机械工程测试技术

机械工程测试技术根底整理课件绪论了解测试的根本概念理解测试的根本内容与任务掌握信号和信息的关系理解测试系统的组成及各环节功能了解测试信息处理技术的开展方向整理课件第一节测试技术概况1测试的根本概念测量：是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。试验：对未知事物探索性的认识过程测试：是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。整理课件2、

测试技术的内容和任务

测试技术研究的主要内容为：被测量的测量原理、测量方法、测量系统以及数据处理四个方面。测试技术的根本任务〔1〕设计时为产品质量和性能提供评价〔2〕设备改造时为提高质量和产量提供依据〔3〕振动和噪声测量〔4〕故障诊断〔5〕设备监控、质量控制整理课件3、测试系统的组成

测试系统是指由相关的器件、仪器和测试装置有机组合而成的具有获取某种信息之功能的整体。整理课件测试系统框图

整理课件

传感器：直接用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出。这种输出通常是电信号。信号调理：把来自传感器的信号转换成更适合于传输和处理的形式。如幅值放大、阻抗的变化转换成电压的变化、或阻抗的变化转换成频率的变化。信号处理：接受来自条理的信号，并进行各种运算、滤波、分析，将结果输至显示记录或控制系统。信号显示、记录：以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或将结果进行存储，供必要时使用。整理课件工程测试问题总是处理输入量x(t)、装置〔系统〕的传输特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系。如图：整理课件信息信号

信息的定义：事物运动的状态和方式信息的根本性质1．可识别通过各种探测与检测手段识别2．可以转换可从一种形态转换成另一种形态如：语言、文字、图象、图表，电信号，电压电流3．可以存贮如：计算机，内外存贮器，磁盘，光盘，录音带4．可以传输如：电视，，信号：传输信息的载体信息蕴含于信号之中整理课件4测试技术的开展动向1〕测量方式的多样化2〕视觉测试技术3)尺寸继续向两个极端开展智能化

集成化整理课件1.测量方式多样化1.测量方式多样化包括：〔1〕动态测量〔2〕虚拟仪器〔3〕便携式测量仪器〔4〕组合式测量方〔5〕多传感器融合技术在制造过程中的应用整理课件2视觉测试技术

视觉测试技术是建立在计算机视觉研究根底上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，如三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量、共面性测量等。它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。整理课件3两个极端开展两个极端就是指相对于现在测量尺寸的大尺寸和小尺寸。通常尺寸的测量已被广为注意，也开发了多种多样的测试方法。近年来，由于国民经济的快速开展和迫切需要，使得很多方面的生产和工程中测试的要求超过了我们所能测试的范围，如飞机外形的测量、大型机械关键部件测量、高层建筑电梯导轨的准直测量、油罐车的现场校准等都要求能进行大尺寸测量；微电子技术、生物技术的快速开展，探索物质微观世界的需求，测量精度的不断提高，又要求进行微米、纳米测试。纳米测量也多种多样，有光干预测量仪、量子干预仪、电容测微仪、X射线干预仪、频率跟踪式法珀标准量具、扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、分子测量机M3(molecularmeasuringmachine)等。整理课件课程的学习要求

掌握信号的分类及其在时域和频域内的描述方法，建立明确的信号频谱的概念。掌握测试装置的静、动态特性。掌握常用传感器的工作原理、根本特性、使用范围和传感器的选用原那么。了解机电工程中常见参量的测试方法。整理课件第二节测量的根底知识一、测量误差的根本概念1．真值：客观存在的量值。测量的目的得到真值2．测量误差：测量误差=测量值-真值整理课件二、测量误差产生的原因

1．测量方法引起的误差基准误差〔基准不统一〕方法误差，物理量转换为电量转换误差，安装操作误差。2．设备引起的误差测量器件的误差，如标准法码，量规，刻度尺，电器电阻误差等。如设计误差，零件误差，安装误差，系统老化等3．环境条件引起的误差如：温度、湿度、气压、光照、电磁场，振动等。4．测量人员引起的误差整理课件三、测量误差的分类

系统误差测量系统本身所有的误差

随机误差不可预知变化的误差

粗大误差由读数，操作，记录，计算机失误引起，或设备突然故障，粗大误处理方法易除。整理课件

精度、精密度、及准确度1.精密度：表示示值的分散程度，表现为示值在平均值左右波动，反响了随机误差的大小和程度，精密度高那么随机误差小。2.准确度：表示示值均值的准确程度，表现为均值与真值的相差程度，反映了系统误差的大小和程度。准确度愈低那么系统误差愈大。3.精确度〔精度〕：表示精密度和准确度的综合程度。反映了随机误差和系统误差合成的大小和程度。整理课件

a）精密度

b）正确度

c）准确度

........................................整理课件

不确定度：意味着对测量结果可信性、有效性的疑心程度或不肯定程度，是定量说明测量结果的质量的一个参数。

测量不确定度就是说明被测量之值分散性的参数，它不说明测量结果是否接近真值。测量不确定度用标准〔偏〕差表示，这时称其为标准不确定度。

整理课件第一章信号及其描述了解信号的分类

掌握对周期性信号及非周期信号的描述

了解随机信号

整理课件第一节信号的分类与描述信号的分类1确定性信号和非确定性信号〔随机信号〕确定性信号能用明确的数学关系式或图象表达的信号称为确定性信号。非确定性信号(随机信号)是无法用明确的数学关系式表达的信号。

整理课件分类图整理课件

周期信号是按一定时间间隔周而复始出现，无始无终的信号。

x(t)=x(t+nT)式中，n任意整数〔n=1.2……〕T——周期

非周期信号是确定性信号中不具有周期重复性的信号。T→∞整理课件

2连续信号和离散信号

连续信号是其数学表示式中的独立变量取值是连续的信号。离散信号是其数学表示式中的独立变量取值是离散的信号。整理课件

能量信号当x(t)满足时，那么信号的能量有限，称为能量有限信号，简称能量信号。满足能量有限条件，实际上就满足了绝对可积条件。功率信号假设x(t)在区间(-∞,+∞)的能量无限，不满足上式条件，但在有限区间(-T/2,T/2)满足平均功率有限的条件

那么称为功率信号。整理课件

二信号的时域和频域描述时域描述以时间t为独立变量的，直接观测或记录到的信号。信号时域描述直观地出信号瞬时值随时间变化的情况。频域描述信号以频率f为独立变量的，称为信号的。频域描述那么反映信号的频率组成及其幅值、相角之大小。时域描述和频域描述为从不同的角度观察、分析信号提供了方便。运用傅里叶级数、傅里叶变换及其反变换，可以方便地实现信号的时、频域转换。整理课件第二节周期信号及其离散频谱

