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第1章 湘潭大学 传感器原理 课件 传感器期末复习



授课老师: 联系方式: E - mail: 工作单位:





18627328017 zhangyong@xtu.edu.cn 物理与光电工程学院

?

1、课堂教学

《传感器原理 设计与应用》 课程总体计划
?

2

、课程设计

2

《传感器原理设计与应用》课程计划
一、课堂授课安排: 共64个课时,平均每周4课时左右。第16周结束课程。 第一章:*传感器概述 第二章:*传感器的一般特性 第三章:*弹性敏感元件 第四章:*电阻应变式传感器 第五章:*电容传感器 第六章:*电感传感器 第七章:*压电式传感器 第八章:*磁电式传感器 第九章:*热电式传感器
3

《传感器原理设计与应用》课程计划
第 十 章:*光电式传感器 第十一章:智能传感器 第十二章:光导纤维传感器 第十三章:*磁敏元件及其传感器 第十四章:*气体传感器 第十五章:*湿度传感器 第十六章:*红外传感器 第十七章:*固态压阻式传感器 第十八章:新型传感器 总 复 习
4

往年考试成绩统计
99 87 66 60 46 28 20 2 9 7 0 4 25 10 4 6 1417

2010级
总人数 不及格

2011级
90分 80分

2012级
70分 60分

二、课程设计 1、总体安排 穿插在课堂授课过程中进行。结合课堂授课、实验动手,每 组同学设计课程设计题目。 2、预先给出的设计题目 (1)温度传感报警器、热电偶温度采集器(9章热电传感器) (2)差动互感式位移传感器 (6章电感传感器) (3) 煤气、烟雾等气敏传感器报警器(14章气敏传感器) (4)防盗报警器(16章利用红外传感—热释电效应) (5)酒敏传感报警器(14章气敏传感器)

6

3、具体实施方法
开题报告 中期检查 所需元件统计、模拟仿真、 实验进展报告 课程设计成品验收及 报告撰写

1个月内完成
自行设计题目 给出设计题目 组长清理所需 元器件 3-5个同学一 组选题 各班长统计各组名 单

分发并登记元 器件到各班

以组为单位设计 传感器电路

实验 调试

交课程设计报告

审核
7

标定:数据分析

软件:程序编写

打酱油??!! 硬件:硬件设计

硬件:元件采购

温度传感器

光敏传感器

CCD传 感器

超声 传感器

磁、气、力 敏传感器

9

参考教材
1、刘迎春、叶湘滨.《传感器原理设计与应用》. 国防科技大学出 版社. 2、单成祥.《传感器原理设计与应用》. 国防工业出版社 3、程守洙,江之永.《普通物理》. 高等教育出版社 4、王楚,汤俊雄. 《光学》. 北京出版社 5、李金锷. 《大学物理》. 科学出版社 6、杨经国,冉瑞江. 《光电子技术》. 四川大学出版社. 7、李家泽、阎吉祥. 《光电子学基础》. 北京理工大学出版社 8、《数学物理方程与特殊函数》 9、童诗白. 《模拟电子技术基础》. 清华大学出版社 10、雷肇隶. 《光纤通信基础》. 电子科技大学出版社 11、王元庆. 《新型传感器原理及应用》. 机械工业出版社.2002 12 、 《半导体物理》

10

参考网站
[1]传感器课程 http://sensor.jlu.edu.cn
[2]仪表技术与传感器 http://www.i-s.com.cn

[3]传感器世界

http://www.sensorworld.com.cn

[4]中国传感器 http://www.sensor.com.cn

[5]传感器技术 http://www.sensor-tech.com.cn
[6]21IC中国电子网 http://www.21ic.com

[7]传感技术学报网 http://www.cgjs.chinajournal.net.cn
[8]传感器资讯网 http://www.globalsensors.com.cn
11

