《传感器与测试技术》课件第1章.ppt

1、主编：主编：王王 恒恒副主编：副主编：杜向阳杜向阳 裴九芳裴九芳 冷芳冷芳 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 2016.6第1章 绪论1.1测试技术概述测试技术概述 人类认识客观世界和掌握自然规律的实践途径之一是试人类认识客观世界和掌握自然规律的实践途径之一是试验性的测量验性的测量测试。测试。在科学研究中，测试可获得研究对象的原始感性材料，在科学研究中，测试可获得研究对象的原始感性材料，从而为形成自然科学理论莫定基础；同时，测试又是发展和从而为形成自然科学理论莫定基础；同时，测试又是发展和检验自然科学理论的实践基础。检验自然科学理论的实践基础。测试测试(measurement an

2、d test)是具有试验性质的测量。测量是为确定被测对象的量值而进是具有试验性质的测量。测量是为确定被测对象的量值而进行的试验过程；试验是对迄今未知事物的探索性认识过程。行的试验过程；试验是对迄今未知事物的探索性认识过程。因此，测试技术包括测量和试验两方面。因此，测试技术包括测量和试验两方面。测试技术正是研究测试技术正是研究有关测试方法、测试手段和测试理论的科学，它应用于不同有关测试方法、测试手段和测试理论的科学，它应用于不同的领域并在各个自然科学研究领域起着重要作用。从尖端技的领域并在各个自然科学研究领域起着重要作用。从尖端技术到生活中的家电，从国防到民用都离不开测试技术。先进术到生活中的家

3、电，从国防到民用都离不开测试技术。先进的测试技术也是生产系统不可缺少的一个组成部分。的测试技术也是生产系统不可缺少的一个组成部分。在交通领域，一辆现代化汽车需要对车速、方位、转矩、振动、油压、在交通领域，一辆现代化汽车需要对车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等诸多参数进行检测。油量、温度等诸多参数进行检测。在军事中，测试技术对武器装备发展的支撑作用越来越突出，综合测试在军事中，测试技术对武器装备发展的支撑作用越来越突出，综合测试能力已经成为决定武器装备作战效能的重要因素能力已经成为决定武器装备作战效能的重要因素,现代飞行器装备着各种各样现代飞行器装备着各种各样的显示系统和控制系统，反映飞

4、行器飞行参数和姿态、发动机下作状态的各的显示系统和控制系统，反映飞行器飞行参数和姿态、发动机下作状态的各种物理参数都要进行检测。一架新型飞机测量参数高达几千甚至上万个，包种物理参数都要进行检测。一架新型飞机测量参数高达几千甚至上万个，包括各种模拟量参数、数字量信号、各种航空电子总线信号、多路视频和语音、括各种模拟量参数、数字量信号、各种航空电子总线信号、多路视频和语音、外部测试参数等。外部测试参数等。在机械加工中，数控机床和生产流程的各个阶段都离不开参数的测量。在机械加工中，数控机床和生产流程的各个阶段都离不开参数的测量。如在自适应控制磨床中，需要连续测定加工过程中的力矩、切削温度、工具如在自

5、适应控制磨床中，需要连续测定加工过程中的力矩、切削温度、工具的挠度、切削力的大小等参数，由计算机控制以达到最好的加工效果。的挠度、切削力的大小等参数，由计算机控制以达到最好的加工效果。1.2 测试系统的组成 测试技术主要研究各种物理量的测量原理、测量方法、测量系统测试技术主要研究各种物理量的测量原理、测量方法、测量系统及测量信号处理方法。及测量信号处理方法。测量原理是指实现测量所依据的物理、化学、生物等现象及规律。测量原理是指实现测量所依据的物理、化学、生物等现象及规律。如水银温度计是利用了水银的热胀冷缩性质；压力测力计是利用了石如水银温度计是利用了水银的热胀冷缩性质；压力测力计是利用了石英晶

