第1章传感器与检测技术基础知识 1.1传感器基础知识 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 电子装置;简单地讲传感器就是将外界被测信号转换为电信号的电子装置。一般 地,它由敏感元器件(感知元件)和转换器件两部分组成,有的半导体敏感元器 件可以直接输出电信号,本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多,就其感知外 界信息的原理来讲,可分为①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 ②化学类,基于化学反应的原理。③生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别 功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件 磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大 类
第1章 传感器与检测技术基础知识 1.1 传感器基础知识 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；简单地讲传感器就是将外界被测信号转换为电信号的电子装置。一般 地，它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器 件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外 界信息的 原理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 ②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别 功能。通常 据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、 磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大 类
1.11传感器命名与代号 1.1.1.1传感器的命名 由主题词加四级修饰语构成。 Ⅰ主题词—传感器 ∏第一级修饰语——被测量,包括修饰被测量的定语; I第二级修饰语——转换原理,一般可后续以“式”字 IV.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 Ⅴ.第四级修饰语——主要技术指标(量程、精确度、灵敏度等)。 各级修饰语举例可参见见附录表1:各级修饰语举例一览表。例:题目中 的用法:在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理 等特殊场合,应采用上述之顺序:如:传感器,位移,应变[计]式 100mm; 正文中的用法:在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句 子中,作为产品名称应采用与上述相反的顺序。如:10mm应变式位移传 感器
1.1.1 传感器命名与代号 1.1.1.1 传感器的命名 由主题词加四级修饰语构成。 I. 主题词——传感器； II. 第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语； III. 第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字； IV. 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； V. 第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。 各级修饰语举例可参见见附录表1：各级修饰语举例一览表。例：题目中 的用法：在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理 等特殊场合，应采用上述之顺序：如：传感器，位移，应变[计]式， 100mm； 正文中的用法：在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句 子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序。如：10mm 应变式位移传 感器
1.1.1.2传感器的代号 依次为主称(传感器)被测量一转换原理—序号 .主称—传感器,代号C; I.被测量一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:常用 被测量代码表; I′.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: 常用转换原理代码表; ⅣV.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、Q不用) 例:应变式位移传感器:CWY-YB-2O;光纤压力传感器:CY-aQ-2。 传感器是获取被测量信息的元件,其质量和性能的好坏直接影响到测量结果的 可靠性和准确度,衡量其质量的特性有许多,主要包括静态和动态两个方面 当被测量不随时间变化或变化很慢时,可以认为输入量和输出量都和时间无关。 表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程,在这种关系的基础上确 定的性能参数为静态特性;当被测量随时间变化很快时,就必须考虑输人量和 输出量之间的动态关系。这时,表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微 分方程,与被测量相对应的输出响应特性称为动态特性。这里主要介绍几个常 用的静态特性
