传感技术-概念

传感技术中南大学信息科学与工程学院刘少强2010年秋季课程简介教学大纲：计划课时32h，授课22h，实验10h教材：传感器技术（第三版）贾伯年，东南大学出版社，2007参考书籍：传感器原理及应用，程德福王君凌振宝等编，机械工业出版社，2008传感器技术，孙建民，清华大学\北京交通大学出版社，2005.传感器技术及应用，樊尚春，北京航空航天大学出版社，2004学习要求：1．掌握一般传感器的工作原理、结构、特点、测量电路和典型应用。2．了解传感器应用特点和常见物理量的测量方法。3．了解传感器技术的发展趋势和一些新型传感器的特点及用途。学习方式：授课+自习（含练习）考核方式及成绩评定：笔试（60%）+实验和平时考核（40%）实验时间：第7-11周，每周四下午（与吴老师联系）。课程简介计划内容：（22h）原理部分：传感器概念（1），传感器技术基础理论（模型、特性与指标、互换性）（2），电阻应变式传感器（3）、电感式传感器（3）、电容式（1），磁电和磁敏传感器（2），压电式传感器（2）、热电式传感器（2）、光电式传感器（2），气敏和湿敏器件（1），正确应用传感器的技术问题：传感器的选择、标定，改善性能的一般方法（1）。重点（具体内容将会在讲课中强调或指出）：传感器的性能指标及评定、改善方法；各种传感器的原理、结构特点、电路、应用；常见物理量的测量方法及传感器选择。可能的困难：基础与知识面欠缺、原理学习与实用联系的差距、兴趣？课程简介实验内容（10h）：1．电阻应变式传感器，2学时目的：了解应变片传感器及测量电桥电路的原理特性和使用方法。2．电感式传感器2学时目的：了解差动变压器式或电涡流式传感器原理，特性及使用方法。3．电涡流传感器的特性2学时目的：了解霍尔器件等有关磁传感器的原理，特性和使用方法。4．光电式和线性霍尔式位移传感器2学时目的：了解光电传感器的原理，特性和使用方法。5．气敏和湿敏传感器2学时目的：了解半导体气敏、湿敏传感器的原理特性和使用方法。具体内容和操作以实验室的规定和要求为准。实验室要求实验前须预习准备，进实验室必须带实验指导书！传感器与检测技术实验指导书，吴同茂编，2009年。绪论----传感器及传感器技术概述传感器和传感器技术的概念传感器的工作基础传感器的组成传感器分类传感器的地位与作用传感器技术发展趋势传感器的概念非电量电测法测试系统的组成人为驱动信号驱动装置对象被测标定装置信号标准控制系统传感器中间电路显示记录观察者自动化系统中一般非电量电测量法测试系统的组成传感器在测、控系统中的位置传感器是科学仪器等测量系统、自动控制系统中信息获取的首要环节和关键技术。国标GB7665—2005（87）定义，传感器（Sensor/Transducer）是指能感受规定的被测量并按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元件组成。它是一种以一定的精确度把被测量(包含被测对象信息)转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理、化学量的测量装置或器件。传感器的定义定义蕴含的意思：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的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；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电信号；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。更一般的传感器定义转换电路物理信息化学信息生物信息电信号光信号敏感、转换元件传感器传感器的定义有时代性，随着科学技术的快速发展，出现了智能传感器、网络传感器、模糊传感器等新的传感技术产品，人们对传感器的认识不断深入和扩展。传感器的功用:一感二传，即感受被测信息，并传送出去。传感器的基本作用体现在测量或检测上，是应用传感器的目的，也是学习本课程的目的。