第0章绪论(西理工传感器原理及应用课件)

1、 Transducer Principle and Application主要参考主要参考教材教材：1、传感器传感器(第四版第四版)，唐文彦主编，机械工业出版社，唐文彦主编，机械工业出版社，2010 2、传感器原理设计与应用传感器原理设计与应用，刘迎春、叶湘滨编著，刘迎春、叶湘滨编著，国防科技大学出版社，国防科技大学出版社，19973、传感器技术手册传感器技术手册，袁希光主编，国防工业出版社，袁希光主编，国防工业出版社，1986 传感技术与应用教程传感技术与应用教程/张洪润张洪润, 张亚凡主编张亚凡主编 TP212/127 ,2005总学时总学时: 40学时，其中实验学时，其中实验8学时。学时

2、。成绩构成：成绩构成：卷面成绩卷面成绩80+ 平时成绩平时成绩10 +实验成绩实验成绩 10平时成绩：平时成绩：考勤、作业、实验及报告和提问考勤、作业、实验及报告和提问课堂要求：不迟到早退、中途随意进出，保持课堂要求：不迟到早退、中途随意进出，保持 课堂秩序，注意听讲，积极发言。课堂秩序，注意听讲，积极发言。学习方法学习方法: 从基础理论到专业课程的转变。从基础理论到专业课程的转变。 多媒体教学仍然需要认真听讲。多媒体教学仍然需要认真听讲。 随时掌握已学内容。随时掌握已学内容。 授之与鱼不如授之与渔授之与鱼不如授之与渔强调：强调： 2.5学分学位课，踏踏实实学习学分学位课，踏踏实实学习。我的联

3、系方法我的联系方法:*研究室：教1楼-149*邮箱: *电话箱：邮箱：密码：密码：sensor绪 论要点:1.传感器的地位与作用2.传感器的定义、分类3.提高传感器性能指标的方法古埃及天平古埃及天平1616世纪温度计世纪温度计1919世纪电磁学世纪电磁学传感器历史比近代科学历史要古老得多。1593年，意大利科学家伽利略年，意大利科学家伽利略发明发明应变式传感器应变式传感器光电传感器光电传感器烟雾烟雾报警报警光电自动门遮断式光电开关在流遮断式光电开关在流水线上的应用水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检罐装高

4、度检测测储料仓储料仓落料口落料口遮断式光电开关遮断式光电开关（计数）（计数）新型新型M2A微型内窥镜，微型内窥镜，可以像药丸一样服下可以像药丸一样服下M2AM2A微型内窥镜的内部结构：微型内窥镜的内部结构：1 1、光学圆盖、光学圆盖 2 2、透镜固、透镜固定环定环 3 3、透镜、透镜 4 4、照明发光二极管、照明发光二极管 5 5、互补金属氧化、互补金属氧化物半导体成像器物半导体成像器 6 6、电池、电池 7 7、专用集成电路、专用集成电路 8 8、天线、天线压电式传感器将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约的路面下约5c

5、m，可以用来测量车速及汽车的载重量，并，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。汽车用各种传感器速度、转速传感器速度、转速传感器加速度传感器加速度传感器接近传感器接近传感器温度传感器温度传感器车灯磁簧开关车灯磁簧开关液位传感器液位传感器碰撞传感器碰撞传感器接近传感器接近传感器安全带控制水银开关安全带控制水银开关车高位置传感器车高位置传感器加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用n加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超

6、过设定值时，得的负加速度值超过设定值时， 微处理器微处理器据此判断发生据此判断发生了碰了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊月面图像月面图像 “嫦娥二号”7米分辨率全月球影像图嫦娥二号嫦娥二号嫦娥一号嫦娥一号“七种武器七种武器”包括：包括：CCD立体相机、激光高度计立体相机、激光高度计：月亮的脸：月亮的脸微波探测器微波探测器：月壤探测：月壤探测太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测