6、体的压电效应等。英晶体的压电效应等。测量方法是指在测量原理确定后，根据对测量任务的具体要求和测量方法是指在测量原理确定后，根据对测量任务的具体要求和现场实际情况，需要采用不同的测量手段，如直接测量法、间接测量现场实际情况，需要采用不同的测量手段，如直接测量法、间接测量法、电测法、光测法、模拟量测量法、数字量测量法等。法、电测法、光测法、模拟量测量法、数字量测量法等。测量系统是指在确定了被测量的测量原理和测量方法后，由各种测量系统是指在确定了被测量的测量原理和测量方法后，由各种测量装置组成的测试系统。要获得有用的信号，必须对被测物理量进测量装置组成的测试系统。要获得有用的信号，必须对被测物理量进

7、行转换，分析和处理，这就需要借助一定的测试系统。利用测试系统行转换，分析和处理，这就需要借助一定的测试系统。利用测试系统测得的信号常常含有噪声，必须对其进行转换、分析和处理，提取出测得的信号常常含有噪声，必须对其进行转换、分析和处理，提取出所需要的信息，才能获得正确的测量结果。所需要的信息，才能获得正确的测量结果。测试系统的组成框图如图测试系统的组成框图如图1-1所示，所示，图图1-1(a)是一般测试系统框图，是一般测试系统框图，图图1-1(b)是反馈测试系统框图。它由传感器、信号变换、信号分析与是反馈测试系统框图。它由传感器、信号变换、信号分析与处理或微型计算机等环节组成，或经信号变换，直接

8、显示和记录。处理或微型计算机等环节组成，或经信号变换，直接显示和记录。图图1-1 测试系统的组成框图测试系统的组成框图 被测对象的信息蕴含在不同物理量中，这些物理量就被测对象的信息蕴含在不同物理量中，这些物理量就是被测值，测得的物理量多是一些非电量，如长度、位移、是被测值，测得的物理量多是一些非电量，如长度、位移、速度、加速度、频率、力、力矩、温度、压力、流量、振速度、加速度、频率、力、力矩、温度、压力、流量、振动、应变等。动、应变等。现代测试技术中测量非电量的方法主要是电测法，即现代测试技术中测量非电量的方法主要是电测法，即将非电量转换为电量，然后借助电测仪器和装置对电信号将非电量转换为电量

9、，然后借助电测仪器和装置对电信号进行分析和处理。进行分析和处理。电测法具有许多其他测量方法所不具备电测法具有许多其他测量方法所不具备的优点，如测量范围广、精度高、响应速度快，能自动连的优点，如测量范围广、精度高、响应速度快，能自动连续测量，数据传输、存储、记录、显示方便，并可以实现续测量，数据传输、存储、记录、显示方便，并可以实现远距离检测、遥控，还可以与计算机构成测量系统，实现远距离检测、遥控，还可以与计算机构成测量系统，实现快速、多功能及智能化测量。快速、多功能及智能化测量。传感器是将外界信息按一定规律转换成可以被该测试系统识别传感器是将外界信息按一定规律转换成可以被该测试系统识别的物理形

10、式的装置。的物理形式的装置。电测技术的传感器是将外界信息按一定规律转换电测技术的传感器是将外界信息按一定规律转换成电信号的装置，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。目前，成电信号的装置，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。目前，除利用传统的结构型传感器外，大量物性型传感器被广泛采用。结构除利用传统的结构型传感器外，大量物性型传感器被广泛采用。结构型传感器是以物体型传感器是以物体(如金属膜片如金属膜片)的变形或位移来检测被测量的。物性的变形或位移来检测被测量的。物性型传感器是利用材料固有特性来实现对外界信息的检测，它有半导体型传感器是利用材料固有特性来实现对外界信息的检测，它有半导体类、陶瓷

11、类、光纤类及其他新型材料等。世界上先进国家都把传感器类、陶瓷类、光纤类及其他新型材料等。世界上先进国家都把传感器技术列为核心技术。技术列为核心技术。信号变换环节是对传感器输出的信号进行加工，信号变换环节是对传感器输出的信号进行加工，如将信号放大、如将信号放大、调制与解调、阻抗变换、线性化、将信号变换为电压或电流等。原始调制与解调、阻抗变换、线性化、将信号变换为电压或电流等。原始信号经这个环节处理后，就变换成便于传输、记录、显示、转换以及信号经这个环节处理后，就变换成便于传输、记录、显示、转换以及可进一步后续处理的信号。这个环节常用的模拟电路是电桥电路、相可进一步后续处理的信号。这个环节常用的模

