现代检测系统

1、第一章第一章 概概 述述5/30/20225/30/2022第一章第一章 现代检测系统现代检测系统 第一章第一章 概概 述述1.1 现代检测系统的组成现代检测系统的组成 尽管现代检测仪器和检测系统的种类、型号繁多，用途、性能干差万别，但它们的作用都是用于各种物理或化学成分等参量的检测，其组成单元按信号传递的流程来区分： 第一章第一章 概概 述述一一、传感器传感器:1、定义：传感器是能感受指定被测参量的变化并按照一定规律将其转换成可用信号输出的器件或装置。 或者：将其它形式的能转换为电信号输出将其它形式的能转换为电信号输出的器件或装置。的器件或装置。2、组成：传感器通常由敏感元件和转换部分组成：

2、第一章第一章 概概 述述（1）敏感元件为传感器直接感受被测参量变化的部分，（2）转换部分的作用通常是将敏感元件的输出转换为便于传输和后续环节处理的电信号。（3）信号调理转换电路：（4）辅助电源：第一章第一章 概概 述述 例如，半导体应变片式传感器能把被测对象受力后的微小变形感受出来，通过一定的桥路转换成相应的电压信号输出。这样，通过测量传感器输出电压便可知道被测对象的受力情况。 这里应该说明并不是所有的传感器均可清楚、明晰地区分敏感和转换两部分；有的传感器己将这两部分合二为一，也有的仅有敏感元件(加热电阻、热电偶)而无转换部分，但人们仍习惯称其为传感器(如人们习惯称热电阻、热电偶为温度传感器)

3、。 第一章第一章 概概 述述3、分类：传感器种类繁多，其分类方法主要有：1)按被测参量被测参量分类法：如温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、荷重传感器等；2)按传感器转换机理转换机理(工作原理)分类法：如电阻式、电容式、电感式、压电式、超声波式、霍尔式等；3)按输出信号输出信号分类法:分为模拟式传感器和数字式传感器两大类)等。（1）按被测参量分类：有利于人们按照目标对象的检测要求选用传感器。（2）按传感器转换机理分类法有利于对传感器做研究和试验。 本教材按（1）分类。第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述 4、要求： (1)精确性 传感器的输出信

4、号必须准确地反应其输入量，即被测量的变化。因此，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； (2)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，受外界其他因素的干扰影响亦应很小，重复性要好； (3)灵敏度 即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 (4)其他 如耐腐蚀性好、低能耗、输出阻抗小和售价相对较低等。 各种传感器输出信号的形式也不尽相同，通常有电荷、电压、电流在设计检测系统及选择传感器时对此也应给予重视。第一章第一章 概概 述述二信号调理信号调理 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

5、检测系统后续环节处理或显示。 例如，心电信号中往往夹杂着50Hz工频等噪声电压，故其信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。需要远传的话，通常采取D/A或V/I电路将获得的电压信号转换成标准的4 20mA电流信号后再进行远距离传送。 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、性能指标要求各不相同，它们所配置的信号调理电路的多寡也不尽一致。第一章第一章 概概 述述对信号调理电路的一般要求是： (1)能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号 (2)信噪比高，抗干扰性能要好。第一章第一章 概概 述述 三数据采集三数据采集 数据采集(系统)在检测系统中的作用是作用是对信号

6、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 (AD)转换器为核心辅以模拟多路开关、采样保持器、输入缓冲器、输出锁存器等。 数据采集系统的主要性能指标是： (1)输入模拟电压信号范围，单位: v (2)转换速度(率)，单位: 次s； (3)分辨率，通常以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征； (4)转换误差，通常指实际转换数值与理想AD转换器理论转换值之差。第一章第一章 概概 述述四信号处理四信号处理信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环

7、节其作用和人的大脑相类似。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单片机、微处理器为核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器(DP)或直接采用工业控制计算机。第一章第一章 概概 述述对于简单的越限信号处理模块，往往用一个比较器即可给出声光报警信号，而对于复杂的检测系统，其信号处理环节则应选用合适型号的单片机、CPUDSPARM或新近推广的嵌入式模块为核心来设计和构建，从而提高检测系统的性价比。第一章第一章 概概 述述 五信号显示五信号显示通常人们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

