测试与传感技术（第2版）

1测试与传感技术2第一章绪论要求：理解测试的基本含义；理解测试系统的组成；了解测试技术在工程中的应用；了解测试技术的发展；3一、测试基本含义信息技术三大支柱测试控制技术计算机技术通信技术测试技术与自动控制水平的高低，是衡量一个国家科技现代化程度的重要标志之一。4测试技术是：国民经济的“倍增器”

科学研究的“先行官”

现代战争的“战斗力”

法庭审判的“物化法官”

5测量就是将一个被测量与一个预定标准之间的定量的比较，从而获得被测对象的数值结果。测试试验对被研究的对象或系统进行实验性研究的过程。具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合6直接比较

无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测量值的测量测量间接比较利用仪器仪表把待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的变化。7被测物体的重量等于标准砝码的重量直接比较例：

⊙天平测物体质量

8被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。间接比较

例：

⊙弹簧测物体的重量9测量就是将一个被测量与一个预定标准之间的定量的比较，从而获得被测对象的数值结果。测试试验对被研究的对象或系统进行实验性研究的过程。10例：汽车乘坐舒适性的台架试验

11测量是被动的、静态的、较孤立的记录性操作本质：将未知量与一个假定已知量进行比较的过程

测试是主动的、涉及过程动态的、较系统的记录与分析的操作。“没有测量，就没有科学”测试是人们认识客观世界的主要手段.12非电量电测法的测试系统框图

被测对象观察者激励装置标定装置测量装置传感器物理量信号调理电量信号处理电量显示记录电量/数字量反馈控制2、测试系统的组成131、激励装置

向被测对象输入能量，激发出能充分表征有关信息又便于检测的信号的装置。信息信号载体内容一切事物运动与状态的特征传递某个实际系统状态或行为信息的一种物理现象或过程。如：电压、电流、温度等142、标定装置

用以找到测量装置的输入与输出之间的确切关系。3、测量装置

是各种测量仪器和辅助装置的总称。15传感器

能感受规定的被测量并按一定规律转换成同一种或另一种输出信号的器件或装置。敏感元件：能直接感受或者响应被测量的部分；转换元件：将敏感元件的输出转换为适于传输和处理的信号；信号的中间变换

将传感器输出信号转换成便于传输和处理的规范信号，如调制、放大、解调、滤波等。16信号处理

将中间变换的输出信号作进一步处理、分析，提取被测对象的有用信息。

显示记录或运用

将处理结果显示或记录下来，供测试者作进一步分析。若该测试系统就是某一控制系统中的一个环节，处理结果将直接被运用。

17三、测试技术在工程中的应用

在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。

181、产品质量测量

在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。从技术角度而言，测试(工业生产中常称为检测)是质量控制与生产监督的基本手段。

图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量18191、机电工程中的应用

a)机械手、机器人中的传感器

转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。

在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗202、流程工业设备运行状态监控

在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。

石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。213、智能机器人：判断能力视觉传感器、触觉传感器22/4、其他应用航天农业交通医学23四、测试技术的发展1.传感器技术的迅速发展

材料科学、微电子学、微细加工技术与集成化工艺的发展，使得传感器向新型、微型、集成化、智能化和多功能化方向发展。24a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻传感器生物酶血样分析传感器热/光电量25b)传感器+嵌入式计算机

智能传感器振动网络传感器嵌入式计算机智能压力网络传感器智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器262.测试仪器微机化、智能化、网络化数字信号处理方法、计算机技术和信息处理技术的迅速发展，是测试仪器向数字式方向发展，并出现了所谓的“软件就是仪器”的虚拟仪器。用PC机＋仪器板卡代替传统仪器用计算机软件代替硬件分析电路27第二章测试系统的基本特性

概述1静态特性2动态特性及测试3不失真条件4测试系统选择和调试528一、概述完成某种物理量的测量而由具有某一种或多种变换特性的物理装置构成的总体。1.测试系统定义29测试系统的传递特性:由测试装置自身的物理结构所决定的测试系统对信号传递变换的影响特性。

302.理想测试系统——线性时不变系统

x(t)y(t)线性线性y(t)x(t)非线性y(t)x(t)

理想的测试装置的传输特性为单值的、确定的输入—输出关系，并以线性关系为最佳。31

测试系统输入x(t)和输出y(t)间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：

(a)线性系统

一般在工程中使用的测试系统（测试装置）都是线性系统。32(b)线性系统的性质叠加特性示例(1).叠加特性33(2).比例特性

常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即:

若x(t)→y(t)则kx(t)→ky(t)比例特性示例34系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即若x(t)→y(t)则x'(t)→y'(t)

当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即若x(t)→y(t)则∫x(t)dt→∫y(t)dt(3).微分特性(4).积分特性35若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即若x(t)=Acos(ωt+φx)

则y(t)=Bcos(ωt+φy)

线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。

(5).频率保持特性36(c)系统线性近似

测试系统的局部线性实际测试系统中，系数都是随时间而缓慢变化的微变

以足够的精度认为多数常见的物理系统中的系数是时不变一定的工作范围内和一定的误差允许范围，近似线性37测试装置的基本特性激励响应测试装置方块图：静态特性当被测信号为常值时，其输出与输入之间的关系测试系统传输特性动态特性当被测信号为动态信号时，其输出与输入之间的关系38

