1、授课老师授课老师: : 张张 勇勇联系方式联系方式: : 18627328017E - mail: 工作单位工作单位: : 物理与光电工程学院物理与光电工程学院2传感器原理设计与应用课程总体计划n2 2、课程设计、课程设计n1 1、课堂教学、课堂教学3第一章：第一章：* *传感器概述传感器概述 第二章：第二章：* *传感器的一般特性传感器的一般特性 第三章：第三章：* *弹性敏感元件弹性敏感元件 第四章：第四章：* *电阻应变式传感器电阻应变式传感器 第五章：第五章：* *电容传感器电容传感器 第六章：第六章：* *电感传感器电感传感器 第七章：第七章：* *压电式传感器压电式传感器 第八章：
2、第八章：* *磁电式传感器磁电式传感器 第九章：第九章：* *热电式传感器热电式传感器 一、课堂授课安排：一、课堂授课安排： 共共6464个课时，平均每周个课时，平均每周4 4课时左右。第课时左右。第1 16 6周结束课程。周结束课程。传感器原理设计与应用课程计划传感器原理设计与应用课程计划4第第 十十 章：章：* *光电式传感器光电式传感器 第十一章：智能传感器第十一章：智能传感器 第十二章：光导纤维传感器第十二章：光导纤维传感器 第十三章：第十三章：* *磁敏元件及其传感器磁敏元件及其传感器 第十四章：第十四章：* *气体传感器气体传感器 第十五章：第十五章：* *湿度传感器湿度传感器 第
3、十六章：第十六章：* *红外传感器红外传感器 第十七章：第十七章：* *固态压阻式传感器固态压阻式传感器 第十八章：新型传感器第十八章：新型传感器 总总 复复 习习 传感器原理设计与应用课程计划传感器原理设计与应用课程计划往年考试成绩统计往年考试成绩统计6二、课程设计二、课程设计1、总体安排、总体安排 穿插在课堂授课过程中进行。结合课堂授课、实验动手，每穿插在课堂授课过程中进行。结合课堂授课、实验动手，每组同学设计课程设计题目。组同学设计课程设计题目。2 2、预先给出的设计题目、预先给出的设计题目（1 1）温度传感报警器、热电偶温度采集器（）温度传感报警器、热电偶温度采集器（9 9章热电传感器
4、）章热电传感器）（2 2）差动互感式位移传感器）差动互感式位移传感器 （6 6章电感传感器）章电感传感器）（3 3） 煤气、烟雾等气敏传感器报警器（煤气、烟雾等气敏传感器报警器（1414章气敏传感器）章气敏传感器）（4 4）防盗报警器（）防盗报警器（1616章利用红外传感章利用红外传感热释电效应）热释电效应）（5 5）酒敏传感报警器（）酒敏传感报警器（1414章气敏传感器）章气敏传感器）7给出设计题目给出设计题目3-3-5 5个同学一个同学一组选题组选题各班长统计各组名各班长统计各组名单单自行设计题目自行设计题目组长清理所需组长清理所需元器件元器件分发并登记元分发并登记元器件到各班器件到各班以
5、组为单位设计以组为单位设计传感器电路传感器电路实验实验调试调试交课程设计报告交课程设计报告审核审核1 1个月内完成个月内完成3、具体实施方法、具体实施方法开题报告开题报告中期检查中期检查课程设计成品验收及课程设计成品验收及报告撰写报告撰写所需元件统计、模拟仿真、所需元件统计、模拟仿真、实验进展报告实验进展报告软件：程序编写软件：程序编写硬件：元件采购硬件：元件采购硬件：硬件设计硬件：硬件设计打酱油？！打酱油？！标定：数据分析标定：数据分析9光敏传感器温度传感器磁、气、力敏传感器超声传感器CCD传感器101 1、刘迎春、叶湘滨、刘迎春、叶湘滨. .传感器原理设计与应用传感器原理设计与应用. .