12、拟电路是电桥电路、相敏电路、测量放大器、振荡器等；常用的数字电路有门电路、各种触敏电路、测量放大器、振荡器等；常用的数字电路有门电路、各种触发器、发器、A/D和和D/A转换器等。转换器等。1.3 测试技术的主要任务及其在机械工程中的应用1.3.1 测试技术的主要任务了解被测信号的特性；了解被测信号的特性；选择测试系统；选择测试系统；评价和分析测试系统的输出（信号）。评价和分析测试系统的输出（信号）。对物理量进行测试面临着三个任务：对物理量进行测试面临着三个任务：完成这完成这3个任务会涉及以下内容：个任务会涉及以下内容：(1)信号分析。信息蕴含在物理量中，这些物理量就是信号，信号是信息信号分析。

13、信息蕴含在物理量中，这些物理量就是信号，信号是信息的载体。信号分析是测试系统中非常重要的环节，工程领域的物理量往往的载体。信号分析是测试系统中非常重要的环节，工程领域的物理量往往是随时间变化的动态信号，选择这里信号的测量系统，不仅要考虑被测信是随时间变化的动态信号，选择这里信号的测量系统，不仅要考虑被测信号的限值，还要了解被测信号的变化频率，以作为选择测试装置工作频率号的限值，还要了解被测信号的变化频率，以作为选择测试装置工作频率的依据。了解被测信号的频率信息经常采用频谱分析方法。对于通过测试的依据。了解被测信号的频率信息经常采用频谱分析方法。对于通过测试装置获得的输出信号，根据测试的目的和要

14、求不同，往往也需要对其进行装置获得的输出信号，根据测试的目的和要求不同，往往也需要对其进行分析，例如相关分析、频谱分析和统计分析等。分析，例如相关分析、频谱分析和统计分析等。(2)测试系统的特性分析。测试系统的任务是感受输入的被测信号，并测试系统的特性分析。测试系统的任务是感受输入的被测信号，并将其转化为可以理解或可以量化的输出形式。不同的测试系统对相同的输将其转化为可以理解或可以量化的输出形式。不同的测试系统对相同的输入有不同的响应（输出）。输出在多大程度上真实反映被测输入信号，取入有不同的响应（输出）。输出在多大程度上真实反映被测输入信号，取决于测试系统在传递信号的过程中对信号进行了怎样的

15、决于测试系统在传递信号的过程中对信号进行了怎样的“加工加工”。(3)信号采集与调理。测试工作离不开具体的测量与转化装置，例如传感信号采集与调理。测试工作离不开具体的测量与转化装置，例如传感器、信号的调理装置等。工程领域的被测信号一般是非电量，如速度、加器、信号的调理装置等。工程领域的被测信号一般是非电量，如速度、加传感器就是完成这种转换的。为了便于后续的传输与分析处理，往往需要传感器就是完成这种转换的。为了便于后续的传输与分析处理，往往需要对传感器输出的电信号进行调理与转换。例如，滤波器可滤除干扰噪声，对传感器输出的电信号进行调理与转换。例如，滤波器可滤除干扰噪声，调制可将低频的测试信号转换成

16、易于在信道中传输的高频调制信号，模调制可将低频的测试信号转换成易于在信道中传输的高频调制信号，模/数数转换器可将模拟的电信号转化为数字信号，便于信号的数字分析等。转换器可将模拟的电信号转化为数字信号，便于信号的数字分析等。1.3.2 测试技术在机械工程领域的主要应用 在机械工程领域，测试技术得到了广泛应用，已经成在机械工程领域，测试技术得到了广泛应用，已经成为一项重要的技术基础。目前测试技术在机械工程领域中为一项重要的技术基础。目前测试技术在机械工程领域中应用最为活跃的有如下几个主要方面：应用最为活跃的有如下几个主要方面：1.在机械振动和结构设计中的应用在机械振动和结构设计中的应用:在工业生产

