2013_0314_北航_传感器技术及应用_003_to
先进传感技术及其应用
灵敏度
分辨力和分辨率
时漂和温漂 线性度 迟滞 重复性
14
三、传感器的特性—静态特性
误差指标：精密度、准确度、精确度
15
三、传感器的特性—动态特性
动态特性获取方式
阶跃信号
正弦信号
动态性能指标 时域性能指标 频域性能指标 一阶系统和二阶系统的差别
先进传感技术及其应用
钱政
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
1
课程内容
一 二 三 传感器的历史 传感器的地位
传感器的特性 先进传感技术
2
四
一、传感器的定义—悠久历史
人类认识客观世界的过程
3
一、传感器的定义—存在问题
味觉错觉
视 觉 错 觉 听 觉 错 觉
4
一、传感器的定义—存在问题
5
一、传感器的定义—基本概念
欧
盟
日 本
日本把开发和利用传感器技术列为国家重点发展6大 核心技术之一。日本文部科学省制定的20世纪90年代 重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项与传感 器技术密切相关。
中国？？？
12
课程内容
一 二 三 传感器的历史 传感器的地位
传感器的特性 先进传感技术
13
四
三、传感器的特性—静态特性
加速度传感器
压力传感器
陀螺
麦克风
MEMS加工工艺
20
四、先进传感技术—智能传感
自标定
自校正
自补偿
自检验
自选量程 自寻故障 记忆及信息处理 判断与决策处理
21
四、先进传感技术—传感网络
有 线
网
络
无 线
北航2013_传感器技术与应用(13_09_18)-02_to
1.1 课程的设置背景(重要性)：例子2
应变片 膜片
激振电 磁线圈 参考腔
F16
放大器
P
输出频率
新型传感技术及应用—2013
1.1 课程的设置背景(重要性)：例子4
质量块 弹簧片 电阻 元件 电刷
绝缘体
固定电极
弹簧片
m
壳体
活塞阻尼器
电缆插头 盖子组合
活动极板(质量块)
缘体
固定电极
绝缘体
壳体
固定电极
金钯合金套环 磁钢套筒 磁钢 线圈骨架 线圈
引线 线圈 壳体 芯轴 磁钢 铜杯 (阻尼杯) 弹簧 堵头 弹簧片
m弹簧片m源自活动极板(质量块)活动极板(质量块)
动圈式 动铁式
新型传感技术及应用—2013
1.2 课程的主要内容
传感器的定义
中华人民共和国国家标准GB7665－2005，对传感器 （Transducer/Sensor）的定义是：能感受被测量并按一定 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。其中，敏感元件（Sensing element） 是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件 （Transducing element）是指传感器中能将敏感元件感受或 响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
传感器的定义与理解
传感器的发展
新材料、新功能的开发与应用 微机械加工工艺的发展
传感器的多功能化发展
传感器的智能化发展
传感器模型及其仿真技术
新型传感技术及应用—2013
1.2 课程的主要内容(四部分)
传感器的重要性(信息技术中的地位)
传感器的核心(敏感机理的讨论)
北航传感器原理8
U
f
——被校传感器输出电压（峰值）；
——激励设备振动频率；
——激励设备振动加速度， a 2f x0
2
x0 ——激励设备振幅；
a
仪器科学与光电工程学院
School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.
