機(jī)械工程測(cè)試基礎(chǔ)第三版全套課件 熊詩(shī)波 黃長(zhǎng)藝

1、機(jī)械工程測(cè)試基礎(chǔ)全套課件,熊詩(shī)波 黃長(zhǎng)藝,測(cè)試技術(shù)是測(cè)量和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的統(tǒng)稱。,靜態(tài)測(cè)量是指不隨時(shí)間變化的物理量的測(cè)量。 動(dòng)態(tài)測(cè)量是指隨時(shí)間變化的物理量的測(cè)量。,第一節(jié) 測(cè)試技術(shù)概況,一、測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng),工程測(cè)量可分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。,測(cè)量系統(tǒng)的用途如圖0-1所示。,第一節(jié) 測(cè)試技術(shù)概況,一、測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng),圖0-1,測(cè)量系統(tǒng)的一般構(gòu)成如圖0-2所示,第一節(jié) 測(cè)試技術(shù)概況,一、測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng),圖0-2,1.新原理新技術(shù)在測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用,3.計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)與虛擬儀器的應(yīng)用,第一節(jié) 測(cè)試技術(shù)概況,二、測(cè)試技術(shù)的發(fā)展概況,2.新型傳感器的出現(xiàn),各種物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、微電子技術(shù)，甚至生物學(xué)原理在工

2、程測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用, 使得可測(cè)量的范圍在不斷擴(kuò)大，測(cè)量精度和效率得到很大提高。,包括新型傳感器的出現(xiàn)、傳感器性能的提高, 還包括功能的增強(qiáng)、集成化程度的提高以及小型、微型化等。,傳感器網(wǎng)絡(luò)及儀器總線技術(shù)、Intemet網(wǎng)與遠(yuǎn)程測(cè)試、測(cè)試過(guò)程與儀器控制技術(shù), 以及虛擬儀器及其編程語(yǔ)言等的發(fā)展都是現(xiàn)代工程測(cè)試技術(shù)發(fā)展的重要方面。,測(cè)試技術(shù)是測(cè)量和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的統(tǒng)稱。本課程的研究對(duì)象是機(jī)械工程領(lǐng)域與設(shè)計(jì)有關(guān)的試驗(yàn)、控制和運(yùn)行監(jiān)測(cè)中涉及到物理量及其他工程量的測(cè)量和測(cè)量裝置與系統(tǒng)的性能，包括物理量和其他工程量的測(cè)量方法、測(cè)試中常用的傳感器、信號(hào)調(diào)理電路及記錄、顯示儀器的工作原理，測(cè)量裝置基本特性的評(píng)價(jià)方法

3、、測(cè)試信號(hào)的分析和處理。,第一節(jié) 測(cè)試技術(shù)概況,三、課程的主要環(huán)節(jié)和本書(shū)概要,1.量值,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),一、量與量綱,量值是用數(shù)值和計(jì)量單位的乘積來(lái)表示的。 量值的數(shù)值就是被測(cè)量與計(jì)量單位之比值。,2.基本量和導(dǎo)出量,在國(guó)際單位（SI）制中，基本量約定為：長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、溫度、電流、發(fā)光強(qiáng)度和物質(zhì)的量等七個(gè)量。他們的量綱分別為：L、M、T、I、N和J表示。,3.量綱和量的單位,量綱代表一個(gè)實(shí)體的確定特征。量綱單位是該實(shí)體的量化基礎(chǔ)。,1.基本單位,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),二、法定計(jì)量單位,根據(jù)國(guó)際單位制（SI），七個(gè)基本量的單位分別是：長(zhǎng)度米（Metre）、質(zhì)量千克（Kilogram

4、）、時(shí)間秒（Second）、溫度開(kāi)爾溫（Kelvn）、電流安培（Ampere）、發(fā)光強(qiáng)度坎德拉（Candela）、物質(zhì)的量摩爾（Mol）。,2.輔助單位,3.導(dǎo)出單位,在國(guó)際單位制中，平面角的單位弧度和立體角的單位球面度未歸入基本單位或?qū)С鰡挝?，而稱之為輔助單位。,在選定了基本單位和輔助單位之后，按物理量之間的關(guān)系，由基本單位和輔助單位以相乘或者相除所構(gòu)成的單位稱為導(dǎo)出單位。,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),三、測(cè)量、計(jì)量、測(cè)試,測(cè)量（Measurement）是指以確定被測(cè)量對(duì)象的量值為目的而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。如果測(cè)量涉及實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠則被稱為計(jì)量。測(cè)試（Measurement and te

5、st）是指具有實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的測(cè)量，或測(cè)量和試驗(yàn)的綜合。,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),四、基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn),基準(zhǔn)是用來(lái)保存、復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位的計(jì)量器具。 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是指用于檢定工作計(jì)量器具的計(jì)量器具。,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),五、量值的傳遞和計(jì)量器具檢定,通過(guò)對(duì)計(jì)量器具實(shí)施檢定或校準(zhǔn)，將國(guó)際基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的計(jì)量單位量值經(jīng)過(guò)各級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞到工作計(jì)量器具，以保證被測(cè)對(duì)象量值的準(zhǔn)確和一致。 計(jì)量器具檢定是指為評(píng)定計(jì)量器具的計(jì)量特性，確定其是否符合法定要求所進(jìn)行的全部工作。,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),六、測(cè)量方法,無(wú)需經(jīng)過(guò)函數(shù)關(guān)系的計(jì)算，直接通過(guò)測(cè)量?jī)x器得到被測(cè)值的測(cè)量。如溫度計(jì)測(cè)水溫、卷尺測(cè)量靶距等。,1.直接測(cè)量,2.間接

6、測(cè)量,3.組合測(cè)量,在直接測(cè)量值的基礎(chǔ)上，根據(jù)已知函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出被測(cè)量的量值的測(cè)量。如通過(guò)測(cè)定某段時(shí)間內(nèi)火車(chē)運(yùn)動(dòng)的距離來(lái)計(jì)算火車(chē)運(yùn)動(dòng)的平均速度就是間接測(cè)量。,將直接測(cè)量值或間接測(cè)量值與被測(cè)量值之間按已知關(guān)系組合成一組方程，通過(guò)解方程組得到被測(cè)值的方法。,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),七、測(cè)量裝置,它是直接作用于被測(cè)量，并能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。,1.傳感器,2.測(cè)量變換器,3.檢測(cè)器,提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的測(cè)量器件。,用以指示某種特定量的存在而不必提供量值的器件或物質(zhì)。,4.測(cè)量器具的示值,由測(cè)量器具所指示的被測(cè)量值。,5.準(zhǔn)確度等級(jí),用來(lái)表示測(cè)量器具的等級(jí)或