17、领域，机械结构的振动分析是一个重要的研究内容。在工业生产领域，机械结构的振动分析是一个重要的研究内容。通常在工作状态或人工输入激励下，采用各种振动传感器获取各种机通常在工作状态或人工输入激励下，采用各种振动传感器获取各种机械振动测试信号，再对这些信号进行分析和处理，提取各种振动特征械振动测试信号，再对这些信号进行分析和处理，提取各种振动特征参数，从而得到机械结构的各种有价值信息。尤其是通过对机械振动参数，从而得到机械结构的各种有价值信息。尤其是通过对机械振动的频谱分析、机械结构模态分析和参数识别等，分析振动性质及产生的频谱分析、机械结构模态分析和参数识别等，分析振动性质及产生原因，找出消振、减

18、振的方法，进一步改进机械结构的设计，提高产原因，找出消振、减振的方法，进一步改进机械结构的设计，提高产品质量。品质量。3.在机械设备状态监测与故障诊断中的应用在机械设备状态监测与故障诊断中的应用:在电力、石油、冶金、化工等众多行业中，某些关键设备，如汽轮机、在电力、石油、冶金、化工等众多行业中，某些关键设备，如汽轮机、电动机、压缩机、风机、泵、变速箱等设备的工作状态关系到整个系统生产电动机、压缩机、风机、泵、变速箱等设备的工作状态关系到整个系统生产的正常与安全。对这些关键设备进行动态在线监测，可以及时、准确地掌握的正常与安全。对这些关键设备进行动态在线监测，可以及时、准确地掌握它们的运行状况和

19、变化趋势，为工程技术人员提供详细、全面的机组信息，它们的运行状况和变化趋势，为工程技术人员提供详细、全面的机组信息，是实现设备事后维修或定期维修向预知维修转变的基础。是实现设备事后维修或定期维修向预知维修转变的基础。2.在自动化控制与生产领域的应用在自动化控制与生产领域的应用:在工业自动化生产中，通过对工艺参数的采集与检测，实现工艺流程、在工业自动化生产中，通过对工艺参数的采集与检测，实现工艺流程、产品质量和设备运行状态的监测与控制。例如在自动轧钢系统中，使用力产品质量和设备运行状态的监测与控制。例如在自动轧钢系统中，使用力传感器实时测量轧制力大小、使用测厚传感器实时测量钢板的厚度。这些传感器

20、实时测量轧制力大小、使用测厚传感器实时测量钢板的厚度。这些测量信号反馈到控制系统后，控制系统根据轧制力和板材厚度信息来调整测量信号反馈到控制系统后，控制系统根据轧制力和板材厚度信息来调整轮辊的位置，保证板材的轧制尺寸和质量。轮辊的位置，保证板材的轧制尺寸和质量。1.4 现代测试技术的发展趋势1.4.1 传感器的发展趋势传感器的发展趋势 作为直接与被测量接触的测试系统第一环节的传感器，其主要发作为直接与被测量接触的测试系统第一环节的传感器，其主要发展趋势有：开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的展趋势有：开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集

21、成化、多功能化和智能化；研究新材料和新工艺；实现传感器的集成化、多功能化和智能化；研究生物感官，开发仿生传感器。生物感官，开发仿生传感器。1.发现新现象发现新现象 传感器工作的基本原理就是各种物理现象、化学反应和生物效应，传感器工作的基本原理就是各种物理现象、化学反应和生物效应，所以发现新现象与新效应是发展传感器技术、研制新型传感器的理论所以发现新现象与新效应是发展传感器技术、研制新型传感器的理论基础。基础。2.开发新材料开发新材料 材料是传感器的重要物质基础，新型的敏感元件材料会给传感器带材料是传感器的重要物质基础，新型的敏感元件材料会给传感器带来新的功能或特性，特别是物性敏感元件材料。例如

