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传感器与检测技术
课程概述
必修课
50理论＋10实验
主要内容
检测技术的基础知识　（误差理论与数据处理）
电参数的测量技术
温度、流量、压力、气体、湿度、物质密度、物位、位移、速度、厚度的检测技术
应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式、光电式、半导体（气敏、湿敏）、超声波微波、红外辐射
数字式、智能式　　　　（智能传感器）
　　　　　　
教材
教材：
传感器与检测技术，西安电子科技大学出版社
教学基本要求
了解检测和传感器的基本知识
掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路
了解各类传感器的典型应用
了解微机自动检测技术
了解检测技术的抗干扰技术
第一章 检测技术的基本知识
1.1 检测的目的、意义
1.2 检测与计量的区别
1.3 自动检测技术概述
1.4 传感器与变送器的基本知识
1.5 测量误差及其处理方法
1.6 检测系统或仪表的性能评价
内容提要
本章介绍自动检测技术、传感器和变送器的基本知识、测量误差及其处理方法和检测系统的性能评价。通过本章学习，了解检测的目的、意义和检测技术的发展趋势；掌握自动检测系统的基本组成、测量方法及其选择；掌握传感器的定义、分类和命名方法，了解变送器的作用；学会误差的表示方法和基本处理手段；对检测系统的性能评价指标有一定的理解。
1.1 检测的目的和意义
检测是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量的技术措施。
1.1 检测的目的和意义
检测技术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….
检测技术在汽车中的应用日新月异
汽车传感器：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。
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
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
车 身：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
检测技术在航天领域举足轻重
飞行器测控 --- 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵
火箭测控 --- 检测火箭状况、姿态、轨迹
检测技术在日常生活中的应用与日俱增
家用电器：
数码相机、数码摄像机：自动对焦
数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器
自动感应灯：亮度检测
空调、冰箱、电饭煲：温度检测
电话、麦克风：话音转换
遥控接收：红外检测
办公商务：
可视对讲、可视电话：图像获取
扫描仪：文档扫描
红外传输数据：红外检测
医疗卫生：
电子血压计：血压检测
血糖测试仪、胆固醇检测仪 --- 离子传感器
……教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、……
涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空
*
检测技术是：
国民经济的“倍增器” 科学研究的“先行官” 现代战争的“战斗力” 法庭审判的“物化法官”
1.2 检测与计量的区别
“计量”是指用精度等级更高的标准量具、器具或标准仪器，对被测样品、样机进行考核性质的测量；
从定义中可以看出，它属于测量，源于测量，而又严于一般测量，它涉及整个测量领域，并按法律规定，对测量起着指导、监督、保证的作用。
“检测”通常是指在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。
1.3 自动检测技术概述
自动检测技术:是研究自动检测系统中的信息提取、信息转换及信息处理的理论和技术，其核心是“测量＋信号检出”，是检测方法、检测结构、检测信号处理的综合性技术。
检测仪表:在生产过程中，完成信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理处理的仪表。
自动检测系统:利用各种检测仪表对生产过程中的各种工艺变量自动、连续地进行测量、显示或记录，以供操作者观察或直接自动监督生产情况的系统。
1.3.1 自动检测系统的组成和分类
1. 自动检测系统的组成
一般自动检测系统的基本组成如图1-1所示。
图 自动检测系统的组成
各部分的作用如下。
（1）传感器
传感器处于被测对象与测试系统的接口位置，是一个信号变换器。
它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化并变换成便于测量的其他量。
（2）信号调理器或变送器
信号调理器又称中间转换器，它的作用是将传感器的输出信号进行放大、转换和传输等，使其适合于显示、记录、数据处理或控制。
例如测量电桥、滤波器、放大器、电压/频率变换器（V/F）、电压/电流变换器（V/I）、交流/直流变换器等。
（3）一次仪表或二次仪表
一次仪表指现场测量仪表或基地控制仪表；
二次仪表指利用一次仪表的信号来完成诸如控制、显示等功能的仪表。
2. 自动检测系统或仪表的分类
按被测量值的物理属性分有：电量、非电量；
按检测原理（物理的、化学的、生物学的）分有：电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等；
