傳感器與檢測技術(shù)課件 項目一識別與選用傳感器1.1 識別傳感器

《識別與選用傳感器》項目一識別與選用傳感器項目思維導(dǎo)圖識別與選用傳感器【知識目標(biāo)】

1．掌握傳感器的定義，了解傳感器的作用與分類；2．掌握傳感器的組成與應(yīng)用，會識別傳感器類型；3．了解傳感器的基本特性、標(biāo)定和校準(zhǔn)，了解傳感器的信號處理方式?！炯寄苣繕?biāo)】1．能復(fù)述并解釋傳感器的概念；2．能復(fù)述傳感器的組成、傳感器的基本功能和傳感器的共性；3.能比較不同類別的傳感器，會選擇傳感器的基本方法；項目教學(xué)目標(biāo)識別與選用傳感器4.能復(fù)述傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢；5.會結(jié)合生活生產(chǎn)實際舉例說明傳感器的應(yīng)用?！舅仞B(yǎng)目標(biāo)】1．培養(yǎng)學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度和作風(fēng)、創(chuàng)新求實精神；2．通過傳感器選用，培養(yǎng)學(xué)生愛國情懷，熱愛自己的祖國，要從身邊做起，從現(xiàn)在做起。傳播正能量，學(xué)好技術(shù)技能，為國家發(fā)展做貢獻。項目教學(xué)目標(biāo)1.1識別傳感器任務(wù)描述在現(xiàn)代化城市中，高樓林立，中央空調(diào)無處不在，它能幫助實現(xiàn)冬暖夏涼，讓人們在舒適的環(huán)境中工作、學(xué)習(xí)，所以，通風(fēng)管道的清潔是至關(guān)重要的。但是通風(fēng)管理狹窄，清理不方便，這樣室內(nèi)空氣就會污濁，從而影響人們的身體健康。

現(xiàn)在，中央空調(diào)清洗機器人誕生了，它能專門清潔及維護大廈中央空調(diào)系統(tǒng)的通風(fēng)管道，如圖所示。1.1識別傳感器任務(wù)描述

中央空調(diào)清洗機器人是由類似坦克形狀的小車、各種傳感器、顯示器、錄像機、控制箱及操控桿組成。工作人員可以根據(jù)機器人感受到的外部信息用操控桿控制機器人前進、倒退和轉(zhuǎn)彎，消掃通風(fēng)管道。機器人之所以能感受到外界環(huán)境的各種信息，是因為在機器人的各部位安裝了相應(yīng)的傳感器來感覺環(huán)境信息。

日常生活中，實際上傳感器對我們來說，并不陌生，如聲控節(jié)能開關(guān)中的光敏電阻，電視機遙控系統(tǒng)的紅外接收器件等都是傳感器。我們還會用到哪些傳感器？它們分別起什么作用？本任務(wù)就是認(rèn)識傳感器，學(xué)會傳感器的識別，了解傳感器在人們生活以及自動化生產(chǎn)中的作用。1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別

廣義上說：能感知某一物理量、化學(xué)量、生物量等的信息，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)化為可以加以利用的信息的裝置。狹義上說：傳感器就是能感知被測量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)化為電量的裝置。

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—1987）對傳感器的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。一、傳感器的定義1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別

傳感器是一種檢測裝置，是自動化系統(tǒng)和機器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，它是實現(xiàn)自動檢測的首要環(huán)節(jié)，為自動控制提供控制依據(jù)。傳感器在機械電子、測量、控制、計量等領(lǐng)域中受到廣泛應(yīng)用，如圖所示為各種傳感器實物圖。

對此定義需要明確以下幾點：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②輸入量是某一被測量，物理量、化學(xué)量、生物量等；一、傳感器的定義1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別③輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；④輸出與輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。

傳感器名稱可以是發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、換能器、探測器等等。傳感器功用概括為一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。一、傳感器的定義1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別

通常傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如右圖所示。二、傳感器的組成1．敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。如后續(xù)章節(jié)要介紹的對力敏感的電阻應(yīng)變片、對光敏感的光敏電阻、對溫度敏感的熱敏電阻等，如圖所示為彈性敏感元件。1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別2．轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。最簡單的傳感器由一個敏感元件（兼轉(zhuǎn)換元件）組成，感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶，如圖所示。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個，信號要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換方能輸出合適的電參量。二、傳感器的組成1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別3．基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。如果轉(zhuǎn)換元件的輸出已經(jīng)是電壓、電流或電頻率，則不需要轉(zhuǎn)換電路。需要注意，不是所有的傳感器均由以上3部分組成。最簡單的傳感器是由一個敏感元件（兼轉(zhuǎn)換元件）組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶傳感器。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，而沒有轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。另外，一般情況下，轉(zhuǎn)換電路的后續(xù)電路，如信號放大、處理、顯示等電路就不應(yīng)包括在傳感器的組成范圍之內(nèi)。二、傳感器的組成1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別

