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1、* MEASUREMENT INFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING 机械工程测试信息信号分析 机械科学与工程学院 机械电子信息工程系 * 课件资料下载： 邮箱地址： 密码： 注意下载时不要删除原始文件 * 3 第四章 信息转换与传输 q主要内容 一、信息转换-传感器，非电量电量 二、传感器的标定和选择 三、信息传输 Shannon信道容量关系式 信息-能量传输的最佳耦合条件 信道频率特性与波形失真 信道频率特性与信息熵损失 四、信息传输过程中的干扰和噪声 噪声物理根源与耦合方式 噪声模型及其传输特性 * 4 第四章 信息转换与
2、传输 4-1 信息转换 一、信息探测工程与智能传感器 1. 人类认识事物的信息过程 * 5 敏感元件显示信息 信息探测工程 2. 人类感官获取信息的局限性 3. 传感系统的一般模型 (a) (b) * 6 信息探测工程 4. 传感技术的发展 (1) 扩展频域 视觉与光传感器 听觉与声传感器 触觉与温度、压力传感器 嗅觉传感器 (2) 智能化 动态测量 远距离、非接触测量 特殊环境下测量 微观分析 实时在线 * 7 智能传感器 传感器一般指能够感知某种物理量（如电、 光、磁等）、化学量（如浓度、PH值等）、生物 量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电 信息的装置。 智能传感器是将传感器与微型
3、计算机集成在 一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处 理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还 具有认知能力。 智能传感器 * 8 嵌入式计算机 智能倾角RS232传感器 IC总线数字温度传感器 智能传感器 * 9 振动网络传感器 智能压力网络传感器 智能传感器 * 10 GSM/SMS 智能传感器 * 11 工程中的传感器 二、工程中的传感器 * 12 工程中的传感器 * 13 工程中的传感器 * 14 1 声压传感器-动圈式 q动圈式声压传感器 * 15 动圈式传感器 图 动圈式传声器 * 16 1 声压传感器-电容式 * 17 极距变化型 + + + + + + * 18 1 声压
4、传感器-光纤式 P 96 声-光相位调制 * 19 2 振动测量传感器-涡流式位移传感器 * 20 原理:涡流效应 线圈高频交变电流，产 生磁通，金属板产生感 应电流(涡电流) 涡流式传感器原理 高频感应炉 冶炼金属 * 21 涡流磁场影响高频线圈的等效阻抗Z变化： 线圈与金属板间距离，金属板的电阻率，磁导率 线圈激磁圆频率 涡流式传感器原理 (lMHz)激励电流，高频磁场作用于金属板 的表面，由于集肤效应，金属板表面形成涡 电流。该涡流产生的交变磁场又反作用于线 圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，其变化 与、i，等有关，若只改变而 其他系数不变，则可将位移的变化转换为线 圈自感的变化，再转
5、换为电压输出。高频反 射式涡流传感器多用于位移测量。 高频反射式涡流传感器原理 * 22 涡流式传感器原理 发射线圈1和接收线圈2分别置于被测 金属板材料G的上、下方。由于低频磁 场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范 围)电压e1加到线圈1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2产生感应电动势e2。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, 如图所示，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
6、 。 低频透射式涡流传感器原理 * 23 适用：可用于动态非接触测量，测量范围1mm - 10mm,与传 感器结构尺寸，线圈匝数和激磁频率有关,可到1m。变化， 位移振动测量；金属板的电阻率或磁导率变化，可作为材质 鉴别或探伤。 优点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。 涡流式位移、振动测量仪，无损探伤仪等。 涡流式传感器适用范围 * 24 例：电涡流转速传感器 例：电涡流传感器测厚和零件计数 涡流式传感器应用 * 25 涡流式传感器产品 * 26 案例：无损探伤 原理:裂纹检测，缺陷造成 涡流变化。 火车轮检测 油管检测 涡流式传感器应用 *27 磁电式传感器 1.变换原理 : 磁电
7、式传感器是把被测量的物理量转换为感应 电动势的一种转换器。 感应线圈的感应电动势e为 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，都会改变感应电动势。 3 磁电式传感器 B为磁场感应强度 *28 2 分类 磁 电 式 动圈式 磁阻式 线速度型 角速度型 3 磁电式传感器 磁铁 线圈 v 线圈 NS N S 线圈运动 线圈与磁铁不 动，物体运动 磁阻变化 *29 动圈式传感器 线速度型 3 磁电式传感器 *30 角速度型 测速电机 3 磁电式传感器 *31 磁阻式传感器 磁电式车速传感器 3 磁电式传感器 *32 N S 案例：鼠笼电机转子断细条检测 3 磁电式传感器 *3
8、3 3 磁电式传感器结构示意图 *34 3 磁电式传感器幅频特性 *35 3 磁电式传感器幅频特性 *36 压电式传感器 1.变换原理：压电效应 + 串联 + 并联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几 何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生 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。 F + q=DF 4 压电式传感器 *37 2、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。 4 压电式传感器 传感器电场运算放大器 *38 4 压电式传感器 *39 产品 压力变送器
