第一篇：淺談新形勢下機(jī)械工程測試技術(shù)教學(xué)改革的論文

機(jī)械工程測試技術(shù)是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它主要研究機(jī)械工程領(lǐng)域與設(shè)計(jì)相關(guān)的試驗(yàn)、控制和運(yùn)行監(jiān)測中所涉及到的物理量及其它工程量的測量和測量裝置的性能，主要包括物理量和其他工程量的測量方法、測試中常用的傳感器、信號的調(diào)理電路及記錄、顯示儀器的工作原理、測量裝置基本特性的評價方法、測試信號的分析和處理等內(nèi)容。它是一門綜合應(yīng)用相關(guān)課程的知識和內(nèi)容來解決機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中所面臨的測試問題的課程，基本理論較多，同時所研究的內(nèi)容都直接面向工程應(yīng)用中的測試問題，與工程應(yīng)用緊密結(jié)合。由于各種基于新的測試原理和測試方法的新型傳感器不斷出現(xiàn)，課程的教學(xué)內(nèi)容也處于不斷更新的變化之中。

隨著高校專業(yè)改革的發(fā)展，一方面測試技術(shù)課程的學(xué)時數(shù)逐漸減少，教學(xué)時數(shù)(包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué))已縮減為32學(xué)時，而另一方面為了適應(yīng)現(xiàn)代工程測試技術(shù)發(fā)展的需要，對于機(jī)械工程測試技術(shù)課程的教學(xué)要求卻又有所提高。因此，為了在減少學(xué)時的情況下達(dá)到相同的教學(xué)效果，機(jī)械工程測試技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式也需要與時俱進(jìn)。本文依照課程教學(xué)內(nèi)容服從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、課程教學(xué)方法服務(wù)于課程教學(xué)內(nèi)容、素質(zhì)教育貫穿于整個教學(xué)過程的原則，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和分析解決工程實(shí)際問題的能力為目的，針對新形勢下機(jī)械工程測試技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了一些研究與探索。

1以面向工程應(yīng)用為主的教學(xué)內(nèi)容體系的改革

按照教學(xué)內(nèi)容服務(wù)于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的原則，以面向工程應(yīng)用為主要目的，將課程內(nèi)容進(jìn)行模塊化整合，在教學(xué)過程中應(yīng)以應(yīng)用模塊的教學(xué)為重點(diǎn)，以適應(yīng)培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的工程應(yīng)用型人才的需要。

機(jī)械工程中一個完整的測試系統(tǒng)一般包括：被測對象(通常是各類信號)、傳感器、調(diào)理電路、信號采集與數(shù)字信號處理及反饋控制等，與此相應(yīng)的理論內(nèi)容主要有：信號及其描述方法、測試裝置性能的靜動態(tài)分析、各種常用傳感器的原理及后接電路、信號調(diào)理、信號的顯示與記錄、信號處理等，這些內(nèi)容構(gòu)成了機(jī)械工程測試技術(shù)課程的基本理論部分，涉及知識面較廣，知識點(diǎn)多而繁瑣。同時課程也包括了常見物理量如位移、力、應(yīng)力和應(yīng)變、振動測試、溫度及流體參量中的壓力和流量等常見物理量的測試方法，還包括現(xiàn)代計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)等內(nèi)容，這一部分屬于應(yīng)用性內(nèi)容。

針對課程內(nèi)容的特點(diǎn)，將教學(xué)內(nèi)容劃分為信號及其描述模塊、信號傳輸系統(tǒng)性能模塊、傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、信號處理模塊及應(yīng)用實(shí)例模塊這六大模塊。其中前五個模塊屬于該課程的理論部分，它們間的關(guān)系也非常明確，即按照信號的運(yùn)行路徑為主線組織知識點(diǎn)，此部分內(nèi)容中傳感器模塊為重點(diǎn)內(nèi)容，主要講授常用傳感器的工作原理及后接電路，該部分內(nèi)容與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，其余內(nèi)容如信號傳輸系統(tǒng)性能及信號調(diào)理等與學(xué)生學(xué)習(xí)過的自動控制原理及電工學(xué)等課程有重合，在教學(xué)過程中可以做簡單回顧即可。最后的應(yīng)用實(shí)例模塊既是前面各模塊的有機(jī)結(jié)合，又是該課程的目的所在，該模塊含幾個典型物理量的測試實(shí)例，每個實(shí)例應(yīng)有具體的系統(tǒng)組成及適當(dāng)?shù)睦碚摲治觥＿@樣組織教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)時能清晰地理解各個知識模塊的作用及在測試系統(tǒng)中的地位，對于測試系統(tǒng)的完整組成及性能分析有比較完整的概念，另外也可以學(xué)習(xí)到各種物理量測試技術(shù)的具體工程應(yīng)用方法。

2教學(xué)方法與手段的改革

2.1工程實(shí)例教學(xué)法

按照教學(xué)方法服務(wù)于教學(xué)內(nèi)容的原則，由于機(jī)械工程測試技術(shù)這門課程與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密，直接面向工程應(yīng)用，因此在教學(xué)過程中，應(yīng)將適當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)例引入教學(xué)，這對于提高教學(xué)效果具有重要作用。

如在講述傳感器的原理時，除講清楚各種傳感器的原理之外，還需要通過大量的工程實(shí)例來使學(xué)生認(rèn)識所學(xué)習(xí)的傳感器是如何應(yīng)用于實(shí)際工程量的測量。例如，筆者在講述壓電傳感器時，給學(xué)生舉了一個壓電傳感器應(yīng)用于懸臂梁振動測試的例子。壓電加速度計(jì)由慣性質(zhì)量塊和受壓的壓電陶瓷晶體等組成，固定安裝在懸臂梁上，當(dāng)給懸臂梁施加一定頻率的激振信號時，壓電加速度計(jì)感受與懸臂梁相同頻率的振動，若振動頻率遠(yuǎn)小于壓電加速度計(jì)的固有頻率，質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電陶瓷晶體上，由于壓電效應(yīng)，壓電陶瓷晶體上產(chǎn)生正比于運(yùn)動加速度的表面電荷，通過電荷放大器等后接電路，便可以得到懸臂梁振動的加速度信號，再通過雙重積分器即可得到懸臂梁的振動位移信號。

例如，在講述關(guān)于濾波器的問題時，筆者通過LABVIEW給學(xué)生演示了一個濾波器應(yīng)用程序，頻率為10Hz、幅值為1的正弦波與頻率為60Hz、幅值為0.1混疊有幅值為0.1的白噪聲的正弦信號疊加的合成信號，通過無限長沖擊響應(yīng)(IIR)3階低通濾波器進(jìn)行濾波處理，當(dāng)濾波器的截止頻率分別為20Hz和65Hz時，通過觀察濾波后信號的波形圖，來了解濾波器的截止頻率對于濾波效果的影響。

這些工程實(shí)例的引入，一方面能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識的興趣，了解相關(guān)知識的工程應(yīng)用，同時又能提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容分析和解決工程實(shí)際問題的能力。

2.2啟發(fā)式教學(xué)法

啟發(fā)式教學(xué)，就是根據(jù)教學(xué)目的、內(nèi)容、學(xué)生的知識水平和知識規(guī)律，運(yùn)用各種教學(xué)手段，采用啟發(fā)誘導(dǎo)辦法傳授知識，使學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)，以促進(jìn)能力培養(yǎng)。在課堂教學(xué)中，應(yīng)盡量避免填鴨式教育，盡量啟發(fā)學(xué)生利用已有知識去主動分析和解決理論推導(dǎo)和實(shí)際問題。在具體實(shí)施中，針對部分教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生理解并掌握該部分內(nèi)容為目標(biāo)，可以先列出研究思路和步驟，然后在講解過程依步驟逐步提示學(xué)生利用現(xiàn)有知識去進(jìn)行思考，并嘗試自己獨(dú)立推理，然后再由教師進(jìn)行詳細(xì)講解。

例如，在講述關(guān)于非周期信號的傅立葉變換時，先列出學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的周期信號的復(fù)指數(shù)展開式，提示他們可以將非周期信號看成是周期為無限長的周期信號，從而引導(dǎo)他們借用周期信號的復(fù)指數(shù)展開式去自己推導(dǎo)出傅立葉變換式。在講述了傅立葉變換的基本概念之后，提示他們結(jié)合數(shù)學(xué)中的坐標(biāo)變換去理解傅立葉變換實(shí)質(zhì)上是一種積分變換，將一個信號通過積分變換變成另一個信號，兩個信號相互之間有聯(lián)系，傅立葉變換后得到的信號自變量已經(jīng)變?yōu)轭l率而非時間，通過分析一個信號的傅立葉變換可以得到信號的頻譜密度函數(shù)，從而了解了信號包含的各頻率成份及特征。通過啟發(fā)式教學(xué)，學(xué)生深刻地理解了傅立葉變換的意義，同時也加深了對信號時域分析和頻域分析的理解。

