传感器技术（第三版） 课件 高晓蓉 第0-2章 绪论、传感器技术基础、电阻式传感器

传感器技术TransducerTechnique在你周围都接触过哪些传感器？怎样上好这门课？传感器技术——绪论（1）启发式教学——教是为了不教（2）严谨治学——大学不在于有大楼，而在于有大师（3）教书育人——千教万教，教人求真，千学万学，学做真人绪论一、人机系统的机能对应关系——

认识传感器传感器技术——绪论五、传感器的定义二、主要应用三、地位及重要性四、发展方向一、人机系统的机能对应关系人体系统是如何感知外界信息的？人类的五官传感器技术——绪论传感器计算机执行器机器系统外界信息感官人脑肢体人体系统Sensor,Transducer“机电五官”人机系统机能对应关系传感器技术——绪论五官与传感器传感器技术——绪论传感器性能凌驾于人的感官之上：（1）测量人体无法感知的量（3）测量范围宽、精确高、可靠性好（2）恶劣环境下工作

温度传感器：-196℃~1800℃

压力传感器：0.01psi~10000psi

精度：0.1%~0.01%

可靠度：8~9级传感器技术——绪论绪论一、人机系统的机能对应关系——

认识传感器传感器技术——绪论五、传感器的定义二、主要应用三、地位及重要性四、发展方向信息处理电信电话科技测试设备控制交通控制输电系统机床机器人家用电器照相机汽车飞机船舶气象海洋环境污染医疗防火光能利用热能利用土木建筑农林机械能利用货币金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014相对需要量——传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用二、主要应用传感器技术——绪论传感器技术——绪论自动检测与自动控制系统汽车与传感器传感器与家用电器传感器在机器人上的应用医疗及人体医学传感器与航空及航天传感器与环境保护传感器与遥感技术军事技术领域例1：化工产品自动生产过程1、自动检测与自动控制系统——石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业Automatictestandautomaticcontrolsystem传感器技术——绪论例2：电力机车受电弓特性检测电力机车：非自给性牵引方式Pantographautomaticinspectionforelectriclocomotive传感器技术——绪论传感器技术——绪论（1）升降弓压力特性检测传感器技术——绪论（2）升降弓时间测量传感器技术——绪论传感器技术——绪论2、汽车与传感器传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量、水温安全：安全气囊、防盗、防滑、防抱死、电子变速、“黑匣子”环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置传感器技术——绪论2.“汽车导航用传感器”,《传感器世界》3.“汽车安全系统及其传感器”,《传感器世界》参考文献：1.“汽车安全保障传感器市场”，《传感器世界》传感器技术——绪论3、传感器与家用电器自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院传感器技术——绪论家庭自动化蓝图安全监测与报警空调与照明控制太阳光自动跟踪家务劳动自动化4、传感器在机器人上的应用单能机器人：生产用自动化机械（加工、组装、检验）检测臂的位置和角度传感器隧道凿岩机器人红旗轿车焊装生产线120kg点焊机器人传感器技术——绪论4、传感器在机器人上的应用传感器技术——绪论智能机器人：IntelligentRobot判断能力视觉传感器、触觉传感器传感器技术——绪论足球机器人传感器技术——绪论迎宾机器人《泰坦尼克》中用于水下探测的“邓肯”号机器人传感器技术——绪论2004年9月17日，全球现场直播-埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”小机器人挑战法老咒语，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。“金字塔漫游者”：5×1×1，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。传感器技术——绪论5、传感器在医疗及人体医学上的应用医用电子学的发展医用传感器：人体内部温度、血液及呼吸流量、肿瘤、心音、腔内压力、心脑电波6、传感器与航空及航天飞行器：控制在预定轨道上测量速度、加速度、飞行距离陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器周围环境监控、内部设备监控、本身状态监控传感器技术——绪论7、传感器与环境保护环境监测仪器传感器技术——绪论温湿度、露点探头、CO2探头、大气压力传感器湿度传感器湿度传感器TemperaturetransducerHumiditytransducer传感器技术——绪论DewpointprobeCarbondioxideprobe8、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：超声波传感器微波红外接收传感器红外线分布差异矿藏埋藏地区地面Remotesensingtechnique传感器技术——绪论9、传感器在军事技术领域的应用《美国高级将领与著名学者访谈录》陈伯江“信息时代的军事革命”

——美国参联会副主席欧文斯上将“……改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。”“陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物……你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的军种（可称之为传感器军）用于观察战场……”传感器技术——绪论绪论一、人机系统的机能对应关系——

认识传感器传感器技术——绪论五、传感器的定义二、主要应用三、地位及重要性四、发展方向传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官”，如果没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。1、现代测量与自动控制的首要环节2、衡量国家综合实力的重要标志传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。传感器技术——绪论3、现代信息产业的三大支柱通讯技术、计算机技术、传感器技术既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水中之月、镜中之花。传感器技术——绪论4、各国政府高度重视日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政府还在21世纪发展技术中将传感器列在前位。美国将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。西欧各国把传感器技术作为优先发展的重点技术。我国政府在“863计划”及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。传感器技术——绪论绪论一、人机系统的机能对应关系——

认识传感器传感器技术——绪论五、传感器的定义二、主要应用三、地位及重要性四、发展方向四、发展方向新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究2、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命1、努力实现传感器的新特性检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应速度快、互换性好3、提高集成化和功能化程度信息处理功能一体化：敏感元件、电路、执行机构传感器技术——绪论4、微型化微机电系统MEMS（Microelectro-mechanicalSystem）

