97传感器原理及应用-第1章

EXIT《传感器原理及应用》传感器原理及应用PrinciplesandApplicationsofSensors主讲：刘振宇副教授[e-mail]13593101646EXIT《传感器原理及应用》§1.1关于课程学习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EXIT《传感器原理及应用》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10％；实验，成绩占30％–期中考试：开卷，成绩占10％；–期末考试：闭卷（含实验设计），成绩占50%。EXIT《传感器原理及应用》课程地位和作用课程简介计算与控制机器或设备传感器与检测执行器信息处理信息应用信息获取被控对象知识领域：　信息获取与处理主要知识模块：　传感器原理与应用　信号检测与估计误差理论与数据处理测控电路虚拟仪器　光电检测技术智能检测及系统　传感器网络技术等等ADCDACEXIT《传感器原理及应用》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）EXIT《传感器原理及应用》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，20082.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，20092.传感器原理及应用，王化祥编著，天津大学出版社，20073.传感技术与应用教程，张洪润等编著，清华大学出版社，20094.传感器原理及应用（项目式教学），于彤编著，机械工业出版社，20085.传感器与测试技术，叶湘滨等编著，国防工业出版社，20076.传感器与检测技术，陈杰、黄鸿编著，高等教育出版社，20037.HandbookofModernSensors(3rdEdition)，JacobFraden，Springer-Verlag,Inc.，20048.（课程学习网站）课程简介EXIT《传感器原理及应用》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EXIT《传感器原理及应用》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EXIT《传感器原理及应用》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EXIT《传感器原理及应用》第一章传感器技术概述（开场锣鼓）§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EXIT《传感器原理及应用》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。EXIT《传感器原理及应用》传感器技术简介一、传感器技术概述EXIT《传感器原理及应用》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。EXIT《传感器原理及应用》传感器技术简介一、传感器技术概述外界信息感官人脑肢体人体系统传感器计算机执行器机器系统人机系统的机能对应关系“机电五官”EXIT《传感器原理及应用》传感器有些性能超过人的感官：（1）测量人体无法感知的量（3）测量范围宽、精确高、可靠性好（2）恶劣环境下工作例如：温度传感器：-196℃~1800℃压力传感器：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EXIT《传感器原理及应用》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。EXIT《传感器原理及应用》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。EXIT《传感器原理及应用》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。EXIT《传感器原理及应用》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）EXIT《传感器原理及应用》传感器技术简介三、传感器技术的应用信息处理电信电话科技测试设备控制交通控制输电系统机床机器人家用电器照相机汽车飞机船舶气象海洋环境污染医疗防火光能利用热能利用土木建筑农林机械能利用货币金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量传感器技术的应用领域EXIT《传感器原理及应用》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EXIT《传感器原理及应用》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。EXIT《传感器原理及应用》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EXIT《传感器原理及应用》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EXIT《传感器原理及应用》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，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。“金字塔漫游者”机器人5×1×1，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。EXIT《传感器原理及应用》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。EXIT《传感器原理及应用》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。微波红外接收传感器红外线分布差异矿藏埋藏地区地面EXIT《传感器原理及应用》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EXIT《传感器原理及应用》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。EXIT《传感器原理及应用》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。EXIT《传感器原理及应用》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EXIT《传感器原理及应用》2、平均技术作用：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。n传感器技术的发展趋势X00xxxx1y2y3ynyniiyY1123n00n0EXIT《传感器原理及应用》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