《南京理工大学传感器技术与应用》课件

南京理工大学传感器技术与应用欢迎来到南京理工大学传感器技术与应用课程本课程是校内权威专业课程，旨在全面介绍传感器的基础理论、技术应用及实验实践通过系统学习，您将掌握现代传感器技术的核心知识，培养实际工程应用能力，为未来在智能制造、物联网等领域的发展打下坚实基础本课程融合了理论与实践，贯穿传感器发展史、基本原理、分类方法、信号处理及前沿应用，并结合南京理工大学的多学科交叉特色，提供丰富的实验环境和创新平台支持课程简介与目标理论与实践融合培养创新与工程应用能力本课程将传感器理论知识与工程实践紧密结合，通过课堂讲注重培养学生解决实际工程问解与实验操作相结合的方式，题的能力，鼓励学生将所学知帮助学生全面理解传感器工作识应用于创新项目，提升综合原理及应用方法技术素养与工程实践能力多学科交叉特色充分发挥南京理工大学电子、机械、材料等学科优势，通过多学科知识融合，培养具备跨领域视野的传感器技术人才传感器技术发展概述1早期发展传感器概念最早可追溯至世纪，最初用于温度、压力等物理19量测量，技术相对简单但奠定了重要基础2技术成熟期世纪中后期，半导体技术推动传感器微型化、集成化发展，20应用领域逐渐扩大，产业规模初步形成3智能化阶段世纪以来，传感器与人工智能、物联网等技术融合，智能传21感网络兴起，年全球市场规模已超亿美元20242300传感器在现代社会的作用智慧城市支撑城市基础设施智能化工业自动化约工业设备集成多种传感器40%智能家居实现家庭环境智能感知与控制医疗健康提供关键生命体征监测数据传感器作为信息获取的前端设备，已成为现代社会不可或缺的基础组件在工业领域，自动化生产线上的传感器实现了精准控制和智能决策；在智能家居中，各类传感器使家庭环境实现智能调节；在医疗设备中，高精度传感器保障了生命安全南京理工大学测控技术特色电子学与精密机械融合优学科交叉培养体系势构建了电子机械材料信息---南京理工大学在电子技术与精密多学科交叉培养体系，课程设置机械领域拥有深厚积累，为传感涵盖信号处理、微机电系统、智器技术研究提供了跨学科支持能控制等多领域知识，为学生提测控技术与仪器专业结合两大领供宽广的专业视野和复合型知识域优势，培养学生全面掌握传感结构检测原理与系统集成能力重点实验平台支持依托国家级与省部级重点实验室平台，配备先进的传感器测试与开发设备学生可接触前沿研究项目，参与实际工程案例，将理论知识转化为实践能力传感器分类总览按原理分类物理传感器基于物理效应•化学传感器基于化学反应•按物理量分类生物传感器利用生物材料•热传感器温度、热流量•光传感器光强、颜色、图像•按应用场景分类力传感器压力、形变、加速度•工业传感器高可靠性•电磁传感器电场、磁场•消费电子传感器低成本•医疗传感器高精度•环境监测传感器耐环境性•基本工作原理物理量感知接收外界物理量变化信号转换将物理量转换为电信号信号调理对信号进行放大和滤波输出处理转换为标准输出信号传感器工作原理的核心是能量转换过程常见的能量转换关系包括机械能转电能（压电）、热能转电能（热电）、光能转电能（光电）、磁能转电能（磁电）等这些转换原理使传感器能够将难以直接测量的物理量转化为易于处理的电信号传感器输入与输出特性通常通过传递函数表示，良好的传感器应当具有稳定的传递特性，保证测量的一致性和可靠性南京理工大学实验室配有多种传感器原理演示装置，帮助学生深入理解各类转换机制主要技术参数参数名称定义影响因素灵敏度单位输入引起的输出变化材料、结构分辨率能够分辨的最小输入变化噪声水平线性度输入输出关系的线性程度设计与材料量程可测量的最大和最小值范围材料极限迟滞上升和下降曲线不重合程度材料特性响应时间输出达到稳定值所需时间结构尺寸传感器的技术参数决定了其性能和适用场景灵敏度越高，传感器对微小变化的反应越明显；分辨率越高，能够检测到的最小变化越小线性度好的传感器具有简单的数学模型，易于校准和使用在南京理工大学的实验课程中，学生将通过实际测试来理解并量化这些参数，掌握传感器选型和性能评估的方法这些知识对于工程应用中的传感器系统设计至关重要误差与校准系统误差随机误差校准流程系统误差是由仪器本身固有缺陷导致的随机误差由不可预测因素导致，表现为校准是确保传感器准确性的关键过程，确定性误差，呈现一定规律性，可通过测量数据的随机波动，通过统计方法处主要步骤包括校准补偿主要包括理主要来源标准源输入提供已知标准量值

1.零点漂移零输入时存在非零输出热噪声电子元件热运动••数据采集记录传感器输出值

2.灵敏度误差实际灵敏度与标称值不环境干扰电磁、振动••误差分析计算偏差与不确定度

3.符制造工艺材料不均匀性•修正函数建立输入输出映射关系

4.线性误差实际输出与理想线性关系•偏离压力传感器原理及应用压阻型原理压阻型压力传感器利用硅材料的压阻效应，通过惠斯通电桥将膜片形变转换为电阻变化，进而输出与压力成比例的电压信号这类传感器制造工艺成熟，价格适中，在工业控制和汽车领域应用广泛电容型原理电容型压力传感器利用压力引起两极板间距变化，导致电容值改变相比压阻型，具有更高灵敏度和更低功耗特点，适用于便携设备和医疗领域南京理工大学实验室配备有多种电容压力传感器测试平台应用案例压力传感器在汽车气囊系统中用于碰撞检测，碰撞时压力突变触发气囊展开；在工业生产中，用于管道压力监测，确保系统安全；在医疗领域，用于血压监测和呼吸机控制，精度要求可达±

