传感器概论

传感器原理南京理工大学紫金学院陈姝君教学内容和重点：•传感器的基本概念及其基本特性（静态、动态特性）；•各类传感器的转换原理；特性分析及其信号调节电路；实际应用技术；……考核标准（参考）：•平时(作业、考勤)20%+期末考试80%1传感器原理与应用，王化祥。天津大学出版社，20052传感器原理及工程应用，郁有文。西安电子科技大学出版社，20083://=35参考资料：教材后P392--393附参考文献第1章传感器概论1.1什么是传感器？？1.2传感器技术的作用和地位1.3传感器的组成和分类1.4机电模拟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“机电五官”•国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置1.1传感器的定义•用途：能够取代甚至超出人的“五官”，具有视觉、听觉、触觉、嗅觉或味觉等。•英文名：transducer（欧）、sensor（美）一、构成现代信息技术的三大支柱•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）它们在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。1.2传感器技术的作用和地位1.2.1传感器的地位•是获取信息的主要途径和手段，它的性能将会影响整个系统的工作状态与质量。研究对象测试系统控制系统传感器检测与控制系统二、处于研究对象与测试系统的接口位置•日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政府还在21世纪技术预测中将传感器列为首位。•美国白宫将“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。•西欧各国在制定“尤里卡”发展计划中，把传感器技术作为优先发展的重点技术。•我国政府在“863计划”及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。三、各国政府高度重视1.2.2传感器的作用一、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、汽车“黑匣子”环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置二、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14三、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、心脑电波四、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《泰坦尼克号》中用于水下探测的“邓肯”号机器人五、传感器与机器人16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相对需要量传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用。六、世博看传感18（1）发展、利用新效应；（2）开发新材料；（3）提高传感器性能和检测范围；（4）微型化与微功耗；（5）集成化与多功能化；（6）传感器的智能化；（7）传感器的数字化和网络化。1.2.3目前传感器总的发展趋势未来世界是个充满传感器的世界，还会有：•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（自动记录公路的压力、温度、车流量）•智能汽车（无人驾驶、卫星定位）•智能……1.3传感器的组成和分类1.3.1传感器的组成•传感器=敏感元件+转换元件（+信号调节电路）•转换元件(Transitionelement)是指：传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。•敏感元件(Sensingelement)是指:传感器中能直接感受被测量的部分。22敏感元件辅助电路转换元件被测非电量有用非电量有用电量信号调节转换电路电量直接感受响应，检测待测量敏感元件检测出的待测量转换成电信号放大，规划输出量•信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。•辅助电路通常包括电源等。1.3.2传感器的分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。见书P2表1-1。1.3传感器的组成和分类将物理、化学和生物等学科的原理、规律、效应作为分类的依据。按传感器工作机理的不同，可分为如下三大类：（1）结构型（2）物性型（3）复合型（物性型+中间转换环节）•按物理现象分类包括物理量、化学量、生物量传感器等。(1)物理量传感器：压力传感器、荷重传感器、位移传感器、温度传感器等；(2)化学量传感器：湿度传感器、气体传感器等。(3)生物量传感器：生理化学量传感器，生理机械量传感器，体检生化量传感器，微生物传感器等。本分类优点是：根据待测量的对象来选择相应的传感器。•按被测量分类（1）模拟式传感器——输出的信号为模拟信号（时域连续，属传统类型，现仍广泛用）。（2）数字式传感器——输出的信号为数字信号（时域上不连续）。随着信息处理的数字化，数字式传感器所输出的信号由于可以省略A/D转换环节，便于网络传输，优势是明显的。特别是近年来发展起来的总线数字式传感器，则更加引人注目。•按输出信号类型分类⑴有源传感器（能量转换型传感器）——能将非电量直接转换成电信号，所以有时被称为“换能器”。如压电式，热电式，磁电式等。⑵无源传感器（能量控制型传感器）——自身无能量转换装置，被测量仅能在传感器中起能量控制作用，必须有辅助电源供给电能。无源式传感器常用电桥和谐振电路等电路来测量。如电阻式，电容式，和电感式等。•按能量关系进行分类1.4机电模拟•非电量测量中，需要研究三要素：(1)传感器机械系统的输入特性；(2)电系统的输出特性；(3)机和电之间的变换特性。•相似系统：能用同一类型的微分方程描述的不同系统称为相似系统。1.4.1力—电压模拟特性方程对比：mfckRLCiu图1.4.1机械系统模型图1.4.2电系统模型fvdtkcvdtdvm机械系统方程：uidtCRidtdiL1电系统方程：1.4机电模拟•力-电压相似方法的特点(1)机械系统的一个质点用一个串联电回路去模拟；(2)机械系统质点上的激励力和串联电路的激励电压相模拟，所有与机械系统一个质点连接的机械元件(m,c,k)与串联回路中的各电气元件（L,R,C）相模拟。1.4.2力—电流模拟特性方程对比：fvdtkcvdtdvm机械系统方程：iudtLGudtduC1电系统方程：mfck图1.4.3机械系统模型图1.4.4电系统模型GLCi1.4机电模拟•力-电流相似方法的特点(1)机械系统的一个质点与模拟电路的一个结点相对应；(2)流入电路结点的激励电流与机械系统相应质点的激励力模拟。与该结点相连接的电元件（G,L,C）与对应质点相接的机械元件（c,k,m）相模拟；如果一个机械系统可以用一个电路系统来模拟，则它们具有相同的运动规律，因此，可以方便地对电路系统进行试验、分析、研究，获得较好的效果，再比拟到机械系统，确定其相应的机械参数。机电模拟的实际意义：•明确传感器的定义、组成及其分类；•传感器与传感器技术的地位和作用及其发展趋势；•了解机-电模拟的基本方法和意义。小结习题何谓传感器？试述传感器的组成及各部分的功能？何谓有源传感器？何谓无源传感器？二者的区别何在？试述力-电压相似和力-电流相似的特点？了解一种新型传感器的组成及原理。