《傳感器與測試技術(shù)》課件第1章

應(yīng)用型本科機(jī)械類專業(yè)“十三五”規(guī)劃教材

傳感器與測試技術(shù)

主編：王恒副主編：杜向陽裴九芳冷芳西安電子科技大學(xué)出版社2016.6第1章緒論 1.1測試技術(shù)概述

人類認(rèn)識客觀世界和掌握自然規(guī)律的實(shí)踐途徑之一是試驗(yàn)性的測量——測試。在科學(xué)研究中，測試可獲得研究對象的原始感性材料，從而為形成自然科學(xué)理論莫定基礎(chǔ)；同時，測試又是發(fā)展和檢驗(yàn)自然科學(xué)理論的實(shí)踐基礎(chǔ)。測試(measurementandtest)是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測量。測量是為確定被測對象的量值而進(jìn)行的試驗(yàn)過程；試驗(yàn)是對迄今未知事物的探索性認(rèn)識過程。因此，測試技術(shù)包括測量和試驗(yàn)兩方面。測試技術(shù)正是研究有關(guān)測試方法、測試手段和測試?yán)碚摰目茖W(xué)，它應(yīng)用于不同的領(lǐng)域并在各個自然科學(xué)研究領(lǐng)域起著重要作用。從尖端技術(shù)到生活中的家電，從國防到民用都離不開測試技術(shù)。先進(jìn)的測試技術(shù)也是生產(chǎn)系統(tǒng)不可缺少的一個組成部分。

在交通領(lǐng)域，一輛現(xiàn)代化汽車需要對車速、方位、轉(zhuǎn)矩、振動、油壓、油量、溫度等諸多參數(shù)進(jìn)行檢測。

在軍事中，測試技術(shù)對武器裝備發(fā)展的支撐作用越來越突出，綜合測試能力已經(jīng)成為決定武器裝備作戰(zhàn)效能的重要因素,現(xiàn)代飛行器裝備著各種各樣的顯示系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，反映飛行器飛行參數(shù)和姿態(tài)、發(fā)動機(jī)下作狀態(tài)的各種物理參數(shù)都要進(jìn)行檢測。一架新型飛機(jī)測量參數(shù)高達(dá)幾千甚至上萬個，包括各種模擬量參數(shù)、數(shù)字量信號、各種航空電子總線信號、多路視頻和語音、外部測試參數(shù)等。

在機(jī)械加工中，數(shù)控機(jī)床和生產(chǎn)流程的各個階段都離不開參數(shù)的測量。如在自適應(yīng)控制磨床中，需要連續(xù)測定加工過程中的力矩、切削溫度、工具的撓度、切削力的大小等參數(shù)，由計(jì)算機(jī)控制以達(dá)到最好的加工效果。1.2測試系統(tǒng)的組成

測試技術(shù)主要研究各種物理量的測量原理、測量方法、測量系統(tǒng)及測量信號處理方法。

測量原理是指實(shí)現(xiàn)測量所依據(jù)的物理、化學(xué)、生物等現(xiàn)象及規(guī)律。如水銀溫度計(jì)是利用了水銀的熱脹冷縮性質(zhì)；壓力測力計(jì)是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)等。測量方法是指在測量原理確定后，根據(jù)對測量任務(wù)的具體要求和現(xiàn)場實(shí)際情況，需要采用不同的測量手段，如直接測量法、間接測量法、電測法、光測法、模擬量測量法、數(shù)字量測量法等。測量系統(tǒng)是指在確定了被測量的測量原理和測量方法后，由各種測量裝置組成的測試系統(tǒng)。要獲得有用的信號，必須對被測物理量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分析和處理，這就需要借助一定的測試系統(tǒng)。利用測試系統(tǒng)測得的信號常常含有噪聲，必須對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析和處理，提取出所需要的信息，才能獲得正確的測量結(jié)果。

測試系統(tǒng)的組成框圖如圖1-1所示，圖1-1(a)是一般測試系統(tǒng)框圖，圖1-1(b)是反饋測試系統(tǒng)框圖。它由傳感器、信號變換、信號分析與處理或微型計(jì)算機(jī)等環(huán)節(jié)組成，或經(jīng)信號變換，直接顯示和記錄。

