资源描述
,1.1 检测技术的基础知识,测量的基本概念,1.测量：,测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与作为单位的标准量进行比较，以确定出被测量是标准量的多少倍数的过程，所得的倍数就是测量值。,1.1 检测技术的基础知识,测量的基本概念,1.测量：,测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与作为单位的标准量进行比较，以确定出被测量是标准量的多少倍数的过程，所得的倍数就是测量值。,*,检测与转换技术,贵州师范大学 机电工程学院,主讲：张利琼,课程内容,本课程的性质属于专业技术基础课,其任务是使学生获得信号检测及信号处理的基本知识、基本理论和基本应用技术，培养学生组织科学实验、分析误差与数据处理的能力。通过检测技术的基本概念，检测装置的基本特性，误差理论知识的介绍，学会误差分析与数据处理的方法。通过对各类传感器原理、结构以及相关测量电路的介绍，学会非电量检测技术及相关测量方法。,学时安排,理论教学,实验教学,30,学时,6,学时,成绩评定,平时成绩,10%,；,实验成绩,20%,；,期末考试,70%,。,课程性质：专业基础课,自制非晶合金磁敏传感器,电阻式远传压力表,感应式流量表,称重,传感器,CCD,传感器,质子旋进式磁敏传感器,压阻式液位传感器,光敏传感器,温度传感器,风力参数传感器,地震检波器,反射式光敏传感器,磁、气、力敏传感器,超声,传感器,参考网站,1,传感器课程,http:/,2,仪表技术与传感器,3,传感器世界,http:/,4,中国传感器,http:/,5,传感器技术,621IC,中国电子网,7,传感技术学报网,http:/,8,传感器资讯网,http:/,基础知识,定义、分类,发展趋势,选用原则,一般特性,传感器原理,检测技术,压电传感器,温度传感器,光电传感器,应变传感器,电感传感器,电容传感器,磁敏传感器,其他传感器,多传感器融合,检测电路,现代检测系统,课程主要内容,传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用,检测技术作为信息科学的一个重要分支，与,计算机技术,、,自动控制技术,和,通信技术,等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个,阵地,，是实现信息化的基础技术之一。,0,绪 论,“,没有传感器就没有现代科学技术,”,的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。,一、传感器的地位和作用,传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。,传感器是获取信息的主要途径与手段。,没有传感器，现代化生产就失去了基础。,传感器是边缘学科开发的先驱。,传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,据有关资料统计，大型发电机组需要,3000,台传感器及配套仪表；大型石油化工厂需要,6000,台；一个钢铁厂需要,20000,台；一个电站需要,5000,台；阿波罗宇宙飞船用了,1218,个传感器，运载火箭部分用了,2077,个传感器；一辆现代化汽车装备的传感器也有几十种。,可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一。传感器技术的水平高低是衡量一个国家科技发展水平的主要标志之一。,二、国内外传感器的现状,2000,年,2,万多种,先军事后民用，先提高后普及,先民用后军事，先普及后提高,1300,多家企业，品种多，水平不断提高,目前，全世界大约有,3,万多种传感器，总产值大约,506,亿美元。,品种,产值,243,亿美元,美国：,产值占全世界的,1/2,日本：,引进,/,仿制,/,创新 处于领先水平,中国：,某些军用传感器达到国际先进水平,三、传感器的发展趋势,传感技术的发展分为两个方面：,（,1,）差动技术,差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小,温度变化,、,电源波动,、,外界干扰,等对传感器精度的影响，抵消了,共模误差,，减小,非线性误差,等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使,灵敏度增大,。,提高与改善传感器的技术性能,；,寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。,1,、改善传感器的性能的技术途径,（,2,）平均技术,在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为,=/n,式中,n,传感单元数。,可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。,（,3,）补偿与修正技术,补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：,针对传感器本身特性,针对传感器的工作条件或外界环境,补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。,对于,传感器特性,，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。,针对,传感器工作条件或外界环境,进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。,（,4,）屏蔽、隔离与干扰抑制,传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有,：,减小传感器对影响因素的灵敏度,降低外界因素对传感器实际作用的程度,对于电磁干扰，可以采用,屏蔽,、,隔离,措施，也可用,滤波,等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。,（,5,）稳定性处理,在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。,提高传感器性能的稳定性措施：,对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理,。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。,造成传感器性能不稳定的原因是：,随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。,传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。,2,、传感器的发展动向,开发新型传感器,开发新材料,新工艺的采用,集成化、多功能化,智能化,开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺：实现传感器的,微型化、多功能化、数字化、网络化、系统化、,集成化与智能化,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，并以此研制出具有新原理的新型,物性型传感器件,，这是发展,高性能、多功能、低成本和小型化,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,，一般说它的,结构复杂，体积偏大，价格偏高,。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。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，从而使它成为一个值得注意的发展动向。,（,1,）开发新型传感器,新型传感器包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。,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。,（,2,）开发新材料,半导体敏感材料,陶瓷材料,磁性材料,智能材料,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。,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的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、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，目前已越来越多地用于传感器领域。,（,3,）新工艺的采用,例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，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、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。,（,4,）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用集成工艺在同一平面上排列起来,，如,CCD,图像传感器。,多功能一体化，,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,。,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。,（,5,）智能化,对外界信息具有,检测,、,数据处理,、,逻辑判断,、,自诊断,和,自适应,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、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。,如，,DS18B20,、传感器测量系统,
展开阅读全文