0.1%温度传感器原理与结构铂电阻温度传感器基于铂金属电阻随温度变化的原理，具有高精度（±℃）和优异的线性度，主要

0.1用于工业过程控制和科学研究南京理工大学实验室配备标准传感器供学生PT100实验使用热电偶利用塞贝克效应，由两种不同金属导体连接形成，测温范围广（-℃℃），响应速度快，常用于高温工业环境和热工设备测量型和型200~1800K E热电偶是实验室教学中最常用的类型半导体温度传感器包括热敏电阻和集成温度传感器芯片，具有小型化、低成本特点，广泛应用于消费电子和智能家电如智能空调系统利用热敏电阻实现室温监测与控制，测温精度可NTC达±℃

0.5温度传感器在医疗设备中应用广泛，如电子体温计、温度监护仪等现代智能家电如冰箱、空调、电饭煲等也大量使用温度传感器实现精准控温工业生产中，温度传感器用于设备过热保护和工艺温度控制，是安全生产的重要保障湿度传感器应用与技术电容式湿度传感器工作原理基于吸湿材料的介电常数随湿度变化，具有良好的线性度和稳定性，响应时间通常为秒优点是温度影响小，长期稳定性好，广泛应用于气象站、10-60智能恒湿系统和高精度工业环境监控电阻式湿度传感器基于吸湿材料电阻随湿度变化的原理，结构简单，成本低，响应迅速缺点是温度依赖性强，长期漂移较大，主要用于民用电器和一般环境监测，适用于对精度要求不高的场合新型湿度传感技术包括声表面波湿度传感器和光纤湿度传感器，前者利用声波传播特性变化，后者基于光学特性随湿度变化这些新技术具有更高的灵敏度和特殊环境适应性，在微环境监测中应用前景广阔在食品行业，湿度传感器用于监控制造和储存环境，确保产品质量；制药行业中，药品生产要求严格的湿度控制，通常使用高精度电容式传感器，要求测量误差小于±；数据中心利用湿度传感器防止静电和设备腐蚀问题2%RH光学传感器基础70%5ns消费电子应用率光电二极管响应时间现代智能手机中集成多种光学传感器高速光通信关键参数倍1000光敏电阻暗阻与明阻比决定环境光感应灵敏度光敏电阻是最基础的光学传感器，利用半导体材料在光照下电阻减小的特性，结构简单，成本低，但响应时间较长，主要用于光控开关和光照度测量光电二极管则利用光生伏特效应或光生电流效应，具有快速响应特性，是光纤通信和精密光测量的核心元件智能照明系统使用光学传感器实现环境光自适应调节，节能效果显著例如，某办公楼智能照明系统利用光传感器网络，实现了的能耗降低南京理工大学实验室配备多种光学传30%感器测试平台，支持学生进行灵敏度、响应时间等参数测定加速度与位移传感器加速度计是现代移动设备的关键组件，全球智能手机内置数量超过亿个其工作原理基于微机械结构中的惯性质量在加速度作MEMS20用下产生微小位移，通过电容或压阻方式转换为电信号这类传感器具有微型化、低功耗和多轴测量优势，除智能手机外，还广泛应用于汽车安全系统和运动检测设备位移传感器主要包括电感式和电容式两大类电感式位移传感器利用线圈与铁芯相对位置变化引起电感变化，具有坚固耐用、抗干扰能力强的特点，适用于恶劣工业环境；电容式位移传感器则利用电极间距变化导致电容变化，具有高分辨率和非接触测量优势，常用于精密测量和微位移检测振动与力传感器技术应变式力传感器压电式振动传感器应变式力传感器基于应变片电阻随形变变化的原理，压电式振动传感器利用压电材料（如石英、陶瓷）PZT具有结构简单、易于安装的特点常见的应变片材料在受力时产生电荷的特性，具有自发电、高频响应好包括康铜、镍铬合金等根据惠斯通电桥原理，当受的优点适合测量动态力和振动，但不适合静态力测力形变时，电桥失衡产生与力成比例的电压输出量频率响应至•1Hz50kHz测量范围至•1N100kN灵敏度•1~100mV/g精度•

0.1%~

0.5%测量范围±至±•50g5000g响应频率至•DC5kHz在桥梁结构健康监测中，振动与力传感器网络可实时检测桥梁的动态响应和应力分布通过分析振动模态和频率变化，可预警桥梁结构隐患，提前采取维护措施，显著提高基础设施安全性南京理工大学参与的某高速公路桥梁监测项目，成功预警了多处潜在风险点磁传感器与霍尔元件霍尔效应原理霍尔传感器结构当载流导体放置于垂直磁场中时，载流典型结构包括霍尔元件芯片、信号处理子受洛伦兹力作用偏向一侧，产生与磁电路和封装，现代集成化霍尔传感器集场强度成比例的霍尔电压成了温度补偿和放大电路位置检测汽车测速应用工业机器人关节位置和伺服电机转角测在轮毂安装永磁体，霍尔传感器检测磁量中，霍尔传感器可提供高达°的场变化频率，计算车轮转速，精度可达

