1、传感器与检测技术绪论传感器与检测技术绪论传感器与检测技术的地位和作用现代检测系统的构成传感器与检测技术的发展趋势0.1 0.1 传感器与检测技术的地位和作用传感器与检测技术的地位和作用 在人类社会步入信息时代的今天，随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器与检测技术已成为现代信息技术中不可缺少的主要技术，并且在各个领域中的作用也日益显著，对提高社会经济效益和生产水平、增强国防实力有举足轻重的作用。在科学技术高度发达的现代社会中，人们在从事科学实验与生产等活动时，需要对信息进行采集、传输和处理。传感器处于研究对象和检测系统的接口位置，是感知、获取与检测信号的手段，为系统运行和处理提供必需的原
2、始数据。如果没有各种精确可靠的传感器去检测各种原始数据并且提供真实的信息，则其他仪表与装置的精确度再高也是毫无意义的。0.1 0.1 传感器与检测技术的地位和作用传感器与检测技术的地位和作用传感器的作用和功能（2）检测和控制作用（1）测量与数据采集（3）人体状态检测（5）诊断与监控作用（4）环境保护和资源探测（6）辅助性的观测器0.1 0.1 传感器与检测技术的地位和作用传感器与检测技术的地位和作用 传感器的应用非常广泛，其重要性也非常突出。在“神舟”飞船上，装备着许许多多的检测与控制系统，传感器测出飞船的飞行参数及发动机的工作状态等物理量，传送给自动控制系统，并进行调节，使飞船按人们预设的轨
3、道运行。在机器制造业中，对于机床，以前往往只是对一些静态参数进行测量，但现在还要对一些动态性能进行测量，如切割状态下的动态稳定性和精度等，因此要利用有关传感器测量刀架、机床等有关部位的振动、机械阻抗等参数，检验其动态特性。0.1 0.1 传感器与检测技术的地位和作用传感器与检测技术的地位和作用 在人类的各项生产活动和科学实验中有各种各样的研究对象，若要从数量方面对它们进行研究和评估，则要通过对代表其特性的物理量的检测来实现。而检测就是利用各种物理效应，选择恰当的方法和装置，将其中的有关特征信息通过各种测量方法赋予定性与定量的过程。能够自动地完成整个检测过程的技术称为自动检测技术。自动检测技术以
4、信息的获取、转换、显示和处理为主要研究内容，现已成为一门完整的技术性学科。0.1 0.1 传感器与检测技术的地位和作用传感器与检测技术的地位和作用 检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域中，为了及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。检测系统的主要任务就是获得有用的信息，特别是从干扰中提取出来的信息，这就需要将传感器采集的信息进行大量的计算、分析和处理，故也称之为测试系统，它包含测试与实验两个方面的内容。检测技术以研究信息的获取、转换和处理等理论与技术为主要内容，涉及的领域十分广泛。在信息科学范畴中，检测属于信息技术的三大支柱（检测控制技术、通信技
5、术和计算技术）之一。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 传感器的定义0.2.10.2.1 传感器最早源自“感觉”一词。人们可以用鼻子嗅而感觉到气味，用耳朵听而感觉到声音，用眼睛看而感觉到物体的形状、大小等，这些器官是人类感觉外界刺激所必须具备的，它们是最原始、最天然的传感器。从字面上讲，传感器不仅要对被测量敏感（“感”），而且要能够把它对被测量的响应传送出去（“传”），传感即感受被测信息，并传送出去。根据中华人民共和国国家标准传感器通用术语（GB/T 76652005），传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。这里传感器的定义包含以下
6、几个方面的内容：（1）传感器是一个测量装置，能完成检测任务。（2）在规定的条件下能感受被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。（3）它的输出量是某种物理量，并且这种物理量要便于传输、转换、处理和显示等，一般主要是电量。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成传感器的组成传感器的组成1.传感器的组成和分类0.2.20.2.2图图0.2.1 0.2.1 传感器的组成传感器的组成 （1）敏感元件。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量（一般为电量）的元件，如应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它的主要
7、作用是将压力转换为弹片的形变。（2）转换元件。转换元件是能将敏感元件输出的非电量信号或直接将被测非电量信号转换成电量信号的元件，如应变式压力传感器中的应变片就是转换元件，它的作用是将弹性膜片的形变转换成电阻值的变化。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 （3）转换电路。转换电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。传感器的输出信号一般比较微弱，可能还存在一定的非线性和误差，为了便于信号的进一步处理，还须配用适当的转换电路。转换电路的种类要视转换元件的类型而定，常用的电路有电桥、放大器、阻
8、抗变换器、补偿器和振荡器等。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 实际上，有些传感器结构很简单，仅由一个敏感元件（转换元件）组成，它感受被测量直接输出电量，如光电池等。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路；有些传感器的转换元件不止一个，要经过若干次转换。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成传感器的分类传感器的分类2.1 1）按输入的被测量分类）按输入的被测量分类0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成2 2）按工作原理分类）按工作原理分类0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成2 2）按工作原理分类）按工作原理分类0.2 0.