9、 加速度计 力传感器 4 压电式传感器 *40 案例：飞机模态分析 4 压电式传感器案例：飞机模态分析 *41 4 压电式传感器案例：热轧设备诊断 *42 振动传感器选择 传感器标定和选择 *43 超声波检测传感器 1)声波及其分类 (1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。 (2)声波:振动频率在16Hz20KHz之间的机械波。 (3)超声波:高于20KHz的机械波。 2）超声波的物理性质 超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有 束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远 远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力 。 超声波检测传感器 *44 声压 所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大
10、气压 力之差值，单位为Pa，1Pa =1N/m2。 声强 声强是声波在传播方向上单位时间内通过单 位面积的能量，单位为W/m2。 声功率 声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能 量，单位是W。 超声波检测传感器 *45 超声波传感器原理 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中 ，产生机械振动，发射出超声波。 接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使 磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 超声波检测传感器 *46 超声波传感器对 超声波检测传感器 *47 超声波传感器应用 超声波探伤/测距/测物 t t A A 超声波检测传感器 *48 案例：输油管检测检测机器人 超声波检测传感器
11、*49 倒车雷达 超声波检测传感器 *50 鱼群探测器 超声波检测传感器 *51 2、声发射检测传感器 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂 ，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。各 种材料声发射频率范围很宽，从次声、声频到超声 。多数金属的声发射频带在超声范围内。 声发射传感器 *52 案例：材料断裂等结构监测 声发射传感器 *53 半导体传感器 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 霍尔元件 半导体传感器 *54 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示 。 半导体传感器 *55 半导体传感器 *
12、56 测转角： 半导体传感器 *57 电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场 大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过 软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。 半导体传感器 *58 铁磁材料裂纹检测 NS 半导体传感器 *59 叶片和齿轮位置传感器 应用 半导体传感器 *60 案例：汽车速度测量: 半导体传感器 *61 2 磁电阻元件 磁阻效应 - - + + l w x 半导体传感器 *62 特点 电阻的增量与磁场的平方成正比； 与磁场的正负无关； 温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。 应用 磁头；接近开关和无触点开关。 半导体传感器 *63 3 磁感应半
13、导体元件分类 霍尔元件 磁电阻元件 磁敏二极管 磁晶体管 磁半导体开关 半导体传感器 *64 产品 半导体传感器 *65 案例：转速测量 半导体传感器 *66 热敏传感器 1.双金属温度计 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起 制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变 化转换成机械量变化。 优点： 结构简单 牢固 可靠 防爆 热敏传感器 *67 热敏传感器 *68 荧光灯启辉器 零线 火线 当电路接通，启辉器两端极片得电 ，击穿惰性气体而导电（辉光放电） ，双金属片发热弯曲而与静触板接通 形成闭合电路。电路中电流突然中断 ，使镇流器两端产生一个比电源电压 高得多的感应电动势，在强电场的作 用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧 光放电. 热敏传感器 *69 荧光灯启辉器 启辉器由玻璃管制成的辉光放电管与小电容器并联而成辉光放电管内 有一个U形双金属片，一个固定静止触极电板，称为静触板或静触极，玻 璃管内充有氖气或氩气，或氖氩混合的惰性气体。当电路接通，启辉器两 端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电过程），双金属片发热弯曲 而与静触板接通形成闭合电路。此时电流直接经过双金属片与静触板流通 ，惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过18秒的时间， 双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。 热敏传感器 *70 2. 热电温度计(热电偶) 热电
