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1、检测技术,主讲：王介生,学时分配及考核方式,1、学时分配： 共48学时，课堂教学38学时，实验10学时 2、成绩考核方式： 平时考察出勤率，上课小测验，作业情况作为平时 成绩考察的项目，占总成绩的15%；实验成绩占总成绩的 15%；期末考试成绩占总成绩的70%。 3、及格标准： 出勤率达到要求，试验成绩及格，总成绩在60分以 上。,第1章,概述,1.1课程简介,1.1.1 本课程的地位和作用,传感器与检测技术是工科电器信息类专业重要的专业课，有很广泛的适应面。,课程旨在培养学生在电子信息、计算机应用、精密仪器、测量与控制等多领域中，具备生产过程中各种电量、非电量参量的检测、显示、控制及系统的产
2、品设计制造、科技开发、应用研究等方面的能力。 本课程定位于为教学研究型大学的自动化、测控技术与仪器和电器自动化专业的本科学生提供传感器与检测技术方面的基础知识和基本技能的培训。,1.1课程简介,1.1.2 本课程内容体系结构,按照传感器、检测技术和自动检测系统三大模块进行讲解。 传感器部分主要包括传感器的基本特性、各类传统与新型传感器的工作原理与应用（应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式、光电式、辐射与波式、数字式、智能式传感器；化学传感器、生物传感器、微传感器等） 检测技术主要包括参数检测、微弱信号检测、软测量、多传感器数据融合、测量不确定度与回归分析等 检测系统主要包括虚拟仪器和
3、自动检测系统等。,1.1.3 本课程的任务及要求,“传感器与检测技术”是一门涉及到电工电子技术、传感器技术、光电检测技术、控制技术、计算机技术、数据处理技术、精密机械设计技术等众多基础理论和技术的综合性技术，现代检测系统通常集光、机、电于一体，软硬件相结合。 “传感器与检测技术”课程着重培养学生掌握传感器与检测技术基本理论、基本方法，本课程是一门实践性很强的课程，在理论学习的同时，要求学生通过实验和实践熟练掌握各类典型传感器的基本原理和适用场合，掌握常用测量仪器的基本工作原理和工作性能，能合理选用常用电子仪器、测量电路等，能根据测量要求设计各类测量系统，能对测量结果进行误差分析和数据处理等，达
4、到理论与实践的高度统一，突出能力的培养。,构成现代信息技术的三大支柱是： 传感器技术（信息采集）； 通信技术（信息传输）； 计算机技术（信息处理）； 它们在信息系统中分别起到 “感官”、“神经”和“大脑”的作用。 在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。,1.2 传感器的作用,目前传感器涉及的领域：现代大工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、智能建筑、汽车、家用电器、生物工程、商检质检、公共安全、甚至文物保护等等极其广泛的领域。,1、现代大工业生产,质量监控；自动检测； 过程控制的五大参量检测：流量、压力
5、、温度、液位、成分。,1.2 传感器的作用,超高温、超高压、超低温、超高真空、超强磁场检测。,3、航空航天宇宙飞船,飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中：,温度传感器559个,压力传感器140个,信号传感器501个,遥控传感器142个,专家说：整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体,2、基础学科研究,1.2 传感器的作用,1.2 传感器的作用,神州飞船：,185台（套）仪器装置,检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学、,1.2 传感器的作用,4、军事上的应用,美军研制的未来单兵作战武器-OICW,夜视瞄准机
6、系统：非冷却红外传感器技术,激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。,1.2 传感器的作用,美国国家导弹防御计划-NMD,监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,5、汽车工业,汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容,普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。,发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆
7、震传感器等,底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系 统等、车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、 油温,1.2 传感器的作用,1.2 传感器的作用,车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,1.2 传感器的作用,6、智能建筑,包括三大基本要素有：,楼宇自动化系统 BAS（Buiding Automating System）,通讯自动化系统 CAS (Communication Automating System),办公自动化系统 OAS (Office Automating System),控制管理各种机电设备
8、空调制冷；给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等等，实现以上功能使用的传感器有：温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力。,1.2 传感器的作用,安全防护；防盗、防火、防燃气泄露,CCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器,远程抄收与管理系统；水、电、气、热量通过传感器设置远程自动化抄表,巡更系统保安管理,1.2 传感器的作用,数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器,自动感应灯：亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器,遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,7、现代家用电器,全自动洗衣
9、机中水位、浊度传感器,抽油烟机上的气敏传感器,1.2 传感器的作用,数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器,9、办公商务,扫描仪：文档扫描-线阵CCD,红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,10、医疗卫生,电子血压计：血压检测 - 压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪 - 离子传感器,1.3 传感器的定义与组成,1.3.1 传感器的定义,定性 人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。 定量 传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外
10、界对象进行控制。,1.3 传感器的定义与组成,我们对传感器作如下定义：,广义：,传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。,狭义：,能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。,我国国家标准（GB/T76652005）对传感器的定义是：,“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。,1.3 传感器的定义与组成,被测量：物理量、化学量、生物量 ,可用信号：便于处理和传输的非噪声信号 （电信号、光信号）,规律：确定规律，可以重复（线性、非线性、周期）,传感器：传-传递信息；感-感受被测量；器-器件
11、,例：热敏电阻 - 温度变化 - 电阻变化,R=f(T),1.3 传感器的定义与组成,表明传感器有以下含义：,按使用的场合不同又称为： 变换器、换能器、探测器,输入量可能是物理量，也可能是化学量等,输出量是某种物理量，主要是电物理量,输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度,传感器能完成检测任务；,非电量电量,（电阻、电压、电流、频率、电感、电容、电量）,1.3 传感器的定义与组成,传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量 传感器功能：检测和转换。 敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信
12、息（非电量）的元件 转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分,从传感器的定义中，可以归纳出以下信息：,1.3 传感器的定义与组成,1.3.2传感器的组成,转换电路：,敏感元件：,感受被测量变化，并输出相对应的电信号,例：电阻应变片（应变-电阻）,又称“转换元件” 或 “变换元件”,把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和控制的可用信号的电路，又称为“信号调理电路”或“测量电路”,例：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。,1.4 传感器的分类,按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等 按传感器的输出量进行分类
13、 ：模拟式和数字式 按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型 按传感器的工作原理进行分类 ：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等 按传感器的构成进行分类：物性型和结构型 按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型）、无源（能量变换型）,结构型与物性型,结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。,物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎
14、克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。,能量控制型和能量转换型,能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻
15、、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。,能量转换型传感器，又称无源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。,1.5 传感器技术的发展,我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。目前有1688家传感器研发机构，产品约6000种，年产量13.2亿多支，其中约12产品销往国外。预计到“
16、十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达到20亿支，销售总额将达约120亿元。,传感器技术大体可分三代：,第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。,所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；,1.5 传感器技术的发展,第二代是上70年代发展起来的固体型传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器。,第三代传感器是以后刚刚发展起来的智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有一定的人工智能。,现代传感器利用新的材料、新的集成加工工艺使传感器技术越来越成熟，传感器种类越来越多，除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料外，光纤以及超导材料的发展为传感器的发展提供了物质基础。未来还会有更新的材料，如纳米材料，更有利于传感器的小