實(shí)踐證明，學(xué)生對于啟發(fā)式教學(xué)方法比較感興趣，他們也樂于在教師的啟發(fā)下通過自己的思考去一步步解決實(shí)際問題，而非被動的接受教師的講解，而經(jīng)過對具體知識求解過程的鍛煉，他們的自學(xué)能力及分析和解決實(shí)際問題的能力都得到較大程度的提高。

2.3將MATLAB及LabVIEW軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)

機(jī)械工程測試技術(shù)作為一門與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密的課程，其內(nèi)容隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，尤其是MATLAB軟件及虛擬儀器技術(shù)等已成為測試系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的重要工具。從工程實(shí)際需要出發(fā)，筆者在課堂教學(xué)中，將工程中廣泛應(yīng)用的MATLAB軟件及虛擬儀器技術(shù)引入課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生去了解這些軟件在測試系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的作用。

例如，在講述測試裝置的靜動態(tài)特性時，利用MATLAB的simulink仿真工具箱，建立一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的仿真框圖模型，給系統(tǒng)以不同的輸入如單位階躍輸入、單位脈沖輸入等，再通過改變一階系統(tǒng)的時間常數(shù)及二階系統(tǒng)的阻尼率和固有頻率等參數(shù)，來模擬測試裝置在不同輸入下的響應(yīng)，這些內(nèi)容編寫成一個個仿真子程序，在授課的時候直接調(diào)用子程序來運(yùn)行。

講述各種信號時，可以利用LABVIEW的信號仿真函數(shù)，產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦波信號、方波信號及三角波信號等，同時利用頻譜測量函數(shù)顯示相應(yīng)信號的幅值譜和相位譜。在講述濾波器時，通過合并低頻信號和高頻信號或噪聲信號組成混疊信號，并利用濾波器函數(shù)來編制應(yīng)用程序來仿真高通濾波器、低通濾波器及帶通濾波器等不同種類濾波器的濾波性能，從而使學(xué)生可以直觀了解各種不同種類濾波器的性能。所有演示內(nèi)容都編寫成一個個應(yīng)用實(shí)例，在課堂教學(xué)時直接調(diào)用。

通過將MATLAB和LabVIEW軟件引入課堂教學(xué)，即避免了書本知識過于枯燥、學(xué)生易失去學(xué)習(xí)興趣的問題，又能通過實(shí)例演示加深學(xué)生對于所學(xué)內(nèi)容的直觀印象，同時引導(dǎo)學(xué)生自己學(xué)習(xí)相應(yīng)的軟件，自己動手去處理實(shí)際問題，既提高了課堂教學(xué)效果，也培養(yǎng)了學(xué)生的應(yīng)用相關(guān)軟件去分析解決工程實(shí)際問題的能力。

2.4多媒體教學(xué)

由于課程教學(xué)內(nèi)容較多，同時又包含有大量工程應(yīng)用內(nèi)容，而教學(xué)課時數(shù)又相對較少，因此，對于大部分內(nèi)容的講解宜采用多媒體教學(xué)，這有利于發(fā)揮多媒體教學(xué)信息量大，且可以對大量實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行動畫顯示等優(yōu)點(diǎn)。例如，在講述測試系統(tǒng)的組成時，為了加深學(xué)生對于測試系統(tǒng)各個組成環(huán)節(jié)的印象，筆者舉了旋轉(zhuǎn)軸偏心量監(jiān)測系統(tǒng)的例子。位移傳感器獲取軸承在X、Y方向的位移信號，通過調(diào)理電路進(jìn)行放大和濾波，再經(jīng)過信號數(shù)據(jù)采集送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行處理和顯示。監(jiān)測系統(tǒng)采用動畫顯示的方式，既利于學(xué)生形象地通過測試信號的傳遞及信號的變換與處理過程，也利于加深其對測試系統(tǒng)整體組成的理解，同時也可提高學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力。

2.5小論文式大作業(yè)

在教學(xué)過程中，針對主要內(nèi)容布置一些大作業(yè)，選題范圍主要是一些相關(guān)的工程實(shí)際問題，也可以讓學(xué)生自行選題，要求他們以小組的形式，按照測試系統(tǒng)的組成，自己選擇相應(yīng)的硬件去搭建能夠投入工程實(shí)際應(yīng)用的測試系統(tǒng)，并分析所組成的測試系統(tǒng)的性能，最后按照一般科技論文的格式完成一篇簡單的小論文。例如，在課程學(xué)習(xí)基本完成之后，向部分學(xué)生布置了一道機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的大作業(yè)，讓學(xué)生自己選用合適的傳感器，并選用相應(yīng)的測試系統(tǒng)硬件，自己搭建一個轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)，并應(yīng)用LANVIEW軟件編制信號采集及信號處理程序。實(shí)踐表明，在教學(xué)中鼓勵、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小論文式的大作業(yè)的訓(xùn)練，可以更好地發(fā)揮其學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，也使得學(xué)生設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)的能力和分析解決工程實(shí)際問題的能力得以提高，是一種非常有效的研究型教學(xué)方法。

3更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)施開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容既要服務(wù)于課程教學(xué)目標(biāo)，同時也要緊跟工程實(shí)踐要求，著重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力。為此，我們對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，在保留了一些驗(yàn)證性的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容同時，也積極開設(shè)了一些設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。更新后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為二個部分：第一部分為基本實(shí)驗(yàn)，主要包括電橋性能綜合實(shí)驗(yàn)、霍爾測速實(shí)驗(yàn)及壓電式加速度傳感器測量振動實(shí)驗(yàn)，第二部分為綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)(機(jī)床主軸振動測試、液壓系統(tǒng)流量測試及桁架應(yīng)力綜合測試)。基本實(shí)驗(yàn)以課程基本知識為載體，以基本知識和動手能力訓(xùn)練為重點(diǎn)，為必開實(shí)驗(yàn)。綜合創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、分析和解決工程實(shí)際問題的能力為目的，學(xué)生可以選做自己感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施開放式、自主式教學(xué)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室開放期間任何時間來做實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求自行選用相應(yīng)傳感器及相關(guān)硬件和軟件搭建測試系統(tǒng)，并獨(dú)立完成整個實(shí)驗(yàn)，從而使自己動手能力和實(shí)踐能力得到加強(qiáng)。教師在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，指出實(shí)驗(yàn)過程中存在的一些不足，同學(xué)生進(jìn)行討論。這樣，可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，使他們掌握處理問題的技巧，從而更好地激發(fā)和培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新能力。

4結(jié)論

機(jī)械工程測試技術(shù)教學(xué)的主要目的就是讓學(xué)生更好地掌握測試系統(tǒng)的理論和測試系統(tǒng)性能分析的方法，并學(xué)會獨(dú)立選用相應(yīng)的硬件和軟件去搭建測試系統(tǒng)去分析和解決工程實(shí)際中的工程量測試問題。近幾年的教學(xué)實(shí)踐表明：本文在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面進(jìn)行的研究與探索，在提高教學(xué)效果方面顯示了較好的作用。模塊化且面向工程應(yīng)用為主的教學(xué)內(nèi)容體系更適合具有創(chuàng)新意識的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需要，各種教學(xué)方法與手段的采用能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和分析解決工程實(shí)際問題的能力，更新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠加強(qiáng)學(xué)生動手能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

第二篇：機(jī)械工程測試技術(shù)總結(jié)

測試技術(shù)與信號處理課程小結(jié)

測試是人們認(rèn)識客觀事物的方法，測試過程是從客觀事物中提取有關(guān)信息的認(rèn)識過程。測試包括測量和實(shí)驗(yàn)，在測試過程中，需要借助專門設(shè)備，通過合適的實(shí)驗(yàn)和必要的數(shù)據(jù)處理，求得所研究對象的有關(guān)的信息量值。信息，一般可理解為消息、情報或知識。信息本身不是物質(zhì)，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質(zhì)和能量，一般說，傳輸信息的載體成為信號，信息蘊(yùn)含在信號之中。例如，古代烽火，人們觀察到的事光信號，它所蘊(yùn)含的信息是“敵人來進(jìn)攻了”。信號具有能量，它描述了物理量的變化過程，在數(shù)學(xué)上可以表示為一個或幾個獨(dú)立變量的函數(shù)，可以取為隨時間或空間變化之圖形。例如，噪聲信號可以表示為一個時間函數(shù)；機(jī)械零件的表面粗糙度，則可表示為一個二元空間變量的高度函數(shù)。信息·信號的轉(zhuǎn)換、傳輸與處理過程

