传感器 概述PPT讲稿.ppt

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1、传感器感器 概述概述第1页，共54页，编辑于2022年，星期三Q1:人机系统的机能对应关系人机系统的机能对应关系人体系统是如何感知外界信息的？人体系统是如何感知外界信息的？人的五官人的五官人的五官人的五官1.1课程概述第2页，共54页，编辑于2022年，星期三人机系统机能对应关系外外外外界界信信信信息息感感 官官人人 脑脑肢肢 体体人人人人 体体体体 系系系系 统统统统传感器传感器计算机计算机执行器执行器机机机机 器器器器 系系系系 统统统统Sensor、Transducer“机电五官机电五官机电五官机电五官”第3页，共54页，编辑于2022年，星期三五官与传感器五官与传感器第4页，共54页，

2、编辑于2022年，星期三因此作为一种功能块地传感器可狭义的定义味：因此作为一种功能块地传感器可狭义的定义味：“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。”如下图所示：如下图所示：传感器来自外界的信号来自外界的信号电信号电信号第5页，共54页，编辑于2022年，星期三一、课程主要内容基础知识基础知识定义、分类定义、分类发展趋势发展趋势选用原则选用原则一般特性一般特性传感器原理传感器原理检测技术检测技术温度传感器温度传感器磁敏传感器磁敏传感器光电传感器光电传感器应变传感器应变传感器电感传感器电感传感器电容传感器电容传感器压电传感器压电传感器其他传感器其他传感器多

3、传感器融合多传感器融合检测电路检测电路现代检测系统现代检测系统传感器的工作原理、结构、主要参数传感器的工作原理、结构、主要参数第6页，共54页，编辑于2022年，星期三参考网址参考网址1仪表技术与传感器 http:/www.i-2传感器世界 http:/3中国传感器 http:/421IC中国电子网 http:/5传感器资讯网 http:/第7页，共54页，编辑于2022年，星期三传感器的重要性传感器的重要性作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展极为作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展极为迅速，可是起五种感觉模拟作用的传感器却发迅速，可是起五种感觉模拟作用的传感器却发展很慢，因而如果不进行传感器

4、的开发，现在展很慢，因而如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。互协调才行。传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。技术的必然趋势。第8页，共54页，编辑于2022年，星期三二、传感器的应用二、传感器的应用传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为

5、代表的尖端科学与工程等重要领发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛应用。域有广泛应用。同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展信信信信息息息息处处处处理理理理电电电电信信信信电电电电话话话话科科科科技技技技测测测测试试试试设设设设备备备备控控控控制制制制交交交交通通通通控控控控制制制制输输输输电电电

6、电系系系系统统统统机机机机床床床床机机机机器器器器人人人人家家家家用用用用电电电电器器器器照照照照相相相相机机机机汽汽汽汽车车车车飞飞飞飞机机机机船船船船舶舶舶舶气气气气象象象象海海海海洋洋洋洋环环环环境境境境污污污污染染染染医医医医疗疗疗疗防防防防火火火火光光光光能能能能利利利利用用用用热热热热能能能能利利利利用用用用土土土土木木木木建建建建筑筑筑筑农农农农林林林林机机机机械械械械能能能能利利利利用用用用货货货货币币币币金金金金融融融融食食食食品品品品11111155551101101031034747363659598181616127277878343431 3131 314747111

7、111707076769393616126262121242420201414需要量需要量需要量需要量第9页，共54页，编辑于2022年，星期三例例例例0-10-1：化工产品自动生产过程：化工产品自动生产过程：化工产品自动生产过程：化工产品自动生产过程石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业设备推动力设备推动力设备推动力设备推动力液体或气体液体或气体液体或气体液体或气体检测压力或压强检测压力或压强检测压力或压强检测压力或压强进料进料进料进料自动称重自动称重自动称重自动称重按比例混合按

