檢測技術及傳感器檢測技術第1頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第①部分

基礎知識第二章檢測元件與檢測技術傳感技術基礎原理一般檢測變換方法第2頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件檢測元件的分類、命名和表示傳感技術自然規(guī)律、基礎效應檢測裝置信號變換方法

簡單變換、差動變換、

參比變換、平衡／反饋變換第3頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件檢測元件是指傳感器中能直接感受（或響應）被

測量對象的部分。在完成非電量到電量的變換時，并非所有的非電

量都能利用現有手段直接轉換成電量，往往是將

被測量先變換為另一種易于變成電量的非電量，

然后再轉換成電量。第4頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件檢測元件是儀表、檢測系統(tǒng)的關鍵，決定了可測參數、被測量的可測范圍、測量準確度、儀表的使用條件等。①敏感性：對被測量的敏感性②適用范圍：環(huán)境溫度、壓力、外加電源等③測量范圍：被測量不超過敏感元件規(guī)定的測量范圍④輸出特性：輸出與被測量之間有明確的單調關系⑤其它：價格、易復制性、安全性、易安裝等第5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件特性第6頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按輸入量（被測對象）分類按轉換原理分類按輸出信號的形式分類按輸入和輸出的特性分類按能量轉換的方式分類按材料分類第7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類

按輸入量（被測對象）分類物理量傳感器、化學量傳感器和生物量傳感器物理量傳感器又可分為：溫度傳感器、壓力傳感器、

位移傳感器、??????等等。這種分類方法給使用者提供了方便，容易根據被測

對象選擇所需要的傳感器。第8頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按轉換原理分類結構型傳感器

利用機械構件（如金屬膜片等）在動力場或電磁場的

作用下產生變形或位移，將外界被測參數轉換成相應

的電阻、電感、電容等物理量，它是利用物理學運動

定律或電磁定律實現轉換的。物性型傳感器復合型傳感器第9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按轉換原理分類結構型傳感器物性型傳感器

利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學效應（即物質定律，如虎克定律、歐姆

定律等）來實現非電量轉換的。

它是以半導體、電介質、鐵電

體等作為敏感材料的固態(tài)器件。復合型傳感器第10頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按轉換原理分類結構型傳感器物性型傳感器復合型傳感器

由結構型傳感器和物性型傳

感器組合而成的，兼有兩者

的特征。例如，電阻式、電

感式、電容式、壓電式、光

電式、熱敏、氣敏、濕敏、

磁敏傳感器等等。第11頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按轉換原理分類結構型傳感器物性型傳感器復合型傳感器這種分類方法清楚地指明了傳感器的原理，便于學習

和研究。第12頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按能量轉換的方式分類有源型和無源型有源型：也稱能量轉換型或發(fā)電型，它把非電量直接

變成電壓量、電流量、電荷量等，如磁電式、壓電式、

光電池、熱電偶等。無源型：也稱能量控制型、能量傳輸型或參數型，它

把非電量變成電抗（電阻、電容、電感）等，或將被

測電量傳輸至檢測裝置。第13頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按輸出信號的形式分類開關式、模擬式和數字式按輸入和輸出的特性分類線性和非線性第14頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按材料分類無機材料檢測元件半導體材料檢測元件陶瓷材料檢測元件高分子材料檢測元件納米材料檢測元件智能材料檢測元件第15頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測元件無機材料檢測元件M&T,I??檢測元件與檢測技術第16頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件半導體檢測元件第17頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件半導體檢測元件第18頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件陶瓷材料檢測元件第19頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件陶瓷材料檢測元件第20頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件高分子材料檢測元件第21頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件高分子材料檢測元件第22頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件高分子材料檢測元件第23頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按材料分類納米材料檢測元件

氣敏材料第24頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件智能材料檢測元件第25頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按材料分類智能材料檢測元件

記憶合金

壓電材料第26頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的分類按材料分類智能材料檢測元件

記憶合金

壓電材料

光纖傳感器

MEMS/MOEMS第27頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的命名國標GB7666由“主題詞＋四級修飾語”組成，即主題詞——傳感器。一級修飾語——被測量，包括修飾被測量的定語。二級修飾語——轉換原理，一般可后續(xù)以“式”字。三級修飾語——特征描述，指必須強調的傳感器結構、性能、材料特征、敏感元件以及其它必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。四級修飾語——主要技術指標，如量程、精確度、靈敏度范圍等。第28頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的命名運用命名法時應注意使用場合不同，修飾語的排序亦不同在有關傳感器的統(tǒng)計報表、圖書檢索及計算機文字