按照信號變化的物理性質(zhì)，可分為非電信號和電信號。例如隨時間變化的力、位移、加速度等，可稱為非電信號，而隨時間變化的電壓、電流、電荷、磁通等，則成為電信號。信號的分析處理，是指從傳感器等一次敏感原件獲得初始信息，用一定的設(shè)備和手段進(jìn)行分析處理我們就所得的信號往往要經(jīng)過加工變換，例如，濾波、調(diào)制、變換、增強(qiáng)、估值等，其目的是改變信號的形式，便于分析和識別：濾除干擾噪聲，提取有用的信息。信號分析的經(jīng)典方法有時域分析法與頻域分析法，其中時域分析法是用信號的幅值隨時間變化的圖形或表達(dá)式來分析的，頻域分析法是把信號的幅值、相位或能量變換為以頻率坐標(biāo)軸表示，進(jìn)而分析其頻率特性的一種方法。

測試工作的全過程包含著許多環(huán)節(jié)

信號可分為確定性信號和非確定性信號，確定性信號是指可以用明確數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號；非確定性信號是指不能用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號。其中確定性信號又分為周期信號和非周期信號。在所分析的區(qū)間（-∞，∞），能量為有限值的信號為能量信號，能量不是有限值，此時研究該信號的平均功率更為合適。對周期信號，時域到頻域的變換工具是三角傅里葉級數(shù)或復(fù)數(shù)傅里葉級數(shù)。前者得到的是單邊譜，后者得到的是雙邊譜。當(dāng)用Fourier級數(shù)的諧波分量之和來表達(dá)具有間斷點(diǎn)的波形時可以看到吉布斯現(xiàn)象，它是由于展開式在間斷點(diǎn)領(lǐng)域不能均勻收斂引起的。對于非周期信號，其頻域分析的數(shù)學(xué)手段是傅里葉變換。信號的分類

周期信號：經(jīng)過一定時間可以重復(fù)出現(xiàn)的信號

x(t)

=

x(t + nT)簡單周期信號非周期信號：不會重復(fù)出現(xiàn)的信號

信號分析中常用的函數(shù)

δ函數(shù)的含義是指在?時間內(nèi)激發(fā)一個矩形脈沖Sg(t)(或三角形脈沖、雙邊指數(shù)脈沖、鐘形脈沖等)，其面積為1。當(dāng)ε→0時，Sg(t)的極限就稱為δ函數(shù)，記作δ(t)。δ函數(shù)也稱為單位脈沖函數(shù)。

δ函數(shù)的性質(zhì)

采樣特性：如果δ函數(shù)與某一連續(xù)函數(shù)f(t)相乘，顯然其乘積僅在t=0處為f(0)δ(t)，其余各點(diǎn)(t≠0)之乘積均為零。其中f(0)δ(t)是一個強(qiáng)度為f(0)的δ函數(shù)。

f?t???t??f?0???t?

f?t???t?t0??f?t0???t?t0? 篩選(積分)特性

?????f?t???t?dt?f?0?00

?f?t???t?t?dt?f?t???卷積特性：任何函數(shù)和δ函數(shù)卷積是一種最簡單的卷積積分

?? x?t?*??t??x?????t???dt?x???????t?dt?x?t????? ??sinc 函數(shù)

sinc（t）函數(shù)又稱為抽樣函數(shù)、濾波函數(shù)或內(nèi)插函數(shù)，在許多場合下頻繁出現(xiàn)，其定義為

sintsin?t sinc(t)?,or，(???t??)復(fù)指數(shù)函數(shù)

t?test?e?t?ej?t

???t??

?e?tcos?t?e?tsin?t

s???j?

根據(jù)s取值不同，復(fù)指數(shù)函可以概括信號分析中所遇到的多種波形。虛軸代表振蕩頻率，實(shí)軸代表振幅變化。時域中遇到的任何時間函數(shù)，總可以表示成復(fù)指數(shù)函數(shù)的離散和與連續(xù)和。

系統(tǒng)是由若干個相互作用、相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。構(gòu)成測試系統(tǒng)的每一個單元，也可以看成是一個基本系統(tǒng)（或元系統(tǒng)）。按系統(tǒng)的輸入輸出分，系統(tǒng)可分為連續(xù)時間系統(tǒng)與離散時間系統(tǒng)；系統(tǒng)也可分為即時系統(tǒng)與動態(tài)系統(tǒng)。即時系統(tǒng)，也稱為無記憶系統(tǒng)：其輸出信號只決定于同時刻的激勵信號，與它過去的工作狀態(tài)無關(guān)，可用代數(shù)方程描述。動態(tài)系統(tǒng)，也稱有記憶系統(tǒng)：其輸出與它過去的工作狀態(tài)有關(guān)，可用微分或差分方程描述。

信息就是事物運(yùn)動的狀態(tài)和方式。它具有可以識別、轉(zhuǎn)換、存儲和傳輸?shù)男再|(zhì)。凡是可以擴(kuò)展人的信息功能的技術(shù)，都是信息技術(shù)。信息技術(shù)的主體內(nèi)容包括傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。

傳感技術(shù)：主要包括信息的識別、檢測、提取、變換以及某些信息處理技術(shù)，它是人的感官功能的擴(kuò)展和延伸。

通信技術(shù)：包含信息的變換、傳遞存貯、處理以及某些控制與調(diào)節(jié)技術(shù)，它是人的信息傳輸系統(tǒng)(神經(jīng)系統(tǒng))功能的擴(kuò)展和延長。

計(jì)算機(jī)技術(shù)：主要包括信息的存貯、檢索、處理、分析、產(chǎn)生(決策或稱指令信息)、以及控制等，它是人的信息處理器官(大腦)功能的延長。

信息論可分為廣義信息論、俠義信息論和一般信息論。狹義信息論，主要研究信息的測度、信道容量以及信源和信道編碼理論等，這一部分即山農(nóng)信息基本理論；一般信息論，也主要是研究通信問題，但包括噪聲理論，信號濾波與預(yù)測，信號調(diào)制與信號處理等。廣義信息論，不僅包括上述內(nèi)容，而且包括與信息有關(guān)的領(lǐng)域，如心理學(xué)、遺傳學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、語言學(xué)甚至包括社會學(xué)中有關(guān)信息的問題。

事件發(fā)生的不確定性和事件發(fā)生的概率有關(guān)。當(dāng)一個小概率的事件發(fā)生了，它所涵蓋的信息就很大。自信息函數(shù)是一個單調(diào)遞減的函數(shù)，發(fā)生的概率越大，它所涵蓋的自信息就越小。例如，一臺機(jī)器，具有正常工作和發(fā)生事故兩種可能狀態(tài)，如果正常工作的概率為P(x1)＝0.99；發(fā)生故障的概率P(x2)＝0.Ol，則可認(rèn)為這臺機(jī)器一般處于正常工作狀態(tài)。但是，一旦發(fā)生故障，則是一件引人注目的事件。因此，某事件發(fā)生所含有的信息量，應(yīng)該是該事件發(fā)生的先驗(yàn)概率的函數(shù)，即：

I?xi??f?P?xi??式中，P(xi)是事件xi發(fā)生的先驗(yàn)概率，I(xi)表示事件xi發(fā)生所含有的信息量。根據(jù)客觀事實(shí)和人們的習(xí)慣概念，函數(shù)I(xi)應(yīng)滿足以下條件:(1)I(xi)是先驗(yàn)概率P(xi)的單調(diào)遞減函數(shù)，P(xi)越大，I(xi)越??；(2)當(dāng)P(xi)＝1時，I(xi)＝0，必然事件信息量為零；

(3)當(dāng)P(xi)=O時，I(xi)＝∞，不可能發(fā)生的事件發(fā)生了，其信息量為無窮大；(4)兩個獨(dú)立事件的聯(lián)合信息量，等于它們各自信息量之和

顯然，滿足條件(1)、(2)、(3)時，應(yīng)取信息量I(xi)為先驗(yàn)概率P(xi)的倒數(shù)；滿足條件(4)時，最好的方法是用對數(shù)來定義信息量。I?xi??log??logP?xi? P?xi?山農(nóng)定義自信息的數(shù)學(xué)期望為信息熵，即信源的平均信息量

N

H?X??E??logP?xi????P?xi?logP?xi? i?1?熵的單位是[bit／事件]或[bit／符號]。

信息熵表征了信源整體的統(tǒng)計(jì)特性，是總體的平均不確定性的量度。對某一特定的信源，其信息熵只有一個；不同的信源，因統(tǒng)計(jì)特性不同，其熵也不同。

