1、第一章第一章 概概 述述6/29/20226/29/2022第一章第一章 現代檢測系統現代檢測系統 第一章第一章 概概 述述1.1 現代檢測系統的組成現代檢測系統的組成 盡管現代檢測儀器和檢測系統的種類、型號繁多，用途、性能干差萬別，但它們的作用都是用于各種物理或化學成分等參量的檢測，其組成單元按信號傳遞的流程來區分： 第一章第一章 概概 述述一一、傳感器傳感器:1、定義：傳感器是能感受指定被測參量的變化并按照一定規律將其轉換成可用信號輸出的器件或裝置。 或者：將其它形式的能轉換為電信號輸出將其它形式的能轉換為電信號輸出的器件或裝置。的器件或裝置。2、組成：傳感器通常由敏感元件和轉換部分組成：

2、第一章第一章 概概 述述（1）敏感元件為傳感器直接感受被測參量變化的部分，（2）轉換部分的作用通常是將敏感元件的輸出轉換為便于傳輸和后續環節處理的電信號。（3）信號調理轉換電路：（4）輔助電源：第一章第一章 概概 述述 例如，半導體應變片式傳感器能把被測對象受力后的微小變形感受出來，通過一定的橋路轉換成相應的電壓信號輸出。這樣，通過測量傳感器輸出電壓便可知道被測對象的受力情況。 這里應該說明并不是所有的傳感器均可清楚、明晰地區分敏感和轉換兩部分；有的傳感器己將這兩部分合二為一，也有的僅有敏感元件(加熱電阻、熱電偶)而無轉換部分，但人們仍習慣稱其為傳感器(如人們習慣稱熱電阻、熱電偶為溫度傳感器)

3、。 第一章第一章 概概 述述3、分類：傳感器種類繁多，其分類方法主要有：1)按被測參量被測參量分類法：如溫度傳感器、濕度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、荷重傳感器等；2)按傳感器轉換機理轉換機理(工作原理)分類法：如電阻式、電容式、電感式、壓電式、超聲波式、霍爾式等；3)按輸出信號輸出信號分類法:分為模擬式傳感器和數字式傳感器兩大類)等。（1）按被測參量分類：有利于人們按照目標對象的檢測要求選用傳感器。（2）按傳感器轉換機理分類法有利于對傳感器做研究和試驗。 本教材按（1）分類。第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述 4、要求： (1)精確性 傳感器的輸出信

4、號必須準確地反應其輸入量，即被測量的變化。因此，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； (2)穩定性 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，受外界其他因素的干擾影響亦應很小，重復性要好； (3)靈敏度 即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 (4)其他 如耐腐蝕性好、低能耗、輸出阻抗小和售價相對較低等。 各種傳感器輸出信號的形式也不盡相同，通常有電荷、電壓、電流在設計檢測系統及選擇傳感器時對此也應給予重視。第一章第一章 概概 述述二信號調理信號調理 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檢波、轉換、濾波、放大等，以方便

5、檢測系統后續環節處理或顯示。 例如，心電信號中往往夾雜著50Hz工頻等噪聲電壓，故其信號調理電路通常包括濾波、放大、線性化等環節。需要遠傳的話，通常采取D/A或V/I電路將獲得的電壓信號轉換成標準的4 20mA電流信號后再進行遠距離傳送。 檢測系統種類繁多，復雜程度差異很大，信號的形式也多種多樣各系統的精度、性能指標要求各不相同，它們所配置的信號調理電路的多寡也不盡一致。第一章第一章 概概 述述對信號調理電路的一般要求是： (1)能準確轉換、穩定放大、可靠地傳輸信號 (2)信噪比高，抗干擾性能要好。第一章第一章 概概 述述 三數據采集三數據采集 數據采集(系統)在檢測系統中的作用是作用是對信號

6、調理后的連續模擬信號進行離散化并轉換成與模擬信號電壓幅度相對應的一系列數值信息，同時以一定的方式把這些轉換數據及時傳遞給微處理器或依次自動存儲。數據采集系統通常以各類模數 (AD)轉換器為核心輔以模擬多路開關、采樣保持器、輸入緩沖器、輸出鎖存器等。 數據采集系統的主要性能指標是： (1)輸入模擬電壓信號范圍，單位: v (2)轉換速度(率)，單位: 次s； (3)分辨率，通常以模擬信號輸入為滿度時的轉換值的倒數來表征； (4)轉換誤差，通常指實際轉換數值與理想AD轉換器理論轉換值之差。第一章第一章 概概 述述四信號處理四信號處理信號處理模塊是現代檢測儀表、檢測系統進行數據處理和各種控制的中樞環

