传感与检测技术绪论

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1、第 一 章 绪 论 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用1.2 检 测 系 统 的 组 成1.3 传 感 器 与 检 测 系 统 的 分 类1.4 传 感 器 与 检 测 技 术 的 发 展 趋 势绪 论 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用1.1.1 传 感 器 的 定 义 传 感 器 是 能 以 一 定 精 确 度 把 某 种 被 测 量 （ 主 要 为各 种 非 电 的 物 理 量 、 化 学 量 、 生 物 量 等 ） 按 一 定 规 律转 换 为 （ 便 于 人 们 应 用 、 处 理 ） 另 一 参 量 （ 通 常 为 电参 量

2、） 的 器 件 或 测 量 装 置 。 传 感 器 通 常 由 敏 感 器 件 和 转 换 器 件 组 合 而 成 。 敏感 器 件 是 指 传 感 器 中 直 接 感 受 被 测 量 的 部 分 ， 转 换 器件 通 常 是 指 将 敏 感 器 件 在 传 感 器 内 部 输 出 转 换 为 便 于人 们 应 用 、 处 理 外 部 输 出 （ 通 常 为 电 参 量 ） 信 号 的 部分 。 1.1.2 检 测 的 概 念 检 测 是 指 在 生 产 、 科 研 、 试 验 及 服 务 等 各 个 领域 ， 为 及 时 获 得 被 测 、 被 控 对 象 的 有 关 信 息 而 实 时或

3、非 实 时 地 对 一 些 参 量 进 行 定 性 检 查 和 定 量 测 量 。 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用 “ 计 量 ” ： 指 用 精 度 等 级 更 高 的 标 准 量 具 、器 具 或 标 准 仪 器 ， 对 被 测 样 品 、 样 机 进 行 考核 性 质 的 测 量 。 特 点 ： 非 实 时 、 离 线 、 标 定 。 “ 检 测 ” ： 指 在 生 产 、 实 验 等 现 场 ， 利 用某 种 合 适 的 检 测 仪 器 或 综 合 测 试 系 统 对 被 测对 象 进 行 在 线 、 连 续 的 测 量 。 检 测 与 计 量 的 不

4、同 新 型 武 器 和 装 备 的 研 制 与 测 试定 位 与 导 航 ， 图 为 中 国 研 制 的 DF-21和 雷 达 。 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用1.1.3 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用 检 测 技 术 是 自 动 化 和 信 息 化 的 基 础 与 前 提 。 新 型 武 器 和 装 备 的 研 制 与 测 试 应 用 领 域 主 要 有 ：石 化 行 业 的 自 动化 控 制 。如 右 图 ， 有 液 位 、温 度 、 压 力 等 检 测 。 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用 城 市 生

5、 活 污 水 处 理 主 要 有 流量 检 测 、 液 位检 测 和 成 分 量检 测 。 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用 新 型 武 器 和 装 备 的 研 制 与 测 试定 位 与 导 航 ， 图 为 中 国 研 制 的 DF-21和 雷 达 。 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用 先 进 医 疗 检 测 仪 成 分 量 检 测 ，可 测 试 项 目 为 生 化 、离 子 检 测 、 微 免 疫 、肿 瘤 标 志 物 、 毒 品检 测 、 同 工 酶 测 定 、脂 类 、 糖 尿 病 诊 断等 。 1.1 传 感 器 与 检 测

6、技 术 的 地 位 与 作 用 生 活 中 化 学 成 分 的 检 测 利 用 化 学 反 应 机 理 检 测 成 分 ， 上 图 为 酒 精 检 测 仪 ， 右 图 为 空 气 质 量 检 测 仪 。 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用 防 火 防 盗 和 家 用 电 器 安 全 检 测 左 图 为 漏 电 报 警 器 ， 上 图为 烟 雾 报 警 器 。 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用1.2 检 测 系 统 的 组 成1.3 传 感 器 与 检 测 系 统 的 分 类

7、1.4 传 感 器 与 检 测 技 术 的 发 展 趋 势绪 论 1.2 检 测 系 统 的 组 成 由 图 可 知 ： 首 先 通 常 由 各 种 传 感 器 将 非 电 被 测 物 理 或化 学 成 分 参 量 转 换 成 电 参 量 信 号 ， 然 后 经 信 号调 理 （ 包 括 ： 信 号 转 换 、 信 号 检 波 、 信 号 滤 波 、信 号 放 大 等 ） 、 数 据 采 集 、 信 号 处 理 后 ， 进 行显 示 、 输 出 ； 加 上 系 统 所 需 的 交 、 直 流 稳 压 电源 和 必 要 的 输 入 设 备 ， 便 构 成 了 一 个 完 整 的 现代 检 测 （

