傳感器與檢測技術(shù)緒論課件

1、傳感器與檢測技術(shù)緒論傳感器與檢測技術(shù)的地位和作用現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢0.10.20.30.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位和作用 在人類社會步入信息時代的今天，隨著現(xiàn)代測量、控制和自動化技術(shù)的發(fā)展，傳感器與檢測技術(shù)已成為現(xiàn)代信息技術(shù)中不可缺少的主要技術(shù)，并且在各個領(lǐng)域中的作用也日益顯著，對提高社會經(jīng)濟效益和生產(chǎn)水平、增強國防實力有舉足輕重的作用。 在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達的現(xiàn)代社會中，人們在從事科學(xué)實驗與生產(chǎn)等活動時，需要對信息進行采集、傳輸和處理。傳感器處于研究對象和檢測系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測信號的手段，為系統(tǒng)運行和處理提供必需的原始數(shù)據(jù)。如果沒有各種精確可靠的傳感器

2、去檢測各種原始數(shù)據(jù)并且提供真實的信息，則其他儀表與裝置的精確度再高也是毫無意義的。0.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位和作用傳感器的作用和功能（2）檢測和控制作用（1）測量與數(shù)據(jù)采集（3）人體狀態(tài)檢測（5）診斷與監(jiān)控作用（4）環(huán)境保護和資源探測（6）輔助性的觀測器0.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位和作用 傳感器的應(yīng)用非常廣泛，其重要性也非常突出。在“神舟”飛船上，裝備著許許多多的檢測與控制系統(tǒng)，傳感器測出飛船的飛行參數(shù)及發(fā)動機的工作狀態(tài)等物理量，傳送給自動控制系統(tǒng)，并進行調(diào)節(jié)，使飛船按人們預(yù)設(shè)的軌道運行。在機器制造業(yè)中，對于機床，以前往往只是對一些靜態(tài)參數(shù)進行測量，但現(xiàn)在還要對一些動態(tài)性能進行測量，如切

3、割狀態(tài)下的動態(tài)穩(wěn)定性和精度等，因此要利用有關(guān)傳感器測量刀架、機床等有關(guān)部位的振動、機械阻抗等參數(shù)，檢驗其動態(tài)特性。0.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位和作用 在人類的各項生產(chǎn)活動和科學(xué)實驗中有各種各樣的研究對象，若要從數(shù)量方面對它們進行研究和評估，則要通過對代表其特性的物理量的檢測來實現(xiàn)。而檢測就是利用各種物理效應(yīng)，選擇恰當?shù)姆椒ê脱b置，將其中的有關(guān)特征信息通過各種測量方法賦予定性與定量的過程。能夠自動地完成整個檢測過程的技術(shù)稱為自動檢測技術(shù)。自動檢測技術(shù)以信息的獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理為主要研究內(nèi)容，現(xiàn)已成為一門完整的技術(shù)性學(xué)科。0.1 傳感器與檢測技術(shù)的地位和作用 檢測是指在生產(chǎn)、科研、試驗及服務(wù)

4、等各個領(lǐng)域中，為了及時獲得被測、被控對象的有關(guān)信息而實時或非實時地對一些參量進行定性檢查和定量測量。檢測系統(tǒng)的主要任務(wù)就是獲得有用的信息，特別是從干擾中提取出來的信息，這就需要將傳感器采集的信息進行大量的計算、分析和處理，故也稱之為測試系統(tǒng)，它包含測試與實驗兩個方面的內(nèi)容。檢測技術(shù)以研究信息的獲取、轉(zhuǎn)換和處理等理論與技術(shù)為主要內(nèi)容，涉及的領(lǐng)域十分廣泛。在信息科學(xué)范疇中，檢測屬于信息技術(shù)的三大支柱（檢測控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算技術(shù)）之一。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 傳感器的定義0.2.1 傳感器最早源自“感覺”一詞。人們可以用鼻子嗅而感覺到氣味，用耳朵聽而感覺到聲音，用眼睛看而感覺到物體的形狀、

