1、傳感器與測試技術參考書目:1.賈民平,張洪亭,周劍英.測試技術.高等教育出版社2.黃長藝,嚴普強.機械工程測試技術基礎.機械工業出版社3.吳正毅.測試技術與測試信號處理.北京:清華大學出版社先修課程:高等數學、電工學、材料力學、理論力學第一章 緒 論掌握測試等基本概念123測量誤差的概念4本章學習要求：重點：測試系統的構成掌握測試系統的組成了解測試技術的發展趨勢揭示和探索客觀世界的規律方法:理論分析實驗測量 1.1 測試技術的基本概念測量： 確定被測對象屬性量值為目的的全部操作電子卡尺玻璃管溫度計結論： 測量是一種靜態的，相對孤立的記錄性操作. “定量” 1.1 測試技術的基本概念 是具有試驗

2、性質的測量，或者可以理解為測量和試驗的綜合。 激光測距檢測車體外形室內監控測試：1.2 測試方法和測試系統直接測試和間接測試接觸測試和非接觸測試非電測法和電測法測試方法非電量電測法優點：能連續測量，自動記錄，便于通過反饋去自動控制和調整生產過程通過電量放大器很容易將被測量放大很多倍，可測極其微小的量既可測靜態量也可測動態量，而且可測瞬態量可以有線或無線實現遠距離遙測可利用計算機進行自動測試以及分析和處理測試數據傳感器中間變換裝置顯示記錄裝置 傳感器將被測物理量(如噪聲,溫度) 檢出并轉換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進行分析處理或經A/D變換后用軟件進行信號分析，顯示記錄裝置則

3、測量結果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。 信息轉換信息提取測試系統： 典型測試系統 根據測試任務復雜程度的不同，測試系統中傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置等每個環節又可由多個模塊組成。 機床軸承故障監測系統中的中間變換裝置就由帶通濾波器、A/D變換和計算機中的FFT分析軟件三部分組成。測試系統中傳感器為加速度計，它負責將機床軸承振動信號轉換為電信號；帶通濾波器用于濾除傳感器測量信號中的高、低頻干擾信號和對信號進行放大，A/D信號采集卡用于對放大后的測量信號進行采樣，將其轉換為數字量；FFT（快速傅里葉變換）分析軟件則對轉換后的數字信號進行FFT變換，計算出信號的頻譜；最后由計算機顯

4、示器對頻譜進行顯示。另外，測試系統的測量分析結果還可以和生產過程相連，當機床振動信號超標時發出報警信號，防止加工廢品的產生。 1.3 測試技術的工程應用 在工程領域，科學實驗、產品開發、生產監督、質量控制等，都離不開測試技術。測試技術應用涉及到航天、機械、電力、石化和海洋運輸等每一個工程領域。 1.3 測試技術的工程應用 轉動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。 在各種自動控制系統中，測試環節起著系統感官的作用，是其重要組成部分。1. 機械手、機器人中的傳感器密歇根大學的機械手裝配模型廣州中鳴數碼的機器狗2. AGV自動送貨車

5、 超聲波測距傳感器、判斷建筑物內人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運動軌跡和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。香港理工AGV模型 1.3 測試技術的工程應用3. 生產加工過程監測 切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅外接近開關傳感器等。 在電力、冶金、石化、化工等流程工業中，生產線上設備運行狀態關系到整個生產線流程。通常建立24小時在線監測系統。 石化企業輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。4. 流程工業設備運行狀態監控 在汽車、機床等設備，電機、發動機等零部件出廠時，必須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。 圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數包括潤滑油溫度、冷卻水

6、溫度、燃油壓力及發動機轉速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產品質量。汽車扭距測量機床加工精度測量5. 產品質量測量 為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環境，并能保證系統運行的經濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了許多測試技術，如闖入監測、空氣監測、溫度監測、電梯運行狀況。 圖示為某公司樓宇自動化系統。該系統分為：電源管理、安全監測、照明控制、空調控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器6. 樓宇控制與安全防護 在家電產品和辦公自動化產品設計中，人們大量的應用了傳感器和測試技術來提高產品性能和質量。全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質

