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1传感器与自动检测技术吴旗绪论：在现代工业生产中，为了检查、监督和控制某个生产过程或运动对象，使它们处于所选工况的最佳状态，就必须掌握描述它们特性的各种参数，这就首先要测量这些参数的大小、方向和变化速度等。所谓检测，就是人们借助于仪器、设备，利用各种物理效应，采用一定的方法，将客观世界的有关信息通过检查与测量获取定性或定量信息的认识过程。这些仪器和设备的核心部件就是传感器。传感器是感知被测量(多为非电量)，并将其转化为电量的一种器件或装置。检测包含检查与测量两个方面，检查往往是获取定性信息，而测量则是获取定量信息。一、自动检测技术在国民经济中的地位中国有句古话“工欲善其事，必先利其器。”用这句话来说明自动检测技术在现代科学技术中的重要性是很恰当的，所谓“事”，就是指发展现代科学技术的伟大事业，而“器”则是指利用自动检测技术而制造的仪器、仪表和工具等。所以说自动检测技术是科学实践和生产实践的必要手段，它的水平高低也是科学技术现代化的重要标志，它在发展国民经济中的作用也就不言而喻了。2近年来，随着家电工业的兴起，自动检测技术已进入人们的日常生活。例如：电冰箱中的温度传感器、监视煤气溢出的气敏传感器、防止火灾的烟雾传感器、防盗用的光电传感器，等等。在机械制造工业中，通过对机床的加工精度、切削速度、床身振动等许多静态、动态参数进行在线测量，可控制加工质量。在化工、电力等行业中，如果不随时对生产王艺过程中的温度、压力、流量等参数进行自动检测，生产过程就无法控制，甚至产生危险。在交通领域，一辆现代化汽车所用的传感器多达数十种，用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量和温度等。在国防科研中检测技术用得更多，许多尖端的检测技术都是因国防工业需要而发展起来的。例如：研究飞机的强度，就要在机身、机翼上贴几百片应变片，并进行动态特性的测试。有人把计算机比喻为人的大脑的延续，称之为“电脑”，而把传感器比喻为人的感觉器官的延续，称之为“电五官”(视、听、昧、嗅、触)。没有“电五宫”就不能实现自动化，没有自动检测技术就不能有自动保护、自动报警和自动诊断系统，就不能实现自动计量和自动管理。特别是传感器与微机结合起来，一些带微处理器的新型“智能化”仪器不断涌现，对生产过程进行自动控制，从而大大提高了劳动生产率，提高了产品质量，减轻了劳动强度和改善了劳动条件。3二、自动检测技术在机电产品中的作用机电一体化技术是科学技术发展的必然产物，它使产品提高了自动化程度，提高了功能，提高了经济效益。作为高科技代表的机电一体化系统一般由机械本体、自动检测技术、控制技术和执行机构四部分组成，如图1所示，自动检测技术是把代表机械本体的工作状态、生产过程等工业参数通过传感器转换成电量，从而便于采用控制技术使控制对象按给定的规律变化，推动执行机构实时地调整机械本体的各种工业参数，使机械本体处于自动运行状态，并实现自动监视和自动保护。自动检测技术是机械本体与控制技术的“纽带”和“桥路”，在机电一体化中起着关键的作用。图1机电-体化系统的组成目前，自动检测技术已成为一些发达国家的最重要的热门技术之一，其主要原因是它可以促进科学技术的飞跃发展，并给人们带来巨大机械本体自动检测技术控制技术执行机构4的经济效益。可以说，一个国家的现代化水平是用自动化水平来衡量的，而自动化水平是用传感器的种类多少和数量来衡量的。三、本课程的内容、任务和学习方法传感器与自动检测技术涉及的内容比较广，包括信息的获得、测量方法、信号的变换、处理和显示、误差的分析以及干扰的抑制、可靠性问题等。因此，本课程首先介绍传感器与自动检测技术的基本概念，然后较详细地叙述将被测量转换成电量的各类传感器、测量转换电路及其应用。第三部分简要介绍传感器的信号处理和检测仪表的概念，最后介绍自动检测技术应用中涉及的一些问题及微机在这一领域中的应用并举例说明。由于本程中传感器将被测量转换成电量的方法很多，同时还有各种转换电路和显示装置，因此与它有联系的课程很多。