22、平导体氧化物可以来新的功能或特性，特别是物性敏感元件材料。例如平导体氧化物可以制造各种气体传感器；而陶瓷传感器工作温度远高于半导体；光导纤维制造各种气体传感器；而陶瓷传感器工作温度远高于半导体；光导纤维的应用是传感器材料的重要突破，用它研制的传感器具有突出特点；高的应用是传感器材料的重要突破，用它研制的传感器具有突出特点；高分子聚合物材料作为传感器敏感元件材料的研究已引起国内外学者的极分子聚合物材料作为传感器敏感元件材料的研究已引起国内外学者的极大兴趣。大兴趣。3.采用微细加工技术采用微细加工技术 微细加工技术又称微机械加工技术，是随着集成电路微细加工技术又称微机械加工技术，是随着集成电路(I

23、C)(IC)制造制造技术发展起来的，可使被加工的敏感结构的尺寸达到微米、亚微米级。技术发展起来的，可使被加工的敏感结构的尺寸达到微米、亚微米级。微型传感器就是利用该技术加微型传感器就是利用该技术加.工制作的特征尺寸为微米级的各类传工制作的特征尺寸为微米级的各类传感器的总称，是近代先进的微电子机械系统感器的总称，是近代先进的微电子机械系统(MEMS)(MEMS)中的重要组成部分中的重要组成部分。4.智能传感器智能传感器 智能传感器是传统传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息智能传感器是传统传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理的功能。智能传感器充分利用微处理器的计算和存储检测与

24、信息处理的功能。智能传感器充分利用微处理器的计算和存储功能，对传感器的数据进行处理并能对它的内部进行调节使其采集的功能，对传感器的数据进行处理并能对它的内部进行调节使其采集的数据最佳。数据最佳。智能传感器的结构可以是集成的，也可以是分离的。按结构可以智能传感器的结构可以是集成的，也可以是分离的。按结构可以分为集成式、混合式和模块式三种形式。集成智能传感器是将传感器分为集成式、混合式和模块式三种形式。集成智能传感器是将传感器与微处理器、信号调理电路做在同一芯片上所构成的，集成度高、体与微处理器、信号调理电路做在同一芯片上所构成的，集成度高、体积小。积小。5.多功能传感器多功能传感器 多功能传感器

25、能转换多个不同物理量，对多个参数进行测量。如同多功能传感器能转换多个不同物理量，对多个参数进行测量。如同时检测钠、钾和氢离子的传感器，其尺寸为时检测钠、钾和氢离子的传感器，其尺寸为2.5mm2.5mm0.5mm0.5mm0.5mm0.5mm，可，可直接用导管送进心脏内进行检测。检测血液中的钠、钾和氢离子的浓直接用导管送进心脏内进行检测。检测血液中的钠、钾和氢离子的浓度，对诊断心血管疾病非常有意义。度，对诊断心血管疾病非常有意义。6.仿生传感器仿生传感器 结合物理、化学和生物各方面作用原理，在整体上具有优良特性的结合物理、化学和生物各方面作用原理，在整体上具有优良特性的复杂系统就是大自然创造的生

26、物。不仅人类集多种感官于一身，还有多复杂系统就是大自然创造的生物。不仅人类集多种感官于一身，还有多种生物具有奇异功能，尤其有些动物的感官功能大大超过当今传感器技种生物具有奇异功能，尤其有些动物的感官功能大大超过当今传感器技术所能实现的范围。深人广泛研究生物界具有的感知能力的机理，开发术所能实现的范围。深人广泛研究生物界具有的感知能力的机理，开发出仿生传感器必然能使传感器技术有巨大发展前景。出仿生传感器必然能使传感器技术有巨大发展前景。1.4.2 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势 随着材料科学、微电子技术和计算机技术的发展，测试技术也在随着材料科学、微电子技术和计算机技术的发展，测试技术也在迅速发展，从单一学科向多学科相互借鉴和渗透，形成综合各学科成迅速发展，从单一学科向多学科相互借鉴和渗透，形成综合各学科成果的测量系统。智能传感器和计算机技术的发展和应用，使得测试系果的测量系统。智能传感器和计算机技术的发展和应用，使得测试系统向自动化、智能化和网络化的方向发展；测试系统的在线实时测试统向自动化、智能化和网络化的方向发展；测试系统的在线实时测试能力在迅速提高；测试与控制密切结合，实现能力在迅速提高；测试与控制密切结合，实现“以信息流控制能量流以信息流控制能量流和物质流和物质流”。