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1、绪论绪论第第1页共页共19页页传感器与检测技术传感器与检测技术学时：学时：56+8 授课方式：理论教学授课方式：理论教学+实验实验课程性质：必修课程性质：必修上课时间：上课时间：1-16周，周二周，周二 1-2节节 一教一教 623 1-12周周 周四周四 3-4节节 一教一教 623 1-16周，周二周，周二 3-4节节 一教一教 623 1-12周周 周四周四 1-2节节 一教一教 623实验时间实验时间:另行安排另行安排考试方式：考试考试方式：考试绪论绪论第第2页共页共19页页 本课程是电子科学系各专业尤其是电子信息工程专业本课程是电子科学系各专业尤其是电子信息工程专业的一门重要的专业基
2、础课。本课程以对各种被测对象（如的一门重要的专业基础课。本课程以对各种被测对象（如对温度、光、压力、磁、等等）敏感的传感器为主线，主对温度、光、压力、磁、等等）敏感的传感器为主线，主要讲授要讲授各类常用传感器的原理、结构及其应用各类常用传感器的原理、结构及其应用。学生通过。学生通过学习可以掌握各类传感器的基本原理、典型的接口电路和学习可以掌握各类传感器的基本原理、典型的接口电路和应用电路，并能够自行设计出简单的具有一定实用功能的应用电路，并能够自行设计出简单的具有一定实用功能的传感器应用电路。为从事传感器的研制、各类信息的采集传感器应用电路。为从事传感器的研制、各类信息的采集和处理、各类自动控
3、制电路的设计与开发和应用方面的工和处理、各类自动控制电路的设计与开发和应用方面的工作打下坚实的基础。作打下坚实的基础。绪论绪论第第3页共页共19页页教材教材:绪论绪论第第4页共页共19页页一、自动检测技术的重要性一、自动检测技术的重要性 由于微电子技术、计算机技术、通信技术及网络技术由于微电子技术、计算机技术、通信技术及网络技术的迅速发展，对的迅速发展，对电量的测量技术相应地得到提高电量的测量技术相应地得到提高，如准确，如准确度高、灵敏度高、反应速度快、能够连续进行测量、自动度高、灵敏度高、反应速度快、能够连续进行测量、自动记录、远距离传输和组成测试网点等。记录、远距离传输和组成测试网点等。在
4、工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使人们人们用电测的方法来研究非电量用电测的方法来研究非电量，即研究用电测的方法测量非，即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速地测得非电量的电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速地测得非电量的技术。技术。非电量电测量技术优点：非电量电测量技术优点：测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机联结进行数可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测据处理、可采
5、用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等。与转换等。测试手段就是仪器仪表。测试手段就是仪器仪表。绪论绪论第第5页共页共19页页机械制造业机械制造业化工行业化工行业烟草行业烟草行业环境保护等部门环境保护等部门现代物流行业现代物流行业科学研究和产品开发中科学研究和产品开发中文物保护领域文物保护领域 综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切相综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自动控制关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测，控制就成为中，如果对控制参数不能有效准确的检测，控制就成为无源之水，无本
6、之木。无源之水，无本之木。绪论绪论第第6页共页共19页页 二、检测系统的组成：二、检测系统的组成：被被测测对对象象传传感感器器调调理理变变换换装装置置信信号号传传输输装装置置数数据据处处理理数数据据显显示示及及存存储储模电模电数电数电信号与系统信号与系统通信原理通信原理信息论与编码信息论与编码数字信号处理数字信号处理语言：语言语言：语言汇编汇编高级语言等高级语言等传感器与测试技传感器与测试技术术微机原理与接口技术微机原理与接口技术单片机技术单片机技术技术技术自动控制原理自动控制原理计算机控制技术计算机控制技术计算机网络计算机网络数数据据查查询询系系统统绪论绪论第第7页共页共19页页 测量和检测
7、问题广泛地存在于各行各业，存在于生产、测量和检测问题广泛地存在于各行各业，存在于生产、生活等领域，而且随着生产力水平与人类生活水平的不断提生活等领域，而且随着生产力水平与人类生活水平的不断提高，对测量和检测问题提出了越来越高的要求。一方面要求高，对测量和检测问题提出了越来越高的要求。一方面要求检测系统具有更高的速度、精度、可靠性和自动化水平，以检测系统具有更高的速度、精度、可靠性和自动化水平，以便尽量减少人力，提高工作效率；另一方面要求检测系统具便尽量减少人力，提高工作效率；另一方面要求检测系统具有更大的灵活性和适应性，并向多功能化、智能化方向发展。有更大的灵活性和适应性，并向多功能化、智能化
8、方向发展。传感器的广泛使用使这些要求成为可能。传感器的广泛使用使这些要求成为可能。传感器处于研究对传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，象与测控系统的接口位置，是感知、获取检测信息的窗口，是感知、获取检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别是自动检测和自动控制系统一切科学实验和生产过程，特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息，都要通过传感器将其转换成要获取的信息，都要通过传感器将其转换成容易传输与处理容易传输与处理的电信号。的电信号。绪论绪论第第8页共页共19页页三、传感器定义三、传感器定义 能够感受规定的被测量并能够感受规定的被测量并按照一定的规律按照一定的规律转换成转换成可用输出信
