《传感器原理及应用》程德福 第七章 智能化网络化传感器技术
传感器原理与应用技术全书电子教案完整版课件
第1章 绪论
转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器 件称为转换元件，例如压电晶体、热电偶等。
需要指出的是，并非所有的传感器都包括敏感元件 和转换元件，如热敏电阻、光电器件等。而另外一些传 感器，其敏感元件和转换元件可合二为一，如压阻式压 力传感器等。
测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、 记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。 测量电路的类型视转换元件的分类而定，经常采用的有 电桥电路及其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调 宽电路、振荡回路等。
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第2章 传感器的一般特性
(1) 线性度(非线性误差)
在规定条件下，传感器校准曲线与 拟合直线间最大偏差与满量程(F·S)输 出值的百分比称为线性度(见图2-2)。
用 L 代表线性度，则
L
Ymax YF S
100% (2-6)
式中 Ymax—校准曲线与拟合直线间
的最大偏差；
YF S —传感器满量程输出，
传感器原理与应用技术
第1章 绪论
1.1 传感器的作用 随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器
技术越来越受到人们的重视。特别是近年来，由于科学 技术、经济发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域 中的作用也日益显著。在工业生产自动化、能源、交通、 灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生等方面所开 发的各种传感器，不仅能代替人的感官功能，而且在检 测人的感官所不能感受的参数方面具有特别突出的优势。
（3）按结构型和物性型分类 所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形 状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、 电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号，这 种传感器目前应用的最为普遍。物性型传感器则是利用 某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导 体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。
2024年度网络课程传感器原理及应用
网络课程传感器原理及应用目录•传感器概述•传感器基本原理•常见类型传感器介绍•传感器在物联网中应用•传感器在智能制造中应用•传感器在其他领域应用01传感器概述传感器定义与分类传感器定义传感器是一种能将被测量（如温度、压力、光强等）转换为可测量（如电压、电流等）的信号的装置。
传感器分类根据工作原理，传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等。
01020304工业自动化智能家居医疗卫生环境监测传感器应用领域在工业自动化领域，传感器被广泛应用于各种生产设备的监测与控制，如温度、压力、流量等参数的测量。
在智能家居领域，传感器是实现智能化控制的关键元件，如温度传感器、湿度传感器、光线传感器等。
在环境监测领域，传感器可用于监测大气、水质、土壤等环境参数，为环境保护和治理提供数据支持。
在医疗卫生领域，传感器可用于监测病人的生理参数，如体温、血压、心率等，为医疗诊断和治疗提供重要依据。
微型化智能化多功能化无线化传感器发展趋势未来传感器将具有更高的智能化程度，能够实现自校准、自诊断、自适应等功能，提高测量精度和可靠性。
随着微电子技术的发展，传感器的体积将越来越小，功耗将越来越低，同时性能将更加稳定可靠。
无线通信技术的发展将使得传感器能够实现远程无线数据传输，方便用户进行实时监测和控制。
同一传感器将能够实现多种不同参数的测量，提高使用范围和便捷性。
02传感器基本原理传感器工作原理转换原理传感器能够将非电量（如温度、压力、位移等）转换为电量（如电压、电流、电阻等），以便进行后续的信号处理和数据采集。
敏感元件敏感元件是传感器中能够感知被测量变化的部分，它将非电量转换为另一种易于处理的非电量，如将温度变化转换为电阻变化。
转换元件转换元件将敏感元件输出的非电量转换为电量，如将电阻变化转换为电压或电流变化。
信号放大信号滤波信号转换传感器信号处理技术由于传感器输出的信号往往比较微弱，需要进行放大处理以提高信号的幅度和信噪比。
传感器原理介绍及应用ppt课件
目录
1 传感器的基本概念 2 常用传感器 3 公司产品介绍 4 产品应目方案分析
项目评估 工艺流程图
沈阳某电视台网管中心空调自控工程
一、项目背景 通常现代建筑中的中央空调系统冷冻主机的负荷能 随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹 配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，不仅造 成电能的极大耗费，同时也恶化了中央空调的运行 环境和运行质量。 随着新技术、新设备在电视台的 广泛应用，数字化、网络化、智能化有效的提高了 电视信号的播出水平。沈阳某电视台网管中心集中 着电视的大部分关键设备，使用空调自控系统对设 备的安全起到保障作用。因此，这对电视台网管中 心的空调系统自动控制改造提出了更高要求。沈阳 新华控制系统有限公司成功中标沈阳某电视台网管 中心的空调自控系统的设计、安装与调试工程。