国内曾出现过多种关于传感器名称，如发送器、传送器、变送器、检测器、探头等，这些名词是从其基本作用来称谓的，它们的内涵相同或相似，近来已趋向统一，大都使用传感器这一名称。现实中对传感器的称谓仍有混乱，如传感器与敏感元件的混用等。实际上它们是两个不同概念。国外对传感器和敏感元件的概念也不统一，常用词如Sensor、Transducer及detector。传感器的基本作用和传感器的相关名词*传感器技术*材料学化学生物学物理学电学与系统机械传感器技术传感器件设计传感器开发和应用传感检测原理传感器技术是一个汇聚物理,化学,材料,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。传感器工作的基础传感器的能量和信息转换机能基于各种物理、化学、生物的效应，并受相应定律和法则所支配。本课程论述的工作基础包括：1)守恒定律：包括能量,动量,电荷量等守恒定律2)场的定律：动力场的运动定律,电磁场的感应定律等,特点：其作用与物体的空间位置及分布状态有关，据此构成的传感器的形状、结构尺寸决定其某些基本性能。3)物质定律：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，通常以物质固有的物理常数来描述。4)统计法则：把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则.这些法则与传感器的工作状态有关，是分析某些传感器的理论基础。传感器的基本组成组成：敏感元件+转换元件+基本转换电路（调理电路）。（有时还应包括供电的辅助电源）从结构和功能角度看，传感器是包含敏感元件及其辅助电路的功能器件（FunctionDevice）。敏感元件（SensingElement）：传感器内的元件，是直接感受外部信息（一次信号）的部分。转换元件（TransductionElement）：能将感受到的被测非电量参数转换为电量的器件，当传感器的输出为标准信号时，称变送器（Transmitter）。敏感元件转换元件基本转换电路图1-1传感器的基本组成传感器与敏感元件之间的关系图变送器信号调理传感器输出标准信号S.E.T.E被测量激励一次信号或被测量二次信号传感器输出S.E.T.E.基本转换电路（信号调理[signalconditioning]电路）：作用：将敏感或转换元件的输出电信号转为适于传送、显示或记录的信号，满足后续电路或装置的输入要求。信号调理环节是传感器标准化的重要基础，也是应用难点。它通常包括：信号放大、电平调整、线性化、滤波、阻抗匹配、信号调制/解调、信号形式变换等。信号调理电路与检测电路之间的界限并不很清楚，有时还合二为一，如将电阻—电压转换电路，如电阻、电感的检测电路归为信号调理电路。传感器的分类及基本要求实际要测量的量（变量）与其他量总存在一定的相关性（物理、化学的）。一种被测量可用不同传感器测量；而同一原理的传感器通常又可测量多种非电量。分类：有助于从总体上认识和掌握传感器的原理、性能、特点。对电气设计者而言，按可变电参量分类如按阻抗形式分类有电阻型、电感型或电容型传感器；按产生变化量纲分类有电压型、电荷型或电流型传感器。这种分类减少了类别，能直接研究设计相关信号转换调节器。常见物理量的分类分类法型式说明按基本效应分物理型、化学型、生物型分别以转换中的物理效应、化学效应等命名按构成原理分结构型以其转换元件结构参数变化实现信号转换物性型以其转换元件物理特性变化实现信号转换混合型结构性与物性型传感器组合而成的按能量关系分能量转换型（自源型）传感器输出量直接由被测量能量转换而得能量控制型（外源型）传感器输出量能量有外源供给，但受被测量控制按作用原理分应变式、电容式、压电式、热电式等以传感器对信号转换的作用原理命名按输入量分位移、压力、温度、流量、气体等以被测量命名（即按用途分类法）按输出量分模拟式输出量为模拟信号数字式输出量为数字信号传感器分类表对传感器的基本要求足够的容量--传感器的工作范围或量程足够大；有一定过载能力。灵敏度高、精度适当--要求其输出信号与被测信号成确定关系（常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。