传感器培训资料-刘九卿

PPT讲义电阻应变式称重传感器刘九卿培训原则加强基础：设计技术、工艺技术、应用技术基础。提升能力：学习能力、实践能力、创新能力。教学原则夯实基础：夯实称重传感器设计技术基础、工艺技术基础、测试技术基础。拓展知识：与称重传感器技术、工艺有关的边缘学科的相关技术和移植工艺。体现趋势：立足科学技术前沿，体现当前称重传感器专业技术发展趋势。注重结合：理论与实践相结合、设计技术与工艺技术相结合。PPT讲义目录目录幻灯画画面比例面编号数量（%）第1章概论5～45415.7第2章工作原理46～75304.2第3章电阻应变计76～1598411.7第4章结构设计与计算160～33317424.3第5章弹性元件金属材料334～361283.9第6章制造工艺362～4387710.8第7章电路补偿与调整439～486486.7第8章数字称重传感器487～528425.9第9章高温称重传感器529～554263.6第10章防爆称重传感器555～571172.4第11章称重传感器的可靠性设计、控制与管理572～586152.1第12章称重传感器的故障诊断与排除587～616304.2第13章称重传感器国际建议和国家标准617～635192.7第14章称重传感器的性能测试与试验方法636～692578.0第15章称重传感器的发展趋势与技术课题693～720283.9第1章概论第1节传感器的作用、分类与特点一、传感器与现代科学技术•传感器技术是一项令人瞩目、迅猛发展的高新技术，也是当代科学技术发展的一个重要标志。传感器技术与通信技术、计算机技术构成信息产业三大支柱技术，其功能分别为信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。因此，传感器技术是现代信息社会的重要技术基础。•国内外一些学者评论说：“征服了传感器就等于征服了科学技术”；“如果没有传感器检测各种信息，那么支撑现代文明的科学技术，就不能得到发展”；“唯有模仿人脑的计算机和传感器协调发展，才能决定技术的将来”。•传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。正因为如此，世界发达国家都极其重视传感器的研究、开发和应用，并把它定为国家优先考虑的重大科技项目。•美国将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一；西欧各国把传感器技术作为优先发展的重点技术；日本把传感器列为六大核心技术之一；我国政府在各重点科技公关项目中，均把传感器研究放在十分重要的位置。•美、日等国社会劳动力总数的一半以上，从事信息工作。美国直接在传感器领域工作的科技人员已占总人数的25%。•我国传感器及敏感元件研制和生产企业有1500余家，其中应变式称重传感器研制和生产企业就有160多家。•传感器技术是现代科技的前沿技术，传感器产业是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，传感器以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世界各国的工业与信息产业界所重视。•科学技术的进步，多种学科、多种高新技术的交叉融合，推动了传感器技术的发展，但仍然满足不了各工业和技术领域信息采集系统的需要。•就总体而言，传感器技术的发展还比较滞后，目前工业领域的复杂系统越来越复杂，自动化已陷入低谷，其主要原因之一是传感器技术落后。可以从两方面理解，其一是传感器在感知信息方面的落后；其二是传感器自身智能化和网络化方面的落后。•从计算机发展史看，1945年第一台计算机研制成功后，主要用于复杂的计算，对传感器没有什么要求。•1975年第一台集成电路计算机问世以后，便开始在工业控制等领域显示出卓越的功能，其处理信息的能力经过30多年的发展已相当完善，对采集信息源头的传感器，提出了智能化、网络化等许多新要求。•作为检测信息的传感器并没有经历计算机这样的发展过程，传感器技术相对落后，因此出现了“信息处理能力过剩，信息获取能力不足”的问题。