6、国防科技大学出国防科技大学出版社版社. .2 2、单成祥、单成祥. .传感器原理设计与应用传感器原理设计与应用. . 国防工业出版社国防工业出版社3 3、程守洙，江之永、程守洙，江之永. .普通物理普通物理. . 高等教育出版社高等教育出版社4 4、王楚，汤俊雄、王楚，汤俊雄. . 光学光学. . 北京出版社北京出版社5 5、李金锷、李金锷. . 大学物理大学物理. . 科学出版社科学出版社6 6、杨经国，冉瑞江、杨经国，冉瑞江. . 光电子技术光电子技术. . 四川大学出版社四川大学出版社. . 7 7、李家泽、阎吉祥、李家泽、阎吉祥. . 光电子学基础光电子学基础. . 北京理工大学出版社
7、北京理工大学出版社8 8、数学物理方程与特殊函数、数学物理方程与特殊函数9 9、童诗白、童诗白. . 模拟电子技术基础模拟电子技术基础. . 清华大学出版社清华大学出版社1010、雷肇隶雷肇隶. . 光纤通信基础光纤通信基础. . 电子科技大学出版社电子科技大学出版社1111、王元庆、王元庆. . 新型传感器原理及应用新型传感器原理及应用. . 机械工业出版社机械工业出版社.2002.200212 12 、 半导体物理半导体物理111传感器课程传感器课程 http:/2仪表技术与传感器仪表技术与传感器 http:/www.i-3传感器世界传感器世界 http:/4中国传感器中国传感器 http
8、:/5传感器技术传感器技术 http:/www.sensor-621IC中国电子网中国电子网 http:/7传感技术学报网传感技术学报网 http:/8传感器资讯网传感器资讯网 http:/121314v本章内容本章内容第一章第一章 传传 感感 器器 概概 述述1.1 传感器定义、组成与分类传感器定义、组成与分类1.2 传感器的发展与科学的发展传感器的发展与科学的发展1.3 传感器的研究和发展方向传感器的研究和发展方向1.4 传感器物理定律基础传感器物理定律基础1.5 机电模拟机电模拟15信息技术信息技术瓶颈技术瓶颈技术传感器传感器通通 信信计算机计算机传感器技术被我国列为国家重点攻传感器技术
9、被我国列为国家重点攻关项目及中长期科技发展重点技术关项目及中长期科技发展重点技术之一，信息工作提高到了国家战略之一，信息工作提高到了国家战略的高度的高度1。1. 中共中央办公厅文件. 中办发200611号, 2006-2020年国家信息化发展战略. 2006年3月19日. 美国国防部也将传感器技术认为是美国国防部也将传感器技术认为是目前目前20项关键技术之一。项关键技术之一。 日本也将传感器技术与计算机、通日本也将传感器技术与计算机、通信、激光、半导体、超导并列为信、激光、半导体、超导并列为6大大核心技术。核心技术。 俄罗斯军事航天计划中也列有传感俄罗斯军事航天计划中也列有传感器技术的相关研发
10、。器技术的相关研发。信息既非物质也非能信息既非物质也非能量，但它却是构成世量，但它却是构成世界的要素。很多国家界的要素。很多国家尤其是发达国家如今尤其是发达国家如今都在制定信息高速公都在制定信息高速公路的发展计划。路的发展计划。 信息化时代信息化时代已经到来已经到来16 1.1 1.1 传感器的定义、组成传感器的定义、组成 1 1、定义、定义外外界界的的信信息息眼眼耳耳鼻鼻舌舌皮肤皮肤大大脑脑肌肌肉肉执执行行被被测测物物理理量量传传感感器器执执行行器器狭义地定义：狭义地定义：能把外界非电量信息转换成电信号输出能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件。所以原来许多教材叫的器件。所以原来许多教材叫
11、“非电量检测非电量检测”。电电脑脑17国家标准（国家标准（GB7665-87）中传感器（）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。可用输出信号的器件或装置。传感器是测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器名称：发送器、传送器、变送器、检