處理等場合，傳感器名稱應采用正序排列。傳感器←一級修飾語←二級修飾語←三級修飾語←

四級修飾語。

示例：“傳感器、位移、應變計式、100mm”第29頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的命名運用命名法時應注意使用場合不同，修飾語的排序亦不同在技術文件、產品說明書、學術論文、教材、書刊

等的陳述句中，傳感器名稱應采用反序排列四級修飾語→三級修飾語→二級修飾語→一級修飾

語→傳感器

示例：“100mm應變計式位移傳感器”

“100～160dB電容式聲壓傳感器”第30頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的命名運用命名法時應注意使用場合不同，修飾語的排序亦不同傳感器（主稱）＋四級修飾語組成全稱。

在實際運用中，可根據產品具體情況省略任何一級

修飾語。但國標規(guī)定，傳感器作為商品出售時，第

一級修飾語不得省略。第31頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的表示從電路角度考慮，敏感元件就是信號(或信息)源。對于大多數傳感器，它都可以用具有兩端口或四端口特征的電氣元件足夠精確地進行描述。第32頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測元件的表示與傳統(tǒng)的信息技術中常見的兩端口或四端口元件相比，唯一的區(qū)別是敏感元件的特性依賴于物理的或化學的環(huán)境變量。第33頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎自然規(guī)律守恒定律、場的定律、物質定律、統(tǒng)計法則基礎效應熱電效應、光磁電效應、磁效應、壓電效應、應變

效應、電渦流效應、超導效應、集膚效應、多普勒

效應、物理現象等第34頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎自然規(guī)律守恒定律包括能量、動量、電荷量等守恒定律。這些定律是分析、研制新型傳感

器時必須嚴格遵守的基本法則。第35頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎自然規(guī)律場的定律動力場的運動定律、電磁場的感應定律等，其作

用與物體在空間的位置及分布狀態(tài)有關。一般可由物理方程給出，這些方程可作為許多傳

感器工作的數學模型。例如，利用靜電場制成的

電容式傳感器，利用電磁感應定律可制成的電感

（自感或互感）式傳感器等等。利用場的定律制成，可統(tǒng)稱為結構型傳感器。第36頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎自然規(guī)律物質定律表示各種物質本身內在性質的定律（如虎克定律、

歐姆定律），通常以這種物質所固有的物理常數

加以描述，其大小決定著傳感器的主要性能。

半導體物質法則：壓阻、熱阻、光阻、濕阻等效

應，可分別制成壓敏、熱敏、光敏、濕敏等傳感

器件；

壓電晶體物質法則：壓電效應，可制成壓電式傳

感器等等。第37頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎自然規(guī)律統(tǒng)計法則將微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則，這

些法則常常與傳感器的工作狀態(tài)有關。第38頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎基礎效應熱電效應塞貝克效應：熱電勢（溫度—→電），熱電偶珀爾帖效應：接觸電勢（溫度←→電），半導體制冷湯姆遜效應：溫差電勢（溫差←→電）熱電子發(fā)射效應：熱—→電子，紅外成像第39頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎基礎效應光磁電效應光電子發(fā)射效應：外光電效應

（光→電），光電二極管、光

電倍增管及紫外線傳感器等。光電導效應：內光電效應（光

→電阻），光敏電阻。光伏特效應：內光電效應（光

→電），光電池、光敏二極管、

光敏三極管和光敏晶閘管等。第40頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎基礎效應光磁電效應光的熱電效應：熱釋電（熱→電），紅外人體傳感器塞曼效應：光通過磁場時光

譜離散（光磁→光譜）拉曼效應：單色光照射物質

時發(fā)出不同光譜（光→光）泡克爾斯效應：光通過壓電

晶體時分成正常和異常光線

（光電→光）第41頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎基礎效應光磁電效應克爾效應：光通過各種同性物質并在垂直方向加

電壓時分成正常和異常光線（光電→光）法拉第效應：線偏振光通過磁性物質時偏振面旋

轉（光磁→電）第42頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎基礎效應磁效應霍爾效應：電流流過導體并在與電流垂直的方向加

磁場時在垂直方向產生電勢的現象（磁電→電），

磁敏二極管、磁敏三極管等。磁阻效應：導體在磁場中電阻

增加的現象（磁電→電阻），

磁敏電阻、磁頭等。磁致伸縮效應：強磁體加磁

場時產生變形（磁→機械）第43頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎基礎效應壓電效應壓電效應是指強介質加壓力時的極化現象，可產