轮廓尺寸在毫米量级、元件尺寸在微米量级、可运动的微型机电装置。微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器微型执行机构：微型齿轮、电机、泵、阀门、悬臂梁、光学镜片——借助集成电路的制造技术来制造机械装置传感器技术——绪论5、新型功能材料的开发——各种新型传感器孕育在新材料之中半导体材料和新工艺的发展：半导体传感器压电半导体材料发展：压电集成传感器高分子压电薄膜的出现：机器人触觉传感器参考文献：“形状记忆执行材料研究进展”，《传感器世界》2.“机器人用传感器材料的进展”，《传感器世界》传感器技术——绪论人的感官优于工程传感器零维探测与多维感知单功能与多功能积分与微分宴会效应——选择功能咖啡桌效应——学习功能高桥效应——联想功能模糊效应——模拟量识别森林效应——全局与部分非智能型与智能型传感器技术——绪论高桥清（日），“21世纪新技术革命中的传感器”绪论一、人机系统的机能对应关系——

认识传感器传感器技术——绪论五、传感器的定义二、主要应用三、地位及重要性四、发展方向

把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。四层含义：（1）传感器是一种测量器件或装置——测速发电机、发电机测速传感器发电机是不是传感器？（2）“特定的被测量信息”：非电量物理量化学量生物量电量五、传感器的定义传感器技术——绪论（3）“某种可用信号输出”

把外界非电量信息转换成与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。——非电量电测技术把外界信息按一定规律转换成光信号输出的器件。（4）“转换”：传感器、变换器、变送器、换能器、转换器、探测器工业测量标准输出信号能量转换转换效率传感器技术——绪论

把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。传感器技术——绪论44同学们好！第一章传感器技术基础主要内容1、传感器的基本概念2、传感器的静态数学模型和基本特性指标3、传感器的动态数学模型及基本特性指标4、改善传感器性能的技术途径5、传感器的标定与校准TechnicalFoundation传感器技术——第一章461、传感器的定义？2、阐述传感器定义中的四层含义？3、随着光技术的发展，传感器的定义将怎样

变化？4、“温度变送器”是什么含义？§1-1传感器的基本概念一、传感器的定义DefinitionBasicConcept传感器技术——第一章47

把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。四层含义：（1）传感器是一种测量器件或装置（2）“特定的被测量信息”：非电量（3）“某种可用信号输出”：电信号（4）“转换”：传感器、变换器、变送器、换能器、转换器、探测器传感器技术——第一章48二、传感器的物理定律§1-1传感器的基本概念PhysicalLaws（1）守恒定律物理量随着空间和时间的移动，总量保持不变。能量守恒、动量守恒、电荷守恒传感器与被测量之间能量转换时必须遵循。ConversationLaws（2）统计法则常和传感器的工作状态有关。运动的微观世界与宏观世界相结合的定律。如：热力学第二定律StatisticPrinciple传感器技术——第一章（3）场的定律描述电场、磁场、物质场、重力场等在空间和时间上的变换规律。FieldLaws利用场的定律构成的传感器

——结构型传感器静电场：电容式传感器；电磁感应：电感式传感器Geometric-typeSensor（4）物质定律表示各种物质内在客观性质的定律。虎克定律F=kx、欧姆定律U=RISubstantialLaws基于物质定律构成的传感器——物性型传感器半导体物质法则：压敏、热敏、光敏、湿敏PhysicalPropertytypeSensor传感器技术——第一章50例：举例说明结构型传感器和物性型传感器的区别。（1）电容式传感器——结构型传感器——

其特性主要由其结构参数决定，与构成传感器的

物质的性质无关。固定极板活动极板△LbdL传感器技术——第一章化简：输出灵敏度51（2）压敏传感器——物性型传感器——其特性与构成传感器的物质的性质密切相关。电阻率的变化压力大小材料性质压阻效应半导体材料压力PPiezo-resistanceEffect传感器技术——第一章52结构型和物性型传感器的区别？

根据不同的物理定律构成的传感器传感器的特性取决于不同的因素性能、成本和应用

传感器的组成传感器技术——第一章53三、传感器的组成敏感元件辅助电路传感元件被测非电量有用非电量电量信号调节转换电路有用电量物性型传感器结构型传感器传感元件被测非电量

电量敏感元件传感元件被测非电量

电量有用非电量Composition传感器技术——第一章54例：大吨位电容式称重传感器弹性体极板支架绝缘材料定极板动极板CapacitiveWeighingsensor传感器技术——第一章被测非电量：敏感元件：有用非电量：传感元件：电量：电容量C弹性体外界压力极板间距变化电容传感器弹性体极板支架绝缘材料定极板动极板半导体材料压力P传感器技术——第一章56转换元件输入输出（1）自源型特点：不需要外能源，输出电量较弱。能量角度自源型带激励源型外源型温度场的能量（热量）电量ABTT’①②例：热电偶传感器Thermocouple传感器技术——第一章（2）带激励源型特点：不需要变换电路，有较大电量输出。BIUHbdLxyz例：霍尔电磁感应式传感器HallElectromagneticSensor传感器技术——第一章被测量：磁场辅助能源：激励电流转换元件输入输出辅助能源58例：磁电式传感器Magneto-electrictransducer（3）外源型输入输出电源变换电路转换元件特点：通过带外电源的变换电路，才能获得有用的电量输出线圈永久磁铁动铁芯：衔铁传感器技术——第一章电磁感应定律：59转换元件输入输出（1）自源型（2）带激励源型转换元件输入输出辅助能源能量转换型有源型能量控制型无源型ActiveSensorPassiveSensor传感器技术——第一章（3）外源型输入输出电源变换电路转换元件60为消除环境干扰相同传感器补偿型不同传感器补偿型差动结构补偿型（1）相同传感器补偿型输入输出电源变换电路转换元件转换元件环境影响传感器技术——第一章61（2）差动结构补偿型输入输出电源变换电路转换元件转换元件环境影响输入量：反向转换环境干扰量：正向转换测量电路输出增大传感器技术——第一章62（3）不同传感器补偿型输入输出电源变换电路转换元件2转换元件1环境影响传感器技术——第一章631、按输入物理量的性质分类的优缺点？2、划分基本物理量和派生物理量的好处？3、本书编写的传感器内容按什么分类的？4、根据能量关系传感器如何分类的？5、根据构成原理传感器如何分类？四、传感器的分类传感器技术——第一章64传感器技术——第一章65电容式、电感式、热电式传感器位移、速度、温度传感器能量转换型：有源传感器能量控制型：无源传感器模拟式、数字式结构型、物性型半导体传感器集成传感器、智能传感器仿生传感器、机器人传感器传感器技术——第一章分类方法输入物理量：工作原理：能量关系：输出信号性质：构成原理：构成传感器的功能材料：高新技术：66同学们好！第一章传感器技术基础主要内容1、传感器的基本概念2、传感器的静态数学模型和基本特性指标3、传感器的动态数学模型及基本特性指标4、改善传感器性能的技术途径5、传感器的标定与校准TechnicalFoundation传感器技术——第一章§1-2传感器的静态数学模型及基本特性指标传感器技术——第一章描述传感器输入-输出关系的方法：