12、测器、探头V、I、F、P18在我们身边有很多传感器的例子：在我们身边有很多传感器的例子：声控电灯声控电灯触摸式开关触摸式开关电子称电子称遥控开关遥控开关条形码的读取条形码的读取红外自动洗手开关红外自动洗手开关宾馆烟雾火光自动检测器宾馆烟雾火光自动检测器自动电饭煲自动电饭煲温度湿度监控器温度湿度监控器数码相机等等。数码相机等等。192 2、传感器的组成、传感器的组成图图 1-1-2 1-1-2敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量
13、输出。被测物理量被测物理量敏感敏感元件元件转换转换元件元件信号调节电路信号调节电路传感器传感器图图 1-1-2 1-1-220 模拟模拟传感传感器器A/D转换转换器器数字数字计算计算机机D/A转换转换器器模拟模拟控制控制器器b）控制系统控制系统传感器传感器电子测量电子测量线路线路显示装置显示装置电电 源源a a）测量装置测量装置被被测测物物理理量量传感器传感器电子测量电子测量线路线路显示装置显示装置电电 源源a a）测量装置测量装置被被测测物物理理量量21最简单的传感器由一个敏感元件最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件兼转换元件)组成，它组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感
14、器由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转换元件组成，没有转换电路，如压电式加敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。若干次转换。热电偶压电加速度传感器压电加速度传感器结构示意图223 3、传感器的分类、传感器的分类1、按输入量的分类、按输入量的分类 压力传感器、位移传感器、湿度传感器、温度传感器。压力传感器、位移传感器、湿度传感器、温度传感器。2、按传感器工作原理
15、分类、按传感器工作原理分类 应变式传感器、电阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器、应变式传感器、电阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器。霍尔式传感器。233、按能量转换关系分类、按能量转换关系分类4、按输出电量的形式分类、按输出电量的形式分类 模拟式传感器模拟式传感器 数字式传感器数字式传感器241 1、传感器技术的发展是随着科学的发展而发展、传感器技术的发展是随着科学的发展而发展 古代人们用感觉器官来取得信息，借助于动物的特古代人们用感觉器官来取得信息，借助于动物的特性来取得信息，犬、鸽等。借他们的气敏特点感知环境性来取得信息，犬、鸽等。借他们的气敏特点感知环境的气体。如：
16、用鸽子感知毒性气体，用军犬感知人的气的气体。如：用鸽子感知毒性气体，用军犬感知人的气味破案等。但随着人类社会的进步，到现代那是远远不味破案等。但随着人类社会的进步，到现代那是远远不够的。因此代替感觉器官功能作为辅助器具的传感器就够的。因此代替感觉器官功能作为辅助器具的传感器就产生了。产生了。 从从1616世纪开始，随着各种物理定律的不断出现，新世纪开始，随着各种物理定律的不断出现，新型的传感器不断出现。如型的传感器不断出现。如1919世纪的电磁基础理论为法拉世纪的电磁基础理论为法拉第进行巧妙的实验提供依据，而法拉第发现的物理定律第进行巧妙的实验提供依据，而法拉第发现的物理定律又成为传感器的原理
17、。（法拉第又成为传感器的原理。（法拉第1791179118671867，铁匠之子，铁匠之子，18311831年发现感应定律，即法拉第电磁定律）。年发现感应定律，即法拉第电磁定律）。1.2 传感器的发展与科学的发展传感器的发展与科学的发展 纸纸 品品 木材烘干木材烘干 芯片生产要求最高的湿度稳定性芯片生产要求最高的湿度稳定性 精确的 烟草烘干烟草烘干 纺纺 织织 品品 湿度传感器湿度传感器 上海卢浦大桥上海卢浦大桥通车应力试验通车应力试验 35 传感器的应用，几乎是无孔不入，不论在传感器的应用，几乎是无孔不入，不论在科技领域，工农业生产，人民生活，都得到大科技领域，工农业生产，人民生活，都得到大
