测试技术基础(绪论)

1、江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院测试技术基础测试技术基础测试技术基础测试技术基础任课教师：钟伟任课教师：钟伟 张外语楼张外语楼409/412409/412江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院测试技术基础测试技术基础课程内容：课程内容： 本课程主要介绍工业自动化本课程主要介绍工业自动化, ,环境监测环境监测, ,楼楼宇控制宇控制, ,交通等领域中常见物理量交通等领域中常见物理量( (压力、应变、压力、应变、位移、加速度、温度等位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测）的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法。量电路原理和信号分析方法。内容如下内容如下江苏科技大学

2、机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 工程测试技术基础是一门与材工程测试技术基础是一门与材料科学、微电子技术、信息技术密料科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。为弥补切相关的快速发展的学科。为弥补书本教材内容滞后于学科发展的问书本教材内容滞后于学科发展的问题，在教学内容上我们采编了很多题，在教学内容上我们采编了很多多媒体素材和案例。多媒体素材和案例。学习方法：学习方法： 测试技术基础测试技术基础江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院测试技术基础测试技术基础实践性强实践性强课程特点：课程特点： 期望逐步解决侧重课本教学中存在的一些问题：期望逐步解决侧重课本教学中存在的一些

3、问题： 1.1.测试技术应用、发展部分空洞；测试技术应用、发展部分空洞； 2.2.传感器部分没有实物对象、枯燥无味；传感器部分没有实物对象、枯燥无味； 3.3.信号分析理论部分深奥、难懂。信号分析理论部分深奥、难懂。教学方法：教学方法： 理论学习理论学习实践学习实践学习 三者结合三者结合研究学习研究学习江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院测试技术基础测试技术基础第一章第一章 绪论绪论本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌握传感器及测试技术的基本概念掌握传感器及测试技术的基本概念2.2.了解传感器及测试技术的应用情况了解传感器及测试技术的应用情况 3.3.了解传感器及测试技术的发展动

4、态了解传感器及测试技术的发展动态 4.4.了解主要传感器及测试仪器生产厂商了解主要传感器及测试仪器生产厂商 江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院被测对象：被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）传感器、测试仪器、测试装置、测试系统传感器、测试仪器、测试装置、测试系统全部操作：全部操作：测试过程：测试过程： 信号的采集、处理、显示、输出信号的采集、处理、显示、输出测试器具：测试器具：被测信息：被测信息： 物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）化学量（化学量（PHPH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶

5、、葡萄糖、） 测试测试系统（系统（测量测量系统系统/ /检测检测系统）系统）1.1 测试系统的基本概念测试系统的基本概念 定义：确定被测对象的定义：确定被测对象的属性属性和和量值量值为目的的全部操作为目的的全部操作江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 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，主要研究各种物理量的测物理量的测试原理试原理和和信号分析处理信号分析处理方法。方法。 为提高测量精度为提高测量精度和自动化程度，以便和自动化程度，以便于和其它环节一起构于和其它环节一起构成成自动化装置自动化装置，通常，通常先将被测物理量转换先将被测物理量转换为电量，再

6、对电信号为电量，再对电信号进行处理和输出。进行处理和输出。 简单的测试系统可以简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被测温温度计。它直接将被测温度变化转化为液面示值。度变化转化为液面示值。没有电量转换和分析电路，没有电量转换和分析电路，很简单，但精度低，无法很简单，但精度低，无法实现测量自动化。实现测量自动化。 1.1 测试系统的基本概念测试系统的基本概念 江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院例：空调机测量控制室温例：空调机测量控制室温被测对象被测对象：被测信息被测信息：测试器具测试器具：操作过程操作过程：室内空气室内空气温度温度温度传感器温

7、度传感器 - 热电阻、热电偶热电阻、热电偶空气空气 热敏电阻热敏电阻 电信号电信号 处理处理 显示显示1.1 测试系统的基本概念测试系统的基本概念 江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 工业生产工业生产 倍增器倍增器 科学研究科学研究 先行官先行官 社社 会会 物化法官物化法官 军军 事事 战斗力战斗力1.2 测试技术在国民经济中的地位测试技术在国民经济中的地位江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院测试系统的工程应用测试系统的工程应用 在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航量

8、控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个领域。天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个领域。 1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院1)工业自动化中的应用工业自动化中的应用 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、听觉传感移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。 在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官在各种自动控制系统中，测试

9、环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。的作用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器 AGV自动送货车自动送货车 超声波测距传感器、判断超声波测距传感器、判断建筑物内人和建筑物内人和物所在位置；物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置小车位置识别；条形码传感器，识别；条形码传感器，货品识别。货品识别。香港理工香港理工AGV模型模型江苏科技大学机械工程学院江

