第1章检测技术绪论

1、检测技术检测技术电气与信息工程学院自动化教研室32102013年9月饶激云 l周杏鹏周杏鹏 教授，教授， 博士生导师博士生导师东南大学检测技术与自动化装置研究东南大学检测技术与自动化装置研究所所长所所长检测技术与自动化装置学科带头人检测技术与自动化装置学科带头人东南大学教学委员会委员东南大学教学委员会委员国家精品课程国家精品课程检测技术检测技术课程负责课程负责人人江苏省智能化仪器专业委员会主任江苏省智能化仪器专业委员会主任国家一级核心期刊国家一级核心期刊测控技术测控技术编委编委国务院学位办学位授权通信评审、人国务院学位办学位授权通信评审、人事部博士后基金评审、教育部博士点基事部博士后基金评审、

2、教育部博士点基金评审、教育部推荐国家科学技术进步金评审、教育部推荐国家科学技术进步奖评审专家奖评审专家教材：教材：参考资料一：参考教材：1.传感器原理与应用 黄贤武主编 电子科技大学出版社2.传感器与检测技术（第2版）徐科军主编 电子工业出版社二：精品课程：1.上海交通大学：http:/ http:/2仪表技术与传感器仪表技术与传感器 http:/www.i-3传感器世界传感器世界 http:/4中国传感器中国传感器 http:/5传感器技术传感器技术 http:/www.sensor-621IC中国电子网中国电子网 http:/7传感技术学报网传感技术学报网 http:/8 中国传感器科技网

3、中国传感器科技网 http:/web.sensor-:8000/index.htm课程内容：课程内容： 本课程主要介绍工业自动化、环境监测、本课程主要介绍工业自动化、环境监测、楼宇控制、交通、日常生活等领域中常见楼宇控制、交通、日常生活等领域中常见物理量（物理量（压力、应变、位移、速度、温度、压力、应变、位移、速度、温度、流量、物位等流量、物位等）的检测原理、方法和技术，）的检测原理、方法和技术，及这些方法和技术的特点、适用场合等。及这些方法和技术的特点、适用场合等。学习方法：学习方法： 检测技术是一门与材料科学、微电子技术、信息检测技术是一门与材料科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发展

4、的学科。学习时既要掌技术密切相关的快速发展的学科。学习时既要掌握常用传感器原理及测试电路，更要侧重于实际握常用传感器原理及测试电路，更要侧重于实际应用，不受教材局限。应用，不受教材局限。 本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的专业基础课，具有很强实践性。学习时应充分利专业基础课，具有很强实践性。学习时应充分利用网络相关资源及课程所开设实验。用网络相关资源及课程所开设实验。第一章第一章 绪论绪论 l绪论绪论11 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用12 现代检测系统的组成现代检测系统的组成13 现代检测系统的分类现代检测系统的分类14 检测技术的

5、发展趋势检测技术的发展趋势1.1 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用1 检测的概念检测的概念 检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时实时或非实时地对一些参量进行地对一些参量进行定性检查和定量测量定性检查和定量测量。 2 检测与计量的不同检测与计量的不同 “计量计量”是指用精度等级更高的标准量具、器具或是指用精度等级更高的标准量具、器具或标准仪器，对被测样品、样机进行考核性质的测量标准仪器，对被测样品、样机进行考核性质的测量。特。特点：点：非实时非实时、离线

6、离线、标定标定。 “检测检测” 是是指在生产、实验等现场，利用某种合适指在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线在线、连续连续的测量。的测量。 3 检测的应用检测的应用检测技术与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个信息产业检测技术与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个信息产业的三大支柱。的三大支柱。检检测技术是自动化和信息化的测技术是自动化和信息化的基础基础与与前提前提。 1.1 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用应用领域主要有：应用领域主要有：石化行业的自动石化行业的自动化控制。化控制。如右图，有液位、如右图，有液

7、位、温度、压力等检测。温度、压力等检测。在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行在电力、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。小时在线监测系统。石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄露检测。扬子石化扬子石化50MW热电机组监测系统热电机组监测系统阳逻电厂阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统汽轮机组监测系统荆门电厂荆门电厂200MW机组监测系统机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息

