第1章传感器绪论

第1章 引言
传感器原理与应用B
教材： 刘迎春，叶湘滨. 传感器原理设计与应用，长沙：国防科技大学出版 社，2009.2 参考书目: 1.吴建平.传感器原理及应用，北京：机械工业出版社，2009 2. 孟立凡，蓝京辉.传感器原理及应用，北京：电子工业出版社， 2007 3. Elena Gaura & Robert Newman . Smart mems and sensor systems，London：Imperial College Press，2006 4.Gerard C. M. Meijer. Smart sensor systems John Wiley & Sons, 2008;
物质的定律是指物质本身内在性质的规律。 例如弹性 体遵从的虎克定律、晶体的压电性、半导体材料的压阻、 热阻、光阻、 湿阻、 霍尔效应等。利用物质的定律做成 的传感器, 如压电式传感器、 热敏电阻、光敏电阻、光电 管等。
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(7) 按依靠还是不依靠外加能源工作, 可分为有源传感 器和无源传感器。有源传感器敏感元件工作需要外加电源,
第1章 引言
展望未来 , 传感器将向着小型化、 集成化、
多功能化、 智能化和系统化的方向发展, 由微传
感器、 微执行器及信号和数据处理器总装集成的 系统越来越引起人们的广泛关注。 传感器市场将 会迅速发展 , 并会加速新一代传感器的开发和产 业化。
第1章 引言
1.2 什么是传感器
传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的精
第1章 引言
人类通过感觉器官从外界获取信息。再通过大脑分析判断, 发 出行动命令。 随着科学技术的发展和人类社会的进步, 人类为了 进一步认识自然和改造自然, 研究出一系列代替、 补充、 延伸人 的大脑和感觉器官功能的各种手段，从而出现了计算机和各种用
途的传感器。如果说计算机人类大脑的扩展，那么传感器就是人
第1章 引言
目前从民用市场来看, 力、 压力、 加速度、 物位、 温度、 湿度、 水分等传感器将保持较大的需求量。 传感器的市 场结构如表所示。
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近年来, 由于微电子技术、 微机械加工技术、 纳米技术的 迅速发展, 传感器领域的主要技术也将在现有基础上予以延伸和 提高: （1） 微机械加工技术（MEMT）和纳米技术将得到高速发 展。 采用MEMT制作的传感器和微系统, 具有体积微小、 低成本、
度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种 量值的测量装置。即感受被测信息，并把它传的规律转换成可用 输出信号的器件或装置 , 通常由敏感元件和转换元件组 成”。
第1章 引言
敏感元件：能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件
如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形 变，形变程度就是对压力大小的响应。
断裂事件震惊了整个世界，更加震惊了美国。所以美国国会当时形成一
个议案，要求3年内拿出一个SMART飞机的概念设计，SMART的含义 就是具有自诊断和预警系统。正是这一事件推动了世界各国对智能材料 的研究，也推动了各个领域里的监测、诊断、自控制、自适应的研究工 作的蓬勃兴起和发展。另外，这次事件也告诫人们，对一些重要的设备、 重要的设施、关键的零部件，对其进行有效的诊断和监控是非常重要的。
高可靠性等独特的优点。
（2）新型敏感材料将加速开发, 微电子、 光电子、 生物化
学、 信息处理等各学科的互相交叉、 渗透和综合利用, 将会研
制出一批新颖、 先进的传感器。 （3） 敏感元件与传感器的应用领域将得到新的开拓, 二次 传感器和传感器系统的应用将大幅度增长。
第1章 引言
1988年阿罗哈 航空一架波音 737型客机由于 金属疲劳失事
第1章 引言
(5) 按能量关系分类, 可分为能量控制型和能量转换 型两大类。所谓能量控制型是指其变换的能量是由外
部电源供给的, 而外界的变化（即传感器输入量的变化）
只起到控制的作用。
如用电桥测量电阻温度变化时, 温度的变化改变了
热敏电阻的阻值, 热敏电阻阻值的变化使电桥的输出发 生变化（注意电桥的输出是由电源供给的）。
第1章 引言
直升飞机舷翼
直升飞机的弦翼，这个部件在正常情 况下是一个很柔软的部件，在恶劣的 天气情况下，它容易发生灾难性的颤 震，所以美国密执安大学在机翼里添 入了一种叫做电流变液体的人工合成 的功能材料。在这种材料里，微纳米 级的颗粒悬浮在绝缘液体里，这些小 微粒在外加电场的作用下会产生极化， 顺着电场方向形成链，使液体变成胶 状性质，类似固体特性，从而使机翼
第1章 引言
第 1章
1.1
1.2
绪论
传感器的发展和作用
什么是传感器
1.3
1.4
传感器的分类
传感器的性能和评价
第1章 引言
1.1
传感器的发展和作用
传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息 处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材 料科学等众多学科相互交叉的综合性和高新技术密集型前沿
