测试技术总结

1、第六章 总结任振兴任振兴总 结v（一）测试系统的基础知识（一）测试系统的基础知识1 测试系统的组成测试系统的组成2 测试方法的分类测试方法的分类3 测量的基本单位测量的基本单位4 线性测试系统的线性测试系统的5个特性个特性5 测试系统的特性测试系统的特性v（二）信号的分类及描述（二）信号的分类及描述 1 信号的分类信号的分类确定性信号和随机信号、离散信号和连续信号；确定性信号和随机信号、离散信号和连续信号； 2 信号的描述方法信号的描述方法 时域描述和频域描述及其特点；时域描述和频域描述及其特点； v（三）常用传感器（三）常用传感器1、传感器的定义及组成；、传感器的定义及组成；2、应变式传感器

2、的原理和温度补偿，三种电、应变式传感器的原理和温度补偿，三种电桥电路，技术参数：桥电路，技术参数： 原理：当电阻丝受到拉力原理：当电阻丝受到拉力F作用时作用时, 将伸长将伸长dL, 横截面积相应减小横截面积相应减小dS, 电阻率将因晶格发生变形等因电阻率将因晶格发生变形等因素而改变素而改变d, 故引起电阻值相对变化量为故引起电阻值相对变化量为 SdSpdpLdLRdR 由此可知由此可知, 应力值应力值正比于应变正比于应变, 而试件应变而试件应变正正比于电阻值的变化比于电阻值的变化, 所以应力所以应力正比于电阻值的变化正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片测量应变的基本原理。这就是利用应变片测量

3、应变的基本原理。 /21RdRK可以推导出：可以推导出： E应变片的温度误差和补偿应变片的温度误差和补偿v 1）、温度误差）、温度误差 Rt=R + R = 0 +K0(1 -2) R0 t0应变片的温度系数应变片的温度系数，K0应变片的灵敏度系数应变片的灵敏度系数1 与与2为弹性元件和应变片的线膨胀系数为弹性元件和应变片的线膨胀系数折算成附加应变折算成附加应变t= Rt/(R0K0) 电阻的温度系数引起的阻值变化电阻与被测对象线膨胀系数不同引起的电阻变化 2） 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法线路补偿法和

4、应变片自补偿和应变片自补偿两大类。两大类。 若按照若按照 R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻。选取桥臂电阻。 Uo=A（R1+R1t）R4-(RB+RBt)R3=0 若此时被测试件有应变若此时被测试件有应变的作用的作用, 则工作应变片电阻则工作应变片电阻R1又又有新的增量有新的增量R1=R1K, 而补偿片因不承受应变而补偿片因不承受应变, 故不产生新的故不产生新的增量增量, 此时电桥输出电压为此时电桥输出电压为 Uo = AR1R4K 结论：电桥的输出电压结论：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变仅与被测试件的应变有关有关, 而与环而与环境温度无关。境温度无关。 v三种电桥电路的

5、输出电压的计算三种电桥电路的输出电压的计算v（三）常用传感器（三）常用传感器3、电容式传感器的原理、分类，变极距型电、电容式传感器的原理、分类，变极距型电容式传感器的灵敏度和线性度及其改善方法，容式传感器的灵敏度和线性度及其改善方法，双电桥电路原理；双电桥电路原理；当传感器的当传感器的r和和S为常数，初始极距为为常数，初始极距为d0时，可知其初始电时，可知其初始电容量容量C0为为 000dSCr 若电容器极板间距离由初始值若电容器极板间距离由初始值d0缩小了缩小了d，电容，电容量增大了量增大了C，则有，则有 000001rSCCCCdddd 在上式中，若在上式中，若d/d01时，则展成时，则展

6、成级数级数：2300000011ddddCCCdddd 此时此时C与与d近似呈线性关系，所以变极距型近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器电容式传感器只有只有在在d/d0很小时，才有近似的很小时，才有近似的线性关系。线性关系。 当极板间的距离较小时，电容容易被击穿，当极板间的距离较小时，电容容易被击穿，因此在两极板间常加入绝缘材料。因此在两极板间常加入绝缘材料。 在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。大都采用差动式结构。 在差动式平板电容器中，当动极板位移在差动式平板电容器中，当动极板位移d时，电容器时，电容器C1的间

