傳感器 清華大學：傳感器與檢測技術-周杏鵬-清華大學出版社 (5)

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1、第第5章章 常用物性型傳感器常用物性型傳感器第第5章章 常用物性型傳感器常用物性型傳感器5.2 壓電式傳感器壓電式傳感器5.1 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 5.3 光電式傳感器光電式傳感器5.1 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 5.1.3 溫度補償原理與方法溫度補償原理與方法5.1.1工作原理工作原理5.1.2 結構與類型結構與類型 壓阻式傳感器是利用固體的壓阻效應制壓阻式傳感器是利用固體的壓阻效應制成的，主要用于測量壓力、加速度和載成的，主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數。壓阻式傳感器有兩種類型，荷等參數。壓阻式傳感器有兩種類型，一種是利用半導體材料的體電阻做成粘一種是利用半導體材料的體電阻做成粘

2、貼式的應變片，這在第四章的電阻應變貼式的應變片，這在第四章的電阻應變式傳感器中已介紹過。另一種是在半導式傳感器中已介紹過。另一種是在半導體的基片上用集成電路工藝制成擴散型體的基片上用集成電路工藝制成擴散型壓敏電阻，用它作為傳感元件制成的傳壓敏電阻，用它作為傳感元件制成的傳感器，稱感器，稱固態壓阻式傳感器固態壓阻式傳感器，也叫，也叫擴散擴散型壓阻式傳感器型壓阻式傳感器。5.1 壓阻式傳感器壓阻式傳感器5.1.1 工作原理工作原理 在第4章已講過，任何材料發生變形時電阻的變化率由下式決定： 對于半導體材料而言，R/R=(1+2)+/=(1+2)+，它由兩部分組成：前一部分(1+2)表示由尺寸變化所

3、致，后一部分表示由半導體材料的壓阻效應所致。實驗表明：1+2，也即半導體材料的電阻值變化主要是由電阻率變化引起的。因此可有： 其中，表示壓阻系數壓阻系數。半導體電阻率隨應變所引起的變化稱為半導體的壓阻效應半導體的壓阻效應。2. 晶向的表示方法晶向的表示方法 擴散型壓阻式傳感器的基片是半導體單晶硅，而單晶硅是各向異性材料，取向不同時特性也不一樣。取向是用晶向來表示的，所謂晶向就是晶面的法線方向，晶向的表示方法有兩種，一種是截距法截距法，另一種是法線法法線法。 對于圖5-1所示的平面，如果用截距法，可表示為 如果用法線法，可表示為 半導體材料（一般是單晶硅），沿三個晶軸方向取出一微元素，單晶硅上受

4、到作用力時，微元素上的應力分量應有9個（如圖5-3所示），但剪切應力總是兩兩相等的，即有：23=32，13=31，12=21，9個分量中只有6個是獨立的，即：11、22、33、23、31、12是獨立的3. 壓阻系數壓阻系數6個獨立應力分量可寫成：1、2、3、4、5、6。有應力存在就會產生電阻率的變化。6個獨立應力分量分別可在6個相應的方向產生獨立的電阻率的變化，若電阻率的變化率/用符號表示，則6個獨立的電阻率的變化率可寫成：1、2、3、4、5、6。電阻率的變化率與應力之間通過壓阻系數相聯系，6個獨立的電阻率的變化率與6個獨立的應力分量之間的壓阻系數關系如表5-1所示。3. 壓阻系數壓阻系數3.

5、 壓阻系數壓阻系數壓阻系數的矩陣為：返回返回5.1.2 結構與類型結構與類型 硅壓阻式傳感器由外殼、硅膜片和引線組成，其結構原理參見圖5-4所示。其核心部分做成杯狀的硅膜片，通常叫做硅杯硅杯。外殼則因不同用途而異。在硅膜片上，用半導體工藝中的擴散摻雜法做四個相等的電阻，經蒸鍍鋁電極及連線，接成惠斯登電橋，再用壓焊法與外引線相連。膜片的一側是和被測系統相連接的高壓腔，另一側是低壓腔，通常和大氣相通，也有做成真空的。壓阻式傳感器的結構原理壓阻式傳感器的結構原理 由圖5-5可見，均布壓力P產生的應力是不均勻的，且有正應力區和負應力區。當r=0.635r0時，r=0；當r 0，即為拉應力；當r 0