无源传感器工作不需外加电源。
(8) 按输出量是模拟量还是数字量, 可分为模拟量传感 器和数字量传感器。
第1章 引言 表1.2传感器的分类
第1章 引言
第1章 引言 表1.2列出了传感器的分类。尽管此处列出的传感器分类有较 大的概括性, 但由于传感器的分类不统一, 因而这种分类很难完备,
换两个功能。如热敏电阻，它不仅能直接感受温
度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化， 也就是将非电路参数（温度）直接变成了电路参 数（电阻）。
第1章 引言
图1.1为传感器组成方块图， 此图也说明了传感器的 基本组成和工作原理。
测量电路 被测量 输入量 敏感元件 转换元件 信号调节转换电路 电量 输出量
第1章 引言
根据传感器感知外界信息所依据的基本效应,
可以将传感器分成三大类: （1）物理传感器：基于物理效应如光、电、 声、 磁、 热等效应进行工作的传感器; （2）化学传感器：基于化学反应如化学吸附、选择性
化学反应等进行工作的传感器;
（3）生物传感器：基于酶、抗体、激素等分子识别功 能的生物传感器。
第1章 引言
按工作原理分类, 可分为应变式、 电容式、 电感式、 电磁式、 压电式、 热电式等传感器。 根据传感器使用的敏感材料分类, 可分为半导体传感器、 光纤传感器、 陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感 器、 复合材料传感器等等。 按照被测量分类, 可分为力学量传感器、热量传感器、 磁传感器、光传感器、放射线传感器、气体成分传感器、 液体成分传感器、离子传感器和真空传感器等等。
变硬。当机翼发生震颤的时候，
传感器监测到震颤信号，然后把这个 信号送给微电脑，微电脑通过计算判 断，发出指令，然后执行部件则根据 计算机指令根据机翼震颤情况控制电
流大小，从而调节机翼硬度，避免发
生事故。
电流变液体
第1章 引言 直升飞机的弦翼，这个部件在正常情况下是一个很柔软 的部件，在恶劣的天气情况下，它容易发生灾难性的颤震， 所以美国密执安大学在机翼里添入了一种叫做电流变液体 的人工合成的功能材料。在这种材料里，微纳米级的颗粒 悬浮在绝缘液体里，这些小微粒在外加电场的作用下会产 生极化，顺着电场方向形成链，使液体变成胶状性质，类 似固体特性，从而使机翼变硬。当机翼发生震颤的时候， 传感器监测到震颤信号，然后把这个信号送给微电脑，微 电脑通过计算判断，发出指令，然后执行部件则根据计算 机指令根据机翼震颤情况控制电流大小，从而调节机 翼硬度，避免发生事故。
第1章 引言
光纤传感器 对三峡大坝 渗流与泄漏的监测 应力和位移测量 混凝土固化过程的 温度监控等
第1章 引言
长江悬索大桥 的悬索里嵌入 光纤传感器， 避免由于材料 的疲劳强度和 过载发生灾难 性损害事故
第1章 引言
德国库卡电弧焊
机器人
东风悦达焊装车间：169台机器人 组成柔性生产线
此外，为了保证产品品质，焊装车间内运用了4台 机器人检查系统，通过严格鉴定每台车身的焊接质 量，严格把好焊接质量关。
传感器技术名列第二。
第1章 引言
日本对开发和利用传感器技术相当重视，把传感器技术与 计算机、通信、激光半导体、超导并列为６大核心枝术，日 本科学技术厅制定的90年代重点科研项目中有70个重点课题， 其中有18项是与传感器技术密切相关。日本工商界人士甚至
声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。
德国视军用传感器为优先发展技术，
1988年4月28日，阿罗哈航空（243号班机为）一架波音737型客机，从希洛前往檀香山途中，因金属疲劳导至 驾驶室后方一直到机翼附近的一大块机舱天花板撕裂飞脱，一名空服员（卡拉芭尼· 兰辛（Clarabelle Lansing））不幸被吸出机舱外，至今仍失踪，65人受伤。这个灾难性的断裂事件震惊了整个世界，更加震惊 了美国。所以美国国会当时形成一个议案，要求3年内拿出一个SMART飞机的概念设计，SMART的含义就 是具有自诊断和预警系统。正是这一事件推动了世界各国对智能材料的研究，也推动了各个领域里的监测、 诊断、自控制、自适应的研究工作的蓬勃兴起和发展。另外，这次事件也告诫人们，对一些重要的设备、重 要的设施、关键的零部件，对其进行有效的诊断和监控是非常重要的。
电
源
图 1.1传感器组成方块图
第1章 引言
1.3 传感器的分类
传感器种类繁多, 功能各异。 由于同一被测量可用不
同转换原理实现探测, 利用同一种物理法则、 化学反应或 生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器 , 而功能 大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域 , 故传感 器有不同的分类法。
第1章 引言
1988年4月28日，阿罗哈航空（243号班机为）一架波音737型客机，从希 洛前往檀香山途中，因金属疲劳导至驾驶室后方一直到机翼附近的一大 块机舱天花板撕裂飞脱，一名空服员（卡拉芭尼· 兰辛（Clarabelle Lansing））不幸被吸出机舱外，至今仍失踪，65人受伤。这个灾难性的