第一章《传感器与测试技术》课件

1、传感器与测试技术传感器与测试技术第第1章章 绪绪 论论1.1 测试基础测试基础1.2 传感器概述传感器概述1.3 本课程的特点及任务要求本课程的特点及任务要求1.1 测试基础测试基础 所谓测试，就是具有试验性质的测量，它是试验和测量的综合所谓测试，就是具有试验性质的测量，它是试验和测量的综合。测试测试试验试验 试验是对未知事物探索认识的过程，是对被研究的试验是对未知事物探索认识的过程，是对被研究的对象或系统进行试验性研究的过程。通常是将被研究对对象或系统进行试验性研究的过程。通常是将被研究对象或系统置于某种特定的或人为构建的环境条件下，通象或系统置于某种特定的或人为构建的环境条件下，通过试验数

2、据来探讨被研究对象的性能的过程。过试验数据来探讨被研究对象的性能的过程。测量测量 测量则是为确定被测对象的量值而进行的实验过程，测量则是为确定被测对象的量值而进行的实验过程，是指一个被测量与一个预定标准之间进行定量比较，从是指一个被测量与一个预定标准之间进行定量比较，从而获得被测对象的数值结果。而获得被测对象的数值结果。1.1.1 测试的含义测试的含义 测试技术有时也称检测技术，又称广义测量，即将被测量（信号）转测试技术有时也称检测技术，又称广义测量，即将被测量（信号）转换为可检测、传输、处理、显示或记录的量，再与标准量比较的过程。这换为可检测、传输、处理、显示或记录的量，再与标准量比较的过程

3、。这些环节由一套专门的设备来完成，通常称为测试系统。些环节由一套专门的设备来完成，通常称为测试系统。1.1.2 测试基本原理及过程测试基本原理及过程 典型的测试系统组成通常如图所示。典型的测试系统组成通常如图所示。测试系统组成框图测试系统组成框图 传感器作为测试系统的首要环节，是获取信息的工具，就像人类为了传感器作为测试系统的首要环节，是获取信息的工具，就像人类为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官一样。从外界获取信息，必须借助于感觉器官一样。 传感器的输出信号一般很微弱，需要通过滤波、放大、调制解调等中传感器的输出信号一般很微弱，需要通过滤波、放大、调制解调等中间处理环节将传感器输出的信号转

4、换成便于传输处理、适于观察记录的信间处理环节将传感器输出的信号转换成便于传输处理、适于观察记录的信号。号。 显示或记录装置的作用是将中间处理环节输出的电信号指示或记录下显示或记录装置的作用是将中间处理环节输出的电信号指示或记录下来，以供人们观察或进一步分析处理。来，以供人们观察或进一步分析处理。 测试信号携带的信息中既含有人们需要的信息，也含有人们不感兴趣测试信号携带的信息中既含有人们需要的信息，也含有人们不感兴趣的成分，后者称为干扰噪声，测试工作的任务就是剔除干扰噪声，提取有的成分，后者称为干扰噪声，测试工作的任务就是剔除干扰噪声，提取有用信息。用信息。1.2 传感器概述传感器概述1.2.1

5、 传感器的定义和作用传感器的定义和作用 1传感器的定义传感器的定义 传感器是一种能感受规定的被测量，并按一定规律将其转换成某种可传感器是一种能感受规定的被测量，并按一定规律将其转换成某种可用输出信号的测量装置。用输出信号的测量装置。 传感器是测量装置，能感受被测量的变化，完成传感器是测量装置，能感受被测量的变化，完成检测任务；检测任务； 被测量可以是物理量，也可以是化学量、生物量被测量可以是物理量，也可以是化学量、生物量等；等； 输出信号是某种便于传输、转换、处理、显示的可输出信号是某种便于传输、转换、处理、显示的可用信号，如电参量、电信号、光信号、频率信号等，输出用信号，如电参量、电信号、光

6、信号、频率信号等，输出信号的形式由传感器的原理确定。信号的形式由传感器的原理确定。传感器满传感器满足条件足条件 输出信号与被测量之间具有唯一确定的因果关系，是输出信号与被测量之间具有唯一确定的因果关系，是被测量的单值函数。被测量的单值函数。 输出信号能够与电子系统、信号处理系统或光学系统输出信号能够与电子系统、信号处理系统或光学系统匹配，适于传输、转换、处理和显示。匹配，适于传输、转换、处理和显示。 具有尽可能宽的动态范围、良好的响应特性、足够高具有尽可能宽的动态范围、良好的响应特性、足够高的分辨率和信号噪声比。的分辨率和信号噪声比。 对被测量的干扰尽可能小，尽可能不消耗被测系统的对被测量的干

