传感器与检测技术基础

1.1 传感器概述
能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被 测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部 激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必 须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感 器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热 阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。 能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器 将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量， 主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电 效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传 感器。
1.1 传感器概述
按照物理原理分类： ★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； ★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； ★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； ★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、 光导纤维式、红外式、摄像式等； ★气电式传感器：电位器式、应变式； ★热电式传感器：热电偶、热电阻； ★波式传感器：超声波式、微波式等； ★射线式传感器：热辐射式、γ 射线式； ★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻； ★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不 少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。
1.1 传感器概述
人与机器的机能对应关系图
外 界 对 象
感官
人脑
肢体
传感器
微机
执行器
1.1 传感器概述
5．传感器能够把自然界各种物理量和化学量等精确变换 为电信号 再经电子电路或计算机进行处理，从而对这 些量进行监测与控制 6．控制过程中传感器的作用可以与之一一对应
例：人眼（视觉）——光敏传感器 如CCD 光敏传感器 光电 倍增管 人耳（听觉）——压力传感器 如 电容式话筒 动圈式话筒 压 电陶瓷传感器 人皮肤（触觉）——压力传感器和温度传感器 压力传感器有 应变传感器、压电传感器等，温度传感器有热敏电阻、热电 偶等 人舌头（味觉）——味觉传感器 ，离子传感器
1.1 传感器概述
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。 这一定义包含了以下四个方面的含义： ①传感器是一种测量装置，能够完成检测任务； 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，主要是电量，如电压、电流、电容、电阻等。 ④输入量与输出量之间有对应关系，并且具有一定的转换精确 度
转换成电参量
在右图中， 电位器为传感元件 ，它将角位移转换 为电参量-----电阻 的变化（ΔR）
1.1 传感器概述
360度圆盘形电位器
右图所 示的360度圆 盘形电位器 的中间焊片 为滑动片， 右边焊片接 地，左边焊 片接电源。
1.1 传感器概述
测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转 换成易于处理的电压、电流或频率量。
传感器与检测技术基础
主 学 编：赵锋 袁桂玲 时：52
哈尔滨工程大学出版社
目录
第1章



传感器与检测技术基础 第2章 测量技术基础知识 第3章电阻应变式传感器 第4章 电感式传感器 第5章 电容式传感器 第6章 磁敏传感器 第7章 压电式传感器 第8章 热电式传感器 第9章 光电式传感器 第10章 数字式传感器
1.1 传感器概述
传感器的作用 a．测试技术
电参数的测量—电压 电流 功率 频率 阻抗 波形
非电参数的测量—机械量—位移、速度、加速度、力、扭 矩、应力应变 化学量—浓度、成分、PH值、湿度 生物量—酶、组织、菌类
1.1 传感器概述
b．现代信息产业的三大支柱 传感器技术 信息技术 计算机技术 c．传感器对于测试系统、自动控制系统成为不可缺少的部分 d．人与传感器的关系 定性:人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息 进行判断、处理，肢体作出相应的反映。 定量:传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提 取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理 ，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制.
按工作原理分
按输入量分类
按输出量分类
附：发展方向
开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新 材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化 开发新型传感器


