第5章(测试环节)

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1、2004年10月,第1页,第五章 机械量测试系统的基本环节,第一节 传感器 第二节 电桥电路 第三节 放大器 第四节 光线示波器 第五节 笔式记录仪 第六节 自动平衡记录仪和X-Y记录仪 第七节 磁带记录仪 第八节 数据采集器,机械工程测试与数据处理技术 第五章,2004年10月,第2页,1.熟悉常用传感器的类型和工作原理及性能变化； 2.掌握常用传感器的选用原则； 3.通过实验逐步了解传感器的定度方法； 4.学习方法上要注意掌握传感器的共同要点即传感 器的工作原理，主要形式，采用的材料，匹配电 路等； 5.掌握测试环节的基本组成部分及各自的特点和连 接关系和应用中的优缺点； 6.掌握中间变换

2、电路和常用记录仪器的工作原理和 性能，并能正确选用； 7.对于调制电路，着重理解不同调制方法和特点。,本章学习要求：,第五章 机械量测试系统的基本环节,2004年10月,第3页,-1传感器概述 在机械工程测试中，传感器是关键的一个环节。 定义：将被测物理量转化为与之相对应的的易于检测、传输或处理的信号装置。 1.传感器的组成：一般由敏感元件与其他辅助件组成。敏感元件是传感器的核心。所以要掌握敏感元件的工作原理。,2004年10月,第4页,2.传感器的作用： （1）类似于人的感觉器官将被测物理量转换成为可测信号并传给中间环节进行处理分析。 （2）认为是人的感官延伸可探索人们无法用感官直接测量的事

3、物。 （3）可以说传感器是测量仪器与被测事物之间的接口。 （4）可以说传感器是测试装置的输入端，它的性能直接影响整个测试装置的工作质量、可靠性。,2004年10月,第5页,深入研究传感器的原理和应用、研制新型传感器对于研究自然界的深度和广度具有重要意义。 要求：根据不同的测试对象，能够按不失真条件、掌握选择传感器的原则。 包括的形式有阻抗式、电能式、（发电式）、频率脉冲式等。 传感器的分类：传感器的种类繁多，往往一种物理量可用多种类型的传感器来检测另外，同一传感器也可测量多种物理量。,2004年10月,第6页,（1）按被测物理量（输入量） （2）按（输出量）传感器输送出何种参量 （3）按传感器

4、工作的物理量可分为,2004年10月,第7页,（4）按信号变化特种可分为 （5）根据敏感元件与被测对象之间能量 关系可分为 （6）也可分为三大类,2004年10月,第8页,-2阻抗式传感器： （）电阻式传感器：滑线变阻器（电位器） 电阻应变计 压阻元件 热敏电阻 光敏电阻等 （）电感式位移传感器 ：可变自感系数（可变间隙及可动 铁芯）； 可变互感系数（差动变压器）； 旋转变压器； 压磁式； 电涡流式等；,2004年10月,第9页,（）电容式传感器：可变气隙； 可变面积； 可变介质等； -电能式传感器 （）磁电式传感器：磁阻式测速发电机； 直流测速发电机等 （）压电式传感器：石英、压电陶瓷等压电

5、晶体。 （）光电式传感器：光电管、光敏电阻、光电池等。 （）霍尔效应元件传感器 （）热电式传感器：热电偶、热释电红外光敏元件 （）射线电式传感器：微波、放射线等传感器,2004年10月,第10页,-频率脉冲式传感器 （）振弦式（振筒式）传感器 （）感应同步器传感器 （）光栅传感器 （）磁栅传感器 （）码盘传感器 机械量传感器常用的有：力传感器、压力（液压、气压）传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、扭矩、流量等传感器。,2004年10月,第11页,2.压力传感器 （1）压力表：用于缓变压力信号测量。它由一般弹性压力表和位移传感器组成。 （2）应变计式压力传感器：用于动态压力测量，有通风

6、冷却或通水冷却，有的还可测量蒸汽压力（即高温） （3）电容式压力传感器：频率响应高，用于动态压力测量。,.测力传感器 （）应变式测力传感器：精度高，可以从几克到几万吨，可进行静态、动态测量。原理：通过受力变形测力） （2）压电式测力传感器：频率响应宽，用作测量振动力和冲击力（压电晶体受力产生电荷量输出） （3）压磁式传感器：输出信号大，用于精度要求一般的工业测量（钢厂轧机的轧制力测量）,2004年10月,第12页,3.位移测量传感器： （1）电感式传感器及差动变压器：测量精度较高，其中差动变压器测量范围较大，可达上百毫米。 （2）感应同步器、磁栅：精度高，用于机床位移测量 （3）莫尔条纹光栅：

7、精度高，用于精密测量 （4）滑线变阻器、应变计式，霍尔效应式位移传感器：用于一般位移测量 （5）电容式位移传感器：用于一般位移测量，其中非接触式的电容式位移传感器主要用于测量振动位移。 （6）电涡流式位移传感器：为非接触测量，用于振动测量（动态测量） （7）激光干涉条纹法：用于高精度测量，例如校验量具。,2004年10月,第13页,4.速度测量传感器 （1）测速发电机：用于一般速度测量 （2）磁阻式或光电式测速：其精度较高，定标容易。 5.加速度测量传感器 （1）压电式加速度计：频带宽，高频可达30KHz （2）应变计式加速度计：低频响应好，可从零赫兹开始，但高频限较低。 （3）半导体式加速度

