传感器技术的应用与发展趋势分析概述.ppt

1、传感器技术的应用与发展趋势分析,1.传感器概述 2.传感器技术的主要应用 3.传感器技术的主要发展趋势 4.传感器技术面临的桃战和机遇,工程学院在职研究生 机械工程专业 GC432013230 王振星,1.传感器概述,随着科学技术的迅猛发展, 传感器技术已越来越广泛地应用于机械制造、交通运输、石油化工、医疗卫生等领域, 而且也正逐步渗透到人们的日常生活中去。可以说, 传感器技术水平的高低, 是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。,1.1 传感器的含义及组成,传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容

2、等）的一种组件，起自动控制作用。,转换器件,敏感元件,转换电路,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; 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,决定传感器的工作机理。,一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如：,人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。,1.2 传感器的主要作用,在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状

3、态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器早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之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,1.3传感器的工作原理,各种传感器其输出信号的形式因传感器而异。检测仪器的输出或送控制器用以调节控制，或送至计算机作进一步处理。 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。,图1.1 传感器的工作原理,实际上被测对象涉及各个领域。最初的

4、测量对象是长度、体积、质量和时间。18世纪以来科学技术取得飞速发展，被测对象迅速扩大。 力学领域有速度、加速度、力、功和能量等； 电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场； 化学领域中有浓度、成分、pH值等； 工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。 现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量；工业领域的光泽、触觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。,另一方面，测量仪器的输出信号必须转化为电压、电流或数字量中的一种。由于传感器的种类很多，传感器的输出有各 种形式，如热电偶、pH电极等输出为直流电压；热敏电阻、

5、应变计、半导体气体传感器输出为电阻，。 信号处理就是通过信号转换、放大、解调、A/D转换得到所希望的输出信号过程。这是检测系统中使用的共同技术。,普通电测仪表基本组成,就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。 非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。 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 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。,无论是电量测量还是非电量测量

6、，数字电压表问世以来，模拟式仪表逐渐被数字式仪表取代。 微型计算机出现后形成崭新的微机自动化测试系统; 单片微机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。,具体地说传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并按照一定规律转换成与之对应的有用信号的元器件或装置。通常, 传感器接收到的信号都是微弱的低频信号, 外界的干扰有时幅度能够超过被测量的信号, 因此消除串入的噪声就成为了一项关键的技术。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换, 一切准确的测试与控制都将无法实现, 即使最现代化的电子计算机, 没有准确的信息或有不失真的输入, 也将

7、无法充分发挥其应有的作用。,由于传感器的种类繁多, 所以分类方法也较多。 1)按传感器的检测信息来分可分为光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器。 2) 按转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。 3) 按其输出信号可分为模拟传感器、数字传感器和开关转换器。,1.4传感器的分类,4)按传感器使用的材料可分为: 半导体传感器、陶瓷传感器、复合材料传感器、金属材料传感器、高分子材料传感器、超导材料传感器、光纤材料传感器、纳米材料传感器等。 5)按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。 6) 按照其制造工艺, 可以将传感器区分为集成传感器、薄膜传感器、

8、厚膜传感器、陶瓷传感器等,2.传感器技术的主要应用,随着现代科技技术的高速发展, 人们生活水平的迅速提高, 传感器技术越来越受到普遍的重视, 它的应用已渗透到国民经济的各个领域。 2.1 在工业生产过程的测量与控制方面的应用 在工业生产过程中, 必须对温度、压力、流量、液位和气体成分等参数进行检测, 从而实现对工作状态的监控。诊断生产设备的各种情况, 使生产系统处于最佳状态, 从而保证产品质量, 提高效益。目前传感器与微机、通讯等的结合渗透, 使工业监测自动化, 更具有准确、效率高等优点。如果没有传感器, 现代工业生产程度将会大大降低。,2.2 传感器在汽车电控系统中的应用 随着人们生活水平的

9、提高, 汽车已逐渐走进千家万户。汽车的安全舒适、低污染、高燃率越来越受到社会重视。而传感器在汽车中相当于感官和触角, 只有它才能准确地采集汽车工作状态的信息, 提高自动化程度。汽车传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统。普通汽车上大约装有 10- 20 只传感器, 而 高级豪华车有的使用传感器 多达 300 个,因此传感器作 为汽车电控系统的关键部件, 它将直接影响到汽车技术性 能的发挥。,图2.1 车身到位检测,2.3 在现代医学领域的应用 社会的飞速发展, 需要人们快速、准确地获取相关信息。医学传感器作为拾取生命体征信息的五官, 它的作用日益显著, 并得到广泛应用。例如