7、傳感器，水溫傳感器，水質傳感器，透光率光傳感器(洗凈度) 液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器7. 家庭與辦公自動化8. 工業檢測9. 交通10. 日常生活11. 航空航天宇宙飛船飛行的速度、加速度、位置、姿態、溫度、氣壓、磁場、振動測量。“阿波羅10”飛船對3295個參數進行檢測，其中： 溫度傳感器559個 壓力傳感器140個 信號傳感器501個 遙控傳感器142個 專家說：整個宇宙飛船是高性能傳感器的集合體12. 未來世界智能房屋（自動識別主人，太陽能提供能源）智能衣服（自動調節溫度）智能公路（自動顯示、記錄公路的壓力、溫度、車流量）智能汽車

8、（無人駕駛、衛星定位） 聲學照相機球型陣列是為測量小型設備和在有限制空間中（例如車艙內）對于高頻聲源定位而設計的48/120通道測量系統。數字人工頭測試系統采集的結果可以直接存儲在內部存儲卡中，在人工頭前端的插槽內，儲卡可以直接插拔。RC 遠程控制器可以實現對HMS .0所有功能的遠程控制，其中RC 遠程控制器包括藍牙適配器及PDA組成。鼠標:光電位移傳感器攝像頭:CCD傳感器麥克風:電容傳聲器聲卡:A/D卡 + D/A卡14. PC機中的測試技術應用 1.4 測試技術的發展趨勢 1. 不斷提高測試系統的測量精度、量程范圍、延 長使用壽命、提高可靠性： 2. 應用新技術和新的物理效應，擴大檢測

9、領域3. 新型、集成化、智能化傳感器4. 發展網絡化傳感器及檢測系統5. 測量信號處理方面_虛擬儀器技術1.5 測試裝置中常用術語 量程：指測試裝置示值的上、下范圍之差。測量范圍：指在該裝置規定的極限誤差范圍內所能測量的被測量的范圍，對于動態測試裝置，要給出頻率的測量范圍。1.5 測試裝置中常用術語 絕對誤差（示值誤差）： 示值誤差=指示值-真值 =Ax0在實際測量中，被測量的真值是不知道的，通常用實測量的算術平均值或滿足規定精度的測量值作為真值。例如：用一級精度壓力表去鑒定二級精度壓力表，那么，一級精度壓力表的測量值就作為二級精度的壓力真值使用。1.5 測試裝置中常用術語 某采購員分別在三家

10、商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發現均缺少約0.5kg，但該采購員對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？ 對于不同的被測量，用絕對誤差往往很難評定其測量結果的優劣，通常用相對誤差來評定。相對誤差及精度等級 示值相對誤差（測量誤差）:通常,希望示值落在儀表滿度值的2/3以上滿度相對誤差(引用誤差)：我國規定電工儀表精確度等級有0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七級。0.1級即表示引用誤差是0.1%。儀表的準確度等級和基本誤差 例：某指針式電壓表的精度為2.5級，用它來測量電壓時可能產生的滿度相對誤差為+/-2.5% 。 例：溫度表: 0.5級,量程100度,

11、可能產生的最大絕對誤差? 用其測80度溫度時,示值相對誤差? 10度溫度時,示值相對誤差?通常: 最大絕對誤差不變,示值相對誤差隨示值的減小而增大 例1：欲測240N左右的壓力，要求測量示值相對誤差的絕對值不大于0.6%，問若選用量程為250N的測力計，其精度應選哪一級？若選用量程為300N和500N的測力計，其精度又分別選哪一級？例2：已知待測溫度約為60左右。現有兩只溫度計，一只為0.5級，測量范圍為0300；另一只為1.0級，測量范圍為080。問選用哪一只溫度計較好？為什么？測80度的溫度, A: 0.5級的0-300度 B: 1.0級 0-100度通常,希望示值落在儀表滿度值的2/3以

12、上例：某指針式萬用表的面板如圖所示，問：用它來測量直流、交流（）電壓時，可能產生的滿度相對誤差分別為多少？例：用指針式萬用表的10V量程測量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問：選擇該量程合理嗎？ 用2.5V量程測量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問示值相對誤差哪一個大？第三章 測試系統特性測試裝置與線性系統123不失真測試系統4本章學習要求：重點：測試系統的靜態、動態特性測試系統靜態特性測試系統動態特性1.測試裝置與線性系統測試系統，依據研究對象不同，含義的伸縮性很大，既可指一個復雜裝置的測試系統，也可能是指該測試系統的各組成環節，例如傳感器、放大器、中間變換電路，記錄器。為從

