第5章(测试环节)

1、20042004年年1010月月第第1 1页页第五章第五章 机械量测试系统的基本环节机械量测试系统的基本环节v第一节第一节 传感器传感器v 第二节第二节 电桥电路电桥电路 v 第三节第三节 放大器放大器v 第四节第四节 光线示波器光线示波器v 第五节第五节 笔式记录仪笔式记录仪v 第六节第六节 自动平衡记录仪和自动平衡记录仪和X-Y记录仪记录仪v 第七节第七节 磁带记录仪磁带记录仪v 第八节第八节 数据数据采集器采集器机械工程测试与数据处理技术机械工程测试与数据处理技术 第五章第五章20042004年年1010月月第第2 2页页1.熟悉常用传感器的类型和工作原理及性能变化；熟悉常用传感器的类型

2、和工作原理及性能变化；2.掌握常用传感器的选用原则；掌握常用传感器的选用原则；3.通过实验逐步了解传感器的定度方法；通过实验逐步了解传感器的定度方法；4.学习方法上要注意掌握传感器的共同要点即传感学习方法上要注意掌握传感器的共同要点即传感 器的工作原理，主要形式，采用的材料，匹配电器的工作原理，主要形式，采用的材料，匹配电 路等；路等；5.掌握测试环节的基本组成部分及各自的特点和连掌握测试环节的基本组成部分及各自的特点和连 接关系和应用中的优缺点；接关系和应用中的优缺点；6.掌握中间变换电路和常用记录仪器的工作原理和掌握中间变换电路和常用记录仪器的工作原理和 性能，并能正确选用；性能，并能正确

3、选用；7.对于调制电路，着重理解不同调制方法和特点。对于调制电路，着重理解不同调制方法和特点。本章学习要求：本章学习要求：第五章第五章 机械量测试系统的基本环节机械量测试系统的基本环节20042004年年1010月月第第3 3页页-1传感器概述传感器概述在机械工程测试中，传感器是关键的一个在机械工程测试中，传感器是关键的一个环节。环节。定义：将被测物理量转化为与之相对应的定义：将被测物理量转化为与之相对应的的易于检测、传输或处理的信号装置。的易于检测、传输或处理的信号装置。1.传感器的组成：一般由传感器的组成：一般由敏感元件敏感元件与其他与其他辅辅助件助件组成。组成。敏感元件是传感器的核心敏感

4、元件是传感器的核心。所。所以要掌握敏感元件的工作原理。以要掌握敏感元件的工作原理。20042004年年1010月月第第4 4页页2.传感器的作用：传感器的作用：（1）类似于人的感觉器官将被测物理量转换成为）类似于人的感觉器官将被测物理量转换成为可测信号并传给中间环节进行处理分析。可测信号并传给中间环节进行处理分析。（2）认为是人的感官延伸可探索人们无法用感官）认为是人的感官延伸可探索人们无法用感官直接测量的事物。直接测量的事物。（3）可以说传感器是测量仪器与被测事物之间的）可以说传感器是测量仪器与被测事物之间的接口。接口。（4）可以说传感器是测试装置的输入端，它的性）可以说传感器是测试装置的输

5、入端，它的性能直接影响整个测试装置的工作质量、可靠性。能直接影响整个测试装置的工作质量、可靠性。 20042004年年1010月月第第5 5页页 深入研究传感器的原理和应用、研制新型传深入研究传感器的原理和应用、研制新型传感器对于研究自然界的深度和广度具有重要感器对于研究自然界的深度和广度具有重要意义。意义。 要求：根据不同的测试对象，能够按不失真要求：根据不同的测试对象，能够按不失真条件、掌握选择传感器的原则。条件、掌握选择传感器的原则。 包括的形式有阻抗式、电能式、（发电式）、包括的形式有阻抗式、电能式、（发电式）、频率脉冲式等。频率脉冲式等。 传感器的分类：传感器的种类繁多，往往一传感器

6、的分类：传感器的种类繁多，往往一种物理量可用多种类型的传感器来检测另种物理量可用多种类型的传感器来检测另外，同一传感器也可测量多种物理量。外，同一传感器也可测量多种物理量。 20042004年年1010月月第第6 6页页 （1）按被测物理量（输入量）按被测物理量（输入量） （2）按（输出量）传感器输送出何种参量）按（输出量）传感器输送出何种参量 （3）按传感器工作的物理量可分为）按传感器工作的物理量可分为 位移传感器力传感器温度传感器加速度传感器电阻式电容式电感式机械式电气式光学式流体式20042004年年1010月月第第7 7页页（4）按信号变化特种可分为）按信号变化特种可分为 （5）根据敏

7、感元件与被测对象之间能量）根据敏感元件与被测对象之间能量关系可分为关系可分为（6）也可分为三大类）也可分为三大类 物性型结构型能量转换性能量控制型阻抗式电能式（发电式）频率（脉冲）式20042004年年1010月月第第8 8页页 -2阻抗式传感器：阻抗式传感器：（）电阻式传感器：滑线变阻器（电位器）（）电阻式传感器：滑线变阻器（电位器）电阻应变计电阻应变计压阻元件压阻元件热敏电阻热敏电阻光敏电阻等光敏电阻等（）电感式位移传感器（）电感式位移传感器 ：可变自感系数（可变间隙及可动可变自感系数（可变间隙及可动铁芯）；铁芯）；可变互感系数（差动变压器）；可变互感系数（差动变压器）；旋转变压器；旋转变

