机械工程测试技术论文 崔孟阳（精选5篇）

第一篇：机械工程测试技术论文 崔孟阳

半导体传感器的原理、应用及发展

专业：机械设计制作及其自动化

班级：机制1306

姓名：崔孟阳

学号：

*** 日期：2016年4月16日半导体传感器的原理、应用及发展

摘要：本文主要评述半导体传感器例如磁敏，色敏，离子敏，气敏，湿敏的传感器的原理，在机械工程中的应用及目前的发展前景。

关键词：半导体传感器，磁敏、色敏、离子敏、气敏、湿敏、工作原理、现状、发展趋势、应用

一、概述

由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世，半导体传感器以其易于实现集成化，微型化，灵敏度高等诸多优点，一直引起世界各国科学家的重视和兴趣，并且越来越多的应用于各个行业。

半导体传感器利用半导体材料易受外界条件影响的物理特性制成的传感器，器种类繁多，它利用近百种物理效应和材料的特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功能。

半导体传感器的优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。半导体传感器的主要应用领域是工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。

二、分类

1、磁敏传感器

磁敏传感器的工作原理

磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子或者空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的，总的来说磁敏传感器就是基于磁电转换原理的传感器。磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器。

1.磁敏电阻器

磁阻效应 将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化，这种效应成为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。

当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为 ρB=ρ

0（1+0.273μ²B²）

式中 B---磁感应强度；

μ---载流子迁移率； ρ0---零磁场下的电阻率； ρB---磁感应强度为B时的电阻率。

设电阻率的变化为△ρ=ρB-ρ 0，则电阻率的相对变化率为 △ ρ/ρ0=0.273μ²B²=K﹙μB﹚²

由上式可知，磁场一定时，迁移率高的材料磁阻效应明显。磁敏电阻的应用 一般用于磁场强度、漏磁、制磁的检测；在交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、位移电压变换器、等电路中作控制元件；还可用于接近开关、磁卡文字识别、磁电编码器、电动机测速等方面或制作磁敏传感器用。

2.磁敏二极管

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

在电路中，P＋区接正电极，N＋区接负电极，即给磁敏二极管加上正电压时，P＋区向i区注人空穴，N＋区向i区注入电子。在没有外加磁场时，大部分的空穴和电子分别流人N＋区和P＋区而产生电流，只有很少一部分载流子在i区或r区复合。此时i区有固定的阻值，器件呈稳定状态。若给磁敏二极管外加一个磁场B＋时，在正向磁场的作用下，空穴和电子在洛仑兹力的作用下偏向r区。由于空穴和电子在，区的复合速率大，因此载流子复合掉的比没有磁场时大得多，从而使i区中的载流子数目减少，i区电阻增大，该区的电压降也增加，又使P＋与N＋结的结压降减小，导致注人到i区的载流子数目减少。其结果是使i区的电阻继续增大，其压降也继续增大，形成正反馈过程，直到迸人某一动平衡状态为止。当给磁敏二极管加一个反向磁场B-时，载流子在洛仑兹力的作用下均偏离复合区r。其偏离，区的结果与加正向磁场时的情况恰恰相反，此时磁敏二极管的正向电流增大，电阻减小。

磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适合测量弱磁场；可制作钳位电流计，对高压线进行不断线、无接触电流测量，还可作无接触电位计等。

3．霍尔传感器

霍尔传感器是依据霍尔效应制成的器件。

霍尔效应：通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，则载流子受到洛伦兹力的作用，并有向两边聚集的倾向,由于自由电子的聚集从而形成电势差，在经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著。从而形成了霍尔元件。为增强对磁场的敏感度,在材料方面半导体IIIV 元素族都有所应用。霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在150Ω~500Ω之间。对线性传感器工作电流大约在2~10mA左右，一般采用恒流供电法。

磁敏传感器的发展与应用

将磁敏传感器用于各种测磁仪中，其应用范围包括工业、农业、交通运输、国防、军事、航空航天、海洋、气象、医疗卫生、家庭、办公等等, 可谓无所不至。

2、色敏传感器

色敏传感器工作原理 半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种。它也是基于半导体的内光效应，将光信号变成为电信号的光辐射探测器件。半导体色敏器件可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合，故又称双结光电二极管。

色敏器件之所以能够识别颜色，其理论基础就是依据光的吸收特性，即当入射到光敏二极管上的光照强度保持一定时，输出的光电流则随入射光的波长的改变而变化，光敏二极管的光敏特性，从PN结表面开始，随结的深度而变化，这样由于光的波长不同，便可以反射出颜色的差异。

1.光敏二极管工作原理

用半导体硅制造的光敏二极管，在受光照射时，若入射光子的能量hf大于硅的禁带宽度Eg，则光子就激发价带子中的电子跃迁到导带，而产生一对电子空穴。这些由光子激发而产生的电子-空穴通称为光生载流子。光敏二极管的基本部分是一个P-N结。产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界，其中少数载流子就受势垒区强电场的吸引而被拉向背面区域。这部分少数载流子就对电流做出贡献。多数载流子则受势垒区电场的排斥而留在势垒的边缘。在势垒区内产生的光生电子和光生空穴则分别被电场扫向N区和P区，它们对电流也有贡献。

当P-N结开路或接有负载时, 势垒区电场收集的光生载流子便要在势垒区两边积累, 从而使P区电位升高, N区电位降低, 造成一个光生电动势, 如图9-11（b）所示。该电动势使原P-N结的势垒高度下降为q（UＤ-U）。其中V即光生电动势,它相当于在P-N结上加了正向偏压。只不过这是光照形成的, 而不是电源馈送的, 这称为光生电压, 这种现象就是光生伏特效应。

当P-N结外电路短路时, 这个光电流将全部流过短接回路, 即从P区和势垒区流入N区的光生电子将通过外短接回路全部流到P区电极处, 与P区流出的光生空穴复合。这时, P-N结中的载流子浓度保持平衡值, 势垒高度亦无变化。

半导体色敏传感器中所表示的P＋-N-P不是晶体管, 而是结深不同的两个P-N结二极管, 浅结的二极管是P＋-N结;深结的二极管是P-N结。当有入射光照射时, P＋、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收, 但效果不同。因此，紫外光部分吸收系数大, 经过很短距离已基本吸收完毕。在此, 浅结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高, 而红外部分吸收系数较小, 这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此, 深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性可以用来测量入射光的波长。硅色敏管中VD１和VD２的光谱响应曲线就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。

