1、檢測技術檢測技術電氣與信息工程學院自動化教研室32102013年9月饒激云 l周杏鵬周杏鵬 教授，教授， 博士生導師博士生導師東南大學檢測技術與自動化裝置研究東南大學檢測技術與自動化裝置研究所所長所所長檢測技術與自動化裝置學科帶頭人檢測技術與自動化裝置學科帶頭人東南大學教學委員會委員東南大學教學委員會委員國家精品課程國家精品課程檢測技術檢測技術課程負責課程負責人人江蘇省智能化儀器專業委員會主任江蘇省智能化儀器專業委員會主任國家一級核心期刊國家一級核心期刊測控技術測控技術編委編委國務院學位辦學位授權通信評審、人國務院學位辦學位授權通信評審、人事部博士后基金評審、教育部博士點基事部博士后基金評審、

2、教育部博士點基金評審、教育部推薦國家科學技術進步金評審、教育部推薦國家科學技術進步獎評審專家獎評審專家教材：教材：參考資料一：參考教材：1.傳感器原理與應用 黃賢武主編 電子科技大學出版社2.傳感器與檢測技術（第2版）徐科軍主編 電子工業出版社二：精品課程：1.上海交通大學：http:/ http:/2儀表技術與傳感器儀表技術與傳感器 http:/www.i-3傳感器世界傳感器世界 http:/4中國傳感器中國傳感器 http:/5傳感器技術傳感器技術 http:/www.sensor-621IC中國電子網中國電子網 http:/7傳感技術學報網傳感技術學報網 http:/8 中國傳感器科技網

3、中國傳感器科技網 http:/web.sensor-:8000/index.htm課程內容：課程內容： 本課程主要介紹工業自動化、環境監測、本課程主要介紹工業自動化、環境監測、樓宇控制、交通、日常生活等領域中常見樓宇控制、交通、日常生活等領域中常見物理量（物理量（壓力、應變、位移、速度、溫度、壓力、應變、位移、速度、溫度、流量、物位等流量、物位等）的檢測原理、方法和技術，）的檢測原理、方法和技術，及這些方法和技術的特點、適用場合等。及這些方法和技術的特點、適用場合等。學習方法：學習方法： 檢測技術是一門與材料科學、微電子技術、信息檢測技術是一門與材料科學、微電子技術、信息技術密切相關的快速發展

4、的學科。學習時既要掌技術密切相關的快速發展的學科。學習時既要掌握常用傳感器原理及測試電路，更要側重于實際握常用傳感器原理及測試電路，更要側重于實際應用，不受教材局限。應用，不受教材局限。 本課程是培養學生解決實際工程測量問題能力的本課程是培養學生解決實際工程測量問題能力的專業基礎課，具有很強實踐性。學習時應充分利專業基礎課，具有很強實踐性。學習時應充分利用網絡相關資源及課程所開設實驗。用網絡相關資源及課程所開設實驗。第一章第一章 緒論緒論 l緒論緒論11 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用12 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成13 現代檢測系統的分類現代檢測系統的分類14 檢測技術的

5、發展趨勢檢測技術的發展趨勢1.1 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用1 檢測的概念檢測的概念 檢測是指在生產、科研、試驗及服務等各個領域，檢測是指在生產、科研、試驗及服務等各個領域，為及時獲得被測、被控對象的有關信息而為及時獲得被測、被控對象的有關信息而實時或非實時實時或非實時地對一些參量進行地對一些參量進行定性檢查和定量測量定性檢查和定量測量。 2 檢測與計量的不同檢測與計量的不同 “計量計量”是指用精度等級更高的標準量具、器具或是指用精度等級更高的標準量具、器具或標準儀器，對被測樣品、樣機進行考核性質的測量標準儀器，對被測樣品、樣機進行考核性質的測量。特。特點：點：非實時非實時、離線

6、離線、標定標定。 “檢測檢測” 是是指在生產、實驗等現場，利用某種合適指在生產、實驗等現場，利用某種合適的檢測儀器或綜合測試系統對被測對象進行的檢測儀器或綜合測試系統對被測對象進行在線在線、連續連續的測量。的測量。 3 檢測的應用檢測的應用檢測技術與信息技術、計算機技術并列成為支撐整個信息產業檢測技術與信息技術、計算機技術并列成為支撐整個信息產業的三大支柱。的三大支柱。檢檢測技術是自動化和信息化的測技術是自動化和信息化的基礎基礎與與前提前提。 1.1 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用應用領域主要有：應用領域主要有：石化行業的自動石化行業的自動化控制。化控制。如右圖，有液位、如右圖，有液

