传感器技术基础知识教材共72页文档

1. 发现新现象，开发新材料 新现象、新原理、新材料是发展传感器技术、研究新型传感
器的重要基础，每一种新原理、新材料的发现都会伴随着新 的传感器种类诞生。 2. 集成化，多功能化 向敏感功能装置和集成化发展，将半导体集成电路技术及其 开发思想应用于传感器制造。如采用微细加工技术MEMS制 作微型传感器，采用厚膜和薄膜技术制作传感器等。
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1.3 传感器的应用领域
在基础科学研究中，传感器具有突出的地位。例如，对深化 物质认识、开拓新能源新材料等具有重要作用的各种尖端技 术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、 超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法获取的信息， 没有相应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍， 首先就在于对研究对象的信息获取存在困难，而一些新机理 和高灵敏度的检测仪器的出现，往往会导致该领域内的突破。 一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
楼宇自动化系统是智能建筑的重要组成部分。计算机通过中 继器→路由器→网络→显示→网关控制管理各种设备(空调制 冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯、安全防护、 自动识别等等)，实现以上功能使用的传感器有温度传感器、 湿度传感器、液位传感器、流量传感器、压差传感器、空气 压力传感器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃 破碎传感器、图像传感器等。
设计特性、性能参数、产品系列等。若产品性能参数不变， 仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加 注大写字母A、B、C等(其中I、Q不用)，如应变式位移传感 器C WY-YB-20；光纤压力传感器C Y-GQ-2。 常用被测量代码如表1-4所示，常用转换原理代码如表1-5所 示。
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以被测量来分类时，使用的对象比较明确，适于传感器的选 用；以工作原理来分类时，传感器采用的原理比较清楚，适 于系统学习。

• 在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高的情 况下，都可以近似看作零阶环节。
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2．一阶环节
• 一阶环节的微分方程为
a a b dy
1d(2t-18)0y
x
0
• 令 τ= al／a0——时间常数； • K= b0／a0——静态灵敏度。
则式(2-18)变成
s1yKx
（2-19）
0 t<0 1 t>0
阶跃响应特性
（a）一阶系统
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（b）二阶系统
阶跃响应曲线
（a）一阶系统
（b）二阶系统
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衡量阶跃响应的指标有：
• （1）时间常数τ 传感器输出值上升到稳态值yc的63.2％ 所需的时间。
• （2）上升时间Tr 传感器输出值由稳态值的10％上升到 90％所需的时间，但有时也规定其他百分数。
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其传递函数和频率特性分别为:
Ys Xs
K
s 1
(2-20)
YXjj
K
j 1
(2-21)
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幅频特性和相频特性分别为:
AK
2
1
(2-22)
arctan (2-23)
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图2-4 一阶传感器对数幅频图
A（ω）与φ（ω）如图2-4所示(图中坐标为对数坐标)eH来自Hmax10% 0 y
F.S.
a max10% 0
e y R .F.S
Ky x
eS
2~310% 0
y
F.S.
理论直线法 端点连线法 “最佳直线”法 最小二乘法
温漂、零漂
2．1．2 传感器的动态特性

传感器技术基础知识教材
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠

1.用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途 的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。
例如，利用某些材料的化学反应制成的能识别气体的“电 子鼻”；利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。
2.传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。 工业自动化程度越高，对机械制造精度和装配精度要求 就越高，相应地测量程度要求也就越高。因此，当今在传感 器制造上很重视发展微机械加工技术。
2. 测量方法 测量方法是实现测量过程所采用的具体方法，
应当根据被测量的性质、特点和测量任务的要求来 选择适当的测量方法。按照测量手续可以将测量方 法分为直接测量和间接测量；按照获得测量值的方 式可以分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量； 此外，根据传感器是否与被测对象直接接触，可区 分为接触式测量和非接触式测量；而根据被测对象 的变化特点又可分为静态测量和动态测量等。
6.传感器的代号 依次为主称（传感器） 被测量—转换原理—序 号
主称——传感器，代号C； 被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大 写字母标记。见附录表2； 转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个 大写字母标记。见附录表3； 序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定， 用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列 等。例：应变式位移传感器： C WY-YB-20； 光纤压力传感器：C Y-GQ-2。
间的关系式为：y＝f(x1x2x3…) 。间接测量手续多，
花费时间长，当被测量不便于直接测量或没有相应直 接测量的仪表时才采用。
（2）偏差式测量、零位式测量和微差式测量 Ⅰ.偏差式测量 在测量过程中，利用测量仪表指针相对 于刻度初始点的位移(即偏差)来决定被测量的测量方法，称为 偏差式测量。它以间接方式实现被测量和标准量的比较。 偏差式测量仪表在进行测量时，一般利用被测量产生的 力或力矩，使仪表的弹性元件变形，从而产生一个相反的作 用，并一直增大到与被测量所产生的力或力矩相平衡时，弹 性元件的变形就停止了，此变形即可通过一定的机构转变成 仪表指针相对标尺起点的位移，指针所指示的标尺刻度值就 表示了被测量的数值。偏差式测量简单、迅速，但精度不高， 这种测量方法广泛应用于工程测量中。

