绪论■5 6.发展无线传感器网络检测系统 随着微电子技术的发展，现在已可以将十分复杂的信号调理和控制电路集成到单块芯片 中。传感器的输出不再是模拟量，而是符合某种协议格式（如可即插即用）的数字信号。 通过企业内外网络实现多个检测系统之间的数据交换和共享，构成网络化的检测系统。还可 以远在千里之外，随时随地浏览现场工况，实现远程调试、远程故障诊断、远程数据采集和 实时操作4) 无线传感器网络us1(Wireless Sensor Network,WSN)是由大量微型、低成本、低功耗 的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作形式，感知、采集 处理和传输该网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有 者。无线传感器网络通常具备“自组织性”，能够适应网络拓扑结构的动态变化，并具有鲁 棒性6和容错性。为了获取精确的信息，在监测区域部署的传感器节点可能达到成千上万 在无线传感器网络的使用过程中，部分传感器节点由于电能耗尽或环境因素造成失效。为了 弥补失效节点或增加监测准确度，需要将新的传感器补充到网络中，从而导致传感器网络中 的节点个数动态地增加成减少 无线传感器网络可监测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成 分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的数据。潜在的应用领域包括：远 程战场、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等。 总之，自动检测技术的蓬勃发展适应了国民经济发展的迫切需要，是一门充满希望和活 力的新兴技术，目前取得的进展已十分瞩目，今后还将有更大的发展。 0.6本课程的任务和学习方法 本课程的任务是：在阐明测量基本原理的基础上，使读者逐一了解各种常用传感器如何 将非电量转换为电量，掌握相应的测量转换、信号调理电路和应用。对误差处理、弹性元 件、电磁兼容原理及抗干扰技术也给予适当的介绍，对自动检测技术的综合应用以及现代测 试系统，举了较多的实例，以使读者能解决工作现场的实际问题。 本课程涉及的学科面广，需要有较广泛的基础、专业知识和适当的理论知识。学好这门 课程的关键在于理论联系实际，要举一反三，富于联想，善于借鉴，关心和观察周围的各种 机械、电气、仪表等设备，重视实验，才能学得活、学得好 本书各章均附有数量较多的思考题与习题，引导读者循序渐进地掌握检测技术的基本概 念和实际应用能力。读者可根据自身的专业方向选做其中的一部分。对本书中的分析、思考 顺及应用型设计颗，可利用寸论果的方式来学习和墩据。读者不必须堂据上网查阅资料的技 巧，收集网上有关资料后，才能完成果后的一此习题，这种训练方法有利于读者掌隆最新的 技术发展和学科动态。 读者还可以从本书的配套教辅网站(www.liangsen.net或htp:/www.sensor-measure ment.net)和“机械工业出版社教育服务网”(www.empedu..com)下载多媒体课件、习题分 析和拓展阅读资料，了解检测技术的发展历史，了解传感器的选型、安装、调试和使用，以 便于更好地理解本书中的知识难点
6自动检测技术及应用第3版 拓展阅读参考资料列表 序号作者 拓展阅读文章题日 序号作者 拓展阅读文章题目 1 张华 热工测量仪表 9 百度百科 问服电动机 2 Beckwith T.C. 机械量测量 10 百度百科 砂轮 3 百度百科 几何量测量 11 百度百科 闭环系统 12百度百科 失效率 4 第斌，欧阳烨 微弱信号调理电路和模数 转换电路的探讨 5 百度百科 LED显示器 3 颜志国，成诚 6 百度百科 液品显示器 童利标，徐科军 IEEE1451网络化智能传 7 百度百科 电磁阀 感器标准的发展及应用探讨 15百度百科 无线传感器网络 8 上海工业自动 调节阀、控制阀及通用阀门 化仪表研究所 16百度百科 鲁棒性
第1章 检测技术的基本概念 人类生产力的发展促进了测量技术的进步。商品交换必须有统一的度、量、衡；天文、 地理也离不开测量；17世纪工业革命后对测量提出了更高的要求，如蒸汽机必须配备压力 表、温度表、流量表、水位表等仪表。现代社会要求测量必须达到更高的准确度，更小的误 差，更快的速度，更高的可靠性，测量的方法也日新月异。本章主要介绍测量的基本概念与 方法、误差分类、测量结果的数据处理，以及传感器的基本特性等内容，是传感器与检测技 术的理论基础。 1.1测量的基本概念及方法 音站 1.1.1测量的一般概念 1.1拓展阅读资料 测量)(Measurement)是指借助专门的技术和仪表设备，采用一定的方法取得某一客 观事物定量数据资料的实践过程。 所谓“定量”，就是使用一定准确度等级的测量仪器、仪表，比较准确地测得被测量的 数值。例如，用电子天平测量大气尘降，可以精确到0.1g:又如，用磁敏电阻可以测出地 球磁场万分之一的变化，从而可以用于探矿或判定海底沉船的位置。 测量过程实质上是一个比较的过程，即将被测量与一个同性质的、作为测量单位的标准 量进行比较，从而确定被测量是标准量的若干倍或几分之几的比较过程。用天平测量物体的 质量就是一个典型的例子。 测量结果可以表现为一定的数字，也可表现为一条曲线，或者显示成某种图形等，测量 结果包含数值（大小和符号）以及单位。 1.1.2测量方法分类 对于测量方法，从不同的角度出发，有不同的分类方法。根据被测量是否随时间变化 可分为静态测量和动态测量。例如，用激光干涉仪对建筑物的缓慢沉降进行长期监测就属于 静态测量；又如，用光导纤维陀螺仪测量火箭的飞行速度、方向就属于动态测量。 根据测量的手段不同，可分为直接测量和间接测量。用标定的仪表直接读取被测量的测 量结果，称为直接测量。例如，用磁电式仪表测量电流、电压；用离子敏MOS场效应品体 管测量pH值等。间接测量的过程比较复杂，首先要对几个与被测量有确定函数关系的量进
