工信版（中职）传感器及应用第六章教学课件.ppt

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1、YCF（中职）传感器及应用第六章教学课件 第第6章检测仪表概述章检测仪表概述6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念6.2 常用检测仪表常用检测仪表6.3 集成传感器集成传感器6.4 智能传感器智能传感器6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念6.1.1 检测仪表的组成检测仪表的组成 一般检测仪表的基本组成大致可分为以下几部分。一般检测仪表的基本组成大致可分为以下几部分。1.传感部分传感部分 传感部分的作用是感受被测参数的变化，拾取原始信号，传感部分的作用是感受被测参数的变化，拾取原始信号，并把它变换成放大部分或显示部分所能接受的信号传递出去。并把它变换成放大部分或显示部分所能接受的信

2、号传递出去。传感部分也称为检测元件。例如，弹簧管压力表中的弹簧管，传感部分也称为检测元件。例如，弹簧管压力表中的弹簧管，热电高温计中的热电偶等，就是传感部分。在许多仪表中，热电高温计中的热电偶等，就是传感部分。在许多仪表中，常常是依靠仪表的传感部分将被测的非电量转换成电量。传常常是依靠仪表的传感部分将被测的非电量转换成电量。传感部分是检测仪表必不可少的重要组成部分，因为如果连原感部分是检测仪表必不可少的重要组成部分，因为如果连原始信号都无法拾取，也就谈不上对信号的进一步处理了。始信号都无法拾取，也就谈不上对信号的进一步处理了。2.转换放大部分转换放大部分 转换放大部分的作用是转换放大部分的作用

3、是:将传感部分输出的微弱信号进行将传感部分输出的微弱信号进行下一页返回6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念放大，以便于传输和显示放大，以便于传输和显示;为便于进行信号处理而进行的模为便于进行信号处理而进行的模/数数(A/D)转换。此外，如果传感部分的输出信号是非电量，而转换。此外，如果传感部分的输出信号是非电量，而显示记录部分要求输人电信号时，还须在转换放大部分完成非显示记录部分要求输人电信号时，还须在转换放大部分完成非电量一电量的转换。电量一电量的转换。3.显示记录部分显示记录部分 显示记录部分的作用是显示或记录被测参数的测量结果。常显示记录部分的作用是显示或记录被测参数的测量结果。

4、常见的显示记录部件有指针表盘、记录器、数字显示器、打印机、见的显示记录部件有指针表盘、记录器、数字显示器、打印机、监视器等。监视器等。4.数据处理部分数据处理部分 一些比较复杂的检测仪表，在其感受信号至最终显示之间，一些比较复杂的检测仪表，在其感受信号至最终显示之间，有时还有一套数据加工和处理环节，包括计算、校正环节等。有时还有一套数据加工和处理环节，包括计算、校正环节等。6.1.2 检测仪表的分类检测仪表的分类 工业生产中所用的检测仪表，其结构与形式是多种多样的，工业生产中所用的检测仪表，其结构与形式是多种多样的，上一页返回下一页6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念可以根据不同的原则

5、进行相应的分类。常见的分类方法如下可以根据不同的原则进行相应的分类。常见的分类方法如下:1.按被测参数的不同来分按被测参数的不同来分 按被测参数的不同通常可分为按被测参数的不同通常可分为:温度测量仪表、压力测量温度测量仪表、压力测量仪表、流量测量仪表、物位测量仪表、机械量测量仪表、工仪表、流量测量仪表、物位测量仪表、机械量测量仪表、工业分析仪表等。其中，机械量测量仪表和工业分析仪表还可业分析仪表等。其中，机械量测量仪表和工业分析仪表还可根据被测的具体参数进一步划分，如转速表、加速度计、根据被测的具体参数进一步划分，如转速表、加速度计、pH计、溶解氧测定仪等。按被测参数的不同进行分类是工业检计、

6、溶解氧测定仪等。按被测参数的不同进行分类是工业检测仪表中最常见的分类方法。测仪表中最常见的分类方法。2.按检测原理或检测元件的不同来分按检测原理或检测元件的不同来分 按检测原理或检测元件的不同可分为按检测原理或检测元件的不同可分为:弹簧管压力表、活弹簧管压力表、活塞式压力计、靶式流量计、转子流量计、电磁流量计、超声塞式压力计、靶式流量计、转子流量计、电磁流量计、超声波流量计等。波流量计等。3.按仪表输出信号的特点与形式来分按仪表输出信号的特点与形式来分下一页返回上一页6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念按仪表输出信号的特点与形式大致可进行以下划分按仪表输出信号的特点与形式大致可进行以下

