传感器原理-第一章

第一章 绪 论§1-1 测试技术1、什么是测试技术？测试技术(Measurement and Test)：测量与试验相结合的方法和技术。

是科学研究过程的主要工作内容。

科学研究的方法：观察、假设、验证。

伽利略通过观察和测量得知，物体自由坠落过程的速度随时间而增加； 他提出自由落体位移与时间成平方成正比的假设，即：()212x t gt = 在比萨斜塔上反复进行实验，验证了以上假设并测得系数 981g .= 测试技术，是科学观察的基本方式、科学验证的基本手段；是工程实践中，运用科学理论、科学思想和科学方法的基本手段。

例1-1. 为了设计某个自动抛物系统，设计师需要知道特定形状的物体自由坠落过程中所受到的空气阻力大小。

建立系统模型：• 现有研究结果表明，物体在空气中运动时受到的阻力与其速度成正比： ()()R d f t c x t dt= c —— 空气阻力系• 运动方程：()()22d d m x t c x t m g dt dt+=⋅ • 初始条件：()()0000t d x x t dt ===• 解得坠落过程的运动规律：,2,1i j c t m i i j m m x g e g t c c -⎛⎫⎛⎫=-+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ • 试验设计：自由坠落，多位置计时：1111,11,21,3x x x t t t ⎡⎤⎢⎥⎣⎦ 1111,11,21,3x x x t t t ⎡⎤⎢⎥⎣⎦ 1111,11,21,3x x x t t t ⎡⎤⎢⎥⎣⎦ • 数据处理：寻找一个 c 使误差()332,11,i i j i j e x x t c ==⎡⎤=-⎣⎦∑∑达到最小。

2、测试技术的任务及测试系统的组成相关术语和概念：实验：为了验证某个假设或概念的存在性和合理性而进行的测量和数据分析过程。

( 以演示的目的为主 )试验：为了检验某个功效的程度或特定参量的大小而进行的测量和数据分析过程。

（以测定的目的为主 )测量：使用一定的装置，通过实验来测定某个物理数据的过程；数据处理：利用特定的技术和设备，为了获得某种信息而对数据进行分析运算过程。

包括：数据的传输、存储、检索、比较、变换和运算等等。

测试：测量 + 实验/试验，以获取被测对象的某个物理参数、物理性能、物理性质而进行的实验或试验设计、数据测量和数据处理的全过程。

测试技术：借助一定的测量手段和试验方法，获得被观测对象的某些参量或特征的技术。

例如：心理测试、智商测试等，通过答题过程测定被试者的某种能力。

✓ 包含一个或一系列试验过程；✓ 测试结果是通过分析测量数据后间接获得；例1-2. 测试两只步枪的射击精度。

(1)、试验设计：为减小子弹装药量多少、环境风速变化、空气密度变化等随机因素的影响，在同样固定方式下，每只枪各射击多次，记录全部弹着点坐标。

(2)、试验和数据记录1111121211181377347168516562196N N x y ..x y ..x y ..--⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ，2121222222614679885247679273474577N N x y ..x y ..x y ..⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (3)、数据处理✓ 中心坐标：1111N N n n n n X x Y y N N ====∑∑ ✓正确度：Mean =✓ 精密度：STD =测试结果中心： -1.5387 , 1.255 中心： 6.104 , 6.9098A 正确度： 1.9856B 正确度： 9.2197精密度： 3.7276 精密度： 1.2657 不确定性：事件结果的不可预测程度。

✓ 事件1：明天早上会下雨吗？✓ 事件2：明天早上会地震吗？✓ 事件3：明天还会是白天吗？信息量：对信息接受者的原有不确定性 (uncertainty )的消除程度；信息的定量描述，某事件发生后有 N 个可能的结果，每个结果出现的概率分别为：12N p p p ，并且11Nn n p ==∑，则该事件的信息熵为：211N n n nH p log p ==∑ 例如：国家队 vs 五邑大学队 ； 输赢概率：0.99 : 0.01 H 1=0.0808国家队 vs 伊朗国家队； 输赢概率：0.55 : 0.45 H 2=0.9928国家队 vs 韩国国家队； 输赢概率：0.25 : 0.75 H 3=0.8133国家队 vs 巴西国家队； 输赢概率：0.05: 0.95 H 4=0.2864信号：是信息的载体，其物理形态可以转换、传输和记录，而承载的信息不变。

本课程中的信号：随时间变化的物理量，且以机械量和热工量为主。

✓机械量：例如，应力、应变、位移、速度、转速、角度等等；✓热工量：例如，压力(压强)、流量、温度等等；非电量电测法：将非电物理量变换成电压、电流、电容、电阻等等电量进行传输、记录和显示，从而达到测量目的的方法；传感器：在非电量电测过程中，实现非电量到电量的转换的器件或设备； 传感器标定：通过实验建立被测非电物理量与传感器输出电量的之间精确函数关系的方法和过程；测试工作的内容：1、依据研究对象的既有模型或假设，结合具体的研究目的设计实验；2、利用适当的仪器设备、通过合理的操作过程获得必要的测试数据；3、通过数据处理获取描述、评价和比较研究对象状态和属性的“信息”。

