传感器与检测技术 第十章 智能传感技术教程文件
【传感器与检测技术】第10章
隔离放大器内部结构
AD277
共模电压2500V,CMRR=120dB, 频宽20kHz,增益漂移25ppm/℃
程控放大器 PGA
使各模拟输入通道均用最佳增益进行放大
10.4 数据采集
10.4.1 数据采集的配置 10.4.2 样周期的选择 10.4.3 A/D转换器的选择
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10.3 智能传感器输出信 的预处理
10.3.1 传感器输出信 的分类 10.3.2 开关信 的预处理
了 除噪声和改善 性 常接入 有迟滞 性 的电路 鉴 器 / 脉 整形电路
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10.3.3 模拟信 预处理
测量放大器 隔离放大器 程控放大器
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噪声的 扰模式 差模 扰
基本 点 微型化 智能化 多 能 高集 度和适于 大批量生产
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1987 美 UC Berkeley大学发明了基于表面 牲层技术的微 马达 5mm直径, 转子直径285um, 最高转 达 33000rpm .
1992 “美 家关键技术计划” NSF DARPA 产业化 如微型 度计 微型压力传感器 喷墨打印机的微喷
第10章 智能传感器
10.1概述 10.2智能传感器实 的途径 10.3智能传感器输出信 的预处理 10.4数据采集 10.5智能传感器的数据处理技术 10.6智能传感器的硬 设计
本章要点
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10.1 概述
10.1.1 智能传感器的概念 10.1.2 智能传感器的 能 10.1.3 智能传感器的 点
温度传感器 9 或12 A／D转换器 可编程温度越限 警器 I2C总线串行接口 集 在同一个芯片中
传感器技术与应用第3版第10章智能传感器
智能传感器的关键技术
智能传感器的应用领域
智能传感器的发展趋势与挑战
未来发展趋势预测及挑战分析
微型化与集成化
随着微电子技术和纳米技术的不断发展，智能传感器将朝着微型化和集成化的方向发展，实现更高的性能和更小的体积。
Part 03.
温度智能传感器
采用先进的温度测量技术，实现高精度的温度测量。
高精度测量
具有自校准功能，能够消除传感器自身的漂移和误差。
自校准功能
适应不同温度环境，实现宽温度范围内的测量。
宽测量范围
压力智能传感器
高灵敏度
对压力变化具有高灵敏度，能够快速响应压力变化。
多功能集成
可集成温度、湿度等多种测量功能于一体。
通过内置算法或外部编程，智能传感器可实现多种复杂测量和控制功能，如温度补偿、非线性校正、数字滤波等。
结构组成与功能划分
接口电路
提供与外部设备或系统的通信接口，如I2C、SPI、UA号采集、数据处理、控制输出等功能，实现智能传感器的智能化。
信号处理电路
对转换后的信号进行放大、滤波、整形等处理，以提高信噪比和抗干扰能力。
传感器技术与应用第3版第10章智能传感器
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目录
01.
智能传感器概述
总结与展望
03.
智能传感器类型及其特点
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05.
智能传感器接口电路设计与应用
传感器与检测技术-ppt课件第十章[1]
![传感器与检测技术-ppt课件第十章[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/539fbbbf534de518964bcf84b9d528ea81c72ff2.png)
执行机构C
转速传感器N
轴N
执行机构N
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18
10.3.4 传感器在伺服控制系统中的应用概述
伺服控制系统原理示意图
传感器
控制命令 控制器
驱动器
执行电动机
输出量 控制对象
传感器
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19
10.3.4 传感器在伺服控制系统中的应用概述
1. 开环控制数控机床
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第10章 传感器在工业中的应用
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1
引言
传感器作为获取信息的敏感元件，在现代信息社 会中扮演着越来越重要的作用。如果把一台工业 设备比拟做一个人的话，那么毫不夸张地说，传 感器就应该是他的眼睛。信息的采集通过传感器 来完成，传感器的正确使用与否直接关系到工业 设备能否正常运行。传感器的精度、稳定性直接 关系到系统的性能好坏。由此可见，作为现代信 息技术的三大基础之一的传感器技术，与通信技 术和计算机技术一样在信息社会中扮演者无可替 代的作用。