18、量的应用（如冰箱、空调、电饭锅、微波炉量的应用（如冰箱、空调、电饭锅、微波炉等）等）. .科研等工作中的需要促使人们去研究传科研等工作中的需要促使人们去研究传感器，发现新的传感器感器，发现新的传感器. .反过来传感器会促进反过来传感器会促进科研的发展，瓦特蒸汽机的发明就是利用了把科研的发展，瓦特蒸汽机的发明就是利用了把回转速度转换成位移的传感器，发明了离心调回转速度转换成位移的传感器，发明了离心调速器。速器。 2、反过来，传感器的发展也极大的促进了科学的发展、反过来，传感器的发展也极大的促进了科学的发展36一、发展方向：一、发展方向： 1 1、首先是改进和提高原有传感器的稳定性，提高灵敏度；、
19、首先是改进和提高原有传感器的稳定性，提高灵敏度； 2 2、发现新性能、新材料开发新型传感器；、发现新性能、新材料开发新型传感器； 3 3、实现传感器的集成化、智能化、与计算机一体化、实现传感器的集成化、智能化、与计算机一体化 二、二、 研究方向：研究方向： 1.3 传感器的研究和发展方向传感器的研究和发展方向v 开发新型传感器开发新型传感器v 开发新材料开发新材料 v 新工艺的采用新工艺的采用v 集成化、多功能化集成化、多功能化v 智能化智能化37传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此人们进一步
20、探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型研制出具有新原理的新型物性型传感器件物性型传感器件，这是发展这是发展高性能、多功能、低成本和小型化高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传结构型传感器感器，一般说它的一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，世界各国都在物性型传物性型传感器大致与之相反，世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意
21、的发展动向。如超导材料（电磁传感为一个值得注意的发展动向。如超导材料（电磁传感器方面）、纳米材料特性等。器方面）、纳米材料特性等。1 1开发新型传感器开发新型传感器新型传感器包括：采用新原理；发现新现象；新型传感器包括：采用新原理；发现新现象；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。38多功能材料多功能材料多功能一体化多功能一体化器件器件Focus信息获取信息获取技术技术信息储存信息储存技术技术信息处理信息处理技术技术信息传递信息传递技术技术信息显示信息显示技术技术 智能化智能化 集成化集成化 微型化微型化下一代电子产下一代电子产品发展趋势品发展趋势多功
22、能一体化多功能一体化微型化微型化智能化智能化传感器传感器各种基础各种基础功能效应功能效应2 2开发新材料开发新材料39传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。（1）半导体敏感材料）半导体敏感材料（2）陶瓷材料）陶瓷材料 （3）磁性材料）磁性材料 （4）智能材料）智
23、能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。外学者的极大兴趣。40在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切义范围很广，这里主要
24、指与发展新型传感器联系特别密切的的微细加工技术微细加工技术。该技术又称。该技术又称微机械加工技术，微机械加工技术，是近年来是近年来随着随着集成电路工艺发展集成电路工艺发展起来的，它是起来的，它是离子束、电子束、分离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。已越来越多地用于传感器领域。 3 3新工艺的采用新工艺的采用例如利用例如利用半导体技术半导体技术制造出制造出压阻式压阻式传感器，利用传感器，利用薄膜工艺薄膜工艺制造出快速响应的制造出快速响应的气敏、湿敏传感器气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用
