202006 - 第1章 绪 论【传感器技术案例教程】
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第1讲 绪论
非电量
电量
传感器
测量电路
A/D转换
数字显示
山西工程职业技术学院 传感器基础
集散控制系统应用
典型微机测试系统
非 电 量
传 感 器
测 量 电 路
显示器
A/D 转 换
微 机
记录器 控制器
典型微机测试系统
山西工程职业技术学院 传感器基础
集散控制系统应用
外 界 信 息
感 官 传感器
大 脑 计算机
肌 体 执行机构
山西工程职业技术学院 传感器基础
集散控制系统应用
1.1什么是传感器
从广义的角度来说，信号检出器件和 信号处理部分总称为传感器。
山西工程职业技术学院 传感器基础
集散控制系统应用
1.1什么是传感器
对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。下面请 看几个传感器应用实例:
山西工程职业技术学院 传感器基础
集散控制系统应用 应用实例-多种气体检测系统
山西工程职业技术学院 传感器基础
2 3 n
输 出 量
零 点 输 出
理 论 灵 敏 度
输 入 量
非线性项系数
山西工程职业技术学院 传感器基础
集散控制系统应用
1、线性度
直线拟合线性化 非线性误差或线性度
L ( L M ax y FS ) 100 %
Y=kx+b 最大非线性误差 满量程输出 Yi Y
Lmax X Xi
山西工程职业技术学院 传感器基础
集散控制系统应用
直线拟合线性化
出发点
拟合方法：
获得最小的非线性误差
(整理)传感器技术绪论
第1篇传感器技术绪论1.传感器引言当我们看见“传感器技术”的时候，大多数同学都不陌生。
传感器已经渗透到了我们生活的各个层面。
看看下表，就知道了。
请同学们自己补充2-3项举例。
看来传感器技术确实是喜欢电子的人必不可少的一项技术。
那么，什么是传感器呢？就做电子技术的人来说，狭义上传感器是将被测量转换为电信号的一种器件或装置。
但是，我们看见上表中出现了体温计和血压计，很多同学认为它们并不是电信号输出。
实际上，国家标准GB7665-87对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定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”。
这里所说的“可用输出信号”是指便于加工处理、便于传输利用的信号。
现在电信号是最易于处理和便于传输的信号。
所以，我们可以暂时以电信号输出作为我们课程的学习对象的。
传感器也可以定义为是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
1.1人类进步发展与传感器在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。
在l8世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。
从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。
传感器的发展是推动人类进步的巨大力量。
传感器系统代替了人类实现了大量的自动化检测与控制，是把人从繁重的体力劳动中解放出来的关键器件。
那么，把它与人的感觉相比较可以帮助我们学习传感器更多知识。
1.2人的感官与传感器技术人类最早感受周围环境的变化是通过人体感知的，我们的耳可以听见声音、鼻可以闻到味道、眼可以看见周围环境、舌可以品尝各种味道、皮肤可以感受冷暖。
有人说传感器就是电五官，这是说如果将计算机比作人的大脑的话，那么传感器的地位和功能就相当于我们的身体。
绪论 《传感器技术与应用》课件
数字式仪表 的特点： 准确，但最 后一位经常 跳动不止。
热敏电阻
2020/7/7
15
LED、LCD的特点：
LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高， 但不利于夜间观察。
2020/7/7
16
图像显示
特点—— 能显示复杂的 图形和曲线， 但价格昂贵。
2020/7/7
17
记录仪
主要 用来记录 被检测对 象的动态 变化过程。
本书的章节目录
第1章 传感器理论基础 第2章 电阻式传感器 第3章 电感式传感器 第4章 电容式传感器 第5章 压电式传感器 第6章 热电式传感器 第7章 光电式传感器 第8章 霍尔传感器 第9章 波式传感器 第10章 传感器在工业中的应用
2020/7/7
1
检测技术
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构成了信 息技术的完整学科。
2020/7/7
28
提高可靠性 承受剧烈振动
2020/7/7
29
应用新技术和新的物理效应，扩大检 测领域
2020/7/7
月球车
30
鉴于传感器与信号调理电路分开，微弱的传感器信号 在通过电缆传输的过程中容易受到各种电磁干扰信号 的影响，各种传感器输出信号形式众多，使检测仪器 与传感器的接口电路无法统一和标准化，实施起来颇 为不便。随着大规模集成电路技术与产业的迅猛发展， 采用贴片封装方式、体积大大缩小的通用和专用集成 电路愈来愈普遍；因此，目前已有不少传感器实现了 敏感元件与信号调理电路的集成和一体化，对外直接 输出标准的4～20 mA电流信号；成为名符其实的变 送器。这对检测仪器整机研发与系统集成提供了很大 的方便，从而亦使得这类传感器身价倍增。其次，一 些厂商把两种或两种以上的敏感元件集成于一体，而 成为可实现多种功能新型组合式传感器。例如，将热 敏元件和湿敏元件和信号调理电路集成在一起，一个 传感器可同时完成温度和湿度的测量。
热敏电阻
2020/7/7
15
LED、LCD的特点：
LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高， 但不利于夜间观察。
2020/7/7
16
图像显示
特点—— 能显示复杂的 图形和曲线， 但价格昂贵。
2020/7/7
17
记录仪
主要 用来记录 被检测对 象的动态 变化过程。
本书的章节目录
第1章 传感器理论基础 第2章 电阻式传感器 第3章 电感式传感器 第4章 电容式传感器 第5章 压电式传感器 第6章 热电式传感器 第7章 光电式传感器 第8章 霍尔传感器 第9章 波式传感器 第10章 传感器在工业中的应用
