大学物理实验绪论1

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1、1、测试技术及其应用、测试技术及其应用测试技术复习测试技术复习绪论绪论 测试技术以试验测量为手段进行科学研究和工程技测试技术以试验测量为手段进行科学研究和工程技 术服务；术服务； 试验测量的基本任务是从被检测对象中获得要求的试验测量的基本任务是从被检测对象中获得要求的 信息；是以技术手段确定被测对象的未知量和属性。信息；是以技术手段确定被测对象的未知量和属性。 测试技术广泛应用于科学研究和工程技术的各个领测试技术广泛应用于科学研究和工程技术的各个领 域，是科学研究和工程技术中所必须的基本研域，是科学研究和工程技术中所必须的基本研 究方究方 法之一。法之一。被测被测对象对象信信号号调调理理传传感

2、感器器接接口口技技术术计计算算机机传传输输观观察察者者反馈、控制反馈、控制测试系统基本组成框图测试系统基本组成框图激激励励测试分析软件测试分析软件 2 2、测量系统的组成：测量系统的组成：测量系统的组成：测量系统的组成： 测量系统的组成可以用如下框图说明：测量系统的组成可以用如下框图说明：测量系统的组成可以用如下框图说明：测量系统的组成可以用如下框图说明： 3、测量方法、测量方法 1）静态测量）静态测量 2）动态测量）动态测量 3）直接测量）直接测量 4）间接测量）间接测量4、测量结果的表达方法、测量结果的表达方法 1）量与量纲）量与量纲 2）真值）真值 3）测量结果）测量结果=样本平均值样本

3、平均值不确定度不确定度=XX 系统误差系统误差 随机误差随机误差测量误差测量误差4）真值）真值-测量结果测量结果= 一、信号的分类一、信号的分类信号信号确定性信号确定性信号随机信号随机信号周期信号周期信号非周期信号非周期信号准准周期信号周期信号瞬变非周期信号瞬变非周期信号第一章第一章 信号及其描述信号及其描述 能量信号和功率信号能量信号和功率信号 信号信号 x(t) 的平方的平方 x2(t) 称为信号的功率，称为信号的功率， x2(t) 对一定时间的积分称为信号的能量。对一定时间的积分称为信号的能量。二、二、 频谱分析（概念）频谱分析（概念） 周期（连续）信号周期（连续）信号傅立叶级数傅立叶级

4、数 离散频谱离散频谱 非周期瞬变信号非周期瞬变信号 傅立叶变换傅立叶变换 连续频谱连续频谱三、三、 傅立叶变换的主要性质（概念）傅立叶变换的主要性质（概念） 1、奇偶虚实性、奇偶虚实性信号信号 的傅立叶变换对的傅立叶变换对若若 x ( t ) x ( t ) 为实偶，则为实偶，则 X ( f ) X ( f ) 为实偶；为实偶；若若 x ( t ) x ( t ) 为实奇，则为实奇，则 X ( f ) X ( f ) 为虚奇；为虚奇；若若 x ( t ) x ( t ) 为虚偶，则为虚偶，则 X ( f ) X ( f ) 为虚偶；为虚偶；若若 x ( t ) x ( t ) 为虚奇，则为虚奇

5、，则 X ( f ) X ( f ) 为实奇。为实奇。 2 2、 对称性对称性 3 3、 时间尺度改变特性时间尺度改变特性 时间尺度扩展，频谱的频带变窄，幅值增高时间尺度扩展，频谱的频带变窄，幅值增高 （常规录制，常规录制，慢慢速回速回放，效率降低，细节清晰）放，效率降低，细节清晰） 时间尺度压缩，时间尺度压缩，频谱的频带加宽，幅值压低频谱的频带加宽，幅值压低 （常规录制，快速回放，（常规录制，快速回放，效率提高，效率提高，可能失真）可能失真）若若当信号在时域中沿时间轴平移一常量当信号在时域中沿时间轴平移一常量 t t0 0 时，则时，则4 4、时移特性时移特性若若信号在频域中沿频率轴平移一常

6、值信号在频域中沿频率轴平移一常值 f f0 0 时，则时，则5 5、频移频移已知已知 6 6、 卷积特性卷积特性 若若则则 7 7、 微分和积分特性微分和积分特性 四、典型信号的频谱四、典型信号的频谱 2. 2. 函数及其频谱函数及其频谱 1. 1. 窗窗函数及其频谱函数及其频谱 3. 3. 正、余弦正、余弦函数及其频谱函数及其频谱 同理同理 4. 4. 梳状函数梳状函数 第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 第一节第一节 概概 述述测试装置的基本特性包括测试装置的基本特性包括l 静态特性静态特性l 动态特性动态特性l 负载特性负载特性l 抗干扰性抗干扰性 一、对测试装置的基本要

