傳感與測(cè)試技術(shù)課件-北理

1、傳感與測(cè)試技術(shù)ckmy(t)x(t)課 程 結(jié) 構(gòu)傳感與測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)傳感器技術(shù)相互聯(lián)系基礎(chǔ)、指導(dǎo)參 考 教 材 周生國(guó) 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù) 李科杰 現(xiàn)代傳感技術(shù) 張國(guó)雄 測(cè)控電路 其 它 動(dòng)態(tài)測(cè)試、信號(hào)與系統(tǒng)等 前修課程 工程數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、 電工電子學(xué)、微機(jī)原理等 課堂講授為主，自學(xué)為輔，注重理解，結(jié)合實(shí)驗(yàn)。 充分利用課堂時(shí)間！ 力爭(zhēng)課堂內(nèi)容當(dāng)堂解決，切忌期末積壓！ 期末考試 + 平時(shí)課堂測(cè)驗(yàn) + 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 80% 10% 10% 答 疑 （除每次課堂所留答疑時(shí)間外） 時(shí)間：每周五下午 2:00 5:00 地點(diǎn)：重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 403、412、510注 意 事 項(xiàng)第一章 緒 論學(xué)習(xí)要求

2、：1、了解測(cè)試技術(shù)的地位和作用 2、掌握測(cè)試技術(shù)的基本概念3、掌握測(cè)試系統(tǒng)的基本組成4、掌握測(cè)試的基本方法及分類5、了解現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢(shì) 傳統(tǒng)的技術(shù) 秦始皇統(tǒng)一度、量、衡 英國(guó)紡織工業(yè)：織布機(jī)配件 一次世界大戰(zhàn)：槍械配件 測(cè)試技術(shù)的發(fā)展與人類社會(huì)的發(fā)展歷史密切相關(guān)、相互促進(jìn)七大計(jì)量范疇：幾何、時(shí)間、電磁、光學(xué)、化學(xué)、溫度、力學(xué)本課程的范圍：以機(jī)械工程與兵器科學(xué)方面為主，系統(tǒng)闡述傳感與測(cè)試 技術(shù)理論，以現(xiàn)代科學(xué)的方法，測(cè)試各種有用的物理量。一.測(cè)試技術(shù)的地位和作用（1） 測(cè)試技術(shù)服務(wù)于各行業(yè) 20世紀(jì)70年代，成為專門學(xué)科 測(cè)試研究會(huì)、開設(shè)課程、出版刊物、召開年會(huì)新的學(xué)科歷史時(shí)代：手

3、工化機(jī)械化自動(dòng)化信息化生產(chǎn)方式：人與簡(jiǎn)單工具動(dòng)力機(jī)與機(jī)械自動(dòng)測(cè)量控制智能機(jī)械裝置信息化是科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)一.測(cè)試技術(shù)的地位和作用（2）人與機(jī)器機(jī)能的對(duì)應(yīng)關(guān)系一.測(cè)試技術(shù)的地位和作用（3）信息流是客觀世界的一個(gè)主流 物料流 能量流 信息流客觀世界信息流獲取傳輸處理控制 信息獲取是信息流的一環(huán)一.測(cè)試技術(shù)的地位和作用（4） 獲取信息是儀器科學(xué)與技術(shù)的基本任務(wù) 通過(guò)儀器儀表的測(cè)試是信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是信息工業(yè)的源頭測(cè)試的任務(wù)就是獲取研究對(duì)象的有用信息（非全部信息） 即研究被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)、變化和特征等。 在機(jī)械工程測(cè)試中，常見的被測(cè)量有：力、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、角度、溫

