测试技术整理打印版

测试技术机械电子工程系朱超甫课件邮箱：bkdcshjsh@163.com密码：bkd2008《测试技术》第一章绪论第一节测试技术的任务

测试技术的基本任务是从被检测对象获得有用的信息。什么是“测试”？（测试与测量的区别）测量是以确定被测物的属性量值为目的的全部操作。测试是以测量为手段对科学和工程技术问题进行分析研究的技术。－－Measurement第二节测试系统的一般组成被测对象激励信号调理传感器信号处理显示记录传输观察者反馈、控制测试系统重要概念：只有在振动测量的某些特殊情况下才用到激励方式！？被测对象信号调理传感器模数转换计算机传输观察者反馈、控制目前常用的测试系统模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。测试系统Analog－digitalconversion模/数转换测试是科学研究的基本方法定量确定科学规律（实验－理论）验证科学规律（理论—实验—理论）★定量确定科学规律以实验研究的方式，利用测试手段取得大量的实验数据。通过对实验数据进行分析和归纳，建立表达科学规律的定律或数学模型（数学表达式）。第三节测试技术在科学技术中的作用当实验足够精确时，如果差异较大，则需要对理论进行修正。

实验是检验科学规律真理性的标准！★验证科学规律通过理论推导得到表达某一科学规律的理论（数学表达式）。按照该项科学规律的客观条件，进行实验验证：采用测试技术得到大量的实验数据，分析和观察实验结果与理论分析结果（数学表达式的运算结果）之间的差异。一旦出现实验结果与理论分析结果差异较大，应该怎样做？测试是工程技术领域中的重要手段监测工艺过程、工艺参数检测产品质量、产品性能监测设备状况、工作负荷为控制系统提供准确信息为设备故障诊断系统提供信息传感器信号采集数据显示故障诊断信号处理信号分析设备测试技术设备故障诊断测试技术与设备故障诊断的关系一、应用测试技术的关键问题2.如何使获得的信号保真（准确代表被测对象）

（1）传感器的输出信号与被测对象的变化有准确的对应关系

（2）在信号调理、传输和采集过程中尽量减小失真

★传感器对被测对象的变化有足够的分辨力

★把干扰因素对传感器输出信号的影响降至最小

★信号调理环节注重线性度，减少信号的畸变

★信号传输环节减小信号衰减，提高抗（串模）干扰能力

★信号采集环节提高采集精度，防止共模干扰。

1.怎样把被检测对象测出来（获得信号）★根据被测对象的情况，合理选定传感器和测试系统第四节小结

（3）最终得到的信号与被测对象的变化有准确的量化关系

★正确应用标定方法3.要有静态测试和动态测试的观念，并且正确应用

★静态测试是指在被测量变化比较慢的条件下进行测试

★动态测试是指在被测量变化比较快的条件下进行测试静态测试与动态测试的主要差别是：动态测试要求测试系统对被测量的变化能够快速、准确地响应。

静态测试的应用非常广泛，动态测试主要用于振动信号测试。

4.测试的精度是测试技术的灵魂

未知测量精度（测量误差）的测试没有任何实际意义。在测试技术实施的过程中，自始至终要把精度问题放在首要地位。

5.在可能的情况下，对测试系统或方法进行验证在测试技术应用的过程中，理论分析和经验对测试技术的实践具有指导意义。但是，不能过分依赖理论和经验，如果能够通过在测试系统中进行实验，对理论和经验加以验证则更为重要。二、测试技术是实验研究工作的基础几乎所有学科的实验研究工作都需要运用测试技术来取得实验结果。三、测试技术是实践性很强的应用技术测试技术必须通过理论结合实践的方式才能掌握。

《测试技术》的教学内容第一章绪论第二章常用的传感器（对应教材第三章）第三章电阻应变式传感器的工程应用（涉及教材第三章、第四章、第九章）第四章信号的采集、调理、传输与记录（涉及教材第四章）第五章信号及其描述（对应教材第一章）第六章测试装置的基本特性（对应教材第二章）第七章信号分析初步（对应教材第五章）考核方法：闭卷考试占80％实验报告占20％注意：实验课旷课者，实验报告成绩为零。实验（4学时）：1.力传感器称重实验2.电涡流传感器测量位移实验3.悬臂梁激振实验第二章常用的传感器传感器的定义：直接作用于被测量、能按一定规律将其转换成

同种或别种量值输出的器件，叫做传感器。通常传感器的工作情况如下图所示：传感器物理量化学量生物量电压（V）电流（mA）频率（Hz）传感器将其它类型的被测量转换成电量的好处是：

易于测量、易于传输、易于处理、易于转换被检测的物理量：力、位移、加速度、温度等；被检测的化学量：气体的化学成分、液体中的某种成分的含量等；被检测的生物量：酶、抗菌素等。第二章的主要内容第一节机械式传感器第二节电阻式传感器第三节电感式传感器第四节压电式传感器第五节光敏传感器第六节其它常用传感器第七节传感器的分类第八节传感器的性能指标第一节机械式传感器

机械式传感器通常以弹性体作为传感器的敏感元件。机械式传感器力压力温度弹性变形

一、环形测力计

环形测力计一般用来测力或称重。应用时，用百分表测量环形测力计受力后的弹性变形量，换算成环形测力计的受力值。环形测力计携带方便，不需要电源，经常用于现场的称重传感器或力传感器的校准（通常用千斤顶作为力源）。环形测力计的测力精度一般为0.3%。二、波登管式温度计

波登管式温度计测温的原理是：封闭在感温筒内的酒精的体积随温度变化，造成波登管的弹性变形，带动指针转动，指示温度的数值。

工程中应用的许多温度表就是这种温度计。这种温度计的特点：★结构简单、价格便宜，不需要电源；★读数不精确，惯性大，响应慢，只适于静态测量。

三、波纹膜片式压力计

波纹膜片式压力计用于流体的压力计量。在计量时，流体的压力作用在膜片上，造成膜片的弹性变形，带动指针转动，指示压力的数值。工程中应用的许多压力表就是这种压力计。这种压力计的特点：★结构简单、价格便宜，不需要电源；★读数不精确，惯性大，响应慢，只适于静态测量。第二节电阻式传感器

