第一章 传感器概述

传感器原理及应用第1章

传感器概述主要内容：

1.1什么是传感器

1.2传感器的作用和地位

1.3传感器现状和国内外发展趋势

1.4检测系统的组成原理

1.5传感器的定义、组成和分类方法

1.6本课程的特点和研究内容传感器原理及应用第1章传感器概述

传感器原理及应用第1章传感器概述在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器;

煤气灶中的煤气泄漏传感器;

水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器;

照相机中的光传感器;

汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？1.1什么是传感器？传感器原理及应用第1章传感器概述1.1什么是传感器传感器原理及应用1.1什么是传感器眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）感知外界信息→大脑→肌体第1章传感器概述人体系统和机器系统比较传感器原理及应用第1章传感器概述1.1什么是传感器人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。传感器外界信息感官大脑肌体计算机执行机构传感器原理及应用第1章传感器概述从广义的角度来说，信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。1.1什么是传感器动画按扭传感器原理及应用第1章传感器概述对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。下面请看几个传感器应用实例:1.1什么是传感器动画按扭传感器原理及应用第1章传感器概述动画按扭传感器原理及应用第1章传感器概述动画按扭传感器原理及应用第1章传感器概述车胎压力监测动画按扭传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位

构成现代信息技术的三大支柱是：传感器技术（信息采集）；通信技术（信息传输）；计算机技术（信息处理）；它们在信息系统中分别起到

“感官”、“神经”和“大脑”的作用。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。传感器原理及应用1.2传感器技术的作用和地位第1章传感器概述目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所起到的作用大的多。这几乎是无可争议的事实。传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。传感器原理及应用1.2传感器技术的作用和地位第1章传感器概述

工业生产传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位

机器人视觉:平面、立体非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、…传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位沙漠机器人传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位超声波测流量红外测温电子汽车衡

计量测试传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位

医疗诊断传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位

家用电器液化气烟雾报警器智能洗衣机遥控器传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位

智能建筑给排水系统泵系统锅炉系统环境控制电力监测能量计费消防系统保安系统照明系统DDC传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位

智能建筑门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统指纹门禁传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位

最新湿度测量应用领域

纺织品精确的烟草烘干木材烘干芯片生产要求最高的湿度稳定性纸品专为您的需求所设计的湿度传感器传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位烟气测量NOXNO+NO2dustsootH2SH2OHCC-totalCO2COO2HCNHClHFNH3SO2传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位上海卢浦大桥通车应力试验传感器原理及应用1.2传感器技术的作用和地位第1章传感器概述传感器具有以下作用和功能

（1）

测量与数据采集（2）

检测与控制（3）

诊断与监测（4）

辅助观测仪器（5）

资源探测（6）

环境保护（7）

医疗卫生（8）

家用电器

……传感器原理及应用1.2传感器技术的作用和地位第1章传感器概述未来世界是个充满传感器的世界，还会有：智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）智能……传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位智能化水质检验

水库无线水质感应器下游用户用户伺服电动机

可以

正转、反转、快转、慢转伺服型雷达天线报警器报警灯及扬声器不同颜色表示不同状态四、自动检测系统举例自动磨削测控系统回目录五、检测技术的发展趋势1．不断提高检测系统的测量准确度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性。近年来，人们研制出许多高精度和宽量程的检测仪器以满足各种需要。人们还对传感器的可靠性和故障率的数学模型进行了大量的研究，使得检测系统的可靠性及寿命大幅度提高。现在，许多检测系统可以在极其恶劣的环境下连续工作数十万小时。提高测量精度数字式电压表及欧姆表量程切换到2V时，分辨力可达到10μV提高可靠性

火箭内的仪器必须能承受巨大的加速度。提高可靠性（续）

设想中的月球基地仪器设备必须能承受巨大的温差和宇宙射线辐射。2．应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域月球车勇气号火星车好奇号火星车“惠更斯”号登陆土卫六时拍摄的照片（距离太阳14.3亿公里）土卫六的表面（固态甲烷）表面温度-180℃

卵形土卫一表面的大陨石坑。直径130公里，坑底10公里哈勃天文望远镜（CCD图像传感器）

拍摄的星云照片哈勃天文望远镜

拍摄的马头座星云照片毒品检查

3．发展集成化、功能化、智能化

传感器

指纹识别门禁指印智能门禁系统4．采用计算机技术，使检测技术智能化

面部识别技术使用模糊（FUZZY）理论计算的电子血压计振荡法电子血压计是用压力传感器来检测血液流动时血管振动的变化；而传统的柯氏音法血压计是用听诊器听取血液流动时发生的脉冲声。5．发展网络化传感器及及网络化检测系统网络化传感器.图为学生参加检测技术系统的设计和组装

本课程涉及的学科面广，需要理论联系实际，举一反三，富于联想，善于借鉴，关心和观察周围的各种机械、电气、仪表等设备，重视实验，才能学得活、学得好。六、本课程的任务和学习方法

回目录传感器原理及应用第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位

传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重视这一领域的发展。下面请看一个短片…….传感器传感器原理及应用1.3传感器现状和国内外发展趋势第1章传感器概述

传感器现状据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和开发，研发机构6000余家。其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。1998年全世界传感器市场销售额已达325亿元，预计2006年销售额将增至506亿美元。传感器原理及应用1.3传感器现状和国内外发展趋势第1章传感器概述