2.8 传感器的动态标定
振动信号源：振动台产生正弦激励的标定信号。 激光光波长度作为振幅量值的绝对基准，测出振动信号的 振幅值Xm(m)； mV s 2 2 E rms 精密数字频率计测出振动台的振动频率f (1/s)； Sa m 2f 2 X m 精密数字电压表测出传感器输出电压值Erms(mV)。 被标振动传感器的加速度灵敏度Sa为
将被标传感器与标准测振传感器“背靠背”安装在振动台上。标定时，分别测出 被标传感器与标准测振传感器的输出电压值Ua和U，若标准测振传感器的加速度
灵敏度为Sa0，则被标传感器加速度灵敏度Sa为
Sa=Sa0·U/Ua
频率响应的标定：在振幅恒定条件下，
改变振动台的振动频率，测出传感器输
M e
或
1 2
1 1 ln M
-M曲线
2
测得M，由上式或-M曲线，可求阻尼比； 由标定测得的tp ，得fd d n。
2.8 传感器的动态标定
2.8.4 压力传感器的静态标定
标定方法
对压力计进行校验，分为静态校定和动态校定。
实际压力计的静态标定？与动态标定的不同？
2.8 传感器的动态标定
2.8.4 压力传感器的静态标定
静态标定方法
静态校验主要是测定静态精度，确定仪表的等级，两种方法：一种叫“砝 码校验法”（使用活塞式压力计进行校验），一种叫“标准表比较法”。
传感器技术及应用(辅导资料)(DOC)
《传感器技术及应用》复习资料思考题与习题第3章应变传感器3．1 电阻应变式传感器3．1．1 应变片的结构和类型3．1．2 常用的应变片3．2 薄膜应变电阻及传感器3．2．1 薄膜分类3．2．2 薄膜的工作原理3．2．3 薄膜应变传感器的特点3．3 电阻应变传感器使用中应注意的一些问题思考题与习题第4章磁敏传感器4．1 磁敏传感器的物理基础——霍尔、磁阻、形状效应4．1．1 基础知识4．1．2 霍尔效应4．1．3 磁阻效应4．1．4 形状效应4．2 霍尔元件4．2．1 霍尔元件的工作原理4．2．2 霍尔元件的结构4．2．3 基本电路4．2．4 电磁特性4．2．5 误差分析及误差补偿4．3 磁阻元件4．3．1 长方形磁阻元件4．3．2 科尔宾元件4．3．3 平面电极元件4．3．4 InSb—NiSb共晶磁阻元件4．3．5 曲折形磁阻元件4．3．6 磁阻元件的温度补偿4．4 磁敏二极管4．4．1 磁敏二极管的结构4．4．2 磁敏二极管的工作原理4．4．3 磁敏二极管的特性4．4．4 磁敏二极管的补偿技术4．5 磁敏三极管4．5．1 磁敏三极管的结构4．5．2 磁敏三极管的工作原理4．5．3 磁敏三极管的特性4．5．4 温度补偿技术4．6 磁敏传感器的应用4．6．1 霍尔元件的应用4．6．2 磁阻元件的应用思考题与习题第5章压电传感器5．1 压电效应5．1．1 石英晶体的压电效应5．1．2 压电常数5．1 _3压电陶瓷的压电效应5．2 压电材料5．2．1 压电晶体5．2．2 压电陶瓷5．2．3 新型压电材料5．3 等效电路与测量电路5．3．1 等效电路5．3．2 测量电路5．4 压电传感器及其应用5．4．1 压电传感器中压电片的连接5．4．2 压电式力传感器5．4．3 压电式压力传感器5．4．4 压电式加速度传感器5．4．5 应用实例思考题与习题第6章光纤传感器6．1 基础知识6．1．1 光纤的结构6．1．2 光纤的种类6．1．3 光纤的传光原理6．1．4 光纤的特性6．1．5 光纤的耦合6．2 光纤传感器的分类及构成6．2．1 分类6．2．2 构成部件6．3 功能型光纤传感器举例6．3．1 相位调制型光纤传感器6．3．2 光强调制型光纤传感器6．3．3 偏振态调制型光纤传感器6．4 非功能型光纤传感器举例6．4．1 传输光强调制型光纤传感器6．4．2 反射光强调制型光纤传感器6．4．3 频率调制型光纤传感器6．4．4 光纤液位传感器思考题与习题第7章光栅传感器7．1 光栅基础7．1．1 光栅的分类及结构7．1．2 莫尔条纹的原理7．1．3 莫尔条纹的特点7．2 光栅传感器的工作原理7．2．1 光电转换原理7．2．2 莫尔条纹测量位移的原理7．2．3 辨向原理7．3 莫尔条纹细分技术7．3．1 细分方法7．3．2 光电元件直接细分7．3．3 CCD直接细分7．3．4 光栅传感器的误差7．4 常用光学系统7．4．1 透射直读式光路7．4．2 反射直读式光路7．4．3 反射积分式光路思考题与习题第8章光电传感器8．1 光电传感器的基本效应8．1．1 生导体的粒子特性8．1．2 光电效应8．2 外光电效应光电元件8．2．1 光电管8．2．2 光电倍增管8．3 光电导效应及光电元件8．3．1 光敏电阻的结构及原理8．3．2 光敏电阻的特性8．4 光电伏特效应及光电元件8．4．1 光电导结型光电元件8．4．2 光电伏特型光电元件8．5 CCD图像传感器8．6 应用光路8．6．1 反射式8．6．2 透射式8．6．3 线纹瞄准用光电传感器8．6．4 脉冲式光电传感器思考题与习题第9章气、湿敏传感器9．1 气敏传感器9．1．1 半导体气敏元件的分类及必备条件9．1．2 表面控制型电阻式半导体气敏元件……第10章智能传感器第11章传感器应用技术第12章传感器的选择与使用第1章传感器的特性传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传感器技术与应用第3版习题答案