9、2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成3 3）按结构型和物质型分类）按结构型和物质型分类 结构型传感器主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界测量参数转换成相应的电阻、电感或电容等物理量的变化，从而检测出被测信号，此类传感器目前应用得最为广泛；物性型传感器是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量的，它是以半导体或电解质等作为敏感材料的固态器件。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成4 4）按输出信号的性质分类）按输出信号的性质分类 模拟传感器 数字传感器0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 传感器系统的构成0.2.30.2.3 检测系统可以理解为由许多
10、环节组成的能实现对某一物理量进行测量的完整系统。检测系统在测量过程中，先由传感器将被测物理量从研究对象中检测出来并转换为电量，然后输出。现代检测技术包含了更多的后续处理技术，如根据需要对第一次变换后的电信号进行时域或频域处理，最后以适当的形式输出。信号的交换、处理和传输过程决定了检测系统的基本组成与它们之间的相互关系。图图0.2.2 0.2.2 检测系统的构成检测系统的构成0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 （1）构成输入装置的关键部件是传感器。简单的传感器可能只由一个敏感元件组成，如测量温度的热电偶传感器；复杂的传感器可能包括敏感元件、转换元件甚至转换电路，有些智能传感器还
11、包括微处理器。传感器与被测对象相接触，负责采集信号，位于整个检测系统的最前端，所以传感器的性能对整个测量结果具有决定性的影响。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 （2）中间变换装置根据不同情况有很大的伸缩性变化。在简单的检测系统中，中间变换装置可能完全被忽略，将传感器的输出直接进行显示或记录。例如，在由热电偶和毫伏计组成的测温系统中就没有中间变换装置。对大部分检测系统而言，信号的变换包括放大或者衰减、滤波、激励、补偿、调制和解调等。功能强大的检测系统往往还要将计算机或微处理器等作为一个中间变换装置环节，以实现诸如数据采集、非线性校正等信号处理和消除系统误差或对随机误差进行处理
12、等功能。远距离测量时，还要有数据传输通信等装置。在强电磁环境中还需要有隔离电路等。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 （3）输出装置种类繁多，比较常见的有各种指示仪表、记录仪和显示器等。按输入这些仪器或仪表信号的不同，分为模拟输出装置和数字输出装置。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 尽管现代检测系统所用的仪器种类和型号繁多，用途和性能也千差万别，但它们的作用都是对各种物理或化学成分等参量的检测。现代检测系统的应用类型大致可分为检测型和控制型，检测型又可分为基本型和标准接口型。检测型系统完成对被测参量测量的任务，对测量的精度要求比较高；控制型系统一般应用于闭
13、环控制系统中，对快速、实时和可靠性要求比较高。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 基本型检测系统一般由传感器、信号调理电路、数据采集系统、信号处理电路和信号输出装置等组成，完成对多点、多种参数的动态或静态测量任务。上述部分加上系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备（开关、按钮和键盘等），便组成了一个完整的检测系统。基本型检测系统基本型检测系统1.图图0.2.3 0.2.3 基本型检测系统的组成基本型检测系统的组成0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成1 1）传感器）传感器 传感器是检测系统中形式最多样、与被测对象关系最密切的部分。传感器负责把被测量作为信号提
14、取出来并传输到信号调理部分。传感器作为检测系统的信号源，其性能的好坏将直接影响检测系统的精度和其他指标，是检测系统中十分重要的部分。因此，通常检测系统对传感器的要求有精确性、稳定性、可靠性和敏感性（灵敏度）。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成2 2）信号调整电路）信号调整电路 信号调理是指对检测出的信号进行适当的分析处理。在进行处理时，重要的是考虑原始信号中哪些信息是最希望了解的，以及如何不丢失和不扭曲有用信息。信号调理的任务是针对传感器输出的特点及其在非理想情况对信息进行合理变换及处理，这部分任务可以由电路、光路或气路来完成，其中由电路完成居多，完成信号调理的电路就称为信号
15、调理电路。检测系统种类繁多，复杂程度差异很大，信号的形式也多种多样，各系统的精度和性能指标要求都有所不同，所以它们所配置的信号调理电路也千差万别。检测系统对信号调理电路的一般要求是准确转换、稳定放大、可靠地传输信号，信噪比高，抗干扰性能好。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成4 4）信号处理电路）信号处理电路 信号处理电路是现代检测系统中被注入的新内容之一，并逐渐成为检测系统的研究中心。它是检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人的大脑相类似。常规的检测只是将传感器获得的信号进行放大和变换，并显示或传送，而分析则是由人工完成的。而现代检测系统通过以各种微处理器为核心
