第 13章
设计自动测试系统的几
个问题
电子信息及电气工程系
13-1 传感器的非线性处理
1、硬件线性化处理方法
1）简单线性
化方法,
,以畸治畸
”
补偿。
2）折线法,
电路分析
2、软件线性化处理方法
1）计算法
2）查表法
3）插值法
4）结合计算
查表法，形成插
值法。
取 x 值
x < x1 取 k0,x0,yo
x < x2 取 k1,x1,y1
x < xn 取 kn-1,xn-1,yn-1
输出处理 y = yi + ki(x- xi)
13-2 温度补偿
1、热敏电阻对应变传感器的温度补偿
T↑ → K↓→U0 `↓ →U0 ↓
→ Rt↓→U0 ↑
2)工作片：承受应力
补偿片：不受应力
U0不变
R2
R3 R4
U0
U
Rt R1 t
R0
6、反馈式温度补偿
目的,使系统零点、灵敏度不变。
方法,检测出系统零点、灵敏度的变化,
通过反馈系统进行调整，使其保持
在给定值上。
适用对象,复杂温度敏感参数的综合补偿
13-4 传感器的可靠性与抗
干扰问题
一、传感器的可靠性问题
1、可靠性,在规定时间内保持原有技术性
能的能力。
2、自动测试系统的寿命与平均无故障时间
3、提高可靠性的措施
1） 采用高可靠性元件，提高工艺质量
2) 利用故障发
生规律,
人工老化筛选
出厂前试机 t
λ(t)
3）采用冗余系统（双机热 /冷备用）
二、抗干扰技术
1、差模干扰、共模干扰
2、外来干扰、内部干扰
3、消除外来干扰的措施：屏蔽加正确的接地
消除内部干扰的措施：变压器屏蔽
1、问题的提出
美国宇航局首先提出 Smart Sensor的概念
（阿波罗运载火箭有 2077个传感器）
2,美国宇航局 Langley研究中心的
Breckenridgc and Husson等人认为 Smart
Sensor应具备 的条件,
1）由传感器本身消除异常值和例外值；
2）具有信号处理功能（温补、线性化等）；
3）随机整定和自适应；
4）具有一定的存储、识别和自诊断功能；
5）内含特定的算法并可根据需要改变。
13-3 传感器的智能化
"智能传感器 "一词属个人引用
3、传感器发展的方向
集成化、微型化、智能化、网络化
1）集成化
*子功能一体化,传感器、信息处理装置集成
*多功能集成化（ 复合敏感功能）, 将多个功能
不同的元件集成（ 能够同时测量多种物理量和化学量
，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗
尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、
流速、压力和密度。美国 EG&G IC Sensors公司研制的复合
力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度、速
度、位移） ；
*多维集成,同一功能的元件列阵；
大小，可置入人体）；
2）基于新的检测原理和结构
* 新的物理效应 （如新型弹性表面波（ SAW
传感器，可测温度、力、压力等，分辨
率高，价低，易生产）；
* 新的化学反应 （如采用离子敏感场效应管
制成微小的 CO2传感器，如注射器针头般
大小，可置入人体）；
*生物芯片的开发应用,硅技术与生物材料相
结合已在人类智能工程方面发挥了关键作用
，它也上当前最热的研究领域。例如，美国
Motorola公司为了创立新学科 —— 分子诊断
学，已经制成了一种生物芯片系统单元。
3） 基于新的新工艺（促进传感器的微型化）,
微细加工技术
有选择的化学腐蚀技术
机械加工技术
（美国制造的 φ0.75mm的压阻式传感器）
4）新材料,
硅材料 （ 新型硅传感器的主体材料）,
单晶硅，多晶硅，非晶硅；
陶瓷材料
合成材料 (磁阻、铁电、热电、高温超导材料）
纳米材料 （ 专家认为 2020年，人类社会进入, 后
硅器时代,,纳米传感器将成为主流，它具有功耗小
(无需散热装置 )、体积小和灵敏度高等特点）
智能材料,
能感知环境的变化（普通传感器的
功能）
能进行自我判断（处理器的功能）