电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻阻值变化的传感器。电阻式传感器位移转角应变阻值变化

电阻式传感器按照工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。

一、变阻器式传感器

变阻器式传感器也称为电位差式传感器，它通过改变电位器触头的位置，把位移或转角的变化转换为电阻的变化。左图为测量直线位移的变阻器式传感器。中间图为测量角位移的变阻器式传感器。右图为测量直线位移的非线性输出变阻器式传感器。这种传感器价格便宜，但长期使用会因磨损影响性能，并且其分辨力不高（一般很难优于20μm）。

二、电阻应变式传感器

电阻应变式传感器可用于测量力、扭矩、位移、加速度等。电阻应变式传感器的测量方法是：把电阻应变片粘贴在弹性体上，通过测量弹性体上（贴片部位）的应变造成的电阻应变片的阻值变化，间接测量力、扭矩、位移、加速度等。（重要概念）第三节电感式传感器

电感式传感器是一种把被测量（位移）变换为电感量变化的传感器，其变换基于电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分为自感型和互感型。

一、自感型－－涡电流（电涡流）式传感器电涡流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。

由于涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗Z（等效电感

L等）都发生变化，其变化程度与距离有关。电涡流传感器距离

电感L

电涡流传感器的检测电路有多种形式，其中调频电路的工作原理比较简单。

电涡流传感器可用于动态非接触测量。其结构简单，能防水和油污，主要性能指标如下：

测量间隙的范围：0～（1～10）mm

最高分辨力：

1m电涡流传感器的主要用途：（重要概念）

★在被测金属材质不变的条件下，用于测量与金属之间的间隙，可测量位移、振动。（这种用途最广！）

★在间隙不变的条件下，用于测量金属的电阻率和磁导率的变化，可以作为材质鉴别和无损探伤。电涡流传感器电涡流传感器的典型应用回转轴的径向摆动和振动测量钢板厚度测量二、互感型－－差动变压器式传感器

这种传感器是利用电磁感应中的互感现象（即变压器的原理），把被测量（位移）变换成感应电势的变化。

由于在应用中常常采用两个次级线圈组成差动式传感器，故一般又被称为差动变压器式传感器。差动变压器式传感器的主要性能为：

测量范围：0～100mm

测量精度：

0.1m

有些轧钢机的辊缝仪采用这种传感器进行压下螺丝行程测量。通常，传感器采用差动结构形式的目的：（重要概念）（1）提高传感器的灵敏度；（2）增大传感器输出的线性段范围。可以应用差动变压器的原理，通过测量弹性体的微小变形，测量作用力F。这种传感器的主要缺点是有残余电压。第四节压电式传感器

压电式传感器的原理是利用某些物质的压电效应检测作用力。

一、压电效应压电材料外力表面出现电荷

当外力消失后，材料恢复到原来的状态（电荷消失）。在外力保持不变时，电荷会泄漏。因此，压电式传感器不适合测量静力。（重要概念）二、压电材料

常用的压电材料分为三类：

压电单晶、压电陶瓷、有机压电薄膜

目前使用最多的是压电陶瓷（PZT

锆钛酸铅）。

三、压电式传感器的应用膜片压电材料质量块壳体压力传感器

加速度传感器压电效应是可逆的：

压电晶片可以做驱动器。对压电晶片施加交变电压，可作为振动源，做超声波发生器。

四、测量电路

压电式传感器输出信号是很微弱的电荷，而且本身内阻很大，输出能量很小，给后接电路带来困难。压电式传感器在应用时，一般需要将其输出信号先输入到一个高阻抗的前置放大器。

前置放大器主要有两个作用：（1）将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；（2）放大传感器输出的微弱信号。前置放大器分为两种：（1）用电阻反馈的电压放大器（工作不稳定，价格便宜）（2）带电容反馈的电荷放大器（工作稳定，价格高，常用）电荷放大器的工作原理：第五节光敏传感器光敏传感器是将光量转换成电量的器件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。光敏传感器光电量

光敏传感器主要有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

一、光敏电阻光敏电阻是一种光电元件，其工作原理是基于半导体材料的内光电效应，即当半导体受到光照射时，其电阻值减小的现象。A~一般的光敏电阻在无光照射时，其阻值很大；受到光照时，阻值下降，其阻值下降的幅度取决于光照的亮度。L↑→R↓→I↑不同的半导体材料的光谱特性不同，应根据入射光波的波长选择材料。

★对可见光：硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）★对紫外线域：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）★对红外线域：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）

二、光电池半导体能够将光能直接转换为电能。当光电池受到光照时，可直接输出电势。光电池实质上是一个电源。常用的光电池有硒、硅、碲化镉、硫化镉等光电池。其中应用最广的是硅光电池。

三、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管是一种有一个PN结、并具有光电转换功能的晶体二极管。

光敏二极管的PN结位于管的顶部，以便接受光照。在没有光照时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。当受到光照时，PN结附近受光电子冲击，使得通过PN结的反向电流大大增加，形成光电流。光电流随入射光照度的变化而变动，光敏二极管就实现了把光信号转换成电信号的功能。

如果把普通晶体管的基极－集电极制成光敏二极管，则该晶体管就成为光敏三极管。

在光敏三极管内，光敏二极管的光电流成为基极电流，在三极管内放大，形成集电极电流。由于光敏三极管的基极电流由其基极－集电极结的光电流供给，因而许多光敏三极管不再设基极引线。与光电池、光敏二极管相比，光敏三极管输出信号大，产生光电流部分与放大部分集中在一起，具有较好的抗噪声等优点；但其响应速度稍低。

