1、傳感器技術及原理實驗課程郝江濤0 緒論0.1 什么是傳感器Ø 在我們日常生活中，使用著各種各樣的傳感器， 電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器; 空調中的溫度和濕度傳感器; 煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器; 水表、電表、電視機和影碟機中的紅外遙控器; 照相機中的光傳感器; 汽車中燃料計和速度計等等，不勝枚舉。Ø 傳感器給我們的生活帶來了多少便利和幫助呢？Ø 人體系統和機器系統比較Ø 眼（視覺）Ø 耳（聽覺）Ø 鼻（嗅覺） 感知外界信息 大腦 肌體 Ø 皮膚（觸覺）Ø 舌（味覺）Ø 人的體力和腦力勞動通過感覺器官接收外界

2、信號，將這些信號傳送給大腦，大腦把這些信號分析處理傳遞給肌體。Ø 如果用機器完成這一過程，計算機相當人的大腦，執行機構相當人的肌體，傳感器相當于人的五官和皮膚。Ø 傳感器好比人體感官的延長，有人又稱“電五官”。傳感器外界信息感 官大 腦肌 體計算機執行機構 從廣義的角度來說，信號檢出器件和信號處理部分總稱為傳感器。舉例:1.液位控制,2.氣體濃度監測(廚房,浴池蒸房等氣敏傳感器),3汽車速度(霍爾傳感器).0.2 傳感器的作用和地位Ø 構成現代信息技術的三大支柱是： 傳感器技術（信息采集）； 通信技術 （信息傳輸）； 計算機技術（信息處理）； 它們在信息系統中分別

3、起到 “感官”、“神經”和“大腦”的作用。Ø 在利用信息的過程中首先要解決獲取準確可靠的 信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。傳感器技術是材料學、力學、電學、磁學、微電子學、光學、聲學、化學、生物學、精密機械、仿生學、測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、乃至系統科學、人工智能、自動化技術等眾多學科相互交叉的綜合性高新技術密集型前沿技術。 Ø 目前傳感器技術已經在越來越多的領域得到應用，傳感器對觀測和自動化技術所起的作用遠比家用電器所起到的作用大的多。這幾乎是無可爭議的事實。Ø 傳感器廣泛用于工業、農業、商業、交通、環境監測、醫療診斷、軍事科研、航

4、空航天、現代辦公設備、智能樓宇和家用電器等領域。是構建現代信息系統的重要組成部分。Ø 在基礎學科研究中，傳感器更有突出的地位。宏觀上的茫茫宇宙、微觀上的粒子世界、長時間的天體演化、短的瞬間反應。超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、弱磁場等極端技術研究。傳感器的發展，往往是一些邊緣學科開發的先驅。Ø 現代工業生產尤其是自動化生產過程中，需要用各種傳感器監視和控制生產過程的各個參數，傳感器是自動控制系統的關鍵基礎器件，直接影響到自動化技術的水平。 0.3 傳感器現狀和國內外發展趨勢Ø 我國的傳感器技術及產業在國家“大力加強傳感器 的開發和在國民經濟中的普遍應用

5、”等一系列政策 導向和資金的支持下，近年來也取得了較快發展。Ø 目前有1680多家傳感器研發機構，產品約6000種， 年產量13.2億多支，其中約有12產品銷往國外。 預計到“十五”期末，敏感元器件與傳感器年總產量 可望達到20億支，銷售總額將達約120億元。Ø 傳感器產業在科技投入(經費、高級人才資源)、產業環境以及科技實力(專利件數、新品開發周期、關鍵材料與零組件、量產能力)三大方面的綜合競爭能力遠低于美國、日本、歐洲等發達國家。Ø 許多自動化方面的專家呼吁：目前系統越來越復雜，自動化已經陷入低谷，其主要原因之一是傳感技術落后，一方面表現為傳感器在感知信息方面

6、的落后；另一方面也表現為傳感器自身在智能化和網絡方面的落后。 Ø 據統計目前全世界約有40個國家從事傳感器的研制、生產和開發，研發機構6000余家。Ø 其中以美、日、俄等國實力較強，美、日、俄等 國建立了包括物理量、化學量、生物量三大門類 的傳感器產業，產品20000多種，大企業的年生 產能力達到幾千萬支到幾億支。Ø 1998年全世界傳感器市場銷售額已達325億元， 預計2006年銷售額將增至506億美元。 Ø 20世紀70年代以來以電量為輸出的傳感器得到飛 速發展，現代傳感器已是測量儀器、智能化儀表、 自動控制系統等裝置必不可少的感知元件。 Ø

