测试技术1

1. 传感器的组成
敏感元件 被测量 转换元件 基本转换 电路 测量 电路
电 量
直接感受被 测量，以确 定关系输出 某一物理量
将敏感元件 输出的非电 物理量转换 成电路参数 （电阻 电感 电容）量或 电量
将电路参数转 换成便于测量 的电量（电压 电流 频率等）
实际上结构有的简单，有的复杂。例如热电偶只 有敏感元件，感受被测温差时，直接输出电动势。
霍尔式
压磁式
利用导磁体的压磁效应，测:力、压力等
感应同步器
两个平面绕组的互感随位置不同而变化， 测位移（线位移和角位移）
(4)电容式传感器: 将被测参数的变化变换为电容量的变化
通过改变电容量，测量：位移、加速 电容式 度、力、压力、液位、声强、含水量
改变电容量或加以激励电压产生感应 容栅式 电势，测量：位移
本课程的目的
（1）掌握过程测试技术的基本知识。 （2）介绍应变、压力、温度、流量等过程参数测试 技术和所需仪器仪表的工作原理及应用。
（3）介绍微机检测技术及应用的信息及检测技术发 展趋势。通过实验掌握一些测试方法和技能，获得 正确测量和对数据进行误差处理的能力。
（4）对测试工作有较为完整、系统的概念。
状态量：颜色、透明度、磨损量、材料内部裂纹或缺陷、
气体漏泄、表面质量。
（2）按能量传递方式分类
能量控制型传感器
感受被测量以后，只改变自身的电参数（电阻、电感、电 容等），这类传感器本身不能起换能作用，但对传感器提供的 能量起控制作用，使用这种传感器时必须加上外部辅助电源。
能量转换型传感器 具有换能功能，能将被测物理量（速度、加速度等）直接转 换成电量（电流或电压）输出，不需要辅助外加电源，有时也称 作发电型传感器。如磁电式、压电式、热电式等传感器。 能量传递型传感器 在某种能量发生器与接收器进行能量传递过程中实现敏感检 测功能的，如超声波换能器必须有超生发生器和接收器，还有核 辐射检测器、激光器等。
传感器价格也会相应提高 （5）稳定性：长期使用，特别是在严重恶劣环境中 使稳定性定和可靠性指标变得十分重要。有时需要考虑传
感器对干扰输入、变形输入的敏感程度，温度、湿度、本
身热效应、电源等因素影响。横向效应影响（电阻片） （6）其它：传感器结构力求简单，根据测量要求选 择传感器的尺寸、形状、重量。尽量做到只感受作用而不
激光式
利用激光干涉多普勒效应衍射及光电器件 测：长度、位移、速度、尺寸
红外式
利用红外辐射的热效应或光电效应 测：温度、遥感、探伤、气体分析
(8)其它新型传感器
a)机器人传感器 b) Smart传感器（智能化传感器） 具有检测和信息处理功能 航天飞机用智能传感器 三维速度智能传感器 声源智能传感器
3. 选用传感器需要考虑的问题
测量的基本方法
（1）直接比较法
通过直接与标准比较来进行测量。如测量桌子的 长度等。
（2）间接比较法
必须使用某种形式的测量系统。如杆秤，是通过 杠杆来完成质量的间接测量。
测试技术应用范围
工程技术领域：工程研究、产品开发、生产监督、 质量控制、性能测试、故障诊断等。 日常生活：日常生活三表（水表、电表、煤气表）、 医院监护设施、汽车中各指示仪表、天气 预报、地震海啸预警等。
测试系统的组成
测试 对象 1.传 4 感器 2.中间 5 变换器 ← 3.显示 6 ← 记录器
人
测试系统 传输 4、5 、6通道 图 测试系统组成框图
一 传感器（sensor）
能够感受规定的被测量并按照一定的规律转 换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元 件和转换元件组成。
作用:
感受被测物理量的变化，并将参量功能转 换的元件（或装置）如应变、噪音、压力、温 度等非电量信号转换成与之有对应关系和易于 精确处理的电信号或其它形式的信号。
(1)电阻式传感器：将被测量值变化转变为电阻变化的 一种传感器。
电阻应变片式 应变使应变片电阻值发生变化， 测：压力、力、力矩、应变、位 移、加速度等 利用半导体材料的”压阻效应”，
固态压阻式
测:压力、加速度等
移动电位器触点改变电阻值。
电位器式
测:位移、压力、力、加速度等
