传感器原理与应用教学计划|传感器原理与应用教学计划（实用十六篇）

时间:2022-03-27 作者:工作汇报网

传感器原理与应用教学计划（实用十六篇）。

传感器原理与应用教学计划 <一>

传感器应用综合实验系统在各类验证性实验中应用非常广泛，它的特点主要体现在以下几点：

第一，传感器的实物和辅助电路、信号调理电路及键盘显示电路全部公开，信号调理电路采用一对一模式电路设计，针对性强。而且各个模块具有一定的独立性，这样可以随意的组合出多种实验模式。

第二，系统的设计模式具有良好的扩展性。该系统的信号处理扳部分采用总线扩展模式，这样有利于将没有事先列入的传感器加入到系统中，而且可以根据传感器技术的发展将旧的传感器更换掉，以满足实验需求。

第三，I/O控制板采用标准的RS―485总线联网，使得硬件扩展非常方便。系统在增加信号处理板和传感器模块时不需要改变I/O控制板，只需要通过RS―485总线就可实现贴近实际的工业控制系统。

第四，软件部分采用模块化设计结构。下位机提供了编程思路和例程，这样用户可以根据自身需求扩展此应用系统。所以本系统可以作为传感器应用的验证性试验，同时还可以作为传感器应用的开发工具及大学生电子竞赛的培训工具。

Pc与主机和传感器信号处理板等构成系统是传感器应用综合实验系统的几种组合方式的一种，这种系统的连接方式为利用本机配备的图形控制软件连接传感器，这种系统通常应用在计算机图形测控软件的开发实验、上下位机通讯实验、工业测控系统的开发实验、传感器的原理与应用实验、传感器的信号调理电路实验以及大学生电子竞赛培训实验中。这种系统组合方式在实验应用过程中效果较好。

Pc与分散式I/O控制板和传感器信号处理板等构成系统通常被应用在利用本机配备的通信控制软件进行RS―485总线联网的传感器应用的验证性实验中，而且这个系统可以通过自行编程后用于以下实验中，包括：计算机图形测控与下位机联网的开发实验、上下位机联网通讯实验、联网的.工业测控系统的开发实验、传感器的原理与应用实验、传感器的信号调理电路实验以及单片机与485接口实验和相应的扩展实验等。这种组合方式的应用效果也比较明显。

Pc机与多功能数据采集卡和传感器信号处理板等构成系统通常被应用在利用本机配备的图形控制软件进行工控机宁数据采集卡、传感器应用的验证性实验中，这个系统也可以根据使用要求自行编程，这个系统经自行编程后可以应用到以下实验中，其中有工控机与图形测控软件的开发实验、数据采卡用与工业测控方面的实验、以工控机为主的测控系统的开发实验、传感器的原理与应用实验以及传感器的信号调理电路实验等，这个系统的应用效果也比较理想。

主机和传感器信号处理板等构成系统可用在利用主机所配备的底层软件进行传感器应用的验证性实验，这个系统经自行编程后可以应用到以下实验中，包括基于单片机的传感器应用实验、基于单片机的智能仪器仪表开发实验、传感器的原理与应用实验、传感器的信号调理电路实验以及单片机与485接口实验和相应的扩展实验。

总而言之，传感器应用综合实验系统的应用非常广泛，而且使用效果明显，这主要源于它的各个模块的设计独立性，这使得整个系统具有灵活的组合和扩展性。而且这个系统的各个结构都可以公开，因此它在实验教学中也产生了良好的效果。这个系统的功能强大且灵活，它不仅可以完成传感器、数据通讯等验证性实验，同时还可以便于研究人员自由组合进行开发实验。

传感器原理与应用教学计划 <二>

传感器是一种非常关键的设备，可以采集各种参数，并将其转换成电信号。它们广泛应用于医疗、制造、汽车、能源等行业中，成为现代社会的重要组成部分。传感器课件是广大学生学习传感器原理及应用的重要材料，以下从传感器的基础原理、分类及应用等几个方面展开讲述。

一、传感器的基本原理

传感器是一种可以将物理和化学量测量并转化为电信号的装置。它们利用各种物理效应如电、磁、光、声、热等来感应被测量体的参数。传感器一般由传感元件、信号处理器和输出器件组成。

传感元件是传感器的核心部件，包括感应电极、电容、电阻、光电元件、磁电元件等。感应电极通过感应电场的变化探测被测物理量；电容通过电容值的变化进行测量；电阻通过电阻值的变化进行测量；光电元件通过光敏电阻或光电管探测光的强度及颜色；磁电元件则可通过磁场的作用感应出电压。

信号处理器是将传感器元件感应来的信号进行放大、滤波、调节、加工等操作。输出器件将经过处理的信号转换为相应的电信号或数字信号，并输出到其他设备中，如显示器、计算机、控制器等。

二、传感器的分类

传感器按照感应效应可分为电感式、电容式、热敏式、磁敏式、光敏式、声敏式等多种类型。它们具有不同的测量范围和灵敏度。

电感式传感器是利用磁场的变化所引起的电感值或感应电势的变化来测量被测物理量的一种传感器。电感式传感器由传感元件和信号处理器组成，传感元件由电感元件和铁芯组成，信号处理器包括放大、调理和滤波电路。

电容式传感器则可通过被测物理量的变化对电容值进行调制，并送到接收端进行测量。热敏式传感器是利用被测物理量引起的温度变化，来改变热敏元件的电阻值，进而得到电信号；磁敏式传感器则是利用被测物理量对磁场的变化，产生磁阻效应，从而改变磁传感元件的感应电阻；光敏式传感器则是利用光敏元件对光线进行感应，改变其导电性工作；声敏式传感器则是利用声压的变化，产生改变。

三、传感器的应用

传感器在现代社会中，得到了广泛应用。医疗设备、工业自动化设备、车载设备、数字游戏、家用电器，甚至是智能手机等等都会使用到传感器技术，为用户带来更加方便的服务和使用体验。

在医疗设备中，传感器常见的应用有血糖仪、体温计、心电图机、呼吸机等，通过各种传感技术采集相关数据，为医疗保健提供帮助。在工业自动化中，传感器可实现对压力、流量、温度等参数的自动测量、处理和控制，使生产制造过程更为高效和精准。在汽车领域，传感器技术广泛应用于汽车的自动控制、安全和环境保护等方面，如油量传感器、空气质量传感器、胎压传感器等。

总之，传感器作为当今社会的重要组成部分，发挥着越来越大的作用。通过了解传感器的基本原理、分类及应用，可以更好地了解和应用传感器技术，为不同领域的发展、改进、创新带来更多的机遇和挑战。

传感器原理与应用教学计划 <三>

“真正的单芯片方案将g传感器(加速计)、温度传感器或流量传感器与信号处理部件放同在一块芯片上，从而可以实现最少的线邦定，”cooper说。这样，传感器在安装过程中发生爆裂、短路、疲劳和污染的地方就少了。

安全性和发动机效率仍然是当前和未来汽车传感器应用的重点

当轮胎接触路面

由于传感器面临前所未有的恶劣环境，可靠性也是一个问题。具有代表性的一个应用是胎压感测(tps)。美国国家公路交通安全管理机构强制要求在2006型年(model year)，20%的新车要配备tps传感器。

英飞凌科技的传感与控制部门主管john mcgowan表示，tps传感器用在“局促、闷热的地方”，而且必须坚固耐用、寿命长，另外，还要有合理的成本。英飞凌工程师已经开发出这样一种传感器，他们将用于数据处理和信号调制的cmos asic和压电压力测量元件放在一个公共引线框架中。在两层玻璃间夹着asic的“三层硅三明治”结构坚固耐用，mcgowan表示。

飞思卡尔的henry也谈到了“媒介兼容性”问题，其中，tps传感器可能被暴露在 “有趣的化学物”下、液体能溅到车库中的轮胎上，这些东西包括：从电池溢出的酸、装配用润滑剂、尘土、来自制造工艺的化学残留物及充满气的轮胎内的潮湿空气。

