傳感器與檢測技術(shù)(周杏鵬版)第一章

1、第一章第一章 緒論緒論1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成1.3 傳感器與檢測系統(tǒng)的分類傳感器與檢測系統(tǒng)的分類1.4 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢緒論緒論 1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用1.1.1 傳感器的定義傳感器的定義 傳感器是能以一定精確度把傳感器是能以一定精確度把某種被測量某種被測量（主要為（主要為各種非電的物理量、化學(xué)量、生物量等）各種非電的物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為（便于人們應(yīng)用、處理）（便于人們應(yīng)用、處理）另一參量另一參量（通常

2、為電（通常為電參量）的器件或測量裝置。參量）的器件或測量裝置。 傳感器通常由傳感器通常由敏感器件敏感器件和和轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換器件組合而成。敏組合而成。敏感器件是指傳感器中直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換器感器件是指傳感器中直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換器件通常是指將敏感器件在傳感器內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)換為便于件通常是指將敏感器件在傳感器內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)換為便于人們應(yīng)用、處理外部輸出（通常為電參量）信號的部人們應(yīng)用、處理外部輸出（通常為電參量）信號的部分。分。 1.1.2 檢測的概念檢測的概念 檢測是指在生產(chǎn)、科研、試驗及服務(wù)等各個領(lǐng)檢測是指在生產(chǎn)、科研、試驗及服務(wù)等各個領(lǐng)域，為及時獲得被測、被控對象的有關(guān)信息而域，為及時獲

3、得被測、被控對象的有關(guān)信息而實時實時或非實時或非實時地對一些參量進行地對一些參量進行定性檢查和定量測量定性檢查和定量測量。 1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用 “計量計量”：指用精度等級更高的標準量具、指用精度等級更高的標準量具、器具或標準儀器，對被測樣品、樣機進行考器具或標準儀器，對被測樣品、樣機進行考核性質(zhì)的測量。特點：核性質(zhì)的測量。特點：非實時非實時、離線離線、標定標定。 “檢測檢測” ：指在生產(chǎn)、實驗等現(xiàn)場，利用指在生產(chǎn)、實驗等現(xiàn)場，利用某種合適的檢測儀器或綜合測試系統(tǒng)對被測某種合適的檢測儀器或綜合測試系統(tǒng)對被測對象進行對象進行在線在線、連續(xù)連續(xù)的測量。的

4、測量。 檢測與計量的不同檢測與計量的不同1.1.3 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用 檢測技術(shù)是自動化和信息化的檢測技術(shù)是自動化和信息化的基礎(chǔ)基礎(chǔ)與與前前提提。 應(yīng)用領(lǐng)域主要有：應(yīng)用領(lǐng)域主要有：石化行業(yè)的自動石化行業(yè)的自動化控制?；刂?。如右圖，有液位、如右圖，有液位、溫度、壓力等檢測。溫度、壓力等檢測。 1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用城市生活污水處理城市生活污水處理 主要有流主要有流量檢測、液位量檢測、液位檢測和成分量檢測和成分量檢測。檢測。 1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用新型武器和裝備的研制與測試新

5、型武器和裝備的研制與測試定位與導(dǎo)航，圖為中國研制的定位與導(dǎo)航，圖為中國研制的DF-21和雷達。和雷達。 1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用先進醫(yī)療檢測儀先進醫(yī)療檢測儀 成分量檢測，成分量檢測，可測試項目為生化、可測試項目為生化、離子檢測、微免疫、離子檢測、微免疫、腫瘤標志物、毒品腫瘤標志物、毒品檢測、同工酶測定、檢測、同工酶測定、脂類、糖尿病診斷脂類、糖尿病診斷等等 。 1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用生活中化學(xué)成分的檢測生活中化學(xué)成分的檢測 利用化學(xué)反應(yīng)機理檢測成分，上圖為利用化學(xué)反應(yīng)機理檢測成分，上圖為酒精檢測儀，右圖為空氣質(zhì)量