7、; 幾十年來傳感技術的發展分為兩個方面： 1.提高與改善傳感器的技術指標； 2.尋找新原理、新材料、新工藝。Ø 為改善傳感器性能采用多種技術途徑： 差動技術；平均技術；補償修正技術； 隔離抗干擾抑制、穩定性處理等等。Ø 目前傳感器總的發展趨勢是：（1）   發展、利用新效應 如：高溫超導磁傳感器靈敏度原高于霍耳器件，可用于磁成像技術。（2）  開發新材料 敏感材料是傳感器的重要基礎，基于新材料出現的傳感器：半導體氧化物制成的各種氣敏傳感器；光纖傳感器；（3）       提高傳感器性能

8、和檢測范圍；（4）       微型化與微功耗；（5）       集成化與多功能化；（6）       傳感器的智能化；（7）       傳感器的數字化和網絡化。Ø 傳感器在總體上呈現出多功能、微型化、數字化、集成化、智能化和網絡化的發展趨勢。 模擬傳感器放大電路A/D轉換線性化處理微處理器標準接口脈沖輸出控制門顯示 0.4 檢測系統的組成原理

9、Ø 各種傳感器其輸出信號的形式因傳感器而異。檢測儀器的輸出或送控制器用以調節控制，或送至計算機作進一步處理。Ø 現代傳感技術是自動檢測和自動控制系統以及機電一體化的第一基礎。自動控制系統框圖傳感器被測對象控制器被測量可用信號信號處理顯示記錄q 實際上被測對象涉及各個領域。最初的測量對象是長度、體積、質量和時間。18世紀以來科學技術取得飛速發展，被測對象迅速擴大。 力學領域有速度、加速度、力、功和能量等； 電磁學領域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場； 化學領域中有濃度、成分、pH值等； 工業領域中有流量、壓力、溫度、黏度等被測量。Ø 現在的被測對象更為廣泛，有人體心

10、電、腦電波等體表電位測量，生物斷面測量；工業領域的光澤、觸覺等品質測量；衛星上監視地球的紅外線傳感器；機器人的視覺、觸覺、滑覺、接近覺等各種傳感器。q 另一方面，測量儀器的輸出信號必須轉化為電壓、電流或數字量中的一種。由于傳感器的種類很多，傳感器的輸出有各種形式，如熱電偶、pH電極等輸出為直流電壓；熱敏電阻、應變計、半導體氣體傳感器輸出為電阻，。Ø 信號處理就是通過信號轉換、放大、解調、A/D轉換得到所希望的輸出信號過程。這是檢測系統中使用的共同技術。傳感器非電量電量測量電路A/D轉換數字顯示普通電測儀表基本組成 0.5 傳感器的定義、組成和分類方法（1）傳感器定義 廣義： 傳感器是

11、一種能把特定的非電量信號（物理量、化學量、生物量登）按一定規律轉換成某種便于處理和傳輸的另一種物理量(一般為電量) 的裝置。 狹義： 能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件。 國家標準（GB766587） 對傳感器（Sensor/transducer）定義是： 能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件和裝置。Ø 測量儀器一般由信號檢出器件和信號處理兩部分組成。 這種能感應被測量的變化并將其轉換為其它物理量變化的器件，就是傳感器。輸入匹配放大變換被測信號輸出廣義傳感器 檢出器 信號處理部分Ø 以上定義表明傳感器有以下含義： 它是由敏感元件和轉換元件構成的檢測

12、裝置； 能按一定規律將被測量轉換成電信號輸出； 傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關系；Ø 按使用的場合不同又稱為: 變換器、換能器、探測器。（2）傳感器的組成傳感器由敏感元件、轉換元件、測量電路三部分組成：敏感元件轉換元件測量電路電量輸出被測量 敏感元件(又稱預變換器)感受被測量; 轉換元件將響應的被測量轉換成電參量; 測量電路把電參量接入電路轉換成電量;Ø 核心部分是轉換元件,決定傳感器的工作理。（3）傳感器的分類傳感器分類方法較多,無統一方法，大體有以下幾種：1） 按傳感器檢測的范疇分類ü 物理量傳感器ü 化學量傳感器ü 生物量傳感器）按傳感器的輸出信號分類 ü 模擬傳感器ü 數字傳感器）按傳感器的結構分類ü 結構型傳感器：材料幾何形狀或尺寸的改變ü 物性型傳感器：材料物理性質的變化ü 復合型傳感器）按傳感器的功能分類ü 單功能傳感器ü 多功能傳感器ü 智能傳感器）按傳感器的轉換原理分類ü 機電傳感器ü 光電傳感器ü