《传感器》PPT课件.ppt

传感器与检测技术,主讲：侯剑舒,传感器与检测技术II 课程教学大纲,学时：20+4学时； 授课：20学时；实验：4学时 时间: 第1-11周 学分：1.5,考勤、课堂表现等平时成绩（15%） 实验成绩（15%）,1.考核说明： 本课程为考查课；,4 课程任务,掌握传感器与测试技术一般理论知识； 掌握主要传感器的原理、特性，应用； 学会常用物理量的工程测试方法及传感器的选用原则； 培养独立分析、解决传感器方面问题的能力 利用网络、数据手册、厂商名录等获取和查阅传感器技术资料的能力； 了解国内外传感器技术的最新发展状况和发展趋势。,第一章,概 述,课程简介,1.1.1 本课程的地位和作用,1.1.2 本课程内容体系结构,按照传感器、检测技术和自动检测系统三大模块。 传感器部分主要包括传感器的基本特性、各类传统与新型传感器的工作原理与应用（应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式、光电式、辐射与波式、数字式、智能式传感器；化学传感器、生物传感器、微传感器等） 检测技术主要包括参数检测、微弱信号检测、软测量、多传感器数据融合、测量不确定度与回归分析等 检测系统主要包括虚拟仪器和自动检测系统等。,1.1.3 本课程的任务及要求,“传感器与检测技术”是一门涉及到电工电子技术、传感器技术、光电检测技术、控制技术、计算机技术、数据处理技术、精密机械设计技术等众多基础理论和技术的综合性技术，现代检测系统通常集光、机、电于一体，软硬件相结合。 “传感器与检测技术”课程着重培养学生掌握传感器与检测技术基本理论、基本方法，本课程是一门实践性很强的课程，在理论学习的同时，要求学生通过实验和实践熟练掌握各类典型传感器的基本原理和适用场合，掌握常用测量仪器的基本工作原理和工作性能，能合理选用常用电子仪器、测量电路等，能根据测量要求设计各类测量系统，能对测量结果进行误差分析和数据处理等，达到理论与实践的高度统一，突出能力的培养。,思考一,洗澡前用手试试水温，我们能够大概知道水的温度需要怎样调节才合适，那么通过传感器检测的非电量，我们怎么才能知道其结果呢？,思考二：夏季买西瓜的时候，你会怎样挑选呢？,传感器实质上就是代替人的五种感觉（视、嗅、听、味、触）器官的装置。能感受被测量并将它转换成可用信号输出的器件。 又叫探测器、换能器等。,非电量电测系统的组成,简单的测量系统组成,被测对象,传感器,信号调节器,记录.显示.分析处理,伺服驱动机构,被测 信号,U、I R、L、C,U、I,各部分的作用如下。 （1）传感器 传感器处于被测对象与测试系统的接口位置，是一个信号变换器。 它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化并变换成便于测量的其他量。 例如将速度变换成电压，将流量变换成压力等。,（2）信号调理器或变送器 信号调理器又称中间转换器，它的作用是将传感器的输出信号进行放大、转换和传输等，使其适合于显示、记录、数据处理或控制。 例如测量电桥、滤波器、放大器、电压/频率变换器（V/F）、电压/电流变换器（V/I）、交流/直流变换器等。,（3）一次仪表或二次仪表 一次仪表指现场测量仪表或基地控制仪表； 二次仪表指利用一次仪表的信号来完成诸如控制、显示等功能的仪表。,2. 自动检测系统或仪表的分类 按被测量值的物理属性分有：电量、非电量； 按检测原理（物理的、化学的、生物学的）分有：电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等； 按检测方法分有：主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态等。 按仪表的使用性质分有：标准表、实验室表和工业用表等三种。,1.2 传感器的定义与组成,传感器：能感受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 传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量 传感器功能：检测和转换。 敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件 转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分,传感器的组成,1-弹簧管 2-电位器 敏感元件弹簧管：在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。 当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移,电位器为传感转换元件，它将角位移转换为电参量电阻的变化（R）,举例：测量压力的电位器式压力传感器,测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。,当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo 。