8、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均需送至各自的显示器作实时显示。显示器是检测系统与人联系的主要环节之一 显示器分类：一般可分为指示式、数字式和屏幕式三种。第一章第一章 概概 述述 (1)指示式显示又称模拟式显示。被测参量数值大小由光指示器或指针在标尺上的相对位置来表示。用有形的指针位移模拟无形的被测量是较方便、直观的。指示式仪表有动因式和动磁式等多种形式，但均有结构简单、价格低廉、显示直观的特点，在检测精度要求不高的单参量测量显示场合应用较多。 指针式仪表存在指针驱动误差和标尺刻度误差，这种仪表的读数精度和仪器的灵敏度等受标尺最小分度的限制，如果操作者读仪表示值时，站位不当

9、就会引入主观读数误差。第一章第一章 概概 述述(2)数字式显示：以数字形式直接显示出被测参量数值的大小。在正常情况下，数字式显示彻底消除了显示驱动误差，能有效地克服读数的主观误差，(相对指示式仪表)可提高显示和读数的精度，还能方便地与计算机连接并进行数据传输。因此，各类检测仪表和检测系统正越来越多地采用数字式显示方式。 第一章第一章 概概 述述(3)屏幕显示：屏幕显示实际上是一种类似电视电视显示方法，具有形象性和易于读数的优点，又能同时在同一屏幕上显示一个被测量或多个被测量的(大量数据式)变化曲线，有利于对它们进行比较、分析。 屏幕显示器一般体积较大，价格与普通指示式显示和数字式显示相比要高得

10、多，其显示通常需由计算机控制，对环境温度、湿度等指标要求较高，在仪表控制室、监控中心等环境条件较好的场合使用较多。第一章第一章 概概 述述六信号输出信号输出在许多情况下，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、记录仪等，从而构成闭环控制系统或实现打印(记录)输出。检测仪表和检测系统的信号输出通常有420 mA的电流信号，经 A/D转换和放大后的模拟电压、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，需根据测控系统的具体要求确定。第一章第一章 概概 述述七输入

11、设备七输入设备输入设备是操作人员和检测仪表或检测系统联系的另一主要环节，用于输入设置参数，下达有关命令等。最常用的输入没备是各种键盘、拔码盘、条码阅读器等。近年来，随着工业自动化、办公自动化和信息化程度的不断提高，通过网络或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愈来愈普通。最简单的输入设备是各种开关、按钮，模拟量的输入、设置，往往借助电位器进行。(04*)第一章第一章 概概 述述八稳压电源八稳压电源 一个检测仪表或检测系统往往既有模拟电路部分，又有数字电路部分，通常需要多组幅值大小要求各异但稳定的电源。这类电源在检测系统使用现场一般无法直接提供，通常只能提供交

12、流220V工频电源或直流24V直流电源。检测系统的设计者需要根据使用现场的供电电源情况及检测系统内部电路的实际需要，统一设计各组稳压电源给系统各部分电路和器件分别提供它们所需的稳定电源。第一章第一章 概概 述述 最后，值得一提的是，以上七个部分不是所有的检测系统(仪表)都具备的，而且对有些简单的检测系统，其各环节之间的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。 另外，在进行检测系统设计时，对于把以上各环节具体相连的传输通道，也应给予足够的重视。传输通道的作用是联系仪表的各个环节，给各环节的输入、输出信号提供通路。它可以是导线、管路(如光导纤维)以及信号所通过的空间等。信号传输通道比较简单，易

13、被人们忽视，如果不按规定的要求布置及选择，则易造成信号的损失、失真或引入干扰等，影响检测系统的精度。第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述1.2 现代检测系统的分类现代检测系统的分类随着科技和生产的迅速发展，检测系统(仪表)的种类不断增加，其分类方法也很多，工程上常用的几种分类法如下： 一按被测参量分类一按被测参量分类 常见的被测参量可分为以下几类： (1)电工量： 电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等； (2)热工量： 温度、热量、比热容、热流、热分布、压力、压差、真空度、流量、流速、物位、液值、界面等； 第一章第一章 概概 述述(3)机械量： 位移、形状、力