信息熵表征了信源整體的統(tǒng)計(jì)特性，是總體的平均不確定性的量度。對某一特定的信源，其信息熵只有一個，不同的信源，因統(tǒng)計(jì)特性不同，其熵也不同。信息熵具有的性質(zhì)是對稱性、確定性、可加性和極值性。在離散信源中，當(dāng)信源的輸出狀態(tài)是等概率分布時信源的熵取最大值，在連續(xù)信源中，情況有所不同，當(dāng)各約束條件不同時，信源的最大相對熵值不同，有兩種情況。其中有峰值功率受限條件下的信源最大熵和平均功率受限條件下的信源最大熵。熵與信息通過一個簡單的守恒定律相聯(lián)系，即一個體系的信息與熵的和保持恒定，這就是信息與熵的守恒定律。

人類感官獲取信息具有局限性，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，人類獲取信息的范圍變的更大。傳感技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)為兩個基本的方向，一是擴(kuò)展感測信息的譜域，二是提高識別信息的智能。其中擴(kuò)展譜域有視覺與光傳感器、聽覺與聲壓傳感器、觸覺與溫度傳感器和嗅覺傳感器。智能化包括動態(tài)測量、遠(yuǎn)距離非接觸測量、特殊環(huán)境測量和微觀測量。在工程中涌現(xiàn)了許多新型的傳感器，在核輻射檢測、超聲波檢測和聲發(fā)射檢測等運(yùn)用廣泛。在選用傳感器時應(yīng)該考慮的基本原則有靈敏度、響應(yīng)特性、線性、穩(wěn)定性、精確性和測量范圍等。信道是構(gòu)成一般信息傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，是載荷著信息的信號所通過的通道，它承擔(dān)了信息傳輸和存儲的任務(wù)。信息傳輸需要借助物質(zhì)和能量。Shannon信道容量關(guān)系式表明，一個信道可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘客耆蓭扚、時間T和信噪比Ps/Pn所決定。Shannon信道容量關(guān)系式：Ct = F log(1+Ps / Pn)

[bit/s] F — 信道帶寬

Ps — 輸入信號的平均功率

Pn — 引入信道的干擾噪聲的平均功率 Ct — 單位時間內(nèi)的信道容量

Shannon信道容量關(guān)系式表明，一個信道可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘客耆蓭扚、時間T和信噪比Ps/Pn所決定。

上圖表示信道容量Ct 與信道帶寬F 的關(guān)系。當(dāng)F 較小時，Ct 隨F 增加較快，且當(dāng)F = Ps/N0 時，Ct =Ps / N0，即此時信道容量等于信號功率與噪聲功率譜密度的比值；當(dāng)F 較大時，Ct 趨向于一極限值(Ps / N0)loge。

根據(jù)Shannon信道容量關(guān)系式，若保持信噪比，那么設(shè)計(jì)原則應(yīng)該是環(huán)節(jié)數(shù)目盡可能少以及建立傳輸環(huán)節(jié)間的耦合關(guān)系。

在測試技術(shù)中，許多情況下需要對信號進(jìn)行調(diào)制，信號的調(diào)制類型有幅值調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制三種。調(diào)幅是將一個高頻正（余）弦信號與測試信號相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。在調(diào)幅過程中要保證不出現(xiàn)過調(diào)失真和重疊失真。調(diào)頻是利用信號x（t）的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說調(diào)頻波是一種隨信號x（t）的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波。頻率調(diào)制較之幅度調(diào)制的一個重要優(yōu)點(diǎn)是改善了信噪比。濾波器是一種選頻裝置，能夠使特殊頻率的成分通過，濾波器可分為四類，其中包括低通、高通、帶通和帶阻。

A/D轉(zhuǎn)換是把連續(xù)時間信號轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號的過程，反之稱為D/A轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換包括了采樣、量化和編碼。采樣是對時間坐標(biāo)的離散化，是連續(xù)的模擬信號變成了離散信號。采樣定理

為保證采樣后信號能真實(shí)地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。

fs ＞fh

滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證此時的采樣信號能真實(shí)地反映原信號x(t)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。

量化則是對幅值坐標(biāo)的離散化，使離散信號變成了數(shù)字信號。信號的加窗截斷會引起能量的泄漏，采用傍瓣小的窗函數(shù)以及加大窗寬能有效的減少能量的泄漏。離散傅里葉變換并非泛指對任意離散信號取傅里葉積分或傅里葉級數(shù)，而是為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算傅里葉變換而引出的一個專用名詞。若在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)算，則必須做到:（1）把連續(xù)信號改造為離散數(shù)據(jù)；（2）把計(jì)算范圍收縮到一個有限區(qū)間；（3）實(shí)現(xiàn)正、逆傅里葉變換運(yùn)算。在這種條件下所構(gòu)成的變換對稱為離散傅里葉變換對。其特點(diǎn)是，在時域和頻域中都只取有限個離散數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別構(gòu)成周期性的離散時間函數(shù)和頻率函數(shù)。

數(shù)字濾波器是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形進(jìn)行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預(yù)定要求對信號進(jìn)行變換，把輸入序列x（n）變換成一定的輸出序列y（n），從而達(dá)到改變信號頻譜的目的。數(shù)字濾波器的濾波系統(tǒng)一般包括了采樣、數(shù)字濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及模擬濾波等。

維納濾波是利用最小平方濾波原理實(shí)現(xiàn)剔除噪聲的一種濾波方法。設(shè)濾波器輸入為x(n)=s(n)+n(n)，其中s(n)為源信號，n(n)為干擾噪聲，且s(n)與n(n)不相關(guān)，維納濾波器的期望輸出為源信號本身，即z(n)=s(n)。

若以濾波器實(shí)際輸出y(n)與理想輸出z(n)的均方誤差Q最小為原則，則可推導(dǎo)出維納濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：

Rs(ej?)j?H(e)? Rs(ej?)?Rn(ej?)

其中Rs、Rn分別表示源信號s(n)和干擾噪聲n(n)的自功率譜。具有這一頻率響應(yīng)函數(shù)的濾波器稱為維納濾波器或最小平方濾波器。

第三篇：機(jī)械工程測試教學(xué)法探究論文

一、借助于展示實(shí)物、多媒體等技術(shù)，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性

例如講授傅立葉變化的時間尺度改變特性時，先理論證明該性質(zhì)，在暴風(fēng)影音中播放鳳凰傳奇的流行歌曲《最炫民族風(fēng)》，從互聯(lián)網(wǎng)上下載有圖像、歌詞的MTV，先正常播放一個片段，活躍課堂氣氛；按下快進(jìn)按鈕，播放速度加快到正常速度的1。5倍（時域內(nèi)，播放時間變?yōu)樵瓉淼?/3），聲音變得尖細(xì)，像兒童（頻域內(nèi)，信號頻譜變寬，高頻成分相對增多）；按下慢放按鈕，播放速度加快到正常速度的0。5倍（時域內(nèi)，播放時間變?yōu)樵瓉淼?倍），聲音變得低沉，像老人（頻域內(nèi)，信號頻譜變窄，低頻成分相對增多）；在輕松、歡快的氣氛中，聽到不同的、變了調(diào)的歌曲，對比屏幕顯示的歌詞，就會明白同樣的信號，改變其時域尺度，頻域成分就會發(fā)生改變。在歡樂中學(xué)習(xí)知識，使學(xué)習(xí)知識變成一個歡樂、輕松的過程。運(yùn)用現(xiàn)代科技為師生交流提供了廣闊自由的交流方式，拓展延伸了教學(xué)時空，在課后學(xué)習(xí)中，師生之間利用鄭州大學(xué)網(wǎng)上評教平臺、E—mail、QQ、手機(jī)等方式，隨時隨地進(jìn)行著交流互動，實(shí)現(xiàn)了師生之間在空間上的零距離。在第一次上課時，把相關(guān)的信息公示出來，既拉近了師生之間的距離，又方便學(xué)生以后有什么疑難問題、意見及建議等及時地聯(lián)系教師。

二、結(jié)合實(shí)際工程案例，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力

案例教學(xué)法首創(chuàng)于哈佛大學(xué)，是當(dāng)今國內(nèi)外高等院校部分應(yīng)用性學(xué)科專業(yè)經(jīng)常使用的一種教學(xué)手段，目的在于有效增加課堂教學(xué)的生動性與實(shí)踐性，以達(dá)到理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的實(shí)際效果。工程案例是將發(fā)生于工程實(shí)踐中的客觀事實(shí)，經(jīng)過文字、數(shù)據(jù)、圖表、動畫等方式進(jìn)行概括、整理，形成可用于課堂交流或探討的案例材料。案例教學(xué)是學(xué)生了解實(shí)際問題的媒介，可以培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。實(shí)踐證明，一個好的案例常常有助于提高教學(xué)質(zhì)量與效果，增加學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的熱情和積極性，并且能起到舉一反

