《传感器与检测技术》课程综述知识讲解

1、传感器与检测技 术课程综述传感器与检测技术课程学习综述目录第一章摘要1第二章传感器基本特性3一、传感器的静态特性3二、传感器的动态特性 4第三章传感器5一、电阻式传感器5二、电感式传感器 6三、电容式传感器6四、压电式传感器8五、磁敏感式传感器 8六、热电式传感器9七、光电式传感器10八、辐射与波式 10九、化学传感器11十、新型传感器12第四章检测技术14一、参数检测基本概念 14二、参数检测的一般方法 16三、基本参数测量18第五章 测量不确定度与回归分析 19一、测量误差19二、测量不确定度20第六章 自动监测系统 21一、组成212325二、设计万案 第七章课程总结第一章摘要传感器与检

2、测技术顾名思义围绕着传感器和检测技术来进 行的讲解，对于传感器和检测技术的学习对于自动化与电气工程类 的我而言十分重要。传感器位于研究对象与测控系统之间的接口位 置，是感知、获取与检测信息的窗口同时传感器也是实现对物理环 境或人类社会信息获取的基本工具，是检测系统的首要环节，是信 息技术的源头。作为自动化与电气工程类的学生，即使专业分流之后我们还是 会用到大量的传感器知识，掌握传感器方面的知识对我们以后的发 展尤为重要。本课程先从传感器的概述谈起，先让我们知道什么叫做传感器 以及传感器的特点和传感器技术的发展再到传感器的基本特性的讲 解。在了解了传感器的基本概述和基本特性之后就需要实例来深入

3、对传感器与检测技术的了解。本书列举了许多经典的传感器类型， 由易到难，从电阻式传感器到电感、电容式传感器、压电式传感 器、磁敏式传感器、热电式传感器与光电式传感器等，同时也涵盖 了参数检测自动检测系统等来进行了全面详细的讲解。从原理到测 量电路再到应用，环环相扣使人了解原理。在学习传感器之前我对传感器的理解就是一个很简单的工具， 根据物理学原理而实现的各种测量。学习了之后才明白传感器并非 那么简单，不同的参数需要我们用不同的传感器去进行测量，同时 有的传感器能测量多种参数而有的参数也可通过多钟传感器来测 量。传感器作为我们专业应用的感知，如果没有传感器的相关知 识，我们就无法获取信息，那我们所

4、学的一些知识也无从下手。积 累了传感器的知识之后，我们能够更好的优化系统，相应的参量我 们能用自己所学的知识找到最合适的传感器，以及会安装会调试， 我觉得这就是本课程的目标。第二章传感器基本特性传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可 用输出信号的器件和装置，通常由敏感原件和转换原件组成。传感器的基本特性是指传感器的输入-输出关系特性，是传感器 的内部结构参数作用关系的外部特性表现。传感器所测量的物理量 基本上有两种形式：稳态和动态两种特性。一、传感器的静态特性传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入 -输出关系。衡 量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、

5、重复性和漂移。（一）线性度线性度是指传感器的输出与输入间成线性关系的程度。（二）灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值。（三）分辨率分辨率是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。（四）迟滞迟滞也叫回程误差，是指在相同的测量条件下，对应于同一大 小的输入信号，传感器正、反行程的输入信号大小不相等的现象。（五）重复性重复性表示传感器再输入量按同一方向作全量程多次测试时所 得输入按同一方向作全量程多次测量所得的输入输出特性曲线一致 的程度。（六）漂移漂移是指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的 现象；漂移将英雄传感器的稳定性或可靠性。二、传感器的动态特性传感器的动态

6、特性是指传感器对动态激励的相应特性，即其输 出对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬时响 应法和频率响应法来分析。线性时不变系统有两个重要的性质：叠加性和频率保持特性。第三章传感器一、电阻式传感器电阻式传感器的基本工作原理是将被测量的变化转化为传感器 电阻值的变化，再经一定的测量电路实现对测量结果的输出。电阻 式传感器应用广泛、种类繁多，如电位器式、应变式、热电阻和热 敏电阻等；电位器电阻式传感器是一种把机械线位移或角位移输入 量通过传感器电阻值的变化转换为电阻或电压的输出的传感器；应 变电阻式传感器是通过弹性元件的传递将被测量引起的新编转换为 传感

