机械工程测试技术(西交大版)教学教案46

第一章测试技术特性和测试技术基础知识目标：了解测试技术特性和测试技术基础，掌握测试技术的动态特性和测试技术基础。教学内容：（1）测试技术特性和测试技术基础（2）测试技术的动态特性（3）测试技术基础素质目标：具有较扎实的基本功和良好的职业素养，具有较强的独立工作能力和创新精神教学难点了解测试技术特性和测试技术基础，掌握测试技术的动态特性和测试技术基础。教学手段实物演示；教学板书；录像插件；电子课件。教学学时4教学内容与教学过程设计〖章节描述〗测试技术的特性是测试技术所有性质的总称，而测试技术的输入/输出特性是其基本特性，一般把测试技术作为二端网络研究时，输入/输出特性是二端网络的外部特性，即输入量与输出量的对应关系。测试技术输入量的状态可分为静态量和动态量两类：静态量是指不随时间变化的信号或变化极其缓慢的信号(准静态)，动态量通常是指周期信号、瞬变信号或随机信号。根据输入量的状态（静态或动态）不同，测试技术所表现的输入/输出特性也不一样，分为静态特性和动态特性。测试技术的输入/输出特性决定了测试技术能否将被测的非电量信号的变化不失真地变换成相应的电量信号，该特性是与测试技术的内部结构参数有关的外部特性。〖知识准备〗1.1测试技术的静态特性测试技术的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，测试技术的输入与输出之间的关系。衡量测试技术静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、阈值、稳定性、漂移和静态误差。1.1.1线性度测试技术的线性度是指测试技术的输出与输入之间的线性程度。1.1.2灵敏度灵敏度是指测试技术在稳态下的输出变化量Δy与引起此变化的输入变化量Δx之比，用k表示。1.1.3迟滞测试技术在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，其输入/输出特性曲线不重合的现象称为迟滞1.1.4重复性重复性是指在同一工作条件下，测试技术输入量按同一方向做全量程连续多次变化时所得特性曲线不一致的程度，用γR表示。1.1.5分辨率与阈值分辨力是指测试技术在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化值。有时用相对满量程输入值的百分数来表示该值，称为分辨率。阈值是能使测试技术的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力。1.1.6稳定性与漂移1.稳定性稳定性又称长期稳定性，即测试技术在相当长的时间内保持其原性能的能力。2.漂移漂移是指在一定时间间隔内，测试技术的输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。1.1.7静态误差静态误差是指测试技术在其全量程内任意一点的输出值与其理论输出值的偏离程度，又称为精度。1.2测试技术的动态特性在实际测量中，大量的被测量是随时间变化而变化的动态信号，这就要求测试技术的输出不仅能精确地反映被测量的大小，还能正确地再现被测量随时间变化的规律。测试技术的动态特性是指测试技术的输出对随时间变化的输入量的响应特性，它反映了输出值真实再现变化着的输入量的能力。1.2.1动态误差1.2.2动态特性的数学模型1.2.3传递函数1.2.4测试技术的动态特性指标（阶跃响应、频率响应）1.3测试技术基础任何实验都离不开测量，没有测量就没有科学。在一定条件下，任何物理量都必然具有某一客观真实的数据。所谓测量，就是指以测量出某一物理量的值为目的的一系列有意识的科学实践活动。1.3.1测量的分类按测量方法的不同，测量可分为直接测量和间接测量；按测量条件的不同，测量又可分为等精度测量和不等精度测量。1.直接测量和间接测量2.等精度测量和不等精度测量1.3.2误差及其分类用实验方法去研究事物的客观规律，总是在一定的环境(温度、湿度等)和仪器条件下进行的。由于测量条件(环境、温度、湿度等)的变化及仪器精度的不同，在任何测量中，测量值N与待测量客观存在的真值N′之间总存在着一定的差异。测量值N与真值N′的差值叫作测量误差ΔN,简称误差，即ΔN=N－N′系统误差系统误差的特征是：在同一条件下多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变；或当条件改变时，按一定规律变化。系统误差在某些情况下对测量结果的影响还比较大，因此，研究系统误差产生的原因，发现、减小或消除系统误差，使测量结果更加趋于正确和可靠，是误差理论的重要课题之一，是数据处理中的一个重要的内容。2.随机误差随机误差是由于感官灵敏度和仪器精密程度的限制、周围环境的干扰及伴随着测量而来的不可预料的随机因素的影响而造成的。它的特点是大小无定值，一切都是随机发生的，因而又把它称为偶然误差。1.3.3误差的表示形式误差的表示形式有绝对误差和相对误差两种。1.3.4有效数字及简算方法1.有效数字的概念一般来说，实验所处理的数值有两种：一种是没有误差的准确值(如测量的次数、公式中的纯数等),另一种是测量值。测量值总含有一定的误差，因此，它的数据就不应无止境地写下去。2.有效数字的简算①加减运算②乘除运算③乘方运算④对数、三角函数和n次方运算⑤数字的截尾运算⑥数字的科学记数法第二章传感器基础知识知识目标：（1）、了解传感器的定义、传感器的组成、传感器的分类（2）、熟悉传感器的基本要求、传感器的发展现状（3）、熟悉传感器的发展趋势、传感器的技术性能（4）、掌握传感器选用原则教学内容：（1）传感器的定义（2）传感器的组成（3）传感器的分类（4）传感器的基本要求（5）传感器的发展现状（6）传感器的发展趋势（7）传感器的技术性能（8）传感器选用原则素质目标：具有较扎实的基本功和良好的职业素养，具有较强的独立工作能力和创新精神教学难点传感器的的组成、传感器的基本要求、传感器的技术性能教学手段实物演示；教学板书；录像插件；电子课件。教学学时8教学内容与教学过程设计〖章节描述〗用机械代替体力劳动是第一次产业革命，在这次产业革命中，火车、汽车取代了人力车，各种动力机械取代了繁重的体力劳动；而用机械和电子装置来代替部分脑力劳动，可以说是第二次或第三次产业革命，这也是当前科学技术发展的重要课题之一。在这一课题中，传感器的研究是一个不可忽视的内容。人通过感官来接收外界的信号，并将所接收的信号送入大脑，进行分析、处理后获取有用的信息。对现有的或者正在发展中的机械电子装置来说，电子计算机相当于人的大脑(常称电脑)，而相应于人的感官部分的装置就是传感器。所以说，传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和地面形貌、河流状态，等等；而在自动控制领域，自动化程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大。因此，传感器对控制系统功能的正常发挥也起着决定性的作用。〖知识准备〗2.1传感器的定义传感器的定义包括了以下四个方面的内容：（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，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。（3）它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，目前主要是电量。（4）输出与输入有对应关系，且具有一定的精确度。2.2传感器的组成传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不相同，所以在结构和组成上差异很大。但总的来说，传感器通常由敏感元件、转换元件及转换电路组成，有时还加上辅助电源，如图2-1所示。图2-1传感器的组成2.3传感器的分类传感器是测量装置与被测量之间的接口，处于测试系统的输入端，完成被测量的感知和能量的转换，其性能直接影响着整个测试系统，对测量精确度起着主要的作用。由于被测机械量种类繁多，加之同种物理量可以用多种不同转换原理的传感器来检测，同一转换原理也可以用于不同测量对象的传感器中，如加速度计按其敏感元件不同，就有压电式、应变式和压阻式等多种，因此，传感器具有多样性。2.4传感器的基本要求（1）传感器要有足够的容量：传感器的工作范围或量程足够大，具有一定的过载能力。（2）传感器要与系统匹配性好：灵敏度高。输出量与被测量之间具有确定的线性关系。（3）传感器的实用性和适应性强：对被测对象影响小，内部噪声小且不受干扰。