第一篇：淺談新形勢下機械工程測試技術教學改革的論文

機械工程測試技術是機械類專業學生必修的一門專業技術基礎課，它主要研究機械工程領域與設計相關的試驗、控制和運行監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容。它是一門綜合應用相關課程的知識和內容來解決機械行業設計和生產中所面臨的測試問題的課程，基本理論較多，同時所研究的內容都直接面向工程應用中的測試問題，與工程應用緊密結合。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，課程的教學內容也處于不斷更新的變化之中。

隨著高校專業改革的發展，一方面測試技術課程的學時數逐漸減少，教學時數(包括理論教學和實驗教學)已縮減為32學時，而另一方面為了適應現代工程測試技術發展的需要，對于機械工程測試技術課程的教學要求卻又有所提高。因此，為了在減少學時的情況下達到相同的教學效果，機械工程測試技術的教學內容和教學模式也需要與時俱進。本文依照課程教學內容服從專業培養目標、課程教學方法服務于課程教學內容、素質教育貫穿于整個教學過程的原則，以培養學生的創新意識和分析解決工程實際問題的能力為目的，針對新形勢下機械工程測試技術課程的教學內容和教學模式進行了一些研究與探索。

1以面向工程應用為主的教學內容體系的改革

按照教學內容服務于專業培養目標的原則，以面向工程應用為主要目的，將課程內容進行模塊化整合，在教學過程中應以應用模塊的教學為重點，以適應培養具有創新意識的工程應用型人才的需要。

機械工程中一個完整的測試系統一般包括：被測對象(通常是各類信號)、傳感器、調理電路、信號采集與數字信號處理及反饋控制等，與此相應的理論內容主要有：信號及其描述方法、測試裝置性能的靜動態分析、各種常用傳感器的原理及后接電路、信號調理、信號的顯示與記錄、信號處理等，這些內容構成了機械工程測試技術課程的基本理論部分，涉及知識面較廣，知識點多而繁瑣。同時課程也包括了常見物理量如位移、力、應力和應變、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，還包括現代計算機測試系統等內容，這一部分屬于應用性內容。

針對課程內容的特點，將教學內容劃分為信號及其描述模塊、信號傳輸系統性能模塊、傳感器模塊、信號調理模塊、信號處理模塊及應用實例模塊這六大模塊。其中前五個模塊屬于該課程的理論部分，它們間的關系也非常明確，即按照信號的運行路徑為主線組織知識點，此部分內容中傳感器模塊為重點內容，主要講授常用傳感器的工作原理及后接電路，該部分內容與工程應用緊密結合，其余內容如信號傳輸系統性能及信號調理等與學生學習過的自動控制原理及電工學等課程有重合，在教學過程中可以做簡單回顧即可。最后的應用實例模塊既是前面各模塊的有機結合，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例，每個實例應有具體的系統組成及適當的理論分析。這樣組織教學內容，學生在學習時能清晰地理解各個知識模塊的作用及在測試系統中的地位，對于測試系統的完整組成及性能分析有比較完整的概念，另外也可以學習到各種物理量測試技術的具體工程應用方法。

2教學方法與手段的改革

2.1工程實例教學法

按照教學方法服務于教學內容的原則，由于機械工程測試技術這門課程與工程實踐聯系緊密，直接面向工程應用，因此在教學過程中，應將適當的工程實例引入教學，這對于提高教學效果具有重要作用。

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例來使學生認識所學習的傳感器是如何應用于實際工程量的測量。例如，筆者在講述壓電傳感器時，給學生舉了一個壓電傳感器應用于懸臂梁振動測試的例子。壓電加速度計由慣性質量塊和受壓的壓電陶瓷晶體等組成，固定安裝在懸臂梁上，當給懸臂梁施加一定頻率的激振信號時，壓電加速度計感受與懸臂梁相同頻率的振動，若振動頻率遠小于壓電加速度計的固有頻率，質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，壓電陶瓷晶體上產生正比于運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，在講述關于濾波器的問題時，筆者通過LABVIEW給學生演示了一個濾波器應用程序，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(IIR)3階低通濾波器進行濾波處理，當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。

這些工程實例的引入，一方面能夠激發學生學習相關知識的興趣，了解相關知識的工程應用，同時又能提高學生應用所學內容分析和解決工程實際問題的能力。

2.2啟發式教學法

啟發式教學，就是根據教學目的、內容、學生的知識水平和知識規律，運用各種教學手段，采用啟發誘導辦法傳授知識，使學生積極主動地學習，以促進能力培養。在課堂教學中，應盡量避免填鴨式教育，盡量啟發學生利用已有知識去主動分析和解決理論推導和實際問題。在具體實施中，針對部分教學內容，以學生理解并掌握該部分內容為目標，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生利用現有知識去進行思考，并嘗試自己獨立推理，然后再由教師進行詳細講解。

例如，在講述關于非周期信號的傅立葉變換時，先列出學生已經學習過的周期信號的復指數展開式，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，從而引導他們借用周期信號的復指數展開式去自己推導出傅立葉變換式。在講述了傅立葉變換的基本概念之后，提示他們結合數學中的坐標變換去理解傅立葉變換實質上是一種積分變換，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系，傅立葉變換后得到的信號自變量已經變為頻率而非時間，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，從而了解了信號包含的各頻率成份及特征。通過啟發式教學，學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。

