机械工程测试技术

第一章信号及其描述绪论

测试技术的基本概念

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。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．测试技术的重要性测试技术的基本任务：获取有用的信息测量：确定被测物属性量值，如：长度、重量等测试：具试验性质的测量测量+试验测试的作用：认识客观世界检验科学理论和规律的正确性测试的应用：工、农、医、国防、交通、环保、生活安全等

二、测试过程和测试系统的一般组成信息：蕴涵在信号中，信号的内容。

非物质的，无能量。信号：信息的载体电、光、力、声，

物质的，有能量。例：讲话（声）、警报声（声）、烽火台（光）。测试系统框图

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。

信息提取信息调理

传感器：被测试量转换为同种或别种量值输出电信号信号调理：将来自传感器的信号转换成更适于传输和处理的形式例：调幅、调频信号处理：对信号运算，滤波，分析信号显示、记录：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。

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。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测试技术的工程应用

2、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。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测试技术的工程应用

6、其他应用航天农业交通医学测试技术的工程应用

鼠标:光电位移传感器摄像头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡+D/A卡软驱:速度,位置伺服7、PC机中的测试技术应用测试技术的发展趋势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b)传感器+嵌入式计算机智能传感器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IC总线数字温度传感器测试技术的发展趋势

无线传感器网络是采用无线通信的方式将大量的传感器节点形成一个多跳的、自组织的监控网络

无线通信传输，避免布线困难直接数字化，信号可靠性高自组织、维护方便、扩展性好由于机组长时间生产厚料，炉区快冷段冷却风机在长时间高温和满负荷的运行状态下，轴承座温度值较高且呈上升趋势。对该轴承进行冷却。轴承座温度逐渐恢复正常，从而避免了轴承在长时间高温高速运行状态下发生研磨的可能性。冷轧厂四辊轧机轴承温度监测四辊轧机的轴承温度可以间接地反映设备的运行状态。轧辊轴承所处的工作环境极其恶劣，在生产中长期有乳化液进行喷淋，若用传统的有线方式进行监测，难以安全布线，无法实现实时监测。利用无线传感器网络技术，并对其进行高密封等级防护(IP68)。

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）/1、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）/china3、测量分析仪器美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商)/美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商)/参考书目胡均安，曾光奇，工程测试基础，华中科技大学出版社。贾民平、张洪廷，测试技术，高等教育出版社。黄长艺、严普强，机械工程测试技术基础，机械工业出版社。常作升、范福均，机械工程测试技术基础，西安交通大学出版社陈杰等，传感器与检测技术，高等教育出版社吴正毅，测试技术与测试信号处理，清华大学出版社王建民，机械工程测试技术，机械工业出版社卢文祥，机械工程测试.信息.信号处理，华中理工大学出版社樊尚春，信号与测试技术，北京航空航天大学出版社课程特点1、熟练地对信号进行频域分析，系统掌握系统的静、动态特性尤其是动态特性的分析和评价方法，了解常用传感器的信号转换原理，信号转换的基本方法。2、测试技术所涉及的学科范围较广。3、本课程的理论性和实践性都很强。

第二章信号及其描述

第一节

信号的分类与描述一、信号的分类：（一）确定性信号：确定函数x(t)或表格表示

周期信号:x（t）=x(t+nT０)（n=1,2,3,…….）

周期信号简单周期信号复杂周期信号非周期信号：准周期信号，瞬变信号（瞬变非周期信号）准周期信号:由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数。如：瞬变信号（瞬变非周期信号）:持续时间有限的信号如

非确定性信号(随机信号)：无法用x(t)描述，不能准确预测其未来瞬时值，但具某些统计特性，用概率统计方法由过去估计未来。例：天气预报，树叶在风中的飘动噪声信号(平稳)噪声信号(非平稳)统计特性变异（二）连续信号：独立变量取值连续，幅值可以连续也可以离散

离散信号：独立变量取值离散

幅值连续幅值不连续采样信号模拟信号：独立变量和幅值均连续数字信号：若离散信号的幅值也是离散幅值连续采样信号能量信号：

例：矩形脉冲信号，衰减指数信号功率信号：

例：单自由度振动系统作无阻尼自由振动

定义讨论上述两个式子，只可能出现两种情况：

(有限值)