即“大脑发达，五官迟钝”。•为解决这一问题，20世纪80年代世界各国几乎同时掀起了一股“传感器热”的风潮。我国在多个五年计划中，都把发展传感器技术列为一级学科项目。•20世纪80、90年代世界各国的投入，进入新世纪见到明显的效果，每年都有新功能敏感材料、新元件、新工艺问世，很快就应用于传感器，扩大了应用范围。•目前，迅速发展的物联网技术，就是以传感器作为技术和物质基础。所谓“物联网”，就是通过信息传感设备，按约定协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。从技术角度讲“物联网”就是传感网。•今后智能传感器将不再是简单的传感器加微机系统，不光具有数据采集存储、信号处理、误差补偿功能，更重要的是具有判断能力、自学习能力，甚至具有创造能力。二、传感器的定义和分类1.传感器的定义传感器是获得信息的一种装置，其定义可分为广义和狭义两种。•广义定义的传感器，指凡能感受外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的信息的装置。•狭义定义的传感器，指只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置才叫传感器。•传感器获取和转换的信息获取的信息为各种物理量、化学量和生物量等，转换后的信息，可以有各种形式。目前大部分传感器还是把外部信息转换为电量，因为它与电子信息技术和计算机技术更易配套。•“敏感元件”、“转换元件”的新定义以前曾称传感器为“敏感元器件”、“传感元件”等，现已明确“敏感元件”是传感器的一部分，不能代替传感器的称呼。关于组成传感器的转换部分，厉来称为“转换元件”，因技术发展该部分除转换功能外，还可以具有其它功能，故称为预处理单元，此定义更具先进性。•传感器技术范畴狭义：仅包括传感器本身的制造与测试技术。广义：既包括传感器本身的制造与测试技术，又包括制造传感器时所需要的相关技术及应用技术。为了有利于传感器技术发展，我国对传感器技术范畴的定义是从广义着眼的。2.传感器的分类•按工作机理分有物理型、化学型和生物型。其中物理型应用的是物理效应，按构成原理又分为结构型和物性型两大类。结构型：是利用物理学中场的定律构成的，以结构为基础，通过参数变化来实现信号的转换。例如电阻应变式、电容式、电感式等。物性型：是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如近些年出现的半导体类、陶瓷类、光纤类及其他新型材料的传感器。•按变换原理分有应变式、电容式、电感式、压电式、压阻式、压磁式、光电式、谐振式等。•按用途分类通常可分为工业用、商业用、农业用、科研用、医用、军用、民用、环保用、家电用传感器等。•按功能分类因敏感元件功能不同，可分为：力敏、热敏、光敏、磁敏、湿敏、气敏、声敏、化学敏、生物敏传感器等。•按被测量分类可分为物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器三大类。各类传感器又可分为若干族，每一族又可分为若干组。按此分类应变式称重传感器属于物理量传感器中的机械量传感器族，力传感器组中的称重传感器。同组中还有测力传感器、力矩传感器、张力传感器等。三、称重传感器与电子称重技术•称重技术自古以来就被世界各国所重视，因为它与经济发展和人民生活密切相连。称重技术是衡量一个国家科学技术水平和工业发达程度的重要标志之一。•称重，实质上是测量物体的质量。质量是物体惯性和引力大小的量度，是一个特征量，它不能自动的给出信息，基本上不能直接测量。从古至今质量测量都是通过物体在重力场下的重力测量来求得的。即牛顿运动定律F=ma所描述的惯性质量的特殊形式：W=mg式中g为重力场的重力加速度。•目前世界各国在用的衡器，不论是利用杠杆原理研制的秤或测力机，还是利用弹性元件的恢复力（弹力）与被测物体的重力达到平衡来测量质量的秤，都离不开两个必须的条件：一是重力场，二是静力平衡。前者说明现代各种秤都不能用于无重力场的场合，后者说明必须保持静力平衡才能测量。