测试技术-1.3传感器的基础知识课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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传感器的基础知识1.3传感器的基础知,1.3,传感器的基础知识,图,1-16,传感技术关系网,1.3传感器的基础知识,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（,GB7665,87,），,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传感器的基础知识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传感器的基础知识（2）从传感器,1.3,传感器的基础知识,图,1-17,传感器组成框图,1.3传感器的基础知识,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传感器的基础知识图中的敏感元件,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,按被测量分类,（,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传感器的基础知识1.,1.3,传感器的基础知识,2,按测量原理分类,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,按信号变换特征分类,（,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传感器的基础知识2按测量原理,1.3,传感器的基础知识,4,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传感器的基础知识4按能量关系,1.3,传感器的基础知识,1.3.3,传感技术的起源与发展,1.,传感技术的起源,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传感器的基础知识,1.3,传感器的基础知识,图,1-18,传感器与人的感观之间的关系,1.3传感器的基础知识图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传感器的基础知识,1.3,传感器的基础知识,2.,传感技术的发展历程,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传感器的基础知识2.传感技,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传感器的基础知识(2)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传感器的基础知识(3)第3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传感器的基础知识1.3.,1.3,传感器的基础知识,1.,我国传感技术的现状,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传感器的基础知识1.我国传感,1.3,传感器的基础知识,2.,国外传感技术的发展现状,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传感器的基础知识2.国外传感技术的发展,1.3,传感器的基础知识,3.,我国传感技术与国际水平的比较,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