0.1角度分辨率±1%除霍尔元件外，常见的磁传感器还包括磁阻传感器、磁通门传感器和巨磁阻传感器等这些传感器在电流测量、电子罗盘和非接触开关等领域有广泛应用南京理工大学实验室配备了多种磁传感器测试平台，学生可进行霍尔电压测量、线性度分析和温度特性研究等实验气体传感器种类及检测机制半导体型气体传感器基于气体吸附导致导电性变化催化燃烧型气体传感器利用气体燃烧放热改变电阻电化学型气体传感器测量气体氧化还原反应产生的电流光学气体传感器分析气体对特定波长光的吸收半导体型气体传感器以氧化锡、氧化锌等材料为敏感元件，对多种气体有响应，但选择性较差，价格低廉，适合民用场合催化燃烧型主要用于可燃气体检测，具有较高灵敏度，但功耗较大，需定期校准工业安全领域，气体传感器网络用于实时监测有毒有害气体泄漏，保障生产安全空气质量监测站使用高精度电化学和光学传感器检测、、等污染物，SO2NOX O3数据精度要求达到级别南京理工大学环境监测实验室配备多种气体传感器系统，支持学生进行传感器特性研究和环境监测实验ppb生物及化学传感器酶电极传感器免疫传感器微流控生物传感器酶电极生物传感器利用酶的高选择性催化免疫传感器基于抗原抗体特异性结合原理，微流控技术与生物传感器的结合，实现了特性，将生物反应转化为电信号常见的可实现对特定蛋白质、病毒等的检测结样品处理、反应检测的一体化集成这类葡萄糖传感器使用葡萄糖氧化酶催化葡萄合荧光、电化学等技术，已实现对新冠病实验室芯片大大减少了样品用量和分析时糖氧化，产生的在电极上氧化生成毒、肿瘤标志物等的快速检测，敏感度可间，便于现场快速检测南京理工大学生H2O2电流，电流大小与葡萄糖浓度成正比，误达级别，是现代医疗诊断的重要工物传感器实验室在该领域有深入研究，开pg/mL差控制在±以内具发了多种便携式检测系统5%技术在传感器领域的应用MEMS系统集成传感、处理、执行一体化信号处理2片上数据处理与转换微机械结构硅基微加工技术材料技术特种材料沉积与图形化微机电系统技术通过微米级加工工艺，将机械结构、传感元件、信号处理电路集成于单个芯片，实现了传感器的微型化、批量化生产，大幅降低了成本典MEMS型的制造工艺包括体硅刻蚀、表面微加工、工艺等，南京理工大学微电子学院拥有完整的工艺实验线MEMS LIGAMEMS红外传感器利用悬浮微结构实现高灵敏度热检测，广泛应用于人体存在感知、热成像等领域惯性产品如加速度计、陀螺仪是智能手机、可穿戴设备的MEMS MEMS核心组件，通过测量微结构的位移或形变，实现运动参数检测南京理工大学实验室拥有多种商用传感器测试平台，学生可进行系统性能评估和应用开MEMS MEMS发柔性传感器与新材料新型材料开发石墨烯、碳纳米管等二维材料具有优异的机械和电学性能，为柔性传感器提供了理想的材料基础这些材料可通过多种方式制备，如化学气相沉积和液相剥离，南京理工大学在石墨烯传感器制备工艺上有深入研究柔性基底技术聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等柔性基底材料，可实现传感器的弯曲、拉伸和扭曲，同时保持稳定的电学性能这些材料通常具有良好的化学稳定性和机械强度，使传感器PI PET适应多样化应用场景可穿戴应用柔性传感器在可穿戴设备中发挥关键作用，如柔性压力传感阵列可制作成电子皮肤，监测人体运动和健康状态这类传感器通常要求舒适度高、重量轻、功耗低，对传感器设计提出了新的挑战拉伸电子技术新型拉伸电子技术使传感器可承受以上的应变而保持功能完好，关键技术包括蛇形导线设计和岛礁结构这一技术使传感器能够紧密贴合人体曲面，实现更准确的生理信号采集50%智能传感系统结构多传感器信息融合数据采集前端前端信号处理智能传感系统通常整合多种传感器，实现数现代智能传感前端集成了高精度转换器、传感器前端处理芯片执A/D FPGA/DSP/MCU据互补和冗余备份信息融合算法如卡尔曼信号调理电路和数字接口，实现从模拟信号行滤波、校准和特征提取等任务，减轻后端滤波、贝叶斯网络等，能够从多源数据中提到数字数据的高效转换采样率从几到几系统负担边缘计算技术使数据处理下沉至Hz取更可靠、更全面的信息例如，自动驾驶不等，分辨率可达位，满足各类应传感节点，显著降低通信带宽需求和系统响MHz24系统融合雷达、激光雷达和摄像头数据，克用需求低功耗设计使电池供电的物联网节应延迟，是物联网系统发展的重要趋势服单一传感器的局限性，提高感知可靠性点可工作数月至数年南京理工大学开发的智能环境监测系统采用多传感器融合和边缘计算架构，将、温湿度、气体等传感器数据在本地进行初步处理，仅将有效信息PM