7、划分:(1)开关报警式当被测参数的大小达到某一定值时，仪表开关报警式当被测参数的大小达到某一定值时，仪表发出开关信号或报警。例如一氧化碳报警器，当室内空气中发出开关信号或报警。例如一氧化碳报警器，当室内空气中的的CO含量达到一定数值时，即可发出报警信号含量达到一定数值时，即可发出报警信号;安装在管道安装在管道中的流量开关，可以判断管道中有无流体流动中的流量开关，可以判断管道中有无流体流动;在食品发酵工在食品发酵工业和化工产品生产过程中，可用做进料指示器和保险装置。业和化工产品生产过程中，可用做进料指示器和保险装置。(2)模拟式检测仪表的输出信号是连续变化的模拟量。例模拟式检测仪表的输出信号是连

8、续变化的模拟量。例如，各种指针式仪表以及笔式记录仪表等。如，各种指针式仪表以及笔式记录仪表等。(3)数字式检测仪表的输出信号是离散的数字量。由于以数字式检测仪表的输出信号是离散的数字量。由于以数字形式给出测量结果，避免了人为的读数误差，而且其输数字形式给出测量结果，避免了人为的读数误差，而且其输出信号便于与计算机连接进行数据处理及实现数控加工。出信号便于与计算机连接进行数据处理及实现数控加工。(4)远传变送式这类检测仪表常称为变送器，是一种单元远传变送式这类检测仪表常称为变送器，是一种单元组合式仪表。它与其他单元组合式仪表组合式仪表。它与其他单元组合式仪表(如调节单元、显示如调节单元、显示上一

9、页 下一页返回6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念单元等单元等)之间以统一标准信号联系，一般用于工业生产过程的之间以统一标准信号联系，一般用于工业生产过程的在线检测和自动控制系统中。在线检测和自动控制系统中。6.1.3 变送器变送器 变送器是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的单元变送器是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的单元组合式仪表就称为变送器。标准信号是物理量的形式和数值组合式仪表就称为变送器。标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。范围都符合国际标准的信号。1.气动变送器气动变送器 气动变送器以干燥、洁净的压缩空气作能源，它能将各种气动变送器以干燥、洁净的压

10、缩空气作能源，它能将各种被测参数被测参数(如温度、压力、流量、液位等如温度、压力、流量、液位等)变换成变换成0.02一一0.1 MPa的气压信号，以便传送给调节、显示等单元组合式仪的气压信号，以便传送给调节、显示等单元组合式仪表，供指示、记录或调节。气动变送器的结构比较简单、工表，供指示、记录或调节。气动变送器的结构比较简单、工作比较可靠，对电磁场、放射线及温度、湿度等环境影响的作比较可靠，对电磁场、放射线及温度、湿度等环境影响的抗干扰能力较强，能防火防爆，价格也比较便宜。其缺点是抗干扰能力较强，能防火防爆，价格也比较便宜。其缺点是上一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表6.2.1 温度检测

11、仪表温度检测仪表 温度检测仪表大多是把热电偶、热电阻测得的温度信号正温度检测仪表大多是把热电偶、热电阻测得的温度信号正比地转变为直流信号输出，并以单元组合仪表出现，即温度比地转变为直流信号输出，并以单元组合仪表出现，即温度变送器。它与指示仪、记录仪、调节器、执行机构等组成自变送器。它与指示仪、记录仪、调节器、执行机构等组成自动化过程调节系统或指示回路。动化过程调节系统或指示回路。把计算机技术和通信技术应用于温度变送器形成的智能式把计算机技术和通信技术应用于温度变送器形成的智能式温度变送器，充分体现出使用伏热温度变送器，充分体现出使用伏热.是混度拱器的重女革新。是混度拱器的重女革新。WFHX一一

12、63型便携式红外辐射温度计结构原理如型便携式红外辐射温度计结构原理如图图6-3所示。被测辐射体能量通过光学系统会聚在探测器上所示。被测辐射体能量通过光学系统会聚在探测器上;探测器探测器输出电信号，由前置放大器放大后，按一定规律通过模拟开输出电信号，由前置放大器放大后，按一定规律通过模拟开关，经关，经A/D转换后进入转换后进入CPU;CPU根据内存程序将被测物体根据内存程序将被测物体相应的各种温度或辐射出射度通过相应的各种温度或辐射出射度通过vo接口，显示在显示屏上接口，显示在显示屏上;对环境温度影响由环境温度检测器给予补偿。温度计通过对环境温度影响由环境温度检测器给予补偿。温度计通过D/A转换

13、成转换成0一一1V的输出，可对被测对象进行记录和调节。的输出，可对被测对象进行记录和调节。下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表 6.2.2 压力检测仪表压力检测仪表 压力或差压检测仪表通常是将测量的现场压力或差压信号压力或差压检测仪表通常是将测量的现场压力或差压信号转换成标准的信号输出，即压力、差压变送器。近代压力、转换成标准的信号输出，即压力、差压变送器。近代压力、差压变送器的检测方式有电容式、压阻式、电感式、振动频差压变送器的检测方式有电容式、压阻式、电感式、振动频率式等。目前最典型的产品是电容式压力、差压变送器和压率式等。目前最典型的产品是电容式压力、差压变送器和压阻型扩散硅压力、

