Sensor/TransducerTechnology

傳感器技術Instructor:Dr.JinboFu(符金波)Ph.D.ofMechanicalEngineering,PennStateUniv.,USAM.S.ofElectricalEngineering,PennStateUniv.,USAM.S.ofMechanicalEngineering,PennStateUniv.,USAM.E.ofPrecisionInstrument,TsinghuaUniv.,PRCB.E.ofPrecisionInstrument,TsinghuaUniv.,PRCOfficeAddress:Room528,CentralBuildingTel:; Email:Tipsforthisclass

課程注意事項Prerequisite課程必備條件WiderangeofknowledgeinPhysics,Mechanics,Electronics,Machinery,Optics,etc.物理、力學、電子學、機械、光學等等廣泛的知識

Goodattitude&somedevotion好的學習態度+一些投入Somerulesofthisclass本課的一些規定Rulesofabsence缺課的規定

allow1absencew/priornotice允許事先請假缺課一次Rulesofhomework家庭作業的規定

homeworkisdueinclassaweekfromtheassignment

家庭作業布置一周后在課堂上提交

Rulesofclassinteraction課堂互動

pleaseraiseyourhand,speakloudandclearinEnglishorChinese

請先舉手，然后用英文或中文大聲回答Chapter0:Preface緒論1.2傳感器的作用和重要性Functionsandimportanceofsensor0.10.20.30.4傳感器的定義和組成Definitionandcompositionofsensor傳感器的分類和要求Classificationandrequirementofsensor傳感器開發的新趨勢NewtrendanddirectionofsensorR&DThefunctionsofsensor傳感器的作用傳感器實際上是一種功能塊(functionmodule)，其作用是將來自外界的各種信號轉換成電信號(electricsignal)。傳感器所檢測的信號近來顯著地增加，因而其品種也極其繁多。為了對各種各樣的信號進行檢測、控制，就必須獲得盡量簡單易于處理的信號，這樣的要求只有電信號能夠滿足。電信號能較容易地進行放大(amplify)、反饋(feedback)、濾波(filter)、微分(differentiate)、存貯(store)、遠距離操作(remotecontrol)等。Theimportanceofsensor傳感器的重要性作為人腦(humanbrain)的一種模仿(imitation)，電子計算機的發展極為迅速，可是起感覺模仿作用的傳感器卻發展很慢，因而如果不進行傳感器的開發，現在的電子計算機將不能適應實際需要。現代社會要求傳感器(sensor)、電子計算機(computer)和執行器(activator)三者都能相互協調才行。這樣，傳感器就成了現代科學的中樞神經系統(centralnervesystem)，它日益受到人們的普遍重視，這已成為現代傳感器技術的必然趨勢。Theapplicationsofsensor傳感器的應用傳感器技術在工業自動化(Industrialautomation)、軍事國防(Militarydefense)和以宇宙探索(Spaceexploration)、海洋開發(Oceanexploitation)為代表的尖端科學與工程等重要領域有廣泛應用。同時，它正以自己的巨大潛力，向著與人們生活密切相關的方面滲透；生物工程(Bio-engineering)、醫療衛生(Medicalcare)、環境保護(Environmentalprotection)、安全防范(Securityenforcement)、家用電器(Householdappliances)、網絡家居(Networkhousing)等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發展。Thedefinitionofsensor傳感器的定義傳感器是一種以一定的精確度(accuracy)把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量(physicalquantity)的測量裝置。其包含以下下幾個方面的意思：傳感器是測量裝置，能完成檢測(test)任務它的輸入量是某一被測量，可能是物理量(physicalquantity)，也可能是化學量(chemicalquantity)、生物量(biologicalquantity)等輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸(transport)、轉換(transform)、處理(process)、顯示(display)等，這種量可以是氣(gas)、光(light)、電(electricity)，但主要是電量。輸入輸出有對應關系(correspondence)，且應有一定的精確度(accuracy)。Thecompositionofsensor傳感器的組成電量被測量

敏感元件轉化元件轉換電路注：有的書上不包括虛線后部分傳感器一般由敏感元件(Sensingelement)、轉換元件(Transducingelement)、轉換電路(Transformingcircuit)三部分組成：有些傳感器很簡單，僅由一個敏感元件（兼作轉換元件）組成，它感受被測量時直接輸出電量。如熱電偶(thermocouple)。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路。有些傳感器，轉換元件不止一個，要經過若干次(multiple)轉換。Theclassificationofsensor傳感器的分類傳感器種類繁多，目前常用的分類有兩種：

