机械工程测试基础第三版全套课件 熊诗波 黄长艺.pptx

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1、机械工程测试基础全套课件机械工程测试基础全套课件机械工程测试基础全套课件机械工程测试基础全套课件熊诗波熊诗波熊诗波熊诗波 黄长艺黄长艺黄长艺黄长艺第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识第一节第一节 测试技术概况测试技术概况3 3测试技术是测量和实验技术的统称。静态测量是指不随时间变化的物理量的测量。动态测量是指随时间变化的物理量的测量。第一节第一节 测试技术概况测试技术概况一、测试和测量系统一、测试和测量系统一、测试和测量系统一、测试和测量系统工程测量可分为静态测量和动态测量。4 4测量系统的用途如图0-1所示。第一节第一节 测试技术概况测试技术概况一、测试和测量系统一、测试和测量系统一、

2、测试和测量系统一、测试和测量系统图0-15 5测量系统的一般构成如图0-2所示第一节第一节 测试技术概况测试技术概况一、测试和测量系统一、测试和测量系统一、测试和测量系统一、测试和测量系统图0-26 61.新原理新技术在测试技术中的应用3.计算机测试系统与虚拟仪器的应用第一节第一节 测试技术概况测试技术概况二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况2.新型传感器的出现各种物理效应、化学效应、微电子技术，甚至生物学原理在工程测量中得到广泛应用,使得可测量的范围在不断扩大，测量精度和效率得到很大提高。包括新型传感器的出现、传感器性能的提高,还包括功能的

3、增强、集成化程度的提高以及小型、微型化等。传感器网络及仪器总线技术、Intemet网与远程测试、测试过程与仪器控制技术,以及虚拟仪器及其编程语言等的发展都是现代工程测试技术发展的重要方面。7 7测试技术是测量和实验技术的统称。本课程的研究对象是机械工程领测试技术是测量和实验技术的统称。本课程的研究对象是机械工程领域与设计有关的试验、控制和运行监测中涉及到物理量及其他工程量域与设计有关的试验、控制和运行监测中涉及到物理量及其他工程量的测量和测量装置与系统的性能，包括物理量和其他工程量的测量方的测量和测量装置与系统的性能，包括物理量和其他工程量的测量方法、测试中常用的传感器、信号调理电路及记录、显

4、示仪器的工作原法、测试中常用的传感器、信号调理电路及记录、显示仪器的工作原理，测量装置基本特性的评价方法、测试信号的分析和处理。理，测量装置基本特性的评价方法、测试信号的分析和处理。第一节第一节 测试技术概况测试技术概况三、课程的主要环节和本书概要三、课程的主要环节和本书概要三、课程的主要环节和本书概要三、课程的主要环节和本书概要8 81.量值第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识一、量与量纲一、量与量纲一、量与量纲一、量与量纲量值是用数值和计量单位的乘积来表示的。量值的数值就是被测量与计量单位之比值。2.基本量和导出量在国际单位（SI）制中，基本量约定为：长度、质量、时间、温度、电流、发

5、光强度和物质的量等七个量。他们的量纲分别为：L、M、T、I、N和J表示。3.量纲和量的单位量纲代表一个实体的确定特征。量纲单位是该实体的量化基础。9 91.基本单位第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识二、法定计量单位二、法定计量单位二、法定计量单位二、法定计量单位根据国际单位制（SI），七个基本量的单位分别是：长度米（Metre）、质量千克（Kilogram）、时间秒（Second）、温度开尔温（Kelvn）、电流安培（Ampere）、发光强度坎德拉（Candela）、物质的量摩尔（Mol）。2.辅助单位3.导出单位在国际单位制中，平面角的单位弧度和立体角的单位球面度未归入基本单位或导出

6、单位，而称之为辅助单位。在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或者相除所构成的单位称为导出单位。1010第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识三、测量、计量、测试三、测量、计量、测试三、测量、计量、测试三、测量、计量、测试测量（Measurement）是指以确定被测量对象的量值为目的而进行的实验过程。如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被称为计量。测试（Measurement and test）是指具有实验性质的测量，或测量和试验的综合。1111第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识四、基准和标准四、基准和标准四、基准和标准四、基准和标准 基