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11
10.3 传感器在工业中的应用概述
随着电子计算机、生产自动化、航空、 遥测、遥感等科学技术的发展，对传感 器的需求量与日俱增，其应用领域已渗 入到社会的各个领域，并起着巨大的作 用。下面仅将传感器在一些主要领域中 的应用作以简介。
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12
10.3.1 传感器在航天工业中的应用概述
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7
10.1 传感器测试系统简介
3. 测试软件的编写
便于测试数据的分析和显示，需要编
写专门的软件读取测试系统采集的数据， 并加以显示。测试软件中还可以加入信号 处理模块，以便数据的分析和处理。
传感器与检测技术-教案
传感器与检测技术-教案第一章：传感器概述1.1 教学目标了解传感器的定义、分类和作用理解传感器的基本原理和特性掌握传感器的选用和安装方法1.2 教学内容传感器的定义和分类传感器的基本原理和特性传感器的选用和安装方法1.3 教学方法讲授传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解传感器的工作原理和特性动手实验，演示传感器的选用和安装方法1.4 教学评估课堂问答，检查学生对传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对传感器选用和安装方法的掌握程度第二章：温度传感器2.1 教学目标了解温度传感器的定义、分类和作用理解温度传感器的基本原理和特性掌握温度传感器的选用和安装方法2.2 教学内容温度传感器的定义和分类温度传感器的基本原理和特性温度传感器的选用和安装方法2.3 教学方法讲授温度传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解温度传感器的工作原理和特性动手实验，演示温度传感器的选用和安装方法2.4 教学评估课堂问答，检查学生对温度传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对温度传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对温度传感器选用和安装方法的掌握程度第三章：压力传感器3.1 教学目标了解压力传感器的定义、分类和作用理解压力传感器的基本原理和特性掌握压力传感器的选用和安装方法3.2 教学内容压力传感器的定义和分类压力传感器的基本原理和特性压力传感器的选用和安装方法3.3 教学方法讲授压力传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解压力传感器的工作原理和特性动手实验，演示压力传感器的选用和安装方法3.4 教学评估课堂问答，检查学生对压力传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对压力传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对压力传感器选用和安装方法的掌握程度第四章：流量传感器4.1 教学目标了解流量传感器的定义、分类和作用理解流量传感器的基本原理和特性掌握流量传感器的选用和安装方法4.2 教学内容流量传感器的定义和分类流量传感器的基本原理和特性流量传感器的选用和安装方法4.3 教学方法讲授流量传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解流量传感器的工作原理和特性动手实验，演示流量传感器的选用和安装方法4.4 教学评估课堂问答，检查学生对流量传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对流量传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对流量传感器选用和安装方法的掌握程度第五章：位移传感器5.1 教学目标了解位移传感器的定义、分类和作用理解位移传感器的基本原理和特性掌握位移传感器的选用和安装方法5.2 教学内容位移传感器的定义和分类位移传感器的基本原理和特性位移传感器的选用和安装方法5.3 教学方法讲授位移传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解位移传感器的工作原理和特性动手实验，演示位移传感器的选用和安装方法5.4 教学评估课堂问答，检查学生对位移传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对位移传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对位移传感器选用和安装方法的掌握程度第六章：光学传感器6.1 教学目标了解光学传感器的定义、分类和作用理解光学传感器的基本原理和特性掌握光学传感器的选用和安装方法6.2 