传感器原理与电路设计第3讲
传感器系列实验讲义.
传感器系列实验讲义中国科学技术大学物理实验教学中心2014-9实验安全本系列实验常用到220V市电作为设备电源，有时用到热水，为了确保人员和设备的安全，请操作人员在操作前务必预习实验原理，实验过程中严格遵照安全提示操作，切记！关于本实验目前传感器系列实验有5个实验（见下表），共30套设备，实验时要求每人操作一套设备。
一次实验课的基本任务是每人至少要完成2个实验，其中标“★”号是要求必做的实验。
对于实验能力强的同学可以完成多于2个实验，我们会对其实验成绩酌情给予奖励。
为了确保实验课程的顺利运行，超过16:30或者21:30后，原则上不安排基本任务之外的实验。
怎么预习？每个实验写一份预习报告，包含：实验名称、目的、原理（简述）。
实验操作为了避免触电、烫伤、损坏仪器等事故，操作过程中请严格遵守安全提示。
操作时请爱护仪器设备，如实记录原始数据。
实验报告由预习报告、原始数据、数据处理三部分组成。
其中数据处理部分只要求给出以下内容：1、绘制实验曲线；2、写0~100字的实验结论。
传感器技术传感器是实验测量获取信息的重要环节，通常传感器是指一个完整的测量系统或装置，它能感受规定的被测量并按一定规律转换成输出信号，传感器给出的信号是电信号，而它感受的信号不必是电信号，因此这种转换在非电量的电测法中应用极为广泛。
目前传感器技术发展极为迅速，已经逐渐形成为一门新的学科，其应用领域十分广泛，如现代飞行技术、计算机技术、工业自动化技术以及基础研究等，传感技术已成为现代信息技术的三大基础之一。
传感器构成包括敏感元件、转换转置和电源。
敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。
转换装置是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的量转换成电信号。
传感器种类分为物理型：利用某些材料本身所具有的内在特性或以传感器结构为基础；化学型：利用化学物质的成份、浓度等信息转换为电信号；生物型：利用生物活性物质选择性识别。
近年来发展很快的传感器。
第三章 传感器
第三章常用的传感器§3.1传感器的分类一、传感器的定义通俗的讲，传感器就是将被测信息转换成某种信号的器件。
也就是将被测物理量转换成于之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器。
传感器通常直接作用于被测量。
传感器是对信号进行感受与传送的装置，它是测试装置的输入环节，因此传感器的性能直接影响着整个测试装置的工作可靠性。
近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这个领域内的一个重要构成因素，被视为90年代的重要技术之一受到了普遍的重视。
深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中的自动测量和自动控制的发展，以及在科学技术领域里实现现代化都有重要意义。
二、传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三个主要部分组成，有时还加上辅助电源。
通常可用图表示如下：图4-1 传感器的组成由于其用途的不同或是结构原理的不同，其繁简程度相差很大。
因此，传感器的组成将依不同情况而有差异。
敏感元件——传感器的核心，它直接感受被测量（一般为非电量）并转换成信号形成，即输出与被测量成确定关系的其它量的元件，如膜片、热电偶，波纹管等。
传感元件——又称变换器，是传感器的重要组成部分。
传感元件可以直接感受被测量（一般为非电量）而输出与被测量成确定关系的电量。
如热电偶和热敏电阻等。
传感元件也可以不只感受被测量，而只是感受与被测两或确定关系的其它非电量；如应变式压力传感器的电阻片，并不直接感受压力，只是感受与被测压力成确定关系的应变，然后输出电量，在多数情况下，使用的就是这种传感元件。
测量电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。
测量电路视传感元件的类型而定。
三、传感器的分类在生产和科研中应用的传感器种类很多，一种被测量有时可以用集中传感器来测量，用一种传感器往往可以测量多种物理量。
为了对传感器有一个概括的认识，对传感器进行研究是很必要的。
传感器技术的课程设计
传感器技术的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解传感器的定义、分类和工作原理，掌握传感器在工程和日常生活中的应用。
2. 学生能够描述不同类型传感器的特点，例如温度传感器、压力传感器、光传感器等，并解释其工作过程。
3. 学生能够运用传感器的基本原理，分析简单电路中传感器的功能及相互协作的关系。
技能目标：1. 学生通过实验操作和数据分析，培养实际操作传感器和处理信息的能力。
2. 学生能够设计简单的传感器应用电路，解决实际问题，提升创新实践能力。
3. 学生通过小组合作，学会交流想法、分享信息，提高团队协作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习传感器技术，激发对物理科学的兴趣，培养探究精神和创新意识。
