传感器与自动检测技术-1

1、 传感器与自动检测技术授课：吴昊天614BE-mail：2011学年秋季学期1被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）化学量（PH、成份）生物量（酶、葡萄糖、） 检测系统（测试系统/测量系统）定义：检测（Detection & Measurement）是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法给出定性或定量的结果。2 检测技术是实验科学的一部分，是信息技术的重要组成部分，它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。信息：有意义的内容信号：信息的表现形式，包括模拟信号和数字

2、信号检测系统的基本概念 科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的 门捷列夫Mendelyeev,Dmitry Ivanovich 3 检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。简单的检测系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被测温度变化转化为液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度低，无法实现测量自动化。 为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。检测系统的基本概念 4例：曹冲称象方法：比较法；装置：船、石头、小秤；检查、测量，得到：定性、定量的结果。检测系统的基本

3、概念 5例：空调机测量控制室温被测对象：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、热电偶空气 热敏电阻 电信号 处理 显示空调机检测系统的基本概念 6 工业生产 倍增器 科学研究 先行官 社 会 物化法官 军 事 战斗力检测技术的作用 7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%工业生产倍增器8检测系统的工程应用 在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开检测技术。检测技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。 9机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传

4、感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。 在各种自动控制系统中，检测环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗工业生产倍增器10 生产加工过程监测 切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。密歇根大学数字化工厂11 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。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄漏检测扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW机组监测系统青山热电厂生产信息

5、实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统12产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。 汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量13在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.工业生产倍增器14鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡 + D/A卡软驱:速度,位置伺服PC机中

6、的检测技术应用15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 汽车传感器：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 车 身：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 16在汽车中的应用17 诺贝尔奖获得者R. R. Ern

7、st说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展” 俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的” 近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人科学研究先行官18 1991年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占8% 2003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军事战斗力19检测技术在军事上的应用美军研制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20mm高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以精确的设定引爆时间。20美国国家导弹防御计划-NMD1.地基拦截器2.早期预警系统3

8、.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5. 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，敌友方检测技术在军事上的应用21检测技术在航天领域举足轻重飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵 火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹 22“阿波罗10”：火箭部分-2077个传感器飞船部分-1218个传感器检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学等神州飞船：185台（套）仪器装置检测技术在航天领域举足轻重23“物化法官” 检查产品质量 监测环境污染 识别指纹、假钞 查服违禁药物 侦破刑事案件教学实验气象预报大地测绘灾

9、情预报交通指挥涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空24红外扫描区域人造卫星检测技术在卫星中的应用25检测技术在海啸预报中的应用海浪振动检测系统浮标深海地沟26检测技术在日常生活中的应用与日俱增 家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器自动感应灯：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-驻极电容传感器遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD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、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检

10、测 - 压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪 - 离子传感器27楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。 图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器28家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和检测技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器

11、(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器29其他应用航天农业交通医学301）热工量：温度t（ 、K、 ） 例：0 等于32 ， 20 等于68 ， 100 等于212 压力（压强）p（Pa）、压差 p 、真空度、流量q（t、m 3 ）、流速v（m/s）、物位、液位h（m）2）机械量：直线位移x（m）、角位移、速度、加速度a（ m/s2） 、转速n（r/min）、应变 （m/m ）、力矩T（Nm）、振动、噪声、质量（重量）m（kg、t）3）几何量 长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、 硬度、材料缺陷等 工业检测涉及的内容 314）物

12、体的性质和成分量：空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色5）状态量： 工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）6)电工量（U、I、f、R、Z、E、B 在电工、电子等课程中讲授，大多数不属于本课程的范围。） 工业检测涉及的内容 32 一般说来，检测系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。 传感器将被测物理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制

13、装置。 检测系统的组成信号调理电路测试对象传感器激励信号信号分析与记录电信号输出检测系统原理图33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 检测系统的组成 34传感器定义传感器组成传感器分类传感器概论35国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受