7、級(jí)別。,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),七、測(cè)量裝置,標(biāo)稱范圍也稱為示值范圍。測(cè)量器具標(biāo)尺范圍所對(duì)應(yīng)的被測(cè)量示值范圍。,6.標(biāo)稱范圍,7.量程,8.測(cè)量范圍,標(biāo)稱范圍的上下限之差的模。,在測(cè)量器具的誤差處于允許極限內(nèi)的情況下，測(cè)量器具所能測(cè)量的被測(cè)量值的范圍。,9.漂移,測(cè)量器具的計(jì)量特性隨時(shí)間的慢變化。,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),八、測(cè)量誤差,測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值之差稱為測(cè)量誤差，即：測(cè)量誤差=測(cè)量結(jié)果真值,1.測(cè)量誤差定義,2.誤差的分類(lèi),3.誤差表示方法,（1）系統(tǒng)誤差 （2）隨機(jī)誤差 （3）粗大誤差,（1） 絕對(duì)誤差：是一個(gè)量綱、單位和被測(cè)量一樣的量?？捎霉奖硎?， 相對(duì)誤差=誤差真值,（2）

8、相對(duì)誤差：相對(duì)誤差=誤差真值,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),八、測(cè)量誤差,3.誤差表示方法,（3）應(yīng)用誤差：計(jì)量器具的絕對(duì)誤差與引用值之比。,（4）分貝誤差：一種特殊形式的相對(duì)誤差。在數(shù)值上與相對(duì)誤差有著一定的關(guān)系。,測(cè)量誤差和其分布特征量的關(guān)系如圖0-3,圖0-3,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),九、測(cè)量精度和不確定度,表示測(cè)量結(jié)果中隨機(jī)誤差大小的誤差；也是指在一定條件下測(cè)量結(jié)果中所有系統(tǒng)誤差的綜合。,1.測(cè)量精密度,2.測(cè)量正確度,3.測(cè)量準(zhǔn)確度,表示測(cè)量結(jié)果中系統(tǒng)誤差的大小程度，它反映了在規(guī)定條件下進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)所得結(jié)果彼此符合的程度。不能將精密度簡(jiǎn)稱為精度。,表示測(cè)量結(jié)果中系統(tǒng)誤差大小的程度，它反映

9、了在規(guī)定條件下測(cè)量結(jié)果中所有系統(tǒng)誤差的綜合。,表示對(duì)被測(cè)量真值所處量值范圍的評(píng)定。,4.測(cè)量不確定度,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),十、測(cè)量器具的誤差,它是指測(cè)量器具的示值與被測(cè)量真值之差。,1.測(cè)量?jī)x器的示值誤差,2.基本誤差,3.允許誤差,指測(cè)量?jī)x器在標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差，也稱為固有誤差。,指技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢定規(guī)程等對(duì)測(cè)量?jī)x器所規(guī)定的允許的誤差極限值。,表示對(duì)被測(cè)量真值所處量值范圍的評(píng)定。,4.測(cè)量不確定度,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),十、測(cè)量器具的誤差,測(cè)量器具的重復(fù)性是指在規(guī)定的使用條件下，測(cè)量器具重復(fù)接受相同的輸入，并給出非常相似輸出的能力。測(cè)量器具的重復(fù)性誤差就是測(cè)量器具造成的隨機(jī)誤差分量。,

10、5.測(cè)量器具的重復(fù)性和重復(fù)性誤差,6.回程誤差,7.誤差曲線,回程誤差也稱為滯后誤差，是指在相同條件下，被測(cè)量值不變。測(cè)量器具形成方向不同時(shí)，其示值之差的絕對(duì)值。,表示測(cè)量器具誤差與被測(cè)量之間的函數(shù)關(guān)系的曲線。,表示被測(cè)量的實(shí)際值與測(cè)量器具示值之間函數(shù)關(guān)系的曲線。,8.校準(zhǔn)曲線,第二節(jié) 測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí),十一、測(cè)量結(jié)果的表示方式,誤差分析和數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)是概率統(tǒng)計(jì)學(xué)。為了正確理解關(guān)于數(shù)據(jù)處理的討論，回顧概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的某些概念并把它們和測(cè)量聯(lián)系起來(lái)是必要的。,1.回顧某些概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的概念,2.測(cè)量數(shù)據(jù)的概率分布,3.測(cè)量結(jié)果的表達(dá)方式,測(cè)量過(guò)程中有許多因素會(huì)造成誤差，測(cè)量數(shù)據(jù)往往還會(huì)由于意外原因出現(xiàn)

11、異常值。為了不使它們影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，應(yīng)該運(yùn)用概率分析和現(xiàn)場(chǎng)分析的辦法來(lái)剔除它們。,測(cè)量結(jié)果=樣本平均值不確定度,1.確定性信號(hào)與隨機(jī)信號(hào),第一節(jié) 信號(hào)的分類(lèi)與描述,一、信號(hào)的分類(lèi),周期信號(hào)：是按一定時(shí)間間隔周而復(fù)始重復(fù)出現(xiàn)，無(wú)始無(wú)終的信號(hào)。,（1）周期信號(hào),例如，幾種參量的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1-1）,圖1-1,1.確定性信號(hào)與隨機(jī)信號(hào),第一節(jié) 信號(hào)的分類(lèi)與描述,一、信號(hào)的分類(lèi),確定信號(hào)中那些不具有周期重復(fù)性的信號(hào)稱為非周期信號(hào)。其圖形如圖1-2所示。,（2）非周期信號(hào),圖1-2,2.連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào),第一節(jié) 信號(hào)的分類(lèi)與描述,一、信號(hào)的分類(lèi),若信號(hào)數(shù)學(xué)表示式中的獨(dú)立變量取值是連續(xù)的

12、，則稱為連續(xù)信號(hào)。如圖1-3a所示。 若獨(dú)立變量取離散值，則稱為離散信號(hào)。如圖1-3b所示。,圖1-3,3.能量信號(hào)和功率信號(hào),第一節(jié) 信號(hào)的分類(lèi)與描述,一、信號(hào)的分類(lèi),當(dāng)電壓信號(hào)滿足一定條件時(shí)：則認(rèn)為信號(hào)的能量是有限的，并稱之為能量有限信號(hào)。簡(jiǎn)稱能量信號(hào)。 若信號(hào)在區(qū)間（- ， ）的能量是無(wú)限的，但它在有限區(qū)間的平均功率是有限的。這種信號(hào)稱為功率有限信號(hào)，或功率信號(hào)。,第一節(jié) 信號(hào)的分類(lèi)與描述,二、信號(hào)的時(shí)域描述和頻域描述,直接測(cè)試或記錄到的信號(hào)，一般是以時(shí)間為獨(dú)立變量的，稱其為信號(hào)的時(shí)域描述。如圖1-4所示。,圖1-4,第一節(jié) 信號(hào)的分類(lèi)與描述,二、信號(hào)的時(shí)域描述和頻域描述,圖1-5表示的

13、周期方波的時(shí)域圖形、幅頻譜和相頻譜三者之間的關(guān)系。,圖1-5,第二節(jié) 周期信號(hào)與離散頻譜,一、傅里葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)展開(kāi)式,在有限區(qū)間內(nèi)，凡滿足狄里赫利條件的周期函數(shù)都可以展開(kāi)稱傅里葉級(jí)數(shù)。,周期性三角函數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)如圖1-6所示。,圖1-6,第二節(jié) 周期信號(hào)與離散頻譜,一、傅里葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)展開(kāi)式,周期性三角波的頻譜圖如圖1-7所示。,圖1-7,有關(guān)負(fù)頻率的說(shuō)明如圖1-8所示。,第二節(jié) 周期信號(hào)與離散頻譜,二、 傅里葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開(kāi)式,圖1-8,第二節(jié) 周期信號(hào)與離散頻譜,二、 傅里葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開(kāi)式,正、余弦函數(shù)的頻譜圖如圖1-9所示。,圖1-9,第二節(jié) 周期信號(hào)與離散頻譜,

