傳感器與檢測(cè)技術(shù).ppt

1、1,傳感器與檢測(cè)技術(shù),同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系,主講教師：蘇永清,2,傳感器原理,檢測(cè)技術(shù),電容式傳感器,電阻式傳感器,電感式傳感器,壓電式傳感器,數(shù)字式傳感器,熱電式傳感器,固態(tài)傳感器,信號(hào)變換與抗干擾技術(shù),課程主要內(nèi)容,傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、檢測(cè)電路及其典型應(yīng)用,3,實(shí)踐性強(qiáng),課程特點(diǎn)：,期望逐步解決側(cè)重課本教學(xué)中存在的一些問(wèn)題： 1.檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用、發(fā)展部分空洞； 2.傳感器部分沒(méi)有實(shí)物對(duì)象、枯燥無(wú)味； 3.信號(hào)分析理論部分深?yuàn)W、難懂。,教學(xué)方法：,理論教學(xué) 案例教學(xué) 三者結(jié)合 實(shí)踐教學(xué),4,緒 論,“沒(méi)有傳感器就沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。以傳

2、感器為核心的檢測(cè)系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類(lèi)提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的有利工具。,5,一、傳感器的作用,傳感器是人類(lèi)五官的延長(zhǎng)，又稱(chēng)之為電五官。 傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。 沒(méi)有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。 傳感器是邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅(qū)。,可見(jiàn)，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步等方面起著重要作用。,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。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。,6,實(shí)例：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系

3、統(tǒng),電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的部件有方向盤(pán)、轉(zhuǎn)向柱、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向力矩傳感器、轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向助力電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)向助力控制單元組成,7,轉(zhuǎn)向力矩傳感器為磁阻式傳感器，其磁性轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)向柱連接塊為一體，磁阻傳感元件和轉(zhuǎn)向小齒輪連接塊為一體，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，轉(zhuǎn)向柱連接塊和轉(zhuǎn)向小齒輪連接塊反向運(yùn)動(dòng)，即磁性轉(zhuǎn)子和磁阻傳感元件反向運(yùn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)向力矩的大小可以被測(cè)量出來(lái)并傳遞給控制單元,方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器為光電式傳感器，安裝于轉(zhuǎn)向柱上。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，轉(zhuǎn)向柱帶動(dòng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)子隨方向盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光源就會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)子縫隙照在傳感器的感光元件上產(chǎn)生信號(hào)電壓。由于轉(zhuǎn)子縫隙間隔大小不同，故產(chǎn)生的信號(hào)電壓變化也不同,

4、8,二、傳感器及傳感技術(shù),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：,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。,傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)； 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； 輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量； 輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。,傳感器功用：一感二傳,即感受被測(cè)信息,并傳送出去。,是將各種非電量按一是將各種非電量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量的裝置定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量的裝置,9,

5、傳感器技術(shù) 傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)。 檢測(cè)原理+材料科學(xué)+工藝加工 檢測(cè)（傳感）原理,10,三、傳感器的組成,敏感元件是直接感受被測(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。,基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。,11,四、傳感器的分類(lèi),按輸入量分類(lèi) 按測(cè)量原理分類(lèi) 此外，傳感器通常也按結(jié)構(gòu)型和物性型分類(lèi),12,五、傳感器的發(fā)展動(dòng)向,開(kāi)發(fā)新型傳感器 開(kāi)發(fā)新材料 新工藝的采用 集成化、多功能化 智能化,開(kāi)展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)傳感器的新材料和新工

6、藝；實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化,13,傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說(shuō)它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價(jià)格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點(diǎn)，加之過(guò)去發(fā)展也不夠。世界各國(guó)都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強(qiáng)研究，從而使它成為一個(gè)值得注意的發(fā)展動(dòng)向。,1開(kāi)發(fā)新型傳感器,新型傳感器包括：采用新原理；填補(bǔ)傳感器空白；仿生傳感器等方面。它們之間是互相聯(lián)系的。,14,傳感器材料是傳

7、感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，人們?cè)谥圃鞎r(shí)，可任意控制它們的成分，從而設(shè)計(jì)制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜材料來(lái)制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。,2開(kāi)發(fā)新材料,（1）半導(dǎo)體敏感材料 （2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料,如，半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點(diǎn)。有機(jī)材料作為傳感器材料的研究，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。,15,在發(fā)展新型傳感器中，離不開(kāi)新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的微細(xì)加工技術(shù)。該技術(shù)

8、又稱(chēng)微機(jī)械加工技術(shù)，是近年來(lái)隨著集成電路工藝發(fā)展起來(lái)的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)，目前已越來(lái)越多地用于傳感器領(lǐng)域。,3新工藝的采用,例如利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術(shù)進(jìn)行高精度三維加工，在硅片上構(gòu)成孔、溝棱錐、半球等各種開(kāi)頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。,16,4集成化、多功能化,同一功能的多元件并列化，即將同一類(lèi)型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來(lái)，如CCD圖像傳感器。,多功能一體化，即將傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件。,把多個(gè)功能

