哈爾濱工業(yè)大學(xué)傳感技術(shù)課程課件(1)-2016最新版

1、傳感技術(shù)趙學(xué)增 機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院2015.03.03-2015.05.03教材：教材：現(xiàn)代傳感技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 趙學(xué)增等趙學(xué)增等 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社緒論傳感器的地位與作用傳感器的定義傳感器的組成傳感器的分類(lèi)對(duì)傳感器的一般性要求傳感器的發(fā)展方向一、傳感器的地位與作用地位l機(jī)械人類(lèi)的體力的延伸l計(jì)算機(jī)人類(lèi)智力的延伸l傳感器人類(lèi)感知力的延伸 電五官：視、聽(tīng)、嗅、味、觸5 “覺(jué)”l視覺(jué)：顯微鏡的發(fā)明，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明l聽(tīng)覺(jué)：超聲、次聲波應(yīng)用l高新技術(shù)領(lǐng)域：阿波羅 2077個(gè)傳感器l現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域：化工生產(chǎn)線、數(shù)控機(jī)床l日常生活領(lǐng)域：家電、汽車(chē)l基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域：一、

2、傳感器的地位與作用基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域：探索極限l距離、時(shí)間、溫度、壓力、磁場(chǎng)等l傳感器的發(fā)展推動(dòng)著生產(chǎn)和科技的進(jìn)步，生產(chǎn)和科技的進(jìn)步反過(guò)來(lái)也要求和支持著傳感器的發(fā)展和進(jìn)步現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大技術(shù)支柱l傳感技術(shù)感官l網(wǎng)絡(luò)技術(shù)神經(jīng)l計(jì)算機(jī)技術(shù)大腦傳感器與其它學(xué)科的關(guān)系l“伴生”關(guān)系二、傳感器的定義傳感器在國(guó)內(nèi)外的一些叫法國(guó)外Transducer, Sensor, Transduction Element, Converter, Gauge, Transponder, Transmitter, Detector, Pick-up, Probe, X-meter.國(guó)內(nèi)傳感器、換能器、變換器、敏感器件、探測(cè)器、

3、檢出器、檢測(cè)器，計(jì)（如加速度計(jì)）。傳感器的定義傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量器件或裝置。上述定義包含了以下含義：l傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；l其輸入量是某種被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；l其輸出量是某種便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示的物理量，如氣、光、電量等，目前主要是電量l輸出量與輸入輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且具有一定的精確度。敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路輔助電源輔助電源傳感器的組成框圖三、傳感器的組成一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件2部分組成有時(shí)還有轉(zhuǎn)換電路和輔助電源2部分 被測(cè)量電參量電量另一量傳感器的組成

4、敏感元件：能直接感受或響應(yīng)被測(cè)量，并輸出與之成確定關(guān)系的某一另類(lèi)物理量。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為電參量。轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出變?yōu)橐子谔幚?、顯示、記錄、控制的信號(hào)。既可以和敏感元件作在一起，也可分開(kāi)。輔助電源：提供傳感器正常工作所需能量的電源部分，它有內(nèi)部供電和外部供電2種形式。傳感器的組成彈性體彈性體1為敏感元件，它感受被測(cè)力為敏感元件，它感受被測(cè)力F并將它轉(zhuǎn)換成應(yīng)并將它轉(zhuǎn)換成應(yīng)變；變；電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片2是轉(zhuǎn)換元件，它將彈性體輸出的應(yīng)變轉(zhuǎn)換是轉(zhuǎn)換元件，它將彈性體輸出的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻值的變化；成電阻值的變化；電橋電橋3是轉(zhuǎn)換電路，它將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓是轉(zhuǎn)換電路，它將電阻值的

5、變化轉(zhuǎn)換成電壓U輸輸出；出；電源電源4是輔助電源，它為電橋供電。是輔助電源，它為電橋供電。3-電橋4-電源1-彈性體2-應(yīng)變片UF電磁式壓力傳感器大氣壓大氣壓 Pa被測(cè)氣壓被測(cè)氣壓 P1-殼體殼體4-線圈線圈2-膜盒膜盒3-磁芯磁芯6-電源5-交流電橋電量敏感元件：膜盒，敏感元件：膜盒，P-x轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件: 磁芯、線圈磁芯、線圈,x-L轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路: 交流電橋，交流電橋，L-V輔助電源輔助電源: 電源電源傳感器的組成實(shí)際上，有些傳感器并不能明顯區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個(gè)部分，而是二者合為一體。如圖所示的熱電偶 TToBA四、傳感器的分類(lèi)分類(lèi)方法傳感器的種類(lèi)說(shuō) 明按依據(jù)的效應(yīng)分類(lèi)物理傳感