按检测方法分有：主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态等。
按仪表的使用性质分有：标准表、实验室表和工业用表等三种。
电量及非电量
在科学实验中及生产制造过程中，研究与观测的对象是多种多样的，因此，物理量也是多种多样的，这些物理量可大致分为两大类，即电量与非电量。
电 量：电流I、电压V、电荷Q、电功率W、电路参数R 、L、C和电信号频率f 等等；
非电量：除电量以外的一切物理量，如高度、速度、重量、压力、温度等。
非电量电测法的特点：
使测量仪器统一化，规格化。不同的非电量转换成相同的电量，使后继仪器标准化。
便于信号长距离传输、远程监测及控制。
对参数进行动态测量（信号随时间变化），可测量其瞬时值及变化过程。
可测微小信号及瞬变信号（作用时间很短）。
易于与计算机联接，分析处理方便。
非电量电测系统的组成
简单的测量系统组成
被测对象
传感器
信号调节器
记录.显示.分析处理
伺服驱动机构
被测
信号
U、I
R、L、C
U、I
1.3.2 测量方法的分类与选择
1. 测量方法的分类
常
用
测
量
方
法
分
类
表
等精度测量与不等精度测量
不等精度测量处理方法：
权值与标准偏差的平方成反比 。权值
测量结果为加权平均值
1.3.2 测量方法的分类与选择
1. 测量方法的分类
常
用
测
量
方
法
分
类
表
1.3.2 测量方法的分类与选择
1. 测量方法的分类
常
用
测
量
方
法
分
类
表
（续）
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
将被测量直接与基准量比较，得到偏差值
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
1.3.2 测量方法的分类与选择
1. 测量方法的分类
常
用
测
量
方
法
分
类
表
（续）
1.3.2 测量方法的分类与选择
1.3.2 测量方法的分类与选择
1. 测量方法的分类
常
用
测
量
方
法
分
类
表
（续）
1.3.2 测量方法的分类与选择
1. 测量方法的分类
常
用
测
量
方
法
分
类
表
（续）
2. 测量方法的选择
在选择测量方法时，要综合考虑下列主要因素：
（1）从被测量本身的特点来考虑。
（2）从测量的精确度和灵敏度来考虑。
（3）考虑测量环境是否符合测量设备和测量技术的要求，尽量减少仪器、仪表对被测电路状态的影响。
（4）测量方法简单可靠，测量原理科学，尽量减少原理性误差。
1.3.3 自动检测技术的发展趋势
传感器水平的提高
新原理、新材料和新工艺 新型传感器
仿生传感器
检测超高温、 超低温和超高真空等超高压极端参数的新型传感器
不同功能的传感器集成化
传感器和后续电路集成化
2. 非接触检测技术
3. 检测系统由模拟式、数字式向智能化
、虚拟化、网络化、微型化、软测量技术方向发展
三、检测系统的构成
接口总线
存储显示分析监控判断决策
一般构成：
信号检出
┇
信号检出
信号检出
信号转换
信号转换
信号转换
处理显示
处理显示
处理显示
通讯接口/总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、··· ···)
其它环节：
存储、监控、决策
人与机器的机能对应关系：
1.4 传感器与变送器的基本知识
定性
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。
定量
传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提取，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，
执行器对外界对象进行控制。
1.4 传感器与变送器的基本知识
学习传感器的重要性
传感器在日常生活中的应用
家用电器：
数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器
数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器
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
遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管
办公商务：
可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD
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
医疗卫生：
电子血压计：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
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。
自动检测与自动控制系统
汽车与传感器
3、产品质量测量
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
*
4、楼宇控制与安全防护
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
*
5、家庭与办公自动化
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。
指纹传感器
透光率传感器
温湿度传感器
温度传感器
*
6、其他应用
航天
农业
交通
医学
*
1.4 传感器与变送器的基本知识
1.4.1 传感器的定义与特点
1. 传感器的定义
传感器的严格定义在国家标准GB7665-87中是这样表述的：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器习惯上又被称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头等。