传感器技术与应用第3版习题答案《传感器技术与应用第3版》习题参考答案习题11.什么叫传感器？它由哪几部分组成？答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器通常由敏感元件和转换元件组成。
其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
2.传感器在自动测控系统中起什么作用？答：自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律定性了解、定量分析预期效果所从事的一系列技术措施。
自动测控系统是完成这一系列技术措施之一的装置。
一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。
传感器的作用是对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获和转换为电量，提供给测量电路处理。
3.传感器分类有哪几种？各有什么优、缺点？答：传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量来分，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等；另一种是按传感器的工作原理来分，如电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器等。
还有按能量的关系分类，即将传感器分为有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类，即将传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。
按被测输入量分类的优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用；缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。
按工作原理分类的优点是对传感器的工作原理比较清楚，有利于专业人员对传感器的深入研究分析；缺点是不便于使用者根据用途选用。
4.什么是传感器的静态特性？它由哪些技术指标描述？答：传感器测量静态量时表现的输入、输出量的对应关系为静态特性。
传感器技术及应用-北航稿
传感器根据测量目标和原理的不同，可以分为压力传感器、温度传感器、光 学传感器、化学传感器等多个类别。
传感器感知参数介绍
不同类型的传感器会感知不同的物理或化学参数，如温度、压力、湿度、光 强等。了解这些感知参数对选择合适的传感器非常重要。
传感器的特性与指标
传感器的特性和指标包括灵敏度、分辨率、准确性、响应时间等。这些指标决定了传感器的性能和可靠性。
传感器技术及应用
本演示文稿将介绍传感器技术的各个方面，包括传感器技术简介、分类及原 理、感知参数、特性与指标、误差和校准方法等。
传感器技术简介
传感器技术是一门研究使用传感器将物理量或化学量转换为可测量信号的科学。它在计量、检测、控制领域广 泛应用，为现代社会提供了无处不在的感知能力。
传感器分类及原理
传感器的误差及校准方法
传感器在实际应用中会存在一定的误差，如线性误差、温度漂移等。校准是 提高传感器测量精度的重要方法。
数字传感器与模拟传感器
传感器可以用于获取模拟信号或数字信号。数字传感器具有易于处理和传输的优势，而模拟传感器在某些应用 场景中仍然具有重要作用。
基于MEMS的传感器技术
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是一种小型化、集成化的传感器技术，可实现高性能、低 功耗的微型传感器。
传感器技术与应用
传感器技术与应用介绍本文档将探讨传感器技术及其应用领域。
传感器是一种用于检测、测量和监测环境中各种参数的设备。
它们可以用于各种行业和应用，包括工业自动化、医疗保健、环境监测、交通控制等。
传感器的类型传感器可以分为多种类型，根据它们检测的物理量不同。
以下是一些常见的传感器类型：1. 温度传感器：用于测量环境温度的传感器。
2. 压力传感器：用于测量压力的传感器，常用于工业自动化中。
3. 加速度传感器：用于测量物体加速度的传感器，常用于汽车安全系统中。
4. 光传感器：用于检测光线强度的传感器，常用于光电子设备中。
5. 湿度传感器：用于测量环境湿度的传感器，常用于农业和气象观测中。
6. 气体传感器：用于检测特定气体浓度的传感器，常用于环境监测和空气质量分析中。
传感器的应用传感器在各个领域有广泛的应用。
以下是一些常见的传感器应用：1. 工业自动化：传感器在生产线上的应用非常广泛，可用于监测温度、压力、流量等参数，以确保生产过程的稳定和安全。
2. 医疗保健：传感器在医疗设备中的应用越来越普遍，包括心率监测、血糖监测、体温测量等。
3. 环境监测：传感器可用于监测环境的各种参数，如空气质量、水质、土壤湿度等，以帮助保护环境和预测自然灾害。
4. 交通控制：传感器在交通信号灯、智能交通系统等方面的应用，可以实现交通流量监测、车辆检测、信号控制等功能。
结论传感器技术在各个应用领域起着重要作用，帮助我们实时监测和测量环境中的各种参数。
随着技术的发展，传感器将继续发挥更大的作用，为各行各业提供更多创新解决方案。
2013北航传感器原理3
先进传感应用实例3：
化学型传感器：PM2.5
质量法：把检测之前的滤膜进行称重(初重)，在仪器中进行24小时检测后，拿