数学模型基本特性指标MathematicModelBasicCharacteristicIndex被测输入量静态量准静态量动态量静态特性指标动态特性指标静态数学模型动态数学模型一、传感器的静态模型1.代数方程AlgebraicEquation传感器技术——第一章静态条件代数方程特性曲线x——输入量；y——输出量；a0——零位输出；a1——传感器的灵敏度K、Sa2……an——非线性项待定常数。条件：不考虑传感器滞后、蠕变情况下特殊形式StaticModel2.特性曲线CharacteristicCurves传感器技术——第一章71如何使传感器系统的输出只含奇次项，以改善传感器的非线性？——差动技术DifferentialTechnique传感器技术——第一章72二、传感器的静态特性指标滞后、线性度、重复性、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移、精度（静态误差）正行程反行程1.滞后传感器在正、反行程，输入-输出曲线的不重合程度。Hysteresis传感器技术——第一章△Hmax——正反行程输出的最大差值

yF.S——满量程输出量732.线性度（非线性）

传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线）与拟合直线之间的吻合（偏离）程度。——选定拟合直线的过程，就是传感器的线性化过程。Linearity传感器技术——第一章△Lmax——校准曲线与拟合直线间的最大差值

yF.S——满量程输出值74拟合直线的选定原则：保证尽量小的非线性误差计算与使用方便选定拟合直线的方法：传感器技术——第一章参考文献：涂国平，“传感器输出特征线性化的稳健算法”,《传感器技术》（4）最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小例：用最小二乘法求拟合直线Least-squaresMethod传感器技术——第一章分别对k和b求一阶导数，并令其=0，求出b和k。设拟合直线残差76稳健算法：当实验的数据仅发生细小变化时，其估计结果同样也发生微小变化。最小一乘算法稳健性更优，具有较好的抗扰动性，从数据处理的角度看，能更好地反映传感器的输出特征。传感器技术——第一章最小二乘法：最小一乘估计：（5）硬件线性化方法原理：以非线性矫正非线性“以畸制畸”*方法二：利用线性元件和非线性元件的串、并联方法一：两只非线性传感器差动方式非线性误差大小相等，极性相反ⅠⅡⅢ传感器技术——第一章*（6）软件线性化方法1、计算法条件：传感器输出与被测量间有确定的数学表达式方法：软件编写计算程序数学表达式的获得：曲线拟合2、查表法条件：传感器输出与被测量间无法用函数拟合传感器技术——第一章3、插值法原理：将查表法与计算法结合方法：线性插值、抛物线插值、拉格朗日插值、牛顿插值、埃米特插值传感器技术——第一章线性插值：80抛物线插值：参考文献：“改善传感器特性的软件处理方法”,《传感器世界》“遗传算法在传感器非线性自校正中的应用”,《传感器技术》“传感器特性曲线的一种拟合方法”,《传感器技术》传感器技术——第一章813.重复性传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次测试时，所得特性曲线间一致程度指标。Repeatability传感器技术——第一章贝赛尔公式——置信系数；=2，置信概率为95.4%。

——各校准点输出值标准偏差的最大值。825.分辨力（率）分辨力：能检测出的输入量的最小变化量分辨率：分辨力/满量程输入值Resolution传感器技术——第一章4.灵敏度Sensitivity非线性传感器线性传感器=常数836.稳定性长期稳定性标定有效期Stability7.漂移零点漂移、灵敏度漂移时间漂移（时漂）、温度漂移（温漂）