14、、应力、力矩、重量、质量、转速、线速度、振动、加速度、噪声等；(4)物性和成分量： 气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐度、浓度度、粒度、密度、比重等；(5)光学量： 光强、光通量、光照度、辐射能量等；(6)状态量： 颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。 严格地说，状态量范围更广，但是有些状态量由于已按习惯归入热工量、机械量、成分量中，因此在这里不再重复列出。第一章第一章 概概 述述 二按被测参量的检测转换方法分类二按被测参量的检测转换方法分类 被测参量通常是非电物理或化学成分量，通常需用某种传感器把被测参量转换成电量，以便于处理。被测量转换成电量的方法很多，最主要的有下列

15、几类： (1)电磁转换： 电阻式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感式(差动变压器)、电容式、阻抗式(电涡流式)、磁电式、热电式、压电式、霍尔式、振频式、感应同步器、磁栅等； (2)光电转换： 光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维式等；(3)其它能量转换； 声/电转换(超声波式)、辐射能电转换(x射线式、P射线式、r射线式)、化学能电转换(各种电化学转换)等。第一章第一章 概概 述述三按使用性质分类三按使用性质分类 按使用性质检测仪表通常可分为标准表、实验室表和工业用表等三种。顾名思义，“标准表”是各级计量部门专门用于精确计量、校推送检样品和样机的标准仪表。标准表的精度等级必须高于被测样品

16、、样机所标称的精度等级；而其本身又根据量值传递的规定，必须经过更高一级法定计量部门的定期检定、校准，由更高精度等级的标准表检定之，并出具该标准表重新核定的合格证书，方可依法使用。第一章第一章 概概 述述1.3 传感与检测技术的发展趋势传感与检测技术的发展趋势随着世界各国现代化步伐的加快，对感测技术的要求越来越高。而科学技术，尤其是大规模集成电路技术、微型计算机技术、机电一体化技术、微机械和新材料技术的不断进步，则大大促进了现代传感与检测传感与检测技术的发展。第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概

17、 述述 目前现代检测技术发展的总趋势大体有以下几个方面。一不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性一不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性随着科学技术的发展，对检测仪器和检测系统的性能要求，尤其是精度、测量范围、可靠性指标的要求愈来愈高。以温度为例，为满足某些科研实验的需求，不仅要求研制测温下限接近绝对零度(-27315)，且测温量程尽可能达到15K(约-258)的高精度超低温检测仪表；同时，某些场合需连续测量液态金属的温度或长时间连续测量2500 3000的高温介质温度，目前虽然已能研制和生产出上限超过2800的热电偶，但测温范围一旦超过2500，其准确度将下降，而且极易氧化从而严重影

18、响其使用寿命与可靠性：第一章第一章 概概 述述因此寻找能长时间连续准确检测上限超过2500的传感器，是目前各国科技工作者一直努力攻关的课题，可喜的是，目前，非接触式辐射型温度检测仪表的测温上限，理论上最高可达100万度以上，但与聚核反应优化控制理想温度约108相比还相差3个数量级，这就说明超高温检测的需求远远高于当前温度检测所能达到的技术水平。仅十余年前，如果在长度、位移检测中达到微米级(m)的测量精度，则一定会被大家认为是高精度测量；但随着近几年许多国家大力开展微机电系统、超精细加工等高技术研究，“微米(10-6m)、纳米(10-9m)技术”很快成了人们熟知的词汇，这就意味着科技的发展迫切需

19、要有达到纳米级，甚至更高精度的检测技术和检测系统。第一章第一章 概概 述述随着自动化程度不断提高，各行各业高效率的生产更依赖于各种检测、控制设备的安全可靠。努力研制在复杂和恶劣测量环境下能满足用户所需精度要求且能长期稳定工作的各种高可靠性检测仪器和检测系统将是检测技术的一个长期发展方向。第一章第一章 概概 述述 二传感器逐渐向集成化、组合化、数字化方向发展二传感器逐渐向集成化、组合化、数字化方向发展 纵观几十年来的传感器技术领域的发展，不外乎分为两个方面：一是提高与改善现有传感器的技术性能，二是寻找新原理、新工艺、新材料及新功能。 1、改善技术性能： 1）差动技术：可减少温度变化，电源波动，外