常用传感器—霍尔传感器
概念：霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁
场传感器。
分类：霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型
霍尔传感器两种。
结构：霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、
霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。
应用：测量电流、位移、转速、风速、流速、自
动电路。
常用传感器—温度传感器
概念：是指能感受温度并转换成可用输出信号的
SITRANS FM MAG 1100 F电 磁流量传感器是 特地为食品、饮 料和制药工业而 设计的，配置各 种卫生型快速接 头。
公司产品介绍—西门子工业业务
西门子 SITRANS P ZD 系列压力测量仪表可 配置的压力变送器， 测量气体、液体和蒸 汽的表压和绝压。带 数字显示，量程比10 ︰1，数字显示与过程 连接的可选经向或轴 向两种方式。
2024年传感器原理与应用技术全书电子教案
2024年传感器原理与应用技术全书电子教案一、教学目标1.了解传感器的基本概念、分类及特点。
2.掌握传感器的原理、性能参数及选用方法。
3.熟悉传感器在各个领域的应用案例。
4.培养学生分析问题、解决问题的能力。
二、教学内容1.传感器概述2.传感器原理3.传感器性能参数4.传感器选用方法5.传感器应用案例三、教学重点与难点1.教学重点：传感器的原理、性能参数及选用方法。
2.教学难点：传感器的原理分析及应用案例。
四、教学方法1.采用案例分析、小组讨论、实物演示等教学方法，激发学生的学习兴趣。
2.结合实际应用，让学生在实践中掌握传感器的基本知识。
3.鼓励学生提问，引导学生主动探究，培养学生的创新意识。
五、教学步骤第一课时：传感器概述1.导入新课通过展示生活中的传感器应用案例，引发学生对传感器的兴趣。
2.讲解传感器的基本概念、分类及特点（1）传感器定义：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装置。
（2）传感器分类：按照被测量类型、转换原理、输出信号类型等进行分类。
（3）传感器特点：微型化、智能化、网络化、多功能化等。
第二课时：传感器原理1.讲解传感器的工作原理（1）传感器的基本组成：敏感元件、转换元件、信号处理电路等。
（2）传感器的工作原理：敏感元件感受到被测量变化，转换元件将感受到的变化转换为电信号，信号处理电路对电信号进行处理，输出可用信号。
2.分析常见传感器的原理（1）热敏电阻：利用半导体材料的温度特性实现温度测量。
（2）光敏电阻：利用光生伏特效应实现光强测量。
（3）压力传感器：利用弹性元件的形变实现压力测量。
第三课时：传感器性能参数1.讲解传感器的主要性能参数（1）灵敏度：传感器输出信号与输入信号之比。
（2）线性度：传感器输出信号与输入信号之间的线性关系。
（3）精度：传感器输出值与实际值之间的误差。
（4）响应时间：传感器从输入信号变化到输出信号稳定所需的时间。
2.分析传感器性能参数在实际应用中的重要性第四课时：传感器选用方法1.讲解传感器选用的基本原则（1）根据测量对象和测量范围选择合适的传感器。
《传感器及其应用》 讲义
《传感器及其应用》讲义一、传感器的定义与工作原理传感器是一种能够感知和检测外界物理量、化学量或生物量等信息，并将其转换成可测量电信号的装置。
简单来说，传感器就像是人类的“感觉器官”，但它能将感觉到的信息转化为电信号，以便后续的处理和分析。
传感器的工作原理基于各种物理、化学和生物效应。
例如，电阻式传感器是通过测量电阻值的变化来反映被测量的变化；电容式传感器则是利用电容的变化来检测物理量；而光电传感器是基于光电效应，将光信号转换为电信号。
不同类型的传感器工作原理各异，但它们都有一个共同的目标，那就是准确、快速地获取所需的信息，并将其转换成有用的电信号输出。
二、传感器的分类传感器的种类繁多，为了便于研究和使用，通常按照不同的标准进行分类。
1、按被测量分类物理量传感器：如温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等，用于测量各种物理量。
化学量传感器：例如气体传感器、湿度传感器等，用于检测化学物质的浓度和成分。
生物量传感器：像生物传感器，用于检测生物体内的生理指标和生化反应。
2、按工作原理分类电学式传感器：包括电阻式、电容式、电感式等。
磁学式传感器：利用磁场变化进行测量。
光学式传感器：如光电传感器、光纤传感器等。
声学式传感器：基于声波的传播和反射特性工作。
3、按输出信号分类模拟量传感器：输出连续变化的模拟信号。
数字量传感器：输出离散的数字信号。
三、常见传感器的介绍1、温度传感器温度传感器是最常见的传感器之一，广泛应用于工业生产、医疗、家用电器等领域。
常见的温度传感器有热电偶、热电阻和热敏电阻等。
热电偶基于热电效应，其测量范围广，精度较高。
热电阻则是利用电阻值随温度的变化来测量温度，具有稳定性好的特点。
热敏电阻对温度变化非常敏感，但精度相对较低。
2、压力传感器压力传感器用于测量液体或气体的压力。
常见的有应变式压力传感器、电容式压力传感器和压电式压力传感器等。
应变式压力传感器通过测量弹性元件的应变来反映压力的大小。
精品课件-传感器原理及工程应用(第四版)-第7章
第7章 磁电式传感器
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这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿。补偿通常采用 热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材 料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。
