傳感器與檢測技術(shù)(周杏鵬)第一章

1.1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1.3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)展趨勢緒論當(dāng)前第1頁\共有41頁\編于星期二\17點

1.1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是能以一定精確度把某種被測量（主要為各種非電的物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為（便于人們應(yīng)用、處理）另一參量（通常為電參量）的器件或測量裝置。傳感器通常由敏感器件和轉(zhuǎn)換器件組合而成。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）信號的部分。當(dāng)前第2頁\共有41頁\編于星期二\17點1.1.2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)域，為及時獲得被測、被控對象的有關(guān)信息而實時或非實時地對一些參量進(jìn)行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“計量”：指用精度等級更高的標(biāo)準(zhǔn)量具、器具或標(biāo)準(zhǔn)儀器，對被測樣品、樣機進(jìn)行考核性質(zhì)的測量。特點：非實時、離線、標(biāo)定?！皺z測”：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)對被測對象進(jìn)行在線、連續(xù)的測量。

檢測與計量的不同當(dāng)前第3頁\共有41頁\編于星期二\17點1.1.3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基礎(chǔ)與前提。應(yīng)用領(lǐng)域主要有：石化行業(yè)的自動化控制。如右圖，有液位、溫度、壓力等檢測。

1.1傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第4頁\共有41頁\編于星期二\17點城市生活污水處理主要有流量檢測、液位檢測和成分量檢測。

1.1傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第5頁\共有41頁\編于星期二\17點新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DF-21和雷達(dá)。

1.1傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第6頁\共有41頁\編于星期二\17點先進(jìn)醫(yī)療檢測儀

成分量檢測，可測試項目為生化、離子檢測、微免疫、腫瘤標(biāo)志物、毒品檢測、同工酶測定、脂類、糖尿病診斷等。

1.1傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第7頁\共有41頁\編于星期二\17點生活中化學(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)的地位與作用當(dāng)前第8頁\共有41頁\編于星期二\17點防火防盜和見用電器安全檢測左圖為漏電報警器，上圖為煙霧報警器。

1.1傳感器與檢測技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第9頁\共有41頁\編于星期二\17點1.1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1.3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)展趨勢緒論當(dāng)前第10頁\共有41頁\編于星期二\17點1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第11頁\共有41頁\編于星期二\17點由圖可知：首先通常由各種傳感器將非電被測物理或化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電參量信號，然后經(jīng)信號調(diào)理（包括：信號轉(zhuǎn)換、信號檢波、信號濾波、信號放大等）、數(shù)據(jù)采集、信號處理后，進(jìn)行顯示、輸出；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，便構(gòu)成了一個完整的現(xiàn)代檢測（儀器）系統(tǒng)。1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第12頁\共有41頁\編于星期二\17點1.傳感器傳感器性能要求：準(zhǔn)確性傳感器的輸出與輸入關(guān)系必須是嚴(yán)格的單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系；穩(wěn)定性傳感器的輸入、輸出的單值函數(shù)關(guān)系最好不隨時間和溫度而變化；靈敏度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；其他如耐腐蝕性、功耗、輸出信號形式、體積、售價等。1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第13頁\共有41頁\編于星期二\17點1.2檢測系統(tǒng)的組成溫度傳感器紅外線傳感器電磁流量計當(dāng)前第14頁\共有41頁\編于星期二\17點2.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輸出的微弱信號進(jìn)行檢波、轉(zhuǎn)換、濾波、放大等，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：能準(zhǔn)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。1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第15頁\共有41頁\編于星期二\17點1.2檢測系統(tǒng)的組成單通道信號調(diào)理電路信號調(diào)理模塊實物圖當(dāng)前第16頁\共有41頁\編于星期二\17點3.數(shù)據(jù)采集

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(biāo)如下：輸入模擬電壓信號范圍單位V；轉(zhuǎn)換速度單位次/秒；分辨率以模擬信號輸入為滿度時的轉(zhuǎn)換值的倒數(shù)來表征；轉(zhuǎn)換誤差實際轉(zhuǎn)換數(shù)值與理想A/D轉(zhuǎn)換器理論轉(zhuǎn)換值之差。1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第17頁\共有41頁\編于星期二\17點1.2檢測系統(tǒng)的組成各類數(shù)據(jù)采集卡當(dāng)前第18頁\共有41頁\編于星期二\17點