7、節其作用和人的大腦相類似。現代檢測儀表、檢測系統中的信號處理模塊通常以各種型號的單片機、微處理器為核心來構建，對高頻信號和復雜信號的處理有時需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(DP)或直接采用工業控制計算機。第一章第一章 概概 述述對于簡單的越限信號處理模塊，往往用一個比較器即可給出聲光報警信號，而對于復雜的檢測系統，其信號處理環節則應選用合適型號的單片機、CPUDSPARM或新近推廣的嵌入式模塊為核心來設計和構建，從而提高檢測系統的性價比。第一章第一章 概概 述述 五信號顯示五信號顯示通常人們都希望及時知道被測參量的瞬時值、累積值或其隨時間的變化情況，因此，各類檢測儀

8、表和檢測系統在信號處理器計算出被測參量的當前值后通常均需送至各自的顯示器作實時顯示。顯示器是檢測系統與人聯系的主要環節之一 顯示器分類：一般可分為指示式、數字式和屏幕式三種。第一章第一章 概概 述述 (1)指示式顯示又稱模擬式顯示。被測參量數值大小由光指示器或指針在標尺上的相對位置來表示。用有形的指針位移模擬無形的被測量是較方便、直觀的。指示式儀表有動因式和動磁式等多種形式，但均有結構簡單、價格低廉、顯示直觀的特點，在檢測精度要求不高的單參量測量顯示場合應用較多。 指針式儀表存在指針驅動誤差和標尺刻度誤差，這種儀表的讀數精度和儀器的靈敏度等受標尺最小分度的限制，如果操作者讀儀表示值時，站位不當

9、就會引入主觀讀數誤差。第一章第一章 概概 述述(2)數字式顯示：以數字形式直接顯示出被測參量數值的大小。在正常情況下，數字式顯示徹底消除了顯示驅動誤差，能有效地克服讀數的主觀誤差，(相對指示式儀表)可提高顯示和讀數的精度，還能方便地與計算機連接并進行數據傳輸。因此，各類檢測儀表和檢測系統正越來越多地采用數字式顯示方式。 第一章第一章 概概 述述(3)屏幕顯示：屏幕顯示實際上是一種類似電視電視顯示方法，具有形象性和易于讀數的優點，又能同時在同一屏幕上顯示一個被測量或多個被測量的(大量數據式)變化曲線，有利于對它們進行比較、分析。 屏幕顯示器一般體積較大，價格與普通指示式顯示和數字式顯示相比要高得

10、多，其顯示通常需由計算機控制，對環境溫度、濕度等指標要求較高，在儀表控制室、監控中心等環境條件較好的場合使用較多。第一章第一章 概概 述述六信號輸出信號輸出在許多情況下，檢測儀表和檢測系統在信號處理器計算出被測參量的瞬時值后除送顯示器進行實時顯示外，通常還需把測量值及時傳送給控制計算機、可編程控制器(PLC)或其他執行器、打印機、記錄儀等，從而構成閉環控制系統或實現打印(記錄)輸出。檢測儀表和檢測系統的信號輸出通常有420 mA的電流信號，經 A/D轉換和放大后的模擬電壓、開關量、脈寬調制PWM、串行數字通信和并行數字輸出等多種形式，需根據測控系統的具體要求確定。第一章第一章 概概 述述七輸入

11、設備七輸入設備輸入設備是操作人員和檢測儀表或檢測系統聯系的另一主要環節，用于輸入設置參數，下達有關命令等。最常用的輸入沒備是各種鍵盤、拔碼盤、條碼閱讀器等。近年來，隨著工業自動化、辦公自動化和信息化程度的不斷提高，通過網絡或各種通信總線利用其他計算機或數字化智能終端，實現遠程信息和數據輸入的方式愈來愈普通。最簡單的輸入設備是各種開關、按鈕，模擬量的輸入、設置，往往借助電位器進行。(04*)第一章第一章 概概 述述八穩壓電源八穩壓電源 一個檢測儀表或檢測系統往往既有模擬電路部分，又有數字電路部分，通常需要多組幅值大小要求各異但穩定的電源。這類電源在檢測系統使用現場一般無法直接提供，通常只能提供交

