传感与测试技术 课件 焦敬品 第01章 绪论

测试技术基础测试技术基础测试技术基础课程内容：

主要介绍工业自动化领域中常见物理量(应变、位移、加速度、温度、压力等）的测量原理和信号分析方法。信号分析基础测试系统特性信号调理电路数字信号处理综合训练主要内容误差与数据处理传感器原理绪论测试技术基础实践性强课程特点：

期望逐步解决侧重课本教学中存在的一些问题：

1.测试技术应用、发展部分空洞；

2.传感器部分没有实物对象、枯燥无味；

3.信号分析理论部分深奥、难懂。教学方法：

理论教学案例教学三者结合实践教学测试技术基础第一章绪论本章学习要求：1.掌握传感器与测试技术的基本概念2.了解传感器与测试技术的应用情况3.了解传感器与测试技术的发展动态4.了解主要传感器与测试仪器生产厂商

测试系统的基本概念测试技术在国民经济中的地位和作用工程测试技术涉及的内容测试系统的组成传感器与测试技术的发展趋势测试技术基础第一章绪论被测对象：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、测试系统全部操作：测试过程：信号的采集、处理、显示、输出测试器具：被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、…）化学量（PH、成份…）生物量（酶、葡萄糖、…）…

…测试系统（测量系统/检测系统）§1.1测试系统的基本概念定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作测试系统概念（测量系统/检测系统）

测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测试原理和信号分析处理方法。

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，起着人类感官的作用。

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。

简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被测温度变化转化为液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度低，无法实现测量自动化。

§1.1测试系统的基本概念例：空调机测量控制室温被测对象：被测信息：测试器具：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§1.1测试系统的基本概念

智能手机中涉及的传感器测试技术§1.2测试技术在国民经济中的地位摄像头（CCD）电荷藕合器件图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷

智能手机中涉及的传感器测试技术§1.2测试技术在国民经济中的地位麦克风（电容）

智能手机中涉及的传感器测试技术§1.2测试技术在国民经济中的地位指纹识别传感器光学指纹传感器、半导体电容传感器、半导体热敏传感器、半导体压感传感器、超声波传感器和射频RF传感器等

智能手机中涉及的传感器测试技术§1.2测试技术在国民经济中的地位指纹识别传感器摄像头麦克风§1.2测试技术在国民经济中的地位重力感应传感器：360度旋转无压力重力感应技术利用压电效应来实现。通过测量内部一片重物在两个正交方向分力的大小来判断方向。现阶段多数智能设备都采用了G-Sensor重力感应器搭配三轴加速度计的组合来实现360度的旋转测量。§1.2测试技术在国民经济中的地位电子罗盘传感器：精准导航必备要素电子罗盘实际是一种磁阻传感器。电子罗盘传感器主要应用在地图定位中。开启电子罗盘后，设备会直接定位到你当前所在的位置，并可以根据手机位置，显示当前的方向或角度。§1.2测试技术在国民经济中的地位三重陀螺仪传感器：FPS迷变身操控帝陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒理论而设计。在iPhone4中的三重陀螺仪传感器，可以让手机感知人体的移动方向，结合重力感应、加速度感应就可以带来更真实的游戏体验。陀螺仪也可以被用作导航。§1.2测试技术在国民经济中的地位光线距离传感器：智能手机标配光线感应器主要根据周围环境亮暗的变化调整屏幕的明暗。最明显的例子是手机能自动感应周围环境，使屏幕亮度自动调节。距离感应器也被称为位移传感器，通过感应传感器到对象间的距离变化来实现操作。当我们在接听或拨打电话时，距离感应器可以通过测量耳朵与听筒的距离，实现屏幕显示的自动开启和关闭。§1.2测试技术在国民经济中的地位温度湿度气压传感器：发力可穿戴、健康领域温度传感器可以检测手机芯片、电池的温度，也能检测周围环境温度、湿度对设备带来的影响。内置气压传感器可以测量大气压，并能对温度传感器数据进行修正。未来气压计还可以在穿戴领域或者健康医疗方面有更多的利用价值，应用在例如iHeath、S健康等App中。

工业生产

倍增器

科学研究

先行官

社会

物化法官

军事

战斗力§1.2测试技术在国民经济中的地位测试技术是带动国民经济增长的一个关键领域在美国：测试技术占4%，拉动经济增长66%§1.2.1工业生产倍增器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。§1.2.1工业生产倍增器1)工业自动化中的应用

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。

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§1.2.1工业生产倍增器

生产加工过程监测

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§1.2.1工业生产倍增器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漏检测。§1.2.1工业生产倍增器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§1.2.1工业生产倍增器在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位…检查轴承滚珠是否脱漏检查容器内的液位3)产品质量测量§1.2.1工业生产倍增器IC封装检测4)PC机中的测试技术应用§1.2.1工业生产倍增器光电鼠标组成：光学感应器、光学透镜、发光二极管、接口微处理器、轻触式按键、滚轮、连线、USB接口、外壳等。

4)PC机中的测试技术应用鼠标:光电位移传感器摄象头: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§1.2.1工业生产倍增器5)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5)测试技术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。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、图象等。§1.2.1工业生产倍增器科学研究的先行官

诺贝尔奖获得者R.R.Ernst说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”。

俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的”。

近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人。§1.2.2科学研究先行官检测技术与科学研究相互促进！测试技术在军事上的应用美军研制的单兵作战武器---OICW夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确地定位目标。在发射20mm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，以精确地设定引爆时间。§1.2.3军事战斗力§1.2.3军事战斗力测试技术在航天领域举足轻重“神舟十号”载人航天工程由测控通信系统、着陆场系统、发射场系统、航天员系统、飞船系统、火箭系统、空间应用系统七大部分组成。测控通信系统是对飞船进行指挥控制的灵魂，其主要任务是跟踪和获取航天器的各种信息，并对航天器进行控制和管理。要负责运载火箭和载人飞船的轨道测量、图像及遥测监视、遥控操作、话音通信、飞行控制等。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§1.2.4社会的物化法官测试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§1.2.4社会的物化法官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、电梯运行状况监测等。

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室内恒温器空气质量传感器适度传感器水压传感器§1.2.4社会的物化法官家庭与办公自动化

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，透光率光电传感器(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§1.2.4社会的物化法官1）热工量：温度t（℃、K、℉）压力（压强）p（Pa）、压差Δp

、真空度、流量q（m3）、流速v（m/s）、物位、液位h（m）2）机械量：直线位移x（m）、角位移α、速度、加速度a（m/s2）、转速n（r/min）、应变ε（

m/m）力矩T（Nm）、振动、噪声、质量（重量）m（kg、t）3）几何量长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、硬度、材料缺陷等。§1.3工程测试涉及的内容4）物体的性质和成分：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5）状态量：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、堵塞断裂等）6)电工量（U、I、f、R、Z、E、B……在电工、电子等课程中讲授，大多数不属于本课程的范围。）§1.3工程测试涉及的内容

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。测试系统组成§1.4测试系统的组成信息转换信息提取§1.4测试系统的组成

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，开发新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化1、传感器方面

可拍照的手机§1.5传感器及测试技术的发展趋势1)开发新型传感器生物酶血样分析传感器荧光材料制作的电子鼻传感器新型视觉传感器红外夜视镜

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。

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。2)集成化、多功能化

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

3)智能化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声发射智能探头3)智能化传感器+嵌入式计算机

智能传感器

多探头相关仪组成相关记录仪仪器箱内部结构PC机及相应软件5)智能化多探头相关仪在管道泄漏检测中应用3)智能化检测波形多探头相关仪在管道泄漏检测中