第0章 传感器_绪论

传感器与检测技术闫奇瑾联系方式：[e-mail]绪论绪论绪论一、课程的特点和地位“传感器与检测技术”课程主要讲授把各种几何量、机械量以及其它有关量转换成电量的各种传感器（包括基本转换电路）。“传感器与检测技术”课程是一门综合性、理论性和实践性都很强的课程。现代信息技术的基础有三个主要方面：信息采集——传感技术信息传输——通信技术信息处理——计算机技术本课程相对于大学物理、模电数电、电路等是专业课，相对于智能仪器设计、测控电路、过程控制等是基础课——专业基础课（考试课）掌握各类传感器的基本理论，掌握几何量、机械量及有关量测量中常用的各种传感器的工作原理、主要性能及其特点；能合理选择和使用传感器；掌握常用传感器的工程设计方法和实验研究方法；了解传感器的发展动向。二、本课程的任务教材及教学参考书陈杰,黄鸿主编.传感器与检测技术.北京：高等教育出版社；郁有文主编.传感器原理及工程应用.西安：西安电子科技大学出版社；王化祥,张淑英编著.传感器原理及应用.天津：天津大学出版社；强锡富主编.传感器（第4版）.北京：机械工业出版社；中国传感器网传感器网课时安排及考核办法本课程共48学时，其中实验8学时，课堂讲授40学时。作业两个星期交一次。期末考核采用闭卷考试形式，用时120分钟。期末成绩70%，实验成绩20%，平时成绩10%。三、什么是传感器（Transducer/Sensor）我国国家标准（GB7765-87）中是这样定义的：“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或装置”。可以这样理解：传感器是一种以一定的准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。这一定义包含了以下几方面的意思:①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的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;③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。四、传感器的作用电五官获取信息监视和控制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。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要结决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。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态或是最佳状态，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，现代生产也就失去了基础。五、传感器的组成被测量电量敏感元件转换元件基本转换电路传感器组成框图辅助电源包含敏感元件、转换元件、转换电路的传感器包含敏感元件、转换元件、转换电路的传感器包含敏感元件、转换元件的传感器同样测加速度，与前图比较。包含敏感元件的传感器包含敏感元件的传感器六、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、数字式传感器按照传感器的用途来分类，例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等等。（课本表1-1）教材及课程内容的编排主要依据工作原理的分类来划分各个章节。工业自动化中的传感器实例机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。密歇根大学的机械手装配模型七、传感器的应用实例生活中的传感器实例全自动洗衣机中的传感器：衣量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)，液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器汽车中的传感器传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置2.“汽车导航用传感器”,《传感器世界》,1997年1期3.“汽车安全系统及其传感器”,《传感器世界》,1997年2期参考文献：1.“汽车安全保障传感器市场”，《传感器世界》，2001年1期《泰坦尼克》中用于水下探测的“邓肯”号机器人传感器在军事技术领域的应用《美国高级将领与著名学者访谈录》陈伯江“信息时代的军事革命”——美国参联会副主席欧文斯上将“……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。”“陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物……你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的军种（可称之为传感器军）用于观察战场……”传感器技术指标的一般要求及指标可靠性静态精度动态性能量程抗干扰能力通用性轮廓尺寸成本能耗对被测对象的影响等传感器技术指标的一般要求及指标精度：万分之几，计量更高量程：—超导nv—100万v50万次谐波—加速度P压力℃—-273℃灵敏度：单原子稳定性：万分之五1410141014108101010我国仪器仪表产业的现状工业自动化仪表及控制系统，28%。科学仪器（科研、教学、质检、计量），25%。电子与电工测量（低频-高频，微波-红外），13%。医疗仪器（生命科学，临床诊疗），1x%。各种专用（农业、气象、水纹、地质、航空航天）。我国仪器仪表行业与国际先进水平的差距可靠性、稳定性。功能、精度。更新周期。