（4）传感器的反应速度快，工作可靠性好。（5）传感器的精度适当，稳定性好：静态响应和动态响应要满足要求。工程中要综合考虑上述要求，使用时应尽量满足上述要求。2.5传感器的发展现状科技越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖也就越强。测量科学已成为现代化生产的五大支柱之一，也是整个科学技术和国民经济的一项重要技术基础，它对促进生产力发展和社会进步起到举足轻重的作用。2.6传感器的发展趋势当前的信息时代不仅对传感器的需求越来越多，而且对其性能要求也越来越高。随着计算机辅助设计(computeraideddesign，CAD)技术、微机电系统(microelectromechanicalsystem，MEMS)技术、光纤技术、信息理论及数据分析算法不断迈上新台阶，传感器系统也朝着微型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。2.7传感器的技术性能差动技术差动技术是传感器中普遍采用的技术。2.平均技术在传感器中普遍采用平均技术产生平均效应。3.补偿与修正技术补偿与修正技术在传感器中的应用比较广泛。4.屏蔽、隔离与干扰抑制传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。5.稳定性处理传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期鉴定的场合。2.8传感器的选用原则1.测量对象与测量环境即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用2.灵敏度通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。3.频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件。4.线性范围传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。5.稳定性传感器在使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。6.精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越高第三章常规传感器原理与测量电路知识目标：熟悉各类传感器的结构工作原理及其特点。教学内容：（1）电阻式传感器（2）电感式传感器（3）电容式传感器（4）压电式传感器（5）磁电感应式传感器（6）热电式传感器（7）光电式传感器（8）霍尔式传感器素质目标：具有较扎实的基本功和良好的职业素养，具有较强的独立工作能力和创新精神教学难点各类传感器的工作原理及特点教学手段实物演示；教学板书；录像插件；电子课件。教学学时16教学内容与教学过程设计〖知识准备〗3.1电阻式传感器电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路，最终显示被测值的变化。3.1.1电位器式电阻传感器电位器是一种常用的机电元件，它被广泛应用于各种电器和电子设备中，它是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。1.线性电位器2.非线性电位器3.负载特性与负载误差4.电位器的结构与材料5.电位器式传感器的应用举例3.1.2应变片式电阻传感器几何量和机械量的测量中，最常用的传感器是由某些金属和半导体材料做成的应变片式电阻传感器。应变片式电阻传感器是以应变片为传感元件的传感器。1.应变片式电阻传感器的特点1）应变片式电阻传感器的优点（1）精度高，测量范围广。（2）使用寿命长，性能稳定可靠。（3）结构简单、尺寸小、重量轻。（4）频率响应特性较好。应变片的响应时间约为10-7s。（5）环境适应性强，可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境中工作。（6）应变片种类繁多，性能价格比高。2）应变片式电阻传感器的缺点（1）在大应变状态下存在较大的非线性。（2）输出信号微弱。（3）不适用于温度超过1000℃的高温环境。（4）应变片实际测出的只是某一面积上的平均应变，不能完全适应力场中的瞬时应力变化情况。2.电阻应变片的工作原理3.电阻应变片的结构与材料4.电阻应变片的性能参数1）应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K是指在应变片灵敏轴线方向的单一应力作用下，应变片的电阻相对变化dR/R与应变片试件表面上的轴向应变εx的比值，即2）横向效应沿应变片轴向的应变εx必然引起应变片电阻的相对变化，而垂直于应变片轴向的应变εy，也会引起应变片电阻的相对变化，这种现象称为横向效应。横向效应的结果是降低了电阻应变片的灵敏度。3）机械滞后应变片安装在试件上后，在一定温度下做出应变片电阻相对变化εi(指示应变)与试件机械应变εg之间加载的特性曲线4）零漂和蠕变在温度保持恒定、试件上没有应变的情况下，应变片的指示值会随时间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移，简称零漂。5）应变极限应变片的应变极限是指在一定的温度下，应变片的指示应变εi与试件的真实应变εg的相对误差达到规定值(一般为10%)时的真实应变εj。6）疲劳寿命已安装好的应变片在恒定幅值的交变压力下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N称为应变片的疲劳寿命。疲劳寿命反映了应变片对动态应变测试的适应性。5.电阻应变片传感器的典型应用在机电一体化工程中，力、压力和扭矩是很常用的机械参数。近年来，各种高精度力、压力和扭矩传感器更以其惯性小、响应快、易于记录、便于遥控等优点得到广泛的应用。按传感器工作原理，电阻应变片传感器可分为弹性式传感器、电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器和磁电式传感器等，其中，电阻应变式传感器的应用较为广泛。3.2电感式传感器电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，其可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化过程中，一般要利用磁场作为媒介或铁磁体。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。电感式传感器的优点是：结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强，对工作环境要求高，分辨率高(如测量长度时可达0.1μm)，稳定性好；其缺点是频率响应慢，不宜用于快速测量。电感式传感器的种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，有利用互感原理的差动变压器式传感器，有利用涡流原理的电涡流式传感器和利用电磁感应原理的感应同步器等。3.2.1自感式传感器1.自感式传感器的工作原理图3-29所示为自感式传感器的工作原理。自感式传感器主要由线圈、铁心和衔铁等组成。在铁心和衔铁之间有空气隙δ，线圈的匝数为N，每匝线圈产生的磁通为Φ。传感器工作时，衔铁与被测物体连接，当被测物体移动时，气隙厚度发生变化，气隙的磁阻发生相应的变化，从而导致电感的变化，就可以确定被测量的大小。图3-29自感式传感器的工作原理1—线圈；2—铁心；3—衔铁2.自感式传感器的结构形式及特性3.自感式传感器的误差分析4.自感式传感器的应用举例3.2.2差动变压器式传感器变压器式传感器是将非电量转换成线圈间互感M的一种磁电机构，其工作原理与变压器的工作原理很像。这种传感器多采用差动形式，故称为差动变压器式传感器。差动变压器的结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。1.工作原理2.输出特性3.转换电路3.2.3电涡流式传感器1.电涡流式传感器概述根据法拉第电磁感应原理，当块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流称为电涡流，以上现象称为电涡流效应。2.电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器利用电涡流效应将非电量转换为阻抗的变化来进行测量。