第1章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)

1、傳感器原理(yunl)及應(yīng)用 (第4版) 共十六頁 1.1傳感器的作用 隨著現(xiàn)代測量、控制和自動化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)越來越受到人們的重視。特別是近年來，由于科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)平衡的需要，傳感器在各個領(lǐng)域中的作用也日益(ry)顯著。在工業(yè)生產(chǎn)自動化、能源、交通、災(zāi)害預(yù)測、安全防衛(wèi)、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生等方面所開發(fā)的各種傳感器，不僅能代替人的感官功能，并且在檢測人的感官所不能感受的參數(shù)方面創(chuàng)造了十分有利的條件。第1章 緒論(xln)2共十六頁工業(yè)生產(chǎn)中，它起到了工業(yè)耳目的作用。例如，冶金工業(yè)中連續(xù)鑄造生產(chǎn)過程中的鋼包液位檢測，高爐鐵水硫磷含量分析等方面就需要多種多樣(du zhn du y

2、n)的傳感器為操作人員提供可靠的數(shù)據(jù)。此外，用于工廠自動化柔性制造系統(tǒng)(FMS)中的機械手或機器人可實現(xiàn)高精度在線實時測量，從而保證了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在微型計算機廣為普及的今天，如果沒有各種類型的傳感器提供可靠、準(zhǔn)確的信息，計算機控制就難以實現(xiàn)。因此，近幾年來傳感器技術(shù)的應(yīng)用研究在許多工業(yè)發(fā)達的國家中已經(jīng)得到普遍重視。第1章 緒論(xln)3共十六頁第1章 緒論(xln) 1.2 傳感器及傳感技術(shù) 傳感器(transducer或sensor)是將各種非電量(包括物理量、化學(xué)量、生物量等)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸(chun sh)的另一種物理量(一般為電量)的裝置。 過去人們習(xí)慣地把傳感

3、器僅作為測量工程的一部分加以研究，但是自19世紀(jì)60年代以來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展和固體物理效應(yīng)的不斷發(fā)現(xiàn)，目前傳感器技術(shù)已形成了一個新型科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，建立了一個完整的獨立科學(xué)體系傳感器工程學(xué)。4共十六頁 傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實現(xiàn)信息檢測的一門應(yīng)用技術(shù)，它是檢測(傳感)原理、材料科學(xué)、工藝加工等三個要素的最佳結(jié)合。 檢測(傳感)原理指傳感器工作時所依據(jù)的物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)等機理，各種功能材料則是傳感技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，從某種意義上講，傳感器也就是能感知外界各種被測信號的功能材料。傳感技術(shù)的研究和開發(fā)，不僅要求原理正確，選材合適，而且要求有先進、高精度的加工裝配技術(shù)。除此之外，傳

4、感技術(shù)還包括如何更好地把傳感元件用于各個領(lǐng)域的所謂傳感器軟件技術(shù)，如傳感器的選擇、標(biāo)定以及接口技術(shù)等?？傊S著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感技術(shù)的研究開發(fā)范圍(fnwi)正在不斷擴大。第1章 緒論(xln)5共十六頁 1.3 傳感器的組成 傳感器一般(ybn)由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成。如圖1-1所示。 第1章 緒論(xln)圖1-1傳感器的組成方塊圖6共十六頁第1章 緒論(xln) 敏感元件(預(yù)變換器)：在完成非電量到電量的變換時，并非所有的非電量都能利用(lyng)現(xiàn)有手段直接變換為電量，往往是將被測非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再變換為電量。能夠完成預(yù)變換的器件

5、稱為敏感元件，又稱預(yù)變換器。如在傳感器中各種類型的彈性元件常被稱為敏感元件，并統(tǒng)稱為彈性敏感元件。7共十六頁 轉(zhuǎn)換元件：將感受到的非電量直接(zhji)轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為轉(zhuǎn)換元件，例如壓電晶體、熱電偶等。 需要指出的是，并非所有的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，如熱敏電阻、光電器件等。而另外一些傳感器，其敏感元件和轉(zhuǎn)換元件可合二為一，如壓阻式壓力傳感器等。 測量電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變成便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號的電路稱為測量電路。測量電路的類型視轉(zhuǎn)換元件的分類而定，經(jīng)常采用的有電橋電路及其他特殊電路，如高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路、振蕩回路等。 第1章 緒論(xln)8共十

