检测与仪表V3课件

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1、2.传感器与检测技术 历史时代：历史时代：手工化手工化机械化机械化自动化自动化信息化信息化生产方式：生产方式：人与简人与简单工具单工具动力机动力机与机械与机械自动测自动测量控制量控制智能机智能机械装置械装置检测的地位和作用检测的地位和作用1. 信息化是科学技术发展的必然信息化是科学技术发展的必然2.1 2.1 检测技术概述检测技术概述 2. 信息流是客观世界的一个主流信息流是客观世界的一个主流 物物料料流流 能流能流 信息流信息流客观世界客观世界检测的地位和作用信息流组成信息流组成信息流信息流获取传输处理控制信息获取是信息流的一环信息获取是信息流的一环 获取信息获取信息是仪器科学的基本任务是仪

2、器科学的基本任务 仪器仪表是信息产业的仪器仪表是信息产业的重要组成部分重要组成部分 仪器仪表是信息工业的仪器仪表是信息工业的源头源头检测的地位和作用检测的地位和作用3 检测仪器仪表的作用检测仪器仪表的作用 工业生产工业生产 倍增器倍增器 科学研究科学研究 先行官先行官 社社 会会 物化法官物化法官 军军 事事 战斗力战斗力检测的地位和作用检测的地位和作用工业生产倍增器工业生产倍增器检测技术是带动国民经济增长的一个检测技术是带动国民经济增长的一个 关键领域关键领域在美国：检测技术占在美国：检测技术占4%，拉动经济增长，拉动经济增长66%检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用检测

3、的地位和作用检测的地位和作用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.检测技术的作用和地位检测技术的作用和地位检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用离线检测：零件参数、离线检测：零件参数、 尺寸与形位公差、尺寸与形位公差、 品质参数品质参数作作 用：现代工程装备中，用：现代工程装备中， 检测环节的成本约占检测环节的成本约占 5070%检测技术在汽车中的应用日新月异检测技术在汽车中的应用日新月异检测技术的作用和地位检测技术的作用和地位发动机：发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，提供发动机的

4、工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 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，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。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底底 盘：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

5、气门、发动机转速、水温、油温车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身：身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 检测技术在日常生活中的应用与日俱增检测技术在日常生活中的应用与日俱增检测技术的作用和地位检测技术的作用和地位 家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度检

6、测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务：办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 - - 压

7、力传感器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 - - 离子传感器离子传感器检测技术的作用和地位检测技术的作用和地位科学研究的先行官科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说说“现代科学的进现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展步越来越依靠尖端仪器的发展” 俄国化学家门捷列夫指出俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的科学是从测量开始的” 近近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达者达38人人检测技术的作用和地位检测技术的作用和地位军事战斗力军事战斗力 1991年海湾战争年海湾战争 精确制导炸弹和导

8、弹占精确制导炸弹和导弹占8% 2003年伊拉克战争年伊拉克战争 90% 1994年美国防部建立自动测试系统执行局年美国防部建立自动测试系统执行局立体作战立体作战检测技术的作用和地位检测技术的作用和地位检测技术在军事上的应用检测技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未来单兵作战武器-OICW 夜夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射激光测距仪：可精确的定位目标。在发射2020毫米高爆弹时，激光测距仪可毫米高爆弹时，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将目标的距离信息自动传输

9、至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。间。美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD检测技术的作用和地位检测技术的作用和地位检测技术在国防领域的应用检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器地基拦截器2.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统 监测系统监测系统: 探测和发现探测和发现敌人导弹的发射并追踪敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假拦截器：能识别真假弹头，敌友方弹头，敌友方检测技术的作用和地位检测技术的作用和地位“阿波罗阿波罗10”：火箭部分火箭部

10、分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器，个传感器，检测参数检测参数-加速度、温度、压力、加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、振动、流量、应变、 声学、声学、神州飞船：神州飞船：185台（套）仪器装置台（套）仪器装置检测技术在航天领域举足轻重检测技术在航天领域举足轻重飞行器测控飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵纵 火箭测控火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹检测火箭状况、姿态、轨迹 检测技术的作用和地位检测技术的作用和地位“物化法官物化法官” 检查产品质量检查产品质量 监测环境污染监测环境污染 识别指纹假钞识别

