第1章传感器与检测技术（课件）- 《传感器与检测技术基础》同步教学（北京理工版）

第1章传感器与检测技术 1. 1传感器与检测技术概述 1. 2现代检测技术 1. 3自动检测系统 1. 1传感器与检测技术概述 1. 1. 1传感器与检测技术的概念 传感器是检测系统中不可缺少的元件，通常体积小、结构简单。如图1一1所示为一些常用传感器的例子。 传感器处于连接被测对象和测试系统的接口位置，构成了测量系统信息输入的“窗口”，提供原始信息，是所有现代技术的起点，信息的质和量往往一次性地由传感器的能力所确定。 传感器技术和现代科学技术密切相关，本身也是现代技术水平的代表。现代传感器被称为与“电脑”相对应的“电五官”(见表1一1)。传感器与计算机系统的比较见表1 -2，包括信息的类型、工作环境及机理、主要特征及其构成，可以看出两者的区别。 下一页 返回 1. 1传感器与检测技术概述 检测则是通过传感器将被测物理量的信息检取出来，并转换为测量仪器、仪表可接收的信号，再实现测量或控制的过程。通常，检测系统由敏感元件(传感器)、信号处理、转换电路和显示或控制装置组成，如图1 -2所示。 1. 1 .2传感器与检测技术的应用实例 1.内燃机气缸压力的测量 如图1一3(a)所示为内燃机气缸压力随时间变化的检测系统示意图。在计算内燃机气缸的功率及气缸或活塞的强度设计时，气缸压力是一基本的参数，是内燃机的一个重要测试项目。 安装在气缸头上的压力计，将气缸内部的压力变换为微弱的电信号。这里所叙述的是电阻应变式压力测量系统，由图1-3(b)所示的称为应变筒的空心圆筒、图1 -3(c)、(d)所示的电阻应变片及测试电桥构成。 下一页 返回 上一页 1. 1传感器与检测技术概述 2.滚动轴承运行状态的监测 滚动轴承是机器中最易损坏的部件之一。对滚动轴承的故障预测和诊断技术始终是国内外研究的热点。在现有的各类故障预测和诊断技术中，振动监测方法是主要的方法。一般的振动监测方法，都是在机器的外壳表面提取信号。这里所讨论的光导纤维检测技术，则是直接从轴承外环的表面提取信号，其基本原理如图1一4及图1一5所示。 3.工件表面粗糙度的测量 为了实现工件表面的粗糙度分析，采用光学测试法。通过对反射光空间分布的分析实现表面的测量和评价。基本原理如图1一6 所示。 返回 上一页 1. 2现代检测技术 1. 2. 1现代检测技术的含义和特征 现代检测技术是指采用先进的传感技术、信息处理技术、建模与推理等技术实现用常规仪表、方法和手段无法直接获取的待测参数的检测。 现代检测技术的特征可归纳如下。 (1)从待测参数的性质看，现代检测技术主要用于不常见的参数的测量，对于这些参数的测量目前还没有合适的传感器与之对应，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然已有传感器，但测量误差比较大，受各种因素的影响较大，不能满足测量要求。 下一页 返回 1. 2现代检测技术 (2)从应用的领域(对象)看，现代检测技术主要用于复杂设备、过程的影响性能、质量等方面的综合性参数，如高速运动机械的故障分析、多相流系统中的流动参数的测量、油品质量的检测等。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;通过应用专家知识、数据库、规则等进行推理，根据被测量的信息获取待测量。 下一页 返回 上一页 1. 2现代检测技术 1. 2. 2现代检测技术的方法 1.先进传感器技术 传感器的工作原理是建立在各种物理效应、化学效应和生物效应基础之上的，所以新材料、新效应、新工艺的不断问世，大大促进了传感技术的发展。 2.现代信息处理技术 应用现代信号处理方法就是对传感器输出的信号进行处理或变换，获取信号的某些特征值，并通过这些特征值与待测参数的关系来得到待测参数的信息。常见的现代信号处理方法主要如下。 (1)幅域分析方法:以信号的幅值大小为分析的依据，主要有信号的均值、均方根值及幅值的概率密度计算等。 下一页 返回 上一页 1. 2现代检测技术 (2)时域分析方法:以信号的时间系列为分析依据，主要有自相关函数、互相关函数的分析等。 (3)频域分析方法:以信号的频率特性为分析依据，主要有傅里叶变换、小波变换和Hih