(有限值) 满足式的称为能量信号，满足式称功率信号。定义：一般说来，能量总是与某一物理量的平方成正比。令R=1，则在整个时间域内，实信号f(t)的平均功率能量

二、信号的时域描述和频域描述

为什么要对信号进行频域描述？信号的时域与频域描述是否包含同样的信息量？

1.时域描述：以时间为独立变量

，反映信号

幅值—时间变化的关系

不能提示信号的频率组成

2.频域描述：信号的频率组成及其幅值相角之大小

揭示：幅值——频率，

相位——频率

幅频谱相频谱时域描述：直接观测或记录到的信号，以时间为独立变量的，称其为信号的时域描述。频域描述：以频率作为变量的，称其为信号的频域描述。周期信号与离散频谱狄里赫里条件:（1）函数在一周期内极大值与极小值为有限个。（2）函数在一周期内间断点为有限个。（3）在一周期内函数绝对值积分为有限值。即T：周期。注意n的取值：周期信号“无始无终”傅里叶展开的意义：理论意义：把复杂的周期函数用简单的三角级数表示；应用意义：用三角函数之和近似表示复杂的周期函数。周期信号傅里叶级数的三角函数形式

（n=1,2,3，…）式中Ｔ--周期；w0--基频,w0=2π/T。(1)周期偶函数只含直流和余弦项(2)周期奇函数只含正弦项三角函数展开式的另一种形式

周期信号可以看作均值与一系列谐波之和--谐波分析法傅里叶展开的意义：理论意义：把复杂的周期函数用简单的三角级数表示；应用意义：用三角函数之和近似表示复杂的周期函数。频谱图周期信号的频谱三个特点：

离散性谐波性收敛性例1：求周期性非对称周期方波的傅立叶级数并画出频谱图解：信号的基频n次谐波的幅值和相角最后得傅立叶级数幅频谱图相频谱图频谱图t=0,t=T周期性非对称方波的1，3，5，7次谐波

定理(收敛定理，狄利赫里充分条件)

设f(x)是周期为2的周期函数，如果它满足：

(1)在一个周期内连续或只有有限个第一类间断点，

(2)在一个周期内至多只有有限个极值点，则f(x)的傅里叶级数收敛，并且当x是f(x)的连续点时，级数收敛于f(x)；收敛定理：

例1

设f(x)是周期为2的周期函数，它在[,)上的表达式为将f(x)展开成傅里叶级数．

解所给函数满足收敛定理的条件，函数f(x)的傅里叶级数在

f(x)的连续点x(xk)

处收敛于f(x)，在f(x)的间断点xk(k0,1,2,···)处收敛于

三角函数系中任何两个不同的函数的乘积在区间[,]上的积分等于零，即三角函数系的正交性：三角函数系：1，cosx，sinx，cos2x，sin2x，···，cosnx，sinnx，···积化和差公式：

sinαsinβ=-[cos(α+β)-cos(α-β)]/2

cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2

sinαcosβ=[sin(α+β)+sin(α-β)]/2

cosαsinβ=[sin(α+β)-sin(α-β)]/2

1、两角和、差角的余弦公式2、两角和、差角的正弦公式3、二倍角的正、余弦公式化为一个角的三角函数形式令周期信号傅里叶级数的复指数形式欧拉公式e^ix=cosx+isinx，e是自然对数的底，i是虚数单位。它将三角函数的定义域扩大到复数，建立了三角函数和指数函数的关系，它在复变函数论里占有非常重要的地位。傅立叶级数的复指数形式复数傅里叶系数的表达式其中an，bn的计算公式与三角函数形式相同，只是n包括全部整数。

一般cn是个复数。因为an是n的偶函数，bn是n的奇函数，因此

即：实部相等，虚部相反，cn与c-n共轭。傅里叶级数系数之间的关系等于三角函数模的一半与三角函数形式中的相角相等

角速度按其旋转方向可以为正或负，一个向量的实部可以看成为两个旋转方向相反的矢量在其实轴上投影之和，而虚部则为虚轴上投影之差。中点

信号频域分析是采用傅立叶变换等方法将时域信号变换为频域信号，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。大型空气压缩机传动装置故障诊断频谱分析的应用

频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是信号分析中最常用的一种手段。案例：在齿轮箱故障诊断通过齿轮箱振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。案例：螺旋浆设计可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速，确定螺旋浆转速工作范围。§2－3 非周期信号与连续频谱