特点：结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳定、输出功 率大。
实验五 气瓶加压过程参数计算机数据采集实验 实验六 电阻应变片测量技术-铝合金气瓶应力测定实验
4. 考核形式
（1）完成6个实验，交实验报告（50%） （2）平时成绩 (10%) （3）论文“测试技术在**领域中的应用”， “我对测试技术的认识”等， 不少于2000字，PPT(40%)
5. 教材
（1）<<测试技术实验讲义>>电子版
热电偶 利用温差“热电效应”，测：温度、 热流等
热电阻
利用金属的热电阻效应，测温度
热敏电阻
利用半导体的热电阻效应，测:温度 红外辐射等
(7)光电式传感器:
被测量参数的变化值转变为光信号，光信号作用
于具有光电效应的物质上再转变为电量进行测量的传
感器。
特点：结构简单、精度高、响应快、非接触测量等 广泛应用于自动检测中
科学探索：神州七号、卫星遥感、火星探测等。
广泛应用于工农业生产、科学研究、国内外贸 易、国防建设、交通运输、医疗卫生、环境保护、 人民生活等各个方面。
*测试技术解决工程问题
在线铁路机车车辆车架应力应变实时测量
采用箔式应变计SDA-810C动态应变仪及计算机采集分析。
航天模拟返回舱吊装及运输时应力测试
（3）按传感器的工作原理分类 传感器对信息的获取，主要是基于各种物理 的、化学的、以及生物的现象或效应。根据不同 的作用机理，可将传感器分为电阻传感器、电感 式传感器、磁电式传感器、电容式传感器、压电 式传感器、热电式传感器、光电式传感器以及其 它新型传感器。
这种分类方法可对一种敏感元件的敏感原理进行探 究，可以研究多种用途的传感器。
干扰生产过程因素 调节影响生产 过程的物理量 因素 调节装置 控制装置 比较结果
生产过程和设备
各种物理量
测量装置
测出生产过程中的 各种物理量
希望的物理量
测量装置的用途
1.生产过程和设备运行的监测
工艺状况—压力 机械性能—应力
温度 转速
流量 振动
液位 浓度 成份等 噪音等
2.生产过程和设备运行的控制 测得物理量—与希望的物理量比较 调节影响物理量变化的参数—达到生产过程和设备运 行希望的物理量值
3.工程问题实验分析
验证理论正确与否 获得经验公式，发展新理论
测试技术发展趋势
传感器的发展 智能化传感器——传感器与计算机结合 多传感器——点（零维） 线（一维） 间（三维） 时空（四维） 面（二维） 空
多功能化和高精度化——以传感器为基础，引入各种先进技 术和方法
Hale Waihona Puke Baidu
测试手段的发展
硬件功能软件化 集成化、模块化 参数整定与修改实时化 硬件平台通用化
2. 类型 （1）放大器： 将传感器所得的电信号进行电压或功率放 大，以适应后面环节的需要，尽量减小测试系 统对被测量信号的影响。
电涡流式
(3)磁电式传感器:根据电磁感应的原理制成
磁电感 应式 利用导体和磁场相对运动产生感应电 势，测：速度、转速、扭矩等
磁栅式
利用磁头相对磁栅位置或位移将磁 栅上的磁信号读出，测:长度、线位 移、角位移等 利用半导体霍尔元件的霍尔效应，既霍 尔元件在磁场和电流作用下产生霍尔电 势 测:位移、力、压力、振动等
测量信号处理的发展
目标：进一步提高在线实时能力；提高分辩力和运算精度； 扩大和发展新的专用功能；专用机结构小型化，性能标准化，
价格低廉。
开发平台的发展趋势
结合用户自身需要开发应用软件，构成自己需要的实用
仪器和实用测控系统。
未来精密测试技术应用发展的几个方面：
零废品生产中的测量控制
视觉测试技术 测量尺度上继续向两个极端发展
标 准
输入量 （需被确定的物 理量，如某人的 身高）
测量过程（与标准 长度—米尺相比较）
输出量 （已确定的物理 量—身高的米数）
测试仪器发展的四个阶段：
第一阶段：17世纪工业革命到20世纪中叶，基于物理定律 的模拟仪表。如伏特表、安培表、电能表、压力表、温度 表、电桥电位差计磁电式模拟仪表、机械式记录仪等。基 本解决了当时很多物理量的测量问题。 第二阶段：20世纪50年代出现了电子管、60年代发明了晶 体管后，便产生了以电子管或晶体管为基础的分离元件式 仪表。如以应变仪、放大器、示波器等为代表的电子仪器。 使测试技术产生了质的飞跃。
