第一讲自然规律与传感器.ppt
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1、1传感器传感器是一种装置或器件。国家标准(GB7765-87)给传感器的定义是:能够感受规定的被测量并按照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,通常一定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由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号。传感器的定义传感器的定义2敏感敏感元件元件转换转换元件元件转换转换电路电路电量电量被测量被测量辅助电源辅助电源敏感敏感元件元件转换转换元件元件转换转换电路电路电量电量被测量被测量 传感器的组成传感器的组
2、成3l 根据传感器的工作机理根据传感器的工作机理基于物理效应如光、电、声、磁、热等效应进行工作的物理传感器物理传感器;基于化学效应如化学吸附、离子化学效应等进行工作的化学传感器化学传感器;基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器生物传感器。l 根据传感器的构成原理根据传感器的构成原理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。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。定律、法则大多数是以物质本身的常数形
3、式给出。这些常数的大小,决定了传感器的主要性能。l 根据传感器的能量转换情况根据传感器的能量转换情况能量控制型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。如应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应等电桥能量转换型能量转换型是由传感器输入量的变化直接引起能量的变化。如热电效应中热电偶、光电池等。传感器的分类传感器的分类4 分类方法分类方法 传感器的类型传感器的类型 说说 明明 按基本效应按基本效应分类分类物理型、化学型、生物型物理型、化学型、生物型分别以效应命名为物理、化学、生物传感器分别以效应命名为物理、化学、生物传感器按构成原理按构成原理分类分
4、类结构型结构型物性型物性型以其转换元件结构参数变化实现信号转换以其转换元件结构参数变化实现信号转换以其转换元件结构物理特性变化实现信号转换以其转换元件结构物理特性变化实现信号转换按作用原理按作用原理分类分类应变式、电容式、压电式、应变式、电容式、压电式、热电式等热电式等以传感器对信号转换的作用原理命名以传感器对信号转换的作用原理命名按能量关系按能量关系分类分类能量转换型(自源型)能量转换型(自源型)能量控制型(外源型)能量控制型(外源型)传感器输出量直接由被测量能量转换而得传感器输出量直接由被测量能量转换而得传感器输出量能量由外源供给但受被测输入量控传感器输出量能量由外源供给但受被测输入量控制
5、制按敏感材料按敏感材料分类分类半导体传感器、光纤传感器、陶半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等复合材料传感器等以使用的敏感材料命名以使用的敏感材料命名按输入量分按输入量分类类位移、压力、温度、流量、气体、位移、压力、温度、流量、气体、振动、温度、湿度粘度等振动、温度、湿度粘度等以被测量命名(即按用途分类法)以被测量命名(即按用途分类法)按输出信号按输出信号分类分类模拟式模拟式数字式数字式输出量为模拟信号输出量为模拟信号输出量为数字信号输出量为数字信号按与某种高按与某种高新技术结合新技术结合集成传感器、智能传感器、机器集成传感器、智
6、能传感器、机器人传感器、仿生传感器等人传感器、仿生传感器等按基于的高新技术命名按基于的高新技术命名5现代传感技术的发展趋势现代传感技术的发展趋势(1)开发新材料、研究新型传感器材料是传感器技术的重要基础。随着传感器技术的发展、如半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维、纳米材料、超导材料等相继问世。随着研究的不断深入,人们将进一步探索具有新效应的敏感功能材料;通过微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科、各种新技术的互相渗透和综合利用,从而研制开发具有新原理、新功能的新型传感器。6(2)向高精度发展随着自动化生产程度的不断提高,对传感器的要求也在不断提高,必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速
