傳感器技術(shù)0-緒論-中英對照

Sensor/TransducerTechnology

傳感器技術(shù)Instructor:Dr.JinboFu(符金波)Ph.D.ofMechanicalEngineering,PennStateUniv.,USAM.S.ofElectricalEngineering,PennStateUniv.,USAM.S.ofMechanicalEngineering,PennStateUniv.,USAM.E.ofPrecisionInstrument,TsinghuaUniv.,PRCB.E.ofPrecisionInstrument,TsinghuaUniv.,PRCOfficeAddress:Room528,CentralBuildingTel Email:fjb@Tipsforthisclass

課程注意事項Prerequisites課程必備條件WiderangeofknowledgeinPhysics,Mechanics,Electronics,Machinery,Optics,etc.物理、力學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械、光學(xué)等等廣泛的知識

Goodattitude&alittledevotion好的態(tài)度+一點投入Somerulesofthisclass本課的一些規(guī)定Ruleofabsence缺課的規(guī)定

allow1absencew/priornotice允許事先請假缺課一次Ruleofhomework家庭作業(yè)的規(guī)定

homeworkisdueinclassaweekfromtheassignment

家庭作業(yè)布置一周后在課堂上提交

Ruleofclassinteraction課堂互動

pleaseraiseyourhand,speakloudandclearinEnglishorChinese

請先舉手，然后用英文或中文大聲回答Chapter0:Preface緒論1.2傳感器的作用和重要性Functionsandimportanceofsensor0.10.20.30.4傳感器的定義和組成Definitionandcompositionofsensor傳感器的分類和要求Classificationandrequirementsofsensor傳感器開發(fā)的新趨勢NewtrendanddirectionofsensorR&DThedefinitionofsensor傳感器的定義廣義定義Definitioninbroadsense：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件(device)或裝置(apparatus)。

狹義定義Definitioninnarrowsense

：將外界的輸入信號變換為電信號的一類元件(element)。傳感器來自外界的信號電信號傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系(determinatecorrespondence)的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置(measuringdevice)。其包含一下幾個方面的意思：傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)它的輸入量input是某一被測量(measurand)，可能是物理量(physicalquantity)，也可能是化學(xué)量(chemicalquantity)、生物量(biologicalquantity)等輸出量output是某種物理量，這種量要便于傳輸transmit、轉(zhuǎn)換convert、處理process、顯示display等，這種量可以是氣、光、電，但主要是電量electricquantity。輸入輸出有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度accuracy。Thedefinitionofsensor傳感器的定義Basiclawsandrules基本定律和法則守恒定律(Lawsofconservation)

能量energy守恒、動量momentum守恒、電荷量electriccharge守恒場的定律(Lawsoffield)

利用場的定律構(gòu)成的傳感器，其形狀shape、尺寸size(結(jié)構(gòu)structure)決定了傳感器的量程range、靈敏度sensitivity等主要性能，故此類傳感器可統(tǒng)稱為“結(jié)構(gòu)型傳感器”(structuretypesensors)物質(zhì)定律(Lawsofphysicalmatter)

基于物質(zhì)定律的傳感器可統(tǒng)稱為“物性型傳感器”(physicalpropertytypesensors)統(tǒng)計法則(Rulesofstatistics)

統(tǒng)計法則把微觀系統(tǒng)Microsystems與宏觀系統(tǒng)Macrosystems聯(lián)系起來Thecompositionofsensor傳感器的組成可用電量被測量

敏感元件轉(zhuǎn)化元件測量電路傳感器一般由敏感元件(Sensingelement)和轉(zhuǎn)換元件(Transductionelement)組成：敏感元件(Sensingelement)：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件(Transductionelement)

：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。測量（轉(zhuǎn)換）電路(Measurement/conversioncircuit)

：將轉(zhuǎn)換電路參數(shù)接入測量轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。Thecompositionofsensor傳感器的組成有些傳感器很簡單，僅由一個敏感元件（兼作轉(zhuǎn)換元件）組成，它感受被測量時直接輸出電量。如熱電偶thermocouple。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有測量轉(zhuǎn)換電路。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。Thecompositionofsensor傳感器的組成Theclassificationofsensors傳感器的分類傳感器種類variety繁多，目前常用的分類有兩種：