7、求一、对测试装置的基本要求 1，理想的测试装置应该具有单值的、确定的，理想的测试装置应该具有单值的、确定的 输入输入输出关系。输出关系。2，适当的量程和测量范围，适当的量程和测量范围 3. 3. 高信噪比高信噪比 信号功率与干扰（噪声）的功率之比，称为信噪比信号功率与干扰（噪声）的功率之比，称为信噪比. . （单位（单位dBdB）也可用信号电压也可用信号电压V Vs s与噪声电压与噪声电压V Vn n之比来表示信噪比。之比来表示信噪比。4. 4. 合理的静、动态特性合理的静、动态特性一、线性度一、线性度 第二节第二节 测试装置的静态特性测试装置的静态特性二、灵敏度、鉴别力阈、分辨力二、灵敏度、

8、鉴别力阈、分辨力1. 灵敏度灵敏度 对非线性系统是标定曲线的斜率。对非线性系统是标定曲线的斜率。定义定义 2. 2. 鉴别力阈（许多文献上称为分辨力）鉴别力阈（许多文献上称为分辨力） 能引起测试装置输出值生产一个可察觉变化的最小能引起测试装置输出值生产一个可察觉变化的最小被测量变化值，称为鉴别力阈。被测量变化值，称为鉴别力阈。 三、重复度三、重复度 （提高传感器精度的最关键指标）（提高传感器精度的最关键指标） 四、回程误差（滞后）四、回程误差（滞后） 五、稳定度和漂移五、稳定度和漂移一、传递函数一、传递函数 设常系数线性微分方程为设常系数线性微分方程为方程两侧求拉式变换，考虑初始条件为零方程两

9、侧求拉式变换，考虑初始条件为零第三节第三节 测试装置动态特性的数学描述测试装置动态特性的数学描述把把上式整理后得到上式整理后得到令令 即在初始条件为零时，系统输出信号的拉氏变换即在初始条件为零时，系统输出信号的拉氏变换称为传递函数，代表系统在初始条件为零时，输入、称为传递函数，代表系统在初始条件为零时，输入、输出信号拉氏变换之比。输出信号拉氏变换之比。等于系统传递函数与输入信号拉氏变换的乘积。等于系统传递函数与输入信号拉氏变换的乘积。传递函数是在复数域中来描述和考察系统的特性。传递函数是在复数域中来描述和考察系统的特性。二、频率响应函数二、频率响应函数1. 1. 幅频特性、相频特性和频率响应函

10、数幅频特性、相频特性和频率响应函数频率响应函数则是在频率域中描述和考察系统的特性。频率响应函数则是在频率域中描述和考察系统的特性。概念：系概念：系统的频率响应函数统的频率响应函数 是零初始条件下，系是零初始条件下，系统的输出统的输出y(ty(t) )的傅氏变换和输入的傅氏变换和输入x(tx(t) )的傅氏变换之比。的傅氏变换之比。定义：定义： 为系统的频率响应函数，为系统的频率响应函数， A ( )为模代表系统的为模代表系统的幅频特性，幅频特性， ( ) 为相角代表系统相频特性。两者为相角代表系统相频特性。两者统称为系统的频率特性。统称为系统的频率特性。2.2.确定频率响应函数的方法确定频率响

11、应函数的方法（1 1）当传递函数）当传递函数 H ( s ) H ( s ) 已知时已知时 令令 H(sH(s) )中的中的 s sj j 就可得到频率响应函数就可得到频率响应函数 H(H() )。即：传递函数即：传递函数在在传递函数传递函数 H ( s ) 中用中用 j 对对 s 做代换，则做代换，则 频率响应函数频率响应函数通过实验方法得到频率响应函数。通过实验方法得到频率响应函数。（2）当传递函数）当传递函数 H ( s ) 未知时未知时1）简谐信号激励法）简谐信号激励法2）测试结合傅立叶变换法）测试结合傅立叶变换法3. 3. 幅频特性和相频特性的图象描述幅频特性和相频特性的图象描述（1