2.5上传至云平台，实现了高效、实时的环境参数监测，系统功耗比传统方案降低以上60%信号调理与转换电路传感器输出信号通常幅值较小毫伏级且夹杂噪声，需要通过信号调理电路进行放大、滤波和线性化处理典型的信号调理链包括前置放大、滤波、二次放大和模数转换四个环节高品质的仪表放大器具有高共模抑制比和低温漂°特性，能有效提取微弱信号CMRR100dB1μV/C滤波电路根据应用需求可设计为低通、高通、带通或带阻特性，有效抑制工频干扰和高频噪声南京理工大学实验室配备有多种信号调理模块，学生可通过实验掌握不50/60Hz同类型滤波器的设计方法和性能评估模数转换器将处理后的模拟信号转换为数字量，主流分辨率达位，采样率从到不等，满足各类应用需求ADC16-24kHz MHz数字传感器与接口标准总线接口I²C SPI双线制四线制•SCL+SDA•SCLK+MOSI+MISO+CS主从架构，单主多从全双工通信••速率速率最高可达•100kbps-5Mbps•50Mbps地址可配置，适合多传感器无地址概念，使用片选••总线RS-485CAN差分信号传输差分信号，抗干扰强••4总线拓扑，多点通信速率最高••1Mbps传输距离可达米应用汽车、工控•1200•工业现场常用长距离可靠传输••现代智能仪表内部集成多种接口电路，可灵活适应不同系统需求例如，某温湿度监测仪表同时支持、和模拟输出，I²C RS-4854-20mA方便与各类上位机和系统对接南京理工大学实验室配备多种传感器接口开发套件，学生可通过实验掌握各类数字接口的特点和应用PLC方法无线传感器网络无线技术传输距离功耗特点数据速率典型应用米超低功耗智能家居Zigbee10-100250kbps公里低功耗城市物联LoRa2-

150.3-50kbps公里低功耗表计抄读NB-IoT1-1020-200kbps米中高功耗以上视频监控Wi-Fi50-100150Mbps蓝牙米低功耗可穿戴设备

5.010-400125kbps-2Mbps无线传感器网络是物联网的重要组成部分，由分布式传感节点、网关和云平台组成各节WSN点通过无线方式组网，实现环境数据采集与传输根据应用场景特点，选择合适的无线通信技术至关重要电池供电的场景通常选择低功耗技术如或；实时监控则需要高带宽技术Zigbee LoRa如Wi-Fi南京理工大学开发的环境监控系统采用多层次网络架构，将用于广域数据采集，用LoRa Zigbee于局部高密度部署，实现了校园全覆盖的环境参数实时监测系统运行一年来，采集数据超过万条，为校园环境优化提供了科学依据实验室为学生提供多种无线传感器开发平台，支1000持自主设计与创新应用开发传感器与系统集成PLC传感器信号类型集成架构实际应用工业环境中常用的传感器信号类型包括典型的传感器集成系统包括三层架南京理工大学实验室构建了完整的-PLC PLC构工业自动化教学平台，包括开关量信号直流现场层各类传感器及信号调理西门子系列•24V

1.•S7-1200/1500PLC模拟量信号、控制层系统执行逻辑控制多种传感器接近开关、光电传感器、•4-20mA0-10V

2.PLC•温度传感器等数字总线、管理层系统进行监控与管•Modbus PROFIBUS

3.SCADA理执行机构变频器、伺服电机等工业以太网、••EtherCAT触摸屏和软件PROFINET•HMI SCADA现代系统多采用分布式架构，通过现场总线或工业以太网实现各层级的无缝连系统通过对应的输入模块接收这些学生通过实验掌握从传感器选型、接线PLC接，提高系统灵活性和可扩展性信号，模拟量通常需要位以上分辨率到编程的全流程技能16PLC以确保测量精度传感器与微控制器应用平台Arduino以其简单易用的特点，成为传感器应用入门的理想平台南京理工大学创新实验中心配备多种套件，学生可通过图形化或语言编程，实现各类传感器数据Arduino ArduinoC采集与处理典型实验包括温湿度监测、光照控制和运动检测等，培养学生的动手能力和创新思维开发STM32系列微控制器基于内核，提供强大的计算能力和丰富的外设资源，适合开发复杂的传感器应用实验室平台支持多通道采样、传STM32ARM Cortex-M STM32ADC DMA输和硬件定时器触发等高级功能，使学生能够设计出性能优异的实时监测系统创新项目展示南京理工大学学生在传感器课程基础上，开展了多项创新实验项目如基于多传感器融合的智能手套，能够准确识别手势并控制机械臂；环境质量监测站集成温湿度、气体、粉尘等传感器，实现城市微环境数据采集与分析，相关成果已在省级创新大赛中获奖工业传感器案例研究15+85%机械臂传感器数量故障预测准确率实现精准定位与力反馈基于振动传感器数据分析

0.01mm数控机床定位精度高精度位移传感器保障现代工业机械臂通常配备多种传感器以实现精准操作关节位置传感器（通常为编码器或霍尔传感器）提供角度信息，精度可达°；末端执行器集成力触觉传感器，感知抓取力度和接触状态；视觉传感器