教学内容光学传感器的定义和分类光学传感器的基本原理和特性光学传感器的选用和安装方法6.3 教学方法讲授光学传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解光学传感器的工作原理和特性动手实验，演示光学传感器的选用和安装方法6.4 教学评估课堂问答，检查学生对光学传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对光学传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对光学传感器选用和安装方法的掌握程度第七章：超声波传感器7.1 教学目标了解超声波传感器的定义、分类和作用理解超声波传感器的基本原理和特性掌握超声波传感器的选用和安装方法7.2 教学内容超声波传感器的定义和分类超声波传感器的基本原理和特性超声波传感器的选用和安装方法7.3 教学方法讲授超声波传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解超声波传感器的工作原理和特性动手实验，演示超声波传感器的选用和安装方法7.4 教学评估课堂问答，检查学生对超声波传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对超声波传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对超声波传感器选用和安装方法的掌握程度第八章：无线传感器网络8.1 教学目标了解无线传感器网络的定义、分类和作用理解无线传感器网络的基本原理和特性掌握无线传感器网络的选用和安装方法8.2 教学内容无线传感器网络的定义和分类无线传感器网络的基本原理和特性无线传感器网络的选用和安装方法8.3 教学方法讲授无线传感器网络的基本概念和分类分析实际案例，讲解无线传感器网络的工作原理和特性动手实验，演示无线传感器网络的选用和安装方法8.4 教学评估课堂问答，检查学生对无线传感器网络定义和分类的理解分析案例，评估学生对无线传感器网络工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对无线传感器网络选用和安装方法的掌握程度第九章：传感器信号处理与分析9.1 教学目标了解传感器信号处理与分析的基本概念、方法和作用理解传感器信号处理与分析的基本原理和特性掌握传感器信号处理与分析的方法和技巧9.2 教学内容传感器信号处理与分析的基本概念和方法传感器信号处理与分析的基本原理和特性传感器信号处理与分析的方法和技巧9.3 教学方法讲授传感器信号处理与分析的基本概念和方法分析实际案例，讲解传感器信号处理与分析的基本原理和特性动手实验，演示传感器信号处理与分析的方法和技巧9.4 教学评估课堂问答，检查学生对传感器信号处理与分析的基本概念和方法的理解分析案例，评估学生对传感器信号处理与分析的基本原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对传感器信号处理与分析的方法和技巧的掌握程度第十章：传感器在工程应用中的案例分析10.1 教学目标了解传感器在工程应用中的重要性理解传感器在不同工程领域的应用案例掌握传感器在工程应用中的选型和应用方法10.2 教学内容传感器在工程应用中的重要性传感器在不同工程领域的应用案例传感器在工程应用中的选型和应用方法10.3 教学方法讲授传感器在工程应用中的重要性分析实际案例，讲解传感器在不同工程领域的应用动手实验，演示传感器在工程应用中的选型和应用方法10.4 教学评估课堂问答，检查学生对传感器在工程应用中的重要性的理解分析案例，评估学生对传感器在不同工程领域应用的掌握程度实验报告，评估学生对传感器在工程应用中的选型和应用方法的掌握程度重点和难点解析1. 传感器的基本概念和分类：重点关注传感器定义和分类的理解，以及传感器的功能和作用。
智能传感与检测技术教学大纲
智能传感与检测技术教学大纲智能传感与检测技术是现代科学技术的重要组成部分，它涉及到物理学、电子学、计算机科学等多个学科的知识，是人工智能、物联网等领域的核心技术之一。
本课程旨在介绍智能传感与检测技术的基本原理与应用，培养学生的理论基础和实践能力。
一、课程目标本课程旨在使学生能够：1. 了解智能传感与检测技术的基本原理与发展历程；2. 掌握传感器的工作原理、分类及其在不同领域的应用；3. 掌握检测技术的基本原理与方法，并能够进行检测系统的设计与实现；4. 能够应用智能传感与检测技术解决实际问题，提高自己的创新能力。
二、教学内容1. 智能传感与检测技术的概述1.1 传感技术的基本概念和分类1.2 智能检测技术的基本概念和发展2. 传感器的工作原理与分类2.1 传感器的基本原理2.2 传感器的分类及特点3. 传感器的应用领域3.1 生物医学传感器3.2 工业自动化传感器3.3 环境监测传感器4. 检测技术的基本原理与方法4.1 检测技术的基本概念和主要方法4.2 智能检测系统的设计与实现5. 智能传感与检测技术在人工智能和物联网中的应用5.1 智能传感与检测技术在人工智能中的应用5.2 智能传感与检测技术在物联网中的应用三、教学方法1. 理论授课：通过课堂讲授，介绍智能传感与检测技术的基本原理和应用；2. 实验操作：组织学生进行智能传感与检测技术相关的实验操作，提高实践能力；3. 论文阅读和讨论：引导学生阅读相关论文，进行研究性学习和讨论，培养创新能力；4. 小组项目：组织学生分组进行智能传感与检测技术相关的项目设计和实施，培养团队合作和创新能力。
