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1、传感器与检测技术,主讲： 张 坤,传感器与检测技术,？,神州6号成功发射,远望号舰艇,装有温、湿度探头的粮仓示意图,热轧带钢表面温度的测量,用辐射温度计测量热轧带钢表面温度的方法巳被广泛采用。从加热炉出来的钢坯最后到卷取机之前的整个轧制线上，如加热炉出口、粗轧机的入口和出口、精轧机的入口和出口以及在卷取机之前都设有辐射温度计，用以测量各阶段带钢的表面温度。并用此温度信号来控制轧制速度、轧辊压下力和冷却水流量等。,矿井监控系统组成,人与机器的机能对应关系,定性 人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。 定量 传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信
2、息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。,人与机器的机能对应关系图,传感器的作用和地位 作用：,传感器位于系统之首，其作用相当于人的五官，直接敏感外界信息。是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用信号（一般为电信号）。,自动测控系统,地位：传感器技术与通信技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。 传感器技术是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。如果没有先进的传感器技术
3、，那么信息的准确获取就成为一句空话，通信技术和计算机技术就成了无源之水。 “没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。所以国内外都将传感器技术列为重点发展的高技术。,传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。 一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡量的。而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的。信息化技术包括传感器技术、通讯技术和计算机技术。传感器技术列为信息技术之首，由此可见一斑。 国内高精度、多功能、集成化、智能化传感器急需开发研制。,总 结,传感器应用领域 传感
4、器的应用范围很广，从航天、航空、兵器、船舟、交通、冶金、机械、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、副、渔业，甚至人们日常生活的各个方方面面，几乎无处不使用传感器，无处不需要传感器技术。 也可以说，传感器已几乎应用到各个领域。,传感器市场结构,90年代国内市场各主要行业传感器的用量 电力系统 140 万件 化工系统 80 万件 钢铁系统 130 万件 能源管理与炉窑控制 4000 万件 汽车行业 4400 万件 机床行业 1500 万件 文化办公机械 200 万件 各类仪器仪表 3 亿件,一个电站 需要 5000 台传感器及其仪表； 一个钢铁
5、厂 需要 20000 台传感器及其仪表； 大型石油化工厂 需要 6000 台传感器及其仪表； 大型发电机组 需要 3000 台传感器及其仪表； 一部汽车 需要 30 至 100 台传感器； 一架飞机 需要 3600 台传感器； ,所以说，传感器的市场需求非常庞大。其根本原因就是因为“传感器位于系统之首”，“是现代信息技术系统的源头”。,传感器的需求、水平、现状,由于传感器技术的重要性，80年代以来国际上出现了“传感器热”。日本把传感器技术列为八十年代十大技术之首，美国把传感器技术列为90年代22项关键技术之一，英国传感器销售额1990年比1980年增长24倍。传感器技术之所以受到如此看重并获得
6、极为迅速发展的原因是： 1.微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展，而获取信息的工具传感器处于明显拖后腿的状态，形成推动传感器技术发展的动力。 2. 广阔的市场和强烈的社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力，传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的程度。80年代，日本、西欧市场传感器销售值年增长率为：30%40%。90年代全世界年增长率约为8.8。90年代以来各方面对传感器的需求也越来越强烈。,什么是传感器 传感器是获取信息的工具。 传感器（ Transducer 或 Sensor ），俗称探头，有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器。 是指那些对某一确定的信息具有感受（或响应）
7、与检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。,密封型压力变送器,压阻式压力传感器,电容式差压变送器,旋转差动变压器,电涡流传感器,电感式接近开关,热电偶,热敏电阻,光敏电阻,光敏三极管,压电加速度传感器,旋转编码器,激光位移传感器,霍尔电压传感器,超声物位开关,传感器定义：传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。,国家标准GB 7665-87对传感器下的定义是： 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成。,传感器定义和组成,传感器一般由
8、敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电路组成。 并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。 如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如：压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。,组成：,1. 敏感元件（预变换器）：是指传感器中能直接感受或响应被测量（非电量）并输出与之成确定关系的其他量（非电量）的部分。 （在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件）。 2. 转换