三、觸類旁通的作用，啟發(fā)學(xué)生對工程實(shí)踐中相關(guān)事例與情境的深入觀察與思考[2—3]。機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)是一門理論性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，筆者結(jié)合多年的工程實(shí)踐和專業(yè)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，就案例教學(xué)在其教學(xué)中的應(yīng)用問題進(jìn)行了一些有益的嘗試。所選的工程案例應(yīng)當(dāng)真實(shí)，有針對性、系統(tǒng)性、時效性，難易程度恰當(dāng)，能揭示和應(yīng)用所學(xué)知識，并能引入、消化和吸收新知識，能切實(shí)提升學(xué)生的能力。結(jié)合本課程理論較深奧、實(shí)踐性強(qiáng)、課時少的實(shí)際情況，根據(jù)授課內(nèi)容的要求，采用在理論教學(xué)后提出合適的案例以加深學(xué)生的印象，促進(jìn)其對內(nèi)容深刻理解的案例教學(xué)方法。在講授“常用傳感器與敏感元件”一章時，首先借助于實(shí)物、多媒體方式，介紹各類傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、應(yīng)用特點(diǎn)等理論知識；以京唐公司的高爐入料粒度檢測系統(tǒng)為例，在大屏幕上展示現(xiàn)場的工作環(huán)境、空間尺寸，告訴學(xué)生這是一個環(huán)境中飄浮著較多小顆粒、粉塵，是填海之后腐蝕性較強(qiáng)的場所，實(shí)際生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)物料取樣、分級、稱重等功能，顯示取樣液壓系統(tǒng)壓力、溫度、油液深度、動作過程、稱重檢測結(jié)果等；誤差小于0。3%。要求學(xué)生自愿結(jié)合，八人一組，每組設(shè)計(jì)出一個具體的實(shí)施方案，并寫出設(shè)計(jì)提綱，比較不同方案的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性；特別是各種稱重傳感器（變送器）、限位開關(guān)、溫度傳感器（變送器）、液位計(jì)、壓力傳感器（變送器）的選擇，要求不能只是簡單地給出哪個種類的傳感器，需要闡明元件選擇的依據(jù)，具體寫出每一種傳感器的型號、生產(chǎn)廠家、數(shù)量、價格。在開始講授本章之前，把這個任務(wù)布置下去，要求課下完成。講課過程中，不斷提示本案例，為課堂上有效地開展案例教學(xué)做好充分的準(zhǔn)備。本章內(nèi)容講授完成之后，展開討論。課堂上首先聽取各組的簡短方案發(fā)言，接著教師開始分析設(shè)計(jì)過程，理清設(shè)計(jì)思路，引導(dǎo)學(xué)生有步驟地完成方案設(shè)計(jì)、元件選擇。工程設(shè)計(jì)是沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的，但必須考慮設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，滿足實(shí)際的生產(chǎn)要求。由于討論內(nèi)容超越了課本，將復(fù)雜的工程實(shí)際與本課程的學(xué)習(xí)緊密相連，并看到了所學(xué)知識在工程實(shí)際中的應(yīng)用價值，學(xué)生興趣十足，發(fā)言踴躍，甚至能提出工程實(shí)際中某個方面的不足之處，課堂氣氛、教學(xué)效果得到了極大的改善，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐意識及實(shí)踐能力。

三、改革考試方式

在本課程的教學(xué)過程中，嘗試了多種新的考核方式，旨在讓考試真正成為督促學(xué)生學(xué)習(xí)、調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的有效手段和檢驗(yàn)途徑。應(yīng)改變單一筆試的課程考核方式，采取期末筆試、平時成績、實(shí)驗(yàn)操作考核三者相結(jié)合，全面評定學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握程度。平時成績以作業(yè)、課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)報告為評判依據(jù)，實(shí)際工程案例分組設(shè)計(jì)計(jì)入平時成績。我們將考試方式改變?yōu)椋浩綍r成績占20%；實(shí)驗(yàn)成績占20%；期末考試成績占60%。在期末試卷設(shè)計(jì)時，考慮學(xué)生個體的差異。由于學(xué)生的理論基礎(chǔ)與個人特長的個體差異，因此對于本課程的掌握和理解程度、應(yīng)用能力也相應(yīng)不同，試卷主體仍然按照知識點(diǎn)的要求和分布情況進(jìn)行出題，即基本題占70%左右、提高題占20%左右，較難題占10%左右。不同的是，在占10%的較難題方面給學(xué)生增加選擇。比如，設(shè)置兩道不同題目中任選一題，一題偏重于理論分析，一題偏重于實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生可根據(jù)自己的特長與愛好選做。采用面向?qū)嶋H的教學(xué)法，教學(xué)效果良好，師生共受益。學(xué)生在輕松的氛圍中學(xué)習(xí)知識，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐意識，實(shí)踐能力。學(xué)生在鄭州大學(xué)網(wǎng)上教學(xué)平臺上給教師的留言充滿了感激與鼓勵，給教師打分平均98分以上，就充分地說明學(xué)生對機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)的教學(xué)是肯定的、滿意的。本人在課程的講授過程中，看到學(xué)生理解知識難點(diǎn)后的喜悅，感受到學(xué)生知道所學(xué)得到所用的激動，其樂無窮！

第四篇：機(jī)械工程測試技術(shù)論文 崔孟陽

半導(dǎo)體傳感器的原理、應(yīng)用及發(fā)展

專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制作及其自動化

班級：機(jī)制1306

姓名：崔孟陽

學(xué)號：

*** 日期：2016年4月16日半導(dǎo)體傳感器的原理、應(yīng)用及發(fā)展

摘要：本文主要評述半導(dǎo)體傳感器例如磁敏，色敏，離子敏，氣敏，濕敏的傳感器的原理，在機(jī)械工程中的應(yīng)用及目前的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體傳感器，磁敏、色敏、離子敏、氣敏、濕敏、工作原理、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、應(yīng)用

一、概述

由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以半導(dǎo)體傳感器為代表的各種固態(tài)傳感器相繼問世，半導(dǎo)體傳感器以其易于實(shí)現(xiàn)集成化，微型化，靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，一直引起世界各國科學(xué)家的重視和興趣，并且越來越多的應(yīng)用于各個行業(yè)。

半導(dǎo)體傳感器利用半導(dǎo)體材料易受外界條件影響的物理特性制成的傳感器，器種類繁多，它利用近百種物理效應(yīng)和材料的特性，具有類似于人眼、耳、鼻、舌、皮膚等多種感覺功能。

半導(dǎo)體傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕、便于集成化、智能化，能使檢測轉(zhuǎn)換一體化。半導(dǎo)體傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)自動化、遙測、工業(yè)機(jī)器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工程和生物工程。

二、分類

1、磁敏傳感器

磁敏傳感器的工作原理

磁敏傳感器是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子或者空穴隨磁場改變其運(yùn)動方向這一特性而制成的，總的來說磁敏傳感器就是基于磁電轉(zhuǎn)換原理的傳感器。磁敏傳感器主要有磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管和霍爾式磁敏傳感器。

1.磁敏電阻器

磁阻效應(yīng) 將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其電阻也會隨磁場而變化，這種效應(yīng)成為磁電阻效應(yīng)，簡稱磁阻效應(yīng)。磁敏電阻器就是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。

當(dāng)溫度恒定時，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。對于只有電子參與導(dǎo)電的最簡單的情況，理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為 ρB=ρ

0（1+0.273μ2B2）

式中 B---磁感應(yīng)強(qiáng)度；

μ---載流子遷移率； ρ0---零磁場下的電阻率； ρB---磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時的電阻率。

設(shè)電阻率的變化為△ρ=ρB-ρ 0，則電阻率的相對變化率為 △ ρ/ρ0=0.273μ2B2=K﹙μB﹚2

由上式可知，磁場一定時，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。磁敏電阻的應(yīng)用 一般用于磁場強(qiáng)度、漏磁、制磁的檢測；在交流變換器、頻率變換器、功率電壓變換器、位移電壓變換器、等電路中作控制元件；還可用于接近開關(guān)、磁卡文字識別、磁電編碼器、電動機(jī)測速等方面或制作磁敏傳感器用。

