ch1-传感与检测技术-概述.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传感与检测技术,Sensor,&Measurement Technology,中南大学信息科学与工程学院,刘少强（改编）,1,课程简介,课时：学时,48h,（授课,48h,，课外实验,16h,）,参考教材：,传感器与现代检测技术,(,余成波主编，清华出版社,),参考书：,传感器技术,，,贾伯年主编，东南大学出版社,检测技术,，,施文康主编，机械工业出版社,要求：,掌握传感与检测技术的基本原理与应用方法，熟悉一般检测电路及数据处理技术，了解检测系统构成的一般理论和分析设计方法,。,内容：,传感与检测技术概述、,误差理论及数据处理,传感器与检测系统技术基础、电测量技术、常用机械量,传感器、光电传器、磁传感器、气体湿度传感器、几何,量和运动量检测、力学量检测、温度检测、流量检测、,检测中的信号转换与调理、检测算法、自动检测系统及,抗干扰、典型检测系统方案,*,学习方式：,听课,+,自习,+,练习,考核与成绩评定：笔试,+,平时,+,实验,2,第一章 绪论,1.,传感器和检测技术的地位、作用,2.,传感器与检测技术的基本概念,3.,传感器的组成与分类,4.,检测系统的一般构成,5.,传感与检测技术的主要研究内容,6.,检测方法分类,7.,传感器与检测技术的发展状况,3,历史时代：,手工化,机械化,自动化,信息化,生产方式：,人与简单工具,动力机与机械,自动测量控制,智能机械装置,1.,信息化是科学技术发展的必然,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,4,2.,信息流是客观世界的一个主流,物料流,能流,信息流,客观世界,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,它们是人类生存和社会发展不可或缺的！,5,信息流组成,信息流,获取,传输,处理,控制,信息获取,是信息流的一环,获取信息是仪器科学的基本任务,仪器仪表是信息产业的重要组成部分,仪器仪表是信息工业的源头,传感器是感知和获取信息的窗口,传感器是衡量国家综合实力的重要标志,传感器技术是信息技术的三大支柱之一,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,2.,信息流是客观世界的一个主流,6,3.,传感器与检测,仪器仪表的作用,人与机器类比 传感器,=“,电五官,”,检测仪器仪表的作用：,工业生产,倍增器,科学研究,先行官,社 会,物化法官,军 事,战斗力,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,7,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,1),工业生产的倍增器,检测技术是带动国民经济增长的一个关键领域,在美国：检测技术占,4%,，拉动经济增长,66%,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,信息处理,电信电话,科技测试,设备控制,交通控制,输电系统,机床,机器人,家用电器,照相机,汽车,飞机,船舶,气象,海洋,环境污染,医疗,防火,光能利用,热能利用,土木建筑,农林,机械能利用,货币金融,食品,111,55,110,103,47,36,59,81,61,27,78,34,31 31,47,111,70,76,93,61,26,21,24,20,14,需要量,8,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,(1),在,工业生产领域,的应用,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位,.,离线检测：零件参数、尺寸与形位公差、品质参数,作用：现代工程装备中，检测环节的成本约占,5070,%,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,9,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,(1),在工业生产领域的应用,各种自控系统中，测试环节起系统感官的作用，是其重要组成部分。,a.,生产加工过程参数监测,切削力测量，机床振动测量、加工噪声测量，转速、扭矩测量、温度测量、机架及受力件的应力测量、电机参数测量等。,依靠传感器获得参数值。,10,b.,流程工业,设备运行状态监控,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。,基于设备的检查和检测，通过计算机处理数据，掌握和评估设备状态、预测故障。,1.1,传感器,和检测技术的地位、作用,(1),在工业生产领域的应用,11,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,(2),在交通工具和交通领域的应用,a.,在汽车中的应用日新月异,发动机,向发动机的电子控制单元（,ECU,）提供发动机的工作状况信息，,对发动机工作状况进行精确控制,温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容,普通轿车：约安装几十到近百只,传感器,，,豪华轿车：,传感器,数量可多达二百余只。,底 盘,控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等,车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等,温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,车身与,环 境,汽 车,传感器,12,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,高级轿车对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电,磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要,30,100,种传感器。