第一章-传感器的技术基础课件.ppt

现代传感器设计及应用现代传感器设计及应用2023/5/2612014.3第一章 传感器技术基础 传感器的概念与定义传感器的概念与定义 传感器的分类传感器的分类 传感器的构成传感器的构成传感器的地位和作用传感器的地位和作用2023/5/262 传感器最早来自传感器最早来自“感觉感觉”一词，工程技术领域一词，工程技术领域中，传感器认为是生物体五官的工程模拟。中，传感器认为是生物体五官的工程模拟。n中文：中文：传感器、变换器、敏感元件、换能器、传感器、变换器、敏感元件、换能器、一次仪表一次仪表n英文：英文：Sensor、Transducer、Detecter、Pick-up、Detecting elementn日：.敏感素子？n俄：2023/5/2631.11.1传感器的概念与定义传感器的概念与定义1.1.传感器概念传感器概念2023/5/2641.11.1传感器的概念与定义传感器的概念与定义1.1.传感器概念传感器概念 传感器是一种能把特定的被测量信息按一定传感器是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种规律转换成某种可用信号可用信号输出的器件或装置，以输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录显示和控制的要求。满足信息的传输、处理、记录显示和控制的要求。借助检测元件将一种形式的信息转换成另一借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。种信息的装置。物理量物理量电量电量n国外：国外：美国仪器仪表协会（美国仪器仪表协会（ISA）定义：）定义：传感传感器是把被测量变换为有用信号的一种装置。包器是把被测量变换为有用信号的一种装置。包括敏感元件、变换电路以及把这些元件和电路括敏感元件、变换电路以及把这些元件和电路组合在一起的机构。组合在一起的机构。2023/5/2661.11.1传感器的概念与定义传感器的概念与定义2.2.传感器定义传感器定义目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。n非电量电测法非电量电测法n定义：定义：通过传感器把被测的非电量（如压力、通过传感器把被测的非电量（如压力、流量、温度等）转换成电信号（电压、电流、流量、温度等）转换成电信号（电压、电流、电阻、电感等）输出，再经过二次仪表测量出电阻、电感等）输出，再经过二次仪表测量出电信号的大小，然后根据电信号与非电量之间电信号的大小，然后根据电信号与非电量之间的关系，最后得到非电量的数值。这类仪表称的关系，最后得到非电量的数值。这类仪表称为为电测仪表电测仪表。这种方法称为。这种方法称为非电量电测法非电量电测法。2023/5/267n以上均为传感器的狭义定义，综合国内以上均为传感器的狭义定义，综合国内外传感器的定义可得到其外传感器的定义可得到其广义定义广义定义：可感可感知信息并能进行转换的器件和装置。知信息并能进行转换的器件和装置。2023/5/2681.11.1传感器的概念与定义传感器的概念与定义n机械量机械量:长度、厚度、位移、速度、加速度、长度、厚度、位移、速度、加速度、n 旋转角、转数、质量、重量、力、旋转角、转数、质量、重量、力、n 压力、真空度、力矩、风速、流速、压力、真空度、力矩、风速、流速、n 流量；流量；n声声:声压，噪声。声压，噪声。n磁磁:磁通，磁场。磁通，磁场。n温度温度:温度、热量、比热。温度、热量、比热。n光光：亮度、色彩。亮度、色彩。2023/5/26101.2.1.2.传感器的分类传感器的分类2.2.按被测物理量分类按被测物理量分类2023/5/2611机械式机械式,电气式电气式,光学式光学式,流体式等流体式等.3.3.按传感器工作原理分类按传感器工作原理分类:1.2.1.2.传感器的分类传感器的分类线速度型传感器线速度型传感器2023/5/2613分为：能量转换型和能量控制型分为：能量转换型和能量控制型 5.5.按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作.无源传感器无源传感器 例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计.能量控制型能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部有源传感器有源传感器 供给能量的变化供给能量的变化.例如例如:电容、电感型电容、电感型 传感器传感器.1.2.1.2.传感器的分类传感器的分类n敏感元件：敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（也包括并输出与被测量成确定关系的其他量（也包括电量）的元件。电量）的元件。n转换元件：转换元件：将敏感元件输出的非电物理量（如将敏感元件输出的非电物理量（如应变、位移、应力等）转换为电学量的元件。