14、差压变送器。这一代变送器主要有以下几阻型扩散硅压力、差压变送器。这一代变送器主要有以下几个特点个特点:.具有高精度、高可靠性，精度达到具有高精度、高可靠性，精度达到o.i%o.a%o .把压力测量元件对温度和静压的特征信号存储在内部程序把压力测量元件对温度和静压的特征信号存储在内部程序存储器内，在线测量时能随着温度和静压的变化而自动补偿。存储器内，在线测量时能随着温度和静压的变化而自动补偿。.应用数字通信技术，能进行远距离设定量程、零位等有关应用数字通信技术，能进行远距离设定量程、零位等有关数据。数据。上一页返回下一页6.2 常用检测仪表常用检测仪表.具有自诊断检测功能等。具有自诊断检测功能等

15、。1.主要技术性能主要技术性能 (1)测量范围。测量范围。0.12 kPa-41.37 kPa;量程比为量程比为1:15(智能型智能型),1:6(普通型普通型)。(2)测量精度测量精度10.1%(智能型智能型)，1 0.2%一一10.25%(普通型普通型)，10.5%(微差压微差压)。(3)输出信号直流电流输出信号直流电流4-20 mA;供电电源供电电源:直流电流直流电流12-45 V。2.差分电容结构及工作原理差分电容结构及工作原理 差分电容结构和等效电路如差分电容结构和等效电路如图图6-4所示。变送器电路设计所示。变送器电路设计时，使输出信号与中心感压极板的位移有关，而与高频供电时，使输出

16、信号与中心感压极板的位移有关，而与高频供电频率、电压幅值无关频率、电压幅值无关(在限定的范围内在限定的范围内)。因此，当差分电容。因此，当差分电容的的H 差分电容变送器电路差分电容变送器电路:有普通型和智能型两种。智能型有普通型和智能型两种。智能型1151变送器电路框图如变送器电路框图如图图6-5所示。所示。下一页返回上一页6.2 常用检测仪表常用检测仪表6.2.3 流量检测仪表流量检测仪表 近年来，随着机电一体化技术的发展，特别是微电子、计近年来，随着机电一体化技术的发展，特别是微电子、计算机技术在流量仪表中的应用，实现了仪表的智能化。按照算机技术在流量仪表中的应用，实现了仪表的智能化。按照

17、被测对象的物理特性以及对测量准确度要求，国内外分别研被测对象的物理特性以及对测量准确度要求，国内外分别研制了各种新型的流量仪表制了各种新型的流量仪表(见见表表6-1)。其中以电磁流量计、。其中以电磁流量计、漩涡流量计和质量流量计的发展最为迅速。漩涡流量计和质量流量计的发展最为迅速。1.典型流量仪表的结构及原理典型流量仪表的结构及原理 (1)漩涡流量计漩涡流量计的结构如漩涡流量计漩涡流量计的结构如图图6-6所示。它是一所示。它是一种速度式仪表，输出信号是脉冲频率信号或标准电流信号，种速度式仪表，输出信号是脉冲频率信号或标准电流信号，可远距离传输，输出信号与流量成正比可远距离传输，输出信号与流量成

18、正比;不受流体的温度、压不受流体的温度、压力、成分、豁度和密度的影响。力、成分、豁度和密度的影响。上海自动化仪表股份有限公司自动化仪表九厂生产的上海自动化仪表股份有限公司自动化仪表九厂生产的YF-100型漩涡流量计是用压电元件作为频率检测的漩涡流量计。型漩涡流量计是用压电元件作为频率检测的漩涡流量计。上一页 下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表(2)电磁流量计电磁流量计的结构如电磁流量计电磁流量计的结构如图图6-7所示。电磁流量计所示。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律研制而成的一种测量导电液体体是根据法拉第电磁感应定律研制而成的一种测量导电液体体积流量的仪表。由于电磁流量计的两个电极间

19、的距离积流量的仪表。由于电磁流量计的两个电极间的距离D即为即为切割磁力线的长度，相当于测量管的内径切割磁力线的长度，相当于测量管的内径2R，导体的流速。，导体的流速。相当于流体的平均流速也相当于导体在磁场相当于流体的平均流速也相当于导体在磁场(磁感应强度为磁感应强度为B)中垂直于磁力线方向的运动速度，所以感应电动势为中垂直于磁力线方向的运动速度，所以感应电动势为这样，管道内的流体流量为这样，管道内的流体流量为若若R一定，且有恒定的一定，且有恒定的B，则只要测得。，便可测出管道中的，则只要测得。，便可测出管道中的流体流量。当然，为了满足上式还必须满足以下的假设流体流量。当然，为了满足上式还必须满