12、 1）伯德图（波特图，）伯德图（波特图，BodeBode图）图）（2 2）奈魁斯特图（）奈魁斯特图（NyquistNyquist 图）图）（3 3）常规的幅频特性曲线和相频特性曲线）常规的幅频特性曲线和相频特性曲线三、脉冲响应函数三、脉冲响应函数 脉冲响应函数脉冲响应函数h(t)可以通过对可以通过对 H(sH(s) ) 的拉氏的拉氏反变换得到反变换得到 系统对单位脉冲输入（系统对单位脉冲输入（即即 x(t)(t)）的响应称为的响应称为脉冲响应脉冲响应函数函数h(th(t) ) （或权函数），可作为系统时域（或权函数），可作为系统时域特性的描述。特性的描述。 综合前面讲过的内容，共出现了三个与系

13、统特性有综合前面讲过的内容，共出现了三个与系统特性有关的函数：关的函数：脉冲响应函数脉冲响应函数 h ( t ) h ( t ) 系统特性的时域描述系统特性的时域描述频率响应函数频率响应函数 H (H () ) 系统特性的频域描述系统特性的频域描述传递函数传递函数 H ( S ) H ( S ) 系统特性的复数域描述系统特性的复数域描述三者之间的关系三者之间的关系 h ( t ) h ( t ) FTFT H ( H ( ) ) h ( t ) h ( t ) LTLT H ( S ) H ( S ) H ( S ) H ( S ) S=jS=j = = H ( )H ( )所以，脉冲响应函数

14、所以，脉冲响应函数h(t)也也可以通过对可以通过对 H(H() ) 的傅氏逆变换得到的傅氏逆变换得到四、一阶、二阶系统的特性四、一阶、二阶系统的特性一阶系统输入与输出的关系用一阶微分方程来描述。一阶系统输入与输出的关系用一阶微分方程来描述。（一）、一阶系统（一）、一阶系统为为一阶系统时间常数一阶系统时间常数有理化后将有理化后将 H(H() ) 写为复数形式写为复数形式幅频特性幅频特性负号表示输出信号滞后于输入信号负号表示输出信号滞后于输入信号。相频特性相频特性 常规的幅频特性图、相频特性图见图常规的幅频特性图、相频特性图见图2 21010。一阶系统的伯德图一阶系统的伯德图一阶系统的奈魁斯特图一

15、阶系统的奈魁斯特图对一阶系统的传递函数作拉氏逆变换，可以得对一阶系统的传递函数作拉氏逆变换，可以得到一阶系统的脉冲响应函数到一阶系统的脉冲响应函数 h(t) h(t) 一阶系统的脉冲响应函数一阶系统的脉冲响应函数 h(t) （二）、二阶系统（二）、二阶系统二阶系统微分方程二阶系统微分方程两侧拉氏变换得其传递函数两侧拉氏变换得其传递函数幅频特性幅频特性相频特性相频特性五、五、环节的串联和并联环节的串联和并联 由由n n个环节串联而组成的系统，其总的传递函个环节串联而组成的系统，其总的传递函数数 H(s)H(s)为为 由由 n n 个环节并联而组成的系统，其总的传递个环节并联而组成的系统，其总的传

16、递函数函数 H(s)H(s)为为 由由n n个环节串联而组成的系统，其总的频响函个环节串联而组成的系统，其总的频响函数数 H(H() )为为 由由 n n 个环节并联而组成的系统，其总的频响个环节并联而组成的系统，其总的频响函数函数 H(H() )为为在在传递函数传递函数 H ( s ) 中用中用 j 对对 s 做代换，则做代换，则幅频特性为幅频特性为相频特性为相频特性为第四节第四节 测试装置对任意输入的响应测试装置对任意输入的响应一、系统对任意输入的响应一、系统对任意输入的响应系统对任意输入的响应为：系统对任意输入的响应为：即：系统的输出就是任意输入与脉冲响应函数的卷积。即：系统的输出就是任

17、意输入与脉冲响应函数的卷积。可以用系统频响函数可以用系统频响函数 和输入信号的傅式变换和输入信号的傅式变换 的乘积求傅式逆变换的乘积求傅式逆变换 得出。得出。二、一阶系统对单位阶跃输入的响应二、一阶系统对单位阶跃输入的响应一阶系统对单位阶一阶系统对单位阶跃输入的响应。跃输入的响应。 一阶系统对单位阶一阶系统对单位阶跃输入的响应见图跃输入的响应见图2 21919。 从图中可看出，当从图中可看出，当 t = 4t = 4 时，时，y(t) = 0.982y(t) = 0.982，误差，误差不到不到 2 2。在工程应用中在工程应用中t 4即认为达到稳态。即认为达到稳态。显然，时间常数显然，时间常数