英飞凌的mcgowan表示，将处理功能与传感器整合在一起，能确保温度补偿、自校正和失效模式检测等功能的精确性。在成本控制方面，可通过在单芯片上集成多种功能和特性(与过去采用的分立无源器件的方式相反)以及量产来着力。最后，这种智能连接传感器允许更小的**处理器从数据操作中释放出来，以加快决策处理。

目前，胎压监测传感器要么作为凸起件安装在轮胎外部，要么固定在轮辋内部。麦高文说，因为这些设备是由纽扣电池供电的，所以一线企业正在寻找10年的电池寿命。“为达到此目的，我们在处理算法中使用车辆信息，在车停止不动时，降低采样和传输速率，”他补充说。

未来的压力监测可以通过直接嵌入轮胎结构中的传感器来完成。这些传感器必须由mcgowan称之为的“能量积聚(energy scavenging)”技术来供电，这种技术利用轮胎挠曲性来驱动为传感器提供能量的应变器件(piezo)。这个概念可以扩展，例如，使用发动机震动作为碰撞传感器的工作能量。

另一种方法是通过感应从轮胎外部驱动嵌入式胎压传感器。关注点包括轮胎轮毂中任何金属天线环对轮胎物理性能的影响。

采用qfn封装的最新双芯片加速计具有6mm×6mm×1.45mm的裸片堆叠尺寸(右)。

芯片顶部是加速度计核心，底部是cmos控制芯片。(顶部)还显示了qfn传感器堆叠工艺

由mag***i marelli领导的一个小组围绕着“智能轮胎“展开了初期的工作，它超越了单纯的压力检测水平。该小组的成果由项目主管andrea neponte和战略创新经理piero de la pierre在sae 2005世界大会上发表(**2005-01-1481)。轮胎测试将不止测试压力；在内部衬垫上的一个三轴加速计也将提供沿着三个轴的轮胎力数据、轮胎接触块的大小以及路面情况(通过振动数据)。

虽然测试时使用了电池以保证通信连接的可靠性，但在传感器需要的功率级(300毫瓦)方面，该团队相信应变片方法不能为该应用提供足够功率。这种轮胎数据系统可用于为车辆底盘控制系统提供信息或确定是否需要轮胎或悬架系统服务。

汽车传感器展望

未来五年内，传感器的其它应用很可能将包括更多的基于陀螺仪的器件，飞思卡尔的shaw表示。这些装置将为轧制稳定性控制和其它轴闭环控制提供角速率数据。这些陀螺仪将基于为基电系统。随着产量的增加，mems加工成本将降低。

英飞凌压力和霍尔效应传感器的市场经理彼得·克尼特尔（peter knittl）认为，为了提高安全气囊触发的碰撞传感器的性能，将使用基于压力的设备，而不是当前的g传感器。“这种向‘有源’传感器的转变是由(美国)**为防范侧部撞击而新颁布的法令(fmvss-201)拉动的，”他说。“当结构变形时，g传感器将触发。

但车门内的压力传感器不久(约5到6ms)将检测到一个声波，而g传感器的检测时间是10ms。”未来的气囊系统可能同时采用这两种传感器，从而增强冗余性。

汽车传感器系统的发展趋势不仅是传感器将用在哪些地方的风向标，还体现出“各种总线系统是如何必须一道工作以及各总线是专门针对哪个应用领域的，”ti的poppel表示。

两线式还是三线式？

zmd的库珀说，令他惊讶的是，单线lin巴士未能在车内占据更大的主导地位。典型应用仍采用三线式辐射度(radiometric)传感器接口。也许随着新的数字协议的出现，汽车行业没有人愿意冒召回或崩溃的风险。

”所以，经过验证的传统器件会让开发人员用起来得心应手，并希望能够方便地使用库存器件，他接着说。“虽然行业走向也许是一种数字接口，他们仍着眼于模拟(三线)输出信号。”

cooper预计未来五年内将出现更小、更轻、处理能力更强的传感器，但只有很少的电子控制单元(ecu)模块处理它们。另外，他认为，随着连线的减少(重量更轻)，燃油经济性将更高，辐射也会更低，并且无需另一层的数据插值(interpolation)，这些将有助于推动向数字接口标准基础设施的转变。

“如今一些汽车内拥有100多个ecu，而目标是减少车内ecu的数量，”ti的poppel表示。“**的可重复利用性也将对降低成本有助益。另外，虽然能在手持无线应用中见到当今领先的技术，但(因其短暂的设计周期)这些产品并没有很长的使用周期。

另一方面，汽车毕竟需要电子设备提供的高质量、高可靠性的长期使用系统。”

传感器原理与应用教学计划 <四>

2-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何？

[答：]1。传感器是一种能够感知指定的被测信号并根据一定的规则将其转换成可用输出信号的装置或装置。

2。传感器由敏感元件、转换元件、信号调理转换电路和辅助电源组成。

3、它们的作用是：

（1）敏感元件：指传感器能直接感受或响应测量的部分；

（2）转换元件：指传感器中能将传感元件的感觉或响应转换为适合传输或测量的电信号的部分；

（3）信号调理转换电路：由于传感器输出信号一般较弱，需要一个信号调理转换电路进行放大

运算调制等；

（4）辅助电源：另外，信号调理转换电路和传感器工作必须有辅助电源。

4、最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些

传感器由敏感元件和无转换电路的转换元件组成，例如压电加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，

压电片（块）是转换元件。有些传感器有多个转换元件，需要多次转换。

2。试图说明温度误差的概念、产生原因及补偿方法。

【答】1、由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。

2。原因有二：一是敏感栅电阻值随温度变化而产生的附加误差；二是试件和电阻丝材料

当线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而引起附加电阻的变化。

三。电阻应变片的温度补偿方法通常包括线补偿和应变片自补偿。

3-4建议在相同截面的悬臂梁上粘贴四个相同的电阻应变片，形成差动全桥测量电路

（1）四个电阻应变片怎样贴在悬臂梁上？

（2）画出相应的电桥电路。

[答：]1。在悬臂梁力传感器中，应变片一般贴在靠近固定端的表面上，沿梁的方向上下粘贴两片

当压下两个应变片时，下两个应变片处于张力状态，用四个应变片形成全桥差分电桥。这样既可提高输出电压

灵敏度，又可减小非线性误差。

图3-1 等截面积悬臂梁

2、差动全桥测量电路

图3-2 差动全桥测量电路

3-6图3-4为等强度梁测力系统，r1为电阻应变片，无应变时应变片灵敏度系数k=2.05，r1=120

ω。当试件受力f时，应变片的平均应变ε为800μm/m，试验结果如下：

（1）应变片电阻变化δr1和电阻相对变化δr1/r1。

10（2）将电阻应变计r1放置在单臂测量电桥上，电桥的电源电压为dc3v，计算电桥的输出电压和电桥的非线性误差

差。（3）若要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差大小。

3、减小非线性误差采取的措施

为了减小和克服非线性误差，常采用微分电桥。差动电桥无非线性误差，半差动电桥对电压敏感

ku=e/2度，是单臂的2倍；全差分电桥电压灵敏度ku=e度，是单臂的4倍。同时还具

有温度补偿作用。

4-5差动变压器式传感器零残压的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？

[答：]1。零残压主要由基波分量和高次谐波分量组成。

（1）产生这种基本元件的主要原因是：传感器的两个线圈和电桥的另外两个线圈的电参数和几何尺寸不对称

臂的电气参数不一致。

（2）产生高次谐波的主要原因是磁性材料磁化曲线的非线性，以及两线圈的磁滞损耗和磁路

的不对称，造成两线圈中某些高次谐波成分不一样，不能对消，于是产生了零位电压的高次谐波。此外，

激励信号中含有的高次谐波和外界电磁场的干扰也会产生高次谐波。

2。降低电感式传感器零残压的措施

（1）从设计和工艺上保证结构对称性

为了保证线圈和磁路的对称性，首先需要提高加工精度。线圈成对匹配，采用磁路可调节构

其次，应选用高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应强度的材料。通过热处理消除残余应力，提高磁性能的均匀性和稳定性。从高次谐波的因素可以看出，磁路的工作点应选择在磁化曲线的直线段；减小励磁电流的谐波分量和外壳的电磁屏蔽也能有效地降低高次谐波。