7、器：地月空间环：地月空间环境。境。X射线谱仪、射线谱仪、射线谱仪射线谱仪：月球表面三维的化学成分月球表面三维的化学成分嫦娥一号卫星搭载嫦娥一号卫星搭载的的CCD立体相机立体相机 嫦娥二号的嫦娥二号的CCD立体相机可以获立体相机可以获得直径大于得直径大于21米的月坑的清晰图米的月坑的清晰图像；激光高度计一秒钟测距五次像；激光高度计一秒钟测距五次从而为嫦娥三号卫星的着落器及从而为嫦娥三号卫星的着落器及巡视车提供合适的降落地点。巡视车提供合适的降落地点。 传感器是获取信息的工具。 传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制系统之首，因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与

8、自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获得并通过它转换为容易传输与处理的电信号。 传感器的任务是要准确、可靠、高效地获取原始信号。传感器传感器计算机计算机执行器执行器对象对象设定值设定值一、传感器的地位与作用一、传感器的地位与作用1.自动检测、自动控制的首要环节自动检测、自动控制的首要环节 2. 2. 是信息技术的基础与支柱是信息技术的基础与支柱 传感器是信息技术（传感与控制技术、通信传感器是信息技术（传感与控制技术、通信技术和计算机技术）的三大支柱之一。技术和计算机技术）的三大支柱之一。n传感器技术传感器技术信息采集信息采集“感官感官”n通信技术通信技术信息传输信息传输“神经神经”n计算机

9、技术计算机技术信息处理信息处理“大脑大脑”3.3.与科学技术发展有着密切关系与科学技术发展有着密切关系 传感器的重要性还体现在它已广泛地应传感器的重要性还体现在它已广泛地应用于各个科学领域。用于各个科学领域。 科学技术上的每一个发现与进步，都离科学技术上的每一个发现与进步，都离不开传感器技术的保证。不开传感器技术的保证。 科学技术可以说是由测量开始到测量结科学技术可以说是由测量开始到测量结束。束。 传感器技术是关于传感器设计、制传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的造及应用的综合综合技术。技术。 “没有传感器技术就没有现代科学没有传感器技术就没有现代科学技术技术”的观点现在已为全世界所公认。

10、的观点现在已为全世界所公认。二、传感器的定义二、传感器的定义 根据中华人民共和国国家标准（根据中华人民共和国国家标准（GB7665-GB7665-8787），传感器（），传感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）的定义）的定义是：是： 能能感受感受规定的被测量并按规定的被测量并按一定规律一定规律转转换成为换成为可用可用输出信号的器件或装置。输出信号的器件或装置。 传感器是一种以传感器是一种以一定一定的精确度把被测量转的精确度把被测量转换为与之有换为与之有确定确定对应关系的、对应关系的、便于应用便于应用的某种的某种物理量的测量装置。物理量的测量装置。1.1.既

11、可以是某一物理量转换为另一种物理量，既可以是某一物理量转换为另一种物理量，也可以是同类量之间的转换也可以是同类量之间的转换，如可以将非电，如可以将非电量转换为电量，也可以是将电量转换为电量，量转换为电量，也可以是将电量转换为电量，P,W,U,Iu P,W,U,Iu 。2.2.要有确定的关系要有确定的关系。无论线性和非线性，但要。无论线性和非线性，但要确定，当然这其中包含了准确的部分概念。确定，当然这其中包含了准确的部分概念。3.3.输出量要求是便于应用和处理的物理量输出量要求是便于应用和处理的物理量。从。从目前来看，主要是目前来看，主要是电量电量。目前狭义上讲传感器最好是能够将其它物理量目前狭