12、流220V工頻電源或直流24V直流電源。檢測系統的設計者需要根據使用現場的供電電源情況及檢測系統內部電路的實際需要，統一設計各組穩壓電源給系統各部分電路和器件分別提供它們所需的穩定電源。第一章第一章 概概 述述 最后，值得一提的是，以上七個部分不是所有的檢測系統(儀表)都具備的，而且對有些簡單的檢測系統，其各環節之間的界線也不是十分清楚，需根據具體情況進行分析。 另外，在進行檢測系統設計時，對于把以上各環節具體相連的傳輸通道，也應給予足夠的重視。傳輸通道的作用是聯系儀表的各個環節，給各環節的輸入、輸出信號提供通路。它可以是導線、管路(如光導纖維)以及信號所通過的空間等。信號傳輸通道比較簡單，易

13、被人們忽視，如果不按規定的要求布置及選擇，則易造成信號的損失、失真或引入干擾等，影響檢測系統的精度。第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述1.2 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，檢測系統(儀表)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： 一一按被測參量分類按被測參量分類 常見的被測參量可分為以下幾類： (1)電工量： 電壓、電流、電功率、電阻、電容、頻率、磁場強度、磁通密度等； (2)熱工量： 溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布、壓力、壓差、真空度、流量、流速、物位、液值、界面等； 第一章第一章 概概 述述(3)機械量： 位移、形狀、力

14、、應力、力矩、重量、質量、轉速、線速度、振動、加速度、噪聲等；(4)物性和成分量： 氣體成分、液體成分、固體成分、酸堿度、鹽度、濃度度、粒度、密度、比重等；(5)光學量： 光強、光通量、光照度、輻射能量等；(6)狀態量： 顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、表面質量等。 嚴格地說，狀態量范圍更廣，但是有些狀態量由于已按習慣歸入熱工量、機械量、成分量中，因此在這里不再重復列出。第一章第一章 概概 述述 二二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 被測參量通常是非電物理或化學成分量，通常需用某種傳感器把被測參量轉換成電量，以便于處理。被測量轉換成電量的方法很多，最主要的有下列

15、幾類： (1)電磁轉換： 電阻式、應變式、壓阻式、熱阻式、電感式、互感式(差動變壓器)、電容式、阻抗式(電渦流式)、磁電式、熱電式、壓電式、霍爾式、振頻式、感應同步器、磁柵等； (2)光電轉換： 光電式、激光式、紅外式、光柵、光導纖維式等；(3)其它能量轉換； 聲/電轉換(超聲波式)、輻射能電轉換(x射線式、P射線式、r射線式)、化學能電轉換(各種電化學轉換)等。第一章第一章 概概 述述三三按使用性質分類按使用性質分類 按使用性質檢測儀表通常可分為標準表、實驗室表和工業用表等三種。顧名思義，“標準表”是各級計量部門專門用于精確計量、校推送檢樣品和樣機的標準儀表。標準表的精度等級必須高于被測樣品

16、、樣機所標稱的精度等級；而其本身又根據量值傳遞的規定，必須經過更高一級法定計量部門的定期檢定、校準，由更高精度等級的標準表檢定之，并出具該標準表重新核定的合格證書，方可依法使用。第一章第一章 概概 述述1.3 傳感與檢測傳感與檢測技術的發展趨勢技術的發展趨勢隨著世界各國現代化步伐的加快，對感測技術的要求越來越高。而科學技術，尤其是大規模集成電路技術、微型計算機技術、機電一體化技術、微機械和新材料技術的不斷進步，則大大促進了現代傳感與檢測傳感與檢測技術的發展。第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概

17、 述述 目前現代檢測技術發展的總趨勢大體有以下幾個方面。一不斷拓展測量范圍，努力提高檢測精度和可靠性一不斷拓展測量范圍，努力提高檢測精度和可靠性隨著科學技術的發展，對檢測儀器和檢測系統的性能要求，尤其是精度、測量范圍、可靠性指標的要求愈來愈高。以溫度為例，為滿足某些科研實驗的需求，不僅要求研制測溫下限接近絕對零度(-27315)，且測溫量程盡可能達到15K(約-258)的高精度超低溫檢測儀表；同時，某些場合需連續測量液態金屬的溫度或長時間連續測量2500 3000的高溫介質溫度，目前雖然已能研制和生產出上限超過2800的熱電偶，但測溫范圍一旦超過2500，其準確度將下降，而且極易氧化從而嚴重影

18、響其使用壽命與可靠性：第一章第一章 概概 述述因此尋找能長時間連續準確檢測上限超過2500的傳感器，是目前各國科技工作者一直努力攻關的課題，可喜的是，目前，非接觸式輻射型溫度檢測儀表的測溫上限，理論上最高可達100萬度以上，但與聚核反應優化控制理想溫度約108相比還相差3個數量級，這就說明超高溫檢測的需求遠遠高于當前溫度檢測所能達到的技術水平。僅十余年前，如果在長度、位移檢測中達到微米級(m)的測量精度，則一定會被大家認為是高精度測量；但隨著近幾年許多國家大力開展微機電系統、超精細加工等高技術研究，“微米(10-6m)、納米(10-9m)技術”很快成了人們熟知的詞匯，這就意味著科技的發展迫切需