9、不同的傳感元件集成在一起，除可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)的測(cè)量外，還可對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評(píng)價(jià)，可反映出被測(cè)系統(tǒng)的整體狀態(tài)。,為同時(shí)測(cè)量幾種不同被測(cè)參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復(fù)合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。,17,5智能化,對(duì)外界信息具有檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機(jī)互相對(duì)話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度傳輸?shù)取?智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實(shí)現(xiàn)取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這

10、類(lèi)傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。,如，DS18B20、傳感器測(cè)量系統(tǒng),18,傳感器的應(yīng)用,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)械制造、工業(yè)過(guò)程控制、汽車(chē)電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和專(zhuān)用設(shè)備等。就世界范圍而言，傳感器市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的是汽車(chē)市場(chǎng)的需求，占第二位的是過(guò)程控制市場(chǎng)，前景看好是通訊市場(chǎng)。,科學(xué)研究的先行官,諾貝爾獎(jiǎng)獲得者R. R. Ernst說(shuō)“現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步越來(lái)越依靠尖端儀器的發(fā)展”,俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫指出“科學(xué)是從測(cè)量開(kāi)始的”,近80年來(lái)，與科學(xué)儀器密切相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者達(dá)38人,19,1)工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用,機(jī)械手、機(jī)器

11、人中的傳感器 轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、接近距離傳感器、觸覺(jué)傳感器、熱覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器。,在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。,密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型,廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗,20,生產(chǎn)加工過(guò)程監(jiān)測(cè),切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測(cè)距傳感器、紅外接近開(kāi)關(guān)傳感器等。,密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠,21,2)流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控,在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。,揚(yáng)子石化50MW熱電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 陽(yáng)邏電廠300MW汽輪機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 荊門(mén)電廠200MW機(jī)

12、組監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 青山熱電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢(xún)系統(tǒng) 沙角電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢(xún)系統(tǒng) 寶鋼30KW以上風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 寶鋼精軋F(tuán)2軋機(jī)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 寶鋼冷軋帶鋼振動(dòng)紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 武鋼風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),22,3)產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量,在汽車(chē)、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠檢驗(yàn)。,汽車(chē)出廠檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)包括潤(rùn)滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過(guò)對(duì)抽樣汽車(chē)的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。,汽車(chē)扭距測(cè)量,機(jī)床加工精度測(cè)量,23,在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位.,24,鼠標(biāo):光電位移傳感器,攝象頭:CCD傳感器,聲位筆:超聲波傳感器,麥克風(fēng):電容傳聲器,聲

13、卡:A/D卡 + D/A卡,軟驅(qū):速度,位置伺服,4)PC機(jī)中的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用,25,5）檢測(cè)技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用日新月異,發(fā)動(dòng)機(jī)：向發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況信息， 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制 溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等,汽車(chē)傳感器：汽車(chē)電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容,普通轎車(chē)：約安裝幾十到近百只傳感器， 豪華轎車(chē)：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。,底 盤(pán)：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)等 車(chē)速、踏板、加速度、節(jié)氣門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫,車(chē) 身：提高汽車(chē)的安全性、可靠性和舒適性等 溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速

14、度、車(chē)速、測(cè)距、圖象等,26,27,未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)一定程度上可以稱(chēng)之為傳感器戰(zhàn)爭(zhēng)。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)將布滿各種傳感器，它們既包括電視攝像機(jī)、激光雷達(dá)、成像雷達(dá)、微光夜視儀、制冷和非制冷熱像儀等可視設(shè)備，也包括聲傳感器、震動(dòng)傳感器、磁傳感器、氣象傳感器和探測(cè)生化戰(zhàn)劑的傳感器，當(dāng)然也可能出現(xiàn)目前尚未問(wèn)世或成熟的其它傳感器。這些傳感器將為指揮人員和士兵收集大量的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，使他們擁有全面的信息優(yōu)勢(shì)，從而最大限度地增強(qiáng)他們的攻擊威力。,6）在軍事和航天領(lǐng)域的應(yīng)用,28,美軍研制的未來(lái)單兵作戰(zhàn)武器-OICW,夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù),激光測(cè)距儀：可精確的定位目標(biāo)。在發(fā)射20mm高爆彈時(shí)，激光測(cè)距儀可將目標(biāo)的距離信息自動(dòng)傳輸至高爆彈的爆炸引信，以精確的設(shè)定引爆時(shí)間。,29,美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御計(jì)劃-NMD,監(jiān)測(cè)系統(tǒng): 探測(cè)和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