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1、传感器概论传感器概论第1页，本讲稿共20页 传感器的定义及组成部分传感器的定义及组成部分一、一、传感器的定义：传感器的定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律规律将其转将其转换成可用输出信号的器件或装置。换成可用输出信号的器件或装置。关于关于名称：名称：传感器又称为敏感元件、检测器、转传感器又称为敏感元件、检测器、转 换器等换器等;根据器件用途又称为热敏元件、根据器件用途又称为热敏元件、湿敏元件等。湿敏元件等。关于关于输出信号：通常是电量，电量有很多形式，如电输出信号：通常是电量，电量有很多形式，如电 压、电流、电容、电阻等压、电流、电容、电阻等第
2、一章第一章 传感器概论传感器概论第2页，本讲稿共20页二、二、传感器的组成传感器的组成被测量被测量（非电量）（非电量）敏感元件敏感元件转换元件转换元件信号调理转换电路信号调理转换电路辅助电源辅助电源（非电量）（非电量）（电量）（电量）输出信号输出信号第3页，本讲稿共20页关于关于敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被 测量的部分。测量的部分。关于关于转换元件：指传感器中将敏感元件感受或响转换元件：指传感器中将敏感元件感受或响 应的被测量转换成适于传输或测应的被测量转换成适于传输或测 量的电信号部分。量的电信号部分。关于关于信号调理与转换电路：对其进行放大、
3、运算信号调理与转换电路：对其进行放大、运算 调制等。调制等。第4页，本讲稿共20页传感器的分类传感器的分类一、传感器的分类一、传感器的分类 1 1、按工作机理分类：以传感器的工作原理划分，按工作机理分类：以传感器的工作原理划分，分为结构型、物性型。分为结构型、物性型。结构型结构型传感器是利用物理学的定律等构成，其性能传感器是利用物理学的定律等构成，其性能 与构成材料关系不大。与构成材料关系不大。物性型物性型传感器是利用物质的客观属性构成，其性能传感器是利用物质的客观属性构成，其性能 与构成材料有直接关系。与构成材料有直接关系。（补充）（补充）复合型复合型传感器是将中间转换环节与物性型元传感器是
4、将中间转换环节与物性型元 件复合而成的传感器。件复合而成的传感器。第5页，本讲稿共20页2 2、按输入信号分类按输入信号分类:位移位移 温度温度 流量流量 压力等压力等3 3、按能量关系分类按能量关系分类:能量转换型和控制型能量转换型和控制型4 4、按输出信号分类按输出信号分类:模拟信号、数字信号模拟信号、数字信号第6页，本讲稿共20页传感器的作用和地位传感器的作用和地位发展历程发展历程:手工化手工化机械化机械化自动化自动化信息化信息化;生产方式生产方式:人与简单工具人与简单工具;动力机与机械动力机与机械;自动自动测量与控制测量与控制;智能机器人智能机器人第7页，本讲稿共20页l 传感器的集成
5、化和微型化传感器的集成化和微型化l 传感器的数字化与智能化传感器的数字化与智能化l 开发新型传感器开发新型传感器l 研究生物感官，开发仿生传感器研究生物感官，开发仿生传感器传感器技术的发展趋势传感器技术的发展趋势第8页，本讲稿共20页传感器技术的发展传感器技术的发展传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。输出信号有不同形式，如电压、电流、频信号的器件。输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、显示、控率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少
6、的制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五元件。如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量，对官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量，对系统的质量起决定性作用。自动化程度越高，系统对传系统的质量起决定性作用。自动化程度越高，系统对传感器要求越高。感器要求越高。第9页，本讲稿共20页 在今天的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、在今天的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代处理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机技术和
7、通信技术由于超大规模集成电路的飞速发的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，而已经充分发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、展，而已经充分发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高，还要求其成本低响应速度、获取的信息量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。显然传统传感器因功能、特性、体积、成廉且使用方便。显然传统传感器因功能、特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界许多发达国家都在加本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且都已取得极大的突快对传感器新技术的研究与开发，并且都已取得极大的突破。破。如今传