(2) 电感式传感器：将被测信号的变化量转变成 电感变化量的一种传感器。
测量：位移、振动、压力、应变、流量、密度等参数。 自感式 改变磁路磁阻使线圈自感变化
互感式
（差动变压器式）将被测量的变化 转换为传感器互感系数的变化 利用电涡流现象改变线圈自感。测：位移、 厚度、振幅、尺寸、热膨胀系数、轴心轨 迹、非铁磁材料导电率及金属探伤等。
有的传感器由敏感作用和转换作用合二为一的元 件构成。如固体压力传感器。
有的传感器直接将非电量转换为电量输出，不 包含转换元件，如热敏电阻等。
2.传感器的分类
（1）按被测物理量分类
热工量：温度、热量、比热容；压力、压差、真空度；流 量、流速、风速。 机械量：位移（线位移、角位移）、尺寸、形状；力、重 量、力矩、应力；质量；转速、线速度；振动幅 值、频率、加速度、噪声。 物性和成分量：气体化学成分、液体化学成分；酸碱度 （pH值）、盐度、浓度、黏度、密度、相对密度。
（2）<<化工机械测试技术>>电子版
课程安排
周次 时间
星期一
5、6节 综合楼209 5、6节
星期二
星期三
3、4节 综合楼209
星期四
星期五
第三周 第四周
第七周
第八周 第十一周
5、6节
5、6节 5、6节
7、8节
7、8节
实验安排见实验课表
第一章 概论
什么是测试技术
测试是测量与试验(实验)简称，依靠一定的 科学技术手段定量地描述事物的状态变化和特征。 测试工作的基本任务是通过测试手段，对研究对 象中的有关信息量作出比较客观、准确的描述， 使人们对其有一个恰当的全面的认识，并达到进 一步改造和控制研究对象的目的。
(5)压电式传感器
将被测参数转化为作用力作用于压电材料上形成电 场而进行测量的传感器。
正压电式
利用压电材料的正压电效应
测量:力、压力、加速度、粗糙度
声表面波式
利用压电材料的正、逆压电效应 测量:力、压力、角加速度、位移
(6)热电式传感器: 利用不同导体串接成的闭合回路 中结合点不同温度而产生电势
第三阶段：20世纪70年代出现集成电路，将数字技术成功 运用到测量仪器。使得电子技术、控制技术、集成电路和 计算机技术真正的融为一体，形成现代测试技术的雏形。 目前使用的测试仪器大多属于这一阶段产物。
第四阶段：20世纪80年代开始，以微处理器为中心的智能 型仪表相继问世，成为现代测试技术的发展时期。测试仪 器之间的通讯实现了标准化和数字化。
化工机械测试技术
魏 炜
E-mail:sea_aster925@yahoo.com.cn 大连理工大学过程装备与控制工程系
2009.09
前 言
1. 课程性质：必修课 2. 课程安排
3. 实验内容：
实验一 传感器技术基础实验
实验二 压力表及压力传感器的标定实验 实验三 传感器测试应用实验(五选二)
实验四 静态电阻应变仪实验
一般形式
改变光路的光通量, 测位移、温度、转速
光栅式
利用光栅副形成的莫尔条纹和位移的关 系，测量：长度、角度、线位移、角位移
光学编码器
利用编码器转换成亮暗光信号，测量： 线位移、角位移、转速
固体图像式
利用半导体集成感光象素光电转换、 储存扫描图像、字符识别、尺寸自动 检测
光纤式
利用光导纤维的传输特性或材料效应 测：位移、速度、加速度、水声、温度、压力
（1）灵敏度：根据需要合理确定;过低，迫使下一级装置 要求过高，甚至不能满足测量要求, 过高，容易受干扰，使测 量范围变窄。 （2）线性：线性范围应尽量宽，使工作量程大绝对线性 不存在，不超过规定范围的非线性误差是允许的。
（3）动态响应特性：动态测量时必须考虑 , 保证传感器
在不失真频段内工作。
（4）精度：应根据实际测量情况合理确定，高精的
给被测对象以作用。
二.
中间变换器
1. 作用： 将传感器输出的量值很小的信号放大，线性化 或转变成统一信号，供给显示器或记录器。
•0~10mA DC, 4~20mA DC, 0~5V DC, 20~100KPa气压信号
简单的测试系统中可能完全省略； 大多数信号变换包括：放大、调制和解调、滤波等； 功能强大的测试系统还要有计算机； 远距离测量时，要有数据传输装置。