传感器原理及检测故术 Sensor Principle detecting Technology 目目 吉林大学电子科学与工程学院 :85020
传感器原理及检测技术 吉林大学电子科学与工程学院 联系方式：8502071 yiqixi001@sohu.com 主讲：王君 Sensor Principle & Detecting Technology
第一章绪论 检测技术作为信息科学的一个重要分支,与计算机技 术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术 的完整学科。在人类进入信息时代的今天,人们的 切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心,传感 器作为信息获取与信息转换的重要手段,是信息科学 最前端的一个阵地,是实现信息化的基础技术 ”的观点已为全世界 所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官 样,源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种 信息,成为人们认识自然、改造自然的有利工具
检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技 术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术 的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一 切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感 器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学 最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。 第一章 绪 论 “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界 所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官 一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种 信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具
第一章绪论 第一节传感器的地位和作用 传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。 传感器是获取信息的主要途径与手段。 没有传感器,现代化生产就失去了基础 传感器是边缘学科开发的先驱。 传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测 环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文 物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的 海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化 项目,都离不开各种各样的传感器。 可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步 等方面起着重要作用
第一节 传感器的地位和作用 传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 传感器是获取信息的主要途径与手段。 没有传感器，现代化生产就失去了基础。 传感器是边缘学科开发的先驱。 第一章 绪 论 可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步 等方面起着重要作用。 传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、 环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文 物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的 海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化 项目，都离不开各种各样的传感器
第二节传感器的定义 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 传感器功用:一感二传,即感受被测信息,并传送出去
第二节 传感器的定义 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； 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 传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。 V、I、F、P
第三节传器的组成 被测量 电量 敏感元件→转换元件—基本转换电路 辅助电源 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
第三节 传感器的组成 辅助电源 敏感元件 转换元件 基本转换电路 被测量 电量 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
实际上,有些传感器很简单,有些则较复杂,大多数 是开环系统,也有些是带反馈的闭环系统。 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 由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中 然而,因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电 信号,从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一
实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数 是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。 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。 由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。 然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电 信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一
第四节传器的分类 1、按传感器的工作机理,分为物理型、化学型、生物型等 2、按构成原理,结构型与物性型两大类 3、根据传感器的能量转换情况,可分为能量控制型传感器和能 量转换型传感器 4、按照物理原理分类:十种 5、按照传感器的用途分类:位移、压力、振动、温度传感器 6、根据转换过程可逆与否:单向和双向 7、根据传感器输出信号:模拟信号和数字信号 8、根据传感器使用电源与否:有源传感器和无源传感器
第四节 传感器的分类 1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等 2、按构成原理，结构型与物性型两大类 3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能 量转换型传感器 4、按照物理原理分类：十种 5、按照传感器的用途分类 ：位移、压力、振动、温度传感器 7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号 6、根据转换过程可逆与否 ：单向和双向 8、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器
结构型传感器是利用物理学中 构成的,包括动 力场的运动定律,电磁场的电磁定律等。物理学中的定 律一般是以方程式给出的。对于传感器,这些方程式就 是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点 的工作原理是以传感器中元件相对位置 起场的变化为基础,而不是以材料特性变 物性型传感器是利用物质定嵂构成的,如虎克定律、欧姆 定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这 种法则,大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常 数的大小,决定了传感器的主要性能。因此,物性型传 料的不同而异。如,光电管,它利用了 物质法则中的外光电效应。显然,其特性与涂覆在电极 上的材料有着密切的关系。又如,所有半导体传感器, 以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶 瓷、合金等性能变化的传感器,都属于物性型传感器
结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动 力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定 律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就 是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点 是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引 起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。 物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆 定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这 种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常 数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传 感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了 物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极 上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器， 以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶 瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器
能量控制型传感器,在信息变化过程中,传感 器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外 部激励源,使外部激励源的部分能量载运信息而形 成输出信号,这类传感器必须由外部提供激励源, 如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这 类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效 应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传 感器。 能量转换型传感器,又称有源型或发生器型, 传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输 出信号能量,主要由能量变换元件构成,它不需要 外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效 应等的传感器都属于此类传感器
能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感 器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外 部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形 成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源， 如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一 类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效 应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传 感器。 能量转换型传感器，又称有源型或发生器型， 传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输 出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要 外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效 应等的传感器都属于此类传感器
按照物理原理分类: ★电参量式传感器:电阻式、电感式、电容式等 ★磁电式传感器:磁电感应式、霍尔式、磁栅式等 ★压电式传感器:声波传感器、超声波传感器; ★光电式传感器:一般光电式、光栅式、激光式、光电 码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等; ★气电式传感器:电位器式、应变式; ★热电式传感器:热电偶、热电阻; ★波式传感器:超声波式、微波式等; ★射线式传感器:热辐射式、γ射线式; ★半导体式传感器:霍耳器件、热敏电阻; ★其他原理的传感器:差动变压器、振弦式等 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式 如不少半导体式传感器,也可看成电参量式传感器
按照物理原理分类： ★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； ★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； ★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； ★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电 码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等； ★气电式传感器：电位器式、应变式； ★热电式传感器：热电偶、热电阻； ★波式传感器：超声波式、微波式等； ★射线式传感器：热辐射式、γ射线式； ★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻； ★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式, 如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器