3.电涡流式传感器的等效电路分析4.电涡流式传感器的分类5.电涡流式传感器的应用3.2.4感应同步器感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种位移传感器。感应同步器按测量机械位移的对象可分为直线形感应同步器和圆盘形感应同步器，它们分别用来检测直线位移和角位移。因为感应同步器的成本低，受环境温度影响小，测量精度高且为非接触测量，所以在位移检测中得到了广泛应用，特别是在各种机床的位移数字显示、自动定位和数控系统中应用较广。1.感应同步器的结构图3-49直线形感应同步器的组成1—定尺；2—滑尺2.感应同步器的工作原理3.感应同步器的测量方式3.3电容式传感器电容式传感器是将被测非电量（如尺寸、压力等）的变化转换为电容变化的一种传感器。电容式传感器的结构简单、适应性强、温度稳定性好、动态响应好，可以实现非接触测量，在位移、压力、厚度、湿度、振动、加速度、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。3.3.1电容式传感器的工作原理和分类1.电容式传感器的工作原理2.电容式传感器的分类3.3.2电容式传感器的测量电路为了使信号能传输、放大、运算、处理、显示、记录和控制，得到所需的测量结果或控制某些设备工作，还需将电容C进一步转换成电压或电流(电量参数)。将电容转换成电量的电路称为电容式传感器的测量电路。它们的种类很多，目前较常采用的有桥式电路、调频电路和运算放大器式电路等。1.桥式电路桥式电路是将电容式传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂或两个相邻臂。2.调频电路在调频电路中，电容式传感器被接在谐振回路中，当传感器电容Cx发生改变时，其振荡频率f也发生相应变化，实现由电路到频率的转换。3.运算放大器式电路将电容式传感器接入运算放大器式电路中作为电路的反馈元件，该电路的最大特点是能够克服变极距式电容传感器的非线性。3.3.3电容式传感器的应用电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压、物位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度,测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中，电容式传感器也常常被用来作为位置信号发生器。1.电容式压力传感器电容式压力传感器不仅可用来测量压力、差压和物位等热工参数，也可用来测量位移、振动、荷重等机械量。2.电容式加速度传感器3.电容式测厚传感器电容式测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中进行厚度检测的仪器，其工作原理是在被测带材的上、下两侧各放置一块面积相等、与带材距离相等的极板，这两块极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。4.电容式液位传感器电容式液位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容器。5.电容式温度传感器电容式温度传感器属于变介质型电容式传感器，它主要利用电容器的中间介质的介电常数随温度变化而改变的原理进行测量。3.4压电式传感器压电式传感器是以某些物质的压电效应为基础的一种发电式传感器。压电效应是可逆的，即存在逆压电效应，因此，压电式传感器是一种双向传感器。压电效应自发现以来，使在电子、超声、通信、引爆等许多技术领域得到广泛的应用。压电式传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等优点。3.4.1压电效应首先通过响沙来了解一下压电效应。当今世界已发现响沙一百多处，我国有甘肃敦煌的鸣沙山、宁夏中卫的沙坡头和内蒙古鄂尔多斯的银肯响沙湾，还有内蒙古赤峰市翁牛特旗布力彦的东额其响沙，产生响沙的原因并不神秘。由于沙粒的机械成分一致，都是中粒沙或细粒沙，几乎没有灰尘，石英的含量又高，在干燥无风的天气里，当给沙粒一定的压力时，它会产生压缩或延伸现象，这时，它的表面会产生电荷，矿物学上称这种特性为压电性质。压电的晶体发生收缩和膨胀时，会产生响声，再加上响沙的沙坡背风向阳，河槽上空形成一道人眼看不见的蒸汽墙，与沙坡正好形成一个天然的“共鸣箱”，响声就更大了。其实，这种响声是因为被挤压的石英沙子产生了电荷，当足够多的电荷聚集在地表并上升到空中时，就会引起电荷的放电声响，这就是响沙的由来。其实，这就是压电效应在生活中的鲜活存在。3.4.2压电式传感器的等效电路和测量电路1.压电式传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器；同时它也是一个电容器，晶体上聚集正、负电荷的两个表面相当于电容的两个极板，极板间的物质等效于一种介质，所以，压电式传感器可以等效为一个与电容Ca相串联的电压源。2.压电式传感器的测量电路压电式传感器的灵敏度有电压灵敏度ku和电荷灵敏度kq两种，它们分别表示单位力产生的电压和单位力产生的电荷。它们之间的关系为3.4.3压电式传感器的基本结构凡是能转换成力的机械量（如位移、压力、冲击、振动加速度等）都可用相应的压电式传感器来测量，这些压电式传感器用以实现力—电转换功能的基本结构是相同的。压电式传感器的基本结构有以下几部分：（1）基座和外壳。基座和外壳用以隔离试件应变和环境声、磁、热的干扰，并可增强刚度。基座通常都很厚，采用刚度较大的不锈钢或钛合金材料制成；壳体采用与基座相同的材料，起密封、屏蔽的作用。（2）压电元件。根据设计需要，压电元件可采用压电晶体或压电陶瓷。压电元件的结构形式较多采用双晶片并联形式。压电加速度传感器中常采用平板式或圆筒式结构，采用厚度压缩或剪切变形方式。（3）敏感元件。敏感元件指加速度传感器中的质量阻尼弹簧系统、位移传感器中的弹簧，或压力传感器中的弹性膜片(盒)等。质量阻尼弹簧系统中的质量块通常采用高比重合金，以利于缩小结构和尺寸。（4）预载件。预载件即压块、弹簧或螺栓螺母等，用于对压电元件施加预紧力。施加预紧力的作用有以下几点：①消除压电元件内外接触面的间隙，提高传感器弹性系统的刚度，从而获得良好的静态(灵敏度和线性)、动态特性。②足够的预紧力能够确保拉力传感器、剪力传感器和扭矩传感器获得足够的正压力后靠摩擦传递切向力。③利用预载对外力的分载原理，实现对外力的分载调节，改变传感器的灵敏度、线性或量程。（5）引线及接插件。引线及接插件用于与外接电缆连接。3.4.4压电式传感器的应用目前，压电式传感器应用最多的仍是测力，尤其是对冲击、振动加速度的测量。迄今，在众多形式的测振传感器中，压电式加速度传感器占80%以上。1.压电式测力传感器2.压电式压力传感器3.压电式加速度传感器3.5磁电感应式传感器3.5.1磁电感应式传感器概述磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是无源传感器。自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。利用人工设置的永久磁体产生的磁场，可作为许多种信息的载体,因此，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场及磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁电感应式传感器的身上。在当今的信息社会中，磁电感应式传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前，人们研制出的利用各种物理、化学和生物效应的磁传感器已在科研、生产和社会生活的各个方面得到了广泛应用，它们承担着探究种种信息的任务。半导体磁电传感器的优势在于：它们的制造技术和微电子集成电路技术兼容，可以大量生产，并大幅度降低生产成本；输出信号可供计算机和各种仪器设备直接使用，非常方便；抗蚀性强，磁场对器件的作用不受使用环境中光线、尘埃、油污、盐雾及其他化学气氛的影响；结构牢固,耐震动,耐冲击,寿命长。3.5.2磁电感应式传感器的工作原理根据电磁感应定律，当W匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为Φ，则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt的关系为根据这一原理，可以设计成两种结构形式的磁电式传感器，即变磁通式磁电传感器和恒磁通磁电传感器。