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检测技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。一般来说，检测系统由：输入装置、中间变换装置、输出装置三个部分组成。如下图所示：（1）输入装置的关键部件是传感器，它将被测量（通常为非电量）转换为电量，负责采集信号的任务。（2）中间变换装置（信号处理电路）的主要作用是把传感器输出的电量变成具有一定功率的模拟电压（或电流）信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。（3）输出装置常见的有各种指示仪表、记录仪、显示器等。其主要作用是使人们了解检测数值的大小或变化过程。传感器的定义能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。①传感器是测量装置，能完成检测任务；②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。被测对象输入装置非电量中间变换装置输出装置电量有用电信号结构型传感器物性型传感器能量控制型传感器能量转换型传感器传感器的发展动向开发新型传感器开发新材料新工艺的采用集成化、多功能化智能化静态特性技术指标1．线性度2．灵敏度3、精确度4．迟滞5．重复性6.零点漂移7.温漂二、传感器的动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。（一）零阶传感器的数学模型第二章电阻式传感器电阻式传感器的工作原理1）应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。（3）主要特性①灵敏度系数当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。K为金属应变片的灵敏系数。应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。②横向效应4、温度误差及其补偿（1）温度误差因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：①应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；②电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。（2）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）①单丝自补偿应变片②双丝组合式自补偿应变片③电路补偿法3.2电容式传感器的测量电路3.4电容式传感器的应用油量测量湿度测量电容传声器指纹识别1.高频反射式电涡流传感器高频反射式涡流传感器多用于位移测量低频透射式电涡流传感器涡流式传感器的应用1．位移测量2．振幅测量3．厚度测量4．转速测量5.涡流探伤工作原理磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据法拉第电磁感应定律可知，当运动导体在磁场中切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，导体中的磁通量Φ发生变化，在导体中产生感生电动势e，当导体形成闭合回路就会出现感应电流。导体中感应电动势e的大小与回路所包围的磁通量的变化率成正比，则N匝线圈在变化磁场中感应电动势为：5.2磁电感应式传感器的类型按磁场方式分类，磁电感应式传感器分为变磁通式和恒定磁通式两大类，每类还有不同型式。5.3磁电感应式传感器的特性分析dtdNe磁电感应式传感器只适用于测量动态物理量，因此这种传感器主要考虑其动态性能。主要技术指标磁电感应式传感器的主要技术指标有输出电流I0、电流灵敏度Ki、输出电压U0，以及电压灵敏度KU。5.4磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器可用于速度、振动、扭矩、流量等参数的测量。对应的有（1）磁电感应式振动加速度传感器（2）磁电感应式转速传感器（3）磁电感应式扭矩仪（4）磁流量计（所测的流体应具有导电性，蒸馏水以及各种油类都不能使用）第6章压电式传感器6.1压电式传感器的工作原理6.2压电材料6.3压电式传感器的测量电路6.4压电式传感器的应用6.1压电式传感器的工作原理压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。（一）石英晶体的压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴（光线沿此轴射入晶体不会产生双折射，所以可用光学方法确定）；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴（沿该轴施加作用力时，在垂直于该轴面上得到的电荷最多，即压电效应最强）；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴（当电场作用在此轴方向时机械变形最为明显）。通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应（二）测量电路压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式：电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。1、电压放大器6.4压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（四）集成压电式传感器（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua第7章磁敏传感器一、霍尔效应置于磁场中的静止载流导体或半导体，当它的电流方向和磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电动势称霍尔电势，载流导体（多为半导体）称霍尔元件。霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受洛仑磁力作用发生横向漂移的结果。霍尔效应原理图+I+++++－－－－－－ＢLddUHLfEf若磁感应强度B的方向与霍尔片平面法线夹角为θ时，如P127，图8-2所示，此时实际作用于霍尔片的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcosθ，其霍尔电势为：UH＝KHIBcosθ注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。利用霍尔传感器制作的仪器优点：(1)体积小，结构简单、坚固耐用。(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍尔器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍尔器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。第8章热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电势”。热电势由两部分电势组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。由两种不同材料的导体组成一个回路，当两接点处的温度不同时，回路中将产生热电势。这个物理现象称为热电效应。结论：（1）热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。（2）如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同，回路中的总热电势仍为零。（3）如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，回路中也不产生热电势。二、热电偶基本定律(1)均质导体定律两种均质金属组成的热电极，其电势大小与热电极的直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成测量误差，因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要标志之一。如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两端温度相等，且接入导体是均质的，则无论接入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势大小。因此，可以将毫伏表接入热电偶回路，并保证两个节点温度一致，就可以对热电势进行测量，而不影响热电偶的输出。7.2热电偶冷端温度补偿原因：由热电偶测温原理知，只有当冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃条件下测得的，使用时必须满足T0＝0℃，否则会产生误差。在工程测温中，冷端温度常随环境温度的变化而变化，将引入测量误差，因此，必须采取修正或补偿措施。冰点槽法、计算修正法、补正系数法、冷端补偿器法、软件处理法8.2热电阻一、概述热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。1.优点：①测量精度高；②有较大的测量范围；－200～600℃③易于使用在自动测量和远距离测量中热电阻在温度t时的电阻值与R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种,它们的分度号分别为Pt10和Pt100,其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表,即Rt-t的关系表,这样在实际测量中,只要测得热电阻的阻值Rt,便可从分度表上查出对应的温度值。四、热电阻传感器应用内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。8.3热敏电阻温度传感器热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。一、热敏电阻的特点（1）灵敏度高；（2）体积小；（3）使用方便。热敏电阻的主要缺点：阻值与温度变化呈非线性关系，元件稳定性和互换性较差。第9章信号处理电路9.1信号放大电路信号放大电路是传感器信号处理电路最常用的电路。传感器的输出电压或电流一般都比较小，电压为微伏级或毫伏级，电流为微安级或毫安级。通常采用集成运算放大器（OperationAmplifier）构成放大电路。集成运算放大器是内部具有差分放大器的集成电路，有两个输入端和一个输出端，“+”端为同相输入端，表示输出信号与输入信号相位相同；“－”端为反相输入端，表示输出信号与输入信号相位相反。理想运算放大器具有如下特点：（1）开环放大倍数无穷大；（2）输入阻抗无穷大；（3）输入间的电流、电压等于零。（1）反相放大器（2）同相放大器9.2信号滤波电路允许一定频率范围的信号顺利通过，抑制或削弱（即滤除）那些不需要的频率分量的过程称为滤波。滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能