2.磁敏二極管

晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。

當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。

當(dāng)外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流I0。

當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。

在電路中，P＋區(qū)接正電極，N＋區(qū)接負(fù)電極，即給磁敏二極管加上正電壓時，P＋區(qū)向i區(qū)注人空穴，N＋區(qū)向i區(qū)注入電子。在沒有外加磁場時，大部分的空穴和電子分別流人N＋區(qū)和P＋區(qū)而產(chǎn)生電流，只有很少一部分載流子在i區(qū)或r區(qū)復(fù)合。此時i區(qū)有固定的阻值，器件呈穩(wěn)定狀態(tài)。若給磁敏二極管外加一個磁場B＋時，在正向磁場的作用下，空穴和電子在洛侖茲力的作用下偏向r區(qū)。由于空穴和電子在，區(qū)的復(fù)合速率大，因此載流子復(fù)合掉的比沒有磁場時大得多，從而使i區(qū)中的載流子數(shù)目減少，i區(qū)電阻增大，該區(qū)的電壓降也增加，又使P＋與N＋結(jié)的結(jié)壓降減小，導(dǎo)致注人到i區(qū)的載流子數(shù)目減少。其結(jié)果是使i區(qū)的電阻繼續(xù)增大，其壓降也繼續(xù)增大，形成正反饋過程，直到迸人某一動平衡狀態(tài)為止。當(dāng)給磁敏二極管加一個反向磁場B-時，載流子在洛侖茲力的作用下均偏離復(fù)合區(qū)r。其偏離，區(qū)的結(jié)果與加正向磁場時的情況恰恰相反，此時磁敏二極管的正向電流增大，電阻減小。

磁敏二極管可用來檢測交、直流磁場，特別適合測量弱磁場；可制作鉗位電流計(jì)，對高壓線進(jìn)行不斷線、無接觸電流測量，還可作無接觸電位計(jì)等。

3．霍爾傳感器

霍爾傳感器是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。

霍爾效應(yīng)：通電的載體在受到垂直于載體平面的外磁場作用時，則載流子受到洛倫茲力的作用，并有向兩邊聚集的傾向,由于自由電子的聚集從而形成電勢差，在經(jīng)過特殊工藝制備的半導(dǎo)體材料這種效應(yīng)更為顯著。從而形成了霍爾元件。為增強(qiáng)對磁場的敏感度,在材料方面半導(dǎo)體IIIV 元素族都有所應(yīng)用?；魻柶骷捎谄涔ぷ鳈C(jī)理的原因都制成全橋路器件，其內(nèi)阻大約都在150Ω~500Ω之間。對線性傳感器工作電流大約在2~10mA左右，一般采用恒流供電法。

磁敏傳感器的發(fā)展與應(yīng)用

將磁敏傳感器用于各種測磁儀中，其應(yīng)用范圍包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國防、軍事、航空航天、海洋、氣象、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭、辦公等等, 可謂無所不至。

2、色敏傳感器

色敏傳感器工作原理 半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏器件的一種。它也是基于半導(dǎo)體的內(nèi)光效應(yīng)，將光信號變成為電信號的光輻射探測器件。半導(dǎo)體色敏器件可用來直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，故又稱雙結(jié)光電二極管。

色敏器件之所以能夠識別顏色，其理論基礎(chǔ)就是依據(jù)光的吸收特性，即當(dāng)入射到光敏二極管上的光照強(qiáng)度保持一定時，輸出的光電流則隨入射光的波長的改變而變化，光敏二極管的光敏特性，從PN結(jié)表面開始，隨結(jié)的深度而變化，這樣由于光的波長不同，便可以反射出顏色的差異。

1.光敏二極管工作原理

用半導(dǎo)體硅制造的光敏二極管，在受光照射時，若入射光子的能量hf大于硅的禁帶寬度Eg，則光子就激發(fā)價帶子中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生一對電子空穴。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子-空穴通稱為光生載流子。光敏二極管的基本部分是一個P-N結(jié)。產(chǎn)生的光生載流子只要能擴(kuò)散到勢壘區(qū)的邊界，其中少數(shù)載流子就受勢壘區(qū)強(qiáng)電場的吸引而被拉向背面區(qū)域。這部分少數(shù)載流子就對電流做出貢獻(xiàn)。多數(shù)載流子則受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘的邊緣。在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴則分別被電場掃向N區(qū)和P區(qū)，它們對電流也有貢獻(xiàn)。

當(dāng)P-N結(jié)開路或接有負(fù)載時, 勢壘區(qū)電場收集的光生載流子便要在勢壘區(qū)兩邊積累, 從而使P區(qū)電位升高, N區(qū)電位降低, 造成一個光生電動勢, 如圖9-11（b）所示。該電動勢使原P-N結(jié)的勢壘高度下降為q（UＤ-U）。其中V即光生電動勢,它相當(dāng)于在P-N結(jié)上加了正向偏壓。只不過這是光照形成的, 而不是電源饋送的, 這稱為光生電壓, 這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)。

當(dāng)P-N結(jié)外電路短路時, 這個光電流將全部流過短接回路, 即從P區(qū)和勢壘區(qū)流入N區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流到P區(qū)電極處, 與P區(qū)流出的光生空穴復(fù)合。這時, P-N結(jié)中的載流子濃度保持平衡值, 勢壘高度亦無變化。

半導(dǎo)體色敏傳感器中所表示的P＋-N-P不是晶體管, 而是結(jié)深不同的兩個P-N結(jié)二極管, 淺結(jié)的二極管是P＋-N結(jié);深結(jié)的二極管是P-N結(jié)。當(dāng)有入射光照射時, P＋、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收, 但效果不同。因此，紫外光部分吸收系數(shù)大, 經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢。在此, 淺結(jié)的即是光電二極管對紫外光的靈敏度高, 而紅外部分吸收系數(shù)較小, 這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此, 深結(jié)的那只光電二極管對紅外光的靈敏度較高。在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。這一特性可以用來測量入射光的波長。硅色敏管中VD１和VD２的光譜響應(yīng)曲線就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。

色敏傳感器的應(yīng)用

半導(dǎo)體色敏傳感器可用于測量光源的色溫度、波長；測量、控制光源的色溫度；選擇、鑒別發(fā)光二極管的發(fā)光波長；識別彩色紙的顏色；識別色標(biāo)；檢查顏料、染料的顏色等，如在工程實(shí)際中, 常需對顏色進(jìn)行檢測, 如工廠自動化、辦公自動化、彩色電視機(jī)的顏色調(diào)整、商品代碼顏色的讀取、機(jī)器人顏色識別等。

3、離子敏傳感器

離子敏傳感器工作原理

離子敏感器件是一種對離子具有選擇敏感作用的場效應(yīng)晶體管。它是由離子選擇性電極（ISE）與金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）組合而成的，簡稱ISFET。

離子傳感器是將溶液中的離子活度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器、其基本原理是利用固定在敏感膜上的離子識別材料有選擇性的結(jié)合被傳感的離子，從而發(fā)生膜電位或膜電壓的改變，達(dá)到檢測的目的。

1.ISFET的工作原理

ISFET用對離子有選擇性影響的敏感膜替換普通的MOSFET的金屬鋁柵，當(dāng)敏感膜直接接觸被測離子溶液時，與離子相互作用，調(diào)制場效應(yīng)晶體管的漏極電流，以檢測溶液中離子的活度。

ISFET的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，沒有金屬柵極，柵介質(zhì)裸露或在其上涂敷對離子敏感的敏感膜，與參比電極以及待測溶液一起起著柵電極的作用。

參比電極上所加的電壓通過待測溶液加到絕緣柵上，是半導(dǎo)體表面反型，形成導(dǎo)電溝道。如果參比電極上施加的電壓正好使半導(dǎo)體表面反型，這時參比電極上的電壓稱為閾值電壓。對于特定結(jié)構(gòu)的ISFET，閾值電壓的變化只由電解液與柵介質(zhì)界面處的化學(xué)勢決定，而化學(xué)勢的大小取決于敏感膜的性質(zhì)和電解液中的離子活度。因此通過ISFET閾值電壓的變化能夠測量電解液中離子的活度。

2.離子敏感膜

離子敏感膜是ISFET的重要部分，是響應(yīng)不同離子并將其化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的關(guān)鍵。不同的柵介質(zhì)和敏感膜可以派生出多種ISFET。如無機(jī)絕緣膜、固態(tài)敏感膜、有機(jī)高分子PVC膜。

離子敏傳感器的應(yīng)用

可以用來測量離子敏感電極(ISE)所不能測量的生物體中的微小區(qū)域和微量離子。因此，它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有很強(qiáng)的生命力。此外，在環(huán)境保護(hù)、化工、礦山、地質(zhì)、水文以及家庭生活，醫(yī)學(xué)，生理學(xué)等各方面都有其應(yīng)用。

4、氣敏傳感器

氣敏傳感器的工作原理

半導(dǎo)體氣敏傳感器，是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。氣敏傳感器可以把氣體的特定成分和濃度檢測出來，并將它轉(zhuǎn)換成電信號的器件。