8、比例混合按比例混合按比例混合反应容器内反应容器内反应容器内反应容器内液体液体液体液体成品成品成品成品半成品半成品半成品半成品在生产线上传输在生产线上传输在生产线上传输在生产线上传输自动控制传输速度自动控制传输速度自动控制传输速度自动控制传输速度自动控制容器液位自动控制容器液位自动控制容器液位自动控制容器液位测定容器中的压力体积测定容器中的压力体积测定容器中的压力体积测定容器中的压力体积自动称重自动称重自动称重自动称重分装计数分装计数分装计数分装计数1、自动检测与自动控制系统、自动检测与自动控制系统第10页，共54页，编辑于2022年，星期三传统：传统：传统：传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度

9、、燃料剩余量行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱 死装置、电子变速控制装置、汽车死装置、电子变速控制装置、汽车死装置、电子变速控制装置、汽车死装置、电子变速控制装置、汽车“黑匣子黑匣子黑匣子黑匣子”环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置环保：排气循

10、环装置、电子燃料喷射装置2、汽车与传感器、汽车与传感器第11页，共54页，编辑于2022年，星期三第12页，共54页，编辑于2022年，星期三 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、家庭影院衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、

11、电视机、录像机、家庭影院3、传感器与家用电器、传感器与家用电器家庭自动化蓝图家庭自动化蓝图家庭自动化蓝图家庭自动化蓝图第13页，共54页，编辑于2022年，星期三单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）检测臂的位置和角度传感器检测臂的位置和角度传感器检测臂的位置和角度传感器检测臂的位置和角度传感器红旗轿车焊装生产线红旗轿车焊装生产线红旗轿车焊装生产线红旗轿车焊装生产线隧道凿岩机器人隧道凿岩机器人隧道凿岩机器人隧道凿岩机器人4、传感器在机

12、器人上的应用、传感器在机器人上的应用第14页，共54页，编辑于2022年，星期三智能机器人：判断能力智能机器人：判断能力智能机器人：判断能力智能机器人：判断能力视觉传感器、触觉传感器视觉传感器、触觉传感器视觉传感器、触觉传感器视觉传感器、触觉传感器足球机器人足球机器人足球机器人足球机器人迎宾机器人迎宾机器人迎宾机器人迎宾机器人第15页，共54页，编辑于2022年，星期三泰坦尼克泰坦尼克中用于水下探测的中用于水下探测的“邓肯邓肯”号机器人号机器人第16页，共54页，编辑于2022年，星期三 20032003年年年年9 9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进月，全球现场直播埃及金字

13、塔世界最古老石棺的考古挖掘进月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。翼将在它的头上降临。翼将在它的头上降临。翼将在它的头上降临。”小机器人挑战法老咒语，代替科小机器人挑战法老咒语，代替科小机器人挑战法老咒语，代替科小机器人挑战法老咒语

14、，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。学家勇探胡夫金字塔内部秘道。学家勇探胡夫金字塔内部秘道。学家勇探胡夫金字塔内部秘道。“金字塔漫游者金字塔漫游者金字塔漫游者金字塔漫游者”，地面探测雷达、，地面探测雷达、，地面探测雷达、，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。超声波传感器（测石头厚度）。超声波传感器（测石头厚度）。超声波传感器（测石头厚度）。第17页，共54页，编辑于2022年，星期三医用电子学医用传感器：人体内部温度、血液、呼吸流量、肿瘤、心音、腔内压力、心脑电波6、传感器与航空及航天、传感器与航空及航天飞行器：控制在预定轨道上速度、加速度、飞行距离测量陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地

