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1、自动检测技术及仪表,Test & Measurement Technology and Automation Instruments,CISTBUCT 2012,第部分 基础知识,第二章 检测元件 与检测技术,传感技术基础原理 一般检测变换方法,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 检测元件的分类、命名和表示 传感技术 自然规律、基础效应 检测装置 信号变换方法 简单变换、差动变换、 参比变换、平衡反馈变换,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 检测元件是指传感器中能直接感受（或响应）被 测量对象的部分。 在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电 量都能利用现有手段直接转换成电量
2、，往往是将 被测量先变换为另一种易于变成电量的非电量， 然后再转换成电量。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 检测元件是仪表、检测系统的关键，决定了可测参数、被测量的可测范围、测量准确度、仪表的使用条件等。 敏感性：对被测量的敏感性 适用范围：环境温度、压力、外加电源等 测量范围：被测量不超过敏感元件规定的测量范围 输出特性：输出与被测量之间有明确的单调关系 其它：价格、易复制性、安全性、易安装等,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 特性,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按输入量（被测对象）分类 按转换原理分类 按输出信号的形式分类 按输入和输出的特性分类
3、按能量转换的方式分类 按材料分类,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按输入量（被测对象）分类 物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器 物理量传感器又可分为：温度传感器、压力传感器、 位移传感器、 等等。 这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据被测 对象选择所需要的传感器。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器 利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的 作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应 的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动 定律或电磁定律实现转换的。 物性型传感器 复合型传感器,TMT&AI 检测元件与检
4、测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器 物性型传感器 利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆 定律等）来实现非电量转换的。 它是以半导体、电介质、铁电 体等作为敏感材料的固态器件。 复合型传感器,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器 物性型传感器 复合型传感器 由结构型传感器和物性型传 感器组合而成的，兼有两者 的特征。例如，电阻式、电 感式、电容式、压电式、光 电式、热敏、气敏、湿敏、 磁敏传感器等等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器 物性型传感器 复合
5、型传感器 这种分类方法清楚地指明了传感器的原理，便于学习 和研究。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按能量转换的方式分类 有源型和无源型 有源型：也称能量转换型或发电型，它把非电量直接 变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电式、 光电池、热电偶等。 无源型：也称能量控制型、能量传输型或参数型，它 把非电量变成电抗（电阻、电容、电感）等，或将被 测电量传输至检测装置。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按输出信号的形式分类 开关式、 模拟式和数字式 按输入和输出的特性分类 线性和非线性,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 无机材料
6、检测元件 半导体材料检测元件 陶瓷材料检测元件 高分子材料检测元件 纳米材料检测元件 智能材料检测元件,检测元件 无机材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 半导体检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 半导体检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 陶瓷材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 陶瓷材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 高分子材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 高分子材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 高分子材料检测元件
7、,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 纳米材料检测元件 气敏材料,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件 智能材料检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 智能材料检测元件 记忆合金 压电材料,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 智能材料检测元件 记忆合金 压电材料 光纤传感器 MEMS/MOEMS,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 国标 GB7666 由“主题词四级修饰语”组成，即主题词传感器。 一级修饰语被测量， 包括修饰被测量的定语。 二级修饰语转换原理， 一般可后续以“式”字。 三级修