5、大小等，這些器官是人類感覺外界刺激所必須具備的，它們是最原始、最天然的傳感器。從字面上講，傳感器不僅要對被測量敏感（“感”），而且要能夠把它對被測量的響應(yīng)傳送出去（“傳”），傳感即感受被測信息，并傳送出去。 根據(jù)中華人民共和國國家標準傳感器通用術(shù)語（GB/T 76652005），傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。這里傳感器的定義包含以下幾個方面的內(nèi)容： （1）傳感器是一個測量裝置，能完成檢測任務(wù)。 （2）在規(guī)定的條件下能感受被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等。 （3）它的輸出量是某種物理量，并且這種物理量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等

6、，一般主要是電量。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器的組成1. 傳感器的組成和分類0.2.2圖0.2.1 傳感器的組成 （1）敏感元件。敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量（一般為電量）的元件，如應(yīng)變式壓力傳感器的彈性膜片就是敏感元件，它的主要作用是將壓力轉(zhuǎn)換為彈片的形變。 （2）轉(zhuǎn)換元件。轉(zhuǎn)換元件是能將敏感元件輸出的非電量信號或直接將被測非電量信號轉(zhuǎn)換成電量信號的元件，如應(yīng)變式壓力傳感器中的應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件，它的作用是將彈性膜片的形變轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 （3）轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路是能把轉(zhuǎn)換

7、元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。傳感器的輸出信號一般比較微弱，可能還存在一定的非線性和誤差，為了便于信號的進一步處理，還須配用適當?shù)霓D(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路的種類要視轉(zhuǎn)換元件的類型而定，常用的電路有電橋、放大器、阻抗變換器、補償器和振蕩器等。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 實際上，有些傳感器結(jié)構(gòu)很簡單，僅由一個敏感元件（轉(zhuǎn)換元件）組成，它感受被測量直接輸出電量，如光電池等。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；有些傳感器的轉(zhuǎn)換元件不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器的分類2.1）按輸入的被測量分類0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成2）按工作

8、原理分類0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成2）按工作原理分類0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成3）按結(jié)構(gòu)型和物質(zhì)型分類 結(jié)構(gòu)型傳感器主要是通過機械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界測量參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感或電容等物理量的變化，從而檢測出被測信號，此類傳感器目前應(yīng)用得最為廣泛；物性型傳感器是利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實現(xiàn)測量的，它是以半導(dǎo)體或電解質(zhì)等作為敏感材料的固態(tài)器件。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成4）按輸出信號的性質(zhì)分類 模擬傳感器 數(shù)字傳感器0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成0.2.3 檢測系統(tǒng)可以理解為由許多環(huán)節(jié)組成的能實現(xiàn)對某一物理量進行測量的完整系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)在測量過程中，先由傳

9、感器將被測物理量從研究對象中檢測出來并轉(zhuǎn)換為電量，然后輸出?，F(xiàn)代檢測技術(shù)包含了更多的后續(xù)處理技術(shù)，如根據(jù)需要對第一次變換后的電信號進行時域或頻域處理，最后以適當?shù)男问捷敵?。信號的交換、處理和傳輸過程決定了檢測系統(tǒng)的基本組成與它們之間的相互關(guān)系。圖0.2.2 檢測系統(tǒng)的構(gòu)成0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 （1）構(gòu)成輸入裝置的關(guān)鍵部件是傳感器。簡單的傳感器可能只由一個敏感元件組成，如測量溫度的熱電偶傳感器；復(fù)雜的傳感器可能包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件甚至轉(zhuǎn)換電路，有些智能傳感器還包括微處理器。傳感器與被測對象相接觸，負責(zé)采集信號，位于整個檢測系統(tǒng)的最前端，所以傳感器的性能對整個測量結(jié)果具有決定性的影響。0.