9、元件：是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号（一般为电信号）的部分。 3. 信号调理电路：是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。 类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路、放大器、振荡器、阻抗变换、补偿及其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路等。 4. 辅助电路：通常指电源，即交、直流供电系统。,例如，应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变（形变）；弹性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的变化量，电阻应变片就是转换元件。,
10、传感器分类,传感器种类繁多，功能各异。 由于同一被测量可用不同转换原理实现探测，利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器，而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域，故传感器有不同的分类法。,传感器技术是涉及国民经济及国防科研各领域的重要技术。如果不建立我国自己的传感器产业，而一味依赖从国外进口传感器来满足需要，将使我国国民经济及国防力量的加强受到制约，因此必须尽快地发展我国的传感器产业。 我国传感器的产业结构存在的主要问题是企业分散、实力不强、市场开拓不力。我国从事传感器研究和生产的单位约1300家，居世界第一，但真正形成一定规模的却寥寥无几。多数企业是
11、低水平的重复，处在生产的初级阶段。 传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于科学研究的水平，而我国在传感器研究方面科研投入强度偏低，科研设备落后，加之我国存在科研和生产脱节的现象，所以影响了传感器科研成果的转化，造成了我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展。,我国传感器行业的状况,世界传感器的种类约有2万种，而我国经过“八五”、“九五”的发展目前也仅有3000多种 虽然我国传感器产业的现状还不能适应国民经济发展的需要，产品技术水平与国外相差15年左右，但是从统一市场的观点看，我国具有传感器的广阔市场，所以我国传感器产业发展的前途还是光明的。 国家科委于1987年
12、4月制定的传感器发展政策白皮书中确定了“必须大力发展传感器技术，特别是要把新型传感器技术作为信息技术中优先领域予以发展”。1991年12月30日中共中央关于制定国民经济和社会发展的十年规划和“八五”计划的建议中第21条明确了要“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”。,传感器行业在我国有广阔的发展空间,传感器与传感器技术发展趋势,一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是增加品种、减小体积和重量，向标准化、固态化、集成化、多功能化、数字化、图像化、智能化方向发展。 标准化： 不同厂家的产品，在硬件、软件、通信规程、连接方式等方 面互相兼容、互换联用，既方
13、便用户使用，又易于安装维修。 固态化： 采用半导体、电介质、强磁性体、陶瓷等材料。 集成化： 将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导 体技术将其制作在同一芯片上。 多功能化：传感器具有多种参数的检测功能。 数字化： 用数字信号取代模拟信号，提高可靠性和抗干扰能力。 图像化： 传感器的应用不仅限于对某一点物理量的测量，而开始研究 从一维、二维到三维空间的测量问题，如二维图像传感器等。 智能化： 将信号检测、驱动回路和信号处理回路等外围电路全部集成在 一块基片上，使它具有自诊断、远距离通信、自动调整零点和 量程等功能。,传感器的一般特性,一种传感器就是一种系统，一个系统总可以用一个数
14、学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性。 从传感器的静态输入输出关系建立的数学模型叫静态模型； 从传感器的动态输入输出关系建立的数学模型叫动态模型。 传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。 由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。 为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态特性和动态特性，才能使信号(或能量)按规律准确地转换。, 静态模型 动态模型 静态特性 动态特性,静态模型,式
15、中 x 输入量； y 输出量； a0 零位输出； a1 传感器线性灵敏度，常用K 或S 表示 a2 ，an 非线性项的待定系数。,静态模型是指在静态信号情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。 一般可用多项式来表示：,动态模型,动态模型指传感器在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。 动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。 1. 微分方程 绝大多数传感器都属模拟（连续变化）系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。,式中 x 输入量 y 输出量 a n , a n-1 , , a0 和 b m , b m-1 , , b0 为传感器的结构参数（是常
16、量）。 对于传感器，除 外，一般取 b 1 , b2 , , bm为0。,2. 传递函数 在分析、设计和应用传感器时，传递函数的概念非常有用。传递函数是输出量和输入量之间的数学表示。如果传递函数已知，那么由任一输入量就可求出相应的输出量。 传递函数的定义是输出信号和输入信号之比。,D（算子） d/dt 这种形式的传递函数对瞬变输入特别有用。对于线性系统，瞬变输入所产生的输出由于它只出现一次而不重复，通常直接表示为时间函数y(t)，它是这个传感器微分方程的解。,对y(t)进行拉氏变换的初始条件是 t 0，y (t)= 0。这对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件均符合上述初始条件。从上式可知，它与输入量无关，只与系统结构参数a i ，b i 有关。因此，可以简单而恰当地描述其输出与输
