传感器与自动检测技术资源

第1章 传感器的基本知识Date1第1章 传感器的基本知识学习要点u掌握传感器的概念及组成u熟悉传感器的分类方法u了解传感器的命名方法u掌握传感器的一般特性Date2第1章 传感器的基本知识1.1 传感器的作用与地位 1.2 传感器的应用与发展 1.3 传感器的定义与组成 1.4 传感器的分类 1.5 传感器的命名及代号 1.6 传感器的基本特性 本章小结 复习思考题主要内容返回主目录Date3第1章 传感器的基本知识1.1 传感器的作用与地位 u 世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。人们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。u 人的“五官”眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。u 人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。传感器是 人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。Date4第1章 传感器的基本知识电量和非电量u表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。 u电量一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等； u非电量则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。u人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。Date5第1章 传感器的基本知识传感器的作用u非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。u非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。u传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛的测量技术。Date6第1章 传感器的基本知识传感器的地位u随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，分别充当信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，他们构成了一个完整的自动检测系统。u在利用信息的过程中，首先要解决的问题就是获取可靠、准确信息， 所以传感器精度的高低直接影响计算机控制系统的精度，可以说没有性能优良的传感器，就没有现代化技术的发展。返回本章目录Date7第1章 传感器的基本知识1.2 传感器的应用与发展Ø 传感器几乎渗透到所有的技术领域。如工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。Ø 在机器人的技术发展中，传感器采用与否及采用数量的多少是衡量机器人是否具有智能的标志，现代智能机器人因为采用了大量的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器，才使得其具有自我诊断、自我补偿、自我学习等能力，机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。传感器被称为机器人的“电五官”。Date8第1章 传感器的基本知识Ø在航空、航天技术领域，仅阿波罗10号飞船就 使用了数千个传感器对3295个测量参数进行监 测。Date9第1章 传感器的基本知识常娥一号Date10第1章 传感器的基本知识常娥一号Date11第1章 传感器的基本知识Ø 在兵器领域中，使用了诸如机械式、压电、电容、电磁、光纤、红外 、激光、生物、微波等等传感器，以实现对周围环境的监测与目标定 位信息的收集，从而更好的解决了安全、可靠的防卫能力。Date12第1章 传感器的基本知识Ø在民用工业生产中，传感器也起着至关重要的作 用。如一座大型炼钢厂就需要2万多台传感器和 检测仪表炼铁高炉监控 与传动系统 Date13第1章 传感器的基本知识Ø大型的石油化工厂需要6千台传感器和检测仪表Date14第1章 传感器的基本知识Ø 一部现代化汽车需要90多只传感 器一台复印机需要20多只传感器Date15第1章 传感器的基本知识Ø 日常生活中的电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、电 动自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等家用 电器都安装了传感器；Date16第1章 传感器的基本知识Ø 在医学上，人体的体温、血压、心脑电波及肿瘤等 的准确诊断与监控都需要借助各种传感器来完成。Date17第1章 传感器的基本知识Ø 当今信息时代，随着电子计算机技术的飞速发展，自 动检测、自动控制技术显露出非凡的能力，传感器是 实现自动检测和自动控制的首要环节。没有传感器对 原始信息进行精确可靠的捕获和转换，就没有现代化 的自动检测和自动控制系统；没有传感器就没有现代 科学技术的迅速发展。 Ø 自1980年以来，世界传感器的产值年增长率达15% 30%，1985年世界传感器市场的年产值为50亿，1990年 为155亿。传感器的发展是如泉涌，不可阻挡，它是衡 量一个国家经济发展及现代化程度的重要标志。Date18第1章 传感器的基本知识 1.3 传感器的定义与组成1.3.1 传感器的定义 “能感受（或响应）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”。 这一定义包含了几个方面的含义： 传感器是测量装置，能完成测量任务； 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； 它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理和显 示等，这就是所谓的“可用信号”的含义； 输出与输入有一定的对应关系，这种关系要有一定的规律。根据 字义可以理解传感器为一感二传，即感受信息并传递出去。Date19第1章 传感器的基本知识被测非电量电量 敏感元件转换元件转换电路它是直接感受被测量，并输出与 被测量构成有确定关系、更易于 转换的某一物理量的元件。 将敏感元件感受 或响应的被测量 转换成适于传输 或测量的电信号把转换元件输出 的电信号变换为 便于处理、显示 、记录、控制和 传输的可用电信 号敏感 元件转换 元件电源1.3.2 传感器的组成Ø 并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。 