传感器及检测技术

《物联网技术》课件

第3章传感器及检测技术2023年10月7日电子工业出版社刘化君刘传清编著《物联网技术》教材配套课件13.1传感器概述

3.2传感器的组成和结构

3.3检测技术基础

3.4典型传感器原理简介

3.5传感器与微机接口技术

3.6智能检测系统第3章传感器及检测技术3.1传感器概述目前，人类已进入了科学技术空前发展的信息社会时代。在这个瞬息万变的信息社会里，传感器为人类敏感地检测出形形色色的有用信息，充当着电子计算机、智能机器人、自动化设备、自动控制装置的“感觉器官”。如果没有传感器将各种各样的形态各异的信息转换为能够直接检测的信息，现代科学技术将是无法发展的。显而易见，传感器在现代科学技术领域占有极其重要的地位。3.1.1传感器的概念传感器最早来自“感觉”一词。人用眼睛看，可以感觉到物体的开关、大小和颜色；用耳朵听，可以感觉到声音；用鼻子嗅，可以感觉气味。这种视觉、听觉、味觉和触觉是人感觉外界刺激所必须具备的感官，它们就是天然的传感器。3.1.1传感器的概念通常传感器又称为变换器、转换器、检测器、敏感元件、换能器和一次仪表等。这些不同的提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用不同的技术术语而已。如从仪器仪表学科的角度强调，它是一种感受信号的装置，所以称为“传感器”；从电子学的角度，则强调它是能感受信号的电子元件，称为“敏感元件”，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等；在超声波技术中，则强调的是能量转换，称为“换能器”，如压电式换能器。这些不同的名称在大多数情况下并不矛盾，譬如，热敏电阻既可以称为“温度传感器”，也可以称为“热敏元件”。1.传感器的定义传感器是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。应当指出，这里所谓的“可用信号”是指便宜于处理、传输的信号。一般为电信号，如电压、电流、电阻、电容、频率等。社会进步到今天，人们周围使用着各种各样的传感器，如电冰箱、微波炉、空调机有温度传感器；电视机有红外传感器；录像机和摄像机有湿度传感器、光传感器；液化气灶有气体传感器；汽车有速度、压力、湿度、流量、氧气等多种传感器。这些传感器的共同特点是利用各种物理、化学、生物效应等实现对被检测量的测量。1.传感器的定义在传感器中包含着两个必不可少的概念：一是检测信号；二是能把检测的信息变换成一种与被测量有确定函数关系的而且便于传输和处理的量。例如，传声器（话筒）就是这种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电信号；气体传感器感受空气环境中气体尝试的变化；电感式位移传感器能感受位移量的变化，并把它们转换成相应的电信号。传感器的优劣，一般通过若干性能指标来表示。除了在一般检测系统中所用的特征参数如灵敏度、线性度、分辨率、准确度、频率特性等特性外，还常用阀值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性以及与环境相关的参数、使用条件等。1）阀值：即零位附近的分辨力，也就是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值。2）漂移：指一定时间间隔内传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。包括有零点漂移与灵敏度漂移。3）过载能力：指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。2.传感器的性能参数及要求4）稳定性：指传感器在具体时间内仍保持其性能的能力5）重复性：指传感器输入量在同一方向做全量程内连续重复测量所得输出/输入特性曲线不一致的程度。产生不一致主要原因是传感器的机械部分不可避免地存在着间隔、摩擦及松动等。6）可靠性：通常包括工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压等指标。7）传感器工作要求：主要要求有高精度、低成本、高灵敏度、稳定性好、工作可靠、抗干扰能力强、动态特性良好、结构简单、使用维护方便、功耗低等。

2.传感器的性能参数及要求3.传感器的标定与校准

(1)传感器的标定标定是指利用标准设备产生已知非电量（标准量），或用基准量来确定传感器输出电量与非电输入量之间关系的过程。工程测试中传感器的标定在与其使用条件相似的环境状态下进行，并将传感器所配用的滤波器、放大器及电缆等和传感器连接后一起标定。标定时应按传感器规定的安装条件进行安装。1）标定系统的组成：一般由被测非电量的标准发生器，被测非电量的标准测试系统，待标定传感器所配接的信号调节器和显示器、记录器等组成。

3.传感器的标定与校准2）静态标定：指输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线，标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态指标。3）动态标定：用于确定动态性能指标。通过确定其线性工作范围（用同一频率不同幅值的正弦信号输入传感器，测量其输出）、频率响应函数、幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线来确定传感器的频率响应范围、幅值误差和相位误差、时间常数、阻尼比、固有频率等。

