檢測(cè)與傳感技術(shù)-01

檢測(cè)與傳感技術(shù)主講:李金城ZhengzhouUniversityofLightIndustryDepartmentofElectrical&InformationEngineeringTelmail:0431hehe@163.com1教材：傳感器原理及應(yīng)用主編：郭愛(ài)芳西安電子科技大學(xué)出版社2007年5月第一版ISBN978-7-5606-1824-1教材情況2023/1/152《傳感器原理及應(yīng)用》程德福主編

機(jī)械工業(yè)出版社2009年1月第一版《傳感器技術(shù)》陳建元主編

機(jī)械工業(yè)出版社2008年10月第一版《傳感器及應(yīng)用》牛永奎主編

清華大學(xué)出版社2009年1月第一版建議參考書籍2023/1/153本課程的特點(diǎn)和任務(wù)

“檢測(cè)與傳感技術(shù)”課程主要講授把各種幾何量、機(jī)械量、熱工量以及其他有關(guān)量轉(zhuǎn)換成電量的各種傳感器(包括基本轉(zhuǎn)換電路)。

本課程的主要任務(wù)是：

①掌握各類傳感器的基本理論；②掌握幾何量、機(jī)械量、熱工量等有關(guān)量測(cè)量中常用的各種傳感器的工作原理、主要性能及其特點(diǎn)；③掌握各種傳感器的典型應(yīng)用，能合理地選擇和使用傳感器；④了解傳感器發(fā)展動(dòng)向及最新研究成果。2023/1/154檢測(cè)與傳感技術(shù)是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及的基礎(chǔ)理論和實(shí)際知識(shí)面廣，是自動(dòng)控制理論、自動(dòng)控制系統(tǒng)、材料工程、電氣測(cè)量技術(shù)、電路理論等學(xué)科知識(shí)的綜合，所以理論性較強(qiáng)。同學(xué)們?cè)谡莆栈纠碚摰耐瑫r(shí)，還要注意培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作技能，因此實(shí)踐性也較強(qiáng)。鑒于以上原因，為學(xué)好檢測(cè)與傳感技術(shù)這門課，學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：本課程的特點(diǎn)2023/1/155要抓主要矛盾，忽略一些次要因素，抓住問(wèn)題的本質(zhì)。要抓住重點(diǎn)，即應(yīng)牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。要有良好的學(xué)習(xí)方法，可運(yùn)用對(duì)比的學(xué)習(xí)方法，找出各種傳感器共性和特點(diǎn)，加深對(duì)各種傳感器和原理的理解。學(xué)習(xí)時(shí)要理論聯(lián)系實(shí)際，重視實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐。本課程的學(xué)習(xí)方法2023/1/156認(rèn)真聽(tīng)課，充分利用課堂時(shí)間。按時(shí)獨(dú)立完成作業(yè)。要有良好的學(xué)習(xí)方法，可運(yùn)用對(duì)比的學(xué)習(xí)方法，找出各種傳感器共性和特點(diǎn)，加深對(duì)各種傳感器和原理的理解。學(xué)習(xí)時(shí)要理論聯(lián)系實(shí)際，重視實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐。學(xué)習(xí)要求2023/1/157第1章傳感器概述8傳感器概述1.1傳感器的定義與作用1.2傳感器的組成及分類1.3傳感器的發(fā)展趨勢(shì)2023/1/159在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)中，獲取自然界的信息已成為幾乎所有自然科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域的共同要求。隨著人類活動(dòng)領(lǐng)域的擴(kuò)大和探索過(guò)程的深化，傳感器技術(shù)已經(jīng)成為基礎(chǔ)科學(xué)研究與現(xiàn)代信息技術(shù)相融合的新領(lǐng)域，它匯集和包括了多種學(xué)科的成果，是人類探索自然界信息、實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制的首要環(huán)節(jié)。2023/1/15101.1傳感器的定義與作用傳感器技術(shù)現(xiàn)代通信技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)現(xiàn)代信息技術(shù)2023/1/1511傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域所占比例％應(yīng)用領(lǐng)域所占比例％機(jī)械制造設(shè)備18．1環(huán)保氣象安全10家用電器13．9信息處理與通訊8科學(xué)儀器儀表11．7汽車7．3表1.1傳感器市場(chǎng)結(jié)構(gòu)2023/1/1512什么是傳感器？電子稱

煙霧報(bào)警器

攝像機(jī)