18、越小，系统响应快。越小，系统响应快。三、二阶系统对单位阶跃输入的响应三、二阶系统对单位阶跃输入的响应第五节第五节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件 要使测试装置输出不失真，其幅频特性要使测试装置输出不失真，其幅频特性A (A () ) 和相频和相频特性特性 () () 应分别满足应分别满足第六节第六节 测量装置动态特性的测试测量装置动态特性的测试一一 频率响应法频率响应法（简谐信号激励法）（简谐信号激励法）二二 阶跃响应法阶跃响应法一阶系统一阶系统按二阶系统阶跃响应式：第一按二阶系统阶跃响应式：第一峰值时间峰值时间t tm m= =/ /d db b周期的倒数可确定有阻尼频率周期的倒数

19、可确定有阻尼频率二阶系统二阶系统第一峰值第一峰值M为：为：阻尼比：阻尼比：无阻尼频率：无阻尼频率：第三章第三章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件第一节第一节 传感器的定义与分类传感器的定义与分类一、传感器的定义：一、传感器的定义： 直接作用于被测量、能按一定规律将其转换成同直接作用于被测量、能按一定规律将其转换成同种或别种量值输种或别种量值输 出的器件叫做传感器。出的器件叫做传感器。传感器传感器物理量物理量化学量化学量生物量生物量电压（电压（V）电流（电流（mA） 传感器将其它类型的被测量转换成电量测量的优点传感器将其它类型的被测量转换成电量测量的优点是易于转换测量、易于放大传输、易于

20、记录处理是易于转换测量、易于放大传输、易于记录处理。通常传感器的工作情况如下图所示：通常传感器的工作情况如下图所示： 1、按被测量分类、按被测量分类 力传感器力传感器 位移传感器位移传感器 温度传感器温度传感器 速度传感器速度传感器 压力传感器压力传感器 加速度传感器加速度传感器2、按传感器的工作原理分类、按传感器的工作原理分类 机械式：电磁及电气式：光学式：辐射式：流体式：机械式：电磁及电气式：光学式：辐射式：流体式： 物性型：物性型： 结构型：结构型：3、按信号变换特征分类、按信号变换特征分类二、二、 传感器分类传感器分类能量转换型（无源传感器）：能量转换型（无源传感器）： 直接由被测对象

21、输入能量使传感器工作。直接由被测对象输入能量使传感器工作。 热电偶温度计、压电式传感器热电偶温度计、压电式传感器。能量控制型（有源传感器）：能量控制型（有源传感器）： 从外部供给辅助能量使传感器工作，并由被从外部供给辅助能量使传感器工作，并由被 测量来控制外部供给量的变化。测量来控制外部供给量的变化。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 4、按敏感元件与被测对象之间的能量关系分类、按敏感元件与被测对象之间的能量关系分类 5 5、按输出信号分类、按输出信号分类 模拟式：模拟式： 数字式：数字式：第三节第三节 电阻式与电感式传感器电阻式与电感式传感器 一、一、电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变

22、片可直接测量弹性体电阻应变片可直接测量弹性体应变。设计适当结构的弹性体，制应变。设计适当结构的弹性体，制成电阻应变式传感器可用于测量应成电阻应变式传感器可用于测量应变、应力、力、扭矩、位移、加速变、应力、力、扭矩、位移、加速度等多种参数。度等多种参数。电阻应变式传感器电阻应变式传感器第二节第二节 机械式传感器机械式传感器 1. 1. 常用的两种电阻应变片常用的两种电阻应变片 （1 1）金属箔式电阻应变片）金属箔式电阻应变片 优点：输出线性度好；优点：输出线性度好； 缺点：灵敏度低。缺点：灵敏度低。（2 2）半导体应变片）半导体应变片 优点：灵敏度高（约为金优点：灵敏度高（约为金 属箔式电阻应变

