第3章 傳感器及檢測技術(shù)

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課件第3章 傳感器及檢測技術(shù)2022年3月22日電子工業(yè)出版社 劉化君 劉傳清編著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教材配套課件13.1 傳感器概述3.2 傳感器的組成和結(jié)構(gòu)3.3 檢測技術(shù)基礎(chǔ)3.4 典型傳感器原理簡介3.5 傳感器與微機(jī)接口技術(shù)3.6 智能檢測系統(tǒng)第3章 傳感器及檢測技術(shù)3.1 傳感器概述 目前，人類已進(jìn)入了科學(xué)技術(shù)空前發(fā)展的信息社會(huì)時(shí)代。在這個(gè)瞬息萬變的信息社會(huì)里，傳感器為人類敏感地檢測出形形色色的有用信息，充當(dāng)著電子計(jì)算機(jī)、智能機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備、自動(dòng)控制裝置的“感覺器官”。如果沒有傳感器將各種各樣的形態(tài)各異的信息轉(zhuǎn)換為能夠直接檢測的信息，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)將是無法發(fā)展的。顯而易見，傳感器

2、在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域占有極其重要的地位。3.1.1 傳感器的概念傳感器最早來自“感覺”一詞。人用眼睛看，可以感覺到物體的開關(guān)、大小和顏色；用耳朵聽，可以感覺到聲音；用鼻子嗅，可以感覺氣味。這種視覺、聽覺、味覺和觸覺是人感覺外界刺激所必須具備的感官，它們就是天然的傳感器。通常傳感器又稱為變換器、轉(zhuǎn)換器、檢測器、敏感元件、換能器和一次儀表等。這些不同的提法，反映了在不同的技術(shù)領(lǐng)域中，只是根據(jù)器件用途對(duì)同一類型的器件使用不同的技術(shù)術(shù)語而已。如從儀器儀表學(xué)科的角度強(qiáng)調(diào)，它是一種感受信號(hào)的裝置，所以稱為“傳感器”；從電子學(xué)的角度，則強(qiáng)調(diào)它是能感受信號(hào)的電子元件，稱為“敏感元件”，如熱敏元件、磁敏元件、光敏

3、元件及氣敏元件等；在超聲波技術(shù)中，則強(qiáng)調(diào)的是能量轉(zhuǎn)換，稱為“換能器”，如壓電式換能器。這些不同的名稱在大多數(shù)情況下并不矛盾，譬如，熱敏電阻既可以稱為“溫度傳感器”，也可以稱為“熱敏元件”。1. 傳感器的定義傳感器是一種能把特定的被測量信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。應(yīng)當(dāng)指出，這里所謂的“可用信號(hào)”是指便宜于處理、傳輸?shù)男盘?hào)，一般為電信號(hào)，如電壓、電流、電阻、電容、頻率等。社會(huì)進(jìn)步到今天，人們周圍使用著各種各樣的傳感器，如電冰箱、微波爐、空調(diào)機(jī)有溫度傳感器；電視機(jī)有紅外傳感器；錄像機(jī)和攝像機(jī)有濕度傳感器、光傳感器；液化氣灶有氣體傳

4、感器；汽車有速度、壓力、濕度、流量、氧氣等多種傳感器。這些傳感器的共同特點(diǎn)是利用各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測量的測量?？梢?，在傳感器中包含著兩個(gè)必不可少的概念：一是檢測信號(hào)；二是能把檢測的信息變換成一種與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的而且便于傳輸和處理的量。例如，傳聲器（話筒）就是這種傳感器，它感受聲音的強(qiáng)弱，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)；氣體傳感器感受空氣環(huán)境中氣體嘗試的變化；電感式位移傳感器能感受位移量的變化，并把它們轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。傳感器的優(yōu)劣，一般通過若干性能指標(biāo)來表示。除了在一般檢測系統(tǒng)中所用的特征參數(shù)如靈敏度、線性度、分辨率、準(zhǔn)確度、頻率特性等特性外，還常用閥值、漂移、過載能力、穩(wěn)定

5、性、可靠性以及與環(huán)境相關(guān)的參數(shù)、使用條件等。1）閥值：即零位附近的分辨力，也就是指能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值。2）漂移：指一定時(shí)間間隔內(nèi)傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。包括有零點(diǎn)漂移與靈敏度漂移。3）過載能力：指傳感器在不致引起規(guī)定性能指標(biāo)永久改變的條件下，允許超過測量范圍的能力。4）穩(wěn)定性：指傳感器在具體時(shí)間內(nèi)仍保持其性能的能力。5）重復(fù)性：指傳感器輸入量在同一方向做全量程內(nèi)連續(xù)重復(fù)測量所得輸出/輸入特性曲線不一致的程度。產(chǎn)生不一致主要原因是傳感器的機(jī)械部分不可避免地存在著間隔、摩擦及松動(dòng)等。6）可靠性：通常包括工作壽命、平均無故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞

6、性能、絕緣電阻、耐壓等指標(biāo)。7）傳感器工作要求：主要要求有高精度、低成本、高靈敏度、穩(wěn)定性好、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)特性良好、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便、功耗低等。 2. 傳感器的性能參數(shù)及要求3.傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn) (1)傳感器的標(biāo)定標(biāo)定是指利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知非電量（標(biāo)準(zhǔn)量），或用基準(zhǔn)量來確定傳感器輸出電量與非電輸入量之間關(guān)系的過程。工程測試中傳感器的標(biāo)定在與其使用條件相似的環(huán)境狀態(tài)下進(jìn)行， 并將傳感器所配用的濾波器、放大器及電纜等和傳感器連接后一起標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)應(yīng)按傳感器規(guī)定的安裝條件進(jìn)行安裝。1）標(biāo)定系統(tǒng)的組成：一般由被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，待標(biāo)定傳感器所配接

7、的信號(hào)調(diào)節(jié)器和顯示器、記錄器等組成。 2）靜態(tài)標(biāo)定：指輸入已知標(biāo)準(zhǔn)非電量，測出傳感器的輸出，給出標(biāo)定曲線，標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計(jì)算靈敏度、線性度、滯差、重復(fù)性等傳感器的靜態(tài)指標(biāo)。3）動(dòng)態(tài)標(biāo)定：用于確定動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。通過確定其線性工作范圍（用同一頻率不同幅值的正弦信號(hào)輸入傳感器， 測量其輸出）、頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻特性和相頻特性曲線、階躍響應(yīng)曲線來確定傳感器的頻率響應(yīng)范圍、幅值誤差和相位誤差、時(shí)間常數(shù)、阻尼比、固有頻率等。 （2）傳感器的校準(zhǔn)傳感器需定期檢測其基本性能參數(shù)，判定是否可以繼續(xù)使用，如能繼續(xù)使用，則應(yīng)對(duì)其有變化的主要指標(biāo)（如靈敏度）進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，確保傳感器的測量精度的過程，稱為傳感器的