应变、位移、应力等）转换为电学量的元件。n测量电路：测量电路：能把转换元件输出的电信号转换为能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。电路。2023/5/26151.3 传感器的构成传感器的构成n1.传感器的基本构成传感器的基本构成1.3 传感器的构成传感器的构成（1）基本型：）基本型：基本型是最简单、最基本的传感基本型是最简单、最基本的传感器构成形式，也叫自源型，只由敏感元件单独器构成形式，也叫自源型，只由敏感元件单独组成。输出量多为力学量输出量一般为电学量。组成。输出量多为力学量输出量一般为电学量。特点：不需要外能源，敏感元件可直接从被测特点：不需要外能源，敏感元件可直接从被测对象获得能量，并转换成电量。对象获得能量，并转换成电量。n如：如：热电偶传感器，压电传感器等。热电偶传感器，压电传感器等。2023/5/2616n2.传感器的构成方法传感器的构成方法敏感元件敏感元件输出输出输入输入1.3 传感器的构成传感器的构成(3)有源变换型：有源变换型：在有源型基础上加上转换电路而在有源型基础上加上转换电路而构成。构成。2023/5/2618n2.传感器的构成方法传感器的构成方法敏感元件敏感元件输出输出输入输入辅助能源辅助能源转换电路转换电路n如：电阻应变式、电感位移式、电涡流位移式等。如：电阻应变式、电感位移式、电涡流位移式等。1.3 传感器的构成传感器的构成（4）双敏感元件补偿型：）双敏感元件补偿型：采用原理相同，性能采用原理相同，性能一致的的两个敏感元件加辅助电路构成。一致的的两个敏感元件加辅助电路构成。2023/5/2619n2.传感器的构成方法传感器的构成方法电源电源敏感元件敏感元件输出输出输入输入转换电路转换电路敏感元件敏感元件环境环境影响影响n如：应变式、固态压阻式等传感器如：应变式、固态压阻式等传感器1.3 传感器的构成传感器的构成2023/5/2620n2.传感器的构成方法传感器的构成方法电源电源敏感元件敏感元件输出输出输入输入转换电路转换电路敏感元件敏感元件环境环境影响影响（5）推挽型：测量时输入信号同时加到原理）推挽型：测量时输入信号同时加到原理相同、性能一致的两个敏感元件上，通过测相同、性能一致的两个敏感元件上，通过测量电路，使有用的输出量增加，干扰相减。量电路，使有用的输出量增加，干扰相减。1.3 传感器的构成传感器的构成（6）环境敏感元件补偿型：）环境敏感元件补偿型：由两个原理性质不由两个原理性质不同的敏感元件为核心组成。同的敏感元件为核心组成。2023/5/2621n2.传感器的构成方法传感器的构成方法电源电源敏感元件敏感元件输出输出输入输入转换电路转换电路敏感元件敏感元件环境环境影响影响n如：采用热敏元件的温度补偿、压电的温度如：采用热敏元件的温度补偿、压电的温度和加速度干扰补偿等和加速度干扰补偿等1.3 传感器的构成传感器的构成(7)反馈型：反馈型：传感器敏感元件同时兼做反馈元件，使传感器敏感元件同时兼做反馈元件，使传感器输入处于平衡状态，也称为平衡式传感器。传感器输入处于平衡状态，也称为平衡式传感器。目前主要有力反馈型和热反馈型。目前主要有力反馈型和热反馈型。2023/5/2622n2.传感器的构成方法传感器的构成方法反向敏感元件反向敏感元件输出输出输入输入敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件电量电量非电量非电量n如：差动电容力平衡式加速度传感器、热线如：差动电容力平衡式加速度传感器、热线热反馈型流速传感器等。热反馈型流速传感器等。2.基础科学领域：基础科学领域：宏观上千光年宇宙微观 10-13 cm微粒 时长数十亿年天 10-24 秒瞬变 温度1亿度等离子0.01k超导体？压力3000大气压 10-15 mmHg真空 从宏观到微观的测试，均离不开传感器n3.生活领域：生活领域：家用领域（饭、洗、报警）交通领域（汽、火、飞、船）、高速动车1.4传感器的地位和作用传感器的地位和作用1.4传感器的地位和作用传感器的地位和作用n二、信息社会的两大支柱二、信息社会的两大支柱 n1、从第一次产业革命说起、从第一次产业革命说起n（1）动力体力n（2）信息（感知、控制）脑力n2、电脑与电五官、电脑与电五官 n 笨拙的“人机”联系“人传感器计算机”“大脑发达、五官迟钝大脑发达、五官迟钝”被动局面被动局面 n计算机核心、芯片运算记忆功能1倍年n电路密度还可增100倍、价格战略重点的转移战略重点的转移n八十年的技术革新的主角是传感器n我国2012年开始关注先进仪器仪表的研制：国内研究人员的研究成果均用国外的先进仪器设备测试。本课程的要求：本课程的要求：n一、外文翻译：一、外文翻译：新型传感器n二、自学内容：二、自学内容：分为8个小组，每组选择一个方向形成报告，并制作精美PPT，课堂讲述。n三、参考资料：三、参考资料：n传感器及应用手册：大连理工大学孙宝元n测试技术基础：清华大学王伯雄n工程测试与信号处理:华中科技大学蔡共宣 林富生