07传感器及应用第2章传感器基础理论上定稿
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。
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。
传感器技术应用基础讲稿
用于检测燃气浓度和泄漏，应 用于家庭和商业燃气设备。
液位传感器的应用
1
液位监测
用于检测容器中液体的高度和变化，应用于工业流程控制和水位监测。
2
液体流量测量
用于测量液体的流量和体积，广泛应用于石油、化工和食品加工。
3
水位报警
用于监测水位的升高或下降，常见于水库、游泳池和排水系统。
电池传感器的应用
电量监测
用于检测电池的电量和剩 余容量，常见于智能手机 和便携设备。
充电管理
用于监测充电状态和控制 充电过程，应用于电动车 和太阳能系统。
电池安全
用于保护电池免受短路和 过充的损害，广泛应用于 电池组件和电力系统。
测量仪表的概念和分类
传统测量仪表
介绍了传统的测量仪器，如千 分尺、测量卡尺和量角器。
数字测量仪
传感器技术应用基础讲稿
本讲稿介绍了传感器技术的概念、原理和发展历程，并探讨了常见传感器的 分类和广泛应用领域。同时也涵盖了环境监测系统、人机交互技术、物联网、 智能家居、智能医疗、智能交通、农业和环保等方面的传感器应用。最后讨 论了传感器技术未来的发展趋势。
传感器技术的概念和原理
传感器技术用于探测和测量物理量，并将其转化为可用的电信号。概述了传 感器技术的工作原理和基本原理，以及在各个行业中的关键作用。
2
声音识别
用于语音识别和语音控制，常见于智能助理和语音导航。
3
声音分析
用于分析声音的频率和特征，应用于音乐产业和语音治疗。
气体传感器的应用
空气质量监测
用于检测和分析环境中的气体 成分，应用于室内空气质量和 环境保护。
气体泄漏检测
燃Байду номын сангаас安全监测
《传感器及其应用》 讲义
《传感器及其应用》讲义一、传感器的定义与基本原理传感器，简单来说，就是一种能够感知环境中各种物理量、化学量或生物量，并将其转换为可测量的电信号或其他形式信号的装置。
它就像是我们的“感觉器官”，只不过它感知的不是我们能直接感受到的东西，而是那些需要借助专门设备才能测量的量。
传感器的工作基于一定的物理、化学或生物原理。
例如，电阻式传感器是利用电阻值随被测量的变化而改变的原理；电容式传感器则是根据电容值随被测量的变化而工作；而光电传感器是依靠光的照射导致电性能的改变来实现测量。
二、传感器的分类传感器的种类繁多，可以从不同的角度进行分类。
按照被测量的物理量来分，有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等等。
温度传感器常见的有热电偶、热电阻和热敏电阻。
热电偶利用不同金属之间的温差产生电动势来测量温度；热电阻则是基于电阻值随温度的变化来测量；热敏电阻的电阻值对温度的变化更为敏感。
压力传感器包括应变式压力传感器、电容式压力传感器等。
应变式压力传感器通过测量压力作用下弹性元件的应变来转换为电信号；电容式压力传感器则是根据压力变化导致电容值的改变来测量。
位移传感器有电感式位移传感器、光栅位移传感器等。
电感式位移传感器利用电感量的变化来反映位移；光栅位移传感器则基于光栅的莫尔条纹来精确测量位移。
按照工作原理分类，有电学式传感器、磁学式传感器、光学式传感器、声学式传感器等。
电学式传感器前面已经提到了不少，磁学式传感器如霍尔传感器，它是利用霍尔效应来测量磁场强度或电流等。
光学式传感器像光纤传感器，通过光在光纤中的传播特性变化来测量。
声学式传感器比如超声波传感器，利用超声波的反射和传播时间来测量距离等。
三、传感器的性能指标在选择和使用传感器时，需要了解一些重要的性能指标。
首先是精度，它表示传感器测量结果与真实值的接近程度。
精度越高，测量误差越小。
其次是分辨率，指传感器能够检测到的最小变化量。
《传感器及其应用》 讲义
《传感器及其应用》讲义一、传感器的定义与基本原理传感器是一种能够感知物理世界中各种信息，并将其转换为可测量和可处理的电信号或其他形式信号的装置。
简单来说，传感器就像是人类的“感觉器官”，只不过它们感知的是物理量而非我们能直接感受到的事物。
传感器的工作基于一系列物理、化学和生物原理。
例如，电阻式传感器利用电阻值随被测量的变化而改变；电容式传感器则依据电容值的变化来检测物理量；而压电式传感器依靠压电材料在受到压力时产生电荷的特性工作。
以温度传感器为例，常见的热电偶传感器基于塞贝克效应，即两种不同金属连接在一起时，在温度差异下会产生电势差。
通过测量这个电势差，就能得知温度的高低。
二、传感器的分类传感器的种类繁多，可以从不同的角度进行分类。
按照被测量的物理量，传感器可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器、光照传感器等。
根据工作原理，又可分为电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光电式、热电式等传感器。
此外，还可以按照输出信号的类型分为模拟式传感器和数字式传感器；按照使用场景分为工业用传感器、汽车用传感器、医疗用传感器等。