0.01/辅助定位和识别工件这些传感器数据通过控制算法融合，实现机械臂的柔顺控制和精准操作数控机床中，位移传感器是保障加工精度的关键光栅尺提供直线位移信息，分辨率可达微米级；旋转编码器监测主轴转速；切削力传感器监测加工状态预测性维护系统通过振动传感器网络实时监测设备运行状态，结合机器学习算法，可提前识别潜在故障，避免意外停机南京理工大学智能制造实验室构建了完整的工业传感器测试平台，支持学生进行传感器特性研究和应用开发智能制造中的传感器解决方案数据采集层边缘处理层多类型传感器采集温度、压力、振动等工艺边缘服务器执行数据预处理、异常检测和实参数，通过现场总线或工业以太网传输至边时控制，降低响应延迟和网络负担缘计算节点应用层云平台层系统集成传感数据，实现生产计云计算平台进行大数据分析、模型训练和系MES/ERP划优化、设备管理和质量控制统优化，支持远程监控和决策南京理工大学与某航空零部件制造企业合作开发的智能制造系统，通过部署余个传感器节点，实现了生产线全工序参数实时监测系统集成了600工艺参数采集、设备状态监控和质量追溯功能，建立了从传感器到的完整数据链路MES/ERP该系统应用机器学习算法分析传感器数据，成功构建了工艺参数与产品质量的关联模型，优化了工艺参数设置，良品率提升，设备利用率提高

7.5%这一案例展示了传感器网络在智能制造中的关键作用，是传感技术与先进制造深度融合的典型实例12%汽车电子中的传感器车轮传感系统轮速传感器基于霍尔效应或变磁阻原理，精确测量车轮转速，是制动系统的ABS关键输入胎压监测系统集成压力、温度和加速度传感器，实时监测轮胎TPMS状态，当胎压异常时发出预警，提高行车安全性安全保障系统气囊控制系统使用加速度传感器和压力传感器感知碰撞事件，在数十毫秒内触发气囊展开现代系统采用多传感器融合技术，能够区分不同类型的碰撞，根据严重程度调整气囊展开策略，最大限度保护乘员安全智能驾驶技术智能驾驶系统整合了雷达、激光雷达、摄像头、超声波等多类传感器毫米波雷达有效距离可达米，能够穿透雾霾；激光雷达提供精细的环境信息；摄像头2003D负责车道线识别和交通标志检测多传感器数据融合是实现自动驾驶的关键技术现代汽车平均装配超过个传感器，是典型的传感器密集型产品南京理工大学汽车电子实验100室配备了完整的汽车传感器测试平台，学生可进行传感器参数测试、故障诊断和系统集成实验，培养汽车电子领域的专业技能医疗健康领域传感器创新可穿戴心电监测新型柔性电极材料和低功耗信号处理技术使心电监测设备实现了小型化和长时间工作这类设备采用干电极技术，无需导电膏即可获取高质量心电信号，平均误差控制在2%以内数据通过蓝牙传输至手机，支持异常心律实时预警和云端医生诊断，为心脏病患者提供连续监护血氧监测技术血氧饱和度监测利用不同波长光对含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收差异，通过光电传感器测量透射光强度比例计算血氧值最新技术通过多波长分析和智能算法补偿，在运动状态下仍能保持准确测量，为运动员训练和呼吸系统疾病监测提供可靠数据连续体温监测智能体温监测贴片集成了微型温度传感器、信号处理芯片和无线通信模块，可小时连续记录体温变化，精度达±℃这类设备特别适用于婴幼儿和术后患者的体温监

240.1测，通过建立个体化体温模型，能够提前预警潜在发热风险，改善临床监护质量环境监测与智能检测典型传感器芯片介绍芯片类型主要厂商代表产品关键性能主要应用加速度计博世、意法半导±量程，手机、可穿戴LSM6DSO16g体分辨

0.122mg率压力传感器霍尼韦尔、恩智，工业、医疗MPX51000-100kPa浦±精度

2.5%温湿度传感器森萨塔、盛思锐±，智能家居、气象SHT302%RH±℃

0.3光学传感器艾迈斯、欧司朗环境光接近感手机、显示器TMD2725+测气体传感器菲加罗、盛思锐当量空气质量监测SGP30VOC/CO2测量国内传感器芯片厂商近年发展迅速，如歌尔微电子、敏芯微电子、深迪半导体等企业在特定领域已达MEMS到国际先进水平以加速度传感器为例，国产芯片在中低端消费电子领域已实现规模应用，性能与国际品牌差距逐步缩小，成本优势明显，部分产品已进入国际供应链南京理工大学微电子学院与多家传感器芯片企业建立了产学研合作关系，联合开展传感器芯片设计、测试和可靠性研究实验室拥有多种典型传感器芯片样品和测试平台，学生可通过实验了解不同芯片的性能特点和应用方法，为将来从事相关领域工作打下基础南京理工大学传感器实验室平台压力与力学实验平台温度与热工实验平台配备压阻式、电容式、压电式等多种集成铂电阻、热电偶、热敏电阻和半原理压力传感器，附带标准压力源和导体温度传感器，配套恒温槽和标准校准设备学生可通过实验掌握压力温度计实验内容包括各类传感器线传感器特性测试、灵敏度校准和温度性度分析、动态响应测试和信号调理补偿技术应变片实验装置支持金属电路设计，覆盖℃至℃测温-50500材料应变特性和惠斯通电桥测量原理范围研究位移与振动测试平台配置光电编码器、电感传感器、激光测距仪和压电加速度计等，支持位移、速度、加速度测量实验振动测试系统可产生标准振动信号，用于传感器校准和频率特性分析南京理工大学传感器实验平台采用模块化设计，学生可根据实验需求灵活组合各功能单元平台软件接口支持多种开发环境，包括、和，方便学生进行二次LabVIEW MATLABPython开发和创新实验实验室全年开放以上时间，鼓励学生自主预约使用设备，开展课外研65%究和创新项目传感器原理与应用课程实验体系创新设计实验自主选题的传感器系统设计综合应用实验多传感器系统集成与开发信号处理实验3传感器信号调理与数据采集传感器基础实验各类传感器原理与特性测试南京理工大学传感器课程实验体系共包含余个实验项目，覆盖从基础测试到创新应用的各个层次基础实验重点学习各类传感器的工作原理和特性测试方法；信20号处理实验侧重传感信号放大、滤波和模数转换技术；综合应用实验注重多种传感器和微控制器的系统集成；创新设计实验则鼓励学生结合实际需求，自主设计和实现小型传感器系统实验内容紧密贴合工程实际，采用真实器件和专业设备，培养学生解决工程问题的能力评价体系注重过程考核，包括实验预习、现场操作、结果分析和创新改进等多个维度，全面提升学生的实验能力和创新思维实验成果优秀的学生有机会参与教师科研项目或校企合作项目，拓展专业视野重点实验案例一压力传感器实验实验目标实验设备数据分析通过压力传感器实验，学生将掌握实验平台核心配置包括学生需要处理采集的原始数据，包括压阻式压力传感器工作原理与结构特压阻式压力传感器模块（绘制输入输出特性曲线，计算灵敏度

