1-现代传感技术 概论

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②咖啡桌效应———学习功能
当你已知桌子上摆了一杯咖啡,并且发现在它的旁边放有 一个装着白色粉末的盘子时,你会立刻判断出那是白糖. 这是因为人能够根据经验判断出咖啡旁边的白色粉末应当 是白糖,不可能是食盐更不可能是其它化学药品. 而用工程传感器来判断盘子中的白色粉末是何物时,它并 不理会周围的环境条件,它得老老实实地判断出粉末的化 学成分后才能得到是白糖的结论. 这个例子说明了人的感官所具有的另一个职能:学习功能.
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人的感官在许多方面优于工程传感器
主要体现在以下几个方面: (1 )零维探测与多维感知 当我们进入某个房间时,一瞬间就可以判断出房间的大小,天花板的 高低,房间内人多人少等信息.这就是说,时间一定时,人的感知在 空间上是多维的.如果用测距型工程传感器来检测同一个房间,则某 一特定时刻只能判断某一指定点到传感器的距离.如果我们要测一面 墙的各点到传感器的距离,只有采用扫描的办法.也就是说,对于某 一时刻而言,工程传感器是点到点间的零维检测;而人体感官是多维 检测. (2 )单功能与多功能 当我们进入这个房间后,除了大小等几何尺寸外,还能感受到墙壁的 颜色,房间的冷热,空气流通情况,人多人少等多种信息.即人的感 官是多功能的;而工程传感器,例如温度传感器,只能测出房间某一 点的温度,所以说工程传感器是单功能的.
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新型传感器出现
由于计算机的出现和广泛应用,对包括近代传感器在内的输 入装置提出了更高的要求.人造卫星和宇宙飞船等新技术也 都要求采用各种新型传感器. 半导体集成技术成功地应用于传感器的研制与生产是现代电 子技术的重大突破,使传感器的发展进人了崭新的历史时期. 回顾一下几种传感器的发展简史可以清楚地征明这一点:
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④模糊效应:模拟量识别
人所感受的量许多是模糊量,如房间的舒适,环境的 整洁,心情的愉快,饮食的美味等等.而用工程传感 器研究这些问题时,它只能对某个量值,如房间的面 积,照度,灰尘量等加以判断. 从这个意义讲,工程传感器是数字量的检测而人的感 官是模拟量的识别.
Байду номын сангаас
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⑤森林效应:全局与部分
只见树木,不见森林,可以说正是工程传感器的写照. 也就是说工程传感器研究个体性质. 而人的感官则不同,既可以观察整体的森林又可以观 察个体的树木.这说明人的感官的空间上的广延性. 现代科技的进步使人们对于个体事物的观察愈来愈精 确,细致.人通过对于个体的观察,升华为对于全局 的把握,才能深刻的揭示全局的本质. 我们用森林效应来描述这个区别.
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传感器的性能基本要求:
(1)高性能:即传感器应有下述性能:高灵敏度, 高精度,高信噪比,线性,重复好,互换性强和 无滞后; (2)高可靠性:即传感器工作寿命长,适应环境; 安全可靠; (3)批量生产:即传感器应体积小,重量轻,结 构简单,且成本低廉. 目前传感器尚不能充分满足上述要求,在技术上 还存在一些未解决的问题.
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工程传感器与人体感官的比较
工程传感器,在许多方面它的性能甚至超过人的感官,可以举出以下 几个明显的例子: 1,工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量,如紫外线, 超声波,磁场等.从这个意义上讲,工程传感器具有人类所不具备的 特异功能; 2,有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测,但工程传感器测量 得更快,更精确.例如虽然人眼和光传感器都能检测可见光,进行物 体识别与测距,但是人眼的视觉残留约为 0 .1s,而光晶体管的响应 时间可短到纳秒以下;人眼的角分辨率为1′,而光栅测距的精确度 可达 1〃;激光定位的精度在月球距离 (3 8× 1 0 4km)范围内可达 1 0 cm以下; 3,工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变为视觉图 像.CT技术就是一个例子,它把人体的内部形貌用断层图像显示出 来,其他的例子还有遥感技术.
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在一个自动检测系统中,如果没有传感器,就不 能对被测参量精确可靠的测量. 在一个自动控制系统,如果没有传感器就无法监 测与控制在表征生产过程中各个环节的各种参 量,要实现自动控制是难以想象的. 传感器已经成为能否测量和测量效果优劣的关键. 传感器实际是现代测试技术和自动化技术的基础. 传感器是许多电子测量仪器设备,数字计算机控 制等系统的重要组成部分.