20、足以下的假设:磁场磁场均匀分布恒定不变均匀分布恒定不变;被测导电流体流速分布是轴对称的被测导电流体流速分布是轴对称的;流体流体上一页 下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表磁导率与真空磁导率相同，且流体是非磁性的磁导率与真空磁导率相同，且流体是非磁性的;被测液体电导被测液体电导率一致和各向同性，且不受电磁场和液体运动的影响。率一致和各向同性，且不受电磁场和液体运动的影响。(3)质量流量计质量流量计结构如质量流量计质量流量计结构如图图6-8所示。这是一种所示。这是一种较为先进的流量仪表，其中最为广泛采用的是科里奥利质量较为先进的流量仪表，其中最为广泛采用的是科里奥利质量流量计。其原理是流量计

21、。其原理是:流体在振动管中流动时，产生与流量成正流体在振动管中流动时，产生与流量成正比的科里奥利力，通过对力的检测达到对质量流量的检测。比的科里奥利力，通过对力的检测达到对质量流量的检测。2.流量仪表的选用流量仪表的选用 由于流量仪表的原理结构特点不同，因而有不同的物理特由于流量仪表的原理结构特点不同，因而有不同的物理特性和适用场合。为了使用好流量仪表，选用时必须考虑以下性和适用场合。为了使用好流量仪表，选用时必须考虑以下要求及条件要求及条件:(1)按流量计对被测介质的适用性选择一般进行流量检测按流量计对被测介质的适用性选择一般进行流量检测的介质为液体、污染的液体、气体、饱和蒸汽等，在石化、的

22、介质为液体、污染的液体、气体、饱和蒸汽等，在石化、冶金、轻纺等行业中还有许多高豁度液体、含纤维浆液、冶金、轻纺等行业中还有许多高豁度液体、含纤维浆液、上一页 下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表天然气等。各种不同的测量介质均应选择适用的流量计才能天然气等。各种不同的测量介质均应选择适用的流量计才能达到测量精度的要求值，可参阅有关书籍。达到测量精度的要求值，可参阅有关书籍。(2)按照流量范围或流量刻度选用在实际流量测量中，被按照流量范围或流量刻度选用在实际流量测量中，被测流体的密度、温度和压力往往与标定时的不同，而流量仪测流体的密度、温度和压力往往与标定时的不同，而流量仪表一般均在特定介质

23、及状态下进行标定和刻度，通常液体用表一般均在特定介质及状态下进行标定和刻度，通常液体用水、气体则是用温度为水、气体则是用温度为20C、压力为、压力为9.8 x 104 Pa下的下的空气标定后分度的。空气标定后分度的。(3)按照工艺要求及流量参数变化选择在实际工况条件下，按照工艺要求及流量参数变化选择在实际工况条件下，流体的温度、压力、密度等。流体的温度、压力、密度等。(4)按照安装要求选用流量计在安装使用时，如果安装空按照安装要求选用流量计在安装使用时，如果安装空间位置受到限制，同时又遇到管路中存在弯头、阀门等阻力，间位置受到限制，同时又遇到管路中存在弯头、阀门等阻力，可根据不同情况选择合适的

24、流量仪表。可根据不同情况选择合适的流量仪表。上一页 下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表 6.2.4 物位检测仪表物位检测仪表 物位检测仪表用于测控物料的位置。物位分为液体物位和物位检测仪表用于测控物料的位置。物位分为液体物位和固体物位。液体物位包括液位和界面固体物位。液体物位包括液位和界面(两种不同液体间分界面两种不同液体间分界面的位置的位置);固体物位一般称为料位，料位按物料颗粒度大小分固体物位一般称为料位，料位按物料颗粒度大小分为粉料位、颗粒料位和块料位。为粉料位、颗粒料位和块料位。1.电容物位控制器电容物位控制器 与传统电容物位控制器不同，它不单纯检测电容，而是检与传统电容物位控

25、制器不同，它不单纯检测电容，而是检测物料形成的电容和电阻综合效应，因而又可叫做射频导纳测物料形成的电容和电阻综合效应，因而又可叫做射频导纳物位控制器。它采用相位检测、数字式电容校正以及等电位物位控制器。它采用相位检测、数字式电容校正以及等电位屏蔽技术，使仪表的灵敏度、稳定性及抗豁附能力大大提高。屏蔽技术，使仪表的灵敏度、稳定性及抗豁附能力大大提高。如如图图6-9所示，仪表由探头和电路两部分组成。探头呈双所示，仪表由探头和电路两部分组成。探头呈双层套筒式结构，中心是测量电极，外面用屏蔽电极包围，两层套筒式结构，中心是测量电极，外面用屏蔽电极包围，两者间绝缘，探头与料仓壁绝缘。工作时探头插入料仓内

