1、測試技術基礎測試技術基礎任課教師：劉增華liuzenghua 67391720基礎樓605測試技術基礎課程內容： 主要介紹工業自動化、環境監測、樓宇控制、交通等領域中常見物理量(應變、位移、加速度、溫度、壓力等）的測量原理和信號分析方法。信號分析基礎測試系統特性信號調理電路數字信號處理 綜合訓練主要內容誤差與數據處理傳感器原理緒論測試技術基礎實踐性強課程特點： 期望逐步解決側重課本教學中存在的一些問題： 1.測試技術應用、發展部分空洞； 2.傳感器部分沒有實物對象、枯燥無味； 3.信號分析理論部分深奧、難懂。教學方法： 理論教學案例教學 三者結合實踐教學測試技術基礎第一章 緒論本章學習要求：1

2、.掌握傳感器及測試技術的基本概念2.了解傳感器及測試技術的應用情況 3.了解傳感器及測試技術的發展動態 4.了解主要傳感器及測試儀器生產廠商 測試系統的基本概念測試技術在國民經濟中的地位和作用工程測試技術涉及的內容測試系統的組成傳感器及測試技術的發展趨勢測試技術基礎第一章 緒論被測對象：宇宙萬物（固液氣體、動物、植物、天體 ）傳感器、測試儀器、測試裝置、測試系統全部操作：測試過程：信號的采集、處理、顯示、輸出測試器具：被測信息：物理量（光、電、力、熱、磁、聲、）化學量（PH、成份）生物量（酶、葡萄糖、） 測試系統（測量系統/檢測系統）1.1 測試系統的基本概念 定義：確定被測對象的屬性和量值為

3、目的的全部操作測試系統概念（測量系統/檢測系統） 測試技術是實驗科學的一部分，主要研究各種物理量的測試原理和信號分析處理方法。 測試技術是進行各種科學實驗研究和生產過程參數測量必不可少的手段，起著人類感官的作用。 為提高測量精度和自動化程度，以便于和其它環節一起構成自動化裝置，通常先將被測物理量轉換為電量，再對電信號進行處理和輸出。 簡單的測試系統可以只有一個模塊，如玻璃管溫度計。它直接將被測溫度變化轉化為液面示值。沒有電量轉換和分析電路，很簡單，但精度低，無法實現測量自動化。 1.1 測試系統的基本概念 例：空調機測量控制室溫被測對象：被測信息：測試器具：操作過程：室內空氣溫度溫度傳感器 -

4、 熱電阻、熱電偶空氣 熱敏電阻 電信號 處理 顯示1.1 測試系統的基本概念 工業生產 倍增器 科學研究 先行官 社 會 物化法官 軍 事 戰斗力1.2 測試技術在國民經濟中的地位測試技術是帶動國民經濟增長的一個關鍵領域在美國：測試技術占4%，拉動經濟增長66%1.2.1 工業生產倍增器測試系統的工程應用 在工程領域，科學實驗、產品開發、生產監督、質量控制等，都離不開測試技術。測試技術應用涉及到航天、機械、電力、石化和海洋運輸等每一個領域。 1.2.1 工業生產倍增器1)工業自動化中的應用 機械手、機器人中的傳感器 轉動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳

5、感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。 在各種自動控制系統中，測試環節起著系統感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學的機械手裝配模型廣州中鳴數碼的機器狗1.2.1 工業生產倍增器 生產加工過程監測 切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅外接近開關傳感器等。密歇根大學數字化工廠1.2.1 工業生產倍增器2) 流程工業設備運行狀態監控 在電力、冶金、石化、化工等流程工業中，生產線上設備運行狀態關系到整個生產線流程。通常建立24小時在線監測系統。 石化企業輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄漏檢測。1.2.1 工業生產倍增器3) 產品質量測量 在汽車、機床等設備，電機、發動機等零部件出廠時，必

6、須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。 圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發動機轉速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產品質量。汽車扭距測量機床加工精度測量1.2.1 工業生產倍增器在線檢測：零件尺寸、產品缺陷、裝配定位 檢查軸承滾珠是否脫漏檢查容器內的液位3) 產品質量測量 1.2.1 工業生產倍增器4) PC機中的測試技術應用鼠標:光電位移傳感器攝象頭:CCD傳感器聲位筆:超聲波傳感器麥克風:電容傳聲器聲卡:A/D卡 + D/A卡軟驅:速度,位置伺服1.2.1 工業生產倍增器5) 測試技術在汽車中的應用日新月異發動機：向發動機的電子控制單元（ECU

7、）提供發動機的工 作狀況信息， 對發動機工作狀況進行精確控制。 溫度、壓力、位置、轉速、流量、氣體濃度和爆震傳 感器等。 汽車傳感器：汽車電子控制系統的信息源，關鍵部件，核心技 術內容。普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車：傳感器數量可多達二百余只。 底 盤：控制變速器系統、懸架系統、動力轉向系統、制動防 抱死系統等 車速、踏板、加速度、節氣門、發動機轉速、水溫。車 身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等 溫度、濕度、風量、日照、加速度、車速、圖象等。 1.2.1 工業生產倍增器5) 測試技術在汽車中的應用日新月異1.2.1 工業生產倍增器科學研究的先行官 諾貝爾獎獲得者R. R. E