一傅里叶级数的三角函数展开式

对于满足狄里赫勒条件：函数在(-T/2，T/2)区间连续或只有有限个第一类间断点，且只有有限个极值点的周期信号，均可展开成：

常值分量

余弦分量幅值

正弦分量幅值

式中：a0，an，bn为傅里叶系数；T0为信号的周期整理课件

常值分量A0=a0幅值

相位

An——ω的关系称为幅值频谱图〔幅值谱〕φn—ω的关系称相位频谱图

〔相位谱〕频谱

整理课件

二傅里叶级数的复指数展开式

幅值

相位

整理课件

1

求周期方波的(幅值谱)(相位谱)频谱？解：(1)方波的时域描述为：

整理课件

傅里叶级数整理课件

相位谱幅值谱整理课件分析把周期函数X〔t〕展开为傅立叶级数的复指数函数形式后，可分别以和作幅频谱图和相频谱图；也可以的实部或虚部与频率的关系作幅频图，分别称为实频谱图和虚频谱图.整理课件

时域相互转换数学工具频域

周期信号→傅里叶级数→离散频谱周期信号←傅里叶积分←离散频谱周期信号频谱的三大特点1离散性周期信号的频谱是离散的。2谐波性每条谱线只出现在基波频率的整数倍上，基波频率是诸分量频率的公约数。3收敛性各频率分量的谱线高度表示该谐波的幅值或相位角。工程中常见的周期信号，其谐波幅值的总趋势是随谐拨次数的增高而减少的。整理课件

三、周期信号的强度表述峰值

是信号可能出现的最大瞬时值均值有效值平均功率整理课件

第三节、瞬变非周期信号与连续频谱

非周期信号通常解释为周期T→∞因而不具周期性不满足傅氏级数的展开条件，所以分解需应用傅氏积分非周期信号x(t)，在任一有限区间满足狄氏条件，在无限区间绝对可积，那么可进行到频域中的转换，描述频谱，称为时x(t)的傅氏变换。整理课件

一、傅里叶变换X(ω〕称为x(t)的傅里叶变换(FT)x(t)称为X(ω〕的傅里叶逆变换(IFT)当以ω=2πf

符号简记整理课件

式中是频域函数的模，为信号x(t)的幅值谱φ〔f〕为相位谱整理课件

二、傅氏变换的根本性质1．奇偶虚实性2．线性叠加性3．对称性4.尺度改变5.时移

表1.3傅里叶变换的主要性质整理课件

例求指数衰减信号x(t)的频谱。〔α＞0〕幅值谱解：整理课件

当ω=0X(ω)=A/α

Φ(ω)=0

ω→+∞X(ω)→+0Φ(ω)→-π/2

ω→-∞X(ω)→-0Φ(ω)→+π/2整理课件三、几种典型信号的频谱

1、矩形窗函数的频谱整理课件

2函数及其频谱1、定义在ε时间内激发一个矩形脉冲，其面积为1。当ε趋于0时，的极限就称为δ函数，记做δ(t)。δ函数称为单位脉冲函数。δ(t)的特点有：从面积的角度来看〔也称为δ函数的强度〕2、δ函数的采样性质3、函数与其他函数的卷积特性整理课件

3、正、余弦函数的频谱密度函数正、余弦函数可以写成正余弦函数的傅立叶变换如下：整理课件

4、周期单位脉冲序列的频谱等间隔的周期单位脉冲序列常称为梳状函数其傅立叶级数的复指数形式整理课件第四节随机信号一、概述随机信号(非确定性信号)随机信号是不能用确定的数学关系式来描述的不能预测其未来任何瞬时值，任何一次观测值只代表在其变动范围中可能产生的结果之一，但其值的变动服从统计规律。其特点1〕时间函数不能用精确的数学关系式来描述；2〕不能预测它未来任何时刻的准确值；3〕对这种信号的每次观测结果都不同，但大量地重复试验可以看到它具有统计规律性。描述方法只能用数理统计概率方法。

整理课件

各态历经随机过程平稳过程随机过程非平稳过程表示随机信号的单个时间历程

称为样本函效，某随机现象可能产生的全部样本函数的集合

(也称总体)称为随机过程。整理课件

二、随机信号的主要特征参数

1均值、方差和均方值(1)均值为均值表示信号的常值分量。(2)方差描述随机信号的波动分量，它是偏离均值的平方的均值，即(3)均方差描述随机信号的强度，它是平方的均值，即均方值的正平方根称为均方根值均值、方差、和均方值的相互关系是整理课件

2．概率密度的函数随机信号的概率密度函数表示信号幅值落在指定区域内的概率

概率密度函数提供了随机信号幅值分布的信息，是随机信号的主要特征参数之一。整理课件第二章测试装置的根本特性

第一节概述通常的工程测试问题总是处理输入量x(t)、装置〔系统〕的传输特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系。整理课件

理想的测试装置应该

①输出和输入成线性关系。即具有单值的、确定的输入-输出关系。②系统为时不变线性系统。实际的测试装置

①只能在工作范围内和在一定误差允许范围内满足线性要求。②很多物理系统是时变的。在工程上，常可以以足够的精确度认为系统中的参数是时不变的常数。

测试系统为线性系统整理课件线性系统及其主要性质

当系统的输入x(t)和输出y(t)之间的关系可用常系数线性微分方程

来描述，也称定常线性系统。式中t为时间自变量。系统的系数均为常数。整理课件

如以x(t)→y(t)表示上述系统的输入、输出的对应关系，那么时不变线性系统具有以下一些主要性质。1〕叠加原理几个输入所产生的总输出是各个输入所产生的输出叠加的结果。即假设

那么

符合叠加原理，意味着作用于线性系统的各个输入所产生的输出是互不影响的。整理课件

2)比例特性对于任意常数A，必有x(t)→y(t)Ax(t)→Ay(t)假设线性系统的输入扩大A倍，那么其响应也将扩大A倍3)微分特性系统对输入导数的响应等于对原输入响应的导数，即x(t)→y(t)整理课件