6、檢測儀。酒精檢測儀，右圖為空氣質(zhì)量檢測儀。 1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用防火防盜和見用電器安全檢測防火防盜和見用電器安全檢測 左圖為漏電報警器，上圖左圖為漏電報警器，上圖為煙霧報警器。為煙霧報警器。 1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成1.3 傳感器與檢測系統(tǒng)的分類傳感器與檢測系統(tǒng)的分類1.4 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢緒論緒論1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成由圖可知：由圖可知： 首先通常由各種首先通常

7、由各種傳感器傳感器將非電被測物理或?qū)⒎请姳粶y物理或化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電參量信號，然后經(jīng)化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電參量信號，然后經(jīng)信號信號調(diào)理調(diào)理（包括：信號轉(zhuǎn)換、信號檢波、信號濾波、（包括：信號轉(zhuǎn)換、信號檢波、信號濾波、信號放大等）、信號放大等）、數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集、信號處理信號處理后，進行后，進行顯示、輸出顯示、輸出；加上系統(tǒng)所需的；加上系統(tǒng)所需的交、直流穩(wěn)壓電交、直流穩(wěn)壓電源和必要的輸入設(shè)備源和必要的輸入設(shè)備，便構(gòu)成了一個完整的現(xiàn)，便構(gòu)成了一個完整的現(xiàn)代檢測（儀器）系統(tǒng)代檢測（儀器）系統(tǒng) 。1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成1. 傳感器傳感器傳感器性能要求：傳感器性能要求：準確性準確性 傳感器的

8、輸出與輸入關(guān)系必須是嚴格的傳感器的輸出與輸入關(guān)系必須是嚴格的單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系 ；穩(wěn)定性穩(wěn)定性 傳感器的輸入、輸出的單值函數(shù)關(guān)系最傳感器的輸入、輸出的單值函數(shù)關(guān)系最好不隨時間和溫度而變化好不隨時間和溫度而變化 ；靈敏度靈敏度 要求被測參量較小的變化就可使傳感器要求被測參量較小的變化就可使傳感器獲得較大的輸出信號；獲得較大的輸出信號；其他其他 如耐腐蝕性、功耗、輸出信號形式、體積、如耐腐蝕性、功耗、輸出信號形式、體積、售價等。售價等。1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成溫度傳感器溫度傳感器紅外線傳感器紅外線傳感器電磁流量計

9、電磁流量計2. 信號調(diào)理信號調(diào)理 信號調(diào)理在檢測系統(tǒng)中的作用是對傳感器信號調(diào)理在檢測系統(tǒng)中的作用是對傳感器輸出的微弱信號進行輸出的微弱信號進行檢波檢波、轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換、濾波濾波、放大放大等，以方便檢測系統(tǒng)后續(xù)處理或顯示。對信號等，以方便檢測系統(tǒng)后續(xù)處理或顯示。對信號調(diào)理電路的一般要求是：調(diào)理電路的一般要求是：能準確轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號；能準確轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號；信噪比高，抗干擾性能要好。信噪比高，抗干擾性能要好。1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成 單通道信號調(diào)理電路單通道信號調(diào)理電路信號調(diào)理模塊實物圖信號調(diào)理模塊實物圖3. 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集

10、 數(shù)據(jù)采集是對信號調(diào)理后的連續(xù)模擬信號離數(shù)據(jù)采集是對信號調(diào)理后的連續(xù)模擬信號離散化并轉(zhuǎn)換成與模擬信號電壓幅度相對應(yīng)的數(shù)值散化并轉(zhuǎn)換成與模擬信號電壓幅度相對應(yīng)的數(shù)值信息，同時把數(shù)據(jù)及時傳遞給微處理器或自動存信息，同時把數(shù)據(jù)及時傳遞給微處理器或自動存儲。性能指標如下：儲。性能指標如下：輸入模擬電壓信號范圍輸入模擬電壓信號范圍 單位單位V；轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 單位次單位次/秒；秒；分辨率分辨率 以模擬信號輸入為滿度時的轉(zhuǎn)換值的倒以模擬信號輸入為滿度時的轉(zhuǎn)換值的倒數(shù)來表征；數(shù)來表征； 轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差 實際轉(zhuǎn)換數(shù)值與理想實際轉(zhuǎn)換數(shù)值與理想A/D轉(zhuǎn)換器理論轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器理論轉(zhuǎn)換值之差。換值之差。1.2 檢測系統(tǒng)

