测量技术基础绪论-测量技术基础-01

1、北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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：焦敬品任课教师：焦敬品 办公室：基础楼办公室：基础楼604604 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 测试技术基础测试技术基础 课程内容：课程内容： 主要介绍工业自动化、环境监测、楼宇控制、交主要介绍工业自动化、环境监测、楼宇控制、交 通等领域中常见物理量通等领域中常见物理量( (应变、位移、加速度、温度、应变、位移、加速度、温度、 压力等压力等）的测量原理和信号分析方法。）的测

2、量原理和信号分析方法。 主要内容主要内容 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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： 理论教学理论教学 案例教学案例教学 三者结合三者结合 实践教学实践教学 北京工

3、业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 l 测试系统的基本概念测试系统的基本概念 l 测试

4、技术在国民经济中的地位和作用测试技术在国民经济中的地位和作用 l 工程测试技术涉及的内容工程测试技术涉及的内容 l 测试系统的组成测试系统的组成 l 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 测试技术基础测试技术基础 第一章第一章 绪论绪论 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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

5、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、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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 测试系统概念（测量系统测试系统概念（测量系统/ /检测系统）检测系统） 测试技术

6、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。 测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必 不可少的手段，起着人类感官的作用。不可少的手段，起着人类感官的作用。 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 成自动化装置，通常成自动化装置，通常 先将被测物理量转换先将被测物理量转换 为电量，再对电信号为电量，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

7、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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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 温度传感器温度传感器 -

8、 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 测试技术是带动国民经济增长的一个关键领域测试技术是带动国民经济增长的一个关键领域 在美

9、国：测试技术占在美国：测试技术占4%，拉动经济增长，拉动经济增长66% 1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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 北京工业大学机电学院北京工业大学

10、机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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

11、的机器狗 1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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

12、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。 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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

13、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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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

14、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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永

15、永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 5) 测试技术在汽车中的应用日新月异测试技术在汽车中的应用日新月异 发动机发动机：向发动机的电子控制单元（：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工）提供发动机的工 作状况信息，作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制。对发动机工作状况进行精确控制。 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传 感器等。感器等。 汽车传感器汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技 术内容。术内容。 普通轿车：约安装几十到近百只传感器，普通轿车：约安装几

16、十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底底 盘盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防 抱死系统等抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温。车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温。 车车 身身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、图象等。温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、图象等。 1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥

17、胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 5) 测试技术在汽车中的应用日新月异测试技术在汽车中的应用日新月异 1.2.1 工业生产倍增器工业生产倍增器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 科学研究的先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3

18、8人。人。 1.2.2 科学研究先行官科学研究先行官 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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：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

19、。 1.2.3 军事战斗力军事战斗力 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 物化法官物化法官 检查产品质量检查产品质量 监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

20、重、海陆空 1.2.4 社会的物化法官社会的物化法官 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 测试技术在日常生活中的应用与日俱增测试技术在日常生活中的应用与日俱增 家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器 数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器 自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶 电话、麦克风：话音

21、转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器 遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管 办公商务：办公商务： 可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCD 扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCD 红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管 医疗卫生：医疗卫生： 电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 - 压力传感器压力传感器 血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 - 离子传感器离子传感器 1.2.4 社会的物化法官社会的物化法官 北京工业大学

22、机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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

23、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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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

24、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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 其它应用其它应用 航天航天 交通交通 医学医学 农业农业

25、1.2.4 社会的物化法官社会的物化法官 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 1）热工量：）热工量： 温度温度t（ （ 、K、 ） 压力（压强）压力（压强）p（ （Pa）、压）、压 差差 p 、 真空度、流量真空度、流量q（ （m3）、流速）、流速 v（ （m/s）、）、 物位、液位物位、液位 h（m） 2）机械量：）机械量： 直线位移直线位移x（m）、角位移）、角位移、速度、加速度、速度、加速度 a （ m/s2） 、 转速转速 n（r/min）、应变）、应变 （ m/m ） 力矩力矩 T（Nm）、）、 振动、噪声、质量（重量）振动

26、、噪声、质量（重量）m （kg、t） 3）几何量）几何量 长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、 硬度、硬度、 材料缺陷等。材料缺陷等。 1.3工程测试涉及的内容工程测试涉及的内容 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 4 4）物体的性质和成分：）物体的性质和成分： 空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、 浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色 5 5）状态量：）状态量： 工作机械的运动状态（启停

27、等）、生产设备的异工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异 常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞 断裂等）断裂等） 6) 6) 电工量电工量 （U、I、f、R、Z、E、B 在电工、电子等课在电工、电子等课 程中讲授，大多数不属于本课程的范围。）程中讲授，大多数不属于本课程的范围。） 1.3工程测试涉及的内容工程测试涉及的内容 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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

28、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硬件电路进电信号，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进 行分析处理或经行分析处理或经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 1.4 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚

29、刚 胥永刚制胥永刚制 1.4 测试系统的组成测试系统的组成 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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。 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

30、； 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, 并传送出去。并传送出去。 1.5.1 传感器的定义传感器的定义 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 辅助电源辅助电源 敏感元件敏感元

