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1、授课老师: 张 勇 联系方式: 18627328017 E - mail: 工作单位: 物理与光电工程学院,传感器原理设计与应用,2,传感器原理 设计与应用 课程总体计划,3,第一章：*传感器概述 第二章：*传感器的一般特性 第三章：*弹性敏感元件 第四章：*电阻应变式传感器 第五章：*电容传感器 第六章：*电感传感器 第七章：*压电式传感器 第八章：*磁电式传感器 第九章：*热电式传感器,一、课堂授课安排： 共64个课时，平均每周4课时左右。第16周结束课程。,传感器原理设计与应用课程计划,4,第 十 章：*光电式传感器 第十一章：智能传感器 第十二章：光导纤维传感器 第十三章：*磁敏元件
2、及其传感器 第十四章：*气体传感器 第十五章：*湿度传感器 第十六章：*红外传感器 第十七章：*固态压阻式传感器 第十八章：新型传感器 总 复 习,传感器原理设计与应用课程计划,往年考试成绩统计,6,二、课程设计 1、总体安排 穿插在课堂授课过程中进行。结合课堂授课、实验动手，每组同学设计课程设计题目。,2、预先给出的设计题目 （1）温度传感报警器、热电偶温度采集器（9章热电传感器） （2）差动互感式位移传感器 （6章电感传感器） （3） 煤气、烟雾等气敏传感器报警器（14章气敏传感器） （4）防盗报警器（16章利用红外传感热释电效应） （5）酒敏传感报警器（14章气敏传感器）,7,3、具体实
3、施方法,开题报告,中期检查,课程设计成品验收及报告撰写,所需元件统计、模拟仿真、实验进展报告,软件：程序编写,硬件：元件采购,硬件：硬件设计,打酱油？！,标定：数据分析,9,光敏传感器,温度传感器,磁、气、力敏传感器,超声 传感器,CCD传感器,10,1、刘迎春、叶湘滨.传感器原理设计与应用. 国防科技大学出版社. 2、单成祥.传感器原理设计与应用. 国防工业出版社 3、程守洙，江之永.普通物理. 高等教育出版社 4、王楚，汤俊雄. 光学. 北京出版社 5、李金锷. 大学物理. 科学出版社 6、杨经国，冉瑞江. 光电子技术. 四川大学出版社. 7、李家泽、阎吉祥. 光电子学基础. 北京理工大学
4、出版社 8、数学物理方程与特殊函数 9、童诗白. 模拟电子技术基础. 清华大学出版社 10、雷肇隶. 光纤通信基础. 电子科技大学出版社 11、王元庆. 新型传感器原理及应用. 机械工业出版社.2002 12 、 半导体物理,11,1传感器课程 http:/ 2仪表技术与传感器 http:/www.i- 3传感器世界 http:/ 4中国传感器 http:/ 5传感器技术 http:/www.sensor- 621IC中国电子网 http:/ 7传感技术学报网 http:/ 8传感器资讯网 http:/,12,13,14,本章内容,第一章 传 感 器 概 述,1.1 传感器定义、组成与分类,1
5、.2 传感器的发展与科学的发展,1.3 传感器的研究和发展方向,1.4 传感器物理定律基础,1.5 机电模拟,15,瓶颈技术,传感器,通 信,计算机,传感器技术被我国列为国家重点攻关项目及中长期科技发展重点技术之一，信息工作提高到了国家战略的高度1。,1. 中共中央办公厅文件. 中办发200611号, 2006-2020年国家信息化发展战略. 2006年3月19日.,美国国防部也将传感器技术认为是目前20项关键技术之一。,日本也将传感器技术与计算机、通信、激光、半导体、超导并列为6大核心技术。,俄罗斯军事航天计划中也列有传感器技术的相关研发。,信息既非物质也非能量，但它却是构成世界的要素。很多
6、国家尤其是发达国家如今都在制定信息高速公路的发展计划。,16,1.1 传感器的定义、组成 1、定义,外 界 的 信 息,眼,耳,鼻,舌,皮肤,大 脑,肌肉执行,被测 物理量,传 感 器,执行器,狭义地定义：能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件。所以原来许多教材叫“非电量检测”。,电 脑,17,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，
7、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。,传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头,V、I、F、P,18,在我们身边有很多传感器的例子： 声控电灯 触摸式开关 电子称 遥控开关 条形码的读取 红外自动洗手开关 宾馆烟雾火光自动检测器 自动电饭煲 温度湿度监控器 数码相机等等。,19,2、传感器的组成,图 1-1-2,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。,20,传感器
8、的应用典型方框图,21,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。,热电偶,压电加速度传感器,压电加速度传感器结构示意图,22,3、传感器的分类,1、按输入量的分类 压力传感器、位移传感器、湿度传感器、温度传感器。,2、按传感器工作原理分类 应变式传感器、电阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器。,23,3、按能量转换关系分类,4、按输出电量的形式分类 模拟式传感器 数字