4〕积分特性如系统的初始状态均为零，那么系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分，即x(t)→y(t)5〕频率保持性假设输入为某一频率的简谐〔正弦或余弦〕信号，那么系统的稳态输出必是、也只是同频率的简谐信号；即输出y(t)唯一可能解只能是整理课件第二节测试装置的静态特性测试装置的静态特性就是在静态测试情况下描述实际测试装置与理想定常线性系统的接近程度。用定量指标来研究实际测试系统的静态特性。

整理课件

一、线性度(非线性度

)是指在静态测量中输出与输入之间是否保持常值比例关系的一种量度。用实验方法测出的输入输出关系曲线称为“定度曲线〞，定度曲线偏离拟合直线的程度称为线性度线性度=拟合直线确实定，常用的主要有两种：即端基直线和独立直线。端基直线是指通过测量范围的上下限点的直线。显然用基端直线来代替实际的输入、输出曲线，其求解过程比较简单，但是其非线性度较差。独立直线是指使输入与输出曲线上各点的线性误差Bi的平方和最小，即〔最小二乘法〕输入输出曲线与理想直线的偏离程度B:输出值与理想直线的最大偏差值A:理论满量程输出值整理课件

二、灵敏度当装置的输入x有一个变化量∆x，它引起输出y发生相应的变化量∆y，是测试系统对输入信号变化的一种反响能力。那么定义灵敏度输出变化量与输入变化量之比称为灵敏度测试系统是定常线性系统

当灵敏度为定值就是线性系统

灵敏度的量纲取决于输入－输出的量纲。当输入与输出的量纲相同时，那么灵敏度是一个无量纲的数，常称之为“放大倍数〞。整理课件

测试系统由串联环节组成时如以下图所示S1S2S3系统的总灵敏度

测试系统由并联和反响回路构成课程不做介绍整理课件

三、回程误差在同样的测试条件下，当输入量由小增大和由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量却往往存在着差值。把在全测量范围内，最大的差值称为回程误差或滞后误差。同一输入量的两输出量之差的最大值与标称的输出范围A之比回程误差

产生这种现象的原因：仪器内部摩擦间隙,死区,磁性材料的磁滞、弹性材料迟滞现象、以及机械结构中的摩擦等在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度.整理课件

四分辩力

分辨力是指测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量，通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示。分辨力与灵敏度有密切的关系，即为灵敏度的倒数。

一个测试系统的分辨力越高，表示它所能检测出的输入量最小变化量值越小。对于数字测试系统，其输出显示系统的最后一位所代表的输入量即为该系统的分辨力；对于模拟测试系统，是用其输出指示标尺最小分度值的一半所代表的输入量来表示其分辨力。分辨力也称为灵敏阈或灵敏限。例数字电压表最大读数999V最小1V，那么分辩力为1V或1/999整理课件

五零漂

漂移是指测试系统在输入不变的条件下，输出随时间而变化的趋势。在规定的条件下，当输入不变时在规定时间内输出的变化，称为点漂。在测试系统测试范围最低值处的点漂，称为零点漂移，简称零漂。产生漂移的原因

有两个方面：一是仪器自身结构参数的变化，另一个是周围环境的变化〔如温度、湿度等〕对输出的影响。最常见的漂移是温漂，即由于周围的温度变化而引起输出的变化，进一步引起测试系统的灵敏度和零位发生漂移，即灵敏度漂移和零点漂移。整理课件

以上是描述测试系统静态特性的常用指标。在选择或者设计一个测试系统时，要根据被测对象的情况、精度要求、测试环境等因素经济合理地选取各项指标。整理课件第三节测试装置的动态特性

是指输入量随时间变化时，其输出随输入而变化的关系。测试系统都可以认为是线性系统，因此就可以用下式，这一定常线性系统微分方程来描述测试系统以及和输入x(t)、输出y(t)之间的关系：一动态特性的数学描述整理课件

1传递函数

设X(s)和Y(s)分别为输入x(t)、输出y(t)的拉普拉斯变换。对式取拉普拉斯变化得：将H(s)称为系统的传递函数。其中s为复变量，是与输入和系统初始条件有关的。假设初始条件全为零，那么因整理课件

输出的拉氏变换与输入拉氏变换之比为系统传递函数H〔S〕

传递函数是一种对系统特性的解析描述。它包含了瞬态、稳态时间响应和频率响应的全部信息。传递函数特点

〔1〕传递函数与输入无关，它只反映系统的特性。〔2〕传递函数只反映系统的响应特性，与物理结构无关，因而同一传递函数可能表征两个以上不同物理系统，相同阶数的物理系统，具有相同的传递函数的形式。〔3〕H〔S〕虽与输入无关，但它描述了输入和输出的一一对应关系，即使输入输出有不同的量纲，用传递函数描述的系统传输，转换特性也能真实反映这种变换。整理课件

2频率响应函数

频率响应函数是在频率域中描述和考察系统特性的。令

代入

频率响应函数的求法系统的传递函数

频率响应函数是复数幅频特性相频特性整理课件

定常线性系统的测试装置，可用常系数线性微分方程来描述，但使用时有许多不便。因此，常通过拉普拉斯变换建立其相应的“传递函数〞，通过傅立叶变换建立其相应的“频率响应函数〞，以便更简便地描述装置或系统的特性。整理课件

3脉冲响应函数

假设输入为单位脉冲，即x(t)=δ(t),那么

X(s)=L[δ(t)]=1装置的相应输出是Y(s)=H(s)X(s)=H(s),其时域描述可通过对Y(s)的拉普拉斯反变换得到h(t)常称为系统的脉冲响应函数或权函数。时域脉冲响应函数h(t)系统特性的描述频域频率响应函数H(ω)复数域传递函数H(s)整理课件

4环节的串联和并联两个传递函数各为和的环节，

串联时系统的传递函数H(s)在初始条件为零时为：对n个环节串联组成的系统，有整理课件

由n个环节并联组成的系统，有并联时整理课件二、一阶、二阶系统的特性1、一阶系统一阶系统，均可用一阶微分方程来描述。令S=1，即归一化处理

时间常数系统灵敏度，是一个常数。经拉氏互变换得一阶系统传递函数传递函数整理课件

频率响应函数幅频特性相频特性

整理课件

一阶系统的特点：1〕当时，;当时，。2〕在处，A(ω)为0.707〔-3db),相角滞后-45º。3〕一阶系统的伯德图可用一条折线来近似描述。这条折线在段为A(ω)=1,在段为一-20db/10倍频斜率的直线。点称转折频率。整理课件

