绪论

一、现代感测技术的地位和作用

测试是人类认识世界和改造世界必不可少的重要手段。在科学技术的发展过程中，人们根据对客观事物所做的大量的试验和测量，形成定性和定量的认识，总结出客观世界的规律;通过试验和测量进一步检验这些规律是否符合客观实际;在利用这些客观规律改造客观世界的过程中，又通过试验和测量来检验实际效果。科学的发展、突破是以测试技术的水平为基础的。例如人类在光学显微镜出现以前，只能用肉眼来分辨物质。16世纪出现的光学显微镜，使得人们能够借助显微镜来观察细胞，从而大大推动了生物科学的发展。而到20世纪30年代出现了电子显微镜，又使人们的观察能力进入微观世界，推动了生物科学、电子科学和材料科学的发展……

“测试”既包括定量的测量，也包括定性的试验。“测试”与“检测”基本上是同义语。就被测对象而言，工业上需要测试或检测的量有电量和非电量两大类，非电量种类比电量的种类多得多。

非电量早期多用非电的方法测量，例如用尺测量长度，用水银温度计测量温度。但是随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度都提出了新的要求，尤其对动态变化的物理过程进行测量，以及对物理量的远距离测量，用非电的方法已经不能满足要求了，必须采用电测法。

电测法就是把非电量转换为电量来测量，同非电的方法相比，电测法具有无可比拟的优越性。

（1）便于采用电子技术，用放大和衰减的办法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围（量程）。

（2）电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量，也可测量快速变化的量，因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围（频带）。

（3）把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动测量。

（4）把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化。

非电量电测法涉及两个基本问题：一是怎样用传感器将非电量转换为电量，二是怎样对电量进行测量。因此，非电量电测法同传感器技术、电子测量技术是紧密联系、不可分割的。我们把传感器原理、非电量测量、电量测量这三部分内容合称为传感器与测试技术，简称感测技术。

当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的主要基础就是信息技术。信息技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，并且正在改变着传统工业的生产方式，带动着传统产业和其他新兴产业的更新和变革，是当今人类社会发展的强大动力。

现代信息技术主要有三大支柱：一是信息的采集技术（感测技术），二是信息的传输技术（通信技术），三是信息的处理技术（计算机技术）。

所谓信息的采集是指从自然界中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。信息的采集是通过感测技术实现的，因此感测技术实质上也就是信息采集技术。显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。

众所周知，在工业生产中采用自动化技术是提高劳动生产率和经济效益最有效的措施。采用自动检测系统进行实时测量及分析产品性能，采用自动控制系统对产品加工过程进行实时控制，则是提高产品质量的现代化方法。可以说，一个国家现代化水平是用自动化水平来衡量的，而在自动化技术中，现代感测技术同样有极其重要的地位和作用。

图0-1（a）和图0-1（b）是自动化检测系统和自动化控制系统的简化框图。将图0-1（a）与图0-1（b）对比可见，自动控制系统只不过在自动检测系统中增加了一个“控制器”。因此可以认为现代感测技术是自动检测系统和自动控制系统公用的基础技术，从这个意义上说，现代感测技术也是自动化技术的重要支柱。

除此之外，军事国防、航空航天、海洋开发、生物工程、医疗保健、商检质检、环境保护、安全防范、家用电器，等等，几乎每一个现代化项目都离不开感测技术。

二、传感器与敏感器

传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置，它本质上是非电系统与电系统之间的接口。在非电量测量中，传感器是必不可少的转换元件。

传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。化学型传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。生物型传感器是利用生物活性物质选择性识别、测定生物和化学物质的传感器。这两类传感器广泛应用于化学工业、环保监测和医学诊断。因篇幅所限，本书不涉及化学型、生物型传感器，只介绍应用于工业测控技术领域的物理型传感器。

按构成原理，物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。物性型传感器是利用其转换元件物理特性变化实现信号转换，例如热敏电阻、光敏电阻等。结构型传感器是利用其转换元件的结构参数变化实现信号转换，例如变极距型电容传感器、变气隙型电感传感器等。

根据能量观点，物理型传感器又可分为能量转换型和能量控制型两类。前者将非电能量转换为电能量，不需要外电源，故又称为有源传感器，也称为换能器。压电式、磁电式传感器和热电偶等就属于这一类。另一类传感器需要外部电源供给能量，故又称无源传感器。这类传感器本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。电阻式、电感式和电容式传感器等阻抗型传感器都属于这一类。

按输出信号表示形式，物理型传感器又可分为模拟式和数字式两类。模拟式传感器又可分为阻抗型（输出量为阻抗）和电压型（输出量为电压）。

如果所要测量的非电量正好是某传感器能转换的那种非电量，而该传感器转换出来的电量又正好能为后面的显示记录电路所利用（例如热电偶测温度时产生的热电势可以驱动动圈式毫伏计），那么，就只要由传感器和显示仪表便可构成一个非电量测量系统。这真是再简单不过的了。