（2）传感器的校准传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可以继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确保传感器的测量精度的过程，称为传感器的校准。校准与标定的内容是基本相同的。3.1.2传感器的分类传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种分类方法。常用的分类方法有：1．按被测量分类:被测量的类型主要有：①机械量，如位移、力、速度、加速度等；②热工量，如温度、热量、流量（速）、压力（差）、液位等；③物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等；④状态参量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。2．按测量原理分类:按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、超声波等传感器。现有传感器的测量原理都是基于物理、化学和生物等各种效应和定律，这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。3．按信号变换特征分类1）结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换。例如，电容式传感器依靠极板间距离的变化引起电容量的改变。2）物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号的变换。例如水银温度计是利用水银热胀冷缩现象测量温度；压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现测量等。4．按能量关系分类1）能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。如热电偶、光电池等，这种类型传感器又称为有源传感器。2）能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如电阻式、电感式等传感器，这种类型的传感器必须由外部提供激励源（电源等），因此又称为无源传感器。5．按工作原理分类（1）电学式传感器电学式传感器是非电量测量技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。电涡流式传感器是利用金属在磁场中运动切割磁力线在金属内形成涡流的原理制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。（2）磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。（3）光电式传感器光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。（4）电势型传感器电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。（5）电荷传感器电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。（6）半导体传感器半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。（7）谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。（8）电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化，直接把光信号转换成电信号输出；后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类，当有压力作用到弹簧管时，弹簧管产生形变，传感器再把变形量转换为电信号输出。图3-1示出了这两类传感器的转换框图。图3-13.1.3传感器的应用随着电子计算机、生产自动化、现代信息、军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、遥感、宇航等科学技术的发展，对传感器的需求量与日俱增，其应用已渗入到国民经济的各个部门以及人们的日常生活之中。可以说，从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到人们日常生活的衣食住行，都离不开各种各样的传感器，传感技术对国民经济的发展日益起着巨大的作用。1．传感器在工业检测和自动控制系统中的应用在石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业中，传感器在各自的工作岗位上担负着相当于人们感觉器官的作用，它们每时每刻地按需要完成对各种信息的检测，再把大量测得的信息通过自动控制、计算机处理等进行反馈，用以进行生产过程、质量、工艺管理与安全方面的控制。2．传感器与家用电器传感器已在现代家用电器中得到普遍应用，譬如，在电子炉灶、自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电熨斗、电风扇、游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、照像机、电冰箱、彩色电视机、录像机、录音机、收音机、电唱机及家庭影院等方面都得到了广泛应用。3．汽车与传感器传感器在汽车上的应用已不只局限于对行驶速度、行驶距离、发动机旋转速度以及燃料剩余量等有关参数的测量。由于汽车交通事故的不断增多和汽车对环境的危害，传感器在一些新的设施，如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等都得到了实际应用。