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ch1传感与检测技术概述 传感与检测技术Sensor&Measurement Technology中南大学信息科学与工程学院刘少强（改编）2课程简介?课时学时48h（授课48h，课外实验16h）?参考教材传感器与现代检测技术(余成波主编，清华出版社)?参考书传感器技术，贾伯年主编，东南大学出版社检测技术，施文康主编，机械工业出版社?要求掌握传感与检测技术的基本原理与应用方法，熟悉一般检测电路及数据处理技术，了解检测系统构成的一般理论和分析设计方法。 ?内容传感与检测技术概述、误差理论及数据处理传感器与检测系统技术基础、电测量技术、常用机械量传感器、光电传器、磁传感器、气体湿度传感器、几何量和运动量检测、力学量检测、温度检测、流量检测、检测中的信号转换与调理、检测算法、自动检测系统及抗干扰、典型检测系统方案*?学习方式听课+自习+练习?考核与成绩评定笔试+平时+实验3第一章绪论1.传感器和检测技术的地位、作用2.传感器与检测技术的基本概念3.传感器的组成与分类4.检测系统的一般构成5.传感与检测技术的主要研究内容6.检测方法分类7.传感器与检测技术的发展状况4历史时代手工化机械化自动化信息化生产方式人与简单工具动力机与机械自动测量控制智能机械装置1.信息化是科学技术发展的必然1.1传感器和检测技术的地位、作用52.信息流是客观世界的一个主流?物料流?能流?信息流客观世界1.1传感器和检测技术的地位、作用它们是人类生存和社会发展不可或缺的！6信息流组成信息流获取传输处理控制信息获取是信息流的一环?获取信息是仪器科学的基本任务?仪器仪表是信息产业的重要组成部分?仪器仪表是信息工业的源头?传感器是感知和获取信息的窗口?传感器是衡量国家综合实力的重要标志?传感器技术是信息技术的三大支柱之一1.1传感器和检测技术的地位、作用2.信息流是客观世界的一个主流73.传感器与检测仪器仪表的作用?人与机器类比传感器=“电五官”检测仪器仪表的作用?工业生产倍增器?科学研究先行官?社会物化法官?军事战斗力1.1传感器和检测技术的地位、作用83.传感器与检测仪器仪表的作用1)工业生产的倍增器检测技术是带动国民经济增长的一个关键领域在美国检测技术占4%，拉动经济增长66%1.1传感器和检测技术的地位、作用信息处理理电信电话话科技测试试设备控制制交通控制制输电系统统机床床机器人人家用电器器照相机机汽车车飞机机船舶舶气象象海洋洋环境污染染医疗疗防火火光能利用用热能利用用土木建筑筑农林林机械能利用用货币金融融食品品11155110103473659816127783431314711170769361262124xx需要量93.传感器与检测仪器仪表的作用 (1)在在工业生产领域的应用在线检测零件尺寸、产品缺陷、装配定位.离线检测零件参数、尺寸与形位公差、品质参数作用现代工程装备中，检测环节的成本约占5070%1.1传感器和检测技术的地位、作用101.1传感器和检测技术的地位、作用3.传感器与检测仪器仪表的作用 (1)在工业生产领域的应用各种自控系统中，测试环节起系统感官的作用，是其重要组成部分。 a.生产加工过程参数监测切削力测量，机床振动测量、加工噪声测量，转速、扭矩测量、温度测量、机架及受力件的应力测量、电机参数测量等。 依靠传感器获得参数值。 11b.流程工业设备运行状态监控在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。 通常建立24小时在线监测系统。 基于设备的检查和检测，通过计算机处理数据，掌握和评估设备状态、预测故障。 1.1传感器和检测技术的地位、作用 (1)在工业生产领域的应用123.传感器与检测仪器仪表的作用 (2)在交通工具和交通领域的应用a.在汽车中的应用日新月异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、气体浓度和爆震传感器等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。 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1.1传感器和检测技术的地位、作用车身与环境汽车传感器131.1传感器和检测技术的地位、作用高级轿车对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30100种传感器。 141.1传感器和检测技术的地位、作用b.Driverless Car151.1传感器和检测技术的地位、作用 (3)在航空、航天领域的应用xx年11月22日起，我国海拔885012500米空间范围内，飞机之间的最小垂直间隔标准由600米缩小为300米，使该空间范围内飞行高度层的数量从原有77个增加到13个，可用飞行高度层增长86%，显著增加空域容量。 xx年四度推迟发射中第四次推迟的原因？亚特兰蒂斯”号航天飞机飞机最重要的测量参数？燃料仓传感器？燃料仓传感器？阿波罗10火箭部分-2077个传感器飞船部分-1218个传感器3.传感器与检测仪器仪表的作用161.1传感器和检测技术的地位、作用3.传感器与检测仪器仪表的作用2)科学研究的先行官?许多重要的科学分支的确立和发展归功于重要科学仪器装置的研制成功。 发明色谱仪色谱学，发明光谱仪光谱学?诺奖得主R.R.Ernst现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”。 ?“掌握了最先进的科学仪器研发技术，就掌握了科技发展的主动权”-杨国桢院士?