第一章 检测技术绪论

传感与检测技术

SensingTechnology

陈桃第一章绪论

什么是传感器?简单的说就是获取信息的一种装置，无论是科学研究，还是日常生活，都离不开信息的获取。传感器称为Sensor。Sense作名词是指人的感觉、感官，人类通过各种感觉器官从外界获取各种信息来识别环境和物体状况，感知自然界的多姿与多彩。我们通过眼、耳、鼻、舌、皮肤等5种感知器官，即听觉（hearing）、视觉（sight）、触觉（touch）、嗅觉（smell）和味觉（taste），感知我们周围的环境世界。这五种感知器官主要感知的是光、机械、热等物理量，当然鼻和舌兼具感知化学量（如酸等）的功能。所以我们的五官就相当于我们的传感器。

Sense作动词使用就是感觉、感知、检测的意思。故检测技术又称为SensingTechnology。

汽车一般有几十个传感器。根据预测，到2016年全球车用传感器市场达到225亿美元的规模，中国则会从24亿美元增长到48亿美元。中国车用传感器的总数在2012年是5亿只，到2016年就会翻倍达到10亿只。电子节气门技术ETC

（ElectronicThrottleControl）

智能手机之所以功能强大，很多地方要归功于多种多样的传感器。重力感应器是由苹果公司率先开发的一种设备。如果把手机拿在手里转90度，横过来，它的页面会自动反应，也跟着转90度，极具人性化。距离传感器经常被利用在打电话的时候，当人们手机接近人的面部时，手机的屏幕会自动熄灭，当手机远离人的面部时，屏幕又会自动开启。光线传感器能够根据周围明暗程度调节屏幕亮度，在光线强的地方手机会自动关掉键盘灯，降低手机屏幕的亮度，在光线暗的地方自动打开键盘灯，增加手机屏幕亮度，达到节能的目的。大家都知道iPhone5c中的“c”代表Colour（多彩），那iPhone5s中的“s”代表什么？其实，“s”就是传感器sensors。苹果iPhone5s增加了TouchID指纹扫描器和M7运动协处理器。M7处理器专为测量来自加速度感应器、陀螺仪和指南针的运动数据而设计等，可以在CPU休眠（既屏幕关闭时）时采集数据判断运动状态，它能全天的判断用户在步行还是在开车或是在睡觉，根据状态对系统做出调整如开车时不自动加入新WIFI。该触摸ID传感器只有170微米薄，有500ppi分辨率，可以360度扫描。整个指纹扫描系统包括扁平的蓝宝石晶体、不锈钢检测圈以及指纹扫描阵列，全都整合在home键中。2012年苹果以3.65亿美元收购了指纹识别器和识别管理软件公司AuthenTec。一、检测系统的组成：

图1转动齿轮转速

图2转速传感器

图3输出方波信号

---------------图4转矩转速测量仪显示界面检测系统的组成说明：1.被测对象(measuredvariable)

：温度，湿度，压力，速度，加速度，振动（振幅），光强，位移等非电量。2.传感器传感器（Transducer/Sensor），根据国家标准GB7665-87，定义为能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的装置。通常感受的被测信号为非电信号，而可用输出信号为电信号，所以有时传感器又称为把非电信号转换成电信号的装置。大致分为：（1）敏感元件：Sensingelement（2）转换元件：Transductionelement例：测力的应变式传感器：将力—应变—电阻图1-2悬臂梁测力实际上，有些传感器中，敏感元件和变换元件合二为一。例：测力的压电式传感器：力—电荷—电压

图1-3压电式传感器测力

传感器的分类：1）按被测物理量分类：温度、压力、位移、加速度、湿度、流量、速度、物位等。特点：便于用户选择传感器。2）按工作原理分类：电阻式、电感式、电容式、热电式、压电式、光电式等。特点：利于学习。3）按能量传递方式(转换原理)：能量控制型（外源型、参量型）：即无源型(依靠电参数)如：电阻式、电容式、电感式等。能量转换型（自源型、发电型）：即有源型(依靠电能量)如：压电式：压力（机械能）→电能，光电式：光能→电4）按学科分类：物理型（物理效应），化学型（化学效应），生物型（生物效应）5）按输出性质分：模拟式和数字式

3.信号调理（信号调节）电路(signalconditioningcircuit)：包括电桥，放大，调制，解调，滤波，U/F，U/I，非线性校正，绝对值检测，峰值检测，有效值检测等。4.数据处理(dataprocessing)：包括A/D转换，数字信号处理，数字滤波，频谱分析，相关分析等。5.信号传输(signaltransmission)：模拟：直接输出；0～5V电压输出；1～5V电压输出；4～20mA电流输出；等等。数字：RS232总线，RS485总线，现场总线等。

二.传感器的应用：传感器的种类和数量与自动化水平的高低密切相关，而一个国家的自动化水平又反映了它的现代化水平，传感器己广泛应用于各个学科、工程领域、甚至我们的日常生活。1.生产过程的测量与控制(主要在化工、冶金、机械、电力、食品等)：温度、压力、流量、位移、液位、气体成分。2.自动化设备和机器人：力、扭矩、位移、转速、视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉、接近。3.航天技术：速度、方位、温度。4.交通运输和资源探测：应变(重量、变形)、金属材料、油量、速度、车辆检测。5.医疗卫生和家用电器：温度、血压、血糖、脉搏。6.安全报警与环境保护：烟感、气敏、水质、放射性、噪声。现代信息技术的基础是信息的采集、传输和处理技术。分别对应于传感与检测技术、通讯技术和计算机技术，传感器技术是现代测试技术、自动化技术和信息技术的基础。很多国家都将传感器技术列为尖端技术，因为传感器技术的落后将制约很多技术的发展。

