传感器与测试技术 - gongkongfs.gongkong.com/uploadfile/technicalData/201512/... · 测试技术的应用 •测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运

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传感器与测试技术传感器与测试技术

现代设计与分析研究所

孙红春

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绪论绪论

学习内容学习内容

1、测试技术的任务2、测试技术的主要内容3、测试系统的组成4、测试技术的发展5、测试技术的应用6、学习方法

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绪论绪论

测试的几个基本概念测试的几个基本概念

测试测试是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。

测试技术就是通过技术手段获取研究对象的状态信息，以一定的精度描述和分析其运动状态，是科学研究的基本方法。

非电量电测技术，即把非电物理量转换成电流电压等电量，通过处理电量获取对象的信息。

测试测试 测试技术 非电量电测技术

-导言

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绪论绪论

工程中常测量的机械动态参数工程中常测量的机械动态参数

力参数⎯⎯力、力矩、张力；

运动参数⎯⎯位移、转角、速度、加速度等；

工艺参数⎯⎯温度、宽度、压下量；

振动参数⎯⎯振动的位移、速度、加速度、频率、相位、阻尼、刚度；

噪声参数⎯⎯声压、声强和声功率；

状态参数⎯⎯磨损、裂纹、缺陷等。

-导言

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绪论绪论

学科所属范畴学科所属范畴

信息技术计算机技术

测试技术测试技术

自动控制技术

通信技术

-导言

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绪论绪论

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绪论绪论

球磨机

用实验研究的方法，对各种物理现象进行检测、分析和研究

螺旋分级机

磁选机浮选机

重载、高温、多灰尘等恶劣环境

-测试技术的任务

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绪论绪论

改进工艺、提高能力-轧制力、扭矩

可靠性、使用寿命-强度、动负

荷、发动机参数

加工精度-振动速

度、加速度、机械阻抗

-测试技术的任务

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绪论绪论

测试技术的任务测试技术的任务-测试技术内容与任务

测试技术的任务主要有以下几个方面：（1）产品开发和性能试验：装备设计：产品质量和性能-客观评价；技术参数优化和效率提高-基础数据装备改造：为设备强度校验和承载能力提高提供依据

