檢測與傳感技術(shù)-01

檢測與傳感技術(shù)主講:李金城ZhengzhouUniversityofLightIndustryDepartmentofElectrical&InformationEngineeringTelmail:0431hehe@163.com1教材：傳感器原理及應用主編：郭愛芳西安電子科技大學出版社2007年5月第一版ISBN978-7-5606-1824-1教材情況2023/1/152《傳感器原理及應用》程德福主編

機械工業(yè)出版社2009年1月第一版《傳感器技術(shù)》陳建元主編

機械工業(yè)出版社2008年10月第一版《傳感器及應用》牛永奎主編

清華大學出版社2009年1月第一版建議參考書籍2023/1/153本課程的特點和任務

“檢測與傳感技術(shù)”課程主要講授把各種幾何量、機械量、熱工量以及其他有關量轉(zhuǎn)換成電量的各種傳感器(包括基本轉(zhuǎn)換電路)。

本課程的主要任務是：

①掌握各類傳感器的基本理論；②掌握幾何量、機械量、熱工量等有關量測量中常用的各種傳感器的工作原理、主要性能及其特點；③掌握各種傳感器的典型應用，能合理地選擇和使用傳感器；④了解傳感器發(fā)展動向及最新研究成果。2023/1/154檢測與傳感技術(shù)是一門理論性與實踐性都很強的專業(yè)基礎課，涉及的基礎理論和實際知識面廣，是自動控制理論、自動控制系統(tǒng)、材料工程、電氣測量技術(shù)、電路理論等學科知識的綜合，所以理論性較強。同學們在掌握基本理論的同時，還要注意培養(yǎng)實驗操作技能，因此實踐性也較強。鑒于以上原因，為學好檢測與傳感技術(shù)這門課，學習時應注意以下幾點：本課程的特點2023/1/155要抓主要矛盾，忽略一些次要因素，抓住問題的本質(zhì)。要抓住重點，即應牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。要有良好的學習方法，可運用對比的學習方法，找出各種傳感器共性和特點，加深對各種傳感器和原理的理解。學習時要理論聯(lián)系實際，重視實驗與實踐。本課程的學習方法2023/1/156認真聽課，充分利用課堂時間。按時獨立完成作業(yè)。要有良好的學習方法，可運用對比的學習方法，找出各種傳感器共性和特點，加深對各種傳感器和原理的理解。學習時要理論聯(lián)系實際，重視實驗與實踐。學習要求2023/1/157第1章傳感器概述8傳感器概述1.1傳感器的定義與作用1.2傳感器的組成及分類1.3傳感器的發(fā)展趨勢2023/1/159在科學技術(shù)高度發(fā)達的現(xiàn)代社會中，獲取自然界的信息已成為幾乎所有自然科學與工程技術(shù)領域的共同要求。隨著人類活動領域的擴大和探索過程的深化，傳感器技術(shù)已經(jīng)成為基礎科學研究與現(xiàn)代信息技術(shù)相融合的新領域，它匯集和包括了多種學科的成果，是人類探索自然界信息、實現(xiàn)測量和控制的首要環(huán)節(jié)。2023/1/15101.1傳感器的定義與作用傳感器技術(shù)現(xiàn)代通信技術(shù)計算機技術(shù)現(xiàn)代信息技術(shù)2023/1/1511傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。應用領域所占比例％應用領域所占比例％機械制造設備18．1環(huán)保氣象安全10家用電器13．9信息處理與通訊8科學儀器儀表11．7汽車7．3表1.1傳感器市場結(jié)構(gòu)2023/1/1512什么是傳感器？電子稱

煙霧報警器

攝像機

2023/1/1513思考1：夏季買西瓜的時候，你會怎樣挑選呢？傳感器實質(zhì)上就是代替人的五種感覺（視、嗅、聽、味、觸）器官的裝置。能感受被測量并將它轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件。有時候傳感器又叫探測器、換能器等。2023/1/1514傳感器就在你我身邊！電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器；空調(diào)中的溫度和濕度傳感器；煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器；水表、電表、電視機和影碟機中的紅外遙控器；照相機中的光傳感器；汽車中燃料計和速度計；城市交通自動拍照系統(tǒng)。2023/1/1515思考2洗澡前用手試試水溫，我們能夠大概知道水的溫度需要怎樣調(diào)節(jié)才合適，那么通過傳感器檢測的非電量，我們怎么才能知道其結(jié)果呢？