可以预测，随着汽车电子技术和汽车安全技术的发展，传感器在汽车领域的应用将会更为广泛。4.传感器在医疗及人体医学上的应用应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉波及心音、心脑电波等进行高准确度的诊断。5．传感器与环境保护环球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境，这一现状已引起了世界各国的重视。为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。6．传感器与航空及航天为了解飞机或火箭的飞行轨迹，并把它们控制在预定的轨道上，就要使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量。要了解飞行器飞行的方向，就必须掌握它的飞行姿态，飞行姿态可以使用红外水平线传感器陀螺仪、阳光传感器、星光传感器及地磁传感器等进行测量。3.1.4传感器的发展趋势传感器技术是一项新兴的高技术，是电子信息产业中的基础行业。传感器是新技术革命和信息化社会的重要技术基础，美国早在20世纪80年代就声称世界已进入传感器时代，成立了国家技术小组，帮助政府组织和领导各大公司与研究部门的传感器技术开发工作。日本则把传感器技术列为十大技术之一。日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。世界技术发达国家对开发传感器技术都十分重视。美、日、英、法、德和独联体等都把传感器技术列为国家重点开发的关键技术之一。我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发，我国为了满足对传感器的需求，国家先后制订了有关传感器产业的一系列方针政策，这些政策有力地促进了传感器技术水平的提高和发展，在国民经济建设各个领域，特别是满足军事装备和重点工程需求方面起到日益重要的作用。传感器的发展趋势1.将采用系列高新技术设计开发新型传感器l)微电子机械系统（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）技术、纳米技术将高速发展，成为新一代微传感器、微系统的核心技术，是21世纪传感器技术领域中带有革命性变化的高新技术。2）发现与利用新效应，比如物理现象、化学反应和生物效应，发展新一代传感器。3）加速开发新型敏感材料，微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批先进传感器。4）空间技术、海洋开发、环境保护以及地震预测等都要求检测技术满足观测研究宏观世界的要求。细胞生物学、遗传工程、光合作用、医学及微加工技术等又希望检测技术跟上研究微观世界的步伐。它们对传感器的研究开发提出许多新的要求，其中重要的一点就是扩展检测范围，不断突破检测参数的极限。5）提高传感器的性能。检测技术的发展，必然要求传感器的性能不断提高。2.传感器的微型化与微功耗各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好。微传感器的特征之一就是体积小，其敏感元件的尺寸一般为微米级，是由微机械加工技术制作而成的，包括光刻、腐蚀、淀积、键合和封装等工艺。利用各向异性腐蚀、牺牲层技术和LIGA工艺，可以制造出层与层之间有很大差别的三维微结构。这些微结构与特殊用途的薄膜和高性能的集成电路相结合，已成功地用于制造各种微传感器乃至多功能的敏感元件阵列（如光电探测器等），实现了诸如压力、力、加速度、角速率、应力、应变、温度、流量、成像、磁场、温度、pH值、气体成分、离子和分子浓度以及生物传感器等。3.传感器的集成化与多功能化传感器的集成化一般包含两方面含义。其一是将传感器与其后级的放大电路、运算电路、温度补偿电路等制成一个组件，实现一体化。与一般传感器相比，它具有体积小、反应快、抗干扰、稳定性好等优点。其二是将同一类传感器集成于同一芯片上构成二维阵列式传感器，或称面型固态图像传感器，可用于测量物体的表面状况。传感器的多功能化是与“集成化”相对应的一个概念是指传感器能感知与转换两种以上的不同物理量。4.传感器的智能化智能传感器技术是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、微电子学和材料科学互相结合的综合密集型技术。智能传感器与一般传感器相比具有自补偿能力、自校准功能、自诊断功能、数值处理功能、双向通信功能、信息存储记忆和数字量输出功能。随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强，它利用人工神经网、人工智能和信息处理技术（如传感器信息融合技术、模糊理论等）使传感器具有更高级的智能，具有分析、判断、自适应、自学习的功能，可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。它可充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并对内部行为进行调节，使采集的数据最佳。5.传感器的数字化随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是单一的模拟信号，而是经过微电脑处理好的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。随着计算机的飞速发展以及单片机的日益普及，世界进入了数字时代，人们在处理被测信号时首先想到的是电脑（单片机或计算机），具有输出信号便于电脑处理的传感器就是数字传感器。