7、准是用来保存、复现计量单位的计量器具。计量标准是指用于检定工作计量器具的计量器具。1212第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识五、量值的传递和计量器具检定五、量值的传递和计量器具检定五、量值的传递和计量器具检定五、量值的传递和计量器具检定通过对计量器具实施检定或校准，将国际基准所复现的计量单位量值经过各级计量标准传递到工作计量器具，以保证被测对象量值的准确和一致。计量器具检定是指为评定计量器具的计量特性，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。1313第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识六、测量方法六、测量方法六、测量方法六、测量方法无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测

8、值的测量。如温度计测水温、卷尺测量靶距等。1.直接测量2.间接测量3.组合测量在直接测量值的基础上，根据已知函数关系，计算出被测量的量值的测量。如通过测定某段时间内火车运动的距离来计算火车运动的平均速度就是间接测量。将直接测量值或间接测量值与被测量值之间按已知关系组合成一组方程，通过解方程组得到被测值的方法。1414第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识七、测量装置七、测量装置七、测量装置七、测量装置它是直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件。1.传感器2.测量变换器3.检测器 提供与输入量有给定关系的输出量的测量器件。用以指示某种特定量的存在而不必提供量值

9、的器件或物质。4.测量器具的示值 由测量器具所指示的被测量值。5.准确度等级 用来表示测量器具的等级或级别。1515第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识七、测量装置七、测量装置七、测量装置七、测量装置 标称范围也称为示值范围。测量器具标尺范围所对应的被测量示值范围。6.标称范围7.量程8.测量范围 标称范围的上下限之差的模。在测量器具的误差处于允许极限内的情况下，测量器具所能测量的被测量值的范围。9.漂移测量器具的计量特性随时间的慢变化。1616第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识八、测量误差八、测量误差八、测量误差八、测量误差测量结果与被测量真值之差称为测量误差，即：测量误差=测

10、量结果真值 1.测量误差定义2.误差的分类3.误差表示方法（1）系统误差（2）随机误差（3）粗大误差 （1）绝对误差：是一个量纲、单位和被测量一样的量。可用公式表示，相对误差=误差真值 （2）相对误差：相对误差=误差真值1717第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识八、测量误差八、测量误差八、测量误差八、测量误差3.误差表示方法（3）应用误差：计量器具的绝对误差与引用值之比。（4）分贝误差：一种特殊形式的相对误差。在数值上与相对误差有着一定的关系。测量误差和其分布特征量的关系如图0-3图0-31818第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识九、测量精度和不确定度九、测量精度和不确定度九、

11、测量精度和不确定度九、测量精度和不确定度表示测量结果中随机误差大小的误差；也是指在一定条件下测量结果中所有系统误差的综合。1.测量精密度2.测量正确度3.测量准确度表示测量结果中系统误差的大小程度，它反映了在规定条件下进行多次测量时所得结果彼此符合的程度。不能将精密度简称为精度。表示测量结果中系统误差大小的程度，它反映了在规定条件下测量结果中所有系统误差的综合。表示对被测量真值所处量值范围的评定。4.测量不确定度1919第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识十、测量器具的误差十、测量器具的误差十、测量器具的误差十、测量器具的误差它是指测量器具的示值与被测量真值之差。1.测量仪器的示值误差

12、2.基本误差 3.允许误差指测量仪器在标准条件下所具有的误差，也称为固有误差。指技术标准、检定规程等对测量仪器所规定的允许的误差极限值。表示对被测量真值所处量值范围的评定。4.测量不确定度2020第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识十、测量器具的误差十、测量器具的误差十、测量器具的误差十、测量器具的误差测量器具的重复性是指在规定的使用条件下，测量器具重复接受相同的输入，并给出非常相似输出的能力。测量器具的重复性误差就是测量器具造成的随机误差分量。5.测量器具的重复性和重复性误差 6.回程误差7.误差曲线回程误差也称为滞后误差，是指在相同条件下，被测量值不变。测量器具形成方向不同时，其示值

13、之差的绝对值。表示测量器具误差与被测量之间的函数关系的曲线。表示被测量的实际值与测量器具示值之间函数关系的曲线。8.校准曲线2121第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识十一、测量结果的表示方式十一、测量结果的表示方式十一、测量结果的表示方式十一、测量结果的表示方式误差分析和数据处理的基础是概率统计学。为了正确理解关于数据处理的讨论，回顾概率统计学的某些概念并把它们和测量联系起来是必要的。1.回顾某些概率统计学的概念2.测量数据的概率分布3.测量结果的表达方式测量过程中有许多因素会造成误差，测量数据往往还会由于意外原因出现异常值。为了不使它们影响测量结果的准确度，应该运用概率分析和现场分析

