传感器与检测技术11课件

2023/2/61传感器及应用总学时:36试验:6适应专业:电子,自动化2023/2/62主要参考书：1.现代传感技术与应用基础,曾光宇编,北理工出版,2006. 2.新编传感器技术手册,李科杰编,国防工业出版教材:《传感器及应用》

董春利,机械工业出版社2023/2/63课程简介

本门课程目的是通过教学使学生在传感器方面具有较广的知识，掌握工程检测和控制系统中常用的传感器的结构、工作原理、特性、应用及发展方向和相应的调理电路，使学生在今后工作能正确选择及使用传感器。2023/2/65学习方法很重要课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于实践总成绩＝考试成绩＋实验成绩＋平时成绩学习

方法2023/2/66学生考核作业和考勤 20%实验 10%期末考试 70%注意事项：1.学生听课课时必须超过本门计划课时三分之二以上同时完成该课程的作业和实验才能取得期末考试资格。2.最终成绩以60分为最低及格线。

2023/2/67教学要求1.学生上课考勤。累计缺课（含病事假）超过该课程学时三分之一者，不能参加期末考试；2.拒绝迟到者进入教室并按旷课记考勤；3.拒绝带食物者进教室并按旷课记考勤；4.拒绝衣着不整者、穿拖鞋者进入教室并以旷课记考勤；5.严禁上课过程中接打手机；2023/2/69绪论

检测（Detection）定义：

利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测技术。2023/2/610例：曹冲称象方法：比较法；装置：船、石头、小秤；检查、测量，从而得到：定性、定量的结果。2023/2/611检测技术在海啸预报中的应用海浪振动检测系统浮标深海地沟2023/2/6132.传感器传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。2023/2/614思考一：夏季买西瓜的时候，你会怎样挑

选呢？传感器实质上就是代替人的五种感觉（视、嗅、听、味、触）器官的装置。能感受被测量并将它转换成可用信号输出的器件。又叫探测器、换能器等。

15一、人机系统的机能对应关系外界信息感官人脑肢体人体系统传感器计算机执行器机器系统Sensor、Transducer“机电五官”2023/2/617传感器就在你我身边电冰箱、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。2023/2/618思考二：传感器都应用在哪些领域呢？

工业检测、自动控制系统中汽车与传感器传感器与家用电器传感器在机器人上的应用传感器在医疗及人体医学上的应用传感器与环境保护传感器与航空及航天传感器与遥感技术19信息处理电信电话科技测试设备控制交通控制输电系统机床机器人家用电器照相机汽车飞机船舶气象海洋环境污染医疗防火光能利用热能利用土木建筑农林机械能利用货币金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用。主要应用2023/2/621楼宇自动控制系统

控制管理的机电设备有：空调制冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等等，实现以上功能使用的传感器有：温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力。安全防护――防盗、防火、防燃气泄露、CCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器；2023/2/622楼宇自动控制系统

自动识别――门禁管理系统、感应式IC卡识别、指纹识别；远程抄收与管理系统――水、电、气、热量通过传感器设置远程自动化抄表；巡更系统――保安管理。

2023/2/623汽车与传感器

252.“汽车导航用传感器”,《传感器世界》,1997年1期3.“汽车安全系统及其传感器”,《传感器世界》,1997年2期参考文献：1.“汽车安全保障传感器市场”，《传感器世界》，2001年1期2023/2/626传感器与家用电器27传感器与家用电器

自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院家庭自动化蓝图：2023/2/629传感器在机器人上的应用在劳动强度大或危险作业的场所，已逐步使用机器人取代人的工作。

一些高速度、高精度的工作，由机器人来承担也是非常合适的。

要使机器人和人的功能更为接近，这就要给机器人安装视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动感觉和重量感觉。

30传感器在机器人上的应用单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）检测臂的位置和角度传感器红旗轿车焊装生产线隧道凿岩机器人31智能机器人：判断能力视觉传感器、触觉传感器足球机器人迎宾机器人32《泰坦尼克》中用于水下探测的“邓肯”号机器人332003年9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”小机器人挑战法老咒语，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。“金字塔漫游者”，5×1×1，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。2023/2/634传感器在医学上的应用

可以对人体的表面和内部温度、血压、腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉搏及心音、心脑电波等进行高难度的诊断

在早期诊断、早期治疗、远距离诊断及人工器官的研制等广泛的范围内发挥作用

2023/2/635传感器与环境保护

2023/2/636传感器与环境保护环球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境

为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。

37环境监测仪器2023/2/638传感器与航空及航天

使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量。

飞行的方向，飞行姿态、飞行环境、飞行器本身的状态及内部设备的监控也都要通过传感器进行检测。2023/2/639传感器与遥感技术

从飞机、人造卫星、宇宙飞船及船舶上对远距离的广大区域的被测物体及其状态进行大规模探测的一门技术。图为在卫星上通过遥感技术拍摄的美国空军基地。40传感器与遥感技术飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波船舶：超声波传感器微波红外接收传感器红外线分布差异矿藏埋藏地区地面41传感器在军事技术领域的应用《美国高级将领与著名学者访谈录》陈伯江“信息时代的军事革命”

——美国参联会副主席欧文斯上将“……改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。”“陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物……你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的军种（可称之为传感器军）用于观察战场……”42地位及发展状况

传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官”，如果没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。1、现代测量与自动控制的首要环节2、衡量国家综合实力的重要标志

传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。43现代信息产业的三大支柱

通讯技术、计算机技术、传感器技术既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水中之月、镜中之花。44各国政府高度重视

日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政府还在21世纪技术预测中将传感器列为首位。

美国白宫将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。

西欧各国在制定“尤里卡”发展计划中，把传感器技术作为优先发展的重点技术。

我国政府在“863计划”及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。2023/2/645传感器的发展