26、，者间绝缘，探头与料仓壁绝缘。工作时探头插入料仓内，上一页 下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表测量电极和料仓壁构成测量电容器的两电极，料仓内物料就测量电极和料仓壁构成测量电容器的两电极，料仓内物料就是该电容器两极间的电介质。物料的多少反映了电容器内充是该电容器两极间的电介质。物料的多少反映了电容器内充填的电介质数量多少，决定了该电容器的电容量以及两电极填的电介质数量多少，决定了该电容器的电容量以及两电极间阻抗的大小。间阻抗的大小。2.超声波物位计超声波物位计 料位连续测量十分困难，目前还没有十分理想的仪表。在料位连续测量十分困难，目前还没有十分理想的仪表。在可选择的几种仪表中，超声波物

27、位计具有一定优势，它的优可选择的几种仪表中，超声波物位计具有一定优势，它的优势在于没有机械摩擦、非接触式测量、安装方便、维护量小势在于没有机械摩擦、非接触式测量、安装方便、维护量小且价格又不太贵。且价格又不太贵。超声波物位计的测量原理如超声波物位计的测量原理如图图6-10所示。仪表从探头发所示。仪表从探头发射一声脉冲，声脉冲离开探头直线传播到物料表面，被物料射一声脉冲，声脉冲离开探头直线传播到物料表面，被物料反射后回到探头，被探头接收。仪表测量发射和接收之间的反射后回到探头，被探头接收。仪表测量发射和接收之间的时间间隔，根据声速换算出探头到物料表面的距离时间间隔，根据声速换算出探头到物料表面的

28、距离(一般叫空一般叫空程程)，也可以算出料面的高度，也可以算出料面的高度(仪表安装高度减去空程仪表安装高度减去空程)。上一页返回下一页6.2 常用检测仪表常用检测仪表红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感，系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于横切方向而对于横切方向(即与半径垂直的方向即与半径垂直的方向)移动则最为敏感。因移动则最为敏感。因此选择合适的安装位置和安装工艺是使红外探头减少误报、此选择合适的安装位置和安装工艺是使红外探头减少误报、取得最佳检测灵敏度

29、极为重要的一环。取得最佳检测灵敏度极为重要的一环。返回上一页6.3 集成传感器集成传感器6.3.1 大规模集成电路对传感器的影响大规模集成电路对传感器的影响 大规模集成电路的发展和成熟，提供了大量价格便宜、使大规模集成电路的发展和成熟，提供了大量价格便宜、使用方便的微处理器电路和存储器电路。大规模集成电路的发用方便的微处理器电路和存储器电路。大规模集成电路的发展，无论是大规模集成电路本身的技术进步还是由它引起的展，无论是大规模集成电路本身的技术进步还是由它引起的计算机应用革命，都对传感器的发展起了巨大的促进作用，计算机应用革命，都对传感器的发展起了巨大的促进作用，这主要表现在以下几个方面。这主

30、要表现在以下几个方面。1.传感器向固体化、半导体化和集成化方向的发展传感器向固体化、半导体化和集成化方向的发展 功能强而价格低的计算机系统在各方面的广泛使用，特别功能强而价格低的计算机系统在各方面的广泛使用，特别在工业自动控制、机器人技术和自动检测等方面的应用，要在工业自动控制、机器人技术和自动检测等方面的应用，要求有大量精度高、尺寸小和价格便宜的传感器与之相适应。求有大量精度高、尺寸小和价格便宜的传感器与之相适应。另外，在这些应用中，计算机往往要直接接收从传感器输出另外，在这些应用中，计算机往往要直接接收从传感器输出的信号，这就要求传感器的输出直接是电学量。原来占主导的信号，这就要求传感器的

31、输出直接是电学量。原来占主导地位的结构型传感器就显得不能适应，促使了传感器向固体地位的结构型传感器就显得不能适应，促使了传感器向固体下一页返回6.3 集成传感器集成传感器化、半导体化和集成化方向的发展。化、半导体化和集成化方向的发展。2.传感器制造工艺的革新传感器制造工艺的革新 为了不断促进集成度的增长，集成电路的工艺技术有着日为了不断促进集成度的增长，集成电路的工艺技术有着日新月异的发展。目前的集成电路技术可提供高精度的细微加新月异的发展。目前的集成电路技术可提供高精度的细微加工技术、高密度的器件集成、制造工艺的严格一致性和高可工技术、高密度的器件集成、制造工艺的严格一致性和高可靠性。这些技

