传感器检测技术

传感器检测技术第一页，共十八页，2022年，8月28日第一章绪论1.1引言传感器技术是当今世界令人瞩目、迅猛发展的高新技术之一，也是当代科学发展的一个重要标志，与通信技术、计算机技术共同构成21实际信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。因此各发达国家都将传感器技术作为本世纪重点技术加以发展。随着国内工业自动化、信息化和国防现代化的发展，传感器的年需求量持续增长。但是目前国内传感器技术的创新和新产品开发能力落后于国外先进水平，制约了我国工业自动化和信息化技术的发展。第二页，共十八页，2022年，8月28日1.2传感器技术的发展现状国外发展传感器技术主要有两条不同路径，一条是以美国为代表的先军工后民用、先提高后普及的发展方式；另一条是以日本为代表的侧重实用化和商品化，先普及后提高，由引进、消化、仿制到自行改进设计创新的发展方式。前者花钱多，后者花钱少，发展速度更快。国外在传感器的研究、开发、生产和应用方面发展速度很快，主要表现为：（1）十分重视对传感器技术开发；（2）重视传感器制作工艺研究；（3）重视质量管理与市场分析。第三页，共十八页，2022年，8月28日我国近20多年来，经过科技攻关，敏感元件与传感器的制造技术有了长足的进步，在设计、关键工艺、可靠性、产品开发等方面均有不同程度的突破与创新，但我国传感器的整体水平与国外发达国家相比仍有较大差距，主要表现为：（1）核心制造技术严重滞后于国外，国内产品差强人意；（2）产品品种不全、规格少，新品欠缺；（3）科技创新差，拥有自主知识产权的产品少；（4）工艺装备落后，产品质量差；（5）人才资源匮乏，产业发展不足；（6）统筹规划不足，投资力度不够。第四页，共十八页，2022年，8月28日1.3传感器的地位和作用传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。第五页，共十八页，2022年，8月28日1.4传感器技术的发展趋势随着科学技术的发展，社会的进步，人们对传感器的要求也越来越高，从整体上看，传感器技术的发展趋势有以下几个方面：（1）向高精度发展；（2）向高可靠性、宽温度范围发展；（3）向微型化发展；（4）向微功耗及无源化发展；（5）向智能化数字化发展。第六页，共十八页，2022年，8月28日第二章传感器应用技术理论基础概述2.1传感器的基本概念

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器一般由敏感元件、转换元件、调理电路、辅助电源四部分组成，如下图所示：第七页，共十八页，2022年，8月28日（1）敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。（2）转换元件：将敏感元件的输出转换成便于传输和测量的电参量（电阻）或电信号。（3）调理电路：调理电路则对转换原件输出的信号进行放大、滤波、运算、调制等，以便于实现远距离传输、显示、记录和控制。（4）辅助电源：辅助电源为调理电路和转换原件提供稳定的工作电源。第八页，共十八页，2022年，8月28日2.2传感器的特性传感器的性能指标在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等；动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。第九页，共十八页，2022年，8月28日第三章传感器的分类及工作原理3.1传感器的分类

目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：（1）按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。（2）按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和“0”

或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。（3）按传感器的工作原理分类，可分为应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、电阻式传感器、热电偶式传感器、超声波式传感器等。第十页，共十八页，2022年，8月28日3.2传感器的工作原理1、应变式传感器的工作原理是在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应的变化。2、电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量的输出。3、电容式传感器是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。4、磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。第十一页，共十八页，2022年，8月28日5、光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。6、电阻式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。7、热电偶式传感器：是由两种不同成分的导体两端接合成回路，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流，如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。8、超声波传感器是利用超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波的特性研制而成的传感器。第十二页，共十八页，2022年，8月28日第四章传感器的选择及应用4.1传感器的选择在选择传感器时主要考虑以下几个因素：

1、传感器的类型

2、灵敏度

3、频率响应特性

4、线性范围

5、稳定性

6、精度第十三页，共十八页，2022年，8月28日4.2传感器的应用1、传感器在电子秤中的应用

电子秤的测力装置是力传感器，常用的一种力传感器由一个金属梁和两个应变片组成。如图所示：第十四页，共十八页，2022年，8月28日在金属梁没有受力的情况下，金属梁处于水平状态，梁的上下应变片的长度没变切相等，两应变片的电阻大小也相等，当给金属梁施加竖直向下的力时，金属梁会向下弯曲，使得金属梁上面的应变片被拉长，电阻变大，两端电压也变大，而下边的应变片被挤压收缩，电阻变小，两端电压也减小，使得两应变片的两端电压存在差值，控制电路就通过这个差值，经过放大电路将差值信号放大，再在显示器上显示出数字，即力F的大小。传感器在称上的应用充分改善了杆式称操作麻烦、误差大、测量范围小的缺点。2、传感器在电熨斗中的应用电熨斗中的温度传感器，半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把温度信号转换为电信号进行自动控制。

如图所示：第十五页，共十八页，2022年，8月28日电熨斗内部装有双金属片温度传感器，常温下，上下触点是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源停止加热，温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。第十六页，共十八页，2022年，8月28日

传感器在其他领域的应用还有很多，例如：汽车上的速度传感器；手机上的重力传感器；路灯中的光敏传感器等等。传感器的种类很多，早已渗透到工业生产、宇宙开发、环境保护、资源调查、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，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。世界各国都十分重视这一领域的发展。