8、校準(zhǔn)。校準(zhǔn)與標(biāo)定的內(nèi)容是基本相同的。3.1.2 傳感器的分類傳感器的種類繁多，往往同一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量，而同一原理的傳感器又可測量多種物理量，因此傳感器有許多種分類方法。常用的分類方法有：1按被測量分類:被測量的類型主要有：機(jī)械量，如位移、力、速度、加速度等；熱工量，如溫度、熱量、流量（速）、壓力（差）、液位等；物性參量，如濃度、粘度、比重、酸堿度等；狀態(tài)參量，如裂紋、缺陷、泄露、磨損等。2按測量原理分類:按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、磁電式、光纖、激光、超聲波等傳感器?，F(xiàn)有傳感器的測量原理都是基于物理、化學(xué)和生物等各種效應(yīng)和定律，這種分類

9、方法便于從原理上認(rèn)識(shí)輸入與輸出之間的變換關(guān)系，有利于專業(yè)人員從原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用上作歸納性的分析與研究。3按信號(hào)變換特征分類1）結(jié)構(gòu)型：主要是通過傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。例如，電容式傳感器依靠極板間距離的變化引起電容量的改變。2）物性型：利用敏感元件材料本身物理屬性的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換。例如水銀溫度計(jì)是利用水銀熱脹冷縮現(xiàn)象測量溫度；壓電式傳感器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)測量等。4按能量關(guān)系分類1）能量轉(zhuǎn)換型：傳感器直接由被測對(duì)象輸入能量使其工作。如熱電偶、光電池等，這種類型傳感器又稱為有源傳感器。2）能量控制型：傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測量的變化控制外部供給能量的變化。例

10、如電阻式、電感式等傳感器，這種類型的傳感器必須由外部提供激勵(lì)源（電源等），因此又稱為無源傳感器。5按工作原理分類（1）電學(xué)式傳感器電學(xué)式傳感器是非電量測量技術(shù)中應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等。電阻式傳感器是利用變阻器將被測非電量轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)的原理制成。電阻式傳感器一般有電位器式、觸點(diǎn)變阻式、電阻應(yīng)變片式及壓阻式傳感器等。電阻式傳感器主要用于位移、壓力、力、應(yīng)變、力矩、氣流流速、液位和液體流量等參數(shù)的測量。電容式傳感器是利用改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從而使電容量發(fā)生變化的原理制成。主要用于壓力、位移、液

11、位、厚度、水分含量等參數(shù)的測量。電感式傳感器是利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來改變電感或互感的電感量或壓磁效應(yīng)原理制成的。主要用于位移、壓力、力、振動(dòng)、加速度等參數(shù)的測量。磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，把被測非電量轉(zhuǎn)換成電量制成。主要用于流量、轉(zhuǎn)速和位移等參數(shù)的測量。電渦流式傳感器是利用金屬在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，在金屬內(nèi)形成渦流的原理制成。主要用于位移及厚度等參數(shù)的測量。（2）磁學(xué)式傳感器磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的，主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。（3）光電式傳感器光電式傳感器在非電量電測及自動(dòng)控制技術(shù)中占有重要的地位。它是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理制成的，主要

12、用于光強(qiáng)、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測量。（4）電勢(shì)型傳感器電勢(shì)型傳感器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等原理制成，主要用于溫度、磁通、電流、速度、光強(qiáng)、熱輻射等參數(shù)的測量。（5）電荷傳感器電荷傳感器是利用壓電效應(yīng)原理制成的，主要用于力及加速度的測量。（6）半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)、半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理制成，主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場和有害氣體的測量。（7）諧振式傳感器諧振式傳感器是利用改變電或機(jī)械的固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理制成，主要用來測量壓力。（8）電化學(xué)式傳感器電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電為基礎(chǔ)制成，根據(jù)其電特性的

13、形成不同，電化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、極譜式傳感器和電解式傳感器等。電化學(xué)式傳感器主要用于分析氣體、液體或溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導(dǎo)率及氧化還原電位等參數(shù)的測量。另外，根據(jù)傳感器對(duì)信號(hào)的檢測轉(zhuǎn)換過程，傳感器可劃分為直接轉(zhuǎn)換型傳感器和間接轉(zhuǎn)換型傳感器兩大類。前者是把輸入給傳感器的非電量一次性的變換為電信號(hào)輸出，如光敏電阻受到光照射時(shí)，電阻值會(huì)發(fā)生變化，直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；后者則要把輸入給傳感器的非電量先轉(zhuǎn)換成另外一種非電量，然后再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，如采用彈簧管敏感元件制成的壓力傳感器就屬于這一類，當(dāng)有壓力作用到彈簧管時(shí)，彈簧管產(chǎn)生形變，傳感器

14、再把變形量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。圖3-1示出了這兩類傳感器的轉(zhuǎn)換框圖。3.1.3 傳感器的應(yīng)用 隨著電子計(jì)算機(jī)、生產(chǎn)自動(dòng)化、現(xiàn)代信息、軍事、交通、化學(xué)、環(huán)保、能源、海洋開發(fā)、遙感、宇航等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳感器的需求量與日俱增，其應(yīng)用已滲入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門以及人們的日常生活之中?？梢哉f，從太空到海洋，從各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)到人們?nèi)粘Ｉ畹囊率匙⌒?，都離不開各種各樣的傳感器，傳感技術(shù)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日益起著巨大的作用。1傳感器在工業(yè)檢測和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用在石油、化工、電力、鋼鐵、機(jī)械等加工工業(yè)中，傳感器在各自的工作崗位上擔(dān)負(fù)著相當(dāng)于人們感覺器官的作用，它們每時(shí)每刻地按需要完成對(duì)各種信息的檢測，

15、再把大量測得的信息通過自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)處理等進(jìn)行反饋，用以進(jìn)行生產(chǎn)過程、質(zhì)量、工藝管理與安全方面的控制。2汽車與傳感器傳感器在汽車上的應(yīng)用已不只局限于對(duì)行駛速度、行駛距離、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度以及燃料剩余量等有關(guān)參數(shù)的測量。由于汽車交通事故的不斷增多和汽車對(duì)環(huán)境的危害，傳感器在一些新的設(shè)施，如汽車安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置及汽車“黑匣子”等都得到了實(shí)際應(yīng)用。可以預(yù)測，隨著汽車電子技術(shù)和汽車安全技術(shù)的發(fā)展，傳感器在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更為廣泛。3傳感器與家用電器傳感器已在現(xiàn)代家用電器中得到普遍應(yīng)用，譬如，在電子爐灶、自動(dòng)電飯鍋、吸塵

16、器、空調(diào)器、電子熱水器、熱風(fēng)取暖器、風(fēng)干器、報(bào)警器、電熨斗、電風(fēng)扇、游戲機(jī)、電子驅(qū)蚊器、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、照像機(jī)、電冰箱、彩色電視機(jī)、錄像機(jī)、錄音機(jī)、收音機(jī)、電唱機(jī)及家庭影院等方面都得到了廣泛應(yīng)用。4傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用5傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用應(yīng)用醫(yī)用傳感器可以對(duì)人體的表面和內(nèi)部溫度、血壓及腔內(nèi)壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析、脈波及心音、心腦電波等進(jìn)行高準(zhǔn)確度的診斷。6傳感器與環(huán)境保護(hù)環(huán)球的大氣污染、水質(zhì)污濁及噪聲已嚴(yán)重地破壞了地球的生態(tài)平衡和我們賴以生存的環(huán)境，這一現(xiàn)狀已引起了世界各國的重視。為保護(hù)環(huán)境，利用傳感器制成的各種環(huán)境監(jiān)測儀器正在發(fā)揮著積極的作用。7傳感器與航空及航

