傳感器及檢測(cè)技術(shù)緒論

1、本書的章節(jié)目錄第1章 檢測(cè)技術(shù)基本知識(shí)第2章 電阻式傳感器及應(yīng)用第3章 電容式傳感器及應(yīng)用第4章 電感式傳感器及應(yīng)用第5章 熱電偶傳感器及應(yīng)用第6章 光電式傳感器及應(yīng)用第7章 霍爾傳感器及應(yīng)用第8章 壓電式傳感器及應(yīng)用第9章 超聲波傳感器及應(yīng)用第10章 數(shù)字式傳感器及應(yīng)用第11章 傳感器信號(hào)處理及微機(jī)接口技術(shù)8/19/20221教學(xué)指導(dǎo)思想淡化理論培養(yǎng)技能重在運(yùn)用8/19/202222.檢測(cè)的基本概念3.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)5.檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展勢(shì)趨4.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用和地位1.傳感器緒論6. 本課程的內(nèi)容、任務(wù)和學(xué)習(xí)方法8/19/20223檢測(cè)技術(shù)信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)

2、控制技術(shù)和通信技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的完整學(xué)科。沒有傳感器就沒有現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)。傳感器就是人類的感覺器官，成為人們認(rèn)識(shí)自然改造自然的有利工具。8/19/202241.傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱為電五官。應(yīng)用非常廣泛，不再列舉。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。傳感器就是把物理量轉(zhuǎn)化為電量的一種器件或裝置。8/19/20225傳感器：在本教材中是指一個(gè)能將被測(cè)的非電量變換成電量的器件。 玻璃溫度計(jì)不屬于本教材所講授的傳感器范圍。8/19/20226能將溫度轉(zhuǎn)換為電壓的傳感器熱電偶8/19/202272.檢測(cè)的基本概念檢測(cè)就是人們借助于儀器、設(shè)備，利用各種物理效應(yīng)

3、，采用一定的方法，將客觀世界的有關(guān)信息通過檢查與測(cè)量獲取定性信息的認(rèn)識(shí)過程。核心部件就是傳感器兩個(gè)方面：檢查獲取定性信息，測(cè)量獲取定量信息。8/19/202283.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)8/19/20229原理框圖 圖02 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成8/19/202210（1） 傳感器 傳感器是獲得信息的重要手段。它所獲得信息的正確與否，關(guān)系到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度，因而在非電量檢測(cè)系統(tǒng)中占有重要的地位。圖01中a部分為電阻應(yīng)變式傳感器，它將汽車的重量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。8/19/202211（2） 信號(hào)處理電路 傳感器輸出的信號(hào)常常需要加工和處理，如放大、調(diào)制、解調(diào)、濾波、運(yùn)算以及數(shù)字化等，通常由信號(hào)處理電路來完

4、成。它的主要作用是把傳感器輸出的電學(xué)量變成具有一定功率的模擬電壓（電流）信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，以推動(dòng)后級(jí)的輸出顯示或記錄設(shè)備、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖01中b部分為信號(hào)處理電路。8/19/202212（3） 顯示裝置 測(cè)量的目的是使人們了解被測(cè)量的數(shù)值，所以必須有顯示裝置。目前常用的顯示裝置有四種：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示和記錄儀。模擬顯示是指利用指針對(duì)標(biāo)尺的相對(duì)位置來表示讀數(shù)，如毫伏表、毫安表等；數(shù)字顯示是指用數(shù)字形式來顯示讀數(shù)，目前大多用LED或LCD數(shù)碼管來顯示；圖像顯示是指用屏幕顯示（CRT）讀數(shù)或被測(cè)參數(shù)變化的曲線；記錄儀主要用來記錄被測(cè)量的動(dòng)態(tài)過程的變化情況，如筆式記錄儀、光線示

5、波器、打印機(jī)等。如圖01中c為顯示裝置，d為打印機(jī)。8/19/202213目前常用的顯示器有四類：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖象顯示及記錄儀等 模擬顯示的特點(diǎn)：直觀8/19/202214數(shù)字式儀表數(shù)字式儀表的特點(diǎn)： 準(zhǔn)確，但最后一位經(jīng)常跳動(dòng)不止。熱敏電阻8/19/202215 LED亮度高、耐振動(dòng)；LCD耗電省、集成度高，但不利于夜間觀察。 LED、LCD的特點(diǎn)：8/19/202216 圖像顯示 特點(diǎn)能顯示復(fù)雜的圖形和曲線，但價(jià)格昂貴。8/19/202217記錄儀 主要用來記錄被檢測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化過程。8/19/202218（4） 數(shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 數(shù)據(jù)處理裝置用來對(duì)被測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理、運(yùn)算、分