一阶系统的特点系统特性取决于时间常数τ。τ越大，系统惯性越大，响应时间越长。τ越小，响应越快，可测频率范围越宽。为保证不失真测量，最好使信号的最高频率ωmax≤0.2ωc。时间常数τ整理课件

2、二阶系统均可用二阶微分方程来描述。系统灵敏度，是一个常数。归一化处理

ωn：固有角频率ξ：阻尼比经拉氏互变换二得阶系统传递函数动态参数有两个：ξ－阻尼比；ωn—固有频率。整理课件

频率响应函数整理课件

当：ξ>1过阻尼无振荡ξ＝1临界阻尼0<ξ<1欠阻尼阻尼振荡ξ＝0无阻尼等幅振荡整理课件第四节测试装置对任意输入的响应

一、系统对任意输入的响应y(t)=x(t)*h(t)y(t)实际上就是x(t)和h(t)的卷积，可记为

测试系统的输入、输出与传递函数之间有关系式整理课件

二、系统对单位阶跃输入的响应单位阶跃输入的定义为

其拉氏变换单位阶跃输入

一阶系统对单位阶跃函数的响应

经拉氏逆变换得其时域响应为整理课件

一阶系统的响应由图可见，一阶系统在单位阶跃鼓励下的稳态输出误差为零，并且，进入稳态的时间t→∞。但是，当t=4τ时，y(4τ)=0.982；误差小于2%；当t=5τ时，y(5τ)=0.993,误差小于1%。所以对于一阶系统来说，时间常数τ越小越好。t=(4~5)τ时t=τ时整理课件

二阶系统对单位阶跃输入的响应经拉氏逆变换得其时域响应为二阶系统在单位阶跃鼓励下的稳态输出误差也为零。进入稳态的时间取决于系统的固有频率ωn和阻尼比ξ。ωn越高，系统响应越快。阻尼比主要影响超调量和振荡次数。当ξ=0时，超调量为100%，且振荡持续不息，永无休止；当ξ≥1时，实质为两个一阶系统的串联，虽无振荡，但到达稳态的时间较长；通常取ξ=0.6～0.8，此时，最大超调量不超过10%～2.5%，到达稳态的时间最短，约为5～7/ωn，稳态误差在5%～2%。整理课件第五节实现不失真测量的条件

测试的目的是为了获得被测对象的原始信息。这就要求在测试过程中采取相应的技术手段，使测试系统的输出信号能够真实、准确地反映出被测对象的信息。这种测试称之为不失真测试。设测试系统的输入为x(t)，假设实现不失真测试，那么该测试系统的输出y(t)应满足：式中：A0、t0均为常数。

该测试系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。整理课件

对该式作傅立叶变换当测试系统的初始状态为零时，即当t<0时，

测试系统的频率响应函数为

假设要求装置的输出波形不失真，那么其幅频和相频特性应分别满足不等于常数时所引起的失真称为幅值失真，与之间的非线性关系所引起的失真称为相位失真。

整理课件

实际测量装置不可能在非常宽广的频率范围内都满足无失真测试条件，即使在某一频率范围内工作，也难以完全理想的实现不失真测试。只能努力把波形失真限制在一定的误差范围内。因此，首先要选择适宜的测试装置。其次，应对输入信号做必要的前置处理，及时滤去非信号频带内的噪声。对于一阶系统τ越小响应越快，原那么上τ越小越好。对于二阶系统一般ξ=0.6～0.8时，可以获得较为适宜的综合特性。所以ξ=0.7，ω=0～0.58ωn整理课件第六节测试装置动态特性的测试测试系统特性的测定应该包括静态特性和动态特性的测定。对装置的静态参数测试：以经过校准的“标准〞静态量作为输入，求出输出-输入曲线。根据这条曲线确定其回程误差，整理和确定其校准曲线、线性误差和灵敏度。测试系统动态特性的测定

系统动态特性是其内在的一种属性，这种属性只有系统受到鼓励之后才能显现出来，并隐含在系统的响应之中。因此，研究测试系统动态特性的标定，应首先研究采用何种的输入信号作为系统的鼓励，其次要研究如何从系统的输出响应中提取出系统的动态特性参数。整理课件

常用的动态标定方法有阶跃响应法和频率响应法

一、频率响应法通过稳态正弦鼓励试验求得幅频和相频特性曲线。一阶系统通过幅频特性或相频特性直接确定其动态特性参数τ。因此，可以用不同频率的正弦信号去鼓励测试系统，观察其输出响应的幅值变化和相位滞后，从而得到系统的动态特性。这是系统动态标定常用的方法之一。整理课件

二阶系统

动态特性参数为：固有频率和阻尼比ζ。1〕求出的最大值及所对应的频率2〕由，求出阻尼比ξ3〕根据，求出固有频率整理课件

二、阶跃响应法阶跃响应法是以阶跃信号作为测试系统的输入，通过对系统输出响应的测试，从中计算出系统的动态特性参数。

一阶系统①测得一阶装置的阶跃响应，取该输出值到达最终稳态值的63%所经过的时间作为时间常数τ。但测量结果的可靠性很差。②将一阶装置的阶跃响应表达式改写为通过求直线

的斜率，即可求出时间常数τ。

整理课件

二阶系统圆频率作衰减振荡当时，y(t)取最大值，那么最大超调量与阻尼比的关系式为

可利用任意两个超调量和来求取其阻尼比。

整理课件第七节负载效应

在实际的测试工作中，测试系统和被测对象之间、测试系统内部各环节之间相互连接并因而产生相互作用，是处处可见的。测试装置的接入，就成为被测对象的负载。后接环节总是成为前面环节的负载。一、 负载效应当一个装置连接到另一个装置上，并发生能量交换时，就会发生两种现象：整理课件

1〕前装置的联接处甚至整个装置的状态和输出都将发生变化。2〕两个装置共同形成一个新的整体，该整体虽然保存其两组成装置的某些主要特征，但其传递函数已经不能用来表达。某装置由于后接另一装置而产生的种种现象，称为负载效应。负载效应产生的后果，有的可以忽略，有的却是很严重，不能对其掉以轻心。整理课件

二、 减轻负载效应的措施1〕提高后续环节〔负载〕的输入阻抗2〕在原来两个相连的环节之中，插入高输入阻抗，低输出阻抗的放大器，以便一方面减小从前环节吸取能量，另一方面在承受后一环节〔负载〕后又能减小电压输出的变化，从而减轻负载效应。3〕使用反响或零点测量原理，使后面环节几乎不从前环节吸取能量。

