傳感器及相關(guān)應(yīng)用重點(diǎn)

1、22第一章緒論第1部分傳感器有何作用?2、人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系Sensor、Transducer性能凌駕于人的感官之上：(1) 測(cè)量人體無法感知的量(2) 惡劣環(huán)境下工作(3) 測(cè)量范圍寬、精確高、可靠性好溫度傳感器：196匸33009壓力傳感器：聲壓800MPa精度：0.1%-0.01%可靠度：89級(jí)主要應(yīng)用信電科設(shè)交輸機(jī)機(jī)家照汽飛船氣海環(huán)醫(yī)防光熱機(jī)土農(nóng)貨食 息信技備通電床器用相車機(jī)舶象洋境療火能能械木林幣品 處電測(cè)控控系人電機(jī)污 利利能建金理話試制制統(tǒng) 器染 用用利筑融用6#例化工產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)過程傳感器技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用。51、自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)石油、化工、電力、鋼鐵

2、、機(jī)械等加工工業(yè)78接近傳颶踞車燈曲”件刪/安全帶左IW水鑲開關(guān)!/aw瑩傳惑器2、汽車與傳感器傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量安全：安全氣囊系統(tǒng)、防謐裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、汽車“黑匣子”環(huán)保：排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置加轉(zhuǎn)速誥谿溫車髙位置休惡養(yǎng)a加速度伎感器磁簧繼電器近傳港位傳感器93、傳感器與家用電器自動(dòng)電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風(fēng)干器、 電熨斗、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、照相機(jī)、電冰箱、 電視機(jī)、錄像機(jī)、家庭影院4、傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用單能機(jī)器人：生產(chǎn)用的自動(dòng)機(jī)械式（加工、組裝、檢驗(yàn)）檢測(cè)臂的位置和角度傳感器1011泰坦尼克中用于

3、水下探測(cè)的“鄧肯”號(hào)機(jī)器人132003年9月，全球現(xiàn)場(chǎng)直播埃及金字塔世界最古老石棺 的考古挖掘進(jìn)程，可能揭開古埃及金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)之謎。“金字塔漫游者”，地面探 測(cè)雷達(dá)、超聲波傳感器（測(cè) 石頭厚度）。5、傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器周圍環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)醫(yī)用電子學(xué)醫(yī)用傳感器：人體內(nèi)部溫度、血液、 呼吸流量、腫瘤、心音、 腔內(nèi)壓力、心腦電波6、傳感器與航空及航天 飛行器：控制在預(yù)定軌道上 速度、加速度、飛行距離測(cè)量15空7、傳感器與環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器158、傳感器與遙感技術(shù)飛機(jī)及航天飛行器：近紫外線、可見光、遠(yuǎn)紅外線、微波 船舶：超聲波傳感器

4、紅外線分布差異礦藏埋藏地區(qū)微波9、傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用美國(guó)高級(jí)將領(lǐng)與著名學(xué)者訪談錄“信息時(shí)代的軍事革命”美國(guó)參聯(lián)會(huì)副主席歐文斯上將“改變那種認(rèn)為軍事力量主要是軍艦、坦克和 飛機(jī)的概念，把我們的注意力放在思考信息和電信 技術(shù)所能提供的軍事力量上來。這場(chǎng)軍事革命標(biāo)志 著一種轉(zhuǎn)變，即從重視軍艦、坦克和飛機(jī)，轉(zhuǎn)為重 視諸如傳感器這類東西的作用?！薄瓣戃?海軍、空軍都將只不過是歷史的產(chǎn)物 你也許將成立一個(gè)把所有的傳感器放在一起的軍種（可稱之為傳感器軍）用于觀察戰(zhàn)場(chǎng)”三.地位及發(fā)展?fàn)顩r3、現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱1、現(xiàn)代測(cè)量與自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，計(jì)算機(jī)的“五 官”，如果沒

5、有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行精確、可靠 的捕獲和轉(zhuǎn)換，一切測(cè)量和控制都是不可能實(shí)現(xiàn)的。2、衡量國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志傳感器與傳感器技術(shù)的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國(guó) 家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，也是判斷一個(gè)國(guó)家科學(xué)技 術(shù)現(xiàn)代化程度與生產(chǎn)水平高低的重要依據(jù)。通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)既是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會(huì)賴以存在 和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。如果沒有高度保真和性能可靠的傳感器，沒有先進(jìn) 的傳感器技術(shù)，信息的準(zhǔn)確獲得與精密檢測(cè)就成了 一句空話，通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)也就成了無源之 水，無本之木，現(xiàn)代測(cè)量與自動(dòng)化技術(shù)隨之變成水 中之月.鏡中之花。204、各國(guó)政府高度重視日本科學(xué)技術(shù)廳把傳感器技術(shù)列為六大核

