傳感器原理及應(yīng)用

PrinciplesandApplicationsofSensors主講：王殿生教授1.1關(guān)于課程學(xué)習(xí)主講教員簡介學(xué)習(xí)要求課程簡介與安排計(jì)劃1.2關(guān)于傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)簡介傳感器技術(shù)發(fā)展第一章傳感器技術(shù)概述（開場鑼鼓）主講教員簡介簡歷（王殿生）1965年出生；1984年應(yīng)用物理學(xué)本科；1999年微電子學(xué)與固體電子學(xué)碩士；2009年油氣田開發(fā)工程博士1988年工作任輔導(dǎo)員；1989年助教；1994年講師；1999年副教授；2005年教授現(xiàn)主要從事研究方向電磁理論及應(yīng)用；油氣滲流理論及應(yīng)用；靜電安全評價(jià)與防護(hù)教學(xué)課程《普通物理》《物理實(shí)驗(yàn)》《電磁場與電磁波》《電動力學(xué)》《微波技術(shù)》《功能材料》《現(xiàn)代傳感理論》《傳感器原理及應(yīng)用》聯(lián)系方式電話M）E-MAIL：dshw@辦公地點(diǎn)：文理樓276房間學(xué)習(xí)要求課堂要求聽課自由，可以選擇不聽課自學(xué)方式學(xué)習(xí)，不受歧視。準(zhǔn)時(shí)到位，遲到者請?jiān)诤笈啪妥t到10分鐘以上免進(jìn)。勿中途退場?？梢猿涠宦?，但勿交頭接耳；可以睡覺，但勿打鼾。可以隨時(shí)提問、討論和嘲笑。作業(yè)要求要求獨(dú)立完成作業(yè)，抄寫作業(yè)且還不會者，成績0分?？己艘笃綍r(shí)考核：作業(yè)＋討論，成績占10％；實(shí)驗(yàn)，成績占30％期中考試：開卷，成績占10％；期末考試：閉卷（含實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)），成績占50%。課程地位和作用

課程簡介課程類型

應(yīng)用物理學(xué)、材料物理、光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時(shí)學(xué)分

共48學(xué)時(shí)，32學(xué)時(shí)理論，16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)；3學(xué)分課程時(shí)間

第1～9周理論教學(xué)，10～13周實(shí)驗(yàn)教學(xué)，計(jì)劃第14周復(fù)習(xí)考試先修課程

高等數(shù)學(xué)、普通物理學(xué)、電路基礎(chǔ)、模擬與數(shù)字電子技術(shù)答疑時(shí)間和地點(diǎn)

固定時(shí)間地點(diǎn)：第1~14周，星期三19:30-21:30，文理樓276。

隨時(shí)時(shí)間地點(diǎn)：文理樓276。課程簡介課程內(nèi)容與計(jì)劃安排（教學(xué)日歷）課程簡介1、傳感器的基本特性2、各類傳統(tǒng)與新型傳感器的工作原理與應(yīng)用

（1）應(yīng)變式傳感器（2）電感式傳感器（3）電容式傳感器（4）壓電式傳感器（5）磁電式傳感器（6）光電式傳感器（7）半導(dǎo)體式傳感器（8）波與輻射式傳感器（9）數(shù)字式傳感器（自學(xué)）（10）智能式傳感器（自學(xué)）課程教材1.郁有文等編著，傳感器原理及工程應(yīng)用，西安科技大學(xué)出版社，20082.沈躍、楊喜峰編，物理實(shí)驗(yàn)教程—智能檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)，中國石油大學(xué)出版社，2010課程參考書1.傳感器與檢測技術(shù)，胡向東等編著，機(jī)械工業(yè)出版社，20092.傳感器原理及應(yīng)用，王化祥編著，天津大學(xué)出版社，20073.傳感技術(shù)與應(yīng)用教程，張洪潤等編著，清華大學(xué)出版社，20094.傳感器原理及應(yīng)用（項(xiàng)目式教學(xué)），于彤編著，機(jī)械工業(yè)出版社，20085.傳感器與測試技術(shù)，葉湘濱等編著，國防工業(yè)出版社，20076.傳感器與檢測技術(shù)，陳杰、黃鴻編著，高等教育出版社，20037.HandbookofModernSensors(3rdEdition)，JacobFraden，Springer-Verlag,Inc.，20048./chgq/index.htm（課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站）課程簡介研究對象傳感器技術(shù)的基本概念和理論、常用傳感器的工作原理和應(yīng)用技術(shù)。課程性質(zhì)課程屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)人才培養(yǎng)中具有提高學(xué)生相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)理論的認(rèn)知能力、增強(qiáng)學(xué)生從事傳感與檢測技術(shù)研究與應(yīng)用工作的適應(yīng)能力和開發(fā)創(chuàng)新能力的作用。課程簡介學(xué)習(xí)目的與要求