7、扰尽可能小，尽可能不消耗被测系统的能量，不改变被测系统原有的状态。能量，不改变被测系统原有的状态。 性能稳定可靠，不受被测量参数因素的影响，抗外界性能稳定可靠，不受被测量参数因素的影响，抗外界干扰能力强。干扰能力强。 便于加工制造，具有可互换性。便于加工制造，具有可互换性。 适应性强，具有一定的过载能力。适应性强，具有一定的过载能力。 成本低、寿命长、使用维修方便等。成本低、寿命长、使用维修方便等。 2传感器的作用传感器的作用信息采集信息采集诊断与诊断与报警报警检测与检测与控制控制1.2.2 传感器的组成和分类传感器的组成和分类 1传感器的组成传感器的组成传感器组成框图传感器组成框图 敏感元件

8、直接感受或响敏感元件直接感受或响应规定的被测量，并按一定应规定的被测量，并按一定规律转换成与被测量有确定规律转换成与被测量有确定关系的其他量（如位移、应关系的其他量（如位移、应变、压力、光强等）；变、压力、光强等）； 转换元件将敏感转换元件将敏感元件的输出量转换成元件的输出量转换成适于传输或测量的可适于传输或测量的可用信号（如电阻、电用信号（如电阻、电容、电压、电荷等）；容、电压、电荷等）； 信号调理电路将转换信号调理电路将转换元件输出的可用信号进行转元件输出的可用信号进行转换、放大、运算、调制、滤换、放大、运算、调制、滤波等处理，以便于实现远距波等处理，以便于实现远距离传输、显示、记录和控制

9、；离传输、显示、记录和控制； 辅助电源为辅助电源为信号调理电路和转信号调理电路和转换元件提供稳定的换元件提供稳定的工作电源。工作电源。 传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电源等组成，传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电源等组成，如图所示。如图所示。 传感器的敏感元件与转换元件之间并无严格的界限，有些传感器很简传感器的敏感元件与转换元件之间并无严格的界限，有些传感器很简单，有些传感器较为复杂。最简单的传感器只有一个敏感元件（兼转换元单，有些传感器较为复杂。最简单的传感器只有一个敏感元件（兼转换元件），它直接感受被测量并输出可用信号。件），它直接感受被测量并输出可用

10、信号。 有些传感器由敏感元件和转换元件组成。有些传感器由敏感元件和转换元件组成。 有些传感器不止一个转换元件，有些传感器不止一个转换元件，而要经过多次转换。如应变式密度而要经过多次转换。如应变式密度传感器，它由浮子、悬臂梁和电阻传感器，它由浮子、悬臂梁和电阻应变片等组成，如图所示。应变片等组成，如图所示。1悬臂梁；悬臂梁；2应变片；应变片；3浮子浮子 应变式密度传感器应变式密度传感器 2传感器的分类传感器的分类 （1）按工作原理分类）按工作原理分类 传感器按其工作原理划分，将物理、化学和生物等学科的某些机理、传感器按其工作原理划分，将物理、化学和生物等学科的某些机理、规律、效应作为分类依据，一

11、般可分为物理型传感器、化学型传感器和生规律、效应作为分类依据，一般可分为物理型传感器、化学型传感器和生物型传感器三大类，其中物理型传感器又可分为结构型传感器和物性型传物型传感器三大类，其中物理型传感器又可分为结构型传感器和物性型传感器，如图所示。感器，如图所示。传感器分类传感器分类 物理型传感器是利用某些敏感元件的物理结构或某些功能材料的物理型传感器是利用某些敏感元件的物理结构或某些功能材料的物理特性及效应制成的传感器。物理特性及效应制成的传感器。 结构型传感器是基于某种敏感元件的结构形状或几何尺寸（如厚度、结构型传感器是基于某种敏感元件的结构形状或几何尺寸（如厚度、角度、位置等）的变化来感受

12、被测量，并转换成可用信号的传感器。角度、位置等）的变化来感受被测量，并转换成可用信号的传感器。 物性型传感器是利用某些功能材料本身具有的内在特性及效应来感物性型传感器是利用某些功能材料本身具有的内在特性及效应来感受被测量，并转换成可用信号的传感器。受被测量，并转换成可用信号的传感器。 化学型传感器是利用电化学反应原理，将各种化学物质（如电解化学型传感器是利用电化学反应原理，将各种化学物质（如电解质、化合物、分子、离子）的状态、成分、浓度等转换成可用信号的传质、化合物、分子、离子）的状态、成分、浓度等转换成可用信号的传感器。感器。 生物型传感器是利用生物反应（酶反应、微生物反应、免疫学反生物型传