7、器敏感元件的电阻值变化。（一）工作原理应变是物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。应变电 阻式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。（二）测量电路应变电阻式传感器用于测量微小的机械变化量，要把微小应变 引起的微小电阻变化精确地测量出来，需要采用特别设计的测量电 路。通常采用直流电桥或交流电桥。（三）典型应用电阻式传感器的典型应用有柱式力传感器、环式力传感器、悬 臂梁式力传感器等。二.电感式传感器电感式传感器是建立在电磁感应基础上的，电感式传感器可以 把输入的物理量转换为线圈的自感系数 L或互感系数M的变化，并 通过测量电路将L或M的变化转换为电压或电流的变化，从而将非 电量转

8、换成电信号输入，实现对非电量的测量。电感式传感器具有 工作可靠、寿命长、灵活度高，分辨力高、精度高、线性好、性能 稳定、重复性好等优点。根据工作原理不同，电感式传感器可分为 变磁阻式传感器、变压器式和电涡流式等种类。（一）变磁阻式传感器由铁心、线圈、衔铁三部分组成。变磁阻式传感器可通过气隙 厚度和气隙面积来改变传感器的值。因此变磁阻式传感器可分为变 气隙厚度和变气隙面积两种情形。变磁阻式传感器测量电路分为交流电桥、变压器式交流电桥、 谐振式测量电路。（二）差动变压器电感式传感器把被测量的非电量变化转换为线圈互感两变化的传感器成为互 感式传感器。差动变压器结构形式有变隙式、变面积式和螺线管式电容

9、式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实 现对物理量的测量。电容式传感器具有结构简单、体积小、分辨率 高、动态响应好、温度稳定性好、电容小、负载能力差、易受外界 干扰产生不稳定现象等特点。电容式传感器广泛用于位移、振动、 角度、加速度、压力、差压、液面、成分含量等的测量。（一）工作原理平板电容式传感器电容量与极板间距、极板间相对面积、和介 质有关，因此只要将待测量与其中之一相关联就能得出对应关系而 测量出待测量。因此平板电容式传感器可分为三种：变极板间距覆 盖面积的变面积型、变介质介电常数的变介质型和变极板间距的变 极距型。圆筒电容式传感器可分为两种：变介质介电常数的变介质型和 变极

10、板覆盖高度的变面积型。（二）测量电路电容式传感器的电容值及电容变化值都十分微小，必须借助信 号调节电路才能将其微小的电容变化值转换成预期成正比的电压电 流或频率，从而实现显示、记录和传输。相应的测量电路有调频电 路、运算放大器、二极管双 T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。（三）典型应用电容式传感器具有结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动 态响应特性好等优点广泛用于压力、位移、加速度、厚度、振动、液位等测量中。它的典型应用有：电容式压力传感器、电容式位移传感器、电容式加速度传感器、电容式厚度传感器等。四、压电式传感器（一）工作原理压电式传感器是以某些介质的压电效应作为工作基础。所谓的 压电效应

11、，就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其 内部将产生极化而使其表面出现电荷聚集的现象也成为正压电效 应。（二）测量电路由于压电式传感器本身内阻搞，输出能量较小，因此它的测量 电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。测量电路主要 有：电荷放大器、电压放大器。（三）典型应用压电式传感器的典型应用有：压电式力传感器、压电式加速度 传感器、压电式交通检测。五、磁敏感式传感器对磁场参量敏感、通过磁电作用将被测量转换为电信号的期间 或装置称为磁敏感式传感器。磁电作用主要分为电磁感应和霍尔效 应两种情况。（一）磁电感应式传感器磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两 端输出感应电

12、动势的原理进行工作的。磁电感应式传感器以电磁感应原理为基础。在恒磁通传感器中 由于它们的运动不见可以是线圈，也可以是磁铁，因此又分成动圈 式和动铁式两种结构类型。磁电感应式传感器典型应用有磁电感应式振动速度传感器、磁 电感应式扭矩传感器、电磁流量计等。（二）霍尔式传感器霍尔式传感器是基于霍尔效应进行工作的传感器。所谓的霍尔 效应是指当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其 两端将产生电位差，这一现象称为霍尔效应，霍尔效应产生的电动 势称为霍尔电动势。六、热电式传感器热电式传感器是一种能将温度变换转换为电量变化的元件。在 各种热电式传感器中，以将温度转换为电动势或电阻的方法最为普 遍，

13、对应的原件分别称为热电偶、热电阻和热敏电阻。（一）热电偶热电偶测温原理为热点效应，两种不同的导体两端相互紧密连 接在一起，组成一个闭环回路。当量接点温度不等式，回路中就会 产生大小和方向与导体材料及接点温度有关的电动势，从而形成电 流。热电偶有三大基本定律，分别为中间导体定律、中间温度定 律、标准电极定律。（二）热电阻热电阻作为一种感温原件，它是利用导体的电阻值随温度变化 而变化的特性来实现对温度的测量。（三）热敏电阻热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成 的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。热敏电阻可 分为三类，即负温度系数、正温度系数、和临界温度系数热敏电 阻。