11、指纹假钞 查服违禁药物查服违禁药物 侦破刑事案件侦破刑事案件教学实验、气象预报、大地测教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、绘、灾情预报、交通指挥、涵盖涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空吃穿用、农轻重、海陆空检测技术是实验科学的一部分，主要研究各种检测技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测物理量的测量原理量原理和和测量信号分析处理测量信号分析处理方法。方法。 检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。不可少的手段，起着人的感官的作用。简单的测试系统可简单的测试系统可以只有一个模块，以只有一

12、个模块，如玻璃管温度计。如玻璃管温度计。它直接将被温度变它直接将被温度变化转化液面示值。化转化液面示值。没有电量转换和分没有电量转换和分析电路，很简单，析电路，很简单，但精度底，无法实但精度底，无法实现测量自动化。现测量自动化。 为提高测量精度和为提高测量精度和自动化程度，以便自动化程度，以便于和其它环节一起于和其它环节一起构成自动化装置，构成自动化装置，通常先将被测物理通常先将被测物理量转换为电量，再量转换为电量，再对电信号进行处理对电信号进行处理和输出。如图所示和输出。如图所示的声级计。的声级计。 2.1检测的基本概念检测的基本概念检测与测量检测与测量测量：测量： 以确定被测对象的属性和量

13、值为目的的全部操作以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测：检测：检测过程：检测过程：测量测量信号检出（极为重要）信号检出（极为重要）信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理检测技术：检测技术：检测方法、检测结构、检测信号处理检测方法、检测结构、检测信号处理检测是意义更为广泛的测量检测是意义更为广泛的测量 综合性技术综合性技术计量：计量：主要任务是建立统一的基准单位，使测量有主要任务是建立统一的基准单位，使测量有 客观标准客观标准测试：测试：基本任务是获取有用信息，通常包含了测基本任务是获取有用信息，通常包含了测 量、计量、计算、量

14、、计量、计算、 检验，判断等多层含义。检验，判断等多层含义。测试的范畴：测试的范畴：将被测量与标准量进行比较，获得被测对象的数值结果将被测量与标准量进行比较，获得被测对象的数值结果将被测量与设定值进行比较，获得被测对象在性能、参数、将被测量与设定值进行比较，获得被测对象在性能、参数、质量、功能等方面的评价质量、功能等方面的评价对测试数据进行各种处理，根据测试要求不同，处理的结果对测试数据进行各种处理，根据测试要求不同，处理的结果 可形成各种信息，也可去执行各种操作。可形成各种信息，也可去执行各种操作。2、检测的分类、检测的分类*按被测量值的物按被测量值的物理属性分类：理属性分类： 电量、非电量

15、电量、非电量*按检测原理分类（物理的、化学的、生物学的）：按检测原理分类（物理的、化学的、生物学的）：*按检测方法分类：按检测方法分类：主动和被动、直接与间接、接触式与非主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态接触式、动态和静态电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等电化学分析、色谱分析、质谱分析等3、测量单位、测量单位被测量被测量 基准量基准量国际单位制（国际单位制（SI）长度长度 质量质量 时间时间 电流电流 热力学温度热力学温度 物质的量物质的量 光量光量实物单位实物单位-千克标准原器千克标准原器米米

16、-光在真空中光在真空中1s时间内传播距离的时间内传播距离的1/299792485能量（能量（J）=力力 距离距离大得多大得多/小得多小得多-词头：词头：mm、 m、nm（10-9m）；）； kHz、MHz（106Hz）、）、GHz（109Hz）单位单位测量：测量：比较比较SI 基本单位：基本单位：倍数（结果）倍数（结果）SI 组合单位：组合单位：七个物理量单位七个物理量单位 - 相互独立相互独立由基本单位导出由基本单位导出 =质量质量 加速度加速度 距离距离J = kg（m/s2）m = m2kg/s2能量能量 - 焦（耳）：长度、质量、时间焦（耳）：长度、质量、时间（m）（kg）（s）（A）