19、要有達到納米級，甚至更高精度的檢測技術和檢測系統。第一章第一章 概概 述述隨著自動化程度不斷提高，各行各業高效率的生產更依賴于各種檢測、控制設備的安全可靠。努力研制在復雜和惡劣測量環境下能滿足用戶所需精度要求且能長期穩定工作的各種高可靠性檢測儀器和檢測系統將是檢測技術的一個長期發展方向。第一章第一章 概概 述述 二傳感器逐漸向集成化、組合化、數字化方向發展二傳感器逐漸向集成化、組合化、數字化方向發展 縱觀幾十年來的傳感器技術領域的發展，不外乎分為兩個方面：一是提高與改善現有傳感器的技術性能，二是尋找新原理、新工藝、新材料及新功能。 1、改善技術性能： 1）差動技術：可減少溫度變化，電源波動，外

20、界干擾對傳感器精度的影響，抵消共模誤差，減少非線性誤差。 2）平均技術：利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差均可看著隨機誤差且服從正態分布，根據誤差理論，總的誤差將減少為： n： 傳感單元數 可見，平均技術可減少誤差，增大信號量即增大傳感靈敏度。n/第一章第一章 概概 述述3)補償與修正技術：一對本身特性，二對工作環境。 例如：溫度：恒溫補償，PMD：偏振模色散4)屏蔽、隔離與干擾抑制： 對電信號：屏蔽、隔離、濾波 對溫度：隔熱 對濕度：密封 對機械震動：彈簧減震5)穩定性處理：老化、永磁、熱處理2、尋找新方向: 1）開發新型傳感器： 新型傳

21、感器應致力于：（1）采用新原理，（2）填補傳感器空白，（3）仿生傳感器等諸方面，他們之間相互聯系。第一章第一章 概概 述述 傳感器的工作原理是基于各種效應和定律： 例如： （1）利用核磁共振吸收效應的磁敏傳感器，可提高靈敏度10-7 較地磁強度； （2）利用約瑟夫遜效應的熱噪聲溫度傳感器，可測10-6K超低溫； （ 3）利用光子滯后效應，可做出響應速度極快的紅外傳感器； （4）利用化學效應和生物效應開發的可供實用的化學傳感器和生物傳感器，更是有待于開發的新領域。第一章第一章 概概 述述 大自然是生物傳感器的優秀設計師和工藝師，大自然是生物傳感器的優秀設計師和工藝師，它通過漫長的歲月，不僅造就了

22、集多種感官于一身的人類，而且，還造就了許多功能奇異、性能高超的生物感官。 例如： （1）狗的嗅覺：（靈敏度是人的10-6）； （2）鷹的視覺：（視力為人的850倍）； （3）蝙蝠、飛蛾、海豚的聽覺：（是主動型生物雷達-超聲傳感器） 這些動物的感官功能，超過了當今傳感器的技術范圍，研究他們的機理，也是引人注目的方向。第一章第一章 概概 述述 2）開發新材料： （1）半導體敏感材料 （2）陶瓷材料 （3）磁性材料：用于高速電機軸的稀土材料， （4）智能材料：智能材料是指設計和控制材料的物理、化學、機械、電學等參數，研制出生物體材料所具有的特性或者優于生物體材料性能的人造材料。 第一章第一章 概概

23、述述智能材料具有下述功能：智能材料具有下述功能： （1）具備對環境的判斷可自適應功能； （2）具備自診斷功能； （3）具備自修復功能； （4）具備自增強功能（或稱為時基功能）； 具有時基功能是生物體材料的最突出特點，智能材料的探索工作還剛剛開始，相信不久的將來會有很大發展。第一章第一章 概概 述述3）新工藝的采用： 新型傳感器離不開新工藝，新工藝的含義很廣，這里尤指與發展新型傳感器聯系特別緊密的“微細加工技術微細加工技術”，該技術又稱微機械加工微機械加工技術技術，是近年來隨著IC工藝發展起來的，它是粒子束、電子束、分子束、激光束和化學刻蝕等用于微電子加工的技術，目前越來越多地應用于傳感器領域。