23、片的属箔式电阻应变片的5050 6060倍）倍） 缺点：输出线性度差缺点：输出线性度差金属金属箔箔电阻应变片电阻应变片 电阻应变式传感器的测量方法是：电阻应变式传感器的测量方法是： 把电阻应变片粘贴在弹性体上。弹性体在外部把电阻应变片粘贴在弹性体上。弹性体在外部作用下产生变形时，应变片随之变形并造成电阻应作用下产生变形时，应变片随之变形并造成电阻应变片的阻值变化。测量电路再将阻值变化转换成电变片的阻值变化。测量电路再将阻值变化转换成电信号输出。是通过测量弹性体应变，间接测量力、信号输出。是通过测量弹性体应变，间接测量力、扭矩、位移、加速度等。扭矩、位移、加速度等。 2. 2. 电阻应变片的检测

24、原理电阻应变片的检测原理 应变片的阻值应变片的阻值 其中：其中：l l电阻丝长度；电阻丝长度； A A电阻丝截面积电阻丝截面积,A=,A=r r2 2； 电阻丝的电阻率。电阻丝的电阻率。三个参数都随电阻丝的变形而变化并影响应变片阻值。三个参数都随电阻丝的变形而变化并影响应变片阻值。电阻增量电阻增量 可表示为：可表示为： （全微分（全微分 （3-43-4）式中：式中： E E电阻丝的弹性模量；电阻丝的弹性模量； 电阻丝的泊桑比；电阻丝的泊桑比； 电阻丝的压阻系数。电阻丝的压阻系数。电阻值的相对变化可表示为：电阻值的相对变化可表示为： （3-83-8）对于金属箔式电阻应变片，对于金属箔式电阻应变片

25、， E E 很小。很小。对于半导体应变片，对于半导体应变片， E E 较大，前两项相对很小，较大，前两项相对很小，上述关系表明，电阻值的相对变化与电阻应变片的应上述关系表明，电阻值的相对变化与电阻应变片的应变量变量 呈正比。呈正比。（3-10）（3-11）3 3、电阻应变片组桥、电阻应变片组桥 U U0 0U Uy yR R1 1R R2 2R R4 4R R3 3 单片组桥单片组桥U U0 0U Uy yR R1 1R R2 2R R4 4R R3 3 半桥半桥U U0 0U Uy yR R1 1R R2 2R R4 4R R3 3 全桥全桥4 4、电桥输出特性、电桥输出特性 电桥输出：电桥

26、输出： 电桥的供桥电压为电桥的供桥电压为U U0 0，电桥的输出电压为电桥的输出电压为U Uy y。，。，电电桥的输入输出关系为：桥的输入输出关系为：(3-(3-1)1) 电桥平衡条件电桥平衡条件 桥臂阻值不变，电桥平衡须使各桥臂的电阻应变桥臂阻值不变，电桥平衡须使各桥臂的电阻应变片阻值满足片阻值满足 ： 应变测量输出（电桥和差特性）应变测量输出（电桥和差特性） 按电阻应变片灵敏度按电阻应变片灵敏度S Sg g的表达式：的表达式：当各个桥臂的电阻应变片的灵敏度当各个桥臂的电阻应变片的灵敏度S Sg g相同时：相同时： 此即电桥测量输出表达式，也称电桥和差特性表达此即电桥测量输出表达式，也称电桥

27、和差特性表达式。式。 组合应变组合应变 正应变（应力）正应变（应力） 拉、压正应变拉、压正应变 弯曲正应变弯曲正应变 剪应变剪应变纯剪应变（扭转剪应变）纯剪应变（扭转剪应变） 弯曲梁上的剪应变弯曲梁上的剪应变 应变分析的重要意义：应变分析的重要意义： 保证测量分辨能力保证测量分辨能力 保证测量输入与输出之间的一元化关系保证测量输入与输出之间的一元化关系 5 5 被测应变（应力）的类型被测应变（应力）的类型6 常规的贴片方式常规的贴片方式 电阻应变片的贴片方式是由载荷类型和弹性电阻应变片的贴片方式是由载荷类型和弹性体的形状所决定。当载荷类型确定时，弹性体的体的形状所决定。当载荷类型确定时，弹性体

28、的形状对测量精度影响很大。形状对测量精度影响很大。 拉压正应变测量的贴片方式拉压正应变测量的贴片方式U U0 0U Uy yR R2 2R R4 4R R3 3R R1 1P PP P 单片组桥单片组桥拉压单片组桥灵敏度拉压单片组桥灵敏度弹性体弹性体 注意贴片方向注意贴片方向和组桥方式的原则：和组桥方式的原则：对臂相加，邻臂相对臂相加，邻臂相减减R R1 1P PP PR R4 4U U0 0U Uy yR R2 2R R3 3弹性体弹性体双片组桥（半桥）双片组桥（半桥）拉压双片组桥灵敏度拉压双片组桥灵敏度R R2 2P PU U0 0U Uy yR R1 1R R2 2R R4 4R R3