14、二、 傅里葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開(kāi)式,周期信號(hào)的頻譜具有三個(gè)特點(diǎn)： 1）周期信號(hào)的頻譜是離散的。 2）每條頻譜只出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍上，基波頻率是諸分量頻率的公約數(shù)。 3）各頻率分量的譜線高度表示該諧波的幅值或相位角。,周期信號(hào)的強(qiáng)度以峰值、絕對(duì)均值、有效值和平均功率來(lái)表述。,第二節(jié) 周期信號(hào)與離散頻譜,三、周期信號(hào)的強(qiáng)度表述,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,通常所說(shuō)的非周期信號(hào)是指瞬變非周期信號(hào)如圖1-11所示。圖1-11a為矩形脈沖信號(hào)，圖1-11b為指數(shù)衰減信號(hào)，圖1-11c為衰減振蕩，圖1-11d為單一脈沖。,圖1-11,一、傅里葉變換,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,一、傅里葉變

15、換,圖1-11 非周期性信號(hào),求矩形窗函數(shù)的頻譜，函數(shù)如圖1-12所示。,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,一、傅里葉變換,圖1-12,sinc的圖像如圖1-13所示。,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,一、傅里葉變換,圖1-13,1.奇偶虛實(shí)性,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,二、傅里葉變換的主要性質(zhì),一般X(f)是實(shí)變量f的復(fù)變函數(shù)。它可以寫(xiě)成,一個(gè)信號(hào)的時(shí)域描述和頻域描述依靠傅里葉變換來(lái)確立彼此一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。,2.對(duì)稱性,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,二、傅里葉變換的主要性質(zhì),對(duì)稱性舉例如圖1-14所示。,圖1-14,3.時(shí)間尺度改變特性,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,二、傅

16、里葉變換的主要性質(zhì),時(shí)間尺度改變特性 舉例如圖1-15所示。,圖1-15,4.時(shí)移和頻移特性,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,二、傅里葉變換的主要性質(zhì),在時(shí)域中信號(hào)沿時(shí)間軸平移一常值t0時(shí)，則,在頻域中信號(hào)沿頻率軸平移一常值f0時(shí)，則,5.卷積特性,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,二、傅里葉變換的主要性質(zhì),6.微分和積分特性,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,二、傅里葉變換的主要性質(zhì),1.矩形窗函數(shù)的頻譜,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,三、幾種典型信號(hào)的頻譜,矩形窗函數(shù)的頻譜如圖1-12所示。,圖1-12,2. 函數(shù)及其頻譜,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,三、幾種典型信號(hào)的頻譜,矩

17、形脈沖與函數(shù)如圖1-16所示。,圖1-16,2. 函數(shù)及其頻譜,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,三、幾種典型信號(hào)的頻譜,函數(shù)與其他函數(shù) 的卷積如圖1-17所示。,圖1-17,3、 正、余弦函數(shù)的頻譜密度函數(shù),第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,三、幾種典型信號(hào)的頻譜,正、余弦函數(shù)及其頻譜如圖1-19所示。,圖1-19,4、 周期單位脈沖序列的頻譜,第三節(jié) 瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜,三、幾種典型信號(hào)的頻譜,周期單位脈沖序列及其頻譜如圖1-20所示。,圖1-20,第四節(jié) 隨機(jī)信號(hào),一、概述,隨機(jī)信號(hào)是不能用確定的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)描述的，不能預(yù)測(cè)其未來(lái)的任何瞬時(shí)值。 任何一次觀測(cè)值只代表在其變動(dòng)范圍中可

18、能產(chǎn)生的結(jié)果之一，但其值的變動(dòng)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。,隨機(jī)過(guò)程與樣本函數(shù)如圖1-21所示。,圖1-21,第四節(jié) 隨機(jī)信號(hào),二、隨機(jī)信號(hào)的主要特征參數(shù),1） 均值、方差和均方值 2） 概率密度函數(shù) 3） 自相關(guān)函數(shù) 4） 功率譜密度函數(shù),1、 均值、方差和均方值,第四節(jié) 隨機(jī)信號(hào),二、隨機(jī)信號(hào)的主要特征參數(shù),均值表示信號(hào)的常值分量 方差描述隨機(jī)信號(hào)的波動(dòng)分量。 均方值描述隨機(jī)信號(hào)的強(qiáng)度。,2、 概率密度函數(shù),第四節(jié) 隨機(jī)信號(hào),二、隨機(jī)信號(hào)的主要特征參數(shù),隨機(jī)信號(hào)的概率密度函數(shù)是表示信號(hào)幅值落在指定區(qū)間的概率。如圖1-22所示。,圖1-22,2、 概率密度函數(shù),第四節(jié) 隨機(jī)信號(hào),二、隨機(jī)信號(hào)的主要特征參數(shù)

19、,常見(jiàn)的四種隨機(jī)信號(hào)如圖1-23所示。,圖1-23,第四節(jié) 隨機(jī)信號(hào),三、 樣本參數(shù)、參數(shù)估計(jì)和統(tǒng)計(jì)采樣誤差,對(duì)于時(shí)間平均估計(jì)來(lái)說(shuō)，隨機(jī)誤差還與信號(hào)的頻帶寬度的平方根成反比，信號(hào)頻帶愈寬，愈容易獲得誤差小的估計(jì)。估計(jì)值的統(tǒng)計(jì)采樣誤差如圖1-24所示。,圖1-24,1.測(cè)量裝置的靜態(tài)特性,第一節(jié) 概述,測(cè)量裝置的靜態(tài)特性是通過(guò)某種意義的靜態(tài)標(biāo)定過(guò)程來(lái)確定的。靜態(tài)標(biāo)定過(guò)程如圖2-1所示。,圖2-1,測(cè)量裝置的靜態(tài)標(biāo)定如圖2-2所示。,第一節(jié) 概述,圖2-2,2. 標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)傳遞,第一節(jié) 概述,用來(lái)定量變量的儀器和技術(shù)統(tǒng)稱為標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)傳遞如圖2-3所示。,圖2-3,3. 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,第一節(jié)

20、概述,4. 測(cè)量裝置的負(fù)載特性,當(dāng)被測(cè)量即輸入量隨時(shí)間快速變化時(shí)，測(cè)量輸入與相應(yīng)輸出之間動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。,測(cè)量裝置或測(cè)量系統(tǒng)：是由傳感器、測(cè)量電路、前置放大、信號(hào)調(diào)理、直到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或顯示等環(huán)節(jié)組成。,當(dāng)傳感器安裝到被測(cè)物體上或進(jìn)入被測(cè)介質(zhì)：要從物體與介質(zhì)中吸收能量或產(chǎn)生干擾，使被測(cè)物理量偏離原有的數(shù)值，從而不可能實(shí)現(xiàn)理想的測(cè)量，這種現(xiàn)象稱為負(fù)載效應(yīng)。,5.測(cè)量裝置的抗干擾性,測(cè)量裝置在測(cè)量過(guò)程中要受到各種干擾：包括電源干擾、環(huán)境干擾和信道干擾。,線性度是指測(cè)量裝置輸入、輸出之間 的關(guān)系與理想比例關(guān)系的偏離程度。 如圖2-4a、b所示。,第二節(jié) 測(cè)量裝置的靜態(tài)特性,一、線性度,圖2-4,靈敏

