传感器及检测技术教案

1第1章绪论本章学习目的要求:1.了解传感器的组成与分类2.了解传感器技术的发展动态3.了解检测技术的地位及作用4.检测技术的发展趋势第一节传感器组成与分类一、传感器的定义传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。二、传感器的组成敏感元件转换元件信号调节转换电路辅助电源敏感元件：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。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器的组成实例三、传感器的分类、代号、主要参数1.按照物理原理分类：★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；★热电式传感器：热电偶、热电阻；2★波式传感器：超声波式、微波式等；★射线式传感器：热辐射式、γ射线式；★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。2.传感器的代号依次为主称（传感器）被测量—转换原理—序号主称——传感器，代号C；被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表2；转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表3；序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。例：应变式位移传感器：CWY-YB-20；光纤压力传感器：CY-GQ-2。3、传感器的主要特性参数（1）灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率，如右图所示，可表示为：一般希望灵敏度s在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。（2）分辨率x0ydydxdxdys3分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率。它可以用绝对值，也可以用量程的百分数来表示。它说明了检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。（3）线性度与非线性误差线性度是用实测的检测系统输入—输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示的，如下图所示。线性度可用非线性误差来表示，计算式为：采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。如使拟合直线通过实际特性曲线的起点和满量程点，可以得到端基线性度。（4）迟滞迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间，输入—输出特性曲线不一致的程度。也就是说，对同样大小的输入量，检测系统在正、反行程中，往往对应两个大小不同的输出量，如右下图所示。通过实验，找出输出量的这种最大差值，并以满量程输出YFS的百分数表示，如下式：12ΔLmaxymaxxmax0%100FSmfYE%100FSmtYEyxmaxΔHmax012ymax4第二节传感器的发展方向当今，传感器技术的主要发展动向:一、新型传感器的开发：是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；新型传感器包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器等方面。二、传感器的集成化和多功能化：传感器集成化的一个方向是具有同样功能的传感器集成化。从而使对一个点的测量变成对一个平面和空间的测量。例如。利用电荷耦合器件形成的固体图像传感器来进行的文字和图形识别。即：敏感、放大、运算于一体。三、传感器的智能化：智能型传感器是一种带有微处理器并兼有检测和信息处理功能的传感器。智能型传感器被称为第四代传感器，使传感器具备感觉、辨别、判断、自诊断等功能，是传感器发展的主要方向。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。如，DS18B20传感器.四、无线传感器网络：GPRS远程控制系统（后面讲）第三节检测技术的地位与作用一、检测技术的定义检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施。二、地位作用检测技术也是自动化系统中不可缺少的组成部分。检测技术的完善和发展5推动着现代科学技术的进步。检测技术几乎渗透到人类的一切活动领域，发挥着愈来愈大的作用。三、检测系统的基本组成一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。检测系统的组成框图如下：1.传感器传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的。2.测量电路测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。3.显示记录装置显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。常用的有模拟显示、数字显示和图像显示三种。模拟式显示是利用指针对标尺的相对位置表示被测量的大小。其特点是读被测量传感器测量电路电源指示仪记录仪数据处理仪器6数方便、直观，结构简单、价格低廉，在检测系统中一直被大量应用；数字式显示则直接以十进制数字形式来显示读数，实际上是专用的数字电压表，它可以附加打印机，打印记录测量数值；图像显示，将输出信号送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，作为检测结果，供分析使用。第四节检测技术的发展趋势(5m)检测技术的发展趋势主要有以下两个方面：第一，新原理、新材料和新工艺将产生更多品质优良的新型传感器。例如光纤传感器、液晶传感器、以高分子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等。第二，检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作，并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表，把检测技术自动化推进到一个新水平。传感器网络例子：基于GPRS的燃气信息采集控系统摘要：介绍了一种基于GPRS的燃气信息采集控系统的设计方法。主要研究了数据采集控制模块软硬件设计、网络的安全数据传输设计、主控中心系统软件的设计。该系统能够实现对燃气管道和使用存贮燃气等场所气体泄漏以及设备运行情况进行有效的远程监测和控制。关键词：远程监控；GPRS；DTU；数据采集１.１功能可对各地多个小区气站、气库、调压站、燃气泄漏重点部位进行组网，从而实现在控制中心对管网压力、流量以及环境参数进行远程监测、控制、报警、报表、打印等功能。7１.２总体结构２.系统总体设计２.１GPRS数据采集控制RTU硬件设计