,13,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,b.Driverless Car,14,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,(3),在航空、航天领域的应用,2007,年,11,月,22,日起，我国海拔,8850,12500,米空间范围内，飞机之间的最小垂直间隔标准由,600,米缩小为,300,米,，使该空间范围内飞行高度层的数量从原有,7,个增加到,13,个,，可用飞行高度层增长,86%,，显著增加空域容量,。,2006,年四度推迟发射中第四次推迟的原因？,“,亚特兰蒂斯,”,号航天飞机,飞机最重要的测量参数？,燃料仓传感器？,“,阿波罗,10”,：,火箭部分,-2077,个传感器,飞船部分,-1218,个传感器,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,15,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,2),科学研究的先行官,许多重要的科学分支的确立和发展归功于重要科学仪器装置的研制成功。,发明色谱仪,色谱学，发明光谱仪,光谱学,诺奖得主,R.R.Ernst“,现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展,”。,“,掌握了最先进的科学仪器研发技术，就掌握了科技发展的主动权”,-,杨国桢院士,科学仪器是科学技术发展的重要前提和根本保障；,110,多年来，约三分之一的诺贝尔物理和化学奖授予了那些在科学仪器和测量方面有创新的科学家,。,16,嫦娥三号、玉兔号、地面车,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,17,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,3),军事战斗力,1991,年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占,8%,2003,年伊拉克战争,90%,1994,年美国防部建立自动测试系统执行局,立体作战,18,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,(1),检测技术在军事上的应用,-,美军的未来单兵作战武器,-,OICW,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术,激光测距仪：可精确的定位目标。在发射,20,毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传至高爆弹的爆炸引信，以便精确设定引爆时间。,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,3),军事战斗力,19,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,(1),检测技术在军事上的应用,-,未来单兵作战助力系统,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,3),军事战斗力,伯克利大学,-,动力外骨骼系统,SarcosXOS2,军用外骨骼测试者单,手提起一枚,155,毫米榴弹炮弹药,南京军区总医院,-,单兵外骨骼系统,20,美国国家导弹防御计划,-NMD,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,(2),检测技术在,国防领域的应用,a.,地基拦截器,b.,早期预警系统,c.,前沿部署,(,如雷达）,d.,管理与控制系统,e.,卫星红外线监测系统,监测系统,:,探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,3),军事战斗力,21,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,检查产品质量,监测环境污染,识别指纹假钞,查服违禁食品、药物,侦破刑事案件,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,4)“,物化法官,”,22,5),在日常生活中的应用与日俱增,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,体温计：接触式,-,热敏电阻，非接触式,-,红外传感器,办公商务：,扫描仪：文档扫描,-,线阵,CCD,红外传输数据：红外检测,-,光敏二极管、光敏三极管,健康医疗：,血压计：血压检测,-,压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪,-,离子传感器,家用电器：,数码相机、数码摄像机、,3D,相机,-,图像和红外传感与检测,自动感应灯：亮度检测,-,光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测,-,热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换,-,驻极电容传感器,可视对讲、可视电话：图像获取,-,面阵,CCD,智能手机：方向感知、导航,加速度计、陀螺仪、电子罗盘,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,23,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,5),在日常生活中的应用与日俱增,智能家居,24,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,智能手表功能之一：健康跟踪,指纹识别过时了？