外界干扰下，输出量发生与输入量无关的变化。Drift8.阈值产生可测输出变化量时的最小输入量值Threshold传感器技术——第一章841、对于线性和非线性传感器？其灵敏度指标有何不同？2、分辨力与阈值的比较？传感器技术——第一章859.静态误差（精度）StaticError传感器技术——第一章（1）将非线性、滞后、重复性误差几何、代数法综合偏大（2）将全部校准数据相对于拟合直线求标准偏差偏小（3）将非线性、滞后视为系统误差，重复性视为随机误差86同学们好！第一章传感器技术基础主要内容1、传感器的基本概念2、传感器的静态数学模型和基本特性指标3、传感器的动态数学模型及基本特性指标4、改善传感器性能的技术途径5、传感器的标定与校准TechnicalFoundation传感器技术——第一章88微分方程传递函数§1-3传感器的动态数学模型及动态特性指标一、动态模型DynamicModel1.微分方程条件：线性定常系统DifferentialEquation传感器技术——第一章89一阶环节二阶环节零阶环节怎样判别传感器系统的动态模型是几阶环节？传感器技术——第一章零阶传感器比例环节、无惯性环节一阶传感器二阶传感器90例：分析加速度传感器的动态特性。二阶环节的传感器AccelerationTransducer传感器技术——第一章高晓蓉等，“应变式加速度传感器测量接触导线硬点”，《传感器技术》，2004年7期传感器技术——第一章传感器技术——第一章93传感器技术——第一章94资中归-陶38#39#中心锚结旁“S”弯分相器：底面不平行、接头端面不平滑传感器技术——第一章故障1：硬点故障引起电火花故障2：长沙-北京弓网事故952.传递函数定义：初始条件为零时，输出量（响应函数）的拉普拉斯

变换与输入量（激励函数）拉普拉斯变换之比。TransferFunction传感器技术——第一章拉氏变换：96简写：传递函数：传感器技术——第一章两边取拉氏变换：输出量拉氏变换输入量拉氏变换97（1）为什么反映了传感器本身的特性？（2）输入、输出及传递函数之间的关系？（3）不同传感器的传递函数能否相同？（4）传递函数的求解方法？（5）在多环节串并联系统中的优点？特点：传感器技术——第一章特点：（1）反映传感器系统本身特性，与x(t)无关。（4）通过实验求传递函数（2）X(s)、Y(s)、H(s)知二求一H(s)X(s)Y(s)（3）相同的传递函数可以表征不同物理系统传感器技术——第一章（5）多环节串并联的传感器系统H1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)n个环节串联传感器技术——第一章n个环节并联H1(s)X(s)Y(s)H2(s)

Hn(s)二、动态特性指标阶跃响应法（时域）频率响应法（频域）DynamicCharacteristicIndex引入的必要性？给哪些动态特性指标？——通过试验给出动态特性指标传感器技术——第一章动态误差输出稳定后与理想输出量的误差输入量跃变，输出量在过渡状态的误差输入标准信号阶跃函数正弦函数指数函数冲击函数1011、阶跃响应StepResponse传感器技术——第一章单位阶跃信号一阶传感器系统时间常数稳态值Stable-stateValueTimeConstant102二阶传感器系统传感器技术——第一章上升时间Tr响应时间Ts超调量a1峰值时间Tp延滞时间Td衰减率稳态误差103例：热电偶传感器测温过程动态误差分析。1、从传感器的阶跃响应可看出它是几阶环节的传感器？2、动态误差具体指曲线内的哪部分？3、动态误差的影响？4、实际测量中如何避免严重的动态误差？环境温度T0被测液体温度TT>T0传感器技术——第一章104“一种改善传感器动态特性的神经网络补偿方法”,《自动化仪表》传感器技术——第一章补偿滤波器灰尘传感器：补偿滤波器：均方误差小于等于0.0012、频率响应频率响应特性：输入频率变化、幅值相等的正弦信号，输出信号幅值与输入频率的关系：幅频特性输出信号相位与输入频率的关系：相频特性

FrequencyResponse传感器技术——第一章输入信号输出信号频率响应函数106频率响应函数传感器技术——第一章指数形式：幅频特性其中，动态灵敏度、增益相频特性107对数幅频特性曲线传感器技术——第一章其中，0dB水平线是理想的零阶系统的幅频特性通频带1083.一阶系统的动态响应分析（1）频率响应特性分析传感器技术——第一章一阶系统微分方程时间常数静态灵敏度拉氏变换传递函数109频率响应函数传感器技术——第一章幅频特性相频特性讨论：

越小，频率响应特性越好。110（2）阶跃响应特性分析传感器技术——第一章阶跃函数

越小，阶跃响应特性越好。稳态响应暂态响应：指数函数111分析传感器动态响应特性的步骤？

建立微分方程分析频率响应特性分析阶跃响应特性

分析幅频特性分析相频特性参考书：教材参考书[21]《传感器动态特性的实用研究方法》，中国科技大学出版社，1999传感器技术——第一章例：分析温度传感器模型，给出输入量（T0）与输出量（T）间的微分方程，并推导其幅频特性、相频特性及阶跃相应特性。已知：传感器敏感部分质量为m，比热为c，表面积为s，传热系数为h（W/m2.K）传感器技术——第一章1131、频率响应特性分析传感器技术——第一章（1）幅频特性（2）相频特性2、阶跃响应特性114同学们好！第一章传感器技术基础主要内容1、传感器的基本概念2、传感器的静态数学模型和基本特性指标3、传感器的动态数学模型及基本特性指标4、改善传感器性能的技术途径5、传感器的标定与校准TechnicalFoundation传感器技术——第一章116§1-4改善传感器性能的技术途径一、结构、材料与参数的合理选择原则：确保主要指标，放宽次要指标，以求高性价比研究生产部门：系列产品用户：合理选择二、差动技术目的：改善非线性DifferentialTechnique传感器技术——第一章思路：1171、奇次项多项式的特点？2、差动技术的基本原理？3、如何实现传感器的差动输出？4、差动技术的三个技术环节？传感器技术——第一章118三个技术环节：

