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1、传 感 技 术 Transducer/Sensor Technology,中南大学信息科学与工程学院,学习方式、方法与要求,课堂教学(计划要点)+课后学习(阅读、练习)+实验； 概念/意识建立 要点内容：原理、结构模块、特性特点、电路、应用 考核：书面考核+实验,教材与参考书,教材：传感器原理及应用，程德福 等 编，机械工业出版社 参考：传感器技术，贾伯年，东南大学出版社其他参考书？,课程性质与特点,原理技术性内容为主，是检测技术的先导课程； 特点：综合性、工程实践性、内容离散、知识密集度高 先修课：物理学、电工电子、自控、误差理论,绪 论,传感器的地位与作用 传感器定义与理解 传感器的工作基
2、础* 传感器的组成 传感器分类 对传感器的基本要求* 传感器技术的发展,0.1 传感器的地位和作用,人与机器类比，传感器是 “电五官”-系统感知、获取 与检测信息的源头和窗口。 没有传感器，就不能实现测 量；没有测量，就没有科 学，就没有技术。例证？学习的重要性！,人与机器的功能对应关系,2、具体作用 :1）测量、信息获取2）信息数据的交换 3）控制信息的采集,1、传感器的地位： 1）现代测量与自动控制的首要环节 2）衡量国家综合实力的重要标志 3）现代信息产业的三大支柱之一 4）各国政府高度重视,应用领域在当今世界里正加速扩张,工业自动化 农业现代化 军事工程 航天技术 家用电器 机器人技术
3、,资源探测- 海洋开发- 环境保护-水资源、地质 安全保卫-公共安全、反恐 生物医疗- 智慧农业-,新 领 域,覆盖国民经济一、二、三产业各领域； 与人们日常生活联系越来越紧密； 多种电子类产品技术革新的主动力？市场状况： 2009年全球530亿USD容量； 2013年汽车业的需求152亿；消费电子（-） 健康与医疗-未来重点？,2005年7月的“发现号航天飞机”,燃料传感器 ？,“亚特兰蒂斯”号航天飞机,2006年四度推迟发射中第四次推迟原因？,传感器应用中的典型事例：,2007年11月22日起，我国海拔885012500米的空间范 围内，飞机之间的最小垂直间隔标准由过去的600米缩小为30
4、0米，使该空间范围内飞行高度层的数量从原有7个增加到13个，可用飞行高度层增长86%，显著增加空域容量。,关键技术之一： 气压高度的精确测量！,飞机最重要的被测参数？,在石油化工 领域的应用,其他主要应用领域,0.2 传感器的概念,自动化系统中一般非电量电测量法测试系统的组成,传感器在测、控系统中的位置,国标GB76652005（87）定义：传感器(Sensor/Transducer)是指能感受规定的 被测量并按一定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)。内涵： 传感器是测量装置，能完成测量/检测任务 输入量是某一被测量，可能是物理量，或化学量、生物量等 输出量是
5、某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电信号 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度,传感器是什么？,传感器的基本作用： 功用: 一感二传，感受被测信息并传送。 基本作用： 体现在测量或检测上，是应用传感器的目 的，也是学习本课程的目的。,从三个方面理解与把握： 作用测量； 工作机理敏感元件，传感器技术的核心，研究、设计、制作传感器的关键； 3. 输出信号适于测量的电信号。,传感器的称谓*国内曾出现过多种关于传感器名称，如发送器、传送 器、变送器、检测器、探头等，这些名词是从其基本作用 来称谓的，它们的内涵相同或相似，学术界已趋向统一使 用传
6、感器这一名称。现实中传感器的称谓问题：传感器与敏感元件等名词混用，虽然实际是两个不同概 念，但习惯上往往没区分，包括在学习课程中。国外也不统一， 常用Sensor、Transducer及detector。,传感器技术涉及的领域*,传感器技术的性质*是一个汇聚物理,化学,材料,机械,电子,生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理,传感器件设计,传感器开发和应用的综合技术。,传感器技术的特点* 涉及多学科与技术 品种繁多，个性化应用 技术性能要求异同-高稳定性、高可靠性、高重复性、低迟滞和快速响应 应用领域十分广泛 应用要求千差万别 传感器技术发展缓慢,传感器工作的基础*,能量和信息转换机能基于
