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测试 技术 基础 课件
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测试技术基础 测试技术基础 任 课 教 师 : 刘 增 华 liuzenghua@bjut.edu.cn ? 67391720 基 础 楼605测试技术基础 课程内容: 主要介绍工业自动化、环境监测、楼宇控制、交 通等领域中常见物理量(应变、位移、加速度、温度、 压力等)的测量原理和信号分析方法。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.掌握传感器及测试技术的基本概念 2.了解传感器及测试技术的应用情况 ? 3.了解传感器及测试技术的发展动态 ?4.了解主要传感器及测试仪器生产厂商 l测试系统的基本概念 l测试技术在国民经济中的地位和作用 l工程测试技术涉及的内容 l测试系统的组成 l传感器及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 ? 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 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? 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 科学研究先行官测试技术在军事上的应用 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 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 军事战斗力中国神舟七号飞船内部结构 ?§1.2.3 军事战斗力嫦娥登月计划物化法官 ? 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 社会的物化法官其它应用 航天 交通 医学 农业 §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Δ p 、 真空度、流量 q(m 3 )、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/s 2 ) 、 ?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 测试系统的组成国家标准(GB7665-87)中传感器(Transducer/Sensor)的定义:能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用 输出信号的器件或装置。 ① 传感器是测量装置,能完成检测任务; ② 输入量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学 量、生物量等; ③ 输出量是某种物理量,便于传输、转换、处理、显示 等,可以是气、光、电物理量,主要是电物理量。 传感器名称:变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、探头等 传感器功用:一感二传, 即感受被测信息, 并传送出去。 §1.5.1 传感器的定义被测量 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 量转换成电路参量。 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 。 §1.5.2 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 §1.5.2 传感器的组成1、按传感器敏感的工作原理,分为物理型、化学型、生物型等其中,物理型又可分为:结构型与物性型两大类 ?2、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 3、按照物理原理分类:十种 ?4、按照传感器的用途分类 :位移、压力、振动、温度传感器 6、根据传感器输出信号:模拟信号和数字信号 ?5、根据转换过程可逆与否 :单向和双向 7、根据传感器使用电源与否:有源传感器和无源传感器 ?§1.5.4 传感器的分类1、物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号 变换的。例如水银温度计利用了水银的热胀冷缩性质;压力测 力计利用石英晶体的压电效应等。 ?2、结构型:依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。例 如,电容传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化;电感 式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。 4、能量控制型:也称有源传感器,是从外部供给能量使传感器 工作的,并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如,电 阻应变计中电阻接于电桥上,电桥工作能源由外部供给,而由 被测量变化引起电阻变化来控制电桥输出。电阻温度计、电容 式测振仪等均属于此类传感器。 3、能量转换型:也称无源传感器,是直接由被测对象输入能量 使其工作的。例如,热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情 况下,由于被测对象与传感器的能量交换,必然导致被测对象 状态的变化和测量误差。 §1.5.4 传感器的分类外 界 刺 激 人类五官 传感器 大脑 计算机 骨骼和肌肉 执行机构 神经 机器 人 通讯 神经 通讯 ? 现代信息技术的三大基础:信息采集、传输与处理技术 ? 分别应用到:传感技术、通讯技术和计算机技术 ? 构成了信息技术系统中的 “感官”、“神经”、“大脑” §1.5.3 传感器的作用v ? ?开发新型传感器 ?v ?开发新材料 ?v ?新工艺的采用 ?v ?集成化、多功能化 v ?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 §1.6 传感器及测试技术的发展趋势新型传感器包括: ① 采用新原理; ② 填补传感器空白; ③ 仿生传感器等方面。 1) 开发新型传感器 传感器 新 型 视 觉 传 感 器 ? ?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。 ?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。 荧光材料制作的电子鼻传感器 生物酶血样分析传感器 1) 开发新型传感器 ? ?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。 (a) 半导体敏感材料 ? (b) 陶瓷材料 ?(c) 磁性材料 ? ? ? ? ? ? ?(d) 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。 2) 开发新材料 ? ? ? ?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。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。 3) 新工艺的采用 ? ? ? ?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。 4) ?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 ?5) ?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 5) ?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机及相应软件多探头相关仪的优点 ? 成本低 ?? 结构坚实,IP68封口 ? 漏电定位可在短时间内完成 ? 可在白天或夜间工作 ? 既可检测主管道上的漏点,也可检测支线管道 ? 无需进行有线或无线通讯连接 ? 友好的Windows界面,操作简单易学多探头相关仪在管道泄漏检测中应用检 测 波 形 多探头相关仪在管道泄漏检测中应用漏 点 定 位 多探头相关仪在管道泄漏检测中应用 组 数 1 2 3 4 5 6 7 结 果 1 6 . 0 2 1 3 . 3 6 1 2 . 0 4 1 5 . 0 6 1 4 . 1 5 1 5 . 2 3 1 5 . 3 4? 智能化-虚拟化-网络化 ? 微型化 ? 软测量技术 2、测试系统方面 ?§1.6 ?传感器及测试技术的发展趋势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 §1.6 ?传感器及测试技术的发展趋势§1.6 ?传感器及测试技术的发展趋势 基于传感器网络的雨量监测系统 网关 服务器 网络 传感器分布 监测区域§1.7 知名传感器及测试仪器生产商 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) http://www.bksv.com/ 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) ?http://www.honeywell.com/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) http://www.ni.com/ 美国Agilent公司(原惠普公司仪器部,着名的测试仪器商) http://www.agilent.com.cn/ §1.7 知名传感器及测试仪器生产商1 实验 – 本课程是一门工程性、应用性都非常强的课程,学生必须 完成本课程规定的实验,否则不能参加期末考试。 2 作业 – 通过作业来加深对教材内容的理解、掌握和运用。学生应 按时完成规定的作业。 3 考试 – 期末采用闭卷考试方法,考试时间1.5个小时。课程总成绩 由期末考试成绩和平时考查成绩(作业和实验)合成。其 中考试成绩占80%,平时考查成绩占20%。 4 ?出勤情况 – 无故缺课1/3,期末取消考试资格。事、病假需提前请假。 §1.8 课程安排及要求北 京 工 业 大 学 精 品 课 程 ? 《测试技术基础》网址: http://211.71.86.13/web/jp/10gdkc/cljs/index.htmlEnd

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