如果测量时，测试系统的输入、输出信号不随时间而变化（变化极慢，在所观察的时间间隔内可忽略其变化而视作常量）

，则称为静态测量。静态测量时，测试系统表现出的响应特性称为静态响应特性。二、静态响应特性

稳态信号

动态信号

39理想测试系统其输入、输出之间呈单调、线性比例的关系。即输入、输出关系是一条理想的直线，斜率为S=b0/a0

在静态测试中，输入和输出不随时间而变化，而输入和输出的各阶导数均等于零。理想线形稳态输入1.理想的静态特性实际线性402、实际测试系统静态特性静态特性BECDA灵敏度线性度回程误差漂移重复性41

定义：输出信号y变化量△y与输入信号x变化量△x之比，即表征的是测试系统对输入信号变化的一种反应能力如果是线性理想系统，则

静态测试灵敏度(1).灵敏度S=△y/△x

42(2).线性度或非线性定义：测试系统实际输入输出特性曲线与理想的输入输出特性曲线接近或偏离程度。43拟合曲线：标定曲线：测量范围AB标定曲线：实验方法拟合的方法：平均法、最小二乘法44(3).回程误差(迟滞)

回程误差

测试系统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:

许多测试装置，输入量增加时（正行程）的标定曲线与输入量减少时（反行程）所得的标定曲线往往不重合.

454）重复性重复性表示输入量按同一方向变化时，在全量程范围内重复进行测量时所得到各特性曲线的重复程度一般采用输出最大不重复误差Δ与满量程输出值A的百分比来表示重复性，即

重复性可反映测试系统的随机误差的大小。

xΔRmax1ΔRmax2465）漂移漂移：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。点漂：在规定的条件下，当输入不变时在规定时间内输出的变化。零漂：在测试系统测试范围最低值处的点漂，称为零点漂移。温漂：即由于周围的温度变化而引起输出的变化。产生漂移的原因：仪器自身结构参数的变化，周围环境的变化（如温度、湿度等）对输出的影响47

在对动态物理量进行测试时，测试系统的输出变化是否能真实地反映输入变化，则取决于测试系统的动态响应特性。三、测试系统的动态响应特性

动态特性:输入量随时间作快速变化时，测试系统的输出随输入而变化的关系。

传递函数反映系统稳态和瞬态输出与输入的关系频率特性反映系统稳态输出与输入之间的关系权函数时域中用瞬态响应描述系统的动态特性动态测性48条件：①线性系统的初始状态零②x(t)↔X(S),y(t)↔Y(S)进行拉普拉斯变换：

得：

系统的传递函数H(S)

：其中，S为复变量，S=α+jω；

n代表微分方程的阶数；如n=1,n=2就分别称为一阶或二阶系统。1.传递函数(Transferfunction)49传递函数：描述系统动态特性它包含了瞬态和稳态时间响应的全部信息x(t)y(t)输入量输出量50H(S)只反映系统对输入的响应特性，与测量信号无关，与具体的物理结构无关。传递函数的特点H(S)是实际物理系统抽象为数学模型后的拉普拉斯变换，因此，物理性质不同的系统或元件，可以具有相同类型的传递函数H(S)。H(S)以测试系统本身的参数表示出输入与输出之间的关系，所以它将包含着联系输入量与输出量所必须的单位。H(S)中的分母完全由系统的结构所决定，分母中最高次幂n代表系统微分方程的阶数。而分子则与激励点位置、激励方式、所测量的变量以及测量点布置情况有关。51求从输入电压u1到输出电压u2的传递函数。

解：按回路电压平衡，有

传递函数为

2.频率响应函数(Frequencyresponsefunction)例:R-C串联回路52幅频特性：反映系统在不同频率正弦信号作用下，输出稳态幅值与输入信号幅值的比值，即系统的放大（或衰减）特性。相频特性：反映系统在不同频率正弦信号的作用下，稳态输出信号的相角与输入信号相角之差。频率特性频率特性又称频率响应，它是系统（或元件）对不同频率正弦输入信号的响应特性。(稳态)

令53A(

)-

曲线称为幅频特性曲线；

(

)-

曲线称为相频特性曲线。一阶系统的幅频特性曲线

一阶系统的相频特性曲线

图像描述54实际难以获得

可以通过实验的方法对简谐信号的特性3.系统描述方法的比较L－1h(t)55

任何一个测试系统，都需要通过实验的方法来确定系统输入、输出关系，这个过程称为标定。即使经过标定的测试系统，也应当定期校准，这实际上就是要测定系统的特性参数。4、测试系统动态特性的测定

目的：在作动态参数检测时，要确定系统的不失真工作频段是否符合要求。方法：用标准信号输入，测出其输出信号，从而求得需要的特性。标准信号:正弦信号、脉冲信号和阶跃信号。561.稳态响应法理论依据：方法：对系统施以频率各不相同、但幅值不变的已知正弦激励，对于每一种频率的正弦激励，在系统的输出达到稳态后测量出输出与输入的幅值比和相位差，这样，在激励频率由低到高依次改变时，便可获得系统的幅频和相频特性曲线。57

从接近零频率的足够低的频率开始，以增量方式逐点增加ω到较高频率，直到输出量减小到初始输出幅值的一半为止，即可得到A(ω)-ω；φ(ω)-ω特性曲线。一阶系统的幅频曲线●●●●●●●58对于一阶测试系统，主要特性参数是时间常数