（2）选用合适的测量线路

另一种有效的方法是利用外部测量电路降低零电压。例如，相敏检测电路可以有效地消除基波正交分量和偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，将传感器的零电压降到最小。

采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把

当电枢处于中间位置时，消除高次谐波引起的零残压

掉。如图所示，相敏检测后电枢后行程特性曲线为1

变到2，从而消除了零点残余电压。

图4-2 相敏检波后的输出特性

（3）采用补偿线路

采用平衡调整网是一种简单又效的方法。

图4-3 补偿电路图

4-10 何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？

17【答】

1、根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内

将产生呈漩涡状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。

2、有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的作用，线圈周围产生交变磁场h1。若被测导体

置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流，也将产生一个新磁场h2，h2 与h1 方向相反，力图削弱原磁

场h1，从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁

导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的线圈到

被测导体间的距离参数改变，余者皆不变，就能构成测量位移的传感器。

5-1 根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？每种类型各有什么特点？各适用什么场合？

【答】1、电容式传感器分为：变极距(变间隙)(δ)型、变面积型(s)型、变介电常数

(εr)型三种基本类型。

2、特点与应用

20（1）变极距(变间隙)(δ)型：只有在δd/d0 很小时，才有c 与δd 近似的线性关系，所以，这种类型的

传感器一般用来测量微小变化量。

（2）变面积型(s)型：传感器的电容量c 与线位移及角位移呈线性关系。测量范围大，可测较大的线位

移及角位移。

（3）变介电常数(εr)型：传感器电容量c 与被测介质的移动量成线性关系。常用来检测容器中的液位，

或片状结构材料的厚度等。

6-1 什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵压电效应和横压电效应？

【答】1、正压电效应和逆压电效应

（1）正压电效应（顺压电效应）

某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面

上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改

变。这种现象称压电效应。有时人们把这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应（顺压电效应）。

（2）逆压电效应（电致伸缩效应）

当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电

场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。

2、纵压电效应和横压电效应

（1）纵向压电效应

通常把沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。

（2）横压电效应

把沿机械轴y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。

7-5 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？如何补偿？

1、影响霍尔元件输出零点的因素

当霍尔元件的激励电流为i 时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实

际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生这一现象的原因有：

（1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；

（2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；

（3）激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。

2、不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极

其困难的，因而必须采用补偿的方法。

可以把霍尔元件等效为一个电桥，用电桥平衡来补偿不等位电势。由于a、 b 电极不在同一等位面

上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据a、 b 两点电位的高低，

25判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。

7-8 试分析霍尔元件输出接有负载rl 时，利用恒压源和输入回路串联电阻rt 进行温度补偿的条件。

补偿电路如图(a)所示，输入回路与输出回路的等效电路如图(b)、(c)所示。设rl 不随温度改变，由

于霍尔元件输出电阻rout 随温度变化，输出霍尔电势uh 也随温度变化，使得负载电阻上的输出电压与温度有关。

温度为t0 时，负载电阻上的输出电压为

8-1 光电效应有哪几种？相对应的光电器件各有哪些？

【答】1、光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

2、光电器件

（1）基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

（2）基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。

（3）基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。

8-2 试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？

【答】1、光敏电阻的工作原理

其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器

件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范

围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻

越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧

以下。2、光敏二极管的工作原理

在无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向

电流称为暗电流。

当有光照射到光敏二极管的pn 结时，pn 结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，它

们在反向电压和内电场的作用下，漂移越过pn 结，形成比无光照时大得多的反向电流，该反向电流称

为光电流，此时，光敏二极管的反向电阻下降。若入射光的强度增强，产生的电子-空穴对数量也随之

增加，光电流也响应增大，即光电流与光照度成正比。

如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的信号。光敏二极管的光电流 i 与照度之间呈线性

关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。

传感器原理与应用教学计划 <五>

传感器是当今信息技术和电子工程中不可或缺的一部分，通常用于检测、测量和控制技术中。它们可以检测环境中的各种物理量，例如温度、湿度、压力、光线、声音、运动和位置等。在各种应用中，传感器起着关键作用，因为它们能够识别和反映环境中的变化，从而实现自动化和更加智能化的系统。本文将讨论传感器技术中的一些主题，包括传感器的类型、原理、应用和未来发展。

一、传感器的类型

传感器有很多种不同的类型，根据其工作原理和应用领域，可以分为以下几类：

1.光学传感器：这种传感器可以检测光的强度、颜色、波长、极性和方向等。它们适用于测量光的强度、颜色、特性和梳理环境中的颜色和饱和度。

2.电子传感器：这些传感器可以测量电压、电流、电阻、电磁场和磁化等。电子传感器通常用于电路、电机和电子设备用于测量电量。

3.压力传感器：这种传感器可以测量气体或液体中的压力变化。压力传感器通常用于测量气体或液体压力变化以检测在工业、汽车、航空航天和医疗保健等领域的许多应用中的问题。

4.温度传感器：这种传感器可以检测环境中的温度变化。它们适用于测量室内温度和测量表面和液体的温度变化。

5.湿度传感器：这种传感器可以测量大气或在液体中水分含量。湿度传感器通常用于室内温度和空气潮湿度测量，以及室外环境监测。

6.运动传感器：这种传感器可以检测物体的运动和位置变化。它们适用于运动监测、导航和位置测量。

二、传感器的工作原理

传感器的工作原理取决于其类型和应用。例如，光电传感器可以检测通过它的光线、红外线、紫外线、超声波或视觉信号等。电子传感器一般通过电磁感应原理来测量电压、电流和电磁场。压力传感器可以测量载体物质内部的压力变化。温度传感器使用热电效应或电阻性原理来测量温度变化。湿度传感器常用玻璃纤维电缆、电容或放电效应来检测水蒸气。运动传感器则使用加速度计、陀螺仪和罗盘来检测物体的位置、运动和方向。

三、传感器的应用

传感器在许多领域都有广泛的应用。它们可用于汽车、铁路、工业、医疗保健、空气质量控制和公共交通等各个方面。下面列出一些传感器的应用及其功能：

1.汽车应用：传感器可用于测量汽车的转速、燃油消耗量、刹车距离和轮胎压力等。

2.医疗保健：传感器可用于检测人体的心跳速率、血压、血氧、体温等。

3.工业：传感器可用于实时监测和控制机器人、成品质量检测、智能仓储和生产流程监控等。

4.空气质量控制：传感器可用于检测大气中的各种污染物质，如氮氧化物、颗粒物和二氧化碳等。

5.公共交通：传感器可用于实时监测公路和城市交通状况，为交通管理提供数据支持并增加行车安全性。

四、传感器的未来发展

传感器的未来发展趋势包括下列几点：

1.自主可靠性：未来传感器需要自主判断自身的可靠性，当发现故障或失效时，可以自动切换至备用传感器以保持系统运行。

2.物联网化：未来的传感器需要更好地与互联网和物联网技术结合，实现数据共享和信息处理。

3.能效提高：未来的传感器需要更加节能且具备成本效益。传感器应该使用更高效的能源和技术，同时在不影响精度的前提下，减少功率和能耗。

4.增加测量量程：传感器未来需要增加测量范围，例如，要能够在不同环境中检测更多的物理量。

5.多元化：未来传感器需要更多的多元化功能，例如，增强安全性、改进生产效率、提高医疗保健、促进生态保护等，以解决现实生活中各类问题。

传感器技术正在快速地发展和改进，在未来的科技发展中将扮演重要角色。预计这项技术将会随着各种应用的不断提高，出现越来越多的卓越创新。只要不断加强研究和开发投入，尤其是在小型化、省电化和无线化方面，相信传感器技术可以实现更为广泛，更加自动化和智能化的使用范围和样式。

