1、 1 2015 年 2016 年度第 1 学期 课 程 名 称 ： 现代检测 技术 专 业 ： 控制工程 研究生姓名 ： 陈俊亚 学 号 ： 2016232011 任课教师姓 名 ： 冯晓明 2 第一部分 ： 现代检测技术的内容 一、概述 随着现代科学技术的不断发展、社会的日益进步，现代化生产的规模越来越大，管理的形式和方式趋于多样性，管理也更加科学，人们对产品的产量和质量的要求也越来越高，这就导致常规的检测参数、检测手段、检测仪表难以满足现代生产和生活的需求。从一般的单参数测量到相关多参数的综合自动检测，从一般的参数量值测量到参数的状态估计，从确定性测量到模糊的判断等，已成为当前检测领域中的
2、发展趋势，正受到越来越广泛的关注，从而形成了各种新的检测技术和新的检测方法，这些技术和方法统称为现代检测技术。 二、 传感器 的 基本原理及检测 技术的特点 利用某种转换功能，将物理的、化学的、生物的等外界信号变成可直接测量的信号的器件称为传感器。由于电信号易于放大、反馈、滤波、微分 、存储和远距离传输，加上计算机只能处理电信号，所以，从狭义上说，传感器又可以定义为可唯一而重视性好的将外界信号转换成电信号的元器件 ； 从广义上讲，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装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，
3、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 ： 物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 化学类，基于化学反应的原理。 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 。检测技术的特点可以归纳为： (1)从待测参数的性质看，现代检测技术主要用于非常见的参数的测量，对于这些参数的测量目前还没有合适的传感器对应，难以实现常规意义的“一一对应”的测量；另一种情况是待测参数虽已有传感器，但
4、测量误差比较大，受各种因素的影响比较大，不能满足测量要求。 (2)从应用的领域看，现代检测技术主要用于复杂设备、复杂过程的 影响性3 能质量等方面的综合性参数的测量，如高速运动机械的故障分析、油品质量的检测、多相流系统中的流动参数的测量等。对于这样的被测对象或测量要求，很难用单一传感器来完成。 (3)从使用的技术或方法看，现代检测技术主要利用了新型的传感技术或传感器。更多的利用了软技术，即通过对传感器输出的信号进行处理得到特征量；通过建立传感器的输出与待测量之间的模型；通过应用专业知识、数据库、规则等进行推理，根据被测量的信息获取待测量。 三、 现代检测中传感器的应用 及 检测系统 性能 评价
5、 现代检测之中，应用到的传感器有各式各样的，各种功 能应有尽有，其中最为普 遍的要数光电传感器、温度传感器以及光纤传感器，下面就着重介绍下面几种 种传感器 及 检测系统评价指标 。 3.1、 光电传感器 光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化 。现如今，应用最为广泛的要数发光二极管（ LED）了， LED 就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给 LED 通电流时，它会发光。由于 LED 是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用 LED 的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。 LED 抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外， LED
6、 所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。 再比如 将接收器的放大器调制到发射器的调制频率， 那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收 。 将收音机调到某台，就可以忽略其他的无线电波信号。经过调制的LED 发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相当于收音机 。 3.2、 温度传感器 温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意 义 .测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段 ： 传统的分立