32、术和工艺为传感器制造工艺的革新提供了有力靠性。这些技术和工艺为传感器制造工艺的革新提供了有力的手段。由于这些技术特别适合于许多固体传感器的制作，的手段。由于这些技术特别适合于许多固体传感器的制作，从而促使固体传感器得以较快的发展。从而促使固体传感器得以较快的发展。3.集成传感器的形成集成传感器的形成 集成电路的发展为制造传感器提供了许多成熟的材料。特集成电路的发展为制造传感器提供了许多成熟的材料。特别是半导体硅材料已能较自由地为人们所利用，它有许多适别是半导体硅材料已能较自由地为人们所利用，它有许多适宜制造传感器的性质，并制成了实用的传感器。利用硅材料宜制造传感器的性质，并制成了实用的传感器。

33、利用硅材料制作的半导体传感器，除了具有固体传感器的一般优点外，制作的半导体传感器，除了具有固体传感器的一般优点外，上一页 下一页返回6.3 集成传感器集成传感器它还可以把一些集成电路与传感器制作在一起，构成所谓的它还可以把一些集成电路与传感器制作在一起，构成所谓的传感器集成电路或简称为集成传感器。传感器集成电路或简称为集成传感器。由上述几点可见，集成电路的大规模化不仅对传感器提出由上述几点可见，集成电路的大规模化不仅对传感器提出了集成化的要求，也为传感器的集成化提供了应用基础和技了集成化的要求，也为传感器的集成化提供了应用基础和技术基础。反之，集成传感器的发展使大规模集成电路能更好术基础。反之

34、，集成传感器的发展使大规模集成电路能更好地发挥出它的优越性，因而也促进了大规模集成电路的发展。地发挥出它的优越性，因而也促进了大规模集成电路的发展。6.3.2 集成传感器的特点集成传感器的特点 总的来说，集成传感器有如下特点总的来说，集成传感器有如下特点:.成本低由于硅集成电路工艺已十分完善，利用这种技术无成本低由于硅集成电路工艺已十分完善，利用这种技术无疑会使产品的成本降低。疑会使产品的成本降低。型化以硅技术为基础的微电子学，其主要特点之一就是微型化以硅技术为基础的微电子学，其主要特点之一就是微小型化。集成传感器意味着多个相同或本不相同的器件集成小型化。集成传感器意味着多个相同或本不相同的器

35、件集成上一页 下一页返回6.3 集成传感器集成传感器在一起，将原先的许多外引线都改为在芯片内部连接，显然在一起，将原先的许多外引线都改为在芯片内部连接，显然可使体积大大缩小。可使体积大大缩小。.改善性能集成传感器可以把温度补偿、信号放大及处理等改善性能集成传感器可以把温度补偿、信号放大及处理等电路做在同一块芯片上，这样就使环境温度变化和电源波动电路做在同一块芯片上，这样就使环境温度变化和电源波动等外界因素对输出信号的影响减至最小。等外界因素对输出信号的影响减至最小。.提高可靠性由于集成化的结果，使外引线变为内引线，器提高可靠性由于集成化的结果，使外引线变为内引线，器件的焊点大大减少，可靠性得以

36、提高。件的焊点大大减少，可靠性得以提高。.增加接口灵活性根据需要可以在传感器芯片上设计队杭变增加接口灵活性根据需要可以在传感器芯片上设计队杭变换电路、电平变换电路等，以适应不同的要求，便于与外电换电路、电平变换电路等，以适应不同的要求，便于与外电路连接。路连接。6.3.3 集成传感器集成传感器 随着集成电路技术的发展，传感器可以和越来越多的信号随着集成电路技术的发展，传感器可以和越来越多的信号处理电路制作在同一芯片上或封装在同一管壳内，这就是处理电路制作在同一芯片上或封装在同一管壳内，这就是上一页 下一页返回6.3 集成传感器集成传感器集成传感器。由于集成传感器是一部分信号处理电路与传感器集成

37、传感器。由于集成传感器是一部分信号处理电路与传感器的集成，因此它除了实现传感器的功能之外，还可以完成一部的集成，因此它除了实现传感器的功能之外，还可以完成一部分原来由信号处理器完成的功能。传感器的集成化也是一个由分原来由信号处理器完成的功能。传感器的集成化也是一个由低级到高级，由简到繁的发展过程。在集成技术还不能把传感低级到高级，由简到繁的发展过程。在集成技术还不能把传感器和全部信号处理器电路集成在一起时，人们总是先选择一些器和全部信号处理器电路集成在一起时，人们总是先选择一些较基本、较简单而集成化后可以为传感器性能带来最大好处的较基本、较简单而集成化后可以为传感器性能带来最大好处的电路，把它

38、们和传感器集成在一起。电路，把它们和传感器集成在一起。1.各种调节电路和补偿电路与传感器集成各种调节电路和补偿电路与传感器集成 各种调节电路和补偿电路与传感器集成，如电源电压调整电各种调节电路和补偿电路与传感器集成，如电源电压调整电路、温度补偿电路等。把电源稳压电路与传感器集成在一起，路、温度补偿电路等。把电源稳压电路与传感器集成在一起，不仅降低了传感器对外部电源的要求，使用起来方便了，而且不仅降低了传感器对外部电源的要求，使用起来方便了，而且输出信号的稳定性也得到了改善。把温度补偿电路与传感器集输出信号的稳定性也得到了改善。把温度补偿电路与传感器集成在一起更具有独特的好处。由于传感器的传感特

