工程测试技术第1-2章PPT幻灯片

1,选用教材：熊诗波黄长艺.机械工程测试技术基础.(第3版)，机械工业出版社，2006.05主要参考书：冯凯昉.工程测试技术.西安：西北工业大学出版社，2003.08陈花玲.机械工程测试技术.北京：机械工业出版社，2002.12刘培基.机械工程测试技术.北京：机械工业出版社，2003.01考试课，28讲授课时+4实验课时共七章内容,2,第一章测试装置的基本特性,本章学习要求：1.建立测试系统的概念2.掌握描述测试装置静态特性的方法3.掌握描述测试装置动态特性的方法,3,1.1概述1、对测试装置基本要求测试装置的输出信号能够真实地反映被测物理量(输入信号)的变化过程，不使信号发生畸变，即实现不失真测试。在测量工作中，一般把研究对象和测试装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。测试装置的传递（传输）特性：系统的输出与输入量之间的变换或运算关系。,4,测试系统分析的三类问题：1)当输入、输出是可测量的(已知)，则可推断系统的传输特性。(系统辨识)2)当系统特性已知，输出可测量，则可推断导致该输出的输入量。(反求)3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。(预测),5,2、测试装置传输特性的分类静态特性（Staticcharacteristics）：即输入量和输出量不随时间变化或变化缓慢时，输出与输入之间的关系，可用代数方程表示。动态特性（Dynamiccharacteristics）：即输入量和输出量随时间迅速变化时，输出与输入之间的关系，可用微分方程表示。,6,1.2测试装置的静态特性测试装置处于静态工作条件下，输入x和输出y不随时间变化，则输出与输入之间的关系可以用代数方程y=Sx表示。即输出是输入的单调、线性比例函数。y=Sx称为静态特性方程实际的测试系统输出与输入往往不是理想直线，这样静态特性由多项式表示y=s0+s1x+s2x2+,7,1、静态特性的标定静态标定：在规定的标准工作条件下，用实验方法求测试系统的静态特性曲线的过程。标定曲线：表示静态特性方程的图形称为测试装置的标定曲线。测试装置本身存在某些随机因素时，可在相同条件下进行多次重复测量，求同一输入条件下的平均值，作静态特性曲线。有回差的测试装置，正行程和反行程组成一个循环。相同条件下多次循环测量，求出平均值，得到正反行程的静态特性曲线。,8,2、静态特性指标a)线性度线性度：标定曲线与拟合直线的偏离程度，用线性误差表示，即用系统标称输出范围（全量程）A内，标定曲线与拟合直线的最大偏差表示。通常表示成相对误差形式。线性度是对测试系统输入输出线性关系的一种度量。,9,b)灵敏度若系统的输入x有一增量x，引起输出y发生相应变化y时，则定义灵敏度S为:S=y/x,10,c）回程误差测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax，则定义回程误差为:,11,d)分辨力指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。,12,e）零点漂移和灵敏度漂移零点漂移：测量装置的输出零点偏离原始零点的距离。灵敏度漂移：由于材料性质的变化而引起的输入与输出的变化。,13,1.3测试系统的动态特性动态特性的数学描述：1）微分方程2）传递函数3）频率响应函数4）脉冲响应函数等,14,1、动态特性的数学描述1）线性微分方程（P45)微分方程是最基本的数学模型，求解微分方程，就可得到系统的动态特性。对于一个复杂的测试系统和复杂的测试信号，求解微分方程比较困难，甚至成为不可能。为此，根据数学理论，不求解微分方程，而应用拉普拉斯变换求出传递函数、频率响应函数等来描述动态特性。,15,2）传递函数定义：系统的初始条件为零时，输出y(t)的拉氏变换Y(s)和输入x(t)的拉氏变换X(s)之比称为系统的传递函数，记为H(s)。,16,传递函数的特点：H(s)与输入信号x(t)及系统的初始状态无关，系统的动态特性完全由H(s)决定。H(s)只反映系统传输特性，而和系统具体物理结构无关。即同一形式的传递函数可表征具有相同传输特性的不同物理系统。H(s)的分母取决于系统的结构（分母中s的幂次n代表系统微分方程的阶数），分子则和系统与外界之间的关系，如输入（激励）点的位置、输入方式、被测量及测点布置情况有关。传递函数与微分方程完全等价，可以相互转化。,17,3）频率响应函数定义：系统的初始条件为零时，输出y(t)的傅立叶变换Y(j)和输入x(t)的傅立叶变换X(j)之比称为系统的频率响应函数，记为H(j)或H()。频率响应函数求法：当系统的初始条件为零时，同时测得系统的输入和输出，然后对其进行傅立叶变换，可得频率响应函数为将s=j代入传递函数公式具有同样的形式，因此，频率响应函数是传递函数的特例。,18,依据：频率保持性若输入为某一频率的简谐信号，则系统的稳态输出必是、也只是同频率的简谐信号。,19,H(j)为复变量函数，有相应的模和相角。模A()反映了线性时不变系统在正弦信号激励下，其稳态输出与输入的幅值比随频率的变化，称为系统的幅频特性；幅角()反映了稳态输出与输入的相位差随频率的变化，称为系统的相频特性。,20,频率响应特性的图形描述：实际作图时，常对自变量取对数标尺，幅值坐标取分贝数，即作,21,4）脉冲响应函数若系统的输入为单位冲击(t)，因(t)的拉氏变换为1，有：Y(S)=H(S)，则y(t)=F-1Y(S)=F-1H(S)h(t)h(t)称为脉冲响应函数,22,动态特性数学描述的几点结论：在复频域用传递函数H(s)来描述；在频域用频率响应函数H()描述；在时域可用微分方程、脉冲响应函数h(t)来描述。其中传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数三者之间存在着一一对应的关系。h(t)和传递函数H(s)是一对拉普拉斯变换对；h(t)和频率响应函数H()又是一对博里叶变换对。频率响应函数的含义是一系统对输入与输出皆为正弦信号传递关系的描述。它反映了系统稳态输出与输入之间的关系，也称为正弦传递函数。传递函数是系统对输入是正弦信号，而输出是正弦叠加瞬态信号传递关系的描述。它反映了系统包括稳态和瞬态输出与输入之间的关系。,23,2、常见测试系统的频率响应1）一阶系统例如：弹簧阻尼机械系统,24,25,26,幅频特性A()和相频特性()表示输入和输出之间的差异，称为稳态响应动态误差。