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其次,半导体传感器的工作原理,均基于半导体 材料的物理效应,它们除了具有易于感受信息, 响应速度快,小型,重量轻和便于集成等显著优 点外,还有一个重要的共同特征是均可直接将非 电量信息转换成为电信号. 由于电信号的处理方法比较成熟,便于检测和远 距离传输,特别是易于与计算机配合使用,因而 有力地推动了新型仪表与控制等应用领域中,发 挥越来越大的作用.
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电测法的优点:
(1)精度高; (2)灵敏度高,在很大范围内可进行方便调整, 测试范围很广; (3)惯性小,反应快,能够进行快速变化的量的 测量,频域范围很广; (4)便于远距离传输和控制,可遥测,遥控; (5)便于仪器的通用化和专业化生产; (6)动力源普遍,有一定抗干扰能力,适合现场 使用.
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之所以人与工程传感器有这样的不同,首先是因为人脑的作用.人脑 具有学习功能,不仅能学习新知识还能把过去学过的知识加以组织利 用,人脑的分析判断能力是过去无数经验的综合,人脑可以处理不完 全的,暧昧的情报. 人的左右脑各有所长:左脑是逻辑地,微观地处理问题,而右脑是感 觉地,宏观地处理问题. 因此,单纯用左脑处理问题很类似于工程传感器. 人所具有的独到的认知能力归功于右脑的贡献.人可以对不完全的, 不确切的信息进行模糊处理.但是这种能力的极端地增强使得人的感 觉在某些情况下是不可信的,人也会受到欺骗,比如大家熟知的视觉 欺骗就是如此. 另外,人体感官是由生物体材料构成,它有环境适应,自修复,自诊 断,自增殖等功能,是智能材料,而工程传感器使用的工程材料,尚 不具备上述职能.
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(3 )微分与积分
设想上述房间内温度始终保持在 2 0℃.显然用工程型 温度传感器检测的话,温度指示是一个常数. 然而人从户外进入这个房间时,对这个房间冷热的感 觉则并非一定:在严冬觉得温暖而在盛夏又觉得凉爽. 这个现象说明人所感受的量往往不单取决于某一时刻 量的绝对值,而与前一时刻的比较关系密切. 用数学的概念,这意味着工程传感器测量的是积分型 变量,而人的感官感知的是微分型变量.
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传感器同计算机技术结合
可以弥补传感器的某些固有的缺欠,可获得如下 显著特点: (1)能实现对传感器本身的非线性进行线性处 理; (2)能消除传感器的噪声干扰; (3)能根据时间变化,可自动校正灵敏度和零 点; (4)能对环境温度效应进行温度补偿; (5)能使传感器具有自诊断功能.
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三,传感器的定义
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(4)非智能型与智能型
工程传感器是非智能型,而人的感官是智能型. 这一点可以用以下几个效应来形象地说明.
– ①宴会效应———选择功能 – ②咖啡桌效应———学习功能 – ③高桥效应———联想功能 – ④模糊效应———模拟量识别 – ⑤森林效应———全局与部分
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①宴会效应———选择功能
当我们出席一个嘈杂的宴会时,对于周围人的 高谈阔论可能充耳不闻,可是如果大会主席讲 到你的名字,你会异常敏锐地捕捉到这个声音. 也就是说人在背景噪声很高的情况下能选择性 地提高对于特定信号的接受灵敏度. 工程传感器则没有这个能力,它对所有信号不 加区分地以同样的灵敏度接受. 这是人的感官具有一个职能:选择功能.
转换 机械
换 光学转 气液转 换
力 光学参数 力 气液参数 力 电参数 力
位移 光学测试法 光电移动 (明暗条纹的变化) 气液测试法 气液的压力变化 电阻,电容,电感 电压,电流 电阻的变化
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x
机械参数
机械测试法
F
F
反光镜
电气 转换
F P 电测法
应变片
F
各种测试法的优缺点:
机械测试法: 惯性大,摩擦大,不便记录,不能测过程, 一般只能测静态量. 光学测试法: 精度最高,对环境要求较苛刻,一般需在实 验室中作标准或高精度测量. 气液测试法: 要求有合适的动力源,气体的压缩性,液体 的阻尼跟不上快速的变化,一般只能用于准静 态测量.