然而，很多情况下，我们所要测量的非电量并不是我们所持有的传感器所能转换的那种非电量，这就需要在传感器前面增加一个能把被测非电量转换为该传感器能够接受和转换的非电量（即可用非电量）的装置或器件。这种能把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置我们称之为敏感器。如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称为预变换器。例如，用电阻应变片测压力时就要将应变片粘贴到受压力的弹性元件上，弹性元件将压力转换为应变，应变片再将应变转换为电阻变化。这里应变片便是传感器，而弹性元件便是敏感器。敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是像传感器那样把非电量转换成电量。

由于传感器的种类很多，敏感器的种类也很多，传感器和敏感器的组合方式更多，因此，一种非电量常常可以用多种电测方法来测量。尽管非电量的电测方法很多，但就其转换关系而言可以归纳为两大类：直接法和间接法。

直接法就是用传感器直接将被测非电量x转换为电量y。直接法所使用的传感器的可用非电量必须正好是被测量，而且其输出电量y应是被测量x的单值函数，即

直接法所使用的这种传感器本书称之为直接传感器。

间接法就是先用敏感器将被测量x转换为传感器的可用非电量z，再用传感器将可用非电量z转换为电量y。设传感器的转换关系为

敏感器的转换关系为

由敏感器与传感器组合成的非电量x的电测装置的转换关系便为复合函数

按照传感器定义，这种敏感器与传感器的组合装置仍可称为传感器，但不是原来的非电量z的传感器，而是被测量x的传感器。因为其转换关系为复合函数，故本书称之为复合传感器或间接传感器。

传感器与被测对象的关联方式有接触式和非接触式两种。接触式的优点是传感器与被测对象视为一体，传感器的标定无须在使用现场进行，缺点是传感器与被测对象接触会对被测对象的状态或特性不可避免地产生或多或少的影响。非接触式则没有这种影响，但是非接触式传感器的输出会受到被测对象与传感器之间介质或环境的影响。因此传感器标定必须在使用现场进行。

在很多情况下，传感器所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路所能直接利用的。例如电阻式应变传感器把应变转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但不能像热电偶产生的热电势那样被电压显示仪表所接受。这就需要用某种电路来对传感器转换出来的电量进行变换和处理，使之成为便于显示、记录、传输或处理的可用电信号。接在传感器后面具有这种功能的电路，我们称之为测量电路或传感器接口电路。例如电阻应变片接入电桥，将电阻变化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常用的测量电路。

很多介绍传感器的书把我们这里所说的敏感器、直接传感器和测量电路分别称为敏感元件、传感元件（或转换元件）和转换电路，并把这三部分作为传感器的三个组成部分。本书为了突出共性，避免重复，把接口电路相近的传感器归并为一类，同时把各类传感器接口电路归并到内容相近的电量测量的有关章节。把敏感器和传感器应用按被测非电量分类后归并到非电量电测法的有关章节。

三、测量仪表与系统的组成原理

测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验方法取得某一客观事物数量信息的过程。专门用于测量的仪表或系统称为测量仪表或测量系统，其基本任务是从测量对象获取被测量，并向测量者展示测量结果。因此它至少应包括三个基本组成部分：感受被测量的传感器或敏感器、展示测量结果的显示器和联系二者的测量电路。普通的电测仪表就是由这三部分组成的，如图0-2所示。

无论是电量测量还是非电量电测量，早期都是采用模拟方式显示和记录测量结果。模拟方式通常是用指针式仪表显示被测量的大小。指针式仪表的“表头”即图0-2（a）中的“模拟表头”是一种能够在电流作用下，引起指针发生偏转的机构，该机构通常又称为“测量机构”。图0-2中的传感器用于把被测非电量转换为电量，这种电量通常要通过“测量电路”转换成表头电流，使表头指针偏

转角y与被测量x有一一对应的关系。此对应关系可表示为

通常希望指针式仪表的度盘为线性刻度，即y与x呈线性正比关系

式中，s为灵敏度。

为了便于从表头上直接读出被测量的大小，通常表头的度盘不按照电流刻度，而按照被测量刻度，即进行“标定”：一般是在测量范围内选定n个标准输入量（被测量）xi（i=1，2，…，n），在指针式仪表的刻度盘上，对应于xi产生的指针偏转yi处刻一刻线，并标上xi的值。如果测量时，正好指针偏转到yi处，那就可以把yi处标示的xi值作为被测量的值;如果指针偏转在yi和yi+1之间，那就可以从xi、xi+1、（xi+xi+1）/2三者中取误差最小的作为x读数值。

从20世纪50年代初数字电压表问世以来，许多传统的模拟式电测仪表已经或正在被数字式仪表所取代。数字式普通电测仪表如图0-2（b）所示，它是在模拟式电测仪表的基础上发展起来的，即用“数字显示器”（如LED、LCD等）取代了“模拟表头”，直接显示被测量x的数值N

式中，x0为被测量的计量单位。图0-2（b）中的“测量电路”将传感器输出的电量转换成电压信号，“A/D转换器”将电压信号转换成数字信号，送“数字显示器”显示出来。