7、隙的间隙d1变为变为d0-d，电容器，电容器C2的间隙的间隙d2变为变为d0+d, 则则 002001/11/11ddCCddCC00d1d2C1C2S在在d/d01时时, 按级数展开得按级数展开得 2310000232000011dddCCddddddCCddd电容值总的变化量为电容值总的变化量为 503000212ddddddCCCC电容值相对变化量为电容值相对变化量为 40200012ddddddCC略去高次项，则略去高次项，则C/C0与与d/d0近似成为如下的线性关系：近似成为如下的线性关系： 002ddCC 如果只考虑式中的线性项和三次项如果只考虑式中的线性项和三次项, 则电容式传感

8、器的相对则电容式传感器的相对非线性误差非线性误差近似为近似为 %100%100|/|2|)/( |220030dddddd差动的好处v灵敏度得到一倍的改善灵敏度得到一倍的改善v线性度得到改善线性度得到改善002CdCd 001CdCd 0100%dd20100%dd非差动：非差动：差动：差动：非差动：非差动：差动：差动： 二极管双二极管双T形交流电桥形交流电桥下图是二极管双下图是二极管双T T形交流电桥电路原理图。形交流电桥电路原理图。e e是高频电源，它是高频电源，它提供了幅值为提供了幅值为U U的对称方波，的对称方波，VD1VD1、VD2VD2为特性完全相同的两为特性完全相同的两只二极管，

9、固定电阻只二极管，固定电阻R R1=1=R R2=2=R R，C C1 1、C C2 2为传感器的两个差动为传感器的两个差动电容电容。 v（三）常用传感器（三）常用传感器4、压电式传感器的原理，（正逆）压电效应，、压电式传感器的原理，（正逆）压电效应，压电系数的意义及其角标数字的意义，压电系数的意义及其角标数字的意义，3个特个特征轴及其特点；征轴及其特点； 石英晶体(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 纵向轴z称为光轴经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴 若从晶体上沿若从晶体上沿y方向切下一块如图方向切下一块如图2（c）所示的晶片，当沿）所

10、示的晶片，当沿电轴方向施加作用力电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，垂直的平面上将产生电荷， 其大小为其大小为 xxFdq11式中式中, d11为为x方向受力的压电系数。方向受力的压电系数。 若在同一切片上，沿机械轴若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力方向施加作用力Fy，则仍在与，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为，其大小为 yyFbadq12式中：式中：d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性，轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有有d12=-d11； v（三）常用传感器（三）常用传感器5、自感式传

11、感器的原理、结构、用于差动结、自感式传感器的原理、结构、用于差动结构时辨别衔铁运动方向的电路原理；构时辨别衔铁运动方向的电路原理；线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁IN L 20022ANRNLM线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁mRIN 002221112AAlAlRm002A111Al222Al00220 ANL 000011LL线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁 0,0000012222ANANLLL 00000122202LAN001 LL0 1 当时 ,.302000 LL时，当 1 000LL 0,002220000022LANANLLL.302000 LL衔铁衔铁R1R2L2L1ACU0U)(ANL 0012

12、2)(ANL 00222 .LL32000011 .LL30200021 02K)()(100212LLLLLLL.2530000LL带相敏整流的交流电桥 v对于交流电桥测量电路，由于采用交流电源，对于交流电桥测量电路，由于采用交流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输出电压总是交流的，即无法判别位移的桥输出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。因此常采用带相敏整流的交流电桥辨方向。因此常采用带相敏整流的交流电桥辨别铁芯的移动方向。别铁芯的移动方向。（1）结构带相敏整流的交流电桥电路带相敏整流的交流电桥电路 （1）初始平衡位置时v当差动式传感器的