2023/1/1516傳感器直接作用于被測量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電量輸出；中間變換器將傳感器輸出的電量轉(zhuǎn)換成便于傳輸、顯示和記錄的電信號；顯示記錄裝置將中間變換器的輸出轉(zhuǎn)換成人的感官能接受的信號。傳感器非電量中間轉(zhuǎn)換器電量顯示記錄裝置電量2023/1/1517思考3：傳感器都應用在哪些領域呢？

傳感器在工業(yè)檢測、自動控制系統(tǒng)中傳感器與智能樓宇傳感器與汽車傳感器與家用電器傳感器在機器人上的應用

傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學上的應用

傳感器與環(huán)境保護傳感器與航空及航天傳感器與遙感技術(shù)2023/1/1518傳感器與智能樓宇2023/1/1519汽車與傳感器2023/1/1520ABS2023/1/1521ETC2023/1/1522汽車中的傳感器已不只局限于對行駛速度、行駛距離和發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度的監(jiān)控。安全監(jiān)控：如汽車安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置及汽車“黑匣子”等都得到了實際應用。

2023/1/1523傳感器與家用電器2023/1/1524未來的家庭將由作為中央控制裝置的微型計算機，通過各種傳感器代替人監(jiān)視家庭的各種狀態(tài)，并通過控制設備進行著各種控制。

安全監(jiān)視與報警、空調(diào)及照明控制、耗能控制、太陽光自動跟蹤、家務勞動自動化及人身健康管理等。2023/1/1525傳感器在機器人上的應用2023/1/1526日本本田公司推出經(jīng)過改進的機器人“ASIM”。這種能用雙腿直立的機器人相當聰明，人手指到哪里，它就走到哪里，遇到人的時候會主動向人打招呼，并能和主人流利地對話。

2023/1/1527PLAY世界最先進的夢幻機器人組合——來自日本SONY公司的7位雙足娛樂型機器人“QRIO”。這7位機器人身高60厘米，體重7公斤。雖然身材不那么高大，但卻舉世聞名。其中四位歌舞表演堪稱一絕。下面是其中四個“舞者”來北京演出時的場面：

2023/1/15282003年9月16日，索尼公司在日本東京推出最新型的愛寶機器狗。生產(chǎn)廠商稱，這款型號為ERS－7的愛寶機器狗體現(xiàn)了智能寵物發(fā)展的先進水平。2023/1/1529水下機器人，它的工作方式是：由水面母船上的工作人員，通過連接潛水器的臍帶提供動力，操縱或控制潛水器，通過水下電視、聲吶等專用設備進行觀察，還能通過機械手，進行水下作業(yè)。2023/1/1530在勞動強度大或危險作業(yè)的場所，已逐步使用機器人取代人的工作。一些高速度、高精度的工作，由機器人來承擔也是非常合適的。要使機器人和人的功能更為接近，這就要給機器人安裝視覺傳感器和觸覺傳感器，使機器人通過視覺對物體進行識別和檢測，通過觸覺對物體產(chǎn)生壓覺、力覺、滑動感覺和重量感覺。2023/1/1531傳感器在醫(yī)學上的應用可以對人體的表面和內(nèi)部溫度、血壓、腔內(nèi)壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析、脈搏及心音、心腦電波等進行高難度的診斷。在早期診斷、早期治療、遠距離診斷及人工器官的研制等廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮作用。

2023/1/1532傳感器與環(huán)境保護2023/1/15332023/1/1534環(huán)球的大氣污染、水質(zhì)污濁及噪聲已嚴重地破壞了地球的生態(tài)平衡和我們賴以生存的環(huán)境為保護環(huán)境，利用傳感器制成的各種環(huán)境監(jiān)測儀器正在發(fā)揮著積極的作用。