往届作品

12

13

第一章 传 感 器 概 述 ?本章内容
1.1 传感器定义、组成与分类
1.2 传感器的发展与科学的发展

1.3 传感器的研究和发展方向
1.4 传感器物理定律基础 1.5 机电模拟

14

信息化时代 已经到来

瓶颈技术 传感器技术被我国列为国家重点攻 关项目及中长期科技发展重点技术 之一,信息工作提高到了国家战略 的高度[1]。 美国国防部也将传感器技术认为是 目前20项关键技术之一。
信息既非物质也非能 量,但它却是构成世 界的要素。很多国家 尤其是发达国家如今 都在制定信息高速公 路的发展计划。

信息技术

传感器 通 信 计算机

日本也将传感器技术与计算机、通 信、激光、半导体、超导并列为6大 核心技术。 俄罗斯军事航天计划中也列有传感 器技术的相关研发。

1. 中共中央办公厅文件. 中办发[2006]11号, 《2006-2020年国家信息化发展战略》. 2006 年3月19日.

15

1.1

传感器的定义、组成

1、定义 外 界 的 信 息 眼 被 测 物 理 量

耳 鼻






肌 肉 执 行






器 脑

执 行 器

皮肤
狭义地定义:能把外界非电量信息转换成电信号输出 的器件。所以原来许多教材叫“非电量检测”。
16

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。
①传感器是测量装置,能完成检测任务; ②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; V、I、F、P ③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; ④输出输入有对应关系,且应有一定的精确程度。 传感器名称:发送器、传送器、变送器、检测器、探头
17

在我们身边有很多传感器的例子: 声控电灯 触摸式开关 电子称 遥控开关 条形码的读取 红外自动洗手开关 宾馆烟雾火光自动检测器 自动电饭煲 温度湿度监控器 数码相机等等。
18

2、传感器的组成

被测物理量

敏感 元件

转换 元件

信号调节电路

传感器
图 1-1-2

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。 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。 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。
19

图 1-1-2

传感器的应用典型方框图
被 测 物 理 量 传感器 电子测量 线路 电 源 a)测量装置 模拟 传感 器

显示装置

A/D 转换 器

数字 计算 机 b)控制系统

D/A 转换 器

模拟 控制 器

20

最简单的传感器由一个敏感元件 (兼转换元件)组成,它 感受被测量时直接输出电量,如热电偶。有些传感器由 敏感元件和转换元件组成,没有转换电路,如压电式加 速度传感器,其中质量块m是敏感元件,压电片(块) 是转换元件。有些传感器,转换元件不只一个,要经过 若干次转换。

热电偶

压电加速 度传感器

压电加速度传感 器结构示意图
21

3、传感器的分类
1、按输入量的分类 压力传感器、位移传感器、湿度传感器、温度传感器。。。。

2、按传感器工作原理分类
应变式传感器、电阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器、 霍尔式传感器。。。。
22

3、按能量转换关系分类

4、按输出电量的形式分类 模拟式传感器 数字式传感器

23

1.2 传感器的发展与科学的发展

1、传感器技术的发展是随着科学的发展而发展 古代人们用感觉器官来取得信息,借助于动物的特 性来取得信息,犬、鸽等。借他们的气敏特点感知环境 的气体。如:用鸽子感知毒性气体,用军犬感知人的气 味破案等。但随着人类社会的进步,到现代那是远远不 够的。因此代替感觉器官功能作为辅助器具的传感器就 产生了。 从16世纪开始,随着各种物理定律的不断出现,新 型的传感器不断出现。如19世纪的电磁基础理论为法拉 第进行巧妙的实验提供依据,而法拉第发现的物理定律 又成为传感器的原理。(法拉第1791—1867,铁匠之子, 1831年发现感应定律,即法拉第电磁定律)。
24

? 现代工业生产

? 机器人
传感器系统包括 视觉:平面、立体 非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、…

? 计量测试

红外测温

电子汽车衡

超声波测流量

? 医疗诊断

? 家用电器

遥控器
液化气烟雾报警器

智能洗衣机

? 智能建筑

? 智能建筑
感应式门禁

自动识别系统(门禁系统)打破了人们 几百年来用钥匙开锁的传统

指纹门禁

? 过程控制

木材烘干

芯片生产要求最高的湿度稳定性

纸 品

精确的 烟草烘干

纺 织 品

湿度传感器

? 环境监测

? 工程测量

上海卢浦大桥 通车应力试验

2、反过来,传感器的发展也极大的促进了科学的发展

传感器的应用,几乎是无孔不入,不论在 科技领域,工农业生产,人民生活,都得到大 量的应用(如冰箱、空调、电饭锅、微波炉 等).科研等工作中的需要促使人们去研究传 感器,发现新的传感器.反过来传感器会促进 科研的发展,瓦特蒸汽机的发明就是利用了把 回转速度转换成位移的传感器,发明了离心调 速器。

