1、,傳感器原理及應(yīng)用 Principles and Applications of Sensors,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）,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)時到位，遲到者請在后排就坐，遲到10分鐘以上免進(jìn)。勿中途退場。 可以充耳不聞，但勿交頭接耳；可以睡覺，但勿打鼾。 可以隨時提問、討論和嘲笑。 作業(yè)要求 要求獨立完成作業(yè)，抄寫作業(yè)且還不會者，成績0分。 考核要求 平時考核：作業(yè)討論，成績占30； 期末考試：閉卷，成績占70

2、%。,課程地位和作用,課程簡介,課程內(nèi)容與計劃安排（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，2008 2.沈躍、楊喜峰編，物理實驗教程智能檢測技術(shù)實驗，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，機械工業(yè)出版社，2009 2

3、. 傳感器原理及應(yīng)用，王化祥編著，天津大學(xué)出版社，2007 3. 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，2009 4. 傳感器原理及應(yīng)用（項目式教學(xué)），于彤編著，機械工業(yè)出版社，2008 5. 傳感器與測試技術(shù)，葉湘濱等編著，國防工業(yè)出版社，2007 6. 傳感器與檢測技術(shù)，陳杰、黃鴻編著，高等教育出版社，2003 7. Handbook of Modern Sensors(3rd Edition)，Jacob Fraden，Springer-Verlag,Inc.，2004 8. ,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

4、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、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)課程和獨力解決實際問題打下必要的基礎(chǔ)。,課程簡介,主要考核目標(biāo)（包括重點及難點） （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（實驗方法）； （3）掌握常用傳感器的基本應(yīng)用（實驗技

5、術(shù)）； （4）了解應(yīng)用傳感器設(shè)計、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：傳感器的工作原理 難點：傳感器的應(yīng)用技術(shù)； 內(nèi)容涉及知識面廣，理論性、綜合性和實踐性強。,課程簡介,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)的一個重要分支，與計算機技術(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)入信息時代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息

6、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)最前端的一個陣地，是實現(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。 機器系統(tǒng)： 機器系統(tǒng)中，傳感器是各種機械和電子設(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,人機系統(tǒng)的機能對應(yīng)關(guān)系,傳感器有些性能超過人的感官：,例如： 溫度傳感器：-196 1800 壓力

7、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） 計算機技術(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，計算機的“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)展水平是衡量一個國

8、家綜合實力的重要標(biāo)志，也是判斷一個國家科學(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)列為計算機、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)展的重點技術(shù)。 中國：在國家重點科技項目中，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：幾乎每個現(xiàn)代化

9、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。 傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、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,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

10、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,傳感器在機器人上的應(yīng)用 單能機器人：生產(chǎn)用的自動機械式（加工、組裝、檢驗）。檢測臂的位置和角度傳感器。,隧道鑿巖機器人,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,傳感器在機器人上的應(yīng)用 智能機器人：判斷能力。視覺傳感器、觸覺傳感器。,用于水下探測的機器人,用于家庭服務(wù)的機器人,傳感器技術(shù)簡介,三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用,傳感器在機器人上的應(yīng)用 智能機器人：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。”,小機器人挑戰(zhàn)法老咒語，代

11、替科學(xué)家勇探胡夫金字塔內(nèi)部秘道。,“金字塔漫游者”機器人 511，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、洗碗機、照相機、電冰箱、電視機、錄像機、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。,紅外接收傳感器,傳感器技術(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

12、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，轉(zhuǎn)為重視諸如傳感器這類東西的作用。” “信息時代的軍事革命” 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)用遍及各個領(lǐng)域 傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國

13、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。 傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、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

14、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：利用若干個傳感單元同時感受被測量，輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差均可看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，n個傳感單元數(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、補償與修正技術(shù) 補償與修正技術(shù)的運用大致針對兩種情況： 針對傳感器本身特性 針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境 對于傳感器特性，找出誤差的變化規(guī)律，或者測出其大小和方向，采用適當(dāng)?shù)姆椒右匝a償或修正。 針對傳感器工作條件或外界環(huán)境進(jìn)行誤差補償，也是提高傳感器精度

15、的有力技術(shù)措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可控制溫度，用恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現(xiàn)場不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補償又常常是可行的。這時應(yīng)找出溫度對測量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補償措施。,補償與修正，可以利用電子線路（硬件）來解決，也可以采用微型計算機通過軟件來實現(xiàn)。,傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢,4、屏蔽、隔離與干擾抑制 傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預(yù)料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關(guān)性能。為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應(yīng)設(shè)法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。,基本方法有： 減小傳

16、感器對影響因素的靈敏度 降低外界因素對傳感器實際作用的程度,對于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應(yīng)的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對干擾信號進(jìn)行分離或抑制，減小其影響。,傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢,在使用傳感器時，若測量要求較高，必要時也應(yīng)對附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關(guān)鍵元器件進(jìn)行老化處理。,提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施： 對材料、元器件或傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。,造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因： 隨著時間的推

17、移和環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。,5穩(wěn)定性處理 傳感器作為長期測量或反復(fù)使用的器件，穩(wěn)定性顯得特別重要。在那些很難或無法定期標(biāo)定的場合，重要性勝過精度指標(biāo)。,傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢,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 智能化,二、傳感器的發(fā)展動向 開展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化,傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢,研發(fā)新型傳感器的重要途徑： 傳感器的工作機理是基于各種效應(yīng)和定律，因此進(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

18、的重要途徑。 結(jié)構(gòu)型傳感器：發(fā)展較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價格偏高。 物性型傳感器：大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強研究，從而成為一個值得注意的發(fā)展動向。,1、開發(fā)新型傳感器 新型傳感器主要三個方面：采用新原理；填補傳感器空白；仿生傳感器。,傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢,2、開發(fā)新材料 傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)。材料科學(xué)的進(jìn)步，人們可任意控制成分，設(shè)計制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。,（1）半導(dǎo)體敏感材料 （2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料,半導(dǎo)體氧化物可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。有機材料作為傳感器材料的研究，引起國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。,傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢,3、新工藝的采用 在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。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)。 微機械加工技術(shù)：近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，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)，目前已越來越多地用于傳感器領(lǐng)域。,例如：利