11、的組成檢測系統(tǒng)的組成1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成各類數(shù)據(jù)采集卡各類數(shù)據(jù)采集卡 4. 信號處理信號處理 現(xiàn)代檢測儀表、檢測系統(tǒng)中的信號處理?，F(xiàn)代檢測儀表、檢測系統(tǒng)中的信號處理模塊通常以各種型號的嵌入式微控制器、專用高塊通常以各種型號的嵌入式微控制器、專用高速數(shù)據(jù)處理器（速數(shù)據(jù)處理器（DSP）或為核心來直接采用工）或為核心來直接采用工業(yè)控制計算機構(gòu)建。業(yè)控制計算機構(gòu)建。1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成DSP處理芯片處理芯片基于基于ARM9核的嵌入核的嵌入式控制器式控制器5. 信號顯示信號顯示 檢測儀表和檢測系統(tǒng)在信號處理器計算出檢測儀表和檢測系統(tǒng)在信

12、號處理器計算出被測參量的當(dāng)前值后送至各自的顯示器作實時被測參量的當(dāng)前值后送至各自的顯示器作實時顯示，以及時知道被測參量的瞬時值、累積值顯示，以及時知道被測參量的瞬時值、累積值或其隨時間的變化情況。顯示器一般可分為或其隨時間的變化情況。顯示器一般可分為指指示式示式、數(shù)字式數(shù)字式和和屏幕式屏幕式三種。三種。1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成指示式指示式數(shù)字式數(shù)字式屏幕式屏幕式6.信號輸出信號輸出 通常把測量值及時傳送給監(jiān)控計算機、可通常把測量值及時傳送給監(jiān)控計算機、可編程控制器（編程控制器（PLC）或其他智能化終端。檢測）或其他智能化終端。檢測儀表和檢測系統(tǒng)的

13、輸出信號通常有儀表和檢測系統(tǒng)的輸出信號通常有420 mA的電流模擬信號和脈寬調(diào)制的電流模擬信號和脈寬調(diào)制PWM信號及串行信號及串行數(shù)字通信信號等多種形式，需根據(jù)系統(tǒng)的具體數(shù)字通信信號等多種形式，需根據(jù)系統(tǒng)的具體要求確定。要求確定。1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成串口、網(wǎng)口信號輸出串口、網(wǎng)口信號輸出8路電壓信號輸出路電壓信號輸出1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成7.輸入設(shè)備輸入設(shè)備 輸入設(shè)備用于輸入設(shè)置參數(shù)，下達有關(guān)輸入設(shè)備用于輸入設(shè)置參數(shù)，下達有關(guān)命令等。最常用的輸入設(shè)備是各種鍵盤、撥命令等。最常用的輸入設(shè)備是各種鍵盤、撥碼盤、條碼閱讀器等。通過網(wǎng)絡(luò)或各種通信碼盤、條碼閱讀器等。通過網(wǎng)絡(luò)

14、或各種通信總線利用其他計算機或數(shù)字化智能終端，實總線利用其他計算機或數(shù)字化智能終端，實現(xiàn)遠程信息和數(shù)據(jù)輸入的方式將會得到更多現(xiàn)遠程信息和數(shù)據(jù)輸入的方式將會得到更多的應(yīng)用。的應(yīng)用。1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成觸摸屏觸摸屏鍵盤鍵盤1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成8.穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源 由于工業(yè)現(xiàn)場通常只能提供交流由于工業(yè)現(xiàn)場通常只能提供交流220 V工工頻電源或頻電源或+24 V直流電源，傳感器和檢測檢測直流電源，傳感器和檢測檢測系統(tǒng)通常不經(jīng)降壓、穩(wěn)壓就無法直接使用；系統(tǒng)通常不經(jīng)降壓、穩(wěn)壓就無法直接使用；因此需根據(jù)傳感器和檢測檢測系統(tǒng)內(nèi)部電路因此需根據(jù)傳感器和檢測檢測系統(tǒng)內(nèi)部電路實際需要