21、度定義為單位輸入變化 所引起的輸出的變化，通常 使用理想直線的斜率作為測(cè) 量裝置的靈敏度值，如圖2-4b所示。,第二節(jié) 測(cè)量裝置的靜態(tài)特性,二、靈敏度,圖2-4,回程誤差也稱為遲滯，是描述 測(cè)量裝置同輸入變化方向有關(guān) 的輸出特性。如圖2-5中曲線所示。,第二節(jié) 測(cè)量裝置的靜態(tài)特性,三、回程誤差,圖2-5,第二節(jié) 測(cè)量裝置的靜態(tài)特性,四、分辨力,引起測(cè)量裝置的輸出值產(chǎn)生一個(gè)可察覺(jué)變化的最小輸入量變化值稱為分辨力。,零點(diǎn)漂移是測(cè)量裝置的輸出偏離原始零點(diǎn)的距離，如圖2-6所示。,第二節(jié) 測(cè)量裝置的靜態(tài)特性,五、零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移,圖2-6,1. 傳遞函數(shù),（3） 對(duì)于實(shí)際的物理系統(tǒng)，輸入x(t)

22、和輸出y (t)都具有各自的量綱,第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,一、動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述,（1） H（s）與輸入x(t)及系統(tǒng)的初始狀態(tài)無(wú)關(guān)，它只表達(dá)系統(tǒng)的傳輸特性,傳遞函數(shù)的特點(diǎn),（2） H（s）是物理系統(tǒng)的微分方程,（4） H（s）中的分母取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。,2. 頻率響應(yīng)函數(shù),脈沖響應(yīng)函數(shù)可視為系統(tǒng)特性的時(shí)域描述。,第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,而傳遞函數(shù)是在復(fù)數(shù)域中來(lái)描述系統(tǒng)的特性，比在時(shí)域中用微分方程來(lái)描述系統(tǒng)特性有許多優(yōu)點(diǎn)。,頻率響應(yīng)函數(shù)是在頻率域中描述系統(tǒng)特性。,3. 脈沖響應(yīng)函數(shù),一、動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述,1. 一階系統(tǒng),第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,二、一階、二階系統(tǒng)的特性,圖2-9所

23、示的三種裝置分屬 于力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)范疇的裝置， 但它們均屬于一階系統(tǒng)，均可用 一階微分方程來(lái)描述。,一階系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系用一階微分方程來(lái)描述。,圖2-9,一階系統(tǒng)的伯德圖 如圖2-10所示。,第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,二、一階、二階系統(tǒng)的特性,圖2-10,奈奎斯特圖如圖2-11所示。,第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,二、一階、二階系統(tǒng)的特性,圖2-11,以無(wú)量綱系數(shù)為橫坐標(biāo)所繪制的幅、相頻率特性曲線如圖2-12所示。,第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,二、一階、二階系統(tǒng)的特性,圖2-12,一階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)如圖2-13所示。,第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,二、一階、二階系統(tǒng)的特性,圖2-13,

24、2. 二階系統(tǒng),第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,二階系統(tǒng)可用二階微分方程式來(lái)描述。圖2-14為二階系統(tǒng)的三種實(shí)例。,二、一階、二階系統(tǒng)的特性,圖2-14,二階系統(tǒng)的幅頻、相頻特性曲線如圖2-15所示。,第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,二、一階、二階系統(tǒng)的特性,圖2-15,右圖為伯德圖。,第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,二、一階、二階系統(tǒng)的特性,右圖為奈奎斯特圖所示。,第三節(jié) 測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性,二、一階、二階系統(tǒng)的特性,工程控制學(xué)指出： 輸出y（t）等于輸入x（t）和系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)h（t）的卷積。即 y（t）=x（t）*h（t）,第四節(jié) 測(cè)試裝置對(duì)任意輸入的影響,一、系統(tǒng)對(duì)任意輸入的響應(yīng),一、 二階系

25、統(tǒng)在單位階躍輸入（圖2-19）,第四節(jié) 測(cè)試裝置對(duì)任意輸入的影響,二、系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng),圖2-19,一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如下圖所示,第四節(jié) 測(cè)試裝置對(duì)任意輸入的影響,二、系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng),二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（1s者，稱為過(guò)壓和欠壓噪聲。 供電電壓跳變的持續(xù)時(shí)間t1ms者稱為尖峰噪聲。,2. 供電系統(tǒng)的抗干擾,第八節(jié) 測(cè)量裝置的抗干擾,二、供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾,供電系統(tǒng)常采用的幾種抗干擾措施： （1） 交流穩(wěn)壓器 （2） 隔離穩(wěn)壓器 （3） 低通濾波器 （4） 獨(dú)立功能塊單獨(dú)供電。合理的供電系如下所示。,1. 信道干擾的種類(lèi),第八節(jié) 測(cè)量裝置的抗干擾,三、信道通道的干擾及

26、其抗干擾,（1） 信道通道元器件噪聲干擾 （2） 信號(hào)通道中信號(hào)的竄擾 （3） 長(zhǎng)線傳輸干擾,2. 信道通道的抗干擾措施,（1） 合理選用元器件和設(shè)計(jì)方案 （2） 印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)元器件排放要合理 （ 3） 在有一定傳輸長(zhǎng)度的信號(hào)輸出中，尤其是數(shù)字信號(hào)的傳輸可采用 光耦合隔離技術(shù)、雙絞線傳輸。,1. 單點(diǎn)接地,第八節(jié) 測(cè)量裝置的抗干擾,四、接地設(shè)計(jì),單點(diǎn)接地如圖2-30所示,圖2-30,2. 串聯(lián)接地,第八節(jié) 測(cè)量裝置的抗干擾,串聯(lián)接地如圖2-31所示,四、接地設(shè)計(jì),圖2-31,3. 多點(diǎn)接地,第八節(jié) 測(cè)量裝置的抗干擾,多點(diǎn)接地如圖2-32所示,四、接地設(shè)計(jì),圖2-32,4. 模擬地和數(shù)字地,

27、第八節(jié) 測(cè)量裝置的抗干擾,模擬地和數(shù)字地如圖2-33所示。,四、接地設(shè)計(jì),圖2-33,第一節(jié) 常用傳感器分類(lèi),傳感器有很多分類(lèi)的方法。按被測(cè)物理量的不同，可以分為移位傳感器、力傳感器、溫度傳感器等；按傳感器的工作原理的不同，可分為機(jī)械傳感器、電氣式傳感器、光學(xué)式傳感器、流體式傳感器等；按信號(hào)變換特征也可以概括分為物性傳感器與結(jié)構(gòu)型傳感器；根敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系，也可分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器與能量控制型傳感器；按輸出信號(hào)分類(lèi)，可分為模擬式傳感器和數(shù)字型傳感器等。 能量控制型傳感器，也稱有源傳感器，是從外部供給能量使傳感器工作的（見(jiàn)圖3-1），并且由被測(cè)量來(lái)控制外部供給能量的變化。,圖3-

