传感与检测技术-概述

4) “物化法官”
• 检查产品质量 • 监测环境污染 • 查服违禁食品、药物 • 识别指纹假钞 • 侦破刑事案件
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
5) 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、3D相机-图像和红外传感与检测 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 可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD 智能手机：方向感知、导航—加速度计、陀螺仪、电子罗盘
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
车身与 提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 环 境 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
高级轿车对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电 磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30～100种传感器。
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第一章 绪论
1. 传感器和检测技术的地位、作用 2. 传感器与检测技术的基本概念 3. 传感器的组成与分类 4. 检测系统的一般构成 5. 传感与检测技术的主要研究内容 6. 检测方法分类 7. 传感器与检测技术的发展状况
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
1. 信息化是科学技术发展的必然
历史时代： 手工化
需要量
111 110 103
111
93
81
78
76
70
55
59 61 47
61 47
36
27 34 31 31
26 21 24 20 14
信 电 科 设 交 输 机 机 家 照 汽 飞 船 气 海 环 医 防 光 热 机 土 农 货食
息 信 技 备 通 电 床 器 用 相 车 机 舶 象 洋 境 疗 火 能 能 械 木 林 币品
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
(2) 在交通工具和交通领域的应用 a. 在汽车中的应用日新月异
汽 车 汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 传感器 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
要求：掌握传感与检测技术的基本原理与应用方法，熟 悉一般检测电路及数据处理技术，了解检测系统构成的 一般理论和分析设计方法。
内容：传感与检测技术概述、误差理论及数据处理
传感器与检测系统技术基础、电测量技术、常用机械量 传感器、光电传器、磁传感器、气体湿度传感器、几何 量和运动量检测、力学量检测、温度检测、流量检测、 检测中的信号转换与调理、检测算法、自动检测系统及 抗干扰、典型检测系统方案* 学习方式：听课 + 自习 + 练习 考核与成绩评定：笔试 + 平时 + 实验
目的，也是学习本课程的目的。
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1.3 传感器的组成与分类
1. 传感器的组成
1) 系统构成：敏感元件 + 转换元件 + 基本转换电路 （有时还包括供电的辅助电源）
被测量
敏感元件
…
信息流
获取 传输 处理 控制
信息流组成
• 获取信息是仪器科学的基本任务
• 仪器仪表是信息产业的重要组成部分 • 仪器仪表是信息工业的源头 • 传感器是感知和获取信息的窗口 • 传感器是衡量国家综合实力的重要标志 • 传感器技术是信息技术的三大支柱之一
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空
未来：更加……
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1.2 传感器与检测的基本概念
测量：以确定被测对象属性和量值为目的的全部操作，具体就是
将被测量与同性质的标准量比较, 从而确定被测量对标准量的倍数。
它可由下式表示:
x nq
或： n
x
式中 ： x——被测量值；
q
q——标准量，即测量单位；
n——比值（纯数），含有测量误差。
1.2 传感器与检测的基本概念
检测对象与信息
被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
被测信息： 物理量（光、电、力、热、磁、声、…）
(对象的属性、 化学量（PH、成份…）
量值)
生物量（酶、葡萄糖、…） … …
检测器具： 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统
检测过程： 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
• 人与机器类比
传感器 = “电五官”
检测仪器仪表的作用：
工业生产 倍增器 科学研究 先行官 军 事 战斗力 社 会 物化法官
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
1) 工业生产的倍增器
检测技术是带动国民经济增长的一个关键领域 在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66%
3) 军事战斗力 (1) 检测技术在军事上的应用
--美军的未来单兵作战武器--OICW
夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可 将目标的距离信息自动传至高爆弹的爆炸引信，以便精确设定引爆时间。
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
智能家居
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
5) 在日常生活中的应用与日俱增
可穿戴和消费电子产品
智能手表功能之一：健康跟踪
指纹识别过时了？新的识别技术？
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
6) 其他和未来
其他：教学实验、气象预报、大地测绘、 灾情预报、…
检测技术广泛应用于工农业生产、科学研究、航空航天、 交通运输、医疗卫生及日常生活的每一个领域，。。。
2006年四度推迟发射中 第四次推迟的原因？
燃 料 仓 传 感 器 ？
“阿波罗10”： 火箭部分---2077个传感器 飞船部分---1218个传感15器
“亚特兰蒂斯”号航天飞机
1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
2) 科学研究的先行官
科学仪器是科学技术发展的重要前提和根本保障； 许多重要的科学分支的确立和发展归功于重要科 学仪器装置的研制成功。
嫦娥三号、玉兔号、地面车
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
3) 军事战斗力