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（2）传递函数
由控制理论可知，对于用线性常系数微分方程表示的传感 器，其传递函数为 ：
H (S )

y(S) x(S)

bmS m b1S b0 anS n a1S a0
S=σ+jw，称为拉氏变
框图表示法为： 换的自变量。
x
bmS m b1S b0 y
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标准输入有三种（经常使用的是前两种）。 ① 正弦变化的输入 ② 阶跃变化的输入 ③ 线性输入
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（一）传感器的频率响应特性
频率响应特性：将各种频率不同而幅值相等的正 弦信号输入传感器，其输出正弦信号的幅值、相位与 频率之间的关系称为~。
输入量为： x X sin wt
（二）、传感器的动态特性
1、频率响应特性
2、阶跃响应特性
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3、典型环节的动态响应
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第一节 传感器的一般数学模型
建立传感器的数学模型的必要性 传感器数学模型的静态与动态之分
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一、静态模型
输入量对时间t 的各阶导数为零
静态模型是指在静态条件下得到的传感器数学 模型。
A 10A 100.1% 0.0110mA 8mA
故，合理
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二、传感器的动态特性
动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特 性。它是传感器的输出值能够真实地再现随时间变化着 的输入量能力的反映。
对于连续时间系统，用数学模型来描述动态特性， 主要有三种形式： ① 时域中的微分方程 ② 复频域中的传递函数H(S) ③ 频率域中的频率特性H(jω)

5、传感器的多维化 利用电子扫描等技术，把多个传感器单 元做在一起，研制出多维的传感器，可以解决二维、三维、以 致多维的测量和控制问题，
6、传感器的多功能化 多功能化就是 一个传感器具有可以检 测多种参数的功能。
7、传感器的智能化 一般认为智能化传感器自身带有微型计 算机，具有存储、识别、处理、自诊断等智能化的功能。也有 人认为智能化传感器是为了代替人和生物体的感觉器官并扩大 其功能而研制的一种新型传感器。
2、新工艺、新技术的应用 如精密加工技术、蒸镀技 术、扩散技术、光刻技术、静电封接技术、全固态封接 技术等的应用，可研制出超小型化、高性能指标的新型 传感器。
3、新的效应的应用 如激光的应用、仿生学的应用、 生物分子学的应用等，可研制出许多新型传感器。
4、传感器的集成化 利用集成加工技术，将敏感元件、传感 元件、测量电路等制作在很小的同一芯片上，从而研制出新型 的体积小、质量轻、稳定性和可靠性高的传感器。
2) 一阶传感器
这种传感器其输出量 y与输入量 x之间的
关系为：
a1
ddyta0yb0x
解方程式,根据初始条件T=0、y=0，可得到输
出响应为：
t
y(t)K(1e T)
式中 K----灵敏度，T----时间常数,设 y的稳定值为K,则达
到稳定值的63.2%(即0.632K)时所用的时间为T。
线圈：直接感应衔铁的移动并将其转换成电参数 （感抗）输出——它是敏感元件与转换元件合一的敏 感元件。变压器电桥：将电参数转换成电量——它是 1） ①按被测物理量性质（输入量）分类 如位移传感器、速度传感器、负荷传感器、压力传 感器、流量传感器、温度传感器……
5）分段线性化
折线逼近法， 通常用精密折点电路实现， 也可在具有CPU的测量装置中用软件实现。 6）最小二乘法

2 电学量
包括电流、电压、电阻等。
传感器的特点和性能指标
高精度
测量结果具有较高的准确性。
稳定性好
在长期使用中能够保持稳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的性能。
响应速度快
能够在短时间内对变化做出反应。
耐用性强
能够承受较高的工作条件。
传感器的分类和应用领域
1
机械量传感器
常见应用领域包括工业自动化、汽车
电学量传感器
2
制造和航天航空等。
随着科技的不断进步，传感器技术也在不断发展，朝着更小、更精确、更智能的方向发展。 人工智能、物联网和大数据分析等技术的应用，将进一步拓展传感器的应用领域。
传感器技术基础知识
本演示将介绍传感器技术的基础知识，涵盖了传感器的定义、作用以及不同 类型的传感器原理和应用领域。
传感器技术的定义和作用
传感器技术是指应用于各个领域中的装置，能够感知并转换物理或化学量， 以提供相关信息来监测、控制和决策。
传感器在各个行业中起着至关重要的作用，如工业生产、农业、环境保护、 医疗、交通等，为实现智能化和自动化提供支持。
常见应用领域包括电力系统、电子设
备和家用电器等。
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光学量传感器
常见应用领域包括摄影、安全监控和 医学诊断等。
传感器在智能制造中的应用
传感器在智能制造中发挥关键作用，通过实时监测和反馈，提高生产效率、 质量和安全性。
智能传感器、无线传感器网络和云计算技术的发展，进一步推动了智能制造 的进程。
传感器技术的发展趋势和未来发展方向
传感器的基本原理
1
电阻原理
根据物体的电阻变化来测量物理量，如电流、温度和压力。
2
电磁原理
通过检测物质受到的电磁场的影响来测量物理量，如速度、位移和震动。