传感器原理与应用教学计划 <六>

经过比较，可见光灵敏度提高了一倍，非线性大大降低。

9号。尝试分析差动变压器相敏检测电路的工作原理。

答：相敏检测电路的原理是通过相位识别位移的方向。即差动变压器输出的调幅波经相敏检测器检测后，输出既反映位移又反映位移极性的测量信号。相敏检测电路后，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表示位移的大小，正、负电压表示位移的方向。

10个。分析了电感式传感器非线性产生的原因，并提出了改进措施？

答：①原因是改变了空气隙长度

② 改进方法是使初始气隙距离尽可能小，同时灵敏度的非线性也会增大。在这种情况下，最好使用差动传感器，其灵敏度增加，非线性降低。

11号。推导了差动电容传感器的灵敏度，并与单极电容传感器进行了比较。

可见，差动电容传感器的灵敏度是单极子传感器的两倍，非线性也大大降低。

12岁。总结了电容式传感器的优缺点、主要应用场合及使用中应注意的问题。

答：①优点：a温度稳定性好

b结构简单、适应性强

c动响应好

② 缺点：a可以实现平均效果的非接触测量

b输出阻抗高、负载能力差

c寄生电容影响大

③输出特性非线性：

电容传感器作为一种频率响应范围宽、应用范围广、非接触测量的传感器，广泛应用于位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、速度、流量和成分分析等测量领域。

使用时注意绝缘材料的绝缘性能；消除和减小边缘效应；消除和减小寄生电容的影响；防止和减小外部干扰。

13岁。磁电传感器和感应传感器有什么区别？磁电式传感器主要用于测量那些物理参数？

答：磁电传感器是一种通过磁电效应测量并转换成电信号的传感器。

电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化进行测量的装置。

磁电传感器具有频率响应宽、动态范围大的特点。电感式传感器具有交流零位信号，不适合高频动态信号检测，响应速度慢，不适合快速动态测量。

磁电传感器测量的物理参数有：磁场、电流、位移、压力、振动、速度。

14.霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？

答：霍尔模块可测量磁场、电流、位移、压力、振动、速度等。

霍尔模块的不等电位是两输出电极在额定控制电流作用下，无外加磁场时的空载电位，可用输出电压表示。

温度补偿方法：

a分流电阻法：

适用于恒流源供给控制电流的情况。

b电桥补偿法

15.什么是压电效应？压电材料有哪些种类？压电传感器的结构和应用特点是什么？压电传感器可以用来测量静压吗？

答：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体上的力产生的电荷量与外力的大小成正比。

这种现象称为正压电效应。相反，如果在晶体上施加一定的可变电场，晶体本身就会产生机械变形。当外加电场消除时，变形也会消失，这就是所谓的逆压电效应。

压电材料包括：石英晶体、一系列单晶硅、多晶陶瓷、有机高分子材料结构及应用特点：

为了提高压电传感器的灵敏度，通常采用多片压电芯片构成压电元件。根据两片压电片之间的连接关系，可以分为串联和并联两种，可以增加输出电荷，提高灵敏度。

使用时，两片压电芯片上必须有一定的预紧力，以保证压电组件在工作中始终受到压力作用，同时可消除两片压电芯片因接触不良而引起的非线性误差，保证输出信号与输入作用力间的线性关系。

因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，所以压电式传感器不适合静态测量，只需在其上加交变力，电荷就可以不断补充，并给测量电路一定的电流。故压电传感器只能作动态测量。

16岁。为什么压电传感器通常用于测量动态或瞬态参数？

答：如果作用在压电元件上的力是静态的，电荷就会泄漏，无法测量。因此，压电传感器通常被用来测量动态或瞬态参数。

17.什么是光电效应？

a：光照射物体时，物体受到一系列光子的能量轰击，物体材料中的电子吸收光子能量，产生相应的电效应（如电阻率的变化、电子的发射或电动势的产生等）。这种现象称为光电效应。

18.光电效应分为哪几种类型？并列出相应的光电器件？

（1）外部光电效应：光电管和光电倍增管。

（2）内部光电效应：光刻胶、光电二极管、光电三极管。

（3）光生伏特效应：光电池。

19.电偶测温的基本原理和基本定理。

a：热电偶测温原理：热电偶测温原理是基于物理上的“热电效应”。所谓热电效应，是指当不同材料的导体形成闭合电路时，如果两个结点的温度不同，电路中就会产生电动势。

两点间的温差越大，产生的电动势就越大。通过引入适当的测量电路来测量电动势，可以实现对温度的测量。

热电偶三定律：中间导体定律；中间温度定律；参比电极定律

20岁。请列出三种以上可用于测量位移的传感器，并简要说明其原理。如果要测量平面工件的表面高度误差，哪种传感器合适？为什么？

答：（1）变极距型电容传感器：把被测位移的变化转变为电容量的变比，再用转换电路把电容量的变比转换成电流或电压的变比。

（2）霍尔位移传感器：使霍尔元件在一个均匀的梯度磁场中沿x方向移动。此时霍尔电位与位移成正比，且电位极性指示元件的位移方向。

（3）激光干涉传感器：基于激光干涉测长技术，具有精度高，非接触，自动化以及高效率的显著特点，特别适用于精密测量。

采用第三种激光干涉传感器。

传感器原理与应用教学计划 <七>

1系统通信

1ZigBee树簇拓扑网络ZigBee网络的自动动态组网功能及数据传输自动路由功能对实现了系统的灵活机动通信。

图2为ZigBee树簇拓扑网络，其中协调器是首个FFD(全功能设备)，路由器为FFD，终端设备为RFD(精简功能设备)。

除了RFD互相之间不能通信外,其他组合均能相互通信。

2ZigBee收发器图3为典型ZigBee收发器框图，不同ZigBee收发器的设计都必须包含匹配滤波在内的16个功能模块。

采用的匹配滤波(matchedfiltering)是最佳滤波的一种，对信号的匹配滤波相当于对信号进行自相关运算。

采用匹配滤波器处理，可以对传感器采集的信号中存在的工频信号进行突显，对其他信号或噪声进行抑制[3]。

系统中ZigBee收发器采用的是新一代CC2530片上系统解决方案。

CC2530的内核为单周期8051兼容内核，图4为CC2530最小系统设计电路原理图，也是实际收发器模块电路的核心电路部分。

图中电阻R1、R2、R3和电容C6、C7、C8、C9、C10、C11构成匹配滤波。

2驱鸟终端设计

驱鸟终端的组成框图如图5所示。

供电模块给终端供电，检测模块由多个传感器电路组成，负责将外部环境的模拟量转换为数值量输入，核心控制器MSP430F169按设定要求对采集的信息做出对应处理动作，终端上的是ZigBee收发模块实现近距离通信，语音模块及超声波模块为系统输出。

1MSP430最小系统驱鸟终端的核心控制器采用德州仪器的MSP430F169芯片。

MSP430F169从结构上看，包含一个16位的精简指令计算机CPU，多个外围电路和一个用常见的冯诺依曼内存地址总线和内存数据总线连接的灵活时钟系统。

低频辅助时钟直接由32Hz的晶振驱动，能作为后台实时时钟自我唤醒。

MSP430F169的最小系统电路原理图如图6所示。

2电源模块驱鸟终端装置安装在电力塔杆的横担上，可以充分接受阳光，因此采用太阳能供电方式比较适合。

本模块采用太阳能光伏发电，再由12V蓄电池存储电能并为整个系统提供电能。

电源模块由稳压、滤波电路组成，给驱鸟终端的检测模块和ZigBee收发模块提供3.

