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1、1Copyright 南京 理工 大学 陈文 建 2006参考教材Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006传感器原理南京理工大 学 2006年 春季主讲：陈文 建Email: 传感器原 理 、 设计与应 用 （第三 版、 第四版） 刘 迎 春 叶湘 滨 编著 国 防科技大 学出 版社 传感器原 理 与 应用 1999年 第 一版 黄 贤 武 郑筱 霞 编著电 子科技大 学出 版社2006.3.20Copyright 南京 理工 大学 陈文 建 2006第一章 传感器概论第一节 传感器及其在科技发展中的作用 第二节 传感器组成和分类第三节 传感器技术发展动向Copyright 南
2、京 理工 大学 陈文建 20061.1 传感器及其在科技发展中的作用一、 传感器的定 义别 名：换能器 、变换器、 变送器、探 测器等 英文 名： transducer, sensor, pick up, transverter,detector, sender, detecting element及sensing等2Copyright 南京 理工 大学 陈文 建 2006Transducer把输入信号变成不同形式输出信号的装置。 如麦克风、留声机、扩音机、气压计光电管、门铃等Sensor感知物理量的绝对值或变化量的装置的总称。 通常情况下，将温度、压力、流速、 PH值、光及放射线 等物理量的
3、强度变换成信息采集系统有用的输入信号。 因此电视摄像机是一个敏感元件（ sensor）,而传感器（ transducer）则是一种特殊的敏感元件。Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006所谓传感器 是能感知有 用信息，并 能检知的设 备。 功能：感知 +采集+转换 +传输+处理 信 息 用途：能够 取代甚至超 出人的“五官 ”，具有视觉 、 听觉、触觉 、嗅觉或味 觉等。根据中华人民共和国国家标准 (GB7665.87)传感器通用术 语，传感器 (Transducer/Sensor)的定义是：能感受规定的 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。Copyright 南
4、京 理工 大学 陈文 建 2006因为 电信号易于 放大、反馈 、滤波、微 分、 存储、和远 距离传输， 加之当代 电 子计算机只 能 处理电信号 ，所以通常 狭义地说 ： 传感器是能 感 受规定的被 测量（物理 量、化学 量 、生物量等 ） 并按照一定 的规律转换 成可用输 出 信号（一般 为 电量）的器 件或装置。传感 器输出信号 有不同的形 式，如电压 、电 流、频率、 脉冲、电阻 、电容、 电 感等，以满 足 信号的传输 、处理、记 录、显示 和 控制等要求 。Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006二、传感器在科学技术中的地位与作用 发展历史传感器的 历史比近代科学的出
5、现还要来得古老。 天平等工具自古埃及王朝时代开始使用，一直沿用到 现在；利用液体的膨胀特性进行温度测量，在十六世 纪前后就开始出现。电磁学的基础建于十九世纪，法 拉弟所完成的各种巧妙实验对人类作出了很大贡献， 他所发现的物理法则直到现在作为各种传感器的工作原理仍在应着。3Copyright 南京 理工 大学 陈文 建 2006 Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006认识自然为了对自然现象有一个定量的认识，传感器作为 一种不可缺少的工具，起到了应有的作用。也就是说 先通过传感器取得关于对象的信息（一次信息），再 根据对这些信息处理的结果，进一步推论和了解自然现代测控系统中传感器是
6、现代测控系统中不可缺少的元件，通常体积 小，结构也不复杂。然而传感器处于连接被测对象和测试 系统的接口位置，构成了系统信息输入的主要 “窗口 ”，提 供着系统赖以进行处理和决策所必需的原始信息，是现代 技术的起点，在很大程度上影响和决定了系统的功能。信 号 变 换 处 理现象的本质。（例如：最大辐射波长法则测量天体温被 测对象 传 感 器 显 示记录度）。 被 测量 有 用信号控 制器 传感器与测控系统 的关系Copyright 南京 理工 大学 陈文 建 2006多数二次仪表都能高保真度再现传感器的输出，但无 法追加新的检测信息，或消除传感器所引入的误差。换句 话说，信息的质量往往是一次性地