针对用户方案，软件水平。纵观几十年来的传感技术领域的发展，不外乎分为两个方面：㈠提高与改善传感器的技术性能；㈡寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。改善途径：1、差动技术2、平均技术3、补偿与修正技术4、屏蔽、隔离与干扰抑制5、稳定性处理七、传感器的发展动向方向：开发新型传感器开发新材料新工艺的采用集成化、多功能化与智能化具体技术：计算机、数字技术现场总线微信息技术生物化学技术成像技术（医学CT、核磁共振等）几种基于新材料和新工艺的新型传感器一、非晶态合金膜片式压力传感器该传感器利用非晶态合金的磁致伸缩效应与逆磁致伸缩效应制成。磁致伸缩效应既磁性体在外加磁场作用下发生机械形变；反之，外力作用下的机械形变会改变该磁性体的磁化状态。bahD2D1非晶态合金膜片P图为非晶态合金膜片，宽a=10mm，长b=100mm，厚h一般为几十微米。膜片周围固定在方形框上。上面装有驱动磁头D1和检测磁头D2。D1产生频率为500kHz的正弦交变磁场，使膜片产生同频率的机械形变。同时，该机械形变在D2端表现为交变的磁化状态，D2通过一定方法（例如将非晶态合金膜片作为电感传感器的磁芯）将此交变磁化状态转换为正弦电压信号。若垂直于膜片加静态压强P，则膜片弯曲，膜片的磁化状态因此发生改变。D2所检测电压幅值Em与膜片所受压强P有线性关系。几种基于新材料和新工艺的新型传感器二、超导磁场传感器图为超导磁场传感器原理图。当超导环受到磁场作用时，超导体内部超导电流排斥磁场，环内磁场为零。超导电流Is只与外磁场强度B成正比。若测量出Is值的大小，则可确定磁场强度B值。须指出，电流Is并不与外加磁场强度B有严格的正比关系，而与磁通（=BS）成正比，其中S为超导环的面积。超导环B≠0IsB=0超导磁场传感器原理图几种基于新材料和新工艺的新型传感器三、液晶温度传感器液晶是1888年被发现的，它具有液体的流动性，又具有晶体的光学异向性。如图，由He-Ne激光器发出单色光，通过光纤投射到液晶上，液晶的反射光又通过接受光纤照射到光电管上。若入射光强为固定不变的，则反射光强是液晶温度的函数，从而实现了温度—电压的转换。若使液晶与被测物体表面接触，则可根据输出电压确定被测物表面温度。为了补偿光源不稳定及其他环境因素的影响，传感器中增设一束参比光纤，其射入同一光源的单色光，出射光照射到另一光电管上。两光电管性能相同，它们的输出分别接到差动放大器的两个输入端，差动放大器输出电压信号与被测温度成一定关系。光电倍增管1光电倍增管2放大器He-Ne激光器输出参比光纤接收光纤发射光纤液晶探头液晶温度传感器结构原理几种基于新材料和新工艺的新型传感器四、薄膜压电传感器PVDF(PolyVinyliDenceFloride)是一种有机高分子功能材料，其化学名称为聚偏二氟乙烯。PVDF材料可用热成形法加工成膜状、管状和粒状,其中以薄膜状用得较多。PVDF薄膜厚度约为几十微米，具有优良的柔性及压电特性，可用来代替压电陶瓷制作机器人的触觉传感器。例如已采用PVDF作敏感材料制作了触觉传感器，用于分析人手指纹的形状与功能，打破了传统的制作单触觉传感器的局限。用普通橡胶制成有指纹状及有许多小凸点的两种表皮，将其放在PVDF薄膜上形成触觉兼滑觉的复合传感器，当机器人的手爪（传感器）表面开始接触物体时，接触阶跃性应力使PVDF产生电荷，经电荷放大器，变为触觉信号。而工件相对于传感器表层滑动时，摩擦力变化引起传感器表层的诱导振动，该诱导振动使PVDF产生交变电压信号。几种基于新材料和新工艺的新型传感器四、薄膜压电传感器几种基于新材料和新工艺的新型传感器五、微机械传感器（MEMS）微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。其中，用微机械加工技术制作的传感器称为微机械传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。大部分微机械传感器都用半导体硅制作，不仅因为硅具有极优越的机械和电性能，更重要的是应用硅微机械加工技术可以制作出尺寸从亚微米到毫微米级微元件和微结构，且能达到很高的加工精度。微机械加工技术主要包括：①体型结构腐蚀加工技术；②表面腐蚀加工——牺牲层技术；③X射线深层光刻电铸成型技术。几种基于新材料和新工艺的新型传感器同样利用微加工技术的微光学传感器微光学加工技术及其产品DMD几种基于新材料和新工艺的新型传感器六、智能传感器（传感器智能化）传感器与微处理器结合可以通过以下两种途径来实现：一是采用微处理器或微型计算机系统以强化和提高传统传感器的功能。二是借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成电路智能传感器。因此，传感器智能化经历了非集成化智能传感器和集成化智能传感器两个主要阶段。(1)非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微外理器组合为一个整体而构成的智能传感器系统。这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展形势的推动下迅速发展起来的。(2)集成化智能传感器是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路以及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上构成的。这样，使智能传感器达到了微型化，以至于可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动情况，使结构一体化，从而提高了精度和稳定性。1.“MEMS技术的现状和发展趋势”,《传感器技术》，2001年1期参考文献：3.“MEMS——压力传感器的革命性新技术