完整版传感器原理及应用-
传感器原理及应用
一、传感器的静态特性
6、滞后性－续1
对滞后性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大 偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为 滞环误差
或
如果传感器存在滞后性，则输入与输出就不能保持 一一的对应关系，因此应尽量使之变小。产生滞后 性的原因主要是材料的物理性质所造成的。
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一、传感器的静态特性
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烟尘浊度测量
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传感器与遥感技术
飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波 船舶：超声波传感器
微波
地面
红外接收传感器
红外线分布差异 矿藏埋藏地区
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二、传感器的分类
1、按传感器输入量（用途）分类
生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。 如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压 力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感 器、粘度传感器、浓度传感器、…。
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类
此种分类方法能表示输入变量和输出变之间的关系。
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类－续1
（1）物性型传感器 是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接 转换为电量的传感器。如：各种压电晶体传感器。
（2）结构型传感器 是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被 测量转换为电量。如：气隙型电感式传感器。
(2) 传感器输入、输出端均存在噪声干扰，Δx过小
时，被外界噪声所淹没。 最小检测量：
其中，C为系数，一般取1～5，N为噪声电平， K为灵敏度。对于数字式传感器，则用输出数字指
示值最后一位数字所代表的输入量来表示，称为分 辨率。
传感器原理及应用
H%12yhm m aaxx 100% 1-7
迟滞现象反映了传感器机械结构 和制造工艺上的缺陷,如轴承摩 擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀 等。
5 精确度
传感器的精确度是指传感器的输出指示值与被测量 约定真值的一致程度,反映了传感器测量结果的可靠 程度。在工程应用中,为了简单表示测量结果的可靠 性程度,引入精确度这个等级概念,用A表示,它表示允 许的最大绝对误差与满度量程的比值的百分数,即
二、电阻应变式传感器
电阻应变式传感器是目前工程测力传感器中应 用最普遍的一种传感器,它测量精度高,范围广, 频率响应特性较好,结构简单,尺寸小,易实现小 型化,并能在高温、强磁场等恶劣环境下使用,并 且工艺性好,价格低廉。它主要应用在力作用下, 将材料应变转变为电阻值的变化,从而实现力值 的测量。组成电阻应变片的材料一般为金属或 半导体材料。
2．传感器的动态特性
传感器的动态特性是指传感器在测量快速变化的输 入信号情况下,输出对输入的响应特性。传感器测量 静态信号时,由于被测量不随时间变化,测量和记录的 过程不受时间限制。但是在工程实践中,检测的是大 量随时间变化的动态信号,这就要求传感器不仅能精 确地测量信号的幅值大小,而且还能显示被测量随时 间变化的规律,即正确的再现被测量波形。传感器测 量动态信号的能力用动态特性来表示。
习题：1、2
模块二 力敏传感器及其应用
课题一 力敏传感器的工作原理与分类
任务目标 ★ 掌握电阻应变式力敏传感器的工作原理； ★ 掌握电感应变式力敏传感器的工作原理； ★ 了解电阻应变式和电感应变式力敏传感器之间 的区别。
一、力敏传感器概述
力敏传感器,顾名思义就是能对各种力或能转 化为力的物理量产生反应,并能将其转变为电 参数的装置或元件。很显然,要成为真正实用 意义上的力敏传感器,这个由力转化为电参数 的过程最好能成线性关系。根据由力至电参数 转变的方式不同,力敏传感器一般有电阻应变 式传感器、电位计式传感器、电感式传感器、 压电式传感器、电容式传感器等,它们也可用 来测量力值。
传感器原理及应用(技能)
SIPIVT 机电工程系
电容式传感器在液位测量控制中的应用
SIPIVT 机电工程系
Capacitive sensor
汉堡检测 电容式传感器应用：
用于物体位置检测、行程限位、产品计数等；
SIPIVT 机电工程系
3.磁感应式传感器 Magnetic Sensor 电气图形符号
SIPIVT 机电工程系
其作用检测外界信息变化,并转换为系统可识别的电信号, 传送给PLC、计算机等核心控制器。
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1.传感器定义 自动检测装置中, 直接感受被测量, 并将其转换为
可用电信号输出的器件。
传感器组成: 检测部分 转换部分 辅助电源
被测量
敏感元件
转换元件
电信号
辅助电源
SIPIVT 机电工程系