科学仪器是科学技术发展的重要前提和根本保障；?110多年来，约三分之一的诺贝尔物理和化学奖授予了那些在科学仪器和测量方面有创新的科学家。 17嫦娥三号、玉兔号、地面车1.1传感器和检测技术的地位、作用181.1传感器和检测技术的地位、作用3.传感器与检测仪器仪表的作用3)军事战斗力?1991年海湾战争精确制导炸弹和导弹占8%?xx年伊拉克战争90%?1994年美国防部建立自动测试系统执行局立体作战191.1传感器和检测技术的地位、作用 (1)检测技术在军事上的应用-美军的未来单兵作战武器-OICW夜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20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传至高爆弹的爆炸引信，以便精确设定引爆时间。 3.传感器与检测仪器仪表的作用3)军事战斗力201.1传感器和检测技术的地位、作用 (1)检测技术在军事上的应用-未来单兵作战助力系统3.传感器与检测仪器仪表的作用3)军事战斗力伯克利大学-动力外骨骼系统SarcosXOS2军用外骨骼测试者单手提起一枚155毫米榴弹炮弹药南京军区总医院-单兵外骨骼系统21美国国家导弹防御计划-NMD1.1传感器和检测技术的地位、作用 (2)检测技术在国防领域的应用a.地基拦截器b.早期预警系统c.前沿部署(如雷达）d.管理与控制系统e.卫星红外线监测系统监测系统: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3.传感器与检测仪器仪表的作用3)军事战斗力221.1传感器和检测技术的地位、作用?检查产品质量?监测环境污染?识别指纹假钞?查服违禁食品、药物?侦破刑事案件3.传感器与检测仪器仪表的作用4)物化法官”235)在日常生活中的应用与日俱增1.1传感器和检测技术的地位、作用体温计接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器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、光敏三极管健康医疗血压计血压检测-压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪-离子传感器家用电器数码相机、数码摄像机、3D相机-图像和红外传感与检测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-驻极电容传感器可视对讲、可视电话图像获取-面阵CCD智能手机方向感知、导航加速度计、陀螺仪、电子罗盘3.传感器与检测仪器仪表的作用241.1传感器和检测技术的地位、作用3.传感器与检测仪器仪表的作用5)在日常生活中的应用与日俱增智能家居251.1传感器和检测技术的地位、作用智能手表功能之一健康跟踪指纹识别过时了？新的识别技术？5)在日常生活中的应用与日俱增可穿戴和消费电子产品261.1传感器和检测技术的地位、作用其他教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、涵盖吃穿用、农轻重、海陆空未来更加检测技术广泛应用于工农业生产、科学研究、航空航天、交通运输、医疗卫生及日常生活的每一个领域，。 3.传感器与检测仪器仪表的作用6)其他和未来271.2传感器与检测的基本概念测量以确定被测对象属性和量值为目的的全部操作，具体就是将被测量与同性质的标准量比较,从而确定被测量对标准量的倍数。 它可由下式表示:x nq?xnq?或式中x被测量值；q标准量，即测量单位；n比值（纯数），含有测量误差。 检测(detection)技术含检和测两个内容。 检是力图发现对象中的某些待测量并以信号的形式表现出来，是回答有无待测量的操作;测是量化待测量的信号。 工程中，检测和测量被视为同义词或近义词。 ?测试技术带试验性质的测量，泛指测量和试验两方面的技术，包含测试过程中所涉及的测试理论、方法、设备等。 28例空调机测量控制室温1.2传感器与检测的基本概念空气被测对象被测信息检测器具操作过程室内空气温度温度传感器-热电阻、热电偶?热敏电阻?电信号?处理?显示空调机传感器、检测仪器、检测装置、检测系统检测过程信号采集、信号处理、信号显示、信号输出检测器具被测信息(对象的属性、量值)物理量（光、电、力、热、磁、声、）化学量（PH、成份）生物量（酶、葡萄糖、）被测对象宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体）?检测对象与信息291.2传感器与检测的基本概念?传感器的相关概念国家标准GB7665xx的定义传感器(Sensor/Transducer)是指能感受被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 定义的内涵传感器是测量装置，能完成测量/检测任务。 输入量是某一被测量，可能是物理量或化学量、生物量等。 输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电信号。 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 301.2传感器与检测的基本概念?传感器的相关概念从三个方面理解与把握传感器作用测量；工作机理敏感元件，传感器技术的核心，研究、设计、制作(还应包含选择)传感器的关键；输出信号适于测量的电信号。 传感器的基本作用功用:一感二传，感受被测信息并传送。 基本作用体现在测量或检测上。 