9、号可用输出信号的器件或装置，通常由敏的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。感元件和转换元件组成。便于加工处理、便于传输利用便于加工处理、便于传输利用的信号。的信号。它是一种获得信息的重要手段，它的正确它是一种获得信息的重要手段，它的正确与否关系到整个检测系统的精度。与否关系到整个检测系统的精度。绪论绪论第第9页共页共19页页 四、传感器的应用领域四、传感器的应用领域1.工业生产自动化：位移传感器、速度传感器、温度工业生产自动化：位移传感器、速度传感器、温度传感器、视觉传感器等传感器、视觉传感器等2.国防现代化：导航瞄准的光传感器、定位系统的磁国防现代化：导航瞄准的光传感器、定位系统的磁传
10、感器等。传感器等。3.航空航天技术：紫外光传感器、磁传感器、加速度航空航天技术：紫外光传感器、磁传感器、加速度传感器等。传感器等。4.能源开发：光传感器、力学量传感器、磁传感器等。能源开发：光传感器、力学量传感器、磁传感器等。5.科学研究：探测器科学研究：探测器6.环境保护与生物科学：酶传感器、微生物传感器等。环境保护与生物科学：酶传感器、微生物传感器等。7.家庭电器化：电子灶的气体传感器、电冰箱的温度家庭电器化：电子灶的气体传感器、电冰箱的温度传感器、电视机微机的电压传感器、温度传感器等。传感器、电视机微机的电压传感器、温度传感器等。绪论绪论第第10页共页共19页页 在当今信息化时代发展过程
11、中，各种信息的感知、采集、在当今信息化时代发展过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件转换、传输和处理的功能器件传感器，已经成为各个应传感器，已经成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的重要用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的重要技术工具技术工具。从航天、航空、兵器、船舶、交通、冶金、机械、。从航天、航空、兵器、船舶、交通、冶金、机械、电子、化工、轻工、能源、环保、煤炭、石油、医疗卫生、电子、化工、轻工、能源、环保、煤炭、石油、医疗卫生、生物工程、宇宙开发等领域至农、林、牧、渔业，甚至人们生物工程、宇宙开发等领域至农、林、牧、渔业，甚至人们日常生活
12、的各个方面，几乎无处不使用传感器，无处不需要日常生活的各个方面，几乎无处不使用传感器，无处不需要传感器技术。获取各种信息的传感器越来越成为信息社会赖传感器技术。获取各种信息的传感器越来越成为信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。以存在和发展的物质与技术基础。绪论绪论第第11页共页共19页页五、传感器的发展方向五、传感器的发展方向 绪论绪论第第12页共页共19页页伴随着生物技术的发展，出现了利用生物功能的伴随着生物技术的发展，出现了利用生物功能的生物传感器生物传感器。http:/ 生物传感器生物传感器(biosensor)对生物物质敏感并将其浓度转对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的
13、仪器换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、织、核酸酶、抗体、抗原、微生物、细胞、织、核酸等生物活性物质等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与或系统。生物传感器具有接受器与转换器转换器的功能。的功能。绪论绪论第第13页共页共19页页 生物传感器有以下共同的生物传感器有以下共同的结构结构：包括一种或数种相关：包括
14、一种或数种相关生物活性材料（生物膜）生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学为电信号的物理或化学换能器换能器，二者组合在一起，用现代，二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。生物传感器的原理：生物传感器的原理：待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生发生生物学生物学反应，产生的信息继而被相应的反应，产生的信息继
15、而被相应的物理或化学换物理或化学换能器能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道并输出，便可知道待测物浓度。待测物浓度。绪论绪论第第14页共页共19页页 网络传感器网络传感器是网络通信技术在智能传感器中是网络通信技术在智能传感器中的一种应用。的一种应用。20世纪世纪80年代以来，网络技术成熟年代以来，网络技术成熟并渗透到各行各业，各种高可靠、低功耗、低成并渗透到各行各业，各种高可靠、低功耗、低成本、微体积的本、微体积的网络接口芯片网络接口芯片被开发出来，微电子被开发出来，微电子机械加工技术的发展为传感器的微型化提供了可机械加
16、工技术的发展为传感器的微型化提供了可能，能，把网络接口芯片与智能传感器集成起来并把把网络接口芯片与智能传感器集成起来并把通信协议固化到智能传感器的通信协议固化到智能传感器的ROM中中，产生了网，产生了网络传感器。络传感器。绪论绪论第第15页共页共19页页 网络传感器继承了智能传感器的全部功能，并网络传感器继承了智能传感器的全部功能，并具有网络通信功能，因而在计算机远程测控系统中具有网络通信功能，因而在计算机远程测控系统中得到了广泛的应用。目前看来，传感器和网络都是得到了广泛的应用。目前看来，传感器和网络都是信息时代的支柱产业，将传感器采集数据与网络相信息时代的支柱产业，将传感器采集数据与网络相
17、结合，利用已有的网络资源进行数据共享的网络传结合，利用已有的网络资源进行数据共享的网络传感器已成为智能传感器产业的一个感器已成为智能传感器产业的一个发展趋势发展趋势。绪论绪论第第16页共页共19页页绪论绪论第第17页共页共19页页绪论绪论第第18页共页共19页页图图1 系统组成系统组成6#墩数据采集站下行列车数据采集站5#墩数据采集站7#墩数据采集站（1）8#墩数据采集站9#墩数据采集站交换机交换机交换机收发器交换机7#墩数据采集站（2）交换机下行列车数据采集站远程监控中心实时数据显示数据查询系统服务器交换机7#墩温度采集及BUS控制站3000米光纤绪论绪论第第19页共页共19页页图图3 3 基于基于RCM3200RCM3200的数据采集站结构图的数据采集站结构图传感传感器器被测参被测参量量A/D核心模核心模块块RCM3200以太网以太网信信 号号 调调理电路理电路以以太太网网接接口口芯芯片片网络传感器网络传感器