4、度、時(shí)間等。在兵工測(cè)試中：彈丸的飛行速度、加速度、破甲深度、破甲時(shí)間、彈丸姿態(tài)、彈丸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、動(dòng)不平衡參數(shù)等。一.測(cè)試技術(shù)的地位和作用（5）測(cè)試技術(shù)的地位和作用 工業(yè)生產(chǎn) 倍增器 科學(xué)研究 先行官 軍事斗爭(zhēng) 戰(zhàn)斗力 社會(huì)生活 物化法官測(cè)試技術(shù)是帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，在美國(guó)，測(cè)試技術(shù)占4%，拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)66%1.工業(yè)生產(chǎn)的倍增器測(cè)試技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用確保產(chǎn)品質(zhì)量在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位離線檢測(cè)：零件參數(shù)、尺寸與形位公差、 品質(zhì)參數(shù)作 用：現(xiàn)代工程裝備中，檢測(cè)環(huán)節(jié)的成本約占50%70%測(cè)試技術(shù)在汽車中的應(yīng)用日新月異發(fā)動(dòng)機(jī)：向發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動(dòng)

5、機(jī)的工作狀況信息， 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流 量、氣體濃度和爆震傳感器等汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容 普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器， 豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。 底 盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死系統(tǒng) 等車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫 車 身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等 溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速度、車速、測(cè)距、圖象等 測(cè)試技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用與日俱增家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對(duì)焦紅外測(cè)距傳感器自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測(cè)光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測(cè)熱

6、敏電阻、熱電偶電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測(cè)光敏二極管、光敏三極管可視對(duì)講、可視電話：圖像獲取面陣CCD辦公商務(wù)：掃描儀：文檔掃描線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測(cè)光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計(jì)：血壓檢測(cè)壓力傳感器血糖測(cè)試儀、膽固醇檢測(cè)儀離子傳感器2.科學(xué)研究的先行官 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者R. R. Ernst說(shuō)“現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步越來(lái)越依靠尖端儀器的發(fā)展” 俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫指出“科學(xué)是從測(cè)量開始的” 近80年來(lái)，與科學(xué)儀器密切相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者達(dá)38人3.軍事中的戰(zhàn)斗力 1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，精確制導(dǎo)炸彈和導(dǎo)彈占8% 1994年，美國(guó)防部建立自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行局 實(shí)施

7、信息化條件下的立體作戰(zhàn) 2003年伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，精確制導(dǎo)炸彈和導(dǎo)彈占90% 制導(dǎo)彈藥的核心對(duì)目標(biāo)以不同的方法進(jìn)行精確探測(cè)、識(shí)別、定位1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達(dá)）4.管理與控制系統(tǒng)5.衛(wèi)星紅外線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：探測(cè)和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；攔截器：能識(shí)別真假?gòu)楊^，敵友方。美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御計(jì)劃NMD美軍研制的未來(lái)單兵作戰(zhàn)武器OICW 夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測(cè)距儀：可精確定位目標(biāo)。在發(fā)射20毫米高爆彈時(shí)，激光測(cè)距儀可將目標(biāo)的距離信息自動(dòng)傳輸至高爆彈的爆炸引信，以便精確設(shè)定引爆時(shí)間。視頻成像偵察彈視頻偵察彈含GPS接收機(jī)/發(fā)射機(jī)155mm榴彈炮

8、多傳感器戰(zhàn)場(chǎng)偵察系統(tǒng)布設(shè)方法和設(shè)備監(jiān)視顯示分系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)傳感探測(cè)分系統(tǒng)傳感器信號(hào)接收/放大器接收監(jiān)視器傳感發(fā)射機(jī)紅外振動(dòng)磁聲發(fā)射器接收器電 源監(jiān)視顯示器使用者檢測(cè)技術(shù)在航天領(lǐng)域舉足輕重火箭測(cè)控檢測(cè)火箭狀況、姿態(tài)、軌跡飛行器測(cè)控檢測(cè)飛行器姿態(tài)、發(fā)電機(jī)工況，控制與操縱 “阿波羅10”：火箭部分-2077個(gè)傳感器飛船部分-1218個(gè)傳感器神州飛船：185臺(tái)（套）儀器裝置檢測(cè)參數(shù)-加速度、溫度、壓力、振動(dòng)、流量、應(yīng)變、聲學(xué)參數(shù)等4.社會(huì)生活中的物化法官 檢查產(chǎn)品質(zhì)量 監(jiān)測(cè)環(huán)境污染 識(shí)別指紋假鈔 查服違禁藥物 偵破刑事案件教學(xué)實(shí)驗(yàn)、氣象預(yù)報(bào)、大地測(cè)繪、災(zāi)情預(yù)報(bào)、交通指揮、涵蓋 吃穿用、農(nóng)輕重、陸海