，可以通过幅频、相频特性数据直接计算

值。一阶系统的幅频、相频特性一阶系统的幅频特性曲线

59对于二阶系统，通常通过幅频特性曲线估计其固有频率

n和阻尼比

。1）在φ(ω)–ω相频特性曲线上，当ω=ωn时，φ(ωn)=-90º，由此可求出固有频率ωn。

2）φ’(ω)=-1/ξ，所以，作出曲线φ(ω)–ω在ω=ωn处的切线，即可求出阻尼比ξ。

60较为精确的求解方法1）求出A(ω)的最大值及其对应的频率ωr；求出阻尼比ξ

；

2）由式3）根据，求出固有频率ωn。

由于这种方法中A(ω1)和ω1的测量可以达到一定的精度，所以由此求解出的固有频率ωn和阻尼比ξ具有较高的精度。欠阻尼系统（

<1)612.阶跃响应法一阶系统：时间常数τ是唯一表征系统动态特性的参数。一阶系统的单位阶跃响应

当输入响应达到稳态值的63.2%时，所需要的时间就是一阶系统的时间常数。

很难做到精确的测试；

求取时间常数τ未涉及响应全过程，是个别瞬时值，这样测量结果的可靠性差。

缺点：

方法1：62阶跃响应0.63一阶系统主要的动态特性参数是时间常数。63输出阶跃响应函数为yu(t)=1-e-t/τ

输入一阶跃函数µ(t)

或写成1-yu(t)=e-t/τ

取对数

-t/τ=ln[1-yu(t)]

ln[1-yu(t)]~t成线性关系

说明

根据yu(t)值作ln[1-yu(t)]~t曲线

斜率=1/τ=ΔZ/Δt

τ=Δt

/ΔZ方法2：64二阶系统：阶跃响应函数65输入一阶跃函数µ(t)

以ωd作衰减振荡的

通过求极值的方法，

极值对应的时间：

可得到最大超调量：

代入式

阻尼比66

对一个典型二阶系统输入一脉冲信号，从响应的记录曲线上测得其振荡周期为4ms，第三个和第十一个振荡的单峰幅值分别为12mm和4mm。试求该系统的固有频率ωn和阻尼率ξ。例

4.3:67

设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系

y(t)=A0x(t-t0)四、系统不失真测量的条件

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。系统失真68y(t)=A0x(t-t0)H(ω)=A(ω)ejφ(ω)则其幅频和相频特性应分别满足：

A(ω)=A0=constφ(ω)=-t0ω即为实现不失真测试的条件。

x(t)→x(ω)

y(t)→

y(ω)69A(ω)=A0=constφ(ω)=-t0ω不失真测试的幅频和相频曲线

物理意义:1)系统对输入信号中所含各频率成分的幅值进行常数倍数放缩，也就是说，幅频特性曲线是一与横轴平行的直线。2)输入信号中各频率成分的相角在通过该系统时作与频率成正比的滞后移动，也就是说，相频特性曲线是一通过原点并且有负斜率的直线。1)如果A(ω)不等于常数，引起的失真称为幅值失真；2)φ(ω)与ω不成线性关系引起的失真称为相位失真。3)当φ(ω)=0时，输出和输入没有滞后，此时，测试作图才是最理想的。70动态测试不失真的条件一阶系统的幅相频特性71在某一频率范围内，误差不超过一定限度

认为不失真。当ωτ«1约ωτ=1/52）误差不超过2%

Y(ω)≈X(ω)1）

当ωτ=1一阶系统的转折频率。

3）幅值误差不超过5%，A(ω)∈[0.95,1.05]72ωτ«1τ越小，对测试越有利。1）

ω一定，即被测信号最高频率一定，τ越小，系统输出的幅值误差越小。A(ω)≈1τ为一阶系统的时间常数2）

ωτ一定，即幅值误差一定，τ越小，系统能够测量的频率就越高。731)

、ω/ωn>2.5，A(ω)近似水平直线，φ(ω)=-180º。2)、当ω«ωn，即ω/ωn

«1时，A(ω)≈

1；φ(ω)近似线性。3)、当ω«ωn时，

ωn越大，系统工作频率范围越大。4)、当ω=ωn时，A(ω)=1/(2ξ)，φ(ω)=-90º，

幅值剧增，共振。动态测试不失真的条件二阶系统的幅相频特性741)、ξ≈0.7,A(ω)水平近似线性较长，φ(ω)近似线性较长。2)、ξ≈0.6~0.8,A(ω)、φ(ω)都较好，有较好的综合特性。动态测试不失真的条件751)、二阶系统主要动态性能指标：ωn、ξ2)、希望测试装置由于频率特性不理想所引起的误差尽可能小，

一般选取ω/ωn<(0~0.58)，

ξ=0.6~0.8。

76例

4.2:某一测试装置的幅频、相频特性如图所示，问哪个信号输入，测试输出不失真？77五、测试系统选择与调试1.技术性能指标精度：测量系统的示值和被测量的真值相符合的程度。

精密度（precision）：示值重复性（随机误差）准确度（accuracy）：系统误差

绝对误差

=测量结果(示值)－被测真值

相对误差

=绝对误差/被测真值x100%

引用误差

=绝对误差/满量程值x100％仪器的精度等级一般用最大引用误差来标称。是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标。78分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。

静态测量：幅值动态测量：幅值和频率可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。信噪比(SNR)