20、界干扰对传感器精度的影响，抵消共模误差，减少非线性误差。 2）平均技术：利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看着随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减少为： n： 传感单元数 可见，平均技术可减少误差，增大信号量即增大传感灵敏度。n/第一章第一章 概概 述述3)补偿与修正技术：一对本身特性，二对工作环境。 例如：温度：恒温补偿，PMD：偏振模色散4)屏蔽、隔离与干扰抑制： 对电信号：屏蔽、隔离、滤波 对温度：隔热 对湿度：密封 对机械震动：弹簧减震5)稳定性处理：老化、永磁、热处理2、寻找新方向: 1）开发新型传感器： 新型传

21、感器应致力于：（1）采用新原理，（2）填补传感器空白，（3）仿生传感器等诸方面，他们之间相互联系。第一章第一章 概概 述述 传感器的工作原理是基于各种效应和定律： 例如： （1）利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器，可提高灵敏度10-7 较地磁强度； （2）利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测10-6K超低温； （ 3）利用光子滞后效应，可做出响应速度极快的红外传感器； （4）利用化学效应和生物效应开发的可供实用的化学传感器和生物传感器，更是有待于开发的新领域。第一章第一章 概概 述述 大自然是生物传感器的优秀设计师和工艺师，大自然是生物传感器的优秀设计师和工艺师，它通过漫长的岁月，不仅造就了

22、集多种感官于一身的人类，而且，还造就了许多功能奇异、性能高超的生物感官。 例如： （1）狗的嗅觉：（灵敏度是人的10-6）； （2）鹰的视觉：（视力为人的850倍）； （3）蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉：（是主动型生物雷达-超声传感器） 这些动物的感官功能，超过了当今传感器的技术范围，研究他们的机理，也是引人注目的方向。第一章第一章 概概 述述 2）开发新材料： （1）半导体敏感材料 （2）陶瓷材料 （3）磁性材料：用于高速电机轴的稀土材料， （4）智能材料：智能材料是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等参数，研制出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料性能的人造材料。 第一章第一章 概概

23、述述智能材料具有下述功能：智能材料具有下述功能： （1）具备对环境的判断可自适应功能； （2）具备自诊断功能； （3）具备自修复功能； （4）具备自增强功能（或称为时基功能）； 具有时基功能是生物体材料的最突出特点，智能材料的探索工作还刚刚开始，相信不久的将来会有很大发展。第一章第一章 概概 述述3）新工艺的采用： 新型传感器离不开新工艺，新工艺的含义很广，这里尤指与发展新型传感器联系特别紧密的“微细加工技术微细加工技术”，该技术又称微机械加微机械加工技术工技术，是近年来随着IC工艺发展起来的，它是粒子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前越来越多地应用于传感器领域。

24、 例如：溅射、蒸度等离子体刻蚀，化学气体淀积（CVD）、外延、扩散、腐蚀、光刻等。(05*)第一章第一章 概概 述述4）集成化、多功能与智能化（1）集成化：同一功能的多元件并列化，形成一维线性传感器，（2）多个功能于一体，将传感、放大、运算、补偿等各环节于一体，组成一个器件，例如：一种温度、湿度、气体三功能的陶瓷传感器已研制成功，可同时测三各数据。（3）传感器的智能化：将传感器于CPU结合，不仅有检测功能，还有信息处理、逻辑判断、自诊断以及“思维”等人工智能（借助于大规模IC），智能传感器，又称灵巧（smart）传感器。第一章第一章 概概 述述三重视非接触式检测技术研究三重视非接触式检测技术研