8、实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢宝钢30KW以上风机监测系统以上风机监测系统宝钢精轧宝钢精轧F2轧机网络化监测系统轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹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武钢风机状态监测系统检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用 在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位. 离线检测：零件参数、尺寸与形位公差、品质参数离线检测：零件参数、尺寸与形位公差、品质参数 作用：现代工程装备中，作用：现代工程装备中，检测环节的成本约占检测环节的成本约占 5070%城市生活污水处理城市生活污水处理 主要有流主

9、要有流量检测和成分量检测和成分量检测。量检测。1.1 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用新型武器和装备的研制与测试新型武器和装备的研制与测试定位与导航定位与导航1.1 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用“阿波罗阿波罗10”：火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器，个传感器，神州飞船：神州飞船：185台（套）仪器装置台（套）仪器装置检测参数检测参数-加速度、温度、压力、加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、振动、流量、应变、 声学、声学、先进医疗检测仪先进医疗检测仪 成分量检测，成分量检测，可测试项目为生化、可测试项目为生化、离子检测、微免疫、

10、离子检测、微免疫、肿瘤标志物、毒品肿瘤标志物、毒品检测、同工酶测定、检测、同工酶测定、脂类、糖尿病诊断脂类、糖尿病诊断等等 。1.1 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用生活中化学成分的检测生活中化学成分的检测 利用化学反应机理检测成分，上图为利用化学反应机理检测成分，上图为酒精检测仪，右图为空气质量检测仪。酒精检测仪，右图为空气质量检测仪。1.1 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用防火防盗和见用电器安全检测防火防盗和见用电器安全检测 左图为漏电报警器，上图左图为漏电报警器，上图为烟雾报警器。为烟雾报警器。1.1 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用PC机中的测试技术应用机中的测

11、试技术应用鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器 声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电容传声器电容传声器声卡声卡:A/D卡卡 + D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服检测技术的作用和地位检测技术的作用和地位 科学研究的先行官科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说说“现代科学的进现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展步越来越依靠尖端仪器的发展” 俄国化学家门捷列夫指出俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始科学是从测量开始的的” 近近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得年来，与科学仪器密切相关的诺贝

12、尔奖获得者达者达38人人 军事战斗力军事战斗力 1991年海湾战争年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占精确制导炸弹和导弹占8% 2003年伊拉克战争年伊拉克战争 90% 1994年美国防部建立自动测试系统执行局年美国防部建立自动测试系统执行局立体作战立体作战涵盖涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空吃穿用、农轻重、海陆空 l11 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用12 现代检测系统的组成现代检测系统的组成13 现代检测系统的分类现代检测系统的分类14 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势1.2 现代检测系统的组成现代检测系统的组成1.2 现代检测系统的组成现代检测系统的组成由图可知：由图可知： 由由各

13、种各种传感器传感器将非电被测物理或化学成分将非电被测物理或化学成分参量转换成电参量信号，然后经参量转换成电参量信号，然后经信号调理信号调理（信（信号号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、转换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集数据采集、信号信号处理处理（处理器）后（处理器）后，进行，进行显示、显示、输出输出；加上系统所需的；加上系统所需的交、直流稳压电源和必交、直流稳压电源和必要的输入设备要的输入设备，便构成了一个完整的现代，便构成了一个完整的现代检测检测系统系统 。1.2 现代检测系统的组成现代检测系统的组成1 传感器传感器定义定义及作用及作用 传感器是检测系统与被测对象直接发生

14、联系传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件的器件或装置，有敏感元件和转换部分组成。或装置，有敏感元件和转换部分组成。 作用作用是感受指定被测参量的变化并按照一定是感受指定被测参量的变化并按照一定规律转换成一个相应的便于传递的规律转换成一个相应的便于传递的输出信号。输出信号。1.2 现代检测系统的组成现代检测系统的组成传感器传感器分类分类按被测参量分类按被测参量分类 ：温度传感器、湿度传感器、温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、荷重传感器等位移传感器、加速度传感器、荷重传感器等 。按传感器转换按传感器转换机理分类机理分类 ：电阻式、电容式、电电阻式、电容式、电感式、压电式、超