能发出指令和自行采取行动（执行
器的功能）
形状记忆材料,
形状记忆金属
形状记忆陶瓷
形状记忆聚合物
13-4 网络传感器
20世纪 60年代：机油压力传感器、油量传感器、水
温传感器；
70年代：增加催化转换器、电子点火、燃油喷射装
置控制；
80年代：增加防
抱死制动装置、
气囊提高了汽车
安全性。
今天，传感器已是无处不在
动力系统,测定各种流体温度和压力 (如进气温度、
气道压力、冷却水温和燃油喷射压力等 )的传感器；
确定各部分速度和位置的传感器 (如车速、节气门开
度、凸轮轴、曲轴、变速器的角度和速度、排气再循
环阀 (EGR)的位置等 )；测量发动机负荷、爆震、断火
及废气中含氧量的传感器；
安全传感器,确定座椅位置的传感器；防抱死制动系
统和悬架控制装置中测定车轮转速、路面高差和轮胎
气压的传感器；保护前排乘员的气囊，不仅需要较多
的碰撞传感器和加速度传感器，还需要乘员位置、体
重等传感器来保证其及时和准确的工作。
新增传感器,面对制造商提供的侧量、顶置式气
囊以及更精巧的侧置头部气囊，还要增加传感器
。随着研究人员用防撞传感器 (测距雷达或其他测
距传感器 )来判断和控制汽车的侧向加速度、每个
微机
传
感
器
输入接口
传
感
器
……
车轮的瞬时速度
及所需的转矩，
使制动系统成为
汽车稳定性控制
系统的一个组成
部分。
众多的
传感器
以点对
点的方
式接入
CAN总线
微机
传
感
器
通信控制器
传
感
器
……
传
感
器
带 CAN 总线接
口的传感器
CAN总线 (Control Area Network),
现场总线技术属于底层网络,是一种
全数字式的串行双向通信系统 。 CANbus、
Lonworks,Profibus,FF,485等
智能传感 器是传感技术的一次革命
第一代智能传感器,
人们将微处理器技术、智能技术和微机械
加工技术（ MEMS）应用于传感器，传感器性能
的改变不再仅仅依赖硬件的改进，而是用存放
于微处理器中的功能强大的软件对系统进行非
线形自动校正、自校零、自校准、自补偿、自
检验、抑制噪声等处理。此外，人工智能、专
家系统、模糊逻辑、神经网络等也加强了对传
感技术的影响，增强了传感器的, 智能化, 功
能。
第二代智能传感器 （ 网络传感器 ）,
在第一代智能变送器的基础上, 实现
由被动进行信号检测与转换向主动控制和
主动进行信息处理方向发展, 由孤立的检
测变送单元向系统化, 网络化发展 。 智能
传感器属于现场设备, 将它们和其它的各
种现场上的设备与上一级的监控装置连接
在一起形成的全数字化的, 串行, 双向,
多站的网络通信系统就是现场总线网络控
制系统 （ FCS） 。
结构,网络接口芯片与智能传感器集成起
来, 并把通信协议固化到智能传感器的咖
中, 形成网络传感器 。
网络传感器继承了智能传感器的全部
功能, 并且能够和计算机网络进行通信,
因而在现场总线控制系统中得到了广泛的
应用, 成为现场级数字化传感器 。
网络化智能传感器具有这些特征,
可以根据输入信号值进行判断和制定决
策；可以通过软件控制做出多种决定；
可以与外部进行信息交换, 有输入输出
接口或网络接口；
具有自检测, 自修正和自保护功能 。 这种
传感器可对检测数据进行分析, 统计和修正
可自动补偿, 自动选择检测量程和测式方
法, 可进行检测数据的随时存取并与 计算机
网络进行信息交换 。
Foundation Fieldbus
Seriplex
LON Works
INTER BUS S
红外色谱
机械视觉 线扫描仪
条码扫描器
流量传感器
温度传感器
压力传感器
分析仪器 编码器
光电开关 接近开关
限位开关
单回路控制
驱动装置
微驱动装置
控制阀门
马达起动器
接触器
电磁阀
ASI
CAN bus networks PROFI- BUS.DP
PROFIBUS
P-NET FIP
数据宽度,位 字节 数据流
各类现场总线的应用范围
由于现场总线已进入, 战国时代,, 现
有的智能传感器只能用在特定的现场总线中
。 缺乏真正的开放性 。