6、心技術(shù)（計(jì) 算機(jī)、通訊、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和傳感器）之一。日本政府還在21世紀(jì)技術(shù)預(yù)測(cè)中將傳感器列為首位。美國(guó)白宮將“傳感器及信號(hào)處理”列為對(duì)國(guó)家安全和 經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響的關(guān)鍵技術(shù)之一。西歐各國(guó)在制定“尤里卡”發(fā)展計(jì)劃中，把傳感器技 術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。21我國(guó)政府在“863計(jì)劃”及重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目中，均把 傳感器列在重要位置。22#發(fā)展方向新理論的探討、新技術(shù)的應(yīng)用、新材料和新工藝的研究1、努力實(shí)現(xiàn)傳感器的新特性檢測(cè)范圍寬、高靈敏度、高精度、響應(yīng)速度快、 互換性好2、確保傳感器的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命3、提高集成化和功能化程度信息處理功能一體化：敏感元件、電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器功能和信

7、息處理功能一體化234、微型化微機(jī)電系統(tǒng) MEMS ( Microelectro-mechanical System )輪廓尺寸在毫米量級(jí)、元件尺寸在微米量級(jí)、可運(yùn)動(dòng)的微型機(jī)電裝置。借助集成電路的制造技術(shù)來制造機(jī)械裝置集成電路：微型的齒輪、電機(jī)、泵、閥門、懸臂梁、光學(xué)鏡片一執(zhí)行機(jī)構(gòu)微型集成傳感器：力、壓力、加速度、化學(xué)傳感器235、新型功能材料的開發(fā)各種新型傳感器孕育在新材料之中半導(dǎo)體材料和新工藝的發(fā)展：半導(dǎo)體傳感器 y壓電半導(dǎo)體材料發(fā)展：壓電集成傳感器.高分子壓電薄膜的出現(xiàn)：機(jī)器人觸覺傳感器241時(shí)間內(nèi)容1公元前XOOO 年農(nóng)業(yè)革命非洲尼羅河流域糧食產(chǎn)塑創(chuàng)紀(jì)錄增長(zhǎng).金字塔公元前500年材料革

8、諭（鐵的冶煉和應(yīng)用）中國(guó)與印度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率極大提髙1«世紀(jì)工業(yè)革命歐洲蒸汽機(jī)等新型機(jī)械 的使用.使工業(yè) 生產(chǎn)突飛猛進(jìn)20世紀(jì)末電子和信息技術(shù)革命美國(guó)和日本提高腦力勞動(dòng) 的效率21世紀(jì)生活革命（生活環(huán)境的解放）美、歐.日聯(lián)合地 球上所有成員國(guó)人與機(jī)械、人與自然的協(xié)調(diào)高橋清（日），“展望21世紀(jì)新技術(shù)革命中的傳感 器”，傳感器技術(shù)，2001年第1期25五、亍果程及教材1、課程特點(diǎn)：理論性、綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科內(nèi)容離散知識(shí)密集程度高設(shè)計(jì)與實(shí)踐2、關(guān)于教材、參考書及資料傳感器入門雨宮好文傳感器原理及應(yīng)用朱蘊(yùn)璞等傳感器技術(shù)傳感器世界3、實(shí)驗(yàn)26第二部分何為傳感器?27能感受 的 并按照 成

9、的。四層含義：(1) 傳感器是一種測(cè)量器件或裝置發(fā)電機(jī)是不是傳感器？(2) “規(guī)定的皺測(cè)胃”:非電量電量物理量 化學(xué)量 生物量§1-2傳感器的基本概念一、傳感器的定義GB766529能感受 的成的并按照(3) “可用輸出信號(hào)”把外界非電量信息轉(zhuǎn)換成與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系 的電量輸出的器件或裝置。非電量電測(cè)技術(shù)把外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成光信號(hào)輸出的器件。29一、傳感器的物理定律設(shè)計(jì)使用傳感器必須遵循的規(guī)律(1)守恒定律物理量隨著空間和時(shí)間的移動(dòng)，其總量保持不變。能量守恒、動(dòng)量守恒、電荷守恒傳感器與被測(cè)量之間能量轉(zhuǎn)換時(shí)必須遵循。(2)統(tǒng)計(jì)法則運(yùn)動(dòng)的微觀世界與宏觀世界相結(jié)合的定律。如：熱力學(xué)第

