传感器概述

3.1传感器概述3.2常用传感器3.3传感器接口电路第3章传感器检测与接口电路3.1传感器概述3.1.1什么是传感器3.1.2传感器技术的作用和地位3.1.3传感器现状和国内外发展趋势3.1.4检测系统的组成原理3.1.5传感器的定义、组成和分类方法3.1.6传感器的性能3.1.7传感器的选用原则3.1.1什么是传感器•眼（视觉）•耳（听觉）•鼻（嗅觉）•皮肤（触觉）•舌（味觉）感知外界信息→大脑→肌体3.1传感器概述人体系统和机器系统比较3.1传感器概述3.1.1什么是传感器•人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。•如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。•传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。传感器外界信息感官大脑肌体计算机执行机构3.1传感器概述从广义的角度来说，信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。3.1.1什么是传感器3.1传感器概述对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。下面请看2个传感器应用实例:3.1.1什么是传感器3.1传感器概述车胎压力监测3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位构成现代信息技术的三大支柱是：•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。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。3.1.2传感器技术的作用和地位3.1传感器概述目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所起到的作用大的多。这几乎是无可争议的事实。传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。3.1.2传感器技术的作用和地位3.1传感器概述工业生产3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位机器人视觉:平面、立体非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、…3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位超声波测流量红外测温电子汽车衡计量测试3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位医疗诊断3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位家用电器液化气烟雾报警器智能洗衣机遥控器3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位智能建筑给排水系统泵系统锅炉系统环境控制电力监测能量计费消防系统保安系统照明系统DDC3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位智能建筑门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统指纹门禁3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位最新湿度测量应用领域纺织品精确的烟草烘干木材烘干芯片生产要求最高的湿度稳定性纸品专为您的需求所设计的湿度传感器3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位NOXNO+NO2dustsootH2SH2OHCC-totalCO2COO2HCNHClHFNH3SO23.1.2传感器技术的作用和地位3.1传感器概述传感器具有以下作用和功能（1）测量与数据采集（2）检测与控制（3）诊断与监测（4）辅助观测仪器（5）资源探测（6）环境保护（7）医疗卫生（8）家用电器•……•3.1传感器概述3.1.2传感器技术的作用和地位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、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说：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。由此可见，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。世界各国十分重视这一领域的发展。3.1.3传感器现状和国内外发展趋势3.1传感器概述传感器现状据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和开发，研发机构6000余家。其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。1998年全世界传感器市场销售额已达325亿元，预计2006年销售额将增至506亿美元。3.1.3传感器现状和国内外发展趋势3.1传感器概述我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。目前有1680多家传感器研发机构，产品约6000种，年产量13.2亿多支，其中约有1／2产品销往国外。预计到“十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达到20亿支，销售总额将达约120亿元。3.1.3传感器现状和国内外发展趋势3.1传感器概述传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传感器自身在智能化和网络方面的落后。3.1.3传感器现状和国内外发展趋势3.1传感器概述传感器发展趋势：20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞速发展，现代传感器已是测量仪器、智能化仪表、自动控制系统等装置必不可少的感知元件。几十年来传感技术的发展分为两个方面：1.提高与改善传感器的技术指标；2.寻找新原理、新材料、新工艺。为改善传感器性能采用多种技术途径：差动技术；平均技术；补偿修正技术；隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。3.1.3传感器现状和国内外发展趋势3.1传感器概述目前传感器总的发展趋势是：（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。传感器的数字化和网络化模拟传感器放大电路A/D转换线性化处理微处理器标准接口脉冲输出控制门显示3.1传感器概述3.1.3传感器现状和国内外发展趋势传感器在总体上呈现出多功能、微型化、数字化、集成化、智能化和网络化的发展趋势。3.1传感器概述3.1.4检测系统的组成原理各种传感器其输出信号的形式因传感器而异。检测仪器的输出或送控制器用以调节控制，或送至计算机作进一步处理。现代传感技术是自动检测和自动控制系统以及机电一体化的第一基础。自动控制系统框图传感器被测对象控制器被测量可用信号信号处理显示记录3.1传感器概述3.1.4检测系统的组成原理实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。18世纪以来科学技术取得飞速发展，被测对象迅速扩大。•力学领域有速度、加速度、力、功和能量等；•电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场；•化学领域中有浓度、成分、pH值等；•工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量；工业领域的光泽、触觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。3.1传感器概述3.1.4检测系统的组成原理另一方面，测量仪器的输出信号必须转化为电压、电流或数字量中的一种。由于传感器的种类很多，传感器的输出有各种形式，如热电偶、pH电极等输出为直流电压；热敏电阻、应变计、半导体气体传感器输出为电阻，……。信号处理就是通过信号转换、放大、解调、A/D转换得到所希望的输出信号过程。这是检测系统中使用的共同技术。普通电测仪表基本组成传感器非电量电量测量电路A/D转换数字显示3.1传感器概述3.1.4检测系统的组成原理就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远距离测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法传统的传感器可以完成从非电量到非电量的转换，但无法实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自动检测与控制。3.1传感器概述3.1.4检测系统的组成原理无论是电量测量还是非电量测量，数字电压表问世以来，模拟式仪表逐渐被数字式仪表取代。微型计算机出现后形成崭新的微机自动化测试系统;单片微机对采集的数据进行处理并提供显示和记录同时，也对整个测试过程进行控制。典型微机测试系统微机显示器A/D转换测量电路传感器控制器记录器非电量3.1传感器概述3.1.4检测系统的组成原理自动检测系统实例3.1.5传感器的定义、组成和分类方法（1）传感器定义3.1传感器概述•广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。•狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。•国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）定义是：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和装置3.1.5传感器的定义、组成和分类方法（1）传感器定义3.1传感器概述测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。这种能感应被测量的变化并将其转换为其它物理量变化的器件，就是传感器。输入匹配放大变换被测信号输出广义传感器检出器信号处理部分3.1.5传感器的定义、组成和分类方法（1）传感器定义3.1传感器概述以上定义表明传感器有以下含义：•它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置；•能按一定规律将被测量转换成电信号输出；•传感器的输出与输入之间存在确定的关系；按使用的场合不同又称为:变换器、换能器、探测器。3.1.5传感器的定义、组成和分类方法（2）传感器的组成3.1传感器概述传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：•敏感元件感受被测量;•转换元件将响应的被测量转换成电参量;•基本电路把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理。敏感元件转换元件基本电路电量输出被测量3.1.5传感器的定义、组成和分类方法（2）传感器的组成3.1传感器概述国标GB/T14479-93规定传感器用图形符号表示方法：正方形表示转换元件,三角形表示敏感元件；X表示被测量符号，*表示转换原理。*X3.1.5传感器的定义、组成和分类方法（2）传感器的组成3.1传感器概述几个典型传感器的图用图形符号ＰaP电容式压力传感器压电式加速度传感器电位器式压力传感器3.1.5传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类3.1传感器概述传感器分类方法较多,大体有以下几种：1）按传感器检测的范畴分类物理量传感器化学量传感器生物量传感器２）按传感器的输出信号分类模拟传感器数字传感器3.1.5传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类3.1传感器概述４）按传感器的功能分类单功能传感器多功能传感器智能传感器３）按传感器的结构分类结构型传感器物性型传感器复合型传感器3.1.5传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类3.1传感器概述6）按传感器的能源分类有源传感器无源传感器５）按传感器的转换原理分类机—电传感器光—电传感器热—电电传感器磁—电传感器电化学传感器3.1.5传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类3.1传感器概述国标制定的传