根據(jù)某種原理設(shè)計的傳感器可以同時檢測多種物理量，而有時一種物理量又可以用幾種傳感器測量，傳感器有很多種分類方法。目前傳感器的主要分類方法有：根據(jù)傳感器測量的物理量分類、根據(jù)傳感器工作原理分類、根據(jù)傳感器能量轉(zhuǎn)換情況分類、根據(jù)傳感器轉(zhuǎn)換原理分類和按照傳感器的使用分類。三、傳感器的分類按工作機理：物理型、化學(xué)型、生物型等

按構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類

按能量轉(zhuǎn)換：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型傳感器按物理原理分類：有十種按用途分類：位移、壓力、振動、溫度等傳感器按轉(zhuǎn)換過程可逆與否：單向和雙向按輸出信號：模擬信號和數(shù)字信號

按是否使用電源：有源傳感器和無源傳感器

1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別1.結(jié)構(gòu)型傳感器

利用物理學(xué)中場的定律構(gòu)成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物理學(xué)中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時的數(shù)學(xué)模型，如圖。三、傳感器的分類這類傳感器的特點：傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。

1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別2.物性型傳感器

利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能，如圖所示。三、傳感器的分類物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。如光電管，利用了物質(zhì)法則中的外光電效應(yīng)，特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關(guān)系。又如所有半導(dǎo)體傳感器、所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別3.能量控制型傳感器

在信息變化過程中，傳感器將從被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信號。

這類傳感器必須由外部提供激勵源，如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器。

基于應(yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、外光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等的傳感器也屬于此類傳感器，如圖所示。

三、傳感器的分類1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別4.能量轉(zhuǎn)換型傳感器

能量轉(zhuǎn)換型傳感器，又稱有源型或發(fā)生器型傳感器。傳感器將從被測對象獲取的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號能量，主要由能量變換元件構(gòu)成，不需要外電源。如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)等的傳感器都屬于此類傳感器。

三、傳感器的分類1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別5.按照物理原理分類：

電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等；

磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等；

壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器；

光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等；

氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)變式；

熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻；

波式傳感器：超聲波式、微波式等；

射線式傳感器：熱輻射式、γ射線式；

半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；

其他原理的傳感器：差動變壓器、振弦式等。

有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復(fù)合形式，如不少半導(dǎo)體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。

三、傳感器的分類1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別1．工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在石油、化工、電力、鋼鐵、機械等工業(yè)生產(chǎn)中'需要及時檢測各種工藝參數(shù)的信息，實現(xiàn)對工作狀態(tài)的監(jiān)控，診斷生產(chǎn)設(shè)備的各種情況，使生產(chǎn)系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高效益。目前，工程機械產(chǎn)品中傳感器一般來說有100多個，傳感器與微機、通信技術(shù)的結(jié)合，使工業(yè)檢測實現(xiàn)了自動化。2．在家用電器中的應(yīng)用

隨著電子技術(shù)的興起，家用電器正向自動化、智能化的方向發(fā)展。家用電廚具、空調(diào)、冰箱、洗衣機、電子熱水器、安全報警器、吸塵器、電熨斗、照相機及音像設(shè)備等都用到了傳感器。如，海爾家電最復(fù)雜的產(chǎn)品有幾十個傳感器，一臺空調(diào)器采用微型計算機控制配合傳感器技術(shù)，可以實現(xiàn)壓縮機的啟動、停機、風(fēng)扇搖頭、風(fēng)門調(diào)節(jié)、換氣等，從而對溫度、濕度和空氣濁度進行控制。四、傳感器的應(yīng)用1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別3．在汽車中的應(yīng)用

隨著生活水平的提高，汽車已走進千萬戶。目前，傳感器在車上不只限于測量行駛速度、行駛距離、發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度以及燃料剩余量等有關(guān)參數(shù)，而且在一些新設(shè)施中，如汽車安全氣囊、防滑控制等系統(tǒng)，防盜、防抱死、排氣循環(huán)、電子變速控制、電子燃料噴射等裝簧以及汽車“黑匣子”等都安裝了相應(yīng)的傳感器，如圖所示，汽車ESP構(gòu)成示意圖。四、傳感器的應(yīng)用1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別4．在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)傳感器作為拾取生命體征信息的五官，它的作用日益顯著，并得到廣泛應(yīng)用。在圖像處理、臨床化學(xué)檢驗、生命體征參數(shù)監(jiān)護等方面廣泛使用傳感器。醫(yī)學(xué)傳感器分為物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器。被測量生理參數(shù)均為低頻或超低頻信息，頻率分布一般低于300Hz。

例如，先心病人手術(shù)前須用血壓傳感器測量心內(nèi)壓力，估計缺陷程度；如在ICU病房，對危重病人的體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等進行連續(xù)監(jiān)護的監(jiān)護儀；用同步呼吸器搶救病人時，要檢測病人的呼吸信號，以此來控制呼吸器的動作與人體呼吸同步。監(jiān)護儀如圖所示。四、傳感器的應(yīng)用1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別5．在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用