直接与本课程有关的基础课程有数学、物理学、电工技术、电子技术以及计算机技术等，尤其是物理学、电工技术和电子技术等课程的关系更为密切，因此传感器的原理主要是基于各种物理现象和物理效应，而各种转换电路又是以电工和电子技术为基础的。通过课程的学习应达到以下几点要求:1、掌握常用传感器的工作原理、结构和性能，并能正确选用。2、熟悉测量误差的基本知识、传感器的基本转换电路和信号处理5方法。3、了解传感器的基本概念和自动检测系统的组成，对常用检测系统具有一定的分析与维护能力。4、了解抗干扰技术及自动检测系统的可靠性问题。5、了解微机在自动检测系统中的应用。6、对于工业生产过程中主要工艺参数的测量能提出合理的检测方案，具有正确选用传感器及测量转换电路组成实用检测系统的初步能力。学习本程时可参考以下几点建议:1、本课程从内容上看系统性较差，各传感器运用的物理原理不同，希望加强课后复习，并且找出它们在基本设想、思考方法等方面的一致性。2、着重理解传感器的基本原理以及解决信息检取和能量更换的基本思想方法。3、注意理解传感元件与转换电路之间的联系，弄清楚转换电路的原理。4、找一些参考书和资料，加深理解，拓宽知识面。6第一章：传感器与自动检测技术的基本概念本章力求通过对传感器简述、传感器与自动检测技术系统概述、测量误差与精度以及检测系统中的弹性敏感元件的介绍，使读者对传感器与自动检测技术中涉及的一些基本概念有一定的了解。第一节、传感器简述一、传感器的定义与组成传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成有用输出信号(一般为电信号)的器件或装置。通常由敏感元件、传感元件和测量转换电路组成，如图1-1所示。被测量→敏感元件→传感元件→测量转换电路（电量）图1-1传感器组成方块图敏感元件：是指传感器中能直接感受被测量的部分；传感元件：指传感器中能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电参量部分。转换电路：由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率和脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器和电荷放大器7等，它们分别与相应的传感器相配合。有些国家和有些学科领域，将传感器称为变换器、检测器或探测器等。并不是所有的传感器都能明显分清敏感元件、传感元件和测量转换电路三个部分的，它们可能是三者合为一体。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的测量转换电路可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。例如，半导体气体传感器、湿度传感器等，一般都是将感受的被测量直接转换为电信号，没有中间转换环节。二、传感器的分类及命名传感器的种类很多，分类不尽相同。常见的分类方法有以下几种。1、按工作原理分类按工作原理可以分成：参量传感器、发电传感器及特殊传感器。参量传感器：有触点传感器、电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器等；发电传感器：有光电池、热电偶传感器、压电式传感器、霍尔式传感器和磁电式传感器等。特殊传感器：是不属于以上两种类型的传感器，如超声波探头、红外探测器和激光检测等。按工作原理分类方法的优点是可以把传感器按工作原理分门别类地归纳起来，避免名目过多，且较为系统。8本书将基本按照此分类方法介绍各种传感器，但由于光电式传感器中的光电元件有参量型和发电型两种，故将单列一章进行介绍。2、按被测量性质分类按被测量性质可以分成机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器和探伤传感器等。机械量传感器有：力、长度、位移、速度和加速度等传感器；热工量传感器有：温度、压力和流量等传感器；成分量传感器：是检测各种气体、液体、固体化学成分的传感器；如检测可燃性气体泄漏的气敏传感器状态量传感器：是检测设备运行状态的传感器，如由干簧管、霍尔元件做成的各种接近开关；探伤传感器是用来检测金属制品内部的气泡和裂缝、检测人体内部器官的病灶等的传感器，如超声波探头、CT探测器等。