傳感器與檢測(cè)技術(shù)周杏鵬第一章

第一章緒論當(dāng)前第1頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成1.3傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的分類1.4傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)緒論當(dāng)前第2頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)

1.1傳感器與檢測(cè)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(cè)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(cè)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?jìng)鞲衅髦兄苯痈惺鼙粶y(cè)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(hào)的部分。當(dāng)前第3頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)

檢測(cè)的概念檢測(cè)是指在生產(chǎn)、科研、試驗(yàn)及服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域，為及時(shí)獲得被測(cè)、被控對(duì)象的有關(guān)信息而實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)地對(duì)一些參量進(jìn)行定性檢查和定量測(cè)量。

1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用

“計(jì)量”：指用精度等級(jí)更高的標(biāo)準(zhǔn)量具、器具或標(biāo)準(zhǔn)儀器，對(duì)被測(cè)樣品、樣機(jī)進(jìn)行考核性質(zhì)的測(cè)量。特點(diǎn)：非實(shí)時(shí)、離線、標(biāo)定。

“檢測(cè)”：指在生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)場(chǎng)，利用某種合適的檢測(cè)儀器或綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行在線、連續(xù)的測(cè)量。

檢測(cè)與計(jì)量的不同當(dāng)前第4頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.1.3傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用檢測(cè)技術(shù)是自動(dòng)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(dòng)化控制。如右圖，有液位、溫度、壓力等檢測(cè)。

1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第5頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)城市生活污水處理主要有流量檢測(cè)、液位檢測(cè)和成分量檢測(cè)。

1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第6頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)新型武器和裝備的研制與測(cè)試定位與導(dǎo)航，圖為中國(guó)研制的DF-21和雷達(dá)。

1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第7頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)先進(jìn)醫(yī)療檢測(cè)儀

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

1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第8頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)生活中化學(xué)成分的檢測(cè)利用化學(xué)反應(yīng)機(jī)理檢測(cè)成分，上圖為酒精檢測(cè)儀，右圖為空氣質(zhì)量檢測(cè)儀。

1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第9頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)防火防盜和見(jiàn)用電器安全檢測(cè)左圖為漏電報(bào)警器，上圖為煙霧報(bào)警器。

1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用當(dāng)前第10頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成1.3傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的分類1.4傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)緒論當(dāng)前第11頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第12頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)由圖可知：首先通常由各種傳感器將非電被測(cè)物理或化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電參量信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)調(diào)理（包括：信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)檢波、信號(hào)濾波、信號(hào)放大等）、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)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(gè)完整的現(xiàn)代檢測(cè)（儀器）系統(tǒng)。1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第13頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(shí)間和溫度而變化；靈敏度

要求被測(cè)參量較小的變化就可使傳感器獲得較大的輸出信號(hào)；其他如耐腐蝕性、功耗、輸出信號(hào)形式、體積、售價(jià)等。1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第14頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成溫度傳感器紅外線傳感器電磁流量計(jì)當(dāng)前第15頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)2.信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理在檢測(cè)系統(tǒng)中的作用是對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行檢波、轉(zhuǎn)換、濾波、放大等，以方便檢測(cè)系統(tǒng)后續(xù)處理或顯示。對(duì)信號(hào)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(hào)；信噪比高，抗干擾性能要好。1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第16頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成單通道信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)物圖當(dāng)前第17頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)3.數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是對(duì)信號(hào)調(diào)理后的連續(xù)模擬信號(hào)離散化并轉(zhuǎn)換成與模擬信號(hào)電壓幅度相對(duì)應(yīng)的數(shù)值信息，同時(shí)把數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給微處理器或自動(dòng)存儲(chǔ)。性能指標(biāo)如下：輸入模擬電壓信號(hào)范圍單位V；轉(zhuǎn)換速度單位次/秒；分辨率以模擬信號(hào)輸入為滿度時(shí)的轉(zhuǎn)換值的倒數(shù)來(lái)表征；轉(zhuǎn)換誤差實(shí)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(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第18頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成各類數(shù)據(jù)采集卡當(dāng)前第19頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)