15、，自行設(shè)計穩(wěn)壓電源。實際需要，自行設(shè)計穩(wěn)壓電源。1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成1.3 傳感器與檢測系統(tǒng)的分類傳感器與檢測系統(tǒng)的分類1.4 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢緒論緒論1.3 傳感器與檢測系統(tǒng)的分類傳感器與檢測系統(tǒng)的分類1.3.1 傳感器的分類傳感器的分類 傳感器常見的分類方法如表傳感器常見的分類方法如表1-1所示。所示。1.3 傳感器與檢測系統(tǒng)的分類傳感器與檢測系統(tǒng)的分類1. 按被測參量分類按被測參量分類

16、電工量電工量 電壓、電流、電功率、電阻、電容、頻率、磁電壓、電流、電功率、電阻、電容、頻率、磁場強度、磁通密度等；場強度、磁通密度等；熱工量熱工量 溫度、熱量、比熱、熱流、熱分布、壓力、壓溫度、熱量、比熱、熱流、熱分布、壓力、壓差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；機械量機械量 位移、形狀，力、應(yīng)力、力矩、重量、質(zhì)量、位移、形狀，力、應(yīng)力、力矩、重量、質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、線速度、振動、加速度、噪聲等；轉(zhuǎn)速、線速度、振動、加速度、噪聲等；物性和成分量物性和成分量 氣體成分、液體成分、固體成分、酸堿氣體成分、液體成分、固體成分、酸堿度、鹽度、濃度、粘度、粒

17、度、密度、比重等；度、鹽度、濃度、粘度、粒度、密度、比重等；光學(xué)量光學(xué)量 光強、光通量、光照度、輻射能量等；光強、光通量、光照度、輻射能量等；狀態(tài)量狀態(tài)量 顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、表面質(zhì)量等。表面質(zhì)量等。1.3 傳感器與檢測系統(tǒng)的分類傳感器與檢測系統(tǒng)的分類2. 按被測參量的檢測轉(zhuǎn)換方法分類按被測參量的檢測轉(zhuǎn)換方法分類電磁轉(zhuǎn)換電磁轉(zhuǎn)換 電阻式、應(yīng)變式、壓阻式、熱阻式、電感式、互感電阻式、應(yīng)變式、壓阻式、熱阻式、電感式、互感式、電容式、阻抗式、磁電式、式、電容式、阻抗式、磁電式、 熱電式、壓電式、霍爾熱電式、壓電式、霍爾式、振頻式、感應(yīng)同步器

18、、磁柵等；式、振頻式、感應(yīng)同步器、磁柵等；光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換 光電式、激光式、紅外式、光柵、光導(dǎo)纖維式等；光電式、激光式、紅外式、光柵、光導(dǎo)纖維式等；其他能其他能/電轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換 聲聲/電轉(zhuǎn)換、輻射能電轉(zhuǎn)換、輻射能/電轉(zhuǎn)換、化學(xué)能電轉(zhuǎn)換、化學(xué)能/電轉(zhuǎn)換等。電轉(zhuǎn)換等。1.3 傳感器與檢測系統(tǒng)的分類傳感器與檢測系統(tǒng)的分類3 按使用性質(zhì)分類按使用性質(zhì)分類 通常可分為標準表、實驗室表和工業(yè)用表等三種通?？煞譃闃藴时?、實驗室表和工業(yè)用表等三種 。 “標準表標準表”：各級計量部門專門用于精確計量、校準各級計量部門專門用于精確計量、校準送檢樣品和樣機的標準儀表。送檢樣品和樣機的標準儀表。 “ 實驗室表實驗室表”

