北航传感器原理6资料
北京航空航天大学 生物医学传感器课件-第6章
2019/4/21
北京航空航天大学电子信息工程学院
7.1.4 液接电势（electric potential ）与盐桥(salt bridge) 产生于含有两种电解质或相同的电解质而浓度不同的溶液界面上，是由于离子浓 度不同影响其迁移率的不同，产生电荷分离而形成的电位差。在电动势测量中， 液接电势的存在会引起测量结果的不稳定。影响液接电势的主要因素有 pH值、离 子强度、温度等。为保持液接电势减少至几 mV以下并保持稳定，常用的方法是在 两溶液之间连接上一盐桥。
2019/4/21
原理 两支电极
两支电极与待测溶液组成工作电池 指示电极与参比电极
指示电极Indicator
electrode
I f ( a )
待测物活度
电位与待测物含量 有确定函数关系
2019/4/21
参比电极Reference electrode
R const.
电位与待测物含量无关/一定条件下是常数
液接电势
盐桥
将强电解质，如KCl、KNO3等溶液充装在U型玻璃管中制成（通常在溶液中加入琼 脂制成凝胶），当盐桥中电解质浓度很高，它向两个溶液的扩散起主导作用，若 盐桥中电解质阳、阴离子浓度很接近时，这种扩散引产生的液接电势很小，一般 不超过几mV。
7.1.5 极化电极(polarized electrode)与去极化电极(impolarizable electrode) 当电极电势完全随外加电压改变而改变，或电极电势改变很大而电流改变很小时，此电极为极化 电极。反之，为去极化电极。
其敏感膜由固溶体玻璃膜构成。最常见的为球形 玻璃膜电极。
玻璃膜的组成不同可制成对不同阳离子响应的玻璃电极。 球状玻璃膜：SiO2基质中加入Na2O、Li2O和CaO烧结而成的特殊玻璃膜。 内参比电极常用Ag/AgCl电极。 内参比溶液常用0.1mol/L的HCl溶液。 玻璃膜由特殊成分的厚约0.03-0.1mm的球状薄膜，其化学组成对 pH电极性能影响很大。
2011_0524_北航_传感器技术及应用_樊尚春_012_to
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5.5.1 谐振弦式压力传感器 结构与原理 特性方程 激励方式
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5.5.1 谐振弦式压力传感器 结构与原理
F
传力膜片
石英晶体 (敏感元件)
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5.5.4 石英谐振式集中力传感器 结构与原理 特性方程
f K f f02 F
Kf
与谐波次数，谐振器材料、
F
传力膜片
结构参数，外壳材料、结构
参数等有关的修正系数
——传感器装配 ——功耗高 ——结构复杂
铂电阻 基座
——抗干扰能力差
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5.5.2 谐振筒压力传感器
原理结构示意图（压电激励） 应用特点
——功耗低
——结构简单 ——抗干扰能力强 ——振型的选择 ——传感器装配 ——接触模式
课 程 内 容
第1讲：绪 论 第2讲：传感器的输入输出特性 第3讲：传感器敏感结构的力学特性 第4讲：几种典型的模拟式传感器 第5讲：谐振式传感器 第6讲：发展中的传感器新技术 第7讲：总 结
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传感器的工作原理
传感器的工作原理传感器是一种能够感知、检测某种特定物理量并将其转化为可用信号的装置，它在现代科技和工业生产中起着至关重要的作用。
传感器的工作原理是基于一系列物理原理和电子技术，通过感知外部环境的变化并将其转化成电信号的方式来实现。
本文将从传感器的基本原理、工作流程和应用领域等方面进行介绍。
首先，传感器的工作原理基于物理原理，主要包括光电效应、压阻效应、霍尔效应、电磁感应等。
其中，光电效应是利用光线照射物体时产生的电子-空穴对来实现光信号的转换；压阻效应是利用材料在受力时电阻值发生变化来实现压力信号的转换；霍尔效应则是利用磁场对导体产生的偏转来实现磁信号的转换；电磁感应则是利用导体在磁场中运动时产生感应电动势来实现电信号的转换。
这些物理原理为传感器的工作提供了基础。
其次，传感器的工作流程一般包括感知、转换和输出三个步骤。
感知是指传感器对外部环境的某种物理量进行检测和感知，例如温度、湿度、压力、光照、磁场等；转换是指传感器将感知到的物理量转化为电信号，这一过程涉及到物理原理的应用和信号处理技术；输出则是指传感器输出经过转换后的电信号，通常是模拟信号或数字信号，以供后续的控制、监测和分析使用。
这一工作流程是传感器实现功能的关键步骤。
最后，传感器的应用领域非常广泛，涵盖了工业自动化、环境监测、医疗诊断、交通运输、消费电子等诸多领域。