响应速度快、工作稳定、可靠性好适用性和适应性强--体积小、重量轻、对被测对象的状态影响小；内部噪声小、不易受外界干扰影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济--成本低、寿命长、便于使用、维修、校准。传感器的地位和作用传感器技术属于信息技术的三大支柱技术之一；人与机器的类比：“电五官”，是系统感知、获取与检测信息的源头和窗口；观测宏、微世界两极：“没有传感器技术就没有现代科学技术”；应用范围覆盖国民经济中的第一、二、三产业的各领域；与现代人的日常生活（个人、家庭等）联系越来越紧密，现代是充满传感器的世界，未来将无处不在！eg…汽车—安全性、舒适性、经济性、便利性、环保性等需求导致…152亿美元（2013年）消费电子：手机？家居？现代医疗与药物-未来的重点！?人与机器的功能对应关系传感器的应用领域—在当今世界里正加速扩张工业自动化农业现代化军事工程航天技术家用电器机器人技术具体作用:信息的收集信息数据的交换控制信息的采集资源探测-海洋开发-环境保护-水资源、地质安全保卫-生物医疗-医药、生物工程智慧农业-从农田到餐桌现代传感技术的特点①涉及多学科与技术门类，与其发展密切相关，相互促进现代技术发展迅速使有关传感器的更新速度快。②品种繁多被测参数包括物理量(热、电、机、磁)、化学、生物量、状态量，需要多种多样的传感器件。除基型品种外，还需不同的派生产品。③要求高稳定性、高可靠性、高重复性、低迟滞和快响应，做到准确可靠、经久耐用工业现场和自然环境下使用的传感器，要求有良好的环境适应性，能耐高温、低温，抗干扰，耐腐蚀，安全防爆，便于安装、调试与维修。④应用领域十分广泛，应用要求千差万别实用需要的传感器，不能按统一评价标准考核、评估，不能用单一模式研发、生产。(没有垄断性的国际公司)⑤新技术和新领域带来新需求和新技术要求新技术、新行业要求传感器具有不同一般的更高性能或新功能。许多新领域不要求任何苛刻工作条件，却拥有大量需求。（消费电子、物联网、生物医药等?）⑥相对发展缓慢,但成熟技术的持续发展能力强基于微电子和微机电的微传感器发展步伐强劲，传统(或宏)传感器并未被新型微传感器取代。信号调理专用集成电路也增强了传统传感器的生命力。1新材料、新功能的开发与应用敏感材料是重要基础，传感器技术所涉的主要新材料：①半导体硅：包括单晶、多晶、非晶硅和硅蓝宝石等。优点：相互兼容的、优良的电学和机械特性。②石英晶体：包括压电石英晶体和熔凝石英晶体(又称石英玻璃)。优点：极高的机械品质因数、好的温度稳定性、良好的压电特性（天然石英晶体）③功能陶瓷：自由配方烧结而成的功能陶瓷材料，具有半导体材料的特点，而其工作温度上限很高。此外，还有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以及纳米材料。特点：新材料或新工艺带来的新功能或特点传感器技术的发展趋势和特点2传感器的多功能、集成化和微型化多功能化：一般传感器多为单参数测量的传感器，而利用单传感器实现多参数测量即传感器多功能化是一种趋势。例如气体传感器（电子鼻）。集成化：在同一芯片上或者将同类型的单个传感器及成为一维、二维或三维阵列器件。或将传感器件、调理、补偿以及信号处理电路集成一体化。微型化：以IC制造技术发展起来的微机械加工工艺，可使被加工的敏感结构尺寸达到微米、亚微米级，并可批量生产，从而制造出价格便宜的微型化传感器。特点：可集中体现到微型化传感器件中。3传感器的智能化、网络化智能化：将传感器获取信息的基本功能与专用µP的信息分析、处理功能结合，并具有自诊断、自校准、数字双向通信等功能。网络化：传感器技术结合计算机和通信技术形成的新技术。传感器网络由同类或异类的多个传感器节点与网关节点构成，这种网络可以是有线或者无线网络，每个节点都是智能化的，都集成了传感、信息处理和通信等功能，可对环境或对象进行分布式测量和集中监视。4其他:仿生？物联网？普适性计算？个性化医疗？与计算机和网络通信技术融合使得普遍应用传感器的未来世界更美好！但现实尚存差距不小，因此空间不小。传感器应用在哪里？PC的时代！网络的时代！