8、计：灵敏度高，质量保证不了，不稳定。 6.扭转测量传感器 （1）应变计式：使用方便，可进行现场实测。 （2）光电式、磁阻式：一般都用在实验室中，使用时，需把电机与传动轴移开，从中串入传感器才能测量。 （3）压磁式：用于非接触式测量，精度较低。,2004年10月,第14页,8.流量测量传感器 （1）差压式流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响。 （2）转子流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响 （3）靶式流量计：测量粘度较大的液体流量。 （4）涡流流量计：精度高，可达0.25%1.0% （5）容积式流量计：精度可达0.5%1.0%,7.移动物体厚度测量传感器 （1）超声波测量传感器（发射超声波、

9、接收波） （2）放射线测量：包括X射线和r射线，微波测量等。,2004年10月,第15页,第二节 电 桥电路,电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。 因为其测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，故应用广泛。 按照激励电压的性质，分为直流和交流电桥；按照输出方式，分为不平衡桥式电路和平衡桥式电路。,2004年10月,第16页,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,直流电桥,电桥在使用前需要调平衡。 当四个臂的阻值均发生变化时，存在如下关系：,2004年10月,第17页,基本公式, 为非线性误差。（这个公式不用记）,2004年10月,第18页

10、,实际上，在进行机械量测量时（如应变片测应变），常常遇到以下几种情况： 1、 必有 因为电桥是平衡的。 单端变动,2004年10月,第19页,半桥差动变动,全桥差动变动,等臂电桥全桥差动变动 （常见）,2004年10月,第20页,分析与总结 1、误差 单端变动时0，而差动变化时总有=0，提醒我们在组桥时尽量采用差动变动的形式。 2、,从以上三个式子可以看出，全桥时输出为最大。 直流电桥电路是研究分析交流电桥电路的基础。同时也是目前广泛使用的一种电路.,全桥,半桥,单臂,2004年10月,第21页,直流电桥与干扰,电桥是在平衡条件下工作的，由于DR/R是一个十分小的量，当电源电压不稳定所造成的干

11、扰是不可忽略的。为了抑制干扰，通常采用如下措施：,电桥的信号引线采用屏蔽电缆，即RVVP型号电缆；,屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端 连接。此地点应该与放大器的机壳地隔离；,放大器应该具有高共模抑制比。,2004年10月,第22页,二、交流电桥,供桥电源为交流，仍为基本电桥电路的形式，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。,前面讲过的直流电桥的理论稍加变动后在此仍可以适用。 电桥的平衡条件：直流 交流,交流电桥,2004年10月,第23页,交流电桥的平衡条件：,2004年10月,第24页,例：如图示交流电桥，求平衡条件。,200

12、4年10月,第25页,例,a) 电容电桥,图a的平衡条件,2004年10月,第26页,图b所示的电感电桥，其平衡条件为,b)电感电桥,2004年10月,第27页,具有电阻、电容平衡的交流电阻电桥,2004年10月,第28页,带感应耦合臂的电桥,2004年10月,第29页,电桥测量的误差及其补偿,对于电桥来说，误差主要来源于非线性误差和温度误差。,减少非线性误差的办法是采用半桥双臂和全桥接法。,温度误差是因为温度变化而引起阻值变化不同造成的，即上述双臂电桥接法中 等。减少温度误差的办法是在贴应变片时尽量使得各应变片间的温度一致，利用电桥电路的相邻两臂工作原理来降低误差.（有关温度误差的补偿问题在

13、后面介绍）。,2004年10月,第30页,类似的例子还有很多，这里不再多举。 由上例可以看出，对于该交流电桥来说，除了调电阻平衡外还要调节电容平衡。 对于纯电阻的交流电桥，虽然电桥电路的四臂只有电阻，但由于导线间存在分布电容，相当于在电阻的旁边并联一电容。因此在电阻应变仪的面板一定还有一个调电容平衡的按钮。,单端变动：,半桥差动变动：,全桥差动变动：,2004年10月,第31页,第三节 放大器,一 运算放大器,信号调理（放大）的目的是便于信号的传输与处理。,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。,2004年10月,第3

14、2页,一、运算放大器,见书82页,2004年10月,第33页,二、调制与解调,调制使一个信号的某些参数在另一信号控制下而发生变化的过程。前一信号称为载波（一般是较高频率的交变信号），后一信号（控制信号）称为调制信号（即为测试信号）。其输出是已调制波。最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。,调制可分为：调幅（AM）、调频(FM)、 调相(PM),2004年10月,第34页,调制与解调,2004年10月,第35页,先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。,例：交流电桥,2004年10月,第36页,2 种类,20

15、04年10月,第37页,a) 幅度调制(AM),b) 频率调制(FM),c) 相位调制(PM),2004年10月,第38页,3 幅度调制,调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化,2004年10月,第39页,幅度调制与解调过程（波形分析）,x(t),乘法器,x m(t),放大器,乘法器,滤波器,x(t),z(t),z(t),2004年10月,第40页,幅度调制与解调过程（数学分析）,2004年10月,第41页,实验：同步调制与解调实验,上述调制方法，将信号x(t)直接与载波z(t)相乘这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与z(t)相位相同的z(

16、t) 方能复原出原信号，故称同步解调,2004年10月,第42页,非抑制调幅,若对信号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。,2004年10月,第43页,调幅,2004年10月,第44页,解调,二极管检波,低通滤波,2004年10月,第45页,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1800。,2004年10月,第46页,4 频率调制,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.,2004年10月,第47页,2004年10月,第48页,频率调制与解调过程,乘法器,放大器,z(t),x m(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),x(t),