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1、传感器原理及工程应用,西安电子科技大学出版社,“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,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,压电式传感器,磁电式传感器,电容式传感器,电感式传感器,应变式传感器,光电式传感器,半导体传感器,课程主要内容,传感器在工程检测中的应用,超声波传感器,微波传感器,辐射式传感器,数字式传感器,智能式传
2、感器,传感器与检测的理论基础,传感与检测技术的内容,一、传感器的作用二、传感器及传感技术三、传感器的组成四、传感器的分类五、传感器的发展动向六、传感器的应用,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。,
3、实例：电动助力转向系统,Electronic Control Unit-电子控制单元,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,转向力矩传感器为磁阻式传感器，其磁性转子和转向柱连接块为一体，磁阻传感元件和转向小齿
4、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,二、传感器及传感技术,国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）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
5、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,传感器技术 传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术。 检测原理+材料科学+工艺加工检测（传感）原理,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
6、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,四、传感器的分类,五、传感器的发展动向,开发新型传感器 开发新材料 新工艺的采用 集成化、多功能化 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,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
7、得较早，目前日趋成熟。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。,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）半导体敏感材料（2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4
8、）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（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
9、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。,MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。,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
10、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、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传
11、感器重要的发展方向之一。,如，DS18B20数字温度传感器、传感器测量系统,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。,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,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,生产加工过程监测,切削
12、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,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。,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,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
13、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,这种遥控器所利用的是一种肉眼看不见的红外光，又称为红外线。,肉眼看不见,2、传感器与家用电器,电视机的遥控器中就是使用着光学传感器。,这种麦克风是一种将声音信号转换为电信号的传感器。,唱卡拉OK时使用的麦克风，也是一种传感器。,透光率传感器,温湿度传感器,温度传感器,感应水龙头,电子门,这种温度室是一种将温度变化转换为电信号的传感器。,机械鼠标的内部结构,光电鼠标、无线鼠标,烟感火灾报警器,3.在防火报警系统中的应用,光电感烟探测器,遮光式感烟探
14、测器散射光式感烟探测器,检验光路上光通量的减少以判断烟雾的浓度,光电感烟探测器,遮光式感烟探测器散射光式感烟探测器,检验光路上光通量的增加以判断烟雾的浓度,定温探测器,1不锈钢管 2调节螺栓 3、6固定块 4铜合金片 5电接点,在规定的时间内，由火灾引起的温度上升超过某个规定值时启动报警。,4）传感器在汽车中的应用日新月异,发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容,普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可
15、多达二百余只。,底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。,辅助泊车传感器,双声纳,间隙检测声纳,后声纳,电源指示,转向指示,间隙警告ECU,间隙检测声纳,集成开关面板,多功能信息显示,多功能显示,侦测栅,主要功能是判断正前方及侧前方的障碍物,定位、地理信息,汽车行驶速度测量,5、传感器在机器人上的应用,广州中鸣数码的机器狗,触觉能力：主要
16、指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。接近觉：主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。视觉：孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。压觉：主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。滑觉：主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。,弧焊机器人,弧焊机器人,喷漆机器人,装配机器人,6、传感器在医疗及人体医学上的应用,医用传感器，是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现。人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等）,