信号与噪声的功率比或者电压比。792.测试系统的经济指标

3.测试系统的使用环境条件

不应盲目地采用超过测试目的所要求的精度的仪器。温度、振动和介质必须针对不同的工作环境选用合适的仪器，同时也必须充分考虑采取必要的措施对其加以保护。80

由于测试装置的冲击或振动、环境温度变化、电网波动、环境电磁场等影响，测试中不可避免的对测试产生干扰或噪声，干扰会在不同程度上影响测试结果的可靠性。因此，消除和抑制测试中的干扰在实际测试中是很重要的。可以通过屏蔽、正确接地等措施减小或消除干扰。81

测量过程中，除待测量信号外，各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。

测量系统的抗干扰

测量系统信道干扰电磁干扰电源干扰821)电磁干扰:干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。2)信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。2)电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的干扰。

一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。信道干扰是测量装置内部的干扰，可以在设计时选用低噪声的元器件，印刷电路板设计时元件合理排放等方式来增强信道的抗干扰性。

83第三章传感器84传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官”，如果没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。1、现代测量与自动控制的首要环节2、衡量国家综合实力的重要标志85传感器要求：一、了解传感器的含义和分类；二、掌握常用传感器的工作原理和检测方法。传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节

86第一节传感器的分类一、传感器的作用外界信息感官人脑肢体人体系统传感器计算机执行器机器系统“机电五官”传感器是获取信息的重要手段!87二、传感器定义(Sensor、Transducer)定义的具体含义.传感器是测量装置,能完成检测任务它的输入量是某一被测量,可能是物理量(如长、热、力、电、时间、频率等),也可能是化学量、生物量等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,可以是气、光、电量,但主要是电量输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度能感受规定的被测量并按一定规律转换成同一种或另一种输出信号的器件或装置88三、传感器组成框图电量敏感元件转换元件信号调节转换电路被测量辅助电源直接感受被测量，并输出与之成确定关系的其它量（一般为非电量）的元件。是传感器的核心。一般不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。荧光生物传感器气敏、味敏传感器压电式传感器物性型电容、电感传感器结构型按信号变换效应模拟式光电传感器、光码盘模拟式、数字式传感器按输出信号特征离心转速表、闪光转速表机械式、应变式、电学式、磁学式、光电式传感器等按工作原理位移传感器、测力仪、点温计位移、速度、加速度、力、温度传感器按被测物理量示例类型分类方法物理型化学型生物型四、传感器分类体现传感器的功能便于学习和研究利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料特殊性能制成的传感器依赖其结构参数变化实现信息转换如电容式传感器：利用电容极板间隙或面积的变化

C传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换如水银温度计测温，利用水银的热胀冷缩等四、传感器分类荧光生物传感器气敏、味敏传感器电阻式、压电式传感器物性型电容、电感传感器结构型按信号变换效应模拟式光电传感器、光码盘模拟式、数字式传感器按输出信号特征离心转速表、闪光转速表机械式、应变式、电学式、磁学式、光电式传感器等按工作原理位移传感器、测力仪、点温计位移、速度、加速度、力、温度传感器按被测物理量示例类型分类方法物理型化学型生物型利用电化学反应原理，把无机或有机物的成分、浓度等转换成电量利用生物活性物质选择性识来识别和测定生物化学物质压电式、热电偶传感器电容式传感器电阻式、电感式传感器按被测量与输出量的能量转换情况示例类型分类方法能量控制型能量转换型四、传感器分类直接将被测对象的输入转换成电能

直接将被测量转换成电参量，依靠外部辅助电源才能工作，并且由被测量控制外部供给能量的变化第二节电阻式传感器电阻式传感器原理：根据电阻定律而设计的传感器。学习要求：1、掌握电阻式传感器的工作原理2、了解电阻式传感器的结构、分类3、掌握变阻式传感器（电位器式）、电阻应变式传感器在结构和工作原理的相同点和不同点4、了解电阻式传感器的应用一、电阻式传感器分类：电位器式：应变式：物理量变化电阻变化传感元件属于大电阻变化型，R：0—R传物理量变化变形（应力、应变）敏感元件属于微电阻变化型，R：0—20%R传传感元件电阻变化94

二、电位器式传感器

电位器式传感器也称变阻器式传感器，它是在一个电阻元件上装上一个电刷(活动触头)构成的，可以将直线位移、角位移转换为与其成为一定函数关系的电阻或电压输出利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器

95

变阻器式传感器的优点是结构简单，价格低廉，性能稳定，输出信号大，其缺点是分辨率较低，一般精度不高，动态响应较差，适合于测量变化较慢的量。

96三、电阻应变式传感器三、电阻应变式传感器1、工作原理将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。

由欧姆定律知导体电阻：电阻的变化：其相对变化：令A=πr2，有：由材料力学可知：则有：说明：(1+2ν)ε：表示由于材料的几何尺寸的变化而引起的电阻相对变化量；λEε：表示由于材料的电阻率的变化而引起的电阻相对变化量；99半导体应变片2、分类根据应变片的材料不同，可分为两种金属电阻应变片

工作原理：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。

工作原理：半导体材料有明显的压阻效应，即单晶半导体材料在沿某一轴向方向受外力作用下，半导体材料的电阻率随作用应力而变化。

（1）金属电阻应变片

金属电阻应变片的电阻变化主要是由几何尺寸的变化引起的，故有：金属电阻应变片分为丝式、箔式、薄膜式三种1)丝式电阻应变片特点：制作方便，应变横向效应大

实际使用的电阻应变片都是将金属导体(丝或箔片)在绝缘基底上制成栅状，称为敏感栅。敏感栅的两端焊接有引线，敏感栅的上面有保护的覆盖层。2)箔式应变片普通型应变片测扭矩应变片测流体压力应变片优点：1.能适应不同的测量要求。2.粘和面积大，粘结性能好3.散热性能好4.疲劳寿命高，有取代丝式应变片的趋势金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造1033）金属薄膜式应变片

