第一章概述(1)

1、一、课程内容一、课程内容 主要介绍机械工程领域中常见物理量主要介绍机械工程领域中常见物理量( (位移、加速位移、加速度、应变、力、压力、温度等度、应变、力、压力、温度等）的传感器测量原理、的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法测量电路原理和信号分析方法。课程内容课程内容第一章第一章 概概 论论二、二、测量测量、 计量计量和和测试测试的含义的含义测量测量：确定被测对象量值的实验过程。：确定被测对象量值的实验过程。计量计量：单位统一和量值准确的：单位统一和量值准确的测量测量一般称为一般称为计量计量。 测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理物理量的

2、测量原理量的测量原理和和测量信号分析处理测量信号分析处理方法。方法。 为确定被测对象为确定被测对象量值量值(Value)而进行的实验过程而进行的实验过程Measurement & Test测试测试：是具有：是具有试验试验 性质的性质的测量测量或者说或者说测量测量和和试验试验的结合。的结合。对未知事物的探索性认识过对未知事物的探索性认识过(Process)，是一个动态过程而非静止。是一个动态过程而非静止。1.1 1.1 测试的意义测试的意义 1.1.测试是人们认识客观世界的手段之一测试是人们认识客观世界的手段之一, ,是科学研究的是科学研究的基本方法。人们在生产实践和科学研究中常用的方法

3、有基本方法。人们在生产实践和科学研究中常用的方法有两种：两种：理论分析理论分析和和实验测量实验测量。一、信息技术三大支柱一、信息技术三大支柱测试控制技术、计算机技术、通信技术测试控制技术、计算机技术、通信技术。二、意义体现二、意义体现2.2.在闭环自动控制中在闭环自动控制中, ,检测被控对象状态参数的环节是必检测被控对象状态参数的环节是必不可少的。不可少的。 测试技术广泛应用于测试技术广泛应用于科学研究科学研究、 工农业生产工农业生产、 国国防军事防军事、医疗卫生医疗卫生 、环境保护环境保护和和日常生活日常生活等各个方面。等各个方面。使用先进的测试技术是经济高度发达和科技现代化的重使用先进的测

4、试技术是经济高度发达和科技现代化的重要标志之一。要标志之一。4.4.在产品开发在产品开发、质量控制和生产管理等方面离不开测试质量控制和生产管理等方面离不开测试技术。技术。3.3.对设备正常运行时的某些参数如震动对设备正常运行时的某些参数如震动 噪声等进行监测噪声等进行监测, ,保证设备的安全与经济运行。保证设备的安全与经济运行。三、测试技术的工程应用三、测试技术的工程应用 1、工业自动化中的应用、工业自动化中的应用 (1)(1)机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器 转动转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触

5、觉传感器、热觉传感器、觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。嗅觉传感器。(2)(2)生产加工过程监测生产加工过程监测 切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。红外接近开关传感器等。2、流程工业设备运行状态监控、流程工业设备运行状态监控 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统小时在线监测系统。 石化企业输油管石化企业输油管道、储油罐等压道、

6、储油罐等压力容器的破损和力容器的破损和泄露检测。泄露检测。3、产品质量测量、产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量4 、楼宇控制与

7、安全防护、楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。温度监测、电梯运行状况。 图示为某公司楼宇自动化系图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水控制、停车管理、水/废水管废水管理和电梯监控。理和电梯监控。烟雾传

8、感器亮度传感器红外人体探测器5、家庭与办公自动化、家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器器，透光率光传感器(洗净度洗净度) 液位传感器，电阻传感器液位传感器，电阻传感器(衣衣物烘干检测物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传

9、感器鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电容传声器电容传声器声卡声卡:A/D卡卡 + D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服6、PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用7、其他应用、其他应用航天航天交通交通医学医学航空航空农业农业海洋监测海洋监测红外扫描区域红外扫描区域卫星卫星1.2 1.2 测试方法和测试系统的组成测试方法和测试系统的组成一、测量方法一、测量方法 测量过程：测量过程：把被测量与同性质的标准量进行比较，获得把被测量与同性质的标准量进行比较，获得被测量是标准量的若干倍的数量概念。被测量是

10、标准量的若干倍的数量概念。1.直接测量直接测量 例如：天平称重。例如：天平称重。2.间接测量间接测量 大多数情况下，无法将被测量直接与同性质的标准大多数情况下，无法将被测量直接与同性质的标准量进行比较，需要使用量进行比较，需要使用传感器传感器进行某种进行某种变换。变换。 传感器传感器是将是将被测量被测量按一定规律转换成便于应用按一定规律转换成便于应用的的某种物理量某种物理量的装置。在现代测试系统中，愈来愈多的装置。在现代测试系统中，愈来愈多的利用传感器把的利用传感器把被测非电量被测非电量变换为变换为电量电量，然后进行测，然后进行测量，称为量，称为非电量电测法非电量电测法。 常见的被测量：常见的