8、压器；压磁式；压磁式；电涡流式等；电涡流式等；20042004年年1010月月第第9 9页页 （）电容式传感器：可变气隙；（）电容式传感器：可变气隙；可变面积；可变面积；可变介质等；可变介质等；-电能式传感器电能式传感器（）磁电式传感器：磁阻式测速发电机；（）磁电式传感器：磁阻式测速发电机；直流测速发电机等直流测速发电机等（）压电式传感器：石英、压电陶瓷等压电晶体。（）压电式传感器：石英、压电陶瓷等压电晶体。（）光电式传感器：光电管、光敏电阻、光电池等。（）光电式传感器：光电管、光敏电阻、光电池等。（）霍尔效应元件传感器（）霍尔效应元件传感器（）热电式传感器：热电偶、热释电红外光敏元件（）热电

9、式传感器：热电偶、热释电红外光敏元件（）射线电式传感器：微波、放射线等传感器（）射线电式传感器：微波、放射线等传感器20042004年年1010月月第第1010页页 -频率脉冲式传感器频率脉冲式传感器（）振弦式（振筒式）传感器（）振弦式（振筒式）传感器（）感应同步器传感器（）感应同步器传感器（）光栅传感器（）光栅传感器（）磁栅传感器（）磁栅传感器（）码盘传感器（）码盘传感器机械量传感器常用的有：力传感器、压力机械量传感器常用的有：力传感器、压力（液压、气压）传感器、位移传感器、速（液压、气压）传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、扭矩、流量等度传感器、加速度传感器、扭矩、流量等传感器。

10、传感器。20042004年年1010月月第第1111页页2.压力传感器压力传感器（1）压力表：用于缓变压力信号测量。它由一般弹性压力）压力表：用于缓变压力信号测量。它由一般弹性压力表和位移传感器组成。表和位移传感器组成。（2）应变计式压力传感器：用于动态压力测量，有通风冷）应变计式压力传感器：用于动态压力测量，有通风冷却或通水冷却，有的还可测量蒸汽压力（即高温）却或通水冷却，有的还可测量蒸汽压力（即高温）（3）电容式压力传感器：频率响应高，用于动态压力测量。）电容式压力传感器：频率响应高，用于动态压力测量。.测力传感器测力传感器（）应变式测力传感器：精度高，可以从几克到几万吨（）应变式测力传感

11、器：精度高，可以从几克到几万吨，可进行静态、动态测量。原理：通过受力变形测力），可进行静态、动态测量。原理：通过受力变形测力）（2）压电式测力传感器：频率响应宽，用作测量振动力和）压电式测力传感器：频率响应宽，用作测量振动力和冲击力（压电晶体受力产生电荷量输出）冲击力（压电晶体受力产生电荷量输出）（3）压磁式传感器：输出信号大，用于精度要求一般的工）压磁式传感器：输出信号大，用于精度要求一般的工业测量（钢厂轧机的轧制力测量）业测量（钢厂轧机的轧制力测量）20042004年年1010月月第第1212页页3.位移测量传感器：位移测量传感器：（1）电感式传感器及差动变压器：测量精度较高，其中差）电感

12、式传感器及差动变压器：测量精度较高，其中差动变压器测量范围较大，可达上百毫米。动变压器测量范围较大，可达上百毫米。（2）感应同步器、磁栅：精度高，用于机床位移测量）感应同步器、磁栅：精度高，用于机床位移测量（3）莫尔条纹光栅：精度高，用于精密测量）莫尔条纹光栅：精度高，用于精密测量（4）滑线变阻器、应变计式，霍尔效应式位移传感器：用）滑线变阻器、应变计式，霍尔效应式位移传感器：用于一般位移测量于一般位移测量（5）电容式位移传感器：用于一般位移测量，其中非接触）电容式位移传感器：用于一般位移测量，其中非接触式的电容式位移传感器主要用于测量振动位移。式的电容式位移传感器主要用于测量振动位移。（6）

13、电涡流式位移传感器：为非接触测量，用于振动测量）电涡流式位移传感器：为非接触测量，用于振动测量（动态测量）（动态测量）（7）激光干涉条纹法：用于高精度测量，例如校验量具。）激光干涉条纹法：用于高精度测量，例如校验量具。20042004年年1010月月第第1313页页4.速度测量传感器速度测量传感器（1）测速发电机：用于一般速度测量）测速发电机：用于一般速度测量（2）磁阻式或光电式测速：其精度较高，定标容易。）磁阻式或光电式测速：其精度较高，定标容易。5.加速度测量传感器加速度测量传感器（1）压电式加速度计：频带宽，高频可达）压电式加速度计：频带宽，高频可达30KHz（2）应变计式加速度计：低频