色敏传感器的应用

半导体色敏传感器可用于测量光源的色温度、波长；测量、控制光源的色温度；选择、鉴别发光二极管的发光波长；识别彩色纸的颜色；识别色标；检查颜料、染料的颜色等，如在工程实际中, 常需对颜色进行检测, 如工厂自动化、办公自动化、彩色电视机的颜色调整、商品代码颜色的读取、机器人颜色识别等。

3、离子敏传感器

离子敏传感器工作原理

离子敏感器件是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管。它是由离子选择性电极（ISE）与金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）组合而成的，简称ISFET。

离子传感器是将溶液中的离子活度转换为电信号的传感器、其基本原理是利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性的结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电压的改变，达到检测的目的。

1.ISFET的工作原理

ISFET用对离子有选择性影响的敏感膜替换普通的MOSFET的金属铝栅，当敏感膜直接接触被测离子溶液时，与离子相互作用，调制场效应晶体管的漏极电流，以检测溶液中离子的活度。

ISFET的基本结构如图所示，没有金属栅极，栅介质裸露或在其上涂敷对离子敏感的敏感膜，与参比电极以及待测溶液一起起着栅电极的作用。

参比电极上所加的电压通过待测溶液加到绝缘栅上，是半导体表面反型，形成导电沟道。如果参比电极上施加的电压正好使半导体表面反型，这时参比电极上的电压称为阈值电压。对于特定结构的ISFET，阈值电压的变化只由电解液与栅介质界面处的化学势决定，而化学势的大小取决于敏感膜的性质和电解液中的离子活度。因此通过ISFET阈值电压的变化能够测量电解液中离子的活度。

2.离子敏感膜

离子敏感膜是ISFET的重要部分，是响应不同离子并将其化学量转换为电学量的关键。不同的栅介质和敏感膜可以派生出多种ISFET。如无机绝缘膜、固态敏感膜、有机高分子PVC膜。

离子敏传感器的应用

可以用来测量离子敏感电极(ISE)所不能测量的生物体中的微小区域和微量离子。因此，它在生物医学领域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、化工、矿山、地质、水文以及家庭生活，医学，生理学等各方面都有其应用。

4、气敏传感器

气敏传感器的工作原理

半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。气敏传感器可以把气体的特定成分和浓度检测出来，并将它转换成电信号的器件。

气敏传感器是在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。

按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度； 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来测被测气体的。

半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。

当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。下图表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。

1.电阻型气敏原件

图(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。

图(b)为薄膜型器件。它采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜，制作方法也很简单。SnO2半导体薄膜的气敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较大。

图(c)为厚膜型器件。这种器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的。由于这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批量生产。

2.非电阻型半导体气敏传感器

非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管的电容—电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MO的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。

（1）MOS二极管气敏器件

MOS二极管气敏元件制作过程是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50~100 nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)金属薄膜，作为栅电极，如图(a)所示。由于SiO2层电容Ca固定不变，而Si和SiO2界面电容Cs是外加电压的函数如图(b)，因此由等效电路可知，总电容C也是栅偏压的函数。其函数关系称为该类MOS二极管的C-U特性，如图（c）曲线a所示。由于钯对氢气(H2)特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使钯的功函数降低，导致MOS管的C-U特性向负偏压方向平移，如图(c)曲线b所示。根据这一特性就可用于测定H2的浓度。

（2)MOS场效应晶体管气敏器件 MOS场效应晶体管的结构，参见下图。当H2吸附在Pd栅极上时，会引起Pd的功函数降低。当栅极(G)、源极(S)之间加正向偏压UGS，且UGS>UT(阈值电压)时，则栅极氧化层下面的硅从P型变为N型。这个N型区就将源极和漏极连接起来，形成导电通道，即为N型沟道。此时，MOSFET进入工作状态。若此时，在源(S)漏(D)极之间加电压UDS，则源极和漏极之间有电流(IDS)流通。ISD随UDS和UGS的大小而变化，其变化规律即为MOSFET的伏-安特性。当UGS

气敏传感器应用

半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。最早用于可燃气体及瓦斯泄漏报警器，有毒气体的检测、容器或管道的泄漏，环境监测、锅炉及汽车的燃烧监测与控制、工业过程的监测与自动控制热水器等方面。

5、湿敏传感器

湿敏传感器工作原理

湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。

1.氯化锂湿敏电阻

氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成，如图所示。

氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体,当溶液置于一定温湿场中, 若环境相对湿度高, 溶液将吸收水分，使浓度降低, 因此, 其溶液电阻率增高。反之, 环境相对湿度变低时, 则溶液浓度升高, 其电阻率下降, 从而实现对湿度的测量。

氯化锂湿敏元件的优点是滞后小, 不受测试环境风速影响,但其耐热性差, 不能用于露点以下测量, 器件性能的重复性不理想, 使用寿命短。

2.半导体陶瓷湿敏电阻

半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO、2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等, 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降, 故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。

负特性湿敏半导瓷的导电机理

由于水分子中的氢原子具有很强的正电场, 当水在半导瓷表面吸附时, 就有可能从半导瓷表面俘获电子, 使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是Ｐ型半导体, 则由于水分子吸附使表面电势下降。若该半导瓷为Ｎ型, 则由于水分子的附着使表面电势下降。如果表面电势下降较多, 不仅使表面层的电子耗尽, 同时吸引更多的空穴达到表面层, 有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度, 出现所谓表面反型层, 这些空穴称为反型载流子。图9-5表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。

正特性湿敏半导瓷的导电机理

正特性湿敏半导瓷的导电机理认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时, 导致其表面层电子浓度下降, 于是, 表面电阻将由于电子浓度下降而加大, 这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。通常湿敏半导瓷材料都是多孔的, 表面电导占的比例很大, 故表面层电阻的升高, 将引起总电阻值的明显升高。

典型半导瓷湿敏元件

1.MgCr2O4-TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿—电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为Ｐ型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好。

2.ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定。ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无须加热除污装置，因此功耗低，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。

3.四氧化三铁（Fe3O4）湿敏器件四氧化三铁湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成。Fe3O4湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，有较为一致的湿敏特性和较好的温度-湿度特性，但器件有较明显的湿滞现象，响应时间长。