8、感器新技术的发展，主要有以下几个方面：如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方面：第10页，本讲稿共20页一、一、发现并利用新现象发现并利用新现象 利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。的基础。日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工器技术的重大
9、突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛推广价值。艺远比超导量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛推广价值。利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位的变化，利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可对某生利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原作检查。如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝物体内是否有这种抗原作检查。如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。美国加州大学巳研制出这类
10、传感器。炎，起到快速、准确作用。美国加州大学巳研制出这类传感器。第11页，本讲稿共20页 二、利用新材料二、利用新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成
11、比例地吸附和释放水分子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点：制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点：测湿范围宽；测湿范围宽；温度范围宽，可达温度范围宽，可达-400-400+1500+1500；响应速度快，小于响应速度快，小于1S1S；尺寸小，可用于小空间测湿；尺寸小，可用于小空间测湿；温度系数小。温度系数小。第1
12、2页，本讲稿共20页 陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量小于先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量小于0.1%F.S,0.1%F.S,温漂小于温漂小于0.15%/10K,0.15%/10K,抗过载强抗过载强,可达量程的数百倍。测量范可达量程的数百倍。测量范围可从围可从0 0到到60MPa60MPa。德国。德国E+HE+H公司和美国公司和美国KavlioKavlio公司产品处于领先地位。公司产品处于领先地位。光导纤维的应用是传感材料的重大突破，其最早
13、用于光通信技光导纤维的应用是传感材料的重大突破，其最早用于光通信技术。在光通信利用中发现当温度、压力、电场、磁场等环境条件变术。在光通信利用中发现当温度、压力、电场、磁场等环境条件变化时，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化，测化时，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些光波量变化的温度、压力、电量光波量的变化，就可知道导致这些光波量变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导纤维传感器场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导纤维传感器。光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度高，结构简单。光纤传感器
14、与传统传感器相比有许多特点：灵敏度高，结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。光纤传感器日本处于先进水平。如光纤传感器日本处于先进水平。如IdecIzumiIdecIzumi公司和公司和SunxSunx公司。光公司。光纤传感受器与集成光路技术相结合，加速光纤传感器技术的发展。纤传感受器与集成光路技术相结合，加速光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件，使光纤传感器有将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件，使光纤传感器有高的带宽、低的信号处理电压，可靠性高，成本低。高的带宽、低的信号处
15、理电压，可靠性高，成本低。第13页，本讲稿共20页三、微机械加工技术三、微机械加工技术 半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺，各向异性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。艺，各向异性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。压力传感器
16、等。日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，制成全日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，制成全硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁结成，两个谐振梁的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压谐振梁结成，两个谐振梁的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振力，可消除环境温度等因素带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将两个频率差后，其相同变化量就能够相互抵梁频率和幅度变化相同，将两个频率差后，其相同变