9、空 測(cè) 試包括測(cè)量和試驗(yàn)。是一種分析事物狀態(tài)、變化和特征的綜合手段。 測(cè) 量對(duì)被測(cè)對(duì)象的定量分析，結(jié)果用數(shù)值表示，有的需要有單位。 試 驗(yàn)偏重于對(duì)被測(cè)對(duì)象的定性分析，通常沒(méi)有具體數(shù)值，如頻率特性、時(shí)域波形等。 測(cè)試?yán)碚摐y(cè)試系統(tǒng)各部分的理論闡述和實(shí)際儀器結(jié)構(gòu)。 測(cè)試實(shí)驗(yàn)定量實(shí)驗(yàn)（主要手段） 定性實(shí)驗(yàn)（輔助手段）二.測(cè)試的基本概念 全部操作：檢測(cè)器具：傳感器、檢測(cè)儀器、 檢測(cè)裝置、檢測(cè)系統(tǒng) 檢測(cè)過(guò)程：信號(hào)采集、信號(hào)處理、 信號(hào)顯示、信號(hào)輸出被測(cè)信息：物理量（光、電、力、熱、磁、聲、） 化學(xué)量（PH、成份、） 生物量（酶、葡萄糖、） 被測(cè)對(duì)象：宇宙萬(wàn)物（固液氣體、動(dòng)物、植物、天體 ）定義：以確定被測(cè)

10、對(duì)象的屬性和量值為目的的全部操作例：空調(diào)機(jī)測(cè)量控制室溫被測(cè)對(duì)象：室內(nèi)空氣被測(cè)信息：溫度檢測(cè)器具：溫度傳感器熱電阻、熱電偶操作過(guò)程：空氣 熱敏電阻 電信號(hào) 處理 顯示空調(diào)機(jī)ROT被測(cè)對(duì)象：傳感器：信號(hào)變換的裝置，是整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)變換處理裝置：完成信號(hào)的放大、濾波、變換（A/D、 D/A） 以及與計(jì)算機(jī)的接口等顯示記錄裝置：記錄測(cè)試信號(hào)的裝置，保存測(cè)試結(jié)果， 作為技術(shù)資料供以后分析利用標(biāo)定裝置和控制裝置： 標(biāo)定：減少誤差，提高精度 控制：實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，便于測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化三.測(cè)試系統(tǒng)的基本組成 傳感器變換處理裝置指示儀記錄儀數(shù)據(jù)處理儀器被測(cè)對(duì)象標(biāo)定裝置和控制裝置電源計(jì)算機(jī)接口總線

11、存儲(chǔ)顯示分析監(jiān)控判斷決策信號(hào)檢出信號(hào)檢出信號(hào)檢出信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換處理顯示處理顯示處理顯示信號(hào)轉(zhuǎn)換：功能將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于處理 的形式（conversion） 器件信號(hào)調(diào)理電路（signal conditioning circuits）處理顯示：功能分析（analysis）、處理（processing）、 顯示（display）其它環(huán)節(jié)：通訊接口/總線接口（RS232、RS485、GPIB、PCI、 ） 存儲(chǔ)、監(jiān)控、決策信號(hào)檢出：功能將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化（detection） 器件傳感器（sensor, transducer）力位移 速度 加速度 壓力流量溫度電阻式電容

12、式電感式 壓電式熱電式 光電式磁電式電橋 放大器濾波器調(diào)制器解調(diào)器運(yùn)算器 阻抗變換器 筆式記錄儀光線示波器 磁帶記錄儀 電子示波器 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 顯示器 磁卡 數(shù)據(jù)處理器 頻譜分析儀 FFT 實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀 電子計(jì)算機(jī) 被測(cè)對(duì)象 傳感器 中間變換測(cè)量裝置 顯示及 記錄裝置 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理裝置 激發(fā)裝置 （6）按測(cè)量?jī)x器的性質(zhì)：機(jī)械法測(cè)試：方便、簡(jiǎn)單、精度較低 光學(xué)測(cè)試法：精度高、響應(yīng)快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)力差 電測(cè)試法：應(yīng)用最廣、信號(hào)處理容易、系 統(tǒng)不太復(fù)雜、本課主要講授內(nèi)容四.測(cè)試的基本方法與分類 （1）按被測(cè)量不同：直接測(cè)量（絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量）、間接測(cè)量（2）按測(cè)量值的獲得方式：偏移