7、位、溫度、壓力等檢測。溫度、壓力等檢測。在電力、冶金、石化、化工等流程工業中，生產線上設備運行在電力、冶金、石化、化工等流程工業中，生產線上設備運行狀態關系到整個生產線流程。通常建立狀態關系到整個生產線流程。通常建立24小時在線監測系統。小時在線監測系統。石化企業輸石化企業輸油管道、儲油管道、儲油罐等壓力油罐等壓力容器的破損容器的破損和泄露檢測。和泄露檢測。揚子石化揚子石化50MW熱電機組監測系統熱電機組監測系統陽邏電廠陽邏電廠300MW汽輪機組監測系統汽輪機組監測系統荊門電廠荊門電廠200MW機組監測系統機組監測系統青山熱電廠生產信息實時查詢系統青山熱電廠生產信息實時查詢系統沙角電廠生產信息

8、實時查詢系統沙角電廠生產信息實時查詢系統寶鋼寶鋼30KW以上風機監測系統以上風機監測系統寶鋼精軋寶鋼精軋F2軋機網絡化監測系統軋機網絡化監測系統寶鋼冷軋帶鋼振動紋監測系統寶鋼冷軋帶鋼振動紋監測系統武鋼風機狀態監測系統武鋼風機狀態監測系統檢測技術在工業生產領域的應用檢測技術在工業生產領域的應用 在線檢測：零件尺寸、產品缺陷、裝配定位在線檢測：零件尺寸、產品缺陷、裝配定位. 離線檢測：零件參數、尺寸與形位公差、品質參數離線檢測：零件參數、尺寸與形位公差、品質參數 作用：現代工程裝備中，作用：現代工程裝備中，檢測環節的成本約占檢測環節的成本約占 5070%城市生活污水處理城市生活污水處理 主要有流主

9、要有流量檢測和成分量檢測和成分量檢測。量檢測。1.1 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用新型武器和裝備的研制與測試新型武器和裝備的研制與測試定位與導航定位與導航1.1 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用“阿波羅阿波羅10”：火箭部分火箭部分-2077個傳感器個傳感器飛船部分飛船部分-1218個傳感器，個傳感器，神州飛船：神州飛船：185臺（套）儀器裝置臺（套）儀器裝置檢測參數檢測參數-加速度、溫度、壓力、加速度、溫度、壓力、 振動、流量、應變、振動、流量、應變、 聲學、聲學、先進醫療檢測儀先進醫療檢測儀 成分量檢測，成分量檢測，可測試項目為生化、可測試項目為生化、離子檢測、微免疫、

10、離子檢測、微免疫、腫瘤標志物、毒品腫瘤標志物、毒品檢測、同工酶測定、檢測、同工酶測定、脂類、糖尿病診斷脂類、糖尿病診斷等等 。1.1 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用生活中化學成分的檢測生活中化學成分的檢測 利用化學反應機理檢測成分，上圖為利用化學反應機理檢測成分，上圖為酒精檢測儀，右圖為空氣質量檢測儀。酒精檢測儀，右圖為空氣質量檢測儀。1.1 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用防火防盜和見用電器安全檢測防火防盜和見用電器安全檢測 左圖為漏電報警器，上圖左圖為漏電報警器，上圖為煙霧報警器。為煙霧報警器。1.1 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用PC機中的測試技術應用機中的測

11、試技術應用鼠標鼠標:光電位移傳感器光電位移傳感器攝象頭攝象頭:CCD傳感器傳感器 聲位筆聲位筆:超聲波傳感器超聲波傳感器麥克風麥克風:電容傳聲器電容傳聲器聲卡聲卡:A/D卡卡 + D/A卡卡軟驅軟驅:速度速度,位置伺服位置伺服檢測技術的作用和地位檢測技術的作用和地位 科學研究的先行官科學研究的先行官 諾貝爾獎獲得者諾貝爾獎獲得者R. R. Ernst說說“現代科學的進現代科學的進步越來越依靠尖端儀器的發展步越來越依靠尖端儀器的發展” 俄國化學家門捷列夫指出俄國化學家門捷列夫指出“科學是從測量開始科學是從測量開始的的” 近近80年來，與科學儀器密切相關的諾貝爾獎獲得年來，與科學儀器密切相關的諾貝

