传感器与检测系统的分类

周杏鹏教授，博士生导师●东南大学检测技术与自动化装置研究所所长●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●国家精品课程《检测技术》课程负责人●江苏省智能化仪器专业委员会主任●国家一级核心期刊《测控技术》编委●国务院学位办学位授权通信评审、人事部博士后基金评审、教育部博士点基金评审、教育部推荐国家科学技术进步奖评审专家第一章绪论1.1传感器与检测技术的地位与作用1.2检测系统的组成1.3传感器与检测系统的分类1.4传感器与检测技术的发展趋势绪论1.1传感器与检测技术的地位与作用1.1.1传感器的定义传感器是能以一定精确度把某种被测量（主要为各种非电的物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换为（便于人们应用、处理）另一参量（通常为电参量）的器件或测量装置。传感器通常由敏感器件和转换器件组合而成。敏感器件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换器件通常是指将敏感器件在传感器内部输出转换为便于人们应用、处理外部输出（通常为电参量）信号的部分。1.1.2检测的概念检测是指在生产、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实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。1.1传感器与检测技术的地位与作用“计量”：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。特点：非实时、离线、标定。“检测”：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在线、连续的测量。检测与计量的不同1.1.3传感器与检测技术的地位与作用检测技术是自动化和信息化的基础与前提。应用领域主要有：石化行业的自动化控制。如右图，有液位、温度、压力等检测。1.1传感器与检测技术的地位与作用城市生活污水处理主要有流量检测、液位检测和成分量检测。1.1传感器与检测技术的地位与作用新型武器和装备的研制与测试定位与导航，图为中国研制的DF-21和雷达。1.1传感器与检测技术的地位与作用先进医疗检测仪成分量检测，可测试项目为生化、离子检测、微免疫、肿瘤标志物、毒品检测、同工酶测定、脂类、糖尿病诊断等。1.1传感器与检测技术的地位与作用生活中化学成分的检测利用化学反应机理检测成分，上图为酒精检测仪，右图为空气质量检测仪。1.1传感器与检测技术的地位与作用防火防盗和见用电器安全检测左图为漏电报警器，上图为烟雾报警器。1.1传感器与检测技术的地位与作用1.1传感器与检测技术的地位与作用1.2检测系统的组成1.3传感器与检测系统的分类1.4传感器与检测技术的发展趋势绪论1.2检测系统的组成由图可知：首先通常由各种传感器将非电被测物理或化学成分参量转换成电参量信号，然后经信号调理（包括：信号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集、信号处理后，进行显示、输出；加上系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备，便构成了一个完整的现代检测（仪器）系统。1.2检测系统的组成1.传感器传感器性能要求：准确性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；稳定性传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度而变化；灵敏度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；其他如耐腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积、售价等。1.2检测系统的组成1.2检测系统的组成温度传感器红外线传感器电磁流量计2.信号调理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检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。对信号调理电路的一般要求是：能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；信噪比高，抗干扰性能要好。1.2检测系统的组成1.2检测系统的组成单通道信号调理电路信号调理模块实物图3.数据采集数据采集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的数值信息，同时把数据及时传递给微处理器或自动存储。性能指标如下：输入模拟电压信号范围单位V；转换速度单位次/秒；分辨率以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征；转换误差实际转换数值与理想A/D转换器理论转换值之差。1.2检测系统的组成1.2检测系统的组成各类数据采集卡4.信号处理现代检测仪表、检测系统中的信号处理模块通常以各种型号的嵌入式微控制器、专用高速数据处理器（DSP）或为核心来直接采用工业控制计算机构建。1.2检测系统的组成1.2检测系统的组成DSP处理芯片基于ARM9核的嵌入式控制器5.信号显示检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的当前值后送至各自的显示器作实时显示，以及时知道被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况。显示器一般可分为指示式、数字式和屏幕式三种。1.2检测系统的组成1.2检测系统的组成指示式数字式屏幕式6.信号输出通常把测量值及时传送给监控计算机、可编程控制器（PLC）或其他智能化终端。检测仪表和检测系统的输出信号通常有4～20mA的电流模拟信号和脉宽调制PWM信号及串行数字通信信号等多种形式，需根据系统的具体要求确定。1.2检测系统的组成串口、网口信号输出8路电压信号输出1.2检测系统的组成7.输入设备输入设备用于输入设置参数，下达有关命令等。最常用的输入设备是各种键盘、拨码盘、条码阅读器等。通过网络或各种通信总线利用其他计算机或数字化智能终端，实现远程信息和数据输入的方式将会得到更多的应用。1.2检测系统的组成触摸屏键盘1.2检测系统的组成8.稳压电源由于工业现场通常只能提供交流220V工频电源或+24V直流电源，传感器和检测检测系统通常不经降压、稳压就无法直接使用；因此需根据传感器和检测检测系统内部电路实际需要，自行设计稳压电源。1.2检测系统的组成稳压电源1.2检测系统的组成1.1传感器与检测技术的地位与作用1.2检测系统的组成1.3传感器与检测系统的分类1.4传感器与检测技术的发展趋势绪论1.3传感器与检测系统的分类1.3.1传感器的分类传感器常见的分类方法如表1-1所示。1.3传感器与检测系统的分类1.按被测参量分类电工量电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等；热工量温度、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；机械量位移、形状，力、应力、力矩、重量、质量、转速、线速度、振动、加速度、噪声等；物性和成分量气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；光学量光强、光通量、光照度、辐射能量等；状态量颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。1.3传感器与检测系统的分类2.按被测参量的检测转换方法分类电磁转换电阻式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、霍尔式、振频式、感应同步器、磁栅等；光电转换光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维式等；其他能/电转换声/电转换、辐射能/电转换、化学能/电转换等。1.3传感器与检测系统的分类3按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。“标准表”：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。“实验室表”：多用于各类实验室中，使用环境条件较好，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。“工业用表”：是长期使用于实际工业生产现场的检测仪表与检测系统。1.3传感器与检测系统的分类1.1传感器与检测技术的地位与作用1.2检测系统的组成1.3传感器与检测系统的分类1.4传感器与检测技术的发展趋势绪论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。1.4.1传感器的发展方向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采用新技术、新工艺、新材料，提高现有传感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，或相对原有同类传感器可大幅度提高某些指标。1.4.1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；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；把不同功能敏感器件微型化再组合构成能检测两个以上参量的集成传感器。1.4.1传感器的发展方向微型化指：应用微米/纳米技术和微机械加工技术，制造微米级敏感元件。智能化指：制作带微处理器、可双向通信的传感器，除被测参量检测、转换和信息处理功能外，还具有存储、记忆、自补偿、自诊断和双向通信功能。1.4.1传感器的发展方向不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性突破超高温、超低温度、混相流量、脉动流量的实时检测、微差压、超高压在线检测、高温高压下物质成分的实时检测等难题。重视非接触式检测技术研究加快光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪表、核辐射检测仪表、红外检测与红外成像仪器等非接触检测技术的研究。检测系统智能化具有系统故障自测、自诊断、自调零、自校准、自选量程、自动测试和自动分选功能，数据处理，远距离数据通信，可方便接入不同规模的自动检测、控制与管理信息网络系统。1.4.2检测技术的发展趋势