第1章传感器的基本理论1.1传感器概述
传感器概述
dy(t ) y(t ) x(t ) dt
1.2 传感器的一般特性
(1)一阶传感器的单位阶跃响应
一阶传感器单位阶跃响应的通式：
dy(t ) y(t ) x(t ) dt
式中 x(t ) 、 (t ) 分别为传感器的输入量和输出 y 量，均是时间的函数，表征传感器的时间常数， 具有时间“秒”的量纲。 一阶传感器的传递函数：
1.1 基本概念
附：传感器组成示意图
敏感元件的输出作 为转换元件的输入
被测量
敏感 元件
转换 元件
转换 电路
电量
直接感受被测量
转化为电量参数
传感器组成示意图
1.1 基本概念
1.1.3 传感器的分类
物质定律如虎克定律 F = k x主要由物 质的性质决定
按工作机理分类 可分为物理型、化学型、生物型 按构成原理又分为：结构型、物性型和复合型三大类 无源传感器 按能量的转换分类 场的定律，如电场、磁场、物质场主 要由其结构参数决定 可分为能量控制型和能量转换型 按输入量分类 有源传感器 常用的有机、光、电和化学等传感器 按输出信号的性质分类 可分为模拟式传感器和数字式传感器
1.2 传感器的一般特性
以动态测温的问题为例说明传感器动态特性。 在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测 介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的 温度分布等情况下，都存在动态测温问题，如 图所示:
动态测温
1.2 传感器的一般特性
传感器的种类和形式很多，但它们一般可以 简化为一阶或二阶系统。 高阶可以分解成若干个低阶环节。 对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率 响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称 为传感器的阶跃响应或瞬态响应。
第一章 传感器的基本知识
第一章传感器的基本知识复习思考题1. 简述传感器的概念、作用及组成。
2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？5. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什么？1.1 传感器的作用与地位◆世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。
人们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。
◆人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。
◆人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。
传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。
电量和非电量◆表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。
◆电量——一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等；◆非电量——则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。
◆人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。
传感器的作用◆非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。
◆非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。
◆传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。
采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛的测量技术。
传感器的地位◆随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，分别充当信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，他们构成了一个完整的自动检测系统。
传感器原理及应用课后习题答案(吴建平)
传感器原理及应用课后习题答案吴建平第1章概述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。
1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。
1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。
1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。
如果没有传感器，应该出现哪种状况。
1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案：1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。
我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“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和装置”。
定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。
按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。
1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
1.3答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。
按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。
传感器概述
第一章传感器概述1．1 传感器的组成与分类1．1．1 传感器的定义✧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。
通常由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。
✧传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。
1．1．2 传感器的组成✧一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。
但由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。
因此调节信号与转换电路及所需电源都应作为传感器组成的一部分。
如图1-1所示。
传感器组成方块图✧常见的调节信号与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，他们分别与相应的传感器相配合。
1．1．3 传感器的分类✧表1-1 按输入量分类、按工作原理分类、按物理现象分类、按能量关系分类和按输出信号分类。
1．2 传感器在科技发展中的重要性1．2．1 传感器的作用与地位将计算机比喻人的大脑，传感器比喻为人的感觉器官。
功能正常完美的感觉器官，迅速准确地采集与转换获得的外界信息，使大脑发挥应有的作用。
自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。
1．2．2 传感器技术是信息技术的基础与支柱现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。
传感器在信息采集系统中处于前端，它的性能将影响整个系统的工作状态和质量。
1．2．3 科学技术的发展与传感器有密切关系传感器的重要性还体现在已经广泛应用于各个学科领域。
如工业自动化、农业现代化、军事工程、航天技术、机器人技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全保卫、医疗诊断、家用电器等领域。