13、感器是利用生物反应（酶反应、微生物反应、免疫学反应等）原理，将生物体内的葡萄糖、应等）原理，将生物体内的葡萄糖、DNA等转换成可用信号的传感器。等转换成可用信号的传感器。 （2）按能量转换分类）按能量转换分类按按能能量量转转换换划划分分能量控制型传感器能量控制型传感器能量转换型传感器能量转换型传感器 能量控制型传感器先将被测量转换成电参量（电阻、电能量控制型传感器先将被测量转换成电参量（电阻、电容、电感等）的变化，再依靠外部辅助电源将电参量的变化容、电感等）的变化，再依靠外部辅助电源将电参量的变化转换成电能输出，并且由被测量控制输出电能的变化。转换成电能输出，并且由被测量控制输出电能的变化。

14、能量转换型传感器直接将被测量转换成电能输出。能量转换型传感器直接将被测量转换成电能输出。电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式压电式压电式磁电式磁电式热电偶热电偶太阳能电池太阳能电池 （3）按输出信号分类）按输出信号分类按按输输出出信信号号划划分分模拟型传感器模拟型传感器数字型传感器数字型传感器 模拟型传感器输出连续的模拟信模拟型传感器输出连续的模拟信号，而输出周期性信号的传感器实质号，而输出周期性信号的传感器实质上也是模拟型传感器。上也是模拟型传感器。 数字型传感器输出数字型传感器输出“1”或或“0”两种信号电平，两种信号电平的高低两种信号电平，两种信号电平的高低由电路的通断、信号的有无、极性

15、的由电路的通断、信号的有无、极性的正负、绝对值的大小等来实现。正负、绝对值的大小等来实现。 （4）按被测量分类）按被测量分类 传感器按被测量的性质划分，可分为位移传感器、速度传感器、加传感器按被测量的性质划分，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、转速传感器、力矩传感器、压力传感器、流量传感器、温速度传感器、转速传感器、力矩传感器、压力传感器、流量传感器、温度传感器、湿度传感器、浓度传感器等等。由于这种分类方法是按被测度传感器、湿度传感器、浓度传感器等等。由于这种分类方法是按被测量命名的，因而能够明确地指出传感器的用途，方便地表示传感器的功量命名的，因而能够明确地指出传感器的用途，方便地

16、表示传感器的功能，便于使用者选用。生产厂家和用户都习惯于这种分类方法。能，便于使用者选用。生产厂家和用户都习惯于这种分类方法。1.2.3 传感器的发展趋势传感器的发展趋势传传感感器器的的发发展展趋趋势势新材料、新新材料、新功能的开发功能的开发新工艺、新新工艺、新技术的应用技术的应用多功能、智能化多功能、智能化传感器的研制传感器的研制半导体材料半导体材料压电材料压电材料功能材料功能材料 半导体材料包括单晶硅、多半导体材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等半导晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等半导体硅材料。体硅材料。 压电材料包括石英晶体、压压电材料包括石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。电陶瓷、压电半导

17、体等。 功能材料包括半导体氧化物、功能材料包括半导体氧化物、有机材料、光导纤维等。有机材料、光导纤维等。 传感器敏感元件的性能、尺寸不仅与材料有传感器敏感元件的性能、尺寸不仅与材料有关，而且还与加工工艺及技术有关。关，而且还与加工工艺及技术有关。 将多种功能的敏感元件或同一功能的多个敏感将多种功能的敏感元件或同一功能的多个敏感元件集成在一个芯片上，就可以检测多种被测量。元件集成在一个芯片上，就可以检测多种被测量。1.3 本课程的特点及任务要求本课程的特点及任务要求 传感器与测试技术是一门技术基础课，它涉及到工程数学、电工电子学、控传感器与测试技术是一门技术基础课，它涉及到工程数学、电工电子学、控制技术、计算机技术、机械技术、数据处理技术等多门学科和技术。在学习中要制技术、计算机技术、机械技术、数据处理技术等多门学科和技术。在学习中要综合运用所学的各种知识，在获得测试技术知识和技能的基础上，着重培养灵活综合运用所学的各种知识，在获得测试