6、.635r0時，r 0，即為壓應力。當r=0.812r0時，t=0，僅有r存在，且r 0，即為壓應力。利用這一特性，選擇適當的位置布置電阻，使其接入電橋的四臂中，兩兩電阻在受力時一增一減，且阻值增加的兩個電阻和阻值減小的兩個電阻分別對接，形成差動全橋。5.1.2 結構與類型結構與類型壓阻式傳感器的基本類型壓阻式傳感器的基本類型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器返回返回5.1.2 結構與類型結構與類型由于半導體材料對溫度比較敏感，壓阻式傳感器的電阻值及靈敏度系數隨溫度變化而改變，將引起零點溫度漂零點溫度漂移移和靈敏度漂移靈敏度漂移，因此必須采取溫度補償措施。

7、1. 零點溫度補償零點溫度補償零點溫度漂移是由于擴散電阻的阻值及其溫度系數不一致造成的。一般用串、并聯電阻法補償，如圖5-7所示。5.1.3 5.1.3 溫度補償原理與方法溫度補償原理與方法 靈敏度溫度漂移是由于壓阻系數隨溫度變化而引起的。溫度升高時，壓阻系數變小，溫度降低時，壓阻系數變大，說明傳感器的靈敏度系數為負值。溫度升高時，若提高電橋的電源電壓，使電橋的輸出適當增大，反之，溫度降低時，若使電源電壓降低，電橋的輸出適當減小，便可以實現對傳感器靈敏度的溫度補償。如圖5-7所示，在電源回路中串聯二極管進行溫度補償，電源采用恒壓源，當溫度升高時，二極管的正向壓降減小，于是電橋的橋壓增加，使其輸

8、出增大。2 2. . 靈敏度溫度補償靈敏度溫度補償返回返回首頁首頁5.2 壓電式傳感器壓電式傳感器5.2.1壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料5.2.2 等效電路及測量電路等效電路及測量電路 5.2.3 影響壓電式傳感器性能的主要因素影響壓電式傳感器性能的主要因素 某些介質材料在受力作用下，其表面會有電荷產生。根據這種現象制成的壓電式傳感器，是一種有源的雙向機電傳感器，具有體積小、重量輕、工作頻帶寬等特點，用于各種動態力、機械沖擊與振動的測量，并在聲學、醫學、力學、宇航等方面得到了非常廣泛的應用。5.2 壓電式傳感器壓電式傳感器某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向受到外力作用時，內部就產生極化

9、現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。上述現象稱為正壓正壓電效應電效應。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產生機械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆逆壓電效應壓電效應。5.2.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料2. 壓電材料 選用合適的壓電材料是設計高性能傳感器的關鍵。一般應考慮以下幾個方面： 轉換性能轉換性能：具有較高的耦合系數或具有較大的壓電常數； 機械性能機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、機械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有

10、振動頻率；電性能電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩定性要好溫度和濕度穩定性要好：具有較高的居里點、以期望得到寬的工作溫度范圍；時間穩定性時間穩定性：壓電特性不隨時間蛻變。具有壓電特性的單晶體統稱為壓電壓電晶體晶體。石英晶體是最典型而常用的壓電晶體。2. 壓電材料壓電晶體壓電晶體壓電陶瓷是一種經極化處理后的人工多晶鐵電體。材料內部的晶粒由許多自發極化的“電疇”組成，每一個電疇具有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。2. 壓電材料壓電陶瓷壓

11、電陶瓷隨著科技的發展，不斷出現一些新型的壓電材料。20世紀70年代出現了半導體壓電材料，如硫化鋅（ZnS）、銻化鉻（CdTe）等，因其既具有壓電特性，又具有半導體特性，故其既可用于壓電傳感器，又可用于制作電子器件，從而研制成新型集成壓電傳感器測試系統；近年來研制成功的有機高分子化合物，因其質輕柔軟、抗拉強度較高、蠕變小、耐沖擊等特點可制成大面積壓電元件。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復合材料（PVF2-PZT）。2. 壓電材料新型壓電材料新型壓電材料返回返回5.2.2 等效電路及測量電路等效電路及測量電路 壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產生電荷量的大小來反映的，故

12、它相當于一個電荷源。 而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為電介質的電容器，其電容量為： 式中：S 為極板面積；d 為壓電片厚度； 為壓電材料的介電常數；r 為壓電材料的相對介電常數；0 為真空介電常數。等效電路等效電路1. 等效電路等效電路 基于以上分析，壓電傳感器可以等效成一個與電容相并聯的電荷源，如圖5-14(a)所示。在開路狀態，輸出端電荷為： 壓電傳感器也可以等效為一個與電容相串聯的電壓源，如圖5-14(b)所示。在開路狀態下，電容器上的電壓U為：如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時，則應考慮連接導線的等效電容Cc、前置放大器的輸入電阻Ri、放大器的輸入電容Ci以