2020/7/7
1
检测技术
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构成了信 息技术的完整学科。
2020/7/7
28
提高可靠性 承受剧烈振动
2020/7/7
29
应用新技术和新的物理效应，扩大检 测领域
2020/7/7
月球车
30
鉴于传感器与信号调理电路分开，微弱的传感器信号 在通过电缆传输的过程中容易受到各种电磁干扰信号 的影响，各种传感器输出信号形式众多，使检测仪器 与传感器的接口电路无法统一和标准化，实施起来颇 为不便。随着大规模集成电路技术与产业的迅猛发展， 采用贴片封装方式、体积大大缩小的通用和专用集成 电路愈来愈普遍；因此，目前已有不少传感器实现了 敏感元件与信号调理电路的集成和一体化，对外直接 输出标准的4～20 mA电流信号；成为名符其实的变 送器。这对检测仪器整机研发与系统集成提供了很大 的方便，从而亦使得这类传感器身价倍增。其次，一 些厂商把两种或两种以上的敏感元件集成于一体，而 成为可实现多种功能新型组合式传感器。例如，将热 敏元件和湿敏元件和信号调理电路集成在一起，一个 传感器可同时完成温度和湿度的测量。
1 第一章 绪 论
是设置在地球上的进行太空通信的地面设备。 是设置在地球上的进行太空通信的地面设备。 接收、处理、存档、分发各类地球资源遥感卫星数据 并进行相关技术研究，为遥感应用提供数据服务。
遥感图像处理
硬件系统： 计算机 大容量存储设备 图像输入输出设备 软件系统： 数据输入模块 辐射校正模块 几何校正模块 图像增强模块 图像融合模块 图像分析模块
遥感概论
第一章 绪 论
文 力 管理学院 地理科学系
第一章 绪论
本章主要内容
遥感的基本概念 遥感技术系统 遥感的类型 遥感的特点 遥感的发展与趋势 遥感在地理学中的作用和意义
§1.1 遥感的基本概念
※ 遥感（Remote Sensi60 20世纪60年代 遥远的感知。它是20世纪60年代 由美国人Evelyn Pruitt提出 由美国人Evelyn Pruitt提出，而 提出， 后逐渐发展起来的一种对地观测 的综合性技术。 的综合性技术。
MODIS图像 MODIS图像 （250米） 250米
SPOT5图像 SPOT5图像 10米 （10米）
不同时 影像： 不同时相影像：
重复探测，有利于进行动态分析。 重复探测，有利于进行动态分析。
Las Vegas, 1992 Las Vegas, 1972
Las Vegas, 1986
§1.3 遥感的类型
基于遥感影像的信息提取
多光谱TM影像
TM1 TM1：0.45-0.52微米，蓝波段 45- 52微米， 微米 TM2 52- 60微米 微米， TM2：0.52-0.60微米，绿波段 TM3 63- 69微米 红波段，为叶绿素的主要吸收波段。 微米， TM3：0.63-0.69微米，红波段，为叶绿素的主要吸收波段。 TM4 76- 90微米 近红外波段。 微米， TM4：0.76-0.90微米，近红外波段。对绿色植物类别差异最敏感 TM5 55- 75微米 中红外波段。 微米， TM5：1.55-1.75微米，中红外波段。处于水的吸收带 TM6 10. 12. 微米，热红外波段。 TM6：10.4-12.5微米，热红外波段。 TM7 08- 35微米 中红外波段。处于水的强吸收带。 微米， TM7 ：2.08-2.35微米 ， 中红外波段 。 处于水的强吸收带 。 主要用 于地质制图，特别是热液变岩环的制图。 于地质制图，特别是热液变岩环的制图。
遥感图像处理
硬件系统： 计算机 大容量存储设备 图像输入输出设备 软件系统： 数据输入模块 辐射校正模块 几何校正模块 图像增强模块 图像融合模块 图像分析模块
遥感概论
第一章 绪 论
文 力 管理学院 地理科学系
第一章 绪论
本章主要内容
遥感的基本概念 遥感技术系统 遥感的类型 遥感的特点 遥感的发展与趋势 遥感在地理学中的作用和意义
§1.1 遥感的基本概念
※ 遥感（Remote Sensi60 20世纪60年代 遥远的感知。它是20世纪60年代 由美国人Evelyn Pruitt提出 由美国人Evelyn Pruitt提出，而 提出， 后逐渐发展起来的一种对地观测 的综合性技术。 的综合性技术。
MODIS图像 MODIS图像 （250米） 250米
SPOT5图像 SPOT5图像 10米 （10米）
不同时 影像： 不同时相影像：
重复探测，有利于进行动态分析。 重复探测，有利于进行动态分析。
Las Vegas, 1992 Las Vegas, 1972
Las Vegas, 1986
§1.3 遥感的类型
基于遥感影像的信息提取
多光谱TM影像
TM1 TM1：0.45-0.52微米，蓝波段 45- 52微米， 微米 TM2 52- 60微米 微米， TM2：0.52-0.60微米，绿波段 TM3 63- 69微米 红波段，为叶绿素的主要吸收波段。 微米， TM3：0.63-0.69微米，红波段，为叶绿素的主要吸收波段。 TM4 76- 90微米 近红外波段。 微米， TM4：0.76-0.90微米，近红外波段。对绿色植物类别差异最敏感 TM5 55- 75微米 中红外波段。 微米， TM5：1.55-1.75微米，中红外波段。处于水的吸收带 TM6 10. 12. 微米，热红外波段。 TM6：10.4-12.5微米，热红外波段。 TM7 08- 35微米 中红外波段。处于水的强吸收带。 微米， TM7 ：2.08-2.35微米 ， 中红外波段 。 处于水的强吸收带 。 主要用 于地质制图，特别是热液变岩环的制图。 于地质制图，特别是热液变岩环的制图。
传感器技术-第1章 绪论2
24
2
对测量结果中的多余有效数字，应按下面的舍
入规则进行：以保留数字的末位为单位，它后面的
数字若大于0.5单位，末位进1；小于0.5个单位，末
位不变；恰为0.5个单位，则末位为奇数时加1，5入，等于5时采取偶数法则”。
12.34→12.3 12.36→12.4 12.35→12.4 12.45→12.4
x1,1; x2,2; xm,m
任意两组结果 xi 与 x j 间不存在系统误差的标志
是：
xi x j
2
2 i
2 j
7
2. 系统误差的削弱和消除
1）从产生误差源上消除系统误差 2）引入修正值法 3）零位式测量法 4）补偿法 5）对照法
8
1）从产生误差源上消除系统误差