以被測量來分(basedonmeasurements)以傳感器的原理來分(basedonprinciples)被測量類別被

測

量熱工量Quantityofthermalengineering

溫度temperature、熱量quantityofheat、比熱specificheat、壓力pressure、壓差differentialpressure、真空度vacuumdegree、流量volumeofflow、流速velocityofflow、風速airspeed機械量Quantityofmechanicalengineering位移displacement（線linear位移、角angular位移）、尺寸size、形狀shape；力force、力矩torque、應力stress、重量weight、質量mass、轉速speedofrotation、線速度linearvelocity；振動幅度amplitudeofvibration、頻率frequency、加速度acceleration、噪聲noice按被測量來分類Theclassificationofsensor傳感器的分類按傳感器原理來分類電阻式resistive，光電式photoelectric（紅外式infrared、光導纖維式opticalfiber），電感式inductive，諧振式resonant，電容式capacitive，霍爾式hall（磁式magnetic），阻抗式impedance（電渦流式eddycurrent），超聲式ultrasonic，磁電式electromagnetic，同位素式isotopic，熱電式electrothermic，電化學式electrochemical，壓電式piezoelectric，微波式microwaveThepurposeofclassification分類的目的了解各類傳感器的工作原理(principles)、主要性能(performance)及其特點(characteristics)、應用(applications)。合理地選擇和使用傳感器。了解常用傳感器的工程設計方法(engineeringdesignmethods)和掌握常用傳感器的試驗研究方法(experimentandstudyingapproaches)。了解傳感器地發展方向(directionsoffuturedevelopment)等。Requirementsofsensors傳感器的要求足夠的容量(sufficientcapacity)—傳感器的工作范圍或量程(range)足夠大，具有一定的過載能力(overloadcapacity)。靈敏度高，精度適當(highsensitivityandappropriateaccuracy)—即要求其輸出信號與被測信號成確定的關系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態響應staticresponse與動態響應的準確度能滿足要求。

響應速度快(fastresponse)，工作穩定(stableperformance)，可靠性好(goodreliability)使用性和適應性強(easytouseandeasytoadapt)—體積小，重量輕，動作能量小，對被測對象的狀態影響小；內部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出盡量采用通用或標準形式，以便與系統對接。使用經濟(economictouse)—成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準(calibrate)。NewtrendsofsensorR&D傳感器開發的新趨勢“電五官”落后于“電腦”的現狀，已成為微型計算機(micro-computer)進一步開發和應用的一大障礙(obstacle)許多有競爭力的(competitive)新產品開發和卓有成效的(effective)技術改造，都離不開傳感器傳感器的應用直接帶來了明顯的經濟效益(economicbenefits)和社會效益(socialbenefits)傳感器普及于社會各個領域，將造成良好的市場前景(prospectofmarketing)NewtrendsofsensorR&D傳感器開發的新趨勢傳感器的應用領域和需求量NewtrendsofsensorR&D傳感器開發的新趨勢傳感器的發展趨勢，大致分為如下四個方面：發現新效應(neweffects)，開發新材料(newmaterials)、新功能(newfunctions)。集成化(integrated)，多功能化(multi-functional)，微型化(miniaturized)。數字化，智能化，網絡化-智能傳感器(intelligentsensors)向未開發的領域挑戰—生物傳感器(Bio-sensors)。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發的新趨勢集成化，多功能化，微型化積極應用半導體(semiconductor)集成電路(integratecircuit-IC)技術及其開發思想將多個或多種傳感器集成制造在同一個芯片(chip)上。微米/納米技術(Micro/Nanotechnology)的問世和微機械加工技術的出現為微型傳感器(Micro-transducer)的研制鋪平了道路。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發的新趨勢數字化，智能化，網絡化同一般傳感器相比，智能式傳感器有以下幾個顯著特點：精度高

highprecision穩定、可靠性好stableandreliable檢測與處理方便

easytotestandprocess功能廣

widerangeoffunctions性價比高

goodperformancepriceratio

NewtrendsforsensorR&D傳感器開發的新趨勢從構成上看，智能式傳感器是一個典型的以微處理器(micro-processor)為核心的計算機檢測系統(detectionsystem)。NewtrendsforsensorR&D傳感器開發的新趨勢檢測與處理方便：

智能傳感器不僅具有一定的可編程(programmable)自動化能力(automationcapacity)，可根據檢測對象或條件的改變，方便地改變量程及輸出數據的形式等，而且輸出數據可通過串行serial或并行parallel通訊線直接送入遠地計算機進行處理。功能廣：

不僅可以實現多傳感器多參數