9、式传感器,24,1、传感器技术的发展是随着科学的发展而发展 古代人们用感觉器官来取得信息，借助于动物的特性来取得信息，犬、鸽等。借他们的气敏特点感知环境的气体。如：用鸽子感知毒性气体，用军犬感知人的气味破案等。但随着人类社会的进步，到现代那是远远不够的。因此代替感觉器官功能作为辅助器具的传感器就产生了。 从16世纪开始，随着各种物理定律的不断出现，新型的传感器不断出现。如19世纪的电磁基础理论为法拉第进行巧妙的实验提供依据，而法拉第发现的物理定律又成为传感器的原理。（法拉第17911867，铁匠之子，1831年发现感应定律，即法拉第电磁定律）。,1.2 传感器的发展与科学的发展,现代工业生产,
10、机器人,传感器系统包括,视觉:平面、立体,非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、,计量测试,红外测温,超声波测流量,电子汽车衡,医疗诊断,家用电器,遥控器,智能洗衣机,液化气烟雾报警器,智能建筑,智能建筑,自动识别系统(门禁系统)打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统,指纹门禁,感应式门禁,过程控制,纸 品,木材烘干,芯片生产要求最高的湿度稳定性,精确的 烟草烘干,纺 织 品,湿度传感器,环境监测,工程测量,上海卢浦大桥 通车应力试验,35,传感器的应用，几乎是无孔不入，不论在科技领域，工农业生产，人民生活，都得到大量的应用（如冰箱、空调、电饭锅、微波炉等）.科研等工作中的需要促使人们去研究传感
11、器，发现新的传感器.反过来传感器会促进科研的发展，瓦特蒸汽机的发明就是利用了把回转速度转换成位移的传感器，发明了离心调速器。,2、反过来，传感器的发展也极大的促进了科学的发展,36,一、发展方向： 1、首先是改进和提高原有传感器的稳定性，提高灵敏度； 2、发现新性能、新材料开发新型传感器； 3、实现传感器的集成化、智能化、与计算机一体化 二、 研究方向：,1.3 传感器的研究和发展方向,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,37,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
12、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，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。如超导材料（电磁传感器方面）、纳米材料特性等。,1开发新型传感器,新型传感器包括：采用新原理；发现新现象；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。,38,Focus,下一代电子产品发展趋势,多功能一体化 微型化 智能化,传感器,各种基础功能效应,2开发新材料,39,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
13、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。,（1）半导体敏感材料 （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。,40,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，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
14、、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。,氧化、光刻、扩散、沉积注入、平面电子工艺、各向异性腐蚀、蒸镀、溅射薄膜工艺都可用于开发新的传感器。,MEMS,41,TiO2,photoelectric-gas device 1,2,1 H.Y. Liu, L. Gao, J. Am. Ceram. Soc. 88 (2005) 1020.
15、2 J.Y. Park, S.J. Song, E.D. Wachsman, J. Am. Ceram. Soc. 93 (2010) 1062. 3 W.J. Dong, et al., Thin Solid Films 515 (2007) 8544. 4 H. Takao, et al., Sens. Actuators A 160 (2010) 69.,PZT thin film sensor and actuator 3,A multifunctional integrated silicon tactile imager with arrays of strain and temperature sensors 4,42,MEMS将微电机、微电路、微传感器、微执行器等微型装置和器件集成在硅片上。主要特点是： 微型化 以硅为
