中南大学传感与检测ppt ch1-传感与检测技术-概述-2014

1、传感与检测技术传感与检测技术 Sensor 转换元件转换元件(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变送器(Transmitter)。 图 传感器的基本组成 辅助电源 转换元件转换元件基本转换电路 被测量 电量 敏感元件敏感元件 29 1.3 传感器的组成与分类传感器的组成与分类 1.传感器的基本组成传感器的基本组成 1) 转换转换/信号调理信号调理(signal conditioning)电路的作用电路的作用 n(1)将敏感或转换元件的输出电信号转为适于传送、显示或记录 的信号，满足后续电路或装置的输入要求

2、。 n(2)实现标准化的重要环节与基础，也是应用难点。 n常用电路常用电路：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 n构成特点构成特点：可简单、可复杂，视要求而定。最简传感器仅由一 个敏感元件(兼转换元件)，如热电偶；有些则由敏感 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. n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。 30 1.3 传感器的组成与分类传感器的组成与分类 2. 传感器的分类传感器的分

3、类 原因原因：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的传感器通常可测量多种非电量。 益处益处：有助于从总体认识和掌握传感器的原理、性能、特点。 例如：按可变电参量大类中的阻抗 形式分类有电阻型； 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 31 1.3 传感器的组成与分类传感器的组成与分类 分类法分类法型式型式说明说明 按基本效应分按基本效应分物理型、化学型、生物型物理型、化学型、生物

4、型以转换中的物理效应、化学效应等命名以转换中的物理效应、化学效应等命名 按构成原理或按构成原理或 信号变换特征信号变换特征 分类分类 结构型结构型以其转换元件结构参数变化实现信号转换以其转换元件结构参数变化实现信号转换 物性型物性型以其转换元件物理特性变化实现信号转换以其转换元件物理特性变化实现信号转换 混合型混合型结构性与物性型传感器组合而成的结构性与物性型传感器组合而成的 按能量关系分按能量关系分 能量转换型（自源型）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）能量控制型（外源型） 输出量的能量由外源供给，但受被测量控输

5、出量的能量由外源供给，但受被测量控 制制 按作用原理分按作用原理分 应变式、电容式、压电式、应变式、电容式、压电式、 热电式等热电式等以传感器对信号转换的作用原理命名以传感器对信号转换的作用原理命名 按被测量分按被测量分位移、压力、温度、流量等位移、压力、温度、流量等以被测量命名（即按用途分类法）以被测量命名（即按用途分类法） 按输出量分按输出量分 模拟式模拟式输出量为模拟信号输出量为模拟信号 数字式数字式输出量为数字信号输出量为数字信号 32 1.4 检测系统的一般构成检测系统的一般构成 存储存储 显示显示 分析分析 监控监控 判断判断 决策决策 一个完整的检测系统除检、测功能外，还有对检测

6、过程的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、数据的传输和分析处理等环节，一般构成如下。其中，操控、数据的传输和分析处理等环节，一般构成如下。其中， 信号是信息的载体。信号是信息的载体。 信号检出信号检出 信号检出信号检出 信号检出信号检出 信号转换信号转换 信号转换信号转换 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：信号检出：功能 功能 - 将被测信号转换为电信号的变化（将被测信号转换为电信号的变化（detection） 器件器件 - 传感器（传感器（sensor, transducer

7、） 信号转换：信号转换：功能 功能 - 将传感器的输出信号转换为便于处理的形式将传感器的输出信号转换为便于处理的形式(conversion) 器件器件 - 信号调理电路（信号调理电路（signal conditioning circuit） 处理显示：处理显示：功能 功能 - 分析分析(analysis)、处理、处理(processing)、显示、显示(display) 通讯接口通讯接口/总线接口总线接口(RS232、RS485、GPIB、 PCI、 ) 其它环节：其它环节： 存储、监控、决策存储、监控、决策 接接 口口 总总 线线 33 力力 位移位移 速度速度 加速度加速度 压力压力 流量

8、流量 温度温度 电阻式电阻式 电容式电容式 电感式电感式 压电式压电式 热电式热电式 光电式光电式 磁电式磁电式 电桥电桥 放大器放大器 滤波器滤波器 调制器调制器 解调器解调器 运算器运算器 阻抗变换器阻抗变换器 笔式记录仪笔式记录仪 光线示波器光线示波器 磁带记录仪磁带记录仪 电子示波器电子示波器 半导体存储器半导体存储器 显示器显示器 磁卡磁卡 数据处理器数据处理器 频谱分析仪频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪实时信号分析仪 电子计算机电子计算机 被测对象被测对象 传感器传感器 中间变换中间变换 测量装置测量装置 显示及显示及 记录装置记录装置 实验结果实验结果 处理装置处理装置 激发装

9、置激发装置 1.4 检测系统的一般构成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 34 1.5 传感与检测技术的主要研究内容传感与检测技术的主要研究内容 n1）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； n2）选择合适的测量原理测量原理，确定测量方法测量方法； 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。 n3）设计或选用各类装置组成测试系统测试系统； n4）测量数据的分析处理数据的分析处理，得出符合客观实际的结论。 35 1.6

10、检测方法分类检测方法分类 n1) 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 n2) 开环测量与闭环测量开环测量与闭环测量 n3) 偏差法、零位法、微差法偏差法、零位法、微差法 36 1.6 检测方法分类检测方法分类 n1) 直接测量与间接测量直接测量与间接测量 直接测量直接测量：直接将：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 37 1.6 检测方法分类检测方法分类 -

11、 绝对测量：绝对测量：采用仪器、设备手段测量被测量，直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 n1) 直接测量与间接测量直接测量与间接测量 38 1.6 检测方法分类检测方法分类 间接测量间接测量: 如

12、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，被测量由计算获得。测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得。 Rd l 2 4 n1) 直接测量与间接测量直接测量与间接测量 39 1.6 检测方法分类检测方法分类 n2) 开环测量与闭环测量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 反向传感器反向传感器 40

13、 1.6 检测方法分类检测方法分类 n3) 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 测量被测量余数测量被测量余数 被测量值与标准量大体平衡被测量值与标准量大体平衡 思考：思考：杆秤、磅

14、秤和天平分别属于何种检测方法？！杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？！ 41 1.7 传感器与检测技术的发展状况传感器与检测技术的发展状况 1. 传感器技术的发展状况传感器技术的发展状况 (1)(1)新材料、新功能的开发与应用新材料、新功能的开发与应用 敏感材料是基础，新材料或新工艺带来新的功能或特点！ (2)(2)多功能、集成化和微型化多功能、集成化和微型化 多功能化：单个传感器实现多参数测量，例：“电子鼻”？ 集成化：将同类的单个敏感器件集成为阵列，或将传感、调 理、补偿及信号处理电路一体化集成。例：？ 微型化：以IC制造技术发展起来的MEMS工艺，使敏感结构 尺寸达微米、亚微米级，并可批量生产。例：？ 可集中体现到微型化或集成器件中！ (3) 智能化、网络化智能化、网络化 (4) 仿生仿生 42 七、传感器与检测技术的发展状况七、传感器与检测技术的发展状况 2. 检测技术的发展状况检测技术的发展状况 1) 提高检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性提高检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性 （检测能力向两级发展检测能力向两级发展：）：） 2)利用新技术新原理研制新型传感器，以组成新型的自动检利用新技术新原理研制新型传感器，以组成新型的自动检 测系统和填补自动检测系统的空白；测系统和填补自动检测系统的空白；