2023/1/1513思考1：夏季買西瓜的時(shí)候，你會(huì)怎樣挑選呢？傳感器實(shí)質(zhì)上就是代替人的五種感覺(jué)（視、嗅、聽(tīng)、味、觸）器官的裝置。能感受被測(cè)量并將它轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件。有時(shí)候傳感器又叫探測(cè)器、換能器等。2023/1/1514傳感器就在你我身邊！電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器；空調(diào)中的溫度和濕度傳感器；煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器；水表、電表、電視機(jī)和影碟機(jī)中的紅外遙控器；照相機(jī)中的光傳感器；汽車中燃料計(jì)和速度計(jì)；城市交通自動(dòng)拍照系統(tǒng)。2023/1/1515思考2洗澡前用手試試水溫，我們能夠大概知道水的溫度需要怎樣調(diào)節(jié)才合適，那么通過(guò)傳感器檢測(cè)的非電量，我們?cè)趺床拍苤榔浣Y(jié)果呢？

2023/1/1516傳感器直接作用于被測(cè)量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電量輸出；中間變換器將傳感器輸出的電量轉(zhuǎn)換成便于傳輸、顯示和記錄的電信號(hào)；顯示記錄裝置將中間變換器的輸出轉(zhuǎn)換成人的感官能接受的信號(hào)。傳感器非電量中間轉(zhuǎn)換器電量顯示記錄裝置電量2023/1/1517思考3：傳感器都應(yīng)用在哪些領(lǐng)域呢？

傳感器在工業(yè)檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)中傳感器與智能樓宇傳感器與汽車傳感器與家用電器傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用

傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

傳感器與環(huán)境保護(hù)傳感器與航空及航天傳感器與遙感技術(shù)2023/1/1518傳感器與智能樓宇2023/1/1519汽車與傳感器2023/1/1520ABS2023/1/1521ETC2023/1/1522汽車中的傳感器已不只局限于對(duì)行駛速度、行駛距離和發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的監(jiān)控。安全監(jiān)控：如汽車安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置及汽車“黑匣子”等都得到了實(shí)際應(yīng)用。

2023/1/1523傳感器與家用電器2023/1/1524未來(lái)的家庭將由作為中央控制裝置的微型計(jì)算機(jī)，通過(guò)各種傳感器代替人監(jiān)視家庭的各種狀態(tài)，并通過(guò)控制設(shè)備進(jìn)行著各種控制。

安全監(jiān)視與報(bào)警、空調(diào)及照明控制、耗能控制、太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤、家務(wù)勞動(dòng)自動(dòng)化及人身健康管理等。2023/1/1525傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用2023/1/1526日本本田公司推出經(jīng)過(guò)改進(jìn)的機(jī)器人“ASIM”。這種能用雙腿直立的機(jī)器人相當(dāng)聰明，人手指到哪里，它就走到哪里，遇到人的時(shí)候會(huì)主動(dòng)向人打招呼，并能和主人流利地對(duì)話。

2023/1/1527PLAY世界最先進(jìn)的夢(mèng)幻機(jī)器人組合——來(lái)自日本SONY公司的7位雙足娛樂(lè)型機(jī)器人“QRIO”。這7位機(jī)器人身高60厘米，體重7公斤。雖然身材不那么高大，但卻舉世聞名。其中四位歌舞表演堪稱一絕。下面是其中四個(gè)“舞者”來(lái)北京演出時(shí)的場(chǎng)面：

2023/1/15282003年9月16日，索尼公司在日本東京推出最新型的愛(ài)寶機(jī)器狗。生產(chǎn)廠商稱，這款型號(hào)為ERS－7的愛(ài)寶機(jī)器狗體現(xiàn)了智能寵物發(fā)展的先進(jìn)水平。2023/1/1529水下機(jī)器人，它的工作方式是：由水面母船上的工作人員，通過(guò)連接潛水器的臍帶提供動(dòng)力，操縱或控制潛水器，通過(guò)水下電視、聲吶等專用設(shè)備進(jìn)行觀察，還能通過(guò)機(jī)械手，進(jìn)行水下作業(yè)。2023/1/1530在勞動(dòng)強(qiáng)度大或危險(xiǎn)作業(yè)的場(chǎng)所，已逐步使用機(jī)器人取代人的工作。一些高速度、高精度的工作，由機(jī)器人來(lái)承擔(dān)也是非常合適的。要使機(jī)器人和人的功能更為接近，這就要給機(jī)器人安裝視覺(jué)傳感器和觸覺(jué)傳感器，使機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)，通過(guò)觸覺(jué)對(duì)物體產(chǎn)生壓覺(jué)、力覺(jué)、滑動(dòng)感覺(jué)和重量感覺(jué)。2023/1/1531傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用可以對(duì)人體的表面和內(nèi)部溫度、血壓、腔內(nèi)壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析、脈搏及心音、心腦電波等進(jìn)行高難度的診斷。在早期診斷、早期治療、遠(yuǎn)距離診斷及人工器官的研制等廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮作用。

