南京航空航天大學《傳感器原理與檢測技術》知識點筆記

南京航空航天大學《傳感器原理與檢測技術》知識點筆記第一章導論：傳感器的基本概念與發(fā)展1.1傳感器的定義與作用定義：傳感器是將物理量、化學量、生物量等非電量轉化為電信號或其他可測量量的器件或裝置。作用：實現(xiàn)對外界環(huán)境的感知，是物聯(lián)網(wǎng)、自動控制、智能系統(tǒng)的基礎。用于信號采集與測量，為現(xiàn)代工程提供核心技術支持。1.2傳感器的分類按測量對象分類：物理傳感器：如壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器等。化學傳感器：如氣體傳感器、濕度傳感器等。生物傳感器：如血糖傳感器、DNA傳感器等。按工作原理分類：電阻式、電容式、電感式、壓電式、光電式、熱電式等。按輸出信號分類：模擬傳感器、數(shù)字傳感器。1.3傳感器技術的發(fā)展傳統(tǒng)傳感器：基于機械、電氣和簡單電子技術的傳感器。智能傳感器：集傳感、處理、通信功能為一體的傳感器。微納傳感器：基于MEMS（微機電系統(tǒng)）和NEMS（納機電系統(tǒng)）的傳感器，體積小、精度高。未來趨勢：向集成化、智能化、網(wǎng)絡化、低功耗方向發(fā)展。第二章傳感器的基本特性2.1靜態(tài)特性靈敏度：單位輸入變化引起的傳感器輸出變化。線性度：傳感器實際輸入-輸出特性與理想線性特性之間的偏離程度。量程：傳感器可測量的輸入量變化范圍。分辨率：傳感器能感知的最小變化量。遲滯：傳感器的輸出對相同輸入在不同變化方向上的偏差。漂移：傳感器輸出隨時間或環(huán)境條件變化的變化量。2.2動態(tài)特性時間常數(shù)：傳感器對輸入變化作出響應所需的時間。頻率響應：傳感器對不同頻率輸入信號的響應能力。動態(tài)范圍：傳感器能夠準確測量的信號幅度范圍。2.3誤差分析系統(tǒng)誤差：由設計或制造缺陷引起，通?？赏ㄟ^校正減少。隨機誤差：由于外界環(huán)境的隨機波動或噪聲引起，無法完全消除。非線性誤差：傳感器輸出與輸入的偏離程度。溫度誤差：傳感器性能隨溫度變化的影響。第三章傳感器的工作原理3.1電阻式傳感器基本原理：利用被測量引起的電阻變化轉化為電信號。典型類型：應變電阻傳感器：用于測量力、壓力、位移等。熱敏電阻傳感器：用于測量溫度，具有負溫度系數(shù)或正溫度系數(shù)特性。濕敏電阻傳感器：用于濕度測量。優(yōu)點：結構簡單、成本低、靈敏度高。缺點：非線性誤差大，易受溫度影響。3.2電容式傳感器基本原理：通過被測量引起的電容變化測量物理量。典型應用：測距、電容式壓力傳感器、振動測量。優(yōu)點：靈敏度高、動態(tài)響應好、無遲滯。缺點：易受外界電磁干擾。3.3電感式傳感器基本原理：利用被測量引起的電感量變化進行測量。典型應用：差動變壓器式傳感器：用于位移測量。磁感應傳感器：用于速度和加速度測量。優(yōu)點：高靈敏度，適用于動態(tài)測量。缺點：結構復雜，受電磁干擾較大。3.4壓電式傳感器基本原理：利用某些晶體材料在受力時產(chǎn)生電荷的特性。典型應用：振動傳感器、加速度傳感器、超聲波傳感器。優(yōu)點：動態(tài)響應快、靈敏度高、頻率特性好。缺點：對靜態(tài)信號測量能力有限。3.5光電式傳感器基本原理：利用光的強度、波長或相位的變化進行測量。典型應用：光電開關、光纖傳感器、光學位移傳感器。優(yōu)點：抗干擾能力強、測量精度高。缺點：成本較高，安裝條件要求較高。3.6熱電式傳感器基本原理：利用熱電效應將溫度變化轉化為電信號。典型應用：熱電偶：測量高溫。熱電阻：測量中低溫。優(yōu)點：溫度范圍廣，動態(tài)性能好。缺點：靈敏度低，需校準。第四章傳感器的信號調(diào)理與采集4.1信號調(diào)理電路放大電路：用于放大弱信號，常用運算放大器構成。濾波電路：用于濾除噪聲信號，包括低通、高通、帶通和帶阻濾波器。信號轉換電路：實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號之間的轉換。補償電路：消除因溫度、壓力等環(huán)境變化引起的誤差。4.2數(shù)據(jù)采集與處理模數(shù)轉換（ADC）：將模擬信號轉化為數(shù)字信號，便于處理和傳輸。數(shù)據(jù)處理：包括信號去噪、特征提取、信號融合等。通信技術：采用I2C、SPI、UART等通信協(xié)議，實現(xiàn)傳感器與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。4.3智能傳感器定義：集傳感、信號處理和通信功能于一體的傳感器。特點：數(shù)據(jù)采集精度高。集成化設計，易于部署。支持無線通信與網(wǎng)絡化操作。應用：廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)自動化等領域。第五章常見傳感器類型與應用5.1溫度傳感器類型：熱電偶、熱電阻、紅外溫度傳感器等。應用：工業(yè)測溫、醫(yī)療體溫檢測、環(huán)境監(jiān)測。5.2壓力傳感器類型：壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器等。應用：液位測量、油壓監(jiān)測、航空航天。5.3加速度與振動傳感器類型：MEMS加速度傳感器、壓電式振動傳感器。應用：車輛穩(wěn)定性監(jiān)控、建筑結構健康檢測、地震監(jiān)測。5.4光電與圖像傳感器類型：CCD、CMOS圖像傳感器。應用：機器視覺、自動駕駛、安防監(jiān)控。5.5氣體傳感器類型：電化學氣體傳感器、半導體氣體傳感器。應用：空氣質(zhì)量監(jiān)測、工業(yè)氣體泄漏檢測。第六章傳感器的測試與標定6.1測試方法靜態(tài)測試：測量傳感器的靜態(tài)特性，如靈敏度、線性度。動態(tài)測試：測量傳感器的動態(tài)特性，如時間常數(shù)、頻率響應。6.2標定技術標定目的：消除傳感器的系統(tǒng)誤差，提高測量精度。標定方法：靜態(tài)標定：對輸入和輸出關系進行靜態(tài)校正。動態(tài)標定：分析動態(tài)特性，通過數(shù)學模型進行修正。6.3校準標準溯源性：標定結果應溯源至國際單位制（SI）或權威標準。環(huán)境控制：標定環(huán)境需滿足特定溫濕度條件，避免外界干擾。第七章傳感器技術的未來發(fā)展7.1微納傳感器特點：尺寸小、能耗低、精度高。應用：醫(yī)學植入設備、納米機器人、物聯(lián)網(wǎng)設備。7.2無線傳感器網(wǎng)絡定義：由大量傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡，通過無線通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸。特點：低功耗、分布式、自組織。應用：環(huán)境監(jiān)測、智慧城市、軍事監(jiān)控。