四、光敏传感器的应用1.零件表面缺陷的检测

如果零件表面有缺陷（非圆、粗糙、波纹、裂纹等，会引起光束的偏转或散射，这些光被硅光电池接收，即可转换成电信号输出。

2.光电转速计

在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色。当电动机转动时，光电元件收到强弱交变的反射信号，转换成电信号。再经过放大整形电路，输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电动机的转速。

3.混浊度检测

把被测物放在光学通路中，光源的部分光通量由被测物吸收，剩余的光通量投射到光电元件上。

因被吸收的光通量与被测物的透明度有关，故光电元件收到的光通量也与被测物的透明度有关。所以，通过这种方式可以测量物体的混浊度。

4.表面粗糙度检测当光源发出的光投射到被测物上时，被测物把部分光通量反射到光电元件上。反射的光通量取决于反射表面的性质、状态和与光源之间的距离。利用这个原理可以制成表面粗糙度测试仪。

5.物体位移量检测当光源发出的光通量被不透光的被测物遮挡了一部分时，使投射到光电元件上的光通量减弱。光通量减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关，由光通量减弱的程度可以准确判断被测物在光学通路中的位置。因此，利用这个原理可以制成位移计。

6.温度检测当被测物是光辐射源时，被测物发出的光可以投射到光电元件上。辐射体的温度不同则其发出的光波长和颜色就不同。利用这个原理可以制成光电比色高温计和红外测温仪。红外测温仪使用红外测温仪注意目标的尺寸（距离系数L/d）！

7.光电编码器

光电编码器一般用于轴的角位移的测量。转轴光电编码器脉冲（增量式光电编码器）编码（绝对式光电编码器）

（1）增量式光电编码器

增量式光电编码器把转轴的角位移（转角）变为脉冲信号输出，其输出为“脉冲/转”，最高精度的增量式光电编码器可达到5000脉冲/转（有些资料上介绍，最高可达到900000脉冲/转)。注意：正、反转！零位！

（2）绝对式光电编码器

绝对式光电编码器把转轴的角位移（转角）变为二进制编码输出，最高精度的绝对式光电编码器可输出13位二进制编码（0～360转角对应0～8192的编码）。

增量式光电编码器的主要缺点是可能出现累计误差；并且易受电磁干扰。绝对式光电编码器的主要缺点是检测超过360

后难于直接累计。问题：检测超过360

后能否累计？第六节其它常用传感器

一、固态图像传感器

固态图像传感器的功能是把传感器受光面的光像分解成许多像元，并将它们转换为电信号，然后顺序地输送出去。大部分固态图像传感器的核心部分是CCD（ChargeCoupleDevice，电荷耦合器），其原理如下图所示。CCD作为读出移位寄存器，顺序地将电信号在输出端串行输出。

根据光敏二极管的排列方式，CCD可分为：线阵CCD和面阵CCD。目前，在应用中：

★线阵CCD已能达到4096像素；

★面阵CCD已能达到3750万像素。由于光敏二极管排列整齐、尺寸和位置精确，每个光敏二极管的光电荷量不仅含有光照度的信息，而且还含有位置信息。

固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好和寿命高等优点，并且以光为媒介进行非接触测量，可以达到危险地点，因而得到广泛应用。其主要用途为：

（1）物位、尺寸、形状、表面质量、表面温度等；

（2）作为光学信息处理的输入环节，例如电视摄像、传真、扫描仪、数字化的复印机等。棒材直径在线检测连铸坯断面尺寸在线检测钢板表面缺陷检测

1.半导体热电阻

半导体热电阻是由金属氧化物（NiO、MnO2、CuO、TiO2等）的粉末按一定的比例混合烧结而成的半导体。

热敏电阻具有负的电阻温度系数，其阻值随温度上升而下降。

热敏电阻主要有以下优点：

（1）直径可小到0.2mm，热惯性小，响应速度快；（2）阻值可在3～700k之间选择，适于远距离测量；（3）在－50～350°C范围内有较好的稳定度。二、热电阻式温度传感器外壳半导体热电阻导线

半导体热电阻的主要缺点：

（1）随温度变化，其阻值非线性变化；（2）对环境温度敏感，测量时易受干扰。

2.铂热电阻铂热电阻用高纯铂丝制作，一般适用于0～650℃的温度测量。典型的铂热电阻PT100：t＝0℃时，R＝100Ωt＝100℃时，R＝138.5Ω3.热电阻的测量电路

热电阻温度传感器的测量电路一般采用平衡电桥方式。

三、超声波物位传感器

超声波物位传感器是利用超声波在气体、液体或固体介质中传播的回声测距的原理检测物位。

超声波物位传感器一般由超声波发生器、接收装置和计时器组成。

超声波发生器是通过对压电晶片施加交变电压，产生超声波。测量时，检测从超声波发生器发出超声波到接收装置收到回声的时间，根据介质的情况，推算出被测物的距离。超声波物位传感器使用时应注意：（1）在近距离有盲区，测远距离需较大的发射能量；盲区（2）超声波发射时有发射角（大约6°），远距离测量时声波反射面积较大，测得的距离可能是反射面积中最近点。第七节传感器的分类