数字传感器的特点是：①数字传感器将模拟信号转换成数字信号输出，提高了传感器输出信号抗干扰能力，特别适用于电磁干扰强、信号距离远的工作现场；②软件对传感器线性修正及性能补偿，减少系统误差；③一致性与互换性好。图3-2为数字化传感器的结构框图。模拟传感器产生的信号经过放大、转换、线性化及量纲处理后变成纯粹的数字信号，该数字信号可根据要求以各种标准的接口形式（如232、422、485、USB等）与中央处理机相连，可以输出线性无漂移地再现模拟信号，按照给定程序去控制某个对象（如电动机）等。图3-26.传感器的网络化传感器网络化是传感器领域发展的一项新兴技术。传感器网络化是利用TCP/IP协议，使现场测控数据就近接入网络，并与网络上有通信能力的节点直接进行通信，实现数据的实时发布和共享。由于传感器的自动化、智能化水平的提高，多台传感器联网已推广应用，虚拟仪器、三维多媒体等新技术开始实用化，因此，通过Internet网，传感器与用户之间可异地交换信息和浏览，厂商能直接与异地用户交流，能及时完成如传感器故障诊断、软件升级等工作，传感器操作过程更加简化，功能更换和扩张更加方便。传感器网络化的目标是采用标准的网络协议，同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机地结合起来。敏感元件输出的模拟信号经AD转换及数据处理后，由网络处理装置根据程序的设定和网络协议（TCP/IP）将其封装成数据帧，并加以目的地址，通过网络接口传输到网络上。反过来，网络处理器又能接收网络上其它节点传给自己的数据和命令，实现对本节点的操作，这样传感器就成为测控网中的一个独立节点。网络化传感器的基本结构如图3-3所示。图3-33.2传感器的组成和结构传感器是一种以一定精度把被测量（主要是非电量）转化为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置。传感器的这一描述确立了传感器的基本组成及其结构。3.2.1传感器的组成当前，由于电子技术、微电子技术、电子计算机技术的迅速发展，使电学量具有了易于处理、便于测量等特点，因此传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还加上辅助电源，其典型组成如图3-4所示。图3-4传感器的基本组成1．敏感元件敏感元件（SensitiveElement）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。2．转换元件转换元件（TransductionElement）是传感器的核心元件，它以敏感元件的输出为输入，把感知的非电量转换为电信号输出。转换元件本身可作为一个独立的传感器使用。这样的传感器一般称为元件传感器。元件传感器的结构如图3-5所示。例如电阻应变片在作应变测量时，就是一个元件式传感器，它直接感受被测量——应变，输出与应变有确定关系的电量——电阻变化。图3-5元件式传感器转换元件也可不直接感受被测量，而是感受与被测量成确定关系的其它非电量，再把这一“其它非电量”转换为电量。这时转换元件本身不作为一个独立的传感器使用，而作为传感器的一个转换环节。而在传感器中，尚需要一个非电量(同类的或不同类的)之间的转化环节。这一转换环节，需要由另外一些部件（敏感元件等）来完成，这样的传感器通常称为结构式传感器。图3-6所示。传感器中的转换元件决定了传感器的工作原理，也决定了测试系统的中间变换环节。敏感元件等环节则大大扩展了转换元件的应用范围。在大多数测试系统中，应用的都是结构式传感器。图3-6结构式传感器3.变换电路变换电路（TransductionCircuit）将上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）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。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换，较为复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。3.2.2传感器的结构形式传感器的结构形式取决于传感器的设计思想；而传感器设计的一个重要点是选择信号的方式，把选择出来的信号的某一个方面性能在结构上予以具体化，以满足传感器的技术要求1．选择固定信号方式的传感器直接结构固定信号方式是把被测量以外的变量固定或控制在某个定值上，以金属导线的电阻为例，电阻是金属的种类、纯度、尺寸、温度、应力等的函数。如仅选择根据温度产生的变化作为信号时就可制成电阻温度计；如果选择尺寸或应力而变化作为信号时就可制成电阻应变片。显然，对于确定的金属材料，在设计温度计时要防止应力带来的影响；在设计应变片时要防止温度变化带来的影响。如果在测试中，控制前者的应力和后者的温度，则为选择固定的信号方式。3.2.2传感器的结构形式选择固定的信号方式的传感器采用直接结构形式。这种传感器是由一个独立的传感元件和其它环节构成，直接将被测量转换为所需输出量。直接式传感器的构成方法如图3-7所示。图3-7直接式传感器的构成方法图3-7（a）是仅有传感元件的最简单的一种，如热电偶和压电元件；图3-7（b）是使用电源提供输出能量，如光敏晶体管；3-7（c）是利用磁铁为传感元件提供能量，如磁电式传感器；而霍尔传感器则是（b）（c）两种情况的结合。图3-7（d）所示的传感元件是阻抗元件，输入信号改变其阻抗值，为得到具有能量的输出信号，必须设计包括元件在内的变换电路（实际环节也可归入中间变换电路），如具有电桥电路的电阻应变传感器等。2．选择补偿信号方式的传感器补偿结构大多数情况下，传感器特征要到周围环境和内部各种因素的影响，在这些影响下不能忽略时，必须采取一定措施，以消除这些影响。在设计某些传感器时，面临两种变量，一个需要的被测量，另一个是不希望出现而又存在的某种影响量（通常称为干扰量）。