10、: 在图像处理、临床化学检验、生命体征参数的监护监测、呼吸、神经、心血管疾病的诊断与治疗等方面, 使用传感器十分普及, 现传感器在现代医学仪器设备中已无所不在。,图2.2 医疗诊断,2.4 在环境监测方面的应用 近年来, 环境污染问题日益严重, 人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器, 传感器满足了人们的要求。目前, 已有相当一部分生物传感器应用于环境监测中, 如大气环境监测。二氧化硫是酸雨雾形成的主要原因, 传统的检测方法很复杂。现在将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上, 和氧电极制成安培型生物传感器, 可对酸雨酸雾样品溶液进行检测, 大大简化了检测方法。,图2.3检测室内

11、空气质量,2.5 在军事方面的应用 传感器技术在军用电子系统的运用, 促进了武器、作战指挥、控制、监视和通信方面的智能化。传感器在远方战场监视系统、防空系统、雷达系统、导弹系统等方面, 都有广泛的应用,是提高军事战斗力的重要因素。,图2.4 自动瞄准,2.6 在家用电器方面的应用 80年代以来, 随着以微电子为中心的技术革命的兴起, 家用电器正向自动化、智能化、节能、无环境污染的方向发展。自动化和智能化的中心就是研制由微电脑和各种传感器组成的控制系统。如: 一台空调器采用微电脑控制配合传感器技术, 可以实现压缩机的启动、停机、风扇摇头、风门调节、换气等, 从而对温度、湿度和空气浊度进行控制。随

12、着人们对家用电器方便、舒适、安全、节能的要求的提高, 传感器将越来越得到显著应用。,图2.5液化气烟雾报警器,图2.6智能洗衣机,2.7 在学科研究方面的应用 科学技术的不断发展, 蕴生了许多新的学科领域, 无论从宏观的宇宙,还是到微观的粒子世界, 许多未知的现象和规律要获取大量人类感官无法获得的信息, 没有相应的传感器是不可能的。,图2.7 沙漠机器人,2.8 在智能建筑领域中的应用 智能建筑是未来建筑的一种必然趋势, 它涵盖智能自动化、信息化、生态化等多方面的内容, 具有微型集成化、高精度与数字化和智能化特征的智能传感器将在智能建筑中占有重要的地位。,图2.8 智能建筑,3.传感器技术的主

13、要发展趋势,3.1 向高精度发展 自动化生产技术的不断发展,对传感器的要求也在不断提高,要求研制出具有高灵敏度、高精确度、快响应速度、良好互换性的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。近几年,世界主要传感器研究机构采用新理论、新方法、新工艺在提高传感器精度方面,取得了突出成绩。,科学技术的发展使得人们对传感器技术越来越重视, 认识到它是影响人们生活水平的重要因素之一。因此对传感器的开发成为目前最热门的研究课题之一。传感器技术发展趋势可以从以下几方面来看。,美国学者发现了一种新方法改善传感器的灵敏度,采取系统化方法将各种设计法则整合在一起,用一个具有一致性的框架来改善传感器的设计。他们比较了传统的

14、平面传感器组件与圆柱形单纳米管传感器组件,结果显示较小的圆柱形传感器的灵敏度至少高100倍,这足以证明越小越好的理论。 太阳诱电开发出检测灵敏度为10-9(1ppb)的气体传感器因其吸附气体的特点,太阳诱电将其称为“纳米级气体传感器”,并在2007年10月2日开幕的/CEATEC JAPAN 20070上展示。该传感器在硅晶圆上形成80Lm500Lm介电膜,利用介电膜吸附气体后,介电膜的电阻值出现变化,以此来检测气体。,3.2 向微型化发展 各种控制仪器设备的功能越来越多,要求各个部件体积越小越好,因而传感器本身体积也是越小越好,这就要求重点发展基于新材料及加工技术的微型传感器。,日立金属研制

