传感器原理及应用传感器与检测技术概述ppt课件.ppt

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传感器原理及应用,（自动检测技术/非电量测量技术）一、本课程的专业地位：

专业必修课。

二、本课程的主要内容1、传感器、测量及误差的基本知识；2、常用传感器的原理、结构、测量电路及应用；3、传感器在工程检测中的应用。

三、课程要求1、掌握传感器、测量及误差的基本理论；2、掌握常用传感器的基本原理、结构、特点、基本测量电路及应用；,3、学会工程中常见的非电量测量方法，了解传感器在工程检测中的应用方法；4、学会分析和设计传感器的应用电路。

四、课程特点综合性：

传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术；零散性：

各章内容之间没有前后因果关系；应用性：

重点掌握各种传感器的应用方法。

五、参考资料传感器与检测技术朱自勤机械工业出版社传感器原理及工程应用郁有文西安电子科技大学出版社传感器原理及应用王化祥天津大学出版社传感器原理及应用王雪文北京航空航天大学出版社传感器原理及其应用手册孙宝元机械工业出版社非电量检测技术严钟豪机械工业出版社现代传感技术魏文广东北大学出版社传感器技术信息产业部电子第四十九研究主办光电子技术与信息中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国光学学会光电技术专业委员会主办激光与红外华北光电技术研究所主办仪表技术与传感器沈阳仪器仪表研究所主办,仪器仪表网（http:

/www.china_）仪器商城网（http:

/）传感器网（http:

/www.S）传感器技术（http:

/）中国传感器（http:

/）中国工控网（http:

/）中国机器人网（http:

/.）电子设计应用（http:

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/www.）,第1章传感器与检测技术概述,1.1传感器的概念、组成和分类1.2传感器的基本特性,返回主目录,第1章传感器与检测技术的理论基础1.1传感器的概念、组成和分类,一、传感器的概念、组成与应用1、现代信息技术的三大要素：

信息获取传感器技术信息传输通信技术信息处理计算机技术在工程实践和科学试验中，信息采集的主要含义是测量取得测量数据。

2、测量的概念测量是人类对自然界客观事物获得数量观念的一种认识过程，即借助于专门设备，求出被测量的数值大小。

3、测量的分类电子测量电子测量仪器；非电量测量传感器；4、自动测量系统的组成图11自动测量系统组成,5、自动测量技术的作用以电子技术、传感器技术、计算机技术为基础的自动测量技术，是衡量一个国家科技水平的重要标志之一。

而传感器是测量系统的第一个环节，它能否获得信息和获取信息的正确与否，关系到整个测量系统的精确度，传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，因此世界各国都将传感器技术列为重点发展的新技术。

6、传感器的定义（GB7665-87）能够感受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，通常由敏感元件和转换元件组成。

7、传感器的组成通常传感器由敏感元件和转换（传感）元件组成。

传感器组成框图如图1-2所示。

图1-2传感器组成框图,敏感元件：

直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。

传感元件：

又称转换元件/转换器。

能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。

信号调节与转换电路/测量电路：

能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。

敏感元件,传感元件,压力传感器示例,8、传感器的应用领域

（1）机械制造业：

智能机械：

数控机床、加工中心、机器人等

（2）工业过程检测与控制：

石油、化工、电力、冶金等行业中热工工艺参数检测和控制；（3）汽车：

车速、里程、燃油、排气、车灯、关门、防盗、防撞等；（4）环保：

有毒、有害、易燃、易爆气体检测，重金属、污水检测，防酒后驾车等；（5）医疗卫生：

血压、心音、脉搏检测，心脏监护仪、彩超、核磁共振等；（6）航空航天：

卫星、火箭、飞船、外星探测器等；（7）国防工业：

飞机、导弹、雷达、智能化电子武器等；（8）家用电器：

空调、洗衣机、电冰箱、微波炉、电饭煲、电熨斗、安全报警器等。

传感器的主要应用,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。

通常建立24小时在线监测系统。

石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。

自动检测与自动控制系统,在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测。

图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。

通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。

汽车扭距测量,机床加工精度测量,汽车与传感器,高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30100种传感器。

传感器与家用电器,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,全自动洗衣机中的传感器：

衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器（洗净度）液位传感器，电阻传感器（衣物烘干检测）。

指纹传感器,透光率传感器,鼠标:

光电位移传感器,摄象头:

CCD传感器,PC机中的测试技术应用,软驱:

速度,位置伺服,麦克风:

