00-传感技术绪论-2013

2009年全球530亿USD容量； 2013年汽车业的需求152亿；消费电子（-） 健康与医疗--未来重点？
传感器应用中的典型事例
2005年7月的“发现号航天飞机” “亚特兰蒂斯”号航天飞 机
燃料传感器 ？
2006年四度推迟发射中第四次推迟原因？
2007年11月22日起，我国海拔8850～12500米的空间范 围内，飞机之间的最小垂直间隔标准由过去的600米缩小为 300米，使该空间范围内飞行高度层的数量从原有7个增加到 13个，可用飞行高度层增长86%，显著增加空域容量。 飞机最重要的被测参数？ 关键技术之一： 气压高度的精确测量！
3 智能化、网络化 智能化： 将传感器获取信息的功能与专用µ P的信息分析处
理功能结合，实现自诊断、校准、数字双向通信等功能。 网络化： 传感技术结合计算机和通信技术形成的新技术。例 如Wireless Sensor Networks
4 其他: 仿生？ 与计算机和网络通信技术的融合使传感器应用的未来 前景更广，未来传感器将无处不在—物联网/IOT ！
传感器技术涉及的领域*
材料学 化学 生物学
传感器技术
物理学 电学与系统 机械
传感检测原理 传感器件设计
传感器开发和应用

传感器技术的性质*
是一个汇聚物理 , 化学 , 材料 , 机械 , 电子 , 生物工 程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理 , 传 感器件设计,传感器开发和应用的综合技术。 传感器技术的特点*
在石油化工 领域的应用 计量！
其他主要应用领域
三星的智能手表功能之一：健康跟踪

Curiosity landed upon the Martian surface, 2012-08-06 needed to develop load cells, torque sensors, and multi-axial sensors and other sensors for cryogenic and vacuum environments
0.5 传感器技术的发展
1 新材料、新功能的开发与应用 敏感材料是重要基础，主要新材：半导体硅、石英晶 体、功能陶瓷。此外，还有化合物半导体材料、复合材 料、薄膜材料、形状记忆合金材料以及纳米材料等。 新材料或新工艺带来新的功能或特点！ 2 多功能、集成化和微型化 多功能化：单个传感器实现多参数测量，例：“电子鼻”？ 集成化： 将同类的单个传感器集成为阵列器件，或将传 感、调理、补偿及信号调理电路一体化集成。例：？ 微型化：以IC制造技术发展起来的MEMS工艺，使敏感结构 尺寸达微米、亚微米级，并可批量生产。例：？ 可集中体现到微型化或集成器件中！
涉及多学科与技术 品种繁多，个性化应用 技术性能要求异同--高稳定性、高可靠性、高 重复性、低迟滞和快速响应 应用领域十分广泛 应用要求千差万别 传感器技术发展缓慢
传感器工作的基础*
能量和信息转换机能基于各种效应，受相应定律和法则支配
本课程论述的工作基础主要包括： 守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律 场的定律：动力场的运动定律、电磁场的感应定律等 特点：其作用与物体的空间位置及分布状态有关，据此构 成的传感器的形状、结构尺寸决定某些基本性能。 物质定律：各种物质本身内在性质的定律，如虎克定律、 欧姆定律等，常以物质固有的物理常数来描述。 统计法则：联系微观系统与宏观系统的物理法则 特点：法则与传感器的工作状态有关，是分析某些传感器 的理论基础。
0.2 传感器的概念
传感器在测、控系统中的位置
被测 对象
传感器
中间电路 控制系统
显示记录
观察 者
人为 驱动信号 驱动装置
标准 信号
标定装置
自动化系统中一般非电量电测量法测试系统的组成 非电量电测法测试系统的组成
传感器是什么？
国家标标GB7665—2005（1987）定义： 传感器(Sensor/Transducer)是指能感受规定的被 测量并按一定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)。

对单自由度陀螺，当基座因某种干扰随箭体 出现偏离预定姿态，产生俯仰、偏航或滚转的某 一方向的运动时，因该方向陀螺自转轴保持方向 不变，将使机座相对于框架环旋转一定的角度。 如果用传感器把这个角度换成电信号，通过箭上 该方向的伺服电子线路，驱动摇摆发动机或游动 发动机（即执行机构）摆动，产生一个力矩，使 箭体恢复到受干扰前的状态，这就保持了飞行中 火箭姿态在该方向的稳定。
常见物理量的分类
传感器分类表
分类法
按基本效应分
型式
物理型、化学型、生物型
说明
分别以转换中的物理效应、化学效应等命名
以其转换元件结构参数变化实现信号转换
结构型 按构成原理分 物性型
结构性与物性型传感器组合而成的 以其转换元件物理特性变化实现信号转换
混合型
传感器输出量直接由被测量能量转换而得
按能量关系分
3）控制信息的采集
人与机器的功能对应关系
应用领域—在当今世界里正加速扩张