7、由传感器的能力所确 定。也就是对传感器的第一要求是可靠性。信 号 变 换 处 理Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006常用这样的例子，若干过程不能进行有效的控制，多 半是由于无法解决合适的检测元件，不能掌握其变化规律 所致；若干系统精度达不到要求，关键也往往与传感器有 关。所以它是当前工程技术中一个十分薄弱的部分，国内被 测对象 传 感 器被 测量 有 用信号 显 示记录 外都将传感器列为高技术，在美、日等发达国家传感器倍 受重视。控 制器 传感器与测控系统 的关系例如：炼钢厂炼钢炉内温度测量直接影响钢的质量。4Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006 Copyr
8、ight 南京 理工 大学 陈文建 2006基 础 科 学 中在基础科学中，传感器同样具有独特的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新境地，以主要支柱物理学为 例：宏观上可观察上千光年的茫茫宇宙，微观上可小到深入 10-13cm的粒子世界，长达数十亿年的天体演化，短到10-24秒 的瞬间反应，几乎无所不包。显然要获得大量人类感官或单纯电子设备所无法直接加以检测的信息，没有相 应的传感器技术，就无法解决检测与被检测量间的 “媒介” 问题。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度检测传感器的出现， 就会导致该领域内的突破。换句话说，若干传感器的发 展，是一些边
9、缘研究开展的先驱，正是基于上述原因，有人评价说： “一般说来，如没有传感器检测各种信息，那么，支撑现代文明的科学技术，就不可能发展。 ”日常生活中也离不开传感器。 如：全自动洗衣机、VCD、 电视机、计算机等。Copyright 南京 理工 大学 陈文 建 2006应 用 在 自 动 检 测 与 自 动 控 制 的 领 域传感器主要应用在自动检测与自动控制的领域，它将 诸如温度、压力、流量等参量转换为电量然后通过电的 方法进行测量和控制。因此传惑器是一种获得信息的手 段，它获得信息的正确与否，关系到整个测量系统的精 度。人们常把电子计算机比为人的大脑称电脑，把传感器 比喻人的五育，因此如果一个
10、失去了某种传感器 感官 的人即使有健全的大脑利发达的四肢，也难于对某些外 界信息作出反应。Copyright 南京 理工 大学 陈文建 20061.2 传感器的组成和分类一、传感器 的组成 传感器 一般由敏感 元件（预变 换器）、传 感元件（转换元 件）和信号 调节与转换 电路三部分 组成，有时还 需要加辅助 电源。5Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006 Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006敏感元件 转换元件 信号调节电路将敏感元件所检 出的待测量转换 成电信号（电阻 应变片） 被测信息 输出信息辅助电路二、传感器 的分类传感器种类 很多，一般 如下几种常
11、用的分类方 法：1、按输入 量对象来分 ，如速度传 感器、温度 传感 器、压力传 感器等；2、按工作 原理来分， 如压阻式传 感器、压力 传感 器；直接感受、响 应 、检出待测量（弹性敏感元 件 ）电源 信号的放大、规 化Copyright 南京 理工 大学 陈文 建 20063.按物 理现像分类 ：结构型、 物性型传感 器 可分成两类 一类是 按 照传感器的 结构参数在信 号变换过程 中足是发生 变化，把传 感器分为物性 型、结构型 。物性型传 感器在实现 信号的变换过 程中，其结 构参数基本 上是不变化 的，而是依靠 敏感元件的 物理性质的 变化来实现 信号的变换。 物性型结构 休积小尤
12、其大多数物 性型传感器都 是以半导体 性能变化而 工作可以 实现传感器生 产标准化、 智能化、功 能化。Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006还 有一 类方 法是 按 照能 量传 递 方式 来分 ， 可 分为 有源 和 无源 传感 器 两大 类 前 者有 如一 台 微型 发电 将非 电功 率 转换 为电 功 率， 这类 典 型的 传感 器 如压 电式 、 电磁 式、 热 电式( 热 电 偶）等等 。 后者( 无 源传 感器) 并 不起 换能 作用 ， 它必须具 有 辅助 能源 这类 典型 的 传感 器如 电 阻式 、电 容 式、 电感 式 等 遥感 技 术中 微波 、 激光 等传 感 方法 也可 归 属于 这类 。6Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006 Copyright 南京 理工 大学 陈文建 2006分类 依据 ： 工 作 机理 ： 结构 型、 物 性型 、复 合 型 被 测 量性 质 ：物 理量 、 化学 量、 生 物量 ； 敏 感 材料 分 类： 半导 体 、陶 瓷、 光 纤等 ； 能 量 关系 ： 无源 、有 源 。1.3 传感器技术的发展动向1. 发现新 现 象2. 开发新 材 料3. 采用微 细 加工 技术4. 研究多 功 能集 成传 感 器5. 智能化 传 感器6. 新一代 航 天传 感器 研 究7. 仿生传 感 器研 究