7、度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产相对精度在万分之一以上的传感器的厂家为数不多,其产量也远远不能满足要求。7(3)向高可靠性、宽温度范围发展传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能,研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题,大部分传感器其工作范围都在-2070,在军用系统中要求工作温度在-40C85C范围,而汽车锅炉等场合要求传感器工作在-20C 120C,在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高,因此发展新兴材料(如陶瓷)的传感器将很有前途。8(4)向微型化发展各种控制仪器设备的功能越来越大,要求各个部件体积能占位置越小越好
8、,因而传感器本身体积也是越小越好,这就要求发展新的材料及加工技术,目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的,体积较大、稳定性差、寿命也短,而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。9(5)向微功耗及无源化发展传感器一般都是非电量向电量的转化,工作时离不开电源,在野外现场或远离电网的地方,往往是用电池供电或用太阳能等供电,开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向,这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前,低功耗损的芯片发展很快,如TI2702运算放大器,静态功耗只有1.5mA,而工作电压只需25V。10(6
9、)向集成化、多功能化发展集成化技术包括传感器与IC的集成制造技术以及多参量传感器的集成制造技术,缩小了传感器的体积,提高了抗干扰能力。在通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量,但在许多应用领域中,为了能够完美而准确地反映客观事物和环境,往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统,它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式,用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展,目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。11
10、(7)向智能化发展所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的基本功能与专用微处理器的信息分析、处理功能紧密结合在一起,并具有诊断、数字双向通信等新功能的传感器。由于微处理器具有强大的计算和逻辑判断功能,故可方便地对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等:同时实现必要的自诊断、自检测、自校验以及通信与控制等功能。(8)向数字化、网络化发展随着科技的发展,数字化、网络化传感器应用日益广泛,以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主流。12(9)多传感器的集成与融合由于单传感器不可避免存在不确定或偶然不确定性,缺乏全面性,所以偶然的故障就会导致系统失效。多传感器集成与融合技术正是解决
11、这些问题的良方。多个传感器不仅可以描述同一环境特征的多个冗余的信息,而且可以描述不同的环境特征。它的特点足冗余性、互补性、及时性和低成本性。(10)多学科交叉融合,实现无线网络化无线传感器网络是由大量无处不在的、由无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统,能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统13 当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后,随着CAD技术、MEMS技术、材料技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展,未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会,
12、作为现代科学“耳目”的传感器系统,作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础,必将进一步得到社会各界的普遍关注。n现代传感技术的发展趋势(小结)1.微型化(Micro)2.智能化(Smart)3.多功能传感器(Multifunction)4.无线网络化(wireless networked)14传感器要正确执行其功能,获得良好的性能,必须遵守和利用多传感器要正确执行其功能,获得良好的性能,必须遵守和利用多种自然科学规律。归纳已有传感器的情况,涉及的自然规律和理种自然科学规律。归纳已有传感器的情况,涉及的自然规律和理论基础有:论基础有:l守恒定律。包括能量守恒定律、动量守恒定律、电荷守恒定律守恒