生電位差（壓力←→電），超聲波換能器。多普勒效應當聲源、光源及微波等波源與觀測者之間有相對

運動時，觀測到的頻率發(fā)生譜移的現象

（運動→頻率）第44頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎基礎效應物理現象熱傳導現象：熱力學第一定律（熱→物性），熱

敏電阻氣體傳感器、干濕球濕度傳感器等。熱輻射現象：物體溫度升高時產生光（電磁波）

輻射的現象（溫度→光），輻射高溫計、紅外探

測等。第45頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術傳感技術基礎基礎效應第46頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置檢測裝置的誤差來源檢測元件

靈敏度、測量范圍、輸入輸出特性、穩(wěn)定性等等。其它組成部分

通過誤差分析，進行針對性的設計，可以大大減小

各部分的誤差。第47頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置檢測裝置的誤差來源檢測元件內部產生的噪聲以及電源產生的噪聲。

如光電真空管放射不規(guī)則電子，半導體載流子擴散

等產生的噪聲。降低元件的溫度可減小熱噪聲，對

電源變壓器采用靜電屏蔽可減小交流脈動噪聲等。從外部混入的躁聲，按其產生原因可分為機械噪聲

（如振動，沖擊）、音響噪聲、電磁噪聲和化學噪

聲等。第48頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置檢測裝置的誤差來源檢測元件內部產生的噪聲以及電源產生的噪聲。從外部混入的躁聲，按其產生原因可分為機械噪聲

（如振動，沖擊）、音響噪聲、電磁噪聲和化學噪

聲等。

對振動等機械噪聲可采用防振臺或將傳感器固定在

質量很大的基礎臺上加以抑制；消除音響噪聲的有

效辦法是把傳感器放入隔音器中或放在真空容器里；

消除電磁噪聲的有效辦法是屏蔽和接地或使傳感器

遠離電源線，或使輸出線屏蔽，輸出線絞在一起等。第49頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置改善檢測裝置的技術途徑結構、材料與參數的合理選擇差動技術、平均技術穩(wěn)定性處理屏蔽、隔離與干擾抑制零示法、微差法與閉環(huán)技術補償與校正集成化、智能化與信息融合第50頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置一般信號變換結構簡單變換差動變換參比變換平衡／反饋變換第51頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置簡單變換直接式：敏感元件直接將

被測量轉換為電信號。間接式：敏感元件先將被

測量轉換為可利用的中間

參量，通過

轉換元件再

將其轉換為

電信號。第52頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置簡單變換直接式間接式

常用到的中間參量及轉化元件被測量中間參量轉換元件壓力、溫度、流速、力、加速度、扭矩等位移應變片、電感、電容、霍爾元件氣體成分、位移、濃度等光學光電器件溫度、流速等熱量熱電偶、熱敏電阻第53頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置簡單變換屬于串聯(lián)型儀表。

由誤差合成理論，

儀表的誤差是各

個環(huán)節(jié)誤差之和。環(huán)節(jié)越多，儀表的準確度越低。當組成儀表的環(huán)節(jié)中有一個是非線性的，則儀表也具

有非線性特性，若多個環(huán)節(jié)具有非線性特性，一般情

況下將使儀表的非線性更嚴重。信息能量傳遞效率低，需要考慮阻抗匹配。結構簡單、工作可靠、價格低廉、應用廣泛。第54頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置差動變換使用兩個性能相同的

轉換元件，感受敏感

元件的輸出量，將其

轉換為性質相同、但

方向相反的兩個物理

量。第55頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置差動變換若兩個轉換元件的輸出為

其中，x1為被測量，x2為干擾量。

計算差動輸出的變化量，略去二次以上的高階量，有第56頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置差動變換對于簡單變換的情況，有

（略去了二次以上的高階量）第57頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置差動變換差動變換與簡單直接式變換相比有效輸出信號提高了一倍，信噪比提高了非線性特性有所改善，解決非零輸出初始值問題若轉換元件的特性可表示為

干擾量的影響可以完全消除第58頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置差動變換差動變換的轉換元件內部噪聲略有增加但由電源引入的噪聲無法得到改善（始終同方向、相關）敏感元件的非線性特性無法得到改善（屬于串聯(lián)型儀表）如果轉換元件的特性為

其非線性特性也得不到改善差動敏感元件在大多數情況下難以實現第59頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置參比變換使用兩個性能相同的敏感

元件，其中一個感受被測

量和干擾量，另一個僅感

受干擾量。第60頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置參比變換兩個轉換元件的輸出為

若敏感元件的特性可表示為

則第61頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月M&T,I??檢測元件與檢測技術檢測裝置參比變換兩個轉