1.变磁通式磁电传感器2.恒磁通式磁电传感器3.5.3磁电感应式传感器的基本特性输出电流当测量电路接入磁电感应式传感器的电路中时，磁电感应式传感器的输出电流I0为(3-104）式中，R为线圈的等效电阻；Rf为测量电路的输入电阻；其他符号含义同前。2.电流灵敏度磁电感应式传感器的电流灵敏度为(3-105）3.输出电压和电压灵敏度磁电感应式传感器的输出电压和电压灵敏度分别为(3-106）4.测量误差当磁电感应式传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差为（3-107）测量误差主要分为非线性误差和温度误差。3.5.4磁电感应式传感器的测量电路磁电感应式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电感应式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分电路或微分电路。图3-83所示为磁电感应式传感器测量电路方框图。图3-83磁电感应式传感器测量电路方框图3.5.5磁电感应式传感器的应用1.动圈式振动速度传感器2.磁电式扭矩传感器3.6热电式传感器3.6.1温度的测量方法温度是工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的。因此，温度的测量方法在科学研究和工农业生产中得到了广泛的应用。温度的测量方法有接触式测温和非接触式测温两大类。1.接触式测温当采用接触式测温时，温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后，两者温度相等。（1）膨胀式温度计。膨胀式温度计有两种，一种是利用液体和气体的热膨胀及物质的蒸气压变化来测量温度，如玻璃液体温度计和压力温度计；另一种是利用两种金属的热膨胀差来测量温度，如双金属温度计。（2）热电阻温度计。热电阻温度计利用固体材料的电阻（如铂热电阻、铜电阻和热敏电阻）随温度而变化的原理测量温度。（3）热电偶温度计。热电偶温度计利用热电效应测量温度。2.非接触式测温当采用非接触式测温时，温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。非接触式测温常用的温度计有辐射式温度计和光纤式温度计。3.6.2热电偶温度传感器热电偶温度传感器是基于热电效应原理的测温传感器，它具有测量精度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。1.工作原理热电偶是工业上常用的温度检测元件之一，它具有测量精度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。常用的热电偶的可测温度为-50～1600℃；若配用特殊材料，则可测温度可扩大为-180～2800℃。1）热电效应2)接触电动势和单一导体中的温差电动势2.热电偶的材料1）对热电偶材料的基本要求（1）热电特性稳定，即热电动势与温度的对应关系保持恒定。（2）由两种材料组成的热电偶应输出较大的热电动势，以得到较高的灵敏度，且热电动势与温度间应尽可能成线性关系，这样易于测量，而且可以得到较高的精确度。（3）电阻温度系数和电阻率要小，否则热电偶的电阻将随工作端的温度不同而有较大的变化，影响测量结果的精确性。（4）能应用于较宽的温度范围，热电特性、物理化学性能稳定。（5）较好的工艺性能，便于成批生产，且复现性好，便于统一分度。（6）材料的机械强度高。2）国际标准热电偶及其材料我国从1988年1月1日起对热电偶全部按IEC国际标准进行生产，并指定S、B、E、K、R、J、T、N（分度号）八种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。3.热电偶的结构形式1）普通型热电偶普通型热电偶主要用于测量气体、蒸气、液体等介质的温度。由于使用条件基本相似，所以普通型热电偶已做成标准型，其基本组成大致是一样的。实际工程中使用的普通型热电偶一般是由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成2）铠装热电偶铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管经拉伸加工而成的组合体。3）薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种具有特殊结构的热电偶。薄膜热电偶的特点是：测量端既小又薄，热容量很小，故可用于微小面积上的温度测量；动态响应快，故可测量快速变化的表面温度。4.热电偶的应用热电偶可以串联或并联使用，但只限于同一种材质构成的多个热电偶，且参考端应在同一温度下。1）热电偶的串联（1）同极性串联。热电偶同极性串联的总热电动势与单个热电偶的热电动势成倍数关系。热电偶同极性串联有两个用途：一是增强输入信号，二是检测多个测点的平均温度。（2）反极性串联。热电偶反极性串联的目的是测温度变化速度，采用时间常数不等的两个热电偶反极性串联。当温度恒定不变时，热电偶反极性串联的总热电动势为零。温度变化速度越快，输出的信号越大，这在精密金属零件热处理加工中很有用。2）热电偶的并联热电偶同极性并联的目的也是测平均温度，但要求各热电偶的电阻及时间常数相等。值得注意的是，无论是串联或并联，都不允许有短路或断路的热电偶，否则会引起严重的误差。通常，在单只热电偶的使用中，短路或断路会使输出信号完全消失，因而故障容易被发现。但在串联或并联的情况下，如果总输出热电动势不完全消失，则故障就难以被发现。3.6.3热电阻温度传感器1.热电阻测温的工作原理物质的电阻率随温度的变化而变化的物理现象称为热电阻效应。大多数金属导体的电阻随温度的升高而增加。在金属中参加导电的为自由电子，当温度升高(温度变化的范围不是很大)时，虽然自由电子的数目基本不变，但是每个自由电子的动能将增加。2.热电阻的主要类型1）铂热电阻铂具有稳定的物理性能和化学性能，是目前制造热电阻的最好材料。铂热电阻除用作标准电阻温度计外，还被广泛应用于温度的基准、标准的传递。它的长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温复现性最好的一种温度计。国际实用温标规定，在14.8033K～961.78℃温度范围内以铂热电阻作为标准仪器。铂热电阻的主要缺点是电阻温度系数较小，在还原性介质中容易被侵蚀而变脆，因此一定要加保护套管。2）铜热电阻铜热电阻和铂热电阻相比具有温度系数大、价格低、易于提纯等优点，但存在电阻率小、体积较大、热惯性较大、机械强度差等缺点。铜电阻在100℃以上易氧化，因此只能用在低温及无侵蚀性的介质中。在测量精度要求不高且测温范围比较小的情况下，可采用铜做热电阻材料代替铂热电阻。3.热电阻的结构热电阻的结构比较简单，一般是将电阻丝绕在云母、石英、陶瓷和塑料等绝缘骨架上，经过固定，外边再加上保护套管。热电阻由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。4.热电阻温度传感器的测量电路热电阻温度传感器的测量电路最常用的是电桥电路，若要求精度高，则可采用自动电桥。3.6.4热敏电阻温度传感器1.热敏电阻的测温原理热敏电阻温度传感器就是利用磁心半导体的电阻值随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。热敏电阻具有以下一些优点：（1）温度系数比金属的温度系数大4～9倍，半导体材料可以有正或负的温度系数，根据需要选择。（2）电阻率大，因此可以制成极小的电阻元件（热惯性小），适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。（3）结构简单，机械性能好。（4）可根据不同的要求制成各种形状。2.热敏电阻的结构和主要特性1）热敏电阻的结构热敏电阻主要由热敏探头、引线和壳体构成。2)热敏电阻的主要特性（1）温度特性。（2）伏安特性(U-I)。3.热敏电阻的应用3.7光电式传感器光电式传感器是将入射光的光通量转换为电量的一种传感器。光电传感器的基础是光电元件的光电效应。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下具有非接触测量、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等特点，因而在检测领域和自动化控制中有广泛应用。3.7.1光源与光的特性1.