14、响应好，可从零赫兹开始，）应变计式加速度计：低频响应好，可从零赫兹开始，但高频限较低。但高频限较低。（3）半导体式加速度计：灵敏度高，质量保证不了，不稳）半导体式加速度计：灵敏度高，质量保证不了，不稳定。定。6.扭转测量传感器扭转测量传感器（1）应变计式：使用方便，可进行现场实测。）应变计式：使用方便，可进行现场实测。（2）光电式、磁阻式：一般都用在实验室中，使用时，需）光电式、磁阻式：一般都用在实验室中，使用时，需把电机与传动轴移开，从中串入传感器才能测量。把电机与传动轴移开，从中串入传感器才能测量。（3）压磁式：用于非接触式测量，精度较低。）压磁式：用于非接触式测量，精度较低。200420

15、04年年1010月月第第1414页页 8.流量测量传感器流量测量传感器（1）差压式流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响。）差压式流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响。（2）转子流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响）转子流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响（3）靶式流量计：测量粘度较大的液体流量。）靶式流量计：测量粘度较大的液体流量。（4）涡流流量计：精度高，可达）涡流流量计：精度高，可达0.25%1.0%（5）容积式流量计：精度可达）容积式流量计：精度可达0.5%1.0%7.移动物体厚度测量传感器移动物体厚度测量传感器（1）超声波测量传感器（发射超声波、接收波）超声波测量传感器（发射超

16、声波、接收波）（2）放射线测量：包括）放射线测量：包括X射线和射线和r射线，微波测量等。射线，微波测量等。20042004年年1010月月第第1515页页第二节第二节 电电 桥电路桥电路返返电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。输出的一种测量电路。 因为其测量电路简单，具有较高的因为其测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，故应用广泛。精确度和灵敏度，故应用广泛。 按照激励电压的性质，分按照激励电压的性质，分为为直流和交流电桥直流和交流电桥；按照输出方式，分为；按照输出方式，分为不平衡桥式电路不平衡桥式电路和平衡

17、桥式电路和平衡桥式电路。20042004年年1010月月第第1616页页一、直流电桥一、直流电桥输出电压与各臂电阻间的关系：输出电压与各臂电阻间的关系： 返返aduRRRRRRRRu432142314231RRRR 时称为电桥平衡时称为电桥平衡直流电桥直流电桥电桥在使用前需要调平衡。电桥在使用前需要调平衡。当四个臂的阻值均发生变化时，当四个臂的阻值均发生变化时，存在如下关系：存在如下关系：20042004年年1010月月第第1717页页返返aduRRRRRRRRu4321423114433221122121RRRRRRRRRRRRuuad基本公式基本公式 3322124411123322124

18、4111RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR 为非线性误差。为非线性误差。（这个公式不用记）（这个公式不用记）20042004年年1010月月第第1818页页实际上，在进行机械量测量时（如应变片测应变），实际上，在进行机械量测量时（如应变片测应变），常常遇到以下几种情况：常常遇到以下几种情况：1、 必有必有因为电桥是平衡的。因为电桥是平衡的。单端变动单端变动21RR 43RR 111RRR )1 (4111RRuuad1111/2/RRRR 011 时有时有RRduR 120042004年年1010月月第第1919页页半桥差动变动半桥差动变动111RRR 21RR 043 RR全桥差动

19、变动全桥差动变动21RR 43RR 1121RRuuad0 331121RRRRuuad0 等臂电桥全桥差动变动等臂电桥全桥差动变动 （常见）（常见）11RRuuad21RR 43RR 31RR20042004年年1010月月第第2020页页分析与总结分析与总结1、误差、误差 单端变动时单端变动时0，而差动变化时总有而差动变化时总有=0，提醒我们在提醒我们在组桥时尽量采用差动变动的形式。组桥时尽量采用差动变动的形式。2、)1 (4111RRuuad1121RRuuad11RRuuad从以上三个式子可以看出，全桥从以上三个式子可以看出，全桥时输出为最大。时输出为最大。直流电桥电路是研究分析交流电

20、直流电桥电路是研究分析交流电桥电路的基础。同时也是目前广桥电路的基础。同时也是目前广泛使用的一种电路泛使用的一种电路.全桥全桥半桥半桥单臂单臂20042004年年1010月月第第2121页页 直流电桥与干扰直流电桥与干扰电桥是在平衡条件下工作的，由于电桥是在平衡条件下工作的，由于 R/R是一个十分小是一个十分小的量，当电源电压不稳定所造成的干扰是不可忽略的。的量，当电源电压不稳定所造成的干扰是不可忽略的。为了抑制干扰，通常采用如下措施：为了抑制干扰，通常采用如下措施： q 电桥的信号引线采用屏蔽电缆，即电桥的信号引线采用屏蔽电缆，即RVVP型号电缆；型号电缆；q屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至

21、电桥的负接线端屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端 连接。此地点应该与放大器的机壳地隔离；连接。此地点应该与放大器的机壳地隔离；q放大器应该具有高共模抑制比。放大器应该具有高共模抑制比。20042004年年1010月月第第2222页页二、交流电桥二、交流电桥 供桥电源为交流，仍为基本电桥电路的形式，但是在供桥电源为交流，仍为基本电桥电路的形式，但是在各个臂内可能串、并联有电感、电容、电阻或其组合。因各个臂内可能串、并联有电感、电容、电阻或其组合。因此除了电阻之外还有我们所说的电抗。此除了电阻之外还有我们所说的电抗。CjCLjL 1前面讲过的直流电桥的理论稍加前面讲过的直流电桥的理论稍