13、当差动式传感器的活动铁芯处于中间活动铁芯处于中间位置时，传感器两位置时，传感器两个差动线圈的阻抗个差动线圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等，其等效电路如图所示。效电路如图所示。 铁芯处于初始平衡位置时的等效电路铁芯处于初始平衡位置时的等效电路 Z2Z2（2）活动铁芯向一边移动时 v当活动铁芯向当活动铁芯向线圈的一个方线圈的一个方向移动时，传向移动时，传感器两个差动感器两个差动线圈的阻抗发线圈的阻抗发生变化，等效生变化，等效电路如图所示。电路如图所示。 铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路 Z2Z2（3）结果oDCii20001221 ()2ZZUVVUUZZZZoD

14、Ci200121 ()2ZUVVUZZZ在在Ui的正半周的正半周 在在Ui的负半周的负半周 只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值v（三）常用传感器（三）常用传感器6、霍尔式传感器：霍尔效应，霍尔电势的表、霍尔式传感器：霍尔效应，霍尔电势的表达式，霍尔电势的不等为电势和不等位电阻，达式，霍尔电势的不等为电势和不等位电阻，温度补偿方法；温度补偿方法； 一、霍尔效应及霍尔元件一、霍尔效应及霍尔元件 1.1.霍尔效应霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体置于磁场中的静止载流导体, ,

15、 当它的电当它的电流方向与磁场方向不一致时流方向与磁场方向不一致时, , 载流导体上载流导体上垂垂直直于电流和磁场方向产生电动势于电流和磁场方向产生电动势, , 这种现象这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。称霍尔效应。该电势称霍尔电势。 式中式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。可见称为霍尔片的灵敏度。可见, 霍尔电势霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度成正比而与霍尔片厚度d成反比。成反比。为了提高灵敏度为了提高灵敏度, 霍尔元件常制成薄片形状。霍尔元件常制成薄片形状。IBKdIBRUHHH 2. 霍尔元件

16、基本结构霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、它由霍尔片、 引线和壳体组成引线和壳体组成, 如图所示。如图所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四个引线。霍尔元元件壳体引出四个引线。霍尔元元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 3. 霍尔元件温度补偿霍尔元件温度补偿 当当温度变化温度变化时时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化率及霍尔系数都将发生变化, 从而使霍尔元件产生温度误差。从而使霍尔元件产生温度误差。 霍尔

17、元件的灵敏系数霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数也是温度的函数, 它随温度的变它随温度的变化引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的化引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成：关系可写成： KH=KH0（1+T） 霍尔电势温度系数。霍尔电势温度系数。 根据根据UH=KHIB为了减少温度误差，通常采用恒流源供电，为了减少温度误差，通常采用恒流源供电，保持保持KHI不变，如图所示的补偿电路。不变，如图所示的补偿电路。 在图示的温度补偿电路中在图示的温度补偿电路中, 设初始温度为设初始温度为T0, 霍霍尔元件输入电阻为尔元件输入电阻为Ri0, 灵敏系数为灵敏系数为KH1,

18、 分流电阻为分流电阻为Rp0, 根据分流概念得根据分流概念得当温度上升当温度上升T时时, 电路中各参数变为电路中各参数变为00iPPHRRIRI Ri=Ri0（1+T）式中式中: 霍尔元件输入电阻温度系数霍尔元件输入电阻温度系数; iHPPHRRIRI)1 (0TRRIRiPP 虽然温度升高虽然温度升高T, 为使霍尔电势不变为使霍尔电势不变, 补偿电路必须满补偿电路必须满足温升前、足温升前、 后的霍尔电势不变后的霍尔电势不变, 即即 UH0=UH KH0IH0B=KHIHB 则则 KH0IH0=KH IH 经整理得经整理得 当霍尔元件选定后当霍尔元件选定后, 它的输入电阻它的输入电阻Ri0和温度系数和温度系数及霍尔及霍尔电势温度系数电势温度系数是确定值。由式即可计算出分流电阻是确定值。由式即可计算出分流电阻Rp。思考：若思考：若Rp也随温度变