8、 仪 器 ） 系 统 。1.2 检 测 系 统 的 组 成 1. 传 感 器传 感 器 性 能 要 求 ：准 确 性 传 感 器 的 输 出 与 输 入 关 系 必 须 是 严 格 的单 值 函 数 关 系 ， 最 好 是 线 性 关 系 ；稳 定 性 传 感 器 的 输 入 、 输 出 的 单 值 函 数 关 系 最好 不 随 时 间 和 温 度 而 变 化 ；灵 敏 度 要 求 被 测 参 量 较 小 的 变 化 就 可 使 传 感 器获 得 较 大 的 输 出 信 号 ；其 他 如 耐 腐 蚀 性 、 功 耗 、 输 出 信 号 形 式 、 体 积 、售 价 等 。1.2 检 测 系 统

9、 的 组 成 1.2 检 测 系 统 的 组 成温 度 传 感 器红 外 线 传 感 器 电 磁 流 量 计 2. 信 号 调 理 信 号 调 理 在 检 测 系 统 中 的 作 用 是 对 传 感 器输 出 的 微 弱 信 号 进 行 检 波 、 转 换 、 滤 波 、 放 大等 ， 以 方 便 检 测 系 统 后 续 处 理 或 显 示 。 对 信 号调 理 电 路 的 一 般 要 求 是 ：能 准 确 转 换 、 稳 定 放 大 、 可 靠 地 传 输 信 号 ；信 噪 比 高 ， 抗 干 扰 性 能 要 好 。1.2 检 测 系 统 的 组 成 1.2 检 测 系 统 的 组 成 单

10、通 道 信 号 调 理 电 路 信 号 调 理 模 块 实 物 图 3. 数 据 采 集 数 据 采 集 是 对 信 号 调 理 后 的 连 续 模 拟 信 号 离散 化 并 转 换 成 与 模 拟 信 号 电 压 幅 度 相 对 应 的 数 值信 息 ， 同 时 把 数 据 及 时 传 递 给 微 处 理 器 或 自 动 存储 。 性 能 指 标 如 下 ：输 入 模 拟 电 压 信 号 范 围 单 位 V；转 换 速 度 单 位 次 /秒 ；分 辨 率 以 模 拟 信 号 输 入 为 满 度 时 的 转 换 值 的 倒数 来 表 征 ； 转 换 误 差 实 际 转 换 数 值 与 理 想

11、A/D转 换 器 理 论 转换 值 之 差 。1.2 检 测 系 统 的 组 成 1.2 检 测 系 统 的 组 成 各 类 数 据 采 集 卡 4. 信 号 处 理 现 代 检 测 仪 表 、 检 测 系 统 中 的 信 号 处 理 模块 通 常 以 各 种 型 号 的 嵌 入 式 微 控 制 器 、 专 用 高速 数 据 处 理 器 （ DSP） 或 为 核 心 来 直 接 采 用 工业 控 制 计 算 机 构 建 。1.2 检 测 系 统 的 组 成 1.2 检 测 系 统 的 组 成 DSP处 理 芯 片基 于 ARM9核 的 嵌 入式 控 制 器 5. 信 号 显 示 检 测 仪 表

12、 和 检 测 系 统 在 信 号 处 理 器 计 算 出被 测 参 量 的 当 前 值 后 送 至 各 自 的 显 示 器 作 实 时显 示 ， 以 及 时 知 道 被 测 参 量 的 瞬 时 值 、 累 积 值或 其 随 时 间 的 变 化 情 况 。 显 示 器 一 般 可 分 为 指示 式 、 数 字 式 和 屏 幕 式 三 种 。1.2 检 测 系 统 的 组 成 1.2 检 测 系 统 的 组 成 指示式 数 字 式屏幕式 6.信 号 输 出 通 常 把 测 量 值 及 时 传 送 给 监 控 计 算 机 、 可编 程 控 制 器 （ PLC） 或 其 他 智 能 化 终 端 。 检

13、 测仪 表 和 检 测 系 统 的 输 出 信 号 通 常 有 4 20 mA的 电 流 模 拟 信 号 和 脉 宽 调 制 PWM信 号 及 串 行数 字 通 信 信 号 等 多 种 形 式 ， 需 根 据 系 统 的 具 体要 求 确 定 。1.2 检 测 系 统 的 组 成 串 口 、 网 口 信 号 输 出8路 电 压 信 号 输 出1.2 检 测 系 统 的 组 成 7.输 入 设 备 输 入 设 备 用 于 输 入 设 置 参 数 ， 下 达 有 关命 令 等 。 最 常 用 的 输 入 设 备 是 各 种 键 盘 、 拨码 盘 、 条 码 阅 读 器 等 。 通 过 网 络 或

