第1章-传感器基础模板

•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级1AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4第1章传感器基础知识1、传感器的地位和作用2、传感器的概念3、传感器的分类4、传感器与传感技术5、传感器技术的发展方向6、传感器的接口电路•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级2AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4一、传感器的地位与作用•工业自动化表、控制系统及其相关测控技术•科学仪器及其相关测控技术医疗仪器及其相关测控技术•信息技术电测、计算仪器及其相关测控技术•各类专用仪器仪表及其相关测控技术•相关传感器、元器件、制造工艺和材料及其基础科学技术•高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30～100种传感器。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级3AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4•传感器国民经济运行中有巨大的辐射作用和影响力•传感器在科学研究中是先行官•传感器在军事上体现出战斗力•传感器是当代社会的物化法官•传感器是科学探测的重要工具•传感器技术是国家科技水平和综合国力的重要体现•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级4AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4二、传感器的定义与分类1、定义：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。2、含义：①测量装置或器件，能完成信号获取任务②输入量是被测量③输出量是物理量④输入和输出有对应关系和精确度•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级5AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/43、框图：敏感元件转换元件信号调节转换电路电源输入量输出量•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级6AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/44、分类：①按测量原理以传感器将非电量转换成电量时依据的物理、化学、生物等学科的原理。②按输入信号输入的压力、温度、流量、速度、加速度、湿度等信号。则相应的压力传感器等③按结构型和物性型通过机械结构的几何形状和尺寸的变化，将被测量转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量变化的称为结构型传感器；利用材料本身的金属、半导体、合金、陶瓷物理性质作为敏感材料的物性型传感器④按使用材料传感器由金属、半导体、合金、陶瓷、复合材料等构成，则称为金属传感器等。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级7AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4尽管此处列出的传感器分类有较大的概括性,但由于传感器的分类不统一,因而这种分类很难完备,例如有的学者将传感器作了如下分类:(1)压力;(2）力/荷重;(3）位移（厚度）;(4）力矩;(5）角度;(6）角速度（转速）;(7）速度;(8）加速度;(9）角加速度;(10）倾斜角;(11）编码器;(12）振动;(13）气体/烟雾;(14）温度;(15）热能;(16）湿度;(17）水份;(18）露点;(19）液位;(20）料位;(21）流量;(22）流速(23）风速;(24)电流;(25）电压;(26）电功率;(27）电频率;(28）接近开关;(29）磁性开关;(30）光电开关;(31）pH值;(32）电阻率;(33）电导率;(34）水溶氧;(35）生物;(36）红外线;(37）紫外线;(38）光纤;(39)离子;(40）激光;(41）超声波;(42）声音/噪声;(43）触觉;(44）图像/颜色;(45）密度/粘度;(46）混浊度。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级8AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4三、传感器与传感技术•传感器技术含义：研究传感器材料、设计、工艺、性能和应用的综合技术，以传感器为核心逐渐外延，与测量学、微电子学、物理学、光学、机械学、材料学、计算机科学等多门学科相关，是多技术相互渗透形成的一个新技术学科领域。•传感器技术是信息技术的三大支柱之一：•传感与控制技术、通信技术、计算机技术。•传感器技术是自动控制、自动调节的关键技术之一：实现自动控制系统的关键环节，是决定机电一体化系统功能的实现的不可缺少的关键技术。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级9AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4传感器技术•材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、建筑、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级10AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4四、传感技术的特点•传感技术是边缘学科：①机理各异，涉及多门学科与技术②在理论上以物理学中效应、现象、化学中的反应、生物学中机理作为基础③涉及电子、机械制造、化学工艺、生物工程等技术④多种高科技高技术的集合产物•传感器产品、产业分散面广：传感器品种繁多、被测参数多，应用领域广泛。