8、饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件以及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字。 四级修饰语主要技术指标，如量程、精确度、灵敏度范围等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 运用命名法时应注意 使用场合不同，修饰语的排序亦不同 在有关传感器的统计报表、图书检索及计算机文字 处理等场合，传感器名称应采用正序排列。 传感器一级修饰语二级修饰语三级修饰语 四级修饰语。 示例：“传感器、位移、应变计式、100 mm”,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 运用命名法时应注意 使用场合不同，修饰语的排序亦不同 在技术文件、产品说明书、学术论文、教材、
9、书刊 等的陈述句中，传感器名称应采用反序排列 四级修饰语三级修饰语二级修饰语一级修饰 语传感器 示例：“100mm应变计式位移传感器” “100160dB电容式声压传感器”,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 运用命名法时应注意 使用场合不同，修饰语的排序亦不同 传感器（主称） 四级修饰语组成全称。 在实际运用中，可根据产品具体情况省略任何一级 修饰语。但国标规定，传感器作为商品出售时，第 一级修饰语不得省略。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的表示 从电路角度考虑，敏感元件就是信号(或信息)源。 对于大多数传感器，它都可以用具有两端口或四端口特征的电气元件足够精确地进
10、行描述。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测元件的表示 与传统的信息技术中常见的两端口或四端口元件相比，唯一的区别是敏感元件的特性依赖于物理的或化学的环境变量。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则 基础效应 热电效应、光磁电效应、磁效应、压电效应、应变 效应、电涡流效应、超导效应、集肤效应、多普勒 效应、物理现象等,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 守恒定律 包括能量、动量、电荷量等守恒定律。 这些定律是分析、研制新型传感 器时必须严格遵守的基本法则。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然
11、规律 场的定律 动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作 用与物体在空间的位置及分布状态有关。 一般可由物理方程给出，这些方程可作为许多传 感器工作的数学模型。例如，利用静电场制成的 电容式传感器，利用电磁感应定律可制成的电感 （自感或互感）式传感器等等。 利用场的定律制成，可统称为结构型传感器。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 物质定律 表示各种物质本身内在性质的定律（如虎克定律、 欧姆定律），通常以这种物质所固有的物理常数 加以描述，其大小决定着传感器的主要性能。 半导体物质法则：压阻、热阻、光阻、湿阻等效 应，可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感 器件； 压
12、电晶体物质法则：压电效应，可制成压电式传 感器等等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 统计法则 将微观系统与宏观系统联系起来的物理法则，这 些法则常常与传感器的工作状态有关。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 热电效应 塞贝克效应：热电势（温度电），热电偶 珀尔帖效应：接触电势（温度电），半导体制冷 汤姆逊效应：温差电势（温差电） 热电子发射效应：热电子，红外成像,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 光磁电效应 光电子发射效应：外光电效应 （光电），光电二极管、光 电倍增管及紫外线传感器等。 光电导效应：内光电效应（光 电
13、阻），光敏电阻。 光伏特效应：内光电效应（光 电），光电池、光敏二极管、 光敏三极管和光敏晶闸管等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 光磁电效应 光的热电效应：热释电（热电），红外人体传感器 塞曼效应：光通过磁场时光 谱离散（光磁光谱） 拉曼效应：单色光照射物质 时发出不同光谱（光光） 泡克尔斯效应：光通过压电 晶体时分成正常和异常光线 （光电光）,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 光磁电效应 克尔效应：光通过各种同性物质并在垂直方向加 电压时分成正常和异常光线（光电光） 法拉第效应：线偏振光通过磁性物质时偏振面旋 转（光磁电）,TMT&AI
14、检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 磁效应 霍尔效应：电流流过导体并在与电流垂直的方向加 磁场时在垂直方向产生电势的现象（磁电电）， 磁敏二极管、磁敏三极管等。 磁阻效应：导体在磁场中电阻 增加的现象（磁电电阻）， 磁敏电阻、磁头等。 磁致伸缩效应：强磁体加磁 场时产生变形（磁机械）,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 压电效应 压电效应是指强介质加压力时的极化现象，可产 生电位差（压力电），超声波换能器。 多普勒效应 当声源、光源及微波等波源与观测者之间有相对 运动时，观测到的频率发生谱移的现象 （运动频率）,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础
15、效应 物理现象 热传导现象：热力学第一定律（热物性），热 敏电阻气体传感器、干湿球湿度传感器等。 热辐射现象：物体温度升高时产生光（电磁波） 辐射的现象（温度光），辐射高温计、红外探 测等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应,TMT&AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 总结 有源检测元件（释能型检测元件） 电信号：电压、电流、电荷 光信号：强度 磁信号 无源检测元件（耗能型检测元件） 电参数：电阻、电容、电感（自感、互感） 光参数：强度、频率、相位、偏振 传输型检测元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 检测装置的误差来源 检测元件 灵敏度、测量范围、输入