12、义上讲传感器最好是能够将其它物理量线性地转换为某一电量，即线性地转换为某一电量，即一感二传一感二传。传感器的组成框图 敏感元件敏感元件：它直接感受被测量：它直接感受被测量, ,并将其转换为并将其转换为转换元件能够接受的某一物理量转换元件能够接受的某一物理量, ,当然要求有当然要求有确定的关系。确定的关系。 转换元件转换元件：它能将某一物理量转换成电参数。：它能将某一物理量转换成电参数。 基本转换电路基本转换电路：转换成便于处理和应用的某：转换成便于处理和应用的某一电量。一电量。（电量：电动势、电流、电荷、电功率、电能（电量：电动势、电流、电荷、电功率、电能等，电参数：电阻、电感、电容、相位角、

13、等，电参数：电阻、电感、电容、相位角、频率等。）频率等。）敏感敏感元件元件转换转换元件元件基本转基本转换电路换电路被测量被测量电量电量举例三、传感器的分类及一般要求1.1.按工作机理分：按工作机理分：物理型、物理型、化学型、生物型等。化学型、生物型等。2.2.按构成原理分：按构成原理分：结构型结构型：利用物理学中场的定律、一般以方程：利用物理学中场的定律、一般以方程式给出、与材料无关。式给出、与材料无关。物性型物性型：利用物质定律构成、以物质本身的常：利用物质定律构成、以物质本身的常数形式给出、性能随材料不同而异。数形式给出、性能随材料不同而异。3.3.按能量转换情况分：按能量转换情况分：能量

14、能量控制控制型：有源型，基于应变电阻效应、磁型：有源型，基于应变电阻效应、磁阻、热阻、阻、热阻、 光敏电阻、霍尔效应等。光敏电阻、霍尔效应等。能量能量转换转换型：无源型，基于压电、热电、光电型：无源型，基于压电、热电、光电动势效应等。动势效应等。传感器的能量转换关系机械能机械能电电( (磁磁) )能能光能光能热能热能化学能化学能电解电解电池电池吸热反应吸热反应燃烧燃烧渗透压力渗透压力电磁力电磁力电磁力电磁力压电效应压电效应光电效应光电效应真空放电真空放电场致发光场致发光光辐射光辐射热辐射热辐射摩擦生热摩擦生热珀尔帖效应珀尔帖效应化学发光化学发光摩擦发光摩擦发光温差电势温差电势光化学反应光化学反

15、应光压光压热胀冷缩热胀冷缩4.4.按物理原理分：电参量式、磁电式、光电式、按物理原理分：电参量式、磁电式、光电式、压电式、气电式、热电式、射线式、半导体式压电式、气电式、热电式、射线式、半导体式等。等。 （便于设计者和研究者，不利于使用者）（便于设计者和研究者，不利于使用者）-本本书的主线书的主线。5.5.按用途分：即按被测参数分：如位移、力、压按用途分：即按被测参数分：如位移、力、压力、温度、湿度、质量、振动等。力、温度、湿度、质量、振动等。 （便于使用者和商业生产厂家，对设计者和研（便于使用者和商业生产厂家，对设计者和研究者不利。）究者不利。）6.6.按模拟信号和数字信号分两类。按模拟信号

16、和数字信号分两类。7.7.按是否带微机芯片分智能式和普通式两类。按是否带微机芯片分智能式和普通式两类。8.8.传感器按感官分类传感器按感官分类人的人的感觉感觉人的器人的器官官信号形态转信号形态转换换器件例子器件例子物理现象物理现象视觉视觉眼眼光光电流电流光光电阻电阻光电池，光电晶体光电池，光电晶体管管光敏电阻光敏电阻光电动势光电动势光导效应光导效应听觉听觉耳耳位移位移电压电压位移位移电阻电阻位移位移电容电容压电器件，霍耳元压电器件，霍耳元件件应变计应变计电容式传感器电容式传感器压电、霍耳效压电、霍耳效应应应变效应应变效应温觉温觉和和触觉触觉皮肤皮肤温度温度电压电压温度温度电阻电阻压力压力电阻电