14、七、光电式传感器光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。（一）类别按照工作原理的不同，可将光电式传感器分为四类：光电效应 传感器、红外热释电探测器、固体图像传感器、光纤传感器。（二）基本形式四种基本形式分为：透射式光电传感器、反射式光电传感器、 辐射式光电传感器、开关式光电传感器。八、辐射与波式红外传感技术正向各个领域渗透，特别是在测量、家用电器、 安全保卫等方面得到了广泛的应用。红外辐射是一种人眼不可见的光纤，俗称红外线，因为它是结 余可见光中红色光和微波之间的光纤。红外辐射本质上是一种热辐 射。任何物体的温度只要高于绝对零度，就会向外部空间以红外线 的方式辐射能量。物体的温度

15、越高，辐射出来的红外线越多，辐射 的能量越强。另一方面，红外线被物体吸收后将转化为热能。（二）微波传感器微波是介于红外线与无线电波之间的一种电磁波，其波长范围 是1m1mm通常还按照波长特性将其细分为分米波、厘米波和毫米 波三个波段。微波传感器具有以下特征：需要定向辐射装置、遇到 障碍物容易反射、绕射能力差、传输特性好，传输过程中受烟雾、 灰尘等的影响较小、介质对微波的吸收大小与介质介电常数成正 比。（三）超声波传感器超声波传感器是一种以超声波作为检测手段的新型传感器。利 用超声波的各种特性，可做成各种超声波传感器，再配上不同的探 测电路，制成各种超声波仪器及装置，广泛应用于冶金、船舶、机 械

16、等各个工业部门的超声探测、超声清洗、超声焊接，医院的超声 医疗和汽车的倒车雷达等方面。化学传感器能将化学物资的特性的变化定性或定量地转换成电 信号的传感器成为化学传感器。（一）气敏传感器气敏传感器是指能够感知环境中气体成分及其浓度的一种敏感 器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些 电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有光的信息。气敏传感器主要参数有：灵敏度、响应时间、选择性、稳定 性、温度特性、湿度特性、电源电压特性、时效性与互换性（二）湿敏传感器绝对湿度：绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，单位体积 空气内所含水蒸气的质量。相对湿度：相对湿度是指被测气体的绝对湿

17、度与统一温度下达 到饱和状态的绝对湿度之比，或待测空气中实际含水蒸气分压与相 同温度下饱和水蒸气分压比值的百分数。露点：在一定的大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度 下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态 变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度称为露 点。湿敏传感器的主要参数有：感湿特性、湿度量程、灵敏度、湿 滞特性、响应时间、感湿温度系数、老化特性。新型传感器是相对于创痛的传感器而言的，随着技术的发展和 时间的推移，于近年新出现的一类传感器。新型传感器在智能化、 多功能化、综合性、集成化、网络化等方面具有别与传统传感器的 明显特征。（一）智能传感器智能传

18、感器是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、 判断、量程自动转换、漂移、非线性和频率响应自动补偿，对环境 影响量的自适应，自学习以及超限报警、故障诊断等功能的传感智能传感器具有精度高、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高 分辨率、自适应性强、性价比高这几大特点。（二）模糊传感器模糊传感器是在经典传感器数字测量的基础上经过模糊推理与 只是集成，以自然语言符号的描述心事输出的传感器。模糊传感器具有学习功能、推理联想功能、感知功能、通信功 能。（三）微处理器微处理器的诞生依赖于微机电系统技术的发展。完整的MEM是由微处理器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等 部件组成的一体化的微型器件系

19、统。（四）网络传感器网络传感器就是能与网络连接或通过网络使其与微处理器、计 算机或仪表系统连接的传感器。网络传感器研究的关键技术是网络 接口技术。目前，主要有基于现场总线的网络传感器和基于以太网 协议的网络传感器两大类。第四章检测技术一、参数检测基本概念（一）测量测量就是以确定的被检测值为目的一系列操作，即利用物质的 物理量、化学的或生物的特性，对被测对象的信息进行提取、转换 以及处理，获得定性或定量结果的过程。测量通常包括两个过程： 意思能量形式的一次或多次转换过程；二是将被测量与其相应的标 准量进行比较，从而确定被测量对标准量的倍数。（二）测量方法测量方法就是将被测量与标准量进行比较，从而