24、 例如：濺射、蒸度等離子體刻蝕，化學氣體淀積（CVD）、外延、擴散、腐蝕、光刻等。(05*)第一章第一章 概概 述述4）集成化、多功能與智能化（1）集成化：同一功能的多元件并列化，形成一維線性傳感器，（2）多個功能于一體，將傳感、放大、運算、補償等各環節于一體，組成一個器件，例如：一種溫度、濕度、氣體三功能的陶瓷傳感器已研制成功，可同時測三各數據。（3）傳感器的智能化：將傳感器于CPU結合，不僅有檢測功能，還有信息處理、邏輯判斷、自診斷以及“思維”等人工智能（借助于大規模IC），智能傳感器，又稱靈巧（smart）傳感器。第一章第一章 概概 述述三重視非接觸式檢測技術研究三重視非接觸式檢測技術研

25、究在檢測過程中，把傳感器置于被測對象上，可靈敏地感知被測參量的變化，這種接觸式檢測方法通常比較直接、可靠，測量精度較高。但在某些情況下，因傳感器的加入會對被測對象的工作狀態產生干擾，而影響測量的精度。而在有些被測對象上，根本不允許或不可能安裝傳感器，例如測量高速旋轉軸的振動、轉矩等。因此，各種可行的非接觸式檢測技術的研究愈來愈受到重視。第一章第一章 概概 述述四檢測系統智能化四檢測系統智能化近十年來由于微處理器、單片機在內的大規模IC的成本和價格不斷降低，功能和集成度不斷提高，使得許許多多以單片機、微處理器或微型計算機為核心的現代檢測儀器(系統)實現了智能化，這些現代檢測這些現代檢測儀器通常具

26、有儀器通常具有:系統故障自測、自診斷、自調零、自校準、自選量程、自動測試和自動分選功能，強大數據處理和統計功能，遠距離數據通信和輸入、輸出功能，可配置各種數字通信接口，傳遞檢測數據和各種操作命令等，還可方便地接入不同規模的自動檢測、控制與管理信息網絡系統。與傳統檢測系統相比，智能化的現代檢測系統具有更高的精度和性能價格比。 正是由于智能化檢測儀器、檢測系統具有上述優點，所以多年來其市場占有率一直維持強勁的上升趨勢。第一章第一章 概概 述述1.4 近年來儀器與測量技術的發展近年來儀器與測量技術的發展 一、 測量技術與儀器的技術內涵及發展重點 測量技術與儀器是一個專業面很寬的多學科相結合的行業。它

27、在科技和工業等不同的領域起到了技術基礎保證的作用。從這方面的技術發展情況來看,總是熱門行業的發展需求激發了相應方面的測量技術與儀器的發展,并為后者提供了廣闊的應用市場。同時,測量技術與儀器又與科學技術和工業生產的發展互為支持和制約。第一章第一章 概概 述述 不但許多新技術的發展為測量技術與儀器提供了新的原理和軟、硬件技術的支持,而且也因為測量技術與儀器的進步才促使了科學技術的進一步發展。根據IEEE儀器與測量技術大會(IMTC)多年來的統計和研究文章在數量上的分布,與儀器構成及發展關系最密切的有以下幾方面的內容：傳感器和變換器;信號和圖像處理;系統ID(識別);計算機虛擬系統;ADC與數據采集

28、; 第一章第一章 概概 述述神經網絡和模糊處理;光學檢測技術;電源;標準;微波與EMI通訊;生物醫學。 圖1.5.1給出了5年來在美國IMTC會議上的文章分布情況（從上到下的圖塊次序與右邊的標注次序是相同的）。 第一章第一章 概概 述述圖1.5.1 19982002 年IMTC會議上的文章分布情況350300250200150100500IMTC/2002美 國 阿 拉 斯 加 安克 雷 奇IMTC/2000美 國 馬 里 蘭 州 巴爾 的 摩IMTC/98St.PaulMN生 物 醫 學微 波 通 訊標 準能 源光 學工 業 機 器 人神 經 元 、 模 糊模 /數 轉 換 和 數 據 獲

29、取計 算 機 虛 擬 系 統系 統 辨 識信 號 及 圖 像 處 理傳 感 器第一章第一章 概概 述述從每年文章的側重情況以及科技和產業的發展來看,某一方面的研究工作和論文的增減都有對應的行業發展作為背景。這說明儀器與測量工作對當代工業和科技的發展有明顯的依附特點。脫離目前面向市場發展的大趨勢來計劃儀器與測量的研究方向是會出問題的。每年各種有代表性的大型國際會議的發起者和組織者往往根據這樣的背景并結合實際發展的大趨勢進行會議的征文和組織。這方面的動態會為確定儀器及測量學科的發展方向及研究課題的定位提供很有用的信息。 第一章第一章 概概 述述應該說明的是,針對廣泛的被測量,傳感器和變換器的研究論