25、，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。氧化、光刻、扩散、沉积注入、平面电子工艺、各向异性氧化、光刻、扩散、沉积注入、平面电子工艺、各向异性腐蚀、蒸镀、溅射薄膜工艺都可用于开发新的传感器。腐蚀、蒸镀、溅射薄膜工艺都可用于开发新的传感器。MEMS41TiO2photoelectric-gas device 1,2 1 H.Y. Liu, L. Gao, J. Am. Ceram. Soc. 88 (2005) 1
26、020. 2 J.Y. Park, S.J. Song, E.D. Wachsman, J. Am. Ceram. Soc. 93 (2010) 1062.3 W.J. Dong, et al., Thin Solid Films 515 (2007) 8544. 4 H. Takao, et al., Sens. Actuators A 160 (2010) 69. PZT thin film sensor and actuator 3A multifunctional integrated silicon tactile imager with arrays of strain andte
27、mperature sensors 442MEMS将微电机、微电路、微传感器、微执行器将微电机、微电路、微传感器、微执行器等微型装置和器件集成在硅片上。主要特点是：等微型装置和器件集成在硅片上。主要特点是： 微型化微型化以硅为主要材料。以硅为主要材料。机械和电气性能优良，硅的强度、硬机械和电气性能优良，硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。钨。批量生产。批量生产。用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置。百上千个微型机电装置。集成化。集成化。把不同功能的多个传感
28、器执行器集成于一体把不同功能的多个传感器执行器集成于一体多学科交叉。多学科交叉。涉及到微电子、机械、材料、制造、信息涉及到微电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科与自动控制、物理、化学和生物等多种学科43Fig. 1. Schematic diagram of electrodes preparation process.Fig. 2. The micrograph of Pt interdigital electrodes. 441mm45 4集成化、多功能化集成化、多功能化同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单
29、个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。图像传感器。电子鼻等电子鼻等.多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。理和评价，可反映出被测系统的整体状态。 为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感为同时测量
30、几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。功能陶瓷传感器已经研制成功。465 5智能化智能化对外界信息具有检测检测、数据处理数据处理、逻辑判断逻辑判断、自诊断自诊断和自自适应适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工
31、艺水平产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。方向之一。如，如，DS18B20DS18B20、传感器测量系统、传感器测量系统47传感器的基础是各种物理定律、化学定律、生物定律。传感器的基础是各种物理定律、化学定律、生物定律。也就是说所有传感器的原理都是以各种定律为基础的。也就是说所有传感器的原理都是以各种定律为基础的。归纳有以下几类定律：归纳有以下几类定律： 1.4 传感器