氣敏傳感器是在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測氣體相互作用使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。

按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度； 非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其它參數(shù)，如二極管伏安特性和場效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來測被測氣體的。

半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。

當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。下圖表示了氣體接觸N型半導(dǎo)體時所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。

1.電阻型氣敏原件

圖(a)為燒結(jié)型氣敏器件。這類器件以SnO2半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中，用加熱、加壓、溫度為700~900℃的制陶工藝燒結(jié)成形。因此，被稱為半導(dǎo)體陶瓷，簡稱半導(dǎo)瓷。燒結(jié)型器件制作方法簡單，器件壽命長；但由于燒結(jié)不充分，器件機(jī)械強(qiáng)度不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應(yīng)用受到一定限制。

圖(b)為薄膜型器件。它采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜，制作方法也很簡單。SnO2半導(dǎo)體薄膜的氣敏特性最好，但這種半導(dǎo)體薄膜為物理性附著，因此器件間性能差異較大。

圖(c)為厚膜型器件。這種器件是將氧化物半導(dǎo)體材料與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣基片上，經(jīng)燒結(jié)制成的。由于這種工藝制成的元件機(jī)械強(qiáng)度高，離散度小，適合大批量生產(chǎn)。

2.非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場效應(yīng)晶體管(MO的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。

（1）MOS二極管氣敏器件

MOS二極管氣敏元件制作過程是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50~100 nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)金屬薄膜，作為柵電極，如圖(a)所示。由于SiO2層電容Ca固定不變，而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)如圖(b)，因此由等效電路可知，總電容C也是柵偏壓的函數(shù)。其函數(shù)關(guān)系稱為該類MOS二極管的C-U特性，如圖（c）曲線a所示。由于鈀對氫氣(H2)特別敏感，當(dāng)鈀吸附了H2以后，會使鈀的功函數(shù)降低，導(dǎo)致MOS管的C-U特性向負(fù)偏壓方向平移，如圖(c)曲線b所示。根據(jù)這一特性就可用于測定H2的濃度。

（2)MOS場效應(yīng)晶體管氣敏器件 MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)，參見下圖。當(dāng)H2吸附在Pd柵極上時，會引起Pd的功函數(shù)降低。當(dāng)柵極(G)、源極(S)之間加正向偏壓UGS，且UGS>UT(閾值電壓)時，則柵極氧化層下面的硅從P型變?yōu)镹型。這個N型區(qū)就將源極和漏極連接起來，形成導(dǎo)電通道，即為N型溝道。此時，MOSFET進(jìn)入工作狀態(tài)。若此時，在源(S)漏(D)極之間加電壓UDS，則源極和漏極之間有電流(IDS)流通。ISD隨UDS和UGS的大小而變化，其變化規(guī)律即為MOSFET的伏-安特性。當(dāng)UGS

氣敏傳感器應(yīng)用

半導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時間和恢復(fù)時間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。最早用于可燃?xì)怏w及瓦斯泄漏報警器，有毒氣體的檢測、容器或管道的泄漏，環(huán)境監(jiān)測、鍋爐及汽車的燃燒監(jiān)測與控制、工業(yè)過程的監(jiān)測與自動控制熱水器等方面。

5、濕敏傳感器

濕敏傳感器工作原理

濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號的器件。

1.氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成，如圖所示。

氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體,當(dāng)溶液置于一定溫濕場中, 若環(huán)境相對濕度高, 溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档? 因此, 其溶液電阻率增高。反之, 環(huán)境相對濕度變低時, 則溶液濃度升高, 其電阻率下降, 從而實(shí)現(xiàn)對濕度的測量。

氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)是滯后小, 不受測試環(huán)境風(fēng)速影響,但其耐熱性差, 不能用于露點(diǎn)以下測量, 器件性能的重復(fù)性不理想, 使用壽命短。

2.半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO、2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等, 前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降, 故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。

負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理

由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場, 當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時, 就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子, 使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。如果該半導(dǎo)瓷是Ｐ型半導(dǎo)體, 則由于水分子吸附使表面電勢下降。若該半導(dǎo)瓷為Ｎ型, 則由于水分子的附著使表面電勢下降。如果表面電勢下降較多, 不僅使表面層的電子耗盡, 同時吸引更多的空穴達(dá)到表面層, 有可能使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度, 出現(xiàn)所謂表面反型層, 這些空穴稱為反型載流子。圖9-5表示了幾種負(fù)特性半導(dǎo)瓷阻值與濕度之關(guān)系。

正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理

正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理認(rèn)為這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性材料有所不同。當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢變負(fù)時, 導(dǎo)致其表面層電子濃度下降, 于是, 表面電阻將由于電子濃度下降而加大, 這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的, 表面電導(dǎo)占的比例很大, 故表面層電阻的升高, 將引起總電阻值的明顯升高。

典型半導(dǎo)瓷濕敏元件

1.MgCr2O4-TiO2濕敏元件 氧化鎂復(fù)合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為Ｐ型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好。

2.ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件 ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的金電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定。ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度，而無須加熱除污裝置，因此功耗低，體積小，成本低，是一種常用測濕傳感器。

3.四氧化三鐵（Fe3O4）濕敏器件四氧化三鐵濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成。Fe3O4濕敏器件在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗結(jié)露能力，測濕范圍廣，有較為一致的濕敏特性和較好的溫度-濕度特性，但器件有較明顯的濕滯現(xiàn)象，響應(yīng)時間長。

濕敏傳感器的應(yīng)用

濕敏傳感器已經(jīng)廣泛地用于各種場合的濕度監(jiān)測、控制與報警，工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、林業(yè)和畜牧業(yè)等各個領(lǐng)域。

三、半導(dǎo)體傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

半導(dǎo)體傳感器使用半導(dǎo)體材料，利用半導(dǎo)體材料對周圍環(huán)境的敏感性制成各種傳感器，除上述磁敏、色敏、離子敏、氣敏、濕敏等半導(dǎo)體傳感器外，還有力敏，熱敏，溫度敏、生物敏等種類繁多的傳感器。

隨著傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大依賴于各學(xué)科的發(fā)展和相互滲透，傳感器不斷向高精度化、高可靠性、微功耗及無源化等方向發(fā)展，更精一步向智能化、微型化、集成化方向發(fā)展。

21世紀(jì)人類將進(jìn)入“3T”（1T=10 12）紀(jì)元，作為信息技術(shù)的重要組成部分的半導(dǎo)體傳感器的主要發(fā)展趨勢是，發(fā)展基于新原理，新材料和新技術(shù)的更加靈敏、精確、智能化和人性化的傳感器材料與器件，以滿足信息技術(shù)的迅速發(fā)展。長期以來，傳感器材料和器件的開發(fā)和利用，主要是面向工業(yè)、國防和科技事業(yè)。到二十世紀(jì)后期，則逐漸向與人類的生存狀況密切相關(guān)的環(huán)境、生態(tài)、特別是直接與人體和生命相關(guān)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展，如可對癌癥、心血管疾病等進(jìn)行早期診斷的納米材料制成的、極為靈敏的生物和化學(xué)傳感器用來檢測CO、NO2和其他有毒氣體的半導(dǎo)體SnO2傳感器和對溫室的溫度、濕度、光照和CO2濃度及對農(nóng)藥殘留物進(jìn)行檢測與監(jiān)控的傳感器等。這些新領(lǐng)域很有可能成為新世紀(jì)傳感器材料與技術(shù)發(fā)展的另一個主要方向。

第五篇：測試技術(shù)論文

虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求。這也正是NI近30年來始終引領(lǐng)測試測量行業(yè)發(fā)展趨勢的原因所在。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢。

虛擬儀器技術(shù)的三大組成部分：

1．高效的軟件

軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程序模塊，工程師和科學(xué)家們可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面。提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟件——LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲的方式，并將結(jié)果顯示給用戶。此外，還提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，例如連接設(shè)計(jì)與測試的交互式軟件SignalExpress、用于傳統(tǒng)C語言的LabWindows/CVI、針對微軟Visual Studio的Measurement Studio等等，均可滿足客戶對高性能應(yīng)用的需求。

有了功能強(qiáng)大的軟件，您就可以在儀器中創(chuàng)建智能性和決策功能，從而發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在測試應(yīng)用中的強(qiáng)大優(yōu)勢。

2．模塊化的I/O硬件

面對如今日益復(fù)雜的測試測量應(yīng)用，已經(jīng)提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394總線，都能提供相應(yīng)的模塊化的硬件產(chǎn)品，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集、信號條理、聲音和振動測量、視覺、運(yùn)動、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊，應(yīng)有盡有。高性能的硬件產(chǎn)品結(jié)合靈活的開發(fā)軟件，可以為負(fù)責(zé)測試和設(shè)計(jì)工作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測量系統(tǒng)，滿足各種獨(dú)特的應(yīng)用要求。

