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1、传感器技术及原理实验课程郝江涛0 绪论0.1 什么是传感器 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; 煤气灶中的煤气泄漏传感器; 水表、电表、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。 传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？ 人体系统和机器系统比较 眼（视觉） 耳（听觉） 鼻（嗅觉） 感知外界信息 大脑 肌体 皮肤（触觉） 舌（味觉） 人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执
2、行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。 传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。传传 感器感器外外界界信信息息感感 官官 大大 脑脑 肌肌 体体计计 算机算机 执执 行机构行机构从广义的角度来说，信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。举例:1.液位控制,2.气体浓度监测 (厨房,浴池蒸房等气敏传感器 ),3 汽车速度(霍尔传感器).0.2 传感器的作用和地位 构成现代信息技术的三大支柱是： 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。 在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的
3、信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术。 目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，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到的作用大的多。这几乎是无可争议的事实。 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。是构建现代信息系统的重要组成部分。 在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏
4、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。传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，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。0.3 传感器现状和国内外发展趋势 我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。 目前有 1680 多家传感器研发机构，产品约 6000 种， 年产量 13.2 亿多支，其中约有 12 产
5、品销往国外。 预计到“十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量 可望达到 20 亿支，销售总额将达约 120 亿元。 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。 许多自动化方面的专家呼吁：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自身在智能化和网络方面的落后。 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
6、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。 1998 年全世界传感器市场销售额已达 325 亿元，预计 2006 年销售额将增至 506 亿美元。 20 世纪 70 年代以来以电量为输出的传感器得到飞 速发展，现代传感器已是测量仪器、智能化仪表、 自动控制系统等装置必不可少的感知元件。 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。 目前传感
7、器总的发展趋势是：（1） 发展、利用新效应如：高温超导磁传感器灵敏度原高于霍耳器件，可用于磁成像技术。（2） 开发新材料敏感材料是传感器的重要基础，基于新材料出现的传感器：半导体氧化物制成的各种气敏传感器；光纤传感器；（3） 提高传感器性能和检测范围；（4） 微型化与微功耗；（5） 集成化与多功能化；（6） 传感器的智能化；（7） 传感器的数字化和网络化。 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。 模模拟拟传传感感器器放放大大电电路路A/D转转换换线线性性化化处处理理微微处处理理器器标标 准接口准接口脉冲脉冲 输输 出出控制控制 门门显显 示示0.4 检测
8、系统的组成原理 各种传感器其输出信号的形式因传感器而异。检测仪器的输出或送控制器用以调节控制，或送至计算机作进一步处理。 现代传感技术是自动检测和自动控制系统以及机电一体化的第一基础。传感器被测对象控制器被测量 可用信号信号处理显示记录自动控制系统框图 实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。18世纪以来科学技术取得飞速发展，被测对象迅速扩大。 力学领域有速度、加速度、力、功和能量等； 电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场； 化学领域中有浓度、成分、pH 值等； 工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。 现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表电位
9、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。 另一方面，测量仪器的输出信号必须转化为电压、电流或数字量中的一种。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，。 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。这是检测系统中使用的共同技术。传感器非电量 电量 测量电路 A/D转换 数字显示普通电测仪表基本组成0.5 传感器的定义、组成和分类方法（1）传感器定义 广义：传感器是一种能把特定的非电量信号（
10、物理量、化学量、生物量登）按一定规律转换成某种便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量) 的装置。 狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 国家标准（GB7665 87）对传感器（Sensor/transducer ）定义是：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和装置。 测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。这种能感应被测量的变化并将其转换为其它物理量变化的器件，就是传感器。输输 入匹配入匹配 放大放大 变换变换被测信号 输出广义传感器检出器 信号处理部分 以上定义表明传感器有以下含义： 它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置； 能按一定规律将被测量转换
11、成电信号输出； 传感器的输出与输入之间存在确定的关系； 按使用的场合不同又称为:变换器、换能器、探测器。（2）传感器的组成传感器由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成：敏感元件敏感元件 转换转换 元件元件 测测 量量 电电 路路 电电 量量 输输 出出被被 测测 量量 敏感元件(又称预变换器)感受被测量; 转换元件将响应的被测量转换成电参量; 测量电路把电参量接入电路转换成电量; 核心部分是转换元件,决定传感器的工作理。（3）传感器的分类传感器分类方法较多,无统一方法，大体有以下几种：1） 按传感器检测的范畴分类 物理量传感器 化学量传感器 生物量传感器）按传感器的输出信号分类 模拟传感器 数字传感器）按传感器的结构分类 结构型传感器：材料几何形状或尺寸的改变 物性型传感器：材料物理性质的变化 复合型传感器）按传感器的功能分类 单功能传感器 多功能传感器 智能传感器）按传感器的转换原理分类 机电传感器 光电传感器 热电电传感器 磁电传感器 电化学传感器6）按传感器的能源分类 有源传感器 无源传感器 国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：物理量、化学量、生物类传感器三大门类； 含 12 个小类：力学量、热学量、光学量、磁学量、电学量、声学量、射线、气体、离子、温度传感器以及生化量、生理量传感器。 各小类按两个层次又分若干品种