20、得出比值的方 法。（1）根据测量方式的不同可分为直接测量、间接测量和组合测量 直接测量：按已知标准定好的测量仪器对某一未知量进行测量，不需要经过任何运算就能直接得出测量结果的测量方法。间接测量：首先对与被测量有确切函数关系的物理量进行直接 测量，然后通过已知的函数关系，求出该未知量，即需要将被测量 值经过某种函数关系变换才能确定被测量方法。组合测量：在测量中，使各个待求未知量和被测量经不同的组 合形式出现，根据直接测量或间接测量所得到的被测数据，通过解 一组联立方程而求出未知量的数据的测量方法。（2）根据测量方法的不同可分为偏差式测量、零位式测量和微差式 测量偏差式测量：用仪表指针的偏差表示被

21、测量量值的测量方法零位式测量：用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态，在 测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值。微差式测量：综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提出的 一种测量方法。零位式测量中的标准量不可能是连续可调的，因而 难以与被测量完全平衡，实际测量时必定存在差值。（3）根据测量精度要求的不同可分为等精度测量和非等精度测量等精度测量：在同一测量环境下，用相同的仪表与测量方法对 同一被测量进行多次重复测量。非等精度测量：用不同精度的仪表或不同的测量方法，由不同 的测量人员或在环境条件不同时，对同一被测量进行多次重复测 量。此时各个测量结果的可靠程度不一样，可用一个称为“权”的数

22、 值来表示对应的测量结果的可靠程度。（4）根据被测量变化的快慢可分为静态测量和动态测量如果被测量在测量过程中是固定不变的，或随时间变化非常缓 慢，对这种被测量称为静态测量。如果被测量在测量过程中是随时间不断变化的，对这种被测量 称为动态测量。（5）根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为接触式测量和非 接触式测量接触式测量是指测量量敏感元件与被测介质直接接触的测量；否则为非接触式测量。（三）测量系统测量系统是由传感器与数据传输环节、数据处理环节和数据显 示环节等组合在一起，为了完成信号测量目标所形成的一个有机整 体。、参数检测的一般方法（一）力学法：也称机械法。一般是利用敏感元件把 被测变量转

23、换为机械量，如位移形变等。如应变传感器利 用弹性元件把压力或力转换为弹性元件的位移。（二）热学法：根据被测介质的热物理量的差异以及 热平衡原理进行参数的测量。（三）电学法：利用敏感元件把被测量转换为电压、 电阻、电容等电学量。（四）声学法：大多是利用超声波在介质中的传播以 及在介质间界面处的反射等性质进行参数的测量。（五）光学法：利用光的直线传播、透射、折射和反 射等性质，通过接收光信号，用光强度等光学量参数来表 示被测量的大小。（六）磁学法：利用被测介质有关磁性参数的差异及 被测介质或敏感元件在磁场中表现出来的特性实现对被测 量的测量。（七）射线法：射线穿过介质时部分能量会被物资吸 收，吸收

24、程度与射线所穿过的物资厚度、物资的密度等性 质有关。利用这些方法可以实现物位的测量，或测量混合 物中某一成分的含量或浓度。（八）生物法：利用生物免疫原理、酶的催化反映原 理等将被测量转化为电学量的测量方法。三、基本参数测量（一）温度温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接加以车辆， 只能借助与冷热不同的物体之间的热交换以及物体的某些物理性质 随着冷热程度的不同而变化的特性进行间接测量。温度的间接测量 方法可分为接触式和非接触式。（二）压力压力是工业生产过程中的重要参数之一，许多生产工艺要求在 一定的压力条件下斤西瓜才能保证产品质量。压力的测量方法很多，按照测量原理可分为四种类型液压法、 弹

25、性变形法、负荷法、压电法。（三）流量生产过程中各种流体的性质各不相同，流体的工作状态和流体 的黏度、腐蚀性、导电性等也不相同，某些场合还受高温、高压或 气液、液固等混合流体的影响，因此，很难用一种原理或方法车辆 不同流体的流量。目前，测流量的方法一般有三类：速度式流量检 测方法、容积式流量检测方法、质量式流量检测方法。（四）物位物位是指存在于各种容器内的液体便面高度及所在的位置、或 固体颗粒、物料快料堆积的高度或表面所在的位置，或两种不同密 度不相溶的液体间或液体与固体的分界面高度。物位的测量一般有如下几种方法：直读式、浮力式、差压式、电学式、核辐射式、声学式等。第五章 测量不确定度与回归分析