2. 学生能够在学习过程中认识到传感器技术对于社会发展的重要性，增强社会责任感和使命感。
3. 学生通过课程学习，培养细心观察生活、发现问题的习惯，形成科学、严谨的学习态度。
二、教学内容本课程以《物理》课本中传感器技术相关章节为基础，涵盖以下教学内容：1. 传感器技术概述：介绍传感器的定义、作用、分类和工作原理，结合实际案例展示传感器的应用领域。
2. 常见传感器及其特性：- 温度传感器：热敏电阻、热电偶等；- 压力传感器：应变片、硅压阻等；- 光传感器：光敏电阻、光电二极管等；- 其他传感器：湿度传感器、磁敏传感器等。
3. 传感器应用电路设计：- 简单传感器电路分析；- 传感器信号处理方法；- 结合实际问题，设计简单的传感器应用电路。
4. 传感器实验操作与数据分析：- 安排实验课程，让学生动手操作传感器；- 收集、整理和分析实验数据，培养学生实际操作能力和数据处理能力。
5. 传感器技术发展趋势与未来展望：- 介绍传感器技术的发展趋势；- 探讨传感器技术在未来各领域的应用前景。
教学内容安排和进度：第一课时：传感器技术概述；第二课时：常见传感器及其特性；第三课时：传感器应用电路设计；第四课时：传感器实验操作与数据分析；第五课时：传感器技术发展趋势与未来展望。
传感器原理与应用技术全书电子教案
传感器原理与应用技术全书电子教案.一、教学内容本教案依据《传感器原理与应用技术》教材，涵盖第3章“传感器的工作原理”及第4章“传感器在实际工程中的应用”。
具体内容包括：传感器的基本概念、分类、工作原理；各类传感器的特性分析；温度、压力、湿度、光强等物理量的测量原理及其在实际工程中的应用案例。
二、教学目标1. 掌握传感器的基本概念、分类和工作原理，理解传感器在实际工程中的重要作用。
2. 学会分析各类传感器的特性，能根据实际需求选择合适的传感器。
3. 能运用所学知识解决实际工程问题，提高学生的实践能力和创新能力。
三、教学难点与重点1. 教学难点：传感器的工作原理及特性分析。
2. 教学重点：传感器的分类、选型及其在实际工程中的应用。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT、投影仪、传感器实物模型。
2. 学具：教材、笔记本、计算器。
五、教学过程1. 引入：通过介绍传感器在日常生活中的应用，激发学生的学习兴趣。
2. 理论讲解：讲解传感器的基本概念、分类和工作原理，分析各类传感器的特性。
3. 实践操作：以温度传感器为例，进行现场演示，让学生直观地了解传感器的应用。
4. 例题讲解：讲解传感器选型和应用案例，引导学生运用所学知识解决实际问题。
5. 随堂练习：设计针对性的练习题，巩固所学知识。
六、板书设计1. 板书传感器原理与应用技术2. 板书内容：传感器基本概念、分类、工作原理传感器特性分析传感器在实际工程中的应用案例七、作业设计1. 作业题目：（1）简述传感器的基本概念、分类和工作原理。
（2）分析温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光强传感器的特性。
（3）根据实际需求，选择合适的传感器，并说明原因。
2. 答案：八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课学生掌握情况较好，但在传感器特性分析方面还需加强练习。
2. 拓展延伸：了解新型传感器的发展趋势和应用领域。
结合实际工程项目，开展传感器选型与应用的实践研究。
重点和难点解析：1. 教学难点：传感器的工作原理及特性分析。
传感器原理及其应用_第3章_电感式传感器
2
P
r
x
为简化分析，设螺管线圈的长径 比 l / r 1 ，则可认为螺管线 圈内磁场强度分布均匀，线圈 中心处的磁场强度为：
B
x
2 2 N NBS 0 N r L0 I I l
IN H l 则空心螺管线圈的电感为：
第3章 电感式传感器
当线圈插有铁芯时，由于铁芯是铁磁性材料，使插入部分的磁 阻下降，故磁感强度B增大，电感值增加。
如果铁芯长度 l e 小于线圈长度l，则线圈电感为
L
0N [lr ( r 1)l e re ]
2 2 2
l2
第3章 电感式传感器 当l e增加 l e 时，线圈电感增大ΔL，则
L L
电感变化量为
0N [lr ( r 1)(l e l e )re ]
0 N 2 S N2 N2 线圈自感L为： L 2 Rm 2 0 S
分类：
变气隙厚度δ的电感式传感器； 变气隙面积S的电感式传感器；
变铁芯磁导率μ的电感式传感器；
第3章 电感式传感器
自感式电感传感器常见的形式
变气隙式
变截面式
螺线管式
1—线圈coil ；2—铁芯Magnetic core ；3—衔铁Moving core
，上式展开成泰勒级数： 1
非线性误差为
0
2
0
100%
0
第3章 电感式传感器
①差动式自感传感器的灵敏度 比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失 真小,如当Δδ/δ=10％时 , 单线圈γ＜10％；而差动式的 γ ＜1％ ③采用差动式传感器，还能抵 消温度变化、电源波动、外界 干扰、电磁吸力等因素对传感 器的影响