15、磁传感器周围环境、内部设备监控、本身状态5、传感器在医疗及人体医学上的应用、传感器在医疗及人体医学上的应用第18页，共54页，编辑于2022年，星期三环境监测仪器环境监测仪器7、传感器与环境保护、传感器与环境保护第19页，共54页，编辑于2022年，星期三温湿度、露点探头、温湿度、露点探头、CO2探探头、大气压力传感器头、大气压力传感器湿度传感器湿度传感器湿度传感器湿度传感器第20页，共54页，编辑于2022年，星期三飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波远红外线、微波船舶：超声波传感器船舶：超声波传感器微波微波微波微波红外接收传感器红外接收传感

16、器红外接收传感器红外接收传感器红外线分布差异红外线分布差异红外线分布差异红外线分布差异矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区地地 面面8、传感器与遥感技术、传感器与遥感技术第21页，共54页，编辑于2022年，星期三“信息时代的军事革命信息时代的军事革命”美国参联会副主席欧文斯上将美国参联会副主席欧文斯上将 “改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和上来。这场军事革

17、命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。”“陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物你也许将你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的军种（可称之为传感器军）成立一个把所有的传感器放在一起的军种（可称之为传感器军）用于观察战场用于观察战场”9、传感器在军事技术领域的应用、传感器在军事技术领域的应用美国高级将领与著名学者访谈录美国高级将领与著名学者访谈录陈伯江陈伯江第22页，共54页，编辑于2022年，星期三 三、地位及发展状况三、地位及发展状况1、现代测量与自动控制的首要环节、现代测

18、量与自动控制的首要环节传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官”，如果没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。2、衡量国家综合实力的重要标志、衡量国家综合实力的重要标志传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。第23页，共54页，编辑于2022年，星期三3、现代信息产业的三大支柱、现代信息产业的三大支柱通讯技术、计算机技术、传感器技术通讯技术、计算机技术、传感器技术 既是现代信既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展

19、的物质与技术基础。如果没有高度保真和性能可靠的传质与技术基础。如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，信息的准确获得与感器，没有先进的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之水，无本之木，现代测量与自动化也就成了无源之水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水中之月、镜中之花。技术随之变成水中之月、镜中之花。第24页，共54页，编辑于2022年，星期三4、各国政府高度重视、各国政府高度重视日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政

20、府还在21世纪技术预测中将传感器列为首位。美国白宫将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。西欧各国在制定“尤里卡”发展计划中，把传感器技术作为优先发展的重点技术。我国政府在“863计划”及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。第25页，共54页，编辑于2022年，星期三四、发展方向四、发展方向新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究1、努力实现传感器的新特性、努力实现传感器的新特性检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应速度快、互换性好2、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命、确保传感器的可靠性，延长其使用寿

21、命3、提高集成化和功能化程度、提高集成化和功能化程度信息处理功能一体化：敏感元件、电路、执行机构,传感器功能和信息处理功能一体化第26页，共54页，编辑于2022年，星期三4、微型化、微型化微机电系统 MEMS（Microelectro-mechanical System）轮廓尺寸在毫米量级、元件尺寸在微米量级、可运动的微型机电装置。借助集成电路的制造技术来制造机械装置集成电路：微型的齿轮、电机、泵、阀门、悬臂梁、光学镜片 执行机构 微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器第27页，共54页，编辑于2022年，星期三5、新型功能材料的开发、新型功能材料的开发各种新型传感器孕育在新材料之中。

22、半导体材料和新工艺的发展：半导体传感器压电半导体材料发展：压电集成传感器高分子压电薄膜的出现：机器人触觉传感器第28页，共54页，编辑于2022年，星期三高桥清（日），高桥清（日），“展望展望21世纪新技术革命中的传感器世纪新技术革命中的传感器”,传感器技术传感器技术，2001年第年第1期期人类文明史与传感器人类文明史与传感器人类文明史与传感器人类文明史与传感器第29页，共54页，编辑于2022年，星期三1.2 传感器的定义与组成传感器的定义传感器的定义与组成传感器的定义国家标准（国家标准（GB7665-87）中传感器（）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：）的定义：能够感受