32、物理定律基础传感器物理定律基础v守恒定律守恒定律: :包括能量、动量、电荷量等守恒特性定律包括能量、动量、电荷量等守恒特性定律v场的定律场的定律: :动力场的运动定律、电磁场的感应定律等动力场的运动定律、电磁场的感应定律等v物质定律物质定律: :虎克定律、欧姆定律、霍尔效应，压电效应虎克定律、欧姆定律、霍尔效应，压电效应v统计定律统计定律: :微观与宏观联系的物理法则。微观与宏观联系的物理法则。48上述效应和定律有助于我们对传感器工作原理本质的理解上述效应和定律有助于我们对传感器工作原理本质的理解和对新效应传感器的开发。本书论述的范围内作为传感器和对新效应传感器的开发。本书论述的范围内作为传感
33、器工作的物理基础的基本定律，概括起来有以下四种类型：工作的物理基础的基本定律，概括起来有以下四种类型：(1)(1)守恒定律守恒定律 包括能量、动量、电荷量等守恒定律。这包括能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律，是我们探索、研制新型传感器时，或在分析、综些定律，是我们探索、研制新型传感器时，或在分析、综合现有传感器时，都必须严格通守的基本法则。合现有传感器时，都必须严格通守的基本法则。(2)(2)场的定律场的定律 包括动力场的运动定律、电磁场的感应定包括动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的位置及分布状态有关。一般律等，其作用与物体在空间的位置及分布状态有关。一般可由物理方
34、程结出，这些方程可作为许多传感器的工作的可由物理方程结出，这些方程可作为许多传感器的工作的数学模型。例如：利用静电场制成的电容式传感器；利用数学模型。例如：利用静电场制成的电容式传感器；利用电磁感应定律制成的电感电磁感应定律制成的电感( (自感或互感自感或互感) )式传感器等等。利式传感器等等。利用场的定律构成的传感器，可统称为用场的定律构成的传感器，可统称为“结构型传感器结构型传感器”。 49(3)物质定律物质定律 它是表示各种物质本身内在性质的定律它是表示各种物质本身内在性质的定律(如虎如虎克定律、欧姆定律克定律、欧姆定律)通常以这种物质所固有的物理常数加通常以这种物质所固有的物理常数加以
35、描述。因此，这些常数的大小决定着传感器的主要性能。以描述。因此，这些常数的大小决定着传感器的主要性能。如：利用半导体物质法则如：利用半导体物质法则压阻、热阻、光阻、湿阻等效压阻、热阻、光阻、湿阻等效应，可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件；利应，可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件；利用压电晶体物质法则用压电晶体物质法则压电效应，可制成压电式传感器等压电效应，可制成压电式传感器等等。这种基于物质定律的传感器，可统称为等。这种基于物质定律的传感器，可统称为“物性型传感物性型传感器器”。这是当代传感器技术领域中具有广阔发展前景的传。这是当代传感器技术领域中具有广阔发展前景的传感器。感器
36、。(4)统计法则统计法则 它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。这些法则，常常与传感器的工作状态有关，它是分法则。这些法则，常常与传感器的工作状态有关，它是分析某些传感器的理论基础。这些方面的研究尚待进一步深析某些传感器的理论基础。这些方面的研究尚待进一步深入。入。50要讨论的问题包括：要讨论的问题包括：A A）什么是机电模拟什么是机电模拟B B）为什么要讲机电模拟为什么要讲机电模拟C C）机电模拟举列机电模拟举列D D）结论结论 1.5 机电模拟机电模拟5151如图所示：在机械系统中，如图所示：在机械系统中，除了激励力除了激励力f外，作用在质外，作
37、用在质量块量块m上的力还有上的力还有： 、惯性力：、惯性力： 、阻尼力：、阻尼力： 、弹簧力：、弹簧力：总方程：总方程： 22dtxdmdtdvmmafmadtcdtdxccvfckfKxK vdtfvdtkcvdtdvmfvdtkcvdtdvmuidtCRidtdiL152uidtcRidtdiL1)(1电容CkRcLmQxivufdtDBdtdAyxxx53 相似不仅存在于几何空间现象中，而且也存在相似不仅存在于几何空间现象中，而且也存在于不同物理现象之间。由于电路中用来描述电参量的于不同物理现象之间。由于电路中用来描述电参量的数字表达式与线性机械系统中的表达式两者极其相似。数字表达式与线