39、性总有一定成在一起更具有独特的好处。由于传感器的传感特性总有一定的温度灵敏性，在分立元件传感器的情况下，对的温度灵敏性，在分立元件传感器的情况下，对上一页返回下一页6.3 集成传感器集成传感器.温度的补偿是通过外部感温元件的补偿电路来实现，但由于温度的补偿是通过外部感温元件的补偿电路来实现，但由于外部感温元件不能很好地跟随传感元件的实际温度，因此难外部感温元件不能很好地跟随传感元件的实际温度，因此难以达到预期的效果。如果把温度补偿电路与传感元件集成在以达到预期的效果。如果把温度补偿电路与传感元件集成在同一芯片上，那么补偿电路就能很好地感知传感元件的温度，同一芯片上，那么补偿电路就能很好地感知传

40、感元件的温度，可取得较好的补偿效果。由于温度灵敏性比较高是可取得较好的补偿效果。由于温度灵敏性比较高是一般半导体传感器的主要问题，因此良好的温度补偿更具有一般半导体传感器的主要问题，因此良好的温度补偿更具有重要的意义。重要的意义。2.信号放大和阻抗变换电路与传感器集成信号放大和阻抗变换电路与传感器集成 把信号放大电路和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，把信号放大电路和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对于改善电路的信噪比、抑制外来干扰的影响有很大的好处。对于改善电路的信噪比、抑制外来干扰的影响有很大的好处。在没有集成时，传感器输出的电信号要经过传输线馈送到信在没有集成时，传感器输出的电信号要经

41、过传输线馈送到信号处理电路，如号处理电路，如图图6一一11(a)所示。传输线往往是干扰的一所示。传输线往往是干扰的一个来源，在传感器输出信号弱和传感器输出阻抗高的情况下，个来源，在传感器输出信号弱和传感器输出阻抗高的情况下，下一页返回上一页6.3 集成传感器集成传感器传输线上的干扰会对传输信号有很大的影响。在集成传感器传输线上的干扰会对传输信号有很大的影响。在集成传感器中，由于把放大器、阻抗变换电路和传感元件集成在一起，中，由于把放大器、阻抗变换电路和传感元件集成在一起，传感元件产生的信号经放大和阻抗变换后再经过传输线馈送传感元件产生的信号经放大和阻抗变换后再经过传输线馈送到后面的信息处理电路

42、作进一步处理，如到后面的信息处理电路作进一步处理，如6一一11(b)所示。所示。因此，传输线上干扰的影响会被大大地削弱。所以，把放大因此，传输线上干扰的影响会被大大地削弱。所以，把放大器和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对改善系统的信器和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对改善系统的信噪比有很大的好处。噪比有很大的好处。3.信号数字化电路与传感器集成信号数字化电路与传感器集成 除了把放大器与阻抗变换电路和传感元件集成在一起可以除了把放大器与阻抗变换电路和传感元件集成在一起可以改善抗干扰特性之外，把模拟信号变换成数字信号也可以改改善抗干扰特性之外，把模拟信号变换成数字信号也可以改善抗干扰能力。

43、把模拟信号数字化一般要用到善抗干扰能力。把模拟信号数字化一般要用到A/D转换器。转换器。在集成度有困难的情况下，可以在芯片上先把模拟信号变换在集成度有困难的情况下，可以在芯片上先把模拟信号变换成一定频率的交变信号，再把交变信号变成数字信号。各种成一定频率的交变信号，再把交变信号变成数字信号。各种电流控制振荡器和电压控制放大器都可用于此目的。电流控制振荡器和电压控制放大器都可用于此目的。上一页 下一页返回6.3 集成传感器集成传感器为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开、为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开、关两种状态的输出以实现控制。当被测信号强度高于某一阑关两种

44、状态的输出以实现控制。当被测信号强度高于某一阑值时，输出从一个状态变换到另一个状态。为了克服被测信值时，输出从一个状态变换到另一个状态。为了克服被测信号在阑值附近受干扰而影响输出状态，通常把一个施密特触号在阑值附近受干扰而影响输出状态，通常把一个施密特触发器和开关电路做在一起。发器和开关电路做在一起。4.多传感器的集成多传感器的集成 利用集成技术还可以把多个相同类型的传感器或多个不同利用集成技术还可以把多个相同类型的传感器或多个不同类型的传感器集成在一起。在多个相同类型的传感器集成在类型的传感器集成在一起。在多个相同类型的传感器集成在一起时，可通过对各个传感器的测量结果进行比较，去除性一起时，

