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傳感器技術基礎 傳感器技術 課程主講人 陳建元 傳感器的引入 人通過五官 視 聽 嗅 味 觸 接受外界的信息 經過大腦的思維 信息處理 作出相應的動作 而用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動 則可以說電子計算機相當于人的大腦 一般俗稱電腦 而傳感器則相當于人的五官部分 電五官 身體與機器人的對應關系 傳感器是獲取自然領域中信息的主要途徑與手段 傳感器的定義和組成 1 2 第0章緒論 Preface 傳感器的分類及要求 0 3 傳感器開發(fā)的新趨勢 0 4 第0章緒論 Preface 一 傳感器的作用傳感器實際上是一種功能塊 其作用是將來自外界的各種信號轉換成電信號 第一節(jié)傳感器的作用和重要性 第0章緒論 Preface 傳感器所檢測的信號進來顯著地增加 因而其品種也極其繁多 為了對各種各樣的信號進行檢測 控制 就必須獲得盡量簡單易于處理的信號 這樣的要求只有電信號能夠滿足 電信號能較容易地進行放大 反饋 濾波 微分 存貯 遠距離操作等 第0章緒論 Preface 總結 因此作為一種功能塊地傳感器可狹義的定義味 將外界的輸入信號變換為電信號的一類元件 如下圖所示 第0章緒論 Preface 二 傳感器的重要性作為人腦的一種模擬的電子計算機的發(fā)展極為迅速 可是起五種感覺模擬作用的傳感器卻發(fā)展很慢 因而如果不進行傳感器的開發(fā) 現(xiàn)在的電子計算機將不能適應實際需要 現(xiàn)代社會要求傳感器 電子計算機和執(zhí)行器三者都能相互協(xié)調才行 這樣 傳感器就成了現(xiàn)代科學的中樞神經系統(tǒng) 它日益受到人們的普遍重視 這已成為現(xiàn)代傳感器技術的必然趨勢 第0章緒論 Preface 三 傳感器的應用 傳感器技術在工業(yè)自動化 軍事國防和以宇宙開發(fā) 海洋開發(fā)為代表的尖端科學與工程等重要領域有廣泛應用 同時 它正以自己的巨大潛力 向著與人們生活密切相關的方面滲透 生物工程 醫(yī)療衛(wèi)生 環(huán)境保護 安全防范 家用電器 網絡家居等方面的傳感器已層出不窮 并在日新月異地發(fā)展 第0章緒論 Preface 一 傳感器的定義定義 能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置 第二節(jié)傳感器的定義和組成 第0章緒論 Preface 傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的 便于應用的某種物理量的測量裝置 其包含一下幾個方面的意思 傳感器是測量裝置 能完成檢測任務它的輸入量是某一被測量 可能是物理量 也可能是化學量 生物量等 第0章緒論 Preface 輸出量是某種物理量 這種量要便于傳輸 轉換 處理 顯示等 這種量可以是氣 光 電 但主要是電量 輸入輸出有對應關系 且應有一定的精確度 第0章緒論 Preface 二 傳感器的組成傳感器一般由敏感元件 轉換元件 轉換電路三部分組成 第0章緒論 Preface 敏感元件 Sensitiveelement 直接感受被測量 并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件 轉換元件 Transductionelement 以敏感元件的輸出為輸入 把輸入轉換成電路參數 轉換電路 Transductioncircuit 將轉換電路參數接入轉換電路 便可轉換成電量輸出 第0章緒論 Preface 有些傳感器很簡單 僅由一個敏感元件 兼作轉換元件 組成 它感受被測量時直接輸出電量 如熱電偶 有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成 沒有轉換電路 有些傳感器 轉換元件不止一個 要經過若干次轉換 第0章緒論 Preface 一 傳感器的分類傳感器種類繁多 目前常用的分類有兩種 以被測量來分以傳感器的原理來分 第三節(jié)傳感器的分類及要求 第0章緒論 Preface 按被測量來分類 第0章緒論 Preface 第0章緒論 Preface 電阻式 光電式 紅外式 光導纖維式 電感式 諧振式 電容式 霍爾式 磁式 阻抗式 電渦流式 超聲式 磁電式 同位素式 