1.1.1.2 传感器的代号 依次为主称（传感器） 被测量—转换原理—序号 I. 主称——传感器，代号C； II. 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：常用 被测量代码表； III. 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： 常用转换原理代码表； IV. 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：应变式位移传感器： C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y-GQ-2。 传感器是获取被测量信息的元件，其质量和性能的好坏直接影响到测量结果的 可靠性和准确度，衡量其质量的特性有许多，主要包括静态和动态两个方面。 当被测量不随时间变化或变化很慢时，可以认为输入量和输出量都和时间无关。 表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程，在这种关系的基础上确 定的性能参数为静态特性；当被测量随时间变化很快时，就必须考虑输人量和 输出量之间的动态关系。这时，表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微 分方程，与被测量相对应的输出响应特性称为动态特性。这里主要介绍几个常 用的静态特性
1.1.2传感器的灵敏度与分辨率 1.11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。 可表示为 (1-1-1) dx 它是输入与输出特性曲线的斜率。 图1.1.1检测系统灵敏度 如果系统的输出和输入之间有线性关系,则灵敏度;是一个常数。否则, 它将随输入量的大小而变化。如图1.1.1所示 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。 由于输入和输出的变化量一般都有不同的量纲,所以灵敏度s也是有量纲的。 如输入量为温度(C),输出量为标尺上的位移(格),则s的量纲为格/C。如果输入 量和输出量是同类量,则此时s可理解为放大倍数。因此,灵敏度比放大倍数有 更广泛的含义
1.1.2 传感器的灵敏度与分辨率 1.1.1.1 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。 可表示为 (1-1-1) 它是输入与输出特性曲线的斜率。 如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏度；是一个常数。否则， 它将随输入量的大小而变化。如图1.1.1所示。 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。 由于输入和输出的变化量一般都 有不同的量纲，所以灵敏度s也是有量纲的。 如输入量为温度(C)，输出量为标尺上的位移(格)，则s的量纲为格/C。如果输入 量和输出量是同类量，则此时s可理解为放大倍数。因此，灵敏度比放大倍数有 更广泛的含义。 dx dy s x y s 或 x 0 y dy dx 图1.1.1 检测系统灵敏度
如果检测系统由于多个环节组成,各环节的灵敏度分别为s1、S2、S3 而且各环节以图1.1.2所示的那样串联的方式相连接,则整个系统的灵 敏度可用下式表示 (1-1-2) 提高灵敏度,可得到较高测量精度,但应当注意,灵敏度越高,测量 范围往往越窄,稳定性往往越差。 X yi y2 yO 图1.1.2串联系统示意图
如果检测系统由于多个环节组成，各环节的灵敏度分别为s1、s2、s3， 而且各环节以图1.1.2所示的那样串联的方式相连接，则整个系统的灵 敏度可用下式表示 s=s1s2s3 (1-1-2) 提高灵敏度，可得到较高测量精度，但应当注意，灵敏度越高，测量 范围往往越窄，稳定性往往越差。 x y1 y2 y0 s1 s2 s3 图1.1.2 串联系统示意图
1.1.12分辨率 分辨率是指检测仪表能够精确检测岀被测量的最小变化的能力。输入量 从某个任意值(非零值)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。 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 1.1.3传感器的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 E="×100% -1-3)
1.1.1.2 分辨率 分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力。输入量 从某个任意值(非零值)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。 1.1.3 传感器的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。 E 100% (1-1-3) FS m f Y
