测试技术-13传感器的基础知识-课件

1.3传感器的基础知识1.3传感器的基础知识传感器技术是现代科技的前沿技术，许多国家已将传感器技术与通信技术和计算机技术列为同等重要的位置，称之为信息技术的三大支柱之一。目前，敏感元器件与传感器在工业部门的应用普及率已被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志，正如国外有的专家认为：谁支配了传感器技术、谁就能把握住新时代。作为当今世界信息技术的三大支柱之一，传感技术的核心地位是毋庸置疑的。从图1-16可以看出，传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，是自动检测和自动控制技术不可缺少的重要组成部分，是国内外公认的具有发展前途的高新技术，所以在各大高校也越来越受到重视和研究。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识1.3传传感器的基感器的基础础知知 1.3传感器的基础知识图1-16 传感技术关系网 1.3传传感器的基感器的基础础知知识识 1.3传感器的基础知识1.3.1 传感器的定义及其组成传感器的概念来自“感觉（sensor）”一词，人们为了研究自然现象，仅仅依靠人的五官获取外界信息是远远不够的，于是发明了能代替或补充人五官功能的传感器，工程上也将传感器称为“变换器”。根据国标（GB766587），传感器的定义为：“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。”这一定义所表述的传感器的主要内涵包括：（1）从传感器的输入端来看：一个指定的传感器只能感受规定的被测量，即传感器对规定的物理量具有最大的灵敏度和最好的选择性。例如温度传感器只能用于测温，而不希望它同时还受其它物理量的影响。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识1.3 1.3传感器的基础知识（2）从传感器的输出端来看：传感器的输出信号为“可用信号”，这里所谓的“可用信号”是指便于处理、传输的信号，最常见的是电信号、光信号。可以预料，未来的“可用信号”或许是更先进更实用的其它信号形式。（3）从输入与输出的关系来看：它们之间的关系具有“一定规律”，即传感器的输入与输出不仅是相关的，而且可以用确定的数学模型来描述，也就是具有确定规律的静态特性和动态特性。传感器的基本功能是检测信号和信号转换。传感器总是处于测试系统的最前端，用来获取检测信息，其性能将直接影响整个测试系统，对测量精确度起着决定性作用。传感器的组成按其定义一般由敏感元件、变换元件、信号调理电路三部分组成，有时还需外加辅助电源提供转换能量，如图1-17所示。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识（2）从）从传传感器感器 1.3传感器的基础知识图1-17 传感器组成框图 1.3传传感器的基感器的基础础知知识识 1.3传感器的基础知识图中的敏感元件直接感受被测量（一般为非电量）并将其转换为易于转换成电量的其他物理量；再经变换元件转换成电参量（电压、电流、电阻、电感、电容等）；最后信号调理电路将这一电参量转换成易于进一步传输和处理的形式。当然，不是所有的传感器都有敏感、变换元件之分，有些传感器是将两者合二为一，还有些新型的传感器将敏感元件、变换元件及信号调理电路集成为一个器件。在机械量（如力、压力、位移、速度等）测量中，常采用弹性元件作为敏感元件。这种弹性元件也叫弹性敏感元件或测量敏感元件，它可以把被测量由一种物理状态变换为所需要的另一种物理状态。1.3传传感器的基感器的基础础知知识图识图中的敏感元件中的敏感元件 1.3传感器的基础知识1.3.2 传感器的分类传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种分类方法。常用的分类方法有：1按被按被测量分量分类（1）机械量：位移、力、速度、加速度、（2）热工量：温度、热量、流量（速）、压力（差）、液位、（3）物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度、（4）状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损、这种分类方法也就是按用途进行分类，给使用者提供了方便，容易根据测量对象来选择传感器。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识1.1.3传感器的基础知识2按按测量原理分量原理分类按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。现有传感器的测量原理都是基于物理的、化学的和生物等各种效应和定律，这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。3按信号按信号变换特征分特征分类（1）结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。例如，电容式传感器依靠极板间距离的变化引起电容量的改变。（2）物性型：是利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换的。例如水银温度计是利用水银的热胀冷缩现象测量温度，压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现测量等。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识2按按测测量原理量原理 1.3传感器的基础知识4按能量关系分按能量关系分类（1）能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作的。例如热电偶、光电池等，这种类型传感器也称为有源传感器。（2）能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如电阻式、电感式等传感器，这种类型的传感器必须由外部提供激励源（电源等），因此也称为无源传感器。