19、：多用于各類實驗室中，使用環(huán)境條多用于各類實驗室中，使用環(huán)境條件較好，往往無特殊的防水、防塵措施。對于溫度、相件較好，往往無特殊的防水、防塵措施。對于溫度、相對濕度、機械振動等的允許范圍也較小。對濕度、機械振動等的允許范圍也較小。 “工業(yè)用表工業(yè)用表”：是長期使用于實際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的檢是長期使用于實際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測儀表與檢測系統(tǒng)。測儀表與檢測系統(tǒng)。 1.3 傳感器與檢測系統(tǒng)的分類傳感器與檢測系統(tǒng)的分類1.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用1.2 檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成1.3 傳感器與檢測系統(tǒng)的分類傳感器與檢測系統(tǒng)的分類1.4 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢傳感器

20、與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢緒論緒論 傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向，一是深入開傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向，一是深入開展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，探索新現(xiàn)象、研發(fā)新型展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，探索新現(xiàn)象、研發(fā)新型傳感器；二是研究和開發(fā)新材料、新工藝，傳感器；二是研究和開發(fā)新材料、新工藝，實現(xiàn)傳感器的集成化、微型化與智能化。實現(xiàn)傳感器的集成化、微型化與智能化。1.4.1 傳感器的發(fā)展方向傳感器的發(fā)展方向探索新現(xiàn)象，研發(fā)新型傳感器探索新現(xiàn)象，研發(fā)新型傳感器 利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)是各利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)是各種傳感器工作的基本原理，因而探索和發(fā)現(xiàn)新種傳感器工作的基本原理，因而探索和發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是研制新型傳

21、感器的最重要的工現(xiàn)象與新效應(yīng)是研制新型傳感器的最重要的工作，亦是研制新型傳感器的前提與技術(shù)基礎(chǔ)。作，亦是研制新型傳感器的前提與技術(shù)基礎(chǔ)。 1.4.1 傳感器的發(fā)展方向傳感器的發(fā)展方向采用新技術(shù)、新工藝、新材料，提高現(xiàn)有傳感采用新技術(shù)、新工藝、新材料，提高現(xiàn)有傳感器的性能器的性能 采用新型的半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器；采用新型的半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器；采用特種陶瓷材料制作的壓電加速度傳感器其工作溫度采用特種陶瓷材料制作的壓電加速度傳感器其工作溫度可遠高于半導(dǎo)體晶體傳感器。而傳感器制造新工藝的發(fā)可遠高于半導(dǎo)體晶體傳感器。而傳感器制造新工藝的發(fā)明與應(yīng)用往往將催生新型傳感器誕生，或

22、相對原有同類明與應(yīng)用往往將催生新型傳感器誕生，或相對原有同類傳感器可大幅度提高某些指標。傳感器可大幅度提高某些指標。1.4.1 傳感器的發(fā)展方向傳感器的發(fā)展方向研究和開發(fā)集成化、微型化與智能化傳感器研究和開發(fā)集成化、微型化與智能化傳感器傳感器集成化主要指：傳感器集成化主要指：把同一功能敏感器件微型化、多敏感器件陣列化，排把同一功能敏感器件微型化、多敏感器件陣列化，排成一維的構(gòu)成線型陣列傳感器，排成二維的構(gòu)成面型成一維的構(gòu)成線型陣列傳感器，排成二維的構(gòu)成面型陣列傳感器；陣列傳感器；把傳感器功能延伸至信號放大、濾波、線性化、電壓把傳感器功能延伸至信號放大、濾波、線性化、電壓/電流信號轉(zhuǎn)換電路等；電流信號轉(zhuǎn)換電路等；把不同功能敏感器件微型化再組合構(gòu)成能檢測兩個以把不同功能敏感器件微型化再組合構(gòu)成能檢測兩個以上參量的集成傳感器。上參量