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1、现代传感器技术现代传感器技术本课程的任务?课程内容与学习方法课程内容与学习方法n课程内容课程内容:传感器的基本概论，电阻传感器、电容传感器、电感传感器、压电传感器、温度传感器、光电传感器、固态图像传感器、半导体气敏传感器、超声波传感器、数字光栅传感器等n涉及的学科内容：检测物理、化学原理、涉及的学科内容：检测物理、化学原理、电子技术电子技术n学习方法与要求：学习方法与要求：1原理、原理、2特性、特性、3选用选用n教材（特色）内容：部分突出、减少重复教材（特色）内容：部分突出、减少重复课程学习资料课程学习资料n参考资料：检索相关主题的资料，网络资料1.应用：中国传感器网等2.学习：东南大学等高校
2、课程网站n具体参考书：1.传感器与应用电路设计,科学出版社2002 2.最新传感器实用手册,人民邮电出版社 2004 3.传感器实用电路设计与制作,科学出版社 2005 课程学习注意课程学习注意n实验（4学时）课地点：机电楼2层n学习纪律：n考试要求：笔试实验平时作业n教师答疑：机电楼B204，每周三下午n联系方式：蒋玉强，第第1章章 传传 感感 器器 概概 述述n1.1 1.1 传感器的感器的组成和分成和分类n1.2 1.2 传感器的重要性感器的重要性n传感器技感器技术的的发展展传感器的作用传感器的作用n传感器的作用：感器的作用：把外界把外界输入的非入的非电信号信号转换成成电信号信号n传感器
3、又称感器又称为敏感元件、敏感元件、检测器、器、转换器等器等1.1 1.1 传感器的感器的组成和分成和分类1.2 1.2 传感器的重要性感器的重要性n处于信息采集系统的前端，其性能会影响整个系统的工作状态和质量数据传输环节数据处理环节传感器组成传感器组成敏感器件是敏感器件是传感器的核心感器的核心 随着半随着半导体器件与集成技体器件与集成技术在在传感器中的感器中的应用，用，传感器的信号感器的信号调理理转换电路与敏感元件一起集成在同一路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在芯片上，安装在传感器的壳体里感器的壳体里传感器的分类传感器的分类n按工作原理分类：按工作原理分类：如应变式、电容式、压电式、等n
4、按检测量分：按检测量分：如温度、压力、位移、速度等n按物理现象分：结构型，物性型。n按外部供电方式分：有源、无源。(一体化)n按输出信号分：模拟与数字。传感器技感器技术的的发展展n基础研究的促进：新现象、新材料、新加工技术n集成化、智能化、网络化传感器的发展趋势传感器的发展趋势 传感技术的发展分为两个方面：提高与改善传感器的技术性能提高与改善传感器的技术性能；寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。一、改善传感器的性能的技术途径一、改善传感器的性能的技术途径1 1差动技术差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温温度度变变化化、电电源
5、源波波动动、外外界界干干扰扰等对传感器精度的影响，抵消了共共模模误误差差，减小非非线线性性误误差差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大灵敏度增大。2 2平均技术平均技术 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为=/n式中 n传感单元数。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。3 3补偿与修正技术补偿与修正技术 补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：针对传感器本身特性针对传
6、感器本身特性 针对传感器的工作条件或外界环境针对传感器的工作条件或外界环境 对于传传感感器器特特性性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对传感器工作条件或外界环境传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。4 4屏
7、蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：u 减小传感器对影响因素的灵敏度u 降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁干扰，可以采用屏蔽屏蔽、隔离隔离措施，也可用滤滤波波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。5稳定性处理稳定性处理 在使用传感器时，若测量要求较高
8、，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。能将发生变化。传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。二、传感器的发展动向v 开发新型
9、传感器开发新型传感器 v 开发新材料开发新材料 v 新工艺的采用新工艺的采用 v 集成化、多功能化集成化、多功能化v 智能化智能化 开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物物性性型型传传感感器器件件，这是发展高高性性能、多功能、低成本和小型化能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结结构构型型传传感感器器，一般说它的结结
10、构构复复杂杂，体体积积偏偏大大，价价格格偏偏高高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。1 1开发新型传感器开发新型传感器新型传感器包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。2 2开发新材料开发新材料（1）半导体敏感材料）半导体敏感材料（2）陶瓷材料）陶瓷材料
11、（3）磁性材料）磁性材料（4）智能材料）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。3 3新工艺的采用新工艺的采用例如利用半导体技术制造出压阻式传感
12、器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，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，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。4 4集成化、多功能化集成化、多功能化同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件偿等环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可
13、对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。5 5智能化智能化对外界信息具有检测检测、数据处理数据处理、逻辑判断逻辑判断、自诊断自诊断和自适应自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。如，DS18B20、传感器测量系统