17、（K）（mol）（cd） （科学家）（科学家）2.2 检测方法分类1. 直接测量直接测量 （绝对测量、相对测量）（绝对测量、相对测量） 间接测量间接测量2. 开环测量与闭环测量开环测量与闭环测量3. 偏差法、零位法、微差法偏差法、零位法、微差法1、直接测量与间接测量 直接测量：直接将直接测量：直接将被测量被测量与与标准量标准量进行比较进行比较标准量标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、激光、） 绝对测量绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）定值标准量（如某一固定尺寸） 相对测量相对测量2.2 检测方法分类- 绝对测量：绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直

18、接得到测量值采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：测量结果：20.1 mm- 相对测量：相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：特点：简单、直观、明了；简单、直观、明了； 测量精度不高测量精度不高基准量：基准量：20.00 mm测量值：测量值：+0.08 mm结结 果：果：20.08 mm特点：特点：精度高；复杂、成本高、要求高精度高；复杂、成本高、要求高 间接测量间接测量如测导线的导电率如测导线的导电率：测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得由计算获得2、开环测量与闭环测量、

19、开环测量与闭环测量开环测量：开环测量：反馈测量：反馈测量：特点特点：简单、直观、明了；：简单、直观、明了； 测量精度不高测量精度不高特点特点：精度高；复杂、成本高、要求高：精度高；复杂、成本高、要求高传感器传感器输入量输入量x输出量输出量y传感器传感器输入量输入量x输出量输出量y放大放大反响传感器反响传感器3、偏差法、零位法和微差法、偏差法、零位法和微差法偏差法：偏差法：零位法：零位法：利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量

20、两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值微差法：微差法：偏差法和零位法的结合偏差法和零位法的结合被偿被偿测量被测量余数测量被测量余数被偿被偿测量大值与标准量大体平衡测量大值与标准量大体平衡2.3 检测仪表组成1、检测仪表检测仪表检测仪表组成 敏感元件信号变换传输处理显示装置非线性 运算检检测测仪仪表表由由传传感感器器、中中间间变变换换装装置置(变变送送器器)和和显示记录装置三部分组成。显示记录装置三部分组成。传感器传感器（transducer） ：将被测物理量将被测物理量(如温度如温度) 检出检出并转换为电量。并转换为电量。变送器变

21、送器（transmitter） ：对接收到的电信号用硬件电路进：对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经行分析处理或经A/D变换后用软件进行变换后用软件进行信号分析。信号分析。 显示记录装置：将测量结果显示出来，提供给观察者显示记录装置：将测量结果显示出来，提供给观察者 或其它自动控制装置。或其它自动控制装置。检测系统：由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量敏感元件1敏感元件2敏感元件n.信号变换处理显示装置 现代检测系统构成现代检测系统构成信息获取信息获取转换转换显示和处理显示和处理（信号检出部分）（信号检出部分）（信号变换部分）（信号变换部分）（分析处理部分、（分析处理部分、通信接口及

22、总线）通信接口及总线）1、信号检出部分、信号检出部分传感器（传感器（Sensor）- 检出功能的器件检出功能的器件信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）2、信号变换部分、信号变换部分检出信号检出信号适合于分析和处理的信号适合于分析和处理的信号作用：对传感器输出的微弱信号进行检波、滤波、放大等作用作用：对传感器输出的微弱信号进行检波、滤波、放大等作用 以方便后续环节处理或显示。以方便后续环节处理或显示。信号调理电路信号调理电路阻抗变换阻抗变换 - 输出阻抗很高时；输出阻抗很高时；电压电压/电流（电流（V/A）转换转换 - 需要电流输出时；需要电流输出时；

23、信号放大信号放大 - 输出信号微弱时；输出信号微弱时；噪声抑制噪声抑制 - 信号淹没在噪声中；信号淹没在噪声中；模拟模拟/数字（数字（A/D）转换转换 - 需要输出数字信号时需要输出数字信号时数据采集：数据采集：作用：对调理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信作用：对调理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信 号幅度相对应的数字信号，同时传给微处理器。号幅度相对应的数字信号，同时传给微处理器。主要包括：主要包括：A D、D 转换器、模拟多路开关、采样转换器、模拟多路开关、采样 保持器保持器 输入缓冲器、输出锁存器等输入缓冲器、输出锁存器等3、分析处理部分、分析处理部分不断注入新内容不

