檢測技術(shù)及傳感器檢測技術(shù)

1、檢測技術(shù)及傳感器檢測技術(shù)第1頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四第部分基礎(chǔ)知識第二章檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)原理一般檢測變換方法第2頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件檢測元件的分類、命名和表示傳感技術(shù)自然規(guī)律、基礎(chǔ)效應(yīng)檢測裝置信號變換方法簡單變換、差動變換、參比變換、平衡反饋變換第3頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件檢測元件是指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測量對象的部分。 在完成非電量到電量的變換時，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接轉(zhuǎn)換成電量，

2、往往是將被測量先變換為另一種易于變成電量的非電量，然后再轉(zhuǎn)換成電量。第4頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件檢測元件是儀表、檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵，決定了可測參數(shù)、被測量的可測范圍、測量準確度、儀表的使用條件等。 敏感性：對被測量的敏感性 適用范圍：環(huán)境溫度、壓力、外加電源等 測量范圍：被測量不超過敏感元件規(guī)定的測量范圍 輸出特性：輸出與被測量之間有明確的單調(diào)關(guān)系 其它：價格、易復制性、安全性、易安裝等 第5頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件特性第6頁，共68頁，2022年，5月20日

3、，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類按輸入量（被測對象）分類按轉(zhuǎn)換原理分類按輸出信號的形式分類按輸入和輸出的特性分類按能量轉(zhuǎn)換的方式分類按材料分類第7頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類 按輸入量（被測對象）分類物理量傳感器、化學量傳感器和生物量傳感器物理量傳感器又可分為：溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、 等等。這種分類方法給使用者提供了方便，容易根據(jù)被測對象選擇所需要的傳感器。 第8頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類按轉(zhuǎn)換原理分類結(jié)

4、構(gòu)型傳感器利用機械構(gòu)件（如金屬膜片等）在動力場或電磁場的作用下產(chǎn)生變形或位移，將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量，它是利用物理學運動定律或電磁定律實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。物性型傳感器復合型傳感器第9頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類按轉(zhuǎn)換原理分類結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學效應(yīng)（即物質(zhì)定律，如虎克定律、歐姆定律等）來實現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換的。它是以半導體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。復合型傳感器第10頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)

5、檢測元件的分類按轉(zhuǎn)換原理分類結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器復合型傳感器由結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器組合而成的，兼有兩者的特征。例如，電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、熱敏、氣敏、濕敏、磁敏傳感器等等。 第11頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類按轉(zhuǎn)換原理分類結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器復合型傳感器這種分類方法清楚地指明了傳感器的原理，便于學習和研究。 第12頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類按能量轉(zhuǎn)換的方式分類有源型和無源型有源型：也稱能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型，它把非電量直接

6、變成電壓量、電流量、電荷量等，如磁電式、壓電式、光電池、熱電偶等。 無源型：也稱能量控制型、能量傳輸型或參數(shù)型，它把非電量變成電抗（電阻、電容、電感）等，或?qū)⒈粶y電量傳輸至檢測裝置。 第13頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類按輸出信號的形式分類開關(guān)式、 模擬式和數(shù)字式按輸入和輸出的特性分類線性和非線性第14頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類按材料分類無機材料檢測元件半導體材料檢測元件陶瓷材料檢測元件高分子材料檢測元件納米材料檢測元件智能材料檢測元件第15頁，共68

7、頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四檢測元件無機材料檢測元件M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)第16頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件半導體檢測元件第17頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件半導體檢測元件第18頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件陶瓷材料檢測元件第19頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件陶瓷材料檢測元件第20頁，共68頁，2022年，5月20

8、日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件高分子材料檢測元件第21頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件高分子材料檢測元件第22頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件高分子材料檢測元件第23頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類按材料分類納米材料檢測元件氣敏材料第24頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件智能材料檢測元件第25頁，共68頁，2022年

9、，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類按材料分類智能材料檢測元件記憶合金壓電材料第26頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的分類按材料分類智能材料檢測元件記憶合金壓電材料光纖傳感器MEMS/MOEMS第27頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的命名國標 GB7666由“主題詞四級修飾語”組成，即主題詞傳感器。一級修飾語被測量， 包括修飾被測量的定語。 二級修飾語轉(zhuǎn)換原理， 一般可后續(xù)以“式”字。三級修飾語特征描述，指必須強調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能

10、、材料特征、敏感元件以及其它必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。 四級修飾語主要技術(shù)指標，如量程、精確度、靈敏度范圍等。 第28頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的命名運用命名法時應(yīng)注意 使用場合不同，修飾語的排序亦不同在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計報表、圖書檢索及計算機文字處理等場合，傳感器名稱應(yīng)采用正序排列。傳感器一級修飾語二級修飾語三級修飾語四級修飾語。示例：“傳感器、位移、應(yīng)變計式、100 mm”第29頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的命名運用命名法時應(yīng)注意 使用場合不同，修