由于线性度(非线性误差)是以所参考的拟合直线为基准算得的,所以基准线 不同,所得线性度就不同。拟合直线的选取方法很多,采用理论直线作为拟 合直线,确定的检测系统线性度,称做理论线性度。理论直线通常取连接理 论曲线坐标零点和满量程输出点的直线。如图1.1.3所示。 maxi 0 Ilax Xmax 图1.1.3理论线性度示意图 图1.1.4迟滞特性示意图 采取不同的方法选取拟合直线,还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。使拟合直线 与特性曲线上各点偏差的平方和为最小,可得到最小二乘法线性度等
由于线性度(非线性误差)是以所参考的拟合直线为基准算得的，所以基准线 不同，所得线性度就不同。拟合直线的选取方法很多，采用理论直线作为拟 合直线，确定的检测系统线性度，称做理论线性度。理论直线通常取连接理 论曲线坐标零点和满量程输出点的直线。如图1.1.3所示。 采取不同的方法选取拟合直线，还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。使拟合直线 与特性曲线上各点偏差的平方和为最小，可得到最小二乘法线性度等。 y 1 2 Δ Lm a x ymax xmax 0 图1.1.3 理论线性度示意图 xmax Δ Hm a x 0 1 2 ymax 图1.1.4 迟滞特性示意图
1.14传感器的迟滞与重复性 1.1.3.1迟滞 迟滞特性表明检测系统在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程期间, 输入-输岀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 系统在下、反行程中,往往对应两个大小不同的输岀量。通过实验,找出 输出量的这种最大差值,并以满量程输出Ys的百分数表示,就得到了迟滞 的大小(见图11.4) E ×10090(1-1-4) 式中,为输出值在正、反行程期间的最大差值。 迟滞可能是由仪表元件存在能量吸收或传动机构的摩擦、间隙等原因造成 的 1.1.3.2重复性 重复性是指传感器在检测同一物理量时每次测量的不一致程度,也叫稳定 性。重复性的高低与许多随机因素有关,也与产生迟滞的原因相似,它可 用实验的方法来测定
1.1.4 传感器的迟滞与重复性 1.1.3.1 迟滞 迟滞特性表明检测系统在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)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 系统在下、反行程中，往往对应两个大小不同的输出量。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，就得到了迟滞 的大小(见图1.1.4)。 (1-1-4) 式中，为输出值在正、反行程期间的最大差值。 迟滞可能是由仪表元件存在能量吸收或传动机构的摩擦、间隙等原因造成 的。 1.1.3.2 重复性 重复性是指传感器在检测同一物理量时每次测量的不一致程度，也叫稳定 性。重复性的高低与许多随机因素有关，也与产生迟滞的原因相似，它可 用实验的方法来测定。 E 100% FSm t Y
1.2检测技术基础 121检测技术的概念与作用 在人类的各项生产活动和科学实验中,为了了解和掌握整个过程的进展及其最后 结果,经常需要对各种基本参数或物理量进行检査和测量,从而获得必要的信息, 作为分析判断和决策的依据,可以认为检测技术就是人们为了对被测对象所包含 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。随着人类社会进人信 息时代,以信息的获取、转换、显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为 门完整的技术科学,在促进生产发展和科技进步的广阔领域内发挥着重要作用。其 主要应用如下 检测技术是产品检验和质量控制的重要阶段。借助于检测工具对产品进行质量 评价是人们十分熟悉的。这是检测技术重要的应用领域。但传统的检测方法只能将 产品区分为合格品和废品,起到产品验收和废品剔除的作用。这种被动检测方法 对废品的出现并没有预先防止的能力。在传统检测技术基础上发展起来的主动杨 技术或称之为在线检测技术使检测和生产加工同时进行,及时地用检测结果对生产 过程主动地进行控制,使之适应生产条件的变化或自动地调整到最佳状态。这样检 测的作用已经不只是单纯的检查产品的最终结果而且要过问和干预造成这些结果的 原因,从而进入质量控制的领域。 检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用。电力、石油、化工、 机械等行业的一些大型设备通常在高温、高压、高速和大功率状态下运行,保证这 些关键设备安全运行在国民经济中具有重大意义。为此,通常设置故障监测系统以 对温度、压力、流量、转速、振动和噪声等多种参数进行长期动态监测,以便及时 发现异常情况,加强故障预防,达到早期诊断的目的。这样做可以避免严重的突发 事故,保证设备和人员安全,提高经济效益。另外,在日常运行中