17、天為了解飛機(jī)或火箭的飛行軌跡，并把它們控制在預(yù)定的軌道上，就要使用傳感器進(jìn)行速度、加速度和飛行距離的測量。要了解飛行器飛行的方向，就必須掌握它的飛行姿態(tài)，飛行姿態(tài)可以使用紅外水平線傳感器陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器及地磁傳感器等進(jìn)行測量。8傳感器與遙感技術(shù)所謂遙感技術(shù)，簡單地說就是從飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船及船舶上對(duì)遠(yuǎn)距離的廣大區(qū)域的被測物體及其狀態(tài)進(jìn)行大規(guī)模探測的一門技術(shù)。3.1.4 傳感器的發(fā)展趨勢(shì)傳感器技術(shù)是一項(xiàng)新興的高技術(shù)，是電子信息產(chǎn)業(yè)中的基礎(chǔ)行業(yè)。傳感器是新技術(shù)革命和信息化社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，美國早在20世紀(jì)80年代就聲稱世界已進(jìn)入傳感器時(shí)代，成立了國家技術(shù)小組，幫助政府組織和領(lǐng)

18、導(dǎo)各大公司與研究部門的傳感器技術(shù)開發(fā)工作。日本則把傳感器技術(shù)列為十大技術(shù)之一。日本工商界人士聲稱“支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時(shí)代”。世界技術(shù)發(fā)達(dá)國家對(duì)開發(fā)傳感器技術(shù)都十分重視。美、日、英、法、德和獨(dú)聯(lián)體等都把傳感器技術(shù)列為國家重點(diǎn)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國從20世紀(jì)60年代開始傳感技術(shù)的研究與開發(fā)，我國為了滿足對(duì)傳感器的需求，國家先后制訂了有關(guān)傳感器產(chǎn)業(yè)的一系列方針政策，這些政策有力地促進(jìn)了傳感器技術(shù)水平的提高和發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域，特別是滿足軍事裝備和重點(diǎn)工程需求方面起到日益重要的作用。1.將采用系列高新技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)新型傳感器l)微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro Electro Mecha

19、nical Systems，MEMS）技術(shù)、納米技術(shù)將高速發(fā)展，成為新一代微傳感器、微系統(tǒng)的核心技術(shù)，是21世紀(jì)傳感器技術(shù)領(lǐng)域中帶有革命性變化的高新技術(shù)。2）發(fā)現(xiàn)與利用新效應(yīng)，比如物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)，發(fā)展新一代傳感器。3）加速開發(fā)新型敏感材料，微電子、光電子、生物化學(xué)、信息處理等各種學(xué)科各種新技術(shù)的互相滲透和綜合利用，可望研制出一批先進(jìn)傳感器。4）空間技術(shù)、海洋開發(fā)、環(huán)境保護(hù)以及地震預(yù)測等都要求檢測技術(shù)滿足觀測研究宏觀世界的要求。細(xì)胞生物學(xué)、遺傳工程、光合作用、醫(yī)學(xué)及微加工技術(shù)等又希望檢測技術(shù)跟上研究微觀世界的步伐。它們對(duì)傳感器的研究開發(fā)提出許多新的要求，其中重要的一點(diǎn)就是擴(kuò)展檢測范

20、圍，不斷突破檢測參數(shù)的極限。5）提高傳感器的性能。檢測技術(shù)的發(fā)展，必然要求傳感器的性能不斷提高。2. 傳感器的微型化與微功耗 各種控制儀器設(shè)備的功能越來越大，要求各個(gè)部件體積越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好。微傳感器的特征之一就是體積小，其敏感元件的尺寸一般為微米級(jí)，是由微機(jī)械加工技術(shù)制作而成的，包括光刻、腐蝕、淀積、鍵合和封裝等工藝。利用各向異性腐蝕、犧牲層技術(shù)和LIGA工藝，可以制造出層與層之間有很大差別的三維微結(jié)構(gòu)。這些微結(jié)構(gòu)與特殊用途的薄膜和高性能的集成電路相結(jié)合，已成功地用于制造各種微傳感器乃至多功能的敏感元件陣列（如光電探測器等），實(shí)現(xiàn)了諸如壓力、力、加速度、角速率、應(yīng)力、

21、應(yīng)變、溫度、流量、成像、磁場、溫度、pH值、氣體成分、離子和分子濃度以及生物傳感器等。目前形成產(chǎn)品的主要是微型壓力傳感器和微型加速度傳感器等，它們的體積只有傳統(tǒng)傳感器的幾十乃至幾百分之一，質(zhì)量從千克級(jí)下降到幾十克乃至幾克。3.傳感器的集成化與多功能化 傳感器的集成化一般包含兩方面含義。其一是將傳感器與其后級(jí)的放大電路、運(yùn)算電路、溫度補(bǔ)償電路等制成一個(gè)組件，實(shí)現(xiàn)一體化。與一般傳感器相比，它具有體積小、反應(yīng)快、抗干擾、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。其二是將同一類傳感器集成于同一芯片上構(gòu)成二維陣列式傳感器，或稱面型固態(tài)圖像傳感器，可用于測量物體的表面狀況。傳感器的多功能化是與“集成化”相對(duì)應(yīng)的一個(gè)概念是指傳感器能

22、感知與轉(zhuǎn)換兩種以上的不同物理量。例如，使用特殊的陶瓷把溫度和濕度敏感元件集成在一起成溫、濕度傳感器；將檢測幾種不同氣體敏感元件用厚膜制造工藝制作在同一基片上，制成檢測氧、氨、乙醇、乙烯4種氣體的多功能傳感器；在同一硅片上制作應(yīng)變計(jì)和溫度敏感元件，制成同時(shí)測量壓力和溫度的多功能傳感器，該傳感器還可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 4.傳感器的智能化 智能傳感器技術(shù)是測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)和材料科學(xué)互相結(jié)合的綜合密集型技術(shù)。智能傳感器與一般傳感器相比具有自補(bǔ)償能力、自校準(zhǔn)功能、自診斷功能、數(shù)值處理功能、雙向通信功能、信息存儲(chǔ)記憶和數(shù)字量輸出功能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器的功能

23、將逐步增強(qiáng)，它利用人工神經(jīng)網(wǎng)、人工智能和信息處理技術(shù)（如傳感器信息融合技術(shù)、模糊理論等）使傳感器具有更高級(jí)的智能，具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能，可以完成圖像識(shí)別、特征檢測、多維檢測等復(fù)雜任務(wù)。它可充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，使采集的數(shù)據(jù)最佳。智能化傳感器的研究與開發(fā)，美國處于領(lǐng)先地位。美國宇航局在開發(fā)宇宙飛船時(shí)稱這種傳感器為靈巧傳感器(Smart Sensor)，在宇宙飛船上這種傳感器是非常重要的。5.傳感器的數(shù)字化隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是單一的模擬信號(hào)，而是經(jīng)過微電腦處理好的數(shù)字信號(hào)，有的甚至帶有控