每种类型的传感器都有其独特的特点和适用范围。
比如，在工业生产中，压力传感器常用于监测设备的运行状态；在智能家居中，温度和湿度传感器则有助于实现舒适的居住环境控制。
三、常见传感器的介绍1、温度传感器温度是一个非常重要的物理量，在许多领域都需要进行精确测量。
常见的温度传感器有热电偶、热电阻（如铂电阻、铜电阻）、热敏电阻和集成温度传感器等。
热电偶具有测量范围广、响应速度快等优点，但精度相对较低。
热电阻则精度较高，但测量范围相对较窄。
热敏电阻灵敏度高，但线性度较差。
集成温度传感器则将感温元件与信号处理电路集成在一个芯片上，具有体积小、精度高、使用方便等特点。
2、压力传感器压力传感器广泛应用于工业自动化、航空航天、汽车等领域。
常见的压力传感器有应变式压力传感器、压阻式压力传感器和电容式压力传感器等。
（完整版）传感器原理及应用课后习题答案（吴建平机械工业出版）
（完整版）传感器原理及应用课后习题答案（吴建平机械工业出版）习题集及答案第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。
精品课件-传感器原理及应用技术-第2章
EAC(T, T0)－EBC(T, T0)=eAC(T)－eAC(T0)－eBC(T)+eBC(T0)
=［eAC(T)－eBC(T)］－［eAC(T0)－
eBC(T0)］
(2.11)
由式(2.8)有
eBC(T0)－eAC(T0)=－eAB(T0) eAC(T)－eBC(T)=eAB(T)
(2.3)
(1) 若热电偶两电极材料相同，则无论两接点温度如何, 总热电势为零。
(2) 若热电偶两接点温度相同，则尽管A、B材料不同，
第2章 热电传感器
(3) 热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关，与
热电极的尺寸、形状等无关。同样材料的热电极，其温度和电
势的关系是一样的。因此，热电极材料相同的热电偶可以互换。
热电偶有各种各样的规格，且形状各异。图2.7～图2.9 给出了包头永华仪器仪表有限公司生产的几种热电偶/阻。图 2.10所示为无锡惠鑫热工仪表有限公司生产的小型热电偶。
第2章 热电传感器 图2.7 防爆热电偶/阻
第2章 热电传感器 图2.8 装配热电偶/阻
第2章 热电传感器 图2.9 铠装热电偶/阻
第2章 热电传感器
表2.10 K、J、E、T型热电偶产生的相对于基准点冷端 (0℃)的温差电势
第2章 热电传感器 以600 ℃的输出作为满刻度，绘出其非线性误差曲线， 如图2.12所示。
图2.12 K型热电偶的非线性误差
第2章 热电传感器 线性校正电路有多种实现方法，这里介绍高次多项式线性
热电偶的温差电势可近似表示为 EAB(T1，0)=a0+a1T+a2T2+…+aNTN
《传感器及其应用》第二章习题答案
第2.1章 思考题与习题1、何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？ 答：（1）当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。
（2）应变片是利用金属的电阻应变效应，将金属丝绕成栅形，称为敏感栅。
并将其粘贴在绝缘基片上制成。
把金属丝绕成栅形相当于多段金属丝的串联是为增大应变片电阻，提高灵敏度，2、什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？ 答：（1）应变片的灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。
εRR k /∆=（2）实验表明，电阻应变片的灵敏系数恒小于电阻丝的灵敏系数其原因除了粘贴层传递变形失真外，还存在有恒向效应。
3、对于箔式应变片，为什么增加两端各电阻条的截面积便能减小横向灵敏度？答：对于箔式应变片，增加两端圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多（圆弧部分截面积大），其电阻值较小，因而电阻变化量也较小。
所以其横向灵敏度便减小。
4、用应变片测量时，为什么必须采用温度补偿措施？ 答：用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，所以必须采用温度补偿措施。
5、一应变片的电阻 R=120Ω， k=2.05。
用作应变为800μm/m 的传感元件。
①求△R 和△R/R ；②若电源电压U=3V ，求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压U 0。
已知：R=120Ω， k =2.05，ε=800μm/m ； 求：①△R=？，△R/R=？②U=3V 时，U 0=？ 解①：∵ εRR k /∆=∴Ω=⨯⨯==∆⨯=⨯==∆-1968.012080005.21064.180005.2/3R k R k R R εε解②：初始时电桥平衡（等臂电桥）∵ U RRU ∙∆∙=410 ∴ mV U R R U 23.131064.1414130=⨯⨯⨯=∙∆∙=- 6、在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R 1和R 2，把这两应变片接入差动电桥（参看图2-9a ）。