45、可通过对各个传感器的测量结果进行比较，去除性能异常或失效器件的测量结果，也可以对正常工作器件的测能异常或失效器件的测量结果，也可以对正常工作器件的测量结果求平均以改善测量精度。量结果求平均以改善测量精度。把多个功能不同的传感器集成在一起，可以同时进行多个把多个功能不同的传感器集成在一起，可以同时进行多个参数的测量。还可以对这些参数的测量结果进行综合处理，参数的测量。还可以对这些参数的测量结果进行综合处理，得到一个反映被测系统整体状态的参数。例如，通过对得到一个反映被测系统整体状态的参数。例如，通过对上一页 下一页返回6.3 集成传感器集成传感器内燃机的压力、温度、抖汽成分、转速等参数的测量，经

46、过内燃机的压力、温度、抖汽成分、转速等参数的测量，经过分析处理可得出内燃机燃烧完全程度的综合参数。分析处理可得出内燃机燃烧完全程度的综合参数。5.信号发送和接收电路与传感器集成信号发送和接收电路与传感器集成 在有的应用中，传感器需要种植到被测试的生物体内，附在有的应用中，传感器需要种植到被测试的生物体内，附着在运动的物体上，或放置在有危险的封闭环境中进行工作。着在运动的物体上，或放置在有危险的封闭环境中进行工作。这时测得的信号需要通过无线电波、光或其他信号形式传送这时测得的信号需要通过无线电波、光或其他信号形式传送出来。在这种情况下，如能使用把信号发送电路和传感器集出来。在这种情况下，如能使用

47、把信号发送电路和传感器集成在一起的集成传感器，那么测量系统的质量可以大大减轻，成在一起的集成传感器，那么测量系统的质量可以大大减轻，尺寸可以减小，给测量带来很多方便。另外，如把传感器与尺寸可以减小，给测量带来很多方便。另外，如把传感器与射频信号接收电路以及一些控制电路集成在一起，那么传感射频信号接收电路以及一些控制电路集成在一起，那么传感器可以接受外部控制信号而改变测量方式和测量周期，甚至器可以接受外部控制信号而改变测量方式和测量周期，甚至关闭电源以减少功率消耗等。关闭电源以减少功率消耗等。上一页返回6.4 智能传感器智能传感器6.4.1 智能传感器的定义及其功能智能传感器的定义及其功能 智能

48、传感器的概念最初是美国宇航局智能传感器的概念最初是美国宇航局(NASA)在开发宇宙在开发宇宙飞船过程中形成的。宇宙飞船在太空中飞行时，需要知道它飞船过程中形成的。宇宙飞船在太空中飞行时，需要知道它的速度、姿态和位置等数据。为了宇航员能正常生活，需要的速度、姿态和位置等数据。为了宇航员能正常生活，需要控制舱内温度、气压、湿度、加速度、空气成分等，因而要控制舱内温度、气压、湿度、加速度、空气成分等，因而要安装大量的传感器，另外进行科学试验、观察也需要大量的安装大量的传感器，另外进行科学试验、观察也需要大量的传感器。要处理如此之多的由传感器所获取的信息，需一台传感器。要处理如此之多的由传感器所获取的

49、信息，需一台大型电子计算机，而这在飞船上是无法做到的。为了不丢失大型电子计算机，而这在飞船上是无法做到的。为了不丢失数据，又要降低成本，于是提出了分散处理数据的想。即传数据，又要降低成本，于是提出了分散处理数据的想。即传感器在检测到外界信息后，还要对其进行必要的加工和处理感器在检测到外界信息后，还要对其进行必要的加工和处理工作。从另一方面来说，智能传感器是为了代替人和生物体工作。从另一方面来说，智能传感器是为了代替人和生物体的感觉器官并扩大其功能而设计制作出来的一种装置。人和的感觉器官并扩大其功能而设计制作出来的一种装置。人和下一页返回6.4 智能传感器智能传感器生物体的感官有两个基本功能生物

50、体的感官有两个基本功能:一是检测对象的有无或检测变一是检测对象的有无或检测变换对象发生的信号换对象发生的信号;二是进行判断、推理、鉴别对象的状态。二是进行判断、推理、鉴别对象的状态。前者称为前者称为“感知感知”，而后者称为，而后者称为“认知认知”。一般传感器只有。一般传感器只有对某一物体精确对某一物体精确“感知感知”的本领，而不具有的本领，而不具有“认知认知”(智慧智慧)的能力。智能传感器则可将的能力。智能传感器则可将“感知感知”和和“认知认知”结合起来，结合起来，起到人的五官感觉功能的作用。起到人的五官感觉功能的作用。6.4.2 智能传感器举例智能传感器举例 由上述内容可知，智能传感器是由上