25、究在检测过程中，把传感器置于被测对象上，可灵敏地感知被测参量的变化，这种接触式检测方法通常比较直接、可靠，测量精度较高。但在某些情况下，因传感器的加入会对被测对象的工作状态产生干扰，而影响测量的精度。而在有些被测对象上，根本不允许或不可能安装传感器，例如测量高速旋转轴的振动、转矩等。因此，各种可行的非接触式检测技术的研究愈来愈受到重视。第一章第一章 概概 述述四检测系统智能化四检测系统智能化近十年来由于微处理器、单片机在内的大规模IC的成本和价格不断降低，功能和集成度不断提高，使得许许多多以单片机、微处理器或微型计算机为核心的现代检测仪器(系统)实现了智能化，这些现代检测这些现代检测仪器通常具

26、有仪器通常具有: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，强大数据处理和统计功能，远距离数据通信和输入、输出功能，可配置各种数字通信接口，传递检测数据和各种操作命令等，还可方便地接入不同规模的自动检测、控制与管理信息网络系统。与传统检测系统相比，智能化的现代检测系统具有更高的精度和性能价格比。 正是由于智能化检测仪器、检测系统具有上述优点，所以多年来其市场占有率一直维持强劲的上升趋势。第一章第一章 概概 述述1.4 近年来仪器与测量技术的发展近年来仪器与测量技术的发展 一、 测量技术与仪器的技术内涵及发展重点 测量技术与仪器是一个专业面很宽的多学科相结合的行业。它

27、在科技和工业等不同的领域起到了技术基础保证的作用。从这方面的技术发展情况来看,总是热门行业的发展需求激发了相应方面的测量技术与仪器的发展,并为后者提供了广阔的应用市场。同时,测量技术与仪器又与科学技术和工业生产的发展互为支持和制约。第一章第一章 概概 述述 不但许多新技术的发展为测量技术与仪器提供了新的原理和软、硬件技术的支持,而且也因为测量技术与仪器的进步才促使了科学技术的进一步发展。根据IEEE仪器与测量技术大会(IMTC)多年来的统计和研究文章在数量上的分布,与仪器构成及发展关系最密切的有以下几方面的内容：传感器和变换器;信号和图像处理;系统ID(识别);计算机虚拟系统;ADC与数据采集

28、; 第一章第一章 概概 述述神经网络和模糊处理;光学检测技术;电源;标准;微波与EMI通讯;生物医学。 图1.5.1给出了5年来在美国IMTC会议上的文章分布情况（从上到下的图块次序与右边的标注次序是相同的）。 第一章第一章 概概 述述图1.5.1 19982002 年IMTC会议上的文章分布情况350300250200150100500IMTC/2002美 国 阿 拉 斯 加 安克 雷 奇IMTC/2000美 国 马 里 兰 州 巴尔 的 摩IMTC/98St.PaulMN生 物 医 学微 波 通 讯标 准能 源光 学工 业 机 器 人神 经 元 、 模 糊模 /数 转 换 和 数 据 获

29、取计 算 机 虚 拟 系 统系 统 辨 识信 号 及 图 像 处 理传 感 器第一章第一章 概概 述述从每年文章的侧重情况以及科技和产业的发展来看,某一方面的研究工作和论文的增减都有对应的行业发展作为背景。这说明仪器与测量工作对当代工业和科技的发展有明显的依附特点。脱离目前面向市场发展的大趋势来计划仪器与测量的研究方向是会出问题的。每年各种有代表性的大型国际会议的发起者和组织者往往根据这样的背景并结合实际发展的大趋势进行会议的征文和组织。这方面的动态会为确定仪器及测量学科的发展方向及研究课题的定位提供很有用的信息。 第一章第一章 概概 述述应该说明的是,针对广泛的被测量,传感器和变换器的研究论

30、文数量始终是最多的。所以传感器在测量与仪器领域处于一个很重要的位置。1999年,微波与通讯被排在第二位,是由于移动电话的发展,这方面的研究集中于800 MHz1.2 GHz的微波测量。1999年,ADC与数据采集被排在第四位,由于数字示波器的需要而发展了折返式和插入式的ADC。这类ADC用于数字示波器和数字电视,具有非常高的速度和分辨率。同期发展的过采样的ADC具有更高的分辨率,但是速度要慢一些。第一章第一章 概概 述述 2000年,信号/图像处理被排在第二位,主要是由于数字相机的发展。CMOS的图像传感器被作为研究的热点,它也被用于移动电话中。同时,CCD也被广泛应用。 2000年,生物医学