10、2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 （2）中間變換裝置根據(jù)不同情況有很大的伸縮性變化。在簡單的檢測系統(tǒng)中，中間變換裝置可能完全被忽略，將傳感器的輸出直接進行顯示或記錄。例如，在由熱電偶和毫伏計組成的測溫系統(tǒng)中就沒有中間變換裝置。對大部分檢測系統(tǒng)而言，信號的變換包括放大或者衰減、濾波、激勵、補償、調(diào)制和解調(diào)等。功能強大的檢測系統(tǒng)往往還要將計算機或微處理器等作為一個中間變換裝置環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)諸如數(shù)據(jù)采集、非線性校正等信號處理和消除系統(tǒng)誤差或?qū)﹄S機誤差進行處理等功能。遠距離測量時，還要有數(shù)據(jù)傳輸通信等裝置。在強電磁環(huán)境中還需要有隔離電路等。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 （3）輸出裝置種類繁多，比較常見的有各種指示儀

11、表、記錄儀和顯示器等。按輸入這些儀器或儀表信號的不同，分為模擬輸出裝置和數(shù)字輸出裝置。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 盡管現(xiàn)代檢測系統(tǒng)所用的儀器種類和型號繁多，用途和性能也千差萬別，但它們的作用都是對各種物理或化學(xué)成分等參量的檢測?，F(xiàn)代檢測系統(tǒng)的應(yīng)用類型大致可分為檢測型和控制型，檢測型又可分為基本型和標準接口型。檢測型系統(tǒng)完成對被測參量測量的任務(wù)，對測量的精度要求比較高；控制型系統(tǒng)一般應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對快速、實時和可靠性要求比較高。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 基本型檢測系統(tǒng)一般由傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號處理電路和信號輸出裝置等組成，完成對多點、多種參數(shù)的動態(tài)或靜態(tài)測量任務(wù)。上

12、述部分加上系統(tǒng)所需的交、直流穩(wěn)壓電源和必要的輸入設(shè)備（開關(guān)、按鈕和鍵盤等），便組成了一個完整的檢測系統(tǒng)。基本型檢測系統(tǒng)1.圖0.2.3 基本型檢測系統(tǒng)的組成0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成1）傳感器 傳感器是檢測系統(tǒng)中形式最多樣、與被測對象關(guān)系最密切的部分。傳感器負責(zé)把被測量作為信號提取出來并傳輸?shù)叫盘栒{(diào)理部分。傳感器作為檢測系統(tǒng)的信號源，其性能的好壞將直接影響檢測系統(tǒng)的精度和其他指標，是檢測系統(tǒng)中十分重要的部分。因此，通常檢測系統(tǒng)對傳感器的要求有精確性、穩(wěn)定性、可靠性和敏感性（靈敏度）。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成2）信號調(diào)整電路 信號調(diào)理是指對檢測出的信號進行適當?shù)姆治鎏幚?。在進行處理時，重要的是

13、考慮原始信號中哪些信息是最希望了解的，以及如何不丟失和不扭曲有用信息。信號調(diào)理的任務(wù)是針對傳感器輸出的特點及其在非理想情況對信息進行合理變換及處理，這部分任務(wù)可以由電路、光路或氣路來完成，其中由電路完成居多，完成信號調(diào)理的電路就稱為信號調(diào)理電路。檢測系統(tǒng)種類繁多，復(fù)雜程度差異很大，信號的形式也多種多樣，各系統(tǒng)的精度和性能指標要求都有所不同，所以它們所配置的信號調(diào)理電路也千差萬別。檢測系統(tǒng)對信號調(diào)理電路的一般要求是準確轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號，信噪比高，抗干擾性能好。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成4）信號處理電路 信號處理電路是現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中被注入的新內(nèi)容之一，并逐漸成為檢測系統(tǒng)的研究中心。它

14、是檢測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)，其作用和人的大腦相類似。常規(guī)的檢測只是將傳感器獲得的信號進行放大和變換，并顯示或傳送，而分析則是由人工完成的。而現(xiàn)代檢測系統(tǒng)通過以各種微處理器為核心來構(gòu)建，對高頻信號和復(fù)雜信號的處理有時需要增加數(shù)據(jù)傳輸與運算速度快、處理精度高的專用高速數(shù)據(jù)處理器（DSP）或直接采用工業(yè)控制計算機，使得現(xiàn)代檢測系統(tǒng)具有更強大的問題解析能力，且使復(fù)雜系統(tǒng)的實時控制具有實現(xiàn)的可能性。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在檢測系統(tǒng)中的主要作用是對信號調(diào)理后的連續(xù)模擬信號進行離散化，并轉(zhuǎn)換成與模擬信號電壓幅度相對應(yīng)的一系列數(shù)值信息，同時以一定的方式把這些轉(zhuǎn)