新的识别技术？,5),在日常生活中的应用与日俱增,可穿戴和消费电子产品,25,1.1,传感器和检测技术的地位、作用,其他：教学实验、气象预报、大地测绘、,灾情预报、,涵盖,吃穿用、农轻重、海陆空,未来：更加,检测技术广泛应用于工农业生产、科学研究、航空航天、,交通运输、医疗卫生及日常生活的每一个领域，。,3.,传感器与检测仪器仪表的作用,6),其他和未来,26,1.2,传感器与检测的基本概念,测量,：,以确定,被测对象,属性和量值,为目的的,全部操作,，具体就是将被测量与同性质的标准量比较,从而确定被测量对标准量的倍数。,它可由下式表示,:,或：,式中：,x,被测量值；,q,标准量，即测量单位；,n,比值（纯数），含有测量误差。,检测,(detection),技术,：,含检和测两个内容。,检是力图发现对象中的某些待测量并以信号的形式表现出来，是回答有无待测量的操作,;,测是量化待测量的信号,。,工程中，检测和测量被视为同义词或近义词,。,测试技术：,带试验性质的测量，泛指测量和试验两方面的技术，,包含测试过程中所涉及的测试理论、方法、设备等。,27,例：空调机测量控制室温,1.2,传感器与检测的基本概念,空气,被测对象,：,被测信息,：,检测器具,：,操作过程,：,室内空气,温度,温度传感器,-,热电阻、热电偶,热敏电阻,电信号,处理,显示,空调机,传感器、检测仪器、检测装置、检测系统,检测过程：,信号采集、信号处理、信号显示、信号输出,检测器具：,被测信息,：,(,对象的属性、量值,),物理量（光、电、力、热、磁、声、,）,化学量（,PH,、成份,）,生物量（酶、葡萄糖、,）,被测对象,：,宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体,）,检测对象与信息,28,1.2,传感器与检测的基本概念,传感器的相关概念,国家标准,GB7665,2005,的定义,：,传感器,(Sensor/Transducer),是指能,感受被测量并按一,定规律转换成可用输出信号,的器件或装置，,通常由敏感元件,和转换元件组成。,定义的内涵：,传感器是测量装置，能完成测量,/,检测任务。,输入量是某一被测量，可能是物理量或化学量、生物量等。,输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这,种量可以是气、光、电物理量，但主要是电信号。,输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,29,1.2,传感器与检测的基本概念,传感器的相关概念,从三个方面理解与把握传感器,：,作 用,测量；,工作机理,敏感元件，传感器技术的核心，研究、,设计、制作,(,还应包含选择,),传感器的关键；,输出信号,适于测量的电信号。,传感器的基本作用,：,功 用,:,一感二传，感受被测信息并传送。,基本作用,：体现在测量或检测上。测量是应用传感器的,目的，也是学习本课程的目的。,30,1.3,传感器的组成与分类,1.,传感器的组成,1),系统构成,：敏感元件,+,转换元件,+,基本转换电路,（有时还包括供电的辅助电源）,传感器是功能器件,（,Function Device,）。,敏感元件,(Sensing Element),：,直接感受,(,响应,),外部信息的部分,;,转换元件,(Transduction Element),：,能将感受到的被测非电量转换,为电量的部分,;,当传感器的输出为标准信号时称为,变送器,(Transmitter),。,传感器的基本组成图,辅助电源,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,敏感元件,31,1.3,传感器的组成与分类,1.,传感器的组成,2),转换,/,信号调理,(signal conditioning),电路,(1),将敏感或转换元件的输出电信号转换为适于传送、显示,或记录的信号，满足后续电路或装置的输入要求。,(2),实现输出信号标准化的重要环节与基础，也是应用难点。,(3),常用电路,：,信号放大、电平调整、线性化、滤波、阻抗匹配、,调制,/,解调、形式变换等,注,：信号调理电路与检测电路的界限并不很清楚，有时合二为一，如将电阻,电压转换电路，电阻、电感的检测电路归为信号调理电路。,32,1.3,传感器的组成与分类,1.,传感器的组成,3),传感器构成特点,可简单、可复杂，视要求而定。,最简的传感器仅由一个敏感元件,(,兼转换元件,),，如热电偶；有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需转换电路，如压电加速度传感器；有些需要经过若干转换元件的转换。,系统结构上，传感器大多是开环，也有些是闭环。,33,1.3,传感器的组成与分类,2.,传感器的分类,原因,：实际要测的量,(,变量,),与其他量总存在一定的相关性,(,物理,的、化学的）。,一种被测量可用不同传感器测量；,同一原理的传感器通常可测量多种非电量,。,益处,：有助于从总体认识和掌握传感器的原理、性能、特点。,例：,按可变电参量大类中的阻抗形式,分类有：电阻型、电容型、,；,按产生变化量纲分类有：电压型、,电荷型或电流型。,益处,：类别减少，能直接研究设计,相关信号转换调节器。