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

2.3將MATLAB及LabVIEW軟件應用于課堂教學

機械工程測試技術作為一門與工程應用聯系緊密的課程，其內容隨著現代計算機技術的發展而不斷完善，尤其是MATLAB軟件及虛擬儀器技術等已成為測試系統分析與設計的重要工具。從工程實際需要出發，筆者在課堂教學中，將工程中廣泛應用的MATLAB軟件及虛擬儀器技術引入課堂教學，引導學生去了解這些軟件在測試系統分析與設計中的作用。

例如，在講述測試裝置的靜動態特性時，利用MATLAB的simulink仿真工具箱，建立一階系統和二階系統的仿真框圖模型，給系統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的時間常數及二階系統的阻尼率和固有頻率等參數，來模擬測試裝置在不同輸入下的響應，這些內容編寫成一個個仿真子程序，在授課的時候直接調用子程序來運行。

講述各種信號時，可以利用LABVIEW的信號仿真函數，產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顯示相應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，并利用濾波器函數來編制應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，從而使學生可以直觀了解各種不同種類濾波器的性能。所有演示內容都編寫成一個個應用實例，在課堂教學時直接調用。

通過將MATLAB和LabVIEW軟件引入課堂教學，即避免了書本知識過于枯燥、學生易失去學習興趣的問題，又能通過實例演示加深學生對于所學內容的直觀印象，同時引導學生自己學習相應的軟件，自己動手去處理實際問題，既提高了課堂教學效果，也培養了學生的應用相關軟件去分析解決工程實際問題的能力。

2.4多媒體教學

由于課程教學內容較多，同時又包含有大量工程應用內容，而教學課時數又相對較少，因此，對于大部分內容的講解宜采用多媒體教學，這有利于發揮多媒體教學信息量大，且可以對大量實際工程應用進行動畫顯示等優點。例如，在講述測試系統的組成時，為了加深學生對于測試系統各個組成環節的印象，筆者舉了旋轉軸偏心量監測系統的例子。位移傳感器獲取軸承在X、Y方向的位移信號，通過調理電路進行放大和濾波，再經過信號數據采集送入計算機，進行處理和顯示。監測系統采用動畫顯示的方式，既利于學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整體組成的理解，同時也可提高學生實際應用能力。

2.5小論文式大作業

在教學過程中，針對主要內容布置一些大作業，選題范圍主要是一些相關的工程實際問題，也可以讓學生自行選題，要求他們以小組的形式，按照測試系統的組成，自己選擇相應的硬件去搭建能夠投入工程實際應用的測試系統，并分析所組成的測試系統的性能，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，在課程學習基本完成之后，向部分學生布置了一道機床主軸轉速測試系統的大作業，讓學生自己選用合適的傳感器，并選用相應的測試系統硬件，自己搭建一個轉速測試系統，并應用LANVIEW軟件編制信號采集及信號處理程序。實踐表明，在教學中鼓勵、指導學生進行小論文式的大作業的訓練，可以更好地發揮其學習的主動性和創造性，也使得學生設計測試系統的能力和分析解決工程實際問題的能力得以提高，是一種非常有效的研究型教學方法。

3更新實驗內容，實施開放式實驗教學

實驗教學內容既要服務于課程教學目標，同時也要緊跟工程實踐要求，著重培養學生分析和解決工程實際問題的能力。為此，我們對實驗內容進行適當改進，在保留了一些驗證性的傳統實驗內容同時，也積極開設了一些設計性和創新性的實驗項目。更新后的實驗內容分為二個部分：第一部分為基本實驗，主要包括電橋性能綜合實驗、霍爾測速實驗及壓電式加速度傳感器測量振動實驗，第二部分為綜合創新性實驗(機床主軸振動測試、液壓系統流量測試及桁架應力綜合測試)。基本實驗以課程基本知識為載體，以基本知識和動手能力訓練為重點，為必開實驗。綜合創新性的實驗，以培養學生的設計能力、分析和解決工程實際問題的能力為目的，學生可以選做自己感興趣的實驗項目。

實驗教學實施開放式、自主式教學，學生可以在實驗室開放期間任何時間來做實驗，由學生根據實驗的要求自行選用相應傳感器及相關硬件和軟件搭建測試系統，并獨立完成整個實驗，從而使自己動手能力和實踐能力得到加強。教師在實驗結束后，對實驗結果進行總結，指出實驗過程中存在的一些不足，同學生進行討論。這樣，可以幫助學生發現問題，使他們掌握處理問題的技巧，從而更好地激發和培養他們的探索精神和創新能力。

4結論

機械工程測試技術教學的主要目的就是讓學生更好地掌握測試系統的理論和測試系統性能分析的方法，并學會獨立選用相應的硬件和軟件去搭建測試系統去分析和解決工程實際中的工程量測試問題。近幾年的教學實踐表明：本文在教學內容、教學方法與手段、實驗教學等方面進行的研究與探索，在提高教學效果方面顯示了較好的作用。模塊化且面向工程應用為主的教學內容體系更適合具有創新意識的應用型人才的培養需要，各種教學方法與手段的采用能夠提高學生的學習興趣、增強學生學習主動性和分析解決工程實際問題的能力，更新的實驗教學內容和開放式實驗教學能夠加強學生動手能力和實踐能力的培養。