分两类：a.准周期信号定义：由没有公共周期（频率）的周期信号组成频谱特性：离散性，非谐波性判断方法：周期分量的频率比（或周期比）不是有理数b.瞬变非周期信号几种瞬变非周期信号一．傅立叶变换非周期信号可看作为周期信号时，时的信号，其为频率间隔，其频谱是连续的。设一个周期信号x(t)，在（，）区间以傅立叶级数表示：演变思路：视作周期为无穷大的周期信号定义x(t)的傅里叶变换X(ω)

X(ω)的傅里叶反变换x(t):傅立叶变换对：

将代入，则有：幅值谱相位谱的区别的量纲与信号幅值的量纲一样，而的量纲则与信号幅值量纲不一样，它是单位频宽上的幅值，所以更确切地说是频谱密度函数

与一个非周期信号可以分解为角频率w连续变化的无数谐波的叠加

称X(w)其为函数x(t)的频谱密度函数。以频率f(Hz)为自变量，因为f=w/(2π

)，得X(f)的指数形式

傅立叶变换存在的充分条件用广义函数的概念，允许奇异函数也能满足上述条件，因而象阶跃、冲激一类函数也存在傅立叶变换.频谱图幅值频谱图和相位频谱图：实频谱图ReX(ω)和虚频谱图Lm(ω)如果X(w)是实函数，可用一张X(w)图表示。负值理解为幅值为X(w)的绝对值，相角为或。单边指数信号的频谱

x(t)t000例求矩阵窗函数的频谱其频谱：及其图形：反正切y=arctanx,x∈（-∞，∞），y∈（-π/2,π/2）

正切y=tanx，x≠kπ+π/2,k∈Z，y∈（-∞，∞）

反正切曲线图像与特征反余切曲线图像与特征拐点(同曲线对称中心)：O(0,0)，该点切线斜率为1二、 傅里叶变换的主要性质

（一）叠加性（二）奇偶虚实性实偶函数的傅立叶变换仍为实偶函数f(t)0t0实奇函数的傅立叶变换则为虚奇函数f(t)0二、 傅里叶变换的主要性质

（二）对称性

（注意翻转）（三）时移性质（幅值不变，相位随f改变±2πft0）对称性举例（四）频移性质（注意两边正负号相反）（五）时间尺度改变特性

尺度改变性质举例

（六）微分性质（七）卷积性质（1）卷积定义

（2）卷积定理三、 脉冲函数及其频谱

（一） 脉冲函数：

脉冲强度（面积）（二）脉冲函数的样质

1． 脉冲函数的采性（相乘）样质：2． 脉冲函数的卷积性质：

结论：平移（三）脉冲函数的频谱均匀幅值谱由此导出的其他3个结果（利用时移性质）（利用对称性质）（对上式，再用频移性质）（四）正弦函数和余弦函数的频谱等间隔的周期单位脉冲序列函数称为梳状函数，表达式为：

式中

Ts

为周期，n为整数，n=0,±1,±2,±3,…。因为周期脉冲序列函数为周期函数，所以可以写成傅里叶级数的复指数函数形式

周期单位脉冲序列的频谱因此，有周期单位脉冲序列函数的傅里叶级数的复数表达式：

根据式

可得周期单位脉冲序列函数的频谱，

周期单位脉冲序列的频谱仍是周期脉冲序列。时域周期为

，频域周期则为

；时域脉冲强度为1，频域脉冲强度则为

。§3－1 概述

测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。

简单测试系统(光电池)V复杂测试系统(轴承缺陷检测)

加速度计带通滤波器包络检波器测试系统的特性就是：测量系统、输入信号、输出信号三者之间的关系静态测量

如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。

静态测量系统：输入量(被测量)x、输出量（测量结果）都是静态量；关系：y=f(x)，线性静态测量系统：y=y0+kx

动态测量系统：输入量x(t)、输出量y(t)：都是动态量关系：微分方程测量：用输出估计输入研究测量系统的目的：使之更准确、真实地测量；选择、评价测量系统§3－2 测量系统的静态特性一、 误差表达绝对误差：x:测量结果；Q：真值相对误差：δ,ε评价测量结果与真值的接近程度引用误差：δ：最大允许误差，Ym：仪器的量程表示仪器精度定度曲线：通过实验得到，反映静特性灵敏度：非线性度：二、 静态特性回程误差：基准直线的确定：最小二乘法，端基法理想的静特性：单值，线性，灵敏度满足要求§3－3 测试系统的动态特性

