哈尔滨工业大学传感技术课程课件(1)-2016最新版

1、传感技术赵学增 机电工程学院机电工程学院2015.03.03-2015.05.03教材：教材：现代传感技术基础及应用现代传感技术基础及应用 赵学增等赵学增等 清华大学出版社清华大学出版社绪论传感器的地位与作用传感器的定义传感器的组成传感器的分类对传感器的一般性要求传感器的发展方向一、传感器的地位与作用地位l机械人类的体力的延伸l计算机人类智力的延伸l传感器人类感知力的延伸 电五官：视、听、嗅、味、触5 “觉”l视觉：显微镜的发明，望远镜的发明l听觉：超声、次声波应用l高新技术领域：阿波罗 2077个传感器l现代生产技术领域：化工生产线、数控机床l日常生活领域：家电、汽车l基础科学研究领域：一、

2、传感器的地位与作用基础科学领域：探索极限l距离、时间、温度、压力、磁场等l传感器的发展推动着生产和科技的进步，生产和科技的进步反过来也要求和支持着传感器的发展和进步现代信息产业的三大技术支柱l传感技术感官l网络技术神经l计算机技术大脑传感器与其它学科的关系l“伴生”关系二、传感器的定义传感器在国内外的一些叫法国外Transducer, Sensor, Transduction Element, Converter, Gauge, Transponder, Transmitter, Detector, Pick-up, Probe, X-meter.国内传感器、换能器、变换器、敏感器件、探测器、

3、检出器、检测器，计（如加速度计）。传感器的定义传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量器件或装置。上述定义包含了以下含义：l传感器是测量装置，能完成检测任务；l其输入量是某种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；l其输出量是某种便于传输、转换、处理和显示的物理量，如气、光、电量等，目前主要是电量l输出量与输入输入有对应关系，并且具有一定的精确度。敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路辅助电源辅助电源传感器的组成框图三、传感器的组成一般由敏感元件和转换元件2部分组成有时还有转换电路和辅助电源2部分 被测量电参量电量另一量传感器的组成

4、敏感元件：能直接感受或响应被测量，并输出与之成确定关系的某一另类物理量。转换元件：将敏感元件的输出转换为电参量。转换电路：把转换元件输出变为易于处理、显示、记录、控制的信号。既可以和敏感元件作在一起，也可分开。辅助电源：提供传感器正常工作所需能量的电源部分，它有内部供电和外部供电2种形式。传感器的组成弹性体弹性体1为敏感元件，它感受被测力为敏感元件，它感受被测力F并将它转换成应并将它转换成应变；变；电阻应变片电阻应变片2是转换元件，它将弹性体输出的应变转换是转换元件，它将弹性体输出的应变转换成电阻值的变化；成电阻值的变化；电桥电桥3是转换电路，它将电阻值的变化转换成电压是转换电路，它将电阻值的

5、变化转换成电压U输输出；出；电源电源4是辅助电源，它为电桥供电。是辅助电源，它为电桥供电。3-电桥4-电源1-弹性体2-应变片UF电磁式压力传感器大气压大气压 Pa被测气压被测气压 P1-壳体壳体4-线圈线圈2-膜盒膜盒3-磁芯磁芯6-电源5-交流电桥电量敏感元件：膜盒，敏感元件：膜盒，P-x转换元件转换元件: 磁芯、线圈磁芯、线圈,x-L转换电路转换电路: 交流电桥，交流电桥，L-V辅助电源辅助电源: 电源电源传感器的组成实际上，有些传感器并不能明显区分敏感元件和转换元件两个部分，而是二者合为一体。如图所示的热电偶 TToBA四、传感器的分类分类方法传感器的种类说 明按依据的效应分类物理传感

6、器化学传感器生物传感器基于物理效应，如光、电、声、磁、热效应；基于化学效应，如化学吸附、选择性化学反应等；基于生物效应，如基于酶、抗体、激素等分子识别和选择功能的生物传感器按工作原理分类应变式、电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、光电式传感器等传感器依据其工作原理命名按被测量分类位移、速度、温度、压力、气体成分、浓度等等传感器依据被测量命名按使用的敏感材料分类半导体传感器、光纤传感器、复合材料传感器、金属传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器等传感器依据使用的材料命名按能量关系分类能量转换型传感器能量控制型传感器能量转换型直接将被测量转换为输出量的能量能量控制型由外部提供能量，而由被测量控制

7、输出量能量按构成原理分类结构型传感器物性型传感器结构型通过敏感元件结构参数变化实现信息转换；物性型通过敏感元件材料物理性质的变化实现信息转换按输出信号分类数字式传感器模拟式传感器输出为数字量输出为模拟量五、对传感器的一般性要求可靠性精度（动、静）抗干扰通用性外形小成本低能耗小六、传感器的发展方向提高精度和扩大测量范围提高精度和扩大测量范围低功耗及无源化低功耗及无源化新原理新原理新材料新材料微型化、集成化、智能化微型化、集成化、智能化仿生传感器仿生传感器第一章 传感器基础 传感器的特性传感器的数学模型传感器的静态特性传感器的动态特性传感器的标定特性：输入与输出之间的关系，一般用一特性：输入与输出

8、之间的关系，一般用一个输入个输入-输出曲线、一个函数关系或一个输出曲线、一个函数关系或一个微分方程式来表示。微分方程式来表示。第一节 传感器的数学模型什么是模型？l模型是略去无用和次要因素，对所关心的具体问题的内在实质的抽象反映。研究数学模型的目的和意义l理论指导实践，例如 y=kx 线性模型l可以获得传感器的全面信息l在传感器的设计时不盲目电动式动态力测力传感器F-被测动态力v-速度E-感生电动势I-感生电流F-安培力FFEIv构造一个四端网络模型逆变换器逆变换器基本变换器基本变换器预预变变换换器器电电变变换换器器理想变换器理想变换器FIEv机机械械端端口口电电端端口口F 机电模拟FkcmL

9、RCE机械系统模型机械系统模型电路系统模型电路系统模型机电模拟dvmcvk vdtFdtdILRIC IdtEdt机械系统微分方程：电路系统微分方程： -v IF E机电模拟， F-E；v-IZmevYFEIFIEv预变换器： 机械导纳电变换器： 电阻抗逆变换器： 逆变换器灵敏度基本变换器： 基本变换器灵敏度进一步抽象成信号流程图FIEvYmZe 汇节点汇节点 源节点源节点 半源半汇节点半源半汇节点激励信号：F；I响应信号：v；EmmmemvY FY IEY FZYI其它形式的流程图逆转支路的传输值取倒数指向逆转支路的传输值取负数F-v支路逆转、I-E支路逆转激励信号： v；E 响应信号： F；ImeeeFZYevY EIY vY E FIEvZmYeF-v支路逆转、I-E支路不变激励信号： v；I 响应信号： F；EmeFZ vIEvZ IFIEvZmZe参数计算机械端口可以看作如图所示Fkcm22()()j tj tj tmmxcxkxFxvxAexAejj xxAejjxFkZj mcvj 参数计算 EBlvFBlIEBlvFBlI 11mmmeeFkZj mcvjYZZRj LYRj L