总之，在进行测试工作中，应当建立系统整体概念，充分考虑各种装置、环节的联接后可能产生的影响。测试装置的接入就成为被测对象的负载，将会产生测量误差.整理课件

第八节测量装置的干扰一、测量装置的干扰源电磁场干扰2.信道干扰3.电源干扰二、供电系统干扰及其抗干扰三、信道通道的干扰及其抗干扰四、接地设计整理课件

第二章习题

2-1

进行某动态压力测量时，所用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/Mpa，将他与增益为0.005V/nC的电荷放大器相连，电荷放大器的输出接到一台笔试记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V，试求该压力测试系统的灵敏度。当压力变化为3.5Mpa时，记录笔在记录纸变化量为多少？解：〔1〕求解串联系统的灵敏度S1S2S3总灵敏度

(2)求解系统的输出变化量

整理课件

2-2用一个时间常数为0.35s的一阶装置去测量周期分别为1s，2s和5s的正弦信号，问幅值误差将是多少？幅值误差为：1-0.414=0.586

解：整理课件

2-3求周期信号x〔t〕=0.5cos10t+0.2cos〔100t-45°〕，通过传递函数为的装置后得到的稳态响应。解：

叠加原理系统输出的稳态响应为：

频率保持性整理课件

系统输出的稳态响应为：

整理课件

2-5用一个一阶系统作100Hz正弦信号的测量，如果要求限制振幅误差在5％以内，那么时间常数应取多少？假设用该系统测量50Hz的正弦信号，问此时振幅误差和相角差是多少？解：〔1〕振幅相对误差限制在5%以内，那么f=100整理课件

〔2〕振幅的相当误差为且相角差为整理课件

2-9试求传递函数为和的俩每个个环节串联后组成的系统的总灵敏度。解：求当S=0时的两传递函数之值两环节串联后系统的总灵敏度为S=3.0×41=123整理课件

2-10设一力传感器可作为二阶系统处理，传感器的固有频率800Hz，阻尼比ξ=0.14时，问使用该传感器测频率400Hz的正弦测试时，其振幅比A〔ω〕和相角φ〔ω〕各是多少？假设ξ=0.7时，那么A〔ω〕及φ〔ω〕将改变为何值？解：〔1〕按题意，当时，即且ξ=0.14那么有整理课件

即此时的幅值比为A〔ω〕=1.31，相位移为-10.57°。〔2〕当ξ=0.7时可解得A〔400〕=0.975；φ〔400〕=-43.03°即幅值比为：A〔400〕=0.975；相位移为-43.03°。整理课件

2-11一个可视为二阶系统的装置输入一个单位阶跃函数后，测得其响应的第一个超调量峰值为0.15，振荡周期为6.23s。该装置的静态增益为3，试求该装置的传递函数和该装置在无阻尼固有频率处的频率响应。解：

根据题意，装置静态增益为3，故其单位阶跃的最大过冲量整理课件

式中:

。

整理课件第三章常用传感器与敏感元件传感器是将被测物理量按一事实上规律转换为与其对应的另一种物理量输出的装置常用的是将非电量转换成电量(1)传感器是测量装置,能完成检测任务;

(2)它的输入量是某一被测量;

(3)它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等,主要是电量;〔4〕输出与输入有一定的对应关系;整理课件

传感器的构成传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件那么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。二者有时很容易分开，有时合二为一。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。整理课件

第一节传感器的分类按被测量分:

位移式传感器,力传感器,温度传感器等按工作原理分:

电气式,光学式,流体式等按信号变换特征分:

物性型和结构型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.

例如:水银温度计,压电测力计.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.整理课件

按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型与能量控制型能量转换型: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.按输出信号分:

模拟式和数字式

按变换原理:可分为参量型与发电型。发电型：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可直接接入放大器或记录仪器，所以又称为有源型，一般不需外加电源.参量型：被测量使传感器本身的电参量R、L、C改变，这种传感器工作时必须有外加电源，故又称为无源型.整理课件

第二节机械式传感器及仪器原理：在测试技术中，以弹性体作为传感器的敏感元件，对力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹性元件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。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，以减小线形误差。此外，由于放大和指针环节多为机械传动，不仅受间隙的影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。

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第三节电阻、电容、与电感式传感器一、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.按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。

1变阻器式传感器结构组成：骨架，电阻元件〔线圈等〕电刷电刷可直线也可旋转运动整理课件

原理：它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。根据下式式中

ρ——电阻率

l——电阻丝长度

A——电阻丝截面积

△x

△RR=Kx

K是一常数

传感器的灵敏度

=常数

=常数

输入(位移)和输出成线性关系

整理课件

△x

△R

△U

变阻式传感器

电路△x

△U

灵敏度S=常数

——变阻器的总电阻

——变阻器的总长度

——后接电路的输入电阻

整理课件

输入(位移)和输出成线性关系灵敏度S=常数

只有

时

优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。

缺点；受阻经直径影响，分辩率不高，运用检测精度不高的场合，噪声大.=常数

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2．电阻应变式传感器电阻应变式传感器分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类.△R应变式传感器是基于测量物体受力所产生应变的一种传感器金属电阻应变片结构组成：基片，电阻丝〔片〕，覆盖层，引出线金属电阻应变片的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，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。

整理课件

根据

长度为L，截面积为A，电阻率为ρ，

如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积A变化dA，电阻率ρ变化

，因而引起电阻R变化dR。式中A=πr²，r为电阻丝的半径，所以上式为整理课件

电阻的相对变化当电阻丝沿轴向伸长时，必须沿径向缩小，两者之间的关系为

dl/l——电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变，dr/r——电阻丝径向相对变形，或称横向应变,dp/p——电阻丝电阻率相对变对置E——电阻丝材料弹性模量λ——压阻系数

v——电阻丝泊桑比

整理课件

其中〔1+2υ〕ε项是由电阻丝几何尺寸改变引起的。对于同一电阻材料，1+2υ是常数。λEε项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝来说，λE是很小的，可忽略。这样上式就可简化为灵敏度上式说明电阻相对变化率dR/R与应变ε成正比，且呈线性关系优点:稳定性好.缺点:灵敏度系数小整理课件

半导体应变片工作原理:是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。

结构组成:胶膜衬底半导体敏感栅〔P-si〕焊接端子P型硅单晶〔1+2υ〕ε项是由几何尺寸改变引起的，λEε项是由电阻率变化引起的。对半导体而言，后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻变化的主要局部整理课件