14、的办法来剔除它们。测量结果=样本平均值不确定度第一节 信号的分类与描述第三节 瞬变非周期信号与连续频谱第四节 随机信号第二节 周期信号与离散频谱23231.确定性信号与随机信号第一节 信号的分类与描述一、信号的分类一、信号的分类一、信号的分类一、信号的分类周期信号：是按一定时间间隔周而复始重复出现，无始无终的信号。（1）周期信号例如，几种参量的单自由度振动系统（见图1-1）图1-124241.确定性信号与随机信号第一节 信号的分类与描述一、信号的分类一、信号的分类一、信号的分类一、信号的分类确定信号中那些不具有周期重复性的信号称为非周期信号。其图形如图1-2所示。（2）非周期信号图1-2252

15、52.连续信号和离散信号第一节 信号的分类与描述一、信号的分类一、信号的分类一、信号的分类一、信号的分类若信号数学表示式中的独立变量取值是连续的，则称为连续信号。如图1-3a所示。若独立变量取离散值，则称为离散信号。如图1-3b所示。图1-326263.能量信号和功率信号第一节 信号的分类与描述一、信号的分类一、信号的分类一、信号的分类一、信号的分类当电压信号满足一定条件时：则认为信号的能量是有限的，并称之为能量有限信号。简称能量信号。若信号在区间（-，）的能量是无限的，但它在有限区间的平均功率是有限的。这种信号称为功率有限信号，或功率信号。2727 第一节 信号的分类与描述二、信号的时域描述

16、和频域描述二、信号的时域描述和频域描述二、信号的时域描述和频域描述二、信号的时域描述和频域描述直接测试或记录到的信号，一般是以时间为独立变量的，称其为信号的时域描述。如图1-4所示。图1-42828第一节 信号的分类与描述二、信号的时域描述和频域描述二、信号的时域描述和频域描述二、信号的时域描述和频域描述二、信号的时域描述和频域描述图1-5表示的周期方波的时域图形、幅频谱和相频谱三者之间的关系。图1-52929第二节 周期信号与离散频谱一、傅里叶级数的三角函数展开式一、傅里叶级数的三角函数展开式一、傅里叶级数的三角函数展开式一、傅里叶级数的三角函数展开式在有限区间内，凡满足狄里赫利条件的周期函

17、数都可以展开称傅里叶级数。周期性三角函数的傅里叶级数如图1-6所示。图1-63030第二节 周期信号与离散频谱一、傅里叶级数的三角函数展开式一、傅里叶级数的三角函数展开式一、傅里叶级数的三角函数展开式一、傅里叶级数的三角函数展开式周期性三角波的频谱图如图1-7所示。图1-73131有关负频率的说明如图1-8所示。第二节 周期信号与离散频谱二、二、二、二、傅里叶级数的复指数函数展开式傅里叶级数的复指数函数展开式傅里叶级数的复指数函数展开式傅里叶级数的复指数函数展开式图1-83232第二节 周期信号与离散频谱二、二、二、二、傅里叶级数的复指数函数展开式傅里叶级数的复指数函数展开式傅里叶级数的复指数

18、函数展开式傅里叶级数的复指数函数展开式正、余弦函数的频谱图如图1-9所示。图1-93333第二节 周期信号与离散频谱二、二、二、二、傅里叶级数的复指数函数展开式傅里叶级数的复指数函数展开式傅里叶级数的复指数函数展开式傅里叶级数的复指数函数展开式周期信号的频谱具有三个特点：1）周期信号的频谱是离散的。2）每条频谱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）各频率分量的谱线高度表示该谐波的幅值或相位角。3434周期信号的强度以峰值、绝对均值、有效值和平均功率来表述。第二节 周期信号与离散频谱三、周期信号的强度表述三、周期信号的强度表述三、周期信号的强度表述三、周期信号的强度表述3