12、爾獎獲得者達者達38人人 軍事戰斗力軍事戰斗力 1991年海灣戰爭年海灣戰爭 精確制導炸彈和導彈占精確制導炸彈和導彈占8% 2003年伊拉克戰爭年伊拉克戰爭 90% 1994年美國防部建立自動測試系統執行局年美國防部建立自動測試系統執行局立體作戰立體作戰涵蓋涵蓋 吃穿用、農輕重、海陸空吃穿用、農輕重、海陸空 l11 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用12 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成13 現代檢測系統的分類現代檢測系統的分類14 檢測技術的發展趨勢檢測技術的發展趨勢1.2 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成1.2 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成由圖可知：由圖可知： 由由各

13、種各種傳感器傳感器將非電被測物理或化學成分將非電被測物理或化學成分參量轉換成電參量信號，然后經參量轉換成電參量信號，然后經信號調理信號調理（信（信號號轉換、信號檢波、信號濾波、信號放大等）、轉換、信號檢波、信號濾波、信號放大等）、數據采集數據采集、信號信號處理處理（處理器）后（處理器）后，進行，進行顯示、顯示、輸出輸出；加上系統所需的；加上系統所需的交、直流穩壓電源和必交、直流穩壓電源和必要的輸入設備要的輸入設備，便構成了一個完整的現代，便構成了一個完整的現代檢測檢測系統系統 。1.2 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成1 傳感器傳感器定義定義及作用及作用 傳感器是檢測系統與被測對象直接發生

14、聯系傳感器是檢測系統與被測對象直接發生聯系的器件的器件或裝置，有敏感元件和轉換部分組成。或裝置，有敏感元件和轉換部分組成。 作用作用是感受指定被測參量的變化并按照一定是感受指定被測參量的變化并按照一定規律轉換成一個相應的便于傳遞的規律轉換成一個相應的便于傳遞的輸出信號。輸出信號。1.2 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成傳感器傳感器分類分類按被測參量分類按被測參量分類 ：溫度傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、荷重傳感器等位移傳感器、加速度傳感器、荷重傳感器等 。按傳感器轉換按傳感器轉換機理分類機理分類 ：電阻式、電容式、電電阻式、電容式、電感式、壓電式、超

15、聲波式、霍爾式等感式、壓電式、超聲波式、霍爾式等 。按輸出信號分類按輸出信號分類 ：模擬式傳感器和數字式傳感模擬式傳感器和數字式傳感器兩大類器兩大類 。1.2 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成傳感器傳感器性能要求性能要求準確性準確性 傳感器的輸出與輸入關系必須是嚴格傳感器的輸出與輸入關系必須是嚴格的單值函數關系，最好是線性關系的單值函數關系，最好是線性關系 ；穩定性穩定性 傳感器的輸入、輸出的單值函數關系傳感器的輸入、輸出的單值函數關系最好不隨時間和溫度而變化最好不隨時間和溫度而變化 ；靈敏度靈敏度 要求被測參量較小的變化就可使傳感要求被測參量較小的變化就可使傳感器獲得較大的輸出信號；器獲

16、得較大的輸出信號； 其他要求其他要求 耐腐蝕性要好、低能耗、輸出阻抗耐腐蝕性要好、低能耗、輸出阻抗小和售價相對較低等小和售價相對較低等 。1.2 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成2 調理調理電路電路 信號調理在檢測系統中的作用是對傳感器信號調理在檢測系統中的作用是對傳感器輸出的微弱信號進行輸出的微弱信號進行檢波檢波、轉換轉換、濾波濾波、放大放大等，以方便檢測系統后續處理或顯示。等，以方便檢測系統后續處理或顯示。 對調理電路要求是：能準確轉換、穩定放對調理電路要求是：能準確轉換、穩定放大、可靠地傳輸信號；信噪比高，抗干擾性能大、可靠地傳輸信號；信噪比高，抗干擾性能要好。要好。1.2 現代檢測