第二篇：機械工程測試技術總結

測試技術與信號處理課程小結

測試是人們認識客觀事物的方法，測試過程是從客觀事物中提取有關信息的認識過程。測試包括測量和實驗，在測試過程中，需要借助專門設備，通過合適的實驗和必要的數據處理，求得所研究對象的有關的信息量值。信息，一般可理解為消息、情報或知識。信息本身不是物質，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質和能量，一般說，傳輸信息的載體成為信號，信息蘊含在信號之中。例如，古代烽火，人們觀察到的事光信號，它所蘊含的信息是“敵人來進攻了”。信號具有能量，它描述了物理量的變化過程，在數學上可以表示為一個或幾個獨立變量的函數，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；機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。信息·信號的轉換、傳輸與處理過程

按照信號變化的物理性質，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，用一定的設備和手段進行分析處理我們就所得的信號往往要經過加工變換，例如，濾波、調制、變換、增強、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軸表示，進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節

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學關系式描述的信號；非確定性信號是指不能用數學關系式描述的信號。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或復數傅里葉級數。前者得到的是單邊譜，后者得到的是雙邊譜。當用Fourier級數的諧波分量之和來表達具有間斷點的波形時可以看到吉布斯現象，它是由于展開式在間斷點領域不能均勻收斂引起的。對于非周期信號，其頻域分析的數學手段是傅里葉變換。信號的分類

周期信號：經過一定時間可以重復出現的信號

x(t)

=

x(t + nT)簡單周期信號非周期信號：不會重復出現的信號

信號分析中常用的函數

δ函數的含義是指在?時間內激發一個矩形脈沖Sg(t)(或三角形脈沖、雙邊指數脈沖、鐘形脈沖等)，其面積為1。當ε→0時，Sg(t)的極限就稱為δ函數，記作δ(t)。δ函數也稱為單位脈沖函數。

δ函數的性質

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

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：任何函數和δ函數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

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

sintsin?t sinc(t)?,or，(???t??)復指數函數

t?test?e?t?ej?t

???t??

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

s???j?

根據s取值不同，復指數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，實軸代表振幅變化。時域中遇到的任何時間函數，總可以表示成復指數函數的離散和與連續和。

系統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。如計算機系統、測試系統、通信系統等。構成測試系統的每一個單元，也可以看成是一個基本系統（或元系統）。按系統的輸入輸出分，系統可分為連續時間系統與離散時間系統；系統也可分為即時系統與動態系統。即時系統，也稱為無記憶系統：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無關，可用代數方程描述。動態系統，也稱有記憶系統：其輸出與它過去的工作狀態有關，可用微分或差分方程描述。

信息就是事物運動的狀態和方式。它具有可以識別、轉換、存儲和傳輸的性質。凡是可以擴展人的信息功能的技術，都是信息技術。信息技術的主體內容包括傳感技術、通信技術和計算機技術。

傳感技術：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，它是人的感官功能的擴展和延伸。

通信技術：包含信息的變換、傳遞存貯、處理以及某些控制與調節技術，它是人的信息傳輸系統(神經系統)功能的擴展和延長。

計算機技術：主要包括信息的存貯、檢索、處理、分析、產生(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，信號濾波與預測，信號調制與信號處理等。廣義信息論，不僅包括上述內容，而且包括與信息有關的領域，如心理學、遺傳學、神經生理學、語言學甚至包括社會學中有關信息的問題。

事件發生的不確定性和事件發生的概率有關。當一個小概率的事件發生了，它所涵蓋的信息就很大。自信息函數是一個單調遞減的函數，發生的概率越大，它所涵蓋的自信息就越小。例如，一臺機器，具有正常工作和發生事故兩種可能狀態，如果正常工作的概率為P(x1)＝0.99；發生故障的概率P(x2)＝0.Ol，則可認為這臺機器一般處于正常工作狀態。但是，一旦發生故障，則是一件引人注目的事件。因此，某事件發生所含有的信息量，應該是該事件發生的先驗概率的函數，即：

I?xi??f?P?xi??式中，P(xi)是事件xi發生的先驗概率，I(xi)表示事件xi發生所含有的信息量。根據客觀事實和人們的習慣概念，函數I(xi)應滿足以下條件:(1)I(xi)是先驗概率P(xi)的單調遞減函數，P(xi)越大，I(xi)越小；(2)當P(xi)＝1時，I(xi)＝0，必然事件信息量為零；

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

顯然，滿足條件(1)、(2)、(3)時，應取信息量I(xi)為先驗概率P(xi)的倒數；滿足條件(4)時，最好的方法是用對數來定義信息量。I?xi??log??logP?xi? P?xi?山農定義自信息的數學期望為信息熵，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計特性，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，因統計特性不同，其熵也不同。

信息熵表征了信源整體的統計特性，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，因統計特性不同，其熵也不同。信息熵具有的性質是對稱性、確定性、可加性和極值性。在離散信源中，當信源的輸出狀態是等概率分布時信源的熵取最大值，在連續信源中，情況有所不同，當各約束條件不同時，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，隨著傳感器技術的發展，人類獲取信息的范圍變的更大。傳感技術的發展表現為兩個基本的方向，一是擴展感測信息的譜域，二是提高識別信息的智能。其中擴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。智能化包括動態測量、遠距離非接觸測量、特殊環境測量和微觀測量。在工程中涌現了許多新型的傳感器，在核輻射檢測、超聲波檢測和聲發射檢測等運用廣泛。在選用傳感器時應該考慮的基本原則有靈敏度、響應特性、線性、穩定性、精確性和測量范圍等。信道是構成一般信息傳輸系統的重要組成部分，是載荷著信息的信號所通過的通道，它承擔了信息傳輸和存儲的任務。信息傳輸需要借助物質和能量。Shannon信道容量關系式表明，一個信道可靠傳輸的最大信息量完全由帶寬F、時間T和信噪比Ps/Pn所決定。Shannon信道容量關系式：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 — 單位時間內的信道容量