光源和频谱光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。2.光的特性这些光的频率(波长)各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。3.7.2光电效应光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面。光子与物体之间的连接体是电子。光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应可分成外光电效应和内光电效应两类。1.外光电效应1）外光电效应的原理在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。2）基于外光电效应的光电器件基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。（2）光电倍增管。光电倍增管是基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。2.内光电效应当光照射在半导体材料上时，材料中处于价带的电子将吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内的电子浓度和价带内的空穴增多，即激发出光生电子空穴对，从而使半导体材料产生电效应。3.7.3光电式传感器的类型光电式传感器按其输出量性质可分为模拟式光电传感器和开关式光电传感器两大类。1.模拟式光电传感器1)辐射式光电传感器被测物体本身是光辐射源，由辐射式光电传感器释出的光射向光电元件。光电高温计、光电比色高温计、红外侦察、红外遥感和天文探测等均属于这一类。辐射式光电传感器还可用于防火报警、火种报警和构成光照度计等。2）吸收式光电传感器被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物体对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数，如液体、气体的透明度、混浊度，气体的成分、液体中某种物质的含量等。3）反射式光电传感器恒定光源释出的光投射到被测物体上，再从被测物体的表面反射到光电元件上，根据反射的光通量的多少测定被测物体表面性质和状态的设备称为反射式光电传感器。例如，测量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移及表面白度、露点、湿度等。4）透射式（遮光式）光电传感器被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物体阻挡光通量的多少来测定被测参数的设备称为透射式（遮光式）光电传感器。透射式（遮光式）光电传感器将被测对象作为光闸，主要用于测量小孔、狭缝、细丝的直径等。5）时差测距光电传感器恒定光源发出的光投射于目的物，然后反射至光电元件，根据发射与接收之间的时间差测出距离的设备称为时差测距光电传感器。时差测距光电传感器的特例为光电测距仪。2.开关式光电传感器开关式光电传感器利用光电元件受光照或无光照时有无电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号，为此，光电元件的灵敏度要高，对光照特性的线性要求不高。3.7.4光电编码器光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。1.增量式编码器增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。2.绝对式编码器绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。码盘有光电式、接触式和电磁式三种。3.7.5固态图像传感器固态图像传感器是采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元件，常称为电荷耦合器件（chargecoupleddevice，CCD）。1.CCD的工作原理2.CCD的应用3.8霍尔式传感器霍尔式传感器是基于霍尔效应的一种传感器。3.8.1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。1.洛伦兹力的产生霍尔效应的产生是电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。2.电场力的产生3.洛伦兹力与电场力的平衡4.霍尔电压3.8.2霍尔元件的结构及测量电路1.霍尔元件的结构霍尔元件（见图3-134）的结构很简单，由具有霍尔效应的半导体薄片（霍尔片）、电极引线及壳体组成。霍尔片（见图3-135）是一块矩形半导体单晶薄片，在两个相互垂直的侧面上分别引出一对电极，共四个电极。其中，a、b电极用于控制电流，称为控制电极；c、d电极用于引出霍尔电势，称为霍尔电势输出极。在霍尔片外面用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装作为外壳。在电路中，霍尔元件可用两种符号表示，如图3-136所示。图3-135霍尔片图3-134霍尔元件图3-135霍尔片图3-134霍尔元件图3-136霍尔元件的电路符号图3-136霍尔元件的电路符号霍尔元件的测量电路3.8.3霍尔元件的主要特性参数1.额定激励电流和最大允许激励电流霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。2.输入电阻和输出电阻霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。3.不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为IH时，若元件所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。4.寄生直流电势当外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极除了输出交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。3.8.4霍尔元件的误差及其补偿在实际使用中，存在着各种影响霍尔元件精度的因素，即在霍尔电势中叠加着各种误差电势，这些误差电势产生的主要原因有两个：一个是制造工艺的缺陷，另一个是半导体本身固有的特性。不等位电势和温度是造成霍尔元件产生误差的两个主要因素。1.不等位电势补偿2.温度补偿3.8.5霍尔式传感器的应用一是当输入电流恒定不变时，传感器的输出正比于磁感应强度，因此，凡是能转换为磁感应强度B变化的物理量均可进行测量，如位移、角度、转速和加速度等；二是当磁感应强度B保持恒定时，传感器的输出正比于控制电流I的变化，因此，凡能转换为电流变化的物理量均可进行测量；三是霍尔电压正比于控制电流I和磁感应强度B，所以凡是可以转换为乘法的物理量(如功率)都可以进行测量。1.霍尔式位移传感器2.霍尔式汽车点火器3.霍尔式转速传感器4.霍尔计数装置第四章新型传感器原理及应用知识目标：（1）了解激光的特性，了解激光传感器的应用（2）熟悉光纤的结构，光纤传感器的工作原理，光纤传感器的分类（3）掌握智能传感器的基本概念，了解智能传感器实现的途径。教学内容：（1）激光传感器（2）光纤传感器（3）智能传感器（4）4MEMS传感器素质目标：具有较扎实的基本功和良好的职业素养，具有较强的独立工作能力和创新精神教学难点激光的特性，光纤传感器的工作原理教学手段实物演示；教学板书；录像插件；电子课件。教学学时8教学内容与教学过程设计〖知识准备〗4.1激光传感器激光自1960年问世以来，虽然发展历史不长，但发展速度很快，激光技术已经成为近代最重要的科学技术之一，并已广泛应用于工业生产、国防军事、医学卫生和非电量测量等方面。利用激光技术进行测量的传感器，称为激光传感器。它由激光器、激光探测器和测量电路组成。4.1.1激光传感器的工作原理4.1.2激光的特性1.方向性强2.单色性好3.相干性好4.1.3激光器的类型1.固体激光器2.液体激光器3.气体激光器4.半导体激光器4.1.4激光传感器的应用激光技术有着非常广泛的应用，如激光精密机械加工、激光通信、激光音响、激光影视、激光武器和激光检测等。1.激光测距2.激光测速3.激光测长4.激光测厚5.激光测振4.2光纤传感器光纤的全称为光导纤维，是一种导引光波的波导，是一种新的传输介质。