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第1章 传感器的基本知识,1.1 传感器的应用领域,在日常生活中，从楼道的节能声光感应灯到空调、冰箱等加点设备的智能化控制都有传感器的身影。 传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。所以，80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，倍受重视。,1.1 传感器的应用领域,传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域。,1.1 传感器的应用领域,传感器技术与通信技术、计算机技术构成信息科学技术的三大支柱。 21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的自然信息的种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息获取技术即传感技术必须跟上信息化发展的需要。,1.1 传感器的应用领域,传感器的主要应用,1.1 传感器的应用领域,1.传感器与家用电器,自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院等。,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。,1.1 传感器的应用领域,1.传感器与家用电器,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,1.1 传感器的应用领域,2.传感器与机器人,机械手、机器人中的传感器：转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器等。,1.1 传感器的应用领域,2.传感器与机器人,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。,1.1 传感器的应用领域,3.传感器与生物医学,对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。 国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。,医学,1.1 传感器的应用领域,3.传感器与生物医学,生物酶血样分析传感器,光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,1.1 传感器的应用领域,4.传感器与航空及航天,航天,飞行器：控制在预定轨道上 速度、加速度、飞行距离测量周围环境、内部设备监控、本身状态 陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器,1.1 传感器的应用领域,5.传感器与汽车,高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要301 00种传感器。,1.1 传感器的应用领域,6.传感器与环境保护,保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。,烟尘浊度测量,1.1 传感器的应用领域,7.传感器与军事技术,先进的科学技术总是最先被应用于战争。 以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。 而当前由信息技术发展推动的军事革命把重点从作战平台转向如何观察战场、怎样传递所观察到的战场情况、怎样运用那些性能优越的精确武器的问题上来，从重视军舰、坦克和飞机转为重视信息获取技术和信息获取装置的作用，传感器、通信以及精确制导武器等已在战争中至关重要的作用。,1.1 传感器的应用领域,7.传感器与军事技术,海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署了4280辆坦克，多国部队只有3800辆坦克。但结果是伊拉克的坦克89被毁，而多国部队的坦克仅损失20辆。 这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优势及精确制导武器方面的明显差距造成的。 由近期的几场高技术条件下的局部战争可以看到，随着新军事革命浪潮的到来，高度信息化的武器平台已经开始发挥战场主导作用。,1.1 传感器的应用领域,7.传感器与军事技术,数字化战争需要利用全方位、多手段的传感器系统感知和收集战场各种信息，对这些信息进行判读、分析、综合与管理，实现“传感器-控制器-武器”一体化。 战场生物传感器不但能准确识别各种生化战剂，而且可与计算机配合，及时提出最佳防护和治疗方案，还可通过测定炸药、火箭推进剂的降解情况来发现敌人库存弹药的数量和位置，成为侦察的有效手段。,1.1 传感器的应用领域,8.传感器与农业,信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。,农业,21世纪的农业将是知识密集、技术密集的产业，设施农业可以有效提高农业生产效益和增强抗灾能力，借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件，摆脱自然制约，以达到高产、高效、优质。,1.2 传感器的定义,性能凌驾于人的感官之上： （1）测量人体无法感知的量 （2）恶劣环境下工作 （3）测量范围宽，精度高，可靠性好,人体的五官是感受外界刺激的感觉器官，它把感受到的刺激传给大脑，并做出相应的反应。在自动控制系统中，传感器相当于人类的感觉器官，它能把检测到的各种物理量、化学量、生物量和状态量等信息转换为电信号，并传给控制器进行处理、存储和控制。,1.2 传感器的定义,什么是传感器？,传感器：指将感受到的物理量、化学量等信息，按照一定的规律，转换成便于测量和传输的器件或装置。（国标GB7665-1987：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置）,温度传感器：-1961800 压力传感器：0.01psi10000psi 精度：0.1%0.01%,1.2 传感器的定义,这是一个比较广泛的定义，包含下面含义： （1）是测量装置，能完成测量任务； （2）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）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、电量，但主要是电量； （4）输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。,传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。,传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，传感器的组成的细节有较大差异。但是，总的来说，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成，如图所示。,1.3 传感器的组成,传感器组成框图,秋天到了。,敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。 转换元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。 信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。 常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。 辅助电路：通常包括电源等。,1.3 传感器的组成,压力传感器示例,1.3 传感器的组成,小结,1.传感器是指将感受到的物理量、化学量等信息，按照一定的规律，转换成便于测量和传输的器件或装置； 2.传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成；,
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