31、测量排在第四位,因为世纪之交提出了21世纪是生命科学与健康的世纪的口号,因此受到了各国的重视。第一章第一章 概概 述述2000年,光测量方面的文章主要集中于光纤传感器的研究。采用这种结构可以构成低成本的温度、压力和空气流的传感器。另外,关于智能传感器接口的标准IEEE 1451.2于2002年被发布。该接口是与互联网连接的,引起了国际上的普遍关注,所以关于标准的文章数量有所集中。 第一章第一章 概概 述述 二、二、 近年来传感器技术的发展近年来传感器技术的发展 从这几年仪器和测量技术发展的总的趋势来看,传感器的研究和发展总是被排在首位。这是因为,现代测量的模式大多还是针对广泛的非电被测量的。首

32、先将非电被测量转换成为电量或者数字量,再采用电和数字信号处理的方法来获得对被测量的准确表达,或用于控制和其他目的。传感器是测量系统的入口,因此,传感器的精度和性能成了测量系统中对精度影响最显著的因素。测量用的传感系统主要针对非电量测量和环境的评估。第一章第一章 概概 述述 经全面统计,传感器与转换器方面最具代表性的关键技术是微电机的硅膜片的压力传感器、用于差动压力和角度检测的差动式电容转换器、混合式或单片热装置传感器、电位计气体传感器(如二氧化锆传感器、限制电流的陶瓷传感器、有机薄膜传感器等)等。而在相应的接口方面是,开关电容器线路技术、过采样的-调制与解调技术、通用的传感器接口结构、基于电流

33、传送器和开关电流存储器单元的电流模式信号处理等。在相应的网络方面是,智能转换器接口标准IEEE 1451、由美国NIST的Kang Lee主持的TC-9等。通用接口所需要的是,高精度(如12位分辨率)、数字编码、线性化功能、交互参数的补偿、补偿和增益的独立调节、自诊断和校正功能、与微传感器兼容处理的片上可实现、通讯装置等。 第一章第一章 概概 述述 传感器的研究和应用所涉及的专业面是相当广泛的,大量物理、化学、机械甚至生物学的知识背景都能够用于传感器的构成。在传感器的发展方面,利用石英晶体和声表面波器件的谐振式的物理和化学传感器与转换器尤其引人瞩目。由于这个原因,美国的IEEE国际频率控制年会

34、近年来专门把谐振式的物理和化学传感器与转换器列为会议中的一个重要部分。 在几乎目前所有的电子元器件中,石英晶体谐振器是稳定性和精度最高的。因此,一方面利用石英晶体稳定的一面可以构成稳定的时钟和频率源；而另一方面,则可以利用它们对某些外界影响,如温度、压力、振动和加速度等的敏感性来构成不同高精度的传感器。所以传感功能是晶体谐振器和声表面波器件除稳频功能以外的第二大用途。第一章第一章 概概 述述 这样的传感器可以把被测量直接转换成频率、时间等很容易数字化的量值,极易处理, 而且精度和检测的灵敏度也很高。如在特定介质中的颗粒的检测中的灵敏度可以达到10-15g/mm2。这方面的传感器已经广泛用于温度

35、, 力值, 加速度, 转矩, 角速度, 振动, 空气与水或其他介质中的颗粒, 气体和液体混合物, 可卡因等药品的微量以及生物化学分析中的测量中。 第一章第一章 概概 述述 传感器的发展,尤其是化学传感器的发展是很不容易的。一个实用传感器的完成和完善往往需要10年左右的时间。其困难常常表现为灵敏度、选择性和长期稳定度这样一些指标之间的冲突。另外,严酷的噪声环境会降低信噪比,这也是必须关注的。上述问题也是国际上关注,并在近几年重点研究的。 对于传感器发展有前途的途径之一就是学习人的传感器机构。传感器与人工神经网络融合是这种途径的典型例子。为了使这些信号的处理途径有效， 传感器本身应该仿效为一个接收

