传感技术(1)
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什么是模型？
模型是略去无用和次要因素，对所关心的具 体问题的内在实质的抽象反映。
研究数学模型的目的和意义
理论指导实践，例如 y=kx 线性模型 可以获得传感器的全面信息 在传感器的设计时不盲目
14
电动式动态力测力传感器
F-被测动态力
F’
F
v-速度
v
E-感生电动势
I
I-感生电流
E
Fˊ-安培力
传感器依据其工作原理命名
按被测量分类
位移、速度、温度、压力、 气体成分、浓度等等
传感器依据被测量命名
半导体传感器、光纤传感器、
按使用的敏感材料分类复 器合 、材 陶料 瓷传 传感 感器器、、金高属分传子感材
传感器依据使用的材料命名
料传感器等
按能量关系分类
能量转换型传感器 能量控制型传感器
能量转换型直接将被测量转换为输出量的能量能 量控制型由外部提供能量，而由被测量控制输出 量能量
高新技术领域 现代生产技术领域 基础科学领域
传感器与其它学科的关系
先导学科 “伴生”关系
2
二、传感器的定义
传感器在国内外的一些叫法
Transducer, Sensor, Transduction Element, 国外 Converter, Gauge, Transponder, Transmitter,
按构成原理分类
结构型传感器 物性型传感器
结构型通过敏感元件结构参数变化实现信息转换； 物性型通过敏感元件材料物理性质的变化实现信 息转换
按输出信号分类
数字式传感器 模拟式传感器
输出为数字量 输出为模拟量
10
五、对传感器的一般性要求
可靠性 精度（动、静） 抗干扰 通用性 外形小 成本低 能耗小
11
六、传感器的发展方向
分类方法
传感器的种类
说明
按依据的效应分类 按工作原理分类
物理传感器 化学传感器 生物传感器
应变式、电容式、电感式、 电磁式、压电式、热电式、 光电式传感器等
基于物理效应，如光、电、声、磁、热效应；基 于化学效应，如化学吸附、选择性化学反应等； 基于生物效应，如基于酶、抗体、激素等分子识 别和选择功能的生物传感器
Detector, Pick-up, Probe, X-meter.
传感器、换能器、变换器、敏感器件、 国内 探测器、检出器、检测器，
××计（如加速度计）。
3
传感器的定义
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为 与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的 测量器件或装置。 上述定义包含了以下含义：
传感器是测量装置，能完成检测任务； 其输入量是某种被测量，可能是物理量，也可能是
绪论
传感器的地位与作用 传感器的定义 传感器的组成 传感器的分类 对传感器的一般性要求 传感器的发展方向
1
一、传感器的地位与作用
机械——人类的体力的延伸 计算机——人类智力的延伸 传感器——人类感知力的延伸
电五官：视、听、嗅、味、触5 “觉”
传感器的发展推动着生产和科技的进步，生产 和科技的进步反过来也要求和支持着传感器的 发展和进步
24
谢谢!
25
F
I
Ym
Ze
v
E
—— 源节点 —— 汇节点
—— 半源半汇节点
激励信号：F；I 响应信号：v；E
vEYmYFm
F
Ym I
[Ze
Ym ]I
18
其它形式的流程图
逆转支路的传输值取倒数 指向逆转支路的传输值取负数
19
F-v支路逆转、I-E支路逆转
F
I
Zm
Ye
v
激励信号： v；E 响应信号： F；I
Zm
F v
jm c
k
j
F
m
k
参数计算
Zm
F v
jm c
k
j
Ym
1 Zm
Ze R jL
E Blv F BlI
E Bl
v
F Bl
I
复感器还有哪些其它叫法？ 传感器有哪些环节组成？各有何作用？哪些环 节是必需的？举例说明之 传感器按结构分类可以分成那两种类型？ 简述传感器的发展趋势。 什么是模型？如何建立一个模型？ 以电动式动态力测力传感器为例，建立其四端 网络、信号流程图和数学模型。
E
F I
[Zm
Yev
Ye ]v
YeE
Ye
E
20
F-v支路逆转、I-E支路不变
F
I
Zm
Ze
v
E
激励信号： v；I 响应信号： F；E
F E
Zmv I v ZeI
21
参数计算
机械端口可以看作如图所示
mx cx kx F x v
x Ae jt
c
x Ae jt • j jx
