《现代检测技术》课件第1章-绪论.ppt

1、1.11.21.31.4检测技术概述检测技术概述传感器概述传感器概述现代检测系统现代检测系统检测技术发展趋势检测技术发展趋势被测参数（被测参数（物理量物理量、化学量、生物量）、化学量、生物量）参数检测：检查、测量、测试的总称参数检测：检查、测量、测试的总称检测装置：实现参数检测的变换器。检测装置：实现参数检测的变换器。三个环节：输入单元、处理单元、输出单元。三个环节：输入单元、处理单元、输出单元。*检测技术检测技术：以研究信息的：以研究信息的提取、转换、处理提取、转换、处理为为理论和技术的一门应用技术学科。理论和技术的一门应用技术学科。1、检测技术基本概念、检测技术基本概念2、检测装置（系统）

2、的发展历程、检测装置（系统）的发展历程第一代检测装置：第一代检测装置：以物理学原理为基础以物理学原理为基础交流电压表交流电压表天平天平压力表压力表第二代检测装置：第二代检测装置：电子管、晶体管为基础电子管、晶体管为基础，处理，处理模拟电信号。例如：示波器、信号发生器等模拟电信号。例如：示波器、信号发生器等第三代检测装置：第三代检测装置：数字集成电路与模拟放大器等数字集成电路与模拟放大器等组合组合，具有信号处理功能仪器仪表。显示仪表、万，具有信号处理功能仪器仪表。显示仪表、万用表、信号发生器、示波器等。用表、信号发生器、示波器等。信号发生器信号发生器示波器示波器第四代检测装置：第四代检测装置：以

3、微处理器为核心的智能化仪以微处理器为核心的智能化仪表。表。波形存储示波器。波形存储示波器。波形存储示波器波形存储示波器数字万用表数字万用表虚拟仪器虚拟仪器检测技术、计算机技术与网络技术结合的产物。多参量检测技术、计算机技术与网络技术结合的产物。多参量多点检测。多点检测。虚拟示波器虚拟示波器虚拟信号发生器虚拟信号发生器PC机机+数据采集卡数据采集卡+驱动程序驱动程序+系统软件系统软件虚拟仪器虚拟仪器现场总线仪表现场总线仪表水电煤气和供热计量远程抄表系统水电煤气和供热计量远程抄表系统3、对检测装置的基本要求与举例、对检测装置的基本要求与举例（1）能实现多参数、多点检测。）能实现多参数、多点检测。（

4、2）动态参数测量，系统的频带宽。）动态参数测量，系统的频带宽。（3）实时性要求高的系统，能够实现快速信号处理。）实时性要求高的系统，能够实现快速信号处理。（4）能够实现数据通信。）能够实现数据通信。例例1 1 感温、感温、感烟火灾报警系统感烟火灾报警系统集集控控器器1中中央央监监控控图图1-1 监控系统组成框图监控系统组成框图探头探头11探头探头12探头探头1N串行总线串行总线现场总线现场总线房间内房间内智能感温、感烟探头智能感温、感烟探头：负责检测温度、浓度信负责检测温度、浓度信号、超限报警。输出温度、浓度信号通过串行通讯线号、超限报警。输出温度、浓度信号通过串行通讯线送入集控器。送入集控器

5、。楼道集控器：楼道集控器：负责信号汇总，汇总各房间的温度和浓负责信号汇总，汇总各房间的温度和浓度信号，并监控各房间温度、烟浓度是否异常，如异度信号，并监控各房间温度、烟浓度是否异常，如异常，声光报警并打开喷淋设备灭火，一层一台。常，声光报警并打开喷淋设备灭火，一层一台。中央监控计算机：中央监控计算机：各层集控器通过各层集控器通过CAN总线、总线、M-BUS总线等现场总线将温度、浓度等信号送入。值总线等现场总线将温度、浓度等信号送入。值班人员在电脑屏幕上直观监视各房间情况（温度、班人员在电脑屏幕上直观监视各房间情况（温度、烟雾浓度）。烟雾浓度）。电视摄像头：电视摄像头：房间、楼道装配，通过电视屏