圖1-1測試系統(tǒng)的組成框圖

被測對象的信息蘊(yùn)含在不同物理量中，這些物理量就是被測值，測得的物理量多是一些非電量，如長度、位移、速度、加速度、頻率、力、力矩、溫度、壓力、流量、振動、應(yīng)變等。

現(xiàn)代測試技術(shù)中測量非電量的方法主要是電測法，即將非電量轉(zhuǎn)換為電量，然后借助電測儀器和裝置對電信號進(jìn)行分析和處理。電測法具有許多其他測量方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如測量范圍廣、精度高、響應(yīng)速度快，能自動連續(xù)測量，數(shù)據(jù)傳輸、存儲、記錄、顯示方便，并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測、遙控，還可以與計(jì)算機(jī)構(gòu)成測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速、多功能及智能化測量。

傳感器是將外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可以被該測試系統(tǒng)識別的物理形式的裝置。電測技術(shù)的傳感器是將外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。目前，除利用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型傳感器外，大量物性型傳感器被廣泛采用。結(jié)構(gòu)型傳感器是以物體(如金屬膜片)的變形或位移來檢測被測量的。物性型傳感器是利用材料固有特性來實(shí)現(xiàn)對外界信息的檢測，它有半導(dǎo)體類、陶瓷類、光纖類及其他新型材料等。世界上先進(jìn)國家都把傳感器技術(shù)列為核心技術(shù)。

信號變換環(huán)節(jié)是對傳感器輸出的信號進(jìn)行加工，如將信號放大、調(diào)制與解調(diào)、阻抗變換、線性化、將信號變換為電壓或電流等。原始信號經(jīng)這個環(huán)節(jié)處理后，就變換成便于傳輸、記錄、顯示、轉(zhuǎn)換以及可進(jìn)一步后續(xù)處理的信號。這個環(huán)節(jié)常用的模擬電路是電橋電路、相敏電路、測量放大器、振蕩器等；常用的數(shù)字電路有門電路、各種觸發(fā)器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等。1.3測試技術(shù)的主要任務(wù)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用1.3.1測試技術(shù)的主要任務(wù)了解被測信號的特性；選擇測試系統(tǒng)；評價和分析測試系統(tǒng)的輸出（信號）。對物理量進(jìn)行測試面臨著三個任務(wù)：

完成這3個任務(wù)會涉及以下內(nèi)容：(1)

信號分析。信息蘊(yùn)含在物理量中，這些物理量就是信號，信號是信息的載體。信號分析是測試系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)，工程領(lǐng)域的物理量往往是隨時間變化的動態(tài)信號，選擇這里信號的測量系統(tǒng)，不僅要考慮被測信號的限值，還要了解被測信號的變化頻率，以作為選擇測試裝置工作頻率的依據(jù)。了解被測信號的頻率信息經(jīng)常采用頻譜分析方法。對于通過測試裝置獲得的輸出信號，根據(jù)測試的目的和要求不同，往往也需要對其進(jìn)行分析，例如相關(guān)分析、頻譜分析和統(tǒng)計(jì)分析等。

(2)

測試系統(tǒng)的特性分析。測試系統(tǒng)的任務(wù)是感受輸入的被測信號，并將其轉(zhuǎn)化為可以理解或可以量化的輸出形式。不同的測試系統(tǒng)對相同的輸入有不同的響應(yīng)（輸出）。輸出在多大程度上真實(shí)反映被測輸入信號，取決于測試系統(tǒng)在傳遞信號的過程中對信號進(jìn)行了怎樣的“加工”。(3)

信號采集與調(diào)理。測試工作離不開具體的測量與轉(zhuǎn)化裝置，例如傳感器、信號的調(diào)理裝置等。工程領(lǐng)域的被測信號一般是非電量，如速度、加傳感器就是完成這種轉(zhuǎn)換的。為了便于后續(xù)的傳輸與分析處理，往往需要對傳感器輸出的電信號進(jìn)行調(diào)理與轉(zhuǎn)換。例如，濾波器可濾除干擾噪聲，調(diào)制可將低頻的測試信號轉(zhuǎn)換成易于在信道中傳輸?shù)母哳l調(diào)制信號，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可將模擬的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，便于信號的數(shù)字分析等。1.3.2測試技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的主要應(yīng)用