当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的
磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空
第7章 磁电式传感器
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2. 当温度变化时，式(7-8)中右边三项都不为零，对铜线而 言每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4，dR/R≈0.43×10-2， dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍 钴永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式(7-8)可得近似 值如下：
第7章 磁电式传感器
1
第7章 磁电式传感器
7.1 磁电感应式传感 器 7.2 霍尔式传感器
第7章 磁电式传感器
2
7.1 磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原 理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感
器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换
成易于测量的电信号，是一种有源传感器。由于它输出功率大， 且性能稳定，具有一定的工作带宽(10～1000Hz)，所以得到
检测元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产 生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹 引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应 出交流电压，其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。
第7章 磁电式传感器
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图7-7 磁电式扭矩传感器工作原理图
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
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图7-4 传感器电流的磁场效应
传感器原理及应用教程PPT课件
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3．线性度(Linearity) 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素 的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：
式中：y—输出量； x—输入量； a0—零点输出； a1—理论灵敏度； a2、a3、 … 、 an—非线性项系数。
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♦测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。 这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化 的器件就是传感器。
广义传感器
输入匹配 被测信号 检测器件
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放大变换
输出 信号处理
• 传感器定义有以下含义 ①它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成
检测装置； ②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化
3．二阶传感器动态特性指标
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工 业 生 产
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智能建筑
提高操作者 工作效率
提高楼宇内 部舒适程度
提供高效的 设备管理手 段
缩短投控软件
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航空航天宇宙飞船 飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗 10”飞船对3295个参数进行检测，其中： 温度传感器559个 压力传感器140个 信号传感器501个 遥控传感器142个 整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体
2.2.1 传感器的静态特性与主要性能指标
y = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 +…+ anxn
式中：a0—输入量x为零时的输出量; a1, a2, …, an——非线性项系数。
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1．测量范围和量程 传感器所能测量到的最小被测量（输入）xmin与最大被测量（输入）xmax之间的范围 称为传感器的测量范围（measuring range）,表示为YFS或（xmin，xmax） 。 传感器测量范围的上限值与下限值之差xmax－xmin称为量程（span）。例如一温度传 感器的测量范围是-30～+120℃,那么该传感器的量程为150 ℃。