3V输入电压，给语音模块、LED模块及超声波模块提供5V输入电压。

3检测电路设计多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低[4]。

观察者(Observe)r和发射源(Source)的频率的表达式为：其中，f'为观察到的频率;f为发射源于该介质中的原始发射频率;ν为波在该介质中的行进速度;νo为观察者移动速度，若接近发射源则前方运算符号为+号,反之则为-号;νs为发射源移动速度，若接近观察者则前方运算符号为-号，反之则为+号。

文中采用的是微波移动物体探测器正是基于多普勒效应设计的GH-719模块。

GH-719微波感应位移模块属于非接触探测型模块，抗射频干扰能力强，不受温度，湿度，光线，气流，尘埃影响[5]。

驱鸟终端的设计除了微波感应位移模块外，辅助有时钟模块与温度模块，可以准确地检测到是否为白天有光情况。

图7为检测电路部分原理图,补充加上模数转换电路即可实现GH-719微波感应位移模块的数字信号输出功能。

4ISD1820P语音录放模块语音模块在动作时筛选出对应鸟类的天敌的声音进行驱鸟。

语音芯片采用ISD1820P，内含振荡器、语音话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、扬声器驱动及Flash阵列。

外接电阻能调整录放音时间，还可以借助专用设备批量拷贝语音信息，不耗电，信息可以保存很长时间(大约1)。

考虑到可靠性和市场的普及性，通过对各种无线传输模块的比较后选择ISD1820P芯片，它能方便的实现语音的录音，用户可以方便地对驱鸟有明显效果的语音进行录音，并能通过微控制模块控制语音芯片播放录音。

其电路如图8所示。

3系统软件设计

驱鸟终端通过微波位移感应传感器采集鸟飞临电力杆塔横担附近的位移信号，经过放大滤波电路处理系统启动后，先初始化系统的各个硬件模块，由软件实现驱鸟方式的选择，判断测量值是否满足预设值，若满足按流程驱鸟，不满足则代表没有鸟飞临杆塔的横担附近则进入休眠的低耗能状态。

检测是否有鸟到来便开启天敌声驱鸟，若同时检测到无太阳光或星辰光，根据鸟类视觉定向的特点，开启LED阵列驱鸟。

过一段时间后，是否还能检测到鸟，若不能则系统进入休眠状态;若能则改为超声波驱鸟，同时采集鸟类鸣叫声音，利用ZigBee无线近距离传输、无线远程传输发送有故障杆塔位置、具体时间、光照强度等信息，以便监控中心观察记录。

图9为系统的软件设计流程图。

4结语

本文所设计的系统着眼于电力系统输电线路管理的结构优化及安全性的重要性，通过ZigBee无线近距离传输和GPRS无线远程传输对采集信息及时有效地传输，对飞临电力杆塔横担附近的鸟类录制其声音并对应发出其天敌的声音进行驱赶，

而当该系统对天敌声音失效下情况下，发出超声波达到相同效果，监控中心收集实时运行状态，可以更及时，更高效维护驱鸟装置，省时省力，大大的降低了定期排查的人力成本，预留的I/O口可以满足后期扩展和开发的需要。

作者：彭龑戴毓虎单位：四川理工学院自动化与电子信息学院

传感器原理与应用教学计划 <八>

大三暑期传感器原理实习报告
应变式加速度传感器设计
——大三暑期传感器原理实习报告
(西南交大机械制造及自动化张其美19990780)
1、设计任务及技术指标
应变式加速度传感器的结构设计、特性曲线绘制等。
测量范围：20g；精度：1；尺寸：原创：不大于；频响：0.1~100hz；重量：不大于20g；共桥电压：5v~24v（dc）。
2、结构设计
（1）采用等强度梁结构；
（2）材料选择及尺寸确定；
a、壳体及质量块选用碳钢
弹性模量：（与疲劳破坏有关）
泊松比：
b、弹性元件（梁）选用铍青铜（或硅梁）
弹性模量：
密度：
抗拉强度：
c、许用应力：（简单梁）取
（3）设计计算；
设计原则：
a、在最小载荷f和相应的最大绕度或位移为已知时，可先根据结构要求确定长度，然后在计算和。
b、设计时先保证有足够的灵敏度，然后在尽可能提高（固有频率）
c、质量块相对于基座的位移可按下列原则确定：
当时，，其中a为被测加速度。
设计步骤：
a、先估计，忽略，确定。
取，则
b、估计和
取
c、确定
d、求
则，
e、计算参数；
取，
1、梁根部应变：
3、静态灵敏度：（与应变片布置有关）双臂工作时，
4、动态灵敏度：
5、梁自由端的静绕度：
6、梁自由端的动绕度：
7、传感器的固有频率：
8、可测最大加速度：
（4）幅频特性计算：要求绘制幅频曲线
a、刚度：
b、质量；
c、阻尼比：，取0.6~0.7内。
d、有阻尼固有频率：
e、幅频曲线：
f、相频曲线：
（五）应变片的选择：
1、应变片的选择：选用小型硅应变片，参考规格：额定电阻：120；
灵敏度系数：；尺寸：；
最大工作电流：。
2、电桥输出灵敏度：（1）电桥的结构；等臂、差动。
a、单臂：
b、双臂差动：
c、四臂差动：：

传感器原理与应用教学计划 <九>

深圳市东日瀛能科技****

class="txt">有机物传感器有机物voc传感器

有机传感器有机voc传感器特点：

★内置微型气泵，安全轻便

★体积小、重量轻、防水、防爆、防震设计

高精度、高分辨率、快速响应

大容量可充电锂电池可长时间连续工作

★数字液晶背光显示、声光、振动报警功能

★上下限报警值可任意设定，具有零点和目标点校准功能，内置

温度补偿，维护方便.

★范围广，最大值可显示为50000ppm，100.00％vol，100％lel

数据恢复功能，避免误操作带来的后顾之忧

可以设定显示值的放大倍数，重启恢复正常

★外壳采用特殊材料和工艺制造，不易磨损和清洁，长期使用后光亮如新

有机传感器有机voc传感器产品特点：

★内置微型气泵的高精度手安全便携设备；

★进口电化学传感器抗干扰性能好，使用寿命可达3年；

★微处理器技术先进，响应快，测量精度高，稳定性和重复性好；

★检测现场具有现场声光报警功能，气体浓度超标即时报警，是危险现场作业的安全保障;★现场带背光大屏幕lcd显示，直观显示气体浓度/类型/单位/工作状态等;

全量程温度数字自动跟踪补偿，保证测量精度；

半导体纳米工艺超低功耗32位微定位仪；

★全软件自动校准,传感器多达6级目标点校准功能,保证测量的准确性和线性,并且具有数据恢复功能;★全中文/英文操作菜单,简单实用,带温度补偿功能;

★高浓度气体冲击自动保护功能；

有机物传感器有机物voc传感器技术参数：

有机物传感器有机物voc传感器简介：

有机物传感器有机物voc传感器报警器高精度、高分辨率，响应快速，超大容量锂电充电电池，采样距离远，lcd背光显示，声光报警功能，上、下限报警值可任意设定，可进行零点和任意目标点校准，操作简单，具

有误操作数据恢复功能.