四、评价方式1. 平时成绩：包括课堂参与、实验操作和小组项目等；2. 作业成绩：包括论文阅读报告、实验报告和项目报告等；3. 期末考试：考察学生对课程内容的理解和综合能力。
五、参考教材1. 《智能传感与检测技术导论》，朱英文，高等教育出版社，2020年；2. 《传感器与检测技术》，张强，北京理工大学出版社，2019年。
传感器与检测技术-第十章-智能传感技术 PPT课件
第10章 智能传感技术
1.自补偿 温度是传感器系统最主要的干扰量。在典型的传感 器系统中主要采用结构对称来消除其影响；在智能传感 器的初级形式中主要采用以硬件电路实现的“拼凑”补 偿技术，但补偿效果不能满足实际测量的要求。在传感 器与微处理器/微计算机相结合的智能传感器系统中， 可采用监测补偿法，它是通过对干扰量的监测由软件来 实现补偿的。如压阻式传感器的零点及灵敏度温漂的补 偿。
图10-13 零位温漂特性
13
第10章 智能传感技术
(2)灵敏度温度漂移的补偿
对于压阻式压力传感器，当输入压力保持不变的情况下，
其输出值U(T)将随温度的升高而下降，如图10-14所示。图中 温度T>T1，其输出U(T)<U(T1)。如果T1是传感器校准标定时 的时工的作输温入度(P)，—而输实出际(U工)特作性温进度行却刻是度T>转T换1，求若取仍被按测工输作入温量度压T 力的数值是P′，而真正的被测输入量是P，将会产生很大的 测量误差，其原因就是输入量P为常量时，传感器的工作温 度B点T升降高至，A点T>，T1输传出感电器压的减输少出量由ΔUU(T为1)降至U(T)，即工作点由
值即为P。因而问题归结为 如何在各种不同的工作温
度T，获得所需要的补偿电 压ΔU。
15
第10章 智能传感技术
2.自检验 自检验是智能传感器自动开始或人为触发开始执行 的自我检验过程。它能对系统出现的软硬件故障进行自 动检测，并给出相应指示，从而大大地提高了系统的可 靠性。 自检验通常有三种方式。 (1)开机自检 每当电源接通或总清复位之后，都要进行一次开机 自检，在以后的测控工作中不再进行。这种自检一般用 于检查显示装置、ROM、RAM和总线，有时也用于对 插件进行检查。
《传感器与检测技术(胡向东第3版)》
传感器与检测技术(胡向东第3版)简介《传感器与检测技术(胡向东第3版)》是传感器与检测技术领域的经典教材，由胡向东教授撰写。
本书系统地介绍了传感器的基本原理、分类及其在各个领域的应用。
重点介绍了常见的传感器类型和检测技术，以及相关的原理、性能评价方法和设计要点。
本书内容丰富、实用，并结合了大量的应用实例，为读者提供了全面的传感器与检测技术知识。
目录本书共分为以下几个部分：第一部分：传感器基础知识1.传感器概述2.传感器的分类3.传感器的基本原理第二部分：常见传感器类型4.温度传感器5.压力传感器6.光学传感器7.振动传感器8.气体传感器9.液体传感器第三部分：传感器性能评价与设计10.传感器的性能评价方法11.传感器的设计要点12.传感器的接口电路设计第四部分：传感器应用技术13.传感器在环境监测中的应用14.传感器在工业自动化中的应用15.传感器在医疗领域中的应用16.传感器在农业领域中的应用17.传感器在安全监控中的应用第五部分：传感器发展趋势与展望18.传感器的发展历程19.传感器的未来发展趋势内容概述本书通过对传感器的基本原理、分类及其在各个领域的应用进行详细介绍，使读者对传感器与检测技术有一个全面的了解。
第一部分主要讲解传感器的基础知识，包括传感器的概述、分类和基本原理。
第二部分详细介绍了常见的传感器类型，如温度传感器、压力传感器、光学传感器、振动传感器、气体传感器和液体传感器等。
第三部分主要介绍传感器的性能评价方法、设计要点和接口电路设计等内容。
第四部分着重介绍了传感器在环境监测、工业自动化、医疗领域、农业领域和安全监控中的应用技术。
最后一部分讨论了传感器的发展历程和未来发展趋势。
本书强调理论与实践相结合，通过大量的实例和案例，让读者更好地理解传感器的应用。
同时，本书还对传感器的性能评价和设计进行了详细的介绍，帮助读者在实际应用中能够选择适合的传感器，并设计出满足要求的传感器接口电路。
传感器与检测技术高教ppt3版第十章电子课件
静电电容耦合是两个电路间存在寄生电容，干扰
信号通过寄生电容耦合。
•
U
N
C C j
12
12
j 1 RC12
CC22U• 1
一般情况下，有R<<1/（C12+C2），故上式可进一步
简化为
U jRC12U1
10.4 干扰信号的耦合方式
图所示为静电电容耦合的原理图。
10.4 干扰信号的耦合方式
求而定）。
10.1 非线性补偿技术
2、闭环式非线性反馈补偿
（1）解析计算法
传感器的输出—输入关系的解析表达式为 放大器的输出—输入关系解析表达式为 整个测量系统的刻度特性为
根据框图可知
u u1 u f
非线性特性解析表达式
u1 f1 (x)
