第1章传感器概述1(吴建平)

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1、传感器原理及应用,第1章 概述,主要内容： 1.1 什么是传感器 1.2 传感器的作用和地位 1.3 传感器现状和国内外发展趋势 1.4 检测系统的组成原理 1.5 传感器的定义、组成和分类方法,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器 电冰箱、电饭煲中的温度传感器; 空调中的温度和湿度传感器; 抽油烟机中的煤气泄漏传感器; 电视机和影碟机中的红外遥控器; 照相机中的光传感器; 汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。,1.1 什么是传感器,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.1 什么是传感器,传感器不仅给我们的生活

2、带来许多便利和帮助， 也为人类的社会文明提供更多更科学的物质条件。,电 视 机 遥 控 器,空调、电冰箱,麦克风,电子秤,传感器原理及应用,1.1 什么是传感器,眼（视觉） 耳（听觉） 鼻（嗅觉） 皮肤（触觉） 舌（味觉）,感知外界信息 大脑 肌体,第1章 传感器概述,人体系统和机器系统比较,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.1 什么是传感器,如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。 传感器又是人体感官的延长，有人又称传感器为“电五官”，它作为替代补充人的感觉器官功能，传感器为人类客观定量认识世界起到重要作用。,传感器原理及应用,第

3、1章 传感器概述,对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。 能够感受被测量变化，并将其转换为其它物理量变化的器件就是传感器。 下面请看几个传感器应用实例:,1.1 什么是传感器,动 画 按 扭,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.1 什么是传感器,动画按扭,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,动画按扭,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,动画按扭,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,车胎压力监测,动画按扭,从广义的角度来说，感知信号的检出器件和传输信号处理部分总称为传感器。,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,世界已经进入信息时代 构成现代信息技

4、术的三大支柱是： 传感器技术（信息采集）； 通信技术 （信息传输）； 计算机技术（信息处理）； 它们在信息系统中分别起到 “感官”、“神经”和“大脑”的作用。 我们在利用信息的过程中首先要获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。,传感器原理及应用,1.2 传感器技术的作用和地位,第1章 传感器概述,传感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所起的作用大的多,这几乎是无可争议的事实。,今天传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。 目前，传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，它已经成为构建现代信息系

5、统的重要组成部分。,不同应用领域,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,现代工业生产，尤其是自动化生产过程中，每个生产环节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最佳状态。传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。,基础学科研究，传感器的发展，往往是一些极端技术研究和边缘学科开发的先驱。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应、超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究都需要借助高性能的传感器。其中传感器更有突出的地位。,传感器原理及应用,

6、1.2 传感器技术的作用和地位,第1章 传感器概述,现代工业生产,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,机器人，机器人是人类智慧的结晶，它把人的行为和思维转移到非生命体上，机器人感觉系统是指它的外部传感器系统，主要包括： 视觉（平面、立体）； 非视觉（接近觉、触觉、滑觉、热觉、 力觉、 ）,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,沙漠机器人,机器人的研究水平在某种程度上代表了一个国家的 智能化技术水平,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,电子汽车衡,计量测试，电子秤、温度计、湿度计、流量计等，各种衡

7、器和计量仪器的检测水平与传感器密切相关。,超声波测流量,红外测温,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,医疗诊断 现代医疗设备都是利用现代传感技术，如：B超、CT、核磁共振、心电图、脑电图、X光机、病理分析、体液分析等等。,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,湿度传感器,工业生产过程控制,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,智能建筑：BAS，CAS， OAS (3A),传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,智能建筑,自动识别系

8、统(门禁，机电一体化) 打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统,指纹门禁 （CCD）,感应式门禁 （IC、读卡器）,自动识别系统还有考勤机、栏杆机,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,烟气 测量,环境监测 大气、水质、材料检测,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,上海卢浦大桥通车应力试验,工程测量,传感器原理及应用,1.2 传感器技术的作用和地位,第1章 传感器概述,传感器作用 （1） 测量与数据采集 （2） 检测与控制 （3） 诊断与监测 （4） 辅助观测仪器 （5） 资源探测 （6） 环境保护 （7） 医疗卫生 （8） 家用电

9、器 ,下面请看短片 传感器,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2传感器技术的作用和地位,传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国 防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。 可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。 未来世界是个充满传感器的世界， 还会有：,传感器原理及应用,1.2 传感器技术的作用和地位,第1章 传感器概述,智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源） 智能衣服（自动调节温度） 智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量） 智能汽车（无人驾驶、GPS卫星定位） 智能化设备越来越多。