24、断注入新内容 - 检测系统的研究中检测系统的研究中心心计算机系统计算机系统 - 强大问题分析能力、复杂系统的实时控制强大问题分析能力、复杂系统的实时控制自动化、智能化自动化、智能化信号处理模块：核心是单片机、微处理器，对高频信号和信号处理模块：核心是单片机、微处理器，对高频信号和 复杂信号增加高速数据处理器复杂信号增加高速数据处理器(DSP)或采或采 用工业控制计算机用工业控制计算机功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和变换功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和变换 通用标准接口通用标准接口 - 不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联不同的系统尤其是不同厂家的产品能

25、够互联 4、通信接口与总线部分、通信接口与总线部分USB、 IEEE-488、 RS-232（串行）、并行串行）、并行总线：传送数字信号的公共通道总线：传送数字信号的公共通道 - 信号线的集信号线的集合合RS-232C、VXI、Centronics（并行）并行）（硬件系统）（硬件系统）（规范、结构形式）规范、结构形式）接口接口 - 分系统和上位机之间分系统和上位机之间/分系统之间交换信息分系统之间交换信息2.4 检测仪表的主要性能指标静态性能指标静态性能指标 动态性能指标动态性能指标 不必考虑仪表输入量与输出量之间的动态关系而只需考虑静态关系，联系输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。

26、是测量仪表在动态工作过程中所呈现出的特性，其反映测量仪表对随时间变化的被测量所响应的性能，通常采用时域特性时域特性与频域特性频域特性等来表征。 仅就静态性能指标进行介绍仅就静态性能指标进行介绍 测量范围与量程 测量范围测量范围: 测量量程测量量程: 指在正常工作条件下，检测系统或仪表能够测量的被测量值的总范围，测量范围用下限值至上限值来表示ab; 测量范围上限a与下限b的代数差.2) 准确度 定义定义 准确度也称精确度，是指测量结果与实际准确度也称精确度，是指测量结果与实际值相一致的程度，其是测量的一个基本特征。值相一致的程度，其是测量的一个基本特征。 仪表所允许的误差界限，即允许误差仪表所允

27、许的误差界限，即允许误差 a和和b分别为仪表测量范围的上限值与下限值；分别为仪表测量范围的上限值与下限值；2) 准确度准确度 准确度等级准确度等级(精度等级精度等级 仪表的精度等级按国家规定的允许误差的大小划仪表的精度等级按国家规定的允许误差的大小划分为若干等级分为若干等级 。 我国自动化仪表准确度等级 0.005、0.02、0.1、0.35（标准仪表标准仪表） 0.5、1.0、1.5、2.5、4 （工业仪表工业仪表）2) 准确度准确度 某压力表的量程为某压力表的量程为10MPa,测量值的允许误差为测量值的允许误差为0.03MPa,则仪表的则仪表的准确度等级为？准确度等级为？解： 0.03/1

28、0100%=0.3% 精度等级中没有精度等级中没有0.3级仪表级仪表 仪表的准确度等级为仪表的准确度等级为0.35级。级。实例实例2.5 检测仪表的分类 按被测参数分类按被测参数分类 电气参数电气参数 机械参数机械参数 过程参数过程参数 电能、电流、电压、频率等； 重量、距离、振动、缺陷检查、故障诊断等; 主要指热工参数，包括 温度、压力、流量、物位、温度、压力、流量、物位、 成份分析等成份分析等。按使用性质分类按使用性质分类实用型实用型范型范型标准型标准型 用于实际测量，包括工业用表与实验用表； 用于复现和保持计量单位，或用于对实用仪表进行校准和刻度； 具有更高准确度的范型仪表，用以保持和传

29、递国家计量标准，并用于对范型仪表的定期检定。2.5 检测仪表的分类2.6 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势检测技术检测技术重要手段重要手段相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等新的检测理论、方法和技术手段新的检测理论、方法和技术手段1、传感器水平的提高、传感器水平的提高光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为敏感元件）敏感元件）化学传感器、化学传感器、 微生物传感器、微生物传感器、 仿生传感器（代替视觉、嗅觉、仿生传感器（代替视觉、嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、