30、文數量始終是最多的。所以傳感器在測量與儀器領域處于一個很重要的位置。1999年,微波與通訊被排在第二位,是由于移動電話的發展,這方面的研究集中于800 MHz1.2 GHz的微波測量。1999年,ADC與數據采集被排在第四位,由于數字示波器的需要而發展了折返式和插入式的ADC。這類ADC用于數字示波器和數字電視,具有非常高的速度和分辨率。同期發展的過采樣的ADC具有更高的分辨率,但是速度要慢一些。第一章第一章 概概 述述 2000年,信號/圖像處理被排在第二位,主要是由于數字相機的發展。CMOS的圖像傳感器被作為研究的熱點,它也被用于移動電話中。同時,CCD也被廣泛應用。 2000年,生物醫學

31、測量排在第四位,因為世紀之交提出了21世紀是生命科學與健康的世紀的口號,因此受到了各國的重視。第一章第一章 概概 述述2000年,光測量方面的文章主要集中于光纖傳感器的研究。采用這種結構可以構成低成本的溫度、壓力和空氣流的傳感器。另外,關于智能傳感器接口的標準IEEE 1451.2于2002年被發布。該接口是與互聯網連接的,引起了國際上的普遍關注,所以關于標準的文章數量有所集中。 第一章第一章 概概 述述 二、二、 近年來傳感器技術的發展近年來傳感器技術的發展 從這幾年儀器和測量技術發展的總的趨勢來看,傳感器的研究和發展總是被排在首位。這是因為,現代測量的模式大多還是針對廣泛的非電被測量的。首

32、先將非電被測量轉換成為電量或者數字量,再采用電和數字信號處理的方法來獲得對被測量的準確表達,或用于控制和其他目的。傳感器是測量系統的入口,因此,傳感器的精度和性能成了測量系統中對精度影響最顯著的因素。測量用的傳感系統主要針對非電量測量和環境的評估。第一章第一章 概概 述述 經全面統計,傳感器與轉換器方面最具代表性的關鍵技術是微電機的硅膜片的壓力傳感器、用于差動壓力和角度檢測的差動式電容轉換器、混合式或單片熱裝置傳感器、電位計氣體傳感器(如二氧化鋯傳感器、限制電流的陶瓷傳感器、有機薄膜傳感器等)等。而在相應的接口方面是,開關電容器線路技術、過采樣的-調制與解調技術、通用的傳感器接口結構、基于電流

33、傳送器和開關電流存儲器單元的電流模式信號處理等。在相應的網絡方面是,智能轉換器接口標準IEEE 1451、由美國NIST的Kang Lee主持的TC-9等。通用接口所需要的是,高精度(如12位分辨率)、數字編碼、線性化功能、交互參數的補償、補償和增益的獨立調節、自診斷和校正功能、與微傳感器兼容處理的片上可實現、通訊裝置等。 第一章第一章 概概 述述 傳感器的研究和應用所涉及的專業面是相當廣泛的,大量物理、化學、機械甚至生物學的知識背景都能夠用于傳感器的構成。在傳感器的發展方面,利用石英晶體和聲表面波器件的諧振式的物理和化學傳感器與轉換器尤其引人矚目。由于這個原因,美國的IEEE國際頻率控制年會

34、近年來專門把諧振式的物理和化學傳感器與轉換器列為會議中的一個重要部分。 在幾乎目前所有的電子元器件中,石英晶體諧振器是穩定性和精度最高的。因此,一方面利用石英晶體穩定的一面可以構成穩定的時鐘和頻率源；而另一方面,則可以利用它們對某些外界影響,如溫度、壓力、振動和加速度等的敏感性來構成不同高精度的傳感器。所以傳感功能是晶體諧振器和聲表面波器件除穩頻功能以外的第二大用途。第一章第一章 概概 述述 這樣的傳感器可以把被測量直接轉換成頻率、時間等很容易數字化的量值,極易處理, 而且精度和檢測的靈敏度也很高。如在特定介質中的顆粒的檢測中的靈敏度可以達到10-15g/mm2。這方面的傳感器已經廣泛用于溫度