Ø 如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件 Ø 如果转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的 电量，它就同时兼为敏感元件。例如压电晶体、热电偶、热 敏感电阻及光电器件等。敏感元件与转换元件两者合二为一 的传感器是很多的。返回本章目录Date20第1章 传感器的基本知识1.4 传感器的分类常用的分类方法有两种： u一种是按被测输入量来分. u另一种是按传感器的工作原理来分.Date21第1章 传感器的基本知识1.4.1 按被测物理量分类u 这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器及转距传感器等。u 这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力和力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系，对于系统使用何种传感器是很有帮助的。u 这种分类的优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。u 缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。Date22第1章 传感器的基本知识表1-1 基本被测量和派生被测 量 基本被测测量派生被测测量基本被测测 量派生被测测量位移 线线位移长长度、厚度、应变应变 、振动动、 磨损损、平面度力压压 力重量、应应力、力矩角位移旋转转角、偏转转角、角振动动时时 间间频频 率周期、记记数、 统计统计 分布速度 线线速度速度、振动动、流量、动动量温度热热容、气体速度、 涡涡流角速度转转速、角振动动、角动动量光光通量与密度、 光谱谱分布 加速度线线加速度振动动、冲击击、质质量湿度水分、水气、露点角加速度角振动动、转转矩、转动惯转动惯 量Date23第1章 传感器的基本知识 1.4.2 按传感器工作原理分 类 u这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。u这种分类的优点是对传感器的工作原理表达的比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入的研究分析。u缺点是不便于使用者根据用途选用。 Date24第1章 传感器的基本知识 1. 电学式传感器u 电学式传感器常用的有:电阻式传感器利用变阻器将被测非电量转换成电阻信号的原理制成。电容式传感器利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从 而使电容量发生变化的原理制成的。电感式传感器利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。磁电式传感器利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量而制成。电涡流式传感器利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理而制成。Date25第1章 传感器的基本知识2. 磁学式传感器u磁学式传感器的是利用铁磁物质的一 些物理效应而制成的。u磁学式传感器的主要用于位移、转矩 等参数的测量。Date26第1章 传感器的基本知识3. 光电式传感器u光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成。u光电式传感器主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。Date27第1章 传感器的基本知识4. 电势型传感器u电势型传感器是利用热电效应、光电效应 及霍耳效应等原理而制成。u电势型传感器主要用于温度、磁通量、电 流、速度、光通量及热辐射等参数的测量 。Date28第1章 传感器的基本知识5. 电荷型传感器u电荷型传感器是利用压电效应原理而制成。u主要用于力及加速度的测量。（动态力测量）Date29第1章 传感器的基本知识 6. 半导体型传感器u半导体型传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、电磁效应及半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。u半导体型传感器主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。Date30第1章 传感器的基本知识7. 谐振式传感器u谐振式传感器是利用改变电或机械固有 参数来改变谐振频率的原理而制成。u主要用来测量压力。Date31第1章 传感器的基本知识8. 电化学式传感器u电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成 。u根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为 电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、 极谱（极化）式传感器和电解式传感器等。u电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成 分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导 率及氧化还原电位参数的测量。Date32第1章 传感器的基本知识 其他分类方法u按能量分类有源传感器和无源传感器；u按输出信号的性质分类模拟式和数字式传感器。数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如盘式角度数字传感器，光栅传感器等。u本书主要是按被测量分类编写的，适当加以工作原理的分析，重点讲述各种传感器的用途，使读者学会使用传感器，进一步去开发新型传感器。返回本章目录Date33第1章 传感器的基本知识1.5 传感器的命名及代号1.5.1 传感器命名法的构成 Ø 传感器产品的名称，应由主题词及四级修饰语构成。 （1）主题词传感器。 （2）第一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语。 （3）第二级修饰语转换原理，一般可后续以“式”字。 （4）第三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特 征、敏感元件及其他必须的性能特征，一般可后续以“型”字。 （5）第四级修饰语主要技术指标（量程、精确