29、3 全桥全桥R R1 1R R4 4P P全桥灵敏度全桥灵敏度 弯曲正应力测量的贴片方式弯曲正应力测量的贴片方式 R R1 1R R3 3R R3 3R R1 1 R R2 2R R4 4P PU U0 0U Uy yR R1 1R R2 2R R4 4R R3 3弯曲测量全桥灵敏度弯曲测量全桥灵敏度 剪应变测量的贴片方式剪应变测量的贴片方式 纯剪应变测量（扭转应变）纯剪应变测量（扭转应变） 在纯剪应力状态下，其主应力方向与剪应力方向成在纯剪应力状态下，其主应力方向与剪应力方向成4545 。 1 1 1 1 2 2 2 2 1 ， 2 U U0 0U Uy yR R1 1R R2 2R R4

30、4R R3 3 弯曲梁上测量剪应变弯曲梁上测量剪应变R R1 1R R2 2R R1 1,R,R2 2R R3 3, R, R4 4P P这样贴片可以消除弯曲正应变和轴向拉压正应变对测这样贴片可以消除弯曲正应变和轴向拉压正应变对测量的影响。量的影响。 复合载荷的测量复合载荷的测量 以拉压载荷与弯曲载荷共同作用的情况为例，介绍复以拉压载荷与弯曲载荷共同作用的情况为例，介绍复合载荷的测量技术。合载荷的测量技术。测压测压测测弯曲弯曲 分别测量（用两个电桥分别测量）分别测量（用两个电桥分别测量） 若构件各向尺寸都较大若构件各向尺寸都较大 正确应用贴片位置正确应用贴片位置和组桥方法，就可以排除弯和组桥方

31、法，就可以排除弯曲正应变与拉压正应变的相曲正应变与拉压正应变的相互影响，把拉压载荷和弯曲互影响，把拉压载荷和弯曲载荷分别测量出来。载荷分别测量出来。 7 7 电阻应变式扭矩测量及其标定方法电阻应变式扭矩测量及其标定方法 贴片及组桥方法贴片及组桥方法 一般传动轴扭矩的测量通一般传动轴扭矩的测量通过在传动轴上粘贴电阻应变片过在传动轴上粘贴电阻应变片的方式，易于实现。的方式，易于实现。 贴片时，应该使电阻应变贴片时，应该使电阻应变片栅丝的方向与传动轴圆柱面片栅丝的方向与传动轴圆柱面的母线成的母线成 4545或或135135。用。用4 4个单片或个单片或2 2个双片组成全桥。个双片组成全桥。 供电及信

32、号传输方式供电及信号传输方式 （1 1）有线方式）有线方式 （2 2）无线方式）无线方式 扭矩测量的标定方法扭矩测量的标定方法 扭矩测量一般很难直接标定，通常采用间接标定方法。扭矩测量一般很难直接标定，通常采用间接标定方法。 小轴标定小轴标定 并联电阻标定并联电阻标定二、电感式传感器二、电感式传感器 电感式传感器是一种把被测量（位移）变换电感式传感器是一种把被测量（位移）变换为电感量变化的传感器，其变换基于电磁感应原为电感量变化的传感器，其变换基于电磁感应原理，可分为自感型和互感型。理，可分为自感型和互感型。 1、自感型、自感型涡电流（电涡流）式传感器涡电流（电涡流）式传感器电涡流传感器的主要

33、用途：电涡流传感器的主要用途： 在被测金属材质不变的条件下，在被测金属材质不变的条件下，用于测量用于测量与金属之间的间隙，可测量位移、振动。与金属之间的间隙，可测量位移、振动。 在间隙不变的条件下，在间隙不变的条件下，用于测量金属的电用于测量金属的电阻率阻率 和磁导率和磁导率 的变化，可以作为材质鉴的变化，可以作为材质鉴别和无损探伤。别和无损探伤。电涡流传感器可用于动态非接触测量。电涡流传感器可用于动态非接触测量。 2 2、互感型差动变压器式传感器、互感型差动变压器式传感器 这这种种传传感感器器是是利利用用电电磁磁感感应应中中的的互互感感现现象象（即即变变压压器器原原理理），把把被被测测量量（