有机物传感器有机物voc传感器应用场所：

医药科研、学校科研、制药生产车间、烟草公司、环境检测、楼宇建设、消防报警、污水处理、石油石化、化工厂、冶炼厂、钢铁厂、煤炭厂、热电厂、锅炉房、加气站、垃圾处理厂、隧道施工、输油管道、航空航天、工业气体过程控制、室内空气质量检测、地下燃气管道检修、危险场所安全防护、军用设备检测等。

传感器原理与应用教学计划 <十>

—0：测量的定义？

答：测量是确定测量值或获得测量结果的一系列操作。因此，计量是将被测标准量与同一性质的标准量进行比较，确定被测标准量的倍数。

1-1：测量值的绝对误差、相对误差和参考误差是多少？

答：绝对误差是测量结果与真值之差,

1—0：测量的定义？

答：测量是确定测量值或获得测量结果的一系列操作。因此，计量是将被测标准量与同一性质的标准量进行比较，确定被测标准量的倍数。

1-1：测量值的绝对误差、相对误差和参考误差是多少？

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测量真值的比值，通常用百分数表示，

即：相对误差=绝对误差/测量值×100%

参考误差是绝对误差与测量范围的比率，用百分比表示，

即:引用误差=绝对误差/量程×100%

1—2什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？

答：测量误差是测量值减去测量真值。

测量误差表达式：绝对误差、实际相对误差、参考误差、基本误差、附加误差。测量误差表达式：绝对误差、实际相对误差、参考误差、基本误差、附加误差。

当被测量大小相同时，常用绝对误差来评定测量准确度；相对误差常用来表示和比较测量结果的准确度；引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，基本误差、附加误差适用于传感器或仪表中。

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x-l=142-140=2(kpa)

实际相对误差

标称相对误差

引用误差

1-10节流元件（孔板）开孔直径d20的尺寸已测量15次。测量数据如下（单位：mm）：

120.42120.43120.40120.42120.43120.39120.30120.40

120.43120.41120.43120.42120.39120.39120.40

利用grubbs准则判断上述数据是否含有粗差，并写出测量结果。

解：对测量数据列表如下：

当n=15时，如果置信概率p=0.95，查表可以得到grubbs系数g=2.41。

则，所以为粗大误差数据，应当剔除。然后重新计算平均值和标准偏差。

当n=14时，如果置信概率p=0.95，查表可以得到grubbs系数g=2.37。

则，所以其他14个测量值中没有坏值。

计算算术平均值的标准偏差

所以，测量结果为：

1－14交流电路的电抗数值方程为

当角频率，测得电抗为；

当角频率，测得电抗为。

试用最小二乘法求电感、电容的值。

解法1：

，设，，则：

所以，系数矩阵为，直接测得值矩阵为，

最小二乘法的最佳估计值矩阵为。

其中，所以，

所以＝所以，

解法2：

，设，，则：

所以，系数矩阵为，

则，由（1－39）式决定的正规方程为

其中，所以，

所以，所以，

2－1：什么是传感器？它由哪几部分组成？它的作用及相互关系如何？

a：传感器是能够感测指定的被测信号，并根据一定的规则将其转换成可用的输出信号的装置或装置。

通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感其中能够直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感其中能够将被测量的敏感元件的感受或响应转换为适合传输或测量的电信号的部分。

[答：]1。传感器是一种能够感知指定的被测信号并根据一定的规则将其转换成可用输出信号的装置或装置。

传感器原理与应用教学计划 <十一>

工业热电偶温度传感器选型标准是如何界定的呢，一般是以现场为主，通常现场的要求会被忽视或谈化，因为现场工程师没有正确理解，也许没有从深度去考虑，所以在选型时一定认真了解现场的实际使用情况，正确去选择热电偶温度传感器，主要是根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。

使用温度在1300~1800℃，因为温度范围的理解也要正确理解，比如：1300~1800℃，是指的实际使用温度：还是最高温度？所以正确的说法是：0~1300℃，0~1800℃，这个说法更精确一些，要求精度又比较高时，一般选用S或B型热电偶温度传感器；要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800℃一般选用钨铼热电偶；在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400℃一般用E型热电偶温度传感器；250℃下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。

热电偶温度传感器是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：

①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶温度传感器最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用，J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛，若使用气密性比较好的保护管，对气氛的要求就不太严格。

线径大的热电偶温度传感器耐久性好，但响应较慢一些，对于热容量大的热电偶，响应就慢，测量梯度大的温度时，在温度控制的情况下，控温就差。要求响应时间快又要求有一定的耐久性，选择铠装偶比较合适。

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

常用热电偶温度传感器可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶温度传感器，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶温度传感器在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

（2）热电偶的'结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： ① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

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④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

4、测量对象的性质和状态对热电偶的选择运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高，有化学污染的气氛要求有保护管，有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。选型流程：型号--分度号―防爆等级―精度等级―安装固定形式―保护管材质―长度或插入深度

3．热电偶温度传感器冷端的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较特殊，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控

制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶温度传感器补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。

传感器原理与应用教学计划 <十二>

一、填空题(每空1分，共15分)

1. ON-OFF型微动开关 2.电子扫描 3.材料压阻系数

4.金属5.磁头所处的位置

6.动态性能 7.标准测试系统 8.不失真测量 9.温度差

10.低

11..RC网络 12.交流 13.地址译码器 14.细分 15.0

二、单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个

正确答案，并将正确答案的序号填在题干的括号内。

每小题1分，共15分)

1.(C) 2.(C) 3.(C) 4.(D) 5.(B) 6.(B) 7.(A) 8.(A) 9.(A) 10.(D)

11.(A) 12.(C) 13.(B) 14.(C) 15.(D)

三、问答题(每小题5分，共30分)

1.在静态测量中，根据测量系统输入量与对应输出值所绘

制的定度曲线可以确定那些静态特性? 在静态测量中，

根据绘制的定度曲线，可以确定测量系统的三个静态特

性：灵敏度，非线性度，回程误差。

2.设载波的中心频率为f0试根据图a、图b所示调制信号

定性画出相应调频波波形。

调频波波形频率f与中心频率f0和调制波幅值的关系f=f0±Δf,Δf为频率偏移，与X(t)幅值成正比。

3.回答下列函数哪些是周期函数、哪些是非周期函数：

xω

1(t)=sin3ωt，x2(t)=e-t，x3(t)=esint，x4(t)=δ(t)，

x5(t)=sin??1?

?2t??

x1(t) x3(t) x5(t)周期函数，x2(t) x4(t)非周期函数

4.简述两类扭矩的测量原理及举例说明相应的扭矩传感

器。

1)轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变，可通过测量该应变检测扭矩，如电阻应变式扭矩传感器。

2)弹性转轴受扭后，两端面的相对转角只与所承受的扭矩有关，且呈比例关系，可通过测量扭转角测量扭矩，如电容式或光电式扭矩传感器。

5.简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。 (1)贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳； (2)在复合载荷下测量，能消除相互干扰； (3)考虑温度补偿作用；单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温度补偿作用。 6.涡流式传感器测量位移与其它位移传感器比较，其主要优点是什么?涡流传感器能否测量大位移量?为什么? 优点：能实现非接触测量，结构简单，不怕油等介质污染。

涡流传感器不能测量大位移量，只有当测量范围较小时，才能保证一定的线性度。四、计算题(每小题8分，共24分) 1.已知测量齿轮齿数Z=18，采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速(如图所示)。若测得输出电动势的交变频率为24(Hz)，求：被测轴的转速n(r/min)为多少?当分辨误差为±1齿时，转速测量误差是多少?

(1)测量时，齿轮随工作轴一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次，因此，线圈感应电动势的变化频率f等于齿轮的齿数Z与转速n的乘积。

f=nZ/60

60fZ=60?24

=80(r/min) (2)读数误差为±1齿，所以应为1

转，即：

n=80±1

(r/min)

2.由RC组成无源低通滤波器，已知R=500(Ω)，C=10(μF)，试求：

(1)截止频率f0，并画出该滤波器的幅频示意图。

(2)设输入信号x(t)=0.2cos?

????125.6t?4??

,判断其是否在该

滤波器的通频带内。

(1)f11

0=2?RC?2??500?10?10?6?318.(HZ)

幅频示意图：

(2)周期信号x(t)的角频率ω=125.6

f?1256.1=2??2?