美国的传感器生产厂家有1000家，我国目前则有1000多家企业，但规模和应用都较小。存在着技术水平低、种类少、研发能力差等问题，在国际市场上没有缺乏竞争优势。国内传感器需求，尤其是高端需求严重依赖进口，目前传感器进口占比80%，传感器芯片进口占比达90%。美国中国1999年870亿只630亿美元8.7亿只52亿RMB2002年1160亿只900亿美元11.8亿只78亿RMB

三.传感器技术的发展趋势：1.新型传感器的开发：新材料、新工艺、仿生传感器

新型材料是传感器技术升级的重要支撑。一些有机或陶瓷的敏感材料可以提高精确度和响应速度，成为传感器材料研发领域的一个热点。在调配化学成分的基础上，得到对某一种或某几种气体具有识别功能的敏感材料，用于制成新型气体传感器，如热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏等传感器。美国NRC公司开发出纳米ZrO2气体传感器，用于控制机动车辆尾气的排放，在净化环境方面有广阔的应用前景。纳米技术不仅为传感器提供了良好的敏感材料，而且为传感器制作提供了许多新颖的构思和方法。2.传感器的集成化：采用MEMS微电子机械系统（micro-electro-mechanical-system使传感器的体积越来越小。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量生产、易于集成和智能化的特点。MEMS压力传感器主要应用在测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料，以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度。

随着MEMS技术的进一步发展，以及应用终端“轻、薄、短、小”的特点，对小体积高性能的MEMS产品需求增势迅猛，消费电子、医疗等领域也大量出现了MEMS产品的身影。MEMS陀螺仪经历了两波增长高潮，第一波是由任天堂在2006年开发的Wii游戏机带来的加速度传感器需求高潮，它为人机交互增加了一种创新方式。第二波则来自iPhone、iPad等智能手机和平板电脑带来的陀螺仪应用高潮，它让智能手机的应用更富想象性。基于VTI公司的MEMS加速度传感器，研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断孕妇自检的医疗辅助仪器。

犀牛甲虫家族的雄性拥有像犀牛一样突出、粗壮的大角，因此而得名。它们是甲虫家族中的大个子，可以长到6.5英寸长。犀牛甲虫的最大特点是它的力量。如果按比例计算，它可能是世界上力气最大的生物。某些种类的犀牛甲虫能够举起相当于自身重量800倍的物体。美国国防部高级研究计划局（DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency），是美国国防部属下的一个行政机构，负责研发用于军事用途的高新科技）资助了“混合昆虫微机电系统”（HI-MEMS）项目。加州大学的科学家将电极和微型无线电安装到圣甲虫身上—

犀牛甲虫也是圣甲虫的一种，对它们进行遥控。在未来某天，这些生物机械结合体可充当微型间谍，或用于搜救行动。目前工作人员不足200人，多由文职人员组成，其中多为各学科一流专家、学者。该局业务机构分为技术部门和保障部门两类，其中技术部门包括国防科学处、电子技术处、信息系统处、信息技术处、传感器技术处、战术技术处、两用技术计划处、先进信息技术服务联合计划处以及高续航力无人机项目处；保障部门包括：审计处、合同管理处、行政管理和小企业管理处、安全与情报处以及法律顾问处。DARPA的宗旨是“保持美国的技术领先地位，防止潜在对手意想不到的超越”。秉持这一信念，DARPA已为美国军方积累了雄厚的科技资源储备，成功研发了大量先进武器系统，引领着世界军民高技术研发潮流，无人机、互联网、半导体、计算机操作系统、激光器、全球定位系统等重大科技成果均可追溯到DARPA的资助。装备具有视觉增强（360度无死角）、或者增强现实（提供地理信息）等功能，据说士兵只要通过语音便能够控制屏幕内的信息切换，屏幕内将显示360度+3D+10倍放大的地理信息，捕捉到的敌军位置等。：传统传感器只能测定单一的变量，如压力传感器只能测定压力，流量传感器只能测定流量。而智能传感器能够同时测量声、光、电、热、力、化学等多个物理和化学量，给出比较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GICSensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度、速度、位移，等等。：传统传感器只能测定单一的变量，如压力传感器只能测定压力，流量传感器只能测定流量。而智能传感器能够同时测量声、光、电、热、力、化学等多个物理和化学量，给出比较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GICSensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度、速度、位移，等等。3.传感器的多功能化：如多参数检测。传统传感器只能测定单一的变量，如压力传感器只能测定压力，流量传感器只能测定流量。智能传感器具有复合功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。

如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GICSensors公司利用MEMS研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度、速度、位移等等。自补偿和计算功能：多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作大量的补偿工作，但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样，放宽传感器加工精密度要求，只要能保证传感器的重复性好，利用微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多次拟合和差值计算方法对温度漂移和非线性进行补偿，从而能获得较精确的结果。4.传感器的智能化：与微处理器相结合，具有检测、判断、信息处理、自补偿、自诊断、通讯等功