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1、传感器与测试技术,第一章 绪 论,掌握测试等基本概念,1,2,3,测量误差的概念,4,本章学习要求：,掌握测试系统的组成,了解测试技术的发展趋势,揭示和探索客观世界的规律方法:,理论分析 实验测量,1.1 测试技术的基本概念,测量：,确定被测对象属性量值为目的的全部操作,电子卡尺,玻璃管温度计,结论： 测量是一种静态的，相对孤立的记录性操作. “定量”,1.1 测试技术的基本概念,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：,1.2 测试方法和测试系统,直接测试和间接测试 接触测试和非接触测试 非电测法和电测法,测试方法,非电量电测法优点：,能连续测量，自动记录，便于通过反馈
2、去自动控制和调整生产过程 通过电量放大器很容易将被测量放大很多倍，可测极其微小的量 既可测静态量也可测动态量，而且可测瞬态量 可以有线或无线实现远距离遥测 可利用计算机进行自动测试以及分析和处理测试数据,传感器中间变换装置显示记录装置,传感器将被测物理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量，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，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。,信息转换,信息提取,测试系统：,典型测试系统,根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中传感器、中 间变换装置和显示记录装置等每个环节又可由多个模块组成。,机床轴
3、承故障监测系统中的中间变换装置就由带通滤波器、A/D变换和计算机中的FFT分析软件三部分组成。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（快速傅里叶变换）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。另外，测试系统的测量分析结果还可以和生产过程相连，当机床振动信号超标时发出报警信号，防止加工废品的产生。,1.3 测试技术的工程应用,在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制
4、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工程领域。,1.3 测试技术的工程应用,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。,1. 机械手、机器人中的传感器,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,2. AGV自动送货车,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。,香港理工AGV模型,1.3 测试技术的工程应用,3. 生产加工过程监测,切削
5、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。,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。,4. 流程工业设备运行状态监控,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,5. 产品质量测量,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
6、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。,6. 楼宇控制与安全防护,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,7. 家庭与办公自动化,8. 工业检测,9. 交通,10. 日常生活,11. 航空航天宇宙飞船,飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁
7、场、振动测量。“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中： 温度传感器559个 压力传感器140个 信号传感器501个 遥控传感器142个 专家说：整个宇宙飞船是高性能传感器的集合体,12. 未来世界,智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源） 智能衣服（自动调节温度） 智能公路（自动显示、记录公路的压力、温度、车流量） 智能汽车（无人驾驶、卫星定位）,声学照相机,球型阵列是为测量小型设备和在有限制空间中（例如车舱内）对于高频声源定位而设计的48/120通道测量系统。,数字人工头测试系统,采集的结果可以直接存储在内部存储卡中，在人工头前端的插槽内，储卡可以直接插拔。 RC 远程控制器可以实
8、现对HMS .0所有功能的远程控制，其中RC 远程控制器包括蓝牙适配器及PDA组成。,鼠标:光电位移传感器,摄像头:CCD传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡 + D/A卡,14. PC机中的测试技术应用,1.4 测试技术的发展趋势,1. 不断提高测试系统的测量精度、量程范围、延 长使用寿命、提高可靠性：,2. 应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域,3. 新型、集成化、智能化传感器,4. 发展网络化传感器及检测系统,5. 测量信号处理方面_虚拟仪器技术,1.5 测试装置中常用术语,量程：指测试装置示值的上、下范围之差。 测量范围：指在该装置规定的极限误差范围内所能测量的被测量的范围，对