湿敏传感器的应用

湿敏传感器已经广泛地用于各种场合的湿度监测、控制与报警，工业制造、医疗卫生、林业和畜牧业等各个领域。

三、半导体传感器的现状与发展趋势

半导体传感器使用半导体材料，利用半导体材料对周围环境的敏感性制成各种传感器，除上述磁敏、色敏、离子敏、气敏、湿敏等半导体传感器外，还有力敏，热敏，温度敏、生物敏等种类繁多的传感器。

随着传感器应用领域的不断扩大依赖于各学科的发展和相互渗透，传感器不断向高精度化、高可靠性、微功耗及无源化等方向发展，更精一步向智能化、微型化、集成化方向发展。

21世纪人类将进入“3T”（1T=10 ¹²）纪元，作为信息技术的重要组成部分的半导体传感器的主要发展趋势是，发展基于新原理，新材料和新技术的更加灵敏、精确、智能化和人性化的传感器材料与器件，以满足信息技术的迅速发展。长期以来，传感器材料和器件的开发和利用，主要是面向工业、国防和科技事业。到二十世纪后期，则逐渐向与人类的生存状况密切相关的环境、生态、特别是直接与人体和生命相关的医学领域扩展，如可对癌症、心血管疾病等进行早期诊断的纳米材料制成的、极为灵敏的生物和化学传感器用来检测CO、NO2和其他有毒气体的半导体SnO2传感器和对温室的温度、湿度、光照和CO2浓度及对农药残留物进行检测与监控的传感器等。这些新领域很有可能成为新世纪传感器材料与技术发展的另一个主要方向。

第二篇：机械工程测试技术总结

测试技术与信号处理课程小结

测试是人们认识客观事物的方法，测试过程是从客观事物中提取有关信息的认识过程。测试包括测量和实验，在测试过程中，需要借助专门设备，通过合适的实验和必要的数据处理，求得所研究对象的有关的信息量值。信息，一般可理解为消息、情报或知识。信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输却依靠物质和能量，一般说，传输信息的载体成为信号，信息蕴含在信号之中。例如，古代烽火，人们观察到的事光信号，它所蕴含的信息是“敌人来进攻了”。信号具有能量，它描述了物理量的变化过程，在数学上可以表示为一个或几个独立变量的函数，可以取为随时间或空间变化之图形。例如，噪声信号可以表示为一个时间函数；机械零件的表面粗糙度，则可表示为一个二元空间变量的高度函数。信息·信号的转换、传输与处理过程

按照信号变化的物理性质，可分为非电信号和电信号。例如随时间变化的力、位移、加速度等，可称为非电信号，而随时间变化的电压、电流、电荷、磁通等，则成为电信号。信号的分析处理，是指从传感器等一次敏感原件获得初始信息，用一定的设备和手段进行分析处理我们就所得的信号往往要经过加工变换，例如，滤波、调制、变换、增强、估值等，其目的是改变信号的形式，便于分析和识别：滤除干扰噪声，提取有用的信息。信号分析的经典方法有时域分析法与频域分析法，其中时域分析法是用信号的幅值随时间变化的图形或表达式来分析的，频域分析法是把信号的幅值、相位或能量变换为以频率坐标轴表示，进而分析其频率特性的一种方法。

测试工作的全过程包含着许多环节

信号可分为确定性信号和非确定性信号，确定性信号是指可以用明确数学关系式描述的信号；非确定性信号是指不能用数学关系式描述的信号。其中确定性信号又分为周期信号和非周期信号。在所分析的区间（-∞，∞），能量为有限值的信号为能量信号，能量不是有限值，此时研究该信号的平均功率更为合适。对周期信号，时域到频域的变换工具是三角傅里叶级数或复数傅里叶级数。前者得到的是单边谱，后者得到的是双边谱。当用Fourier级数的谐波分量之和来表达具有间断点的波形时可以看到吉布斯现象，它是由于展开式在间断点领域不能均匀收敛引起的。对于非周期信号，其频域分析的数学手段是傅里叶变换。信号的分类

周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号

x(t)

=

x(t + nT)简单周期信号非周期信号：不会重复出现的信号

信号分析中常用的函数

δ函数的含义是指在时间内激发一个矩形脉冲Sg(t)(或三角形脉冲、双边指数脉冲、钟形脉冲等)，其面积为1。当ε→0时，Sg(t)的极限就称为δ函数，记作δ(t)。δ函数也称为单位脉冲函数。

δ函数的性质

采样特性：如果δ函数与某一连续函数f(t)相乘，显然其乘积仅在t=0处为f(0)δ(t)，其余各点(t≠0)之乘积均为零。其中f(0)δ(t)是一个强度为f(0)的δ函数。

fttf0t

fttt0ft0tt0 筛选(积分)特性

fttdtf000

ftttdtft卷积特性：任何函数和δ函数卷积是一种最简单的卷积积分

 xt*txtdtxtdtxt sinc 函数

sinc（t）函数又称为抽样函数、滤波函数或内插函数，在许多场合下频繁出现，其定义为

sintsint sinc(t),or，(t)复指数函数

ttestetejt

t

etcostetsint

sj

根据s取值不同，复指数函可以概括信号分析中所遇到的多种波形。虚轴代表振荡频率，实轴代表振幅变化。时域中遇到的任何时间函数，总可以表示成复指数函数的离散和与连续和。

系统是由若干个相互作用、相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。如计算机系统、测试系统、通信系统等。构成测试系统的每一个单元，也可以看成是一个基本系统（或元系统）。按系统的输入输出分，系统可分为连续时间系统与离散时间系统；系统也可分为即时系统与动态系统。即时系统，也称为无记忆系统：其输出信号只决定于同时刻的激励信号，与它过去的工作状态无关，可用代数方程描述。动态系统，也称有记忆系统：其输出与它过去的工作状态有关，可用微分或差分方程描述。

信息就是事物运动的状态和方式。它具有可以识别、转换、存储和传输的性质。凡是可以扩展人的信息功能的技术，都是信息技术。信息技术的主体内容包括传感技术、通信技术和计算机技术。