6、幕查看房间、房间、楼道装配，通过电视屏幕查看房间、楼道情况。感温、感烟传感器，就像人的感官。楼道情况。感温、感烟传感器，就像人的感官。图图1-2（a）装有温湿度探头的粮仓示意图）装有温湿度探头的粮仓示意图通通风风口口探探头头通通风风口口通通风风口口例例2 2 粮仓温湿度检测系统粮仓温湿度检测系统图图1-2（b）温湿度监控组成框图）温湿度监控组成框图巡巡检检仪仪中中央央监监控控探头探头1探头探头2探头探头N串行总线串行总线现场总线现场总线粮仓粮仓分层风机分层风机定性定性人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映

7、。的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。定量定量传感器相当于人的感官，称传感器相当于人的感官，称“电五官电五官”，外界信息，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。器对外界对象进行控制。例例3 人与机器的功能对应关系人与机器的功能对应关系 图图1-3 人与机器的机能对应关系图人与机器的机能对应关系图外外界界对对象象感官感官传感器传感器人脑人脑微机微机肢体肢体执行器执行器传感器传感器XYY=F（X）物理量物理量化学量化学量生物量

8、生物量电量电量 1、*传感器的定义传感器的定义（Sensor）能够感受规定的能够感受规定的被测量被测量并按并按一定规律一定规律转换成转换成可用可用输出信号输出信号的器件或装置的器件或装置。（。（GB766587）*能够能够将被测将被测非电量非电量转换为转换为电量电量的装置。的装置。（狭义）（狭义）光电池、光敏电阻光电池、光敏电阻2、*传感器的组成传感器的组成图图1-4 差动电感压力传感器组成框图差动电感压力传感器组成框图*思考：敏感元件、转换元件、转换电路的作用。思考：敏感元件、转换元件、转换电路的作用。敏感元件敏感元件转换元件转换元件敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路图图1-6

9、 传感器组成框图传感器组成框图被测量被测量中间量中间量电量电量电信号电信号膜盒膜盒差动电感差动电感电桥电路电桥电路图图1-5 气体压力传感器组成框图气体压力传感器组成框图PSLU0差动电感压力传感器组成框图差动电感压力传感器组成框图mVTT0BA（a）热电偶）热电偶IhfG(b)光电池光电池f+Q(c)压电传感器压电传感器RRTR0RU0Ui(d)热敏电阻传感器热敏电阻传感器图图1-7 传感器组成电路传感器组成电路课堂练习：画出上述传感器组成框图课堂练习：画出上述传感器组成框图（1）按能量转换情况）按能量转换情况能量控制型传感器能量控制型传感器:需外供电源，需外供电源，只起信号转换，只起信号转

10、换，不起能量转换。不起能量转换。RRTR0RU0Ui能量转换型传感器：能量转换型传感器：不需外加电源，不需外加电源，本身起能量转换。本身起能量转换。f+Q（2）按物理工作原理分类）按物理工作原理分类（教科书）（教科书）按传感器的结构、原理、测量电路及应用讲授。条理较清晰。按传感器的结构、原理、测量电路及应用讲授。条理较清晰。U0UiiULxU 0（3）根据输入物理量（用途）分类）根据输入物理量（用途）分类物理量：物理量：温度、压力、流量、料位、位移、加速度等。温度、压力、流量、料位、位移、加速度等。化学量：化学量：物质成分、浓度、酸碱度等。物质成分、浓度、酸碱度等。生物量：生物量：血压、心电图

11、、脑电波等。血压、心电图、脑电波等。（4）按输出信号的性质分类）按输出信号的性质分类模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器模拟式传感器:输出电压、电流等模拟量。输出电压、电流等模拟量。数字式传感器：输出数字量、脉冲量。数字式传感器：输出数字量、脉冲量。光栅、光栅、数字编码器数字编码器、CCD传感器等。传感器等。（1）不断提高传感器的性能不断提高传感器的性能,扩大应用范围扩大应用范围（测量精度、稳定性、可靠性、分辨率、测量范围、（测量精度、稳定性、可靠性、分辨率、测量范围、抗干扰能力等）抗干扰能力等）（2）开发新型传感器）开发新型传感器发现新效应材料。发现新效应材料