23、规定的被测量并按照一定规律转换成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可用输出信号的器件或装置。传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务；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；等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；电物理量，主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器名称：发送器、传送器

24、、变送器、检测器、探头传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。第30页，共54页，编辑于2022年，星期三性能凌驾于人的感官之上性能凌驾于人的感官之上测量人体无法感知的量测量人体无法感知的量恶劣环境下工作恶劣环境下工作测量范围宽、精确高、可靠性好测量范围宽、精确高、可靠性好温度传感器：-196 1800压力传感器：0.01psi 10000psi精度：0.1%0.01%可靠度：8 9 级第31页，共54页，编辑于2022年，星期三传感器的组成传感器的组成辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件敏感元件（Se

25、nsitive element）：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件转换元件（Transduction element）：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路基本转换电路（Basic Transduction circuit）：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。第32页，共54页，编辑于2022年，星期三实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元

26、件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。第33页，共54页，编辑于2022年，星期三1.3 传感器的分类传感器的分类按传感器的构成进行分类：物性型和结构型物性型和结构型 按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、位移、速度、温度、压力传感器等压力传感器等 按传感器的输出量进行分类：模拟式和数字式模拟式和数字式 按传感器的基本效应分类：物

27、理型、化学型、生物型物理型、化学型、生物型按传感器的工作原理进行分类：应变式、电容式、电感式、压电应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等式、热电式传感器等 按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型）、无有源（能量控制型）、无源（能量变换型）源（能量变换型）一、传感器的分类一、传感器的分类第34页，共54页，编辑于2022年，星期三按传感器的输入量（即被测参数）进行分类被测量类别被测量类别被被 测测 参参数数热工量热工量 温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速速、风速机械量机械量 位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力

28、、力矩、位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声加速度、噪声物性和成分量物性和成分量 气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（PH值）、值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重盐度、浓度、粘度；密度、比重状态量状态量 颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量泄漏、表面质量 第35页，共54页，编辑于2022年，星期三按传感器的工作原理进行分类电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；磁电式传

29、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、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。第36页，共54页，编辑于2022年，星期三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

30、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础。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，

31、都属于物性型传感器。第37页，共54页，编辑于2022年，星期三能量控制型传感器，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。第38页，共54页，编辑

32、于2022年，星期三n各类传感器的工作原理、主要性能及其特点、应用。n使大家能合理地选择和使用传感器。n使学生了解常用传感器地工程设计方法和掌握常用传感器地试验研究方法。n了解传感器地发展方向等。二、分类目的二、分类目的第39页，共54页，编辑于2022年，星期三足够的容量传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。响应速度快，工作稳定，可靠性好。使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求

33、采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。三、传感器的一般要求三、传感器的一般要求第40页，共54页，编辑于2022年，星期三1.4 传感器技术的发展传感器技术的发展传感技术的发展分为两个方面传感技术的发展分为两个方面：提高与改善传感器的技术性能提高与改善传感器的技术性能寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。传感器性能的改善传感器性能的改善开展基础理论研究开展基础理论研究传感器的集成化传感器的集成化传感器的智能化传感器的智能化传感器的网络化传感器的网络化传感器的微型化传感器的微型化第41页，共54页，编辑于2022

34、年，星期三1.4.1 传感器性能的改善传感器性能的改善1差动技术差动技术差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。2平均技术平均技术在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为=/n式中 n传感单元数。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。第42

35、页，共54页，编辑于2022年，星期三3补偿与修正技术补偿与修正技术补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：针对传感器本身特性 针对传感器的工作条件或外界环境 对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。实现手段：补偿与修正，可以利用电子线路（

36、硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。第43页，共54页，编辑于2022年，星期三4屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：减小传感器对影响因素的灵敏度降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。第44页，共54页，编辑于2022年，星期三 5稳定性处理稳定性处理传感器作为长期测量或反复使用

37、的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。造成传感器性能不稳定的原因是：造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。感器的各种材料与元器件性能将发生变化。提高传感器性能的稳定性措施：提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。元件的

