應用型本科機械類專業“十三五”規劃教材

傳感器與測試技術

主編：王恒副主編：杜向陽裴九芳冷芳西安電子科技大學出版社2016.6第1章緒論 1.1測試技術概述

人類認識客觀世界和掌握自然規律的實踐途徑之一是試驗性的測量——測試。在科學研究中，測試可獲得研究對象的原始感性材料，從而為形成自然科學理論莫定基礎；同時，測試又是發展和檢驗自然科學理論的實踐基礎。測試(measurementandtest)是具有試驗性質的測量。測量是為確定被測對象的量值而進行的試驗過程；試驗是對迄今未知事物的探索性認識過程。因此，測試技術包括測量和試驗兩方面。測試技術正是研究有關測試方法、測試手段和測試理論的科學，它應用于不同的領域并在各個自然科學研究領域起著重要作用。從尖端技術到生活中的家電，從國防到民用都離不開測試技術。先進的測試技術也是生產系統不可缺少的一個組成部分。

在交通領域，一輛現代化汽車需要對車速、方位、轉矩、振動、油壓、油量、溫度等諸多參數進行檢測。

在軍事中，測試技術對武器裝備發展的支撐作用越來越突出，綜合測試能力已經成為決定武器裝備作戰效能的重要因素,現代飛行器裝備著各種各樣的顯示系統和控制系統，反映飛行器飛行參數和姿態、發動機下作狀態的各種物理參數都要進行檢測。一架新型飛機測量參數高達幾千甚至上萬個，包括各種模擬量參數、數字量信號、各種航空電子總線信號、多路視頻和語音、外部測試參數等。

在機械加工中，數控機床和生產流程的各個階段都離不開參數的測量。如在自適應控制磨床中，需要連續測定加工過程中的力矩、切削溫度、工具的撓度、切削力的大小等參數，由計算機控制以達到最好的加工效果。1.2測試系統的組成

測試技術主要研究各種物理量的測量原理、測量方法、測量系統及測量信號處理方法。

測量原理是指實現測量所依據的物理、化學、生物等現象及規律。如水銀溫度計是利用了水銀的熱脹冷縮性質；壓力測力計是利用了石英晶體的壓電效應等。測量方法是指在測量原理確定后，根據對測量任務的具體要求和現場實際情況，需要采用不同的測量手段，如直接測量法、間接測量法、電測法、光測法、模擬量測量法、數字量測量法等。測量系統是指在確定了被測量的測量原理和測量方法后，由各種測量裝置組成的測試系統。要獲得有用的信號，必須對被測物理量進行轉換，分析和處理，這就需要借助一定的測試系統。利用測試系統測得的信號常常含有噪聲，必須對其進行轉換、分析和處理，提取出所需要的信息，才能獲得正確的測量結果。

測試系統的組成框圖如圖1-1所示，圖1-1(a)是一般測試系統框圖，圖1-1(b)是反饋測試系統框圖。它由傳感器、信號變換、信號分析與處理或微型計算機等環節組成，或經信號變換，直接顯示和記錄。

圖1-1測試系統的組成框圖

被測對象的信息蘊含在不同物理量中，這些物理量就是被測值，測得的物理量多是一些非電量，如長度、位移、速度、加速度、頻率、力、力矩、溫度、壓力、流量、振動、應變等。

現代測試技術中測量非電量的方法主要是電測法，即將非電量轉換為電量，然后借助電測儀器和裝置對電信號進行分析和處理。電測法具有許多其他測量方法所不具備的優點，如測量范圍廣、精度高、響應速度快，能自動連續測量，數據傳輸、存儲、記錄、顯示方便，并可以實現遠距離檢測、遙控，還可以與計算機構成測量系統，實現快速、多功能及智能化測量。

傳感器是將外界信息按一定規律轉換成可以被該測試系統識別的物理形式的裝置。電測技術的傳感器是將外界信息按一定規律轉換成電信號的裝置，它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。目前，除利用傳統的結構型傳感器外，大量物性型傳感器被廣泛采用。結構型傳感器是以物體(如金屬膜片)的變形或位移來檢測被測量的。物性型傳感器是利用材料固有特性來實現對外界信息的檢測，它有半導體類、陶瓷類、光纖類及其他新型材料等。世界上先進國家都把傳感器技術列為核心技術。

信號變換環節是對傳感器輸出的信號進行加工，如將信號放大、調制與解調、阻抗變換、線性化、將信號變換為電壓或電流等。原始信號經這個環節處理后，就變換成便于傳輸、記錄、顯示、轉換以及可進一步后續處理的信號。這個環節常用的模擬電路是電橋電路、相敏電路、測量放大器、振蕩器等；常用的數字電路有門電路、各種觸發器、A/D和D/A轉換器等。1.3測試技術的主要任務及其在機械工程中的應用1.3.1測試技術的主要任務了解被測信號的特性；選擇測試系統；評價和分析測試系統的輸出（信號）。對物理量進行測試面臨著三個任務：

完成這3個任務會涉及以下內容：(1)

信號分析。信息蘊含在物理量中，這些物理量就是信號，信號是信息的載體。信號分析是測試系統中非常重要的環節，工程領域的物理量往往是隨時間變化的動態信號，選擇這里信號的測量系統，不僅要考慮被測信號的限值，還要了解被測信號的變化頻率，以作為選擇測試裝置工作頻率的依據。了解被測信號的頻率信息經常采用頻譜分析方法。對于通過測試裝置獲得的輸出信號，根據測試的目的和要求不同，往往也需要對其進行分析，例如相關分析、頻譜分析和統計分析等。