1,基于现场总线, 基于以太网 (Ethem6t)等
的传感器网络化技术及应用迅速成长起来,
成为前景广阔的研究方向, 它是传感器技术
与网络通信技术结合与交叉的结 果 。
2,国际统一标准,IEEEl451,2接口标准
第三代智能仪表 —— IP智能现场仪表,
基于嵌入式 Web服务器技术，支持
HTTP/TCP/UDP/IP等通信协议，并采用以太网
标准接口，实现了现场设备和 Internet的直
接通信。 IP智能现场仪表解决了设备的直接
上网问题，通过分配正确的 IP地址，授权用
户就可以在任意 Internet终端实现对被控设
备的访问和控制。这种新一代的智能仪表代
表了新世纪仪表的发展方向，这种局面的出
现，必将深刻影响现有的控制网络结构，并
使之向新的控制网络体系发展 —— 基于嵌入
式 Internet的控制网络
嵌入式 Internet技术的一个重要应用是实现对远程现
场设备的状态监控, 通过 Internet对设备进行全天候
的远程实时监控 。 在设备出现异常时, 网络化监测点
还会通过 ICQ（ 网络传呼机 ） 或电子邮件等方式及时
向设备工程师发出警告信息, 对设备异常现象做出及
时响应 。
惠普公司生产的嵌入式以太网控制器具有 10-Base
T以太网接口, 运行 FTP/HTTP/TCP/UDP协议, 应用
于传感器, 驱动器等现场设备 。 国内的东大阿派公司
为自己的 CT产品开发了远程维修诊断系统 。 美国
OPT022公司采用嵌入式 Internet技术, 研制开发了,
以太网 I/O系统, —— SNAP I/O系统, 通过 Internet对
分布在远程设备现场的 I/O口进行访问, 从而实现对
远程设备的监测和控制 。
浏
览
器
Web
浏
览
器
数
据
库
服
务
器
B/S 结 构 图
请求 请求
响应 响应
设计自动测试系统的几
个问题
电子信息及电气工程系
13-1 传感器的非线性处理
1、硬件线性化处理方法
1）简单线性
化方法,
,以畸治畸
”
补偿。
2）折线法,
电路分析
2、软件线性化处理方法
1）计算法
2）查表法
3）插值法
4）结合计算
查表法，形成插
值法。
取 x 值
x < x1 取 k0,x0,yo
x < x2 取 k1,x1,y1
x < xn 取 kn-1,xn-1,yn-1
输出处理 y = yi + ki(x- xi)
13-2 温度补偿
1、热敏电阻对应变传感器的温度补偿
T↑ → K↓→U0 `↓ →U0 ↓
→ Rt↓→U0 ↑
2)工作片：承受应力
补偿片：不受应力
U0不变
R2
R3 R4
U0
U
Rt R1 t
R0
6、反馈式温度补偿
目的,使系统零点、灵敏度不变。
方法,检测出系统零点、灵敏度的变化,
通过反馈系统进行调整，使其保持
在给定值上。
适用对象,复杂温度敏感参数的综合补偿
13-4 传感器的可靠性与抗
干扰问题
一、传感器的可靠性问题
1、可靠性,在规定时间内保持原有技术性
能的能力。
2、自动测试系统的寿命与平均无故障时间
3、提高可靠性的措施
1） 采用高可靠性元件，提高工艺质量
2) 利用故障发
生规律,
人工老化筛选
出厂前试机 t
λ(t)
3）采用冗余系统（双机热 /冷备用）
二、抗干扰技术
1、差模干扰、共模干扰
2、外来干扰、内部干扰
3、消除外来干扰的措施：屏蔽加正确的接地
消除内部干扰的措施：变压器屏蔽
1、问题的提出
美国宇航局首先提出 Smart Sensor的概念
（阿波罗运载火箭有 2077个传感器）
2,美国宇航局 Langley研究中心的
Breckenridgc and Husson等人认为 Smart
Sensor应具备 的条件,
1）由传感器本身消除异常值和例外值；
2）具有信号处理功能（温补、线性化等）；
3）随机整定和自适应；
4）具有一定的存储、识别和自诊断功能；
5）内含特定的算法并可根据需要改变。
13-3 传感器的智能化
"智能传感器 "一词属个人引用
3、传感器发展的方向
集成化、微型化、智能化、网络化
1）集成化