一、按被测量分类

力传感器位移传感器温度传感器速度传感器加速度传感器二、按传感器的工作原理分类

机械式：环形测力计、波纹膜片式压力计、波登管式温度计

电磁及电气式：电阻式、电感式、压电式、半导体式、电容式等传感器

光学式：红外测温仪、光纤传感器

辐射式：射线测厚仪、激光测长仪

流体式：节流式流量计、涡轮流量计

三、按信号变换特征分类

★物性型：依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号转换。水银温度计：水银体积的热胀冷缩

电阻应变式传感器：阻值的变化

压电式传感器：压电材料的压电效应

★结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转换。

电感式传感器：通过衔铁位移引起电感变化

电容式传感器：通过电容极板的间距或面积的变化，

引起电容变化

四、按敏感元件与被测对象之间的能量关系分类

★能量转换型（无源传感器）：直接由被测对象输入能量使传感器工作。例如：热电偶温度计、机械式传感器、压电式传感器

★能量控制型（有源传感器）：从外部供给辅助能量使传感器工作，并由被测量来控制外部供给量的变化。例如：电阻应变式传感器

五、按输出信号分类

★模拟式：输出信号为模拟量信号。

★数字式：输出信号为数字信号。（绝大部分传感器）（光电编码器等）第八节传感器的性能参数

一、量程（scale）

传感器测量示值上、下限之差的模（绝对值），称为量程。

二、误差

传感器测量的示值与被测量的真值之间的差值，称为传感器的示值误差，简称误差。

在使用中只能用约定真值代替真值。

通常把计量标准器所复现的量值作为约定真值。

通常把计量标准器所复现的量值作为约定真值。误差分为“绝对误差”和“相对误差”。

绝对误差就是上述的误差。压力传感器标定的约定真值情况

三、标定曲线（校准曲线）

标定（校准）是传感器应用的关键环节之一。标定就是用传感器测量一系列已知其真值的被测量，测得相应的一系列传感器输出信号，整理得到“被测量－传感器输出值”的关系曲线（即校准曲线），并给出该传感器的相关精度指标。0yFSy测量范围x标定实验过程：

一般精度的传感器，重复标定实验不得少于3遍。高精度传感器重复标定实验不得少于5遍。yFS－满量程输出。FullScale－FS，F.S.

应用中，经常用直线拟合标定曲线。

四、灵敏度

当被测量x有一个变化量x，引起传感器的输出发生相应的变化量y，则定义灵敏度Sg为

对于标定曲线非常接近直线的传感器来说，灵敏度就是拟合直线的斜率。

对于标定曲线非线性程度较大的传感器来说，灵敏度就是标定曲线的导数。（重要概念）

五、分辨力

能引起传感器输出值生产一个可察觉变化的最小被测量变化值，称为传感器的分辨力。

六、线性度

线性度是指传感器的输入（被测量）与输出保持常值比例关系的程度。0yFSyx

Lm

线性度一般用最大线性误差与满量程输出值的比值来表示：举例：线性度为0.05%F.S.

七、重复度

在标定过程中，对同一被测量值所对应的多次测量得到一组输出量值，它们之间相互偏离的差值的最大值

Rm与满量程输出值之比，称为传感器的重复度（重复性误差）。

重复度反映了传感器抵抗随机因素影响的能力。重要概念：重复度是传感器最重要的技术指标！

八、回程误差（滞后误差）

回程误差描述了传感器的输出与被测量变化方向有关的特性。式中

h=y20-y10第三章电阻应变式传感器的工程应用

本章主要介绍在工程实际中应用较多的金属箔电阻应变式传感器的应用。第一节电阻应变式传感器的概况

一、电阻应变式传感器的应用情况

电阻应变式传感器可用于测量力、扭矩、位移、加速度等。

1.电阻应变式传感器的测量方法电阻应变式传感器的测量方法是：把电阻应变片粘贴在弹性体上，通过测量弹性体上（贴片部位）的应变造成的电阻应变片的阻值变化，间接测量力、扭矩、位移、加速度等。2.常用的两种电阻应变片（1）金属箔式电阻应变片

优点：输出线性度好；

缺点：灵敏度低。（2）半导体应变片

优点：灵敏度高（约为金属箔式电阻应变片的50～60倍）

缺点：输出线性度差灵敏度一致性差

二、电阻应变片的检测原理

设电阻应变片的原始阻值为R，由于电阻应变片随弹性体变形（应变），其阻值的变化量为dR，需要确定dR与R的关系。应变片的阻值式中l－电阻丝长度；

A－电阻丝截面积；

ρ－电阻丝的电阻率。三者都随电阻丝的变形而变化。三者的变化都会引起阻值变化。当每一可变因素分别有一增量（dl,dA,dρ)时，引起的电阻增量dR为（全微分）经过推导得到式中E－电阻丝的弹性模量；ν－电阻丝的泊桑比；λ－电阻丝的压阻系数，反映因电阻丝变形产生的电阻率的变化。从上式可以看出，电阻值的相对变化与电阻应变片的应变

有关。由于我们采用电阻应变片的目的是设法通过测量其阻值变化得到应变的情况，因此应该找出阻值变化与应变的对应关系。如果用应变片的灵敏度Sg来表达应变与电阻值相对变化的关系第二节电阻应变片的组桥方式

电阻应变式传感器的特点是电阻应变片的阻值随弹性体的应变而变化，但这个阻值的变化量非常小，难于直接检测。因此，利用惠登斯电桥间接测量电阻应变片的阻值变化。

一、电桥输出的关系

电桥的供桥电压为U0，电桥的输出电压为Uy。假设R1＝R2＝R3＝R4＝R，每个桥臂上电阻的变化率不同设电阻应变片灵敏度Sg与应变值

和电阻值R及其变化量的关系为当各个桥臂的电阻应变片的灵敏度Sg相同时

在组桥时，应变值是对臂相加，邻臂相减（重要概念）。这是组桥的基本原则。利用这一原则，可以合理组桥：★为了增大信号输出，对臂的应变方向相同，邻臂应变方向相反；★为了抵销某一信号，对臂的应变方向相反，邻臂应变方向相同。和差特性二、电阻应变测量方式★单臂电桥测量方式★半桥测量方式★全桥测量方式应变通常有多大？虎克定律200MPa