（1）两个完全相同的传感器（2）接受输入量：大小相等，方向相反（3）输出相减方法：传感器1：传感器技术——第一章完全相同传感器2，输入量反号：非线性改善，输出灵敏度提高一倍。二者输出相减：119例：变面积式差动电容传感器传感器技术——第一章输出：灵敏度：输出灵敏度提高一倍，消除了零位输出项l。120例：超声波流速计介质性质温度传播速度cUltrasonicCurrentMeter传感器技术——第一章超声波换能器：压电式-压电效应超声波传感器：声-电转换Piezoelectriceffect可逆性超声波发生器电能机械能超声波接收器机械能电能发射超声波:接收超声波:reversible121传感器技术——第一章122消除了声速变化的影响传感器技术——第一章三、平均技术目的：减小随机误差误差平均效应数据平均处理AveragingTechnique1、误差平均效应ErrorAveragingEffect传感器技术——第一章124数显卡尺数显位移计n个完全相同的变面积式电容传感器并联容栅传感器CapacitiveRasterTransducer传感器技术——第一章125LY-615型数显轮缘检测仪测量车轮外形尺寸：踏面磨耗、轮缘厚度、轮辋厚度传感器技术——第一章1262.数据平均处理造成传感器性能不稳定原因：材料、元器件性能变化稳定性处理方法：电气元件：老化、筛选材料结构材料：时效处理、冰冷处理永磁材料：时间老化、温度老化、机械老化、交流稳磁处理DataAverageProcessing四、稳定性处理StabilityProcessing传感器技术——第一章方法：将相同条件下的测量重复n次，或n次采样，然后将数据进行平均处理，随机误差减小倍。127五、屏蔽、隔离和干扰抑制思路传感器：减小对影响因素的灵敏度外界影响因素：降低对传感器的实际作用功率Shield/Screen,Isolation,InterfereControl传感器技术——第一章1281、屏蔽Shield/Screen传感器技术——第一章传感器技术——第一章130传感器技术——第一章1312、隔离隔热、隔振、密封方法：将测量系统各种地线连接在一起，并且只在一点接地。（2）“单点”接地目的：消除公共阻抗耦合的干扰Isolation3、电路措施（1）去耦滤波器CircuitMeasure传感器技术——第一章信号地线电源地线信号源地线屏蔽保护接地线地线132六、零示法、微差法与闭环技术目的：消除或削弱系统误差举例：机械天平优点：消除仪器不准

造成的误差1、零示法原理：被测量和已知标准量对仪表的作用相互平衡NullMethod传感器技术——第一章1332、微差法原理：被测量和已知标准量差别减小到一定程度后，使仪表误差的影响大大减小。标准量相对误差指示仪表相对误差相对微量测量误差传感器技术——第一章被测量相近标准量微差，仪表读出3、闭环技术ClosedLoopTechnique传感器技术——第一章K1K2

Kn开环系统——各环节的相对误差对系统总误差的影响是等权的。敏感元件辅助电路传感元件被测非电量有用非电量电量信号调节转换电路有用电量比较平衡方式：力、力矩平衡、电压（流）平衡、热平衡传感器技术——第一章A——静态传递函数——反馈环节的反馈系数

传感器技术——第一章闭环静态传递函数闭环时间常数特点：（1）精度高、稳定性好（2）动态特性好137七、补偿与校正例：传感器温度误差补偿补偿与校正方法硬件：电子线路软件：单片机目的：减小系统误差Compensationandcorrection传感器技术——第一章138八、集成化与智能化1、集成化（2）将多个相同或不同的敏感元件集成在同一芯片上，实现多参数测量。特点：成本低、体积小、性能改善、可靠性高、接口灵活（1）将传感器和信号处理电路制作在同一芯片上Integration2、智能化传感器与微机结合传感器的智能化智能化传感器Intelligent传感器技术——第一章参考文献1.孙肖子等编，《Motorala集成电路应用技术丛书——传感器及其应用》，电子工业出版社，1996年第1版“集成式微型智能传感器的研究与思考”《仪表技术与传感器》（1）传感器的智能化

传感器接口

微处理器（2）智能化传感器传感器处理电路接口电路微处理器大规模集成智能传感器传感器技术——第一章140集成式微型智能传感器：利用集成电路制作技术和微机械加工技术（MEMS）将传感器元件与电子线路集成在同一芯片上，使之具有信号提取、信息处理、双向通讯、量程切换、逻辑判断、步骤决策、自检验、自诊断、自校准、自补偿以及自适应和自计算等功能。1、优点：（1）具有逻辑判断、统计处理功能：提高测量准确性（2）具有自诊断、自校准功能：提高工作可靠性（3）具有自适应、自调整功能：提高检测适用性（4）具有组态功能：扩大检测与使用范围（5）具有记忆存储功能：加快信息处理速度（6）具有数据通讯功能：提高信息处理质量传感器技术——第一章1412、制作集成式微型智能传感器最好材料——

硅（1）硅材料的许多物理效应可用来制作基于多种敏感机理

的固态传感器。（2）单晶硅具有优良的各向异性。（3）单晶硅传感器的制造工艺与集成电路有很好的兼容性。3、用于制作集成式微型智能传感器的主要加工技术：

集成电路加工技术光刻技术光刻电铸技术（LIGA）腐蚀成型技术键合技术传感器技术——第一章142硅基片光电变换部分信号传送部分存储器运算部分电源驱动部分三维多功能单片智能传感器传感器技术——第一章1434、集成式微型智能传感器的主要研究热点：

敏感元件机理集成封装技术数据融合理论——集成式微型智能传感器理论的重要基础。美国国防部数据融合小组（DFS）定义：对多来源的数据和信息进行多方面的关联、相关和综合处理，以更好地进行定位、特征估计，并完全和适时地对情况和威胁进行评估。传感器技术——第一章144“传感器故障诊断中的数据关联方法与应用”,《传感器技术》2.“多传感器数据的统计融合方法”,《传感器技术》“多传感器/多判据探测器在火灾探测中的应用”,《传感器技术》信息融合技术中多传感器系统的数据关联问题热点讨论传感器技术——第一章145同学们好！第一章传感器技术基础主要内容1、传感器的基本概念2、传感器的静态数学模型和基本特性指标3、传感器的动态数学模型及基本特性指标4、改善传感器性能的技术途径5、传感器的标定与校准TechnicalFoundation传感器技术——第一章147§1-5传感器的标定与校准一、标定与校准的概念