*子功能一体化,传感器、信息处理装置集成
*多功能集成化（ 复合敏感功能）, 将多个功能
不同的元件集成（ 能够同时测量多种物理量和化学量
，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗
尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、
流速、压力和密度。美国 EG&G IC Sensors公司研制的复合
力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度、速
度、位移） ；
*多维集成,同一功能的元件列阵；
大小，可置入人体）；
2）基于新的检测原理和结构
* 新的物理效应 （如新型弹性表面波（ SAW
传感器，可测温度、力、压力等，分辨
率高，价低，易生产）；
* 新的化学反应 （如采用离子敏感场效应管
制成微小的 CO2传感器，如注射器针头般
大小，可置入人体）；
*生物芯片的开发应用,硅技术与生物材料相
结合已在人类智能工程方面发挥了关键作用
，它也上当前最热的研究领域。例如，美国
Motorola公司为了创立新学科 —— 分子诊断
学，已经制成了一种生物芯片系统单元。
3） 基于新的新工艺（促进传感器的微型化）,
微细加工技术
有选择的化学腐蚀技术
机械加工技术
（美国制造的 φ0.75mm的压阻式传感器）
4）新材料,
硅材料 （ 新型硅传感器的主体材料）,
单晶硅，多晶硅，非晶硅；
陶瓷材料
合成材料 (磁阻、铁电、热电、高温超导材料）
纳米材料 （ 专家认为 2020年，人类社会进入, 后
硅器时代,,纳米传感器将成为主流，它具有功耗小
(无需散热装置 )、体积小和灵敏度高等特点）
智能材料,
能感知环境的变化（普通传感器的
功能）
能进行自我判断（处理器的功能）
能发出指令和自行采取行动（执行
器的功能）
形状记忆材料,
形状记忆金属
形状记忆陶瓷
形状记忆聚合物
13-4 网络传感器
20世纪 60年代：机油压力传感器、油量传感器、水
温传感器；
70年代：增加催化转换器、电子点火、燃油喷射装
置控制；
80年代：增加防
抱死制动装置、
气囊提高了汽车
安全性。
今天，传感器已是无处不在
动力系统,测定各种流体温度和压力 (如进气温度、
气道压力、冷却水温和燃油喷射压力等 )的传感器；
确定各部分速度和位置的传感器 (如车速、节气门开
度、凸轮轴、曲轴、变速器的角度和速度、排气再循
环阀 (EGR)的位置等 )；测量发动机负荷、爆震、断火
及废气中含氧量的传感器；
安全传感器,确定座椅位置的传感器；防抱死制动系
统和悬架控制装置中测定车轮转速、路面高差和轮胎
气压的传感器；保护前排乘员的气囊，不仅需要较多
的碰撞传感器和加速度传感器，还需要乘员位置、体
重等传感器来保证其及时和准确的工作。
新增传感器,面对制造商提供的侧量、顶置式气
囊以及更精巧的侧置头部气囊，还要增加传感器
。随着研究人员用防撞传感器 (测距雷达或其他测
距传感器 )来判断和控制汽车的侧向加速度、每个
微机
传
感
器
输入接口
传
感
器
……
车轮的瞬时速度
及所需的转矩，
使制动系统成为
汽车稳定性控制
系统的一个组成
部分。
众多的
传感器
以点对
点的方
式接入
CAN总线
微机
传
感
器
通信控制器
传
感
器
……
传
感
器
带 CAN 总线接
口的传感器
CAN总线 (Control Area Network),
现场总线技术属于底层网络,是一种
全数字式的串行双向通信系统 。 CANbus、
Lonworks,Profibus,FF,485等
智能传感 器是传感技术的一次革命
第一代智能传感器,
人们将微处理器技术、智能技术和微机械
加工技术（ MEMS）应用于传感器，传感器性能
的改变不再仅仅依赖硬件的改进，而是用存放
于微处理器中的功能强大的软件对系统进行非
线形自动校正、自校零、自校准、自补偿、自
检验、抑制噪声等处理。此外，人工智能、专
家系统、模糊逻辑、神经网络等也加强了对传
感技术的影响，增强了传感器的, 智能化, 功