因此，将其称为静态称重法，应用此法研制的各类秤称为静态秤。•静态机械秤及静态电子秤的发展可概括为：20世纪50年代之前为机械秤；50年代中期电子技术进入秤的外围，出现带打印机的杠杆秤；60年代机电结合秤；70年代电子秤；80年代中期研发出数字智能电子秤；90年代至今不断完善和创新电子称重技术和电子秤产品，例如电子转子秤；阵列式皮带秤等。•电子称重技术是60年代迅猛发展起来的一项高新技术，它是集称重传感器技术、计算机技术、通信技术、测量与控制技术、软件编程技术、材料技术、现代制造技术和工艺通程技术为一体的综合技术。•现代电子称重技术的进步，促进了称重传感器技术的发展，而称重传感器的新技术、新工艺和新产品，又为电子衡器产品和电子称重系统的发展提供了技术和物质基础。•电子衡器（秤和天平）和称重传感器产品量大面广、品种繁多，即涉及到国内外贸易结算，又关系到消费者利益，是国家强制管理的法制计量器具，法规与标准多，质量管理与监督十分严格。•在一个电子称重系统中，首先要检测到重量信息，才能去进行自动控制、称重计量。因此称重传感器首当其冲，是称重信息采集系统的前端单元，是电子称重系统的核心部件，它关系到一个称重计量系统的成败。•如果称重传感器获得的重量信息不确切，那么要显示这些信息并对其进行处理就十分困难，甚至没有意义。只有提高称重传感器的准确度、稳定性和可靠性，才能促进现代电子称重技术的发展。•称重传感器技术在传统技术加数字技术和微机系统支撑下，正向小型化、多功能化、集成化、智能化和网络化方向发展。四、传感器的种类与应用概况•目前，我国有455个从事敏感元件及传感器生产的厂商，所涉及企业1400多家，呈现出良好的发展态势，但综合实力较强的骨干企业较少。•世界上有40多个国家的5000多个企业研制生产敏感元件及传感器，产品种类繁多，约为20000多种。•我国研制生产的敏感元件及传感器共10大类，42小类，6000多个品种。•2006年我国传感器产品总销售收入97.43亿元人民币，并以每年12%的速度增长，预计2010年传感器产品总销售收入可达200亿元人民币。•2006年我国传感器出口额为6.58亿美元，每年以9%的速度增长，预计2010年传感器出口额可达93亿美元。•我国敏感元件及传感器的进口额从2004年的14.36亿美元，迅速增长到2006年的23.72亿美元，其复合增长率达29%。更为严重的是，进口金额占国内市场需求份额的比例不断攀升，目前已达80%以上。•传感器可以说无处不用，其应用比例如下：工业测量与控制18.1%；家用电器13.7%；科学仪器11.7%；医疗保健11.0%；环境保护10.0%；信息处理8.0%；汽车7.3%；能源5.3%；宇宙开发2.7%；其它（如交通运输、海洋开发等）12.2%。•在工业测量与控制领域，各种传感器所占比例如下：压力39%；温度25%；测力与称重14%；位移13%；其它9%。（家用秤用称重传感器不在统计之内）•在测力与称重传感器中，称重传感器约占95%以上。以电子汽车衡用双剪梁型称重传感器为例，我国每年产生400万只左右。•据国际计量联合会统计，在世界各国电子衡器产品所用的称重传感器中，电阻应变式占90%以上。•我国的电子衡器和电子称重系统所用的称重传感器，几乎是电阻应变式的一统天下，约占98%以上。五、我国传感器技术发展重点1.传感器发展重点多学科、多种高新技术的交叉融合，推动了新一代传感器的发展。当前，我国重点开发的新一代传感器主要有：•MEMS（微电子与微机械结合）的新一代微结构传感器；•MEMS与微光学结合（MOMES）的微光学传感器；•MEMS与CPU、信息控制技术结合的智能传感器；•MEMS与生物、电化学技术结合的生物化学传感器；•MEMS与网络技术结合的网络化传感器；•纳米技术与传感器技术结合的纳米传感器。2.传感器制造工艺发展重点•微电子与微机械结合（MEMS）工艺、新一代固态传感器微结构制造工艺、无应力封装工艺、多芯片组装工艺。应用这些工艺可制造各种微传感器、微硅电容传感器、汽车专用压力和加速度传感器等。•集成工艺和多变量复合传感器微结构集成制造工艺。如：工业控制用的压力、静压、温度三变量传感器；气压、风力、温度、