假设被测量和影响量都起作用时的变化关系为第一函数，仅仅是影响量起作用时的变化关系为第二函数。对于被测量来说，如果影响量的作用效果是叠加的，则可取两函数之差；如果影响量的作用效果是乘积递增，则可取两函数之商，即可消除影响量的影响，这种信号方式称为补偿方式。实际补偿信号方式的传感器结构是补偿式结构，如图3-8所示。图3-8补偿式传感器的构成方法3．选择差动式信号方式的传感器差动结构使被测量反向对称变化，影响量同向对称变化，然后取其差，就能有效地将被测量选择出来，这就是差动方式。图3-9所示为实现差动方式的传感器差动式结构的构成方法。其结构特点是把输入信号加在原理和特征一样的两个传感元件上，但在变换电路中，是传感元件的输出对输入信号（被测量）反向变换，对环境、内部条件变化（影响量）同向变换，并且以两个传感元件输出之差为总输出。从而有效地抵消环境、内部条件变化带来的影响。4．选择平均信号方式的传感器平均结构平均信号方式来源于误差分析理论中对随机误差的平均效应和信号（数据）的平均处理，在传感器结构中，利用n个相同的转换元件同时感受被测量，则传感器的输出为各元件输出之和，而随机误差则减小为单个元件的。采用平均结构的传感器有光栅、磁栅、容栅、感应同步器等，带有弹性敏感元件的电阻应变式传感器作力、压力、扭矩等量的测试时，也多粘贴多枚电阻应变片，在具有差动作用的同时，具有明显的平均效果。平均结构的传感器不仅有效的采用平均信号方式，大幅度降低测试误差，而且可弥补传感器制造工艺缺陷所带来的误差，同时还可以补偿某些非测量载荷的影响。5.选择平衡信号方式的传感器闭环结构一般由敏感元件、转换元件组成的传感器均属于开环式传感器。这种传感器和相应的中间变换电路、显示分析仪器等构成开环测试系统。在开环式传感器，尽管可以采用补偿、差动、平均等结构形式，有效地提高自身性能，但仍然存在两个问题：第一，在开环系统中，各环节之间是串联的，环节误差存在累积效应。要保证总的测试准确度，需要降低每一环节的误差，因此提高了对每一环节的要求。第二，随着科技和生产的发展，对传感器技术提出了更高的要求，传感器乃至整个测试系统的静态特性、动态特性、稳定性、可靠性等同时具有较高性能，而采用开环系统很难满足这一要求。依据测量学中的零示法测量原理，选择平衡信号方式，采用环式传感器结构，可有效的解决上述问题。闭环传感器采用控制理论和电子技术中的反馈技术，极大地提高了性能。同开环传感器相比较，闭环传感器在结构上增加了一个由反向传感器构成的反馈环节，其原理结构如图3-10所示。依据测量学中的零示法测量原理，选择平衡信号方式，采用环式传感器结构，可有效的解决上述问题。闭环传感器采用控制理论和电子技术中的反馈技术，极大地提高了性能。同开环传感器相比较，闭环传感器在结构上增加了一个由反向传感器构成的反馈环节，其原理结构如图3-10所示。图3-103.3检测技术基础自动检测技术是一门以研究检测系统中信息提取、转换及处理的理论和技术为主要内容的应用技术学科。在信息社会的一切活动领域，检测是科学地认识各种现象的基础性方法和手段。检测技术是多学科知识的综合应用，涉及半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术，以及数理统计、控制论、信息论等近代新技术和新理论。3.3.1检测系统概述检测是人类认识物质世界、改造物质世界的重要手段。检测技术的发展标志着人类的进步和人类社会的繁荣。现代工业、农业、国防、交通、医疗、科研等各行业，检测技术的作用越来越大，检测设备就像神经和感官，源源不断地向人们传输各种有用的信息。检测的自动化、智能化归功于计算机技术的发展。微处理器芯片使传统的检测技术采用计算机进行数据分析处理成为现实。微电子技术，特别是微计算机技术的迅猛发展，使检测仪器在测量过程自动化、测量结果的智能化处理和仪器功能仿真化等方面都有了巨大的进展。从广义上说，自动检测系统包括以单片机为核心的智能仪器、以PC核心的自动测试系统和目前发展势头迅猛的专家系统。现代检测系统应当包含测量、检验、故障诊断、信息处理和决策输出等多种内容，具有比传统的“测量”远远丰富的范畴，是现代检测系统模仿人类专家信息综合处理能力的结晶。现代检测系统充分开发利用计算机资源，在人工最少参与的条件下尽量以软件实现系统功能，一般具有以下一些特点。1.测量过程软件控制自动检测系统可实现自稳零放大、自动极性判断、自动量程切换、自动报警、过载保护、非线性补偿、多功能测试和自动回巡检测。由于有了计算机，这些过程可采用软件控制，测量过程的软件控制可以简化系统的硬件结构，缩小体积，降低功耗，提高检测系统的可靠性和自动化程度。2.智能化数据处理智能化数据处理是智能检测系统最突出的特点。计算机可以方便、快捷地实现各种算法。因此，智能检测系统可用软件对测量结果进行及时、在线处理，提高测量精度。3.高度的灵活性智能检测系统以软件为工作核心，生产、修改、复制都较容易，功能和性能指标更改方便。而传统的硬件检测系统，生产工艺复杂，参数分散性较大，每次更改都牵涉到元器件和仪器结构的改变。4.实现多参数检测与信息融合智能检测系统配备多个测量通道，可以有计算机对多路测量通道进行高速扫描采样。因此，智能检测系统可以对多种测量参数进行检测。在进行多参数检测的基础上，依据各路信息的相关特性，可以实现智能检测系统的多传感器信息融合，从而提高检测系统的准确性、可靠性和可容错性。5.测量速度快高速测量是智能检测系统追求的目标之一。所谓检测速度，是指从测量开始，经过信号放大、整流滤波、非线性补偿、A/D转换、数据处理和结果输出的全过程所需的时间。目前高速A/D转换的采样速度为200MHz以上，32位PC机的时钟频率也在500MHz以上。随着电子技术的迅猛发展，高速显示、高速打印、高速绘图设备也日趋完善。这些都为智能检测系统的快速检测提供了条件。6.智能化功能强以计算机为信息处理核心的智能检测系统具有较强的智能功能，可以满足各类用户的需要。