熱電式 電化學式 壓電式 微波式 按傳感器的原理來分類 第0章緒論 Preface 二 分類目的 各類傳感器的工作原理 主要性能及其特點 應用 使大家能合理地選擇和使用傳感器 使學生了解常用傳感器地工程設計方法和掌握常用傳感器地試驗研究方法 了解傳感器地發(fā)展方向等 第0章緒論 Preface 三 傳感器的一般要求足夠的容量 傳感器的工作范圍或量程足夠大 具有一定的過載能力 靈敏度高 精度適當 即要求其輸出信號與被測信號成確定的關系 通常為線性 且比值要大 傳感器的靜態(tài)響應與動態(tài)響應的準確度能滿足要求 響應速度快 工作穩(wěn)定 可靠性好 使用性和適應性強 體積小 重量輕 動作能量小 對被測對象的狀態(tài)影響小 內部噪聲小而又不易受外界干擾的影響 其輸出力求采用通用或標準形式 以便與系統(tǒng)對接 使用經濟 成本低 壽命長 且便于使用 維修和校準 第0章緒論 Preface 第0章緒論 Preface 傳感器開發(fā)的新趨向包括 社會對傳感器需求的新動向傳感器新技術的發(fā)展趨勢 第四節(jié)傳感器開發(fā)的新趨勢 第0章緒論 Preface 一 傳感器需求的新動向社會需求是傳感器技術發(fā)展的強大動力 隨著現(xiàn)代科學技術 特別是微電子技術和信息產業(yè)的飛速發(fā)展 以及 電腦 的普及 傳感器在新的技術革命中的地位和作用將更為突出 一股競相開發(fā)和應用傳感器的熱潮已在世界范圍內掀起 第0章緒論 Preface 原因 電五官 落后于 電腦 的現(xiàn)狀 已成為微型計算機進一步開發(fā)和應用的一大障礙許多有競爭力的新產品開發(fā)和卓有成效的技術改造 都離不開傳感器傳感器的應用直接帶來了明顯的經濟效益和社會效益?zhèn)鞲衅髌占坝谏鐣鱾€領域 將造成良好的銷售前景 第0章緒論 Preface 二 傳感器的應用領域和需求量 第0章緒論 Preface 三 傳感器技術的發(fā)展趨勢傳感器的開發(fā)方向 大致分為如下四個方面 向檢測范圍挑戰(zhàn) 集成化 多功能化 向未開發(fā)的領域挑戰(zhàn) 生物傳感器 智能傳感器 Smartsensor 第0章緒論 Preface 向檢測范圍挑戰(zhàn) 傳感器的量子化傳感器的極限檢測范圍大多取決于量子力學效應 其比較典型的例子是利用核磁變振吸收的磁傳感器以及利用約瑟夫效應的磁傳感器 第0章緒論 Preface 集成化 多功能化 向敏感功能裝置發(fā)展傳感器的集成化 最近積極地應用了半導體集成電路技術及其開發(fā)思想 第0章緒論 Preface 生物傳感器 到目前為止 正大力研究 開發(fā)的傳感器大多為物理傳感器 今后應積極開發(fā)研究化學傳感器和生物傳感器 第0章緒論 Preface 智能傳感器 具有判斷能力 學習能力的傳感器智能傳感器大致分為如下三種 具有判斷力的敏感裝置具有學習能力的敏感裝置具有創(chuàng)造能力的敏感裝置 第0章緒論 Preface 從構成上看 智能式傳感器是一個典型的以微處理器為核心的計算機檢測系統(tǒng) 第0章緒論 Preface 智能式傳感器特點 同一般傳感器相比 智能式傳感器有以下幾個顯著特點 精度高穩(wěn)定 可靠性好檢測與處理方便功能廣性能價格比高 第0章緒論 Preface 精度高 由于智能式傳感器具有信息處理的功能 因此通過軟件不僅可以修正各種確定性系統(tǒng)誤差 如傳感器輸入輸出的非線性誤差 溫度誤差 零點誤差 正反行程誤差等 而且還可以適當地補償隨機誤差 降低噪聲 從而使傳感器的精度大大提高 穩(wěn)定 可靠性好 它具有自診斷 自校準和數據存儲功能 對于智能結構系統(tǒng)還有自適應功能 第0章緒論 Preface 檢測與處理方便 它不僅具有一定的可編程自動化能力 可根據檢測對象或條件的改變 方便地改變量程及輸出數據的形式等 而且輸出數據可通過串行或并行通訊線直接送入遠地計算機進行處理 功能廣 不僅可以實現(xiàn)多傳感器多參數綜合測量 擴大測量與使用范圍 而且可以有多種形式輸出 如RS232串行輸出 PIO并行輸出 IEEE 488總線輸出以及經D A轉換后的模擬量輸出等 第0章緒論 Preface 性能價格比高 在相同精度條件下 多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比 其性能價格比高 尤其是在采用比較便宜的單片機后更為明顯