x Ae jt • ( j)2 ( j)2 x
化学量、生物量等； 其输出量是某种便于传输、转换、处理和显示的物
理量，如气、光、电量等，目前主要是电量 输出量与输入输入有对应关系，并且具有一定的精
确度。
4
三、传感器的组成
一般由敏感元件和转换元件2部分组成 有时还有转换电路和辅助电源2部分
被测量
另一量
电参量
电量
敏感元件
转换元件量 转换电路
辅助电源 传感器的组成框图
构造一个四端网络模型
F’
F
逆变换器
I
机 械 端 口
预变
电变
电
换器
理想变换器
换器
端 口
v
基本变换器
E
16
机电模拟， F-E；v-I
预变换器： Ym
v F
——机械导纳
电变换器：Ze
E I
——电阻抗
逆变换器： F ——逆变换器灵敏度
I
基本变换器： E ——基本变换器灵敏度
v
17
进一步抽象成信号流程图
6
传感器的组成
1-弹性体
2-应变片
3-电桥 U
4-电源
弹性体1为敏感元件，它感受被测力F并将它转换成应 变； 电阻应变片2是转换元件，它将弹性体输出的应变转换 成电阻值的变化； 电桥3是转换电路，它将电阻值的变化转换成电压U输 出； 电源4是辅助电源，它为电桥供电。
7
电磁式压力传感器
3-磁芯
4-线圈
提高精度和扩大测量范围 低功耗及无源化 新原理 新材料 微型化及集成化 智能化 仿生传感器
12
第一章 传感器基础
——传感器的特性
特性：输入与输出之间的关系，一般用一 个输入-输出曲线、一个函数关系或一个 微分方程式来表示。
传感器的数学模型 传感器的静态特性 传感器的动态特性
13
第一节 传感器的数学模型
5-交流电桥
电量
大气压 Pa
1-壳体
6-电源
2-膜盒
被测气压 P
敏感元件：膜盒，P-x 转换元件: 磁芯、线圈,x-L 转换电路: 交流电桥，L-V 辅助电源: 电源
8
传感器的组成
A
T
To
B
实际上，有些传感器并不能明显区分敏 感元件和转换元件两个部分，而是二者 合为一体。如图所示的热电偶，
9
四、传感器的分类
5
传感器的组成
敏感元件：能直接感受或响应被测量，并输出 与之成确定关系的某一另类物理量。 转换元件：将敏感元件的输出转换为电参量。 转换电路：把转换元件输出变为易于处理、显 示、记录、控制的信号。既可以和敏感元件作 在一起，也可分开。 辅助电源：提供传感器正常工作所需能量的电 源部分，它有内部供电和外部供电2种形式。
模型是略去无用和次要因素，对所关心的具 体问题的内在实质的抽象反映。
研究数学模型的目的和意义
理论指导实践，例如 y=kx 线性模型 可以获得传感器的全面信息 在传感器的设计时不盲目
14
电动式动态力测力传感器
F-被测动态力
F’
F
v-速度
v
E-感生电动势
I
I-感生电流
E
Fˊ-安培力
传感器依据其工作原理命名
按被测量分类
位移、速度、温度、压力、 气体成分、浓度等等
传感器依据被测量命名
半导体传感器、光纤传感器、
按使用的敏感材料分类复 器合 、材 陶料 瓷传 传感 感器器、、金高属分传子感材
传感器依据使用的材料命名
料传感器等
按能量关系分类
能量转换型传感器 能量控制型传感器
能量转换型直接将被测量转换为输出量的能量能 量控制型由外部提供能量，而由被测量控制输出 量能量
高新技术领域 现代生产技术领域 基础科学领域
传感器与其它学科的关系
先导学科 “伴生”关系
2
二、传感器的定义
传感器在国内外的一些叫法
Transducer, Sensor, Transduction Element, 国外 Converter, Gauge, Transponder, Transmitter,
按构成原理分类
结构型传感器 物性型传感器
结构型通过敏感元件结构参数变化实现信息转换； 物性型通过敏感元件材料物理性质的变化实现信 息转换
按输出信号分类
数字式传感器 模拟式传感器
输出为数字量 输出为模拟量
10
五、对传感器的一般性要求
可靠性 精度（动、静） 抗干扰 通用性 外形小 成本低 能耗小
11
六、传感器的发展方向
分类方法
传感器的种类
说明
按依据的效应分类 按工作原理分类
物理传感器 化学传感器 生物传感器
应变式、电容式、电感式、 电磁式、压电式、热电式、 光电式传感器等
基于物理效应，如光、电、声、磁、热效应；基 于化学效应，如化学吸附、选择性化学反应等； 基于生物效应，如基于酶、抗体、激素等分子识 别和选择功能的生物传感器
Detector, Pick-up, Probe, X-meter.