2023/1/1532傳感器與環(huán)境保護(hù)2023/1/15332023/1/1534環(huán)球的大氣污染、水質(zhì)污濁及噪聲已嚴(yán)重地破壞了地球的生態(tài)平衡和我們賴以生存的環(huán)境為保護(hù)環(huán)境，利用傳感器制成的各種環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器正在發(fā)揮著積極的作用。

2023/1/1535傳感器與航空及航天使用傳感器進(jìn)行速度、加速度和飛行距離的測(cè)量。飛行的方向，飛行姿態(tài)、飛行環(huán)境、飛行器本身的狀態(tài)及內(nèi)部設(shè)備的監(jiān)控也都要通過(guò)傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

2023/1/1536傳感器與遙感技術(shù)從飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船及船舶上對(duì)遠(yuǎn)距離的廣大區(qū)域的被測(cè)物體及其狀態(tài)進(jìn)行大規(guī)模探測(cè)的一門技術(shù)。圖為在衛(wèi)星上通過(guò)遙感技術(shù)拍攝的美國(guó)空軍基地。

2023/1/1537思考4：未來(lái)世界會(huì)有什么樣的傳感器呢？智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽(yáng)能提供能源）智能衣服（自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度）智能公路（自動(dòng)顯示、記錄公路的壓力、溫度、車流量）智能汽車（無(wú)人駕駛、衛(wèi)星定位）……2023/1/1538傳感器的定義傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。2023/1/1539傳感器作為測(cè)量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，必須具有快速、準(zhǔn)確、可靠且又能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本特點(diǎn)，一般應(yīng)滿足一些必要的條件：輸出信號(hào)與被測(cè)量之間具有唯一確定的因果關(guān)系，是被測(cè)量的單值函數(shù)；輸出信號(hào)能夠與電子系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)或光學(xué)系統(tǒng)匹配，適于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示。2023/1/1540具有盡可能寬的動(dòng)態(tài)范圍，良好的響應(yīng)特性、足夠高的分辨率和信號(hào)噪聲比；對(duì)被測(cè)量的干擾盡可能小，盡可能不消耗被測(cè)系統(tǒng)的能量，不改變被測(cè)系統(tǒng)的能量，不改變被測(cè)系統(tǒng)原有的狀態(tài)；性能穩(wěn)定可靠，不受被測(cè)量參數(shù)因素的影響，抗外界干擾能力強(qiáng)；2023/1/1541便于加工制造，具有可互換性；適應(yīng)性強(qiáng)，具有一定的過(guò)載能力；成本低，壽命長(zhǎng)，使用維修方便等。2023/1/1542傳感器的作用傳感器是人類感知自然界信息的觸角，通過(guò)傳感器可以探索人的感覺(jué)器官無(wú)法感知的信息。例如，傳感器不僅可以檢測(cè)人無(wú)法忍受的高溫，高壓，輻射等惡劣環(huán)境，而且還能檢測(cè)出體感官不能感知的高頻，微電磁場(chǎng)，射線等各種信息。2023/1/1543傳感器位于被測(cè)量與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，是感知，獲取與檢測(cè)自然界信息的窗口，是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)的重要基礎(chǔ)，如果沒(méi)有可靠的傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲與轉(zhuǎn)換，所有的測(cè)量與控制都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。傳感器到底有多么重要？2023/1/1544神州飛船上使用了大量先進(jìn)的傳感器。2023/1/1545阿波羅10號(hào)飛船登月艙共用了3295個(gè)傳感器。2023/1/1546宇航服里采用了近千個(gè)先進(jìn)的傳感器2023/1/1547NMD計(jì)劃因?yàn)閭鞲衅鞴收显?001年兩次試驗(yàn)均告失敗。2023/1/1548發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)因?yàn)樗膫€(gè)引擎?zhèn)鞲衅鞴收蠋状瓮七t發(fā)射。2023/1/15492023/1/1550人體腔道診療微系統(tǒng)2023/1/1551亞洲大腸膠囊內(nèi)視鏡檢查Pillcam大腸膠囊內(nèi)視鏡，病人只需吐下一粒藥丸大小的鏡頭，就可無(wú)創(chuàng)接受大腸檢查。敏感度最高單氣囊小腸內(nèi)視鏡系統(tǒng)2023/1/1552可見(jiàn)傳感器是科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展、人類生存環(huán)境發(fā)生改變以及向未來(lái)空間拓展的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，傳感器技術(shù)早已滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、資源開(kāi)發(fā)、生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、家用電器、宇宙探索、海洋探測(cè)等及其廣泛的領(lǐng)域。