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傳感器技術(shù)基礎(chǔ) 傳感器技術(shù) 課程主講人 陳建元 傳感器的引入 人通過(guò)五官 視 聽(tīng) 嗅 味 觸 接受外界的信息 經(jīng)過(guò)大腦的思維 信息處理 作出相應(yīng)的動(dòng)作 而用計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化裝置來(lái)代替人的勞動(dòng) 則可以說(shuō)電子計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人的大腦 一般俗稱(chēng)電腦 而傳感器則相當(dāng)于人的五官部分 電五官 身體與機(jī)器人的對(duì)應(yīng)關(guān)系 傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段 傳感器的定義和組成 1 2 第0章緒論 Preface 傳感器的分類(lèi)及要求 0 3 傳感器開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì) 0 4 第0章緒論 Preface 一 傳感器的作用傳感器實(shí)際上是一種功能塊 其作用是將來(lái)自外界的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 第一節(jié)傳感器的作用和重要性 第0章緒論 Preface 傳感器所檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)來(lái)顯著地增加 因而其品種也極其繁多 為了對(duì)各種各樣的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè) 控制 就必須獲得盡量簡(jiǎn)單易于處理的信號(hào) 這樣的要求只有電信號(hào)能夠滿(mǎn)足 電信號(hào)能較容易地進(jìn)行放大 反饋 濾波 微分 存貯 遠(yuǎn)距離操作等 第0章緒論 Preface 總結(jié) 因此作為一種功能塊地傳感器可狹義的定義味 將外界的輸入信號(hào)變換為電信號(hào)的一類(lèi)元件 如下圖所示 第0章緒論 Preface 二 傳感器的重要性作為人腦的一種模擬的電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展極為迅速 可是起五種感覺(jué)模擬作用的傳感器卻發(fā)展很慢 因而如果不進(jìn)行傳感器的開(kāi)發(fā) 現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)將不能適應(yīng)實(shí)際需要 現(xiàn)代社會(huì)要求傳感器 電子計(jì)算機(jī)和執(zhí)行器三者都能相互協(xié)調(diào)才行 這樣 傳感器就成了現(xiàn)代科學(xué)的中樞神經(jīng)系統(tǒng) 它日益受到人們的普遍重視 這已成為現(xiàn)代傳感器技術(shù)的必然趨勢(shì) 第0章緒論 Preface 三 傳感器的應(yīng)用 傳感器技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化 軍事國(guó)防和以宇宙開(kāi)發(fā) 海洋開(kāi)發(fā)為代表的尖端科學(xué)與工程等重要領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用 同時(shí) 它正以自己的巨大潛力 向著與人們生活密切相關(guān)的方面滲透 生物工程 醫(yī)療衛(wèi)生 環(huán)境保護(hù) 安全防范 家用電器 網(wǎng)絡(luò)家居等方面的傳感器已層出不窮 并在日新月異地發(fā)展 第0章緒論 Preface 一 傳感器的定義定義 能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置 第二節(jié)傳感器的定義和組成 第0章緒論 Preface 傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的 便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置 其包含一下幾個(gè)方面的意思 傳感器是測(cè)量裝置 能完成檢測(cè)任務(wù)它的輸入量是某一被測(cè)量 可能是物理量 也可能是化學(xué)量 生物量等 第0章緒論 Preface 輸出量是某種物理量 這種量要便于傳輸 轉(zhuǎn)換 處理 顯示等 這種量可以是氣 光 電 但主要是電量 輸入輸出有對(duì)應(yīng)關(guān)系 且應(yīng)有一定的精確度 第0章緒論 Preface 二 傳感器的組成傳感器一般由敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換電路三部分組成 第0章緒論 Preface 敏感元件 Sensitiveelement 直接感受被測(cè)量 并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件 轉(zhuǎn)換元件 Transductionelement 以敏感元件的輸出為輸入 把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù) 轉(zhuǎn)換電路 Transductioncircuit 將轉(zhuǎn)換電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路 便可轉(zhuǎn)換成電量輸出 第0章緒論 Preface 有些傳感器很簡(jiǎn)單 僅由一個(gè)敏感元件 兼作轉(zhuǎn)換元件 組成 它感受被測(cè)量時(shí)直接輸出電量 如熱電偶 有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 沒(méi)有轉(zhuǎn)換電路 有些傳感器 轉(zhuǎn)換元件不止一個(gè) 要經(jīng)過(guò)若干次轉(zhuǎn)換 第0章緒論 Preface 一 傳感器的分類(lèi)傳感器種類(lèi)繁多 目前常用的分類(lèi)有兩種 以被測(cè)量來(lái)分以傳感器的原理來(lái)分 第三節(jié)傳感器的分類(lèi)及要求 第0章緒論 Preface 按被測(cè)量來(lái)分類(lèi) 第0章緒論 Preface 第0章緒論 Preface 電阻式 光電式 紅外式 光導(dǎo)纖維式 電感式 諧振式 電容式 霍爾式 磁式 阻抗式 電渦流式 超聲式 磁電式 同位素式 熱電式 電化學(xué)式 壓電式 微波式 按傳感器的原理來(lái)分類(lèi) 第0章緒論 Preface 二 分類(lèi)目的 各類(lèi)傳感器的工作原理 主要性能及其特點(diǎn) 應(yīng)用 使大家能合理地選擇和使用傳感器 