光纤通信是以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。4.2.1光纤的结构光纤由纤芯、包层、涂敷层和护套组成1.纤芯和包层纤芯和包层为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用。2.涂敷层和护套涂敷层的材料一般为硅酮或丙烯酸盐，用于隔离杂光。护套的材料一般为尼龙或其他有机材料，用于提高光纤的机械强度，保护光纤。4.2.2光纤传感器的工作原理4.2.3光纤的种类光纤按纤芯和包层材料的性质可分为玻璃光纤和塑料光纤两种；光纤按折射率可分为阶跃型光纤和梯度型光纤两种。4.2.4光纤传感器的分类光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(functionfiberopticsensor)，又称为FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(nonfunctionfiberopticsensor)，又称为NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称为传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此也称为传光型光纤传感器。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，具有十分广泛的应用潜力和发展前景。下面介绍几个光纤传感器的应用实例。1.光纤液位传感器2.热辐射光纤温度传感器3.反射式位移传感器4.2.5光纤传感器的发展趋势4.3智能传感器4.3.1智能传感器概述传感器在经历了模拟量信息处理和数字量交换两个阶段后，正朝着智能化、集成一体化和小型化方向发展，利用微处理机技术使传感器智能化是20世纪80年代新型传感器的一大进展，通常称之为智能传感器。在美国，智能传感器还有一个通俗的名称smartsensor，含有聪明、伶俐、能干的意思。1.智能传感器的概念智能传感器虽然至今未有确切含义，但从字面上看，所谓智能，就是说这种传感器具有一定的人工智能，即用电路代替一部分脑力劳动。2.智能传感器的功能概括来说，智能传感器具有以下主要功能：自校零、自标定、自校正；自动补偿；能够自动采集数据，并对数据进行预处理；能够自动进行检测、自选量程、自寻故障；数据存储、记忆与信息处理；双向通信、标准化数字输出或符号输出；判断、决策处理。3.智能传感器的特点与传统传感器相比，智能传感器具有以下特点：1）精度高2）高可靠性和高稳定性3）高信噪比和高分辨率4）自适应性强5）性能价格比高4.3.2智能传感器实现的途径智能传感器主要有以下两条实现途径：1.非集成化实现2.集成化实现4.3.3智能传感器的发展趋势人工智能材料和智能器件的研究内容主要集中在以下几个方面：微电子学利用微电子学使传感器和微处理器结合在一起实现各种功能的单片智能传感器，仍然是智能传感器的主要发展方向之一。2.微结构微结构(智能结构)是今后智能传感器的重要发展方向之一。3.纳米科学利用生物工艺和纳米技术研制传感器功能材料，以此技术为基础研制分子和原子生物传感器是一门新兴学科，是21世纪的超前技术。4.智能器件原理和智能材料的设计方法完善智能器件原理和智能材料的设计方法，也将是今后所要研究的重要课题。4.4MEMS传感器MEMS是指集微型传感器、执行器及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。4.4.1MEMS技术概述MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件和电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事及人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。4.4.2微加速度计的类型及工作原理常见的微加速度计按热敏原理的不同可以分为压阻式、压电式、电容式、扭摆式和隧道式等类型。1.压阻式微加速度计压阻式微加速度计是由悬臂梁和质量块及布置在梁上的压阻组成的，悬臂梁和质量块常为硅材料。2.压电式微加速度计压电式微加速度计是最早出现的微加速度计。其优点是：结构简单，芯片的制作相对容易，并且接口电路易于实现。其缺点是：温度系数比较大，对温度比较敏感；与采用其他原理的微加速度计相比，其灵敏度比较低，蠕变和迟滞效应比较明显。3.电容式微加速度计电容式微加速度计是最常见的、有成熟产品的微加速度计。其基本原理就是将电容作为检测接口来检测由于惯性力作用导致惯性质量块发生的微位移。4.扭摆式微加速度计扭摆式微加速度计的敏感单元是不对称质量平板，它通过扭转轴与基座相连。基座的上表面有固定电极，不对称质量平板的下表面有相应的运动电极，形成检测电容。5.隧道式微加速度计隧道效应就是平板电极和隧道针尖电极距离达到一定的条件，可以产生隧道电流。4.4.3MEMS技术的研究内容究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：1.理论基础在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（scalingeffects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此，人们有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者共同进行基础研究。2.技术基础MEMS的技术基础可以分为设计与仿真技术、材料与加工技术、封装与装配技术、测量与测试技术、集成与系统技术等方面。3.应用研究人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是解决将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子及兵器等应用领域相结合的问题，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。4.4.4MEMS技术的发展趋势MEMS技术的主要发展趋势有以下几方面：1.研究方向多样化MEMS技术的研究日益多样化。2.加工工艺多样化3.系统单片集成化4.MEMS器件芯片的制造与封装统一考虑5.普通商业应用第五章虚拟仪器测试系统知识目标：（1）了解虚拟仪器的概念，虚拟仪器的系统组成，（2）熟悉信号调理器与数据采集卡（3）掌握软件开发平台LabVIEW应用程序的构成，VI程序设计方法（4）掌握LabVIEW信号的分析与处理（5）了解基于虚拟仪器的测试系统组建实例教学内容：（1）虚拟仪器概述（2）信号调理器与数据采集卡（3）软件开发平台LabVIEW（4）LabVIEW信号的分析与处理（5）基于虚拟仪器的测试系统组建实例素质目标：具有较扎实的基本功和良好的职业素养，具有较强的独立工作能力和创新精神教学难点LabVIEW应用程序的构成、VI程序设计方法、LabVIEW信号的分析与处理教学手段实物演示；教学板书；录像插件；电子课件。教学学时8教学内容与教学过程设计〖章节描述〗虚拟仪器（virtualinstrument，VI）是虚拟技术在仪器仪表领域中的一个重要应用，它是在日益发展的计算机硬件、软件和总线技术向其他技术密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合而产生的一项新成果。〖知识准备〗5.1虚拟仪器概述5.1.1虚拟仪器的概念20世纪中期，美国国家仪器有限公司首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。如果再做进一步说明，那么虚拟仪器是一种以计算机作为仪器统一硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等基本智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器一致，同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成的，因而国际上把这类新型的仪器称为虚拟仪器，有些资料中甚至直接将虚拟仪器称为软件即仪器。5.1.2虚拟仪器的系统组成虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。