以被測量來分(basedonmeasurements)以傳感器的原理來分(basedonprinciples)被測量類別被

測

量熱工量Quantityofthermalengineering

溫度temperature、熱量quantityofheat、比熱specificheat、壓力pressure、壓差differentialpressure、真空度vacuumdegree、流量volumeofflow、流速velocityofflow、風(fēng)速airspeed機(jī)械量Quantityofmechanicalengineering位移displacement（線linear位移、角angular位移）、尺寸size、形狀shape；力force、力矩torque、應(yīng)力stress、重量weight、質(zhì)量mass、轉(zhuǎn)速speedofrotation、線速度linearvelocity；振動幅度amplitudeofvibration、頻率frequency、加速度acceleration、噪聲noice按被測量來分類Theclassificationofsensor傳感器的分類按被測量來分類被測量類別被

測

量物性和成分量Physicalproperties&compositions氣體化學(xué)成分chemicalcompositionofgas、液體化學(xué)成分chemicalcompositionofliquid；酸堿度（PH值）、鹽度salinity、濃度concentration、粘度viscocity、密度density、比重specificgravity狀態(tài)量Quantityofstate顏色color、透明度clarity、磨損量amountofwear、材料內(nèi)部裂縫或缺陷internalfracturesordefects、氣體泄漏airleak、表面質(zhì)量surfacequalityTheclassificationofsensor傳感器的分類按傳感器原理來分類電阻式resistive，光電式photoelectric（紅外式infrared、光導(dǎo)纖維式opticalfiber），電感式inductive，諧振式resonant，電容式capacitive，霍爾式hall（磁式magnetic），阻抗式impedance（電渦流式eddycurrent），超聲式ultrasonic，磁電式electromagnetic，同位素式isotopic，熱電式electrothermic，電化學(xué)式electrochemical，壓電式piezoelectric，微波式microwaveThepurposesofclassification分類的目的了解各類傳感器的工作原理(principles)、主要性能(performance)及其特點(characteristics)、應(yīng)用(applications)。合理地正確地選擇和使用傳感器(reasonablyandproperlyselectandusesensors)

。了解常用傳感器的工程設(shè)計方法(engineeringdesignmethods)和掌握常用傳感器的試驗研究方法(experimentandstudyingapproaches)。了解傳感器地發(fā)展方向(directionsoffuturedevelopment)等。Requirementsofsensors傳感器的要求足夠的容量(sufficientcapacity)—傳感器的工作范圍或量程(range)足夠大，具有一定的過載能力(overloadcapacity)。靈敏度高，精度適當(dāng)(highsensitivityandappropriateaccuracy)—即要求其輸出信號與被測信號成確定的關(guān)系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應(yīng)staticresponse與動態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。

響應(yīng)速度快(fastresponse)，工作穩(wěn)定(stableperformance)，可靠性好(goodreliability)使用性和適應(yīng)性強(qiáng)(easytouseandeasytoadapt)—體積小，重量輕，動作能量小，對被測對象的狀態(tài)影響?。粌?nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出盡量采用通用或標(biāo)準(zhǔn)形式，以便與系統(tǒng)對接。使用經(jīng)濟(jì)(economictouse)—成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準(zhǔn)(calibrate)。傳感器的地位和作用身體與機(jī)器的對應(yīng)關(guān)系HumanbodyVsMachine傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段Sensorsaremajorchannelsandmeanstocollectinfo.fromthenatureThefunctionsofsensor傳感器的作用傳感器實際上是一種功能塊(functionmodule)，其作用是將來自外界的external各種信號轉(zhuǎn)換成電信號(electricsignal)。傳感器所檢測的信號近來顯著地significantly增加，因而其品種variety也極其繁多。為了對各種各樣的信號進(jìn)行檢測detect