6、析，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果作頻譜分析、能量譜分析等，完成這些工作必須用計(jì)算機(jī)技術(shù)。如圖01中的e為數(shù)據(jù)處理裝置（微機(jī)）。8/19/2022194.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用和地位在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越重要。在軍工設(shè)備儀器中占據(jù)的位置越來越重。在醫(yī)療設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用。在日常生活中，檢測(cè)設(shè)備也非常重要的應(yīng)用。8/19/202220檢測(cè)技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用紅外掃描區(qū)域人造衛(wèi)星8/19/202221檢測(cè)技術(shù)在飛行器中的應(yīng)用8/19/202222一種典型的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)（檢測(cè)系統(tǒng)在發(fā)電廠的應(yīng)用）8/19/202223在工業(yè)生產(chǎn)中，為了保證生產(chǎn)過程能正常、高效、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，必須對(duì)生產(chǎn)過程的某些重要工藝參數(shù)(如

7、溫度、壓力、流量等)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與優(yōu)化控制。例如城鎮(zhèn)生活污水處理廠在污水的收集、提升、處理、排放的生產(chǎn)過程中，通常需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)液位、流量、溫度、濁度、泥位（泥、水分界面位置）、酸堿度（pH）、污水中溶解氧含量（DO）、五日化學(xué)需氧量（COD）、各種有害重金屬含量等多種物理和化學(xué)成分參量；再由計(jì)算機(jī)根據(jù)這些實(shí)測(cè)物理、化學(xué)成份參量進(jìn)行流量、（多種）加藥（劑）量、曝氣量、排泥優(yōu)化控制；為保證設(shè)備完好及安全生產(chǎn)，需同時(shí)對(duì)污水處理所需機(jī)電動(dòng)力設(shè)備、電氣設(shè)備的溫度、工作電壓、電流、阻抗進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，這樣才能實(shí)現(xiàn)污水處理安全、高效率和低成本運(yùn)行。 8/19/202224在軍工生產(chǎn)和新型武器、裝備研制過程

8、中更離不開現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，對(duì)檢測(cè)的需求更多，要求更高。研制任何一種新武器，從設(shè)計(jì)到零部件制造、裝配到樣機(jī)試驗(yàn)，都要經(jīng)過成百、上千次嚴(yán)格的試驗(yàn)，每次試驗(yàn)需要高速、高精度地同時(shí)檢測(cè)多種物理參量，測(cè)量點(diǎn)經(jīng)常多達(dá)上千個(gè)。至于飛機(jī)、潛艇等在正常使用時(shí)都裝備了上百個(gè)各種檢測(cè)傳感器、組成十幾至幾十種檢測(cè)儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和指示各部位的工作狀況。至于在新機(jī)型設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過程中需要檢測(cè)的物理量更多，而檢測(cè)點(diǎn)通常在5000點(diǎn)以上。在火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的研制過程中，需動(dòng)態(tài)高速檢測(cè)的參量很多，要求也更高；沒有精確、可靠的檢測(cè)手段，要使導(dǎo)彈精準(zhǔn)確命中目標(biāo)和衛(wèi)星準(zhǔn)確入軌是根本不可能的。8/19/202225用各種先進(jìn)的醫(yī)療檢測(cè)儀器可

9、大大提高疾病的檢查、診斷速度和準(zhǔn)確性，有利于爭(zhēng)取時(shí)間、對(duì)癥治療，增加患者戰(zhàn)勝疾病的機(jī)會(huì)。隨著生活水平的提高，檢測(cè)技術(shù)與人們?nèi)粘Ｉ钣鷣碛芮小＠?，新型建筑材料的物理、化學(xué)性能檢測(cè)、裝飾材料有害成分是否超標(biāo)檢測(cè)；城鎮(zhèn)居民家庭室內(nèi)的溫度、濕度、防火、防盜及家用電器的安全監(jiān)測(cè)；這些都不難看出檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中的重要地位與作用。8/19/2022265.檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)不斷拓展測(cè)量范圍，努力提高檢測(cè)精度和可靠性。傳感器逐漸向集成化、組合化、數(shù)字化方向發(fā)展。重視非接觸式檢測(cè)技術(shù)研究檢測(cè)系統(tǒng)智能化8/19/202227隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)檢測(cè)儀器和檢測(cè)系統(tǒng)的性能要求，尤其是精度、測(cè)量范圍、可靠性指

10、標(biāo)要求愈來愈高。以溫度為例，為滿足某些科研實(shí)驗(yàn)的需求，不僅要求研制測(cè)溫下限接近絕對(duì)零度-273.15、且測(cè)溫范圍盡可能達(dá)到15 K(約-258)的高精度超低溫檢測(cè)儀表；同時(shí)，某些場(chǎng)合需連續(xù)測(cè)量液態(tài)金屬的溫度或長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量25003000的高溫介質(zhì)溫度。目前雖然已能研制和生產(chǎn)最高上限超過2800的熱電偶，但測(cè)溫范圍一旦超過2500，其準(zhǔn)確度將下降，而且極易氧化從而嚴(yán)重影響其使用壽命與可靠性；因此，尋找能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)準(zhǔn)確檢測(cè)上限超過2000被測(cè)介質(zhì)溫度的新方法、新材料和研制（尤其是適合低成本大批量生產(chǎn)）出相應(yīng)的測(cè)溫傳感器是各國(guó)科技工作者的許多年來一直努力試圖解決的課題。8/19/202228提高可