工业自动化 农业现代化 军事工程 航天技术 家用电器 机器人技术
资源探测新 海洋开发领 环境保护-水资源、地质 安全保卫-公共安全、反恐 域 生物医疗智慧农业-
覆盖国民经济一、二、三产业各领域； 与人们日常生活联系越来越紧密； 多种电子类产品技术革新的主动力？ 市场状况：
3. 输出信号——适于测量的电信号。
传感器的基本作用：
功用:
一感二传，感受被测信息并传送。
基本作用： 体现在测量或检测上，是应用传感器的目 的，也是学习本课程的目的。
传感器的称谓*
国内曾出现过多种关于传感器名称，如发送器、传送
器、变送器、检测器、探头等，这些名词是从其基本作用
来称谓的，它们的内涵相同或相似，学术界已趋向统一使 用传感器这一名称。 现实中传感器的称谓问题： 传感器与敏感元件等名词混用，虽然实际是两个不同概 念，但习惯上往往没区分，包括在学习课程中。 国外也不统一， 常用Sensor、Transducer及detector。

这款芯片大小为7mm×7mm×3mm，采用BGA-32封装 技术，功耗为30mW，重量仅0.5g，能够很好的克 服传统陀螺仪的缺点。由AGDL芯片组成的角速度 检测陀螺仪能够准确的测量角速度，此外还可以 利用该陀螺仪对角度进行测量。
学习方式、方法与要求
课堂教学(计划要点)+课后学习(阅读、练习)+实验； 概念/意识建立 要点内容：原理、结构模块、特性特点、电路、应用 考核：书面考核+实

传感器的地位与作用 传感器定义与理解 传感器的工作基础* 传感器的组成 传感器分类 对传感器的基本要求* 传感器技术的发展
能量转换型（自源型）
传感器输出量能量有外源供给，但受被测量控制
能量控制型（外源型） 按作用原理分
应变式、电容式、压电式、热电式等 位移、压力、温度、流量、气体等 以传感器对信号转换的作用原理命名 以被测量命名（即按用途分类法） 输出量为模拟信号
按输入量分
按输出量分
模拟式
输出量为数字信号
数字式
对传感器的基本要求*

高速旋转的陀螺轴承安装在框架环上时，由于自 转轴具有定轴性，因而使自转轴与基座的运动无 关，即基座运动而自转轴不动。这样基座与自转 轴之间（通过框架轴的转动）在一个方向上构成 一个自由度，这种装置称为单自由度陀螺仪，图 （a）。如果在框架环外面再套一层框架环（前者 称为内环，后者称为外环），且轴互相垂直，则 构成一个二自由度的陀螺仪，图（b）
内涵： ①传感器是测量装置，能完成测量/检测任务。
②输入量是某一被测量，可能是物理量或化学量、生物量等。
③输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显 示等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电信号。 ④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。
从三个方面理解与把握： 1. 作用——测量； 2. 工作机理——敏感元件，传感器技术的核心，研 究、设计、制作传感器的关键；
基本转换（signal conditioning）电路的作用：
1）将敏感或转换元件的输出电信号转为适于传送、显示 或记录的信号，满足后续电路或装置的输入要求。 2）实现标准化的重要环节与基础，也是应用难点。 常用电路：信号放大、电平调整、线性化、滤波、 阻抗匹配、信号调制/解调、信号形式变换等电路。 从构成看，最简单的传感器仅由一个敏感元件(兼转 换元件)组成，如热电偶；有些传感器由敏感元件和转换 元件组成，无转换电路，如压电加速度传感器；有些需 要经过若干转换元件的转换。
0.1 传感器的地位和作用
1、传感器的地位：
1）现代测量与自动控制的首要环节 2）衡量国家综合实力的重要标志
2、具体作用 :
1）测量、信息获取 2）信息数据的交换
3）现代信息产业的三大支柱之一
4）各国政府高度重视 人与机器类比，传感器是 “电五官”--系统感知、获 取 与检测信息的源头和窗口。 没有传感器，就不能实现测 量；没有测量，就没有控制。

利用高速回转体的动量矩敏感特性,壳体 相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或 二个轴的角运动检测装置即为陀螺仪。 利用其他原理制成的角运动检测装置起 同样功能的也称陀螺仪。 陀螺仪的两个最基本 的特性就是它的定轴 性和进动性。

一个陀螺。如何让它在光滑的桌面上直立起来呢？其实，只 要使它绕垂直轴（重力方向）快速旋转就行了。这时如果桌面 倾斜，就会发现陀螺转轴方向仍保持不变，如图（a）所示，这 就是陀螺的定轴性。如果转轴的初始方向不是严格垂直，而是 偏离重力方向一个角度，我们又发现陀螺转轴会在一个以重力 方向为轴线的圆锥面上运动，图（b），而不是像不转动的刚体 那样在重力作用下倒下，这就是陀螺的进动性。陀螺的定轴性 和进动性统称为陀螺效应。