1.•0-•点）100kPa测试压力传感器静态特性与温度特性标准压力源（精度）分析非线性误差，拟合校准方程

2.•

0.05%•信号调理电路实验板测定温度系数，设计温度补偿方案••设计信号调理电路与补偿算法

3.温度箱（℃至℃可调）评估测量不确定度，撰写规范实验报•-10+60•分析误差来源并优化测量方案告

4.数据采集卡（位分辨率）•16上位机分析软件•本实验采用实际工程中常用的系列压力传感器，学生通过调节标准压力源，记录不同压力下传感器的输出电压，建立压力电压MPX-对应关系实验数据显示，传感器在℃环境下的典型灵敏度约为，非线性误差不超过满量程的±温度特性测

250.4mV/kPa

0.5%试表明，灵敏度温度系数约为℃，零点漂移约为℃，需要通过硬件或软件方法进行补偿

0.2%/

0.3mV/重点实验案例二位移与振动检测传感器选型与准备根据测量范围和精度要求，选择合适的位移传感器和振动传感器本实验通常使用电感式位移传感器（量程，分辨率）和压电式加速度传感器（频率范围0-10mm

0.01mm5Hz-，灵敏度）实验前需检查传感器状态，正确安装在测试工装上，并连接信5kHz10mV/g号调理电路信号采集与处理使用数据采集系统记录传感器输出信号，采样率设定为以确保不丢失高频信息10kHz针对位移信号，进行低通滤波去除干扰；对振动信号，应用分析提取频谱特征实FFT验软件支持时域波形展示、频谱分析和数据存储功能，方便学生进行后续分析数据分析与报告根据采集数据分析传感器静态和动态特性，计算位移传感器的线性度、灵敏度和分辨率；确定振动传感器的频率响应特性和固有频率实验报告需包含原始数据、处理方法、分析结果和误差讨论，格式规范，内容完整，反映学生的实验能力和分析水平本实验是传感器课程的重点实验之一，旨在培养学生掌握位移和振动测量的基本方法和数据分析技能学生通过对比不同类型位移传感器的特性，了解各自的优缺点和适用场景；通过振动测试，掌握机械系统动态特性分析方法，为机械故障诊断打下基础信号与系统仿真实验介绍信号与系统仿真实验是传感器课程的重要组成部分，主要使用等软件工具，对传感器特性和信号处理方法进行建模与分析学生首先学习建立传Matlab/Simulink感器数学模型，包括线性特性、非线性修正、迟滞现象和噪声模型等；然后设计信号调理系统，实现放大、滤波和线性化功能；最后进行系统响应仿真，分析静态和动态性能典型实验包括温度传感器动态响应分析、压力传感器非线性补偿、噪声滤波器设计与评估等通过仿真，学生可以深入理解传感器的工作机理和性能限制，掌握系统优化方法仿真实验与硬件实验相辅相成，使学生既具备理论分析能力，又具备实际操作技能南京理工大学实验室配备专用计算机集群，支持大规模并行仿真和复杂系统建模，为学生提供良好的仿真环境传感器数据处理与分析数据滤波去除噪声和干扰特征提取识别关键信号特征模式分析挖掘数据中的规律决策输出生成有价值的结论传感器输出信号通常含有各种噪声和干扰，需要通过滤波算法提取有效信息常用的滤波方法包括均值滤波适合处理随机噪声；中值滤波有效抑制脉冲干扰；卡尔曼滤波则能在动态系统中估计最优状态南京理工大学传感器实验课程设计了一系列数据处理实验，学生需要编写或程序实现各种滤波算法，并对比Python Matlab分析其性能特征提取是将原始数据转换为有意义特征的过程，常用方法包括统计特征（均值、方差）、时频特征（傅里叶变换、小波变换）和形态特征等例如，振动传感器数据通过频谱分析可识别机械故障特征；心电信号通过波峰检测可提取心率信息学生通过实践学习各种特征提取算法，培养数据分析能力，为后续的模式识别和机器学习应用打下基础智能算法与传感器融合软硬件系统开发流程需求分析与方案设计明确测量目标和技术指标，选择合适的传感器类型和信号处理方案评估系统可行性，制定详细的硬件配置和软件架构方案这一阶段需要综合考虑性能需求、成本控制和开发周期等因素2硬件开发阶段包括传感器选型、电路设计、布局和原型制作重点关注信号完整性、抗干扰设计和电源管理PCB采用模块化设计方法，便于调试和升级南京理工大学实验室提供完整的电路设计和制板设备，支持学生自主完成硬件开发软件开发阶段构建多层软件架构，包括驱动层、数据处理层和应用层采用面向对象设计方法，确保代码可维护性和可扩展性根据实时性要求，选择合适的操作系统和开发框架，如嵌入式、或裸机编Linux