典型的智能功能有：1）检测选择功能。智能检测系统能够实现量程转换、信号通道和采样方式的自动选择，使系统具有对被测对象的最优化跟踪检测能力。2）故障诊断功能。智能检测系统结构复杂，功能较多，系统本身的故障诊断尤为重要。系统可以根据检测通道的特征和计算机本身的自诊断能力，检查各单元故障，显示故障部位、故障原因和应该采取的故障排除方法。3）其它智能功能。智能检测系统还可以具备人机对话、自校准、打印、绘图、通信、专家知识查询和控制输出等智能功能。3.3.2检测的基本概念现代检测就是借助专用的手段和技术工具，通过实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，求出两者的比值，从而得到被测量数值大小的过程。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的信息，都要通过传感器转换为容易传输、处理的电信号。在工程实践和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌握各种消息，大多数情况下是要获取被测对象信息的大小，即被测量的大小。这样，信息采集的主要含义就是测量并取得测量数据。测量结果可用一定的数值表示，也可用一条曲线或某种图形表示；但无论其表现形式如何，测量结果应包括两部分，即比值和测量单位。确切地讲，测量结果还应包括误差部分。实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。3.3.3检测技术分类1．按测量过程的特点分类（1）直接测量法在使用仪表或传感器进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需结果的测量方法称为直接测量。例如，用磁电式电流表测量电路的某一支路电流、用弹簧管压力表测量压力等，都属于直接测量。直接测量的优点是测量过程既简单又迅速，缺点是测量精度不高。1）偏差法。用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值的测量方法称为偏差测量。在测量时，插入被测量，按照仪表指针在标尺上的示值决定被测量的数值。这种方法测量过程比较简单、迅速，但测量结果精度较低。2）零位法。用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用巳知的标准量决定被测量的值，这种测量方法称零位测量。在测量时，已知的标准量直接与被测量相比较，已知量应连续可调，指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等。3）微差法。微差法测量是综合了偏差法测量与零位法测量的优点而提出的一种测量方法。它将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法测得此差值。应用这种方法测量时，不需要调整标准量，而只需测量两者的差值。微差法测量的优点是反应快，而且测量精度高，特别适用于在线控制参数的测量。（2）间接测量法在使用仪表或传感器进行测量时，首先对与测量有确定函数关系的几个量进行测量，将被测量代入函数关系式，经过计算得到所需要的结果，这种测量称为间接测量。间接测量测量手续较多，花费时间较长，一般用于直接测量不方便或者缺乏直接测量手段的场合。（3）组合测量法组合测量是一种特殊的精密测量方法。被测量必须经过求解联立方程组，才能得到最后结果，将这样的测量称为组合测量。组合测量操作手续复杂，花费时间长，多用于科学实验或特殊场合。2．按测量的精度因素分类1）等精度测量法：用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量，称为等精度测量。2）非等精度测量法：用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量，称为非等精度测量。3．按测量仪表特点分类1）接触测量法：传感器直接与被测对象接触，承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得其信号，并测量其信号大小的方法。2）非接触测量法：传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化并测量其信号大小的方法。4．按测量对象的特点分类1）静态测量法：静态测量是指被测对象处于稳定情况下的测量，此时被测对象不随时间变化，故又称为稳态测量。2）动态测量法：动态测量是指被测对象处于不稳定情况下进行的测量，此时被测对象随时间而变化，因此，这种测量必须在瞬间完成，才能得到动态参数的测量结果。3.3.4检测系统组成1．检测系统构成在工程中，需要由传感器与多台仪表组合在一起，才能完成信号的检测，这样便形成了一个检测系统。检测系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机结合。图3-11表示检测系统原理结构框图。数据传输模块用来传输数据。数据处理模块用于将传感器输出信号进行处理或变换。数据显示模块将被测量信息变换成人感官能接受的形式，以达到监视、控制或分析的目的。2．开环检测系统和闭环检测系统1）开环检测系统：开环检测系统的全部信息变换只沿着一个方向进行，如图3-12所示。其中为输入量，为输出量。、、为各个环节的传递系数，采用开环方式构成的检测系统，结构较简单，但各环节特性的变化都会造成测量误差。2）闭环检测系统：闭环检测系统是在开环系统的基础上加了反馈环节，使得信息变换与传递形成闭环，能对包含在反馈环内的各环节造成的误差进行补偿，使得系统的误差变得很小。图3-12开环检测系统框图3.4典型传感器原理简介传感器的种类很多，现就几种典型的传感器介绍其简单工作原理，如电阻式传感器等。3.4.1电阻式传感器