11、被测量：力学参数：力学参数：拉力拉力 荷重荷重 压力压力 应力应力 扭矩扭矩等。等。运动参数：运动参数：位移位移 速度速度 加速度加速度等。等。还有还有振动参数振动参数以及以及温度温度 、湿度、湿度 、流体的、流体的流量流量等。等。二、非电量电测法的优点二、非电量电测法的优点1.能连续测量，自动记录。便于通过反馈去自动控制和能连续测量，自动记录。便于通过反馈去自动控制和调整生产过程。调整生产过程。2.通过电量放大器很容易将被测量放大很多倍，可测极通过电量放大器很容易将被测量放大很多倍，可测极其微小的量。其微小的量。3.既可测静态量也可测动态量，而且可测瞬态量。既可测静态量也可测动态量，而且可测

12、瞬态量。4.可以有线或无线实现远距离遥测。可以有线或无线实现远距离遥测。5.可利用计算机进行自动测试以及分析和处理测试数据。可利用计算机进行自动测试以及分析和处理测试数据。 传感器、中间变换装置、显示记录装置传感器、中间变换装置、显示记录装置信息转换信息转换信息提取信息提取三、测试系统的组成三、测试系统的组成1.3 1.3 测试技术的发展测试技术的发展一、传感器技术的发展一、传感器技术的发展 1.物性型物性型传感器大量涌现传感器大量涌现 利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器。应开发出的新型传感器。传感器传感器+ +嵌入式计

13、算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 2.微型化、智能化微型化、智能化 和和多功能化多功能化传感器的开发传感器的开发 3.新型传感器新型传感器的开发的开发光纤传感器光纤传感器、化学传感器化学传感器和和生物传感器生物传感器等新型传感器不等新型传感器不断出现和发展。断出现和发展。气体传感器气体传感器、湿度传感器湿度传感器和和离子传感器离子传感器等传感器的应用日益广泛。等传感器的应用日益广泛。计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术 用用PC机仪器板卡机仪器板卡 代替传统仪器代替传统仪器用计算机软件用计算机软件 代替硬件分析电路代替硬件分析电路我们的工作我们的工作二、计算机测试技术的发展二、计算机测试

14、技术的发展 1.4 1.4 测量误差的概念测量误差的概念一一.真值真值 真值真值即真实值，是指在一定条件下，被测量客即真实值，是指在一定条件下，被测量客观存在的实际值。真值通常是未知的。一般所说的观存在的实际值。真值通常是未知的。一般所说的真值是指真值是指理论真值理论真值、约定真值约定真值和和相对真值相对真值。1.理论真值理论真值 如平面三角形的内角和恒为如平面三角形的内角和恒为180。2.约定真值约定真值 国际上公认的某些基准量值。例如，国际上公认的某些基准量值。例如，1982年国际计量年国际计量大 会 通 过 的 米 的 定 义 为大 会 通 过 的 米 的 定 义 为 “ 米 是 光 在

15、 真 空 中 在米 是 光 在 真 空 中 在1/299792458秒时间间隔内所行进的路程。秒时间间隔内所行进的路程。” 这个米这个米基准就当作计量长度的规定真值。基准就当作计量长度的规定真值。3.相对真值相对真值 在实际测量中常把高一精确度等级的计量仪器的测量在实际测量中常把高一精确度等级的计量仪器的测量值作为低一等级仪器测量值的真值。值作为低一等级仪器测量值的真值。二二.误差的表示方法误差的表示方法2.2.相对误差相对误差 相对误差相对误差是被测量的绝对误差与其真值之比，是被测量的绝对误差与其真值之比，一般用百分数表示，即一般用百分数表示，即0 xx式中式中绝对误差，绝对误差， x 测得

16、值，测得值，x0 被测量真值被测量真值 0 x1.1.绝对误差绝对误差 绝对误差是指测得值与被测量真值之差，即绝对误差是指测得值与被测量真值之差，即 我国规定电工仪表精确度等级有我国规定电工仪表精确度等级有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级。七级。0.1级即表示引用误差是级即表示引用误差是0.1%,其他类推。其他类推。3.3.引用误差引用误差 仪表示值的最大绝对误差与仪表的测量上限值或仪表示值的最大绝对误差与仪表的测量上限值或量程之比。量程之比。 三三.误差的分类误差的分类1.系统误差系统误差 误差的大小及符号在测量过程中不变或按一定的规律误差的大小及符号在测量过程中不变或按一定的规律变化。变化。2.2.随机误差随机误差 在实际测量条件下，多次测量同一量值时，误差的大在实际测量条件下，多次测量同