从产生误差源上消除误差是最根本的方法，它要
23
例如，如果某电流的测量结果写成1000 mA， 则为四位有效数字，表示测量准确度或绝对误差 ≤0.5 mA；如果将其写成1 A，则为一位有效数字， 表示绝对误差≤0.5 A。 显然，后面的写法和前者 含义不同，但如果写成1.000 A， 则仍为四位有效 数字，绝对误差≤0.0005 A=0.5 mA，含义与第一
US
PA
五邑大学信R息2工程学院 R4
Rx
R1 R2
R4
15
当电桥平衡时，可以得到：
Rx
R1 R2
R4
通常是先大致调整比率R1/R2，再调整标准电阻R4，
直至电桥平衡，充当零示器的检流计PA指示为零，此
时即可根据上式由比率和R4值得到被测电阻Rx值。只
要零示器的灵敏度足够高，零位式测量法的测量准确
时，可以利用微处理器软件实现定时修正： 通过程
2
对测量结果中的多余有效数字，应按下面的舍
入规则进行：以保留数字的末位为单位，它后面的
数字若大于0.5单位，末位进1；小于0.5个单位，末
位不变；恰为0.5个单位，则末位为奇数时加1，5入，等于5时采取偶数法则”。
12.34→12.3 12.36→12.4 12.35→12.4 12.45→12.4
x1,1; x2,2; xm,m
任意两组结果 xi 与 x j 间不存在系统误差的标志
是：
xi x j
2
2 i
2 j
7
2. 系统误差的削弱和消除
1）从产生误差源上消除系统误差 2）引入修正值法 3）零位式测量法 4）补偿法 5）对照法
8
1）从产生误差源上消除系统误差
从产生误差源上消除误差是最根本的方法，它要
23
例如，如果某电流的测量结果写成1000 mA， 则为四位有效数字，表示测量准确度或绝对误差 ≤0.5 mA；如果将其写成1 A，则为一位有效数字， 表示绝对误差≤0.5 A。 显然，后面的写法和前者 含义不同，但如果写成1.000 A， 则仍为四位有效 数字，绝对误差≤0.0005 A=0.5 mA，含义与第一
US
PA
五邑大学信R息2工程学院 R4
Rx
R1 R2
R4
15
当电桥平衡时，可以得到：
Rx
R1 R2
R4
通常是先大致调整比率R1/R2，再调整标准电阻R4，
直至电桥平衡，充当零示器的检流计PA指示为零，此
时即可根据上式由比率和R4值得到被测电阻Rx值。只
要零示器的灵敏度足够高，零位式测量法的测量准确
时，可以利用微处理器软件实现定时修正： 通过程
传感器及其工作原理1
第一节传感器及其工作原理 1课时新授课教学目标1．知识与技能了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；认识一些制作传感器的元器件，知道这些传感器的工作原理。
2．过程与方法通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，3．情感、态度与价值观体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。
通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。
教学重点认识各种常见的传感器；了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
教学难点光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
教学方法实验法、观察法、归纳法。
教学手段磁铁、干簧管、各种常见传感器、光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件、多用电表、热水、冷水、台灯、投影仪等教学过程一、引入新课教师：今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的？楼梯上的电灯如何能人来就开，人走就熄的？工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐华夏大地时，机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的？所有这些，都离不开一个核心，那就是本堂课将要学习的传感器。
二、新课教学1．什么是传感器演示实验1：如图1所示，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，当把磁铁放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移开，灯泡熄灭。
教师提问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？学生猜测：盒子里有弹性铁质开关。
师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图（图2），了解元件“干簧管”的结构。
探明原因：当磁体靠近干簧管时，两个由软磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引，电路导通，干簧管起到了开关的作用。
教师点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。
演示实验2：教师出示一只音乐茶杯，茶杯平放桌上时，无声无息，提起茶杯，茶杯边播放悦耳的音乐，边闪烁着五彩的光芒。
精品课件-传感器技术(杨帆)-第1章
第1章 传感器技术基础
目前，传感器技术早己渗透到诸如工农业生产、交通运输、 环境保护、海洋探测、资源调查、健康管理、生物工程、宇宙 开发、文物保护等极其广泛的领域。可以说，从宏观的茫茫宇 宙探索到研究微观粒子的世界，从各种复杂的工程系统到日常 生活的衣食住行，几乎每一个现代化项目都离不开各种各样的 传感器。传感器的作用包括以下几方面：
第1章 传感器技术基础
(1) 信息的收集 科学研究中的计量测试、产品制造与销售中所需的计量等 都需由测量而获得准确的定量数据。对某种特定要求，需检测 目标物的存在状态，把某状态信息传换为数据， 对系统 或装置的运行状态进行监测，发现异常情况时，发出告警信号 并启动保护电路工作，这样可以对系统或装置进行正常运行与 安全管理。判断产品是否合格，或是人体各部位的异常诊断等 都需由传感器的测量来完成。