灵敏度=常数上式说明电阻相对变化率dR/R与应变ε成正比，且呈线性关系半导体电阻材料的灵敏度比金属的要高50～70倍。

优点：灵敏度大;缺点：稳定性不如金属应变片。

金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形变引起的电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起的电阻的变化。△R整理课件

电阻应变式传感器优点：结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，动态响应快;测量精度高,性能稳定可靠；使用简便。电阻应变片式传感器应用方式1〕直接用来测定结构的应变或应力2〕将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成正比的应变，在由应变片转换为电阻的变化。△R△U

电路电阻应变式传感器

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二、电容式传感器1.变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化。两极板间距离为δ有效覆盖面积为A极板间介质的相对介电系数ε真空介电常数△δ△A

△ε△C

如果在δ、A、ε三个参数中保持其中的两个不变，而只改变一个参数，那么电容器的电容量将随之发生变化。所以电容式传感器可以分成三种类型：极距变化型〔变δ〕、面积变化型〔变A〕和介质变化型〔变ε〕。+++

A

整理课件

1.极距变化型

当极距有微小变化dδ时，引起电容变化量dC为结构：动板，定板传感器灵敏度为≠常数

电容量C与极距δ呈非线性关系

整理课件

+++

A

+++极距变化S=常数灵敏度△δ＜＜δ0δ0±△δ可见，灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受极板间击穿电压的限制。此外，为了减小因灵敏度随极距变化导致的非线性误差，通常极距变化范围/00.1。因此，此类电容传感器仅适于较小位移的测量〔0.01m~数百微米〕。整理课件

优点：可进行动态非接触式测量，灵敏度高，动态响应快。缺点：非线性误差大，工作范围较小。实际应用为采用差动式，以提高灵敏度，和扩大测量范围整理课件

面积变化型保持电容器极板距离、介质不变，仅改变极板间的相对覆盖面积。面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++灵敏度优点：输出与输入成线性关系。

缺点：灵敏度较低。整理课件

介质变化型利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器灵敏度优点：输出与输入成线性关系。

缺点：灵敏度较低。整理课件

电容传感器主要优点

(2)电参量相对变化大。(3)动态特性好。(4)能量损耗小。(5)结构简单，适应性好。〔6〕可进行动态非接触式测量。(1)输人能量小而灵敏度高。

主要缺点:

〔1〕非线性〔2〕电缆分布电容影响大。整理课件

2．测量电路△x△c△u电容传感器电路△x(被测量)

△u〔电量〕〔1.〕电桥型电路〔2.〕直流极化电路〔3.〕谐振电路〔4.〕调频电路〔5.〕运算放大器电路整理课件

〔1.〕电桥型电路∞整理课件

有两个桥臂和电容式传感器，电容值随被测量而变化。极距变化δ0±△δ灵敏度输出∆U与输入∆δ成线性关系。整理课件

〔5.〕运算放大器电路输入阻抗采用固定电容C0反响阻抗采用电容传感器

灵敏度=常数输出电压与极距δ成线性关系鼓励电压为时整理课件

三、电感式传感器电感式传感器的工作原理是电磁感应。把被测量转换成相应电感量(自感量或互感量)变化。电感式传感器可分为自感型和互感型两大类1．自感型〔1〕可变磁阻式结构：线圈铁芯衔铁线圈自感量N——线圈匝数Rm－磁路磁阻整理课件

——空气磁导率A——铁芯截面积δ——气隙长度N——线圈匝数灵敏度L与δ显非线性关系≠常数

第一项为空气磁阻，第二，三项为铁心磁阻

。整理课件

灵敏度S=常数δ0±△δ△δ＜＜δ0为了减小非线性误差，通常使这种传感器在较小间隙范围内工作。设间隙变化范围为〔0，0+〕，一般实际应用中，取/00.1。整理课件

差动变气隙型：提高灵敏度，改善非线性

差动型:

当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按变化。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。整理课件

灵敏度=常数差动式传感器单线圈传感器灵敏度灵敏度提高一倍线性范围改善非线性整理课件

〔2〕电涡流式传感器(涡流式)涡电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。涡电流产生交变磁场Φ1根据楞次定律，涡电流〔电涡流〕的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，Φ1总电抵抗Φ的变化。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度主要与气隙长度δ有关。整理课件

分析说明：由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化。Z的变化与δ金属板的电阻率ρ、磁导率μ以及线圈激磁圆频率ω等有关。改变其中某一因素，即可到达不同的变换目的。变化δ，可作为位移，振动测量。变化ρ或μ，可作为材质鉴别或探伤等。优点：用于动态非接触测量，结构简单，使用方便，不受油液等介质影响，分辨率高。整理课件

2．互感型——差动变压器式电感传感器工作原理：是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移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。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的变换率成正比，即式中M——比例系数，称为互感整理课件

当铁芯在中间时M1=M2，那么eo=0,铁芯向上e1>e2铁芯向下e1<e2，M1≠M2eo≠0整理课件

铁芯P移动：M1=M±M，M2=MM〔M为初始平衡互感〕。灵敏度整理课件

第四节磁电、压电与热电式传感器

一磁电式传感器〔电动式传感器〕它把被测物理量的变化转变为感应电动势。

工作原理：根据电磁感应定理，一个匝数为N的线圈，当穿过该线圈的磁通Φ发生变化时，其感应电动势的大小为：

电动势与磁通变化量有关。导致磁通变化的原因有多种，当线圈的匝数及磁感应强度不变时，磁通的变化率与磁路的磁阻及线圈在磁场中的运动速度有关。根据利用被测量改变线圈速度或磁阻的方式，可将电动式传感器分成动圈式和变磁阻式。

被测量电量整理课件

1、动圈式线速度型角速度型a.线圈在磁场中作直线运动b.线圈在磁场中作旋转运动

其中，N－线圈匝数，B－磁感应强度，l－单匝线圈有效长度，v－线圈与磁场的相对速度。

其中，k－与结构有关的系数，A－线圈的截面积，ω－角速度。

整理课件

线速度型角速度型灵敏度灵敏度=常数=常数放大器~输出检波eZ0RCCCRLuL传感器电缆动圈磁电式传感器等效电路其中，Z0为线圈阻抗，Rc为电缆电阻，

Cc为电缆电容，RL为负载电阻。

整理课件

~eZ0RCCCRLuL传感器电缆下面对等效电路进行分析：假设RL>>Z0，那么有:与频率ω等有关，低频较好，高频较差。整理课件

2、磁阻式物体运动磁路磁阻改变磁通变化产生感应电动势整理课件

二、压电式传感器利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。1、压电效应压电效应:某些材料，在某一方向受力时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，外表会产生电荷；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。其外表产生的电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即q=DFD：压电系数；F：施加力的大小2、压电材料常用的压电材料大致分为三类：压电单晶(石英晶体人工晶体等)、压电陶瓷〔钛酸钡〕和有机压电薄膜〔高分子聚合物薄膜〕。整理课件