15、了全球最小的3轴加速度传感器,外形尺寸为215 mm215 mm1 mm,体积为6125 mm3,采用压敏电阻型树脂封装形式。该封装尺寸比同类产品缩小了30%的体积,重量为14 mg,也比同类产品降低了46%,具有2万个重力加速度以上的耐冲击性。,3.3 向微功耗及无源化发展 传感器工作离不开电源,在野外现场或远离电网的地方,往往用电池或太阳能供电,开发微功耗传感器及无源传感器是必然的发展方向,这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。,英国Perpetuum与澳大利亚CAP-XX开发出了无需电池即可驱动的无线传感器终端,该终端配备可将振动转换为能量的微型发电机和双层电容器。可将安装地点的振动作为

16、能量使用,发电剩余的电力可储存在电双层电容器中。,德国科学家研制出一种传感器,能把所通过的流体(液体或气体)的能量自行转换成电力,也就是说传感器可以自行/发电0,这大大方便了系统的设计和维护。转换成电力的过程在固定的容腔里进行,媒介流体(液体或气体)像血通过心脏那样流经这里。由于附壁效应,流体是贴着管道壁流动的;持续流动在这里产生周期性的压力变动,由回馈部件传导到压电陶瓷,由压电陶瓷最终把流体的能源转换成电力。产生的电力在微瓦或毫瓦级,能够满足循环运行传感器的能源需求,保证传感器读取并传出相关的数据。,3.4 向智能化发展 随着科技发展,传感器的功能日益复杂。其输出不再是单一的模拟信号,而是经

17、过微处理器处理后的数字信号,有的甚至带有控制功能。技术发展表明数字信号处理器(DSP)将推动众多新型下一代产品的发展。 美国圣何塞的Accenture技术实验室研发出了一项被称为/智能尘埃0的智能传感系统,能自动监视并对树叶状物体燃烧发出警告。智能尘埃传感器一旦喷洒到树上,尘埃的每个小点将会对附近尘埃进行定位并建立无线的连接。当斑点检测到可能的异例时,它将碰触附近尘埃大小一样的装置来决定其获取的信息,并且能从多重的来源获取多重的信息,然后传感器就能判断树上是否有危险。一旦被确定有危险,触发的传感器组将通过其无线连接发送消息给林地工人,对传感器的网络进行监视。,3.5向高可靠性发展 传感器的可靠

18、性直接影响到电子设备的抗干扰等性能,研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题,大部分传感器其工作范围都在-2070e,在军用系统中要求工作温度在-4085e范围,而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高,因此发展新兴材料(如陶瓷)的传感器将很有前途。 西安交大精密工程研究所成功研制了一种可抗2000e瞬时超高温冲击的硅隔离耐高温压力传感器。该传感器能在-30250e环境下进行压力测量,可完成1000 MPa以下任意量程范围的压力测量,能承受2000e瞬时高温冲击,可满足高温、高压、高频响及瞬时高温冲击等恶劣环境下的压力测量。,3.6发展生物传感器 近些年,随着

19、生物技术的发展,生物传感器也得到了很大的发展。并且在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到高度重视和广泛应用,如用于检测食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等。 在环境污染物的连续、快速、在线监测方面,国外将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上,和氧电极制成安培型生物传感器,对酸雨酸雾样品溶液进行检测。在发酵工业中广泛采用微生物传感器作为一种有效的测量工具,利用这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。微生物传感器不仅用于临床医学,也用于军事医学方面,通过及时快速检测细菌、病毒,实现对生物武器的有效防御。,3.7 量子力学与传感器技术的发展 量子力学为近代科学技术的发展

20、提供了理论基础。利用量子效应研制具有敏感某种被测量的量子敏感器件,如共振隧道二级管、量子阱激光器和量子干涉部件等,具有高速(比电子敏感器件速度提高1000倍)、低耗(比电子敏感器件能耗降低1000倍)、高效、高集成度、经济可靠等优点。因此,纳米电子学的发展,可能会引起新的传感器技术革命,从而把传感器技术推向新的发展阶段。,3.8无线网络化 传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等, 能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息, 通过嵌入式系统对信息进行处理, 并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。传感器网络的研究采用系统发展模式, 因而必须将现代的先进微电子技术、微细加工技术、系统 SOC(system- on- chip)芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等融合, 以实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网络化, 特别是实现传