傳感器原理及應(yīng)用

中南大學(xué)土木工程學(xué)院李昀

Tel_mail:liyun2007@參考教材黃賢武、鄭筱霞編著.傳感器原理與應(yīng)用（第二版）.電子科技大學(xué)出版社，2001.9郁有文，常健，程繼紅編著.傳感器原理及工程應(yīng)用（第三版）.西安電子科技大學(xué)出版社

,2008.1徐科軍主編.傳感器與檢測技術(shù)（第2版）.電子工業(yè)出版社

,2008.2

傳感器原理及應(yīng)用

第1章

傳感器概述

主要內(nèi)容：

1.1什么是傳感器

1.2傳感器的作用和地位

1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢

1.4檢測系統(tǒng)的組成原理

1.5傳感器的定義、組成和分類方法

1.6本課程的特點和研究內(nèi)容

傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述

第1章傳感器概述

1.1什么是傳感器？在我們?nèi)粘Ｉ钪?，使用著各種各樣的傳感器，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、電視機和影碟機中的紅外遙控器;

照相機中的光傳感器;

汽車中燃料計和速度計等等，不勝枚舉。傳感器給我們的生活帶來了多少便利和幫助呢？傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.1什么是傳感器？傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用1.1什么是傳感器眼（視覺）

耳（聽覺）

鼻（嗅覺）皮膚（觸覺）

舌（味覺）感知外界信息→大腦→肌體第1章傳感器概述人體系統(tǒng)和機器系統(tǒng)比較傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述1.1什么是傳感器

人的體力和腦力勞動通過感覺器官接收外界信號，將這些信號傳送給大腦，大腦把這些信號分析處理傳遞給肌體。如果用機器完成這一過程，計算機相當(dāng)人的大腦，執(zhí)行機構(gòu)相當(dāng)人的肌體，傳感器相當(dāng)于人的五官和皮膚。傳感器好比人體感官的延長，有人又稱“電五官”。

傳感器外界信息感官大腦肌體計算機執(zhí)行機構(gòu)

第1章傳感器概述

1.1什么是傳感器？從廣義的角度來說，信號檢出器件和信號處理部分總稱為傳感器。

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.1什么是傳感器？對于各種各樣的被測量，有各種各樣的傳感器。下面請看幾個傳感器應(yīng)用實例:

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.1什么是傳感器？傳感器原理及應(yīng)用顯示報警信號送PC串行總線、局域網(wǎng)(L工AN)

第1章傳感器概述

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是：傳感器技術(shù)（信息采集）；通信技術(shù)（信息傳輸）；計算機技術(shù)（信息處理）；它們在信息系統(tǒng)中分別起到“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。在利用信息的過程中首先要解決獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位目前傳感器技術(shù)已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，傳感器對觀測和自動化技術(shù)所起的作用遠比家用電器所起到的作用大的多。這幾乎是無可爭議的事實。

傳感器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更有突出的地位。宏觀上的茫茫宇宙、微觀上的粒子世界、長時間的天體演化、短的瞬間反應(yīng)。超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、弱磁場等極端技術(shù)研究。傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，需要用各種傳感器監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程的各個參數(shù)，傳感器是自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)器件，直接影響到自動化技術(shù)的水平。

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位工業(yè)生產(chǎn)

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位機器人視覺:平面、立體非視覺:觸覺、滑覺、熱覺、力覺、接近覺、…傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位計量測試

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位醫(yī)療診斷

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位家用電器

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位智能建筑

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位智能建筑門禁系統(tǒng)打破了人們幾百年來用鑰匙開鎖的傳統(tǒng)傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位最新濕度測量應(yīng)用領(lǐng)域傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位

傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位

傳感器原理及應(yīng)用南京大勝關(guān)大橋模型試驗

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位

傳感器具有以下作用和功能

（1）

測量與數(shù)據(jù)采集（2）

檢測與控制（3）

診斷與監(jiān)測（4）

輔助觀測儀器（5）

資源探測（6）

環(huán)境保護（7）

醫(yī)療衛(wèi)生（8）

家用電器

……傳感器原理及應(yīng)用

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位

未來世界是個充滿傳感器的世界，還會有：智能房屋（自動識別主人，太陽能提供能源）智能衣服（自動調(diào)節(jié)溫度）智能公路（自動記錄公路的壓力、溫度、車流量）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）智能……傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述1.2傳感器技術(shù)的作用和地位智能化水質(zhì)檢驗

水庫無線水質(zhì)感應(yīng)器下游用戶用戶

第1章傳感器概述

1.2傳感器技術(shù)的作用和地位

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、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護等等極其廣泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f：幾乎每個現(xiàn)代化項目，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述

1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢

傳感器現(xiàn)狀據(jù)統(tǒng)計目前全世界約有40個國家從事傳感器的研制、生產(chǎn)和開發(fā)，研發(fā)機構(gòu)6000余家。其中以美、日、俄等國實力較強，美、日、俄等國建立了包括物理量、化學(xué)量、生物量三大門類的傳感器產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品20000多種，大企業(yè)的年生產(chǎn)能力達到幾千萬支到幾億支。1998年全世界傳感器市場銷售額已達325億元，預(yù)計2008年銷售額將增至506億美元。傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述