家标准GB 7665-87对传感器下的定义是：“能够感受规定的 被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。 这一定义包含了几个方面的含意：(1) 能感受被测量敏感， 灵敏地反映被测量的变化；
第1章 传感器技术基础
(2) 传感器的输出与输入之间满足一定的规律，且具有 一定的精度；
(3) 可用输出信号通常是指便于传输、转换、处理和显 示的信号，目前主要是电信号，电信号有很多形式，如电压、 电流、电容、电阻、频率等，输出信号的形式由传感器的原理 确定，随着科学的发展，输出信号将来也可能是光信号或其它 的信号；
第1章 传感器技术基础
(2) 信息数据的交换 把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片 上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据，或 者读出并记录在各种媒介体上的信息并进行转换，例如，磁盘 与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。
第1章 传感器理论基础(《传感器基础》课件)
1.1 传感器基础
1.2 检测技术理论基础
第1章 传感器理论基础
1.1 传感器基础
1.1.1 传感器的概念
传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测 量上。 定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处 理的信号，主要包括气、光和电等信号，而“规定的测量 量”一般是指非电量信号。 传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并 且应保证一定的精度。
第1章 传感器理论基础
10) 漂移(drift) 传感器的漂移是指在外界的 干扰下，在一定时间间隔内， 传感器输出量发生与输入量无 关的、不需要的变化。
漂移包括零点漂移和灵敏度 漂移等。
传感器的漂移
第1章 传感器理论基础
2．动态特性 动态特性是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应 特性，是传感器的重要特性之一。
第1章 传感器理论基础
1.1.3 传感器的基本特性 传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性，即 系统输出信号 y (t ) 与输入信号(被测量) x (t ) 之间的关系。
传感器系统
第1章 传感器理论基础
1．静态特性 当传感器的输入信号是常量，不随时间变化(或变化极缓慢) 时，其输出输入关系特性称为静态特性。传感器的静态特性 主要由下列几种性能来描述。
第1章 传感器理论基础
2．传感器的代号 一种传感器的 代号应包括以 下四部分： a —— 主称(传感器)； b —— 被测量； c —— 转换原理； d —— 序号。传感器产品代号的编制格式第1章 传感器理论基础
3．传感器的图形符号 传感器的图形符号是电气图 用图形符号的一个组成部分。 按GB/T 14479—93《传感器 图用图形符号》规定，传感器 的图形符号由符号要素正方形 和等边三角形组成 正方形——转换元件 传感器的图形符号
1.2 检测技术理论基础
第1章 传感器理论基础
1.1 传感器基础
1.1.1 传感器的概念
传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测 量上。 定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处 理的信号，主要包括气、光和电等信号，而“规定的测量 量”一般是指非电量信号。 传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并 且应保证一定的精度。
第1章 传感器理论基础
10) 漂移(drift) 传感器的漂移是指在外界的 干扰下，在一定时间间隔内， 传感器输出量发生与输入量无 关的、不需要的变化。
漂移包括零点漂移和灵敏度 漂移等。
传感器的漂移
第1章 传感器理论基础
2．动态特性 动态特性是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应 特性，是传感器的重要特性之一。
第1章 传感器理论基础
1.1.3 传感器的基本特性 传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性，即 系统输出信号 y (t ) 与输入信号(被测量) x (t ) 之间的关系。
传感器系统
第1章 传感器理论基础
1．静态特性 当传感器的输入信号是常量，不随时间变化(或变化极缓慢) 时，其输出输入关系特性称为静态特性。传感器的静态特性 主要由下列几种性能来描述。
第1章 传感器理论基础
2．传感器的代号 一种传感器的 代号应包括以 下四部分： a —— 主称(传感器)； b —— 被测量； c —— 转换原理； d —— 序号。传感器产品代号的编制格式第1章 传感器理论基础
3．传感器的图形符号 传感器的图形符号是电气图 用图形符号的一个组成部分。 按GB/T 14479—93《传感器 图用图形符号》规定，传感器 的图形符号由符号要素正方形 和等边三角形组成 正方形——转换元件 传感器的图形符号
微传感器技术-课件1(绪论)共70页文档
参考书
1.董永贵，《微型传感器》 清华大学出版社，2007年 2.牛德芳，《半导体传感器原理及其应用》 大连理工大学，
1993年 3.彭军，《传感器与检测技术》, 西安电子科技大学出版社，
2003年 4. M.Elwenspoek,R.Wiegerink著,陶家渠等译, 《硅微机械传
感器》中国宇航出版社,2003年9月
2007
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
1.1.1微电子与微器件
在过去的近60年中,集成电路技术取得了飞速发展.硅加 工工艺的不断进步使得器件的尺寸不断缩小,现在最小的特征 尺寸约在200nm左右.这样,在同一集成 电路芯片上可以集成 的晶体管越来越多,从1970年的约100只发展到2000年的上 亿只.这种近乎飞速的发展被总结为摩尔定律.正是这种集成度 的快速发展,才使得集成电路,尤其是微型计算机,成为日常生活 的重要部分.
