南京航空航天大学《传感器原理与检测技术》知识点笔记

南京航空航天大学《传感器原理与检测技术》知识点笔记第一章导论：传感器的基本概念与发展1.1传感器的定义与作用定义：传感器是将物理量、化学量、生物量等非电量转化为电信号或其他可测量量的器件或装置。作用：实现对外界环境的感知，是物联网、自动控制、智能系统的基础。用于信号采集与测量，为现代工程提供核心技术支持。1.2传感器的分类按测量对象分类：物理传感器：如压力传感器、温度传感器、加速度传感器等。化学传感器：如气体传感器、湿度传感器等。生物传感器：如血糖传感器、DNA传感器等。按工作原理分类：电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式、热电式等。按输出信号分类：模拟传感器、数字传感器。1.3传感器技术的发展传统传感器：基于机械、电气和简单电子技术的传感器。智能传感器：集传感、处理、通信功能为一体的传感器。微纳传感器：基于MEMS（微机电系统）和NEMS（纳机电系统）的传感器，体积小、精度高。未来趋势：向集成化、智能化、网络化、低功耗方向发展。第二章传感器的基本特性2.1静态特性灵敏度：单位输入变化引起的传感器输出变化。线性度：传感器实际输入-输出特性与理想线性特性之间的偏离程度。量程：传感器可测量的输入量变化范围。分辨率：传感器能感知的最小变化量。迟滞：传感器的输出对相同输入在不同变化方向上的偏差。漂移：传感器输出随时间或环境条件变化的变化量。2.2动态特性时间常数：传感器对输入变化作出响应所需的时间。频率响应：传感器对不同频率输入信号的响应能力。动态范围：传感器能够准确测量的信号幅度范围。2.3误差分析系统误差：由设计或制造缺陷引起，通常可通过校正减少。随机误差：由于外界环境的随机波动或噪声引起，无法完全消除。非线性误差：传感器输出与输入的偏离程度。温度误差：传感器性能随温度变化的影响。第三章传感器的工作原理3.1电阻式传感器基本原理：利用被测量引起的电阻变化转化为电信号。典型类型：应变电阻传感器：用于测量力、压力、位移等。热敏电阻传感器：用于测量温度，具有负温度系数或正温度系数特性。湿敏电阻传感器：用于湿度测量。优点：结构简单、成本低、灵敏度高。缺点：非线性误差大，易受温度影响。3.2电容式传感器基本原理：通过被测量引起的电容变化测量物理量。典型应用：测距、电容式压力传感器、振动测量。优点：灵敏度高、动态响应好、无迟滞。缺点：易受外界电磁干扰。3.3电感式传感器基本原理：利用被测量引起的电感量变化进行测量。典型应用：差动变压器式传感器：用于位移测量。磁感应传感器：用于速度和加速度测量。优点：高灵敏度，适用于动态测量。缺点：结构复杂，受电磁干扰较大。3.4压电式传感器基本原理：利用某些晶体材料在受力时产生电荷的特性。典型应用：振动传感器、加速度传感器、超声波传感器。优点：动态响应快、灵敏度高、频率特性好。缺点：对静态信号测量能力有限。3.5光电式传感器基本原理：利用光的强度、波长或相位的变化进行测量。典型应用：光电开关、光纤传感器、光学位移传感器。优点：抗干扰能力强、测量精度高。缺点：成本较高，安装条件要求较高。3.6热电式传感器基本原理：利用热电效应将温度变化转化为电信号。典型应用：热电偶：测量高温。热电阻：测量中低温。优点：温度范围广，动态性能好。缺点：灵敏度低，需校准。第四章传感器的信号调理与采集4.1信号调理电路放大电路：用于放大弱信号，常用运算放大器构成。滤波电路：用于滤除噪声信号，包括低通、高通、带通和带阻滤波器。信号转换电路：实现模拟信号与数字信号之间的转换。补偿电路：消除因温度、压力等环境变化引起的误差。4.2数据采集与处理模数转换（ADC）：将模拟信号转化为数字信号，便于处理和传输。数据处理：包括信号去噪、特征提取、信号融合等。通信技术：采用I2C、SPI、UART等通信协议，实现传感器与主机之间的数据传输。4.3智能传感器定义：集传感、信号处理和通信功能于一体的传感器。特点：数据采集精度高。集成化设计，易于部署。支持无线通信与网络化操作。应用：广泛用于物联网、智能家居、工业自动化等领域。第五章常见传感器类型与应用5.1温度传感器类型：热电偶、热电阻、红外温度传感器等。应用：工业测温、医疗体温检测、环境监测。5.2压力传感器类型：压阻式压力传感器、电容式压力传感器等。应用：液位测量、油压监测、航空航天。5.3加速度与振动传感器类型：MEMS加速度传感器、压电式振动传感器。应用：车辆稳定性监控、建筑结构健康检测、地震监测。5.4光电与图像传感器类型：CCD、CMOS图像传感器。应用：机器视觉、自动驾驶、安防监控。5.5气体传感器类型：电化学气体传感器、半导体气体传感器。应用：空气质量监测、工业气体泄漏检测。第六章传感器的测试与标定6.1测试方法静态测试：测量传感器的静态特性，如灵敏度、线性度。动态测试：测量传感器的动态特性，如时间常数、频率响应。6.2标定技术标定目的：消除传感器的系统误差，提高测量精度。标定方法：静态标定：对输入和输出关系进行静态校正。动态标定：分析动态特性，通过数学模型进行修正。6.3校准标准溯源性：标定结果应溯源至国际单位制（SI）或权威标准。环境控制：标定环境需满足特定温湿度条件，避免外界干扰。第七章传感器技术的未来发展7.1微纳传感器特点：尺寸小、能耗低、精度高。应用：医学植入设备、纳米机器人、物联网设备。7.2无线传感器网络定义：由大量传感器节点组成的网络，通过无线通信实现数据采集与传输。特点：低功耗、分布式、自组织。应用：环境监测、智慧城市、军事监控。