•传感器性能稳定、测试精确：具有高稳定性、高可靠性、高重复性、低迟滞、快响应和良好的环境适应性。•传感器功能、工艺要求复杂•基础、应用相互依存，产品、市场相互促进•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级11AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4五、传感器技术的发展方向•传感器的固态化•传感器的集成化•传感器的多功能化•传感器的智能化•传感器的高可靠性和宽温度化•多传感器的集成与融合化•传感器的网络化•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级12AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4传感器技术的发展十分迅速的原因有如下几点:•(1)电子工业和信息技术促进了传感器产业的相应发展。•(2)政府对传感器产业发展提供资助并大力扶植。•(3)国防、空间技术和民用产品有广大的传感器市场。•(4)在许多高新技术领域可获得用于开发传感器的理论和工艺。•从市场来看,力、压力、加速度、物位、温度、湿度、水分等传感器将保持较大的需求量。传感器的市场结构如表1.1所示。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级13AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4表1.1传感器市场结构•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级14AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4•近年来,由于微电子技术、微机械加工技术、纳米技术的迅速发展,传感器领域的主要技术也将在现有基础上予以延伸和提高:•（1）微机械加工技术（MEMT）和纳米技术将得到高速发展。采用MEMT制作的传感器和微系统,具有体积微小、低成本、高可靠性等独特的优点。•（2）新型敏感材料将加速开发,微电子、光电子、生物化学、信息处理等各学科的互相交叉、渗透和综合利用,将会研制出一批新颖、先进的传感器。•（3）敏感元件与传感器的应用领域将得到新的开拓,二次传感器和传感器系统的应用将大幅度增长。•展望未来,传感器将向着小型化、集成化、多功能化、智能化和系统化的方向发展,由微传感器、微执行器及信号和数据处理器总装集成的系统越来越引起人们的广泛关注。传感器市场将会迅速发展,并会加速新一代传感器的开发和产业化。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级15AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4六、传感器的接口电路1.传感器输出信号的特点：①传感器的输出形式各样。②传感器的输出信号一般较弱，电压。③传感器的输出阻抗都比较高，信号输入到测量电路时，产生较大的信号衰减。④传感器的输出信号动态范围很宽。⑤传感器的输出与输入的关系不一定是线性的。⑥传感器的输出信号会受温度的影响。V1.0•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级16AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4表1.2传感器的输出信号输出形式输出变化量传感器的名称开关信号型机械触点双金属温度传感器模拟信号型电子开关霍尔开关式集成传感器电压热电偶、磁敏元件电流光敏二极管电阻热敏电阻、应变片电容电容式传感器电感电感式传感器其他频率多普勒速度传感器•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级17AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/42.典型的传感器接口电路•①阻抗匹配器：半导体管阻抗匹配器、场效应管阻抗匹配器、运算放大器阻抗匹配器（输入阻抗极高）；•②电桥电路：直流电桥、交流电桥；•③放大电路。•④电荷放大器•表1.3典型的传感器接口电路•表1.4运算放大器放大电路形式•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级18AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4表1.3典型的传感器接口电路接口电路信号处理的功能阻抗变换电路在传感器输出为高阻抗，变换为低阻抗放大电路将微弱的传感器输出信号放大电流电压变换电路将传感器的电流信号转换成电压信号电桥电路把传感器的电阻电容电感变化转换为电流或电压信号频率电压变换电路将传感器输出的频率信号转换为电流或电压信号电荷放大电路将电场型传感器输出产生的电荷转换电压有效值转换电路在传感器为交流输出时转换为有效值，变为直流输出滤波电路通过低频及带宽滤波器消除传感器的噪声成分线性化电路在传感器的特性不是线性时，用来进行线性校正对数压缩电路当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路压缩•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级19AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院单击此处编辑母版标题样式2020/3/4表14运算放大器放大电路形式运算放大器放大电路的形式输出电压反相放大器同相放大器差动放大器U1R1R2U01210RRUUU1R1R2U0R3)1(1210RRUU)(12120UURRUU1U2R1R2U0R3R4