第1章-傳感器基礎(chǔ)

1、 第1章 傳感器基礎(chǔ)知識(shí)1、傳感器的地位和作用2、傳感器的概念3、傳感器的分類(lèi)4、傳感器與傳感技術(shù)(jsh)5、傳感器技術(shù)的發(fā)展方向6、傳感器的接口電路2022/7/19共二十頁(yè)一 、傳感器的地位(dwi)與作用工業(yè)自動(dòng)化表、控制系統(tǒng)及其相關(guān)(xinggun)測(cè)控技術(shù)科學(xué)儀器及其相關(guān)測(cè)控技術(shù)醫(yī)療儀器及其相關(guān)測(cè)控技術(shù)信息技術(shù)電測(cè)、計(jì)算儀器及其相關(guān)測(cè)控技術(shù)各類(lèi)專(zhuān)用儀器儀表及其相關(guān)測(cè)控技術(shù)相關(guān)傳感器、元器件、制造工藝和材料及其基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù) 高級(jí)轎車(chē)需要用傳感器對(duì)溫度、壓力、位置、距離、轉(zhuǎn)速、加速度、濕度、電磁、光電、振動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，一般需要30100種傳感器。 2022/7/19共二十頁(yè)傳

2、感器國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中有巨大的輻射作用和影響力傳感器在科學(xué)研究中是先行官傳感器在軍事上體現(xiàn)(txin)出戰(zhàn)斗力傳感器是當(dāng)代社會(huì)的物化法官傳感器是科學(xué)探測(cè)的重要工具傳感器技術(shù)是國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)2022/7/19共二十頁(yè)二、傳感器的定義(dngy)與分類(lèi)1、定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。2、含義：測(cè)量裝置或器件，能完成信號(hào)獲取任務(wù)輸入量是被測(cè)量輸出量是物理量輸入和輸出有對(duì)應(yīng)(duyng)關(guān)系和精確度2022/7/19共二十頁(yè)3、框圖(kungt)：2022/7/19共二十頁(yè)4、分類(lèi)：按測(cè)量原理 以傳感器將非電量轉(zhuǎn)換成電量時(shí)依據(jù)的物理、化學(xué)、生

3、物等學(xué)科的原理。按輸入信號(hào) 輸入的壓力、溫度、流量、速度、加速度、濕度等信號(hào)。則相應(yīng)的壓力傳感器等按結(jié)構(gòu)型和物性型 通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸的變化，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測(cè)出被測(cè)量變化的稱(chēng)為結(jié)構(gòu)型傳感器；利用材料本身的金屬、半導(dǎo)體、合金(hjn)、陶瓷物理性質(zhì)作為敏感材料的物性型傳感器 按使用材料 傳感器由金屬、半導(dǎo)體、合金、陶瓷、復(fù)合材料等構(gòu)成，則稱(chēng)為金屬傳感器等。2022/7/19共二十頁(yè) 盡管此處列出的傳感器分類(lèi)有較大的概括性, 但由于傳感器的分類(lèi)不統(tǒng)一, 因而這種分類(lèi)很難完備, 例如有的學(xué)者將傳感器作了如下分類(lèi): (1)壓力; (2）力/荷重;

4、(3）位移（厚度）; (4）力矩; (5）角度; (6）角速度（轉(zhuǎn)速）; (7）速度; (8）加速度; (9）角加速度; (10）傾斜角; (11）編碼器; (12）振動(dòng); (13）氣體/煙霧; (14）溫度(wnd); (15）熱能; (16）濕度; (17）水份; (18）露點(diǎn); (19）液位; (20）料位; (21）流量; (22）流速(23）風(fēng)速; (24)電流; (25）電壓; (26）電功率; (27）電頻率; (28）接近開(kāi)關(guān); (29）磁性開(kāi)關(guān); (30）光電開(kāi)關(guān); (31）pH值; (32）電阻率; (33）電導(dǎo)率; (34）水溶氧; (35）生物; (36）紅外線; (3