19、535第三节 瞬变非周期信号与连续频谱通常所说的非周期信号是指瞬变非周期信号如图1-11所示。图1-11a为矩形脉冲信号，图1-11b为指数衰减信号，图1-11c为衰减振荡，图1-11d为单一脉冲。图1-11一、傅里叶变换一、傅里叶变换一、傅里叶变换一、傅里叶变换3636第三节 瞬变非周期信号与连续频谱一、傅里叶变换一、傅里叶变换一、傅里叶变换一、傅里叶变换 图1-11 非周期性信号3737求矩形窗函数的频谱，函数如图1-12所示。第三节 瞬变非周期信号与连续频谱一、傅里叶变换一、傅里叶变换一、傅里叶变换一、傅里叶变换图1-123838sinc的图像如图1-13所示。第三节 瞬变非周期信号与连

20、续频谱一、傅里叶变换一、傅里叶变换一、傅里叶变换一、傅里叶变换图1-1339391.奇偶虚实性第三节 瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质 一般X(f)是实变量f的复变函数。它可以写成一个信号的时域描述和频域描述依靠傅里叶变换来确立彼此一一对应的关系。40402.对称性第三节 瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质对称性举例如图1-14所示。图1-1441413.时间尺度改变特性第三节 瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要

21、性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质时间尺度改变特性举例如图1-15所示。图1-1542424.时移和频移特性第三节 瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质在时域中信号沿时间轴平移一常值t0时，则在频域中信号沿频率轴平移一常值f0时，则43435.卷积特性第三节 瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质44446.微分和积分特性第三节 瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变

22、换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质二、傅里叶变换的主要性质45451.矩形窗函数的频谱第三节 瞬变非周期信号与连续频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱矩形窗函数的频谱如图1-12所示。图1-1246462.函数及其频谱第三节 瞬变非周期信号与连续频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱矩形脉冲与函数如图1-16所示。图1-1647472.函数及其频谱第三节 瞬变非周期信号与连续频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱函数与其他函数的卷

23、积如图1-17所示。图1-1748483、正、余弦函数的频谱密度函数第三节 瞬变非周期信号与连续频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱正、余弦函数及其频谱如图1-19所示。图1-1949494、周期单位脉冲序列的频谱第三节 瞬变非周期信号与连续频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱周期单位脉冲序列及其频谱如图1-20所示。图1-205050第四节 随机信号一、概述一、概述一、概述一、概述随机信号是不能用确定的数学关系式来描述的，不能预测其未来的任何瞬时值。任何一次观测值只代表在其变动范围

24、中可能产生的结果之一，但其值的变动服从统计规律。随机过程与样本函数如图1-21所示。图1-215151第四节 随机信号二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主要特征参数1）均值、方差和均方值2）概率密度函数3）自相关函数4）功率谱密度函数52521、均值、方差和均方值第四节 随机信号二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主要特征参数均值表示信号的常值分量方差描述随机信号的波动分量。均方值描述随机信号的强度。53532、概率密度函数第四节 随机信号二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主

25、要特征参数二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主要特征参数随机信号的概率密度函数是表示信号幅值落在指定区间的概率。如图1-22所示。图1-2254542、概率密度函数第四节 随机信号二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主要特征参数二、随机信号的主要特征参数常见的四种随机信号如图1-23所示。图1-235555第四节 随机信号三、三、三、三、样本参数、参数估计和统计采样误差样本参数、参数估计和统计采样误差样本参数、参数估计和统计采样误差样本参数、参数估计和统计采样误差对于时间平均估计来说，随机误差还与信号的频带宽度的平方根成反比，信号频带愈宽，愈容易获得误差小的

26、估计。估计值的统计采样误差如图1-24所示。图1-24第一节 概述第三节 测量装置的动态特性第四节 测试装置对任意输入的影响第五节 实现不失真测量的条件第二节 测量装置的静态特性第六节 测量装置动态特性的测量第七节 负载效应第八节 测量装置的抗干扰57571.测量装置的静态特性第一节 概述测量装置的静态特性是通过某种意义的静态标定过程来确定的。静态标定过程如图2-1所示。图2-15858测量装置的静态标定如图2-2所示。第一节 概述图2-259592.标准和标准传递第一节 概述用来定量变量的仪器和技术统称为标准。标准传递如图2-3所示。图2-360603.测量装置的动态特性第一节 概述4.测量