13、及壓電傳感器的泄漏電阻R。因此，壓電傳感器在測量系統中的實際等效電路參見圖5-15所示。1. 等效電路等效電路2. 測量電路測量電路 根據壓電元件的工作原理及上節所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測量電路的前置放大器也有兩種形式： 電壓放大器電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。 電荷放大器電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。 電壓放大器電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號進行適當放大因此也把這種測量電路稱為阻阻抗變換器抗變換器。2. 測量電路測量電路壓電式傳感器連接電壓放大器的等效電路如圖5-16(a)所示，圖5

14、-16(b)為簡化的等效電路圖。2. 測量電路測量電路2. 測量電路測量電路由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標定的麻煩，為此又發展了便于遠距離測量的電荷放大器，目前它巳被公認是一種較好的沖擊測量放大器。(2) 電荷放大器電荷放大器電荷放大器是另一種專用的前置放大器，是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其等效電路如圖5-18(a)所示。由于放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有電流，故可略去R、Ri并聯電阻的影響，等效電路如圖5-18(b)返回返回(2) 電荷放大器電荷放大器 壓式電傳感器可以廣泛應用于力、

15、以及可以轉換為力的物理量的測量，如可以制成測力傳感器、加速度傳感器、金屬切削力測量傳感器等等，也可制成玻璃破碎報警器，廣泛用于文物保管、貴重商品保管等等。5.2.3 影響壓電式傳感器性能的主要因素影響壓電式傳感器性能的主要因素壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用 基于壓電效應的壓電傳感器，它的靈敏度、頻響特性等是衡量其工作性能的主要指標。影響壓電傳感器工作性能的因素很多，如橫向靈敏度、安裝差異、環境溫度、濕度的變化、以及傳感器重量的負載影響、電磁場、基座應變帶來的影響等等。5.2.3 影響壓電式傳感器性能的主要因素影響壓電式傳感器性能的主要因素壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當加速度傳感器感受

16、到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動時的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示；稱為橫橫向靈敏度比向靈敏度比。5.2.3 影響壓電傳感器工作性能的主要因素影響壓電傳感器工作性能的主要因素橫向靈敏度橫向靈敏度環境溫度的變化對壓電材料的壓電常數和介電常數的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發生變化。壓電材料不同，溫度影響的程度也不同。當溫度低于400時，其壓電常數和介電常數都很穩定。環境濕度對壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳感器長期在高濕度環境下工作，其絕緣電阻將會減小，低頻響應變壞。5.2.3 影響壓電傳感器工作性能的主要因素影響壓電傳感器工作性能的主要因素環境溫度和濕度的影

17、響環境溫度和濕度的影響 安裝方式的不同及安裝質量的差異，對傳感器頻響特性影響很大。此外試件表面的任何受力應變，都將通過傳感器基座直接傳給壓電元件，從而產生與被測信號無關的假信號輸出。5.2.3 影響壓電傳感器工作性能的主要因素影響壓電傳感器工作性能的主要因素安裝差異及基座應變安裝差異及基座應變為了減小這種噪聲?？墒褂锰刂频牡驮肼曤娎|，同時將電纜固緊，以免產生相對運動。在測試系統中接有多種測量儀器，如果各儀器與傳感器分別接地，各接地點又有電位差，這便在測量系統中產生噪聲。防止這種噪聲的有效辦法是整個測量系統在一點接地。而且選擇指示器的輸入端為接地點。5.2.3 影響壓電傳感器工作性能的主要因素影

18、響壓電傳感器工作性能的主要因素噪聲噪聲返回返回首頁首頁 光電器件是將光信號的變化轉換為電信號的一種傳感器件，其工作的物理基礎是光電效應。5.3 光電式傳感器光電式傳感器5.3.1光電效應及光電器件光電效應及光電器件5.3.2 光電器件的特性光電器件的特性5.3.3 光電式傳感器與新型光電檢測器光電式傳感器與新型光電檢測器 由光的粒子學說可知，光可以認為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個光子所具有的能量與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量的粒子轟擊在物體上，這時物體吸收了光子能量后將引起電效應。這種因為吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的能量而產生的電效應就稱為光電效應