28、1,第一節(jié) 常用傳感器分類(lèi),電容型伺服式加速度計(jì)，實(shí)際上是一個(gè)具有閉環(huán)回路的小型測(cè)量系統(tǒng)，如圖3-2所示。,圖3-2,被測(cè)量可放大而成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測(cè)量的大小。,第二節(jié) 機(jī)械式傳感器及儀器,儀表典型機(jī)械式傳感器如圖3-3所示。,圖3-3,微型探測(cè)開(kāi)關(guān)亦被看作機(jī)械式傳感器。微型探測(cè)開(kāi)關(guān)如圖3-4所示。,第二節(jié) 機(jī)械式傳感器及儀器,圖3-4,1.變阻器式傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,一、電陰式傳感器,常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等，如圖3-5所示。,圖3-5,1.變阻器式傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,一、電陰式傳感器,圖3-5b為回

29、轉(zhuǎn)型變阻式傳感器，其電阻值隨電刷轉(zhuǎn)角而變化。圖3-5c是一種非線性變阻式傳感器。,圖3-5,1.變阻器式傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,一、電陰式傳感器,變阻式傳感器的后接電路，一般采用電阻分壓電路，如圖3-6所示。,圖3-6,2.電阻應(yīng)變式傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,一、電陰式傳感器,常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式兩種。電阻絲應(yīng)變片如圖3-7所示。,（1） 金屬電阻應(yīng)變片,圖3-7,2.電阻應(yīng)變式傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,一、電陰式傳感器,箔式應(yīng)變片如圖3-8所示。,（1） 金屬電阻應(yīng)變片,圖3-8,2.電阻應(yīng)變式傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳

30、感器,一、電陰式傳感器,半導(dǎo)體應(yīng)變片最簡(jiǎn)單的典型結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。,（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片,圖3-9,2.電阻應(yīng)變式傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,一、電陰式傳感器,1） 直接用來(lái)測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力,（3）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實(shí)例,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,一、電陰式傳感器,幾種實(shí)用例子如圖3-10所示。,圖3-10,2.電阻應(yīng)變式傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,一、電陰式傳感器,2） 將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為： 測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。,（3）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實(shí)例,3. 固態(tài)壓阻式傳感器,固態(tài)壓阻式傳感器的工作原理與半導(dǎo)體應(yīng)變片相

31、同：都是利用半導(dǎo)體材料的電阻效應(yīng)。,4.典型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,一、電陰式傳感器,圖3-11動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀框圖,1.變換原理,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,二、電容式傳感器,極距變化型電容傳感器及輸出特性如下所示。,（1）極距變化型,1.變換原理,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,二、電容式傳感器,面積變化型電容傳感器如圖3-13所示。,（2）面積變化型,圖3-13,1.變換原理,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,二、電容式傳感器,利用介質(zhì)介電常數(shù)變化將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。,（2）介質(zhì)變化型,圖3-14介質(zhì)變化型電容傳感器應(yīng)用實(shí)例,2.測(cè)量原理,第三

32、節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,二、電容式傳感器,將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出。,（1）電橋型電路,通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋，如上圖所示。,2.測(cè)量原理,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,二、電容式傳感器,此電路又稱為靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器，如圖3-16所示。,（2）直流極化電路,圖3-16,2.測(cè)量原理,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,二、電容式傳感器,圖3-17為諧振電路原理及其工作特性。,（3）諧振電路,圖3-17,2.測(cè)量原理,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,二、電容式傳感器,調(diào)頻電路的工作原理如圖3-18

33、所示。,（4）調(diào)頻電路,圖3-18,2.測(cè)量原理,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,二、電容式傳感器,這種電路用于位移測(cè)量傳感器。運(yùn)算放大器電路如圖3-19所示。,（5）運(yùn)算放大器電路,圖3-19,3.電容集成壓力傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,二、電容式傳感器,運(yùn)用集成電路工藝可以把電容敏感元件電路制作在一起：構(gòu)成電容集成壓力傳感器。,圖3-20b是一個(gè)檢出電容變化并把它轉(zhuǎn)換成電壓輸出的激光壓力傳感器的電路原理圖。,圖3-20,1.自感型,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,三、電感式傳感器,（1） 可變阻式,圖3-21 可變磁阻式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理,1.自感型,第三節(jié) 電阻、電容與

34、電感式傳感器,三、電感式傳感器,（1） 可變阻式,圖3-22 幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu),1.自感型,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,三、電感式傳感器,（1）渦流式,渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的渦流效應(yīng)，如圖3-24所示。,圖3-24,1.自感型,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,三、電感式傳感器,（1）渦流式,圖3-25是用于渦流測(cè)振儀上的分壓式調(diào)幅電路原理。,圖3-25,1.自感型,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,三、電感式傳感器,（1）渦流式,圖3-26是諧振曲線及輸出特性。,圖3-26,1.自感型,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,三、電感式傳感器,（

35、1）渦流式,調(diào)頻電路的工作原理如圖3-27所示。,圖3-27,1.自感型,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,三、電感式傳感器,（1）渦流式,下圖表示的是渦流式傳感器的工程應(yīng)用實(shí)例。,2.互感型差動(dòng)變壓器式電感傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,三、電感式傳感器,這種傳感器利用了電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。如下圖所示。,2.互感型差動(dòng)變壓器式電感傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,三、電感式傳感器,實(shí)際應(yīng)用較多的是螺管形差動(dòng)變壓器，其工作原理如圖3-30a、b所示。,圖3-30,2.互感型差動(dòng)變壓器式電感傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器,三、電感式傳感器,圖3-31是一種利用小位移

36、測(cè)量的差動(dòng)相敏檢波電路工作原理圖。,圖3-31,1.動(dòng)圈式,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,一、磁電式傳感器,動(dòng)圈式又可分為線速度與角速度型。,圖3-32a表示線速度型傳感器工作原理。 圖3-32b是角速度型傳感器工作原理，線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,圖3-32,1.動(dòng)圈式,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,一、磁電式傳感器,動(dòng)圈磁電式傳感等效電路如圖3-33所示。,圖3-33,1.磁阻式,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,一、磁電式傳感器,磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)著的物體改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,1.壓電效應(yīng),第四節(jié)

37、磁電、壓電與熱電式傳感器,二、壓電式傳感器,某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等晶體，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，某些表面上出現(xiàn)電荷。晶體的這一性質(zhì)稱為壓電性，具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。,1.壓電效應(yīng),第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,二、壓電式傳感器,壓電效應(yīng)模型如圖3-36所示。,圖3-36,2.壓電材料,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,二、壓電式傳感器,常用的壓電材料可分為三類(lèi)：壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)壓電薄膜。,3.壓電式傳感器及其等效電路,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,二、壓電式傳感器,在壓電晶體片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，如圖3-37所示。,