15、声波式、霍尔式等感式、压电式、超声波式、霍尔式等 。按输出信号分类按输出信号分类 ：模拟式传感器和数字式传感模拟式传感器和数字式传感器两大类器两大类 。1.2 现代检测系统的组成现代检测系统的组成传感器传感器性能要求性能要求准确性准确性 传感器的输出与输入关系必须是严格传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系的单值函数关系，最好是线性关系 ；稳定性稳定性 传感器的输入、输出的单值函数关系传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度而变化最好不随时间和温度而变化 ；灵敏度灵敏度 要求被测参量较小的变化就可使传感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号；器获

16、得较大的输出信号； 其他要求其他要求 耐腐蚀性要好、低能耗、输出阻抗耐腐蚀性要好、低能耗、输出阻抗小和售价相对较低等小和售价相对较低等 。1.2 现代检测系统的组成现代检测系统的组成2 调理调理电路电路 信号调理在检测系统中的作用是对传感器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输出的微弱信号进行检波检波、转换转换、滤波滤波、放大放大等，以方便检测系统后续处理或显示。等，以方便检测系统后续处理或显示。 对调理电路要求是：能准确转换、稳定放对调理电路要求是：能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；信噪比高，抗干扰性能大、可靠地传输信号；信噪比高，抗干扰性能要好。要好。1.2 现代检测

17、系统的组成现代检测系统的组成3 数据采集数据采集 数据采集的数据采集的作用是对信号调理后的连续模拟信号离散化并作用是对信号调理后的连续模拟信号离散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应转换成与模拟信号电压幅度相对应的数值信息的数值信息，同时把数据同时把数据及及时传递给微处理器时传递给微处理器或自动或自动存储。性能指标如下：存储。性能指标如下：输入模拟电压输入模拟电压信号范围信号范围 单位单位V；转换速度转换速度 单位单位次次/秒；秒；分辨率分辨率 以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征；以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征； 转换误差转换误差 实际实际转换数值与理想转换数值与理想A/D转

18、换器理论转换值之差。转换器理论转换值之差。1.2 现代检测系统的组成现代检测系统的组成4 信号处理信号处理 信号处理信号处理模块以模块以各种型号的单片机、微处理器各种型号的单片机、微处理器为核为核心，心，对高频信号和复杂信号的对高频信号和复杂信号的处理需处理需增加数据传输和运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（算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器（DSP）或直接采用工业控制计算机。或直接采用工业控制计算机。 除了以上比较核心的功能模块以外，作为一个完整除了以上比较核心的功能模块以外，作为一个完整的现在检测系统来说，还必须有的现在检测系统来说，还必须有信号显示信号显示、

19、信号输出信号输出、输入设备输入设备和和稳压电源稳压电源组成。组成。 1.2 现代检测系统的组成现代检测系统的组成 l11 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用12 现代检测系统的组成现代检测系统的组成13 现代检测系统的分类现代检测系统的分类14 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势1.3 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，现代检测系统随着科技和生产的迅速发展，现代检测系统(仪表仪表)的种类不断增加，其分类方法也很多，工的种类不断增加，其分类方法也很多，工程上常用的几种分类法如下程上常用的几种分类法如下 ：按被测参量分类按被测参量分类 按被测参量的检测转换方法

20、分类按被测参量的检测转换方法分类按使用性质按使用性质分类分类1.3 现代检测系统的分类现代检测系统的分类1 按按被测参量分类被测参量分类 电工量电工量 电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等；场强度、磁通密度等；热热工量工量 温度、热量、比热、热流、热分布、压力、压温度、热量、比热、热流、热分布、压力、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；机械机械量量 位移位移、形状，力、应力、力矩、重量、质量、形状，力、应力、力矩、重量、质量、转速、线速度、振动、加速度、噪声等；转速、线速度、振动

21、、加速度、噪声等；物性物性和成分量和成分量 气体气体成分、液体成分、固体成分、酸碱成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；光学光学量量 光强光强、光通量、光照度、辐射能量等；、光通量、光照度、辐射能量等；状态状态量量 颜色颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。表面质量等。1.3 现代检测系统的分类现代检测系统的分类2、按被测参量的检测转换方法分类按被测参量的检测转换方法分类电磁电磁转换转换 电阻式电阻式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感互