22、加变动后在此仍可以适用。变动后在此仍可以适用。电桥的平衡条件：直流电桥的平衡条件：直流 交流交流4231RRRR 4231ZZZZ 交流电桥交流电桥20042004年年1010月月第第2323页页4231ZZZZ ijiieZZ )(42)(314231 jjeZZeZZ交流电桥的平衡条件：交流电桥的平衡条件：42314231 ZZZZ20042004年年1010月月第第2424页页例例：如图示交流电桥，求平衡条件。：如图示交流电桥，求平衡条件。1111111111111/CRjRCjRCjRCRZ 2222221/CRjRCRZ 4231ZZZZ 2242113111CRjRRCRjRR 1

23、22122114231RRCCCRCRRRRR33RZ 44RZ 20042004年年1010月月第第2525页页 例例a) 电容电桥电容电桥图图a a的平衡条件的平衡条件 422311)1()1(RCjRRCjR 432124134231RRCCCRCRRRRR20042004年年1010月月第第2626页页图图b b所示的电感电桥，其平衡条件为所示的电感电桥，其平衡条件为 422311)()(RLjRRLjR 322122314231RRLLRLRLRRRRb)电感电桥电感电桥20042004年年1010月月第第2727页页具有电阻、电容平衡的交流电阻电桥具有电阻、电容平衡的交流电阻电桥

24、20042004年年1010月月第第2828页页uGW1W2u1u2Z4Z3i1uu0uyW1W2Z4Z3i1uu0W1W2Z4Z3uyuyZ4Z3W1W2u0i2a)b)c)d )带感应耦合臂的电桥带感应耦合臂的电桥 20042004年年1010月月第第2929页页电桥测量的误差及其补偿电桥测量的误差及其补偿 对于电桥来说，误差主要来源于对于电桥来说，误差主要来源于非线性误差非线性误差和和温度误差温度误差。 v 减少非线性误差的办法是采用半桥双臂和全桥接法。减少非线性误差的办法是采用半桥双臂和全桥接法。v 温度误差是因为温度变化而引起阻值变化不同造成温度误差是因为温度变化而引起阻值变化不同造

25、成的，即上述双臂电桥接法中的，即上述双臂电桥接法中 等。减少温等。减少温度误差的办法是在贴应变片时尽量使得各应变片间的度误差的办法是在贴应变片时尽量使得各应变片间的温度一致，利用电桥电路的相邻两臂工作原理来降低温度一致，利用电桥电路的相邻两臂工作原理来降低误差误差.（有关温度误差的补偿问题在后面介绍）。（有关温度误差的补偿问题在后面介绍）。 21RR 20042004年年1010月月第第3030页页类似的例子还有很多，这里不再多举。类似的例子还有很多，这里不再多举。 由上例可以看出，对于该交流电桥来说，除了由上例可以看出，对于该交流电桥来说，除了调电阻调电阻平衡平衡外还要外还要调节电容平衡调节

26、电容平衡。 对于纯电阻的交流电桥，虽然电桥电路的四臂只有电对于纯电阻的交流电桥，虽然电桥电路的四臂只有电阻，但由于导线间存在分布电容，相当于在电阻的旁边并阻，但由于导线间存在分布电容，相当于在电阻的旁边并联一电容。因此在电阻应变仪的面板一定还有一个调电容联一电容。因此在电阻应变仪的面板一定还有一个调电容平衡的按钮。平衡的按钮。 单端变动：单端变动：)1 (4111ZZuuad半桥差动变动：半桥差动变动：1121ZZuuad全桥差动变动：全桥差动变动：11ZZuuad20042004年年1010月月第第3131页页第三节第三节 放大器放大器一一 运算放大器运算放大器信号调理（放大）的目的是便于信

27、号的传输与处理。信号调理（放大）的目的是便于信号的传输与处理。 1.1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.2.有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。需要去掉噪声，提高信噪比。3.3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。对传感器测量信号进行调制解调处理。 200420

28、04年年1010月月第第3232页页一、运算放大器一、运算放大器 见书见书8282页页 20042004年年1010月月第第3333页页二、调制与解调二、调制与解调调制调制使一个信号的某些参数在另一信号使一个信号的某些参数在另一信号控制下而发生变化的过程。前一信号称为控制下而发生变化的过程。前一信号称为载波（一般是较高频率的交变信号），后载波（一般是较高频率的交变信号），后一信号（控制信号）称为调制信号（即为一信号（控制信号）称为调制信号（即为测试信号）。其输出是已调制波。最终从测试信号）。其输出是已调制波。最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调解调

29、。调制可分为：调制可分为：调幅调幅（AMAM）、）、调频调频(FM)(FM)、 调相调相(PM)(PM)20042004年年1010月月第第3434页页1 1 目的目的 调制的目的是解决微弱缓变信号的调制的目的是解决微弱缓变信号的放大及传输放大及传输;解调的目的是把调制的信解调的目的是把调制的信号恢复为原信号。号恢复为原信号。 调制与解调调制与解调20042004年年1010月月第第3535页页 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信