17、化量就能够相互抵消。其测量最高精度可达消。其测量最高精度可达0.01%FS。第14页，本讲稿共20页 美国美国(SMI)公司开发一系列低价位公司开发一系列低价位,线性度在线性度在0.1%到到0.65%范围内的范围内的硅微压力传感器硅微压力传感器,最低满量程为最低满量程为0.15psi(1KPa),其以硅为材料制成其以硅为材料制成,具有独具有独特的三维结构特的三维结构,轻细微机械加工轻细微机械加工,和多次蚀刻制成惠斯登电桥于硅膜片上和多次蚀刻制成惠斯登电桥于硅膜片上,当硅片上方受力时当硅片上方受力时,其产生变形其产生变形,电阻产生压阻效应而失去电桥平衡电阻产生压阻效应而失去电桥平衡,输出输出与压
18、力成比例的电信号与压力成比例的电信号.象这样的硅微传感器是当今传感器发展的前沿技象这样的硅微传感器是当今传感器发展的前沿技术术,其基本特点是敏感元件体积为微米量级其基本特点是敏感元件体积为微米量级,是传统传感器的几十、几百是传统传感器的几十、几百分之一。在工业控制、航空航天领域、生物医学等方面有重要的作用，分之一。在工业控制、航空航天领域、生物医学等方面有重要的作用，如飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点是能敏感微小被测如飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点是能敏感微小被测量，可制成血压压力传感器。量，可制成血压压力传感器。中国航空总公司北京测控技术研究所，研制的中国航空总公司
19、北京测控技术研究所，研制的CYJ系列溅谢膜压力系列溅谢膜压力传感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计，它克服了非金属式应变传感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计，它克服了非金属式应变计易受温度影响的不足，具有高稳定性，适用于各种场合，被测介质范计易受温度影响的不足，具有高稳定性，适用于各种场合，被测介质范围宽，还克服了传统粘贴式带来的精度低、迟滞大、蠕变等缺点，具有围宽，还克服了传统粘贴式带来的精度低、迟滞大、蠕变等缺点，具有精度高、可靠性高、体积小的特点，广泛用于航空、石油、化工、医疗精度高、可靠性高、体积小的特点，广泛用于航空、石油、化工、医疗等领域。等领域。第15页，本讲稿共20页四、
20、集成传感器四、集成传感器 集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时是一个简单的传感器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低成本、增加产量，美国的功能，它可降低成本、增加产量，美国LUCAS、NOVASENSOR公司开发的这种血压传感器，每星期能生产公司开发的这种血压传感器，每星期能生产1万只。万只。第16页，本讲稿共20页五、智能化传感器五、智能化传感器 智能化传感
21、器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点：多特点：具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补 偿，因而提高偿，因而提高 测量精度；测量精度；可实现多传感器多参数测量；可实现多传感器多参数测量；有自诊断和自校准功能，提高可靠性；有自诊断和自校准功能，提高可靠性；测量数据可存取，使用方便；测量数据可存取，使用方便；有数据通信接口，能与微型计
22、算机直接通信。有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。第17页，本讲稿共20页 把传感器、信号调节电路、单片机集成在一芯片上形成超大规模集成化把传感器、信号调节电路、单片机集成在一芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器。美国的高级智能传感器。美国HONYWELL公司公司ST-3000型智能传感器，芯片尺寸型智能传感器，芯片尺寸才有才有342mm3，采用半导体工艺，在同一芯片上制成，采用半导体工艺，在同一芯片上制成CPU、EPROM、静压、静压、压差、温度等三种敏感元件。压差、温度等三种敏感元件。智能化传感器的研究与开发，美国处于领先地位。美国宇航局在开智能化传感器的研究与开发，美国处于领先地
23、位。美国宇航局在开发宇宙飞船时称这种传感器为灵巧传感器，在宇宙飞船上这种传感器是发宇宙飞船时称这种传感器为灵巧传感器，在宇宙飞船上这种传感器是非常重要的。我国在这方面的研究与开发还很落后，主要是因为我国半非常重要的。我国在这方面的研究与开发还很落后，主要是因为我国半导体集成电路工艺水平有限。导体集成电路工艺水平有限。第18页，本讲稿共20页机电模拟及双向传感器的统一理论机电模拟及双向传感器的统一理论一、线性机械系统的数学描述一、线性机械系统的数学描述 线性机械系统的输出对输入的响应和线性电路一样可线性机械系统的输出对输入的响应和线性电路一样可以用微分方程来数学描述。以用微分方程来数学描述。二、
24、相似系统二、相似系统 能用同一类型的微分方程描述的不同系统称为相似系统。能用同一类型的微分方程描述的不同系统称为相似系统。一个由电阻、电容、电感组成的电系统可以和一个阻一个由电阻、电容、电感组成的电系统可以和一个阻尼器、质量、弹簧组成的机械系统相似。尼器、质量、弹簧组成的机械系统相似。第19页，本讲稿共20页三、机电模拟三、机电模拟研究机械系统时，利用相似特性进行机电模拟。研究机械系统时，利用相似特性进行机电模拟。机电模拟的经常采用的模拟方案：机电模拟的经常采用的模拟方案：1、力电压模拟、力电压模拟2、力电流模拟、力电流模拟四、双向传感器的统一理论四、双向传感器的统一理论实现机电可逆的变换器称为双向传感器。实现机电可逆的变换器称为双向传感器。第20页，本讲稿共20页