→1000微应变（10－6）第三节常规的贴片方式

电阻应变片的贴片方式是由载荷类型和弹性体的形状所决定。当载荷类型确定时，弹性体的形状对测量精度影响很大。

一、拉压正应变（应力）测量的贴片方式

1.处于拉、压正应变的构件受力状态

弹性体或被测构件处于拉伸或压缩受力状态。2.测拉压正应变的贴片方式U0UyR1R2R4R3贴片方向和组桥方式的原则：对臂相加，邻臂相减！

1.处于弯曲正应变的构件受力状态

弹性体或被测构件处于弯曲受力状态。对于矩形截面梁二、弯曲正应变的贴片方式（虎克定律）2.测弯曲正应力的贴片方式★加载点不变的条件下R1R3R3R1R2R4PC★加载点变化的条件下PP★加载点变化的条件下思考题：是否还有其它贴片和组桥方式？三、纯剪应变（扭转剪应变）的测量

1.处于纯剪应变（扭转剪应变）的构件受力状态

在只承受扭矩的轴上没有正应力。

2.测纯剪应变的贴片方式重要概念：电阻应变片只能测正应变！

1

1

2

21.弯曲梁上的剪应变

对于梁来说，在中性轴上最大，没有正应力。四、弯曲梁上剪应变的测量2.测量弯曲梁上剪应变的条件下贴片方式

五、复合载荷的测量

以拉压载荷与弯曲载荷共同作用的情况为例，介绍复合载荷的测量技术。

1.分别测量（用两个电桥分别测量）

若构件各向尺寸都较大

四、复合载荷的测量

以拉压载荷与弯曲载荷共同作用的情况为例，介绍复合载荷的测量技术。测压

1.分别测量（用两个电桥分别测量）

若构件各向尺寸都较大R1，R3R2，R4

四、复合载荷的测量

以拉压载荷与弯曲载荷共同作用的情况为例，介绍复合载荷的测量技术。测压测弯曲

1.分别测量（用两个电桥分别测量）

若构件各向尺寸都较大

四、复合载荷的测量

以拉压载荷与弯曲载荷共同作用的情况为例，介绍复合载荷的测量技术。测压测弯曲

1.分别测量（用两个电桥分别测量）

若构件各向尺寸都较大正确应用贴片位置和组桥方法，就可以排除弯曲正应变与拉压正应变的相互影响，把拉压载荷和弯曲载荷分别测量出来。R2，R4R1，R3若构件厚度较小时

2.综合测量时

如果需要综合测量应变的情况，可在构件上贴应变花进行测量。

测量时，要把应变花上的三部分各自以单臂方式单独组桥。用三部分的独立的测量结果计算贴片部位各个方向的应变（应力）水平。第四节常用的电阻应变式传感器的类型一、柱式力传感器

二、弯曲梁式力传感器三、剪切梁式力传感器四、S形力传感器五、轮辐式力传感器六、桥式力传感器第五节电桥输出的平衡问题

一、电桥输出平衡的条件

电桥输出平衡的含义是：当电阻应变片没有应变时，电桥输出电压应该为零。根据电桥输出电压式的关系式要使Uy＝0，应使各桥臂的电阻应变片阻值满足：R1R3＝R2R4如果组成电桥4个桥臂的电阻阻值相同，则电桥输出自然平衡。但是，组成电桥4个桥臂的电阻阻值不可能完全相同，它们之间的微小差异，会造成电桥输出不平衡。通常，用4个名义阻值相同的电阻应变片组成电桥，都会出现电桥输出不平衡。

为了确保电桥输出平衡，在应变片贴片之前，应严格挑选应变片：（1）4个桥臂上所用的应变片要用同一批生产的，这样可以保证阻值和灵敏度基本一致。（2）用高精度的万用表（5½位表）精确测量每个应变片阻值，并且要把应变片在压平的状态下测量阻值。二、组桥前挑选电阻应变片的方法（3）选出的应变片阻值基本一致，再按R1R3＝R2R4贴片、组桥。（4）测试电桥输出，电桥平衡的标准是输出小于1V/V。如果电桥输出不平衡，通常在某一桥臂上串一个电阻（传感器制作常用）。

通常在电路上加装一个电位器（可变电阻），实现对电桥输出不平衡的调节。三、电桥输出不平衡的处理方法在工程测试中，电桥输出不平衡是正常现象，必须要加以考虑。一、传感器标定（检定、校准、定标）的概念当用传感器测得一个信号时，这个信号究竟代表被测量是多大？这个测量结果可能存在多大的误差？

这两个问题都要通过标定来解决。因此，传感器的标定是传感器应用的一个非常重要的环节。在工程应用中，整个标定过程要做三件事情：（重要概念）

1.用传感器测量一系列已知的被测量Xi，得到一系列相应的输出信号值Yi，由此确定被测量与输出信号的对应关系。这个对应关系通常是用一个函数式（标定曲线）Y=f(X)近似表达。

2.

在应用传感器时，传感器测量某一未知被测量XC，得到一个输出值Y，则需要用

XC=F(Y)（Y＝f(X)的反函数），根据输出值确定被测量。要利用标定曲线Y＝f(X)确定XC=F(Y)。

3.要对传感器的测量精度(测量误差）给出一个定量的结论（例如0.5%F.S.)，作为该传感器在应用中测量精度的依据。第六节电阻应变式传感器的标定

确定传感器的测量误差时，通过用标定时已知的被测量Xi与用XC＝F（Y）推算出的被测量值XCi进行比较，取其中差值最大者，与标定中被测量的测量范围相比，得到传感器的最大（相对）测量误差

值。

二、电阻应变式传感器的标定

电阻应变式传感器的标定通过某种方式向传感器施加一系列已知的力，传感器输出一系列的电压信号。

测量传感器输出的电压信号，经过数据处理，确定该传感器的输出特性函数V＝f(P)。

1．施加力的方法对力传感器的标定一般在专门的实验室进行，通常用测力（试验）机对力传感器施加力。测力（试验）机主要有三种类型：（1）砝码式（小力值）测力机★砝码式测力机的最大量程为0～5吨。★砝码式测力机的加载精度可达0.005%。（2）杠杆式（中等力值）测力机★杠杆式测力机的杠杆比为1:20。★杠杆式测力机的最大量程为0～100吨。★杠杆式测力机的加载精度可达0.03%。