采用微加工技术制作微传感器还会带来很多好处，包括： （1）可充分利用目前完善的微细加工工艺； （2可大批量生产，产品的一致性好，成品率高； （4）可与检测电路、处理器芯片集成为一体。
2007
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
5.Sensors and Actuators, 1990-2011
6.IEEE Journal of Solid-State Circuits(JSSC) 教学方式:讲授 考试方式:闭卷考试
2007
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
绪论传感器原理课件演示文稿
第二节 传感器的定义和组成
一、传感器的定义
➢定义：
能感受规定的被测量并按照一定的规律转
换成可用输出信号的器件或装置。
输出量是某种物理量，这种量要便于传输、 转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、 电，但主要是电量。
输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。
绪 论(Preface)
➢ 敏感元件（Sensitive element）：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。
➢ 许多有竞争力的新产品开发和卓有成效的技术改 造，都离不开传感器；
➢ 传感器的应用直接带来了明显的经济效益和社会 效益；
➢ 传感器普及于社会各个领域，将造成良好的销售 前景。
二、传感器的应用领域和需求量
三、传感器技术的发展趋势
➢传感器的开发方向，大致分为如下四个方面：
• 向检测范围挑战。 • 集成化，多功能化。 • 向未开发的领域挑战—生物传感器。 • 智能传感器（Smart sensor）
➢ 转换元件（Transduction element）：以敏感 元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。
➢ 转换电路（Transduction circuit）：将转换电 路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。
➢ 传感器有些仅由一个敏感元件（兼作转换元件）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，无转换电路。 ➢ 多数传感器转换元件不止一个，要经过若干次转换。
第三节 传感器的分类及要求
一、分类目的：
➢各类传感器的工作原理、主要性能及其特点、应用。 ➢使大家能合理地选择和使用传感器。
➢使学生了解常用传感器地工程设计方法和掌握常用传 感器地试验研究方法。
传感器技术概述 课件
是通过实验方法测到的，通常是一条曲线——定度曲线。
3、描述静态特性的参数 （1）非线性度：定度曲线与拟合直线的接近程度。
常用百分数表示 非线性度 ＝B 100% A
拟合直线的确定，常用的主要有两种：端基直线和独立直线。 （1）端基直线是指通过测量范围的上下限点的直线。 显然用端基直线来代替实际的输入、输出曲线，其求解过程 比较简单，但是其非线性度较差。
分类法
按被测量 种类
按工作原 理分类
型式
位移、温度、压力、流量
应变式、电容式、电感式、压电式、 光电式
按被测量 结构型，如电容式，电阻应变片； 转换特征 （构成原 物性型，如压电式，水银温度计，双
理） 金属片
能量控制型，如RLC式 按能量传
递方式
能量转换型，如热电偶温度计
按输出量
模拟式 数字式
说明
这种分类便于传感器的 管理
6.其它选用原则
6. 传感器技术的应用
1、日常生活
在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用 了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。
全自动洗衣机中的传感器： 衣物重量传感器，衣质传 感器，水温传感器，水质 传感器，洗净度传感器, 液位传感器，电阻传感器 (衣物烘干检测)。
透光率传感器 指纹传感器
温湿度传感器
温度传感器
2、机械行业
（1）产品质量测量
在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其 性能质量进行测量和出厂检验。
机床加工精度测量
汽车扭距测量
（2）新产品开发
广州中鸣数码的机器狗
（3）自动控制
转动/移动位置传感器、力传感器、 视觉传感器、听觉传感器、接近距 离传感器、触觉传感器、热觉传感 器、嗅觉传感器。
3、描述静态特性的参数 （1）非线性度：定度曲线与拟合直线的接近程度。
常用百分数表示 非线性度 ＝B 100% A
拟合直线的确定，常用的主要有两种：端基直线和独立直线。 （1）端基直线是指通过测量范围的上下限点的直线。 显然用端基直线来代替实际的输入、输出曲线，其求解过程 比较简单，但是其非线性度较差。
分类法
按被测量 种类
按工作原 理分类
型式
位移、温度、压力、流量
应变式、电容式、电感式、压电式、 光电式
按被测量 结构型，如电容式，电阻应变片； 转换特征 （构成原 物性型，如压电式，水银温度计，双
理） 金属片
能量控制型，如RLC式 按能量传
递方式
能量转换型，如热电偶温度计
按输出量
模拟式 数字式
说明
这种分类便于传感器的 管理
6.其它选用原则
6. 传感器技术的应用
1、日常生活
在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用 了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。