在工业自动化中，传感器被广泛应用于生产线的监测和控制，可以实现对温度、压力、流量等参数的实时监测和调节；在环境监测中，传感器可以用于大气污染监测、水质监测、土壤湿度监测等方面；在医疗诊断领域，传感器可以用于心率、血压、血氧等生理参数的监测和记录；在交通运输领域，传感器可以用于车辆的位置定位、车速监测、碰撞预警等方面；在消费电子领域，传感器可以用于智能手机的重力感应、光线感应、距离感应等功能。
可以说，传感器已经成为现代科技和工业生产不可或缺的一部分。
总之，传感器的工作原理是基于物理原理和电子技术的结合，通过感知、转换和输出的流程来实现对外部环境的监测和控制。
传感器原理与应用复习资料（推荐五篇）
传感器原理与应用复习资料（推荐五篇）第一篇：传感器原理与应用复习资料光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。
如果两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角θ=0.1°，则莫尔条纹的宽度B=11.46㎜莫尔条纹的放大倍数K= 573.2。
光栅传感器结构为：光源→标尺光栅→指示光栅→光电元件在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，①（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。
传感器是能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，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。
电阻应变片式传感器按制造材料可分为①金属材料和②半导体体材料。
它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中①的电阻变化主要是由电阻应变效应形成的光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应，目前所利用的光电效应大致有三大类：第一类是利用在光线作用下材料中电子溢出表面的现象，即外光电效应，光电管以及光电倍增管传感器属于这一类；第二类是利用在光线作用下材料电阻率发生改变的现象，即内光电效应。
光敏电阻传感器属于这一类。
第三类是利用在光线作用下光势垒现象，即光生伏特效应，光敏二极管及光敏三极管_ 传感器属于这一类。
传感器由敏感元件、传感元件、测量转换电路三部分组成。
依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件,转换元件,测量电路三个部分组成。
光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，其中内光电效应可以分为光电导效应、光生伏特效应光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。
它由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。
编码器用来测量角位移。
在数控机床直线进给运动控制中，通过测量角位移间接测量出直线位移，表达式为 x＝t/360︒× θ。
绝对式编码器输出二进制编码，增量式编码器输出脉冲。
增量式编码器输出信号要进行辨向、零标志和倍频等处理。
2012_0515_北航_传感器技术及应用_017_to
1942年,“膜盒式空速表”—国际首创
林士谔(1913-1987)
利用膜盒的“压力—位移”特性实现测量
——典型的模拟式仪表【指针式】
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5.1 概 述
典型案例
谐振式传感器的重要性
1970，电位器式高度、空速传感器 在我国飞机上使用[～1％]
5.1 概 述
技术视角
谐振式传感器的重要性
谐振式传感器的
特点
k M k eq(M)
meq M (M) eq
数字式 高性能
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5.1 概 述
技术视角
谐振式传感器的重要性
谐振式传感器的
谐振敏感元件
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5.2.1 谐振现象
谐振状态(实际)
A 1
P n
1 P 2 P
2 2 n
2
当 P 1 2 n 2
Amax 1 2 n 1 n
Q 2π ES Ec
Q
1 Am 2 n
Q
2 1
r
1
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5.2.2 谐振子的机械品质因数
ES Q 2π Ec
1 Q Am 2 n
传感器技术及应用-北航稿
传感器根据测量目标和原理的不同，可以分为压力传感器、温度传感器、光 学传感器、化学传感器等多个类别。
传感器感知参数介绍
不同类型的传感器会感知不同的物理或化学参数，如温度、压力、湿度、光 强等。了解这些感知参数对选择合适的传感器非常重要。
传感器的特性与指标