5、7）紫外線; (38）光纖; (39)離子; (40）激光; (41）超聲波; (42）聲音/噪聲; (43）觸覺(jué); (44）圖像/顏色; (45）密度/粘度; (46）混濁度。2022/7/19共二十頁(yè)三、傳感器與傳感技術(shù)(jsh)傳感器技術(shù)含義：研究傳感器材料、設(shè)計(jì)、工藝、性能和應(yīng)用的綜合技術(shù)，以傳感器為核心(hxn)逐漸外延，與測(cè)量學(xué)、微電子學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多門(mén)學(xué)科相關(guān)，是多技術(shù)相互滲透形成的一個(gè)新技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的三大支柱之一：傳感與控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)。傳感器技術(shù)是自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)之一：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，

6、是決定機(jī)電一體化系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)的不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。2022/7/19共二十頁(yè)傳感器技術(shù)(jsh) 材料學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、乃至系統(tǒng)科學(xué)、人工智能、自動(dòng)化技術(shù)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、信息產(chǎn)業(yè)、機(jī)械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、材料、災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)防(yfng)、農(nóng)林漁業(yè)、食品、煙酒制造、建筑、汽車(chē)、艦船、機(jī)器人、家電、公共安全等領(lǐng)域 。2022/7/19共二十頁(yè)四、傳感技術(shù)(jsh)的特點(diǎn)傳感技術(shù)是邊緣學(xué)科：機(jī)理

7、各異，涉及多門(mén)學(xué)科與技術(shù)在理論上以物理學(xué)中效應(yīng)、現(xiàn)象、化學(xué)中的反應(yīng)、生物學(xué)中機(jī)理作為基礎(chǔ)涉及電子、機(jī)械制造、化學(xué)工藝(gngy)、生物工程等技術(shù)多種高科技高技術(shù)的集合產(chǎn)物傳感器產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)分散面廣：傳感器品種繁多、被測(cè)參數(shù)多，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。傳感器性能穩(wěn)定、測(cè)試精確：具有高穩(wěn)定性、高可靠性、高重復(fù)性、低遲滯、快響應(yīng)和良好的環(huán)境適應(yīng)性。傳感器功能、工藝要求復(fù)雜基礎(chǔ)、應(yīng)用相互依存，產(chǎn)品、市場(chǎng)相互促進(jìn)2022/7/19共二十頁(yè)五、傳感器技術(shù)的發(fā)展(fzhn)方向傳感器的固態(tài)(gti)化傳感器的集成化傳感器的多功能化傳感器的智能化傳感器的高可靠性和寬溫度化多傳感器的集成與融合化傳感器的網(wǎng)絡(luò)化2022/7/

8、19共二十頁(yè)傳感器技術(shù)的發(fā)展十分迅速的原因有如下幾點(diǎn): (1) 電子工業(yè)和信息技術(shù)促進(jìn)了傳感器產(chǎn)業(yè)的相應(yīng)發(fā)展。 (2) 政府對(duì)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供資助并大力扶植。(3) 國(guó)防、 空間技術(shù)和民用產(chǎn)品有廣大的傳感器市場(chǎng)。 (4) 在許多高新技術(shù)領(lǐng)域可獲得用于開(kāi)發(fā)傳感器的理論和工藝。 從市場(chǎng)來(lái)看, 力、 壓力、 加速度、 物位、 溫度、 濕度、 水分等傳感器將保持(boch)較大的需求量。 傳感器的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)如表1.1所示。2022/7/19共二十頁(yè)表 1.1傳感器市場(chǎng)(shchng)結(jié)構(gòu) 2022/7/19共二十頁(yè)近年來(lái), 由于微電子技術(shù)、 微機(jī)械加工技術(shù)、 納米技術(shù)的迅速發(fā)展, 傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)