38、圖3-37,4.測(cè)量電路,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,二、壓電式傳感器,電荷放大器是一個(gè)高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器。,略去傳感器漏電阻及電荷放大器輸入電阻時(shí)，它的等效電路如圖3-38所示。,圖3-38,5.壓電式傳感器的應(yīng)用,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,二、壓電式傳感器,壓電式傳感器常用來(lái)測(cè)量應(yīng)力壓力、振動(dòng)的加速度。壓電式傳感器也用于聲、超聲和聲發(fā)射等測(cè)量。,1.熱電偶傳感器,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,三、電熱式傳感器,（1） 熱電偶工作原理,把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成圖3-39所示的閉合回路。,圖3-39,1.熱電偶傳感器,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,三、電熱

39、式傳感器,（1） 熱電偶工作原理,如果將它們的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別置于溫度為T(mén)及T0的熱源中：則在該回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。 在圖3-39所示的熱電偶回路中，所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。,圖3-39,1.熱電偶傳感器,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,三、電熱式傳感器,（1） 熱電偶工作原理,在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線的兩端溫度相同：第三種導(dǎo)線的引入不會(huì)影響熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，這一性質(zhì)稱為中間導(dǎo)體定律。應(yīng)用這一定律可以采用開(kāi)路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)行穩(wěn)定度測(cè)量如圖3-40所示。,圖3-40,1.熱電偶傳感器,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,三、電熱

40、式傳感器,（2） 熱電偶分類(lèi),1） 鉑銠鉑熱電阻 2） 鎳鉻鎳硅熱電偶 3） 鎳鉻考銅熱電偶 4） 鉑銠30鉑銠6熱電偶,2.熱電阻傳感器,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,三、電熱式傳感器,（1）鉑電阻,鉑電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。,圖3-42WZB型鉑電阻體,2.熱電阻傳感器,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,三、電熱式傳感器,（2）銅電阻,銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價(jià)格便宜的等優(yōu)點(diǎn)。,圖3-43 銅電阻體,2.熱電阻傳感器,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,三、電熱式傳感器,（3）其他電阻體,1） 銦電阻一種高精度低溫?zé)犭娮琛Ｈ秉c(diǎn)是材料很軟，復(fù)制性差。,2） 錳

41、電阻電阻隨溫度變化很大，靈敏度高；受磁場(chǎng)的影響小，且有規(guī)律。錳電阻的缺點(diǎn)是脆性大，難以拉制成絲。,3） 碳電阻適合作液氦溫閾溫度計(jì)。其缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差。,1.外光電效應(yīng),第五節(jié) 光電傳感器,一、光電測(cè)量原理,在光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。,2.內(nèi)光電效應(yīng) 在光照作用下，物體的導(dǎo)電性能如電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱內(nèi)光電效應(yīng)。,3.光生伏打效應(yīng) 在光線照射下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)?；诠馍蛐?yīng)的器件有光電池、可見(jiàn)光電池等。,常見(jiàn)的硅光電池結(jié)構(gòu)如圖3-44所示。,第五節(jié) 光電傳感器,一、光電測(cè)量原理,圖3-44,1.真空光電管或光電管,第

42、五節(jié) 光電傳感器,二、光電元件,光電管主要有兩種結(jié)構(gòu)形式如圖3-45。,圖3-45,1.真空光電管或光電管,第五節(jié) 光電傳感器,二、光電元件,真空光電管的特性如圖3-46所示。,圖3-46,2.光電倍增管,第五節(jié) 光電傳感器,二、光電元件,光電倍增管的結(jié)構(gòu)及電路如圖3-47所示。,圖3-47,3.光敏電阻,第五節(jié) 光電傳感器,二、光電元件,光敏電阻的特點(diǎn)是靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬?？蓮淖贤庖恢钡郊t外，且體積小，性能穩(wěn)定、廣泛應(yīng)用于測(cè)試技術(shù)。,4.光敏晶體管 光敏晶體管分光敏二極管和光敏晶體管。,光敏二極管，其結(jié)構(gòu)原理如圖3-48。,第五節(jié) 光電傳感器,二、光電元件,圖3-48,光敏晶體管，其結(jié)

43、構(gòu)原圖3-49所示。,第五節(jié) 光電傳感器,二、光電元件,圖3-49,1.模擬亮光電傳感器,第五節(jié) 光電傳感器,三、光電傳感器的應(yīng)用,（1） 光源本身是被測(cè)物如圖3-50a,（2） 恒光源所輻射的光穿過(guò)被測(cè)物，部分被吸收，而后到達(dá)光電元件上。,（3） 恒光源所輻射的光照到被測(cè)物，如圖3-50c。,（4） 恒光源所輻射的光遇到被測(cè)物，部分被遮擋，而后到達(dá)光電元件上，如圖3-50d。,1.模擬亮光電傳感器,第五節(jié) 光電傳感器,三、光電傳感器的應(yīng)用,圖3-50,2.開(kāi)關(guān)亮光電傳感器,第五節(jié) 光電傳感器,三、光電傳感器的應(yīng)用,按工作原理分，可分為脈沖盤(pán)式和碼盤(pán)式兩種。,（1） 脈沖盤(pán)式角度數(shù)字編碼器,脈

44、沖盤(pán)式角度-數(shù)字編碼器的結(jié)構(gòu)如圖3-51所示。,圖3-51,2.開(kāi)關(guān)亮光電傳感器,第五節(jié) 光電傳感器,三、光電傳感器的應(yīng)用,若采用兩套光電轉(zhuǎn)換裝置：使其相對(duì)位置有一定的關(guān)系，以保證它們產(chǎn)生的信號(hào)在相位上相差1/4周期，這樣可以判斷軸的旋轉(zhuǎn)方向。,圖3-52 辨向環(huán)節(jié)的邏輯電路圖,2.開(kāi)關(guān)亮光電傳感器,第五節(jié) 光電傳感器,三、光電傳感器的應(yīng)用,（2） 碼盤(pán)式角度-數(shù)字編碼器,圖3-53 編碼盤(pán)結(jié)構(gòu),2.開(kāi)關(guān)亮光電傳感器,第五節(jié) 光電傳感器,三、光電傳感器的應(yīng)用,（3）光電式角度數(shù)字編碼器。結(jié)構(gòu)如圖3-54所示。,圖3-54,1.冷軋鋼帶跑偏監(jiān)測(cè),第五節(jié) 光電傳感器,四、應(yīng)用實(shí)例,圖3-55為一種

45、利用光電傳感器進(jìn)行邊緣位置檢測(cè)的裝置。用于帶鋼冷軋過(guò)程中控制帶鋼的移動(dòng)位置糾偏。,圖3-55,2.光電轉(zhuǎn)速計(jì),第五節(jié) 光電傳感器,四、應(yīng)用實(shí)例,采用光電元件也可以做成光電轉(zhuǎn)速計(jì)。,按光纖的作用，光纖傳感器可分為功能型和傳光型兩種，如圖3-56。,第六節(jié) 光纖傳感器,一、分類(lèi),圖3-56,光波沿光纖的傳播是以全反射方式進(jìn)行的。光的折射過(guò)程如圖3-57所示。,第六節(jié) 光纖傳感器,二、光纖導(dǎo)光原理,圖3-57,光線在光纖中的傳播如圖3-58所示。,第六節(jié) 光纖傳感器,二、光纖導(dǎo)光原理,圖3-58,下面介紹幾種光纖位移傳感器。,第六節(jié) 光纖傳感器,三、光纖傳感器的應(yīng)用,圖3-59 一種最簡(jiǎn)單的光纖位移