19、光電效應，可分為外光電效應外光電效應、內光電效應內光電效應和阻擋層光電效應阻擋層光電效應三種類型。5.3.1光電效應及光電器件光電效應及光電器件在光的照射下，使電子逸出物體表面而產生光電子發射的現象稱為外光電效應?；谕夤怆娦砉ぷ鞯墓怆娖骷泄怆姽芎凸怆姳对龉?。5.3.1光電效應及光電器件光電效應及光電器件2. 內光電效應內光電效應 在光線作用下，物體的導電性能發生變化，引起電阻率或電導改變的現象稱為內光電效應內光電效應，也稱光電導效應光電導效應。 在光線作用下，半導體材料吸收了入射的光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電

20、性能增加，阻值降低。這種因光照而使其電阻率發生變化的現象稱為光電導效應?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管和光敏三極管。3. 阻擋層光電效應阻擋層光電效應 在光線作用下，物體產生一定方向的電動勢的現象，稱為阻擋層光電效應，也稱為光生伏特效應光生伏特效應。 光電池是基于光生伏特效應制成的，是自發電式有源器件。它有較大面積的PN結，當光照射在PN結上時，在結的兩端出現電動勢。硅和硒是光電池的最常用的材料，在一塊N型硅片上用擴散方法滲入一些P型雜質,從而形成一個大面積PN結，P層極薄能使光線穿透到PN結上。光電池與外電路的連接方式有兩種，一種是開路電壓輸出，開路電壓與光照度之

21、間呈非線性關系；另一種是把PN結的兩端通過外導線短接，形成流過外電路的電流，也稱為光電池光電池的短路輸出電流的短路輸出電流，其大小與光強成正比；光照度大于1000Lx時呈現飽和特性。返回返回3. 阻擋層光電效應阻擋層光電效應光電器件的靈敏度可用光照特性來表征，它是指半導體光電器件產生的光電流（光電壓）與光照之間的關系。光敏電阻的光照特性一般呈非線性，如圖5-27(a)所示，因此不宜作線性檢測元件，但可在自動控制系統中用作開關元件。光敏晶體管的光照特性如圖5-27(b)所示。它的靈敏度和線性度較好，在軍事、工業自動控制和民用電器中應用極廣，既可作線性轉換元件，也可作開關元件。光電池的光照特性如圖

22、5-27(c)所示。5.3.2 光電器件的特性光電器件的特性1. 光照特性光照特性5.3.2 光電器件的特性光電器件的特性 伏安特性伏安特性是指光照一定時，這些光電元件的 端電壓U與電流I之間的關系。2. 伏安特性伏安特性 半導體光電元件對不同波長的光，其靈敏度是不同的，因為只有能量大于半導體材料禁帶寬度的那些光子才能激發出光生電子空穴對。而光子能量的大小與光的波長有關。3. 光譜特性光譜特性 半導體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信號與調制光頻率變化的關系。4. 頻率特性頻率特性5. 溫度特性溫度特性 半導體材料易受溫度的影響，它直接影響光電流的值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性，以便

23、選用合適的工作溫度。返回返回5.3.3 光電式傳感器與新型光電檢測器光電式傳感器與新型光電檢測器 1. 1. 光電傳感器的類型光電傳感器的類型 光電傳感器按其接收狀態可分為模擬模擬和開關式開關式光電傳感器兩類。（1 1）模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器 模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光通量是隨被測量而變，光電流就成為被測量的函數，故稱為光電傳感器的函數運用狀態。有吸收式、反射式、遮光式、輻射式5.3.3 光電式傳感器與新型光電檢測器光電式傳感器與新型光電檢測器開關式光電傳感器利用光電元件受光照或無光照時“有/無”電信號輸出的特性，將被測量轉換成斷續變化的開關信號。開關式

24、光電傳感器對光電元件靈敏度要求較高，而對光照特性的線性性要求不高。此類傳感器主要應用于零件或產品的自動記數、光控開關、電子計算機的光電輸入設備、光電編碼器以及光電報警裝置等方面。(2) 開關式光電傳感器開關式光電傳感器(2) 開關式光電傳感器開關式光電傳感器 電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器，它是1970年貝爾實驗室的WSBoyle和GESmith發明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構成具有自掃描功能的CCD圖象傳感器。它不僅作為高質量固體化的攝象器件成功地應用于廣播電視、可視電話和無線電傳真，而且在生產過程自動檢測和控制等領域已顯示出廣闊的前景和巨大的潛力。 CCD是一種半導體