2023/1/1535傳感器與航空及航天使用傳感器進行速度、加速度和飛行距離的測量。飛行的方向，飛行姿態(tài)、飛行環(huán)境、飛行器本身的狀態(tài)及內(nèi)部設備的監(jiān)控也都要通過傳感器進行檢測。

2023/1/1536傳感器與遙感技術(shù)從飛機、人造衛(wèi)星、宇宙飛船及船舶上對遠距離的廣大區(qū)域的被測物體及其狀態(tài)進行大規(guī)模探測的一門技術(shù)。圖為在衛(wèi)星上通過遙感技術(shù)拍攝的美國空軍基地。

2023/1/1537思考4：未來世界會有什么樣的傳感器呢？智能房屋（自動識別主人，太陽能提供能源）智能衣服（自動調(diào)節(jié)溫度）智能公路（自動顯示、記錄公路的壓力、溫度、車流量）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）……2023/1/1538傳感器的定義傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。2023/1/1539傳感器作為測量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，必須具有快速、準確、可靠且又能經(jīng)濟地實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本特點，一般應滿足一些必要的條件：輸出信號與被測量之間具有唯一確定的因果關系，是被測量的單值函數(shù)；輸出信號能夠與電子系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)或光學系統(tǒng)匹配，適于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示。2023/1/1540具有盡可能寬的動態(tài)范圍，良好的響應特性、足夠高的分辨率和信號噪聲比；對被測量的干擾盡可能小，盡可能不消耗被測系統(tǒng)的能量，不改變被測系統(tǒng)的能量，不改變被測系統(tǒng)原有的狀態(tài)；性能穩(wěn)定可靠，不受被測量參數(shù)因素的影響，抗外界干擾能力強；2023/1/1541便于加工制造，具有可互換性；適應性強，具有一定的過載能力；成本低，壽命長，使用維修方便等。2023/1/1542傳感器的作用傳感器是人類感知自然界信息的觸角，通過傳感器可以探索人的感覺器官無法感知的信息。例如，傳感器不僅可以檢測人無法忍受的高溫，高壓，輻射等惡劣環(huán)境，而且還能檢測出體感官不能感知的高頻，微電磁場，射線等各種信息。2023/1/1543傳感器位于被測量與測控系統(tǒng)的接口位置，是感知，獲取與檢測自然界信息的窗口，是現(xiàn)代測量技術(shù)，自動控制技術(shù)的重要基礎，如果沒有可靠的傳感器對原始信息進行準確可靠的捕獲與轉(zhuǎn)換，所有的測量與控制都無法實現(xiàn)。傳感器到底有多么重要？2023/1/1544神州飛船上使用了大量先進的傳感器。2023/1/1545阿波羅10號飛船登月艙共用了3295個傳感器。2023/1/1546宇航服里采用了近千個先進的傳感器2023/1/1547NMD計劃因為傳感器故障在2001年兩次試驗均告失敗。2023/1/1548發(fā)現(xiàn)號航天飛機因為四個引擎?zhèn)鞲衅鞴收蠋状瓮七t發(fā)射。2023/1/15492023/1/1550人體腔道診療微系統(tǒng)2023/1/1551亞洲大腸膠囊內(nèi)視鏡檢查Pillcam大腸膠囊內(nèi)視鏡，病人只需吐下一粒藥丸大小的鏡頭，就可無創(chuàng)接受大腸檢查。敏感度最高單氣囊小腸內(nèi)視鏡系統(tǒng)2023/1/1552可見傳感器是科學技術(shù)迅速發(fā)展、人類生存環(huán)境發(fā)生改變以及向未來空間拓展的關鍵基礎部件，傳感器技術(shù)早已滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、環(huán)境保護、資源開發(fā)、生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、家用電器、宇宙探索、海洋探測等及其廣泛的領域。