出滤膜再次称重(终重)。用终重减去初重，再除以在24小时连续通过仪器的空气 体积，为悬浮颗粒在空气中的浓度。
先进传感应用实例3：
化学型传感器：PM2.5
β射线测试法：粉尘粒子吸收β射
1.4 课程的主要内容
1.5 课程教学的基本要求
1.6 课程的考核
本课程的重要性
技术发展趋势(总结)
新技术
离不开信息获取 离不开传感器
航空航天、交通、能源、海洋、生物 材料、农业、环保、制造业、国家安全 科技生活、智能家居、物联网
信息技术—IT
信息获取、信息传输、信息处理
传感器/测量技术 通信技术 计算机技术
线的量与粉尘粒子的质量成正比关系。 根据粉尘粒子的吸收β射线的多少， 计测出粉尘的质量浓度（mg/m3）。
先进传感应用实例3：
化学型传感器：PM2.5
微量震荡天平法：把检在质量传感器
内使用一个振荡空心锥形管，在其振荡
端安装可更换的滤膜，振荡频率取决于 锥形管特征和其质量。当采样气流通过
滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤
者细胞中的DNA分子进行检测，并分析被检
测者所含致病基因、疾病易感性基因等情 况的一种技术。 目前基因检测的方法主要有：荧光定量PCR、 基因芯片、液态生物芯片与微流控技术等
DNA探针
先进传感应用实例5：
生物型传感器：压载水生物检测
1：欧洲沿河小镇的居民们被重金调动起 ：在德国易北河等水域里，每逢盛夏到 新闻2 初秋，成熟大闸蟹开始了“地毯式”迁徙，不 来，每天晚上围追堵截偷窜上岸，背着满身肥 远千里地远上北海，为翌年春天的传宗接代做 膄膏黄的大闸蟹，然后把它们集中到饲料厂— 好准备。在德国，这些每天能爬行12公里的 —消息传来，国内哀号声喷薄而出，吃货纷纷 “装甲动物”善挖洞穴，破坏水坝。世界自然 要求组团空投欧洲帮助消灭大闸蟹。 2012《经
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传感器技术及应用
仪器科学与光电工程学院
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1.3 课程的设置背景(重要性)
本课程重要！ 传感器的重要作用 学科专业的 悠久发展历史 基于技术内涵 的12个典型例子
1.3 课程的设置背景(拓展3)
“广义信息获取”原则
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1.3 课程的设置背景(拓展3)
“广义信息获取”原则
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1.4 课程的主要内容
传感器的定义与理解
传感器的发展
新材料、新功能的开发与应用 微机械加工工艺的发展
传感器的多功能化发展 【生化传感器】
传感器的智能化发展 【仿生传感技术】
传感器模型及其仿真技术
最佳的座位号码和登机顺序。【需要大量的传感器…】
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1.3 课程的设置背景(拓展6)
我校唐铁桥、黄海军发表研究新登机方法论文引国际媒体关注
点击数:[6275] | 加入时间:[2012-11-16 18:43]
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1.3 课程的设置背景(拓展6)
我校唐铁桥、黄海军发表研究新登机方法论文引国际媒体关注
新方法建议航空公司将乘客按照其特征排队，步履快的、 手提行李轻小的先登机。未来，电脑系统可以根据乘客的 特征、健康状况、座位偏好和当次旅行的手提行李，确定
3. 输出信号——适于测量的电信号。
——
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1.4 课程的主要内容
传感器的定义与理解
传感器的分类
按工作原理分类：物理型、化学型和生物型 按被测参数分类：温度、压力、流量、物 位、加速度、速度、位移、转速、力矩、 湿度、粘度、浓度等传感器
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1.4 课程的主要内容Байду номын сангаас
传感器的定义与理解
传感器的特点
涉及多学科与技术 品种繁多，个性化应用
要求具有高的稳定性、高的可靠性、高的重复 性、低的迟滞和快的响应 应用领域十分广泛 应用要求千差万别 传感器技术发展缓慢
1.5 课程教学的基本要求
如何学好传感器 ？
注重 注重 注重 注重 产学研用 与行业挂钩，面向行业 传感器本身，特别是一次敏感机理 与系统，自动化、智能化系统相结合
要尊重科学、注意积累！
耐得住寂寞
注重向自然界学习 广义上学习“传感器”！
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1.4 课程的主要内容
与传感器相关的一些基本概念
被测量(measurand)： 作为测量对象的特定量 测量(measurement)： 利用某种装置对可观测量 (或称被测参数)进行定性或定量的过程 仪表(meter)： 具有目视输出的测量装置 仪器(instrument)： 具有分析、处理功能的测量装置