传感器原理及应用习题答案完整版
传感器原理及应用习题答案习题仁习题2.. 习题3.. 习题4.. 习题5.. 习题6.. 习题7.. 习题8.. 习题9.. 习题10 习题行习题12 习题13・・2 ,4 ,8 10 12 14 17 20 232526习题11-1什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其柑互间的关系。
答：传感器理能感受规定的被测录并按照一定的规律将其犠城可用输出倍号的器件或装氨通常传感器由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件是fg传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测畳转换成适于传输或测量的电倍号部分。
由于传感器的输岀倍号一般都很微弱,因此需要有倍号调节与转换电路对其逬行放大、运算调制等。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的倍号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元＜牛一e集成在同一芯片上。
此^卜,倍号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此倍号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。
1-2简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。
答：传感器位于倍想采集系统之首,厲于感知、获取及检测倍息的窗口•并提供给系统赖以逬行处理和决策所必须的原始倍息。
没有传感技术，整个倍息技术的发展就成了一句空话。
科学技术越发达.自动化程度越高,倍息控制技术对传感器的依赖性就越大。
发展方向：开发新林料，采用微细加工技术,多功能集成传感器的研究,智能传感器研究，航天传感器的研究*仿生传感S的研究等。
1-3传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些?答：传感器的静态特性是^s被测畳的值处于稳定状态时Bg输出F入关系。
与时间无关•主要性瞬标有：线性度、灵敏康、迟滞和"性等。
1-4传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？答：传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入畳之间的响应特性。
常用的分析方法有时域分析和频域分析.时域分析采用阶跃倍号做输入•频域分析采用正弦倍号做输入。
传感器原理与应用技术全书电子教案完整版课件
传感器原理与应用技术全书电子教案完整版课件一、教学内容本教案依据《传感器原理与应用技术》教材第5章“力传感器”和第6章“温度传感器”的内容进行设计。
详细内容主要包括力传感器的种类、工作原理、特性及应用，温度传感器的类型、工作原理、特性及其在工业和日常生活中的应用。
二、教学目标1. 理解并掌握力传感器和温度传感器的工作原理及其在实际应用中的关键作用。
2. 学会分析不同类型传感器的特性，并能够根据实际需求选择合适的传感器。
3. 能够运用所学知识，设计简单的传感器应用电路，培养实际操作能力。
三、教学难点与重点教学难点：传感器的工作原理及其在实际应用中的特性分析。
教学重点：力传感器和温度传感器的原理、特性及应用。
四、教具与学具准备1. 教具：传感器原理实验箱、演示用传感器、PPT课件。
2. 学具：每组一套传感器实验器材、电路图、实验报告手册。
五、教学过程1. 引入：通过展示生活中常见的传感器应用实例，引导学生思考传感器的作用和重要性。
2. 理论讲解：a. 力传感器的种类、工作原理、特性及应用。
b. 温度传感器的类型、工作原理、特性及应用。
3. 实践操作：a. 学生分组进行力传感器和温度传感器的实验，观察并记录实验数据。
b. 学生分析实验数据，探讨传感器特性的影响因素。
4. 例题讲解：讲解一道关于传感器应用的选择题，分析解题思路和方法。
5. 随堂练习：布置一道力传感器和温度传感器相关的应用题，让学生现场解答。
六、板书设计1. 力传感器的种类、工作原理、特性及应用。
2. 温度传感器的类型、工作原理、特性及应用。
3. 传感器选择和应用的相关知识点。
七、作业设计1. 作业题目：a. 解释力传感器和温度传感器的工作原理。
b. 分析并比较不同类型传感器的特性。
c. 设计一个简单的温度监测电路。
2. 答案：a. 力传感器的工作原理：通过力敏元件将力转换为电信号输出。
温度传感器的工作原理：利用温度敏感元件将温度变化转换为电信号输出。
《传感器原理及应用》程德福版,资料
第一章概述第一节传感器的基本概念传感器的定义：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或装置。
它是一种以一定的精确度把被测量（包含被测对象信息）转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置或器件。
传感器的组成：传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。
1、敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
2、转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。
3、基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。
第二节传感器的分类传感器的分类：主要按工作原理和被测量来分类。