,1.3传感器的分类,按传感器的构成进行分类：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、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 按传感器的基本效应分类：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）、无源（能量变换型）,1.4 传感器技术的发展,传感器性能的改善 开展基础理论研究 传感器的集成化 传感器的智能化 传感器的网络化 传感器的微型化,1.4.1 传感器性能的改善,差动技术(有效减小温度变化，电源波动，外界干扰对精度的影响。抵消共模误差) 平均技术 补偿与修正技术 （传感器本身和外界条件） 屏蔽、隔离与干扰抑制 稳定性处理,1.4.2 开展基础理论研究,寻找新原理 开发新材料 采用新工艺 探索新功能,1.4.3 传感器的集成化,两种情况： 一是具有同样功能的传感器集成化，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，形成一维的线性传感器，从而使一个点的测量变成对一个面和空间的测量。 二是不同功能的传感器集成化，即将具有不同功能的传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件，从而使一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数。,1.4.4 传感器的智能化,传感器与微处理器的结合：检测、信息处理、逻辑判断、自诊断等 作用： 提高测量精度 增加功能 提高自动化程度,1.4.5 传感器的网络化,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，IEEE 1451.2工作组建立了智能传感器接口模块（STIM）标准 二是以IEEE 802.15.4（Zigbee）为基础的无线传感器网络技术得以迅速发展,考核：分组（四人一组，写明序号） 教师给小组评分 组内成员自评分 小组作业（课堂提问）： 举例（较为系统的实例）,是传感器？,电子称,烟雾报警器,摄像机,传感器就在你我身边,电冰箱、电饭煲中的温度传感器； 空调中的温度和湿度传感器； 煤气灶中的煤气泄漏传感器； 水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器； 照相机中的光传感器； 汽车中燃料计和速度计。,非电量电测系统框图,传感器直接作用于被测量，并按一定规律转换成电量输出； 中间变换器将传感器输出的电量转换成便于传输、显示和记录的电信号； 显示记录装置将中间变换器的输出转换成人的感官能接受的信号。,思考三：传感器都应用在哪些领域呢？,工业检测、自动控制系统中 汽车与传感器 传感器与家用电器 传感器在机器人上的应用 传感器在医疗及人体医学上的应用 传感器与环境保护 传感器与航空及航天 传感器与遥感技术,工业检测、自动控制系统中,楼宇自动控制系统,控制管理的机电设备有：空调制冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等等，实现以上功能使用的传感器有：温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力。 安全防护防盗、防火、防燃气泄露、CCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器；,楼宇自动控制系统,自动识别门禁管理系统、感应式IC卡识别、指纹识别； 远程抄收与管理系统水、电、气、热量通过传感器设置远程自动化抄表； 巡更系统保安管理。,汽车与传感器,汽车与传感器,已不只局限于对行驶速度、行驶距离和发动机旋转速度的监控 安全监控：如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等都得到了实际应用。,传感器与家用电器,传感器与家用电器,未来的家庭将由作为中央控制装置的微型计算机，通过各种传感器代替人监视家庭的各种状态，并通过控制设备进行着各种控制。 安全监视与报警、空调及照明控制、耗能控制、太阳光自动跟踪、家务劳动自动化及人身健康管理等。,传感器在机器人上的应用,传感器在机器人上的应用,在劳动强度大或危险作业的场所，已逐步使用机器人取代人的工作。 一些高速度、高精度的工作，由机器人来承担也是非常合适的。 要使机器人和人的功能更为接近，这就要给机器人安装视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动感觉和重量感觉。,传感器在医学上的应用,可以对人体的表面和内部温度、血压、腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉搏及心音、心脑电波等进行高难度的诊断 在早期诊断、早期治疗、远距离诊断及人工器官的研制等广泛的范围内发挥作用,传感器与环境保护,传感器与环境保护,环球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境 为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。,传感器与航空及航天,使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量。,飞行的方向，飞行姿态、飞行环境、飞行器本