（2）质量控制和生产监督设备运行和环境监测----振动和噪声自动化---工艺参数

（3）设备的状态监测和故障诊断机器在运行或试验过程出现的诸多现象

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绪论绪论

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绪论绪论

测试技术研究的主要内容

测量原理 测量方法 测量系统 数据处理

指实现测量所依据的物理、化学、生物等现象及有关定律的总体。

根据对测量任务的具体要求和现场实际情况，需要采用不同的测量方法，如直接测量法或间接测量法、电测法或非电测法、模拟量测量法或数字量测量法。

在确定了被测量的测量原理和测量方法以后，就要设计或选用装置组成测量系统。

实际测试得到的数据必须加以处理，才能得到正确可靠的结果。

-测试技术主要内容

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绪论绪论

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绪论绪论

测试系统的组成（测试系统的组成（11））

-测试系统组成

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绪论绪论

传感器传感器

——敏感被测量并将其转换成某种电信号的装置。

包括敏感器和转换器。

敏感器把温度、压力、位移、振动、噪声和流量等被测量转换成容易变换成电量的物理量。

转换器把这些物理量转换成某种容易检测的电量，例如电阻、电容、电感的变化。

变送器，包括变换电路，可输出标准范围的电压或电流信号（例如4~20mA）。

-测试系统组成

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绪论绪论

传感器传感器组成实例组成实例

拳击袋测力传感器的工作原理

敏感器 转换器 变送器

-测试系统组成

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绪论绪论

信号调理信号调理

——把传感器的输出信号转换成适合于进一

步传输和处理的形式。

这种信号的转换多数是电信号之间的转

换，例如把阻抗变化转换成电压变化，还有滤波、幅值放大或者把幅值的变化转换成频率的变化等。

-测试系统组成

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绪论绪论

信号处理——对来自信号调理环节的信号，进行各种

运算、滤波和分析。

信号显示、记录——将来自信号处理环节的信号即测试的结

果以易于观察的形式显示或存贮。

-测试系统组成

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绪论绪论

反馈、控制——主要用于闭环控制系统中的测试系统。

模数(A/D)转换和数模(D/A)转换——采用计算机、PLC等测试、控制系统时进

行模拟信号与数字信号相互转换的环节。

-测试系统组成

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绪论绪论

任何测量结果都存在误差，必需把误差限制在允许范围内。

测试系统中每个环节的输出量与输入量之间必须具有对应关系，要求输出的变化在给定的误差范围内反映其输入的变化，即实现不失真的测试。

系统的传输特性确定了输出与输入之间的关系，工程测试问题都可以归结为输入、输出和系统传输特性之间的关系问题。

输入、输出、传输特性

-测试系统组成

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绪论绪论

机床轴承故障监测系统机床轴承故障监测系统

测试系统中传感器为加速度计，它负责将机床轴承振动信号转换为电信号；带通滤波器用于滤除传感器测量信号中的高、低频干扰信号和对信号进行放大，A/D信号

采集卡用于对放大后的测量信号进行采样，将其转换为数字量；FFT分析软件则对转换后的数字信号进行FFT变换，计算出信号的频谱；最后由计算机显示器对频谱进行显示。

-测试系统组成

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绪论绪论 -测试技术主要内容

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绪论绪论

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绪论绪论

测试技术测试技术的发展的发展

传感器方面（新型、微型、智能型）

新型光纤温度传感器

测试仪器方面

高精度、多功能、集成化、智能化、小型化、低价格发展

数字化信号分析仪器 虚拟仪器

信号分析技术方面

-测试技术的发展

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绪论绪论

机械量测试技术的发展动向机械量测试技术的发展动向

1) 多传感器融合技术在制造现场中的应用。 多传

感器融合是测量过程中获取信息的新方法，它可以提高测量信息的准确性。由于多传感器是以不同的方法或从不同的角度获取信息的，因此可以通过它们之间的信息融合去伪存真，提高测量精度。

2) 柔性测试系统。采用积木式、组合式测量方

法，实现不同层次不同目标的测试目的。

-测试技术发展动向

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绪论绪论

3) 虚拟仪器。虚拟现实技术在精密测试领域的应

用，一种是将多种数字化的测试仪器虚拟成一台以计算机为硬件支撑的数字式的智能化测试仪器；另一种是研究虚拟制造中的虚拟测量，如虚拟量块、虚拟坐标测量机等。

4) 智能结构。属于结构检测与故障诊断，是融合

智能技术、传感技术、信息技术、仿生技术、材料科学等的一门交叉学科，使监测的概念过渡到在线、动态、主动的实时监测与控制。

-测试技术发展动向

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绪论绪论

5) 视觉测试技术。

是建立在计算机视觉研究基础上的新兴测试技术。

重点研究物体的几何尺寸及位置测量，如三维面

形的快速测量、大型工件同轴度测量、共面性测量等。它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。

-测试技术发展动向

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绪论绪论

6) 大型设备的测试。大尺寸测量，例如飞机外

形、大型设备关键部件、高层建筑电梯导轨的校准、油罐车的现场校准。为此开发便携式测量仪器，例如便携式光纤干涉测量仪、便携式大量程三维测量系统等。

7) 微观系统的测试。另一个极端是对微机械的

测试。微电子技术、生物技术的快速发展对探索物质微观世界提出了迫切的要求，为了提高测量精度又要求进行微米、纳米级的测试。

8）无损检测。

-测试技术发展动向

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绪论绪论

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绪论绪论

测试技术的应用测试技术的应用

• 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。

在工程技术领域，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能实验等，都离不开测试技术。特别是近代自动控制技术已越来越多地运用测试技术，测试装置已成为控制系统的重要组成部分。

在日常生活中，随处可见测试技术的应用例子。例如，空调、电冰箱中的温度测量和压缩机起/停控制装置，洗衣机中的液位测量和洗衣电机起/停控制装置。

-测试技术应用

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绪论绪论

生物系统的应用生物系统的应用

1 研究生物系统及物理系统的共振特性

当系统受到激励且频率与系统固有频率相同时，便会

产生共振现象。

振动对人的影响

人是若干个线性与非线性“部件”组成的复杂的“机械”系统，力学性能不稳定，且人与人的差别很大。

低频及低振级情况下，可以把人简化一个线性集中

参数的机械系统。

-测试技术应用

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绪论绪论

上躯干 20—30Hz

胸腹系统

3—6Hz臂—肩

臀部

坐位力方向

腿部

头部 60—90Hz

站位力方向

应用

-测试技术应用

有人测得在山区和半山区行驶的解放、东风牌汽车的振动主频率与国内报道的人体坐位接受垂直全身振动时腰椎的共振频率恰好相符。

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绪论绪论

工业自动化中的应用1

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。

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

-测试技术应用

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绪论绪论

工业自动化中的应用2

• 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。

AGV自动送货车

-测试技术应用

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绪论绪论

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

生产加工过程监测

工业自动化中的应用3-测试技术应用

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绪论绪论

产品质量测量上应用

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

-测试技术应用

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绪论绪论

楼宇控制与安全防护上应用

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

-测试技术应用

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绪论绪论

家庭与办公自动化应用

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

-测试技术应用

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绪论绪论

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 光驱:速度,位置伺服

PC机中的测试技术应用

-测试技术应用

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绪论绪论

其他应用

航天 农业

交通 医学

-测试技术应用

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绪论绪论

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绪论绪论

课程的学习要求课程的学习要求

（1）掌握测试技术的基本理论，包括信号的时

域和频域的描述方法、频谱分析和相关分析的原理和方法、信号调理和信号处理基本概念和方法；

（2）熟练掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围；

（3）具有测试系统的机、电、计算机方面的总体设计能力；

（4）具有实验数据处理和误差分析能力。

-1.6 课程学习要求

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绪论绪论

学习方法学习方法

工程测试技术基础是一门与材料科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。为弥补书本教材内容滞后于学科发展的问题，在教学内容上我们采编了很多多媒体素材和案例。

书本教材电子教材并重.

-1.6 课程学习要求

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绪论绪论

习习 题题

1.测试系统的组成及各部分作用？

2.工程测试技术的发展趋势？