傳感器緒論75437課件

傳感技術(shù)緒論一、傳感技術(shù)的特點(diǎn)和地位“傳感技術(shù)”課程主要講授把各種幾何量、機(jī)械量以及其它有關(guān)量轉(zhuǎn)換成電量的各種傳感器（包括基本轉(zhuǎn)換電路）?！皞鞲屑夹g(shù)”課程是一門綜合性、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。一、傳感技術(shù)的特點(diǎn)和地位現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)有三個(gè)主要方面：信息采集——傳感技術(shù)信息傳輸——通信技術(shù)信息處理——計(jì)算機(jī)技術(shù)本課程相對(duì)于大學(xué)物理、模電數(shù)電、材料力學(xué)、工程光學(xué)等是專業(yè)課，相對(duì)于智能儀器設(shè)計(jì)、檢測(cè)技術(shù)、測(cè)控電路等是基礎(chǔ)課，稱之為專業(yè)平臺(tái)課。三、什么是傳感器（Transducer/Sensor）

我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7765-87）中是這樣定義的：“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”。

我們的定義是：傳感器是一種以一定的準(zhǔn)確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。

這一定義包含了以下幾方面的意思:

①傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；②它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等;③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電物理量；④輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。

從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一感二傳，即感受被測(cè)信息，并傳送出去。

四、傳感器的作用

電五官獲取信息監(jiān)視和控制人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。新技術(shù)革命的到來，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過程中，首先要結(jié)決的就是獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或是最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。

包含敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路的傳感器包含敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路的傳感器包含敏感元件、轉(zhuǎn)換元件的傳感器包含敏感元件的傳感器包含敏感元件的傳感器六、傳感器的分類

按傳感器的工作機(jī)理

﹛﹛物理型

化學(xué)型

生物型

按構(gòu)成原理

﹛結(jié)構(gòu)型

物性型

（本課主講）按傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況

﹛能量控制型傳感器

能量轉(zhuǎn)換型傳感器

按照物理原理分類

按照傳感器的用途來分類，例如位移傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等等。

另外，根據(jù)傳感器輸出是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器；根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否，可分為雙向傳感器和單向傳感器等。傳感器技術(shù)指標(biāo)的一般要求可靠性靜態(tài)精度動(dòng)態(tài)性能量程抗干擾能力通用性輪廓尺寸成本能耗對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響等傳感器技術(shù)指標(biāo)的一般要求及指標(biāo)精度：萬分之幾，計(jì)量更高量程：—超導(dǎo)nv—100萬v50萬次諧波—加速度P壓力

℃—-273℃靈敏度：單原子穩(wěn)定性：萬分之五我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀

工業(yè)自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)，28%。

科學(xué)儀器（科研、教學(xué)、質(zhì)檢、計(jì)量），25%。

電子與電工測(cè)量（低頻-高頻，微波-紅外），13%。

醫(yī)療儀器（生命科學(xué)，臨床診療），1x%。各種專用（農(nóng)業(yè)、氣象、水紋、地質(zhì)、航空航天）?？v觀幾十年來的傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，不外乎分為兩個(gè)方面：

㈠提高與改善傳感器的技術(shù)性能；

㈡尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。

改善途徑：1、差動(dòng)技術(shù)

2、平均技術(shù)

3、補(bǔ)償與修正技術(shù)

4、屏蔽、隔離與干擾抑制

5、穩(wěn)定性處理

七、傳感器的發(fā)展動(dòng)向

方向：開發(fā)新型傳感器

開發(fā)新材料

新工藝的采用

集成化、多功能化與智能化

具體技術(shù)：計(jì)算機(jī)、數(shù)字技術(shù)

現(xiàn)場總線微信息技術(shù)

生物化學(xué)技術(shù)成像技術(shù)（醫(yī)學(xué)CT、核磁共振等）

幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器一、非晶態(tài)合金膜片式壓力傳感器該傳感器利用非晶態(tài)合金的磁致伸縮效應(yīng)與逆磁致伸縮效應(yīng)制成。磁致伸縮效應(yīng)既磁性體在外加磁場作用下發(fā)生機(jī)械形變；反之，外力作用下的機(jī)械形變會(huì)改變?cè)摯判泽w的磁化狀態(tài)。圖為非晶態(tài)合金膜片，寬a=10mm，長b=100mm，厚h一般為幾十微米。膜片周圍固定在方形框上。上面裝有驅(qū)動(dòng)磁頭D1和檢測(cè)磁頭D2。D1產(chǎn)生頻率為500kHz的正弦交變磁場，使膜片產(chǎn)生同頻率的機(jī)械形變。同時(shí)，該機(jī)械形變?cè)贒2端表現(xiàn)為交變的磁化狀態(tài)，D2通過一定方法（例如將非晶態(tài)合金膜片作為電感傳感器的磁芯）將此交變磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號(hào)。若垂直于膜片加靜態(tài)壓強(qiáng)P，則膜片彎曲，膜片的磁化狀態(tài)因此發(fā)生改變。D2所檢測(cè)電壓幅值Em與膜片所受壓強(qiáng)P有線性關(guān)系。幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器二、超導(dǎo)磁場傳感器圖為超導(dǎo)磁場傳感器原理圖。當(dāng)超導(dǎo)環(huán)受到磁場作用時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部超導(dǎo)電流排斥磁場，環(huán)內(nèi)磁場為零。超導(dǎo)電流Is只與外磁場強(qiáng)度B成正比。若測(cè)量出Is值的大小，則可確定磁場強(qiáng)度B值。須指出，電流Is并不與外加磁場強(qiáng)度B有嚴(yán)格的正比關(guān)系，而與磁通（=BS）成正比，其中S為超導(dǎo)環(huán)的面積。幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器三、液晶溫度傳感器液晶是1888年被發(fā)現(xiàn)的，它具有液體的流動(dòng)性，又具有晶體的光學(xué)異向性。