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07传感器及应用第2章-上
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（4）正弦、余弦信号频谱
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2.3传感器的静态特性
• 在分析传感器时通常将它看作一个二端 网络。传感器的特性反映它对外界的响 应程度，一般分为静态特性与动态特性 二类
• 传感器的静态特性是指被物理测量不随 时间变化或随时间变化极其缓慢的情况
• 参比直线有多种制作法，主要有端基直 线、平移端基直线、零基直线、最佳线 性及最小二乘直线等。
• 不同的参比直线会得到不同的线性度。 • 传感器的非线性常用非线性误差（线性
度）表示。
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• 实际特性曲线与参比直线之间的偏差称为传 感器的非线性误差（线性度）
• 分辨力（率） 传感器在规定的测量范围内 可能检测出的被测量的最小变化值。即在 整个传感器输入量程范围内可观测的输出 变化的最小输入量变化。
Rx max xi,min
• xi，min表示第i个测量点上能产生的可观测 输出变化的最小输入变化量；
• max|xi，min|表示在整个量程内取最大的xi，
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2.周期性信号频谱
(1)三角函数形式的傅里叶级数
• 对于一个有限区间的周期函数x(t)，凡满足狄 里赫条件(可积条件)，可以展开成三角函数式 傅里叶级数：
x(t) a0 (an cosn1t bn sin n1t) n1
a0
1 T
T /2
信息提取
传感器将被测物理量(如噪声，温度) 检出并转 换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件 电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号 分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给 观察者或其它自动控制装置。
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• 感测系统的目的收集信息：收集数据， 处理数据
1
2.1.1一般感测系统的组成
• 感测就是在选定的激劢方式下对信号进行 测量、变换、处理后显示出记录或图象
• 感测系统组成如图2.1所示：
• 传感器在感测过程中起着十分重要的作用
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一般说来，感测系统由传感器、中间变换装置 和显示记录装置三部分组成。
信息转换
• 根据信号的波形，从时间上，可分为连 续的与离散波形两类
• 连续信号的幅值，可以是连续的也可以 是离散的（只取某些规定值）
• 如果在时间和幅值都是连续的，称模拟 信号
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2.2.2周期信号
1.周期信号的定义
• 一定的时间间隔周而复始的出现，而且无始无 终的信号称周期信号。可表示为
（稳态）下，传感器的输出与输入的关 系
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在输出-输入关系上，在数学上可表示为：
n
y ai xi a0 a1x a2 x2 an xn i 1
y为输出量，
x为输入量，ai为传感器的特性参数， a0为零位输出，
a1为传感器的灵敏度，常用K或S表示， a2，a3…an为非线性项系数。
L
YL,max 100 YFS
0 0
• 式中： L 非线性误差（线性度）；
•
ΔYLmax 最大非线性绝对误差；
•
Y FS 输出满量程。
• 因此确定传感器的非线性度主要决定参比直线。
• 有各种作参比曲线的方法，大家可参考有关资料。
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• 为了使传感器的工作曲线接近线性，可 采用多种按拟合直线的方法，这过程称 线性化，这是在标定传感器性能时的一 个重要工作。
曲线。
• 参比直线：用来评定传感器静态特性的理想 直线。
• 线性：传感器输出-输入曲线接近或偏离参比 直线的性质。
• 正行程：传感器输入增加的过程。 • 反行程：传感器输入减小的过程。
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（2）线性度
• 线性度是指传感器正、反行程实际平均 相对于参比直线的最大偏差，用满量程 输出的百分比表示。
• 由欧拉公式
cosn1t
1 2
e jn1t
e jn1t
,sin n1t
1 2
e jn1t
e jn1t
周期函数可表示为
x t
a0
n1
1 2