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识4按能量关系按能量关系 1.3传感器的基础知识1.3.3传感技感技术的起源与的起源与发展展1.传感技感技术的起源的起源最初的传感器起源于仿生研究。每一种生物由于自身的要求，要完成自己的生命周期，需要经常与周围环境交换信息，因此都有自己的感知周围环境的自身的器官和组织，如人有眼、耳、口、鼻、皮肤等，能够分别获取视觉、听觉、味道、嗅觉、触觉等方面信息。人们往往把传感器比作为人的感官，如图1-18所示。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识 1.3传感器的基础知识图图1-18 传感器与人的感观之间的关系传感器与人的感观之间的关系 1.3传传感器的基感器的基础础知知识图识图1-18 1.3传感器的基础知识人类必须通过五官才能取得外界的信息，同样，一个操作系统则需要通过传感器对某一特定对象进行测量才能得到信息，获得的信息必须通过电子信号转换后才能输出。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识 1.3传感器的基础知识2.传感技感技术的的发展展历程程基于仿生研究的传感技术，自古以来就渗透到人类的生产活动、科学实验、日常生活的各个方面，如计时、产品交换、气候和季节的变化规律等；由于各学科之间的相互融合和各行各业的需求，传感技术应运而生并快速发展，其大体经历了3代历程。(1)第1代结构型传感器它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如：电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识2.传传感技感技 1.3传感器的基础知识(2)第2代固体传感器这种传感器是20 世纪70 年代开始发展起来的，由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料的某些特性制成的，比如利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。70年代后期，随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展，出现集成传感器。集成传感器包括2种类型：传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化，例如：电荷耦合器件(CCD)、集成温度传感器(AD590)、集成霍尔传感器(UGN3501)等。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识(2)第第2 1.3传感器的基础知识(3)第3代智能传感器智能传感器是20世纪80年代刚刚发展起来的，其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。20世纪80年代智能化测量主要以微处理器为核心，把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上，使传感器具有一定的人工智能；20世纪90年代智能化测量技术有了进一步的提高在传感器一级水平实现智能化，使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。当今世界传感器市场正在以持续稳定的增长之势向前发展。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识(3)第第3代代 1.3传感器的基础知识1.3.4 传感技术的现状目前，全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和应用开发，研发机构达6 000余家，其中以美、日、俄等国实力较强，他们建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业，研发生产单位有4000余家、产品有20 000多种，对应用范围广的产品已实现规模化生产，大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。比较著名的传感器厂商有美国霍尼韦尔(Honeywel1)公司、福克斯波罗(Foxboro)公司、ENDEVCO公司、英国Bell Howell公司、Solartron公司、荷兰飞利浦、俄罗斯热工仪表所等。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识1.3.1.3传感器的基础知识1.我国我国传感技感技术的的现状状在国家的支持下，“八五”以来我国的传感技术及其产业取得了长足进步。当前我国正在重点开发的MEMS(微电子与微机械的结合)、MOMES(MEMS与微光学的结合)、智能传感器(MEMS与CPU、信息控制技术的结合)、生物化学传感器(MEMS与生物技术、电化学的结合)等以及今后将大力开发的网络化传感器(MEMS网络技术的结合)、纳米传感器(纳米技术与传感器技术的结合)均是多学科、多种新技术交叉融合的新一代传感器。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识1.我国我国传传感感 1.3传感器的基础知识2.国外国外传感技感技术的的发展展现状状国外传感器的发展各有特点。美国和日本在产品品种和性能方面不相上下，但某些技术(民用产品)日本发展较快。日本十分重视研究开发功能材料，并建立起很多专业化工厂，1986 年生产传感器17.57亿只，其发展特点是先占用民用产品市场，再向高水平发展。美国传感器研究水平较高，力图先解决研究上的难题，再转入生产，其特点是以“军”带“民”。欧洲在许多大学设立传感器研究中心，侧重于理论研究。国外传感器发展中的一种倾向是：制造技术、信号处理技术、新材料的研究开发与应用同时进行，并向集成化、多功能化、智能化、薄膜化方向发展。生物传感器、距离传感器、振动传感器、加速度传感器等年增长率均在16%以上，湿度传感器及烟道气体、热红外、热图像转距等类型的传感器，年增长率分别在10%以上。