传感技术：主要包括信息的识别、检测、提取、变换以及某些信息处理技术，它是人的感官功能的扩展和延伸。

通信技术：包含信息的变换、传递存贮、处理以及某些控制与调节技术，它是人的信息传输系统(神经系统)功能的扩展和延长。

计算机技术：主要包括信息的存贮、检索、处理、分析、产生(决策或称指令信息)、以及控制等，它是人的信息处理器官(大脑)功能的延长。

信息论可分为广义信息论、侠义信息论和一般信息论。狭义信息论，主要研究信息的测度、信道容量以及信源和信道编码理论等，这一部分即山农信息基本理论；一般信息论，也主要是研究通信问题，但包括噪声理论，信号滤波与预测，信号调制与信号处理等。广义信息论，不仅包括上述内容，而且包括与信息有关的领域，如心理学、遗传学、神经生理学、语言学甚至包括社会学中有关信息的问题。

事件发生的不确定性和事件发生的概率有关。当一个小概率的事件发生了，它所涵盖的信息就很大。自信息函数是一个单调递减的函数，发生的概率越大，它所涵盖的自信息就越小。例如，一台机器，具有正常工作和发生事故两种可能状态，如果正常工作的概率为P(x1)＝0.99；发生故障的概率P(x2)＝0.Ol，则可认为这台机器一般处于正常工作状态。但是，一旦发生故障，则是一件引人注目的事件。因此，某事件发生所含有的信息量，应该是该事件发生的先验概率的函数，即：

IxifPxi式中，P(xi)是事件xi发生的先验概率，I(xi)表示事件xi发生所含有的信息量。根据客观事实和人们的习惯概念，函数I(xi)应满足以下条件:(1)I(xi)是先验概率P(xi)的单调递减函数，P(xi)越大，I(xi)越小；(2)当P(xi)＝1时，I(xi)＝0，必然事件信息量为零；

(3)当P(xi)=O时，I(xi)＝∞，不可能发生的事件发生了，其信息量为无穷大；(4)两个独立事件的联合信息量，等于它们各自信息量之和

显然，满足条件(1)、(2)、(3)时，应取信息量I(xi)为先验概率P(xi)的倒数；满足条件(4)时，最好的方法是用对数来定义信息量。IxiloglogPxi Pxi山农定义自信息的数学期望为信息熵，即信源的平均信息量

N

HXElogPxiPxilogPxi i1熵的单位是[bit／事件]或[bit／符号]。

信息熵表征了信源整体的统计特性，是总体的平均不确定性的量度。对某一特定的信源，其信息熵只有一个；不同的信源，因统计特性不同，其熵也不同。

信息熵表征了信源整体的统计特性，是总体的平均不确定性的量度。对某一特定的信源，其信息熵只有一个，不同的信源，因统计特性不同，其熵也不同。信息熵具有的性质是对称性、确定性、可加性和极值性。在离散信源中，当信源的输出状态是等概率分布时信源的熵取最大值，在连续信源中，情况有所不同，当各约束条件不同时，信源的最大相对熵值不同，有两种情况。其中有峰值功率受限条件下的信源最大熵和平均功率受限条件下的信源最大熵。熵与信息通过一个简单的守恒定律相联系，即一个体系的信息与熵的和保持恒定，这就是信息与熵的守恒定律。

人类感官获取信息具有局限性，随着传感器技术的发展，人类获取信息的范围变的更大。传感技术的发展表现为两个基本的方向，一是扩展感测信息的谱域，二是提高识别信息的智能。其中扩展谱域有视觉与光传感器、听觉与声压传感器、触觉与温度传感器和嗅觉传感器。智能化包括动态测量、远距离非接触测量、特殊环境测量和微观测量。在工程中涌现了许多新型的传感器，在核辐射检测、超声波检测和声发射检测等运用广泛。在选用传感器时应该考虑的基本原则有灵敏度、响应特性、线性、稳定性、精确性和测量范围等。信道是构成一般信息传输系统的重要组成部分，是载荷着信息的信号所通过的通道，它承担了信息传输和存储的任务。信息传输需要借助物质和能量。Shannon信道容量关系式表明，一个信道可靠传输的最大信息量完全由带宽F、时间T和信噪比Ps/Pn所决定。Shannon信道容量关系式：Ct = F log(1+Ps / Pn)

[bit/s] F — 信道带宽

Ps — 输入信号的平均功率

Pn — 引入信道的干扰噪声的平均功率 Ct — 单位时间内的信道容量

Shannon信道容量关系式表明，一个信道可靠传输的最大信息量完全由带宽F、时间T和信噪比Ps/Pn所决定。

上图表示信道容量Ct 与信道带宽F 的关系。当F 较小时，Ct 随F 增加较快，且当F = Ps/N0 时，Ct =Ps / N0，即此时信道容量等于信号功率与噪声功率谱密度的比值；当F 较大时，Ct 趋向于一极限值(Ps / N0)loge。

根据Shannon信道容量关系式，若保持信噪比，那么设计原则应该是环节数目尽可能少以及建立传输环节间的耦合关系。

在测试技术中，许多情况下需要对信号进行调制，信号的调制类型有幅值调制、频率调制和相位调制三种。调幅是将一个高频正（余）弦信号与测试信号相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。在调幅过程中要保证不出现过调失真和重叠失真。调频是利用信号x（t）的幅值调制载波的频率，或者说调频波是一种随信号x（t）的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波。频率调制较之幅度调制的一个重要优点是改善了信噪比。滤波器是一种选频装置，能够使特殊频率的成分通过，滤波器可分为四类，其中包括低通、高通、带通和带阻。

A/D转换是把连续时间信号转换为离散数字信号的过程，反之称为D/A转换。A/D转换包括了采样、量化和编码。采样是对时间坐标的离散化，是连续的模拟信号变成了离散信号。采样定理

为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。

fs ＞fh

满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。

量化则是对幅值坐标的离散化，使离散信号变成了数字信号。信号的加窗截断会引起能量的泄漏，采用傍瓣小的窗函数以及加大窗宽能有效的减少能量的泄漏。离散傅里叶变换并非泛指对任意离散信号取傅里叶积分或傅里叶级数，而是为了适应计算机计算傅里叶变换而引出的一个专用名词。若在计算机上实现这一运算，则必须做到:（1）把连续信号改造为离散数据；（2）把计算范围收缩到一个有限区间；（3）实现正、逆傅里叶变换运算。在这种条件下所构成的变换对称为离散傅里叶变换对。其特点是，在时域和频域中都只取有限个离散数据，这些数据分别构成周期性的离散时间函数和频率函数。

