传感器原理及应用绪论(1-64学时).ppt

1、传感器原理64学时,绪 论 1学时,北京化工大学信息科学与技术学院测控系,2012年9月12日 第1讲 3学时,绪论 一、传感器的概念 二、传感器的定义 三、传感器的组成 四、传感器的构成法 五、传感器的分类及要求 六、传感器的发展趋势,绪论,传感器原理64,一、传感器的概念,绪论,在工业生产过程和科学研究及实验中，为了对各种变量进行检测和控制，首先要感受到这些变量，然后再把其转换成便于传送的（可用）信号，完成这一工作的装置称为“传感器”。,现代工业生产即自动化生产过程中，用各种传感器测取生产过程中的各个参数，采用自动控制，使生产过程处在正常状态，使产品质量达到最好、数量达到最多。同时获得最大

2、效益（低能耗、无污染、无公害）。没有传感器无法实现现代化生产。,传感器是现代测控系统中的关键环节，它处于被测控对象和测控系统之间的位置，是系统信息输入的源头（即原始信息），是控制系统进行分析、判断、处理、调控和决策的依据。,信息时代的今天，利用、使用信息，首先要解决的就是获取信息，传感器是获取自然科学领域中信息的主要途径和手段。,现 场,控 制 室,现 场,生产过程,传感器,在基础科学研究中，传感器具有更重要的地位,现代科学技术的发展开拓了许多新领域 如： 宏观上观察 微观观察 纵向（时间跨度）要观察,绪论,蜘蛛星云,暗物质的直接证据,上千亿光年的茫茫宇宙,小到10的负几十次立方米（M3）的粒

3、子,长达数十亿万年的天体演化，短到10-24秒的瞬间反应,目前，传感器的应用早已渗透到各个领域， 如工业农业生产、宇宙探索、海洋开发、环境保护、资源勘探、医疗卫生等极其广泛的领域中。,在基础科学研究中，传感器具有更重要的地位,绪论,此外，人类极大发展了对物质、事物的深化认识， 出现新能源、新材料等具有重要作用的各种尖端技术的研究。,显然，要取得尖端技术方面的研究成果，必须获取相关信息，没有相应的传感器是不可能的。,许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，甚至阻碍了人类对事物的认识。,如： 超高温、超低温 超高压、超真空 超强磁场、超弱磁场 超重力、超失重等,传感器原理是一门综

4、合多门科学知识的课程,绪论,本门课涉及 数学 化学 物理（核物理学、量子物理、力学、光学等） 电学（电工学、电子学、微电子学、电磁学等） 电化学 材料学 仿生学 计算机（微型计算机） 微电子加工 通讯 总线技术 精密仪器（微加工）等科学,正是这个原因，也是不易掌握的一门课程,二、传感器的定义,传感器的定义：,能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。,摘自国标 GB 665-87,绪论,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的、便于应用的某种物理量的测量装置。,包含了以下几方面的意思：,传感器是测量装置，能完成规定的检测任务；,它的输入量是某一被测量

5、，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；,它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电物理量，通常是电物理量；,输出输入有对应关系（一般要求为线性关系），且应有一定的精度。, ,三、传感器的组成,传感器的组成：通常由敏感元件和转换元件组成。,敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分,转换元件是指将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分,绪论,四、传感器的构成法,传感器是一种感受被测量（非电量信息）并将其转换成电信号的器件或装置，将非电信息转换成电信号的转换元件是构成传感器重要部件之一。以下讨论传感器的构成，主要是从其转换元件的情况来讨

6、论。,物性型传感器，一般可一次完成被测非电量到有用电量的直接转换。,结构型传感器，通常必须通过前置敏感元件预转换后才能实现被测非电量到有用非电量再到有用电量的间接转换。,在实现转换功能时，传感器又分为物性型传感器和结构型传感器：,绪论,实际上，传感器的构成与被测对象、测量转换原理、使用环境及性能要求的不同有很大差异，典型的构成有：,自源型 敏感转换一体。 如：热电偶、压电器件等。 特点：不需外能源；敏感转换元件直接从被测对象吸取能量，并转换成电量。输出信号较弱。,带激励源型 转换元件外加辅助能源。辅助能源起激励作用，它可以是电场、磁场。 如：磁电式、霍尔等器件。 特点：不需要测量电路，有较大的

7、输出。,外源型 转换元件利用阻抗变换电路将被测量转换为可用信号；它必须通过外电源的变换（测量）电路，获得电量的输出；变换（测量）电路是指把转换元件输出的电信号，转换成便于处理的可用信号。如：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器和脉冲调宽电路等。,绪论,相同传感器的补偿型 采用两个原理和特性完全相同的转换元件，并置于同一环境，其中一个接受输入信号和环境影响，另一个只接受环境影响，通过信号处理，使后者消除前者的环境干扰影响。这种结构在应变式、固态压组式传感器中被采用。,差动结构补偿型 用两个原理和特性完全相同的转换元件，同时接收被测量，并置于同一环境中。两个转换元件对被测量作反向转换（差动输入），对环

8、境影响作同向转换（共模输入）；通过变换（测量）电路，使有用被测量输出增加，环境影响相互抵消。,不同传感器的补偿型 用两个原理和性质不同的转换元件，置于同一环境。一个接受被测量，并受环境影响；一个接受环境影响，通过电路向前者提供等效的抵消环境影响的补偿信号。如：采用热敏元件进行温补；采用压电元件进行温补和加速度补偿。,绪论,五、传感器的分类及要求,传感器种类繁多，分类的方法五花八门。一般有两种分类方法即按被测量和测量原理。,绪论,按被测量分类:,按测量原理分类：,绪论,课程是按测量原理分类按排其章节的。,无论何种传感器，作为测量和控制系统的首要环节，通常都必须具有准确、可靠、快速的性能和低廉的价

9、格。, 测量范围或量程足够大，有一定的过载能力, 输出输入信号成线性关系, 静态响应和动态响应能满足使用要求, 成本低，寿命长，易于使用、维修和调校, 自检、自诊断、通信、智能、微功耗功能,绪论,对传感器的要求, 测量精度高、性能稳定可靠,六、传感器的发展趋势,现代科学技术的迅猛发展为传感器为检测技术的进步和发展创造了条件。,计算机、电子、通讯、微电子加工技术以及基础理论的发展，使得传感器得到了划时代的进步和发展。,绪论,传感器向高性能高指标方向发展,智能化,数字化,微型化,网络化,多功能化,一体化,集成化,微功耗,现代科学技术迅猛发展的同时，也不断地向传感器提出更新更高的要求。,绪论,传感器的发展应用与自动化技术的发展应用相比差距较大。 其原因是：, 传感器要应用各种技术，它的研究和应用是各种技术集合。 研究难度