检测与转换技术课程综述
摘要： 检测与转换技术是自动检测技术和自动转化技术的总称，它是以研究自动检测系统中的信息提取，信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内用的一门应用学科。这次综述报告的主要内容包括检测技术的基础知识、常用传统传感器(如电阻式、电感式、电容式、磁电式、热电式等传感器)和新型传感器(如气敏、湿敏、磁栅、光电、光纤等传感器)的工作原理，首先是检测技术的基本知识点，然后对各种传感器进行介绍，最后说明传感器的发展方向。
关键词：检测 转换 传感器 发展
一、 基础知识
1、一个完整的检测系统或检测装置通常是由电源、传感器、信号处理电路，显示记录装置、传输通道等几部分组成。
2、基本性能指标
（1）测量范围、上下限及量程
测量范围：仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。测量范围的最大最小值对应上下限；而量程是测量上限与下限的代数差。
量程＝测量上限－测量下限
（2）灵敏度和分辨率
灵敏度是指在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。
s是输入输出特性曲线的斜率，或者说等于仪表的放大倍数
分辨率：指检测仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。
模拟式仪表分辨率规定为最小刻度分格值的一半；数字式仪表分辨率规定为最后一位的一个字。
（3）线性度、变差（回差）和死区
线性度：实际的输入输出特性曲线(y)与拟合直线(y′)之间的最大偏差与满量程输出的百分比表示。
（4）精度等级：衡量仪表精密程度的指标，测量值接近真实值的准确程度。由仪表的最大引用误差来决定。
（5）误差：测量值与被测量的真值之间存在的差别
误差来源：工具误差、环境误差、方法误差、人员误差
测量误差分类：按表示方法分：绝对误差、相对误差；按误差出现规律分：系统误差、随机误差（偶然）和粗大误差（疏怱误差）；按被测量与时间关系分：静态误差、动态误差。
滞环、死区和回差
绝对误差δ：仪表的指示值X与被测量的真值X0之间的差值。
δ = X －X0 δ有单位、符号
真值 X0＝X－ δ＝X＋C， C＝－ δ称为修正值 δ越小，说明指示值越接近真值，测量精度愈高。但它只适用于被测量数值相同的情况，而不能说明不同值的测量精度相对误差r：仪表指示值的绝对误差δ与被测量的真值X0的比值
二、传感器基础知识
1、传感器的定义：传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
2、传感器的基本组成：传感器的基本功能是检测信号和进行信号转换，因此传感器通常由敏感元件和转换元件构成。
3传感器的基本特性
（1）静态特性是指传感器的输入为不随时间变化的恒定信号或缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系。特性指标：主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性（分辨力、漂移、稳定性、阈值)等。
（2）动态特性是指传感器的输入为随时间变化的信号时，传感器的输出与输入之间的关系。传感器的动态特性可通过动态数学模型和动态特性指标来描述动态特性指标：时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。
三、几种重要的传感器
1、热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路，当两个接触端T﹥ T0时，回路中会产生热电势
热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定。
匀质导体定律由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶必须采用两种不用材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。
2、电感式接近开关
电感式接近开关工作原理
电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的
3、半导体热敏电阻
按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。
（1）正温度系数热敏电阻的工作原理
此种热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结尔成。纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度升高到居里点温度（即临界温度，此元件的‘温度控制点’ 一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3～440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。
（2） 负温度系数热敏电阻的工作原理
负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多，使用区分低温（-60～300℃）、中温（300～600℃）、高温（﹥600℃）三种，有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温控系统。
热敏电阻与简单的放大电路结合，就可检测千分之一度的温度变化，所以和电子仪表组成测温计，能完成高精度的温度测量。普通用途热敏电阻工作温度为-55℃～+315℃，特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55℃，可达-273℃。
4、电阻应变片式传感器
应变片式传感器的基本原理是将非电量的变化转换成应变片电阻值的变化，然后通过转化电路将电阻值的变化转化成电压或电流的输出。具有体积小、结构简单、性能可靠、灵敏度高、动态响应快、测量精度高，是应用最广泛地传感器之一。
应变片种类繁多、形式多样，但基本构造大体相同都是由敏感栅、基底、覆盖层、引线及黏合剂构成。
5、压电式传感器
压电式传感器是利用某些电介质材料(如石英晶体)具有压电效应现象制成的。有些电介质材料在一定方向上受到外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面上产生电荷从而可以实现对非电量的检测。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽等特点，适用于对各种动态力、机械冲击与振动的测量，广泛应用在力学、声学、医学、宇航等方面。
压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。
6、温度传感器
温度传感器主要采用负温度系数热敏电阻，当温度变化时，热敏电阻阻值也发生变化，温度升高其阻值变小，温度降低其组值增大。
7、超音波传感器
超声波传感器是用来测量物体的距离。首先，超声波传感器会发射一组高频声波，一般为40-45KHz，当声波遇到物体后，就会被反弹回，并被接受到。通过计算声波从发射到返回的时间，再乘以声波在媒介中的传播速度（344 米/秒，空气中）。就可以获得物体相对于传感器的距离值了。
声波换能器特性
声波换能器就好比一个喇叭，能将电流信号转换成高频声波，或者将声波转换成电信号。（其实多数喇叭都可以当作话筒用，用喇叭代替麦克风，也是可以的，只不过麦克风将声波转化成电信号的能力比较强一点。所以，更加灵敏一点。
四、传感器发展的方向
1、向高精度发展：随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产精度在万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。
2、向高可靠性、宽温度范围发展：传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20℃~70℃，在军用系统中要求工作温度在-40°C~85°C范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在-20°C ~120°C，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。
3、向微型化发展：各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。
4、向微功耗及无源化发展：传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如TI2702运算放大器，静态功耗只有1.5mA，而工作电压只需2~5V。
5、向智能化数字化发展：随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0~10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。
总结:“传感器与检测技术”是一门涉及到电工电子技术、传感器技术、光电检测技术、控制技术、计算机技术、数据处理技术、精密机械设计技术等众多基础理论和技术的综合性技术，现代检测系统通常集光、机、电于一体，软硬件相结合。
随着计算机和电子技术的发展，机械与电子的结合，形成了机电一体化系统。机电一体化系统是在机械结构的主功能和动力系统引进了电子技术，是将机械装置与电子设备以及软件等有机的结合，使机电产品的结构与功能产生了质的飞跃。制造过程正在向柔性化集成化智能化。柔性制造系统与计算机集成制造系统的发展，正是这一趋势的体现，这一切的关键就是信息的获取传输存储分析处理和利用。而这一切都离不开检测技术。
参考文献：
https://www.baidu.com/index.php? (百度知道-检测与转换技术)
【978-7-111-03106-2】常健生 《检测与转换技术》
【978-7-111-22663-5】刘传玺 《自动检测技术》
