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12015年—2016年度第1学期课程名称：现代检测技术专业：控制工程研究生姓名：陈俊亚学号：2016232011任课教师姓名：冯晓明2第一部分：现代检测技术的内容一、概述随着现代科学技术的不断发展、社会的日益进步，现代化生产的规模越来越大，管理的形式和方式趋于多样性，管理也更加科学，人们对产品的产量和质量的要求也越来越高，这就导致常规的检测参数、检测手段、检测仪表难以满足现代生产和生活的需求。从一般的单参数测量到相关多参数的综合自动检测，从一般的参数量值测量到参数的状态估计，从确定性测量到模糊的判断等，已成为当前检测领域中的发展趋势，正受到越来越广泛的关注，从而形成了各种新的检测技术和新的检测方法，这些技术和方法统称为现代检测技术。二、传感器的基本原理及检测技术的特点利用某种转换功能，将物理的、化学的、生物的等外界信号变成可直接测量的信号的器件称为传感器。由于电信号易于放大、反馈、滤波、微分、存储和远距离传输，加上计算机只能处理电信号，所以，从狭义上说，传感器又可以定义为可唯一而重视性好的将外界信号转换成电信号的元器件；从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为：①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。检测技术的特点可以归纳为：(1)从待测参数的性质看，现代检测技术主要用于非常见的参数的测量，对于这些参数的测量目前还没有合适的传感器对应，难以实现常规意义的“一一对应”的测量；另一种情况是待测参数虽已有传感器，但测量误差比较大，受各种因素的影响比较大，不能满足测量要求。(2)从应用的领域看，现代检测技术主要用于复杂设备、复杂过程的影响性3能质量等方面的综合性参数的测量，如高速运动机械的故障分析、油品质量的检测、多相流系统中的流动参数的测量等。对于这样的被测对象或测量要求，很难用单一传感器来完成。(3)从使用的技术或方法看，现代检测技术主要利用了新型的传感技术或传感器。更多的利用了软技术，即通过对传感器输出的信号进行处理得到特征量；通过建立传感器的输出与待测量之间的模型；通过应用专业知识、数据库、规则等进行推理，根据被测量的信息获取待测量。三、现代检测中传感器的应用及检测系统性能评价现代检测之中，应用到的传感器有各式各样的，各种功能应有尽有，其中最为普遍的要数光电传感器、温度传感器以及光纤传感器，下面就着重介绍下面几种种传感器及检测系统评价指标。3.1、光电传感器光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。现如今，应用最为广泛的要数发光二极管（LED）了，LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。再比如将接收器的放大器调制到发射器的调制频率，那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。将收音机调到某台，就可以忽略其他的无线电波信号。经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相当于收音机。3.2、温度传感器温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义.测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。目前，新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。温度测量应用非常广泛，不仅生4产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等，温度是实际应用中经常需要测试的参数，温度传感器从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。3.3、光纤传感器光纤传感器OFS在应用上分为传光型的和传感型的，顾名思义，前一种就是起到传输光的作用，传感元件要与光纤连在一起；后一种就是既有传输光的作用，又有传感作用。因为光纤传感器作为传感用有很多的应用，比如抗腐蚀，抗电磁干扰等，可以在复杂恶劣的环境下使用。作为传感用的光纤，原理上就是通过对传输光的偏振，强度，相位，波长，周期，频率等进行调制，通过检测器获得调制结果而进行传感的器件。因为当外界的环境变化时，比如说温度，应力、磁、声、压力、温度、加速度等都会对光纤的折射率分布等一些构造产生微小的影响，导致传输光的特性发生改变，通过探测这些改变而得到外界的变化，起到传感作用。至于应用方面就很广泛了，几乎可以应用到现在大多数电学传感器应用的领域了，比如安防，围界安全，输油管道安全实时监控等，其应用前景非常广泛。3.4、电阻式传感器电阻式传感器是通过转换元件将被测量转变为电阻值，通过转换电路将电阻值转化为电信号，通过测量电信号达到测量非电量的问题。结构：由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。电阻式传感器具有结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等特点。但是它受环境条件如温度等影响较大，有分辨率不高等不足之处。电阻式传感器的分类：电位器式传感器是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为和它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件，成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件；应变片式传感器的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化；气敏和湿敏电阻传感器是一种把气体中的特定成分或水蒸气检测出来造成半导体阻值变化的电阻传感器。