一、 线性系统（一） 线性系统的定义线性系统（仅限于线性定常系统）用常系数线性微分方程描述的系统系统阶次：输出导数的最高阶次，n阶（二） 线性系统的性质性质1．叠加性性质2．比例特性性质3．

微分特性性质4．积分特性性质5．频率保持特性：输入简谐信号，输出是同频率简谐信号频率保持特性意义：线性系统的输出、输入具有相同的频率成分，反之输出、输入具有相同的频率成分说明系统是线性系统）二、 测试系统的动态描述（一）测试系统对任意输入的响应：脉冲响应函数脉冲响应函数h(t):测试系统在零初始条件下对δ(t)的响应。h(t)是系统的是系统的时域描述：对于不同系统，h(t)不同测试系统对任意输入的响应（二）测试系统特性的频域描述-频率响应函数系统的频率响应函数，h(t)的傅里叶变换。频率特性曲线:包括幅频特性曲线，相频特性曲线频率响应函数的意义此式的数学含义：由任意两个求出另外一个两边傅里叶变换频率响应函数。已知微分方程时频率响应函数的求法例子：二阶系统的频率响应函数：质量-弹簧-阻尼系统：步骤：微分方程二阶系统频率特性曲线幅频特性、相频特性曲线：特点及的影响。（1）线性坐标（2）波德Bode图（三）信号通过系统的时、频域响应

初始条件为零时，测试系统对谐波输入的稳态响应：（1）频域

（2）时域任意谐波输入

三、 理想频响函数不失真测试的时域条件：成比例，允许时移两边傅里叶变换，得理想频响函数：

不失真测试的频域条件：幅频特性等于常数；相频特性是通过原点，斜率为-t0的斜直线。实际二阶系统：当ζ＝0.6～0.7，可以获得近似满足不失真测试条件的最宽的频率段。

设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系

y(t)=A0x(t-t0)

该系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)时域条件y(t)=A0x(t-t0)Y(ω)=A0e-jωt0X(ω)

不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性应分别满足

A(ω)=A0=常数φ(ω)=-t0ω做傅立叶变换

频域定义频率响应函数的测定正弦信号激励脉冲信号激励阶跃信号激励

一般说来，检测系统由传感器、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，显示记录装置则将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。

测试系统的组成力位移

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

激发装置

第4章 信号的获取

§4－1 概述信号的转化：机-电，热-电，声-电★传感器的定义（GB665-87）：完成转换功能，由敏感元件和转换元件组成。传感器的分类1. ★按被测物理量分类:位移传感器，力传感器等2. ★按工作原理：电阻式，电容式，压电式等3. ★按能量的传递方式：有源传感器，无源传感器以及其他分类传感器在汽车中的应用日新月异发动机：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、图象等例：空调机测量控制室温被测对象：被测信息：检测器具：操作过程：室内空气温度温度传感器---热电阻、热电偶空气热敏电阻电信号处理显示空调机传感器在家具生活中的应用传感器技术在日常生活中的应用与日俱增

家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检测---压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器检测技术在军事国防上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，敌友方传感器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

“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、声学等神州飞船：185台（套）仪器装置“物化法官”

检查产品质量

监测环境污染

识别指纹、假钞

查服违禁药物

侦破刑事案件……教学实验气象预报大地测绘灾情预报交通指挥……涵盖吃穿用、农轻重、海陆空辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：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。传感器的组成由于空间的限制或者其他原因,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件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。热电偶压电加速度传感器气体压力传感器1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等2、按构成原理，结构型与物性型两大类

3、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4、按照物理原理分类：十种

5、按照传感器的用途分类：位移、压力、振动、温度传感器7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号

6、根据转换过程可逆与否：单向和双向8、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器

传感器的分类结构型传感器：依赖结构参数的变化实现信息转换利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。物性型传感器：依赖敏感元件的物理特性的变化实现信息转换利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。

传感器的分类能量控制型传感器：在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。传感器的分类能量转换型传感器：又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。按照物理原理分类：电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；气电式传感器：电位器式、应变式；热电式传感器：热电偶、热电阻；波式传感器：超声波式、微波式等；射线式传感器：热辐射式、γ射线式；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。

传感器的分类

开发新型传感器

开发新材料新工艺的采用集成化、多功能化智能化

开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化1.6传感器及检测技术的发展趋势1、传感器方面

可拍照的手机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型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。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。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。

开发新型传感器新型传感器包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器等方面。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。开发新材料（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，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，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。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，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的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。