人們工作、生活、娛樂等場所都需要一個安全的環(huán)境。家庭中對煤氣泄漏的及時發(fā)現(xiàn)，公共場所對火災(zāi)初期情況的及時掌握，對人員疏散、最大限度減少生命及財產(chǎn)損失至關(guān)重要。近年來，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，PM2.5越來越受到人們的重視，為了保護環(huán)境，研制用以監(jiān)測大氣、水質(zhì)及噪聲污染的傳感器，已被世界各國所重視。6．在航空航天中的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域中，如飛行的速度、加速度、位置、姿態(tài)、溫度、氣壓、磁場和振動等都需要測量；四、傳感器的應(yīng)用1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別7．在智能建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

智能建筑是未來建筑的一種必然趨勢，它涵蓋自動化、信息化、生態(tài)化等多方面的內(nèi)容，具有微型集成化、高精度、數(shù)字化特征的智能傳感器將在智能建筑中占有重要位置。例如，閉路監(jiān)控系統(tǒng)、防盜報警系統(tǒng)、樓宇對講系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)、小區(qū)一卡通系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)、考勤門禁系統(tǒng)、電子考場系統(tǒng)、智能門鎖等。在家庭中還可以用各種傳感器探測家中各種器具的工作狀態(tài)和用戶的位置等，并用預(yù)先設(shè)定的程序進行分析、判斷。對各種信息分析出結(jié)果后，把結(jié)果用語音等反饋給用戶，以幫助用戶，如煤氣灶開為報警、水池放水報警、鑰匙忘帶報警、出門忘帶錢包提醒、水開報警、太陽能滿水報警等。四、傳感器的應(yīng)用1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別

檢測系統(tǒng)的組成首先跟傳感器輸出的信號形式和儀器的功能有關(guān)，并由此決定檢測系統(tǒng)的類型。1.模擬信號檢測系統(tǒng)

模擬式傳感器是目前應(yīng)用最多的傳感器，如電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式及熱電式等傳感器均輸出模擬信號，其輸出是與被測物理量相對應(yīng)的連續(xù)變化的電信號。檢測系統(tǒng)的基本組成如圖。在圖中，振蕩器用于對傳感器信號進行調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號；量程變換電路的作用是避免放大器飽和并滿足不同測量范圍的需要；解調(diào)器用于將已調(diào)制信號恢復(fù)成原有形式；濾波器可將無用的干擾信號濾除，并取出代表被測物理量的有效信號；五、檢測系統(tǒng)的組成1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別

運算電路可對信號進行各種處理，以正確獲得所需的物理量，其功能也可在對信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，由數(shù)字計算機來實現(xiàn)；計算機對信號進行進一步處理后，可獲得相應(yīng)的信號去控制執(zhí)行機構(gòu)，而在不需要執(zhí)行機構(gòu)的檢測系統(tǒng)中，計算機則將有關(guān)信息送去顯示或打印輸出。

在具體的機電一體化產(chǎn)品的檢測系統(tǒng)中，也可能沒有圖中的某些部分或增加一些其它部分，如有些傳感器可不進行調(diào)制與解調(diào)，而直接進行阻抗匹配、放大和濾波等。五、檢測系統(tǒng)的組成1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別2.數(shù)字信號檢測系統(tǒng)

數(shù)字式傳感器可直接將被測量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，既可提高檢測精度、分辨率及抗干擾能力，又易于信號的運算處理、存儲和遠距離傳輸。因此，盡管目前數(shù)字式傳感器品種還不很多，但卻得到了越來越多的應(yīng)用。最常見的數(shù)字式傳感器有光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器、光電編碼器等，主要用于幾何位置、速度等的測量。

數(shù)字信號檢測系統(tǒng)有絕對碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。當(dāng)傳感器輸出的編碼與被測量一一對應(yīng)，稱為絕對碼。絕對碼檢測系統(tǒng)如圖所示。每一碼道的狀態(tài)由相應(yīng)光電元件讀出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和放大整形后，得到與被測量相對應(yīng)的編碼。五、檢測系統(tǒng)的組成1.1識別傳感器知識鏈接：傳感器的識別

糾錯電路糾正由于各個碼道刻劃誤差而可能造成的粗大誤差。采用循環(huán)碼（格雷碼）傳感器時則先轉(zhuǎn)換為二進制碼，再譯碼輸出。當(dāng)傳感器輸出增量碼信號，即信號變化的周期數(shù)與被測量成正比，其增量碼數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的典型組成如下圖所示。五、檢測系統(tǒng)的組成

在圖中，傳感器的輸出多數(shù)為正弦波信號，需先經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號。1.1識別傳感器知識鏈接：