傳感器與檢測技術概念

1、傳感器與檢測技術,主講：周春艷,課程概述,必修課52理論8實驗主要內(nèi)容,概述傳感器的特性電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器磁電式傳感器壓電式傳感器光電式傳感器熱電式傳感器,教學基本要求,了解測量與傳感技術的基本知識掌握各類傳感器的基本特性和工作原理、典型測量電路了解各類傳感器的典型應用考核：綜合出勤、學習態(tài)度、課堂表現(xiàn)、作業(yè)等平時占30%、期末考試占70%缺作業(yè)達到三次，或隨機抽點名缺勤三次以上無平時成績,答疑及聯(lián)系方式,采取課后答疑和預約答疑的方式辦公室：七號樓207室電話mail:,傳感器課程儀表技術與傳感器http:/www.i-傳感器世界中國傳感器傳感器技術

2、http:/www.sensor-21IC中國電子網(wǎng)傳感技術學報網(wǎng)傳感器資訊網(wǎng)電子設計應用,參考網(wǎng)站,參考文獻,1、傳感器（第4版），強錫富，機械工業(yè)出版社，2003，測控技術與儀器教學指導委員會推薦用書；2、傳感器原理及工程應用，郁有文，主編，西安電子科技大學出版社，2003，教育部規(guī)劃教材；3、傳感器與檢測技術，陳杰、黃鴻編著，高等教育出版社，2002，教育部規(guī)劃教材4、傳感器原理及應用，王化祥、張淑英編著，天津大學出版社，2003，教育部規(guī)劃教材；5、傳感器與自動檢測技術，余成波、胡新宇、趙勇，高等教育出版，2004年,期刊雜志,超聲傳感器,電感傳感器,電容傳感器,紅外溫度傳感器,磁阻傳

3、感器,熱電偶,氣體成分傳感器,流量傳感器,傳感器圖片,學習傳感器的重要性,傳感器處于研究對象與測試系統(tǒng)的接口位置,即檢測與控制系統(tǒng)之首。因此，傳感器成為感知、獲取與檢測信息的窗口，一切科學研究與自動化生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號。所以，80年代以來，世界各國都將傳感器技術列為重點發(fā)展的高技術，倍受重視。,傳感器技術是材料學、力學、電學、磁學、微電子學、光學、聲學、化學、生物學、精密機械、仿生學、測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、乃至系統(tǒng)科學、人工智能、自動化技術等眾多學科相互交叉的綜合性高新技術密集型前沿技術，廣泛應用于航空航天、兵

4、器、信息產(chǎn)業(yè)、機械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學、環(huán)保、材料、災害預測預防、農(nóng)林漁業(yè)、食品、煙酒制造、汽車、艦船、機器人、家電、公共安全等領域。,傳感器技術與通信技術、計算機技術構成信息科學技術的三大支柱。21世紀是人類全面進入信息電子化的時代，隨著人類探知領域和空間的拓展，使得人們需要獲得的自然信息的種類日益增加，需要信息傳遞的速度加快，信息處理能力增強，因此要求與此相對應的信息獲取技術即傳感技術必須跟上信息化發(fā)展的需要。,傳感器的主要應用,在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設備運行狀態(tài)關系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立24小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。,石化企業(yè)輸油管道

5、、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。,1、自動檢測與自動控制系統(tǒng),此方法可用于紙幣的水印檢測,在汽車、機床、電機、發(fā)動機等產(chǎn)品出廠時，必須對其性能質(zhì)量檢測。,圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。,汽車扭距測量,機床加工精度測量,2、汽車與傳感器,高級轎車需要用傳感器對溫度、壓力、位置、距離、轉(zhuǎn)速、加速度、濕度、電磁、光電、振動等進行實時準確的測量，一般需要30100種傳感器。,3、傳感器與家用電器,自動電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風干器、電熨斗、電風扇、洗衣機、洗碗機、照相機、電冰箱、電視

6、機、錄像機、家庭影院,全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度)液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。,指紋傳感器,透光率傳感器,鼠標:光電位移傳感器,攝象頭:CCD傳感器,聲位筆:超聲波傳感器,麥克風:電容傳聲器,聲卡:A/D卡+D/A卡,軟驅(qū):速度,位置伺服,PC機中的測試技術應用,樓宇控制與安全防護,為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了許多測試技術，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運行狀況。,圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照

