传感器与检测技术 绪论

传感器与检测技术传感与检测技术主讲教师：邓燕妮传感器与检测技术课程内容绪论第一章传感器的一般特性第十章化学传感器第二章电阻应变传感器第十一章数字传感器第三章电感传感器第十二章信号调理电第四章电容传感器第十三章抗干扰技术第五章热电传感器第六章压电传感器第七章磁电传感器第八章光电传感器第九章光纤传感器传感器与检测技术课程内容总学时：48学时讲课：40学时实验8学时传感器与检测技术教材及主要参考书1、《传感与检测技术》刘红丽主编，2007年，国防工业出版社2、《传感与检测技术》戴焯主编，2003年，武汉理工大学出版社3、《检测与转换技术》第3版，常健生主编20003年，机械工业出版社4、《传感器与检测技术》，彭军主编，2003年西安电子科技大学出版社5、《传感器原理及工程应用》郁有文常健主编2000年西安电子科技大学出版社传感器与检测技术教材及主要参考书6、刘君华《现代检测技术与测试系统设计》。西安交通大学出版社。1999.47、《Integratedconvertersystem》Maximintegratedproducts.20018、《temperaturesensorsforsensors》Maximintegratedproducts.2001传感器与检测技术一、本课程的性质与研究对象本课程是一门综合性、实用性很强的专业课程。它是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信号处理的理论与技术为主要内容的一门应用技术学科。检测与转换技术（Detectionandtransitionoftechnology）传感器与检测技术1.涉及学科范围广与电路、模拟电路、数字电路、自控原理、单片机、微机控制技术等课程均有关联，是一门与物理、化学、材料科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。2.实践性强本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的专业基础课，具有很强实践性。学习时应充分利用课程所开设实验和仿真实验。二、本课程的特点传感器与检测技术三、教学与学习目的1.掌握传感器的结构、工作原理、工作特性及其应用2.掌握信号处理电路的工作原理及接口技术。3.掌握自动测试系统设计的初步。传感器与检测技术绪论一、传感器的地位与作用1.传感器的作用就在于为测量与控制系统获取可靠、准确的信息。2.传感器技术是信息技术的基础与支柱。3.科学技术的发展与传感器有密切关系，科学技术上的每一个发现与进步，都离不开传感器与检测技术的保证。传感器与检测技术二、非电量测试系统构成1.传感器是感受被测非电量的大小，并按一定的规律变换成电信号。2.数据传输环节是用来传输数据。串行通信方式，可用双绞线、光纤、同轴电缆做传输导线。3.电子测量电路将传感器输出信号进行放大、变换和处理。4.输出单元。可以是显示器、记录仪等设备。传感器与检测技术优点：1.测量精度高，灵敏度高，测量范围广。2.由于电测仪表惯性小，测量响应速度快，频率较宽，既可适用静态测量，又适用于动态测量。3.能自动连续地进行测量，配合调节装置，可进行自动调节和自动控制。4.可进行远距离测量，从而实现集中控制和遥控。5.从被测对象取用的功率小，减少对被测对象的影响，提高测量精度。传感器与检测技术三、自动测试系统构成实现对检测信号的实时检测、分析、处理，实现自动补偿，自校正、自动检测、多点检测。1.组成结构传感器与检测技术2.应用实例：根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中传感器、中间变换装置和显示记录装置等每个环节又可由多个模块组成。例如，下图所示的机床轴承故障监测系统中的中间变换装置就由带通滤波器、A/D变换和计算机中的FFT分析软件三部分组成。测试系统中传感器为加速度计，它负责将机床轴承振动信号转换为电信号；带通滤波器用于滤除传感器测量信号中的高、低频干扰信号和对信号进行放大，A/D信号采集卡用于对放大后的测量信号进行采样，将其转换为数字量；FFT（快速傅里叶变换）分析软件则对转换后的数字信号进行FFT变换，计算出信号的频谱；最后由计算机显示器对频谱进行显示。另外，测试系统的测量分析结果还可以和生产过程相连，当机床振动信号超标时发出报警信号，防止加工废品的产生。图1.1-3轴承振动信号测量传感器与检测技术四、传感器概述1.传感器的定义是一种以一定的精确度把被测量（如物理量、化学量、生物量）转换为与之有确定对应关系、便于应用的某种物理量（电量）的测量装置。sensor传感器transducer基本意义为换能器、转换器，只有当被转换的信号用于测量目的时，才称为传感器。SensingElement是直接感受外部信息（一次信号）的部分，如热敏电阻器、光敏电阻器等。传感器与检测技术2.传感器的组成框图（1）敏感元件（预变换器）：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。它用于将被测非电量转换为易于变换为电量的非电量。（2）转换元件：用于将非电量直接转换为电量，其输入为敏感元件的输出。（3）转换电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号（电压、电流信号）的电路。如电桥电路、脉冲调宽电路、振荡回路、调频电路等传感器与检测技术传感器的组成框图1.返回传感器与检测技术四、传感器的分类传感器与检测技术五、传感的应用与发展趋势现代的传感器向高精确度、小型化、集成化、多功能化、智能化的方向发展。1.应用2.发展传感器与检测技术（1）工业自动化中的应用a)机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。在各种自动控制系统中，传感器起着系统感官的作用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗1.