Shannon信道容量關系式表明，一個信道可靠傳輸的最大信息量完全由帶寬F、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 的關系。當F 較小時，Ct 隨F 增加較快，且當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F 較大時，Ct 趨向于一極限值(Ps / N0)loge。

根據Shannon信道容量關系式，若保持信噪比，那么設計原則應該是環節數目盡可能少以及建立傳輸環節間的耦合關系。

在測試技術中，許多情況下需要對信號進行調制，信號的調制類型有幅值調制、頻率調制和相位調制三種。調幅是將一個高頻正（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。在調幅過程中要保證不出現過調失真和重疊失真。調頻是利用信號x（t）的幅值調制載波的頻率，或者說調頻波是一種隨信號x（t）的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波。頻率調制較之幅度調制的一個重要優點是改善了信噪比。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轉換是把連續時間信號轉換為離散數字信號的過程，反之稱為D/A轉換。A/D轉換包括了采樣、量化和編碼。采樣是對時間坐標的離散化，是連續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，只保證不發生頻率混疊，而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號x(t)。工程實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的離散化，使離散信號變成了數字信號。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，而是為了適應計算機計算傅里葉變換而引出的一個專用名詞。若在計算機上實現這一運算，則必須做到:（1）把連續信號改造為離散數據；（2）把計算范圍收縮到一個有限區間；（3）實現正、逆傅里葉變換運算。在這種條件下所構成的變換對稱為離散傅里葉變換對。其特點是，在時域和頻域中都只取有限個離散數據，這些數據分別構成周期性的離散時間函數和頻率函數。

數字濾波器是利用離散時間系統的特性對輸入信號波形進行加工處理，或者說利用數字方法按預定要求對信號進行變換，把輸入序列x（n）變換成一定的輸出序列y（n），從而達到改變信號頻譜的目的。數字濾波器的濾波系統一般包括了采樣、數字濾波、數模轉換以及模擬濾波等。

維納濾波是利用最小平方濾波原理實現剔除噪聲的一種濾波方法。設濾波器輸入為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，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，則可推導出維納濾波器的頻率響應函數為：

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。具有這一頻率響應函數的濾波器稱為維納濾波器或最小平方濾波器。

第三篇：機械工程測試教學法探究論文

一、借助于展示實物、多媒體等技術，激發學習的積極性

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，在暴風影音中播放鳳凰傳奇的流行歌曲《最炫民族風》，從互聯網上下載有圖像、歌詞的MTV，先正常播放一個片段，活躍課堂氣氛；按下快進按鈕，播放速度加快到正常速度的1。5倍（時域內，播放時間變為原來的2/3），聲音變得尖細，像兒童（頻域內，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，播放時間變為原來的2倍），聲音變得低沉，像老人（頻域內，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，頻域成分就會發生改變。在歡樂中學習知識，使學習知識變成一個歡樂、輕松的過程。運用現代科技為師生交流提供了廣闊自由的交流方式，拓展延伸了教學時空，在課后學習中，師生之間利用鄭州大學網上評教平臺、E—mail、QQ、手機等方式，隨時隨地進行著交流互動，實現了師生之間在空間上的零距離。在第一次上課時，把相關的信息公示出來，既拉近了師生之間的距離，又方便學生以后有什么疑難問題、意見及建議等及時地聯系教師。

二、結合實際工程案例，培養學生的實踐能力

案例教學法首創于哈佛大學，是當今國內外高等院校部分應用性學科專業經常使用的一種教學手段，目的在于有效增加課堂教學的生動性與實踐性，以達到理論教學與實踐教學相結合的實際效果。工程案例是將發生于工程實踐中的客觀事實，經過文字、數據、圖表、動畫等方式進行概括、整理，形成可用于課堂交流或探討的案例材料。案例教學是學生了解實際問題的媒介，可以培養學生解決工程實際問題的能力。實踐證明，一個好的案例常常有助于提高教學質量與效果，增加學生對專業學習的熱情和積極性，并且能起到舉一反