,常见物理量的分类,34,1.3,传感器的组成与分类,分类法,型式,说明,按基本效应分,物理型、化学型、生物型,以转换中的物理效应、化学效应等命名,按构成原理或信号变换特征分类,结构型,以其转换元件结构参数变化实现信号转换,物性型,以其转换元件物理特性变化实现信号转换,混合型,结构性与物性型传感器组合而成的,按能量关系分,能量转换型（自源型）,传感器输出量直接由被测量能量转换而得,能量控制型（外源型）,输出量的能量由外源供给，但受被测量控制,按作用原理分,应变式、电容式、压电式、热电式等,以传感器对信号转换的作用原理命名,按被测量分,位移、压力、温度、流量等,以被测量命名（即按用途分类法）,按输出量分,模拟式,输出量为模拟信号,数字式,输出量为数字信号,35,1.4,检测系统的一般构成,存储显示分析监控判断决策,一个完整的检测系统除检、测功能外，还有对检测过程的操控、数据的传输与分析处理等环节，一般构成如下。其中，信号是信息的载体。,信号检出,信号检出,信号检出,信号转换,信号转换,信号转换,底层处理分析显示,底层处理分析显示,底层处理分析显示,信号检出：,功能,-,将被测信号转换为电信号的变化（,detection,）,器件,-,传感器（,sensor,transducer,）,信号转换：,功能,-,将传感器的输出信号转换为便于处理的形式,(conversion),器件,-,信号调理电路（,signal conditioning circuit,）,处理显示：,功能,-,分析,(analysis),、处理,(processing),、显示,(display),通讯接口,/,总线接口,(RS232,、,RS485,、,GPIB,、,PCI,、,USB),其它环节：,存储、监控、决策,接口总线,36,力,位移,速度,加速度,压力,流量,温度,电阻式,电容式,电感式,压电式,热电式,光电式,磁电式,电桥,放大器,滤波器,调制器,解调器,运算器,阻抗变换器,笔式记录仪,光线示波器,磁带记录仪,电子示波器,半导体存储器,显示器,磁卡,数据处理器,频谱分析仪,FFT,实时信号分析仪,电子计算机,被测对象,传感器,中间变换,测量装置,显示及,记录装置,实验结果,处理装置,激发装置,1.4,检测系统的一般构成,检测系统组成结构与对应的内容、型式、部件、装置、设备示意图,37,1.5,传感与检测技术的主要研究内容,1,）发现和应用新的测量原理以及新材料、新工艺，从,事相应传感器的开发研究；,2,）选择合适的,测量原理,，确定,测量方法,；,如：电测法和非电测法、直接测量与间接测量、,绝对测量与相对测量、开环测量与闭环测量等。,3,）设计或选用各类装置组成,测试系统,；,4,）测量,数据的分析处理,，得出符合客观实际的结论。,38,1.6,检测方法分类,1,）直接测量,-,绝对测量、相对测量,间接测量,2),开环测量与闭环测量,3),方法：偏差法、零位法、微差法,39,1.6,检测方法分类,1),直接测量与间接测量,直接测量,：直接将,被测量,与,标准量,进行比较,标准量,标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、,）,绝对测量,定值标准量（如某一固定尺寸）,相对测量,40,1.6,检测方法分类,-,绝对测量：,采用仪器、设备手段测量被测量，直接得到测量值,测量结果：,20.1 mm,-,相对测量：,将被测量直接与基准量比较，再测所得偏差值,特点：,简单、直观、明了；测量精度不高。,基准量：,20.00 mm,测量值：,+0.08 mm,结 果：,20.08 mm,特点：,精度高；复杂、成本高、要求高,1),直接测量与间接测量,41,1.6,检测方法分类,间接测量,:,如测导线的导电率,：,测量与被测量有一定函数关系的参量，再通过计算获得被测量。,1),直接测量与间接测量,42,1.6,检测方法分类,2),开环测量与闭环测量,开环测量：,反馈测量：,特点,：简单、直观、明了；测量精度不高,特点,：精度高；复杂、成本高、要求高,传感器,输入量,x,输出量,y,传感器,输入量,x,输出量,y,放大,反向传感器,43,1.6,检测方法分类,3),偏差法、零位法和微差法,偏差法：,零位法：,利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量数值,利用指零机构的作用，使被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值。,微差法：,偏差法和零位法的结合,测量被测量余数,被测量值与标准量大体平衡,思考：,杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？,44,1.7,传感器与检测技术的发展状况,1.,传感器技术的发展状况,(1),新材料、新功能的开发与应用,敏感材料是基础，,新材料或新工艺带来新的功能或特点！,(2),多功能、集成化和微型化,多功能化,：单个传感器实现多参数测量，例：,“,电子鼻,”,？,集成化,：将同类的单个敏感器件集成为阵列，或将传感、调,理、补偿及信号处理电路一体化集成。例：？,微型化,：,以,IC,制造技术发展起来的,MEMS,工艺，,使敏感结构,尺寸达微米、亚微米级，并可批量生产。例：？,可集中体现到微型化或集成器件中,！,(3),智能化、网络化,(4),仿生,45,七、传感器与检测技术的发展状况,2.,检测技术的发展状况,1),提高检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性,（,检测能力向两级发展,：）,2),利用新技术新原理研制新型传感器，以组成新型的自动,检测系统和填补自动检测系统的空白；,3),微电子技术、微型计算机技术与传感器技术相结合构成,新一代的智能化自动检测系统；,4),采用多传感器去探索检测线的、面的和体的空间参数及,综合参数，以构成特殊的自动检测系统。,趋势：智能化、虚拟化、网络化、微型化、多参数化,46,其他示例：,47,48,49,50,