30、号。输出信号中取出放大了的缓变信号。 例：交流电桥例：交流电桥VinVoR1R3R2R420042004年年1010月月第第3636页页2 2 种类种类调制信号调制信号x(t)x(t)0 0t t载波信号载波信号)2cos()(ftAtzz(t)z(t)0 0t t20042004年年1010月月第第3737页页a) a) 幅度调制幅度调制(AM)(AM)2cos()(*)(fttxAtyb) b) 频率调制频率调制(FM)(FM)*)(2cos()(0ttxfAtyc) c) 相位调制相位调制(PM(PM)(2cos()(0txftAty20042004年年1010月月第第3838页页3 3

31、 幅度调制幅度调制 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化化而变化)2cos()(*)(0fttxAty缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高放大高频信号频信号解调解调放大缓放大缓变信号变信号20042004年年1010月月第第3939页页幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）x(t)乘法器乘法器x m(t)放大器放大器乘法器乘法器滤波器滤波器x(t)z(t)z(t)20042004年年1010月月第第4040页页返返幅度调制与

32、解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析）)2cos()()(tftxtxzm)(tz)(tztftxtyzm2cos)()(2乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)(tx)22cos()()(21tftxtxz20042004年年1010月月第第4141页页实验：同步调制与解调实验实验：同步调制与解调实验 上述调制方法，将信号上述调制方法，将信号x(t)x(t)直接与载波直接与载波z(t)z(t)相乘这种相乘这种调幅波具有极性变化，解调调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与时必须再乘与z(t)z(t)相位相同相位相同的的z(t) z

33、(t) 方能复原出原信号，方能复原出原信号，故称同步解调故称同步解调 20042004年年1010月月第第4242页页非抑制调幅非抑制调幅 若对信号若对信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量D D，使偏置后的信号都具有正电压。使偏置后的信号都具有正电压。 )(tx)()( txDtx)2cos()()(fttxDtxm20042004年年1010月月第第4343页页 调幅调幅20042004年年1010月月第第4444页页解调解调二极管检波二极管检波低通滤波低通滤波20042004年年1010月月第第4545页页调幅波的波形失真调幅波的波形失真a a）过调失真

34、：对于非抑制调幅，要求其直流偏）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则置必须足够大，否则x(t)x(t)的相位将发生的相位将发生1801800 0。20042004年年1010月月第第4646页页4 4 频率调制频率调制 调频是利用信号调频是利用信号x(t)x(t)的幅值调制载波的频的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号率，或者说，调频波是一种随信号x(t)x(t)的电压的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波幅值而变化的疏密度不同的等幅波. . )*)(2cos()(0ttxfAty20042004年年1010月月第第4747页页20042004年年1010月月第第4

35、848页页返返频率调制与解调过程频率调制与解调过程乘法器乘法器放大器放大器z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)x(t)20042004年年1010月月第第4949页页鉴频：鉴频：T1T2T3T4F20042004年年1010月月第第5050页页优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中要表现在振幅之中 缺点：占频带宽度大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅调频波通常

36、要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。杂，因为频率调制是一种非线性调制。20042004年年1010月月第第5151页页案例：案例：旋转机械扭距测量旋转机械扭距测量20042004年年1010月月第第5252页页案例：案例：铁路机车调度铁路机车调度 信号检测信号检测调制频率调制频率8.5Hz8.5Hz，绿灯，绿灯调制频率调制频率23.5Hz23.5Hz，红灯，红灯20042004年年1010月月第第5353页页第四节第四节 光线示波器光线示波器 记录仪器是测试系统中必不可少的重要组成部分。

37、被测量的信号经过处理后，都要用便于人们观察的形式显示出来或以适当的形式记录下来，以便研究和分析。记录仪器可将被测信号的幅值及其变化规律真实的记录下来，还可在测量过程中或被测信号消失后的任何时间进行研究和分析。 光线示波器在动态测试中应用较多的记录仪器。多现同步记录，能适时直观记录试验结果，结构简单，价格便宜等优点，因而得到广泛的应用。其缺点是记录纸消耗大，且不易长期保存，不能采用电子计算机进行数据处理。20042004年年1010月月第第5454页页20042004年年1010月月第第5555页页一、光线示波器的结构：一、光线示波器的结构： 它一般包括光学系统、时标装置、走纸装置、它一般包括光

38、学系统、时标装置、走纸装置、振动子、磁系统、电气系统及摄影系统等。振动子、磁系统、电气系统及摄影系统等。 1.光学系统：光学系统：用来标定被测用来标定被测信号的幅值，当记录纸以稳信号的幅值，当记录纸以稳定的速度移动时，光点在记定的速度移动时，光点在记录纸上画出被测参数相对于录纸上画出被测参数相对于时间的变化曲线。时间的变化曲线。 2.振动子和磁系统：振动子和磁系统：振动子振动子是光线示波器的核心，它的是光线示波器的核心，它的作用是把按一定规律变化的作用是把按一定规律变化的电信号，变换成按同样规律电信号，变换成按同样规律变化的光线摆动信号，以便变化的光线摆动信号，以便作用在感光记录纸上，形成作用