电阻式传感器是一种把被测参量转换为电阻变化的传感器。常用的电阻式传感器有电位器式、电阻应变式、热敏效应式等类型的电阻传感器。应变式电阻传感器是一种利用电阻应变效应，由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。将应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件感受到外力、位移、加速度等参数的作用时，弹性敏感元件产生应变，再通过粘贴在上面的电阻应变片将其转换成电阻的变化。通常，它主要由敏感元件、基底、引线和覆盖层等组成。其核心元件是电阻应变片（敏感元件），主要作用是实现应变—电阻的变换。根据敏感元件材料与结构的不同，应变片可分为金属电阻应变片和半导体式应变片。

1．金属电阻应变片（1）金属电阻应变片的结构和类型目前，常用的金属电阻应变片主要有金属丝式应变片、箔式应变片及金属薄膜应变片等结构形式。金属电阻应变片的基本结构如图3-13所示，它由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成。敏感栅可由金属丝、金属箔制成，它是转换元件，被粘贴在基底上。用粘合剂粘贴在传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端的引线起连接测量导线之用。图3-13应变式电阻传感器的结构原理示意图（图中1.敏感栅；2.基底；3.引线；4.盖层；5.粘贴剂）（2）金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。下面介绍应变片电阻变化与应变的关系。金属导体的电阻R为：（3-2）如果对电阻丝长度作用均匀应力，则导线电阻的相对变化为：2.半导体应变片根据其制造工艺及安装方法不同，可分为体型、薄膜型、扩散型。1）体型半导体应变片：它也是一种粘贴式应变片，所使用的粘贴技术与金属应变片相同，但半导体应变片较脆、易损坏。体型半导体应变片又分为一般型、温度自补型、灵敏度补偿型、高阻型、超线性型、P-N组合型等不同特点的应变片。2）扩散型半导体应变片：它是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带绝缘层的基底上制成的，也是一种粘贴式应变片。其灵敏系数、温度系数与电阻温度系数较其他类型半导体应变片低，使用温度范围为-150～200℃。3）扩散型半导体应变片：它是在半导体材料硅的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻而构成的。它具有稳定性好、机械滞后、蠕变小等特点。但其线性度较金属与体型的差，灵敏系数、温度系数与体型相同，较金属和薄膜型大。3.4.2压电式传感器压电式传感器是以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传感器，它既可以把机械能转化为电能，也可以把电能转化为机械能。这样的特性使其可用于跟力有关的物理量的测量，如力、压力、加速度、机械冲击和振动等，也可用于超声波的发射与接受装置。压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度和精确度高等特点，随着目前与其配套的后续仪器，如电荷放大器等技术的日益提高，这种传感器在声学、医学、力学、宇航等方面越来越得到广泛的应用。压电式传感器的工作原理是基于某些材料的压电效应。1.压电效应某些物质，当沿着一定方向受到压力或者拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生符号相反的电荷；当外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态；当受力方向变化时，电荷的极性也随着变化。我们把这种现象称为压电效应。相反，如果把这些物质置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，我们把这种由于电场作用导致物质发生形变的现象称为逆压电效应（也称电致伸缩效应）。这种具有压电效应的物质我们称为压电材料或压电元件，常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。2.压电式传感器当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面上出现等量的正、负电荷，晶体片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板之间的物质相当于电容极板间的介质，因而压电晶体片在工作时就等效于一只平行板介质电容，如图3-15所示。图3-15压电式传感器等效电路如果施加于晶体片上的外力不变，晶体片两表面上的电荷又无泄漏，那么当外力继续作用时，电荷数保持不变，而在外力作用消失时，电荷也随之消失。故压电式传感器在工作时可以等效为一个与电容并联的电荷源（如图3-16（a）所示）；同时压电式传感器也可看成为一个电压源（如图3-16（b）所示）。图3-16