RTOS程测试与优化阶段进行单元测试、集成测试和系统测试，验证功能和性能指标根据测试结果优化算法和参数，提高系统可靠性和效率典型优化方向包括功耗降低、响应时间缩短和测量精度提升等南京理工大学传感器课程设计要求学生完整体验上述开发流程，从需求分析到系统优化，培养综合工程能力教师团队提供技术指导和开发资源，学生以小组形式协作完成项目，模拟真实工程团队的工作模式前沿方向新型传感器材料纳米材料传感器纳米材料传感器利用纳米结构的独特物理化学性质，实现超高灵敏度检测纳米粒子、纳米线和纳米管等材料因表面积大、量子效应显著，对外界刺激响应强烈例如，碳纳米管气体传感器检测极限可达级别，比传统半导体气体传感器提高倍以上，在环境监测和健康检测领域具有广阔应用前景ppb1000石墨烯传感器石墨烯作为二维材料的代表，具有优异的电学、热学和机械性能，是理想的传感材料石墨烯压力传感器灵敏度可达传统器件的倍，能够探测到不足的微小压力；石101Pa墨烯霍尔传感器在室温下灵敏度比硅器件高倍以上，且功耗显著降低南京理工大学微电子实验室已实现石墨烯传感器的实验制备和性能测试5二维层状材料除石墨烯外，过渡金属硫化物、、黑磷等新型二维材料也具有独特的传感特性这类材料可实现超薄柔性器件，厚度低至几纳米，弯曲半径小于毫米，适合集MoS2WS21成于可穿戴和植入式设备实验数据表明，基于二维材料的传感器在极端环境下仍能保持稳定工作，温度覆盖℃至℃，为苛刻应用场景提供解决方案-50300未来趋势智能化与自适应传感器云边端协作自校准技术自诊断功能未来传感系统将采用云边端自校准传感器能够在运行过程自诊断传感器能够监测自身状--三层架构，实现计算资源的优中自动检测和补偿漂移误差，态，及时发现故障和性能下降化分配端侧传感器集成低功无需人工干预典型方法包括通过内置测试电路和诊断算法，耗处理单元，执行信号预处理冗余测量、参考点自动校正和系统可评估信号质量、噪声水和特征提取；边缘节点完成数机器学习辅助校准等实验表平和响应特性变化，生成可靠据融合和初步决策；云端平台明，自校准技术可将长期漂移性指标这一功能对安全关键负责深度分析和模型优化这误差控制在传统方法的以型应用尤为重要，如汽车安全1/5种分层架构平衡了实时性和计内，显著延长校准周期，降低系统和工业安全监测，可避免算能力，显著降低了系统延迟维护成本，特别适合难以接触因传感器失效导致的安全风险和带宽需求的远程监测场景南京理工大学传感器课题组正在研发新一代自适应传感系统，结合多种先进技术提高系统智能化水平研究成果表明，自适应算法可使传感系统在不同工作条件下自动调整参数，保持最佳性能；云边端协同架构降低了系统功耗达，同时保持数据实时性；自诊断功能将故障检测率提升至40%以上，大幅提高系统可靠性98%前沿应用无人系统与机器人产业现状与人才需求万15%42行业年均增长率人才需求总量传感器产业持续高速发展全国传感器相关岗位预计数量25%人才缺口比例传感智能复合型人才尤为紧缺+传感器产业是国家战略性新兴产业，近年来保持左右的年均增长率，远高于制造业平均水平产15%业链上下游涵盖材料、设计、制造、封装测试和系统集成等环节，形成了完整的产业生态国内传感器企业主要集中在长三角、珠三角和京津冀地区，行业龙头企业技术水平已接近国际先进水平，但在高端芯片和关键材料领域仍存在一定差距传感智能是当前人才市场的热门需求，要求人才既掌握传感器原理和应用技术，又具备数据分析+和人工智能能力南京理工大学通过产学研合作和人才培养计划，积极响应产业需求，近三年传感器相关专业毕业生就业率保持在以上，其中有进入国内领先的传感器企业和研究机构学校95%30%还与多家企业联合开展实习和人才定向培养项目，为学生提供实践机会和就业通道南京理工大学相关科研与竞赛南京理工大学学生积极参与各类国家级科技竞赛，在传感器应用领域取得优异成绩近五年来，在全国大学生电子设计竞赛中获国家级奖项项，其中一等奖项；在中国研究生电子设计竞赛和智能车竞赛中多次获得特等奖和一等奖这些竞赛项目大多涉及传感器应用创新，328如基于多传感器融合的智能导航系统、柔性传感器健康监测装置等学校导师团队承担多项传感器领域国家级和省部级科研项目，研究方向包括传感器设计与制造、新型传感材料、智能传感系统等MEMS这些项目为学生提供了参与高水平科研的机会，每年有约名本科生和研究生加入导师科研团队，参与实际项目研发学生通过项目实践，60不仅提升了专业技能，还培养了团队协作和创新能力，为未来职业发展奠定了良好基础教学资源与创新平台实验中心硬件配置一流设备支持创新实践教学资源库丰富的学习材料与案例创新创业平台3项目孵化与产业化支持南京理工大学传感器教学实验中心占地面积平方米，设备总值超过万元，包括各类传感器测试平台、信号处理实验系统、微机电加工设备和12002000系统集成平台实验室实行开放管理模式，学生可通过线上预约系统使用设备，年均开放时间超过小时，有效支持了教学和创新实践活动3000学校建立了完善的传感器技术教学资源库，包括电子教材、实验指导、案例库和视频课程等，为学生自主学习提供便利创新创业