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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 信息转换与传输4-1 信息转换一、信息探
2、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，
3、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*10GSM/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*141 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*161 声压传感器-电容式*17极距变化型+*181 声压传感器-光纤式 P 96声-光相位调制*192 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
4、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
5、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 。 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
6、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*282 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
7、器磁铁线圈v线圈NSNS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*32NS案例：鼠笼电机转子断细条检测3 磁电式传感器*333 磁电式传感器结构示意图*343 磁电式传感器幅频特性*353 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=DF4 压电式传感器*372、测量电
8、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*384 压电式传感器*39产品压力变送器加速度计力传感器 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*414 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
9、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
10、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 tA 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*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*512、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
11、 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*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*612 磁电阻元件磁阻效应- -+ +lwx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
12、关和无触点开关。半导体传感器*633 磁感应半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
13、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*702. 热电温度计(热电偶) 热电效应 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合 回路，当两
14、个接点温度不同时，在回路中就会产 生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。热敏传感器*71ABTT0k玻耳兹曼常数，e电子电荷量，T接触处的温度NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。热敏传感器*72热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导 体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产 生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只 要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响 热电偶回路的总热电动势。TT0V热敏传感器*733)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如 果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后 的热电动
15、势可用下式求得：ABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极 。热敏传感器*74热敏传感器*75热敏传感器*763 热敏电阻传感器 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，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻 值下降。 RT热敏传感器*77热敏传感器*78热敏传感器*79产品热敏传感器*80温控器应用汽车发动机传感器水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等热敏传感器*81气敏电阻传感器气体与人类日常生活密切相关，对气体的检 测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段 ，气敏传感器发挥着极其重要的
16、作用。如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L 时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还 有易燃、易爆气体、酒精等的探测。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器气敏电阻传感器*82气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡 、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、 醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随 被测气体的浓度改变而变化。 气敏电阻传感器*83气敏电阻传感器*84气敏电阻传感器*85实验室中的传感器气敏电阻传感器*86燃气报警器烟雾报警器气敏电阻传感器*87酒精传感器气敏电阻传感器*88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。 内光电效应 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,称为内光电效 应 。 光敏电