10、由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用是十分明显的,世界各国十分重视这一领域的发展。,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.2 传感器技术的作用和地位,智能化水质检验,传感器原理及应用,1.3 传感器现状和国内外发展趋势,第1章 传感器概述,传感器现状 据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、 生产和开发，研发机构6000余家。 其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等国建 立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。2006年全世界传感器市场销售额增至500多亿美元以上。 据报道，预计全球传

11、感器市场在2010年将增长到600亿美元以上，而最近几年中国的传感器年度销售平均增长达到39%。对于业界而言，中国和亚太地区传感器市场如此快速的增长也预示着巨大的商业发展机遇,传感器原理及应用,1.3 传感器现状和国内外发展趋势,第1章 传感器概述,我国的传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。 目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传感器在智能化和网络方面的落后。 我国“十

12、一五”提出新的战略导向“自主立国”“自主创新”有着重要的现实意义。引进技术要充分消化，吸收并再创新。,传感器原理及应用,1.3 传感器现状和国内外发展趋势,第1章 传感器概述,传感器发展趋势 传感器的历史远比近代科学来得古老，如天平古埃及开始使用、利用液体热膨胀进行温度测量，在16世纪前后实现的。20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞速发展： 几十年来传感技术的发展分为两个方面： 1.提高与改善传感器的技术指标； 2.寻找新原理、新材料、新工艺。 为改善传感器性能采用多种技术途径： 差动技术；平均技术；补偿修正技术； 隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。,传感器原理及应用,1.3 传感器现

13、状和国内外发展趋势,第1章 传感器概述,目前传感器总的发展趋势是： （1） 发现、利用新效应（磁光、压阻）； （2） 开发新材料（光纤、PVC、稀土）； （3） 提高传感器性能和检测范围； （4） 微型化与微功耗（微米、微安、毫克）； （5） 集成化与多功能化； （6） 传感器的智能化 （自校、自诊断、自补偿、存储、数字输出）； （7） 传感器的数字化和网络化。,开发检测的新领域与新技术,(1)新型：其含意有三个方面。 1)采用新型敏感材料、新原理、新效应或新工艺。 2)利用原有的物理和化学效应，根据被测物理量的要求,巧妙地运用于传感技术。 3)利用集成技术和计算机技术开发的新型传感器。 (2

14、)集成化：其含义也有三个方面。 1)将众多单体敏感元件集成在同一衬底上构成二维图像的敏感元件，主要用于光和图像传感器领域。 2)把传感器与放大、运算及温度补偿等环节集成在一个基片上，如集成压力传感器就是将硅膜片、压阻电桥、放大器和温度补偿电阻集成为一个器件，称为“热敏晶闸管器件”。 3)将两种或两种以上敏感元件集成在起，称为多功能传感器。,使现场数据就近登陆，通过 Internet网与用户之间异地交换数据远程控制等。,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.3 传感器现状和国内外发展趋势,RS232、422、485、USB,传感器的数字化和网络化,传感器的数字化和网络化,传感器原理及应用,第

15、1章 传感器概述,1.3 传感器现状和国内外发展趋势,传感器在总体上呈现出多功能、微型化、数字化、集成化、智能化和网络化的发展趋势。,RS232、422、485、USB,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,实际上被测对象涉及各个领域。人类最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。18世纪以来随科学技术取得飞速发展，被测对象迅速扩大。现在的被测对象更加广泛： 有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量； 工业领域的光泽、触觉等品质测量； 卫星上监视地球的红外线传感器； 机器人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。 ,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.4

16、检测系统的组成原理,由于传感器的种类很多，传感器的输出有各种形式，如热电偶、pH电极等输出为直流电压；热敏电阻、应变计、半导体气体传感器输出为电阻， 各种传感器其输出信号的形式因传感器而异。无论传感器的输出形式如何，测量的输出信号必须转化为电压、电流或数字量中的一种。 信号处理就是通过信号转换、放大、解调、A/D转换得到所希望的输出信号过程。这是基本检测系统中使用的共同技术。,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,微型计算机出现后形成崭新的微机自动化测试系统; 单片微机对采集的数据进行处理并提供显示和记录同时，也对整个测试过程进行控制。,典型微机测试系统,传感器原理及应用,第1章 传感器概述,1.4 检测系统的组成原理,检测仪器的输出或送控制