7、明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。,煙霧傳感器,亮度傳感器,人體探測器,機械手、機器人中的傳感器轉(zhuǎn)動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。,4、傳感器在機器人上的應用,密歇根大學的機械手裝配模型,廣州中鳴數(shù)碼的機器狗,機器人服務員,沙漠機器人,AGV自動送貨車,超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運動軌跡和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。,香港理工AGV模型,2003年9月，全球現(xiàn)場直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘進程，可能揭開古埃及金字塔內(nèi)部結(jié)構之謎。一個小機器人通

8、過了埃及最大的金字塔內(nèi)一條狹窄的通道，試圖揭開4600年前的秘密。它的探秘之行以發(fā)現(xiàn)了又一道封閉的石門而告終。,圖坦卡蒙的咒語“不論是誰騷擾了法老的安寧，死神之翼將在它的頭上降臨?！?“金字塔漫游者”五大絕技1、超聲波傳感器。可用來測量巖石厚度2、世界上最小的地面探測雷達系統(tǒng)?？梢跃_地測算出巖石的密度并畫出厚度結(jié)構圖3、力度測量儀。它可以檢測“南通道”盡頭那塊封住出口的巖石能否被移開，并使用另外一個先進工具在巖石和通道壁之間尋找縫隙以便讓光纖照相機通過,4、由視覺纖維構成的精密光纖鏡頭，可從石門下方的凹槽伸進通道內(nèi)部進行攝像，工作人員通過連接到機器人身上的一條塑料外套包裹的控制線路操縱“金字

9、塔漫游者”的活動。5、導電傳感器。用于測試“阻路石”上的銅把手，以檢測上面是否帶有某種電路裝置。,5、傳感器在生物醫(yī)學上的應用,對人體的健康狀況進行診斷需要進行多種生理參數(shù)的測量。國內(nèi)已經(jīng)成功地開發(fā)出了用于測量近紅外組織血氧參數(shù)的檢測儀器。人類基因組計劃的研究也大大促進了對酶、免疫、微生物、細胞、DNA、RNA、蛋白質(zhì)、嗅覺、味覺和體液組份以及血氣、血壓、血流量、脈搏等傳感器的研究。,醫(yī)學,光纖流速傳感器,熒光材料制作的電子鼻傳感器,生物酶血樣分析傳感器,6、傳感器與航空及航天,陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器,航天,7、傳感器與環(huán)境保護,保護環(huán)境和生態(tài)平衡，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須進行

10、大氣監(jiān)測和江河湖海水質(zhì)檢測，需要大量用于污水流量、PH值、電導、濁度、COD、BOD、TP、TN、礦物油、氰化物、氨氮、總氮、總磷、金屬離子濃度特別是重金屬離子濃度以及風向、風速、溫度、濕度、工業(yè)粉塵、煙塵、煙氣、SO2、NO、O3、CO等參數(shù)測量的傳感器，這些傳感器中大多數(shù)亟待開發(fā)。,煙塵濁度測量,8、傳感器與遙感技術,紅外接收傳感器,21世紀的農(nóng)業(yè)將是知識密集、技術密集的產(chǎn)業(yè)，設施農(nóng)業(yè)可以有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和增強抗災能力，借助溫室及其配套裝置來調(diào)節(jié)和控制作物生產(chǎn)環(huán)境條件，擺脫自然制約，以達到高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)。信息獲取手段是實現(xiàn)高水平設施農(nóng)業(yè)的關鍵技術之一，設施農(nóng)業(yè)用傳感器的品種較多，主要

11、用于溫度、濕度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤養(yǎng)分等參數(shù)的測量。信息獲取技術還在農(nóng)田和果園生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生物學研究、農(nóng)藥殘留量檢測等方面得到了廣泛的應用。,9、傳感器與農(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè),第0章,傳感器與檢測技術概念,傳感器,1、傳感器的定義國家標準（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測量（主要是非電量）并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號（主要是電量）的器件或裝置。傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電量，主要是電量；輸出輸入有對