虚拟仪器包括硬件系统和软件系统两大部分。1.虚拟仪器的硬件系统虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。按照测控功能硬件的不同，虚拟仪器可分为GPIB、VXI、PXI和DAQ四种标准体系结构。2.虚拟仪器的软件系统虚拟仪器技术的核心思想是利用计算机的硬/软件资源，使本来由硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA库、仪器驱动程序和仪器开发软件（应用软件）。5.1.3虚拟仪器的开发平台应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必需的软件工具。目前，较流行的虚拟仪器软件开发环境大致有两类：一类是图形化的编程语言，其中较具代表性的有HPVEE、LabVIEW（laboratoryvirtualinstrumentengineering）等；另一类是文本式的编程语言，如C、VisualC++、LabWindows/CVI等。1.LabVIEWLabVIEW是美国国家仪器有限公司研制的图形编程虚拟仪器系统，该系统主要包括数据采集、数据控制、数据分析和数据表示等功能。2.LabWindows/CVILabWindows/CVI也由美国国家仪器有限公司研制，其功能与LabVIEW基本相同，不同之处在于它可用C语言对虚拟仪器进行编程。3.VisualC++VisualC++是微软公司开发的可视化软件开发平台。使用VisualC++作为虚拟仪器的开发平台，一般有以下四个步骤：（1）开发A/D插卡的驱动程序，完成数据采集功能。（2）开发虚拟仪器的面板，以供用户交互式操作。（3）开发虚拟仪器的功能模块，完成虚拟仪器的各项功能。（4）有机地集成前三步功能，构建一个界面逼真、功能强大的虚拟仪器。5.2信号调理器与数据采集卡5.2.1信号调理器与数据采集卡概述振荡器提供时钟信号。量程变换电路的作用是避免放大器饱和而选择不同的测量范围。滤波器滤除干扰信号和不满足采样条件的信号，提取代表被测物理量的有效信号。放大器将待采集的信号放大（或衰减）至采样环节的量程范围内。通常，放大器的增益是可调或具有多种不同增益倍数的，用户可根据输入信号幅值的不同，选择最佳的增益倍数。采样保持器在时钟信号的作用下，锁存某一瞬时的电压值并保持信号幅值不变直到下一个时钟信号。采样保持器主要用于使多通道采集时各通道保持同步或相位差比较小。多路开关将各路被测信号轮流切换到信号调理和数据采据模块，实现多路信号的采集。A/D转换器将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。目前，市场上有很多A/D转换芯片中集成了多路采样保持器。5.2.2信号调理器从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励和线性化等。5.2.3数据采集卡1.数据采集卡的功能一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器等，这些功能分别由相应的电路来实现。5.3软件开发平台LabVIEWLabVIEW被工业界、学术界和研究实验室广泛接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW不仅集成了满足GPIB、VXI、RS232和RS486协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，而且内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且使用灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，LabVIEW的图形化界面使得编程过程和使用过程都生动有趣。5.3.1LabVIEW应用程序的构成所有的LabVIEW应用程序，即VI，都包括前面板（frontpanel）、流程图（blockdiagram）和图标/连接器(icon/connector)三部分。1.前面板前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现为开关、旋钮、图形及其他控制（control）对象和显示（indicator）对象。2.流程图流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入功能和输出功能。3.图标/连接器VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子程序，这里称为子VI（subVI），被其他VI调用。5.3.2LabVIEW的操作模板在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具模板（toolspalette）、控制模板（controlpalette）和函数模板(functionspalette)，这些模板集中反映了该软件的功能与特征。1.工具模板工具模板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。2.控制模板控制模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。3.函数模板函数模板是创建流程图程序的工具。5.3.3VI程序设计方法1.设计前面板使用“工具模板”中的相应工具从“控制模板”中取出所需控件，放置到开发前面板窗口中的具体位置上，然后进行控件属性参数设置，标注文字标签说明。2.设计流程框图使用“工具模板”中的相应工具从“函数模板”中取出所需结点函数图标，放置到流程框图窗口中，再用连线工具把各结点端子按程序数据流的要求依次连接。3.运行调试（1）方针运行方式。该运行方式不需要I/O接口硬件设备的配合即可达到预期功能的调试。（2）实测调试运行方式。该运行方式需要使用I/O接口硬件设备采集输入标准信号来检验虚拟仪器的功能。5.4LabVIEW信号的分析与处理LabVIEW的软件库包括数值分析、信号处理、曲线拟合及其他软件分析功能。该软件库是建立虚拟仪器系统的重要工具，其除了具有数学处理功能外，还具有专为仪器工业设计的独特的信号处理与测量功能。5.4.1信号的产生LabVIEW8.6提供了波形函数，为制作函数发生器提供了方便。5.4.2FFT变换信号的时域显示（采样点的幅值）可以通过离散傅里叶变换（discretefouriertransform，DFT）的方法转换为频域显示。为了快速计算DFT，通常采用一种快速傅里叶变换(fastfouriertransform，FFT)的方法。当信号的采样点数是2的幂时，就可以采用这种方法。5.4.3窗函数计算机只能处理有限长度的信号，原信号x(t)要以T(采样时间或采样长度)截断，即有限化。有限化也称为加“矩形窗”或“不加窗”。矩形窗将信号突然截断，这在频域中造成很宽的附加频率成分，这些附加频率成分在原信号x(t)中其实是不存在的。一般将这一问题称为有限化带来的泄漏问题。泄漏使得原来集中在f0上的能量分散到全部频率轴上。泄漏带来许多问题，如使频率曲线产生许多“皱纹（ripple）”，较大的皱纹可能与小的共振峰值混淆；信号为两幅值一大一小频率很接近的正弦波合成，幅值较小的一个信号可能被淹没；f0附近的曲线过于平缓，无法准确确定f0的值。为了减少泄漏，人们尝试用过渡较为缓慢的、非矩形的窗函数。5.4.4数字滤波器模拟滤波器设计是电子设计中最重要的部分之一，但是滤波器的设计通常还是需要专家来完成，因为这项工作需要较高深的数学知识和对系统与滤波器之间的关系有深入的了解。现代的数字采样和信号处理技术已经可以取代模拟滤波器，转而设计数字滤波器。与模拟滤波器相比，数字滤波器具有以下优点：可以用软件编程；稳定性高，可预测；不会因温度、湿度的影响产生误差；很高的性能价格比。5.5基于虚拟仪器的测试系统组建实例5.5.1测试系统硬件1.压电式加速度传感器2.信号调理设备3.数据采集设备5.5.2测试系统软件其中的数据采集、数字滤波和故障分析三个模块进行说明。1.数据采集数据采集是借助于DAQAsstistant（DAQ助手）来实现数据的连续采集。2.数字滤波数字滤波器是数字信号分析中重要的组成部分。3.故障分析1）时域分析2）频域分析3）幅值域分析第六章信号分析基础知识目标：（1）了解信号的概念、类型（2）熟悉信号的时域分析、幅值域分析、频域分析（3）了解信号的相关分析，掌握卷积及卷积定理教学内容：（1）信号的概念及其描述方法（2）信号的类型（3）信号分析中的常用函数（4）信号的时域分析（5）信号的幅值域分析（6）信号的频分析（7）信号的相关分析（8）卷积及卷积定理（9）时频联合分析方法教学难点信号的频域分析教学手段实物演示；教学板书；录像插件；电子课件。