25、器件，在N型或P型硅襯底上生長一層很薄的SiO2，再在SiO2薄層上依次序沉積金屬電極，這種規則排列的MOS電容陣列再加上兩端的輸入及輸出二極管就構成了CCD芯片。CCD可以把光信號轉換成電脈沖信號。每一個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就起到圖象傳感器的作用。2. 其他光電檢測器其他光電檢測器 通常，快速自動檢測工件尺寸的系統有一個測量臺，在其上裝有光學系統、圖象傳感器、和微處理機等。被測工件成像在CCD圖象傳感器的光敏陣列上，產生工件輪廓的光學邊緣。時鐘和掃描脈沖電路對每個光敏元順次詢問，視頻輸出饋送到脈沖計數器，

26、并把時鐘選送入脈沖計數器，啟動陣列掃描的掃描脈沖也用來把計數器復位到零，復位之后。計數器計算和顯示由視頻脈沖選通的總時鐘脈沖數。顯示數N就是工件成象覆蓋的光敏元數目，根據該數目來計算工件尺寸。(1) 尺寸自動檢測尺寸自動檢測(1) 尺寸自動檢測尺寸自動檢測(2) 缺陷檢測缺陷檢測 當光照射物體時，使不透明物體的表面缺陷或透明物體的體內缺陷(雜質)與其材料背景相比有足夠的反差，只要缺陷面積大于兩個光敏元時，CCD圖像傳感器就能夠發現它們。例如用于檢查磁帶時可發現磁帶上的小孔；也可采用透射光，檢查玻璃中的針孔、氣泡和夾雜物等。圖5-35所示為鈔票票面狀況檢查系統原理圖。將兩列被檢鈔票分別通過兩個圖像傳感器的視場，并使其成像，從而輸出兩列視頻信號，把這兩列視頻信號送到比較器進行處理。如果其中一張有缺陷，則兩列視頻信號將有顯著不同的特征，經過比較器就會發現這一特征而檢測到缺陷的存在。(2) 缺陷檢測缺陷檢測返回返回首頁首頁