10、苏科技大学机械工程学院 生产加工过程监测生产加工过程监测 切削力传感器，加切削力传感器，加工噪声传感器，超声波工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近测距传感器、红外接近开关传感器等。开关传感器等。密歇根大学数字化工厂密歇根大学数字化工厂1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院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，生产线上设备在电力、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小时在线监测系小时在线监测系统。统。

11、石化企业输石化企业输油管道、储油罐油管道、储油罐等压力容器的破等压力容器的破损和泄漏检测。损和泄漏检测。1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院3) 产品质量测量产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必在汽车、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。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、燃油参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的压力及发动机转速等。通过对抽样汽车

12、的测试，工程师可以了解产品质量。测试，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1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位 检查轴承检查轴承滚珠是否脱漏滚珠是否脱漏检查容器内的液位检查容器内的液位3) 产品质量测量产品质量测量 1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院4) PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用鼠标鼠标: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

13、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1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器测控实验测控实验DIY1.鼠标测位移实验鼠标测位移实验2.麦克风测声音麦克风测声音3.声卡声卡 采样频率采样频率 信号分析信号分析 频率合成与分解频率合成与分解4.简易声级计制作简易声级计制作5.CCD图象分析图象分析. DRVI可重构虚拟仪器实验平台可重构虚拟仪器实验平台江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 科学研究的先

14、行官科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说说“现代科学的进现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展步越来越依靠尖端仪器的发展”。 俄国化学家门捷列夫指出俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始科学是从测量开始的的”。 近近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达得者达38人。人。1.2.2 科学研究先行官科学研究先行官江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院测试技术在军事上的应用测试技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未来单兵作战武器-OICW 夜视瞄准机系统夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术：

15、非冷却红外传感器技术激光测距仪激光测距仪：可精确地定位目标。在发射：可精确地定位目标。在发射20mm20mm高爆弹时，激光高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以精确地设定引爆时间。精确地设定引爆时间。1.2.3 军事战斗力军事战斗力江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院中国神舟七号飞船内部结构中国神舟七号飞船内部结构 1.2.3 军事战斗力军事战斗力江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院嫦娥登月计划江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院物化法官物化法官 检查产品质量检查产品质量 监

16、测环境污染监测环境污染 识别指纹、假钞识别指纹、假钞 查服违禁药物查服违禁药物 侦破刑事案件侦破刑事案件教学实验教学实验气象预报气象预报大地测绘大地测绘灾情预报灾情预报交通指挥交通指挥涵盖涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空吃穿用、农轻重、海陆空1.2.4 社会的物化法官社会的物化法官江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院楼宇控制与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、工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。在作环境，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

17、测、温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、电梯运行状况监测等。度监测、电梯运行状况监测等。 图示为某公司楼宇自动化图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为电源管理、系统。该系统分为电源管理、安全监测、照明控制、空调控安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水制、停车管理、水/废水管理和废水管理和电梯监控。电梯监控。烟雾传感器烟雾传感器亮度传感器亮度传感器红外人体探测器红外人体探测器室内恒温器室内恒温器空气质量传感器空气质量传感器适度传感器适度传感器水压传感器水压传感器1.2.4 社会的物化法官社会的物化法官江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院家庭与办公自动化家庭

18、与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量地应在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量地应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。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全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质器：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，透光率光电传感器传感器，透光率光电传感器(洗净度洗净度) ，液位传感器，电，液位传感器，电阻传感器阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。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感器1.2.4 社会的物化法官社会的物化法官

19、江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院其它应用其它应用航天航天交通交通医学医学农业农业1.2.4 社会的物化法官社会的物化法官江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。和显示记录装置三部分组成。 传感器传感器将被测物理量将被测物理量(如噪声如噪声,温度温度) 检测出并转换为检测出并转换为电信号，中间变换装置对接收到的电信号用电信号，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进硬件电路进行分析处理行分析处理或经或经A/D变换后用软件变换后用软件进行信号分析进行信号分析，显示，显

20、示记录装置则将测量结果显示出来，提供给观察者或其它记录装置则将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。自动控制装置。 测试系统组成测试系统组成1.3 测试系统的组成测试系统的组成信息转换信息转换信息提取信息提取江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院1.3 测试系统的组成测试系统的组成江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院国家标准（国家标准（GB7665-87）中传感器（）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：）的定义： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。输出信号的器件或装置