传感器、换能器、变换器、敏感器件、 国内 探测器、检出器、检测器，
××计（如加速度计）。
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传感器的定义
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为 与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的 测量器件或装置。 上述定义包含了以下含义：
传感器是测量装置，能完成检测任务； 其输入量是某种被测量，可能是物理量，也可能是
绪论
传感器的地位与作用 传感器的定义 传感器的组成 传感器的分类 对传感器的一般性要求 传感器的发展方向
1
一、传感器的地位与作用
机械——人类的体力的延伸 计算机——人类智力的延伸 传感器——人类感知力的延伸
电五官：视、听、嗅、味、触5 “觉”
传感器的发展推动着生产和科技的进步，生产 和科技的进步反过来也要求和支持着传感器的 发展和进步
24
谢谢!
25
F
I
Ym
Ze
v
E
—— 源节点 —— 汇节点
—— 半源半汇节点
激励信号：F；I 响应信号：v；E
vEYmYFm
F
Ym I
[Ze
Ym ]I
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其它形式的流程图
逆转支路的传输值取倒数 指向逆转支路的传输值取负数
19
F-v支路逆转、I-E支路逆转
F
I
Zm
Ye
v
激励信号： v；E 响应信号： F；I
Zm
F v
jm c
k
j
F
m
k
参数计算
Zm
F v
jm c
k
j
Ym
1 Zm
Ze R jL
E Blv F BlI
E Bl
v
F Bl
I
复感器还有哪些其它叫法？ 传感器有哪些环节组成？各有何作用？哪些环 节是必需的？举例说明之 传感器按结构分类可以分成那两种类型？ 简述传感器的发展趋势。 什么是模型？如何建立一个模型？ 以电动式动态力测力传感器为例，建立其四端 网络、信号流程图和数学模型。
E
F I
[Zm
Yev
Ye ]v
YeE
Ye
E
20
F-v支路逆转、I-E支路不变
F
I
Zm
Ze
v
E
激励信号： v；I 响应信号： F；E
F E
Zmv I v ZeI
21
参数计算
机械端口可以看作如图所示
mx cx kx F x v
x Ae jt
c
x Ae jt • j jx
x Ae jt • ( j)2 ( j)2 x
化学量、生物量等； 其输出量是某种便于传输、转换、处理和显示的物
理量，如气、光、电量等，目前主要是电量 输出量与输入输入有对应关系，并且具有一定的精
确度。
4
三、传感器的组成
一般由敏感元件和转换元件2部分组成 有时还有转换电路和辅助电源2部分
被测量
另一量
电参量
电量
敏感元件
转换元件量 转换电路
辅助电源 传感器的组成框图
构造一个四端网络模型
F’
F
逆变换器
I
机 械 端 口
预变
电变
电
换器
理想变换器
换器
端 口
v
基本变换器
E
16
机电模拟， F-E；v-I
预变换器： Ym
v F
——机械导纳
电变换器：Ze
E I
——电阻抗
逆变换器： F ——逆变换器灵敏度
I
基本变换器： E ——基本变换器灵敏度
v
17
进一步抽象成信号流程图
6
传感器的组成
1-弹性体
2-应变片
3-电桥 U
4-电源
弹性体1为敏感元件，它感受被测力F并将它转换成应 变； 电阻应变片2是转换元件，它将弹性体输出的应变转换 成电阻值的变化； 电桥3是转换电路，它将电阻值的变化转换成电压U输 出； 电源4是辅助电源，它为电桥供电。
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电磁式压力传感器
3-磁芯
4-线圈
提高精度和扩大测量范围 低功耗及无源化 新原理 新材料 微型化及集成化 智能化 仿生传感器
12
第一章 传感器基础
——传感器的特性
特性：输入与输出之间的关系，一般用一 个输入-输出曲线、一个函数关系或一个 微分方程式来表示。
传感器的数学模型 传感器的静态特性 传感器的动态特性
13
第一节 传感器的数学模型
5-交流电桥
电量
大气压 Pa
1-壳体
6-电源
2-膜盒
被测气压 P
敏感元件：膜盒，P-x 转换元件: 磁芯、线圈,x-L 转换电路: 交流电桥，L-V 辅助电源: 电源
8
传感器的组成
A
T
To
B
实际上，有些传感器并不能明显区分敏 感元件和转换元件两个部分，而是二者 合为一体。如图所示的热电偶，
9
四、传感器的分类
5
传感器的组成
敏感元件：能直接感受或响应被测量，并输出 与之成确定关系的某一另类物理量。 转换元件：将敏感元件的输出转换为电参量。 转换电路：把转换元件输出变为易于处理、显 示、记录、控制的信号。既可以和敏感元件作 在一起，也可分开。 辅助电源：提供传感器正常工作所需能量的电 源部分，它有内部供电和外部供电2种形式。