向量子化拓展

向集成化、多功能化发展

向智能化进军

2023/2/646思考三：未来世界会有什么样的传感器呢？

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（自动显示、记录公路的压力、温度、车流量）；

智能汽车（无人驾驶、卫星定位）……2023/2/647第一传感器的分类

2023/2/648一.传感器的分类传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：一种是按被测输入量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。2023/2/6491)按被测量分类这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。2023/2/650

这种分类方法把种类繁多的被测量分为：基本被测量和派生被测量两类。见下表1-1。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。

2023/2/651表基本被测量和派生被测量

基本被测量

派生被测量位移

线位移

长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度

角位移

旋转角、偏转角、角振动

速度

线速度

速度、振动、流量、动量

角速度

转速、角振动

加速度

线加速度

振动、冲击、质量

角加速度

角振动、扭矩、转动惯量

力

压力

重量、应力、力矩

时间

频率

周期、计数、统计分布

温度

热容量、气体速度、涡流

光

光通量与密度、光譜分布

湿度

水气、水分、露点2023/2/652

这种分类方法：优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。2023/2/6532)按传感器工作原理分类这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。这种分类法：优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。缺点是不便于使用者根据用途选用。

2023/2/654

具体划分为：⑴电学式传感器电学式传感器是应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。⑵磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成。主要用于位移、转矩等参数的测量。2023/2/655⑶光电式传感器光电式传感器是利用光电器件的光电效应和光学原理而制成。主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。⑷电势型传感器电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍耳效应等原理而制成。主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。2023/2/656⑸电荷传感器电荷传感器是利用压电效应原理而制成。主要用于力及加速度的测量。⑹半导体传感器半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。2023/2/657

⑺谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成。主要用来测量压力。⑻电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成，可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、级譜式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。2023/2/658

还有：按能量的关系分类，即将传感器分为有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类，即将传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如：盘式角度数字传感器，光栅传感器等。2023/2/659二.传感器的特性2023/2/660测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。(1)静态特性传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。1.线性度线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。2023/2/661

图1-5传感器的线性度2023/2/662

由图可见，除（a）为理想特性外，其它都存在非线性，都应进行线性处理。常用的方法有：理论直线法、端点线法、割线法、最小二乘法和计算程序法等。2023/2/663作图法求线性度演示（1—拟合曲线2—实际特性曲线）2023/2/6642.灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，其

sn=y/x2023/2/665作图法求灵敏度过程xyx1ΔxΔy0切点传感器特性曲线xmax2023/2/666图1-6传感器的灵敏度2023/2/667

非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-6（b）所示，其

sn=dy/dx=df(x)/dx3.重复性重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图1-7所示。传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。2023/2/668图1-7传感器的重复性2023/2/669

不重复性极限误差由下式表示：

EZ=∆MAX/yFS·100%4.迟滞现象传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度，如图1-8所示。在行程环中同一输入量xi对应的不同输出量yi和yd的差值叫滞环误差，最大滞环误差与满量程输出值的比值称最大滞环率EMAX：

EMAX=∆m/yFS·100%

2023/2/670图1-8传感器的迟滞现象2023/2/6715.分辨力传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。6.稳定性稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性，指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征稳定程度。2023/2/6727.漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。2023/2/673第三检测技术的基本概念

学习测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处理等，他们是检测与转换技术的理论基础。

2023/2/674

世界是由物质组成的，表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量，非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量。实现这种转换技术的器件叫传感器。自动检测和自动控制系统处理的大都是电量,需通过传感器对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获和转换为电量。2023/2/675

1.自动测控系统自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果控制所从事的一系列的技术措施。自动测控系统是完成这一系列技术措施之一的装置，它是检测和控制器与研究对象的总和。通常可分为开环与闭环两种自动测控系统。2023/2/676测量电路传感器电源指示仪记录仪伺服控制

开环自动测控系统框图

被测量2023/2/677调节元件给定元件信息处理检测电路执行元件传感器对象输出显示记录＋－

闭环自动测控系统框图

2023/2/678

一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。2023/2/679检测技术的基本概念及方法

静态测量

2023/2/680

对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。

最高、最低温度计2023/2/681

动态测量

地震测量振动波形2023/2/682便携式仪表

可以显示波形的便携式仪表2023/2/683直接测量

电子卡尺2023/2/684间接测量

对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。

2023/2/685接触式测量

2023/2/686非接触式测量

例：雷达测速车载电子警察2023/2/687离线测量

产品质量检验2023/2/688在线测量

在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。2023/2/689检测技术的发展趋势：

1.不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性：随着科学技术的不断发

展，人们对检测系统的测量精度要求也相应地在提高。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的提高。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。目前，人们正在不断努力进一步提高检测系统的各项性能指标。2023/2/690提高测量精度[数字电压、欧姆表]

将量程切换到2V时，最小显示值为1μV2023/2/691提高可靠性

承受剧烈振动2023/2/692

2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域月球车2023/2/6932.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域（续）

火星车2023/2/6942.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域（续）“惠更斯”号登陆土卫六的效果图土卫六表面2023/2/695

2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域（续）

安全检查2023/2/6963.发展集成化、功能化的传感器

可拍照的手机2023/2/6974.采用计算机技术，使检测技术智能化

面部识别技术2023/2/6984.采用计算机技术，使检测技术智能化（续）

单片机芯片2023/2/6995.发展网络化传感器及检测系统2023/2/61001.4传感器的测量误差与准确度了解测量误差的产生误差的原因熟悉测量误差的分类掌握测量误差的表示方法理解准确度与测量误差的关系2023/2/61011.4.1