30、超高压、超低温和超高真空等味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器极端参数的新型传感器1）新原理、新材料、新工艺）新原理、新材料、新工艺 新新功能传感器功能传感器2）新领域、新需求）新领域、新需求 新型传感器新型传感器科学研究科学研究推动实验研究和发展推动实验研究和发展形成形成利利用用新新发发现现的的材材料料和和新新发发现现的的生生物物、物物理理、化化学学效效应应开发出的新型传感器开发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量3）传感器向着高精度小型化

31、和集成化方向发展）传感器向着高精度小型化和集成化方向发展微电子技术微电子技术 - 多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上上 一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体 微型化：微米微型化：微米/纳米技术、纳米技术、MEMS技术技术 体积微小、重量轻微体积微小、重量轻微特点：点测量特点：点测量 平面平面/空间测量空间测量例：电荷耦合器件（例：电荷耦合器件（CCD）- 光敏元阵列光敏元阵列 数码相机数码相机 多功能传感多功能传感 - 不同功能的传感器集成化不同功能的传感器集成化 集成化：集成化：特点：一个传感器可以同时测量不

32、同种类的多个参数特点：一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数例：测量血液中各种成分的多功能传感器例：测量血液中各种成分的多功能传感器特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时数特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时数据处理（传感器和数据处理电路集成）据处理（传感器和数据处理电路集成）2、检测系统由模拟式、数字式向智能化方向发展、检测系统由模拟式、数字式向智能化方向发展以计算机为中心的检测系统以计算机为中心的检测系统 复杂对象或系统的多路、多参数复杂对象或系统的多路、多参数检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加工；故障诊断检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加工；故障诊断传感器

33、传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器3、不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性、不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性4、重视非接触式检测技术研究、重视非接触式检测技术研究5、采用新型信息处理方法、采用新型信息处理方法数据融合技术、模糊信息处理技术、神经网络技术数据融合技术、模糊信息处理技术、神经网络技术光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪表、核光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪

34、表、核辐射检测仪表辐射检测仪表系统资源与数据共享，便于现代测试仪器分散使用与大范围系统资源与数据共享，便于现代测试仪器分散使用与大范围联网使用。联网使用。6、网络化、通用化与标准化、网络化、通用化与标准化测量信号处理方面测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术 用用PC机仪器板卡机仪器板卡 代替传统仪器代替传统仪器用计算机软件用计算机软件 代替硬件分析电路代替硬件分析电路优优点点我们的工作我们的工作主要传感器和测试仪器生产厂商主要传感器和测试仪器生产厂商2、振动、振动/噪声传感器噪声传感器 丹麦丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名振动测量、声学测量领域最富盛名）http:/

35、 美国美国霍尼威尔霍尼威尔公司（有全球最大公司（有全球最大传感器传感器技术研究中心）技术研究中心） http:/ 美国国家仪器公司美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商全球最大的计算机虚拟仪器生产商)http:/ 现代检测技术的发展趋势现代检测技术的发展趋势检测技术检测技术重要手段重要手段相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等新的检测理论、方法和技术手段新的检测理论、方法和技术手段1、传感器水平的提高、传感器水平的提高光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为敏

36、感元件）敏感元件）化学传感器、化学传感器、 微生物传感器、微生物传感器、 仿生传感器（代替视觉、嗅觉、仿生传感器（代替视觉、嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器极端参数的新型传感器1）新原理、新材料、新工艺）新原理、新材料、新工艺 新新功能传感器功能传感器2）新领域、新需求）新领域、新需求 新型传感器新型传感器科学研究科学研究推动实验研究和发展推动实验研究和发展形成形成利利用用新新发发现现的的材材料料和和新新发发现现的的生生物物、物物理理、化化学学效效应应开发出的新型传感器开发出的新型传感器光纤流

37、速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量3）传感器向着高精度小型化和集成化方向发展）传感器向着高精度小型化和集成化方向发展微电子技术微电子技术 - 多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上上 一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体 微型化：微米微型化：微米/纳米技术、纳米技术、MEMS技术技术 体积微小、重量轻微体积微小、重量轻微特点：点测量特点：点测量 平面平面/空间测量空间测量例：电荷耦合器件（例：电荷耦合器件（CCD）-