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第1部分：绪 论(小结)
1.1 课程简要介绍 1.2 课程的设置背景(重要性)
1.3 课程的主要内容
1.4 课程的教学方法与方式
1.5 课程教学的基本要求
1.6 课程的考核
第一部分作业：所提出的思考题
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第一部分作业：所提出的思考题
思考(选作)：
1.画出该传感器的原理方框图 2.弹簧起什么作用？
弹簧 电刷 电位器 引线
p p
壳体
真空膜盒
p
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变送器(transmitter)： 具有标准量值及单位输出的 测量装置，有时对输入也有一定约束
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第1部分：绪 论
1.1 课程简要介绍 1.2 课程的教学方法与方式
1.3 课程的设置背景(重要性)
第2部分：传感器的输入输出特性
思考题(第2部分)
1. 如何获得传感器的静态特性？ 2. 怎样评价其静态性能指标？
3. 传感器静态校准的条件是什么？
4. 实验——数据处理——指标
课 程 内 容
第1部分：绪 论 第2部分：传感器的输入输出特性 第3部分：传感器敏感结构的力学特性 第4部分：几种典型的模拟式传感器 第5部分：谐振式传感器 第6部分：发展中的传感器新技术 第7部分：总 结
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思考题： 给出一个“广义”传感器的例子，并进行简要说明。
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第1部分：绪 论
1.1 课程简要介绍 1.2 课程的教学方法与方式
1.3 课程的设置背景(重要性)
1.4 课程的主要内容
1.5 课程教学的基本要求
1.3 课程的设置背景(拓展3)
→推论：
从信息获取的角度优化 表征信息的途径，描述 系统的本质。
→信息“交换”很重要
(理解万岁、避免误解) “广义信息获取”原则——信息解读
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1.3 课程的设置背景(拓展4)
1.6 课程的考核
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1.4 课程的主要内容
传感器的定义
中华人民共和国国家标准GB7665－2005，对传感器 （Transducer/Sensor）的定义是：能感受被测量并按一定 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。其中，敏感元件（Sensing element）是指 传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件 （Transducing element）是指传感器中能将敏感元件感受 或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
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1.5 课程教学的基本要求
传感器的核心—敏感机理(细) 传感器的敏感元件—弹性敏感元件(会) 传感器的设计(初) 传感器的特点、应用(综)
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1.4 课程的主要内容
1.5 课程教学的基本要求
1.6 课程的考核
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1.5 课程教学的基本要求
传感器的核心—敏感机理(细)
传感器的敏感元件—弹性敏感元件(会)
几种典型的传感器(熟) 传感器的设计(初) 传感器的评估、特点与应用(综)
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第一部分作业：所提出的思考题
思考题(第1部分：绪 论)
1. 如何理解传感器? 2. 举例说明传感器在信息技术中的重要性(2个)。
3. 给出一个“广义”传感器的例子，并进行简要说
明。
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当遇到“问题”时，怎么办？
1.3 课程的设置背景(拓展5)
以“信息获取—传输—处理”为主线思考对 策
以“国家重大政策—行业领域发展趋势—国 际政治经济形势”为着眼点进行决策 以“有所不为，有所为”为指导思想组织实 践 PASS=Problem+Analysis+Solution+Success “广义信息获取”原则——获得成功之路
课 程 内 容
第1部分：绪 论 第2部分：传感器的输入输出特性 第3部分：传感器敏感结构的力学特性 第4部分：几种典型的模拟式传感器 第5部分：谐振式传感器 第6部分：发展中的传感器新技术 第7部分：总 结
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