SIPIVT 机电工程系
案例2： 现有两个传感器S1和S2, 当两个传感器同时检测到物体时,
则控制指示灯HL2亮； 分析：两个传感器为“逻辑与”控制关系； 方案1：选择输出特性相同的S1和S2, 可直接串联控制； 用S2的输出端控制 S1电源“-”极的接通
SIPIVT 机电工程系
思考与练习： 选择输出特性不同的S1和S2, 如何设计控制电路？
按照铭牌参数正确连接电源及负载(指示灯)； (2)通电运行,选择适合的被测物体进行检测,记录传感器
的输出特性、检测物体、检测距离范围； (3)选择一个OMRON传感器,记录“型号、工作电压、接线图”
等铭牌参数，正确连接电源和负载(指示灯)； 通电运行,记录传感器输出特性、检测物体、检测距离范围；
SIPIVT 机电工程系
SIPIVT 机电工程系
实训项目1：使用检测模块识别材料属性
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1 (2)习题2 (4)习题3 (8)习题4 (10)习题5 (12)习题6 (14)习题7 (17)习题8 (20)习题9 (23)习题10 (25)习题11 (26)习题12 (28)习题13 (32)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相互间的关系。
答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。
通常传感器由敏感元件和转换元件组成。
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。
由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、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，传感器的信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件一起集成在同一芯片上。
此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信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：传感器位于信息采集系统之首，属于感知、获取及检测信息的窗口，并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。
没有传感技术，整个信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，信息控制技术对传感器的依赖性就越大。
发展方向：开发新材料，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，仿生传感器的研究等。
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指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。
与时间无关。
主要性能指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。
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量之间的响应特性。
常用的分析方法有时域分析和频域分析。
传感器原理与工程应用完整版习题参考答案
《传感器原理及工程应用》完整版习题答案第1章 传感与检测技术的理论基础（P26）1—1：测量的定义？答：测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。
所以, 测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较， 确定被测量对标准量的倍数。
1—2：什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？1－3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa)实际相对误差 ％＝＝43.11402≈∆L δ标称相对误差％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）：120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。
答：绝对误差是测量结果与真值之差, 即: 绝对误差=测量值—真值 相对误差是绝对误差与被测量真值之比,常用绝对误差与测量值之比,以百分数表示 , 即: 相对误差=绝对误差/测量值 ×100% 引用误差是绝对误差与量程之比,以百分数表示, 即: 引用误差=绝对误差/量程 ×100%解：当n ＝15时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.41。
则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=⨯=<=-，所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。
传感器原理与应用
传感器原理与应用
传感器是一种能够将非电信号转化为电信号的设备。
它通过感知某种特定的物理量或化学量，并将其转化为可测量的电信号，从而实现对环境和物体的感知和测量。
传感器的工作原理包括以下几种：
1. 电阻传感器：利用电阻的变化来测量被测量物理量的变化，如温度传感器、光敏电阻等。
2. 容抗传感器：利用电容值的变化来测量被测量的物理量的变化，如压力传感器、湿度传感器等。