24、制功能，這就是所說的數(shù)字傳感器。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展以及單片機(jī)的日益普及，世界進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代，人們?cè)谔幚肀粶y信號(hào)時(shí)首先想到的是電腦（單片機(jī)或計(jì)算機(jī)），具有輸出信號(hào)便于電腦處理的傳感器就是數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器的特點(diǎn)是：數(shù)字傳感器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，提高了傳感器輸出信號(hào)抗干擾能力，特別適用于電磁干擾強(qiáng)、信號(hào)距離遠(yuǎn)的工作現(xiàn)場；軟件對(duì)傳感器線性修正及性能補(bǔ)償，減少系統(tǒng)誤差；一致性與互換性好。圖3-2為數(shù)字化傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。模擬傳感器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換、線性化及量綱處理后變成純粹的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)可根據(jù)要求以各種標(biāo)準(zhǔn)的接口形式（如232、422、485、USB等）與中央處理機(jī)相連

25、，可以輸出線性無漂移地再現(xiàn)模擬信號(hào)，按照給定程序去控制某個(gè)對(duì)象（如電動(dòng)機(jī)）等。6.傳感器的網(wǎng)絡(luò)化傳感器網(wǎng)絡(luò)化是傳感器領(lǐng)域發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)化是利用TCP/IP協(xié)議，使現(xiàn)場測控?cái)?shù)據(jù)就近接入網(wǎng)絡(luò)，并與網(wǎng)絡(luò)上有通信能力的節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布和共享。由于傳感器的自動(dòng)化、智能化水平的提高，多臺(tái)傳感器聯(lián)網(wǎng)已推廣應(yīng)用，虛擬儀器、三維多媒體等新技術(shù)開始實(shí)用化，因此，通過Internet網(wǎng)，傳感器與用戶之間可異地交換信息和瀏覽，廠商能直接與異地用戶交流，能及時(shí)完成如傳感器故障診斷、軟件升級(jí)等工作，傳感器操作過程更加簡化，功能更換和擴(kuò)張更加方便。傳感器網(wǎng)絡(luò)化的目標(biāo)是采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，

26、同時(shí)采用模塊化結(jié)構(gòu)將傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來。敏感元件輸出的模擬信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理后，由網(wǎng)絡(luò)處理裝置根據(jù)程序的設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）將其封裝成數(shù)據(jù)幀，并加以目的地址，通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上。反過來，網(wǎng)絡(luò)處理器又能接收網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)傳給自己的數(shù)據(jù)和命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)本節(jié)點(diǎn)的操作，這樣傳感器就成為測控網(wǎng)中的一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)化傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。3.2傳感器的組成和結(jié)構(gòu) 傳感器是一種以一定精度把被測量（主要是非電量）轉(zhuǎn)化為與之有確定關(guān)系、便于應(yīng)用的某種物理量（主要是電量）的測量裝置。傳感器的這一描述確立了傳感器的基本組成及其結(jié)構(gòu)。3.2.1 傳感器的組成當(dāng)前，由于電子技

27、術(shù)、微電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使電學(xué)量具有了易于處理、便于測量等特點(diǎn)，因此傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成，有時(shí)還加上輔助電源，其典型組成如圖3-4所示。圖3-4 傳感器的基本組成1敏感元件敏感元件（Sensitive Element）直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。2轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件（Transduction Element）是傳感器的核心元件，它以敏感元件的輸出為輸入，把感知的非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。轉(zhuǎn)換元件本身可作為一個(gè)獨(dú)立的傳感器使用。這樣的傳感器一般稱為元件傳感器。元件傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。例如電阻應(yīng)變片在作應(yīng)變測量時(shí)，

28、就是一個(gè)元件式傳感器，它直接感受被測量應(yīng)變，輸出與應(yīng)變有確定關(guān)系的電量電阻變化。圖3-5 元件式傳感器轉(zhuǎn)換元件也可不直接感受被測量，而是感受與被測量成確定關(guān)系的其它非電量，再把這一“其它非電量”轉(zhuǎn)換為電量。這時(shí)轉(zhuǎn)換元件本身不作為一個(gè)獨(dú)立的傳感器使用，而作為傳感器的一個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。而在傳感器中，尚需要一個(gè)非電量(同類的或不同類的)之間的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。這一轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，需要由另外一些部件（敏感元件等）來完成，這樣的傳感器通常稱為結(jié)構(gòu)式傳感器。圖3-6所示。傳感器中的轉(zhuǎn)換元件決定了傳感器的工作原理，也決定了測試系統(tǒng)的中間變換環(huán)節(jié)。敏感元件等環(huán)節(jié)則大大擴(kuò)展了轉(zhuǎn)換元件的應(yīng)用范圍。在大多數(shù)測試系統(tǒng)中，應(yīng)用的都是結(jié)構(gòu)

29、式傳感器。圖3-6 結(jié)構(gòu)式傳感器3.變換電路 變換電路（Transduction Circuit）將上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。實(shí)際上，有些傳感器很簡單，僅由一個(gè)敏感元件（兼作轉(zhuǎn)換元件）組成，它感受被測量時(shí)直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個(gè)，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換，較為復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。3.2.2 傳感器的結(jié)構(gòu)形式傳感器的結(jié)構(gòu)形式取決于傳感器的設(shè)計(jì)思想；而傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要點(diǎn)是選擇信號(hào)的方式，把選擇出來的信號(hào)的某一個(gè)方面性能在結(jié)構(gòu)上予以具體化，以滿足傳感器的技術(shù)要求。1選擇固定信號(hào)

30、方式的傳感器直接結(jié)構(gòu)固定信號(hào)方式是把被測量以外的變量固定或控制在某個(gè)定值上，以金屬導(dǎo)線的電阻為例，電阻是金屬的種類、純度、尺寸、溫度、應(yīng)力等的函數(shù)。如僅選擇根據(jù)溫度產(chǎn)生的變化作為信號(hào)時(shí)就可制成電阻溫度計(jì)；如果選擇尺寸或應(yīng)力而變化作為信號(hào)時(shí)就可制成電阻應(yīng)變片。顯然，對(duì)于確定的金屬材料，在設(shè)計(jì)溫度計(jì)時(shí)要防止應(yīng)力帶來的影響；在設(shè)計(jì)應(yīng)變片時(shí)要防止溫度變化帶來的影響。如果在測試中，控制前者的應(yīng)力和后者的溫度，則為選擇固定的信號(hào)方式。選擇固定的信號(hào)方式的傳感器采用直接結(jié)構(gòu)形式。這種傳感器是由一個(gè)獨(dú)立的傳感元件和其它環(huán)節(jié)構(gòu)成，直接將被測量轉(zhuǎn)換為所需輸出量。直接式傳感器的構(gòu)成方法如圖3-7所示。圖3-7 直接