35

1.3 传感器的研究和发展方向
一、发展方向:
1、首先是改进和提高原有传感器的稳定性,提高灵敏度; 2、发现新性能、新材料开发新型传感器; 3、实现传感器的集成化、智能化、与计算机一体化

二、 研究方向:

? 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
36

1.开发新型传感器
新型传感器包括:①采用新原理;②发现新现象;③ 仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。
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,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。如超导材料(电磁传感 器方面)、纳米材料特性等。
37

2.开发新材料
Focus
信息显示 技术

信息获取 技术

多功能材料

信息传递 技术

材料
信息储存 技术 信息处理 技术

各种基础 功能效应 传感器

多功能一体化 器件
? ? ?

下一代电子产 品发展趋势 ?多功能一体化
?微型化 ?智能化

智能化 集成化 微型化
38

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感器是今后的发展方向之一。

(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。
39

3.新工艺的采用

MEMS

氧化、光刻、扩散、沉积注入、平面电子工艺、各向异性 腐蚀、蒸镀、溅射薄膜工艺都可用于开发新的传感器。
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 已越来越多地用于传感器领域。

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。
40

TiO2

PZT thin film sensor and actuator [3]

photoelectric-gas device [1,2] A multifunctional integrated silicon tactile imager with arrays of strain and temperature sensors [4]

[1] H.Y. Liu, L. Gao, J. Am. Ceram. Soc. 88 (2005) 1020. [2] J.Y. Park, S.J. Song, E.D. Wachsman, J. Am. Ceram. Soc. 93 (2010) 1062. [3] W.J. Dong, et al., Thin Solid Films 515 (2007) 8544. [4] H. Takao, et al., Sens. Actuators A 160 (2010) 69.

41

MEMS将微电机、微电路、微传感器、微执行器 等微型装置和器件集成在硅片上。主要特点是:
⑴ 微型化 ⑵以硅为主要材料。机械和电气性能优良,硅的强度、硬
度和弹性模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和 钨。

⑶批量生产。用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成
百上千个微型机电装置。

⑷集成化。把不同功能的多个传感器执行器集成于一体 ⑸多学科交叉。涉及到微电子、机械、材料、制造、信息
与自动控制、物理、化学和生物等多种学科

42

Preparation of PCSS device
Electrodes preparation

Fig. 1. Schematic diagram of electrodes preparation process. Fig. 2. The micrograph of Pt interdigital electrodes.

43

1mm
44

4.集成化、多功能化
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。
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,可反映出被测系统的整体状态。 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。 电子鼻等. 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。
45

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
46

1.4 传感器物理定律基础
传感器的基础是各种物理定律、化学定律、生物定律。 也就是说所有传感器的原理都是以各种定律为基础的。 归纳有以下几类定律:

?守恒定律:包括能量、动量、电荷量等守恒特性定律 ?场的定律:动力场的运动定律、电磁场的感应定律等

?物质定律:虎克定律、欧姆定律、霍尔效应,压电效应
?统计定律:微观与宏观联系的物理法则。

47

上述效应和定律有助于我们对传感器工作原理本质的理解 和对新效应传感器的开发。本书论述的范围内作为传感器 工作的物理基础的基本定律,概括起来有以下四种类型: (1)守恒定律 包括能量、动量、电荷量等守恒定律。这 些定律,是我们探索、研制新型传感器时,或在分析、综 合现有传感器时,都必须严格通守的基本法则。 (2)场的定律 包括动力场的运动定律、电磁场的感应定 律等,其作用与物体在空间的位置及分布状态有关。一般 可由物理方程结出,这些方程可作为许多传感器的工作的 数学模型。例如:利用静电场制成的电容式传感器;利用 电磁感应定律制成的电感(自感或互感)式传感器等等。利 用场的定律构成的传感器,可统称为“结构型传感器”。
48