12、應關系，且應有一定的精確程度。傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭傳感器功用：一感二傳,即感受被測信息,并傳送出去。,2、傳感器的組成,輔助電源,敏感元件,轉(zhuǎn)換元件,信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路,被測量,電量,敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。（能夠靈敏地感受被測量并作出響應的元件。）如金屬或半導體應變片，能感受壓力的大小而引起形變，形變程度就是對壓力大小的響應。鉑電阻能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是對溫度升降的響應，所以鉑電阻就是一種溫度敏感元件，而金屬或半導體應變片，就是一種壓力敏感元件。,轉(zhuǎn)換元件：上面介紹的敏感元件，其中有許多可兼做轉(zhuǎn)換元

13、件。轉(zhuǎn)換元件實際上就是將敏感元件感受的被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)的元件。（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。）如果敏感元件本身就能直接將被測量變成電路參數(shù)，那么，該敏感元件就是具有了敏感和轉(zhuǎn)換兩個功能。如熱敏電阻，它不僅能直接感受溫度的變化，而且能將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，也就是將非電路參數(shù)（溫度）直接變成了電路參數(shù)（電阻）。,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)換成容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。,例：應變式力傳感器,彈性膜片敏感元件，將力轉(zhuǎn)換為彈性膜片的變形應變片傳感元件，將彈性膜片的變形轉(zhuǎn)換成電阻值的變化,3、傳感器的分類,4、傳感器的地位和

14、作用,傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎。傳感器是邊緣學科開發(fā)的先驅(qū)。,可見，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步等方面起著重要作用。,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。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。,現(xiàn)代信息技術的三大支柱是傳感器技術（感官）、通信技術（神經(jīng)）和計算機技術（大腦）,它們分別完成對被測量的信息提取、信息傳輸及信息處理。目前,信息傳輸與處理技術已取得突破性進

15、展,然而傳感器的發(fā)展相對滯后。在今天信息時代,各種控制系統(tǒng)對自動化程度、復雜性以及環(huán)境適應性(如高溫、高速、野外、地下、高空等)的要求越來越高,需要獲取的信息量也越來越多,它不僅對傳感器測量精度、響應速度、可靠性提出了很高的要求,而且需求信號遠距離傳輸。,5、傳感器的發(fā)展趨勢,傳感技術的發(fā)展分為兩個方面：提高與改善傳感器的技術性能；尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。,一、改善傳感器的性能的技術途徑1差動技術差動技術是傳感器中普遍采用的技術。它的應用可顯著地減小溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，抵消了共模誤差，減小非線性誤差等。不少傳感器由于采用了差動技術，還可使靈敏度增大。

16、,2平均技術在傳感器中普遍采用平均技術可產(chǎn)生平均效應，其原理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差均可看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為=/n式中n傳感單元數(shù)。,可見，在傳感器中利用平均技術不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。,3補償與修正技術補償與修正技術的運用大致針對兩種情況：針對傳感器本身特性針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境對于傳感器特性，找出誤差的變化規(guī)律，或者測出其大小和方向，采用適當?shù)姆椒右匝a償或修正。針對傳感器工作條件或外界環(huán)境進行誤差補償，也是提高傳感器精度的有力技術措施。不

17、少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現(xiàn)場不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補償又常常是可行的。這時應找出溫度對測量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補償措施。,補償與修正，可以利用電子線路（硬件）來解決，也可以采用微型計算機通過軟件來實現(xiàn)。,4屏蔽、隔離與干擾抑制傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關性能。為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應設法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。其方法有：,減小傳感器對影響因素的靈敏度降低外界因素對傳感器實際

18、作用的程度,對于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對干擾信號進行分離或抑制，減小其影響。,5穩(wěn)定性處理,在使用傳感器時，若測量要求較高，必要時也應對附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關鍵元器件進行老化處理。,提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。,造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時間的推移和環(huán)境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生

19、變化。,傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期標定的場合。,二、傳感器的基礎研究,開發(fā)新型傳感器開發(fā)新材料新工藝的采用集成化、多功能化智能化,開展基礎研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化,傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，由此啟發(fā)人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結(jié)構型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構型傳感器，一般說它的結(jié)構復雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意的發(fā)展動向。,1開發(fā)新型傳感器,新型傳感器包括：采用新原理；開發(fā)