21、。 传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务； 输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；量、生物量等； 输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量。等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量。传感器名称：变送器、变换器、探测器、敏感元件、传感器名称：变送器、变换器、探测器、敏感元件、 换能器、一次仪表、探头等换能器、一次仪表、探头等传感器功用：传感器功用：一感二传一感二传, 即感受被测信息即感受被测信息, 并传送

22、出去。并传送出去。1.4.1 传感器的定义传感器的定义江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院辅助电源辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路被测量被测量电量电量敏感元件敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。关系的某一物理量的元件。转换元件转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入量转换成电路参量。量转换成电路参量。基本转换电路基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出称转换电路），

23、便可转换成电量输出。1.4.2 传感器的组成传感器的组成江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院外外界界刺刺激激人类五官人类五官传感器传感器大脑大脑计算机计算机骨骼和肌肉骨骼和肌肉执行机构执行机构神经神经机器机器人人通讯通讯神经神经通讯通讯 现代信息技术的三大基础：现代信息技术的三大基础： 信息采集、传输与处理技术信息采集、传输与处理技术 分别应用到：分别应用到： 传感技术、通讯技术和计算机技术传感技术、通讯技术和计算机技术 构成了信息技术系统中的构成了信息技术系统中的 “感官感官”、“神经神经”、“大脑大脑”1.4.3 传感器的作用传感器的作用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械

24、工程学院1、按传感器敏感的工作原理，分为物理型、化学型、生物型等、按传感器敏感的工作原理，分为物理型、化学型、生物型等 其中，物理型又可分为：其中，物理型又可分为：结构型与物性型结构型与物性型两大类两大类 2、根据传感器的能量转换情况，可分为、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能能量控制型传感器和能 量转换型传感器量转换型传感器3、按照物理原理分类：十种、按照物理原理分类：十种 4、按照传感器的用途分类、按照传感器的用途分类 ：位移、压力、振动、温度传感器：位移、压力、振动、温度传感器6、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号 5、根据转

25、换过程可逆与否、根据转换过程可逆与否 ：单向和双向：单向和双向7、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器 1.4.4 传感器的分类传感器的分类江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院1、物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号、物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如水银温度计利用了水银的热胀冷缩性质；压力测变换的。例如水银温度计利用了水银的热胀冷缩性质；压力测力计利用石英晶体的压电效应等。力计利用石英晶体的压电效应等。 2、结构型：依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。例、结构型：依靠传感

26、器结构参数的变化而实现信号转换的。例如，电容传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感如，电容传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。4、能量控制型：也称有源传感器，是从外部供给能量使传感器、能量控制型：也称有源传感器，是从外部供给能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由被测量变化引起电阻变化来控制电桥输出。电阻温度

27、计、电容被测量变化引起电阻变化来控制电桥输出。电阻温度计、电容式测振仪等均属于此类传感器。式测振仪等均属于此类传感器。3、能量转换型：也称无源传感器，是直接由被测对象输入能量、能量转换型：也称无源传感器，是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情使其工作的。例如，热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情况下，由于被测对象与传感器的能量交换，必然导致被测对象况下，由于被测对象与传感器的能量交换，必然导致被测对象状态的变化和测量误差。状态的变化和测量误差。1.4.4 传感器的分类传感器的分类江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院v 开发新型传感器开发新型传

28、感器 v 开发新材料开发新材料 v 新工艺的采用新工艺的采用 v 集成化、多功能化集成化、多功能化v 智能化智能化 开展基础研究，发现新现象，开发新材料和新开展基础研究，发现新现象，开发新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化工艺；实现传感器的集成化与智能化1、传感器方面、传感器方面 Iphone 5sIphone 5s1.5 传感器及测试技术的发展趋势传感器及测试技术的发展趋势江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新

29、步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型型物性型传感器件物性型传感器件，这是发展，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化高性能、多功能、低成本和小型化传传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构结构型传感器型传感器，一般说它的，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从世界各国都在物性型传

30、感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。而使它成为一个值得注意的发展动向。 新型传感器包括：新型传感器包括：采用新原理；采用新原理；填补传感器空白；填补传感器空白；仿生传感器等方面。仿生传感器等方面。荧光材料制作的电子鼻传感器荧光材料制作的电子鼻传感器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器1) 开发新型传感器开发新型传感器江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设

31、计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。(a) 半导体敏感材料半导体敏感材料 (b) 陶瓷材料陶瓷材料 (c) 磁性材料磁性材料 (d) 智能材料智能材料 如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶如，半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，瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维光导纤维的应用是传的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。国内外学者的极大兴趣。2) 开发新材料开发新材料江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络传感器智能压力网络传感器智能倾角智能倾角RS232传感器传感器IC总线数字