现代检测技术综述文档格式.docx

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Keywords:

Detectiontechnology Sensor Automation

0序言

自动检测是一门综合性应用技术。

自动检测的对象是指生产自动化技术中，所经常遇到的各种物理量位移、长度、速度、转矩、温度、流量、压力、湿度、粘度、水份等以及对工作机械运转状态生产设备的异常状态产品的在线监视等进行检测。

它应用物理学中各种基本效应和电子学的各种最新成就,采用各种传感器件将被测非电量,直接或间接地转换成电量来进行测量。

并通过对电敏信号的处理，送给自动控制系统以实现自动控制。

而这种控制的精度,在很大程度上就决定于检测的精度。

随着近代物理学新成就的取得电子计算机技术和半导体集成技术的发展,又给自动检测技术提供出更先进的检测手段。

使人们认识各种现象和规律的深度在精确度、灵敏度以及测量范围等方面正愈加深广。

[1]

现代检测技术是世纪六十年代发展起来的一门具有广泛应运价值的交叉学

科，其发展过程经历了三个阶段：

（1）第一阶段是依靠人工为主。

通过专家现场获取设备运行时的感观状态，感知异常的震动、噪声、温度等信息，凭经验确定可能存在何种故障或故障隐患。

（2）第二阶段是信号分析监测与诊断阶段。

随着传感器技术、测量技术以及分析技术的发展，状态监测逐步发展为依靠传感器和测量仪器获取设备的工作参数（如频率、振幅、速度、加速度、温度等参数），通过与正常工作状态下的参数进行对比，确定故障点或故障隐患点。

（3）第三阶段是现代化状态监测与故障诊断阶段。

随着信号处理技术、软测量技术、计算机技术和网络技术的发展，状态监测与故障诊断技术也发展到计算机时代，数据采集工作站采集现场。

[2]

近年来,检测技术发展很快，主要表现在检测技术和检测仪器的发展,使检测精度、范围、可靠性及使用寿命等都得到不断提高。

科学技术的进步,使检测对象与领域在不断增加和扩大。

除较多用于工业连续生产过程外。

在空间技术,

能源开发及环境保护等新领域都得到发展。

其中以遥感、遥测技术在宇航、卫星及空间实验室等技术中的发展尤为迅速。

近代物理学中新的物理效应的应用，使检测手段在不断增强。

[3]如用激光、红外、超声、微波、各种谱线及射线等原理,研制出各种新的传感器件。

电子技术,特别是半导体材料及工艺的发展。

出现了多种灵敏度高、响应速度快、小型轻量的半导体传感器件。

与集成组件结合将传感器、放大器和运算器一体化,使检测装置小型化、固体化和数字化。

1材料工程检测技术分类

现代检测技术的分类依据有很多，其中以传感器分类可以分为以下六种：

（一）电感式传感器

电感式传感器由振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成。

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。

电感式传感器的工作原理是电磁感应。

它是把被测量（如位移等）转换为电感量变化的一种装置。

按照转换方式的不同，可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。

电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。

电感式传感器组成如下图1所示。

[4]

（二）磁电式传感器

磁电式传感器是基于电磁感应原理,通过磁电相互作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成感应电动势的传感器，它也被称为感应式传感器、电动式传感器。

根据电磁感应定律，N匝线圈中的感应电动势。

感应电动势的大小由磁通的变化率决定。

磁通量协的变化可以通过很多办法来实现:

如磁铁与线圈之间作相对运动;

磁路中磁阻变化;

恒定磁场中线圈面积变化等。

因此可以制造出不同类型的磁电式传感器。

磁电式传感器是一种机一电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出信号强，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围，适合于振动、转速、扭矩等测量。

但这种传感器的尺寸和重量都较大。

（三）电阻式传感器

电阻式传感器种类繁多，应用广泛，其基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。

在电阻式传感器中应用得最多的就是电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。

当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。

在实际应用中，应变片主要分为金属应变片和半导体应变片两种，其工作的基本原理分别基于金属的电阻应变效应和半导体的压阻效应。

（四）压电式传感器

压电式传感器是基于压电效应的传感器。

它是一种自发电式和机电转换式传感器，其敏感元件由压电材料制成，根据压电材料受力后表面产生电荷的原理，将此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

而这里的压电效一般指正压电效应，即当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；

当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；

当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；

晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比[4]。

（五）电容式传感器

电容传感器是将被测的力学量如位移、力、速度、加速度等转换成电容变化的传感器。

通常可分为面积变化型、介质变化型和间隙变化型三种。

1.面积变化型即改变电容面积使传感器工作，通常改变的面积与位移是成正比的，而电容大小与面积也成正比，故这类传感器的输入与输出是线性的，这也是它最大的优点。

其缺点是横向灵敏度较大，对机械结构要求十分精确，测量精度相对变间隙式传感器较低。

2.介质变化型即改变极板间介质的平均介电常数，通常为改变极板间不同介电常数介质的厚度或宽度。

3.间隙变化型即改变极板间距离从而引起电容的变化。

这类传感器一般是非线性的，但在△δ/δ很小时可近似看成线性。

其灵敏度与间隙的平方成反比，故间隙越小灵敏度越高，但同时会增大非线性误差，所以这种传感器一般在较小范围内工作以减小非线性误差。

实际应用中为提高灵敏度也常采用差动式结构。

电容式传感器测出的电容或电容变化很小，必须连接适当的放大电路将其转换为电压、电流或频率等易测量，常用有运算放大器电路、电桥测量电路和调频电路。

电容传感器可用于距离、速度、加速度及很多相关量的测量，它具有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好、可以实现无接触测量等特点。

变面积型可用于测量距离、角度、压力；

变介质型可用于测量厚度、非导电液体液面高度及相对湿度等；

变间隙型主要用于测量距离和温度。

（六）光电传感器

光电传感器是利用光电效应工作的传感器。

光电效应一般有外光电效应、内光电效应、光生伏打效应。

1.光照射到光电材料上，材料表面的电子吸收能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚而逸出材料表面，这种现象称为外光电效应。

光子的能量和光的频率有关，光电效应方程式为：

其中m为电子质量，v为电子逸出速度，h为普朗克常熟，γ为光的频率，

A为物体的逸出功。

由此方程式可知，每一种光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值，当入射光的频率低于该值时不能引起光电子发射。

2.内光电效应又称光导效应，它是指物体受到光照射时，其导电性能如电阻率发生变化的现象。

内光电效应不发生电子的逸出，电子仍留在物体内部。

3.在光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏打效应。

基于光生伏打效应的器件有光电池，用于将太阳能直接转化为