9、于动态测试装置，要给出频率的测量范围。,1.5 测试装置中常用术语,绝对误差（示值误差）： 示值误差=指示值-真值 =Ax0,在实际测量中，被测量的真值是不知道的，通常用实测量的算术平均值或满足规定精度的测量值作为真值。例如：用一级精度压力表去鉴定二级精度压力表，那么，一级精度压力表的测量值就作为二级精度的压力真值使用。,1.5 测试装置中常用术语,某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？ 对于不同的被测量，用绝对误差往往很难评定其测量结果的优劣，通常用相对误差来评定。,相对误差及精度等级,示值
10、相对误差（测量误差）:,通常,希望示值落在仪表满度值的2/3以上,满度相对误差(引用误差)：,我国规定电工仪表精确度等级有0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七级。0.1级即表示引用误差是0.1%。,仪表的准确度等级和基本误差,例：某指针式电压表的精度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为+/-2.5% 。,例：温度表: 0.5级,量程100度,可能产生的最大绝对误差? 用其测80度温度时,示值相对误差? 10度温度时,示值相对误差?,通常: 最大绝对误差不变,示值相对误差随示值的减小而增大,例1：欲测240N左右的压力，要求测量示值相对误差的绝对值不大于0.6
11、%，问若选用量程为250N的测力计，其精度应选哪一级？若选用量程为300N和500N的测力计，其精度又分别选哪一级？,例2：已知待测温度约为60左右。现有两只温度计，一只为0.5级，测量范围为0300；另一只为1.0级，测量范围为080。问选用哪一只温度计较好？为什么？,测80度的温度, A: 0.5级的0-300度 B: 1.0级 0-100度,通常,希望示值落在仪表满度值的2/3以上,例：某指针式万用表的面板如图所示，问：用它来测量直流、交流（）电压时，可能产生的满度相对误差分别为多少？,例：用指针式万用表的10V量程测量一只1.5V干电池的电压，示值如图所示，问：选择该量程合理吗？,用2
12、.5V量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？,第三章 测试系统特性,测试装置与线性系统,1,2,3,不失真测试系统,4,本章学习要求：,测试系统静态特性,测试系统动态特性,1.测试装置与线性系统,测试系统，依据研究对象不同，含义的伸缩性很大，既可指一个复杂装置的测试系统，也可能是指该测试系统的各组成环节，例如传感器、放大器、中间变换电路，记录器。 为从测试装置的输出中识别其输入，必须研究测试装置输出、输入及测试装置三者之间的关系。 工程测试一般总是希望测试装置的测出信号能不失真地反映被测的信号，为此对测试装置的传输特性提出了一些基本要求。,1.1 测试系统基本
13、要求,理想的测试系统应该具有单一的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。,在实际测试工作中，把测试系统在一定条件下，看成一个线性系统，具有重要的现实意义。 测试装置的输入量x(t)和输出量y(t)都是时间的函数，如果它们之间的关系可以用线性常微分方程来描述，即,1.2 线性系统及其主要性质,称该系统为时不变线性系统，也称定常线性系统。通常，nm，表明系统是稳定的，及系统的输入不会使输出发散。系统均为常数，不随时间变化。 线性时不变系统有以下主要性质： 1、叠加性,作用于线性系统的各个输入所产生的输出
14、是互不影响的。在分析众多复杂输入时，可以先分析单个输入的作用时的输出，然后将所有输出叠加即为总输出。,若,则,2、比例特性,若,则对于任意常数k,3、微分特性：系统对输入微分的响应等于对原输入响应的微分。,若,则,4、积分特性：如果系统的初始状态为零，则系统对输入积分的响应等于原输入响应的积分,若,则,5、频率保持特性,若,则,也就是说信号经过测试装置后，幅值可能放大或缩小，相位也可能发生变化，但频率不会变化,判断一个系统是否是线性系统，只要判断该系统是否满足叠加性和比例性。若满足就是线性系统。 线性时不变系统的这些性质，特别是叠加特性和频率保持特性，对测试工作十分有用。例如，知道了线性时不变
15、系统的输入激励频率，那么可以判定所得的响应信号中只有与输入频率同频率的分量才是输入所引起的，而其他频率分量都是噪声。,2. 静态特性（灵敏度、线性度、回程误差）：,是指被测信号是常值时，其测出信号与被测信号之间所呈现的关系,a) 线性度,线性度是指测试装置的输出与输入的比值保持常数比例关系的程度。 在进行测试装置静态标定时，一般用实验来确定其输出-输入的对应关系。由此绘制的曲线称为标定曲线，对该曲线可用多种方法（端值法，最小二乘法拟合出一条直线）。,标定曲线与拟合直线的偏离程度就是线性度。 线性误差=B/A100%,表征测试系统输入、输出关系保持常值线性比例关系的程度，是测试系统一个非常重要的
16、精度指标,B标定曲线偏离拟合曲线的 最大偏差 A输出范围,b)灵敏度（表征测试装置对输入量变化的反应能力） 当测试装置的输入x有一增量x，引起输出y发生相应的变化y时，则定义: S=y/x,理想测试装置的灵敏度为常数，而一般测试装置的灵敏度是一个变量，此时常用拟合直线的斜率作为该测试装置的灵敏度。,例如：有一位移传感器，每给以1um的位移量（输入信号的变化量），能得到0.2mV的输出，则其灵敏度为S=0.2mV/um。 灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定。当它们的量纲相同时，灵敏度又称为“放大倍数”或“增益”。灵敏度为常数是线性系统的特征之一。,分辨力 描述测量装置对被测量变化的反应能力，他是指输出指示装置对输入微小变化的响应能力。 一般规定数字装置的分辨力就是最后一位变化一个字的大小，模拟装置的分辨力是指示标尺分度值的一半。 某数字电压表的量程为2V，各位最大读数为1.9999V，最末位变化一位的大小为0.0001V，则其分辨力为0.1mV。,注意：S并非越高越好，S越高，就越容易受