（3）液压式测力机

一般用于大力值传感器的标定，用比对式方式确定所施加的力值。基准传感器标定传感器液压缸这种测力机的加载精度取决于所用的基准传感器的精度。

2.标定的仪器和仪表

为了保证标定的准确性，标定所用的仪器和仪表都应该具有很高的精度。

（1）直流稳压电源

标定时用的直流稳压电源应该保证输出电压稳定的直流电源（电源的波纹现象要非常小）。

（2）高精度数字电压表

标定时最好使用7½位的数字电压表（分辨力为0.1V）。

3．标定方式

（1）全量程加载点不得少于5点；（2）加载重复次数：A、B级力传感器不得少于5次；C、D级力传感器不得少于3次。

三、标定数据处理

1.标定数据表某2kg称重传感器标定输出信号（mV）载荷(kg)00.51.01.52.01.51.00.50第一次0.0005.29310.58315.87421.16315.87310.5825.2900.000第二次0.0005.29210.58415.87421.16415.87410.5835.2910.000第三次0.0005.29310.58615.87521.16515.87510.5845.2900.000根据标定过程中记录的数据，整理得到标定数据表。表格的格式设计很重要，要便于以后的数据处理。

2.确定标定输出拟合直线

对于电阻应变式传感器来说，一般对标定输出特性曲线用一条直线来拟合。目前，传感器标定时通常采用端基法确定输出特性直线。

端基法确定传感器输出特性直线，是用标定输出曲线的两个端点连成一条直线，用这条直线来代表标定输出曲线。0VmVPPm端基法直线的方程

（Y=f(X)）

V＝K1P式中Pm－最大标定载荷；Vma－最大输出电压的平均值。载荷(kg)00.51.01.52.01.51.00.50第一次0.0005.29310.58315.87421.16315.87310.5825.2900.000第二次0.0005.29210.58415.87421.16415.87410.5835.2910.000第三次0.0005.29310.58615.87521.16515.87510.5845.2900.000端基法直线的方程

（Y=f(X)）

V＝K1P根据端基法直线，可以确定传感器应用时的关系式（XC=F(Y)）

3.标定结果（结论）对电阻应变式传感器标定的结果，一般至少要给出五个结论：

（1）线性度

线性度一般用最大线性误差与满量程输出值的比值来表示：

最大线性误差

Lm通过观察标定数据的平均值与端基法直线的最大偏差来确定。载荷(kg)00.51.01.52.01.51.00.50第一次0.0005.29310.58315.87421.16315.87310.5825.2900.000第二次0.0005.29210.58415.87421.16415.87410.5835.2910.000第三次0.0005.29310.58615.87521.16515.87510.5845.2900.000平均值0.0005.292710.58415.874321.16415.87410.5835.29030.000V＝f(P)0.0005.29110.58215.87321.16415.87310.5825.2910.000由表中的数据可以看出，最大线性误差出现在第三次加载过程中的1.0kg（加载）时。因此，该传感器的线性度为

（2）重复度

重复度用同一被测量值所对应的多次测量得到一组输出量值相互偏离的差值的最大值

Rm与满量程输出值之比来表示。重复度＝yFS

Rm×100％输出量值相互偏离的差值的最大值

Rm由标定数据表中确定。载荷(kg)00.51.01.52.01.51.00.50第一次0.0005.29310.58315.87421.16315.87310.5825.2900.000第二次0.0005.29210.58415.87421.16415.87410.5835.2910.000第三次0.0005.29310.58615.87521.16515.87510.5845.2900.000V＝f(P)0.0005.29110.58215.87321.16415.87310.5825.2910.000

（3）回程误差（滞后误差）式中

h=y20－y10

加载与卸载的最大输出差值h由标定数据表中确定。载荷(kg)00.51.01.52.01.51.00.50第一次0.0005.29310.58315.87421.16315.87310.5825.2900.000第二次0.0005.29210.58415.87421.16415.87410.5835.2910.000第三次0.0005.29310.58615.87521.16515.87510.5845.2900.000V＝f(P)0.0005.29110.58215.87321.16415.87310.5825.2910.000

（4）输出灵敏度

输出灵敏度用于供桥电压与标定时有差别或六线制补偿情况。载荷(kg)00.51.01.52.01.51.00.50第一次0.0005.29310.58315.87421.16315.87310.5825.2900.000第二次0.0005.29210.58415.87421.16415.87410.5835.2910.000第三次0.0005.29310.58615.87521.16515.87510.5845.2900.000V＝f(P)0.0005.29110.58215.87321.16415.87310.5825.2910.000由表中的数据可以看出，最大测量误差出现在第三次加载过程中的1.0kg（加载）时。因此，该传感器的最大测量误差δ为（5）最大测量误差该传感器的主要输出特性指标如下：线性度0.0095%F.S.重复度0.014%F.S.（最为重要！）回程误差0.014%F.S.最大测量误差0.019%F.S.（很重要！）输出灵敏度2.12mV/V

对传感器进行标定以后，需要给出标定结果报告，其中至少包括：★传感器标定数据表★传感器主要输出特性★标定时所用仪表的情况第七节电阻应变式扭矩测量及其标定方法一、扭矩的测量方法

1.贴片及组桥方法

一般传动轴扭矩的测量通过在传动轴上粘贴电阻应变片的方式，易于实现。贴片时，应该使电阻应变片栅丝的方向与传动轴圆柱面的母线成45°

或135°

。（重要概念）

用4个单片或2个双片组成全桥。

2.供电及信号传输方式

在工程应用中，连续旋转的传动轴扭矩测量的供电和信号传输分为有线方式和无线方式。

（1）有线方式通过滑环（集流环）和电刷，把供桥电源送到传动轴上，把测量电桥的输出电压信号引出。

（2）无线方式A.传动轴上捆绑电池供电，用无线方式将测量电桥的输出信号传输出来。B.用旋转变压器（转子线圈和定子线圈）的原理，以无线方式向传动轴上传输电能，用无线方式将测量电桥的输出信号传输出来。