12、。用单晶硅、多晶硅、非晶硅制作光电池。光伏发电。用单晶硅、多晶硅、非晶硅制作光电池。光伏发电。采用新工艺、新技术。采用新工艺、新技术。如纳米技术、如纳米技术、MEMS技术开发微型传感器，用于工业、医疗技术开发微型传感器，用于工业、医疗与军事等领域与军事等领域。（3）研制集成化、多功能和智能化传感器）研制集成化、多功能和智能化传感器CCD同一功能多元件并列化阵列传感器集成化功能一体化集成温度传感器传感器TPQY多功能化多功能化智能化智能化：微机加传感器。微机加传感器。数据采集、数据采集、数据处理、数据处理、逻辑判断、串行通信等。逻辑判断、串行通信等。（4）系统网络化、传感器微型化系统网络化、传感

13、器微型化 无线传感器网络。无线传感器网络。图图 1-8 温度传感器温度传感器 图图1-9 压力传感器压力传感器传感器实例传感器实例 图图1-10 液位传感器液位传感器1、*结构组成结构组成传感器传感器处理单元处理单元输出单元输出单元图图1-11 检测系统组成框图检测系统组成框图被测量被测量电信号电信号有效电信号有效电信号传感器的转换精度直接决定检测系统的精度。传感器的转换精度直接决定检测系统的精度。处理单元的种类随传感器种类的不同而不同。处理单元的种类随传感器种类的不同而不同。输出单元不同，检测系统的叫法不同。输出单元不同，检测系统的叫法不同。传感器传感器处理单元处理单元显示器显示器记录仪记录

14、仪自动检测系统自动检测系统传感器传感器处理单元处理单元计数器计数器累加器累加器自动计量系统自动计量系统传感器传感器处理单元处理单元报警器报警器自动保护系统自动保护系统传感器传感器处理单元处理单元图像输出图像输出自动诊断自动自动诊断自动识别系统识别系统图图1-12 检测系统的类型检测系统的类型传感器传感器处理单元处理单元显示器显示器记录仪记录仪自动检测系统自动检测系统电子体温计电子血压计电子血压计传感器传感器处理单元处理单元计数器计数器累加器累加器自动计量系统自动计量系统电子水表电子水表煤气表煤气表传感器传感器处理单元处理单元报警器报警器自动保护系统自动保护系统感烟报警器感温报警器感温报警器传感

15、器传感器处理单元处理单元图像输出图像输出自动诊断自动自动诊断自动识别系统识别系统拍照及指纹识别考勤机拍照及指纹识别考勤机（1）基本检测型）基本检测型2、应用类型、应用类型A/D微机微机对象对象传感器传感器输出输出信号调理信号调理图图1-13（a）基本检测型组成框图）基本检测型组成框图实时检测锅炉温度，温度超过实时检测锅炉温度，温度超过95报警，测量温度范围报警，测量温度范围0110。热电偶温度传感器将温度转换为热电偶温度传感器将温度转换为mV电压，电压，0110转换为转换为0 10 mV。经过放大器放大到。经过放大器放大到0 2V。送。送10位位A/D转换器转换器离散为数字量。微机根据测得的数

16、字量计算得到温度值。送离散为数字量。微机根据测得的数字量计算得到温度值。送显示器显示，同时判断温度是否超过显示器显示，同时判断温度是否超过95，超过报警。，超过报警。A/D转转换换器器微机微机传感器传感器1显示显示多多路路转转换换器器传感器传感器2传感器传感器n打印打印报警报警通信通信可编程增益可编程增益放大器放大器AB CX1X2Xn图图1-13（b）基本检测型组成框图）基本检测型组成框图（2）标准接口型）标准接口型PC机为控制器，配置总线接口卡板，（机为控制器，配置总线接口卡板，（CAN总线、总线、RS485总线、总线、USB、虚拟仪器采集卡）应用相应通、虚拟仪器采集卡）应用相应通信协议，