35、, 力值, 加速度, 轉矩, 角速度, 振動, 空氣與水或其他介質中的顆粒, 氣體和液體混合物, 可卡因等藥品的微量以及生物化學分析中的測量中。 第一章第一章 概概 述述 傳感器的發展,尤其是化學傳感器的發展是很不容易的。一個實用傳感器的完成和完善往往需要10年左右的時間。其困難常常表現為靈敏度、選擇性和長期穩定度這樣一些指標之間的沖突。另外,嚴酷的噪聲環境會降低信噪比,這也是必須關注的。上述問題也是國際上關注,并在近幾年重點研究的。 對于傳感器發展有前途的途徑之一就是學習人的傳感器機構。傳感器與人工神經網絡融合是這種途徑的典型例子。為了使這些信號的處理途徑有效， 傳感器本身應該仿效為一個接收

36、器。比如日本開發的一種氣味傳感器中帶有PVC（聚氯乙烯）混合油脂薄膜涂層的AT切晶體就仿效了人的嗅覺細胞。 第一章第一章 概概 述述 大多數商用的氣體傳感器都是基于SnO2和Fe2O3填充材料的。這些傳導率傳感器特性是高靈敏度的,但是它們的選擇性較差。使用了電位差計類型的傳感器可以得到很高的選擇性。這些固態的電化學傳感器基本上是集中單元并且需要氧氣參考。英國開發出了電化學的泵組件作為氧氣參考。因為氧氣的濃度能夠由泵流控制,這樣,傳感器便可以用于廢氣中氧氣的閉路檢測。 在選擇開放性應用的傳感器（如濕度傳感器）時的最重要的因素是長期穩定性而不是靈敏度。這類電容性的傳感器使用了疏水性的膜作為傳感元件

37、,現在被認為是最穩定的傳感器之一。用線性化和交叉參數補償所派生的樣本能夠被用來設計對電容性傳感器更好的接口。 第一章第一章 概概 述述 從微電機的硅傳感器得到的信號通常是很小的。為了防止因惡劣的環境使得信噪比變壞,信號處理線路應該和傳感器線路集成在一起。比如一個開關電容器（SC）馳豫振蕩器施加于熱耦合的信號處理中。一個基于電荷平衡原理的SC振蕩器是最簡單的模/數(A/D)轉換器。SC技術現在已經是成熟的技術并被廣泛地用于混合模擬和數字ASIC的CMOS實現。 過采樣的調制解調技術具有這樣的特性,即它們很有希望被使用在可以很好地承受元件失配的模擬接口中,這種失配可能發生在微機電過程中。采用這種技

38、術的通用接口已經被計劃用于減小開發成本。這方面的一個典型構造就是二次的過采樣調制回路。這個回路包含了模擬和數字的積分電路,能從本質上改進接口電路的抗噪聲度。 第一章第一章 概概 述述 采用開關電流（SI）技術的傳感器接口也是近年來所關注的。使用SI技術實現的模擬電路和標準的數字CMOS方法是完全兼容的。在SI線路中,支配信噪比的一個誤差源是節拍耦合（CFT）。這個現象對于SC線路是共同的,但是SI線路中的CFT的很大成分取決于信號電平和非線性。為了減小非線性CFT誤差,已經發展了2級的SI單元。這個創新性的元件可以用來建立遞增型的A/D轉換器。 傳感器的靈敏度和其長期穩定度不兼容,常常是靈敏度

39、越高,長期穩定度就越差。 第一章第一章 概概 述述 克服這個困難的一個有前途的途徑就是在一個傳感器芯片上集成信號處理電路以改進傳感器的靈敏度和可靠性。這樣的傳感器也被稱做“智能傳感器”。用該途徑開發的第一個實用傳感器是一個壓力傳感器,它是由擴散在一個微機械圖形上的壓敏電阻器和用雙極方法生產的馳豫振蕩器所構成的。在此以后,許多其他智能傳感器都被開發出來。 第一章第一章 概概 述述 壓力傳感器在工業處理、汽車以及生物化學儀器中得到了廣泛應用,并且也在傳感器市場占有較大的份額。考慮到靈敏度、功率消耗和溫度影響,電容式的傳感器更好一些,但是其加工過程還不很成熟,因此壓阻式的傳感器仍然是最流行的。用最新

40、的LSI方法可以制造壓力傳送器。這樣的傳送器由兩個壓敏電阻器橋組成,用于差動和靜態壓力測量。在工業應用中也提供了智能接口,它能夠經過通訊口設置范圍和衰減時間常數。 第一章第一章 概概 述述 各種不同原理的傳感器的構成技術仍然是國際上研究的熱點。日本和歐洲一些國家注重在長度、位移和角度測量中大量采用電容式的傳感器。這種傳感器的輸出信號便于量化處理,用這種方法實現非接觸測量會提高測量的精度與真實性等。為了提高測量的分辨率,常常采用分段式電極的方法。這樣,所感興趣的量就能夠由在每段所捕捉到信號的相對差值來確定。第一章第一章 概概 述述 這種想法依賴于一個基本的假設,單獨的段都被同時測量而且這些信號相

