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1、自动检测技术及仪表,Test & Measurement Technologyand Automation Instruments,CISTBUCT 2012,第部分基础知识,第二章检测元件 与检测技术,传感技术基础原理 一般检测变换方法,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 检测元件的分类、命名和表示 传感技术 自然规律、基础效应 检测装置 信号变换方法简单变换、差动变换、参比变换、平衡反馈变换,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 检测元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量对象的部分。 在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转换成电量，往往是将被测

2、量先变换为另一种易于变成电量的非电量，然后再转换成电量。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 检测元件是仪表、检测系统的关键，决定了可测参数、被测量的可测范围、测量准确度、仪表的使用条件等。 敏感性：对被测量的敏感性 适用范围：环境温度、压力、外加电源等 测量范围：被测量不超过敏感元件规定的测量范围 输出特性：输出与被测量之间有明确的单调关系 其它：价格、易复制性、安全性、易安装等,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 特性,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按输入量（被测对象）分类 按转换原理分类 按输出信号的形式分类 按输入和输出的特性分类 按能量转换的方式分

3、类 按材料分类,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按输入量（被测对象）分类 物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器 物理量传感器又可分为：温度传感器、压力传感器、位移传感器、 等等。 这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据被测对象选择所需要的传感器。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。 物性型传感器 复合型传感器,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换

4、原理分类 结构型传感器 物性型传感器利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等）来实现非电量转换的。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。 复合型传感器,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器 物性型传感器 复合型传感器由结构型传感器和物性型传感器组合而成的，兼有两者的特征。例如，电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏传感器等等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器 物性型传感器 复合型传感器 这种分类方法清楚地指明了传感器的原理，便

5、于学习和研究。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按能量转换的方式分类 有源型和无源型 有源型：也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电式、光电池、热电偶等。 无源型：也称能量控制型、能量传输型或参数型，它把非电量变成电抗（电阻、电容、电感）等，或将被测电量传输至检测装置。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按输出信号的形式分类 开关式、 模拟式和数字式 按输入和输出的特性分类 线性和非线性,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 无机材料检测元件 半导体材料检测元件 陶瓷材料检测元件 高分子材料检

6、测元件 纳米材料检测元件 智能材料检测元件,检测元件 无机材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 半导体检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 半导体检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 陶瓷材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 陶瓷材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 高分子材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 高分子材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 高分子材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分

7、类 纳米材料检测元件气敏材料,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 智能材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 智能材料检测元件记忆合金压电材料,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 智能材料检测元件记忆合金压电材料光纤传感器MEMS/MOEMS,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 国标 GB7666 由“主题词四级修饰语”组成，即主题词传感器。 一级修饰语被测量， 包括修饰被测量的定语。 二级修饰语转换原理， 一般可后续以“式”字。 三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件以及其它必要

8、的性能特征，一般可后续以“型”字。 四级修饰语主要技术指标，如量程、精确度、灵敏度范围等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 运用命名法时应注意 使用场合不同，修饰语的排序亦不同 在有关传感器的统计报表、图书检索及计算机文字处理等场合，传感器名称应采用正序排列。 传感器一级修饰语二级修饰语三级修饰语四级修饰语。示例：“传感器、位移、应变计式、100 mm”,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 运用命名法时应注意 使用场合不同，修饰语的排序亦不同 在技术文件、产品说明书、学术论文、教材、书刊等的陈述句中，传感器名称应采用反序排列 四级修饰语三级修饰语二级修饰语一级修

9、饰语传感器示例：“100mm应变计式位移传感器”“100160dB电容式声压传感器”,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 运用命名法时应注意 使用场合不同，修饰语的排序亦不同 传感器（主称） 四级修饰语组成全称。在实际运用中，可根据产品具体情况省略任何一级修饰语。但国标规定，传感器作为商品出售时，第一级修饰语不得省略。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的表示 从电路角度考虑，敏感元件就是信号(或信息)源。 对于大多数传感器，它都可以用具有两端口或四端口特征的电气元件足够精确地进行描述。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的表示 与传统的信息技术中常见的两端口或四

10、端口元件相比，唯一的区别是敏感元件的特性依赖于物理的或化学的环境变量。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则 基础效应 热电效应、光磁电效应、磁效应、压电效应、应变效应、电涡流效应、超导效应、集肤效应、多普勒效应、物理现象等,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 守恒定律 包括能量、动量、电荷量等守恒定律。 这些定律是分析、研制新型传感器时必须严格遵守的基本法则。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 场的定律 动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的位置及分布状态有关。 一般

11、可由物理方程给出，这些方程可作为许多传感器工作的数学模型。例如，利用静电场制成的电容式传感器，利用电磁感应定律可制成的电感（自感或互感）式传感器等等。 利用场的定律制成，可统称为结构型传感器。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 物质定律 表示各种物质本身内在性质的定律（如虎克定律、欧姆定律），通常以这种物质所固有的物理常数加以描述，其大小决定着传感器的主要性能。半导体物质法则：压阻、热阻、光阻、湿阻等效应，可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件；压电晶体物质法则：压电效应，可制成压电式传感器等等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 统计法则