（1）建立傳感器技術(shù)的整體概念；

（2）掌握傳感器技術(shù)的基本理論、常用傳感器的工作原理和應(yīng)用技術(shù)；（3）獲得應(yīng)用傳感器設(shè)計(jì)、組建測控系統(tǒng)的基本技能；

（4）培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和應(yīng)用傳感器技術(shù)的興趣；（5）為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和獨(dú)力解決實(shí)際問題打下必要的基礎(chǔ)。課程簡介主要考核目標(biāo)（包括重點(diǎn)及難點(diǎn)）（1）掌握傳感器的基本概念和基本特性；（2）掌握常用傳感器的工作原理（實(shí)驗(yàn)方法）；（3）掌握常用傳感器的基本應(yīng)用（實(shí)驗(yàn)技術(shù)）；（4）了解應(yīng)用傳感器設(shè)計(jì)、組建測控系統(tǒng)的基本方法；（5）了解傳感器技術(shù)的發(fā)展前沿和趨勢。重點(diǎn)：傳感器的工作原理難點(diǎn)：傳感器的應(yīng)用技術(shù)；內(nèi)容涉及知識面廣，理論性、綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)。課程簡介第一章傳感器技術(shù)概述（開場鑼鼓）1.1關(guān)于課程學(xué)習(xí)主講教員簡介學(xué)習(xí)要求課程簡介與安排計(jì)劃1.2關(guān)于傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)簡介傳感器技術(shù)發(fā)展一、傳感器技術(shù)概述傳感器技術(shù)簡介“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識自然、改造自然的有力工具。傳感器技術(shù)作為信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等一起構(gòu)成了信息技術(shù)的完整學(xué)科。

在人類進(jìn)入信息時(shí)代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉(zhuǎn)換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉(zhuǎn)換的重要手段，是信息科學(xué)最前端的一個(gè)陣地，是實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。傳感器技術(shù)簡介一、傳感器技術(shù)概述一、傳感器技術(shù)概述傳感器技術(shù)簡介

傳感器——感覺，感知；傳送（Sensor、Transducer）人體系統(tǒng)：人類有五大感覺器官，即眼、耳、鼻、舌、皮膚。通過這些感覺器官感知外界信息。機(jī)器系統(tǒng)：機(jī)器系統(tǒng)中，傳感器是各種機(jī)械和電子設(shè)備的感覺器官。感知光、色、溫度、壓力、聲音、濕度、氣味及輻射等。傳感器技術(shù)簡介一、傳感器技術(shù)概述外界信息感官人腦肢體人體系統(tǒng)傳感器計(jì)算機(jī)執(zhí)行器機(jī)器系統(tǒng)人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)能對應(yīng)關(guān)系“機(jī)電五官”傳感器有些性能超過人的感官：（1）測量人體無法感知的量（3）測量范圍寬、精確高、可靠性好（2）惡劣環(huán)境下工作例如：溫度傳感器：-196℃~1800℃

壓力傳感器：0.01~10000kPa

精度：0.1%~0.01%

可靠度：8~9級一、傳感器技術(shù)概述傳感器技術(shù)簡介傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一

傳感器技術(shù)（信息采集）通信技術(shù)（信息傳輸）計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）

在信息系統(tǒng)中分別起到“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。

現(xiàn)代測量與自動控制的首要環(huán)節(jié)傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，計(jì)算機(jī)的“五官”。沒有傳感器對原始信息進(jìn)行精確、可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，一切測量和控制都是不可能實(shí)現(xiàn)的。傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位衡量國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志傳感器與傳感器技術(shù)的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，也是判斷一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度與生產(chǎn)水平高低的重要依據(jù)。

日本：傳感器技術(shù)列為計(jì)算機(jī)、通訊、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和傳感器等六大核心技術(shù)之一。在21世紀(jì)技術(shù)預(yù)測中將傳感器列為首位。