38、性机械系统中的表达式两者极其相似。尽管微分方程的解所代表的物理含义不同，但其解的尽管微分方程的解所代表的物理含义不同，但其解的数学形式不依赖于方程所代表的物理系统，因此任何数学形式不依赖于方程所代表的物理系统，因此任何物理系统对给定激励函数的响应特性也是相同的。物理系统对给定激励函数的响应特性也是相同的。 定义：定义：能用同一类型的微分方程描述的不同系统能用同一类型的微分方程描述的不同系统 称为相似系统称为相似系统。1、什么是机电模拟、什么是机电模拟fvdtkcvdtdvmuidtcRidtdiL1542、为什么要讲机电模拟、为什么要讲机电模拟 将复杂的机械系统变成便于分析系统状态的电路图和将
39、复杂的机械系统变成便于分析系统状态的电路图和符号。只要确定了相似的电系统的电路图和参数，就可以符号。只要确定了相似的电系统的电路图和参数，就可以充分利用电路的理论等开分析机械系统。此外，电系统的充分利用电路的理论等开分析机械系统。此外，电系统的电路元件易于更换，测量电压、电流都较容易，这为模拟电路元件易于更换，测量电压、电流都较容易，这为模拟和实验提供了变量和实验提供了变量55在机械力学系统与等效电路微分方程相似的基础上其模拟方案可在机械力学系统与等效电路微分方程相似的基础上其模拟方案可有多种。对应量模拟关系是：力有多种。对应量模拟关系是：力-电压，力电压，力-电流。电流。1 1）、力）、力-
40、电压模拟：电压模拟：微分方程：微分方程： 如图所示：在机械系统中，除如图所示：在机械系统中，除了激励力了激励力f外，作用在质量块外，作用在质量块m上的力还有上的力还有： 、惯性力：、惯性力： 、阻尼力：、阻尼力： 、弹簧力：、弹簧力：总方程：总方程： 22dtxdmdtdvmmafmadtcdtdxccvfckfKxK vdtfvdtkcvdtdvm3、机电模拟举列：、机电模拟举列：56由此可见两系统的物理性质不同，但有相同的数学模由此可见两系统的物理性质不同，但有相同的数学模型。即有相似的运动规律。对应关系为：型。即有相似的运动规律。对应关系为：uidtcRidtdiL1)(1电容CKRcL
41、mQxivuffvdtkcvdtdvmdtDBdtdAxxxyuidtcRidtdiL1fvdtkcvdtdvm57fvdtkcvdtdvmuidtCRidtdiL1)(1电容CkRcLmQxivuf这种相似方法的特点是：这种相似方法的特点是：、机械系统的一个、机械系统的一个质点质点用一个用一个串联回路串联回路去模拟；去模拟；、机械系统质点上的、机械系统质点上的激励力激励力用串联电路的用串联电路的激励电压激励电压模拟。模拟。所有与机械系统的一个质点连接的机械元件（所有与机械系统的一个质点连接的机械元件（m.c.k）与串联回路的各电器元件与串联回路的各电器元件（L，R，C）相模拟。相模拟。58例
42、：为了测量结构物的振动速度例：为了测量结构物的振动速度Vx （相对于大地）常将磁电式传（相对于大地）常将磁电式传感器固定在结构物上如图（感器固定在结构物上如图（1-5-3）（）（a）所示。传感器外壳质所示。传感器外壳质量为量为m2，通过，通过C2、K2与结构物相连，传感器的质量块与结构物相连，传感器的质量块m1通过通过C1、K1与与 外壳外壳m2相连。因此有两个质点，而结构物的速度作相连。因此有两个质点，而结构物的速度作为传感器的输入量，将不必考虑结构物这个质点。为传感器的输入量，将不必考虑结构物这个质点。图图(1-5-3) （a）59 因此对应相似电路就应具有两个回路。如图因此对应相似电路就
43、应具有两个回路。如图(1-5-3)(b)，机械机械系统的输入速度系统的输入速度 Vx对应于该模拟电路的输入电流，对应于该模拟电路的输入电流，K2或或C2两两端的相对速度端的相对速度 V2 是输入速度是输入速度 Vx与质量与质量 m2相对于大地相对于大地 的速的速度度Vm2之差之差V2=Vx-Vm2。由质量。由质量 m2所决定的电路所决定的电路M2中的模拟元中的模拟元件包括与质量件包括与质量m2相接的所有元件是相接的所有元件是C2、K2、C1、K1、m2、同、同样在弹簧样在弹簧K1 或或C1两端中两端中m2相对相对m1的相对速度的相对速度V1为为V1=Vm2-Vm1，Vm1为质量为质量m1相对于