金属薄膜式应变片是采用真空镀膜(如蒸发或沉积等)方式将金属材料在基底材料(如表面有绝缘层的金属、有机绝缘材料或玻璃、石英、云母等无机材料)上制成一层很薄的敏感电阻膜(膜厚在0.l以下)而构成的一种应变片。（2）半导体应变片

半导体电阻应变片其尺寸上的变化很小，故有：

常用硅、锗等材料的体电阻制成粘贴式应变片，其使用方法与金属应变片相同特点：灵敏度高；稳定性差，灵敏度分散度大，非线性误差大4、应用实例（1）直接测定结构的应力或应变立柱应力

桥梁应力

106称重计质量传感器

超市打印秤人体秤

（2）应变式拉(压)力传感器：测力原理：被测外力通过螺纹作用在弹性圆筒上，圆筒变形，应变片电阻变化，接线座将信号引出。其电阻的变化与被测外力成正比。3、热电阻式传感器热电阻式------利用热-电阻效应：将热转换为材料的电阻变化。

按热敏材料不同：金属导体热电阻半导体热敏电阻1081091.金属热电阻

常用的金属热电阻材料有铂、铜、镍、铟、锰、碳等。

因为铂的物理和化学性能稳定，抗氧化能力强，电阻率高，且材料易于提纯，复制性、工艺性好，作为测温电阻十分理想。在国际实用温标中，从温度范围内，以铂电阻温度计作为标准仪器。热电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路。110

半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体。在某一温度范围内，根据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。

2、热敏电阻111片式负温度系数热敏电阻BN系列珠状NTC热敏电阻器GN系列玻壳型NTC热敏电阻器PN系列功率型NTC热敏电阻器SN系列温度传感器112热敏电阻用于电热水器的温度控制热敏电阻体温表4、光敏电阻

特点：在无光照射时，电阻值很大；有光照射时，电阻急剧减小。优点：具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应从紫外区到红外区，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜。1145、气敏、湿敏传感器

气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器115

利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测量、酒精浓度探测等方面。116家庭用煤气报警器家庭用液化气报警器一氧化碳传感器NH3传感器甲烷传感器117

湿度传感器是利用湿敏元件进行湿度测量和控制的。湿敏元件利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化的原理而制成的。分类：氯化锂湿敏元件、半导体陶瓷湿敏元件、热敏电阻湿敏元件、高分子膜湿敏元件等。第三节电容式传感器

电容式传感器是把被测物理量转换为电容变化的传感器，其实质是一个可变参数电容。学习要求：1.掌握电容式传感器工作原理

2.了解电容式传感器的分类、及它们各自的特点3.了解电容式传感器的测量电路一、工作原理说明：由上式可见，电容值与电容的板间距离、极板相互遮盖的面积和极板间介质的介电常数有关系，故相应的电容传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种。+++

A

极板介质的相对介电常数

0

真空介电常数A

极板面积

极板间距以平板电容器来说明1、变极距型

保持电容器两极板相互遮盖的面积A及极板间的介质ε不变，则电容器的值是极板间距离的单值函数。位移变化时所引起的电容量变化为：灵敏度：二.分类

1212、变面积型

保持电容器其它两项参数不变，仅改变两极板相互遮盖的面积。3、变介质型变介质型：保持电容器其它两项参数不变，仅改变两极板之间的介质。圆柱型电容C跟液面高度x呈线性关系应用实例旋转轴的偏心量的测量

第四节电感式传感器学习要求：1.掌握电感式传感器的工作原理2.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的特点3.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的应用

电感式传感器是一种以电磁感应原理为基础，把被测物理量转换为电感量变化，再通过测量电路转换为电压或电流的装置。被测物理量的变化传感器自感系数L互感系数M的变化电路电压电流位移振动压力流量比重127电感式传感器分类电感式传感器自感型可变磁阻式涡流式互感型（高频反射式）差动变压器式（低频透射式）涡流式一、自感型传感器1、变磁阻式传感器自感系数：磁路总磁阻：被测位移构件与衔铁相连，被测位移构件产生位移

衔铁位移空气隙厚度

变化

线圈自感系数L变化代入，有自感系数：129灵敏度为：

由此可见，变隙式传感器的测量范围与灵敏度及线性度之间存在矛盾。因此，变隙式电感传感器用于测量微小位移量的场合。

L与δ的双曲线关系

130差动变隙式电感传感器

为减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式自感传感器。131双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，差动优点：（1）大大的改善了线性，减小线性误差，消除外界的干扰；（2）使灵敏度提高一倍。

二、互感型传感器

互感型传感器是利用互感现象将被测物理量变化转换成线圈互感变化的传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的e

互感型传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈

，组成差动形式，常称为差动变压器，以螺管形应用较为普遍

133零点残余电压危害：

使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。OE012xU0134应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;

压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,

应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：板的厚度测量~电感式压力传感器原理：中间模片在压差(P1-P2)的作用下产生位移，通过连杆带动铁芯运动，从而将压差力转换成变压器的电压输出。三、涡流式电感传感器涡流:成块的金属物体置于变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流。

涡流式传感器的变换原理:利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应,将被测量变化转换为阻抗变化的传感器。137原理：原线圈的阻抗:Z=Z(ρ,μ,δ,h,f)，固定其它值，则Z是δ的单值函数。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、金属板与线圈的距离δ、激励电流角频率ω等参数有关。高频反射式涡流传感器—