3. 电感传感器：利用电感值的变化来测量被测量物理量的变化，如液位传感器、接近传感器等。
4. 磁阻传感器：利用磁阻值的变化来测量被测量物理量的变化，如磁场传感器、位置传感器等。
5. 光电传感器：利用光电效应来测量被测量物理量的变化，如光电传感器、光纤传感器等。
传感器在各个领域有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：
1. 工业自动化：传感器被广泛应用于工业领域，用于监测和控制各种物理量，如温度、湿度、压力、流量等。
2. 环境监测：传感器被用于监测环境中的各种污染物、气体浓度、温度、湿度等物理量，以保障环境质量。
3. 医疗健康：传感器被应用于医疗设备中，如心率传感器、血氧传感器、体温传感器等，用于监测患者的生理参数。
4. 智能家居：传感器被应用于智能家居系统中，用于感知环境的状态和人的行为，实现自动控制和智能化。
5. 汽车领域：传感器被广泛应用于汽车中，用于检测车辆状态、驾驶行为、环境条件等，实现安全监控和驾驶辅助功能。
6. 物联网：传感器是物联网的重要组成部分，通过感知和收集各种物理量的数据，实现设备间的通信和数据交互。
光学传感器原理及应用【完整版】
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
一、光电传感器工作原理：光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
原文地址：此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
二、光电传感器的结构：光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。
发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。
在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。
接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。
光敏二极管是现在最常见的传感器。
光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。
角反射板是结构牢固的发射装置，它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回。
它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，仍从这根反射线返回。
五种常用的传感器原理及应用
五种常用的传感器原理及应用目录1.序言 (1)2.传感器定义 (3)3.传感器选择的标准 (3)4.传感器分类的标准 (3)5.五种常用的传感器类型及其特点 (5)5.1.温度传感器 (5)1.2.红外传感器 (5)1.3.紫外线传感器 (7)1.4.触摸传感器 (8)1.5.接近传感器 (8)6.传感器选用原则 (9)7.先进的传感器技术 (10)7.1.条形码识别 (10)7.2.转发器 (11)7.3.制造部件的电磁识别 (11)7.4.表面声波 (11)7.5.光学字符识别(OCR) (11)1.序言一台设备所采用的的传感器是否先进、可靠有时直接决定了设备的先进性和可靠性。
图1传感器工作原理很多机械工程师在观念上有一个误区：机械工程师只负责机构的东西，传感器、电气元件选用及控制方案是电气工程师或系统工程师的事。
如果你是某个项目的总设计工程师，在方案构想阶段就要考虑到选用哪些类型的传感器以及设备的动作流程和控制方式。
生物信息：是反映生物运动状态和方式的信息。
碱基序列便是生物信息。
自然界经过漫长时期的演变，产生了生物，逐渐形成了复杂的生物世界。
生物信息形形色色，千变万化，不同类的生物发出不同的信息。
，人们对生物信息的研究已取得了一些可观的成果，人们发现，鸟有“鸟语”，兽有“兽语”，甚至花也有“花语”。
人们还发现生物信息与非生物信息之间有着某种必然的联系，如燕子、大雁的飞来飞去，预示着季节的变换和气温的升降；鱼儿浮出水面预示着大雨即将来临;动物的某些反常现象，预示着地震即将发生的信［息、******。
物理信息：包括声、光、颜色等。
这些物理信息往往表达了吸引异性、种间识别、威吓和警告等作用。
比如，毒蜂身上斑斓的花纹、猛兽的吼叫都表达了警告、威胁的意思。
萤火虫通过闪光来识别同伴。
红三叶草花的色彩和形状就是传递给当地土蜂和其它昆虫的信息。
化学信息：生物依靠自身代谢产生的化学物质，如酶、生长素、性诱激素等来传递信息。
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EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
第九章 半导体传感器
§9.1 气敏传感器 §9.2 湿敏传感 §9.3 色敏传感器 §9.4 半导体传感器应用
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§9.1 气敏传感器
一、气敏传感器的定义和种类
气敏传感器：
半导体气敏传感器分类 : 按半导体与气体相互作用时
表面控制型： 半导体表面吸 附气体与半导体间发生电子接受， 结果使半导体的电导率等物理性 质发生变化，但内部化学组成不 变。
体控制型： 半导体与气体的 反应，半导体内部组成发生变化， 导致电导率等参量变化。
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§9.1 气敏传感器
一、气敏传感器的定义和种类
通过气 -电转换来检测气体类别、 产生的变化只限于半导体表面或
浓度和成分的传感器。