全自动洗衣机中的传感器： 衣物重量传感器，衣质传 感器，水温传感器，水质 传感器，洗净度传感器, 液位传感器，电阻传感器 (衣物烘干检测)。
透光率传感器 指纹传感器
温湿度传感器
温度传感器
2、机械行业
（1）产品质量测量
在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其 性能质量进行测量和出厂检验。
机床加工精度测量
汽车扭距测量
（2）新产品开发
广州中鸣数码的机器狗
（3）自动控制
转动/移动位置传感器、力传感器、 视觉传感器、听觉传感器、接近距 离传感器、触觉传感器、热觉传感 器、嗅觉传感器。
传感器技术与应用-课件第一章 传感器理论基础
2019/11/2
4
1.1.3 传感器基本特性
当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其 输入输出关系特性称为静态特性。
传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性 ，即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测 量）x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所 示。
2019/11/2
4. 灵敏度：灵敏度是指传感器输
出的变化量与引起该变化量的输入变
化量之比，即 ，如右图所示。
2019/11/2
6
1.1.3 传感器基本特性
5. 线性度：指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理
想直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟 合的方法来线性化。这样，线性度就用输入-输出关系曲线与拟 合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。
测量电路(measuring circuit)： 将转换
元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如 放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特 性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功 能。
2019/11/2
3
1.1.2 传感器的组成和分类
2．传感器的分类
（1）按照其工作原理，传感器可分为电参数式(如电阻式、 电感式和电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器及 热电式传感器等。
2019/11/2
11
1.1.3 传感器基本特性
9. 稳定性:
稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。
10. 漂移:
漂移是指在外界的干 扰下，在一定时间间隔内， 传感器输出量发生与输入 量无关的或不需要的变化。 漂移包括零点漂移和灵敏 度漂移等，如图所示。
传感器原理-绪论
河南城建学院 电子信息工程专业基础课程
主讲： 王 曦
绪
一、传感器的作用和地位
论
1、传感器的出现是科学技术发展的必然
历史时代： 历史时代： 手工化 人与简 单工具 机械化 动力机 与机械 自动化 自动测 量控制 信息化 智能机 械装置
生产方式： 生产方式：
人与机器的 机能对应关系： 机能对应关系：
一、传感器的作用和地位
3、传感器技术是带动国民经济增长的一个关键领域
“仪器仪表是国民经济增长的倍增器” 仪器仪表是国民经济增长的倍增器” 仪器仪表是国民经济增长的倍增器 在美国：仪器仪表占4%，拉动经济增长65% 在美国：仪器仪表占4%，拉动经济增长65% 4%
一、传感器的作用和地位
4、传感器是社会需求的产物
社会需求是传感器技术发展的最强大的动力和源泉 传感器的应用直接带来明显的经济效益和社会效益
参考书： 传感器》 参考书：《传感器》(第3版)，强锡富，机械工业出版社 强锡富，
课程简介 • 这门课综述传感器技术的基础理论，详细介绍各 类传感器的工作原理、误差来源与 应用场合，择要阐 述主要传感器类型的设计原理与方法。共十一章，可 分为三部分：第一部分（绪论和第一章）为共性部分， 以新颖的构思介绍了传感器的基本概念与构成方法、 传感器的数学模型与特性、提高性能的措施与标定技 术等；第二部分（2—8章）为常用传感器的分析与综 合；第三部分（9—11章）分别介绍光纤传感器、数字 传感器、近代检测技术。新型传感器技术的内容约占 40％。 教材内容广、深兼顾，以求适应不同层次的 对象使用；可适用于检测技术、仪器 仪表、自动控制 及各种机电类专业的本科生、大专生及研究生，也可 供其他专业的学生 或有关工程技术人员参考。
• 2、广义定义： • 凡是利用一定的物质（物理、化学、 生物）法则、定理、定律、效应等进行 能量转换与信息转换，并且输出与输入 严格一一对应的器件或装置均可称为传 感器。
主讲： 王 曦
绪
一、传感器的作用和地位
论
1、传感器的出现是科学技术发展的必然
历史时代： 历史时代： 手工化 人与简 单工具 机械化 动力机 与机械 自动化 自动测 量控制 信息化 智能机 械装置
生产方式： 生产方式：
人与机器的 机能对应关系： 机能对应关系：
一、传感器的作用和地位
3、传感器技术是带动国民经济增长的一个关键领域
