传感器原理及应用-第1章.ppt

1、,传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors,1.1 关于课程学习 主讲教员简介 学习要求 课程简介与安排计划 1.2 关于传感器技术 传感器技术简介 传感器技术发展,第一章 传感器技术概述（开场锣鼓）,学习要求,课堂要求 听课自由，可以选择不听课自学方式学习，不受歧视。 准时到位，迟到者请在后排就坐，迟到10分钟以上免进。勿中途退场。 可以充耳不闻，但勿交头接耳；可以睡觉，但勿打鼾。 可以随时提问、讨论和嘲笑。 作业要求 要求独立完成作业，抄写作业且还不会者，成绩0分。 考核要求 平时考核：作业讨论，成绩占30； 期末考试：闭卷，成绩占70

2、%。,课程地位和作用,课程简介,课程内容与计划安排（教学日历）,课程简介,1、传感器的基本特性 2、各类传统与新型传感器的工作原理与应用 （1）应变式传感器 （2）电感式传感器 （3）电容式传感器 （4）压电式传感器 （5）磁电式传感器 （6）光电式传感器 （7）半导体式传感器 （8）波与辐射式传感器 （9）数字式传感器（自学） （10）智能式传感器（自学）,课程教材 1.郁有文等编著，传感器原理及工程应用，西安科技大学出版社，2008 2.沈跃、杨喜峰编，物理实验教程智能检测技术实验，中国石油大学出版社，2010 课程参考书 1. 传感器与检测技术，胡向东等编著，机械工业出版社，2009 2

3、. 传感器原理及应用，王化祥编著，天津大学出版社，2007 3. 传感技术与应用教程，张洪润等编著，清华大学出版社，2009 4. 传感器原理及应用（项目式教学），于彤编著，机械工业出版社，2008 5. 传感器与测试技术，叶湘滨等编著，国防工业出版社，2007 6. 传感器与检测技术，陈杰、黄鸿编著，高等教育出版社，2003 7. Handbook of Modern Sensors(3rd Edition)，Jacob Fraden，Springer-Verlag,Inc.，2004 8. ,课程简介,研究对象 传感器技术的基本概念和理论、常用传感器的工作原理和应用技术。,课程性质 课程属

4、于专业基础课，在专业人才培养中具有提高学生相关专业基础理论的认知能力、增强学生从事传感与检测技术研究与应用工作的适应能力和开发创新能力的作用。,课程简介,学习目的与要求 （1）建立传感器技术的整体概念； （2）掌握传感器技术的基本理论、常用传感器的工作原理和应用技术； （3）获得应用传感器设计、组建测控系统的基本技能； （4）培养学生进一步学习、研究和应用传感器技术的兴趣； （5）为学习后续课程和独力解决实际问题打下必要的基础。,课程简介,主要考核目标（包括重点及难点） （1）掌握传感器的基本概念和基本特性； （2）掌握常用传感器的工作原理（实验方法）； （3）掌握常用传感器的基本应用（实验技

5、术）； （4）了解应用传感器设计、组建测控系统的基本方法； （5）了解传感器技术的发展前沿和趋势。,重点：传感器的工作原理 难点：传感器的应用技术； 内容涉及知识面广，理论性、综合性和实践性强。,课程简介,一、传感器技术概述,传感器技术简介,“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。,传感器技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。 在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息

6、转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。,传感器技术简介,一、传感器技术概述,一、传感器技术概述,传感器技术简介,传感器 感觉，感知；传送 （Sensor、Transducer） 人体系统： 人类有五大感觉器官，即眼、耳、鼻、舌、皮肤。通过这些感觉器官感知外界信息。 机器系统： 机器系统中，传感器是各种机械和电子设备的感觉器官。感知光、色、温度、压力、声音、湿度、气味及辐射等。,传感器技术简介,一、传感器技术概述,外 界 信 息,人机系统的机能对应关系,传感器有些性能超过人的感官：,例如： 温度传感器：-196 1800 压力