38、光敏元阵列光敏元阵列 数码相机数码相机 多功能传感多功能传感 - 不同功能的传感器集成化不同功能的传感器集成化 集成化：集成化：特点：一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数特点：一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数例：测量血液中各种成分的多功能传感器例：测量血液中各种成分的多功能传感器特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时数特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时数据处理（传感器和数据处理电路集成）据处理（传感器和数据处理电路集成）2、检测系统由模拟式、数字式向智能化方向发展、检测系统由模拟式、数字式向智能化方向发展以计算机为中心的检测系统以计算机为中心的检测系统 复杂

39、对象或系统的多路、多参数复杂对象或系统的多路、多参数检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加工；故障诊断检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加工；故障诊断传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器3、不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性、不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性4、重视非接触式检测技术研究、重视非接触式检测技术研究5、采用新型信息处理方法、采用新型信息处理方法数据融合技术、模糊信

40、息处理技术、神经网络技术数据融合技术、模糊信息处理技术、神经网络技术光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪表、核光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪表、核辐射检测仪表辐射检测仪表系统资源与数据共享，便于现代测试仪器分散使用与大范围系统资源与数据共享，便于现代测试仪器分散使用与大范围联网使用。联网使用。6、网络化、通用化与标准化、网络化、通用化与标准化4.1.1 检测系统的组成(1) 把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功能,传感器又称为一次仪表。 (2) 对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理,这叫作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。 图

41、4-1 非电量检测系统的结构形式1.传感器的构成传感器一般由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成,如图4-2所示。图4-2 传感器的组成框图2.8 传感器的概念及基本特性（1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。（2）传感元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。（3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。（1） 线性度。 传感器的静态特性是在静态标准条件下,利用一定等级的标准设备,对传感器进行往复循环测试,得到的

42、输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性,这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性,与理论直线有偏差,如图4-3所示。 图4-3 传感器的线性度示意图 线性度可用下式计算：（4-1） （2） 灵敏度。传感器在静态标准条件下,输出变化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即式中： L线性度(非线性误差)； max最大非线性绝对误差； yFS 输出满度值。(4-2) 对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。（3）迟滞。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示：

43、 (4-3) 式中:Hm输出值在正、反行程间的最大差值。迟滞特性一般由实验方法确定,如图4-4所示。图4-4 迟滞特性 （4） 重复特性。 传感器在同一条件下,被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时,所得的输出/输入曲线不一致的程度,称为重复特性,如图4-5所示。重复特性误差用满量程输出的百分数表示,即(4-4)式中: Rm最大重复性误差。重复特性也由实验方法确定,常用绝对误差表示,如图4-5所示。图4-5 重复特性（5）分辨力。 （6）漂移。由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传感器的输出发生的变化称为漂移。（7）精度。精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。 3. 传感器的

44、动态特性动态特性是指传感器测量动态信号时,输出对输入的响应特性。 2 信号传输与处理电路 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括：（1） 传感器输出信号形式,如是模拟信号还是数字信号,是电压还是电流。（2） 传感器输出电路形式,是单端输出还是差动输出。（3） 传感器电路的输出能力,是电压还是功率,输出阻抗的大小如何等。（4） 传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。3 位移检测 模拟式位移传感器1. 可变磁阻式电感传感器典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图4-6所示,它主要由线圈、铁心和活动衔铁组成。图4-6 可变磁阻式电感传感器当线圈通以激磁电流时,其自感L与磁路的总磁阻Rm有关

45、,即（4-6）式中: W线圈匝数； Rm总磁阻。如果空气隙较小,而且不考虑磁路的损失,则总磁阻为（4-5）式中: L铁心导磁长度（m）； 铁心导磁率（H/m）； A铁心导磁截面积（m2）, A=ab;空气隙(m), = 0+; 0空气磁导率（Hm）,0=210-7 ; A0空气隙导磁截面积（m2）。由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的,因此计算时铁心的磁阻可以忽略不计,故（4-8）将式(4-7)代入式(4-5),得（4-7）式（4-8）表明,自感L与空气隙的大小成反比,与空气隙导磁截面积A0成正比。当A0固定不变而改变时,L与成非线性关系,此时传感器的灵敏度为（4-9）图4-7为差动型磁阻