17、数据采集处理，通信。信协议，数据采集处理，通信。PC机（带相应（带相应总线总线接口卡）接口卡）带带GPIB仪器仪器带带VXI仪器仪器虚拟仪器网络虚拟仪器网络带带RS485仪器仪器带现场总线仪器带现场总线仪器带带USB接口仪器接口仪器（3）控制型）控制型给定值给定值A/D微机微机对象对象传感器传感器D/A信号调理信号调理给定单元给定单元控制器控制器电动调节阀电动调节阀上水箱上水箱液位变送器液位变送器XRX iX e扰动扰动图图1-14 控制型组成框图控制型组成框图L执行器执行器LTLT液液位位控控制制器器液位变送器液位变送器电动调节阀电动调节阀泵泵储水箱储水箱上水箱上水箱下水箱下水箱图图1-15

18、水箱液位控制（过程控制）水箱液位控制（过程控制）例例1置于现场置于现场,将过程量转换为标准信将过程量转换为标准信号的装置。号的装置。位于过程控制的反馈通道位于过程控制的反馈通道,相当于相当于生产过程的感官。生产过程的感官。图图1-16变送单元变送单元图图1-17 冷轧带钢板板厚控制（运动控制）冷轧带钢板板厚控制（运动控制）检测板厚检测板厚控制器控制器液压执行机构液压执行机构轧辊轧辊带钢带钢例例2给定厚度给定厚度A/D微机微机轧机轧机板厚传感器板厚传感器D/A信号调理信号调理H微微(小小)型化、智能化、网络化、硬件平台通用化、型化、智能化、网络化、硬件平台通用化、软件多功能化。软件多功能化。微微

19、(小小)型化：型化：节材、节能、减小体积，减轻重量。节材、节能、减小体积，减轻重量。智能化：智能化：硬件功能软件化，提高性能价格比。硬件功能软件化，提高性能价格比。网络化：网络化：实现信息共享，满足现代检测需要。实现信息共享，满足现代检测需要。硬件平台通用化、软件多功能化：硬件平台通用化、软件多功能化：硬件模块化，硬件模块化，根据具体的检测控制任务，编写应用程序。根据具体的检测控制任务，编写应用程序。思考题与习题思考题与习题1、检测、检测装置、检测技术。、检测、检测装置、检测技术。2、传感器概念、组成及各组成部分功能。传感器概念、组成及各组成部分功能。3、基本检测系统与控制型检测系统组成框图。

20、基本检测系统与控制型检测系统组成框图。各环节的作用。各环节的作用。4、由图、由图1热电偶、光电池、压电传感器、热敏电阻热电偶、光电池、压电传感器、热敏电阻原理图画出它们的组成框图。原理图画出它们的组成框图。5、由图、由图2上水箱液位控制系统工艺流图画出其单回上水箱液位控制系统工艺流图画出其单回路控制系统组成框图。路控制系统组成框图。mVTT0BA（a）热电偶IhfG(b)光电池f+Q(c)压电传感器RRTR0RU0Ui(d)热敏电阻传感器图图1 几种传感器工作原理图几种传感器工作原理图LTLT液位调节器液位变送器电动调节阀泵泵储水箱上水箱下水箱图图2上水箱液位控制系统工艺流图上水箱液位控制系统

21、工艺流图MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、

22、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。参考内容参考内容微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。对 微电子机械系统(MEMS)的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应用研究三类。理论研究主要是研究微尺寸效应、微磨擦、微构件的机械效应以及微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制研究等；制造工艺研究包括微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等；应用研究主要是将所研究的成果，如微型电机、微型阀、微型传微型电机、微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械感器以及各种专用微型机械投入实用。如医疗血管病变探医疗血管病变探测器、微型心脏起波器，工业用途机器人、军事微型侦察测器、微型心脏起波器，工业用途机器人、军事微型侦察机等。机等。虚拟仪器虚拟仪器