1991年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占8%
2003年伊拉克战争
90%
1994年美国防部建立自动测试系统执行局 立体作战
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
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1.2 传感器与检测的基本概念
传感器的相关概念 从三个方面理解与把握传感器：
①作 用——测量； ②工作机理——敏感元件，传感器技术的核心，研究、
设计、制作(还应包含选择)传感器的关键； ③输出信号——适于测量的电信号。
传感器的基本作用： 功 用: 一感二传，感受被测信息并传送。 基本作用：体现在测量或检测上。测量是应用传感器的
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
(1) 在工业生产领域的应用
各种自控系统中，测试环节起系统感官的作用，是其重要组成部分。
a. 生产加工过程参数监测
切削力测量，机床振动测量、加 工噪声测量，转速、扭矩测量、 温度测量、机架及受力件的应力 测量、电机参数测量等。 依靠传感器获得参数值。
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
b. Driverless Car
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用 (3) 在航空、航天领域的应用
飞机最重要的测量参数？
2007年11月22日起，我国海拔8850～12500 米空间范围内，飞机之间的最小垂直间隔标准 由600米缩小为300米，使该空间范围内飞行高 度层的数量从原有7个增加到13个，可用飞行高 度层增长86%，显著增加空域容量。
办公商务： 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
健康医疗： 体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器 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
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用 5) 在日常生活中的应用与日俱增
例：空调机测量控制室温
被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶 操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
空调机
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1.2 传感器与检测的基本概念
传感器的相关概念 国家标准GB7665—2005的定义： 传感器(Sensor/Transducer)是指能感受被测量并按一
定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件 和转换元件组成。
定义的内涵：
①传感器是测量装置，能完成测量/检测任务。 ②输入量是某一被测量，可能是物理量或化学量、生物量等。 ③输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这
种量可以是气、光、电物理量，但主要是电信号。 ④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。
美国国家导弹防御计划---NMD a.地基拦截器 b.早期预警系统 c.前沿部署(如雷达） d.管理与控制系统 e. 卫星红外线监测系统 监测系统: 探测和发现 敌人导弹的发射并追踪 导弹的飞行轨道；
拦截器：能识别真假 弹头，敌友方
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
处电测控控系 人电机
污
利利能建 金
理话试制制统
器
染
用用利筑 融
8
用
1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
(1)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…. 离线检测：零件参数、尺寸与形位公差、品质参数 作用：现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%
发明色谱仪→色谱学，发明光谱仪→光谱学
诺奖得主R. R. Ernst“现代科学的进步越来越 依靠尖端仪器的发展”。
“掌握了最先进的科学仪器研发技术，就掌握了 科技发展的主动权”-杨国桢院士 110多年来，约三分之一的诺贝尔物理和化学奖授 予了那些在科学仪器和测量方面有创新的科学家。
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
机械化
自动化
信息化
…
生产方式：
人与简 单工具
动力机 与机械
自动测 量控制
智能机 械装置
…
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
2. 信息流是客观世界的一个主流
• 物料流 • 能流 • 信息流
客观世界
它们是人类生存和社会发展不可或缺的！
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
2. 信息流是客观世界的一个主流 信息获取是信息流的一环
检测(detection)技术：
含检和测两个内容。检是力图发现对象中的某些待测量并以信号 的形式表现出来，是回答有无待测量的操作;测是量化待测量的信号。
工程中，检测和测量被视为同义词或近义词。
测试技术：带试验性质的测量，泛指测量和试验两方面的技术，
包含测试过程中所涉及的测试理论、方法、设备等。
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3) 军事战斗力 (1) 检测技术在军事上的应用
--未来单兵作战助力系统
南京军区总医院 -单兵外骨骼系统
伯克利大学
- 动力外骨骼系统
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Sarcos源自文库OS2军用外骨骼测试者单 手提起一枚155毫米榴弹炮弹药
1.1 传感器和检测技术的地位、作用
3. 传感器与检测仪器仪表的作用
3) 军事战斗力 (2) 检测技术在国防领域的应用
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
(1) 在工业生产领域的应用 b. 流程工业设备运行状态监控
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。
基于设备的检查和 检测，通过计算机 处理数据，掌握和 评估设备状态、预 测故障。
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1.1 传感器和检测技术的地位、作用
传感与检测技术
Sensor & Measurement Technology
中南大学信息科学与工程学院
刘少强 （改编）
课程简介
课时：学时48h（授课48h，课外实验16h） 参考教材：传感器与现代检测技术(余成波主编，清华出版社) 参考书：传感器技术，贾伯年主编，东南大学出版社
检测技术，施文康主编，机械工业出版社