歸納起來傳感器應具有以下作用：2023/1/15531、信息采集現(xiàn)代信息技術(shù)信息采集信息傳輸信息處理傳感器通信技術(shù)計算機技術(shù)2023/1/15542、診斷與報警傳感器對所需要的信息進行采集，然后對系統(tǒng)或裝置的某種狀態(tài)進行監(jiān)測判斷，若發(fā)現(xiàn)異常情況，就發(fā)出警告信息并啟動保護電路，這樣就對系統(tǒng)或裝置進行安全管理。2023/1/15553、檢測與控制在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)過程自動化程度的提高，傳感器已經(jīng)成為實現(xiàn)檢測與控制的關鍵部件，如果沒有傳感器對生產(chǎn)過程的各個參數(shù)進行檢測與控制，生產(chǎn)設備將無法達到最佳工作狀態(tài)，產(chǎn)品質(zhì)量將無法保證。2023/1/1556總之，傳感器技術(shù)是一項與現(xiàn)代技術(shù)密切相關的尖端技術(shù)，世界上各個國家都把傳感器技術(shù)作為本國科技戰(zhàn)略的重要組成部分。傳感器技術(shù)已經(jīng)完全融入我們的生活。21世紀是傳感技術(shù)飛速發(fā)展的時代。2023/1/15571.2傳感器的組成與分類輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。2023/1/1558傳感器的敏感元件與轉(zhuǎn)換元件之間并無嚴格的界限，有些傳感器簡單，有些復雜。最簡單的傳感器只有一個敏感元件，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，如應變式壓力傳感器由彈性膜片和電阻應變片組成。2023/1/1559有些傳感器不止一個轉(zhuǎn)換元件，如應變式密度傳感器，由浮子、懸梁臂和電阻應變片組成。如圖所示：2023/1/1560傳感器的分類傳感器技術(shù)是一項知識密集型技術(shù)，與很多學科有關?，F(xiàn)已發(fā)展起來的傳感器用途廣泛，原理各異，形勢多樣，種類繁多。對同一個被測量可以用不同的傳感器來測量，而利用同一原理設計的傳感器又可以測量多種被測量。因此，傳感器的分類方法也不盡相同，目前主要采用的分類方式有以下幾種：2023/1/15611、按工作原理分類物理型傳感器傳感器化學型傳感器生物型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器2023/1/1562（1）物理型傳感器物理型傳感器是利用某些敏感元件的物理結(jié)構(gòu)或某些功能材料的物理特性及效應制成的傳感器。例如：電阻應變片；壓阻式傳感器等。物理型傳感器又分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。2023/1/1563結(jié)構(gòu)型傳感器是基于某種敏感元件的結(jié)構(gòu)形狀或幾何尺寸的變化來感受被測量，并轉(zhuǎn)換成可用信號的傳感器。例如：電容式壓力傳感器。物性型傳感器是利用某些功能材料本身具有的內(nèi)在特性及效應來感受被測量，并轉(zhuǎn)換成可用信號的傳感器。例如：壓電式壓力傳感器。2023/1/1564（2）化學型傳感器化學型傳感器是利用電化學反應原理，將各種化學物質(zhì)（如電解質(zhì)、化合物、分子、離子）的狀態(tài)、成分、濃度等轉(zhuǎn)換成可用信號的傳感器。例如：離子敏感傳感器。2023/1/1565（3）生物型傳感器生物型傳感器是利用生物反應（酶反應、微生物反應、免疫學反應等）原理，將生物體內(nèi)的葡萄糖、DNA等轉(zhuǎn)換成可用信號的傳感器。例如：葡萄糖酶傳感器等。2023/1/15662、按能量轉(zhuǎn)換關系分類能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器傳感器2023/1/1567（1）能量控制型傳感器能量控制型傳感器先將被測量轉(zhuǎn)換成電參量（電阻、電感、電容等）的變化，再依靠外部輔助電源將電參量的變化轉(zhuǎn)換成電能輸出，并且由被測量控制輸出電能的變化。例如：電阻式應變傳感器等。2023/1/1568（2）能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器直接將被測量轉(zhuǎn)換成電能輸出。例如：壓電式、磁電式，熱電偶，太陽能電池等。2023/1/15693、按輸出信號分類模擬型