31、式傳感器的構(gòu)成方法圖3-7（a）是僅有傳感元件的最簡單的一種，如熱電偶和壓電元件；圖3-7（b）是使用電源提供輸出能量，如光敏晶體管；3-7（c）是利用磁鐵為傳感元件提供能量，如磁電式傳感器；而霍爾傳感器則是（b）（c）兩種情況的結(jié)合。圖3-7（d）所示的傳感元件是阻抗元件，輸入信號(hào)改變其阻抗值，為得到具有能量的輸出信號(hào)，必須設(shè)計(jì)包括元件在內(nèi)的變換電路（實(shí)際環(huán)節(jié)也可歸入中間變換電路），如具有電橋電路的電阻應(yīng)變傳感器等。2選擇補(bǔ)償信號(hào)方式的傳感器補(bǔ)償結(jié)構(gòu)大多數(shù)情況下，傳感器特征要到周圍環(huán)境和內(nèi)部各種因素的影響，在這些影響下不能忽略時(shí)，必須采取一定措施，以消除這些影響。在設(shè)計(jì)某些傳感器時(shí)，面臨兩種

32、變量，一個(gè)需要的被測量，另一個(gè)是不希望出現(xiàn)而又存在的某種影響量（通常稱為干擾量）。假設(shè)被測量和影響量都起作用時(shí)的變化關(guān)系為第一函數(shù)，僅僅是影響量起作用時(shí)的變化關(guān)系為第二函數(shù)。對(duì)于被測量來說，如果影響量的作用效果是疊加的，則可取兩函數(shù)之差；如果影響量的作用效果是乘積遞增，則可取兩函數(shù)之商，即可消除影響量的影響，這種信號(hào)方式稱為補(bǔ)償方式。實(shí)際補(bǔ)償信號(hào)方式的傳感器結(jié)構(gòu)是補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)，如圖3-8所示。圖3-8 補(bǔ)償式傳感器的構(gòu)成方法3選擇差動(dòng)式信號(hào)方式的傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu)使被測量反向?qū)ΨQ變化，影響量同向?qū)ΨQ變化，然后取其差，就能有效地將被測量選擇出來，這就是差動(dòng)方式。圖3-9所示為實(shí)現(xiàn)差動(dòng)方式的傳感器差動(dòng)式

33、結(jié)構(gòu)的構(gòu)成方法。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是把輸入信號(hào)加在原理和特征一樣的兩個(gè)傳感元件上，但在變換電路中，是傳感元件的輸出對(duì)輸入信號(hào)（被測量）反向變換，對(duì)環(huán)境、內(nèi)部條件變化（影響量）同向變換，并且以兩個(gè)傳感元件輸出之差為總輸出。從而有效地抵消環(huán)境、內(nèi)部條件變化帶來的影響。4選擇平均信號(hào)方式的傳感器平均結(jié)構(gòu) 平均信號(hào)方式來源于誤差分析理論中對(duì)隨機(jī)誤差的平均效應(yīng)和信號(hào)（數(shù)據(jù)）的平均處理，在傳感器結(jié)構(gòu)中，利用n個(gè)相同的轉(zhuǎn)換元件同時(shí)感受被測量，則傳感器的輸出為各元件輸出之和，而隨機(jī)誤差則減小為單個(gè)元件的 。 采用平均結(jié)構(gòu)的傳感器有光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器等，帶有彈性敏感元件的電阻應(yīng)變式傳感器作力、壓力、扭矩等量的

34、測試時(shí)，也多粘貼多枚電阻應(yīng)變片，在具有差動(dòng)作用的同時(shí)，具有明顯的平均效果。平均結(jié)構(gòu)的傳感器不僅有效的采用平均信號(hào)方式，大幅度降低測試誤差，而且可彌補(bǔ)傳感器制造工藝缺陷所帶來的誤差，同時(shí)還可以補(bǔ)償某些非測量載荷的影響。5.選擇平衡信號(hào)方式的傳感器閉環(huán)結(jié)構(gòu)一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件組成的傳感器均屬于開環(huán)式傳感器。這種傳感器和相應(yīng)的中間變換電路、顯示分析儀器等構(gòu)成開環(huán)測試系統(tǒng)。在開環(huán)式傳感器，盡管可以采用補(bǔ)償、差動(dòng)、平均等結(jié)構(gòu)形式，有效地提高自身性能，但仍然存在兩個(gè)問題：第一，在開環(huán)系統(tǒng)中，各環(huán)節(jié)之間是串聯(lián)的，環(huán)節(jié)誤差存在累積效應(yīng)。要保證總的測試準(zhǔn)確度，需要降低每一環(huán)節(jié)的誤差，因此提高了對(duì)每一環(huán)節(jié)的要

35、求。第二，隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)傳感器技術(shù)提出了更高的要求，傳感器乃至整個(gè)測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)定性、可靠性等同時(shí)具有較高性能，而采用開環(huán)系統(tǒng)很難滿足這一要求。依據(jù)測量學(xué)中的零示法測量原理，選擇平衡信號(hào)方式，采用環(huán)式傳感器結(jié)構(gòu)，可有效的解決上述問題。閉環(huán)傳感器采用控制理論和電子技術(shù)中的反饋技術(shù)，極大地提高了性能。同開環(huán)傳感器相比較，閉環(huán)傳感器在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)由反向傳感器構(gòu)成的反饋環(huán)節(jié)，其原理結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。3.3 檢測技術(shù)基礎(chǔ) 自動(dòng)檢測技術(shù)是一門以研究檢測系統(tǒng)中信息提取、轉(zhuǎn)換及處理的理論和技術(shù)為主要內(nèi)容的應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。在信息社會(huì)的一切活動(dòng)領(lǐng)域，檢測是科學(xué)地認(rèn)識(shí)各種現(xiàn)象的基礎(chǔ)

36、性方法和手段。檢測技術(shù)是多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用，涉及半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、聲控技術(shù)、遙感技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)、控制論、信息論等近代新技術(shù)和新理論。3.3.1 檢測系統(tǒng)概述檢測是人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界、改造物質(zhì)世界的重要手段。檢測技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志著人類的進(jìn)步和人類社會(huì)的繁榮?，F(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、科研等各行業(yè)，檢測技術(shù)的作用越來越大，檢測設(shè)備就像神經(jīng)和感官，源源不斷地向人們傳輸各種有用的信息。檢測的自動(dòng)化、智能化歸功于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。微處理器芯片使傳統(tǒng)的檢測技術(shù)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理成為現(xiàn)實(shí)。微電子技術(shù)，特別是微計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使檢測儀器在測量過

37、程自動(dòng)化、測量結(jié)果的智能化處理和儀器功能仿真化等方面都有了巨大的進(jìn)展。從廣義上說，自動(dòng)檢測系統(tǒng)包括以單片機(jī)為核心的智能儀器、以PC核心的自動(dòng)測試系統(tǒng)和目前發(fā)展勢(shì)頭迅猛的專家系統(tǒng)?，F(xiàn)代檢測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含測量、檢驗(yàn)、故障診斷、信息處理和決策輸出等多種內(nèi)容，具有比傳統(tǒng)的“測量”遠(yuǎn)遠(yuǎn)豐富的范疇，是現(xiàn)代檢測系統(tǒng)模仿人類專家信息綜合處理能力的結(jié)晶?，F(xiàn)代檢測系統(tǒng)充分開發(fā)利用計(jì)算機(jī)資源，在人工最少參與的條件下盡量以軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，一般具有以下一些特點(diǎn)。1.測量過程軟件控制自動(dòng)檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)零放大、自動(dòng)極性判斷、自動(dòng)量程切換、自動(dòng)報(bào)警、過載保護(hù)、非線性補(bǔ)償、多功能測試和自動(dòng)回巡檢測。由于有了計(jì)算機(jī)，這些過程