自感型低频透射式涡流传感器—

互感型根据激励频率不同分为1381、高频（>1MHz）反射式涡流传感器

线圈上通交变高频电流线圈产生高频交变磁场产生高频交变涡流涡流产生反磁场阻碍线圈电流交换作用等效于L或阻抗的改变等效电路图M1392、低频透射式涡流传感器

发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈ω2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。电涡流传感器的结构结构图产品外观图优点：线性范围大，灵敏度高，频率范围宽，抗干扰能力强，能实现非接触式测量。1414~20mA电涡流位移传感器外形

（参考德国图尔克公司资料）142涡流式传感器工程应用第五节磁电式传感器

磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成感应电动势。学习要求：1.了解磁电式传感器变换原理

2.了解动圈式传感器的基本结构和工作原理

3.了解磁阻式传感器的基本结构和工作原理

一、工作原理感应电动势：

根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即

磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。145二、分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N146（1）动圈式传感器

147测速电机148变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路

（2）磁阻式磁电传感器（变磁通）

线圈和磁铁不动，由运动着的导磁材料的物体改变磁路的磁阻，引起磁力线增加或减弱，使线圈产生感应电势。根据其结构，又分为开磁路和闭磁路两种149

线圈和磁铁静止不动，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。开磁路150频率f与测量齿轮转速n(r/min)成正比，即f=n/60。闭磁路第六节磁敏传感器

利用磁场作用使半导体材料性能发生改变，从而将被测量转换为电信号。一、霍尔传感器1521)霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果相应的霍尔电势1532)霍尔元件

由霍尔片、四根引线和壳体组成霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4×2×0.1mm3)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。1543)霍尔传感器的应用

霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即EH=KHIBcos

。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。155霍尔转速传感器在汽车防抱死装置ABS中的应用

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器二、磁阻元件磁阻效应：当半导体元件受到与电流方向垂直的均匀磁场作用时，会出现电阻增大的现象。利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻。与霍尔效应的区别如下；即霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化

第七节压电式传感器学习要求：

1.掌握压电式传感器的工作原理

2.了解压电式传感器的等效电路3.了解压电式传感器的测量电路

压电式传感器是利用某些晶体材料受力后产生电荷的压电效应将被测物理量转换为电信号的传感器。

一、压电效应

正压电效应：一些晶体材料，如石英、钛酸钡等，当沿着一定方向受外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，晶体内部也会产生极化现象，同时在某两个表面上出现符号相反的电荷；当外力撤去后，又恢复到不带电的状态。

逆压电效应：某些晶体材料放置在交流电场中，晶体本身会产生机械变形的现象。159分类

天然物质：石英晶体—压电效应弱，但稳定，可用作标准的加速度计人工制造：压电陶瓷—压电效应强，但稳定性差，用作工作时的加速度计

二、压电材料压电材料的性能指标包括：

压电常数、介电常数、电阻率、机械强度、耐湿性、耐温性、居里点和时间稳定性。160石英晶体薄片双面镀银及封装石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率1611.石英晶体

结晶形状是六角晶柱，两端为一对称的棱锥，是一个正六面体，用直角坐标三个轴来表示：

Z-Z轴——光轴

X-X轴——电轴

Y-Y轴——机械轴

162

Z-Z轴：光轴，该轴方向无压电效应和无双折射现象；

X-X轴：电轴，垂直于此轴的棱面上压电效应最强；“纵向电压效应”

压电式传感器主要是利用纵向压电效应

Y-Y轴：机械轴，在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显。“横向压电效应”三、压电传感器的等效电路等效电容：

压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。

和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用下产生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。

压电晶体在受外力作用时产生电荷：

压电式传感器可以等效为：

与电容并联的电荷源与电容串联的电压源

165b)压力变送器a)加速度计，力传感器

四、应用实例第八节光电传感器

光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。光电效应：指物质（金属或半导体）在光的照射下，引起其特性（如电子发射，电导率，电位电流等）发生变化的现象。167光电导效应

半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这种光照后电阻率发生变化的现象，如：光敏电阻光生伏特效应

在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象，如：光电池、光敏二极管、光敏三极管根据光电效应不同原理可分为内光电效应外光电效应

在光线作用下能使物体的电子逸出表面的现象如：光电管、光电倍增管1、光敏二极管

没有光照射时，其反向电阻大，反向电流小（暗电流），处于截止状态；有光照射时，PN结光电流增加，并随入射光照度变化。注意：光敏二极管中PN结一般处于反向工作状态。1692、光敏三极管光敏三极管特点：光敏三极管具有放大作用，它的优点是电流灵敏度比二极管高，但稳定性差，其它与二极管相同。3、光电池

光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。特点：能直接将光照度转换为电动势。+++---PN

1715、应用光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。172

T0端称为自由端或冷端。T端称为工作端或热端A导体B导体1、热电效应将两种不同材料的金属导体或半导体A、B，连接成闭合回路，把两个结点分别至于不同的热源中，则回路中就会产生电势，同时，回路中就有电流，称热电效应。第八节热电偶传感器符号173接触电势（珀耳贴电势）热电势温差电势1741）接触电势（珀耳贴电势）

接触电势是由于互相接触的两种金属导体内自由电子的密度不同造成的。

1752）温差电势（汤姆逊电势）

在组成热电偶的每种材料中，若同一材料两端温度不同，则高温端自由电子具有的动能大,就会向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，而低温端因得到电子而带负电，从而形成了温差电势。176