三、觸類旁通的作用，啟發學生對工程實踐中相關事例與情境的深入觀察與思考[2—3]。機械工程測試技術基礎是一門理論性、實踐性都很強的課程，筆者結合多年的工程實踐和專業教學經驗，就案例教學在其教學中的應用問題進行了一些有益的嘗試。所選的工程案例應當真實，有針對性、系統性、時效性，難易程度恰當，能揭示和應用所學知識，并能引入、消化和吸收新知識，能切實提升學生的能力。結合本課程理論較深奧、實踐性強、課時少的實際情況，根據授課內容的要求，采用在理論教學后提出合適的案例以加深學生的印象，促進其對內容深刻理解的案例教學方法。在講授“常用傳感器與敏感元件”一章時，首先借助于實物、多媒體方式，介紹各類傳感器的結構、工作原理、應用特點等理論知識；以京唐公司的高爐入料粒度檢測系統為例，在大屏幕上展示現場的工作環境、空間尺寸，告訴學生這是一個環境中飄浮著較多小顆粒、粉塵，是填海之后腐蝕性較強的場所，實際生產要求實現物料取樣、分級、稱重等功能，顯示取樣液壓系統壓力、溫度、油液深度、動作過程、稱重檢測結果等；誤差小于0。3%。要求學生自愿結合，八人一組，每組設計出一個具體的實施方案，并寫出設計提綱，比較不同方案的經濟性、實用性；特別是各種稱重傳感器（變送器）、限位開關、溫度傳感器（變送器）、液位計、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，具體寫出每一種傳感器的型號、生產廠家、數量、價格。在開始講授本章之前，把這個任務布置下去，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做好充分的準備。本章內容講授完成之后，展開討論。課堂上首先聽取各組的簡短方案發言，接著教師開始分析設計過程，理清設計思路，引導學生有步驟地完成方案設計、元件選擇。工程設計是沒有標準答案的，但必須考慮設計方案的經濟性、實用性，滿足實際的生產要求。由于討論內容超越了課本，將復雜的工程實際與本課程的學習緊密相連，并看到了所學知識在工程實際中的應用價值，學生興趣十足，發言踴躍，甚至能提出工程實際中某個方面的不足之處，課堂氣氛、教學效果得到了極大的改善，培養了學生的實踐意識及實踐能力。

三、改革考試方式

在本課程的教學過程中，嘗試了多種新的考核方式，旨在讓考試真正成為督促學生學習、調動學生學習積極性的有效手段和檢驗途徑。應改變單一筆試的課程考核方式，采取期末筆試、平時成績、實驗操作考核三者相結合，全面評定學生對課程內容的掌握程度。平時成績以作業、課堂表現、實驗實習報告為評判依據，實際工程案例分組設計計入平時成績。我們將考試方式改變為：平時成績占20%；實驗成績占20%；期末考試成績占60%。在期末試卷設計時，考慮學生個體的差異。由于學生的理論基礎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、應用能力也相應不同，試卷主體仍然按照知識點的要求和分布情況進行出題，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%的較難題方面給學生增加選擇。比如，設置兩道不同題目中任選一題，一題偏重于理論分析，一題偏重于實際應用，學生可根據自己的特長與愛好選做。采用面向實際的教學法，教學效果良好，師生共受益。學生在輕松的氛圍中學習知識，培養了學生的實踐意識，實踐能力。學生在鄭州大學網上教學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，就充分地說明學生對機械工程測試技術基礎的教學是肯定的、滿意的。本人在課程的講授過程中，看到學生理解知識難點后的喜悅，感受到學生知道所學得到所用的激動，其樂無窮！

第四篇：機械工程測試技術論文 崔孟陽

半導體傳感器的原理、應用及發展

專業：機械設計制作及其自動化

班級：機制1306

姓名：崔孟陽

學號：

*** 日期：2016年4月16日半導體傳感器的原理、應用及發展

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

關鍵詞：半導體傳感器，磁敏、色敏、離子敏、氣敏、濕敏、工作原理、現狀、發展趨勢、應用

一、概述

由于電子技術的飛速發展，以半導體傳感器為代表的各種固態傳感器相繼問世，半導體傳感器以其易于實現集成化，微型化，靈敏度高等諸多優點，一直引起世界各國科學家的重視和興趣，并且越來越多的應用于各個行業。

半導體傳感器利用半導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。

半導體傳感器的優點是靈敏度高、響應速度快、體積小、重量輕、便于集成化、智能化，能使檢測轉換一體化。半導體傳感器的主要應用領域是工業自動化、遙測、工業機器人、家用電器、環境污染監測、醫療保健、醫藥工程和生物工程。

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體材料中的自由電子或者空穴隨磁場改變其運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 將一載流導體置于外磁場中，除了產生霍爾效應外，其電阻也會隨磁場而變化，這種效應成為磁電阻效應，簡稱磁阻效應。磁敏電阻器就是利用磁阻效應制成的一種磁敏元件。

當溫度恒定時，在弱磁場范圍內，磁阻與磁感應強度B的平方成正比。對于只有電子參與導電的最簡單的情況，理論推出磁阻效應的表達式為 ρB=ρ

0（1+0.273μ2B2）

式中 B---磁感應強度；

μ---載流子遷移率； ρ0---零磁場下的電阻率； ρB---磁感應強度為B時的電阻率。

設電阻率的變化為△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明顯。磁敏電阻的應用 一般用于磁場強度、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、磁卡文字識別、磁電編碼器、電動機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型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴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。

當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散電流增加引起了正向電流。

當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。

當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現象。

在電路中，P＋區接正電極，N＋區接負電極，即給磁敏二極管加上正電壓時，P＋區向i區注人空穴，N＋區向i區注入電子。在沒有外加磁場時，大部分的空穴和電子分別流人N＋區和P＋區而產生電流，只有很少一部分載流子在i區或r區復合。此時i區有固定的阻值，器件呈穩定狀態。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。由于空穴和電子在，區的復合速率大，因此載流子復合掉的比沒有磁場時大得多，從而使i區中的載流子數目減少，i區電阻增大，該區的電壓降也增加，又使P＋與N＋結的結壓降減小，導致注人到i區的載流子數目減少。其結果是使i區的電阻繼續增大，其壓降也繼續增大，形成正反饋過程，直到迸人某一動平衡狀態為止。當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合區r。其偏離，區的結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，對高壓線進行不斷線、無接觸電流測量，還可作無接觸電位計等。