4.信號(hào)處理現(xiàn)代檢測(cè)儀表、檢測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)處理模塊通常以各種型號(hào)的嵌入式微控制器、專用高速數(shù)據(jù)處理器（DSP）或?yàn)楹诵膩?lái)直接采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)建。1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第20頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.2檢測(cè)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21頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)5.信號(hào)顯示檢測(cè)儀表和檢測(cè)系統(tǒng)在信號(hào)處理器計(jì)算出被測(cè)參量的當(dāng)前值后送至各自的顯示器作實(shí)時(shí)顯示，以及時(shí)知道被測(cè)參量的瞬時(shí)值、累積值或其隨時(shí)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(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第22頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成指示式數(shù)字式屏幕式當(dāng)前第23頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)6.信號(hào)輸出通常把測(cè)量值及時(shí)傳送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）或其他智能化終端。檢測(cè)儀表和檢測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)通常有4～20mA的電流模擬信號(hào)和脈寬調(diào)制PWM信號(hào)及串行數(shù)字通信信號(hào)等多種形式，需根據(jù)系統(tǒng)的具體要求確定。1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第24頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)串口、網(wǎng)口信號(hào)輸出8路電壓信號(hào)輸出1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第25頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)或各種通信總線利用其他計(jì)算機(jī)或數(shù)字化智能終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息和數(shù)據(jù)輸入的方式將會(huì)得到更多的應(yīng)用。1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第26頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)觸摸屏鍵盤1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第27頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)8.穩(wěn)壓電源由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)檢測(cè)系統(tǒng)通常不經(jīng)降壓、穩(wěn)壓就無(wú)法直接使用；因此需根據(jù)傳感器和檢測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部電路實(shí)際需要，自行設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源。1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第28頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)穩(wěn)壓電源1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成當(dāng)前第29頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成1.3傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的分類1.4傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)緒論當(dāng)前第30頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.3傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的分類1.3.1傳感器的分類傳感器常見(jiàn)的分類方法如表1-1所示。當(dāng)前第31頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.3傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的分類當(dāng)前第32頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.按被測(cè)參量分類

電工量電壓、電流、電功率、電阻、電容、頻率、磁場(chǎng)強(qiáng)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(jī)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(dòng)、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(qiáng)、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(cè)系統(tǒng)的分類當(dāng)前第33頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)2.按被測(cè)參量的檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的分類當(dāng)前第34頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)3按使用性質(zhì)分類通?？煞譃闃?biāo)準(zhǔn)表、實(shí)驗(yàn)室表和工業(yè)用表等三種。

“標(biāo)準(zhǔn)表”：各級(jí)計(jì)量部門專門用于精確計(jì)量、校準(zhǔn)送檢樣品和樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)儀表。

“實(shí)驗(yàn)室表”：多用于各類實(shí)驗(yàn)室中，使用環(huán)境條件較好，往往無(wú)特殊的防水、防塵措施。對(duì)于溫度、相對(duì)濕度、機(jī)械振動(dòng)等的允許范圍也較小。

“工業(yè)用表”：是長(zhǎng)期使用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)儀表與檢測(cè)系統(tǒng)。1.3傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的分類當(dāng)前第35頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的地位與作用1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成1.3傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的分類1.4傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)緒論當(dāng)前第36頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)向，一是深入開(kāi)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(kāi)發(fā)新材料、新工藝，實(shí)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37頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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38頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(duì)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39頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)研究和開(kāi)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(hào)放大、濾波、線性化、電壓/電流信號(hào)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(cè)兩個(gè)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40頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)微型化指：應(yīng)用微米/納米技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)，制造微米級(jí)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(cè)參量檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和信息處理功能外，還具有存儲(chǔ)、記憶、自補(bǔ)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41頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)不斷拓展測(cè)量范圍，努力提高檢測(cè)精度和可靠性