34、位位移移）变变换换成成感感应应电电势势的的变变化。化。 由由于于在在应应用用中中常常常常采采用用两两个个次次级级线线圈圈组组成成差差动动式传感器，故一般又被称为差动变压器式传感器。式传感器，故一般又被称为差动变压器式传感器。 通常，传感器采用差动结构形式的目的：通常，传感器采用差动结构形式的目的： （1 1）提高传感器的灵敏度；）提高传感器的灵敏度； （2 2）增大传感器输出的线性段范围。）增大传感器输出的线性段范围。 压电式传感器的工作压电式传感器的工作原理是利用某些物质的压原理是利用某些物质的压电效应检测作用力。电效应检测作用力。 压电压电材料材料外力外力表面出现电荷表面出现电荷压电效应是

35、可逆的：压电效应是可逆的：第四节第四节 压电式传感器压电式传感器( ( 电压电压 ) )（伸缩）（伸缩） 压电式传感器输出信号是很微弱的电荷，而且压电式传感器输出信号是很微弱的电荷，而且本身内阻很大，输出能量很小。本身内阻很大，输出能量很小。应用时需要将其输出信应用时需要将其输出信号先输入到一个高阻抗的前置放大器。号先输入到一个高阻抗的前置放大器。 前置放大器主要有两个作用：前置放大器主要有两个作用： （1 1）将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；）将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出； （2 2）放大传感器输出的微弱信号。）放大传感器输出的微弱信号。 前置放大器分为两种：前置放大器分为两种

36、： （1 1）电压放大器（工作不稳定，价格便宜）电压放大器（工作不稳定，价格便宜） （2 2）电荷放大器（工作稳定，价格高，常用）电荷放大器（工作稳定，价格高，常用） 四、压电式传感器的应用四、压电式传感器的应用l 压电晶片可以做驱动器。对压电晶片施加交变压电晶片可以做驱动器。对压电晶片施加交变 电压，可作为振动源，做超声波发生器。电压，可作为振动源，做超声波发生器。l 压电式传感器常用于测量：压电式传感器常用于测量： 力、压力、振动、加速度等力、压力、振动、加速度等 l 在外力保持不变时，电荷会泄漏。因此，压在外力保持不变时，电荷会泄漏。因此，压 电式传感器不适合静态测量。电式传感器不适合静

37、态测量。 第七节第七节 传感器的（静态）性能参数及选用原则传感器的（静态）性能参数及选用原则 一、参数一、参数 1 1、量程、量程 传感器测量示值上、下限之差的模（绝对值），传感器测量示值上、下限之差的模（绝对值）， 称为量程。称为量程。 2 2、测量范围、测量范围 测量传感器能测的被测量值的范围。测量传感器能测的被测量值的范围。 第五节第五节 光电传感器光电传感器第六节第六节 其他传感器其他传感器3、误差、误差 传感器测量的示值与被测量的真值之间的差值，传感器测量的示值与被测量的真值之间的差值，称为传感器的示值误差，简称误差。称为传感器的示值误差，简称误差。 通常把计量标准器所复现的量值作为

38、约定真值。通常把计量标准器所复现的量值作为约定真值。 在使在使 用中只能用约定真值代替真值。用中只能用约定真值代替真值。 误差分为绝对误差和相对误差误差分为绝对误差和相对误差绝对误差绝对误差= 测量示值测量示值-真值真值测量范围测量范围绝对误差绝对误差相对误差相对误差100x= 4 4、标定曲线（校准曲线）、标定曲线（校准曲线） 标定就是给传感器刻度。标定就是给传感器刻度。 标定（校准）是传感器应用的关键环节之一。标定标定（校准）是传感器应用的关键环节之一。标定就是用一系列已知其真值的被测量作为传感器的测量输就是用一系列已知其真值的被测量作为传感器的测量输入，以测量结果作为传感器的一系列对应输

39、出，整理得入，以测量结果作为传感器的一系列对应输出，整理得到传感器输入输出关系曲线，即校准曲线。到传感器输入输出关系曲线，即校准曲线。 标定过程：标定过程是指传感器加载卸载的测量过标定过程：标定过程是指传感器加载卸载的测量过程，一般精度的传感器，重复标定不得少于程，一般精度的传感器，重复标定不得少于3 3遍。高精遍。高精度传感器重复标定不得少于度传感器重复标定不得少于5 5遍。遍。 测测量量输输出出 y yFSFS满量程输出。满量程输出。0yFSy测量量程范围测量量程范围x 标定曲线。标定曲线。 标定曲线。标定曲线。 5 5、灵敏度、灵敏度 当被测量当被测量x x有一个变化量有一个变化量 x

