测试原理传感器与系统

1、测试原理、传感器与系统 Fundamentals of Precision Measurement Technology主讲：杜正春 副教授上海交通大学机械与动力工程学院712室zcdu 34206082课程内容： 本课程主要介绍机械工程及其自动化学科常见几何量(长度（位移）、角度、形位误差、表面质量、表面形状等）及非几何量（温度和流量）的传感器测量系统的原理和方法。测试原理、传感器与系统 课程内容： 本课程主要介绍机械工程及其自动化学科常见几何量(长度（位移）、角度、形位误差、表面粗糙度等）及非几何量（温度和流量）的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法。研究对象1、常见几何量：长度（位

2、移） 、角度、形状、位置等；非几何量（温度和流量）2、五大形体的形状误差； 直线 圆 平面 圆柱 球测试原理、传感器与系统 2研究内容（1）测量方法与装置（2）评价方法：理论评价法，实际允许方法（3）提高测量精度的专题误差分离技术EST3教学目的 通过介绍最新学科前沿和本研究所20年来在本领域的研究成果，（1） 了解各个子学科的前沿方向（2） 学习研究方法（3） 训练解决实际问题的能力（4） 培育创新精神测试原理、传感器与系统 精密测量与测试技术是一门与材料科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。学习方法： 书本教材电子ppt教材并重.参考书：机械量测量，机械工程测试技术基础电子工

3、业出版社理论学习、实践学习、研究学习三元并重.测试原理、传感器与系统 没有指定教材推荐参考书目Thomas G. Beckwith 机械量测量,电子工业出版社.黄长艺. 机械工程测试技术基础（第2版），厦门大学出版社卢文祥. 工程测试与信息处理，华中科技大学出版社测试原理、传感器与系统 成绩评定的初步原则平时60（包括出勤5、课程作业10%、课堂前沿专题讨论20、 案例讨论20、课堂纪律5等）.课程期末成绩40，具体包括： （1） 课程设计20% （2） 课程考试20%测试原理、传感器与系统 前沿专题讨论（PPT陈述安排）1、误差分离技术2、温度测量3、流量测量4、振动或者力与力矩测量5、三维

4、形貌测量与评定6、多轴机床综合误差精密测量7、超大尺寸精密测量8、微/纳米超精密测量9、微小内孔的表面形貌测量其他前沿精密测量技术视觉在线测量要求：1、34 人一组. 2、互相讨论，禁止抄袭. 3、20 pages at least4、5 周以后开始2013年研究生课程测试原理、传感器与系统 案例讨论课小孔形状位置测量间隙测量橡胶密封条形状尺寸偏差测量大尺寸定位测量EtcProject Design (TBD)要求：1、Feel free to come out with your own ideas. 2、Must talk to us first to make sure the topi

5、c is relevant to the course. 3、1015 pages at least4、deadline：3 weeks测试原理、传感器与系统 6联系方法杜正春 T 34206082（O）H） zcduOpen hour：周一上午10:00-12:00测试原理、传感器与系统 Leture 1、绪论本章学习要求：1.掌握测试技术的概念及研究内容2.了解测试技术的地位与作用3.了解测试技术的应用情况 4.掌握测试系统的基本构成和应用类型5 .了解测试技术的发展动态 6.了解主要测试仪器生产厂商 和最新咨讯来源工程测试技术基础第一章、绪论1.1 测试技术的基

6、本概念 测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。 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不可少的手段，起着人的感官的作用。简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。 为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。 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。 传感器将被测物理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量，中间变换装置对接收到

7、的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。 1.1 测试技术的基本概念 信息转换信息提取 一般说来测试系统应用可以分为三个主要类别：过程和操作的监测：例如温度计、气压计、雷达和风速计；家庭使用的水表、电表以及煤气表；过程和操作的控制；例如自动反馈控制系统中；实验工程分析。 例如根据实测性能改进理论，如机械连杆谐振频率响应试验；无理论情况下广义经验公式的总结，如湍流流动的摩擦系数；特定参数，如材料屈服点，电机速度力矩曲线；研究现象来推导理论，如金属疲劳裂痕的电镜检测；缩比类比试验，如核电主泵的缩比地震模拟试验

8、1.1 测试技术的基本概念 历史时代：手工化机械化自动化信息化生产方式：人与简单工具动力机与机械自动测量控制智能机械装置1.2、测试技术的地位和作用1. 信息化是科学技术发展的必然1.2 测试技术的地位和作用 测试技术与仪器仪表是工业生产倍增器检测技术是带动国民经济增长的一个 关键领域在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66%第一章、绪论1.3 测试技术的工程应用 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天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。 1、工业自动化中的应用 a)机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉

9、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。 1.3 测试技术的工程应用 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。密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗b) AGV自动送货车 超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。1.3 测试技术的工程应用 香港理工AGV模型c) 生产加工过程监测 1.3 测试技术的工程应用 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。密歇根大学数字化工厂1.3 测试技术的工程应用 2、流程工业设备运行状态监控

10、 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24小时在线监测系统。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统1.3 测试技术的工程应用 3、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，测量参数包括润滑

11、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，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量1.3 测试技术的工程应用 4、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、温度监测、电梯运行状况。 图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器1.3 测试技术的工程应用 5、家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试

12、技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器1.3 测试技术的工程应用 6、汽车中的应用发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防

13、抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：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、测距、图象等 测试技术在汽车中的应用日新月异1.3 测试技术的工程应用 6、汽车中的应用美军研制的未来单兵作战武器OICW 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，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，以便精确的设定引爆时间。7、军事国防上的应用1.3 测试技术的工程应用 美国国家导弹防御计划NMD1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5. 卫星红外线

14、监测系统 监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假弹头，敌友方7、军事国防上的应用1.3 测试技术的工程应用 检测技术在航天领域举足轻重飞行器测控 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵 火箭测控 检测火箭状况、姿态、轨迹 8、航空航天上的应用“阿波罗10”：火箭部分2077个传感器飞船部分1218个传感器，检测参数加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学、神州飞船：185台（套）仪器装置1.3 测试技术的工程应用 1.3 测试技术的工程应用 9、其他应用卫星农业交通医学1.3 测试技术的工程应用 鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声

15、波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡 + D/A卡软/光驱:速度,位置伺服10、PC机中的测试技术应用 PC机中的测试技术应用测控实验DIY1.鼠标测位移实验2.麦克风测声音2.声卡 采样频率 信号分析 频率合成与分解3.简易声级计制作4.CCD图象分析. 个人测试实验室1.3 测试技术的工程应用 PC机中的测试技术应用个人测试实验室1.3 测试技术的工程应用 动手做：用计算机声卡和麦克风对乐器进行测量分析，给出不同音阶对应的频率。设计一个计算机电子琴。力位移 速度 加速度 压力流量温度电阻式电容式电感式 压电式热电式 光电式磁电式电桥 放大器滤波器调制器解调器运算器 阻抗变换器 笔式记录

16、仪光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡 数据处理器 频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪 电子计算机 被测对象 传感器 中间变换测量装置 显示及 记录装置 实验结果处理装置 激励装置 反馈、控制 1.4 测试系统的基本构成第一章、绪论1.5 测试技术的发展趋势第一章、绪论1、传感器方面 a)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光纤流速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热/光电量第一章、绪论b)传感器+嵌入式计算机 智能传感器 小型化、集成化、智能化方向发展振动网络传感器嵌入式计算机智能压力网络传感器智能倾角RS232传感器I

17、C总线数字温度传感器1.3 测试技术的发展趋势2、测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术 用PC机仪器板卡 代替传统仪器用计算机软件 代替硬件分析电路优点我们的工作以计算机为中心的检测系统 复杂对象或系统的多路、多参数检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加工；故障诊断第一章、绪论1.6主要传感器和测试仪器生产厂商2、振动/噪声传感器 丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名）:8080/gccs/lesson/corp/bk/main.htm1、工业自动化类传感器 美国霍尼威尔公司（有全球最大传感器技术研究中心） /china1.3主要测试仪器生产厂商3、测量分析仪器 美国国家仪器公司(全球最

18、大的计算机虚拟仪器生产商):8080/gccs/lesson/corp/labview/main.htm美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商):8080/gccs/lesson/corp/agilent/agilent.htm第一章、绪论最新参考资料来源： , google学术中国期刊网重要国际杂志:机械工程学报；仪器仪表学报；SensorsThe review of Scientific InstrumentsJournal of Physics E: Scientific Instruments ASME J. of Dynamic system, Measurement and ControlIEEE Trans. Instruments and MeasurementsTransactions of the Institute of Measurement and ControlPrecision EngineeringMeasurement Science and Technology教材：自编讲义推荐参考书目黄长艺. 机械工程测试技术基础（第2版），厦门大学出版社卢文祥. 工程测试与信息处理，华中科技大学出版社佟德纯.工程信号处理及应用,上海交通大学出版社.第一章、绪论电子邮箱：zcdu办公室：A-712