美國：傳感器及信號處理列為對國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響的關(guān)鍵技術(shù)之一。

歐洲：傳感器技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。

中國：在國家重點(diǎn)科技項(xiàng)目中，傳感器也列在重要位置。傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位傳感器技術(shù)的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護(hù)等極其廣泛的領(lǐng)域。毫不夸張地說：幾乎每個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位4D彩超捕捉到難得一見的胎兒出生前微笑（美聯(lián)社圖片）傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用信息處理電信電話科技測試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機(jī)床機(jī)器人家用電器照相機(jī)汽車飛機(jī)船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農(nóng)林機(jī)械能利用貨幣金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用自動檢測與自動控制系統(tǒng)石油、化工、電力、鋼鐵、機(jī)械等加工工業(yè)。造紙木材烘干煙草加工芯片生產(chǎn)化工紡織傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用汽車與傳感器

傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量。

安全：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、汽車“黑匣子”。

環(huán)保：排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用

單能機(jī)器人：生產(chǎn)用的自動機(jī)械式（加工、組裝、檢驗(yàn)）。檢測臂的位置和角度傳感器。隧道鑿巖機(jī)器人汽車焊裝生產(chǎn)線傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用

智能機(jī)器人：判斷能力。視覺傳感器、觸覺傳感器。用于水下探測的機(jī)器人用于家庭服務(wù)的機(jī)器人傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用

智能機(jī)器人：埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘。法老咒語：“不論是誰騷擾了法老的安寧，死神之翼將在它的頭上降臨?！毙C(jī)器人挑戰(zhàn)法老咒語，代替科學(xué)家勇探胡夫金字塔內(nèi)部秘道?！敖鹱炙握摺睓C(jī)器人5×1×1，地面探測雷達(dá)、超聲波傳感器（測石頭厚度）。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用傳感器與家用電器自動電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風(fēng)干器、電熨斗、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、照相機(jī)、電冰箱、電視機(jī)、錄像機(jī)、家庭影院。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用傳感器與遙感技術(shù)飛機(jī)及航天飛行器：近紫外線、可見光、遠(yuǎn)紅外線、微波。船舶：超聲波傳感器。微波紅外接收傳感器紅外線分布差異礦藏埋藏地區(qū)地面?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用“……改變那種認(rèn)為軍事力量主要是軍艦、坦克和飛機(jī)的概念，把我們的注意力放在思考信息和電信技術(shù)所能提供的軍事力量上來。這場軍事革命標(biāo)志著一種轉(zhuǎn)變，即從重視軍艦、坦克和飛機(jī)，轉(zhuǎn)為重視諸如傳感器這類東西的作用?！薄靶畔r(shí)代的軍事革命”——美國參聯(lián)會副主席歐文斯上將特種武器觀察、偵察、探測傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用醫(yī)用傳感器：人體內(nèi)部溫度、血液、呼吸流量、腫瘤、心音、腔內(nèi)壓力、心腦電波。傳感器與航空及航天飛行器：控制在預(yù)定軌道上。速度、加速度、飛行距離測量：陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器。周圍環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用傳感器技術(shù)的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護(hù)等極其廣泛的領(lǐng)域。毫不夸張地說：幾乎每個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。傳感技術(shù)的發(fā)展分為兩個(gè)方面：●提高與改善傳感器的技術(shù)性能；●尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。

一、改善傳感器的性能的技術(shù)途徑1、差動技術(shù)

差動技術(shù)是傳感器中普遍采用的技術(shù)。它的應(yīng)用可顯著地減小溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，抵消了共模誤差，減小非線性誤差等。不少傳感器由于采用了差動技術(shù)，還可使靈敏度增大。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢2、平均技術(shù)

作用：

在傳感器中普遍采用平均技術(shù)可產(chǎn)生平均效應(yīng)。原理：利用若干個(gè)傳感單元同時(shí)感受被測量，輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個(gè)單元可能帶來的誤差均可看作隨機(jī)誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，n個(gè)傳感單元數(shù)總的誤差將減小為在傳感器中利用平均技術(shù)不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢3、補(bǔ)償與修正技術(shù)

補(bǔ)償與修正技術(shù)的運(yùn)用大致針對兩種情況：★針對傳感