27、装置的负载特性当被测量即输入量随时间快速变化时，测量输入与相应输出之间动态关系的数学描述。测量装置或测量系统：是由传感器、测量电路、前置放大、信号调理、直到数据存储或显示等环节组成。当传感器安装到被测物体上或进入被测介质：要从物体与介质中吸收能量或产生干扰，使被测物理量偏离原有的数值，从而不可能实现理想的测量，这种现象称为负载效应。5.测量装置的抗干扰性测量装置在测量过程中要受到各种干扰：包括电源干扰、环境干扰和信道干扰。6161线性度是指测量装置输入、输出之间的关系与理想比例关系的偏离程度。如图2-4a、b所示。第二节 测量装置的静态特性一、线性度图2-46262灵敏度定义为单位输入变化所引

28、起的输出的变化，通常使用理想直线的斜率作为测量装置的灵敏度值，如图2-4b所示。第二节 测量装置的静态特性二、灵敏度图2-46363回程误差也称为迟滞，是描述测量装置同输入变化方向有关的输出特性。如图2-5中曲线所示。第二节 测量装置的静态特性三、回程误差图2-56464第二节 测量装置的静态特性四、分辨力引起测量装置的输出值产生一个可察觉变化的最小输入量变化值称为分辨力。6565零点漂移是测量装置的输出偏离原始零点的距离，如图2-6所示。第二节 测量装置的静态特性五、零点漂移和灵敏度漂移图2-666661.传递函数（3）对于实际的物理系统，输入x(t)和输出y(t)都具有各自的量纲第三节 测

29、量装置的动态特性一、动态特性的数学描述（1）H（s）与输入x(t)及系统的初始状态无关，它只表达系统的传输特性传递函数的特点（2）H（s）是物理系统的微分方程（4）H（s）中的分母取决于系统的结构。67672.频率响应函数脉冲响应函数可视为系统特性的时域描述。第三节 测量装置的动态特性而传递函数是在复数域中来描述系统的特性，比在时域中用微分方程来描述系统特性有许多优点。频率响应函数是在频率域中描述系统特性。3.脉冲响应函数一、动态特性的数学描述68681.一阶系统第三节 测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性图2-9所示的三种装置分属于力学、电学、热学范畴的装置，但它们均属于一阶系统，均可

30、用一阶微分方程来描述。一阶系统的输入、输出关系用一阶微分方程来描述。图2-96969一阶系统的伯德图如图2-10所示。第三节 测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性图2-107070奈奎斯特图如图2-11所示。第三节 测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性图2-117171以无量纲系数为横坐标所绘制的幅、相频率特性曲线如图2-12所示。第三节 测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性图2-127272一阶系统的脉冲响应函数如图2-13所示。第三节 测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性图2-1373732.二阶系统第三节 测量装置的动态特性二阶系统可用二阶微分方程式来描述。图2-

31、14为二阶系统的三种实例。二、一阶、二阶系统的特性图2-147474二阶系统的幅频、相频特性曲线如图2-15所示。第三节 测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性图2-157575右图为伯德图。第三节 测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性7676右图为奈奎斯特图所示。第三节 测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性7777工程控制学指出：输出y（t）等于输入x（t）和系统的脉冲响应函数h（t）的卷积。即y（t）=x（t）*h（t）第四节 测试装置对任意输入的影响一、系统对任意输入的响应7878一、二阶系统在单位阶跃输入（图2-19）第四节 测试装置对任意输入的影响二、系统对单位阶跃输

32、入的响应图2-197979一阶系统的单位阶跃响应如下图所示第四节 测试装置对任意输入的影响二、系统对单位阶跃输入的响应8080二阶系统的单位阶跃响应（1s者，称为过压和欠压噪声。供电电压跳变的持续时间t1ms者称为尖峰噪声。92922.供电系统的抗干扰第八节 测量装置的抗干扰二、供电系统干扰及其抗干扰供电系统常采用的几种抗干扰措施：（1）交流稳压器（2）隔离稳压器（3）低通滤波器（4）独立功能块单独供电。合理的供电系如下所示。93931.信道干扰的种类第八节 测量装置的抗干扰三、信道通道的干扰及其抗干扰（1）信道通道元器件噪声干扰（2）信号通道中信号的窜扰（3）长线传输干扰2.信道通道的抗干扰

