四川精品课程－传感技术

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1、1,传感技术,课程教学内容 50学时,课程设计及讨论 14学时,2,第1章 传感器技术的现状及发展（4学时） 第2章 传感器的一般特性（2学时） 第3章 应变式力学量传感器（2学时） 第4章 压电式力学量传感器（2学时） 第5章 光电式传感器(2学时) 第6章 温度传感器(2学时) 第7章 红外传感器(2学时) 第8章 光纤传感器 (2学时) 第9章 气体传感器 (4学时) 第10章 湿度传感器(4学时) 第11章 生物传感器(4学时) 第12章 机器人传感器(2学时) 第13章 智能传感器(4学时) 第14章 传感器的标定（4学时） 第15章 前沿专题(10学时),课程教学内容（50学时）,

2、3,主要内容：选相关课程设计题目，查阅相关资料进行设计 学时：14 方式:大组进行,设计、讨论、点评 要求：完成后提交合格的课程设计报告,课程设计及讨论（14学时）,4,主要参考文献,敏感材料与传感器，蒋亚东，谢光忠编著，电子科技大学出版社,2008.4,传感器原理、设计与应用，刘迎春、叶湘滨等，国防工业出版社，2001.4 光学传感与测量安毓英、曾小东，电子工业出版社，2001年。 敏感元器件及材料，吴兴惠，电子工业出版社，1992.7 现代新型传感器原理与应用，刘迎春、叶湘滨等，国防工业出版社，2000.5 激光光电检测，吕海宝，国防科技大学出版社，2000年。 光纤测量与传感技术孙圣和、

3、王廷云、徐影，哈尔滨工业大学出版社，2002年,教材：,参考文献：,5,先修课程,固体物理学 半导体物理学(?) 光学原理 (?),6,注意以下几点,平时30分,期中10分，期末60分(30分+30分) 闭卷考试 课件参考：网络学堂 光电学院传感技术,7,一、传感器与传感器技术 二、传感器的组成、分类及发展趋势 三、传感器技术的特点及发展动向 四、传感器的基本要求 五、传感器研究方法 六、课程组传感技术研究成果,第1章传感器技术的现状与发展,8,一、传感器与传感技术,什么叫传感器？ 什么叫传感器技术？ 传感器应用领域 各国对传感器的重视程度 实验室工作,9,一般非电量电测法测试系统的组成,10

4、,非电量电测法测试系统的各部分的作用,1. 传感器 感受被测物理量并把它变换为便于传输处理的电信号。 它是整个测试系统实现测试和自动控制的首要的、关键的环节。 2. 中间电路 将传感器输出的微弱电信号进行再次变换、放大、衰减、滤波、调制和解调等，使它们成为便于显示、记录或进行数据处理的信号。,11,3.显示与记录器 将中间变换与测量电路送来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来。 4. 驱动装置 产生人为驱动信号，是被测对象处于人为的工作状态下，把内部特性表现得更明显。 5.标定装置 产生标准输入以便用实验的方法来得到被测量与显示记录之间准确地量的关系。,12,什么叫传感器？,敏感元件是指传感

5、器中能直接感受被测量的部分,转换电路指传感器中能将敏感元件输出转换为适合于传输和测量的电信号部分,国家标准GB7665-87，对传感器(Transducer/Sensor)的定义是：传感器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。通常由敏感元件和转换电路组成。,13,传感器满足定律,守恒定律：包括能量,动量,电荷量等守恒定律 场的定律：包括动力场的运动定律,电磁场的感应定律等,其作用与物体在空间的位置及分布状态有关 物质定律：它是表示各种物质本身内在性质的定律,如虎克定律,欧姆定律等通常以这种物质所固有的物理常数加以描述. 统计法则：它是把微观系统与宏观系统联系起来的物