26、、测量误差任何测量的目的都是为了获得被测量的真实值。但由于测量环 境、测量方法、测量仪器、测量人员、等因素，测量结果总与被测 量的真实值不完全一致。（一）量值量是物体可以从数量上进行确定的一种属性。（1）真值是指在一定的时间和空间条件下，能够准确反映被测 量真实状态的数值。真值分为理论真值和约定真值。（2）精度，精度可分为准确度，精密度和精确度。准确度反映 测量结果中系统误差的影响程度，即测量结果偏离真值的程度。精 密度反映测量结果中随机误差的影响程度，即测量结果的分散程 度。精确度反映测量结果中系统误差和随机误差综合的影响程度， 其定量特征可用测量的不确定度来表示。（3）误差来源误差的来源多

27、种多样，有测量环境不理想、测量装置不够精 良、测量方法不合理、测量人员专业素质不达标等。（4）误差分类误差分类可格局测量数据中误差的特征或性质将误差分为是那 种：系统误差、随机误差和粗大误差。二、测量不确定度由于测量误差的存在，被测量的真值难以确定，测量结果带有不确定性。因此有必要对测量结果的质量高低程度进行评价。测量 不确定度就是评定测量结果质量高低的一个重要指标。不确定度越 小，测量结果的质量越高，使用价值越大，其测量水平也越高第六章 自动监测系统、组成自动检测系统由硬件、软件两大部分组成。硬件主要包括传感器、数据采集系统、微处理器、输入输出接口等。（一）数据采集系统（1）组成数据采集系统

28、主要有前置放大器、采样/保持器、多路开关、总 线、接口及逻辑控制电路等部分构成。前置放大器的主要作用是将 传感器输出的微弱信号放大到系统所要求的电平。而采样 /保持器可 以取出输入信号某一瞬时值并在一定时间内保持不变，它有采样和 保持两种工作状态。堕落开关是数据采集系统的主要部件之一，其 作用是切换各路输入信号，完成由多路输入到一路输出的转换。（2）结构形式设计数据米集系统是，首先需要确定其结构形式，这取决于被 测信号的特点、对数据采集系统的性能要求。常用的数据采集系统 结构形式分为：基本型、同步型、并行型。（二）输入输出通道自动检测系统的输入通道是指传感器与微分处理器之间的接口 通道。在监测

29、系统中，各种传感器输出的信号是千差万别的。从仪 器仪表间的匹配考虑，必须将传感器的输出信号转换成统一的标准 电压或电流信号输出，标准信号就是各种仪器仪表输入输出之间采 用统一规定的信号模式。（三）自动检测系统的软件除了硬件基础外，软件是自动监测系统的核心，软件主要包括 主程序、中断服务程序、应用功能程序这三部分。主程序由初始化 模块、自诊断模块、时钟管理模块、其他应用功能模块的调用等几 部分组成。中断服务程序包括 A/D转换中断服务程序、定时器中断 服务程序和掉电保护中断服务程序，分别完成相应的中断处理。应 用检测系统主要包括数据的输入输出模块、数据处理模块、数据显 示模块等。它是自动监测系统

30、功能实现的主要体现。二、设计方案自动检测系统区别于传统检测系统的主要特点在其“自动性”， 体现为系统可根据被测参数级外部环境以及应用要求等的变化，灵 活自动的选择测试方案并完成测试工作。自动监测系统的设计一般要经历如下几个步奏：系统需求分 析、系统总体设计、采样速率的确定、标度变换、硬件设计、软件 设计、系统集成和系统维护等。（一）系统需求分析系统需求分析需要确定系统的功能、技术指标和设计任务。主 要是对设计系统运用系统论的观点和方法进行全面的分析和研究， 以明确对本设计提出哪些要求和限制，了解被测对象的特点、所要 求的技术指标和使用条件等。（二）系统总体设计自动监测系统的总体设计包括系统电气连接形式、控制方式、 系统总线选择和系统结构设计等方面。电气连接形式取决与检测系 统的复杂程度和对可靠性等的要求。系统总体设计应考虑性能稳定、精度符合要求、具有足够的动 态响应、具有实时与事后数据处理能力、具有开放性和兼容性等要 求，一般要遵循如下七大法则：从整体到局部原则、环节最小原 则、经济性原则、可靠性原则、精度匹配原则、抗干扰能力、标准 化与通用性原则。（三）采样速率的确定香农采样定理指出：只有采样频率大于原始信号频谱中最高频 率的两倍，采样结果才能恢复原始信号的特征。因此在选择采样频 率时必须对被测信号进行分析，确定型号中的