1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢

我國的傳感器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)在國家“大力加強傳感器的開發(fā)和在國民經(jīng)濟中的普遍應(yīng)用”等一系列政策導(dǎo)向和資金的支持下，近年來也取得了較快發(fā)展。

目前有1680多家傳感器研發(fā)機構(gòu)，產(chǎn)品約6000種，年產(chǎn)量13.2億多支，其中約有1／2產(chǎn)品銷往國外。預(yù)計到“十五”期末，敏感元器件與傳感器年總產(chǎn)量可望達到20億支，銷售總額將達約120億元。傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述

1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢

傳感器產(chǎn)業(yè)在科技投入(經(jīng)費、高級人才資源)、產(chǎn)業(yè)環(huán)境以及科技實力(專利件數(shù)、新品開發(fā)周期、關(guān)鍵材料與零組件、量產(chǎn)能力)三大方面的綜合競爭能力遠低于美國、日本、歐洲等發(fā)達國家。

許多自動化方面的專家呼吁：目前系統(tǒng)越來越復(fù)雜，自動化已經(jīng)陷入低谷，其主要原因之一是傳感技術(shù)落后，一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后；另一方面也表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)方面的落后。傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述

1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢

傳感器發(fā)展趨勢：20世紀70年代以來以電量為輸出的傳感器得到飛速發(fā)展，現(xiàn)代傳感器已是測量儀器、智能化儀表、自動控制系統(tǒng)等裝置必不可少的感知元件。幾十年來傳感技術(shù)的發(fā)展分為兩個方面：1.提高與改善傳感器的技術(shù)指標；2.尋找新原理、新材料、新工藝。為改善傳感器性能采用多種技術(shù)途徑：差動技術(shù)；平均技術(shù)；補償修正技術(shù)；隔離抗干擾抑制、穩(wěn)定性處理等等。傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述

1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢

目前傳感器總的發(fā)展趨勢是：（1）

發(fā)展、利用新效應(yīng)；（2）

開發(fā)新材料；（3）

提高傳感器性能和檢測范圍；（4）

微型化與微功耗；（5）

集成化與多功能化；（6）

傳感器的智能化；（7）

傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。傳感器原理及應(yīng)用傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化

模擬傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換線性化處理微處理器標準接口脈沖輸出控制門顯示傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢傳感器在總體上呈現(xiàn)出多功能、微型化、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢。傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述1.4檢測系統(tǒng)的組成原理各種傳感器其輸出信號的形式因傳感器而異。檢測儀器的輸出或送控制器用以調(diào)節(jié)控制，或送至計算機作進一步處理?，F(xiàn)代傳感技術(shù)是自動檢測和自動控制系統(tǒng)以及機電一體化的第一基礎(chǔ)。自動控制系統(tǒng)框圖傳感器被測對象控制器被測量可用信號信號處理顯示記錄

第1章傳感器概述

1.4檢測系統(tǒng)的組成原理實際上被測對象涉及各個領(lǐng)域。最初的測量對象是長度、體積、質(zhì)量和時間。18世紀以來科學(xué)技術(shù)取得飛速發(fā)展，被測對象迅速擴大。力學(xué)領(lǐng)域有速度、加速度、力、功和能量等；電磁學(xué)領(lǐng)域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場；化學(xué)領(lǐng)域中有濃度、成分、pH值等；工業(yè)領(lǐng)域中有流量、壓力、溫度、黏度等被測量?，F(xiàn)在的被測對象更為廣泛，有人體心電、腦電波等體表電位測量，生物斷面測量；工業(yè)領(lǐng)域的光澤、觸覺等品質(zhì)測量；衛(wèi)星上監(jiān)視地球的紅外線傳感器；機器人的視覺、觸覺、滑覺、接近覺等各種傳感器。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用第1章傳感器概述1.4檢測系統(tǒng)的組成原理另一方面，測量儀器的輸出信號必須轉(zhuǎn)化為電壓、電流或數(shù)字量中的一種。由于傳感器的種類很多，傳感器的輸出有各種形式，如熱電偶、pH電極等輸出為直流電壓；熱敏電阻、應(yīng)變計、半導(dǎo)體氣體傳感器輸出為電阻，……。信號處理就是通過信號轉(zhuǎn)換、放大、解調(diào)、A/D轉(zhuǎn)換得到所希望的輸出信號過程。這是檢測系統(tǒng)中使用的共同技術(shù)。普通電測儀表基本組成傳感器非電量電量測量電路A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字顯示

第1章傳感器概述

1.4檢測系統(tǒng)的組成原理就被測對象而言工業(yè)上需要檢測的量有電量和非電量兩大類。非電量早期多用非電量的方法測量，例如：用尺測量長度；用液體熱膨脹的溫度計測溫度；天平測量物重。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對測量的精確度、速度提出新的要求，尤其對動態(tài)變化的物理過程和物理量遠距離測量，用非電方法無法實現(xiàn)，必須采用電測法傳統(tǒng)的傳感器可以完成從非電