33、措施（1）合理选用元器件和设计方案（2）印制电路板设计时元器件排放要合理（3）在有一定传输长度的信号输出中，尤其是数字信号的传输可采用 光耦合隔离技术、双绞线传输。94941.单点接地第八节 测量装置的抗干扰四、接地设计单点接地如图2-30所示图2-3095952.串联接地第八节 测量装置的抗干扰串联接地如图2-31所示四、接地设计图2-3196963.多点接地第八节 测量装置的抗干扰多点接地如图2-32所示四、接地设计图2-3297974.模拟地和数字地第八节 测量装置的抗干扰模拟地和数字地如图2-33所示。四、接地设计图2-33第一节 常用传感器分类第四节 磁电、压电与热电式传感器第五节

34、光电传感器第二节 机械式传感器及仪器第六节 光纤传感器第七节 半导体传感器第八节 红外测试系统第九节 激光测试传感器第十节 传感器的选用原则第三节 电阻、电容与电感式传感器9999第一节 常用传感器分类传感器有很多分类的方法。按被测物理量的不同，可以分为移位传感器、力传感器、温度传感器等；按传感器的工作原理的不同，可分为机械传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等；按信号变换特征也可以概括分为物性传感器与结构型传感器；根敏感元件与被测对象之间的能量关系，也可分为能量转换型传感器与能量控制型传感器；按输出信号分类，可分为模拟式传感器和数字型传感器等。能量控制型传感器，也称有源传感器，是

35、从外部供给能量使传感器工作的（见图3-1），并且由被测量来控制外部供给能量的变化。图3-1100100第一节 常用传感器分类电容型伺服式加速度计，实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统，如图3-2所示。图3-2101101被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。第二节 机械式传感器及仪器仪表典型机械式传感器如图3-3所示。图3-3102102微型探测开关亦被看作机械式传感器。微型探测开关如图3-4所示。第二节 机械式传感器及仪器图3-41031031.变阻器式传感器第三节 电阻、电容与电感式传感器一、一、一、一、电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器常用变阻器式

36、传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如图3-5所示。图3-51041041.变阻器式传感器第三节 电阻、电容与电感式传感器一、一、一、一、电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器图3-5b为回转型变阻式传感器，其电阻值随电刷转角而变化。图3-5c是一种非线性变阻式传感器。图3-51051051.变阻器式传感器第三节 电阻、电容与电感式传感器一、一、一、一、电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器变阻式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路，如图3-6所示。图3-61061062.电阻应变式传感器第三节 电阻、电容与电感式传感器一、一、一、一、电阴式传感器电阴式传感器电阴式

37、传感器电阴式传感器常用的金属电阻应变片有丝式、箔式两种。电阻丝应变片如图3-7所示。（1）金属电阻应变片图3-71071072.电阻应变式传感器第三节 电阻、电容与电感式传感器一、一、一、一、电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器箔式应变片如图3-8所示。（1）金属电阻应变片图3-81081082.电阻应变式传感器第三节 电阻、电容与电感式传感器一、一、一、一、电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器半导体应变片最简单的典型结构如图3-9所示。（2）半导体应变片图3-91091092.电阻应变式传感器第三节 电阻、电容与电感式传感器一、一、一、一、电阴式传感器电阴式传感器电阴

38、式传感器电阴式传感器1）直接用来测定结构的应变或应力（3）电阻应变式传感器的应用实例110110第三节 电阻、电容与电感式传感器一、一、一、一、电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器几种实用例子如图3-10所示。图3-101111112.电阻应变式传感器第三节 电阻、电容与电感式传感器一、一、一、一、电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器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。（3）电阻应变式传感器的应用实例3.固态压阻式传感器固态压阻式传感器的工作原理与半导体应变片相同：都是利用半导体材料的电阻效应。1121124.典型动态电阻应变

39、仪第三节 电阻、电容与电感式传感器一、一、一、一、电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器电阴式传感器图3-11动态电阻应变仪框图1131131.变换原理第三节 电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器极距变化型电容传感器及输出特性如下所示。（1）极距变化型1141141.变换原理第三节 电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器面积变化型电容传感器如图3-13所示。（2）面积变化型图3-131151151.变换原理第三节 电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式