(2)

測試系統的特性分析。測試系統的任務是感受輸入的被測信號，并將其轉化為可以理解或可以量化的輸出形式。不同的測試系統對相同的輸入有不同的響應（輸出）。輸出在多大程度上真實反映被測輸入信號，取決于測試系統在傳遞信號的過程中對信號進行了怎樣的“加工”。(3)

信號采集與調理。測試工作離不開具體的測量與轉化裝置，例如傳感器、信號的調理裝置等。工程領域的被測信號一般是非電量，如速度、加傳感器就是完成這種轉換的。為了便于后續的傳輸與分析處理，往往需要對傳感器輸出的電信號進行調理與轉換。例如，濾波器可濾除干擾噪聲，調制可將低頻的測試信號轉換成易于在信道中傳輸的高頻調制信號，模/數轉換器可將模擬的電信號轉化為數字信號，便于信號的數字分析等。1.3.2測試技術在機械工程領域的主要應用

在機械工程領域，測試技術得到了廣泛應用，已經成為一項重要的技術基礎。目前測試技術在機械工程領域中應用最為活躍的有如下幾個主要方面：1.在機械振動和結構設計中的應用:

在工業生產領域，機械結構的振動分析是一個重要的研究內容。通常在工作狀態或人工輸入激勵下，采用各種振動傳感器獲取各種機械振動測試信號，再對這些信號進行分析和處理，提取各種振動特征參數，從而得到機械結構的各種有價值信息。尤其是通過對機械振動的頻譜分析、機械結構模態分析和參數識別等，分析振動性質及產生原因，找出消振、減振的方法，進一步改進機械結構的設計，提高產品質量。3.在機械設備狀態監測與故障診斷中的應用:

在電力、石油、冶金、化工等眾多行業中，某些關鍵設備，如汽輪機、電動機、壓縮機、風機、泵、變速箱等設備的工作狀態關系到整個系統生產的正常與安全。對這些關鍵設備進行動態在線監測，可以及時、準確地掌握它們的運行狀況和變化趨勢，為工程技術人員提供詳細、全面的機組信息，是實現設備事后維修或定期維修向預知維修轉變的基礎。2.在自動化控制與生產領域的應用:

在工業自動化生產中，通過對工藝參數的采集與檢測，實現工藝流程、產品質量和設備運行狀態的監測與控制。例如在自動軋鋼系統中，使用力傳感器實時測量軋制力大小、使用測厚傳感器實時測量鋼板的厚度。這些測量信號反饋到控制系統后，控制系統根據軋制力和板材厚度信息來調整輪輥的位置，保證板材的軋制尺寸和質量。1.4現代測試技術的發展趨勢1.4.1傳感器的發展趨勢

作為直接與被測量接觸的測試系統第一環節的傳感器，其主要發展趨勢有：①開展基礎研究，探索新理論，發現新現象，開發傳感器的新材料和新工藝；②實現傳感器的集成化、多功能化和智能化；③研究生物感官，開發仿生傳感器。1.發現新現象傳感器工作的基本原理就是各種物理現象、化學反應和生物效應，所以發現新現象與新效應是發展傳感器技術、研制新型傳感器的理論基礎。2.開發新材料材料是傳感器的重要物質基礎，新型的敏感元件材料會給傳感器帶來新的功能或特性，特別是物性敏感元件材料。例如平導體氧化物可以制造各種氣體傳感器；而陶瓷傳感器工作溫度遠高于半導體；光導纖維的應用是傳感器材料的重要突破，用它研制的傳感器具有突出特點；高分子聚合物材料作為傳感器敏感元件材料的研究已引起國內外學者的極大興趣。3.采用微細加工技術微細加工技術又稱微機械加工技術，是隨著集成電路(IC)制造技術發展起來的，可使被加工的敏感結構的尺寸達到微米、亞微米級。微型傳感器就是利用該技術加.工制作的特征尺寸為微米級的各類傳感器的總稱，是近代先進的微電子機械系統(MEMS)中的重要組成部分。4.智能傳感器智能傳感器是傳統傳感器與微處理器賦予智能的結合，兼有信息檢測與信息處理的功能。智能傳感器充分利用微處理器的計算和存儲功能，對傳感器的數據進行處理并能對它的內部進行調節使其采集的數據最佳。智能傳感器的結構可以是集成的，也可以是分離的。按結構可以分為集成式、混合式和模塊式三種形式。集成智能傳感器是將傳感器與微處理器、信號調理電路做在同一芯片上所構成的，集成度高、體積小。

5.多功能傳感器多功能傳感器能轉換多個不同物理量，對多個參數進行測量。如同時檢測鈉、鉀和氫離子的傳感器，其尺寸為2.5mm×0.5mm×0.5mm，可直接用導管送進心臟內進行檢測。檢測血液中的鈉、鉀和氫離子的濃度，對診斷心血管疾病非常有意義。6.仿生傳感器結合物理、化學和生物各方面作用原理，在整體上具有優良特性的復雜系統就是大自然創造的生物。不僅人類集多種感官于一身，還有多種生物具有奇異功能，尤其有些動物的感官功能大大超過當今傳感器技術所能實現的范圍。深人廣泛研究生物界具