17、阻压力压力电容电容压力压力电压电压热电偶热电偶热敏电阻器热敏电阻器应变计应变计电容式传感器电容式传感器压电、电感式传感压电、电感式传感器器塞贝克效应塞贝克效应应变效应应变效应压电效应压电效应嗅觉嗅觉鼻鼻气体气体电阻电阻气体气体电流电流半导体气敏元件半导体气敏元件电化学气体传感器电化学气体传感器表面吸附现象表面吸附现象电化学反应电化学反应味觉味觉舌舌化学变化化学变化电电离子电极离子电极酶传感器酶传感器可靠性可靠性 静态精度静态精度 动态性能动态性能量程量程抗干扰能力抗干扰能力 通用性（互换性）通用性（互换性） 尺寸小尺寸小 成本低成本低 能耗低能耗低对被测对象的影响小对被测对象的影响小对传感器的

18、一般要求四、传感器发展展望n一是提高和改善传感器的技术性能，一是提高和改善传感器的技术性能，n二是寻找新原理、新材料、新工艺等。二是寻找新原理、新材料、新工艺等。提高传感器性能指标的方法：提高传感器性能指标的方法： （一）合理选择结构、材料与参数（一）合理选择结构、材料与参数 （二）采用线性化技术（二）采用线性化技术 （三）（三）差动差动技术技术 （四）（四）平均平均技术技术 （五）零位法、微差法与闭环技术（五）零位法、微差法与闭环技术 （六）采用补偿与校正技术（六）采用补偿与校正技术 （七）集成化与智能化（七）集成化与智能化 （八）采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施（八）采用屏蔽、隔离与抑制干扰措

19、施 （九）稳定性处理（九）稳定性处理1.差动技术差动技术设有一传感器，其输出为：设有一传感器，其输出为： 3322101xaxaxaay 3322102xaxaxaay)xaxa(2yyy33121 用另一相同的传感器，但其输入量符号相反（例如位移用另一相同的传感器，但其输入量符号相反（例如位移传感器使之反向移动），则它的输出为：传感器使之反向移动），则它的输出为：使两者输出相减，即使两者输出相减，即减小了非线性，灵敏度提高了一倍，抵消了共模误差。减小了非线性，灵敏度提高了一倍，抵消了共模误差。差动技术已在电阻式、电感式、电容式等传感器中得差动技术已在电阻式、电感式、电容式等传感器中得到了广泛

20、应用。到了广泛应用。2.平均技术平均技术a.误差平均效应原理误差平均效应原理利用利用n个传感器单元同时感受被测量，因而其个传感器单元同时感受被测量，因而其输出将是这些单元输出的总和。假如将每输出将是这些单元输出的总和。假如将每一个单元可能带来的误差一个单元可能带来的误差 均视为随机误差，均视为随机误差，根据误差理论，总的误差将减小为根据误差理论，总的误差将减小为n/ 误差平均效应在光栅、感应同步器、磁栅等误差平均效应在光栅、感应同步器、磁栅等栅状传感器中取得明显效果。栅状传感器中取得明显效果。b.数据平均处理数据平均处理在相同条件下的测量重复在相同条件下的测量重复n次或进行次或进行n次采样，次采样，然后进行数据处理，随机误差也将减小。然后进行数据处理，随机误差也将减小。 n/0 *零位法、微差法与闭环技术1.零位法：是指被测量与标准量相比较，当达到平衡零位法：是指被测量与标准量相比较，当达到平衡时，仪表指零。此时被测量就等于标准量。机械天时，仪表指零。此时被测量就等于标准量。机械天平就是典型的例子。平就是典型的例子。2.微差法：是在零位法的基础上发展起来的，如果标微差法：是在零位法的基础上发展起来的，如果标准量与被测量的差值减小到一定程度，那么由于它准量与被测量的差值减小到一定程度，那么由于它们的相互抵消作用，就能使指示仪表的误差影响大们的相互抵消作用，就能使