9、也將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高: （1） 微機(jī)械加工技術(shù)（MEMT）和納米技術(shù)將得到高速發(fā)展。 采用MEMT制作的傳感器和微系統(tǒng), 具有體積微小、 低成本、 高可靠性等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。（2）新型敏感材料將加速(ji s)開(kāi)發(fā), 微電子、 光電子、 生物化學(xué)、 信息處理等各學(xué)科的互相交叉、 滲透和綜合利用, 將會(huì)研制出一批新穎、 先進(jìn)的傳感器。 （3） 敏感元件與傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫叫碌拈_(kāi)拓, 二次傳感器和傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用將大幅度增長(zhǎng)。 展望未來(lái), 傳感器將向著小型化、 集成化、 多功能化、 智能化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展, 由微傳感器、 微執(zhí)行器及信號(hào)和數(shù)據(jù)處理器總裝集成的系統(tǒng)越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注

10、。 傳感器市場(chǎng)將會(huì)迅速發(fā)展, 并會(huì)加速新一代傳感器的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。 2022/7/19共二十頁(yè)六、傳感器的接口(ji ku)電路1.傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)：傳感器的輸出形式各樣。傳感器的輸出信號(hào)一般較弱，電壓 。傳感器的輸出阻抗都比較(bjio)高，信號(hào)輸入到測(cè)量電路時(shí)，產(chǎn)生較大的信號(hào)衰減。傳感器的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很寬。傳感器的輸出與輸入的關(guān)系不一定是線性的。傳感器的輸出信號(hào)會(huì)受溫度的影響。2022/7/19共二十頁(yè)表1.2傳感器的輸出(shch)信號(hào)輸出形式輸出變化量傳感器的名稱(chēng)開(kāi)關(guān)信號(hào)型機(jī)械觸點(diǎn)雙金屬溫度傳感器模擬信號(hào)型電子開(kāi)關(guān)霍爾開(kāi)關(guān)式集成傳感器電壓熱電偶、磁敏元件電流光敏二極管電阻熱敏電

11、阻、應(yīng)變片電容電容式傳感器電感電感式傳感器其他頻率多普勒速度傳感器2022/7/19共二十頁(yè)2.典型(dinxng)的傳感器接口電路阻抗匹配器：半導(dǎo)體管阻抗匹配器、場(chǎng)效應(yīng)管阻抗匹配器、運(yùn)算放大器阻抗匹配器（輸入阻抗極高）；電橋(din qio)電路：直流電橋(din qio)、交流電橋(din qio)；放大電路。電荷放大器表1.3典型的傳感器接口電路表1.4運(yùn)算放大器放大電路形式2022/7/19共二十頁(yè)表1.3典型的傳感器接口(ji ku)電路接口電路信號(hào)處理的功能阻抗變換電路在傳感器輸出為高阻抗，變換為低阻抗放大電路將微弱的傳感器輸出信號(hào)放大電流電壓變換電路將傳感器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信

12、號(hào)電橋電路把傳感器的電阻電容電感變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)頻率電壓變換電路將傳感器輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)電荷放大電路將電場(chǎng)型傳感器輸出產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換電壓有效值轉(zhuǎn)換電路在傳感器為交流輸出時(shí)轉(zhuǎn)換為有效值，變?yōu)橹绷鬏敵鰹V波電路通過(guò)低頻及帶寬濾波器消除傳感器的噪聲成分線性化電路在傳感器的特性不是線性時(shí)，用來(lái)進(jìn)行線性校正對(duì)數(shù)壓縮電路當(dāng)傳感器輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較寬時(shí)，用對(duì)數(shù)電路壓縮2022/7/19共二十頁(yè)表14運(yùn)算(yn sun)放大器放大電路形式運(yùn)算放大器放大電路的形式輸出電壓反相放大器同相放大器差動(dòng)放大器2022/7/19共二十頁(yè)內(nèi)容摘要第1章 傳感器基礎(chǔ)知識(shí)1、傳感器的地位和作用。第1章 傳感器基礎(chǔ)知識(shí)1、傳感器的地位和作用。2022/1/29?？茖W(xué)儀器及其相關(guān)測(cè)控技術(shù)醫(yī)療儀器及其相關(guān)測(cè)控技術(shù)。1、定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。2、