传感器与检测技术-Ch0.ppt

1、传感器与检测技术,自动化与电子信息学院,自动化教研室,Sensor and Measurement Technology,成绩评定,平时成绩30分； 期末考试70分。,课程性质：专业基础课（必修）,传感器原理,检测技术,温度传感器,磁电传感器,光电传感器,应变传感器,电感传感器,电容传感器,压电传感器,其他传感器,多传感器融合,检测电路,现代检测系统,课程主要内容,传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用,参考网站,1传感器课程 2仪表技术与传感器 http:/www.i- 3传感器世界 4中国传感器 5传感器技术 http:/www.sensor- 621IC中国电子网 7传感

2、技术学报网 8传感器资讯网 ,第0章 传感器与检测技术概念,0.1 传感器的组成与分类,0.1 传感器的组成与分类,传感器的定义 国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义： 传感器是能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。 传感器是测量装置，能完成检测任务； 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； 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； 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

3、头,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：传感器能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。 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。,传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,0.1 传感器的组成与分类,0.1 传感器的组成与分类,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，如能将温度转换为电压的传感器热电偶。,0.1 传感器的组成与分类,有些传感器由敏感元件、转换元件以及转换电路组成。例如： 要测量一个直线运动的汽车的加速度（规定的被测量）。可以设计一个简单的

4、实验装置。,0.1 传感器的组成与分类,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。,0.1 传感器的组成与分类,传感器的分类： 按输入量分类:位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等 按工作原理分类:应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等 按物理现象分类:结构型传感器、特性型传感器 按能量关系分类:能量转换型传感器、能量控制传感器 按输出信号分类:模拟式传感器、数字式传感器,0.1 传感器的组成与分类,结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动

5、定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。 特性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此特性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金

6、属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于特性型传感器。,0.1 传感器的组成与分类,能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。 能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传

7、感器。,0.2 传感器的作用与地位,新技术革命的到来，世界已经开始进入信息时代。传感器是构成现代信息技术的三大支柱之一，人们在利用信息的过程中，首先要获取信息，而传感器是获取信息的主要手段和途径。构成现代信息技术的三大支柱： 传感器技术信息采集“感官” 通信技术信息传输“神经” 计算机技术信息处理“大脑” 目前传感器涉及的领域：现代大工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、智能建筑、汽车、家用电器、生物工程、商检质检、公共安全、甚至文物保护等等极其广泛的领域。,0.2 传感器的作用与地位,现代大工业生产 质量监控；自动检测；过程控制的四大参量：流量、

8、压力、温度、液位等等。 基础学科研究 超高温、超高压、超低温、超高真空、超强磁场检测。 航空航天宇宙飞船 飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测。,0.2 传感器的作用与地位,智能建筑 包括三大基本要素有：（简称3A） 楼宇自动化系统 BAS（Building Automating System） 通讯自动化系统 CAS (Communication Automating System) 办公自动化系统 OAS (Office Automating System) 其中楼宇自动化系统是智能建筑的重要组成部分:计算机通过 中继器路由

9、器网络显示网关控制管理各种机电设备空调制冷；给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等等，实现以上功能使用的传感器有：温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力。安全防护；防盗、防火、防燃气泄露CCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器自动识别门禁管理系统；感应式IC卡识别、指纹识别远程抄收与管理系统；水、电、气、热量通过传感器设置远程自动化抄表巡更系统保安管理,0.2 传感器的作用与地位,现代家用电器 电视机、空调、风扇红外遥控器 傻瓜照相机、数码相机中自动暴光装置 电饭煲、电冰箱使用的温度传感器 抽油烟机上的气敏传感器 全自动洗衣机中水位、浊度传感器 目前传感器涉及

10、的领域：宇宙、海洋探测；环境；医学；生物工程；文物保护；公共安全；智能大厦；家用电器。,0.2 传感器的作用与地位,未来世界会有： 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）,0.2 传感器的作用与地位,例：智能化水质检验,0.3 传感器的发展动向,当前传感器技术的主要发展动向： 开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺，实现传感器的集成化与智能化。,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,0.3 传感器的发展动向,1开发新型传感器 新型传感器包括

11、：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。 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特性型传感器件，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。特性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在特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。,0.3 传感器的发展动向,2开发新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进

12、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。,0.3 传感器的发展动向,3新工艺的采用 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

13、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。 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。,0.3 传感器的发展动向,4集成化、多功能化 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。 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

14、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。 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。 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。,0.3 传感器的发展动向,5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。,0.4 检测技术的定义,检测技术属于信息科学的范畴,与计算机技术、自动控制技术和通信技术构成完整的信息技术学科。 测量是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。测试是具有试验性质的测量,或者可以理解为测量和