数字滤波器是利用离散时间系统的特性对输入信号波形进行加工处理，或者说利用数字方法按预定要求对信号进行变换，把输入序列x（n）变换成一定的输出序列y（n），从而达到改变信号频谱的目的。数字滤波器的滤波系统一般包括了采样、数字滤波、数模转换以及模拟滤波等。

维纳滤波是利用最小平方滤波原理实现剔除噪声的一种滤波方法。设滤波器输入为x(n)=s(n)+n(n)，其中s(n)为源信号，n(n)为干扰噪声，且s(n)与n(n)不相关，维纳滤波器的期望输出为源信号本身，即z(n)=s(n)。

若以滤波器实际输出y(n)与理想输出z(n)的均方误差Q最小为原则，则可推导出维纳滤波器的频率响应函数为：

Rs(ej)jH(e) Rs(ej)Rn(ej)

其中Rs、Rn分别表示源信号s(n)和干扰噪声n(n)的自功率谱。具有这一频率响应函数的滤波器称为维纳滤波器或最小平方滤波器。

第三篇：浅谈新形势下机械工程测试技术教学改革的论文

机械工程测试技术是机械类专业学生必修的一门专业技术基础课，它主要研究机械工程领域与设计相关的试验、控制和运行监测中所涉及到的物理量及其它工程量的测量和测量装置的性能，主要包括物理量和其他工程量的测量方法、测试中常用的传感器、信号的调理电路及记录、显示仪器的工作原理、测量装置基本特性的评价方法、测试信号的分析和处理等内容。它是一门综合应用相关课程的知识和内容来解决机械行业设计和生产中所面临的测试问题的课程，基本理论较多，同时所研究的内容都直接面向工程应用中的测试问题，与工程应用紧密结合。由于各种基于新的测试原理和测试方法的新型传感器不断出现，课程的教学内容也处于不断更新的变化之中。

随着高校专业改革的发展，一方面测试技术课程的学时数逐渐减少，教学时数(包括理论教学和实验教学)已缩减为32学时，而另一方面为了适应现代工程测试技术发展的需要，对于机械工程测试技术课程的教学要求却又有所提高。因此，为了在减少学时的情况下达到相同的教学效果，机械工程测试技术的教学内容和教学模式也需要与时俱进。本文依照课程教学内容服从专业培养目标、课程教学方法服务于课程教学内容、素质教育贯穿于整个教学过程的原则，以培养学生的创新意识和分析解决工程实际问题的能力为目的，针对新形势下机械工程测试技术课程的教学内容和教学模式进行了一些研究与探索。

1以面向工程应用为主的教学内容体系的改革

按照教学内容服务于专业培养目标的原则，以面向工程应用为主要目的，将课程内容进行模块化整合，在教学过程中应以应用模块的教学为重点，以适应培养具有创新意识的工程应用型人才的需要。

机械工程中一个完整的测试系统一般包括：被测对象(通常是各类信号)、传感器、调理电路、信号采集与数字信号处理及反馈控制等，与此相应的理论内容主要有：信号及其描述方法、测试装置性能的静动态分析、各种常用传感器的原理及后接电路、信号调理、信号的显示与记录、信号处理等，这些内容构成了机械工程测试技术课程的基本理论部分，涉及知识面较广，知识点多而繁琐。同时课程也包括了常见物理量如位移、力、应力和应变、振动测试、温度及流体参量中的压力和流量等常见物理量的测试方法，还包括现代计算机测试系统等内容，这一部分属于应用性内容。

针对课程内容的特点，将教学内容划分为信号及其描述模块、信号传输系统性能模块、传感器模块、信号调理模块、信号处理模块及应用实例模块这六大模块。其中前五个模块属于该课程的理论部分，它们间的关系也非常明确，即按照信号的运行路径为主线组织知识点，此部分内容中传感器模块为重点内容，主要讲授常用传感器的工作原理及后接电路，该部分内容与工程应用紧密结合，其余内容如信号传输系统性能及信号调理等与学生学习过的自动控制原理及电工学等课程有重合，在教学过程中可以做简单回顾即可。最后的应用实例模块既是前面各模块的有机结合，又是该课程的目的所在，该模块含几个典型物理量的测试实例，每个实例应有具体的系统组成及适当的理论分析。这样组织教学内容，学生在学习时能清晰地理解各个知识模块的作用及在测试系统中的地位，对于测试系统的完整组成及性能分析有比较完整的概念，另外也可以学习到各种物理量测试技术的具体工程应用方法。

2教学方法与手段的改革

2.1工程实例教学法

按照教学方法服务于教学内容的原则，由于机械工程测试技术这门课程与工程实践联系紧密，直接面向工程应用，因此在教学过程中，应将适当的工程实例引入教学，这对于提高教学效果具有重要作用。

如在讲述传感器的原理时，除讲清楚各种传感器的原理之外，还需要通过大量的工程实例来使学生认识所学习的传感器是如何应用于实际工程量的测量。例如，笔者在讲述压电传感器时，给学生举了一个压电传感器应用于悬臂梁振动测试的例子。压电加速度计由惯性质量块和受压的压电陶瓷晶体等组成，固定安装在悬臂梁上，当给悬臂梁施加一定频率的激振信号时，压电加速度计感受与悬臂梁相同频率的振动，若振动频率远小于压电加速度计的固有频率，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷晶体上，由于压电效应，压电陶瓷晶体上产生正比于运动加速度的表面电荷，通过电荷放大器等后接电路，便可以得到悬臂梁振动的加速度信号，再通过双重积分器即可得到悬臂梁的振动位移信号。

例如，在讲述关于滤波器的问题时，笔者通过LABVIEW给学生演示了一个滤波器应用程序，频率为10Hz、幅值为1的正弦波与频率为60Hz、幅值为0.1混叠有幅值为0.1的白噪声的正弦信号叠加的合成信号，通过无限长冲击响应(IIR)3阶低通滤波器进行滤波处理，当滤波器的截止频率分别为20Hz和65Hz时，通过观察滤波后信号的波形图，来了解滤波器的截止频率对于滤波效果的影响。