新工艺的采用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，制作出全硅谐振式压力传感器。集成化、多功能化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CCD图像传感器。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。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元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。智能化对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和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+嵌入式计算机智能传感器

传感器+嵌入式计算机智能传感器

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IC总线数字温度传感器传感器及检测技术的发展趋势声发射智能探头§4－2 电阻式传感器★非电物理量电阻变化包括：电阻应变式、电位器式、锰铜压阻式一、 ★电位器式传感器（1） 绕线式电位器存在的问题：（1）电刷在间断表面滑动产生阶梯状输出；（2）电刷（二阶系统）一定速度共振使输出特变坏（2） 非绕线式电位器1、金属膜电位器；2、导电塑料电位器（塑料+导电体）；3、导电玻璃釉（电阻物质用玻璃釉粘合、烧结）电位器；4、光电电位器（非接触式，见书，P56）二、 ★二、电阻应变片式传感器两大类：金属栅式和半导体式（一）电阻应变片的结构和工作原理1、★金属栅应变片的工作原理

电阻的相对变化率

第一项表示由电阻丝几何尺寸变化引起的电阻相对变化率—金属栅应变片；第二项表示材料变形通过导电率变化引起的电阻相对变化率—半导体应变片。★应变（片）丝的灵敏度：其他形式应变片：（1）箔式应变片（照相光刻）；(2)应变花2、 半导体应变片的工作原理★压阻效应：沿晶体某轴加载，电阻率变化。德国HBM电阻应变式传感器

立柱应力

桥梁应力

应变式电阻传感器的应用

德国HBM电阻应变式传感器

质量传感器

位移传感器

加速度计

压力传感器

电阻传感器压力传感器

转矩传感器

电阻传感器其他电阻传感器

(1).热电阻传感器

利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。温度(热量)的变化电阻的变化温度检测

:-200℃～+500℃电阻传感器(2).热敏电阻传感器

圆形热敏电阻柱形热敏电阻珠形热敏电阻热敏电阻在电路中的符号非线性元件:它的温度-电阻关系是指数关系

温度为-50℃～＋350℃

电阻传感器(3).光敏电阻传感器

(4).湿敏电阻传感器

▲电阻传感器§4－3 电容式传感器一. 变换原理被测量电容变化（有源）平行板电容（一）极距变化型灵敏度与δ有关，不是常数，非线性；应使Δδ≤0.1,测小位移（二） 面积变化型

a)角位移型

b)直线位移型

a)角位移型

b)平面线位移型：c)圆柱体线位移型：均为线性。（三）介质变化型介电常数变化，测介质的厚度、温度、湿度和液位等。电容式传感器的应用振动测量

旋转轴的偏心量的测量

电容传感器电容式氢液高度传感器

纱条均匀度测试仪

▲电容传感器§4－4 电感式传感器

物理量自感或互感的变化（有源）功率大、灵敏度高、稳定性好一、 自感式传感器1. 工作原理及其结构改变气隙（非线性）、改变导磁面积、改变磁阻或认为是改变有效匝数，均测量可变换为直线位移的物理量。二、 互感传感器1. 工作原理及其结构变压器作用：信号互感M的变化。类似变压器。单次级方案的缺点：不能实现零输出，要后续电路补偿或抵消。差动变压器型互感式传感器：两次级线圈差动连接。实现零输出，提高灵敏度，减小非线性。三、 涡流式传感器转换原理：利用电涡流效应。非电量→阻抗（电感，品质因数）的变化。有源传感器。测金属表面物体测位移四、 压磁式传感器转换原理：压磁效应：应力使铁磁材料磁化强度变化。有源，耦合线圈输出电势变化。§4－5 电动式传感器工作原理：电磁感应原理（电磁感应定律）无源传感器（发电型）转换：速度→感应电势一、 工作原理及动态特性电动传感器结构实例§4－6 压电传感器

属无源传感器利用压电效应一、工作原理1、 压电效应正压电效应：加力-极化-与力成正比的电荷D：压电常数逆压电效应：交变电场-机械变形2、 压电材料：压电晶体；有机压电材料3、 压电现象特点：

压电加速度传感器§4－7 热电式传感器

一、热电偶式传感器1、热电效应:不同材料料组成回路2，接点温度不同，产生电势包括：两种导体的接触电势（帕尔帖电势）和单一导体的温差电势总热电偶电势：结论：只有材料两端温度不同电势才不为零。二、热敏电阻受热电阻变化：金属：

半导体