36、器。比如日本开发的一种气味传感器中带有PVC（聚氯乙烯）混合油脂薄膜涂层的AT切晶体就仿效了人的嗅觉细胞。 第一章第一章 概概 述述 大多数商用的气体传感器都是基于SnO2和Fe2O3填充材料的。这些传导率传感器特性是高灵敏度的,但是它们的选择性较差。使用了电位差计类型的传感器可以得到很高的选择性。这些固态的电化学传感器基本上是集中单元并且需要氧气参考。英国开发出了电化学的泵组件作为氧气参考。因为氧气的浓度能够由泵流控制,这样,传感器便可以用于废气中氧气的闭路检测。 在选择开放性应用的传感器（如湿度传感器）时的最重要的因素是长期稳定性而不是灵敏度。这类电容性的传感器使用了疏水性的膜作为传感元件

37、,现在被认为是最稳定的传感器之一。用线性化和交叉参数补偿所派生的样本能够被用来设计对电容性传感器更好的接口。 第一章第一章 概概 述述 从微电机的硅传感器得到的信号通常是很小的。为了防止因恶劣的环境使得信噪比变坏,信号处理线路应该和传感器线路集成在一起。比如一个开关电容器（SC）驰豫振荡器施加于热耦合的信号处理中。一个基于电荷平衡原理的SC振荡器是最简单的模/数(A/D)转换器。SC技术现在已经是成熟的技术并被广泛地用于混合模拟和数字ASIC的CMOS实现。 过采样的调制解调技术具有这样的特性,即它们很有希望被使用在可以很好地承受元件失配的模拟接口中,这种失配可能发生在微机电过程中。采用这种技

38、术的通用接口已经被计划用于减小开发成本。这方面的一个典型构造就是二次的过采样调制回路。这个回路包含了模拟和数字的积分电路,能从本质上改进接口电路的抗噪声度。 第一章第一章 概概 述述 采用开关电流（SI）技术的传感器接口也是近年来所关注的。使用SI技术实现的模拟电路和标准的数字CMOS方法是完全兼容的。在SI线路中,支配信噪比的一个误差源是节拍耦合（CFT）。这个现象对于SC线路是共同的,但是SI线路中的CFT的很大成分取决于信号电平和非线性。为了减小非线性CFT误差,已经发展了2级的SI单元。这个创新性的元件可以用来建立递增型的A/D转换器。 传感器的灵敏度和其长期稳定度不兼容,常常是灵敏度

39、越高,长期稳定度就越差。 第一章第一章 概概 述述 克服这个困难的一个有前途的途径就是在一个传感器芯片上集成信号处理电路以改进传感器的灵敏度和可靠性。这样的传感器也被称做“智能传感器”。用该途径开发的第一个实用传感器是一个压力传感器,它是由扩散在一个微机械图形上的压敏电阻器和用双极方法生产的驰豫振荡器所构成的。在此以后,许多其他智能传感器都被开发出来。 第一章第一章 概概 述述 压力传感器在工业处理、汽车以及生物化学仪器中得到了广泛应用,并且也在传感器市场占有较大的份额。考虑到灵敏度、功率消耗和温度影响,电容式的传感器更好一些,但是其加工过程还不很成熟,因此压阻式的传感器仍然是最流行的。用最新

40、的LSI方法可以制造压力传送器。这样的传送器由两个压敏电阻器桥组成,用于差动和静态压力测量。在工业应用中也提供了智能接口,它能够经过通讯口设置范围和衰减时间常数。 第一章第一章 概概 述述 各种不同原理的传感器的构成技术仍然是国际上研究的热点。日本和欧洲一些国家注重在长度、位移和角度测量中大量采用电容式的传感器。这种传感器的输出信号便于量化处理,用这种方法实现非接触测量会提高测量的精度与真实性等。为了提高测量的分辨率,常常采用分段式电极的方法。这样,所感兴趣的量就能够由在每段所捕捉到信号的相对差值来确定。第一章第一章 概概 述述 这种想法依赖于一个基本的假设,单独的段都被同时测量而且这些信号相