7、各种效应，受相应定律和法则支配本课程论述的工作基础主要包括： 1) 守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律 2) 场的定律：动力场的运动定律、电磁场的感应定律等特点：其作用与物体的空间位置及分布状态有关，据此构成的传感器的形状、结构尺寸决定某些基本性能。 3) 物质定律：各种物质本身内在性质的定律，如虎克定律、 欧姆定律等，常以物质固有的物理常数来描述。 4) 统计法则：联系微观系统与宏观系统的物理法则特点：法则与传感器的工作状态有关，是分析某些传感器的理论基础。,0.3 传感器的基本组成,从结构和功能看，传感器是功能器件（Function Device） 敏感元件（Sensing Ele
8、ment）：传感器内的元件，直接 感受外部信息（一次信号）的部分。 转换元件（Transduction Element）：能将感受到的被测 非电量参数转换为电量的器件。 当传感器的输出为标准信号时称为变送器(Transmitter)。,图1-1 传感器的基本组成,系统组成：敏感元件+转换元件+基本转换电路（有时还包括供电的辅助电源）,辅助电源,敏感元件,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,基本转换（signal conditioning）电路的作用： 1）将敏感或转换元件的输出电信号转为适于传送、显示 或记录的信号，满足后续电路或装置的输入要求。 2）实现标准化的重要环节与基础，也是应用难点
9、。通常包括：信号放大、电平调整、线性化、滤波、 阻抗匹配、信号调制/解调、信号形式变换等。从构成成分看，最简单的传感器仅由一个敏感元件 (兼转换元件)组成，例如热电偶；有些传感器由敏感元件 和转换元件组成，无转换电路，如压电加速度传感器； 有些传感器要经过若干转换元件的转换。从系统结构看，传感器大多是开环，也有些是闭环. 附注：信号调理电路与检测电路之间的界限并不很清 楚，有时还合二为一，如将电阻电压转换电路，如电 阻、电感的检测电路归为信号调理电路。,0.4 传感器的分类,应用特性：实际要测的量（变量）与其他量总存在一定的相 关性(物理的、化学的）。一种被测量可用不同传感器测量； 同一原理的
10、传感器通常可测量多种非电量。 分类：有助于从总体认识和掌握传感器的原理、性能、特点。例如：按可变电参量大类中的阻抗 形式分类有电阻型； 按产生变化量纲分类有电压型、 电荷型或电流型。 益处：类别减少，能直接研究设计 相关信号转换调节器。,常见物理量的分类,传感器分类表,对传感器的基本要求*足够的容量工作范围或量程足够大，有一定过载能力。灵敏度高、精度适当-输出信号与被测信号成确定关系（常为线性）且比值大；静态响应与动态响应的准确度能满足要求。响应快、工作稳定、可靠性好适用性和适应性强-体小、量轻、对被测对象状态影响小；内部噪声小、不易受外界干扰影响；其输出力求采用通用或标准形式。使用经济-成本
11、低、寿命长、便于使用、维修、校准。,1 新材料、新功能的开发与应用 敏感材料是重要基础，主要新材：半导体硅、石英晶 体、功能陶瓷。此外，还有化合物半导体材料、复合材 料、薄膜材料、形状记忆合金材料以及纳米材料等。新材料或新工艺带来新的功能或特点！ 2 多功能、集成化和微型化 多功能化：单个传感器实现多参数测量，例：“电子鼻”？ 集成化： 将同类的单个传感器集成为阵列器件，或将传 感、调理、补偿及信号调理电路一体化集成。例：？ 微型化：以IC制造技术发展起来的MEMS工艺，使敏感结构 尺寸达微米、亚微米级，并可批量生产。例：？可集中体现到微型化或集成器件中！,0.5 传感器技术的发展,3 智能化、网络化 智能化：将传感器获取信息的功能与专用P的信息分析处 理功能结合，实现自诊断、校准、数字双向通信等功能。 网络化：传感技术结合计算机和通信技术形成的新技术。例 如Wireless Sensor Networks4 其他: 仿生？与计算机和网络通信技术的融合使传感器应用的未来 前景更广，未来传感器将无处不在物联网/IOT ！,