使學(xué)生了解常用傳感器地工程設(shè)計(jì)方法和掌握常用傳感器地試驗(yàn)研究方法 了解傳感器地發(fā)展方向等 第0章緒論 Preface 三 傳感器的一般要求足夠的容量 傳感器的工作范圍或量程足夠大 具有一定的過(guò)載能力 靈敏度高 精度適當(dāng) 即要求其輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)成確定的關(guān)系 通常為線(xiàn)性 且比值要大 傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿(mǎn)足要求 響應(yīng)速度快 工作穩(wěn)定 可靠性好 使用性和適應(yīng)性強(qiáng) 體積小 重量輕 動(dòng)作能量小 對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)影響小 內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響 其輸出力求采用通用或標(biāo)準(zhǔn)形式 以便與系統(tǒng)對(duì)接 使用經(jīng)濟(jì) 成本低 壽命長(zhǎng) 且便于使用 維修和校準(zhǔn) 第0章緒論 Preface 第0章緒論 Preface 傳感器開(kāi)發(fā)的新趨向包括 社會(huì)對(duì)傳感器需求的新動(dòng)向傳感器新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 第四節(jié)傳感器開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì) 第0章緒論 Preface 一 傳感器需求的新動(dòng)向社會(huì)需求是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù) 特別是微電子技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展 以及 電腦 的普及 傳感器在新的技術(shù)革命中的地位和作用將更為突出 一股競(jìng)相開(kāi)發(fā)和應(yīng)用傳感器的熱潮已在世界范圍內(nèi)掀起 第0章緒論 Preface 原因 電五官 落后于 電腦 的現(xiàn)狀 已成為微型計(jì)算機(jī)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的一大障礙許多有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和卓有成效的技術(shù)改造 都離不開(kāi)傳感器傳感器的應(yīng)用直接帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?zhèn)鞲衅髌占坝谏鐣?huì)各個(gè)領(lǐng)域 將造成良好的銷(xiāo)售前景 第0章緒論 Preface 二 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和需求量 第0章緒論 Preface 三 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)傳感器的開(kāi)發(fā)方向 大致分為如下四個(gè)方面 向檢測(cè)范圍挑戰(zhàn) 集成化 多功能化 向未開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域挑戰(zhàn) 生物傳感器 智能傳感器 Smartsensor 第0章緒論 Preface 向檢測(cè)范圍挑戰(zhàn) 傳感器的量子化傳感器的極限檢測(cè)范圍大多取決于量子力學(xué)效應(yīng) 其比較典型的例子是利用核磁變振吸收的磁傳感器以及利用約瑟夫效應(yīng)的磁傳感器 第0章緒論 Preface 集成化 多功能化 向敏感功能裝置發(fā)展傳感器的集成化 最近積極地應(yīng)用了半導(dǎo)體集成電路技術(shù)及其開(kāi)發(fā)思想 第0章緒論 Preface 生物傳感器 到目前為止 正大力研究 開(kāi)發(fā)的傳感器大多為物理傳感器 今后應(yīng)積極開(kāi)發(fā)研究化學(xué)傳感器和生物傳感器 第0章緒論 Preface 智能傳感器 具有判斷能力 學(xué)習(xí)能力的傳感器智能傳感器大致分為如下三種 具有判斷力的敏感裝置具有學(xué)習(xí)能力的敏感裝置具有創(chuàng)造能力的敏感裝置 第0章緒論 Preface 從構(gòu)成上看 智能式傳感器是一個(gè)典型的以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng) 第0章緒論 Preface 智能式傳感器特點(diǎn) 同一般傳感器相比 智能式傳感器有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn) 精度高穩(wěn)定 可靠性好檢測(cè)與處理方便功能廣性能價(jià)格比高 第0章緒論 Preface 精度高 由于智能式傳感器具有信息處理的功能 因此通過(guò)軟件不僅可以修正各種確定性系統(tǒng)誤差 如傳感器輸入輸出的非線(xiàn)性誤差 溫度誤差 零點(diǎn)誤差 正反行程誤差等 而且還可以適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償隨機(jī)誤差 降低噪聲 從而使傳感器的精度大大提高 穩(wěn)定 可靠性好 它具有自診斷 自校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能 對(duì)于智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還有自適應(yīng)功能 第0章緒論 Preface 檢測(cè)與處理方便 它不僅具有一定的可編程自動(dòng)化能力 可根據(jù)檢測(cè)對(duì)象或條件的改變 方便地改變量程及輸出數(shù)據(jù)的形式等 而且輸出數(shù)據(jù)可通過(guò)串行或并行通訊線(xiàn)直接送入遠(yuǎn)地計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 功能廣 不僅可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測(cè)量 擴(kuò)大測(cè)量與使用范圍 而且可以有多種形式輸出 如RS232串行輸出 PIO并行輸出 IEEE 488總線(xiàn)輸出以及經(jīng)D A轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出等 第0章緒論 Preface 性能價(jià)格比高 在相同精度條件下 多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比 其性能價(jià)格比高 尤其是在采用比較便宜的單片機(jī)后更為明顯