3、压电传感器及其等效电路(b)也可等效为一个电压源U和一个电容器C0串联的等效电路压电传感器相当于一个电荷发生器

(a)压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器C0的等效电路RaCaua等效电压源等效电荷源整理课件

压电元件并联连接和串联连接

并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。整理课件

4、测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。前置放大器有电压放大器和电荷放大器。

电压放大器电路CaRa电压放大电路uaCcRiCi-Auiuo设作用于压电晶片上的力F=F0sint。那么：q=dc

F=dc

F0sin

t，整理课件

输入端电压幅值：其中，R=Ra//Ri，C=Ca+Cc

+Ci。

当作用力频率

与电路时间常数RC足够大时，电压灵敏度：整理课件

电压灵敏度与电缆电容Cc有关，当改变电缆长度或布线方法时，电压灵敏度都会改变，从而导致测量误差。对动态测量，

较大，易满足(

RC)2>>1，此时电压灵敏度近似与

无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。整理课件

电荷放大器电路电荷灵敏度

=常数CaRaqCcRiCi-AuiuyCf整理课件

在此式中，电荷灵敏度与电缆电容Cc值无关，改变电缆长度或布线方法时，电缆电容并无影响。与电压放大器比较，这是一个突出的优点，但是，电荷放大电路复杂，价格较高。电压灵敏度：电荷灵敏度

整理课件

三、热电式传感器将被测量〔温度〕转换为电量的传感器热电势效应原理可分为热电偶和热电阻

1.热电偶工作原理：热电偶是基于热电势效应原理的测温用传感器，把两种不同的导体或半导体连接如图，假设1、2点温度不同，回路中有电流产生，称之为热电势。对于某个确定的热电偶，当某一端温度T0恒定时，热电势仅与测量端温度T有关，故可测温度T。热电势由两局部组成：①接触电势；②温差电势。整理课件

①接触电势：A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生接触电势：

②温差电势：当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。

显然，当AB材料已定时，接触电势与温度T〔绝对温度〕有关。所以，当两种材料AB组成一个闭合回路时，设Ｔ＞Ｔ0时，回路中总电势为

由于接触电势大于温差电势，假设忽略温差电势的影响。热电偶的材料有许多种，一般金属有镍铬—镍铝硅、铜、康铜，贵重金属有铂铑—铂、铂铑3，铂铑6以及钨、钼等。热电偶的种类也比较多，构成根本相同：由热电极材料、绝缘材料、保护材料和引线装置等组成。热电偶是一种发电型传感器，其输出信号可直接接入记录仪器。利用热电偶还可测量两点温差及温度场中多点的平均温度，有关方面知识还可参考其它专著。温度T0恒定整理课件

2、热电阻

金属热电阻〔热电阻〕与半导体热电阻〔热敏电阻〕两类它具有负的电阻温度系数,随温度的上升而阻值下降。〔1〕铂电阻〔2〕铜电阻金属热电阻原理：热能热电阻电阻值温度热电阻阻值半导体热电阻RT整理课件

第五节光电传感器

首先把被测量的变化转换成光信号的变化，光电传感器是将光量转换为电量。光电器件的物理根底是光电效应。一、光电测量原理1.外光电效应在光线作用下，物质内的电子逸出物体外表向外发射的现象，称为外光电效应。如光电管、光电倍增管。2.内光电效应受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。如光敏电阻等。

3.光生伏特效应

在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象；如光电池、光敏晶体管等。整理课件

光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把局部光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物外表状态和性质。例如测量零件的外表粗糙度、外表缺陷、外表位移等。整理课件

被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一局部,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通〞、“断〞的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。整理课件

第六节光纤传感器光纤传感器以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维传输光信号。

光纤传感器通过将被测量变换为光波的强度、频率、相位或偏振态四个参数之一的变化进行测量。通常将光波随被测量的变化而变化称为对光波进行调制。相应地，光纤传感器可分为：强度调制型、频率调制型、相位调制型及偏振态调制型。

光的电矢量的振动偏振态〔矢量A的方向)整理课件

光纤传感器可分为：功能型、传光型。功能型：是利用光纤将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型。传光型：光纤仅作为光的传播媒质，由光检测元件调制的光信号。

光纤由内芯〔折射率n1、直径几十m〕、包层〔折射率n2<n1、外径<200m〕及护套〔n3>>n2〕组成。光导纤维结构整理课件

定义NA=为光纤的数值孔径NA是标志光纤接受能力的重要参数。作为传感器的光纤0.2

NA<0.4。光纤传感器的特点光波传输，抗扰能力强无火花、无短路故障，可用于易燃、易爆环境化学性能稳定，耐高压、耐腐蚀重量轻、体积小、可挠性好，利于在狭窄空间使用频带宽、动态特性好，可实现非接触测量易于实现远距离测量技术复杂、本钱高整理课件

第七节半导体传感器利用半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等物理量的敏感性制成的物性型敏感器件。

半导体的特点是他们是一些物性型传感器，通常可以作成结构简单、体积小、重量轻的器件，他们的功耗低、平安可靠、寿命长；他们对被测量敏感，响应速度快；易于实现集成化。整理课件

一、磁敏式传感器1霍尔元件工作原理：霍尔效应

置于均匀磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁场的方向产生横向电场的现象称为霍尔效应，相应电场称为霍尔电场。霍尔元件是一种半导体磁电转换元件，将霍尔元件置于磁场B中，如果在a，b端通以电流i，在c，d端就会出现电位差，称为霍尔电势整理课件

