同济大学苏永清_传感器与检测技术第0章绪论教材

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1、1 传感器与检测技术 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系 主讲教师：徐和根 xuhegen 电子与信息工程学院控制科学与工程系 2 传感器原理与应用（王化祥）第三版 天津大学出版社，2008 教材： 上课时间： 周3 1、2节，（全） 地点：南219 周五 1、2节，（单周） 地点：南215 成绩构成： 出勤：15% 作业：15% 期终考试：70% 传感器技术手册，袁希光 ，国防工业出版社，1986； 网上各种资料，各种数据库专业期刊. 参考资料： 课程安排 电子与信息工程学院控制科学与工程系 3 基础知识 定义、分类 发展趋势 选用原则 一般特性 传感器原理检测技术 电容式传感器 电

2、阻式传感器 电感式传感器 压电式传感器 数字式传感器 热电式传感器 固态传感器 信号变换与抗 干扰技术 课程主要内容 传感器的工作原理、结构、主要 参数、检测电路及其典型应用 电子与信息工程学院控制科学与工程系 4 绪 论 “没有传感器就没有现代科学技术”的 观点已为全世界所公认。以传感器为 核心的检测系统就像神经和感官一样 ，源源不断地向人类提供宏观与微观 世界的种种信息，成为人们认识自然 、改造自然的有利工具。 Mendelyeev, Dmitry Ivanovich 科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的 门捷列夫 电子与信息工程学院控制科学与工程系 5 内容 n一、传感器的作用 n二、传感

3、器及传感技术 n三、传感器的组成 n四、传感器的分类 n五、传感器的发展动向 n六、传感器的应用 电子与信息工程学院控制科学与工程系 6 一、传感器的作用 传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 传感器是获取信息的主要途径与手段。 没有传感器，现代化生产就失去了基础。 传感器是边缘学科开发的先驱。 可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面 起着重要作用。 传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保 护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其 广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工 程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器 。 电子与

4、信息工程学院控制科学与工程系 7 实例：电动助力转向系统 首先，转矩传感器测出驾驶员施 加在转向盘上的操纵力矩，车速 传感器测出车辆当前的行驶速度 ，然后将这两个信号传递给ECU ；ECU根据内置的控制策略，计 算出理想的目标助力力矩，转化 为电流指令给电机；然后，电机 产生的助力力矩经减速机构放大 作用在机械式转向系统上，和驾 驶员的操纵力矩一起克服转向阻 力矩，实现车辆的转向。 电动转向助力系统的 部件有方向盘、转向柱 、方向盘转角传感器、 转向力矩传感器、转向 齿轮、转向助力电动机 及转向助力控制单元组 成 电子与信息工程学院控制科学与工程系 8 转向力矩传感器为磁 阻式传感器，其磁性转

5、子和 转向柱连接块为一体，磁阻 传感元件和转向小齿轮连接 块为一体，当转动方向盘时 ，转向柱连接块和转向小齿 轮连接块反向运动，即磁性 转子和磁阻传感元件反向运 动，因此转向力矩的大小可 以被测量出来并传递给控制 单元 方向盘转角传感器为光 电式传感器，安装于转向柱 上。当驾驶员转动方向盘时 ，转向柱带动方向盘转角传 感器的转子随方向盘一起转 动，光源就会通过转子缝隙 照在传感器的感光元件上产 生信号电压。由于转子缝隙 间隔大小不同，故产生的信 号电压变化也不同 电子与信息工程学院控制科学与工程系 9 二、传感器及传感技术 国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sens

6、or）的定义： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的 器件或装置。 传感器是测量装置，能完成检测任务； 输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、 光、电物理量，主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。 是将各种非电量按一是将各种非电量按一定规律转换成便于处 理和传输的另一种物理量的装置定规律转换成便于处理和传输 的另一种物理量的装置 电子与信息工程学院控制科学与工程系 10 n传感器技术 传感器技术是利用各种功能材料实现信息