第三章 电感式传感器
所以
a L L' L0 L0 a
L L0 1 K0 a a
其灵敏度系数K0为
但是，由于漏感等原因，变面积式自感传感器在A=0时，仍 有一定的电感，所以其线性区较小，为了提高灵敏度，常将 δ做得很小。这种类型的传感器由于结构的限制，它的量程 也不大，在工业中用得不多。
3 螺管型自感传感器
有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁 芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管 线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁 芯的位移量有关。
螺旋管
l r 铁心 x
单线圈螺管型传感器结构图
铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度， 比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明 只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有 较好的线性特性。
U SC
Z1 Z2 Z1 Z 2 E E L1 L2 （Z1 Z2） 2 （Z1 Z2） 2
δ δ δ 2 δ 3 L1 L0 [1 ( )( ) ( ) ] δ0 δ0 δ0 δ0
L2 L0 δ δ δ 2 δ 3 [1 ( )( ) ( ) ] δ0 δ0 δ0 δ0
R
L L1 L2 2 L0 [1 0 0
L 2 L0 0
2
]
4
L L0 2 K0 0
①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提 高一倍。 ②差动式自感传感器非线性失真小。
第三章 电感式传感器
电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非 电量如位移、压力、振动、流量等转换成线圈自 感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换 为电压或电流的变化量输出的传感器。
传感网原理及应用—第3讲(MAC协议)
陈永乐
目录
MAC协议概述
竞争型MAC协议
分配型MAC协议 混合型MAC协议 总结
2
MAC协议概述
在无线传感器网络中，介质访问控制（medium access control，MAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器 节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络 系统的底层基础结构。 MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络 的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关 键网络协议之一。 传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限， 单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众 多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要 MAC协议 协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协 议选择通信路径。
25
TA的选择
周期性侦听同步设计
延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧
前提：节点发现串扰的RTS或CTS都能够触发一个新的监听间隔，为 了确保节点能够发现邻居的串扰，TA的取值必须保证当前节点能够 发现串扰的CTS TA >竞争信道时间（C）+RTS发送时间（R）+CTS准备时间（T） TMAC实验中，采用TA = 1.5 x (C + R + T)
27
早睡问题解决办法 （1）
未来请求发送（Future request-to-send, FRTS）
当节点C收到B发给A的CTS后，立即向D发送一个FRTS。FRTS帧包含节点D接 收数据前需要等待的时间长度，D在此时间内必须保持在监听状态。 由于C发送的FRTS可能干扰A发送的数据，所以A需要将发送的数据延迟相 应的时间。A在接收到CTS之后发送一个与FRTS长度相同的DS帧，该帧不包 含有用信息，只是为了保持AB对信道的占用，在发送DS之后A立即向B发送 数据信息 由于采用了FRTS机制。增加一个DS时间。FRTS方法可以提高吞吐量，减少 延迟，但是增加了控制开销，会降低TMAC协议的能量效率
第三章电感式传感器n
如何将电感值随外作用的变化转换成可用 的电信号，这是本节研究的内容。
差动变压器的三种转换电路 1.