22、感式、式、电容式、电容式、阻抗式、阻抗式、磁电式、磁电式、 热电式、压电式、霍尔热电式、压电式、霍尔式、振频式、感应同步器、式、振频式、感应同步器、磁栅磁栅等；等；光电光电转换转换 光电式光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维式等；、激光式、红外式、光栅、光导纤维式等；其他其他能能/电转换电转换 声声/电转换、电转换、辐射能辐射能/电转换、电转换、化学能化学能/电电转换等转换等。1.3 现代检测系统的分类现代检测系统的分类3 按按使用性质分类使用性质分类 通常可分为标准表、实验室表和工业用表等三种通常可分为标准表、实验室表和工业用表等三种 。 “标准表标准表”是各级计量部门专门用于精确计量、校

23、准是各级计量部门专门用于精确计量、校准送检样品和样机的标准仪表。送检样品和样机的标准仪表。 “ 实验室表实验室表”多用于各类实验室中多用于各类实验室中，使用，使用环境条件环境条件较好，往往无特殊的防水、防尘措施。对于温度、相对较好，往往无特殊的防水、防尘措施。对于温度、相对湿度、机械振动等的允许范围也较小。湿度、机械振动等的允许范围也较小。 “工业用表工业用表”是长期使用于实际工业生产现场的检测是长期使用于实际工业生产现场的检测仪表与检测系统。仪表与检测系统。 1.3 现代检测系统的分类现代检测系统的分类 l11 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用12 现代检测系统的组成现代检测系统的组

24、成13 现代检测系统的分类现代检测系统的分类14 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势1.4 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势1.4 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势 传感器技术的主要发展动向，一是深入开传感器技术的主要发展动向，一是深入开展基础和应用研究，探索新现象、研发新型展基础和应用研究，探索新现象、研发新型传感器；二是研究和开发新材料、新工艺，传感器；二是研究和开发新材料、新工艺，实现传感器的集成化、微型化与智能化。实现传感器的集成化、微型化与智能化。探索新现象，研发新型传感器探索新现象，研发新型传感器 利用物理现象、化学反应和生物效应是各利用物理现象、化学反应和生物效应是各种

25、传感器工作的基本原理，因而探索和发现新种传感器工作的基本原理，因而探索和发现新现象与新效应是研制新型传感器的最重要的工现象与新效应是研制新型传感器的最重要的工作，亦是研制新型传感器的前提与技术基础。作，亦是研制新型传感器的前提与技术基础。 1.4.1 传感器的发展方向传感器的发展方向采用新技术、新工艺、新材料，提高现有传感采用新技术、新工艺、新材料，提高现有传感器的性能器的性能 采用新型的半导体氧化物可以制造各种气体传感器；采用新型的半导体氧化物可以制造各种气体传感器；采用特种陶瓷材料制作的压电加速度传感器其工作温度采用特种陶瓷材料制作的压电加速度传感器其工作温度可远高于半导体晶体传感器。而传

26、感器制造新工艺的发可远高于半导体晶体传感器。而传感器制造新工艺的发明与应用往往将催生新型传感器诞生，或相对原有同类明与应用往往将催生新型传感器诞生，或相对原有同类传感器可大幅度提高某些指标。传感器可大幅度提高某些指标。1.4.1 传感器的发展方向传感器的发展方向研究和开发集成化、微型化与智能化传感器研究和开发集成化、微型化与智能化传感器传感器集成化主要指：传感器集成化主要指：把同一功能敏感器件微型化、多敏感器件阵列化，排把同一功能敏感器件微型化、多敏感器件阵列化，排成一维的构成线型阵列传感器，排成二维的构成面型成一维的构成线型阵列传感器，排成二维的构成面型阵列传感器；阵列传感器；把传感器功能延伸至信号放大、滤波、线性化、电压把传感器功能延伸至信号放大、滤波、线性化、电压/电流信号转换电路等；电流信号转换电路等；把不同功能敏感器件微型化再组合构成能检测两个以把不