一、按工作原理分类：传感器按其敏感的工作原理，一般可分为物理型、化学型、生物型三大类。
1、物理型传感器：物理型传感器是利用某些敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器。
应变式传感器；压阻式传感器；电容式传感器；简单电感式、差动变压器式传感器；压电式传感器。
物理型传感器又可以分为结构型传感器和物性型传感器。
a、结构型传感器：是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用某些物理规律来感受（敏感）被测量，并将其转换为电信号实现测量的。
b、物性型传感器：就是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受（敏感）被测量，并转换成可用电信号的传感器。
2、化学传感器：化学传感器一般是利用电化学反应原理，把无机或有机化学的物质成分、含量等转换为电信号的传感器。
3、生物传感器：生物传感器是利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。
由两大部分组成，其一是功能识别物质（酶、抗原、抗体、微生物及细胞等），其二是电、光信号转换装置。
二、按被测量分类：可分为力学量、温度、磁学量、光学量、流量、湿度、气体成分等传感器。
三、其他分类：按传感器的输出信号分类，可分为模拟传感器和数字传感器；依据可变电参量进行分类；按传感器的能量来源分类，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。
传感器原理及应用知到章节答案智慧树2023年菏泽学院
传感器原理及应用知到章节测试答案智慧树2023年最新菏泽学院第一章测试1.下列传感器不属于按基本效应分类的是（）。
参考答案:真空传感器2.传感器的输出量通常为（）。
参考答案:电量信号3.传感器一般包括（）。
参考答案:基本电路;转换元件;敏感元件4.敏感元件，是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。
（）参考答案:对5.传感器是与人感觉器官相对应的原件。
（）参考答案:对第二章测试1.传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的（）。
参考答案:分辨力越高2.按照依据的基准线不同，下面哪种线性度是最常用的（）。
参考答案:最小二乘法线性度3.下列为传感器动态特性指标的是（）。
参考答案:固有频率4.用一阶系统描述的传感器，其动态响应特性的优劣主要取决于时间常数，越大越好。
（）参考答案:错5.传递函数表示系统本身的传输、转换特性，与激励及系统的初始状态无关。
（）参考答案:对第三章测试1.电阻应变计的电阻相对变化与应变之间在很大范围内是线性的，则为（）。
参考答案:2.下列哪种温度补偿方法是常用和效果较好的补偿方法（）。
参考答案:电桥补偿法3.电桥测量电路的作用是把传感器的参数转换为（）的输出。
参考答案:电压4.对应变式传感器来说，敏感栅愈窄，基长愈长的应变计，其横向效应引起的误差越大。
（）参考答案:错5.等臂电桥当电源电压及电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
（）参考答案:对第四章测试1.变介电常数型电容式传感器无法测量的物理量是（）。
参考答案:光信号2.电容式传感器常用的转换电路包括（）。
参考答案:差动脉冲调宽电路;二极管双T型电路;运算放大器式电路3.差动式变极距型电容式传感器与单极板变极距型电容式传感器相比，其灵敏度提高了一倍，且无非线性误差。
（）参考答案:错4.按测量原理的不同，电容式传感器可分为变面积型、变极距型和变介电常数型。
（）参考答案:对5.为提高传感器的灵敏度和改善非线性关系，变极距型电容式传感器一般采用差动结构。
高考一轮复习课件：103传感器原理及应用共28页文档
5．干簧管：普通干簧管有两个簧片，是用有 弹性的 软磁性 材料制成的，它们密封在玻璃管 中，成为一组常开型触点．管中充入惰性气体来防 止触点被氧化．当磁体靠近(按一定方位)干簧管时， 两个簧片被磁化而接通．
干簧管将磁场的变化转换成电路的 通断 .
一、传感器的概念 传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、 温度、光、声、化学成分等 非电学 量，并能把它 们按照一定的规律转换为电压、电流等 电学 量， 或转换为电路的 通断 .把非电学量转换为电学量以 后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制 了．
二、常用传感器元器件工作原理 1．光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体， 无光照时，载流子 少 ，导电性能 差 ；随着光 照的增强，载流子 增多 ，导电性变 好 . 光敏电阻能够把光照强弱这个 非电学 量转换 为 电阻 这个电学量．
三、传感器的分类 传感器可以根据其利用的元器件进行分类， 如电容式传感器、电阻式传感器、电感式传感器 等．也可以按其转换的信号来分类，一般可以分为： 力电传感器、热电传感器、声电传感器、光电传感 器等．
1.声传感器应用——话筒 问题：话筒被广泛应用于生活之中，常见的话 筒有哪几种？它们的工作原理又是怎样的？ 解答：如图10－3－1所示的是动圈式话筒的构 造，是利用电磁感应现象制成的．
图10－3－1
其工作原理是：当声波使金属膜片振动时，连 接在膜片上的线圈(叫音圈)随着一起振动．音圈在永 磁铁的磁场中振动，其中就产生感应电流，感应电 流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波 决定，这就将声信号转换成电信号，这个电信号经 扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大 声音．