L0
0
( 1
1
)
0
按级数展开得
L2 L0
同样忽略高次项得
0
[1
(
0
)
(
0
)2
...]
L2
L0
0
可见，在不考虑非线性误差的情况下气隙增加和减小时， 电感的变化量相同的。
即
L
L0
0
此时，传感器的灵敏度为
非线性误差为
L
K0
L0
1
0
0
气隙型自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。
变压器式交流电桥测量电路
如图所示, 电桥两臂Z1、 Z2 为传感器线圈阻抗, 另外两桥 臂为交流变压器次级线圈的
1/2 阻抗。当负载阻抗为无穷 大时, 桥路输出电压
U0
Z1 U Z1 Z2
U 2
Z1 Z2 Z1 Z2
U 2
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z 电桥平衡。
U 0 =0,
再设 I1 I1e jt
则 dI1 / dt jI1e jt E jMI1
又因为 I1 U /(R1 jL1)
输出电压：
.
.
.
U 0 E jM U/(R1 j L1)
输出电压有效值
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11.03.2015
3
第 3讲
1.概念
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
采用阶跃输入研究传感器动态特性时，常用延迟时间、上 升时间、响应时间、超调量等来表征传感器动态特性
二阶传感器 延迟时间td：50% 上升时间tr:90% 峰值时间tp： 响应时间ts 超调量σ
GMES 2008
GMES 2008
第2章 传感器的基本特性
6
第 3讲
3.传递函数
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
特性关系式：
dny d n 1 y dy d mx d m1 x dx a n n a n 1 n1 a1 a0 y bm m bm1 m1 b1 b0 x dt dt dt dt dt dt
第 3讲
传感器基本特性概述
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
传感器的基本特性：传感器的输入X(被测量)－输出Y关 系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现
输入信号(被测物理量)分为： 稳态:信号不随时间变化或变化缓慢 动态：信号随时间变化
分别对应传感器特性：静态特性、动态特性
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第2章 传感器的基本特性
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第 3讲
动态标定
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
动态标定主要是研究传感器的动态响应特性。常用的标 准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。根据传感器的动 态特性指标，传感器的动态标定主要涉及到一阶传感器 的时间常数，二阶传感器的固有角频率和阻尼系数等参 数的确定。
ξ=0.8
ξ=1 ξ=0.707 ξ=0.6
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第2章 传感器的基本特性
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第 3讲
传感器的标定与校准
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
传感器的标定是利用某种标准仪器对新研制或生产的传 感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输 入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误 差关系或测量精度。 传感器的校准是指对使用或储存一段时间后的传感器性 能进行再次测试和校正，校准的方法和要求与标定相同。
拉氏变换：
Y (s)(an s n an1s n1 a1s a0 ) X (s)(bm s m bm1s m1 b1s b0 )
变形：
Y (s) bm s m bm1s m1 b1s b0 X (s) an s n an1s n1 a1s a0
指数表示：
H ( jw) A(w)e j ( w)
幅频特性：
A( w) H ( jw)
H R (w)2 H I (w)2
频域
相频特性：
H ( w) ( w) arctg I H R ( w)
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第2章 传感器的基本特性
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第 3讲
A(ω)
ξ=0 ξ=0.2 ξ=0.4 ξ=0.6 ξ=1 ξ=0.8 ξ=0.707 0.5 1 1.5 2 2 2.5 2.5
阻尼比ξ为 0.707，固 有角频率 ωn不低于 信号基频 ω的10倍 较好
ω/ωn
ω/ωn
0.5 1 1.5 0 ξ=0 ξ=0.2 -30° ξ=0.4 ξ= 0.6 -60° ξ=0.707 -90° ξ=0.8 ξ=1 -120° -150° ξ=0.4 ξ=0 ξ=0.2 -180°
第2章 传感器的基本特性
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4
第 3讲
1.概念
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
采用正弦输入信号研究传感器的频域动态特性时，常用幅 频特性和相頻特性来描述传感器动态特性
A
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第2章 传感器的基本特性
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5
5.一阶传感器
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
dny d n 1 y dy d mx d m1 x dx a n n a n 1 n1 a1 a0 y bm m bm1 m1 b1 b0 x dt dt dt dt dt dt
2
1
只起放大作用，为 方便，令其为1
A 1
-arctan
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第2章 传感器的基本特性