3．霍爾傳感器

霍爾傳感器是依據霍爾效應制成的器件。

霍爾效應：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，在經過特殊工藝制備的半導體材料這種效應更為顯著。從而形成了霍爾元件。為增強對磁場的敏感度,在材料方面半導體IIIV 元素族都有所應用。霍爾器件由于其工作機理的原因都制成全橋路器件，其內阻大約都在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。

磁敏傳感器的發展與應用

將磁敏傳感器用于各種測磁儀中，其應用范圍包括工業、農業、交通運輸、國防、軍事、航空航天、海洋、氣象、醫療衛生、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 半導體色敏傳感器是半導體光敏器件的一種。它也是基于半導體的內光效應，將光信號變成為電信號的光輻射探測器件。半導體色敏器件可用來直接測量從可見光到近紅外波段內單色輻射的波長。半導體色敏傳感器相當于兩只結構不同的光電二極管的組合，故又稱雙結光電二極管。

色敏器件之所以能夠識別顏色，其理論基礎就是依據光的吸收特性，即當入射到光敏二極管上的光照強度保持一定時，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結表面開始，隨結的深度而變化，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，則光子就激發價帶子中的電子躍遷到導帶，而產生一對電子空穴。這些由光子激發而產生的電子-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。產生的光生載流子只要能擴散到勢壘區的邊界，其中少數載流子就受勢壘區強電場的吸引而被拉向背面區域。這部分少數載流子就對電流做出貢獻。多數載流子則受勢壘區電場的排斥而留在勢壘的邊緣。在勢壘區內產生的光生電子和光生空穴則分別被電場掃向N區和P區，它們對電流也有貢獻。

當P-N結開路或接有負載時, 勢壘區電場收集的光生載流子便要在勢壘區兩邊積累, 從而使P區電位升高, N區電位降低, 造成一個光生電動勢, 如圖9-11（b）所示。該電動勢使原P-N結的勢壘高度下降為q（UＤ-U）。其中V即光生電動勢,它相當于在P-N結上加了正向偏壓。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, 這種現象就是光生伏特效應。

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

半導體色敏傳感器中所表示的P＋-N-P不是晶體管, 而是結深不同的兩個P-N結二極管, 淺結的二極管是P＋-N結;深結的二極管是P-N結。當有入射光照射時, P＋、N、P三個區域及其間的勢壘區中都有光子吸收, 但效果不同。因此，紫外光部分吸收系數大, 經過很短距離已基本吸收完畢。在此, 淺結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較小, 這類波長的光子則主要在深結區被吸收。因此, 深結的那只光電二極管對紅外光的靈敏度較高。在半導體中不同的區域對不同的波長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的光譜響應曲線就構成了可以測定波長的半導體色敏傳感器。

色敏傳感器的應用

半導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、鑒別發光二極管的發光波長；識別彩色紙的顏色；識別色標；檢查顏料、染料的顏色等，如在工程實際中, 常需對顏色進行檢測, 如工廠自動化、辦公自動化、彩色電視機的顏色調整、商品代碼顏色的讀取、機器人顏色識別等。

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晶體管。它是由離子選擇性電極（ISE）與金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（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合被傳感的離子，從而發生膜電位或膜電壓的改變，達到檢測的目的。

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，當敏感膜直接接觸被測離子溶液時，與離子相互作用，調制場效應晶體管的漏極電流，以檢測溶液中離子的活度。

ISFET的基本結構如圖所示，沒有金屬柵極，柵介質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，是半導體表面反型，形成導電溝道。如果參比電極上施加的電壓正好使半導體表面反型，這時參比電極上的電壓稱為閾值電壓。對于特定結構的ISFET，閾值電壓的變化只由電解液與柵介質界面處的化學勢決定，而化學勢的大小取決于敏感膜的性質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，是響應不同離子并將其化學量轉換為電學量的關鍵。不同的柵介質和敏感膜可以派生出多種ISFET。如無機絕緣膜、固態敏感膜、有機高分子PVC膜。

離子敏傳感器的應用

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域和微量離子。因此，它在生物醫學領域中具有很強的生命力。此外，在環境保護、化工、礦山、地質、水文以及家庭生活，醫學，生理學等各方面都有其應用。

4、氣敏傳感器

氣敏傳感器的工作原理

半導體氣敏傳感器，是利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質變化，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，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發生漂移；氣體濃度不同，膜層質量和導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確的反應氣體濃度的變化。

按照半導體變化的物理特性，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； 非電阻型半導體氣敏元件是利用其它參數，如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來測被測氣體的。

半導體氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。當半導體器件被加熱到穩定狀態，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發掉，另一部分殘留分子產生熱分解而固定在吸附處。當半導體的功函數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離子吸附，半導體表面呈現電荷層。如果半導體的功函數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。

當氧化型氣體吸附到N型半導體上，還原型氣體吸附到P型半導體上時，將使半導體載流子減少，而使電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降。下圖表示了氣體接觸N型半導體時所產生的器件阻值變化情況。若氣體濃度發生變化，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)為燒結型氣敏器件。這類器件以SnO2半導體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中，用加熱、加壓、溫度為700~900℃的制陶工藝燒結成形。因此，被稱為半導體陶瓷，簡稱半導瓷。燒結型器件制作方法簡單，器件壽命長；但由于燒結不充分，器件機械強度不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應用受到一定限制。