uo Ku
uo Sx
uf
f1
uo S
uo K
10.1 非线性补偿技术
感器输出电压为纵坐标。
② 将放大器的线性特性曲线u2 = KU1画在第Ⅱ 象限，放大器的输入u1为纵坐标，放大器的输出 u2为横坐标。 ③ 将整个测量系统的输出 — 输入特性曲线uo = S x画在第Ⅲ象限，该象限的横坐标仍为被测 量x，纵坐标为整个仪表输出u o。 ④ 将x轴分成1、2、3 … n段（段数n由精度要
在某一输入量x下，由温度变化引起的仪表输出变化为
ST
da0 (T ) dT
da1(T ) x dT
da0 (T ) xn dT
即近似地把系统看成是线性系统
y a0 (T ) a1(T )x
ST
da0 (T ) dT
da1(T ) dT
x
10.2 温度补偿技术
10.2.2 温度补偿方式
传感器与检测技术 第十章 智能传感技术(最新)
图10-13 零位温漂特性
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第10章 智能传感技术
(2)灵敏度温度漂移的补偿
对于压阻式压力传感器，当输入压力保持不变的情况下，
其输出值U(T)将随温度的升高而下降，如图10-14所示。图中 温度T>T1，其输出U(T)<U(T1)。如果T1是传感器校准标定时 的时工的作输温入度(P)，—而输实出际(U工)特作性温进度行却刻是度T>转T换1，求若取仍被按测工输作入温量度压T 力的数值是P′，而真正的被测输入量是P，将会产生很大的 测量误差，其原因就是输入量P为常量时，传感器的工作温 度B点T升降高至，A点T>，T1输传出感电器压的减输少出量由ΔUU(T为1)降至U(T)，即工作点由
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第10章 智能传感技术
1.自补偿 温度是传感器系统最主要的干扰量。在典型的传感 器系统中主要采用结构对称来消除其影响；在智能传感 器的初级形式中主要采用以硬件电路实现的“拼凑”补 偿技术，但补偿效果不能满足实际测量的要求。在传感 器与微处理器/微计算机相结合的智能传感器系统中， 可采用监测补偿法，它是通过对干扰量的监测由软件来 实现补偿的。如压阻式传感器的零点及灵敏度温漂的补 偿。
图10-5 传统仪器仪表中的硬件非线性校正原理
5
第10章 智能传感技术
图10-6 智能仪器的非线性校正技术
6
第10章 智能传感技术
(二)自校零与自校准技术
ห้องสมุดไป่ตู้
假设一传感器系统经标定实验得到的静态输出(Y)与 输入(X)特性如下：
式中
Y=a0+a1X
(10-11)
a0—零位值，即当输入X=0时之输出值；
ΔU=U(T1)-U(T)
故
U(T1)=U(T)+ΔU
《传感器与检测技术》教案(模板1)
教案20 -20 学年第学期课程名称传感器与检测技术课程代码适用专业学时 56 学分 3.5 开课学院开课教研室授课教师职称授课班级《传感器与检测技术》课程说明一、课程基本情况课程类别：专业必修总学时： 56实验、上机学时：16学时二、学习者分析该课程的学习对象是大学第×学期×××专业的学生。
学生已具有了《模拟与数字电路》等课程的知识。
学生对模拟与数字电路等方面的知识点有了一定的认识。
该班学生普遍热爱专业知识的学习，思维活跃，对智能控制知识有一定的兴趣，能够较好的把模拟电路理论基础知识和传感器知识相结合，且具备一定学习能力，具有一定的理解与构建传感器系统的能力。
同时还能较主动地与老师和同学进行讨论学习。
三、课程性质必修课。
四、课程的教学目的和基本要求本课程是×××专业学生的一门专业课。
该课程主要介绍过程参数检测的基础知识和各类传感器的基本原理。
课程重点介绍参数获取过程中各类传感器的基本原理与基本结构。
本课程理论严谨,逻辑性强、运用了一定数学分析方法、结合实验来进行测控系统的分析和传感器的应用、同时和工程实际有一定的联系。
通过本课程的学习，应使学生掌握电阻传感器、电容传感器、电感传感器、温度传感器、以及光学传感器的基本原理、基本结构和工程应用等。
为后续课程的学习打下厚实的基础；并提高对测控系统进行分析和解决工程测量问题的能力；对学生毕业后迅速适应岗位需要、在工作岗位上具有可持续发展的再学习能力都具有重要作用。
基本要求：1. 具有测量控制系统、自动化仪表及仪器系统领域的基础知识和相关知识的运用能力及选择传感器及仪表的能力。
2. 组建一般测试系统的基本素质与能力。
3. 对一般测试过程中的技术问题进行分析和处理的能力和解决测量控制及仪器系统领域实际工程问题的初步能力。
4. 将测试系统应用于其他工程技术过程的能力，具有跟踪测控技术及仪器系统领域新理论、新知识、新技术的能力。
《智能检测技术与传感器》第十、十一章
能 ， 以 软 件 代 替了 部 分硬 件， 降低 了传 感器 的制 造难 度。
10.1 智能检测系统
10.1.3 智能检测系统中的硬件
典 型 的 智 能 检 测系 统 硬件 由传 感器 、前 置放 大器 、抗 混叠 低通 滤波 器、 采样/保持 电路 和多 路开 关、 A/D转
2 . 智能 传感 器
智 能传 感器 集成了 微处 理器 ，具有 检测 、判 断、信 息处 理、 信息记 忆和 逻辑 思维等 功能 。它 主要由 传感 器、