11、飾語的排序亦不同在技術(shù)文件、產(chǎn)品說明書、學術(shù)論文、教材、書刊等的陳述句中，傳感器名稱應(yīng)采用反序排列四級修飾語三級修飾語二級修飾語一級修飾語傳感器示例：“100mm應(yīng)變計式位移傳感器”“100160dB電容式聲壓傳感器” 第30頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的命名運用命名法時應(yīng)注意 使用場合不同，修飾語的排序亦不同傳感器（主稱） 四級修飾語組成全稱。在實際運用中，可根據(jù)產(chǎn)品具體情況省略任何一級修飾語。但國標規(guī)定，傳感器作為商品出售時，第一級修飾語不得省略。 第31頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢

12、測元件與檢測技術(shù)檢測元件的表示從電路角度考慮，敏感元件就是信號(或信息)源。對于大多數(shù)傳感器，它都可以用具有兩端口或四端口特征的電氣元件足夠精確地進行描述。第32頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測元件的表示與傳統(tǒng)的信息技術(shù)中常見的兩端口或四端口元件相比，唯一的區(qū)別是敏感元件的特性依賴于物理的或化學的環(huán)境變量。第33頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)自然規(guī)律守恒定律、場的定律、物質(zhì)定律、統(tǒng)計法則基礎(chǔ)效應(yīng) 熱電效應(yīng)、光磁電效應(yīng)、磁效應(yīng)、壓電效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)、電渦流效應(yīng)、超導效應(yīng)、集

13、膚效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、物理現(xiàn)象等第34頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)自然規(guī)律守恒定律 包括能量、動量、電荷量等守恒定律。這些定律是分析、研制新型傳感器時必須嚴格遵守的基本法則。第35頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)自然規(guī)律場的定律動力場的運動定律、電磁場的感應(yīng)定律等，其作用與物體在空間的位置及分布狀態(tài)有關(guān)。一般可由物理方程給出，這些方程可作為許多傳感器工作的數(shù)學模型。例如，利用靜電場制成的電容式傳感器，利用電磁感應(yīng)定律可制成的電感（自感或互感）式傳感器等等。利用場

14、的定律制成，可統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)型傳感器。第36頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)自然規(guī)律物質(zhì)定律表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律（如虎克定律、歐姆定律），通常以這種物質(zhì)所固有的物理常數(shù)加以描述，其大小決定著傳感器的主要性能。半導體物質(zhì)法則：壓阻、熱阻、光阻、濕阻等效應(yīng)，可分別制成壓敏、熱敏、光敏、濕敏等傳感器件；壓電晶體物質(zhì)法則：壓電效應(yīng)，可制成壓電式傳感器等等。第37頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)自然規(guī)律統(tǒng)計法則將微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則，這些法則常常與傳感

15、器的工作狀態(tài)有關(guān)。 第38頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)基礎(chǔ)效應(yīng) 熱電效應(yīng)塞貝克效應(yīng)：熱電勢（溫度電），熱電偶珀爾帖效應(yīng)：接觸電勢（溫度電），半導體制冷湯姆遜效應(yīng)：溫差電勢（溫差電）熱電子發(fā)射效應(yīng)：熱電子，紅外成像第39頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)基礎(chǔ)效應(yīng) 光磁電效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)：外光電效應(yīng)（光電），光電二極管、光電倍增管及紫外線傳感器等。光電導效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)（光電阻），光敏電阻。光伏特效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)（光電），光電池、光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管

16、等。第40頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)基礎(chǔ)效應(yīng) 光磁電效應(yīng)光的熱電效應(yīng)：熱釋電（熱電），紅外人體傳感器塞曼效應(yīng)：光通過磁場時光譜離散（光磁光譜）拉曼效應(yīng)：單色光照射物質(zhì)時發(fā)出不同光譜（光光）泡克爾斯效應(yīng)：光通過壓電晶體時分成正常和異常光線（光電光）第41頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)基礎(chǔ)效應(yīng) 光磁電效應(yīng)克爾效應(yīng)：光通過各種同性物質(zhì)并在垂直方向加電壓時分成正常和異常光線（光電光）法拉第效應(yīng)：線偏振光通過磁性物質(zhì)時偏振面旋轉(zhuǎn)（光磁電）第42頁，共68頁，2022

17、年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)基礎(chǔ)效應(yīng) 磁效應(yīng)霍爾效應(yīng)：電流流過導體并在與電流垂直的方向加磁場時在垂直方向產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象（磁電電），磁敏二極管、磁敏三極管等。磁阻效應(yīng)：導體在磁場中電阻增加的現(xiàn)象（磁電電阻），磁敏電阻、磁頭等。磁致伸縮效應(yīng)：強磁體加磁場時產(chǎn)生變形（磁機械）第43頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)基礎(chǔ)效應(yīng) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是指強介質(zhì)加壓力時的極化現(xiàn)象，可產(chǎn)生電位差（壓力電），超聲波換能器。多普勒效應(yīng)當聲源、光源及微波等波源與觀測者之間有相對運動時，觀測到的頻率發(fā)生譜移的現(xiàn)