13、法測(cè)量、零位法測(cè)量、差分式測(cè)量（4）按傳感器與被測(cè)對(duì)象是否直接接觸：接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量（5）按被測(cè)對(duì)象變化的特點(diǎn)：靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量 靜態(tài)測(cè)試：被測(cè)參數(shù)不隨時(shí)間變化或變化緩慢（特例） 動(dòng)態(tài)測(cè)試：被測(cè)參數(shù)隨時(shí)間變化（大多數(shù)情況）（3）按測(cè)量值是否反饋：開環(huán)式測(cè)量、閉環(huán)式測(cè)量（直接測(cè)量）1.直接測(cè)量與間接測(cè)量 直接測(cè)量：直接將被測(cè)量與同類標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較得到被測(cè)量 線紋尺物體尺寸，天平物體質(zhì)量 間接測(cè)量：被測(cè)量無(wú)法或不易進(jìn)行直接測(cè)量，被測(cè)量是與實(shí) 測(cè)量有一定函數(shù)關(guān)系的參量，被測(cè)量由實(shí)測(cè)量計(jì)算獲得再如測(cè)導(dǎo)線的導(dǎo)電率： 自變量目標(biāo)變量負(fù)載電阻功率 = 電壓 電流（關(guān)系）絕對(duì)測(cè)量：采用儀器、設(shè)備、手

14、段測(cè)量被測(cè)量，直接得到測(cè)量值測(cè)量結(jié)果：20.1 mm相對(duì)測(cè)量：將被測(cè)量直接與基準(zhǔn)量比較，得到偏差值特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀、明了； 測(cè)量精度不高基準(zhǔn)量：20.00 mm測(cè)量值：+0.08 mm結(jié) 果：20.08 mm特點(diǎn)：精度高；復(fù)雜、成本高、要求高標(biāo)準(zhǔn)量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位（如米尺、光柵尺、激光、） 絕對(duì)測(cè)量定值標(biāo)準(zhǔn)量（如某一固定尺寸）相對(duì)測(cè)量2.偏移法測(cè)量、零位法測(cè)量、差分式測(cè)量3）差分法對(duì)稱結(jié)構(gòu)的兩個(gè)傳感器，被測(cè)量反對(duì)稱作用在兩個(gè)傳感器上1）偏移法完全從被測(cè)量中獲得信號(hào)轉(zhuǎn)換所需能量，利用測(cè)量?jī)x表的指針相對(duì)于刻度的偏差位移直接表示測(cè)量的數(shù)值。（彈簧秤）2）零位法不從信號(hào)源獲得能量，利用指零機(jī)構(gòu)的作用，使用被測(cè)量和已知標(biāo)準(zhǔn)量?jī)烧哌_(dá)到平衡，根據(jù)指零機(jī)構(gòu)示值為零來(lái)確定被測(cè)量等于標(biāo)準(zhǔn)量值。（天平秤）（常見檢測(cè)結(jié)構(gòu)形式）作用：消除干擾的影響測(cè)量原理線性化、提高靈敏度3.開環(huán)式測(cè)量與閉環(huán)（反饋）式測(cè)量特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀、明了；測(cè)量精度不高特點(diǎn)：復(fù)雜、成本高、要求高；精度高反饋測(cè)量：傳感器輸入量x輸出量y放大反饋傳感器開環(huán)測(cè)量：傳感器輸入量x輸出量y智能化檢測(cè)的標(biāo)志之一主動(dòng)探索與信息反饋?zhàn)赃m應(yīng)能力改變傳感器的工作溫度傳感器的靈敏