7、式温度传感器 、 模拟集成温度传感器 、 智能集成温度传感器 。 目前，新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展 。 温度测量应用非常广泛，不仅生4 产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控 CPU 的温度，马达控制器要知道功率驱动 IC 的温度等等，温度是实际应用中经常需要测试的参数， 温度传感器 从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。 3.3、 光纤传感器 光纤传感器 OFS 在应用上分为传光型的和传感型的 ， 顾名思义，前一种就是起到传输光的作用，传感元件要与光纤连
8、在一起；后一种就是既有传输光的作用，又有传感作用。因为光纤传感器作为传感用有很多的应用，比如抗腐蚀，抗电磁干扰等，可以在复杂恶劣的环境下使用。作为传感用的光纤，原理上就是通过对传输光的偏振，强度，相位，波长，周期，频率等进行调制，通过检测器获得调制结果而进行传感的器件。因为当外界的环境变化时，比如说温度，应力、磁、声、压力、温度、加速度等都会对光纤的折射率分布等一些构造产生微小的影响， 导致传输光的特性发生改变，通过探测这些改变而得到外界的变化，起到传感作用 。 至于应用方面就很广泛了，几乎可以应用到现在大多数电学传感器应用的领域了，比如安防，围界安全，输油管道安全实时监控等，其 应用前景 非
9、常广泛 。 3.4、 电阻式 传感器 电阻式传感器 是通过转换元件 将被测量转变为电阻值 ，通过转换电路 将电阻值 转化为电信号 ， 通过测量电信号 达到测量 非电量的问题 。 结构：由电阻元件及 电刷 (活动触点 )两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和 螺旋运动 ，因而可以将直线位移或 角位移 转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。电阻式传感器具有结构简 单、输出精度较高、线性和稳定性好等特点。但是它受环境条件如温度等影响较大，有分辨率不高等不足之处。 电阻式传感器 的分类 ： 电位器式传感器 是一种把机械的 线位移 或 角位移 输入量转换为和它 成一定函数关
10、系的电阻或电压输出的传感元件 ， 成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件 ； 应变片式传感器的工作原理是基于电阻 应变效应 ，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化 ； 气敏和 湿敏电阻 传感器是一种把气体中的特定成分或 水蒸气 检测出来造成半导体阻值变化的电阻传感器。 3.5、 电感式 传感器 电感式传感器 是利用电磁感应原理 将被测量的变化转换为线圈 的自感或互感 变化的器件 。 常用来测量 位移、压力、 流量 、比重等 。 优点是 结构简单 、灵敏度 高、 输出电阻小 、输出功率大 、 抗干扰能力强 ， 缺点是不宜快速动态 测5 量 。 3.6、 电容式 传感器 电容式 传感器
11、是一种将被测量的变化 转化为 电容量变化 的 器件。常用来测量 位移 、 压力 、加速度、液位 、振动 和湿度等 。 优点是 结构简单 体积小、 测量精度高 ，可实现非接触测量 ， 能在高温、辐射 、 振动等恶劣条件下 工作 。 电容式传感器与电阻式、电感式等传感器相比有如下一些优点： (1)高阻抗、小功率 ,因而所需的输入力很小，输人能量也很低。电容式传感器因带电极板 间静电引力极小 (约几个 10-5 N)，因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入 能量低的 测量问题，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏 ,分辨力非常髙，能 感受 0.001 m 甚至更小的位
12、移。 (2)温度稳定性好。传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料， 又因本身发热极小，对稳定性影响甚微。 (3)结构简单，适应性强，待测体是导体或半导体均可 ,可在恶劣环境中工作。电容式传感 器结构简单 ,易于制造 ,可做得非常小巧，以实现某些特殊的测量 ;能工作在高低温、强辐射及强 磁场等恶劣的环境中，也能对带有磁性的工件进行测量。 (4)动态响应好。由于极板间的 静电引力很小，可动部分做得很小很薄，因此其固有频率很 高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量，如测量振动、瞬时压力等。 (5)可以实现非接触测量，具有平均效应。例如非接触测量回转轴的振动