46、傳感器。,下面介紹幾種光纖位移傳感器。,第六節(jié) 光纖傳感器,三、光纖傳感器的應(yīng)用,圖3-60 一種反射式光纖位移傳感器。,圖3-61所示的液位光纖傳感器的端部，有一個(gè)全反射棱鏡。,第六節(jié) 光纖傳感器,三、光纖傳感器的應(yīng)用,圖3-61,（1） 不受電磁干擾，電氣絕緣性能好。 （2） 光波傳輸無(wú)電能和電火花。 （3） 工作性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器。 （4） 重量輕，體積小。 （5） 具有良好的幾何形狀適應(yīng)性。 （6） 頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大。 （7） 易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)控。,第六節(jié) 光纖傳感器,四、光纖傳感器的特點(diǎn),1.霍爾元件,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,一、磁敏傳感器,霍爾元件是一種半導(dǎo)體材料的磁電轉(zhuǎn)換元件。它

47、們利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作。,圖3-62 霍爾元件及霍爾效應(yīng)原理,1.霍爾元件,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,一、磁敏傳感器,圖3-63 霍爾元件用于測(cè)量的各種實(shí)例。,1.霍爾元件,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,一、磁敏傳感器,圖3-64表示一種利用霍爾元件調(diào)測(cè)MTC鋼絲繩的工作原理。,圖3-64,2.磁阻元件,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,一、磁敏傳感器,磁電元件是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)來(lái)工作的。,圖3-65 一種測(cè)量位移的磁阻效應(yīng)傳感器。,3.磁敏管,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,一、磁敏傳感器,磁敏二極管和磁敏三極管是20世紀(jì)70年代發(fā)展出來(lái)的新型磁敏傳感器。這種元件檢測(cè)磁場(chǎng)變化的靈敏度很高。,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,二、

48、熱敏傳感器,熱敏電阻是一種半導(dǎo)體溫度傳感器：由金屬氧化物的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成。,圖3-66 熱敏電阻具有很大的負(fù)溫度系數(shù)，且其特性曲線為非線性的,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,二、熱敏傳感器,熱敏電阻是一種半導(dǎo)體溫度傳感器：由金屬氧化物的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成。,圖3-67 熱敏電阻元件可制作成珠狀、桿狀和片狀,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,三、氣敏傳感器,半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理是：當(dāng)氣敏元件吸附了被測(cè)氣體時(shí)，其導(dǎo)電率發(fā)生了變化。當(dāng)半導(dǎo)體氣敏元件表面吸附氣體分子時(shí)，由于二者相互接收電子的能力不同，產(chǎn)生了正離子或負(fù)離子吸附，引起表面能帶彎曲，導(dǎo)致導(dǎo)電率變化。,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,四、濕敏傳感器

49、,金屬氧化物濕敏傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-68所示。,圖3-68,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,五、固態(tài)圖像傳感器,固體圖像傳感器從功能上說(shuō)，他是一個(gè)能把接收到的光像分成許多小單元，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它的核心部分是電荷耦合器件，簡(jiǎn)稱CCD。,圖3-69 線性CCD圖像傳感器,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,五、固態(tài)圖像傳感器,固體圖像傳感器從功能上說(shuō)，他是一個(gè)能把接收到的光像分成許多小單元，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它的核心部分是電荷耦合器件，簡(jiǎn)稱CCD。,圖3-70表示用于熱軋鋁板寬度檢測(cè)的實(shí)例。,第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器,六、集成傳感器,集成傳感器一般具有以下幾方面的能力。,（1） 條件調(diào)節(jié)和溫度補(bǔ)償能力 （2）

50、 通信能力 （3） 自診斷能力 （4） 邏輯判斷能力,第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng),一、紅外輻射,紅外輻射是指太陽(yáng)光中波長(zhǎng)比紅光長(zhǎng)的那部分可見(jiàn)光。,現(xiàn)實(shí)世界所輻射的各種電磁波波譜很寬。如圖3-71所示。,圖3-71,第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng),一、紅外輻射,普朗克定律揭示了不同溫度下黑體輻射通量按波長(zhǎng)分布的規(guī)律，圖3-72所示。,圖3-72,第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng),二、紅外探測(cè)器,1.熱探測(cè)器,（1） 熱電偶型，如圖3-73所示。,圖3-73,第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng),二、紅外探測(cè)器,1.熱探測(cè)器,（2） 氣動(dòng)型。其結(jié)構(gòu)原理如圖3-74所示。,圖3-74,第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng),二、紅外探測(cè)器,1.熱探測(cè)器,（3）

51、 熱釋電型,熱釋電探測(cè)器的工作原理是基于物質(zhì)的熱釋電效應(yīng)。,2.光子探測(cè)器,光子探測(cè)器的工作原理是：基于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。,第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng),三、紅外測(cè)試應(yīng)用,1.輻射溫度計(jì),運(yùn)用斯蒂芬玻爾茲曼定律可進(jìn)行輻射溫度測(cè)量。圖3-75為一輻射溫度設(shè)計(jì)原理圖。,圖3-75,第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng),三、紅外測(cè)試應(yīng)用,2.紅外測(cè)溫儀,圖3-76為紅外測(cè)溫裝置原理框圖。,圖3-76,第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng),三、紅外測(cè)試應(yīng)用,3.紅外熱像儀,紅外熱像儀的作用是:將人的肉眼看不見(jiàn)的紅外熱圖形轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光進(jìn)行處理和顯示，這種技術(shù)稱為紅外熱成像技術(shù)。,圖3-77 紅外熱像儀的工作原理,1.激光測(cè)長(zhǎng)儀,第九節(jié) 激

52、光測(cè)試傳感器,一、激光干涉式測(cè)量?jī)x器,常用的激光測(cè)長(zhǎng)儀是以激光為光源的邁克爾遜干涉儀。其工作原理是通過(guò)測(cè)定檢測(cè)光與參考光的相位差所形成的干涉條紋數(shù)目而測(cè)得物體的長(zhǎng)度。,圖3-78 激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀原理,2.激光測(cè)振儀,第九節(jié) 激光測(cè)試傳感器,一、激光干涉式測(cè)量?jī)x器,激光干涉儀法測(cè)振仍然是以邁克爾遜干涉儀為基礎(chǔ)。通過(guò)計(jì)算干涉條紋數(shù)的變化來(lái)測(cè)量振幅。,GZ-1型激光干涉測(cè)振儀原理。,2.激光測(cè)振儀,第九節(jié) 激光測(cè)試傳感器,一、激光干涉式測(cè)量?jī)x器,圖3-80為利用激光的多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)振的系統(tǒng)示意圖。,1.激光全息原理,第九節(jié) 激光測(cè)試傳感器,二、激光全息測(cè)量?jī)x器,圖3-81是全息成像記錄過(guò)程的原理圖