?20(HZ)?f0 信号x(t)的频率在该滤波器的通频带内。

3.试绘出x(t)=2cos(2πf0t)+3的时域图和频域图。

由于1?δ(f) 3?3δ(f) 又 2cos(2πf0t)?δ(f-f0)+δ(f+f0)

根据傅里叶变换的线性叠加原理：

2cos(2πf0t)+3?δ(f-f0)+3δ(f)+δ(f+f0)时域图见图a，频域图见图b

五、应用题(每小题8分，共16分)

1.试用双螺管线圈差动型电感传感器做成一个测力传感器。

(1)用简图说明该传感器的结构，并简要说明其作用原理；

(2)用图说明两个线圈在电桥电路中的接法。

(1)传感器的结构如图a所示，它由传力块、弹性圆桶、双螺管线圈、衔铁、传感器座等几部分组成。原理：被测力F通过传力块作用在弹性圆桶上，弹性圆桶的变形带动衔铁移动，使双螺管线圈的'电感量发生变化，从而实现力的测量。

(2)电桥的接法如图b所示：

2.如图所示，轴工件用前后顶尖支承纵向磨削外园表面，在加工过程中，径向力Py和切向力Pz大小基本不变，但着力点位置沿轴向移动，现在前后顶尖上粘贴电阻应变片测量工件所受的Pz。

(1)在图中标明应变片的位置及Pz的测量电桥。 (2)着力点移动对测量结果有无影响?为什么?

(1)应变片(R1、R2、R3、R4)粘贴位置如图a所示；测量电桥如图b所示。

(2)根据以上位置布片和电桥接法，着力点位置的变化不会影响Pz的大小，因为在顶尖上的分力Pz1、Pz2，Pz=Pz1+Pz2，由Pz1、Pz2引起的电阻R1、R3的变化值之和

保持不变，故Pz的测量不受着力点的移动而改变。

传感器原理与应用教学计划 <十三>

一．【教材分析】：

《6.1 传感器及其工作》是新人教版高中物理选修3-2第六章第一节的教学内容，主要学习一些简单传感器，以介绍为主，课程内容比较简单。

二．【教学目标】

一、知识与技能：

（1）、了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；

（2）、知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的工作原理。

（3）、了解传感器的应用。

二、过程与方法：

通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。

三、情感、态度与价值观：

（1）、体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。

（2）、通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。

三．【教学重点】：理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。

【教学难点】：分析并设计传感器的应用电路。

四．学情分析：

从上世纪八十年代起，国际上出现了“传感器热”，传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。本课的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。学生对传感器了解较少，教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。

五．【教学方法】：实验、探究、讨论

六．【教学用具】：干簧管，磁铁，光敏电阻、热敏电阻演示仪、传感器简单应用实验盒、万用表。

七．【课时安排】1课时

八．【教学过程】

预习检查、总结疑惑

检查落实了学生的预习情况并了解了学生的疑惑，使教学具有了针对性

一、引入新课：

今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的？楼梯上的电灯如何能人来就开，人走就熄的？工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐华夏大地时，机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的？所有这些，都离不开一个核心，那就是本堂课将要学习的传感器。

二、新课教学

1．什么是传感器

演示实验1：如图1所示，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，当把磁铁放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移开，灯泡熄灭。

提问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？

学生猜测：盒子里有弹性铁质开关。

师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图（图2），了解元件“干簧管”的结构。探明原因：当磁体靠近干簧管时，两个由软磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引，电路导通，干簧管起到了开关的作用。

教师点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。

演示实验2：教师出示一只音乐茶杯，茶杯平放桌上时，无声无息，提起茶杯，茶杯边播放悦耳的音乐，边闪烁着五彩的光芒。

教师提问：音乐茶杯的工作开关又在哪里？开启的条件是什么？

学生猜测：在茶杯底部，所受压力发生改变。

实验探究：提起茶杯，用手压杯的底部，音乐并没有停止。

学生猜测：是由于光照强度的改变。

实验探究：用书挡住底部（不与底部接触），音乐停止，可见音乐茶杯受光照强度的控制。

师生总结：现代技术中，我们可以利用一些元件设计电路，它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。

教师提问：实验1中的干簧管是怎样的传感器，实验2音乐茶杯中所用的元件又是怎样的传感器？

学生回答：干簧管是一个能感受磁场的传感器，音乐茶杯中所用的元件是能感受光照强度的传感器。

传感器的工作原理如下图所示：

2、认识一些制作传感器的元器件

（1）探究光敏电阻的特性

学生实验1：学生五人一组，用万用电表的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在暗环境和强光照射下进行。

①、将光敏电阻与万用表的欧姆档按右图所示连成电路

②、将光敏电阻受光面置于有光线照射的地方，观察万用表的读数，把光敏电阻的阻值填入现表中。

光敏电阻光照情况较亮稍暗较暗黑暗

光敏电阻的阻值（Ω）

③、用黑纸片将光敏电阻的透光窗口的遮住，移动黑纸片，使光敏电阻受到的光线出现较亮、稍暗、较暗、黑暗几种情况，观察几种情况下光敏电阻的阻值变化，并把相应的阻值填入下表。

④、结论：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。

师生总结：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

简单介绍：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。有些物质，例如硫化镉，是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。

（2）探究金属热电阻和热敏电阻的特性

提问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？

回答：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多。

演示实验4：如图6所示，AB间接有一段钨丝（从旧日光灯管中取出），闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时，灯泡亮度明显变暗。

学生探究：钨丝的电阻随温度的升高而增大。

师生总结：用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。

学生实验2：学生五人一组，探究热敏电阻的阻值大小与温度的关系。

实验器材：NTC热敏电阻，万用表，温度计，水杯，凉水和热水。

实验方案：按照如图所示的电路将热敏电阻接入电路，将万用表选择开关置于欧姆档，用温度计测量温度，用万用表测量不同温度下的电阻。

实验步骤：

①、按上述电路连接电路

②、取半杯热水，将热敏电阻及温度计放入热水中

③、同时测量并记录水温和电阻值

④、倒入少许冷水，改变杯中的水温，在同时测量水温和电阻值，填入下表：

实验数据：

次数12345

温度（℃）

电阻（Ω）

实验结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度变化非常明显。

师生总结：半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。

师生总结比较：金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

（3）霍尔元件

教师介绍：霍尔元件是在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极E、F、M、N而成（如图7所示）。若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压U。

师生讨论：霍尔元件的上的电压U与电流I、磁感应强度B的`关系，设霍尔元件长为a，宽为b，厚为d，则当薄片中载流子达到稳定状态时，，即，又因，所以，即（为霍尔系数）。因此，我们就可以根据电压U的变化得知磁感应强度的变化。

师生共析：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

【课堂总结】

传感器是指一些能把光、力、温度、磁感应强度等非电学量转化为电学量或转换为电路的通断的元器件，它在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。日本把传感器技术列为上世纪八十年代十大技术之首，美国把传感器技术列为九十年代的关键技术，而我国有关传感器的研究和应用正方兴未艾……

【布置作业】

1．观察与思考：日常生活中哪些地方用到了传感器，它们分别属于哪种类型的传感器，它们的工作原理如何？

2．实验设计：用热敏电阻、继电器等器材设计一个火警报警器。

3.P55，思考与练习2题完成填表。

九．【板书设计】

传感器原理与应用教学计划 <十四>

(12+7+7=26)

1.分析(12分)：有四片完全相同的金属应变片(灵敏系数为2、泊松比为0.3、电阻120)和一个等截面悬臂梁

(长l=15cm、宽b=2cm、厚h=0.5cm，弹性模量E为：2×107N/cm2)，要构成一个称重传感器。问:(1)悬臂梁上如何布置应变片、如何接成电桥，能使得应变最大且传感器的输出电压灵敏度最高;画出相应的布片示意图和接桥电路。(2)分析说明环境温度变化时，这个方案的测量结果是否变化。(3)电桥供电电压为5V时，若电桥输出电压为2.25mV，被测重量为多少? (不计横向效应影响，应变 x6lxF，其中lx为应变片粘贴处到梁的自由端的距离。应变片长度相对于lx可忽略。) 2bhE