“仪器仪表是国民经济增长的倍增器” 仪器仪表是国民经济增长的倍增器” 仪器仪表是国民经济增长的倍增器 在美国：仪器仪表占4%，拉动经济增长65% 在美国：仪器仪表占4%，拉动经济增长65% 4%
一、传感器的作用和地位
4、传感器是社会需求的产物
社会需求是传感器技术发展的最强大的动力和源泉 传感器的应用直接带来明显的经济效益和社会效益
参考书： 传感器》 参考书：《传感器》(第3版)，强锡富，机械工业出版社 强锡富，
课程简介 • 这门课综述传感器技术的基础理论，详细介绍各 类传感器的工作原理、误差来源与 应用场合，择要阐 述主要传感器类型的设计原理与方法。共十一章，可 分为三部分：第一部分（绪论和第一章）为共性部分， 以新颖的构思介绍了传感器的基本概念与构成方法、 传感器的数学模型与特性、提高性能的措施与标定技 术等；第二部分（2—8章）为常用传感器的分析与综 合；第三部分（9—11章）分别介绍光纤传感器、数字 传感器、近代检测技术。新型传感器技术的内容约占 40％。 教材内容广、深兼顾，以求适应不同层次的 对象使用；可适用于检测技术、仪器 仪表、自动控制 及各种机电类专业的本科生、大专生及研究生，也可 供其他专业的学生 或有关工程技术人员参考。
• 2、广义定义： • 凡是利用一定的物质（物理、化学、 生物）法则、定理、定律、效应等进行 能量转换与信息转换，并且输出与输入 严格一一对应的器件或装置均可称为传 感器。
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新型石墨烯谐振式压力传感器原型示意
单晶硅方形平膜片为一次敏感元件，直接感受压力；方平膜片上的 双端固支石墨烯梁谐振子(DEGB：Double Ended clamped Graphene Beam resonator)为二次谐振敏感元件间接感受压力
1.1 传感器的作用实例分析
(第1章 绪 论)
A 类两个 DEGB： 分别设置于压力最 敏感区和弱敏感区；
(2) 石英晶体材料：压电石英晶体和熔凝石英晶体，有极高机 械品质因数和温度稳定性；石英晶体具有良好压电特性，可研 制多种微小型高精密传感器；
(3) 功能陶瓷材料：精密陶瓷材料特殊功能可实现一些新型传 感器，如气体传感器；
此外，化合物半导体、复合材料、薄膜材料、石墨烯材料、 形状记忆合金材料等，也有很好发展前景
(第1章 绪 论)
1.4 传感器技术的发展
1.4.1 新原理、新材料和新工艺的发展 1.4.2 微型化、集成化、多功能和智能化的发展 微传1感.4器.3敏多感元传件感尺器寸融一合般与为网微络米级化，的由发微展机械加工技术制 做层与1层.4有.4很量大子差别传的感三技维术微的结快构速，包发括展可活动膜片、悬臂梁
、凹槽、孔隙、锥体等； 这些微结构与薄膜和集成电路结合，已成功制造多种微传感
器乃至多功能敏感元阵列(如光电探测器等)，实现压力、力、加 速度、角速率、应力、应变、温度、流量、成像、磁场、湿度 、pH值、气体成份、离子和分子浓度以及生物传感器等
(第1章 绪 论)
1.4 传感器技术的发展
1.4.1 新原理、新材料和新工艺的发展 1.4.2 微型化、集成化、多功能和智能化的发展 传感1.器4.与3 IC多集传成感制器造融技术合以与及网多络参化量的传发感展器集成制造技术， 缩小了1体.4积.4、量提子高了传抗感干技扰术能的力快；速发展
1.3 传感器技术的特点
1. 涉及多学科与技术； 2. 品种繁多； 3. 应用领域十分广泛； 4. 总体要求性能优良，环境适应性好； 5. 应用要求千差万别； 6. 在信息技术中发展缓慢，但生命力强大
(第1章 绪 论)
1.4 传感器技术的发展
1.4.1 新原理、新材料和新工艺的发展 1.4.2 微型化、集成化、多功能和智能化的发展 1.4.3 多传感器融合与网络化的发展 1.4.4 量子传感技术的快速发展
牲层技术、LIGA技术等； (3) 固相键合技术：如Si-Si键合，实现硅一体化结构； (4) 机械切割技术； (5) 整体封装技术：将敏感芯片封装于一个合适腔体内，隔离
外界干扰，使传感器工作于较理想状态
(第1章 绪 论)
1.4 传感器技术的发展
1.4.1 新原理、新材料和新工艺的发展
一种精巧复合敏感结构（基于微机械加工工艺）
以上四个实例，充分说明传感器直接的作用 与功能就是测量。
(第1章 绪 论)
1.1 传感器的作用实例分析
国家标准 GB/T 7665-2005 对传感器(transducer/sensor)定义： 能感受被测量并按一定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。敏感元件(sensing element)，指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转 换元件(transducing element)，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部分
微处理器的计算和逻辑功能，便于对数据滤波、变换、校正 补偿、存储记忆、输出标准化等；同时实现自诊断、自检测、 自校验以及通信与控制等功能；
通常由多个模块组成
(第1章 绪 论)
1.4 传感器技术的发展
1.4.1 新原理、新材料和新工艺的发展 1.4.2 微型化、集成化、多功能和智能化的发展 1.4.3 多传感器融合与网络化的发展 1.4.4 量子传感技术的快速发展
(第1章 绪 论)
1.4 传感器技术的发展
1.4.1 新原理、新材料和新工艺的发展 小型1化.4、.2微微型化型，化为、传集感成器化应、用多带来功方能便和；智能化的发展 微机1械.4加.3工多工艺传敏感感器结融构合尺与寸网达络到微化米的、发亚展微米，甚至纳米 级，且1便.4于.4批量量子生产传，感制技造术微的型快化速、发性价展比高的传感器；