12、将微观系统与宏观系统联系起来的物理法则，这些法则常常与传感器的工作状态有关。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 热电效应 塞贝克效应：热电势（温度电），热电偶 珀尔帖效应：接触电势（温度电），半导体制冷 汤姆逊效应：温差电势（温差电） 热电子发射效应：热电子，红外成像,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 光磁电效应 光电子发射效应：外光电效应（光电），光电二极管、光电倍增管及紫外线传感器等。 光电导效应：内光电效应（光电阻），光敏电阻。 光伏特效应：内光电效应（光电），光电池、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。,TMT&AI 检测元件与检测技术

13、,传感技术基础 基础效应 光磁电效应 光的热电效应：热释电（热电），红外人体传感器 塞曼效应：光通过磁场时光谱离散（光磁光谱） 拉曼效应：单色光照射物质时发出不同光谱（光光） 泡克尔斯效应：光通过压电晶体时分成正常和异常光线（光电光）,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 光磁电效应 克尔效应：光通过各种同性物质并在垂直方向加电压时分成正常和异常光线（光电光） 法拉第效应：线偏振光通过磁性物质时偏振面旋转（光磁电）,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 磁效应 霍尔效应：电流流过导体并在与电流垂直的方向加磁场时在垂直方向产生电势的现象（磁电电），磁敏二极

14、管、磁敏三极管等。 磁阻效应：导体在磁场中电阻增加的现象（磁电电阻），磁敏电阻、磁头等。 磁致伸缩效应：强磁体加磁场时产生变形（磁机械）,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 压电效应 压电效应是指强介质加压力时的极化现象，可产生电位差（压力电），超声波换能器。 多普勒效应 当声源、光源及微波等波源与观测者之间有相对运动时，观测到的频率发生谱移的现象（运动频率）,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 物理现象 热传导现象：热力学第一定律（热物性），热敏电阻气体传感器、干湿球湿度传感器等。 热辐射现象：物体温度升高时产生光（电磁波）辐射的现象（温度光），辐

15、射高温计、红外探测等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 总结 有源检测元件（释能型检测元件） 电信号：电压、电流、电荷 光信号：强度 磁信号 无源检测元件（耗能型检测元件） 电参数：电阻、电容、电感（自感、互感） 光参数：强度、频率、相位、偏振 传输型检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 检测装置的误差来源 检测元件灵敏度、测量范围、输入输出特性、稳定性等等。 其它组成部分通过误差分析，进行针对性的设计，可以大大减小各部分的误差。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 检测装置的误差来源 检测元件内

16、部产生的噪声以及电源产生的噪声。如光电真空管放射不规则电子，半导体载流子扩散等产生的噪声。降低元件的温度可减小热噪声，对电源变压器采用静电屏蔽可减小交流脉动噪声等。 从外部混入的躁声，按其产生原因可分为机械噪声（如振动，冲击）、音响噪声、电磁噪声和化学噪声等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 检测装置的误差来源 检测元件内部产生的噪声以及电源产生的噪声。 从外部混入的躁声，按其产生原因可分为机械噪声（如振动，冲击）、音响噪声、电磁噪声和化学噪声等。对振动等机械噪声可采用防振台或将传感器固定在质量很大的基础台上加以抑制；消除音响噪声的有效办法是把传感器放入隔音器中或放在真空容器里；消

17、除电磁噪声的有效办法是屏蔽和接地或使传感器远离电源线，或使输出线屏蔽，输出线绞在一起等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 改善检测装置的技术途径 结构、材料与参数的合理选择 差动技术、平均技术 稳定性处理 屏蔽、隔离与干扰抑制 零示法、微差法与闭环技术 补偿与校正 集成化、智能化与信息融合,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 一般信号变换结构 简单变换 差动变换 参比变换 平衡反馈变换,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 简单变换 直接式：敏感元件直接将被测量转换为电信号。 间接式：敏感元件先将被测量转换为可利用的中间参量，通过转换元件再将其转换为电信号。,TMT&

18、AI 检测元件与检测技术,检测装置 简单变换 直接式 间接式常用到的中间参量及转化元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 简单变换 属于串联型仪表。由误差合成理论，仪表的误差是各个环节误差之和。环节越多，仪表的准确度越低。 当组成仪表的环节中有一个是非线性的，则仪表也具有非线性特性，若多个环节具有非线性特性，一般情况下将使仪表的非线性更严重。 信息能量传递效率低，需要考虑阻抗匹配。 结构简单、工作可靠、价格低廉、应用广泛。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 差动变换 使用两个性能相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，将其转换为性质相同、但方向相反的两个物理量。,TMT&AI

19、 检测元件与检测技术,检测装置 差动变换 若两个转换元件的输出为其中，x1为被测量，x2为干扰量。计算差动输出的变化量，略去二次以上的高阶量，有,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 差动变换 对于简单变换的情况，有（略去了二次以上的高阶量）,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 差动变换 差动变换与简单直接式变换相比 有效输出信号提高了一倍，信噪比提高了 非线性特性有所改善，解决非零输出初始值问题 若转换元件的特性可表示为干扰量的影响可以完全消除,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 差动变换 差动变换的转换元件内部噪声略有增加 但由电源引入的噪声无法得到改善（始终同方向、相关） 敏感元件的非线性特性无法得到改善（属于串联型仪表） 如果转换元件的特性为其非线性特性也得不到改善 差动敏感元件在大多数情况下难以实现,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 参比变换 使用两个性能相同的敏感元件，其中一个感受被测量和干扰量，另一个仅感受干扰量。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 参比变换 两个转换元件的输出为若敏感元件的特性可表示为则,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 参比变换 两个转换