实际应用中常限定幅值误差一阶系统的特性：低通性质：幅值比A()随输入频率的增大而减小。系统的工作频率范围取决于时间常数。当较小时，幅值和相位的失真都较小。当一定时，越小，测试系统的工作频率范围越宽。因此为了减小一阶测试系统的稳态响应动态误差，增大工作频率，应尽可能采用时间常数小的测试系统。,27,2）二阶系统,28,29,30,二阶系统的特性：低通特性频率响应与阻尼比有关,31,频率响应与固有频率0有关：固有频率越高，保持动态误差在一定范围内的工作频率范围越宽，反之越窄。对二阶系统通常推荐采用阻尼比0.7左右，且可用频率在00.60范围内变化，测试系统可获得较好的动态特性，其幅值误差不超过5，同时相频特性接近于直线，即测试系统的动态特性误差较小。,32,在动态测试时，必须了解测试系统的可用频率范围与允许的幅值误差和阻尼比有关。允许的幅值误差越小，其可用频率范围越窄；反之，其可用频率范围越宽。0.7左右时，也有较宽的可用频率范围。,33,本章小结：1.测试系统的概念（测试系统的基本要求）2.测试系统的静态特性（静态特性指标的定义）3.测试系统的动态特性（重点动态特性评定）,34,习题：P66-P672-2、2-3、2-5、2-7、2-10,35,第二章常用传感器与敏感元件,本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,36,2.1概述2.1.1传感器定义传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,37,2.1.2传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,38,2.1.3传感器的分类1)按被测物理量分类常见的被测物理量包括：机械量：位移、力、速度、加速度热工量：温度、流量、热量、比热、压力(差)物性参量：浓度、比重、真空度、酸碱度状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损,39,2)按工作原理分类机械式,电气式,光学式,流体式等。3)按信号变换特征:结构型和物性型.物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.,40,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.5)按传感器的输出量：模拟式传感器和数字式传感器,41,2.1.4传感器性能的基本要求：高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)、容易调节(校准简易)高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性)高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力选择性、安全性(传感器应是无污染的)、互换性、低成本宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围,42,2.2机械式传感器及仪器机械式传感器是以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力，压力或温度等物理量，输出则是弹性元件本身的弹性变形。,43,机械式传感器做成的机械式指示仪表优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。缺点：弹性变形不宜大,以减小线性误差。由于放大和指示环节多为机械传动，不仅受间隙影响,而且惯性大,固有频率低,只宜用于检测缓变或静态被测量。,44,2.3电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、固态压阻式等。2.3.1变阻器式传感器变阻器式传感器是通过改变电位器触头位置，实现将位移转化成电阻的变化。,45,2.3.2电阻应变式传感器电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。,46,1)工作原理金属应变片的电阻R为上述任何一个参数变换均会引起电阻变化，求导数,47,电阻丝材料的泊松比,电阻丝纵向应变,48,49,半导体应变片：对半导体材料，压阻效应为主：E电阻丝材料的弹性模量,优点：灵敏度大；体积小。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,50,定义：电阻丝的灵敏度系数Sg表示单位应变所引起的电阻相对变化。金属材料取值为2左右。（常数）半导体材料取值50100之间，易受温度影响。,51,2）电阻应变片的种类及材料电阻应变片的种类常用有丝式、箔式、半导体式等。,52,丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高电阻率金属丝（0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。,53,箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏感栅。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。,54,半导体应变片：利用半导体材料制成。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。,55,半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：优点：灵敏度高；机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高；易于集成化缺点：温度稳定性能差；灵敏度分散度大；较大应力作用下，非线性误差大；机械强度低,56,3）电阻应变式传感器的应用将应变片粘贴于被测试件上，直接用来测定试件的应力或应变。,57,将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器，常用来测量力、位移、压力、加速度等参数。,58,2.4电容式传感器一、变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化。,59,60,工作特性：灵敏度s与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受电容极板间击穿电压的限制。