41、對于被測量服從一定的對稱規律。但是實際上,這些假設不可能滿足。因此,對非對稱性、噪聲和非同時性的影響的分析是很重要的。除去來源于傳感器系統的固有誤差外,主要的非對稱性源是傳感器中的旋轉體和偏離。研究結果表明,傳感器和其測量算法能夠承受對于理想對稱狀況的偏離。如果生成的函數（當轉子轉動時在一段上所看到的信號）不是嚴格的線性分段,但是光滑而沒有尖角,那么測量噪聲會被減小。多方面的分析表明,雜散場和轉子結合的非對稱性會引起性能的降低。在實際應用中很明顯的問題是,轉子的任何非對稱性都應該被避免(至少在采用目前的輻射測量算法的情況下), 這個要求通過轉子生產公差的控制是很容易滿足的。 第一章第一章 概概

42、 述述三、 IEEE 1451智能轉換器接口標準簡介 IEEE 1451是針對傳感器和調節器的智能轉換器接口標準, 可以促進傳感器和網絡的相互合用。IEEE 1451被定義為連接轉換器（傳感器和調節器）在一個獨立的網絡環境中到控制網絡或者儀器的公用通訊接口。對該標準的建立經歷了較長的時間。國外學者總結了該標準可能帶來的效益：（1） 采用了公共的接口標準,經過不同的傳感器/調節器母線能建立起傳感器和調節器的相互可操作性和相互可變性； 第一章第一章 概概 述述（2） 一個公共的傳感器接口標準會獲得智能傳感器的發展,相對于單一標準設計費用更低,對于接口的全部投資也最低； （3） 對于轉換器的生產者,

43、不需要為控制網絡產品選擇專門的協議;（4） 對于控制網絡的提供者,由于可以獲得大量的可網絡共享的傳感器和調節器,因而大量增加了控制網絡的應用； （5） 在系統的綜合方面,工作的完成所需要的努力大大減少； （6） 對于終端用戶,使用期的成本大大降低。第一章第一章 概概 述述 由于傳感器的類型和格式相當廣泛,對傳感器的生產者及最終用戶來說, 傳感器間的兼容性以及它們的接口與可通過網絡相互連接的特點已經成為標志性的、原始要求的問題。 由于市場上有大量傳感器網絡,而每一種網絡的設計都有其特定的應用等級和自己的習慣協議, 因此,傳感器接口的變化類型以及大量的網絡協議需要傳感器生產部門的大力支持。 很明顯

44、,一個通用的傳感器接口有助于緩解這個問題。IEEE 1451是一個用于傳感器和調節器的智能轉換器接口標準,可以解決這個問題。它已經定義了一套通用的通訊接口用于連接轉換器（傳感器和調節器）到控制網絡和獨立于網絡的環境中的儀器。 第一章第一章 概概 述述 IEEE 1451標準定義了一個由數據和發送數據到網絡的目標模型構成的框架。 IEEE 1451.2標準在智能傳感器模塊（STIM）中定義了傳感器數據模型,它由傳感器電子數據表（TEDS）和傳感器獨立接口（TII）組成。TEDS為傳感器儲存與制造商有關的數據,例如制造商的姓名、傳感器類型、校準數據, TEDS在加電的情況下將這些數據發送到網絡或儀

45、器。傳感器（XDCR）數據被轉換成數字格式后通過數字化接口TII發送到網絡驅動的應用處理器（NCAP）。第一章第一章 概概 述述 IEEE 1451.1定義了一個智能傳感器目標模型,用來描述使用目標性語言的傳感器行為。通過這種模型未被處理的傳感器數據可以和校準數據進行比對, 在標準的物理單元產生一個輸出。IEEE 1451.1目標模型也定義了一個獨立網絡的應用程序接口,它使得傳感器的信息能夠與任何基于網絡的變換器應用進行通訊。 第一章第一章 概概 述述 四、 在測量和儀器中的信號處理技術 在信號處理方面,數字信號處理技術、模擬信號處理技術、圖像處理、模糊處理、神經網絡 、虛擬儀器技術、人工智能、模式識別和計算機技術等都被廣泛用于儀器和測量中的信號處理目的。第一章第一章 概概 述述 比如：IEEE下屬的許多學會就把儀器和測量方面的內容也包括在自己的必不可少的學術交流及學科發展中,而他們的主要技術發展也都有助于測量和儀器中的信號處理技術的進步。這