40、传感器利用介质介电常数变化将被测量转换为电量的一种传感器。（2）介质变化型图3-14介质变化型电容传感器应用实例1161162.测量原理第三节 电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出。（1）电桥型电路通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥，如上图所示。1171172.测量原理第三节 电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器此电路又称为静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器，如图3-16所示。（2）直流极化电路图3-1611

41、81182.测量原理第三节 电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器图3-17为谐振电路原理及其工作特性。（3）谐振电路图3-171191192.测量原理第三节 电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器调频电路的工作原理如图3-18所示。（4）调频电路图3-181201202.测量原理第三节 电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器这种电路用于位移测量传感器。运算放大器电路如图3-19所示。（5）运算放大器电路图3-191211213.电容集成压力传感

42、器第三节 电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器运用集成电路工艺可以把电容敏感元件电路制作在一起：构成电容集成压力传感器。图3-20b是一个检出电容变化并把它转换成电压输出的激光压力传感器的电路原理图。图3-201221221.自感型第三节 电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器 （1）可变阻式图3-21 可变磁阻式电感传感器结构原理1231231.自感型第三节 电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器 （1）可变阻式图3-22 几种常用可变磁阻式

43、传感器的典型结构1241241.自感型第三节 电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器 （1）涡流式涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡流效应，如图3-24所示。图3-241251251.自感型第三节 电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器 （1）涡流式 图3-25是用于涡流测振仪上的分压式调幅电路原理。图3-251261261.自感型第三节 电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器（1）涡流式图3-26是谐振曲线及输出特性。图3-2

44、61271271.自感型第三节 电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器（1）涡流式调频电路的工作原理如图3-27所示。图3-271281281.自感型第三节 电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器（1）涡流式下图表示的是涡流式传感器的工程应用实例。1291292.互感型差动变压器式电感传感器第三节 电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器这种传感器利用了电磁感应中的互感现象。如下图所示。1301302.互感型差动变压器式电感传感器第三节 电阻、电容

45、与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器实际应用较多的是螺管形差动变压器，其工作原理如图3-30a、b所示。图3-301311312.互感型差动变压器式电感传感器第三节 电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器图3-31是一种利用小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。图3-311321321.动圈式第四节 磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器动圈式又可分为线速度与角速度型。图3-32a表示线速度型传感器工作原理。图3-32b是角速度型传感器工作原理，线圈在

46、磁场中转动时产生的感应电动势。图3-321331331.动圈式第四节 磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器 动圈磁电式传感等效电路如图3-33所示。图3-331341341.磁阻式第四节 磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动。由运动着的物体改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。1351351.压电效应第四节 磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅

47、等晶体，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，某些表面上出现电荷。晶体的这一性质称为压电性，具有压电效应的晶体称为压电晶体。1361361.压电效应第四节 磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器压电效应模型如图3-36所示。图3-361371372.压电材料第四节 磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器常用的压电材料可分为三类：压电晶体、压电陶瓷和有机压电薄膜。1381383.压电式传感器及其等效电路第四节 磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器

48、二、压电式传感器在压电晶体片的两个工作面上进行金属蒸镀，如图3-37所示。图3-371391394.测量电路第四节 磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。略去传感器漏电阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如图3-38所示。图3-381401405.压电式传感器的应用第四节 磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器压电式传感器常用来测量应力压力、振动的加速度。压电式传感器也用于声、超声和声发射等测量。1411411.热电偶传感器第四节 磁电、压电与热电

49、式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（1）热电偶工作原理把两种不同的导体或半导体连接成图3-39所示的闭合回路。图3-391421421.热电偶传感器第四节 磁电、压电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（1）热电偶工作原理如果将它们的两个节点分别置于温度为T及T0的热源中：则在该回路内就会产生热电动势。在图3-39所示的热电偶回路中，所产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。图3-391431431.热电偶传感器第四节 磁电、压电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器三、电热式传感

50、器（1）热电偶工作原理在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同：第三种导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为中间导体定律。应用这一定律可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行稳定度测量如图3-40所示。图3-401441441.热电偶传感器第四节 磁电、压电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（2）热电偶分类1）铂铑铂热电阻2）镍铬镍硅热电偶3）镍铬考铜热电偶4）铂铑30铂铑6热电偶1451452.热电阻传感器第四节 磁电、压电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（1）铂电阻