电容传声器,楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。

在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。

图示为某公司楼宇自动化系统。

该系统分为：

电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。

烟雾传感器,亮度传感器,人体探测器,机械手、机器人中的传感器:

转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。

传感在机器人上的应用,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,机器人服务员,沙漠机器人,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。

香港理工AGV模型,AGV自动送货车,自动导引运输车（AutomatedGuidedVehicle）,AGV自动送货车,2003年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程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。

一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条狭窄的通道，试图揭开4600年前的秘密。

它的探秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。

图坦卡蒙的诅咒“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。

”,“金字塔漫游者”，511，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。

传感器在生物医学上的应用,医学,对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。

国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。

人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、NA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。

光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,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、周围环境、内部设备监控、本身状态参数的测量。

陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器,传感器与环境保护,保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。

烟尘浊度测量,红外线分布差异,矿藏埋藏地区,传感器与遥感技术,红外接收传感器,传感器在军事技术领域的应用,先进的科学技术总是最先被应用于战争。

以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。

海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署了4280辆坦克，多国部队只有3800辆坦克。

但结果是伊拉克的坦克89被毁，而多国部队的坦克仅损失20辆。

这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优势及精确制导武器方面的明显差距造成的。

智能武器把巨大的杀伤力和极高的精确性相结合，将会使军事机构思考未来战争的方式发生革命。

高技术常规武器成为比核武器更可靠的手段，打了不用管的制导炮弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射程远，威力大，价格低，命中率高，具有子母弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹的攻击方式。

农业将是知识密集、技术密集的产业，设施农业可以有效提高农业生产效益和增强抗灾能力，借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件，摆脱自然制约，以达到高产、高效、优质。

信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。

信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。

传感器与农业,农业,二、传感器的分类1、按被测量分类（相应的传感器一般以被测量命名）：

（1）热工量传感器：

温度、热量、比热；压力、差压、真空度；流速、流量；物位（液位、料位）。

（2）机械量传感器：

位移、尺寸（长度、厚度、宽度、角度）；力、力矩；重量、质量；速度、加速度、转速。

（3）物性和成分量：

成分量（化学成分、浓度、酸碱度、盐度等）；物性（密度、比重、粘度等）。

（4）状态量：

颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、表面粗糙度等）。

2、按传感器的工作原理分类

（1）物理型传感器：

利用某些敏感元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成。

如：

应变式、电容式、磁电、光电、压电传感器等。

（2）化学型：

利用电化学反应原理制成。

如：

气敏传感器、湿度传感器、离子传感器等。

（3）生物传感器：

利用酶、微生物、抗体、细胞及组织等作为敏感材料与适当的换能器结合而成，利用特有的化学反应和电化学技术对生物化学物质进行测定。

如：

酶传感器、免疫传感器等。

3、按输出信号的性质分类

（1）模拟传感器：

输出模拟信号；

（2）数字传感器：

输出数字信号（脉冲、频率、二进制数码），抗干扰能力强。

三、传感器的发展趋势1、三新：

新材料、新工艺、新效应（原理）；2、四化：

集成化、多维化、多功能化、智能化。

1.2传感器的基本特性即输出输入之间对应关系，又称为输出输入特性，可用静态特性和动态特性来描述。

一、传感器的静态特性

（一）静态特性：

是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系；即输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。

衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度,迟滞和重复性等。

（二）传感器的静态特性表达式1、理想传感器：

y=a1x2、实际传感器：

y=a0+a1x+a2x2+anxn式中:

a0输入量x为零时的输出量;a1,a2,an非线性项系数；x输入量；y输出量。

1、传感器的零偏（零点）：

输入信号为零时传感器的输出值。

2、传感器的测量范围与量程

（1）测量范围：

指正常工作条件下，传感器能够测量的被测量的总范围，通常用测量范围的下限值和上限值来表示。

（2）量程：

测量范围的上限值（或对应的输出值）与下限值（或对应的输出值）的代数差。

a0零点；xF.S满量程输入；XF.S输入量程；XF.S=xmax-xminyF.S满量程输出；YF.S输出量程。

YF.S=ymax-ymin注：

仅知道量程时，无法确定测量范围。

传感器的静态特性曲线,（三）主要静态特性指标线性度（直线性/非线性误差）

（1）拟合直线：

传感器的静态特性曲线往往为非线性，在实际使用中,为了标定和数据处理的方便,可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段,使传感器输出输入特性线性化。

所采用的直线称为拟合直线。

（2