38、可采用軟件控制，測量過程的軟件控制可以簡化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，縮小體積，降低功耗，提高檢測系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化程度。2.智能化數(shù)據(jù)處理智能化數(shù)據(jù)處理是智能檢測系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)各種算法。因此，智能檢測系統(tǒng)可用軟件對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行及時(shí)、在線處理，提高測量精度。3.高度的靈活性智能檢測系統(tǒng)以軟件為工作核心，生產(chǎn)、修改、復(fù)制都較容易，功能和性能指標(biāo)更改方便。而傳統(tǒng)的硬件檢測系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，參數(shù)分散性較大，每次更改都牽涉到元器件和儀器結(jié)構(gòu)的改變。4.實(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測與信息融合智能檢測系統(tǒng)配備多個(gè)測量通道，可以有計(jì)算機(jī)對(duì)多路測量通道進(jìn)行高速掃描采樣。因此，智能檢測系統(tǒng)可以對(duì)多種測量

39、參數(shù)進(jìn)行檢測。在進(jìn)行多參數(shù)檢測的基礎(chǔ)上，依據(jù)各路信息的相關(guān)特性，可以實(shí)現(xiàn)智能檢測系統(tǒng)的多傳感器信息融合，從而提高檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和可容錯(cuò)性。5.測量速度快高速測量是智能檢測系統(tǒng)追求的目標(biāo)之一。所謂檢測速度，是指從測量開始，經(jīng)過信號(hào)放大、整流濾波、非線性補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出的全過程所需的時(shí)間。目前高速A/D轉(zhuǎn)換的采樣速度為200MHz以上，32位PC機(jī)的時(shí)鐘頻率也在500MHz以上。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高速顯示、高速打印、高速繪圖設(shè)備也日趨完善。這些都為智能檢測系統(tǒng)的快速檢測提供了條件。6.智能化功能強(qiáng)以計(jì)算機(jī)為信息處理核心的智能檢測系統(tǒng)具有較強(qiáng)的智能功能，可以滿足各

40、類用戶的需要。典型的智能功能有：1）檢測選擇功能。智能檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)量程轉(zhuǎn)換、信號(hào)通道和采樣方式的自動(dòng)選擇，使系統(tǒng)具有對(duì)被測對(duì)象的最優(yōu)化跟蹤檢測能力。2）故障診斷功能。智能檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能較多，系統(tǒng)本身的故障診斷尤為重要。系統(tǒng)可以根據(jù)檢測通道的特征和計(jì)算機(jī)本身的自診斷能力，檢查各單元故障，顯示故障部位、故障原因和應(yīng)該采取的故障排除方法。3）其它智能功能。智能檢測系統(tǒng)還可以具備人機(jī)對(duì)話、自校準(zhǔn)、打印、繪圖、通信、專家知識(shí)查詢和控制輸出等智能功能。3.3.2 檢測的基本概念現(xiàn)代檢測就是借助專用的手段和技術(shù)工具，通過實(shí)驗(yàn)的方法，把被測量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，求出兩者的比值，從而得到被測量

41、數(shù)值大小的過程。傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，特別是在自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制系統(tǒng)中獲取的信息，都要通過傳感器轉(zhuǎn)換為容易傳輸、處理的電信號(hào)。在工程實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中提出的檢測任務(wù)是正確及時(shí)地掌握各種消息，大多數(shù)情況下是要獲取被測對(duì)象信息的大小，即被測量的大小。這樣，信息采集的主要含義就是測量并取得測量數(shù)據(jù)。測量結(jié)果可用一定的數(shù)值表示，也可用一條曲線或某種圖形表示；但無論其表現(xiàn)形式如何，測量結(jié)果應(yīng)包括兩部分，即比值和測量單位。確切地講，測量結(jié)果還應(yīng)包括誤差部分。實(shí)現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法，稱為測量方法。針對(duì)不同測量任務(wù)進(jìn)行具體分析以找出切實(shí)可行的測量方法，對(duì)測量工作是十分重要的。3.3.

42、3 檢測技術(shù)分類1按測量過程的特點(diǎn)分類（1）直接測量法在使用儀表或傳感器進(jìn)行測量時(shí)，對(duì)儀表讀數(shù)不需要經(jīng)過任何運(yùn)算就能直接表示測量所需結(jié)果的測量方法稱為直接測量。例如，用磁電式電流表測量電路的某一支路電流、用彈簧管壓力表測量壓力等，都屬于直接測量。直接測量的優(yōu)點(diǎn)是測量過程既簡單又迅速，缺點(diǎn)是測量精度不高。1）偏差法。用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的量值的測量方法稱為偏差測量。在測量時(shí)，插入被測量，按照儀表指針在標(biāo)尺上的示值決定被測量的數(shù)值。這種方法測量過程比較簡單、迅速，但測量結(jié)果精度較低。2）零位法。用指零儀表的零位指示檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在測量系統(tǒng)平衡時(shí)，用巳知的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測量的

43、值，這種測量方法稱零位測量。在測量時(shí)，已知的標(biāo)準(zhǔn)量直接與被測量相比較，已知量應(yīng)連續(xù)可調(diào)，指零儀表指零時(shí)，被測量與已知標(biāo)準(zhǔn)量相等。3）微差法。微差法測量是綜合了偏差法測量與零位法測量的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種測量方法。它將被測量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，取得差值后，再用偏差法測得此差值。應(yīng)用這種方法測量時(shí)，不需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量，而只需測量兩者的差值。微差法測量的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，而且測量精度高，特別適用于在線控制參數(shù)的測量。 （2）間接測量法 在使用儀表或傳感器進(jìn)行測量時(shí)，首先對(duì)與測量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個(gè)量進(jìn)行測量，將被測量代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過計(jì)算得到所需要的結(jié)果，這種測量稱為間接測量。間接測量測量手續(xù)較多，花費(fèi)時(shí)

44、間較長，一般用于直接測量不方便或者缺乏直接測量手段的場合。 （3）組合測量法 組合測量是一種特殊的精密測量方法。被測量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組，才能得到最后結(jié)果，將這樣的測量稱為組合測量。組合測量操作手續(xù)復(fù)雜，花費(fèi)時(shí)間長，多用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)或特殊場合。2按測量的精度因素分類1）等精度測量法：用相同儀表與測量方法對(duì)同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量，稱為等精度測量。2）非等精度測量法：用不同精度的儀表或不同的測量方法，或在環(huán)境條件相差很大時(shí)對(duì)同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量，稱為非等精度測量。3按測量儀表特點(diǎn)分類1）接觸測量法：傳感器直接與被測對(duì)象接觸，承受被測參數(shù)的作用，感受其變化，從而獲得其信號(hào)，并測量其信號(hào)大