傳感器 清華大學：傳感器應用技術

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傳感器應用技術
（2014年清華大學出版社出版的圖書）
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《傳感器應用技術》是2014年清華大學出版社出版的圖書，作者是王曉紅。
書 名
傳感器應用技術
作 者
王曉紅
出版社
清華大學出版社
[1]
出版時間
2014年09月01日
定 價
29 元
ISBN
目錄
1
內容簡介
2
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傳感器應用技術內容簡介
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本書針對高等職業院校學生電子設計競賽和應用型電子工程技術人才培養，本著“必需、夠用”的原則，基于CDIO（構思、設計、實現、運行）的項目化教學模式，為高職高專和二三類本科電子信息等專業學生編寫的教材。全書包括智能溫度測量儀、角度測量儀、數字測力計、液位檢測儀、數字濕度計、位移檢測儀、速度測量儀、模擬路燈控制器和超聲波測距系統10個項目。每個項目都分為設計要求、必備知識、任務實施、擴充知識4部分內容。本書內容精練、實用性和針對性強，既可作為高等?？坪吐殬I院校電子信息類專業學生參加電子設計競賽、技能大賽以及應用型電子工程技術人才培養的培訓教材，也可以作為高職高專和二三類本科電子信息等專業學生的“傳感器應用技術”教材，還可以作為電子設計與制作者的參考書。
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項目1傳感器的認知1.1傳感器簡介1.1.1傳感器定義1.1.2傳感器的分類1.1.3傳感器的組成1.1.4傳感器的應用1.2傳感器的特性1.2.1傳感器的靜態特性1.2.2傳感器的動態特性1.3傳感器選型1.3.1傳感器的命名及代號1.3.2傳感器的選擇原則1.4傳感器的標定與校準1.4.1傳感器的靜態標定1.4.2傳感器的動態標定1.5傳感器技術的發展趨勢思考題項目2智能溫度測量儀2.1智能溫度測量儀的設計要求2.2必備知識2.2.1溫度測量原理2.2.2溫度傳感器的分類2.2.3幾種常用的溫度傳感器2.3智能溫度測量儀的設計與實現2.3.1構思——智能溫度測量儀的方案選擇2.3.2設計——智能溫度測量儀的軟硬件設計2.3.3實現——智能溫度測量儀的組裝調試2.3.4運行——智能溫度測量儀的測試與性能分析2.4擴充知識數字溫度傳感器的選擇思考題項目3角度測量儀3.1角度測量儀的設計要求3.2必備知識3.2.1電位器角度傳感器3.2.2傾角傳感器3.2.3光柵角度傳感器3.2.4光電編碼器3.3角度測量儀的設計與制作3.3.1構思——角度測量儀的方案選擇3.3.2設計——角度測量儀的軟硬件設計3.3.3實現——角度測量儀的組裝調試3.3.4運行——角度測量儀的性能分析3.4擴充知識磁阻式角度傳感器思考題項目4數字測力計4.1數字測力計的設計要求4.2必備知識4.2.1電阻應變片式測力傳感器4.2.2壓電式測力傳感器4.2.3壓阻式測力傳感器4.3數字測力計的設計與制作4.3.1構思——數字測力計的方案選擇4.3.2設計——數字測力計的軟硬件設計4.3.3實現——數字測力計的組裝調試4.3.4運行——數字測力計的性能分析4.4擴充知識扭矩傳感器思考題項目5液位檢測儀5.1液位檢測儀的設計要求5.2必備知識5.2.1電容式液位傳感器5.2.2超聲波液位傳感器5.2.3微波液位傳感器5.3液位檢測儀的設計制作5.3.1構思——液位檢測儀的方案選擇5.3.2設計——液位檢測儀的系統設計5.3.3實現——液位檢測儀的組裝調試5.3.4運行——液位檢測儀的測試與性能分析5.4擴充知識光學液位傳感器思考題項目6數字濕度計6.1數字濕度計的設計要求6.2必備知識6.2.1陶瓷濕度傳感器6.2.2高分子濕度傳感器6.2.3其他常見的幾種濕度傳感器6.2.4濕度傳感器的應用及特點6.3數字濕度計的設計與制作6.3.1構思——數字濕度計的方案選擇6.3.2設計——數字濕度計的軟硬件設計6.3.3實現——數字濕度計的組裝調試6.3.4運行——數字濕度計的性能分析6.4擴充知識6.4.1氣敏傳感器6.4.2煙霧傳感器思考題項目7位移檢測儀7.1位移檢測儀的設計要求7.2必備知識7.2.1電阻式傳感器7.2.2電阻應變片式位移傳感器7.2.3電容式位移傳感器7.2.4電感式位移傳感器7.2.5磁柵式位移傳感器7.2.6光柵式位移傳感器7.2.7激光式位移傳感器7.3位移檢測儀的設計與制作7.3.1構思——位移檢測儀的方案選擇7.3.2設計——位移檢測儀的軟硬件設計7.3.3實現——位移檢測儀的組裝調試7.3.4運行——位移檢測儀的性能分析7.4擴充知識7.4.1感應同步器7.4.2壓電式位移傳感器思考題項目8速度測量儀8.1速度測量儀的設計要求8.2必備知識8.2.1測速發電機8.2.2霍爾式速度傳感器8.2.3紅外速度傳感器8.3速度測量儀的設計與制作8.3.1構思——速度測量儀的方案選擇8.3.2設計——速度測量儀的軟硬件設計8.3.3實現——速度測量儀的組裝調試8.3.4運行——速度測量儀的性能分析8.4擴充知識8.4.1壓電式加速度傳感器8.4.2應變式加速度傳感器8.4.3電容式加速度傳感器思考題項目9模擬路燈控制器9.1模擬路燈控制器的設計要求9.2必備知識9.2.1光電效應9.2.2主要光電元件9.2.3光電傳感器9.3模擬路燈控制器的設計與實現9.3.1構思——模擬路燈控制器的方案選擇9.3.2設計——模擬路燈控制器的硬件與軟件設計9.3.3實現——模擬路燈控制器的組裝與調試9.3.4運行——模擬路燈控制器的測試與性能分析9.4擴充知識CCD圖像傳感器思考題項目10超聲波測距系統10.1超聲波測距系統的設計要求10.2必備知識10.2.1超聲波簡介10.2.2超聲波傳感器10.2.3超聲波傳感器的典型應用10.3超聲波測距系統的設計與實現10.3.1構思——超聲波測距系統的方案選擇10.3.2設計——超聲波測距系統的硬件設計10.3.3實現——超聲波測距系統的組裝調試10.3.4運行——超聲波測距系統的測試與性能分析10.4擴充知識10.4.1超聲波流量計10.4.2超聲波檢測中的耦合技術思考題附錄A項目9的系統完整源程序參考文獻
[3]
B
詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.