13、或偏心、小型滚珠 轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时 ,电容式传感器具有平均效应，可以减小工作表面粗糙 等对测量的影响。 3.7、 检测系统性能评价 检测系统 的特性是指 检测系统与其输入 、输出的关系 。 根据输入信号 是否随时间变化， 检测系统的基本特性 可分为静态特性 和动态特性。 （ 1） 静态特性 在 被测量的 各值 处于稳定状态 时， 输出量和输入量 之间的关系。静态性能指标 分为 迟滞 、重复性、线性度 、 精度、 稳定性 和漂移 ； （ 2） 动态 特性 是指 在动态 测 1 量 时， 输出量 和随时间变化的输入量 之间的关系 。 动态性能指标 分为 响应时间 、响应频率和
14、工作 频率 。 6 四 、 信号调理电路 4.1、 电桥 测量电桥 的特点： (1)能把电阻、电容、电感等电抗参数的变化，变换成电压或电流的变化，便于信号的放大和处理。 (2)能测量出微弱的阻抗变化量。 (3)可以通过采用对称差动式传感器结构组成差动半桥或全桥来实现非线性误差的补偿，并提高电桥输出的灵敏度。 1）直流电桥 （ 以平衡直流 电桥为例） 特点： (1)响应速度慢，只适用于缓慢变化信号的检测。 (2)测量精度高，其精度取决于电位器的精度。 (3)输出与供桥电源电压无关，可避免由于电源电压的不稳定而带来的干扰。 2）交流电桥 交流 电桥 是测量各种交流 阻抗 的基本仪器，如 电容 的
15、电容量 ， 电感 的 电感量等。此外还可利用交流电桥平衡条件与频率的相关性来测量与电容、电感有关的其他物理量，如互感、磁性材料的 磁导率 、电容的介质损耗、介电常数和电源频率等，其测量准确度和灵敏度都很高，在电磁测量中应用极为广泛。 7 4.2、 信号放大电路 放电电路 具有如下特征： 稳定而足够的放大倍数； 高输入阻抗以与传感器的输出阻抗匹配； 高共模抑制比以抑制共模干扰； 低输入失调电压和电流、低温漂和低噪声 1、 直流放大电路 2、交 流放大电路 引入深度电压并联负反馈后，放大电路的增益为： 12RRuuAiou 12RRAu 321 RRuuAiou 8 2、 放大电路 应用实例 高精
16、度压力放大电路 光敏信号放大电路 4.3、 信号转换电路 这种电路 是指 将 电压、电流、电阻和 频率 等各类信号 进行 相互转换的电路 4.4、 滤波 电路 滤波电路（也称滤波器 ）就是一种选频装置，可使信号中特定的频率成分通过，而极大的衰减其他频率成分。 滤波电路的功能是： 滤除测试系统中由于各种原因引入的噪声和干扰； 滤除信号调制过程中的载波等无用信号； 用于分离各种不同的频率信号，提取感兴趣的频率成分； 对系统的频率特性进行补偿。 1、 滤波器 的基本参数 1）增益 A0： 指通带内的幅频特性的幅值 2）通带截止频率 fp： fp=p/2 为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益9
17、下降到一个人为规定的下限。 3） 阻带截止频率 fr： fr=r/2 为阻带与过渡带边界点的频率，在 该点信号衰耗 (增益的倒数 )下降到一人为规定的下限。 4） 转折频率 fc： fc=c/2 为信号增益下降了 3dB 时的频率，常作为截止频率。 5） 带宽 B： 两截止频率之间的频率范围。即低通和高通滤波器 B=fc，带通和带阻滤波器 B= fc2 - fc1。 6） 品质因数 Q： 对于带通和带阻滤波器来说， Q=f0/B。越大，则滤波器的选择性越好。 7） 倍频程选择性 ： 指在 fc2 与 2 fc2 之间，或在 fc1 与 fc1/2 之间，幅频特性的衰减值，用 dB 表示。它反映
18、了滤波器对通频带以外的频率成分的衰减能力。 2、 无源 滤波器 无源滤波 器，又称 LC 滤波器 ，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最 普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波 构成低阻抗旁路； 单调谐滤波器 、 双调谐滤波器 、高通滤波器 都属于无源滤波器。 无源 滤波器分为 无源 RC 低通滤波器 、 无源 RC高通滤波器 、 无源 RC 带通滤波器。 3、 有源 滤波器 有源电力滤波器（ Active Power Filter，简称 APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及
19、变化的无功进行补偿。 分为 二 阶有源 低通滤 波器 、 二 阶有源高 通滤波器 、 二 阶有源带通滤波器 。 4、 滤波器 的 应用 带通滤波器用于信号的频谱分析和信号中特定频率成分的提取；低通滤波器用于滤出信号中的高频干扰和噪声；高通滤波器用于 声发射检测仪中剔除低频干扰噪声；带阻滤波器用作电涡流测振仪中的滤 波器 。 10 漏磁检测霍尔传感器调理电路 5、 频率调制的解调 调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。从已经调制的信号中恢复出调制信号的过程称为解调 。 调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后再进行幅值检波，由鉴频器完成