45、小的方法。2）非接觸測量法：傳感器不與被測對(duì)象直接接觸，而是間接承受被測參數(shù)的作用，感受其變化并測量其信號(hào)大小的方法。4按測量對(duì)象的特點(diǎn)分類1）靜態(tài)測量法：靜態(tài)測量是指被測對(duì)象處于穩(wěn)定情況下的測量，此時(shí)被測對(duì)象不隨時(shí)間變化，故又稱為穩(wěn)態(tài)測量。2）動(dòng)態(tài)測量法：動(dòng)態(tài)測量是指被測對(duì)象處于不穩(wěn)定情況下進(jìn)行的測量，此時(shí)被測對(duì)象隨時(shí)間而變化，因此，這種測量必須在瞬間完成，才能得到動(dòng)態(tài)參數(shù)的測量結(jié)果。3.3.4 檢測系統(tǒng)組成1檢測系統(tǒng)構(gòu)成在工程中，需要由傳感器與多臺(tái)儀表組合在一起，才能完成信號(hào)的檢測，這樣便形成了一個(gè)檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)是傳感器與測量儀表、變換裝置等的有機(jī)結(jié)合。圖3-11表示檢測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框

46、圖。數(shù)據(jù)傳輸模塊用來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊用于將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理或變換。數(shù)據(jù)顯示模塊將被測量信息變換成人感官能接受的形式，以達(dá)到監(jiān)視、控制或分析的目的。2開環(huán)檢測系統(tǒng)和閉環(huán)檢測系統(tǒng)1）開環(huán)檢測系統(tǒng)：開環(huán)檢測系統(tǒng)的全部信息變換只沿著一個(gè)方向進(jìn)行，如圖3-12所示。其中 為輸入量， 為輸出量。 、 、 為各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)，采用開環(huán)方式構(gòu)成的檢測系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較簡單，但各環(huán)節(jié)特性的變化都會(huì)造成測量誤差。2）閉環(huán)檢測系統(tǒng)：閉環(huán)檢測系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加了反饋環(huán)節(jié)，使得信息變換與傳遞形成閉環(huán)，能對(duì)包含在反饋環(huán)內(nèi)的各環(huán)節(jié)造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，使得系統(tǒng)的誤差變得很小。圖3-12 開環(huán)檢測系統(tǒng)框圖3.4

47、 典型傳感器原理簡介傳感器的種類很多，現(xiàn)就幾種典型的傳感器介紹其簡單工作原理，如電阻式傳感器等。3.4.1 電阻式傳感器 電阻式傳感器是一種把被測參量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。常用的電阻式傳感器有電位器式、電阻應(yīng)變式、熱敏效應(yīng)式等類型的電阻傳感器。應(yīng)變式電阻傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，由電阻應(yīng)變片和彈性敏感元件組合起來的傳感器。將應(yīng)變片粘貼在各種彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件感受到外力、位移、加速度等參數(shù)的作用時(shí)，彈性敏感元件產(chǎn)生應(yīng)變，再通過粘貼在上面的電阻應(yīng)變片將其轉(zhuǎn)換成電阻的變化。通常，它主要由敏感元件、基底、引線和覆蓋層等組成。其核心元件是電阻應(yīng)變片（敏感元件），主要作用是實(shí)現(xiàn)應(yīng)變電阻的

48、變換。根據(jù)敏感元件材料與結(jié)構(gòu)的不同，應(yīng)變片可分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體式應(yīng)變片。 1金屬電阻應(yīng)變片 （1）金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型目前，常用的金屬電阻應(yīng)變片主要有金屬絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片及金屬薄膜應(yīng)變片等結(jié)構(gòu)形式。金屬電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)如圖3-13 所示，它由蓋層、敏感柵、基底及引線四部分組成。敏感柵可由金屬絲、金屬箔制成，它是轉(zhuǎn)換元件，被粘貼在基底上。用粘合劑粘貼在傳感器彈性元件或試件上的應(yīng)變片通過基底把應(yīng)變傳遞到敏感柵上，同時(shí)基底起絕緣作用。蓋層起絕緣保護(hù)作用。焊接于敏感柵兩端的引線起連接測量導(dǎo)線之用。圖 3-13 應(yīng)變式電阻傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖（圖中1. 敏感柵； 2. 基底；

49、3. 引線； 4. 蓋層； 5. 粘貼劑）（2） 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是利用金屬材料的電阻定律。當(dāng)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化時(shí)，其電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。下面介紹應(yīng)變片電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系。金屬導(dǎo)體的電阻R為： （3-2）AlR如果對(duì)電阻絲長度作用均勻應(yīng)力，則導(dǎo)線電阻的相對(duì)變化為：AdAldldRdR2.半導(dǎo)體應(yīng)變片 根據(jù)其制造工藝及安裝方法不同，可分為體型、薄膜型、擴(kuò)散型。1） 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片：它也是一種粘貼式應(yīng)變片，所使用的粘貼技術(shù)與金屬應(yīng)變片相同，但半導(dǎo)體應(yīng)變片較脆、易損壞。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片又分為一般型、溫度自補(bǔ)型、靈敏度補(bǔ)償型、高阻型、超線性型、P-N 組合型

50、等不同特點(diǎn)的應(yīng)變片。2） 擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片：它是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶絕緣層的基底上制成的，也是一種粘貼式應(yīng)變片。其靈敏系數(shù)、溫度系數(shù)與電阻溫度系數(shù)較其他類型半導(dǎo)體應(yīng)變片低，使用溫度范圍為 -150200 。3） 擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片：它是在半導(dǎo)體材料硅的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻而構(gòu)成的。它具有穩(wěn)定性好、機(jī)械滯后、蠕變小等特點(diǎn)。但其線性度較金屬與體型的差，靈敏系數(shù)、溫度系數(shù)與體型相同，較金屬和薄膜型大。3.4.2 壓電式傳感器 壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的元件作為轉(zhuǎn)換元件的有源傳感器，它既可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，也可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這樣的特性使其可用于跟力有關(guān)的物

51、理量的測量，如力、壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等，也可用于超聲波的發(fā)射與接受裝置。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬、靈敏度和精確度高等特點(diǎn)，隨著目前與其配套的后續(xù)儀器，如電荷放大器等技術(shù)的日益提高，這種傳感器在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面越來越得到廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器的工作原理是基于某些材料的壓電效應(yīng)。 1.壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到壓力或者拉力作用而發(fā)生變形時(shí)，其兩個(gè)表面上會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； 當(dāng)外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)受力方向變化時(shí)， 電荷的極性也隨著變化。我們把這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相反，如果把這些物質(zhì)置于電場中，其幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化，我們

52、把這種由于電場作用導(dǎo)致物質(zhì)發(fā)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（也稱電致伸縮效應(yīng)）。這種具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)我們稱為壓電材料或壓電元件，常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。2. 壓電式傳感器當(dāng)壓電晶體片受力時(shí)，在晶體片的兩表面上出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷，晶體片的兩表面相當(dāng)于一個(gè)電容的兩個(gè)極板，兩極板之間的物質(zhì)相當(dāng)于電容極板間的介質(zhì)，因而壓電晶體片在工作時(shí)就等效于一只平行板介質(zhì)電容，如圖3-15 所示。圖3-15 壓電式傳感器等效電路如果施加于晶體片上的外力不變，晶體片兩表面上的電荷又無泄漏，那么當(dāng)外力繼續(xù)作用時(shí)，電荷數(shù)保持不變，而在外力作用消失時(shí)，電荷也隨之消失。故壓電式傳感器在工作時(shí)可以等效為一個(gè)與