17、系統的組成現代檢測系統的組成3 數據采集數據采集 數據采集的數據采集的作用是對信號調理后的連續模擬信號離散化并作用是對信號調理后的連續模擬信號離散化并轉換成與模擬信號電壓幅度相對應轉換成與模擬信號電壓幅度相對應的數值信息的數值信息，同時把數據同時把數據及及時傳遞給微處理器時傳遞給微處理器或自動或自動存儲。性能指標如下：存儲。性能指標如下：輸入模擬電壓輸入模擬電壓信號范圍信號范圍 單位單位V；轉換速度轉換速度 單位單位次次/秒；秒；分辨率分辨率 以模擬信號輸入為滿度時的轉換值的倒數來表征；以模擬信號輸入為滿度時的轉換值的倒數來表征； 轉換誤差轉換誤差 實際實際轉換數值與理想轉換數值與理想A/D轉

18、換器理論轉換值之差。轉換器理論轉換值之差。1.2 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成4 信號處理信號處理 信號處理信號處理模塊以模塊以各種型號的單片機、微處理器各種型號的單片機、微處理器為核為核心，心，對高頻信號和復雜信號的對高頻信號和復雜信號的處理需處理需增加數據傳輸和運增加數據傳輸和運算速度快、處理精度高的專用高速數據處理器（算速度快、處理精度高的專用高速數據處理器（DSP）或直接采用工業控制計算機。或直接采用工業控制計算機。 除了以上比較核心的功能模塊以外，作為一個完整除了以上比較核心的功能模塊以外，作為一個完整的現在檢測系統來說，還必須有的現在檢測系統來說，還必須有信號顯示信號顯示、

19、信號輸出信號輸出、輸入設備輸入設備和和穩壓電源穩壓電源組成。組成。 1.2 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成 l11 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用12 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成13 現代檢測系統的分類現代檢測系統的分類14 檢測技術的發展趨勢檢測技術的發展趨勢1.3 現代檢測系統的分類現代檢測系統的分類 隨著科技和生產的迅速發展，現代檢測系統隨著科技和生產的迅速發展，現代檢測系統(儀表儀表)的種類不斷增加，其分類方法也很多，工的種類不斷增加，其分類方法也很多，工程上常用的幾種分類法如下程上常用的幾種分類法如下 ：按被測參量分類按被測參量分類 按被測參量的檢測轉換方法

20、分類按被測參量的檢測轉換方法分類按使用性質按使用性質分類分類1.3 現代檢測系統的分類現代檢測系統的分類1 按按被測參量分類被測參量分類 電工量電工量 電壓、電流、電功率、電阻、電容、頻率、磁電壓、電流、電功率、電阻、電容、頻率、磁場強度、磁通密度等；場強度、磁通密度等；熱熱工量工量 溫度、熱量、比熱、熱流、熱分布、壓力、壓溫度、熱量、比熱、熱流、熱分布、壓力、壓差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；機械機械量量 位移位移、形狀，力、應力、力矩、重量、質量、形狀，力、應力、力矩、重量、質量、轉速、線速度、振動、加速度、噪聲等；轉速、線速度、振動

21、、加速度、噪聲等；物性物性和成分量和成分量 氣體氣體成分、液體成分、固體成分、酸堿成分、液體成分、固體成分、酸堿度、鹽度、濃度、粘度、粒度、密度、比重等；度、鹽度、濃度、粘度、粒度、密度、比重等；光學光學量量 光強光強、光通量、光照度、輻射能量等；、光通量、光照度、輻射能量等；狀態狀態量量 顏色顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、表面質量等。表面質量等。1.3 現代檢測系統的分類現代檢測系統的分類2、按被測參量的檢測轉換方法分類按被測參量的檢測轉換方法分類電磁電磁轉換轉換 電阻式電阻式、應變式、壓阻式、熱阻式、電感式、應變式、壓阻式、熱阻式、電感式、互感互