4.信號處理現(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、專用高速數(shù)據(jù)處理器（DSP）或為核心來直接采用工業(yè)控制計算機構(gòu)建。1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第19頁\共有41頁\編于星期二\17點1.2檢測系統(tǒng)的組成DSP處理芯片基于ARM9核的嵌入式控制器當(dāng)前第20頁\共有41頁\編于星期二\17點5.信號顯示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(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、累積值或其隨時間的變化情況。顯示器一般可分為指示式、數(shù)字式和屏幕式三種。1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第21頁\共有41頁\編于星期二\17點1.2檢測系統(tǒng)的組成指示式數(shù)字式屏幕式當(dāng)前第22頁\共有41頁\編于星期二\17點6.信號輸出通常把測量值及時傳送給監(jiān)控計算機、可編程控制器（PLC）或其他智能化終端。檢測儀表和檢測系統(tǒng)的輸出信號通常有4～20mA的電流模擬信號和脈寬調(diào)制PWM信號及串行數(shù)字通信信號等多種形式，需根據(jù)系統(tǒng)的具體要求確定。1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第23頁\共有41頁\編于星期二\17點串口、網(wǎng)口信號輸出8路電壓信號輸出1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第24頁\共有41頁\編于星期二\17點7.輸入設(shè)備輸入設(shè)備用于輸入設(shè)置參數(shù)，下達(dá)有關(guān)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)或各種通信總線利用其他計算機或數(shù)字化智能終端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息和數(shù)據(jù)輸入的方式將會得到更多的應(yīng)用。1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第25頁\共有41頁\編于星期二\17點觸摸屏鍵盤1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第26頁\共有41頁\編于星期二\17點8.穩(wěn)壓電源由于工業(yè)現(xiàn)場通常只能提供交流220V工頻電源或+24V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；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，自行設(shè)計穩(wěn)壓電源。1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第27頁\共有41頁\編于星期二\17點穩(wěn)壓電源1.2檢測系統(tǒng)的組成當(dāng)前第28頁\共有41頁\編于星期二\17點1.1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1.3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)展趨勢緒論當(dāng)前第29頁\共有41頁\編于星期二\17點1.3傳感器與檢測系統(tǒng)的分類1.3.1傳感器的分類傳感器常見的分類方法如表1-1所示。當(dāng)前第30頁\共有41頁\編于星期二\17點1.3傳感器與檢測系統(tǒng)的分類當(dāng)前第31頁\共有41頁\編于星期二\17點1.按被測參量分類

電工量電壓、電流、電功率、電阻、電容、頻率、磁場強度、磁通密度等；熱工量溫度、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；機械量位移、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；物性和成分量氣體成分、液體成分、固體成分、酸堿度、鹽度、濃度、粘度、粒度、密度、比重等；光學(xué)量光強、光通量、光照度、輻射能量等；狀態(tài)量顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、表面質(zhì)量等。1.3傳感器與檢測系統(tǒng)的分類當(dāng)前第32頁\共有41頁\編于星期二\17點2.按被測參量的檢測轉(zhuǎn)換方法分類電磁轉(zhuǎn)換電阻式、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、熱電式、壓電式、霍爾式、振頻式、感應(yīng)同步器、磁柵等；光電轉(zhuǎn)換光電式、激光式、紅外式、光柵、光導(dǎo)纖維式等；其他能/電轉(zhuǎn)換聲/電轉(zhuǎn)換、輻射能/電轉(zhuǎn)換、化學(xué)能/電轉(zhuǎn)換等。1.3傳感器與檢測系統(tǒng)的分類當(dāng)前第33頁\共有41頁\編于星期二\17點3按使用性質(zhì)分類通常可分為標(biāo)準(zhǔn)表、實驗室表和工業(yè)用表等三種。“標(biāo)準(zhǔn)表”：各級計量部門專門用于精確計量、校準(zhǔn)送檢樣品和樣機的標(biāo)準(zhǔn)儀表?！皩嶒炇冶怼保憾嘤糜诟黝悓嶒炇抑?，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、相對濕度、機械振動等的允許范圍也較小?！肮I(yè)用表”：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)。1.3傳感器與檢測系統(tǒng)的分類當(dāng)前第34頁\共有41頁\編于星期二\17點1.1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1.3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)展趨勢緒論當(dāng)前第35頁\共有41頁\編于星期二\17點傳感器技術(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。1.4.1傳感器的發(fā)展方向當(dāng)前第36頁\共有41頁\編于星期二\17點探索新現(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)。1.4.1傳感器的發(fā)展方向當(dāng)前第37頁\共有41頁\編于星期二\17點采用新技術(shù)、新工藝、新材料，提高現(xiàn)有傳感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；采用特種陶瓷材料制作的壓電加速度傳感器其工作溫度可遠(yuǎn)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，或相對原有同類傳感器可大幅度提高某些指標(biāo)。1.4.1傳感器的發(fā)展方向當(dāng)前第38頁\共有41頁\編于星期二\17點研究和開發(fā)集成化、微型化與智能化傳感器傳感器集成化主要指：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/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)成能檢測兩個以上參量的集成傳感器。1.4.1傳感器的發(fā)展方向當(dāng)前第39頁\共有41頁\編于星期二\17點微型化指：應(yīng)用微米/納米技術(shù)和微機械加工技術(shù)，制造微米級敏感元件。智能化指：制作帶微處理器、可雙向通信的傳感器，除被測參量檢測、轉(zhuǎn)換和信息處理功能外，還具有存儲、記憶、自補償、自診斷和雙向通信功能。1.4.1傳感器的發(fā)展方向當(dāng)前第40頁\共有41頁\編于星期二\17點不斷拓展測量范圍，努力提高檢測精度和可靠性突