微型计算机出现后，迅速应用到测试领域，形成了一代崭新的自动化测试系统——微机化测试系统。现代典型的微机化测试系统的基本组成框图可用图0-3表示。它是在数字式电测仪表的基础上发展起来的，即在“A/D转换器”之后接入了微型计算机（通常采用单片微机）。在图0-3中，传感器用于把被测非电量转换为电量，测量电路用于把被测电量转换为可供模数转换的模拟电信号，模数转换电路把模拟电信号转换为数字信号。单片微机对采集的数据进行处理以供显示和记录（如果测试系统与控制系统相联系，微机处理后的数据还将送往控制器）。同时，单片微机也对整个测试过程进行控制，使测试过程按照操作人员的指令自动进行。

图0-2中去掉传感器后便是一个普通的电量测量仪表，图0-3中去掉传感器后便是一个微机化电量测量系统，因此非电量测量仪表或系统与电量测量仪表或系统的区别仅在于有没有传感器，其余部分都是相同或相似的。自然界被测量的量，可分为电量和非电量两大类，非电量的种类比电量的种类多得多。因此实际的检测工作中，大量的常见的测量是非电量的测量，但是电量的测量是非电量测量的基础。

四、本课程的研究内容及性质

从图0-2和图0-3可见，传感器是非电量测量仪表或系统的第一道重要环节，要从事非电量测量工作，就必须了解传感器的工作原理。但是，我们还要看到，传感器只是非电量测量仪表或系统的一部分，而不是全部。对从事检测仪表工作和教学的读者来说，不仅需要了解传感器，而且还需要了解检测仪表或系统的其他组成部分的工作原理。检测仪表或系统的其他组成部分的主要任务就是对传感器转换成的电量进行测量，并把测量结果显示出来。因此非电量的测量与电量的测量是分不开的，与传感器是分不开的。把传感器和电量测量分列为两门独立的课程，容易造成课程内容间的脱节和重复。

《感测技术基础》是根据高等学校教学内容和课程体系改革的需要，将内容联系紧密的传感器技术、自动检测技术、电子测量技术等课程的主要内容有机地整合而成的一门专业基础课，主要研究常见电量的测量方法、传感器的基本原理和常见非电量的电测法。把三者整合为一门课，不仅能加强课程内容间的联系与综合，避免脱节和不必要的重复，大大节省学时，而且也有利于拓宽学生专业面，培养学生创新能力。因此这样“整合”是与高等教育21世纪教学内容和课程体系改革的要求相适应的。

传感器技术包括“设计”和“应用”两方面，但是“用”传感器的人比“做”传感器的人要多得多。对多数“用”传感器进行非电量测量的读者来说，没有必要去细究传感器内部结构的设计理论和制作工艺，而应该从“应用”角度，了解传感器工作的基本原理，掌握传感器与外部的连接即传感器前端的敏感器和后端的接口电路。这也正是作者编写本书传感器部分的基本指导思想，也是本书与其他传感器教材不同的特点。

一般来说，输出电量相同的传感器，接口电路也大体相近。本书不是逐个介绍每一种传感器的接口电路，而是把接口电路相近的传感器归并为一类，同时把各类传感器接口电路归并到内容相近的电量测量的有关章节。这样编排既避免不必要重复，又能使学生举一反三、触类旁通。

传感器的任务就是把非电量转换成电量。但是，实际工作中，要测量的非电量并不一定是手头现有传感器所能转换的非电量，此时，就应选用或设计适当的敏感器，把待测非电量转换成手头现有传感器所能转换的非电量。因此，一种传感器配接不同的敏感器后，就可以测量多种非电量。一种非电量也就可以用多种方法来测量。本书不是在讲完每一种传感器后就列举它的应用，而是把传感器的应用按被测量分类归并到非电量测量的相应章节。这样编排既便于学习掌握传感器的工作原理，又便于学习掌握各类非电量测量本身的基本理论和多种测量方法。

由于一种传感器可以测量多种非电量，而每一种非电量又有多种测量方法，因此，非电量检测仪器仪表的种类和型号是很多很多的。如果把常见的各类检测仪器仪表“化整为零”地解剖开来，我们会发现它们的内部组成模块大多是相同的。如果把各个模块“化零为整”地组装起来，我们会发现它们的整机原理、总体设计思想也是大体相近的，都可用图0-2或图0-3的简化框图表示。这就是说，不同应用领域常见的检测仪器或系统，虽然名称、型号、性能各不相同，但它们有很多共性，而且共性与个性相比，共性还是主要的。它们的共同的理论基础和技术基础实质就是感测技术。各种不同的仪器仪表产品只不过是“共同基础”即感测技术与各应用领域的“特殊要求”相结合的产物。读者没有必要也没有那么多时间去学习一个个具体的仪器仪表产品。只要掌握了通用的感测技术，今后遇到具体的仪器仪表时再了解一下该仪器仪表应用领域的特殊要求和某些专用电路，就能很快适应所从事仪器仪表或检测系统的具体工作。