圖(b)為薄膜型器件。它采用蒸發或濺射工藝，在石英基片上形成氧化物半導體薄膜，制作方法也很簡單。SnO2半導體薄膜的氣敏特性最好，但這種半導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，經燒結制成的。由于這種工藝制成的元件機械強度高，離散度小，適合大批量生產。

2.非電阻型半導體氣敏傳感器

非電阻型氣敏器件也是半導體氣敏傳感器之一。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是外加電壓的函數如圖(b)，因此由等效電路可知，總電容C也是柵偏壓的函數。其函數關系稱為該類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，當鈀吸附了H2以后，會使鈀的功函數降低，導致MOS管的C-U特性向負偏壓方向平移，如圖(c)曲線b所示。根據這一特性就可用于測定H2的濃度。

（2)MOS場效應晶體管氣敏器件 MOS場效應晶體管的結構，參見下圖。當H2吸附在Pd柵極上時，會引起Pd的功函數降低。當柵極(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型變為N型。這個N型區就將源極和漏極連接起來，形成導電通道，即為N型溝道。此時，MOSFET進入工作狀態。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，其變化規律即為MOSFET的伏-安特性。當UGS

氣敏傳感器應用

半導體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應時間和恢復時間快、使用壽命長以及成本低等優點，從而得到了廣泛的應用。最早用于可燃氣體及瓦斯泄漏報警器，有毒氣體的檢測、容器或管道的泄漏，環境監測、鍋爐及汽車的燃燒監測與控制、工業過程的監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性質變化，將濕度轉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，離子導電率發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,當溶液置于一定溫濕場中, 若環境相對濕度高, 溶液將吸收水分，使濃度降低, 因此, 其溶液電阻率增高。反之, 環境相對濕度變低時, 則溶液濃度升高, 其電阻率下降, 從而實現對濕度的測量。

氯化鋰濕敏元件的優點是滯后小, 不受測試環境風速影響,但其耐熱性差, 不能用于露點以下測量, 器件性能的重復性不理想, 使用壽命短。

2.半導體陶瓷濕敏電阻

半導體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多孔陶瓷。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, 故稱為負特性濕敏半導體陶瓷，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體陶瓷。

負特性濕敏半導瓷的導電機理

由于水分子中的氫原子具有很強的正電場, 當水在半導瓷表面吸附時, 就有可能從半導瓷表面俘獲電子, 使半導瓷表面帶負電。如果該半導瓷是Ｐ型半導體, 則由于水分子吸附使表面電勢下降。若該半導瓷為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到表面層, 有可能使到達表面層的空穴濃度大于電子濃度, 出現所謂表面反型層, 這些空穴稱為反型載流子。圖9-5表示了幾種負特性半導瓷阻值與濕度之關系。

正特性濕敏半導瓷的導電機理

正特性濕敏半導瓷的導電機理認為這類材料的結構、電子能量狀態與負特性材料有所不同。當水分子附著半導瓷的表面使電勢變負時, 導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, 這類半導瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。通常濕敏半導瓷材料都是多孔的, 表面電導占的比例很大, 故表面層電阻的升高, 將引起總電阻值的明顯升高。

典型半導瓷濕敏元件

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

2.ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件 ZnO-Cr2O3濕敏元件的結構是將多孔材料的金電極燒結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眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定。ZnO-Cr2O3傳感器能連續穩定地測量濕度，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、常濕下性能比較穩定，有較強的抗結露能力，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象，響應時間長。

濕敏傳感器的應用

濕敏傳感器已經廣泛地用于各種場合的濕度監測、控制與報警，工業制造、醫療衛生、林業和畜牧業等各個領域。

三、半導體傳感器的現狀與發展趨勢

半導體傳感器使用半導體材料，利用半導體材料對周圍環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。

隨著傳感器應用領域的不斷擴大依賴于各學科的發展和相互滲透，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展，更精一步向智能化、微型化、集成化方向發展。

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

第五篇：測試技術論文

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助您創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集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業發展趨勢的原因所在。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，才能充分發揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發時間少，以及出色的集成這四大優勢。

虛擬儀器技術的三大組成部分：

1．高效的軟件

軟件是虛擬儀器技術中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設計或調用特定的程序模塊，工程師和科學家們可以高效地創建自己的應用以及友好的人機交互界面。提供的行業標準圖形化編程軟件——LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續數據處理能力，設置數據處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶。此外，還提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統管理軟件工具，例如連接設計與測試的交互式軟件SignalExpress、用于傳統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用的需求。

有了功能強大的軟件，您就可以在儀器中創建智能性和決策功能，從而發揮虛擬儀器技術在測試應用中的強大優勢。

2．模塊化的I/O硬件

面對如今日益復雜的測試測量應用，已經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，都能提供相應的模塊化的硬件產品，產品種類從數據采集、信號條理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業通訊，應有盡有。高性能的硬件產品結合靈活的開發軟件，可以為負責測試和設計工作的工程師們創建完全自定義的測量系統，滿足各種獨特的應用要求。

3．用于集成的軟硬件平臺

專為測試任務設計的PXI硬件平臺，已經成為當今測試、測量和自動化應用的標準平臺，它的開放式構架、靈活性和PC技術的成本優勢為測量和自動化行業帶來了一場翻天覆地的改革。

