传感与检测技术绪论

第一章 绪论 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 1.2 检测系统的组成 1.3 传感器与检测系统的分类 1.4 传感器与检测技术的发展趋势 绪论 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 1.1.1 传感器的定义 传感器是能以一定精确度把 某种被测量 （主要为 各种非电的物理量、化学量、生物量等） 按一定规律 转换为 （便于人们应用、处理） 另一参量 （通常为电 参量）的器件或测量装置。 传感器通常由 敏感器件 和 转换器件 组合而成。敏 感器件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换器 件通常是指将敏感器件在传感器内部输出转换为便于 人们应用、处理外部输出（通常为电参量）信号的部 分。 1.1.2 检测的概念 检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领 域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而 实时 或非实时 地对一些参量进行 定性检查和定量测量 。 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 “计量”： 指用精度等级更高的标准量具、 器具或标准仪器，对被测样品、样机进行考 核性质的测量。特点： 非实时 、 离线 、 标定 。 “检测” ： 指在生产、实验等现场，利用 某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测 对象进行 在线 、 连续 的测量。 检测与计量的不同 新型武器和装备的研制与测试 定位与导航，图为中国研制的 DF-21和雷达。 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 1.1.3 传感器与检测技术的地位与作用 检测技术是自动化和信息化的 基础 与 前提 。 新型武器和装备的研制与测试 应用领域主要有： 石化行业的自动 化控制。 如右图，有液位、 温度、压力等检测。 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 城市生活污水处理 主要有流 量检测、液位 检测和成分量 检测。 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 新型武器和装备的研制与测试 定位与导航，图为中国研制的 DF-21和雷达。 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 先进医疗检测仪 成分量检测， 可测试项目为生化、 离子检测、微免疫、 肿瘤标志物、毒品 检测、同工酶测定、 脂类、糖尿病诊断 等 。 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 生活中化学成分的检测 利用化学反应机理检测成分，上图为 酒精检测仪，右图为空气质量检测仪。 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 防火防盗和家用电器安全检测 左图为漏电报警器，上图 为烟雾报警器。 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 1.2 检测系统的组成 1.3 传感器与检测系统的分类 1.4 传感器与检测技术的发展趋势 绪论 1.2 检测系统的组成 由图可知： 首先通常由各种 传感器 将非电被测物理或 化学成分参量转换成电参量信号，然后经 信号 调理 （包括：信号转换、信号检波、信号滤波、 信号放大等）、 数据采集 、 信号处理 后，进行 显示、输出 ；加上系统所需的 交、直流稳压电 源和必要的输入设备 ，便构成了一个完整的现 代检测（仪器）系统 。 1.2 检测系统的组成 1. 传感器 传感器性能要求： 准确性 传感器的输出与输入关系必须是严格的 单值函数关系，最好是线性关系 ； 稳定性 传感器的输入、输出的单值函数关系最 好不随时间和温度而变化 ； 灵敏度 要求被测参量较小的变化就可使传感器 获得较大的输出信号； 其他 如耐腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积、 售价等。 1.2 检测系统的组成 1.2 检测系统的组成 温度传感器 红外线传感器 电磁流量计 2. 信号调理 信号调理在检测系统中的作用是对传感器 输出的微弱信号进行 检波 、 转换 、 滤波 、 放大 等，以方便检测系统后续处理或显示。对信号 调理电路的一般要求是： 能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号； 信噪比高，抗干扰性能要好。 1.2 检测系统的组成 1.2 检测系统的组成 单通道信号调理电路 信号调理模块实物图 3. 数据采集 数据采集是对信号调理后的连续模拟信号离 散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的数值 信息，同时把数据及时传递给微处理器或自动存 储。性能指标如下： 输入模拟电压信号范围 单位 V； 转换速度 单位次 /秒； 分辨率 以模拟信号输入为满度时的转换值的倒 数来表征； 转换误差 实际转换数值与理想 A/D转换器理论转 换值之差。 1.2 检测系统的组成 1.2 检测系统的组成 各类数据采集卡 4. 信号处理 现代检测仪表、检测系统中的信号处理模 块通常以各种型号的嵌入式微控制器、专用高 速数据处理器（ DSP）或为核心来直接采用工 业控制计算机构建。 1.2 检测系统的组成 1.2 检测系统的组成 DSP处理芯片 基于 ARM9核的嵌入 式控制器 5. 信号显示 检测仪表和检测系统在信号处理器计算出 被测参量的当前值后送至各自的显示器作实时 显示，以及时知道被测参量的瞬时值、累积值 或其随时间的变化情况。