教学学时18教学内容与教学过程设计〖章节描述〗物质、能量和信息是人类社会与自然界的三大支柱，是科学历史上三个最重要的概念。当前人类正逐渐进入信息社会，获取、传输、交换和利用信息已成为人类基本的社会活动。根据一定的理论、方法并采用适当的手段和设备，对信号进行变换与处理的过程称为信号分析。信号分析使人们能够从被测对象中获得有用信息。〖知识准备〗6.1信号的概念及其描述方法6.1.1信号的概念信号既可以指一个实际的物理量（最常见的是电量），也可以是一个数学上的“函数”或“序列”。例如，x(t)=Asinωt，它既是正弦信号，也是正弦函数；而数字化了的语音信号序列x(n)，则是蕴含了人类语音信息的语音信号，同时在数学上也可看成一个序列。在信号理论中，信号和函数是通用的。现实世界中的信号有两种：一种是自然和物理信号，如语音信号、图像信号、振动信号、地震信号和生理信号等；另一种是人工产生的信号经自然的作用和影响而形成的信号，如雷达信号、通信信号、医用超声信号和机械探伤信号等。不管是哪种形式的信号，它总是蕴含一定的信息。例如，图像信号中含有丰富的图像信息，包括物体、颜色、明暗等。又如，人们通过研究地震波信号，可以推断出震源、震级等信息。因此，信号与信息有着密切的联系，概括起来有以下几点：（1）信号是物理量或函数。（2）信号是信息的表现形式（载体），信息则是信号的具体内容。（3）信号不是信息，必须对信号进行分析后才能从中提取信息，这是学习和应用信号分析的根本目的。6.1.2信号的描述方法信号既可以用数学解析式来描述，也可以用图形来表示。6.2信号的类型为了深入了解信号的物理实质，对其进行分类研究是非常必要的。信号的分类方法有很多，可以从不同的角度对信号进行分类。例如，按照信号的实际用途，信号可以分为广播信号、电视信号、雷达信号、控制信号、通信信号和遥感信号等；按照信号所具有的时间函数特性，信号可以分为确定性信号和非确定性信号、能量信号和功率信号、时限信号和频限信号、连续时间信号和离散时间信号等。应该注意的是，信号分类的根本目的是便于对信号进行描述、分析和应用。下面主要介绍按信号所具有的时间函数特性划分的各种信号的定义和特性。6.2.1确定性信号和非确定性信号1.确定性信号若信号可以表示为一个确定的时间函数，则可确定其在任何时刻的量值，这种信号称为确定性信号。1）周期信号周期信号是指按一定的时间间隔周而复始重复出现、无始无终的信号。2）非周期信号非周期信号是指不具有周期重复特性的信号，其往往具有瞬变性，或在一定时间区间内存在，或随时间的增长而衰减至零。2.非确定性信号非确定性信号也称为随机信号，它是一种不能准确预测其未来瞬时值，也无法用数学关系式来描述的信号，其幅值、相位变化是不可预知的，其所描述的物理现象是一种随机过程。6.2.2能量信号和功率信号1.能量信号在非电量测量中，常把被测信号转换为电压信号和电流信号来处理。功率信号若信号在区间（-∞，∞）的能量是无限的，即但它在有限区间（t1，t2）的平均功率是有限的，即则称这种信号为功率有限信号或功率信号。6.2.3时限信号和频限信号1.时限信号时限信号在时域有限区间（t1，t2）内定义，而其外恒等于零，如矩形脉冲、三角脉冲和余弦脉冲等。若信号在时域无穷区间内定义，则称之为时域无限信号。前面所述的周期信号、指数衰减信号和随机信号等都是时域无限信号。2.频限信号与时限信号的定义类似，频限信号在频域内占据一定的带宽（f1，f2），而其外恒等于零，如正弦信号、sinc(t)和限带白噪声等。若信号在频域内的带宽延伸至无穷区间，则称之为频域无限信号。一个信号不可能在时域和频域上都是有限的。6.2.4连续时间信号和离散时间信号按信号函数表达式中的独立变量取值是连续的还是离散的，可将信号分为连续信号和离散信号。1.连续时间信号在所讨论的时间间隔内，对任意时间值，除若干个第一类间断点外，都可给出确定的函数值，此类信号称为连续时间信号或模拟信号。2.离散时间信号离散时间信号又称为时域离散信号或时间序列。它是在所讨论的时间区间内，在所规定的不连续的瞬时给出的函数值。6.3信号分析中的常用函数6.3.1正弦信号正弦信号在工程技术中的应用十分广泛（余弦信号也可称为正弦信号），是信号分析中有着重要作用的最基本的周期信号。6.3.2单位冲激信号自然界中常有这样的现象:某个动作只发生在一个很短的瞬间，而在其他时刻没有任何动作。6.3.3单位阶跃函数单位阶跃函数表示为单位阶跃序列定义为单位阶跃序列u(n)、单位延时u(n－1)、k延时u(n－k)分别如图6-5（a）、（b）、（c）所示。图6-5单位阶跃序列显然，单位阶跃序列与单位脉冲序列之间的关系为或6.3.4sinc(t)函数sinc(t)函数又称为闸门函数、滤波函数或内插函数，在许多场合下频繁出现。6.4信号的时域分析信号的时域分析是指根据信号的时间历程记录波形，分析信号的组成和特征量。对信号进行时域统计分析，可以求得信号的均值、均方值和方差等参数。1.均值均值E［x(t)］表示集合平均值或数学期望值，用μx表示。基于随机过程的各态历经性，均值可用时间间隔T内的幅值平均值表示，即均值表达了信号变化的中心趋势，或称为直流分量。2.均方值信号x(t)的均方值E［x2(t)］，或称为平均功率ψx2，其表达式为ψx称为均方根值。在电信号中,均方根值又称为有效值。3.方差信号x(t)的方差的表达式为σx2描述了信号的波动量，反映了信号围绕均值的波动程度。σx称为均方差或标准差。可以证明，σx2、ψx2和μx2有以下关系：ψx2=σx2+μx2(6-20）显然，σx2对应电信号中交流成分的功率；μx2描述了信号的静态量，对应电信号中直流成分的功率。4.波形图通过时域波形图（见图6-7）可以对信号的周期T、峰值P、峰峰值Pp-p等进行分析。例如，对索道缆绳的应力进行检测，通过应力时域波形图进行超门限报警，即应力峰值达到某个临界值时报警。图67时域波形图6.5信号的幅值域分析1.概率密度函数2.概率分布函数3.直方图分析6.6信号的频域分析对于时域中难以分析的信号，通常可以先把它从时域变换到某种变换域，然后在变换域中进行分析，这是信号分析的重要方法之一。信号的正交函数分解分析方法是一种信号的变换域方法。若用三角函数集或复指数函数集作为正交函数集，则称这种分析方法为傅里叶分析方法，该方法因法国数学家傅里叶（J.Fourier）于1822年提出并证明的“周期函数展开为正弦级数的原理”而得名。傅里叶分析方法是一种频域分析方法，它包括用于对周期信号进行频域分析的傅里叶变换分析。傅里叶分析方法在信号分析中有非常重要的地位，多少年来,不断有人对其进行发展和应用，使之成为信息科学与技术领域中应用最广泛的分析方法，同时它也是其他许多变换方法的基础。1965年提出并实现的快速傅里叶变换（fastfouriertransform，FFT）为这一数学工具赋予了新的生命力。事实上，由于正弦信号和余弦信号都是单一频率信号，因而傅里叶分析可以看成是按频率对信号进行分解的一种方法。本节将从特殊情形——周期函数的傅里叶级数展开出发，通过使周期函数的周期逼近无穷大，引出非周期函数的傅里叶分析方法——傅里叶变换，最后借助周期冲激序列的t傅里叶变换导出周期函数的傅里叶变换，并最终把周期函数和非周期函数统一在傅里叶变换的框架之下。6.6.1频域分析中的基本概念1.频率单位时间内完成振动的次数称为频率（物理学上，则是物质在1s内完成周期性变化的次数）。频率是描述振动物体往复运动频繁程度的量，常用符号f或ω表示。2.分解与合成为了便于信号的分析处理，可从不同角度将信号分解为简单信号的叠加，即信号的分解与合成。1）直流分量与交流分量2）正交函数分量6.6.2周期信号与离散频谱1.傅里叶级数与周期信号的分解任何周期信号只要满足狄里赫利条件，即在一个周期内，函数具有：有限个间断点且这些点的函数值是有限值、有限个极值点、函数绝对可积，则可将该函数分解为正交函数线性组合的无穷级数。若正交函数集是三角函数集或指数函数集，则分解的级数为傅里叶级数，分别称之为三角函数形式的傅里叶级数和指数函数形式的傅里叶级数。2.周期信号的频谱周期信号的波形不同，其展开式中包含的谐波结构也不同。在实际工作中，为表征不同信号的波形，时常需要画出各次谐波分量的频谱。从周期信号x(t)的傅里叶级数展开式可以看出An、φn和ω0是描述周期信号谐波组成的三个基本要素。将An、φn分别称为信号x(t)的幅值谱和相位谱，由于n值取正