其中，k：霍尔常数，取决于材质、温度、元件尺寸〔厚度〕B：磁感应强度：电流与磁场方向的夹角。显然，改变i或B，即可改变VH。霍尔电势

热敏式传感器气敏式传感器湿敏式传感器第8节红外测试系统第9节激光测试传感器整理课件

第十节传感器的选用原那么灵敏度响应特性线性范围可靠性精确度测量方式其它〔体积、价格、易维护性等〕整理课件

1、灵敏度S

理论上讲，我们希望传感器的灵敏度越高越好。灵敏度越高，意味着被测量发生很小变化，传感器就可以有较大的输出。但是，①灵敏度高，与测量信号无关的外界干扰也跟着混入，因此要求输入信号信噪比(SNR)高一些，而且传感器本身必须干扰噪声小，相应的设备复杂，造价高；②和灵敏度紧密相关的就是测量范围，前面已讲过，理想的测试装置应是线性的，实际测试时，输入量中含有被测量，也有干扰噪声，二者之和不可以进入非线性区域。盲目地追求高的灵敏度，导致可测量范围小，因此应折衷考虑。整理课件

2、响应特性〔频率特性〕在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测试的条件，即：一般取动态测试误差为g=5%g很大就失去了测试的意义。实际传感器的响应总有一定的延迟时间，延迟时间越小越好。3、线性范围任何传感器，其线性范围都是一定的。线性范围越宽，说明传感器的工作量程愈大，只有在线性区域内，才能保证测量的精确。整理课件

4、可靠性对于传感器来说，可靠性就是其生命。传感器必须在规定的条件下，在规定的时间内，在允许的误差范围内完成其规定的功能。因此，为了保证传感器在使用过程中可靠地完成任务，一方面，设计制造要良好，另一方面使用时必须当必，为其创造在规定范围内工作的条件，用后保养也要小心。例：①体重计：静态量测量，防冲击；②应变片式传感器：温度的变化会产生零漂湿度的变化会影响绝缘性能长期使用会产生蠕变③磁电式传感器在电场磁场中工作会产生误差，甚至于不能正常工作。整理课件

5、精确度表示输出量与被测量的一致程度。整个测试系统，传感器处于输出端最为前端，因此，其精确度影响整个测试系统。传感器的精确度并非越高越好，越高那么价格越高，因此在选用时还要看你的测试目的是什么。6、测量方式

传感器在实际条件下的工作方式，接触与非接触测量、在线与非在线测量等，也是选用传感器时应考虑的重要因素。7、其它结构简单、体积小、重量轻、价格廉价、易于维修、易于更换。整理课件

有一电阻应变片〔题图〕，其灵敏度S=2，Ω=120R，设工作时其应变为1000με，问RΔ=？设将此应变片接成如图所示的电路，试求1〕无应变时电流表示值；2〕有应变时电流表示值；3〕电流表指示值相对变化量；4〕试分析这个变量能否从表中读出？解：因为电阻应变片灵敏度系数

所以，电阻变化量无应变时电流表示值

第三章习题整理课件

有应变时电流表示值

电流表指示值的相对变化量

不能，这个变化量是太小。整理课件

3-6一个电容测微仪其传感器的圆形极板的半径r=4mm，工作初始间隙δ=0.3mm，问：1〕工作时，如果传感器与工件的间隙变化量∆δ=±0.1μn时，电容变化量是多少？2〕如果测量电路的灵敏度S1=100V/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，当∆δ=±0.1μn时，读数仪表的指示值变化多少格？解：〔1〕介电常数

在空气中

整理课件

〔2〕设读数仪表指示值变化格数为∆y，那么仪表指示的变化范围整理课件第四章信号调理与记录信号调理的作用

对传感器输出的原始信号或系统中某一环节的输出信号进行再加工，以满足下一环节输入要求的需要。

信号调理的原因1.传感器输出的电信号非常微弱，需要放大和变换。2.传感器输出的电参量需要转变为电能量。3.降噪，提高信噪比。

4.别离有用分量。5.模数转换。整理课件

信号调理的种类1.参量变换型：常用于参量型传感器，将电参量变换成电压和电流量。被测量参量型传感器ΔR,ΔL,ΔCΔV,ΔI电桥、谐振电路2.阻抗变换、幅度调节

被测量发电型传感器放大、衰减、阻抗匹配、变换ΔU,ΔIV,I3.调制、解调被测量解调传感器调制波调制放大、传送输出整理课件

第一节电桥电桥是将电阻、电容、电感等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路.电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和交流电桥。一、直流电桥输出电压与各臂电阻间的关系：时称为电桥平衡输出电压U0=0整理课件

在测试过程中，根据电桥工作中的电阻值变化的桥臂情况可以分为单臂、半桥双臂和全桥式联接方式。单臂电桥工作中只有一个桥臂阻值随被测量的变化而变化，图中R1的阻值增加了∆R。

电桥的灵敏度

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双臂电桥有两个桥臂阻值随被测量而变化。差动变化电桥的灵敏度

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全臂电桥四个桥臂阻值随被测量而变化。差动变化电桥的灵敏度

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单臂电桥双臂电桥全臂电桥在ΔR＜＜R0的条件下

电桥的灵敏度

电桥的输出与ΔR/R0成线性关系

电桥的输出与ΔR/R0成线性关系整理课件

二、交流电桥供桥电源为交流，仍为根本电桥电路的形式，但是在各个臂内可能串、并联有电感、电容、电阻或其组合。因此除了电阻之外还有我们所说的电抗。电桥的平衡条件：交流电桥的平衡条件：阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。纯电阻时电流与电压同相位，φ=0；电感性阻抗，φ>0；电容性阻抗，φ<0。

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差动电容耦合电感比臂电桥

电容式传感器标准电感Lc输出电压U0=0有两个桥臂电容值随被测量而变化。根据电路原理：电桥的灵敏度

=常数令：整理课件

=常数kn要合理选择C和L

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第二节调制与解调调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号〔控制信号〕称为调制信号。最后的输出是已调制波。解调:最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。根据载波受调制的参数不同，调制可分为调幅〔AM〕,调频〔FM〕,调相〔PM〕.整理课件

第三节滤波器

滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号通过，同时极大地衰减其它频率成分。滤波器的这种筛选功能在测试技术中可以起到消除噪声及干扰信号等作用，在自动检测、自动控制、信号处理等领域得到广泛的应用。

滤波器的种类根据滤波器的选频特性低通滤波器(LP)：通频带0~fc高通滤波器(HP)：通频带fC~带通滤波器(BP)：通频带fC1~fC2带阻滤波器(BS)：通频带0~fC1与fC2~〔阻带:fC1~fC2〕整理课件

1)低通滤波器

从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。2)高通滤波器

与低通滤波相反，从频率f1～