46、式传感器,它由两个相同的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置（位移为零）时,两线圈的自感L相等,输出为零。当衔铁有位移时,两个线圈的间隙为0+, 0-,这表明一个线圈的自感增加,而另一个线圈的自感减小。图4-7 可变磁阻差动式传感器图 4-8 可变磁阻面积型电感传感器如图4-9所示,在可变磁阻螺管线圈中插入一个活动衔铁,当活动衔铁在线圈中运动时,磁阻将变化,导致自感L的变化。 图4-9 可变磁阻螺管型传感器2. 涡流式传感器涡流式传感器的变换原理,是金属导体在交流磁场中的涡电流效应。（1）高频反射式涡流传感器。如图4-10所示,高频(1 MHz)激励电流i0产生的高频磁场作用于金属

47、板的表面,由于集肤效应,在金属板表面将形成涡电流。（1）低频透射式涡流传感器。图4-11 低频透射式涡流传感器图4-10 高频反射式涡流传感器3.互感型差动变压器式电感传感器 差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器,其结构形式有多种,以螺管型应用较为普遍,其结构及工作原理如图4-12（a）、（b）所示。图4-12 差动变压器式电感传感器 （a）、（b）工作原理; （c）输出特性 图4-13是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理。 图4-13 差动相敏检波电路的工作原理图4-14是电感测微仪所用的螺旋差动型位移传感器的结构图。 图4-14 螺旋差动型传感器的结构图 4.2.2 数字式位移传

48、感器光栅由标尺光栅和指示光栅组成,两者的光刻密度相同,但体长相差很多,其结构如图4-15所示。图4-15 光栅测量原理 图4-16 莫尔条纹示意光栅莫尔条纹的特点是起放大作用,用W表示条纹宽度,P表示栅距,表示光栅条纹间的夹角,则有(4-10) 若P0.01mm,把莫尔条纹的宽度调成10mm,则放大倍数相当于1000倍,即利用光的干涉现象把光栅间距放大1000倍,因而大大减轻了电子线路的负担。图4-17 光栅测量系统光栅测量系统的基本构成如图4-17所示。图4-18 感应同步器原理图滑尺表面刻有两个绕组,即正弦绕组和余弦绕组,见图4-18。图4-19 圆盘式感应同步器（a） 定子； （b） 转

49、子圆盘式感应同步器如图4-19所示,其转子相当于直线感应同步器的滑尺,定子相当于定尺,而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。4 速度、加速度检测 直流测速机速度检测图4-21所示为永磁式测速机的原理图。图4-21 永磁式测速机的原理图图 4-22 直流测速机的输出特性图 4-23 光电式转速传感器的结构原理图 光电式转速传感器光电式转速传感器是一种角位移传感器,由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成,如图4-23所示。根据测量单位时间内的脉冲数N,则可测出转速为（4-19）式中: ;Z圆盘上的缝隙数；n转速(rmin)； t测量时间(s)。一

50、般取Zt=6010m(m0,1,2,)。利用两组缝隙间距W相同,位置相差（i2+14 ）W（i0,1,2,） 的指示缝隙和两个光电器件,就可辨别出圆盘的旋转方向。图4-24 应变式加速度传感器应变式传感器加速度测试原理如图4-24所示,它通过测试惯性力引起弹性敏感元件的变形换算出力的关系,相关原理在后续内容中介绍。 图4-25 晶体的压电原理1. 压电效应及压电材料图4-25表示晶体切片在z轴和y轴方向受压力和拉力时电荷产生方向的情况。图4-26压电传感器的并联、串联示意图 (a) 并联； (b) 串联2. 压电传感器的结构及特性压电传感器一般由两片或多片压电晶体粘合而成,由于压电晶片有电荷极