3.有线方式的供电和信号引出

有线方式的供电和信号的引出都是通过滑环和电刷接触导电实现的。滑环一般是用铜制成。电刷分为碳刷和金属刷。由于测量电桥输出的电压信号非常微弱，为了保证输出信号准确，要求滑环与电刷之间的接触电阻稳定。正规的电刷有径向接触式和轴向接触式。简易的电刷可采用张弦式电刷。

二、扭矩测量的标定方法扭矩测量一般很难直接标定，通常采用间接标定方法。

1.小轴标定制作一个小轴，要求其材质、热处理、应变片及组桥都与被标定的传动轴一致。通过在臂杆的端部加挂砝码，对小轴形成力矩（扭矩）Mns，可以测出小轴上的剪应力（剪应变）

（1）式中Wns－小轴的抗扭截面系数，如果是实心轴（2）式中d－小轴的直径。

同样的剪应力（剪应变）的信号取自设备传动轴时，这个剪应力所代表传动轴上的扭矩Mnb

为（3）式中Wnb－传动轴的抗扭截面系数，实心传动轴的抗扭截面系数为（4）式中D－传动轴的直径。把（1）、（2）和（4）式代入（3）式（5）这就是小轴标定的关系式，通过已知的作用在小轴上的扭矩的大小和传动轴与小轴直径之比，就可以确定传动轴上的扭矩。

2.并联电阻标定

小轴标定在使用中有一定的局限性，因此在工程实际中经常采用并联电阻的方法进行传动轴的扭矩标定。U0UyR1R2R4R3RC在传动轴扭矩测量应变片组成的电桥上，选择一个桥臂，并联一个大电阻RC，模拟由扭矩引起的应变片的阻值变化。并联电阻标定的思路：

Mni

R

RC由扭转条件下的纯剪切应力状态可知，

1＝＋，

2＝－。根据扭转的纯剪切应力状态可以得到以下关系式：

1

1

2

2（6）（7）由可以得到注意：并联电阻RC产生的R应该相当于4个桥臂测量扭矩时产生的阻值变化量之和，即（8）根据电阻并联时阻值变化关系可知（9）由此可以得到（10）在初选电阻时，先确定几个要标定的扭矩值Mn，用（6）～（10）式，计算得到相应的几个并联电阻的阻值，参照这几个阻值去挑选电阻。选好电阻后，根据选定的阻值，用（9）～（6）式反算出这些阻值在标定时对应的扭矩值。标定时，把选好的电阻顺序并联到电桥的一个臂上，测量并记录电桥的输出电压值，得到Uy=f(Mn)关系曲线。根据Uy=f(Mn)关系曲线确定应用关系式Mn=F(Uy)。第八节电阻应变式传感器的外部干扰因素

电阻应变式传感器的外部干扰因素主要有温度影响和电磁干扰。

一、温度影响

当温度变化时，电阻应变式传感器或测量装置的特性及输出都要受到影响，即式中Uya－测试装置的总输出电压；Uy－在温度恒定条件下测试装置的输出电压；Uyt－由于温度变化引起测试装置的输出电压。显然，由于温度变化引起的测试装置的输出电压会造成测试装置的输出特性发生变化，或者输出电压值出现漂移。因此，在温度变化幅度较大的测试条件下，应该尽可能采取一些补偿措施。

1.硬件补偿技术

温度变化对传感器输出的影响主要表现在对电阻应变片阻值的影响和对弹性体弹性模量的影响。

（1）阻值变化的温度补偿

设4个应变片由温度引起的电阻阻值变化分别为Rt1、Rt2、Rt3和Rt4，那么由温度变化引起的电桥输出为

如果4个应变片的粘贴部位温度相同，并且每个应变片的电阻温度系数完全相同，则

Rt1＝Rt2＝Rt2＝Rt4所以

Uyt=0

这是许多书上介绍的温度补偿办法，认为只要在相邻的部位贴片，并组成全桥就可以补偿温度变化造成的影响。但是，这是在理想条件下得到的结果（对低精度的传感器可用）。U0UyR1R2R4R3Rg

对于高精度传感器，需要在电桥的某一桥臂上串接一个温度敏感电阻Rg,以补偿4个应变片电阻温度系数微小差异造成的对传感器输出电压的影响。

（2）弹性模量的温度补偿

电阻应变片的测量原理实际上是测量应变

应力

作用力力矩当测量装置的弹性体结构和载荷确定时，应力只与结构的几何尺寸有关。

事实上，弹性体的弹性模量随温度升高而下降。当温度变化时，传感器承受的载荷不变，应力也不变。但是，弹性模量的变化必然使得应变变化，造成电桥的输出电压变化，由此推算出的作用力或力矩发生变化。t，E，，UyF

因此，补偿应该使得电桥的供桥电压下降。输出电压Uy根据虎克定律U0UyR1R2R4R3RgRm如果在供桥电源上串接一对温度敏感电阻Rm，能满足t,Rm

。这样，在温度变化时，使实际的供桥电压下降，以补偿应变值增大的影响。

2.软件补偿技术

硬件温度补偿的原理比较简单，但对非专业人士来说，实际操作起来很困难。在测试系统中应用了微型计算机的条件下，可以采用软件补偿技术。软件补偿技术需要在实验室完成在已知温度变化时传感器输出变化情况的标定实验，建立相关的数学模型。

根据实验数据，建立数学模型UY＝f(P,t),输入到计算机有关软件中。实际应用时通过采集传感器的环境温度进行补偿。

二、电磁干扰

在生产现场，电磁干扰现象很普遍。由于电阻应变式传感器的输出（组桥后）一般为30mV以下，电磁场产生的感应电压往往远大于这个输出值。因此，电阻应变式传感器必须用屏蔽电缆作为信号线，并且其屏蔽网一端良好接地，以减小电磁干扰。