深入到半导体内部可分为：
按构成气敏传感器材料可分为：
表面控制型和体控制型。
半导体和非半导体两大类。 目前半导体气敏传感器实际使用 最多。
半导体气敏传感器 : 利用待测气体与半导体表面接触 时产生的电导率等物理性质变化来检 测气体。
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物理科学与传感器
1、工作机理
当氧化型气体吸附到 N 型、
还原型气体吸附到 P型半导体上时，
半导体载流子减少，而使电阻值
增大。
当还原型气体吸附到 N 型、
氧化型气体吸附到 P型半导体上时，
则载流子增多，使半导体电阻值 下降。
（1）直热式气敏器件 加热丝、测量丝直接埋入氧 化物半导体材料粉末中烧结而成。 工作时加热丝通电，测量丝用于 测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成 本低、功耗小，可在高电压回路 下使用，但热容量小，易受环境 气流的影响，测量回路和加热回 路间没有隔离而相互影响。
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N型半导体吸附气体时器件阻值变化
半导体气敏时间 (响应时间 )一
气体浓度发生变化，阻值也 般不超过 1min 。
变化。据此，可从阻值的变化得 知吸附气体的种类和浓度。
N型材料有 SnO 2、ZnO 、TiO 等，P型材料有 MoO 2、CrO 3等。
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传感器原理及应用
Principles and Applications of Sensors
主讲：王殿生 教授
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作
业
第九章
第二版教材168页： 练习题：9-1，9-3，9-4
第三版教材165页： 练习题：9-1，9-3，9-4
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烧结型器件制作方法简单， 器件寿命长；但由于烧结不充分， 器件机械强度不高，电极材料较贵 重，电性能一致性较差，因此应用 受到一定限制 。
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§9.1 气敏传感器
二、电阻型半导体气敏传感器
2、基本结构
（2）薄膜型气敏器件
采用蒸发或溅射工艺，在石英基片
§9.1 气敏传感器
二、电阻型半导体气敏传感器 2、基本结构
气敏器件有 烧结型 、薄膜型 和厚膜型 三种。
（1）烧结型气敏器件 氧化物半导体材料为基体， 铂电极和加热丝埋入材料中，用 加热、加压的制陶工艺烧结成形。 因此，被称为 半导体陶瓷 ， 简称 半导瓷 。半导瓷内的晶粒直径为 1μm左右，晶粒的大小对电阻有 一定影响，但对气体检测灵敏度 则无很大的影响。
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§9.1 气敏传感器
二、电阻型半导体气敏传感器 1、工作机理
电阻型半导体气敏传感器利 用气体在半导体表面的氧化和还 原反应导致敏感元件阻值变化而 制成的。
当半导体器件被加热到稳定 状态，在气体接触半导体表面而 被吸附时，被吸附的分子先在表 面物性自由扩散，失去运动能量， 一部分分子被蒸发掉，另一部分 残留分子产生热分解而固定在吸 附处（化学吸附）。
（1）氧化型气体： 半导体的功 函数小于吸附分子的亲和力时，吸 附分子从器件夺得电子而变成负离 子吸附，半导体表面呈现电荷层。 氧气等具有负离子吸附倾向的气体 称为氧化型或电子接收性气体 。
（2）还原型气体： 半导体的功 函数大于吸附分子的离解能，吸附 分子向器件释放出电子，而形成正 离子吸附。具有正离子吸附倾向的 气体有 H2、CO 、碳氢化合物和醇 类，称为 还原型气体或电子供给性 气体。
上形成厚度约 100nm 氧化物半导体薄膜，
制作方法简单。
半导体薄膜的气敏特性最好，但半
导体薄膜为物理性附着，器件间性能差
异较大。
（3）厚膜型气敏器件
氧化物半导体材料与硅凝胶混合制
成可印刷的厚膜胶，厚膜胶再印刷到装 有电极的绝缘基片上，经烧结制成的。
这种元件机械强度高， 离散度小，适合批量生产。
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半导体气敏传感器分类 : 按照半导体变化的物理特性又 可分为： 电阻型和非电阻型 。
电阻型： 通过半导体敏感材料 接触气体时阻值变化来检测气体的 成分或浓度。
非电阻型： 通过半导体气敏元 件的其它参数变化来检测被测气体， 如二极管伏安特性和场效应晶体管 的阈值电压变化。
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§9.1 气敏传感器
二、电阻型半导体气敏传感器 2、基本结构
电阻型半导体气敏器件全部 附有加热器。
加热器作用： 烧掉附着在敏 感元件表面上的尘埃、油雾等， 加速气体的吸附，从而提高器件 的灵敏度和响应速度。加热器的 温度一般控制在 200~400℃左右。
加热方式一般有直热式和旁 热式两种，因而形成了 直热式 和 旁热式 气敏器件。
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第九章 半导体传感器
被测非电量 半导体 电量 特性
测量 U、I 电路
? 半导体传感器的定义 以半导体材料为敏感元件，通过半导体材料电特性的物性变
化将被测量变化转换为电量变化的传感器。 ? 半导体传感器的感测量
浓度、湿度、成分、波长等。 ? 半导体传感器的种类
根据检测对象： 气敏、湿敏、色敏等传感器。