这种分类方法对使用者比较方便，容易根据测量对象来选择所需用的传感器。3、按输出量种类分类按输出量种类可分成模拟传感器和数字传感器。模拟传感器输出与被测量成一定关系的模拟信号，如果需要与计算机配合或用数字显示，还必须经过模/数转换电路。数字传感器输出的是数字量，可直接与计算机连接或作数字显示，9读取方便，抗干扰能力强，可分为光栅式传感器、光电编码器、磁栅式传感器和感应同步器等。本书也将把数字传感器单列一章来介绍。4、接传感器的结构分类按传感器的结构可以分成直接传感器、差分传感器和补偿传感器。直接传感器：是单独直接将被测量转换成所需要的输出信号，它的结构最简单，但一般灵敏度低、易受外界干扰。差分传感器：是把两个相同类型的直接传感器接在转换电路中，使两个传感器所经受的相同干扰信号相减，而有用的被测量信号相加，从而提高了灵敏度和抗干扰能力，改善了特性曲线的线性度。补偿传感器：要求显示装置的指示自动跟随被测量变化而变化，它一般是把输出的电信号通过反向传感器变换成非电量，再与被测量进行比较，产生一个偏差信号。此偏差信号通过正向通路中的传感器变换成电量，再经过测量、放大，然后输出供指示或记录，从而大大提高了测量精度和抗干扰能力。补偿传感器这类传感器往往结构复杂，价格偏高。本书将介绍前两种结构形式的传感器。传感器常常按工作原理及被测量性质两种分类方式合二为一进行命名；例如：电感式位移传感器、光电式转速计10压电式加速度计等。这样使被测量与传感器的工作原理一目了然，三、传感器的基本特性传感器的性能指标是多方面的，作为衡量传感器的主要指标有精确度、稳定性、可靠性和输入输出特性等。1、精度τ精度是评价传感器优良程度的一个指标。精度分为准确度δ和精密度ε。准确度：就是测量值对于真值的偏离程度，为修正这种偏差需要进行校正，完全校正是很麻烦的，因此使用时需尽可能地减小误差。精密度：就是即使测量相同对象，每次测量也会得到不同的测量值，即为离散偏差。（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。112.稳定性传感器的稳定性有两个指标：一是系统指示值在一段时间中的变化，以稳定度表示：二是系统外部环境和工作条件变化引起指示值的不稳定，用环境影响系数表示。稳定度：指在规定时间内，在测量条件不变的情况下，由检测系统中随机性变动、周期性变动、漂移等引起指示值的变化。一般以精密度数值和时间的长短来表示。例如，某仪表电压指示值每小时变化1.3mV，则稳定度可表示为1.3mV/h。环境影响系数：是指检测系统由外界环境变化引起指示值的变化量。它是由温度、湿度、气压、振动、电源电压及电源频率等一些外加环境影响所引起的。3.可靠性表征传感器可靠性最基本的尺度是可靠度，它是衡量传感器能够正常工作并完成其功能的程度。可靠度的应用亦可体现在传感器正常工作和出现故障两个方面，在传感器正常工作方面由平均无故障时间来体现，在传感器出现故障方面由平均故障修复时间来体现。关于可靠性问题本书将在第八章第二节中介绍。4、输入输出特性12传感器输入输出特性可分静态特性和动态特性。静态特性是指输入的被测量不随时间变化或随时间变化很缓慢时，传感器的输出量与输入量的关系。静态特性主要有线性度、灵敏度、迟滞和分辨率等。(1)、线性度传感器的线性度是指传感器输出—输入的实际特性曲线和拟合直线之间的最大偏差与输出量程范围之比，即：%100minmaxmaxyyLL图1-2、线性度示意图式中：L：线性度；maxL：最大非线性绝对误差；Ymax-Ymin：输出量程范围。线性度又称为非线性误差。通常总是希望输出-输入特性曲线为线性曲线，但实际的输出-输入13特性只能接近线性曲线，实际曲线与理论直线之间存在的偏差就是传感器的非线性误差。(2)、灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值，即：xydxdyK（1-2）式中：K：灵敏度，线性