传感器的特性和指标包括灵敏度、分辨率、准确性、响应时间等。这些指标决定了传感器的性能和可靠性。
传感器技术及应用
本演示文稿将介绍传感器技术的各个方面，包括传感器技术简介、分类及原 理、感知参数、特性与指标、误差和校准方法等。
传感器技术简介
传感器技术是一门研究使用传感器将物理量或化学量转换为可测量信号的科学。它在计量、检测、控制领域广 泛应用，为现代社会提供了无处不在的感知能力。
传感器分类及原理
传感器的误差及校准方法
传感器在实际应用中会存在一定的误差，如线性误差、温度漂移等。校准是 提高传感器测量精度的重要方法。
数字传感器与模拟传感器
传感器可以用于获取模拟信号或数字信号。数字传感器具有易于处理和传输的优势，而模拟传感器在某些应用 场景中仍然具有重要作用。
基于MEMS的传感器技术
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是一种小型化、集成化的传感器技术，可实现高性能、低 功耗的微型传感器。
航空航天工程师的航天器传感器技术
航空航天工程师的航天器传感器技术航天器传感器技术是航空航天工程中至关重要的一部分。
它们提供了对航天器周围环境的实时监测和精确测量，为飞行控制、目标识别和导航定位等关键任务提供了必要的数据支持。
本文将探讨航空航天工程师在航天器传感器技术领域中的重要工作和应用。
一、传感器技术的基本原理传感器是将被测量的物理量转换成电信号的装置。
航天器传感器技术的基本原理是通过感知外界环境的物理参数并将其转化为航天器内部可以处理和分析的电信号。
常见的航天器传感器包括温度传感器、压力传感器、加速度传感器、陀螺仪等。
其中，温度传感器用于测量航天器各部件的温度变化，以确保航天器的运行在可控范围内。
压力传感器则用于测量航天器内外压差，为火箭等航天器的燃烧控制提供重要数据。
加速度传感器和陀螺仪则用于监测航天器的运动状态，为姿态控制和导航定位提供准确信息。
二、航天器传感器的应用1. 飞行控制航天器传感器在飞行控制中起着至关重要的作用。
通过对姿态、加速度、空气动力学力等参数的测量，飞行控制系统可以实时调整航天器的姿态，控制飞行轨迹和稳定性。
航天器传感器的精确测量能力可确保飞行过程中的高精度操作，有效提升航天器运行的安全性和稳定性。
2. 目标识别航天器传感器技术还可用于目标识别和探测。
通过搭载适当的传感器，航天器可以探测目标物体的电磁辐射、红外信号等特征，进而对目标进行识别和分析。
这在军事侦查、星际探测等领域具有重要意义，为航天任务的顺利执行和目标定位提供了关键支持。
3. 导航定位航天器传感器技术在导航定位中有着广泛应用。
利用传感器测量的各种物理参数，如位置、速度、方向等，航天器可以实时确定自身的位置和运动状态。
这对于计算航天器轨道、进行轨道修正以及保证目标准确进入预定轨道等任务至关重要。
三、航天器传感器技术的挑战与研究方向随着航空航天技术的发展，航天器传感器技术也面临着一些挑战和研究方向。
首先，由于航天器的特殊工作环境，传感器需要具备较高的可靠性和适应性，能够抵抗辐射、高温和低温等极端条件的影响。
传感器的原理
传感器的原理
传感器是一种能够感知外部环境并将感知到的信息转化为可用信号的设备。
它
在现代科技和工业生产中起着至关重要的作用，广泛应用于自动化控制、环境监测、医疗设备、智能手机等领域。
传感器的原理是基于一些基本的物理现象和工作原理，下面将介绍传感器的原理及其工作过程。
首先，传感器的原理基于物理现象，比如电磁感应、压阻效应、光电效应等。
这些物理现象能够使传感器感知到外部环境的变化，并将这些变化转化为电信号或其他形式的信号。
以光电传感器为例，它利用光电效应来感知光线的强弱，当光线强度发生变化时，光电传感器就能够将这种变化转化为电信号输出。
其次，传感器的原理还与传感器内部的传感元件和信号处理电路有关。
传感元
件是传感器的核心部件，它能够将外部环境的变化转化为电信号或其他形式的信号。
而信号处理电路则能够对传感元件输出的信号进行放大、滤波、数字化等处理，使得信号能够被准确地采集和处理。
此外，传感器的原理还与传感器的工作过程密切相关。
传感器的工作过程包括
感知、转换和输出三个基本步骤。
在感知阶段，传感器能够感知外部环境的变化，比如温度、湿度、压力、光线等。
在转换阶段，传感器能够将感知到的信息转化为电信号或其他形式的信号。
在输出阶段，传感器能够将转化后的信号输出到控制系统或显示设备中，以实现对外部环境的监测和控制。
总之，传感器的原理是基于物理现象、传感元件和信号处理电路的相互作用，
它能够将外部环境的变化转化为可用信号。
通过对传感器的原理及其工作过程的深入了解，我们能够更好地应用传感器技术，提高自动化控制系统的精度和可靠性，推动科技和工业的发展。
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x I2 I1 L I2 I1
PSD器件结构示意图
6
2.5 传感仪器器科噪学声与光的电产工生程及学院其改善方法 School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.