7、 检测的一门应用技术。 检测原理+材料科学+工艺加工 n检测（传感）原理 电子与信息工程学院控制科学与工程系 11 三、传感器的组成 辅助电源 敏感元件转换元件基本转换电路 非电量电量 敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某 一物理量的元件。 转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电 路参量。 基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电 路），便可转换成电量输出。 应变片受力变形 形变-阻值变化 阻值-电压 电子与信息工程学院控制科学与工程系 12 分 类法 型 式说 明 按构成基本效 应分 物理型、 化学型、生物型 分别以转换中的物理效应、化学效应等

8、命名，如霍尔传感器， 多普勒传感器等 按构成原理分结构型以其转换元件结构参数特性变化实现信号转换，如电容传感器 物性型以其转换元件物理特性变化实现信号转换，如水银温度计 按能量关系分能量转换 型传感器输出量直接由被测量能量转换而得，如压电 能量控制型传感器输出量能量由外源供给,但受被测输入量控制，如电阻 按作用原理分应变 式、电容式 压电 式、热电 式等 以传感器对信号转换的作用原理命名 按输入量分位移、压力、 温度、流址、气体 等 以被测量命名（即按用途分类法） 机械量：位移、力、速度、加速度 热工量：温度、流量、热量、比热、压力(差) 物性参量：浓度、比重、真空度、酸碱度 状态参量：裂纹、

9、缺陷、泄漏、磨损 按输出量分模拟式输出量为模拟信号 数字式输出量为数字信号 四、传感器的分类 电子与信息工程学院控制科学与工程系 13 五、传感器的发展动向 v 开发新型传感器 v 开发新材料 v 新工艺的采用 v 集成化、多功能化 v 智能化 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 电子与信息工程学院控制科学与工程系 14 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 理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、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

10、熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大， 价格偏高。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。 电子与信息工程学院控制科学与工程系 15 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开发新材料 （1）半导体敏感

11、材料 （2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）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。 电子与信息工程学院控制科学与工程系 16 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（MEMS），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

12、于传感器领域。 3新工艺的采用 例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，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。 电子与信息工程学院控制科学与工程系 17 4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，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和

13、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。 电子与信息工程学院控制科学与工程系 18 5智能化 对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应 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

14、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 电子与信息工程学院控制科学与工程系 19 六、传感器的应用 传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子 产品、通信电子产品、消费电子产品、起居生活、生物医疗等。 就世界范围而言，传感器市场上增长最快的是汽车市场的需求， 占第二位的是过程控制市场，前景看好是通讯市场。 n科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说“现代科学的进步越 来越依靠尖端仪器的发展” 俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的” 近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达 38人 电子与信息工程学院控

15、制科学与工程系 20 1、传感器在工业检测和自动控制系统中的应用 超声波检测电容指纹识别 电子与信息工程学院控制科学与工程系 21 生产加工过程监测 切削力传感器，加工 噪声传感器，超声波 测距传感器、红外接 近开关传感器等。 密歇根大学数字化工厂 电子与信息工程学院控制科学与工程系 22 流程工业设备运行状态监控 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中 ，生产线上设备运行状态关系到整个生产 线流程。通常建立24小时在线监测系统。 石化企业输 油管道、储 油罐等压力 容器的破损 和泄漏检测 扬子石化50MW热电机组监测系统 阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统 荆门电厂200MW机组监测系统 青山

16、热电厂生产信息实时查询系统 沙角电厂生产信息实时查询系统 宝钢30KW以上风机监测系统 宝钢精轧F2轧机网络化监测系统 宝钢冷轧带钢振动纹监测系统 武钢风机状态监测系统 电子与信息工程学院控制科学与工程系 23 产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其 性能质量进行测量和出厂检验。 汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润 滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动 机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程 师可以了解产品质量。 汽车扭距测量 机床加工精度测量 电子与信息工程学院控制科学与工程系 24 电子与信息工程学院控制科学与工程系 25 这种遥控这种遥控 器所利用的器所利用的 是一种是一种肉眼肉眼 看不见看不