实际压电式传感器中，往往采用两片或两片以上的具有相同性能的压电晶体片粘贴在一起使用，由于压电晶体片有电荷极性，因而接法有串联和并联两种，我们这里以两片为例对其串联和并联进行分析，如图3-17所示。图3-17压电晶体片串联和并联接法3.4.3磁电式传感器磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、速度等）转换成电信号的一种传感器，也称为电磁感应传感器。根据电磁感应定律，当匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内会产生感应电动势为：

（3-11）可见，线圈中感应电动势的大小跟线圈的匝数和穿过线圈的磁通变化率有关。一般情况下，匝数是确定的，而磁通变化率与磁场强度

、磁路磁阻

、线圈的运动速度

有关，故只要改变其中一个参数，都会改变线圈中的感应电动势。根据结构方式的不同，磁电式传感器通常分为动圈式和磁阻式两大类.1.动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器又可分为线速度型与角速度型。图3-18表示线速度型传感器工作原理。在永久磁铁产生的恒定磁场内，放置一个可动线圈，当线圈沿磁场方向做直线运动时，线圈相对于磁场的运动速度为，它所产生的感应电动势为：

2.磁阻式磁电传感器

磁阻式磁电传感器跟动圈式磁电式传感器不一样，在工作的时候它的线圈与磁铁部分是相对静止的，由与被测量连接的物体（导磁材料）的运动来改变磁路的磁阻，从而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。磁阻式磁电传感器一般常用于测量转速、偏心、振动等。以产生的感应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率，其工作原理及应用如图3-20所示。如图3-20（a）可测旋转物体的角频率，在圆轮旋转时，圆轮上的凸处的位置发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而引起贯穿线圈的磁通量发生变化，其产生的交变电势的频率为：（a）测角频率（b）测转速（c）测偏心（d）测振动图3-20磁阻式传感器工作原理与应用测频率光纤传感器（FiberOpticalSensor，FOS）是基于光导纤维的新型传感器。光导纤维是70年代发展起来的一种新兴的光电子技术材料。到目前为止，光纤技术主要用于光纤通信、直接信息交换、把待测的量和光纤内的导光联系起来，形成光纤传感器。光纤传感器目前已经广泛应用于磁、声、压力、温度、加速度、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量，其种类达到了数百种。光纤传感器的应用，解决了以前认为难以解决，甚至不能解决的技术难题。本节介绍其中几种典型的光纤传感器。1.光纤的结构和导光原理（1）光纤的结构光导纤维，简称光纤，是一种用于传输光信息的多层介质结构的对称圆柱体，其基本结构包括纤芯、包层和涂敷层等，如图3-21所示。3.4.4光纤传感器（2）光纤的导光原理根据几何光学理论，当光线以某一较小的入射角，由折射率较大的光密物质射向折射率较小的光疏物质时，一部分入射光以折射角折射入光疏物质，其余部分以角度反射回光密物质，根据光的折射定律，光折射和反射之间关系为当光线的入射角增大到某一角度时，透射入光疏物质的光线的折射角，折射光沿界面传播，称此时的入射角为临界角，大于临界角入射的光线在介质交界面全部被反射回来，即发生光的全反射现象。其中，说明临界角仅与介质的折射率之比有关。

利用光的全反射原理，只要让射入光纤端面的光线与光轴的夹角小于一定值，使得光纤中的光线发生全反射时，则光线就射不出光纤的纤芯（纤芯折射率>包层折射率），如图3-22所示。图3-22光在光纤中的全反射2.光纤传感器基本原理及类型（1）光纤传感器基本原理光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。由于光纤既是一种电光材料，又是一种磁光材料，即同电和磁存在着某些相互作用的效应，可以说光纤兼具“传”和“感”两种功能。（2）光纤传感器的类型按照光纤在传感器中的作用，光纤传感器可以分为两大类：一类是导光型，也称非功能型光纤传感器，简称NFF型传感器；另一类是传感型，或称功能型光纤传感器，简称FF型传感器。前者多数使用多模光纤，后者常使用单模光纤。在导光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，不是敏感元件，即只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能是依靠其他物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件，调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。导光型光纤传感器又分为两种。一种是将敏感元件置于发射、接收的光纤中间，在被测对象参数的作用下，或使敏感元件遮挡光路，或使敏感元件的光透过率发生某种变化，这样受光的光敏元件所接收的光