6、器化學(xué)傳感器生物傳感器基于物理效應(yīng)，如光、電、聲、磁、熱效應(yīng)；基于化學(xué)效應(yīng)，如化學(xué)吸附、選擇性化學(xué)反應(yīng)等；基于生物效應(yīng)，如基于酶、抗體、激素等分子識(shí)別和選擇功能的生物傳感器按工作原理分類(lèi)應(yīng)變式、電容式、電感式、電磁式、壓電式、熱電式、光電式傳感器等傳感器依據(jù)其工作原理命名按被測(cè)量分類(lèi)位移、速度、溫度、壓力、氣體成分、濃度等等傳感器依據(jù)被測(cè)量命名按使用的敏感材料分類(lèi)半導(dǎo)體傳感器、光纖傳感器、復(fù)合材料傳感器、金屬傳感器、陶瓷傳感器、高分子材料傳感器等傳感器依據(jù)使用的材料命名按能量關(guān)系分類(lèi)能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量能量控制型由外部提供能量，而由被測(cè)量控制

7、輸出量能量按構(gòu)成原理分類(lèi)結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器結(jié)構(gòu)型通過(guò)敏感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換；物性型通過(guò)敏感元件材料物理性質(zhì)的變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換按輸出信號(hào)分類(lèi)數(shù)字式傳感器模擬式傳感器輸出為數(shù)字量輸出為模擬量五、對(duì)傳感器的一般性要求可靠性精度（動(dòng)、靜）抗干擾通用性外形小成本低能耗小六、傳感器的發(fā)展方向提高精度和擴(kuò)大測(cè)量范圍提高精度和擴(kuò)大測(cè)量范圍低功耗及無(wú)源化低功耗及無(wú)源化新原理新原理新材料新材料微型化、集成化、智能化微型化、集成化、智能化仿生傳感器仿生傳感器第一章 傳感器基礎(chǔ) 傳感器的特性傳感器的數(shù)學(xué)模型傳感器的靜態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的標(biāo)定特性：輸入與輸出之間的關(guān)系，一般用一特性：輸入與輸出

8、之間的關(guān)系，一般用一個(gè)輸入個(gè)輸入-輸出曲線、一個(gè)函數(shù)關(guān)系或一個(gè)輸出曲線、一個(gè)函數(shù)關(guān)系或一個(gè)微分方程式來(lái)表示。微分方程式來(lái)表示。第一節(jié) 傳感器的數(shù)學(xué)模型什么是模型？l模型是略去無(wú)用和次要因素，對(duì)所關(guān)心的具體問(wèn)題的內(nèi)在實(shí)質(zhì)的抽象反映。研究數(shù)學(xué)模型的目的和意義l理論指導(dǎo)實(shí)踐，例如 y=kx 線性模型l可以獲得傳感器的全面信息l在傳感器的設(shè)計(jì)時(shí)不盲目電動(dòng)式動(dòng)態(tài)力測(cè)力傳感器F-被測(cè)動(dòng)態(tài)力v-速度E-感生電動(dòng)勢(shì)I-感生電流F-安培力FFEIv構(gòu)造一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)模型逆變換器逆變換器基本變換器基本變換器預(yù)預(yù)變變換換器器電電變變換換器器理想變換器理想變換器FIEv機(jī)機(jī)械械端端口口電電端端口口F 機(jī)電模擬FkcmL

9、RCE機(jī)械系統(tǒng)模型機(jī)械系統(tǒng)模型電路系統(tǒng)模型電路系統(tǒng)模型機(jī)電模擬dvmcvk vdtFdtdILRIC IdtEdt機(jī)械系統(tǒng)微分方程：電路系統(tǒng)微分方程： -v IF E機(jī)電模擬， F-E；v-IZmevYFEIFIEv預(yù)變換器： 機(jī)械導(dǎo)納電變換器： 電阻抗逆變換器： 逆變換器靈敏度基本變換器： 基本變換器靈敏度進(jìn)一步抽象成信號(hào)流程圖FIEvYmZe 匯節(jié)點(diǎn)匯節(jié)點(diǎn) 源節(jié)點(diǎn)源節(jié)點(diǎn) 半源半?yún)R節(jié)點(diǎn)半源半?yún)R節(jié)點(diǎn)激勵(lì)信號(hào)：F；I響應(yīng)信號(hào)：v；EmmmemvY FY IEY FZYI其它形式的流程圖逆轉(zhuǎn)支路的傳輸值取倒數(shù)指向逆轉(zhuǎn)支路的傳輸值取負(fù)數(shù)F-v支路逆轉(zhuǎn)、I-E支路逆轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)： v；E 響應(yīng)信號(hào)： F；ImeeeFZYevY EIY vY E FIEvZmYeF-v支路逆轉(zhuǎn)、I-E支路不變激勵(lì)信號(hào)： v；I 響應(yīng)信號(hào)： F；EmeFZ vIEvZ IFIEvZmZe參數(shù)計(jì)算機(jī)械端口可以看作如圖所示Fkcm22()()j tj tj tmmxcxkxFxvxAexAejj xxAejjxFkZj mcvj 參數(shù)計(jì)算 EBlvFBlIEBlvFBlI 11mmmeeFkZj mcvjYZZRj LYRj L