1．3 传感器技术的发展动向✧传感器技术共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。
✧传感器技术的主要发展方向一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。
《传感器与检测技术胡向东-第版)》习题解答
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述1.1 什么是传感器？答：传感器是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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2 传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
1.3 传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
2.3 利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压力为0MPa时输出为0mV，压力为0.12MPa时输出最大且为16.50mV。
解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。
传感器课程设计教程
传感器课程设计教程一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握传感器的基本原理、常见传感器的特性和应用方法。
通过本课程的学习，学生应能理解传感器的概念，了解各种传感器的结构、工作原理和特性，掌握传感器的应用方法，能够根据实际需要选择合适的传感器，并能够对传感器系统进行简单的故障排除和维护。
具体来说，知识目标包括：1.理解传感器的概念和作用。
2.掌握常见传感器的结构、工作原理和特性。
3.了解传感器在自动化系统和智能化设备中的应用。
技能目标包括：1.能够使用传感器进行基本的数据采集和分析。
2.能够根据实际需要选择合适的传感器。
3.能够对传感器系统进行简单的故障排除和维护。
情感态度价值观目标包括：1.培养学生对科学探究的兴趣和热情。
2.培养学生的问题解决能力和创新精神。
3.培养学生的团队合作意识和责任感。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括传感器的基本原理、常见传感器的特性和应用方法。
具体的教学大纲如下：第1章传感器概述1.1 传感器的概念和作用1.2 传感器的分类和性能指标1.3 传感器的发展趋势第2章电阻式传感器2.1 应变片传感器2.2 热敏电阻传感器2.3 光敏电阻传感器第3章电容式传感器3.1 电容式传感器的原理和特性3.2 电容式传感器的应用第4章电感式传感器4.1 电感式传感器的原理和特性4.2 电感式传感器的应用第5章磁电式传感器5.1 霍尔传感器5.2 磁敏传感器第6章光电传感器6.1 光敏二极管传感器6.2 光电晶体管传感器6.3 光电耦合器传感器第7章超声波传感器7.1 超声波传感器的基本原理7.2 超声波传感器的应用第8章传感器系统的应用8.1 传感器在自动化系统中的应用8.2 传感器在智能化设备中的应用三、教学方法为了达到本课程的教学目标，我们将采用多种教学方法，包括讲授法、案例分析法、实验法等。
通过这些教学方法的综合运用，我们将能够更好地激发学生的学习兴趣，提高学生的主动性和参与度。
传感器与检测技术基础
转换元件 它是将敏感元件输出的非电信号直接转换为电信号，或直接将被测非电信号转换为电信号(如应变式压力传感器的电阻应变片，它作为转换元件将弹性敏感元件的输出转换为电阻)。 转换电路 它能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、处理和传输的有用信号。
传感器的分类 传感器技术是一门知识密集型技术。
1.2 测量误差与准确度
3)恰为第n位单位数字的0.5，则第n位为偶数或零时就舍去，为奇数时则进1。 (2)参加中间运算的有效数字的处理 1)加法运算：运算结果的有效数字位数应与参与运算的各数中小数点后面的有效位数相同。 2)乘除运算：运算结果的有效数字位数，应与参与运算的各数中有效位数最小的相同。 3)乘方及开方运算：运算结果的有效数字位数比原数据多保留一位。 4)对数运算：取对数前后有效数字位数应相同。 2.测量数据的处理 常用的数据处理方法有列表法、图示法、最小二乘法线性拟合。
列表法 列表法是把被测量的数据列成表格，可以简明地表示有关物理量之间的对应关系，便于随时检查测量结果是否合理，及时发现和分析问题。
01
图示法 图示法是用图形或曲线表示物理量之间的关系，它能更直观地表示物理量之间的变化规律，如递增或递减。
02
最小二乘法线性拟合 图示法虽然能很直观方便地将测量中的各种物理量之间的关系、变化规律用图像表示出来，但是，在图像的绘制上往往会引起一些附加的误差。
1.1 传感器简述
1.1 传感器简述
1)超调量σ：传感器输出超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。 2)延滞时间td：阶跃响应达到稳态值的50%所需要的时间。 3)上升时间tr：传感器的输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所需的时间。 4)峰值时间tp：传感器从阶跃输入开始到输出值达到第一个峰值所需的时间。 5)响应时间ts：传感器从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需的时间。 (2)频率响应法 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。
(完整版)传感器期末复习重点知识点总结必过.doc
国家标准对传感器定义是：
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和装置
以上定义表明传感器有以下含义：
1、它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置；
2、能按一定规律将被测量转换成电信号输出；
3、传感器的输出与输入之间存在确定的关系；
按使用的场合不同又称为:变换器、换能器、探测器
1.1.2传感器的组成
传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：
图示 ：被测量---敏感原件-----转换原件----基本电路-------电量输出
电容式压力传感器-------------------压电式加速度传感器----------------------电位器式压力传感器
1.1.3传感器的分类
第一章传感器概述
人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号， 将这些信号传送给大脑， 大脑把这些信号分析处理传递给肌体。
如果用机器完成这一过程， 计算机相当人的大脑， 执行机构相当人的肌体， 传感器相当于人的五官和皮肤。
1.1.1传感器的定义
广义： 传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号的输出器件和装置。
1） 按传感器检测的范畴分类：生物量传感器、化学量传感器、物理量传感器、
2）按输入量分类：速度、位移、角速度、力、力矩、压力、流速、液面、温度、湿度
3）按传感器的输出信号分类：模拟传感器数字传感器
4）按传感器的结构分类：结构型传感器、物性型传感器、复合型传感器
5）按传感器的功能分类：智能传感器、多功能传感器、单功能传感器
差！
入信号按正弦 化 ，分析 特性的相位、振幅、
率， 称 率响 ；
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传感器原理
➢ 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环 境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、 甚至文物保护等等极其广泛的 领域。可以毫不夸张地 说：几乎每个现代化项 目，以至各种复杂工程系统， 都离不开各种各样的传感器。