40、x，引起传感器的输出发生，引起传感器的输出发生相应的变化量相应的变化量 y y，则定义灵敏度，则定义灵敏度S Sg g为为 对于标定曲线非常接近直线的传感器来说，灵敏度就对于标定曲线非常接近直线的传感器来说，灵敏度就是拟合直线的斜率。是拟合直线的斜率。 对于标定曲线非线性程度较大的传感器来说，灵敏度对于标定曲线非线性程度较大的传感器来说，灵敏度就是标定曲线的导数。就是标定曲线的导数。 6 6、分辨力、分辨力 能引起传感器输出值生产一个可察觉变化的最小被测能引起传感器输出值生产一个可察觉变化的最小被测量变化值，称为传感器的分辨力。量变化值，称为传感器的分辨力。 7 7、重复度、重复度 重复度反映

41、了传感器抵抗随机因素影响的能力。在标重复度反映了传感器抵抗随机因素影响的能力。在标定过程中，对同一被测量值所对应的多次测量得到一组输定过程中，对同一被测量值所对应的多次测量得到一组输出量值，它们之间相互偏离的差值的最大值出量值，它们之间相互偏离的差值的最大值 R Rm m与满量程与满量程输出值之比，称为传感器的重复度（重复性误差）。输出值之比，称为传感器的重复度（重复性误差）。 8 8、线性度、线性度 线性度是指传感器的输入（被测量）与输出保持线性度是指传感器的输入（被测量）与输出保持常值比例关系的程度。常值比例关系的程度。0yFSyx Lm 线性度一般用最大线线性度一般用最大线性误差与满量程

42、输出值的性误差与满量程输出值的比值来表示：比值来表示： 9、回程误差（滞后误差）、回程误差（滞后误差） 回程误差描述了传感器的输出回程误差描述了传感器的输出与被测量变化方向有关的特性。与被测量变化方向有关的特性。式中式中 h = h = y y2020-y-y1010 10、漂移、漂移 二、选用原则二、选用原则1、适当的灵敏度与量程、适当的灵敏度与量程2 2、动、动静态测量静态测量 3、性能指标、重复性、可靠性、性能指标、重复性、可靠性 4 、精确度与价格、精确度与价格 5、配套仪器系统、配套仪器系统 1111、动态特性、动态特性频响函数频响函数 第一节第一节 电桥电桥第四章第四章 信号调理、

43、处理和记录信号调理、处理和记录第二节第二节 调制与解调调制与解调1 1、作用、作用 便于微弱缓变信号的放大以及传输。便于微弱缓变信号的放大以及传输。 a) a) 幅值调制幅值调制(AM)(AM)b) b) 频率调制频率调制(FM)(FM)c) c) 相位调制相位调制(PM(PM) )2 2 种类种类从已调制的信号中恢复原信号的过程称为解调。从已调制的信号中恢复原信号的过程称为解调。3 3 解调解调4 4 幅值调制与幅值调制与解调解调 幅值调制即调幅是将一个高频余（正）弦信号（或幅值调制即调幅是将一个高频余（正）弦信号（或称载波）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号幅称载波）与测试信号（调制信

44、号）相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。调制后的信号称调幅波。值随测试信号的变化而变化。调制后的信号称调幅波。常用的解调方法有同步解调、包络检波、相敏检波。常用的解调方法有同步解调、包络检波、相敏检波。5 5 频率调制与频率调制与解调解调调频波是幅值恒定的变频波。调频波是幅值恒定的变频波。频率调制常采用振荡电路或压控振荡器实现。频率调制常采用振荡电路或压控振荡器实现。调频信号解调常采用鉴频器方法。调频信号解调常采用鉴频器方法。第三节第三节 滤波器滤波器一一 滤波器分类滤波器分类二二 滤波器特性滤波器特性2，截至频率，截至频率 截止频率是幅频特性值等于截止频率是幅频特性值等于A0/2时对应的频点。时对应的频点。 3，带宽，带宽1、理想滤波器与实际滤波器、理想滤波器与实际滤波器4、波纹度、波纹度5、品质因数、品质因数6、倍频程选择性、倍频程选择性7、滤波器因数（矩形系数）、滤波器因数（矩形系数）三、三、RC调谐式滤波器调谐式滤波器1、RC低通滤波器低通滤波器2、RC高通滤波器高通滤波器