这些工程实例的引入，一方面能够激发学生学习相关知识的兴趣，了解相关知识的工程应用，同时又能提高学生应用所学内容分析和解决工程实际问题的能力。

2.2启发式教学法

启发式教学，就是根据教学目的、内容、学生的知识水平和知识规律，运用各种教学手段，采用启发诱导办法传授知识，使学生积极主动地学习，以促进能力培养。在课堂教学中，应尽量避免填鸭式教育，尽量启发学生利用已有知识去主动分析和解决理论推导和实际问题。在具体实施中，针对部分教学内容，以学生理解并掌握该部分内容为目标，可以先列出研究思路和步骤，然后在讲解过程依步骤逐步提示学生利用现有知识去进行思考，并尝试自己独立推理，然后再由教师进行详细讲解。

例如，在讲述关于非周期信号的傅立叶变换时，先列出学生已经学习过的周期信号的复指数展开式，提示他们可以将非周期信号看成是周期为无限长的周期信号，从而引导他们借用周期信号的复指数展开式去自己推导出傅立叶变换式。在讲述了傅立叶变换的基本概念之后，提示他们结合数学中的坐标变换去理解傅立叶变换实质上是一种积分变换，将一个信号通过积分变换变成另一个信号，两个信号相互之间有联系，傅立叶变换后得到的信号自变量已经变为频率而非时间，通过分析一个信号的傅立叶变换可以得到信号的频谱密度函数，从而了解了信号包含的各频率成份及特征。通过启发式教学，学生深刻地理解了傅立叶变换的意义，同时也加深了对信号时域分析和频域分析的理解。

实践证明，学生对于启发式教学方法比较感兴趣，他们也乐于在教师的启发下通过自己的思考去一步步解决实际问题，而非被动的接受教师的讲解，而经过对具体知识求解过程的锻炼，他们的自学能力及分析和解决实际问题的能力都得到较大程度的提高。

2.3将MATLAB及LabVIEW软件应用于课堂教学

机械工程测试技术作为一门与工程应用联系紧密的课程，其内容随着现代计算机技术的发展而不断完善，尤其是MATLAB软件及虚拟仪器技术等已成为测试系统分析与设计的重要工具。从工程实际需要出发，笔者在课堂教学中，将工程中广泛应用的MATLAB软件及虚拟仪器技术引入课堂教学，引导学生去了解这些软件在测试系统分析与设计中的作用。

例如，在讲述测试装置的静动态特性时，利用MATLAB的simulink仿真工具箱，建立一阶系统和二阶系统的仿真框图模型，给系统以不同的输入如单位阶跃输入、单位脉冲输入等，再通过改变一阶系统的时间常数及二阶系统的阻尼率和固有频率等参数，来模拟测试装置在不同输入下的响应，这些内容编写成一个个仿真子程序，在授课的时候直接调用子程序来运行。

讲述各种信号时，可以利用LABVIEW的信号仿真函数，产生不同频率和幅值的正弦波信号、方波信号及三角波信号等，同时利用频谱测量函数显示相应信号的幅值谱和相位谱。在讲述滤波器时，通过合并低频信号和高频信号或噪声信号组成混叠信号，并利用滤波器函数来编制应用程序来仿真高通滤波器、低通滤波器及带通滤波器等不同种类滤波器的滤波性能，从而使学生可以直观了解各种不同种类滤波器的性能。所有演示内容都编写成一个个应用实例，在课堂教学时直接调用。

通过将MATLAB和LabVIEW软件引入课堂教学，即避免了书本知识过于枯燥、学生易失去学习兴趣的问题，又能通过实例演示加深学生对于所学内容的直观印象，同时引导学生自己学习相应的软件，自己动手去处理实际问题，既提高了课堂教学效果，也培养了学生的应用相关软件去分析解决工程实际问题的能力。

2.4多媒体教学

由于课程教学内容较多，同时又包含有大量工程应用内容，而教学课时数又相对较少，因此，对于大部分内容的讲解宜采用多媒体教学，这有利于发挥多媒体教学信息量大，且可以对大量实际工程应用进行动画显示等优点。例如，在讲述测试系统的组成时，为了加深学生对于测试系统各个组成环节的印象，笔者举了旋转轴偏心量监测系统的例子。位移传感器获取轴承在X、Y方向的位移信号，通过调理电路进行放大和滤波，再经过信号数据采集送入计算机，进行处理和显示。监测系统采用动画显示的方式，既利于学生形象地通过测试信号的传递及信号的变换与处理过程，也利于加深其对测试系统整体组成的理解，同时也可提高学生实际应用能力。

2.5小论文式大作业

在教学过程中，针对主要内容布置一些大作业，选题范围主要是一些相关的工程实际问题，也可以让学生自行选题，要求他们以小组的形式，按照测试系统的组成，自己选择相应的硬件去搭建能够投入工程实际应用的测试系统，并分析所组成的测试系统的性能，最后按照一般科技论文的格式完成一篇简单的小论文。例如，在课程学习基本完成之后，向部分学生布置了一道机床主轴转速测试系统的大作业，让学生自己选用合适的传感器，并选用相应的测试系统硬件，自己搭建一个转速测试系统，并应用LANVIEW软件编制信号采集及信号处理程序。实践表明，在教学中鼓励、指导学生进行小论文式的大作业的训练，可以更好地发挥其学习的主动性和创造性，也使得学生设计测试系统的能力和分析解决工程实际问题的能力得以提高，是一种非常有效的研究型教学方法。

3更新实验内容，实施开放式实验教学

实验教学内容既要服务于课程教学目标，同时也要紧跟工程实践要求，着重培养学生分析和解决工程实际问题的能力。为此，我们对实验内容进行适当改进，在保留了一些验证性的传统实验内容同时，也积极开设了一些设计性和创新性的实验项目。更新后的实验内容分为二个部分：第一部分为基本实验，主要包括电桥性能综合实验、霍尔测速实验及压电式加速度传感器测量振动实验，第二部分为综合创新性实验(机床主轴振动测试、液压系统流量测试及桁架应力综合测试)。基本实验以课程基本知识为载体，以基本知识和动手能力训练为重点，为必开实验。综合创新性的实验，以培养学生的设计能力、分析和解决工程实际问题的能力为目的，学生可以选做自己感兴趣的实验项目。

实验教学实施开放式、自主式教学，学生可以在实验室开放期间任何时间来做实验，由学生根据实验的要求自行选用相应传感器及相关硬件和软件搭建测试系统，并独立完成整个实验，从而使自己动手能力和实践能力得到加强。教师在实验结束后，对实验结果进行总结，指出实验过程中存在的一些不足，同学生进行讨论。这样，可以帮助学生发现问题，使他们掌握处理问题的技巧，从而更好地激发和培养他们的探索精神和创新能力。