14、各 种 通 信总 线 利 用 其 他 计 算 机 或 数 字 化 智 能 终 端 ， 实现 远 程 信 息 和 数 据 输 入 的 方 式 将 会 得 到 更 多的 应 用 。1.2 检 测 系 统 的 组 成 触 摸 屏 键 盘1.2 检 测 系 统 的 组 成 8.稳 压 电 源 由 于 工 业 现 场 通 常 只 能 提 供 交 流 220 V工频 电 源 或 +24 V直 流 电 源 ， 传 感 器 和 检 测 检 测系 统 通 常 不 经 降 压 、 稳 压 就 无 法 直 接 使 用 ；因 此 需 根 据 传 感 器 和 检 测 检 测 系 统 内 部 电 路实 际 需 要 ， 自

15、 行 设 计 稳 压 电 源 。1.2 检 测 系 统 的 组 成 稳压电源1.2 检 测 系 统 的 组 成 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用1.2 检 测 系 统 的 组 成1.3 传 感 器 与 检 测 系 统 的 分 类1.4 传 感 器 与 检 测 技 术 的 发 展 趋 势绪 论 1.3 传 感 器 与 检 测 系 统 的 分 类1.3.1 传 感 器 的 分 类 传 感 器 常 见 的 分 类 方 法 如 表 1-1所 示 。 1.3 传 感 器 与 检 测 系 统 的 分 类 1. 按 被 测 参 量 分 类 电 工 量 电 压 、 电 流 、 电

16、 功 率 、 电 阻 、 电 容 、 频 率 、 磁场 强 度 、 磁 通 密 度 等 ；热 工 量 温 度 、 热 量 、 比 热 、 热 流 、 热 分 布 、 压 力 、 压差 、 真 空 度 、 流 量 、 流 速 、 物 位 、 液 位 、 界 面 等 ；机 械 量 位 移 、 形 状 ， 力 、 应 力 、 力 矩 、 重 量 、 质 量 、转 速 、 线 速 度 、 振 动 、 加 速 度 、 噪 声 等 ；物 性 和 成 分 量 气 体 成 分 、 液 体 成 分 、 固 体 成 分 、 酸 碱度 、 盐 度 、 浓 度 、 粘 度 、 粒 度 、 密 度 、 比 重 等 ；光

17、 学 量 光 强 、 光 通 量 、 光 照 度 、 辐 射 能 量 等 ；状 态 量 颜 色 、 透 明 度 、 磨 损 量 、 裂 纹 、 缺 陷 、 泄 漏 、表 面 质 量 等 。1.3 传 感 器 与 检 测 系 统 的 分 类 2. 按 被 测 参 量 的 检 测 转 换 方 法 分 类电 磁 转 换 电 阻 式 、 应 变 式 、 压 阻 式 、 热 阻 式 、 电 感 式 、 互 感式 、 电 容 式 、 阻 抗 式 、 磁 电 式 、 热 电 式 、 压 电 式 、 霍 尔式 、 振 频 式 、 感 应 同 步 器 、 磁 栅 等 ；光 电 转 换 光 电 式 、 激 光 式

18、 、 红 外 式 、 光 栅 、 光 导 纤 维 式 等 ；其 他 能 /电 转 换 声 /电 转 换 、 辐 射 能 /电 转 换 、 化 学 能 /电 转 换 等 。1.3 传 感 器 与 检 测 系 统 的 分 类 3 按 使 用 性 质 分 类 通 常 可 分 为 标 准 表 、 实 验 室 表 和 工 业 用 表 等 三 种 。 “ 标 准 表 ” ： 各 级 计 量 部 门 专 门 用 于 精 确 计 量 、 校 准送 检 样 品 和 样 机 的 标 准 仪 表 。 “ 实 验 室 表 ” ： 多 用 于 各 类 实 验 室 中 ， 使 用 环 境 条件 较 好 ， 往 往 无 特

19、 殊 的 防 水 、 防 尘 措 施 。 对 于 温 度 、 相对 湿 度 、 机 械 振 动 等 的 允 许 范 围 也 较 小 。 “ 工 业 用 表 ” ： 是 长 期 使 用 于 实 际 工 业 生 产 现 场 的 检测 仪 表 与 检 测 系 统 。 1.3 传 感 器 与 检 测 系 统 的 分 类 1.1 传 感 器 与 检 测 技 术 的 地 位 与 作 用1.2 检 测 系 统 的 组 成1.3 传 感 器 与 检 测 系 统 的 分 类1.4 传 感 器 与 检 测 技 术 的 发 展 趋 势绪 论 1.4.1 传 感 器 的 发 展 方 向 高 精 度 小 型 化 集 成