显示器一般可分为 指 示式 、 数字式 和 屏幕式 三种。 1.2 检测系统的组成 1.2 检测系统的组成 指 示 式 数字式 屏 幕 式 6.信号输出 通常把测量值及时传送给监控计算机、可 编程控制器（ PLC）或其他智能化终端。检测 仪表和检测系统的输出信号通常有 4 20 mA 的电流模拟信号和脉宽调制 PWM信号及串行 数字通信信号等多种形式，需根据系统的具体 要求确定。 1.2 检测系统的组成 串口、网口信号输出 8路电压信号输出 1.2 检测系统的组成 7.输入设备 输入设备用于输入设置参数，下达有关 命令等。最常用的输入设备是各种键盘、拨 码盘、条码阅读器等。通过网络或各种通信 总线利用其他计算机或数字化智能终端，实 现远程信息和数据输入的方式将会得到更多 的应用。 1.2 检测系统的组成 触摸屏 键盘 1.2 检测系统的组成 8.稳压电源 由于工业现场通常只能提供交流 220 V工 频电源或 +24 V直流电源，传感器和检测检测 系统通常不经降压、稳压就无法直接使用； 因此需根据传感器和检测检测系统内部电路 实际需要，自行设计稳压电源。 1.2 检测系统的组成 稳 压 电 源 1.2 检测系统的组成 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 1.2 检测系统的组成 1.3 传感器与检测系统的分类 1.4 传感器与检测技术的发展趋势 绪论 1.3 传感器与检测系统的分类 1.3.1 传感器的分类 传感器常见的分类方法如表 1-1所示。 1.3 传感器与检测系统的分类 1. 按被测参量分类 电工量 电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁 场强度、磁通密度等； 热工量 温度、热量、比热、热流、热分布、压力、压 差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等； 机械量 位移、形状，力、应力、力矩、重量、质量、 转速、线速度、振动、加速度、噪声等； 物性和成分量 气体成分、液体成分、固体成分、酸碱 度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等； 光学量 光强、光通量、光照度、辐射能量等； 状态量 颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、 表面质量等。 1.3 传感器与检测系统的分类 2. 按被测参量的检测转换方法分类 电磁转换 电阻式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感 式、电容式、阻抗式、磁电式、 热电式、压电式、霍尔 式、振频式、感应同步器、磁栅等； 光电转换 光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维式等； 其他能 /电转换 声 /电转换、辐射能 /电转换、化学能 /电转换等。 1.3 传感器与检测系统的分类 3 按使用性质分类 通常可分为标准表、实验室表和工业用表等三种 。 “标准表”： 各级计量部门专门用于精确计量、校准 送检样品和样机的标准仪表。 “ 实验室表”： 多用于各类实验室中，使用环境条 件较好，往往无特殊的防水、防尘措施。对于温度、相 对湿度、机械振动等的允许范围也较小。 “工业用表”： 是长期使用于实际工业生产现场的检 测仪表与检测系统。 1.3 传感器与检测系统的分类 1.1 传感器与检测技术的地位与作用 1.2 检测系统的组成 1.3 传感器与检测系统的分类 1.4 传感器与检测技术的发展趋势 绪论 1.4.1 传感器的发展方向 高精度 小型化 集成化 数字化 智能化 新型化 大量物性型传感器的涌现； 化学传感器的开发； 采用新工艺的传感器开发。 传感器技术的主要发展动向，一是深入开 展基础和应用研究，探索新现象、研发新型 传感器；二是研究和开发新材料、新工艺， 实现传感器的集成化、微型化与智能化。 1.4.1 传感器的发展方向 探索新现象，研发新型传感器 利用物理现象、化学反应和生物效应是各 种传感器工作的基本原理，因而探索和发现新 现象与新效应是研制新型传感器的最重要的工 作，亦是研制新型传感器的前提与技术基础。 1.4.1 传感器的发展方向 采用新技术、新工艺、新材料，提高现有传感 器的性能 采用新型的半导体氧化物可以制造各种气体传感器； 采用特种陶瓷材料制作的压电加速度传感器其工作温度 可远高于半导体晶体传感器。而传感器制造新工艺的发 明与应用往往将催生新型传感器诞生，或相对原有同类 传感器可大幅度提高某些指标。 1.4.1 传感器的发展方向 研究和开发集成化、微型化与智能化传感器 传感器集成化主要指： 把同一功能敏感器件微型化、多敏感器件阵列化， 排成一维的构成线型阵列传感器，排成二维的构成面 型阵列传感器； 把传感器功能延伸至信号放大、滤波、线性化、电 压 /电流信号转换电路等； 把不同功能敏感器件微型化再组合构成能检测两个 以上参量的集成传感器。 1.4.1 传感器的发展方向 微型化指： 应用微米 /纳米技术和微机械加工技术，制 造微米级敏感元件。 智能化指： 制作带微处理器、可双向通信的传感器， 除被测参量检测、转换和信息处理功能外，还 具有存储、记忆、自补偿、自诊断和双向通信 功能。 1.4.1 传感器的发展方向 不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性 突破超高温、超低温度、混相流量、脉动流量的实时检 测、微差压、超高压在线检测、高温高压下物质成分的实时 检测等难题。 重视非接触式检测技术研究 加快光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪表、 核辐射检测仪表、红外检测与红外成像仪器等非接触检测技 术的研究。 检测系统智能化 具有系统故障自测、自诊断、自调零、自校准、自选量 程、自动测试和自动分选功能，数据处理，远距离数据通信， 可方便接入不同规模的自动检测、控制与管理信息网络系统。 1.4.2 检测技术的发展趋势 作业： 1.2 1.4 1.5