6、六頁 1.4 傳感器的分類 傳感器的種類很多，目前尚沒有(mi yu)統(tǒng)一的分類方法，一般常采用的分類方法有如下幾種。 （1）按輸入量分類 如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度等非電量時，則相應(yīng)的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器等。這種分類方法給使用者提供了方便，容易根據(jù)測量對象選擇所需要的傳感器。第1章 緒論(xln)9共十六頁 （2）按測量原理分類 現(xiàn)有傳感器的測量原理主要是基于電磁原理和固體物理學(xué)理論。如根據(jù)變電阻的原理，相應(yīng)(xingyng)的有電位器式、應(yīng)變式傳感器；根據(jù)變磁阻的原理，相應(yīng)(xingyng)的有電感式、差

7、動變壓器式、電渦流式傳感器；根據(jù)半導(dǎo)體有關(guān)理論，則相應(yīng)(xingyng)的有半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏等固態(tài)傳感器。 第1章 緒論(xln)10共十六頁 （3）按結(jié)構(gòu)型和物性型分類 所謂結(jié)構(gòu)型傳感器，主要是通過機械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測出被測信號(xnho)，這種傳感器目前應(yīng)用的最為普遍。物性型傳感器則是利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實現(xiàn)測量，它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。第1章 緒論(xln)11共十六頁 1.5 傳感器的發(fā)展趨向 近年來，由于半導(dǎo)體技術(shù)已進入了超大規(guī)模集成化階段，各種制造工藝

8、和材料性能的研究已達到相當(dāng)高的水平，為傳感器的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件。從發(fā)展前景來看，它具有以下幾個特點。 （1）傳感器的固態(tài)化 物性(w xn)型傳感器亦稱固態(tài)傳感器，目前發(fā)展很快。它包括半導(dǎo)體、電介質(zhì)和強磁性體三類，其中半導(dǎo)體傳感器的發(fā)展最引人注目。它不僅靈敏度高、響應(yīng)速度快、小型輕量，而且便于實現(xiàn)傳感器的集成化和多功能化。如目前最先進的固態(tài)傳感器，在一塊芯片上可同時集成差壓、靜壓、溫度三個傳感器，使差壓傳感器具有溫度和壓力補償功能。第1章 緒論(xln)12共十六頁 （2）傳感器的集成化和多功能化 隨著(su zhe)傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，借助半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù)、擴散技術(shù)、光刻技術(shù)、

9、精密細微加工及組裝技術(shù)等，使傳感器從單個元件、單一功能向集成化和多功能化方向發(fā)展。 所謂集成化，就是將敏感元件、信息處理或轉(zhuǎn)換單元以及電源等部分利用半導(dǎo)體技術(shù)將其制作在同一芯片上，如集成壓力傳感器、集成溫度傳感器、集成磁敏傳感器等。 多功能化則意味著傳感器具有多種參數(shù)的檢測功能，如半導(dǎo)體溫濕敏傳感器、多功能氣體傳感器等。第1章 緒論(xln)13共十六頁 （3）傳感器的圖像化 目前，傳感器的應(yīng)用不僅限于對某一點物理量的測量，而是從一維、二維到三維空間的測量問題?，F(xiàn)已研制成功的二維圖像傳感器，有MOS型、CCD型、CID型全固體式攝像器件等。 （4）傳感器的智能化 智能傳感器是一種帶有微型計算機

10、兼有檢測和信息處理功能的傳感器。它通常將信號檢測、驅(qū)動回路和信號處理回路等外圍電路全部集成在一塊基片上，使它具有自診斷、遠距離通信、自動調(diào)整零點和量程等功能。使傳感器向智能化方向(fngxing)邁進。 第1章 緒論(xln)14共十六頁第1章 緒論(xln) (5)傳感器網(wǎng)絡(luò)化 微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network， WSN)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成(xngchng)的一個多跳

11、的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。如果說Internet構(gòu)成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。人們可以通過傳感網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而極大地擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認識世界的能力。15共十六頁內(nèi)容摘要傳感器原理及應(yīng)用 (第4版)。在工業(yè)生產(chǎn)自動化、能源、交通、災(zāi)害預(yù)測、安全防衛(wèi)、環(huán)境保護(hunjng boh)、醫(yī)療衛(wèi)生等方面所開發(fā)的各種傳感器，不僅能代替人的感官功能，并且在檢測人的感官所不能感受的參數(shù)方面創(chuàng)造了十分有利的條件。除此之外，傳感技術(shù)