8、rnst說“現代科學的進步越來越依靠尖端儀器的發展”。 俄國化學家門捷列夫指出“科學是從測量開始的”。 近80年來，與科學儀器密切相關的諾貝爾獎獲得者達38人。1.2.2 科學研究先行官測試技術在軍事上的應用美軍研制的未來單兵作戰武器-OICW 夜視瞄準機系統：非冷卻紅外傳感器技術激光測距儀：可精確地定位目標。在發射20mm高爆彈時，激光測距儀可將目標的距離信息自動傳輸至高爆彈的爆炸引信，以精確地設定引爆時間。1.2.3 軍事戰斗力中國神舟七號飛船內部結構 1.2.3 軍事戰斗力嫦娥登月計劃物化法官 檢查產品質量 監測環境污染 識別指紋、假鈔 查服違禁藥物 偵破刑事案件教學實驗氣象預報大地測繪

9、災情預報交通指揮涵蓋 吃穿用、農輕重、海陸空1.2.4 社會的物化法官測試技術在日常生活中的應用與日俱增 家用電器：數碼相機、數碼攝像機：自動對焦-紅外測距傳感器數字體溫計：接觸式-熱敏電阻，非接觸式-紅外傳感器自動感應燈：亮度檢測-光敏電阻空調、冰箱、電飯煲：溫度檢測-熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風：話音轉換-駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管辦公商務：可視對講、可視電話：圖像獲取-面陣CCD掃描儀：文檔掃描-線陣CCD紅外傳輸數據：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管醫療衛生：電子血壓計：血壓檢測 - 壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀 - 離子傳感器1.2.4 社會的物化

10、法官樓宇控制與安全防護 為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環境，并能保證系統運行的經濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了許多測試技術，如闖入監測、空氣監測、溫度監測、電梯運行狀況監測等。 圖示為某公司樓宇自動化系統。該系統分為電源管理、安全監測、照明控制、空調控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器室內恒溫器空氣質量傳感器適度傳感器水壓傳感器1.2.4 社會的物化法官家庭與辦公自動化 在家電產品和辦公自動化產品設計中，人們大量地應用了傳感器和測試技術來提高產品性能和質量。 全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質傳感器，水溫傳感器，水質傳感器，

11、透光率光電傳感器(洗凈度) ，液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器1.2.4 社會的物化法官其它應用航天交通醫學農業1.2.4 社會的物化法官1）熱工量： 溫度t（ 、K、 ） 壓力（壓強）p（Pa）、壓 差 p 、 真空度、流量q（m3）、流速 v（m/s）、 物位、液位 h（m）2）機械量： 直線位移x（m）、角位移、速度、加速度 a（ m/s2） 、 轉速 n（r/min）、應變 （m/m ） 力矩 T（Nm）、 振動、噪聲、質量（重量）m（kg、t）3）幾何量 長度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、粗糙度、 硬度、 材料缺陷等。1.3工程測

12、試涉及的內容4）物體的性質和成分： 空氣的濕度（絕對、相對）、氣體的化學成分、 濃度、液體的粘度、濁度、透明度、物體的顏色5）狀態量： 工作機械的運動狀態（啟停等）、生產設備的異 常狀態（超溫、過載、泄漏、變形、磨損、堵塞 斷裂等）6) 電工量 （U、I、f、R、Z、E、B 在電工、電子等課 程中講授，大多數不屬于本課程的范圍。）1.3工程測試涉及的內容 一般說來，測試系統由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。 傳感器將被測物理量(如噪聲,溫度) 檢測出并轉換為電信號，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進行分析處理或經A/D變換后用軟件進行信號分析，顯示記錄裝置則將測量結果顯示出

13、來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。 測試系統組成1.4 測試系統的組成信息轉換信息提取1.4 測試系統的組成國家標準（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義： 能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。 傳感器是測量裝置，能完成檢測任務； 輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等； 輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量。傳感器名稱：變送器、變換器、探測器、敏感元件、 換能器、一次儀表、探頭等傳感器功用：一感二傳, 即感受被測信息, 并傳送出去。1.5.1 傳感器的定

14、義輔助電源敏感元件轉換元件基本轉換電路被測量電量敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入量轉換成電路參量。基本轉換電路：上述電路參數接入基本轉換電路（簡稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。1.5.2 傳感器的組成 由于空間的限制或者其他原因,轉換電路常裝入電箱中。然而，因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成環節之一。 最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉換元件)組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質