傳感器應用技術（21世紀高等學校電子信息類專業核心課程工程型規劃教材） 基于CDIO的項目化工程教育理念，滿足課堂教學，兼顧電子設計競賽培訓的需求以及應用型電子工程技術人才培養，獲獎領隊和一線工程技術人員主持編寫
．當當網[引用日期2019-07-26]
2.

傳感器應用技術
．清華大學出版社[引用日期2015-11-24]
3.

傳感器應用技術
．清華大學出版社[引用日期2015-12-06]

傳感器 清華大學：清華大學 張志軍教授 傳感器網絡

提供新一代無線物聯網解決方案

近年來，我們專注于物聯網的研發，可為政府和企業提供各種無線物聯網的解決方案。
通過我們獨立研發的超長距離無線自組網與新一代智能射頻標簽這兩項關鍵技術，我們已為農業、安防、采礦等領域提供了低功耗、高性能的解決方案，這些方案在針對實際的應用環境改造后可運用于更廣泛的領域，包括智能工業、智能物流、智能交通、智能電網、智能環保、智能醫療、智能家居。

核心技術1：超長距離無線自組網
無線自組織網絡采用全無線的方式進行網絡構建，其中每個用戶終端都同時承擔著網絡路由的功能，信息通過多跳接力的方式進行傳遞。這類系統具有架設簡單、自修復能力強的優點。但是傳統的無線自組織網絡也有一個顯著的缺點：系統復雜度隨接力次數N的增加呈指數增加。所以傳統網絡在接力次數大于30以后，系統將表現出嚴重不穩定性。另一方面，由于大量的資源用于路由維護，系統的傳輸效率也大幅度下降。

在現實生活中，如果希望將無線自組織網絡應用到電力傳輸、鐵路運輸、煤礦安全等應用中，網絡必須能夠覆蓋數十公里到上千公里的距離，網絡接力的次數高達上百跳。我們研發的新型自組織網絡，針對電力、鐵路等帶狀覆蓋的應用進行了最優化設計。該新型自組織網絡除了架設簡單、自修復能力強的優點外，在跳數增加時系統復雜度僅呈線性增加，避免了因為跳數過多導致網絡崩潰，而系統傳輸效率基本不變。該系統已成功地應用于上百跳的網絡中。

我們現有的解決方案在節點間單跳通信距離取決于實際應用環境，可以從數百米至數公里。采用特種架高天線可以達到數十公里。我們的解決方案可以完美實現與現有網絡的互連、互通，具體方式包括以太網、無線局域網和移動通信網。

核心技術2：智能射頻標簽
傳統的射頻標簽常用于身份識別、貨物跟蹤、計費管理等領域。這類標簽內部存有唯一的序列號，并以此作為識別的依據。有些標簽同時還具有寫入功能，可以對相關信息進行存儲?？偟膩碚f，傳統標簽只能完成簡單的信息交換，智能化程度有限。

我們致力于研發高智能化的射頻標簽系統。新一代智能標簽除具有傳統的唯一序列號設別的功能外，還可以對震動、溫度、濕度、姿態、磁偏角、風速等一系列參數進行感知。智能標簽具有可觀的存儲能力，可以對多種參數進行連續記錄，并進行數據分析。智能標簽的能量獲取形式也從傳統標簽的射頻照射供電，擴展到多種能量收集方式：包括光能、風能、機械能、環境電磁能等。

智能射頻標簽的應用范圍也遠大于傳統標簽，可以工作于眾多的特種環境。
成功案例1：無線土壤溫度、濕度探頭等

探頭采用先進的無線自組織網絡技術，可以定時測量土壤溫度、濕度，并通過無線自組網將信息傳送回控制中心。在智能農業、園林灌溉、高爾夫球場管理等領域有廣闊的應用前景。

成功案例2：礦井救援語音通信系統
系統采用先進的無線自組織網絡技術，可以快速動態地在礦井下構成語音通信網絡，為礦井救援隊和井上指揮之間提供實時語音保障。與現有其它系統相比，本系統的重量最輕、工作時間最長、在復雜信道環境下通信距離最遠。