7、传感器：0.01 10000kPa 精度：0.1% 0.01% 可靠度：8 9 级,一、传感器技术概述,传感器技术简介,传感器技术简介,二、传感器技术的作用和地位,现代信息技术的三大支柱之一 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） 在信息系统中分别起到 “感官”、“神经”和“大脑”的作用。,现代测量与自动控制的首要环节 传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官”。 没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。,传感器技术简介,二、传感器技术的作用和地位,衡量国家综合实力的重要标志 传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国

8、家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。 日本：传感器技术列为计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器等六大核心技术之一。在21世纪技术预测中将传感器列为首位。 美国：传感器及信号处理列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。 欧洲：传感器技术作为优先发展的重点技术。 中国：在国家重点科技项目中，传感器也列在重要位置。,传感器技术简介,二、传感器技术的作用和地位,传感器技术的应用遍及各个领域 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等极其广泛的领域。 毫不夸张地说：几乎每个现代化

9、项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。 传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。,传感器技术简介,二、传感器技术的作用和地位,4D彩超捕捉到难得一见的胎儿出生前微笑（美联社图片）,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器技术的应用领域,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,自动检测与自动控制系统 石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业。,造纸,木材烘干,烟草加工,芯片生产,化工,纺织,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,汽车与传感器 传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量。 安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速

10、控制装置、汽车“黑匣子”。 环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置。,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器在机器人上的应用 单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）。检测臂的位置和角度传感器。,隧道凿岩机器人,汽车焊装生产线,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器在机器人上的应用 智能机器人：判断能力。视觉传感器、触觉传感器。,用于水下探测的机器人,用于家庭服务的机器人,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器在机器人上的应用 智能机器人：埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘。,法老咒语：“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”,小机器人挑战法老咒语，代

11、替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。,“金字塔漫游者”机器人 511，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器与家用电器 自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院。,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器与遥感技术 飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波。 船舶：超声波传感器。,红外接收传感器,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器在军事技术领域的应用 “改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供

12、的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。” “信息时代的军事革命” 美国参联会副主席欧文斯上将,特种武器观察、侦察、探测,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器在医疗及人体医学上的应用 医用传感器：人体内部温度、血液、呼吸流量、 肿瘤、心音、腔内压力、心脑电波。,传感器与航空及航天 飞行器：控制在预定轨道上。 速度、加速度、飞行距离测量：陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器。 周围环境、内部设备监控、本身状态。,传感器技术简介,三、传感器技术的应用,传感器技术的应用遍及各个领域 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国

13、防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等极其广泛的领域。 毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。 传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。,传感技术的发展分为两个方面： 提高与改善传感器的技术性能； 寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。,一、改善传感器的性能的技术途径 1、差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。,传感器技术的发展趋势,2、平均

14、技术 作用： 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应。 原理：利用若干个传感单元同时感受被测量，输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，n个传感单元数总的误差将减小为,在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。,传感器技术的发展趋势,3、补偿与修正技术 补偿与修正技术的运用大致针对两种情况： 针对传感器本身特性 针对传感器的工作条件或外界环境 对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。 针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度

15、的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可控制温度，用恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。,补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。,传感器技术的发展趋势,4、屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。,基本方法有： 减小传

16、感器对影响因素的灵敏度 降低外界因素对传感器实际作用的程度,对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。,传感器技术的发展趋势,在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。,提高传感器性能的稳定性措施： 对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。,造成传感器性能不稳定的原因： 随着时间的推

17、移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。,5稳定性处理 传感器作为长期测量或反复使用的器件，稳定性显得特别重要。在那些很难或无法定期标定的场合，重要性胜过精度指标。,传感器技术的发展趋势,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,二、传感器的发展动向 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,传感器技术的发展趋势,研发新型传感器的重要途径： 传感器的工作机理是基于各种效应和定律，因此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

18、的重要途径。 结构型传感器：发展较早，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，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。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，从而成为一个值得注意的发展动向。,1、开发新型传感器 新型传感器主要三个方面：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器。,传感器技术的发展趋势,2、开发新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础。材料科学的进步，人们可任意控制成分，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,半导体氧化物可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。,传感器技术的发展趋势,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。 微机械加工技术：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