➢ 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会 进步 方面的重要作用，是十分明显的。世界各 国十分重视 这一领域的发展。
1.2传感器技术的作用和地位
传感器原理
➢目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传 感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所 起到的作用大的多。这几乎是无可争议的事实。
➢传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、 医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智 能楼宇和家用电器等领域。是构建现代信息系统的重 要组成部分。
传感器原理
1.1 什么是传感器？
传感器原理
车胎压力监测
1.2传感器技术的作用和地位
传感器原理
➢ 构成现代信息技术的三大支柱是：
➢传感器技术（信息采集）； ➢通信技术 （信息传输）； ➢计算机技术（信息处理）；
它们在信息系统中分别起到 “感官”、“神经”和 “大脑”的作用。 ➢在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息， 而传感器是获取信息的主要途径和手段。
1.3传感器现状和国内外发展趋势 传感器原理
❖ 传感器现状 ➢据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、 生产和开发，研发机构6000余家。 ➢其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等国建 立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器 产业，产品20000多种，大企业的年生产能力达到几 千万支到几亿支。 ➢1998年全世界传感器市场销售额已达325亿元，预计 2006年销售额将增至506亿美元。
外
感官
大脑
肌体
界
信
息
传感器
计算机
执行机构
1.1 什么是传感器？
传感器原理
➢ 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。
1.1 什么是传感器？
传感器原理
•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:
1.1 什么是传感器？
传感器原理
1.1 什么是传感器？
传感器原理
上海卢浦大桥 通车应力试验
1.2传感器技术的作用和地位
➢传感器具有以下作用和功能 （1） 测量与数据采集 （2） 检测与控制 （3） 诊断与监测 （4） 辅助观测仪器 （5） 资源探测 （6） 环境保护 （7） 医疗卫生 （8） 家用电器 ……
传感器原理
1.2传感器技术的作用和地位
传感器原理
➢未来世界是个充满传感器的世界，还会有： 智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源） 智能衣服（自动调节温度） 智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量） 智能汽车（无人驾驶、卫星定位）
智能……
1.2传感器技术的作用和地位
传感器原理
水库
无线水质感应器
智能化水质检验
用户
用户 下游
1.2传感器技术的作用和地位
1.3传感器现状和国内外发展趋势 传感器原理
➢ 我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器 的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导 向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。 ➢ 目前有1680多家传感器研发机构，产品约6000种， 年产量13.2亿多支，其中约有1/2产品销往国外。 到 “十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达 到20亿支，销售总额达约120亿元。
第1章 传感器概述
传感器原理
主要内容：
1.1 什么是传感器 1.2 传感器的作用和地位 1.3 传感器现状和国内外发展趋势 1.4 检测系统的组成原理 1.5 传感器的定义、组成和分类方法 1.6 本课程的特点和研究内容
1.1 什么是传感器？
传感器原理
在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器， •电冰箱、电饭煲中的温度传感器; •空调中的温度和湿度传感器; • 煤气灶中的煤气泄漏传感器; • 水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器; • 照相机中的光传感器; • 汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。
传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？
1.1 什么是传感器？
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
传感器原理
1.1 什么是传感器？
传感器原理
➢ 人体系统和机器系统比较
眼（视觉） 耳（听觉） 鼻（嗅觉） 皮肤（触觉） 舌（味觉）
感知外界信息 → 大脑 → 肌体
1.1 什么是传感器？
传感器原理
❖人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将 这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递 给肌体。 ❖如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执 行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。 ❖传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。
1.2传感器技术的作用和地位
▪ 工业生产
传感器原理
1.2传感器技术的作用和地位
▪ 机器人
视觉: 平面、立体 非视觉:触觉、滑觉、
热觉、力觉、
接近觉、…
传感器原理
1.2传感器技术的作用和地位
传感器原理
1.2传感器技术的作用和地位
▪ 计量测试
传感器原理
红外测温
电子汽车衡 超声波测流量
1.2传感器技术的作用和地位
1.2传感器技术的作用和地位
传感器原理
➢在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上 的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、 短的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、 超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展， 往往是一些边缘学科开发的先驱。
➢现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种 传感器监视和控制生产过程的各个参数，传感器是自 动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术 的水平。
指纹门禁
1.2传感器技术的作用和地位
传感器原理
最新湿度测量应用领域
木材烘干
纸品
芯片生产要求最高的湿度稳定性
精确的 烟草烘干
纺织品
湿度传感器
1.2传感器技术的作用和地位
传感器原理
NOX
NO + NO2
O2
CO
SO2
H2S HCN
HCl
H2O
HF
NH3 dust
CO2
soot
HC
C-
total
1.2传感器技术的作用和地位
▪ 医疗诊断
传感器原理
1.2传感器技术的作用和地位
传感器原理
▪ 家用电器
遥控器
液化气烟雾报警器
智能洗衣机
1.2传感器技术的作用和地位
▪ 智能建筑
传感器原理
DDC
泵系统
锅炉系统
环境控制
电力监测
消防系统
照明系统
能量计费
保安系统
给排水系统
1.2传感器技术的作用和地位
传感器原理
▪ 智能建筑
门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统