傳感器 清華大學：清華大學在多功能感知傳感器及機器人應用取得突破性進展2020-12-21 15：42：15 來源：麥姆斯咨詢 評論：0 點擊：

據麥姆斯咨詢報道，近日，清華大學精密儀器系朱榮教授研究組在《科學機器人》（Science Robotics）發表研究論文，報道了一種多功能感知的觸覺傳感器，采用類皮膚的多層結構，將多模感知原位集成，實現對觸感、物感、溫感等多種感知的高密度集成，將觸覺傳感器應用于機器手抓握感知，實現了對抓握物品的形狀、大小和材料等多屬性識別，并成功應用于垃圾分類。
具有高靈敏和多維集成的柔性感知電子器件在醫療健康、智能機器人等領域有著廣闊的應用前景。柔性電子感知，具有對周圍環境和作用的感知能力，還能針對不同生理參數做出反應，可用于智能假肢和穿戴式生理監測，為醫療健康帶來革命性的變化和進步；柔性感知也是智能機器人交互的關鍵，在仿生機器人非視覺傳感技術領域有著十分重要的作用，感知和交互技術是未來機器人的重要發展方向?？v觀現有國內外柔性感知傳感器和系統，在高靈敏測量、多感知集成、低交叉耦合、低成本加工上仍然存在技術瓶頸，實際應用面臨著巨大的挑戰。
針對以上問題，清華大學朱榮教授研究組提出一種基于熱感應的多維傳感新機理，利用熱敏膜和外界的傳導/對流換熱對自身電阻的調控實現了壓力、溫度、流場、熱物性等參數的集成測量，由于采用簡單的薄膜敏感結構和統一的熱敏檢測原理，多維感知柔性電子器件具有簡單結構、集成度高、低交叉耦合、易調控、成本低等特點。研究成果以封面文章發表在Advanced Materials, 2017, 29(15), ，并獲得Transducers 2019國際會議的Outstanding Paper Award。研究團隊將技術推廣應用到健康監測和智能機器人，先后研制出新型穿戴式人體運動監測裝備和機器人觸覺感知系統。
穿戴式運動檢測技術是外骨骼機器人、協作機器人等領域不可或缺的人機交互手段。隨著信息、傳感、驅動和材料技術的發展，外骨骼機器人作為助力助殘設備在工業、醫療、軍事領域逐漸展示出實用價值。目前，柔順化、輕量化正成為外骨骼研究的新方向。朱榮教授研究組將多感知技術應用到穿戴機器人，研制出新型的可穿戴人體運動監測系統，采用自主原創的微型運動速度傳感器結合微型慣性測量單元，發展新型的無積分數據融合算法，實現魯棒性好、抗干擾強、長期無漂移的三維運動速度、運動加速度和肢體姿態的測量。研究組將可穿戴運動捕捉系統應用于人體肢體動作捕捉，實現了對高動態拳擊、踢腿、長跑運動等的準確實時監測。這項技術為人機協同領域提供了可行的運動監測手段，將促進外骨骼機器人、協作機器人等智能機器人的運動感知技術發展。相關研究成果以題為《可穿戴肢體運動捕捉系統》“A wearable motion capture device able to detect dynamic motion of human limbs”，發表在Nature Communications, 2020, 11, 5615，論文第一作者為清華大學精密儀器系博士后柳世強，通訊作者為清華大學朱榮教授。研究工作得到國家自然科學基金項目和國強研究院項目的資助。
圖1 可穿戴人體運動監測系統
此外，面向智能機器人對觸覺感知的應用需求。近日，研究組再次取得技術突破，研發出多維觸覺傳感器，實現觸感、物感、溫感等多種感知的原位集成，并將觸覺傳感器應用于機器人手感知系統，利用深度學習方法將感知轉變為機器人對物品的認知，實現了對抓握物品形狀、大小、溫度和材質等多屬性的高精準識別。不同于常規觸摸識別技術僅利用壓力感知，研究組將力感和熱物性等多模信息進行融合，使得物品識別的準確率大大提高，從基于單模壓力感知的69%識別率提高到基于多模感知的96%識別率，研究組還進一步展示了利用具有多維觸覺感知的機器手進行垃圾分類的應用，實現了對七類垃圾物品的高準確識別。研究成果以題為《多維觸覺傳感器助力機器手物體識別》“Skin-inspired quadruple tactile sensors integrated on a robot hand enable object recognition”，發表在Science Robotics, 5, eabc8134 (2020)，論文第一作者為清華大學精密儀器系博士研究生李國朕，通訊作者為清華大學朱榮教授。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目和北京市自然科學基金重點項目的資助。
圖2 多觸覺感知助力智能機器人
延伸閱讀：
《可穿戴傳感器技術及市場-2020版》
《觸覺技術及市場-2021版》
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2020版》

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