53、。,圖3-81,2.激光全息成像的特點(diǎn),第九節(jié) 激光測(cè)試傳感器,二、激光全息測(cè)量?jī)x器,（1）影像需要在激光條件下進(jìn)行再現(xiàn)，方可看到被攝物的像。 （2）再現(xiàn)的像是立體像。 （3）全息相片具有可分割性。 （4） 一張干板可同時(shí)記錄多個(gè)影像。,圖3-82為一疊層結(jié)構(gòu)，前壁板之間局部脫膠。,第九節(jié) 激光測(cè)試傳感器,二、激光全息測(cè)量?jī)x器,圖3-82,圖3-83為激光輪廓測(cè)量技術(shù)的工作原理。,第九節(jié) 激光測(cè)試傳感器,二、激光全息測(cè)量?jī)x器,圖3-83,靈敏度：傳感器靈敏度越高越好。,第十節(jié) 傳感器的選用原則,選用原則,精確度：應(yīng)從實(shí)際出發(fā)尤其應(yīng)從測(cè)試目的出發(fā)來(lái)選擇 。,可靠性：產(chǎn)品的性能參數(shù)均處在規(guī)定的誤差

54、范圍內(nèi) 。,線性范圍：在線性范圍內(nèi)輸入與輸出成比例關(guān)系。,響應(yīng)特性：影響特性必須滿足不失真測(cè)量條件。,選用傳感器除了充分考慮以上因素外：還應(yīng)兼顧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于更換等條件。,第一節(jié) 電橋,一、直流電橋換,電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路，由于橋式測(cè)量電路簡(jiǎn)單可靠，而且具有很高的精度和靈敏度，因此在測(cè)量裝置中被廣泛采用。 電橋按其所采用的激勵(lì)電源的類(lèi)型可分為直流電橋與交流電橋；按其工作原理可分為偏值法和歸零法兩種，其中偏值法的應(yīng)用更為廣泛。,圖4-1是直流電橋的基本結(jié)構(gòu)。,第一節(jié) 電橋,一、直流電橋換,在測(cè)試中常用的電橋連接

55、形式有：?jiǎn)伪垭姌蜻B接、半橋連接與全橋連接。,直流電橋的連接方式，如圖4-2所示。,圖4-2,第一節(jié) 電橋,一、直流電橋換,在測(cè)試中常用的電橋連接形式有：?jiǎn)伪垭姌蜻B接、半橋連接與全橋連接。,懸臂梁測(cè)力的電橋接法如圖4-3所示,圖4-3,第一節(jié) 電橋,一、直流電橋換,在測(cè)試中常用的電橋連接形式有：?jiǎn)伪垭姌蜻B接、半橋連接與全橋連接。,柱形梁測(cè)力的電橋接法如圖4-4所示。,圖4-4,第一節(jié) 電橋,一、直流電橋換,在測(cè)試中常用的電橋連接形式有：?jiǎn)伪垭姌蜻B接、半橋連接與全橋連接。,使用電橋電路時(shí)，還需要調(diào)節(jié)零位平衡，如圖4-5所示。,圖4-5,交流電橋的電路結(jié)構(gòu)與直流電橋完全一樣，如圖4-6所示。,第一節(jié)

56、 電橋,二、 交流電橋換,圖4-6,圖4-7是一種常用電容電橋。,第一節(jié) 電橋,二、 交流電橋換,圖4-7,圖4-8是一種常用的電感電橋。,第一節(jié) 電橋,二、 交流電橋換,圖4-8,電阻交流電橋的分布電容如圖4-9所示。,第一節(jié) 電橋,二、 交流電橋換,圖4-9,具有電阻電容平衡的交流電阻電橋如圖4-10所示。,第一節(jié) 電橋,二、 交流電橋換,圖4-10,用于電感比較儀中的電橋如圖4-11a所示。,第一節(jié) 電橋,三、 帶感應(yīng)耦合臂的電橋,帶感應(yīng)耦合臂的電橋：是將感應(yīng)耦合的兩個(gè)繞組作為橋臂而組成的電橋，一般有兩種形式。,圖4-11,第一節(jié) 電橋,三、 帶感應(yīng)耦合臂的電橋,另一種電橋形式如圖4-1

57、1b所示。,圖4-11,第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào),調(diào)制是指利用某種低頻信號(hào)來(lái)控制或改變一高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)（幅值、頻率或相位）的過(guò)程。當(dāng)被控制的量是高頻振蕩信號(hào)的幅值時(shí)，稱為幅值調(diào)制或調(diào)幅；當(dāng)被控制的量是高頻振蕩信號(hào)的頻率時(shí)，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻；當(dāng)被控制的量是高頻振蕩信號(hào)的相位時(shí)，稱為相位調(diào)制或調(diào)相。（高頻振蕩信號(hào)為載波，控制高頻振蕩的低頻信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，調(diào)制后的高頻振蕩信號(hào)為已調(diào)制信號(hào)） 解調(diào)是指從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。調(diào)制與解調(diào)是一對(duì)相反的信號(hào)變換過(guò)程，在工程上經(jīng)常結(jié)合在一起使用。,1.幅值調(diào)制,第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào),一、 幅值調(diào)制與解調(diào),幅值調(diào)制是將一個(gè)高頻載波信號(hào)（此處采

58、用余弦波）與被測(cè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化。,幅值調(diào)制如圖4-12所示。,圖4-12,2.調(diào)幅信號(hào)的頻域分析,第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào),一、 幅值調(diào)制與解調(diào),一個(gè)函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果是：將這個(gè)函數(shù)的波形由坐標(biāo)原點(diǎn)平移至該脈沖函數(shù)處。,調(diào)頻信號(hào)的頻譜如圖4-13所示。,圖4-13,3.調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法,第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào),一、 幅值調(diào)制與解調(diào),（1） 同步調(diào)節(jié) 若把調(diào)幅波再次與原載波信號(hào)相乘，則頻域的頻譜圖形將再一次進(jìn)行 “搬家”，氣息結(jié)果是使原信號(hào)的頻譜圖形平移到0和2f0的頻率處。,同步解調(diào)，如圖4-14所示。,圖4-14,3.調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法,第二節(jié)

59、 調(diào)制與解調(diào),一、 幅值調(diào)制與解調(diào),（2）包絡(luò)檢波 包絡(luò)檢波亦稱整流檢波。,調(diào)制信號(hào)加足夠直流偏置 的的調(diào)幅波如圖4-15所示。,圖4-15,3.調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法,第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào),一、 幅值調(diào)制與解調(diào),（2）包絡(luò)檢波 包絡(luò)檢波亦稱整流檢波。,若所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都位于零位的同一側(cè)： 那么對(duì)調(diào)幅的波形只進(jìn)行簡(jiǎn)單的整流濾波便不能回復(fù)原調(diào)制信號(hào)，而會(huì)造成失真。,調(diào)制信號(hào)直流偏置不夠時(shí)，如圖4-16所示。,圖4-16,3.調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法,第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào),一、 幅值調(diào)制與解調(diào),（3） 相敏檢波 相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性互換。其特點(diǎn)是可以鑒別調(diào)制信號(hào)的極性，所以采用相敏檢波時(shí)，對(duì)調(diào)制信號(hào)不必再直流偏置。,3.調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法,第