13、測試裝置的輸出中識別其輸入，必須研究測試裝置輸出、輸入及測試裝置三者之間的關系。 工程測試一般總是希望測試裝置的測出信號能不失真地反映被測的信號，為此對測試裝置的傳輸特性提出了一些基本要求。 1.1 測試系統基本要求 理想的測試系統應該具有單一的、確定的輸入輸出關系。對于每一輸入量都應該只有單一的輸出量與之對應。知道其中一個量就可以確定另一個量。其中以輸出和輸入成線性關系最佳。 xy線性xy線性xy非線性在實際測試工作中，把測試系統在一定條件下，看成一個線性系統，具有重要的現實意義。測試裝置的輸入量x(t)和輸出量y(t)都是時間的函數，如果它們之間的關系可以用線性常微分方程來描述，即1.2

14、線性系統及其主要性質 稱該系統為時不變線性系統，也稱定常線性系統。通常，nm，表明系統是穩定的，及系統的輸入不會使輸出發散。系統均為常數，不隨時間變化。線性時不變系統有以下主要性質：1、疊加性作用于線性系統的各個輸入所產生的輸出是互不影響的。在分析眾多復雜輸入時，可以先分析單個輸入的作用時的輸出，然后將所有輸出疊加即為總輸出。若則2、比例特性若則對于任意常數k3、微分特性：系統對輸入微分的響應等于對原輸入響應的微分。若則4、積分特性：如果系統的初始狀態為零，則系統對輸入積分的響應等于原輸入響應的積分若則5、頻率保持特性若則也就是說信號經過測試裝置后，幅值可能放大或縮小，相位也可能發生變化，但頻

15、率不會變化判斷一個系統是否是線性系統，只要判斷該系統是否滿足疊加性和比例性。若滿足就是線性系統。線性時不變系統的這些性質，特別是疊加特性和頻率保持特性，對測試工作十分有用。例如，知道了線性時不變系統的輸入激勵頻率，那么可以判定所得的響應信號中只有與輸入頻率同頻率的分量才是輸入所引起的，而其他頻率分量都是噪聲。2. 靜態特性（靈敏度、線性度、回程誤差）：是指被測信號是常值時，其測出信號與被測信號之間所呈現的關系a) 線性度 線性度是指測試裝置的輸出與輸入的比值保持常數比例關系的程度。在進行測試裝置靜態標定時，一般用實驗來確定其輸出-輸入的對應關系。由此繪制的曲線稱為標定曲線，對該曲線可用多種方法

16、（端值法，最小二乘法擬合出一條直線）。 標定曲線與擬合直線的偏離程度就是線性度。 線性誤差=B/A100%表征測試系統輸入、輸出關系保持常值線性比例關系的程度，是測試系統一個非常重要的精度指標B標定曲線偏離擬合曲線的 最大偏差A輸出范圍b)靈敏度（表征測試裝置對輸入量變化的反應能力） 當測試裝置的輸入x有一增量x，引起輸出y發生相應的變化y時，則定義: S=y/x 理想測試裝置的靈敏度為常數，而一般測試裝置的靈敏度是一個變量，此時常用擬合直線的斜率作為該測試裝置的靈敏度。例如：有一位移傳感器，每給以1um的位移量（輸入信號的變化量），能得到0.2mV的輸出，則其靈敏度為S=0.2mV/um。靈

17、敏度的量綱由輸入和輸出的量綱決定。當它們的量綱相同時，靈敏度又稱為“放大倍數”或“增益”。靈敏度為常數是線性系統的特征之一。分辨力 描述測量裝置對被測量變化的反應能力，他是指輸出指示裝置對輸入微小變化的響應能力。 一般規定數字裝置的分辨力就是最后一位變化一個字的大小，模擬裝置的分辨力是指示標尺分度值的一半。 某數字電壓表的量程為2V，各位最大讀數為1.9999V，最末位變化一位的大小為0.0001V，則其分辨力為0.1mV。注意：S并非越高越好，S越高，就越容易受到外界干擾的影響，即裝置的穩定性越差靈敏度是否越高越好？c) 回程誤差 測試系統當輸入量由小增大和由大減小的測試過程中，對于同一個輸

18、入量，所得輸出量不一致的程度。 在數值上用同一輸入量下所得到的兩個數值不同的輸出量之間差值最大者為hmax與測量系統滿量程輸出值A比值的百分數表示則定義回程誤差為 回程誤差=(hmax/A)100%為什么會產生回程誤差？ 由遲滯現象產生的，即由于裝置內部的彈性元件、磁性元件的滯后特性以及機械部分的摩擦、間隙、灰塵積塞等原因造成的。 靜態特性傳遞函數頻率響應函數 3.動態特性：當輸入量隨時間變化時，測試系統所表現出的響應特性,測試系統的動態特性的好壞主要取決于測試系統本身的結構，而且與輸入信號有關。時域微分方程(1) 時域微分方程 已知系統輸入，通過求解微分方程，就可求得系統的響應，根據輸入輸出