PXI作為一種專為工業數據采集與自動化應用度身定制的模塊化儀器平臺，內建有高端的定時和觸發總線，再配以各類模塊化的I/O硬件和相應的測試測量開發軟件，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據采集應用，還是高端的混合信號同步采集，借助PXI高性能的硬件平臺，您都能應付自如。這就是虛擬儀器技術帶給您的無可比擬的優勢。

虛擬儀器技術的四大優勢：

性能高

虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全“繼承”了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優勢。

擴展性強

這些軟硬件工具使得工程師和科學家們不再圈囿于當前的技術中。得益于軟件的靈活性，只需更新您的計算機或測量硬件，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您的整個系統。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。

開發時間少

在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。設計這一軟件構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大的功能，使您輕松地配置、創建、發布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

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

應用實例

阿爾卡特美國公司是全球領先的世界上電信設備制造商領導者之一。位于加州佩塔盧馬的接入部，開發Litespan接入平臺一種光纖數字環路載波（DLC）。DLC能夠將電話公司中心機房普通銅線上的電話業務傳遞到更遠的地方。通過LabVIEW，在相對短的時間內開發了一個全面測試方案。同時測試對每個信道單元的16個ANSI要求的環路和4條ISDN線路的一個信道單元進行測試時，每項測試所花費的時間為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硬件質量部的一位工程師，在程序中增加了一項功能，使得測試可以全天進行，甚至在周末也行。這項功能極大地擴展豐富了測試平臺，提高了測試效率。

虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術相結合的產物，是兩門學科最新技術的結晶，融合了測試理論、儀器原理和技術、計算機接口技術、高速總線技術以及圖形軟件編程技術于一體。

虛擬儀器是由計算機硬件資源和用于數字分析與處理、過程通訊以及圖形界面的軟件組成的測控系統，它把儀器生產廠家定義儀器功能的方式轉變為由用戶自己定義儀器功能，也就是說傳統測試中使用廠家生產的儀器，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上，用戶可根據測試的需求，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來開發虛擬經紗張力測試儀，用來測試織機在工作時經紗張力的變化情況。經紗張力傳感器

織機在織造過程中，經紗動態張力對織造的，順利進行有著很大的影響，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，使布面及紋路不夠清晰。當經紗穿過軸時，經紗對兩側傳力桿有壓力，通過傳力桿將壓力傳給彈性梁，使之產生應變，利用應變片將其應變轉化為電阻的變化，然后再通過轉化電路將電阻的變化轉化為電壓的變化，測量出電壓值，根據傳感器的標定就可求出相應的經紗張力。虛擬經紗張力測試儀系統

2．1 系統結構

虛擬經紗張力測試儀的測試系統由傳感器、數據采集卡、接口總線、硬件驅動程序和開發的測試軟件構成，數據采集卡采用6024E，LabWindows／CVI平臺開發測試軟件，在Windows98操作系統下運行。

2.2 信號采集

由于要測出經紗張力與主軸轉角的關系，所以用了3個傳感器。傳感器1是經紗張力傳

感器，把經紗張力物理信號轉化為電信號；傳感器2是光電脈沖傳感器，用來測量主軸轉角；傳感器3是霍爾傳感器，將霍爾電壓作為測量觸發信號。各個傳感器輸出的信號都要經過一個信號調理電路對信號進行處理(如濾波、放大等)，從混合信號中取出待測的有用信號，送人數據采集卡，并要適合數據采集卡的電壓范圍，通過總線結構送進計算機進行處理。數據采集借助軟件來控制整個DAQ系統，包括采集原始數據、分析數據等，調理后的信號經多路開關在軟件設定采樣率的控制下，巡回采集并放大，再經采樣與保持及A／D轉換器單元被量化成數字信號，成為計算機可以處理的信號，由虛擬儀器軟件對測試信號進行計算、分析、顯示，并儲存結果。虛擬經紗張力測試儀的設計

3．1 經紗張力測試儀的面板結構

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

3．2 虛擬經紗張力測試儀的軟件

面板上的數據采集、關閉儀器、保存數據等命令按鈕通過回調函數來實現各自的功能，整個源代碼中數據采集的回調函數caiji是程序的關鍵。虛擬經紗張力測試儀的應用

用所設計的虛擬經紗張力測試儀系統對YC—425型噴氣織機測試，織機主軸每轉一轉，經紗張力周期變化一次，在0°附近，經紗張力最大，有利于打緯，最小張力出現在280°附近。在理論上來講，下一個最大值出現在開口滿開的位置，且一般只有兩個峰值，在曲線上除了打緯點外，還有兩個峰值，這說明在后梁裝有張力緩解機構。最小張力也就是經紗的上機張力曲線的重復性不很好，說明織機工作狀況不夠穩定。結束語

虛擬儀器是今后儀器儀表、測試控制研究與發展的方向，用NI公司的LabWindows／CVI作為平臺，比常用的面向對象軟件編程難度大大降低，使得軟件開發效率高，界面友好，功能強大，且擴展性好，對采集到的數據可用于高級分析庫進行信號處理，也可以為了使所得測試曲線符合實際情況，進行擬合處理。總之，虛擬儀器有強大的功能，它強調“軟件就是儀器”，用軟件代替硬件，易開發、易調試，可有效節約資金。