22、感式、式、電容式、電容式、阻抗式、阻抗式、磁電式、磁電式、 熱電式、壓電式、霍爾熱電式、壓電式、霍爾式、振頻式、感應同步器、式、振頻式、感應同步器、磁柵磁柵等；等；光電光電轉換轉換 光電式光電式、激光式、紅外式、光柵、光導纖維式等；、激光式、紅外式、光柵、光導纖維式等；其他其他能能/電轉換電轉換 聲聲/電轉換、電轉換、輻射能輻射能/電轉換、電轉換、化學能化學能/電電轉換等轉換等。1.3 現代檢測系統的分類現代檢測系統的分類3 按按使用性質分類使用性質分類 通常可分為標準表、實驗室表和工業用表等三種通常可分為標準表、實驗室表和工業用表等三種 。 “標準表標準表”是各級計量部門專門用于精確計量、校

23、準是各級計量部門專門用于精確計量、校準送檢樣品和樣機的標準儀表。送檢樣品和樣機的標準儀表。 “ 實驗室表實驗室表”多用于各類實驗室中多用于各類實驗室中，使用，使用環境條件環境條件較好，往往無特殊的防水、防塵措施。對于溫度、相對較好，往往無特殊的防水、防塵措施。對于溫度、相對濕度、機械振動等的允許范圍也較小。濕度、機械振動等的允許范圍也較小。 “工業用表工業用表”是長期使用于實際工業生產現場的檢測是長期使用于實際工業生產現場的檢測儀表與檢測系統。儀表與檢測系統。 1.3 現代檢測系統的分類現代檢測系統的分類 l11 檢測技術的地位與作用檢測技術的地位與作用12 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組

24、成13 現代檢測系統的分類現代檢測系統的分類14 檢測技術的發展趨勢檢測技術的發展趨勢1.4 檢測技術的發展趨勢檢測技術的發展趨勢1.4 檢測技術的發展趨勢檢測技術的發展趨勢 傳感器技術的主要發展動向，一是深入開傳感器技術的主要發展動向，一是深入開展基礎和應用研究，探索新現象、研發新型展基礎和應用研究，探索新現象、研發新型傳感器；二是研究和開發新材料、新工藝，傳感器；二是研究和開發新材料、新工藝，實現傳感器的集成化、微型化與智能化。實現傳感器的集成化、微型化與智能化。探索新現象，研發新型傳感器探索新現象，研發新型傳感器 利用物理現象、化學反應和生物效應是各利用物理現象、化學反應和生物效應是各種

25、傳感器工作的基本原理，因而探索和發現新種傳感器工作的基本原理，因而探索和發現新現象與新效應是研制新型傳感器的最重要的工現象與新效應是研制新型傳感器的最重要的工作，亦是研制新型傳感器的前提與技術基礎。作，亦是研制新型傳感器的前提與技術基礎。 1.4.1 傳感器的發展方向傳感器的發展方向采用新技術、新工藝、新材料，提高現有傳感采用新技術、新工藝、新材料，提高現有傳感器的性能器的性能 采用新型的半導體氧化物可以制造各種氣體傳感器；采用新型的半導體氧化物可以制造各種氣體傳感器；采用特種陶瓷材料制作的壓電加速度傳感器其工作溫度采用特種陶瓷材料制作的壓電加速度傳感器其工作溫度可遠高于半導體晶體傳感器。而傳

26、感器制造新工藝的發可遠高于半導體晶體傳感器。而傳感器制造新工藝的發明與應用往往將催生新型傳感器誕生，或相對原有同類明與應用往往將催生新型傳感器誕生，或相對原有同類傳感器可大幅度提高某些指標。傳感器可大幅度提高某些指標。1.4.1 傳感器的發展方向傳感器的發展方向研究和開發集成化、微型化與智能化傳感器研究和開發集成化、微型化與智能化傳感器傳感器集成化主要指：傳感器集成化主要指：把同一功能敏感器件微型化、多敏感器件陣列化，排把同一功能敏感器件微型化、多敏感器件陣列化，排成一維的構成線型陣列傳感器，排成二維的構成面型成一維的構成線型陣列傳感器，排成二維的構成面型陣列傳感器；陣列傳感器；把傳感器功能延伸至信號放大、濾波、線性化、電壓把傳感器功能延伸至信號放大、濾波、線性化、電壓/電流信號轉換電路等；電流信號轉換電路等；把不同功能敏感器件微型化再組合構成能檢測兩個以把不