电容式话筒的工作原理如图10－3－2所示．Q 是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电 容器，被直流电源充电．当声波使膜片振动时，电 容发生变化，电路中形成
【传感器原理及应用(程德福)】课后答案
第1章传感器与检测技术基础思考题答案l.检测系统由哪几部分组成?说明各部分的作用。
答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。
当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图。
检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。
根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。
显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
2．什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？解：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对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。
敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。
3．传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？解：（1）开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。
（2）开发研制新型传感器及组成新型测试系统①MEMS技术要求研制微型传感器。
如用于微型侦察机的CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。
②研制仿生传感器③研制海洋探测用传感器④研制成分分析用传感器⑤研制微弱信号检测传感器（3）研究新一代的智能化传感器及测试系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。
《传感器原理及应用》教学课件
霍尔传感器广泛应用于测量各种磁场和电流强度，如电流、磁场、功率等。通过 将霍尔传感器与被测电路或磁路连接，可以实现对磁场和电流强度的精确测量和 控制。
光纤传感器
光纤传感器原理
光纤传感器是一种利用光纤中光的干涉、衍射、偏振 等特性来测量被测量的传感器。光纤传感器的基本原 理是当光通过光纤时，若光纤受到外界环境的影响， 如温度、压力、磁场等，则光的干涉、衍射、偏振等 特性会发生变化，从而改变光的强度、相位、频率等 参数。光纤传感器通过检测这些参数的变化来测量外 界环境对光纤的影响。
高精度与高可靠性的提升
精度提高
通过误差补偿、信号处理等手段，实现传感器的高精度测量。
可靠性增强
采用冗余设计、自适应算法等，提高传感器的稳定性、可靠性和寿命。
多功能与智能化的发展
多功能化
发展多参量传感器，可同时测量多种物理量或化学量。
智能化
引入人工智能、物联网等技术，实现传感器的自适应、自学习、自诊断等功能。
应变片传感器广泛应用于测量各种物理量，如压力、力、加速度、温度等。 通过将应变片贴在被测物体表面或内部，可以测量物体在各种环境下的应变 ，从而实现对物理量的精确测量。
霍尔传感器
霍尔传感器原理
霍尔传感器是一种利用霍尔效应测量磁感应强度的传感器。当电流流过一个导体 时，若导体垂直于电流方向存在一个磁场，则导体两端会形成电势差，从而产生 电压。霍尔传感器利用这一原理来测量磁场强度。
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传感器信ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ处理技术
信号调理
信号放大
将传感器输出的微弱信号进行放大，以满足数据 采集系统的输入要求。
信号滤波
去除信号中的噪声，提高信号的信噪比，保证信 号的质量。
传感器原理与应用 精品课 讲义(上)
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今天，信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。现代信息技术
的基础包括信息采集、信息传输与信息处理。
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传感技术与信息技术的关系：信息-采集-传感技术；信息-处理-计算机技术；
信息-传输-通讯技术。传感器位于信息采集系统之首、检测与控制之前，是感知、
获取与检测的最前端。
☺ 传感器广泛应用于各个学科领域:在基础学科和尖端技术的研究中； 在工业与国防领域； 在生物工程、医疗卫生、环境保护等。
1.2 传感器的作用与地位 1.3 传感器技术的发展动向
1.3.1发现新现象 1.3.2开发新材料 1.3.3采用微细加工技术 1.3.4 传感器的智能化 1.3.5 仿生传感器
1.1 传感器的定义及分类
1.1.1 传感器的定义
能够把特定的被测量信息（如物理量﹑化学量、生物量等）按一 定规律转换成某种可用信号的器件或装置，称为传感器。
（2）输出----输入特性方程仅有奇次非线性项如图（c）所示，即
ya1xa3x3a5x5具有这种特性的传感器，在靠近原点的相当大范围内，
输出－输入特性基本上呈线性关系。并且，当大小相等而符号相反时，y也大小相等而
符号相反,相对坐标原点对称，即
fxfx
（3）输出－--输入特性非线性项仅有偶次项，见图（b），即 ya1xa2x2a4x4