压电式压力传感器电荷信号压力信号校准：传感器在使用中或存储后进行的性能复测——再次的标定活塞式压力计：已知标准力精度已知检测设备测量标定：利用标准器具对传感器进行标度的过程输入-输出关系传感器技术——第一章Calibration148二、标定的基本方法标准设备输出量已知非电量待标定传感器输入量

标准传感器输出2

待标定传感器输入量发生器输出1输入标准量：由标准传感器检测得到实质：待标定传感器与标准传感器之间的比较传感器技术——第一章149三、标定系统的组成（1）被测非电量的标准发生器（3）待标定传感器配接的信号检测设备（2）被测非电量的标准测试系统活塞式压力计测量标准压力标准压力传感器产生测力机测量标准力标准力传感器产生恒温源测量标准温度标准温度计产生传感器技术——第一章150为保证精度和可靠性，使用中注意问题：（1）标定等级：只能用上一级精度的标准装置标定下一级精度的传感器（2）环境条件（3）标定测试系统（4）安装条件力：测力砝码、拉（压）式测力计压力：活塞式压力计、水银压力计、麦氏真空计位移：深度尺、千分尺、块规温度：铂电阻温度计、热电偶、基准光电高温比色仪四、传感器的静态标定及设备传感器技术——第一章151测力砝码测力砝码测力计测力计力标定设备传感器技术——第一章152压力标定设备活塞式压力计活塞式压力计麦氏真空计水银真空计传感器技术——第一章153位移标定设备千分尺块规深度尺深度尺传感器技术——第一章154温度标定设备铂电阻温度计热电偶铂电阻温度计传感器技术——第一章155低频-激振器：电磁振动台、低频回转台、机械振动台、液压振动台高频-瞬变函数激励信号：激波管五、传感器的动态标定及设备标准激励信号周期函数：正弦波瞬变函数：阶跃波机械振动台电磁振动台传感器技术——第一章轮对外形动态检测装置传感器技术——第一章图像传感器轮对触发光学镜头线光源光学三角测量原理157传感器技术——第一章轮缘厚度轮缘高度

踏面磨耗标准外形曲线实际测量外形曲线

轮缘磨耗偏移量轮辋内侧基线轮缘厚度踏面磨耗垂直磨耗（qR值）车轮直径轮对内距158畸变图像坐标（u，v）非畸变图像坐标（u’，v’）物方尺寸坐标（x，y）u’=h1(u,v)v’=h2(u,v)x=g1(u’,v’)y=g2(u’,v’)①图像校正②系统定标x=f1(u,v)y=f2(u,v)③系统标定传感器技术——第一章159传感器技术——第一章一阶线形畸变模型a～e——

方程组的待定系数标定系数求解算法16020mm20mm传感器技术——第一章161经CCD系统后畸变的点阵图O(0,0)CAB20mm20mm传感器技术——第一章162传感器技术——第一章一阶线形畸变模型a～e——

方程组的待定系数标定系数求解算法163校正后的点阵图20mm20mm传感器技术——第一章164同学们好！165第二章电阻式传感器电阻元件非电量电阻变化ResistiveTransducer第二章电阻式传感器166电阻式传感器的分类第二章电阻式传感器167§2-1电位器式传感器PotentiometricTransducer第二章电阻式传感器168第二章电阻式传感器169一、线绕电位器式传感器位移Wire–woundPotentiometer第二章电阻式传感器1701、线绕电位器的结构第二章电阻式传感器171第二章电阻式传感器1722、线绕电位器的输出特性线性电位器第二章电阻式传感器（1）空载下电阻灵敏度电压灵敏度173（2）负载下第二章电阻式传感器令分压系数负载系数第二章电阻式传感器令分压系数负载系数表示什么情况下的输出？有何特点？什么时候成立？当一定时，如何取值得到更好的线性输出？当一定时，取何值时存在最大的负载误差？负载误差相对负载误差：

一定，对K求一阶导数，并令其=0，得：第二章电阻式传感器令分压系数负载系数1764、阶梯特性、误差和分辨率3、减小电位器负载误差的方法——负载系数减小法LoadingError第二章电阻式传感器例：设电位器总电阻，要求负载误差

0.1%，确定负载电阻。理论特性曲线？理想特性曲线？实际特性曲线？177第二章电阻式传感器阶梯误差电压分辨率行程分辨率178二、非线绕电位器式传感器2、导电塑料电位器合成膜电位器金属膜电位器1、薄膜电位器基体、电阻膜带、电刷、转轴、导电环Non-Wire-woundPotentiometer第二章电阻式传感器179集成光电子技术优点：精度、寿命、分辨率、可靠性高、阻值范围宽缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗较高结构复杂、体积和重量大非接触式电位器光束

电刷3、光电电位器photoPotentiometer第二章电阻式传感器光电导层无光照：暗电阻-绝缘体有光照：明电阻-良导体180三、电位器式传感器的应用1、航空飞行高度传感器第二章电阻式传感器1812、液面高度测试仪第二章电阻式传感器1823、测量导弹舵摆时间控制信号执行机构电位器检测电路记录仪舵摆控制信号舵摆角第二章电阻式传感器1834、电位器式位移传感器第二章电阻式传感器184第二章电阻式传感器参考文献：“电位器式传感器及对接触线抬升量的测量”，