一般00.11mm左右。电容量C与极距呈非线性关系，为了减小非线性误差，通常极距变化范围/00.010.1。此类电容传感器仅适于微小位移的测量（0.01m数百微米）；可进行非接触测量,61,实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。,62,63,由于平板型传感器的可动极板稍有极距方向移动会影响测量精度，因此，一般情况下，变面积型电容式传感器常做成圆柱形。,64,面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。,65,3介电常数变化型常用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。,介质厚度、温度、湿度计,介质液位计,66,二、测量电路目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频电路、运算放大器电路、差动脉冲宽度调制电路等。1、电桥电路由电容的变化转化为电桥的电压输出。,67,2、谐振电路电容传感器的电容Cx作为谐振回路(L2、C2、Cx)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。,68,3、调频电路传感器电容是振荡器谐振回路的一部分。当输入量使传感器电容量发生变化时,振荡器的振荡频率发生变化。频率的变化经过鉴频器变为电压变化,再经过放大后由记录器记录或显示仪表指示。,69,4、运算放大器电路,70,2.5电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。常用来测量位移、压力、流量、振动等物理参数。分类,71,一、自感型1、工作原理可变磁阻式,72,73,74,75,76,77,二、电涡流式传感器1、工作原理:金属体在交变磁场中的涡电流效应电涡流效应。,78,79,80,81,82,电涡流式传感器的特点非接触测量，抗干扰能力强灵敏度高分辨力高，位移检测范围：1mm10mm，最高分辨率可达0.1%。结构简单，使用方便，不受油液等介质影响,83,三、互感式电感传感器互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。实际中多采用螺管线圈型差动变压器。,84,1、工作原理这种传感器是利用电磁感应中的互感现象,如下图，当线圈W1输入交流电流i1时,线圈W2产生感应电动势e12，其大小与电流i1的变化率成正比,即,85,传感器由初级线圈和两个参数完全相同的次级线圈组成。线圈中心插入圆柱形铁芯，次级线圈反极性串联。当初级线圈加上交流电压时，次级线圈w1及w2分别产生感应电势e1和e2，其大小与铁芯位置有关。,86,87,88,差动变压器式传感器特点：精度高(0.1m数量级，最高可达0.01m)，高精度型非线性误差可达0.1%线性范围大（可达100mm）稳定性好，结构简单，使用方便因包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量。广泛应用于直线位移，或能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量。,89,2.6压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。1、压电效应及压电材料某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,90,与压电效应相反，如果将具有压电效应的物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。常见的压电材料分为三类：1)单晶压电晶体(如石英、酒石酸钾钠等)2)多晶压电陶瓷(如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等)3)高分子材料(聚偏二氟乙烯(PVDF)。,91,92,93,纵向压电效应：沿电轴(x轴)施加作用力，电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：qx=d11Fx其中，d11：纵向压电常数；Fx：作用力。横向压电效应：沿机械轴(y轴)施加作用力，电荷仍出现在与x轴相垂直的表面上。切向压电效应：沿相对两棱加力(x轴或y轴施加剪切力)，晶体表面产生电荷的现象。横向压电效应产生的电荷与切片的几何尺寸无关，纵向压电效应产生的电荷与切片的几何尺寸有关，横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,94,压电材料1）压电单晶石英（SiO2）天然或人工合成。具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小，但压电系数的时间和温度稳定性好。酒石酸钾钠压电系数较大，但机械强度、电阻率均较低，易受潮，性能不稳定。2)多晶压电陶瓷原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性。压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件，大多采用压电陶瓷。钛酸钡碳酸钡和二氧化钛按1：1混合烧结混合烧结而成。压电常数约为石英的50倍，介电常数高，居里点约120C。,95,锆钛酸铅（PZT）系列压电陶瓷较高的居里点和很高的压电常数，性能和稳定性均超过钛酸钡。3）高分子有机压电材料聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。用于微压和机器人触觉。4）压电半导体具有压电和半导体两种特性，易于集成。,96,2、测量电路,97,98,99,100,101,102,连接电缆的长度和形态变化会引起电缆对地电容变化，导致传感器输出电压变化，从而使仪器灵敏度变化。,103,104,故得:如果放大倍数足够大,则有上式简化为:电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比。,105,3、压电式传感器的应用,106,107,2.7光电式传感器,108,一、光电效应光电效应通常是指物体敏感到由紫外线到红外线的光能量，并将光能转化成电信号现象。1、外光电效应在光线作用下，物