。所以现代传感技术是自动检测和自动控制系统以及机电一体化的第一基础。,空调为闭环控制系统,传感器原理及应用,第1章传感器概述,1.4检测系统的组成

15、原理,工控微机测试系统接口,传感器原理及应用,第1章传感器概述,1.4检测系统的组成原理,动画按扭,自动检测系统实例,传感器原理及应用,1.5传感器的定义、组成和分类方法,第1章传感器概述,广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准（GB766587）对传感器（Sensor/Transducer）定义是：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和装置,（1）传感器定义,传感器原理及应用,第1章传感器概述,定义表明传感器有以下含义：它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置

16、；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系；按使用的场合不同传感器又称为:变换器、换能器、探测器,（1）传感器定义,传感器原理及应用,第1章传感器概述,传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：,敏感元件感受被测量;转换元件将响应的被测量转换成电参量（电阻、电容、电感）;基本电路把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理。,（2）传感器的组成,传感器原理及应用,第1章传感器概述,测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。,1.5传感器的定义、组成和分类方法,（2）传感器的组成,传感器原理及应用,1.5传感器的定义、组成和分

17、类方法,第1章传感器概述,国标GB/T14479-93规定传感器图用图形符号表示方法：正方形表示转换元件；三角形表示敏感元件；X（xi）被测量符号；*表示转换原理。,（3）传感器的图形符号,几个典型传感器图用图形符号,电容式压力传感器,压电式加速度传感器,电位器式压力传感器,国标GB7666传感器的完整代号应包括以下四部分：a)主称（传感器）；b)被测量；c)转换原理；d)序号,传感器原理及应用,1.5传感器的定义、组成和分类方法,第1章传感器概述,传感器分类方法较多,大体有以下几种：,）按传感器的输出信号分类模拟传感器数字传感器,（4）传感器的分类,1）按传感器检测的范畴分类物理量传感器化学

18、量传感器生物量传感器,传感器原理及应用,1.5传感器的定义、组成和分类方法,第1章传感器概述,）按传感器的功能分类单功能传感器多功能传感器智能传感器,）按传感器的结构分类结构型传感器物性型传感器复合型传感器,（4）传感器的分类,传感器原理及应用,1.5传感器的定义、组成和分类方法,第1章传感器概述,6）按传感器的能源分类有源传感器无源传感器,）按传感器的转换原理分类机电传感器光电传感器热电电传感器磁电传感器电化学传感器,（4）传感器的分类,传感器原理及应用,1.5传感器的定义、组成和分类方法,第1章传感器概述,国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：物理量、化学量、生物类传感器三大门类；含12个小类：力学量、热学量、光学量、磁学量、电学量、声学量、射线、气体、离子、温度传感器以及生化量、生理量传感器。各小类按两个层次又分若干品种,（4）传感器的分类,传感器原理及应用,第1章传感器概述,“传感器”课程主要讲授把各种几何量、机械量以及其他有关转换成电量的各种传感器，包括基本转换电路和电测方法。传感器是与现代科学技术紧密相连的一门新兴学科，其种类很多，涉及的工作原理十分丰富。传感器与生产实际和科学研究的关系十分密切，这些决定了“传感器”课程是一门