《传感器技术》185同学们好！第一章传感器技术基础主要内容1、传感器的基本概念2、传感器的静态数学模型和基本特性指标3、传感器的动态数学模型及基本特性指标4、改善传感器性能的技术途径5、传感器的标定与校准TechnicalFoundation传感器技术——第一章187§1-4改善传感器性能的技术途径一、结构、材料与参数的合理选择原则：确保主要指标，放宽次要指标，以求高性价比研究生产部门：系列产品用户：合理选择二、差动技术目的：改善非线性DifferentialTechnique传感器技术——第一章思路：1881、奇次项多项式的特点？2、差动技术的基本原理？3、如何实现传感器的差动输出？4、差动技术的三个技术环节？传感器技术——第一章189三个技术环节：

（1）两个完全相同的传感器（2）接受输入量：大小相等，方向相反（3）输出相减方法：传感器1：传感器技术——第一章完全相同传感器2，输入量反号：非线性改善，输出灵敏度提高一倍。二者输出相减：190例：变面积式差动电容传感器传感器技术——第一章输出：灵敏度：输出灵敏度提高一倍，消除了零位输出项l。191例：超声波流速计介质性质温度传播速度cUltrasonicCurrentMeter传感器技术——第一章超声波换能器：压电式-压电效应超声波传感器：声-电转换Piezoelectriceffect可逆性超声波发生器电能机械能超声波接收器机械能电能发射超声波:接收超声波:reversible192传感器技术——第一章193消除了声速变化的影响传感器技术——第一章三、平均技术目的：减小随机误差误差平均效应数据平均处理AveragingTechnique1、误差平均效应ErrorAveragingEffect传感器技术——第一章195数显卡尺数显位移计n个完全相同的变面积式电容传感器并联容栅传感器CapacitiveRasterTransducer传感器技术——第一章196LY-615型数显轮缘检测仪测量车轮外形尺寸：踏面磨耗、轮缘厚度、轮辋厚度传感器技术——第一章1972.数据平均处理造成传感器性能不稳定原因：材料、元器件性能变化稳定性处理方法：电气元件：老化、筛选材料结构材料：时效处理、冰冷处理永磁材料：时间老化、温度老化、机械老化、交流稳磁处理DataAverageProcessing四、稳定性处理StabilityProcessing传感器技术——第一章方法：将相同条件下的测量重复n次，或n次采样，然后将数据进行平均处理，随机误差减小倍。198五、屏蔽、隔离和干扰抑制思路传感器：减小对影响因素的灵敏度外界影响因素：降低对传感器的实际作用功率Shield/Screen,Isolation,InterfereControl传感器技术——第一章1991、屏蔽Shield/Screen传感器技术——第一章传感器技术——第一章201传感器技术——第一章2022、隔离隔热、隔振、密封方法：将测量系统各种地线连接在一起，并且只在一点接地。（2）“单点”接地目的：消除公共阻抗耦合的干扰Isolation3、电路措施（1）去耦滤波器CircuitMeasure传感器技术——第一章信号地线电源地线信号源地线屏蔽保护接地线地线203六、零示法、微差法与闭环技术目的：消除或削弱系统误差举例：机械天平优点：消除仪器不准

造成的误差1、零示法原理：被测量和已知标准量对仪表的作用相互平衡NullMethod传感器技术——第一章2042、微差法原理：被测量和已知标准量差别减小到一定程度后，使仪表误差的影响大大减小。标准量相对误差指示仪表相对误差相对微量测量误差传感器技术——第一章被测量相近标准量微差，仪表读出3、闭环技术ClosedLoopTechnique传感器技术——第一章K1K2

Kn开环系统——各环节的相对误差对系统总误差的影响是等权的。敏感元件辅助电路传感元件被测非电量有用非电量电量信号调节转换电路有用电量比较平衡方式：力、力矩平衡、电压（流）平衡、热平衡传感器技术——第一章A——静态传递函数——反馈环节的反馈系数

传感器技术——第一章闭环静态传递函数闭环时间常数特点：（1）精度高、稳定性好（2）动态特性好208七、补偿与校正例：传感器温度误差补偿补偿与校正方法硬件：电子线路软件：单片机目的：减小系统误差Compensationandcorrection传感器技术——第一章209八、集成化与智能化1、集成化（2）将多个相同或不同的敏感元件集成在同一芯片上，实现多参数测量。特点：成本低、体积小、性能改善、可靠性高、接口灵活（1）将传感器和信号处理电路制作在同一芯片上Integration2、智能化传感器与微机结合传感器的智能化智能化传感器Intelligent传感器技术——第一章参考文献1.孙肖子等编，《Motorala集成电路应用技术丛书——传感器及其应用》，电子工业出版社，1996年第1版“集成式微型智能传感器的研究与思考”《仪表技术与传感器》（1）传感器的智能化

传感器接口

微处理器（2）智能化传感器传感器处理电路接口电路微处理器大规模集成智能传感器传感器技术——第一章211集成式微型智能传感器：利用集成电路制作技术和微机械加工技术（MEMS）将传感器元件与电子线路集成在同一芯片上，使之具有信号提取、信息处理、双向通讯、量程切换、逻辑判断、步骤决策、自检验、自诊断、自校准、自补偿以及自适应和自计算等功能。1、优点：（1）具有逻辑判断、统计处理功能：提高测量准确性（2）具有自诊断、自校准功能：提高工作可靠性（3）具有自适应、自调整功能：提高检测适用性（4）具有组态功能：扩大检测与使用范围（5）具有记忆存储功能：加快信息处理速度（6）具有数据通讯功能：提高信息处理质量传感器技术——第一章2122、制作集成式微型智能传感器最好材料——