51、性,因此接法上分成并联和串联两种（如图4-26所示)。3. 压电传感器的应用压电加速度测试传感器的结构如图4-27 所示。图4-27 压电加速度传感器的结构5 力、扭矩检测4.4.1 力、力矩检测1. 柱形或筒形弹性元件,如图4-28所示,这种弹性元件结构简单,可承受较大的载荷,常用于测量较大力的拉（压）力传感器中,但其抗偏心载荷和测向力的能力差,制成的传感器高度大。应变片在柱形和筒形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法如图4-28所示。 图 4-28 柱形和筒形弹性元件组成的测力传感器若在弹性元件上施加一压力p,则筒形弹性元件的轴向应变L为 (4-20)用电阻应变仪测出的指示应变为 =2(1+)L

52、 （4-21）式中: p作用于弹性元件上的载荷； E圆筒材料的弹性模量； 圆筒材料的泊松系数； A筒体截面积,A=(D1-D2) +24。其中,D1为筒体外径, D2为筒体内径。悬臂梁式测力传感器示意图2. 梁式弹性元件 （1） 悬臂梁式弹性元件。 它的特点是结构简单,容易加工,粘贴应变片方便,灵敏度较高,适用于测量小载荷的传感器。图4-29所示为一截面悬臂梁弹性元件,在其同一截面正反两面粘贴应变片，组成差动工作形式的电桥输出。 若梁的自由端有一被测力p,则应变片感受的应变为(4-22)电桥输出为USC=KU 0 （4-23）式中: l应变计中心处距受力点距离； b悬臂梁宽度； h悬臂梁厚度；

53、 E悬臂梁材料的弹性模量； K应变计的灵敏系数。（2） 两端固定梁。这种弹性元件的结构形状、参数以及应变片粘贴组成桥的形式如图4-30所示。它的悬臂梁刚度大,抗侧向能力强。粘贴应变片感受应变与被测力p之间的关系为它的电桥输出与式（4-23）相同。（4-24）两端固定式测力传感器示意图图 梁式剪切型测力传感器示意图（3） 梁式剪切弹性元件。与梁式弹性元件相比,它的线性好、抗偏心载荷和侧向力的能力大,其结构和粘贴应变片的位置如图4-31所示。应变与被测力p之间的关系近似为G为弹性元件的剪切模量；b和h为粘贴应变片处梁截面的宽度和高度。（4-25）转矩传感器示意图3. 扭矩测量图4-32所示为电阻应

54、变转矩传感器。它的弹性元件是一个与被测转矩的轴相连的转轴,转轴上贴有与轴线成45的应变片,应变片两两相互垂直,并接成全桥工作的电路方式。应变片感受的应变与被测试件的扭矩MT的关系如下式：MT=2GWTG=E/2（1+）为剪切弹性量；WT为抗扭截面模量,实心圆 轴 的 WT=D +3/16,空 心 圆 轴 的 WT=D3(1- +4)/16,=d/D, d为空心圆柱内径,D为外径。2.9 传感器非线性补偿处理在完成了非线性参数的线性化处理以后,要进行工程量转换,即标度变换,才能显示或打印带物理单位(如)的数值,其框图如图4-42。数字量非线性校正框图下面介绍非线性软件处理方法。 用软件进行“线性

55、化”处理的方法有三种： 1. 计算法 2. 查表法 3. 插值法顺序查表法程序流程图分段先行插值原理3. 插值法设某传感器的输出特性曲线（例如电阻温度特性曲线）如图4-44所示。 设x在（xi, xi+1 ）之间,则其对应的逼近值为 将上式进行化简,可得 y=y i+ki(x-x i) （4-37） 或 y=yi0 +k ix （4-38） 其中, yi0 =yi-k ixi为第i段直线的斜率。只要n取得足够大,即可获得良好的精度。 （4-36）2） 插值法的计算机实现 第一步,用实验法测出传感器的变化曲线y=f（x）。第二步,将上述曲线进行分段,选取各插值基点。 第三步,确定并计算出各插值点的xi、yi值及两相邻插值点间的拟合直线的斜率ki,并存放在存储器中。 第四步,计算x-xi。 第五步,找出x所在的区域（ xi, xi+1）,并取出该段的斜率ki。第六步,计算ki(x-xi)。 第七步,计算结果y=yi+ki（x- xi ）。先行插值计算程序流程图休休 息息 一一 下下出去活动一下出去活动一下