4结论

机械工程测试技术教学的主要目的就是让学生更好地掌握测试系统的理论和测试系统性能分析的方法，并学会独立选用相应的硬件和软件去搭建测试系统去分析和解决工程实际中的工程量测试问题。近几年的教学实践表明：本文在教学内容、教学方法与手段、实验教学等方面进行的研究与探索，在提高教学效果方面显示了较好的作用。模块化且面向工程应用为主的教学内容体系更适合具有创新意识的应用型人才的培养需要，各种教学方法与手段的采用能够提高学生的学习兴趣、增强学生学习主动性和分析解决工程实际问题的能力，更新的实验教学内容和开放式实验教学能够加强学生动手能力和实践能力的培养。

第四篇：机械工程测试教学法探究论文

一、借助于展示实物、多媒体等技术，激发学习的积极性

例如讲授傅立叶变化的时间尺度改变特性时，先理论证明该性质，在暴风影音中播放凤凰传奇的流行歌曲《最炫民族风》，从互联网上下载有图像、歌词的MTV，先正常播放一个片段，活跃课堂气氛；按下快进按钮，播放速度加快到正常速度的1。5倍（时域内，播放时间变为原来的2/3），声音变得尖细，像儿童（频域内，信号频谱变宽，高频成分相对增多）；按下慢放按钮，播放速度加快到正常速度的0。5倍（时域内，播放时间变为原来的2倍），声音变得低沉，像老人（频域内，信号频谱变窄，低频成分相对增多）；在轻松、欢快的气氛中，听到不同的、变了调的歌曲，对比屏幕显示的歌词，就会明白同样的信号，改变其时域尺度，频域成分就会发生改变。在欢乐中学习知识，使学习知识变成一个欢乐、轻松的过程。运用现代科技为师生交流提供了广阔自由的交流方式，拓展延伸了教学时空，在课后学习中，师生之间利用郑州大学网上评教平台、E—mail、QQ、手机等方式，随时随地进行着交流互动，实现了师生之间在空间上的零距离。在第一次上课时，把相关的信息公示出来，既拉近了师生之间的距离，又方便学生以后有什么疑难问题、意见及建议等及时地联系教师。

二、结合实际工程案例，培养学生的实践能力

案例教学法首创于哈佛大学，是当今国内外高等院校部分应用性学科专业经常使用的一种教学手段，目的在于有效增加课堂教学的生动性与实践性，以达到理论教学与实践教学相结合的实际效果。工程案例是将发生于工程实践中的客观事实，经过文字、数据、图表、动画等方式进行概括、整理，形成可用于课堂交流或探讨的案例材料。案例教学是学生了解实际问题的媒介，可以培养学生解决工程实际问题的能力。实践证明，一个好的案例常常有助于提高教学质量与效果，增加学生对专业学习的热情和积极性，并且能起到举一反

三、触类旁通的作用，启发学生对工程实践中相关事例与情境的深入观察与思考[2—3]。机械工程测试技术基础是一门理论性、实践性都很强的课程，笔者结合多年的工程实践和专业教学经验，就案例教学在其教学中的应用问题进行了一些有益的尝试。所选的工程案例应当真实，有针对性、系统性、时效性，难易程度恰当，能揭示和应用所学知识，并能引入、消化和吸收新知识，能切实提升学生的能力。结合本课程理论较深奥、实践性强、课时少的实际情况，根据授课内容的要求，采用在理论教学后提出合适的案例以加深学生的印象，促进其对内容深刻理解的案例教学方法。在讲授“常用传感器与敏感元件”一章时，首先借助于实物、多媒体方式，介绍各类传感器的结构、工作原理、应用特点等理论知识；以京唐公司的高炉入料粒度检测系统为例，在大屏幕上展示现场的工作环境、空间尺寸，告诉学生这是一个环境中飘浮着较多小颗粒、粉尘，是填海之后腐蚀性较强的场所，实际生产要求实现物料取样、分级、称重等功能，显示取样液压系统压力、温度、油液深度、动作过程、称重检测结果等；误差小于0。3%。要求学生自愿结合，八人一组，每组设计出一个具体的实施方案，并写出设计提纲，比较不同方案的经济性、实用性；特别是各种称重传感器（变送器）、限位开关、温度传感器（变送器）、液位计、压力传感器（变送器）的选择，要求不能只是简单地给出哪个种类的传感器，需要阐明元件选择的依据，具体写出每一种传感器的型号、生产厂家、数量、价格。在开始讲授本章之前，把这个任务布置下去，要求课下完成。讲课过程中，不断提示本案例，为课堂上有效地开展案例教学做好充分的准备。本章内容讲授完成之后，展开讨论。课堂上首先听取各组的简短方案发言，接着教师开始分析设计过程，理清设计思路，引导学生有步骤地完成方案设计、元件选择。工程设计是没有标准答案的，但必须考虑设计方案的经济性、实用性，满足实际的生产要求。由于讨论内容超越了课本，将复杂的工程实际与本课程的学习紧密相连，并看到了所学知识在工程实际中的应用价值，学生兴趣十足，发言踊跃，甚至能提出工程实际中某个方面的不足之处，课堂气氛、教学效果得到了极大的改善，培养了学生的实践意识及实践能力。

三、改革考试方式

在本课程的教学过程中，尝试了多种新的考核方式，旨在让考试真正成为督促学生学习、调动学生学习积极性的有效手段和检验途径。应改变单一笔试的课程考核方式，采取期末笔试、平时成绩、实验操作考核三者相结合，全面评定学生对课程内容的掌握程度。平时成绩以作业、课堂表现、实验实习报告为评判依据，实际工程案例分组设计计入平时成绩。我们将考试方式改变为：平时成绩占20%；实验成绩占20%；期末考试成绩占60%。在期末试卷设计时，考虑学生个体的差异。由于学生的理论基础与个人特长的个体差异，因此对于本课程的掌握和理解程度、应用能力也相应不同，试卷主体仍然按照知识点的要求和分布情况进行出题，即基本题占70%左右、提高题占20%左右，较难题占10%左右。不同的是，在占10%的较难题方面给学生增加选择。比如，设置两道不同题目中任选一题，一题偏重于理论分析，一题偏重于实际应用，学生可根据自己的特长与爱好选做。采用面向实际的教学法，教学效果良好，师生共受益。学生在轻松的氛围中学习知识，培养了学生的实践意识，实践能力。学生在郑州大学网上教学平台上给教师的留言充满了感激与鼓励，给教师打分平均98分以上，就充分地说明学生对机械工程测试技术基础的教学是肯定的、满意的。本人在课程的讲授过程中，看到学生理解知识难点后的喜悦，感受到学生知道所学得到所用的激动，其乐无穷！