测量是应用传感器的目的，也是学习本课程的目的。 311.3传感器的组成与分类1.传感器的组成1)系统构成敏感元件+转换元件+基本转换电路（有时还包括供电的辅助电源）传感器是功能器件（Function Device）。 敏感元件(Sensing Element)直接感受(响应)外部信息的部分;转换元件(Transduction Element)能将感受到的被测非电量转换为电量的部分;当传感器的输出为标准信号时称为变送器(Transmitter)。 传感器的基本组成图辅助电源转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件321.3传感器的组成与分类1.传感器的组成2)转换/信号调理(signal conditioning)电路 (1)将敏感或转换元件的输出电信号转换为适于传送、显示或记录的信号，满足后续电路或装置的输入要求。 (2)实现输出信号标准化的重要环节与基础，也是应用难点。 (3)常用电路信号放大、电平调整、线性化、滤波、阻抗匹配、调制/解调、形式变换等注信号调理电路与检测电路的界限并不很清楚，有时合二为一，如将电阻电压转换电路，电阻、电感的检测电路归为信号调理电路。 331.3传感器的组成与分类1.传感器的组成3)传感器构成特点可简单、可复杂，视要求而定。 最简的传感器仅由一个敏感元件(兼转换元件)，如热电偶；有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需转换电路，如压电加速度传感器；有些需要经过若干转换元件的转换。 系统结构上，传感器大多是开环，也有些是闭环。 341.3传感器的组成与分类2.传感器的分类原因实际要测的量(变量)与其他量总存在一定的相关性(物理的、化学的）。 一种被测量可用不同传感器测量；同一原理的传感器通常可测量多种非电量。 益处有助于从总体认识和掌握传感器的原理、性能、特点。 例按可变电参量大类中的阻抗形式分类有电阻型、电容型、；按产生变化量纲分类有电压型、电荷型或电流型。 益处类别减少，能直接研究设计相关信号转换调节器。 常见物理量的分类351.3传感器的组成与分类分类法型式说明按基本效应分物理型、化学型、生物型以转换中的物理效应、化学效应等命名按构成原理或信号变换特征分类结构型以其转换元件结构参数变化实现信号转换物性型以其转换元件物理特性变化实现信号转换混合型结构性与物性型传感器组合而成的按能量关系分能量转换型（自源型）传感器输出量直接由被测量能量转换而得能量控制型（外源型）输出量的能量由外源供给，但受被测量控制制按作用原理分应变式、电容式、压电式、热电式等以传感器对信号转换的作用原理命名按被测量分位移、压力、温度、流量等以被测量命名（即按用途分类法）按输出量分模拟式输出量为模拟信号数字式输出量为数字信号361.4检测系统的一般构成存储显示分析监控判断决策一个完整的检测系统除检、测功能外，还有对检测过程的操控、数据的传输与分析处理等环节，一般构成如下。 其中，信号是信息的载体。 信号检出信号检出信号检出信号转换信号转换信号转换底层处理分析显示底层处理分析显示底层处理分析显示信号检出功能-将被测信号转换为电信号的变化（detection）器件-传感器（sensor,transducer）信号转换功能-将传感器的输出信号转换为便于处理的形式(conversion)器件-信号调理电路（signal conditioningcircuit）处理显示功能-分析(analysis)、处理(processing)、显示(display)通讯接口/总线接口(RS 232、RS 485、GPIB、PCI、USB)其它环节存储、监控、决策接口总线37力位移速度加速度压力流量温度电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式电桥放大器滤波器调制器解调器运算器阻抗变换器笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡数据处理器频谱分析仪FFT实时信号分析仪电子计算机被测对象传感器中间变换测量装置显示及记录装置实验结果处理装置激发装置1.4检测系统的一般构成检测系统组成结构与对应的内容、型式、部件、装置、设备示意图381.5传感与检测技术的主要研究内容11）发现和应用新的测量原理以及新材料、新工艺，从事相应传感器的开发研究；22）选择合适的测量原理，确定测量方法；如电测法和非电测法、直接测量与间接测量、绝对测量与相对测量、开环测量与闭环测量等。 33）设计或选用各类装置组成测试系统；44）测量数据的分析处理，得出符合客观实际的结论。 391.6检测方法分类1）直接测量-绝对测量、相对测量间接测量2)开环测量与闭环测量3)方法偏差法、零位法、微差法401.6检测方法分类?1)直接测量与间接测量?直接测量直接将被测量与标准量进行比较标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、）绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）相对测量411.6检测方法分类-绝对测量采用仪器、设备手段测量被测量，直接得到测量值测量结果20.1mm-相对测量将被测量直接与基准量比较，再测所得偏差值特点简单、直观、明了；测量精度不高。 基准量20.00mm测量值+0.08mm结结果20.08mm特点精度高；复杂、成本高、要求高?1)直接测量与间接测量421.6检测方法分类?间接测量:如测导线的导电率?测量与被测量有一定函数关系的参量，再通过计算获得被测量。 R dl24