y YFS
y YFS
y YFS
max xm x
max xm x
max xm x
传感器的实际特性曲线与拟合直线不吻合的程度，在线性传感器中称 “非线性误差”或“线性度”。常用相对误差的概念表示“线性度”的大小， 即传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差的绝对值对满量程输出 之比为
el ym FSax10000
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4．电子数据表格规范TEDS
电子数据表格是IEEE1451标准的精华所在，创新之处在于它支持所 有种类的传感器，是一个通用的电子数据表格。IEEE1451.2标准共 规定了六种不同的电子数据表格： （1）总体TEDS（Meta-TEDS）：包含了这个STIM的总体信息， 如TEDS数据结构、最坏情况下的时序参数、通道数等。 （2）通道TEDS（Channel TEDS）：包含了该通道的具体信息， 如上、下限，物理单位、预热时间、有无自检测、不确定度等。 （3）校正TEDS（Calibration TEDS）：它包含了最新的标定数据、 标定间隔以及支持多段标定模型的所需全部参数。 （4）总体识别TEDS（Meta-Identification TEDS）：提供了人工 可读的描述符信息，包含制造厂商、类型号、日期和产品的描述。 （5）标定识别TEDS（Calibration-Identification TEDS）：它提供 了每个通道标定相关的一些人工可读信息。 （6）终端用户应用TEDS（End Users Application-specific TEDS）： 每个STIM可以有多个这样的电子描述表格，也是可选和人工可读 的。包含一些维护电话等信息。
3．接口命令规范
网络应用处理器NCAP可将智能变送器模块STIM看成一个外部 存储单位，每次STIM的访问都需要对应的地址，其地址分为 功能地址和通道地址。 通道地址最多可以达到255个，通道0地址不针对某个通道，而 是针对整个STIM。
功能地址表示对STIM操作的具体功能，其中最高位为读写方 向位。功能地址为1时，表明NCAP要向STIM发送控制命令。
IEEE1451协议族体系结构
整个协议分为面向软件接口与面向硬件接口两大部分。
Network Independent 模拟+数字 TEDS 变送器 TII 接口 总线 接口 TEDS 变送器 TEDS 变送器 TEDS 混合模式 变送器 智能变送 器接口模 块(STIM) 变送器总 线接口模 块(TBIM) 无线 变送器
基于IEEE1451.2标准的 温湿度智能变送器模块 总体设计方案如图。
湿度 信号 调理 模数 转换 电路 ADC 微控 制器 TEDS 存储 单元 外扩 RAM 扩展 TII
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温度
信号 调理
第三节 基于ZigBee技术的无线传感器网络
一、无线传感器网络及其规范标准问题
无线传感器网络(WSN,wireless sensor networks)综合了传感器技术、 嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实 时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信 息,并对这些信息进行处理, 传送到需要这些信息的用户。 1．WSN定义和术语 WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络,其目的 是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中对象的信息,并 发布给观察者。 WSN节点：由内置传感器、数据采集单元、数据处理单元、无线 数据收发单元以及小型电池单元组成。 自组织网络：节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节 点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 动态拓扑Ad - hoc：WSN是一个动态的网络,节点可随处移动;一个 节点可能因电池能量耗尽或其他故障,退出网络运行;也可能由工作 15 的需要而被添加到网络中。
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五、IEEE1451标准网络化智能传感器节点应用
智能变送器模块在IEEE1451.2协议中规定，一个STIM可以拥有 多达255个通道的传感器或者执行器STIM由电子数据表格、ADC、 DAC、敏感元件或者执行单元以及标准的地址逻辑构成。传感器 /执行器（组）为物理传感器或执行器，IEEE1451.2标准仅仅定 义了接口逻辑和标准TEDS数据格式，其它部分由各传感器制造 商自主实现，以保持各自在性能、质量、特性与价格方面的竞争 力。同时IEEE 1451协议还提供了一个连接STIM和NCAP的10线 标准接口TII，使得传感器制造商可以把STIM应用到多种网络和 应用系统中去。
典型的智能传感器实例
美国Honeywell公司于1983年推出了首款商品智能传感器 组成：基本传感器、微处理器和现场通信器。它包含2个压力传 感器(差动压力传感器和静态压力传感器)和1个温度传感器。其 中静压和温度信号用于对差压进行补偿，经过补偿处理后的差 压数字信号再经D/A变成4～20mA的标准信号输出。也可经由 数字接口直接输出数字信号。 指标：量程比高达到400：1；精度在其满量程内优于0.1％。
第七章 智能化网络化传感器技术
智能传感器 IEEE1451标准网络化智能传感器 基于ZigBee技术的无线传感器网络 模糊传感器
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第一节 智能传感器