能。
第二代智能传感器 （ 网络传感器 ）,
在第一代智能变送器的基础上, 实现
由被动进行信号检测与转换向主动控制和
主动进行信息处理方向发展, 由孤立的检
测变送单元向系统化, 网络化发展 。 智能
传感器属于现场设备, 将它们和其它的各
种现场上的设备与上一级的监控装置连接
在一起形成的全数字化的, 串行, 双向,
多站的网络通信系统就是现场总线网络控
制系统 （ FCS） 。
结构,网络接口芯片与智能传感器集成起
来, 并把通信协议固化到智能传感器的咖
中, 形成网络传感器 。
网络传感器继承了智能传感器的全部
功能, 并且能够和计算机网络进行通信,
因而在现场总线控制系统中得到了广泛的
应用, 成为现场级数字化传感器 。
网络化智能传感器具有这些特征,
可以根据输入信号值进行判断和制定决
策；可以通过软件控制做出多种决定；
可以与外部进行信息交换, 有输入输出
接口或网络接口；
具有自检测, 自修正和自保护功能 。 这种
传感器可对检测数据进行分析, 统计和修正
可自动补偿, 自动选择检测量程和测式方
法, 可进行检测数据的随时存取并与 计算机
网络进行信息交换 。
Foundation Fieldbus
Seriplex
LON Works
INTER BUS S
红外色谱
机械视觉 线扫描仪
条码扫描器
流量传感器
温度传感器
压力传感器
分析仪器 编码器
光电开关 接近开关
限位开关
单回路控制
驱动装置
微驱动装置
控制阀门
马达起动器
接触器
电磁阀
ASI
CAN bus networks PROFI- BUS.DP
PROFIBUS
P-NET FIP
数据宽度,位 字节 数据流
各类现场总线的应用范围
由于现场总线已进入, 战国时代,, 现
有的智能传感器只能用在特定的现场总线中
。 缺乏真正的开放性 。
1,基于现场总线, 基于以太网 (Ethem6t)等
的传感器网络化技术及应用迅速成长起来,
成为前景广阔的研究方向, 它是传感器技术
与网络通信技术结合与交叉的结 果 。
2,国际统一标准,IEEEl451,2接口标准
第三代智能仪表 —— IP智能现场仪表,
基于嵌入式 Web服务器技术，支持
HTTP/TCP/UDP/IP等通信协议，并采用以太网
标准接口，实现了现场设备和 Internet的直
接通信。 IP智能现场仪表解决了设备的直接
上网问题，通过分配正确的 IP地址，授权用
户就可以在任意 Internet终端实现对被控设
备的访问和控制。这种新一代的智能仪表代
表了新世纪仪表的发展方向，这种局面的出
现，必将深刻影响现有的控制网络结构，并
使之向新的控制网络体系发展 —— 基于嵌入
式 Internet的控制网络
嵌入式 Internet技术的一个重要应用是实现对远程现
场设备的状态监控, 通过 Internet对设备进行全天候
的远程实时监控 。 在设备出现异常时, 网络化监测点
还会通过 ICQ（ 网络传呼机 ） 或电子邮件等方式及时
向设备工程师发出警告信息, 对设备异常现象做出及
时响应 。
惠普公司生产的嵌入式以太网控制器具有 10-Base
T以太网接口, 运行 FTP/HTTP/TCP/UDP协议, 应用
于传感器, 驱动器等现场设备 。 国内的东大阿派公司
为自己的 CT产品开发了远程维修诊断系统 。 美国
OPT022公司采用嵌入式 Internet技术, 研制开发了,
以太网 I/O系统, —— SNAP I/O系统, 通过 Internet对
分布在远程设备现场的 I/O口进行访问, 从而实现对
远程设备的监测和控制 。
浏
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器
Web
浏
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器
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据
库
服
务
器
B/S 结 构 图
请求 请求
响应 响应