3.5、电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应原理将被测量的变化转换为线圈的自感或互感变化的器件。常用来测量位移、压力、流量、比重等。优点是结构简单、灵敏度高、输出电阻小、输出功率大、抗干扰能力强，缺点是不宜快速动态测5量。3.6、电容式传感器电容式传感器是一种将被测量的变化转化为电容量变化的器件。常用来测量位移、压力、加速度、液位、振动和湿度等。优点是结构简单体积小、测量精度高，可实现非接触测量，能在高温、辐射、振动等恶劣条件下工作。电容式传感器与电阻式、电感式等传感器相比有如下一些优点：(1)高阻抗、小功率,因而所需的输入力很小，输人能量也很低。电容式传感器因带电极板间静电引力极小(约几个10-5N)，因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏,分辨力非常髙，能感受0.001μm甚至更小的位移。(2)温度稳定性好。传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，对稳定性影响甚微。(3)结构简单，适应性强，待测体是导体或半导体均可,可在恶劣环境中工作。电容式传感器结构简单,易于制造,可做得非常小巧，以实现某些特殊的测量;能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，也能对带有磁性的工件进行测量。(4)动态响应好。由于极板间的静电引力很小，可动部分做得很小很薄，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量，如测量振动、瞬时压力等。(5)可以实现非接触测量，具有平均效应。例如非接触测量回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应，可以减小工作表面粗糙等对测量的影响。3.7、检测系统性能评价检测系统的特性是指检测系统与其输入、输出的关系。根据输入信号是否随时间变化，检测系统的基本特性可分为静态特性和动态特性。（1）静态特性在被测量的各值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。静态性能指标分为迟滞、重复性、线性度、精度、稳定性和漂移；（2）动态特性是指在动态测1量时，输出量和随时间变化的输入量之间的关系。动态性能指标分为响应时间、响应频率和工作频率。6四、信号调理电路4.1、电桥测量电桥的特点：(1)能把电阻、电容、电感等电抗参数的变化，变换成电压或电流的变化，便于信号的放大和处理。(2)能测量出微弱的阻抗变化量。(3)可以通过采用对称差动式传感器结构组成差动半桥或全桥来实现非线性误差的补偿，并提高电桥输出的灵敏度。1）直流电桥（以平衡直流电桥为例）特点：(1)响应速度慢，只适用于缓慢变化信号的检测。(2)测量精度高，其精度取决于电位器的精度。(3)输出与供桥电源电压无关，可避免由于电源电压的不稳定而带来的干扰。2）交流电桥交流电桥是测量各种交流阻抗的基本仪器，如电容的电容量，电感的电感量等。此外还可利用交流电桥平衡条件与频率的相关性来测量与电容、电感有关的其他物理量，如互感、磁性材料的磁导率、电容的介质损耗、介电常数和电源频率等，其测量准确度和灵敏度都很高，在电磁测量中应用极为广泛。74.2、信号放大电路放电电路具有如下特征：①稳定而足够的放大倍数；②高输入阻抗以与传感器的输出阻抗匹配；③高共模抑制比以抑制共模干扰；④低输入失调电压和电流、低温漂和低噪声1、直流放大电路2、交流放大电路引入深度电压并联负反馈后，放大电路的增益为：12RRuuAiou12RRAu321RRuuAiou82、放大电路应用实例高精度压力放大电路光敏信号放大电路4.3、信号转换电路这种电路是指将电压、电流、电阻和频率等各类信号进行相互转换的电路4.4、滤波电路滤波电路（也称滤波器）就是一种选频装置，可使信号中特定的频率成分通过，而极大的衰减其他频率成分。滤波电路的功能是：①滤除测试系统中由于各种原因引入的噪声和干扰；②滤除信号调制过程中的载波等无用信号；③用于分离各种不同的频率信号，提取感兴趣的频率成分；④对系统的频率特性进行补偿。1、滤波器的基本参数1）增益A0：指通带内的幅频特性的幅值2）通带截止频率fp：fp=ωp/2π为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益9下降到一个人为规定的下限。3）阻带截止频率fr：fr=ωr/2π为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。4）转折频率fc：fc=ωc/2π为信号增益下降了3dB时的频率，常作为截止频率。5）带宽B：两截止频率之间的频率范围。即低通和高通滤波器B=fc，带通和带阻滤波器B=fc2-fc1。6）品质因数Q：对于带通和带阻滤波器来说，Q=f0/B。越大，则滤波器的选择性越好。7）倍频程选择性：指在fc2与2fc2之间，或在fc1与fc1/2之间，幅频特性的衰减值，用dB表示。它反映了滤波器对通频带以外的频率成分的衰减能力。2、无源滤波器无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器分为无源RC低通滤波器、无源RC高通滤波器、无源RC带通滤波器。3、有源滤波器有源电力滤波器（ActivePowerFilter，简称APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。分为二阶有源低通滤波器、二阶有源高通滤波器、二阶有源带通滤波器。4、滤波器的应