15、換數(shù)據(jù)及時傳遞給微處理器或依次自動存儲。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常以各類模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器為核心，輔以模擬多路開關(guān)、采樣/保持器、輸入緩沖器和輸出鎖存器等。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成5）信號輸出裝置 人們通常都希望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，因此，各類檢測儀表和檢測系統(tǒng)在信號處理器計算出被測參量的當前值后，通常都需送至各自的顯示器進行實時顯示。顯示器是檢測系統(tǒng)與人聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)之一，一般可分為指示式、數(shù)字式和屏幕式三種。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 在許多情況下，檢測儀表和檢測系統(tǒng)在信號處理器計算出被測參量的瞬時值后，除送顯示器進行實時顯示外，通常還需把測量值及時傳送給控制計

16、算機、可編程控制器（PLC）或其他執(zhí)行器、打印機或記錄儀等，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)打?。ㄓ涗洠┹敵觥z測儀表和檢測系統(tǒng)的信號輸出有420 mA（15 V）的電流（電壓）信號，是經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和放大后的模擬量，還有開關(guān)量、脈寬調(diào)制（PWM）、串行數(shù)字通信和并行數(shù)字輸出等多種形式。0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成6）輸入設(shè)備0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成7）穩(wěn)壓電源0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 專門接口型的接口由于其電氣參數(shù)、接口形式和通信協(xié)議等不統(tǒng)一，各個模塊之間的信息傳輸互連問題十分麻煩，系統(tǒng)設(shè)計缺乏靈活性，所以一般只應(yīng)用在特殊場合或?qū)Ｓ脵z測系統(tǒng)中，應(yīng)用面比較窄。標準接口型的接口都是按規(guī)定標準設(shè)計的，組

17、建系統(tǒng)非常方便，只要將對應(yīng)的接插件連接，就可以實現(xiàn)信息的交換。可以靈活組建各類檢測系統(tǒng)，也可以方便組建大、中型檢測系統(tǒng)，應(yīng)用面比較廣。 標準接口型儀器集多種功能于一體，是計算機技術(shù)和儀器技術(shù)高度發(fā)展與深層次結(jié)合的必然結(jié)果，并由此產(chǎn)生了全新概念的儀器，稱為智能儀器，這使得設(shè)計高度自動化和智能化的現(xiàn)代檢測系統(tǒng)成為現(xiàn)實。標準接口型檢測系統(tǒng)2.0.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的構(gòu)成控制型檢測系統(tǒng)3.0.3 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢新型材料的開發(fā)1. 傳感器的發(fā)展趨勢0.3.1 隨著材料科學(xué)的進步，傳感器技術(shù)日臻成熟，其種類越來越多，除了早期的半導(dǎo)體材料和陶瓷材料以外，光導(dǎo)纖維及超導(dǎo)材料的開發(fā)為傳感器的發(fā)展提供了

18、物質(zhì)基礎(chǔ)。例如，根據(jù)以硅為基體的許多半導(dǎo)體材料易于微型化、集成化、多功能化和智能化，以及半導(dǎo)體光熱探測器具有靈敏度高、精度高和非接觸性等特點，發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器和光纖傳感器等現(xiàn)代傳感器；在敏感材料中，陶瓷材料和有機材料發(fā)展很快，可采用不同的配方混合原料，在精密調(diào)配化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，經(jīng)過高精度成型燒結(jié)，得到對某一種或某幾種氣體具有識別功能的敏感材料，用于制成新型氣體傳感器。0.3 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)字化與智能化2.0.3 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢0.3 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢微型化3. 隨著儀器和控制設(shè)備的功能越來越強大，要求各部件的體積越來越小。傳感器體積的減小，對被測量的影響小，慣性小，有利于提高響應(yīng)速度和測量準確度，同時也有利于降低功耗和減少材料消耗。0.3 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢集成化與多功能化4. 集成化就是將敏感元件、信息處理和轉(zhuǎn)換單元等部分利用半導(dǎo)體技術(shù)將其制作在同一芯片上，如集成壓力傳感器、集成溫度傳感器和集成磁敏傳感器等；多功能化則意味著傳感器具有多種參數(shù)的檢測功能，如半導(dǎo)體溫濕敏傳感器和多功能氣體傳