11、靠性承受劇烈振動(dòng)8/19/202229應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域月球車8/19/202230鑒于傳感器與信號(hào)調(diào)理電路分開，微弱的傳感器信號(hào)在通過電纜傳輸?shù)倪^程中容易受到各種電磁干擾信號(hào)的影響，各種傳感器輸出信號(hào)形式眾多，使檢測(cè)儀器與傳感器的接口電路無法統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)施起來頗為不便。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，采用貼片封裝方式、體積大大縮小的通用和專用集成電路愈來愈普遍；因此，目前已有不少傳感器實(shí)現(xiàn)了敏感元件與信號(hào)調(diào)理電路的集成和一體化，對(duì)外直接輸出標(biāo)準(zhǔn)的420 mA電流信號(hào)；成為名符其實(shí)的變送器。這對(duì)檢測(cè)儀器整機(jī)研發(fā)與系統(tǒng)集成提供了很大的方便，從而亦使得這類傳感器身價(jià)

12、倍增。其次，一些廠商把兩種或兩種以上的敏感元件集成于一體，而成為可實(shí)現(xiàn)多種功能新型組合式傳感器。例如，將熱敏元件和濕敏元件和信號(hào)調(diào)理電路集成在一起，一個(gè)傳感器可同時(shí)完成溫度和濕度的測(cè)量。8/19/202231發(fā)展集成化、功能化的傳感器 可拍照的手機(jī)8/19/202232在檢測(cè)過程中，把傳感器置于被測(cè)對(duì)象上，敏感被測(cè)參量的變化，這種接觸式檢測(cè)方法通常比較直接、可靠，測(cè)量精度較高；但在某些情況下，因傳感器加入會(huì)對(duì)被測(cè)對(duì)象的工作狀態(tài)產(chǎn)生干擾，而影響測(cè)量的精度。而在有些被測(cè)對(duì)象上，根本不不允許或不可能安裝傳感器，例如測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩等。因此，各種可行的非接觸式檢測(cè)技術(shù)的研究愈來愈受到重視，目

13、前已商品化的光電式傳感器、電渦流式傳感器、超聲波檢測(cè)儀表、核輻射檢測(cè)儀表等正是在這些背景下不斷發(fā)展起來的。今后不僅需要繼續(xù)改進(jìn)和克服非接觸式（傳感器）檢測(cè)儀器易受外界干擾及絕對(duì)精度較低等問題，而且相信對(duì)一些難以采用接觸式檢測(cè)、或無法采用接觸方式進(jìn)行檢測(cè)，尤其是那些具有重大軍事、經(jīng)濟(jì)或其它應(yīng)用價(jià)值的非接觸檢測(cè)技術(shù)課題的研究投入會(huì)不斷增加，非接觸檢測(cè)技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用步伐都將明顯加快。8/19/202233近十年來，由于包括微處理器、單片機(jī)在內(nèi)的大規(guī)模集成電路的成本和價(jià)格不斷降低，功能和集成度不斷提高，使得許許多多以單片機(jī)、微處理器或微型計(jì)算機(jī)為核心的現(xiàn)代檢測(cè)儀器（系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)了智能化，這些現(xiàn)代

14、檢測(cè)儀器通常具有系統(tǒng)故障自測(cè)、自診斷、自調(diào)零、自校準(zhǔn)、自選量程、自動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)分選功能、自校正功能、強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)功能、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信和輸入、輸出功能，可配置各種數(shù)字通訊接口，傳遞檢測(cè)數(shù)據(jù)和各種操作命令等，可方便地接入不同規(guī)模的自動(dòng)檢測(cè)、控制與管理信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)相比智能化的現(xiàn)代檢系統(tǒng)具有更高的精度和性能/價(jià)格比。 8/19/202234采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，使檢測(cè)技術(shù)智能化（續(xù)） 單片機(jī)芯片8/19/2022356.本課程的內(nèi)容、任務(wù)和學(xué)習(xí)方法傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)涉及的內(nèi)容比較廣，包括信息的獲得、測(cè)量方法、信號(hào)的變換、處理和顯示、誤差的分析以及干擾的抑制、可靠性問題等。因此本課程首先介紹傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的基本概念；然后較詳細(xì)地?cái)⑹錾a(chǎn)、生活中常用各類傳感器、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用；第三部分簡(jiǎn)要介紹傳感器信號(hào)處理以及微機(jī)接口技術(shù)。 8/19/