16、来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需要增加数据传输与运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器（DSP）或直接采用工业控制计算机，使得现代检测系统具有更强大的问题解析能力，且使复杂系统的实时控制具有实现的可能性。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成3 3）数据采集系统）数据采集系统 数据采集系统在检测系统中的主要作用是对信号调理后的连续模拟信号进行离散化，并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。数据采集系统通常以各类模/数（A/D）转换器为核心，辅以模拟多路开关、采样/保持器、输入缓冲器和输出锁存器等
17、。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成5 5）信号输出装置）信号输出装置 人们通常都希望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，因此，各类检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的当前值后，通常都需送至各自的显示器进行实时显示。显示器是检测系统与人联系的主要环节之一，一般可分为指示式、数字式和屏幕式三种。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 在许多情况下，检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后，除送显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给控制计算机、可编程控制器（PLC）或其他执行器、打印机或记录仪等，从而构成闭环控制系
18、统或实现打印（记录）输出。检测仪表和检测系统的信号输出有420 mA（15 V）的电流（电压）信号，是经D/A转换和放大后的模拟量，还有开关量、脉宽调制（PWM）、串行数字通信和并行数字输出等多种形式。0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成6 6）输入设备）输入设备0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成7 7）稳压电源）稳压电源0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成 专门接口型的接口由于其电气参数、接口形式和通信协议等不统一，各个模块之间的信息传输互连问题十分麻烦，系统设计缺乏灵活性，所以一般只应用在特殊场合或专用检测系统中，应用面比较窄。标准接口型的
19、接口都是按规定标准设计的，组建系统非常方便，只要将对应的接插件连接，就可以实现信息的交换。可以灵活组建各类检测系统，也可以方便组建大、中型检测系统，应用面比较广。标准接口型仪器集多种功能于一体，是计算机技术和仪器技术高度发展与深层次结合的必然结果，并由此产生了全新概念的仪器，称为智能仪器，这使得设计高度自动化和智能化的现代检测系统成为现实。标准接口型检测系统标准接口型检测系统2.0.2 0.2 现代检测系统的构成现代检测系统的构成控制型检测系统控制型检测系统3.0.3 0.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势新型材料的开发新型材料的开发1.传感器的发展趋势0.3.10.3.
20、1 随着材料科学的进步，传感器技术日臻成熟，其种类越来越多，除了早期的半导体材料和陶瓷材料以外，光导纤维及超导材料的开发为传感器的发展提供了物质基础。例如，根据以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化和智能化，以及半导体光热探测器具有灵敏度高、精度高和非接触性等特点，发展红外传感器、激光传感器和光纤传感器等现代传感器；在敏感材料中，陶瓷材料和有机材料发展很快，可采用不同的配方混合原料，在精密调配化学成分的基础上，经过高精度成型烧结，得到对某一种或某几种气体具有识别功能的敏感材料，用于制成新型气体传感器。0.3 0.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势数字化与智
21、能化数字化与智能化2.0.3 0.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势0.3 0.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势微型化微型化3.随着仪器和控制设备的功能越来越强大，要求各部件的体积越来越小。传感器体积的减小，对被测量的影响小，惯性小，有利于提高响应速度和测量准确度，同时也有利于降低功耗和减少材料消耗。0.3 0.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势集成化与多功能化集成化与多功能化4.集成化就是将敏感元件、信息处理和转换单元等部分利用半导体技术将其制作在同一芯片上，如集成压力传感器、集成温度传感器和集成磁敏传感器等；多功能化则意味
22、着传感器具有多种参数的检测功能，如半导体温湿敏传感器和多功能气体传感器等。0.3 0.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势无线化与网络化无线化与网络化5.集成化就是将敏感元件、信息处理和转换单元等部分利用半导体技术将其制作在同一芯片上，如集成压力传感器、集成温度传感器和集成磁敏传感器等；多功能化则意味着传感器具有多种参数的检测功能，如半导体温湿敏传感器和多功能气体传感器等。0.3 0.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势开发仿生传感器开发仿生传感器6.0.3 0.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势 检测技术的发展趋势0.3.20.3.2（1）应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域。采用计算机技术，使检测技术智能化。发展网络化传感器及检测系统。提高检测系统的测量精度和可靠性，扩大量程范围，延长使用寿命。（2）（3）（4）