2.简单方案设计(任选二题，每题7分，共14分)

1)设计一种可用于在有油污、灰尘或雨水等的环境下能测量车轮轴转速的传感器系统方案。请说明选用何种工作原理的传感元件，给出系统组成简略示意图，说明测量方法及改善测量精度的措施。

2)需要用间接测量方式来测量一个大直径金属圆柱体的直径，请选择适当原理的传感器件、设计组合传感器测量系统方案。画出系统组成示意图、说明系统工作原理。

3)一个简单的家居智能系统要求：有盗贼从大门进入时可及时发现，并能提示盗贼可能携带有刀、枪等金属器械; 当玻璃窗被砸坏时能及时报警; 当厨房失火时能及时报警;

试：①选择合适的传感器进行合理的安装完成以上功能;

传感器原理与应用教学计划 <十五>

山体破坏和发展过程可以看作为裂纹扩展的过程,为了解决山体微裂缝变形动态监测问题,研究了一种薄盒式岩体裂缝光纤传感器,文中给出了其结构设计,并对该薄盒式岩体裂缝光纤传感器的性能进行了位移和压力两项室内试验研究,同时还对相应的二次仪表进行了研究与试验,结果表明:所研究的薄盒式岩体裂缝光纤传感器,具有可靠、实用和高灵敏度等特点,对于山体或其它裂缝工程体(如水坝)的'变形发展、失稳的机理研究和早期预报,将是一种良好的传感监测设备,具有较好的工程应用价值.

作者：作者单位：刊名：中国地质灾害与防治学报英文刊名：THE CHINESE JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARD AND CONTROL 年，卷(期)： 20(3) 分类号：P642 关键词：岩体薄盒式裂缝光纤传感器设计与试验 rock-mass a thin cassette crack optical fiber gauge design and experiment

传感器原理与应用教学计划 <十六>

汽车文化教学课件

汽车，这是一个家喻户晓的名词，是一种驰骋世界的工具，是一方历史悠久的文化，更是一类风靡全球的潮流。它来源于人们对于“打破空间、时间限制”的需求。它的出现给人类的发展提供了便利，提升了时间的价值。汽车作为现代交通工具不可或缺的一份子，与人们的生活息息相关。所以，对于汽车的认识，已成为我们生活中的常识。

一、中国的车文化的变迁与汽车文化的发展

虽然汽车起源于欧洲，但在中国古代车文化就已经产生并发展壮大，中国古代的车文化对于现代的汽车文化也具有深远的影响。在中国历史变迁中，车的变迁，可谓与人们生活息息相关，都具有时代个性，代表着一种文化背景和品位。车的发展由简到繁、由人畜力到机械、由慢到快的沧桑巨变，在我国就有几千年的历史。

中国古代英雄好汉驰骋沙场英勇杀敌骑的是马;后来应皇上出游或战争的需要，人们发明马、牛、驴拉的.两轮车，从兵马桶的出土和许多古迹壁画上也恰恰反映了这点。到了汉代，四川民间出现了“鸡公车”是用硬木制造而成，在独轮两侧安设车架，用于载人或者载物，长大约4村，由一人掌握两个车把推动前进，也可以前拉后推，车子看着小巧，却可以载重几百斤。“鸡公车”因为是独轮着地，不管平原还是山地小道都可以畅行无阻，这是一种胜过人力担挑和畜力驮载的既经济又实用的交通运输工具，更是人类交通史上一项重要发明。到了三国时期，诸葛亮发明了“木牛流马”。在《三国演义》中提到 “司马懿占北原谓桥，诸葛亮造木牛流马。”这一项发明比“鸡公车”进了一大步，可以爬坡上坎。到了宋代，“鸡公车又进行了一次改革，一人掌握变成两旁扶推，前面用驴拉，这就称为“串车”。到了明代，在“串车”的基础上加上拱形的席作顶，用来拉客，被称为“双缱独轮车”。到了清代，在明代的基础上增加了风帆，巧妙地利用了风力。在战争时期，将粮草运往前线，起到巨大的作用。到了20世纪初，城市里出现了双轮的人力黄包车，可以说翻开了城市客运的新篇章，通行便捷，至今仍然是城市客运的一道亮丽的风景，颇受旅游者青睐。

作为新时代的人类，相信没有人会拒绝时代的产物。在中国，汽车产业的兴起更是带动了成千上万个子产业的发展。由此可见，我国汽车产业对我国经济发展具有重大而深远的意义。

1929年5月我国第一辆汽车在沈阳问世，由张学良掌管的辽宁迫击炮厂制造而成，命名为民生牌75型汽车，这一次试验成功开辟了中国自制汽车的先河，为我国现代汽车行业的崛起奠定了基础。自1953年7月第一汽车制造厂动工兴建，1956年7月投产，1957年7月13日我国生产出了第一辆载货用的汽车，被称为解放牌汽车。1958年5月，我国第一汽车制造厂自行研制设计生产了第一辆红旗牌轿车，被誉为“东方神韵”。

中国汽车工业发展我认为大致可以分成三个阶段：第一个阶段，1953中国汽车行业的诞生到1978年改革开放前。中国第一次正式建造汽车的这一阶段初步奠定了汽车工业发展的基础。第二个阶段，1978年到20世纪末。在这一阶段中国汽车工业获得了长足的发展，形成了完整的汽车工业体系。从载重汽车到轿车等各类汽车都有了全面发展。而这一阶段也被称为是我国汽车工业由计划经济体制向市场经济体制转变的转型期。第三个阶段，进入21世纪以后。中国汽车工业在中国加入WTO，全面融入世界的汽车工业体。

二、欧洲汽车文化的发展

汽车作为工业文明之境，深刻的反映了社会的变迁。16由荷兰工程师史文发明制造，顺风时速可达30km的世界上最早的“风力大车”。1769年法国陆军技术军官居诺花了6年时间制成，时速为4km世界上最早的一辆蒸汽汽车。1860年卡尔-本茨制造了世界上第一辆汽油汽车。

回顾欧洲的历史，我们不难发现赛车的“竞赛”意识是深植在他们的文化中。欧洲作为汽车产生的先驱者，其政治文化多起源于古希腊，在政治方面 “竞争”成为整个欧洲政治体制主流;在民俗方面，赛马等竞技体育竞赛转化为风靡全球的赛车运动，并成为了欧洲汽车文化的核心。因此我们发现其汽车工业的发展与赛车是不可分割的。因为赛场是检测一辆车的性能、品质和安全性极好的场所，这是现代意义上的汽车。

三、汽车文化的发展带来的利弊

汽车的出现对于我们的影响是巨大的，这一点是毋庸置疑的，无论世界各国的汽车形态、功能有什么差异。随着科学技术的不断提高，汽车的速度、性能等也不断提升，人们的生活节奏也不断发生改变。在人类社会的发展中，汽车从诞生到融入社会机体，不断地改变着人类的各个方面，凝聚并丰富着人类文化，推进着人类文明进程。汽车文化遍及在社会生活中的各个角落，成为现代文明的重要体现。随着汽车技术的不断发展和人们生活的不断追求，汽车文化的内容和形式会不断延伸，将越来越深入地改变世界，影响人们的社会生活。

当然无论什么东西，什么事情，它总是有利有弊的，汽车也是一样。人类在享受汽车文明的同时，也承受着汽车社会所带来的能源、环境和安全等负面影响。汽车排放的汽车尾气无时无刻不再污染着我们呼吸的空气，汽车的噪音在一定程度上也危害了我们的身体健康，汽车行驶中发生的交通事故也危害着人们的身体和财产。

我认为只有建立健康和谐的汽车文化，人类才能更好地享受汽车文明，才能更快实现人车和平共处，达到“人车合一”的理想境界。我相信随着中国经济的高速发展，科技的不断进步，汽车文化的逐步完善，中国的汽车强国之路将势不可挡，我们也终将走进真正的汽车时代!

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