传感器 第一章

测量与传感器技术（传感器与检测技术）主讲：李莉说课说课,是在教师备课的基础上,向同行和专家叙述教学设计及其依据的一种教学研究活动。说大纲和目标说设计说学情说学法说教法说媒体1.课程属性:电气信息类专业专业课程必修（考查）课24学时理论＋8学时实验2.课程的地位与作用3.培养目标：知识、能力、素质课程简介计算与控制机器或设备传感器与检测执行器信息处理信息应用信息获取被控对象知识领域：　信息获取与处理主要知识模块：　传感器原理与应用　信号检测与估计误差理论与数据处理测控电路虚拟仪器　光电检测技术智能检测及系统　传感器网络技术等等ADCDAC“传感器与检测技术”是工科电气信息类专业的重要专业（基础）课说课说课,是在教师备课的基础上,向同行和专家叙述教学设计及其依据的一种教学研究活动。说大纲和目标说设计说学情说学法说教法说媒体–概述–传感器的基本特性–传感器的基本特性与测量误差–电阻式–电感式–电容式–压电式–霍尔式–热电式–光电式–虚拟仪器与自动检测系统主要内容传感器样例气敏传感器压电式压力传感器温度传感器热电偶超声波传感器说课,是在教师备课的基础上,向同行和专家叙述教学设计及其依据的一种教学研究活动。本课程内容体系结构按照传感器、检测技术和自动检测系统三大模块。传感器部分主要包括传感器的基本特性、各类传统与新型传感器的工作原理与应用（电阻式、电感式、电容式、压电式、磁敏式、热电式、光电式、辐射与波式、智能传感器、模糊传感器、微传感器、网络传感器；化学传感器、生物传感器等）（如何工作的？原理是什么？有助于传感器选型）检测技术主要包括参数检测、微弱信号检测、软测量、多传感器数据融合、测量不确定度与回归分析等（怎么用？方法是什么？）检测系统主要包括虚拟仪器和自动检测系统等。（如何构建检测系统？原理与方法的实用化、工程化）本课程的任务及要求“传感器与检测技术”是一门涉及到电工电子技术、传感器技术、光电检测技术、控制技术、计算机技术、数据处理技术、精密机械设计技术等众多基础理论和技术的综合性技术，现代检测系统通常集光、机、电于一体，软硬件相结合。“传感器与检测技术”课程着重培养学生掌握传感器与检测技术基本理论、基本方法。本课程是一门实践性很强的课程，在理论学习的同时，要求学生：–通过实验和实践熟练掌握各类典型传感器的基本原理和适用场合–掌握常用测量仪器的基本工作原理和工作性能–能合理选用常用电子仪器、测量电路等，–能根据测量要求设计各类测量系统–能对测量结果进行误差分析和数据处理等，达到理论与实践的高度统一，突出能力的培养。并不专门学习哪一个传感器的原理和应用，而是通过学习某个传感器，掌握这一类传感器的工作原理，能够查找资料，会应用各种类似的传感器.说大纲和目标说设计说学情说学法说教法说媒体教材选用全国60余所高校选作教材，全国1000余所高校选用课程教学资源教学考核要求考核：综合出勤、学习态度、课堂表现、作业等–平时占30%、期末大作业占70%–缺作业达到三分之一及其以上，或随机抽点名缺勤三次以上无考试资格–期末大作业分组完成及说明第1章概述知识单元与知识点课程简介；传感器的定义、传感器的共性、传感器的基本功能；传感器的组成；传感器的分类；传感器技术的发展趋势。能力点深入理解传感器的概念；把握传感器的组成、传感器的基本功能和传感器的共性；理解传感器的分类方法；了解传感器技术的发展趋势；会分析不同传感器的类别；会结合生活生产实际举例说明传感器的应用。重难点重点：传感器的定义、组成、分类。难点：传感器技术的发展趋势。学习要求了解本门课程的地位、作用、内容体系结构和任务要求；熟练掌握传感器的定义、组成；掌握传感器的分类；了解传感器技术的发展趋势。1.2传感器的定义与组成传感器：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–“Asensorisadevicethatreceivesastimulusandrespondswithanelectricalsignal”（检测和转换）传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量电容式加速度(碰撞)传感器在汽车中的应用装有传感器的假人气囊在电脑中，集成温度传感器用于CPU散热保护电路散热风扇集成温度ICCPU插座CPU散热片传感器的组成信号调理电路：常见有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等作用：–把来自传感器的信号进行转换和放大（将各种电信号转换成电压、电流或频率等）；–进行信号处理（滤波、调制与解调、衰减、运算、数字化等）基本部分敏感元件转换元件信号调理电路辅助电源被测量输出图1.2传感器的组成弱信号敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分1.3传感器的分类按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等按传感器的输出量进行分类：模拟式和数字式按传感器的工作原理进行分类：电阻式、电容式、电感式、压电式、磁敏式、热电式、光电式传感器等按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型或参量型）、无源（能量变换型或发电型）按传感器所蕴含的技术特征分类：普通传感器与新型传感器1.4传感器技术的发展传感器性能的改善开展基础理论研究传感器的集成化传感器的智能化传感器的网络化传感器的微型化1.4.1传感器性能的改善差动技术（正反行程误差偏大、偏小的“中和”效应，改善灵敏度、非线性）平均技术（减小误差、增大信号量）补偿与修正技术（针对传感器本身或测量环境两种情形）屏蔽、隔离与干扰抑制（针对恶劣的电磁、温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、气流等工作环境）稳定性处理（针对时间老化、温度老化、机械老化等）1.4.2开展基础理论研究寻找新原理开发新材料–半导体敏感材料–陶瓷敏感材料–磁性材料–智能材料采用新工艺–主要是微细加工技术（离子束、电子束、分子束、激光束、化学蚀刻等探索新功能–多参数的检测、处理与评价1.4.3传感器的集成化两种情况：一是具有同样功能的传感器集成化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，形成一维的线性传感器，从而使一个点的测量变成对一个面和空间的测量。二是不同功能的传感器集成化，即将具有不同功能的传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件，从而使一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数。–PTH集成传感器1.4.4传感器的智能化传感器与微处理器的结合：检测、信息处理、逻辑判断、自诊断等作用：–提高测量精度–增加功能–提高自动化程度•Honeywell公司压阻式传感器可以测量DP(差压),StaticPressure(静压)和SensorTemperature(传感器温度).•由微处理器对静压和温度进行补偿.•没有任何其他公司的变送器能够对这些影响进行实时的补偿.DifferentialPressureSensor差压传感器StaticPressureSensor静压传感器TemperatureSensor温度传感器ST3000SensorTechnology161.4.5传感器的网络化主要表现为两个方面–一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE1451.2工作组建立了智能传感器接口模块（STIM）标准–二是以IEEE802.15.4（Zigbee）为基础的无线传感器网络技术得以迅速发展1.4.6传感器的微型化MEMS技术的应用，微型传感器发展起来将机械、电子元器件集成在一个基片上主要特征：–体积小–重量轻–功耗低–可靠性高27MoteTransceiver400MHzandup–Line-of-sight–Shortrange–UnlicensedoperationMicrocontroller–ATmega128-16MHz,128KBFlash,4KBRAM–Lowpower,sleepmodesTinyOS–Makesprogrammingmuch,mucheasier28SensorNetworkInterfaceelectronics,radioandmicrocontrollerSoilmoistureprobeMoteAntennaGatewayServerInternetCommunicationsbarrierSensorfield汽车衡俗称“地磅”电阻应变式传感器应用酒精测试仪呼气管汽车尾气分析