若组成热电偶回路的两种导体相同，不论其截面、长度如何以及各处温度分布如何，都不会产生热电势。

2、热电偶的基本定律1）均质导体定律说明：①热电偶必须由两种不同性质的热电极组成；②提供了一种检查热电极材料均匀性的办法。热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一177

若两结点处温度相同，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总电势亦为零。

2）热电势定律说明：

用热电偶测温时，只需要关注接点温度，其他部位以及引线所处的温度环境，都不会影响测量结果。1783）中间导体定律★在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要第三种导线两端温度相同，则第三种导线的引入不会产生附加的热电势输出。

CABtt0

EABC(T,T0)=EAB(T,T0)（C两端接点温度相同）

179中间导体定律应用举例：a）可以引入各种仪表、连接导线等，也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶b）可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量1804）中间温度定律某热电偶接点温度为T1和T2时的热电势为E1，接点温度为T2和T3时的热电势为E2，则当接点温度为T1和T3时的热电势为E1+E2。181181普通热电偶1-热电极2-绝缘套管3-保护管4-接线盒5-接线盒盖3、热电偶的结构形式普通装配型热电偶的外形182接线盒引出线套管

不锈钢保护管

固定螺纹

热电偶工作端（热端）

普通铠装热电偶的结构183铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶外形第九节新型传感器184185光纤传感器

光纤传感器以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号的传感器。组成：信号的转换：将被测------

光信号。

信号的传输：利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输。

信号的接收与处理：将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。186

物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。

1）物性型光纤传感器既起传输光信号的作用，又做敏感元件

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)改变时，其传光特性(如相位与光强)会发生变化的现象。187光纤在点压力作用下，引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而引起光振幅变化188光纤流速传感器多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成

工作原理:多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化，其振幅的变化与流速成正比。

189

结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。2）结构型光纤传感器该系统主要由激光光源、分光器、光接收器、频率检测器及振动物体等部分组成。

190

工作原理为：由激光光源(氢-氦激光)发出的光(频率为fi)导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体(被测体)振动，产生散射(频率为fs)，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为2、光纤传感器实例1)零件计数器2、固态图像传感器(CCD)

CCD器件是一种利用光电转换原理，将被测物体的光像转换为电子图像信号输出的一种大规模集成电路光电器件。光敏元与数据面的显微照片1931)CCD的分类线阵面阵2)CCD的基本结构基本组成部分：MOS光敏元列阵

读出移位寄存器基本结构：硅衬底＋二氧化硅层＋金属电极3)CCD的工作原理电荷的产生、存储

当光信号照射到CCD硅片表面时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子--空穴对。这时在栅极电压G的作用下，其中空穴被排斥出耗尽区而电子则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来，其电荷的多少直接与该点的光强成正比。电荷包的转移采用三相交叠脉冲，顺次转移电荷包。

读出移位过程实质上是CCD电荷转移过程。在半导体的底部上覆盖一层遮光层，以防止外来光干扰。由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元(即传输单元)，在这三个电极上分别施加了三相时钟脉冲波φ1、φ2、φ3，每组相位相差2/3

1)当t=t1时，φ1=V，φ2=O，φ3=O，只有φ1极下形成势阱。2)当t=t2时，φ1=0.5V，φ2=V，φ3=O，φ1极下的势阱变浅，φ2极下的势阱变得最深,φ3极下没有势阱。根据势能原理，原先在φ1极下的电荷就逐渐向φ2极下转移。3)当t=t3时，φ1极下的电荷向φ2极下转移完毕。4)当t=t4时，φ2极下的电荷向φ3极下转移。以此类推，一直可以向后进行电荷转移。

电荷的输出电荷的输出有多种方式：电流输出：由反向偏置二极管收集信号电荷产生电位变化浮置扩散放大器：由浮置扩散区收集的信号电荷控制MOS管栅极电位变化，引起源-漏极间电流变化，在源极或漏极输出电压信号。199应用:

宽度测量;外径测量;主轴径向跳动测量5）CCD的应用实例200智能传感器传感器与微处理器结合并赋予人工智能的功能，又兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器。智能传感器优点：（1）具有判断和信息处理功能（2）能自校准和自动补偿（3）测量数据可存取，使用方便（4）可实现多传感器多参数综合测量，扩大传感器使用范围（5）具有数字通信，能直接与计算机联接软件是智能传感器的一个关键软件降低了硬件设计要求；软件质量决定功能多少与使用方便性等智能传感器的基本组成被测量传感器预处理电路输入接口微处理器输出接口

信号变换及调理主要内容：变换及调理的目的1电桥2

调制解调3滤波器4一、信号调理的目的目的：便于信号的传输与处理原因：1.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，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。

2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。

二、电桥

电桥a

、c两端接电源Ui，称供桥端；b、d两端接输出电压Uo，称输出端。

将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压ΔU或电流ΔI信号后输出的一种测量电路。

电桥根据桥臂阻抗性质的不同为:电阻电桥

电容电桥

电感电桥根据供桥电源分为:直流电桥:采用直流电源——只用于测量电阻R的变化

交流电桥：采用交流电源——测量电阻R

、电容C

、电感L的变化1.电桥的分类2.直流电桥四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。采用直流电源的电桥称为直流电桥直流电桥VR1R2R3R4温敏电阻平衡条件R1·R3=R2·R4