14、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或装置。传感器是测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；传感器名称：变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、探头等传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。V、I、f、P传感器的定义 36传感器 感觉，感知 （Sensor、Transducer）人类有五大感觉器官，即眼、耳、鼻、舌、皮肤。通过这些感觉器官感知外界信息。机器系统中，传感器是各种机械和电子设备的感觉器官。能感知光、色、温度、压力

15、、声音、湿度、气味及辐射等。传感器的作用37外界刺激人的五官传感器大脑计算机骨骼和肌肉执行机构神经机器人通讯神经通讯现代信息技术的三大基础：信息采集、传输与处理技术分别应用到传感技术、通讯技术和计算机技术构成了信息技术系统中的“感官”、“神经”、“大脑”传感器的作用 38 通讯技术、计算机技术、传感器技术 既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。 如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水中之月、镜中之花。现代信息产业的三大支柱 39

16、（1）测量人体无法感知的量（3）测量范围宽、精确高、可靠性好（2）恶劣环境下工作 温度传感器：-196 1800 压力传感器：0.01psi 10000psi 精度：0.1% 0.01% 可靠度：8 9 级传感器的性能40信息处理电信电话科技测试设备控制交通控制输电系统机床机器人家用电器照相机汽车飞机船舶气象海洋环境污染医疗防火光能利用热能利用土木建筑农林机械能利用货币金融食品11155110103473659816127783431 3147111707693612621242014需要量传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用。传感器的应用41辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量

17、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的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器的组成42由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。 最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元

18、件不只一个，要经过若干次转换。实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。热电偶压电加速度传感器气体压力传感器传感器的组成431、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等 2、按构成原理，结构型与物性型两大类 3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器4、按照物理原理分类：十种 5、按照传感器的用途分类 ：位移、压力、振动、温度传感器7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号 6、根据转换过程可逆与否 ：单向和双向8、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器 传感器的分类44结构型传感器：依赖结构参数的变化实现信

19、息转换利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。 物性型传感器：依赖敏感元件的物理特性的变化实现信息转换利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型

20、传感器。 传感器的分类45传感元件被测非电量有用电量物性型传感器结构型传感器敏感元件传感元件被测非电量有用电量有用非电量传感器的分类46能量控制型传感器：在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。 能量转换型传感器：又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、

21、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。传感器的分类47按照物理原理分类：电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； 磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； 压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； 光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；气电式传感器：电位器式、应变式； 热电式传感器：热电偶、热电阻； 波式传感器：超声波式、微波式等；射线式传感器：热辐射式、射线式；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器

22、。 传感器的分类48 开发新型传感器 开发新材料 新工艺的采用 集成化、多功能化 智能化 开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化1.3 传感器与检测技术的发展动向1、传感器方面 可拍照的手机49传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传

23、感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。 开发新型传感器新型传感器包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻传感器生物酶血样分析传感器50传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。开发新材料（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的

24、传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。51在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、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，目前已越来越多地用于传感器领域。 新工艺的采用例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。52集成化、

25、多功能化同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。 为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。53智能化对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方

26、案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。传感器+嵌入式计算机 智能传感器 54传感器+嵌入式计算机 智能传感器 振动网络传感器嵌入式计算机智能压力网络传感器智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器声发射智能探头1.3 传感器与检测技术的发展动向55智能化虚拟化网络化微型化软测量技术2、检测系统方面 1.3 传感器与检测技术的发展动向56计算机虚拟仪器技术 用PC机仪器板卡 代替传统仪器用计算机软件 代替硬件分析电路优点57计算机虚拟仪器技术 58计算机虚拟仪器技术 596061主要传感器及检测仪器生产商2、振动/噪声传感器 丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名）1、工业自动化类传感器 美国霍尼威尔公司（有全球最大传感器技术研究中心） 623、测量分析仪器 美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商)美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试