第五篇：测试技术论文

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。

虚拟仪器技术的三大组成部分：

1．高效的软件

软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。提供的行业标准图形化编程软件——LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，还提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C语言的LabWindows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等，均可满足客户对高性能应用的需求。

有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。

2．模块化的I/O硬件

面对如今日益复杂的测试测量应用，已经提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394总线，都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。

3．用于集成的软硬件平台

专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。

PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。

虚拟仪器技术的四大优势：

性能高

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

扩展性强

这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

开发时间少

在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

应用实例

阿尔卡特美国公司是全球领先的世界上电信设备制造商领导者之一。位于加州佩塔卢马的接入部，开发Litespan接入平台一种光纤数字环路载波（DLC）。DLC能够将电话公司中心机房普通铜线上的电话业务传递到更远的地方。通过LabVIEW，在相对短的时间内开发了一个全面测试方案。同时测试对每个信道单元的16个ANSI要求的环路和4条ISDN线路的一个信道单元进行测试时，每项测试所花费的时间为12分钟。由于一些信道单元需要测试某个温度范围内的状况，因而整个测试需要几天的时间。

Allen Klein美国阿尔卡特公司Litespan硬件质量部的一位工程师，在程序中增加了一项功能，使得测试可以全天进行，甚至在周末也行。这项功能极大地扩展丰富了测试平台，提高了测试效率。

虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体。

虚拟仪器是由计算机硬件资源和用于数字分析与处理、过程通讯以及图形界面的软件组成的测控系统，它把仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，也就是说传统测试中使用厂家生产的仪器，仪器的性能及功能在出厂时已被厂家定义，用户只能根据自己的要求和需要选择和使用；而虚拟仪器是在一定的硬件基础上，用户可根据测试的需求，编写软件定义自己的仪器功能。同样的硬件配置可开发出不同的仪器，例如在仪器面板上显示采集信号在时域的波形，那么该仪器为虚拟示波器；如果在程序中对采集信号进行FFT变换，那么该仪器就是虚拟频谱分析仪。笔者则用LabWindows／CVI来开发虚拟经纱张力测试仪，用来测试织机在工作时经纱张力的变化情况。经纱张力传感器

织机在织造过程中，经纱动态张力对织造的，顺利进行有着很大的影响，张力过大，易引起断头，影响织造效率；张力不足易造成梭口不清，形成三跳疵点，使布面及纹路不够清晰。当经纱穿过轴时，经纱对两侧传力杆有压力，通过传力杆将压力传给弹性梁，使之产生应变，利用应变片将其应变转化为电阻的变化，然后再通过转化电路将电阻的变化转化为电压的变化，测量出电压值，根据传感器的标定就可求出相应的经纱张力。虚拟经纱张力测试仪系统

2．1 系统结构

虚拟经纱张力测试仪的测试系统由传感器、数据采集卡、接口总线、硬件驱动程序和开发的测试软件构成，数据采集卡采用6024E，LabWindows／CVI平台开发测试软件，在Windows98操作系统下运行。

2.2 信号采集

由于要测出经纱张力与主轴转角的关系，所以用了3个传感器。传感器1是经纱张力传

感器，把经纱张力物理信号转化为电信号；传感器2是光电脉冲传感器，用来测量主轴转角；传感器3是霍尔传感器，将霍尔电压作为测量触发信号。各个传感器输出的信号都要经过一个信号调理电路对信号进行处理(如滤波、放大等)，从混合信号中取出待测的有用信号，送人数据采集卡，并要适合数据采集卡的电压范围，通过总线结构送进计算机进行处理。数据采集借助软件来控制整个DAQ系统，包括采集原始数据、分析数据等，调理后的信号经多路开关在软件设定采样率的控制下，巡回采集并放大，再经采样与保持及A／D转换器单元被量化成数字信号，成为计算机可以处理的信号，由虚拟仪器软件对测试信号进行计算、分析、显示，并储存结果。虚拟经纱张力测试仪的设计

3．1 经纱张力测试仪的面板结构

虚拟经纱张力测试仪的面板右边的七个文本框输入内容，是用户根据实际测量的需求以及与采集卡的连接通道在开始测试前设定的。测量时，打开测试仪器开关，仪器就可以工作；按下采集数据，稍等几秒，面板上就会显示出经纱张力的波形图。保存数据就是对测量的原始数据、信号处理后的数据以及需要提供给用户的数据存取；读数据是读取事先已经测量的数据，然后在仪器面板上绘出曲线，这有利于事后分析；关闭仪器则退出测试状态。

3．2 虚拟经纱张力测试仪的软件

面板上的数据采集、关闭仪器、保存数据等命令按钮通过回调函数来实现各自的功能，整个源代码中数据采集的回调函数caiji是程序的关键。虚拟经纱张力测试仪的应用

用所设计的虚拟经纱张力测试仪系统对YC—425型喷气织机测试，织机主轴每转一转，经纱张力周期变化一次，在0°附近，经纱张力最大，有利于打纬，最小张力出现在280°附近。在理论上来讲，下一个最大值出现在开口满开的位置，且一般只有两个峰值，在曲线上除了打纬点外，还有两个峰值，这说明在后梁装有张力缓解机构。最小张力也就是经纱的上机张力曲线的重复性不很好，说明织机工作状况不够稳定。结束语

虚拟仪器是今后仪器仪表、测试控制研究与发展的方向，用NI公司的LabWindows／CVI作为平台，比常用的面向对象软件编程难度大大降低，使得软件开发效率高，界面友好，功能强大，且扩展性好，对采集到的数据可用于高级分析库进行信号处理，也可以为了使所得测试曲线符合实际情况，进行拟合处理。总之，虚拟仪器有强大的功能，它强调“软件就是仪器”，用软件代替硬件，易开发、易调试，可有效节约资金。