硅（1）硅材料的许多物理效应可用来制作基于多种敏感机理

的固态传感器。（2）单晶硅具有优良的各向异性。（3）单晶硅传感器的制造工艺与集成电路有很好的兼容性。3、用于制作集成式微型智能传感器的主要加工技术：

集成电路加工技术光刻技术光刻电铸技术（LIGA）腐蚀成型技术键合技术传感器技术——第一章213硅基片光电变换部分信号传送部分存储器运算部分电源驱动部分三维多功能单片智能传感器传感器技术——第一章2144、集成式微型智能传感器的主要研究热点：

敏感元件机理集成封装技术数据融合理论——集成式微型智能传感器理论的重要基础。美国国防部数据融合小组（DFS）定义：对多来源的数据和信息进行多方面的关联、相关和综合处理，以更好地进行定位、特征估计，并完全和适时地对情况和威胁进行评估。传感器技术——第一章215“传感器故障诊断中的数据关联方法与应用”,《传感器技术》2.“多传感器数据的统计融合方法”,《传感器技术》“多传感器/多判据探测器在火灾探测中的应用”,《传感器技术》信息融合技术中多传感器系统的数据关联问题热点讨论传感器技术——第一章216同学们好！第一章传感器技术基础主要内容1、传感器的基本概念2、传感器的静态数学模型和基本特性指标3、传感器的动态数学模型及基本特性指标4、改善传感器性能的技术途径5、传感器的标定与校准TechnicalFoundation传感器技术——第一章218§1-5传感器的标定与校准一、标定与校准的概念

压电式压力传感器电荷信号压力信号校准：传感器在使用中或存储后进行的性能复测——再次的标定活塞式压力计：已知标准力精度已知检测设备测量标定：利用标准器具对传感器进行标度的过程输入-输出关系传感器技术——第一章Calibration219二、标定的基本方法标准设备输出量已知非电量待标定传感器输入量

标准传感器输出2

待标定传感器输入量发生器输出1输入标准量：由标准传感器检测得到实质：待标定传感器与标准传感器之间的比较传感器技术——第一章220三、标定系统的组成（1）被测非电量的标准发生器（3）待标定传感器配接的信号检测设备（2）被测非电量的标准测试系统活塞式压力计测量标准压力标准压力传感器产生测力机测量标准力标准力传感器产生恒温源测量标准温度标准温度计产生传感器技术——第一章221为保证精度和可靠性，使用中注意问题：（1）标定等级：只能用上一级精度的标准装置标定下一级精度的传感器（2）环境条件（3）标定测试系统（4）安装条件力：测力砝码、拉（压）式测力计压力：活塞式压力计、水银压力计、麦氏真空计位移：深度尺、千分尺、块规温度：铂电阻温度计、热电偶、基准光电高温比色仪四、传感器的静态标定及设备传感器技术——第一章222测力砝码测力砝码测力计测力计力标定设备传感器技术——第一章223压力标定设备活塞式压力计活塞式压力计麦氏真空计水银真空计传感器技术——第一章224位移标定设备千分尺块规深度尺深度尺传感器技术——第一章225温度标定设备铂电阻温度计热电偶铂电阻温度计传感器技术——第一章226低频-激振器：电磁振动台、低频回转台、机械振动台、液压振动台高频-瞬变函数激励信号：激波管五、传感器的动态标定及设备标准激励信号周期函数：正弦波瞬变函数：阶跃波机械振动台电磁振动台传感器技术——第一章轮对外形动态检测装置传感器技术——第一章图像传感器轮对触发光学镜头线光源光学三角测量原理228传感器技术——第一章轮缘厚度轮缘高度

踏面磨耗标准外形曲线实际测量外形曲线

轮缘磨耗偏移量轮辋内侧基线轮缘厚度踏面磨耗垂直磨耗（qR值）车轮直径轮对内距229同学们好！230例：

变化

电阻应变计电桥电路机械应变U(I)变化电阻应变仪放大、显示§2-3测量电路及电阻应变仪MeasurementCircuitandResistanceStrainGauge第二章电阻式传感器231一、应变电桥双臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：R交流电桥：R、L、C不平衡桥式：偏差测量法（动态）平衡桥式：零位测量法（静态）半等臂电桥全等臂电桥工作方式桥臂关系电源负载工作臂电压输出桥：功率输出桥：U、I电源端对称输出端对称StrainBridgeCircuit第二章电阻式传感器232二、直流电桥及输出特性或初始平衡条件：此时1、电压输出桥的输出特性DirectCurrentBridgeCircuitandOutputCharacteristics第二章电阻式传感器ABC：ADC：电桥平衡条件：第二章电阻式传感器桥臂比：线性部分：非线性部分：第二章电阻式传感器讨论：全等臂电桥半等臂对输出端对称电桥线性部分：第二章电阻式传感器（1）电桥的灵敏度（2）电桥的非线性补偿措施：加减特性，双臂或四臂差动工作方式K：金属半导体（3）电桥的加减特性对象：全等臂电桥、半等臂对输出端对称电桥

“相邻臂相减，相对臂相加”第二章电阻式传感器237①一个桥臂R1工作②两个相邻桥臂工作第二章电阻式传感器238③两个相对桥臂工作④全臂工作第二章电阻式传感器239电桥加减特性——

“相邻臂相减，相对臂相加”例：分析桥路补偿块法进行温度补偿的原理解：第二章电阻式传感器240例：解：第二章电阻式传感器解：例：利用全桥测量提高灵敏度并实现温度补偿。第二章电阻式传感器2422、功率输出桥的输出特性输出功率最大的条件：第二章电阻式传感器243（1）全等臂电桥（2）半等臂对输出端对称电桥第二章电阻式传感器244（1