41、对于被测量服从一定的对称规律。但是实际上,这些假设不可能满足。因此,对非对称性、噪声和非同时性的影响的分析是很重要的。除去来源于传感器系统的固有误差外,主要的非对称性源是传感器中的旋转体和偏离。研究结果表明,传感器和其测量算法能够承受对于理想对称状况的偏离。如果生成的函数（当转子转动时在一段上所看到的信号）不是严格的线性分段,但是光滑而没有尖角,那么测量噪声会被减小。多方面的分析表明,杂散场和转子结合的非对称性会引起性能的降低。在实际应用中很明显的问题是,转子的任何非对称性都应该被避免(至少在采用目前的辐射测量算法的情况下), 这个要求通过转子生产公差的控制是很容易满足的。 第一章第一章 概概

42、 述述三、 IEEE 1451智能转换器接口标准简介 IEEE 1451是针对传感器和调节器的智能转换器接口标准, 可以促进传感器和网络的相互合用。IEEE 1451被定义为连接转换器（传感器和调节器）在一个独立的网络环境中到控制网络或者仪器的公用通讯接口。对该标准的建立经历了较长的时间。国外学者总结了该标准可能带来的效益：（1） 采用了公共的接口标准,经过不同的传感器/调节器母线能建立起传感器和调节器的相互可操作性和相互可变性； 第一章第一章 概概 述述（2） 一个公共的传感器接口标准会获得智能传感器的发展,相对于单一标准设计费用更低,对于接口的全部投资也最低； （3） 对于转换器的生产者,

43、不需要为控制网络产品选择专门的协议;（4） 对于控制网络的提供者,由于可以获得大量的可网络共享的传感器和调节器,因而大量增加了控制网络的应用； （5） 在系统的综合方面,工作的完成所需要的努力大大减少； （6） 对于终端用户,使用期的成本大大降低。第一章第一章 概概 述述 由于传感器的类型和格式相当广泛,对传感器的生产者及最终用户来说, 传感器间的兼容性以及它们的接口与可通过网络相互连接的特点已经成为标志性的、原始要求的问题。 由于市场上有大量传感器网络,而每一种网络的设计都有其特定的应用等级和自己的习惯协议, 因此,传感器接口的变化类型以及大量的网络协议需要传感器生产部门的大力支持。 很明显

44、,一个通用的传感器接口有助于缓解这个问题。IEEE 1451是一个用于传感器和调节器的智能转换器接口标准,可以解决这个问题。它已经定义了一套通用的通讯接口用于连接转换器（传感器和调节器）到控制网络和独立于网络的环境中的仪器。 第一章第一章 概概 述述 IEEE 1451标准定义了一个由数据和发送数据到网络的目标模型构成的框架。 IEEE 1451.2标准在智能传感器模块（STIM）中定义了传感器数据模型,它由传感器电子数据表（TEDS）和传感器独立接口（TII）组成。TEDS为传感器储存与制造商有关的数据,例如制造商的姓名、传感器类型、校准数据, TEDS在加电的情况下将这些数据发送到网络或仪

45、器。传感器（XDCR）数据被转换成数字格式后通过数字化接口TII发送到网络驱动的应用处理器（NCAP）。第一章第一章 概概 述述 IEEE 1451.1定义了一个智能传感器目标模型,用来描述使用目标性语言的传感器行为。通过这种模型未被处理的传感器数据可以和校准数据进行比对, 在标准的物理单元产生一个输出。IEEE 1451.1目标模型也定义了一个独立网络的应用程序接口,它使得传感器的信息能够与任何基于网络的变换器应用进行通讯。 第一章第一章 概概 述述 四、 在测量和仪器中的信号处理技术 在信号处理方面,数字信号处理技术、模拟信号处理技术、图像处理、模糊处理、神经网络 、虚拟仪器技术、人工智能、模式识别和计算机技术等都被广泛用于仪器和测量中的信号处理目的。第一章第一章 概概 述述 比如：IEEE下属的许多学会就把仪器和测量方面的内容也包括在自己的必不可少的学术交流及学科发展中,而他们的主要技术发展也都有助于测量和仪器中的信号处理技术的进步。这