16、输出特性、稳定性等等。 其它组成部分 通过误差分析，进行针对性的设计，可以大大减小 各部分的误差。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 检测装置的误差来源 检测元件内部产生的噪声以及电源产生的噪声。 如光电真空管放射不规则电子，半导体载流子扩散 等产生的噪声。降低元件的温度可减小热噪声，对 电源变压器采用静电屏蔽可减小交流脉动噪声等。 从外部混入的躁声，按其产生原因可分为机械噪声 （如振动，冲击）、音响噪声、电磁噪声和化学噪 声等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 检测装置的误差来源 检测元件内部产生的噪声以及电源产生的噪声。 从外部混入的躁声，按其产生原因可分为机械噪声
17、（如振动，冲击）、音响噪声、电磁噪声和化学噪 声等。 对振动等机械噪声可采用防振台或将传感器固定在 质量很大的基础台上加以抑制；消除音响噪声的有 效办法是把传感器放入隔音器中或放在真空容器里； 消除电磁噪声的有效办法是屏蔽和接地或使传感器 远离电源线，或使输出线屏蔽，输出线绞在一起等。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 改善检测装置的技术途径 结构、材料与参数的合理选择 差动技术、平均技术 稳定性处理 屏蔽、隔离与干扰抑制 零示法、微差法与闭环技术 补偿与校正 集成化、智能化与信息融合,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 一般信号变换结构 简单变换 差动变换 参比变换 平衡反
18、馈变换,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 简单变换 直接式：敏感元件直接将 被测量转换为电信号。 间接式：敏感元件先将被 测量转换为可利用的中间 参量，通过 转换元件再 将其转换为 电信号。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 简单变换 直接式 间接式 常用到的中间参量及转化元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 简单变换 属于串联型仪表。 由误差合成理论， 仪表的误差是各 个环节误差之和。环节越多，仪表的准确度越低。 当组成仪表的环节中有一个是非线性的，则仪表也具 有非线性特性，若多个环节具有非线性特性，一般情 况下将使仪表的非线性更严重。 信息能量传递效率低，需
19、要考虑阻抗匹配。 结构简单、工作可靠、价格低廉、应用广泛。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 差动变换 使用两个性能相同的 转换元件，感受敏感 元件的输出量，将其 转换为性质相同、但 方向相反的两个物理 量。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 差动变换 若两个转换元件的输出为 其中，x1为被测量，x2为干扰量。 计算差动输出的变化量，略去二次以上的高阶量，有,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 差动变换 对于简单变换的情况，有 （略去了二次以上的高阶量）,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 差动变换 差动变换与简单直接式变换相比 有效输出信号提高了一倍，信噪
20、比提高了 非线性特性有所改善，解决非零输出初始值问题 若转换元件的特性可表示为 干扰量的影响可以完全消除,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 差动变换 差动变换的转换元件内部噪声略有增加 但由电源引入的噪声无法得到改善（始终同方向、相关） 敏感元件的非线性特性无法得到改善（属于串联型仪表） 如果转换元件的特性为 其非线性特性也得不到改善 差动敏感元件在大多数情况下难以实现,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 参比变换 使用两个性能相同的敏感 元件，其中一个感受被测 量和干扰量，另一个仅感 受干扰量。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 参比变换 两个转换元件的输出为 若
21、敏感元件的特性可表示为 则,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 参比变换 两个转换元件的输出为 若敏感元件的特性可表示为 则,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 参比变换 要根据干扰量对被测量的 作用效果，来确定处理形 式，以达到完全消除干扰 量的目的。 对于敏感元件、转换元件 的非线性没有任何削弱作用，属于串联型仪表。,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 平衡（反馈）变换 信号变换环节为闭环结构 具有平衡式变换环节的仪表称为平衡式仪表 力平衡、力矩平衡、电压平衡、电流平衡等,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 平衡（反馈）变换 有差随动式变换 从控制理论的角度
22、来说， 闭环系统为一阶系统 无差随动式变换 闭环系统为二阶系统,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 平衡（反馈）变换 仪表的响应速度快 仪表的灵敏度下降，可通过增加前向通道的增益解决 前向通道的特性对仪表的性能影响减小，包括非线性 闭环特性主要受反馈通道的影响，因此对反馈通道的特性要求高，稳定性、惯性,TMT&AI 检测元件与检测技术,检测装置 一般信号变换结构 简单变换 差动变换 开环结构仪表 参比变换 平衡反馈变换 闭环结构仪表,TMT&AI 检测元件与检测技术,小结 检测元件的基本概念、分类方法 传感技术 自然规律：守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则 基础效应：（望文生义） 检测仪表的设计方法 简单变换：直接式、间接式 差动变换：可完全消除加性干扰量、提高信噪比 参比变换：（与差动变换比较理解、记忆） 平衡变换反馈变换：（闭环结构仪表）,TMT&AI 检测元件与检测技术,作业 第三章，第3题,