在機(jī)械工程領(lǐng)域，測試技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的技術(shù)基礎(chǔ)。目前測試技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為活躍的有如下幾個主要方面：1.在機(jī)械振動和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用:

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動分析是一個重要的研究內(nèi)容。通常在工作狀態(tài)或人工輸入激勵下，采用各種振動傳感器獲取各種機(jī)械振動測試信號，再對這些信號進(jìn)行分析和處理，提取各種振動特征參數(shù)，從而得到機(jī)械結(jié)構(gòu)的各種有價值信息。尤其是通過對機(jī)械振動的頻譜分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和參數(shù)識別等，分析振動性質(zhì)及產(chǎn)生原因，找出消振、減振的方法，進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。3.在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用:

在電力、石油、冶金、化工等眾多行業(yè)中，某些關(guān)鍵設(shè)備，如汽輪機(jī)、電動機(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、變速箱等設(shè)備的工作狀態(tài)關(guān)系到整個系統(tǒng)生產(chǎn)的正常與安全。對這些關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行動態(tài)在線監(jiān)測，可以及時、準(zhǔn)確地掌握它們的運(yùn)行狀況和變化趨勢，為工程技術(shù)人員提供詳細(xì)、全面的機(jī)組信息，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備事后維修或定期維修向預(yù)知維修轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。2.在自動化控制與生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用:

在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，通過對工藝參數(shù)的采集與檢測，實(shí)現(xiàn)工藝流程、產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與控制。例如在自動軋鋼系統(tǒng)中，使用力傳感器實(shí)時測量軋制力大小、使用測厚傳感器實(shí)時測量鋼板的厚度。這些測量信號反饋到控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)根據(jù)軋制力和板材厚度信息來調(diào)整輪輥的位置，保證板材的軋制尺寸和質(zhì)量。1.4現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展趨勢1.4.1傳感器的發(fā)展趨勢

作為直接與被測量接觸的測試系統(tǒng)第一環(huán)節(jié)的傳感器，其主要發(fā)展趨勢有：①開展基礎(chǔ)研究，探索新理論，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；②實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化、多功能化和智能化；③研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。1.發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象傳感器工作的基本原理就是各種物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)，所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是發(fā)展傳感器技術(shù)、研制新型傳感器的理論基礎(chǔ)。2.開發(fā)新材料材料是傳感器的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，新型的敏感元件材料會給傳感器帶來新的功能或特性，特別是物性敏感元件材料。例如平導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器；而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體；光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重要突破，用它研制的傳感器具有突出特點(diǎn)；高分子聚合物材料作為傳感器敏感元件材料的研究已引起國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。3.采用微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)又稱微機(jī)械加工技術(shù)，是隨著集成電路(IC)制造技術(shù)發(fā)展起來的，可使被加工的敏感結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)到微米、亞微米級。微型傳感器就是利用該技術(shù)加.工制作的特征尺寸為微米級的各類傳感器的總稱，是近代先進(jìn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)中的重要組成部分。4.智能傳感器智能傳感器是傳統(tǒng)傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測與信息處理的功能。智能傳感器充分利用微處理器的計(jì)算和存儲功能，對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并能對它的內(nèi)部進(jìn)行調(diào)節(jié)使其采集的數(shù)據(jù)最佳。智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的，也可以是分離的。按結(jié)構(gòu)可以分為集成式、混合式和模塊式三種形式。集成智能傳感器是將傳感器與微處理器、信號調(diào)理電路做在同一芯片上所構(gòu)成的，集成度高、體積小。

5.多功能傳感器多功能傳感器能轉(zhuǎn)換多個不同物理量，對多個參數(shù)進(jìn)行測量。如同時檢測鈉、鉀和氫離子的傳感器，其尺寸為2.5mm×0.5mm×0.5mm，可直接用導(dǎo)管送進(jìn)心臟內(nèi)進(jìn)行檢測。檢測血液中的鈉、鉀和氫離子的濃度，對診斷心血管疾病非常有意義。6.仿生傳感器結(jié)合物理、化學(xué)和生物各方面作用原理，在整體上具有優(yōu)良特性的復(fù)雜系統(tǒng)就是大自然創(chuàng)造的生物。不僅人類集多種感官于一身，還有多種生物具有奇異功能，尤其有些動物的感官功能大大超過當(dāng)今傳感器技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的范圍。深人廣泛研究生物界具