31、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），便可转换成电量输出。 1.5.2 传感器的组成传感器的组成 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚

32、 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 由于空间的限制或者其他原因由于空间的限制或者其他原因, ,转换电路常装入电箱中。然转换电路常装入电箱中。然 而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而 决定了转换电路是传感器的组成环节之一。决定了转换电路是传感器的组成环节之一。 最简单的传感器由一个敏感元最简单的传感器由一个敏感元 件件(兼转换元件兼转换元件)组成，它感受被测组成，它感受被测 量时直接输出电量，如热电偶。有量时直接输出电量，如热电偶。有 些传感器由敏感元件和转换元件组些传感器由敏感元件和转换元件组 成，没有转换电路，如压

33、电式加速成，没有转换电路，如压电式加速 度传感器，其中质量块度传感器，其中质量块m是敏感元是敏感元 件，压电片（块）是转换元件。有件，压电片（块）是转换元件。有 些传感器，转换元件不只一个，要些传感器，转换元件不只一个，要 经过若干次转换。经过若干次转换。 实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大 多数是多数是开环系统开环系统，也有些是带反馈的，也有些是带反馈的闭环系统闭环系统。 热电偶热电偶压电加速度传感器压电加速度传感器 气体压力传感器气体压力传感器 1.5.2 传感器的组成传感器的组成 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚

34、 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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” 1.5.3 传感器的作用传感器的作用 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永

35、刚刚 胥永刚制胥永刚制 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：结构型与物性型两大类其中，物理型又可分为：结构型与物性型两大类 2、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、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 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

36、数字信号 5、根据转换过程可逆与否、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 1.5.4 传感器的分类传感器的分类 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 v 开发新型传感器开发新型传感器 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

37、化与智能化 1、传感器方面、传感器方面 可拍照的手机可拍照的手机 1.6 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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。 1) 开发新型传感器开发新型传感器 传感器 新新 型型 视视 觉觉 传传 感感 器器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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

38、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

39、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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 传感器材料是传感

40、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 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) (a) 半导体敏感材半导体敏感材 (b) (b) 陶瓷材料陶瓷材料 (c) (c) 磁性材料磁性材料 (d) (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

41、 瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工 艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器

42、联系艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系 特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术， 是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、 电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工 的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。 例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄 膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河膜工艺制造出快速响应的气敏、

43、湿敏传感器，日本横河 公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅 片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐 振式压力传感器。振式压力传感器。 3) 新工艺的采用新工艺的采用 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件 用集成工艺在同一平面上排列起来，如用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。图像传感器。 多功能一体化，即将

44、传感器与放大、运算以及温度补偿多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿 等环节一体化，组装成一个器件。等环节一体化，组装成一个器件。 把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多 种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和 评价，可反映出被测系统的整体状态。评价，可反映出被测系统的整体状态。 为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器 元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能元件复合在一起，作成集成块

45、。例如一种温、气、湿三功能 陶瓷传感器已经研制成功。陶瓷传感器已经研制成功。 4) 集成化、多功能化集成化、多功能化(cui) 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 对外界信息具有对外界信息具有检测检测、数据处理数据处理、逻辑判断逻辑判断、自诊断自诊断和和 自适应自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与 主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得 的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传的大量数据进行分割处

46、理，实现远距离、高速度、高精度传 输等。输等。 智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的 产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提 高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大 批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。 传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 5) 智能化智能化 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学

47、院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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总线数字温度传感器总线数字温度传感器 声发射智能探头声发射智能探头 5) 智能化智能化 传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 多探头相关仪组成多探头相关仪组成 相关记录仪相关记录仪仪器箱内部结构仪器箱内部结构 PC机及相应软件机及相应软件 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永

48、永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 多探头相关仪的优点多探头相关仪的优点 成本低成本低 结构坚实，结构坚实，IP68IP68封口封口 漏电定位可在短时间内完成漏电定位可在短时间内完成 可在白天或夜间工作可在白天或夜间工作 既可检测主管道上的漏点，也可检测支线管道既可检测主管道上的漏点，也可检测支线管道 无需进行有线或无线通讯连接无需进行有线或无线通讯连接 友好的友好的WindowsWindows界面，操作简单易学界面，操作简单易学 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 多探头相关仪在管道泄漏检测中应用多探头相关仪在管道泄漏检测

49、中应用 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 检测波形检测波形 多探头相关仪在管道泄漏检测中应用多探头相关仪在管道泄漏检测中应用 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 漏点定位漏点定位 多探头相关仪在管道泄漏检测中应用多探头相关仪在管道泄漏检测中应用 组 数 1234567 结 果 16.0213.3612.0415.0614.1515.2315.34 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 智能化智能化- -虚拟化虚拟化-

50、 -网络化网络化 微型化微型化 软测量技术软测量技术 2、测试系统方面、测试系统方面 1.6 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 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 优优 点点 1.6 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 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 胥胥 永永 刚刚 胥胥 永永 刚刚 胥永刚制胥永刚制 1.6 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 基于传感器网络的雨量监测系统 网关 服务器 网络 传感