20、 化 数 字 化 智 能 化 新 型 化 大 量 物 性 型 传 感 器 的 涌 现 ；化 学 传 感 器 的 开 发 ；采 用 新 工 艺 的 传 感 器 开 发 。 传 感 器 技 术 的 主 要 发 展 动 向 ， 一 是 深 入 开展 基 础 和 应 用 研 究 ， 探 索 新 现 象 、 研 发 新 型传 感 器 ； 二 是 研 究 和 开 发 新 材 料 、 新 工 艺 ，实 现 传 感 器 的 集 成 化 、 微 型 化 与 智 能 化 。1.4.1 传 感 器 的 发 展 方 向 探 索 新 现 象 ， 研 发 新 型 传 感 器 利 用 物 理 现 象 、 化 学 反 应 和

21、 生 物 效 应 是 各种 传 感 器 工 作 的 基 本 原 理 ， 因 而 探 索 和 发 现 新现 象 与 新 效 应 是 研 制 新 型 传 感 器 的 最 重 要 的 工作 ， 亦 是 研 制 新 型 传 感 器 的 前 提 与 技 术 基 础 。 1.4.1 传 感 器 的 发 展 方 向 采 用 新 技 术 、 新 工 艺 、 新 材 料 ， 提 高 现 有 传 感器 的 性 能 采 用 新 型 的 半 导 体 氧 化 物 可 以 制 造 各 种 气 体 传 感 器 ；采 用 特 种 陶 瓷 材 料 制 作 的 压 电 加 速 度 传 感 器 其 工 作 温 度可 远 高 于 半

22、 导 体 晶 体 传 感 器 。 而 传 感 器 制 造 新 工 艺 的 发明 与 应 用 往 往 将 催 生 新 型 传 感 器 诞 生 ， 或 相 对 原 有 同 类传 感 器 可 大 幅 度 提 高 某 些 指 标 。1.4.1 传 感 器 的 发 展 方 向 研 究 和 开 发 集 成 化 、 微 型 化 与 智 能 化 传 感 器传 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 阵 列 化 ， 排成 一 维 的 构 成 线 型 阵 列 传 感 器 ， 排 成 二 维 的 构 成 面 型阵 列 传 感 器 ；把 传 感 器 功

23、 能 延 伸 至 信 号 放 大 、 滤 波 、 线 性 化 、 电 压/电 流 信 号 转 换 电 路 等 ；把 不 同 功 能 敏 感 器 件 微 型 化 再 组 合 构 成 能 检 测 两 个 以上 参 量 的 集 成 传 感 器 。1.4.1 传 感 器 的 发 展 方 向 微 型 化 指 ： 应 用 微 米 /纳 米 技 术 和 微 机 械 加 工 技 术 ， 制造 微 米 级 敏 感 元 件 。 智 能 化 指 ： 制 作 带 微 处 理 器 、 可 双 向 通 信 的 传 感 器 ，除 被 测 参 量 检 测 、 转 换 和 信 息 处 理 功 能 外 ， 还具 有 存 储 、

24、记 忆 、 自 补 偿 、 自 诊 断 和 双 向 通 信功 能 。 1.4.1 传 感 器 的 发 展 方 向 不 断 拓 展 测 量 范 围 ， 努 力 提 高 检 测 精 度 和 可 靠 性 突 破 超 高 温 、 超 低 温 度 、 混 相 流 量 、 脉 动 流 量 的 实 时 检测 、 微 差 压 、 超 高 压 在 线 检 测 、 高 温 高 压 下 物 质 成 分 的 实 时检 测 等 难 题 。重 视 非 接 触 式 检 测 技 术 研 究 加 快 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 、 红 外 检 测 与 红 外 成 像 仪 器 等 非 接 触 检 测 技术 的 研 究 。检 测 系 统 智 能 化 具 有 系 统 故 障 自 测 、 自 诊 断 、 自 调 零 、 自 校 准 、 自 选 量程 、 自 动 测 试 和 自 动 分 选 功 能 ， 数 据 处 理 ， 远 距 离 数 据 通 信 ，可 方 便 接 入 不 同 规 模 的 自 动 检 测 、 控 制 与 管 理 信 息 网 络 系 统 。 1.4.2 检 测 技 术 的 发 展 趋 势 作 业 ：1.21.41.5