10、二定律這些法測(cè)與傳感器的工作法則狀態(tài)有關(guān)，是分 析傳感器的理論基礎(chǔ)。30（3）場(chǎng)的定律描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)、物質(zhì)場(chǎng)、重力場(chǎng)等在空間和時(shí) 間上的變換規(guī)律。物理方程可作為傳感器工作的數(shù)學(xué)模型利用靜電場(chǎng)：電容式傳感器；電磁感應(yīng)：電感式傳感器利用場(chǎng)的定律構(gòu)成的傳感器稱為：結(jié)構(gòu)型傳感器（4）物質(zhì)定律表示各種物質(zhì)內(nèi)在客觀性質(zhì)的定律。虎克定律F=kx、歐姆定律U = RI31£例 舉例說明結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器的區(qū)別。八0 固定極板dSOSr ( / AZ ) Z?C = C o zxc =d化簡(jiǎn)得：u = -<7 1 / iI活動(dòng)極板16（1）電容式傳感結(jié)構(gòu)型傳感器半導(dǎo)體物質(zhì)法則：壓敏、熱敏

11、、光敏、濕敏 基于物質(zhì)定律構(gòu)成的傳感器稱為：物性型傳感器輸出靈敏度S =仝：=仝=蘭叱 Z 2cl結(jié)構(gòu)型傳感器的特性主要由其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定,與構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。3234(2)壓敏傳感器物性型傳感器壓阻效應(yīng)壓力大小電阻率的變化|I材料性質(zhì)物性型傳感器主要由構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)決定。結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)鑫數(shù)決定物質(zhì)性質(zhì)決定性能穩(wěn)定將迅速提高成本較高將大大降低應(yīng)用廣泛發(fā)展方向之一33被測(cè) 非電量三、傳感器的組成敏感元件1傳感有用 電量有用 非電量信號(hào)調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)換電路傳感元件：又稱轉(zhuǎn)換元件?？芍苯痈惺鼙粶y(cè)量(非電量) 而輸出與之成確定關(guān)系的電量，如熱電偶。傳感元件也可以不直接感受被測(cè)量，而只感受與

12、被測(cè)量成確定關(guān)系的其它非電量。例如差動(dòng)變壓器式壓力傳感器，并不直接感受壓力，而只是感受與被測(cè)壓力成確定關(guān)系的銜鐵位移然后輸出電35被測(cè)非電量有用非電量有用電量35例大噸位電容式稱重傳感器woe ACf被測(cè)非電量: 敏感元件：有用非電量: 傳感元件： 有用電量：結(jié)構(gòu)型 傳感器物性型 傳感器彈性體極板 支架絕緣材料:定極板動(dòng)極板外界壓力 彈性體被測(cè)非電量有用電:ftII極板間距變化 電容傳感器 電容量C36能量角度輸入輸出（1）自源型特點(diǎn)：不需要外能源,輸出電量較弱轉(zhuǎn)換元件例：熱電偶傳感器AB38#溫度場(chǎng)的能量（熱量）#37（2）帶激勵(lì)源型特點(diǎn)：不需要變換電路.有較大電量輸出輸入輸出例霍爾電磁感應(yīng)

13、式傳感器產(chǎn)生橫向電勢(shì)Uh = Kh I BRhIBd被測(cè)量:磁場(chǎng)輔助能源：激勵(lì)電流39例：磁電式傳感器電磁感應(yīng)定律：d(/> e = -W dt(3)外源型5輸入轉(zhuǎn)換元件變換電路電源輸出特點(diǎn)：通過帶 的 變換電路，才能獲得有 用的電量輸出能量控制型39相同傳感器補(bǔ)償型 為消除環(huán)境干擾差動(dòng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型I不同傳感器補(bǔ)償型(1)相同傳感器補(bǔ)償型環(huán)境影響輸入轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換元件 變換電路電源輸出應(yīng)變式42（2）差動(dòng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型環(huán)境影響輸入tBU 丿、f轉(zhuǎn)換元件f轉(zhuǎn)換元件 變換電路輸出#輸入量：反向轉(zhuǎn)換 q測(cè)量電路環(huán)境干擾量：正向轉(zhuǎn)換-（3）不同傳感器補(bǔ)償型2的受環(huán)境影響的特性已知，1向2提供等效的抵 消環(huán)境影響的補(bǔ)償信號(hào)#傳感器的分類按輸入物理量： 位移、速度、溫度傳感器按工作原理：電容式、電感式、熱電式傳感器 按能量關(guān)系：能量轉(zhuǎn)換型（有源傳感器）1能量控制型（無源傳感器） 按輸出信號(hào)性質(zhì)：模擬式、數(shù)字式傳感器 按構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型、物性型傳感器 按構(gòu)成傳感器的功能材料：半導(dǎo)體傳感器按高新技術(shù)：集成傳感器、智能傳感器仿生傳感器、機(jī)器人傳感器位移線位移長(zhǎng)度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、不平度角位移旋轉(zhuǎn)角、偏振角、角振