13、定律。包括能量守恒定律、动量守恒定律、电荷守恒定律等;等;l场的定律。包括动力场的运动定律、电磁场感应定律、光的电场的定律。包括动力场的运动定律、电磁场感应定律、光的电磁场干涉定律等;磁场干涉定律等;l物质定律。包括力学、热学、梯度流动的传输和量子现象等物质定律。包括力学、热学、梯度流动的传输和量子现象等l统计物理学法则。统计物理学法则。15一、守恒定律一、守恒定律 守恒定律是自然界最重要也是最基本的定律,是自然界普遍遵守恒定律是自然界最重要也是最基本的定律,是自然界普遍遵守的定律之一。即某种物理量,它既不会自己产生,也不会自守的定律之一。即某种物理量,它既不会自己产生,也不会自行消失,其总量
14、守恒。包括能量守恒定律、质量守恒定律、动行消失,其总量守恒。包括能量守恒定律、质量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、电荷守恒定律、信息守恒定律量守恒定律、角动量守恒定律、电荷守恒定律、信息守恒定律等。等。1.能量守恒能量守恒任一封闭系统中,无论发生什么变化,其能量的总值保持不变。任一封闭系统中,无论发生什么变化,其能量的总值保持不变。能量既不会消灭,也不会创生,它只能从一种形式转变成为另能量既不会消灭,也不会创生,它只能从一种形式转变成为另一种形式,或从一个物体转移到另一个物体,这个规律叫一种形式,或从一个物体转移到另一个物体,这个规律叫“能能的转化合守恒定律的转化合守恒定律”。该定律在
15、性质上确定了能量形式的可变。该定律在性质上确定了能量形式的可变性,在数值上肯定了自然界能量总和的守恒性。性,在数值上肯定了自然界能量总和的守恒性。16 2.动量守恒动量守恒若质点不受力的作用或作用于质点上的力等于零,则该质点若质点不受力的作用或作用于质点上的力等于零,则该质点的动量保持不变,这就是质点动量守恒定律。即当系统所受的动量保持不变,这就是质点动量守恒定律。即当系统所受合外力为零时,系统总动量保持不变。合外力为零时,系统总动量保持不变。3.电荷守恒电荷守恒孤立系统(不与外界交换电荷)的带电量,不论系统发生何孤立系统(不与外界交换电荷)的带电量,不论系统发生何种变化或过程,电荷的代数和不
16、变。即:电荷既不会被创造、种变化或过程,电荷的代数和不变。即:电荷既不会被创造、也不能被消灭,它们只能从一个物体转移到另一个物体,或也不能被消灭,它们只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分。任何物理过程中电荷的者从物体的一部分转移到另一部分。任何物理过程中电荷的代数和是守恒的。代数和是守恒的。17应用举例:应用举例:差压流量计差压流量计以能量守恒定律、伯努利方程以能量守恒定律、伯努利方程和流动连续性方程为基础。整和流动连续性方程为基础。整套仪表由节流装置、导压管及套仪表由节流装置、导压管及差压检测仪表组成。差压检测仪表组成。18伯努利方程伯努利方程伯努利方程是关于密封
17、管路中无粘性流体流动的能量守恒定律。伯努利方程是关于密封管路中无粘性流体流动的能量守恒定律。伯努利方程(定理)指出:流体在忽略粘性损失的流动中,流伯努利方程(定理)指出:流体在忽略粘性损失的流动中,流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。流速线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。流速计(皮托管)、流量计、抽水机等都是伯努利方程的实际应用。计(皮托管)、流量计、抽水机等都是伯努利方程的实际应用。伯努利方程:伯努利方程:方程表明:理想流体稳定流动时,同一方程表明:理想流体稳定流动时,同一流管不同截面处,单位体积流体的动能、流管不同截面处,单位体积流体的动能、势能与该处压强之
18、和保持不变。势能与该处压强之和保持不变。19 差压式流量计测量原理差压式流量计测量原理流体为不可压缩的理想流体流体为不可压缩的理想流体假假 设设不对外做功不对外做功与外界无热交换与外界无热交换流体温度不变流体温度不变差压式流量计的测量原理是基差压式流量计的测量原理是基于流体的机械能相互转换的原于流体的机械能相互转换的原理。在理。在水平管道水平管道流动的流体,流动的流体,具有动压能和静压能(位能)具有动压能和静压能(位能)相等,在一定条件下,这两种相等,在一定条件下,这两种形式的能量可以相互转换,但形式的能量可以相互转换,但能量总和不变。能量总和不变。20根据伯努利方程,设流体在根据伯努利方程,