3．用于集成的軟硬件平臺

專為測試任務(wù)設(shè)計(jì)的PXI硬件平臺，已經(jīng)成為當(dāng)今測試、測量和自動化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺，它的開放式構(gòu)架、靈活性和PC技術(shù)的成本優(yōu)勢為測量和自動化行業(yè)帶來了一場翻天覆地的改革。

PXI作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺，內(nèi)建有高端的定時和觸發(fā)總線，再配以各類模塊化的I/O硬件和相應(yīng)的測試測量開發(fā)軟件，您就可以建立完全自定義的測試測量解決方案。無論是面對簡單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，還是高端的混合信號同步采集，借助PXI高性能的硬件平臺，您都能應(yīng)付自如。這就是虛擬儀器技術(shù)帶給您的無可比擬的優(yōu)勢。

虛擬儀器技術(shù)的四大優(yōu)勢：

性能高

虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實(shí)時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢。

擴(kuò)展性強(qiáng)

這些軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于軟件的靈活性，只需更新您的計(jì)算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)您的整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。

開發(fā)時間少

在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

無縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時間。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。

應(yīng)用實(shí)例

阿爾卡特美國公司是全球領(lǐng)先的世界上電信設(shè)備制造商領(lǐng)導(dǎo)者之一。位于加州佩塔盧馬的接入部，開發(fā)Litespan接入平臺一種光纖數(shù)字環(huán)路載波（DLC）。DLC能夠?qū)㈦娫捁局行臋C(jī)房普通銅線上的電話業(yè)務(wù)傳遞到更遠(yuǎn)的地方。通過LabVIEW，在相對短的時間內(nèi)開發(fā)了一個全面測試方案。同時測試對每個信道單元的16個ANSI要求的環(huán)路和4條ISDN線路的一個信道單元進(jìn)行測試時，每項(xiàng)測試所花費(fèi)的時間為12分鐘。由于一些信道單元需要測試某個溫度范圍內(nèi)的狀況，因而整個測試需要幾天的時間。

Allen Klein美國阿爾卡特公司Litespan硬件質(zhì)量部的一位工程師，在程序中增加了一項(xiàng)功能，使得測試可以全天進(jìn)行，甚至在周末也行。這項(xiàng)功能極大地擴(kuò)展豐富了測試平臺，提高了測試效率。

虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是兩門學(xué)科最新技術(shù)的結(jié)晶，融合了測試?yán)碚?、儀器原理和技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、高速總線技術(shù)以及圖形軟件編程技術(shù)于一體。

虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源和用于數(shù)字分析與處理、過程通訊以及圖形界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，它把儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，也就是說傳統(tǒng)測試中使用廠家生產(chǎn)的儀器，儀器的性能及功能在出廠時已被廠家定義，用戶只能根據(jù)自己的要求和需要選擇和使用；而虛擬儀器是在一定的硬件基礎(chǔ)上，用戶可根據(jù)測試的需求，編寫軟件定義自己的儀器功能。同樣的硬件配置可開發(fā)出不同的儀器，例如在儀器面板上顯示采集信號在時域的波形，那么該儀器為虛擬示波器；如果在程序中對采集信號進(jìn)行FFT變換，那么該儀器就是虛擬頻譜分析儀。筆者則用LabWindows／CVI來開發(fā)虛擬經(jīng)紗張力測試儀，用來測試織機(jī)在工作時經(jīng)紗張力的變化情況。經(jīng)紗張力傳感器

織機(jī)在織造過程中，經(jīng)紗動態(tài)張力對織造的，順利進(jìn)行有著很大的影響，張力過大，易引起斷頭，影響織造效率；張力不足易造成梭口不清，形成三跳疵點(diǎn)，使布面及紋路不夠清晰。當(dāng)經(jīng)紗穿過軸時，經(jīng)紗對兩側(cè)傳力桿有壓力，通過傳力桿將壓力傳給彈性梁，使之產(chǎn)生應(yīng)變，利用應(yīng)變片將其應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻的變化，然后再通過轉(zhuǎn)化電路將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，測量出電壓值，根據(jù)傳感器的標(biāo)定就可求出相應(yīng)的經(jīng)紗張力。虛擬經(jīng)紗張力測試儀系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬經(jīng)紗張力測試儀的測試系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、接口總線、硬件驅(qū)動程序和開發(fā)的測試軟件構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集卡采用6024E，LabWindows／CVI平臺開發(fā)測試軟件，在Windows98操作系統(tǒng)下運(yùn)行。

2.2 信號采集

由于要測出經(jīng)紗張力與主軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系，所以用了3個傳感器。傳感器1是經(jīng)紗張力傳

感器，把經(jīng)紗張力物理信號轉(zhuǎn)化為電信號；傳感器2是光電脈沖傳感器，用來測量主軸轉(zhuǎn)角；傳感器3是霍爾傳感器，將霍爾電壓作為測量觸發(fā)信號。各個傳感器輸出的信號都要經(jīng)過一個信號調(diào)理電路對信號進(jìn)行處理(如濾波、放大等)，從混合信號中取出待測的有用信號，送人數(shù)據(jù)采集卡，并要適合數(shù)據(jù)采集卡的電壓范圍，通過總線結(jié)構(gòu)送進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集借助軟件來控制整個DAQ系統(tǒng)，包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等，調(diào)理后的信號經(jīng)多路開關(guān)在軟件設(shè)定采樣率的控制下，巡回采集并放大，再經(jīng)采樣與保持及A／D轉(zhuǎn)換器單元被量化成數(shù)字信號，成為計(jì)算機(jī)可以處理的信號，由虛擬儀器軟件對測試信號進(jìn)行計(jì)算、分析、顯示，并儲存結(jié)果。虛擬經(jīng)紗張力測試儀的設(shè)計(jì)

3．1 經(jīng)紗張力測試儀的面板結(jié)構(gòu)

虛擬經(jīng)紗張力測試儀的面板右邊的七個文本框輸入內(nèi)容，是用戶根據(jù)實(shí)際測量的需求以及與采集卡的連接通道在開始測試前設(shè)定的。測量時，打開測試儀器開關(guān)，儀器就可以工作；按下采集數(shù)據(jù)，稍等幾秒，面板上就會顯示出經(jīng)紗張力的波形圖。保存數(shù)據(jù)就是對測量的原始數(shù)據(jù)、信號處理后的數(shù)據(jù)以及需要提供給用戶的數(shù)據(jù)存??；讀數(shù)據(jù)是讀取事先已經(jīng)測量的數(shù)據(jù)，然后在儀器面板上繪出曲線，這有利于事后分析；關(guān)閉儀器則退出測試狀態(tài)。

3．2 虛擬經(jīng)紗張力測試儀的軟件

面板上的數(shù)據(jù)采集、關(guān)閉儀器、保存數(shù)據(jù)等命令按鈕通過回調(diào)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各自的功能，整個源代碼中數(shù)據(jù)采集的回調(diào)函數(shù)caiji是程序的關(guān)鍵。虛擬經(jīng)紗張力測試儀的應(yīng)用

用所設(shè)計(jì)的虛擬經(jīng)紗張力測試儀系統(tǒng)對YC—425型噴氣織機(jī)測試，織機(jī)主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，經(jīng)紗張力周期變化一次，在0°附近，經(jīng)紗張力最大，有利于打緯，最小張力出現(xiàn)在280°附近。在理論上來講，下一個最大值出現(xiàn)在開口滿開的位置，且一般只有兩個峰值，在曲線上除了打緯點(diǎn)外，還有兩個峰值，這說明在后梁裝有張力緩解機(jī)構(gòu)。最小張力也就是經(jīng)紗的上機(jī)張力曲線的重復(fù)性不很好，說明織機(jī)工作狀況不夠穩(wěn)定。結(jié)束語

虛擬儀器是今后儀器儀表、測試控制研究與發(fā)展的方向，用NI公司的LabWindows／CVI作為平臺，比常用的面向?qū)ο筌浖幊屉y度大大降低，使得軟件開發(fā)效率高，界面友好，功能強(qiáng)大，且擴(kuò)展性好，對采集到的數(shù)據(jù)可用于高級分析庫進(jìn)行信號處理，也可以為了使所得測試曲線符合實(shí)際情況，進(jìn)行擬合處理。總之，虛擬儀器有強(qiáng)大的功能，它強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”，用軟件代替硬件，易開發(fā)、易調(diào)試，可有效節(jié)約資金。