PSD测量旋转轴振动
PSD测量旋转轴的振动示意图
2.5 传感仪器器科噪学声与光的电产工生程及学院其改善方法 School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.
内部原因（从传感器的定义）： 包括敏感元件、转换装置、信号调理电路
敏感机理 器件缺陷 转换电路（电、热、磁…）
PSD传感器
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光电位置探测器PSD
光电位置探测器是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。
PSD由P衬底、PIN光电二极管及表面电阻组成，P型层在表面，N型层在底面， I层在中间。落在PSD上的入射光转换成光电子后由P型两端电极输出光电流I1和I2。 因电荷通过的P型层是一均匀的电阻，所以光电流与光的入射点到电极间的距离
成反比。
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电容性耦合
若导线2为信号端，与放大器输入端相连，那么便构成敏感电 路。由容性耦合形成的对敏感电路的干扰，在不考虑C1时为：
u2s
1 R
jC j(C C2 )
u1s
增大R， 减小C
平行导线容性耦合
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抑制容性耦合常用的方法：
(1)提高输入阻抗R (2)采用屏蔽导线(需减小干扰源导线和屏蔽伸出导线位，是处在前置级 的第一个运放； (4)减小共模干扰
在运放的两输入管脚处布一圈地线进行屏蔽
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一维PSD器件
当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置
上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电 阻p型层分别由电极1与2输出。设p型层的电阻是均匀的，两电极间
的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过n型层上电极 的电流I0为I1和I2之和。
I0= I1+I2
PSD测量三轴坐标
影响因素？ 暗电流；温度、背景光、光 源强度、光源均匀性、光斑 大小等。
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PSD与CCD
PSD利用进入光接收元件 的整个光点的光量分布来 测定光点中心，并将其确 定为目标物位置。但光量 分布受目标物表面状况的 影响，造成测量偏差。
当入射光点落在器件感光面的不同位置时，PSD 将对应输出不同的电信号。 通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在 PSD 的位置。入射光点的强 度和尺寸大小对 PSD 的位置输出信号均无关。PSD 的位置输出只与入射光点的 “重心”位置有关。
PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维 PSD可测光点的平面位置坐标。
CCD 检测每个像素上光 点的光量分布峰值，并其 确定为目标物位置。
光接收元件上的光点光量分布
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2.5 传感器噪声的产生及其改善方法
2.5.1 传感器噪声产生的原因 外部原因（被测对象、工作环境、安装连接…）
被测对象动态（多干扰因素耦合）、不一致性 机械噪声、热噪声、电磁噪声、特殊应用 机械配合、电路连接、仪器屏蔽
湿度传感器
2.5 传感仪器器科噪学声与光的电产工生程及学院其改善方法 School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.
外部噪声耦合的途径
传导耦合
耦
2.5 传感器噪声的产生及其改善方法
2.5.3 传感器噪声的改善方法
差动法、相关法、解调法
传感器系统的噪声改善方法？
传感器的选择 增强传感器检测系统中的信号传输能力 噪声滤波技术 随机信号处理技术 同频噪声处理技术
传感器技术及应用 ——传感器的特性（三）
李成 2013.03.28
课程回顾：
思考题1(第2讲：传感器的特性)
1.主要静态性能指标：线性度? 2.求解线性度的参考直线？ 3. 主要静态性能指标：迟滞？
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2.5 传感器噪声的产生及其改善方法
2.5.1 传感器噪声产生的原因 2.5.2 传感器噪声的评价指标——信噪比 2.5.3 传感器噪声的改善方法
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2.5 传感器噪声的产生及其改善方法
2.5.1 传感器噪声产生的原因
2.5 传感器噪声的产生及其改善方法
2.5.2 传感器噪声的评价指标——信噪比
传感器的信噪比，是表示传感器检测微弱信号能力的一种评价指 标，指的是传感器接收的被信号量与噪声量的比值。通常用信噪 比（记为S/N或SNR）作为信号与噪声强度的比率评价指价。
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经公共阻抗耦合
合
通
道
电容性耦合
电场和磁场耦合
电感性耦合
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