(3)物质定律 它是表示各种物质本身内在性质的定律(如虎 克定律、欧姆定律)通常以这种物质所固有的物理常数加 以描述。因此,这些常数的大小决定着传感器的主要性能。 如:利用半导体物质法则—压阻、热阻、光阻、湿阻等效 应,可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件;利 用压电晶体物质法则—压电效应,可制成压电式传感器等 等。这种基于物质定律的传感器,可统称为“物性型传感 器”。这是当代传感器技术领域中具有广阔发展前景的传 感器。 (4)统计法则 它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理 法则。这些法则,常常与传感器的工作状态有关,它是分 析某些传感器的理论基础。这些方面的研究尚待进一步深 入。
49

1.5 机电模拟
要讨论的问题包括: A)什么是机电模拟 B)为什么要讲机电模拟 C)机电模拟举列 D)结论

50

如图所示:在机械系统中, 除了激励力f外,作用在质 量块m上的力还有:

dv d 2x ⑴、惯性力:f m ? m a ? m ?m 2 dt dt

dx ⑵、阻尼力: f c ? cv ? c ? c ? adt ⑶、弹簧力: f k ? Kx ? K ? vdt dt
总方程:

dv m ? cv ? k ? vdt ? f dt

51

di 1 L ? Ri ? ? idt ? u dt c

dv m ? cv ? k ? vdt ? f dt
f ?u v?i

di 1 L ? Ri ? ? idt ? u dt C
1 ? C (电容 ) k
52

dx y ? A ? Bx ? D ? xdt dt

x?Q m? L c? R

1、什么是机电模拟
相似不仅存在于几何空间现象中,而且也存在于 不同物理现象之间。由于电路中用来描述电参量的数 字表达式与线性机械系统中的表达式两者极其相似。 尽管微分方程的解所代表的物理含义不同,但其解的 数学形式不依赖于方程所代表的物理系统,因此任何 物理系统对给定激励函数的响应特性也是相同的。 定义:能用同一类型的微分方程描述的不同系统 称为相似系统。 di 1

dt dv m ? cv ? k ? vdt ? f dt

L

? Ri ?

idt ? u ? c

53

2、为什么要讲机电模拟
将复杂的机械系统变成便于分析系统状态的电路图和 符号。只要确定了相似的电系统的电路图和参数,就可以 充分利用电路的理论等开分析机械系统。此外,电系统的 电路元件易于更换,测量电压、电流都较容易,这为模拟 和实验提供了变量

54

3、机电模拟举列:
在机械力学系统与等效电路微分方程相似的基础上其模拟方案可 有多种。对应量模拟关系是:力---电压,力---电流。 1)、力---电压模拟: ①微分方程: 如图所示:在机械系统中,除 了激励力f外,作用在质量块m上的力还有: 2 dv d x ⑴、惯性力: f ? m a ? m ?m
m

⑵、阻尼力: f
总方程:

dx ? c ? adt c ? cv ? c dt

dt

dt 2

f k ? Kx ? K vdt ⑶、弹簧力:

?

dv m ? cv ? k ? vdt ? f dt
55

di 1 L ? Ri ? ? idt ? u dt c dv m ? cv ? k ? vdt ? f dt 1 f ?u v?i x?Q m? L c? R ? C (电容 ) K
由此可见两系统的物理性质不同,但有相同的数学模 型。即有相似的运动规律。对应关系为:
y? A dx ? Bx ? D ? xdt dt
56

dv di 1 m ? cv ? k ? vdt ? f L ? Ri ? ? idt ? u dt dt C 1 f ?u v?i x?Q m? L c? R ? C (电容 ) k
这种相似方法的特点是: ⑴、机械系统的一个质点用一个串联回路去模拟; ⑵、机械系统质点上的激励力用串联电路的激励电压模拟。 所有与机械系统的一个质点连接的机械元件(m.c.k)与串联回路的各电器元件 (L,R,C)相模拟。