44、大地的速度。模拟相对于大地的速度。模拟m1这一质点的串联回路这一质点的串联回路元件应包括元件应包括C1、K1、m1三个元件，回路为三个元件，回路为M1。由于。由于C1、K1同同时与时与m1相连，则他们是两个回路的公共部分，这样就很容易相连，则他们是两个回路的公共部分，这样就很容易画出模拟电路。画出模拟电路。 (a) (b)图图(1-5-3)60为了便于计算，在模拟电路中的电阻、电容、电感可直接为了便于计算，在模拟电路中的电阻、电容、电感可直接用机械参量表示。质量用机械参量表示。质量 相对于大地的速度将由相应相对于大地的速度将由相应的电感元件的电感元件 中的电流中的电流 来模拟。当关心的输出来模
45、拟。当关心的输出的是质量的是质量 对对 的相对速度时，则应取的相对速度时，则应取 作作为输出，显然它是模拟电路中为输出，显然它是模拟电路中 的电流的电流 的负值。当研究输的负值。当研究输出速度出速度 的响应特性时，就只需研究的响应特性时，就只需研究 中的响应电流中的响应电流 即即可。以上电系统可。以上电系统通过变量通过变量 模拟了机械系统的模拟了机械系统的跨越变量跨越变量速度速度V，因而形成了用回路模拟机械。因而形成了用回路模拟机械。为了得到为了得到速度值速度值，必须在电回路中串电流表。，必须在电回路中串电流表。21mm 、21LL、21mmii 、1m2m1021VVVVmm11RC1i0V
46、11RC1i1i (a) (b)图图(1-5-3)61 上述模拟不直观，在测量中为了得到速度值需要在模上述模拟不直观，在测量中为了得到速度值需要在模拟电路中串入电流表，这有所不便，采用力拟电路中串入电流表，这有所不便，采用力电流模拟。电流模拟。微分方程：微分方程： 机械受力图总方程：机械受力图总方程： 电路图方程：电路图方程：fvdtkcvdtdvmiudtLGudtduC1 0f 0i在机械系统中作用在一个质点上的所有通过变量之和为零。在机械系统中作用在一个质点上的所有通过变量之和为零。即：即：在电路中流入一个结点的所有变量之和为零，即：在电路中流入一个结点的所有变量之和为零，即：2）、力）
47、、力-电流模拟：电流模拟：62 从物理观点上看这种模拟方法比较直观方便，为了测量两个质从物理观点上看这种模拟方法比较直观方便，为了测量两个质点间的相对速度，只要测量相似电路中两个结点间的电压即可。点间的相对速度，只要测量相似电路中两个结点间的电压即可。 力力电流相似系统的特点是：电流相似系统的特点是： A A、机械系统的一个机械系统的一个质点质点与模拟电路的一个与模拟电路的一个结点结点相对应，相对应， B B、流入电路结点的流入电路结点的激励电流激励电流与机械系统与机械系统相应质点的激励力相应质点的激励力模拟模拟fvdtkcvdtdvmiudtLGudtduC1xLkGcCmUvif163 机
48、械系统为图机械系统为图1-5-5（a）电路为（电路为（b），），在机械系统的一个质点在机械系统的一个质点 上上接上接上C1,C2, K1,K2等等5个元件，作用在个元件，作用在 上的力也有上的力也有5个，则在结点个，则在结点a上接上接上五个支路上五个支路-两个电导，两电感和一个接地电容，模拟电路上的结点两个电导，两电感和一个接地电容，模拟电路上的结点a上的上的电压即模拟了机械系统的质量电压即模拟了机械系统的质量 相对于大地的速度相对于大地的速度 ，模拟电路的激，模拟电路的激励电流模拟了机械系统结构物的激励力励电流模拟了机械系统结构物的激励力 ，结构物相对大地的速度，结构物相对大地的速度 是是用激励电压来模拟的。同样质点用激励电压来模拟的。同样质点 与电路结点与电路结点b对应的。对应的。 要求质点要求质点 m1、m2间的相对速度间的相对速度 作为输出时只要得模拟电路中作为输出时只要得模拟电路中的的a,b两点间电压差即可模拟输出速度两点间电压差即可模拟输出速度 对输入速度对输入速度 的响应的响应 2m2m2m2mVfxV1m22112211221111mCmCkLkLcGcG210mmVVV0VxV(b)(a)图图1-5-5G1G2L2C2L1C1对应关系：对应关系：