电桥的输出：平衡的条件：直流电桥R1＋ΔR

U0＋ΔUΔUR1·R3=R2·R4

平衡的条件：电桥的输出：这时，电桥平衡吗？VR2R3R4R1＋ΔR为了简化设计，R2=R3=R4=R0

，而

R1=R0+ΔRR0＋ΔR

直流电桥U0＋ΔUΔU电桥的灵敏度定义为单臂半桥R1R3R2R4

双臂半桥R1R3R2R4

全桥R1R3R2R4

半桥、单臂输出全桥、四臂输出半桥、双臂输出统一表示：电桥测量的误差非线性误差温度误差直流电源的电压稳定性造成的误差半桥、单臂输出：半桥、双臂输出：全桥、四臂输出：直流电桥平衡条件3.交流电桥交流电桥而其中，Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗的模，而φ1、φ2、φ3、φ4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。Z1Z3ej(φ1+φ3)=Z2Z4ej(φ2+φ4)

(*)平衡条件电容电桥电容电桥平衡条件：电感电桥电感电桥平衡条件：声音信号广播电台的发射塔接收调制Modulation解调Demodulation三、调制与解调声音信号广播电台的发射塔

利用缓变信号控制高频信号的某个参数(幅值、频率或相位)变化的过程。调制Modulation已调波1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输

2）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比

调制的目的→音频信号载波信号：高频振荡信号称为载波信号。载波信号调制信号：缓变信号称为调制信号。

已调波：载波被缓变信号调制后称为已调波。解调：从已调波中恢复出调制信号的过程。调制信号x(t)1.调制的种类调制信号载波信号a)幅值调制(简称调幅，AM，AmplitudeModulation)b)频率调制(简称调频，FM，FrequencyModulation)c)相位调制(简称调相，PM，PhaseModulation)缓变信号x(t)高频简谐信号2.幅值调制（调幅）及其解调

调幅是将一个高频简谐信号y(t)（载波信号）与缓变信号（调制信号）x(t)相乘，使载波信号y(t)的幅值随缓变信号x(t)的幅值变化而变化过程。幅值调制后的信号称为调幅波。高频信号缓变信号调制后信号调制信号载波信号调幅波(1).调幅的时域表达

假设调制信号x(t)的最高频率成分为，载波信号(2).调幅的频域表达如果则，则有调幅波：调制信号载波信号调幅波ƒ时域频域

为保证频移后的频谱不失真，载波频率fz

要大于或等于两倍调制信号的最高频率fm

，通常取数倍至数十倍的fm

。调幅过程就相当于频率“搬移”过程。(3).电阻交流电桥的幅值调制不同接法的电桥可表示为当ΔR/R0=R(t)，Ui=E0cos2πf0t时U0=KR(t)E0cos2πf0t交流电桥的输出电压U0随R(t)的变化而变化，即U0的幅值受R(t)的控制，其频率为输入电压信号Ui的频率，即f0

全桥、四臂输出R(t)E0cos2πf0t

交流电桥是一个调幅器。调幅器实际上是一个乘法器.广播电台的发射塔

对已调波进行鉴别以恢复缓变信号的过程。调幅波解调方法：同步解调，整流检波相敏检波(4).幅值解调接收解调Demodulation同步解调

“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。同步解调(a)调幅波频谱(b)载波信号频谱(c)同步解调后频谱(d)调制信号频谱幅度调制与解调过程（波形与频谱分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)幅度调制与解调过程（数学描述）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)

若把调制信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压。整流检波解调

调制信号+直流分量A->整流->低通滤波->去直流分量->复现原调制信号x(t)>0时(0~t1)，ym(t)与y(t)同相，检波器输出uf(t)>0x(t)<0时(t1~t2)，ym(t)与y(t)反相，检波器输出uf(t)<01122相敏检波解调推导相敏检波器33t1t1132213t1t2t2t2

相敏检波器是一种能根据调幅波和载波的相位差来判别调制信号极性的解调器

调幅波的波形失真

a）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x(t)的相位将发生180。b)重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成．当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠．要求:fz＞fm例：动态应变仪3.频率调制与解调

调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波.x(t)Acos(2πf0t+Φ)调频波：疏密不同的等幅波。谐振电路电抗到电压的转化谐振电路把电容、电感等电参量的变化转为电压变化的电路高频振荡器谐振电路的频率：谐振电路作调频器调频及解调电路频率的解调

谐振电路调频波的解调一般使用鉴频器

调频波－>调频调幅波－>幅值检波频率－电压特性曲线脉冲计数鉴频

调频播瞬时频率的变化，直接表现为调频信号通过零值的点的疏密变化。ty(t)tg(t)通过脉冲计数，根据单位时间内脉冲的个数，可恢复出原来的信号。优点：抗干扰能力强。调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20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。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要表现在振幅之中．

缺点：占频带宽度大，复杂(a)低通滤波器(Lowpassfilter)(b)高通滤波器(Highpassfilter)(c)带通滤波器(bandpassfilter)

(d)带阻滤波器(bandstopfilter)

四、滤波器

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分．1.滤波器分类(根据滤波器的选频作用分)

ƒ2称为低通滤波器的上截止频率

ƒ1、ƒ2分别称为带通滤波器的下、上截止频率

通带通带通带通带通带阻带阻带阻带阻带阻带理想滤波器ƒ1称为高通滤波器的下截止频率

通带：能通过滤波器的频率范围；阻带：被抑制或极大地衰减的频率范围；截止频率：通带和阻带之间的交界点；通带