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五,传感器的应用
1,生产过程的测量与控制 在工农业生产过程中,对温度,压力,流量,位移, 液位和气体成分等参量进行检测,从而实现工作状态 的控制. 2,安全报警与环境保护 利用传感器可对高温,放射性污染以及粉尘弥漫等恶 劣工作条件下的过程参量进行远距离测量和控制,并 可实现安全生产.可用于温控,防灾,防盗等方面的 报警系统.在环境保护方面用于对大气与水质污染的 监测,放射性和噪声的测量等方面.
国标(GB7665-87)对传感器(Transducer/Sensor)定义: 能够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. 教科书对其定义: 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.
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四,传感器的组成
辅助电源
被测量 电量
二,传感器的发展概况
人类认识物质世界和改造世界的重要手段之一是 检测技术.传感器就是伴随着检测技术的发展而 出现的重要装置之一. 传感器具有把各种非电量转换成电信号并加以检 测的功能,它不仅可以代行人类五官的作用,而 且还可以感受人类感觉不到的微小的量和人类承 受不了的量,以及人类不能感知的量,因此在某 种意义上来说,它扩大了人类的感觉作用.
敏感元件
传感元件
信号调节转换电路
压力传感器示例
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在传感器技术产生之前,人完全是通过五官(视,听,嗅, 味,触)来获取外界的信息的,经过大脑的思维(信息处 理),做出相应的反应. 人体的五官确实是很敏感的"传感器",但同时所起作用 又是很有限的,有很多信息人的五官是无法直接感受到的, 例如磁场等.特别是对感觉到的信息不能进行精确的量化, 例如,我们的双手可以区分出两个物体的轻重,但却无法准 确分清其差别有多少. 传感器技术的应用不仅可以把我们无法直接感受的信息转换 成可以感受到的信号,还可以精确地进行量化,从这个意义 上讲,传感器是人们五官功能的补充和扩展.
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③高桥效应———联想功能
设想我们在地上放一块 2 0cm宽,十几米长的木板,不用说谁都可 以毫不胆怯地从上面走过去.可是如果我们把同样的木板架在几百米 的深渊之上,构成一个高桥,则恐怕绝大多数人不敢走过桥去.同样 的木板因放置高度不同导致如此不同的结果,是因为人在观察到木板 的几何形状,质地等外在特性的同时,还注意到木板桥架设高度,进 而预测到万一从木板上掉下去的后果,最后决定是否过桥. 如果让装备有工程传感器的机器人来过桥的话,则机器人将无视桥下 是平地还是深渊,都将按着一定的方向走过去. 这说明人既有瞬时多元观测的能力,又有联想与预见能力.这种联想 功能是人的感官智能化的又一个标志.工程传感器缺乏洞察危险的能 力也并不完全是坏事,我们可以把危险的,环境恶劣的工作交给工程 传感器控制的机器人去老老实实地完成.
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测试系统中常见的物理量
几何量—长度,角度,表面几何形状 机械量—振动(速度,加速度,位移),力, 压力,力矩,扭矩,功率,质量,硬度 热工量—温度,温度场,湿度,流量 光学量—照度,光学参数(焦距,透光率) 电磁量—电压,电流,电势,磁场强度 ……
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测试技术的方法(以测力为例)
客 观 物 理 量
现代传感技术
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院 王永红
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一, 传感器及测试技术
对各种物理量,化学量,和生物量的检测和控制 中,往往需要借助于敏感材料,硅材料等的某种 原理或效应,以便能够直接敏锐地感知,检测, 转换并传递被测对象之信息的装置称为传感器. 传感器及测试技术的发展与生产的发展,科技的 发展有着密切的联系.在工业发达的国家里,传 感器及测试技术的水平及其装置必定是相当先进 的,传感技术的应用领域也十分广泛.
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3,自动化设备和机器人 传感器可提供各种反馈信息,尤其是传感器与计算机 的结合,使自动化设备的自动化程度大大提高.在现 代机器人中大量使用了传感器,其中包括力,扭矩, 位移,超声波,转速和射线等许多传感器. 4,交通运输和资源探测 传感器可提供各种交通工具,道路和桥梁的管理,以 保证提高运输的效率与防止事故发生.还可用于陆地 与海底资源探测以及空间环境,气象等方面的测量. 5,医疗卫生和家用电器 利用传感器可实现对病患的自动检测与监护,可进行 微量元素的测定,食品卫生检疫等,尤其是作为离子 敏感器件的各种生物电极,已成为生物工程理论研究 的重要测试装置.传感器在民用设备中的应用,为家 庭生活提供了使用方便,性能安全可靠和节省能源的 家用电器.资料统计表明,家用电器中所采用的热敏 传感器占热敏传感器总产量的40%以上. 27