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1、上讲内容回顾：,自动检测技术基本概念 自动检测系统的组成及发展趋势,1,传感器技术基础,传感器 感觉，感知 （Sensor、Transducer） 人类有五大感觉器官，即眼、耳、鼻、舌、皮肤。通过这些感觉器官感知外界信息。 机器系统中，传感器是各种机械和电子设备的感觉器官。能感知光、色、温度、压力、声音、湿度、气味及辐射等。,1.2 传感器的初步认识,2,传感器技术基础,人机系统的机能对应关系,外 界 信 息,Sensor、Transducer,3,传感器技术基础,4,五官与传感器,4,传感器技术基础,性能凌驾于人的感官之上：,温度传感器：-196 1800 压力传感器：0.01psi 100
2、00psi 精度：0.1% 0.01% 可靠度：8 9 级,5,传感器技术基础,1.2 传感器的定义、组成及分类,一、传感器的定义,6,传感器技术基础,国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：,能够感受规定的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。,传感器是测量装置，能完成检测任务； 输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,是将各种
3、非电量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置,7,传感器技术基础,传感器技术 传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术。 检测原理+材料科学+工艺加工 检测（传感）原理,8,传感器技术基础,二、传感器的组成,敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。（如 压力-电阻片的长度）,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。（电阻、电感、电容、互感等）,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。（电压、电流、电频率等）,9,传感器技术基础,三、传感器的分类,10,传感器技术基础,补充一点
4、,敏感元件将被测信号转换为中间变量，如膜片、环的变形等； 变换器（在辅助电源作用下）将中间变量转换为电量变化，如应变式电阻变换器。,11,传感器技术基础,12,传感器技术基础,(5) 按传感器输出量分为电量型、电参数型： 电量电压、电流、电荷； 电参数电阻、电感、电容、互感,13,传感器技术基础,1.3 传感器的应用,传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专用设备等。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的是汽车市场的需求，占第二位的是过程控制市场，前景看好是通讯市场。,科学研究的先行官,诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说“现代科学的进步越来越
5、依靠尖端仪器的发展”,俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的”,近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人,14,传感器技术基础,传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用。,主要应用,15,传感器技术基础,1)工业自动化中的应用,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。,在各种自动控制系统中，检测环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,16,传感器技术基础,17,传感器技术基础,机器人服务员,18,传感器技术基础,足球机器人,迎宾机
6、器人,19,传感器技术基础,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,20,传感器技术基础,AGV自动送货车,21,传感器技术基础,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。,“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”,22,传感器技术基础,例0-1：化工产品自动生产过程,23,传感器技术基础,生产加工过程监测,切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。,密歇根大学数字化工厂,24
7、,传感器技术基础,2)流程工业设备运行状态监控,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。,扬子石化50MW热电机组监测系统 阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统 荆门电厂200MW机组监测系统 青山热电厂生产信息实时查询系统 沙角电厂生产信息实时查询系统 宝钢30KW以上风机监测系统 宝钢精轧F2轧机网络化监测系统 宝钢冷轧带钢振动纹监测系统 武钢风机状态监测系统,25,传感器技术基础,3)产品质量测量,在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑
8、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,26,传感器技术基础,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.,27,传感器技术基础,28,传感器技术基础,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。,29,传感器技术基础,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：
9、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。,30,传感器技术基础,31,传感器技术基础,32,传感器技术基础,烟雾传感器,亮度传感器,人体探测器,33,传感器技术基础,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡 + D/A卡,软驱:速度,位置伺服,4)PC机中的测试技术应用,34,传感器技术基础,5）传感检测技术在汽车中的应用日新月异,发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车传感器：汽车电子
10、控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容,普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。,底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,35,传感器技术基础,36,传感器技术基础,未来的战争一定程度上可以称之为传感器战争。未来战场将布满各种传感器，它们既包括电视摄像机、激光雷达、成像雷达、微光夜视仪、制冷和非制冷热像仪等可视设备，也包括声传感器、震动传感器、磁传感器、气象传感器和探测生化战剂的传感器，
11、当然也可能出现目前尚未问世或成熟的其它传感器。这些传感器将为指挥人员和士兵收集大量的战场态势信息，使他们拥有全面的信息优势，从而最大限度地增强他们的攻击威力。,6）在军事和航天领域的应用,37,传感器技术基础,美军研制的未来单兵作战武器-OICW,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术,激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20mm高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以精确的设定引爆时间。,38,传感器技术基础,美国国家导弹防御计划-NMD,监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,39,传感器技术基础,飞行器测控 -
12、 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵,火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹,40,传感器技术基础,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器,检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学等,神州飞船：,185台（套）仪器装置,军事战斗力,41,传感器技术基础,42,传感器技术基础,43,传感器技术基础,地位及发展状况,传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官”，如果没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。,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,传感器与传感器技术的发展水平是
13、衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。,44,传感器技术基础,3、现代信息产业的三大支柱,通讯技术、计算机技术、传感器技术 既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。 如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水中之月、镜中之花。,45,传感器技术基础,4、各国政府高度重视,日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政府还在21世纪
14、技术预测中将传感器列为首位。,美国白宫将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。,西欧各国在制定“尤里卡”发展计划中，把传感器技术作为优先发展的重点技术。,我国政府在“863计划”及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。,46,传感器技术基础,五、传感器的发展动向,开发新型传感器 开发新材料 新工艺的采用 集成化、多功能化 智能化,开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化,47,传感器技术基础,传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器
15、件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。,1开发新型传感器,新型传感器包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。,48,传感器技术基础,传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传
16、感器是今后的发展方向之一。,2开发新材料,（1）半导体敏感材料 （2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料,如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。,49,传感器技术基础,在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越
17、来越多地用于传感器领域。,3新工艺的采用,例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。,50,传感器技术基础,4集成化、多功能化,同一功能的多元件并列化，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，如CCD图像传感器。,多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。,把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统
18、的整体状态。,为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。,51,传感器技术基础,5智能化,对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。,智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。,如，DS18B20、传感器测量系统,52,传感器技术基础,休 息 一 下,53,传感器技术基础,