如圖，由He-Ne激光器發(fā)出單色光，通過光纖投射到液晶上，液晶的反射光又通過接受光纖照射到光電管上。若入射光強(qiáng)為固定不變的，則反射光強(qiáng)是液晶溫度的函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了溫度—電壓的轉(zhuǎn)換。若使液晶與被測(cè)物體表面接觸，則可根據(jù)輸出電壓確定被測(cè)物表面溫度。為了補(bǔ)償光源不穩(wěn)定及其他環(huán)境因素的影響，傳感器中增設(shè)一束參比光纖，其射入同一光源的單色光，出射光照射到另一光電管上。兩光電管性能相同，它們的輸出分別接到差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端，差動(dòng)放大器輸出電壓信號(hào)與被測(cè)溫度成一定關(guān)系。

幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器四、薄膜壓電傳感器PVDF(PolyVinyliDenceFloride)是一種有機(jī)高分子功能材料，其化學(xué)名稱為聚偏二氟乙烯。PVDF材料可用熱成形法加工成膜狀、管狀和粒狀,其中以薄膜狀用得較多。PVDF薄膜厚度約為幾十微米，具有優(yōu)良的柔性及壓電特性，可用來代替壓電陶瓷制作機(jī)器人的觸覺傳感器。例如已采用PVDF作敏感材料制作了觸覺傳感器，用于分析人手指紋的形狀與功能，打破了傳統(tǒng)的制作單觸覺傳感器的局限。用普通橡膠制成有指紋狀及有許多小凸點(diǎn)的兩種表皮，將其放在PVDF薄膜上形成觸覺兼滑覺的復(fù)合傳感器，當(dāng)機(jī)器人的手爪（傳感器）表面開始接觸物體時(shí)，接觸階躍性應(yīng)力使PVDF產(chǎn)生電荷，經(jīng)電荷放大器，變?yōu)橛|覺信號(hào)。而工件相對(duì)于傳感器表層滑動(dòng)時(shí)，摩擦力變化引起傳感器表層的誘導(dǎo)振動(dòng)，該誘導(dǎo)振動(dòng)使PVDF產(chǎn)生交變電壓信號(hào)。幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器四、薄膜壓電傳感器幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器五、微機(jī)械傳感器（MEMS）微傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。其中，用微機(jī)械加工技術(shù)制作的傳感器稱為微機(jī)械傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級(jí)的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。大部分微機(jī)械傳感器都用半導(dǎo)體硅制作，不僅因?yàn)楣杈哂袠O優(yōu)越的機(jī)械和電性能，更重要的是應(yīng)用硅微機(jī)械加工技術(shù)可以制作出尺寸從亞微米到毫微米級(jí)微元件和微結(jié)構(gòu)，且能達(dá)到很高的加工精度。微機(jī)械加工技術(shù)主要包括：①體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工技術(shù)；②表面腐蝕加工——犧牲層技術(shù)；③X射線深層光刻電鑄成型技術(shù)。

幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器同樣利用微加工技術(shù)的微光學(xué)傳感器微光學(xué)加工技術(shù)及其產(chǎn)品DMD幾種基于新材料和新工藝的新型傳感器六、智能傳感器（傳感器智能化）傳感器與微處理器結(jié)合可以通過以下兩種途徑來實(shí)現(xiàn)：一是采用微處理器或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以強(qiáng)化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能。二是借助于半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器部分與信號(hào)預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器。因此，傳感器智能化經(jīng)歷了非集成化智能傳感器和集成化智能傳感器兩個(gè)主要階段。(1)非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號(hào)的功能）、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微外理器組合為一個(gè)整體而構(gòu)成的智能傳感器系統(tǒng)。這種非集成化智能傳感器是在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)發(fā)展形勢(shì)的推動(dòng)下迅速發(fā)展起來的。(2)集成化智能傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路以及微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上構(gòu)成的。這樣，使智能傳感器達(dá)到了微型化，以至于可以小到放在注射針頭內(nèi)送進(jìn)血管測(cè)量血液流動(dòng)情況，使結(jié)構(gòu)一體化，從而提高了精度和穩(wěn)定性。微型計(jì)算機(jī)或微處理器是智能式傳感器的核心。傳感器的信號(hào)經(jīng)過一定的硬件電路處理后、以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)入計(jì)算機(jī)。而計(jì)算機(jī)可以根據(jù)內(nèi)存中的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過程的各種控制、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理，以及信息傳輸?shù)裙δ埽瑥亩箓鞲衅鳙@得智能功能。具體主要包括：(1)控制功能在智能式傳感器中，測(cè)量過程可以通過預(yù)先編制好的程序，在微型計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。其控制內(nèi)容一般有：鍵盤控制功能；量程自動(dòng)切換；多路通道的切換；極值判斷與越界報(bào)警、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)診斷測(cè)量結(jié)果顯示及打印方式選擇等。(2)數(shù)據(jù)處理功能只能傳感器數(shù)據(jù)處理功能主要包括：標(biāo)度變換技術(shù)、數(shù)字調(diào)零技術(shù)、非線性補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、數(shù)字