18、象（運動頻率）第44頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)基礎(chǔ)效應(yīng) 物理現(xiàn)象熱傳導現(xiàn)象：熱力學第一定律（熱物性），熱敏電阻氣體傳感器、干濕球濕度傳感器等。熱輻射現(xiàn)象：物體溫度升高時產(chǎn)生光（電磁波）輻射的現(xiàn)象（溫度光），輻射高溫計、紅外探測等。第45頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)基礎(chǔ)效應(yīng)第46頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置檢測裝置的誤差來源檢測元件靈敏度、測量范圍、輸入輸出特性、穩(wěn)定性等等。其它組成部分通過

19、誤差分析，進行針對性的設(shè)計，可以大大減小各部分的誤差。第47頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置檢測裝置的誤差來源檢測元件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲以及電源產(chǎn)生的噪聲。如光電真空管放射不規(guī)則電子，半導體載流子擴散等產(chǎn)生的噪聲。降低元件的溫度可減小熱噪聲，對電源變壓器采用靜電屏蔽可減小交流脈動噪聲等。從外部混入的躁聲，按其產(chǎn)生原因可分為機械噪聲（如振動，沖擊）、音響噪聲、電磁噪聲和化學噪聲等。第48頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置檢測裝置的誤差來源檢測元件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲以及電源產(chǎn)生的噪聲。

20、從外部混入的躁聲，按其產(chǎn)生原因可分為機械噪聲（如振動，沖擊）、音響噪聲、電磁噪聲和化學噪聲等。對振動等機械噪聲可采用防振臺或?qū)鞲衅鞴潭ㄔ谫|(zhì)量很大的基礎(chǔ)臺上加以抑制；消除音響噪聲的有效辦法是把傳感器放入隔音器中或放在真空容器里；消除電磁噪聲的有效辦法是屏蔽和接地或使傳感器遠離電源線，或使輸出線屏蔽，輸出線絞在一起等。第49頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置改善檢測裝置的技術(shù)途徑結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇差動技術(shù)、平均技術(shù)穩(wěn)定性處理屏蔽、隔離與干擾抑制零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)補償與校正集成化、智能化與信息融合第50頁，共68頁，2022

21、年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置一般信號變換結(jié)構(gòu)簡單變換差動變換參比變換平衡反饋變換第51頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置簡單變換直接式：敏感元件直接將被測量轉(zhuǎn)換為電信號。間接式：敏感元件先將被測量轉(zhuǎn)換為可利用的中間參量，通過轉(zhuǎn)換元件再將其轉(zhuǎn)換為電信號。第52頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置簡單變換直接式間接式常用到的中間參量及轉(zhuǎn)化元件被測量中間參量轉(zhuǎn)換元件壓力、溫度、流速、力、加速度、扭矩等位移應(yīng)變片、電感、電容、霍爾元件氣體成分

22、、位移、濃度等光學光電器件溫度、流速等熱量熱電偶、熱敏電阻第53頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置簡單變換屬于串聯(lián)型儀表。由誤差合成理論，儀表的誤差是各個環(huán)節(jié)誤差之和。環(huán)節(jié)越多，儀表的準確度越低。當組成儀表的環(huán)節(jié)中有一個是非線性的，則儀表也具有非線性特性，若多個環(huán)節(jié)具有非線性特性，一般情況下將使儀表的非線性更嚴重。信息能量傳遞效率低，需要考慮阻抗匹配。結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格低廉、應(yīng)用廣泛。第54頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置差動變換使用兩個性能相同的轉(zhuǎn)換元件，感受敏感元

23、件的輸出量，將其轉(zhuǎn)換為性質(zhì)相同、但方向相反的兩個物理量。第55頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置差動變換若兩個轉(zhuǎn)換元件的輸出為其中，x1為被測量，x2為干擾量。計算差動輸出的變化量，略去二次以上的高階量，有第56頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置差動變換對于簡單變換的情況，有（略去了二次以上的高階量）第57頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置差動變換差動變換與簡單直接式變換相比有效輸出信號提高了一倍，信噪比提高了非線性

24、特性有所改善，解決非零輸出初始值問題若轉(zhuǎn)換元件的特性可表示為干擾量的影響可以完全消除第58頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置差動變換差動變換的轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部噪聲略有增加但由電源引入的噪聲無法得到改善（始終同方向、相關(guān)）敏感元件的非線性特性無法得到改善（屬于串聯(lián)型儀表）如果轉(zhuǎn)換元件的特性為其非線性特性也得不到改善差動敏感元件在大多數(shù)情況下難以實現(xiàn)第59頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置參比變換使用兩個性能相同的敏感元件，其中一個感受被測量和干擾量，另一個僅感受干擾量。第60頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測技術(shù)檢測裝置參比變換兩個轉(zhuǎn)換元件的輸出為若敏感元件的特性可表示為則第61頁，共68頁，2022年，5月20日，5點50分，星期四M&T,I 檢測元件與檢測