开发新材料
新工艺的采用 集成化、多功能化 智能化
1．开发新型传感器
新型传感器包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生 传感器等方面。它们之间是互相联系的。 传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进 一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新 原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低 成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早， 目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积 偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱 人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感 器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值 得注意的发展动向。
1.1 传感器概述
工业自动化:
需要用各种传感器来监视和控制生产过程中各个参数使 设备工作在最佳工作状态没有传感器现代工业失去基础 例如工业自动化中的柔型制造系统FMS， 计算机集成制造 系统CIMS
基础科学研究： 超高温、超低温、超高压、超低压 、超强磁场、弱磁场 计算机科学： 计算机核心CPU部件有惊人的发展同时要求外部设备与之 相互匹配而外部硬件主要是传感器 结论： 现代社会各个领域都离不开传感器
在左图中，当电 位器的两端加上电源 后，电位器就组成分 压比电路，它的输出 量是与压力成一定关 系的电压Uo 。
1.1 传感器概述
1.1.3传感器的分类
1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等
2、按构成原理，结构型与物性型两大类
3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能 量转换型传感器
1.1 传感器概述
1.1.2传感器的组成
被测量
传感 器件
转换 器件
信号调节 （转换） 电路
电量
电源电路
1.1 传感器概述
1.敏感元件：（预变换器）将被测量（非电量）预先变换为另 一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量 2.转换元件：将感受到的非电量转换为电量的器件 例如将压力转变为电感电容或电阻 3.信号调节（转换）电路：将转换元件输出的电量变成 易于显示记录控制和处理的有用信号的电路 例如电桥 放大器 振荡器等 4. 电源电路：作用是提供能源 注意有的传感器需要外部供电,有的传感器则不需要外部 电源供电
物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。 物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以 物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要 性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管 它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上 的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用 各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传 感器，都属于物性型传感器。
弹簧管放大图当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转 动，从而带动电位器的电刷产生角位移。
1.1 传感器概述
其他各种弹性敏感元件
在上图中的各种弹性元件也能将压力转 换为角位移或直线位移。
1.1 传感器概述
压力传感器的外形及内部结构
1.1 传感器概述
被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件
第1章 传感器与检测技术基础
检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机 技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术 的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切 社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作 为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端 的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。 “ 没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世 界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官 一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信 息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。
1.1 传感器概述
分类法 型式 物理型 化学型 生物型 结构型 物性型 能量转换型 能量控制型 电阻式 电容式 电感式 压电式 磁电式 热电式 光电式 光纤式 长度、角度、振动、位 移、压力、温度、流量 、距离、速度等 模拟式 数字式 说 明 采用物理效应进行转换 采用化学效应进行转换 采用生物效应进行转换 以转换元件结构参数变化实现信号转换 以转换元件物理特性变化实现信号转换 传感器输出量直接由被测量能量转换而来 传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制 利用电阻参数变化实现信号转换 利用电容参数变化实现信号转换 利用电感参数变化实现信号转换 利用压电效应实现信号转换 利用电磁感应原理实现信号转换 利用热电效应实现信号转换 利用光电效应实现信号转换 利用光纤特性参数变化实现信号转换 以被测量命名（即按用途分类） 输出量为模拟信号（电压、电流、……） 输出量为数字信号（脉冲、编码、……） 按基本效应分类 按构成原理分类 按能量关系分类
1.1 传感器概述
信息的获取：
人类为了获取外界信息必须借助于传感器管 而单 靠自身的感觉器官就不够了，而传感器是人类五官的延 长，随着世界进入信息时代传感器是获取信息的主要途 径与手段 例如“阿波罗10”运载火箭部分，其检测加速度、 声学、温度、压力、振动、流量等应变参数传感器共有 2077个，而宇宙飞船部分共有各种传感器1218个 数量 大 要求也很高
1.1 传感器概述
中华人民共和国国家标准也对传感器的定义作了类 同的规定，定义为：传感器是指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 ，通常由敏感元件和转换元件组成。所以传感器又称 为敏感元件、转换元件等。 如在电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件及 气敏元件，在机械测量中的转矩、转速测量装置，在 超声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器 。
1.1 传感器概述
检测的基本任务就是获取有用的信息，通 过借助专门的仪器、设备，设计合理的实验方 法以及进行必要的数据分析与数据处理，从而 获得与被测对象有关的信息，最后将结果提供 显示或输入其他信息处理装置、控制系统。
1.1
传感器概述
1.1.1传感器的概念 1.传感器：是将各种非电量（物理、化学、生物）等按一定 规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量） 的装置。 2.传感器技术：利用物理化学和生物学科的某些效应（压电 效应热电效应）、守恒原理（能量动量电荷量）场论（力场 电磁场、矢量场等）物理定律（欧姆定律、虎克定律）及材 料特性按一定工艺制造的 传感器技术 ： 检测（传感）原理 材料科学 工艺加工 三个要素的最佳结合
4、按照物理原理分类：十种 5、按照传感器的用途分类 ：位移、压力、振动、温度传感器 6、根据转换过程可逆与否 ：单向和双向 7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号
1.1 传感器概述
结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运 动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式 给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数 学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元 件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为 基பைடு நூலகம்。
第11章 智能传感器
本教学大纲要求

课程的目的与任务 传感器是感知、获取与检测信息的窗口，它处于研究对象与测控系统的接 口位置，是自动测控系统的重要环节，一切科学实验和生产过程要获取的 信息，都是通过传感器转换。 课程的基本要求 通过对本课程的学习，要求学生掌握传感器的工作原理、基本结构、测量 电路及各种应用，熟悉非电量测量的基本知识及误差处理方法，熟悉工业 过程主要参数的检测方法，了解传感器的发展趋势及在工业社会科技生活 中的广泛应用，具有正确应用传感器的能力，为毕业设计及以后工作打下 良好的基础。 与其它课程的联系与分工 学习本课程之前，要求学生先修《大学物理》、《电路理论》、《模拟电 子技术》、《数字电子技术》、《电气测量技术》，本课程也是《过程控 制系统及仪表》的先修课程。
1.1 传感器概述
举例：测量压力的电位器式压力传感器
1-弹簧管 2-电位器
1.1 传感器概述
弹性敏感元件（弹簧管）
敏感元件在传感器中直接感受被测量，并 转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非 电量。
1.1 传感器概述
弹性敏感元件（弹簧管）
在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α
1.1 传感器概述