2. 传感器的特征
①传感器是测量装置，能完成检测任务；
②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；
③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量，
④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。
3. 传感器功能
“一感二传” ，即感受被测信息，并传送出去。
例 ：粮仓温度、湿度检测
通
风
口
探
头
通
风
口
通
风
口
装有温湿度探头的粮仓示意图
1.4.2 传感器的组成与分类
1．传感器的组成
传感器将非电量转换成电量输出。
①敏感元件：能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件，并以确定关系输出某一物理量。
②转换元件。将敏感元件感受的被测量转换成电路参数。
③基本转换电路。将电路参数转换成便于测量的电量（如：电压、电流、频率等）。
mV
T
T0
B
A
热电偶
I
hf
G
光电池
f
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
Q
压电传感器
R
RT
R0
R
U0
Ui
热敏电阻传感器
2．传感器的分类
（1）按被测物理量分类
表明了传感器的用途，便于使用者选择。
（2）按传感器工作原理分类
表明了传感器工作原理，有利于传感器设计和应用。
（3）按传感器转换能量的情况分类
① 能量转换型。又称发电型，不需外加电源而将被测能量转换成电能输出。
② 能量控制型。又称参量型，需外加电源才能输出电能量。
湿度传感器
湿度传感器
各种传感器
温度传感器 压力传感器
液位传感器
1.4.3 传感器的命名与代号
1. 传感器的命名
传感器的命名由主题词加四级修饰语构成。如附录1所示。
① 主题词——传感器；
② 第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语；
③ 第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字；
④ 第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字。
⑤第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。
2. 传感器的代号
传感器的代号：依次为主称（传感器）被测量—转换原理—序号。
① 主称——传感器代号C；
② 被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。常用被测量代码如附录2所示；
③ 转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。转换原理代码如附录3所示；
④ 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。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。
例如：应变式位移传感器： C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y-GQ-2。
1.4.4 变送器简介
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称。
当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。
变送器可定义为将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。
变送器输出的标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。
直流电流0～10mA、4～20mA是当前通用的标准信号。
1.5 测量误差及处理方法
测量误差的表示方法、估算、分析和处理
1.5.1 测量误差基本概念和分类
(1)一次测量和多次测量
一次测量是对一个被测量的量只进行一次测量的过程。
多次测量是对一个被测量进行不止一次的测量。
1 . 测量误差基本概念
(2) 等精度测量和非等精度测量
等精度测量是指保持测量条件不变而进行的多次测量。
非等精度测量是指在测量条件不能维持不变的情况下的多次测量。
(3) 真值与最佳值
真值是指被测量本身具有的真实数值。A0
最佳值:满足规定准确度时用来代替真值使用的值。A
(4) 示值
示值（测量值）是由测量仪器给出或提供的量值。X
(5) 标称值
标称值是指测量器具上标定的数值。
(6)误差公理
一切测量都具有误差，误差自始至终存在于所有科学实验的过程之中
(7)精确度（精度）
精确度（精度）：它是测量结果中各种误差的综合，表示测量结果与被测量的真值之间的一致程度
(8) 重复性
在相同条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的一致性。
2.误差的分类
误差的分类
1.6 检测系统或仪表的性能评价
① 技术方面的指标：
主要是指误差、精度、稳定性、输入/输出特性等。
② 使用方面：
主要是指操作维修是否方便、运行是否可靠安全，抗干扰与防护能力的强弱，重量体积的大小，自动化程度的高低等。
③ 经济方面：
主要是指使用寿命的长短，功耗的大小，价格的高低等。
1. 量程
量程：表示检测系统或仪表实现不失真测量时的最大输入信号范围。
2. 精度