歸納起來(lái)傳感器應(yīng)具有以下作用：2023/1/15531、信息采集現(xiàn)代信息技術(shù)信息采集信息傳輸信息處理傳感器通信技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)2023/1/15542、診斷與報(bào)警傳感器對(duì)所需要的信息進(jìn)行采集，然后對(duì)系統(tǒng)或裝置的某種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)判斷，若發(fā)現(xiàn)異常情況，就發(fā)出警告信息并啟動(dòng)保護(hù)電路，這樣就對(duì)系統(tǒng)或裝置進(jìn)行安全管理。2023/1/15553、檢測(cè)與控制在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度的提高，傳感器已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與控制的關(guān)鍵部件，如果沒(méi)有傳感器對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與控制，生產(chǎn)設(shè)備將無(wú)法達(dá)到最佳工作狀態(tài)，產(chǎn)品質(zhì)量將無(wú)法保證。2023/1/1556總之，傳感器技術(shù)是一項(xiàng)與現(xiàn)代技術(shù)密切相關(guān)的尖端技術(shù)，世界上各個(gè)國(guó)家都把傳感器技術(shù)作為本國(guó)科技戰(zhàn)略的重要組成部分。傳感器技術(shù)已經(jīng)完全融入我們的生活。21世紀(jì)是傳感技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代。2023/1/15571.2傳感器的組成與分類輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量敏感元件：直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。2023/1/1558傳感器的敏感元件與轉(zhuǎn)換元件之間并無(wú)嚴(yán)格的界限，有些傳感器簡(jiǎn)單，有些復(fù)雜。最簡(jiǎn)單的傳感器只有一個(gè)敏感元件，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，如應(yīng)變式壓力傳感器由彈性膜片和電阻應(yīng)變片組成。2023/1/1559有些傳感器不止一個(gè)轉(zhuǎn)換元件，如應(yīng)變式密度傳感器，由浮子、懸梁臂和電阻應(yīng)變片組成。如圖所示：2023/1/1560傳感器的分類傳感器技術(shù)是一項(xiàng)知識(shí)密集型技術(shù)，與很多學(xué)科有關(guān)?，F(xiàn)已發(fā)展起來(lái)的傳感器用途廣泛，原理各異，形勢(shì)多樣，種類繁多。對(duì)同一個(gè)被測(cè)量可以用不同的傳感器來(lái)測(cè)量，而利用同一原理設(shè)計(jì)的傳感器又可以測(cè)量多種被測(cè)量。因此，傳感器的分類方法也不盡相同，目前主要采用的分類方式有以下幾種：2023/1/15611、按工作原理分類物理型傳感器傳感器化學(xué)型傳感器生物型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器2023/1/1562（1）物理型傳感器物理型傳感器是利用某些敏感元件的物理結(jié)構(gòu)或某些功能材料的物理特性及效應(yīng)制成的傳感器。例如：電阻應(yīng)變片；壓阻式傳感器等。物理型傳感器又分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。2023/1/1563結(jié)構(gòu)型傳感器是基于某種敏感元件的結(jié)構(gòu)形狀或幾何尺寸的變化來(lái)感受被測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的傳感器。例如：電容式壓力傳感器。物性型傳感器是利用某些功能材料本身具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)來(lái)感受被測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的傳感器。例如：壓電式壓力傳感器。2023/1/1564（2）化學(xué)型傳感器化學(xué)型傳感器是利用電化學(xué)反應(yīng)原理，將各種化學(xué)物質(zhì)（如電解質(zhì)、化合物、分子、離子）的狀態(tài)、成分、濃度等轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的傳感器。例如：離子敏感傳感器。2023/1/1565（3）生物型傳感器生物型傳感器是利用生物反應(yīng)（酶反應(yīng)、微生物反應(yīng)、免疫學(xué)反應(yīng)等）原理，將生物體內(nèi)的葡萄糖、DNA等轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的傳感器。例如：葡萄糖酶?jìng)鞲衅鞯取?023/1/15662、按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器傳感器2023/1/1567（1）能量控制型傳感器能量控制型傳感器先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量（電阻、電感、電容等）的變化，再依靠外部輔助電源將電參量的變化轉(zhuǎn)換成電能輸出，并且由被測(cè)量控制輸出電能的變化。例如：電阻式應(yīng)變傳感器等。2023/1/1568（2）能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電能輸出。例如：壓電式、磁電式，熱電偶，太陽(yáng)能電池等。2023/1/15693、按輸出信號(hào)分類模擬型