an jbn
e jn1t 1 2
an jbn
e jn1t
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• 进一步指数式傅里叶级数可表示为
• 如果传感器的非线性不严重，而且输入 范围也不太大，可以用切线或者割线来 代替工作曲线，来进行线性化。
• 如输入范围较大，一般需用一些特殊方 法来线性化。
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• 切线法
• 用起始点或端点处的切线，作为传感器的工作 曲线。
• 这种线性化法的线性度一股较差。
• 一般要通过实验确定。 • 计算公式为
H
YH ,max 2YFS
100
• 其中YH，max为正、反向最大偏 差。
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3.重复性
• 在一段短的时间间隔内，相同的工作条件下输 入量从同一方向作满量程变化，针对同一输入 量，多次测量时传感器的输出值都不一样，即 输出值有分散性。
• 确定灵敏度时要求输入量的变化必须非常 慢（稳定态下）。
• 传感器在第 i个测量点的灵敏度为
si
lxiim0
Yi xi
dYi dxi
• 灵敏度通常不是一个常数。
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• 对于线性传感器灵敏度是一个常数，可 用下式计算：
s Ymax Ymin xm a x
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2.分散型数据采集系统
• 为了克服前面介绍的计算机采集/控制系统的缺点， 可采用另一种分散型的计算机数据采集系统
• 这个系统除成本高一点外，有明显的优点。目前 在许多感测系统采用
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2.2信号及其分析
1.信号的分类
• 最小二乘法
• 是目前用的一种线性化的方法。线性的工作曲 线由在标称输出范围中和标定曲线的各点偏差 平方这和为最小得到。
• 实际计算比较麻烦，现在有专门的软件，只要 将有关数据输入，满足最小二乘法的工作曲线 立即可得。
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2.迟滞（回差）
• 对同一输入量，传感器的正、反 行程输出量不一致，称迟滞。
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• 理想的传感器的输出-输入应该是线性的， 这样在传感器的标定与应用时都会带来 极大的方便。
• 实际上的传感器的输出-输入特性大都是
非线性的。
• (a)：理想的特性曲线 (b)：仅有偶次非线 性项(c)：仅有奇次非线性项
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x t
X ne jn1t
x
• Xn与其它系数间的关系见（2.12）和（2.13） • 同样可以画出指数函数形式的频谱图。
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2.2.3非周期性信号及其频谱分析
1.非周期性信号的频谱
• 由于学时数的限制，这一小节我们不进 行详细介绍。对于非周期信号，可用傅 里叶积分展开。它的频谱是连续的如图 所示
•
x(t)=x(tnT）
• T称周期（正的常数），n=0，1，2，…任意整 数。
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07传感器及应用期信号很多， • 最典型的和最简单的周期信号是正弦函
数
• x(t)=Asint=Asin(t+2n)
=Asin(t+n2) • 周期T= 2 / • 是频率。
x
T / 2
t
dt
an
2 T
T2
xt c osn1tdt
T 2
2 T
T2
xt c os2nf1tdt
T 2
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bn
T207T传T 2感2x器t及s应in用n第2章1t-上dt
2 T
T2
x
T 2
t
sin 2nf1td1t2
• 上式表示，一个周期性的信号，可以由 许多个不同频率的正弦和余弦信号的叠 加而成。
• 数据是信息的载体，是反映客观事物的 存在方式与运动状态的记录
• 数据可以由不同方法获得，并不是所有 的数据都有用处
• 信息是有用的数据，数据是信息的表示 形式
• 信息通过数据传播
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2.2.2计算机控制的感测系统
• 信息社会离不开计算机，由计算机组成 的感测系统是一种智能化的感测系统
第2章传感器理论基础
2.1感测系统的组成
• 信息就是人们进行社会活动、经济活动的 产物，信息还可以对以上活动发生作用
• 与能量与物资一样，信息也是资源
• 感测系统就是用来获得信息的
• 感就是感觉、发现信息；测就是确定信号