我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。目前有1680多家传感器研发机构，产品约6000种，年产量13.2亿多支，其中约有1／2产品销往国外。预计到“十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达到20亿支，销售总额将达约120亿元。传感器原理及应用1.3传感器现状和国内外发展趋势第1章传感器概述传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传感器自身在智能化和网络方面的落后。传感器原理及应用1.3传感器现状和国内外发展趋势第1章传感器概述

传感器发展趋势：

20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞速发展，现代传感器已是测量仪器、智能化仪表、自动控制系统等装置必不可少的感知元件。几十年来传感技术的发展分为两个方面：

1.提高与改善传感器的技术指标；

2.寻找新原理、新材料、新工艺。为改善传感器性能采用多种技术途径：差动技术；平均技术；补偿修正技术；隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。传感器原理及应用1.3传感器现状和国内外发展趋势第1章传感器概述目前传感器总的发展趋势是：

（1）

发展、利用新效应；（2）

开发新材料；（3）

提高传感器性能和检测范围；（4）

微型化与微功耗；（5）

集成化与多功能化；（6）

传感器的智能化；（7）

传感器的数字化和网络化。传感器的数字化和网络化

模拟传感器放大电路A/D转换线性化处理微处理器标准接口脉冲输出控制门显示传感器原理及应用第1章传感器概述1.3传感器现状和国内外发展趋势传感器在总体上呈现出多功能、微型化、数字化、集成化、智能化和网络化的发展趋势。传感器原理及应用第1章传感器概述1.4检测系统的组成原理各种传感器其输出信号的形式因传感器而异。检测仪器的输出或送控制器用以调节控制，或送至计算机作进一步处理。现代传感技术是自动检测和自动控制系统以及机电一体化的第一基础。自动控制系统框图传感器被测对象控制器被测量可用信号信号处理显示记录传感器原理及应用第1章传感器概述1.4检测系统的组成原理实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。18世纪以来科学技术取得飞速发展，被测对象迅速扩大。力学领域有速度、加速度、力、功和能量等；电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场；化学领域中有浓度、成分、pH值等；工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量；工业领域的光泽、触觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。传感器原理及应用第1章传感器概述1.4检测系统的组成原理另一方面，测量仪器的输出信号必须转化为电压、电流或数字量中的一种。由于传感器的种类很多，传感器的输出有各种形式，如热电偶、pH电极等输出为直流电压；热敏电阻、应变计、半导体气体传感器输出为电阻，……。信号处理就是通过信号转换、放大、解调、A/D转换得到所希望的输出信号过程。这是检测系统中使用的共同技术。普通电测仪表基本组成传感器非电量电量测量电路A/D转换数字显示传感器原理及应用第1章传感器概述1.4检测系统的组成原理

就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远距离测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法传统的传感器可以完成从非电量到电量的转换，但无法实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自动检测与控制。传感器原理及应用第1章传感器概述1.4检测系统的组成原理

无论是电量测量还是非电量测量，数字电压表问世以来，模拟式仪表逐渐被数字式仪表取代。微型计算机出现后形成崭新的微机自动化测试系统;

单片微机对采集的数据进行处理并提供显示和记录同时，也对整个测试过程进行控制。典型微机测试系统微机显示器A/D转换测量电路传感器控制器记录器非电量传感器原理及应用第1章传感器概述1.4检测系统的组成原理动画按扭自动检测系统实例传感器原理及应用1.5传感器的定义、组成和分类方法

（1）传感器定义第1章传感器概述广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）定义是：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置传感器原理及应用1.5传感器的定义、组成和分类方法

（1）传感器定义第1章传感器概述测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。这种能感应被测量的变化并将其转换为其它物理量变化的器件，就是传感器。输入匹配放大变换被测信号输出广义传感器

检出器信号处理部分传感器原理及应用1.5传感器的定义、组成和分类方法

（1）传感器定义第1章传感器概述

以上定义表明传感器有以下含义：它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系；按使用的场合不同又称为:

变换器、换能器、探测器。传感器原理及应用1.5传感器的定义、组成和分类方法

（2）传感器的组成第1章传感器概述传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：

敏感元件感受被测量;

转换元件将响应的被测量转换成电参量;

基本电路把电参量接入电路转换成电量;

核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理。敏感元件转换元件基本电路电量输出被测量传感器原理及应用1.5传感器的定义、组成和分类方法

（2）传感器的组成第1章传感器概述国标GB/T14479-93规定传感器图用图形符号表示方法：

正方形表示转换元件,

三角形表示敏感元件；

X表示被测量符号，

*表示转换原理。*X传感器原理及应用1.5传感器的定义、组成和分类方法

（2）传感器的组成第1章传感器概述几个典型传感器的图用图形符号ＰaP电容式压力传感器压电式加速度传感器电位器式压力传感器传感器原理及应用1.5传感器的定义、组成和分类方法

（3）传感器的分类第1章传感器概述传感器分类方法较多,大体有以下几种：1）

按传感器检测的范畴分类物理量传感器化学量传感器生物量传感器２）按传感器的输出信号分类模拟传感器数字传感器传感器原理及应用1.5传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类第1章传感器概述４）按传感器的功能分类单功能传感器多功能传感器智能传感器３）按