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第 3讲
5.一阶传感器
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
幅频特性
相频特性
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第2章 传感器的基本特性
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传递函数：
H ( s) L[ y(t )] Y ( s) L[ x(t )] X ( s)
时域
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第2章 传感器的基本特性
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第 3讲
4.频率响应函数
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
傅立叶变换得到频率响应特性：
bm ( jw) m bm1 ( jw) m1 b1 ( jw) b0 Y ( jw) H ( jw) X ( jw) an ( jw) n an1 ( jw) n1 a1 ( jw) a0
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第2章 传感器的基本特性
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第 3讲
静态标定
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
传感器的静态标定是在输入信号不随时间变化的静态标 准条件下确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏 度、迟滞、重复性等。静态标准是指没有加速度、没有 振动、没有冲击（如果它们本身是被测量除外）及环境 温度一般为室温（20±5℃），相对湿度不大于85%，大气 压力为7kPa的情形
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第 3讲
6.二阶传感器
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
d 2 y t dyt a2 a1 a0 yt b0 xt dt dt
固有角频率
阻尼系数
传递函数
Hs 1 s 2 2n s n
H j
2
a1 n a0 a 2 2 a0 a2
a1
dy t a0 y t b0 xt dt
b a1 dyt yt 0 xt a0 dt a0
1 传递函数 Hs s 1
a1 a0
频率响应 H j 幅频及相頻
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j 1
1
1 2
2 -arctan n 2 1- n
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第2章 传感器的基本特性
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第 3讲
6.二阶传感器
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
2
第 3讲
1.概念
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
采用阶跃输入研究传感器动态特性时，常用延迟时间、上 升时间、响应时间、超调量等来表征传感器动态特性
一阶传感器 时间常数τ：63.2% 延迟时间td：50% 上升时间tr:90%
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第2章 传感器的基本特性
频率响应
幅频及相頻 2 2 2 2 A 1 - 4 n n
GMES 2008
1 2 1 - 2j n n
对传感器的要求：高精度－＞信号（或能量）无失真转换 －＞反映被测量的原始特征
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第2章 传感器的基本特性
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第 3讲
1.概念
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
定义：是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特 性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性
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第2章 传感器的基本特性
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一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将 能再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数 传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬 态响应法和频率响应法来分析
瞬态响应法：阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数 频率响应法：正弦函数
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第2章 传感器的基本特性
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叠加性
如果 则：
x1 (t ) y1 (t )
x2 (t ) y 2 (t )
[ x1 (t ) x2 (t )] [ y1 (t ) y2 (t )]
频率保持特性
如果 则：
x(t )＝X 0 cos wt
y(t )＝Y0 cos wt 0
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第 3讲
2.传感器的数学模型
目录
传感器的 静态特性 传感器的 动态特性 传感器标 定与校准
线性时不变系统理论来描述传感器的动态特性 用常系数线性微分方程（线性定常系统）表示传感器输出 量与输入量的关系
dny d n 1 y dy d mx d m1 x dx a n n a n 1 n1 a1 a0 y bm m bm1 m1 b1 b0 x dt dt dt dt dt dt