57

例:为了测量结构物的振动速度Vx (相对于大地)常将磁电式传 感器固定在结构物上如图(1-5-3)(a)所示。传感器外壳质 量为m2,通过C2、K2与结构物相连,传感器的质量块m1通过 C1、K1与 外壳m2相连。因此有两个质点,而结构物的速度作 为传感器的输入量,将不必考虑结构物这个质点。

图(1-5-3) (a)
58

因此对应相似电路就应具有两个回路。如图(1-5-3)(b),机械 系统的输入速度 Vx对应于该模拟电路的输入电流,K2或C2两 端的相对速度 V2 是输入速度 Vx与质量 m2相对于大地 的速 度Vm2之差V2=Vx-Vm2。由质量 m2所决定的电路M2中的模拟元 件包括与质量m2相接的所有元件是C2、K2、C1、K1、m2、同 样在弹簧K1 或C1两端中m2相对m1的相对速度V1为V1=Vm2Vm1,Vm1为质量m1相对于大地的速度。模拟m1这一质点的串 联回路元件应包括C1、K1、m1三个元件,回路为M1。由于C1、 K1同时与m1相连,则他们是两个回路的公共部分,这样就很 容易画出模拟电路。

(a)

图(1-5-3)

(b)
59

为了便于计算,在模拟电路中的电阻、电容、电感可直接 用机械参量表示。质量 m1、m2 相对于大地的速度将由相应 的电感元件 L1、L2 中的电流 im1、im2 来模拟。当关心的输出 的是质量 m1 对 m2 的相对速度时,则应取 V0 ? Vm ?Vm ? ?V1 作 为输出,显然它是模拟电路中 C1R1 的电流 i1 的负值。当研究输 出速度 V0 的响应特性时,就只需研究 C1R1 中的响应电流i1 即 可。以上电系统通过变量 i1 模拟了机械系统的跨越变量速度 V,因而形成了用回路模拟机械。 为了得到速度值,必须在电回路中串电流表。
1 2

(a)

图(1-5-3)

(b)
60

2)、力---电流模拟:
上述模拟不直观,在测量中为了得到速度值需要在模 拟电路中串入电流表,这有所不便,采用力—电流模拟。 ①微分方程: dv 机械受力图总方程: m dt ? cv ? k ? vdt ? f du 1 电路图方程:
C dt ? Gu ? udt ? L ?i

在机械系统中作用在一个质点上的所有通过变量之和为零。

即:

? f ?0

在电路中流入一个结点的所有变量之和为零,即:

?i ? 0
61

从物理观点上看这种模拟方法比较直观方便,为了测量两个质 点间的相对速度,只要测量相似电路中两个结点间的电压即可。 ②力—电流相似系统的特点是: A、机械系统的一个质点与模拟电路的一个结点相对应, B、流入电路结点的激励电流与机械系统相应质点的激励力模拟

m

dv ? cv ? k ? vdt ? f dt

C

du 1 ? Gu ? ? udt ? i dt L

f ?i

v ?U

m?C

c?G

1 k? L

x ??
62

机械系统为图1-5-5(a)电路为(b),在机械系统的一个质点 m2 上 接上C1,C2, K1,K2等5个元件,作用在 m2 上的力也有5个,则在结点a上接 上五个支路---两个电导,两电感和一个接地电容,模拟电路上的结点a上的 电压即模拟了机械系统的质量 m2 相对于大地的速度 Vm ,模拟电路的激 励电流模拟了机械系统结构物的激励力 f ,结构物相对大地的速度 Vx 是 用激励电压来模拟的。同样质点 m1 与电路结点b对应的。 要求质点 m1、m2间的相对速度 V0 ? Vm1 ? Vm2 作为输出时只要得模拟电路中 的a,b两点间电压差即可模拟输出速度 V0 对输入速度 Vx 的响应
2

G2

G1

L2

C2

L1

C1

G1 ? c1

对应关系:

(a)

G2 ? c2

1 L1 ? k1

图1-5-5

(b)

1 L2 ? k2

C1 ? m1

C2 ? m2
63



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