19、之間的傳輸關系就可確定系統的動態特性。求解復雜，使用不方便。(2) 傳遞函數 在初始條件為零的前提條件下，對微分方程的兩邊做拉普拉斯變換，可以得到：將輸出量和輸入量兩者的拉普拉斯變化之比定義為該系統的傳遞函數H(s)，即(2) 傳遞函數傳遞函數特點： 只反映系統本身的傳輸特性，與輸入和初始條件無關，與系統具體的物理結構無關。只反映系統本身的傳輸特性，與系統具體的物理結構無關。對實際的物理系統，輸入和輸出具有不同的量綱，傳遞函數通過系統反映出輸入輸出量綱的變換關系。分母取決于系統的結構，分母的最高冪次代表了系統的階數。(3) 頻率響應函數根據定常線性系統的頻率保持特性，若輸入為一正弦信號則穩態時

20、的輸出是與輸入同頻率的正弦信號但其幅值和相位角通常不等于輸入信號的幅值和相位角。輸出信號與輸入信號的幅值比和相位差都是輸入信號頻率的函數。(3) 頻率響應函數定常線性系統在正弦信號的激勵下起穩態時的輸出信號和輸入信號的幅值比定義為該系統的幅頻特性。穩態輸出和輸入的相位差定義為該系統的相頻特性。二者統稱為系統的頻率特性。相頻和幅頻構成的復數稱為頻率響應函數。在傳遞函數H(s)中，令即便可求得頻率響應函數由于系統的初始條件為零，因此系統的頻率響應函數就成為輸出的傅氏變換與輸入的傅氏變換之比，即(3) 頻率響應函數幅頻特性：相頻特性：4. 一階系統動態特性：可用一階微分方程來描述的系統對于以上的微分

21、方程，總可以將其改寫為標準歸一化的形式對一般的一階系統，微分方程的一般形式為：式中，=a1/a0,具有時間的量綱，稱為時間常數；S=b0/a0，是一階系統的靜態靈敏度常數。對歸一化方程作拉氏變換得：一階系統的傳遞函數為：S為系統靈敏度,為了分析方便，令S=1,將系統作為歸一化系統令可得一階系統的頻率響應函數幅頻特性：相頻特性：一階系統特點：（1）一階系統是一個低通環節，只有遠小于1/時，幅頻特性A()才接近為一階系統的幅頻曲線和相頻曲線1，且相差沿近似斜直線趨近于0，信號通過系統后，各頻率成分的幅值基本保持不變。因此一階裝置值適用于測量緩變或低頻信號。（2）時間常數決定了一階系統適用的頻率范圍

22、，從幅頻特性曲線和相頻特性曲線可以看到，當= 1/時，輸出輸入的幅值比A()降為0.707（-3dB），此點對應著輸出信號的功率衰減到輸入信號的半功率的頻率點，此點被視為系統信號通過的截止點。是一階系統的重要特征參數，它決定了系統的動態特性。 越小，轉折頻率就越大，測試信號的動態范圍就越寬。求信號x(t)=9cos(t+45) +12cos(4t+30),通過一階系統后的輸出y(t)。 設該系統時間常數=1s,系統的靜態靈敏度為S=5。5. 二階系統動態特性：對一般的二階系統，微分方程的一般形式為：對于以上的微分方程，總可以將其改寫為標準歸一化的形式式中，是系統的固有頻率是系統的阻尼比（01）時，二階系統的頻率特性和一階系統的頻率特性甚為接近，此時系統近似為一階系統。當很小（0 0.4）時，在= n處，系統發生共振。當選取=0.6-0.8， （0.6-0.8） n時，A() 1，對應的頻率范圍最大，()與近似線性關系，在這種情況下，系統的穩態響應的動態誤差較小。 n處是系統的共振點，此時系統的響應的幅值最大，相位滯后90 作為實用裝置，要避免系統進入該頻率點。n段， ()很小，且和頻率近似成正比增加n段， ()趨近于-180 ，即輸出信號幾乎和輸入信號反相在靠近n段， ()隨頻率的變化而劇烈變化，而且越小，這種變化卻劇烈 n越大，系統保持動態誤