传感器的工程应用传感器与检测技术超声波测距传感器，判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器，运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。香港理工AGV模型b)AGV自动送货车传感器与检测技术切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。密歇根大学数字化工厂c)生产加工过程监测传感器与检测技术在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。（2）流程工业设备运行状态监控传感器与检测技术在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量（3）产品质量测量传感器与检测技术为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器（4）楼宇控制与安全防护传感器与检测技术在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器（5）家庭与办公自动化传感器与检测技术航天农业交通医学（6）其他应用传感器与检测技术鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡+D/A卡软驱:速度,位置伺服（7）PC机中的测试技术应用传感器与检测技术测控实验DIY1.鼠标测位移实验2.麦克风测声音2.声卡采样频率信号分析频率合成与分解3.简易声级计制作4.CCD图象分析……..个人测试实验室（7）PC机中的测试技术应用传感器与检测技术光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻传感器生物酶血样分析传感器热/光电量2.传感器的发展趋势（1）利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器传感器与检测技术传感器是测试、控制系统中的信息敏感和检测部件，它感受被测信息并输出与其成一定比例关系的物理量（信号），以满足系统对信息传输、处理、记录、显示和控制的要求。早期发展的传感器是利用物理学场的电场、磁场、力场等定律所构成的“结构型”传感器，其基本特征是以其结构部分的变化或变化后引起场的变化来反映待测量（力、位移等）的变化。可变磁阻位移传感器传感器与检测技术利用物质特性构成的传感器称为“物性型”传感器或“物性型”敏感元件。新的物理、化学、生物效应用于物性型传感器是传感技术的重要发展方向之一。每一种新的物理效应的应用，都会出现一种新型的敏感元件能测量某种新的参数。例如，除常见的力敏、压敏、光敏、磁敏材料之外，还有声敏、湿敏、色敏、气敏、味敏、化学敏、射线敏材料等。新材料与新元件的应用，有力地推动了传感器的发展，因为物性型敏感元件全赖于敏感功能材料，例如嗅（味）敏传感器、集成霍尔元件、集成固态CCD图像传感器等。被开发的敏感功能材料有半导体、电介质（晶体或陶瓷）、高分子合成材料、磁性材料、超导材料、光导纤维、液晶、生物功能材料、凝胶、稀土金属等。新型光纤温度传感器传感器与检测技术振动网络传感器嵌入式计算机智能压力网络传感器智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器（2）传感器+嵌入式计算机智能传感器传感器与检测技术测试技术正在向多功能、集成化、智能化发展，进行快变参数动态测量是自动化过程控制系统中的重要一环，其主要支柱是微电子与计算机技术。传感器与微计算机结合，产生了智能传感器。它能自动选择量程和增益，自动校准与实时校准，进行非线性校正、漂移等误差补偿和复杂的计算处理，完成自动故障监控和过载保护等。HP公司生产的加速度信号测量传感器芯片传感器与检测技术进入20世纪90年代后，随着个人计算机价格的大幅度降低，出现了用PC机＋仪器板卡＋应用软件构成的计算机虚拟仪器。虚拟仪器采用计算机开放体系结构来取代传统的单机测量仪器。将传统测量仪器中的公共部分（如电源、操作面板、显示屏幕、通信总线和CPU）集中起来用计算机共享，通过计算机仪器扩展板卡和应用软件在计算机上实现多种物理仪器。虚拟仪器的突出优点是与计算机技术结合，仪器就是计算机，主机供货渠道多、价格低、维修费用低，并能进行升级换代；虚拟仪器功能由软件确定，不必担心仪器是否能永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过更换应用软件来拓展虚拟仪器功能，适应科研、生产的需要；另外，虚拟仪器能与计算机的文件存储、数据库、网络通讯等功能相结合，具有很大的灵活性和拓展空间。在现代网络化、计算机化的生产、制造环境中，虚拟仪器更能适应现代制造业复杂、多变的应用需求，能更迅速、更经济、更灵活地解决工业生产、新产品实验中的测试问题。传感器与检测技术用PC机＋仪器板卡代替传统仪器用计算机软件代替硬件分析电路优点我们的工作（3）计算机虚拟仪器技术传感器与检测技术NationalInstrument公司提出的计算机虚拟仪器将硬件与软件完美的结合起来，在虚拟仪器中应用软件是整个仪器的核心。硬件、软件模块化，总线与驱动程序标准化、硬件即插即用化、编程平台图形化发展方向，是现代仪器与检测技术发展的方向与潮流。返回传感器与检测技术2、振动/噪声传感器丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名）、工业自动化类传感器美国霍尼威尔公司（有全球最大传感器技术研究中心）主要传感器和测试仪器生产厂商传感器与检测技术3、测量分析仪器美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商)美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商)