微 处 理 器 及 相 关电 路 组成 。微 处理 器能 按照 给定 的程 序对 传感 器实 施软 件控 制， 把传 感器 从单 一功 能变 成多 功能 ，
构 造 不 同 规 模 、不 同 用途 的智 能检 测系 统， 如分 布式 测控 系统 、集 散型 测控 系统 等。 通信 接口 的结 构及 设计 方法 与
采 用 的 总 线 技 术、 总 线规 范有 关。
控 制 系 统 实 现 对被 测 对象 、被 测试 组件 、测 试信 号发 生器 ，甚 至对 系统 本身 和测 试操 作过 程的 自动 控制 。
具 有 自 诊 断 、 自校 准 、自 适应 性功 能； 能够 自动 采集 数据 ，并 对数 据进 行预 处理 ；能 够自 动进 行检 验、 自选 量程 、
自寻故障等。
10.1 智能检测系统
智 能 传 感 器 与 传统 的 传感 器相 比具 有以 下特 点：
( 1 ) 扩展 了测 量范 围 和功 能， 组态 功能 可实 现多 传感 器多 参数 综合 测量 。
《传感器与自动检测技术(第4版)》教学教案(模块10)
五、火灾自动报警的硬件连线与运行调试
1.硬件连线
【图示】火灾自动报警的硬件连线图
2.运行与调试
【图示】数据采集卡“特性助手”控件开关量的设置
演示火灾自动报警的硬件连线与运行调试过程。
【注意问题】添加采集模块时区分常用几种函数块；连线后通道。
图示讲演法
（2）光电二极管（光敏二极管）（见模块五单元1）
二、火焰检测传感器模块
【图示】火焰检测传感器模块功能示意图；LM393实物图；LM393内部结构图
1.产品的主要特性
2.火焰检测传感器模块的原理
【图示】火焰传感器模块的原理图
主要应用：消防、火灾检测、教学实验等等。
概念讲演法
提纲挈领法
列表展演法
图示展演法
【图示】火灾自动报警的制作流程
1．LabVIEW检测界面（前面板）的制作
【图示】火灾自动报警的检测界面
介绍前面板控件：灯、开关、修饰
bVIEW程序框图（后面板）的设计
【图示】火灾自动报警的LabVIEW程序框图
介绍后面板（程序框图）控件：While循环、定时等待、选择设备、器件打开、器件关闭、低速数字量输入/输出、数值至布尔数组转换、索引数组、索引数组、布尔“与”、布尔“非”；运行按钮介绍。
教学重点
火焰传感器模块原理；火灾检测整体方案设பைடு நூலகம்。
教学难点
火灾检测的虚拟仪器程序设计
教学资源
普通电脑，《传感器与虚拟仪器应用平台》实验箱，实训桌椅
教学手段
多媒体课堂教学及做学合一教学模式
教学过程及教学内容
教学方法
引入
任务1-1居家火灾自动报警
《传感器与智能检测技术》课程教案10-2教学教案.doc
建议课时 教学重 2. 模糊传感器多传感器数据融合系教 学 内 容 授课章第10章智能传感器10.3智能生物传感器10.4模糊传感器10. 5多传感器数据融合系统10. 6微传感器4. 了解微传感器 1. 生物传感器和生物芯片 1. 生物传感器和生物芯片 教学难点2.模糊传感器 ____________3.多传感器数据融合系统参考教材 《传感器与智能检测技术》秦洪浪郭俊杰主编机械工业出版社ISBN978-7-111-65262-5 『新课导入』智能生物传感器、模糊传感器、微传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、 军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。
随着社会的进一步信息化，生物传感器必 将获得越来越广泛的应用。
『授课内容』10.3智能生物传感器10. 3. 1生物传感器概述生物传感器一般是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜，也就是说生物传感器是半导体 技术与生物工程技术的结合。
生物敏感物质附着于膜上或包含于膜之中，溶液中被测定的物质， 经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，所产生的信息可通过相应的化 学或物理换能器转变成可定量和可显示的电信号，就可知道被测物质的浓度。
1. 葡萄糖传感器 2. 酶传感器3. 微生物传感器4. 免疫传感器5. 半导体生物传感器10. 3. 2生物芯片生物芯片的模样五花八门，外观五彩斑斓。
有的和计算机芯片一样规矩、方正，有的是一 排排微米级圆点或一条条的蛇形细槽，还有的是一些不同形状头发粗细的管道和针孔大小的腔 体。
图10-26所示为一种生物芯片的外观结构图。
10. 3. 3智能生物传感器1.智能生物传感器概述近年来，受生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，智能生物传感器技术飞速发展。
未来的智能生物传感器将进一步应用在医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业 等各个领域。
授课方式 教学目标 理论知识讲授+提问讨论+多媒体演示1. 掌握生物传感器和生物芯片2. 理解模糊传感器3. 理解多传感器数据融合系统 所属专业2. 智能生物传感器的应用智能生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。