平台为学生项目提供全方位支持，从创意孵化到产品开发再到市场推广，形成完整的创新链条近年来孵化的典型项目包括基于传感器网络的智慧农业监控系统、新型可穿戴健康监测设备等，多个项目获得风险投资，实现了产业化转化典型考试与考核内容理论考察实验报告创新能力评估理论考察占总成绩的，主要测试学生实验部分占总成绩的，要求学生完成创新能力占总成绩的，通过课程设计50%30%20%对传感器基本原理、工作特性和应用技术全部基础实验和至少一个综合性实验评或小组项目评估学生的综合应用与创新能的掌握程度考试内容包括价标准包括力传感器基本概念与分类实验预习与准备充分度方案设计的创新性与可行性•••各类传感器工作原理操作规范性与数据准确性系统实现的完整性与性能•••传感器特性参数与测试方法数据处理与分析能力技术文档的规范性与专业性•••信号调理与处理技术实验报告规范性与完整性演示与答辩的表现•••传感器系统应用设计实验结果与理论的对比分析团队协作与项目管理能力•••考试采用闭卷形式，注重基础知识与工程实验报告强调数据分析和误差讨论，培养鼓励学生结合实际需求提出创新解决方案应用相结合科学严谨的态度课程考核采用多元化评价体系，注重过程考核与结果考核相结合，理论知识与实践能力并重学生需在理论掌握、实验操作和创新应用三个方面均达到要求才能获得优秀成绩，这一评价机制有效促进了学生全面发展学习建议与资料推荐推荐教材核心文献《传感器原理与应用》（南京理工大学出和IEEE SensorsJournal Sensorsand版社），系统介绍各类传感器基本原理和是传感器领域的权威期刊，收Actuators应用技术，配有丰富案例和习题；《传感录最新研究成果；和Nature Electronics器技术手册》（机械工业出版社），详细经常发表传感器前沿技Science Robotics收录各类传感器参数和应用指南，是实践术；中国科学和传感技术学报也有大量高中的重要参考资料；《智能传感器系统设质量中文文献建议关注近五年发表的综计》（电子工业出版社），侧重传感器与述性文章，快速了解研究热点和发展趋势信息处理的结合，适合进阶学习学习资源南京理工大学传感器课程平台提供完整的在线学习资源，包括视频讲解、虚拟实验和MOOC自测题库；学校图书馆电子资源库收录大量传感器专业书籍和论文；开放实验室每周安排固定时间供学生自主实验和项目开发，有导师提供技术指导学习传感器技术应注重理论与实践结合建议先系统学习基础理论，理解各类传感器的工作原理和特性；然后通过实验加深理解，掌握传感器选型、测试和应用方法；最后尝试设计简单的传感系统，锻炼综合应用能力学习过程中应关注前沿发展，定期阅读最新文献，拓展专业视野课程回顾与提升举措理论深化实践拓展强化基础原理教学，增加前沿知识讲解，建立系统更新实验内容，增加综合性和设计性实验，提升动性知识结构手能力平台升级创新引导持续更新实验设备和教学资源，构建一流传感器教开展创新项目指导，鼓励参与科研和竞赛，培养创学平台新思维南京理工大学传感器技术课程通过理论实践创新全链条教学，培养学生系统掌握传感器知识和应用能力理论教学强调原理与应用并重，结合案例教学加深理解；实践--环节通过分层次实验体系，由基础到综合，培养学生解决实际问题的能力；创新环节鼓励学生参与科研项目和各类竞赛，激发创新潜能未来课程建设将持续优化教学内容和方法，增加新型传感器和智能系统相关内容，反映技术发展趋势；实验平台将引入更多前沿设备，拓展学生实践空间；加强校企合作，引入更多工程实例，提升学生工程实践能力通过这些举措，打造国内一流的传感器技术教学体系，培养高素质创新人才总结与展望持续学习与跨界创新学科交叉融合加速面对快速发展的传感器技术，学生应保持持续学习的传感器技术地位持续提升传感器技术正与人工智能、新材料、生物技术等领域态度，关注前沿发展趋势，不断更新知识结构鼓励作为信息获取的前端，传感器技术在未来社会发展中深度融合，产生众多创新成果智能传感系统将具备跨学科思维，将传感技术与其他专业领域结合，探索的地位将日益凸显从物联网到智能制造，从健康医自学习、自适应和自诊断能力；新型传感材料将实现创新应用空间南京理工大学将继续提供优质教学资疗到环境监测，传感器将成为各领域数字化转型的基更高灵敏度和更低功耗；生物传感技术将在健康监测源和平台支持，助力学生成长为传感器领域的创新人础支撑预计到年，全球传感器市场规模将突和疾病诊断方面取得突破性进展才2030破亿美元，年均复合增长率保持在以上500015%通过本课程的学习，同学们已经系统掌握了传感器的基本原理、关键技术和应用方法，具备了解决实际问题的能力希望大家在未来的学习和工作中，能够将这些知识灵活应用，不断探索和创新，为传感器技术的发展和应用做出贡献。