53、電容并聯(lián)的電荷源（如圖3-16（a）所示）；同時(shí)壓電式傳感器也可看成為一個(gè)電壓源（如圖3-16（b）所示）。實(shí)際壓電式傳感器中，往往采用兩片或兩片以上的具有相同性能的壓電晶體片粘貼在一起使用，由于壓電晶體片有電荷極性，因而接法有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，我們這里以兩片為例對(duì)其串聯(lián)和并聯(lián)進(jìn)行分析，如圖3-17所示。 圖3-17 壓電晶體片串聯(lián)和并聯(lián)接法3.4.3 磁電式傳感器 磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動(dòng)、位移、速度等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器，也稱為電磁感應(yīng)傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng) 匝線圈在恒定磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為 ，則線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： dtdNe （3-11

54、）可見，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小跟線圈的匝數(shù)和穿過線圈的磁通變化率有關(guān)。一般情況下，匝數(shù)是確定的，而磁通變化率與磁場強(qiáng)度 、磁路磁阻 、線圈的運(yùn)動(dòng)速度 有關(guān)，故只要改變其中一個(gè)參數(shù)，都會(huì)改變線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)方式的不同，磁電式傳感器通常分為動(dòng)圈式和磁阻式兩大類.1. 動(dòng)圈式磁電傳感器動(dòng)圈式磁電傳感器又可分為線速度型與角速度型。圖3-18表示線速度型傳感器工作原理。在永久磁鐵產(chǎn)生的恒定磁場內(nèi)，放置一個(gè)可動(dòng)線圈，當(dāng)線圈沿磁場方向做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈相對(duì)于磁場的運(yùn)動(dòng)速度為 ，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：NBlve 2. 磁阻式磁電傳感器 磁阻式磁電傳感器跟動(dòng)圈式磁電式傳感器不一樣，在工作的時(shí)候它的

55、線圈與磁鐵部分是相對(duì)靜止的，由與被測量連接的物體（導(dǎo)磁材料）的運(yùn)動(dòng)來改變磁路的磁阻，從而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。磁阻式磁電傳感器一般常用于測量轉(zhuǎn)速、偏心、振動(dòng)等。以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率作為輸出，而電動(dòng)勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率，其工作原理及應(yīng)用如圖3-20所示。 如圖3-20（a）可測旋轉(zhuǎn)物體的角頻率，在圓輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓輪上的凸處的位置發(fā)生變化，引起磁路中磁阻變化，從而引起貫穿線圈的磁通量發(fā)生變化，其產(chǎn)生的交變電勢(shì)的頻率為：（a）測角頻率（b）測轉(zhuǎn)速 （c）測偏心 （d）測振動(dòng)圖3-20 磁阻式傳感器工作原理與應(yīng)用測頻率光纖傳感器（Fiber Optical Senso

56、r，F(xiàn)OS）是基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。光導(dǎo)纖維是70年代發(fā)展起來的一種新興的光電子技術(shù)材料。到目前為止，光纖技術(shù)主要用于光纖通信、直接信息交換、把待測的量和光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來，形成光纖傳感器。光纖傳感器目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于磁、聲、壓力、溫度、加速度、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量，其種類達(dá)到了數(shù)百種。光纖傳感器的應(yīng)用，解決了以前認(rèn)為難以解決，甚至不能解決的技術(shù)難題。本節(jié)介紹其中幾種典型的光纖傳感器。1. 光纖的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理 （1） 光纖的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維，簡稱光纖，是一種用于傳輸光信息的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱圓柱體，其基本結(jié)構(gòu)包括纖芯、包層和涂敷層等，如圖3-21所示。 3.4.

57、4 光纖傳感器（2）光纖的導(dǎo)光原理根據(jù)幾何光學(xué)理論， 當(dāng)光線以某一較小的入射角 ，由折射率較大的光密物質(zhì)射向折射率較小的光疏物質(zhì)時(shí)，一部分入射光以折射角 折射入光疏物質(zhì)，其余部分以 角度反射回光密物質(zhì)，根據(jù)光的折射定律，光折射和反射之間關(guān)系為當(dāng)光線的入射角 增大到某一角度 時(shí)，透射入光疏物質(zhì)的光線的折射角 ，折射光沿界面?zhèn)鞑ィ?稱此時(shí)的入射角 為臨界角，大于臨界角入射的光線在介質(zhì)交界面全部被反射回來，即發(fā)生光的全反射現(xiàn)象。其中 ，說明臨界角 僅與介質(zhì)的折射率之比有關(guān)。利用光的全反射原理，只要讓射入光纖端面的光線與光軸的夾角小于一定值， 使得光纖中的光線發(fā)生全反射時(shí)，則光線就射不出光纖的纖芯（纖

58、芯折射率包層折射率）， 如圖3-22所示。 圖 3-22 光在光纖中的全反射2.光纖傳感器基本原理及類型（1）光纖傳感器基本原理光纖傳感器的基本原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。由于光纖既是一種電光材料，又是一種磁光材料，即同電和磁存在著某些相互作用的效應(yīng)，可以說光纖兼具“傳”和“感”兩種功能。（2）光纖傳感器的類型按照光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器可以分為兩大類： 一類是導(dǎo)光型，也稱非功能型光纖傳感器，簡稱

59、NFF 型傳感器； 另一類是傳感型，或稱功能型光纖傳感器，簡稱FF型傳感器。前者多數(shù)使用多模光纖，后者常使用單模光纖。在導(dǎo)光型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，不是敏感元件，即只“傳”不“感”，對(duì)外界信息的“感覺”功能是依靠其他物理性質(zhì)的功能元件來完成的。傳感器中的光纖是不連續(xù)的，其間有中斷，中斷的部分要接上其他介質(zhì)的敏感元件，調(diào)制器可能是光譜變化的敏感元件或其他敏感元件。導(dǎo)光型光纖傳感器又分為兩種。 一種是將敏感元件置于發(fā)射、接收的光纖中間，在被測對(duì)象參數(shù)的作用下，或使敏感元件遮擋光路，或使敏感元件的光透過率發(fā)生某種變化，這樣受光的光敏元件所接收的光量便成為被測對(duì)象參數(shù)調(diào)制后的信號(hào)，如圖

60、3-23（a）所示。 另一種是在光纖終端設(shè)置“敏感元件+發(fā)光元件”的組合體，敏感元件感知被測對(duì)象參數(shù)的變化，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出給發(fā)光元件，光敏元件以發(fā)光元件的發(fā)光強(qiáng)度作為測量所得到的信息，如圖3-23（b）所示。 導(dǎo)光型光纖傳感器主要利用已有的其他敏感材料作為其敏感元件，這樣可以利用現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)敏感元件來提高光纖傳感器的靈敏度。 導(dǎo)光介質(zhì)是光纖，要求能傳送盡量多的光量，所以應(yīng)采用多模光纖。 一般來說，通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求。導(dǎo)光型光纖傳感器在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，占據(jù)了光纖傳感器的絕大多數(shù)。 圖 3-23 光纖傳感器原理結(jié)構(gòu)圖（a）非功能型光纖之一 （b）非功能型光纖