精品课件-传感器与自动检测技术(程月平 -第10章
差分输入级
增益调 整电阻
K u1
1
2R2 R1
Ui R1
+ N1
-
R2
R2
N2
+
R3
R3 R4
R4
-
U0
+
K u2
R4 R3
仪表放大器原理图
总的电压放大倍数为
Ku
R4 R3
(1
2R2 R1
)
调节R1可改变放大倍数。
放大器所采用的上述电路形式，使它具有输入 阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不 包含共模信号等一系列优点。
（5）高共模抑制比。一方面是由于许多被测量本身是差模信号， 另一方面由于许多干扰为共模干扰，因此高共模抑制比有利于提 高抗干扰性能。 （6）高线性度。在较大量程内有良好的线性。 （7）适宜的频率特性。为使放大后的信号不失真，要求它有宽 频带。为抑制某些干扰，又要求它有合适的频带。
仪表放大器应在考虑以上性能要求后进行选择，当然在满足 要求时还应考虑价格、生产厂商的信誉等问题。
（3）电流电压转换电路：将传感器的电流输出转换成电压值。 （4）频率电压转换电路：把传感器输出的频率信号转换为电流 或电压值。 （5）电桥电路：把传感器的电阻、电感和电容值转换为电流或 电压值。 （6）电荷放大器：将电场型传感器输出产生的电荷量转换为电 压值。 （7）交-直流转换电路：在传感器为交流输出的情况下，转换为 直流输出。
第10章 检测系统的信号处理技术
本章学习的主要内容： 10.1 信号处理技术 10.2 干扰抑制技术 10.3 传感器的非线性补偿
第10章 检测系统的信号处理技术
传感器的输出信号具有种类多、信号微弱、易衰减、非线性、 易受干扰等不利于处理的特点，所以检测系统的信号处理是传感 器技术的一个重要环节。本章简要介绍检测系统信号处理的一些 基本方法及器件，如传感器信号的预处理、放大、干扰抑制技术、 传感器的非线性补偿等。
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第10章 智能传感技术
(四)自补偿、自检验及自诊断 智能传感器系统通过自补偿技术可以改善其动态 特性，但在不能进行完善实时自校准的情况下，可以采 用补偿法消除因工作条件、环境参数发生变化后引起系 统特性的漂移，如零点漂移、灵敏度漂移等。同时，智 能传感器系统能够根据工作条件的变化，自动选择改换 量程，定期进行自检验、自寻故障及自行诊断等多项措 施保证系统可靠地工作。
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第10章 智能传感技术
(2)周期性自检 若仅在开机时进行一次性的自检，而自检项目又不 能包括系统的所有关键部位，那就难以保证运行过程中 智能传感器始终处于最优工作状态。因此，大部分智能 传感器都在运行过程中周期性地插入自检操作，称作周 期性自检。在这种自检中，若自检项目较多，一般应把 检查程序编号，并设置标志和建立自检程序指针表，以 此寻找子程序入口。周期性自检完全是自动的，在测控 的间歇期间进行，不干扰传感器的正常工作。除非检查 到故障，周期性自检并不为操作者所觉察。
图10-3 集成智能传感器结构示意图
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第10章 智能传感技术
(三)混合实现 将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电 路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式 集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。
图10-4 智能传感器的混合集成实现结构
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第10章 智能传感技术
二、智能传感器功能的实现
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第10章 智能传感技术
(3)键控自检 键控自检是需要人工干预的检测手段。对那些不能 在正常运行操作中进行的自检项目，可通过操作面板上 的“自检按键”，由操作人员干预，启动自检程序。例 如，对智能传感器插件板上接口电路工作正常与否的自 检，往往通过附加一些辅助电路，并采用键控方式进行。 该种自检方式简单方便，人们不难在测控过程中找到一 个适当的机会执行自检操作，且不干扰系统的正常工作。 智能传感器内部的微处理器，具有强大的逻辑判断 能力和运行功能，通过技术人员灵活的编程，可以方便 地实现各种自检项目。
第10章 智能传感技术
传感器与检测技术 第十章 智能 传感技术
第10章 智能传感技术
(二)集成化结构 这种智能传感器系统是采用微机加工技术和大规模 集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、 信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯 片上而构成，故又可称为集成智能传感器(integrated smart/intelligent sensor)。