、控制control，就必須獲得盡量簡單易于處理的信號，這樣的要求只有電信號能夠滿足。電信號能較容易地進(jìn)行放大(amplify)、反饋(feedback)、濾波(filter)、微分(differentiate)、存貯(store)、遠(yuǎn)距離操作(remoteoperate)等。Theimportanceofsensor傳感器的重要性作為人腦(humanbrain)的一種模仿(imitation)，電子計算機(jī)的發(fā)展極為迅速，可是起感覺(sensation)模仿作用的傳感器卻發(fā)展很慢，因而如果不進(jìn)行傳感器的開發(fā)，現(xiàn)在的電子計算機(jī)將不能適應(yīng)實際需要。現(xiàn)代社會要求傳感器(sensor)、電子計算機(jī)(computer)和執(zhí)行器(actuator)三者都能相互協(xié)調(diào)(coordinate)才行。這樣，傳感器就成了現(xiàn)代科學(xué)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(centralnervesystem)，它日益受到人們的普遍重視，這已成為現(xiàn)代傳感器技術(shù)的必然趨勢(inevitabletrend)。沒有傳感器就沒有支撐人類現(xiàn)代文明(moderncivilization)的科學(xué)技術(shù)，誰掌握最先進(jìn)的傳感器技術(shù)誰就支配未來的科技發(fā)展。Theapplicationsofsensor傳感器的應(yīng)用傳感器技術(shù)在工業(yè)自動化(Industrialautomation)、軍事國防(Military&Defense)和以宇宙探索(Spaceexploration)、海洋開發(fā)(Oceanexploitation)為代表的尖端(frontier)科學(xué)與工程等重要領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用(extensiveapplications)。同時，它正以自己的巨大潛力(potential)，向著與人們生活密切相關(guān)的方面滲透(infiltrate)；生物工程(Bio-engineering)、醫(yī)療衛(wèi)生(Medicalcare)、環(huán)境保護(hù)(Environmentalprotection)、安全防范(Securityenforcement)、家用電器(Householdappliances)、網(wǎng)絡(luò)家居(Networkhousing)等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發(fā)展。NewtrendsofsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢傳感器需求的新動向社會需求(socialdemand)是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動力(drivingforce)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是微電子(micro-electronics)技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)(IT)的飛速發(fā)展，以及“電腦”的普及，傳感器在新的技術(shù)革命中的地位和作用將更為突出，一股競相開發(fā)和應(yīng)用傳感器的熱潮已在世界范圍內(nèi)掀起。NewtrendsofsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢“電五官electricsenseorgans”落后于“電腦electricbrain”的現(xiàn)狀，已成為微型計算機(jī)(micro-computer)進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用的一大障礙(obstacle)許多有競爭力的(competitive)新產(chǎn)品開發(fā)和卓有成效的(effective)技術(shù)改造，都離不開傳感器傳感器的應(yīng)用直接帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益(economicbenefits)和社會效益(socialbenefits)傳感器普及于社會各個領(lǐng)域，將造成良好的市場前景(prospectofmarketing)NewtrendsofsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和需求量NewtrendsofsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢傳感器的發(fā)展趨勢，大致分為如下四個方面：發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)(neweffects)，開發(fā)新材料(newmaterials)、新功能(newfunctions)。集成化(integrated)，多功能化(multi-functional)，微型化(miniaturized)。數(shù)字化(digital)，智能化(intelligent)，網(wǎng)絡(luò)化(networked)-智能傳感器(intelligentsensors)向未開發(fā)的領(lǐng)域挑戰(zhàn)—生物傳感器(Bio-sensors)。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)(neweffects)，開發(fā)新材料(newmaterials)

、新功能(newfunctions)新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是新敏感材料開發(fā)的重要途徑(importantchannel)，而新的敏感材料的開發(fā)是新型傳感器問世的重要基礎(chǔ)(keyfoundation)。探索(explore)已知材料的新功能與開發(fā)新功能材料對研制新型傳感器來說同樣重要。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢集成化(integrated)，多功能化(multi-functional)，微型化(miniaturized)積極應(yīng)用半導(dǎo)體(semiconductor)集成電路(integratecircuit-IC)技術(shù)及其開發(fā)思想將多個或多種傳感器集成制造在同一個芯片(chip)上。微米/納米技術(shù)(Micro/Nanotechnology)的問世和微機(jī)械加工技術(shù)的出現(xiàn)為微型傳感器(Micro-transducer)的研制鋪平了道路。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢數(shù)字化(digital)，智能化(intelligent)，網(wǎng)絡(luò)化(networked)智能傳感器(SmartSensors)具有判斷能力、學(xué)習(xí)能力的傳感器

智能傳感器大致分為如下三種：具有判斷力的敏感裝置具有學(xué)習(xí)能力的敏感裝置具有創(chuàng)造能力的敏感裝置NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢同一般傳感器相比，智能式傳感器有以下幾個顯著特點：精度高

highprecision穩(wěn)定、可靠性好stableandreliable檢測與處理方便

easytotestandprocess功能廣

widerangeoffunctions性價比高

goodperformancepriceratio

NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢從構(gòu)成上看，智能式傳感器是一個典型的以微處理器(micro-processor)為核心的計算機(jī)檢測系統(tǒng)(detectionsystem)

。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發(fā)的新趨勢智能傳感器精度高

：

由于智能式傳感器具有信息處理的功能，因此通過軟件不僅可以修正各種確定性系統(tǒng)誤差(knownsystemerror)(如傳感器輸入輸出的非線性誤差、溫度誤差、零點誤差、正反行程誤差等)，而且還可以適當(dāng)?shù)匮a償(compensate)隨機(jī)誤差(randomerror)

，降低噪聲，從而使傳感器的精度大大提高。穩(wěn)定、可靠性好：

它具有自診斷selfdiagnosis、自校正selfcorrection和