6、理法则.这些法则常与传感器的工作状态有关.,14,传感器实例,15,16,例：应变式力传感器,17,什么是传感器技术？,传感器技术,传感检测原理,传感器件设计,传感器开发和应用,18,传感器技术,传感器技术是一个汇聚物理,化学,材料,器件,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。,19,信息技术的三大支柱,传感器技术,采集信息,通信技术,计算机技术,传输信息,处理信息,作用,作用,作用,20,传感器应用领域,工业自动化 农业现代化 军事工程 航天技术 机器人技术,资源探测 海洋开发 环境监测 安全保卫 医疗诊断 家用电器,21,各国对传

7、感器的重视程度,美国,西欧,中国,尤里卡计划,八五-十一五,白宫计划,22,二、传感器的组成、分类及发展趋势,传感器的基本构成型式 传感器的分类 传感器的发展趋势,23,传感器的基本构成型式,自源型 带激励源型 外源式 相同传感器的补偿型 差动结构补偿型 不同传感器的补偿型,24,传感器的基本构成（6种）,自源型为仅含转换元件的最简单，最基本的传感器构成型式 特点：不需要外能源；其转换元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量电效应； 输出能量较好 例：热电偶，压电器件等,自源型（62）,25,传感器的基本构成（6种）,带激励源型为转换元件外加辅助能源构成的型式 辅助能源：:起激励作用,可以

8、是电源也可以是磁源 特点：需要变换(测量)电路即有较大的电量输出 例:某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器,带激励源型（62）,26,传感器的基本构成（6种）,由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成 它必须通过带外电源的变换(测量)电路.才能获得电量输出.,外源式（63）,特点,27,传感器的基本构成（6种）,采用两个原理和特性完全相同的转换元件，并置于同一环境中 作用：其中一个接受输入信号和环境影响，另一个只接受环境影响，通过线路，使后者消除前者的环境干扰影响。 这种构成法在应变式、固态压阻式等传感器中常被采用。,相同传感器的补偿型（64）,28,传感器的基本构成（6种）,它也采用了两个原理和

9、特性完全相同的转换元件，同时接收被测输入量，并置于同一环境中。 巧妙的是，两个转换元件对被测输入量作反向转换，对环境干扰量作同向转换，通过变换（测量）电路使有用输出量增加，干扰量相消。 如差压传感器,差动结构补偿型（ 6 5）,29,传感器的基本构成（6种）,采用两个原理和性质不相同的转换元件，且不一定置于同一环境处， 其中一个接受信号，并已知其受环境影响的特性，另一个接受环境影响量，并通过电路向前者提供等效的抵消环境影响的补偿信号 如采用热敏元件的温度补偿，采用压电补偿片的温度和加速度干扰补偿等。,不同传感器的补偿型（ 6 6）,30,传感器的分类,31,常用分类方法,传感器按其敏感的工作原

10、理，可以分为物理型、化学型和生物型三大类。 物理型传感器分为物性型传感器和结构型传感器，物性型传感器基于某些功能材料本身具有的内在特性及效应感受被测量。结构型传感器以敏感结构具有的特定的物理规律来感受被测量。 化学传感器利用电化学反应原理来感受物质的成分、浓度。常用的是离子敏传感器，利用离子选择性电极，测量溶液的pH值或某些离子的活度，如K、Na、Ca等。 生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成：一为功能识别物质，由其对被测物质进行特定识别；其二是电、光信号转换装置，由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。,32,温度传感器,33,离子感烟

11、器,34,明火探测器,35,气体传感器,36,SnO2气敏元件,37,薄膜SnO2气敏 传感器结构,厚膜SnO2气敏 传感器结构,38,接触燃烧式气敏传感器结构,39,汽车发动机空燃比控制用的ZrO2传感器,氧浓淡电池的原理及典型结构 （a） 工作原理图； （b） 汽车用氧浓淡电池结构,40,湿度传感器,41,Fe 3O4湿敏元件构造,42,MgCr2O4TiO2半导体陶瓷湿敏元件的结构示意图,43,电容型湿度传感器结构,44,温湿度传感器,45,非致冷红外传感器(1）,46,非致冷红外传感器（2）,47,尿酸用固定化酶膜传感器,48,测22生成量的葡萄糖传感器,49,免疫FET,50,半导体

