第4章传感器与检测技术

第4章传感器与检测技术张凯博士教授计算机科学技术系电话：[phone]邮件：[e-mail]第4章传感器与检测技术4.1各种传感器4.2检测技术4.1各种传感器传感器（transducer/sensor）是一种物理装置，或生物器官，它能够探测感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度），或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。传感器在新韦式大词典中定义为：从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件。4.1.1各种传感器1.电阻式传感器电阻式传感器（resistancetypetransducer）是一种把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。4.1各种传感器它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器(见位移传感器)和锰铜压阻传感器等。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。电位器式传感器由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。4.1各种传感器2.电容式传感器电容式传感器（capacitivetypetransducer）是一种把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成电容器传感器的优点是结构简单，价格便宜，灵敏度高，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。4.1各种传感器3.电感式传感器电感式传感器（inductancetypetransducer）是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器具有以下特点：①结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。②灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。4.1各种传感器4.压电式传感器基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。5.光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。6.热电式传感器热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。4.1各种传感器7.气敏传感器气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。8.湿敏传感器湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，一种将环境湿度变换为电信号的装置，在工业、农业、气象、医疗以及日常生活等方面都得到了广泛的应用。4.1各种传感器9.磁场传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。10.数字式传感器数字式传感器（digitaltransducer）是把被测参量转换成数字量输出的传感器。它是测量技术、微电子技术和计算技术的综合产物，是传感器技术的发展方向之一。4.1.2新型传感器1.生物传感器生物传感器(biosensor)是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。4.1各种传感器2.微波传感器微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件。包括感应物体的存在，运动速度，距离，角度信息。其原理在于由发射天线发出微波，遇到被测物体时被吸收或反射，使功率发生变化3.超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。4.机器人传感器机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能，动作程序灵活，有一定程度的智能，在工作时可以不依赖人的操纵。4.2检测技术4.2.1检测技术概论检测技术，就是利用各种物理化学效应，选择合适的方法和装置，将生产、科研、生活中的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。4.2.2检测系统检测系统这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物。检测系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机组合。4.2检测技术另一方面，测量的可靠性也至关重要，不同场合、不同系统对测量结果可靠性的要求也不同。另一方面，测量的精度及可靠性等性能指标一定要与具体测量的目的和要求相联系、相适应。这样传感器的功能以及特点就能更好的发挥出来。4.2检测技术4.2.3自动化仪表1.定义自动化仪表，是由若干自动化元件构成的，具有较完善功能的自动化技术工具。它一般同时具有数种功能，如测量、显示、记录或测量、控制、报警等。自动化仪表本身是一个系统，又是整个自动化系统的一个子系统。4.2检测技术2.分类自动化仪表分类方法很多，可以根据不同原则进行相应的分类。①按仪表所使用的能源分类，可以分为气动仪表、电动仪表和液动仪表（很少见）；②按仪表组合形式，可以分为基地式仪表、单元组合仪表和综合控制装置；③按仪表安装形式，可以分为现场仪表、盘装仪表和架装仪表；④根据仪表有否引入微处理机（器）又可分为智能仪表与非智能仪表。根据仪表信号的形式可分为模似仪表和数字仪表。4.2检测技术3.发展历史仪器仪表的发展历史悠久。据《韩非子·有度》记载，中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器，称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。5.发展趋势自动化技术的发展趋势是系统化、柔性化、集成化和智能化。自动化技术同时不断提高了光电子、自动化控制系统、传统制造等行业的技术水平和市场竞争力。4.2检测技术自动化仪表发展趋势是：①由实现过程工艺参数的稳定运行发展为目标，以最优质量最优控制为指标。②控制方法由模拟的反馈控制发展为数字式的开环预测控制，由传统的手动定值调节器、PID调节器以及各种顺序控制装置，发展为以微型机构成的数字调节器和自适应调节器。4.2检测技术4.2.4虚拟仪器1.虚拟仪器虚拟仪器（virtualinstrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器结合的产物。这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。另一种是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。4.2检测技术与传统仪器相比，虚拟仪器（VirtualInstruments）是一种全新的仪器概念，是仪器与计算机深层次结合的产物。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。2.LabVIEWLabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它被广泛用于工业界、学术界和研究实验室的虚拟仪器设计，是一套标准的数据采集和仪器控制软件。4.2检测技术3.虚拟仪器分类虚拟仪器的发展可分为五种类型：(1)PC总线——插卡型虚拟仪器。这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合来实现虚拟仪器的功能。(2)并行口式虚拟仪器。这是一种连接到计算机并行口的测试装置，通过把仪器硬件集成在一个采集盒内、仪器软件驱动，可以完成各种测量测试仪器的功能。(3)GPIB总线方式的虚拟仪器。典型的GPIB系统由一台PC机、一块接口卡和可连接若干台仪器的电缆构成。4.2检测技术(4)VXI总线方式虚拟仪器。VXI总线是一种高速计算机VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。(5)PXI总线方式虚拟仪器。PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，包括多板同步触发总线技术，增加了多板发总线，以及使用于相邻模块高速通讯的局总线。台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成虚拟仪器平台。4.2检测技术4.虚拟仪器的发展过程(1)GPIB→VXI→PXI总线方式（适合大型高精度集成系统），其中GPIB于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。(2)PC插卡→并口式→串口USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景），其中PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。4.2检测技术5.虚拟仪器系统的结构原理虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。6.虚拟仪器的应用（1）虚拟仪器在测量方面的应用（2）虚拟仪器在电信方面的应用（3）虚拟仪器在监控方面的应用（4）虚拟仪器在检测方面的应用（5）虚拟仪器在教育方面的应用4.2检测技术7.虚拟仪器的展望虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、灵活，它已广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、机械工程、建筑工程、铁路交通生物医疗、教学及科研等诸多方面。虚拟仪器作为教学的新手段，已慢慢地走进了电子技术的课堂和实验室，正在改变着电子技术教学传统模式，这也是现代教育技术发展的必然。4.2检测技术此外，手持式、更轻便的小型化嵌入式PC(如PC104)及掌上电脑与DSP、ADDA、LCD、调理放大、电盘加软件组合的一体机也是一个未来发展方向，它使虚拟仪器更方便地深入到测试现场。虚拟仪器向节能省电、轻便、小型化发展也是一个方向。总之，虚拟仪器有很广阔的发展空间，并最终要取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为量、分析、控制、自动化仪表的核心。