测试系统的组成及测试的工作流程：3、测试技术的发展方向新材料应用：新型压电、磁敏、光敏、气敏等敏感材料应用——新型传感器；计算机技术应用，主要体现在以下两个方面：✓嵌入式计算机的应用——智能传感器和传感设备；✓计算机技术与通讯技术的应用——网络化测试技术、虚拟仪器技术；数据处理技术发展：新型变换域方法、人工智能在数据挖掘、知识获取方面的应用等等，使得数据分析的结果更加丰富、更加深入。

4、本课程的内容和任务工程中常见动态物理量的传感、信号调理、数据采集的方法及设备应用；常用数据处理方法的算法原理及应用，基本的时域处理和频域处理方法；5、特别强调：被测对象的性质和测试目的是试验/实验设计的基础，因此，完成一项测试任务，需要融合专业领域的知识和测试技术的知识。

6、几个实例例一：空调管路振型、固频及动应变测试，为减振降噪和疲劳预测提供依据。

例二：玻璃材料冲击测试，获取玻璃在冲击载荷作用下的力学特性，为建筑物防的爆设计提供依据。

例三：异响测试，消除“工频”噪声，保留机械故障音，以便监测机器状态。

例四：轴心轨迹测试。

分离出转子动不平衡、电机定子磁力不平衡，对整机振动的影响。

为整机减震、降噪，提供了技术依据。

例五：测量机械波在黑板上的传播速度。

1、试验设计：在黑板上，沿振源径向已知间距 L 安置两个振动加速度传感器。

检测两个传感器拾到的振动波的时间差 t 0，计算波速：L v t2、利用虚拟仪器，记录并处理数据。

3、数据处理方法。

信号之间关系：()()210x t k x t t =⋅-令，信号()1x t 的Fourier 变换为：()(){}11X x t ω=F由时延性质知：()(){}()02101j t X k x t t kX e ωωω-=-=F 于是：()()()(){}(){}02211j t x t X H ke X x t ωωωω-===F F取传递函数()H ω的相位函数()0t ϕωω=-其斜率就是时间差 t 0。

§1-2 量的基本概念§ 1-2-1 量和量纲，国际单位制量：现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。

基本量：确定单位制时选定的相互独立的量。

1971年，第14届国际计量大会确定了国际通用的“国际单位制”，简称“SI 制”( 法语 Système International d‘unités 缩写)。

其中包括七个基本量：✧ 时间单位：s / 秒；✧ 长度单位：m / 米；✧ 重量单位：kg / 千克；✧ 电流单位：A / 安培；✧ 温度单位：ºC / 摄氏度；✧ 光强度单位：cd / 坎德拉；✧ 物质的量：mol / 摩尔 （以1克C 12所包含的C 原子个数为一个单位） 两个辅助量：✧ 平面角度单位： rad / 弧度；✧ 球面角单位： sr / 球面度；导出量：以基本量为基础，为表示物质属性或运动状态而导出的量。

例如： 速度，物体在单位时间运动的距离，m / s ，或， km / h 等；压强，单位面积上的压力，Pa = N/m2，帕斯卡。

国际制中的倍数单位和分数单位：✧ 倍数单位：k ( kilo 103) / M ( mega 106) / G ( giga 109 ) / T ( tera 1012 )； ✧ 分数单位：d (10-1) / c (10-2) / m (10-3) / μ (10-6) / n (10-9) / p (10-12) ； 例如：压力(压强) 1,000,000 Pa ＝ 1 000kPa= 1 MPa长度 1 m ＝ 10 dm = 100 cm = 1000 mm , 1 mm = 1000 μm电容 1 F ＝ 106 F μ, 1F μ = 1000 nF ＝ 106 pF测试技术中常用的几个电学量：✧ 电压：1 V ＝ 1000mV ＝ 1,000,000V μ✧ 电流：1 A ＝ 1000mA ＝ 1,000,000 A μ✧ 电阻：1 Ω＝1000m Ω ＝ 1,000,000μΩ✧ 电荷：1 C ＝ 1000mC ＝ 1,000,000 C μ§1-2-2 基准、标准和量值的传递计量：为实现测量准确和单位统一而进行的测量过程；计量特点：准确性、一致性、溯源性、法制性。

计量基准：用来保存和复现计量单位的计量器具。

三级基准：国家基准、副基准和工作基准，分别由国家、省、市质量监督局保存。

计量标准：按照国家计量检定系统规定的准确度等级制作的计量器具，用于检定低一级的计量标准或计量器具。

如，检定测长器具（如游标卡尺）的量块。

量值传递：通过自上而下逐级检定或校准，将国家基准所复现的单位量值逐级传递到测量用的器具上，以保证测量量值的准确和一致。

第二十八条 县级以上人民政府计量行政部门依法设置的计量检定机构，为国家法定计量检定机构。

其职责是：负责研究建立计量基准、社会公用计量标准，进行量值传递，执行强制检定和法律规定的其他检定、测试任务，起草技术规范，为实施计量监督提供技术保证，并承办有关计量监督工作。

常用仪表精度级别：0.05级、0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级；称重仪表：用分度数表示，分度数3000表示其准确度为满量程的 1／3000。