一、基本型智能传感器的含义与功能
两种结合方式：传统的传感器和微处理器（含采集单 元）独立的，可组合在一起，应用维护更换相对方便 把微处理器嵌入到传感器中，半导体类传感器与微处 理器集成在同一块芯片上，如用于地震勘探的加速度 传感器。
传感器
电源管理、热插拔控制单元
以太网络
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特点
（1）IEEE1451是一个开放、与网络无关的通信接口，用于将 智能传感器直接连接到计算机、仪器系统和其它网络 （Network-neutral）； （2）可以使得传感器制造厂商和系统集成商没有必要对很多 复杂的现场总线协议进行研究就可以完成各种现场总线测控系 统的集成（Vendor -independent）； （3）加速了智能传感器采用有线或者无线的手段连入测控网 络系统（Wired or Wireless）；建立了智能传感器的“即插即 用”标准（Plug And Play）； （4）使得智能传感器拥有TEDS，包含足够的描述信息，增强 了传感器“智能”； （5）定义了传感器模型，包括传感器接口模块（TIM）和网 络应用处理器（NCAP）。
自补偿功能 自诊断功能 信息存储和记忆功能 数字量输出或总线式输出功能 双向通信功能
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二、基本型智能传感器的软件算法
1．数字滤波技术 如尖脉冲之类的随机噪声干扰，数字累加平均；周期性的工频 (50Hz)干扰信号，采用积分时间等于20ms的整数倍的双积分A／ D变换器。 2．数字调零技术 零点漂移、增益偏差和器件参数不稳定等会影响测量数据的准确 性，必须进行自动校准。还可在系统开机时或每隔一定时间，自 动测量基准参数，实现自动校准。 3．非线性补偿 采用插值、查表等数据处理方法。 4．温度补偿 建立表达温度变化的数学模型(如多项式)，用插值或查表的数据 处理方法。 5．标度变换技术 在被测信号变换成数字量后，还要变换成人们所熟悉的测量值， 3 如压力、温度和流量等。
变送器单元
信号调理单元 模拟网络接口 变送器单元 信号调理单元 数字化处理 模拟网络接口 数字化处理 数据处理中心 数据处理中心 变送器单元 信号调理单元 数字化处理 数据处理模块 智能控制模块 独立网络接口
IEEE1451标准网 络化智能传感器
(a) 模拟传感器
(b)数字传感器
(c)现场总线智能传感器 (d)标准网络化智能传感器
现 场 网 络
网络应用处理器 (NCAP) Networked Capable Application Processor
IEEE1451.4 数字 点对点 IEEE1451.2 分布式 多点总线 IEEE1451.3
IEEE 1451.1 通用对 象模型
IEEE 1451.0 通用功 能与 TEDS
无线 IEEE1451.5 CAN IEEE1451.6 CAN open TEDS 变送器
无线 接口
变送器
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三、IEEE1451.2网络化智能传感器接口标准
1．协议中涉及的相关术语 （1）智能变送器模块（STIM）。一个STIM可以拥有多达255通 道的传感器或执行器。 （2）网络应用处理器(NCAP)。NCAP是介于STIM和现场网络之 间的控制模块。STIM工作时通过NCAP连接到通信网络。NCAP 可以对来自STIM或者客户端的原始数据进行校正和补偿。 （3）电子数据表格(TEDS)。它描述了STIM总体和传感器各通道 的相关参数，是IEEE1451协议的精华之一。 （4）校正引擎（CE）。是指应用特定的数学函数将来自一个或 多个STIM的数据或者其他途径的数据融合起来，应用数学公式 或存储的多项式系数为校准通道校正出一个精确的数据，体现了 传感器智能。 （5）传感器类型。分为6种类型。 （6）物理单位。标准采用10字节长度的二进制表示物理单位，单 位定义基于7个国际单位标准，任何单位通过这7个SI单位得到。 8 （7）UUID（全局统一标识符），UUID是全球唯一的标识符。智能压力ຫໍສະໝຸດ 感器智 能 压 力 传 感 器
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第二节 IEEE1451标准网络化智能传感器
一、网络化智能传感器演变与标准提出
智能传感器能完成自识别、自测试、自适应校准、有噪声数据的 滤波、发送和接收数据、进行逻辑判决等。众多不兼容的工业网 络或现场总线。IEEEl451系列“用于传感器和执行器的智能换能 器接口标准”的目标涵盖了网络化智能传感器的各个方面：从接 口到换能器本身直到高层次需求，反映目标建模的性能、特征以 及数据通信，以确保换能器与网络的互操作能力和互换能力。
2．独立数字接口（Transducer Independent Interface，TII）规范
TII是NCAP和STIM之间 DIN Network 的硬件接口。它基于SPI DOUT DCLK 模型进行数据通信。TII 网络 NIOE 智能 的信号线和控制线如图。 应用 变送器模 NTRIG 处理器 TII独立接口操作分为触 块 NCAP NACK STIM 发和读写传感器两种事务， NINT 读写事务由NIOE发起， NSDE T +5V 其操作是TII接口的主要 COMM 功能，从NCAP的角度 STIM可被看成一个存 储设备，访问不同的功能地址和通道地址实现不同操作。触发由 NCAP置低NTRIG发起，STIM同样驱动NACK应答，根据触发通 道号对相应通道进行操作。 注意：触发事务和读写事务不能同时进行,并且在上电配置过程中, TII独立接口总线采用最低的默认通信速率进行数据传输,配置成 9 功之后,调整到TEDS中规定的最大值,这样可提高总线通信速率。