在美国，传感器大部分应用在军事、航空航天、石油、化工、汽车、飞机、自动化装备上；在日本，传感器多用于家用电器汽车、机械工具、机器人、工业装备上，法国和英国则在工业过程和飞机工业上得到较多的应用。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识2.国外国外传传感技感技术术的的发发展展 1.3传感器的基础知识3.我国我国传感技感技术与国与国际水平的比水平的比较综合国内外传感技术的发展现状来看，我国的优势有：(1)已经形成了研究、生产和应用体系、人材队伍和部分传感技术的优势，是传感器技术进一步发展的基础；(2)有一批先进的成果，如刀具/砂轮监控仪系列成果，石油油井用高温、高压传感检测系统、高精度热敏检测传感等；(3)有一个量大面广的用户市场。不可否认，我国传感技术与国际水平还有一定差距，不足之处有：(1)研究开发战略在系统性上的不足，如：传感器与传感系统未能统一布置，形成两套并列，相互脱节的攻关；(2)对传统传感器的革新改进不足，微小型化步子慢；(3)特殊环境和工程项目传感技术的研究开发尚未成熟；(4)集成化、智能化和纳米技术与国外差距大。因此，我国应继续实行“吸收型”的发展战略方针，引进技术、引进设备并加以改进提高，逐步形成自主的技术开发能力，并特别重视研究大生产工艺技术和提高产业水平，全面推进我国的传感技术发展。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识3.我国我国传传感技感技术术 1.3传感器的基础知识1.3.5传感技术的典型应用随着现代科学技术的高速发展，人们生活水平的迅速提高，传感器技术也越来越受到普遍重视，它的应用已渗透到国民经济的各个领域。1.光光纤传感感独具独具优势的地震的地震监测手段手段2.传感器在汽感器在汽车电控系控系统中的中的应用用3.传感器在各种技感器在各种技术领域中的域中的应用用传感器是新技感器是新技术革命和信息社会的重要技革命和信息社会的重要技术基基础，是当是当今世界极其重要的高科技，今世界极其重要的高科技，一切一切现代化代化仪器、器、设备几乎几乎都离不开都离不开传感器。例如，光感器。例如，光纤传感器具有灵敏度高、响感器具有灵敏度高、响应速度快、速度快、动态范范围大、防大、防电磁磁场干干扰、超高、超高压绝缘、无源、无源性、防燃防爆，适于性、防燃防爆，适于远距离遥距离遥测；红外外线传感器广泛感器广泛应用用于于军事上；生物事上；生物传感器可以感器可以积极地模极地模拟生物具有的生物具有的优秀感秀感觉功能和功能和对化学物化学物质的的识别能力；另外，能力；另外，还有医用有医用传感器、感器、海洋海洋传感器和原子能感器和原子能传感器等，感器等，广泛广泛应用于各种新型技用于各种新型技术领域中，如表域中，如表1-3所示。所示。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识1.3.5传传感技感技术术的的 1.3传感器的基础知识1.3.6传感器的发展趋势目前，人类社会已进入信息时代，信息技术对社会发展、科技进步将起决定性作用。传感器作为信息检测的必要工具，已成为生产自动化、科学测试、监测诊断等系统中不可缺少的基础环节。当今，传感器已经广泛地应用于各个领域，例如工业自动化、农业现代化、军事工程、航空航天技术、机器人技术、环境监测、安全保卫、医疗诊断、家用电器等领域，都与传感器有密切关系，科学技术的发展离不开传感器技术的保证。目前，微型计算机的迅速普及与发展以及强大的社会需求成为传感器技术发展的两股巨大推动力，促进传感器技术飞速发展，出现了“新型化、集成化、智能化”的发展趋势。传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，发现新现象，开发新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识1.3.6 1.3传感器的基础知识1开开发新型新型传感器感器鉴于传感器的工作原理是基于各种物理、化学和生物效应，由此启发人们发现新现象与新效应，并开发具有新效应的传感器敏感材料，这是研制新型传感器的重要基础，其意义极为深远。例如日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁传感器，是传感器技术的重大突破，它的灵敏度高，制造工艺简单，可用于磁成像技术；再比如利用量子力学效应（约瑟夫逊效应）的磁传感器可以检测极其微弱的信号，从而扩展了传感器的极限检测范围，是传感器技术发展的新趋势之一。2传感器的集成化和多功能化感器的集成化和多功能化传感器的集成化是半导体集成电路技术和微细加工工艺技术发展的必然趋势。所谓集成化，一方面是将传感器与后续的调理、补偿等电路集成一体化；另一方面是传感器本身的集成化，即将众多同一类型的单个传感器件集成为一维线型、二维阵列（面）型传感器，例如CCD器件等，或者将不同类型的敏感器件集成在一起实现多功能化。前一种集成化使传感器由单一的信号变换功能扩展为兼有放大、运算、干扰补偿等多功能；后一种集成化使传感器的检测参数由点到线到面到体多维图像化，变单参数检测为多参数检测。1.3传传感器的基感器的基础础知知识识1开开发发新型新型 1.3传感器的基础知识3传感器的智能化感器的智能化传感器与微处理器相结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，而且具有信息处理功能（如记忆、存储、自诊断、自校准、自适应等）。例如美国霍尼尔公司的ST3000型智能传感器，在同一芯片上制作CPU、EPROM和静压、压差、温度等三种敏感元件，其芯片尺寸为342mm2。4开开发仿生仿生传感器感器仿生传感器是指模仿人或动物的感觉器官的传感器，即视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器、触觉传感器等。例如鸟的视觉（视力为人的850倍）；蝙蝠、海豚、飞蛾的听觉（主动型生物雷达超声波传感器）；蛇的接近觉（分辨力达0.001的红外测温传感器）等等，这些生物的感官性能，是当今传感器技术所望尘莫及的。研究它们的机理、开发仿生传感器，也是值得注意的一个发展方向，应该予以高度重视。作业：P38：1-1；1-5 1.3传传感器的基感器的基础础知知识识3传传感器感器