39、在感光记录纸上，形成模拟记录曲线。模拟记录曲线。20042004年年1010月月第第5656页页 3.记录纸传动和控制系统：记录纸传动和控制系统：记录纸的传动系统由电机、变记录纸的传动系统由电机、变速箱和控制机构组成，它保证在选定的走纸速度下，使记速箱和控制机构组成，它保证在选定的走纸速度下，使记录纸在纵向作匀速运动，以保证正确的时标。记录纸的走录纸在纵向作匀速运动，以保证正确的时标。记录纸的走纸速度是根据被测信号的频率变化和记录纸所需要的分辨纸速度是根据被测信号的频率变化和记录纸所需要的分辨率来选择的，通常推荐用下式计算走纸速度率来选择的，通常推荐用下式计算走纸速度v v v vS S* *

40、fmfm 式中式中 S S记录信号最高频率的一个周期所要求的记录信号最高频率的一个周期所要求的 距离，由分辨要求来确定；距离，由分辨要求来确定； fmfm被测信号的最高频率。被测信号的最高频率。 在多线测量记录中，应以频率最高的测点算出走纸速度。在多线测量记录中，应以频率最高的测点算出走纸速度。 4.时标装置：时标装置：记录纸上形成的很细的横条细光线称为时标记录纸上形成的很细的横条细光线称为时标线，线间距离代表时标脉冲周期。线，线间距离代表时标脉冲周期。20042004年年1010月月第第5757页页 当振动子线圈处于磁感应为当振动子线圈处于磁感应为B的磁的磁 场中场中,当线圈流入电流当线圈流

41、入电流I时时,线圈会偏线圈会偏 转转,产生力矩产生力矩M二、振动子的工作原理二、振动子的工作原理A:线圈面积线圈面积N:线圈匝数线圈匝数: :线圈与磁场的偏转角线圈与磁场的偏转角上式还可写成上式还可写成241224MQIM=NBAIcos 式中式中式中式中:Q=NBA当当不大时不大时,M=,M=QI 可近似看成线性方程可近似看成线性方程20042004年年1010月月第第5858页页非线性误差非线性误差22kMK线圈偏转时线圈偏转时,将受到拉簧的反扭矩将受到拉簧的反扭矩K: 拉簧扭转刚度拉簧扭转刚度如果如果I稳定时稳定时,可得到可得到 QI=K 则则 IQK20042004年年1010月月第第

42、5959页页则则光点位置及其误差光点位置及其误差若若0 0及及 都不大时都不大时00tan 22tan2bbyLL22bbbL Q IyL SIKQySKL IS振动子灵敏度振动子灵敏度,单位单位:mm/mAmLb光臂光臂I电流电流若若0 0及及 都不大时都不大时,输出输出y为线性为线性,否则为非线性否则为非线性000022)22tan(22tan22tanIQK20042004年年1010月月第第6060页页当当及及0有一定大时有一定大时,就会产生圆弧误差就会产生圆弧误差.直线与圆弧间的相对误差直线与圆弧间的相对误差.00tan2()tan212非线性误差非线性误差(圆弧误差圆弧误差)减少光

43、线示波器非线性误差减少光线示波器非线性误差(圆弧误差圆弧误差)的办法是的办法是减少初始角减少初始角0 0和线圈偏转角和线圈偏转角2020344420042004年年1010月月第第6161页页产生误差的因素产生误差的因素:1.圆弧误差圆弧误差;2.纸带速度误差纸带速度误差;3.温度影响振动子阻尼比温度影响振动子阻尼比而产生的误差而产生的误差; ;为了减少记录误差为了减少记录误差, ,振子安放位置也要注意振子安放位置也要注意20042004年年1010月月第第6262页页22ddJDKQIdtdt二、振动子的特性二、振动子的特性 在笔式记录仪和光线示波器的动圈振子中，通在笔式记录仪和光线示波器的

44、动圈振子中，通电线圈在固定永久磁铁所形成的磁场中产生的电磁电线圈在固定永久磁铁所形成的磁场中产生的电磁转矩使线圈偏转。这是一个典型的二阶扭振系统，转矩使线圈偏转。这是一个典型的二阶扭振系统，其运动可以用下面二阶微分方程描述，即其运动可以用下面二阶微分方程描述，即2( )1( )( )1 (/)2 (/)nnfQH fI fKffjff频率响应特性频率响应特性20042004年年1010月月第第6363页页2221( )1 (/)2/2/( )arctan1 (/)nnnnQA fKfffffffff 幅频、相频特性幅频、相频特性当当f=0时，系统为静态时，系统为静态当当=0.7=0.7，=5=

45、5% % f fn n 2f2fmaxmax 20042004年年1010月月第第6464页页三、振动子的选择：三、振动子的选择： 1.1.被记录信号的最高谐波频率应在振动子的允许工作频率之被记录信号的最高谐波频率应在振动子的允许工作频率之内。通常规定最高谐波分量的振幅为基波振幅的内。通常规定最高谐波分量的振幅为基波振幅的1010，否则就，否则就会使记录曲线严重失真。一般，对没有很陡前沿的波形，取会使记录曲线严重失真。一般，对没有很陡前沿的波形，取3 3 n作为振动子的允许工作频带，而对矩形波则取作为振动子的允许工作频带，而对矩形波则取10 10 n n作为作为振动子的允许工作频带。振动子的允