a1—灵敏度，又称传感器系统的转换增益。
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第10章 智能传感技术
被校环节的增益a1可根据(10-11)式得出
被测信号UX则为
a1
Ka1
YRY0 UR
UX
YXY0 a1
Y YX R Y Y00UR
(10-13) (10-14)
可见，这种方法是实时测量零点，实时标定灵敏度a1 。
图10-11 检测系统自校准原理框图
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第10章 智能传感技术
(1)零位温漂的补偿
传感器的零点，即输入量为
零时的输出量U0随温度而漂移， 传感器类型不同，其零位温漂特
性也各异。只要该传感器的温漂 特若性传(感U器0-T的)具工有作重温复度性为就T，可则以应补在偿。 传感器输出值U中减掉T ℃时的零 位值U0(T)。关键是要事先测出 U传0感-T特器性的，零存位在输内出存U0中与，温大度多关数系 特性呈非线性，如图10-13所示。 故由温度T求取该温度的零位值 U正0的(T)线，性实化际处上理是问相题同。于非线性校
ΔU=U(T1)-U(T)
故
U(T1)=U(T)+ΔU
(10-29)
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第10章 智能传感技术
图10-14 压阻式压力传感器 的灵敏度温度漂移
由(10-29)式可见，当 在工作温度T时测得的传感 器输出量U(T)，给U(T)加一 个补偿电压ΔU后，再按 U(T1)-P反非线性特性进行 刻度变换求取输入量压力
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第10章 智能传感技术
1.自补偿 温度是传感器系统最主要的干扰量。在典型的传感 器系统中主要采用结构对称来消除其影响；在智能传感 器的初级形式中主要采用以硬件电路实现的“拼凑”补 偿技术，但补偿效果不能满足实际测量的要求。在传感 器与微处理器/微计算机相结合的智能传感器系统中， 可采用监测补偿法，它是通过对干扰量的监测由软件来 实现补偿的。如压阻式传感器的零点及灵敏度温漂的补 偿。
图10-5 传统仪器仪表中的硬件非线性校正原理
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第10章 智能传感技术
图10-6 智能仪器的非线性校正技术
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第10章 智能传感技术
(二)自校零与自校准技术
假设一传感器系统经标定实验得到的静态输出(Y)与 输入(X)特性如下：
式中
Y=a0+a1X
(10-11)
a0—零位值，即当输入X=0时之输出值；
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第10章 智能传感技术
被测目标参量X为
XYXY0 a1
YXY0 YRY0
XR
(10-16)
式中 YX—被测目标参量X为输
入量时的输出值；
YR—标准值XR为输入量 时的输出值；
Y0—零点标准值X0为输入 量时的输出值。
图10-12 检测系统自校准原理框图
第10章 智能传感技术 (三)噪声抑制技术 如果信号的频谱和噪声的频谱不重合，则可 用滤波器消除噪声；当信号和噪声频带重合或噪 声的幅值比信号大时就需要采用其他的噪声抑制 方法，如相关技术、平均技术等来消除噪声。
值即为P。因而问题归结为 如何在各种不同的工作温
度T，获得所需要的补偿电 压ΔU。
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第10章 智能传感技术
2.自检验 自检验是智能传感器自动开始或人为触发开始执行 的自我检验过程。它能对系统出现的软硬件故障进行自 动检测，并给出相应指示，从而大大地提高了系统的可 靠性。 自检验通常有三种方式。 (1)开机自检 每当电源接通或总清复位之后，都要进行一次开机 自检，在以后的测控工作中不再进行。这种自检一般用 于检查显示装置、ROM、RAM和总线，有时也用于对 插件进行检查。
图10-13 零位温漂特性
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第10章 智能传感技术
(2)灵敏度温度漂移的补偿
对于压阻式压力传感器，当输入压力保持不变的情况下，
其输出值U(T)将随温度的升高而下降，如图10-14所示。图中 温度T>T1，其输出U(T)<U(T1)。如果T1是传感器校准标定时 的时工的作输温入度(P)，—而输实出际(U工)特作性温进度行却刻是度T>转T换1，求若取仍被按测工输作入温量度压T 力的数值是P′，而真正的被测输入量是P，将会产生很大的 测量误差，其原因就是输入量P为常量时，传感器的工作温 度B点T升降高至，A点T>，T1输传出感电器压的减输少出量由ΔUU(T为1)降至U(T)，即工作点由