15、量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉換元件。有些傳感器，轉換元件不只一個，要經過若干次轉換。 實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數是開環系統，也有些是帶反饋的閉環系統。熱電偶壓電加速度傳感器氣體壓力傳感器1.5.2 傳感器的組成1、按傳感器敏感的工作原理，分為物理型、化學型、生物型等 其中，物理型又可分為：結構型與物性型兩大類 2、根據傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型傳感器和能 量轉換型傳感器3、按照物理原理分類：十種 4、按照傳感器的用途分類 ：位移、壓力、振動、溫度傳感器6、根據傳感器輸出信號：模擬信號和數字信號 5、根據轉換過程可逆與否 ：單向和雙向7、根據傳感器使用電源與

16、否：有源傳感器和無源傳感器 1.5.4 傳感器的分類1、物性型：依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現信號變換的。例如水銀溫度計利用了水銀的熱脹冷縮性質；壓力測力計利用石英晶體的壓電效應等。 2、結構型：依靠傳感器結構參數的變化而實現信號轉換的。例如，電容傳感器依靠極板間距離變化引起電容量的變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感的變化。4、能量控制型：也稱有源傳感器，是從外部供給能量使傳感器工作的，并且由被測量來控制外部供給能量的變化。例如，電阻應變計中電阻接于電橋上，電橋工作能源由外部供給，而由被測量變化引起電阻變化來控制電橋輸出。電阻溫度計、電容式測振儀等均屬于此類傳感器。3、能量

17、轉換型：也稱無源傳感器，是直接由被測對象輸入能量使其工作的。例如，熱電偶溫度計、彈性壓力計等。在這種情況下，由于被測對象與傳感器的能量交換，必然導致被測對象狀態的變化和測量誤差。1.5.4 傳感器的分類外界刺激人類五官傳感器大腦計算機骨骼和肌肉執行機構神經機器人通訊神經通訊現代信息技術的三大基礎： 信息采集、傳輸與處理技術分別應用到： 傳感技術、通訊技術和計算機技術構成了信息技術系統中的 “感官”、“神經”、“大腦”1.5.3 傳感器的作用 開發新型傳感器 開發新材料 新工藝的采用 集成化、多功能化 智能化 開展基礎研究，發現新現象，開發新材料和新工藝；實現傳感器的集成化與智能化1、傳感器方面

18、 可拍照的手機1.6 傳感器及測試技術的發展趨勢新型傳感器包括： 采用新原理； 填補傳感器空白； 仿生傳感器等方面。1) 開發新型傳感器傳感器新型視覺傳感器 傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，由此啟發人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結構型傳感器發展得較早，目前日趨成熟。結構型傳感器，一般說它的結構復雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優點，加之過去發展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意的發展動向。 新型

19、傳感器包括：采用新原理；填補傳感器空白；仿生傳感器等方面。熒光材料制作的電子鼻傳感器生物酶血樣分析傳感器1) 開發新型傳感器 傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，由于材料科學的進步，人們在制造時，可任意控制它們的成分，從而設計制造出用于各種傳感器的功能材料。用復雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發展方向之一。(a) 半導體敏感材料 (b) 陶瓷材料 (c) 磁性材料 (d) 智能材料 如，半導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高于半導體，光導纖維的應用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統的相比有突出的特點。有機材料作為傳感器材料的研究，引起國內外學者的極大興趣

20、。2) 開發新材料 在發展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發展新型傳感器聯系特別密切的微細加工技術。該技術又稱微機械加工技術，是近年來隨著集成電路工藝發展起來的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學刻蝕等用于微電子加工的技術，目前已越來越多地用于傳感器領域。 例如利用半導體技術制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術進行高精度三維加工，在硅片上構成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。3) 新工藝的采用 同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列

21、起來，如CCD圖像傳感器。 多功能一體化，即將傳感器與放大、運算以及溫度補償等環節一體化，組裝成一個器件。 把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進行多種參數的測量外，還可對這些參數的測量結果進行綜合處理和評價，可反映出被測系統的整體狀態。 為同時測量幾種不同被測參數，可將幾種不同的傳感器元件復合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經研制成功。4) 集成化、多功能化 對外界信息具有檢測、數據處理、邏輯判斷、自診斷和自適應能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機互相對話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數據進行分割處理，實現遠距離、高速度、高精度傳

22、輸等。 智能傳感器是傳感器技術與大規模集成電路技術相結合的產物，它的實現取決于傳感技術與半導體集成化工藝水平的提高與發展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產和使用方便等優點，是傳感器重要的發展方向之一。傳感器+嵌入式計算機 智能傳感器 5) 智能化振動網絡傳感器嵌入式計算機智能壓力網絡傳感器智能傾角RS232傳感器IC總線數字溫度傳感器聲發射智能探頭5) 智能化傳感器+嵌入式計算機 智能傳感器 多探頭相關儀組成相關記錄儀儀器箱內部結構PC機及相應軟件多探頭相關儀的優點成本低 結構堅實，IP68封口漏電定位可在短時間內完成可在白天或夜間工作既可檢測主管道上的漏點，也可檢測支線管道無需進行有線或無線通訊連接