精度：是反映检测系统或仪表的系统误差与随机误差综合影响程度的评价指标，表示测量结果与其理论值（真值）的靠近程度。
3. 输入与输出电阻
前一环节的输出电阻相当于后一环节的信号源内阻，后一环节的输入电阻相当于前面环节的负载。
若希望前级输出信号无损失地向后级传送，根据全电路欧姆定律可知信号源的内阻应为零，即前级环节对后级环节而言相当于理想电压源，其内阻即输出电阻应为0；
后续输入电阻承接了全部电压信号，故输入电阻理想值为∞。
4. 检测系统或仪表的稳定性与可靠性
（1）稳定性
定义：是指在规定条件下保持其检测特性恒定不变的能力。
通常在不明确影响量时，稳定性是指检测系统或仪表不受时间变化影响的能力，一般用漂移来反映。
漂移是指在保持检测系统或仪表输入量不变时，输出示值随时间或温度的改变而缓慢变化的现象。
时漂：随时间变化的漂移称为；
温漂：随环境温度变化的漂移称为。
由于漂移导致仪表输出特性不稳定，出现漂移误差，表明零点不稳定的漂移为零点漂移，表明灵敏度有变化的漂移称为灵敏度漂移。如图1-4所示。
图1-4 漂移误差
（2）可靠性
定义：指检测系统或仪表在规定工作条件下和规定时间内保持原检测特性的能力。
可靠性可用发生故障的速率或平均故障率来表示。
发生故障的速率用平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failures）来估计。
例如，某检测系统或仪表在90000h的运行中发生了12次故障，则MTBF＝90000/12＝7500h。MTBF说明发生一次故障的平均时间间隔。
平均故障率：单位时间内（一般以小时计）发生故障的平均次数称为。用λ表示
5. 检测系统或仪表的输入/输出特性
检测系统或仪表的基本特性：指检测系统或仪表的输出与输入的关系，有静态与动态之分。
（1）静态特性
定义：是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，检测系统或仪表输入与输出之间呈现的关系。
静态特性主要包含：线性度（非线性误差）、变差（迟滞、滞环）、灵敏度、分辨力、重复性、死区等指标。
1）灵敏度
定义：是表示检测系统或仪表的输入增量与由它引起的输出增量之间的函数关系。
or灵敏度S等于检测系统或仪表输出增量与被测量增量之比，是检测系统或仪表在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率，可用下式表示：
图1-5 灵敏度定义
灵敏度表示检测系统或仪表对被测量变化的反应能力。
若检测系统是由灵敏度分别为S1，S2，S3等多个相互独立的环节组成时，系统的总灵敏度S为
灵敏度数值大，表明相同的输入改变量引起的输出变化量大，检测系统的灵敏度高。
2）分辨力
能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量。
对于数字式仪表，如果没有其他附加说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的有效数值就是它的分辨力。
3）线性度
定义：是指检测系统或仪表的输出与输入之间数量关系的线性程度（又称非线性误差）。
线性度γL：通常用实际测得的输入－输出曲线与拟合直线（也称理论直线）之间的最大偏差△Lmax与检测系统或仪表满量程输出值YFS之比的百分数来表示，
即
图1-6 理论直线拟合法
图1-6 理论直线拟合法 图1-7 迟滞特性
4）迟滞
定义：是在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线出现的不重合程度。
迟滞误差γH：以检测系统或仪表在全量程范围内最大迟滞误差△Hmax与满量程输出YFS的之比的百分数来表示，
即
图1-7 迟滞特性
5）重复性
定义：是指检测系统或仪表沿同一方向变化时，在全量程范围内连续进行多次测试，所得到的各特性曲线重复程度。
ΔRmax1：正行程的最大重复性偏差；ΔRmax2：反行程的最大重复性偏差。 ΔRmax：重复性偏差取这两个最大偏差中之较大者，如图1-8所示。
重复特性，一般采用输出最大重复性偏差△Rmax与满量程输出YFS的百分比来表示，即
6）死区
定义:当检测系统或仪表输出信号不发生变化时所对应的输入信号的变化范围。如图1-9所示。
图1-9 死区
（2）动态特性
检测系统或仪表的动态特性：是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。
将模拟传感器的动态指标总结如表1-3所示。
图 热电偶测温过程
测试曲线
动态误差
T
t
T
T0
t
t0
图 一阶测温传感器
响应特性
td
tr
tp
σp
σ'p
ts
0
0.10
0.50
0.90
1.00
y(t)
t
则系统的频率响应函数H（jω）为
由Ｈ(jω)可以分析该系统的幅频特性Ajω）和相频特性φ（jω） ：
思考题与习题
1. 检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用。
2. 非电量的电测法有哪些忧点
3. 什么是测量误差 测量误差有几种表示方法，各有什么用途
4. 误差按其出现规律可分为几种，它们与准确度和精密度有什么关系
5. 什么是系统误差和随机误差？正确度和精密度的含义是什么？它们各反映何种误差？
思考题与习题
6. 服从正态分布规律的随机误差哪些特性。
7. 产生系统误差的常见原因有哪些？常用的减少系统误差的方法有哪些？
8. 检定2.5级的量程为100V的电压表，发现50V刻度点的示值误差2V为最大误差，问该电压表是否合格
9. 苦测量10V左右的电压，手头上有两块电压表，其中一块量程为150V，0.5级；另一块是15V，2.5级。问选哪一块电压表测量更准确

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