46、许工作频带。 2.2.振动子固有频率的确定。由振动子的幅频特性可知，在振动子固有频率的确定。由振动子的幅频特性可知，在允许振幅有允许振幅有5 5误差的条件下，油阻尼振动子的允许工作频误差的条件下，油阻尼振动子的允许工作频带为其固有频率的带为其固有频率的40404545；电磁阻尼振动子的允许工作频；电磁阻尼振动子的允许工作频带为其固有频率的带为其固有频率的6060。在被记录的信号的最高次谐波频率确。在被记录的信号的最高次谐波频率确定后，便可依据这一原则选择振动子的固有频率。当振动子的定后，便可依据这一原则选择振动子的固有频率。当振动子的灵敏度满足要求时，应尽量选择固有频率高的振动子。灵敏度满足要

47、求时，应尽量选择固有频率高的振动子。 20042004年年1010月月第第6565页页3.3.被记录信号的电流不得超过振动子允许的最大允许电流被记录信号的电流不得超过振动子允许的最大允许电流值，否则就要烧毁线圈。值，否则就要烧毁线圈。 4.4.根据被记录信号得最大电流值和要求记录曲线相应的幅根据被记录信号得最大电流值和要求记录曲线相应的幅值，选择适当灵敏度的振动子。值，选择适当灵敏度的振动子。 5.5.当多路信号记录时，各路振动子的固有频率当多路信号记录时，各路振动子的固有频率n应相同应相同，且阻尼比，且阻尼比取值应相等。取值应相等。动圈式振动子的阻尼方式，通常有动圈式振动子的阻尼方式，通常有

48、电磁阻尼电磁阻尼和和油阻尼油阻尼两种两种，前者适用于低频高灵敏度的振动子，后者适用于高频的，前者适用于低频高灵敏度的振动子，后者适用于高频的振动子。油阻尼振动子的阻尼是固定的，不能调整，而电振动子。油阻尼振动子的阻尼是固定的，不能调整，而电磁阻尼式振动子的阻尼比与振动子线圈外电阻的大小有关磁阻尼式振动子的阻尼比与振动子线圈外电阻的大小有关，对于电磁阻尼式振动子，都规定了阻尼系数为，对于电磁阻尼式振动子，都规定了阻尼系数为0.70.7的的外电外电阻值。阻值。20042004年年1010月月第第6666页页 Fc6-10; Fc6-20; Fc6-30; Fc6-5000 Fc11-120; Fc

49、11-1200; Fc11-2500; Fc11-5000 振动子型号振动子型号20042004年年1010月月第第6767页页第五节第五节 笔试记录仪笔试记录仪主要用于静态或低频动态测量主要用于静态或低频动态测量主要掌握笔试记录仪的工作原理主要掌握笔试记录仪的工作原理 模拟显示是以仪表模拟显示是以仪表指针在被显示物理量的驱指针在被显示物理量的驱动下的线性位移或者角位动下的线性位移或者角位移来显示的方法。移来显示的方法。一、动圈式仪表一、动圈式仪表 达松瓦尔机构达松瓦尔机构磁磁铁铁张张丝丝张张丝丝可动线可动线圈圈铁铁心心刻度刻度盘盘20042004年年1010月月第第6868页页 其核心是磁电

50、式检其核心是磁电式检流计。当信号电流输流计。当信号电流输入检流计线圈时，在入检流计线圈时，在磁场力的作用下，线磁场力的作用下，线圈产生与信号电流成圈产生与信号电流成正比的角度偏转，直正比的角度偏转，直接带动指针或笔杆摆接带动指针或笔杆摆动，同时，弹簧产生动，同时，弹簧产生与转角成正比的弹性与转角成正比的弹性恢复力矩与电磁力矩恢复力矩与电磁力矩平衡。平衡。 20042004年年1010月月第第6969页页笔式记录仪即为上述原理工作的。笔式记录仪即为上述原理工作的。 由其构成的笔式记录仪结构简单，指示与记录能同由其构成的笔式记录仪结构简单，指示与记录能同时进行。时进行。 但这种记录器笔尖与记录纸间

51、摩擦较大，可动部分但这种记录器笔尖与记录纸间摩擦较大，可动部分质量大，需要相当大的驱动力矩，并需要抑制笔急速运动质量大，需要相当大的驱动力矩，并需要抑制笔急速运动时跳动的强力阻尼装置，其灵敏度较低。时跳动的强力阻尼装置，其灵敏度较低。 因此，这种记录仪只适合于长时间慢变化信号，要求因此，这种记录仪只适合于长时间慢变化信号，要求指示与记录同时进行的场合。指示与记录同时进行的场合。 20042004年年1010月月第第7070页页一阶极点一阶极点二阶极点二阶极点第六节第六节 自平衡式显示仪表自平衡式显示仪表20042004年年1010月月第第7171页页第七节第七节 磁带记录仪磁带记录仪一、磁记录