12、生物传感器,51,传感器的发展趋势,智能化 数字化 集成化 小型化 高精度,52,三、传感器技术的特点及发展动向,传感器技术的特点 传感器技术的发展动向,53,传感器技术的特点,涉及多学科与技术，包括材料科学、精密机械、微电子、微机械加工工艺、材料力学、弹性力学、计算机技术、物理学、生物化学、测试技术等。 品种繁多，被测参数包括热工量、电工量、化学量、物理量、机械量、生物量、状态量等。 应具有高稳定性、高可靠性、高重复性、低迟滞、快响应和良好的环境适应性。 应用领域广泛，无论是高新技术，还是传统产业，都需要应用大量的传感器。 应用要求千差万别，有的量大面广，有的专业性很强；有的要求高精度，有的

13、要求高稳定性，有的要求高可靠性；有的要求耐振动，有的要求防爆，等等。 发展相对缓慢。但一旦成熟，其生命力强，如应变式传感技术已有70年的历史，目前仍然占有重要的地位。,54,1.新材料、新功能的开发应用 2. 微机械加工工艺的发展 3. 传感器的多功能化发展 4.传感器的智能化发展,传感器技术的发展动向,55,1.新材料、新功能的开发应用,此外，一些化合物半导体材料、复合材料、薄膜材料、形状记忆合金材料等在传感器技术中得到了成功地应用。,半导体硅材料,石英晶体材料,功能陶瓷材料,其他材料,56,2. 微机械加工工艺的发展,57,3. 传感器的多功能化发展,一种同时检测Na+、K+和H+离子的传

14、感器,一种多功能气体传感器 能够同时测量H2S、C8H18、C10H20O、NH3四种气体,58,4.传感器的智能化发展,有线智能传感器及网络 无线智能传感器及网络,59,四、传感器基本要求,足够的容量 与测量或控制系统匹配性好，转换灵敏度高 精度适当，且稳定性高 反应速度快,工作可靠性好 适用性强 使用经济,60,传感器,敏感机理,敏感材料选择,结构设计,工艺优化,五、传感器研究方法,61,传感器研究思路,研究传感器，首先得从研究敏感材料入手，研究敏感材料对外界物理、化学变化得敏感特性，包括响应时间，变化规律，以及外界其他物理、化学环境变化对敏感材料敏感特性得影响 设计合适的传感功能结构。考

15、虑将敏感材料镀在什么样的器件结构上才使得敏感材料能够发挥好其敏感特性 制备工艺的研究 后端对信号的处理电路，包括放大电路、滤波电路等。,62,六、课程组传感技术研究成果,63,科学问题,传感功能结构,敏感效应、机理,敏感电子学 的主要科学问题,64,新型敏感材料发展动态,65,研究方向动态,66,重点研究领域,化学传感器,生化毒剂传感器,67,创新性成果1,电子聚合物线性耐高温湿敏传感器,建立了聚酰亚胺（PI）膜对H2O物理吸附的H键模型 确立了PI基耐高温线性湿敏传感器的应用技术依据 提出了基本型电容式器件结构,全湿线性检测、 响应快,机电部科技进步二等奖,68,创新性成果2,通过分子设计，确定了非线性湿敏 传感器的电阻传感复合模式； 优化了复合膜组分与成膜工艺技 术； 提出了电子电导与尺寸效应相结合 的机理，并建立了相应的数学模 型。,高湿突变开关点 可调,率先在国际上研制出具有高湿(80100%RH)突变开关点可调、响应快、耐污染的非线性湿敏传感器。,国家技术发明四等奖