8自动检测技术及应用第3版 行直接测量，将测量值代入函数关系式y=(x,x2,x,…),经过计算求得被测量。例 如，为了求出某一匀质金属球的密度，可先用电子秤称出球的质量m,再用长度传感器测出 球的直径D,然后通过公式p=m()求得球的密度P。 根据测量结果的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。目前绝大多数测量均采用 数字式测量。 根据测量时是否与被测对象接触，可分为接触式测量和非接触式测量。例如用多普勒雷 达测速仪测量汽车是否超速就属于非接触测量。非接触测量不影响被测对象的运行工况，是 目前发展的方向。 为了监视生产过程，或在生产流水线上监测产品质量的测量称为在线测量，反之，则称 为离线测量。例如，现代自动化机床均采用边加工边测量的方式，就属于在线测量，它能保 证产品质量的一致性。离线测量虽然能测出产品的合格与否，但无法实时监控产品质量。 根据测量的具体手段来分，又可分为偏位式测量、零位式测量和微差式测量。 1.偏位式测量 在测量过程中，被测量作用于仪表内部的比较装置，使该比较装置产生偏移量，直接以 仪表的偏移量表示被测量的测量方式称为偏位式测量。例如，用弹簧秤测量物体质量，用高 斯计测量磁场强度等，均是直接以指针偏移的大小来表示被测量。在这种测量方式中，必须 事先用标准量具对仪表刻度进行校正。显然，采用偏位式测量的仪表内不包括标准量具。 偏位式测量易产生灵敏度漂移和零点漂移。例如，随着时间的推移，弹簧的刚度发生变 化，弹簧秤的读数就会产生误差，所以必须定期对偏位式仪表进行校验和校准。偏位式测量 虽然过程简单、迅速，但准确度不高。 2.零位式测量 在测量过程中，被测量与仪表内部的标准量相比较，当测量系统达到平衡时，用已知标 准量的值决定被测量的值，这种测量方式称为零位式测量。在零位式测量仪表中，标准量具 是装在测量仪表内的。用调整标准量进行平衡操作过程，当两者相等时，用指零仪表的零位 来指示测量系统的平衡状态。 例如，用天平来测量物体的质量，用平衡式电桥来测量电阻值等均属于零位式测量。在 上述测量中，平衡操作花费的时间较多。为了缩短平衡过程，有时采用自动平衡随动系统。 自动平衡电位差计原理示意图如图11所示。 测量时，传感器的输出电压U,与比较电压U反向串联，U,与U叠加后的差值电压△U 送到检零放大器放大，其输出电压控制伺服电动机的正、反转，从而带动滑线电阻的滑动臂 电刷触点及指针移动，直到滑线电阻上的压降U。等于U,时，检零放大器的输出为零，伺服 电动机停转，U的指示值即表示被测电压值U,。图中的RP为灵敏度调节电位器，只涉及 分辨力。零位式测量的特点是准确度高，但平衡复杂，多用于缓慢信号的测量。 3.微差式测量 微差式测量法是综合了偏位式测量法速度快和零位式测量法准确度高的优点的一种测量 方法。这种方法预先使被测量与测量装置内部的标准量取得平衡。当被测量有微小变化时， 测量装置失去平衡。用上述偏位式仪表指示出其变化部分的数值。 例如，用天平（零位式仪表）测量化学药品的重量，当天平平衡之后，又增添了少许
第1章检测技术的基本概念■9 P与 mb.wh.wbluambulmhmuu 4 777 AU-U:-Ux 4 +0 图11自动平衡电位差计原理示意图(TH) 1一滑线电阻2一电刷3一指针4一刻度尺5一丝杆螺母传动6一检零放大器7一何服电动机 药品，天平再次失去平衡。这时即使用最小的砝码也称不出这一微小的差值。但是我们可以 从天平指针在标尺上移动的格数来读出这一微小差值。又如，用电子秤测量物体的重量，用 不平衡电桥测量电阻值，以及图1-2所示的核辐射式钢板测厚仪3)，都属于徽差式测量。 Y射线探测器 R nm a 8《微差式指示仅表) 反相放大器☐ 。% (偏位式指示仪表) 图1-2核辐射式钢板测厚仪原理图 1一被测钢板2一轧银3y射线源4一铅盒5y射线 6y射线探测器7一差动放大器8一指示仪表a9一指示仪表6 在线测量钢板厚度前，先将标准厚度的钢板放置于γ射线源和射线探测器之间，调节电 位器RP,使差动放大器的输出U为零，测量系统达到平衡。当移开标准钢板后，RP所决 定的参考电压U。就成为电压比较装置中的标准量。被测钢板进人测量位置时，若被测钢板 的厚度等于标准钢板的厚度，则U等于U,差动放大器的输出为零，放大指示仪表α指在 零位（中间位置）；若被测钢板的厚度不等于标准厚度，U,将大于或小于U:,其差值经差 动放大器放大后，由指示仪表α指示出厚度的偏差值。用上述方法测量时，虽然分辨力较 高，但量程较小。在本例中，只能测量厚度变化在±1mm之间的钢板，但可分辨0.1mm甚 至更小的变化量。如果将U,直接接到指示仪表b上，就是偏位式测量，其测量范围可达0 10mm,但分辨力低得多。 微差式测量装置在使用时要定期用标准量校准（包括调零和调满度），才能保证其测量 准确度