1.2 检测技术基础 1.2.1 检测技术的概念与作用 在人类的各项生产活动和科学实验中，为了了解和掌握整个过程的进展及其最后 结果，经常需要对各种基本参数或物理量进行检查和测量，从而获得必要的信息， 作为分析判断和决策的依据，可以认为检测技术就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。随着人类社会进人信 息时代，以信息的获取、转换、显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为一 门完整的技术科学，在促进生产发展和科技进步的广阔领域内发挥着重要作用。其 主要应用如下： 检测技术是产品检验和质量控制的重要阶段。借助于检测工具对产品进行质量 评价是人们十分熟悉的。这是检测技术重要的应用领域。但传统的检测方法只能将 产品区分为合格品和废品，起到产品验收和废品剔除的作用。这种被动检测方法， 对废品的出现并没有预先防止的能力。在传统检测技术基础上发展起来的主动检测 技术或称之为在线检测技术使检测和生产加工同时进行，及时地用检测结果对生产 过程主动地进行控制，使之适应生产条件的变化或自动地调整到最佳状态。这样检 测的作用已经不只是单纯的检查产品的最终结果而且要过问和干预造成这些结果的 原因，从而进入质量控制的领域。 检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用。电力、石油、化工、 机械等行业的一些大型设备通常在高温、高压、高速和大功率状态下运行，保证这 些关键设备安全运行在国民经济中具有重大意义。为此，通常设置故障监测系统以 对温度、压力、流量、转速、振动和噪声等多种参数进行长期动态监测，以便及时 发现异常情况，加强故障预防，达到早期诊断的目的。这样做可以避免严重的突发 事故，保证设备和人员安全，提高经济效益。另外，在日常运行中
这种连续监测可以及时发现设备故障前兆,采取预防性检修。随着计算机技术的发展, 这类监测系统已经发展到故障自诊断系统。可以采用计算机来处理检测信息,进行分析 判断,及时诊断出设备故障并自动报警或采取相应的对策。 检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。任何生产过程都可以看作是“ 流”和“信息流”组合而成,反映物流的数量、状态和趋向的信息流则是人们管理利 制物流的依据。人们为了有目的地进行控制,首先必须通过检测获取有关信息,然盾 能进行分析判断以便实现自动控制。所谓自动化,就是用各种技术工具与方法代替人来 完成检测、分析、判断和控制工作。一个自动化系统通常由多个环节组成,分别完成信 息获取、信息转换、信息处理、信息传送及信息执行等功能。在实现自动化的过程中 信息的获取与转换是极其重要的组成环节,只有精确及时地将被控对象的各项参数检测 出来并转换成易于传送和处理的信号,整个系统才能正常地工作。因此,自动检测与 换是自动化技术中不可缺少的组成部分。 检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。人们在自然科学各个领域内从 研究工作,一般是利用已知的规律对观测、试验的结果进行概括、推理。从而对, 的对象取得定量的概念并发现它的规律性,然后上升到理论。因此,现代化检测手段M 达到水平在很大程度上决定了科学研究的深度和广度。检测技术达到的水平意高,提 的信息愈丰富、愈可靠,科学研究取得突破性进展的可能性就愈大。此外,理论研究 些成果,也必须通过实验或观测来加以验证,这同样离不开必要的检测手段 从另——方面看,现代化生产和科学技术的发展也不断地对检测技术提出新的要求和裸 题,成为促进检测技术向前发展的动力。科学技术的新发现和新成果不断应用于检测 术中,也有力地促进了检测技术自身的现代化 检测技术与现代化生产和科学技术的密切关系,使它成为一门十分活跃的技术学科, 几乎渗透到人类的一切活动领域,发挥着愈来愈大的作用
这种连续监测可以及时发现设备故障前兆，采取预防性检修。随着计算机技术的发展， 这类监测系统已经发展到故障自诊断系统。可以采用计算机来处理检测信息，进行分析、 判断，及时诊断出设备故障并自动报警或采取相应的对策。 检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。任何生产过程都可以看作是“物 流”和“信息流”组合而成，反映物流的数量、状态和趋向的信息流则是人们管理和控 制物流的依据。人们为了有目的地进行控制，首先必须通过检测获取有关信息，然后才 能进行分析判断以便实现自动控制。所谓自动化，就是用各种技术工具与方法代替人来 完成检测、分析、判断和控制工作。一个自动化系统通常由多个环节组成，分别完成信 息获取、信息转换、信息处理、信息传送及信息执行等功能。在实现自动化的过程中， 信息的获取与转换是极其重要的组成环节，只有精确及时地将被控对象的各项参数检测 出来并转换成易于传送和处理的信号，整个系统才能正常地工作。因此，自动检测与转 换是自动化技术中不可缺少的组成部分。 检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。人们在自然科学各个领域内从事的 研究工作，一般是利用已知的规律对观测、试验的结果进行概括、推理。从而对所研究 的对象取得定量的概念并发现它的规律性，然后上升到理论。因此，现代化检测手段所 达到水平在很大程度上决定了科学研究的深度和广度。检测技术达到的水平愈高，提供 的信息愈丰富、愈可靠，科学研究取得突破性进展的可能性就愈大。此外，理论研究的 一些成果，也必须通过实验或观测来加以验证，这同样离不开必要的检测手段。 从另——方面看，现代化生产和科学技术的发展也不断地对检测技术提出新的要求和课 题， 成为促进检测技术向前发展的动力。科学技术的新发现和新成果不断应用于检测技 术中，也有力地促进了检测技术自身的现代化。 检测技术与现代化生产和科学技术的密切关系，使它成为一门十分活跃的技术学科， 几乎渗透到人类的一切活动领域，发挥着愈来愈大的作用