19、设流体在水平管道水平管道中流动,且中流动,且根据流体连续性方程根据流体连续性方程21流体质流体质量流量量流量开孔直径与管道直径的比值开孔直径与管道直径的比值22u法兰取压法兰取压:取压孔直径:取压孔直径:6-12mmuD-D/2取压取压:取压孔直径小于取压孔直径小于0.13D,0.13D,且小于且小于13mm13mm23二、场的定律二、场的定律 物物理理学学中中的的“场场”的的概概念念最最早早是是由由法法拉拉第第和麦克斯韦在电磁场理论的研究中确立的。和麦克斯韦在电磁场理论的研究中确立的。法法拉拉第第首首先先提提出出了了磁磁力力线线、电电力力线线的的概概念念,在在电电磁磁感感应应、电电化化学学、
20、静静电电感感应应的的研研究究中中进进一一步步深深化化和和发发展展了了力力线线思思想想,并并第第一一次次提出场的思想,建立了电场、磁场的概念。提出场的思想,建立了电场、磁场的概念。Michael Faraday(17911867)其其后后,经经典典电电磁磁场场论论(麦麦克克斯斯韦韦、赫赫兹兹)得得到到确确立立。在在经经典典电电磁磁学学的的建建立立与与发发展展过过程中,形成了电磁场的概念。程中,形成了电磁场的概念。24所所谓谓物物理理场场是是指指某某一一空空间间范范围围及及其其各各种种事事物物分分布布状况的总称。状况的总称。场场的的定定律律,都都是是关关于于物物质质作作用用的的客客观观规规律律。这
21、这些些规规律律所所揭揭示示的的是是物物体体在在空空间间排排列列和和分分布布状状态态与与某某一一时时刻刻的的作作用用有有关关的的客客观观规规律律,一一般般可可用用物物理理方方程程给给出出。这这些些方方程程就就是是某某些些传传感感器器工工作作的的数数学学模模型型,而而与与这这些些定定律律有有关关的的参参数数通通常常与与具具体体物物质质的的内内部部结结构构(如如成成分分、材材料料)无无关关,与与物物质质在在空空间间的位置及分布状态与某时刻的作用有关。的位置及分布状态与某时刻的作用有关。25电电磁磁感感应应定定律律指指出出:导导体体回回路路中中感感应应电电动动势势的的大大小小与与穿穿过过回回路的磁通量
22、的变化率成正比。路的磁通量的变化率成正比。当当线线圈圈以以速速度度v垂垂直直于于磁磁场场运运动动时时,由由于于切切割割磁磁力力线线,在在线线圈中产生与运动速度成正比的感应电动势圈中产生与运动速度成正比的感应电动势:利利用用电电磁磁感感应应定定律律可可以以构构成成自自感感式式传传感感器器、互互感感式式传传感感器器、感感应应同同步步器器和和电电涡涡流流式式传传感感器器等等,可可用用来来测测量量位位移移、运运动动速速度、振动等多种物理量。度、振动等多种物理量。26高频反射式电涡流传感器结构和工作原理高频反射式电涡流传感器结构和工作原理1234561-线圈线圈 2-框架框架 3-衬套衬套4-支架支架
23、5-电缆电缆 6-插头插头2728利利用用静静电电场场的的有有关关定定律律制制成成电电容容传传感感器器。静静电电场场中中两两平平行行电极板间的电容量电极板间的电容量C为:为:两极板相对移动两极板相对移动时,时,C的变化量:的变化量:29波波是场的一种运动形态,是场的一种运动形态,光波光波是一种广泛存在的电磁波。是一种广泛存在的电磁波。利利用用光光电电磁磁场场的的基基本本定定律律,如如光光的的直直线线传传播播定定律律、光光波波之之间间的的相相互互作作用用,如如光光的的干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振现现象象、光光的的多多普普勒勒效效应应等等,可可以以制制成成影影像像、干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振、光
24、光栅栅、光光码码盘盘等等各式各样的传感器和测量装置。各式各样的传感器和测量装置。30利利用用场场的的定定律律构构成成的的传传感感器器,其其性性能能由由定定律律决决定定,与使用材料无关与使用材料无关。这这类类传传感感器器的的形形状状、尺尺寸寸等等参参数数决决定定了了传传感感器器的的量量程程、灵灵敏敏度度等等性性能能,因因此此这这类类传传感感器器统统称称为为结结构构型型传感器。传感器。它它们们具具有有设设计计的的自自由由度度较较大大、选选择择材材料料的的限限制制较较小小等优点,但体积一般较大,并且不易集成。等优点,但体积一般较大,并且不易集成。31三、物质定律三、物质定律 物物质质定定律律是是指指
25、各各种种物物质质本本身身内内在在性性质质的的定定律律、法法则则、规规律律等等。它它们们通通常常以以固固有有的的物物理理常常数数加加以以描描述述。如如胡胡克克定定律律,欧欧姆姆定定律律等等。这这些些定定律律都都含含有有物物质质所所固固有有的的常常数数,即即定定律律是是定定义义各各种物理常数的公式。种物理常数的公式。利利用用各各种种物物质质定定律律构构成成的的传传感感器器统统称称为为物物性性型型传传感感器器。这这些些传传感感器器的的主主要要性性能能在在很很大大程程度度上上受受相相应应的的物物理理常常数数或或化化学学、生物特性所决定,也即与物质的材料密切相关。生物特性所决定,也即与物质的材料密切相关
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- 第一 自然规律 传感器