52、的基本原理一、磁记录的基本原理磁记录的基础是磁性材磁记录的基础是磁性材料的料的剩磁剩磁。HB BS 磁通密度磁通密度HB Br即剩磁，即剩磁，利用剩磁可以记录信号。利用剩磁可以记录信号。磁感应强度磁感应强度外磁场外磁场20042004年年1010月月第第7272页页磁记录原理磁记录原理 磁记录磁记录过程就是通过磁头对磁介质磁化，使磁介质留下剩磁的过过程就是通过磁头对磁介质磁化，使磁介质留下剩磁的过程。程。磁头采用软磁性材料做成，开窄缝的一端称为磁头尖。磁通路在磁头采用软磁性材料做成，开窄缝的一端称为磁头尖。磁通路在此窄缝处产生中断。交变的磁通在磁头尖磁隙处产生漏磁，从而磁化此窄缝处产生中断。交

53、变的磁通在磁头尖磁隙处产生漏磁，从而磁化了紧靠着磁头尖的磁介质。如果磁介质以一定的速度经过磁头尖，则了紧靠着磁头尖的磁介质。如果磁介质以一定的速度经过磁头尖，则流过磁头线圈电流的变化就会以剩磁的形式存在磁介质上。流过磁头线圈电流的变化就会以剩磁的形式存在磁介质上。20042004年年1010月月第第7373页页 重读重读磁记录时，录有信息的磁介质以一定的速度通过磁头，磁记录时，录有信息的磁介质以一定的速度通过磁头，记录在上面的剩磁通过磁隙引起内磁通的变化，在线圈上产生相记录在上面的剩磁通过磁隙引起内磁通的变化，在线圈上产生相应的电动势，该电动势经适当处理和放大后，便得到重放的信号应的电动势，该

54、电动势经适当处理和放大后，便得到重放的信号了。了。消磁消磁:通入极高频大电流通入极高频大电流(100mA(100mA以上以上).).磁带在磁隙间反磁带在磁隙间反复多次磁化复多次磁化, ,当微段逐渐离开磁隙时当微段逐渐离开磁隙时, ,高频磁场逐渐减少高频磁场逐渐减少, ,剩磁也将逐渐减少而消磁剩磁也将逐渐减少而消磁. .20042004年年1010月月第第7474页页二、磁记录设备二、磁记录设备q 磁介质磁介质q 磁头磁头q 机械传动机构机械传动机构q 记录及重放电路记录及重放电路20042004年年1010月月第第7575页页重放磁头输出特性曲线重放磁头输出特性曲线q采用积分法校正输出曲线采用

55、积分法校正输出曲线 20042004年年1010月月第第7676页页磁带记录仪与其它记录仪相比，有下列磁带记录仪与其它记录仪相比，有下列优点优点： 1.1.工作频带很宽。调频式可记录工作频带很宽。调频式可记录0 040kHz40kHz的信号，直接记录的信号，直接记录 式可记录式可记录50Hz50Hz1.5MHz1.5MHz的交流信号。的交流信号。 2.2.信噪比高，线性好，零漂小，因而失真度较低。信噪比高，线性好，零漂小，因而失真度较低。 3.3.记录信号能长期保存，再现也方便，可以在现场进行多记录信号能长期保存，再现也方便，可以在现场进行多 次无畸变的重放。次无畸变的重放。 4.4.能同时记

56、录多路信号，在工作频带范围内，能精确的保能同时记录多路信号，在工作频带范围内，能精确的保 存这些信号之间的时间和相位关系。存这些信号之间的时间和相位关系。 20042004年年1010月月第第7777页页5.有变换信号时基的能力，它既可以快速（有变换信号时基的能力，它既可以快速（1.52m/s和和 3.05m/s）记录和慢速（）记录和慢速（4.76cm/s和和2.38cm/s）重放，）重放， 也可以慢速记录和快速重放，即所谓时间轴压缩和也可以慢速记录和快速重放，即所谓时间轴压缩和 伸长。这样它就能把信号的频带进行交换，以利于伸长。这样它就能把信号的频带进行交换，以利于 对检测结果进行分析。对检

57、测结果进行分析。6.能与计算机或其它分析仪器联机使用，这给试验能与计算机或其它分析仪器联机使用，这给试验（特别是顺态实验）分析和数据处理带来很大方便。（特别是顺态实验）分析和数据处理带来很大方便。 磁带记录仪主要磁带记录仪主要缺点缺点是记录结果不直观，必须将所是记录结果不直观，必须将所记录信号送入到记录信号送入到XY记录仪或光线示波器或计算机中，记录仪或光线示波器或计算机中，才能观察到记录波形。才能观察到记录波形。20042004年年1010月月第第7878页页磁带记录仪的分类和记录方式磁带记录仪的分类和记录方式 磁带记录仪总的可分为两大类：磁带记录仪总的可分为两大类：模拟式和数字式。模拟式和数字式。 模拟式磁带记录仪主要包括：模拟式磁带记录仪主要包括：录音机、录像机和模拟式磁录音机、录像机和模拟式磁带记录仪。带记录仪。 数字式磁带记录仪主要包括：数字式磁带记录仪主要包括：数字磁带记录仪和磁带存储数字磁带记录仪和磁带存储器。器。 模拟式磁带记录仪的记录方式有模拟式磁带记录仪的记录方式有直接记录（直接记录（DRDR）、调频记调频