传感器技术案例教程
传感器技术案例教程
第1章 绪 论
第1章 绪 论
1.1 传感器的作用实例分析 1.2 传感器的分类 1.3 传感器技术的特点 1.4 传感器技术的发展 1.5 学习建议
(第1章 绪 论)
1.1 传感器的作用实例分析
实例1：电位器式真空膜盒压力传感器 (potentiometer pressure transducer)
也便于用户使用； 传感器分为温度、压力、流量、物位、质量、位移、速度、
加速度、角位移、转速、力、力矩、湿度、浓度等传感器；厂 家和用户习惯于这种分类方法
(第1章 绪 论)
1.2 传感器的分类
1.2.1 按输出信号的类型分类 1.2.2 按传感器能量源分类 1.2.3 按被测量分类 1.2.4 按工作原理分类
(第1章 绪 论)
1.1 传感器的作用实例分析
实例1：电位器式真空膜盒压力传感器 (potentiometer pressure transducer) 实例2：谐振筒式压力传感器 (resonant cylinder pressure transducer) 实例3：热激励硅微结构谐振式压力传感器 实例4：石墨烯谐振式压力传感器
实例2：谐振筒式压力传感器 (resonant cylinder pressure transducer)
谐振筒压力敏感元件
谐振筒式压力传感器实物图
(第1章 绪 论)
1.1 传感器的作用实例分析
实例3：热激励硅微结构谐振式压力传感器
一次敏感元件：方形平膜片， 直接感受压力，将压力转换为 膜片应变与应力； 二次敏感元件：硅梁，制作于 膜片上表面，感受膜片应力， 并转换为谐振频率变化，测量 压力
开关型传感器：又称二值型传感器，即只输出“1”和“0”或开 (ON) 和关 (OFF) 两个值，反映被测对象工作状态
(第1章 绪 论)
1.2 传感器的分类
1.2.1 按输出信号的类型分类 1.2.2 按传感器能量源分类 分为1两.2类.3：按无源被型测和量有分源类型； 无源1型.2传.4感按器：工无作需原外理加分电类源，将被测量的相关能量直接转
如微型加速度传感器、压力传感器、流量传感器等，已广泛 用于汽车电子系统，促进了汽车工业快速发展
(第1章 绪 论)
1.4 传感器技术的发展
1.4.1 新原理、新材料和新工艺的发展 微机1械.4加.2工微工艺型主化要、包集括成：化、多功能和智能化的发展 (1) 平1.面4.加3工多技传术感：器光刻融、合扩与散网、络沉化积的、发氧化展、溅射等； (2) 选1.择4.性4三量维子刻传蚀感技技 术：术各的向快异速性发腐展蚀技术、外延技术、牺
复合敏感差动检测石墨烯谐振式压力传感器原理
1.1 传感器的作用实例分析
(第1章 绪 论)
A 类两个 DEGB： 分别设置于压力最 敏感区和弱敏感区； B 类两个 DEGB： 分别设置于压力正 向最敏感区和负向 最敏感区；
温度 对两个 DEGB 谐振频率影响规律 相同，差动检测
复合敏感差动检测石墨烯谐振式压力传感器原理
真空膜盒压力敏感元件 电位器式真空膜盒压力传感器
压力 → 膜盒位移 → 电位器电刷（通过传动机构）→ 输出电压
(第1章 绪 论)
1.1 传感器的作用实例分析
实例1：电位器式真空膜盒压力传感器 (potentiometer pressure transducer)
真空膜盒压力敏感元件
电位器式真空Biblioteka 盒压力传感器实物图(第1章 绪 论)
1.1 传感器的作用实例分析
实例2：谐振筒式压力传感器 (resonant cylinder pressure transducer)
谐振筒压力敏感元件 谐振筒式压力传感器
压力 → 谐振筒应力 → 谐振筒等效刚度 → 谐振筒固有频率
(第1章 绪 论)
1.1 传感器的作用实例分析
传感器基本结构组成示意图
1.2 传感器的分类
1.2.1 按输出信号的类型分类 1.2.2 按传感器能量源分类 1.2.3 按被测量分类 1.2.4 按工作原理分类
(第1章 绪 论)
(第1章 绪 论)
1.2 传感器的分类
1.2.1 按输出信号的类型分类 分为1三.2类.2：按模拟传式感、器数能字量式源、分开类关型(二值型)； 模拟1式.2传.3感按器：被输测出量连分续类电信号； 数字1式.2传.4感按器：工输作出原数理字分信类号；
分为三类：物理型、化学型和生物型三大类
传感器按照工作原理的分类
1.2 传感器的分类
1.2.1 按输出信号的类型分类 1.2.2 按传感器能量源分类 1.2.3 按被测量分类 1.2.4 按工作原理分类
本课程重点讨论物理型传感器
物理型传感器
(第1章 绪 论)
传感器按照工作原理的分类
(第1章 绪 论)
共振隧道二级管、量子阱激光器和量子干涉部件等，具有高速( 比电子敏感器件速度提高1000倍)、低耗(低于电子敏感器件能耗 千分之一)、高效、高集成度、经济、可靠等优点
(第1章 绪 论)
1.4 传感器技术的发展
1.4.1 新原理、新材料和新工艺的发展 仿生1传.4感.2器微也是型重化要、发集展成方化向、；多功能和智能化的发展 引起1传.4感.3器多技术传新感的器技融术合革与命网，络把传化感的器发技展术推向更高发展 阶段 1.4.4 量子传感技术的快速发展
(第1章 绪 论)
1.4 传感器技术的发展
1.4.1 新原理、新材料和新工艺的发展 (1) 半1.导4.体2硅微材型料化：、单晶集硅成、化多、晶多硅功、能非和晶硅智、能硅化蓝的宝发石展等， 具有兼1容.4的.3优多良传电学感特器性融和合机与械网特络性；化采的用发硅展材料研制多种类 型硅微1结.4构.4传量感子器和传集感成技传术感的器快；速发展