ch1-传感与检测技术-概述.ppt

1、传感与检测技术Sensor 测是量化待测量的信号。 工程中，检测和测量被视为同义词或近义词。 测试技术：带试验性质的测量，泛指测量和试验两方面的技术，包含测试过程中所涉及的测试理论、方法、设备等。,28,例：空调机测量控制室温,1.2 传感器与检测的基本概念,空气,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, 热敏电阻, 电信号, 处理, 显示,空调机,传感器、检测仪器、检测装置、检测系统,检测过程：,信号采集、信号处理、信号显示、信号输出,检测器具：,被测信息：(对象的属性、量值),物理量（光、电、力、热、磁、声、）,化学量（PH、成份）,

2、生物量（酶、葡萄糖、）, ,被测对象：,宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）,检测对象与信息,29,1.2 传感器与检测的基本概念,传感器的相关概念 国家标准GB76652005的定义： 传感器(Sensor/Transducer)是指能感受被测量并按一 定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件 和转换元件组成。 定义的内涵： 传感器是测量装置，能完成测量/检测任务。 输入量是某一被测量，可能是物理量或化学量、生物量等。 输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这 种量可以是气、光、电物理量，但主要是电信号。 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,30,

3、1.2 传感器与检测的基本概念,传感器的相关概念 从三个方面理解与把握传感器： 作 用测量； 工作机理敏感元件，传感器技术的核心，研究、 设计、制作(还应包含选择)传感器的关键； 输出信号适于测量的电信号。 传感器的基本作用： 功 用: 一感二传，感受被测信息并传送。 基本作用：体现在测量或检测上。测量是应用传感器的 目的，也是学习本课程的目的。,31,1.3 传感器的组成与分类,1. 传感器的组成 1) 系统构成：敏感元件 + 转换元件 + 基本转换电路 （有时还包括供电的辅助电源）,传感器是功能器件（Function Device）。 敏感元件(Sensing Element)：直接感受(

4、响应)外部信息的部分; 转换元件(Transduction Element)：能将感受到的被测非电量转换 为电量的部分; 当传感器的输出为标准信号时称为变送器(Transmitter)。,传感器的基本组成图,辅助电源,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,敏感元件,32,1.3 传感器的组成与分类,1. 传感器的组成 2) 转换/信号调理(signal conditioning)电路 (1)将敏感或转换元件的输出电信号转换为适于传送、显示 或记录的信号，满足后续电路或装置的输入要求。 (2)实现输出信号标准化的重要环节与基础，也是应用难点。 (3)常用电路： 信号放大、电平调整、线性化、滤波、

5、阻抗匹配、 调制/解调、形式变换等 注：信号调理电路与检测电路的界限并不很清楚，有时合二为一，如将电阻电压转换电路，电阻、电感的检测电路归为信号调理电路。,33,1.3 传感器的组成与分类,1. 传感器的组成 3) 传感器构成特点 可简单、可复杂，视要求而定。 最简的传感器仅由一个敏感元件(兼转换元件)，如热电偶；有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需转换电路，如压电加速度传感器；有些需要经过若干转换元件的转换。 系统结构上，传感器大多是开环，也有些是闭环。,34,1.3 传感器的组成与分类,2. 传感器的分类 原因：实际要测的量(变量)与其他量总存在一定的相关性(物理 的、化学的）。 一种

6、被测量可用不同传感器测量； 同一原理的传感器通常可测量多种非电量。 益处：有助于从总体认识和掌握传感器的原理、性能、特点。 例： 按可变电参量大类中的阻抗形式 分类有：电阻型、电容型、； 按产生变化量纲分类有：电压型、 电荷型或电流型。 益处：类别减少，能直接研究设计 相关信号转换调节器。,常见物理量的分类,35,1.3 传感器的组成与分类,36,1.4 检测系统的一般构成,存储显示分析监控判断决策,一个完整的检测系统除检、测功能外，还有对检测过程的操控、数据的传输与分析处理等环节，一般构成如下。其中，信号是信息的载体。,接口总线,37,力 位移 速度 加速度 压力 流量 温度,电阻式 电容式

7、 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,1.4 检测系统的一般构成,检测系统组成结构与对应的内容、型式、部件、装置、设备示意图,38,1.5 传感与检测技术的主要研究内容,1）发现和应用新的测量原理以及新材料、新工艺，从 事相应传感器的开发研究； 2）选择合适的测量原理，确定测量方法； 如：电测法和非电测法、直接测量

8、与间接测量、 绝对测量与相对测量、开环测量与闭环测量等。 3）设计或选用各类装置组成测试系统； 4）测量数据的分析处理，得出符合客观实际的结论。,39,1.6 检测方法分类,1）直接测量 -绝对测量、相对测量 间接测量 2) 开环测量与闭环测量 3) 方法：偏差法、零位法、微差法,40,1.6 检测方法分类,1) 直接测量与间接测量,直接测量：直接将被测量与标准量进行比较,标准量,标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、） 绝对测量,定值标准量（如某一固定尺寸） 相对测量,41,1.6 检测方法分类,- 绝对测量：,采用仪器、设备手段测量被测量，直接得到测量值,测量结果：20.1 mm,- 相对测

9、量：,将被测量直接与基准量比较，再测所得偏差值,特点：简单、直观、明了； 测量精度不高。,基准量：20.00 mm,测量值：+0.08 mm,结 果：20.08 mm,特点：精度高；复杂、成本高、要求高,1) 直接测量与间接测量,42,1.6 检测方法分类,间接测量:,如测导线的导电率 ：,测量与被测量有一定函数关系的参量，再通过计算获得被测量。,1) 直接测量与间接测量,43,1.6 检测方法分类,2) 开环测量与闭环测量,开环测量：,反馈测量：,特点：简单、直观、明了； 测量精度不高,特点：精度高；复杂、成本高、要求高,44,1.6 检测方法分类,3) 偏差法、零位法和微差法,偏差法：,零

10、位法：,利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量数值,利用指零机构的作用，使被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值。,微差法：,偏差法和零位法的结合,思考：杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？,45,1.7 传感器与检测技术的发展状况,1. 传感器技术的发展状况 (1)新材料、新功能的开发与应用 敏感材料是基础，新材料或新工艺带来新的功能或特点！ (2)多功能、集成化和微型化 多功能化：单个传感器实现多参数测量，例：“电子鼻”？ 集成化：将同类的单个敏感器件集成为阵列，或将传感、调 理、补偿及信号处理电路一体化集成。例：？ 微型化：以IC制造技术发展起来的MEMS工艺，使敏感结构 尺寸达微米、亚微米级，并可批量生产。例：？ 可集中体现到微型化或集成器件中！ (3) 智能化、网络化 (4) 仿生,46,七、传感器与检测技术的发展状况,2. 检测技术的发展状况 1) 提高检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性 （检测能力向两级发展：） 2)利用新技术新原理研