1.短距离测试

当屏蔽电缆长度不超过10米或12米时，可以直接将mV级信号输出。

2.长距离测试（重要概念）

（1）电压放大后传输在传感器输出后，立即将mV级信号放大为V级信号传输。

（2）转换为电流信号后传输在传感器输出后，立即将mV级信号转换为4～20mA信号传输。三、电缆长度影响当电缆长度较长时，会造成测量误差。U0UyR1R2R4R3采用六线制测量方式可以测出电缆的阻抗，在信号处理时对输出电压Uy进行补偿。一、电阻应变式传感器的特点金属箔电阻应变片的特点是：

1.使用方便、灵活－－买到应变片就可以应用

（1）可自制传感器

★设计、制作一个弹性体

★贴片、封装保护装置（2）可直接贴在被测的设备上

★用502胶贴在机架上或传动轴上第九节小结应用电阻应变片进行工程测试实例传感器直流稳压电源数字电压表放大器计算机显示记录A/D图中列出了三种常用的应用情况：（1）采用计算机的测试系统（2）采用仪表的测试系统（3）传感器标定时的测试系统（在红线框内）在应用时，如能把整个系统一起标定，将能够得到更好的应用效果！

2.应用条件简单3.通用性好可用来测量力、力矩、压强、加速度、位移等物理量。和差特性二、电阻应变式传感器应用的技术关键1.供桥电压U0要稳定电压值波动要小，电源的纹波系数要小2.弹性体的结构形式、贴片的位置和方式、组桥的方式要认真考虑4.信号的传输方式要抗电磁干扰3.高精度应变测量时要采用温度补偿措施第一节信号的采集在工程测试中，信号采集一般通过模/数（A/D）转换装置与计算机结合来实现。

一、模数（A/D）转换装置1.模数转换的作用把模拟（电压）信号转化为计算机或数字电路仪表能够处理的数字信号。对于应用计算机进行数据采集，A/D转换一般用数据采集卡或数据采集模块实现。第四章信号的采集、调理、传输与记录应用时，只须购买成品模数转换装置，再配以相应的数据采集软件，就可以实现A/D转换和数据采集。模/数转换装置类型与计算机连接方式数据采集卡插入计算机机箱内的板卡槽USB接口数据采集模块485/232接口数据采集卡一般可以同时采集多路模拟电压信号，通常有8通道、16通道或32通道的数据采集卡。以3通道数据采集为例电压信号1电压信号2采样保持器采样保持器通道转换开关比较电压数字量输出A/D转换采样保持器的作用：保证在A/D转换的时间内，加在A/D转换器上的模拟电压信号幅值保持不变。A/D转换的方式：逐次逼近式（速度快、价格高）双积分式（精度高、价格低）

2.模数（A/D）转换原理电压信号3采样保持器逐次逼近式A/D转换的原理：将被测电压与一套基准电压进行比较，直到两者接近相等（平衡）为止。以3位A/D转换为例1001

101

110

000

100

11由此可见，A/D转换的位数越多，其分辨力越高，转换精度越高。问题：如果基准电压不准，会出现什么情况？转换的线性度差！量化误差：±1/2

LSB（最小有效位）3.数据采集卡的重要参数（1）对输入的电压信号的幅值有明确的要求，如0～5V、0～10V、－5～＋5V、－10～＋10V（幅值设定可通过跳线方式）。（2）采集卡的采样频率是指所有参与采样的通道合在一起的每秒钟采样次数，例如400kHz。（3）采集卡的采样精度用A/D转换的位数表示，例如12位、14位、16位、24位。（4）A/D转换的误差

量化误差：±1/2

LSB（最小有效位）

最小有效位：12位A/D为4096分之一，14位A/D为16384分之一

A/D转换的非线性误差A/D转换0～5V0～4095（12位A/D）举例：0～16383（14位A/D）4.A/D转换的误差分析★对于12位A/D，最小有效位的1代表1.22mV；★对于14位A/D，最小有效位的1代表0.31mV。若传感器的输出电压为0～20mV：★对于12位A/D，0～20mV对应16.39个最小有效位的1；★对于14位A/D，0～20mV对应65.57个最小有效位的1。A/D数据采集卡的信号输入方式（1）单端输入（通道数多，接线简单，易产生共模干扰）（2）双端输入（通道数少，对信号地线有接地要求）共模干扰产生的机理信号1信号2A/D转换公共地信号1信号2A/D转换公共地隔离隔离（有源）抗共模干扰的措施附录1隔离对控制装置与被控制设备之间进行必要的电气隔离，其主要目的是：★避免被控制设备的高电平信号串入造成控制装置损坏。★防止（共模）干扰信号串入。

1)开关量的隔离通常用光电式隔离。

2)模拟量的隔离通常用光电式隔离、固态电路隔离、变压器式隔离。

隔离是电气系统中常用的一种防护手段。一、信号调理的作用将传感器输出的电信号根据系统的需要放大、转换或滤波，以满足计算机或仪表采集数据的要求。信号调理输入信号输出信号举例：

二、信号放大（mV→V

）

作用：（1）提高信号抗干扰能力；（2）满足计算机或仪表采集数据的精度要求。第二节信号调理

三、信号转换

1.mV→mA（4～20mA）

作用：提高信号抗干扰能力，信号可以长距离传输。

2.mA

→V

作用：适应计算机采集数据的需要。

举例：4～20mA

转换为1～5VA/D转换数字量精密电阻（250）恒流源mV～4～20mAR负载R可为几欧到几百欧

3.f

→

V

作用：易于测量和A/D转换。

鉴频器fV

4.阻抗转换

作用：用于测试系统中两个相连接环节的阻抗匹配