38、老化筛选等。在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。关键元器件进行老化处理。第45页，共54页，编辑于2022年，星期三1.4.2 开展基础理论研究开展基础理论研究 开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料开展基础研究，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和新工艺；实现传感器的集成化与智能化寻找新原理 开发新材料 采用新工艺 探索新功能第46页，共54页，编辑于2022年，星期三1.开发新型传感器开发新型传感器新型传感器包括：新型传感器包

39、括：采用新原理；采用新原理；填补传感器空白；填补传感器空白；仿生传感器等方仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。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物性性型型传传感感器器件件，这是发展高高性性能能、多多功功能能、低低成成本本和和小小型型化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。结结构构型型传传感感器器，一般说它的结结构构复复杂杂，体体积积偏偏大大，价价格格偏偏高高。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

40、、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。第47页，共54页，编辑于2022年，星期三2开发新材料开发新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。第48页，共54页，编

41、辑于2022年，星期三3新工艺的采用新工艺的采用在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。地用于传感器领

42、域。例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。第49页，共54页，编辑于2022年，星期三1.4.3 传感器的集成化、多功能化传感器的集成化、多功能化为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。制成功。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可

43、同时进行多种参数的测量外，把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。体状态。同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件组装成一个器件。第50页，共54页，编辑于2022年，星期

44、三1.4.4 传感器的智能化传感器的智能化对外界信息具有检测检测、数据处理数据处理、逻辑判断逻辑判断、自诊断自诊断和自适应自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。如，如，DS18B20、传感器测量系统、传感器测量系统第51页，共54页，编辑于2022年，星期三从构成

45、上看，智能式传感器是一个典型的以微处理从构成上看，智能式传感器是一个典型的以微处理器为核心的计算机检测系统。器为核心的计算机检测系统。第52页，共54页，编辑于2022年，星期三同一般传感器相比，智能式传感器有以下几个显著特点：同一般传感器相比，智能式传感器有以下几个显著特点：精度高稳定、可靠性好:它具有自诊断、自校准和数据存储功能，对于智能结构系统还有它具有自诊断、自校准和数据存储功能，对于智能结构系统还有自适应功能。自适应功能。检测与处理方便:它不仅具有一定的可编程自动化能力，可根据检测对象或条件的改它不仅具有一定的可编程自动化能力，可根据检测对象或条件的改变，方便地改变量程及输出数据的形

46、式等，而且输出数据可通过串行或并行通讯线直接送入变，方便地改变量程及输出数据的形式等，而且输出数据可通过串行或并行通讯线直接送入远地计算机进行处理。远地计算机进行处理。功能广:不仅可以实现多传感器多参数综合测量，扩大测量与使用范围，而且可以不仅可以实现多传感器多参数综合测量，扩大测量与使用范围，而且可以有多种形式输出有多种形式输出(如如RS232RS232串行输出，串行输出，PIOPIO并行输出，并行输出，IEEE-488IEEE-488总线输出以及经总线输出以及经D/AD/A转换后的转换后的模拟量输出等模拟量输出等)。性能价格比高:在相同精度条件下，多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相

47、比，在相同精度条件下，多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相比，其性能价格比高，尤其是在采用比较便宜的单片机后更为明显。其性能价格比高，尤其是在采用比较便宜的单片机后更为明显。第53页，共54页，编辑于2022年，星期三1.4.5 传感器的网络化传感器的网络化主要表现为两个方面主要表现为两个方面一是为了解决现场总线的多样性问题，一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE1451.2工作组建立了智能传感器接口模块工作组建立了智能传感器接口模块（STIM）标准）标准二是以二是以IEEE802.15.4（Zigbee）为基础的无线）为基础的无线传感器网络技术得以迅速发展传感器网络技术得以迅速发展第54页，共54页，编辑于2022年，星期三